(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧直流送電システムの直流リンク（Ｗ１，Ｗ２）と交流ネットワーク（Ｎ１，Ｎ２）との間に設けられた電圧変換器（ＣＯＮ１，ＣＯＮ２）を具備する変電設備（ＳＴＮ１、ＳＴＮ２）のための制御システム（ＣＴＲＬ１，ＣＴＲＬ２）であって、制御システムは直流リンクと交流ネットワークの間の動的な電力のフロー（Ｐ）を、交流ネットワークのバス電圧（ＵＬ１，ＵＬ２，ＵＬ）と電圧変換器のブリッジ電圧（ＵＶ１，ＵＶ２，ＵＶ）との間の位相差（γ）に影響を与えることによって制御する手段を有し、当該制御システムは、
直流リンクの異常電圧状態の兆候に基づいて位相変更命令信号（ＰＣＯ）を発生する検出手段（４８）と、
当該位相変更命令信号に応答してブリッジ電圧の位相に影響を与えて、直流リンクから交流ネットワークへの動的な電力フローとなるように、ブリッジ電圧とバス電圧の位相差を調節する手段（４９）とを具備することを特徴とする制御システム。
【請求項２】
前記ブリッジ電圧の位相に影響を与える手段は、ブリッジ電圧の位相に所定の位相増分（Δδ）を加える手段を有することを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記検出手段は、直流リンクの電圧（Ｕｄ）の測定値を受けて、当該測定された値が第１の限界値を越えて、かつ、その測定値の時間変化が第２の限界値を越えたときに前記位相変更命令信号を作成する手段（４８１，４８２，４８３）を具備することを特徴とする請求項１または２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記制御システムは、さらに、ブリッジ電圧がバス電圧との同期を喪失した兆候に基づいて位相変更命令信号を発生する検出手段（４８５、４８６）を具備することを特徴とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の制御システム。
【請求項５】
前記制御システムは、前記電圧変換器の交流電流の動的電力成分（ＩＶ１，ＩＶ２，ＩＶ）の参照値（ＩＶｄＲ）を作成し、当該検出手段は、当該参照値と当該電圧変換器の位置での交流電流の動的電力成分を表す測定値（ＩＶｄ）を受けて、当該電圧変換器の位置での交流電流の動的電力成分を表す測定値と参照値の差が第３の限界値を越えているときに前記位相変更命令信号を発生する手段（４８５）を有することを特徴とする請求項４に記載の制御システム。
【請求項６】
制御システムは、バス電圧の位相位置を示す同期信号（ξ）に基づいてブリッジ電圧の参照値（ＵＶａｂｃＲ）を作成する電流制御システム（ＩＲＥＧ）を具備し、前記位相変更命令信号に基づいてブリッジ電圧の位相に影響を与える手段は、同期信号を受けて当該位相変更命令信号に基づいて一定の位相増分を加える手段（４７）を具備することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の制御システム。
【請求項７】
前記交流ネットワークは３相システム（ａｂｃシステム）であり、電流制御システムは回転２軸参照平面（ｄｑ参照平面）で作動しており、電流制御システムはブリッジ電圧の参照値（ＵＶｄｑＲ）を回転２軸参照平面から３相システムに、変換角（ξ’）に基づいて変換する変換手段（４３，４４）を有し、前記位相変更命令信号に基づいてブリッジ電圧の位相に影響を与える手段は、同期信号と前記一定の位相増分を受けて、この和に基づいて変換角を作成する手段（４７）を具備することを特徴とする請求項６に記載の制御システム。
【請求項８】
変電設備（ＳＴＮ１、ＳＴＮ２）の制御方法であって、高電圧直流送電システムの直流リンク（Ｗ１，Ｗ２）と交流ネットワーク（Ｎ１，Ｎ２）との間に設けられた電圧変換器（ＣＯＮ１，ＣＯＮ２）を有する変電設備を使用し、当該方法は、交流ネットワークのバス電圧（ＵＬ１，ＵＬ２，ＵＬ）と電圧変換器のブリッジ電圧（ＵＶ１，ＵＶ２，ＵＶ）との間の位相差に影響を与えることによって、直流リンクと交流ネットワークとの間の動的な電力フロー（Ｐ）を制御する過程を含み、当該方法は、
直流リンクの異常電圧状態の兆候に基づいて位相変更命令信号（ＰＣＯ）を発生する過程と、
当該位相変更命令信号に応答してブリッジ電圧の位相に影響を与えて、ブリッジ電圧とバス電圧の位相差が直流リンクから交流ネットワークへの動的な電力流フローとなるように調節する過程とを有することを特徴とする方法。
【請求項９】
前記ブリッジ電圧の位相に影響を与える過程は、ブリッジ電圧の位相に所定の位相増分（Δδ）を加える過程を有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記位相変更命令信号を発生する過程は、直流リンクの電圧（Ｕｄ）の測定値を受けて、当該測定された値が第１の限界値を越えて、かつ、その測定値の時間変化が第２の限界値を越えたときに前記位相変更命令信号を作成する過程を有することを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記位相変更命令信号を発生する過程は、さらに、ブリッジ電圧がバス電圧との同期を喪失した兆候に基づいて位相変更命令信号を発生する過程を有することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、さらに前記電圧変換器の交流電流の動的電力成分（ＩＶ１，ＩＶ２，ＩＶ）の参照値（ＩＶｄＲ）を発生する過程を含み、
前記位相変更命令信号を発生する過程は、当該参照値と当該電圧変換器の位置での交流電流の動的電力成分を表す測定値（ＩＶｄ）を受けて、当該電圧変換器の位置での交流電流の動的電力成分を表す測定値と参照値の差が第３の限界値を越えるときに前記位相変更命令信号を発生することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法はさらに、バス電圧の位相位置を示す同期信号（ξ）に基づいてブリッジ電圧の参照値（ＵＶａｂｃＲ）を作成する電流制御の過程を具備し、
前記位相変更命令信号に基づいてブリッジ電圧の位相に影響を与える過程は、同期信号を受けて当該位相変更命令信号に基づいて一定の位相増分を加える過程を具備することを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記交流ネットワークは３相システム（ａｂｃシステム）であり、前記電流制御の過程は回転２軸参照平面（ｄｑ参照平面）における作動であり、前記電流制御の過程はブリッジ電圧の参照値（ＵＶｄｑＲ）を回転２軸参照平面から３相システムに、変換角（ξ’）に基づいて変換する過程を有し、
前記位相変更命令信号に基づいてブリッジ電圧の位相に影響を与える過程は、同期信号と前記一定の位相増分を受けて、この和に基づいて変換角を作成する過程を有することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、高電圧直流送電システムにおいて、直流電流リンクと交流電流ネットワークの間に設けられた電圧変換器を具備する変電設備の制御方法に関するものであり、当該制御システムは、直流リンクと交流電流ネットワークの間で、交流電流のバス電圧と電圧変換器のブリッジ電圧のとの間の位相差に影響を与えてシステムに前記の方法を実行させるものである。
【０００２】
【従来の技術】
電圧変換器の制御システムに関する全般的な記載として、Anders Lindberg著「２つおよび３つのレベルを有する高出力電圧変換器のＰＷＭと制御(PWM and Control of Two and Three Level High Power Voltage Source Converters)」, Royal Institute of Technology, Department of Electric Power Engineering, Stockholm, １９９５年、特に、ページ１、７７−１０６、および付録Ａを参照する。
【０００３】
以下に記載するブロック図は、信号の流れを示す図面および送電システムの制御装置の図面の両方と考えることができる。ブロック図に示したブロックが行う機能は、ハードワイヤ回路に、アナログおよび／またはデジタル技術によって実現することができるが、マイクロプロセッサにプログラム化されていることが望ましい。図面にブロックで示した部分は、部材、フィルタ、装置等と説明されているが、これらは特にその機能がマイクロプロセッサに搭載したソフトウエアとして実現されているときは、必要な機能を実現する手段に過ぎないことを理解しておく必要がある。従って、場合によっては、「信号」という言葉は、コンピュータプログラムが作成した値であってそれ以外の形態をとらないものを意味する。機能は、それ自体、当業者に知られている多くの手段によって実現することができるので、以下ではブロックについて機能的な記載のみを行う。
【０００４】
当業者によって自明な説明のために明細書が冗長にならないように、高電圧送電システムで使用される値、以下に述べる制御装置と制御システムに供給されて処理される前記の値に対応する測定値と信号／計算値については、同じ表現を使用する。
【０００５】
類似の部分が複数の図面に現れるときは、複数の図面を通じて同じ参照番号を付した。
【０００６】
図面を必要以上に複雑にしないように、測定値とブロックとを接続する接続ラインは場合によっては省略した。しかし、ブロックに入力として表れる変数の値は、それらの値を作成したブロックから測定値として供給されたものであることを理解しておく必要がある。
【０００７】
図１は、単一のラインとブロック図の形式で、従来技術として知られている高圧直流送電システムの概念を示すものである。第１と第２の変電設備ＳＴＮ１とＳＴＮ２はそれぞれ、それぞれ２極の導体Ｗ１とＷ２とを有する直流リンクによって相互に接続されている。典型的な場合には、極性導体はケーブルであるが、少なくともその一部は架線であっても良い。各変電設備はキャパシタ装置、Ｃ１とＣ２をそれぞれ有し、それぞれは、極性導体の間に設けられて電圧変換器ＣＯＮ１とＣＯＮ２とを有している。各変換器は、６パルスブリッジ接続された２つの３相グループの半導体バルブを具備する。半導体バルブは、それ自体知られているように、たとえば、ＩＧＢＴ型と呼ばれるパワートランジスタのＯＮ／ＯＦＦ半導体エレメント部分と、このエレメントに対してアンチパラレル接続されたダイオードを有する。
【０００８】
各変圧器はそれぞれ位相誘導器ＰＩ１とＰＩ２とを介して３相交流電流ネットワークＮ１とＮ２に接続されている。図には示していないが、この分野では知られているように、変換器をトランスフォーマを介して３相ネットワークと接続することもでき、この場合には、位相誘導器は省略しても良い。フィルタ装置Ｆ１とＦ２はそれぞれ位相誘導器と３相ネットワークの間の接続点にシャント接続されている。
【０００９】
フィルタＦ１の接続点における交流ネットワークＮ１の交流電圧は、測定器Ｍ１によって測定される。この電圧は、以下の記述では交流ネットワークＮ１のバス電圧と称する。変換器ＣＯＮ１が発生した交流電圧は、ＵＶ１と称し、以下の記述では変換器ＣＯＮ１のブリッジ電圧と称する。変換器ＣＯＮ１の交流電流をＩＶ１と称し、測定装置Ｍ３によって測定される。同様に、フィルタＦ２の接続点における交流電流はＵＬ２と称し、測定装置Ｍ４によって測定され、変換器ＣＯＮ２の交流電流はＩＶ２と称し、測定装置Ｍ６によって測定される。フィルタＦ２の接続点における交流電圧は以下では交流電流ネットワークＮ２のバス電圧と称する。変換器ＣＯＮ２が発生する交流電圧はＵＶ２と称し、以下においては変換器ＣＯＮ２のブリッジ電圧と称する。
【００１０】
キャパシタＣ１の両側の直流電圧はＵｄ１と称し、模式的に示した測定装置Ｍ７によって測定する。キャパシタＣ２の両側の電圧はＵｄ２で表し、模式的に示した測定装置Ｍ８によって測定する。
【００１１】
第１の変電設備は制御装置ＣＴＲＬ１を具備し、第２の変電設備は、通常はＣＴＲＬ１と同種の装置である制御装置ＣＴＲＬ２を具備する。
【００１２】
変電設備は４つのモードで運転することができ、これらは直流電圧制御、動的出力制御と、直流電圧制御と、応答出力制御である。通常は、変電設備の１つ、たとえば最初の変電設備が、直流電流の電圧制御のために直流電圧制御モードで運転しており、第２の変電設備は、動的出力制御および直流電圧制御、または、応答出力制御モードで運転している。運転モードは、操作員によって手動で、あるいは、状況によっては、図示しないシーケンシャル制御システムによって自動的に設定される。
【００１３】
図２に、直流リンクの電圧制御のために直流電圧制御で運転している既知の制御装置ＣＴＲＬ１の具体例を示す。制御装置は、直流電圧制御装置ＵｄＲＥＧ、直流電圧制御装置ＵａＲＥＧ、選択手段ＳＷ２１と変換器電流制御システムＩＲＥＧを有する。
【００１４】
直流電圧制御装置には、キャパシタＣ１の両端で測定された直流電圧Ｕｄ１の実際の値と、その参照電圧Ｕｄ１Ｒが供給され、実際の値と参照値との偏差に基づいて出力信号ｐ１Ｒが作成される。
【００１５】
交流電圧制御装置には、バス電圧ＵＬ１の測定された実際の値と、その参照電圧の値ＵＬ１Ｒとが供給され、実際の値と参照値との偏差に基づいて出力信号ＤＵＬ１が作成される。
【００１６】
コンバータＣＯＮ１を通じた応答出力の流れに関する出力信号ＤＵＬ１と参照値Ｑ１Ｒが選択手段ＳＷ２１の２つの異なる入力部に供給される。
【００１７】
モード信号ＭＤ２１に基づいて、出力信号ＤＵＬ１または参照信号Ｑ１Ｒのいずれかが変換器の電流制御システムＩＲＥＧに対してｑ１Ｒと称する信号の形で供給される。
【００１８】
ヨーロッパ特許出願第９９１１２５４２．８（未公開）に記載された制御装置の具体例の、動的出力制御と応答出力制御状態について図３に示す。
【００１９】
制御装置ＣＴＲＬ２は直流電圧制御装置ＵｄＲＥＧ、演算装置ＰＣＡＬＣ、加算器ＳＵＭ、直流電圧制御装置ＵａＲＥＧ、選択手段ＳＷ２２、制御装置ＣＴＲＬ１に含まれている変換器電流制御システムと同種の変換器電流制御システムＩＲＥＧとを具備する。
【００２０】
直流電圧制御装置には、キャパシタＣ２の両端で測定された直流電圧Ｕｄ２である実際の電圧とその参照値である参照電圧Ｕｄ２Ｒが供給され、実際の電圧の参照電圧からの偏差に基づいて出力信号ｐ２Ｒを出力する。
【００２１】
直流電圧制御装置には、測定された実際のバス電圧ＵＬ２と参照電圧の値ＵＬ２Ｒが供給され、参照値と実際の値の偏差に基づいて出力信号ＤＵＬ２を作成する。
【００２２】
出力信号ＤＵＬ２と変換器ＣＯＮ２を流れる応答出力フローの最小値Ｑ２Ｒ選択手段ＳＷ２２の２つの異なる入力部に供給される。
【００２３】
モード信号ＭＤ２２に基づいて、出力信号ＤＵＬ２または参照値Ｑ２Ｒのいずれかが、図に示した場合には参照値Ｑ２Ｒの値が、信号ｑ２Ｒの形で変換器電流制御システムＩＲＥＧに送出されて供給される。
【００２４】
参照電圧の値Ｕｄ２Ｒは参照電圧の値Ｕｄ２Ｒ’と電圧修正信号ΔＵｄＲに基づいて作成されるが、その作成方法を以下に述べる。参照電圧の値Ｕｄ２Ｒ’は、第１の変電設備のキャパシタＣ１の両側の直流電圧Ｕｄ１については、参照電圧の値Ｕｄ１Ｒと同じに設定するのが好ましい。
【００２５】
動的出力制御装置ＰＲＥＧは、入力として第１の変電設備を流れる動的な出力の実際の値を示す量であるＰ２とその参照値Ｐ２Ｒとを入力として受け、これら２つの値の差に基づいて、参照電圧修正信号ΔＵｄＲを出力する。参照電圧修正信号と参照電圧の値Ｕｄ２Ｒ’は加算器ＳＵＭに供給されて、ＳＵＭはこれらの入力の合計として参照電圧の値Ｕｄ２Ｒを作成する。
【００２６】
動的出力制御装置は、従来と同様に（図示しない）、比例または積分的な特性を有してその結果、第２の変電設備の直流電圧を変換器を所望の出力が流れるように調節することで第２の変電設備の動的な出力フローのフィードバック制御を行う制御装置を具備する。第２の変電設備を流れる動的な出力フローを示す値Ｐ２は、バス電圧の測定値ＵＬ２と変換器を流れる交流電流ＩＶ２とに基づいて演算装置ＰＣＡＬＣが計算する。
【００２７】
制御装置ＣＴＲＬ１とＣＴＲＬ２の直流電圧制御装置からの出力信号ｐ１Ｒとｐ２Ｒは、動的出力命令の意味を持ち、選択手段ＳＷ２１とＳＷ２２の出力信号ｑ１Ｒとｑ２Ｒは、対応する変電設備に対する応答出力命令の意味を有する。これらの出力信号は、対応する制御装置の変換電流制御システムＩＲＥＧに供給される。
【００２８】
変換器電流制御システムＩＲＥＧは動的出力と応答出力の制御を線形化する目的で導入されるものである。
【００２９】
好ましくは、変換器電流制御システムはマイクロプロセッサ上で実行されるソフトウエアの形態と例示された制御システムとして実現される。現実的な理由から、つまり、以下に詳細に説明する演算を容易にするために、変換器電流制御システムは、静的な２位相αβ参照平面から変換を通じて回転２位相ｄｑ参照平面で表現される従来型の３相ユニット（交流電流ネットワークの電圧と電流）で動作する。交流ネットワークの３相ユニットが次に、それ自体はすでに知られている直流量に変換される。
【００３０】
以下の記載では、ベクトルユニットは、特に数式においては、上部に線を引いて示す（たとえば、ｘ。ただし、文中では、ベクトルｘ、ＩＶ等については左記のように上部の線を省略する）。３相交流電流ネットワークの３つの位相ａ、ｂとｃを用いて、３相システムをａｂｃシステムと称する。明細書の以下の部分と図面では、適当な場合には、参照面をスーパースクリプトを用いて、ｘａｂのように表示する。
【００３１】
ａｂｃ参照平面によって表現した電流と電圧の、ｄｑ参照平面への変換は、上述の、Anders Lindberg著「２つおよび３つのレベルを有する高出力電圧変換器のＰＷＭと制御(OWM and Control of Two and Three Level High Power Voltage Source Converters)」の特に、付録Ａに詳細に記載されているが、以下に簡単に要約する。
【００３２】
３相ａｂｃシステムの３相の値、たとえば、電圧または電流は一般に、ｘａ、ｘｂ、ｘｃと表現され、以下に規定する変換の結果、空間ベクトルｘαβで示されるαβ参照平面に位置する。
【数１】
0004627385.tif 000002
【００３３】
３相交流ネットワークの各周波数をωとし、ｘａ＝ｘcos（ωｔ−φ）、ｘｂ＝ｘcos
（ωｔ−φ―２π／３）、ｘｃ＝ｘcos（ωｔ−φ―４π／３）とすると、空間ベクトルｘαβの値は以下のようになる。
【数２】
0004627385.tif 000003
上述の左辺は、長さがｘであって、静的αβ参照面で角速度ωだけ回転したベクトルを表す。
【００３４】
空間ベクトルｘαβからｄｑ平面におけるベクトルｘｄｑへの変換は、以下のように定式化される。
【数３】
0004627385.tif 000004
【００３５】
ｄ軸の方向は、位相変位φ＝０である対称３相の値の変換であるαβ参照平面におけるベクトルの向きと定義される。ξ＝ωｔを用いれば、式（２）と（３）とは以下のようになる。
【数４】
0004627385.tif 000005
上記の式は、ｄ軸に対する位相の位置がφである、回転するｄｑ参照平面において定常状態では静的であるベクトルを示す。従って、ベクトルｘｄｑは直流電流と解釈することができる。
【００３６】
変換器電流制御システムの基本構造を図４に示す。説明を簡単にするために、すべての変数をベクトル形式で示すが、信号処理は、それ自体知られているように、ベクトルの各成分に対して実行する。制御装置を通じて電流制御システムは互いに類似するので、表記を単純にするために、インデックス１と２は以下の表現では省略する。
【００３７】
図２と３とを示して説明したように、変換器電流制御システムは、直流電圧制御のための上位の制御装置が作成した信号ｐＲと、直流電圧制御と応答出力制御のための上位の制御装置が作成した信号ｑＲを入力され、これらに基づいて、あらかじめ設定されたパルス幅変調パターンに従って半導体バルブに対して一連のオン／オフ命令Ｆｐを作成して出力する。
【００３８】
変換器電流制御システムは、電流命令計算ユニット４１と、電流制御装置４２と、変換器４３と４４、位相ロックループ（ＰＬＬ）器４６と加算器４７とを有する。
【００３９】
上位の制御装置からの出力信号ｐ１Ｒとｐ２Ｒとは、電流命令計算ユニット４１に供給され、当該ユニットはこれらに基づいて変換器における交流電流の参照値を出力する。参照値は、ｄｑ平面でＩＶｄＲとＩＶｑＲと表示され、電流参照ベクトルがＩＶｄｑＲ＝ＩＶｄＲ＋ｊＩＶｑＲと表現される。この演算は、それ自体は既知である以下の関係によって演算することができる。
【数５】
0004627385.tif 000006
ここで、電圧ＵＬｄとＵＬｑはそれぞれ、交流電流ネットワークで測定され、たとえば、上述の、Anders Lindberg著「２つおよび３つのレベルを有する高出力電圧変換器のＰＷＭと制御(OWM and Control of Two and Three Level High Power Voltage Source Converters)」の特に、８０−８４ページに記載されたように、それ自体既知である方法によってｄｑ平面に変換されたバス電圧ＵＬのｄとｑ成分を表す。当該記載をここに参照して取り込むものとする。
【００４０】
参照電流の値ＩＶｄＲとＩＶｑＲはさらに処理される前に、特定された送電システムの運転条件によって制限される可能性があるが、このような制限は、それ自体は既知の方法によって実現可能であるが、ここでは取り扱わないものとする。
【００４１】
バス電圧とともに回転しているｄｑ平面においては、バス電圧のｑ成分はゼロであることに注意する必要がある。従って、（５）式によれば、参照電流の値のｄ成分が動的出力の値になり、ｑ成分が応答出力の参照値になる。
【００４２】
電流制御装置４２は、差分形成器４２１（加算機の記号部分の円は、入力信号と逆信号を加算することを表す）、制御器４２２、加算機４２３とを有する。差分形成器４２１は交流ネットワークの変換器の位置で測定されて電流ベクトルＩＶｄｑとしてｄｑ平面に変換された参照電流ベクトルＩＶｄｑＲと実際の交流電流の値ＩＶとを与えられて、これらの差分を出力する（変換は図には示していない）。上述の差分は、それ自体は既知である比例と積分特性を有する制御器４２２に供給される。
【００４３】
制御器の出力信号は、加算機４２３に与えられる。加算機にはさらに、インピーダンスのディメンジョンを有し変電設備での値によって定まる値を有する比例定数ＫＬを掛けた参照電流ベクトルＩＶｄｑＲと、ｄｑ平面に変換したバス電圧ＵＬの平均値ＵＬｄｑｍとが供給される。比例定数については以下に詳細に述べる。平均値ＵＬｄｑｍの作成については以下により詳細に述べる。ＵＶｄｑＲと称する、加算機に供給された信号の和である、加算機４２３の出力信号は、ｄｑ平面における変換器のブリッジ電圧の参照交流電圧である。
【００４４】
電流制御装置４２は、変換装置の交流電流へのフィードバック制御を有する１つのブランチと、変換装置の交流の参照値に基づくフィードフォワードを有する１つのブランチと、バス電圧ＵＬの参照値のフィードフォワードを有する１つのブランチを有する。
【００４５】
交流参照電圧ベクトルＵＶｄｑＲは、変換器４３に供給されて、当該ベクトルはαβ平面に変換される。変換器４３の出力は、変換器４４に供給されて、入力ベクトルがａｂｃ平面でベクトルＵＶａｂｃＲに変換される。このベクトルは、交流システムの対応する３つの位相の参照電圧の値である変換装置のブリッジ電圧参照ベクトルである。
【００４６】
参照電圧ベクトルＵＶａｂｃＲは、パルス発生ユニット４５に供給されて、当該ユニットはそれ自体既知の方法によって、あらかじめ定められたＰＷＭ（パルス幅変調）パターンに従って、これらに基づいて一連のオン／オフ命令Ｆｐを作成して半導体バルブに供給する。
【００４７】
位相ロックループ（ＰＬＬ）器４６は、それ自体は基地の方法に従って、交流ネットワークの測定された角周波数ωとバス電圧の位相位置ＵＬにしたがって、同期信号ξを作成し、αβ平面に変換する。同期信号ξは、式（３）に従ってαβ平面とｄｑ平面の間の変換に使用される変換角ξを示し、バス電圧のａｂｃシステムに対するｄｑ平面の回転を同期させる目的を有する。従って、同期信号ξは、時間とともに、交流ネットワークの周波数に比例して増大する。少なくとも定常状態では、同期信号ξは交流ネットワークのバス電圧の位相にロックして同期する。同期信号がバス電圧の位相位置と同期しているときは、回転するｄｑ平面も３相ａｂｃシステム、特にバス電圧にロックして同期する。これらの条件の下では、バス電圧のｑ成分はゼロになる。
【００４８】
加算機４７には同期信号ξと遅延角Δξが供給され、変換器４３に対して合計値ξ’＝ξ＋Δξが出力されて提供される。変換器４３は次に、ｄｑ平面からαβ平面への変換を、上記の式３）に従って、位相ロック器４６が作成したξではなく、変換角４３を使用して行う。
【００４９】
電流制御システムをいっそう詳細に説明する。
【００５０】
交流変換装置の電流ＩＶｄｑ、ブリッジ電圧ＵＶｄｑおよびバス電圧ＵＬｄｑは以下の式で表される。
【数６】
0004627385.tif 000007
ここでＬは、２つの電圧が現れるネットワーク内の２つの位置の間の位相インダクタンス、送電システムでは位相インジケータＰＩ１と位相インジケータＰＩ２のインダクタンスである。回路の抵抗は無視してあるが、高出力ユニットに関してはこの近似は通常正しい値を与える。
【００５１】
電流制御システムはサンプリング周期Ｔｓを有するサンプルされた制御システム、およびそれ自体は既知である変換装置電流のデッドビート制御として実現されているので、これらについて説明する。制御規則は式（６）を積分することによって得られ、データビート条件ＩＶ（ｋ＋１）＝ＩＶ（ｋ）によって、実際の電流値が参照値の１サンプル前のものに等しいというデッドビートコンディションの基本的結果が得られる。
【００５２】
式（６）を１サンプル周期分積分すると以下の結果が得られる。
【数７】
0004627385.tif 000008
ここで、サブスクリプト「ｍ」はサンプリングされた周期にわたる平均値を表す。
【００５３】
バス電圧の、ＵＬｄｑｐ、ｆおよびＵＬｄｑｎ、ｆと表示される、正と負のシーケンス成分のローパスフィルタ処理された値によって、バス電圧のサンプル周期にわたる予想平均値の値は以下のようにあらわすことができる。
【数８】
0004627385.tif 000009
ここで、以下の関係が成り立つ。
【数９】
0004627385.tif 000010
【００５４】
ここでｄ’ｑ’平面は、バス電圧の負のシーケンス成分が定常になるようにｄｑ平面を時計回りに回転させた平面である。
【００５５】
電流のデッドビート制御によって、サンプル周期にわたる変換器電流の平均値の凡その値は、以下の式によって得られる。
【数１０】
0004627385.tif 000011
【００５６】
変換器のブリッジ電圧の参照値をＰＷＭパルス発生ユニット４５に対して適用する前に、αβ平面に逆変換する必要がある。この変換において、ωＴｓ／２である追加の角度を変換角ξに加えて、サンプル制御システムのサンプルホールド特性を考慮する必要がある。従って、この関係は以下のように表すことができる。
【数１１】
0004627385.tif 000012
【００５７】
前出の（７）式は、フィードフォワード特性の制御規則を示すものである。定常状態では変換装置の電流の偏差をゼロにするために、変換装置の電流の差文を受け取る制御器４２２を有するフィードバック制御ループを導入する。
【００５８】
制御装置の出力ΔＵｄｑＰｌは以下のように表現することができる。
【数１２】
0004627385.tif 000013
ここで、ＨＰＩは制御装置の比例積分特性を表現する伝達関数である。
【００５９】
式（７）の関係に上記の式（１２）の関係を導入すると以下の関係が得られる。
【数１３】
0004627385.tif 000014
ここでは、
【数１４】
0004627385.tif 000015
の関係を用いた。
【００６０】
デジタル信号処理装置によって実現された制御システムの場合には、演算のための時間を確保するために、さらに１サンプル周期分の時間が必要になり、その結果以下の関係が成り立つ。
【数１５】
0004627385.tif 000016
【００６１】
式（８）において、負のシーケンス成分の変換は、追加された遅延のためにさらに修正する必要があり、以下のようになる。
【数１６】
0004627385.tif 000017
【００６２】
同様に、式（１２）も修正する必要がある結果、以下の関係が成り立つ。
【数１７】
0004627385.tif 000018
【００６３】
同様に、追加された遅延を考慮して式（１１）は以下のように修正される。
【数１８】
0004627385.tif 000019
【００６４】
式（１６）は、位相ロックループ器４６（図５には示されていない）が作成した変換角ξ荷は、遅延角Δξ＝ω３Ｔｓ／２を追加して、変換装置の電流制御システムの遅延時間を補償する必要があることを意味する。
【００６５】
制御手法の実現手段を図５に示すが、図では、ｚ−１で示した伝達関数で示したブロックが１サンプル周期分の遅延を示す。上述の式（１３）と比較すると、加算器４２３は式中における加算操作に対応する。遅延器４２４、加算器４２８と積算器４２９は、式（１２）が使用されている式の第２項に相当する。遅延器４２４、差分作成器、４２５と積算器４２６は式の第３項に相当する。
【００６６】
上述の式（１５）と比較すると、遅延器４２４、遅延器４２７、差分作成器４２１、制御器４２２、および積算器４３２は、銅式および式（１３）の第４項に相当する。加算器４３０は、式（１３）の第２項と第３項、参照電流値のフィードフォワード項を、加算器４２３に供給する前に加算するだけの目的で導入される。
【００６７】
図は、αβ平面からｄｑ平面で表現されたインバータ電流ベクトルＩＶαβの変換のための変換器４３１を示す。
【００６８】
直流電流送電システムの通常運転において、直流リンクの電圧は、変電設備の内の１つによって所望の値に制御される。しかし、送電システムに外乱が発生し、直流リンクに異常電圧を生じさせる可能性を考慮する必要がある。特に、この種の外乱が、送電システム内の種々の装置、たとえば、変換装置のバルブ、の安全運転限界を超えて直流電圧の急速な上昇を生じさせる可能性がある。このために、変電設備には、直流電圧が高すぎるレベルに到達したことが示されると変電設備をブロックするか場合によっては停止させるための過電圧防護システムが備えられている。しかし、変電設備をブロックしたり停止させたりすることは出力の喪失のような不具合を生じさせることになる。停止はさらに、変電設備および全送電システムの再起動を必要としており、時間のかかる手順である。
【００６９】
電力送電システムが許容できないほど頻繁に中断することを避けるために、チョッパ回路と称する短絡回路を極性導体の間に設けて、必要な場合にはいつでも急速に直流電圧を低減することが通常行われている。図１にはこの装置が示されており、第１の変電設備は第１のチョッパ回路ＣＨ１を、第２の変電設備は第２のチョッパ回路ＣＨ２を有して、それぞれは極性導体に接続されている。それぞれのチョッパ回路は、スイッチおよびスイッチと直列接続されたレジスタとを有する。スイッチは図では機械的な接点として示してあるが、たとえば、変換バルブで使用されているような同種のパワートランジスタのブランチを有する高速作動半導体バルブであるのが望ましい。スイッチは、それぞれに対応する電圧比較装置ＵＣＨ１とＵＣＨ２が発生する、スイッチ命令ＳＣ１とＳＣ２とに従って開閉される。電圧比較装置には対応するキャパシタの両側で測定された直流電圧が供給される。当該電圧の値が高い限界電圧に到達すると、対応するスイッチが閉じられ、キャパシタは蓄積したエネルギーをレジスタに開放して、直流リンクの電圧を低減する。電圧比較装置は、電圧が高い限界電圧よりも低い、低いほうの限界電圧に到達すると、スイッチを非導通状態にリセットする。このように、一時的な外乱を生じたときにも、外乱が除去されるまで、変電設備をブロックしたり停止させたりせずに、変電設備を、安全運転限界内に維持することができる。
【００７０】
しかし、上述のチョッパ回路は送電システムの全電圧に対して設計しなければならないために、費用がかさみ変電設備内で大きな場所を示すことになる。
【００７１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、導入の部分で説明したような方法であって、直流リンクの電圧を、異常な状態においても安全運転限界内に維持することができる、技術的観点と経済的観点から単純かつ満足すべき方法と、当該方法を実行するための制御システムを提供することである。
【００７２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記の目的は、直流リンクでの異常電圧状態兆候に対応して位相変更命令信号を作成する検出手段と、当該位相変更命令信号に応答してブリッジ電圧の位相位置を変更して、ブリッジ電圧とバス電圧の位相変位が直流リンクから交流ネットワークへの動的電力流となるようにする手段とを具備する制御システムによって達成される。
【００７３】
本発明の好ましい実施例に拠れば、上述のブリッジ電圧の位相変更手段は、ブリッジ電圧の位相位置に固定された位相寄与分を追加する手段を具備する。
【００７４】
本発明の別の好ましい実施例に拠れば、前記の検出手段は、直流リンクの電圧の測定された値を受ける手段、検出された値が第１の値を超えてかつ検出された値の変化率が第２の限界値を越えたときに、前記位相変更命令信号を発生させる手段を具備する。
【００７５】
本発明の別な好ましい実施例に拠れば、制御システムは、さらに、ブリッジ電圧がバス電圧との同期を喪失したことが示されるとそれに応答して位相変更命令信号を作成する検出手段を具備する。
【００７６】
本発明のさらに別の好ましい実施例に拠れば、前記検出手段は、変換装置の位置での交流電流の動的な電力成分の参照値と、変換装置の位置における交流の電力成分をあらわす測定値とを受ける手段と、変換装置の位置における交流の動的電力成分を表す測定値と参照値の間の差が第３の限界値を越えると前記位相変更命令信号を発生する手段とを具備する。
【００７７】
本発明のさらに別の好ましい実施例は、以下の記載および添付の請求項によって明らかになるはずである。
【００７８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して実施例について説明することによって本発明をより詳細に説明する。添付の図面と実施例とはいずれも発明の概念を示すために、実施例を簡略化して単一の線で示したものである。
【００７９】
以下の記述は高圧直流送電方法とシステムの両方に関するものである。
本発明を、図５に示した変換装置の電流制御システムを参照しつつ、より詳細に説明する。
【００８０】
動的な電力フローは、バス電圧ＵＬとブリッジ電圧ＵＶとの間の位相差γを介して制御可能であることは広く知られている。通常使用される符号を使用すれば、動的な電力は以下のように表すことができる。
【数１９】
0004627385.tif 000020
ここで、γ＝ａｒｇ（ＵＬ）−ａｒｇ（ＵＶ）、Ｘは対応する位相インダクタのインピーダンス、Ｐの符号は、直流リンクから交流ネットワークに対して電力が流れるときにＰが正になるように設定する。
【００８１】
その結果、ブリッジ電圧ＵＶの位相がバス電圧ＵＬの位相よりも先行するようにすることで、つまりγ＜０とすることで、電力フローは、直流リンクから変換装置を介して交流ネットワークに対して流れることになる。
【００８２】
本発明によれば、位相変更命令信号は直流リンクにおける異常電圧状態表示に対応して作成され、ブリッジ電圧の位相の位置はブリッジ電圧とバス電圧の間の位相差が、直流リンクから交流リンクへ動的電力が流れることを保証するようにする。従って、キャパシタは変換装置を通じて電荷を開放し、直流リンクの電圧を低減する。
【００８３】
本発明の好ましい実施例に拠れば、図５に示したように、ブリッジ電圧の位相は加算器４７が、上述のまた従来技術においても知られている同期信号ξと遅延角Δξの和である信号ξ’＝ξ＋Δξに対して、一定の位相分Δδを追加することによって影響を受ける。
【００８４】
変段基準ユニット４８は、受信した入力の評価と所定の判断基準に従って、位相変更命令信号ＰＣＯを作成する。図には記号によって示したように、位相変更命令は、加算器４７に対して、スイッチ手段４９を閉じることによって一定の位相増分Δδを供給する。
【００８５】
加算器４７に加えられた位相の増分Δδによって、変換器４３はブリッジ電圧参照ベクトルＵＶｄｑＲをｄｑ参照平面からαβ参照平面に、変換角ξ’＝ξ＋Δξ＋Δδを使用して変換する。固定された量の位相増分は、ξ＝ωｔで表される角周波数による回転に対して、回転に関するｄｑ平面で一定の位相移動を行わせる。従って、その影響によって、回転するｄｑ平面から一定のαβ平面への変換を介して、変換装置のブリッジ電圧の位相が対応する位相分だけ変更されることになる。
【００８６】
図６には判断基準ユニットの好ましい実施例を示す。ユニットは、比較器４８１と４８３、時間抽出器４８２、論理ＡＮＤ器４８４および論理ＯＲ器を含む。
【００８７】
直流リンクにおける制御されていない急速な電圧上昇である、異常電圧状態が生じた第１の変電設備は、変換器がインバータとして作動しており、つまり、直流リンクから接続された交流ネットワークに対して動的な電力を送電している変電設備が、たとえば、過電流保護装置をトリガーする交流ネットワークの支障または変電設備内の構成要素の破損によって突然ブロックされる。最初は、整流器として作動している変換器が直流リンクに対して動的な電力を送りつづけ、キャパシタに電荷を蓄積し、その結果、直流リンクの電圧を上昇させ、非常に短期間に、典型的な場合には数ミリ秒の間に電圧は危険な値にまで到達する。
【００８８】
そのような異常な電圧状態の兆候は、以下に示す第１の判断基準に基づいて把握することができる。比較器４８１は直流リンクの直流電圧Ｕｄの測定値を受けて、この値が第１の限界値を超えていることに応答して、第１の論理信号Ｓ１を作成し、その値を論理ＡＮＤ器４８４に送る。本発明に基づく制御システムの性能を向上させて、変電設備の過電流保護システムがブロックする前に電圧を低減するために、直流電圧Ｕｄの時間変化を考慮する。これは時間微分器４８２に測定された直流電圧Ｕｄの値を供給することによって行うことができる。時間微分器４８２は、それ自体は知られている方法によって、直流電圧Ｕｄの時間変化を示す値を得て、この値に基づいてこの値が第２の限界値を超えているときは、第２の論理信号Ｓ２を作成してこれをロジックＡＮＤ器４８４に送る。ＡＮＤ器４８４は、前記した両方の値に基づいて、第３の論理信号Ｓ３を作成して、これを論理ＯＲ器４８７に送る。論理ＯＲ器は、第３の論理信号に従って、位相変更命令信号ＰＣＯを作成する。
【００８９】
直流リンクに異常電圧状態を生じさせる第２の状況は、変換器にバス電圧に突然の位相変化を生じさせるような外乱、典型的には交流電流ネットワークの故障、が発生した場合である。ｄｑ参照平面をバス電圧と同期させるための同期信号ξを発生する位相ロックループ器４６は、定常状態とバス電圧の緩やかな位相変化を通じてこの同期を維持する。しかし、同期に配送ロックループ器に固有の遅延を伴う。バス電圧が急激に変化したときは、回転するｄｑ位相平面とバス電圧の同期は喪失し、典型的な場合には、交流ネットワーク周期の１ないし２周期分の間は回復することができない。この結果、ｄｑ参照平面において計算されたインバータ電流ＩＶｄとＩＶｑの値は不正確で、実際の値とは異なり、動的及び応答する電力フローはコンバータ電流制御システムによって制御することはできない。
【００９０】
典型的には、同期の喪失の結果、インバータの電流ＩＶｄとその参照地ＩＶｄＲの偏差は、参照値の正常な変化に起因する偏差よりも大きくなる。ＩＶｄ＞０を、交流ネットワークから直流リンクへの動的な電力フローであると定義すると、ＩＶｄが参照値ＩＶｄＲを所定の値だけ超えることは、上位の制御装置が要求する異常に直流リンクに動的な電力が供給されたことを意味する。このことは、キャパシタに電化が蓄積され、したがって、直流リンクの電圧が極めて短時間に危険な値に到達することを意味する。
【００９１】
本発明の好ましい実施例に拠れば、このような異常な電圧状態は、以下に記載する第２の判断基準によって特定される。
【００９２】
本発明のこの実施例に拠れば、判断基準ユニット４８は、差分作成器４８５と比較器４８６とを有する。インバータ電流ＩＶｄとその参照値ＩＶｄＲは、差分作成器４８５に供給され、差分作成器がその差を求めて比較器４８６に出力する。比較器４８６はこの差の値が第３の限界値を越えていれば、第４の論理信号Ｓ４を発生させて論理ＯＲ器４８７に供給し、当該ＯＲ器が第４の論理信号に応答して位相変更命令信号ＰＣＯを作成する。
【００９３】
判断基準ユニット４８もまた第４の論理信号に対して応答するように較正し、第３の限界値の値を適切に選択することによって、直流リンクにおける電圧上昇の原因を検出するように、本発明の性能を改善することができる。この結果、同期の喪失が直流リンクにおける電圧の過上昇の原因である場合に、本発明に基づく制御システムのより高速な応答が得られることを示している。
【００９４】
明らかに、論理ＯＲ器４８７は、第３の論理信号又は第４の論理信号に対応して位相変更命令信号ＰＣＯが作成されるときだけ必要になり、第１の判断基準だけを使用する場合には論理ＯＲ器は省略することができる。
【００９５】
固定された位相増分Δδの大きさは、ｄｑ参照平面がバス電圧と同期しておらず、その結果、変換器の電圧が変換器電流制御システムによって適切に制御することができないときにも、ブリッジ電圧の位相がバス電圧の位相に先行するように選択する。このようにして、直流リンクの異常な電圧状態の原因となっている動的な電力フローを逆転させることができる。
【００９６】
動的電力フローＰに関する式（１７）から明らかなように、固定された位相増分Δδの大きさは、位相インダクタのインピーダンスに比例するように、かつ、変換器の電流が所定の値を越えることがないように可能な限り速やかにキャパシタの電荷を開放するように選択されることが望ましい。
【００９７】
研究の結果、位相インダクタのインピーダンスがユニットあたり０．１４の場合に（ユニットは、位相間電圧のＲＭＳの値の評価値の２乗を見かけ上のノミナルパワーで割ったもの）、固定位相増分の好ましい大きさは、Δδ＝４ωＴｓであることが示された。この大きさは、制御システムの遅延を考慮することによって、制御システムに遅延がない場合に許容されるであろう電流評価の値よりも高い。
【００９８】
ＰＷＭパターンに基づく変換器の作動原理に従えば、固定位相増分は、位相変更命令信号の作成に続くバルブスイッチにおいて実行される。
【００９９】
典型的な場合には、比較器４８１の第１の限界値は、直流リンク電圧の評価地の１．３５倍程度に設定し、比較器４８３の第２の限界値は１秒当り直流リンク電圧の評価地の７０倍、比較器４８６の第３の限界値は変換器の電流の動的電力成分の評価地の０．４倍に設定される。
【０１００】
本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、請求項の技術的範囲内において多くの変更が可能である。たとえば、図３を参照して記載した動的電力制御システムは、従来技術として知られている他の動的電力制御システムで置き換えても良い。
【０１０１】
コンバータ電流制御システムは、当該技術分野で知られているところに従って別の方法で実現されても良い。しかし、上述の既述に基づき、当業者であれば、必要ならブリッジ電圧の位相位置に影響を与えるための手段を変更することは可能なはずである。
【０１０２】
当該発明はまた図１に示した電圧減変換装置の主要回路構成とは異なる構成の変電設備に対しても、また、極性導体と接地接続との間にそれぞれ接続された２つの部分を有するキャパシタを具備する高電圧直流送電システムに対しても適用できる。
【０１０３】
バス電圧はフィルタの接続点における電圧と説明したが、同期と変換角を作成する目的で、交流ネットワークの別の位置の電圧を測定することが可能なことは自明である。
【０１０４】
本発明は２極システムに基づいて説明したが、２つ以上の変電設備が電圧制御変電設備に接続されて動的電力制御モードで作動するシステムや、バックトゥーバックシステムのような多極送電システムに適用することも可能である。
【発明の効果】
本発明を使用することによって、この目的のためにチョッパ回路を使用せずに、直流リンクに以上電圧状態が発生した場合にも、直流リンクの電圧を、安全運転限界内に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術として知られる高圧直流送電システムを示す。
【図２】  図１に示したシステムに含まれ、従来技術として知られるように直流電圧制御モードで作動している電圧変換装置の制御装置をやや詳細に示したものである。
【図３】  図１に示したシステムに含まれ、従来技術として知られるように動的電力制御モードで作動している電圧変換装置の制御装置をやや詳細に示したものである。
【図４】  図１に示したシステムに含まれ、従来技術として知られる電圧変換装置の制御装置の基本構造をやや詳細に示したものである。
【図５】  図４に示した変換装置電流制御システムを有する本発明の実施例をやや詳細に示したものである。
【図６】  本発明に基づいて位相変更命令信号を作成する判断基準ユニットを示すものである。
【図１】
0004627385.tif 000021
【図２】
0004627385.tif 000022
【図３】
0004627385.tif 000023
【図４】
0004627385.tif 000024
【図５】
0004627385.tif 000025
【図６】
0004627385.tif 000026