JPH08507673A - 直流送電のための方法および調節用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高圧直流送電設備の電力変換装置（５ａ、５ｂ）間の直流送電の改善された作動特性を可能にするため、電力変換装置（５ａ、５ｂ）にそれぞれ部分制御信号（αｉないしαｎ）から構成される制御信号（αａ、αｂ）が供給される方法および装置（１ａ）が提案される。電力変換装置（５ａ、５ｂ）の前段に接続されている調節装置（１１ａ、１１ｂ）はその際にベクトル調節器として構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 直流送電のための方法および調節用装置 本発明は２つの電力変換装置間で直流送電を行うための方法に関する。また本 発明は２つの交流回路網間の直流送電のための調節用装置に関する。 ２つの交流電圧回路網の間で電気エネルギーを伝送するために特定の場合には 直流送電が使用される。その際に第１の交流電圧回路網に、直流電流を発生する 整流器が接続され、この直流電流は再びインバータに供給される。このインバー タは第２の交流電圧回路網と接続されている。こうして両交流電圧回路網が直流 電流接続を介して互いに接続されている。その際にエネルギーの流れ方向は反転 可能である。２つの電力変換装置間で直流送電を行うこのような装置はたとえば 国際特許出願公開第92/22118号明細書から公知である。 このような装置の作動のためにさまざまな調節方法が使用される。その一例は いわゆるマージナル電流法である。この方法においては整流器およびインバータ はそれぞれ電流調節器を有し、それらの特性曲線はマージナル電流のまわりに互 いにずらされている。その際に両変換装置が電圧調節器を有することも通常であ る。こうして各変換装置に、電流および電圧分岐を有する正確に定められた動作 特性曲線が対応付けられている。そのつどの動作特性曲線の交点は作動中に全体 装置の動作点を生ずる。目下の作動状況に応じてこのような装置では常にただ１ つの調節器、すなわち電流または電圧に対する調節器が場合によっては最大また は最小選択を介して能動的である。その他の調節器は非能動的である。擾乱がた とえば直流電流の高調波の重畳により生ずるならば、目下の動作点は高調波振動 に相応して目標動作点に近接するか、またはこれから離隔し得る。 本発明の課題は、それぞれ交流電圧回路網に接続されている２つの電力変換装 置間の直流送電の際の調節特性を従来の技術にくらべて改善する方法および調節 装置を提供することである。 この課題は、本発明によれば、特に１つの高圧直流送電設備用の２つの電力変 換装置間で直流送電を行うための方法であって、電力変換装置の制御装置にそれ ぞれ制御信号が供給され、そのつどの制御信号がそれぞれ両電力変換装置の共通 の動作点への部分調節偏差に関係して形成される部分制御信号から構成されるこ とにより解決される。 新しい方法は、任意に多くの自由度を有する多次元ベクトル調節と呼ぶことが できる。その際にそのために使用される調節器（調節器偏差）は、それらが、た とい自立的に動作するとしても、直流送電の全特性に役に立つように能動化され ている。その際にたとえば故障の場合に対する様々な特殊条件およびストラテジ ーが直流送電の作動中に顧慮され得る。新しい調節器構造は特に、計算機および プログラムにより実現されるディジタル調節装置に適している。しかしアナログ 技術での構成も容易に可能である。本発明は、２つより多い電力変換装置を有す る多点作動にも適している。好ましい構成例は多次元に構成されている。別の有 利な構成例は請求項２ないし４にあげられている。 調節用装置に関する上記の課題は、本発明によれば、制御信号を発生するため の調節装置を有するそれぞれ対応付けられている制御装置を前段に接続されてい る電力変換装置による交流回路網間の直流送電のための調節用装置において、調 節装置のなかで、電力変換装置の共通の動作点への部分調節偏差から出発して、 部分制御信号を含む制御信号が形成されることにより解決される。 本発明による別の解決策は、直流送電の少なくとも１つの電力変換装置に対す る制御信号を形成するための調節装置を含んでいる三相交流回路網間の直流送電 のための調節用装置において、多次元の空間のなかの動作点への予め設定可能な 数の調節偏差から出発して各調節偏差に対して乗算器が設けられており、それら の加算された出力信号が調節偏差から導かれた少なくとも１つのＩ要素の出力信 号により加算されていることにある。特に本装置は高圧直流送電設備に適してい る。これは簡単な手段により直流送電の際のベクトル調節の実現を可能にする。 こうして直流送電の作動のための完全に新しい調節器構造が用意され得る。そ の際に特にインバータ用の従来の階層的に構成された調節器構成は放棄され、ま た任意の調節偏差の影響を許す完全に新しい調節器構造が設計された。その際に 新しい調節器構造の構成は驚くほどに簡単であり、また多次元の調節を可能にす る。他の好ましい構成はその他の請求項にあげられている。 以下、実施例および図面により例について本発明および他の利点を一層詳細に 説明する。 図１は直流送電のための装置、 図２は整流器用として設けられている第１の調節器構造、 図３はインバータ用として設けられている第２の調節器構造、 図４は装置の動作点のダイアグラム、 図５および図６は調節器の例である。 以下に使用される符号および略称ならびにそれらの意味はこの明細書の最後に リストにまとめられている。 図１は第１および第２の三相回路網３ａおよび３ｂが電気的に互いに接続され ている直流送電のための原理的な基置１、特に高圧直流送電設備を示す。装置１ はそのために、直流側で場合によっては接地された直流線７または直流接続を介 して互いに接続されている２つの電力変換装置５ａ、５ｂを有する。三相側では 両電力変換装置５ａ、５ｂはそれぞれ三相回路網３ａまたは３ｂの１つと接続さ れている。直流線７の構成に応じて全装置１はたとえばバック‐ツー‐バック連 結または長距離送電として構成されていてよい。これは特にエネルギー網を連結 する役割をする高圧直流送電設備における利用の場合である。以下の実施例では 、三相回路網３ａから三相回路網３ｂへのエネルギー輸送が行われることから出 発する。その際に一方の電力変換装置５ａは整流器として、また他方の電力変換 装置５ｂはインバータとして構成され作動する。もちろんエネルギー反転も可能 である。以下の実施例は反転されたエネルギー方向に対しても同様に使用可能で ある。作動の仕方はたとえば整流器枝路により説明される。装置１は予め定めら れた個所に電流ＩａおよびＩｂ、電圧ＵＡＣａ、ＵＡＣｂ、ＵａおよびＵｂを検 出するための詳細には示されていない測定センサを有する。 各電力変換装置５ａ、５ｂに、調節装置１１ａ、１１ｂから所属の制御信号、 すなわち制御角αａ、αｂに対する信号が供給される制御装置９ａ、９ｂが対応 付けられている。制御角αａ、αｂは点弧角を記述する。 この構成から出発して、装置１の作動のために重要なことは、両電力変換装置 ５ａ、５ｂが定常的作動中に、たとえば予め定められた伝送すべき電力Ｐの際に 、 できるだけ無損失で同時に安定な作動を可能にするために互いに設定されている ことである。そのためにそれらは図４中に二次元表現でＩ／Ｕダイアグラムとし て示されている共通の動作点Ａに設定されている。この動作点Ａは、伝送すべき 電力Ｐから出発して直流接続に対する動作点Ａにおける電流ＩＡおよび電圧ＵＡ を記述する。伝送すべき電力Ｐは一般に、固定的に予め定められており、またす べての場合に大きい時間間隔で変化される値である。実際には、この値はたとえ ば電話による通信伝送により一方の変換装置ステーションから他方の変換装置ス テーションに伝えられる。従って、電力Ｐはいわば定常的な作動電力を表す。 いまの場合、この動作点Ａは多次元の量として考察される。それは両電力変換 装置５ａおよび５ｂから共同作用により到達されるべきである。そのために両調 節装置１１ａ、１１ｂに調節偏差ΔＡａｉないしΔＡａｎが供給される。このベ クトル的な考察の仕方により、そのつどの電力変換装置が可能なかぎり直接的な 経路で、また可能なかぎり迅速に動作点Ａに到達することが達成される。各電力 変換装置ステーションがそれ自体は自立的に動作点Ａを駆動するとしても、これ は共通に動作点Ａに到達するという全体目的のもとにある。すなわち共通の接近 が行われ、その際に常に両変換装置ステーションが寄与する。従来の技術ではた だ１つの電力変換装置において調節干渉が行われるのにくらべて、２つの電力変 換装置において同時に調節干渉が行われる。 この動作の仕方を図４を参照して一層詳細に説明する。図４には電流電圧ダイ アグラムＩ／Ｕのなかに予め定められた到達すべき動作点Ａが示されている。目 下の動作点はＡｉｓｔで示されている。これらの両動作点ＡおよびＡｉｓｔはい まベクトル量ＡおよびＡｉｓｔとして考察される。これらの両ベクトルの差から 調節偏差ΔＡが生ずる。このベクトルの投影は、従来の技術での電流または電圧 調節器の調節偏差に相当する調節偏差ΔＡＩおよびΔＡＵを発生する。動作点Ａ を（電力変換装置制御信号の追随により）得るためには、調節偏差の大きさΔＡ が零に調節されることが必要である。すなわちΔＡＵおよびΔＡＩが同時に零で なければならない。このことから、この調節課題は選択的に１つまたは２つの調 節器により実行され得ることが明らかになる。 一般化されて本調節方法では式 ΔＡ＝Δｉ＋Δｕ＋・・・・・・＋Δｎ から出発される。ここでΔｉ、ΔｕないしΔｎは調節量または次元のそのつどの 調節偏差であり、その際にインデックスはそのつどの調節量への関連を示す。こ れから多次元の調節器に対して式 α＝αi＋αu＋・・・＋αn を生ずる。ここでαは部分制御角αiないしαnから成る制御角である。これらは 部分調節器（仮想部分調節器）から供給され得る。部分調節器がＰＩ調節器であ るという仮定のもとに下式が得られる。 ここで は電流調節器の部分制御角であり、 は電圧調節器の部分制御角であり、 は第ｎ調節量の部分制御角である。 ＰおよびＩ成分に分類して下式のように記述することができる。 または その際に が成り立つ。 このことから多次元調節器の構成が生ずる。図２及び図３は例として図１中の 装置１ａにおける使用に適している三次元の構造を有する調節装置１１ａ、１１ ｂを有する調節器装置の実施例を示す。これらの図面は当業者にとって自明であ る。より高い次元の調節器コンセプトへの拡大は可能である。 図２は、整流器として動作する電力変換装置５ａの単極作動に対する構成を示 す。調節装置１１ａは多次元の調節に適したベクトル調節器として構成されてい る。整流器のすべての調節枝路は階層的構成を有する。 予め定められた電力Ｐ（目標電力）から出発して先ず関数発生器Ｆおよび除算 器Ｄにより固定的な動作点電圧ＵＡＦおよび固定的な動作点電流ＩＡＦが形成さ れる。電圧に関係する特性を有する関数発生器ＶＤＶＯＣ（VOLTAGE DEPENDENT VOLTAGE ORDER CHARACTERISTIC）の出力信号は固定的な動作点電圧ＵＡＦと共に 最小選択器ＭＩＮ１を経て導かれ、この最小選択器の後に、電圧調節偏差ΔＡＵ ａを形成するための比較器Ｖ１が接続されている。比較器にはそのために電圧測 定値Ｕａが供給されている。関数発生器ＶＤＶＯＣは好ましくは、原点を通る直 線を有する特性曲線を有する。特性曲線は予定されているストラテジーに関係し ている。しかし他のストラテジーに対する他の特性曲線も可能である。 電力Ｐと電流Ｉａおよび電圧Ｕａから求められる測定された電力Ｐａとの間の 偏差は比較器Ｖ９により求められる。この偏差から電力調節器Ｌにより発生され た補正信号ＫＰは固定的な動作点電流ＩＡＦと共に、第２の最小要素ＭＩＮ２の 前に接続されている加算器Ｓ２に供給される。この最小要素にはさらに、故障の 場合に動作点電流ＩＡの高さを決定する別の関数発生器ＶＤＣＯＬの信号が供給 される。この値は、電流の調節偏差ΔＡＩａを得るため、別の比較器Ｖ３のなか で実際の電流測定値Ｉａと比較される。 電流目標値ＩＡが予め設定可能な値を超過するときに、別の枝路を経て、、関 数発生要素ＩＦにより有効になる過電流調節器Ｕの干渉が可能である。次いで変 化信号Δｉｋが形成される。調節偏差ΔＡＵａ、ΔＡＩａおよびΔｉｋは調節偏 差 ΔＡａ１ないしΔＡａｎを有する図１中の一般的な表現の三次元調節の具体的な 例である。 すべての変化信号ΔＡＵａ、ΔＡＩａおよびΔｉｋは続いて、ベクトル調節器 として構成され、既に説明した仕方で動作する調節装置１１ａに供給される。そ れは、必要であれば、ベクトル調節器をレリーズし、ロックし、またはホールド する能動化ユニットＡＥをも含んでいてよい。調節装置１１ａは次いで所望の制 御角αａを供給する。調節装置１１ａは、当業者に認識されるように、内部を上 記の式に相応して構成されており、一層詳細な構成は図３で説明する。 図３は、図２に相応して、インバータ調節枝路の構成を示す。さらに、関数発 生器ＧおよびＧｇを有する消弧角調節枝路が含まれている。消弧角目標値γは伝 送すべき電力Ｐから関数発生器Ｇにより決定される。消弧角に対する調節回路の 区間増幅度は関数発生器Ｇ₉により変化される。この枝路はたとえば電力変換装 置５ｂの単極作動に対して示されており、その際に階層的な構成は完全に省略さ れた。ＶＤＣＯＬおよびＶＤＶＯＣ特性の形態は整流器枝路のそれに相応してい る。その特性は、それらが動作点Ａへのインバータの迅速な接近を保証し、また 動作点Ａの付近では、すなわちあたかも調節偏差ベクトルΔＡが予め設定可能な 値を下回るならば、消弧角調節枝路に制御を委ねるように設定されている。 調節偏差ΔＡＵｂ、ΔＡＩｎおよびΔＡγはその際に、それぞれ対応付けられ ている定数ＫＰ、ＫＰｕおよびＫＰｉまたはＴｕ、ＴｉおよびＴｉｋが供給され ているそれぞれ３つの乗算器Ｍを有するそれぞれ２つの群に供給される。各群の 乗算器Ｍの出力信号は加算器Ｓ８、Ｓ７により加算される。一方の加算信号はＩ 調節器ＩＲｂに供給され、その出力信号は他方の加算器Ｓ７の和信号と加算され 、またリミッタＢｂを経て導かれる。次いで出力端にその後の処理のための制御 角αｂが得られる。整流器５ａおよびインバータ５ｂの調節装置１１ａおよび１ １ｂは単に、選択的にインバータ５ｂにも設けられ得る能動化装置ＡＥにより相 違している。 図５は原理的に図２および図３中に利用される調節装置１１ｃの構成を著しく 簡単化して示す。図６は特定の場合に同じく使用され得る代替的な実施例である 。 図５による調節装置１１ｃでは調節偏差ΔＡａ１ないしΔＡａｎはそれぞれ対 応付けられている乗算器ＭＴおよびＭＰに供給される。乗算器ＭＴの出力信号は 加算され、Ｉ調節器ＩＩに供給され、その出力信号は加算器ＳＳのなかで乗算器 ＭＰの出力信号と制御角αとして加算される。 図６による調節装置１１ａでは調節偏差ΔＡａ１ないしΔＡａｎはそれぞれ対 応付けられている乗算器ＭＰおよびＩ調節器ＩＩに供給される。制御角αを形成 するため、すべての乗算器ＭＰおよびＩ調節器ＩＩの出力信号は加算器Ｓ１１に より加算される。 要約すると、個々の電力変換装置に対する調節コンセプトは下記のように記述 され得る。 ａ）整流器５ａに階層的調節器構造が存在する。これは電力調節器およびｕ、ｉ およびｉmaxに対する三次元ベクトル調節器１１ａを含んでいる。 ｂ）インバータ５ｂにｕ、ｉおよびγに対する三次元ベクトル調節器１１ｂが存 在する。 示された調節方法および付属の装置はもちろん当業者の考察の範囲内で変形ま たは補足され得る。特に、調節を重み付けされた観点に従ってファジー要素によ り補足することが考えられる。また自己学習を行うニューロン的な動作の仕方も 考えられる。 以下に、図面中に使用されているすべての符号をその説明と共に列挙しておく 。 １ 装置 ３ａ、３ｂ 第１および第２の三相回路網 ５ａ、５ｂ 電力変換装置 ７ 直流線 ９ａ、９ｂ 制御装置 １１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 調節装置 α、αａ、αｂ、αｉないしαｎ 制御角 Ａ 動作点 Ｕａ、Ｕｂ 電圧測定値 Ｉａ、Ｉｂ 電流測定値 Ｐａ、Ｐｂ 測定された電力 Ｐ 予め定められた伝送すべき電力 ΔＡＵ、ΔＡＩ、ΔｕないしΔｎ、 Δｉｋ、Δγ、ΔＡａ１ないしΔＡａｎ、 ΔＡｂｉ、ΔＡｂｘ、ΔＡＵｂ、ΔＡＩｂ、 ΔＡＵａ、ΔＡＩａ、ΔＡｂ１ないしΔＡｂｎ 調節偏差 ＵＡ 動作点電圧 ＩＡ 動作点電流 ＵＡＣａ、ＵＡＣｂ 交流電圧測定値 ＩＡＣａ、ＩＡＣｂ 交流電流測定値 γ 消弧角目標値 γｂ 実際消弧角 ＵＡＦ 固定の動作点電圧 ＩＡＦ 固定の動作点電流 ＫＧ、ＫＰ 補正値 Ｌ 電力調節器 Ｇ、Ｇｇ 消弧角枝路（γ）に対する関数発生器 Ｆ 関数発生器 Ｄ 除算器 Ｖ１ないしＶ９ 比較器 ＭＩＮ１、ＭＩＮ２、ＭＩＮ３、ＭＩＮ４ 最小値要素、最小値選択 ＶＤＶＯＣ、ＶＤＣＯＬ ストラテジー要素、関数発生器 Ｕ 過電流調節器 ＩＦ、ＵＦ 関数要素 ＡＥ 能動化装置 Ｓ２ないしＳ１１、ＳＳ 加算器 ＩＲａ、ＩＲｂ、ＩＩ Ｉ調節器 Ｍ、ＭＴ、ＭＰ 乗算器 Ｂａ、Ｂｂ リミッタ αｍａｘ、αｍｉｎ 予め設定可能な制限 ＩｉないしＩｕ Ｉ要素 ＰｉないしＰｕ Ｐ要素 ＴｉないしＴｕ Ｔ要素 Σ 加算要素 インデックス１ないしｎ １ないし∞ インデックスｉ、ｕないしｋ 具体的な測定量に関するインデックス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．特に高圧直流送電設備用の２つの電力変換装置（５ａ、５ｂ）間で直流送電 を行うための方法であって、電力変換装置（５ａ、５ｂ）の制御装置（９ａ、９ ｂ）にそれぞれ制御信号（αａ、αｂ）が供給される方法において、そのつどの 制御信号（αａ、αｂ）がそれぞれ両電力変換装置（５ａ、５ｂ）の共通の動作 点（Ａ）への部分調節偏差（ΔＡａ１ないしΔＡａｎ、ΔＡｂ１ないしΔＡｂｎ 、Δｉｋ、Δγ）に関係して形成される部分制御信号から構成されることを特徴 とする直流送電のための方法。 ２．動作点（Ａ）が多次元空間のなかの点またはベクトルとして予め設定されて いることを特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．部分調節偏差（ΔＡａ１ないしΔＡａｎ、ΔＡｂ１ないしΔＡｂｎ）が多次 元空間のなかの偏差として予め設定されることを特徴とする請求項２に記載の方 法。 ４．空間に対して、また部分制御信号（αｉないしαｎ）に対して必要な次元ま たは自由度の数が予め設定可能であることを特徴とする請求項２または３に記載 の方法。 ５．制御信号（αａ、αｂ）を発生するための調節装置（１１ａ、１１ｂ）を有 するそれぞれ対応付けられている制御装置（９ａ、９ｂ）を前段に接続されてい る電力変換装置（５ａ、５ｂ）による交流回路網（３ａ、３ｂ）間の直流送電の ための調節用装置において、調節装置（１１ａ、１１ｂ）のなかで、電力変換装 置（５ａ、５ｂ）の共通の動作点（Ａ）への部分調節偏差（ΔＡａ１ないしΔＡ ａｎ、ΔＡｂ１ないしΔＡｂｎ、Δｉｋ、Δγ）から出発して、部分制御信号を 含む制御信号（αａ、αｂ）が形成されることを特徴とする直流送電のための調 節用装置。 ６．制御信号（αａ、αｂ）を発生するため電力変換装置（５ａ、５ｂ）の調節 装置（１１ａ、１１ｂ）の少なくとも１つがベクトル調節器として構成されてい ることを特徴とする請求項５に記載の調節用装置。 ７．ベクトル調節器に対する次元の数が予め設定可能であることを特徴とする請 求項５に記載の調節用装置。 ８．多次元の空間のなかの動作点（Ａ）への予め設定可能な数の調節偏差から出 発して各調節偏差に対してＰ要素（ＰｉないしＰｎ）が設けられており、それら の加算された出力信号が調節偏差から導かれた少なくとも１つのＩ要素（Ｉｉな いしＩｎ）の出力信号により加算されていることを特徴とする請求項１ないし７ の１つに記載の調節用装置。 ９．各調節偏差にＩ要素（ＩｉないしＩｎ）が対応付けられていることを特徴と する請求項８に記載の調節用装置。 １０．各調節偏差に対してＴ要素（ＴｉないしＴｎ）が設けられており、それら の出力信号が加算されてＩ要素（Ｉ）に供給されていることを特徴とする請求項 ９に記載の調節用装置。 １１．直流送電の少なくとも１つの電力変換装置（５ａ、５ｂ）に対する制御信 号（αａ、αｂ）を形成するための調節用装置を有する三相交流回路網（３ａ、 ３ｂ）間の直流送電のための調節用装置において、、多次元の空間のなかの動作 点（Ａ）への予め設定可能な数の調節偏差から出発して各調節偏差に対して乗算 器（ＭＰ）が設けられており、それらの加算された出力信号が調節偏差から導か れた少なくとも１つのＩ要素（ＩＩ）の出力信号により加算されていることを特 徴とする直流送電のための調節用装置。 １２．各調節偏差にＩ要素（ＩＩ）が対応付けられていることを特徴とする請求 項１１に記載の調節用装置（図６）。 １３．各調節偏差に対して乗算器（ＭＴ）が設けられており、それらの出力信号 が加算されてＩ要素（Ｉ）に供給されていることを特徴とする請求項１１に記載 の調節用装置（図５）。