(57)【要約】【課題】  多端子直流配電システムにおいて、ＤＣ／ＤＣ変換器の平滑コンデンサの蓄積電荷を速やかに放出させて、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器で事故点を切り離す。【解決手段】  直流配電線１Ａに断路器６Ａ、８Ａ、９Ａまたは負荷開閉器を介して接続された複数の電力変換器７、１０と、該各電力変換器に接続された直流電源３と負荷１１とを備え、前記電力変換器７、１０は、前記直流配電線側の直流部に平滑コンデンサ２９が接続され、かつ前記直流配電線の事故検出信号に基づいて、前記平滑コンデンサの蓄積電荷を前記直流電源側または前記負荷側に放出させる制御回路３１を備えて構成する。【選択図】  図１
2006014456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流配電線に断路器または負荷開閉器を介して接続された複数の電力変換器と、該各電力変換器に接続された直流電源と負荷とを備え、前記電力変換器は、前記直流配電線側の直流部に平滑コンデンサが接続され、かつ前記直流配電線の事故検出信号に基づいて、前記平滑コンデンサの蓄積電荷を前記直流電源側または前記負荷側に放出させる制御回路を備えてなることを特徴とする直流多端子配電システム。
【請求項２】
前記電力変換器は、インバータ／コンバータ運転可能な２組の変換器を変圧器を介して接続してなる電圧型のＤＣ／ＤＣ変換器であることを特徴とする請求項１に記載の直流多端子配電システム。
【請求項３】
前記負荷は交流負荷を含み、該交流負荷に接続される前記電力変換器は、前記直流配電線側に接続された前記平滑コンデンサを備えてなるＤＣ／ＡＣ変換器であることを特徴とする請求項１に記載の直流多端子配電システム。
【請求項４】
交流電源に接続された電流型のＡＣ／ＤＣ変換器を前記直流配電線に断路器または負荷開閉器を介して接続してなり、前記ＡＣ／ＤＣ変換器は、前記直流配電線の事故検出信号に基づいて、前記直流配電線に流入する電流を零に絞る制御回路を備えてなることを特徴とする請求項１に記載の直流多端子配電システム。
【請求項５】
前記制御回路は、前記平滑コンデンサの蓄積電荷を前記直流電源側または前記負荷側に放出させた後、前記電力変換器のゲートパルスをブロックすることを特徴とする請求項1に記載の直流多端子配電システム。
【請求項６】
前記制御回路は、前記直流配電線に流入する電流を零に絞った後、前記ＡＣ／ＤＣ変換器のゲートパルスをブロックすることを特徴とする請求項４に記載の直流多端子配電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流多端子配電システムに係り、特に直流配電線の事故時の保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、太陽光発電システム等、直流の分散電源の普及に伴う一方で、情報化社会の進展に伴ってＩＴ関連施設等で使用される直流電力量も増加の一途をたどっている。このような背景から、直流電源から直流電力を直接配電して直流負荷に電力を供給する直流多端子配電システムを採用することが検討されている。
【０００３】
つまり、従来は、直流電源の出力をＤＣ／ＡＣ変換器で３相交流に変換して交流配電線により配電し、負荷側においてＡＣ／ＤＣ変換器で直流電力に戻して直流負荷に給電するのが一般であった。このような従来の交流配電システムによると、３相に合わせて配電線が３本必要になるだけでなく、浮遊容量による電力損失がある。これに対し、直流配電は正負2本の配電線で送電できるので、配電線を簡素化できるとともに、浮遊容量による電力損失を軽減できるという利点がある。
【０００４】
一方、直流は交流のように自由に電圧を変えられないという欠点の他に、直流は交流のように周期的に零になる点がないことから、従来の交流遮断器の遮断容量では直流電流を遮断できない。そこで、事故時の直流電流を遮断するための直流遮断器が大形になったり、大きな遮断容量を有する新たな直流遮断器の開発が必要になるという問題がある。
【０００５】
このような事故時の直流電流を効果的に遮断可能にするため、直流多端子配電システムではないが、直流式電気鉄道の給電システムにおいて、き電線の短絡事故にＡＣ／ＤＣ変換器を構成する半導体素子を制御して、事故電流を遮断することが提案されている（特許文献１）。これによれば、事故電流が過大な値にならないうちに遮断できるので、直流遮断器の遮断容量を大きくする必要がなくなる。
【０００６】
【特許文献１】特開平４−２９５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の従来技術では、直流配電線にＤＣ／ＤＣ変換器が接続される場合の問題について考慮されていない。すなわち、直流多端子配電システムを構成する場合、一般に、直流電源または直流負荷は直流配電線にＤＣ／ＤＣ変換器を介して接続される。このＤＣ／ＤＣ変換器は、一般に、入出力端に平滑コンデンサを備えた電圧型の変換器が用いられる。したがって、ＤＣ／ＤＣ変換器の半導体素子を制御して電流を絞っても、直流配電線側に接続された平滑コンデンサの蓄積電荷が事故点に流れるので、事故点を切り離すため直流遮断器の遮断容量を下げることはできない。
【０００８】
本発明は、ＤＣ／ＤＣ変換器の平滑コンデンサの蓄積電荷を速やかに放出させて、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器で事故点を切り離すことができるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の直流多端子配電システムは、直流配電線に断路器または負荷開閉器を介して接続された複数の電力変換器と、該各電力変換器に接続された直流電源と負荷とを備え、前記電力変換器は、前記直流配電線側の直流部に平滑コンデンサが接続され、かつ前記直流配電線の事故検出信号に基づいて、前記平滑コンデンサの蓄積電荷を前記直流電源側または前記負荷側に放出させる制御回路を備えてなることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、事故検出信号に基づき、直流配電線側の直流部に接続された平滑コンデンサを有する電力変換器をインバータ運転することにより、その平滑コンデンサに蓄積されていた電荷を、直流電源側または負荷側に速やかに放出する。その結果、直流配電線側に接続された平滑コンデンサから事故点に流れ込む電流を抑制でき、事故点に流れ込む電流が減少に転ずる。電流が減少に転ずれば、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器により、電力変換器を事故点から切り離すことができる。
【００１１】
この場合において、直流電源または直流負荷用の電力変換器は、インバータ／コンバータ運転可能な２組の変換器を変圧器を介して接続してなる電圧型のＤＣ／ＤＣ変換器を適用できる。この場合は、事故検出信号に基づいて、直流配電線側に接続された平滑コンデンサを有するインバータ／コンバータ運転可能な変換器をインバータ運転し、直流電源側または直流負荷側に接続されたインバータ／コンバータ運転可能な変換器をコンバータ運転する。これにより、直流電源からの充電電流が断たれ、直流配電線側に接続された平滑コンデンサに蓄積されていた電荷は、直流電源側または直流負荷側に速やかに放出または吸収されて減衰する。これにより、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器により、ＤＣ／ＤＣ変換器を事故点から切り離すことができる。
【００１２】
一方、負荷が交流負荷の場合は、電力変換器として、直流配電線側に接続された前記平滑コンデンサを備えてなるＤＣ／ＡＣ変換器を用いることができ、この場合は、通常の電力変換と同様に運転して、平滑コンデンサの蓄積電荷を負荷に吸収させる。
【００１３】
また、直流配電線に交流電源に接続された電流型のＡＣ／ＤＣ変換器を、断路器または負荷開閉器を介して接続する場合は、そのＡＣ／ＤＣ変換器は、前記直流配電線の事故検出信号に基づいて、前記直流配電線に流入する電流を零に絞る制御回路を備えて構成することができる。これにより、交流電源から事故点に流れ込む電流を零にできるから、事故点に流れる電流に加えて交流電源からの電流が加えられることがなく、事故点に流れる電流が減衰に転じた時点で、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器により、ＡＣ／ＤＣ変換器を事故点から切り離すことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＤＣ／ＤＣ変換器の平滑コンデンサの蓄積電荷を速やかに放出させて、事故点に流れる電流を減衰に転じさせることにより、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器で事故点を切り離すことができるから、高効率の直流配電システムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施の形態の直流多端子配電システムの一部を示す系統構成図である。図示のように、直流多端子配電システムは、２回線の直流配電線１Ａ、１Ｂと、これらの直流配電線１Ａ、１Ｂに交流電源２および分散電源として燃料電池３が連係されている。交流電源２は、変圧器４と交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換器５を介して断路器６Ａ、６Ｂに接続されている。断路器６Ａ、６Ｂは、対応する直流配電線１Ａ、１Ｂに接続されている。また、燃料電池３は、直流を異なる電圧の直流に変換するＤＣ／ＤＣ変換器７と断路器８Ａ、８Ｂを介して直流配電線１Ａ、１Ｂに接続されている。
【００１６】
一方、直流配電線１Ａ、１Ｂには、断路器９Ａ、９Ｂを介してＤＣ／ＤＣ変換器１０が接続され、ＤＣ／ＤＣ変換器１０には直流負荷１１が接続されている。直流負荷１１としては、例えば、インターネットデータセンタ等の直流負荷がある。なお、断路器６Ａ、６Ｂ、８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂに代えて、一定の直流電流を遮断できる負荷開閉器を用いることもできる。
【００１７】
ＤＣ／ＤＣ変換器７、１０は、基本的に同一の構成を有しており、図２に、ＤＣ／ＤＣ変換器７の具体的な一実施形態を示す。同図に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換器７は、２組の電圧型の変換器２１、２２を高周波リンクの変圧器２３を介して接続してなるＤＣ／ＤＣ変換器である。変圧器２３は、電圧の昇圧／降圧を行えるようになっている。それぞれの変換器２１、２２は、自己消弧型の半導体スイッチ素子２５とダイオード２６を逆並列に接続した４つのアームをブリッジ接続して構成され、それぞれインバータ／コンバータ運転可能になっている。変換器２１の直流端子２７は、断路器８Ａ、８Ｂを介して直流配電線１Ａ、１Ｂに接続可能になっている。また、変換器２２の直流端子２８は、燃料電池３に接続されている。各変換器２１、２２の直流端子２７、２８には、それぞれ平滑コンデンサ２９、３０が並列に接続されている。各変換器２１、２２は、制御回路３１により制御されるようになっている。
【００１８】
このように構成されるＤＣ／ＤＣ変換器７は、図中の矢印３７の方向に電力変換を行う場合は、変換器２２をインバータ運転し、変換器２１をコンバータ(ダイオード整流）運転するように、制御回路３１により制御される。例えば、制御回路３１は、平滑コンデンサ２９の電圧が規定電圧になるように変換器２２をインバータ運転する。矢印３７と逆の方向に電力変換を行う場合は、平滑コンデンサ３０の電圧を規定電圧とするように変換器２１をインバータ運転する。つまり、直流端子２７を直流配電線に接続した場合は、ＤＣ／ＤＣ変換器７の電圧指令値を直流配電系統の電圧に設定して制御する。なお、ＤＣ／ＤＣ変換器１０の場合は、直流端子２８を直流負荷に繋ぐことになり、ＤＣ／ＤＣ変換器１０の電圧指令値を負荷の定格直流電圧に設定して制御する。
【００１９】
制御回路３１は、ＤＣ／ＤＣ変換器７とＤＣ／ＤＣ変換器１０に関して同じ構成でよく、その主要部の一例を、図３に示す。同図に示すように、直流電圧制御回路３２は直流電圧の指令値に応じた電流指令値を生成する。直流電圧制御回路３２から出力される電流指令値は、指令値切替回路３３を介して定電流制御回路３４に入力される。定電流制御回路３４は、入力される電流指令値に応じて変換器の半導体スイッチ素子を駆動するパルスの制御信号を生成してパルス発生回路３５に出力する。パルス発生回路３５は、入力されるパルス制御信号に基づいて、ブリッジ回路の上下アームをスイッチング駆動するパルスを生成して、各半導体スイッチ素子のゲートに供給する。一方、指令値切替回路３３には、直流配電線系統の事故時の電流指令値Ｉｐ１が入力されている。指令値切替回路３３は、直流配電線系統の事故を検出する事故検出回路３６から出力される事故検出信号によって切替えられ、正常時は直流電圧制御回路３２から出力される電流指令値を選択し、事故時は事故時の電流指令値Ｉｐ１を選択するようになっている。事故時の電流指令値Ｉｐ１は、事故の種類に応じて設定される。例えば、直流配電線１Ａ、１Ｂ等の地絡事故検出の場合は、Ｉｐ１＝0に設定される。これにより、定電流制御回路３４は、直流電流が零となるように変換器７の出力直流電圧を制御する。これにより、ＤＣ／ＤＣ変換器７に流れる電流が零となるように、ＤＣ／ＤＣ変換器７の出力の直流電圧を制御する。この動作により、事故電流を減衰させる。
【００２０】
他方、既設の交流配電系統などの交流電源２に接続される交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換器５は、図４に示すように構成されている。変圧器４を介して入力される３相交流は、交流端子４１を介してサイリスタを３相ブリッジ接続して形成されたサイリスタ変換器４２の交流側に入力される。サイリスタ変換器の直流側は、直流電流の平滑リアクトル４３を介して直流端子４４に接続され、さらに断路器６Ａ、６Ｂを介して直流配電線１Ａ，１Ｂに接続されている。すなわち、ＡＣ／ＤＣ変換器５は、電流型の他励式変換器として構成されている。また、サイリスタ変換器４２は、制御回路４５によって制御されるようになっている。
【００２１】
制御回路４５は、図5に示すように、有効電力制御回路５１により生成される直流の電流指令値を、指令値切替回路５２を介して定電流制御回路５３に入力し、定電流制御回路５３から出力される点弧位相信号に基づいてサイリスタを駆動制御するパルス発生回路５５を有して構成される。一方、指令値切替回路５２には、直流配電線系統の事故時の電流指令値Ｉｐ２が入力されている。指令値切替回路５２は、直流配電線系統の事故を検出する事故検出回路５６から出力される事故検出信号によって切替えられ、正常時は有効電力制御回路５１から出力される電流指令値を選択し、事故時は事故時の電流指令値Ｉｐ２を選択するようになっている。直流配電線等の地絡事故検出により、例えばＩｐ２＝0に切り替えられると、定電流制御回路５３では直流電流が零となるように他励式変換器の出力直流電圧が制御される。これにより、ＡＣ／ＤＣ変換器５から直流配電線に供給される出力電流を零にできる。なお、ＡＣ／ＤＣ変換器５に並列にＤＣ／ＡＣ変換器を設ければ、直流配電線系統から交流系統に電力を送るようにすることができる。
【００２２】
このように構成される実施の形態の直流多端子配電システムにおいて、本発明の特徴である直流配電線１Ａまたは１Ｂの地絡事故時の動作について説明する。直流配電線１Ａの回線で運用されている場合に、同回線の点Ｆに地絡事故が発生すると、前述したように、ＤＣ／ＤＣ変換器７は燃料電池３から直流配電線１Ａに供給する直流電流を絞って出力電流を零に制御する。同様に、ＡＣ／ＤＣ変換器５は、交流電源２から直流配電線１Ａに供給する直流電流を絞って零に制御する。一方、ＤＣ／ＤＣ変換器１０は、直流負荷１１に供給する直流電力を増やして直流配電線のエネルギーを負荷に放出する。
【００２３】
したがって、ＡＣ／ＤＣ変換器５の系統は、直流配電線１Ａに供給する直流電力が速やかに零になるから、遮断容量が小さい断路器６ＡによってもＡＣ／ＤＣ変換器５の系統を切り離すことができる。しかし、ＤＣ／ＤＣ変換器７は電圧型であるから、直流送電線側の直流部に接続された平滑コンデンサ２９を有するため、電流指令値Ｉｐ２を零にしても、平滑コンデンサ２９の蓄積電荷が放電されるまでは、電流が流れることになる。ＤＣ／ＤＣ変換器１０は、電流指令値Ｉｐ２を事故前と同じに固定又は増加（図示していない。）して、平滑コンデンサ２９の蓄積電荷を直流負荷１１に放出する動作は行う。
【００２４】
すなわち、直流配電線１Ａ側の直流部に平滑コンデンサ２９が接続されているＤＣ／ＤＣ変換器１０の場合は、供給電流ないし負荷電流を絞っても、平滑コンデンサ２９に蓄積された電荷が地絡事故点Ｆに流れ込むことになる。そのため、事故検出後に速やかに断路器８Ａ、９Ａを開放することができず、事故の保護が遅れることになる。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、事故時に直流配電線１Ａ（または１Ｂ）に蓄えられているエネルギーを高速に吐き出すために、ＤＣ／ＤＣ変換器７の変換器２１をインバータ運転することにより、平滑コンデンサ２９などの直流配電線１Ａ（または１Ｂ）に蓄えられているエネルギーを燃料電池３側または直流負荷１１側に放出して、事故点Ｆに流れる電流を高速に零とすることを特徴とする。なお、燃料電池３には直流電流を逆送できないから、ＤＣ／ＤＣ変換器７をインバータ運転する場合は、平滑コンデンサ２９の蓄積電荷を平滑コンデンサ３０に蓄えることになる。したがって、ＤＣ／ＤＣ変換器７の変換器２２の出力電圧指令を規定電圧よりも過渡的に高い電圧に変更する必要がある。
【００２６】
なお、ＤＣ／ＤＣ変換器７の平滑コンデンサ２９の電荷も、直流配電線１Ａを介してＤＣ／ＤＣ変換器１０により負荷側に放出されることがあり得るが、事故保護を考慮すると、ＤＣ／ＤＣ変換器７の平滑コンデンサ２９の電荷を確実に燃料電池側に回収するのが好ましい。
【００２７】
上記実施の形態では、断路器又は遮断電流定格の小さい遮断器を使用した直流多端子配電システム構成について示したが、本発明はこれに限らず負荷開閉器を使用した直流多端子配電システムにおいても、ＤＣ／ＤＣ変換器およびＡＣ／ＤＣ変換器の電流制御を行うことにより、負荷開閉器の電流遮断定格を低減できるメリットがある。
【００２８】
また、負荷として直流負荷１１の例を示したが、交流負荷を含めることができることはいうまでもない。この場合、ＤＣ／ＤＣ変換器１０をＤＣ／ＡＣ変換器に変えればよい。
【００２９】
上述したように本実施形態によれば、運用中の直流配電線１Ａまたは１Ｂで地絡事故が発生した場合、直流負荷１１に電力が送れなくなるが、断路器により事故区間を遮断し、健全な回線を使って負荷に高信頼度に電力を供給することができる。つまり、直流配電線１ＡのＦ点で地絡が発生した場合は、断路器６Ａ、８Ａ、９Ａを開放して事故回線の直流配電線１Ａを切り離し、断路器６Ｂ、８Ｂ、９Ｂを投入して健全な直流配電線１Ｂを使って負荷に電力を供給することができる。
【００３０】
また、分散電源としては、燃料電池３のほか、太陽発電システムなどを適用できる。また、分散直流電源の電圧を配電システムの電圧に等しくすることにより、ＤＣ／ＤＣ変換器７を省略できる。この場合は、平滑コンデンサ２９の個数を少なくできるので、事故時に放出しなければならない配電線系統の蓄積エネルギを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態の直流多端子配電システムの一部の系統構成図である。
【図２】ＤＣ／ＤＣ変換器の一実施の形態の構成図である。
【図３】ＤＣ／ＤＣ変換器の一実施の形態の制御回路の構成図である。
【図４】ＡＣ／ＤＣ変換器の一実施の形態の構成図である。
【図５】ＡＣ／ＤＣ変換器の一実施の形態の制御回路の構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１Ａ、１Ｂ  直流配電線
２  交流電源
３  燃料電池
５  ＡＣ／ＤＣ変換器
６Ａ、６Ｂ、８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂ  断路器
７、１０  ＤＣ／ＤＣ変換器
１１  直流負荷
２１、２２  変換器
２９、３０  平滑コンデンサ
３１  制御回路
【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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