JP3830753B2 - 電力潮流制御装置及び電力潮流調整方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力系統間あるいは電力地域間の電力伝送に関し、特に、電力伝送を制御するための電力潮流制御装置及び電力潮流調整方法に関するものある。
【０００２】
【従来の技術】
しばしば、２つの電力地域、例えば２つの電力会社間あるいは電力系統間で電力を伝送することが必要となり、あるいは要求される。
参照として組み込まれている、ラーセン氏の米国特許５,８４１,２６７号には、２つの回転形移相変圧器(rotary phase shifting transformer)を有する潮流制御装置(power flow controller)が開示されている。２つの回転形移相変圧器の第1の端子（固定子または回転子のいずれか一方の巻線）は、１台の調整変圧器(regulating transformer)に並列に接続されている。２つの回転形移相変圧器の第２の端子は、直列変圧器(series transformer)に直列に接続されている。制御装置は、各変圧器の回転子と固定子との間の位相角を所定角にするために、両方の回転形移相変圧器に制御信号を供給する。これにより、２つの電力地域間には、有効な位相差及び電圧比が発生する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、回転形移相変圧器を使用した電力潮流制御装置及び電力潮流調整方法の簡略化にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
電力潮流制御装置は、第１の電力地域と第２の電力地域間の送電線に接続される。電力潮流制御装置は、少なくとも第1の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器を有する回転形移相変圧器回路を備えている。第１の回転形移相変圧器及び第２の回転形移相変圧器の回転子は、共通の駆動軸に設けられている。第１の電力地域と第２の電力地域間に有効な位相差を発生させるために、駆動装置は、共通駆動軸を、第１の回転形移相変圧器の回転子及び第２の回転形移相変圧器の回転子と共に回転させる。
第１の回転形移相変圧器及び第２の回転形移相変圧器は、逆の巻線位相で、すなわち、第１の回転形移相変圧器の電気的な回転子角度及び第２の回転形移相変圧器の電気的な回転子角度が常に大きさが等しく逆位相であるという状態で、取り付けられている。
直列変圧器は、第１の回転形移相変圧器及び第２の回転形移相変圧器の正味出力電圧を送電線に結びつけるように接続される。直列変圧器は、２組の低圧巻線を有し、その３相分において六角形状に接続できるものが好ましい。調整用変圧器は、第１の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器に給電する。調整用変圧器は、Ｙ−Δ結線の並列変圧器(shunt transformer)が望ましい。
制御装置は、第１の電力地域と第２の電力地域との間に有効な位相差を発生させるために、共通駆動軸に制御信号を供給する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、第１の電力地域すなわち系統２４と第２の電力地域すなわち系統２６との間の送電路すなわち送電線２２に設けられている電力潮流制御装置２０を示している。送電路２２は、地域２４と地域２６を接続する複数の送電路のうちの１つとすることができる。図１には、他の（並行の）送電路も示されている。
系統２４の電圧はＶ1であり、系統２６の電圧はＶ2である。以下に説明するように、オペレータは、電力潮流制御装置２０を用いて送電路２２に直列に電圧ＶSを注入することにより、系統２６に流れ込む電力潮流を調整することができる。電力潮流制御装置２０は、直列電圧を注入することによって、送電路２２上の電圧の大きさをそれほど変化させることなく、主に、有効電力潮流に影響を与えるように送電路２２上の電圧の位相をシフトさせることができる。これとは逆に、電力潮流制御装置２０は、直列電圧を注入することによって、電圧の位相をそれほどシフトさせることなく、電圧の大きさを変化させる（電圧比を調整する）ように設計することもできる。この後者の方法を用いると、主に、無効電力潮流に影響を与える。
送電線２２は、三相送電線である。電圧変成器３６は、系統２６の電圧Ｖ2を検出する。電流変成器３８は、系統２６に流れ込む電流Ｉ2を測定する。電流Ｉ1は、系統２４から潮流制御装置２０に流れる。
【０００６】
図１に示すように、電力潮流制御装置２０は、直列変圧器４０、調整変圧器４２、回転形移相変圧器回路４４及び制御装置４６を有している。各装置については、以下に詳述する。
直列変圧器４０は、回転形移相変圧器回路４４の直列接続された固定子巻線の正味の出力電圧ｕSを送電網の中に組み込む。直列変圧器４０は、回転形移相変圧器回路４４に零相電流が流れないようにするために、例えば、２組の低電圧巻線を有し、その３相分において、六角形状に接続されたものを用いてもよい。
調整変圧器４２は、γ度（３０度、９０度等）の位相差を発生させるように接続されたＹ−Δ並列変圧器が好ましく、また回転形移相変圧器回路４４に給電する。調整変圧器４２は、直列変圧器４０の中央タップから給電され、位相差が変化した時の電圧の大きさの変化を最小にしている。
回転形移相変圧器回路４４は、第１の回転形移相変圧器１０２1と第２の回転形移相変圧器１０２2を有している。以下で詳述するように、第１の回転形移相変圧器１０２1及び第２の回転形移相変圧器１０２2の第１の端子（固定子または回転子のいずれか一方の巻線）は、調整変圧器４２の低圧側巻線に並列に接続される。第１の回転形移相変圧器１０２1及び第２の回転形移相変圧器１０２2の第２の端子（固定子または回転子のいずれか他方の巻線）は、好ましくは六角形状に接続された直列変圧器４０の低圧巻線に直列に接続される。
【０００７】
本発明は、図２に示すように、回転形移相変圧器１０２1及び１０２2が共通の駆動軸３００に取り付けられ、そして共通の駆動装置３０６を有していることに特徴がある。回転形移相変圧器１０２1及び１０２2は、共通駆動軸３００に互いに背中合わせの状態で取りつけられている。このように、回転形移相変圧器回路４４は、回転形移相変圧器１０２1及び１０２2と、位置制御装置３０６としても知られている共通駆動装置３０６を有している。
図２に示すように、回転形移相変圧器１０２1及び１０２2は、回転子サブアセンブリ１１０と固定子１１２を有している。
【０００８】
このように、第１の回転形移相変圧器１０２1及び第２の回転形移相変圧器１０２2は、回転子を電気角で１８０度移動させることができる巻線型回転子機械(wound-rotor machine)である。多極巻線を用いれば、かなり小さい機械的な移動によってこの変化を発生させることができる。固定子電圧の回転子電圧に対する位相角は、回転子の簡単な機械位置制御により調整することができる。２つの回転形移相変圧器の回転子角度は、直列電圧ＶSの大きさと位相を決定する。これを実現するために、調整変圧器４２における移相量が９０度で、第１及び第２の回転形移相変圧器の回転子が前述したように取り付けられている場合、直列電圧ＶSは、電圧の大きさをそれほど変化させないで、主に電圧Ｖ1と電圧Ｖ2との間に位相差を発生させる。また、前述の調整変圧器４２における移相量が０度の場合には、電圧Ｖ1と電圧Ｖ2との間の位相差をそれほど変化させることなく、主に電圧比が変わることになる。
【０００９】
図３(a)と図３(b)は、それぞれ、図２に示されている位置で、共通駆動装置３０６側から見た回転形移相変圧器１０２1と１０２2の電気的な概略図である。図３(a)と図３(b)は、相順、電流を説明するために各相の巻線を概略的に示し、また各巻線にかかる電圧を示している。
各回転形移相変圧器１０２1と１０２2の各々に対して、三相線路ＲＡ、ＲＢ、ＲＣが、図示していないコレクタリング(collector ring)１１４あるいはフレクシブル導体(flexible conductor)１１６によって、回転子１１０に接続されている。一方、三相線路ＳＡ、ＳＢ、ＳＣは、固定子１１２に接続されているここで、Ａ、Ｂ、Ｃは三相線路の対応する１つを示す。また、“Ｒ”は回転子を示し、“Ｓ”は固定子を示す。各回転形移相変圧器１０２1と１０２2において、電流ＩRAは巻線ＲＡを流れ、電流ＩSAは巻線ＳＡを流れる。電圧ＶRAは巻線ＲＡの電圧であり、電圧ＶSAは巻線ＳＡの電圧である。
【００１０】
図示した実施例では、回転形移相変圧器１０２1及び１０２2の各々の回転子及び固定子は、６０度の位相で巻かれている。本発明は、６０度の位相で巻かれたシステムに限定されないことを理解すべきである。むしろ、本発明の原理は、極数が２またはそれ以上の回転形変圧器アセンブリに適用可能である。
【００１１】
回転形移相変圧器１０２1及び１０２2は、同じ共通駆動軸３００に取り付けられているが、反対の巻線相順で取りつけられている（図３(b)及び図３(a)参照）。従って、電気的な回転子の角度は、いつも同じ大きさで反対である。図１には、回転形移相変圧器１０２2の回転子の電気角はδであり、回転形移相変圧器１０２1の回転子の電気角は−δである。
回転形移相変圧器１０２1及び１０２2の回転子アセンブリ１１０は、共通駆動軸３００の周りを時計方向ＣＷ或いは反時計方向ＣＣＷに、回転子巻線及び固定子巻線が揃った位置から１８０度まで回転する。回転子アセンブリ１１０の回転は、共通駆動装置３０６によって動かされる。
【００１２】
回転子駆動装置３０６は、回転形移相変圧器１０２2の回転子アセンブリ１１０に取り付けられた円筒形部分として図２に示されている。円筒形で表現された図２の共通駆動装置３０６は、両方の回転形移相変圧器１０２1及び１０２2の回転子サブアセンブリ１１０を同時に回転させる駆動機構のさまざまな代替物や異なる形態のものを示している。
共通駆動装置３０６の具体的な例は、“異なる電気特性を有する電気系統の連結装置”という名称で、１９９５年１０月３１日にランケル等によって出願された米国特許出願Ｎｏ．０８／５５０,９４１号に示されている。例えば、いくつかの実施例において、回転子駆動装置３０６は、回転子アセンブリ１１０と接続するためのある形式の結合装置（例えば、ギヤ）とアクチュエイタを有している。また、ある実施例では、駆動装置３０６は、ウォーム歯車駆動装置を有している。他の実施例では、回転子駆動装置３０６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や、直接駆動装置や、回転子アセンブリ１１０上のギアを回転させる油圧アクチュエータや、回転子アセンブリ１１０のギアを回転させる空気圧アクチュエータ等のアクチャエータを有している。他の実施例では、位置制御装置の機能は、回転子及び固定子に２組の巻線を設けることによって達成される。この２組の巻線のうち第１組の巻線の極数（例えば、２極）は、第２組の巻線の極数（例えば、４極もしくはそれ以上）と異なっている。前述したように、適切な駆動機構を回転子駆動装置３０６として用いることができることを理解すべきである。
【００１３】
図１に戻って、特に回転形移相変圧器回路４４を変圧器４０、４２に接続することを考えてみると、送電線２２が三相であるため、各変圧器の巻線は三相の線に接続されることが理解される。さらに、これらの三相の線は、この例のように、回転子アセンブリ１１０または固定子１１２のいずれかのＡ、Ｂ、Ｃ相巻線の適切かつ対応するものに接続される。
【００１４】
図１に示すように、制御装置４６は、高精度制御装置２００と位置制御装置２０２を備えている。高精度制御装置２００は、いくつかの制御対象のいかなる組み合わせを与えるものものでもよい。図示された実施例においては、高精度制御装置２００は、電圧変成器３６（電圧Ｖ2の値を受ける）と電流変成器３８（電流Ｉ2の値を受ける）に接続される。さらに、高精度制御装置２００は、オペレータセットポイント入力信号、特に線路２２を通過する有効電力の設定値を示す有効電力指令信号Ｐ0を受け取る。指令（入力）信号Ｐ0は、オペレータ制御盤あるいはオペレータワークスティションで、ノブまたは入力データを調整することによって設定される。指令（入力）信号Ｐ0の設定は、制御装置２００の近くで行う場合もあるし、遠方で行う場合もある。
【００１５】
制御装置４６の目的は、線路２２を流れる有効電力潮流を調整することである。有効電力指令信号Ｐ0及び検知されたＶ2やＩ2を用いて、高精度制御装置２００は、信号δrefを発生する。この信号δrefは、線２１６を介して位置制御装置２０２に供給される。信号δrefは、回転形移相変圧器の回転子の所望の電気角δであり、電力潮流制御装置２０によって生成される。
異なる目的を有する他の高精度制御装置を組込んでも良い。例えば、高精度制御装置は、電圧Ｖ1とＶ2との間の所定の位相差を調整しても良い。また、以下の応用例で示すように、高精度制御装置は、地域＃１と地域＃２間の多回線を流れる潮流のバランスを調整しても良い。
【００１６】
本発明の応用例は、図４に示すように、２つの５００ｋＶ母線間に使用する場合である。制御装置の目的は、定常状態あるいは１回線停止時において、２つの２回線送電線、すなわち４つの送電線間の潮流のバランスを調整することである。
図４において、回転形潮流制御装置（ＲＰＦＣ）は、２０００ＭＶＡの通過電力の定格があり、１０％の直列電圧（線間電圧で５０ｋＶ）を注入するように設計されている。もし回転形移相変圧器（ＲＰＳＴ）が１０％の直列電圧を注入するように設計されていれば、回転形移相変圧器と固定子電圧は、ともに２５ｋＶに選定される。ＲＰＦＣの要素の定格は、表１に示されている。
要素ベースの概略の漏れリアクタンスも、表１に示されている。ＲＰＳＴ（回転形移相変圧器）は、かなり大きな励磁サセプタンス（約１０％）を有している。励磁サセプタンスを補償するために、並列キャパシタをＲＰＳＴの両側に設けることができる。
表１．ＲＰＦＣの要素の定格例
【表１】
【００１７】
[効果]：
・ＲＰＦＣは、定常状態及び１回線故障時において、回路に流れる潮流を設備定格容量内にうまくバランスさせることができる。
・ＲＰＦＣの応答は、機械式スイッチを有する従来の移相変圧器よりもかなり速い。
・ＲＰＦＣは、パワーエレクトロニクス技術をベースにした電力潮流制御装置のように複雑でなく、そして従来の移相変圧器と同様に、系統故障に応答し、系統故障を回復させる。
・故障中、すべての直列機器と同じように、内部に基本波周波数の過電圧が発生する。高エネルギーバリスタ技術をベースにした従来の方法を用いることにより、過電圧責務をかなり減少させることができる。
・ＲＰＦＣのバイパス操作及び挿入操作は、系統にほとんど擾乱を与えない。
【００１８】
１軸ＲＰＦＣの定常状態の挙動を説明するために、簡単な系統形態についての結果の例とともに、定常状態のベクトル式を以下に示す。一軸ＲＰＦＣについての定常状態の関係式は、図１の記号を用いて各装置の定格をp.u.で表現すると、[式１]の通りである。
【数１】
【００１９】
[式１]において、比率ＴSは、定格線間電圧に対する最大の注入直列電圧の比率であり、この例では０．１である。解析を簡単にするために、励磁リアクタンスと巻線抵抗を省略している。なお、抵抗は小さく、また励磁リアクタンス（ＲＰＳＴの場合は重要であるが）は並列キャパシタによって補償されるため、巻線抵抗と励磁リアクタンスを省略してもほとんど問題とならない。並列変圧器（ＸT1）、直列変圧器（ＸT2）、回転形移相変圧器（ＸR）の漏れリアクタンスは、表１に記載されている各機器ベースのp.u.値である。
注入直列電圧Ｖｓは、この装置の移相量を決定するものであり、電圧Ｖ1と電流Ｉ2を用いて、[式２]により計算することができる。
【数２】
【００２０】
ＲＰＦＣの定常状態の挙動を説明するために、以下に示すパラメータ値を使用した図５の簡単な回路が使われる。
【数３】
ＲＰＦＣのパラメータ値は、表１に示されている例として用いた機器の定格に対応している。系統の等価母線電圧Ｖ1X及びＶ2Xとそれらの間の位相角は、一定と仮定する。等価な系統リアクタンスＸ1、Ｘ2は、ＲＰＦＣ通過潮流定格の０．１p.u.に設定する。
本ＲＰＦＣのパラメータは、表１にあげた要素の定格例に対応する。系統の等価母線電圧Ｖ1X、Ｖ2Xとそれらの角度は固定されていると仮定する。リアクタンスＸ1、Ｘ2は、ＲＰＦＣ定格通過電力の０．１p.u.に設定する。
【００２１】
図６から図１１は、ＲＰＳＴの電気的な回転子角度（δ）をその最大範囲の０度から１８０度まで変化させたときのいくつかの重要な変数に及ぼす影響を示したものである。０度の回転子角度は、回転子巻線及び固定子巻線の配置に対応する。この角度で、母線１から母線２への正の最大移相量が発生する。１８０度の回転子角度では、負の最大移相量が発生する。
図６から図１１の各図において、太線は、２つの等価母線の電圧の位相が等しい場合（θ2x＝θ1x）のものである。別の２線（ドット線と破線）は、それぞれ、等価母線間の電圧の位相が−１０度、＋１０度ずれている場合のものである。
【００２２】
図６は、ＲＰＦＣを横切る電圧の位相差（移相量）（θs＝θ2−θ1）を示している。この系統構成とＲＰＦＣの定格に対しては、中立点（ニュートラル）から約±５度の位相差が得られる。有効なＲＰＦＣの直列インピーダンス（ＸS）は、全系統インピーダンスの約１５％であるので、±１０度の位相差の場合には、約１．５度位相がシフトした曲線となる。
図７は、ＲＰＦＣを介して母線１から母線２に流れる通過有効電力潮流(Series P Flow)を示している。ＲＰＦＣは、潮流を中立点から約±８００ＭＷ変化させることができる。
図８は、ＲＰＦＣを介して流れる通過電流(Series Current)の大きさ、ＲＰＦＣの２０００ＭＶＡ定格ベースのp.u.値で示している。電流が系統の位相角による値よりすでに大きい場合には、電流をさらに大きくしようとすると、ＲＰＦＣの定格を超えるかもしれない。
図９は、ＲＰＦＣの並列変圧器を流れる電流(Shunt Current)の大きさを、並列変圧器の２００ＭＶＡ定格ベースp.u.値で示している。直列変圧器の通過電流が系統の位相角によりすでに大きい場合には、電流をさらに増やそうとすると、並列変圧器の定格を超えるかもしれない。しかし、これは、通過電流の定格をすでに超えている場合のみである。
図１０は、ＲＰＦＣ要素の漏れリアクタンスで消費される無効電力(Net Q Consumption)を示している。ＲＰＦＣ通過電流の定格以内での動作時には、無効電力の消費は、６０ＭＶＡＲ以下である。
図１１は、２つのＲＰＳＴをその位置に保持するのに必要なトルク(RPST Torque)を、２つのＲＰＳＴの合計の定格をベースにしたp.u.値で示している。実施例の対称的なシステム配置では、２つのＲＰＳＴのトルクは等しい。また、これらは、同じ軸に設けられているので、図において与えられる値が加わる。
【００２３】
回転形移相変圧器（ＲＰＳＴ）技術を使用した電力潮流制御装置の適用により、サイリスタスイッチ式移相変圧器やＵＰＦＣのようなパワーエレクトロニクス（ＰＥ）装置を必要とする装置に魅力的な代替方法を提供する。回転形電力潮流制御装置（ＲＰＦＣ）は、良く知られた変圧器と回転機の技術を使用しており、より低価格で高信頼度なアプローチを提供する。確かな効果としては以下のものを含む。
・連続的な移相量調整。
・パワーエレクトロニクス素子（ＰＥ）よりも熱時定数が大きく、他の流通設備との調和性が良い。
・パワーエレクトロニクス素子（ＰＥ）に付随する高調波や発電機との相互作用といった問題が無い。
・過酷な系統の過渡状態においても安定な運転を継続できる。
【００２４】
本発明は、現在最も実用的で好ましいと考えられる実施例について説明したが、本発明は、開示されている実施例に限定されるものではない。逆に、本発明は、特許請求の範囲の精神及び範囲を含んで、様々な修正と等価的な変更をも網羅するものである。なお、本明細書中の「電圧比」は「電圧の大きさの差」の概念を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力潮流制御装置の実施例の概略構成図である。
【図２】図１に示した回転形移相変圧器回路の外観図である。
【図３】図１に示した電力潮流制御装置を構成する回転移相形変圧器の巻線と電流方向を示す図である。
【図４】図１に示した電力潮流制御装置を適用した系統の概略図である。
【図５】図１に示した電力潮流制御装置を用いたシステムの概略図である。
【図６】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時の移相量(Phase Shift)θSへの影響を示した図である。
【図７】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時の通過有効電力潮流(Series P Flow)への影響を示した図である。
【図８】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時の通過電流(Series Current)への影響を示した図である。
【図９】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時の並列変圧器に流れる電流(shunt current)への影響を示した図である。
【図１０】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時の無効電力消費(Net Q Consumption)への影響を示した図である。
【図１１】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時のＲＰＳＴにかかるトルク(RPST Torque)への影響を示した図である。
【符号の説明】
２０ 電力潮流制御装置
２２ 送電路
２４、２６ 電力地域
３６ 電圧変成器
３８ 電流変成器
４０ 直列変圧器
４２ 調整変圧器
４４ 回転形移相変圧器回路
４６ 制御装置
１０２1、１０２2 回転形移相変圧器
１１０ 回転子アセンブリ
２００ 高精度制御装置
２０２ 位置制御装置
３００ 共通駆動軸
３０６ 共通駆動装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力系統間あるいは電力地域間の電力伝送に関し、特に、電力伝送を制御するための電力潮流制御装置及び電力潮流調整方法に関するものある。
【０００２】
【従来の技術】
しばしば、２つの電力地域、例えば２つの電力会社間あるいは電力系統間で電力を伝送することが必要となり、あるいは要求される。
参照として組み込まれている、ラーセン氏の米国特許５,８４１,２６７号には、２つの回転形移相変圧器(rotary phase shifting transformer)を有する潮流制御装置(power flow controller)が開示されている。２つの回転形移相変圧器の第1の端子（固定子または回転子のいずれか一方の巻線）は、１台の調整変圧器(regulating transformer)に並列に接続されている。２つの回転形移相変圧器の第２の端子は、直列変圧器(series transformer)に直列に接続されている。制御装置は、各変圧器の回転子と固定子との間の位相角を所定角にするために、両方の回転形移相変圧器に制御信号を供給する。これにより、２つの電力地域間には、有効な位相差及び電圧比が発生する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、回転形移相変圧器を使用した電力潮流制御装置及び電力潮流調整方法の簡略化にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
電力潮流制御装置は、第１の電力地域と第２の電力地域間の送電線に接続される。電力潮流制御装置は、少なくとも第1の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器を有する回転形移相変圧器回路を備えている。第１の回転形移相変圧器及び第２の回転形移相変圧器の回転子は、共通の駆動軸に設けられている。第１の電力地域と第２の電力地域間に有効な位相差を発生させるために、駆動装置は、共通駆動軸を、第１の回転形移相変圧器の回転子及び第２の回転形移相変圧器の回転子と共に回転させる。
第１の回転形移相変圧器及び第２の回転形移相変圧器は、逆の巻線位相で、すなわち、第１の回転形移相変圧器の電気的な回転子角度及び第２の回転形移相変圧器の電気的な回転子角度が常に大きさが等しく逆位相であるという状態で、取り付けられている。
直列変圧器は、第１の回転形移相変圧器及び第２の回転形移相変圧器の正味出力電圧を送電線に結びつけるように接続される。直列変圧器は、２組の低圧巻線を有し、その３相分において六角形状に接続できるものが好ましい。調整用変圧器は、第１の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器に給電する。調整用変圧器は、Ｙ−Δ結線の並列変圧器(shunt transformer)が望ましい。
制御装置は、第１の電力地域と第２の電力地域との間に有効な位相差を発生させるために、共通駆動軸に制御信号を供給する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、第１の電力地域すなわち系統２４と第２の電力地域すなわち系統２６との間の送電路すなわち送電線２２に設けられている電力潮流制御装置２０を示している。送電路２２は、地域２４と地域２６を接続する複数の送電路のうちの１つとすることができる。図１には、他の（並行の）送電路も示されている。
系統２４の電圧はＶ1であり、系統２６の電圧はＶ2である。以下に説明するように、オペレータは、電力潮流制御装置２０を用いて送電路２２に直列に電圧ＶSを注入することにより、系統２６に流れ込む電力潮流を調整することができる。電力潮流制御装置２０は、直列電圧を注入することによって、送電路２２上の電圧の大きさをそれほど変化させることなく、主に、有効電力潮流に影響を与えるように送電路２２上の電圧の位相をシフトさせることができる。これとは逆に、電力潮流制御装置２０は、直列電圧を注入することによって、電圧の位相をそれほどシフトさせることなく、電圧の大きさを変化させる（電圧比を調整する）ように設計することもできる。この後者の方法を用いると、主に、無効電力潮流に影響を与える。
送電線２２は、三相送電線である。電圧変成器３６は、系統２６の電圧Ｖ2を検出する。電流変成器３８は、系統２６に流れ込む電流Ｉ2を測定する。電流Ｉ1は、系統２４から潮流制御装置２０に流れる。
【０００６】
図１に示すように、電力潮流制御装置２０は、直列変圧器４０、調整変圧器４２、回転形移相変圧器回路４４及び制御装置４６を有している。各装置については、以下に詳述する。
直列変圧器４０は、回転形移相変圧器回路４４の直列接続された固定子巻線の正味の出力電圧ｕSを送電網の中に組み込む。直列変圧器４０は、回転形移相変圧器回路４４に零相電流が流れないようにするために、例えば、２組の低電圧巻線を有し、その３相分において、六角形状に接続されたものを用いてもよい。
調整変圧器４２は、γ度（３０度、９０度等）の位相差を発生させるように接続されたＹ−Δ並列変圧器が好ましく、また回転形移相変圧器回路４４に給電する。調整変圧器４２は、直列変圧器４０の中央タップから給電され、位相差が変化した時の電圧の大きさの変化を最小にしている。
回転形移相変圧器回路４４は、第１の回転形移相変圧器１０２1と第２の回転形移相変圧器１０２2を有している。以下で詳述するように、第１の回転形移相変圧器１０２1及び第２の回転形移相変圧器１０２2の第１の端子（固定子または回転子のいずれか一方の巻線）は、調整変圧器４２の低圧側巻線に並列に接続される。第１の回転形移相変圧器１０２1及び第２の回転形移相変圧器１０２2の第２の端子（固定子または回転子のいずれか他方の巻線）は、好ましくは六角形状に接続された直列変圧器４０の低圧巻線に直列に接続される。
【０００７】
本発明は、図２に示すように、回転形移相変圧器１０２1及び１０２2が共通の駆動軸３００に取り付けられ、そして共通の駆動装置３０６を有していることに特徴がある。回転形移相変圧器１０２1及び１０２2は、共通駆動軸３００に互いに背中合わせの状態で取りつけられている。このように、回転形移相変圧器回路４４は、回転形移相変圧器１０２1及び１０２2と、位置制御装置３０６としても知られている共通駆動装置３０６を有している。
図２に示すように、回転形移相変圧器１０２1及び１０２2は、回転子サブアセンブリ１１０と固定子１１２を有している。
【０００８】
このように、第１の回転形移相変圧器１０２1及び第２の回転形移相変圧器１０２2は、回転子を電気角で１８０度移動させることができる巻線型回転子機械(wound-rotor machine)である。多極巻線を用いれば、かなり小さい機械的な移動によってこの変化を発生させることができる。固定子電圧の回転子電圧に対する位相角は、回転子の簡単な機械位置制御により調整することができる。２つの回転形移相変圧器の回転子角度は、直列電圧ＶSの大きさと位相を決定する。これを実現するために、調整変圧器４２における移相量が９０度で、第１及び第２の回転形移相変圧器の回転子が前述したように取り付けられている場合、直列電圧ＶSは、電圧の大きさをそれほど変化させないで、主に電圧Ｖ1と電圧Ｖ2との間に位相差を発生させる。また、前述の調整変圧器４２における移相量が０度の場合には、電圧Ｖ1と電圧Ｖ2との間の位相差をそれほど変化させることなく、主に電圧比が変わることになる。
【０００９】
図３(a)と図３(b)は、それぞれ、図２に示されている位置で、共通駆動装置３０６側から見た回転形移相変圧器１０２1と１０２2の電気的な概略図である。図３(a)と図３(b)は、相順、電流を説明するために各相の巻線を概略的に示し、また各巻線にかかる電圧を示している。
各回転形移相変圧器１０２1と１０２2の各々に対して、三相線路ＲＡ、ＲＢ、ＲＣが、図示していないコレクタリング(collector ring)１１４あるいはフレクシブル導体(flexible conductor)１１６によって、回転子１１０に接続されている。一方、三相線路ＳＡ、ＳＢ、ＳＣは、固定子１１２に接続されているここで、Ａ、Ｂ、Ｃは三相線路の対応する１つを示す。また、“Ｒ”は回転子を示し、“Ｓ”は固定子を示す。各回転形移相変圧器１０２1と１０２2において、電流ＩRAは巻線ＲＡを流れ、電流ＩSAは巻線ＳＡを流れる。電圧ＶRAは巻線ＲＡの電圧であり、電圧ＶSAは巻線ＳＡの電圧である。
【００１０】
図示した実施例では、回転形移相変圧器１０２1及び１０２2の各々の回転子及び固定子は、６０度の位相で巻かれている。本発明は、６０度の位相で巻かれたシステムに限定されないことを理解すべきである。むしろ、本発明の原理は、極数が２またはそれ以上の回転形変圧器アセンブリに適用可能である。
【００１１】
回転形移相変圧器１０２1及び１０２2は、同じ共通駆動軸３００に取り付けられているが、反対の巻線相順で取りつけられている（図３(b)及び図３(a)参照）。従って、電気的な回転子の角度は、いつも同じ大きさで反対である。図１には、回転形移相変圧器１０２2の回転子の電気角はδであり、回転形移相変圧器１０２1の回転子の電気角は−δである。
回転形移相変圧器１０２1及び１０２2の回転子アセンブリ１１０は、共通駆動軸３００の周りを時計方向ＣＷ或いは反時計方向ＣＣＷに、回転子巻線及び固定子巻線が揃った位置から１８０度まで回転する。回転子アセンブリ１１０の回転は、共通駆動装置３０６によって動かされる。
【００１２】
回転子駆動装置３０６は、回転形移相変圧器１０２2の回転子アセンブリ１１０に取り付けられた円筒形部分として図２に示されている。円筒形で表現された図２の共通駆動装置３０６は、両方の回転形移相変圧器１０２1及び１０２2の回転子サブアセンブリ１１０を同時に回転させる駆動機構のさまざまな代替物や異なる形態のものを示している。
共通駆動装置３０６の具体的な例は、“異なる電気特性を有する電気系統の連結装置”という名称で、１９９５年１０月３１日にランケル等によって出願された米国特許出願Ｎｏ．０８／５５０,９４１号に示されている。例えば、いくつかの実施例において、回転子駆動装置３０６は、回転子アセンブリ１１０と接続するためのある形式の結合装置（例えば、ギヤ）とアクチュエイタを有している。また、ある実施例では、駆動装置３０６は、ウォーム歯車駆動装置を有している。他の実施例では、回転子駆動装置３０６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や、直接駆動装置や、回転子アセンブリ１１０上のギアを回転させる油圧アクチュエータや、回転子アセンブリ１１０のギアを回転させる空気圧アクチュエータ等のアクチャエータを有している。他の実施例では、位置制御装置の機能は、回転子及び固定子に２組の巻線を設けることによって達成される。この２組の巻線のうち第１組の巻線の極数（例えば、２極）は、第２組の巻線の極数（例えば、４極もしくはそれ以上）と異なっている。前述したように、適切な駆動機構を回転子駆動装置３０６として用いることができることを理解すべきである。
【００１３】
図１に戻って、特に回転形移相変圧器回路４４を変圧器４０、４２に接続することを考えてみると、送電線２２が三相であるため、各変圧器の巻線は三相の線に接続されることが理解される。さらに、これらの三相の線は、この例のように、回転子アセンブリ１１０または固定子１１２のいずれかのＡ、Ｂ、Ｃ相巻線の適切かつ対応するものに接続される。
【００１４】
図１に示すように、制御装置４６は、高精度制御装置２００と位置制御装置２０２を備えている。高精度制御装置２００は、いくつかの制御対象のいかなる組み合わせを与えるものものでもよい。図示された実施例においては、高精度制御装置２００は、電圧変成器３６（電圧Ｖ2の値を受ける）と電流変成器３８（電流Ｉ2の値を受ける）に接続される。さらに、高精度制御装置２００は、オペレータセットポイント入力信号、特に線路２２を通過する有効電力の設定値を示す有効電力指令信号Ｐ0を受け取る。指令（入力）信号Ｐ0は、オペレータ制御盤あるいはオペレータワークスティションで、ノブまたは入力データを調整することによって設定される。指令（入力）信号Ｐ0の設定は、制御装置２００の近くで行う場合もあるし、遠方で行う場合もある。
【００１５】
制御装置４６の目的は、線路２２を流れる有効電力潮流を調整することである。有効電力指令信号Ｐ0及び検知されたＶ2やＩ2を用いて、高精度制御装置２００は、信号δrefを発生する。この信号δrefは、線２１６を介して位置制御装置２０２に供給される。信号δrefは、回転形移相変圧器の回転子の所望の電気角δであり、電力潮流制御装置２０によって生成される。
異なる目的を有する他の高精度制御装置を組込んでも良い。例えば、高精度制御装置は、電圧Ｖ1とＶ2との間の所定の位相差を調整しても良い。また、以下の応用例で示すように、高精度制御装置は、地域＃１と地域＃２間の多回線を流れる潮流のバランスを調整しても良い。
【００１６】
本発明の応用例は、図４に示すように、２つの５００ｋＶ母線間に使用する場合である。制御装置の目的は、定常状態あるいは１回線停止時において、２つの２回線送電線、すなわち４つの送電線間の潮流のバランスを調整することである。
図４において、回転形潮流制御装置（ＲＰＦＣ）は、２０００ＭＶＡの通過電力の定格があり、１０％の直列電圧（線間電圧で５０ｋＶ）を注入するように設計されている。もし回転形移相変圧器（ＲＰＳＴ）が１０％の直列電圧を注入するように設計されていれば、回転形移相変圧器と固定子電圧は、ともに２５ｋＶに選定される。ＲＰＦＣの要素の定格は、表１に示されている。
要素ベースの概略の漏れリアクタンスも、表１に示されている。ＲＰＳＴ（回転形移相変圧器）は、かなり大きな励磁サセプタンス（約１０％）を有している。励磁サセプタンスを補償するために、並列キャパシタをＲＰＳＴの両側に設けることができる。
表１．ＲＰＦＣの要素の定格例
【表１】
[効果]：
・ＲＰＦＣは、定常状態及び１回線故障時において、回路に流れる潮流を設備定格容量内にうまくバランスさせることができる。
・ＲＰＦＣの応答は、機械式スイッチを有する従来の移相変圧器よりもかなり速い。
・ＲＰＦＣは、パワーエレクトロニクス技術をベースにした電力潮流制御装置のように複雑でなく、そして従来の移相変圧器と同様に、系統故障に応答し、系統故障を回復させる。
・故障中、すべての直列機器と同じように、内部に基本波周波数の過電圧が発生する。高エネルギーバリスタ技術をベースにした従来の方法を用いることにより、過電圧責務をかなり減少させることができる。
・ＲＰＦＣのバイパス操作及び挿入操作は、系統にほとんど擾乱を与えない。
【００１８】
１軸ＲＰＦＣの定常状態の挙動を説明するために、簡単な系統形態についての結果の例とともに、定常状態のベクトル式を以下に示す。一軸ＲＰＦＣについての定常状態の関係式は、図１の記号を用いて各装置の定格をp.u.で表現すると、[式１]の通りである。
【数１】
[式１]において、比率ＴSは、定格線間電圧に対する最大の注入直列電圧の比率であり、この例では０．１である。解析を簡単にするために、励磁リアクタンスと巻線抵抗を省略している。なお、抵抗は小さく、また励磁リアクタンス（ＲＰＳＴの場合は重要であるが）は並列キャパシタによって補償されるため、巻線抵抗と励磁リアクタンスを省略してもほとんど問題とならない。並列変圧器（ＸT1）、直列変圧器（ＸT2）、回転形移相変圧器（ＸR）の漏れリアクタンスは、表１に記載されている各機器ベースのp.u.値である。
注入直列電圧Ｖｓは、この装置の移相量を決定するものであり、電圧Ｖ1と電流Ｉ2を用いて、[式２]により計算することができる。
【数２】
ＲＰＦＣの定常状態の挙動を説明するために、以下に示すパラメータ値を使用した図５の簡単な回路が使われる。
【数３】
本ＲＰＦＣのパラメータは、表１にあげた要素の定格例に対応する。系統の等価母線電圧Ｖ1X、Ｖ2Xとそれらの角度は固定されていると仮定する。リアクタンスＸ1、Ｘ2は、ＲＰＦＣ定格通過電力の０．１p.u.に設定する。
【００２１】
図６から図１１は、ＲＰＳＴの電気的な回転子角度（δ）をその最大範囲の０度から１８０度まで変化させたときのいくつかの重要な変数に及ぼす影響を示したものである。０度の回転子角度は、回転子巻線及び固定子巻線の配置に対応する。この角度で、母線１から母線２への正の最大移相量が発生する。１８０度の回転子角度では、負の最大移相量が発生する。
図６から図１１の各図において、太線は、２つの等価母線の電圧の位相が等しい場合（θ2x＝θ1x）のものである。別の２線（ドット線と破線）は、それぞれ、等価母線間の電圧の位相が−１０度、＋１０度ずれている場合のものである。
【００２２】
図６は、ＲＰＦＣを横切る電圧の位相差（移相量）（θs＝θ2−θ1）を示している。この系統構成とＲＰＦＣの定格に対しては、中立点（ニュートラル）から約±５度の位相差が得られる。有効なＲＰＦＣの直列インピーダンス（ＸS）は、全系統インピーダンスの約１５％であるので、±１０度の位相差の場合には、約１．５度位相がシフトした曲線となる。
図７は、ＲＰＦＣを介して母線１から母線２に流れる通過有効電力潮流(Series P Flow)を示している。ＲＰＦＣは、潮流を中立点から約±８００ＭＷ変化させることができる。
図８は、ＲＰＦＣを介して流れる通過電流(Series Current)の大きさ、ＲＰＦＣの２０００ＭＶＡ定格ベースのp.u.値で示している。電流が系統の位相角による値よりすでに大きい場合には、電流をさらに大きくしようとすると、ＲＰＦＣの定格を超えるかもしれない。
図９は、ＲＰＦＣの並列変圧器を流れる電流(Shunt Current)の大きさを、並列変圧器の２００ＭＶＡ定格ベースp.u.値で示している。直列変圧器の通過電流が系統の位相角によりすでに大きい場合には、電流をさらに増やそうとすると、並列変圧器の定格を超えるかもしれない。しかし、これは、通過電流の定格をすでに超えている場合のみである。
図１０は、ＲＰＦＣ要素の漏れリアクタンスで消費される無効電力(Net Q Consumption)を示している。ＲＰＦＣ通過電流の定格以内での動作時には、無効電力の消費は、６０ＭＶＡＲ以下である。
図１１は、２つのＲＰＳＴをその位置に保持するのに必要なトルク(RPST Torque)を、２つのＲＰＳＴの合計の定格をベースにしたp.u.値で示している。実施例の対称的なシステム配置では、２つのＲＰＳＴのトルクは等しい。また、これらは、同じ軸に設けられているので、図において与えられる値が加わる。
【００２３】
回転形移相変圧器（ＲＰＳＴ）技術を使用した電力潮流制御装置の適用により、サイリスタスイッチ式移相変圧器やＵＰＦＣのようなパワーエレクトロニクス（ＰＥ）装置を必要とする装置に魅力的な代替方法を提供する。回転形電力潮流制御装置（ＲＰＦＣ）は、良く知られた変圧器と回転機の技術を使用しており、より低価格で高信頼度なアプローチを提供する。確かな効果としては以下のものを含む。
・連続的な移相量調整。
・パワーエレクトロニクス素子（ＰＥ）よりも熱時定数が大きく、他の流通設備との調和性が良い。
・パワーエレクトロニクス素子（ＰＥ）に付随する高調波や発電機との相互作用といった問題が無い。
・過酷な系統の過渡状態においても安定な運転を継続できる。
【００２４】
本発明は、現在最も実用的で好ましいと考えられる実施例について説明したが、本発明は、開示されている実施例に限定されるものではない。逆に、本発明は、特許請求の範囲の精神及び範囲を含んで、様々な修正と等価的な変更をも網羅するものである。なお、本明細書中の「電圧比」は「電圧の大きさの差」の概念を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力潮流制御装置の実施例の概略構成図である。
【図２】図１に示した回転形移相変圧器回路の外観図である。
【図３】図１に示した電力潮流制御装置を構成する回転移相形変圧器の巻線と電流方向を示す図である。
【図４】図１に示した電力潮流制御装置を適用した系統の概略図である。
【図５】図１に示した電力潮流制御装置を用いたシステムの概略図である。
【図６】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時の移相量(Phase Shift)θSへの影響を示した図である。
【図７】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時の通過有効電力潮流(Series P Flow)への影響を示した図である。
【図８】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時の通過電流(Series Current)への影響を示した図である。
【図９】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時の並列変圧器に流れる電流(shunt current)への影響を示した図である。
【図１０】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時の無効電力消費(Net Q Consumption)への影響を示した図である。
【図１１】図１に示した電力潮流制御装置の電気的な回転角度を最大範囲である０度から１８０度まで変化させた時のＲＰＳＴにかかるトルク(RPST Torque)への影響を示した図である。
【符号の説明】
２０ 電力潮流制御装置
２２ 送電路
２４、２６ 電力地域
３６ 電圧変成器
３８ 電流変成器
４０ 直列変圧器
４２ 調整変圧器
４４ 回転形移相変圧器回路
４６ 制御装置
１０２1、１０２2 回転形移相変圧器
１１０ 回転子アセンブリ
２００ 高精度制御装置
２０２ 位置制御装置
３００ 共通駆動軸
３０６ 共通駆動装置
Claims (16)
- 第１の電力地域と第２の電力地域との間の送電線に接続された電力潮流制御装置であって、
第１の回転形移相変圧器と、
第２の回転形移相変圧器と、
第１の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器の回転子が取り付けられる共通駆動軸と、
第１の電力地域と第２の電力地域との間の位相差あるいは電圧比の少なくとも一方を調整する共通駆動軸を回転させる駆動装置と、
を備える電力潮流制御装置。 - 第１の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器は、巻線の相順が逆方向である請求項１に記載の電力潮流制御装置。
- 第１の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器の回転子の電気角は、常に同じ大きさで逆方向である請求項２に記載の電力潮流制御装置。
- 更に、第１の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器の正味の出力電圧を送電線に取り込むように接続された直列変圧器を備える請求項１に記載の電力潮流制御装置。
- 直列変圧器が２組の低圧巻線を有する直列変圧器であり、その３相分において、低圧側が６角形状に接続されている請求項４に記載の電力潮流制御装置。
- 更に、第１の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器に給電する調整変圧器を備える請求項１に記載の電力潮流制御装置。
- 調整変圧器が、Ｙ−Δ結線の並列変圧器である請求項６に記載の電力潮流制御装置。
- 更に、共通駆動軸に制御信号を供給する制御装置を備え、この制御装置により第１の電力地域と第２の電力地域との間の位相差あるいは電圧比を調整する請求項１に記載の電力潮流制御装置。
- 制御装置は、位置制御装置と高精度制御装置からなり、高精度制御装置は、位置制御装置に所定の電気的な回転子角度の指示信号を供給し、位置制御装置は、高精度制御装置からの所定の電気的な回転子角度の指示信号を用いて回転子の機械的な位置を調整する請求項８に記載の電力潮流制御装置。
- 電圧Ｖ1の第１の電力地域と電圧Ｖ2の第２の電力地域との間の送電線の電力潮流を調整する電力潮流調整方法であって、
第１の電力地域と第２の電力地域との間に、第１の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器を備え、第１及び第２の回転形移相変圧器の回転子が共通駆動軸に取り付けられている回転形移相変圧器回路を設ける第１の段階と、
位置制御信号を回転形移相変圧器回路に供給し、回転形移相変圧器回路に発生する電圧ＶSによって第１の電力地域と第２の電力地域との間に所定の位相差あるいは電圧比の少なくとも一方を発生させる第２の段階と
を備える電力潮流調整方法。 - 第１の段階では、第１及び第２の回転形移相変圧器を、巻線の相順が逆方向となるように取り付ける請求項１０に記載の電力潮流調整方法。
- 第１の段階では、第１及び第２の回転形移相変圧器の回転子の電気角が常に大きさが等しく、反対方向となるように、第１の回転形移相変圧器と第２の回転形移相変圧器を取り付ける請求項１０に記載の電力潮流調整方法。
- 第１の段階では、第１及び第２の回転形移相変圧器の出力電圧を送電線に組み込むための直列変圧器を接続する請求項１０に記載の電力潮流調整方法。
- 第１の段階では、 第１及び第２の回転形移相変圧器に給電するための調整変圧器を接続する請求項１０に記載の電力潮流調整方法。
- 更に、共通駆動軸に制御信号を供給する制御装置を使用し、第１の電力地域と第２の電力地域との間に位相差あるいは電圧比を生じさせる請求項１０に記載の電力潮流調整方法。
- 制御装置は、位置制御装置と高精度制御装置からなり、更に、
所定の電気的な位相差の指示信号を位置制御装置に供給するために高精度制御装置を使用すること、
位置制御装置は、所定の電気的な位相差の指示信号を使用して回転子の機械的な位置を調整すること、
を含む請求項１５に記載の電力潮流調整方法。
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