特開 2023-35641 電力変換システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023035641

(43)【公開日】2023-03-13

(54)【発明の名称】電力変換システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 5/458 20060101AFI20230306BHJP

【ＦＩ】

H02M5/458

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021142652

(22)【出願日】2021-09-01

(71)【出願人】

【識別番号】390021577

【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162570

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 早苗

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】久野村 健

(72)【発明者】

【氏名】清水 俊匡

(72)【発明者】

【氏名】永井 匠

【テーマコード（参考）】

5H750

【Ｆターム（参考）】

5H750BA08

5H750CC04

5H750DD01

5H750FF02

5H750FF05

5H750GG04

(57)【要約】      （修正有）

【課題】過電流の抑制に伴う電圧低下の影響を低減することが可能な電力変換システムを提供する。
【解決手段】電力変換システムにおいて、制御装置５０は、周波数変換装置３０の三相交流出力電圧を、９０度の位相差を有する２組の単相交流出力電圧に変換する電圧変換部と、周波数変換装置３０の三相交流出力電流を９０度の位相差を有する２組の単相交流出力電流に変換する電流変換部と、電流変換部により変換された２組の単相交流出力電流のうち一方の組の単相交流出力電流が、定格電流と過電流保護レベルの間にある一定値を超過したときに、この超過分に応じて、電圧変換部により変換された２組の単相交流出力電圧のうち一方の組の単相交流出力電圧の指令値を低減し、この低減された指令値に基づく三相交流電圧の出力電圧指令値を出力することで、周波数変換装置３０の交流出力電流を制限する電圧指令値出力部と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

周波数変換装置の三相交流出力を、き電用変電所につながる負荷に供給する電力変換システムであって、
前記周波数変換装置の三相交流出力電圧を９０度の位相差を有する２組の単相交流出力電圧に変換する電圧変換部と、
前記周波数変換装置の三相交流出力電流を９０度の位相差を有する２組の単相交流出力電流に変換する電流変換部と、
前記電流変換部により変換された２組の単相交流出力電流のうち一方の組の単相交流出力電流が、定格電流と過電流保護レベルの間にある一定値を超過したときに、この超過分に応じて、前記電圧変換部により変換された２組の単相交流出力電圧のうち前記一方の組の単相交流出力電圧の指令値を低減し、この低減された指令値に基づく三相交流電圧の出力電圧指令値を出力することで、前記周波数変換装置の交流出力電流を制限する電圧指令値出力部と、を有する制御装置を備える電力変換システム。

【請求項2】

前記制御装置の前記電圧指令値出力部は、
前記一方の組の単相交流出力電流が前記一定値を超過したときに、この一定値に対する超過分の瞬時値に比例した値に応じて、前記周波数変換装置へのゲートパルスの指令値を低減することで、前記一方の組の単相交流出力電圧の指令値を低減する
請求項１記載の電力変換システム。

【請求項3】

前記制御装置の前記電圧指令値出力部は、
前記電圧変換部により変換された、前記一方の組の単相交流出力電圧と指令値との偏差に基づいてＭ座側の交流電圧制御値を出力する第１の電圧調整部と、
前記電流変換部により変換された、前記一方の組の単相交流出力電流が前記一定値を超過したときに、前記第１の電圧調整部から出力された交流電圧制御値から、前記超過分の瞬時値に比例した値を減算することで、前記一方の組に係る出力電圧指令値を出力する第１の電圧指令値出力部と、
前記電圧変換部により変換された、前記２組のうち他方の組の単相交流出力電圧と指令値との偏差に基づいてＭ座側の交流電圧制御値を出力する第２の電圧調整部と、
前記電流変換部により変換された、前記他方の組の単相交流出力電流が前記一定値を超過したときに、前記第２の電圧調整部から出力された交流電圧制御値から、前記超過の瞬時値に比例した値を減算することで、前記他方の組に係る出力電圧指令値を出力する第２の電圧指令値出力部と、を有し、
前記第１の電圧指令値出力部からの出力電圧指令値と、前記第２の電圧指令値出力部からの出力電圧指令値とに基づいて、前記三相交流電圧の出力電圧指令値を出力する
請求項１に記載の電力変換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換システムに関する。

【背景技術】

【0002】

日本の電力系統には、大きく分けて東地域の５０Ｈｚと西地域の６０Ｈｚとの異なる周波数が存在している。そのため、電力系統の周波数が異なる地域にわたって走行する交流電気鉄道の車両へ電力を供給する電源システムは、車両を６０Ｈｚ専用とする場合には、電力の周波数を５０Ｈｚから６０Ｈｚに変換する周波数変換装置（ＦＣ：Frequency Converter）が必要となる。

【0003】

この周波数変換装置には、運転時に、例えばき電系統における短絡故障または地絡故障が発生したときに流れる過電流を抑制する制御装置が設けられる。この制御装置は、上記の過電流に対して、周波数変換装置の出力電圧を急激に低減させることで、過電流を抑制する機能を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－８０１３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記の周波数変換装置には、６０Ｈｚに変換された交流電力を三相交流電力として、き電用変電所に出力するタイプが存在する。
このき電用変電所は、電力の有効活用のために、周波数変換装置から出力された三相交流電力を、例えばスコット変圧器により９０度の位相差を有する２組の単相交流電力、すなわちＭ座とＴ座の単相交流電力に変換して、それぞれの単相交流電力を負荷、例えば列車負荷に供給する。

【0006】

上記の変換により、き電用変電所と上記の負荷との間の送電線路は、Ｍ座の単相交流電力に係る送電線路と、Ｔ座の単相交流電力に係る送電線路とに区分される。
上記の送電線路の一方のみ、例えばＭ座の単相交流電力に係る送電線路に、短絡故障または地絡故障が発生したときに、上記の周波数変換装置の制御装置が、過電流に対して、単に周波数変換装置の出力電圧を低減させることで過電流を抑制すると、Ｍ座の単相交流電力に係る送電線路の電圧と、上記の故障が発生していないＴ座の単相交流電力に係る送電線路の電圧との双方が低減する。すなわち、本来は電圧を低減させる必要がない送電線路の電圧に低減の影響が及んでしまう。

【0007】

本発明が解決しようとする課題は、き電用変電所と負荷との間の２組の単相交流電力に係る送電線路の一方に発生した過電流の抑制に伴う電圧低下の影響を低減することが可能な電力変換システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態における電力変換システムは、周波数変換装置の三相交流出力を、き電用変電所につながる負荷に供給する電力変換システムであって、前記周波数変換装置の三相交流出力電圧を９０度の位相差を有する２組の単相交流出力電圧に変換する電圧変換部と、前記周波数変換装置の三相交流出力電流を９０度の位相差を有する２組の単相交流出力電流に変換する電流変換部と、前記電流変換部により変換された２組の単相交流出力電流のうち一方の組の単相交流出力電流が、定格電流と過電流保護レベルの間にある一定値を超過したときに、この超過分に応じて、前記電圧変換部により変換された２組の単相交流出力電圧のうち前記一方の組の単相交流出力電圧の指令値を低減し、この低減された指令値に基づく三相交流電圧の出力電圧指令値を出力することで、前記周波数変換装置の交流出力電流を制限する電圧指令値出力部と、を有する制御装置を有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、き電用変電所と負荷との間の２組の単相交流電力に係る送電線路の一方に発生した過電流の抑制に伴う電圧低下の影響を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施形態に係る電力変換システムの一例を示す図である。

【図2】図２は、実施形態に係る電力変換システムの制御装置の機能の一例を示す図である。

【図3】図３は、実施形態に係る電力変換システムの制御装置による制御がなされたときの出力電圧および出力電流の特性の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、実施形態に係る電力変換システムの一例を示す図である。
この電力変換システムは、例えば電気鉄道用電力変換システムであり、交流系統１０、変圧器２０、電力変換装置としての周波数変換装置３０、変圧器４０、および電力変換装置の制御装置としての制御装置５０を有する。

【0012】

周波数変換装置３０は、コンバータ３１、平滑コンデンサ（直流リンク部コンデンサ）３２、およびインバータ３３を有する。
変圧器２０は、交流系統１０の交流電圧、ここでは５０Ｈｚの三相交流電圧を所定の電圧に変換する。周波数変換装置３０のコンバータ３１は、変圧器２０からの電圧を例えばＧＴОサイリスタにより直流電圧に変換する。コンバータ３１の直流側端子からの直流電圧は平滑コンデンサ３２を介してインバータ３３の直流側端子に入力される。インバータ３３は、直流側端子から入力した電圧を例えばＧＴОサイリスタにより所定周波数、ここでは６０Ｈｚの三相交流電圧に変換する。変圧器４０は、インバータ３３からの三相交流電圧を所定の電圧に変換して、図示しない、き電用変電所に向けて出力する。

【0013】

制御装置５０は、電流センサ５１により検出した、変圧器４０と、き電用変電所との間の送電線路を流れる交流出力電流と、電圧センサ５２により検出した、変圧器４０と、き電用変電所との間の送電線路の交流出力電圧を制御回路５３に入力し、制御回路５３においてインバータ３３の交流出力電流の振幅値が定格電流と過電流保護レベルの間にある一定値を超過した場合に、その超過分に応じてインバータ３３のゲートパルスの電圧指令値を低減し、インバータ３３の交流出力電流を制限する。

【0014】

図２は、実施形態に係る電力変換システムの制御装置の機能の一例を示す図である。
図２に示されるように、制御装置５０の制御回路５３は、系統電圧側のＭＴ変換および振幅演算部５３ａ、系統電圧（Ｍ座相当）の自動電圧調整部（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）５３ｂ、Ｍ座側の過電流抑制制御部５３ｃ、Ｍ座側の減算器５３ｄ、Ｍ座側の単相逆ｄｑ変換部５３ｅ、系統電流側のＭＴ変換部５３ｆ、系統電圧（Ｔ座相当）の自動電圧調整部５３ｇ、Ｔ座側の過電流抑制制御部５３ｈ、Ｔ座側の減算器５３ｉ、およびＴ座側の単相逆ｄｑ変換部５３ｊを有し、逆ＭＴ変換部５３ｋをさらに有する。

【0015】

Ｍ座側の過電流抑制制御部５３ｃは、振幅演算部５３ｃ１、フィルタ部５３ｃ２、ゲイン部５３ｃ３、および超過分検出部５３ｃ４を有する。
Ｔ座側の過電流抑制制御部５３ｈは、振幅演算部５３ｈ１、フィルタ部５３ｈ２、ゲイン部５３ｈ３、および超過分検出部５３ｈ４を有する。

【0016】

ＭＴ変換および振幅演算部５３ａは、電圧センサ５２により検出された系統電圧である、周波数変換装置３０と、き電用変電所との間の送電線路のＲ相、Ｓ相、およびＴ相でなる三相交流電圧を２組の単相交流電圧である、１組目の系統電圧（Ｍ座相当）および２組目の系統電圧（Ｔ座相当）に変換し、それぞれの振幅演算値を求めて、系統電圧（Ｍ座相当）の振幅演算値を自動電圧調整部５３ｂに出力し、系統電圧（Ｔ座相当）の振幅演算値を自動電圧調整部５３ｇに出力する。

【0017】

Ｍ座側の自動電圧調整部５３ｂは、周波数変換装置３０からのＭ座側の出力電圧の電圧指令値と上記系統電圧（Ｍ座相当）の振幅演算値との偏差を求めて、この偏差に基づいてＭ座側の交流電圧制御値を求める。

【0018】

ＭＴ変換部５３ｆは、電流センサ５１により検出された系統電流である、変圧器４０と、き電用変電所との間の送電線路を流れるＲ相、Ｓ相、およびＴ相でなる三相交流電流を２組の単相交流電流である、１組目の系統電流（Ｍ座相当）および２組目の系統電流（Ｔ座相当）に変換して、系統電流（Ｍ座相当）を過電流抑制制御部５３ｃに出力し、系統電流（Ｔ座相当）を過電流抑制制御部５３ｈに出力する。

【0019】

Ｍ座側の過電流抑制制御部５３ｃの振幅演算部５３ｃ１は、系統電流（Ｍ座相当）の振幅演算値を出力する。この振幅演算値に対しては、フィルタ部５３ｃ２による不感帯のフィルタリング、およびゲイン部５３ｃ３による増幅がなされる。超過分検出部５３ｃ４は、この増幅がなされた値が一定値を超過した場合、その超過分の瞬時値に比例した値を求める。
この一定値は、変圧器４０からの送電線路を流れる交流出力電流が定格電流と過電流保護レベルの間にある値のうちで、最適と考えられる値である。

【0020】

Ｍ座側の自動電圧調整部５３ｂからの交流電圧制御値は減算器５３ｄの＋端子に入力され、過電流抑制制御部５３ｃの超過分検出部５３ｃ４からの出力値は減算器５３ｄの－端子に入力される。減算器５３ｄからは、自動電圧調整部５３ｂからの交流電圧制御値と超過分検出部５３ｃ４からの出力値との偏差が出力される。単相逆ｄｑ変換部５３ｅは、減算器５３ｄから出力された偏差に対する逆ｄｑ変換を行ない、インバータ３３によるＭ座相当の出力電圧指令値を逆ＭＴ変換部５３ｋに出力する。

【0021】

このように、Ｍ座側の過電流抑制制御部５３ｃの超過分検出部５３ｃ４からの出力が、自動電圧調整部５３ｂからの出力より減算器５３ｄにより減算されることで、インバータ３３によるＭ座相当の出力電圧指令値が低減する。これにより、き電用変電所と負荷との間のＭ座側の送電線路の故障によりインバータ３３に流れる過電流が抑制される。

【0022】

Ｔ座側の自動電圧調整部５３ｇは、周波数変換装置３０からのＴ座側の出力電圧の電圧指令値と上記系統電圧（Ｔ座相当）の振幅演算値との偏差を求めて、この偏差に基づいてＴ座側の交流電圧制御値を求める。

【0023】

Ｔ座側の過電流抑制制御部５３ｈの振幅演算部５３ｈ１は、系統電流（Ｔ座相当）の振幅演算値を出力する。この振幅演算値はフィルタ部５３ｈ２による不感帯のフィルタリング、ゲイン部５３ｈ３による増幅がなされる。超過分検出部５３ｈ４は、この増幅がなされた値が一定値を超過した場合、その超過分の瞬時値に比例した値を求める。

【0024】

Ｔ座側の自動電圧調整部５３ｇからの交流電圧制御値は減算器５３ｉの＋端子に入力され、過電流抑制制御部５３ｈの超過分検出部５３ｈ４からの出力値は減算器５３ｉの－端子に入力される。減算器５３ｉからは、自動電圧調整部５３ｇからの交流電圧制御値と超過分検出部５３ｈ４からの出力値との偏差が出力される。単相逆ｄｑ変換部５３ｊは、減算器５３ｉから出力された偏差に対する逆ｄｑ変換を行ない、インバータ３３によるＴ座相当の出力電圧指令値を逆ＭＴ変換部５３ｋに出力する。

【0025】

このように、Ｔ座側の過電流抑制制御部５３ｈの超過分検出部５３ｈ４からの出力が、自動電圧調整部５３ｇからの出力より減算器５３ｉにより減算されることで、インバータ３３によるＴ座相当の出力電圧指令値が低減する。これにより、き電用変電所と負荷との間のＴ座側の送電線路の故障によりインバータ３３に流れる過電流が抑制される。

【0026】

逆ＭＴ変換部５３ｋは、単相逆ｄｑ変換部５３ｅからのＭ座相当の出力電圧指令値と、単相逆ｄｑ変換部５３ＪからのＴ座相当の出力電圧指令値とを入力して、これらの値に対する逆ＭＴ変換を行ない、インバータ３３によるＲ相、Ｓ相、およびＴ相でなる三相交流電圧の出力電圧指令値をインバータ３３のゲートパルスとして出力する。

【0027】

自動電圧調整部５３ｂからの出力から、Ｍ座側の過電流抑制制御部５３ｃの超過分検出部５３ｃ４からの出力が減算器５３ｄにより減算されることで、インバータ３３によるＭ座相当の出力電圧指令値が低減された結果、または自動電圧調整部５３ｇからの出力から、Ｔ座側の過電流抑制制御部５３ｈの超過分検出部５３ｈ４からの出力が減算器５３ｉにより減算されることで、インバータ３３によるＴ座相当の出力電圧指令値が低減された結果が、逆ＭＴ変換部５３ｋから出力される三相交流電圧の出力電圧指令値に反映される。

【0028】

き電用変電所と上記の負荷との間の送電線路における、Ｍ座の単相交流電力に係る送電線路の電圧は、周波数変換装置３０からのＲ相およびＴ相の出力電圧に影響を受ける。また、き電用変電所と上記の負荷との間の送電線路における、Ｔ座の単相交流電力に係る送電線路の電圧は、周波数変換装置３０からのＲ相、Ｓ相、およびＴ相の出力電圧に影響を受ける。

【0029】

図３は、実施形態に係る電力変換システムの制御装置による制御がなされたときの出力電圧および出力電流の特性の一例を示す図である。
図３では、き電用変電所への送電線路での短絡故障または地絡故障の発生に伴って、き電用変電所への送電線路での系統電流に過電流が生じたときに（符号ａ）、故障回路切り離し時間（符号ｂ）において系統電圧を急激に低減させることで、系統電流が、過電流保護レベル（符号ｃ）未満となるように制御されることが示される。

【0030】

また、図３では、上記の系統電流の制御後で、再閉路時間である瞬時停電時間（符号ｄ）の後における瞬時停電が復電するときに（符号ｅ）、制御回路５３により系統電圧が上記短絡故障または地絡故障の発生前の電圧に戻されることも示される。

【0031】

本実施形態では、き電用変電所と上記の負荷との間の送電線路における、Ｍ座の単相交流電力に係る送電線路と、Ｔ座の単相交流電力に係る送電線路との一方のみ、例えばＭ座の単相交流電力に係る送電線路に、短絡故障または地絡故障が発生したときに、周波数変換装置３０の制御装置５０が、過電流に対して、単に周波数変換装置３０の出力電圧を低減させるのではなく、Ｍ座側の過電流を抑制することによりＭ座相当の出力電圧指令値を低減させる。

【0032】

そして、Ｍ座相当の出力電圧指令値のみが低減された結果に応じて周波数変換装置３０の出力電圧を低減させるので、本来は電圧を低減させる必要がない送電線路のＴ座相当の電圧に上記低減の影響が及ばなくなる。Ｔ座の単相交流電力に係る送電線路に、短絡故障または地絡故障が発生したときも同様である。よって、き電用変電所と負荷との間の２組の単相交流電力に係る送電線路の一方に発生した過電流の抑制に伴う電圧低下の影響を低減することができる。

【0033】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0034】

３０…周波数変換装置、３１…コンバータ、３３…インバータ、５０…制御装置、５１…電流センサ、５２…電圧センサ、５３…制御回路、５３ａ…ＭＴ変換および振幅演算部、５３ｂ，５３ｇ…自動電圧調整部、５３ｃ，５３ｈ…過電流抑制制御部、５３ｅ，５３ｊ…単相逆ｄｑ変換部、５３ｆ…ＭＴ変換部、５３ｋ…逆ＭＴ変換部。

【図1】

【図2】

【図3】