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WO2014132396A1 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置 Download PDF

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Publication number
WO2014132396A1
WO2014132396A1 PCT/JP2013/055435 JP2013055435W WO2014132396A1 WO 2014132396 A1 WO2014132396 A1 WO 2014132396A1 JP 2013055435 W JP2013055435 W JP 2013055435W WO 2014132396 A1 WO2014132396 A1 WO 2014132396A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
current
converter
current limiting
power
line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2013/055435
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
和順 田畠
伊藤　弘基
邦夫 菊池
健次 亀井
敏信 武田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to PCT/JP2013/055435 priority Critical patent/WO2014132396A1/ja
Priority to JP2013523804A priority patent/JPWO2014132396A1/ja
Publication of WO2014132396A1 publication Critical patent/WO2014132396A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for DC systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between AC networks via a high-tension DC link
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/001—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection limiting speed of change of electric quantities, e.g. soft switching on or off
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device applied to a DC power transmission system in which a plurality of power supply systems are connected by DC lines.
  • Self-excited DC power transmission using self-excited converters can be installed in weak systems and locations where there is no AC power supply, and has the advantage of easy configuration of DC systems between multiple terminals.
  • the application is also expanding.
  • DC transmission system In such a self-excited DC transmission system (hereinafter simply referred to as “DC transmission system”), if there is no means to suppress the short-circuit current when a ground fault or short-circuit accident occurs in the DC main circuit, an excessive accident will occur. There is a risk that the current flows to a device such as an AC / DC converter connected to the system. For this reason, in order to remove the accident current at the time of an accident on the DC line and protect the system equipment, for example, it is conceivable to introduce a DC circuit breaker, but if an excessive accident current is to be interrupted by the DC circuit breaker, There is a problem that the equipment becomes larger and more expensive.
  • a current limiting element and a freewheeling diode are connected in parallel, and in normal times, a forward current flows through the freewheeling diode.
  • the technique to do is disclosed (for example, patent document 1).
  • the present invention has been made in view of the above, and in a DC power transmission system interconnected by connecting a plurality of power supply systems with a DC line, downsizing of facilities by suppressing an accident current at the time of an accident, It aims at providing the power converter device which can suppress the energization loss at the time of performing DC power transmission, aiming at cost reduction.
  • a power conversion device is a power conversion device applied to a DC power transmission system interconnected by connecting a plurality of power supply systems with a DC line.
  • a current-limiting circuit comprising a converter that performs power conversion between the power supply system and the DC power transmission system, and a current-limiting element and a switching device connected in parallel to the current-limiting element,
  • a circuit is provided between the converter and the DC line, and when the current flowing through the converter exceeds a threshold lower than an allowable current upper limit value of the converter, the switching device is controlled to open. It is characterized by that.
  • a DC power transmission is performed while suppressing an accident current at the time of an accident and reducing the size and cost of the equipment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a two-terminal DC power transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a non-loop multi-terminal DC power transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an operation example of the current limiting circuit of the power conversion device according to the first embodiment in the non-loop type multi-terminal DC power transmission system shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example in which an AC circuit breaker is provided in the previous stage of the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of an accident current interruption operation in the configuration shown in FIG. FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example in which the power converter according to the first embodiment includes a DC circuit breaker.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an accident current interruption operation in the configuration illustrated in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example in which the opening / closing device includes a mechanical opening / closing element in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example in which the mechanical switching element and the semiconductor switch element are connected in series in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example in which the current limiting element is configured by a reactor in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example in which the current limiting element is configured with a resistor in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example in which the current limiting element is configured with a superconducting current limiter in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example in which the current limiting element is configured with a saturable reactor in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example in which the current limiting element is configured by a semiconductor switch element in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram of an example of a multi-line DC power transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a loop-type multi-terminal DC power transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating an example different from FIG. 16 of the loop-type multi-terminal DC power transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example different from FIG. 1 of the two-terminal DC power transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an example different from FIG. 2 of the non-loop type multi-terminal DC power transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an example different from FIGS.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a two-terminal DC power transmission system having a neutral wire to which the power conversion device according to the second embodiment is applied.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of a two-terminal DC power transmission system that does not have a neutral wire to which the power conversion device according to the second embodiment is applied.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating an example of a two-terminal DC power transmission system having a positive line, a negative line, and a neutral line to which the power conversion device according to the second embodiment is applied.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a two-terminal DC power transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • an example is applied to a two-terminal DC transmission system in which a plurality of power supply systems 20-1 and 20-2 are connected by a DC line 1 composed of a positive electrode line 1a and a negative electrode line 1b. Show.
  • a power converter 100-1 is connected to the left end side of the DC line 1 with a power supply system 20-1 via a transformer 21-1, and on the right end side of the DC line 1. Is connected to the power supply system 20-2 through the transformer 21-2.
  • Each of the power conversion devices 100-1 and 100-2 includes a converter 2 that performs power conversion between the power supply systems 20-1 and 20-2 and a DC transmission system including the DC line 1, a converter 2 and a DC
  • a current limiting circuit 5 provided between the line 1 and including a current limiting element 4 and a switching device 3 connected in parallel to the current limiting element 4 is provided.
  • the power supply systems 20-1 and 20-2 are AC power supply systems and the converter 2 is an AC-DC converter, but the power supply systems 20-1 and 20- 2 may be a distributed power system such as a DC power source such as solar power generation or a power storage element. In this case, the converter 2 may be a DC-DC converter.
  • the switchgear 3 was equipped at the both ends of the negative electrode wire 1b or both ends of the positive electrode wire 1a and the negative electrode wire 1b. It may be the configuration.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a non-loop multi-terminal DC power transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • the positive line 1a and the negative line 1b are not distinguished from each other, and simply the DC line 1 (1-1, 1--1 when there are a plurality of DC lines). 2, 1-3, and so on), and in the text of the first embodiment, the DC line 1 will be similarly described.
  • the power supply system 20 (20-1, 20-2 if there are a plurality of power supply systems), the transformer 21 (if there are a plurality of transformers, 21- 1, 21-2,..., And power converter 100 (in the case where there are a plurality of power converters, 100-1, 100-2,...) are described and explained.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an operation example of the current-limiting circuit of the power conversion device according to the first embodiment in the non-loop multi-terminal DC power transmission system shown in FIG.
  • the horizontal axis indicates time
  • the vertical axis indicates the current flowing through the converter 2.
  • FIG. 3A shows the behavior of the current flowing through the converter 2 of the power conversion device 100-1
  • FIG. 3B shows the behavior of the current flowing through the converter 2 of the power conversion device 100-2
  • FIG. 3C shows the behavior of the current flowing through the converter 2 of the power conversion device 100-3.
  • FIG. 2 shows a non-loop type multi-terminal DC transmission system that branches into DC lines 1-1, 1-2, 1-3 at a branch point A.
  • the opening / closing device 3 is closed and short-circuited. Since the current limiting element 4 has an impedance, a steady current flows through the switching device 3, and no current flows through the current limiting element 4.
  • a threshold for the current flowing through the converter 2 is set as a trigger for controlling the opening and closing of the switchgear 3, and when the current flowing through the converter 2 exceeds this threshold, the switchgear 3 Is controlled to be opened and commutated to the current limiting element 4.
  • this threshold value is set to a value lower than the allowable current upper limit value of the converter 2, when an accident occurs in the DC line 1, the accident current flowing through the converter 2 is suppressed, and an AC circuit breaker or a DC that will be described later is suppressed.
  • the current flowing through the converter 2 is prevented from exceeding the allowable current upper limit value of the converter 2 until the current is interrupted by the circuit breaker.
  • the power converter (100-2, 100-3 here) connected to a healthy DC line here, DC lines 1-2, 1-3
  • the operation can be continued without performing the open control, that is, without causing a power transmission loss due to the current limiting element 4.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example in which an AC circuit breaker is provided in the previous stage of the power conversion apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of an accident current interruption operation in the configuration shown in FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the current flowing through the converter 2. Also, the solid line shown in FIG. 5 shows the current behavior in the configuration of the first embodiment provided with the current limiting circuit 5, and the broken line shows the current behavior when the current limiting circuit 5 is not provided.
  • the current value at the time when current interruption is performed by the AC breaker 22 by connecting the current limiting circuit 5 between the converter 2 and the DC line 1 (time t ⁇ b> 2 shown in FIG. 5). Can be suppressed. That is, since the current interrupting duty of the AC circuit breaker 22 can be reduced as compared with the conventional configuration without the current limiting circuit 5, the AC circuit breaker 22 can be reduced in size and cost.
  • the operation time of a mechanical AC circuit breaker that is generally used is about 50 ms to 100 ms, in the conventional configuration that does not include the current limiting circuit 5, current interruption is performed from the occurrence of an accident (time t0 shown in FIG. 5). Until (time t2 shown in FIG. 5), the accident current may exceed the allowable current upper limit value of the converter 2 (broken line in FIG. 5).
  • the opening / closing device 3 is controlled to open and commutated to the current limiting element 4, and therefore flows to the converter 2.
  • the time until the current exceeds the allowable current upper limit value of the converter 2 can be increased. That is, it is possible to prevent the current flowing through the converter 2 from exceeding the allowable current upper limit value of the converter 2 by time t2 when current interruption is performed by the AC circuit breaker 22 (solid line in FIG. 5).
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example in which the power converter according to the first embodiment includes a DC circuit breaker.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of an accident current interruption operation in the configuration shown in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the current flowing through the converter 2. Further, the solid line shown in FIG. 7 shows the current behavior in the configuration of the first embodiment provided with the current limiting circuit 5, and the broken line shows the current behavior when the current limiting circuit 5 is not provided.
  • the current limiting circuit 5 is connected in series to the DC breaker 23, thereby suppressing the current value at the time when the current breaker is performed by the DC breaker 23 (time t ⁇ b> 3 shown in FIG. 7). Can do.
  • the current interrupt duty of the DC circuit breaker 23 can be reduced as compared with the conventional configuration that does not include the current limiting circuit 5, and therefore the DC circuit breaker 23 can be reduced in size and cost.
  • the opening / closing device 3 is controlled to open and commutated to the current limiting element 4, and therefore flows to the converter 2.
  • the time until the current exceeds the allowable current upper limit value of the converter 2 can be increased. That is, it is possible to prevent the current flowing through the converter 2 from exceeding the allowable current upper limit value of the converter 2 by the time t3 when the current interruption is performed by the DC circuit breaker 23 (solid line in FIG. 7).
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example in which the switchgear is configured by mechanical switch elements in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example in which, in the power conversion device according to the first embodiment, the switchgear is configured by connecting mechanical switchgear elements and semiconductor switch elements in series.
  • the switchgear 3 As shown in FIG. 8, by configuring the switchgear 3 with a circuit breaker, a disconnector, or a mechanical switching element 3a including a switch, it is possible to extremely reduce energization loss when performing normal DC power transmission. It is.
  • the mechanical switching element 3a with a GCB (Gas Circuit Breaker), it is possible to have a configuration that can withstand overvoltage when the GCB is opened.
  • GCB Gate Circuit Breaker
  • a low-rated (for example, 4.5 kV / 1200 A) semiconductor switch element 3b with low conduction loss is connected in series with the mechanical switching element 3a in the same manner as the mechanical switching element 3a.
  • the mechanical switching element 3a is controlled to be opened after the semiconductor switching element 3b is turned off.
  • the duty can be limited to the voltage interruption duty, and the mechanical switching element 3a can be constituted by an inexpensive switch or disconnector.
  • the semiconductor switch element 3b is configured by an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: Insulated Gate Bipolar Transistor) or a GCT thyristor (Gate Commutated Turn-off Thyristor: gate commutation type turn-off thyristor) capable of high-speed operation.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • GCT thyristor Gate Commutated Turn-off Thyristor: gate commutation type turn-off thyristor
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example in which the current limiting element is configured by a reactor in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example in which the current limiting element is configured by a resistor in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example in which the current limiting element is configured with a superconducting current limiter in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example in which the current limiting element is configured by a saturable reactor in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example in which the current limiting element is configured by a semiconductor switch element in the power conversion device according to the first embodiment.
  • the superconducting current limiter 4c when the current limiting element 4 is composed of a superconducting current limiter 4c, during normal operation in which normal DC power transmission is performed, the superconducting current limiter 4c is set in a superconducting state to have a low impedance, After the fault current commutates to this superconducting fault current limiter 4c at the time of opening 3 (time t1 'shown in FIG. 5 and FIG. 7), the superconducting fault limiter 4c is transferred to the quenching state to have a high impedance. Thus, the accident current flowing through the converter 2 is suppressed. That is, the fault current can be easily commutated while the superconducting current limiter 4c is in a low impedance state.
  • the superconducting fault current limiter 4c is set in a normal conduction state to be in a high impedance state, and the occurrence of an accident in the DC line 1 is detected so that the superconducting fault current limiter 4c is set in a superconducting state to have a low impedance. By doing so, it is not necessary to keep the superconducting fault current limiter 4c in a superconducting state during steady operation, and therefore it is possible to prevent unnecessary energy loss.
  • the saturable reactor 4 d is set in a saturated state to have a low impedance, and the switchgear 3
  • the accident current is commutated to the saturable reactor 4d at the time of opening (time t1 'shown in FIGS. 5 and 7)
  • the accident that flows into the converter 2 by setting the saturable reactor 4d to the unsaturated state and setting the impedance to a high impedance. Current is suppressed. That is, the fault current can be easily commutated in a state where the saturable reactor 4d has a low impedance.
  • the semiconductor switch element 4e is turned on to have a low impedance. After the fault current commutates to the semiconductor switch element 4e at the time of opening (time t1 'shown in FIG. 5 and FIG. 7), the semiconductor switch element 4e is turned off to have a high impedance and then flows to the converter 2. Accident current is suppressed. That is, the fault current can be easily commutated while the semiconductor switch element 4e is in a low impedance state.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a multi-line DC transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a loop-type multi-terminal DC power transmission system to which the power conversion device according to the first embodiment is applied.
  • FIG. 17 is a figure which shows an example different from FIG. 16 of the loop type
  • FIG. 18 is a figure which shows an example different from FIG. 1 of the 2 terminal DC power transmission system to which the power converter device concerning Embodiment 1 is applied.
  • FIG. 19 is a figure which shows an example different from FIG.
  • FIG. 20 is a figure which shows an example different from FIG. 16, FIG. 17 of the loop type
  • the power conversion device 100 When the power conversion device 100 according to the first embodiment is applied to a multi-line DC power transmission system interconnected via a plurality of DC lines 1 between two power supply systems, for example, as shown in FIG. What is necessary is just to comprise by connecting the current limiting circuit 5 to the both ends of the DC track 1, respectively. In this case, only the opening / closing device 3 of the current limiting circuit 5 connected to the DC line 1 in which an accident has occurred is opened and current-limited so that the opening / closing device 3 connected to the sound DC line 1 can be controlled open. The operation can be continued without being performed, that is, without causing a power transmission loss due to the current limiting element 4.
  • the power conversion device 100 according to the first embodiment is applied to a loop-type multi-terminal DC power transmission system in which a loop is formed by a plurality of DC lines 1, for example, as shown in FIG.
  • the current limiting circuit 5 may be connected to each other.
  • current limiting circuits 5 may be connected to both ends of each DC line 1.
  • only the switching device 3 of the current limiting circuit 5 connected to the DC line 1 in which the accident has occurred is opened to limit the current.
  • one or more current limiting circuits 5 are provided between the converter 2 and the DC line 1. Even if an accident occurs at any point on any DC line 1 that forms the DC power transmission system, it is possible to suppress the accident current flowing through the converter 2. 16 to 20, the current limiting circuit 5 is provided at both ends of each DC line 1.
  • the present invention can also be applied to a configuration in which a conversion unit for connecting to the switching facility or other power supply system is provided at the point A.
  • a two-terminal DC power transmission system As described above, according to the power conversion apparatus of the first embodiment, a two-terminal DC power transmission system, a non-loop type multi-terminal DC power transmission system, a loop type, which are interconnected by connecting a plurality of power supply systems with a DC line.
  • one or more current limiting circuits are provided between the converter and the DC line, and when the current flowing through the converter exceeds a threshold lower than the allowable upper limit value of the converter, Since the switchgear connected in parallel with the current limiting element is opened and controlled to be commutated to the current limiting element, when an accident occurs at any point on any DC line forming the DC power transmission system However, the accident current flowing through the converter can be suppressed, and the accident current value when the current interruption is performed by the AC circuit breaker or the DC circuit breaker can be reduced. Also AC circuit breaker Rui can reduce current interruption duty of the DC circuit breaker, the miniaturization of the AC circuit breaker or DC breaker, cost reduction can be achieved.
  • the switchgear connected in parallel to the current limiting element with a mechanical switchgear including a circuit breaker, disconnector, or switch, the energization loss during normal DC power transmission can be made extremely small. it can.
  • the mechanical switching element by configuring the mechanical switching element with GCB, it is possible to have a configuration that can withstand overvoltage when the GCB is opened.
  • a low-rated semiconductor switching element with low conduction loss is connected in series with a mechanical switching element to configure a switching device, and when commutating fault current to a current-limiting element
  • the duty of the mechanical switching element can be limited to the duty of voltage interruption, and the mechanical switching element can be an inexpensive switch or disconnector. Or the like.
  • the fault current can be immediately commutated to the current limiting element, so that at the time of current interruption of the AC breaker or DC breaker The current value can be further reduced.
  • the current limiting element is composed of a superconducting current limiter, a saturable reactor, or a semiconductor switch element, and in normal operation where normal DC power transmission is performed, the current limiting element is set to a low impedance, and the current limiting element is opened when the switchgear is opened. After the fault current commutes, the fault current flowing through the converter is suppressed by setting the current limiting element to high impedance, so that the fault current can be easily commutated with the current limiting element in a low impedance state. It can be carried out.
  • the superconducting current limiter when the current limiting element is composed of a superconducting current limiter, the superconducting current limiter is kept in a normal conducting state during normal operation with normal DC power transmission and is set to a high impedance state. If the current flower is in a superconducting state and has a low impedance, it is not necessary to maintain the superconducting current limiter in the superconducting state during steady operation, and unnecessary energy loss can be prevented.
  • a current limiting circuit is provided at both ends of each DC line, so that switching facilities and other devices at the branch points of the DC line are provided.
  • the present invention can also be applied to a configuration including a conversion unit for connecting to a power supply system.
  • Embodiment 2 the configuration in which the current limiting circuit is provided between the DC line and the converter has been described. In the present embodiment, the configuration in which the grounding element of the converter is provided with the current limiting circuit will be described.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a two-terminal DC power transmission system having a neutral wire to which the power conversion device according to the second embodiment is applied.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of a two-terminal DC power transmission system that does not have a neutral wire to which the power conversion device according to the second embodiment is applied.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating an example of a two-terminal DC power transmission system including a positive line, a negative line, and a neutral line to which the power conversion device according to the second embodiment is applied.
  • the DC line 1 is formed by the positive line 1a and the neutral line 1c, and the grounding element 6 of the converter 2 of the power converter 100a includes the current limiting circuit 5.
  • the converter 2 of the power conversion device 100b is grounded via the neutral wire 1c, and therefore it is not necessary to include the current limiting circuit 5.
  • the DC line 1 is formed only by the positive electrode line 1a, and the grounding element 6 of the converter 2 of the power converter 100a is provided with the current limiting circuit 5.
  • the accident electric current which flows into the converter 2 of each power converter device 100a, 100b can be suppressed.
  • the DC line 1 is formed by the positive electrode line 1a, the negative electrode line 1b, and the neutral line 1c, and the grounding element 6 of the converter 2 of the power conversion device 100c is connected to the ground element 6 in the same manner as the example shown in FIG.
  • the current limiting circuit 5 is provided. Also in this configuration, the converter 2 of the power conversion device 100d is grounded via the neutral line 1c as in the example shown in FIG. 21, and therefore it is not necessary to include the current limiting circuit 5.
  • a threshold for the current flowing through the converter 2 is set as a trigger for controlling the opening / closing device 3 to open, and the current flowing through the converter 2 is set. When this value exceeds this threshold value, the opening / closing device 3 is controlled to be opened and commutated to the current limiting element 4.
  • this threshold By setting this threshold to a value lower than the allowable current upper limit value of the converter 2, when a ground fault occurs in the DC line 1, the accident current flowing through the converter 2 is suppressed, and an AC circuit breaker or DC The current flowing through the converter 2 is prevented from exceeding the allowable current upper limit value of the converter 2 until the current is interrupted by the circuit breaker.
  • the switching device 3 is controlled to open and commutated to the current limiting element 4, so that the current flowing through the converter 2 exceeds the allowable current upper limit value of the converter 2. Can be made longer. That is, it is possible to prevent the current flowing through the converter 2 from exceeding the allowable current upper limit value of the converter 2 until the current is interrupted by the AC circuit breaker or the DC circuit breaker.
  • the switchgear 3 is constituted by a circuit breaker, a disconnector, or a mechanical switch element 3a including a switch (see FIG. 8), so that conversion when performing normal DC power transmission is performed. It is possible to stabilize the ground potential of the device 2.
  • the mechanical switching element 3a by configuring the mechanical switching element 3a with GCB, it is possible to have a configuration that can withstand overvoltage when the GCB is opened.
  • a low-rated semiconductor switching element 3b with low conduction loss is connected in series with the mechanical switching element 3a to form the switching device 3 (see FIG. 9), and a fault current limiting element.
  • the duty of the mechanical switching element 3a can be limited to the voltage cutoff duty by controlling the semiconductor switching element 3b to be turned off and then opening the mechanical switching element 3a.
  • the mechanical opening / closing element 3a can be constituted by an inexpensive switch or disconnector.
  • the fault current can be immediately commutated to the current limiting element 4, and when the AC breaker or the DC breaker is interrupted The current value at can be further reduced.
  • the current limiting element 4 can be configured by the reactor 4a, the resistor 4b, the superconducting current limiter 4c, the saturable reactor 4d, or the semiconductor switching element 4e. Is composed of a superconducting current limiting device 4c, a saturable reactor 4d, or a semiconductor switching device 4e, the current limiting device 4 is set to a low impedance during normal operation for normal DC power transmission, and the switching device 3 is opened. After the fault current commutates to the current limiting element 4, by setting the superconducting current limiter 4c to a high impedance, the fault current can be easily commutated with the current limiting element 4 in a low impedance state.
  • the current limiting element 4 is composed of the superconducting current limiter 4c
  • the normal state of the direct current power transmission is set to a high impedance with the superconducting current limiter 4c in the normal conducting state, and an accident occurrence of the DC line 1 is caused. If it is detected and the superconducting fault current limiter 4c is set in a superconducting state to have a low impedance, it is not necessary to maintain the superconducting current limiter 4c in the superconducting state during steady operation, thereby preventing unnecessary energy loss. Can do.
  • the configuration of the power conversion apparatus 100 according to the present embodiment is similar to that of the first embodiment, in addition to the above-described two-terminal DC power transmission system, non-loop type multi-terminal DC power transmission system, or loop type multi-terminal DC power transmission.
  • the grounding element 6 of the converter 2 is provided with the current limiting circuit 5 so that any point on any DC line 1 forming the DC power transmission system can be grounded. Even in the event of an entanglement accident, it is possible to suppress the accident current flowing through the converter 2.
  • a two-terminal DC power transmission system a non-loop type multi-terminal DC power transmission system, a loop type, which are interconnected by connecting a plurality of power supply systems with a DC line.
  • a grounding element of the converter is equipped with a current limiting circuit, and when the current flowing through the converter exceeds a threshold value lower than the allowable current upper limit value of the converter, it is connected in parallel with the current limiting element. Since the open / closed switch is controlled to open and commutated to the current limiting element, the converter can be used even if a ground fault occurs at any point on any DC line forming the DC power transmission system.
  • the current limiting circuit is not provided as in the first embodiment.
  • conventional configuration Flow breaker or can reduce the current interruption duty of the DC circuit breaker, the miniaturization of the AC circuit breaker or DC breaker, cost reduction can be achieved.
  • the switching device connected in parallel to the current limiting element is configured by a mechanical switching element including a circuit breaker, a disconnector, or a switch, thereby performing normal DC power transmission.
  • the energization loss can be extremely reduced.
  • the mechanical switching element by configuring the mechanical switching element with GCB, it is possible to have a configuration that can withstand overvoltage when the GCB is opened.
  • a low-rated semiconductor switch element having a small conduction loss as in the case of the mechanical switching element is connected in series with the mechanical switching element to constitute a switching device, and to the fault current limiting element.
  • the mechanical switching element is controlled to open, thereby limiting the duty of the mechanical switching element to the voltage cutoff duty.
  • the semiconductor switch element by configuring the semiconductor switch element with an IGBT or a GCT thyristor capable of high-speed operation, the fault current can be immediately commutated to the current limiting element.
  • the current value at the time of current interruption of the DC circuit breaker can be further reduced.
  • the current limiting element is composed of a superconducting current limiter, a saturable reactor, or a semiconductor switch element, and during normal operation for normal DC power transmission, the current limiting element is set to a low impedance. After the fault current commutates to the current limiting element when the switchgear is opened, the fault current flowing to the converter is suppressed by setting the current limiting element to a high impedance, so that the current limiting element is in a low impedance state. Accident current can be easily commutated.
  • the superconducting current limiter when the current limiting element is composed of a superconducting current limiter, the superconducting current limiter is kept in a normal conducting state during normal operation with normal DC power transmission and is set to a high impedance state. If the current flower is in a superconducting state and has a low impedance, it is not necessary to maintain the superconducting current limiter in the superconducting state during steady operation, and unnecessary energy loss can be prevented.
  • the configuration shown in the above embodiment is an example of the configuration of the present invention, and can be combined with another known technique, and a part thereof is omitted without departing from the gist of the present invention. Needless to say, it is possible to change the configuration.
  • the power conversion device is useful for a DC power transmission system in which a plurality of power supply systems are connected by a DC line and connected to each other. This is suitable as a technique for suppressing current loss during direct current power transmission while reducing the size and cost.

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Abstract

　複数の電源系統間を直流線路で接続して連系する直流送電系統において、設備の大型化、高コスト化を招くことなく、また、通常時における通電損失を抑制しつつ、事故電流を抑制可能な電力変換装置を得ること。電源系統２０－１，２０－２と直流送電系統との間で電力変換を行う変換器２と、変換器２と直流線路１との間に設けられ、限流素子４とその限流素子４に並列接続された開閉装置３とからなる限流回路５とを備え、変換器２を流れる電流が変換器２の許容電流上限値よりも低い閾値を超えた場合に、開閉装置３を開制御するようにした。

Description

電力変換装置
　本発明は、複数の電源系統間を直流線路で接続して連系する直流送電系統に適用される電力変換装置に関する。
　自励式変換器を適用した自励式直流送電は、弱小系統や交流電源のない地点にも導入可能であること、多端子間の直流系統の構成が容易などの利点を持つことから、世界的にも適用が拡大している。
　このような自励式直流送電系統（以下、単に「直流送電系統」という）において、直流主回路での地絡・短絡事故が発生した時に短絡電流を抑制する手段を有さない場合、過大な事故電流が系統に繋がる交直変換器などの機器に流れる虞がある。このため、直流線路での事故時に事故電流を除去し、系統機器を保護するために、例えば、直流遮断器を導入することが考えられるが、過大な事故電流を直流遮断器によって遮断しようとすると、設備が大型化、高コスト化する、という課題がある。
　事故発生時に流れる事故電流を抑制する技術としては、限流素子と還流ダイオードとを並列に接続し、通常時は還流ダイオードに順方向電流を流し、事故発生時には限流素子により事故電流を限流する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
特開２００９－１１１１７号公報
　しかしながら、上記従来技術を用いた場合には、直流送電を行う通常時には還流ダイオードに順方向電流を流すこととなり、通電損失が大きくなる、という問題があった。また、事故発生時に事故電流が限流素子を流れる際、限流素子に並列接続された還流ダイオードに印加される過大な逆電圧に耐え得るように高耐圧化する必要があり、設備の大型化、高コスト化を招く虞がある、という問題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の電源系統間を直流線路で接続して連系する直流送電系統において、事故発生時における事故電流を抑制して設備の小型化、低コスト化を図りつつ、直流送電を行う際の通電損失を抑制可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、複数の電源系統間を直流線路で接続して連系する直流送電系統に適用される電力変換装置であって、前記電源系統と前記直流送電系統との間で電力変換を行う変換器と、限流素子と該限流素子に並列接続された開閉装置とからなる限流回路と、を備え、前記限流回路は、前記変換器と前記直流線路との間に設けられ、前記変換器を流れる電流が前記変換器の許容電流上限値よりも低い閾値を超えた場合に、前記開閉装置が開制御されることを特徴とする。
　本発明によれば、複数の電源系統間を直流線路で接続して連系する直流送電系統において、事故発生時における事故電流を抑制して設備の小型化、低コスト化を図りつつ、直流送電を行う際の通電損失を抑制することができる、という効果を奏する。
図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用した２端子直流送電系統の一例を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用した非ループ型多端子直流送電系統の一例を示す図である。 図３は、図２に示した非ループ型多端子直流送電系統における実施の形態１にかかる電力変換装置の限流回路の動作例を説明する図である。 図４は、実施の形態１にかかる電力変換装置の前段に交流遮断器を具備した構成例を示す図である。 図５は、図４に示す構成における事故電流遮断動作の一例を示す図である。 図６は、実施の形態１にかかる電力変換装置に直流遮断器を具備した構成例を示す図である。 図７は、図６に示す構成における事故電流遮断動作の一例を示す図である。 図８は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、開閉装置を機械的開閉要素で構成した例を示す図である。 図９は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、開閉装置を機械的開閉要素と半導体スイッチ素子とを直列接続して構成した例を示す図である。 図１０は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、限流素子をリアクトルで構成した例を示す図である。 図１１は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、限流素子を抵抗で構成した例を示す図である。 図１２は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、限流素子を超電導限流器で構成した例を示す図である。 図１３は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、限流素子を可飽和リアクトルで構成した例を示す図である。 図１４は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、限流素子を半導体スイッチ素子で構成した例を示す図である。 図１５は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用した多回線直流送電系統の一例を示す図である。 図１６は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用したループ型多端子直流送電系統の一例を示す図である。 図１７は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用したループ型多端子直流送電系統の図１６とは異なる一例を示す図である。 図１８は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用した２端子直流送電系統の図１とは異なる一例を示す図である。 図１９は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用した非ループ型多端子直流送電系統の図２とは異なる一例を示す図である。 図２０は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用したループ型多端子直流送電系統の図１６、図１７とは異なる一例を示す図である。 図２１は、実施の形態２にかかる電力変換装置を適用した中性線を有する２端子直流送電系統の一例を示す図である。 図２２は、実施の形態２にかかる電力変換装置を適用した中性線を有さない２端子直流送電系統の一例を示す図である。 図２３は、実施の形態２にかかる電力変換装置を適用した正極線、負極線、中性線を有する２端子直流送電系統の一例を示す図である。
　以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用した２端子直流送電系統の一例を示す図である。図１に示す例では、複数の電源系統２０－１，２０－２間を正極線１ａと負極線１ｂとからなる直流線路１で接続して連系する２端子直流送電系統に適用する例を示している。
　図１に示すように、直流線路１の左端側には、電源系統２０－１との間に変圧器２１－１を介して電力変換装置１００－１が接続され、直流線路１の右端側には、電源系統２０－２との間に変圧器２１－２を介して電力変換装置１００－２が接続されている。
　各電力変換装置１００－１，１００－２は、それぞれ電源系統２０－１，２０－２と直流線路１を含む直流送電系統との間で電力変換を行う変換器２と、変換器２と直流線路１との間に設けられ、限流素子４とその限流素子４に並列接続された開閉装置３とからなる限流回路５とを備えている。
　なお、図１に示す例では、電源系統２０－１，２０－２が交流電源系統であり、変換器２が交流－直流変換器である例を示したが、電源系統２０－１，２０－２が太陽光発電のような直流電源等の分散型電源系統や電力貯蔵要素であってもよく、この場合には、変換器２が直流－直流変換器であればよい。
　また、図１に示す例では、正極線１ａの両端に開閉装置３を具備した構成を示したが、負極線１ｂの両端、あるいは、正極線１ａおよび負極線１ｂの両端に開閉装置３を具備した構成であってもよい。
　つぎに、実施の形態１にかかる電力変換装置１００の限流回路５の動作について、図２、図３を参照して説明する。
　図２は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用した非ループ型多端子直流送電系統の一例を示す図である。なお、本実施の形態では、図２以下の参照図では、正極線１ａと負極線１ｂとを区別せず、単に直流線路１（複数の直流線路がある場合には、１－１，１－２，１－３，…）として記載し、実施の形態１の文中においても、同様に直流線路１として説明する。また、他の構成要素においても、電源系統２０（複数の電源系統がある場合には、２０－１，２０－２，…）、変圧器２１（複数の変圧器がある場合には、２１－１，２１－２，…）、電力変換装置１００（複数の電力変換装置がある場合には、１００－１，１００－２，…）として記載、説明する。
　また、図３は、図２に示した非ループ型多端子直流送電系統における実施の形態１にかかる電力変換装置の限流回路の動作例を説明する図である。図３において、横軸は時間を示し、縦軸は変換器２に流れる電流を示している。図３（ａ）は、電力変換装置１００－１の変換器２を流れる電流の挙動を示し、図３（ｂ）は、電力変換装置１００－２の変換器２を流れる電流の挙動を示し、図３（ｃ）は、電力変換装置１００－３の変換器２を流れる電流の挙動を示している。
　図２に示す例では、分岐点Ａにおいて直流線路１－１，１－２，１－３に分岐する非ループ型多端子直流送電系統を示している。通常の直流送電を行う定常運転時には、開閉装置３が閉制御され短絡している。限流素子４はインピーダンスを有するため、定常電流は開閉装置３を流れ、限流素子４には電流が流れない。
　本実施の形態では、開閉装置３を開制御させるためのトリガーとして、変換器２を流れる電流に対する閾値を設定しておき、変換器２を流れる電流がこの閾値を超えた時点で、開閉装置３を開制御して開放させ、限流素子４に転流させるようにしている。この閾値を変換器２の許容電流上限値よりも低い値に設定することにより、直流線路１に事故が発生した場合に、変換器２に流れる事故電流を抑制し、後述する交流遮断器あるいは直流遮断器により電流遮断が行われるまでに変換器２に流れる電流が変換器２の許容電流上限値を超えるのを防止するようにしている。
　図３に示す時刻ｔ０において、図２に示すように、直流線路１－１で例えば地絡事故が発生すると、限流回路５を具備しない構成では、交流遮断器あるいは直流遮断器により電流遮断が行われるまでに事故電流が変換器２の許容電流上限値を超える虞がある（図３（ａ）の破線）。本実施の形態では、時刻ｔ１において電力変換装置１００－１の変換器２に流れる事故電流が閾値を超えた時点で、電力変換装置１００－１の開閉装置３が開制御され、開閉装置３の動作時間を経た時刻ｔ１’に開放される。これにより、事故電流は限流素子４に転流され、限流素子４のインピーダンスにより事故電流が抑制される（図３（ａ）の実線）。
　ここで、図２に示す例では、電力変換装置１００－２および電力変換装置１００－３に対し、事故点は遠方にあるため、図３に示す例では、電力変換装置１００－２および電力変換装置１００－３の変換器２に流れる電流は、直流線路１－１，１－２，１－３のインピーダンスにより事故電流が限流したことにより、上述した閾値を超えていない（図３（ｂ）、図３（ｃ）参照）。つまり、直流線路１に地絡事故や短絡事故が発生した場合でも、各電力変換装置１００－１，１００－２，１００－３の変換器２に流れる事故電流が上述した閾値を超えるまでの間に事故除去が行われれば、健全な直流線路（ここでは、直流線路１－２，１－３）に接続された電力変換装置（ここでは、１００－２，１００－３）では、開閉装置３の開制御を行うことなく、つまり、限流素子４による送電ロスを生じることなく、運転継続が可能となる。
　なお、図１に示す２端子直流送電系統では、直流線路１に事故が発生すると健全な直流線路は存在しない。この場合には、限流素子４による送電ロスを考慮する必要はないのは言うまでもなく、事故除去を行うために直流線路１の両端の電力変換装置１００－１，１００－２の双方の開閉装置３を開制御する必要がある。
　図４は、実施の形態１にかかる電力変換装置の前段に交流遮断器を具備した構成例を示す図である。また、図５は、図４に示す構成における事故電流遮断動作の一例を示す図である。図５において、横軸は時間を示し、縦軸は変換器２に流れる電流を示している。また、図５に示す実線は、限流回路５を具備した実施の形態１の構成における電流挙動を示し、破線は、限流回路５を具備しない場合の電流挙動を示している。
　図４に示す例では、変換器２と直流線路１との間に限流回路５を接続することにより、交流遮断器２２により電流遮断が行われる時点（図５に示す時刻ｔ２）における電流値を抑制することができる。つまり、限流回路５を具備しない従来構成よりも交流遮断器２２の電流遮断責務を軽減することができるので、交流遮断器２２の小型化、低コスト化が可能である。
　また、一般に用いられる機械式の交流遮断器の動作時間は５０ｍｓ～１００ｍｓ程度であるため、限流回路５を具備しない従来構成では、事故発生（図５に示す時刻ｔ０）から電流遮断が行われる（図５に示す時刻ｔ２）までの間に、事故電流が変換器２の許容電流上限値を超える虞がある（図５の破線）。
　本実施の形態では、上述したように、時刻ｔ１において変換器２に流れる電流が閾値を超えた時点で開閉装置３が開制御され、限流素子４に転流されるので、変換器２に流れる電流が変換器２の許容電流上限値を超えるまでの時間を長くすることができる。つまり、交流遮断器２２により電流遮断が行われる時刻ｔ２までに変換器２に流れる電流が変換器２の許容電流上限値を超えるのを防止することができる（図５の実線）。
　図６は、実施の形態１にかかる電力変換装置に直流遮断器を具備した構成例を示す図である。また、図７は、図６に示す構成における事故電流遮断動作の一例を示す図である。図７において、横軸は時間を示し、縦軸は変換器２に流れる電流を示している。また、図７に示す実線は、限流回路５を具備した実施の形態１の構成における電流挙動を示し、破線は、限流回路５を具備しない場合の電流挙動を示している。
　図６に示す例では、直流遮断器２３に直列に限流回路５を接続することにより、直流遮断器２３により電流遮断が行われる時点（図７に示す時刻ｔ３）における電流値を抑制することができる。つまり、限流回路５を具備しない従来構成よりも直流遮断器２３の電流遮断責務を軽減することができるので、直流遮断器２３の小型化、低コスト化が可能である。
　また、直流遮断器２３を具備した構成においても、限流回路５を具備しない従来構成では、事故発生（図７に示す時刻ｔ０）から電流遮断が行われる（図７に示す時刻ｔ３）までの間に、事故電流が変換器２の許容電流上限値を超える虞がある（図７の破線）。
　本実施の形態では、上述したように、時刻ｔ１において変換器２に流れる電流が閾値を超えた時点で開閉装置３が開制御され、限流素子４に転流されるので、変換器２に流れる電流が変換器２の許容電流上限値を超えるまでの時間を長くすることができる。つまり、直流遮断器２３により電流遮断が行われる時刻ｔ３までに変換器２に流れる電流が変換器２の許容電流上限値を超えるのを防止することができる（図７の実線）。
　つぎに、実施の形態１にかかる電力変換装置１００の限流回路５を構成する開閉装置３の構成について、図８および図９を参照して説明する。
　図８は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、開閉装置を機械的開閉要素で構成した例を示す図である。また、図９は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、開閉装置を機械的開閉要素と半導体スイッチ素子とを直列接続して構成した例を示す図である。
　図８に示すように、開閉装置３を遮断器、断路器、あるいは開閉器を含む機械的開閉要素３ａで構成することにより、通常の直流送電を行う際の通電損失を極めて小さくすることが可能である。
　さらに、この機械的開閉要素３ａをＧＣＢ（Ｇａｓ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｒｅａｋｅｒ：ガス遮断器）で構成することにより、このＧＣＢの開放時における過電圧に耐え得る構成とすることができる。
　また、図９に示すように、機械的開閉要素３ａと同様に導通損失が小さい低定格（例えば、４．５ｋＶ／１２００Ａ）の半導体スイッチ素子３ｂを機械的開閉要素３ａと直列接続して開閉装置３を構成し、事故電流の限流素子４への転流を行う際には、半導体スイッチ素子３ｂをオフ制御した後に、機械的開閉要素３ａを開制御することにより、機械的開閉要素３ａの責務を電圧遮断責務に限定することができ、機械的開閉要素３ａを安価な開閉器や断路器等で構成することができる。
　さらに、半導体スイッチ素子３ｂを高速動作が可能なＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）あるいはＧＣＴサイリスタ（Ｇａｔｅ　Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ　Ｔｕｒｎ－ｏｆｆ　Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲート転流型ターンオフサイリスタ）で構成することにより、事故電流を即座に限流素子４に転流することができ、図５、図７における時刻ｔ１’を早くすることができるので、図４に示した交流遮断器２２あるいは図６に示した直流遮断器２３の電流遮断時（図５に示す時刻ｔ２、図７に示す時刻ｔ３）における電流値をより小さく抑制することができる。
　つぎに、実施の形態１にかかる電力変換装置１００の限流回路５を構成する限流素子４の構成について、図１０～図１４を参照して説明する。
　図１０は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、限流素子をリアクトルで構成した例を示す図である。また、図１１は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、限流素子を抵抗で構成した例を示す図である。また、図１２は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、限流素子を超電導限流器で構成した例を示す図である。また、図１３は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、限流素子を可飽和リアクトルで構成した例を示す図である。また、図１４は、実施の形態１にかかる電力変換装置において、限流素子を半導体スイッチ素子で構成した例を示す図である。
　図１０に示すように、限流素子４をリアクトル４ａで構成した場合には、開閉装置３の開放時（図５、図７に示す時刻ｔ１’）にこのリアクトル４ａに事故電流が転流することにより変換器２に流れる事故電流が抑制される。
　図１１に示すように、限流素子４を抵抗４ｂで構成した場合には、開閉装置３の開放時（図５、図７に示す時刻ｔ１’）にこの抵抗４ｂに事故電流が転流することにより変換器２に流れる事故電流が抑制される。
　図１２に示すように、限流素子４を超電導限流器４ｃで構成した場合には、通常の直流送電を行う定常運転時には、超電導限流器４ｃを超電導状態として低インピーダンスとしておき、開閉装置３の開放時（図５、図７に示す時刻ｔ１’）にこの超電導限流器４ｃに事故電流が転流した後に、超電導限流器４ｃをクエンチ状態へと転移させ、高インピーダンスとすることにより変換器２に流れる事故電流が抑制される。つまり、超電導限流器４ｃが低インピーダンスの状態で容易に事故電流の転流を行うことができる。
　また、通常の直流送電を行う定常運転時に超電導限流器４ｃを常電導状態として高インピーダンスとしておき、直流線路１の事故発生を検知して超電導限流器４ｃを超電導状態として低インピーダンスとするようにすれば、定常運転時に超電導限流器４ｃを超電導状態に維持しておく必要がないため、不要なエネルギーの損失を防ぐことができる。
　図１３に示すように、限流素子４を可飽和リアクトル４ｄで構成した場合には、通常の直流送電を行う定常運転時には、可飽和リアクトル４ｄを飽和状態として低インピーダンスとしておき、開閉装置３の開放時（図５、図７に示す時刻ｔ１’）にこの可飽和リアクトル４ｄに事故電流が転流した後に、可飽和リアクトル４ｄを不飽和状態として高インピーダンスとすることにより変換器２に流れる事故電流が抑制される。つまり、可飽和リアクトル４ｄが低インピーダンスの状態で容易に事故電流の転流を行うことができる。
　図１４に示すように、限流素子４を半導体スイッチ素子４ｅで構成した場合には、通常の直流送電を行う定常運転時には、半導体スイッチ素子４ｅをオン制御して低インピーダンスとしておき、開閉装置３の開放時（図５、図７に示す時刻ｔ１’）にこの半導体スイッチ素子４ｅに事故電流が転流した後に、半導体スイッチ素子４ｅをオフ制御して高インピーダンスとすることにより変換器２に流れる事故電流が抑制される。つまり、半導体スイッチ素子４ｅが低インピーダンスの状態で容易に事故電流の転流を行うことができる。
　つぎに、実施の形態１にかかる電力変換装置１００の適用例について、図１５～図２０を参照して説明する。
　図１５は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用した多回線直流送電系統の一例を示す図である。また、図１６は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用したループ型多端子直流送電系統の一例を示す図である。また、図１７は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用したループ型多端子直流送電系統の図１６とは異なる一例を示す図である。また、図１８は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用した２端子直流送電系統の図１とは異なる一例を示す図である。また、図１９は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用した非ループ型多端子直流送電系統の図２とは異なる一例を示す図である。また、図２０は、実施の形態１にかかる電力変換装置を適用したループ型多端子直流送電系統の図１６、図１７とは異なる一例を示す図である。
　２つの電源系統間で複数の直流線路１を介して連系する多回線直流送電系統に実施の形態１にかかる電力変換装置１００を適用する場合には、例えば、図１５に示すように、各直流線路１の両端にそれぞれ限流回路５を接続して構成すればよい。この場合には、事故が発生した直流線路１に接続された限流回路５の開閉装置３のみ開放して限流させることにより、健全な直流線路１に接続された開閉装置３の開制御を行うことなく、つまり、限流素子４による送電ロスを生じることなく、運転継続が可能となる。
　複数の直流線路１でループを形成するループ型多端子直流送電系統に実施の形態１にかかる電力変換装置１００を適用する場合には、例えば、図１６に示すように、直流線路１の接続点にそれぞれ限流回路５を接続して構成すればよい。あるいは、図１７に示すように、各直流線路１の両端にそれぞれ限流回路５を接続して構成すればよい。この場合には、図１５に示した多回線直流送電系統に適用する場合と同様に、事故が発生した直流線路１に接続された限流回路５の開閉装置３のみ開放して限流させることにより、健全な直流線路に接続された開閉装置３の開制御を行うことなく、つまり、限流素子４による送電ロスを生じることなく、運転継続が可能となる。
　図１に示す２端子直流送電系統の変形例としては、図１８に示すように、限流回路５を介して２つの直流線路１を接続した構成が考えられる。
　また、図２に示す非ループ型多端子直流送電系統の変形例としては、図１９に示すように、各直流線路１の分岐点Ａと各直流線路１の端部との間にそれぞれ限流回路５を具備した構成が考えられる。
　また、図１６および図１７に示すループ型多端子直流送電系統の変形例としては、図２０に示すように、図１７における各限流回路５の接続点と変換器２との間にさらに限流回路５を具備した構成が考えられる。
　上述した図１、図２、および図１５～図２０の何れの構成においても、変換器２と直流線路１との間には、１つ以上の限流回路５を具備する構成となっており、直流送電系統を形成する何れの直流線路１のどの地点において事故が発生した場合でも、変換器２に流れる事故電流を抑制することが可能である。また、図１６～図２０に示す構成では、各直流線路１の両端部に限流回路５を具備した構成となっており、例えば、図１９に示す非ループ型多端子直流送電系統では、分岐点Ａに開閉設備や他の電源系統と連系するための変換部を具備した構成にも適用可能となる。
　以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置によれば、複数の電源系統間を直流線路で接続して連系する２端子直流送電系統、非ループ型多端子直流送電系統、ループ型多端子直流送電系統において、変換器と直流線路との間に１つ以上の限流回路を具備し、変換器に流れる電流が変換器の許容電流上限値よりも低い閾値を超えた時点で、限流素子と並列に接続された開閉装置を開制御して開放させ、限流素子に転流させるようにしたので、直流送電系統を形成する何れの直流線路のどの地点において事故が発生した場合でも、変換器に流れる事故電流を抑制することができ、交流遮断器あるいは直流遮断器により電流遮断が行われる際の事故電流値を低下させることができるので、限流回路を具備しない従来構成よりも交流遮断器あるいは直流遮断器の電流遮断責務を軽減することができ、交流遮断器あるいは直流遮断器の小型化、低コスト化が可能となる。
　また、交流遮断器あるいは直流遮断器により電流遮断が行われるまでに変換器に流れる電流が変換器の許容電流上限値を超えるのを防止することができる。
　また、多端子直流送電系統に適用する場合には、直流線路に事故が発生した場合でも、変換器に流れる電流が閾値に達していない場合には限流素子への転流は行わないので、健全な直流線路に接続された電力変換装置では、限流素子による送電ロスを生じることなく、運転継続が可能となる。
　また、限流素子に並列接続される開閉装置を遮断器、断路器、あるいは開閉器を含む機械的開閉要素で構成することにより、通常の直流送電を行う際の通電損失を極めて小さくすることができる。
　さらに、この機械的開閉要素をＧＣＢで構成することにより、このＧＣＢの開放時における過電圧に耐え得る構成とすることができる。
　また、機械的開閉要素と同様に導通損失が小さい低定格の半導体スイッチ素子を機械的開閉要素と直列接続して開閉装置を構成し、事故電流の限流素子への転流を行う際には、半導体スイッチ素子をオフ制御した後に、機械的開閉要素を開制御することにより、機械的開閉要素の責務を電圧遮断責務に限定することができ、機械的開閉要素を安価な開閉器や断路器等で構成することができる。
　さらに、半導体スイッチ素子を高速動作が可能なＩＧＢＴあるいはＧＣＴサイリスタで構成することにより、事故電流を即座に限流素子に転流することができるので、交流遮断器あるいは直流遮断器の電流遮断時点における電流値をより小さく抑制することができる。
　また、限流素子を超電導限流器、可飽和リアクトル、あるいは半導体スイッチ素子で構成し、通常の直流送電を行う定常運転時には、限流素子を低インピーダンスとしておき、開閉装置の開放時に限流素子に事故電流が転流した後に、限流素子を高インピーダンスとすることにより変換器に流れる事故電流を抑制するようにしたので、限流素子が低インピーダンスの状態で容易に事故電流の転流を行うことができる。
　また、限流素子を超電導限流器で構成した場合に、通常の直流送電を行う定常運転時に超電導限流器を常電導状態として高インピーダンスとしておき、直流線路の事故発生を検知して超電導限流器を超電導状態として低インピーダンスとするようにすれば、定常運転時に超電導限流器を超電導状態に維持しておく必要がないため、不要なエネルギーの損失を防ぐことができる。
　また、非ループ型多端子直流送電系統、ループ型多端子直流送電系統において、各直流線路の両端部に限流回路を具備した構成とすることにより、直流線路の分岐点に開閉設備や他の電源系統と連系するための変換部を具備した構成にも適用可能となる。
実施の形態２．
　実施の形態１では、直流線路と変換器との間に限流回路を具備した構成について説明したが、本実施の形態では、変換器の接地要素に限流回路を具備した構成について説明する。
　図２１は、実施の形態２にかかる電力変換装置を適用した中性線を有する２端子直流送電系統の一例を示す図である。また、図２２は、実施の形態２にかかる電力変換装置を適用した中性線を有さない２端子直流送電系統の一例を示す図である。また、図２３は、実施の形態２にかかる電力変換装置を適用した正極線、負極線、中性線を有する２端子直流送電系統の一例を示す図である。
　図２１に示す例では、正極線１ａおよび中性線１ｃにより直流線路１が形成され、電力変換装置１００ａの変換器２の接地要素６に限流回路５を具備した構成としている。なお、この構成では、電力変換装置１００ｂの変換器２は、中性線１ｃを介して接地されるため、限流回路５を具備する必要はない。
　図２２に示す例では、正極線１ａのみにより直流線路１が形成され、電力変換装置１００ａの変換器２の接地要素６に限流回路５を具備した構成としているが、電力変換装置１００ｂを電力変換器１００ａと同様の構成とすることにより、各電力変換装置１００ａ，１００ｂ双方の変換器２に流れる事故電流を抑制することができる。
　図２３に示す例では、正極線１ａ、負極線１ｂ、および中性線１ｃにより直流線路１が形成され、図２１に示す例と同様に、電力変換装置１００ｃの変換器２の接地要素６に限流回路５を具備した構成としている。この構成においても、図２１に示す例と同様に、電力変換装置１００ｄの変換器２は、中性線１ｃを介して接地されるため、限流回路５を具備する必要はない。
　つぎに、実施の形態２にかかる電力変換装置１００の限流回路５の動作について、図２１～図２３を参照して説明する。
　図２１～図２３に示す例において、正極線１ａに地絡事故が発生すると、接地要素６を介して変換器２に事故電流が流れる。このため、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、開閉装置３を開制御させるためのトリガーとして、変換器２を流れる電流に対する閾値を設定しておき、変換器２を流れる電流がこの閾値を超えた時点で、開閉装置３を開制御して開放させ、限流素子４に転流させるようにしている。この閾値を変換器２の許容電流上限値よりも低い値に設定することにより、直流線路１に地絡事故が発生した場合に、変換器２に流れる事故電流を抑制し、交流遮断器あるいは直流遮断器により電流遮断が行われるまでに変換器２に流れる電流が変換器２の許容電流上限値を超えるのを防止するようにしている。
　これにより、限流回路５を具備しない従来構成よりも交流遮断器あるいは直流遮断器の電流遮断責務を軽減することができるので、これら交流遮断器あるいは直流遮断器の小型化、低コスト化が可能である。
　また、変換器２に流れる電流が閾値を超えた時点で開閉装置３が開制御され、限流素子４に転流されるので、変換器２に流れる電流が変換器２の許容電流上限値を超えるまでの時間を長くすることができる。つまり、交流遮断器あるいは直流遮断器により電流遮断が行われるまでに変換器２に流れる電流が変換器２の許容電流上限値を超えるのを防止することができる。
　さらに、本実施の形態にかかる電力変換装置１００を適用した直流送電系統では、実施の形態１において説明した構成とは異なり、直流線路１以外の限流要素がないので、実施の形態１よりも直流送電を行う際の通電損失を抑制することができる。
　また、実施の形態１と同様に、開閉装置３を遮断器、断路器、あるいは開閉器を含む機械的開閉要素３ａで構成することにより（図８参照）、通常の直流送電を行う際の変換器２の接地電位を安定させることが可能である。
　さらに、この機械的開閉要素３ａをＧＣＢで構成することにより、このＧＣＢの開放時における過電圧に耐え得る構成とすることができる。
　また、機械的開閉要素３ａと同様に導通損失が小さい低定格の半導体スイッチ素子３ｂを機械的開閉要素３ａと直列接続して開閉装置３を構成し（図９参照）、事故電流の限流素子４への転流を行う際には、半導体スイッチ素子３ｂをオフ制御した後に、機械的開閉要素３ａを開制御することにより、機械的開閉要素３ａの責務を電圧遮断責務に限定することができ、機械的開閉要素３ａを安価な開閉器や断路器等で構成することができる。
　さらに、半導体スイッチ素子３ｂを高速動作が可能なＩＧＢＴあるいはＧＣＴサイリスタで構成することにより、事故電流を即座に限流素子４に転流することができ、交流遮断器あるいは直流遮断器の電流遮断時における電流値をより小さく抑制することができる。
　また、実施の形態１と同様に、限流素子４をリアクトル４ａ、抵抗４ｂ、超電導限流器４ｃ、可飽和リアクトル４ｄ、あるいは半導体スイッチ素子４ｅで構成することが可能であり、限流素子４を超電導限流器４ｃ、可飽和リアクトル４ｄ、あるいは半導体スイッチ素子４ｅで構成した場合には、通常の直流送電を行う定常運転時には、限流素子４を低インピーダンスとしておき、開閉装置３の開放時に限流素子４に事故電流が転流した後に、超電導限流器４ｃを高インピーダンスとすることにより、限流素子４が低インピーダンスの状態で容易に事故電流の転流を行うことができる。
　また、限流素子４を超電導限流器４ｃで構成した場合には、通常の直流送電を行う定常運転時に超電導限流器４ｃを常電導状態として高インピーダンスとしておき、直流線路１の事故発生を検知して超電導限流器４ｃを超電導状態として低インピーダンスとするようにすれば、定常運転時に超電導限流器４ｃを超電導状態に維持しておく必要がないため、不要なエネルギーの損失を防ぐことができる。
　また、本実施の形態にかかる電力変換装置１００の構成は、実施の形態１と同様に、上述した２端子直流送電系統の他、非ループ型多端子直流送電系統、あるいはループ型多端子直流送電系統に適用することも可能であり、何れの構成においても、変換器２の接地要素６に限流回路５を具備することにより、直流送電系統を形成する何れの直流線路１のどの地点において地絡事故が発生した場合でも、変換器２に流れる事故電流を抑制することが可能である。
　また、直流送電系統において接地要素６を有する全ての変換器２の接地要素６に限流回路５を具備した構成とすることにより、直流送電系統を形成する何れの直流線路１のどの地点において事故が発生した場合でも、変換器２に流れる事故電流を抑制することが可能である。
　また、多端子直流送電系統において、変換器２の接地要素６に限流回路５を具備した構成が複数存在する場合には、地絡事故が発生した場合でも、変換器２に流れる電流が閾値に達していない場合には限流素子４への転流は行わないので、健全な直流線路１に接続された電力変換装置１００では、運転継続が可能となる。
　以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置によれば、複数の電源系統間を直流線路で接続して連系する２端子直流送電系統、非ループ型多端子直流送電系統、ループ型多端子直流送電系統において、変換器の接地要素に限流回路を具備し、変換器に流れる電流が変換器の許容電流上限値よりも低い閾値を超えた時点で、限流素子と並列に接続された開閉装置を開制御して開放させ、限流素子に転流させるようにしたので、直流送電系統を形成する何れの直流線路のどの地点において地絡事故が発生した場合でも、変換器に流れる事故電流を抑制することができ、交流遮断器あるいは直流遮断器により電流遮断が行われる際の事故電流値を低下させることができるので、実施の形態１と同様に、限流回路を具備しない従来構成よりも交流遮断器あるいは直流遮断器の電流遮断責務を軽減することができ、交流遮断器あるいは直流遮断器の小型化、低コスト化が可能となる。
　また、交流遮断器あるいは直流遮断器により電流遮断が行われるまでに変換器に流れる電流が変換器の許容電流上限値を超えるのを防止することができる。
　また、多端子直流送電系統において、変換器の接地要素に限流回路を具備した構成が複数存在する場合には、地絡事故が発生した場合でも、変換器に流れる電流が閾値に達していない場合には限流素子への転流は行わないので、健全な直流線路に接続された電力変換装置では、運転継続が可能となる。
　また、実施の形態１と同様に、限流素子に並列接続される開閉装置を遮断器、断路器、あるいは開閉器を含む機械的開閉要素で構成することにより、通常の直流送電を行う際の通電損失を極めて小さくすることができる。
　さらに、実施の形態１と同様に、機械的開閉要素をＧＣＢで構成することにより、このＧＣＢの開放時における過電圧に耐え得る構成とすることができる。
　また、実施の形態１と同様に、機械的開閉要素と同様に導通損失が小さい低定格の半導体スイッチ素子を機械的開閉要素と直列接続して開閉装置を構成し、事故電流の限流素子への転流を行う際には、半導体スイッチ素子をオフ制御した後に、機械的開閉要素を開制御することにより、機械的開閉要素の責務を電圧遮断責務に限定することができ、機械的開閉要素を安価な開閉器や断路器等で構成することができる。
　さらに、実施の形態１と同様に、半導体スイッチ素子を高速動作が可能なＩＧＢＴあるいはＧＣＴサイリスタで構成することにより、事故電流を即座に限流素子に転流することができるので、交流遮断器あるいは直流遮断器の電流遮断時点における電流値をより小さく抑制することができる。
　また、実施の形態１と同様に、限流素子を超電導限流器、可飽和リアクトル、あるいは半導体スイッチ素子で構成し、通常の直流送電を行う定常運転時には、限流素子を低インピーダンスとしておき、開閉装置の開放時に限流素子に事故電流が転流した後に、限流素子を高インピーダンスとすることにより変換器に流れる事故電流を抑制するようにしたので、限流素子が低インピーダンスの状態で容易に事故電流の転流を行うことができる。
　また、限流素子を超電導限流器で構成した場合に、通常の直流送電を行う定常運転時に超電導限流器を常電導状態として高インピーダンスとしておき、直流線路の事故発生を検知して超電導限流器を超電導状態として低インピーダンスとするようにすれば、定常運転時に超電導限流器を超電導状態に維持しておく必要がないため、不要なエネルギーの損失を防ぐことができる。
　なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
　以上のように、本発明にかかる電力変換装置は、複数の電源系統間を直流線路で接続して連系する直流送電系統に有用であり、特に、事故発生時における事故電流を抑制して設備の小型化、低コスト化を図りつつ、直流送電を行う際の通電損失を抑制する技術として適している。
　１，１－１，１－２，１－３　直流線路、１ａ　正極線（直流線路）、１ｂ　負極線（直流線路）、１ｃ　中性線（直流線路）、２　変換器、３　開閉装置、３ａ　機械的開閉要素、３ｂ　半導体スイッチ素子、４　限流素子、４ａ　リアクトル（限流素子）、４ｂ　抵抗（限流素子）、４ｃ　超電導限流器（限流素子）、４ｄ　可飽和リアクトル（限流素子）、４ｅ　半導体スイッチ素子（限流素子）、５　限流回路、６　接地要素、２０，２０－１，２０－２，２０－３　電源系統、２１，２１－１，２１－２，２１－３　変圧器、２２　交流遮断器、２３　直流遮断器、１００，１００－１，１００－２，１００－３　電力変換装置。

Claims (14)

  1. 　複数の電源系統間を直流線路で接続して連系する直流送電系統に適用される電力変換装置であって、
    　前記電源系統と前記直流送電系統との間で電力変換を行う変換器と、
    　限流素子と該限流素子に並列接続された開閉装置とからなる限流回路と、
    　を備え、
    　前記限流回路は、
    　前記変換器と前記直流線路との間に設けられ、前記変換器を流れる電流が前記変換器の許容電流上限値よりも低い閾値を超えた場合に、前記開閉装置が開制御される
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 　前記限流回路の端部に直流遮断器が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記限流回路は、前記直流線路の両端部に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 　複数の電源系統間を直流線路で接続して連系する直流送電系統に適用される電力変換装置であって、
    　前記電源系統から供給される電力を前記直流送電系統に供給する直流電力に変換する変換器と、
    　限流素子と該限流素子に並列接続された開閉装置とからなる限流回路と、
    　を備え、
    　前記限流回路は、
    　前記変換器の接地要素に設けられ、前記変換器を流れる直流電流が前記変換器の許容電流上限値よりも低い閾値を超えた場合に、前記開閉装置が開制御される
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  5. 　前記開閉装置は、機械的開閉要素である遮断器あるいは開閉器を含み構成されたことを特徴とする請求項１または４に記載の電力変換装置。
  6. 　前記機械的開閉要素は、ＧＣＢであることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 　前記開閉装置は、前記機械的開閉要素と半導体スイッチ素子とが直列接続され構成されたことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
  8. 　前記半導体スイッチ素子は、ＩＧＢＴであることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
  9. 　前記半導体スイッチ素子は、ＧＣＴサイリスタであることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
  10. 　前記限流素子は、リアクトルであることを特徴とする請求項１または４に記載の電力変換装置。
  11. 　前記限流素子は、抵抗であることを特徴とする請求項１または４に記載の電力変換装置。
  12. 　前記限流素子は、前記開閉装置が開制御されて前記直流電流が転流した後に、超電導状態から常電導状態に制御される超電導限流器であることを特徴とする請求項１または４に記載の電力変換装置。
  13. 　前記限流素子は、前記開閉装置が開制御されて前記直流電流が転流した後に、低インピーダンス状態から高インピーダンス状態に制御される可飽和リアクトルであることを特徴とする請求項１または４に記載の電力変換装置。
  14. 　前記限流素子は、前記開閉装置が開制御されて前記直流電流が転流した後に、導通制御される半導体スイッチ素子であることを特徴とする請求項１または４に記載の電力変換装置。
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