JP6161774B2 - 送電系統システム、電力変換装置および開閉器 - Google Patents

Description

本開示は、電力変換装置および直流送電システムに関し、特に、自励式の電力変換装置を用いた直流送電系統に用いられる送電系統システム、電力変換装置および開閉器に関する。

近年、電力需要の増加に伴い、大容量・長距離送電や異周波数系統間での電力融通などを実現する手段として、高圧直流送電への期待が高まっている。高圧直流送電では、送電損失の低減や送電線路設備費の削減を実現でき、長距離送電においては交流送電よりもコスト面で有利である。そのため、高圧直流送電は国内外で急速に普及している。

このような高圧直流送電には、交流系統の電力を直流電力に変換する、または直流線路に流れる直流電力を交流電力に変換するための電力変換器が採用されている。電力変換器には、従来ではサイリスタを適用した他励式変換器が用いられていたが、最近では、自励式電圧形変換器の適用が検討されている。

たとえば、特開２００５−０９４８７４号公報（特許文献１）は、直流送電設備の運転方法を開示している。この運転方法では、直列または並列接続された複数台の自励式交直変換器のうちの１台が故障したとき、故障した自励式交直変換器が直列接続の場合はその故障した自励式交直変換器をバイパスし、並列接続の場合はその故障した自励式交直変換器を直流系統から切り離し、健全な自励式交直変換器を用いて運転を継続する。

特開２００５−０９４８７４号公報

自励式電圧形変換器において、特に、マルチレベル変換器は、高電圧化と、出力電圧の正弦波化とを両立することが可能なため、実用化が進んでいる。その中でも、ＭＭＣ（Modular Multilevel Converter)は高い注目を集めている。ＭＭＣは、チョッパ回路を各アームに多段接続することによって高耐圧化を実現し、交流電圧を出力するように構成されている。

このようなＭＭＣは、たとえば、一般的な直流送電系統の構成として知られている双極構成の直流送電系統に適用される。双極直流送電系統では、直流送電線（本線）に事故が発生した場合、事故が発生した側の本線、順変換器および逆変換器は停止させるが、事故が発生していない側の本線、順変換器および逆変換器は継続して利用することが要求される。また、特に、直流送電線の事故が架空線事故である場合には、事故が発生した側の本線、順変換器および逆変換器にも事故除去後、速やかに再起動することが要求される。

上述したように、特許文献１に開示された技術では、故障した自励式交直変換器を直流系統から切り離し、健全な自励式交直変換器を用いて運転を継続することが開示されている。しかしながら、自励式交直変換器自体の故障のみに対する対応策であり、直流送電線での事故が想定されていないため、上記要求を満たすことができないという問題がある。

本開示は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、ある局面における目的は、自励式の電力変換装置を用いた直流送電系統において、より迅速に事故を検出し除去することが可能な送電系統システム、電力変換装置および開閉器を提供することである。

ある実施の形態に従う送電系統システムは、スイッチング素子およびコンデンサを有する複数のセルをそれぞれ含む第１のアームおよび第２のアーム、ならびに１つまたは複数の前記セルに対して設けられ、事故電流を通電するように投入される少なくとも１つのバイパススイッチを有する電力変換装置と、前記バイパススイッチが前記投入された後に、健全極から前記バイパススイッチへの電流の流入を防止するように開放され、前記バイパススイッチが開放された後に投入される開閉器とを備える。

本開示によると、自励式の電力変換装置を用いた直流送電系統において、より迅速に事故を検出し除去することが可能となる。

直流送電システムの全体構成の一例を示す図である。 電力変換装置の構成を説明するための図である。 セルの回路構成を示す図である。 本線での事故発生直後の第１の局面の事故電流の流れを示す図である。 図４に示した第１の局面の後の第２の局面の事故電流の流れを示す図である。 図５に示した第２の局面の後の第３の局面の事故電流の流れを示す図である。 図６に示した第３の局面の後の第４の局面の事故電流の流れを示す図である。 電力変換装置の制御機器の機能ブロック図である。 制御機器の処理手順を示すフローチャートである。 変形例に従う電力変換装置および保護制御装置の構成を説明するための図である。 電力変換装置の制御機器および保護制御装置の機能ブロック図である。 制御機器の処理手順を示すフローチャートである。 電力変換装置を適用した３極構成の直流送電系統の例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜全体構成＞
図１は、直流送電システムの全体構成の一例を示す図である。図１を参照して、直流送電システムは、２つの極の直流送電線（本線）９，１０と中性線１１から構成される双極構成の直流送電系統（双極直流送電系統）である。双極直流送電系統は、正負２極に区分された２つの直流送電系統の中性点１３，１３Ａを１本の中性線１１で接続して形成されている。本線９，１０を介して２つの交流系統２，２Ａ間で電力が送受される。

以下では、説明の便宜上、電力変換装置５，５Ａ、正極側の本線９および中性線１１で構成された極を第１極とし、電力変換装置５Ｂ，５Ｃ、負極側の本線１０および中性線１１で構成された極を第２極とする。なお、第１極と第２極とは中性線１１を共用している。

交流母線１は、交流遮断器３および変圧器４を介して電力変換装置５に接続され、交流遮断器３Ｂおよび変圧器４Ｂを介して電力変換装置５Ｂに接続される。交流母線１Ａは、交流遮断器３Ａおよび変圧器４Ａを介して電力変換装置５Ａに接続され、交流遮断器３Ｃおよび変圧器４Ｃを介して電力変換装置５Ｃに接続される。電力変換装置５〜５Ｃは、それぞれ遮断器１２〜１２Ｃを介して中性線１１に接続される。電力変換装置５，５Ａは本線９に接続され、電力変換装置５Ｂ，５Ｃは本線１０に接続される。

本実施の形態では、電力変換装置５，５Ｂは順変換装置として機能し、直列接続される。電力変換装置５Ａ，５Ｃは逆変換装置として機能し、直列接続される。この場合、電力変換装置５，５Ｂにより交流電力が直流電力に変換され、この変換された直流電力が本線９，１０を介して直流送電される。そして、その受電端において電力変換装置５Ａ，５Ｃにより直流電力が交流電力に変換され、変圧器４Ａ，４Ｃを介して交流母線１Ａに供給される。なお、電力変換装置５，５Ａが逆変換装置として機能し、電力変換装置５Ｂ，５Ｃが順変換装置として機能する場合には、上記と逆の変換動作が行われる。なお、中性線１１は、双極間の不平衡な直流電流や片極運転時の直流電流を流すために設けられている。

＜電力変換装置の構成＞
図２は、電力変換装置の構成を説明するための図である。以下では、説明の便宜上、電力変換装置５の構成について説明する。なお、電力変換装置５Ａ〜５Ｃの構成は、電力変換装置５の構成と同じである。

電力変換装置５は、制御機器１００と、交直変換器２０とを含む。交直変換器２０は、有効電力と無効電力とを独立して制御できる自励式の電圧型電力変換器で構成されている。具体的には、交直変換器２０は、互いに並列接続された３つの相モジュール２１，２２，２３を含む。

相モジュール２１は、交流端子３１と、正極側（本線９側）の直流端子４１ｐと、負極側（中性線１１側）の直流端子４１ｎと、上アーム（セルＬ１およびセルＬ２）と、下アーム（セルＬ３およびセルＬ４）とを含む。相モジュール２２は、交流端子３２と、正極側の直流端子４２ｐと、負極側の直流端子４２ｎと、上アーム（セルＬ５およびセルＬ６）と、下アーム（セルＬ７およびセルＬ８）とを含む。相モジュール２３は、交流端子３３と、正極側の直流端子４３ｐと、負極側の直流端子４３ｎと、上アーム（セルＬ９およびセルＬ１０）と、下アーム（セルＬ１１およびセルＬ１２）とを含む。なお、本実施の形態では、各アームが２つのセルＬで構成された回路について説明するが、各アームは、１つまたは３つ以上のセルＬで構成されていてもよい。

交流端子３１〜３３は、変圧器４、交流遮断器３および交流母線１を介して交流系統２に接続される。直流端子４１ｐ〜４３ｐは本線９に接続され、直流端子４１ｎ〜４３ｎは遮断器１２を介して中性線１１に接続される。換言すると、交流遮断器３は、変圧器４を介した交流端子３１〜３３と交流系統２との間に設けられる。遮断器１２は、中性点１３（中性線１１）側の直流端子４１ｎ〜４３ｎと中性点１３との間に設けられる。

図３は、セルＬの回路構成を示す図である。セルＬ１〜Ｌ１２の構成は、図３に示すセルＬの構成と同じである。図３を参照して、セルＬは、２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、２つのダイオードＤ１，Ｄ２と、コンデンサＣとを含む。セルＬは、制御機器１００から送信されるゲート信号に基づいて、２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がスイッチングすることにより動作（駆動）する。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの電力半導体素子である。

２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、直列に接続されている。ダイオードＤ１，Ｄ２は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ逆並列に接続される還流ダイオードである。エネルギー蓄積素子としてのコンデンサＣは、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と並列に接続されている。典型的には、スイッチング素子Ｑ２の一端から引き出されたセル端子Ｅ１は、正極側に隣接するセルＬのセル端子Ｅ１と接続される。スイッチング素子Ｑ２の他端から引き出されたセル端子Ｅ２は、負極側に隣接するセルＬのセル端子Ｅ１と接続される。スイッチング素子Ｑ２の両端にはバイパススイッチＳＷが接続される。

バイパススイッチＳＷは、セル端子Ｅ１，Ｅ２間に接続される。バイパススイッチＳＷは、接点を閉じることによりスイッチング素子Ｑ２（の両端）を短絡可能に構成されるスイッチであり、事故電流の通電が可能である。すなわち、バイパススイッチＳＷは、セルＬを短絡することにより、セルＬに含まれる各素子（スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２およびコンデンサＣ）を事故時に発生する過電流から保護する。

再び、図２を参照して、電流検出器５１は、直流端子４１ｎ〜４３ｎと遮断器１２との間に設けられている。電流検出器５１は、直流端子４１ｎ〜４３ｎに流れる電流を検出し、その電流の電流値Ｉａを制御機器１００に入力する。電流検出器５１としては、電流値を直流成分も合わせて検出することが可能な直流変流器（ＤＣＣＴ）やホール電流検出器（ＨＣＴ）などが用いられる。

直流電圧検出器５２は、直流端子４１ｐ〜４３ｐと本線９との間に設けられている。直流電圧検出器５２は、本線９に印加される直流電圧を検出し、その直流電圧値Ｖａを制御機器１００に入力する。

制御機器１００は、入力された電流値および電圧値に基づいて、各種処理を実行する。具体的には、制御機器１００は、本線９における事故判定、交直変換器２０の動作の停止および復帰制御、交流遮断器３の開閉制御、および遮断器１２の開閉制御などを行なう。なお、制御機器１００の具体的な処理内容については後述する。

典型的には、制御機器１００は、マイクロコンピュータを主体として構成されており、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）を含み、ＣＰＵが図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリに格納されたデータおよびプログラムを実行することによって実現される。なお、制御機器１００は、ＣＰＵによって実行される命令に基づく処理を実現するための回路などのハードウェアで構成されていてもよい。

＜システムの動作概要＞
次に、図４〜図７を参照しながら、上述したような構成を有する双極直流送電システムの動作概要について説明する。

図４は、本線９での事故発生直後の第１の局面の事故電流の流れを示す図である。図５は、図４に示した第１の局面の後の第２の局面の事故電流の流れを示す図である。図６は、図５に示した第２の局面の後の第３の局面の事故電流の流れを示す図である。図７は、図６に示した第３の局面の後の第４の局面の事故電流の流れを示す図である。

図４〜図７では、説明の容易化のため、電力変換装置５，５Ａの交直変換器に含まれる１つの相モジュールのみを図示して、事故電流の流れの説明を行なう。なお、各相モジュールにおいて、事故電流の流れ方は同様である。

図４を参照して、第１極の本線９で地絡事故が発生すると、事故電流は、矢印ＡＲ１が示すように、電力変換装置５，５Ｂから事故点（本線９）の方向に流れていく。また、事故電流は、矢印ＡＲ２が示すように、電力変換装置５Ａ，５Ｃから事故点の方向に流れていく。電力変換装置５，５Ｂは、事故電流を検出して、以下のような処理を実行する。

事故発生直後においては、電力変換装置５，５Ａの交直変換器は動作中（各スイッチング素子がスイッチング動作中）である。そのため、図４に示すように、たとえば、各セルＬにおいて、コンデンサＣと、導通状態であるスイッチング素子（図４の例では、スイッチング素子Ｑ１）を介して事故電流が流れていく。

次に、セルＬの各素子（スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２およびコンデンサＣ）が事故電流によって破壊されるのを防ぐため、事故が発生した第１極の電力変換装置５，５Ａは、各セルＬ（の動作）を停止させる。ここで、セルＬの停止とは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフ（オンできないように）することなどにより、セルＬから電圧を出力されないことを意味するものとする。しかし、各セルＬを停止させたとしても、図５中の矢印ＡＲ３，ＡＲ４に示すように、事故電流は、ダイオードＤ２を介して事故点の方向に流れ続けてしまう。

次に、ダイオードＤ２の破壊を防ぐため、電力変換装置５，５Ａは、各セルＬに接続されたバイパススイッチＳＷを投入する（閉じる）。そうすると、図６中の矢印ＡＲ５，ＡＲ６が示すように、事故電流は、セルＬに接続されたバイパススイッチＳＷを介して事故点の方向に流れるようになる。これにより、各セルＬが短絡されるため、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、ダイオードＤ１，Ｄ２およびコンデンサＣの破壊を防ぐことができる。

次に、図７を参照して、電力変換装置５，５Ａは、それぞれ交流遮断器３，３Ａを開放する。これにより、交流系統２，２Ａからそれぞれ電力変換装置５，５Ａに流れ込む交流電流は遮断される。交流遮断器３，３Ａが開放された後、電力変換装置５，５Ａは、それぞれ遮断器１２，１２Ａを開放する。これにより、健全極である第２極から第１極に流れ込む電流は遮断される。すなわち、第１極と第２極とが完全に分離され、事故が発生していない第２極側では運転を継続することが可能となる。

上述したように、事故が発生すると、交直変換器をゲートブロック（スイッチング素子のオフ）、バイパススイッチＳＷの投入、交流遮断器３の開放、遮断器１２の開放の順に処理を実行する。これは、交直変換器の動作中に交流遮断器３および遮断器１２が開放されることによる直流送電系統への悪影響を防止するとともに、事故電流による自装置に対する影響をより迅速に除去するためである。

具体的には、バイパススイッチＳＷに投入指令が出力されてから、当該バイパススイッチＳＷが投入されるまでの時間Ｔ１は、遮断器１２（または交流遮断器３）に開放指令が出力されてから、遮断器１２（または交流遮断器３）が開放されるまでの時間Ｔ２よりも短い。なお、ゲートブロック指令が出力されてから、スイッチング素子がオフ状態になるまでの時間Ｔ３が、時間Ｔ１および時間Ｔ２よりも圧倒的に短いことは言うまでもない。

そのため、スイッチング素子のオフ、バイパススイッチＳＷの投入、交流遮断器３の開放、遮断器１２の開放の順で処理を実行することにより、セルＬの各素子に事故電流が流れる時間を最短にできることがわかる。

図７に示すように、第１極においては、交流遮断器３，３Ａおよび遮断器１２，１２Ａが開放されることにより、電力変換装置５，５Ａには、電流が全く流れない状態となる。そこで、遮断器１２，１２Ａが開放されてから予め定められた時間が経過した場合、電力変換装置５，５Ａは、事故からの復帰を試みる。

具体的には、電力変換装置５，５Ａは、セルＬの各素子の保護のために投入されているバイパススイッチＳＷを開放する。これにより、電力変換装置５，５Ａの各交直変換器は、再起動可能な状態（すなわち、適切なスイッチング動作によりセルＬから電圧を出力可能な状態）となる。次に、電力変換装置５，５Ａは、遮断器１２，１２Ａを投入した後、交流遮断器３，３Ａを投入する。そして、電力変換装置５，５Ａは、各セルＬの動作を再開する。詳細には、電力変換装置５，５Ａは、交直変換器をゲートブロック状態（各セルＬのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフ状態）からデブロック状態（各セルＬのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンできる状態）にして、各セルＬからの電圧を出力する。

上記したような双極直流送電システムによると、事故が発生してない極（健全極）から事故が発生した極（事故極）への事故電流の流入を防ぐことにより、直流事故を速やかに除去することができる。また、事故電流の交直変換器への影響を最小限にとどめることができる。

また、事故極が健全極から切り離されるため、健全極のみでの直流送電が可能となる。さらに、健全極から事故極への事故電流の流入の防止により、事故極の交直変換器内の保護回路であるバイパススイッチＳＷを開放できる。そのため、事故極の交直変換器を速やかに再起動することもできる。

なお、上記では本線９の事故により事故電流が流れる場合について説明したが、交直変換器の故障により上述のような事故電流が流れる場合についても、上述の動作により交直変換器の損傷を最小限にとどめることができる。この場合にも、健全極のみでの直流送電が可能であるとともに、事故極の交直変換器を速やかに再起動することも可能である。

＜制御機器１００の機能構成＞
次に、電力変換装置５の制御機器１００の機能構成について説明する。なお、他の電力変換装置５Ａ〜５Ｃの制御機器の機能構成は、制御機器１００の機能構成と同じである。

図８は、電力変換装置５の制御機器１００の機能ブロック図である。図８を参照して、制御機器１００は、電流入力部１１０と、電圧入力部１１２と、事故判断部１２０と、変換器制御部１３０と、開閉器制御部１４０とを含む。これらの各機能は、制御機器１００のＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムを実行することによって実現される。なお、これらの機能の一部または全部はハードウェアで実現されるように構成されていてもよい。

電流入力部１１０は、中性点１３（中性線１１）側の直流端子４１ｎ〜４３ｎと中性点との間に流れる直流電流の電流値Ｉａの入力を受け付ける。具体的には、電流入力部１１０は、電流検出器５１から電流値Ｉａの入力を受け付ける。

電圧入力部１１２は、本線９の電圧値Ｖａの入力を受け付ける。具体的には、電圧入力部１１２は、直流電圧検出器５２から直流電圧値Ｖａの入力を受け付ける。

事故判断部１２０は、電流入力部１１０により受け付けられた電流値Ｉａ（正負の区別を含む）と、予め定められた基準電流閾値Ｉｓとに基づいて、本線９で事故が発生したか否かを判断する。具体的には、事故判断部１２０は、電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｓ以上である場合に本線９で事故が発生したと判断する。典型的には、本線９で事故が発生すると、電力変換装置５から本線９側に電流が流れていく。そのため、この電流方向を正方向とした場合、事故判断部１２０は、電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｓ（＞０）以上であれば本線９で事故が発生したと判断することができる。

また、本線９での事故の発生をさらに精度良く判断するために、本線９の直流電圧値Ｖａ（正負の区別を含む）が用いられてもよい。具体的には、事故判断部１２０は、電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｓ以上である場合であって、かつ、直流電圧値Ｖａが基準電圧閾値Ｖｓ以下（概ね０Ｖ）である場合に、本線９で事故が発生したと判断する構成であってもよい。これは、事故発生時においては、本線９の直流電圧値Ｖａがほぼ０Ｖになることを利用している。なお、事故が発生していない通常時においては、本線９の直流電圧値Ｖａは正側の直流電圧、本線１０の直流電圧値は負側の直流電圧、中性線１１はほぼ０Ｖになる。また、基準電流閾値Ｉｓおよび基準電圧閾値Ｖｓは、制御機器１００のメモリ（ＲＯＭまたはＲＡＭ）に予め記憶されている。

変換器制御部１３０は、交直変換器２０の動作を制御する。具体的には、変換器制御部１３０は、各セルＬ１〜Ｌ１２にゲート信号を送信することにより、２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング（予め定められたタイミングでオン／オフ）させて、各セルＬ１〜Ｌ１２を駆動する。変換器制御部１３０は、各セルＬ１〜Ｌ１２に個別の伝送路でゲート信号を送信するように構成されていてもよいし、全てのセルＬ１〜Ｌ１２に共通の伝送路で送信するように構成されていてもよい。

変換器制御部１３０は、電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｓ以上である場合（すなわち、事故判断部１２０により事故が発生したと判断された場合）に、事故の除去のために、各セルＬ１〜Ｌ１２を停止した後、各セルＬ１〜Ｌ１２に接続されたバイパススイッチＳＷ（各バイパススイッチＳＷ）を投入する（閉じる）。具体的には、変換器制御部１３０は、ゲートブロック指令を各セルＬ１〜Ｌ１２に送信して、各セルＬ１〜Ｌ１２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフ状態にした後、投入指令を各バイパススイッチＳＷに送信する。

開閉器制御部１４０は、遮断器１２の開閉と、交流遮断器３の開閉とを制御する。開閉器制御部１４０は、事故判断部１２０により事故が発生したと判断された場合に、事故の除去のために、遮断器１２を開放する（トリップ指令を遮断器１２に送信する）。詳細には、開閉器制御部１４０は、各バイパススイッチＳＷが投入された後、交流遮断器３を開放してから遮断器１２を開放する。

変換器制御部１３０は、事故からの復帰のために、遮断器１２が開放してから（遮断器１２にトリップ指令を送信してから）予め定められた時間が経過した後、各バイパススイッチＳＷを開放する。なお、変換器制御部１３０は、交直変換器２０に電流が流れていないことを確認した後に、各バイパススイッチＳＷを開放してもよい。具体的には、変換器制御部１３０は、遮断器１２が開放してから予め定められた時間が経過した後、電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｋ以下（すなわち、概ね０Ａ）である場合に、各バイパススイッチＳＷを開放する構成であってもよい。

開閉器制御部１４０は、各バイパススイッチＳＷが開放された後、遮断器１２を投入（投入指令を遮断器１２に送信）してから交流遮断器３を投入する。変換器制御部１３０は、遮断器１２（および交流遮断器３）が投入された後、各セルＬ１〜Ｌ１２を動作させる。具体的には、変換器制御部１３０は、事故の発生前と同一の電圧値および周波数をセルＬ１〜Ｌ１２から出力させるためのゲート信号を生成して、当該ゲート信号を各セルＬ１〜Ｌ１２に送信する。

＜処理手順＞
図９は、制御機器１００の処理手順を示すフローチャートである。典型的には、以下の各ステップは、制御機器１００のＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムを実行することによって実現される。なお、制御機器１００は、常時、電流検出器５１から入力される電流値と直流電圧検出器５２から入力される直流電圧値とを監視しているものとする。

図９を参照して、制御機器１００は、電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｓ以上か否かを判断する（ステップＳ１２）。電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｓ未満の場合には（ステップＳ１２においてＮＯ）、制御機器１００は処理を終了する。一方、電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｓ以上の場合には（ステップＳ１２においてＹＥＳ）、制御機器１００は、直流電圧値Ｖａが基準電圧閾値Ｖｓ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。直流電圧値Ｖａが基準電圧閾値Ｖｓよりも大きい場合には（ステップＳ１３においてＮＯ）、制御機器１００は処理を終了する。直流電圧値Ｖａが基準電圧閾値Ｖｓ以下である場合には（ステップＳ１３においてＹＥＳ）、制御機器１００は、交直変換器２０をゲートブロック（各セルＬ１〜Ｌ１２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフ状態）して（ステップＳ１４）、各バイパススイッチＳＷを投入する（ステップＳ１６）。ステップＳ１４およびステップＳ１６の処理により、事故電流による各セルＬ１〜Ｌ１２の各素子の破壊を防止することができる。

次に、制御機器１００は、交流遮断器３にトリップ信号を送信して交流遮断器３を開放し（ステップＳ１８）、遮断器１２にトリップ信号を送信して遮断器１２を開放する（ステップＳ２０）。ステップＳ１８およびステップＳ２０の処理により、交直変換器２０には電流が全く流れなくなるため、再起動の準備が整う。なお、一般的に、遮断器１２は直流回路に実装されることから、遮断器１２に流れる電流は抑えることが好ましい。そのため、制御機器１００は、交流遮断器３を開放することにより交流系統２からの電流の流れ込みを遮断した後に、遮断器１２を開放する。なお、遮断器１２は、ＭＲＴＢ（Metallic Transfer Breaker：帰線強制消弧装置）相当の機能を有する。

制御機器１００は、遮断器１２が開放されてから予め定められた時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ２２）。予め定められた時間が経過していない場合には（ステップＳ２２においてＮＯ）、制御機器１００はステップＳ２２の処理を繰り返す。予め定められた時間が経過した場合には（ステップＳ２２においてＹＥＳ）、制御機器１００は、電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｋ以下であるか否かを判断する（ステップＳ２３）。電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｋよりも大きい場合には（ステップＳ２３においてＮＯ）、制御機器１００はステップＳ２２からの処理を繰り返す。電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｋ以下である場合には（ステップＳ２３においてＹＥＳ）、制御機器１００は各バイパススイッチＳＷを開放する（ステップＳ２４）。制御機器１００は、遮断器１２を投入してから（ステップＳ２６）、交流遮断器３を投入する（ステップＳ２８）。

なお、遮断器１２を投入してから、交流遮断器３を投入する理由は、交直変換器２０や直流回路に対する電圧差による衝撃を抑えるためである。具体的には、遮断器１２の投入する前に交流遮断器３を投入した場合には、交直変換器２０内のコンデンサへの充電が始まってしまう。そのため、この場合にはコンデンサが充電された状態で直流回路を構成することになり、コンデンサの充電前に直流回路を構成するよりも、交直変換器２０や直流回路に対する電圧差による衝撃が大きくなってしまう。そこで、制御機器１００は、当該電圧差による衝撃を抑えるため、遮断器１２を投入した後、交流遮断器３を投入する。次に、制御機器１００は、交直変換器２０をデブロックして（ステップＳ３０）、処理を終了する。

上述したように、バイパススイッチＳＷが投入されるまでの時間Ｔ１は、遮断器１２（または交流遮断器３）が開放されるまでの時間Ｔ２よりも短い。また、スイッチング素子がオフ状態になるまでの時間Ｔ３は、時間Ｔ１および時間Ｔ２よりも圧倒的に短い。そのため、制御機器１００は、ゲートブロック指令（ステップＳ１４）と各バイパススイッチＳＷへの投入指令（ステップＳ１６）と交流遮断器３への開放指令（ステップＳ１８）とを同時に行なってもよい。この場合であっても、スイッチング素子がオフ状態にされ、各バイパススイッチＳＷが投入された後、交流遮断器３が開放される。

＜変形例＞
上記では、電力変換装置５の制御機器１００が、交直変換器２０と、交流遮断器３および遮断器１２とを制御する構成について説明した。変形例では、電力変換装置の制御機器が交直変換器２０を制御し、保護制御装置が交流遮断器３および遮断器１２とを制御する構成について説明する。

図１０は、変形例に従う電力変換装置６および保護制御装置７の構成を説明するための図である。なお、電力変換装置６の構成は、電力変換装置５の制御機器１００を制御機器１００Ａに置き換えたものである。電力変換装置６の構成のうち、電力変換装置５の構成と同じ部分についてはその詳細な説明は繰り返さない。

制御機器１００Ａは、保護制御装置７と通信するための通信インターフェイスを含み、当該通信インターフェイスを介して、保護制御装置７と各種情報をやり取りすることが可能である。

制御機器１００Ａは、保護制御装置７から受信した情報、電流検出器５１から入力された電流値Ｉａおよび直流電圧検出器５２から入力された直流電圧値Ｖａに基づいて、本線９における事故判定、交直変換器２０の動作の停止および復帰制御などを行なう。制御機器１００Ａの具体的な処理内容については後述する。

保護制御装置７は、制御機器１００Ａから受信した情報、電流検出器５１から入力された電流値Ｉａおよび直流電圧検出器５２から入力された直流電圧値Ｖａに基づいて、交流遮断器３の開閉制御、および遮断器１２の開閉制御などを行なう。なお、保護制御装置７の具体的な処理内容については後述する。

図１１は、電力変換装置６の制御機器１００Ａおよび保護制御装置７の機能ブロック図である。図１１を参照して、制御機器１００Ａは、電流入力部１１０Ａと、電圧入力部１１２Ａと、事故判断部１２０Ａと、変換器制御部１３０Ａと、情報通信部１５０Ａとを含む。保護制御装置７は、電流入力部２１０と、電圧入力部２１２と、事故判断部２２０と、開閉器制御部２４０と、情報通信部２５０とを含む。

制御機器１００Ａの電流入力部１１０Ａ、電圧入力部１１２Ａおよび事故判断部１２０Ａは、それぞれ図８中の電流入力部１１０、電圧入力部１１２および事故判断部１２０と同じである。変換器制御部１３０Ａは、交直変換器２０の動作を制御する。情報通信部１５０Ａは、保護制御装置７から、交流遮断器３の開閉状態を示す開閉情報と、遮断器１２の開閉状態を示す開閉情報とを受信する。

具体的には、変換器制御部１３０Ａは、電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｓ以上である場合に（かつ、直流電圧値Ｖａが基準電圧閾値Ｖｓ以下である場合）、各セルＬ１〜Ｌ１２を停止した後、バイパススイッチＳＷを投入する。変換器制御部１３０Ａは、情報通信部１５０Ａにより遮断器１２（および交流遮断器３）が開放状態であることを示す情報（開放情報）が受信されてから予め定められた時間が経過した後、各バイパススイッチＳＷを開放する。なお、変換器制御部１３０Ａは、交直変換器２０に電流が流れていないことを確認した後に、各バイパススイッチＳＷを開放してもよい。また、変換器制御部１３０Ａは、情報通信部１５０Ａにより遮断器１２（および交流遮断器３）が閉（投入）状態であることを示す情報（投入情報）が受信された場合に、各セルＬ１〜Ｌ１２を動作させる。

また、情報通信部１５０Ａは、バイパススイッチＳＷの開閉情報を保護制御装置７に送信してもよい。さらに、情報通信部１５０Ａは、交直変換器２０のゲートブロック状態（各セルＬ１〜Ｌ１２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフ状態）と、交直変換器２０のデブロック状態（各セルＬ１〜Ｌ１２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンできない状態）を示すスイッチング状態情報を保護制御装置７に送信してもよい。

保護制御装置７の電流入力部２１０は、電流検出器５１から電流値Ｉａの入力を受け付ける。電圧入力部２１２は、直流電圧検出器５２から直流電圧値Ｖａの入力を受け付ける。事故判断部２２０は、電流値Ｉａと基準電流閾値Ｉｓ（および直流電圧値Ｖａと基準電圧閾値Ｖｓ）とに基づいて、本線９で事故が発生したか否かを判断する。開閉器制御部２４０は、遮断器１２の開閉と、交流遮断器３の開閉とを制御する。情報通信部２５０は、制御機器１００Ａから、バイパススイッチＳＷの開閉情報（およびスイッチング状態情報）を受信する。

具体的には、開閉器制御部２４０は、事故判断部２２０により事故が発生したと判断された場合に、事故の除去のために、交流遮断器３を開放してから遮断器１２を開放する。また、開閉器制御部２４０は、事故からの復帰のために、情報通信部２５０によりバイパススイッチＳＷが開放状態であることを示す情報が受信された場合、遮断器１２を投入してから交流遮断器３を投入する。

図１２は、制御機器１００Ａの処理手順を示すフローチャートである。典型的には、以下の各ステップは、制御機器１００ＡのＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムを実行することによって実現される。なお、制御機器１００Ａは、常時、電流検出器５１から入力される電流値Ｉａと直流電圧検出器５２から入力される直流電圧値Ｖａとを監視しているものとする。

図１２を参照して、ステップＳ５２〜ステップＳ５６の処理は、図９中のステップＳ１２〜Ｓ１６の処理と同じであるため、その詳細な説明は繰り返さない。

制御機器１００Ａは、交流遮断器３および遮断器１２が開放状態であることを示す開放情報を受信したか否かを判断する（ステップＳ５８）。開放情報を受信していない場合には（ステップＳ５８においてＮＯ）、制御機器１００ＡはステップＳ５８の処理を繰り返す。開放情報を受信した場合には（ステップＳ５８においてＹＥＳ）、制御機器１００Ａは開放情報を受信してから予め定められた時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ６０）。予め定められた時間が経過していない場合には（ステップＳ６０においてＮＯ）、制御機器１００ＡはステップＳ６０の処理を繰り返す。予め定められた時間が経過した場合には（ステップＳ６０においてＹＥＳ）、制御機器１００は、電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｋ以下であるか否かを判断する（ステップＳ６１）。電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｋよりも大きい場合には（ステップＳ６１においてＮＯ）、制御機器１００はステップＳ６０からの処理を繰り返す。電流値Ｉａが基準電流閾値Ｉｋ以下である場合には（ステップＳ６１においてＹＥＳ）、制御機器１００Ａは各バイパススイッチＳＷを開放する（ステップＳ６２）。

制御機器１００Ａは、交流遮断器３および遮断器１２が投入状態であることを示す投入情報を受信したか否かを判断する（ステップＳ６４）。投入情報を受信していない場合には（ステップＳ６４においてＮＯ）、制御機器１００ＡはステップＳ６４の処理を繰り返す。投入情報を受信した場合には（ステップＳ６４においてＹＥＳ）、制御機器１００Ａは、交直変換器２０をデブロックして（ステップＳ６６）、処理を終了する。

＜３極構成の直流送電系統での適用例＞
上記では、双極直流送電系統に電力変換装置を適用する構成について説明したが、当該構成に限られない。たとえば、図１３に示すような３極構成の直流送電系統にも電力変換装置５を適用することができる。

図１３は、電力変換装置を適用した３極構成の直流送電系統の例を示す図である。図１３を参照して、直流送電系統は、３つの極の本線９，１０，１５と中性線１１から構成される３極構成の直流送電系統（３極直流送電系統）である。

具体的には、第１極は、電力変換装置５，５Ａ、本線９および中性線１１で構成される。第２極は、電力変換装置５Ｂ，５Ｃ、本線１０および中性線１１で構成される。第３極は、電力変換装置５Ｄ，５Ｅ、本線１５および中性線１１で構成される。なお、第１極、第２極および第３極とは中性線１１を共用している。

電力変換装置５Ｄ，５Ｅは、本線１５に接続されるとともに、それぞれ遮断器１２Ｄ，１２Ｅを介して中性線１１に接続される。また、電力変換装置５Ｄ，５Ｅは、それぞれ変圧器４Ｄ，４Ｅおよび交流遮断器３Ｄ，３Ｅを介して交流母線１，１Ａに接続される。

第１極〜第３極のうち、１つの極は予備的な極として利用される。たとえば、第１極および第２極で直流送電を行なっている場合に、第１極の本線９に地絡事故が発生したとする。この場合、第１極が事故から復帰するまでの間、第１極の代わりに第３極を用いて、第２極と第３極とで構成される双極直流送電系統で直流送電を行なうことができる。

なお、第１極および第２極で直流送電を行なっている場合には、交流遮断器３Ｄ，３Ｅおよび遮断器１２Ｄ，１２Ｅは、それぞれ開放状態となっている。そして、第３極を用いる場合には、交流遮断器３Ｄ，３Ｅおよび遮断器１２Ｄ，１２Ｅは、それぞれ投入状態とされる。具体的には、第１極に事故が発生して第１局が第２極から切り離された（交流遮断器３，３Ａおよび遮断器１２，１２Ａが開放された）場合には、電力変換装置５Ｄ，５Ｅは、第１極が第２極から切り離された旨の情報を受信する。そして、電力変換装置５Ｄ，５Ｅは、交流遮断器３Ｄ，３Ｅおよび遮断器１２Ｄ，１２Ｅをそれぞれ投入状態にして、交直変換器を動作させる。

上記のように３極構成の直流送電系統において電力変換装置を適用することにより、３つの極のうちの１つの極で事故が発生したとしても、２つの健全極を用いた双極直流送電系統により直流送電を実現することができる。

なお、ここでは、電力変換装置５を適用する構成について説明したが、変形例で説明した電力変換装置６および保護制御装置７を適用してもよい。

＜その他の実施の形態＞
上述した実施の形態では、図１などにおいて、中性点１３，１３Ａを１本の中性線１１で接続して、第１極と第２極とで中性線１１を共用する構成について説明したが、極ごとに中性線を用いる（すなわち、２本の中性線を用いる）構成であってもよい。また、中性点１３，１３Ａを中性線１１で接続せずに、各中性点１３，１３Ａを接地して、大地を帰線とする大地帰路方式を用いる構成であってもよい。

上述した実施の形態では、図２において、電流検出器５１が直流端子４１ｎ〜４３ｎと遮断器１２との間に設けられる構成について説明したが、当該構成に限られない。たとえば、相ごとに電流検出器５１を設ける構成であってもよい。この場合、３つの電流検出器５１は、それぞれセルＬ４と直流端子４１ｎとの間、セルＬ８と直流端子４２ｎとの間およびセルＬ１２と直流端子４３ｎとの間に設けられる。また、遮断器１２についても同様に相ごとに設けられていてもよい。

また、電流検出器５１は、本線９側の直流端子４１ｐ〜４３ｐと本線９との間に設けられる構成であってもよい。この場合、制御機器１００（電流入力部１１０）は、本線９側の直流端子４１ｐ〜４３ｐと本線９との間に流れる直流電流の電流値の入力を受け付ける。

上述した実施の形態において、第１極の電力変換装置５および５Ａは、第１極の動作を制御するための上位装置（極制御装置など）を介して互いに情報を送受信可能に構成されていてもよい。たとえば、極制御装置は、一方の電力変換装置から遮断器および交流遮断器の開閉情報を受信して、当該開閉情報を他方の電力変換装置に送信する。また、上位装置は、第１極および第２極の動作を制御する双極制御装置であってもよい。

上述した実施の形態において、変圧器４と交直変換器２０との間に交流電流検出器が設けられていてもよい。交流電流検出器は、変圧器４と交直変換器２０との間に流れる交流電流を検出し、その交流電流の電流値を制御機器１００に入力する。典型的には、制御機器１００は、当該電流値が予め定められた交流閾値以上である場合には、交流遮断器３を遮断する。

上述した実施の形態では、図２に示すように、交直変換器２０は、３つの相モジュールを有している構成について説明したが、当該構成に限られない。交直変換器２０は、少なくとも１つの相モジュールを有していればよい。

上述した実施の形態では、図２に示すように、複数のセルＬの各々にバイパススイッチＳＷを設けることにより、複数のセルＬ全体をバイパス（短絡）する構成について説明したが、当該構成に限られない。複数のセルＬに対して、少なくとも１つのバイパススイッチＳＷが設けられる（接続される）構成であってもよい。たとえば、上アームに対応する複数のセルＬ（セルＬ１，Ｌ２など）に対して１つのバイパススイッチＳＷを設けることにより上アーム全体をバイパスする構成であってもよい。また、下アームに対応する複数のセルＬ（セルＬ３，Ｌ４など）に対して１つのバイパススイッチＳＷを設けることにより下アーム全体をバイパスする構成であってもよい。さらに、たとえば、上アームに対応するセルＬが５つある場合には、３つのセルＬを短絡するためのバイパススイッチＳＷと、２つのセルＬを短絡するためのバイパススイッチＳＷとを設けるような構成であってもよい。すなわち、複数のセルＬ全体をバイパス可能であれば、バイパススイッチＳＷの個数については限定されない。

上述した実施の形態において、交流端子３１〜３３は、それぞれ各相の二次巻線として構成されていてもよい。具体的には、交直変換器２０は、交流端子３１〜３３である各相の二次巻線を介して、変圧器４の交流端子である各相の一次巻線から出力される交流電力を取り込む構成であってもよい。

上述の実施の形態として例示した構成は、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。

また、上述した実施の形態において、その他の実施の形態で説明した処理や構成を適宜採用して実施する場合であってもよい。

＜利点＞
上述した実施の形態によると、事故が発生してない健全極から事故が発生した事故極への事故電流の流入を防ぐことにより、事故を速やかに除去することができる。また、事故電流が交直変換器に流れる時間を短くして当該交直変換器への悪影響を最小限にとどめることができる。さらに、交直変換器内の故障だけでなく本線での事故による事故電流の流入を防ぐことができる。

上述した実施の形態によると、事故極が健全極から切り離されるため、健全極のみでの直流送電が可能となる。また、健全極から事故極への事故電流の流入の防止により、事故極の交直変換器内のバイパススイッチＳＷを開放できる。そのため、事故極の交直変換器を速やかに再起動することもできる。

上述した実施の形態によると、交直変換器の動作および停止制御、遮断器の開閉を適切に行なうことにより事故を迅速に除去しつつ、交直変換器も保護することができる、そのため、たとえば、応答性が速い高価な遮断器を用いる必要がなくシステム全体として低コスト化を実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 交流母線、２，２Ａ 交流系統、３〜３Ｅ 交流遮断器、４〜４Ｅ 変圧器、５〜５Ｅ，６ 電力変換装置、７ 保護制御装置、９，１０，１５ 本線、１１ 中性線、１２〜１２Ｅ 遮断器、１３，１３Ａ 中性点、２０ 交直変換器、２１〜２３ 相モジュール、３１〜３３ 交流端子、４１ｐ〜４３ｐ，４１ｎ〜４３ｎ 直流端子、５１ 電流検出器、５２ 直流電圧検出器、１００，１００Ａ 制御機器、１１０，１１０Ａ，２１０ 電流入力部、１１２，１１２Ａ，２１２ 電圧入力部、１２０，１２０Ａ，２２０ 事故判断部、１３０，１３０Ａ 変換器制御部、１４０，２４０ 開閉器制御部、１５０Ａ，２５０ 情報通信部、Ｃ コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｅ１，Ｅ２ セル端子、Ｌ セル、Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子、ＳＷ バイパススイッチ。

Claims (7)

1. スイッチング素子およびコンデンサを有する複数のセルをそれぞれ含む第１のアームおよび第２のアーム、ならびに１つまたは複数の前記セルに対して設けられ、事故電流を通電するように投入される少なくとも１つのバイパススイッチを有する電力変換装置と、
   前記バイパススイッチが前記投入された後に、健全極から前記バイパススイッチへの電流の流入を防止するように開放され、前記バイパススイッチが開放された後に投入される開閉器とを備える、送電系統システム。
2. 第１の本線を有する第１極と第２の本線を有する第２極が中性線を共用し、前記電力変換装置および前記開閉器は前記第１極に設けられる、請求項１に記載の送電系統システム。
3. 交流系統と前記電力変換装置の間に設けられ、前記開閉器である第１の開閉器が前記投入された後に投入される第２の開閉器を備える、請求項１または請求項２に記載の送電系統システム。
4. 前記事故電流は前記電力変換装置の故障により流れる電流である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の送電系統システム。
5. 前記開閉器は遮断器である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の送電系統システム。
6. スイッチング素子およびコンデンサを有する複数のセルをそれぞれ含む第１のアームおよび第２のアーム、ならびに１つまたは複数の前記セルに対して設けられ、事故電流を通電するように投入される少なくとも１つのバイパススイッチを有する電力変換装置であって、
   前記バイパススイッチは、前記事故電流が発生したときに、前記バイパススイッチと健全極との間を開放する開閉器が開放される前に前記投入され、前記開閉器が投入される前に開放される、電力変換装置。
7. スイッチング素子およびコンデンサを有する複数のセルをそれぞれ含む第１のアームおよび第２のアーム、ならびに１つまたは複数の前記セルに対して設けられ、事故電流を通電するように投入される少なくとも１つのバイパススイッチを有する電力変換装置を有する送電系統システムに用いられる開閉器であって、
   前記バイパススイッチが前記投入された後に、前記バイパススイッチと健全極の間を開放し、前記バイパススイッチが開放された後に投入される、開閉器。
   

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