JP6430294B2 - DC breaker - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、直流送電系統の事故点を切り離す直流遮断装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a DC interrupter that isolates an accident point in a DC power transmission system.
環境への負荷低減や、電源の多様化といった観点から、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーの普及が進んでいる。また、それら電源の大規模化が進んでおり、例えば、洋上での風力発電や、砂漠地帯での太陽光又は太陽熱発電などが実用化され始めている。洋上や砂漠は、電力需要地となる都市部から地理的に離れていることが多く、送電距離が長くなる。このような長距離の送電には、一般的に用いられている交流送電システムに代わって、高圧直流送電(HVDC;high-voltage, direct current)が適用されることがある。 Renewable energy such as wind power generation and solar power generation is spreading from the viewpoint of reducing environmental load and diversifying power sources. Further, the scale of these power sources is increasing, and for example, wind power generation on the ocean, sunlight or solar thermal power generation in the desert area, etc. are beginning to be put into practical use. Oceans and deserts are often geographically distant from the urban areas where power is demanded, increasing the transmission distance. For such long-distance power transmission, high-voltage direct current (HVDC) may be applied instead of a commonly used AC power transmission system.
HVDCは、長距離大電力送電に適用した場合に、従来の交流送電システムに比べて、低コストで送電損失が少ないシステムを構築することが可能である。しかしながら、HVDCにおいては、落雷等に起因する系統事故が生じた場合、事故点を切り離すことが容易ではない。というのも、交流では、電流が周波数50Hzまたは60Hzの半サイクルごとにゼロを横切る点で電流遮断ができるが、直流電流では電流がゼロを横切る点がない。そのため、系統に設けられた断路器の接点を単に切り離しても、接点間にアークが生じて電流が流れ続けてしまう。 When HVDC is applied to long-distance high-power power transmission, it is possible to construct a system with lower transmission loss and lower cost than conventional AC power transmission systems. However, in HVDC, when a system fault caused by lightning strikes or the like occurs, it is not easy to isolate the fault point. This is because, in alternating current, the current can be cut off at a point where the current crosses zero every half cycle at a frequency of 50 Hz or 60 Hz, but in direct current, there is no point where the current crosses zero. Therefore, even if the contact of the disconnector provided in the system is simply disconnected, an arc is generated between the contacts and current continues to flow.
そこで、機械式断路器の代わりに半導体遮断器を用いることで、高速遮断を行うことが提案されている。しかしながら、半導体遮断器を送電系統に直列に接続すると、導通損失が発生して送電効率の低下を招く可能性がある。そこで、機械式断路器に対して半導体遮断器を並列に接続した構成の直流遮断装置が提案されている。半導体遮断器に対しては、複数のスイッチング素子及びコンデンサを有するHブリッジ回路が直列に接続されている。事故時に、Hブリッジ回路を用いて出力電圧制御を行い、並列回路に電流を誘導して、半導体遮断器により高速に電流遮断を行う。 Thus, it has been proposed to perform high-speed disconnection by using a semiconductor circuit breaker instead of a mechanical disconnector. However, when a semiconductor breaker is connected in series to the power transmission system, conduction loss may occur, leading to a decrease in power transmission efficiency. Therefore, a DC circuit breaker having a configuration in which a semiconductor circuit breaker is connected in parallel to a mechanical disconnector has been proposed. An H bridge circuit having a plurality of switching elements and capacitors is connected in series to the semiconductor circuit breaker. In the event of an accident, output voltage control is performed using an H-bridge circuit, current is induced in a parallel circuit, and current interruption is performed at high speed by a semiconductor breaker.
上述した、並列回路を設けた直流遮断装置は、通常時に電流は機械式断路器のみを通過するため、半導体遮断器による導通損失を防ぐことができる。しかしながら、並列回路に設けた半導体遮断器は、時間経過と共に増大する事故電流を最終的に遮断する必要があり、大電流容量のものを用いる必要がある。そして、並列回路に設けるHブリッジ回路も半導体遮断器と同一の大電流容量を有する半導体素子で構成する必要があり、設備容量の増加やコスト増加を招く可能性があった。 The DC breaker provided with the parallel circuit described above can prevent conduction loss due to the semiconductor breaker because the current passes only through the mechanical disconnector during normal operation. However, the semiconductor circuit breaker provided in the parallel circuit needs to finally cut off the accident current that increases with time, and it is necessary to use one having a large current capacity. The H bridge circuit provided in the parallel circuit also needs to be configured by a semiconductor element having the same large current capacity as that of the semiconductor circuit breaker, which may increase the equipment capacity and cost.
本実施形態は、上述の問題を鑑み、事故電流を高速に遮断する機能を有しながら、設備容量や導通損失を低減し、高効率かつ低コストの直流遮断装置を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, the present embodiment aims to provide a high-efficiency and low-cost DC interrupting device that reduces facility capacity and conduction loss while having a function of interrupting an accident current at high speed. .
上記目的を達成するために、実施形態の直流遮断装置は、直流送電系統に設けられる機械式断路器と、前記直流送電系統に設けられ、前記機械式断路器に直列に接続される機械式遮断器と、前記機械式断路器及び前記機械式遮断器に並列に接続され、前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器と、当該半導体遮断器に直列に接続されたリアクトルと、を備えた並列回路と、前記機械式断路器及び前記機械式遮断器の間の一点と、前記半導体遮断器及び前記リアクトルの間の一点を接続し、複数のスイッチング素子及びコンデンサからなるHブリッジユニットを備え、出力電圧制御により前記機械式遮断器に流れる電流を制御するHブリッジ回路と、を有する。 In order to achieve the above object, a DC interrupting device according to an embodiment includes a mechanical disconnector provided in a DC power transmission system, and a mechanical interrupter provided in the DC power transmission system and connected in series to the mechanical disconnector. A semiconductor breaker that is connected in parallel to the mechanical disconnector and the mechanical breaker, and that switches between supply and interruption of current of the DC power transmission system, and a reactor that is connected in series to the semiconductor breaker, An H-bridge unit comprising a plurality of switching elements and capacitors, connecting a parallel circuit comprising: a single point between the mechanical disconnector and the mechanical breaker; and a single point between the semiconductor breaker and the reactor. And an H-bridge circuit that controls a current flowing through the mechanical circuit breaker by output voltage control.
以下、実施形態に係る直流遮断装置について、図面を参照して説明する。なお、実施形態の説明において「通常時」とは、直流送電系統において正常な電流が流れている状態をいい、「事故時」とは、雷等に起因する系統事故によって、過大な事故電流が生じた状態をいう。 Hereinafter, a DC interrupter according to an embodiment will be described with reference to the drawings. In the description of the embodiment, “normal time” means a state in which a normal current is flowing in the DC power transmission system, and “at the time of an accident” means an excessive accident current due to a system fault caused by lightning or the like. The state that has occurred.
(第1の実施形態)
(構成)
図1に示すように、直流送電系統において、2つの直流送電網A,Bを接続する送電線が設けられている。送電線には正側100と負側101があるが、本実施形態の直流遮断装置1は、正側に設けられている。本実施形態では、正側の送電線100において、直流送電網Aから直流送電網Bへ送電される例を主に説明する。
(First embodiment)
(Constitution)
As shown in FIG. 1, a transmission line connecting two DC transmission networks A and B is provided in the DC transmission system. Although the power transmission line has a
直流遮断装置1は、送電線100に直列に接続された機械式断路器2及び機械式遮断器20と、機械式断路器2及び機械式遮断器20に並列に接続された並列回路3と、送電線100と並列回路3とを接続するHブリッジ回路5とから構成されている。より具体的には、並列回路3は半導体遮断器4とこれに直列に接続されたリアクトル55から構成され、さらに半導体遮断器4にのみ並列にアレスタ43が接続されている。そして、Hブリッジ回路5は、送電線100の機械式断路器2と機械式遮断器20の間の一点と、並列回路3の半導体遮断器4とリアクトル55の間の一点を接続するように構成されている。
The
機械式断路器2は、公知の種々の構成を用いることができる。本実施形態では、後述するように並列回路3を用いて直流電流の遮断が行われるため、機械式断路器2自体に電流遮断能力は不要である。機械接点を持つものであって、接点が切り離された状態で、事故点を切り離すのに必要な直流電圧に耐える絶縁耐圧を持つものであれば足りる。機械式断路器2は、例えば、回路の端子間に回動接触子を設け、この回動接触子が回動して各端子に取り付けられた固定接触子と接離することによって、回路の切り離しを行う構成とすることができる。
The
機械式断路器2は、通常時にはオン状態、すなわち接点が接触した状態になるように制御される。直流送電網Aからの電流は、機械式断路器2を通過して直流送電網Bへ流れる。事故時は、後述するが、並列回路3に電流が流れるように制御が行われ、機械式断路器2を流れる電流が略ゼロになったところで、オフ状態に切り換えられ、回路が切り離される。
The
機械式遮断器20は、公知の種々の構成を用いることができる。機械接点を持つものであって、接点を開くことにより小電流を遮断する能力を有するものであれば足りる。機械式遮断器20は、例えば、回路の端子間に回動接触子を設け、この回動接触子が回動して各端子に取り付けられた固定接触子と接離することによって、小電流の遮断を行う構成とすることができる。
The
機械式遮断器20は、通常時にはオン状態、すなわち接点が接触した状態になるように制御される。直流送電網Aからの電流は、機械式断路器2及び機械式遮断器20を通過して直流送電網Bへ流れる。事故時には、機械式遮断器20に流れる電流が増大する。機械式遮断器20には電流センサ(不図示)が取り付けられている。機械式遮断器20に流れる電流を電流センサで測定し、事故を示す閾値と比較することで、事故を検出する。詳細は後述するが、事故時に、Hブリッジ回路5に電流が流れ、機械式遮断器20を流れる電流が略ゼロになる制御が行われる。機械式遮断器20は、流れる電流が略ゼロになったところでオフ状態に切り換えられ、回路が切り離される。
The
機械式断路器2および機械式遮断器20に並列に接続された並列回路3には、半導体遮断器4が設けられている。半導体遮断器4は、スイッチング素子41を複数個直列に接続し、それぞれのスイッチング素子41に対してダイオード42を逆並列に接続した構成となっている。図1の例では、半導体遮断器4は2個のスイッチング素子41を備えている。スイッチング素子41は、例えばIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、バイポーラトランジスタ、電界トランジスタ等の自己消弧能力を持つものが用いられる。スイッチング素子は、直流送電網A側にコレクタ端子を接続したものと、直流送電網B側にコレクタ端子を接続したものとがあるため、直流送電網AからB若しくはBからAの双方向の電流を導通および遮断可能となっている。
A
半導体遮断器4はゲート信号の入力によって、導通状態であるオン状態と非導通状態であるオフ状態が切り換えられる。導通状態では、半導体遮断器4を介して直流送電系統から並列回路3へ電流が供給され、非導通状態では直流送電系統から並列回路3への電流は遮断される。
The
半導体遮断器4には、一定電圧以上が印加されると導通する非線形素子からなるアレスタ43が並列に接続されている。アレスタ43は、半導体遮断器4がオフ状態に切り換えられたときに、サージ電圧を吸収して安全な電流遮断を可能とする。
The
Hブリッジ回路5は、複数のHブリッジユニット50を直列に接続した構成となっている。各Hブリッジユニット50は、スイッチング素子51を直列に2個接続した2つのレグ52を有する。スイッチング素子51は、それぞれ自己消弧能力を持つものが用いられる。各スイッチング素子51にはダイオードが並列に接続されている。これら2つのレグ52は並列に接続され、さらにコンデンサ53が2つのレグ52と並列に接続されている。コンデンサ53は、定常動作時に送電線100を流れる電流によって充電される。
The
リアクトル55は、電流変化率低減用のものであり、詳細は後述するが、Hブリッジ回路5による電流制御を可能とするために設けられている。
The
(動作)
以上の構成を有する直流遮断装置1の動作を、図2〜図6を参照し、通常時と事故時に分けて説明する。通常時は、機械式断路器2及び機械式遮断器20をオン状態、半導体遮断器4およびHブリッジ回路5をオフ状態に制御する。図2に示すように、直流送電網Aからの電流は、機械式断路器2及び機械式遮断器20のみを通過して直流送電網Bへ流れ、並列回路3及びHブリッジ回路5には流れない。
(Operation)
The operation of the
事故時の直流遮断装置1の動作を説明するにあたって、図3を参照する。図3は、上述した直流遮断装置1の有効性を説明するために実施した、シミュレーション実施回路の動作状態を表す図である。シミュレーション実施回路は、電流送電網Aを模擬した回路構成の中に図1に示す直流遮断装置1に接続し、この直流遮断装置1に直流電圧320KVを印加した状態とした後、模擬化した電流送電網Aの送電線100に雷などに起因する地絡事故を発生させたものである。図3の太い実線で表示した(i)は機械式遮断器20を流れる電流を示す。一点鎖線で表示した(ii)はHブリッジ回路5を流れる電流を示す。二点鎖線で表示した(iii)は半導体遮断器4を流れる電流を示す。
In describing the operation of the
事故発生時は事故電流は時間と共に増大していく。直流遮断装置1は、全体として見ると二段階の遮断動作を行う。まず、事故電流の小さい初期の段階で、機械式遮断器20の遮断動作を行って事故電流を並列回路3に転流させ、事故電流の増大した後期の段階で、半導体遮断器4の遮断動作を行う。以下、詳細に説明する。
When an accident occurs, the accident current increases with time. The
時間t1において地絡事故が発生すると、(i)に示すように機械式遮断器20に流れる電流は増大する。機械式遮断器20に取り付けられた電流センサは、機械式遮断器20を流れる電流Idc_Mを検出し、予め設定した事故発生検出閾値Idc_Jと比較する。検出された電流Idc_Mが閾値Idc_Jを超過した時間t2において、並列回路3の半導体遮断器4のスイッチング素子41のゲート信号をオフからオンに切り換える。同時に、Hブリッジ回路5の出力電圧制御を行う。具体的には、Hブリッジ回路5の出力電圧V_Hを以下の式で演算して、出力する。
V_H=G(s)×(IdcM−0)
(G(s)は制御ゲイン。sはラプラス演算子)
G(s)は制御ゲインで、例えば一般的な比例積分制御を行う。
When a ground fault occurs at time t1, the current flowing through the
V_H = G (s) × (IdcM-0)
(G (s) is control gain, s is Laplace operator)
G (s) is a control gain, for example, performing general proportional-integral control.
すなわち、各Hブリッジユニット50の各レグ52のスイッチング素子51を予め定めるオン・オフ時間の比(duty)に従ってパルス幅変調制御を実行することにより、機械式遮断器20に流れる電流Idc_Mが略ゼロとなるように制御し続ける。言い換えると、各レグ52のスイッチング素子51をパルス幅変調制御を実施することにより、Hブリッジユニット50の出力電圧V_Hを可変出力する。
That is, by performing pulse width modulation control on the switching elements 51 of each
このようなHブリッジ回路5による制御により、図3の(i)に示すように、機械式遮断器20に流れる電流Idc_Mは略ゼロになるまで制御され続ける。この状態で機械式遮断器20をオフ状態に移行させる。機械式遮断器20に流れる電流は略ゼロとなっているため、接点をオフ状態に移行させても通常の直流電流導通時のように、アークを引いて電流が流れ続けることがない。そのため、高速に電流を遮断することができる。
By such control by the
Hブリッジユニット50による出力電圧制御を行う場合は、ほぼ導通抵抗ゼロの機械式遮断器20にHブリッジユニット50の出力電圧が直接印加され、短絡電流が流れて、電流制御ができなくなるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、Hブリッジ回路5に接続された並列回路3に、電流変化率低減用のリアクトル55が設けられている。このリアクトル55によって機械式遮断器20にHブリッジユニット50の出力電圧が直接印加されることが防止されるため、機械式遮断器20に流れる電流の制御が可能となる。
When the output voltage control by the
具体的に説明すると、機械式遮断器20に流れる電流Idc_Mの変化率dIdc_M/dtは、リアクトル55のインダクタンス値Lを用いて以下の式で表される。
dIdc_M/dt=V_H/L
リアクトル55がない場合、インダクタンス値L=0となるため、Hブリッジユニット50の出力電圧V_Hがゼロでない限り、電流変化率dIdc_M/dtは無限大となってしまい、機械式遮断器20に流れる電流Idc_Mの制御ができなくなる。本実施形態では、並列回路3にリアクトル55を設けることによって、上記式においてインダクタンス値Lが挿入されるため、電流変化率dIdc_M/dtが有限となる。したがって、Hブリッジユニット50の出力電圧V_Hの大きさに応じて電流変化率dIdc_M/dtを制御することが可能となる。これによって、機械式遮断器20にHブリッジユニット50の出力電圧が直接印加されることを防止し、機械式遮断器20を流れる電流Idc_Mを略ゼロにする電流制御が可能となる。
More specifically, the rate of change dIdc_M / dt of the current Idc_M flowing through the
dIdc_M / dt = V_H / L
In the absence of the
Hブリッジ回路5による出力電圧制御により、機械式遮断器20に流れる電流Idc_Mは略ゼロになるまで制御され続ける。具体的には、図4に示すように、送電線100を流れる電流は、機械式遮断器20を通らずにHブリッジ回路5を通り、さらにHブリッジ回路5に接続された並列回路3を通って、送電線100に戻る。このため、機械式遮断器20に流れる電流Idc_Mが略ゼロになる。この状態で機械式遮断器20をオフ状態に移行させる。機械式遮断器20に流れる電流は略ゼロとなっているため、接点をオフ状態に移行させても通常の直流電流導通時のように、アークを引いて電流が流れ続けることがない。そのため、高速に電流を遮断することができる。
By the output voltage control by the
次に、図5に示すように、Hブリッジユニット50のスイッチング素子51を全てオフにする(図3の(ii)参照)。すると、Hブリッジユニット50のコンデンサ53にあらかじめ蓄えられていた電圧が、機械式断路器2を流れ続ける事故電流を減少させる方向に印加される。これによって、機械式断路器2を流れる事故電流は減少する。機械式断路器2に流れる事故電流が減少した分、機械式断路器2に並列に接続された並列回路3に事故電流が転流される。図3の(iii)に示すように、半導体遮断器4に流れる電流が増大し、時間の経過により、最終的に機械式断路器2に流れる電流はゼロになり、すべての事故電流が半導体遮断器4を流れるようになる。このタイミングで、機械式断路器2をオフにする。機械式断路器2には電流が流れていないため、接点を切り離しの際にアークが生じて電流が流れ続けることはない。
Next, as shown in FIG. 5, all the switching elements 51 of the
最後に、図6に示すように、半導体遮断器4のスイッチング素子41のゲート信号をオンからオフに切り換えて、並列回路3に流れる事故電流を遮断する。このとき発生するサージ電圧はアレスタ43に吸収され、電流遮断が完了する。
Finally, as shown in FIG. 6, the gate signal of the switching
(効果)
以上のように、第1の実施形態では、直流遮断装置1に、送電線100に設けられる機械式断路器2と、機械式断路器2に直列に接続される機械式遮断器20と、機械式断路器2及び機械式遮断器20に並列に接続される並列回路3と、を備えた。並列回路3には、並列回路3への送電線100の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器4と、半導体遮断器4に直列に接続されたリアクトル55を備えた。直流遮断装置1はさらに、機械式断路器2及び機械式遮断器20の間の一点と、半導体遮断器4及びリアクトル55の間の一点を接続するHブリッジ回路5を備えている。Hブリッジ回路5は、複数のスイッチング素子51及びコンデンサ53からなるHブリッジユニット50を備える。Hブリッジ回路5は、出力電圧制御により機械式遮断器20に流れる電流を制御する。
(effect)
As described above, in the first embodiment, the
通常時には、電流は機械式断路器2及び機械式遮断器20のみを通過するため、導通損失を低減させることができ、効率の良い直流遮断装置1を提供することが可能となる。事故時には、Hブリッジ回路5を用いた出力電圧制御により、並列回路3に電流を誘導して機械式断路器2を流れる電流を、アークを生じさせずに回路の切り離しを行うことができる量、例えば略ゼロにすることで、電流遮断能力のない機械式断路器2であっても、安全に事故点の切り離しを行うことができる。さらに、並列回路3に設けた半導体遮断器4によって高速の電流遮断を実現することができる。このような効果によって、送電効率の向上、コスト低減及び直流送電における信頼性の向上に寄与することができる。
At normal times, since the current passes only through the
さらに、Hブリッジ回路5は、機械式断路器2及び機械式遮断器20の間の一点と、半導体遮断器4及びリアクトル55の間の一点を接続する形で設置されている。そのため、機械式遮断器20の遮断動作を行う事故電流の小さい初期の段階のみ、Hブリッジ回路5に電流が流れる。すなわち、Hブリッジ回路5を流れる電流の最大値は、機械式遮断器20をオフする時点での事故電流である。その後、機械式断路器2をオフするまでにさらに時間経過した際に増加する事故電流は、並列回路3を伝わって流れるため、Hブリッジ回路5を構成する半導体スイッチング素子51の最大電流容量は、半導体遮断器4を構成するスイッチング素子41の最大電流容量よりも大幅に小さな容量に低減することが可能になる。また、並列回路3にリアクトル55を設置しているため、Hブリッジ回路5の出力電圧が機械式遮断器20に直接印加されることがなく、正確な電流制御が可能となる。
Further, the
また、Hブリッジ回路5は、直列に接続された複数のHブリッジユニット50を備えている。各Hブリッジユニット50に備えられているコンデンサ53の数が増えることによって充放電量も増えるため、大きな事故電流にも対応することができる。
The
(第2の実施形態)
第2の実施形態について、図7を用いて説明する。第2の実施形態では、第1の実施形態とは異なる点のみを説明し、第1の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
(Second Embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIG. In the second embodiment, only points different from the first embodiment will be described, and the same parts as those in the first embodiment will be denoted by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
(構成)
本実施形態では、直流遮断装置1はHブリッジ回路5を備えていない。機械式断路器2及び機械式遮断器20に並列に接続された並列回路3には、2組の半導体遮断器4A,4Bが直列に接続されている。
(Constitution)
In the present embodiment, the
半導体遮断器4Aは自己消弧能力を持つスイッチング素子41aを、2つ以上直列に接続し、各スイッチング素子41aに対してダイオード42aを逆並列に接続した構成となっている。図7の例では、3つ接続した例を示している。半導体遮断器4Aは、直流送電網A側にコレクタ端子を接続している。
The
半導体遮断器4Bは自己消弧能力を持つスイッチング素子41bを、2つ以上直列に接続し、各スイッチング素子41bに対してダイオード42bを逆並列に接続した構成となっている。図7の例では、3つ接続した例を示している。半導体遮断器4Bは、直流送電網B側にコレクタ端子を接続している。すなわち、半導体遮断器4Bのスイッチング素子41bは、半導体遮断器4Aのスイッチング素子41bとは、コレクタ及びエミッタの向きが逆になっている。
The
半導体遮断器4A,4Bは、それぞれのエミッタ同士をリアクトル55を介して接続されている。このリアクトル55は、並列回路3の電流変化率を低減するために設置されているが、配線インダクタンスを活用することによって、リアクトル55を省略することもできる。また、図7の例では、リアクトル55は半導体遮断器4A,4Bの間に設置されているが、設置位置はこれに限られない。並列回路3において、半導体遮断器4Aの直流送電網A側の隣や、半導体遮断器4Bの直流送電網B側の隣に設置しても、機能に違いはない。
The
半導体遮断器4Aを構成するスイッチング素子41aの一つには、逆電流発生回路6Aが逆並列に接続される。逆電流発生回路6Aは、スイッチング素子61aと、スイッチング素子61aと逆並列に接続したダイオード62aと、スイッチング素子61aに直列に接続したコンデンサ63aとから構成されている。半導体遮断器4Aのスイッチング素子41aのコレクタ側と、逆電流発生回路6Aのスイッチング素子41aのエミッタ側とを接続している。逆電流発生回路6Aのコレクタ側は、コンデンサ63aの正側端子に接続されている。コンデンサ63aの負側端子は、半導体遮断器4Aのスイッチング素子41aのエミッタ側に接続される。
A reverse
半導体遮断器4Bを構成するスイッチング素子41bの一つには、逆電流発生回路6Bが逆並列に接続される。逆電流発生回路6Bは、スイッチング素子61bと、スイッチング素子61bと逆並列に接続したダイオード62bと、スイッチング素子61bに直列に接続したコンデンサ63bとから構成されている。半導体遮断器4Bのスイッチング素子41bのコレクタ側と、逆電流発生回路6Bのスイッチング素子41bのエミッタ側とを接続している。逆電流発生回路6Bのコレクタ側は、コンデンサ63bの正側端子に接続されている。コンデンサ63bの負側端子は、半導体遮断器4Aのスイッチング素子41aのエミッタ側に接続される。すなわち、逆電流発生回路6Bのスイッチング素子61bは、逆電流発生回路6Aのスイッチング61aとは、逆方向に電流を導通させるように設置されている。
A reverse
逆電流発生回路6A,6Bを構成するスイッチング素子61a,61bは、半導体遮断器4A,4Bを構成するスイッチング素子41a,41bの最大電流容量よりも小さな容量のものを用いても良い。
As the
なお、逆電流発生回路6A,6Bは、それぞれ、半導体遮断器4A,4Bを構成するスイッチング素子41a,41bの一つに対して逆並列に接続されているが、複数のスイッチング素子41a,41bに対して逆並列に接続するようにしても良い。図7の例では半導体遮断器4A,4Bは、それぞれ3つのスイッチング素子41a,41bを有しているため、逆電流発生回路6A,6Bは、2つ又は3つのスイッチング素子41a,41bに対して逆並列に接続するようにしても良い。
The reverse
(動作)
以上の構成を有する直流遮断装置1の動作を、通常時と事故時に分けて説明する。なお、事故時については、直流送電網Bで直流短絡事故が発生した場合を説明する。通常時、機械式断路器2及び機械式遮断器20をオン状態、半導体遮断器4A,4B及び逆電流発生回路6A,6Bのスイッチング素子をオフ状態に制御する。直流送電網Aからの電流は、機械式断路器2と機械式遮断器20のみを通過して直流送電網Bへ流れ、並列回路3には流れない。
(Operation)
The operation of the
事故発生時、機械式遮断器20に取り付けられた電流センサが閾値Idc_Jを超える電流Idc_Mを検出すると、直流送電網A側にコレクタが接続された半導体遮断器4Aのスイッチング素子41aをオン状態に移行するとともに、半導体遮断器4Bに逆並列に接続された逆電流発生回路6Bのスイッチング素子61bをオンにする。
When an accident occurs, when the current sensor attached to the
逆電流発生回路6Bのコンデンサ63bにあらかじめ充電されたコンデンサ電圧により、直流送電網B側にコレクタが接続された半導体遮断器4Bのダイオード42b、機械式遮断器20、機械式断路器2、直流送電網A側にコレクタが接続された半導体遮断器4Aのスイッチング素子41a及びリアクトル55を通過する一巡回路を構成する。この一巡回路によって、事故時に機械式遮断器20を流れる事故電流と逆向きの電流を重畳させる。これによって機械式遮断器20に流れる電流Idc_Mが略ゼロに制御される。この状態で、機械式遮断器20をオフ状態に移行させる。機械式遮断器20に流れる電流は略ゼロとなっているため、接点をオフ状態に移行させても通常の直流電流導通時のように、アークを引いて電流が流れ続けることがない。そのため、高速に電流を遮断することができる。
The
次に、逆電流発生回路6Bのスイッチング素子61bをオフにする。さらに機械式断路器2をオフにする。時間経過によって増大する事故電流は、並列回路3のみを流れるようになる。ここで、半導体遮断器4Aのスイッチング素子41aのゲート信号をオンからオフに切り換えることにより、最終的に事故電流は遮断される。
Next, the switching
なお、直流送電網A側で事故が発生した場合には、直流送電網Bで事故が発生した場合と左右逆に動作させる。すなわち、直流送電網B側にコレクタが接続された半導体遮断器4Bのスイッチング素子41bをオン状態に移行するとともに、逆電流発生回路6Aのスイッチング素子61aをオンにする。逆電流発生回路6Aのコンデンサ63aにあらかじめ充電されたコンデンサ電圧により、直流送電網A側にコレクタが接続された半導体遮断器4Aのダイオード42a、機械式断路器2、機械式遮断器20、直流送電網B側にコレクタが接続された半導体遮断器4Bのスイッチング素子41b及びリアクトル55を通過する一巡回路を構成する。この一巡回路によって、事故時に機械式遮断器20を流れる事故電流と逆向きの電流を重畳させる。機械式遮断器20に流れる電流Idc_Mを略ゼロに制御し、この状態で、機械式遮断器20をオフ状態に移行させる。
When an accident occurs on the DC power transmission network A side, the operation is reversed to the left and right when an accident occurs on the DC power transmission network B. That is, the switching element 41b of the
(効果)
(1)以上のように、第2の実施形態では、直流遮断装置1にHブリッジ回路5を備える代わりに、並列回路3に2組の半導体遮断器4A,4Bを備え、さらに半導体遮断器4A,4Bそれぞれに逆並列に接続する逆電流回路6A,6Bを備える構成とした。半導体遮断器4A,4Bは、複数のスイッチング素子41aを直列に接続して構成され、送電線100から供給された電流を、お互いに逆の方向に導通させるように設置される。逆電流発生回路6A,6Bは、半導体遮断器4A,4Bを構成するスイッチング素子41a,41bの1つ又は複数に対して逆並列に接続され、機械式遮断器20を流れる電流と逆向きの電流を重畳させる。
(effect)
(1) As described above, in the second embodiment, instead of including the
このような構成とすることによって、第1の実施形態と同様に、通常時には、電流は機械式断路器2及び機械式遮断器20のみを通過するため、導通損失を低減させることができ、効率の良い直流遮断装置1を提供することが可能となる。事故時には、逆電流発生回路6A,6Bが機械式遮断器20を流れる電流と逆向きの電流を重畳させるため、機械式遮断器20を流れる電流を略ゼロにすることができ、安全に事故点の切り離しを行うことができる。さらに、並列回路3に設けた半導体遮断器4によって高速の電流遮断を実現することができる。このような効果によって、送電効率の向上、コスト低減及び直流送電における信頼性の向上に寄与することができる。
By adopting such a configuration, as in the first embodiment, the current passes through only the
また、逆電流発生回路6A,6Bを半導体遮断器4A,4Bに並列に接続したため、機械式遮断器20の遮断動作を行う事故電流の小さい初期の段階のみ逆電流発生回路6A,6Bに電流が流れる。すなわち逆電流発生回路6A,6Bを流れる電流の最大値は、機械式遮断器20をオフする時点での事故電流までである。機械式遮断器20のオフ後、時間経過によって増大した事故電流は、逆電流発生回路6A,6Bと並列接続された半導体遮断器4A,4Bを伝わって流れる。そのため、逆電流発生回路6A,6Bを構成するスイッチング素子61a,61bの最大電流容量は、半導体遮断器4A,4Bを構成するスイッチング素子41a,41bの最大電流容量よりも小さな容量にすることが可能になるため、直流遮断装置1を低コスト化することが可能である。
In addition, since the reverse
(2)並列回路3は半導体遮断器4A及び半導体遮断器4Bに直列に接続されたリアクトル55を備えている。リアクトル55によって並列回路3に流れる電流を平滑化し、電流変化率を低減することができ、正確な出力電圧制御が可能となる。
(2) The
(その他の実施形態)
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1 直流遮断装置
2 機械式断路器
20 機械式遮断器
3 並列回路
4,4A,4B 半導体遮断器
41,41a,41b スイッチング素子
42,42a,42b ダイオード
43 アレスタ
5 Hブリッジ回路
50 Hブリッジユニット
51 スイッチング素子
52 レグ
53 コンデンサ
55 リアクトル
6A,6B 逆電流発生回路
61a,61b スイッチング素子
62a,62b ダイオード
63a,63b コンデンサ
100 正側の送電線
101 負側の送電線
A,B 直流送電網
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記直流送電系統に設けられ、前記機械式断路器に直列に接続される機械式遮断器と、
前記機械式断路器及び前記機械式遮断器に並列に接続され、前記直流送電系統の電流の供給及び遮断を切り換える半導体遮断器と、当該半導体遮断器に直列に接続されたリアクトルと、を備えた並列回路と、
前記機械式断路器及び前記機械式遮断器の間の一点と、前記半導体遮断器及び前記リアクトルの間の一点を接続し、複数のスイッチング素子及びコンデンサからなるHブリッジユニットを備え、出力電圧制御により前記機械式遮断器に流れる電流を制御するHブリッジ回路と、を有することを特徴とする直流遮断装置。 A mechanical disconnector provided in the DC transmission system;
A mechanical circuit breaker provided in the DC power transmission system and connected in series to the mechanical disconnector;
A semiconductor breaker that is connected in parallel to the mechanical disconnector and the mechanical breaker, and that switches between supply and interruption of current of the DC power transmission system; and a reactor that is connected in series to the semiconductor breaker. A parallel circuit;
One point between the mechanical disconnector and the mechanical circuit breaker, and one point between the semiconductor breaker and the reactor are connected, and an H bridge unit including a plurality of switching elements and capacitors is provided, and output voltage control is performed. And a H-bridge circuit for controlling a current flowing through the mechanical circuit breaker.
前記半導体遮断器及び前記Hブリッジユニットをオン状態に移行させ、前記Hブリッジ回路の出力電圧制御により前記機械式遮断器に流れる電流を略ゼロに制御して当該機械式遮断器をオフ状態に移行させ、
前記Hブリッジユニットをオフ状態に移行させて、前記Hブリッジ回路の前記コンデンサの電圧印加により前記並列回路に事故電流を転流させ、前記機械式断路器をオフ状態に移行させてから、前記半導体遮断器で事故電流を遮断することを特徴とする請求項1記載の直流遮断装置。 When an accident occurs in the DC transmission system,
The semiconductor circuit breaker and the H bridge unit are turned on, and the current flowing through the mechanical circuit breaker is controlled to be substantially zero by the output voltage control of the H bridge circuit, and the mechanical circuit breaker is turned off. Let
The H bridge unit is turned off, a fault current is commutated to the parallel circuit by applying a voltage of the capacitor of the H bridge circuit, and the mechanical disconnector is turned off. 2. The DC circuit breaker according to claim 1, wherein the fault current is interrupted by a circuit breaker.
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