(57)【要約】【課題】ＳＭＥＳの電流保持動作時の損失を低減する。【解決手段】ＳＭＥＳ装置に、ＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）として機能する超電導コイルと、交流電源から供給される交流電流を整流して直流電流を生成して超電導コイルに供給する充電動作を行う同期整流回路と、超電導コイルと同期整流回路との間に接続されたサイリスタとを備える。同期整流回路が備えるスイッチング制御装置は、超電導コイルの電流を保持する保持動作時に、サイリスタをターンオンして前記充電動作を行う。【選択図】図３
2010119239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）として機能する超電導コイルと、
交流電源から供給される交流電流を整流して直流電流を生成して前記超電導コイルに供給する充電動作を行う同期整流回路と、
前記超電導コイルと前記同期整流回路との間に接続されたサイリスタとを具備し、
前記同期整流回路が備えるスイッチング制御装置は、前記超電導コイルの電流を保持する保持動作時に、前記サイリスタをターンオンして前記充電動作を行う
ＳＭＥＳ装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたＳＭＥＳ装置であって、
更に、系統連系インバータと、
前記超電導コイルが供給する電流を電圧に変換して前記系統連系インバータに供給し、前記系統連系インバータが供給する電圧を電流に変換して前記超電導コイルに供給する電流電圧変換器
とを具備するＳＭＥＳ装置。
【請求項３】
請求項２に記載されたＳＭＥＳ装置であって、
更に、前記保持動作時に前記超電導コイルと前記電流電圧変換器との接続を切り離す断路器
を具備するＳＭＥＳ装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載されたＳＭＥＳ装置であって、
前記スイッチング制御装置は、前記保持動作時の後で前記超電導コイルが貯蔵する電力を前記系統連系インバータに供給する放電動作時に、前記電流電圧変換器により前記超電導コイルに電力を供給する充電動作を行うことにより前記サイリスタに逆電圧をかけてターンオフする
ＳＭＥＳ装置。
【請求項５】
請求項２から４のいずれかに記載されたＳＭＥＳ装置であって、
更に、前記交流電源から供給される交流電力を整流して直流電流を生成して、前記電流電圧変換器と前記系統連系インバータとの間に接続された平滑コンデンサに充電する初期充電用装置と、
前記交流電源の出力を前記同期整流回路と前記初期充電用装置とに択一的に接続する切替器
とを具備するＳＭＥＳ装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載されたＳＭＥＳ装置であって、
前記スイッチング制御装置は、前記超電導コイルの電流を保持し、且つ前記充電動作を行わないときに、前記交流電源をオフし前記同期整流回路を構成するパワーＭＯＳＦＥＴをターンオンする
ＳＭＥＳ装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載されたＳＭＥＳ装置であって、
前記スイッチング制御装置は、前記超電導コイルと前記短絡サイリスタとの間を電流が循環している状態で前記短絡サイリスタをターンオフするときに、前記交流電源をオフし前記同期整流回路を構成する全てのパワーＭＯＳＦＥＴをターンオフする
ＳＭＥＳ装置。
【請求項８】
交流電源から供給される交流電流を整流して直流電流を生成して、ＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）として機能する超電導コイルに供給する充電動作を行う同期整流回路と、
前記超電導コイルと前記同期整流回路との間に接続されたサイリスタとを具備し、
前記同期整流回路が備えるスイッチング制御装置は、前記超電導コイルの電流を保持する保持動作時に、前記サイリスタをターンオンして前記充電動作を行う
ＳＭＥＳ用インターフェース装置。
【請求項９】
ＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）として機能する超電導コイルの電流を保持する保持動作時に、前記超電導コイルと同期整流回路との間に接続されたサイリスタをターンオンする工程と、
前記同期整流回路が、交流電源から供給される交流電流を整流して直流電流を生成して、前記超電導コイルに供給する工程
とを具備するＳＭＥＳ用インターフェースの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導磁気エネルギー貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力を貯蔵し、要求に応じて電力を放出する電力貯蔵装置として、ＳＭＥＳ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｔｏｒａｇｅ，超電導磁気エネルギー貯蔵装置）の開発が行われている。ＳＭＥＳでは、超電導状態の超電導コイルに電流を流す事により電力が貯蔵される。超電導コイルへの電力の供給と、超電導コイルからの電力の放出は、系統の交流電源との間で電力変換を行う変換器を介して行われる。
【０００３】
図１は、本発明を説明するための参考例におけるＳＭＥＳの充放電回路を示す。超電導コイル１１０に、電流の方向を順方向として短絡サイリスタ１１２が並列に接続される。超電導コイル１１０の両端は、電流電圧変換器１１４に接続される。電流電圧変換器１１４の直流中間部の平滑コンデンサ１１６は系統連系インバータ１１８に接続される。
【０００４】
図１の例では更に、直流中間部用の充電回路として、電圧制御用変換器１０２、昇圧トランス１０４、電圧制御装置１０６、整流回路１０８が直流中間部に接続されている。電圧制御装置１０６は、平滑コンデンサ１１６の電圧に基づいて電圧制御信号を生成する。電圧制御用変換器１０２は、商用電源から交流電力の供給を受け、電圧制御装置１０６が生成する電圧制御信号に応じた電力を生成する。電圧制御用変換器１０２が生成した電力は昇圧トランス１０４によって昇圧されて整流回路１０８に供給される。整流回路１０８は供給された交流電力を整流して直流中間部に供給する。
【０００５】
超電導コイル１１０を初期充電するとき、電圧電流変換器１１４の直流中間部を介して、直流中間部用の充電回路により、または系統連系インバータ１１８を介して系統側の電力により、超電導コイル１１０に電力が供給される。初期充電が完了した後、系統連系インバータ１１８が直流中間部と系統電源側との間で双方向電力変換を行うことにより、超電導コイル１１０へのエネルギーの充放電が行われる。
【０００６】
超電導コイル１１０に貯蔵した電流を保持する保持動作は、以下のように行われる。超電導コイル１１０と直流中間部との間には、超電導コイル１１０の電流と、平滑コンデンサ１１６の電圧とを双方向変換する電流電圧変換器１１４が接続されている。この電流電圧変換器１１４のスイッチング素子の制御によって超電導コイル１１０の両端を短絡させることにより、超電導コイル１１０内の電流が外部に放出されずに循環し保持される。このようにして電力の貯蔵と系統連系を行うことができる。
【０００７】
図２は、ＳＭＥＳ装置の他の例を示す。この例では、超電導コイル１３０を充電するための専用の充電回路が設けられている。降圧トランス１２０、整流回路１２２、平滑コンデンサ１２４、ＩＧＢＴ素子１２６及び電流制御装置１２８からなる充電回路は、商用電源から供給された電力によって超電導コイル１３０を充電し、保持動作中に減少したエネルギーを補う。超電導コイル１３０に保持されたエネルギーは、電流電圧変換器１３４、平滑コンデンサ１３６及び系統連系インバータ１３８を介して系統側に充放電される。
【０００８】
ＳＭＥＳの系統連系回路の一例として、特許文献１を挙げる。
【特許文献１】特開昭６１−２６２０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このようなＳＭＥＳ装置は、保持動作時に、電流電圧変換器１１４、１３４の自励素子やダイオードにおいて損失が発生し、超電導コイル１１０に貯蔵されているエネルギーが減少する。その減少分のエネルギーを補うために、充電動作が行われる。
【００１０】
図１、図２に示したような電流電圧変換器に使用される自励素子は、ＯＮ電圧損失やスイッチング損失が大きい。特に、電力貯蔵の用途では高速動作や逆耐電圧が高い自励素子が要求されるため、これらの損失は大きいものとなる。更に、回路構成上、ダイオードを含む複数の素子が直列に接続されるため、待機時の電流保持における損失が大きいという問題がある。
【００１１】
更に、こうした回路では、電流電圧変換器に不具合が発生した場合や、系統電源が停電した場合に、超電導コイルの電流を安全に低減することや、コイル装置を保護するために必要な電流保持が難しい。こうした事象が発生した場合の対策として保護回路を設けることが望まれる。保護回路は単純な構成であることが望まれる。
【００１２】
更に、電流電圧変換器に不具合が発生した場合や、系統電源が停電した場合に、図１のような回路では超電導コイルの電流を保持する保持動作を行うことができない。そのため、複数の超電導コイルを備えた集合体装置の場合、磁場分布の誤差により超電導線材の特性低下や過大な電流増加が発生したり、コイル間に過大な電磁気力が発生する。安全性を向上するために、この様な問題の発生を避けることが望まれる。
【００１３】
更に、超電導コイル１１０と電流電圧変換器１１４がそれぞれ通電している状態や、超電導コイル１１０が充電動作を行っている場合、超電導コイル１１０と電流電圧変換器１１４との完全分離や結合が出来ない。そのため保守、点検、修理に支障が出る可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１５】
本発明によるＳＭＥＳ装置は、図３に示す通りＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）として機能する超電導コイル（２０）と、交流電源から供給される交流電流を整流して直流電流を生成して超電導コイル（２０）に供給する充電動作を行う同期整流回路（２２）と、超電導コイル（２０）と同期整流回路（２２）との間に接続されたサイリスタ（２６）とを備える。同期整流回路（２２）が備えるスイッチング制御装置（３０）は、超電導コイル（２０）の電流を保持する保持動作時に、サイリスタ（２６）をターンオンして充電動作を行う。
【００１６】
本発明によるＳＭＥＳ装置は更に、系統連系インバータ（１４）と、超電導コイル（２０）が供給する電流を電圧に変換して系統連系インバータ（１４）に供給し、系統連系インバータ（１４）が供給する電圧を電流に変換して超電導コイル（２０）に供給する電流電圧変換器（１６）とを備える。
【００１７】
本発明によるＳＭＥＳ装置は更に、保持動作時に超電導コイル（２０）と電流電圧変換器（１６）との接続を切り離す断路器（１８）を備える。
【００１８】
本発明によるＳＭＥＳ装置において、スイッチング制御装置（３０）は、保持動作時の後で超電導コイル（２０）が貯蔵する電力を系統連系インバータ（１４）に供給する放電動作時に、電流電圧変換器（１６）により超電導コイル（２０）に電力を供給する充電動作を行うことによりサイリスタ（２６）に逆電圧をかけてターンオフする。
【００１９】
本発明によるＳＭＥＳ装置は更に、交流電源から供給される交流電力を整流して直流電流を生成して、電流電圧変換器（１６）と系統連系インバータ（１４）との間に接続された平滑コンデンサに充電する初期充電用装置と、交流電源の出力を同期整流回路（２２）と初期充電用装置とに択一的に接続する切替器（４）とを備える。
【００２０】
本発明によるＳＭＥＳ装置において、スイッチング制御装置（３０）は、超電導コイル（２０）の電流を保持し、且つ充電動作を行わないときに、電圧／電流制御用変換器（２）をオフし同期整流回路（２２）を構成するパワーＭＯＳＦＥＴをターンオンする。
【００２１】
本発明によるＳＭＥＳ装置において、スイッチング制御装置（３０）は、超電導コイル（２０）と短絡サイリスタ（２６）との間を電流が循環している状態で短絡サイリスタ（２６）をターンオフするときに、電圧／電流制御用変換器（２）をオフし同期整流回路（２２）を構成する全てのパワーＭＯＳＦＥＴをターンオフする。
【００２２】
本発明によるＳＭＥＳ用インターフェース装置は、交流電源から供給される交流電流を整流して直流電流を生成して、ＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）として機能する超電導コイル（２０）に供給する充電動作を行う電圧／電流制御用変換器（２）、同期整流回路（２２）と、超電導コイル（２０）と同期整流回路（２２）との間に接続されたサイリスタ（２６）とを備える。同期整流回路（２２）が備えるスイッチング制御装置（３０）は、超電導コイル（２０）の電流を保持する保持動作時に、サイリスタ（２６）をターンオンして充電動作を行う。
【００２３】
本発明によるＳＭＥＳ用インターフェース装置の駆動方法は、ＳＭＥＳ（超電導磁気エネルギー貯蔵装置）として機能する超電導コイル（２０）の電流を保持する保持動作時に、超電導コイル（２０）と同期整流回路（２２）との間に接続されたサイリスタ（２６）をターンオンする工程と、同期整流回路（２２）が、交流電源から供給される交流電流を整流して直流電流を生成して、超電導コイル（２０）に供給する工程とを備える。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、ＳＭＥＳの電流保持動作時の損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図３は、本実施形態におけるＳＭＥＳ装置を示す。ＳＭＥＳ装置は、超電導コイル２０を備える。超電導コイル２０は、超電導状態において電流を循環させることによって電力を貯蔵するためのコイルである。超電導コイル２０の一端は、断路器１８の一のスイッチを介して電流電圧双方向変換器１６のダイオードＤ８のアノードとＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子Ｔ７のコレクタに接続される。超電導コイル２０の他端は、断路器１８の他のスイッチを介して電流電圧双方向変換器１６のダイオードＤ７のカソードとＩＧＢＴ素子Ｔ８のエミッタに接続される。ＩＧＢＴ素子Ｔ７、Ｔ８にはそれぞれ帰還ダイオードが接続される。ダイオードＤ８のカソードとＩＧＢＴ素子Ｔ８のコレクタは平滑コンデンサ１２の一端に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｔ７のエミッタとダイオードＤ７のアノードは平滑コンデンサ１２の他端に接続される。
【００２６】
平滑コンデンサ１２の一端は、系統連系インバータ１４のＩＧＢＴ素子Ｔ９、Ｔ１０、Ｔ１１のコレクタに接続される。平滑コンデンサ１２の他端は、系統連系インバータ１４のＩＧＢＴ素子Ｔ１２、Ｔ１３、Ｔ１４のエミッタに接続される。ＩＧＢＴ素子Ｔ９のエミッタとＩＧＢＴ素子Ｔ１２のコレクタとの接続点は、系統電力の三相交流のＵ相端子に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｔ１０のエミッタとＩＧＢＴ素子Ｔ１３のコレクタとの接続点は、系統電力の三相交流のＶ相端子に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｔ１１のエミッタとＩＧＢＴ素子Ｔ１４のコレクタとの接続点は、系統電力の三相交流のＷ相端子に接続される。系統電力は、系統連系インバータ１４（整流器として駆動する）、平滑コンデンサ１２、電流電圧双方向変換器１６、断路器１８を介して超電導コイル２０に供給される。超電導コイル２０が貯蔵する電力は、断路器１８、電流電圧双方向変換器１６、平滑コンデンサ１２及び系統連系インバータ１４を介して系統電力に供給される。
【００２７】
超電導コイル２０の一端は、短絡サイリスタ２６のアノードに接続される。短絡サイリスタ２６のカソードは、同期整流回路２２の一端に接続される。同期整流回路２２の他端は、超電導コイル２０の他端に接続される。同期整流回路２２の一端と他端は更に、過電圧保護回路２４によって互いに接続される。同期整流回路２２の一端に、パワーＭＯＳＦＥＴ素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３のそれぞれのソースが接続される。同期整流回路２２の他端に、パワーＭＯＳＦＥＴ素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６のそれぞれのドレインが接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ素子Ｔ１のドレインとＴ４のソースとの接続点は降圧トランス２８の三相交流の出力のＵ相に接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ素子Ｔ２のドレインとＴ５のソースとの接続点は降圧トランス２８の三相交流の出力のＶ相に接続される。パワーＭＯＳＦＥＴ素子Ｔ３のドレインとＴ６のソースとの接続点は降圧トランス２８の三相交流の出力のＷ相に接続される。同期整流回路２２は、商用電源から電圧／電流制御用変換器２を経由して供給される交流電流を整流して直流電流を生成して超電導コイル２０に供給する充電動作を行う。
【００２８】
電流制御装置３２は、超電導コイル２０から短絡サイリスタ２６に流れる電流を検出して電流検出信号を生成する。スイッチング制御装置３０は、降圧トランス２８よりパワーＭＯＳＦＥＴ素子のドレインとソースに流れる電流検出信号を用いて、パワーＭＯＳＦＥＴ素子Ｔ１〜Ｔ６のゲートのスイッチングを制御する。スイッチング制御装置３０は、超電導コイル２０の電流を保持する保持動作時に、短絡サイリスタ２６をターンオンして電圧／電流制御用変換器２を動作させ、同期整流回路２２を用いた充電動作を行う。
【００２９】
平滑コンデンサ１２の一端と他端の間の電圧は、電圧制御装置１０によって検出される。平滑コンデンサ１２の一端と他端は整流回路８に接続される。平滑コンデンサ１２の一端に、整流回路８のダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３のカソードが接続される。平滑コンデンサ１２の他端に、整流回路８のダイオードＤ４、Ｄ５、Ｄ６のアノードが接続される。ダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ４のカソードの接続点は、昇圧トランス６の三相交流の出力のＵ相に接続される。ダイオードＤ２のアノードとダイオードＤ５のカソードの接続点は、昇圧トランス６の三相交流の出力のＶ相に接続される。ダイオードＤ３のアノードとダイオードＤ６のカソードの接続点は、昇圧トランス６の三相交流の出力のＷ相に接続される。
【００３０】
ＳＭＥＳ装置は、超電導コイル２０を電力貯蔵装置として使用するための主たる充放電先である系統電力（系統連系インバータ１４を介して接続される）だけでなく、平滑コンデンサ１２の初期充電用の電力と、超電導コイル２０の保持動作時の損失を補償するための電力とを供給するための商用電源の端子に電圧／電流制御用変換器２を経由し接続される。電圧／電流制御用変換器２は、この商用電源から供給される電力を変換して出力する。電圧／電流制御用変換器２の三相交流の出力は、切替器４によって、昇圧トランス６と降圧トランス２８とのそれぞれの三相交流の入力に択一的に接続される。すなわち、切替器４によって、商用電源が同期整流回路２２と初期充電用装置とに択一的に接続される。電圧／電流制御用変換器２、昇圧トランス６、整流回路８及び電圧制御装置１０は、初期充電用装置として機能する。電圧／電流制御用変換器２、降圧トランス２８及び電流制御装置３２は、損失補償用のコイル充電用装置として機能する。
【００３１】
平滑コンデンサ１２に初期充電を行う場合、切替器４は電圧／電流制御用変換器２の出力と昇圧トランス６の入力とを接続する。この場合、電圧／電流制御用変換器２は、電圧制御装置１０が生成した電圧検出信号に基づいて商用電源から供給される電力の電圧を変換して変換された電力を昇圧トランス６に供給する。
【００３２】
超電導コイル２０の保持動作時の損失を補償する場合、切替器４は電圧／電流制御用変換器２の出力と降圧トランス２８の入力とを接続する。この場合、電圧／電流制御用変換器２は、電流制御装置３２が生成した電流検出信号に基づいて商用電源から供給される電力の電流を変換して変換された電力を降圧トランス２８に供給する。
【００３３】
超電導コイル２０の損失補償用の電源は、電流電圧双方向変換器１６の取り扱い電力に比較して容量が小さくてよい。また、この電源は、系統電力が停電した場合にも運転できることが望ましい。また、低電圧大電流の電源が求められる。これらの条件から、商用電源を入力し、出力可変型のインバータ又は半導体スイッチと降圧トランスの組み合わせにより電力変換した電力が損失補償用に供給される。
【００３４】
図３の電圧／電流制御用変換器のようにインバータを使用する場合は、高周波化により、降圧トランス２８の小型化と制御応答性の改善が可能である。そのため、直流中間部の平滑コンデンサ１２の初期充電用のインバータと、超電導コイル２０の損失補償用のインバータとを兼用することが可能である。
【００３５】
以上の構成を備えるＳＭＥＳ装置の動作を以下に説明する。商用電源から供給される電力を電圧／電流制御用変換器２により変換し、昇圧トランス６により昇圧し、整流回路８により三相全波整流して、平滑コンデンサ１２に供給して充電する。
【００３６】
超電導コイル２０に電力を貯蔵する貯蔵動作時、断路器１８が超電導コイル２０と電流電圧双方向変換器１６を接続する。系統電力を系統連系インバータ１４に導入し、各ＩＧＢＴ素子Ｔ９〜Ｔ１４のゲートのＯＮ／ＯＦＦを所定のタイミングで制御することにより電流が整流される。電流電圧双方向変換器１６のＩＧＢＴ素子Ｔ７、Ｔ８のゲートのＯＮ／ＯＦＦを所定のタイミングで制御することにより、整流された電力の電圧が電流に変換され、超電導コイル２０に供給される。
【００３７】
電力貯蔵時から、超電導コイル２０に充電された電力を保持する保持動作時に移行する場合の動作について説明する。まず、短絡サイリスタ２６がターンオフされた状態で、電流電圧双方向変換器１６の自励スイッチング素子とダイオードによって超電導コイル２０を短絡し、充電された電力を保持する。図４は、この動作を示す。このような動作を行うのは、電流電圧双方向変換器１６の直流中間部の短絡防止、及び短絡サイリスタ２６のＯＮ損失の低減のためである。
【００３８】
詳しくは、この動作時に、電流は、２つの経路を択一的に流れる。第１の経路では、超電導コイル２０の一端から流れた電流がダイオードＤ８、ＩＧＢＴ素子Ｔ８を通って超電導コイル２０の他端に戻る。第２の経路では、超電導コイル２０の一端から流れた電流がＩＧＢＴ素子Ｔ７、ダイオードＤ７を通って超電導コイル２０の他端に戻る。負荷を均等にするために、第１の経路と第２の経路の使用時間が同じとなるようにＩＧＢＴ素子Ｔ７、Ｔ８のゲートのＯＮ／ＯＦＦが制御される。
【００３９】
超電導コイル２０の電流が小さく、電流電圧双方向変換器１６の側の短絡回路での発生電圧が低いと、短絡サイリスタ２６オン時の順方向電圧が不足する可能性がある。こうした事態を防ぐために、コイル充電用装置を駆動させ、同期整流回路２２が同期整流による充電動作をするように制御することが望ましい。このような動作により、短絡サイリスタ２６が確実にターンオンされる。
【００４０】
短絡サイリスタ２６がＯＮ状態となった後は、超電導コイル２０の電流が所定の値となるように、電圧／電流制御用変換器２の電流変換動作と、同期整流回路２２の充電動作とが実行される。図５はこのような状態を示す。
【００４１】
超電導コイル２０の保持動作や点検等必要時、断路器１８は、超電導コイル２０と電流電圧双方向変換回路１６の接続を切り離す事が出来る。超電導コイル２０の一端から流れた電流は、短絡サイリスタ２６、同期整流回路２２を介して超電導コイル２０の他端に戻る。このような閉路により超電導コイル２０の電流が保持される。
【００４２】
超電導コイル２０の電流が短絡サイリスタ２６側を循環しているとき、断路器１８は略無電流状態である。そのため、保持動作時には断路器１８により超電導コイル２０と電流電圧双方向変換器１６との分離や接続を略無電流状態で行うことが可能である。
【００４３】
保持動作時に、超電導コイル２０が貯蔵する電流の損失を補償する動作が行われる。具体的には、電流制御装置３２が検出した超電導コイル２０から流れる電流の電流検出信号に基づいて、その電流検出値が一定となるように、電圧／電流制御用変換器２が商用電源の電力を変換し、降圧トランス２８を介して同期整流回路２２に供給する。スイッチング制御装置３０は、降圧トランス２８の三相交流電流の出力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の検出値に基づいて、同期整流回路２２を構成するパワーＭＯＳＦＥＴのゲートのＯＮ／ＯＦＦのタイミングを制御する。同期整流回路２２は、降圧トランス２８から供給された電力を整流して超電導コイル２０に供給する。この充電動作により、超電導コイル２０の損失が補償される。図６は、以上に説明した保持動作及び充電動作時の電流を示す。
【００４４】
このような動作により、超電導コイル２０の損失電力の補償が高効率に実行できる。また、充電電源に使用される同期整流回路２２のスイッチング素子として、数１０ボルト程度の逆耐電圧でＯＮ抵抗の小さい素子を使用することができる。そのため充電用の回路を低コストで用意することができる。
【００４５】
コイル充電用装置は、充電動作時には断路器１８によって系統連系用の回路から切り離しが可能である。従って超電導コイル２０の待機時の損失を補償や単独試験するための直流電力の充電が、系統や変換器側の運転に影響されずに実行できる。
【００４６】
換言すれば、超電導コイル２０の通電待機時に、変換器側のスイッチング素子及びダイオードによって形成された短絡回路を流れる電流を、全て短絡サイリスタ２６を経由する回路に移すことが出来、電流電圧双方向変換器１６のスイッチング素子の短絡が不要となる。
【００４７】
パワーＭＯＳＦＥＴによる同期整流回路は、以下のような動作により、損失を非常に小さくできるという利点がある。パワーＭＯＳＦＥＴはＯＮ抵抗が小さく、双方向に電流を流すことができる。整流動作時に、スイッチング制御装置３０は、電源から供給された（詳しくは降圧トランス２８から供給された）電流の方向を検出する。そしてこの検出値に基づいて、各パワーＭＯＳＦＥＴの並列ダイオード（寄生ダイオード）の動作を検知し、ダイオードの通電時に、同時にそのダイオードに並列するパワーＭＯＳＦＥＴをＯＮさせる。このような制御により、ダイオードのＯＮ電圧を見かけ上、ほとんど零とすることができる。その結果、同期整流回路における損失を非常に小さく抑えることができる。
【００４８】
図１で示したような電流電圧双方向変換器１１４を用いた保持動作では、超電導コイル１１０の待機時に、電流がダイオード１個と自励素子１個とを通過することによる損失が発生する。それに対して、図３に示される本実施形態では、１個の短絡サイリスタ２６による電圧損失に近い値まで損失を低減することができる。また、電流電圧双方向変換器として３レベル方式が採用される場合と比較すると、３レベル方式では短絡するためにより多くの自励素子が接続されるため、本実施形態のＳＭＥＳ装置による損失低減効果は更に大きい。
【００４９】
更に、充電動作を行わずに超電導コイル２０の電力を保持する保持動作の場合には、次のような制御を行うことが望ましい。電圧／電流制御用変換器２は、同期整流回路２２に対する充電用電力の供給を停止する。スイッチング制御装置３０は、同期整流回路２２を構成するパワーＭＯＳＦＥＴ素子Ｔ１〜Ｔ６のいずれか少なくとも１つをターンオンする。このような制御により、充電を行わない期間における待機時の超電導コイル電流の短絡循環損失を、ほぼ１個の短絡サイリスタ２６のＯＮ電圧と等しい量まで低減することができる。
【００５０】
次に、以上に説明したコイル充電待機時（保持動作時）から、電流電圧双方向変換器１６に電力を供給する放電動作時へ移行するときのＳＭＥＳ装置の動作について説明する。この移行動作時に、短絡サイリスタ２６をターンオフする必要がある。スイッチング制御装置３０は、短絡サイリスタ２６のゲートをターンオフする。サイリスタは他励素子によりゲートをターンオフしても電流は流れ続ける為、外部の回路により電流値を零にするか電流の方向を逆向きにする必要がある。この短絡サイリスタ２６のＯＦＦ条件において、電流電圧双方向変換器１６を駆動して超電導コイル２０に電力を供給する充電動作を短時間実行する。この制御により、短絡サイリスタ２６に逆電圧がかかってターンオフされ消弧する。その結果、ＳＭＥＳ２０の電流が、電流電圧双方向変換器１６の側に全て移される。
【００５１】
上記の移行動作時に、短絡サイリスタ２６をターンオフする遮断動作時の初期電流を低減するために、以下の動作が行われる。断路器１８が接続状態、電流電圧双方向変換器１６が作動状態に設定される。この状態で、スイッチング制御装置３０は、同期整流回路２２を構成する全てのパワーＭＯＳＦＥＴをＯＦＦにして同期整流回路２２を停止し、電圧／電流制御用変換器２も停止する。その結果、同期整流回路２２を構成するパワーＭＯＳＦＥＴに並列に接続されたダイオード（寄生ダイオード）をＳＭＥＳ電流が流れる。これらのダイオードのＯＮ電圧が発生することにより、超電導コイル２０の両端電圧が、ダイオードのＯＮ電圧分高くなる。このような制御により、超電導コイル２０の電流を、電流電圧双方向変換器１６の短絡回路側に部分的に移すことが出来る。以上の動作により、短絡サイリスタ２６の遮断動作時の初期電流を低減できるという効果が得られる。
【００５２】
以上の説明においては、系統連系用変換器として電圧側変換器を例に取り上げた。しかし、電流型の変換器についても、直流中間部の初期充電動作を除いて、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、ＳＭＥＳの系統連系回路の参考例である。
【図２】図２は、ＳＭＥＳの系統連系回路の参考例である。
【図３】図３は、実施形態におけるＳＭＥＳの系統連系回路と保持及び充電回路を示す。
【図４】図４は、実施形態におけるＳＭＥＳの動作を説明するための図である。
【図５】図５は、実施形態におけるＳＭＥＳの動作を説明するための図である。
【図６】図６は、実施形態におけるＳＭＥＳの動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５４】
２  電圧／電流制御用変換器
４  切替器
６  昇圧トランス
８  整流回路
１０  電圧制御装置
１２  平滑コンデンサ
１４  系統連系インバータ
１６  電流電圧双方向変換器
１８  断路器
２０  超電導コイル
２２  同期整流回路
２４  過電圧保護回路
２６  短絡サイリスタ
２８  降圧トランス
３０  スイッチング制御装置
３２  電流制御装置
Ｄ１〜Ｄ８  ダイオード
Ｔ１〜Ｔ６  パワーＭＯＳＦＥＴ素子
Ｔ７〜Ｔ１４  ＩＧＢＴ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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