JP2007507999A - 送電システムのための分散浮動型直列的能動インピーダンス - Google Patents

Abstract

【課題】現行の交流送電インフラストラクチャの容量を妥当なコストで向上させること。
【解決手段】送電線が単相主変圧器の２次巻線を形成するように、該送電線を切断することなく該送電線に取り付けられるよう形成された、前記単相主変圧器の１次巻線と、電気エネルギー蓄積デバイスと、ゲート制御スイッチングデバイスにより形成され、前記電気エネルギー蓄積デバイスに接続されて該蓄積デバイスと電力を交換しかつ前記１次巻線に接続された出力ラインを有するスイッチング回路と、前記スイッチングデバイスに接続されており、前記１次巻線と前記蓄積デバイスとの間で電力を伝送すべく、前記スイッチングデバイスのスイッチングを制御して、前記１次巻線を介して接続された前記送電線に対して、選択したインピーダンスを注入するよう設けられたコントローラと、を備え、地面及び他の位相の送電線から絶縁された能動モジュールが、提供される。
【選択図】図８

Description

本発明は、一般的には送電システムの分野に関し、特定的には送電システムにおける電力の流れの制御に関する。

配電システムは、発電所、変電所、送電線及び配電線を複雑に相互接続したシステムにより構成される。米国及びカナダにおけるもののような大規模な電力システムは、非常に複雑であり、また、このシステムを介して伝播する電力の中断事故に対して脆弱であるといえる。増大している電力の需要を満たし、かつ、この電力システムの外乱に対する脆弱さを低減するために、送電容量を実質的に増加させる必要がある。送電線を新たに設けることは、敷地の確保、許認可及び建設工程を完了させるのに一般的に数年が必要となるので、コストも時間もかかる。

送電線及び配電線は、通常は受動システムであり、何年も前に遡る設計を使用している。現行の受動システムは、一般的に、発電所から特定の顧客への電力の流れを制御することに十分に適しているとはいえない。現行のシステムは、また、所望の契約径路に沿ってではなく最もインピーダンスの低い径路に沿って電気が流れるという「ループ流れ」の問題を生じ、このループ流れによって、送電線の輻輳、送電損失、電力供給契約の履行不能、及び、送電負荷軽減（Transmission Loading Relief; TLR）要求の増大をもたらす結果となる。現行の送電ネットワークに対して新たに発電部を付加すると、ループ流れ及び保護協調障害という問題がさらに発生し、この結果、発電資産及び送電資産の両方を十分に活用することができなくなる。

さらには、交流電力送電システムは、長距離、すなわち、数百マイルから千マイル以上の長距離に渡って送電する場合には、損失が比較的高くなるという固有の問題があり、このために、高電圧直流電力送電線を限られた範囲で使用することが考えられ、将来的に超伝導線を利用することが提案されるようになっている。しかしながら、交流送電線の代替物についてのこのような提案は、実現できるどうかが不確定であり、また、仮に実現できるとしても、非常に大規模な投資が必要となり、数年内に稼動することはない。

したがって、現行の交流送電インフラストラクチャの容量を妥当なコストで向上できるようにすることが、近々強く求められることになるであろう。交流送電線は、信頼性又は安定性の考慮から課される制限のため、典型的には、温度限界より遥かに低い状態で動作させられており、したがって、現行の送電線は、温度に関連しない制約を除去することができれば、潜在的には、著しく大きな電力を送ることができる。

現在の交流送電システムの容量を増加させるために、幾つかの技術的解決法が提案されている。これらの提案のほとんどは、「適応性交流送電システム(Flexible AC Transmission System; ＦＡＣＴＳ)」として知られたものに関連する。ＦＡＣＴシステムは、技術的には実現可能であるが、高コストを要するので、ＦＡＣＴシステムは、これまでは商業的には実用可能なものとはなっていない。このように高コストが必要とされるのは、電力定格が大きい（２０〜１００ＭＶＡ）といったことを含む、専用設計の大電力用ＧＴＯ装置の使用を必要とする様々な要因のためであり、これにより、システム全体の設計、構築、遂行及び動作が高価なものとなってしまう。高い電圧定格（３４５ｋＶと同程度の大きさ）は、高価な絶縁及び遮断を必要とし、また、障害保護の調整要求が、構成部品に高いストレスを生じ、結果として、システムのコストがさらに高くなる。提案されたＦＡＣＴＳシステムは、一般的に、単一の設備又は多くても数個の設備（変電所と同様な）を有するもので、単一の点での重大な事故を生じることになり、信頼性が及び利用の可能性が低いものとなる。その結果、ＦＡＣＴＳ手法は、商業的には幅広く実現されてはいない。

本発明によれば、浮動型能動インピーダンスモジュールが、送電線を切断することなく該送電線に取り付けられ、送電線がこのモジュールの主変圧器の２次巻線を形成するように形成される。上記能動インピーダンスモジュールの各々は、送電線を切断することなく該送電線に取り付けられるように形成された単相変圧器の１次巻線に接続されるスイッチング回路を含む。このスイッチング回路は、電気エネルギー蓄積デバイスに接続されたゲート制御スイッチを有しており、該ゲート制御スイッチのスイッチングは、上記送電線において、所望の、本質的に非散逸的なインピーダンス特性が得られるように制御される。この能動モジュールは、電気エネルギー蓄積キャパシタと、該キャパシタに接続されて該キャパシタと電力交換を行う単相インバータとを有し、該インバータはその出力ラインにより、主変圧器の１次巻線に接続されている。インバータに接続されたコントローラが、該インバータのスイッチングを制御して、主変圧器の１次巻線と電気エネルギー蓄積デバイスとの間で瞬間電力を選択的に伝送し、選択したインピーダンスが主変圧器の１次巻線を介して送電線に結合されるようにする。変圧器において送電線に注入される実効インピーダンスは、本質的に非散逸的であり、送電線の電流に対して９０度又は９０度に近い位相の電圧を注入することによって達成される、正のインダクタンス、負のインダクタンス又はキャパシタンスとすることができる。この能動モジュールは、接地電位及び送電システムの他の相の送電線から電気的に絶縁される。よって、インバータは、送電線の電圧において浮動するようにされ、電位の基準点を必要としない。

動作時には、本発明の能動インピーダンスモジュールは、最初は、上記インバータの動作が開始されるまで、変流器を利用して制御電力を取り出すことができる。上記インバータの動作状態では、制御電力はインバータの直流バスから取り出すことができる。コントローラは、接地電位及び他の送電線から絶縁されているので、非常に高い電圧の送電線に用いる場合であっても、このコントローラに対して高電圧絶縁は必要ではない。このモジュールは、電気的に絶縁されているので、このモジュールの（上記回路及び変圧器の損失を除く）正味の入出力平均電力はゼロである。このモジュールは、幾つかのモードにおいて、すなわち、リアクタンス性インピーダンス（正のインダクタンス又はキャパシタンス）、能動インピーダンス（負のインダクタンス又はキャパシタンス）、又は、送電線における電流に直交する電圧源において、動作することができる。本発明によれば、多数のモジュールを送電システムの分散した場所に設置して、この送電システムを介した電力の流れを制御することができる。個々のモジュールの動作は、該モジュールの各々に組み込んだ無線受信器（好ましくは送信器とともに）のような点在する通信リンクを利用して、又は、送電線通信のようなその他の商業的に入手可能な通信システムを用いて、制御及び調整することができる。加えて、迅速な応答を必要とする過渡状態又は障害状態に対しては、或いは、通信チャネルの障害の場合には、上記モジュールは、障害状態の間において送電線に実効誘導インピーダンスを供給するといったようなシステム動作の全体の利益になる制御戦略を用いて自立的に動作して、障害電流を制限し、又は、送電線の電流強度に依存した任意のインピーダンスの発生を制限することができる。

本発明に係る能動アクティブモジュールの動作例として、通常のシステム状態では、このモジュールは、送電線に負のインダクタンスを注入して送電線のインピーダンスを補償するように制御され、これにより、送電線がこの送電線の温度限度近くまで動作することができるように送電線の電力スループット能力を増加させることができる。このインピーダンスモジュールの取り付けは、送電線に切り込みを入れたり、或いは、その他の形で送電線を物理的に変化させることを必要とせず、かつ、直列キャパシタを用いるときに生じる近似的同期共振に結びつく可能性のあるシステム安定性問題を避けることができるので、このような能動インピーダンスの注入は、直列キャパシタ補償のような通常の解決法よりも好ましい。正又は負のインダクタンスの注入は、多数組の送電線の相互接続点、又は、網目状のネットワーク内において、電流の方向を指示するのを助けるように使用することができる。モジュールが、送電線に対して正のインダクタンスを注入するように制御されると、電流は、送電線から送電グリッドの他の部分に対して実効的に「押される」。モジュールが、送電線に対して負のインダクタンスを注入するように制御されると、電流は、グリッドの部分から実効的に「引かれる」。送電線に（電流が障害電流レベルにまで急激に増加することにより特徴付けられるような）障害が検出された場合には、上記モジュールは、送電線に正のインダクタンスを自動的に注入して、障害電流を制限することを助けるように、動作することができる。

本発明は、ループ流れを制御し、これによって現行の送電線における輻輳を低減し、現行の送電線が実効的により多くの電力を伝送できるようにすることができる。送電グリッドを通る好ましい径路に沿って電流を導くために、モジュールの適切な制御を用いることができる。本発明は、送電システムの効率を最適化することに加えて、位相電流を均衡させるため、及び、高調波電圧を注入して高調波電流の流れを遮断するのを助けるために、用いることもできる。

本発明は、高電圧絶縁の必要性を除き、かつ、モジュールの取り付け及び使用が比較的簡単であるので、従来のＦＡＣＴＳシステムよりも大幅に低いコストで利用することができる。標準化したモジュールを大量に用いることにより、大量生産技術を用いることができ、個々のモジュールの生産コストを下げることができる。大量（数百又はそれ以上）の能動インピーダンスモジュールを用いることができるので、１つ又は少数のモジュールに欠陥があっても、全体としては、システムにはわずかな影響しか与えず、残りのモジュールを適切に制御することによって補償することができ、非常に高い信頼性を達成できる。逆に、「Ｎ」個のモジュールが設置されている場合、「Ｍ」個のモジュールを追加して配置して、所望のＮ＋Ｍの信頼性レベルを達成することができる。本発明に係る能動モジュールを利用することによって、定常状態の送電線容量を増加させることができ、しかも、電力の流れを制御し、かつ障害電流を制御することが可能になる。このモジュールは、現行の送電線を物理的に分断することなく容易に設置することが可能であり、かつ、段階的な形態で実効的に設置することが可能であるので、この能動モジュールの配置は、送電システムにほとんど又は全くリスクを与えることなく実行することができ、システムの試験及び検証を低コスト及び低リスクで行うことができる。また、これらの特徴によって、経済的に可能な限りにおいて、配置するユニット数を増加させることができる。さらには、個々のモジュールは、搬送可能なものであり、また、送電線から外すことができるものであり、かつ、望まれる場合には別のより有利な場所に再度設置することができるものである。

本発明のさらなる目的、特徴及び有利な点が、添付図面に関連して行う以下の詳細な説明から明らかである。

図面を参照すると、図１は、２５で例示した支柱に対して碍子２３によって通常の方法により支えられた、３つの導線２１により構成された一組の送電線２０を示す。各送電線２１は、通常の方法により、３相送電システムのうちの各相についての電流を伝送し、また、長距離送電システムには典型的である高電圧により、例えば１３８ｋＶから７５０ｋＶにより、動作することができる。本発明によれば、能動インピーダンスモジュール３０が、望ましくは、送電線２１の各々に、必須ではないが、送電線２１を支える碍子２３の近くにおいて取り付けられる。後に詳細に説明するように、能動モジュール３０は、送電線を物理的に修正したり切断したりすることなく、送電線に取り付けられるように形成される。図１及び図２に示すように、インピーダンスモジュール３０は、望ましくは、単に送電線２１のみによって支えられ、接地電位又は他の送電線には、物理的にも電気的にも接続されない。よって、モジュール３０は、全体として電気的に絶縁されており、また、このモジュール３０が取り付けられた送電線２１の電圧において実質的に浮動状態にされる。或いはまた、望まれる場合には、モジュール３０は、碍子２３により支えられるようにし、支柱２５において送電線を支えるように機能するものとしてもよい。

能動インピーダンスモジュール３０についての機械的な構成例が、図３乃至図５に示されている。図３乃至図５における例示的なモジュール３０は、送電線２１（図３乃至図５には図示されていない）が貫通する開口部３２を各端部に備えた外部ハウジング３１を有する。このハウジングの１つの部分３４は、主変圧器の１次巻線３５（後述する）を囲んで、内部に収めており、一方、このハウジングの他の部分３７は、後に詳述するように、電力電子機器と本システムのその他の構成要素とを囲んでいる。このモジュールは、また、上記ハウジング内の電子部品からの熱を放散するヒートシンクフィン４０と、モジュール３０の動作を制御することを可能にする無線信号を受信するためのアンテナ４１と、を備えることができ、望まれる場合には、このモジュールの状態及びこのモジュールが接続された送電線の状態に関するデータを送信する装置を備えることができる。ハウジング３１内の電子構成部品は、好ましくは、送電線からの高い電場から（例えば、このハウジングにおける電子機器を囲むファラデー遮蔽を用いて）遮蔽される。

送電線２１を物理的に切断することなくこの送電線２１への取り付けを可能にする、能動インピーダンスモジュール３０についての構成例が、図５に示されている。この図５に示すように、ハウジング３１は、このハウジング３１の底部におけるヒンジ４４を中心にして回動するように接続することができる２つの半体３１ａ及び３１ｂにより形成される。主変圧器の１次巻線３５は、２つの半体３６ａ及び３６ｂにより形成された適当な磁性体（例えば軟鉄又は積層鋼）のコア３６に巻かれており、この変圧器の１次巻線のコアの各半体は、好ましくは、このコアの中に形成され、上記ハウジングの両端開口部３２の間に延び、上記モジュールが取り付けられることになる送電線２１の上に適合する大きさに形成された溝４６を有する。このコアに関しては、その内部に送電線を収容する他の幾何学的構成を用いることができる。複数相のラインのうちの各々のワイヤに、別々のモジュールを用いることができ、或いは、単一のモジュールがその相の複数のワイヤの各々に対して結合されるように形成することもできる。ワイヤが送電線２１に接点しないように分離するために、コア３６及び溝４６内の巻線３５のワイヤを覆う絶縁体又はパディングを用いてもよい。図５に示したモジュールを送電線２１に取り付けるためには、開いた状態にしたこのモジュールを、送電線２１の位置にまで持ち上げ、次に、上記送電線が溝４６によって形成される開口部の中に嵌合するように、ハウジング内の半体３１ａ及び３１ｂを互いに閉じて、変圧器の１次巻線の２つの半体３６ａ及び３６ｂを相互に係合させる。本発明によれば、送電線２１は、１次巻線３５及びコア３６によって囲まれて、主変圧器の２次巻線を形成する。スナップ係合ロック、バンド、ロックスクリュー、又は、送電線２１に係合しかつ上記モジュールの２つの半体を一緒にして確実に保持するためのその他の構造を用いて、モジュール３０を閉じた状態で送電線２１の上に係合させて固定することができる。例のみであるが、図５に示したように、ハウジング３１は、該ハウジングの各端部に分割型カラー４７を備え、これらカラー４７が、ハウジングを閉じたときに上記送電線をクランプするようにし、ハウジングの各半体３１ａ及び３１ｂの上部に対応するフランジ４８を設け、ネジを用いてこれらフランジ４８を互いに固定できるようにすることができる。

本発明では、能動インピーダンスモジュール３０は、好ましくは、１組の送電線上の多くの分散した位置に取り付けられて、様々な目的のために送電線の実効インピーダンスを変化させるように制御可能な多数の分散した能動インピーダンスを生成する。何百マイル以上にわたって延びる多数組の送電線を有する送電システムについて、数百個又は数千個のモジュール３０を、送電線に対して適当な位置に取り付けることができる。図６に示すように、モジュール３０の各々は、中央システムコントローラ５０に対し、例えばインピーダンスモジュールのアンテナ４１とこのシステムコントローラ５０のアンテナ５１との間における無線周波数リンクを介して通信する。無線周波数リンクは、例えば、ＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）のような通常の携帯電話システム又は通常の固有無線ネットワークとすることができる。送電線通信のようなその他の通信リンク技術を用いることもできるが、各モジュール間又はモジュール３０とシステムコントロール５０との間には、物理的な接続がないことが好ましい。システムコントロール５０は、ローカルネットワークを制御する責任のある地域コントローラに対してコマンドを発する中央コントロールを備える形態で実現することができる。電力システムの状態は、例えば、ウィスコンシン州ミドルトンのソフトスイッチングテクノロジー社により提供されるＩ−Ｇｒｉｄ（登録商標）システムにおいて利用されているような分散型モニタ−を用いて、いつでもモニターし評価することができる。図６に示したように、送電システムは、５５、５６及び５７により模式的に示した送電線の多数組（各送電線の組は、１組の３相送電線及び関連する支持部等を含む）を含むことができ、多数組の送電線５５、５６及び５７のは、交点５９において接続される。例えば、電力は、遠方の発電所において発電され、送電線５５の組により供給され、次に、送電線５６及び５７の組上を消費者に伝送される。能動インピーダンスモジュール３０を適当に制御することにより、送電線５５から送電線５６及び５７への電力の流れは、送電線の組５６又は５７の一方からの電力を他方の送電線の組に部分的にそらすように、制御することができる。

主変圧器の１次巻線３５及びコア３６の１つの例示的な実施形態が、図７に示されている。コアの２つの半体３６ａ及び３６ｂに巻かれた巻線３５のワイヤは、導線６０及び６１の間に接続されており、導線６２が、この変圧器コアの２つの半体３６ａ及び３６ｂの上に巻かれた巻線３５の部分同士を接続している。コアの２つの半体３６ａ及び３６ｂが互いに係合させられると、巻線３５は、２つの半円筒状の溝４６によって形成される円筒状開口部に沿って延びるトロコイド状の巻線を形成し、送電線２１はこの円筒状開口部に通される。巻線３５は、コア３６のまわりに巻くことができる多数巻の導体ワイヤを有しており、各巻回ごとの導体ワイヤは、送電線２１の長さ方向に平行な長手方向に延びる導体ワイヤの縦部６４を有し、また、導体ワイヤの端部６５は、上記巻線の縦部６４を接続して、事実上、送電線がその内部において２次巻線を形成する同軸巻線変圧器を形成する。１次巻線３５と１回のみ巻かれた送電線による２次巻線との間の巻数比としては、様々な巻数比、一例として５０：１を用いることができるが、必要とされるどのような巻数比をも用いることができる。コアの半体３６ａ及び３６ｂの各々を１つのユニットとして形成することができ、或いは、上記２つの半体を、いくつかの別々のコア部分６７により形成することもできる。他の巻線形状を使用することもでき、この巻線形状としては、単一の分割領域を有し、トロイド状コイルがワイヤの上に適合するように引き伸ばすことができるようにされたトロイド形状、又は、送電線の一端に接触できる場所ではこの送電線上に張り巡らすことができる完全なトロイド状コイルがある。

一実施形態に係る能動モジュール３０の機能的な電気的及び電子的構成を示すブロック図が図８に示される。主変圧器の１次巻線３５が、インバータ７１として構成されたスイッチング回路に対してライン７０により接続され、該インバータ７１自体は、エネルギー蓄積デバイス７４に対してライン７２により接続されている。このインバータ７１は、ライン７７によりコントローラ７６からの制御信号を受信する。コントローラ７６は、インバータ７１内のスイッチングデバイスのスイッチングを制御して、変圧器の１次巻線３５の両端に、選択された位相及び周波数の電圧を与え、この電圧が、選択された値の皮相インピーダンスとして送電線２１に結合される。このコントローラは、変圧器３５両端の電圧をライン７９から受け取り、送電線２１又は主変圧器の巻線に接続されてこの送電線に流れる電流を検出することができる電流センサ８１からの信号を、ライン８０により受け取る。変流器８３の補助巻線は、送電線２１に（別個に又は主変圧器の巻線により）接続されてこの送電線から電力を受け取り、この電力は、ライン８４を介してコントローラ７６に伝送されて、このコントローラに最初の始動電力を供給し、この後、コントローラは、ライン８６を介して、エネルギー蓄積デバイス７４から電力を受け取って制御電力を供給することができる。ライン８６は、また、エネルギー蓄積デバイス７４の状態をコントローラ７６にフィードバックし、このコントローラが、インバータ７１のスイッチングを制御して、エネルギー蓄積デバイス内に調整された電圧又は電流を維持できるようにする。無線受信器／送信器８８が、アンテナ４１に接続され、信号ライン９０により制御信号をコントローラ７６に供給する。コントローラ７６は、また、例えば、電流センサ８１により検出された電流の強度及び周波数のようなモジュール３０の状態及び送電線２１の状態を示す信号を、受信器／送信器８８に対して送信することができる。モジュール３０が不動作状態にあり、送電線２１に接続されるインピーダンスを最小限に抑えるようにこのモジュール３０が動作していない場合に変圧器の一次巻線３５を短絡するように、バイパススイッチ９２をライン７０の間に接続することができる。

図９は、図８のインバータ及びコントローラの一実装例を示す模式的な回路図である。これはインバータ及びコントローラの実装についての１つの例示であり、本発明に係る方法によれば、その他の例も用いることができるということを、理解されたい。図９に示すように、インバータ７１は、図９に示す絶縁ゲートバイポーラトランジスタ９４と、これら絶縁ゲートバイポーラトランジスタ９４の各々に沿って接続された逆並列ダイオード９５とを備えることができる、Ｈブリッジ構成のゲート制御可能なスイッチングデバイス９４により形成された単相インバータである。スイッチ９４のブリッジは、ライン７２の両端に接続されており、このライン７２は、本構成では、エネルギー蓄積デバイスとしてのエネルギー蓄積キャパシタ７４に接続された直流バスラインからなる。スイッチングデバイス９４は、直流バスライン７２からの電力を伝送し、インバータ出力ライン７０上の交流電力を伝送するように接続されている。直列インダクタ９６と並列キャパシタ９７とにより構成される出力フィルタが、出力ライン７０に接続されて、変圧器の巻線３５に供給される出力電流を濾波することができる。コントローラ７６は、スイッチングデバイス９４のためのゲート制御スイッチング信号をライン７７上に供給する。図９に示すように、コントローラ７６は、ライン８０を介してセンサ８１からのライン電流に比例した電圧信号を受信し、この信号は、演算増幅器１００と、この演算増幅器１００に関連する抵抗及びキャパシタにより形成された２次フィルタを通過する。図示はされていないが、変流器（センサ）８１は、直列に接続した１対の負荷抵抗により終端されて、ライン電流に比例した正の信号又は反転した信号の両方を供給することができる。２次フィルタは、上記信号から、高周波と本システムの所望制御範囲外にあるノイズとを除去するために用いられる。上記フィルタからの出力信号は、増幅器アンプ１０３並びにこれに関連するキャパシタ及び抵抗を用いて形成された微分回路に送られる。この微分回路は、インダクタの電圧（Ｌ・di／dt）を真似た基準信号をライン１０５上に供給する。この基準信号は、乗算器１０７に送られ、この乗算器は、また、受信器／送信器８８を介して供給することができる電圧又はインピーダンスの大きさに対する命令を、基準命令回路１０９からライン１０８により受信する。基準点は、ＲＦリンクを介して受信器８８に与えることができ、或いは、基準点は、ローカルパラメータの機能として、自動的にプログラムすることができる。乗算器１０７の出力は、ライン１１０により加算器１１２に供給され、この加算器１１２は、また、絶縁増幅器１１６を介して３次巻線１１５から供給された主変圧器の１次電圧フィードバック信号をライン１１４により受信する。送電線２１に結合された３次巻線１１５からのフィードバックは、出力電圧ループを閉じるために用いられる。コントローラは、能動出力フィルタダンピングに関する比例積分（ＰＩ）制御方式を用いて、Ｈブリッジインバータ７１により生成された電圧を調整する。加算器１１２の出力（電圧エラー）は、ＰＩコントローラ１１７に供給され、このＰＩコントローラの出力は、加算器１１８に供給される。加算器１１８は、また、出力フィルタキャパシタ９７に直列に接続された電流センサ１２０からの比例信号をライン１１９により受信して、減衰ループを閉じる。加算器１１８の出力（電圧変調命令）は比較器１２１に与えられ、該比較器１２１は、また、三角波発生器１２３から搬送信号（例えば１２ｋＨｚ）を受信し、制御ライン７７に位相変調された出力信号を供給して、スイッチングデバイス９４に対するスイッチングを行う。直流バス電圧の調整を行うために、直流バスライン７２間の電圧が絶縁増幅器１２５に供給され、この絶縁増幅器１２５の出力は、正の入力として直流電圧基準Ｖ_{DC Ref}を受信する加算器１２７に対して、負の出力として供給される。加算器１２７の出力は、直流バスのエラーに対応するもので、比例積分コントローラ１２８に供給され、比例積分コントローラ１２８は、その出力を乗算器１３０に供給する。乗算器１３０は、また、同期サイン波発生器１３１の出力を受信する。サイン波発生器１３１は、増幅器１００から濾波された出力信号１０１を受信して、送電線電流の６０Ｈｚ成分に同期した固定のサイン波基準を供給する。乗算器１３０の出力は、インバータの電圧命令の「実」成分に対応しており、電力をライン電流から吸収して直流バス電圧を一定に保つこと、すなわち、送電線からの電力を移してインバータ、変圧器及び制御電子部品における損失を補填することができる。この出力信号は、加算器１１８のもう１つの入力に供給される。

本発明の能動モジュール３０は、望まれる場合には、このモジュールを介して送電線に供給することが可能なインピーダンスの選択枝をさらに限定することにより、簡略化した動作を行うように実現することが可能である。このようなモジュールの機能的な電気的及び電子的な構成要素の一例が、図１０に示されている。変圧器の１次巻線３５は、送電線２１に結合され（２次巻線については上述の通りである）、この１次巻線３５のライン６０及び６１は、直列双方向スイッチ１４１と並列双方向スイッチ１４３とにより構成されるスイッチング回路１４０に接続される。このスイッチ１４１及び１４３は、例えば、各々が図１０に示したような逆並列ダイオードである背中合わせ接続されたＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）により、又は、その他の適当な実装により、形成することができる。インピーダンスＺ_Lのインダクタ１４５が、並列スイッチ１４３の両端に接続されており、電気エネルギー蓄積デバイスとして機能する。出力フィルタキャパシタ１４７は、変圧器ライン６０と６１との間に接続することができる。コントローラ１４８は、スイッチ１４１及び１４３内のＩＧＢＴのゲートに接続され、このコントローラ１４８は、送電線電流センサ８１からの信号を受信し、かつ、１次巻線からライン６０と６１との間の電圧を受信するように、接続することができる。変流器８３は、上述したように、上記コントローラに電力を供給するようにこのコントローラに接続することができ、また、変流器１５０は、ライン１５１によって上記コントローラに接続されて、インダクタ１４５を流れる電流を監視することができる。このコントローラは、スイッチ１４１及び１４３を交互にオン及びオフにスイッチングする信号を供給するので、直列スイッチ１４１がオン（導通）のときに、並列スイッチ１４３がオフ（非導通）となり、直列スイッチ１４１がオフ（非導通）のときに、並列スイッチ１４３がオン（導通）となる。よって、スイッチ１４１の動作周期（全周期に対するオン時間の比）をｄとすれば、並列スイッチ１４３の動作周期は（１−ｄ）となる。上記コントローラは、パルス出力信号を、直列スイッチ１４１には直接供給し、かつ、並列スイッチ１４３には反転増幅器を介して供給する、パルス動作周期ｄのパルス発生器として、実現することができる。この場合、ライン２１に注入される実効インピーダンスは、変圧器の１次巻線３５の巻数比によって反映するように、Ｚ_eq＝Ｚ_L／ｄとなる。よって、コントローラ１４８は、動作周期を制御して、上述したような中央コントロールからの通信リンクを介した命令に応答して、又は、（例えば、障害状態の間に最大のインダクタンスを注入するために）電流センサ８１によって検出されるような送電線２１内の電流に応答して、送電線２１に送られる実行インダクタンスを制御することができる。望まれる場合には、エネルギー蓄積デバイスとして他のリアクタンスを用いることができる。バイパススイッチ１５４を１次巻線３５の両端に接続して、本モジュールの電源を切った場合に送電線２１に印加されるインピーダンスを最小化することができる。

本発明は、本明細書において上述したような特定の実施形態に限定されず、添付した特許請求の範囲の範囲内に含まれるあらゆる形態を包含する、ということが明らかである。

本発明に係る能動インピーダンスモジュールの取り付けを例示する３相送電線の典型的な組を示す斜視図である。 送電線に取り付けた上記モジュールのうちの１つを示す部分図である。 本発明の能動インピーダンスモジュールの一例を示す斜視図である。 図３の能動インピーダンスモジュールの端部を示す図である。 図３の能動インピーダンスモジュールを、該モジュールの主変圧器の１次巻線を送電線にクランプすることを可能にする、開いた状態で示す、斜視図である。 本発明に係る能動インピーダンスを有する送電システムを示す概略図である。 図３の上記モジュールに用いることができる分割した変圧器の１次巻線のコアを例示する図である。 本発明に係る能動インピーダンスモジュールシステムの一例を示す機能ブロック図である。 本発明に係る能動インピーダンスモジュールに用いることができるインバータ及びコントローラの一例を示す回路図である。 本発明に係る能動インピーダンスモジュールの別の例を示す機能的回路図である。

Claims (33)

1. 送電システムの送電線に取り付けるための能動モジュールであって、
   （ａ）送電線が単相主変圧器の２次巻線を形成するように、該送電線を切断することなく該送電線に取り付けられるように形成された、前記単相主変圧器の１次巻線と、
   （ｂ）電気エネルギー蓄積デバイスと、
   （ｃ）ゲート制御スイッチングデバイスにより形成され、前記電気エネルギー蓄積デバイスに接続されて該電気エネルギー蓄積デバイスと電力を交換し、かつ、出力ラインが前記主変圧器の１次巻線に接続されたスイッチング回路と、
   （ｄ）該スイッチング回路内の前記スイッチングデバイスに接続されており、前記主変圧器の１次巻線と前記エネルギー蓄積デバイスとの間で電力を伝送するために、前記スイッチングデバイスのスイッチングを制御して、前記主変圧器の１次巻線を介して接続された前記送電線に対して、選択したインピーダンスを注入するよう設けられたコントローラと、を備え、
   地面及び前記送電システムの他の相の線から絶縁されていることを特徴とする能動モジュール。
2. 前記変圧器の１次巻線がトロイド状に巻かれた多数巻ワイヤを備えた巻線を備え、前記ワイヤの部分が前記送電線に取り付けられたときに該送電線に平行な長手方向に延びるようにされた、請求項１に記載の能動モジュール。
3. 前記変圧器の１次巻線が、長手方向に複数の部分に分割されたコアを有しており、
   このコアは、該コアが送電線上に適合できるように開き、かつ、該コアの前記複数の部分が互いに閉じて前記変圧器の１次巻線を前記送電線に取り付けることを可能にするようになっている、請求項１に記載の能動モジュール。
4. 前記スイッチング回路及び前記コントローラが前記主変圧器の１次巻線に接続された１つのハウジング内に収められ、前記主変圧器の巻線が取り付けられた前記送電線によって、接地電位及び隣接する送電線から電気的に絶縁された状態で、前記能動モジュールのすべての構成要素が支持されるようになった請求項１に記載の能動モジュール。
5. 前記ハウジング内に取り付けられかつ前記コントローラに接続されて、無線通信リンクを介して送信されてきた命令信号を前記コントローラに与える、無線受信器を含む、請求項４に記載の能動モジュール。
6. 前記スイッチング回路が、ブリッジ構成により接続されたゲート制御スイッチングデバイスにより形成され、かつ、前記電気エネルギー蓄積デバイスに接続された複数の直流バスラインの間に接続されたインバータである、請求項１に記載の能動モジュール。
7. 前記ゲート制御スイッチングデバイスが、複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、前記複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタの各々の両端間に接続された逆並列ダイオードを含んでいる、請求項６に記載の能動モジュール。
8. 前記電気エネルギー蓄積デバイスがキャパシタである、請求項６に記載の能動モジュール。
9. 前記コントローラが、正のインダクタンス、負のインダクタンス又は前記変圧器の１次巻線の位置において前記送電線に流れる電流に対する直角位相の電圧として選択的に現われる電圧を、前記主変圧器の１次巻線を介して前記送電線に結合するように、前記インバータを制御する、請求項６に記載の能動モジュール。
10. 前記コントローラが、前記インバータにおける損失分を前記送電線から引き込まれた電力によって供給するように、前記インバータを制御する、請求項９に記載の能動モジュール。
11. 前記送電線から電力を引き出すように前記送電線を切断することなく該送電線に結合され、出力端における電力を前記コントローラに供給するようにされた、補助変圧器巻線を含む、請求項６に記載の能動モジュール。
12. 前記コントローラが、送電線に流れる電流を検出するセンサを含み、
    前記コントローラは、前記送電線に障害電流を検出したときに、正のインダクタンスを前記送電線に注入するように前記スイッチング回路を制御して、前記障害電流を制限することを助ける、請求項１に記載の能動モジュール。
13. 前記主変圧器の１次巻線が多数巻ワイヤを有する巻線を備える、請求項１に記載の能動モジュール。
14. 前記電気エネルギー蓄積デバイスがインダクタであり、
    前記スイッチング回路が、前記主変圧器の１次巻線と前記インダクタとの間に直列に接続された直列スイッチと、前記インダクタに並列に接続された並列スイッチとを備え、
    前記コントローラが、前記直列スイッチ及び前記並列スイッチに接続され、前記直列スイッチについては動作周期ｄを用いて、前記並列スイッチについては動作周期（１−ｄ）を用いて、前記直列スイッチ及び前記並列スイッチをスイッチングする、請求項１に記載の能動モジュール。
15. 前記直列スイッチ及び前記並列スイッチの各々が、背中合わせ接続された複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタと、該背中合わせ接続された複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタの各々の両端間に接続された逆並列ダイオードとを備える、請求項１４に記載の能動モジュール。
16. 送電システムの送電線に取り付けるための能動モジュールであって、
    （ａ）多数巻ワイヤを備え、送電線が単相主変圧器の２次巻線を形成するように該送電線を切断することなく該送電線に取り付けられ、前記送電線に取り付けられたときに該ワイヤの部分が該送電線に平行な長手方向に延びるように構成された、単相主変圧器の１次巻線と、
    （ｂ）電気エネルギー蓄積キャパシタと、
    （ｃ）直流バスラインにより前記電気エネルギー蓄積キャパシタに接続されて、該電気エネルギー蓄積キャパシタとの間で電力を交換し、かつ、前記主変圧器の１次巻線に接続された出力ラインを有する、１つの位相のインバータと、
    を備え、
    該インバータは、ブリッジ構成で接続されたゲート制御スイッチングデバイスにより形成され、かつ、前記電気エネルギー蓄積キャパシタに接続された複数の直流バスラインの間に接続されており、
    （ｄ）前記主変圧器の１次巻線と前記エネルギー蓄積キャパシタとの間で電力を伝送するために、前記インバータスイッチングデバイスのスイッチングを制御して、前記主変圧器の１次巻線を介して接続された前記送電線に対して選択したインピーダンスを供給するコントローラをさらに備え、
    接地電位及び前記送電システムの他の相の送電線から絶縁されている、ことを特徴とする能動モジュール。
17. 前記主変圧器の１次巻線が、長手方向に複数の部分に分割されたコアを有しており、
    このコアは、該コアが送電線上に適合できるように開き、かつ、該コアの前記複数の部分が互いに閉じて前記変圧器の１次巻線を前記送電線に取り付けることを可能にするようになっている、請求項１６に記載の能動モジュール。
18. 前記インバータ及び前記コントローラが前記主変圧器の１次巻線に接続された１つのハウジング内に収められ、前記主変圧器の１次巻線が取り付けられた前記送電線によって、接地電位及び隣接する送電線から電気的に絶縁された状態で、前記能動インピーダンスモジュールのすべての構成要素が支持されるようになった、請求項１６に記載の能動モジュール。
19. 前記ハウジング内に取り付けられかつ前記コントローラに接続されて、無線通信リンクを介して送信されてきた命令信号を前記コントローラに与える、無線受信器を含む、請求項１８に記載の能動モジュール。
20. 前記ゲート制御スイッチングデバイスが、複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、前記複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタの各々の両端間に接続された逆並列ダイオードを含んでいる、請求項１６に記載の能動モジュール。
21. 前記コントローラが、正のインダクタンス、負のインダクタンス又は前記変圧器の１次巻線の位置において前記送電線に流れる電流に対する直角位相の電圧として選択的に現われる電圧を、前記主変圧器の１次巻線を介して前記送電線に結合するように、前記インバータを制御する、請求項１６に記載の能動モジュール。
22. 前記コントローラが、前記インバータにおける損失分を前記送電線から引き込まれた電力によって供給するように、前記インバータを制御する、請求項２１に記載の能動モジュール。
23. 前記送電線から電力を引き出すように前記送電線を切断することなく該送電線に結合され、出力端における電力を前記コントローラに供給するようにされた、補助変圧器巻線を含む、請求項１６に記載の能動モジュール。
24. 前記コントローラが、送電線に流れる電流を検出するセンサを含み、
    前記コントローラは、前記送電線に障害電流を検出したときに、正のインダクタンスを前記送電線に注入するように前記インバータを制御して、前記障害電流を制限することを助ける、請求項１６に記載の能動モジュール。
25. 前記主変圧器の１次巻線が多数巻ワイヤを有する巻線を備える、請求項１６に記載の能動モジュール。
26. ３相送電システムにおける１つの送電線に対して直列的な電圧を能動的に注入する方法であって、
    （ａ）高電圧送電線における複数の相の送電線のうちの１つの送電線が、その他の相の送電線及び接地電位から絶縁され、変圧器の２次巻線を形成するように、前記１つの送電線に対して該送電線を切断することなく変圧器の１次巻線を結合するステップと、
    （ｂ）前記１つの送電線に対して前記変圧器において電圧を注入して、前記１つの送電線にインピーダンスを実質的に与えるために、前記変圧器の前記１次巻線に対して交流電圧を選択的に印加するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
27. 前記ステップ（ａ）及び（ｂ）が、前記３相送電システムにおける３つの送電線の各々に対して実行される、請求項２６に記載の方法。
28. 前記ステップ（ａ）及び（ｂ）が、電力システム送電グリッドを介して多数の場所において適用される、請求項２６に記載の方法。
29. 多数セットの３相送電線を有する送電グリッド上における多数の場所にある変圧器に印加される電圧を制御して、１セットの送電線からの電力の流れを部分的に他のセットの送電線にそらすステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記１つの送電線に対して前記変圧器において流れる電流を監視して、障害電流を検出し、障害電流が検出されたときには、前記変圧器の１次巻線に対して交流電圧を印加して、前記１つの送電線に対して前記変圧器において、実質的に正のインダクタンスを供給して、前記障害電流を制限することを助けるステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
31. 前記変圧器の１次巻線に対して交流電圧を印加するステップが、前記１つの送電線に対して前記変圧器の位置において実質的に正又は負のインダクタンスを与えるために実行される、請求項２６に記載の方法。
32. 前記１つの送電線に対して変圧器の１次巻線を結合するステップが、分割したコアのまわりに巻かれた１次巻線を設けるステップと、前記１つの送電線の上に分割したコアを係合させて、１次巻線及び前記１つの送電線を囲むコアを形成するステップと、を含む請求項２６に記載の方法。
33. 前記電圧を選択的に印加するステップを制御する無線周波数信号を送信して、前記１次巻線に印加される前記交流電圧を変化させる、請求項２６に記載の方法。

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