(57)【要約】  少なくとも１つの電力変換器（４，６，４０）を備えた電気エネルギー伝送のための装置（１，３９）であって、各電力変換器（４，６，４０）が相要素（１０，１１，１２，１３，１４，１５，２７，２８，２９）を有し、相要素がそれぞれスイッチ要素（１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ，１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉ，１０ａ’〜１０ｉ’，１１ａ’〜１１ｉ'，１２ａ'〜１２ｉ' ，１３ａ'〜１３ｉ'，１４ａ'〜１４ｉ'，１５ａ'〜１５ｉ'）の配列を持ち、スイッチ要素が、それぞれ少なくとも２つのターンオフ制御可能な電力用半導体（２２，２３）と、これらのそれぞれに並列に接続された少なくとも２つのフリーホイールダイオード（２４，２５）と、エネルギー蓄積手段（２６）とを含む電気エネルギー伝送のための装置（１，３９）において、配電系統の送電特性または配電系統間の送電特性を改善するために、装置に接続可能な送電系統の交流電圧の零位相角、振幅および／または瞬時値および／または電力変換器の少なくとも１つを直流電圧源に接続する直流電圧線の直流電圧および直流電流および／または少なくとも３つの互いに接続された電力変換器（４，６，４０）の直流電圧および直流電流が制御可能であるように、電力変換器を制御するための手段（１６，１７，１８，１９，４３，４４，４５）が設けられている。
2009507462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電力変換器（４，６，４０）を備えた電気エネルギー伝送のための装置（１，３９）であって、各電力変換器（４，６，４０）が相要素（１０，１１，１２，１３，１４，１５，２７，２８，２９）を有し、相要素がそれぞれスイッチ要素（１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ，１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉ，１０ａ’〜１０ｉ’，１１ａ’〜１１ｉ'，１２ａ'〜１２ｉ'）の配列を持ち、スイッチ要素が、それぞれ少なくとも２つのターンオフ制御可能な電力用半導体（２２，２３）と、これらのそれぞれに並列に接続された少なくとも２つのフリーホイールダイオード（２４，２５）と、エネルギー蓄積手段（２６）とを含む電気エネルギー伝送のための装置（１，３９）において、
装置に接続可能な送電系統の交流電圧の零位相角、振幅および／または瞬時値、および／または電力変換器の少なくとも１つを直流電圧源に接続する直流電圧線の直流電圧および直流電流、および／または少なくとも３つの互いに接続された電力変換器（４，６，４０）の直流電圧および直流電流が制御可能であるように、電力変換器を制御するための手段（１６，１７，１８，１９，４３，４４，４５）を有することを特徴とする装置。
【請求項２】
相要素（１０，１１，１２，１３，１４，１５）のスイッチ要素（１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ，１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉ）が直列に接続されていて、スイッチ要素（１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ，１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉ）が偶数個設けられていて、負荷または系統接続端子がスイッチ要素の直列回路の中央に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
相要素（２７，２８，２９）がそれぞれ２つの並列分枝を有し、並列分枝がそれぞれ偶数個の直列接続されたスイッチ要素を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
少なくとも２つの並列分枝が変圧器巻線により互いに接続されていることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
少なくとも２つの並列分枝が並列分枝接続部を介して直結的に接続されていることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項６】
電力変換器の多数の相要素（２７，２８，２９）が互いに並列に接続されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の装置。
【請求項７】
多数の相要素（２７，２８，２９）が互いに直列に接続されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の装置。
【請求項８】
相要素（２７，２８，２９）に対して並列にエネルギー蓄積器（３３，３４，３５）が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の装置。
【請求項９】
各相要素（１０，１１，１２，１３，１４，１５，２７，２８，２９）が少なくとも１つのインピーダンス（３６，３７，３８，３６’，３７’，３８’）を有するか、またはインピーダンス（３６，３７，３８，３６’，３７’，３８’）を介して他の相要素に接続されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの電力変換器（４，６，４０）が送電系統（４１）または直流電圧線（５）に対して並列に接続可能であることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの電力変換器（４，６，４０）が送電系統（４１）または直流電圧線（５）に対して直列に接続可能であることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の装置。
【請求項１２】
直流電圧源が第２の電力変換器であることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の装置。
【請求項１３】
直流電圧線（５）が少なくとも部分的にガス絶縁送電線、ケーブルおよび／または架空電線であることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の装置。
【請求項１４】
電力変換器（４，６，４０）の１つが他励式の電力用半導体を有することを特徴とする請求項１乃至１３の１つに記載の装置。
【請求項１５】
直流電圧線（５）が１極または２極であることを特徴とする請求項１乃至１４の１つに記載の装置。
【請求項１６】
直流電圧線（５）がインピーダンスであることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の装置。
【請求項１７】
スイッチ要素に少なくとも１つの他のダイオードが並列接続されていることを特徴とする請求項１乃至１６の１つに記載の装置。
【請求項１８】
送電系統が１つまたは複数の相を有することを特徴とする請求項１乃至１７の１つに記載の装置。
【請求項１９】
エネルギー蓄積手段が少なくとも部分的にコンデンサ（９，９’，２６，３３，３４，３５，５２）であることを特徴とする請求項１乃至１８の１つに記載の装置。
【請求項２０】
各電力変換器（４，６，４０）がエネルギー蓄積器により直流電圧線（５）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至１９の１つに記載の装置。
【請求項２１】
請求項１乃至１８の１つに記載の装置と交流電流を導く少なくとも１つの相を有する送電系統とを有するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの電力変換器を備えた電気エネルギー伝送のための装置であって、各電力変換器が相要素を有し、相要素がスイッチ要素の配列をそれぞれ少なくとも１つ持ち、スイッチ要素が、それぞれ少なくとも２つのターンオフ制御可能な電力用半導体と、これらのそれぞれに並列に接続された少なくとも２つのフリーホイールダイオードと、エネルギー蓄積手段とを含む電気エネルギー伝送のための装置に関する。
【０００２】
この種の公知の装置は、２つの電気的に分離された非同期の交流電圧系統間、または互いに接続された同期した交流電圧系統間において電気エネルギーを伝送し、かつこの伝送を狙いどおりに制御するために、例えば２つの直流電圧側で接続された電力変換器を有する。このような制御は、例えば交流電圧系統において局部的な過負荷または不均等負荷配分が発生し得るために必要である。過負荷は調整されたエネルギー伝送によって補償される。このような装置および他の一連の装置は、いわゆる高電圧直流送電設備およびフレキシブル交流送電システム（ＦＡＣＴＳ）として公知である。これらの高電圧直流送電設備およびＦＡＣＴＳの電力変換器においては、他励式変換技術にて動作する例えばサイリスタのような電力用半導体、または自励式変換トポロジーにて使用される例えばいわゆる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のようなターンオフ制御可能な電力用半導体が使用される。ターンオフ制御可能な電力用半導体を有するいわゆる電圧型自励式変換器（ＶＳＣ）の場合には、エネルギー蓄積器、一般にはコンデンサが必要である。自励式変換器とエネルギー蓄積器としてのコンデンサとを有する装置の欠点は、使用されるコンデンサの大きさによって送電電力が制限されることにある。故障時には極めて大きな短絡電流が設備破壊をもたらすことがある。したがって、この種の装置によりこれまで実践において約±１５０ｋＶまでの送電電圧および約３００〜５００メガワットの送電電力しか達成されていない。
【０００３】
独国特許出願公開第１０１０３０３１号明細書から、中間回路コンデンサの代わりにエネルギー蓄積器として分散配置されたコンデンサを有する系統結合のための電力変換装置が公知であり、これらの分散配置されたコンデンサは、ターンオフ制御可能な電力用半導体と付属のフリーホイールダイオードとを有する個々のスイッチ要素に含まれている。
【０００４】
本発明の課題は、配電系統内または配電系統間における伝送特性が改善された冒頭に述べた如き装置を構成することにある。
【０００５】
本発明によれば、この課題は、装置に接続可能な送電系統の交流電圧の零位相角、振幅および／または瞬時値および／または少なくとも１つの電力変換器を直流電圧源に接続する直流電圧線の直流電圧および直流電流および／または少なくとも３つの互いに接続された電力変換器の直流電圧および直流電流が制御可能であるように電力変換器を制御する手段によって解決される。
【０００６】
本発明によれば、装置は多数の個別に投入可能なエネルギー蓄積手段を有する電力変換器を用意されている。制御手段を介してこのような電力変換器の特性が送電および配電の分野ならびに特に無効電力補償および直流送電において使用され、そこではこのような電力変換器の特性が特に有利である。したがって、本発明による装置は、例えば本発明による装置が接続可能である送電系統の安定性向上のために役立つ。しかしながら、系統安定性改善に加えて、エネルギー伝送の電流品質も最適化することができる。電流品質の概念は、ここでは供給安定性および電圧品質も含む。このために、送電系統において負荷電流が所望どおりに変化させられるように、電力変換器によって発生させられる電圧が送電系統の送電線に並列に投入されるかまたは送電線中に直列に挿入される。電圧の位相正しい並列印加または直列挿入のために、送電系統内に交流電圧および交流電流を検出するための装置を設け、それらの測定値を本発明による装置の閉ループ制御ユニットに供給することが望ましい。閉ループ制御ユニットは、測定された値と予め与えられた目標値との比較に基づいて電力変換器の閉ループ制御を可能にする。制御手段は、１つ以上のこのような閉ループ制御ユニットのほかに、測定量検出のための測定装置、閉ループ制御ユニット上で動作するソフトウェア、通信装置等を含む。閉ループ制御の可制御量は、例えば送電系統の交流電圧および／または交流電流である。送電系統は１つ以上の相を有する。交流電圧とは、請求される発明の枠内において、基本波量であると同様に時間的に任意に変化する電圧経過でもあると理解すべきである。ほとんど正弦波状の交流電圧の場合には、送電系統の交流電圧の零位相角および振幅を調節すると有利である。交流電圧の他の時間的経過の閉ループ制御のために、特に、交流電圧の瞬間値とも呼ばれる瞬時値が用いられる。零位相角なる概念は交流電圧と本発明による装置にその都度設定される要求に依存した基準量との間の位相差であると理解すべきである。したがって、例えば、ここでは接続点における送電系統の交流電流が基準量として挙げられる。
【０００７】
電力変換器は直流電圧線を介して直流電圧源にも接続可能である。直流電圧源は、例えば他の電力変換器である。両電力変換器は、直流送電設備における直流電圧側で互いに接続されたコンバータとして動作し、この場合に制御量は、直流線の直流電圧および／または直流電流および／または送電系統の交流電圧である。直流電圧および直流電流は、例えば各電力変換器において検出され、電力変換器のそれぞれに付設された閉ループ制御ユニットに導かれる。閉ループ制御によって伝送すべき有効電力および／または無効電力および／またはその成分が決定される。互いに離されて設置された電力変換器の場合には、電力変換器間の適切なデータ遠隔伝送によって目標パラメータが伝送される。このような直流遠隔送電設備の電力変換器が数キロメートル互いに離されて設置されることは好ましいことである。
【０００８】
更に、少なくとも３つの電力変換器を有する送電および配電のための近接結合変換設備も本発明の枠内にある。このような装置はマルチターミナル近接結合変換設備とも呼ばれる。電力変換器は、この場合に、例えば直接に、すなわち直流線路なしに互いに接続され、直流電流および直流電圧はそれぞれの電力変換器においてまたは１つのみの測定個所において検出される。
【０００９】
スイッチ要素の構成および動作は、独国特許出願公開第１０１０３０３１号明細書に記載されていて、当該明細書はこれをもって本発明の開示の完全な一部分となる。このような装置の場合には、好ましいことに、蓄積されるエネルギーがそれぞれ小さな多数のエネルギー蓄積手段に配分されることによって、１つの単独のエネルギー蓄積手段、例えば１つのコンデンサを配置した場合における電圧もしくは出力の限界が克服される。更に、分散配置されたエネルギー蓄積手段によって、１つのみの共通のエネルギー蓄積器を有する装置に比べて、電力変換器から供給される電圧の細かい段階化が可能にされるので、装置接続点での平滑およびフィルタ処理のための費用が低減される。例えば、送電系統への電力変換器の結合が著しく簡単になる。例えば変圧器巻線の直列接続による費用のかかる磁気結合措置が本発明の枠内において省略可能である。更に、本発明によれば、例えば短絡による１つの個別スイッチ要素の故障時に、他のスイッチ要素が依然として動作する能力を維持していることから、高められた動作安定性が保証される。相要素の個々のスイッチ要素は制御可能な電圧源のように作用し、３つの可能な状態を有する。第１の状態ではスイッチ要素の端子電圧がコンデンサ電圧に等しい。第２の状態ではスイッチ要素の端子電圧がターンオフ制御可能な電力用半導体またはフリーホイールダイオードの導通状態電圧を除いてほとんど０に等しく、そして第３の状態は障害時のために設けられている。
【００１０】
装置は、本発明によれば、モジュール構成されている。モジュール構成は、ここでもスイッチ要素に細分されている相要素によって行なわれる。スイッチ要素は同一に構成され、特に同じのエネルギー蓄積手段でもって、それゆえ同じ蓄積容量を持ったエネルギー蓄積手段でもって構成されている。しかしながら、これとは違って、異なる容量設計との組み合わせも本発明の枠内において考慮される。
【００１１】
本発明の適切な発展形態では、相要素のスイッチ要素が直列に接続されていて、スイッチ要素が偶数個設けられていて、負荷または系統接続端子がスイッチ要素の直列回路の中央に配置されている。多数のスイッチ要素の直列回路および個々のスイッチ要素の相応の制御によって更に細かい段階化による電圧制御が可能である。中央に置かれた負荷接続端子または系統接続端子において、直列回路の一方側のスイッチ要素が、例えば先に説明した第１の状態に制御され、そして他方側のスイッチ要素が同様に先に説明した第２の状態に制御される。あるいは相互にその逆の状態に制御される。この制御によって、相要素において最大電圧値が到達される。それぞれの側における１つ以上のスイッチ要素が第２の状態に制御されるならば、個々のスイッチ要素の電圧の段階高さによる電圧の段階化がもたらされる。
【００１２】
しかしながら、本発明の枠内において、奇数個のスイッチ要素を有する相要素および／または中央に置かれていない負荷接続端子または系統接続端子を有する相要素も可能である。個々のスイッチ要素は、例えば等しい電圧または等しくない電圧に対して設計され、望ましくは２進化法またはほかの方法で異なった段階づけされ、それによって同じ個数のスイッチ要素において等しい電圧に対する設計の場合よりも細かい調整が可能にされる。
【００１３】
発展形態においては相要素が２つの並列分枝を含み、並列分枝がそれぞれ偶数個の直列接続されたスイッチ要素を有する。それぞれスイッチ要素の直列回路を有する２つの分枝の並列回路によって電力変換器から発生可能な電圧の段階の細かさがなお一層高められる。
【００１４】
これに関する適切な発展形態によれば、少なくとも２つの並列分枝が変圧器巻線により互いに接続されている。これとは違って少なくとも２つの並列分枝が中央分枝接続部を介して直結的に互いに接続されている。中央分枝接続部による直結の接続は、本発明による装置を送電系統および／または直流電圧線に接続するために用いられる変圧器の低コストの構造様式を可能にする。
【００１５】
適切な発展形態では、電力変換器の多数の相要素が互いに並列に接続されている。この場合に相要素はブリッジ接続回路を構成する。電力変換器は、このような変換器として公知のいわゆる電圧型自励式変換器（ＶＳＣ）のように動作し、したがって無効電力および／または有効電力のための制御可能な多相交流電圧を投入するために有利なやり方で送電系統に接続可能である。この場合に電力変換器は多相交流電圧を発生する。閉ループ制御手段によって、選択的に零位相角および／または送電系統に投入すべき交流電圧の振幅が、しかも互いに独立に、影響を及ぼされ得る。したがって、このような電力変換器は、例えば、例えばＲＣ要素のような受動的なフィルタの代わりにまたは組み合わせで、能動的なフィルタ要素として、系統周波数の下および／または上の周波数範囲（副調波、超副調波）の電圧歪の能動的フィルタリングおよび／または電圧非対称補償のために使用されるとよい。この場合に、正弦波形からの電圧偏差が例えば負方向の干渉によって消去されるような電圧が電力変換器によって投入される。
【００１６】
更に、このような電圧型自励変換器が直流送電においてもコンバータとして使用されるとよい。電力変換器またはより適切なコンバータは、例えば互いに並列に接続された３つの相要素を公知のブリッジ接続回路にて含む。並列接続された２つの相要素を有する装置も、例えば結合用変圧器を介する唯一の相のみを有する送電系統、または多相を有する送電系統に接続するように直流送電用のコンバータを構成する簡単な可能性を提供する。直流送電の概念は、本発明の枠内において、高電圧直流送電も中間電圧直流送電および低電圧直流送電も含む。
【００１７】
異なる実施形態では多数の相要素が互いに直列に接続されている。好ましくは、それぞれ多数のスイッチ要素を有する２つの相分枝を備えた相要素が互いに直列に接続される。このような装置は、同様に電圧型自励変換器として動作し、例えば直流送電設備におけるコンバータとして動作することができる。この場合に直列回路は、予め与えられた出力において、高い直流電圧による送電、したがって小さい電流による送電、それゆえ損失の少ない送電を可能にする。
【００１８】
有利な発展形態では、相要素に対して並列にエネルギー蓄積器が配置されている。このような付加的なエネルギー蓄積手段は更なる平滑化および安定化のために使用される。
【００１９】
他の構成形態では、各相要素が少なくとも１つのインピーダンスを有するか、またはインピーダンスを介して他の相要素に接続されている。最も簡単な場合にリアクトルとして構成されるこのようなインピーダンスは、有利なやり方では、個々の相要素の間において例えば電圧変動または電圧非対称に基づいて発生し得る短絡電流を制限するように作用する。更に、インピーダンスは、故障時に電流上昇勾配および／または電流振幅が制限されるように設計されるとよい。この場合にインピーダンスは、例えば相要素または相要素の個々のスイッチ要素に直列に接続されるか、あるいはスイッチ要素に、例えば有利なモジュール構造様式にて組み込まれる。
【００２０】
有利な実施形態では、少なくとも１つの電力変換器が送電系統に並列に接続可能である。このような装置は無効電力および／または有効電力制御のためのいわゆる並列補償に用いられ、例えば願わしくない電力動揺および／または副同期振動および／または副調波もしくは超副調波の抑制のために動的な制御機能を発揮する。有利な発展形態は、例えば電圧対称化のために用いられる。
【００２１】
公知の並列補償装置に比べて特に有利であるのは、本発明にしたがって発展させられた装置において、スイッチ要素の既述の直列回路によって、細かく段階化可能な交流電圧が送電線に投入可能であり、その際に交流電圧の発生のためのエネルギーが個々のスイッチ要素の分散配置されたエネルギー蓄積手段に蓄積されていることであり、これが公知の装置とは違っているところである。すなわち、公知の装置の場合には１つの単独のコンデンサがエネルギー蓄積器として使用され、単独のコンデンサがそれの大きさに基づいて送電電圧および装置出力を制限する要因として影響する。したがって、各スイッチ要素内にエネルギー蓄積手段を有する本発明による装置によれば、投入される電圧が細かく調整可能である。
【００２２】
他の構成においては、少なくとも１つの電力変換器が送電系統に直列に接続可能である。このような接続は、同様に、大きさおよび／または位相が動的に可変である電圧の能動的な重畳および／または投入によって、既述の動的な制御機能を含めて、送電系統の無効電力および／または有効電力制御に役立つ。本発明による装置は、送電系統に並列に接続されている電力変換器と直列に接続されている電力変換器との複数の電力変換器を含むことが好ましい。送電系統の無効電力および／または有効電力制御が、あるいは前述の動的な制御機能も、大きさおよび位相が動的に可変である２つの電圧の能動的な投入によって改善される。送電系統は、例えば単相または多相の送電線である。
【００２３】
異なる実施形態では直流電圧源が第２の電力変換器である。第２の電力変換器は、この場合には整流器として動作し、直流電流が直流電圧線を介して第１の電力変換器に導かれる。その際に第１の電力変換器、すなわちより正確にはインバータが直流電圧を交流電圧に変換するために用いられる。しかし、電力変換器の動作態様は整流器またはインバータとして任意に選択可能である。
【００２４】
直流電圧線が少なくとも部分的にガス絶縁送電線、ケーブルおよび／または架空電線である。もちろん本発明の枠内においてこれらの電線の組み合わせも可能である。ケーブルに比べて、架空電線との組み合わせたとしても、ガス絶縁送電線（ＧＩＬ）の特別な利点は、ガス絶縁電線の少ない充電容量に基づく動的な制御および保護の機能の改善された管理可能性にある。このやり方で発展させられた本発明による装置は、単相または多相の交流電圧から第１の整流器により直流電圧を発生させるための直流遠隔送電のために用いられる。直流電圧は第２の電力変換器またはコンバータに伝送される。直流送電は、基本的には任意に構成された直流電圧線にて行なわれる。
【００２５】
互いに並列接続された３つの相要素を有する本発明による電力変換器の使用時には、直流電圧側では直流電圧線にエネルギー蓄積手段が接続されていないことが好ましい。なぜならば、相要素の個々のスイッチ要素自体がエネルギー蓄積手段を持ち、これらのエネルギー蓄積手段がエネルギー蓄積器としても直流電圧側での電圧平滑のためにも役立つからである。第２の電力変換器における互いに並列接続された３つの相要素の使用は、エネルギー蓄積手段を有するスイッチ要素によって、例えば接続されている交流電圧系統への投入のための細かく段階化される多相交流電圧の発生を可能にする。
【００２６】
もちろん、本発明の枠内において、２つよりも多い電力変換器を備えた直流電圧送電設備も、すなわちいわゆるマルチターミナルも実現可能である。マルチターミナル、すなわち少なくとも３つの電力変換器を備えた直流送電設備の場合には、直流電圧線は本発明の枠内において任意的である。換言するならば、本発明は、直流電圧側で互いに結合された少なくとも３つの電力変換器を備えた変形において、直流遠隔送電設備も、近接結合変換設備も含む。
【００２７】
好ましい構成形態において、第１または第２の電力変換器は他励式の電力用半導体を含む。ターンオフ制御可能な半導体スイッチの代わりに、他励式の電力用半導体、例えばサイリスタからなる、または最も簡単な場合にダイオードからなるブリッジ接続回路を有する電力変換器を備えた装置の構成形態は、設備コストの低減を可能にする。
【００２８】
好ましい発展形態では、直流電圧線が１極または２極である。２極の直流電圧線は高電力の伝送を可能にする。直流電流の帰路として大地または海底ケーブルの場合に水が利用される１極の直流電圧線は低コストの装置をもたらす。本発明による直流遠隔送電設備の交流側における単相または多相の送電系統は、例えば電車給電のための特殊電源系統の接続を可能にする。もちろん本発明の枠内において多極の直流電圧線も可能である。
【００２９】
この発展形態における他の実施形態では直流電圧線が、例えば最も簡単な場合にはリアクトルであるインピーダンスによって構成されている。直流電圧線としてのリアクトルにより、例えばそのようなものとして知られているいわゆる近接接合変換設備が構成されているとよい。リアクトルは平滑、電流制限および／または上昇勾配制限のような機能を引き受ける。
【００３０】
好ましい形態ではスイッチ要素にそれぞれ他のダイオードが並列接続されている。このような他のダイオード、例えば平形ダイオードのような公知の圧力接触形ダイオードまたは圧力接触形電子モジュールに組み込まれたダイオードが、１つ以上のスイッチ要素の故障時にフィードバック制御による適切な制御において、欠陥のあるスイッチ要素の橋絡を形成し、それによって電力変換器の継続動作が可能にされる。その際に、なおも健全なスイッチ要素の適切な制御によって欠陥のあるスイッチ要素に集中的に短時間の過電圧が形成されるので、並列接続されたダイオードがブレークダウンし、欠陥のあるスイッチ要素が次のメンテナンス周期において交換されるまで永久的に橋絡されたままとなる。更に、電力用半導体に組み込まれたフライホイールダイオードも、故障時におけるスイッチ要素のこの種の橋絡機能を持つことができる。
【００３１】
エネルギー蓄積手段は、例えばバッテリー、はずみ車または高出力コンデンサ蓄電装置（Ｓｕｐｅｒ-Ｃａｐｓ）のようなエネルギー蓄積器およびコンデンサを含む。エネルギー蓄積器はコンデンサに比べて著しく高いエネルギー密度を有する。これは、既に述べた動的な制御機能を含む無効電力および／または有効電力制御が送電系統または直流電圧線における比較的長い電圧低下または電圧喪失の際にも使用可能なまま保たれるという利点を有する。高いエネルギー密度を有するエネルギー蓄積手段の使用は、結果としてシステムの改善された可用性を持つ。
【００３２】
エネルギー蓄積手段が少なくとも部分的にコンデンサであることが好ましい。コンデンサは今日公知のエネルギー蓄積器と比べて低コストである。
【００３３】
有利な実施形態では、電力変換器と直流電圧線との接続がエネルギー蓄積器により行なわれる。高いエネルギー密度を有するエネルギー蓄積器を使用する場合に、このような接続はシステムの改善された可用性をもたらす。エネルギー蓄積器として、本発明による発展形態においても、例えば高出力コンデンサ蓄電装置を除いた上述のエネルギー蓄積器が考慮の対象となる。直流電圧線へのエネルギー蓄積器の接続は直列または並列に行なわれる。
【００３４】
装置は、直流送電設備および／またはいわゆるフレキシブル交流送電システム（ＦＡＣＴＳ＝Ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ＡＣ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）を構成し、細かく段階化された出力電圧を供給することは好ましいことである。他の利点は、高価な磁気結合なしの無効電力および／または有効電力の伝送にある。この場合に本発明による装置はモジュール構造様式にて構成されていることが好ましい。本発明による装置が特に有利であるのは、直流送電に使用すること、および／またはいわゆる静止形同期補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）、静止形同期直列補償装置（ＳＳＳＣ）または統合電力潮流制御装置（ＵＰＦＣ）を構成するために使用することである。
【００３５】
更に、本発明は上述の如き送電のための装置を有するシステムに関する。この場合にも送電系統は単相であるか、または多数の相を有する。一般に送電系統は３相交流線であり、３相交流線に本発明による装置が接続される。
【００３６】
以下において本発明を実施例に基づいて図面の図を参照しながら説明する。同じ符合は同じ作用を有する構成部分を示している。図１は本発明による装置の実施例の概略図を示し、図２は図１による装置のスイッチ要素の回路装置を示し、図３は図１の回路要素の他の実施例を示し、図４は本発明による装置の相要素の直列回路を有する電力変換器の模範的な概略図を示し、図５は本発明による装置の相要素の並列回路を有する電力変換器の模範的な概略図を示し、図６は本発明による装置の他の実施例を示す。
【００３７】
図１には、電気エネルギー伝送のための装置として、送電系統または交流電圧系統２と他の交流電圧系統３との間の双方向の電力伝送のための高電圧直流遠距離送電設備１が示されている。交流電圧系統２もしくは３は、図示されていない変圧器および／またはリアクトルを介してまたは直結にて高電圧直流送電設備１に接続されている。高電圧直流送電設備１は、交流電圧を直流電圧に変換するための電力変換器としての第１のコンバータ４と、直流電圧線としての送電ケーブル５と、直流電圧を交流電圧に変換するための電力変換器としての第２のコンバータ６とを含む。双極性の送電ケーブル５は２つの内部導体７，７’と、内部導体を遮蔽する被覆導体８，８’とからなり、被覆導体はそれぞれ端部を接地されているか、または他の適切な、例えばアレスタの如き手段によって保護されている。第１のコンバータ４は３つの相要素１０，１１，１２を有し、これらの相要素のそれぞれは直列に配置された多数のスイッチ要素１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉを持っている。各相要素は、対称性の理由からスイッチ要素の直列回路の中央において、交流電圧系統２の交流電圧のそれぞれ１つの相に接続されている。第２のコンバータ６は、同様にそれぞれ直列接続された偶数個のスイッチ要素１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉを有する３つの相要素１３，１４，１５を含み、これらの直列接続された偶数個のスイッチ要素は、それぞれ直列回路の中央に交流電圧系統３の１つの相のための接続端子を有する。装置は、更に送電ケーブル５の各端部に、付加的な直流電圧平滑および送電安定化のために配置されたコンデンサおよび／またはリアクトルおよび／または抵抗および／またはアレスタからなる符号９もしくは９’を付された他の回路装置を持っている。
【００３８】
電圧変成器１６，１６'ならびに変流器１７，１７'が、電圧もしくは電流の測定のために、直流電圧中間回路５にもそれぞれの交流電圧系統２，３にも設けられている。ただし、交流側の電圧変成器および変流器は図の見易さの理由から図示されていない。電圧変成器１６，１６'および変流器１７，１７'の出力信号はその都度監視すべき高電圧構成部分の測定量に相当する。検出された量は最終的に測定値として装置の閉ループ制御ユニット１８，１９に伝送される。閉ループ制御ユニット１８，１９において、信号がその都度割り付けられるサンプル値の獲得のためにサンプリングされ、そしてサンプル値がディジタル測定値の獲得のめにディジタル化される。測定されてディジタル化された測定電流ＩDCおよび／またはＩACならびに測定電圧ＵDCおよび／またはＵACが、それぞれ予め与えられた目標値ＩSollもしくはＵSollと比較される。装置の制御手段が開ループ制御および／または閉ループ方法に基づいてコンバータ４および６を制御する。
【００３９】
相要素１０，１１，１２もしくは１３，１４，１５の接続間に、またはそれぞれスイッチ要素１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉもしくは１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉの少なくとも１つの中央の接続端子における接続間に、図示されていない他のリアクトルを配置するとよい。これらのリアクトルは相要素間において生じ得る循環電流を制限する。
【００４０】
図２および図３は、独国特許出願公開第１０１０３０３１号明細書から公知であり、かつ図１による装置においてスイッチ要素１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ，１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉとして使用されている同等の回路装置を示す。スイッチ要素は、２つの接続端子２０，２１と、２つの電力用半導体２２，２３と、２つのダイオード２４，２５と、エネルギー蓄積手段としてのコンデンサ２６とを含む。電力用半導体２２および２３は、図示の例では、ターンオフ制御可能な半導体スイッチであり、ここではＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。しかしながら、電力用半導体として、ＩＧＣＴ（絶縁ゲート制御サイリスタ）、ＭＯＳ電界効果トランジスタ等も使用可能である。回路装置ならびに多数のこのようなスイッチ要素の直列回路の作用は、独国特許出願公開第１０１０３０３１号明細書に記載されていて、これはこの関連付けによって今ここで問題にしている開示の対象である。個々のスイッチ要素は同じ電圧範囲または異なる電圧範囲に設計されてよく、例えば２進法または他の方法にて異ならせて段階化可能である。接続端子２０，２１には、必要ならば、故障時におけるスイッチ要素の橋絡に役立つ図示されていない付加的なダイオードが接続される。
【００４１】
図４には、本発明による装置に使用するためのいわゆるＨ接続された他の電力変換器の実施例が示されている。この実施例では、図２によるスイッチ要素１０ａ〜１０ｉもしくは１０ａ’〜１０ｉ’，１１ａ〜１１ｉもしくは１１ａ’〜１１ｉ'，１２ａ〜１２ｉもしくは１２ａ'〜１２ｉ'が相要素２７，２８，２９に対して配置されている。各相要素２７，２８，２９は、それぞれ直列接続されたスイッチ要素１０ａ〜１０ｉもしくは１０ａ'〜１０ｉ'，１１ａ〜１１ｉもしくは１１ａ'〜１１ｉ'，１２ａ〜１２ｉもしくは１２ａ'〜１２ｉ'を有する２つの並列分枝を含む。並列分枝は、それぞれ図４に上側および下側に示された２つの外側の接続線および中央の接続線を介して互いに接続されている。中央の接続線と各外側の接続線との間には同数のスイッチ要素が直列に接続されている。中央の接続線はそれぞれ、接続される交流電圧の２つの相との接続のための相接続端子３０，３１，３２を有する。相接続端子３０，３１，３２は概略的に変圧器３０，３１，３２の２次側接続端子として示されている。変圧器３０，３１，３２の図示されていない１次側にはその都度の交流電圧が取り出されるか、または印加される。互いに直列に接続されているそれぞれの相要素２７，２８，２９にはコンデンサ３３，３４，３５が並列接続されている。交流電圧の発生のために図示の装置が作動させられる際に、各相要素によって、個々のスイッチ要素が適切に制御されることにより、直流側で結合された直流電圧から多相交流電圧の１相に交流電圧が供給される。コンデンサ３３，３４，３５は、付加的な安定化および平滑に役立ち、オプションとして設けられているだけである。この装置は、電圧型自励式変換器の原理にしたがって動作し、直流電圧側に印加される直流電圧または電力変換器自体によって発生させられた直流電圧から３相交流電圧を発生する。それゆえ、装置は、もちろん３相交流電圧の直流電圧への変換およびその逆の変換をするコンバータとしても使用される。
【００４２】
図５は、図４の直列回路に比べて大きい送電電流が実現される相要素２７，２８，２９の並列回路を有する電力変換器を示す。相要素は、この実施例では模範的に、リアクトル３６，３７，３８もしくは３６'，３７'，３８'により双極性の直流回路に接続されていて、この直流回路には送電線、ケーブルまたはＧＩＬ（ガス絶縁送電線）またはこれらのうちの任意の組み合わせを接続することができる。
【００４３】
図６には電気エネルギー伝送のための装置３９の本発明による他の実施例が概略的に示されている。この装置は、送電系統の送電線４１に接続されている電力変換器４０を含み、電力変換器４０の直流電圧側はコンデンサ４２およびオプションとしての直流電圧源４２に接続されている。送電線４１は、送電系統として、負荷接続端子を有するエネルギー供給系統の一部である。
【００４４】
電力変換器４０の開ループ制御および閉ループ制御のために、図示の本発明による装置３９を制御する他の手段のほかに、開ループ制御および閉ループ制御ユニット４３が使用される。制御ユニット４３には電流測定ユニット４４により検出される測定交流電流ＩACおよび電圧測定ユニット４５により得られる測定交流電圧ＵACが伝送され、制御ユニット４３において、適切な制御方法により送電線４１の交流電圧を動的にかつ位相調整して制御するために、予め与えられた目標値と比較される。ここでもう一度指摘しておくに、交流電圧という概念は、送電線４１を送電系統として作動させる電圧の任意の時間経過を含み、正弦波または高調波の電圧経過に限定されていない。
【００４５】
電力変換器４０はオプションとしてのリアクトル４６ならびに同様にオプションとしての変圧器４７を介して送電線４１に接続されている。電力変換器４０の助けによって、動的に大きさおよび位相が変化する電圧の能動的な結合により、無効電力および／または有効電力制御が可能にされ、あるいは電力動揺および／または副同期振動および／または副調波および／または超副調波の抑制および／または電圧対称化のような動的な制御機能が可能にされている。
【００４６】
電力変換器４０は、図１に示されたコンバータ４，６に示されたような、または図４または図５に示されたような図示されていない相要素を有する。固定の要素ならびに投入可能または制御可能な電力用半導体５０，５１を有する他の補償用のモジュール４８，４９が同様に送電線４１に接続されている。補償用のモジュール４８，４９の受動的な構成要素はリアクトル、コンデンサ、抵抗およびアレスタの任意の組み合わせおよび／またはこれらの単独の要素からなる。例えば、送電線４１における有効電力余剰の低減のために投入または制御される制動抵抗が実現されるように、モジュール４９が抵抗を装備することが有利である。このような有効電力余剰は、送電線４１に接続された負荷または高電圧直流送電設備の遮断時に有害な過電圧をもたらすことがある。
【００４７】
モジュール４９が少なくとも１つのアレスタを持っていると有利である。このアレスタ装備によって対比可能な電圧低減が達成可能である。電力変換器４０および補償用のモジュール４８，４９と多相送電線４１との接続は変圧器４７またはインピーダンスを介して行なわれるとよく、あるいは直接に行なわれてもよい。この種の補償および制御要素は、ＦＡＣＴＳの呼称のもとでの補償および制御要素として知られている。ここに示された本発明による装置の場合には、電力変換器４０において発生させられた交流電圧が能動的に送電線４１に供給される。この場合に送電要求に応じて電力変換器４０が制御されるので、作用させられる信号は細かい段階づけにて送電要求に適合させられ得る。電力用半導体５０，５１の代わりに、例えば電力用開閉器のような機械式の開閉器も使用することができる。本発明による装置によって、このような公知のＦＡＣＴＳとして、例えば静止形同期補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）が実現され、送電線への直列結合の場合に静止形同期直列補償装置（ＳＳＳＣ）が実現され、あるいは並列結合および直列結合の組み合わせの場合に統合潮流制御装置（ＵＰＦＣ）が実現される。
【００４８】
図１、図４、図５および図６に示された装置は、本発明の枠内において、図示の３相交流電圧系統もしくは３相送電線４１とは違って、単相、２相または多相の交流電圧系統もしくは送電線に、それぞれ適切な接続手段により接続可能である。
【００４９】
更に、図１による装置は、そこに示されたブリッジ接続回路や、図４、図５によるＨ接続回路を有する電力変換器を備えた変形においても、特別なやり方にて公知の高電圧直流送電マルチターミナル動作に適し、すなわち３つ以上の電力変換器を用いた高電圧直流送電に適している。この場合に、電力変換器は、ケーブルとしてまたはガス絶縁された送電線によって実現されている送電線により接続されているか、またはいわゆる近接結合変換設備を構成するように互いに直接的に接続されている。
【００５０】
コンデンサ５２を含めて、図１に示された回路装置９，９’のコンデンサ、図２および図３によるコンデンサ２６、図４によるコンデンサ３３，３４，３５および図６のコンデンサは、例えばはずみ車、バッテリー、高出力コンデンサ蓄電装置（Ｓｕｐｅｒ-Ｃａｐｓ）のようなエネルギー蓄積器と一緒に組み合わせることができ、あるいはこれらのエネルギー蓄積器によって置き換えることもできる。このためにエネルギー蓄積器は上述のコンデンサに対して並列にまたは上述のコンデンサの代わりに配置される。例えば回路装置９におけるように１つの共通なモジュール内に空間的に集中させられた配置も、エネルギー蓄積器の分散された配置、すなわち異なるモジュールへの空間的配分も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明による装置の実施例を示す概略図
【図２】図１の装置のスイッチ要素の実施例を示す回路図
【図３】図１の装置のスイッチ要素の他の実施例を示す回路図
【図４】本発明による装置の相要素の直列回路を有する電力変換器の模範的な概略図
【図５】本発明による装置の相要素の並列回路を有する電力変換器の模範的な概略図
【図６】本発明による装置の他の実施例を示す概略図
【符号の説明】
【００５２】
１                    高電圧直流送電設備
２，３                交流電圧系統
４                    第１のコンバータ
５                    送電ケーブル
６                    第２のコンバータ
７，７’              内部導体
８，８’              被覆導体
９，９’              回路装置
１０，１１，１２      相要素
１０ａ〜１０ｉ        スイッチ要素
１１ａ〜１１ｉ        スイッチ要素
１２ａ〜１２ｉ        スイッチ要素
１３，１４，１５      相要素
１３ａ〜１３ｉ        スイッチ要素
１４ａ〜１４ｉ        スイッチ要素
１５ａ〜１５ｉ        スイッチ要素
１６，１６’          電圧変成器
１７，１７’          変流器
１８，１９            閉ループ制御ユニット
２０，２１            接続端子
２２，２３            電力用半導体
２４，２５            ダイオード
２６                  コンデンサ
２７，２８，２９      相要素
３０，３１，３２      相端子
３３，３４，３５      コンデンサ
３６，３７，３８      リアクトル
３６’，３７’，３８’リアクトル
３９                  電気エネルギー伝送システム
４０                  電力変換器
４１                  送電線
４２                  エネルギー蓄積手段
４３                  開ループ制御および閉ループ制御ユニット
４４                  電流測定ユニット
４５                  電圧測定ユニット
４６                  リアクトル
４７                  変圧器
４８，４９            補償モジュール
５０，５１            サイリスタ
５２                  コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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