JP3824279B2 - 電気相互接続システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は送電の制御、特に電力系統の間の送電に関する。
【０００２】
【関連技術】
ある電気変圧器、例えばバリアック（ｖａｒｉａｃ）の様なタップ切換え変圧器は単に電圧を変えるだけである。静止型移相変圧器として知られている他の変圧器は、トルク角度を通じて電力を方向転換し、電力を移すことが出来る。
単に電圧を変えるだけの変圧器並びに静止型移相変圧器は、同じ電気周波数で動作する２つの電気系統を相互接続したり、或いは１つの電気事業体の内部で送電する為には適切であるかもしれない。しかし、こう云う変圧器は、異なる周波数で動作する２つの電気系統の連結（例えば電気事業体相互間の電力伝達）に用いることが出来ない。
【０００３】
世界には、電力系統の間の相互接続に非同期リンクを必要とする多数の区域が存在する。こう云うある区域では、電力系統が異なる公称周波数（例えば６０Ｈｚ及び５０Ｈｚ）を有する。公称周波数が同じである電力系統の相互接続でも、相互接続モードでの安定な動作が出来る位の強度を持つ同期リンクを設定する実用的な手段がない。
【０００４】
電力系統の間の非同期相互接続を達成する現行の技術は高圧直流（ＨＶＤＣ）変換である。
図１２は、従来のＨＶＤＣ相互接続システム８２０を図式的に例示した線図である。図１２は、相互接続システム８２０が第１の交流電力系統すなわち給電系統８２２と第２の交流電力系統すなわち受電系統８２４とを接続することを示している。給電系統８２２が、図示例では、周波数Ｆ１（Ｆ１は給電系統８２２の周波数である）を持つ３相入力信号を供給する為に、線路８２６を介して相互接続システム８２０に接続される。相互接続システム８２０が線路８２８を介して受電系統８２４に接続され、線路８２８は相互接続システム８２０からの周波数Ｆ２の３相出力信号を受電系統８２４に伝える。
【０００５】
図１２のＨＶＤＣ相互接続システム８２０は、母線８３２及び８３４の間にある背中合わせに接続された直流リンク８３０を含む。母線８３２が給電線路８２６に接続されると共に、リアクタンス補償母線８４２に接続されている。同様に、母線８３４が線路８２８及びリアクタンス補償母線８４４に接続される。
背中合わせの直流リンク８３０の各々の側が２つの変換器（例えば給電系統の側では変圧器ＹＹ及びＹΔ、受電系統の側では変圧器ＹＹ及びΔＹ）ならびに１２パルス変換器群を含む。図１２に示す様に、リンク８３０の給電系統側の１２パルス変換器群が、２つの６パルス変換器群８５０及び８５２を含み、そしてリンク８３０の受電系統側の１２パルス変換器群が、２つの６パルス変換器群８６０及び８６２を含む。３相群として示されているが、各々の変換器群は、当業者の知る様に接続された６つのサイリスタを含む。平滑フィルタ８６４が変換器群８５０及び８６０の間に接続される。
【０００６】
更に図１２には、夫々リアクタンス補償母線８４２、８４４に接続された無効電力供給装置８７０、８８０も示されている。無効電力供給装置８７０は、スイッチ８７２によって母線８４２に接続された分路リアクトル８７１、及び夫々スイッチ８７４Ａ、８７４Ｂ、８７４Ｃによって母線８４２に接続された複数個のフィルタ枝路８７３Ａ、８７３Ｂ、８７３Ｃを有する。同様に、無効電力供給装置８８０は、スイッチ８８２によって母線８４４に接続された分路リアクトル８８１、及び夫々スイッチ８８４Ａ、８８４Ｂ、８８４Ｃによって母線８４４に接続されたフィルタ枝路８８３Ａ、８８３Ｂ、８８３Ｃを有する。図面には３つのこの様なフィルタ枝路８７３Ａ乃至８７３Ｃ及び８８３Ａ乃至８８３Ｃを示したが、各々の無効電力供給装置８７０、８８０には、この様なフィルタ枝路がずっと多数あってよいことを承知されたい。
【０００７】
任意所定のＨＶＤＣ施設では、無効電力供給装置８７０、８８０の様な無効電力供給装置は設計が困難であって、高価である。更に、所定の電力レベルと注意深く協調させなければならない多数のスイッチ素子がある。電力が変化する時、無効電力供給装置８７０、８８０内のフィルタをその間ずっと略絶えず切換えながら、高調波性能を所要のレベル（すなわち、高調波性能指数）より低く抑え、しかも無効電力を所定限界の間に保つと云う様な種々の制約が同時に課せられる。こう云う制約については、例えば１９８９年４月のニューオーリンズでのＩＥＥＥ・Ｔ＆Ｄコンファレンスで発表されたラーセン及びミラーの論文「ＨＶＤＣ系統に対する交流フィルタの仕様」を参照されたい。
【０００８】
このように、ＨＶＤＣは、高調波のフィルタ作用を厳密に調整し、制御し、無効電力の補償をする必要がある為に、複雑になる。更に、何れかの側の交流電力系統が、ＨＶＤＣの電力定格に較べて容量が低い時、性能に限界がある。更に、ＨＶＤＣは、多数の高圧スイッチ及びフィルタ・バンクの為に相当の場所を必要とするので望ましくない。
【０００９】
従来の回転変流機は、２工程の変換を利用し、同じ軸上に最大定格の発電機及び最大定格の電動機の両方を有する。回転変流機は交流から直流へ又は直流から交流へ電力を変換する為に利用されて来た。しかし、この様な回転変流機は相異なる周波数の交流から交流へ直接的に変換出来ない。更に、回転変流機は１つの予定の速度（数百又は数千ＲＰＭ）で連続的に運転されて、それ自身を実際に回転させる電動機として作用する。従って、従来の回転変流機は、２つの電気系統を相互接続する際、これらの電気系統がそれぞれ異なる周波数分布内でランダムに変動する場合に対処することが出来ない。
【００１０】
全く異なる技術的な分野の文献には、電動機の速度制御の為に「セルシン」形差動駆動装置を利用することが記載されている。ニューヨーク州、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ・インコーポレーテッド社から出版されたパックシュタイン、ロディ及びコンラートの著書「オルターネイティングカレント・マシン（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｍａｃｈｉｎｅ）」第３版、４２５−４２８頁、特に４２８頁の第２７５図、並びに同じ出版社から出版されたクローンの著書「イクゥイバラント・サーキット・オブ・イレクトリック・マシン（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｃｈｉｎｅ）」、１５０−１６３頁、特に１５６頁の第９．５ａを参照されたい。この文献は、セルシン形差動駆動装置を電動機の速度制御、すなわち電動機及び発電機の間の相対的な速度調節を介しての電動機速度の制御のみに関連して取り上げている。更に、セルシン形差動駆動装置は帯域幅が小さく、回転子の振動を減衰させる努力を何らしていない。
【００１１】
【発明の概要】
本発明では、回転変圧器及び制御装置を有する電気相互接続システムを提供する。制御装置は、第１の電気系統から第２の電気系統へ送られる測定された電力が、入力された指令電力と釣合う様に、回転変圧器の角度位置を調節する。回転変圧器は回転子集成体及び固定子で構成され、制御装置は回転子速度の時間積分を調節する。
【００１２】
制御装置は第１の制御ユニット及び第２の制御ユニットを含む。第１の制御ユニットは入力の指令電力を測定された電力と比較して、要請角速度信号を発生する。第２の制御ユニットは要請角速度信号を回転変圧器の測定された角速度信号と比較して、固定子に対する回転子集成体の角度位置を制御する変換器駆動信号を発生する。
【００１３】
回転変圧器は、第１の電気系統に接続された回転子と、第２の電気系統に接続された固定子とを有する。トルク制御ユニット又はアクチュエータが、制御装置によって発生された駆動信号に応答して、回転子を回転させる。
制御装置の帯域幅は振動（一体化されている送電回路に対するその反作用を含めた回転子の固有振動）を減衰させる様になっている。第１（すなわち低速）の制御ユニットの帯域幅は最低の固有振動モードより低くなる様に選ばれ、第２の（すなわち高速）制御ユニットの帯域幅は最高の固有振動モードより高くなる様に選ばれる。この明細書で云う制御ユニット又は制御装置の帯域幅は、閉ループフィードバック装置の応答速度を指す。
【００１４】
第１及び第２の電気系統は異なる電気特性（例えば周波数又は位相）を持っていてよい。第１の電気系統から第２の電気系統へ又はその逆に（すなわち第２の電気系統から第１の電気系統へ）電力を伝達する為に、制御装置が可変速度で回転変圧器を両方向に作動する。
ある実施態様では、トルク制御ユニット（アクチュエータ）が電動機である。この様な実施態様では、トルク制御ユニットは回転子を直接的に駆動してもよいし、或いは歯車を介して回転子と連結されていてもよい。特定の実施例では、歯車はウォーム歯車である。
【００１５】
他の実施態様では、トルク制御ユニットは回転変圧器の回転子集成体及び固定子の中に一体化されている。この様な実施態様では、トルク制御ユニットの機能が、回転子及び固定子の両方に２組の巻線を設けることによって達成される。回転子及び固定子にある第１組の巻線は、回転子及び固定子にある第２組の巻線（例えば４極又はそれ以上）とは異なる極数（例えば２極）を持っている。トルク制御ユニットが回転変圧器の回転子集成体及び固定子に一体化されている実施態様では、かご形誘導子の実施例、直流励磁回転子（同期形）の実施例、及び巻線型回転子の交流の実施例を含む。
【００１６】
本発明の相互接続システムは、異なる電気周波数を持つ第１及び第２の電力回路網の様な非同期的な電気系統を接続する為の変電所に利用し得る。本発明の相互接続システムは、電力を伝達するだけでなく、負荷時に移相を行うことによって速やかに電力を変更することも出来る。
本発明では、回転変圧器の機械的なトルクが、固定子巻線から回転子巻線への指令通りの電力の伝達が達成される様に制御される。本発明は、負荷に印加されるトルク（従ってその速度）を制御する為に回転子巻線から固定子巻線への電力の伝達を制御する従来の技術とは対照的である。更に、本発明では、回転子及び固定子巻線の両方が最大電力伝達が出来る様な定格になっているのに対し、従来の用例では、回転子巻線は固定子巻線の小さな一部分に対するだけの定格になっている。
【００１７】
重要なことは、本発明が、高調波フィルタ作用、制御及びリアクタンス補償を厳密に調整する従来のＨＶＤＣの必要を避けていることである。本発明は１ステップの変換を提供する点でも有利である。
本発明の上記並びにその他の目的、特徴及び利点は、以下図面に示した好ましい実施例について更に具体的に説明する所から明らかになろう。図面全体にわたり、同様な部分には同じ参照記号を用いている。図面は必ずしも実尺ではなく、本発明の原理を例示することに重点を置いている。
【００１８】
【詳しい説明】
図１は、可変周波数変圧器１０２及び制御装置１０４を含む電力相互接続システム１００を示す。後で図２について更に詳しく説明するが、可変周波数変圧器１０２が（線路２６に含まれている）３相線路ＲＡ、ＲＢ、ＲＣによって第１の交流電力系統２２に接続されると共に、（線路２８に含まれている）３相線路ＳＡ、ＳＢ、ＳＣによって第２の交流電力系統２４に接続されている。やはり後で説明するが、第１の電気系統及び第２の電気系統は、それらの電気特性、例えば電気周波数が異なることがある。
【００１９】
図１に示すように、可変周波数回転変圧器１０２は回転変圧器集成体１０５及びトルク制御ユニット１０６（これは「回転子駆動部」とも呼ばれる）を含む。回転変圧器集成体１０５及びトルク制御ユニット１０６については、後で図２を参照して更に詳しく説明する。
やはり図１に示す様に、制御装置１０４は低速（ｓｌｏｗ）電力制御ユニット１０７、高速（ｆａｓｔ）速度制御ユニット１０８及び電力トランスデューサ１０９を含む。低速電力制御ユニット１０７は、第１の交流電力系統２２から線路２６を介して伝えられる電圧Ｖ₁ 、第２の交流電力系統２４に線路２８を介して伝えられる電圧Ｖ₂ 、及び線路２６から伝達される測定された電力Ｐ₁ を表す信号を（電力トランスデューサ１０９を介して）受取る様に接続されている。低速電力制御ユニット１０７は、電力指令入力信号Ｐ₀ を受取って、高速速度制御ユニット１０８に対して信号ω₀ を出力する様に接続されている。この高速速度制御ユニット１０８は速度トランスデューサ１１１からの信号ω_r を受取って、トルク制御ユニット１０６に対して駆動信号Ｔ₀ を出力する。
【００２０】
図２に更に詳しく示す様に、回転変圧器集成体１０５は回転子集成体１１０及び固定子１１２を含む。回転子集成体１１０はスリップリング１１４及び回転子かご形部分１１６を含む。第１の交流電力系統２２からの３相線路ＲＡ、ＲＢ、ＲＣがスリップリング１１４に接続され、第２の交流電力系統２４に通ずる３相線路ＳＡ、ＳＢ、ＳＣが固定子１１２に接続される。回転子集成体１１０にはその近くに速度トランスデューサ１１１が取付けられていて、回転子の角速度を表す角速度信号ω_r を発生する。
【００２１】
図２に示す実施例では、当業者であれば判る様に、図示の回転変圧器集成体１０５は６０°の相帯で巻装され、ＲＡ＋、ＲＣ−、ＲＢ＋、ＲＡ−、ＲＣ＋、ＲＢ−と記された回転子巻線、及びＳＡ＋、ＳＣ−、ＳＢ＋、ＳＡ−、ＳＣ＋、ＳＢ−と記された固定子巻線を含む。本発明は６０°相帯で巻装した装置に制限されず、本発明の原理が２相以上の回転変圧器集成体に適用し得ることを承知されたい。
【００２２】
回転子集成体１１０はその軸線ＲＸの周りに時計廻りＣＷ及び反時計廻りＣＣＷの両方向に回転し得る。回転子集成体１１０は回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６によって回転させられる。
回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６は、回転子集成体１１０に装着された円柱形部分として図２に象徴的に示されており、図２では、回転子集成体１１０を回転させる為の種々の異なる形式の駆動機構を一般的に表している。ある実施例では、回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６は、アクチュエータ、及び回転子集成体１１０と連結するための何らかの形式のリンク機構（例えば歯車装置）を含む。例えば、１実施例では、回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６は、図３及び４に示し、後で説明するウォーム歯車駆動装置で構成される。他の実施例では、回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６は、ラジアル歯車（例えば平歯車）を介して作動するステップ・モータの様なアクチュエータ、直接駆動装置、回転子集成体１１０上の歯車を回転させる流体圧アクチュエータ、又は回転子集成体１１０上の歯車を回転させる空気圧アクチュエータで構成される。図８に一般的に示した更に別の実施例では、トルク制御ユニット（ユニット素子１０６″として示す）の機能が、回転子及び固定子の両方に２組の巻線を設けることによって達成される。回転子及び固定子にある第１組の巻線は、その極数（例えば２極）が、回転子及び固定子にある第２組の巻線のもの（例えば４極又はそれ以上）とは異なる。この為、こゝで説明する回転子集成体１１０の閉ループ角度位置と両立するものである限り、回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６として任意の適当な駆動機構を用いることが出来る。
【００２３】
制御装置１０４が、第１の電力系統２２から第２の電力系統２４へ、又はその逆に電力を伝達する為に回転子集成体１１０を（回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６を介して）両方向に作動する。動作について説明すると、オペレータが、交流電力系統２２、２４の間の予め調整された所定の電力伝達条件に従って、電力指令入力信号Ｐ₀ を設定する。この電力指令入力信号Ｐ₀ の設定は、オペレータの制御パネル又はオペレータのワークステーションＣＰでつまみを調節するか或いはデータを入力して、指令電力を表す信号Ｐ₀ を発生することによって達成することが出来る。図１に示す特定の実施例では、制御パネルＣＰが相互接続システム１００から離れた場所にある。
【００２４】
低速電力制御ユニット１０７が、要請角速度信号ω₀ を発生する為に、電力指令入力信号Ｐ₀ を測定された電力伝達信号Ｐ₁ と比較する。測定された電力伝達信号Ｐ₁ は、電力トランスデューサ１０９によって３本の線路２６から得られる。電力トランスデューサ１０９は、普通の沢山の計器の内の任意の１つでよく、当業者であれば、どの様に信号Ｐ₁ を求めるかは容易に理解されよう。
【００２５】
図示の実施例では、低速電力制御ユニット１０７は、指令電力信号Ｐ₀ と測定電力信号Ｐ₁ の間の差（すなわち、Ｐ₀ −Ｐ₁ ）を測定して、その結果を積分関数に入れて要請角速度信号ω₀ を発生する積分器である。低速電力制御ユニット１０７は、一般的に３ラジアン／秒以上で生じる交流系統の固有のダイナミックスの妨害（後で説明する）を防止する為に、非常に低い利得を有する。
【００２６】
高速速度制御ユニット１０８が要請角速度信号ω₀ 及び測定角速度信号ω_r の両方を受取る。要請角速度信号ω₀ は、前に述べた様に低速速度制御ユニット１０７によって発生される。測定角速度信号ω_r は速度トランスデューサ１１１から得られる。高速速度制御ユニット１０８は線１３４に駆動信号（これはトルク指令信号Ｔ₀ とも呼ばれる）を発生して、ω_r が直ちにω₀ に等しくなる様にする。当業者であれば、信号ω_r 及びω₀ を使って駆動信号Ｔ₀ を発生する為に、高速速度制御ユニット１０８として普通の電動機駆動装置をどの様に運転したらいいか承知していよう。
【００２７】
このように、高速速度制御ユニット１０８は、回転子集成体１１０の実際の速度ω_r が指令された速度ω₀ に追従する様に、トルク制御ユニット１０６に対する線１３４の駆動信号Ｔ₀ を調節する。高速速度制御ユニット１０８の閉ループ帯域幅は、それを一体化した送電回路網に対するその反作用を含めて、回転子集成体１１０の最高固有振動周波数を越えるべきであり、一般的には１００ラジアン／秒未満である。典型的には、固有振動モードは約３ラジアン／秒乃至５０ラジアン／秒の範囲であり、普通は３０ラジアン／秒未満である。高速速度制御ユニット１０８の帯域幅（応答速度）に関連して云うと、図示の実施例では、回転子集成体１１０の指令された速度ω₀ から実際の速度ω_r までの変化によって生ずる位相の遅れは、正弦状の擾乱に対しては９０°未満である。この応答帯域幅を保証することにより、この様な全ての固有振動モードが、制御装置による有利な減衰作用を受けることが保証される。
【００２８】
線１３４の駆動信号Ｔ₀ の方向性（例えは極性）は電力の流れの方向に従う（例えば、電力が交流電力系統２２から交流電力系統２４へ流れているか或いはその逆であるかに従う）。線１３４の駆動信号Ｔ₀ の大きさは回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６で利用して、交流電力系統２２及び交流電力系統２４の周波数の間の差に釣合わせる為に回転子集成体１１０の速度を増減する。
【００２９】
図２に示す様に、線１３４の駆動信号Ｔ₀ はトルク制御増幅器１５０に印加される。電力がトルク制御電源１５２からトルク制御増幅器１５０に供給されるので、線１３４の駆動信号Ｔ₀ を使って、トルク制御増幅器１５０はトルク制御ユニット１０６に対する３相信号ＴＡ、ＴＢ、ＴＣを出力する。この分野では一般的にそうであるが、この明細書でも、ＴＡはＴＡ＋及びＴＡ−を包括的に表し、ＴＢはＴＢ＋及びＴＢ−を包括的に表すと云う様になっている。
【００３０】
図１３は、基準フェーザＶ_ref に対して描いたフェーザ（ｐｈａｓｏｒ）線図である。図１３は、交流電力系統２２の電圧Ｖ₁ を表す電圧フェーザＶ₁ と、交流電力系統２４の電圧Ｖ₂ を表す電圧フェーザＶ₂ と、フェーザＶ_ref を基準とした線路２６の交流電圧の位相角θ₁ 、フェーザＶ_ref を基準とした線路２８の交流電圧の位相角θ₂ を示す。固定子１１２に対する回転子集成体１１０の角度位置θ_r も図２に示されており、通常通り、ＲＡ＋がＳＡ＋と正確に揃った時にθ_r がゼロになることを承知されたい。
【００３１】
相互接続システム１００の目的は、交流電力系統２２及び交流電力系統２４の間で相互接続システム１００を介して所望の電力（すなわち、指令電力信号Ｐ₀ によって指示された通りの電力）が伝達される様に可変周波数変圧器１０２の回転速度及び角度位置θ_r を定めることである。本質的には、相互接続システム１００は、測定電力信号Ｐ₁ が指令電力信号Ｐ₀ と釣合う様に、角度θ_r （図１３参照）を制御する。線１３４の駆動信号Ｔ₀ を使って、固定子１１２に対する回転子集成体１１０の角度関係を調節して、回転変圧器１０２の速度及び角度により、指令された電力レベルで電力の伝達が出来る様にする。
【００３２】
相互接続システム１００による電力伝達は式（１）によって近似される。
Ｐ₁ ＝Ｖ₁ Ｖ₂ ｓｉｎ（θ₁ −θ₂ ＋θ_r ）／Ｘ₁₂ （１）
こゝでＰ₁ は相互接続システム１００を通る電力、Ｖ₁ は線路２６の電圧の大きさ、Ｖ₂ は線路２８の電圧の大きさ、θ₁ は基準フェーザＶ_ref を基準とする線路２６の交流電圧の位相角、θ₂ は基準フェーザＶ_ref を基準とする線路２８の交流電圧の位相角、θ_r は固定子に対する回転子集成体１１０の位相角、Ｘ₁₂は線路２６、２８の間の合計リアクタンスである。
【００３３】
何れの方向にも、相互接続システム１００を介して可能な理論的な最大電力伝達量がある。この理論的な電力伝達量の絶対値が式（２）によって表される。
Ｐ_MAX ＝Ｖ₁ Ｖ₂ ／Ｘ₁₂ （２）
これが起こるのは、正味の角度が何れの方向でも９０°に近いときであり、これは式（３）から判る。
【００３４】
θ_net ＝θ₁ −θ₂ ＋θ_r ＝±９０° （３）
安定な動作の為には、角度θ_net は９０°よりかなり小さい絶対値を持っていなければならない。これは、電力伝達量が、式（２）によって表される理論的な最大レベルよりも小さい値に制限されることを意味する。この範囲内では、電力伝達量は、正味の角度に対して単調な直線に近い関係に従い、これは式（４）によって近似することが出来る。
【００３５】
Ｐ₁ ≒Ｐ_MAX θ_net （４）
図１３の交流電圧フェーザの角度はその夫々の周波数の時間積分によって表され、回転子集成体１１０の角度は、式（５）で示す様に、時間にわたるその速度の積分によって表される。
Ｐ₁ ≒Ｐ_MAX 〔∫（ω₁ （ｔ）−ω₂ （ｔ））ｄｔ
＋∫（ω_r （ｔ））ｄｔ〕 （５）
こゝでω₁ （ｔ）は時間の関数として表した線路２６の交流電圧の周波数、ω₂ （ｔ）は時間の関数として表した線路２８の交流電圧の周波数、ω_r （ｔ）は時間の関数として表した回転子集成体１１０の周波数である。
【００３６】
従って、通過する電力は、時間にわたる回転子集成体１１０の軸速度の時間積分の直接的な影響を受ける。この特性により、通過する電力（Ｐ₁ ）を測定し、軸速度に対する指令（ω₀ ）を調節することによって、本発明では電力調整制御ループを実現することが出来る。この電力調整器の帯域幅を装置の最低振動モードの帯域幅（典型的には３ラジアン／秒未満）より十分小さく保つことにより、回転子の振動を減衰させると云う目的を損なわずにすむ。
【００３７】
測定電力が測定電圧から計算された限界を越える時、高速電力制限機能を使って通常の低速電力調整器を無効にする。この限界は、式（６）で示す様に、理論的な最大電力にある率（１より小さい係数）を掛けたものである。
Ｐ_LIMIT ＝Ｆ_LIMIT Ｐ_MAX （６）
こゝでＰ_LIMIT は（何れの方向にも適用される）電力限界、Ｆ_LIMIT は理論的な電力の最大許容率である。
【００３８】
この明細書で云う位相とは電気的な位相を指す。２つより多くの極がある場合、回転子集成体１１０の機械的な角度と電気的な角度の間の関係は次の通りである。
（機械的な角度）＝２／（極数）×（電気的な角度）
移相は、固定子１２０に対して回転子集成体１１０を物理的に変位させることによって達成される。回転子集成体１１０の角度位置は思いのまゝに維持し、進め又は遅らせることが出来る。移相は、回転子の角度位置を変え、こうして相互接続システム１００の各相の間での相互インダクタンスを変更することによって達成される。
【００３９】
回転変圧器１０５の極数（ＮＰ）は、典型的には、取り得る空隙の数の様なシステムのパラメータに関係する。しかし、システムの極数（ＮＰ）は、式ＮＭＤ＝２×ＥＦＤ／ＮＰで表される様に、所与の電気周波数の差（ＥＦＤ）に対して電力を伝達するのに必要な回転子の角度変位の機械的な度数（ＮＭＤ）に影響を与える。この為、極数が高いと（ＮＰが大きいと）、電気的な変位を達成するのに必要な角度変位の機械的な度数（ＮＭＤ）を大幅に減少することが出来る。例えば、３０極の巻線型回転子の電動機では、−３０°乃至＋３０°の電気的な変位は、機械的な変位では僅か−２°乃至＋２°である。変位させるべき機械的な角度を減少することにより、必要とする力を大幅に減少することが出来、或いは逆に応答時間を著しく長くして、所望の変位を達成することが出来る。
【００４０】
図３及び４は、特定の回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６′を持つ電力相互接続システム１００を示す。回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６′は、リンク機構として回転子ラジアル歯車１６２と噛み合うウォーム歯車１６０を用いると共に、更にアクチュエータとしてウォーム歯車サーボ駆動装置（例えば、ステップ・モータ）１６４を用いる。更に、図３及び４は回転子集成体１１０の特定の取付け構造、特に回転子集成体１１０の配置並びに回転の両方を容易にするスラスト−ラジアル軸受１７０及び上側ラジアル軸受１７２を示している。回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６′の利点は、ウォーム歯車駆動装置が自動締まりになる傾向を持つことである。それに関連したサーボ駆動装置１６４が万一回転しない場合、電気的な位相誤差が３６０°に達するまで、回転子集成体１１０は位置が固定される。この時、保護継電器により、相互接続システム１１０をオフラインにする。
【００４１】
前に述べた様に、他の実施例では、他の形式の機構が回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６に用いられる。図３及び４の回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６′は、回転子集成体１１０をウォーム歯車１６０にしっかりと接続するが、他の実施例では、この様なしっかりした接続は必ずしもする必要がない。例えば、一実施例では、機械的な運動系を調節する為に、ウォーム歯車１６０と回転子集成体１１０との間に捩りばね／ダンパー装置が挿入される。この様な装置では、ウォーム歯車を基本とした回転子駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６′が位相を（例えば電気角で２０°）変位させ、その後、電気エネルギ及び機械的なエネルギの組合せを、供給している負荷の時定数に合う様に同調させる。その結果、電気事業体側には一様な電力入力になり、系統負荷が安定化する。
【００４２】
図９、１０及び１１は、図８に一般的に表した回転子駆動部すなわちトルク制御ユニットの特定の構成を示しており、これらの構成が夫々回転子駆動部１０６″Ａ、１０６″Ｂ、１０６″Ｃとして示されている。図９、１０及び１１は、回転子駆動部が回転変圧器１１０の回転子集成体１１０及び固定子１１２の中に一体化された実施例である。特に、図９はかご形誘導子の実施例、図１０は直流励磁回転子（同期形）の実施例、図１１は巻線型回転子交流の実施例を示す。
【００４３】
次に図９、１０及び１１の実施例について包括的に説明すると、回転子駆動部分１０６″Ａ、１０６″Ｂ、１０６″Ｃは夫々何れも４極回転子／固定子構造の内側に２極回転子／固定子構造を用いている。これらの実施例では、回転子集成体１１０″が、その外周に図２に示したのと同じ２極回転子巻線を持つことが判る（この様な共通の回転子巻線に陰影線を施してある）。更に、回転子集成体１１０″は８個の４極回転子巻線を有する（これらの４極回転子巻線は、回転子集成体１１０″の中心から２極回転子巻線よりも一層小さい半径の所にあり、図には陰影線を施してない）。固定子１１２″はその内周に、図２に示したのと同じ２極固定子巻線を有する（この様な共通の固定子巻線も陰影線を施してある）。更に、固定子１１２″は８個の４極固定子巻線を有する（これらの４極固定子巻線は、回転子集成体１１０″の中心から２極固定子巻線よりも一層大きい半径の所にあり、図には陰影線を施してない）。図９、１０及び１１の実施例では、４極固定子巻線はトルク制御増幅器１５０（図２参照）から来る線ＴＡ＋、ＴＢ＋、ＴＣ＋、ＴＡ−、ＴＢ−、ＴＣ−に接続され、ＲＡ、ＲＢ、ＲＣ、ＳＡ、ＳＢ、ＳＣの接続は図２に示す通りである。
【００４４】
図９のかご形の実施例では、４極回転子巻線はそれ自身で短絡して、かご形誘導電動機を形成する。
図１０の直流励磁形回転子（同期形）の実施例では、速度制御ユニット１０８が別の信号Ｅ_fdo （界磁電圧）を発生し、これが励磁増幅器７００Ｂに印加される。励磁増幅器７００Ｂは、励磁電源７０２Ｂから電力を受け取って、２つのスリップ・リングを持つスリップ・リング集成体１１４Ｂに対して信号ＤＣ＋及びＤＣ−を出力する。スリップ・リング集成体１１４Ｂにおけるスリップ・リングの配置は、図２のスリップリング１１４から理解されよう。
【００４５】
図１１の巻線型回転子形交流の実施例では、速度制御ユニット１０８が別の信号ＴＲ₀ （回転子電流信号）を発生して、これを回転子励磁増幅器７００Ｃに印加する。回転子励磁増幅器７００Ｃは３相信号ＴＲＡ、ＴＲＢ、ＴＲＣを発生する。これらの信号はスリップ・リング集成体１１４Ｃを構成している３つのスリップ・リングに印加される。
【００４６】
図９、１０及び１１の実施例では、４極構造の（回転子と固定子の間の）空隙内の磁束は、２極構造の磁束の場合の半分の速さで回転する。その結果、２極構造に対する４極磁束の影響は平均値がなく、「うなり」の値しか持たない。云い換えれば、２極構造の磁束が１Ｈｚで回転していて、４極構造の磁束が０．５Ｈｚで回転している場合、２極構造から見たうなり周波数は０．５Ｈｚである。
【００４７】
図９、１０及び１１の実施例は２極及び４極の構造を示しているが、第２の構造の極数を４極より多くして（例えば２つの構造の極数の差を増加して）、脈動を小さく抑える為に２つの構造の間のうなり周波数を増加することが出来ることが理解されよう。
図９、１０及び１１の実施例では、両方の組の巻線（２極巻線及び４極巻線）を独立に用いて、平均トルクが制御される。例えば、図８の接続で示す様に、４極巻線を使って、図２の回転駆動部すなわちトルク制御ユニット１０６と同じ機能を遂行することが出来る。
【００４８】
図９のかご形の実施例は、スリップ・リングを有利に避けているが、固定子１１２上の“Ｓ”巻線及び“Ｔ”巻線の両方からの平均トルクを見ている。その結果、制御ユニット１０８はこれらの２つの効果を分解しなければならないが、当業者であればそれを容易に評価して、どの様に解決するかも承知していよう。
図５は本発明の電力相互接続システム１００を変電所２００に用いた場合を示す。変電所は第１の電気系統２２２を第２の電気系統２２４に電気的に相互接続する。第１の電気系統２２２及び第２の電気系統２２４は異なる電気特性を持つことを承知されたい。図５に示した例では、両方の系統（電気事業体）２２２、２２４は２３０ｋＶで動作する。他の実施例では、この他の適切な電圧が用いられることを承知されたい。
【００４９】
系統２２２から供給された電力が、直列電力コンデンサ２３０（２０Ｍｖａｒ）を介して図５の変電所２００に入り、１００ＭＶＡの発電機逓昇（ＧＳＵ）変圧器２３２によって、２３０ｋＶから１５ｋＶに逓降される。変圧器２３２からの逓降された電力が、入力線路２３４を介して相互接続システム１００の可変周波数変圧器１０２に印加される。図２に示した様に、入力線路２３４は実際には、スリップリング１１４に接続された３相線路ＲＡ、ＲＢ、ＲＣである。回転子集成体１１０に電気的な場及び電力が設定され、固定子１１２に伝達され、固定子１１２から１５ｋＶで出力線路２３６に伝達される。図２から判る様に、出力線路２３６は実際には３相線路ＳＡ、ＳＢ、ＳＣである。固定子１１２から出力線路２３６に出る電力出力が、１００ＭＶＡの発電機逓昇（ＧＳＵ）変圧器２３８で１５ｋＶから２３０ｋＶに逓昇される。変圧器２３８からの逓昇された電力が、この後直列電力コンデンサ２４０（２０Ｍｖａｒ）を介して系統２２４に印加される。
【００５０】
図２について制御装置１０４をこれまで説明した所から理解される様に、変電所２００に用いた場合、制御装置１０４は、両方の系統２２４及び系統２２２の周波数が夫々の相異なる周波数範囲にわたって漂動するときに、こう云う周波数を監視する。電力の流れを監視しているとき、制御装置１０４は、系統２２２から系統２２４へ電力を伝送することが出来る様に回転子集成体１１０の角度位置を調節する為の駆動信号を発生する。
【００５１】
この点について云うと、系統２２２が５９．９Ｈｚで、系統２２４が６０．１Ｈｚであった場合、相互接続システム１００は、系統２２２から系統２２４への電力の伝達の為に０．２Ｈｚの変更を必要とする。２極装置では、回転変圧器１０５に対する所要の回転速度は１２０×（０．２）／１＝１２ｒｐｍ（毎分回転数）になる。こう云う周波数も変動又は漂動する事実があった場合、回転変圧器１０５は、典型的には±０．５０Ｈｚ、２極の場合に換算すると＋３０乃至−３０ｒｐｍの速度範囲で動作できなければならない。
【００５２】
図６は、第１及び第２の電気系統の間の制御トルク及び通過電力の間の直線的な関係を示す。機械に対する電力が一定で、負荷の力率が一定であれば、発生される電磁トルクは一定である。系統の間の滑りが増加するにつれて、系統を釣合わせるのに必要なＲＰＭ（ω_r ）が増加し、トルクと速度の積が駆動装置に要求される電力である。
【００５３】
図７は本発明の駆動装置の実際的な能力曲線を示す。制御トルクと通過電力の間の関係が図６に示されている。「通過電力」は、電気機械的な駆動装置によって最大トルクが供給された場合の機械の熱定格（例えばウォーム歯車の軸受に対する最大スラスト定格）である。「通過電力」は、巻線に対する絶縁の等級であれ、材料の許容応力であれ、本質的に材料によって制限される。
【００５４】
本発明では、回転変圧器の機械的なトルクを制御して、固定子巻線から回転子巻線への指令通りの電力の伝達を達成する。本発明は、負荷に印加されるトルク（従ってその速度）を制御する為に回転子巻線から固定子巻線への電力の伝達を制御する従来技術とは対照的である。更に、本発明では、回転子及び固定子の両方の巻線が最大電力伝達に対する定格になっているのに対し、従来の用例では、回転子巻線は固定子巻線の一部分の定格であるに過ぎない。
【００５５】
重要なことは、本発明が、高調波フィルタ作用、制御及びリアクタンス補償を厳密に調整する従来のＨＶＤＣの必要を避けていることである。本発明は１ステップの変換を提供する点でも有利である。
本発明の相互接続システム１００は、回転子角度θ_r （すなわち、回転子集成体１１０の角度位置）を制御することによって、連続的な移相を実施する点で有利である。相互接続システム１００は、それが３６０°の回転が出来る可能性を持つことにより、電気的な位相を連続的に調節することが出来、システムを非常に低い周波数の同期変流機にしている。更に、相互接続システム１００は、大きな系統での急速に変化する電力状態で非常に大きな電気的な移相を達成する為に、大きな角度変位にわたって反復的に変位させることが出来る。
【００５６】
従って、従来の回転変流機と異なり、回転子集成体１１０は一定の角速度で回転せず、その代わりに、制御装置１０４によって要求される通りに連続的に可変の角速度で回転する。更に、回転子集成体１１０は、図２に示す様に、時計廻りＣＷにも反時計廻りＣＣＷにも回転可能であるので、両方向の角速度が達成される。
典型的な同期変流機は数百又は数千ｒｐｍの一定の一方向の角速度で運転されるが、相互接続システム１００の回転変圧器１０５は典型的には５０ｒｐｍ未満で前向きにも後向きにも作動される。
【００５７】
相互接続システム１００は正確で信頼性のある移相制御を行い、制御の４象限全部で、周波数の漂動に追従して位相を制御する能力を有する。この為、相互接続システム１００は電力を伝達するだけでなく、負荷時に移相を行うことにより急速に電力を変更することも出来る。
これまで相互接続作用について述べたが、相互接続システム１００はエネルギ貯蔵装置としても作用し得る。相互接続システム１００を使って、回転慣性によってエネルギを貯蔵し、鉄鋼処理の場合のアーク溶融装置に存在するものと同様な大きな脈動負荷を平均化することが出来る。
【００５８】
本発明を好ましい実施例について具体的に図面に示して説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱せずに、この実施例に種々の形式並びに細部の変更を加えることが出来ることが理解されよう。例えば、以上の説明では、供給側電気系統がスリップリング１１４に接続され、受電側電気系統が固定子１１２に接続されるものとして例示したが、この例示した接続を逆にしてもよいことを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による電力相互接続システムの概略構成図。
【図２】本発明の一実施例による電力相互接続システムの一部分の概略斜視図。
【図３】ウォーム歯車を利用する本発明の一実施例による電力相互接続システムの側面図。
【図４】図３の電力相互接続システムの平面図。
【図５】第１の電気系統及び第２の電気系統を電気的に相互接続するための変電所の概略構成図。
【図６】本発明の電力相互接続システムのトルク制御条件を示すグラフ。
【図７】本発明の電力相互接続システムの能力曲線を示すグラフ。
【図８】トルク制御ユニットを回転変圧器の回転子集成体及び固定子の中に一体化した実施例の簡略平面図。
【図９】かご形誘導子形式の回転変圧器の回転子集成体及び固定子の中にトルク制御ユニットを一体化した実施例の簡略平面図。
【図１０】直流励磁形回転子（同期形）形式を持つ回転変圧器の回転子集成体及び固定子の中にトルク制御ユニットを一体化した実施例の簡略平面図。
【図１１】巻装形回転子交流形式を持つ回転変圧器の回転子集成体及び固定子の中にトルク制御ユニットを一体化した実施例の簡略平面図。
【図１２】従来のＨＶＤＣ相互接続システムを図式的に示す概略構成線図。
【図１３】本発明の相互接続システムのフェーザを示すフェーザ線図。
【符号の説明】
２２，２４ 交流電力系統
１００ 電力相互接続システム
１０２ 可変周波数変圧器
１０４ 制御装置
１０５ 回転変圧器集成体
１０６ トルク制御ユニット
１０７ 低速電力制御ユニット
１０８ 高速速度制御ユニット
１０９ 電力トランスデューサ
１１０ 回転子集成体
１１１ 速度トランスデューサ
１１２ 固定子
１１４ スリップリング
１１６ 回転子かご形部分
１５０ トルク制御増幅器
１５２ トルク制御電源

Claims (7)

1. 第１の電気系統と第２の電気系統とを相互接続するシステムにおいて、
   前記第１の電気系統に接続されている回転子と前記第２の電気系統に接続されている固定子とを含む回転変圧器と、
   前記第１の電気系統から前記第２の電気系統へ所定の電力が送られる様に、前記回転変圧器の角度位置を調節する制御装置と、を備え、該制御装置は、
   前記第１の電気系統と前記第２の電気系統との間で伝達される測定信号と指令信号とを比較し、角速度信号を発生させる第１制御部と、
   前記回転変圧器の測定された角速度信号と前記第１制御部で発生した角速度信号とを比較して、回転子駆動信号を発生する第２制御部と、
   を有する電気相互接続システム。
2. 前記制御装置は、前記相互接続システムの固有振動を減衰させるように選ばれた帯域幅を有している請求項１の電気相互接続システム。
3. 前記制御装置は、前記角度位置を閉ループ制御することを特徴とする請求項１又は請求項２の電気相互接続システム。
4. 前記制御装置は、さらに前記第２制御部からの回転子駆動信号に基づいて前記角度位置を制御するトルク制御部を有する請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の電気相互接続システム。
5. ２つの電気系統を相互接続する方法において、
   回転変圧器の第１の電気系統を回転子に結合し、及び前記回転変圧器の第２の電気系統を固定子に結合しする工程と、
   前記第１の電気系統から前記第２の電気系統へ所定の電力が送られるように前記回転変圧器の角度位置を調節する調整工程と、を備え、該調整工程は、
   角速度信号を第１制御部で発生させるため、前記第１の電気系統と前記第２の電気系統との間で伝達される測定信号と指令信号とを比較する工程と、
   回転子駆動信号を発生させるため、前記回転変圧器の測定された角速度信号と前記第１制御部で発生した角速度信号とを比較する工程と、
   を有する方法。
6. 前記調整工程は、前記相互接続システムの固有振動を減衰させるように帯域幅を選ぶことを特徴とする請求項５の方法。
7. 前記調整工程は、前記角度位置を閉ループ制御することを特徴とする請求項５又は請求項６の方法。

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