JP4546486B2 - 電力ネットワーク - Google Patents

Description

技術分野
本発明は電力ネットワークに関する。このような電力ネットワークは、交流（ＡＣ）及び直流（ＤＣ）のあらゆる組み合わせを含むことができる。具体的には、本発明は、電力のハイパワー伝送ネットワークに関する。特に本ネットワークは、発電及び電力の利用を含む。本電力ネットワークは、伝送ネットワーク、及びネットワークのグリッドポイントに接続された複数の装置を備える。これらの装置には、電気エネルギーを発生させる機器、電気エネルギーを消費する機器、及びネットワークを制御する機器が含まれる。また、これらの装置はこれら機器の組み合わせを含むこともできる。本発明は、特に、このようなネットワーク内の装置を制御するためのデバイス、及び方法に関する。本明細書において「制御」とは、装置のパフォーマンスに作用することを意味する。本発明は、更に、本方法を実行するコンピュータプログラムにも関する。
前記装置内に含まれる機器には、回転電機が含まれる。該回転電機は、互いに対して回転して回転磁界を形成する回転子と固定子を有する。これにより、回転電機は、機械エネルギーから電気エネルギーへ、及び電気エネルギーから機械エネルギーへの変換機とみなすことができる。第一の実施例は発電機であり、第二の実施例は電動機である。本発明の装置はまた、電力ネットワークの部分間で、又は別の電力ネットワークとの間で電力を変換する変換機の機能を備える。特に、本装置は、ネットワークを制御するためのパワーエレクトロニクスを含む機器を備える。このような機器には、ＶＡＲ補償装置、静電変換器、コンデンサバンク、リアクタ等が含まれる。

発明の背景
電力ネットワークは、相互に接続された複数の電力供給者と電力消費者とを有している。電力供給者は発電機などの発電設備を含み、電力消費者は電動機や電炉のような電力消費設備を含む。ネットワークはまた、電力を供給者から消費者に送る媒体である伝送ネットワークを含んでいる。突然の電流ラッシュ等に起因する故障状態がネットワーク上に発生すると、伝送ネットワーク内に電圧降下が起きる。ネットワークに接続されている全ての装置は、グリッドポイントの電圧を感知する安全装置を有し、電圧降下を感知するとネットワークから装置を直ちに切離す。
突発性の電流ラッシュにより、回転電機の電気回路に瞬間的な温度上昇が生じる場合がある。この温度上昇は、数分の一秒足らずで回転電機に損傷をもたらし得る。従って、回転電機は、開閉制御装置などの制御手段によって突発性の電流ラッシュから保護される。開閉制御装置は、回転電機のグリッドポイントへの接続を直ちに切断する。これにより、電気回路はオープン状態になり、電流は流れなくなる。回転電機は、機械設備に接続されるか、又は組み込まれることが多い。このように、水力、風力、又は、燃焼エンジンからの機械力を機械設備に供給することにより、電気機器を回転させ、それによって電力を出力する。本実施形態では、回転電機は発電機である。

回転電機が組み込まれた機械システムは、互いに作用し合う機械回路、磁気回路、及び電気回路と見なすことができる。従って、これらの回路の一つを切離すことにより、他の二つの回路も必然的に切り離される。電力は秒単位で切離すことができるが、機械エネルギーはそのように素早く切離すことは出来ない。機械装置には大きな慣性モーメントが存在する場合が多く、装置を停止させるにはこのモーメントに作用しなければならない。従って、回転電機を停止させるには、ブレーキのような装備が必要となる。磁気回路も慣性モーメントを有し、永久磁石を使用している場合は固定子又は回転子の鉄芯の飽和を有している。このような場合、依然として回転を持続している電気機械は電気エネルギーを生み出し、このエネルギーが部分放電して回転電機の電気的巻線の絶縁を阻害する場合がある。また、風力や水力のように、全く或いは少なくとも素早く迂回又は停止させたりできない機械的エネルギー源も存在する。
回転電機が電力を生み出す発電機であれ、機械力を生み出す電動機であれ、電気回路の切離しは他の二つの回路に影響を与えるので、いずれの場合にも複数の安全装置が必要となる。

変圧器は、第一の電気回路、磁気回路、及び、第二の電気回路が相互に結合したものと見なすことができる。突発性ラッシュ電流は、この場合にも、電気回路に瞬間的な温度上昇を引起す場合があり、極めて危険である。両方の電気回路をそれぞれの接続から瞬時に切離すことが可能ではある。この切り離しがミリセカンド単位で行われるかどうかによって、残留磁気エネルギーが変圧器の鉄芯部に残る場合がある。このことは、巻線保護のために、変圧器も複数の安全装置を持たなければならないことを意味する。
パワーエレクトロニクス、リアクタ及びコンデンサバンク等の、全てのネットワーク制御装置は固有の蓄積エネルギーを有しており、過電流や切離しの際にはこの蓄積エネルギーに配慮する必要がある。また、このような状況では、装置をネットワークから切り離すための安全構造、及び蓄積エネルギーに対する保護機能が設けられている。高圧コンデンサバンクは通常、個々にヒューズ処理されたコンデンサユニットから構成されている。コンデンサバンクのフィーダ線は通常、ヒューズ付き接触器又は開閉器によって保護される。サーキットブレーカの場合は、位相故障や地絡事故に対する保護機能が設けられる。

製造工程や製造設備に必要となる定速非同期誘導電動機の始動と停止機能は、あらゆる産業分野において最も一般的な制御機能である。このため、接触器と複数の小さな保護用及び補助的な継電器と組み合せたヒューズ付き開閉器は、「モータコントローラ」と呼ばれることもある。同様に、このようなユニットのアセンブリは、「モータコントロールセンタ」、又はＭＣＣと呼ばれる。電動機の起動と停止には、手動操作しか必要としない場合もあるが、ＭＣＣは通常コンピュータの管理下にあり、コンピュータがオペレータの介入なしで起動と停止を行う。工程の安全確保上、工程オペレータがコンピュータを無視して手動で電動機を起動又は停止することが望ましい場合もある。
モータ制御をもっと洗練されたものにして、従来ＤＣモータを使用して行われてきた速度調整機能を持たせることができる。いずれかのかご型誘導電動機に周波数を合わせることにより制御を行うことが多くなってきている。大型機械、例えば４０ＭＷ程度までの大型コンプレッサーの制御は同期電動機によって行われる。このような大型のＡＳＤ（可変速駆動）においては、速度コントローラ（又は周波数コンバータ）が電動機パッケージと一体式の部品であり、部品の全てが最終的に相互に厳密に調整されることを認識することが重要である。プロセス制御を行うインターフェイスは、基本的に、周波数コンバータへの入力信号用プロトコルを提供し、よって速度の増減を行うだけである。

同期電動機は発電機に似ているので、発電機保護のための一部の対応策は、同期電動機にも利用できる。
低圧であれ、中間的な電圧であれ、電動機回路は、サーキットブレーカ又はヒューズ接触器を介して接続される。これは、一連の過電流デバイスにおける「最後の」過電流保護機能となる。電動機回路に必要な二つの保護方式がある。まず、サーキットブレーカ又はヒューズにより、短絡事故から電動機及びその供給ケーブルを保護する。第２に、電動機、ケーブル、及び関連する開閉装置及び制御装置における過大電流及び温度上昇の原因となる負荷の増加を防止することが必要である。

まず、変圧器内部及び接続線における短絡等の事故及び故障の波及効果を制限するために、変圧器用の保護継電器が設けられる。このような事故は滅多に起こらないが、万が一発生すると、故障箇所は極めて急速に拡大するので、保護機能によって変圧器を永久的な損傷から救うことは不可能である。しかし、急速な切離しは、致命的な火災や爆発を防止して結果を制限する。大型変圧器は更に、冗長的又は重複した短絡防止装置、低インピーダンス保護、及び差動保護などの保護調整器を備えている。電圧が上昇する危険を有する変圧器に対しては遅延型過電圧保護機能が提供される。過電圧が継続すると、鉄芯の磁気飽和及び過熱故障が引き起こされる。
高電圧コンデンサバンクは通常、個別にヒューズ処理されるコンデンサユニットを有する。コンデンサバンクの供給線は通常、ヒューズ接触器又は開閉器によって保護されている。サーキットブレーカの場合、位相故障及び地絡故障の防止機能を備えている。

米国特許第６４１１０６７（Ｂｊｏｒｋｍａｎ）により、背中合わせ方式のステーション、又は並列に設置された静止形無効電力補償器として動作する電圧源コンバータが公知である。本変換機構成の目的は、交流電流を搬送する伝送線内の電力流を制御するデバイスを提供することである。
更に、この文献により、電気伝送システムにおいて、電力潮流を素早く且つ正確に制御して、変動する負荷条件に電力潮流を適合させ、種々の外乱があっても安定した予測可能な電力潮流を維持することが、極めて重要かつ有用であることが既知である。このような電力潮流の制御を行なうため、異なったタイプの装置が提案され、稼動された。この目的のために通常用いられる装置は、いわゆる統合電力潮流制御装置（ＵＰＦＣ）である。ＵＰＦＣは、それぞれ励磁機及び昇圧機と呼ばれる二つのＡＣ／ＤＣ電圧源コンバータから構成される。二つのコンバータのＤＣ側は共用のコンデンサに接続され、この共用コンデンサは、コンバータ動作のためのＤＣ電圧を保持し、エネルギー蓄積手段として機能する。

昇圧機のＡＣ側は、振幅と位相角を制御できる同期ＡＣ電圧を、直列変圧器を介して伝送線路に直列に挿入する。励磁機のＡＣ側は、変圧器を介して伝送線路に並列に接続され、制御可能な振幅と力率を有する電流が伝送線路に注入されるか、或いは伝送線路から引き出される。ＵＰＦＣを使用することにより、伝送線路を流れる有効電力流と無効電力流をそれぞれ独立に制御することができる。励磁機の主な役割は、ＤＣリンク電圧を制御し、特定量の有効電力を伝送線路と交換することにより、リンク電圧を基準値に維持する事である。励磁機の第二の役割は、無効電力補償機として無効電力を補償することにより、路線電圧を一定に保持することである。
これにより、交流電流を搬送する伝送線路の電力潮流を効率よく制御する装置を、比較的低コストで製造できることがしられている。このような装置は、第一地点において伝送線路に接続されている第一のＶＳＣ（ＶＳＣ＝電圧源コンバータ）と、伝送線路の第二地点に接続されている第二のＶＳＣを備えており、前記第一及び第二のＶＳＣのＤＣ側は共通の容量ユニットに接続されている。本装置は更に、第一及び第二のＶＳＣと並列に、前記第一地点と第二地点の間の伝送線路に接続されたバイパス用開閉器を備えているので、バイパス用開閉器が開いている場合は、第一及び第二のＶＳＣは背中合わせ方式のステーションとして動作し、側路開閉器が閉じている時は、並列な二つの静止形無効電力補償器として動作する。

本装置のバイパス開閉器が開き、ＶＳＣが背中合わせステーションと機能している場合、伝送線路上の電力潮流を強力に制御することができる。この第一の動作モードにおいて、伝送線路内の交流電圧の位相、周波数並びに振幅が本装置によって制御可能であり、有効電力と無効電力をそれぞれ別個に制御できる。バイパス開閉器が閉じている場合、ＶＳＣは二つの並列な静止形無効電力補償器として動作する。この第二の動作モードにおいて、本装置は、搬送システムに無効電力を供給するか、又は搬送システムから無効電力を吸収することにより、伝送線路の電圧、即ち搬送される電力を間接的に制御する。伝送線路内の電力潮流を大きく制御する必要がある場合、本装置は前記第一の動作モードで機能することが好ましい。他方、電力潮流の調整範囲が僅かであるか、又は全くない場合は、前記第二の動作モードに切り換えることが好ましい。本装置が前記第二の動作モードで動作している場合、その電力損失は前記第一の動作モードで動作している場合より小さい。

再生可能な発電施設で生産された電力ユニットの商品価値を高める方法が、米国特許第６５１２９６６号（Ｌｏｆ他）により既知である。本方法の目的は、再生可能なエネルギーの生産施設で発電された電力の商品価値を高めることである。
この文献は更に、風力が「天然の」電力供給源であり、本来電力を生産するための最適なエネルギー源であると見なされるべきであると述べている。風力発電は化石燃料の燃焼を必要とせず、核燃料廃棄物のような副産物も生成せず、水資源用の水路も必要とせず、更には、そうでなくとも環境にも影響を与えない。他方、風力は、（確率上）変動の大きい電力発生源であり、従って、商業的に信頼性のある電力を提供する際に、発電所や中継施設が理想とする種類の制御方式を提供しない。この変動の問題に対処するために、風力発電の初期の開発者は、過剰時に風力によって発電された電力を貯え、後で無風時に補填する方法を試みている。

初期の風力エネルギー施設は、一般に、互いに遠く離れて設置され、小規模な発電施設を提供していた。様々な実験を経て風力エネルギー施設は徐々に進化し、現在では、多くの風力発電機をグループ化することにより、それぞれ１メガワット程度の電力を発電する小さな発電施設の集合として、数１０メガワット程の電力を発電できる風力発電機群を形成することが共通の認識となっている。
従って、この方法は、予定される未来の時点で、再生可能な電力発電施設において生産されることが予測される所定の電力量を決定するステップ、及び再生可能エネルギー発電施設の所定の電力を、主電力のユニットに変換し、標準周波数で電力グリッドに適用するステップを含む。

米国特許第６５７７１０８号（Ｈｕｂｅｒｔ他）により、発電システム、伝送システム、及び負荷を供給する配電システムを含む公益電力ネットワークの電圧調整が既知である。本調整は特に、公益電力ネットワークとの間で行われるエネルギー移動を制御するシステムに関する。本調整システムの目的は、電力ネットワーク上の電力不足又は電圧不安定の問題を補償することである。
従って、このシステムは、無効電力補償デバイスを制御するコントローラを有し、第一の期間中、無効電力を公益ネットワークに供給する。第一の期間に続く第二の期間中、コントローラは、無効電力補償デバイスを制御し、所定のレベルの無効電力を公益ネットワークに供給する。この電力補償デバイスは、安定した給電特性を有している。

補償デバイスの最大安定電力供給特性のＮ倍（Ｎ＞１）のレベルまで注入電力を増加することにより、公益電力ネットワークの公称電圧の所定の振幅の変動を検知してそれに反応した後は、補償デバイスの電力注入を意図的且つ徐々に最大安定値まで落とし、よって電圧の不安定さ及び／又はその他の好ましくない事象を誘起し得るネットワークの過渡応答が発生しないようにする。
電圧調整により、補償デバイスの過負荷能力が消耗した時にインバータ電流に急激な階段状の変化を発生させることなく、無効電力補償デバイスを過負荷モードにおいて最大期間に亘って動作させる方式が提供される。これにより、補償デバイスの電流は強制的に所定レベル以下に維持される。このようにして、本発明は、公益電力ネットワーク上の望ましくない過渡応答（例えばリンギング発振（ringing oscillation）の可能性を減らすことができる。更に、ネットワークの特徴的なインピーダンスに基づいて、実質的な最適ランプダウンプロフィールを決めることができる。

第一の期間中、補償デバイスは、公益電力ネットワークに有効電力と無効電力を提供する。第二の期間終了後、補償デバイスからの無効電力は、安定な電力供給特性まで連続的に減少する。係数Ｎは、一般的に、補償デバイスの遷移温度容量特性（例えば比率１％）に基づいて決められる。第二の期間は、熱エネルギーを吸収する補償デバイスの能力に基づいて決められる。ランプダウンプロフィールは、ネットワークの特性インピーダンスに基づいて決定できる。ネットワークの特性インピーダンスは、ネットワークの既知の特性を用いて決められる。或いは、無効電力補償デバイスはネットワークに励振を与え、その応答を測定することができる。
前述のように、ネットワークに接続されたデバイスを保護するためのシステムとデバイス、電気潮流を制御するためのコンバータ、ネットワークを制御する経済的側面、及び電力不足又は電圧の不安定性を補償する電圧調整器は既知である。電力ネットワークの機能自体に対して、発電及び送電を活動状態に維持し、並びに電力の消費を維持することが望まれている。しかし、ネットワークに故障状態が生じると、全ての装置は、ネットワークから自らを切離すことにより、ネットワークを伝送対象と制御対象から外そうとする。従って、故障時においても活動状態で制御可能なネットワークに対する、長年に亘る需要が存在している。

風力発電地帯に対し、故障発生時にグリッドポイントへの接続を少なくとも幾らかの無効電力及び有効電力入力により維持すること、並びに故障が復旧した場合に発電を再開することを規定した国家レベルの規制がある。更に、伝送ネットワークに接続された風力発電地帯の国際的な規格が存在する。これらの規格は、他の主要発電施設と同様に洋上風力発電地帯に対して、ネットワークの基本的保護機能により、切断されたネットワークが安定性を失ったり、短絡状態になったりしてはならないことを規定している。通俗的に言えば、風力発電機は、短い不感時間（〜１００ミリセコンド）の間も活動状態を続けなければならず、また、故障が切離されて電圧が復旧した時は発電を再開せねばならない。
風力から電力を作る風力発電機は、この点で他の電力供給者より繊細である。風は切離せないが、風が存在する限り何時でも発電可能である。従って、ネットワークから風力発電機が切り離されると、エネルギー生成の可能性が失われる。風は、風力発電機が回転していようとしていまいと、風車を通り抜けるだけである。従って、厳しい条件下にあっても風力発電を維持することには極めて高い経済効果がある。従って、ネットワーク上に故障が発生した場合も風力発電機を稼動させておく必要がある。風力は貯蔵できないエネルギーなので、すべての時間が貴重である。

発明の概要
本発明の第一の目的は、故障発生時に、電力ネットワークの送電を制御する方法とデバイスを提供することである。本発明の第二の目的は、故障を検知した時、故障の性質を更に調査するための一時的な猶予時間を確保し、これにより、ネットワークが動作状態である間に、取るべき正しい処置を決定する時間的猶予を提供することである。
本目的は、本発明の独立請求項１の一部に記載する機能を特徴とするデバイス、独立請求項６に記載のネットワーク、独立請求項１０に記載の方法、及び独立請求項１２に記載のコンピュータプログラムによって達成可能である。好適な実施形態が従属請求項に記載されている。

本発明の第一の態様において、本目的は、故障発生時に、装置とネットワークのグリッドポイントの間に電圧上昇手段（昇圧手段）を挿入することによって達成される。グリッドポイントにおける電圧降下を感知すると、昇圧手段又は過渡ブースターは通常の保護デバイスの起動（始動）を防ぎ、その結果取るべき修復処置を検討するための短い時間が提供される。本発明の第一の実施形態の昇圧手段は、抵抗エレメントと並列に配置された開閉器を備える。通常状態において開閉器は閉じており、電流は抵抗無しで流れる。故障が発生すると開閉器が開き、電流は抵抗エレメントを通って迂回する。このような抵抗エレメントは、電流を直ちに減少させ、よって接続されている装置の電圧は高く維持される。この結果、装置のネットワークへの接続は維持され、その速度は低下するが、電力の生成又は消費は維持される。
本発明による昇圧手段が起動される際の経時変化は極めて重要である。昇圧手段は、本装置の引外しデバイスが作動するかなり前に起動されなければならない。ここでかなり前とは、十分の一秒程度を意味する。従って、本昇圧手段は、故障発生箇所に近いセンサから信号を受信する手段を備えており、更にはネットワーク上の他の制御手段から情報を受信する手段を備えることができる。

抵抗エレメント形式の昇圧エレメントは、急速な温度上昇を招く可能性があるが、それでも短時間に亘る一時的な遅延を生じさせることにより、取るべき処置の評価を可能にする。取るべき処置は、第二の昇圧手段の導入又はＹ−Δ結線への再調整から、装置の完全分離までの範囲に亘る、複数の可能な処置のいずれかとすることができる。本発明の第二の実施形態における昇圧手段は、単巻トランスと並列に設置された切り離し用開閉器を有し、この開閉器は抵抗エレメントを含むことができる。昇圧手段はまた、発電機能、電動機能、及び位相補償機能を含むことができる。本発明の別の実施形態における昇圧手段は、パワーエレクトロニクスを使用した電流迂回手段を備えている。
電動機や発電機のような装置の多くは、サーキットブレーカを介して伝送ネットワークのグリッドポイントに接続されている。電力ネットワーク内に発生した故障により引き起こされるグリッドポイントの急激な電圧降下は、直ちにグリッドポイントへの電流ラッシュを引起す。このような電流ラッシュにより、全ての保護手段及び引外しデバイスは、接続している装置を切離すように作用する。複数の保護手段が先ず起動するのはミリセカンド単位の時間である。これらの保護手段は全て、装置を保護しているのであって、電力ネットワークを保護しているのではない。前述したように、突然装置を切り離すと、固有の慣性モーメントにより装置そのものに損傷を与える場合がある。この惰性モーメントは通常、推力と負荷のバランスの上に成り立っている。従って、推力と負荷のどちらかが突然切り離されると、装置内の慣性モーメントは不均衡状態になり、装置に損傷をもたらす場合がある。従って、本発明で重要であるのは、装置によって感知される電圧上昇に繋がる電流迂回を行うことが、装置を保護するだけではなく、ネットワーク内の送電の維持にも貢献することを認識することである。

本発明は特に、複数の相を有し、非対称な故障が発生するネットワークに適している。従って、３相中の１相だけに故障が発生した場合、結線を容易に再調整することにより、低速状態ではあるが、送電機能は維持される。
前述のように、装置は、グリッドポイントに接続された装置の組み合わせ、又は複数の装置とすることができる。この場合、全ての装置に対して一つずつ、或いは単一の装置又は複数の装置からなる組み合わせに対して一つずつ、本発明による昇圧手段を導入することが可能である。特にパワーエレクトロニクスを使用している場合、昇圧手段はパワーエレクトロニクスの下流に挿入されなければならない。

本発明の第二の態様における目的は、故障が発生時に、伝送ネットワークに接続されているグリッドポイントと電力供給者と間の電圧を上昇させることで、次に取るべき処置を決定する猶予時間を与える方法によって達成される。この猶予期間中、装置とグリッドポイント間の送電は低速ではあるが維持される。
ネットワーク上に異常を感知すると、電流は直ちに通常の電流路を迂回し、第一期間中に昇圧手段に作用する。この第一の期間に、次に取るべき処置の評価が行われる。装置及びネットワークの状態に関する情報が継続的に収集され、評価される。この第一の期間中、故障の性質が評価され、次の期間に取るべき処置が決定される。第一の期間の終了時点で、第二の処置が実施される。第二の処置は、電力潮流を低速で維持するための複数の再調整方式の中から選択可能である。このような処置には、第二の抵抗エレメントの接続、単巻トランスの接続、又は回転機又は変圧器のＹ−Δ結線の再調節等が含まれる。第二の処置は第二の期間のスタートポイントであり、この間に次に取るべき処置が評価される。このように、本方法は、抵抗エレメントを含まない電路から、昇圧手段を備えた前記電路に並列な電路に電流を迂回させること、ネットワークの複数のパラメータを感知すること、及び次に取るべき処置を評価することを含む。

本発明の第三の態様における目的は、前述の法に従って昇圧手段を制御するコンピュータプログラム製品によって達成される。よってこの昇圧手段は、コンピュータ手段及びコンピュータプログラム製品を格納する記憶手段を備えている。コンピュータプログラム製品は、前述の方法を評価するコンピュータ用コマンドを有する。コンピュータ手段は、検知デバイス及びネットワーク内の他の情報手段から信号を受信する部品を備えている。従って、コンピュータプログラムは、コンピュータに対し、情報源を評価し、取るべき処置に関して少なくとも一つの提案を算出させるコマンドを含む。
短期間に亘り電圧を瞬間的に上昇させることにより、取るべき処置を更に適切に決定するための一時的な遅延が生じる。本発明によるこのような瞬間型昇圧器の導入により、故障時に利用可能な電圧レベルと、伝送線路、配電線路、及び収集線路の接続に分散される電動機、発電機、及びパワーエレクトロニクス内で許容される許容電流を最大限に利用する事が可能となる。特に、大規模な分散型発電の主要施設と相互接続する風力発電機群の可変速風力発電機において、この瞬間型昇圧器は、効率的で代替可能な代替発電のための故障対応策として特に有益である。

以下に、猶予時間を導入することにより、故障時の電圧及び伝送能力の低下の影響を低減させるために使用される、回転機、電力補償機、及び静止電力変換装置の瞬間型昇圧器について記載する。
瞬間型昇圧器は、発電機又は電動機として使用される回転機の角速度と、電磁力、フェーザー等の電圧量とに関する面、並びに、補償機及び相互接続線電圧に関する面を改善する。瞬間型昇圧器は、故障時に利用可能な電圧レベルと、発電、送電、及び電力利用といった幅広い応用分野で使用される電動機、発電機及びパワーエレクトロニクスで許容可能な電流レベルを最大限に利用する。

瞬間型昇圧器は、大量の電力を扱う低コストの風力発電機群とこれらの相互接続に対し、最も効率良く且つ経済的な解決策を提供し、その際通常運転中に過度の温度上昇をきたすことがないが、一時的に定格の構成要素を利用して、回転機、電力補償機、静止電力変換装置等の電力工学設備近傍の電圧を上昇させる、コスト効率のよい洗練された設計が容易に可能である。
分散型発電の相互接続における送電の安定性が一時的に向上し、（（抵抗性の）一時的に定格の）電圧上昇用コンポーネントを直ちに挿入する事により猶予時間が確保され、発電機近傍の電圧が上昇するので、電気エネルギーの減衰及び消費の増大を招き、そうでない場合も、発電機を加速し、相互接続及び機械系の安定性に悪影響を与える。

「猶予」という表現は、第一義的には、何らかの困難又は不快な状態からの短い休息又は開放期間を意味し、二義的には、何らかの悪条件の発生が停止して状況が一時的に改善する短い時間を意味する。
発電、送電、及び本特許出願の利用における猶予という単語の使用には、新規のエネルギー源、いわゆる「新しい再生可能エネルギー」、特に風力エネルギーや太陽熱エネルギーを発電用に利用するために、多大の努力が払われているという背景がある。これらのエネルギー源の大部分は、ヒトが住まないような場所で利用可能である。更に、これら新エネルギー源は、欠失の危険無しで簡単に互換できるエネルギーではない。このことは、他のエネルギー源が、電力の不足を満たすために必要とされることを意味する。これらを総合的に考えると、発電系と負荷系の相互接続にストレスが掛かることを意味する。

故障発生時には、自動通信により数分の１秒以内で行われる故障状況の把握のための猶予時間が必要となる。新型のデジタル通信システムは、処理時間の合計が数分の１秒又は１秒であることを特徴とする。また、新型の広域送電及び分配、並びに再生可能な集電システムは、数秒内にある状態から他の状態へ移行すること、最悪の場合には崩壊を特徴とする。
電力ネットワークの障害に迅速に対応できる費用対効果の高いハードウェアは、故障発生の際に適切な第一の処置を行い、通信を行って故障状況を把握するための猶予を与えるのに有用である。本発明では、発電機に直列に挿入されるエレメントとして、コスト効率の面から好ましくは使用電圧１ｋＶ以下の、一時的に機能する機器を導入する。本発明は一般的に、高圧線路（ＨＶ）に直列又はＨＶ間の相互接続に使用されるが、低圧線路（ＬＶ）に直列素子として設置されると更にコスト効率が高まる。

本発明では、短絡故障の際に角速度及び電圧値等の必須パラメータを測定し、必要に応じて、コンピュータによる故障状況の自動解析を行うためにそれら測定値を通信するための猶予時間を導入する。本発明では、風力発電に関する最悪の事態の実用的な定義付けから焦点を移し、最悪の事態をやや上回る風力発電を取扱う。本発明は、合理的な電圧を有する電源からの無効電力の支援を促進し、電力ネットワークに応答と修復のための時間的猶予を与える。
最近、風力発電が環境に対して安全な、比較的低コストの代替エネルギー源として益々注目を集めている。この関心の高まりと共に、効率的で信頼性のある風力発電の開発に多大の努力が払われてきた。この結果、事故発生後における風力発電機群の再稼動性が、代替可能な電力ネットワークを形成する伝送線路、配電線路、及び集電線路等の相互接続システムの動作における必須要件として、地域レベルで浮上してきた。

一般に、タービンは、種々のエネルギー源による異なった形態の機械力の間の変換を行う回転電機に接続される。これらのエネルギー源の一部、例えば、化石燃料又は核燃料から発生する蒸気、ダムからの水力等は、制御し易く、保存可能である。一方、他の形態のエネルギー、例えば風力エネルギーは、制御が困難で保存性が無く、場合によっては、相互接続システム動作に地域レベルで連鎖反応が生じ得るような大きな故障により、風力発電機群の接続が切断された後では、完全に浪費される。発電機を調整可能な速度で回転させるタービン以外の全てのタービンの制御は緩慢であり、静止電力変換装置は、従来の定速度の発電所よりも優れた発電制御機能を提供する。
相互接続は、電力を発電機から負荷、即ち電動機類に転送するために使用されるが、短絡事故に晒される。この結果、例えば、過剰な無効電流によって電圧レベルが降下し、そのような低電圧は送電能力を減少させ、その結果タービン設備内の過剰電力、及び電動機負荷への電力供給不足をもたらす。

当業者であれば、添付図面と併せて以下の詳細な説明を読むことにより本発明の他の特徴及び利点を更によく理解するであろう。

発明の詳細な説明
図１に電力ネットワーク１の一部を示す。本ネットワークは、接続線５により伝送ネットワーク３のグリッドポイント４に接続するネットワークに電気エネルギーを供給するか、又は該ネットワークからの電気エネルギーを消費する装置２を備える。本発明の制御デバイス６は接続線に設置される。制御デバイスは、昇圧手段７、コンピュータ手段８、データ及びコンピュータプログラムを記憶する記憶手段９を備える。図１にＸ印で示す本ネットワークの位置には、複数の開閉制御装置が設けられている。本図に示す電力ネットワークは、単相のネットワークでも、複数相のネットワークでもあり得る。一般的には、３相の電力ネットワークである。
図２に示すダイアグラムは、グリッドポイント４における事故発生時の事象を時系列で示す。時刻ｔ_０に事故が発生すると、図示のように、電圧は公称電圧である１ｐｕから０．８ｐｕに降下する。第一の開閉制御装置の作動時間は、ｔ_２−ｔ_１であるので、接続線は時刻ｔ_２で切り離される。図２に示す実施例は、電力ネットワーク上で起こり得る状況の一例である。

図３に示すダイアグラムでは、時刻ｔ_０に故障が発生するという事象は同じであるが、昇圧手段６と装置２の間の接続線５ａにおける電圧の推移が示されている。故障発生時刻ｔ_０の直後の時刻ｔ_３において昇圧手段が起動され、電圧は、略、公称電圧に復帰する。装置の保護デバイスは電圧降下を検知しないので、これらの保護デバイスは作動しない。故障発生時のこの第一の期間中、装置は接続されたままであり、この期間は次の処置を決定するまでの猶予期間となる。昇圧手段を介して急激に電流が流入することにより、急速な温度上昇が発生する。猶予時間の持続時間は、故障の程度に応じて様々である。本発明によって達成される効果を図３の矢印で示す。
図４に、昇圧手段７の好適な実施形態を示す。第一の電路１０は、電力用開閉器１２を備える。この開閉器は、通常閉じており、電流は第一の電路を通って抵抗を介さずに流れる。第二の電路１１は、抵抗手段１３を備える。図４に示す実施形態の抵抗手段は、抵抗エレメント１４を含む。しかしながら、抵抗手段は、電流に対する抵抗を生成するどのような要素を含んでもよいことに注意されたい。ネットワーク上に故障が発生すると、電力用開閉器はオープン状態となり、それにより電流は第二の電路へと迂回する。これにより、電流は抵抗を経由することになり、電位は上昇する。

図５には、昇圧手段の別の実施形態を、当業者に自明な記号を用いて示す。第一の実施形態Ａは抵抗器であり、第二の実施形態Ｂは単巻トランスである。Ｃは抵抗付きの単巻トランスであり、Ｄは装置のＹ−Δ結線である。Ｅは変圧器であり、Ｆはパワーエレクトロニクス機器の直列接続であり、Ｇは並列接続されたパワーエレクトロニクス機器である。図５に示す昇圧手段の実施形態は、本発明を理解するための実例形態の一部に過ぎない。
通常状態においてバイパスされるリアクタ／単巻トランスは、電動機に猶予時間を提供し、電動機駆動部の遷移電圧の安定性を改善するための物理的実施例である。例えば図６の左側を参照されたい。このような問題となる電動機駆動部は、例えば、化石燃料又は核燃料から生成される水蒸気を使用する発電所内のポンプ用モータとして利用される。他のこのような問題となる電動機駆動部は、金属処理におけるファンモータである。進歩的なステップは、電動機を安定化するために昇圧器を使用することである。

さらに高価な実施例は、変圧器の巻線の巻数を一時的に変更することにより、より高価な電力用「ステップアップ」変圧器を具体化することである（この変圧器は、固定巻線比の変圧器として殆んど常時使用され、発電機の端子電圧を相互接続の端子電圧に適合させる）。従来の用語に近い表現は、「負荷時タップ切り換え器付きの電力用変圧器、即ちＯＬＴＣ付きＰＴ」である。さらに高価な電力用変圧器を備えた実施形態では、巻線比を大幅に変更し（従来型のＯＬＴＣの±５％又は１０％以内）、故障電圧レベルからの昇圧を生じさせることである。これにより、風力発電機には、１％以内のコスト上昇が見込まれるが、このコスト増は、運転効率の向上によって回収できる。風力発電機の多くは既に、発電機及び静止電力変換装置用に分離型のＰＴタップを備えているので、本発明の電力用ステップアップ変圧器のコスト及び複雑性の増大は小さいものである。
発電機と電動機の双方で利用できる他の具現化法は、いわゆる、Ｙ−Δ結線を用いて、本発明を具現化することである。

回転機器分野の当業者には、遷移時の負荷を低く保つため、電源を中断させてはならないことは周知である。従って、Ｙ−Δ結線、タップの切り替え、リアクタ／単巻トランス、抵抗等は、無停電、又は電流を流せる状態で具体化されるべきである。Ｙ−Δ結線の無停電切り換えは、知られていない。
シャント部材として接続されるパワーエレクトロニクス制御器は、前述の物理的実施例を利用する。これら制御器は、昇圧のため風力発電機の出力端に接続されることが好ましい。無効電力のソースとシンクを改善するために使用する場合、相互接続のグリッドポイントにおける故障の間、これら制御器は、図７の通常状態でバイパスされるリアクタ／単巻トランス、又は単に単巻トランスだけで昇圧可能である。

無効電力（ソース及びシンク）だけの場合、有効損失は、適度に低く抑えねばならない。この「適度に」という用語は、無効電力のソース及びシンクからの出力を一時的に増大するために純抵抗分を使用できないことを示すために使用する。
風力発電群として描かれている分散型発電（ＤＰＧ）システム内に内蔵されている瞬間型昇圧器を図９の左部に示す。これらの瞬間型昇圧器は、好ましくは通常電圧レベル１ｋＶ未満で発電機と電力用ステップアップ変圧器の間に埋め込むことが可能であるが、特に限定するものではない。瞬間型昇圧器は更に、ステップアップ変圧器の外側に、収集した電圧レベルで埋め込んで使用することも可能である。これらの組み合わせは、図８に示すように使用することもできる。

相数の増加を、Ｎ＊３φとして図９に示す。コスト効率のよい低電圧制御として、相数を増やす事は有効であり、公称電圧を１ｋＶ未満にした開閉制御装置及び部材を３〜４ＭＷ超のＤＰＧシステムに使用することができる。二つの三相システムは、通常運転中は負荷を分担し、発電機や電動機のような回転機器がΔφ＝３０°の位相差で相互接続されている場合、非対称な故障が発生すると互いに援助し合う。Ｎ＊３φシステムの範囲を、発電機とステップアップ変圧器だけに任意に選択することができるか、又は集電グリッドまで拡大することができる。これにより、ＤＰＧシステムの設計者は、非対称の故障が発生した場合のコンポーネントに対する悪影響、特に機械駆動系統のコンポーネントに対する悪影響を低減するだけでなく、電力システムコンポーネントに対する影響を減少させることができ、よってこれは瞬間型昇圧器の新規な面と見なすことができる。
瞬間型昇圧器は、大量の電力を扱う廉価な風力発電機群とそれらの相互接続に対する解決策であり、通常運転状態において異常な温度上昇を生じさせることなく高い実現性とコスト効果を有し、更に、回転器、電力補償器、静止電力変換装置のような電力用機器を用いる風力発電機群周辺の電圧を上げるため、一時的に定格運転用のコンポーネントを利用するコスト効率のよい洗練された設計が容易であるという長所を有する。

一般的に、全ての回転機器及び静止電力変換装置は、隣接する相互接続に故障が発生した場合、その周辺の電圧を増大させる昇圧コンポーネントによって一時的に順応させることができる。昇圧器は、対称形でも、非対称形でもよい。
先行技術や電力会社の需要と異なり、本発明は、ネットワークそのものを、低電流で高いシステム電圧に維持する可能性を増大させる。

本発明の種々の改変や変更は、前述した説明を参照することにより、当業者に自明である。説明のために図示及び記述した具体的な実施形態は、何らの限定性を有するものでないことを了解されたい。従って、種々の実施形態の細部に関する説明は、特許請求の範囲を制限することを意図せず、単に本発明に必須と見なされる特徴を列挙しているに過ぎない。
動作の基本原則は、電圧が規定値より降下した時、瞬間型昇圧器を出来るだけ早く起動させることである。（終端）電圧を出来るだけ迅速に上昇させるあらゆる対応策が、時間的猶予を確保するために利用可能である。従来型の風力発電機と異なり、実効損失は、システム効率を向上させるため、高いコスト効率で利用される。この方式は、発電機を電動機のように見なす場合には適用できない（電力方程式に負の符合のみを有する）。従来型の電動機駆動部及び発電機の無効電力のソース及びシンクと異なり、一時的に定格運転する電磁回路は、特に静止電力変換装置における低システム電圧の影響を克服するのにコスト効率が高い。

更に、本発明は、通信、保護、検知、及びこれらの制御等を行う装置にも関する。この装置は、アナログ、デジタル、或いは、その双方を使用して構成可能であり、専用目的のために特別に構成できるか、又はコンピュータに保存されたプログラムにより選択的に起動又は再構成される汎用コンピュータを備えることができる。このようなコンピュータプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体、コンピュータのシステムバスに連結された電子命令を保存するためのあらゆる種類の記憶媒体に保存することができる。ここで述べた原理及び構成は、特定のコンピュータ又は他の装置に固有なものではない。種々の汎用機を、本発明の教示に基づいたプログラムに使用可能である。或いは、必要な方法の実行に特殊化した装置を構築する方が簡便である場合もある。通信、保護、感知、制御等のためのこれら様々な機器に必要とされる構成は、本発明の範疇に属さない。本発明はまた、特定のプログラム言語に関して開示されるものでもない。

図１０に、コンピュータプログラムのブロック図を示す。本プログラムは、記憶手段を有するコンピュータ手段でプログラムを実行することにより、前述した方法を実行する。ネットワークの遠隔センサが異常を検知すると、コンピュータプログラムは、直ちに、装置とグリッドポイント間の接続線に流れている電流を迂回させ、接続線の電圧に作用する。一実施形態においては、この機能は、電流路に抵抗手段を挿入することによって実施する。この電流迂回操作は、低速ではあるが、装置を稼動状態に保つ。これにより、故障状況の評価を行って次に行なうべき処理を決めるための時間的猶予を生む。このように、猶予時間の最初の時間帯は、このような評価を行うために形成される。この最初の時間帯の終了時点において処置が実施されて第一の時間帯に続く第二の時間帯が開始され、この第二の時間帯は、第二の検証と第二の処理を決定するための猶予時間となる。各猶予時間帯の間に故障状況が消滅する場合がある。このような場合、電流を通常の状態に戻す。故障状態が解消しない場合、事故状態は深刻であり、安全処理が必要な状況を示している。このような場合、主開閉制御装置の回路が開き、装置はネットワークから切離される。また、第三の場合、故障は一時的で、深刻でない。このような場合、第二の猶予時間帯において、回路の再構築を行う場合もある。例えば、Ｙ−Δ結線の再編などが考えられる。

様々なプログラム言語を使用して、本明細書で述べた本発明の概念を実施することができると理解されたい。

故障時における本発明の電力ネットワークの一部の概略図である。 グリッドポイントにおける電圧の時間の経過に伴う推移を示す。 本発明による装置と昇圧手段の間における電圧の時間の経過に伴う推移を示す。 昇圧手段の一実施形態を示す。 昇圧手段の複数の実施形態を示す。 回転機器、無効電力のソース及びシンク、並びに静止電力変換装置の概略を示す。 相互接続グリッドの故障に対処する新型速度／フェーザーのための回転器機及び静止電力変換装置の駆動系の概要表である。 相互接続グリッドの故障に対処する新型無効電力操作の、回転器機、電子機器、及びパワーエレクトロニクスの概要表である。 電力の収集及び伝送のための風力発電機群及び相互接続の概略図であり、本発明によるデバイス、並びにネットワーク内のセンサ及びアクチュエータとの通信機能を示す。 検知データの処理、次に取るべき処置の評価、及び電流迂回手段への作用を実行するコンピュータプログラムのブロック図である。

Claims (13)

1. 電力ネットワーク（１）内の伝送ネットワーク（３）のグリッドポイント（４）に接続線（５）を介して接続された装置（２）を故障時に制御するデバイス（６）であって、
   デバイス（６）が第一の昇圧手段（７）及び第二の昇圧手段を備えており、
   第一の昇圧手段が、開閉手段（１２）を含んでグリッドポイントに接続された第一の電路（１０）と、電流に対する抵抗手段（１３）を含む第二の電路（１１）とを備えており、且つ、第一の昇圧手段が、ネットワーク上に感知された故障状態の信号を処理し、開閉手段の動作に作用することにより故障時に少なくとも電流の一部を第二の電路へと迂回させ、次に取るべき処置の検証をするためのコンピュータ手段（８）を備え、
   第一の昇圧手段により付与される第一の評価期間が経過した後に、第二の昇圧手段が動作することで第二の評価期間が開始することを特徴とするデバイス。
2. 開閉手段（１２）が、電流を第二の電路へと迂回させるための電力用開閉器を備える、請求項１に記載のデバイス。
3. 電流抵抗手段（１３）が抵抗エレメント（１４）を備える、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 電流抵抗手段（１３）が単巻トランスを備える、請求項１又は２に記載のデバイス。
5. コンピュータ手段が記憶手段（９）を備える、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のデバイス。
6. 第一の装置（２）、伝送ネットワーク（３）、及び第二の装置を有し、両装置が伝送ネットワークのグリッドポイント（４）に接続線（５）を介して接続されている電力ネットワーク（１）であって、
   接続線が、第一の昇圧手段（７）及び第二の昇圧手段を含む制御デバイス（６）を備えており、第一の昇圧手段が、開閉手段（１２）を含む第一の電路（１０）を備えており、且つ第一の昇圧手段が、電流抵抗手段（１３）を含む第二の電路（１１）を備えており、開閉手段が開いている時に電流が第二の電路に迂回し、
   第１の昇圧手段により付与される第一の評価期間が経過した後に、第二の昇圧手段が動作することで第二の評価期間が開始することを特徴とする電力ネットワーク。
7. 制御手段（６）がコンピュータ手段（８）を備える、請求項６に記載の電力ネットワーク。
8. ネットワークが、ネットワーク上の故障を検知する検知手段を備える、請求項６又は７に記載の電力ネットワーク。
9. ネットワークが、制御デバイス、センサ、及びアクチュエータ間で信号を交換するための通信手段を備える、請求項６ないし８のいずれか１項に記載の電力ネットワーク。
10. 電力ネットワーク（１）内の伝送ネットワーク（３）のグリッドポイント（４）に接続線（５）を介して接続された装置（２）を故障時に制御する方法であって、
    −故障状態を検知すること、
    −第一の期間中に、装置の第一の動作状態を実施すること、
    −第一の期間中に、実施すべき第二の動作状態を評価すること、及び、
    −第二の動作状態を実施して、実施すべき状態を更に評価するための第二の期間を開始することとを有し、
    第一の動作状態が、電流を迂回させて第一の昇圧手段を通過させることを含み、
    第二の動作状態が、電流を迂回させて第二の昇圧手段を通過させることを含むことを特徴とする方法。
11. プロセッサに請求項１０に記載の方法を実行させるための命令を含むコンピュータプログラム。
12. 少なくとも部分的にインターネット等のネットワーク上に提供される、請求項１１に記載のコンピュータプログラム。
13. 請求項１１又は１２に記載のコンピュータプログラムを含むことを特徴とする、コンピュータで読み取り可能な記録媒体。

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