JPS5931234B2 - コイルによるエネルギ−貯蔵方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はコイルによるエネルギー貯蔵方式に関し、特に
、超電導コイルによるエネルギー貯蔵に好適な電源方式
に関する。

超電導コイルによるエネルギー貯蔵方式の用途としては
、核融合、粒子加速器、電力系統における夜間余剰電力
の貯蔵（昼間のピーク時に放出する）などがある。

このうち例えば電力系統の場合、これまでは主として揚
水発電によりこの対策が行なわれて来たが、立地の問題
、効率があまり高くない事等の問題がある。以下電力系
統の場合を例にして説明する。

超電導コイルによるエネルギー貯蔵方式を電力系統に適
用する場合、典型的な運転パターンとしては、まず数時
間（−般に夜間）かかつて電力を超電導コイルに入れ、
次に数時間はエネルギーを蓄わえたままの状態で待期し
、その後数時間の間（〒般に昼間の電力ピーク時）に貯
蔵したエネルギーを放出する。従来の超電導コイルによ
るエネルギー貯蔵方式としては第１図に示すようなもの
がある。

図において、１は超電導コイル、２は超電導スイッチ）
（永久電流スイッチ）で、１と２を含む図の点線部分は
極低温に保たれる。３は超電導コイル１に電流を励磁あ
るいは放出するためのサイリスク変換装置で３ａ〜３ｆ
のアームより成る。

４はスイッチ、５は交流電源（電力系統）、６は変圧器
でｊ ある。

超電導コイル１にエネルギーを入れる励磁期間において
は、スイッチ４を閉じ、永久電流スイッチ２は開いた状
態で、サイリスク変換装置３を整流器運転（位相制御角
を９０度以下にする）すると、交流電源５からエネルギ
ーがサイリスタ変換装置３によつて直流電流の形に変換
されて超電導コイル１に蓄わえられる。すなわち超電導
コイル１の電流は徐々に増大し、Ｗ＝−ＬＩ２ Ｗ；蓄積エネルギー Ｌ；超電導コイルのインダクタンス ；超電導コイルの電流 のエネルギーが蓄わえられる。

次に超電流コイル１にエネルギーを蓄わえて待期してい
る期間に於ては、超電導スイツチ２を閉じて、またスイ
ツチ４を開いておく。

これにより超電導コイル１と超電導スイツチ２とから成
る回路に電流が流れ続け、この回路は抵抗がＯであるた
め、電流は減衰しない。その後超電導コイル１に蓄わえ
たエネルギーを放出する時には、スイツチ４を閉じ、超
電導スイツチ２を開いて、サイリスタ変換装置３を逆変
換器（インバータ）として運転し、交流電源５にエネル
ギーを放出する。このような方法においては、超電導ス
イツチ２として適切な性能のものが得られれば、効率良
いエネルギー貯蔵が可能となるが、未だこのような用途
に使用しうる超電導スイツチは開発されていない。そこ
でこのような超電導スイツチ２を使わない方式として、
第２図に示すものがある。

図において、３１，３２は第１図のサイリスタ変換装置
３を２台に分割したものである。超電導コイル１にエネ
ルギーを入れる場合は、２台のサイリスタ変換器３１，
３２を整流器運転し、またエネルギーを放出する場合は
２台のサイリスタ変換器３１，３２を逆変換器運転する
ため、第１図の場合とほぼ同様の動作をする。エネルギ
ーを蓄わえておく期間は、超電導スイツチがないため、
電流は、超電動コイル１と、サイリスタ変換装置３１，
３２を通つて流れている。このとき超電導コイル１には
抵抗はないが、リード線の抵抗や変換装置３１，３２の
損失のため電流は減衰してしまう。そこで変換装置３１
，３２の直流出力電圧としてこの損失に相当する低い電
圧を出しておけば電流は減衰する事なく流れ続ける。一
般にサイリスタ変換装置の直流出力電圧を低い値にする
ためには位相制御角を９０度に近い値とする。いわゆる
零力率運転が行なわれる。これは、サイリスタ変換装置
の直流出力電圧と位相制御角の関係は、転流の重なり角
を無視すれば、Ｅｄ＝ＥｄＯ（Ｘ）Ｓα Ｅｄ：直流出力電圧 α：位相制御角 ＥｄＯ：α＝０のときの直流出力電圧 と表わされる。

ここで例えば整流器運転時の定格電圧Ｅｄｌを出す時の
位相制御角をα１＝１０（度）とすると、定格電圧の１
％の低い直流電圧Ｅｄ２を出す時の制御角α２は、Ｅｄ
ｌ＝ＥｄＯＣＯＳα１＝ＥｄＯ（０Ｓ１００Ｅｄ２＝Ｅ
ｄｌ×０．０１＝ＥｄＯＣＯＳα２よりα２：｛）Ｓ−
１｛０．０１×（０Ｓ１００｝＝８９．４渡）とほぼ９
０度に近い値となる。

しかしながら、このような運転方法では交流系統から大
きな無効電力を取るという問題がある。

無効電力を多く取ると交流系統の電圧が低下するといつ
た問題を生じる。なお変換器運転に必要とする無効電力
はα＝９０度の時が最大となる。そこで第２図の例では
、エネルギーを蓄わえている期間において、２台の変換
器のうち、１台を整流器運転、他の１台を逆変換器運転
する。この例では、エネルギーの注入及び放出の時には
２台の変換器を同じ位相制御角で制御するから、直流出
力電圧は第１図の場合の１／２で良い。逆変換器運転に
おいて、理想的には位相制御角を１８０度とすれば、直
流出力電圧は負の最大値となり、又無効電力も殆んど必
要なくなる。

しかしながら実際の変換器ではサイリスタのターンオフ
時間などのために、逆変換器の位相制御角は１８０度よ
りかなり小さな値とする必要がある。いま制御角α＝１
６０度（制御進み角＝２０度）とすると、出力電圧Ｅｄ
（はＥｄｌ＝ＥｄらＣＯＳｌ６Ｏ Ｅｄら二Ｅｄら／２ 変換器３２を整流器運転して、適当な位相制御角に調整
して、２台の変換器の出力電圧の和が、第１図の場合と
同様に定格電圧の１％になる様にすると、ＥｄＳ＋Ｅｄ
：＝０．０１ＸＥｄ０ より α《＝１６．３（度） この例では、無効電力Ｑは ＝Ｅｄ・ＩｄＸＯ．３ｌ すなわち零力率運転の場合より可成り小さくて良いが、
なお３１％という大きな無効電力を必要とする。

以上説明した様に、従来の方法では技術的に非常に難か
じい超電導スイツチを必要とするとか、又、超電導スイ
ツチを使わない方法では、交流系統から大きな無効電力
を供給する必要がある、等の欠点がある。

本発明の目的は、コイルを使つたエネルギー貯蔵方式に
おいて、系統から大きな無効電力をとる必要が無い、効
率的なエネルギー貯蔵方式を提供することにある。

本発明の要点は、コイルの電流を流しておくのにスイツ
チを用い、その損失による電流の減衰を防ぐために小容
量のサイリスタ変換装置をこれと並列接続して、損失分
をこれから供給することにある。

本発明の実施例を第３図によつて説明する。

図において、３及び３１はサイリスタ変換装置、４，４
１及び７はスイツチ、８１及び８２はリアクトルである
。超電導コイル１を励磁する場合には大容量のサイリス
タ変換装置３を使用する。

すなわちスイツチ７（常電導スイツチ）及びスイツチ４
１は開き、スイツチ４を閉じて、変換装置３を整流器運
転することにより交流電源５の電力を直流に変換して超
電導コイル１に蓄わえる。また超電動コイル１のエネル
ギーを放出する時は変換装置３を逆変換器運転する。超
電導コイル１にエネルギーを蓄わえておく期間は、小容
量のサイリスタ変換装置３３を必要に応じて運転する。

すなわちスイツチｒを閉じ、スイツチ４は開いておく。
超電動コイル１の電流はスイツチ７を通つて循環する。
スイツチ７は常電つ導のスイツチであるから抵抗があり
、このため電流は減衰する。

そこでこれを避けるためにスイツチ４１を閉じ、変換装
置３３を運転する。このとき変換装置３３としては、ス
イツチ７の抵抗損失に相当する電力を供給すれば良い様
にも考えられるが、実際には変換装置３３が出力電圧を
発生すると、スイツチｒの電流は変換装置３３の方へ移
つて行く。結局、超電導コイル１の電流は変換装置３３
、リアクトル８２、スイツチ４１を通つて流れ、スイツ
チ７には殆んど流れないことになる。従つて、変換装置
３３としては、変換装置３３自身及びリアクトル８２、
スイツチ４１並びにリード線の抵抗（損失）分に相当す
る出力を出せば良いことになる。このため変換装置３３
の定格電圧、容量は、例えば変換装置３の１％程度以下
という小容量で良い。

また、定格電圧を適当な値に決めておけば、変換装置３
３は、力率の良い状態（位相制御角αが小さい値）で運
転できるため、系統から大きな無効電力となる必要がな
い。さらに、変換装置３３は、定格電圧、容量自体が、
変換装置３の容量の比べて小さいため、たとえ零力率運
転を行なつたとしても、大きな無効電力は必要としない
。第２図の例と対比して考えると、第２図では定格電力
の３１％の無効電力が必要なのに対し、本実施例では例
えば１％程度で良い。サイリスタ変換装置３３から回路
等の損失分のみを供給する方法としては、図示のような
制御回路により行なうことができる。

すなわち図の制御装置９は、直流電流検出装置１０によ
り変換装置３３の直流出力電流を検出し、一方端子１１
に直流電流の設定値（超電導コイル１の蓄積電流値）を
与え、検出値が設定値に一致する様に制御する、いわゆ
る定電流制御回路とすれば良い。このようにすれば超電
導コイル１の電流は設定値一定に保たれ、これはすなわ
ぢ損失分相当をサイリスタ変換装置３３から供給してい
ることを意味する。なお、リアクトル８１，８２は、ス
イツチ動作による運転切換時に短絡電流が流れない様に
電流を抑えるためのものであるが、変換装置内のアノー
ドリアクトル等のリアクトル類や、交流側の変圧器や系
統のインピーダンスが大きい様なケースでは、これらに
より短絡電流は抑えられるので、リアクトル８１，８２
は省略することも可能である。第４図に本発明の別の実
施例を示す。

本実施例の場合は、サイリスタ変換装置は３４，３５，
３６の３台に分割されている。４２，４３は、それぞれ
サイリスタ変換装置３５，３６の直流端子間を短絡する
スイツチである。

超電導コイル１にエネルギーを入れる励磁期間において
は、スイツチ７及びスイツチ４２，４３は開いた状態で
、−変換装置３４〜３６を一斉に整流器運転する。変換
装置は３台あるが、３台の容量の合計が、第１図の変換
装置３の１台分と同容量とすれば良いため、価格的には
ごく僅かに増加するのみである。エネルギーを蓄わえて
おく期間に於ては、スイツチｒ及び４２，４３を閉じ、
変換装置３５，３６は運転せず、３４のみを運転する。
変換装置３４が回路の損失を供給する様に運転すれば、
超電導コイル１の電流は、スイツチ４３，４２、変換装
置３４、リアクトル８１、スイツチ４を通つて流れ、ス
イツチ７には殆んど電流は流れない。

変換装置３４の容量としては、このような運転時に回路
の損失分を供給するのに充分な範囲内で、できるだけ小
さな値としておけば、系統から供給する無効電力も小さ
くて良い。また図では省略したが、例えば励磁期間から
、エネルギー蓄積期間へ移行する様な、運転方式の切換
時に、超電導コイル１と電源側を切離すためのスイツチ
をリアクトル８１と直列に接続することもできる。

第４図では、変換装置を３分割した例を示したが、この
分割数は３以外でも良い。

本実施例によれば、励磁期間あるいはエネルギー放出期
間に使用する変換装置を単に分割するのみで、追加の変
換装置を必要としない利点がある。

又、以上の実施例においては超電導コイルによるエネル
ギー貯蔵について説明したが、超電導コイルに限定され
るものではなくコイルの抵抗を小さくして運転すること
が可能な例えば極低温に冷劫されたコイルによるエネル
ギーの貯蔵など通常のコイルによるエネルギーの貯蔵の
場合にも同様に実施できる。本発明は以上説明したよう
に構成したものであるから、超電導スイツチのような特
別のスイツチを設ける必要がなく、系統から大きな無効
電力を供給する必要もない効率的なコイルのエネルギー
貯蔵が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、従来の超電導コイルによるエネル
ギー貯蔵方式を示す回路図、第３図及び第４図はそれぞ
れ本発明の異なる実施例を示す回路図である。 １・・・・・・超電導コイル、３・・・・・・サイリス
タ変換装置、４・・・・・・スイツチ、７・・・・・・
スイツチ、３３・・・・・・小容量のサイリスタ変換装
置、４１・・・・・・スイツチ、９・・・・・・制御装
置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エネルギーを貯蔵するためのコイルと、該コイルの
   電流を励磁あるいは放出するための第１のサイリスタ変
   換装置と、該コイルと並列接続された第１のスイッチと
   、上記第１のサイリスタ変換装置より小さい容量を有す
   る第２のサイリスタ変換装置と、第２のサイリスタ変換
   装置を前記第１のスイッチに並列に接続する第２のスイ
   ッチを備え前記コイルを励磁する場合及びエネルギを放
   出する場合には第１のサイリスタ変換装置を運転し、エ
   ネルギーを蓄わえておく期間は必要に応じて第２のサイ
   リスタ変換装置を運転することを特徴とするコイルによ
   るエネルギー貯蔵方式。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、第２の
   サイリスタ変換装置は、第１のサイリスタ変換装置とは
   別個の装置である事を特徴とするコイルによるエネルギ
   ー貯蔵方式。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、第２の
   サイリスタ変換装置は、第１のサイリスタ変換装置の分
   割した１部分であり、第２のスイッチは分割したサイリ
   スタ変換装置の残余の部分を短絡するスイッチである事
   を特徴とするコイルによるエネルギー貯蔵方式。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、第２の
   サイリスタ変換装置の運転は、コイルの蓄積電流値を設
   定値とする定電流制御であることを特徴とするコイルに
   よるエネルギー貯蔵方式。