JPH10513335A

JPH10513335A - 交流送電線のための動的電力／電圧調整装置

Info

Publication number: JPH10513335A
Application number: JP8523514A
Authority: JP
Inventors: ネルソン，ロバート，ジェイ; ラメイ，ドナルド，ジー
Original assignee: ウェスチングハウス・エレクトリック・コーポレイション
Priority date: 1995-02-01
Filing date: 1995-12-14
Publication date: 1998-12-15
Also published as: CN1175323A; CZ244997A3; TW299519B; AU4517796A; ZA96334B; MXPA97005868A; HUT77724A; KR19980701884A; WO1996024186A1; EP0807329A1; BR9510537A; PL321633A1; CA2211710A1; US5610501A

Abstract

(57)【要約】送電系統（１）において無効補償及び正の有効電力補償を行う装置（９）は、ソリッドステート・インバータ（１１）を用いて制御可能な大きさの且つ送電線電流に対して電気角＋９０°と−９０°の間で制御可能な位相角の直列補償電圧を送電線に注入する。インバータ（１１）により必要とされる正の有効電力は送電線（３）からその線に分路接続した整流器（１９）により引き出される。

Description

【発明の詳細な説明】交流送電線のための動的電力／電圧調整装置発明の背景発明の分野本発明は、交流送電線上の電力の流れを制御し動的な電圧調整を行う装置に関し、さらに詳細には、かかる交流送電線において無効電力補償及び正の有効電力補償を行う経済的な装置に関する。背景情報これまで、送電線上の電力の流れ方向及び大きさを制御する唯一の装置として電力系統のエンジニアに利用可能なものは位相角調整器（ＰＡＲ）であった。このＰＡＲは通常、相互接続した変圧器から成り、その１つは本質的に高負荷タップ切換え器である。ＰＡＲは系統オペレータに柔軟性を与えるが、速度が遅く信頼性の点で比較的評判がよくないため広く普及するに至らなかった。また、ＰＡＲは送電線に大きな直列インピーダンスを導入する。速度が遅く信頼性の点で評判がよくない主な理由は、機械式の負荷タップ切換え器を用いているからである。負荷タップ切換え器は最近の改良により信頼性が向上したように思えるが、速度が遅いため（タップ変化ごとに数秒、そして大きな角度変化は１分またはそれ以上）定常状態を除く場合は使用できない。この高い直列インピーダンスは２つの変圧器が接続されるためである。直列巻線の漏洩リアクタンスは、ＰＡＲ使用時は常に供給送電線に直列に現れる。励磁巻線の漏洩リアクタンスも供給送電線に直列に現れるが、角度に応じて変化する。移相器により送電線に挿入されるリアクタンスは極めて有意なことがある。実際、特にケーブル回路では、ＰＡＲが直列に接続された送電線のリアクタンスよりＰＡＲのリアクタンスの方が大きいことは珍しいことではない。ＰＡＲが比較的高いインピーダンスを持つ別の結果として、高い電力転送レベルにおいてＰＡＲがかなりの量の無効電力を消費する場合があり、通常、緊急事態の間適当な電圧調整を確実に行うためＰＡＲの近くに大型の無効電力源を配置する必要がある。ＰＡＲは制御速度が遅く比較的高いインピーダンスを有するため、過渡または動的安定性が問題となるであろう事態発生の間、電力系統上に存在することが好ましくないと通常、考えられている。過渡及び動的安定性の点についてはサイリスタ・スイッチングによりスイッチング速度を増加することが最近ある程度考えられているが、ＰＡＲの高い固有リアクタンスは大きな問題であり得る。これらの問題を考慮すると、位相角調整器が送電系統にそれほど使用されていないことは、他の既存の装置では得られない程度の送電線電力流の制御が位相角調整器により系統オペレータに可能となることを考えても、納得できる。最近、三相インバータにより直列変圧器を介して送電線に電圧を挿入し、送電を容易にする考え方が提案されている。本質的には、励磁変圧器の代わりに三相インバータが使用される。インバータは、ゲートターンオフ（ＧＴＯ）サイリスタを用い、自立装置として送電線に無効電力を供給するか或いは送電線から無効電力を吸収することができる。インバータをこのように使用する場合、その装置は直列電力流コントローラ（ＳＰＦＣ）と呼ばれる。かかるコントローラは米国特許第５，１９８，７４６号に開示されている。ＳＰＦＣは電圧を送電線電流に直角位相で注入する。従って、ＳＰＦＣは無効電力補償だけが可能である。ＳＰＦＣは有効電力を吸収する能力も発生する能力を備えていない。ＳＰＦＣを可変直列コンデンサまたはリアクトルに類似のものと考えると便利であるが、ＳＰＦＣはそれよりもかなり強力である。しかしながら、ＳＰＦＣが可変直列コンデンサと共有する短所は、小さな系統角における移相能力に制約があるため非常に小さい系統角では有効電力を転送する能力をほとんどもたないことである。移相するには別のディメンションが必要である。詳説すると、有効電力を直列インバータにより注入しなければならない。有効及び無効電力の挿入が送電線の有効及び無効電力の消費と異なる程度に、その差は注入される位相角として現れる。有効電力の交換を両方向（即ち、装置から系統へ、またその逆）で行うことができる場合、その装置は統一電力流コントローラ（ＵＰＦＣ）と呼ばれる。かかる装置は米国特許第５，３４３，１３９号に記載されている。この装置は、無効電力流、送電線インピーダンス、送電線の電圧の大きさ、及び送電線電圧の位相角を制御する能力を備えている。有効電力が交流−直流コンバータにより送電線から引き出され、直流リンクを介して直列インバータへ送られる。ＵＰＦＣは電力流の制御に大きな柔軟性を付与するが、分路接続の交流−直流コンバータが装置のコスト及び複雑さをかなり増加させる。１９９５年１月５日付け出願の本出願人が所有する米国特許出願第０８／３６８，９４７号は、制御要件が非対称的な用途において、直列インバータが発生する電圧にバイアス電圧をベクトル加算すれば、直列インバータと分路コンバータのＭＶＡ定格を減少できることを示唆している。しかしながら、この構成は依然として直列インバータと分路接続の交流−直流コンバータを必要とする。同じく本出願人所有の米国特許出願（弁護士整理番号：５８，３１９）は、送電線上における電力動揺を制限するため無効電力補償に加えて正と負の両方の有効電力を供給できる直列接続のインバータを開示している。必要な有効電力は送電線から独立した装置により供給される。正と負の有効電力は共にバッテリーまたは超電導磁石のようなエネルギー蓄積装置により供給可能である。電力揺動を制限するために必要な動的補償量が小さい場合、抵抗性インピーダンスのような正の有効インピーダンスだけを用いて正の有効電力のサージ発生時に送電線から有効電力を吸収することができる。これらの装置は有効電力の流れを調整するためにスイッチング制御をする必要がある。米国特許第５，３２９，２２２号は、電圧の低下を補償するために直流インバータが送電線に電圧を注入する動的電圧復元装置を開示している。この注入電圧の発生に必要な有効電力はコンデンサのようなエネルギー蓄積装置により供給され、好ましくはチョッパーのようなコンバータをコンデンサとコンバータの間に使用して直列インバータへ一定の直流入力を供給する。電力流の制御、或いは電圧の動的調整のために正の有効電力だけを注入する必要があるような用途が存在する。従って、有効電力補償を行うために付属のスイッチング装置を備えた分路コンバータまたはエネルギー蓄積装置を必要としない、交流送電系統の電力流制御装置に対する需要が存在する。経済的なこの種の改良型装置に対する関連需要が存在する。発明の概要上記または他の需要は、無効電力だけでなく有効電力を送電線に注入して経済的に補償を行うことができる、送電線用動的電力／電圧調整装置（ＤＰ／ＶＲ）に関する本発明により充足される。本発明は、好ましい実施例において、交流送電線に直列接続した有効電力源から給電されるインバータよりなる。インバータに供給される有効電力は分路接続整流器により送電線から取り出される。直列インバータは送電線に対して可変無効直列補償を行う固有の能力を備えている。有効電力源から給電される場合、本発明のように、インバータは送電線に対して有効直列補償を行う（即ち、送電線の直列抵抗を流れる電流により生じる抵抗性電圧降下を補償する）補足的な能力を有する。送電線の有効電力損失は常に正であるため、抵抗性の補償装置により供給される電力も常に正であり、本発明の装置は動作時送電線に「負抵抗」特性を与えるように見える。本発明の別の用途は、系統電圧が動的に変化する（即ち、系統電圧の低下）時、直列電圧調整を行うことである。これは、有効電力が整流器を介して送電線から引き出されるため、エネルギー蓄積装置を必要とせずに行うことができる。さらに詳細には、本発明は、交流電流を選択した送電線電圧で運ぶ送電線を含む交流送電系統を制御する装置であり、大きさと交流電流に対する位相角が制御可能な交流電圧を交流電流の基本周波数で発生させるスイッチング電力コンバータ手段と、スイッチング電力コンバータにより発生される交流電圧を送電線電圧に直列に結合する手段と、交流電圧の制御可能な大きさを制御し、交流電圧の制御可能な位相を交流電流に対して制御して−９０°と＋９０°の電気角の間の任意の位相角にすることにより調整可能な無効補償電力及び調整可能な正の有効補償電力を送電線に注入する制御手段と、送電線に分路接続され且つスイッチング電力コンバータに接続されてスイッチング電力コンバータに正の有効電力を供給する整流器手段とよりなる。図面の簡単な説明本発明は、添付図面を参照して好ましい実施例の以下の説明を読むと完全に理解できるであろう。図１は、本発明による動的電力／電圧調整装置の略図である。図２は、図１の動的電力／電圧調整装置の動作を説明するフェーザ図である。図３は、図１の動的電力／電圧調整装置の等価回路を示す。図４は、図１の調整装置の動的電圧調整動作を説明するフェーザ図である。好ましい実施例の説明図１は送電線３を含む交流送電系統１を示し、送電線３は典型的には三相であるが説明を簡略化するため単一線で示してある。送電線３はその２つの端部５と７の間で電流Ｉを電圧Ｖ_sで運ぶ。送電線３の電力流の制御または電圧の動的調整は本発明の動的電力／電圧調整装置（ＤＰ／ＶＲ）９で行う。ＤＰ／ＶＲ９は、本明細書の一部を形成するものとして引用する米国特許第５，３４３，１３９号に開示されたような電圧ソース型ソリッドステート・インバータ１１を含むのが好ましい。インバータ１１は電圧Ｖ_pqを発生し、この電圧の大きさ及び送電線３の電流に対する位相角は制御可能である。この補償電圧Ｖ_pqを直列変圧器１３を介して送電線電圧Ｖ_sに直列に注入する。この直列変圧器１３は送電線３に直列接続した一次巻線１５と、インバータ１１の出力に接続した二次巻線１７とを有する。叙上のように、直列変圧器１３により送電線３に直列接続されるインバータ１１は、送電線３に対して可変無効直列補償を行う固有の能力を備えている。また、有効直列補償を行うため、インバータ１１は有効電力の供給を受ける必要がある。本発明によると、有効電力は分路接続の整流器１９により送電線３から引き出される。整流器１９は分路変圧器２１により送電線に分路接続してある。整流器１９はコンデンサ２５よりなる直流リンクによりインバータ１１の直流端子２３に接続してある。電力は整流器１９により送電線から引き出すことができるに過ぎないので、インバータ１１が直列変圧器１３を介して正の有効電力を供給できるだけであり、米国特許第５，３４３，１３９号の統一電力流コントローラ（ＵＰＦＣ）ように有効電力を吸収することはできない。しかしながら、ＵＰＦＣは、整流器１９の代わりに有効電力の供給または吸収を行う交流−直流コンバータまたは他の装置を必要とする。しかしながら、整流器１９は交流−直流コンバータまたは他の装置と比べてかなり低コストである。整流器１９は図１に示す位相制御型整流器であるのが好ましいが、整流器への電圧を制御するチョッパーを備えた非制御型整流器でもよい。図２は図１のＤＰ／ＶＲの動作を説明するフェーザ図である。インバータ１１自体が電流Ｉと直角位相の電圧Ｖ_pqを発生可能である。インバータは、送電線に正の有効電力を供給できる附加的能力により、位相角ρが電流Ｉに対して電気角 −９０°と＋９０°の間の任意の値を取り得る電圧Ｖ_pqを発生できる。直列変圧器１３が送電線電圧Ｖ_sに直列に電圧Ｖ_pqを注入するため、得られる送電線電圧Ｖ´_sは電圧Ｖ_sとＶ_pqのベクトル和である。米国特許第５，１９８，７４６号に記載したソリッドステート直列リアクタンス補償装置は電流Ｉと直角位相の電圧Ｖ_pqを発生できるに過ぎないが、一方米国特許第５，３４３，１３９号のＵＰＦＣは電流Ｉに対する電気角が０〜３６０° の任意の角度で電圧Ｖ_pqを発生できる。従って、本発明のＤＰ／ＶＲは米国特許第５，１９８，７４６号のソリッドステート直列リアクタンス補償装置の機能を実行でき、またＵＰＦＣにより実行される機能の一部を提供できることが分かる。かくして、ほとんどの状況において、ＤＰ／ＶＲの特性を、ソリッドステート直列リアクタンス補償装置の特性だけでなくその有効電力源から抵抗性直列補償を行う補足的能力を加えたものと説明するのも理あることである。この抵抗性補償能力は、分路無効電力源の出力の制御により電圧が調整される、直列抵抗に対する直列リアクタンスの比率が比較的低い送電線（例えば、Ｘ／Ｒ比＞１０の送電線）では重要になる。これは送電線、副送電線または配電回路において通常起こるケースであろう。例えば、力率１の負荷に供給するＸ／Ｒ比が５の送電線では、端子電圧に対する抵抗による電圧降下の影響はリアクタンスによる電圧降下による影響の４倍である。電圧を公称値（電力系統の公称条件）に近い値に制御するには、送電線に大量の無効電力を循環させるか、或いは本発明のように有効電力による補償を用いる必要がある。必要な有効直列補償の量は、電圧制御機能を実行するに必要な分路無効電力の量と比べて小さい場合がある。例えば、１パ −ユニットの有効電力を供給する直列リアクタンスが（０．０２＋ｊ．１）パ− ユニットの短い電力線は、０．０２パ−ユニットの抵抗性補償または０．４パ− ユニットの終端無効補償（負荷端に０．２５パ−ユニットの容量性補償プラスソース端に０．１５パ−ユニットの誘導性補償）を用いることにより、単位端子電圧を ±０．５％の範囲内に維持することができる。電圧制御の目的のため、少量の有効電力補償が多量の端子無効電力に取って代わることができることが明らかである。ＤＰ／ＶＲを、電力線の直列リアクタンス及び抵抗を独立してそして同時に補償できる直列補償装置として考えると便利であるが、ＤＰ／ＶＲはまた、端子電圧の大きさも位相角も変えずに有効または無効電力を送電線を介して転送させる能力を有する。これは、純粋な直列インピーダンス補償装置では得られない特性である。インピーダンス補償装置により挿入される電圧はそれを流れる電流に比例する。端子電圧に差がなければ、電流は流れず、電圧も挿入されないため、有効電力も無効電力も流れない。ＤＰ／ＶＲにより直列に挿入される電圧Ｖ_pqはインバータ１１が発生するため、その電圧はインバータを流れる電流に左右されない。市販の普通の電力流制御装置の中で、それに類似する能力をもつ唯一の装置は位相角調整装置であり、この装置は端子電圧に差を生ぜしめずに送電線を介して有効電力を転送する能力を有する。このため、動的電力／電圧調整装置という名称は、電力線直列インピーダンス補償、有効電力流制御及び無効電力流制御を、その線の端子電圧に差を生ぜしめずに、同時に且つ独立に行える装置を表わすものである。電力流制御に用いられるＤＰ／ＶＲの等価回路モデルを図３に示す。ＤＰ／ＶＲ等価回路２７は、直列変圧器１３の漏洩リアクタンスＸ_Lと、直列無効補償Ｘ_cと、直列抵抗性補償Ｒ_cと、理想位相調整装置２９とが、直列の誘導性インピーダンスＬ_L及び抵抗Ｒ_Lと送電線−大地間の容量Ｃ_Lとにより表わされる送電線３に直列に接続されたものである。無効補償Ｘ_c及び抵抗性補償Ｒ_cは理想位相角調整装置２９により補足される。ＤＰ／ＶＲへの有効電力が有効電力出力に等しい（損失を無視して）という要件を強制的に実行するため、有効電力補償を負の抵抗（即ち、Ｒ_cは０より小さいかそれに等しくなければならない）と、大きさが送電線の抵抗補償（ワット）に等しい分路負荷とに反映させる。理想位相角調整装置２９は、まれな状況であるが、端子電圧の差が０である場合においてのみ機能を有し、そうでなければ無視できる。ＤＰ／ＶＲの制御装置１１は、ＤＰ／ＶＲが分路電圧制御能力をもたず、ＤＰ／ＶＲの分路装置２１から直列装置１３への有効電力の転送が常に０より大きいかそれに等しくなければならないという点を除くと、詳細は参照可能な米国特許第５，３４３，１３９号に開示されたＵＰＦＣの制御装置と本質的に同一である。それに比して、ＵＰＦＣは端子電圧制御能力を持つだけでなく、分路装置２１と直列装置１３の間で２方向の電力転送が可能である。再び、ＤＰ／ＶＲの特性はＵＰＦＣの一部である。ＤＰ／ＶＲ９はＵＰＦＣの有効電力転送能力の全てを、無効電力転送能力の大部分と共に保持する。もっとも、ＤＰ／ＶＲはＵＰＦＣの端子電圧制御能力は備えていない。この電圧制御能力は多くの場合不要であり、他の手段によりより経済的に提供することができる。直列動的電圧調整に用いる場合、ＤＰ／ＶＲの制御器は、本明細書の一部を形成するものとして引用する米国特許第５，３２９，２２５号において動的電圧復元装置（ＤＶＲ）として記載された制御装置と、エネルギー蓄積装置は分路接続整流器１９に置き換わる点を除き、本質的に同じである。本出願の制御装置の機能は、動的事象発生の際直列電圧Ｖ_pqを挿入することによってＤＰ／ＶＲの負荷側に受入れ可能なレベルの電圧が維持されるようにすることである。図４のフェーザ図は、三相系統の相Ａ及びＢに電圧低下が生じている時に電圧挿入を行う代表的な例を示す。図４に示す例において、系統電圧は相Ａでは公称値の５０％（Ｖ_sa）、相Ｂでは公称値７０％（Ｖ_sb）へ低下しており、相Ｃでは公称値の１００％のままである。ＤＰ／ＶＲの整流器１９は系統１から電力を引き出し、低下した対応の系統電圧とほぼ同相である、ベクトルＶ_ia、Ｖ_ibとして示す直列電圧波形を挿入することにより、公称負荷電圧を維持し、電圧低下から回復する。整流器１９により引き出される電力は、挿入電圧の位相と大きさ及び直列挿入変圧器１３を流れる電流により決まる。本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、本明細書の開示全体に照らして当業者であれば種々の変形例及び設計変更を想到できることが考えられる。従って、開示した特定の構成は例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものにあらず、本発明の範囲は後記の請求の範囲及びその任意の且つ全ての均等物の全幅を与えられるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ラメイ，ドナルド，ジーアメリカ合衆国，フロリダ州 32751，メイトランド，チヌーク・トレイル 2153

Claims

【特許請求の範囲】１．交流電流を選択した送電線電圧と基本周波数で運ぶ送電線（３）を含む交流送電系統（１）を制御する装置（９）であって、大きさと交流電流に対する位相角が−９０°と＋９０°の電気角の間で制御可能な交流電圧を交流電流の基本周波数で発生させて調整可能な無効補償と調整可能な正の有効電力とを提供するスイッチング電力コンバータ手段（１１）と、スイッチング電力コンバータ（１１）により発生される交流電圧を送電線に結合して調整可能な無効補償と調整可能な正の有効電力とを送電線電圧に直列に送電線（３）に注入する手段（１３）と、送電線（３）に分路接続され且つスイッチング電力コンバータ手段（１１）に接続されてスイッチング電力コンバータ手段（１１）に正の有効電力を供給する整流器手段（１９）とより成る交流送電系統（１）を制御する装置（９）。２．スイッチング電力コンバータ手段（１１）は交流電圧の制御可能な大きさを制御し、交流電圧の制御可能な位相角を制御して交流電流に対する電気角−９０ °と＋９０°の間の任意の位相角にすることにより、送電線直列インピーダンスと送電線電圧の位相角を独立に調整する請求項１の装置。３．スイッチング電力コンバータ手段（１１）は、送電線電圧の動的変化に応答して送電線電圧を動的に調整するように、交流電圧の制御可能な大きさを制御し、交流電圧の制御可能な位相角を制御して交流電流に対する電気角−９０°と＋９０°の間の任意の位相角にする請求項１の装置。