JP2012507253A

JP2012507253A - 供給ネットワークからの電力をコンシュマーネットワークに供給するためのデバイス

Info

Publication number: JP2012507253A
Application number: JP2011532565A
Authority: JP
Inventors: ウーヴェ・クレブス; ユルゲン・モーザー
Original assignee: シーメンスアクティエンゲゼルシャフト
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: WO2010049231A2; HK1159331A1; PT2347491T; JP5363582B2; CN102197562A; AU2009309887B2; EP2347491A2; EP2347491B1; WO2010049231A3; DE102008053822B3; CN102197562B; DK2347491T3; AU2009309887A1

Abstract

供給ネットワーク(12)からの電力をコンシュマーネットワーク(13)に供給するためのデバイス(1)であって、このデバイス(1)は、供給ネットワーク(12)およびコンシュマーネットワーク(13)の両方に接続され得る周波数変換器(2)を有し、コンシュマーネットワーク内の短絡を特定して、残りの誤りのないコンシュマーネットワークから選択的に分離することができるように、前記周波数変換器によってコンシュマーネットワークに対して十分長い期間にわたって大きな短絡電流を供給することもできるデバイス(1)を提供するために、本発明は、周波数変換器(2)と並列に配置され、かつ周波数変換器(2)をバイパスするように構成された切替装置(3)と、切替装置(3)に接続された制御器(9)とを備え、前記切替装置(3)および制御器は、周波数変換器(2)にわたって短絡電流が流れるのを検出した際に切替装置(3)を作動させるように実装されている。

Description

本発明は、電力供給システムからの電力をコンシュマーネットワークに供給するための装置に関し、この装置は、一方では電力供給システムに接続可能であり、他方ではコンシュマーネットワークに接続可能な周波数変換器を有する。

本発明は、電力供給システムからの電力をコンシュマーネットワークに供給する方法にも関する。

このような装置および方法は、既にドイツ特許出願第DE 10 2005 004 628 A1号から知られている。この特許文献に説明されている装置は、湾内の船舶への電力供給を意図するものである。湾内の船舶は、一般に、動作しているディーゼルエンジンによって電力が供給される。しかし、ディーゼルエンジンからの排気ガスが、港湾都市にかなりの環境汚染をもたらす。対象となっているタイプの装置により、電力を陸地から供給することが可能になる。一般に、地上ベースの電力供給システムと船舶の配電システムとの間で、電圧、システム周波数、星状ポイントの取扱い（sternpunktbehandlungen）などが異なるので、静的周波数変換器が設けられ、これによって様々なシステムを結合することができる。静的変換器は、電流および電圧の変換を可能にする電力半導体を有する。既知の装置には、十分に長い期間にわたって船舶給電システムに大きな短絡電流を供給することができないという不都合がある。周波数変換器内の電力半導体バルブは、そうでなければ、損傷を受けるかまたは破壊される恐れさえある。しかし、船舶給電システムの欠陥のあるシステム部分を船舶給電システムの残りから絶縁することを可能にするために、船舶における短絡を突き止めることが可能になる十分長い時間にわたって短絡電流を供給しなければならない。

ドイツ特許出願第DE 10 2005 004 628 A1号

したがって、本発明の目的は、最初に述べたタイプの装置および方法を提供することであり、これによって、コンシュマーネットワークに対して、大きな短絡電流さえ十分に長い期間にわたって供給することができ、したがって、コンシュマーネットワークにおける短絡を突き止めて、正常なコンシュマーネットワークの残りから意識的に絶縁することが可能になる。

本発明は機械的切替装置によってこの目的を達成するものであり、この機械的切替装置は、周波数変換器と並列に配置され、制御手段によって周波数変換器をブリッジするように設計されており、同手段は、切替装置に接続され、周波数変換器を通って短絡電流が流れていると判明したとき切替装置を作動させるように設計されている。

本発明は、電力供給システムからの電力をコンシュマーネットワークに供給する方法により、この目的をさらに達成するものであり、電力供給システムは、周波数変換器および切替装置を介してコンシュマーネットワークに接続され、切替装置は、周波数変換器をブリッジするように設計され、コンシュマーネットワークに供給される電流が短絡基準に対して監視され、短絡基準が満たされた場合、切替装置が、周波数変換器をブリッジするように閉じる。

本発明によれば、切替装置は、周波数変換器と並列に接続して設けられ、短絡の場合には周波数変換器がブリッジされ得る。周波数変換器を通って流れる短絡電流を識別するかまたは見つけるために制御手段が設けられ、所定の短絡基準に基づいて短絡電流を識別するだけでなく、切替装置を作動させるように設計されている。切替装置の動作の後、短絡電流が、少なくとも切替装置も通って流れ、切替装置は短絡電流に対して適切な電流搬送能力を有する。さらに、本発明では、切替装置が非常に迅速に閉じるので、与えられる短絡電流の結果として周波数変換器が損傷を受けるのを確実に回避することができる。

本発明では、周波数変換器は、好ましくは静的周波数変換器である。静的変換器には、電力半導体バルブを除けばいかなる可動部品またはコンポーネントもない。本発明では、周波数変換器は、原理上はいかなる所望のトポロジも有することができる。例えば、静的周波数変換器は整流器およびインバータを有し、これらは直流電圧側で互いに接続されている。整流器およびインバータは、送電および配電における当業者に周知であり、その結果、それらの設計を詳細に説明する必要性はない。一般に、いわゆる電力半導体バルブを備えるブリッジ回路が使用され、電力半導体バルブは閉ループ制御システムに接続されており、この閉ループ制御システムによって、具体的には電力半導体バルブを通る電流が遮断される遮断位置から、電力半導体バルブを通って電流が流れることができる位置へ移動可能である。電力半導体バルブの、開ループ制御装置またはより優れた閉ループ制御システムによる都合のよい制御によって所望の変換が可能になる。一例として、2段変換器または3段変換器あるいはその他のいわゆる多重レベル変換器は、どちらも変換器とも称される整流器およびインバータとして本発明に使用することができる。

周波数変換器は、高電圧向けに、具体的には1kVと52kVの間の電圧向けに都合よく設計されている。しかし、52kVを上回る電圧向けに設計された周波数変換器も、本発明に使用することができる。

制御手段は、好適には周波数変換器に接続され、周波数変換器の周波数変換を中断させるかそうでなければ周波数変換に影響を及ぼすように設計されている。例えば、この、好適なさらなる進歩によれば、周波数変換器の動作も、例えば周波数変換器がブリッジされたとき切替装置によって中断される。切替装置およびパルス抑制器の動作タイミングは、コンシュマーネットワークの給電においていかなる中断もなく、また周波数の異なる電流が同時に重畳することもないように、互いに一致する。したがって、制御手段は、周波数変換器用の閉ループ制御システムの一部分であるか、または周波数変換器に接続される。好適には、切替装置が作動するとき、したがって制御手段が周波数変換器に対してパルス抑制器を適用する。例えば、電力供給システムの周波数が50Hzであるが、コンシュマーネットワークは、通常動作の期間中、対照的に60Hzの周波数を用いる場合、コンシュマーネットワークが50Hzの電力供給システムに直接接続されるのを防止し、その一方で、周波数変換器が、依然として60Hzのコンシュマーネットワークに給電する。このことは、望ましくない不都合をもたらすことになる。

切替装置は、好適には制御可能な電力半導体を備える。前述のように、切替装置は、短絡電流の増加によって周波数変換器の高感度電力半導体バルブが損傷しないうちに周波数変換器をブリッジするように、十分迅速に切り替える必要がある。一般に、この目的に対して機械的スイッチの切り替えが遅すぎるので、本発明では高速半導体スイッチを考えることは得策である。半導体スイッチ、すなわち、より正確には電力半導体スイッチは、例えばその電力半導体を制御手段にゲート接続することによって接続される。したがって、制御手段が、電力半導体スイッチをその遮断位置からオン位置へ迅速に切り替えてオンにするのを可能にするために、簡単な制御信号を用いることができる。一例として、切替装置内の電力半導体はサイリスタである。しかし、能動状態にするようにオフ位置からオン位置へ切り替えることができ、また破壊されることなく消費側で必要とされる短絡電流を搬送することができるあらゆる所望の切替可能な電力半導体を、本発明の目的に対して考慮に入れることができる。換言すれば、切替可能な電力半導体は、故障したり破壊されたりすることなく必要な期間にわたって要求される短絡電流を搬送する十分に高い電流搬送能力を有する。

この装置の、本発明による1つの好ましい改良によれば、周波数変換器の電力供給システム側の電気的入力の測定変数を検出するように設計された入力測定センサが設けられ、また、周波数変換器のコンシュマーネットワーク側の電気的出力の測定変数を検出するように設計された出力測定センサが設けられ、制御手段が、これらの入力測定センサおよび出力測定センサに接続されて、かつ選択された入力の測定変数および対応する出力の測定変数が同一の位相になるまで切替装置の動作を遅らせる。本発明のこの有利な改良によれば、電力供給システムにおける電圧とコンシュマーネットワークにおける電圧とで、位相が異なる可能性があるという事実に配慮する。周波数変換器がブリッジされたときに、無制御の等しくする電流が流れるのを防止するために、制御手段は、周波数変換器の両側が同相の測定変数を示すまで、切替装置の動作を遅らせる。入力の測定変数および出力の測定変数は、好適にはそれぞれ入力電圧および出力電圧であり、すなわち、それぞれ電力供給システムの電圧およびコンシュマーネットワークの電圧である。したがって、動作は、電力供給システムの電圧とコンシュマーネットワークの電圧とが同相のときのみ、周波数変換器を制御手段でブリッジすることにより行なわれる。

好適には、装置を電力供給システムへ接続するための入力接続手段が設けられ、場合によってはコンシュマーネットワークへ装置を接続するための出力接続手段も設けられる。一例として、入力接続手段または出力接続手段として従来型の変圧器を使用してもよい。

一例として、短絡基準は簡単な閾値基準であり、換言すれば、コンシュマーネットワーク側または入力電力供給システム側で電流の振幅が監視される。周波数変換器を通って流れる電流の振幅が所定の期間にわたって所定の閾値を上回る場合、短絡電流の存在が推断される。短絡電流の振幅は、通常の定格電流の振幅より何倍も大きい。一例として、測定された測定電流が、好適には定格電流より大きい可変閾値を上回れば短絡基準が満たされることになる。純然たる負荷電流に加えて、本発明による短絡基準のさらなる実施例は、すなわち、周波数変換器からコンシュマーネットワークに供給される電流に加えて出力電圧を監視することをさらに含む。測定された電圧を測定された電流で割った商はインピーダンスを表す。本発明による短絡基準の実施例によれば、このインピーダンスに関するインピーダンス閾値が定義され、そのアンダーシュートが、短絡事象または短絡基準として評価される。

本発明による方法の1つの好適な改良によれば、周波数変換器の電力供給システム側で少なくとも1つの電気的入力変数が検出され、また、周波数変換器のコンシュマーネットワーク側で少なくとも1つの電気的出力変数が検出されて、各入力変数の位相が、対応する出力変数の位相と比較される。短絡基準が一旦満たされると、上記でさらに述べたように、入力変数と出力変数とが同相であると判明したときに限って切替装置が閉じられる。

本発明のさらなる改良によれば、切替装置が作動するとき、パルス抑制器が周波数変換器に適用される。パルス抑制器により、周波数変換器を介した電力のブリッジが中断される。換言すれば、周波数変換器がオフになり、したがって、周波数変換器内の高感度電力半導体への損傷が確実に防止される。一例として、切替装置が作動して、同時にパルス抑制器がオンになる。

好適には、周波数変換器をブリッジした後に、伝送期間が経過するのを待ち、かつ/または前記短絡基準がなくなるまで待ち、その上で、周波数変換器をあらかじめコンシュマーネットワークの以前の周波数と新規に同期させた状態で、周波数変換器のパルス抑制器を解除する。次いで、切替装置を作動させて周波数変換器のブリッジを解除する。これによって、例えば短絡が突き止められて分離された後に、装置の通常モード動作の簡単な再現が可能になる。周波数変換器のブリッジが一旦解除されると、例えばランプ関数を用いることにより、周波数変換器の閉ループ制御によってコンシュマーネットワークの短絡以前の動作点へ再び徐々に近づける。一例として、これは、周波数変換器のブリッジの後には一時的に電力供給システムの周波数(例えば50Hz)に相当していたコンシュマーネットワークの周波数を、徐々に60Hzにすることでよい。

監視手段は、好適には、コンシュマーネットワーク内でエネルギーが生成されているかどうかをチェックして、コンシュマーネットワーク内にエネルギー生成が見つかった場合には切替装置の作動を防止する。これは、コンシュマーネットワークがスタンドアローンのネットワークかどうかをチェックするのに用いられる。本発明では、スタンドアローンのネットワークは、それ自体のエネルギー発生器を有しないことにより識別される。コンシュマーネットワークがスタンドアローンのネットワークである場合、すべての短絡電力を周波数変換器によって与えなければならない。しかし、例えばコンシュマーネットワークがエネルギー発生器を有する場合、例えばコンシュマーネットワークにおける船舶発電機がオフでない場合、短絡電流は、このような周波数変換器に対する負荷なしで、発電機によって供給することができる。この場合、周波数変換器をブリッジする必要性はない。本発明のこの有利な改良によれば、したがって、コンシュマーネットワークがスタンドアローンのネットワークであるかどうかの判断が行なわれて、そうでない場合、制御手段による周波数変換器のブリッジが防止される。

3相の用途に加えて、本発明は、明白に任意の所望数の相を有する機構に拡張する。

本発明のさらなる都合のよい任務および利点は、本発明の例示的実施形態の、以下の、図面の参照を伴う説明の内容である。

図面は、本発明による装置の1つの例示的実施形態を概略的に示す。

本発明による装置1の例示的実施形態の概略図である。

装置1は、周波数変換器2および切替装置3を備え、機械的切替装置3は、周波数変換器2をブリッジするように設計され、周波数変換器2と並列の3相の並列分岐4として構成される。明瞭さのために、図面は、相を1つだけ示している。しかし、図示された相上の3本の短い横方向のストロークは、本発明による装置の図示された例示的実施形態が3相の装置であることを示すように意図されている。しかし、本発明による装置は、原理的にはいかなる所望の相数も有することができる。並列分岐4の各段階で、切替装置3は、背中合わせで（gegensinnig）並列に接続された2つの電力半導体バルブ5を有し、例えば、各段階が直列回路、あるいはIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、GTO(ゲートターンオフサイリスタ)、または単一サイリスタなどの単一の電力半導体モジュールのみを有する。

周波数変換器2は、整流器6として作動される変換器およびインバータ7として作動される変換器を有し、整流器6およびインバータ7は直流電圧接続路8によって互いに接続されている。最初に説明されたように制御手段を備える開ループ制御装置9は、閉ループ制御、変換器6、7の保護、および切替装置3の電力半導体5のトリッピングのために使用される。

本発明による装置は、入力接続手段としての入力トランス10および出力接続手段として出力トランス11によって50HzのAC電圧を搬送する電力供給システム12に接続される。図示された場合では、コンシュマーネットワーク13は、湾内の比較的大きな船舶の配電システムである。この場合、船舶配電システム13は、周波数変換器2によって地上ベースの電力供給システム12に接続されている。したがって、電力供給システム12からの50Hzの電圧を船舶配電システム13用の60Hzの電圧に変換するのに周波数変換器が必要とされる。

周波数変換および送電の閉ループ制御ならびに切替装置3の動作のために、開ループ制御装置9が、電力供給システム側の入力電流センサ14および船舶配電システム13内に配置された出力電流測定センサ15に接続されている。さらに、開ループ制御装置9は、電力供給システム側の電圧測定センサ16および船舶配電システム13内に配置された出力電圧測定センサ17に接続されている。船舶内の発電機のすべてがオフになっている場合、船舶配電システムはスタンドアローンのネットワークである。この場合、もっぱら周波数変換器2によって短絡電流を供給しなければならない。障害識別に対して、周波数変換器がオフになるのが急激すぎるのを防止するために、開ループ制御装置9は、周波数変換器2を通って流れる電流の振幅の監視に、入力測定センサ14および出力電流測定センサ15を使用する。短絡基準が満たされたことを開ループ制御装置が見つけた場合、例えば、測定された電流が、開ループ制御装置9において実施された、以前に定義された電流閾値を下回った場合、またはコンシュマーネットワーク13内におけるインピーダンスの容認できないアンダーシュートが見つかった場合には、開ループ制御装置9は、切替装置3を作動させて周波数変換器2にパルス抑制器を適用する。このとき、短絡電流は、もっぱら並列分岐4を通って流れる。しかし、無制御の等しくする電流を回避するために、制御装置9は、切替装置の両側に生じる電圧が同一の位相角になるまで切替装置3をオンにしない。このために、制御装置9は、入力電圧ネットワークセンサ16によって検出された電圧U_inの電力供給システム側の位相を、出力電圧測定センサ17によって検出されたコンシュマーネットワーク側の電圧U_outの位相と比較する。例示的実施形態では、50Hzの電力供給システムが60Hzのコンシュマーネットワークに給電する。したがって、前記電圧の位相は、100ミリ秒ごとに自動的に同一になる。周波数変換器2の入力側の電圧と出力側の電圧がこのようにして同一であるときに限って切替装置3が作動され、したがって周波数変換器2がブリッジされ、同時にパルス抑制器が周波数変換器2に適用される。次いで、短絡電流はもっぱら切替装置3を通って流れ、したがって周波数変換器2内の高感度半導体コンポーネントに対する損傷を防止する。一旦周波数変換器がブ
リッジされると、コンシュマーネットワーク13は、電力供給システム12の周波数を採用する。

船舶内のコンシュマーネットワーク13の保護装置(図示せず)が、短絡を突き止めて分離する短絡期間が経過した後、開ループ制御装置9は、接続されているセンサ15および17からの信号を評価することにより、短絡基準がなくなったことを識別する。開ループ制御装置9は、インバータ7をコンシュマーネットワーク13の周波数に同期させ、また、周波数変換器2に対するパルス抑制器を解除する。次いで、周波数変換器2が、切替装置3と同時に作動してコンシュマーネットワークに13に給電する。これが行なわれた後にのみ、切替装置3が遮断位置に切り替えられ、その結果、次にもっぱら周波数変換器2を介して電力が供給される。最後に、切替装置3のスイッチがオフになった後、インバータ7用の閉ループ制御が、コンシュマーネットワーク13において、いわゆるランプ関数を用いて、60Hzの交流電圧が徐々に回復することを保証する。

1 装置
2 周波数変換器
3 機械的切替装置
4 並列分岐
5 電力半導体
6 整流器
7 インバータ
8 直流電圧接続路
9 開ループ制御装置
10 入力トランス
11 出力トランス
12 電力供給システム
13 船舶配電システム
14 入力電流センサ
15 出力電流測定センサ
16 電圧測定センサ
17 出力電圧測定センサ

Claims

電力供給システム(12)からの電力をコンシュマーネットワーク(13)に供給するための装置(1)であって、
前記装置(1)は、一方では前記電力供給システム(12)に接続され他方では前記コンシュマーネットワーク(13)に接続可能な周波数変換器(2)を具備し、
前記周波数変換器(2)と並列に配置され、前記周波数変換器(2)をブリッジするように構成された切替装置(3)と、
前記切替装置(3)に接続され、前記周波数変換器(2)を通って短絡電流が流れていると判明したとき前記切替装置(2)を作動させるように構成された制御手段(9)と、
によって特徴付けられる装置(1)。
前記制御手段(9)は、前記周波数変換器(2)に接続され、前記周波数変換器(2)の周波数変換を遮断するまたはさもなければ影響を及ぼすように構成されることを特徴とする請求項1に記載の装置(1)。
前記切替装置(3)は、制御可能な電力半導体(5)を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の装置(1)。
前記周波数変換器(2)の前記電力供給システム側の電気的入力測定変数(I_in、U_in)を検出するように構成されている入力測定センサ(14、16)と、
前記周波数変換器(2)の前記コンシュマーネットワーク側の電気的出力測定変数(I_out、U_out)を検出するように設計された出力測定センサ(15、17)と、
を具備し、
前記制御手段(9)は、前記入力測定センサ(14, 16)および前記出力測定センサ(15, 17)に接続され、そして、選択された入力の測定変数(U_in)および対応する出力の測定変数(U_out)が同一の位相角になるまで前記切替装置(3)の動作を遅らせることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の装置(1)。
前記装置を前記電力供給システムへ接続するための入力接続手段(10)および/または前記装置を前記コンシュマーネットワークへ接続するための出力接続手段(11)を具備していることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の装置(1)。
前記周波数変換器(2)は、互いに直流電圧側に接続された変換器(6、7)であって、それぞれが制御可能な電力半導体バルブを有する変換器(6、7)を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の装置(1)。
電力供給システム(12)からの電力をコンシュマーネットワーク(13)に供給する方法であって、
前記電力供給システム(12)は、周波数変換器(2)および切替装置(3)を介して前記コンシュマーネットワーク(13)に接続され、
前記切替装置は、前記周波数変換器(2)をブリッジするように構成され、
前記コンシュマーネットワーク(13)に供給される前記電流が短絡基準に対して監視され、前記短絡基準が満たされた場合、前記切替装置(3)が、前記周波数変換器(2)をブリッジするように閉じることを特徴とする方法。
少なくとも1つの電気的入力変数U_inが前記周波数変換器(2)の前記電力供給システム側で検出され、
少なくとも1つの電気的出力変数U_outが前記周波数変換器(2)の前記コンシュマーネットワーク側で検出され、
前記入力変数U_inの位相が前記出力変数U_outの位相と比較され、
前記短絡基準が一旦満たされると、前記入力変数U_inと前記出力変数U_outとが同相であると判明したときに限って前記切替装置(3)が閉じられることを特徴とする請求項7に記載の方法。
前記周波数変換器(2)は、前記切替装置(3)の動作後に前記周波数変換器(2)に適用されるパルス抑制器を有することを特徴とする請求項7または8に記載の方法。
前記周波数変換器(2)をブリッジした後に、前記短絡基準がなくなるまで待ち、
前記周波数変換器(7)を、前記コンシュマーネットワーク(13)の前記周波数に同期させ、
その後にのみ、前記周波数変換器(2)の前記パルス抑制器を解除し、
次いで、前記周波数変換器(2)の前記ブリッジを解除するために前記切替装置(3)を作動させることを特徴とする請求項1から9のいずれか一項に記載の接続方法。
監視手段が、前記コンシュマーネットワーク(13)内でエネルギーが生成されているかどうかをチェックして、前記コンシュマーネットワーク(13)内にエネルギー生成が見つかった場合には前記切替装置(3)の作動を防止することを特徴とする請求項8から11のいずれか一項に記載の方法。