JP3961308B2

JP3961308B2 - 超電導エネルギー貯蔵装置

Info

Publication number: JP3961308B2
Application number: JP2002032119A
Authority: JP
Inventors: 嘉賀男奥村; 守嶋田
Original assignee: Toshiba Corp; Technova Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Technova Inc
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: JP2003234208A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導コイルを用いて電気エネルギーを貯蔵する超電導エネルギー貯蔵装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導エネルギー貯蔵装置を構成する超電導コイルの配置としては、漏洩磁界低減の観点より、トロイダルコイル方式や、ソレノイドコイルを複数並列に配置したタイプのものが考案されている。トロイダルコイル方式の超電導エネルギー貯蔵装置においては、複数の円環状の超電導コイルを、ドーナッツ状に配置しており、外部への漏洩磁界を小さくすることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
超電導エネルギー貯蔵装置は、電力系統の安定度向上、負荷変動の補償等の用途に用いられる。その際に必要となる装置の容量は、超電導エネルギー貯蔵装置を適用する電力系統毎に異なるのが一般的である。さて、前記トロイダルコイル方式の超電導エネルギー貯蔵装置において、定格容量の異なる装置を提供する場合には、超電導コイルの設計そのものから変更する必要があり、装置のコストアップの要因となっている。
【０００４】
他方、ソレノイドコイル方式の場合には、ソレノイドコイル型の超電導コイルの数を増減することによって定格容量を比較的簡単に増減することができるが、漏洩磁界が大きくなりがちであるという問題がある。
そこで本発明は、漏洩磁界が小さくかつ、定格容量を容易に変更することのできる超電導エネルギー貯蔵装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の超電導エネルギー貯蔵装置は、１個または複数の単位装置を備え、前記単位装置は、並行配置され超電導状態に保たれて互いに逆向きに励磁される２個のソレノイド状の本体コイルを備え直列に複数配置された本体ブロックと、ソレノイド状または円環状をなし超電導状態で励磁される端部コイルを備えこの端部コイルの軸心が前記２個の本体コイルの並行配置面上にあるように前記本体ブロックに隣接して配置された折返し端部ブロックおよび電流リード付き端部ブロックとを備え、前記本体ブロックは前記本体コイルを収容する低温容器を前記本体コイルの軸方向に移動させるスライド機構を備え、前記本体コイルおよび前記端部コイルによってレーストラック状の磁束が形成される構成とする。
【０００６】
本発明によれば、本体コイルと端部コイルによって連続したレーストラック状の磁束が形成され熱侵入量および漏洩磁界が抑制される。また、単位装置あるいは本体ブロックの数を増減することによってエネルギー貯蔵容量を容易に変更することができる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、本体ブロックに備えられる２個の本体コイルは１個の前記低温容器に収容され、前記低温容器は１個の真空容器に収容されている構成とする。
本発明によれば、本体ブロックの構成を簡素にし、運転コストを低減することができる。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、本体コイルは金属製の前記低温容器に収容されている構成とする。
本発明によれば、低温容器の強度が増し、本体ブロックの信頼性を高めることができる。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、本体コイルの内側に、詰め物が充填されている構成とする。
本発明によれば、本体コイルを冷却する冷媒の量を低減することができる。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１の発明において、本体ブロックは、本体コイルを冷却する冷却装置を備えている構成とする。
本発明によれば、個々の本体ブロックを他と独立して冷却することができるので、本体ブロックの保守点検や故障にたいして迅速に対応することができる。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、本体コイルおよび端部コイルは、磁性体からなる真空容器に収納されている構成とする。
本発明によれば、真空容器が磁気遮蔽作用をなすことにより、漏洩磁界を効果的に低減することができる。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１の発明において、本体ブロックと折返し端部ブロックと電流リード付き端部ブロックの表面に磁性体をとりつけた構成とする。
本発明によれば、漏洩磁界を所定のレベルまでほぼ確実に低減することができる。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項１の発明において、本体ブロックと折返し端部ブロックと電流リード付き端部ブロックの接続部を磁性体で覆った構成とする。
本発明によれば、大きくなりがちの各ブロック間の漏洩磁界を確実に低減することができる。
【００１６】
請求項９の発明は、請求項１の発明において、系統の交流を直流に変換して本体コイルおよび端部コイルの励磁電流を供給するとともに前記本体コイルおよび端部コイルの蓄積エネルギーを系統へ回生する変換器と、この変換器と前記本体コイルおよび端部コイルのあいだに接続され前記変換器の不動作時に開路するヒューズ式の遮断器と、この遮断器が開路したときに前記蓄積エネルギーを吸収するエネルギー吸収抵抗とを備えた構成とする。
本発明によれば、安価でかつエネルギー貯蔵と回生の信頼度の高い超電導エネルギー貯蔵装置を提供することができる。
【００１７】
請求項１０の発明は、請求項９の発明において、変換器はIGBT素子によって構成されている構成とする。
本発明によれば、運転時の電圧、電流に生じる高調波成分を低減して外部に与える影響を小さくすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置の構成を図１に示す。すなわち本実施の形態においては、２個の超電導コイルである本体コイル１が、本体ブロック２に横向きに並列にて収容される。複数の本体ブロック２が直列に配置され、その端部においては、折返し端部ブロック３および電流リード付き端部ブロック４が配置される。
【００１９】
本体ブロック２および端部ブロック３，４によって１つの単位装置５が構成される。端部ブロック３，４には、１個のソレノイド状の超電導コイルである端部コイル６が竪向きに収納されるが、単なる磁性体であってもよい。後述する電源によって本体コイル１と端部コイル６に電流を流し励磁することによってレーストラック状の磁束Φが形成される。
【００２０】
本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置の運転制御のためのブロック図を図２に示す。すなわち、電源としてのIGBT変換器１８と、このIGBT変換器１８の出力端と本体コイル１および端部コイル６の電流リードの間に接続されたヒューズ遮断器１９と、本体コイル１および端部コイル６の万一の場合のクエンチを検出するクエンチ検出器２０と、本体コイル１および端部コイル６に接続されクエンチ時に電流を流すエネルギー吸収抵抗２１と、このエネルギー吸収抵抗への電流の転流を確認する転流確認部２２と、本体コイル１および端部コイル６を超電導状態に保つ冷却装置である冷凍機１７と、これら各部を制御する運転操作部２３とからなる。
【００２１】
図２に示した構成によって、本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置の運転にあたっては、IGBT変換器１８により交流と直流との変換を行う。運転時には、運転操作部２３において、本体コイル１および端部コイル６における常電導発生を監視するクエンチ検出器２０により異常の有無を監視する。異常発生時には、IGBT変換器１８により、本体コイル１および端部コイル６に蓄積されているエネルギーを系統側へ回生し、本体コイル１および端部コイル６の保護を行う。IGBT変換器１８が動作しないなどの緊急時には、ヒューズ遮断器１９を動作させ、本体コイル１および端部コイル６に蓄積されたエネルギーをエネルギー吸収抵抗２１に転流させる。転流の動作確認は転流確認部２２にて行う。
【００２２】
図１に示した本体ブロック２の構造は図３に示すようになっている。すなわち本体ブロック２は、外側にリブ７ａを持つ真空容器７と、この真空容器７の内側に設けられた輻射シールド８と、この幅射シールド８の内に設けられた低温容器であるヘリウム容器９および、ヘリウム容器９内に設けられた２つの超電導コイルである本体コイル１により構成される。
【００２３】
本体コイル１の巻線部１０は、コイル巻枠１１にソレノイド状に巻き付けられている。本体コイル１の中央の空間には、補強材１２で補強された詰め物１３が配置されている。ヘリウム容器９は、ヘリウム容器支持構造物１４ａにより真空容器７に支持されている。中央部には、本体ブロック２の長手方向にスライドするためのスライド機構１５が取り付けられている。本体コイル１の端部には、電磁力を支持するためのスペーサー１６が配置されている。また、真空容器７の上方に冷凍機１７を取り付けてある。
【００２４】
このような構造の本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置において、本体ブロック２に収納された２つの本体コイル１は互いに逆方向の磁束を発生する向きに接続されている。そのため、超電導エネルギー貯蔵装置の動作時においては、本体ブロック２の外では、漏洩磁界が小さくなる。また、本体ブロック２を直線状に多数配置するため、本体ブロック２の周辺における漏洩磁界は更に低減される。ただし、端部においては、磁束が比較的漏れやすいため、本実施の形態では、折返し端部ブロック３および電流リード付き端部ブロック４に、ソレノイド状の端部コイル６を配置し連続する磁束Φを形成して漏洩磁界を低減している。なお、図１には示していないが、各ブロック２，３，４間の隙間は、封止板にて覆い、気密を保持している。
【００２５】
また図３に示すように、本実施の形態では真空容器７は外側にリブ７ａを有する構造としているため、現地に搬入後、リブ７ａで区切られた真空容器７外面に磁性体を取り付けて、磁気遮蔽の機能を付加することができる。本体コイル１の端部に配置したスペーサー１６により、本体コイル１を励磁した際に発生する軸方向の吸引力を支持することができる。また、上下の本体コイル１間は、コイル間支持構造物１４ｂにより支持されるが、コイル１間に働く力も吸引力であるため、このコイル間支持構造物１４ｂを介して、互いに打ち消し合う。そのため、ヘリウム容器９には、大きな電磁力が働かず、真空容器７との間のヘリウム容器支持構造物１４ａを比較的簡略化でき、侵入熱を低減することができる。
【００２６】
このように本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置は、複数の本体ブロック２と、折返し端部ブロック３と、電流リード付き端部ブロック４で構成された複数の単位装置５によって構成し、本体ブロック２は、互いに逆向きに励磁される並行配置の２つの本体コイル１を一つのヘリウム容器９と一つの真空容器７に収納している。
【００２７】
本体ブロック２に収納される２つの本体コイル１は互いに逆向きに励磁されるコイルであり、その本体ブロック２を直線状に配置するので、本体ブロック２周辺における漏洩磁界を小さくすることができる。
【００２８】
また、逆向きに励磁される２つの本体コイル１を一つのヘリウム容器９と一つの真空容器７に収納するので、ヘリウム容器９および真空容器７と鎖交する磁束をキャンセルすることができ、ヘリウム容器９および真空容器７で発生する交流損失を低減することができる。そのため、漏洩磁界が小さく、交流損失が小さい高効率な超電導エネルギー貯蔵装置が得られる。
【００２９】
ヘリウム容器９および真空容器７と鎖交する磁束が小さく、励磁、消磁に伴う交流損失が小さいので、特に液体ヘリウム容器９を金属製にすることができる。また、真空容器７を鉄などの磁性体で構成することができ、真空容器７に磁気シールドの機能をもたせることができる。その結果、信頼度の高い超電導エネルギー貯蔵装置が得られる。
【００３０】
本実施の形態においては、真空容器７の表面にリブ７ａを有する構造としたので、軽量な装置となっている。装置を現地に設置したのちにリブ７ａを利用して真空容器７表面に磁性体を取り付ける。このようにすることにより、十分な遮蔽能力を持つ磁性体を信頼度よく取り付けることができ、漏洩磁界のほとんど無い超電導エネルギー貯蔵装置が得られる。
【００３１】
本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置においては、超電導コイルである本体コイル１の内側のスペースに詰め物１３を充填してあるので、必要となる冷媒の量を低減することができ、冷却コストを低減することができる。
【００３２】
また本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置においては、各本体ブロック２が冷凍機１７を備えているので、いずれかの本体ブロック２の保守点検等において装置全体を停止する必要がない。また、一部の冷凍機１７が故障した場合にも、他の本体ブロック２の冷凍機１７により、運転を継続することもできる。
【００３３】
本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置においては、ブロック２，３，４の相互間における漏洩磁界が比較的大きい。そのため、その接続部分のみに磁性体を貼りつけることにより、漏洩磁界を平均化することができる。こうしてピークの漏洩磁界強度を下げることができ、安価に漏洩磁界を低減することができる。
【００３４】
本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置は、本体ブロック２を直線状に複数台ならべている。そのため、冷却時において、熱収縮により、各ブロック２間に隙間が発生する惧れがある。そこでヘリウム容器９を装置の長手方向にスライドするスライド機構を設けている。この構造で本体コイル１を励磁すると、本体コイル１間の吸引力により、各本体ブロック２間が密着するが、軸方向の圧縮力は、各本体ブロック２間につめたスペーサーにより支持される。これにより、本体コイル１の吸引力を、外側の真空容器７から支持する必要が無くなり、熱侵入量と漏洩磁界を低減することができる。
【００３５】
本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置において、端部ブロック３，４に設けた端部コイル６は単位装置５における磁束Φの連続性を保つが、ここではコイル６が一つだけであり、支持構造等を簡略化できる。端部ブロック３，４の端部コイル６を磁性体で代用した場合には、重量は若干重くなるものの、本体ブロック２における本体コイル１によって発生する磁束Φの漏れを防ぐことができ、効率よく磁気遮蔽できるとともに、端部ブロック３，４の構造を更に簡略化することができる。
【００３６】
本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置は複数の単位装置５からなり、単位装置５は複数の本体ブロック２からなる。本体ブロック２の数や単位装置５の数を増減することにより、超電導エネルギー貯蔵装置の容量を容易に変更することができる。
【００３７】
本実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置は、保護装置として本体コイル１および端部コイル６の常電導転移を検出するクエンチ検出器２０と、本体コイル１および端部コイル６の蓄積エネルギーを電力系統へ回生するIGBT変換器１８と、エネルギー吸収抵抗２１と、ヒューズ遮断器１９を備えている。このような保護装置を備えることにより、通常時においては、本体コイル１および端部コイル６に蓄積されたエネルギーを系統へ回生することができるとともに、IGBT変換器１８が故障したような場合には、ヒューズ遮断器１９により回路を切断して、本体コイル１および端部コイル６に蓄積されたエネルギーをエネルギー吸収抵抗２１によって消費させることができる。ここで、遮断器１９をヒューズ式とすることにより、安価でかつ、エネルギー貯蔵と回生の信頼度の高い超電導エネルギー貯蔵装置となっている。
【００３８】
さらに、電源のIGBT変換器１８は変換素子としてIGBT素子を使用しているので、IGBT変換器１８の運転スイッチング周波数を高めることができ、単相で受電するような場合における交流側での高調波成分を低減でき、外部へ与える影響を小さくすることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の超電導エネルギー貯蔵装置は熱侵入量および漏洩磁界が小さく、かつ、容量の変更が容易であり、異なる系統への導入に対しても比較的容易に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置の構成図。
【図２】本発明の実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置の制御ブロック図。
【図３】本発明の実施の形態の超電導エネルギー貯蔵装置における本体ブロックの構造を示し、（ａ）は（ｂ）のａ−ａ線に沿う断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図。
【符号の説明】
１…本体コイル、２…本体ブロック、３…折返し端部ブロック、４…電流リード付き端部ブロック、５…単位装置、６…端部コイル、７…真空容器、７ａ…リブ、８…輻射シールド、９…ヘリウム容器、１０…コイル巻線部、１１…コイル巻枠、１２…補強材、１３…詰め物、１４ａ…ヘリウム容器支持構造物、１４ｂ…コイル間支持構造物、１５…スライド機構、１６…スペーサー、１７…冷凍機、１８…IGBT変換器、１９…ヒューズ遮断器、２０…クエンチ検出器、２１…エネルギー吸収抵抗、２２…転流確認部、２３…運転操作部、Φ…磁束。

Claims

１個または複数の単位装置を備え、前記単位装置は、並行配置され超電導状態に保たれて互いに逆向きに励磁される２個のソレノイド状の本体コイルを備え直列に複数配置された本体ブロックと、ソレノイド状または円環状をなし超電導状態で励磁される端部コイルを備えこの端部コイルの軸心が前記２個の本体コイルの並行配置面上にあるように前記本体ブロックに隣接して配置された折返し端部ブロックおよび電流リード付き端部ブロックとを備え、前記本体ブロックは前記本体コイルを収容する低温容器を前記本体コイルの軸方向に移動させるスライド機構を備え、前記本体コイルおよび前記端部コイルによってレーストラック状の磁束が形成されることを特徴とする超電導エネルギー貯蔵装置。
前記本体ブロックに備えられる２個の本体コイルは１個の前記低温容器に収容され、前記低温容器は１個の真空容器に収容されていることを特徴とする請求項１記載の超電導エネルギー貯蔵装置。
前記本体コイルは金属製の前記低温容器に収容されていることを特徴とする請求項１記載の超電導エネルギー貯蔵装置。
前記本体コイルの内側に、詰め物が充填されていることを特徴とする請求項１記載の超電導エネルギー貯蔵装置。
前記本体ブロックは、前記本体コイルを冷却する冷却装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の超電導エネルギー貯蔵装置。
前記本体コイルおよび前記端部コイルは、磁性体からなる真空容器に収納されていることを特徴とする請求項１記載の超電導エネルギー貯蔵装置。
前記本体ブロックと折返し前記端部ブロックと前記電流リード付き端部ブロックの表面に磁性体をとりつけたことを特徴とする請求項１記載の超電導エネルギー貯蔵装置。
前記本体ブロックと前記折返し端部ブロックと前記電流リード付き端部ブロックの接続部を磁性体で覆ったことを特徴とする請求項１記載の超電導エネルギー貯蔵装置。
系統の交流を直流に変換して前記本体コイルおよび前記端部コイルの励磁電流を供給するとともに前記本体コイルおよび前記端部コイルの蓄積エネルギーを系統へ回生する変換器と、この変換器と前記本体コイルおよび前記端部コイルのあいだに接続され前記変換器の不動作時に開路するヒューズ式の遮断器と、この遮断器が開路したときに前記蓄積エネルギーを吸収するエネルギー吸収抵抗とを備えたことを特徴とする請求項１記載の超電導エネルギー貯蔵装置。
前記変換器はIGBT素子によって構成されていることを特徴とする請求項９記載の超電導エネルギー貯蔵装置。