JP2012165638A - 動的電圧回復システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧異常検出システムを含むシステムを提供する。
【解決手段】電圧異常検出システム２２は、電圧サグ状態が電力線６９に存在するかどうかを判定するのに電力線６９から基準電圧信号６０を取得し、電圧サグ状態を補償する補償電圧６４、６６を求め、補償電圧６４、６６を発生させるのに基準電圧６０を使用し、電力線６９に補償電圧６４、６６を印加するように構成することができる。
【選択図】図３

Description

本明細書に開示する主題は、一般的には、電力システムに関し、より具体的には、電力品質を調整する技術に関する。

消費者及び工業は、消費者家庭用電子機器から工業機器にわたる範囲の様々なタイプの電子機器を含む可能性がある、様々な負荷に電力を供給する電力システムにますます依存するようになっているので、電力品質に関する問題に対する関心も増している。例えば、電力品質に影響を及ぼす事象（例えば、送電信号の障害又は変動として現れる場合がある）は、電圧サグ、過電圧、高調波、サージ、又は不平衡を含む可能性があり、これら全ては、電力使用に悪影響を及ぼす可能性があり、電力システムに結合する負荷、特に電気高感度負荷を故障させる可能性もある。

電圧サグ状態に関して、電圧サグは、通常、約半周期から１分までの継続時間でときどき起こるＲＭＳ電圧の急激な低下と理解される。回路遮断器のトリップ、短絡故障、電気機器故障（例えば、ケーブル故障、過負荷など）、悪天候、及び／又は汚染などの、いくつかの原因が、送電システムに起こる電圧サグに影響を及ぼす可能性がある。それに加えて、電圧サグは、工業設備内の電気的故障、又は誘導モータなどの大型の誘導に基づく装置の始動などの、電力信号の受電端における事象により生じる場合もある。不都合なことに、電圧サグは、可変速ドライブ、発電機、モータ（例えば、同期式、誘導式など）、及び高感度の制御機器（例えば、コンピュータ、プログラマブルロジックコントローラなど）を含むことができる電圧高感度負荷の遮断及び／又は誤動作に影響を及ぼす可能性がある。さらに、電圧サグ状態は、発生確率が全体的に高く、最も頻繁に発生するタイプの電力品質事象の１つであることを最近の研究は示した。

米国特許第４，１１６，０７３号明細書

したがって、電圧高感度負荷を遮断及び／又は誤動作から、より十分に保護するために電圧サグ状態の検出及び補償を介して電力品質をより十分に制御及び調整する必要がある。

一実施形態では、システムは、電圧異常検出システムを含む。電圧異常検出システムは、電圧サグ状態が電力線に存在するかどうかを判定するのに電力線から基準電圧信号を取得し、電圧サグ状態を補償する補償電圧を求め、補償電圧を発生させるのに基準電圧を使用し、電力線に補償電圧を印加するように構成することができる。

別の実施形態では、電力システムは、送電径路、及び送電径路に結合する制御システムを含む。制御システムは、送電径路に発生する電圧サグ状態を検出及び補償するように構成することができ、送電径路内の電圧を基準電圧信号として取得するように構成されるデータ取得ユニットと、データ取得ユニットから基準電圧信号を受け取り、基準電圧信号と目標電圧とを比較し、目標電圧と基準電圧信号との間の差に基づいて必要補償電圧を求めるように構成される補償ユニットと、基準電圧信号を使用して補償電圧を誘導するように構成されるシャント変圧器回路と、電圧サグ状態を補償するのに補償電圧を送電径路に印加するように構成される直列変圧器回路とを含むことができる。

さらに別の実施形態では、電力線から基準電圧を受け取る入力部と、基準電圧が期待目標電圧からの偏差を有するかどうかを判定するように構成されるプロセスロジックと、補償電圧を発生させて偏差を補償するのに基準電圧を使用するように構成される補償回路とを含む回路を提供する。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、図面を通して同様の符号が同様の部品を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、より十分に理解されよう。

電圧サグ状態を検出及び補償するように構成される電圧異常検出システムを含む可能性がある電力システムの一実施形態を示すブロック図である。 図１に示す電圧異常検出システムを含まない従来の電力システムにおける電圧サグの発生の一例を示すグラフである。 図１の電圧異常検出回路の実施形態に存在する可能性がある構成要素を示す詳細ブロック図である。 図３に示す電圧異常検出システムの一部となる可能性がある、シャント変圧器回路及び直列変圧器回路の一実施形態を示す部分回路概略図である。 本発明の一実施形態による、電圧サグ状態を検出及び補償するプロセスを示すフローチャートである。

本発明の１つ又は複数の特定の実施形態を以下に記述する。これらの実施形態を簡潔に記述するために、本明細書には実際の実装形態の全ての特徴を記述しない可能性がある。任意の工学又は設計プロジェクトなどのいかなる実際の実装形態の開発においても、実装形態ごとに異なる可能性があるシステム関連及びビジネス関連の制約の遵守などの、開発者の特定の目的を達成するのに、多くの実装形態特有の決定を行わなければならないことを理解されたい。さらに、そうした開発努力は複雑かつ時間が掛かる可能性があるが、それでもなお、本発明の開示の利益を受ける当業者において、設計、加工、及び製造に着手する定例作業であることを理解されたい。

本発明の様々な実施形態の要素を紹介するとき、冠詞「ａ（１つの）」、「ａｎ（１つの）」、「ｔｈｅ（その）」、及び「ｓａｉｄ（前記）」は、１つ又は複数の要素が存在することを意味するものとする。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、及び「ｈａｖｉｎｇ（有する）」は、包括的であり、列挙する要素以外の追加の要素が存在する可能性があることを意味するものとする。

以下にさらに記述するように、いくつかの実施形態は、電力システムにおける電圧異常検出及び補償を行う技術を提供する。例えば、電圧サグ状態などの、電力線の電圧異常を検出することができる電圧異常検出システムを提供することができる。異常検出システムは、下流の負荷が電圧サグの影響を受けないように、電力線に印加される補償電圧を誘導することができる。開示する実施形態により、電力信号の測定電圧に対応する、電力線から基準電圧信号を１次巻線において受け取るシャント変圧器を使用して、補償電圧を誘導することができる。シャント変圧器の２次巻線に結合するタップ切換器（ＯＬＴＣ）は、必要補償電圧をシャント変圧器の２次側に誘導する、２次巻線上のタップポイントを選択するように制御することができる。その際、この補償電圧は、電力線に印加することができる。したがって、本明細書に開示する電圧異常検出システムの実施形態は、基準電圧に直接基づいて、追加の独立したエネルギー貯蔵装置を必要とすることなく、電圧サグ状態を補償するのに必要補償電圧を発生させることができる可能性がある。

これらの点を考慮に入れて、図１は、電力システム１０の一実施形態を示す簡略システム図を示す。例示する電力システム１０は、発電所１２、送電システム１４、配電用変電所１６、地域用負荷変電所１８、及び負荷２０を含む。それに加えて、電力システム１０は、電圧異常検出システム２２を含む。以下にさらに記述するように、電圧異常検出システム２２は、電圧サグなどのいくつかの電圧異常状態を検出及び補償する（例えば、回復する）ように構成することができる。したがって、システム２２を「電圧異常検出システム」と呼ぶとき、そうしたシステムは、そうした異常を検出するだけでなく、異常を補償（例えば、回復）することもできることを理解されたい。

発電所１２は、電力を発生させるように構成される設備とすることができる。例えば、発電所１２は、機械的動力を次に電気エネルギーに変換する発電機を駆動する機械的動力の発生により電力を発生させるように設計することができる。いくつかの実施形態では、機械的動力は、ガスタービンシステムなどを使用して燃料を燃焼させることにより、蒸気タービンなどを使用した加圧蒸気により、又は燃料燃焼及び加圧蒸気の両方の組合せ（例えば、コンバインドサイクルタービンシステム）を使用することにより発生させることができる。他の実施形態では、電力は、原子炉、地熱技術、又はバイオ燃料、水力発電（水より）、ソーラー発電（太陽光より）、もしくは風力発電を含むことができる再生エネルギー、あるいはそうした発電技術の組合せを使用して、発電所１２により発生させることができる。

発電所１２により発生する電力は、通常、３相又は単相の交流（ＡＣ）電力とすることができ、送電システム１４に供給することができるＡＣ電力（参照番号２４）である。送電システム１４は、相互接続された送電線、回路遮断器、ケーブル、スイッチ、変圧器、及び例示する配電用変電所１６などの１つ又は複数の目標に電力２４を伝送することができる他の適当な構成要素のネットワークを含むことができる。例えば、送電システム１４の送電線は、架空電力線、水中及び／もしくは地下の電力ケーブル、又はそれらの組合せを含むことができる。そうした送電システム１４は、電力グリッドと呼ぶことができる。いくつかの実施形態において、特に長い距離にわたり電力を送信する場合に、高電圧直流（ＨＶＤＣ）を使用することができる。例えば、発電所１２で発生するＡＣ電力は、ＤＣ電力に変換することができ、このＤＣ電力は、通常、線路損失の影響をより受けにくく、伝送され、次に受電変電所でＡＣ電力に再び変換される。

図１に示すように、送電システム１４により伝送される電力２６を配電用変電所１６が受け取ることができ、配電用変電所１６は、特定の地域に供給する配電システムに電力を分配することができる。配電用変電所１６は、送電システム１４から受け取った電力２６の電圧を逓降又は低減するように構成される１つ又は複数の変圧器を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、送電システム１４を介して伝送された電力２６は、高圧、すなわち約１１キロボルト（ｋＶ）から約７６５ｋＶの間の範囲にすることができ、配電用変電所１６は、局所的な地域への配電に適した値に基づいて、電力２６の電圧を約２．４ｋＶから約３３ｋＶの間の範囲に逓降することができる。

例示する実施形態では、電圧が低減された電力２８は、さらに、配電用変電所１６から、負荷２０に電力を供給するのに電力（参照番号３０）を使用することができる消費者（例えば、住宅用、商業用、工業用など）への配電に適したレベルまで受け取った電力２８の電圧をさらに低減又は逓降するように構成することができる、地域用負荷変電所１８（「フィーダ」と呼ぶ場合がある）まで伝送される。地域用負荷変電所１８により供給される電力３０は、消費者が直接接続する（例えば、電気コンセント又は壁プラグを通して）ことができる主電源に供給することができる。主電源を介して供給される電力３０の電圧は、局所的な地域により様々（例えば、通常１００Ｖから２４０Ｖの間）である可能性があることを理解することができよう。例えば米国では、主電源は、通常、約１２０Ｖ（６０ヘルツ（Ｈｚ）周波数で）の公称電圧で電力を供給する。欧州及びインドの特定の地域などの他の地域では、主電源は、約２３０Ｖ（５０Ｈｚ周波数で）の公称電圧で電力を供給することができる。さらに、いくつかの工業用途では、負荷２０は、高電圧、すなわち約２０００から５０００Ｖの間で主電源から供給される電力により駆動することができる、大型産業用モータを含むことができる。本実施形態が、例示する目的で単一の配電用変電所、地域用負荷変電所、及び負荷のみを示すとき、送電システム１４は、様々な場所の複数の負荷を駆動するのに次に電力を供給することができる複数の配電所に実際に電力を供給することができることを理解されたい。

理想的な動作状態の間、電圧並びに線及び負荷インピーダンスが平衡し、したがって、平衡電流をもたらす、平衡状態に電力システム１０を維持するのが望ましい。例えば、電力システム１０が３相電力システムである場合に、任意の時点の３相電圧及び電流の瞬時総和が０に等しいとき、電圧及び電流が平衡しているとみなすことができる。したがって、平衡電圧及び電流は、電圧高感度負荷（例えば、可変速ドライブ、同期式及び誘導式モータ、コンピュータベースの制御システム、プログラマブルロジックコントローラ、発電機など）にほとんど悪影響を及ぼさない可能性が高いので、平衡状態は望ましい。しかし、上述のように、電力の品質及び使用に悪影響を及ぼす可能性がある、いくつかの事象が必ず発生する。そうした事象は、電圧サグ、過電圧、高調波、及び／又はサージを含む可能性があり、これら全ては、電力システム１０を不平衡状態に追い込む可能性がある。電力システム１０が不平衡状態にあるとき、電圧高感度負荷は、中断し、故障し、又はその他に誤動作する可能性があり、それが、予定外の生産停止をもたらし、機器の修理又は交換を必要とする可能性がある。

具体的には、電圧サグは、全体的に高いその発生確率及び頻度が少なくとも部分的な要因となり、特に問題となる可能性がある。上述のように、回路遮断器のトリップ、短絡故障、電気機器故障（例えば、ケーブル故障、過負荷など）、悪天候、及び／又は汚染を含む様々な原因が、電力システム１０の電圧サグ状態に影響を及ぼし、又は電圧サグ状態を発生させる可能性がある。それに加えて、電圧サグは、工業設備内の電気的故障、又は大型の誘導に基づく装置（例えば、誘導モータ又はドライブ）の高速始動などの、電力信号の受電端における事象により生じる可能性もある。本発明の開示に使用する用語を明白にするために、「電圧サグ」又は「電圧サグ状態」などは、（３相電力の任意の相における）ＲＭＳ電圧の急激な低下を指し、電圧サグは、低下量、すなわち公称電圧基準に対する電圧値又は百分率のいずれかを指すものと理解されたい。例えば、電圧低下は、約半周期から１分までの継続時間の間続く可能性がある。電圧サグは、ＲＭＳ電圧の急激な低下が北米では１２０Ｖ又はインドでは２３０Ｖである所与の基準の約１０から９０パ−セント内である事象として、ＩＥＥＥ規格に定義される場合があることが理解されよう。しかし、以下に記述するように、本明細書に開示する実施形態及び技術は、いかなる範囲の電圧の降下又は低下も補償することができる可能性があり、ＩＥＥＥの定義に一致する事象のみに限定されない。したがって、本発明の開示の目的では、電圧サグ状態は、相当な量のＲＭＳ電圧の急激な低下を指すことができる。

用語電圧サグ及び用語「電圧ディップ」は、区別なく使用することができる場合があり、さらに、用語電圧サグは、あるときは低下量ではなく残存電圧を指すのに使用する場合がある。例えば、後者の定義を採用するとき、１２０Ｖの公称電圧からの２４Ｖの低下は、８０パーセントの電圧サグ（残存電圧９６Ｖは、１２０Ｖの８０パーセントであるため）と呼ぶことができる。しかし、本発明の開示の目的では、電圧サグは、電圧が公称電圧に対して低下する百分率又は値として表現する。したがって、以上の例では、１２０Ｖ公称電圧からの２４Ｖの低下は、２０パーセント電圧サグ（２４Ｖは、１２０Ｖから２０パーセントの低下であるため）と呼ぶことができる。

電力信号に発生する可能性がある電圧サグ状態の例は、本発明の開示により、図２のグラフ４０に示す。ＡＣ電力信号の電圧は、トレース線４２に表す。時間ｔ₀からｔ₁まで、電力信号は、公称電圧Ｖ_NOMにほぼ等しい電圧を有する。時間ｔ₁からｔ₂の間に電圧サグ状態が発生し、Ｖ_NOMの低下により電圧がＶ_SAGまで降下する。次に、ｔ₂において、電圧サグ状態は回復し、時間ｔ₂からｔ₃の間に電力信号の電圧はＶ_NOMに戻る。さらに、電圧サグ状態は、電圧振幅だけでなく、位相角度にも影響を及ぼす可能性があることを理解されたい。したがって、これは、供給電圧位相に基づいてそのトリガパターンを制御する電力変換器などの、供給電圧位相に依存する装置及び機器に悪影響を及ぼす（例えば、誤動作を発生させる）可能性もある。したがって、再び図１を参照すれば、電圧サグ状態の影響を緩和し、又はその他に低減するのに、図１の電力システム１０は、動的電圧回復（ＤＶＲ）システムと呼ばれる場合がある電圧異常検出システム２２を含む。さらに、電圧サグは、送電システム１４と負荷２０との間の送電のいかなる段階でも発生する可能性があり、上流で（例えば、電力２６で）発生する電圧サグは、下流段階（例えば、電力２８、３０）の電力品質に影響を及ぼす可能性があることを理解することができよう。したがって、通常、電圧異常検出システム２２は、送電径路内のどこでも電圧サグなどの異常状態の発生を検出し、適当な補償電圧を印加するように構成することができる。例えば、電圧異常検出システム２２は、電力２６、２８、及び３０を伝送する電力線の電圧サグ状態を検出し、本明細書に参照番号３２で示す適当な補償電圧を印加するよう、補償電圧を印加するように構成することができる。さらに、図１の実施形態に単一の電圧異常検出システム２２を示すが、他の実施形態は、送電径路（例えば、電力２６を最終的に負荷２０に供給する径路）の様々な異なる段階に沿って分配される独立した電圧異常検出ロジックを含むことができる。

図３は、データ取得ロジック５０、補償ロジック５２、負荷時タップ切換器（ＯＬＴＣ）装置を含むシャント変圧器回路５４、直列変圧器回路５６、及び直列リアクトル５８を含む電圧異常検出システム２２の実施形態を示す。基本的に、電圧異常検出システム２２は、電圧サグ状態を検出し、期待電圧と実電圧との間の偏差を求め、次に、下流の構成要素及び負荷が電圧サグを受けないように電圧の偏差を除去するために、補償電圧を電力線に印加する制御システムとして動作する。

図示するように、配電用変電所１６からの出力電圧は、基準電圧信号６０としてデータ取得ロジック５０に供給される。一実施形態では、データ取得ロジック５０は、マイクロプロセッサにより制御される１つ又は複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路基板を含むことができる。例えば、３相電力システムでは、データ取得ロジックは、３相のそれぞれの電圧を代表する基準電圧信号６０を取得することができる。次に、基準信号６０は、基準信号と、各相の電圧が平衡する組に対応する値とを比較するように構成することができる補償ロジック５２に転送される。補償ロジック５２は、基準電圧６０と、各相の１組の目標電圧（例えば、期待電圧値）とを比較することができる補償アルゴリズムを実装するように構成することができる。一実施形態では、目標電圧は、プログラムし、又は予め定義することができ、電力システム１０を平衡状態に維持するのに適した電圧値に対応することができる。例えば、そうした目標電圧値を、不揮発性メモリ（例えば、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなど）又はデータ取得ロジック５０のＩ／Ｏ回路基板上の１つ又は複数のデータレジスタ内にプログラムすることができる。さらに、本発明の記述を３相電力の実施形態に絞るとき、単相電力の実施形態も実現可能であり、単相電力の実施形態は、通常、（３相の電力例の場合と同様に３つの基準電圧信号の代わりに）１つの基準電圧信号６０を含むことを理解されたい。

上述の比較に基づいて、補償ロジック５２は、各相において電圧サグ状態が存在するかどうかを判定する。電圧サグ状態が存在するとき、補償ロジック５２は、（１つ又は複数の）補償電圧を誘導するのに、基準電圧信号６０と、それらに対応する目標電圧（例えば、多相電力における基準電圧の同じ相に対応する）との間の偏差を求める。基準信号６０の誘導補償電圧に基づいて、制御信号６２が、シャント変圧器５４の２次巻線に結合する負荷時タップ切換器（ＯＬＴＣ）のタップコントローラ（タップ励振器とも呼ばれる）に供給される。制御信号６２は、各電圧の振幅及び位相に関する偏差を示すことができる。

ＯＬＴＣは、シャント変圧器５４の２次巻線上の特定の巻数に対応するタップポイントを選択することができることを理解することができよう。それに加えて、基準電圧信号６０は、シャント変圧器回路５４の１次巻線に供給される。３相電力の実施形態では、シャント変圧器回路５４は、３相電力の各相に対応する、３つの変圧器を含むことができる。図４において以下にさらに記述するように、ＯＬＴＣにより決定される、変圧器２次タップの位置は、変圧器の巻数比に影響を及ぼし、したがって、シャント変圧器５４の２次巻線の出力電圧にわたる制御を可能にする。したがって、シャント変圧器は、２次タップの位置に応じて、電源電圧（例えば、電力線から取得する基準電圧６０）に基づき、各２次巻線において電圧を誘導するが、誘導電圧は、補償ロジック５２により検出された電圧サグによる偏差をオフセットするのに適した補償電圧に対応する。言い換えれば、電圧異常検出システム２２により発生する補償電圧は、追加のエネルギー貯蔵装置及び関連する補助的な構成要素を必要とすることなく、送電信号それ自体から誘導される。

次に、本明細書に参照番号６４で表す補償電圧（例えば、各相の補償電圧）は、直列変圧器回路５６に供給される。３相電力の実施形態では、直列変圧器回路５６も、３つの変圧器を含むことができる。一実施形態では、直列変圧器回路５６の変圧器のそれぞれは、シャント変圧器回路５４の２次巻線のそれぞれの巻線に結合する２次巻線、及び配電所１６と地域用負荷変電所１８との間の電力線に結合する１次巻線を有し、１：１の巻数比を有することができる。したがって、シャント変圧器回路５４の２次巻線出力部に誘導される補償電圧は、直列変圧器回路５６の２次巻線に供給され、それにより、補償電圧を１次巻線に誘導する。本明細書に参照番号６６で示す補償電圧が、次に、電力線に供給され、下流の構成要素（例えば、負荷２０、変電所１８）が電圧サグ状態に遭遇しないようにすることができる。

さらに、図３に示す実施形態では、電圧異常検出システム２２のいくつかの実施形態は、シャント変圧器５４と直列変圧器５６との間に結合する直列リアクトル回路５８を含むこともできる。直列リアクトル５８は、制御信号６２で示すように、位相偏差を補償するのに誘導補償電圧６４の位相角度を調整するように構成することができる。それに加えて、電圧異常検出システム２２の本実施形態は、直列変圧器５６からの補償電圧６６の出力がデータ取得ロジック５０にフィードバックされるフィードバックループ６８も含む。このフィードバック信号６８を使用して、検出システム２２は、補償電圧６６と同時に電力２８の電圧を監視することができ、その結果、補償電圧を印加する前に電圧降下が急速に回復する状況（例えば、０．０２秒未満である可能性がある、半周期未満の継続時間だけ発生する電圧サグ）などでは、電圧は必ずしも電力線に導入されるわけではない。

図３に示す電圧異常検出システム２２は、伝送電力２８（例えば、配電用変電所１６と地域用負荷変電所１８との間）に発生する電圧サグを検出及び補償するように構成される一方、電圧異常検出システム２２は、同様に、伝送電力２６（例えば、送電システム１４と配電用変電所１６との間）及び電力３０（例えば、地域用負荷変電所１８と負荷２０との間）に発生する電圧サグを検出及び補償するように構成することができることが理解されよう。例えば、独立した個別の電圧異常検出システム２２を送電径路の各段階に提供することができる。それに加えて、電圧異常検出システム２２は、送電径路に沿って分配され、電圧サグの場合にいずれの段階でも補償電圧を発生させるように構成される補償ロジック及び回路を含む統合システムとすることができる。

図３において上述した電圧異常検出システム２２により実行することができる電圧サグ補償技術をさらに例示するのに、以下の例を提供する。第１の例では、１分の継続時間の間に９０パーセントの電圧サグを受ける、２３０Ｖの目標公称電圧で送電する電力線を想像されたい。この例では、データ取得ロジック５０及びシャント変圧器５４の１次巻線に供給される基準電圧信号６０は、約２３Ｖ（公称電圧２３０Ｖから９０パーセントの低下を反映する）である。ここで、補償ロジック５２は、９０パーセントの電圧サグの補償には、基準電圧（２３Ｖ）と目標電圧（２３０Ｖ）との間の偏差、すなわち約２０７Ｖに等しい補償電圧が必要であると判定することができる。したがって、補償ロジック５２は、２３Ｖの１次電圧（１次巻線に供給される）から２０７Ｖの２次電圧への２次巻線の逓昇をもたらす、シャント変圧器５４の２次巻線上のタップポイントをＯＬＴＣに選択させるタップ励振器に制御信号（例えば、信号６２）を供給する。次に、この第１の例では、補償電圧６６として作用する２次電圧は、直列変圧器５６を使用して電力線に印加され、電圧サグ状態を補償することができる。

第２の例では、第１の例に記述したものと同じ電力線であるが、１分の継続時間の間に３０パーセントの電圧サグを有するものを想像されたい。この例では、データ取得ロジック５０及びシャント変圧器５４の１次巻線に供給される基準電圧信号６０は、約１６１Ｖ（公称電圧２３０Ｖから３０パーセントの低下を反映する）である。ここで、補償ロジック５２は、３０パーセントの電圧サグの補償には、基準電圧（１６１Ｖ）と目標電圧（２３０Ｖ）との間の偏差、すなわち約６９Ｖに等しい補償電圧が必要であると判定することができる。したがって、補償ロジック５２は、１６１Ｖの１次電圧（１次巻線に供給される）から６９Ｖの２次電圧への２次巻線の逓降をもたらす、シャント変圧器５４の２次巻線上のタップポイントをＯＬＴＣに選択させるタップ励振器に制御信号（例えば、信号６２）を供給する。次に、この第２の例では、補償電圧６６として作用する、この２次電圧は、直列変圧器５６を使用して電力線に印加され、電圧サグ状態を補償することができる。

以上に提供した２つの例からわかるように、シャント変圧器５４は、２次巻線に適用されるタップの選択により、逓昇変圧器又は逓降変圧器のいずれかとして機能することができる。例えば、基準電圧６０が目標電圧（例えば、２３０Ｖ）の５０パーセント未満であるとき、シャント変圧器５４は、逓昇変圧器として機能することができ、基準電圧６０が目標電圧の５０パーセントを超えるとき、シャント変圧器５４は、逓降変圧器として機能することができる。したがって、目標公称電圧から５０パーセント未満低下させる電圧サグでは、シャント変圧器５４は、補償電圧を誘導するのに基準電圧に基づいて逓降機能を実行し、目標公称電圧から５０パーセントを超えて低下させる電圧サグでは、シャント変圧器５４は、逓昇機能を実行する。

図４に続けて、回路略記号を使用してシャント変圧器回路５４及び直列変圧器回路５６を示す、図３の電圧異常検出システム２２の詳細図を示す。図示するように、電力２８は、送電線６９を使用して配電用変電所１６から地域用負荷変電所１８まで伝送される３相電力とすることができる。電圧サグ状態を補償するとき、基準信号６０は、データ取得ロジック５０及びシャント変圧器回路５４に供給され、３相電力２８の第１、第２、及び第３の相にそれぞれ対応する、第１の基準信号６０ａ、第２の基準信号６０ｂ、及び第３の基準信号６０ｃを含むことができる。

本実施形態では、シャント変圧器回路５４は、図４に示すように配置及び構成される変圧器５４ａ〜５４ｃを含むことができる。各変圧器５４ａ〜５４ｃは、１次巻線７０ａ〜７０ｃ及び２次巻線７２ａ〜７２ｃを含む。例示するように、基準信号６０ａが、変圧器５４ａの１次巻線７０ａに供給され、基準信号６０ｂが、変圧器５４ｂの１次巻線７０ｂに供給され、基準信号６０ｃが、変圧器５４ｃの１次巻線７０ｃに供給される。各２次巻線７２ａ〜７２ｃは、グランド７４に結合する１つの端子７４を含むことができる。さらに、各２次巻線７２ａ〜７２ｃは、複数の変圧器タップを含むことができる。上述のように、補償ロジック５２は、本明細書に参照番号７６ａ〜７６ｃで表す負荷時タップ切換器（ＯＬＴＣ）を制御することができる制御信号６２を求めるのに補償アルゴリズムを実行し、その対応する２次巻線７２ａ〜７２ｃ上のタップを選択し、シャント変圧器回路５４の２次巻線７２ａ〜７２ｃの出力部に補償電圧６４を発生させることができる。例えば、ＯＬＴＣ７６ａは、変圧器５４ａの２次巻線７２ａ上の適当なタップを選択し、基準信号６０ａに対応する相の電圧サグを補償することができる補償電圧６４ａを発生させることができる。同様に、ＯＬＴＣ７６ｂは、変圧器５４ｂの２次巻線７２ｂ上のタップを選択することができ、ＯＬＴＣ７６ｃは、変圧器５４ｃの２次巻線７２ｃ上のタップを選択することができ、２次巻線７２ｂ及び７２ｃ上のタップの位置は、基準信号６０ｂ及び６０ｃにそれぞれ対応する相の電圧サグを補償するのに使用することができる電圧６４ｂ及び６４ｃの出力をもたらす。言い換えれば、補償電圧６４ａ、６４ｂ、６４ｃは、追加の独立したエネルギー貯蔵装置を必要とすることなく、基準信号６０ａ、６０ｂ、及び６０ｃを使用して誘導される。さらに、本実施形態で示すように、３つのシャント変圧器５４ａ〜５４ｃは、単一の３相変圧器（移相変圧器など）を使用して実装することができる。

例示する実施形態では、補償ロジック５２により実行される補償アルゴリズムは、基準信号６０ａ、６０ｂ、及び６０ｃを受け取り、各基準信号の位相角度を求めることができる。その際、補償アルゴリズムは、位相角度値を直交座標に変換することができ、直交座標は、次に、基準電圧信号と目標電圧との間の偏差（もしあれば）を求めるために目標電圧値と比較される。次に、補償信号６２を発生させるのに使用することができる偏差は、極座標に変換することができる。さらに、一実施形態では、変圧器（５４ａ〜５４ｃ）上のタップは、各タップにより、２次巻線７２が基準電圧６０の百分率となる出力電圧を発生させることができるように構成することができる。したがって、１次巻線７０で受け取った基準電圧、及び補償ロジック５２により計算された偏差に基づいて、ＯＬＴＣ７６は、２次巻線の出力が１次巻線の電圧の百分率（例えば、電圧を逓昇させる場合には１００パーセントを超える可能性がある）となる電圧で、補償電圧と等しくなるように、２次巻線７２上の適当なタップを選択することができる。

２次巻線７２ａ〜７２ｃ上のタップの選択は、グレーコードセンサなどの２値位置エンコーダと共にＯＬＴＣ７６ａ〜７６ｃを使用して達成することができる。ＯＬＴＣ（７６ａ〜７６ｃ）は、任意の適当なタイプのタップ切換器機構を使用して提供することができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＯＬＴＣ７６は、リアクトルもしくは抵抗器ベースのタップ切換器、オイルベースのタップ切換器、サイリスタ補助切換器、半導体タップ切換器、又はそれらの任意の組合せを含むことができる。さらに、一実施形態では、ＯＬＴＣ７６は、真空切換技術を使用するタップ切換器を含むことができる。真空タイプのＯＬＴＣは、いくつかの他のタイプのタップ切換器ＯＬＴＣ装置と比較するとき、動作性及び信頼性に関していくつかの利点を提供することができる。例えば、真空タイプのＯＬＴＣは、通常、特に低中域の電力用途において、オイルベースのＯＬＴＣなどの他のタイプのＯＬＴＣと比較して、より迅速な切換時間を提供し、他のタイプの現存するＯＬＴＣと比較して、より小さい波形率を有することもできる。それに加えて、真空タイプのＯＬＴＣは、他のタイプのＯＬＴＣと比較して一般により速い絶縁回復時間（例えば、１０ｋＶ／マイクロ秒まで）を示すことができる。真空タイプのＯＬＴＣは、電流と電圧との間に大きい位相角度が存在する場合でも、より短いアーク時間（例えば、１／２周期）を提供することができる。

さらに、真空タイプのＯＬＴＣは気密密閉されたシステムであるので、ＯＬＴＣにより発生するアークは、周囲の媒体と相互作用せず、切換特性は、周囲の媒体に必ずしも依存しない。真空中のアーク電圧は、オイル又は６フッ化硫黄（ＳＦ₆）などの他の媒体よりも大幅に低くし、それにより、エネルギー消費及び接触摩耗を低減することができる。さらに、絶縁媒体の削減は、いくつかの副生物（炭素など）の発生を低減又は削減することもできる。このことは、容易かつ好都合な廃棄をもたらし、直結フィルタの使用を必要としない。絶縁媒体の経時変化がないので、真空切換技術は、真空遮断器の全寿命を通して全体的に一定で信頼性が高い切換特性を提供することができる。すなわち、切換中の媒体相互作用又は酸化が存在しないことにより、真空タイプのＯＬＴＣの接触点上の金属蒸気の再凝縮率が改善し、それにより、接触点の使用可能寿命が延び、接触抵抗が低下する。例えば、いくつかの真空タイプのＯＬＴＣは、メンテナンスを必要とすることなく、３００，０００動作またはそれ以上の数だけ実行することができる可能性がある。

さらに図４を参照すれば、直列リアクトル５８は、補償電圧を表すことができる、シャント変圧器２次巻線７２ａ〜７２ｃからの出力６４ａ〜６４ｃを受け取り、制御信号６２により示される位相偏差を補償するのに誘導補償電圧６４ａ〜６４ｃの位相角度を調整することができる。次に、変圧器５６ａ〜５６ｃを含む直列変圧器回路５６は、補償電圧を受け取る。各変圧器５６ａ〜５６ｃは、１次巻線８０ａ〜８０ｃ及び２次巻線７８ａ〜７８ｃを含むことができる。上述のように、変圧器５６ａ〜５６ｃは、１：１の巻数比を有することができる。したがって、２次巻線７８ａ〜７８ｃに供給される補償電圧６４ａ〜６４ｃにより、均等な電圧６６ａ〜６６ｃが１次巻線８０ａ〜８０ｃに誘導される。下流の負荷（例えば、負荷２０、地域用負荷変電所１８）が期待公称電圧に遭遇するように、補償電圧６６ａ〜６６ｃを電力線６９に印加し、電圧サグ状態を補償することができる。

図５は、電力システム１０において電圧サグを補償するプロセス９０を示すフローチャートである。具体的には、プロセス９０は、電圧異常検出補償システム２２の上述の実施形態の動作と一貫性を有することができる。プロセス９０は、電力供給線（例えば６９）から基準電圧信号（例えば６０）を取得する、ブロック９２で開始する。次に、ブロック９４で、基準電圧と目標電圧との間の偏差を求める。例えば、この偏差は、補償ロジック５２（図３及び４）により求めることができる。その後、判定ロジック９６で、補償ロジックは、偏差が電圧サグ状態を示すかどうかを判定することができる。例えば、電圧サグ状態が存在するとき、偏差は、基準電圧が目標電圧未満であることを示すことができる。同様に、電圧サグ状態が存在しないとき、偏差は０となる（例えば、基準電圧が目標電圧に等しい）可能性がある。

電圧サグ状態が存在しないことを判定ロジック９６が示すとき、プロセス９０は、図５に示すようにブロック９２に戻ることができる。電圧サグ状態が存在することを判定ロジック９６が示す（例えば、偏差が目標電圧の低下を示す）とき、プロセス９０は、ブロック９８に進み、電圧サグを補償する必要補償電圧が偏差に基づいて求められる。引き続き、ブロック１００で、シャント変圧器（例えば、シャント変圧器５４）は、基準電圧信号を使用して必要補償電圧を誘導するのに使用することができる。例えば、図４において上述したように、補償ロジック５２は、シャント変圧器の２次巻線上のタップを選択するのに負荷時タップ切換器を制御することができる信号（例えば６２）を供給することができる。選択されたタップは、必要補償電圧を２次巻線に誘導するように、シャント変圧器の１次巻線に供給することができる基準電圧を逓昇又は逓降することができる。次に、ブロック１０２で、補償電圧が電力供給線に印加され、電圧サグを補償する。例えば、図４に示す実施形態では、シャント変圧器により供給される補償電圧は、直列リアクトル（例えば５８）により位相調整され、次に、１：１の巻数比を有する直列変圧器（例えば５６）に供給することができ、直列変圧器は、（例えば、２次巻線で）補償電圧を受け取り、次に（例えば、１次巻線から）補償電圧を出力し、主供給線に印加する。

電圧異常検出及び補償に関して上述した技術及び実施形態は、他のタイプの電圧異常検出システムと比較するとき、いくつかの利点を提供することができる。例えば、電圧サグ問題に対処する、いくつかの現存する電圧異常検出／補償システム（例えば、動的電圧回復システム）は、大型のキャパシタバンクなどの独立したエネルギー貯蔵装置を使用して補償電圧を発生させることにより動作することができる。そうしたエネルギー貯蔵装置を使用して適当な補償電圧を発生させるために、通常、昇圧変圧器、高調波フィルタ回路、スイッチギア、ＩＧＣＴベースの電圧源変換器、ＤＣ充電装置（例えば、キャパシタバンクを充電する）、インジェクションコントローラ、制御及び保護システム、直列インジェクション変圧器、並びにインバータスイッチなどの追加の補助機器が必要である。したがって、現存するシステムは、本明細書に開示した実施形態と比較するとき、いくつかの追加の構成要素を必要とする可能性があり、したがって、実装及び維持するのによりコストがかかる可能性がある。上述のように、本発明の技術は、電力供給線自体からの電圧を使用し、必要補償電圧を誘導し、したがって、独立したエネルギー貯蔵装置を必要としない。

本発明の開示の技術的効果は、電圧サグ状態などの電力線の電圧異常を検出し、下流の負荷が電圧サグの影響を受けないように電力線に印加する補償電圧を直ちに誘導することができる、電力システム中の電圧異常検出システム２２を提供することを含む。補償電圧は、その１次側において電力信号の測定電圧に対応する電力線から基準電圧信号を受け取るシャント変圧器を使用して誘導することができる。シャント変圧器の２次側に結合するタップ切換器（ＯＬＴＣ）は、補償信号に基づいて、シャント変圧器の２次側に必要補償電圧を誘導するタップを選択することができる。次に、この補償電圧は、電力線に印加することができる。

この記載した説明は、最良の形態を含む発明を開示し、任意の装置又はシステムを作成及び使用し、任意の組み込まれた方法を実施することを含む発明を当業者に実施させるためにも、例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により規定され、当業者に想起される他の例を含むことができる。そうした他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有するとき、又はそれらが特許請求の範囲の文言とわずかに異なる均等な構造的要素を含むとき、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。

１０ 電力システム
１２ 発電所
１４ 送電システム
１６ 配電用変電所
１８ 地域用負荷変電所
２０ 負荷
２２ 電圧異常検出システム
２４ ＡＣ電力
２６ 電力
２８ 電力
３０ 電力
３２ 補償電圧
４０ グラフ
４２ ＡＣ電力トレース線
５０ データ取得ロジック
５２ 補償ロジック
５４ シャント変圧器回路
５６ 直列変圧器回路
５８ 直列リアクトル
６０ 基準電圧信号
６２ 制御信号
６４ 補償電圧
６６ 補償電圧
６８ フィードバックループ
６９ 送電線
７０ １次巻線（シャント変圧器）
７２ ２次巻線（シャント変圧器）
７４ グランド端子
７６ 負荷時タップ切換器
７８ ２次巻線（直列変圧器）
８０ １次巻線（直列変圧器）

Claims (10)

1. 電圧サグ状態が電力線（６９）に存在するかどうかを判定するのに前記電力線（６９）から基準電圧信号（６０）を取得し、前記電圧サグ状態を補償する補償電圧（６４、６６）を求め、前記補償電圧（６４、６６）を発生させるのに前記基準電圧（６０）を使用し、前記電力線（６９）に前記補償電圧（６４、６６）を印加するように構成される、電圧異常検出システム（２２）を含む、システム（１０）。
2. 前記電圧異常検出システム（２２）は、前記基準電圧信号（６０）を取得するように構成されるデータ取得ロジック（５０）を含む、請求項１記載のシステム（１０）。
3. 前記電圧異常検出システム（２２）は、前記基準電圧信号（６０）と目標電圧とを比較し、前記比較に基づいて前記目標電圧からの偏差を求め、前記偏差に基づいて前記補償電圧（６４）を求めるように構成される補償ロジック（５２）を含む、請求項１記載のシステム（１０）。
4. 前記目標電圧は、前記電力線（６９）により伝送される電力信号（２８）の公称期待電圧に対応する、請求項３記載のシステム（１０）。
5. 前記電圧異常検出システム（２２）は、１次巻線（７０）及び２次巻線（７２）を有するシャント変圧器（５４）を含み、前記基準電圧（６０）は、前記１次巻線（７０）に供給され、前記２次巻線（７２）は、前記基準電圧（６０）に基づいて前記補償電圧（６４）を誘導するように制御される、請求項３記載のシステム（１０）。
6. 前記電圧異常検出システム（２２）は、前記補償ロジック（５２）により供給される制御信号（６２）に応答して前記シャント変圧器（５４）の前記２次巻線（７２）上の複数のタップポイントから１つのタップポイントを選択するように構成される負荷時タップ切換器（７６）を含み、前記選択されたタップポイントにより、前記シャント変圧器（５４）の前記２次巻線（７２）が、前記基準電圧（６０）を使用して前記補償電圧（６４）を発生させる、請求項５記載のシステム（１０）。
7. 前記負荷時タップ切換器（７６）は、真空タイプの切換負荷時タップ切換器を含む、請求項６記載のシステム（１０）。
8. 前記シャント変圧器（５４）から前記補償電圧（６４）を受け取るように構成される２次巻線（７８）と、前記電力線（６９）に結合する１次巻線（８０）とを有する直列変圧器（５６）を含み、前記補償電圧（６６）は、前記直列変圧器（５６）の前記１次巻線（８０）に誘導され、前記直列変圧器により前記電力線（６９）に印加される、請求項５記載のシステム（１０）。
9. 送電径路（６９）と、
   前記送電径路（６９）に結合し、前記送電径路（６９）に発生する電圧サグ状態を検出及び補償するように構成される制御システム（２２）とを含む、電力システム（１０）であって、
   前記制御システム（２２）は、
   前記送電径路（６９）内の電圧を基準電圧信号（６０）として取得するように構成されるデータ取得ユニット（５０）と、
   前記データ取得ユニット（５０）から前記基準電圧信号（６０）を受け取り、前記基準電圧信号（６０）と目標電圧とを比較し、前記目標電圧と前記基準電圧信号（６０）との間の差に基づいて必要補償電圧（６４、６６)を求めるように構成される補償ユニット（５２）と、
   前記基準電圧信号（６０）を使用して前記補償電圧（６４）を誘導するように構成されるシャント変圧器回路（５４）と、
   前記電圧サグ状態を補償するのに前記補償電圧（６６）を前記送電径路（６９）に印加するように構成される直列変圧器回路（５６）とを含む、電力システム（１０）。
10. 前記シャント変圧器回路（５４）は、前記基準電圧信号（６０）を受け取る１次巻線（７０ａ）と、必要補償電圧（６４ａ）を発生させるのに第１の負荷時タップ切換器（７６ａ）により制御される２次巻線（７２ａ）とを有する第１のシャント変圧器（５４ａ）を含む、請求項９記載のシステム（１０）。

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