JP6661055B2 - フレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流送電領域に属し、特にフレキシブル直流送電システムコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における故障電流制限の制御と保護協調方法に関する。

電圧源コンバーター型直流送電（voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC）は、電力を切ることが可能な電子素子を採用し、外部電源を利用する必要もなく、相を変えることが実現できる。そのため、パッシブネットワークに電力を供給する能力を有する。電気グリッド稼動中において、重要な負荷への電気供給の確保性を増強するために、フレキシブル直流と交流回線を用い、二回線で重要な負荷に電力を提供する。正常な場合において、二回線から電力を供給するが、特殊な場合、フレキシブル直流回線又は交流回線の片方の回線から電力を供給する；単独にフレキシブル直流を用い、電力を供給するモードを採用する場合、交流側に故障が生じると、交流保護が故障の回線を切り、故障を切り取り、フレキシブル直流システムが持続的に稼動する；しかし、特殊な場合において、フレキシブル直流システムと交流保護と協調しない、更にフレキシブル直流がアイランドモードで稼動する場合において、電流の制限措置がなく、フレキシブル直流システム区域外が故障時に、先にトリップし、交流保護が作動せず又は後作動する可能性があり、フレキシブル直流コンバーターの瞬時過負荷および出力電流制限能力を十分に利用し、交流と直流保護間の協調を形成できていない。交流保護には一般的に過電流保護一、二段または三段を設置し、フレキシブル直流コンバーターはブリッジアーム過電流保護一、二段又は三段があり、交流と直流の過電流保護の間における所定値の協調を設定することによって、コンバーターの区域外に故障が生じる場合、コンバーター出力電流の制限能力を利用して、故障時に定格電流を出力することができ、部分的に短絡電流を提供できる。一方面において、交流保護を利用して、故障を切り取ることができる。別方面において、故障場合におけるコンバーターの稼動を影響しない。

専利「フレキシブル直流送電システムが並列から滑らかにアイランド稼動に切り替える方法」、出願番号２０１３１０２２０２９７．８において：システムの電気量変化特徴により、フレキシブル直流送電システムが交流、直流並列稼動モードか、アイランド稼動モードかを測定し、且つシステムがアイランド稼動モードであると判断する場合、自動的に制御モードをそれと対応する制御策略に切り替えることを開示したが、アイランド稼動モードにおいて、故障発生後に、交流保護と協調することを記載していない；『MMC−HVDC電気グリッド接続及びアイランド稼動状態の切替策略』２０１５，３５（９）：２１５２−２１６１において、フレキシブル直流システムが電気グリッドに接続状態及びアイランドモード間での安定的な切替策略が記載されているが、故障下の電流制限の制御方法と交流システム保護協調方法に関わっていない。

本発明の目的は、フレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法を提供することである。コンバータの電流出力指令制限Imaxが電流内ループdqの電流指令I^＊ _Ldqの大きさを制限することに用いられる；交流システム故障時のImaxが交流回路過電流保護三段数値と等しく又は過電流保護三段の数値よりやや大きく設定し、交流回路過電流保護一段の所定値をコンバーターブリッジアーム過電流保護一段の所定値より低く設定し、コンバーターブリッジアーム過電流保護二段数値を交流回路過電流保護二段数値より低く設定し、または数値が等しい場合、遅延時間が交流保護より長く設定する；コンバーター接続回路側に故障が発生したことを検出時に、前記コンバータの電流出力指令制限Imaxを切り替え、正常の許容出力電流の倍数から故障時における交流回路保護三段数値に切り替え、コンバーター出力電流を制限することによって、部分的に短絡電流を提供することを実現し、交流保護三段によって、交流故障を切り取ると同時に、コンバーターの正常な稼動にも影響しない。交流側故障が解除されたた後、Imaxが正常状態におけるコンバーターの許容出力電流倍数に回復する；Imaxの切替方法としては、リアルタイムに電気グリッド側の電圧の振幅を測定し、電圧の振幅の数値に基づき、予め設定したｎ組（U_Lj,Imax）（j=1，2、・・・n）の二次元数値シリーズ又は曲線に従い、補間方法又はルックアップテーブル方法を用い、前記コンバータの電流出力指令制限Imaxを得て、コンバータがパッシブ状態で稼動時の出力電流を制限することに用いられる。

上記方法はリアルタイムに電気グリッド側の電圧振幅を測定し、一旦低電圧状態を検出すると、交流回路に故障が発生したと判断し、Imaxが故障状態における交流回路保護三段の数値に切り替えられる。

上記フレキシブル直流送電システムコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法として、コンバーター回路側の故障が解消された後に、前記コンバータの電流出力指令制限Imaxが正常状態のコンバーター許容出力電流倍数に回復する。電気グリッド側の故障が消えたかどうかを判断する方法はU_L＞U_setであり、U_setは予め設定した電圧閾値である。

上記フレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法として、電気グリッド側電圧によって外ループのインテグレーション作用をコントロールし、低電圧場合における電流指令が迅速に前記コンバータの電流出力指令制限Imaxに達させ、故障下のコンバーターの出力電流が迅速に交流回路保護二段又は三段の数値に達し易くなる。

上記フレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法として、正常状態と故障状態におけるImaxの数値範囲が0.0〜1.5であり、故障状態におけるImaxは正常状態時より低い。

上記フレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法として、予めｎ組（U_Lｊ、Imax)（ｊ＝1，2，…ｎ）の二次元数値シリーズ又は曲線を設定し、U_Lは電気グリッド側の電圧であり、Imaxは故障における交流カイロ保護二段又は三段数値に切替る方法は、現時点検出したU_Ljの大きさに基づき、補間方法又はルックアップテーブル方法を用い、Imaxを得ることである。

上記フレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法として、電流制限指令i^* _{Ldq_LIM} は内ループ電流コントローラとして電流指令を入力する。

上記フレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法として、交流回路に故障が発生後、Imax電流指令制限を採用後、実際の出力電流がImaxより低いであれば、システムが継続的に稼動し、
を満足するのであれば、外部交流保護二段又は三段により、交流故障を切り取った後に、Imaxが正常状態における、コンバーターが許容出力電流倍数に回復する。

上記フレキシブル直流送電システムコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法として、Imaxが電流内ループdq電流指令の大きさI^＊ _Ldqを限定し、現時点の電流制限指令が
であることを検出するのであれば、等比例方法で電流内ループの電流指令i^* _Ldとi^* _Lｑ、i^* _{Ldq_LIM}を得て、
を満足すると共に、電流ｄｑ電流指令間の夾角が変わらない。

上記の案を採用する場合、本発明の利点は以下の通りである。

（１）フレキシブル直流コンバーターの瞬時過負荷および出力電流制限能力を十分に利用し、交、直流保護間の協調を形成して、コンバーター出力電流の制限能力を利用して、故障時に定格電流を出力し、部分の短絡電流を提供し、一方面において、交流保護を利用して、故障を取り除く；別の方面において、故障下のコンバーターの稼動にも影響しない。

（２）フレキシブル直流コンバーターブリッジアーム過電流保護と交流保護の協調によって、近端の故障の場合、交流回路保護一段が速やかに作動し、故障を切り取る。コンバーターブリッジアーム過電流保護と遠端の回路保護と協調して、アイランドモードにおける遠端回路保護のリモートバックアップとする。このように、コンバータ過負荷能力を十分に利用し、遠端故障を切り取った後に、コンバータが継続的に稼動する。

図１はコンバーターがパッシブ稼動時におけるコンバーターの電流制限の制御案である。

図２はコンバータの電流出力指令制限Imaxが交流電圧U_Lに基づく切替曲線である。

本発明の目的は、フレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における故障電流制限の制御と保護協調方法を提供することであり、コンバーターが交流システムと接続してアイランドで稼動時に、交流システムは故障が発生する場合、コンバーターからの出力電流を制限することによって、部分的な短絡電流を提供する；当時の交流電圧の振幅に基づき、相応するコンバーターの出力を切り替え、交流保護によって、交流回路故障を切り取ると同時に、コンバータの正常な稼動に影響しない。交流側の故障が解除された後にImaxが正常状態におけるコンバーターの許容出力電流倍数に回復する。

上記目的を達成するために、本発明の解決案は以下の通りである。

コンバーターの出力電流と交流回路の過電流保護動作の所定値と協調する。協調方法として、交流システムとの接続に故障が生じたことを検出する場合、コンバーター電流出力指令制限Imaxが交流回路過電流保護三段の数値と等しくまたは過電流保護三段の数値よりやや大きく設定する。交流回路過電流保護一段の所定値はコンバーターのブリッジアームの過電流保護一段の設定値より低く設定し、コンバーターのブリッジアームの過電流一段はコンバーターの瞬時過負荷能力を考慮し、近端交流回路過電流保護二段の設定値はコンバーターブリッジアームの過電流保護二段の設定値より高く設定し、遅延時間はコンバーターブリッジアームの過電流保護二段より短い；コンバーターブリッジアーム過電流保護二段はバックアップとし、リモート端交流回路過電流保護二段はコンバーターブリッジアームの過電流保護二段の所定値より低く設定し、コンバーターブリッジアーム過電流保護二段はリモートバックアップとする。

交流回路過電流保護三段の所定値をコンバータの電流出力指令制限Imaxに設定する。交流回路過電流保護三段の遅延時間はコンバーターブリッジアームの過電流保護三段より短く、コンバーターブリッジアーム過電流保護三段をリモート端交流回路のリモートバックアップとする。

制御システムはリアルタイムに電気グリッド側の電圧振幅を検出し、一旦低圧状態を検出すると、交流回路に故障が発生したと判断し、Imaxは故障状態における交流回路保護三段の数値に切り替える。コンバーター回路側の故障が解除された後、コンバータの電流出力指令制限Imaxが正常状態におけるコンバーターの許容出力電流倍数に回復し、電気グリッド側の故障が解除されたことを判断する方法としては、U_L＞U_setである。U_setは予め設定した電圧の閾値である。

Imaxは電流内ループｄｑ電流指令I^＊ _Ldqを制限することに用いられ、現時点の電流制限指令が
であることを検出する場合、等比例方法で、電流内ループの電流指令i^* _Ldとi^* _Lｑを変え、i^* _{Ldq_LIM}を得て、
満足すると同時に、電流ｄｑ電流指令間の夾角が変わらない。ここで、電流ｄｑ電流指令とは、電流ｄ軸電流指令および電流ｑ軸電流指令を指す。以上から得られた電流制限指令i^* _{Ldq_LIM}は内サイクロ電流のコントローラーとして電流指令を入力する。

交流電圧を外ループPIコントロールとして入力し、下図１に示すように、電気グリッド側の電圧を利用し、外ループインテグレーション作用をコントロールし、低電圧場合における電流指令が速やかにImaxに達成させ、故障下のコンバータの出力電流が迅速に交流回路保護二段又は三段数値に達成させ易くなる。正常場合と故障場合におけるImaxの数値範囲が0.0〜1.5であり、一般的に故障場合のImaxは正常場合より低い。

正常Imaxから故障Imaxに切替方法は図２に示すように、予めｎ組（U_Lｊ、Imax)（ｊ＝1，2，…ｎ）の二次元数値シリーズ又は曲線を設定し、U_Lはグリッド側の電圧であり、Imaxは故障における交流カイロ保護三段数値に切替方法として、現時点に検出したU_Lｊに基づき、補間方法又はルックアップテーブル方法を用い、Imaxを得ることである。

交流回路に故障が発生後、Imax電流指令制限を採用し、実際の出力電流がImaxより低いのであれば、システムが継続的に稼動する；
を満足するのであれば、外部交流保護二段又は三段により、交流故障を解除後、Imaxが正常状態のコンバーターが許容出力電流の倍数に回復する。

Claims (10)

1. コンバーター出力電流は交流回路過電流保護動作と、所定値で協調し、協調方式としては、交流システム接続に故障があったことを検出した後、コンバーターの電流出力指令制限Imaxが交流回路過電流保護三段数値と等しく、または過電流保護三段数値よりやや大きく設定する；交流回路過電流保護一段の所定値をコンバーターブリッジアーム過電流保護一段の所定値より低く設定し、コンバーターブリッジアーム過電流保護一段はコンバーターの瞬時過負荷能力を考慮し、近端交流回路の過電流保護二段の所定値をコンバーターブリッジアーム過電流保護二段の所定値より高く設定し、遅延時間がコンバーターブリッジアーム過電流保護二段より短く設定し、コンバーターブリッジアーム過電流保護二段をリモートバックアップとして、遠端交流回路の過電流保護二段をコンバーターブリッジアーム過電流保護二段の所定値より低く設定し、コンバーターブリッジアーム過電流保護二段をリモートバックアップとすることを特徴とするフレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法。
2. 交流回路過電流保護三段の所定値を前記コンバーターの電流出力指令制限Imaxに設定し、コンバーターが長期故障稼動可能な電流制限数値でもあり、遅延時間がコンバーターブリッジアーム過電流保護三段より短く、コンバーターブリッジアーム過電流保護三段を遠端交流回路のリモートバックアップとすることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法。
3. リアルタイムに電気グリッド側の電圧振幅の大きさを測定し、一旦低電圧状態であることを検出する場合、交流回路に故障が発生したこととし、前記コンバーターの電流出力指令制限Imaxが故障下における交流回路保護三段数値に切り替えることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法。
4. コンバーター回路側の故障が解除された後、前記コンバーターの電流出力指令制限Imaxが正常状態におけるコンバーターの許容出力電流倍数に回復し、電気グリッド側の故障が解除されたことを判断する方法としては、U_L＞U_setであり、U_setは予め設定した電圧閾値であり、前記U _L は電気グリッド側の電圧であることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法。
5. グリッド側電圧制御の外ループインテグレーション作用を利用し、低電圧場合の電流指令が迅速に前記コンバータの電流出力指令制限Imaxに達し、故障下におけるコンバーターの出力電流の大きさが迅速に交流回路保護二段または三段の数値に達せやすくすることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法。
6. 正常状態および故障状態における前記コンバータの電流出力指令制限Imaxの数値範囲が0.0〜1.5であり、故障状態における前記Imaxが正常状態時より低いであることを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法。
7. 予めn組（U_Lｊ,Imaxj)(j＝1,2,・・・)二次元数値シリーズまたは曲線を設定し、U_Lはグリッド側の電圧であり、前記コンバータの電流出力指令制限Imaxを故障下における交流回路保護二段または三段数値に切り替える方法としては、当時点に検出したU_Lｊに基づき、補間方法又はルックアップテーブル方法を用い、前記コンバータの電流出力指令制限値Imaxを得ることであることを特徴とする請求項３に記載のフレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法。
8. 電流制限指令i^* _{Ldq_LIM}は内ループ電流コントローラーとして電流指令を出力することを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法。
9. 交流回路に故障が生じた後、前記コンバータの電流出力指令制限Imaxを用い、実際の出力電流が前記Imaxより低いであれば、システムは持続的に稼動し、
   を満足すれば、外部交流保護二段又は三段により、交流故障を切り取った後に、前記Imaxが正常状態におけるコンバーターが許容出力電流の倍数に回復することを特徴とする請求項１に記載のフレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法。
10. 前記コンバータの電流出力指令制限Imaxは電流内ループdq電流指令I^＊ _Ldqの大きさを制限することに用いられ、当時点の電流制限指令が
    であることを検出すれば、等比例方式で電流内ループの電流指令i^* _Ldとi^* _Lｑを変えて、i^* _{Ldq_LIM}を得られ、
    を満足すると共に、電流ｄｑ電流指令間の夾角が変わらない、前記電流ｄｑ電流指令は、電流ｄ軸電流指令および電流ｑ軸電流指令を指すことを特徴とする請求項１にフレキシブル直流送電システムのコンバーターがアイランドモードで稼動する場合における、故障電流制限の制御と保護協調方法。