JP4087383B2 - 電力潮流制御装置を有する低インピーダンスの送電線 - Google Patents

Description

本発明は、公共の電力系統のための電力潮流調整に関する。

送電線は、電力を、公共のネットワークにおける１つの地点から別の地点に（例えば、発電所から変電所に）伝送するために用いられる。送電線は、電気インピーダンス（一般的にオームで示す）を有する。送電線のインピーダンスが高くなるほど、送電線の長さに沿って散逸される真の電力及び無効電力の量が多くなる。

従って、送電線のインピーダンスが減少すると、送電線の効率及びエネルギー伝達能力が増大する。

本発明の一態様において、マルチライン（複数線）の送電システムが、第１のインピーダンス特性を有する第１の送電線と、第１送電線と並列接続され、且つ、第１インピーダンス特性よりも低い第２のインピーダンス特性を有する第２の送電線と、第２送電線に接続された電力潮流制御装置とを含み、電力潮流制御装置は、第２送電線を通って流れる電力の大きさ及び方向の少なくとも一方を制御する。

本発明の実施形態は、以下の特徴の１以上を含み得る。第２送電線は、超電導体、例えば、高温超電導体を含む。超電導体は、低インピーダンスの低温誘電体（ｃｏｌｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）の高温超電導ケーブルから構成され、このケーブルは、高温超電導体から構成された導体を用いる。高温超電導体は、例えば、タリウム−バリウム−カルシウム−銅−酸化物、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸化物、水銀−バリウム−カルシウム−銅−酸化物、イットリウム−バリウム−銅−酸化物、又はマグネシウム−硼化物である。

冷却システムが、低温誘電体の高温超電導ケーブルを、低温誘電体の高温超電導ケーブルが超電導特性を示すことができるように十分に低い動作温度に維持する。
電力潮流制御装置はリアクタであり得る。さらに、２方向電力潮流制御装置、例えば位相角調整器が、低温誘電体の高温超電導ケーブルを通して伝送される電力の方向を調整するために用いられ得る。複数のリアクタ又は複数の位相角調整器が用いられ、且つ、様々な構成で、例えば、並列及び直列に接続され得る。これらの装置の個数及び構成を変えることにより、リアクタンス及び／又は位相角の変化のレベルを調節することができ、従って、電力潮流及び電力方向の調整レベルを調節することができる。

マルチラインシステムは、１以上の超電導送電線の他に、１以上の非超電導送電線を含み得る。
本発明のさらなる態様に従えば、本発明の方法は、以下のステップを備える。第１のインピーダンス特性を有する第１の送電線を、第１インピーダンス特性よりも低い第２のインピーダンス特性を有する第２の送電線と接続する。第１送電線及び第２送電線に電力を供給する。第２送電線のための電力潮流のレベルを決定する。第２送電線を通して伝送される電力の量を調整する。

本発明のこの態様は、１以上の以下の特徴を含み得る。超電導送電線を通して伝送され
る電力の方向もまた調整される。第２送電線は、超電導体、例えば、高温超電導体を含む。

低温誘電体の高温超電導体の動作温度は、低温誘電体の高温超電導ケーブルが超電導特性を示すことができるように十分に低いレベルに維持される。
非超電導送電線は、慣用の架空送電線又は地下ケーブル（例えば、架橋ポリエチレン送電ケーブル）であり得る。

以下の利点の１以上が本発明の上記の態様からもたらされる。電力は、或る場所と場所の間で、より効率的に伝送されることができ、これにより電力損失が低減され、電圧降下が減少する。高温超電導体システムに関連する無効損失の低下は、無効補償の必要性も低減し、システム全体にわたる、より均一な電圧プロファイルを可能にする。超電導送電線、例えば、低温誘電体の高温超電導体を組み込んだ送電線の使用が、効率をさらに高める。電力潮流制御装置、例えばリアクタ及び／又は位相角調整器を用いることにより、超電導送電線を通って流れる真の電力の量及び方向を調整することができる。この調整は、さらに、送電線が、伝統的な送電線、例えば慣用の架空送電線又は地下ケーブル（例えば、架橋ポリエチレン送電ケーブル）を組み込んだパワーグリッド又はパワーシステムに組み込まれることを可能にする。さらに、超電導送電線の低インピーダンス性により、より安価な位相角調整器を用いて同一レベルの電流調整をもたらすことができる（非超電導送電線と比較して）。

本発明の１以上の実施形態の詳細を、添付図面を参照しつつ、以下に記載して説明する。本発明の他の特徴、目的及び利点は、詳細な説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

異なる図面において、類似の符号は類似の要素を示す。

図１を参照すると、送電システム１０が、一般に何マイル（何キロメートル）も離れた第１の発電所１８と第２の発電所２０の間に電力を伝送するための複数の送電線１２，１４，１６を含む様子が示されている。発電所１８，２０は、電力プラント又は変電所であってもよい。

送電線は、一般に、１１５，０００ボルト〜７６５，０００ボルトの高電圧で送電する。これらの高電圧は、より低い電圧（例えば、６９，０００ボルト〜１３８，０００ボルト）に変電所にて降圧され、次いで、顧客に配電される前に配電所（図示せず）にて再び降圧され得る。これらの値は一般的なものであり、用途及び場所により変化する。

送電線１２，１４，１６の各々は、単位長さあたりのインピーダンスを示すインピーダンス値（Ｚ）（典型的にオーム）を有する。電力損失を低減して効率を高めるために、これらのインピーダンスが最小化されるべきである。電力が送電線１２，１４，１６を通して伝送されるとき、電力潮流が３つの送電線の間で、各送電線を流れる電力のレベルが線のインピーダンスに反比例するように分割される。従って、送電線１２，１４，１６が、それぞれ２オーム、４オーム、６オームのインピーダンスを有し、３００メガワットの電力が送電線に配電されるならば、電力潮流は以下のように分配される。

送電線１２のインピーダンスが送電線１４のインピーダンスの半分であるため、送電線１４の２倍の量の電力が送電線１２を通して伝送される。送電線１２，１４，１６は２オーム〜６オームの範囲のインピーダンス値を有し、これらの値は、６９キロボルト、１１５キロボルト及び１３８キロボルトの架空送電線のための正常範囲内にあるとみなされる。

図２を参照すると、送電線の回路図３０が示されている。送電線は直列接続の抵抗器（例えば抵抗器３２）、コンデンサ（例えばコンデンサ３４）及びインダクタ（例えばインダクタ３６）として図式化できる。送電線のインピーダンスは以下の公式を用いて計算される。

Ｚは、高電圧送電線のインピーダンス（オーム）であり、Ｒは、その送電線の抵抗（オーム）であり、Ｘは、その送電線の誘導リアクタンス（オーム）である。コンデンサＣが接地への分路であるため、送電線の静電容量が送電線のインピーダンスに与える影響は無視し得る程度であり、従ってこれは式の因子にならない。送電線の誘導リアクタンスは、一般に、送電線の抵抗よりも６倍〜２０倍大きいため、高電圧送電線のインピーダンス（Ｚ）は送電線の誘導リアクタンス（Ｘ）と本質的に等しい。

図３を参照すると、３本の送電線のうちの１本が超電導送電線及び電力潮流制御装置５２（以下に論じる）に替えられた送電線システム１０’が示されている。典型的に、低インピーダンスの数マイル（数キロメートル）用高温超伝導体（ＨＴＳ）送電線は、同一長さで同一電圧の架空送電線の約１／２０のインピーダンス、すなわち、この場合は０．１０オームのインピーダンスを有する。

超電導送電線５０は、低インピーダンスの低温誘電体の高温超電導ケーブルを用いて構成されている。この低温誘電体の高温超電導ケーブルは、タリウム−バリウム−カルシウム−銅−酸化物；ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸化物；水銀−バリウム−カルシウム−銅−酸化物；イットリウム−バリウム−銅−酸化物、及び、マグネシウム−硼化物から形成される導体を用いる。超電導送電線は、慣用の（すなわち、非超電導性の）地下ケーブル又は架空送電線のそれぞれよりも、典型的に６倍〜２０倍低いインピーダンスを有する。冷たい誘電体ケーブルを含むＨＴＳ送電ケーブルが、ピレリ・カヴィ・エ・システミ・エナジア社（Ｐｉｒｅｌｌｉ Ｃａｖｉ ｅ Ｓｉｓｔｅｍｉ Ｅｎｅｒｇｉａ Ｓ．ｐ．Ａ）、住友電気工業( Ｓｕｍｉｔｏｍｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ )及びサウスワイヤ・カンパニー（Ｓｏｕｔｈｗｉｒｅ Ｃｏｍｐａｎｙ）
により実施販売され続けている。

これらの低温誘電体のＨＴＳケーブルは、低温で動作するときのみ超電導性を実現できるため、送電システム１０’は、典型的に冷却システム５４を含む。冷却システム５４は、典型的には低温クーラーであり、これが、低インピーダンスの送電線５０の動作温度を、低インピーダンスのＨＴＳ導体がその超電導特性を示すことを可能にするように十分に低い動作温度に維持する。

或るＨＴＳ送電線の抵抗（Ｒ）及びリアクタンス（Ｘ）の係数は、それぞれ約３００及び６であり、慣用の非超電導地下送電ケーブルの抵抗及びリアクタンスよりも、同一の電圧で比較して小さい。また、或るＨＴＳ送電線の抵抗（Ｒ）及びリアクタンス（Ｘ）の係数は、それぞれ８００及び２０であり、慣用の架空送電線の抵抗及びリアクタンスよりも、同一電圧で比較して小さい。超電導送電線のインピーダンスがより低いことにより、電源と負荷の間のＶＡＲロス（無効電力による損失）及び電圧降下を減少し、これが、無効電力補償（調相）の必要性を低減し、また、より均一な電圧プロファイルをネットワーク全体にもたらす。

超電導送電線を用いることの別の利点は、発電機と負荷の間の実質的な電気的距離にある。これが、角度及び電圧の不安定の問題が生じる可能性を低減する。例えば、電源と負荷が２０マイル（３７．０４ｋｍ）離れている場合、比較的低インピーダンスのＨＴＳ送電線は、実質的な電気的距離を２０マイル（３７．０４ｋｍ）から１マイル（１．８５２ｋｍ）に低減する。この低減は、先に記載した、架空送電線のインピーダンスとＨＴＳ送電線のインピーダンスの比率が２０：１であることによる。実質的な電気的距離をこのように縮めることは、発電機を、例えば大都市から離れて設置することにおいて有利である。

リアクタンス（Ｘ）の低減は、抵抗の低減よりも重要である。なぜなら、並列の送電線の各々を流れる電流の比率を決定するのはリアクタンスであるからである。
例えば、上記の例を用いると、発電所１８と発電所２０の間で３００メガワットの電力が分配され、送電線１２が２オームのインピーダンスを有するならば、送電線１４は４オームのインピーダンスを有し、低温誘電体の超電導ケーブル５０は０．１オームのインピーダンスを有し、電力潮流は以下のように分配される。

超電導送電線を使用することにより、非超電導送電線からの除荷又は電流負荷の移動が可能になる。様々な理由（例えば、負荷バランス、契約上の配列、電流の最適化など）により、超電導送電線５０を流れることが許容される電流の量を制限及び／又は調整することが望ましいであろう。従って、電力潮流制御装置５２を超電導送電線５０に連結して、超電導送電線におけるインピーダンス又は位相角を（そして、これにより真の電力を）制御する。

上記の表に示されているように、「非超電導」送電線を超電導送電線に替えることにより、伝送される全電力の約９３％が超電導送電線５０を通して伝送されることになる。これはすなわち、３００メガワットの電力のうち約２７９ワットが超電導送電線５０を介して伝送されることである。

電力潮流コントローラ５２は、１以上のリアクタ５５，５６，５７であってよい。リアクタは、線（すなわち、超電導送電線５０）を流れることができる電流の量を、リアクタ自体のインピーダンスを送電線の通常のインピーダンスに加えることにより制限する装置である。これらのリアクタ５５，５６，５７の１以上を作動させ又は作動させないことにより、所望のインピーダンス特性（すなわち、電力潮流制御）を得ることができる。リアクタは、様々な製造業者、例えば、カナダ国、オンタリオ州、スカボロのトレンチ・リミテッド（Ｔｒｅｎｃｈ Ｌｉｍｉｔｅｄ）から入手可能である。

電力潮流コントローラ５２は、また、２方向性であり得る。すなわち、コントローラ５２は、電流が（従って電力が）送電線を通って流れる方向も制御する。２方向性の制御、又は、より細かい電流増分変化が望ましいならば、位相角調整器５８を超電導送電線５０に接続することができる。

位相角調整器（電気角度調整器又は移相器とも称される）は、調整された送電線を流れ、調整された送電線とほぼ並列接続された送電線の全てを通って戻る循環電力潮流を導入する。図２及び図２Ａを参照すると、この循環電力潮流を変化させることにより、位相角調整器５８が、送電端電圧（Ｖ_s ）、例えば位置１８における電圧と、受電端電圧（Ｖ_r ）、例えば位置２０における電圧の間の位相角（θ）を変える。そしてこれが、超電導送電線５０を流れる電力潮流（Ｐ）の大きさ及び方向を、以下の式に従って制御する。式中、θ（シータ）は、送電端電圧と受電端電圧との角度差である。

式中、θは、送電端電圧（Ｖ_S ）と受電端電圧（Ｖ_R ）との角度差である。（図２Ａを参照のこと）。
上記の式に示されているように、インピーダンス値（Ｚ）を変化させれば電力潮流（Ｐ）を変化させることができる。超電導送電線５０が非常に低いインピーダンス（Ｚ）を有するため、上記の式の感度が、非常に低いインピーダンス（Ｚ）が分母であることにより増大する。送電端電圧（Ｖ_S ）と受電端電圧（Ｖ_r ）の間の位相角（θ）を変化させることにより、電流（すなわち、電力潮流Ｐ）の量及び方向を調節することができる。さらに、超電導送電線のインピーダンス（Ｚ）が非常に低いため、位相角（θ）の任意の固定変化に関し、電力潮流（Ｐ）の、より大きい変化が得られる（非超電導送電線と比較して）。位相角調整器は、多数の製造業者、例えば、ドイツ国、ニュルンベルグのシーメンス・アクチエンゲゼルシャフト（Ｓｉｅｍｅｎｓ ＡＧ）などにより製造されている。

上記の送電システム１０’は、単一のリアクタ５６又は位相角調整器５８を用いるように示されているが、他の配列も可能である。例えば、複数のリアクタ又は複数の位相角調整器を用い、様々な構成で、例えば並列又は直列に接続し得る。これらの装置の個数及び構成を変更することにより、リアクタンス及び／又は位相角変化のレベルを調節すること
ができ、従って、電力潮流及び電力方向の調整レベルを調節することができる。

上記のシステムは、低温誘電体の高温超電導ケーブルを用いるように示されているが、他の構成も可能であり、例えば、より高温の誘電体の高温超電導ケーブルも用いることができる。

図４を参照すると、マルチライン（複数の送電線による）送電方法１００が、離れた位置の間に少なくとも１本の標準的なインピーダンスの送電線を介して電力を伝送すること（１０２）を含む。低インピーダンスの送電線１０４が電力をこれらの位置の間に伝送する（１０４）。低インピーダンスの送電線を介して伝送される電力の量が調整される（１０６）。

低インピーダンスの送電線を介して伝送される電力の方向も調整される（１０８）。低インピーダンスの送電線は、超電導送電線、例えば、低温誘電体の高温超電導ケーブルである。

低温誘電体の高温超電導ケーブルの動作温度は、低温誘電体の高温超電導ケーブルが超電導特性を示すことができるように十分に低いレベルに保たれる（１１０）。
少なくとも１本の標準的なインピーダンスの送電線は、慣用の架空送電線又は地下送電ケーブルである。

本発明の多数の実施形態を記載してきた。しかし、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに様々な変更がなされ得ることが理解されよう。

慣用の送電線を用いた送電システムの概略を示す概念図。 送電線の概略を示す回路図。 送電電圧と受電電圧との角度関係を示すベクトル図。 超電導送電線を用いた送電システムの概略を示すブロック図。 マルチライン送電方法を示すフローチャート。

Claims (15)

1. マルチラインの公共送電システムであって、
   第１のインピーダンス特性を有する第１の送電線と、
   超伝導体からなり、第１送電線と並列に接続され、且つ、第１のインピーダンス特性よりも低い第２のインピーダンス特性を有する第２の送電線と、
   第２の送電線に接続された電力潮流制御装置であって、第２の送電線を通って流れる電力における、選択的に可変の電力量、及び電力の方向のうちの少なくとも一方を調整するための電力潮流制御装置とを含み、
   前記電力潮流制御装置は、前記第２の送電線を流れる電力を選択的に調整することによって、前記第１及び第２の送電線の間の負荷バランスと前記第１及び第２の送電線の間の電流の最適化とのうちの少なくとも一方を与えるべく設けられる、マルチライン送電システム。
2. 超電導体が低温誘導体の高温超電導体である請求項１に記載のマルチライン送電システム。
3. 高温超電導体が、タリウム−バリウム−カルシウム−銅−酸化物、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸化物、水銀−バリウム−カルシウム−銅−酸化物、及び、イットリウム−バリウム−銅−酸化物から成る群から選択される請求項２に記載のマルチライン送電システム。
4. 高温超電導体を超電導特性を示すための十分に低い温度に冷却するための冷却システムをさらに備える請求項２に記載のマルチライン送電システム。
5. 第１送電線が架橋ポリエチレン送電線である請求項１に記載のマルチライン送電システム。
6. 前記電力潮流制御装置がリアクタである請求項１に記載のマルチライン送電システム。
7. 前記電力潮流制御装置が、第２送電線を通して伝送される電力の方向を調整する２方向電力潮流制御装置である請求項１に記載のマルチライン送電システム。
8. ２方向電力潮流制御装置が位相角調整器である請求項７に記載のマルチライン送電システム。
9. 第１のインピーダンス特性を有する第１の送電線を、超伝導体からなり、第１インピーダンス特性よりも低い第２のインピーダンス特性を有する第２の送電線と並列に接続する工程と、
   第１送電線及び第２送電線に電力を供給する工程と、
   第２送電線のための電力潮流のレベルを決定する工程と、
   前記第１及び第２の送電線の間の負荷バランスと前記第１及び第２の送電線の間の電流の最適化とのうちの少なくとも一方を与えるために、第２送電線を通して伝送される電力を可変の量によって選択的に調整する工程とを備える、送電システムにおいて電力潮流制御を提供するための方法。
10. 第２送電線を通して伝送される電力の方向を調整する工程をさらに備える請求項９に記載の方法。
11. 前記超電導送電線が低温誘導体の高温超電導体である請求項１０に記載の方法。
12. 前記高温超電導体を高温超電導体が超電導特性を示すことを可能にするための十分に低い動作温度に維持する工程をさらに備える請求項１１に記載の方法。
13. 第１送電線は架橋ポリエチレンを用いて形成される請求項９に記載の方法。
14. 前記電力潮流制御装置は電流の増分変化を提供する構成を有する請求項１に記載のマルチライン送電システム。
15. 第２送電線を通して伝送される電力を可変の量によって選択的に調整する工程は、電流の増分を変化させる工程からなる、請求項９に記載の方法。

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