电力变换装置及直流输电系统的制作方法
【专利摘要】在HVDC中依赖于变压器线圈的自身·相互电感的关系，在直流输电线中接地或者短路事故发生了的情况下，存在直流事故电流在变压器的初级线圈、即交流系统侧作为零相直流电流流出的情况。本发明提供一种电力变换装置，具备：具有至少四个三相线圈的三相变压器、和三个将一个或者多个具备开关元件和能量贮藏元件的单位变换器串联连接而构成的变换器臂部；对所述变压器的第1三相线圈连接电源或者负载，将三个所述变压器的第2、第3三相线圈和所述变换器臂部的串联电路并联连接，将该并联连接点作为直流端子，第1三相线圈和所述第2、第3三相线圈的耦合系数之间的大小关系，与所述第4三相线圈和所述第2、第3三相线圈的耦合系数之间的大小关系相等。
【专利说明】电力变换装置及直流输电系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及将交流电力变换为直流电力，或者进行逆变换的电力变换装置及电力变换系统，尤其涉及具备将一个或者多个单位变换器串联连接所构成的臂部来进行电力变换所适合的电力变换装置及直流输电系统。
【背景技术】
[0002]将交流电力变换为直流，或者将直流电力变换为交流的技术近年来被采用的很多。作为这种装置，公知有利用单位变换器的装置。将多个单位变换器串联连接，在各个单位变换器中，通过相对于能量贮藏要素使半导体开关元件执行动作来进行电力变换动作。比较容易得到耐高电压的电力变换装置。
[0003]作为该电力变换装置，公知有将由一个或者多个单位变换器的串联电路组成的臂部和变压器线圈之间的多个串联电路并联连接而成的电路构成。例如在特开2010-233411号公报中有记载。
[0004]上述的电路构成是多级变换器的一种，采用IGBT(Insulated_Gate BipolarTransistor) >GT0(Gate Turn-Off Thyristor) >GCT (Gate-Commutated Thyristor)等可控制接通/断开的功率半导体设备，能够输出上述开关元件的耐压以上的电压。
[0005]另外，在本说明书中，将专利文献I和非专利文献I所公开的电力变换装置的电路方式称作 ZC-MMC (Zero-Sequence Cancelling Modular Multilevel Converter)。
[0006]在先技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1:日本特开2010-233411号公报发明概要
[0009]发明要解决的技术课题
[0010]在专利文献I中示出了对变压器的初级线圈连接交流系统，与次级线圈串联地连接变换器臂部的电路构成(例如专利文献I的图21)。
[0011]本发明的
【发明者】们，发现在上述HVDC中依赖于变压器线圈的自身/相互电感的关系，有些情况下会产生以下说明的课题。
[0012]在上述HVDC的直流输电线中产生了接地或者短路事故的情况下，在变换器臂部与变压器次级线圈中会流动直流事故电流。
[0013]一般地，在与超高压的交流系统连接的变压器中，例如存在如下课题:虽然将与该交流系统连接的线圈作为Y接线来将其中性点接地的情况很多，但在产生了直流事故的情况下，存在上述的直流事故电流在变压器的初级线圈、即交流系统侧也作为零相直流电流流出的情况。
[0014]上述直流事故电流，虽然能够由例如与上述变压器的初级线圈(交流系统侧)连接的断路器进行断路，但存在因上述零相直流电流重叠而对断路器的断路性能产生恶劣影响等的担心。
【发明内容】
[0015]本发明的目的在于，提供一种即使在产生了直流输电线的接地/短路事故时的情况下，也能够降低在交流系统侧流出的零相直流电流的电力变换装置及直流输电系统。
[0016]用于解决课题的技术手段
[0017]为了实现上述目的，本发明按照如下方式构成:具备:具有三组线圈的变压装置，该三组线圈的每一组具有至少四个线圈；和三个由一个单位变换器构成的、或者将多个单位变换器串联连接而构成的变换器臂部，该单位变换器具备开关元件和能量贮藏元件；所述四个线圈构成为第I线圈、第2线圈、第3线圈、和第4线圈，对所述第I线圈连接电源或者负载，为了在与所述电源或者负载之间进行电力变换，对各个所述变换器臂部串联连接所述任一组的第2线圈和所述任一组的第3线圈而构成电路，所述第I线圈和所述第2线圈的耦合系数、与所述第I线圈和所述第3线圈的耦合系数之间的大小关系，同所述第4线圈和所述第2线圈的耦合系数、与所述第4线圈和所述第3线圈之间的耦合系数的大小关系相等。
[0018]或者，本发明按照如下方式构成:具备:三个单相变压器，该三个单相变压器的每一个具有至少四个单相线圈；和三个由一个单位变换器构成的、或者将多个单位变换器串联连接而构成的变换器臂部，该单位变换器具备开关元件和能量贮藏元件；对三个所述单相变压器的第I单相线圈连接电源或者负载，为了在与所述电源或者负载之间进行电力变换，对各个所述变换器臂部串联连接所述任一个单相变压器的第2单相线圈和所述任一个单相变压器的第3单相线圈而构成电路，所述第I单相线圈和所述第2单相线圈的耦合系数、与所述第I单相线圈和所述第3单相线圈的耦合系数之间的大小关系，同所述第4单相线圈和所述第2单相线圈的耦合系数、与所述第4单相线圈和所述第3单相线圈的耦合系数之间的大小关系相等。
[0019]发明效果
[0020]根据本发明，能够降低在HVDC中的直流输电线的接地.短路事故时，向交流系统侧流出的零相直流电流。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1表示本发明的电力变换装置的第I形态。
[0022]图2表示双向斩波器(chopper)电路形式的单位变换器。
[0023]图3表示全桥式电路形式的单位变换器。
[0024]图4是实施例1中的变压器线圈的电路图。
[0025]图5是变压器线圈的配置例之一。
[0026]图6是变压器线圈的配置例之二。
[0027]图7是变压器线圈的一相的等效电路。
[0028]图8是采用了变压器线圈配置例之一的情况下的简要波形。
[0029]图9是采用了变压器线圈配置例之二的情况下的简要波形。
[0030]图10是本发明的电力变换装置的第2形态。[0031]图11是实施例2中的变压器线圈的电路图。
[0032]图12是本发明的电力变换装置的第3形态。
[0033]图13是实施例3中的变压器线圈电路图。
【具体实施方式】
[0034]在本实施例的详细说明之前，首先对本实施例的要点进行说明。本发明的
【发明者】们，设计了一种在上述变压器中增加了三级Λ线圈的构成。除了可通过该三级Λ线圈对辅机进行电源供给之外，还可从该三级线圈对变换器臂部中所包括的单位变换器的电容器进行充电等。另外，采用增加了三级Λ线圈的变压器来构成ZC-MMC，进而经由例如直流输电线将该ZC-MMC的直流输出端子与其他交直变换电路的直流输出端子连接，从而能够构成直流输电系统(HVDC)。
[0035](实施例1)
[0036]针对本发明的第I实施例进行说明。本实施例是如下这样的电力变换装置:将双向斩波器电路作为单位变换器，将对多个上述双向斩波器电路串联连接而构成的三个变换器臂部和变压器的三个次级线圈分别串联连接来构成电路，将三个这样构成的电路进行并联连接，将并联连接点的一方作为直流正侧端子，将另一方作为直流负侧端子，将上述变压器的初级线圈与三相电力系统连接，将上述变压器的三级线圈进行△接线形成电力变换
>J-U ρ?α
装直。
[0037]另外，本实施例，是将两个上述电力变换装置的直流端子彼此之间、或者一个上述电力变换装置与一个另一方式的电力变换装置的直流端子彼此之间，经由例如直流输电线连接而成的HVDC、频率变换装置(FC)、或者BTB(Back-t0-Back)系统的构成。
[0038]根据本实施例，在上述的直流输电线的接地?短路事故发生时，能够得到防止直流事故电流在交流系统侧作为零相直流电流流出的效果。
[0039]首先，采用图1对实施例1的整体构成进行说明。
[0040]电力变换装置103，经由变压器104和断路器105而与交流系统101连接。交流系统101，通过接地点102而接地。另外，在变压器104的初级线圈的a、b、c点连接交流系统101,在次级线圈的U、V、w点连接变换器臂部106u、V、w的一端,三级线圈被进行Δ接线。另外，关于变压器104的详细构成，采用图4~6进行后述。另外，各变换器臂部106u、V、w的另一端，与直流正侧端子(P点)连接，进而变压器次级线圈的中性点与直流负侧端子(N点)连接。
[0041]即，将变压器次级线圈(图4的402)和各变换器臂部106u、v、w串联连接而成的电路，成为由P点和N点进行并联连接而成的构成。
[0042]对直流正侧端子(P点)和直流负侧端子(N点)直接或者经由未图示的直流输电线而连接另一端的电力变换装置109。在此，另一端的电力变换装置109，能够成为与电力变换装置103相同的构成或者不同的构成。
[0043]各变换器臂部106u、V、W，是多个单位变换器107的串联电路。关于单位变换器107的内部构成，采用图2、3进行后述。
[0044]以下，对在图1中图示的电压、电流进行定义。
[0045]将交流系统101的a相相电压称作VSa，将b相相电压称作VSb，将c相相电压称作 VSc。
[0046]另外，将变压器104的u点和u相变换器臂部106u中流过的电流称作Iu，将变压器104的V点和V相臂部106v中流过的电流称作Iv,将变压器104的w点和w相臂部106w中流过的电流称作Iw。
[0047]进而，将u相臂部106u中所包括的一个或者多个单位变换器107的输出电压之和称作u相臂部106u的输出电压Vu。同样地，将V相臂部106v中所包括的一个或者多个单位变换器107的输出电压之和称作V相臂部106v的输出电压Vv，将w相臂部104w中所包括的一个或者多个单位变换器107的输出电压之和称作w相臂部106w的输出电压Vw。
[0048]将直流正侧端子(P点)和直流负侧端子(N点)之间的电压称作VDC。另外，将从电力变换装置103向另一端电力变换装置109流过的电流称作直流电流IDC。
[0049]在电力变换装置103和另一端电力变换装置109的电力畅通的情况下，直流电流IDC大致各三分之一地分流给变换器臂部106u、V、W，进而将变压器次级线圈作为零相电流流动。
[0050]进而，将各单位变换器107的电容器电压称作VCjk。在此，j表示该单位变换器所属的变换器臂部106u、v、w,例如j=u、v、w。另外，k是该臂部106u、v、w内的编号,例如k=l、2.....M0在此，M是臂部106u、V、w中所包括的单位变换器107的数目。
[0051]以下，采用图2、3对单位变换器107的内部构成的一例进行说明。作为单位变换器107，能够采用例如能够输出单极性的电压的双向斩波器电路形式的单位变换器107C、全桥式电路形式的单位变换器107f。首先，采用图2对双向斩波器电路形式的单位变换器107c的电路构成进行说明。
[0052]将上侧开关元件201H和上侧回流二极管202H逆并联连接而成的电路、以及将下侧开关元件201L和下侧回流二极管202L逆并联连接而成的电路，在a点进行串联连接，并将该串联连接而成的电路与电容器203并联连接。
[0053]本说明书中，仅将上侧开关元件201H和下侧开关元件201L、以及后述的图3中说明的X相上侧开关元件201X H、X相下侧开关元件201X L、Y相上侧开关元件201Y H、Y相下侧开关元件201Y L总称为开关元件201。
[0054]另外，在图2、3中，作为开关元件201描绘了 IGBT的标号，但只要是可控制接通/断开的功率半导体设备，则也可以米用GTO、GCT> MO SFET (Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor)等与IGBT不同种类的开关兀件。
[0055]将上述的a点、和电容器203的一端(η点)之间的电压称作单位变换器107的输出电压Vjk。其中，j=u、V、w、k=l、2、...、M, M表示各变换器臂部104U、V、w中所包括的单位变换器107的数目。
[0056]以下，对双向斩波器形式的单位变换器107c的输出电压Vjk、和开关元件201H、L的接通/断开状态的关系进行说明。
[0057]在上侧开关元件201H接通、下侧开关元件201L断开的情况下，不管电流Ij (j=u、v、w)如何，都能够将输出电压Vjk控制为与电容器电压VCjk大致相等。
[0058]在上侧开关元件201H断开、下侧开关元件201L接通的情况下，不管电流Ij如何，都能够将输出电压V j k控制为与零大致相等。
[0059]以下，针对在直流正侧端子(P点)与直流负侧端子(N点)之间短路的直流事故108发生的情况下的电流进行说明。
[0060]若发生直流事故108，则直流电流IDC增加。因此，各变换器臂部106u、V、w和变压器次级线圈402中流动的零相电流也增加。
[0061]如JP特开2010-239723所公开的那样，若将各单位变换器107的开关元件201全部断开，则能够防止电流从电容器203 (或者电容器301)向直流事故108的流出。
[0062]在将各单位变换器107的开关元件全部断开之后，各变换器臂部106u、V、w,由于存在各单位变换器107c的下侧回流二极管201L，因此作为半波整流器而执行动作。因此，交流事故电流从交流系统101向直流事故108流入。该交流事故电流可通过断路器105而断路，在将交流事故电流断路之后，直流侧事故电流;S减。
[0063]本发明的
【发明者】，发现在上述交流事故电流流动的期间，在上述交流事故电流之夕卜，有些情况下还依赖于变压器104的各线圈的自身.相互电感而有零相直流电流向交流系统101流出。关于该原理和解決方法，以下进行说明。
[0064]首先，采用图4?6对变压器104的内部构成的一例进行说明。
[0065]首先，采用图4对变压器104的各线圈的接线状态的一例进行说明。
[0066]在a相铁心脚404a上卷绕a相初级线圈401a、a脚u相次级线圈402au、a脚w相次级线圈402aw、和rs相三级线圈403rs。另外,在b相铁心脚404b上卷绕b相初级线圈401b、b脚V相次级线圈402bv、b脚u相次级线圈402bu、和st相三级线圈403st。同样地，在c相铁心脚404c上卷绕c相初级线圈401c、c脚w相次级线圈402cw、c脚v相次级线圈402cv、和st相三级线圈403ts。
[0067]S卩，变压器104具备初级线圈、两个次级分割线圈、三级线圈这样的四个三相线圈。
[0068]另外，在变压器104的各铁心脚404a、b、c构成独立的磁路，并构成为三个单相变压器的情况下，换言之，电力变换装置102可以说具备具有四个单相线圈的三个单相变压器。
[0069]对初级线圈401a、b、c进行星状接线，在g点进行接地。
[0070]另外,次级分割线圈402aw、bu、cv在N点进行星状接线。
[0071]进而,次级分割线圈402au、bv、cw的各自的一端,经由u点、V点、w点与变换器臂部106u、V、w连接。
[0072]次级分割线圈402au、bv、cw的与变换器臂部106u、V、w相反的一侧的一端,分别连接于次级分割线圈402aw、bu、cv的与N点相反侧的一端。
[0073]换言之,六个次级分割线圈402au、bv、cw、aw、bu、cv构成锯齿状接线。在本实施例中，仅将六个次级分割线圈402au、bv、cw、aw、bu、cv总称为次级线圈。在此，次级分割线圈402au、bv、cw、aw、bu、cv圈数大致相等。
[0074]另外,在图4中，作为次级分割线圈402au、bv、cw、aw、bu、cv的接线,描绘了例如402au和402bu相连接的情况，但在次级线圈402成为采用了与图4不同的次级分割线圈的组合的锯齿状接线的情况下，也可应用本发明，本实施例还包括这样的情况。
[0075]三级线圈403的各线圈403rs、st、tr被进行Δ接线。虽然图4中在r、S、t的各点没有任何连接，但本实施例还包括在r、s、t点连接了辅机等的负载、电源的情况。在r、s、t点连接了负载的情况下，能得到能够从三级线圈403向这些负载供给电力的效果。另外，在r、s、t点连接了电源的情况下，能得到能够从三级线圈403对各变换器臂部106u、v、w的单位变换器107中所包括的电容器203 (以及图3的电容器301)进行充电的效果。
[0076]即使三个铁心脚404a、b、c构成3脚铁心，即使与未图示的其他2脚一起构成5脚铁心，也能够应用本发明。另外，即使在三个铁心脚404a、b、c构成独立的磁路，变压器104构成三个单相变压器的情况下，也能够应用本发明。
[0077]在此，在本说明书中，将变压器104的线圈中、与交流系统101连接的线圈称作初级线圈，将与变换器臂部106u、v、w连接的线圈称作次级线圈,将被△接线的线圈称作三级线圈，但“初级”、“次级”、“三级”是方便说明的一种呼称，即使呼称不同也能够应用本发明。
[0078]接着，采用图5、6对各线圈和铁心脚的配置进行说明。
[0079]图5、6是表示变压器104的一相的铁心脚与线圈的配置例之一的简要截面图。在图5和图6中，线圈配置不同。如后所述，本发明的
【发明者】们发现，在图5的线圈配置中，虽然前述的直流事故电流作为零相直流电流向交流系统流出，但在图6中能够降低流出的电流。
[0080]图5中，从与a相铁心脚404a接近的一侧,按照rs相三级线圈403rs、a脚u相次级分割线圈402au、a脚w相次级分割线圈402aw、a相初级线圈401a的顺序进行配置。
[0081]另一方面,在图6中，从与a相铁心脚404a接近的一侧，按照rs相三级线圈403rs、a相初级线圈401a、a脚u相次级分割线圈402au、a脚w相次级分割线圈402aw的顺序配置。
[0082]以下，采用图7说明根据图5、6的线圈配置，直流事故电流作为零相直流电流向交流系统流出的大小不同的原理。
[0083]图7是采用变压器104的一相的各线圈的自身.相互电感的等效电路。
[0084]另外，将LI设为a相初级线圈401a的自身电感，将L2设为a脚u相次级分割线圈402au的自身电感，将L3设为a脚w相次级分割线圈402aw的自身电感，将L4设为rs相三级线圈403rs的自身电感。
[0085]进而，将M12 (=M21)设为a相初级线圈401a和a脚u相次级分割线圈402au的相互电感，将M13 (=M31)设为a相初级线圈401a和a脚w相次级分割线圈402aw的相互电感，将M14设为a相初级线圈401a和rs相三级线圈403rs的相互电感，将M23 (=M32)设为a脚u相次级分割线圈402au和a脚w相次级分割线圈402aw的相互电感，将M24(=M42)设为a脚u相次级分割线圈402au和rs相三级线圈403rs的相互电感，将M34设为a脚w相次级分割线圈402aw和rs相三级线圈403rs的相互电感。
[0086]将LI中流过的电流设为il，将L2中流过的电流设为i2，将L3中流过的电流设为i3，将L4中流过的电流设为i4。
[0087]另外，将被a相初级线圈401a感应的电压设为vl，将被a脚u相次级分割线圈402au感应的电压设为v2,将被a脚w相次级分割线圈402aw感应的电压设为v3,将被rs相三级线圈403rs感应的电压设为v4。
[0088]进而，将通过il而被L2、L3、L4感应的电压分别设为vl2、vl3、vl4，将通过i2而被L1、L3、L4感应的电压分别设为v21、v23、v24，将通过i3而被L1、L2、L4感应的电压分别设为v31、v32、v34，将通过i4而被L1、L2、L3感应的电压分别设为v41、v42、v43。
[0089]另外，外部电路701~704，分别为代表a相初级线圈401a、a脚u相次级分割线圈402au、a脚w相次级分割线圈402aw、rs相三级线圈403rs的外部电路而描绘的电路。
[0090]在图7的变压器等效电路中，式⑴成立。
[0091]IA133106D
[0092](式I)
【权利要求】
1.一种电力变换装置，具备: 具有三组线圈的变压装置，该三组线圈的每一组具有至少四个线圈；和三个由一个单位变换器构成的、或者将多个单位变换器串联连接而构成的变换器臂部，该单位变换器具备开关元件和能量贮藏元件， 该电力变换装置的特征在于， 所述四个线圈构成为第I线圈、第2线圈、第3线圈、和第4线圈，对所述第I线圈连接电源或者负载，为了在与所述电源或者负载之间进行电力变换，对各个所述变换器臂部串联连接所述任一组的第2线圈和所述任一组的第3线圈而构成电路，所述第I线圈和所述第2线圈的耦合系数、与所述第I线圈和所述第3线圈的耦合系数之间的大小关系，同所述第4线圈和所述第2线圈 的耦合系数、与所述第4线圈和所述第3线圈的耦合系数之间的大小关系相等。
2.一种电力变换装置，具备: 三个单相变压器，该三个单相变压器的每一个具有至少四个单相线圈；和三个由一个单位变换器构成的、或者将多个单位变换器串联连接而构成的变换器臂部，该单位变换器具备开关元件和能量贮藏元件， 该电力变换装置的特征在于， 对三个所述单相变压器的第I单相线圈连接电源或者负载，为了在与所述电源或者负载之间进行电力变换，对各个所述变换器臂部串联连接所述任一个单相变压器的第2单相线圈和所述任一个单相变压器的第3单相线圈而构成电路，所述第I单相线圈和所述第2单相线圈的耦合系数、与所述第I单相线圈和所述第3单相线圈的耦合系数之间的大小关系，同所述第4单相线圈和所述第2单相线圈的耦合系数、与所述第4单相线圈和所述第3单相线圈的耦合系数之间的大小关系相等。
3.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 对所述第4线圈连接负载。
4.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于， 对所述第4单相线圈连接负载。
5.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述四个线圈卷绕在3脚铁心上。
6.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述四个线圈卷绕在4脚铁心上。
7.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述四个线圈卷绕在5脚铁心上。
8.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述单位变换器采用双向斩波器电路而构成。
9.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述单位变换器采用全桥式电路而构成。
10.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述第2、第3线圈构成锯齿状接线。
11.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述第2、第3线圈构成开放锯齿状接线。
12.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述第2、第3线圈构成双星状接线。
13.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于， 所述三个单相变压器的所述第2、第3单相线圈构成锯齿状接线。
14.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于， 所述三个单相变压器的所述第2、第3单相线圈构成开放锯齿状接线。
15.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于， 所述三个单相变压器的所述第2、第3单相线圈构成双星状接线。
16.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 从与铁心脚接近的一侧起按所述第4线圈的一相、所述第I线圈的一相、所述第2线圈的一相、所述第3线圈的一相的顺序进行卷绕。
17.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 从与铁心脚接近的一侧起按所述第4线圈的一相、所述第I线圈的一相、所述第3线圈的一相、所述第2线圈的一相的顺序进行卷绕。
18.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于， 从与铁心脚接近的一侧起按所述第4单相线圈、所述第I单相线圈、所述第2单相线圈、所述第3单相线圈的顺序进行卷绕。
19.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于， 从与铁心脚接近的一侧起按所述第4单相线圈、所述第I单相线圈、所述第3单相线圈、所述第2单相线圈的顺序进行卷绕。
20.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述第I~第4线圈或者单相线圈的组，具有至少一个Λ接线。
【文档编号】H02M7/217GK103973139SQ201410018380
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2013年1月25日
【发明者】井上重德, 加藤修治, 清藤康弘, 门胁慎, 藤田裕幸, 小形秀纪 申请人:株式会社日立制作所