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JP6456154B2 - Circuit breaker - Google Patents

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JP6456154B2 JP2015007868A JP2015007868A JP6456154B2 JP 6456154 B2 JP6456154 B2 JP 6456154B2 JP 2015007868 A JP2015007868 A JP 2015007868A JP 2015007868 A JP2015007868 A JP 2015007868A JP 6456154 B2 JP6456154 B2 JP 6456154B2
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Description

本発明は、地絡や短絡などの事故発生時に電流路を遮断する回路遮断器に関し、特に、機械スイッチ方式と半導体スイッチ方式とを併用したハイブリッド方式の回路遮断器に関する。   The present invention relates to a circuit breaker that interrupts a current path when an accident such as a ground fault or a short circuit occurs, and more particularly to a hybrid circuit breaker that uses both a mechanical switch system and a semiconductor switch system.

近年、直流を用いた給電システムが注目されている。直流給電システムは、既存の交流給電システムと比較して変換器損失、送電損失および設置コストを低減できる利点がある。日本では、例えば、直流380[V]、変換器容量500[kW]クラスの直流給電システム、路面電車(600[V]、750[V])や直流電車(1000[V]、1500[V])用の直流給電システムなどが実用化されている。また、数10[kV]以上の高圧用途では、例えば将来の洋上風力発電システムの大量設置を想定し、電圧形変換器を用いた多端子直流送電システム(HVDC:high−voltage direct−current)の導入が期待されている。   In recent years, power supply systems using direct current have attracted attention. The DC power supply system has an advantage that the converter loss, power transmission loss, and installation cost can be reduced as compared with the existing AC power supply system. In Japan, for example, a DC power supply system of DC 380 [V], converter capacity 500 [kW] class, trams (600 [V], 750 [V]) and DC trains (1000 [V], 1500 [V]) ) DC power supply system has been put into practical use. In high voltage applications of several tens [kV] or more, for example, a large number of future offshore wind power generation systems are assumed, and a multi-terminal DC power transmission system (HVDC: high-voltage direct-current) using a voltage source converter is used. The introduction is expected.

直流給電システムにおいて地絡事故や短絡事故が発生した場合、過電流が発生する。事故発生からの電流の増加率([A/s])は、直流給電システムが有する直流インダクタンスに反比例する。例えば電圧形変換器を用いて直流電圧を生成した場合、直流インダクタンスが小さいため、過電流が生じる恐れがあるので、高速に動作可能な直流遮断器を設置する必要がある。   When a ground fault or short circuit accident occurs in a DC power supply system, an overcurrent occurs. The rate of increase in current from the occurrence of an accident ([A / s]) is inversely proportional to the DC inductance of the DC power supply system. For example, when a DC voltage is generated using a voltage source converter, since a DC inductance is small, an overcurrent may occur. Therefore, it is necessary to install a DC circuit breaker that can operate at high speed.

直流遮断器は、機械スイッチ方式、半導体スイッチ方式、およびハイブリッド方式の3種類に分類できる。   DC circuit breakers can be classified into three types: mechanical switch system, semiconductor switch system, and hybrid system.

このうち、機械スイッチ方式は、例えば、真空遮断器、ガス遮断器もしくは空気吹付遮断器などの機械的遮断器(サーキットブレーカ:Circuit Breaker)とLC共振回路とを用いて電流を遮断するものである(例えば、非特許文献1参照。)。機械スイッチ方式では、パワーデバイスを使用しないため定常損失は発生しない。   Among these, the mechanical switch system cuts off the current by using a mechanical circuit breaker (circuit breaker) such as a vacuum circuit breaker, a gas circuit breaker or an air blowing circuit breaker and an LC resonance circuit. (For example, refer nonpatent literature 1.). In the mechanical switch system, no steady loss occurs because no power device is used.

また、半導体スイッチ方式は、パワーデバイス(電力用半導体素子)を用いて遮断器を構成することで、高速な遮断時間(1[ms]以下)を実現する(例えば、非特許文献2参照。)。   Moreover, the semiconductor switch system implement | achieves a high interruption | blocking time (1 [ms] or less) by comprising a circuit breaker using a power device (power semiconductor element) (for example, refer nonpatent literature 2). .

また、ハイブリッド方式は、高速動作可能な機械的遮断器とパワーデバイスとを併用することで、電流の高速遮断と損失低減を両立する点に特長があり、各種回路が提案されている(例えば、非特許文献3参照。)。図17は、一般的なハイブリッド方式の回路遮断器を例示する回路図である。例えば図17に示すように、ハイブリッド方式の回路遮断器100は、電流制限用インダクタ61、機械的遮断器(サーキットブレーカ:Circuit Breaker)62、転流補助半導体スイッチ63、主半導体スイッチ64、アレスタ(非線形抵抗)65より主回路を構成する。正常時は電流制限用インダクタ61、機械的遮断器62、転流補助半導体スイッチ63を介して負荷に電力を供給し、地絡や短絡などの事故時には転流補助半導体スイッチ63をターンオフすることで主半導体スイッチ64に転流する。転流補助半導体スイッチ63の必要耐圧は主半導体スイッチ64の数%程度であるため、半導体スイッチ方式と比較し定常損失を低減できる利点がある。また、転流に必要な時間は0.2[ms]以下であり、1[ms]以内に開極可能な機械的遮断器62を用いることで、遮断時間を2[ms]以下にすることができる。   In addition, the hybrid system has a feature in that both high-speed current interruption and loss reduction are achieved by using a mechanical circuit breaker capable of high-speed operation and a power device, and various circuits have been proposed (for example, (Refer nonpatent literature 3.). FIG. 17 is a circuit diagram illustrating a general hybrid circuit breaker. For example, as shown in FIG. 17, a hybrid circuit breaker 100 includes a current limiting inductor 61, a mechanical circuit breaker (circuit breaker) 62, a commutation auxiliary semiconductor switch 63, a main semiconductor switch 64, an arrester ( The main circuit is composed of the non-linear resistance 65. In normal operation, power is supplied to the load via the current limiting inductor 61, the mechanical circuit breaker 62, and the commutation auxiliary semiconductor switch 63, and the commutation auxiliary semiconductor switch 63 is turned off in the case of an accident such as a ground fault or a short circuit. It commutates to the main semiconductor switch 64. Since the required breakdown voltage of the commutation auxiliary semiconductor switch 63 is about several percent of that of the main semiconductor switch 64, there is an advantage that steady loss can be reduced as compared with the semiconductor switch system. Further, the time required for commutation is 0.2 [ms] or less, and by using the mechanical circuit breaker 62 that can be opened within 1 [ms], the interruption time is set to 2 [ms] or less. Can do.

B・バックマン(B.Bachmann)、G・モーザ(G.Mauthe)、E・ルーオス(E.Ruoss)、H・P・リップス(H.P.Lips)著、「500kV風冷式高圧直流給電回路遮断器(Development of a 500kV Airblast HVDC Circuit Breaker)」、(米国)、米国電気電子学会トランザクション(IEEE Transactions)、電気機器およびシステム(Power Apparatus and Systems)、Vol.PAS−104、No.9、pp.2460−2466、1985年9月B. Bachmann, G. Mauthe, E. Ruoss, HP Lips, “500kV wind-cooled high-voltage DC power supply Circuit of Circuit Breaker (Development of a 500 kV Airblast HVDC Circuit Breaker), (USA), Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE Transactions), Electrical Equipment and Systems (Power Apparatus and Systems, 104) 9, pp. 2460-2466, September 1985 C・メイヤーズ(C.Meyer)、S・シュレーダー(S.Schroder)、R・W・デドンカー(R.W.De Doncker)著、「分散電力システムを有する中電圧システムのためのソリッドステート回路遮断器および電流制限器(Solid−State Circuit Breakers and Current Limiters For Medium−Voltage Systems Having Distributed Power Systems)」、(米国)、米国電気電子学会トランザクション(IEEE Transactions)、パワーエレクトロン(Power Electron)、Vol.19、No.5、pp.1333-1340、2004年9月By C. Meyer, S. Schroder, RW De Donker, "Solid state circuit interruption for medium voltage systems with distributed power systems" And current limiter (Solid-State Circuit Breakers and Current Limiters for Medium-Voltage Systems Having Distributed Power Systems) (USA), Institute of Electrical and Electronics Engineers of Japan (EV) 19, no. 5, pp. 1333-1340, September 2004 M・シュトイラー(M.Steurer)、K・フレーリッヒ(K.Frohlich)、W・ホラウス(W.Holaus)、K・カルテネッガー(K.Kaltenegger)著、「新しい中電圧用ハイブリッド電流制限回路遮断器:原理および試験結果(A Novel Hybrid Current−Limiting Circuit Breaker For Medium Voltage:Principle and Test Results」、(米国)、米国電気電子学会トランザクション(IEEE Transactions)、パワーデリ(Power Deli)、Vol.18、No.2、pp.460−467、2003年4月By M. Steiler, K. Frohlich, W. Holaus, K. Kaltenegger, “New Hybrid Voltage Limiting Circuit Breaker for Medium Voltage: Principle And test results (A Novel Hybrid Current-Limiting Circuit Breaker For Medium Voltage: Principle and Test Results) (USA), Institute of Electrical and Electronics Engineers of Japan (IEEE Transactions), Power Del. pp. 460-467, April 2003

機械スイッチ方式による回路遮断器は、パワーデバイスを使用しないため定常損失は発生しない利点があるものの、電流遮断までの所要時間(開極時間)が30〜100[ms]と長いため、直流インダクタンスが大きい電流形変換器には適用できるが、電圧形変換器への適用は困難である。   Although the circuit breaker using the mechanical switch system has an advantage that no steady loss occurs because a power device is not used, the time required for current interruption (opening time) is as long as 30 to 100 [ms]. Although it can be applied to a large current source converter, application to a voltage source converter is difficult.

また、半導体スイッチ方式による回路遮断器は、内部の半導体スイッチには定常的に電流が流れるため、定常損失が発生する問題がある。また、電流遮断時には内部の半導体スイッチに直流電圧以上の高電圧が印加されるため、複数のパワーデバイスを直列接続することで高耐圧化を図る必要がある。この場合、半導体スイッチのオン電圧増加が問題となる。例えば、直流320[kV]の場合、半導体スイッチのオン電圧は100[V]以上となる。半導体スイッチには定常的に電流が流れるため、オン電圧に起因する損失低減が課題となる。   In addition, the circuit breaker using the semiconductor switch method has a problem in that a steady loss occurs because a constant current flows through the internal semiconductor switch. Further, since a high voltage higher than the direct current voltage is applied to the internal semiconductor switch when the current is interrupted, it is necessary to increase the breakdown voltage by connecting a plurality of power devices in series. In this case, an increase in the on-voltage of the semiconductor switch becomes a problem. For example, in the case of direct current 320 [kV], the on-voltage of the semiconductor switch is 100 [V] or more. Since current constantly flows through the semiconductor switch, it is a problem to reduce loss due to the on-voltage.

また、上述のハイブリッド方式の回路遮断器は、転流補助半導体スイッチの必要耐圧は主半導体スイッチの数%程度であるため半導体スイッチ方式と比較して定常損失を低減でき、また、機械スイッチ方式と比較しても遮断時間を短縮することができる利点がある。しかしながら、転流補助半導体スイッチには正常時に依然として定常電流が流れるため、定常損失をゼロにはできない。   Moreover, the above-mentioned hybrid circuit breaker has a required breakdown voltage of the commutation auxiliary semiconductor switch of about several percent of that of the main semiconductor switch, so that the steady loss can be reduced compared to the semiconductor switch system. Even if it compares, there exists an advantage which can shorten interruption | blocking time. However, since a steady current still flows through the commutation auxiliary semiconductor switch in a normal state, the steady loss cannot be made zero.

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、正常時には定常損失がゼロであり事故発生時には高速に電流路を遮断することができる回路遮断器を提供することにある。   Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide a circuit breaker capable of interrupting a current path at a high speed when an accident occurs and a steady loss is zero in a normal state.

上記目的を実現するために、本発明においては、回路遮断器は、第1の外部接続端子を有する第1のインダクタと、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、この半導体電力変換器に対して直列に接続される電流制御用インダクタと、からなる第1のユニットであって、第1のインダクタの第1の外部接続端子とは反対側の端子に接続される第1のユニットと、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、この半導体電力変換器に対して直列に接続される電流制御用インダクタと、からなる第2のユニットであって、第1の外部接続端子に一端が接続される第2のユニットと、第1のインダクタと第1のユニットとの接続点に一端が接続される機械的遮断器と、第1のユニットの第1のインダクタが接続される側とは反対側の端子と、第2のユニットの第1の外部接続端子が接続される側とは反対側の端子と、の間に接続される第2のインダクタと、を備える。   In order to achieve the above object, in the present invention, a circuit breaker includes a first inductor having a first external connection terminal, one or a plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other, A current control inductor connected in series to the semiconductor power converter; and a first unit connected to a terminal opposite to the first external connection terminal of the first inductor. A second unit comprising one unit, one or a plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other, and a current control inductor connected in series to the semiconductor power converter, A second unit having one end connected to the first external connection terminal, a mechanical circuit breaker having one end connected to a connection point between the first inductor and the first unit, and a second unit of the first unit A second inductor connected between a terminal opposite to the side to which the inductor is connected and a terminal opposite to the side to which the first external connection terminal of the second unit is connected; .

また、本発明の第1の態様によれば、互いに直列接続された第1のインダクタおよび第1のユニットの組と、互いに直列接続された第2のインダクタおよび第2のユニットの組とは、並列に接続され、第1のユニットの第1のインダクタが接続される側とは反対側の端子を、第1の外部接続端子の極性とは反対の極性の端子または第1のグランド端子とし、機械的遮断器の第1のインダクタおよび第1のユニットが接続される側とは反対側の端子を、第2の外部接続端子とし、第2のユニットと第2のインダクタとの接続点を、第2の外部接続端子の極性とは反対の極性の端子または第2のグランド端子とする。   According to the first aspect of the present invention, the first inductor and the first unit set connected in series with each other, and the second inductor and the second unit set connected in series with each other, A terminal connected in parallel and opposite to the side to which the first inductor of the first unit is connected is a terminal having a polarity opposite to the polarity of the first external connection terminal or a first ground terminal, The terminal opposite to the side to which the first inductor and the first unit of the mechanical circuit breaker are connected is defined as a second external connection terminal, and the connection point between the second unit and the second inductor is defined as: A terminal having a polarity opposite to that of the second external connection terminal or a second ground terminal is used.

また、本発明の第2の態様によれば、互いに直列接続された第1のインダクタおよび第2のユニットの組と、互いに直列接続された第1のユニットおよび第2のインダクタの組と、機械的遮断器とは、並列に接続され、第1のユニットと第2のインダクタとの接続点を、第3の外部接続端子とし、回路遮断器は、第1の外部接続端子の極性とは反対側の端子もしくは第3のグランド端子と、第3の外部接続端子の極性とは反対側の端子もしくは第4のグランド端子とを備える。   Further, according to the second aspect of the present invention, a set of the first inductor and the second unit connected in series with each other, a set of the first unit and the second inductor connected in series with each other, and the machine The circuit breaker is connected in parallel, and the connection point between the first unit and the second inductor is the third external connection terminal, and the circuit breaker is opposite to the polarity of the first external connection terminal Terminal or third ground terminal, and a terminal or fourth ground terminal opposite to the polarity of the third external connection terminal.

また、上述の第1の態様および第2の態様において、第1のユニットおよび第2のユニットにおいて、電流制御用インダクタは、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器のうちのいずれかの半導体電力変換器に直列に接続されるようにしてもよい。   In the first and second aspects described above, in the first unit and the second unit, the current control inductor is one of a plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other. You may make it connect in series with a semiconductor power converter.

また、半導体電力変換器は、内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより、第1の直流側および第2の直流側のうち一方から入力された直流電流を所望の大きさおよび極性の直流電流に変換してもう一方に出力するDCDCコンバータであって、直流電流の入出力方向を第1の直流側と第2の直流側との間で双方向に切換え可能なDCDCコンバータと、第2のインダクタまたは当該半導体電力変換器とは異なる他の半導体電力変換器が接続される第1の直流側、とは反対側の第2の直流側に並列に接続されるエネルギー蓄積部と、エネルギー蓄積部に並列に接続され、エネルギー蓄積部に印加された直流電圧が、予め設定された電圧以下の場合は所定の抵抗値を示し、それ以外の場合は所定の抵抗値よりも低い抵抗値を示す非線形抵抗と、を有するようにしてもよい。   In addition, the semiconductor power converter performs a switching operation of a semiconductor switch provided therein in accordance with a command, thereby causing a direct current input from one of the first DC side and the second DC side to have a desired magnitude. DCDC converter which converts the current into a direct current of the same polarity and outputs it to the other, and is capable of switching the input / output direction of the direct current bidirectionally between the first direct current side and the second direct current side Energy storage connected in parallel to the second DC side opposite to the first DC side to which the converter and the second inductor or another semiconductor power converter different from the semiconductor power converter are connected When the DC voltage applied to the energy storage unit is equal to or lower than a preset voltage, a predetermined resistance value is indicated. And a nonlinear resistor showing a remote low resistance, may have a.

また、回路遮断器は、当該回路遮断器に接続された外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する過電流検知部と、機械的遮断器に対する開極動作および半導体電力変換器の電力変換動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、過電流検知部が過電流を検知したとき、機械的遮断器に対して開極動作の開始を指令する開極指令を出力する第1の指令手段と、開極指令が出力されてから機械的遮断器の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を、半導体電力変換器に出力させる電力変換指令を出力する第2の指令手段と、機械的遮断器の開極動作が完了した時に、半導体電力変換器内の半導体スイッチをオフするオフ指令を出力する第3の指令手段と、を有する。   In addition, the circuit breaker includes an overcurrent detection unit that detects whether or not an overcurrent has occurred on the external wiring connected to the circuit breaker, an opening operation for the mechanical breaker, and a semiconductor power converter. A control unit that controls the power conversion operation, and the control unit outputs an opening command that instructs the mechanical circuit breaker to start the opening operation when the overcurrent detection unit detects an overcurrent. A first command means, and a direct current that converges the current flowing through the mechanical circuit breaker to zero after the opening command is output until the opening operation of the mechanical circuit breaker is completed. And a second command means for outputting an off command for turning off the semiconductor switch in the semiconductor power converter when the opening operation of the mechanical circuit breaker is completed. And having.

また、上述の半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、を有するようにしてもよい。   Further, the above-described semiconductor switch may include a semiconductor switching element that allows current to flow in one direction when turned on, and a feedback diode connected in antiparallel to the semiconductor switching element.

また、機械的遮断器は、固定接触子と、固定接触子に接触する閉路位置と固定接触子から分離される開路位置との間を移動可能な可動接触子と、を有し、指令に応じて可動接触子が開路位置に移動することにより開極して電流路を遮断する。   The mechanical circuit breaker has a fixed contact and a movable contact that can move between a closed position that contacts the fixed contact and an open position that is separated from the fixed contact. When the movable contact moves to the open circuit position, the contact is opened and the current path is interrupted.

本発明によれば、正常時には定常損失がゼロであり事故発生時には高速に電流路を遮断することができる回路遮断器を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a circuit breaker capable of interrupting a current path at a high speed when an accident occurs because a steady loss is zero when normal.

本発明による回路遮断器は、機械的遮断器および半導体電力変換器を備えるいわゆるハイブリッド遮断器であるが、正常時には機械的遮断器はオンされて電源側から負荷側に電力が供給され、半導体電力変換器はダイオード動作するのみであるので、正常時の回路遮断器の定常損失をゼロにすることができる。   The circuit breaker according to the present invention is a so-called hybrid circuit breaker including a mechanical circuit breaker and a semiconductor power converter. However, when the circuit breaker is in a normal state, the mechanical circuit breaker is turned on and power is supplied from the power supply side to the load side. Since the converter only operates as a diode, the steady-state loss of the circuit breaker during normal operation can be reduced to zero.

また、本発明によれば、地絡事故や短絡事故により過電流が発生した場合、機械的遮断器および半導体電力変換器の動作を適宜制御することにより、高速に電流路を遮断することができる。   In addition, according to the present invention, when an overcurrent occurs due to a ground fault or a short circuit accident, the current path can be interrupted at high speed by appropriately controlling the operation of the mechanical circuit breaker and the semiconductor power converter. .

また、本発明によれば、カスケード接続する半導体電力変換器の個数を適宜調整するだけで回路遮断器の高耐圧化も容易に実現できる。   In addition, according to the present invention, it is possible to easily achieve a high breakdown voltage of the circuit breaker by simply adjusting the number of cascaded semiconductor power converters.

また、本発明によれば、半導体電力変換器内のDCDCコンバータを双方向DCDCコンバータとして構成することにより、直流電流の振幅および極性に関わりなく電流路を遮断することができる。   Further, according to the present invention, the DC / DC converter in the semiconductor power converter is configured as a bidirectional DC / DC converter, so that the current path can be interrupted regardless of the amplitude and polarity of the direct current.

本発明の第1の実施例による回路遮断器を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a circuit breaker according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 1st Example of this invention and the 2nd Example. 本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器における電流制御用インダクタの配置例を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the example of arrangement | positioning of the inductor for current control in the circuit breaker by the 1st Example of this invention and the 2nd Example. 本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器における第1のインダクタおよび第2のインダクタの変形例を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the modification of the 1st inductor and the 2nd inductor in the circuit breaker by the 1st Example and 2nd Example of this invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断器における制御系を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the control system in the circuit breaker by the 1st example of the present invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断器の動作フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement flow of the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断器の正常時の動作を説明する等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit explaining the normal operation | movement of the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断器の負荷側の事故発生直後の動作を説明する等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit explaining the operation | movement immediately after the occurrence of the accident of the load side of the circuit breaker by the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器が電力変換動作を行うときの動作を説明する等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit explaining operation | movement when the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 1st Example of this invention performs power conversion operation | movement. 本発明の第1の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器が電力変換動作を終了したときの動作を説明する等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit explaining operation | movement when the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 1st Example of this invention complete | finishes power conversion operation | movement. 本発明の第1の実施例による回路遮断器内の半導体電力変換器における変換器電流を制御するための電力変換指令を説明する制御ブロック図であって、(A)は第1のユニットを流れる変換器電流を制御するための電力変換指令を説明する図であり、(B)は第2のユニットを流れる変換器電流を制御するための電力変換指令を説明する図である。It is a control block diagram explaining the power conversion command for controlling the converter electric current in the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 1st example of the present invention, and (A) flows through the 1st unit. It is a figure explaining the power conversion command for controlling a converter current, and (B) is a figure explaining the power conversion command for controlling the converter current which flows through the 2nd unit. 本発明の第1の実施例による回路遮断器のシミュレーションに用いた回路図であり、(A)は回路遮断器にRL負荷を接続したときに回路遮断器の至近端で短絡事故が発生した場合の回路図を示し、(B)は回路遮断器に回生負荷を接続したときに回路遮断器の至近端で短絡事故が発生した場合の回路図を示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the circuit diagram used for the simulation of the circuit breaker by 1st Example of this invention, (A) had a short circuit accident at the near end of the circuit breaker when the RL load was connected to the circuit breaker. (B) shows a circuit diagram when a short circuit accident occurs at the closest end of the circuit breaker when a regenerative load is connected to the circuit breaker. 図12に示すシミュレーション回路図の回路パラメータを説明する図である。It is a figure explaining the circuit parameter of the simulation circuit diagram shown in FIG. 本発明の第1の実施例による回路遮断器を図12(A)のシミュレーション回路にて動作させた場合のシミュレーション波形を示す図である。It is a figure which shows the simulation waveform at the time of operating the circuit breaker by 1st Example of this invention with the simulation circuit of FIG. 12 (A). 本発明の第1の実施例による回路遮断器を図12(B)のシミュレーション回路にて動作させた場合のシミュレーション波形を示す図である。It is a figure which shows the simulation waveform at the time of operating the circuit breaker by the 1st Example of this invention with the simulation circuit of FIG.12 (B). 本発明の第2の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器を説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the semiconductor power converter in the circuit breaker by the 2nd example of the present invention. 一般的なハイブリッド方式の回路遮断器を例示する回路図である。It is a circuit diagram which illustrates a general circuit breaker of a hybrid system.

本発明による回路遮断器は、第1のインダクタと、第1のユニットと、第2のユニットと、機械的遮断器と、第2のインダクタと、を備える。第1のインダクタは、第1の外部接続端子を有する。第1のユニットは、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、この半導体電力変換器に対して直列に接続される電流制御用インダクタと、からなり、第1のインダクタの第1の外部接続端子とは反対側の端子に接続される。第2のユニットは、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、この半導体電力変換器に対して直列に接続される電流制御用インダクタと、からなり、第1の外部接続端子に一端が接続される。第1のユニットおよび第2のユニットにおける半導体電力変換器は、内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより所定の直流電流を出力するものである。機械的遮断器は、指令に応じて開極して電流路を遮断するものであり、第1のインダクタと第1のユニットとの接続点に一端が接続される。第2のインダクタは、第1のユニットの第1のインダクタが接続される側とは反対側の端子と、第2のユニットの第1の外部接続端子が接続される側とは反対側の端子と、の間に接続される。第1のインダクタおよび第2のインダクタは事故電流制限用インダクタである。以下、具体的な回路構成について、第1および第2の実施例にて説明する。   The circuit breaker according to the present invention includes a first inductor, a first unit, a second unit, a mechanical circuit breaker, and a second inductor. The first inductor has a first external connection terminal. The first unit includes one or a plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other and a current control inductor connected in series to the semiconductor power converter. The terminal is connected to the terminal opposite to the first external connection terminal. The second unit includes one or a plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other, and a current control inductor connected in series to the semiconductor power converter, and the first external connection One end is connected to the terminal. The semiconductor power converters in the first unit and the second unit output a predetermined direct current by switching a semiconductor switch provided therein in accordance with a command. The mechanical circuit breaker is opened according to a command to interrupt a current path, and one end is connected to a connection point between the first inductor and the first unit. The second inductor includes a terminal on the side opposite to the side to which the first inductor of the first unit is connected, and a terminal on the side opposite to the side to which the first external connection terminal of the second unit is connected. And connected between. The first inductor and the second inductor are fault current limiting inductors. Hereinafter, specific circuit configurations will be described in the first and second embodiments.

図1は、本発明の第1の実施例による回路遮断器を示す回路図であり、図2は、本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器を説明する回路図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。本発明の実施例による回路遮断器1は、第1のインダクタ11と、第1のユニット12と、第2のユニット13と、機械的遮断器14と、第2のインダクタ15と、を備える。また、互いに直列接続された第1のインダクタ11および第1のユニット12の組と、互いに直列接続された第2のインダクタ15および第2のユニット13の組とが並列に接続される。図1に示す例では、回路遮断器1は、適用される直流給電システムに対して第1のユニット12および第2のユニット13が並列になるよう設置されるものであり、第1のインダクタ11が電源側に位置し、かつ機械的遮断器14が負荷側に位置するよう、直流給電システム上に設置される。   FIG. 1 is a circuit diagram showing a circuit breaker according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a semiconductor power converter in the circuit breaker according to the first embodiment and the second embodiment of the present invention. FIG. Hereinafter, components having the same reference numerals in different drawings mean components having the same functions. The circuit breaker 1 according to the embodiment of the present invention includes a first inductor 11, a first unit 12, a second unit 13, a mechanical circuit breaker 14, and a second inductor 15. A set of the first inductor 11 and the first unit 12 connected in series with each other and a set of the second inductor 15 and the second unit 13 connected in series with each other are connected in parallel. In the example shown in FIG. 1, the circuit breaker 1 is installed such that the first unit 12 and the second unit 13 are in parallel with respect to the applied DC power supply system. Is located on the power supply side and the mechanical circuit breaker 14 is located on the load side on the DC power supply system.

事故電流制限用インダクタとして機能する第1のインダクタ11は、一端に第1の外部接続端子T1を有する。第1の外部接続端子T1には電源側の回路が接続される。 The first inductor 11 functioning as an accident current limiting inductor has a first external connection terminal T 1 at one end. A circuit on the power supply side is connected to the first external connection terminal T 1 .

第1のユニット12は、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器21−1と、この半導体電力変換器21−1に対して直列に接続される電流制御用インダクタ22−1とからなる。第1のインダクタ11の、第1の外部接続端子T1とは反対側の接続点P1に、第1のユニット12は接続される。 The first unit 12 includes one or a plurality of semiconductor power converters 21-1 cascade-connected to each other, and a current control inductor 22-1 connected in series to the semiconductor power converter 21-1. It consists of. The first unit 12 is connected to a connection point P 1 on the opposite side of the first inductor 11 from the first external connection terminal T 1 .

半導体電力変換器21−1は、第1のインダクタ11と後述する機械的遮断器14との接続点P1から分岐した配線上に、単独でもしくは複数個が互いにカスケード接続された状態で設けられる。なお、本明細書では、半導体電力変換器21−1が1個の場合は電流制御用インダクタ22−1が接続される側を「第1の直流側」と称し、複数個の半導体電力変換器21−1が互いにカスケード接続される場合は当該半導体電力変換器21−1とは異なる他の半導体電力変換器21−1が接続される側を同じく「第1の直流側」と称する。また、「第1の直流側」とは反対側の直流側を、「第2の直流側」と称する。一例として、図1では、複数個(N個、ただしNは2以上の整数)の半導体電力変換器21−1が第1の直流側にて互いにカスケード接続された場合を示している。カスケード接続する半導体電力変換器21−1の個数を適宜調整するだけで回路遮断器1の高耐圧化を容易に実現できる。 Semiconductor power converter 21-1 on the wiring branched from the connecting point P 1 of the mechanical breaker 14 to be described later and the first inductor 11, is provided in a state that alone or a plurality are cascade-connected to each other . In the present specification, when there is one semiconductor power converter 21-1, the side to which the current control inductor 22-1 is connected is referred to as a "first DC side", and a plurality of semiconductor power converters are connected. When 21-1 is cascade-connected to each other, the side to which another semiconductor power converter 21-1 different from the semiconductor power converter 21-1 is connected is also referred to as “first DC side”. The DC side opposite to the “first DC side” is referred to as a “second DC side”. As an example, FIG. 1 shows a case where a plurality (N, where N is an integer of 2 or more) semiconductor power converters 21-1 are cascade-connected to each other on the first DC side. A high breakdown voltage of the circuit breaker 1 can be easily realized only by appropriately adjusting the number of semiconductor power converters 21-1 connected in cascade.

半導体電力変換器21−1は、DCDCコンバータ31と、エネルギー蓄積部32と、非線形抵抗33と、を有し、DCDCコンバータ31の内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより所定の直流電流を出力する。   The semiconductor power converter 21-1 has a DCDC converter 31, an energy storage unit 32, and a non-linear resistance 33. By switching a semiconductor switch provided in the DCDC converter 31 according to a command, the semiconductor power converter 21-1 is operated. A predetermined direct current is output.

半導体電力変換器21−1内のDCDCコンバータ31は、双方向DCDCコンバータとして構成される。一例として、図2に示す例では、半導体電力変換器21−1内のDCDCコンバータ31を2象限双方向DCDCコンバータ(チョッパセル)として構成する。すなわち、半導体電力変換器21−1内のDCDCコンバータ31は、半導体スイッチのスイッチング動作により、第1の直流側および第2の直流側のうち一方から入力された直流電流を所望の大きさおよび極性の直流電流に変換してもう一方に出力するものであり、直流電流の入出力方向は、第1の直流側と第2の直流側との間で双方向に切換え可能である。半導体電力変換器21−1内のDCDCコンバータ31を双方向DCDCコンバータとして構成することにより、直流電流の振幅および極性に関わりなく電流路を遮断することができる。半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子Sと、この半導体スイッチング素子Sに逆並列に接続された帰還ダイオードDとで構成される。半導体スイッチング素子Sの例としては、IGBT、サイリスタ、GTO(Gate Turn−OFF thyristor:ゲートターンオフサイリスタ)、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。なお、代替例として、半導体電力変換器21−1内のDCDCコンバータ31として、図2に示す2象限双方向DCDCコンバータの代わりに4象限双方向DCDCコンバータを用いてもよい。4象限双方向DCDCコンバータは、一般的な単相フルブリッジインバータと等価である。   The DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 21-1 is configured as a bidirectional DCDC converter. As an example, in the example illustrated in FIG. 2, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 21-1 is configured as a two-quadrant bidirectional DCDC converter (chopper cell). That is, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 21-1 converts the direct current input from one of the first DC side and the second DC side to a desired magnitude and polarity by the switching operation of the semiconductor switch. The direct current input / output direction can be switched bi-directionally between the first direct current side and the second direct current side. By configuring the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 21-1 as a bidirectional DCDC converter, the current path can be interrupted regardless of the amplitude and polarity of the direct current. The semiconductor switch includes a semiconductor switching element S that allows current to flow in one direction when turned on, and a feedback diode D that is connected in antiparallel to the semiconductor switching element S. Examples of the semiconductor switching element S include an IGBT, a thyristor, a GTO (Gate Turn-OFF thyristor), a transistor, and the like, but the type of the switching element itself does not limit the present invention, and other semiconductors. It may be an element. As an alternative, a four-quadrant bidirectional DCDC converter may be used instead of the two-quadrant bidirectional DCDC converter shown in FIG. 2 as the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 21-1. The four-quadrant bidirectional DCDC converter is equivalent to a general single-phase full-bridge inverter.

半導体電力変換器21−1内のエネルギー蓄積部32は、DCDCコンバータ31の第2の直流側に並列に接続される。エネルギー蓄積部32の例としては、直流コンデンサがある。直流コンデンサの場合、回路遮断器1を動作させる際にはDCDCコンバータ31を動作させて初期充電しておく。   The energy storage unit 32 in the semiconductor power converter 21-1 is connected in parallel to the second DC side of the DCDC converter 31. An example of the energy storage unit 32 is a DC capacitor. In the case of a DC capacitor, when the circuit breaker 1 is operated, the DCDC converter 31 is operated to perform initial charging.

半導体電力変換器21−1内の非線形抵抗33は、エネルギー蓄積部32に並列に接続され、エネルギー蓄積部32に印加された直流電圧が、予め設定された電圧(以下、「動作電圧」と称する。)以下の場合は所定の抵抗値を示し、それ以外の場合は所定の抵抗値よりも低い抵抗値を示す素子である。非線形抵抗33の例としては、MOV(Metal Oxide Variable Resistor)(「バリスタ」あるいは「アレスタ」とも称する)がある。非線形抵抗33の動作電圧VRは、使用するパワーデバイスの電圧定格に制限される。例えば、3.3[kV]耐圧のパワーデバイスを使用する場合、非線形抵抗33の動作電圧VRは3.3[kV]以下に設定する必要がある。 The non-linear resistance 33 in the semiconductor power converter 21-1 is connected in parallel to the energy storage unit 32, and a DC voltage applied to the energy storage unit 32 is a preset voltage (hereinafter referred to as “operation voltage”). .) An element having a predetermined resistance value in the following cases and a resistance value lower than the predetermined resistance value in other cases. As an example of the non-linear resistance 33, there is MOV (Metal Oxide Variable Resistor) (also referred to as “varistor” or “arrester”). The operating voltage V R of the nonlinear resistor 33 is limited to the voltage rating of the power device used. For example, when a power device having a breakdown voltage of 3.3 [kV] is used, the operating voltage V R of the nonlinear resistor 33 needs to be set to 3.3 [kV] or less.

直流コンデンサ32と非線形抵抗33とは並列に接続されているので、第1のインダクタ11および電流制御用インダクタ22−1の蓄積エネルギーによって直流コンデンサ32が充電される際には、直流コンデンサ32の充電電圧が徐々に上昇して非線形抵抗33の動作電圧に達すると、その後は直流コンデンサ32の充電電圧は非線形抵抗33の動作電圧にてクランプされ、第1のインダクタ11および電流制御用インダクタ22−1の蓄積エネルギーは非線形抵抗33にて消費される。なお、エネルギー蓄積部32および非線形抵抗33については、上述のような直流コンデンサ32の充電および非線形抵抗33による消費の一連の動作を行うものであれば他の素子で実現してもよく、例えば、2次電池あるいは電気二重層キャパシタなどに置き換えてもよい。   Since the DC capacitor 32 and the non-linear resistor 33 are connected in parallel, when the DC capacitor 32 is charged by the stored energy of the first inductor 11 and the current control inductor 22-1, the DC capacitor 32 is charged. When the voltage gradually increases and reaches the operating voltage of the non-linear resistor 33, the charging voltage of the DC capacitor 32 is clamped by the operating voltage of the non-linear resistor 33, and the first inductor 11 and the current control inductor 22-1 are thereafter clamped. The stored energy is consumed by the non-linear resistance 33. The energy storage unit 32 and the nonlinear resistor 33 may be realized by other elements as long as they perform a series of operations of charging the DC capacitor 32 and consuming by the nonlinear resistor 33 as described above. It may be replaced with a secondary battery or an electric double layer capacitor.

第2のユニット13は、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器21−2と、該半導体電力変換器21−2に対して直列に接続される電流制御用インダクタ22−2とからなる。第2のユニット13は、その一端が第1の外部接続端子T1に接続される。 The second unit 13 includes one or a plurality of semiconductor power converters 21-2 cascade-connected to each other, and a current control inductor 22-2 connected in series to the semiconductor power converter 21-2. It consists of. One end of the second unit 13 is connected to the first external connection terminal T 1 .

半導体電力変換器21−1の場合と同様、半導体電力変換器21−2が1個の場合は電流制御用インダクタ22−2が接続される側を「第1の直流側」と称し、複数個の半導体電力変換器21−2が互いにカスケード接続される場合は当該半導体電力変換器21−2とは異なる他の半導体電力変換器21−2が接続される側を同じく「第1の直流側」と称する。また、「第1の直流側」とは反対側の直流側を、「第2の直流側」と称する。一例として、図1では、複数個(N個、ただしNは2以上の整数)の半導体電力変換器21−2が第1の直流側にて互いにカスケード接続された場合を示している。カスケード接続する半導体電力変換器21−2の個数を適宜調整するだけで回路遮断器1の高耐圧化を容易に実現できる。   As in the case of the semiconductor power converter 21-1, when the number of the semiconductor power converter 21-2 is one, the side to which the current control inductor 22-2 is connected is referred to as a "first DC side" When the semiconductor power converters 21-2 are cascade-connected to each other, the side to which the other semiconductor power converter 21-2 different from the semiconductor power converter 21-2 is connected is also the “first DC side”. Called. The DC side opposite to the “first DC side” is referred to as a “second DC side”. As an example, FIG. 1 shows a case where a plurality (N, where N is an integer of 2 or more) semiconductor power converters 21-2 are cascade-connected to each other on the first DC side. The high breakdown voltage of the circuit breaker 1 can be easily realized by simply adjusting the number of semiconductor power converters 21-2 connected in cascade.

半導体電力変換器21−2は、半導体電力変換器21−1と同様、DCDCコンバータ31と、エネルギー蓄積部32と、非線形抵抗33と、を有し、DCDCコンバータ31の内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより所定の直流電流を出力する。   Similar to the semiconductor power converter 21-1, the semiconductor power converter 21-2 has a DCDC converter 31, an energy storage unit 32, and a non-linear resistance 33, and is a semiconductor switch provided inside the DCDC converter 31. Is switched according to the command to output a predetermined direct current.

半導体電力変換器21−2内のDCDCコンバータ31は、双方向DCDCコンバータとして構成される。一例として、図2に示す例では、半導体電力変換器21−2内のDCDCコンバータ31を2象限双方向DCDCコンバータ(チョッパセル)として構成する。すなわち、半導体電力変換器21−2内のDCDCコンバータ31は、半導体スイッチのスイッチング動作により、第1の直流側および第2の直流側のうち一方から入力された直流電流を所望の大きさおよび極性の直流電流に変換してもう一方に出力するものであり、直流電流の入出力方向は、第1の直流側と第2の直流側との間で双方向に切換え可能である。半導体電力変換器21−2内のDCDCコンバータ31を双方向DCDCコンバータとして構成することにより、直流電流の振幅および極性に関わりなく電流路を遮断することができる。半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子Sと、この半導体スイッチング素子Sに逆並列に接続された帰還ダイオードDとで構成される。半導体スイッチング素子Sの例としては、IGBT、サイリスタ、GTO(Gate Turn−OFF thyristor:ゲートターンオフサイリスタ)、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。なお、代替例として、半導体電力変換器21−2内のDCDCコンバータ31として、図2に示す2象限双方向DCDCコンバータの代わりに4象限双方向DCDCコンバータを用いてもよい。4象限双方向DCDCコンバータは、一般的な単相フルブリッジインバータと等価である。   The DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 21-2 is configured as a bidirectional DCDC converter. As an example, in the example illustrated in FIG. 2, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 21-2 is configured as a two-quadrant bidirectional DCDC converter (chopper cell). That is, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 21-2 converts the direct current input from one of the first DC side and the second DC side to a desired magnitude and polarity by the switching operation of the semiconductor switch. The direct current input / output direction can be switched bi-directionally between the first direct current side and the second direct current side. By configuring the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 21-2 as a bidirectional DCDC converter, the current path can be interrupted regardless of the amplitude and polarity of the direct current. The semiconductor switch includes a semiconductor switching element S that allows current to flow in one direction when turned on, and a feedback diode D that is connected in antiparallel to the semiconductor switching element S. Examples of the semiconductor switching element S include an IGBT, a thyristor, a GTO (Gate Turn-OFF thyristor), a transistor, and the like, but the type of the switching element itself does not limit the present invention, and other semiconductors. It may be an element. As an alternative example, a four-quadrant bidirectional DCDC converter may be used as the DCDC converter 31 in the semiconductor power converter 21-2 instead of the two-quadrant bidirectional DCDC converter shown in FIG. The four-quadrant bidirectional DCDC converter is equivalent to a general single-phase full-bridge inverter.

半導体電力変換器21−2内のエネルギー蓄積部32は、DCDCコンバータ31の第2の直流側に並列に接続される。エネルギー蓄積部32の例としては、直流コンデンサがある。直流コンデンサの場合、回路遮断器1を動作させる際にはDCDCコンバータ31を動作させて初期充電しておく。   The energy storage unit 32 in the semiconductor power converter 21-2 is connected in parallel to the second DC side of the DCDC converter 31. An example of the energy storage unit 32 is a DC capacitor. In the case of a DC capacitor, when the circuit breaker 1 is operated, the DCDC converter 31 is operated to perform initial charging.

半導体電力変換器21−2内の非線形抵抗33は、エネルギー蓄積部32に並列に接続され、エネルギー蓄積部32に印加された直流電圧が、予め設定された電圧(以下、「動作電圧」と称する。)以下の場合は所定の抵抗値を示し、それ以外の場合は所定の抵抗値よりも低い抵抗値を示す素子である。非線形抵抗33の例としては、MOV(Metal Oxide Variable Resistor)(「バリスタ」あるいは「アレスタ」とも称する)がある。非線形抵抗33の動作電圧VRは、使用するパワーデバイスの電圧定格に制限される。例えば、3.3[kV]耐圧のパワーデバイスを使用する場合、非線形抵抗33の動作電圧VRは3.3[kV]以下に設定する必要がある。 The non-linear resistance 33 in the semiconductor power converter 21-2 is connected in parallel to the energy storage unit 32, and a DC voltage applied to the energy storage unit 32 is a preset voltage (hereinafter referred to as “operation voltage”). .) An element having a predetermined resistance value in the following cases and a resistance value lower than the predetermined resistance value in other cases. As an example of the non-linear resistance 33, there is MOV (Metal Oxide Variable Resistor) (also referred to as “varistor” or “arrester”). The operating voltage V R of the nonlinear resistor 33 is limited to the voltage rating of the power device used. For example, when a power device having a breakdown voltage of 3.3 [kV] is used, the operating voltage V R of the nonlinear resistor 33 needs to be set to 3.3 [kV] or less.

直流コンデンサ32と非線形抵抗33とは並列に接続されているので、後述する第2のインダクタ15および電流制御用インダクタ22−2の蓄積エネルギーによって直流コンデンサ32が充電される際には、直流コンデンサ32の充電電圧が徐々に上昇して非線形抵抗33の動作電圧に達すると、その後は直流コンデンサ32の充電電圧は非線形抵抗33の動作電圧にてクランプされ、第2のインダクタ15および電流制御用インダクタ22−2の蓄積エネルギーは非線形抵抗33にて消費される。なお、エネルギー蓄積部32および非線形抵抗33については、上述のような直流コンデンサ32の充電および非線形抵抗33による消費の一連の動作を行うものであれば他の素子で実現してもよく、例えば、2次電池あるいは電気二重層キャパシタなどに置き換えてもよい。   Since the DC capacitor 32 and the non-linear resistor 33 are connected in parallel, when the DC capacitor 32 is charged by stored energy of a second inductor 15 and a current control inductor 22-2 described later, the DC capacitor 32 Is gradually increased to reach the operating voltage of the non-linear resistor 33, thereafter, the charging voltage of the DC capacitor 32 is clamped by the operating voltage of the non-linear resistor 33, and the second inductor 15 and the current control inductor 22 are clamped. −2 is consumed by the non-linear resistor 33. The energy storage unit 32 and the nonlinear resistor 33 may be realized by other elements as long as they perform a series of operations of charging the DC capacitor 32 and consuming by the nonlinear resistor 33 as described above. It may be replaced with a secondary battery or an electric double layer capacitor.

図3は、本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器における電流制御用インダクタの配置例を説明する回路図である。第1のユニット12において、電流制御用インダクタ22−1は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器21−1のうちのいずれかの半導体電力変換器21−1に直列に接続される。同様に、第2のユニット13において、電流制御用インダクタ22−2は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器21−2のうちのいずれかの半導体電力変換器21−2に直列に接続される。例えば、図3(A)および図3(B)に示すように、電流制御用インダクタ22−1および22−2は、カスケード接続の両端に位置する半導体電力変換器21−1および21−2のうちのいずれかの半導体電力変換器21−1および21−2の、当該半導体電力変換器21−1および21−2が接続されていない側にそれぞれ設置される。また例えば、図3(C)に示すように、電流制御用インダクタ22−1および22−2は、互いに隣接した半導体電力変換器21−1および21−2の間にそれぞれ設置される。なお、半導体電力変換器21−1および21−2がそれぞれ1個の場合は、電流制御用インダクタ22−1および22−2は単に当該半導体電力変換器21−1および21−2に直列にそれぞれ接続される。   FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an arrangement example of the current control inductors in the circuit breakers according to the first and second embodiments of the present invention. In the first unit 12, the current control inductor 22-1 is connected in series to any one of the semiconductor power converters 21-1 among the plurality of semiconductor power converters 21-1 cascade-connected to each other. . Similarly, in the second unit 13, the current control inductor 22-2 is connected in series to any one of the plurality of semiconductor power converters 21-2 cascade-connected to each other. Connected. For example, as shown in FIGS. 3A and 3B, the current control inductors 22-1 and 22-2 are connected to the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 located at both ends of the cascade connection. One of the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 is installed on the side where the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 are not connected. Further, for example, as shown in FIG. 3C, the current control inductors 22-1 and 22-2 are installed between the adjacent semiconductor power converters 21-1 and 21-2, respectively. When there are one semiconductor power converter 21-1 and 21-2, current control inductors 22-1 and 22-2 are simply connected in series to semiconductor power converters 21-1 and 21-2, respectively. Connected.

半導体電力変換器21−1および21−2が複数個カスケード接続される場合および半導体電力変換器21−1および21−2が1個のみの場合のいずれの場合であっても、電流制御用インダクタ22−1および22−2は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器21−1および21−2と同一の配線上のいずれかの位置に設けられることになる。本発明の第1の実施例では、互いに直列接続された第1のインダクタ11および第1のユニット12の組と、互いに直列接続された第2のインダクタ15および第2のユニット13の組とが並列に接続される。   In either case where a plurality of semiconductor power converters 21-1 and 21-2 are cascade-connected or only one semiconductor power converter 21-1 and 21-2, the current control inductor 22-1 and 22-2 are provided at any position on the same wiring as the plurality of semiconductor power converters 21-1 and 21-2 cascade-connected to each other. In the first embodiment of the present invention, a set of the first inductor 11 and the first unit 12 connected in series with each other and a set of the second inductor 15 and the second unit 13 connected in series with each other are provided. Connected in parallel.

機械的遮断器14は、その一端が第1のインダクタ11と第1のユニット12との接続点P1に接続される。また、機械的遮断器14は、第1のインダクタ11および第1のユニット12との接続される側(すなわち接続点P1がある側)とは反対側に、第2の外部接続端子T2を有する。機械的遮断器14は、固定接触子と、固定接触子に接触する閉路位置と固定接触子から分離される開路位置との間を移動可能な可動接触子と、を有し、指令に応じて可動接触子が開路位置に移動することにより開極して電流路を遮断する。機械的遮断器14の例としては、真空遮断器、ガス遮断器もしくは空気吹付遮断器などがある。第2の外部接続端子T2には負荷側の回路が接続される。 One end of the mechanical circuit breaker 14 is connected to a connection point P 1 between the first inductor 11 and the first unit 12. The mechanical circuit breaker 14 is connected to the second external connection terminal T 2 on the side opposite to the side where the first inductor 11 and the first unit 12 are connected (that is, the side where the connection point P 1 is present). Have The mechanical circuit breaker 14 has a fixed contact, and a movable contact that can move between a closed position that contacts the fixed contact and an open position that is separated from the fixed contact. When the movable contact moves to the open circuit position, the pole is opened and the current path is interrupted. Examples of the mechanical circuit breaker 14 include a vacuum circuit breaker, a gas circuit breaker, or an air blowing circuit breaker. Circuit on the load side is connected to the second external connection terminal T 2.

事故電流制限用インダクタとして機能する第2のインダクタ15は、第1のユニット12の、第1のインダクタ11が接続される側(すなわち接続点P1がある側)とは反対側の端子P2と、第2のユニット13の、第1の外部接続端子T1が接続される側とは反対側の端子P3と、の間に接続される。 The second inductor 15 functioning as the fault current limiting inductor is a terminal P 2 on the opposite side of the first unit 12 to the side to which the first inductor 11 is connected (that is, the side having the connection point P 1 ). And the terminal P 3 on the opposite side of the second unit 13 to the side to which the first external connection terminal T 1 is connected.

図4は、本発明の第1の実施例および第2の実施例による回路遮断器における第1のインダクタおよび第2のインダクタの変形例を説明する回路図である。上述の第1の実施例では、事故電流制限用インダクタとしてそれぞれ機能する第1のインダクタ11および第2のインダクタ15を、それぞれ別個独立した非結合インダクタとして構成したが、この変形例として、図4に示すようにこれらを結合インダクタ16として構成してもよい。図4に示すように第1のインダクタ11および第2のインダクタ15を結合インダクタ16として構成すれば、別個独立の第1のインダクタ11および第2のインダクタ15を構成する場合に比べて必要鉄心数を2個から1個に低減することができる。   FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a modified example of the first inductor and the second inductor in the circuit breaker according to the first and second embodiments of the present invention. In the first embodiment described above, the first inductor 11 and the second inductor 15 that function as the fault current limiting inductors are respectively configured as independent and independent uncoupled inductors. These may be configured as a coupled inductor 16 as shown in FIG. If the first inductor 11 and the second inductor 15 are configured as the coupled inductor 16 as shown in FIG. 4, the required number of iron cores is required as compared with the case where the first and second inductors 11 and 15 are configured separately. Can be reduced from two to one.

本発明の第1の実施例では、上述のように第1のインダクタ11、第1のユニット12、第2のユニット13、機械的遮断器14および第2のインダクタ15を結線することにより、第1のユニット12の第1のインダクタ11が接続される側(すなわち接続点P1がある側)とは反対側の端子P2が、第1の外部接続端子T1に対応する第1のグランド端子G1となる。また、第2のユニット13と第2のインダクタ15との接続点P3が、第2の外部接続端子T2に対応する第2のグランド端子G2となる。 In the first embodiment of the present invention, the first inductor 11, the first unit 12, the second unit 13, the mechanical circuit breaker 14, and the second inductor 15 are connected by connecting the first inductor 11, the first unit 12, the second unit 13, as described above. The terminal P 2 on the opposite side to the side to which the first inductor 11 of one unit 12 is connected (that is, the side having the connection point P 1 ) is the first ground corresponding to the first external connection terminal T 1. the terminal G 1. Further, the connection point P 3 between the second unit 13 and the second inductor 15 becomes the second ground terminal G 2 corresponding to the second external connection terminal T 2 .

なお、本実施例では、回路遮断器1が直流遮断器として動作する場合について説明したが、回路遮断器1は交流遮断器としても動作可能であり、この場合は、第1のユニット11の、接続点P1が接続される側とは反対側の端子P2を、第1の外部接続端子T1の極性とは反対の極性の端子G1とする。また、第2のユニット13と第2のインダクタ15との接続点P3を、第2の外部接続端子T2の極性とは反対の極性の端子G2とする。回路遮断器1が直流遮断器として動作する場合は、半導体電力変換器21−1および2内のDCDCコンバータ31を2象限双方向DCDCコンバータまたは4象限双方向DCDCコンバータのいずれで構成してもよいが、回路遮断器1が交流遮断器として動作する場合は、半導体電力変換器21−1および2内のDCDCコンバータ31を4象限双方向DCDCコンバータとして構成する。 In the present embodiment, the case where the circuit breaker 1 operates as a DC circuit breaker has been described. However, the circuit breaker 1 can also operate as an AC circuit breaker, and in this case, The terminal P 2 opposite to the side to which the connection point P 1 is connected is defined as a terminal G 1 having a polarity opposite to the polarity of the first external connection terminal T 1 . The connection point P 3 between the second unit 13 and the second inductor 15 is a terminal G 2 having a polarity opposite to the polarity of the second external connection terminal T 2 . When the circuit breaker 1 operates as a direct current circuit breaker, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converters 21-1 and 2 may be configured with either a two-quadrant bidirectional DCDC converter or a four-quadrant bidirectional DCDC converter. However, when the circuit breaker 1 operates as an AC circuit breaker, the DCDC converter 31 in the semiconductor power converters 21-1 and 2 is configured as a four-quadrant bidirectional DCDC converter.

図1に示す例では、第1の外部接続端子T1およびグランド端子G1からなる側を電源側とし、第2の外部接続端子T2およびグランド端子G2からなる側を負荷側としたが、この変形例として、第1の外部接続端子T1およびグランド端子G1からなる側を負荷側とし、第2の外部接続端子T2およびグランド端子G2からなる側を電源側としてもよい。 In the example shown in FIG. 1, the side consisting of the first external connection terminal T 1 and the ground terminal G 1 is the power supply side, and the side consisting of the second external connection terminal T 2 and the ground terminal G 2 is the load side. As a modification, the side including the first external connection terminal T 1 and the ground terminal G 1 may be the load side, and the side including the second external connection terminal T 2 and the ground terminal G 2 may be the power supply side.

これ以降、電源側直流電圧をVdc、負荷電圧をvL、機械的遮断器14の両端に現れる電圧をvCBで表す。また、半導体電力変換器21−1のN個カスケード接続される側の半導体電力変換器21−1の合計電圧をva HB、半導体電力変換器21−2のN個カスケード接続される側の半導体電力変換器21−2の合計電圧をvb HBで表す。また、各半導体電力変換器21−1に並列に接続された直流コンデンサの電圧をそれぞれva C1、・・・、va CNで表し、各半導体電力変換器21−2に並列に接続された直流コンデンサの電圧をそれぞれvb C1、・・・、vb CNで表す(ただし、Nは自然数)。また、第1の外部接続端子T1から回路遮断器1へ流れ込む電源電流をiSとし、第1の外部接続端子T1から接続点P1に流れる電流をia Sとし、接続点P1から第2の外部接続端子T2に流れる電流を負荷電流iLとし、接続点P1から半導体電力変換器21−1へ流れる電流を変換器電流ia HBとし、第1の外部接続端子T1から接続点P3に流れる電流を変換器電流ib HBとし、接続点P3から接続点P1に流れる電流をib Sとする。なお、図中の電圧および電流については、それぞれ矢印の向きを正としている。 Hereinafter, the power source side DC voltage is represented by V dc , the load voltage is represented by v L , and the voltage appearing at both ends of the mechanical circuit breaker 14 is represented by v CB . The total voltage v a HB semiconductor power converter 21-1 of N cascaded by the side of the semiconductor power converter 21-1, the N semiconductor power converter 21-2 cascaded by side semiconductor The total voltage of the power converter 21-2 is represented by v b HB . Moreover, the voltage of the DC capacitor connected in parallel to each semiconductor power converter 21-1 is represented by v a C1 ,..., V a CN , respectively, and connected to each semiconductor power converter 21-2 in parallel. The voltage of the DC capacitor is represented by v b C1 ,..., V b CN (where N is a natural number). Further, the power source current flowing from the first external connection terminal T 1 to the circuit breaker 1 is i S , the current flowing from the first external connection terminal T 1 to the connection point P 1 is i a S , and the connection point P 1 From the connection point P 1 to the semiconductor power converter 21-1 as the converter current i a HB, and the current flowing from the first external connection terminal T 2 to the second external connection terminal T 2 as the load current i L. Let the current flowing from 1 to the connection point P 3 be the converter current i b HB, and the current flowing from the connection point P 3 to the connection point P 1 be i b S. For the voltage and current in the figure, the direction of the arrow is positive.

図5は、本発明の第1の実施例による回路遮断器における制御系を説明するブロック図である。回路遮断器1は、その制御系として、過電流検知部41および制御部42を有する。   FIG. 5 is a block diagram illustrating a control system in the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. The circuit breaker 1 has an overcurrent detection unit 41 and a control unit 42 as its control system.

過電流検知部41は、回路遮断器1の第2の外部接続端子T2に接続された負荷側の外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する。過電流発生の検知は公知の方法で実現すればよい。例えば、地絡や短絡などの事故が発生すると第1のインダクタ11を流れる電流ia Sが増加するので、電流検出器(図示せず)を用いて電流ia Sを常時監視し、電流ia Sが定格電流より所定の値大きくだけなった場合に「過電流発生」と判定する。過電流発生の判断に用いられる基準電流値は、例えば定格電流120%に設定するなど、必要に応じて適宜設定すればよい。 The overcurrent detection unit 41 detects whether or not an overcurrent has occurred on the load-side external wiring connected to the second external connection terminal T 2 of the circuit breaker 1. The detection of overcurrent generation may be realized by a known method. For example, when an accident such as a ground fault or a short circuit occurs, the current i a S flowing through the first inductor 11 increases. Therefore, the current i a S is constantly monitored using a current detector (not shown), and the current i a When “ S” is larger than the rated current by a predetermined value, it is determined that “overcurrent has occurred”. What is necessary is just to set the reference current value used for judgment of overcurrent generation suitably as needed, such as setting to the rated current 120%.

制御部42は、機械的遮断器14に対する開極動作および半導体電力変換器21−1および21−2の電力変換動作を制御する。すなわち、制御部42は、過電流検知部41が過電流を検知したとき、機械的遮断器14に対して開極動作の開始を指令する開極指令を出力する第1の指令手段51と、開極指令が出力されてから機械的遮断器14の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器14に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を、半導体電力変換器21−1および21−2に出力させる電力変換指令を出力する第2の指令手段52と、機械的遮断器14の開極動作が完了した時に、半導体電力変換器21−1および21−2内の半導体スイッチSをオフする指令を出力する第3の指令手段53と、を有する。   The control unit 42 controls the opening operation for the mechanical circuit breaker 14 and the power conversion operation of the semiconductor power converters 21-1 and 21-2. That is, the control unit 42, when the overcurrent detection unit 41 detects an overcurrent, a first command means 51 that outputs an opening command for commanding the mechanical circuit breaker 14 to start the opening operation; Semiconductor power converters 21-1 and 21 convert a DC current that converges the current flowing through the mechanical circuit breaker 14 to zero after the opening command is output and before the opening operation of the mechanical circuit breaker 14 is completed. The second command means 52 for outputting the power conversion command to be output to -2 and the semiconductor switch S in the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 when the opening operation of the mechanical circuit breaker 14 is completed. And third command means 53 for outputting a command to turn off.

第1の指令手段51、第2の指令手段52および第3の指令手段53は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらの手段をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、制御部42内の演算処理装置はこのソフトウェアプログラムに従って動作することで上述の各手段の機能が実現される。   The first command means 51, the second command means 52, and the third command means 53 may be constructed, for example, in a software program format, or may be constructed by a combination of various electronic circuits and software programs. For example, when these means are constructed in a software program format, the arithmetic processing unit in the control unit 42 operates according to this software program, thereby realizing the functions of the above-described means.

図6は、本発明の第1の実施例による回路遮断器の動作フローを示すフローチャートである。また、図7〜図10は、本発明の第1の実施例による回路遮断器の動作を説明する等価回路を示す図である。ここでは一例として、時刻t0で負荷側に地絡もしくは短絡の事故が発生して過電流が発生した場合を考える。 FIG. 6 is a flowchart showing an operation flow of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. 7 to 10 are diagrams showing equivalent circuits for explaining the operation of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. Here, as an example, let us consider a case where an overcurrent occurs due to a ground fault or short circuit accident on the load side at time t 0 .

回路遮断器1は、回路遮断器1の第2の外部接続端子T2に接続された負荷側の外部配線上において過電流が発生していないとき、正常動作を行う(ステップS101)。すなわち正常時では機械的遮断器14はオンされ、電源側から第1の外部接続端子T1、第1のインダクタ11および機械的遮断器14を介して負荷側に電力が供給される。このとき、半導体電力変換器21−1および21−2内の各ダイオードDが機能することにより、半導体電力変換器21−1および21−2そのものはダイオードとして動作し、変換器電流ia HBおよびib HBはゼロとなる。したがって、正常時の回路遮断器1の定常損失はゼロである。 Circuit breaker 1 when the overcurrent has not occurred on the external wiring connected second circuit breaker 1 2 to an external connection terminal T 2 the load side, performs a normal operation (step S101). That is, the mechanical circuit breaker 14 is turned on under normal conditions, and power is supplied from the power supply side to the load side via the first external connection terminal T 1 , the first inductor 11 and the mechanical circuit breaker 14. At this time, by the functioning of the diode D of the semiconductor power converter 21-1 and 21-2, a semiconductor power converter 21-1 and 21-2 itself operates as a diode, the converter current i a HB and i b HB is zero. Therefore, the steady loss of the circuit breaker 1 at the normal time is zero.

また、電源側直流電圧Vdcと半導体電力変換器13内の直流コンデンサ電圧vC(=vC1=vCN)は式1の関係を満足する必要がある。Nは半導体電力変換器21−1または21−2の個数(換言すれば直流コンデンサの個数)を示す。 Further, the DC voltage V dc on the power supply side and the DC capacitor voltage v C (= v C1 = v CN ) in the semiconductor power converter 13 need to satisfy the relationship of Equation 1. N indicates the number of semiconductor power converters 21-1 or 21-2 (in other words, the number of DC capacitors).

Figure 0006456154
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図7に示すように、正常時においては、キルヒホッフの電流則より、電源電流iSと負荷電流iLと第1のインダクタ11を流れる電流ia Sと第2のインダクタ15を流れる電流ib Sとは等しく、すなわち式2の関係式が成り立つ。 As shown in FIG. 7, under normal conditions, the power supply current i S , the load current i L , the current i a S flowing through the first inductor 11, and the current i b flowing through the second inductor 15 are determined according to Kirchhoff's current law. It is equal to S, that is, the relational expression of Expression 2 is established.

Figure 0006456154
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また、第1のインダクタL1における電圧降下は、正常時ではゼロとなるため、負荷電圧vLと電源側直流電圧Vdcとは等しく、すなわち「vL=Vdc」である。 In addition, since the voltage drop in the first inductor L 1 is zero under normal conditions, the load voltage v L and the power supply side DC voltage V dc are equal, that is, “v L = V dc ”.

ステップS102において、過電流検知部41は、第2の外部接続端子T2に接続された負荷側の外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する。過電流検知部41が過電流を検知しなかったときはステップS101に戻り正常動作を継続する。過電流検知部41が過電流を検知したときはステップS103へ進む。 In step S102, the overcurrent detection unit 41, the overcurrent is detected whether or not generated in the second external connection terminal T 2 connected to a load side of the external wiring. When the overcurrent detector 41 does not detect an overcurrent, the process returns to step S101 and continues normal operation. When the overcurrent detection unit 41 detects an overcurrent, the process proceeds to step S103.

例えば時刻t0で過電流検知部41が過電流の発生を検知したとすると、負荷側の事故発生直後である時刻t0の回路遮断器1の等価回路は図8のように表される。機械的遮断器14における電圧降下を無視すると、式3に示される回路方程式が成立する。なお、式3において、「iS=ia S=ib S=iL」とする。 For example the overcurrent detection unit 41 at time t 0 is assuming that detects the occurrence of an overcurrent, the equivalent circuit of the circuit breaker 1 at time t 0 is immediately after the accident occurred in the load side is represented as shown in FIG. If the voltage drop in the mechanical circuit breaker 14 is ignored, the circuit equation shown in Equation 3 is established. In Equation 3, “i S = i a S = i b S = i L ” is assumed.

Figure 0006456154
Figure 0006456154

式3より、iSおよびiLは式4のように表せる。式4において、時刻t0における電源電流iSおよび負荷電流iLの初期電流をI0とする。 From Equation 3, i S and i L can be expressed as Equation 4. In Equation 4, the initial current of the power source current i S and the load current i L at time t 0 is I 0 .

Figure 0006456154
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式4から分かるように、電源電流iSおよび負荷電流iLは「Vdc/2L1」の傾きで1次関数的に増加する。すなわち、第1のインダクタ11のインダクタL1を増加させれば事故時の電流増加率を抑制できる。短絡や地絡事故が発生すると電源電流iSは増加するため、過電流検知部41は、電流検出器(図示せず)を用いて電源電流iSを常時監視し、電源電流iSが定格電流より所定の値大きくだけなった場合(例えば定格電流120%)に「過電流発生」と判定する。事故発生から事故判断に要する時間「t1−t0」は電源側直流電圧Vdc、第1のインダクタのインダクタンスL1、負荷、基準電流値などに依存する。 As can be seen from Equation 4, the power supply current i S and the load current i L increase in a linear function with a slope of “V dc / 2L 1 ”. That is, if the inductor L 1 of the first inductor 11 is increased, the current increase rate at the time of the accident can be suppressed. Since the power supply current i S increases when a short circuit or ground fault occurs, the overcurrent detection unit 41 constantly monitors the power supply current i S using a current detector (not shown), and the power supply current i S is rated. When only a predetermined value larger than the current (for example, rated current 120%), it is determined that “overcurrent has occurred”. The time “t 1 −t 0 ” required from the occurrence of the accident to the judgment of the accident depends on the power source side DC voltage V dc , the inductance L 1 of the first inductor, the load, the reference current value, and the like.

ステップS102において過電流検知部41が過電流を検知したとき、ステップS103において、制御部42の第1の指令手段51は、機械的遮断器14に対して開極動作の開始を指令する開極指令を出力する。   When the overcurrent detection unit 41 detects an overcurrent in step S102, in step S103, the first command means 51 of the control unit 42 instructs the mechanical circuit breaker 14 to start the opening operation. Output a command.

機械的遮断器14に開極指令を与えても機械的遮断器14は直ちに開極動作を完了するのではなく、機械的遮断器14の機械的構造に起因する遅れ時間が発生し、実際には少し遅れて開極動作を完了する。例えば、直流電圧が数10[kV]クラスでは1[ms]以下、数100[kV]クラスでは2[ms]程度の遅れ時間が発生する。機械的遮断器14はゼロ電流時のみ電流路を遮断することが可能であるため、機械的遮断器14を流れる負荷電流iLをゼロにする必要がある。そこで、ステップS104において、制御部42の第2の指令手段52は、開極指令が出力されてから機械的遮断器14の開極動作が完了するまでの間に機械的遮断器14に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を、半導体電力変換器21−1および21−2に出力させる電力変換指令を出力する。半導体電力変換器21−1および21−2内のDCDCコンバータ31内にある半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sは受信した電力変換指令に基づいてPWMスイッチング動作を行う。これにより、図9に示すように、半導体電力変換器21−1はva HBを出力する制御電圧源として動作することと等価になり、半導体電力変換器21−2はvb HBを出力する制御電圧源として動作することと等価になる。したがって、図9において、式5および式6のような回路方程式が成立する。 Even if a contact opening command is given to the mechanical circuit breaker 14, the mechanical circuit breaker 14 does not immediately complete the opening operation, but a delay time due to the mechanical structure of the mechanical circuit breaker 14 occurs. Completes the opening operation after a short delay. For example, a delay time of about 1 [ms] or less occurs when the DC voltage is several tens [kV] class and about 2 [ms] when several tens [kV] class. Since the mechanical circuit breaker 14 can interrupt the current path only at zero current, the load current i L flowing through the mechanical circuit breaker 14 needs to be zero. Therefore, in step S104, the second command means 52 of the control unit 42 determines the current flowing through the mechanical circuit breaker 14 after the opening command is output until the opening operation of the mechanical circuit breaker 14 is completed. A power conversion command for causing the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 to output a direct current that converges to zero is output. The semiconductor switching element S of the semiconductor switch in the DCDC converter 31 in the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 performs a PWM switching operation based on the received power conversion command. As a result, as shown in FIG. 9, the semiconductor power converter 21-1 is equivalent to operating as a control voltage source that outputs v a HB , and the semiconductor power converter 21-2 outputs v b HB . Equivalent to operating as a control voltage source. Therefore, in FIG. 9, circuit equations such as Expression 5 and Expression 6 are established.

Figure 0006456154
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Figure 0006456154
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本発明の第1の実施例では、制御電圧源については、一例としてPI制御にて実現し、va HBを式7で与え、vb HBを式8で与える。式7および式8において、Kpは比例ゲインを表し、KIは積分ゲインを表し、ia* HBおよびib* HBは変換器電流の指令値を表す。なお、本実施例ではPI制御を適用したが、PI制御以外の電流制御を適用してもよい。 In the first embodiment of the present invention, the control voltage source is realized by PI control as an example, and v a HB is given by Equation 7 and v b HB is given by Equation 8. In Equations 7 and 8, K p denotes a proportional gain, K I denotes integral gain, i a * HB and i b * HB represents a command value of the converter current. In this embodiment, PI control is applied, but current control other than PI control may be applied.

Figure 0006456154
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式7および式8において、右辺第1項および第2項はフィードフォワード制御に相当し、右辺第3項はフィードバック制御(PI)に相当する。式7を式5に代入すると式9が得られ、式8を式6に代入すると式10が得られる。   In Expressions 7 and 8, the first and second terms on the right side correspond to feedforward control, and the third term on the right side corresponds to feedback control (PI). Substituting Equation 7 into Equation 5 yields Equation 9 and substituting Equation 8 into Equation 6 yields Equation 10.

Figure 0006456154
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式9に示すように変換器電流ia HBはその指令値ia* HBに対して2次遅れで応答し、式10に示すように変換器電流ib HBはその指令値ib* HBに対して2次遅れで応答する。このとき、変換器電流の指令値ia* HBをia Sに設定して変換器電流ia HBを第1のインダクタ11に流れる電流ia Sに一致させ、かつ変換器電流の指令値ib* HBをib Sに設定して変換器電流ib HBを第2のインダクタ15に流れる電流ib Sに一致させる制御を行えば、キルヒホッフの電流則により負荷電流iLをゼロにすることができる。負荷電流iLをゼロにするのに要する時間(すなわち、変換器電流ia HBおよびib HBをそれぞれ電流ia Sおよびib Sに一致させるのに要する時間)は、半導体電力変換器21−1および21−2のキャリア周波数、等価スイッチング周波数、ディジタル制御手法に依存する。例えば低損失かつ高スイッチング周波数動作を実現可能な高圧SiC MOSFETを用いれば、負荷電流iLをゼロにするのに要する時間を1[ms]以下に実現することは十分可能である。 As shown in Equation 9, the converter current i a HB responds to the command value i a * HB with a second order delay, and as shown in Equation 10, the converter current i b HB becomes the command value i b * HB. Responds with a second order delay. At this time, the converter current command value i a * HB is set to i a S so that the converter current i a HB matches the current i a S flowing through the first inductor 11, and the converter current command value If control is performed to set the converter current i b HB to the current i b S flowing through the second inductor 15 by setting i b * HB to i b S , the load current i L is reduced to zero by Kirchhoff's current law. can do. The time required to make the load current i L zero (ie, the time required to match the converter currents i a HB and i b HB to the currents i a S and i b S , respectively) is the semiconductor power converter 21. -1 and 21-2 carrier frequency, equivalent switching frequency, and digital control method. For example, if a high voltage SiC MOSFET capable of realizing a low loss and high switching frequency operation is used, it is sufficiently possible to realize the time required to make the load current i L zero at 1 [ms] or less.

以上を踏まえ、式7および式8に基づく電力変換指令の生成原理を説明すると次の通りである。図11は、本発明の第1の実施例による回路遮断器内の半導体電力変換器における変換器電流を制御するための電力変換指令を説明する制御ブロック図であって、(A)は第1のユニットを流れる変換器電流を制御するための電力変換指令を説明する図であり、(B)は第2のユニットを流れる変換器電流を制御するための電力変換指令を説明する図である。変換器電流の制御では、フィードバック制御とフィードフォワード制御を併用する。   Based on the above, the generation principle of the power conversion command based on Equation 7 and Equation 8 will be described as follows. FIG. 11 is a control block diagram for explaining a power conversion command for controlling the converter current in the semiconductor power converter in the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. FIG. It is a figure explaining the power conversion instruction | command for controlling the converter electric current which flows through the unit of this, and (B) is a figure explaining the electric power conversion instruction | command for controlling the converter electric current which flows through a 2nd unit. In the control of the converter current, feedback control and feedforward control are used in combination.

第1のユニット12を流れる変換器電流ia HBについては、図11(A)に示すように、フィードバック制御に係るブロックB1−aでは、電流検出器(図示せず)によって検出された変換器電流ia HBと電流検出器(図示せず)によって検出された第1のインダクタ11を流れる電流ia Sの差分に対しPI制御を適用することで偏差(ia HB−ia S)を抑制する。一方、フィードフォワード制御に係るブロックB2−aでは、半導体電力変換器21−1の両端に現れる電圧va HBと電流制御用インダクタ22−1の両端に現れる電圧との総和va fを利用することで、電流制御性向上を実現する。va fは、直流電源側電圧Vdc、第1のインダクタ11を流れる電流ia S、および第1のインダクタ11のインダクタンスL1を用いて算出するか、あるいは電圧センサ(図示せず)を用いて直接検出することで得ればよい。ブロックB1−aの出力とブロックB3−aの出力とが加算されて各半導体電力変換器21−1に対する電力変換指令va* jが生成される。各半導体電力変換器21−1に対する電力変換指令va* jは、ブロックB4j−aにて直流コンデンサ電圧va Cj(ただし、j=1〜N)で規格化した後、一般的なPWM変調法(三角波比較)を適用して各半導体電力変換器21−1内の半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sへ与えられる。 As shown in FIG. 11A, the converter current i a HB flowing through the first unit 12 is detected by a current detector (not shown) in the block B1-a related to feedback control. current i a HB a current detector deviations by relative difference between the first current flowing through the inductor 11 i a S detected by (not shown) to apply a PI control (i a HB -i a S) Suppress. On the other hand, in the block B2-a related to the feedforward control, the sum v a f of the voltage v a HB appearing at both ends of the semiconductor power converter 21-1 and the voltage appearing at both ends of the current control inductor 22-1 is used. Thus, the current controllability is improved. v a f is calculated using the DC power supply side voltage V dc , the current i a S flowing through the first inductor 11, and the inductance L 1 of the first inductor 11, or a voltage sensor (not shown) is used. It can be obtained by using and detecting directly. The output of the block B1-a and the output of the block B3-a are added to generate a power conversion command va * j for each semiconductor power converter 21-1. Power conversion command v a * j for each semiconductor power converter 21-1, after normalizing the DC capacitor voltage at block B4 j -a v a Cj (although, j = 1 to N), common PWM The modulation method (triangular wave comparison) is applied to the semiconductor switching element S of the semiconductor switch in each semiconductor power converter 21-1.

同様に、第2のユニット13を流れる変換器電流ib HBについては、図11(B)に示すように、フィードバック制御に係るブロックB1−bでは、電流検出器(図示せず)によって検出された変換器電流ib HBと電流検出器(図示せず)によって検出された第2のインダクタ15を流れる電流ib Sの差分に対しPI制御を適用することで偏差(ib HB−ib S)を抑制する。一方、フィードフォワード制御に係るブロックB2−bでは、半導体電力変換器21−2の両端に現れる電圧vb HBと電流制御用インダクタ22−2の両端に現れる電圧との総和vb fを利用することで、電流制御性向上を実現する。vb fは、直流電源側電圧Vdc、第2のインダクタ15を流れる電流ib S、および第2のインダクタ15のインダクタンスL1を用いて算出するか、あるいは電圧センサ(図示せず)を用いて直接検出することで得ればよい。ブロックB1−bの出力とブロックB3−bの出力とが加算されて各半導体電力変換器21−2に対する電力変換指令vb* jが生成される。各半導体電力変換器21−2に対する電力変換指令vb* jは、ブロックB4j−bにて直流コンデンサ電圧vb Cj(ただし、j=1〜N)で規格化した後、一般的なPWM変調法(三角波比較)を適用して各半導体電力変換器21−2内の半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sへ与えられる。 Similarly, the converter current i b HB flowing through the second unit 13 is detected by a current detector (not shown) in the block B1-b related to feedback control, as shown in FIG. 11B. By applying PI control to the difference between the converter current i b HB and the current i b S flowing through the second inductor 15 detected by the current detector (not shown), the deviation (i b HB −i b S ) is suppressed. On the other hand, in the block B2-b related to the feedforward control, the sum v b f of the voltage v b HB appearing at both ends of the semiconductor power converter 21-2 and the voltage appearing at both ends of the current control inductor 22-2 is used. Thus, the current controllability is improved. v b f is calculated using the DC power supply side voltage V dc , the current i b S flowing through the second inductor 15, and the inductance L 1 of the second inductor 15, or a voltage sensor (not shown) is used. It can be obtained by using and detecting directly. The output of the block B1-b and the output of the block B3-b are added to generate a power conversion command v b * j for each semiconductor power converter 21-2. The power conversion command v b * j for each semiconductor power converter 21-2 is normalized with the DC capacitor voltage v b Cj (where j = 1 to N) in block B4 j -b, and then a general PWM. A modulation method (triangular wave comparison) is applied to the semiconductor switching element S of the semiconductor switch in each semiconductor power converter 21-2.

なお、半導体電力変換器21−1および2内のDCDCコンバータ31を2象限双方向DCDCコンバータとして構成したときは、PWM制御に用いられる三角波キャリアの初期位相を360°/N移相する「位相シフトPWM手法」を各半導体電力変換器21−1および21−2のDCDCコンバータ31の制御に適用すれば、等価スイッチング周波数を増加できる。具体的には、キャリア周波数をfCとすると、等価スイッチング周波数はNfCとなる。あるいは半導体電力変換器21−1および2内のDCDCコンバータ31を4象限双方向DCDCコンバータとして構成したときは、PWM制御に用いられる三角波キャリアの初期位相を180°/N移相する「位相シフトPWM手法」を各半導体電力変換器21−1および21−2のDCDCコンバータ31の制御に適用すれば、等価スイッチング周波数を増加できる。具体的には、キャリア周波数をfCとすると、等価スイッチング周波数は2NfCとなる。等価スイッチング周波数を高く設定することで、電流制御系の向上と電流制御用インダクタ22−1および22−2のインダクタンスの低減を実現できる。 When the DCDC converter 31 in the semiconductor power converters 21-1 and 2 is configured as a two-quadrant bidirectional DCDC converter, the “phase shift” is performed by shifting the initial phase of the triangular wave carrier used for PWM control by 360 ° / N. If the “PWM method” is applied to the control of the DCDC converter 31 of each of the semiconductor power converters 21-1 and 21-2, the equivalent switching frequency can be increased. Specifically, if the carrier frequency is f C , the equivalent switching frequency is Nf C. Alternatively, when the DCDC converter 31 in the semiconductor power converters 21-1 and 2 is configured as a four-quadrant bidirectional DCDC converter, the “phase shift PWM that shifts the initial phase of the triangular wave carrier used for PWM control by 180 ° / N” If the “method” is applied to control of the DCDC converters 31 of the semiconductor power converters 21-1 and 21-2, the equivalent switching frequency can be increased. Specifically, assuming that the carrier frequency is f C , the equivalent switching frequency is 2Nf C. By setting the equivalent switching frequency high, it is possible to improve the current control system and reduce the inductance of the current control inductors 22-1 and 22-2.

一般に、高圧用途の半導体電力変換器のスイッチング周波数は、スイッチング損失低減の観点から数100[Hz]に設定される。一方、本発明の第1の実施例による回路遮断器1内の半導体電力変換器21−1および21−2は事故発生時のみPWM動作を行うため、スイッチング損失の増大は問題とならない。半導体電力変換器21−1および21−2として例えば3.3[kV]/1500[A]のSiCパワーモジュール(SiC MOSFETとSiC SBD(Schottky Barrier Diode)を使用した場合、PWM変調には数[kHz]のキャリア周波数適用が想定され、電流制御性の向上が期待できる。同一キャリア周波数を想定した場合、半導体電力変換器21−1および21−2のカスケード数が多くなるような高圧用途における電流制御性が向上する。   Generally, the switching frequency of a semiconductor power converter for high voltage applications is set to several hundreds [Hz] from the viewpoint of reducing switching loss. On the other hand, since the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 in the circuit breaker 1 according to the first embodiment of the present invention perform the PWM operation only when an accident occurs, an increase in switching loss is not a problem. When the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 use, for example, 3.3 [kV] / 1500 [A] SiC power modules (SiC MOSFET and SiC SBD (Schottky Barrier Diode)), the PWM modulation uses a number [ The carrier frequency of [kHz] is assumed to be improved, and the current controllability can be expected to be improved.The current in a high voltage application in which the number of cascades of the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 increases when the same carrier frequency is assumed. Controllability is improved.

以上、ステップS104における電力変換指令の出力について説明したが、ステップS104における処理は、ステップS103における開極指令の出力と同時に実行されてもよい。   The output of the power conversion command in step S104 has been described above, but the processing in step S104 may be performed simultaneously with the output of the opening command in step S103.

図6に戻ると、ステップS105において、機械的遮断器14は、制御部42内の第2の指令手段52からの開極指令に応じて開極動作を開始する。上述のように機械的遮断器14はゼロ電流時のみ動作可能であるが、ステップS104における機械的遮断器14に流れる電流をゼロにする処理は、開極指令が出力されてから機械的遮断器14の開極動作が完了するまでに要する時間よりも十分短い時間に実行される。   Returning to FIG. 6, in step S <b> 105, the mechanical circuit breaker 14 starts the opening operation in response to the opening command from the second command means 52 in the control unit 42. As described above, the mechanical circuit breaker 14 can be operated only at zero current. However, the processing for reducing the current flowing through the mechanical circuit breaker 14 in step S104 to zero is performed after the opening command is output. It is executed in a time sufficiently shorter than the time required to complete the 14 opening operations.

機械的遮断器14の開極動作が完了したとき(ここでは時刻t2とする)、ステップS106において、制御部42内の第3の指令手段53は、半導体電力変換器21−1および21−2内の全ての半導体スイッチSをオフする指令を出力する。半導体電力変換器21−1および21−2の電力変換動作開始から機械的遮断器14の開極動作完了までに要する時間「t2−t1」は、機械的遮断器14に対して開極指令を与えてから機械的遮断器14が実際に開極動作を完了するまでの遅れ時間と等しく、その時間は例えば2[ms]である。 When the opening operation of the mechanical breaker 14 is completed (in this case the time t 2 is), in step S106, the third command means 53 in the control unit 42, a semiconductor power converter 21-1 and 21- A command to turn off all the semiconductor switches S in 2 is output. The time “t 2 −t 1 ” required from the start of the power conversion operation of the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 to the completion of the opening operation of the mechanical circuit breaker 14 is open to the mechanical circuit breaker 14 It is equal to the delay time from when the command is given until the mechanical circuit breaker 14 actually completes the opening operation, and the time is, for example, 2 [ms].

制御部42内の第3の指令手段53によるオフ指令を受信して半導体電力変換器21−1および21−2内の全ての半導体スイッチSはターンオフし、電力変換動作は終了する。これにより、図10に示すように、半導体電力変換器13内の各ダイオードDのみが機能することになる。このとき、第1のインダクタ11および電流制御用インダクタ22−1の蓄積エネルギーは、半導体電力変換器21−1内において帰還ダイオードDを介して直流コンデンサ32および非線形抵抗33に放出される。同様に、第2のインダクタ15および電流制御用インダクタ22−2の蓄積エネルギーは、半導体電力変換器21−2内において帰還ダイオードDを介して直流コンデンサ32および非線形抵抗33に放出される。半導体電力変換器21−1内の直流コンデンサ32と非線形抵抗33とは並列に接続されているので、半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sのターンオフ後(すなわち時刻t2以降の期間)は、第1のインダクタ11および電流制御用インダクタ22−1の蓄積エネルギーによって、直流コンデンサ32が充電されて電圧vcは徐々に上昇した後、非線形抵抗33の動作電圧VRでクランプされる。直流コンデンサ32が当該動作電圧まで充電された後は、蓄積エネルギーは非線形抵抗33にて消費される。同様に、半導体電力変換器21−2内の直流コンデンサ32と非線形抵抗33とは並列に接続されているので、半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sのターンオフ後(すなわち時刻t2以降の期間)は、第2のインダクタ15および電流制御用インダクタ22−2の蓄積エネルギーによって、直流コンデンサ32が充電されて電圧vcは徐々に上昇した後、非線形抵抗33の動作電圧VRでクランプされる。直流コンデンサ32が当該動作電圧まで充電された後は、蓄積エネルギーは非線形抵抗33にて消費される。 The semiconductor device S in the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 is turned off upon receiving the off command from the third command means 53 in the control unit 42, and the power conversion operation is completed. Thereby, as shown in FIG. 10, only each diode D in the semiconductor power converter 13 functions. At this time, the accumulated energy of the first inductor 11 and the current control inductor 22-1 is released to the DC capacitor 32 and the non-linear resistor 33 via the feedback diode D in the semiconductor power converter 21-1. Similarly, the stored energy of the second inductor 15 and the current control inductor 22-2 is released to the DC capacitor 32 and the non-linear resistor 33 via the feedback diode D in the semiconductor power converter 21-2. Since they are connected in parallel to the DC capacitor 32 and a nonlinear resistor 33 in the semiconductor power converter 21-1, after turn-off of the semiconductor switching elements S of the semiconductor switch (i.e. the time t 2 after the period), the first the stored energy of the inductor 11 and the current control inductor 22-1, DC capacitor 32 is charged voltage v c after gradually increased, is clamped in the operating voltage V R of the non-linear resistor 33. After the DC capacitor 32 is charged to the operating voltage, the stored energy is consumed by the non-linear resistor 33. Similarly, since they are connected in parallel to the DC capacitor 32 and a nonlinear resistor 33 of the semiconductor power converter 21-2, after turn-off of the semiconductor switching elements S of the semiconductor switch (i.e. the time t 2 after the period), the stored energy of the second inductor 15 and the current control inductor 22-2, DC capacitor 32 is charged voltage v c after gradually increased, is clamped in the operating voltage V R of the non-linear resistor 33. After the DC capacitor 32 is charged to the operating voltage, the stored energy is consumed by the non-linear resistor 33.

第1のインダクタ11および電流制御用インダクタ22−1の蓄積エネルギーによって直流コンデンサ32が非線形抵抗33の動作電圧まで充電されるまでは、式11に示す回路方程式が成立する。   Until the DC capacitor 32 is charged to the operating voltage of the nonlinear resistor 33 by the energy stored in the first inductor 11 and the current control inductor 22-1, the circuit equation shown in Expression 11 holds.

Figure 0006456154
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式11より、直流コンデンサ32の電圧vCおよび第1のインダクタ11を流れる電流ia S(=ia HB)は2階定数係数線形微分方程式を解くことで算出できる。 From Equation 11, the voltage of the DC capacitor 32 v C and the current flowing through the first inductor 11 i a S (= i a HB) can be calculated by solving the second order constant coefficient linear differential equation.

直流コンデンサ32が当該動作電圧まで充電された後は、式12に示す回路方程式が成立する。式12において、非線形抵抗33の動作電圧をVRとする。 After the DC capacitor 32 is charged to the operating voltage, the circuit equation shown in Equation 12 is established. In Equation 12, the operating voltage of the nonlinear resistor 33 is V R.

Figure 0006456154
Figure 0006456154

式12より、第1のインダクタ11を流れる電流ia Sおよび変換器電流ia HBは1階定数係数線形微分方程式を解くことで算出できる。 From Equation 12, the current i a S flowing through the first inductor 11 and the converter current i a HB can be calculated by solving a first-order constant coefficient linear differential equation.

同様に、第2のインダクタ15および電流制御用インダクタ22−2の蓄積エネルギーによって直流コンデンサ32が非線形抵抗33の動作電圧まで充電されるまでは、式13に示す回路方程式が成立する。   Similarly, until the DC capacitor 32 is charged to the operating voltage of the nonlinear resistor 33 by the energy stored in the second inductor 15 and the current control inductor 22-2, the circuit equation shown in Expression 13 is established.

Figure 0006456154
Figure 0006456154

式13より、直流コンデンサ32の電圧vCおよび第2のインダクタ15を流れる電流ib S(=ib HB)は2階定数係数線形微分方程式を解くことで算出できる。 From Equation 13, the voltage v C of the DC capacitor 32 and the current i b S (= i b HB ) flowing through the second inductor 15 can be calculated by solving the second-order constant coefficient linear differential equation.

直流コンデンサ32が当該動作電圧まで充電された後は、式14に示す回路方程式が成立する。式14において、非線形抵抗33の動作電圧をVRとする。 After the DC capacitor 32 is charged to the operating voltage, the circuit equation shown in Equation 14 is established. In Equation 14, the operating voltage of the nonlinear resistor 33 is V R.

Figure 0006456154
Figure 0006456154

式14より、第2のインダクタ15を流れる電流ib Sおよび変換器電流ib HBは1階定数係数線形微分方程式を解くことで算出できる。 From Equation 14, the current i b S flowing through the second inductor 15 and the converter current i b HB can be calculated by solving a first-order constant coefficient linear differential equation.

次に、本発明の第1の実施例による回路遮断器のシミュレーション結果について説明する。図12は本発明の第1の実施例による回路遮断器のシミュレーションに用いた回路図であり、(A)は回路遮断器にRL負荷を接続したときに回路遮断器の至近端で短絡事故が発生した場合の回路図を示し、(B)は回路遮断器に回生負荷を接続したときに回路遮断器の至近端で短絡事故が発生した場合の回路図を示す。ただし、図12(B)において、回生負荷は直流電流源で模擬している。また、図13は、図12に示すシミュレーション回路図の回路パラメータを説明する図である。シミュレーションには「PSCAD/EMTDC」を使用した。高圧用途への適用を想定し定格容量Pは7.5[MW]、定格直流電圧Vdcは15[kV]、定格電源電流ISは500[A]、定格負荷電流ILは500[A]とした。第1および第2のインダクタ(事故時電流制限用インダクタ)のインダクタンスL1は、電流増加率Vdc/L1が3.0[kA/ms]となるよう5[mH]とした。また、3.3[kV]耐圧の半導体スイッチング素子を想定し、初期直流コンデンサ電圧は1.5[kV]、各半導体電力変換器21−1および21−2の個数Nはそれぞれ10とし、キャリア周波数fCは2[kHz]とした。単位静電定数Hは、直流コンデンサの全静電エネルギーを変換器容量で規格化した値(単位は[s])であり、式15で表せる。 Next, the simulation result of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a circuit diagram used for the simulation of the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention. FIG. 12A is a short circuit accident at the closest end of the circuit breaker when an RL load is connected to the circuit breaker. (B) shows a circuit diagram when a short circuit accident occurs at the closest end of the circuit breaker when a regenerative load is connected to the circuit breaker. However, in FIG. 12B, the regenerative load is simulated by a direct current source. FIG. 13 is a diagram for explaining circuit parameters of the simulation circuit diagram shown in FIG. “PSCAD / EMTDC” was used for the simulation. Assuming application to high-voltage applications, the rated capacity P is 7.5 [MW], the rated DC voltage V dc is 15 [kV], the rated power supply current I S is 500 [A], and the rated load current I L is 500 [A]. ]. The inductance L 1 of the first and second inductors (accident current limiting inductor) was set to 5 [mH] so that the current increase rate V dc / L 1 was 3.0 [kA / ms]. Further, assuming a 3.3 [kV] breakdown voltage semiconductor switching element, the initial DC capacitor voltage is 1.5 [kV], the number N of each of the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 is 10, and the carrier The frequency f C was 2 [kHz]. The unit electrostatic constant H is a value (unit: [s]) obtained by normalizing the total electrostatic energy of the DC capacitor by the converter capacity, and can be expressed by Equation 15.

Figure 0006456154
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また、シミュレーションでは、制御遅延がゼロであるアナログ制御系を想定して半導体スイッチング素子のデッドタイムはゼロとした。また、電流発生の判断に用いられる基準電流値は定格電流120%に設定した。また、非線形抵抗33は、動作電圧を2[kV]とし、印加される電圧が2[kV]以下の場合無限大の抵抗値を示し、2[kV]以上は抵抗値がゼロを示すものとした。また、機械的遮断器14は、インピーダンスがゼロの理想スイッチとして模擬し、開極指令受信から開極動作完了までの遅れ時間(=t2−t1)を1.5[ms]とした。 In the simulation, the dead time of the semiconductor switching element was set to zero assuming an analog control system with zero control delay. Further, the reference current value used for determining the generation of current was set to 120% of the rated current. The nonlinear resistor 33 has an operating voltage of 2 [kV], an infinite resistance value when the applied voltage is 2 [kV] or less, and a resistance value of zero when the voltage is 2 [kV] or more. did. The mechanical circuit breaker 14 was simulated as an ideal switch having zero impedance, and the delay time (= t 2 −t 1 ) from reception of the opening command to completion of the opening operation was set to 1.5 [ms].

図14は、本発明の第1の実施例による回路遮断器を図12(A)のシミュレーション回路にて動作させた場合のシミュレーション波形を示す図である。回路遮断器1にRL負荷(7.5[MW])を接続したときに時刻t0の時点で回路遮断器1の至近端で短絡事故が発生した場合を考える。 FIG. 14 is a diagram showing simulation waveforms when the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention is operated by the simulation circuit of FIG. Consider a case where a short circuit accident occurs at the closest end of the circuit breaker 1 at time t 0 when an RL load (7.5 [MW]) is connected to the circuit breaker 1.

短絡事故が発生する時刻t0以前における半導体電力変換器21−1および21−2は、半導体電力変換器21−1および21−2内の各ダイオードDが機能することにより、半導体電力変換器21−1および21−2そのものはダイオードとして動作する。この場合は、負荷電流iL、第1のインダクタ11を流れる電流ia Sおよび第2のインダクタ15を流れる電流ib Sは、いずれも500[A]となり、キルヒホッフの電流則より変換器電流ia HBおよびib HBはともに0[A]となる。したがって、直流側電源電圧Vdc、変換器電圧va HBおよび変換器電圧vb HBは等しくなり、いずれも15[kV]である。この間、各半導体電力変換器21−1および21−2内の直流コンデンサ32の電圧(Vdc/N)はそれぞれ1.5[kV]に充電される。 The semiconductor power converters 21-1 and 21-2 before the time t 0 when the short-circuit accident occurs are caused by the function of each diode D in the semiconductor power converters 21-1 and 21-2. -1 and 21-2 themselves operate as diodes. In this case, the load current i L , the current i a S flowing through the first inductor 11 and the current i b S flowing through the second inductor 15 are all 500 [A], and the converter current is determined by Kirchhoff's current law. i a HB and i b HB are both 0 [A]. Therefore, the DC side power supply voltage V dc , the converter voltage v a HB, and the converter voltage v b HB are equal, and all are 15 [kV]. During this time, the voltage (V dc / N) of the DC capacitor 32 in each of the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 is charged to 1.5 [kV].

時刻t0において短絡事故が発生すると、電源電流iS、第1のインダクタ11を流れる電流ia S、第2のインダクタ15を流れる電流ib Sおよび負荷電流iLは1.5[kA/ms](=Vdc/2L1)の傾きで増加する。式3、式5および式6ならびに「ia HB=ib HB=0」の関係式より、変換器電圧va HBおよびvb HBはVdc/2に減少する。 When a short circuit accident occurs at time t 0 , the power source current i S , the current i a S flowing through the first inductor 11, the current i b S flowing through the second inductor 15, and the load current i L are 1.5 [kA / ms] (= V dc / 2L 1 ). From Equations 3, 5, and 6 and the relational expression “i a HB = i b HB = 0”, the converter voltages v a HB and v b HB are reduced to V dc / 2.

時刻t1において、機械的遮断器14に開極指令を与える。同時に、機械的遮断器14に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を半導体電力変換器21−1および21−2に出力させる電力変換指令を出力する。これにより半導体電力変換器21−1および21−2内の半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sは受信した電力変換指令に基づいてPWMスイッチング動作を行う。なお、本シミュレーションでは、PWM動作開始および開極指令受信から機械的遮断器14の開極完了までの時間「t2−t1」を1.5[ms]と設定した。図14に示すように、電流制御適用後0.35[ms]で、負荷電流iLはゼロとなり、第1のインダクタ11を流れる電流ia Sと変換器電流ia HBは等しくなり、また第2のインダクタ15を流れる電流ib Sと変換器電流ib HBとは等しくなるので、機械的遮断器14により電流路の遮断が可能な状態となる。キルヒホッフの電流則より「is=ia S+ib S」であるため、電源電流iSの電流増加率は、第1のインダクタ11を流れる電流ia Sの電流増加率(もしくは第2のインダクタ15を流れる電流ib Sの電流増加率)の2倍(=3.0[kA/ms])となる。変換器電力pHBは常に正であるので、直流コンデンサ32の電圧va C1は増加し、最終的には非線形抵抗33の動作電圧VRである2[kV]でクランプされる。 At time t 1 , an opening command is given to the mechanical circuit breaker 14. At the same time, a power conversion command for causing the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 to output a direct current that converges the current flowing through the mechanical circuit breaker 14 to zero is output. Thereby, the semiconductor switching element S of the semiconductor switch in the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 performs a PWM switching operation based on the received power conversion command. In this simulation, the time “t 2 −t 1 ” from the start of PWM operation and reception of the opening command to the completion of opening of the mechanical circuit breaker 14 is set to 1.5 [ms]. As shown in FIG. 14, at 0.35 [ms] after application of current control, the load current i L becomes zero, the current i a S flowing through the first inductor 11 and the converter current i a HB become equal, and Since the current i b S flowing through the second inductor 15 and the converter current i b HB are equal, the mechanical circuit breaker 14 can cut off the current path. According to Kirchhoff's current law, “i s = i a S + i b S ”, the current increase rate of the power source current i S is the current increase rate of the current i a S flowing through the first inductor 11 (or the second rate). Twice the current i b S flowing through the inductor 15 (= 3.0 [kA / ms]). Since converter power p HB is always positive, the voltage v a C1 of the DC capacitor 32 increases and is eventually clamped by 2 [kV] is the operating voltage V R of the non-linear resistor 33.

時刻t2において機械的遮断器14の開極動作が完了し、同時に半導体電力変換器21−1および21−2内の全ての半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sをターンオフする。第1のインダクタ11を流れる電流ia S、第2のインダクタ15を流れる電流ib S、変換器電流ia HBおよび変換器電流ib HBは一次関数的に減少し、時刻t3においてゼロとなる。本シミュレーション結果によれば、短絡事故発生から電流遮断完了までの所要時間「t3−t0」は4.5[ms]であり、回路遮断器1により高速遮断を実現できることがわかる。 Opening operation of the mechanical breaker 14 is completed at time t 2, the turning off the semiconductor switching element S of all the semiconductor switches of the semiconductor power converter 21-1 and 21-2 at the same time. The current i a S flowing through the first inductor 11, the current i b S flowing through the second inductor 15, the converter current i a HB and the converter current i b HB decrease linearly and become zero at time t 3 . It becomes. According to this simulation result, it can be seen that the required time “t 3 −t 0 ” from the occurrence of a short-circuit accident to the completion of current interruption is 4.5 [ms], and the circuit breaker 1 can realize high-speed interruption.

図15は、本発明の第1の実施例による回路遮断器を図12(B)のシミュレーション回路にて動作させた場合のシミュレーション波形を示す図である。回路遮断器1に回生負荷(7.5[MW])を接続したときに時刻t0の時点で回路遮断器1の至近端で短絡事故が発生した場合を考える。 FIG. 15 is a diagram showing simulation waveforms when the circuit breaker according to the first embodiment of the present invention is operated by the simulation circuit of FIG. Consider a case where a short circuit accident occurs at the closest end of the circuit breaker 1 at time t 0 when a regenerative load (7.5 [MW]) is connected to the circuit breaker 1.

本シミュレーションでは回生負荷を想定しているため、短絡事故が発生する時刻t0以前の正常時は電源電流iSおよび負荷電流iLはともに−500[A]となる。各部波形は、図14と同様となる。本シミュレーション結果によれば、短絡事故発生から電流遮断完了までの所要時間「t3−t0」は5.2[ms]であり、回路遮断器1により高速遮断を実現できることがわかる。 Since a regenerative load is assumed in this simulation, both the power source current i S and the load current i L are −500 [A] when normal before time t 0 when a short circuit accident occurs. The waveform of each part is the same as in FIG. According to this simulation result, it can be seen that the required time “t 3 −t 0 ” from the occurrence of the short-circuit accident to the completion of current interruption is 5.2 [ms], and the circuit breaker 1 can realize high-speed interruption.

次に、本発明の第2の実施例について説明する。図16は、本発明の第2の実施例による回路遮断器における半導体電力変換器を説明する回路図である。上述の第1の実施例による回路遮断器1は、適用される直流給電システムに対して第1のユニット12および第2のユニット13が並列になるよう設置されたが、本発明の第2の実施例による回路遮断器2は、直流給電システムに対して第1のユニット12および第2のユニット13が直列になるよう設置される。本発明の第2の実施例による回路遮断器2は、第1の実施例同様、第1のインダクタ11と、第1のユニット12と、第2のユニット13と、機械的遮断器14と、第2のインダクタ15と、を備える。互いに直列接続された第1のインダクタ11および第2のユニット13の組と、互いに直列接続された第1のユニット12および第2のインダクタ15の組と、機械的遮断器14とは、並列に接続される。以下、各構成について説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 16 is a circuit diagram illustrating a semiconductor power converter in a circuit breaker according to a second embodiment of the present invention. The circuit breaker 1 according to the first embodiment described above is installed so that the first unit 12 and the second unit 13 are in parallel to the applied DC power supply system. The circuit breaker 2 according to the embodiment is installed such that the first unit 12 and the second unit 13 are in series with respect to the DC power supply system. As in the first embodiment, the circuit breaker 2 according to the second embodiment of the present invention includes a first inductor 11, a first unit 12, a second unit 13, a mechanical circuit breaker 14, A second inductor 15. A set of first inductor 11 and second unit 13 connected in series with each other, a set of first unit 12 and second inductor 15 connected in series with each other, and mechanical breaker 14 are connected in parallel. Connected. Each configuration will be described below.

事故電流制限用インダクタとして機能する第1のインダクタ11は、一端に第1の外部接続端子T1を有する。第1の外部接続端子T1には電源側の回路が接続される。また、本発明の第2の実施例では、第1の外部接続端子T1の極性とは反対側の端子として第3のグランド端子G3が設けられる。第1のインダクタ11の構成については第1の実施例において説明したものと同様である。 The first inductor 11 functioning as an accident current limiting inductor has a first external connection terminal T 1 at one end. A circuit on the power supply side is connected to the first external connection terminal T 1 . In the second embodiment of the present invention, the third ground terminal G 3 is provided as a terminal opposite to the polarity of the first external connection terminal T 1 . The configuration of the first inductor 11 is the same as that described in the first embodiment.

第1のユニット12は、第1の実施例の場合と同様、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器21−1と、該半導体電力変換器21−1に対して直列に接続される電流制御用インダクタ22−1とからなる。第1のインダクタ11の、第1の外部接続端子T1とは反対側の端子Q1に、第1のユニット12は接続される。すなわち、半導体電力変換器21−1は、第1のインダクタ11と機械的遮断器14との接続点Q1から分岐した配線上に、単独でもしくは複数個が互いにカスケード接続された状態で設けられる。また、本発明の第2の実施例では、第1のユニット12の、第1のインダクタ11および第1のユニット12が接続される側(すなわち接続点Q1がある側)とは反対側の端子を、第3の外部接続端子T3とする。第3の外部接続端子T3には負荷側の回路が接続される。なお、第3の外部接続端子T3の極性とは反対側の端子として第4のグランド端子G4が設けられるが、本発明の第2の実施例では第3のグランド端子G3と第4のグランド端子G4とが同電位となる。第1のユニット12の構成については第1の実施例において説明したものと同様である。 As in the case of the first embodiment, the first unit 12 includes one or a plurality of semiconductor power converters 21-1 connected in cascade with each other, and the semiconductor power converter 21-1 in series. The current control inductor 22-1 is connected. The first unit 12 is connected to a terminal Q 1 of the first inductor 11 opposite to the first external connection terminal T 1 . That is, the semiconductor power converter 21-1 is provided on the wiring branched from the connection point Q 1 between the first inductor 11 and the mechanical circuit breaker 14, either alone or in a state in which a plurality are cascade-connected to each other. . In the second embodiment of the present invention, the first unit 12, opposite to the first inductor 11 and the first side unit 12 is connected (i.e., the side where the connecting point Q 1) The terminal is referred to as a third external connection terminal T 3 . Circuit on the load side is connected to the third external connection terminal T 3. The fourth ground terminal G 4 is provided as a terminal opposite to the polarity of the third external connection terminal T 3. In the second embodiment of the present invention, the third ground terminal G 3 and the fourth ground terminal G 4 are provided. The ground terminal G 4 has the same potential. The configuration of the first unit 12 is the same as that described in the first embodiment.

第2のユニット13は、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器21−2と、該半導体電力変換器21−2に対して直列に接続される電流制御用インダクタ22−2とからなる。第2のユニット13は、その一端が第1の外部接続端子T1に接続される。第2のユニット13の構成については第1の実施例において説明したものと同様である。 The second unit 13 includes one or a plurality of semiconductor power converters 21-2 cascade-connected to each other, and a current control inductor 22-2 connected in series to the semiconductor power converter 21-2. It consists of. One end of the second unit 13 is connected to the first external connection terminal T 1 . The configuration of the second unit 13 is the same as that described in the first embodiment.

第1の実施例の場合と同様、半導体電力変換器21−1が1個の場合は電流制御用インダクタ22−1が接続される側を「第1の直流側」と称し、複数個の半導体電力変換器21−1が互いにカスケード接続される場合は当該半導体電力変換器21−1とは異なる他の半導体電力変換器21−1が接続される側を同じく「第1の直流側」と称する。また、「第1の直流側」とは反対側の直流側を、「第2の直流側」と称する。半導体電力変換器21−2についても同様である。   As in the case of the first embodiment, when there is one semiconductor power converter 21-1, the side to which the current control inductor 22-1 is connected is referred to as a "first DC side", and a plurality of semiconductors When the power converters 21-1 are cascade-connected to each other, the side to which another semiconductor power converter 21-1 different from the semiconductor power converter 21-1 is connected is also referred to as “first DC side”. . The DC side opposite to the “first DC side” is referred to as a “second DC side”. The same applies to the semiconductor power converter 21-2.

一例として、図16では、複数個(N個、ただしNは2以上の整数)の半導体電力変換器21−1および21−2がそれぞれ第1の直流側にて互いにカスケード接続された場合を示している。カスケード接続する半導体電力変換器21−1および21−2の個数を適宜調整するだけで回路遮断器1の高耐圧化を容易に実現できる。半導体電力変換器21−1および21−2の構成については第1の実施例において説明したものと同様である。ただし、半導体電力変換器21−1および21−2内のエネルギー蓄積部32を直流コンデンサとした場合は、第1の実施例の場合とは異なり、初期充電回路(図示せず)を別途設ける必要がある。   As an example, FIG. 16 shows a case where a plurality (N, where N is an integer of 2 or more) semiconductor power converters 21-1 and 21-2 are cascade-connected to each other on the first DC side. ing. High voltage resistance of the circuit breaker 1 can be easily realized only by appropriately adjusting the number of semiconductor power converters 21-1 and 21-2 connected in cascade. The configurations of the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 are the same as those described in the first embodiment. However, when the energy storage unit 32 in the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 is a DC capacitor, an initial charging circuit (not shown) needs to be provided separately, unlike the case of the first embodiment. There is.

第1の実施例の場合と同様、第1のユニット12において、電流制御用インダクタ22−1は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器21−1のうちのいずれかの半導体電力変換器21−1に直列に接続され、第2のユニット13において、電流制御用インダクタ22−2は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器21−2のうちのいずれかの半導体電力変換器21−2に直列に接続される。電流制御用インダクタ22−1および22−2の配置例については、図3を参照して説明した通りである。なお、半導体電力変換器21−1および21−2がそれぞれ1個の場合は、第1の実施例の場合と同様、電流制御用インダクタ22−1および22−2は単に当該半導体電力変換器21−1および21−2に直列にそれぞれ接続される。すなわち、第1の実施例の場合と同様、複数個の半導体電力変換器21−1および21−2がカスケード接続される場合および半導体電力変換器21−1および21−2が1個の場合いずれの場合であっても、電流制御用インダクタ22−1および22−2は、互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器21−1および21−2と同一の配線上のいずれかの位置に設けられることになる。   As in the case of the first embodiment, in the first unit 12, the current control inductor 22-1 is a semiconductor power conversion of any one of the plurality of semiconductor power converters 21-1 cascade-connected to each other. In the second unit 13, the current control inductor 22-2 is connected in series to the capacitor 21-1, and the semiconductor power conversion of any one of the plurality of semiconductor power converters 21-2 cascade-connected to each other. Connected in series to the device 21-2. The arrangement example of the current control inductors 22-1 and 22-2 is as described with reference to FIG. In addition, when the number of the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 is one, the current control inductors 22-1 and 22-2 are simply the semiconductor power converter 21 as in the case of the first embodiment. -1 and 21-2 are connected in series, respectively. That is, as in the case of the first embodiment, when a plurality of semiconductor power converters 21-1 and 21-2 are cascade-connected and when there is one semiconductor power converter 21-1 and 21-2, either Even in this case, the current control inductors 22-1 and 22-2 are located at any position on the same wiring as the plurality of semiconductor power converters 21-1 and 21-2 cascade-connected to each other. Will be provided.

機械的遮断器14は、その一端が第1のインダクタ11と第1のユニット12との接続点Q1に接続される。また、機械的遮断器14の、第1のインダクタ11および第1のユニット12が接続される側(すなわち接続点Q1がある側)とは反対側の接続点Q2には、第2のユニット13の、第1の外部接続端子T1が接続される側とは反対側の端子が接続される。機械的遮断器14の構成については第1の実施例において説明したものと同様である。 One end of the mechanical circuit breaker 14 is connected to a connection point Q 1 between the first inductor 11 and the first unit 12. Further, the second connection point Q 2 of the mechanical circuit breaker 14 opposite to the side to which the first inductor 11 and the first unit 12 are connected (that is, the side having the connection point Q 1 ) A terminal of the unit 13 opposite to the side to which the first external connection terminal T 1 is connected is connected. The configuration of the mechanical circuit breaker 14 is the same as that described in the first embodiment.

事故電流制限用インダクタとして機能する第2のインダクタ15は、第1のユニット12の、第1のインダクタ11が接続される側(すなわち接続点Q1がある側)とは反対側にある第3の外部接続端子T3と、第2のユニット13の、第1の外部接続端子T1が接続される側とは反対側の端子Q2と、の間に接続される。第2のインダクタ15の構成については第1の実施例において説明したものと同様である。 The second inductor 15 that functions as the fault current limiting inductor is a third inductor 12 on the opposite side of the first unit 12 to the side to which the first inductor 11 is connected (that is, the side having the connection point Q 1 ). an external connection terminal T 3 of, the second unit 13, the opposite side of the terminal Q 2 is a first side on which the external connection terminal T 1 is connected, is connected between the. The configuration of the second inductor 15 is the same as that described in the first embodiment.

なお、上述の第2の実施例では、事故電流制限用インダクタとしてそれぞれ機能する第1のインダクタ11および第2のインダクタ15を、それぞれ別個独立した非結合インダクタとして構成したが、この変形例として、図4に示すようにこれらを結合インダクタ16として構成してもよい。図4に示すように第1のインダクタ11および第2のインダクタ15を結合インダクタ16として構成すれば、別個独立の第1のインダクタ11および第2のインダクタ15を構成する場合に比べて必要鉄心数を2個から1個に低減することができる。   In the second embodiment described above, the first inductor 11 and the second inductor 15 each functioning as an accident current limiting inductor are configured as independent and independent uncoupled inductors. These may be configured as a coupled inductor 16 as shown in FIG. If the first inductor 11 and the second inductor 15 are configured as the coupled inductor 16 as shown in FIG. 4, the required number of iron cores is required as compared with the case where the first and second inductors 11 and 15 are configured separately. Can be reduced from two to one.

本発明の第2の実施例では、上述のように第1のインダクタ11、第1のユニット12、第2のユニット13、機械的遮断器14および第2のインダクタ15を結線することにより、互いに直列接続された第1のインダクタ11および第2のユニット13の組と、互いに直列接続された第1のユニット12および第2のインダクタ15の組と、機械的遮断器14とが、並列に接続された構成となる。なお、回路遮断器2は直流遮断器として動作するほかに交流遮断器としても動作可能であり、この場合は、端子G3は第1の外部接続端子T1の極性とは反対の極性を有する端子となり、端子G4は第2の外部接続端子T2の極性とは反対の極性を有する端子となる。 In the second embodiment of the present invention, the first inductor 11, the first unit 12, the second unit 13, the mechanical circuit breaker 14, and the second inductor 15 are connected to each other as described above. A set of the first inductor 11 and the second unit 13 connected in series, a set of the first unit 12 and the second inductor 15 connected in series with each other, and the mechanical circuit breaker 14 are connected in parallel. It becomes the composition which was done. The circuit breaker 2 can operate as an AC circuit breaker in addition to operating as a DC circuit breaker. In this case, the terminal G 3 has a polarity opposite to the polarity of the first external connection terminal T 1. The terminal G 4 is a terminal having a polarity opposite to the polarity of the second external connection terminal T 2 .

なお、図16に示す例では、第1の外部接続端子T1および第3のグランド端子G3からなる側を電源側とし、第3の外部接続端子T3および第4のグランド端子G4からなる側を負荷側としたが、この変形例として、第1の外部接続端子T1および第3のグランド端子G3からなる側を負荷側とし、第3の外部接続端子T3および第4のグランド端子G4からなる側を電源側としてもよい。 In the example shown in FIG. 16, the side including the first external connection terminal T 1 and the third ground terminal G 3 is the power supply side, and the third external connection terminal T 3 and the fourth ground terminal G 4 However, as a modified example, the side formed by the first external connection terminal T 1 and the third ground terminal G 3 is the load side, and the third external connection terminal T 3 and the fourth side side consisting of the ground terminal G 4 may be a power supply side.

ここで、電源側直流電圧をVdc、負荷電圧をvL、機械的遮断器14の両端に現れる電圧をvCBで表す。また、半導体電力変換器21−1のN個カスケード接続される側の半導体電力変換器21−1の合計電圧をva HB、半導体電力変換器21−2のN個カスケード接続される側の半導体電力変換器21−2の合計電圧をvb HBで表す。また、各半導体電力変換器21−1に並列に接続された直流コンデンサの電圧をそれぞれva C1、・・・、va CNで表し、各半導体電力変換器21−2に並列に接続された直流コンデンサの電圧をそれぞれvb C1、・・・、vb CNで表す(ただし、Nは自然数)。また、第1の外部接続端子T1から回路遮断器2へ流れ込む電源電流をiSとし、第1の外部接続端子T1から接続点Q1に流れる電流をia Sとし、接続点Q1から半導体電力変換器21−1へ流れる電流を変換器電流ia HBとし、第1の外部接続端子T1から接続点Q2に流れる電流を変換器電流ib HBとし、接続点Q2から第3の外部接続端子T3に流れる電流をib Sとする。また、接続点Q1から接続点Q3に流れる電流(すなわち機械的遮断器14を流れる電流)については「iL」と表記するが、説明を簡明にするために、第2の実施例でも機械的遮断器14を流れる電流「iL」を「負荷電流」と呼称する。また、上述の通り第3のグランド端子G3と第4のグランド端子G4とは同電位となる。なお、図中の電圧および電流については、それぞれ矢印の向きを正としている。 Here, the power source side DC voltage is represented by V dc , the load voltage is represented by v L , and the voltage appearing at both ends of the mechanical circuit breaker 14 is represented by v CB . The total voltage v a HB semiconductor power converter 21-1 of N cascaded by the side of the semiconductor power converter 21-1, the N semiconductor power converter 21-2 cascaded by side semiconductor The total voltage of the power converter 21-2 is represented by v b HB . Moreover, the voltage of the DC capacitor connected in parallel to each semiconductor power converter 21-1 is represented by v a C1 ,..., V a CN , respectively, and connected to each semiconductor power converter 21-2 in parallel. The voltage of the DC capacitor is represented by v b C1 ,..., V b CN (where N is a natural number). Further, the power source current flowing from the first external connection terminal T 1 to the circuit breaker 2 is i S , the current flowing from the first external connection terminal T 1 to the connection point Q 1 is i a S , and the connection point Q 1 the current flowing to the semiconductor power converter 21-1 and the converter current i a HB, the current flowing through the first external connection terminal T 1 to the connection point Q 2 and the converter current i b HB, from the connection point Q 2 from The current flowing through the third external connection terminal T 3 is i b S. In addition, the current flowing from the connection point Q 1 to the connection point Q 3 (that is, the current flowing through the mechanical circuit breaker 14) is expressed as “i L ”. However, in order to simplify the description, the second embodiment is also used. The current “i L ” flowing through the mechanical circuit breaker 14 is referred to as “load current”. Further, as described above, the third ground terminal G 3 and the fourth ground terminal G 4 have the same potential. For the voltage and current in the figure, the direction of the arrow is positive.

本発明の第2の実施例による回路遮断器2の制御系は、図5を参照して説明した第1の実施例による回路遮断器1の制御系と同様の構成を有する。この制御系の下、本発明の第2の実施例による回路遮断器2の動作も、図6を参照して説明した第1の実施例による回路遮断器1の動作フローと同様に動作する。すなわち、時刻t0で負荷側に地絡もしくは短絡の事故が発生して過電流が発生し、時刻t1において機械的遮断器14に開極指令を与えると同時に各半導体電力変換器21−1および21−2内のDCDCコンバータ31の電力変換動作を開始させる。また、時刻t2において機械的遮断器14の開極動作が完了すると同時に全ての半導体スイッチの半導体スイッチング素子Sをターンオフし、時刻t3において電源電流iSと変換器電流ia HBおよびib HBがゼロとなり電流遮断が完了する。より詳しくは次の通りである。 The control system of the circuit breaker 2 according to the second embodiment of the present invention has the same configuration as the control system of the circuit breaker 1 according to the first embodiment described with reference to FIG. Under this control system, the circuit breaker 2 according to the second embodiment of the present invention operates in the same manner as the operation flow of the circuit breaker 1 according to the first embodiment described with reference to FIG. That is, a ground fault or short circuit accident occurs at the load side at time t 0 and an overcurrent is generated. At time t 1 , an opening command is given to the mechanical circuit breaker 14 and at the same time, each semiconductor power converter 21-1. And the power conversion operation | movement of the DCDC converter 31 in 21-2 is started. At the time t 2 , the opening operation of the mechanical circuit breaker 14 is completed and the semiconductor switching elements S of all the semiconductor switches are turned off. At the time t 3 , the power source current i S and the converter currents i a HB and i b are turned off. HB becomes zero and current interruption is completed. More details are as follows.

短絡事故が発生する時刻t0以前の正常時の回路遮断器2の動作は、第1の実施例による回路遮断器1の動作と同じである。すなわち正常時では機械的遮断器14はオンされて電源側から負荷側に電力が供給される。このとき、半導体電力変換器21−1および21−2内の各ダイオードDが機能することにより、半導体電力変換器21−1および21−2そのものはダイオードとして動作する。この場合、変換器電流ia HBおよびib HBはゼロとなる。つまり、短絡事故が発生する時刻t0以前の正常時では、第1の外部接続端子T1から流入した電流は、第1のインダクタ11、閉路した機械的遮断器14、および第2のインダクタ15を順次経由して、第3の外部接続端子T3から流出する。したがって、短絡事故が発生する時刻t0以前の正常時では、電源電流iSと、負荷電流iLと、第1のインダクタ11を流れる電流ia Sと、第2のインダクタ15を流れる電流ib Sとは全て同一となる。すなわち、短絡事故が発生する時刻t0以前の正常時における機械的遮断器14を流れる電流iLは、上記呼称の通りの「負荷電流」となる。なお、第1の実施例と同様、電源側直流電圧Vdcと半導体電力変換器21−1および21−2内の直流コンデンサ電圧vC(=vC1=vCN)は式1の関係を満足する必要がある。 The normal operation of the circuit breaker 2 before time t 0 when the short circuit accident occurs is the same as the operation of the circuit breaker 1 according to the first embodiment. That is, at the normal time, the mechanical circuit breaker 14 is turned on and power is supplied from the power source side to the load side. At this time, the diodes D in the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 function, so that the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 themselves operate as diodes. In this case, the converter currents i a HB and i b HB are zero. That is, in a normal state before time t 0 when a short circuit accident occurs, the current flowing from the first external connection terminal T 1 is the first inductor 11, the closed mechanical circuit breaker 14, and the second inductor 15. the via sequentially flows from the third external connection terminal T 3. Therefore, at the normal time before the time t 0 when the short circuit accident occurs, the power source current i S , the load current i L , the current i a S flowing through the first inductor 11, and the current i flowing through the second inductor 15 are detected. b S is all the same. In other words, the current i L flowing through the mechanical circuit breaker 14 at the normal time before the time t 0 when the short circuit accident occurs becomes the “load current” as described above. As in the first embodiment, the power source side DC voltage V dc and the DC capacitor voltage v C (= v C1 = v CN ) in the semiconductor power converters 21-1 and 21-2 satisfy the relationship of Equation 1. There is a need to.

時刻t0で過電流検知部41が過電流の発生を検知した直後の回路遮断器2の動作も、第1の実施例による回路遮断器1の動作と同じである。このとき、電源電流iS、第1のインダクタ11を流れる電流ia S、第2のインダクタ15を流れる電流ib Sおよび負荷電流iLは式3に示すように「Vdc/2L1」の傾きで1次関数的に増加する。 The operation of the circuit breaker 2 immediately after the overcurrent detector 41 detects the occurrence of overcurrent at time t 0 is the same as the operation of the circuit breaker 1 according to the first embodiment. At this time, the power source current i S , the current i a S flowing through the first inductor 11, the current i b S flowing through the second inductor 15, and the load current i L are “V dc / 2L 1 ” as shown in Equation 3. It increases in a linear function with the slope of.

時刻t1から時刻t2までの間の回路遮断器2の動作も、第1の実施例による回路遮断器1の動作と同じである。すなわち、図11を参照して説明した変換器電流を制御するための電力変換指令の生成原理を適用することで、変換器電流ia HBを第1のインダクタ11を流れる電流ia Sに一致させ、変換器電流ib HBを第2のインダクタ15を流れる電流ib Sに一致させる制御を行い、負荷電流iLがゼロになるようにする。 The operation of the circuit breaker 2 between time t 1 and time t 2 is the same as the operation of the circuit breaker 1 according to the first embodiment. That is, by applying the generation principle of the power conversion command for controlling the converter current described with reference to FIG. 11, the converter current i a HB matches the current i a S flowing through the first inductor 11. The converter current i b HB is controlled to coincide with the current i b S flowing through the second inductor 15 so that the load current i L becomes zero.

時刻t2で機械的遮断器12の開極動作が完了したときの回路遮断器2の動作も、第1の実施例による回路遮断器1の動作と同じである。すなわち半導体電力変換器21−1および21−2内のDCDCコンバータ31内の全ての半導体スイッチング素子Sをオフすることで、第1のインダクタ11および電流制御用インダクタ22−1の蓄積エネルギーは、半導体電力変換器21−1内において帰還ダイオードDを介して直流コンデンサ32および非線形抵抗33に放出され、第2のインダクタ15および電流制御用インダクタ22−2の蓄積エネルギーは、半導体電力変換器21−2内において帰還ダイオードDを介して直流コンデンサ32および非線形抵抗33に放出される。この期間において成立する電圧方程式や電流の関係式は、第1の実施例の場合と同一である。 The operation of the circuit breaker 2 when the opening operation of the mechanical circuit breaker 12 is completed at time t 2 is the same as the operation of the circuit breaker 1 according to the first embodiment. That is, by turning off all the semiconductor switching elements S in the DCDC converter 31 in the semiconductor power converters 21-1 and 21-2, the accumulated energy of the first inductor 11 and the current control inductor 22-1 is changed to the semiconductor. In the power converter 21-1, the energy stored in the second inductor 15 and the current control inductor 22-2 is discharged to the DC capacitor 32 and the non-linear resistor 33 via the feedback diode D. The semiconductor power converter 21-2 Inside, it is discharged to the DC capacitor 32 and the non-linear resistance 33 via the feedback diode D. The voltage equation and current relational expression established during this period are the same as those in the first embodiment.

1、2 回路遮断器
11 第1のインダクタ
12 第1のユニット
13 第2のユニット
14 機械的遮断器
15 第2のインダクタ
21−1、21−2 半導体電力変換器
22−1、22−2 電流制御用インダクタ
31 DCDCコンバータ
32 エネルギー蓄積部
33 非線形抵抗
41 過電流検出部
42 制御部
51 第1の指令手段
52 第2の指令手段
53 第3の指令手段
1 第1のグランド端子
2 第2のグランド端子
3 第3のグランド端子
4 第4のグランド端子
1 第1の外部接続端子
2 第2の外部接続端子
3 第3の外部接続端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Circuit breaker 11 1st inductor 12 1st unit 13 2nd unit 14 Mechanical circuit breaker 15 2nd inductor 21-1, 21-2 Semiconductor power converter 22-1, 22-2 Current Control inductor 31 DCDC converter 32 Energy storage unit 33 Non-linear resistance 41 Overcurrent detection unit 42 Control unit 51 First command means 52 Second command means 53 Third command means G 1 First ground terminal G 2 Second Ground terminal G3 third ground terminal G4 fourth ground terminal T1 first external connection terminal T2 second external connection terminal T3 third external connection terminal

Claims (7)

第1の外部接続端子を有する第1のインダクタと、
1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、該半導体電力変換器に対して直列に接続される電流制御用インダクタと、からなる第1のユニットであって、前記第1のインダクタの前記第1の外部接続端子とは反対側の端子に接続される第1のユニットと、
1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、該半導体電力変換器に対して直列に接続される電流制御用インダクタと、からなる第2のユニットであって、前記第1の外部接続端子に一端が接続される第2のユニットと、
前記第1のインダクタと前記第1のユニットとの接続点に一端が接続される機械的遮断器と、
前記第1のユニットの前記第1のインダクタが接続される側とは反対側の端子と、前記第2のユニットの前記第1の外部接続端子が接続される側とは反対側の端子と、の間に接続される第2のインダクタと、
前記回路遮断器に接続された外部配線上において過電流が発生したか否かを検知する過電流検知部と、
前記機械的遮断器に対する開極動作および前記半導体電力変換器の電力変換動作を制御する制御部と、
を備え
前記制御部は、
前記過電流検知部が過電流を検知したとき、前記機械的遮断器に対して開極動作の開始を指令する開極指令を出力する第1の指令手段と、
前記開極指令が出力されてから前記機械的遮断器の開極動作が完了するまでの間に前記機械的遮断器に流れる電流をゼロに収束させる直流電流を、前記半導体電力変換器に出力させる電力変換指令を出力する第2の指令手段と、
前記機械的遮断器の開極動作が完了した時に、前記半導体電力変換器内の前記半導体スイッチをオフするオフ指令を出力する第3の指令手段と、
を有することを特徴とする回路遮断器。
A first inductor having a first external connection terminal;
A first unit comprising one or a plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other and a current control inductor connected in series to the semiconductor power converter, wherein the first unit A first unit connected to a terminal opposite to the first external connection terminal of the inductor;
A second unit comprising one or a plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other and a current control inductor connected in series to the semiconductor power converter, wherein the first unit A second unit having one end connected to the external connection terminal;
A mechanical circuit breaker having one end connected to a connection point between the first inductor and the first unit;
A terminal of the first unit opposite to the side to which the first inductor is connected; a terminal of the second unit opposite to the side to which the first external connection terminal is connected; A second inductor connected between,
An overcurrent detection unit for detecting whether an overcurrent has occurred on the external wiring connected to the circuit breaker;
A controller for controlling an opening operation for the mechanical circuit breaker and a power conversion operation of the semiconductor power converter;
Equipped with a,
The controller is
First instruction means for outputting an opening command for instructing the mechanical circuit breaker to start an opening operation when the overcurrent detection unit detects an overcurrent;
The semiconductor power converter is caused to output a direct current that converges the current flowing through the mechanical circuit breaker to zero during the period from when the opening instruction is output until the opening operation of the mechanical circuit breaker is completed. Second command means for outputting a power conversion command;
Third command means for outputting an off command to turn off the semiconductor switch in the semiconductor power converter when the opening operation of the mechanical circuit breaker is completed;
Circuit breaker according to claim Rukoto to have a.
互いに直列接続された前記第1のインダクタおよび前記第1のユニットの組と、互いに直列接続された前記第2のインダクタおよび前記第2のユニットの組とは、並列に接続され、
前記第1のユニットの前記第1のインダクタが接続される側とは反対側の端子を、前記第1の外部接続端子の極性とは反対の極性の端子または第1のグランド端子とし、
前記機械的遮断器の前記第1のインダクタおよび前記第1のユニットが接続される側とは反対側の端子を、第2の外部接続端子とし、
前記第2のユニットと前記第2のインダクタとの接続点を、前記第2の外部接続端子の極性とは反対の極性の端子または第2のグランド端子とする請求項1に記載の回路遮断器。
The set of the first inductor and the first unit connected in series with each other and the set of the second inductor and the second unit connected in series with each other are connected in parallel,
The terminal on the opposite side to the side to which the first inductor of the first unit is connected is a terminal having a polarity opposite to the polarity of the first external connection terminal or a first ground terminal,
A terminal on the opposite side to the side to which the first inductor and the first unit of the mechanical circuit breaker are connected is a second external connection terminal,
2. The circuit breaker according to claim 1, wherein a connection point between the second unit and the second inductor is a terminal having a polarity opposite to a polarity of the second external connection terminal or a second ground terminal. .
互いに直列接続された前記第1のインダクタおよび前記第2のユニットの組と、互いに直列接続された前記第1のユニットおよび前記第2のインダクタの組と、前記機械的遮断器とは、並列に接続され、
前記第1のユニットと前記第2のインダクタとの接続点を、第3の外部接続端子とし、
前記回路遮断器は、前記第1の外部接続端子の極性とは反対側の端子もしくは第3のグランド端子と、前記第3の外部接続端子の極性とは反対側の端子もしくは第4のグランド端子とを備える請求項1に記載の回路遮断器。
The set of the first inductor and the second unit connected in series with each other, the set of the first unit and the second inductor connected in series with each other, and the mechanical circuit breaker in parallel Connected,
A connection point between the first unit and the second inductor is a third external connection terminal,
The circuit breaker includes a terminal or third ground terminal opposite to the polarity of the first external connection terminal, and a terminal or fourth ground terminal opposite to the polarity of the third external connection terminal. A circuit breaker according to claim 1.
前記第1のユニットおよび前記第2のユニットにおいて、前記電流制御用インダクタは、互いにカスケード接続された複数個の前記半導体電力変換器のうちのいずれかの半導体電力変換器に直列に接続される請求項1〜3のいずれか一項に記載の回路遮断器。   In the first unit and the second unit, the current control inductor is connected in series to any one of the plurality of semiconductor power converters cascade-connected to each other. Item 4. The circuit breaker according to any one of Items 1 to 3. 前記半導体電力変換器は、
内部に設けられた半導体スイッチを指令に応じてスイッチング動作させることにより、第1の直流側および第2の直流側のうち一方から入力された直流電流を所望の大きさおよび極性の直流電流に変換してもう一方に出力するDCDCコンバータであって、直流電流の入出力方向を前記第1の直流側と前記第2の直流側との間で双方向に切換え可能なDCDCコンバータと、
前記第2のインダクタまたは当該半導体電力変換器とは異なる他の前記半導体電力変換器が接続される前記第1の直流側、とは反対側の前記第2の直流側に並列に接続されるエネルギー蓄積部と、
前記エネルギー蓄積部に並列に接続され、前記エネルギー蓄積部に印加された直流電圧が、予め設定された電圧以下の場合は所定の抵抗値を示し、それ以外の場合は前記所定の抵抗値よりも低い抵抗値を示す非線形抵抗と、
を有する請求項1〜4のいずれか一項に記載の回路遮断器。
The semiconductor power converter is
A DC current input from one of the first DC side and the second DC side is converted into a DC current of a desired magnitude and polarity by switching the semiconductor switch provided inside according to a command. A DCDC converter that outputs to the other side, and is capable of bidirectionally switching a DC current input / output direction between the first DC side and the second DC side;
Energy connected in parallel to the second DC side opposite to the first DC side to which the second inductor or another semiconductor power converter different from the semiconductor power converter is connected A storage unit;
The DC voltage connected in parallel to the energy storage unit and applied to the energy storage unit indicates a predetermined resistance value when the voltage is equal to or lower than a preset voltage, and in other cases than the predetermined resistance value A non-linear resistance exhibiting a low resistance value;
The circuit breaker according to claim 1, comprising:
前記半導体スイッチは、
オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、
を有する請求項1〜のいずれか一項に記載の回路遮断器。
The semiconductor switch is
A semiconductor switching element that allows current to flow in one direction when on,
A feedback diode connected in antiparallel to the semiconductor switching element;
The circuit breaker according to any one of claims 1 to 5 .
前記機械的遮断器は、固定接触子と、前記固定接触子に接触する閉路位置と前記固定接触子から分離される開路位置との間を移動可能な可動接触子と、を有し、指令に応じて前記可動接触子が前記開路位置に移動することにより開極して電流路を遮断する請求項1〜のいずれか一項に記載の回路遮断器。 The mechanical circuit breaker includes a fixed contact, and a movable contact that is movable between a closed position that contacts the fixed contact and an open position that is separated from the fixed contact. The circuit breaker according to any one of claims 1 to 6 , wherein the movable contact is moved to the open circuit position to open a pole to interrupt a current path.
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