(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換するための順変換器と直流電力を交流電力に変換するための逆変換器が自励式変換器で構成される自励式直流送電システムの制御装置において、
前記順変換器で直流系統の電圧を一定に制御し、前記逆変換器で逆変換器側交流系統の電源が切り離されて直流単独送電となる場合を検出すると、逆変換器側交流系統の電圧を一定に制御するものであって、
前記逆変換器には、逆変換器側の交流系統の電圧位相を求める回路、該電圧位相を固定位相に切り換える回路、交流電圧を２軸変換する回路、交流電流を２軸変換する回路、２軸の制御出力信号を２相変換する回路を備え、交流電圧は前記電圧位相を使って２軸に変換し、交流電流は前記直流単独送電の検出により電圧位相を固定位相に切換え、該固定位相を用いて２軸に変換し、前記制御出力信号は前記固定位相を用いて２相に逆変換することを特徴とする直流送電システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直流送電設備に関し、特に自励式変換器を用いた直流送電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流送電設備は交流電力を順変換器で直流電力に変換して送電し、送電された直流電力を逆変換器で再び交流電力に変換して電力を供給するシステムである。電力系統においては、該設備の導入によって迅速な潮流制御ができること、周波数の異なる系統間の連系が行えること、長距離送電において交流送電よりロスが少なく送電できる等のメリットがある。また、ＩＧＢＴ等の自己消弧機能を持つ素子で構成される自励式変換器を用いた直流送電設備は、素子の制約等により送電容量は小さいが，弱小交流系統や無電源系統にも安定に送電でき、かつ有効電力と無効電力を独立して制御できるなど運転性能の面で優れている。
【０００３】
自励式変換器を用いた直流送電設備の制御方法としては、特許第２８５６７４３号、第２７３６１０２号、第２６３５７１２５号、第２６３５６６０号、特開平０９−１１７０５６に記載されているように、一つの変換器で直流電圧を一定に制御し、他の変換器で有効電力を制御して電力供給を行う方法が知られている。また、自励式変換器は、前述したように無効電力も同時に独立して制御できることから、各変換器において直接、無効電力を制御したり、あるいは間接的に交流電圧を一定に制御する方法が知られている。この制御方法は、各変換器が電源のある交流系統に接続されていることが前提条件となっており、変換器はそれぞれの交流系統の位相を検出し、これに同期して運転される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
直流送電による離島等の遠隔地需要家への電力供給を想定すると、逆変換器側に既存のディーゼル発電機等の電源設備が接続される場合に加え、これらの電源設備が無い（無電源系統の）場合でも直流単独で送電を行えることが望ましい。従来の制御方法は、逆変換器側に電源設備が接続されている場合にのみ有効な手段で、この場合、負荷に供給される電力は、電源設備と変換器の協調によって需給のバランスが保たれている。
【０００５】
しかしながら、無電源系統へ直流単独送電を行う場合は、負荷の大きさや力率に応じた電力をすべて変換器から供給しなければならず、従来の制御方法で負荷の変動に合わせて変換器の電力設定を行うことは難しい。また、無電源系統では同期する基準位相がないために、変換器は自ら基準位相を決めて負荷へ電力を供給しなければならない。
【０００６】
本発明の目的は、従来技術の問題点に鑑み、無電源系統への安定な直流単独送電を可能にし、かつ既存のディーゼル発電機等から電力供給を受ける電源系統との同期併入など、離島等の遠隔地側系統条件に適応した自励式直流送電設備の制御方式を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では以下のような自励式変換器を用いた直流送電設備の制御装置を提供する。
【０００８】
即ち、交流電力を直流電力に変換するための順変換器と直流電力を交流電力に変換するための逆変換器が自励式変換器で構成される自励式直流送電システムの制御装置において、順変換器側には直流電圧を制御する回路と、逆変換器側には直流単独送電を検出する回路、制御回路を切り替える選択回路及び直流単独送電時に交流電圧を制御する回路（実施例では、ＡＶＲ‐ｄ，ｑ）を設けている。
【０００９】
また、前記逆変換器には、逆変換器側の交流系統の電圧位相を求める回路、該電圧位相を固定位相に切り換える回路、交流電圧を２軸変換する回路、交流電流を２軸変換する回路、２軸の制御出力信号（実施例では、Ｖｄ２１＊，Ｖｑ２１＊）を２相変換する回路を備え、交流電圧は前記電圧位相を使って２軸に変換し、交流電流は前記直流単独送電の検出により電圧位相を固定位相に切換え、該固定位相を用いて２軸に変換し、前記制御出力信号は前記固定位相を用いて２相に逆変換する。
【００１０】
これにより、順変換器で直流系統の電圧を一定に制御し、逆変換器で直流単独送電を検出信号として制御を交流電圧制御に切換え、逆変換器側交流系統の電圧を一定に制御する。
【００１１】
また、本発明は、逆変換器側には併入準備の信号を検出する回路、電源系統側併入点の電圧位相を求める回路、直流単独送電系統側併入点の電圧位相を求める回路、併入点の位相を同期させる回路、電圧位相が同期したことを検出する回路を設けている。これにより、直流単独送電系統に電源系統が併入される場合、併入準備の信号を検出して直流単独送電系統の電圧位相を電源系統の電圧位相と同期させ、同期を検出して電源系統に併入する。
【００１２】
また、直流単独送電を行う場合で、過負荷時には、変換器に流れる電流が制限値を越えないように抑制する。また、起動方法で、先に順変換器を起動して直流電圧を一定に制御し、その後、逆変換器を起動して交流電圧制御の指令値を緩やかに変更しながら交流電圧を制御し、該交流電圧を徐々に立ち上げて起動する。
【００１３】
以上により、無電源系統への安定な直流単独送電や既存のディーゼル発電機等から電力供給を受ける電源系統とのスムーズな同期併入が可能となり、離島送電等の遠隔地電力供給に適応した自励式直流送電設備が提供できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態の自励式直流送電設備を説明する。図１は一実施例による自励式直流送電システムの構成を示す。本システムは交流系統１４の交流電力を交流母線１３、変換用変圧器１２を介して順変換器１でスイッチングすることにより、直流電力に変換し、変換した直流電力を直流送電線３０ａ，３０ｂ、直流コンデンサ１１，１２を使って逆変換器側へ送電し、逆変換器２でスイッチングすることで再び交流電力に変換し、変換用変圧器２２、交流母線２３を介して負荷２４に交流電力を供給する。また、交流系統４３は、ディーゼル発電機などから交流電力を供給される側の系統であり、遮断器４１を介して併入される。
【００１５】
順変換器１及び逆変換器２の各々には、自励式変換器を構成する自己消弧型素子とダイオードをひとつのみ示しているが、実際には、３相分ブリッジ回路としてそれぞれ６個ずつを配置する。各自己消弧型素子には、制御パルスを入力するための制御装置１００と２００が接続される。
【００１６】
制御装置１００では、直流系統の電圧を一定に保つ直流電圧制御回路１０２ａと無効電力制御回路１０２ｂの出力に基づいて変換器制御部１０５で制御パルスが作られ、直流系統の電圧と順変換器側の無効電力を一定に制御する。
【００１７】
一方、制御装置２００は、有効電力制御回路２０２ａと無効電力制御回路２０２ｂ、ｄ軸電圧制御回路２０１ａとｑ軸電圧制御回路２０１ｂ、選択回路２０３ａ，２０３ｂ、直流単独送電検出回路２０４、変換器制御部２０５を備える。例えば、落雷事故等による区間切離しや保守点検作業等を行うための手動切離しによって遮断器４１が開放された場合は、自動的に直流単独送電検出回路２０４がリレー装置４２から遮断器４１の開放信号を受け、直流単独送電検出信号Ｓｄｃをオンとし、選択回路２０３ａ，２０３ｂで有効電力制御回路２０２ａをｄ軸電圧制御回路２０１ａに、無効電力制御回路２０２ｂをｑ軸電圧制御回路２０１ｂに切換え、２つの出力に基づいて変換器制御部２０５で制御パルスが作られ、逆変換器側の交流電圧を一定に制御する。
【００１８】
本実施例の直流単独送電に切換わる場合の座標変換の方法を説明する。図２は逆変換器側制御装置２００の詳細ブロック図を示す。まず、座標変換に必要な位相を求めるために、逆変換器側の３相交流電圧Ｖａ２１，Ｖｂ２１，Ｖｃ２１を制御装置に取り込み、２相変換回路２０１ｃで数１を用い、２相の交流電圧Ｖα２１，Ｖβ２１に変換する。
【００１９】
【数１】
0004287031.tif 000002
【００２０】
ベクトル演算回路２０６ａで、２相の交流電圧Ｖα２１，Ｖβ２１と基準位相回路２０６ｃの装置内部で任意に作られる基準位相ｃｏｓωｔ，ｓｉｎωｔから、数２，３，４，５を用いて基準位相に対する電圧位相の実軸、虚軸のベクトル量Ｖ２１ＲＬ，Ｖ２１ＩＭを求める。なお、数式２，３のｍは、基本波一周期のサンプリング回数、ｉは、各サンプリングデータの番号を表す。
【００２１】
【数２】
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【００２２】
【数３】
0004287031.tif 000004
【００２３】
【数４】
0004287031.tif 000005
【００２４】
【数５】
0004287031.tif 000006
【００２５】
位相演算回路２０６ｄで、実軸、虚軸のベクトル量Ｖ２１ＲＬ，Ｖ２１ＩＭと基準位相ｃｏｓωｔ，ｓｉｎωｔから、数６，７を用いて電圧位相Ｃｏｓ２１，Ｓｉｎ２１が求まる。また、固定位相Ｃｏｓ２１Ｌ，Ｓｉｎ２１Ｌは、固定位相切換え回路２０６ｂで直流単独送電検出信号Ｓｄｃがオン、即ち、図１の交流系統４３が切離された時に入力のＶ２１ＲＬ，Ｖ２１ＩＭの値が保持され、固定される。逆に、Ｓｄｃがオフの時は、電圧位相Ｃｏｓ２１，Ｓｉｎ２１と同じ信号が出力される。
【００２６】
【数６】
0004287031.tif 000007
【００２７】
【数７】
0004287031.tif 000008
【００２８】
次に、２軸変換回路２０１ｄで、２相交流電圧Ｖα２１，Ｖβ２１と電圧位相Ｃｏｓ２１，Ｓｉｎ２１から数８を用いて、ｄ軸、ｑ軸電圧制御回路２０１ａ，２０１ｂのフィードバックとなる２軸の電圧成分Ｖｄ２１，Ｖｑ２１を求める。
【００２９】
【数８】
0004287031.tif 000009
【００３０】
ｄ軸、ｑ軸電圧制御回路２０１ａ，２０１ｂは、２軸の電圧成分Ｖｄ２１，Ｖｑ２１が設定値Ｖｄｒｅｆ，Ｖｑｒｅｆとそれぞれ一致するように、ｄ軸、ｑ軸電流制御回路２０５ａ，２０５ｂに指令を出す。なお、有効電力制御回路２０２ａと無効電力制御回路２０２ｂ、選択回路２０３ａ，２０３ｂについては、既に切換え方法を説明してある。
【００３１】
図２上部の２０５ａ〜ｈは、変換器制御部２０５の詳細ブロックである。逆変換器側の３相交流電流Ｉａ２１，Ｉｂ２１，Ｉｃ２１を制御装置に取り込み、２相変換回路２０５ｃで数９を用いてＩα２１，Ｉβ２１に変換する。
【００３２】
【数９】
0004287031.tif 000010
【００３３】
ｄ軸、ｑ軸電流制御回路２０５ａ，２０５ｂのフィードバックとなる２軸の電流成分Ｉｄ２１，Ｉｑ２１を、２軸変換回路２０５ｄで２相交流電流Ｉα２１，Ｉβ２１と固定位相Ｃｏｓ２１Ｌ，Ｓｉｎ２１Ｌから数１０を用いて求める。
【００３４】
【数１０】
0004287031.tif 000011
【００３５】
ｄ軸、ｑ軸電流制御回路２０５ａ，２０５ｂは、ｄ軸、ｑ軸電圧制御回路２０１ａ，２０１ｂの指令値と２軸の電流成分Ｉｄ２１，Ｉｑ２１が一致するように動作する。また、この出力とＩｄ２１，Ｉｑ２１と変換用変圧器のリアクタンス分ＩＸを掛け算した値、および２軸の電圧成分Ｖｄ２１，Ｖｑ２１を、それぞれｄｑ軸に分けて加減算し、非干渉電流制御系の出力としてｄｑ軸の操作量Ｖｄ２１＊，Ｖｑ２１＊を得る。
【００３６】
Ｖｄ２１＊，Ｖｑ２１＊は，２相逆変換回路２０５ｅで前記の固定位相Ｃｏｓ２１Ｌ，Ｓｉｎ２１Ｌを用いて数１１により、２相の操作量Ｖα２１＊，Ｖβ２１＊に変換される。
【００３７】
【数１１】
0004287031.tif 000012
【００３８】
さらに３相逆変換回路２０５ｆで数１２を用いて、３相の操作量Ｖａ２１＊，Ｖｂ２１＊，Ｖｃ２１＊に変換される。
【００３９】
【数１２】
0004287031.tif 000013
【００４０】
最後に、ＰＷＭ制御回路２０５ｇで３相の操作量Ｖａ２１＊，Ｖｂ２１＊、Ｖｃ２１＊と三角波発生回路２０５ｈの三角波を用いて制御パルスが作られ、図１の逆変換器２の各自己消弧型素子にスイッチングを行うためのオン／オフ信号が導かれる。
【００４１】
これによれば、逆変換器側交流系統の電源が切り離されて直流単独送電となる場合に、逆変換器で直流単独送電を検出して制御を交流電圧制御に切換え、逆変換器側の交流電圧系統の電圧を一定に制御できる。
【００４２】
次に、本実施例の電源系統併入時の動作を説明する。図３は電源系統併入時の構成と機能を示す。交流系統４３が遮断器４１の開放により切離されていて、逆変換器２が単独で交流送電線２５を介して負荷２４に電力供給している状態で、遮断器４１を投入して交流系統４３を併入する時の動作を考える。この場合、併入点の位相（例えば、電圧Ｖａ４１とＶａ２２の位相）がずれていると併入時にお互いの系統に変動が生じるため、両者の位相を同期させてから遮断器４１を投入することが必要である。以下にその一実施例を示す。
【００４３】
図３で、２０１ｃ，２０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃ，２０６ｄは図２と同様のブロックであり、逆変換器２が動作するための電圧位相Ｃｏｓ２１，Ｓｉｎ２１と、固定位相Ｃｏｓ２１Ｌ，Ｓｉｎ２１Ｌを求める。併入点の位相を同期させるためには、まず、負荷２４側の３相の交流電圧Ｖａ２２，Ｖｂ２２，Ｖｃ２２を取り込み、２相変換回路２０７ｃ、ベクトル演算回路２０７ａ、位相演算回路２０７ｄで、負荷２４側併入点の電圧位相Ｃｏｓ２２，Ｓｉｎ２２を求める。
【００４４】
次に、交流系統４３側の３相の交流電圧Ｖａ４１，Ｖｂ４１，Ｖｃ４１を取り込み、２相変換回路２０８ｃ、ベクトル演算回路２０８ａで負荷２４側の併入点の電圧位相に対する交流系統４３側併入点の電圧の実軸、虚軸のベクトル量Ｖ４１ＲＬ，Ｖ４１ＩＭを求め、最後に、併入準備信号Ｓ１を受けて同期処理回路２０８ｂで変換器２の基準位相回路２０６ｃのθを変えて、負荷２４側併入点の位相を交流系統４３側連系点の位相に同期させる。
【００４５】
図４、図５に同期処理回路２０８ｂの動作を説明するベクトル図とフローチャートを示す。変換用変圧器２２出口の電圧をＶ２１、負荷２４側連系点の電圧をＶ２２、交流系統４３側併入点の電圧をＶ４１、Ｖ４１の実軸と虚軸成分をＶ４１ＲＬとＶ４１ＩＭ、Ｖ２２とＶ４１の位相差をθとする。
【００４６】
まず、ステップ３０１で併入準備信号Ｓ１によって系統併入するかどうか判定し、Ｙｅｓならば、ステップ３０２，３０３，３０４で、虚軸成分Ｖ４１ＩＭの符号から積分入力値Δθの符号を決定し、ステップ３０５でΔθを積分して負荷側併入点の電圧Ｖ２２の最短方向に回転させる。ステップ３０６，３０７では、θが３６０゜を超えると０゜にリセットすることで、積分値θのオーバーフローを防止している。
【００４７】
最後に、ステップ３０８で前記の実軸成分Ｖ４１ＲＬが１、もしくは１近傍になったことで同期完了と判定し、同期完了信号Ｓ２をリレー装置４２に伝送することで遮断器４１が動作して交流系統４３が併入される。また、これによって直流単独送電検出信号Ｓｄｃがオフとなり、図１において制御回路が有効電力制御回路２０２ａと無効電力制御回路２０２ｂに、図２において検出位相がすべて電圧位相に切換わる。
【００４８】
次に、本発明の変換器の過電流抑制について説明する。図６は過電流抑制のための機能ブロック図である。直流単独送電時において、過負荷時や系統事故時の変換器に流れる過電流を抑制するため、ｄ軸電圧制御回路２０１ａとｑ軸電圧制御回路２０１ｂに±Ｖｄｌｍｔと±Ｖｑｌｍｔの値を持つリミッタを設ける。図７は制御特性を示す図である。常時は交流電圧が一定となるように制御する。Ｖａｃｒｅｆは、例えば、定格電圧となるように、図６のＶｄｒｅｆ＝１.０ＰＵ、Ｖｑｒｅｆ＝０.０に設定する。
【００４９】
過負荷などによって変換器の電流が制限値を超えそうな場合は、電流リミッタ制御を行って過電流による変換器停止を防止し、負荷遮断等によって交流電圧の低下を回復させる。これにより全域の停電は免れる。Ｉａｃｌｍｔは、例えば、変換器の過電流レベル１.５ＰＵとすると、これを超えないようにＶｄｌｍｔ＝Ｖｑｌｍｔ＝１.２に設定する。
【００５０】
次に、本発明の起動時の制御方法を説明する。図８に逆変換器の起動特性を示す。順変換器が直流電圧一定制御で起動している状態で、無電源系統で逆変換器を時刻Ｔ１の時点で起動し、例えば、ｄ軸電圧制御２０１ａの設定値Ｖｄｒｅｆを時刻Ｔ２までランプ状に緩やかに上昇させ、逆変換器側の交流電圧Ｖａ２１，Ｖｂ２１，Ｖｃ２１を徐々に立ち上げる。これにより、起動直後の過電圧が抑制され、変換器を安定に無電源起動できる。
【００５１】
以上により、本実施例該直流送電設備は、無電源系統においても安定に直流単独で送電でき、また、既存のディーゼル発電機等から電力供給を受ける電源系統にもスムーズに併入できる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、無電源系統への安定な直流単独送電が可能である。また、既存のディーゼル発電機等から電力供給を受ける電源系統とのスムーズな同期併入が可能であり、離島送電等の遠隔地電力供給に適応した自励式直流送電設備を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による自励式直流送電設備の構成を示すブロック図。
【図２】逆変換器側制御装置２００の詳細ブロック図。
【図３】電源系統併入時の動作を説明するブロック図。
【図４】図３の同期処理回路２０８ｂの動作を説明するベクトル図。
【図５】図３の同期処理回路２０８ｂの動作を説明するフローチャート。
【図６】逆変換器に流れる電流を抑制する一実施例のブロック図。
【図７】図６の制御特性を説明する図。
【図８】本発明の起動時の制御方法を説明する図。
【符号の説明】
１…順変換器、２…逆変換器、１１，２１…直流コンデンサ、１２，２２…変換用変圧器、１４，４３…交流系統、２４…負荷、２５…交流送電線、３０ａ，３０ｂ…直流送電線、４１…遮断器、４２…リレー装置、１００…順変換器の制御装置、２００…逆変換器の制御装置、１０２ａ…直流電圧制御回路、２０２ａ…有効電力制御回路、１０２ｂ，２０２ｂ…無効電力制御回路、１０５，２０５…変換器制御部、２０１ａ…ｄ軸電圧制御回路、２０１ｂ…ｑ軸電圧制御回路、２０３ａ，２０３ｂ…選択回路、２０４…直流単独送電検出回路、２０５ａ…ｄ軸電流制御回路、２０５ｂ…ｑ軸電流制御回路、２０１ｃ，２０５ｃ，２０７ｃ，２０８ｃ…２相変換回路、２０１ｄ，２０５ｄ…２軸変換回路、２０５ｅ…２相逆変換回路、２０５ｆ…３相逆変換回路、２０５ｇ…ＰＷＭ制御回路、２０６ａ，２０７ａ，２０８ａ…ベクトル演算回路、２０６ｂ…固定位相切換え回路、２０６ｃ…基準位相回路、２０６ｄ，２０７ｄ…位相演算回路、２０８ｂ…同期処理回路。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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