(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次巻線が系統に直列に接続される直列変圧器と、この直列変圧器の二次巻線に直列に接続された多重変圧器と、上記多重変圧器の各一次巻線の両端にそれぞれ直列に接続された常閉形の開閉器と、上記多重変圧器の各一次巻線とその両端の開閉器との直列体に並列に接続された常開形の電流バイパス機器と、上記多重変圧器の各二次巻線のそれぞれに交流側が接続された交直変換器ユニットと、上記各交直変換器ユニットのそれぞれの直流側に接続され互いに独立した直流回路とを備え、特定の上記多重変圧器の一次巻線の上記電流バイパス機器を閉じ、その一次巻線の両端の上記開閉器を開いて、上記特定の多重変圧器とそれに接続された上記交直変換器ユニットを切り離し得るようにした電力変換器。
【請求項２】
上記多重変圧器の各二次巻線のそれぞれに交流側が接続された交直変換器ユニットは、複数台であり、上記各多重変圧器の二次巻線の複数の交直変換器ユニットの直流側には共通の直流回路が設けられ、上記共通の直流回路は、他の上記多重変圧器の各二次巻線の複数の交直変換器ユニットの直流側に設けられた共通の直流回路と独立している請求の範囲第１項記載の電力変換器。
【請求項３】
上記多重変圧器のそれぞれは、直列接続された複数の変圧器で構成されている請求の範囲第１項記載の電力変換器。
【請求項４】
一次巻線が系統に直列に接続される多重変圧器と、上記多重変圧器の各一次巻線の両端にそれぞれ直列に接続された常閉形の開閉器と、上記多重変圧器の各一次巻線とその両端の開閉器との直列体に並列に接続された常開形の第１の電流バイパス機器と、上記多重変圧器の各二次巻線のそれぞれに交流側が接続された交直変換器ユニットと、上記各交直変換器ユニットのそれぞれの直流側に接続され互いに独立した直流回路と、直列接続された全ての上記多重変圧器に並列に接続される常開形の第２の電流バイパス機器を備え、特定の上記多重変圧器の一次巻線の上記第１の電流バイパス機器を閉じ、その一次巻線の両端の上記開閉器を開いて、上記特定の多重変圧器とそれに接続された上記交直変換器ユニットを切り離し得るようにした電力変換器。
【請求項５】
上記多重変圧器の各二次巻線のそれぞれに交流側が接続された交直変換器ユニットは、複数台であり、上記各多重変圧器の二次巻線の複数の交直変換器ユニットの直流側には共通の直流回路が設けられ、上記共通の直流回路は、他の上記多重変圧器の各二次巻線の複数の交直変換器ユニットの直流側に設けられた共通の直流回路と独立している請求の範囲第４項記載の電力変換器。
【請求項６】
上記多重変圧器のそれぞれは、直列接続された複数の変圧器で構成されている請求の範囲第４項記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  この発明は、電力系統、配電系統、単相交流架線等の系統に直列に接続される電力変換器に関し、特に、部分故障に対しても運転継続が可能な電力変換器に係わるものである。
【背景技術】  第８図は、例えば米国特許第５，６４６，５１１号公報に示された従来の電力変換器の構成を示す回路図である。この電力変換器は、電力系統、配電系統、又は電鉄用等の単相交流架線（以下、系統と略称する）に一次巻線が直列に接続された直列変圧器とその二次側の多重変圧器を二段に組み合わせて、交直変換器ユニットを系統に接続している。この電力変換器は、系統の電力潮流制御装置の機能を有している。図において、系統の電源側１と系統の電源側、もしくは負荷側２の間に、直列変圧器２００の一次巻線２０１が接続されている。直列変圧器２００の二次巻線２０２に、多重変圧器４１０〜４４０（４段多重の場合を示す）の一次巻線４１１〜４４１を直列に接続している。多重変圧器４１０〜４４０の二次巻線４１２〜４４２に、交直変換器ユニット５１０〜５４０の交流側をそれぞれ接続し、４台の交直変換器ユニット５１０〜５４０の直流側を共通の直流回路５１１に接続している。
従来の電力変換器は以上のように構成されているので、複数台の交直変換器ユニット５１０〜５４０のうち１台でも故障した場合、直列回路５１１の直流電圧を維持できないために、すべての交直変換器ユニットが運転できず、電力変換器を停止させる必要があった。また、修理、もしくは定期点検が終了するまで、電力変換器を停止させておくことになり、システムの稼働率が低下する問題があった。
この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、複数台の交直変換ユニットのうち一台が故障、もしくは定期点検で停止しても、電力変換器はシステムとして運転継続が可能である電力変換器を得ることを目的とする。
【発明の開示】
この発明に係わる電力変換器は、一次巻線が系統に直列に接続される直列変圧器と、この直列変圧器の二次巻線に直列に接続された多重変圧器と、上記多重変圧器の各一次巻線の両端にそれぞれ直列に接続された常閉形の開閉器と、上記多重変圧器の各一次巻線とその両端の開閉器との直列体に並列に接続された常開形の電流バイパス機器と、上記多重変圧、器の各二次巻線のそれぞれに交流側が接続された交直変換器ユニットと、上記各交直変換器ユニットのそれぞれの直流側に接続され互いに独立した直流回路とを備え、特定の上記多重変圧器の一次巻線の上記電流バイパス機器を閉じ、その一次巻線の両端の上記開閉器を開いて、上記特定の多重変圧器とそれに接続された上記交直変換器ユニットを切り離し得るようにしたものである。
これによって、装置全体の稼働率の向上、信頼性の向上だけでなく、増設の容易性により装置容量を増大させることもできる。
また、この発明に係わる電力変換器は、一次巻線が系統に直列に接続される多重変圧器と、上記多重変圧器の各一次巻線の両端にそれぞれ直列に接続された常閉形の開閉器と、上記多重変圧器の各一次巻線とその両端の開閉器との直列体に並列に接続された常開形の第１の電流バイパス機器と、上記多重変圧器の各二次巻線のそれぞれに交流側が接続された交直変換器ユニットと、上記各交直変換器ユニットのそれぞれの直流側に接続され互いに独立した直流回路と、直列接続された全ての上記多重変圧器に並列に接続される常開形の第２の電流バイパス機器とを備え、特定の上記多重変圧器の一次巻線の上記第１の電流バイパス機器を閉じ、その一次巻線の両端の上記開閉器を開いて、上記特定の多重変圧器とそれに接続された上記交直変換器ユニットを切り離し得るようにしたものである。
これによって、装置全体の稼働率の向上、信頼性の向上だけでなく、増設の容易性により装置容量を増大させることもできる。
【図面の簡単な説明】  第１図はこの発明の実施の形態１の電力変換器の構成を示す回路図である。
第２図は実施の形態２の電力変換器の構成を示す回路図である。
第３図は一般的な単相交直変換器の構成を示す回路図である。
第４図は実施の形態３の電力変換器の構成を示す回路図である。
第５図は実施の形態４の電力変換器の構成を示す回路図である。
第６図は実施の形態５の電力変換器の構成を示す回路図である。
第７図は実施の形態６の電力変換器の構成を示す回路図である。
第８図は従来の電力変換器の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための最良の形態】実施の形態１．
第１図はこの発明の実施の形態１の電力変換器の構成を示す回路図である。なお、各図において、同一符号は同一又は相当部分を示し、以下同様とする。第１図において、系統の電源側１と系統の電源側、もしくは負荷側２の間に、直列変圧器２００の一次巻線２０１が直列に接続されている。直列変圧器２００の二次巻線２０２に、多重変圧器４１０〜４４０（４段多重の場合を示す）の一次巻線４１１〜４４１を直列に接続している。多重変圧器４１０〜４４０の二次巻線４１２〜４４２に、交直変換器ユニット５１０〜５４０の交流側をそれぞれ接続し、４台の交直変換器ユニット５１０〜５４０の直流側に互いに独立した直流回路５１１〜５４１を接続している。
こ発明の電力変換器は、交直変換器ユニット５１０〜５４０の個々の直流回路５１１〜５４１を互いに独立させ、他の交直変換器ユニットの直流回路とは接続させない構成としている。多重変圧器４１０〜４４０の各一次巻線４１１〜４４１の両端にそれぞれ常閉形の開閉器（遮断器、断路器、又は半導体開閉器）３１１〜３４１および３１２〜３４２を直列に配置（接続）し、個々の多重変圧器４１０〜４４０の一次巻線４１１〜４４１とその両端の開閉器３１１〜３４１および３１２〜３４２との直列体に並列に常開形の電流バイパス機器（遮断器、断路器、又は半導体開閉器）３１０〜３４０を配置（接続）している。そのため、特定の多重変圧器の一次巻線の電流バイパス機器を閉じ、その一次巻線の両端の開閉器を開くと、系統からその特定の多重変圧器を切り離せる構成としている。
また、直列変圧器２００の一次巻線２０１の両端にそれぞれ開閉器（遮断器、断路器、又は半導体開閉器）１０１と１０２を直列に配置（接続）し、直列変圧器２００の一次巻線２０１と２つの開閉器１０１，１０２との直列体に並列に電流バイパス機器（遮断器、断路器、又は半導体開閉器）１０３を配置（接続）している。
さらに、直流変圧器２００の二次巻線２０２を短絡する短絡機器（遮断器、断路器、又は半導体開閉器）３００を配置し、系統事故時に短絡電流から交直変換器ユニット５１０〜５４０や多重変圧器４１０〜４４０をまとめて保護することもできる構成としている。場合によっては、電流バイパス機器３１０〜３４０があるため、短絡機器３００を省略してもかまわない。それらは、コスト、設置スペース、冗長性の設計思想によって、選択することができる。
なお、実施の形態１は、直列変圧器２００の二次巻線２０２の巻線構成は、デルタ（三角）結線、Ｙ字結線、あるいは単相結線でも適用可能である。また、多重変圧器４１０〜４４０の二次巻線４１２〜４４２の巻線構成は、デルタ（三角）結線、Ｙ字結線、あるいは単相結線でも適用可能である。
次に、その動作について説明する。系統に直列に接続された電力変換器の特徴は、交直変換器ユニット５１０〜５４０自身はユニットに流れる電流を直接制御できないことであり、制御するのはユニット５１０〜５４０が出力する電圧の大きさと位相だけである。電力変換器が系統の電流を間接的に制御できるのは、交直変換器ユニット５１０〜５４０の出力電圧のベクトル和が多重変圧器４１０〜４４０を媒介して直列変圧器２００の一次巻線電圧２０１に電圧を発生させ、その挿入電圧（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｖｏｌｔａｇｅ）が系統１と系統２の間に、ある位相で、ある大きさの電圧を発生させることにより、系統ネットワーク上のすべての電圧源・電流源、すべての系統インピーダンスの状態で、電力変換器を通過する電流を変えることができるからである。この意味で、この電力変換器は、系統の電力潮流制御装置の機能を有している。このため、電力変換器の交直変換器ユニット５１０〜５４０は、電圧源となる電圧形コンバータ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｏｕｒｃｅｄ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を採用している。この動作原理のため、各々の交直変換器ユニットは同じ電圧を発生させる必要がなくなり、仮に１台の交直変換器ユニットが停止していても、電力変換器は問題なく運転が可能である。
実施の形態１の電力変換器の平常時では、電流バイパス機器１０３はＯＦＦ状態、開閉器１０１と１０２はＯＮ状態、短絡機器３００はＯＦＦ状態であり、かつ電流バイパス機器３１０〜３４０はＯＦＦ状態、開閉器３１１〜３４１および３１２〜３４２はＯＮ状態である。
今仮に、交直変換器ユニット５１０が故障で系統から解列していることを想定する。この時、電流バイパス機器３１０は閉じられ、開閉器３１１と３１２は開いているため、また、実施の形態１では、直流回路５１１は他の交直変換器ユニットの直流回路５２１〜５４１と電気的に切り離されているため、電力変換器としては運転を継続することが可能である。従来の電力変換器では一部の交直変換器ユニットを解列して運転ができなかった理由は、交直変換器ユニットが交流側と直流側でいずれも独立していなかったためである。
交直変換器ユニット５１０〜５４０群は、全体として指定された差電圧を直列変圧器２００の一次巻線２０１に発生させることが求められている。この実施の形態１では、交直変換器ユニット５１０〜５４０群は独立して構成されているので、そのうちの１台もしくは数台の交直変換器ユニットが解列していても、電力変換器としては運転することができる。
電力変換器の要求仕様を交直変換器ユニットの数（Ｎ）で満足する場合、１台か数台（ｎ）の冗長を加えた、（Ｎ＋ｎ）台の交直変換器ユニットを具備しておけば、交直変換器ユニットがｎ台まで故障しても、システムの最大定格を損なうことなく運転が可能となる。そのため、冗長としての交直変換器ユニットを具備してあれば、冗長分の交直変換器ユニットを解列したままでも電力変換器の定格１００％での運転も可能である。これによって、信頼性の高い装置を得ることができる。
系統事故時等に交直変換器ユニット５１０〜５４０に流れる最大電流が、交直変換器ユニット５１０〜５４０の定格電流より大きくなる場合、多重変圧器と交直変換器ユニットの多重段数を増やした構成とすることにより、交直変換器ユニット５１０〜５４０の最大電流を減らすことができる。これは系統に直列に接続された電力変換器の性質によるものである。直列変圧器２００の一次巻線に挿入する電圧Ｖｓと系統の最大電流Ｉｓの積を電力変換器の定格と定義するならば、多重変圧器と交直変換器ユニットの１段分の定格電圧Ｖｃと定格電Ｉｃの積（Ｖｃ×Ｉｃ）で、電力変換器の定格（Ｖｓ×Ｉｓ）を除算すれば、段数Ｎが求められる。平常時の系統の定格電流から求めた段数Ｎ１のままでは、系統事故時等には交直変換器ユニットの最大電流は定格電流を超過するので、交直変換器ユニットの定格電流Ｉｃ２に系統事故時の最大電流Ｉｓ２を考慮して、交直変換器ユニットと多重変圧器の平常時の定格を最大定格よりディレーティング（ｄｅｒａｔｉｎｇ）して使うようにすると良い。このことは、多重変圧器４１０〜４４０の一次巻線４１１〜４４１の電圧を下げて設計することになるので、結果として、多重段数Ｎが増えることになる。
さらに、実施の形態１では、上記で示した系統に直列に接続された電力変換器の性質を利用して、電力変換器の設置後に、多重変圧器と交直変換器ユニットを直列に増設することで、電力変換器の容量を増やすことも可能である。これは、交直変換器ユニットの直流回路が独立している構成であるからこそ、可能になる特徴である。
又、実施の形態１においては、直列変圧器２００で、通常、二次巻線の電圧を降圧した場合、系統事故時等で二次巻線２０２の最大電流が大きくなる。二次巻線２０２の最大電流が半導体開閉器（短絡機器）３００や遮断器（電流バイパス機器）３１０〜３４０や断路器（開閉器）３１１〜３４１、３１２〜３４２の定格電流を超過する場合、直列変圧器２００で、逆に、二次巻線の電圧を昇圧して、半導体開閉器３００や遮断器３１０〜３４０や断路器３１１〜３４１、３１２〜３４２の定格を最適化する方法も、実施の形態１では採用できる。
実施の形態２．
実施の形態１では、交直変換器ユニット５１０〜５４０を１台ずつ切り離せる構成としたが、第２図に示すように、交直変換器ユニット５５０〜５８０を２台ずつ多重変圧器４５０と４６０の二次巻線４５２と４６２に接続する。この場合は、ペアとなる２台の直流回路５５１と５５２は共通になっているが、別のペアの直流回路５６１と５６２からは独立している。その点は実施の形態１と同様である。
交直変換器ユニットの台数が２×Ｎ台の場合、実施の形態１に比べて多重変圧器の段数が半分のＮ台で済むため、多重変圧器の製作コストが安価になることが期待できる。しかし、実施の形態２では、交直変換器ユニットの故障、もしくは定期点検で、２台分停止させることになるが、冗長が期待する稼働率に影響しなければ、問題ないシステムを提供できる。また、実施の形態２では、２台の交直変換器ユニットを同時に制御するため、制御ユニット（図示せず）のうち、直流電圧制御といった一部の回路を共用化して１つを省略し、コストを低減することができる。
第３図は一般的な単相交直変換器（単相インバータ）の構成を示す回路図である。図において、交流側端子９０１には、自己消弧形素子９１１，９１２とフライホイールダイオード９２１，９２２が接続され、交流側端子９０２には、自己消弧形素子９１３，９１４とフライホイールダイオード９２３，９２４が接続されている。直流側端子には、コンデンサ９３０が接続されている。実施の形態２は、交直変換器ユニットが第３図に示すような単相ブリッジを構成する場合にも適用できる。電鉄用単相交流架線のような系統の場合は、３相ブリッジの交直変換器ユニットを採用することはできないので、第３図のような単相ブリッジの交直変換器ユニットを採用する必要がある。
実施の形態３．
実施の形態１では、系統の電源側１と系統の電源側、もしくは負荷側２の間に、直列変圧器２００を配置して、多重変圧器４１０〜４４０と交直変換器ユニット５１０〜５４０を構成したが、第４図に示すような実施の形態３では、多重変圧器４１０〜４４０を、直接、系統の電源側１と系統の電源側、もしくは負荷側２の間に、直列に接続する構成も可能である。電流バイパス機器（遮断器、断路器、又は半導体開閉器）３００が、多重変圧器４１０〜４４０の一次巻線４１１〜４４１全体に並列に接続されており、系統事故時等に、多重変圧器４１０〜４４０の一次巻線４１１〜４４１全体をまとめてバイパスする。
第４図の回路は、多重変圧器を、直接、系統に接続できる場合や、系統に、直接、半導体開閉器を接続できる場合や、多重変圧器が比較的高圧と考えられる系統電圧から交直変換器ユニットの交流電圧に一段で変圧（通常、降圧）できる場合、などに適用できる。
実施の形態１において、通常、直列変圧器２００の二次巻線の電圧を降圧した場合、二次巻線２０２の電流が大きくなる。このために系統事故時等に、二次巻線２０２に流れる最大電流が大きくなりすぎる場合、定格電流の大きい半導体開閉器３００を製作することになる。低電圧で定格電流の大きい半導体開閉器３００より、高電圧で定格流の小さい半導体開閉器３００の製作が容易である場合、直列変圧器２００を省略して、実施の形態３のような構成を採用することができる。
実施の形態４．
実施の形態２では、系統の電源側１と系統の電源側、もしくは負荷側２の間に、直列変圧器２００を配置して、多重変圧器４５０〜４６０と交直変換器ユニット５５０〜５８０を構成したが、第５図に示すような実施の形態４では、多重変圧器４５０〜４６０を、直接、系統の電源側１と系統の電源側、もしくは負荷側２の間に、直列に接続する構成も可能である。電流バイパス機器（遮断器、断路器、又は半導体開閉器）３００が、多重変圧器４５０〜４６０の一次巻線４５１〜４６１全体に並列に接続されており、系統事故時等に、多重変圧器４５０〜４６０の一次巻線４５１〜４６１全体をまとめてバイパスする。
第５図の回路は、多重変圧器を、直接、系統に接続できる場合や、系統に、直接、半導体開閉器を接続できる場合や、多重変圧器が比較的高圧と考えられる系統電圧から交直変換器ユニットの交流電圧に一段で変圧（通常、降圧）できる場合、などに適用できる。
実施の形態２において、通常、直列変圧器２００の二次巻線の電圧を降圧した場合、二次巻線２０２の電流が大きくなる。このために系統事故時等に、二次巻線２０２に流れる最大電流が大きくなりすぎる場合、定格電流の大きい半導体開閉器３００を製作することになる。低電圧で定格電流の大きい半導体開閉器３００より、高電圧で定格電流の小さい半導体開閉器３００の製作が容易である場合、直列変圧器２００を省略して、実施の形態４のような構成を採用することができる。
実施の形態５．
実施の形態１では、多重変圧器４１０〜４４０の一次巻線４１１〜４４１を系統から切り離す開閉器３１１〜３４１と３１２〜３４２、および電流バイパス機器３１０〜３４０を、多重変圧器１台毎に１セットずつ構成したが、第６図で示すように実施の形態５では、多重変圧器８０１が直列接続された複数の変圧器８１０と８２０で構成されている。同様に、多重変圧器８０２が直列接続された複数の変圧器８３０と８４０で構成されている。複数の変圧器８１０と８２０の一次巻線８１１と８２１の直列体の両端に直列に常閉形の開閉器３１１と３２２を接続している。同様に、複数の変圧器８３０と８４０の一次巻線８３１と８４１の直列体の両端に直列に常閉形の開閉器３３１と３４２を接続している。複数の変圧器８１０と８２０と両端の開閉器３１１と３２２との直列体に並列に１台の常開形の電流バイパス機器３１０を接続している。同様に、複数の変圧器８３０と８４０と両端の開閉器３３１と３４２との直列体に並列に１台の常開形の電流バイパス機器３３０を接続している。さらに、各変圧器８１０〜８４０の各二次巻線８１２，８２２，８３２，８４２には、それぞれ交直変換器ユニット５１０〜５４０が接続されている。第６図の構成によって、コストを低減することができる。
これは、多重変圧器と交直変換器ユニットの冗長を損なうことになるが、電力変換器としての冗長性が問題なければ、採用できる構成である。
実施の形態１から実施の形態５への構成の変更方法は、実施の形態２、実施の形態３、又は実施の形態４についても適用可能である。
実施の形態６．
実施の形態１では、交直変換器ユニットの直流回路毎に、コンデンサ（Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）だけでなく、他のエネルギー貯蔵装置を接続することにより、電力変換器の出力する挿入電圧も有効成分の電圧と無効成分の電圧を３６０度のどの位相でも出力することが可能になる。
エネルギー貯蔵装置の例としては、バッテリーを始めとした二次電池、大容量キャパシタ等のエネルギー貯蔵装置、フライホイールのような機械的エネルギー源をモーター兼発電機を媒介して接続する別の交直変換器ユニットがある。
第７図に示す実施の形態６は、ＤＶＲ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｓｔｏｒｅｒ），ＵＰＦＣ（Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｆｌｏｗ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）として知られる構成である。交直変換器ユニット５１０〜５４０の直流回路５１１〜５４１を介して別の交直変換器５１３〜５４３を独立して接続し、交直変換器５１３〜５４３から変圧器６１０〜６４０、遮断器６１１〜６４１、変圧器７００、遮断器７０１を介して別々に系統に接続することにより、独立したエネルギー源を得ることができる。
【産業上の利用可能性】  以上のように、この発明に係わる電力変換器は、部分故障に対しても運転継続が可能な系統の電力潮流制御装置に適用して好適である。
【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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【図７】
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【図８】
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