特許 7190384 直流送電システムとその保護制御装置並びに保護制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-07

(45)【発行日】2022-12-15

(54)【発明の名称】直流送電システムとその保護制御装置並びに保護制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 1/00 20060101AFI20221208BHJP

   H02H 7/12 20060101ALI20221208BHJP

   H02H 3/00 20060101ALI20221208BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20221208BHJP

【ＦＩ】

H02J1/00 301D

H02H7/12 F

H02H3/00 N

H02H3/00 R

H02M7/12 H

H02M7/12 X

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2019060000

(22)【出願日】2019-03-27

(65)【公開番号】P2020162312

(43)【公開日】2020-10-01

【審査請求日】2021-11-05

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 次世代洋上直流送電システム開発事業 システム開発／要素技術開発委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】吉原 徹

(72)【発明者】

【氏名】木村 守

【審査官】田中 慎太郎

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１６－５２１９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５８３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０４３９９３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ １／００

Ｈ０２Ｈ ７／１２

Ｈ０２Ｈ ３／００

Ｈ０２Ｍ ７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流を直流に変換する自励式変換装置の直流端子間にコンデンサの直列回路を接続した直流送電システムであって、
前記自励式変換装置の直流端子間に直流側事故除去後に投入される第1のスイッチを含む制動回路の直列回路を接続し、コンデンサの直列回路の接続点と制動回路の直列回路の接続点を大地接続することを特徴とする直流送電システム。

【請求項2】

請求項1に記載の直流送電システムであって、
前記自励式変換装置の交流端子に前記第1のスイッチの投入、開放後に投入される第２のスイッチを大地接続することを特徴とする直流送電システム。

【請求項3】

交流を直流に変換する自励式変換装置の直流端子間にコンデンサの直列回路を接続した直流送電システムの保護制御装置であって、
前記自励式変換装置の直流端子間に第1のスイッチを含む制動回路の直列回路を接続し、コンデンサの直列回路の接続点と制動回路の直列回路の接続点を大地接続するとともに、
保護制御装置は、前記直流端子における対地電圧の上昇を検知し、対地電圧が上昇した側の直流端子に接続された前記制動回路の第1のスイッチを投入することを特徴とする直流送電システムの保護制御装置。

【請求項4】

請求項３に記載の直流送電システムの保護制御装置であって、
前記保護制御装置は、前記直流端子における対地電圧が所定値に低下したことをもって前記制動回路の第1のスイッチを開放することを特徴とする直流送電システムの保護制御装置。

【請求項5】

請求項４に記載の直流送電システムの保護制御装置であって、
前記自励式変換装置の交流端子に第２のスイッチを大地接続するとともに、
前記保護制御装置は、前記第1のスイッチの投入、開放後に前記第２のスイッチを投入、開放することを特徴とする直流送電システムの保護制御装置。

【請求項6】

請求項４または請求項５に記載の直流送電システムの保護制御装置であって、
前記保護制御装置は、前記自励式変換装置の直流側事故除去後に前記制動回路の第1のスイッチを投入し、その後開放することを特徴とする直流送電システムの保護制御装置。

【請求項7】

交流を直流に変換する自励式変換装置の直流端子間にコンデンサの直列回路を接続し、前記自励式変換装置の直流端子間に第1のスイッチを含む制動回路の直列回路を接続し、コンデンサの直列回路の接続点と制動回路の直列回路の接続点を大地接続した直流送電システムの保護制御方法であって、
前記直流端子における対地電圧の上昇を検知し、対地電圧が上昇した側の直流端子に接続された前記制動回路の第1のスイッチを投入することを特徴とする直流送電システムの保護制御方法。

【請求項8】

請求項７に記載の直流送電システムの保護制御方法であって、
前記直流端子における対地電圧が所定値に低下したことをもって前記制動回路の第1のスイッチを開放することを特徴とする直流送電システムの保護制御方法。

【請求項9】

前記自励式変換装置の交流端子に第２のスイッチを大地接続した請求項８に記載の直流送電システムの保護制御方法であって、
前記第1のスイッチの投入、開放後に前記第２のスイッチを投入、開放することを特徴とする直流送電システムの保護制御方法。

【請求項10】

請求項８または請求項９に記載の直流送電システムの保護制御方法であって、
前記自励式変換装置の直流側事故除去後に前記制動回路の第1のスイッチを開放することを特徴とする直流送電システムの保護制御方法。

【請求項11】

請求項１または請求項２に記載の直流送電システムであって、
前記自励式変換装置は、複数の単位変換器をカスケード状に接続して構成されるアームを複数備え、
前記単位変換器は、第１の端子と第２の端子の間に第１のスイッチング素子を接続し、第1のスイッチング素子に並列に第２のスイッチング素子とコンデンサの直列回路を接続して構成され、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の導通／遮断によって、前記第１の端子と前記第２の端子の間に前記コンデンサの電圧を出力可能にされており、
前記複数のアーム各々は少なくとも２つの単位変換器を直列に接続して構成され、前記複数のアームは互いに所定の端子で接続されており、前記複数のアーム各々は前記所定の端子とは異なる端子で各々に対応する相の接続線で外部と接続されることを特徴とする直流送電システム。

【請求項12】

請求項１、請求項２、請求項１１のいずれか1項に記載の直流送電システムであって、
前記制動回路は、抵抗と第1のスイッチの直列回路であることを特徴とする直流送電システム。

【請求項13】

請求項３から請求項６のいずれか1項に記載の直流送電システムの保護制御装置であって、
前記保護制御装置は、直列接続された前記コンデンサの電圧をそれぞれ計測し、コンデンサの電圧値を基に、前記第1のスイッチの投入および開放指令を与えることを特徴とする直流送電システムの保護制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、再生可能エネルギー電源などの発電システムを、電力変換器および直流送電線を介して連系する、直流送電システムとその保護制御装置並びに保護制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

長距離送電や、海底送電の高効率化のために、直流送電システムが用いられる。一般の電力系統は交流系統であるのに対し、直流送電システムでは、交流系統の電力を交直変換器で直流に変換して送電する。

【0003】

直流送電システムに用いられる交直変換器は、古くはサイリスタを用いた他励式交直変換器が主流であったが、近年は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた自励式交直変換器の導入が増加している。

【0004】

自励式直流送電システムに用いる交直変換器は、高調波が少なく、大容量化や高電圧化に適した方式として、モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を適用する事例が増加している。

【0005】

また、直流送電システムの回路方式は、負側直流線路を接地し、正側直流線路のみ対地直流電圧が印可される非対称単極方式や、直流送電システムの中性点を設け、正側直流線路と負側直流線路の両方に対地直流電圧が印可される対称単極方式や、直流送電システムを２組用いて、中性線を共用する双極構成などがある。

【0006】

既存の他励式直流送電システムでは、数ギガワットを交直変換するものもあり、大容量送電や高調波低減に適した方式として、双極構成が採用されている事例が多い。一方、既存の自励式直流送電システムの多くは、その容量が数百メガワットから数ギガワットであり、対称単極方式が採用されている事例が多い。

【0007】

直流送電システムの地絡事故時の保護制御については、例えば特許文献１にて説明されているが、特許文献１は、他励式直流送電システムであり、自励式直流送電システムの場合については、特に言及されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開平１１－２８９６７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明においては、対称単極方式、かつ自励式の直流送電システムを構成することを意図しており、さらにその場合の保護制御装置及び保護制御方法の在り方について検討したものである。

【0010】

係る対称単極方式、かつ自励式の直流送電システムの課題の一つとして、直流送電線の地絡事故や送電線故障などによる、直流線路の正負不平衡がある。

【0011】

対称単極方式の自励式直流送電システムでは、交直変換器によって、定常状態においては、正側直流線路と負側直流線路の線間の直流電圧が、直流電圧基準値Ｖｄｃになるように制御する。このとき、中性点の電圧は大略０であり、正側直流線路の対地直流電圧が＋Ｖｄｃ／２、負側直流線路の対地直流電圧が－Ｖｄｃ／２となる。なお本明細書では、正側直流線路の対地直流電圧の大きさと帰線の対地直流電圧の大きさが等しい状態を「正負平衡」状態と呼ぶことにする。

【0012】

このような正負平衡状態で、例えば、正側直流線路で地絡事故が発生した場合、正側直流線路の対地直流電圧は０近傍まで低下する。これに対し、地絡事故発生時も、交直変換器によって、正側直流線路と負側直流線路の線間の直流電圧が、直流電圧基準値Ｖｄｃになるように制御されるため、その結果、負側直流線路の対地直流電圧が－Ｖｄｃとなり、負側直流線路の対地直流電圧の大きさは、定常状態の約２倍まで上昇する。本明細書では、正側直流線路の対地直流電圧の大きさと帰線の対地直流電圧の大きさが等しくない状態を「正負不平衡」状態と呼ぶことにする。

【0013】

正負不平衡状態は、正側直流線路ないし負側直流線路で地絡事故が発生した場合に起こる。正負不平衡状態では、正側直流線路と負側直流線路のいずれかに、定常状態よりも高い電圧が印可されることになるため、機器の絶縁破壊による故障や直流送電システム自体の緊急停止などを引き起こす可能性がある。

【0014】

以上のことから本発明においては、対称単極方式の自励式直流送電システムにおいて、直流線路の正負不平衡が発生した場合に、速やかに正負不平衡を解消し、直流送電システムの信頼性を高めることができる直流送電システムとその保護制御装置並びに保護制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

そこで本発明では、交流を直流に変換する自励式変換装置の直流端子間にコンデンサの直列回路を接続した直流送電システムであって、自励式変換装置の直流端子間に直流側事故除去後に投入される第1のスイッチを含む制動回路の直列回路を接続し、コンデンサの直列回路の接続点と制動回路の直列回路の接続点を大地接続することを特徴とする。

【0016】

また本発明は、交流を直流に変換する自励式変換装置の直流端子間にコンデンサの直列回路を接続した直流送電システムの保護制御装置であって、自励式変換装置の直流端子間に第1のスイッチを含む制動回路の直列回路を接続し、コンデンサの直列回路の接続点と制動回路の直列回路の接続点を大地接続するとともに、保護制御装置は、直流端子における対地電圧の上昇を検知し、対地電圧が上昇した側の直流端子に接続された制動回路の第1のスイッチを投入することを特徴とする。

【0017】

さらに本発明は、交流を直流に変換する自励式変換装置の直流端子間にコンデンサの直列回路を接続し、自励式変換装置の直流端子間に第1のスイッチを含む制動回路の直列回路を接続し、コンデンサの直列回路の接続点と制動回路の直列回路の接続点を大地接続した直流送電システムの保護制御方法であって、直流端子における対地電圧の上昇を検知し、対地電圧が上昇した側の直流端子に接続された前記制動回路の第1のスイッチを投入することを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、対称単極方式の自励式直流送電システムにおいて、直流線路の正負不平衡が発生した場合に、速やかに正負不平衡を解消し、直流送電システムの信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明が適用される対称単極構成の交直変換所の構成例を示す図。

【図2】交直変換器１０３の構成例を示す図。

【図3】単位変換器の構成例を示す図。

【図4】モジュラーマルチレベル変換器の電気的な等価回路を示す図。

【図5】交直変換所の直流回路部の電気的な等価回路を示す図。

【図6】直流電圧の正負平衡状態から正負不平衡状態に移行し、さらに正負不平衡解消時にいたる直流電圧の変化、および、制動回路と交流接地極のスイッチ開閉を、時系列で表わした図。

【図7】交直変換所の制御フローチャートを示す図。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態を図面ともに説明する。なお、以下の実施例は本発明の一形態を示すものであり、本発明は要旨を逸脱しない限り、他の形態を含むものである。

【0021】

以下の説明で、特に断りがない限り、「交流」は三相交流を指す。

【0022】

また、以降の説明で、説明を簡単にするために、電圧の値について、数値を用いて説明する。

【0023】

電圧の値は、全て任意単位（ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｎｉｔ）にて表記し、単位は［ａ．ｕ．］である。

【0024】

なお、数値については、本発明の実施形態の一例を示すために使用するものであり、本発明の実施形態について、その数値を限定するものではない。

【実施例】

【0025】

本発明の実施例を図１から図７を用いて説明する。本発明の実施例では、直流地絡事故で地絡事故が発生した場合における、直流電圧の正負不平衡を解消する原理および各機器の動作と、交直変換所の制御フローチャートについて説明する。

【0026】

最初に、本発明が適用される対称単極構成の交直変換所の構成例を図１に示し、明らかにする。図１は、直流送電システムを構成したものである。

【0027】

図１に示す対称単極構成の交直変換所は、交流連系点１０１に一方端が接続された変圧器１０２、変圧器１０２の他方端に交流側端子がされ正側直流送電線１０４と負側直流送電線１０５に直流側端子が接続された交直変換器１０３、変圧器１０２と交直変換器１０３の交流側端子間に接続された交流接地極１１０、正側直流送電線１０４と負側直流送電線１０５の間に接続された正側直流コンデンサ１０６と負側直流コンデンサ１０７の直列回路、並びに正側直流送電線１０４と負側直流送電線１０５の間に接続された正側制動回路１０８と負側制動回路１０９の直列回路を備え、２組の直列回路の中間点Ｃ１，Ｃ２を対地接続している。また正側制動回路１０８と負側制動回路１０９はそれぞれ、スイッチ回路と抵抗の直列回路で構成される。

【0028】

図１の構成において、正側直流コンデンサ１０６と負側直流コンデンサ１０７の直列回路と、正側制動回路１０８と負側制動回路１０９の直列回路とを備えて２組の直列回路の中間点を対地接続することにより直流送電システムの保護装置１２０を構成している。なお本発明において保護装置１２０は、交流接地極１１０を含めて回路構成することにより正負不平衡状態を解消可能となるので、広義には交流接地極１１０を含めて保護装置１２０ということができる。

【0029】

なお図１では直流送電線の相手端における交直変換所の構成を図示していないが、基本的には正負の直流送電線１０４、１０５に相手端交直変換器を接続して、いわゆる直流送電システムを構成する。先述した直流送電システムの保護装置１２０は、直流送電線両端の交直変換所のいずれか一方端に設置されればよく、必ずしも両端の交直変換所に設置されている必要はない。

【0030】

図１において直流送電システムの保護装置１２０は以下のように構成され、運用されている。

【0031】

まず直流コンデンサ１０６，１０７について、正側直流コンデンサ１０６は一端が正側直流送電線１０４と電気的に接続され、もう一端が中性点Ｃ１と電気的に接続される。また負側直流コンデンサ１０７は、一端が負側直流送電線１０５と電気的に接続され、もう一端が中性点Ｃ１と電気的に接続される。

【0032】

次に制動回路１０８，１０９について、正側制動回路１０８は、一端が正側直流送電線１０４と電気的に接続され、もう一端が中性点Ｃ２と電気的に接続される。負側制動回路１０９は、一端が負側直流送電線１０５と電気的に接続され、もう一端が中性点Ｃ２と電気的に接続される。

【0033】

さらに、中性点Ｃ１と中性点Ｃ２は電気的に接続され、接地される。また交流接地極１１０は、抵抗Ｒｇとスイッチ回路ＳＷａｃの直列回路を三相分構成し、スイッチ側の中性点を接地する。

【0034】

最後に正側制動回路１０８と負側制動回路１０９は、それぞれスイッチ回路１０８ａ、１０９ａと、抵抗１０８ｂ，１０９ｂを直列に接続しており、スイッチ回路１０８ａ、１０９ａの投入と開放を切り替えることで、自回路に電流が通流するか否かを制御することが可能である。なおスイッチ回路は機械的なスイッチに限定されるものではなく、例えば自己消弧素子とダイオードの並列回路で構成される半導体スイッチ回路であってもよい。

【0035】

図１の直流送電システムの保護装置１２０の上記構成によれば、図１内の記号として、正側直流コンデンサ１０６の電圧をＶｐ、負側直流コンデンサ１０７の電圧をＶｎ、交直変換所１０３の直流側の線間電圧をＶｄｃとするとき、電気的に、ＶｐとＶｎの和は、Ｖｄｃと等しい。また線間電圧Ｖｄｃ＝１であるとき、中間点Ｃ１，Ｃ２が対地設置されていることからその電位が０であり、正側直流送電線１０４の電位が１／２、負側直流送電線１０５の電位が－１／２になっている。

【0036】

図１は、本発明に係る直流送電システムの構成を示しており、要するに「交流を直流に変換する自励式変換装置の直流端子間にコンデンサの直列回路を接続した直流送電システムであって、自励式変換装置の直流端子間に直流側事故除去後に投入される第1のスイッチを含む制動回路の直列回路を接続し、コンデンサの直列回路の接続点と制動回路の直列回路の接続点を大地接続した直流送電システム」である。

【0037】

また図１の本発明に係る直流送電システムは、自励式変換装置の交流端子に前記第1のスイッチの投入、開放後に投入される第２のスイッチを大地接続する。

【0038】

次に、本発明の実施例に係る交直変換器１０３の構成例を、図２を用いて説明する。図２の実施例に係る交直変換器の構成例は、一般にモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ変換器）と呼ばれる構成である。これにより自励式変換器を構成している。

【0039】

図２の自励式変換器１０３は、単位変換器２０１を複数直列接続してアーム２０２を構成し、かつ正側アーム２０２Ｐと負側アーム２０２Ｎを直列接続してレグを構成し、３組のレグについてその正負アームの接続点をＡ相交流接続端２０４ａ、Ｂ相交流接続端２０４ｂ、Ｃ相交流接続端２０４ｃにそれぞれ接続し、３組のレグについてその両端をそれぞれ直流正側接続端２０５ａ、直流負側接続端２０５ｂに接続する。なお正負の各アームには、正負のリアクトル２０３Ｐ、２０３Ｎが直列接続されている。

【0040】

なお交直変換器１０３には、図２の電力変換器の他に、遮断器や変圧器など、本発明の実施形態を逸脱しない範囲で、他の電気設備や保護装置を備えていてもよい。

【0041】

図２に例示するように、アーム２０２は単位変換器２０１の直列接続回路であり、図２では、単位変換器２０１をＮ個直列接続した場合を例にあげている。ここではアーム２０２を６組構成し、そのうち正側の３組のアーム２０２Ｐの一端をそれぞれ異なるリアクトル２０３Ｐに電気的に接続し、もう一端を直流正側接続端２０５ａに電気的に接続する。この３つのリアクトル２０３Ｐをリアクトル第１組と呼称する。

【0042】

また残りの３組のアーム２０２Ｎの一端をそれぞれ異なるリアクトル２０３Ｎに電気的に接続し、もう一端を直流負側接続端２０５ｂに電気的に接続する。この３つのリアクトル２０３Ｎをリアクトル第２組と呼称する。

【0043】

リアクトル第１組２０３Ｐとリアクトル第２組２０３Ｎを、電気的に１対１接続し、３つの接続点とＡ相交流接続端２０４ａ、Ｂ相交流接続端２０４ｂ、Ｃ相交流接続端２０４ｃをそれぞれ電気的に接続する。

【0044】

図２内の記号として、Ｖｄｃは交直変換所１０３の直流側の線間電圧であり、図１内のＶｄｃと同じである。

【0045】

次に本発明の実施例に係る単位変換器の構成例と動作を、図３を用いて説明する。図３は本発明の実施例に係る単位変換器の構成例であり、Ｈ側接続端３０４とＬ側接続端３０５の間にＬ側スイッチング回路３０２を直列接続し、Ｌ側スイッチング回路３０２に並列にＨ側スイッチング回路３０１とコンデンサ３０３の直列回路を接続した構成とされている。

【0046】

図３内の記号について、ｉはアーム２０２内における単位変換器２０１の番号であり、１からＮまでの整数である。ＶＣｉは、ｉ番目の単位変換器２０１のコンデンサ印加電圧であり、ＶＯｉは、ｉ番目の単位変換器２０１の出力電圧であり、ＳＷＨｉ、ＳＷＬｉはｉ番目の単位変換器２０１における、Ｈ側スイッチング回路３０１およびＬ側スイッチング回路３０２のオンオフ信号である。

【0047】

Ｈ側スイッチング回路３０１およびＬ側スイッチング回路３０２は、オンオフ信号ＳＷＨｉ、ＳＷＬｉに合わせて、スイッチング回路の両端を短絡もしくは開放状態に切り替える機能を有する。スイッチング回路３０１，３０２は、自己消弧素子やダイオードなどを用いて実現可能である。

【0048】

モジュラーマルチレベル変換器は、単位変換器の出力電圧を個別制御することで、機器構成および運用の許す範囲で、任意の交流電圧および直流電圧を出力可能である。

【0049】

次に、モジュラーマルチレベル変換器２０１の簡易等価回路について、図４を用いて説明する。

【0050】

モジュラーマルチレベル変換器２０１の等価回路４０１としては、交流電圧源を３つ用いて構成される交流回路模擬部４０２と、直流電圧源を２つ用いて構成される直流回路模擬部４０３を用いて、モデル化する方法が知られている。図４はモジュラーマルチレベル変換器の電気的な等価回路であり、モジュラーマルチレベル変換器４０１から構成される。なお、モジュラーマルチレベル変換器４０１では、リアクトルは省略して図示している。

【0051】

交流回路模擬部４０２は、Ａ相交流電圧源４０４ａ、Ｂ相交流電圧源４０４ｂ、Ｃ相交流電圧源４０４ｃから構成される。直流回路模擬部４０３は、正側直流電圧源４０５ａ、負側直流電圧源４０５ｂから構成される。

【0052】

実際の運用では、モジュラーマルチレベル変換器４０１が交流接続端から授受する有効電力と、直流接続端から授受する有効電力が大略等しくなるよう、モジュラーマルチレベル変換器内の単位変換器の出力電圧を制御する。

【0053】

このことは、図４の等価回路においては、交流回路模擬部４０２がＡ相交流接続端２０４ａ、Ｂ相交流接続端２０４ｂ、Ｃ相交流接続端２０４ｃの３つの交流接続端子で授受する有効電力の和と、直流回路模擬部４０３が直流正側接続端２０５ａ、直流負側接続端２０５ｂの２つの直流接続端子から授受する有効電力の和が大略等しくなるよう、Ａ相交流電圧源４０４ａ、Ｂ相交流電圧源４０４ｂ、Ｃ相交流電圧源４０４ｃおよび正側直流電圧源４０５ａ、負側直流電圧源４０５ｂの電圧を出力することと等価である。

【0054】

次に、正側直流電圧源４０５ａの出力電圧Ｖｄｃｐと負側直流電圧源４０５ｂの出力電圧ＶｄｃｎおよびＶｄｃの関係について述べる。

【0055】

モジュラーマルチレベル変換器４０１について、正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｐ、負側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｎの和は直流側線間電圧Ｖｄｃと等しく、正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｐ、負側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｎが大略等しくなるよう、モジュラーマルチレベル変換器４０１が制御される。

【0056】

次に、図１の直流送電システムにおける直流電圧の正負不平衡を解消する原理および各機器の動作について図５と図６を用いて説明する。

【0057】

本発明の実施例に係る直流電圧の正負不平衡を解消する原理は、制動回路の投入による第１の正負不平衡解消と、交流接地極の投入による第２の正負不平衡解消の組み合わせによって実現する。

【0058】

図５は、本発明の実施例に係る交直変換所１０３を、モジュラーマルチレベル変換器２０１の簡易等価回路４０１を用いて、直流側の回路のみを表記した簡易等価回路図である。

【0059】

図５は図１と比較して、交直変換器１０３を、モジュラーマルチレベル変換器２０１の直流回路模擬部４０３で表わし、直流地絡事故Ｆを追加し、モジュラーマルチレベル変換器２０１の交流回路模擬部４０２、交流連系点１０１、変圧器１０２の図を省略した点以外は、図１と同様である。

【0060】

モジュラーマルチレベル変換器２０１の直流回路模擬部４０３は、正側直流電圧源４０５ａおよび、負側直流電圧源４０５ｂから構成される。なお、以降の説明では、正側制動回路１０８のスイッチ１０８ａをＢＣｐで表記し、負側制動回路１０９のスイッチ１０９ａをＢｃｎと表記し、交流接地極１１０のスイッチをＳＷａｃと表記する。

【0061】

図６は、直流電圧の正負平衡状態から正負不平衡状態に移行し、さらに正負不平衡解消時にいたる直流電圧の変化、および、制動回路と交流接地極のスイッチ開閉を、時系列で表わした図である。

【0062】

図６の上から一番目は、図５内の直流側線間電圧Ｖｄｃ、正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｐ、負側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｎについて図示しており、上から二番目は図５内の正側直流コンデンサ電圧Ｖｐと負側直流コンデンサ電圧Ｖｎについて図示しており、上から三番目は図５内の正側制動回路スイッチＢＣｐ、負側制動回路スイッチＢＣｎ、交流接地極スイッチＳＷａｃについて図示している。

【0063】

以降の説明では、図６の時系列に沿って、直流電圧の正負不平衡解消に至るまでの、直流電圧の変化、および、制動回路と交流接地極のスイッチ開閉について説明する。

【0064】

まず、直流地絡事故Ｆが発生する時刻Ｔ０前の初期状態について、説明する。このとき直流側線間電圧Ｖｄｃは、交直変換器１０３の制御によって、Ｖｄｃ＝１．０［ａ．ｕ．］に制御されている。またこのとき、回路の対称性より、正側直流電圧源出力電圧Ｖｐおよび負側直流電圧源出力電圧Ｖｎは、正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃの大略半分の値となるため、Ｖｐ＝Ｖｎ＝０．５［ａ．ｕ．］である。

【0065】

また正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｐと負側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｎの和は直流側線間電圧Ｖｄｃと等しく、かつ、正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｐと負側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｎが大略等しくなるよう、モジュラーマルチレベル変換器４０１にて制御されるため、Ｖｄｃｐ＝Ｖｄｃｎ＝０．５［ａ．ｕ．］である。

【0066】

なお、直流地絡事故Ｆが発生する時刻Ｔ０前の初期状態において、正側制動回路スイッチＢＣｐ、負側制動回路スイッチＢＣｎ、交流接地極スイッチＳＷａｃは全て開放状態である。この時、Ｖｐ＝Ｖｎ＝０．５［ａ．ｕ．］に保たれているため、直流送電線路は正負平衡状態である。

【0067】

次に、時刻Ｔ０で直流地絡事故Ｆが発生した後について説明する。直流線路地絡Ｆが発生すると、正側直流送電線１０４の対地電位は大略０．０［ａ．ｕ．］まで低下する。このとき、正側直流コンデンサ１０６の電圧Ｖｐは、電気的に正側直流送電線１０４の対地電位と等しいため、Ｖｐも０．０［ａ．ｕ．］まで低下する。

【0068】

また交直変換所１０３の制御によって、直流側線間電圧Ｖｄｃは１．０［ａ．ｕ．］に保たれているため、その結果、負側直流電圧源出力電圧Ｖｎは１．０［ａ．ｕ．］まで上昇し、正負不平衡状態となる。

【0069】

一方、本発明の実施例では、正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｐと負側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｎの和は直流側線間電圧Ｖｄｃと等しく、かつ、正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｐと負側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｎが大略等しくなるよう、モジュラーマルチレベル変換器２０１が制御されるため、正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｐと負側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｎは０．５［ａ．ｕ．］のままである。

【0070】

次に、図６の時刻Ｔ１に着目する。時刻Ｔ１では、図示せぬ直流送電線保護システムの保護制御装置が作動して正側直流送電線１０４の直流遮断器を開放し、直流地絡事故Ｆが除去されたものとする。

【0071】

通常の他励式の直流送電システムであれば、直流地絡事故Ｆが除去されれば電圧関係は事故発生前に復旧するが、自励式の直流送電システムでは事故時電圧分布がそのまま残っていることについて説明する。

【0072】

このとき、交直変換所１０３の制御によって、直流側線間電圧Ｖｄｃ＝１．０［ａ．ｕ．］であり、本発明の実施例では、正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｐ、負側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｎの和は直流側線間電圧Ｖｄｃと等しく、かつ、正側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｐ、負側直流電圧源出力電圧Ｖｄｃｎが大略等しくなるよう、モジュラーマルチレベル変換器２０１が制御されるため、Ｖｄｃｐ＝Ｖｄｃｎ＝０．５［ａ．ｕ．］である。

【0073】

一方、直流線路地絡４０１が除去された後、正側直流電圧源出力電圧Ｖｐおよび負側直流電圧源出力電圧Ｖｎについては、Ｖｐ＝０．０［ａ．ｕ．］、Ｖｎ＝１．０［ａ．ｕ．］のままであり、正負不平衡状態が継続する。

【0074】

この時刻Ｔ１以後の状態では、直流地絡事故Ｆ自体は除去されたにも関わらず、直流地絡事故Ｆが発生した正側直流送電線１０４ではなく、他方の負側直流送電線１０５に印可されていた電圧が直前の１/２から１．０に増加し続いており、負側直流送電線１０５における電力耐量を超過していることから早急に電圧関係を復旧させる必要がある。

【0075】

本発明では、事故除去後の電圧関係復旧作業を２段階に実行する。最初の第１段階では、電圧急増を検知した側の直流コンデンサに接続されている制動回路のスイッチＢＣを投入する。図１では、時刻Ｔ２で、負側制動回路１０９のスイッチＢＣｎを閉じた後について説明する。本発明の実施例では負側制動回路１０９のスイッチＢＣｎを閉じることで第１段階の正負不平衡解消を実施する。

【0076】

本発明の実施例では、正側直流コンデンサ１０６と負側直流コンデンサ１０７のうち、電圧が高いほうのコンデンサに、電気的に並列に挿入されている制動回路１０８，１０９のいずれかのスイッチを閉じる。ここでは、正側直流電圧源出力電圧Ｖｐ＝０．０［ａ．ｕ．］、負側直流電圧源出力電圧Ｖｎ＝１．０［ａ．ｕ．］であるため、負側制動回路１０９のスイッチＢＣｎを閉じる。

【0077】

負側制動回路１０９のスイッチＢＣｎを閉じることで、負側直流コンデンサ１０７が放電され、負側直流電圧源出力電圧Ｖｎが１．０［ａ．ｕ．］から低下する。一方、直流側線間電圧Ｖｄｃは１．０［ａ．ｕ．］に保たれているため、正側直流電圧源出力電圧Ｖｐは０．０［ａ．ｕ．］から上昇する。

【0078】

その結果、図６のように、時刻Ｔ２から負側直流電圧源出力電圧Ｖｎが低下し、正側直流電圧源出力電圧Ｖｐが上昇するため、正負不平衡状態を解消するように、電圧が変化する。

【0079】

本発明の実施例では、正側直流電圧源出力電圧Ｖｐ＝０．４５［ａ．ｕ．］、正側直流電圧源出力電圧Ｖｎ＝０．５５［ａ．ｕ．］になる時刻まで、負側制動回路１０９のスイッチＢＣｎを閉じるとする。図６では、正側制動回路１０９のスイッチＶｐ＝０．４５［ａ．ｕ．］、負側制動回路１０９のスイッチＶｎ＝０．５５［ａ．ｕ．］になった時刻Ｔ３で、負側制動回路１０９のスイッチＢＣｎを開放する。以上が本発明の実施例に係る第１の正負不平衡解消段階である。

【0080】

なお、本発明の実施例では、第１の正負不平衡解消段階では、まだ完全に正負不平衡が解消されていないため、第１の正負不平衡解消後、交流接地極を投入することで第２の正負不平衡解消段階を実施する。

【0081】

本発明の実施例では、時刻Ｔ４で、交流接地極１１０のスイッチＳＷａｃを閉じる。交流接地極１１０のスイッチＳＷａｃを閉じることで、図５のモジュラーマルチレベル変換器２０１の直流回路模擬部４０３に示すように、正側直流電圧源４０５aと正側直流コンデンサ１０６の並列回路が形成される。

【0082】

このとき正側直流電圧源４０５aの電圧Ｖｄｃｐは、交直変換器１０３の制御により０．５［ａ．ｕ．］一定であるため、正側直流コンデンサ電圧Ｖｐも０．５［ａ．ｕ．］に近づく。また直流側線間電圧Ｖｄｃは１．０［ａ．ｕ．］一定であるため、正側直流コンデンサ電圧Ｖｐの変化に合わせて、負側直流コンデンサ電圧Ｖｎも０．５［ａ．ｕ．］に近づく。最終的に、Ｖｐ＝Ｖｎ＝０．５［ａ．ｕ．］になった時点で、正負不平衡が解消され、交流接地極１１０のスイッチＳＷａｃを開放する。以上が本発明の実施例に係る第２の正負不平衡解消段階である。

【0083】

以上が、本発明の実施例に係る、直流電圧の正負不平衡解消時の、直流電圧の変化、および、制動回路と交流接地極１１０のスイッチ開閉の説明である。なお、本発明の実施例の説明では、正側線路で地絡事故が起きた場合について説明したが、負側線路で地絡事故が起きた場合についても、同様のシーケンスによって、正負不平衡を解消することができる。

【0084】

また、本発明の実施例では、正負不平衡を解消する方法として、制動回路の投入による第１の不平衡解消段階と、交流接地極１１０の投入による第２の不平衡解消段階の組み合わせによる方法を示したが、第１の不平衡解消段階のみで正負不平衡を解消できる場合には、交流接地極１１０の投入による第２の不平衡解消段階は不要である。

【0085】

例えば、本発明の実施例に係る、直流電圧の正負不平衡解消段階時の、直流電圧の変化、および、制動回路と交流接地極１１０のスイッチ開閉の説明の中で、時刻Ｔ３で正側直流コンデンサ電圧Ｖｐ＝０．４５［ａ．ｕ．］、負側直流コンデンサ電圧Ｖｎ＝０．５５［ａ．ｕ．］になったとし、負側制動回路スイッチＢＣｎを開放したが、負側制動回路スイッチＢＣｎを、Ｖｐ＝Ｖｎ＝０．５［ａ．ｕ．］の時刻で開放することで、第１の不平衡解消段階のみで、電圧不平衡を解消することができる。

【0086】

また、第１の不平衡解消段階では、制動回路を投入し続けている間は、正側直流コンデンサ電圧Ｖｐおよび負側直流コンデンサ電圧Ｖｎが上昇ないし下降し続ける。このため、制動回路の開放が遅れると、第１の不平衡解消段階が効きすぎてしまい、かえって正負不平衡を増大させる懸念がある。

【0087】

しかし、この場合には、交流接地極１１０の投入による第２の不平衡解消段階によって、正側直流コンデンサ電圧Ｖｐおよび負側直流コンデンサ電圧Ｖｎを０．５［ａ．ｕ．］に近づけることで、最終的に正負不平衡を解消可能である。

【0088】

以上が、本発明の実施例に係る、直流電圧の正負不平衡を解消する原理および各機器の動作についての説明である。

【0089】

以上説明の直流送電システムは、システムを保護するための保護制御装置を備えている。この保護制御装置は、「交流を直流に変換する自励式変換装置の直流端子間にコンデンサの直列回路を接続した直流送電システムの保護制御装置であって、自励式変換装置の直流端子間に第1のスイッチを含む制動回路の直列回路を接続し、コンデンサの直列回路の接続点と制動回路の直列回路の接続点を大地接続するとともに、保護制御装置は、直流端子における対地電圧の上昇を検知し、対地電圧が上昇した側の直流端子に接続された制動回路の第1のスイッチを投入する」ことにより、直流電圧の正負不平衡を解消する。さらに保護制御装置は、「直流端子における対地電圧が所定値に低下したことをもって制動回路の第1のスイッチを開放し、さらに自励式変換装置の交流端子に第２のスイッチを大地接続するとともに、第1のスイッチの投入、開放後に第２のスイッチを投入、開放する。

【0090】

次に、本発明の実施例に係る、交直変換所の制御フローチャートについて、図７を用いて説明する。

【0091】

図７は本発明の実施例に係る、交直変換所の制御フローチャートであり、線路地絡判定部７０１、制動回路動作部７０２、制動回路動作完了判定部７０３、交流接地極動作判定部７０４、交流接地極動作部７０５、交流接地極動作完了判定部７０６、終了７０７から構成されている。以降、図７の制御フローチャートの各要素について説明する。

【0092】

線路地絡判定部７０１では、正側直流コンデンサ電圧Ｖｐ、負側直流コンデンサ電圧Ｖｎ、直流側線間電圧Ｖｄｃの情報を基に、正側線路ないし負側線路で地絡事故が発生したかを判定する。

【0093】

判定方法としては、例えば、正側直流コンデンサ電圧Ｖｐが、あらかじめ定められたしきい値Ｖｔｈよりも小さく、かつ、直流側線間電圧Ｖｄｃが予め定められたしきい値Ｖｄｃｔｈよりも小さい場合に、正側線路で地絡事故が発生したと判定し、負側直流コンデンサ電圧Ｖｎが、あらかじめ定められたしきい値Ｖｔｈよりも小さく、かつ、直流側線間電圧Ｖｄｃが予め定められたしきい値Ｖｄｃｔｈよりも小さい場合に、負側線路で地絡事故が発生したと判定する方法が考えられる。図６の場合、例えば、Ｖｔｈ＝０．３［ａ．ｕ．］、Ｖｄｃｔｈ＝１．３［ａ．ｕ．］としきい値を設定することで、正側線路で地絡事故が起きたと判定できる。

【0094】

線路地絡判定部７０１で線路地絡が発生したと判定された場合には、制動回路動作部７０２へ進む。なお、線路地絡判定部７０１で線路地絡が発生したと判定したことなどを受けて、図示せぬ直流送電線路保護制御装置が作動して直流遮断器を開放するなどして、直流地絡事故Ｆを事故除去する。

【0095】

制動回路動作部７０２では、線路地絡判定部７０１で地絡事故が発生したと判定された場合に、制動回路のスイッチを投入する。具体的には、正側線路で地絡事故が発生したと判定された場合には、負側制動回路スイッチＢＣｎを投入し、負側線路で地絡事故が発生したと判定された場合には、正側制動回路スイッチＢＣｐを投入する。図６の場合、正側線路で地絡事故が起きたと判定されたため、負側制動回路１０９のスイッチＢＣｎを投入している。なおこの操作は、直流地絡事故Ｆを事故除去の確認後とするのがよい。

【0096】

制動回路動作完了判定部７０３では、制動回路動作部７０２によって正負不平衡が解消されたかどうかを判定する。判定方法としては、例えば、正側直流コンデンサ電圧Ｖｐと負側直流コンデンサ電圧Ｖｎの差分の絶対値が、あらかじめ定められたしきい値Ｖｔｈ２よりも小さい場合に、制動回路の動作によって、正負不平衡が解消されたと判定する。例えばＶｔｈ２＝０．１［ａ．ｕ．］と設定すると、図６の時刻Ｔ３時点で、正負不平衡が解消されたと判定できる。

【0097】

交流接地極動作判定部７０４では、制動回路の投入による第一の不平衡解消段階を実施後に、まだ正負不平衡が残っているかを判定する。判定方法としては、例えば、正側直流コンデンサ電圧Ｖｐと負側直流コンデンサ電圧Ｖｎの差分の絶対値が、あらかじめ定められたしきい値Ｖｔｈ３よりも大きい場合に、正負不平衡が残っていると判定する。図６の場合、例えばＶｔｈ３＝０．０［ａ．ｕ．］と設定すると、図６の時刻Ｔ３後も、正負不平衡が残っていると判定できる。

【0098】

交流接地極動作部７０５では、交流接地極動作判定部７０４で正負不平衡が残っていると判定された場合に、交流接地極１１０を投入する。交流接地極動作完了判定部７０６では、交流接地極動作部７０５を経て、正負不平衡が解消されたかを判定する。判定方法としては、例えば、正側直流コンデンサ電圧Ｖｐと負側直流コンデンサ電圧Ｖｎの差分の絶対値が、あらかじめ定められたしきい値Ｖｔｈ３以下の場合に、正負不平衡が解消されたと判定する。図６の場合、時刻Ｔ５で正側直流コンデンサ電圧Ｖｐと負側直流コンデンサ電圧Ｖｎの差分の絶対値が０．０［ａ．ｕ．］となっているため、正負不平衡が解消されたと判定できる。

【0099】

交流接地極動作完了判定部７０６で、正負不平衡が解消されたと判定された場合には、交流接地極のスイッチを開放し、終了７０７へ進む。そうでない場合は、交流接地極の投入を継続する。最終的に終了７０７にて、一連の制御フローチャートが完了する。

【0100】

なお、制動回路動作完了判定部７０３にてＶｔｈ２＝０．０［ａ．ｕ．］と設定し、第一の不平衡解消のみで、正負不平衡を解消できた場合には、交流接地極動作判定部７０４、交流接地極動作部７０５、交流接地極動作完了判定部７０６は不要である。

【0101】

以上が、本発明の実施例に係る上記の一連のシーケンスを実現するための交直変換所の制御フローチャートである。

【0102】

上記した保護制御方法は、「交流を直流に変換する自励式変換装置の直流端子間にコンデンサの直列回路を接続し、自励式変換装置の直流端子間に第1のスイッチを含む制動回路の直列回路を接続し、コンデンサの直列回路の接続点と制動回路の直列回路の接続点を大地接続した直流送電システムの保護制御方法であって、直流端子における対地電圧の上昇を検知し、対地電圧が上昇した側の直流端子に接続された制動回路の第1のスイッチを投入する」ものである。

【0103】

なお、本発明の実施例の説明においては、制動回路は、抵抗とスイッチの直列回路の場合を例に説明したが、制動回路は、コンデンサの電圧を下げる機能を有していればよく、回路構成は、抵抗とスイッチの直列回路に限定されない。

【符号の説明】

【0104】

１０１：交流連系点
１０２：変圧器
１０３：交直変換器
１０４：正側直流送電線
１０５：負側直流送電線
１０６：正側直流コンデンサ
１０７：負側直流コンデンサ
１０８：正側制動回路
１０９：負側制動回路
１１０：交流接地極
２０１：単位変換器
２０２：アーム
２０３：リアクトル
２０４ａ：Ａ相交流接続端
２０４ｂ：Ｂ相交流接続端
２０４ｃ：Ｃ相交流接続端
２０５ａ：直流正側接続端
２０５ｂ：直流負側接続端
３０１：Ｈ側スイッチング回路
３０２：Ｌ側スイッチング回路
３０３：コンデンサ
３０４：Ｈ側接続端
３０５：Ｌ側接続端
４０１：モジュラーマルチレベル変換器
４０２：交流回路模擬部
４０３：直流回路模擬部
４０４ａ：Ａ相交流電圧源
４０４ｂ：Ｂ相交流電圧源
４０４ｃ：Ｃ相交流電圧源
４０５ａ：正側直流電圧源
４０５ｂ：負側直流電圧源
Ｆ：直流地絡事故
７０１：線路地絡判定部
７０２：制動回路動作部
７０３：制動回路動作完了判定部
７０４：交流接地極動作判定部
７０５：交流接地極動作部
７０６：交流接地極動作完了判定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】