JPH05211732A - 並列接続電力安定化装置 - Google Patents
並列接続電力安定化装置Info
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Abstract
のみ、または該負荷と電源との両方に電力を供給するた
めの遮断スイッチを備えた並列接続超伝導電力安定化装
置に関し、電圧低下や瞬間停電の際、負荷に電力を安定
に供給すると共に、遮断スイッチによって負荷を電源か
ら迅速に切り離すようにすることを目的とする。 【構成】 遮断スイッチを有し、蓄積した電力を負荷、
ユーティリティ系統、電源などに供給し、電力バックア
ップ・復旧装置は、超伝導磁石にエネルギを蓄積し、蓄
積したエネルギを有効電力・無効電力発電機に与え、こ
の有効電力・無効電力発電機は、負荷のみ、または負荷
と電源との両方に電力を供給し、電圧低下または停電の
期間中、遮断スイッチは電源から対象負荷を切り離し、
該負荷のみに電力を供給して電力障害を乗り切るように
し、電力安定化装置から対象負荷のみに電力を供給する
ことで小型の超伝導磁石を使用できるように構成する。
Description
直流)負荷のみ、または該負荷と電源との両方に電力を
供給するための遮断スイッチを備えた並列接続電力安定
化装置に関する。特に、本発明は、電圧低下や瞬間停電
の際、負荷に電力を供給すると共に、遮断スイッチによ
って負荷を電源から切り離すために超伝導を利用した電
力安定化装置に関する。この超伝導電力安定化装置は、
電源が電圧低下や瞬間停電から回復するまで、負荷と電
源とに同時に電力を供給することもできる。
来超伝導エネルギ蓄積装置は、交流系統からの電気を蓄
積すると共に、蓄積した電気を該交流系統に戻すように
構成されている。代表的な装置は、電力需要が少なく余
裕電力がある期間に電力を蓄積し、電力需要が高まると
蓄積した電力を電力系統に戻す。
(Peterson)等の米国特許第4,122,51
2号は、可逆交直変換器を使用し、交流系統からの交流
を直流に変換し、それを超伝導磁石に蓄積し、蓄積した
直流を再び交流に変換して前記交流系統に戻す。この装
置は、交流系統に対して効率的な電力の蓄積および放出
を行うが、負荷へ電力を直接供給することはない。ヒガ
シノ(Higashino)による米国特許第4,69
5,932号は、超伝導エネルギ蓄積回路を開示する。
この回路は3相交流を直流に変換し、それを超伝導エネ
ルギ蓄積コイルに蓄積する。直流コンデンサとチョッパ
回路とを使用し、超伝導エネルギ蓄積コイル内の直流の
量を制御する。この構成は、コイルの電流定格によって
決まる供給能力に応じ、交流供給機器と変換器との電流
容量を減少できるうえ、運転損失を削減できる。
電力系統に対して効率的に電気を蓄積し再供給するが、
電力系統から負荷を切り離したり、蓄積した電力を負荷
に直接供給することはない。このため従来装置は、電力
系統および該電力系統に接続する全負荷を支援するに十
分な発電を行わねばならない。このような高レベルの支
援を実現するため、従来の超伝導エネルギ蓄積装置は、
電源容量および電力容量を大きくする必要があり、物理
的にも巨大とならざるを得なかった。
conductivity)社のビセル(Visse
r)等に1990年10月9日に付与された米国特許第
4,962,354号は、超伝導電圧安定器を開示す
る。この装置は、交直変換器と電圧調整器とエネルギ蓄
積セルと超伝導エネルギ蓄積コイルとを備え、交流を直
流に変換し、それを超伝導エネルギ蓄積コイルに蓄積す
る。蓄積した直流電力をエネルギ蓄積セルに転送し、そ
の蓄積セルから負荷に電力を供給する。負荷へ供給する
電力を負荷の電力要求に応じて制御することにより、負
荷の動作を維持する。本発明は、この米国特許第4,9
62,354号を参照している。
ッチを有する並列接続超伝導電力安定化装置は、電力系
統または電源線に接続すると共に、該電力系統から電力
を受ける少なくとも1つの交流または直流負荷に接続す
る。この並列接続超伝導電力安定化装置は、超伝導誘導
エネルギ蓄積装置に電力を蓄積し、電圧低下および停電
の際、蓄積した電力を前記負荷のみに、または該負荷と
電力系統とに同時に供給する。この電力の供給は、ほぼ
瞬時に行われる。
tility)系統から対象負荷を切り離し、該負荷の
みに電力を供給し、その動作を続行させる。このため負
荷は、一時的な電圧障害を乗り切ることができる。この
ように実質的に負荷を切り離すことによって、電力系統
を支援し電圧低下や瞬間停電から回復させる。前記遮断
スイッチを作動させなければ、負荷と電源との両方に電
力を提供することもできる。
続電力安定化装置の遮断スイッチは、電源から対象負荷
を切り離すと同時に、該負荷に電力を供給し始める。電
源からの負荷の切り離しは、数分の1ミリ秒で完了す
る。これを実現するため、前記遮断スイッチはサイリス
タを備える。これらサイリスタは、直交変換器の出力に
よって逆バイアスし、障害が発生すると自動的にオフの
ままとなる。前記遮断スイッチのサイリスタはGTOで
も良い。この場合、障害発生時にゲート信号を送っては
ならない。電源が復旧すると、有効電力発電・無効電力
補償装置はその出力と電源との同期を取り、遮断スイッ
チはオンする。
は、負荷のみ、または該負荷とユーティリティ系統との
両方に電力を供給すべく迅速に応答し、長時間にわたっ
て確実に動作する。この装置の超伝導磁石は耐久性があ
り、サイズにもよるが、毎分約1回の充放電を行う。寿
命は極めて長く、少なくとも100万回の充放電ができ
る。
は、ユーティリティ系統にバックアップ電力を供給する
と同時に負荷にも電力を供給できる。この場合、遮断ス
イッチのサイリスタを連続作動させ、電源線と負荷との
両方に電力を供給する。有効電力発電・無効電力補償装
置は、負荷および電源線に有効電力を供給すると共に、
一次電源に連続的に無効電力支援を行う。有効電力発電
・無効電力補償装置は、無効電力補償モードにおいて、
100%進みから100%遅れまでの負荷無効電力変化
を1サイクル以下で補償する。
力発電・無効電力補償装置は、電力バックアップ・復旧
装置から電力を受け、負荷に有効電力を供給する。負荷
のみへの電力の供給は、遮断スイッチを使用して行う。
実際には、該遮断スイッチは、電圧低下または停電の
間、電源から対象負荷を切り離す。この遮断スイッチが
無いと、超伝導エネルギ蓄積装置は、対象負荷だけでな
く、電力系統に接続する障害を発生させた装置も含めた
全装置を支援しなければならない。これは大電流を必要
とするため、装置は巨大になり実用的でなくなる。遮断
スイッチによって負荷を切り離すようにすれば、比較的
小型の超伝導磁石で十分となり、遮断スイッチが無い場
合に必然的に超伝導磁石が大型となって極めてコストが
高くなるのに反し、経済的な装置を実現できる。また超
伝導磁石は、例えばバッテリなど他のエネルギ蓄積装置
に比べ、物理的空間を占める割合も比較的小さい。
ッチを有する並列接続超伝導電力安定化装置10を示
す。この装置は超伝導電力バックアップ・復旧装置20
を有する。該装置20は、電力を蓄積し、少なくとも1
つの負荷のみ、または該負荷と交流(または直流)電源
との両方に、蓄積した電力を供給する。超伝導電力バッ
クアップ・復旧装置の1例はビセル等の米国特許第4,
962,354号が開示しており、本発明はこの米国特
許第4,962,354号を参照している。電力バック
アップ・復旧装置20は、交直変換器22を含む。交直
変換器22は、複数の電磁遮断器26を介して電源24
に接続する。交直変換器22は、電源24から3相電力
を受け、それを直流に変換する。変換した直流電力は、
超伝導電力誘導エネルギ蓄積装置28または超伝導磁石
(マグネット)に蓄積する。この詳細は当業者に公知で
ある。複数の遮断器26は、保守またはテスト時に電源
24から交直変換器22を切り離す。
介して電源24に接続する。水冷却冷凍器30は、超伝
導磁石28の温度を維持するための冷凍装置と、超伝導
電力安定化装置が使用する各種高出力電子機器を冷却す
るための水冷器とを含む。電力バックアップ・復旧装置
20は電圧調整器34を含む。電圧調整器34は、交直
変換器22と超伝導磁石28とに接続し、超伝導磁石2
8への電気の蓄積と該磁石からの電気の供給とを制御す
る。電圧調整器34はスイッチング回路を備える。本実
施例において、このスイッチング回路は、閉じた場合に
超伝導磁石28に電力を蓄積し、開いた場合に該超伝導
磁石28からエネルギ蓄積セル36に電力を供給する。
エネルギ蓄積セル36は電圧調整器34に接続する。エ
ネルギ蓄積セル36は、超伝導磁石28から得た電力を
蓄積し、装置の他の部分にその電力を供給する。エネル
ギ蓄積セル36は、コンデンサバンクで形成でき、電圧
調整器34の一部として、または有効電力発電・無効電
力補償装置44の一部として内蔵できる。有効電力発電
・無効電力補償装置44の詳細は後述する。
積および供給に関する各部の動作を制御する制御回路を
備える。交直変換器22と超伝導磁石28と電圧調整器
34とは、各制御線を介して制御器38に接続する。こ
れら制御線は、各機器の状態をモニタすると共に制御情
報を各機器に送る。図には1本の制御線しか示していな
いが、各機器への制御線の数は、当業者には明らかなよ
うに、必要に応じて選択する。電力バックアップ・復旧
装置20とエネルギ蓄積セル36とを含むこれら装置の
動作は、前記参照特許に説明されている。
出力線40,42を含む。これら出力線は有効電力発電
・無効電力補償装置44に接続する。制御線46は制御
器38と有効電力発電・無効電力補償装置44とを接続
し、該装置44の機能をモニタし制御する。有効電力発
電・無効電力補償装置44は、3本の出力線47,4
8,49を介して移相変圧器50に接続する。移相変圧
器50は、線51,52,53を介してエネルギ蓄積セ
ル36に蓄積した電力を少なくとも1つの負荷、あるい
は該負荷とユーティリティ電源との両方に送る。
有効電力と無効電力とを発生する。電圧低下や瞬間停電
が生じた場合、有効電力発電・無効電力補償装置44
は、電力バックアップ・復旧装置20によって駆動さ
れ、負荷に対して有効電力および無効電力を提供する。
電力系統が通常に動作している場合、有効電力発電・無
効電力補償装置44は、無効電力を発生しあるいは無効
電力補償を行い、電源24を連続的に支援する。この無
効電力補償モードは、100%進みから100%遅れま
での負荷の無効電力変化を交流の1サイクル内で補償す
る。
ンバータを含む。これらインバータは、エネルギ蓄積セ
ル36が蓄積しているエネルギを交流に変換する。この
詳細は当業者に公知である。
整し、有効電力発電・無効電力補償装置44(詳細は図
4および5を参照して後述する)が内蔵するインバータ
の出力電圧レベルを調整する。これによって該インバー
タから電源24の電圧より高いあるいは低い出力電圧を
提供する。これら出力は、進み無効電力および遅れ無効
電力を各々提供する。
圧器50の出力線51,52,53に接続する。過電流
防止スイッチ54は、3相電源の各線に接続した3個の
過電流防止器を有する。過電流防止スイッチ54には保
守用機械電気式バイパススイッチ56が接続する。3相
電源線は、バイパススイッチ56を介して負荷58と接
続する。バイパススイッチ56は、保守または修理期間
中および負荷側における何等かの障害状態中、並列接続
電力安定化装置をバイパスし、電源24と負荷58とを
直接接続する。
とを接続すると共に、電源24と移相変圧器50の各線
51,52,53とを接続する。遮断スイッチ60は、
第1スイッチ62と第2スイッチ64と第3スイッチ6
6とを備える。これらスイッチは、負荷58への3相電
源線と移相変圧器50の各線51,52,53とを各々
接続する。第1〜第3スイッチ62,64,66の各々
は、1対の背向半導体制御整流器(サイリスタまたはゲ
ートターンオフデバイス(GTO))を有する。これら
整流器のゲートは、図では1本線で示す制御線68を介
して制御器38と接続する。遮断スイッチ60の各要素
は、無停電電源装置(UPS)などに適用される市販品
である。このスイッチは通常開いた状態になっており、
無停電電源装置が停電を検出した場合のみ閉じる。この
動作は図1のスイッチ56と同じである。
24と負荷58とを接続する3相線に配置する。第1断
路器70は過電流防止スイッチ54と遮断スイッチ60
との間に配置し、第2遮断路72は負荷58と移相変圧
器50の線51,52,53との間に配置する。第1お
よび第2断路器70,72は、超伝導電力安定化装置の
動作中は閉じている。これら断路器70,72は、制御
線(図示せず)または当業者に公知の機械動作を通じて
制御器38により制御される。
モードで動作する。第1モードにおいて、遮断スイッチ
60は、電源24から負荷58を切り離し、電力バック
アップ・復旧装置20と有効電力発電・無効電力補償装
置44と移相変圧器50とから負荷58のみに電力を供
給させる。第2モードにおいて、遮断スイッチ60は、
電力バックアップ・復旧装置20と有効電力発電・無効
電力補償装置44と移相変圧器50とから、電源24と
負荷58とに同時に電力を供給させる。
0は、内蔵するスイッチング素子の特性により、数分の
1ミリ秒内に回路を遮断する。第1〜第3スイッチ6
2,64,66のGTOは、有効電力発電・無効電力補
償装置44の電圧出力が電源電圧より高いと、逆バイア
ス状態を維持する。当業者には公知のように、これらス
イッチは、半導体制御整流器またはサイリスタによって
も構成できる。この場合、各スイッチは自動的に整流さ
れてオフを維持し、電源24から負荷58を切り離す。
場合、負荷58のみに電力を供給するので、比較的小型
の例えば定格250ワット時の超伝導磁石を使用でき
る。これは、経済的設計を可能にするばかりでなく、非
超伝導エネルギ蓄積装置よりも小型の装置を実現する。
電圧低下または停電の間、超伝導磁石は対象負荷のみを
支援する。遮断スイッチ60は、有効電力発電・無効電
力補償装置44のインバータが有効電力発電機として働
くよう、電圧低下や瞬間停電を引き起こした電源線から
負荷58をスムーズに切り離す。遮断スイッチ60が無
いと、有効電力発電・無効電力補償装置44は、小型磁
石では負荷58に十分な有効電力を供給できず、無効電
力補償と有効電力支援とのスムーズな移行を提供できな
い。
停電の期間中、対象負荷を支援する。この時、遮断スイ
ッチ60は電源24から負荷58を切り離す。これによ
り有効電力および無効電力負荷が減り、電力系統の他の
部分の電圧が上昇する。この電圧上昇は、電力系統の他
の負荷を停止させずに維持し得る。これが本発明の並列
接続電力安定化装置の特徴の1つである。このように本
装置は、負荷が停電などの障害を乗りきることを助け、
電力系統の電圧を安定させる。
く、これが経済的な装置を実現する。遮断スイッチ60
を用いない場合、電源線と負荷との両方を支援しなけれ
ばならず、極めて大型の磁石が必要となり、コストを大
きく引き上げてしまう。遮断スイッチ60を使用すれ
ば、電源線と負荷との両方を支援する場合に必要なメガ
ワット時の範囲の容量を、必要に応じてキロワット時の
範囲に縮小できる。
動作を示す。同図上部は、3相電源の各線の正弦波形で
ある。各波形A,B,Cは、遮断スイッチ60の第1〜
第3スイッチ62,64,66を通る3相線の各対応す
る相の電圧を示す。4番目の正弦波形Iaは、電源24
から負荷58に至る第1スイッチ62を通る線電流であ
る。
62のサイリスタのゲート動作である。このゲート動作
は、電圧ではなく線電流Iaに同期する。第1スイッチ
62の上部サイリスタは線Dで示すように動作し、第1
スイッチ62の下部サイリスタは線Eで示すように動作
する。第2および第3スイッチ64,66の各サイリス
タも同様に動作する。
荷とに同時に電力を供給する。この場合、遮断スイッチ
60の各サイリスタは連続動作し、電源と負荷とを逆転
させる。この結果、電力バックアップ・復旧装置20
は、負荷と電源とを同時にバックアップする。電源24
が通常の動作モードに戻ると、有効電力発電・無効電力
補償装置44はその出力を電源線に同期させ、遮断スイ
ッチ60は負荷と電源とを再接続する。
動作を示すタイミング図である。各波形の符号は図2と
同一である。ただし電流Ia´は、遮断スイッチ60を
介する電力バックアップ・復旧装置20から電源24へ
の電流である。つまりIa´の方向はIaと逆である。
前記したように、サイリスタのゲート動作は、線電流と
同期して行われる。
線電圧の値よりも高いまたは低い値において出力電圧を
供給し、それによって進みまたは遅れ無効電力を提供す
る。図4に示すように、有効電力発電・無効電力補償装
置44のインバータ74,76は、移相変圧器50を構
成する移相変圧器78,80に基づいて調整される。通
常運転の場合、エネルギ蓄積セル36のコンデンサ81
A〜81Dは、電源から充電される。インピーダンス
(有効電力発電・無効電力補償装置44の出力において
使用される移相変圧器78,80のインダクタまたは漂
遊インダクタンスであり、通常12パルス以上)は、ス
イッチング素子および変圧器自体のdi/dtを制限
し、無効電流を制御可能にする程度に十分大きくなけれ
ばならない。
44のインバータを駆動するためのパルス幅変調(PW
M)波形を示す。PWMインバータからより高いまたは
低い電圧を提供するには、インバータが内蔵するスイッ
チのバルス幅を変化させる。実際には、例えばアーク炉
や大型モータなどの誘導負荷を制御したり、無効電力補
償コンデンサをオン・オフする場合、無効電力要求は極
めて早く変化する(2〜3ミリ秒以下)。高出力(通常
250KW以上)インバータに使用するソリッドステート
スイッチは、このような早い無効電力変化に応答できな
い。しかし電力バックアップ・復旧装置20は、数ミリ
秒内にエネルギ蓄積セルまたはコンデンサバンクを要求
値に充電できる。遮断スイッチ60が比較的小型の磁石
の使用を可能にすると共に低出力インバータの使用も可
能にするので、無効電力要求に迅速に応答できるのであ
る。したがって電力バックアップ・復旧装置20は、パ
ルス幅変調と関連して、進みから遅れまでの無効電力支
援を高感度で提供する。
力発電機の通常運転中のPWM波形である。波形84の
垂直軸における線86は、標準的な無効電力発電機の動
作を通じて負荷に電力を供給するためのコンデンサバン
クの電圧レベルを示す。波形88は、遅れ無効電力発電
に対するPWM信号を示す。波形90は、進み無効電力
発電に対するPWM信号を示す。
28を使用する電力バックアップ・復旧装置20の進み
無効電力発電を示す。垂直軸にエネルギ蓄積セルの電圧
レベルを示す。線94は所定の電圧レベルを示す。負荷
条件が変化し、さらに多くの無効電力をシステムに供給
しなければならない場合、電源からの電力供給に頼る通
常の無効電力発電機は、電圧波形95のパルス期間また
はパルス幅を拡大することによってPWM信号を変化さ
せる。ところが負荷の変化は、通常の無効電力発電機に
おけるPWMの応答時間よりも早い。一方、本発明のコ
ンデンサバンク36の電圧は、時間98において超伝導
磁石28を放電することにより、急速に増加する(線9
6のVcap’)。その結果、本発明の有効電力発電・
無効電力補償装置44は、従来の無効電力発電機よりも
迅速に応答する。
れら説明は本発明を制限するものではなく、本発明には
本発明の範囲を逸脱せずに多くの変更形態が可能であ
る。
する並列接続超伝導電力安定化装置を示す構成図であ
る。
の、該電源の3相電圧波形と、該電圧波形の1つに対応
する線電流波形と、1対の背向型サイリスタのゲート動
作タイミングとを示す図である。
に電力を供給している場合の、3相電源の電圧波形と、
該電圧波形の1つに対応する線電流波形と、1対の背向
型サイリスタのゲート動作タイミングとを示す図であ
る。
合と有しない場合とにおける、通常、進み、および遅れ
動作に対する、有効電力発電・無効電力補償装置のイン
バータを駆動するパルス幅変調波形を示すタイミング図
である。
Claims (8)
- 【請求項1】 超伝導誘導エネルギ蓄積装置と、電力系
統に接続した入力端末と、出力端末と、制御信号を伝送
する制御端末手段とを有し、前記超伝導誘導エネルギ蓄
積装置に直流電力を蓄積すると共に蓄積した直流電力を
放出する、電力バックアップ・復旧手段と、 前記電力系統と負荷とを接続して両者間に電流路を提供
すると共に、前記制御端末手段に接続し、前記負荷を前
記電力系統から切り離す機能を果たす、遮断スイッチン
グ手段と、 前記電力バックアップ・復旧手段の前記出力端末に接続
した入力線と、前記遮断スイッチング手段と前記負荷と
の間において前記遮断スイッチング手段に接続した出力
線と、前記制御端末手段に接続し制御信号を伝送する制
御線手段とを有し、直流から発電を行う、発電手段とを
備え、 前記負荷への電力供給を支援すると共に該負荷を前記電
力系統から切り離すことにより、または前記電力系統と
前記負荷とに同時に電力を供給することにより、前記電
力系統とそれに接続する前記負荷との動作を安定させ
る、並列接続電力安定化装置。 - 【請求項2】 前記発電手段が有効電力を発電する手段
を含む、請求項1記載の並列接続電力安定化装置。 - 【請求項3】 前記発電手段が無効電力を発電する手段
を含む、請求項1記載の並列接続電力安定化装置。 - 【請求項4】 前記遮断スイッチング手段が、前記電力
系統の各線に接続した遮断スイッチを備える、請求項1
記載の並列接続電力安定化装置。 - 【請求項5】 前記遮断スイッチが1対の背向ゲートタ
ーンオフデバイスまたはサイリスタを備える、請求項1
記載の並列接続電力安定化装置。 - 【請求項6】 超伝導誘導エネルギ蓄積装置と、3相電
力系統に接続した入力端末と、出力端末と、制御信号を
伝送する制御端末手段とを有し、前記超伝導誘導エネル
ギ蓄積装置に直流電力を蓄積すると共に蓄積した直流電
力を放出する、電力バックアップ・復旧手段と、 前記3相電力系統と負荷とを接続して両者間に電流路を
提供すると共に、前記制御端末手段に接続し、前記負荷
を前記3相電力系統から切り離す機能を果たす、遮断ス
イッチング手段と、 前記電力バックアップ・復旧手段の前記出力端末に接続
した入力線と、前記遮断スイッチング手段と前記負荷と
の間において前記遮断スイッチング手段に接続した出力
線と、前記制御端末手段に接続し制御信号を伝送する制
御線手段とを有し、直流から有効電力と無効電力とを発
電する、有効電力・無効電力発電手段とを備え、 前記負荷への電力供給を支援すると共に該負荷を前記3
相電力系統から切り離すことにより、または前記3相電
力系統と前記負荷とに同時に電力を供給することによ
り、前記3相電力系統とそれに接続する前記負荷との動
作を安定させる、並列接続電力安定化装置。 - 【請求項7】 前記遮断スイッチング手段が、前記3相
電力系統の各線に接続した遮断スイッチを備える、請求
項6の並列接続電力安定化装置。 - 【請求項8】 前記遮断スイッチが1対の背向ゲートタ
ーンオフデバイスまたはサイリスタを備える、請求項7
の並列接続電力安定化装置。
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