(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルと、
交流電力を直流に変換し、前記超電導コイルを励消磁する電流型の自励式変換器と、
前記自励式変換器の直流側出力端に設けられた直流リアクトルと、
前記超電導コイルに並列に接続され、投入用のスイッチを有する超電導コイル短絡回路と、
前記自励式変換器の直流側に並列に接続され、投入用のスイッチを有する変換器短絡回路と、
前記超電導コイルおよび自励式変換器からなる直流主回路に設けられた直流遮断スイッチとを備え、
かつ前記直流リアクトルとして、前記直流遮断スイッチを遮断したときに、前記変換器短絡回路を負荷として自励式変換器の無効電力制御運転を継続する直流リアクトルを選定するようにしたことを特徴とする自励式変換器を用いた超電導コイルシステム。
【請求項２】
前記超電導コイル短絡回路は、超電導コイルに蓄積されたエネルギーを減衰させることなく保持するための永久電流スイッチから構成されることを特徴とする請求項１に記載の自励式変換器を用いた超電導コイルシステム。
【請求項３】
前記超電導コイル短絡回路は、超電導コイル異常時に当該超電導コイルに蓄積されたエネルギーを吸収するための保護抵抗と、当該保護抵抗投入用のスイッチとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の自励式変換器を用いた超電導コイルシステム。
【請求項４】
前記変換器短絡回路は、自励式変換器異常時に当該自励式変換器に流れ込む主回路電流をバイパスして自励式変換器を保護するための短絡スイッチから構成されることを特徴とする請求項１に記載の自励式変換器を用いた超電導コイルシステム。
【請求項５】
超電導コイルと、
複数の単位変換器を並列接続してなり、変換器用変圧器を介さずに入力される交流電力を直流に変換し、前記超電導コイルを励消磁する電流型の自励式変換器と、
前記各単位変換器の直流側出力端にそれぞれ設けられた直流リアクトルと、
前記自励式変換器を構成する各単位変換器の交流側にそれぞれ設けられた交流側開閉用スイッチと、
前記自励式変換器を構成する各単位変換器の直流側にそれぞれ設けられた直流側開閉用スイッチと、
前記自励式変換器を構成する各単位変換器を制御の切り替えにより任意の並列段数で制御可能な制御手段と、
を備えて成ることを特徴とする自励式変換器を用いた超電導コイルシステム。
【請求項６】
前記請求項５に記載の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムにおいて、
前記超電導コイルに並列に接続され、投入用のスイッチを有する超電導コイル短絡回路と、前記自励式変換器の直流側に並列に接続され、投入用のスイッチを有する変換器短絡回路と、前記超電導コイルおよび自励式変換器からなる直流主回路に設けられた直流遮断スイッチとを付加して成ることを特徴とする自励式変換器を用いた超電導コイルシステム。
【請求項７】
前記超電導コイル短絡回路は、超電導コイルに蓄積されたエネルギーを減衰させることなく保持するための永久電流スイッチから構成されることを特徴とする請求項６に記載の自励式変換器を用いた超電導コイルシステム。
【請求項８】
前記超電導コイル短絡回路は、超電導コイル異常時に当該超電導コイルに蓄積されたエネルギーを吸収するための保護抵抗と、当該保護抵抗投入用のスイッチとから構成されることを特徴とする請求項６に記載の自励式変換器を用いた超電導コイルシステム。
【請求項９】
前記変換器短絡回路は、自励式変換器異常時に当該自励式変換器に流れ込む主回路電流をバイパスして自励式変換器を保護するための短絡スイッチから構成されることを特徴とする請求項６に記載の自励式変換器を用いた超電導コイルシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、システム全体の運用効率が高く、かつ信頼性の高い自励式変換器を用いた超電導コイルシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＧＴＯ素子等を用いた自励式変換器は、素子のスイッチングを任意に制御できるため、力率を任意に制御できるという特性を有する。例えば、負荷を超電導コイルとした場合には、超電導コイルが極低温において電気抵抗が零となる特性を利用し、電気エネルギーを磁気エネルギーとして高効率で貯蔵すると共に、自励式変換器により、系統の有効電力と無効電力とを同時かつ高速に制御することが可能となる。
【０００３】
このため、最近では、以上のような特性を活かし、系統の負荷平準化、負荷変動補償、周波数調整、安定度向上、および停電対策等への応用に期待されてきている。
【０００４】
図３は、この種の従来の電流型自励式変換器を適用した超電導コイルシステムの主回路構成例を示す図である。
図３において、超電導コイル１は、電流型の自励式変換器２によって励消磁される。自励式変換器２は、一般的に高調波抑制の観点から、変換器用変圧器４を介して多並列に接続された複数の単位変換器３から構成される。
【０００５】
この場合、各単位変換器３間の電流をバランスさせるために、直流リアクトル５が設けられている。なお、この変換器用変圧器４を省略して自励式変換器２を構成する場合もある。
【０００６】
自励式変換器２は、外部からの電力基準に応じて、系統へ任意の有効電力および無効電力を同時に供給することができる。
一方、超電導コイル１、および自励式変換器２からなる直流主回路には、システム異常時に超電導コイル１に蓄積されたエネルギーを急速に吸収する目的で、保護抵抗投入用スイッチ６と保護抵抗７とから構成される超電導コイル短絡回路（保護抵抗回路）が設けられている。
【０００７】
また、超電導コイル１、および自励式変換器２からなる直流主回路には、超電導コイル１に十分蓄積されたエネルギーを減衰させることなく保持するために、永久電流スイッチ８から構成される超電導コイル短絡回路（永久電流回路）が設けられている。
【０００８】
さらに、超電導コイル１、および自励式変換器２からなる直流主回路には、保護抵抗回路もしくは永久電流回路を投入する場合に、超電導コイル１と自励式変換器２とを切り離すための直流遮断スイッチ１０が設けられている。
【０００９】
しかしながら、このような回路構成の超電導コイルシステムでは、超電導コイル１が故障した時には、システム全体の運転を停止しなければならない。
例えば、超電導コイル１がクエンチ（常電導化）したような場合には、保護抵抗回路を投入して、超電導コイル１に蓄積されたエネルギーを急速に保護抵抗７で吸収し、自励式変換器２を停止する。このため、超電導コイル１の点検、復帰の期間は、システム全体の運転が停止することになる。
【００１０】
一方、変換器として自励式変換器２を用いた場合、有効電力の制御は、超電導コイル１に蓄積されたエネルギーを系統とやりとりすることで実現することができる。
【００１１】
また、無効電力の制御は、自励式変換器２による位相制御で実現することができるため、超電導コイル１に蓄積されたエネルギーは変化しない。これは、主回路構成を工夫することにより、超電導コイル１が故障した時でも、自励式変換器２が健全であれば、超電導コイル１を切り離して自励式変換器２単独で無効電力の制御が可能であることを意味している。
【００１２】
さらに、変換器として多並列構成の電流型の自励式変換器２を適用した場合には、従来では、１台でも単位変換器３に異常が生じると、自励式変換器２全体を停止させてシステム全体の運転を停止している。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の超電導コイルシステムにおいては、システム全体の運用効率が低いという問題があった。
本発明の目的は、システム全体の運用効率が高く、かつ信頼性の高い自励式変換器を用いた超電導コイルシステムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、
まず、請求項１に対応する発明の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムは、超電導コイルと、変換器用変圧器を介して入力される交流電力を直流に変換し、超電導コイルを励消磁する電流型の自励式変換器と、自励式変換器の直流側出力端に設けられた直流リアクトルと、超電導コイルに並列に接続され、投入用のスイッチを有する超電導コイル短絡回路と、自励式変換器の直流側に並列に接続され、投入用のスイッチを有する変換器短絡回路と、超電導コイルおよび自励式変換器からなる直流主回路に設けられた直流遮断スイッチとを備え、かつ上記直流リアクトルとして、直流遮断スイッチを遮断したときに、変換器短絡回路を負荷として自励式変換器の無効電力制御運転を継続する直流リアクトルを選定するようにしている。
【００１５】
ここで、特に上記超電導コイル短絡回路は、例えば請求項２に記載したように、超電導コイルに蓄積されたエネルギーを減衰させることなく保持するための永久電流スイッチから構成されることが好ましい。
【００１６】
また、上記超電導コイル短絡回路は、例えば請求項３に記載したように、超電導コイル異常時に当該超電導コイルに蓄積されたエネルギーを吸収するための保護抵抗と、当該保護抵抗投入用のスイッチとから構成されることが好ましい。
【００１７】
さらに、上記変換器短絡回路は、例えば請求項４に記載したように、自励式変換器異常時に当該自励式変換器に流れ込む主回路電流をバイパスして自励式変換器を保護するための短絡スイッチから構成されることが好ましい。
【００１８】
なお、以上は、上記変換器用変圧器をを省略した場合にも実現可能である。
一方、請求項５に対応する発明の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムは、超電導コイルと、複数の単位変換器を並列接続してなり、変換器用変圧器を介さずに入力される交流電力を直流に変換し、超電導コイルを励消磁する電流型の自励式変換器と、各単位変換器の直流側出力端にそれぞれ設けられた直流リアクトルと、自励式変換器を構成する各単位変換器の交流側にそれぞれ設けられた交流側開閉用スイッチと、自励式変換器を構成する各単位変換器の直流側にそれぞれ設けられた直流側開閉用スイッチと、自励式変換器を構成する各単位変換器を制御の切り替えにより任意の並列段数で制御可能な制御手段とを備えて成る。
【００１９】
さらに、請求項６に対応する発明の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムは、上記請求項５に対応する発明の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムにおいて、超電導コイルに並列に接続され、投入用のスイッチを有する超電導コイル短絡回路と、自励式変換器の直流側に並列に接続され、投入用のスイッチを有する変換器短絡回路と、超電導コイルおよび自励式変換器からなる直流主回路に設けられた直流遮断スイッチとを付加して成る。
【００２０】
ここで、特に上記超電導コイル短絡回路は、例えば請求項７に記載したように、超電導コイルに蓄積されたエネルギーを減衰させることなく保持するための永久電流スイッチから構成されることが好ましい。
【００２１】
また、上記超電導コイル短絡回路は、例えば請求項８に記載したように、超電導コイル異常時に当該超電導コイルに蓄積されたエネルギーを吸収するための保護抵抗と、当該保護抵抗投入用のスイッチとから構成されることが好ましい。
【００２２】
さらに、上記変換器短絡回路は、例えば請求項９に記載したように、自励式変換器異常時に当該自励式変換器に流れ込む主回路電流をバイパスして自励式変換器を保護するための短絡スイッチから構成されることが好ましい。
【００２３】
従って、まず、請求項１乃至請求項４に対応する発明の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムにおいては、投入用のスイッチを有する変換器短絡回路を、自励式変換器の直流側に並列に設け、かつ自励式変換器の直流側出力端に設ける直流リアクトルとして、変換器短絡回路を負荷として自励式変換器の無効電力制御運転を可能なように選定することにより、超電導コイルが故障した場合、もしくは無効電力および高調波の制御のみを行なう場合に、超電導コイルを自励式変換器から切り離し、自励式変換器単独でＳＶＣ（静止型無効電力補償装置）、もしくは高調波補償用としてシステムを継続して運転することができる。
【００２４】
これにより、システム全体の運用効率が高く、かつ信頼性の高い自励式変換器を用いた超電導コイルシステムを実現することが可能となる。
一方、請求項５乃至請求項９に対応する発明の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムにおいては、自励式変換器を構成する各単位変換器の交流側および直流側にそれぞれ交流側開閉用スイッチおよび直流側開閉用スイッチを設け、かつ自励式変換器を構成する各単位変換器を制御の切り替えによって任意の並列段数で制御することにより、自励式変換器を構成する単位変換器が故障した場合に、故障した単位変換器を切り離して、残りの健全な単位変換器でシステムを継続して運転することができる。
これにより、システム全体の運用効率が高く、かつ信頼性の高い自励式変換器を用いた超電導コイルシステムを実現することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態による電流型の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムの構成例を示す回路構成図であり、図３と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２６】
すなわち、本実施形態の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムは、図１に示すように、図３における自励式変換器２の直流側に並列に、自励式変換器２異常時に当該自励式変換器２に流れ込む主回路電流をバイパスして自励式変換器２を保護するための投入用スイッチである短絡スイッチ１１を有する変換器短絡回路１２を接続した構成としている。
【００２７】
さらに、前記直流リアクトル５として、変換器短絡回路１２を負荷として自励式変換器２の無効電力制御運転を可能とする直流リアクトルを選定するようにしている。
【００２８】
次に、以上のように構成した本実施形態の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムの作用について説明する。
まず、通常運転時には、直流遮断スイッチ１０が閉極、保護抵抗投入用スイッチ６、および永久電流スイッチ８が開極しており、電流は自励式変換器２→直流遮断スイッチ１０→超電導コイル１→自励式変換器２のパスで流れる。そして、この状態では、系統からの要求に応じて、有効電力と無効電力とを同時に制御することが可能である。
【００２９】
次に、このような状態から、いま超電導コイル１に異常が発生した場合の無効電力制御について述べる。
すなわち、超電導コイル１の異常検出後、自励式変換器２をバイパスペアとし、交流回路と直流回路とを切り離す。
【００３０】
次に、保護抵抗投入用スイッチ６を閉極、直流遮断スイッチ１０を開極し、変換器２をゲートブロックする。こうすることにより、超電導コイル１と自励式変換器２とは切り離される。
【００３１】
その後、超電導コイル１を切り離した状態で、短絡スイッチ１１を閉極し、自励式変換器２の運転を再開してＳＶＣ運転を行なう。そして、超電導コイル１が復帰した段階で、再び超電導コイル１と自励式変換器２とを接続して通常運転を再開する。
【００３２】
次に、永久電流モードを用いた無効電力補償について述べる。
夜間等、系統電力が過剰な状況で超電導コイル１の蓄積エネルギーが最大となり系統と有効電力の授受を行なわない場合には、永久電流スイッチ８を閉極し、直流遮断スイッチ１０を開極することにより、永久電流モードに移行し、蓄積エネルギーを無損失で長時間保持する。
【００３３】
この時、短絡スイッチ１１を閉極し、自励式変換器２の運転を再開して、ＳＶＣ運転を行なうことが可能となる。
上述したように、本実施形態の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムは、超電導コイル１と、変換器用変圧器４を介して入力される交流電力を直流に変換し、多並列に接続された複数の単位変換器３からなり、超電導コイル１を励消磁する電流型の自励式変換器２と、自励式変換器２の直流側出力端に設けられた直流リアクトル５と、超電導コイル１に並列に接続され、超電導コイル１に蓄積されたエネルギーを減衰させることなく保持するための永久電流スイッチ８からなる超電導コイル短絡回路（永久電流回路）と、超電導コイル１異常時に当該超電導コイル１に蓄積されたエネルギーを吸収するための保護抵抗７と当該保護抵抗投入用のスイッチ６とからなる超電導コイル短絡回路（保護抵抗回路）と、自励式変換器２の直流側に並列に接続され、自励式変換器２異常時に当該自励式変換器２に流れ込む主回路電流をバイパスして自励式変換器２を保護するための短絡スイッチ１１からなる変換器短絡回路１２と、超電導コイル１および自励式変換器２からなる直流主回路に設けられた直流遮断スイッチ１０とから構成し、かつ上記直流リアクトル５として、変換器短絡回路１２を負荷として自励式変換器２の無効電力制御運転を可能とする直流リアクトルを選定するようにしたものである。
【００３４】
従って、超電導コイル１が異常な場合、もしくは無効電力制御のみを行なう場合に、超電導コイル１を自励式変換器２から切り離し、自励式変換器２単独でＳＶＣ（静止型無効電力補償装置）、もしくは高調波補償用としてシステムを継続して運転することが可能となる。
【００３５】
これにより、システム全体の運転効率が高く、かつ信頼性の高い自励式変換器を用いた超電導コイルシステムを実現することができる。
（第２の実施形態）
図２は、本実施形態による電流型の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムの構成例を示す回路構成図であり、図３と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００３６】
すなわち、本実施形態の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムは、図２に示すように、図３における保護抵抗７と当該保護抵抗投入用のスイッチ６とからなる超電導コイル短絡回路（保護抵抗回路）を省略し、また自励式変換器として、複数の単位変換器３を並列接続してなり、前記変換器用変圧器を介さずに入力される交流電力を直流に変換し、超電導コイル１を励消磁する電流型の自励式変換器２を備え、さらに自励式変換器２を構成する各単位変換器３の交流側に交流側開閉用スイッチ１３をそれぞれ設けると共に、自励式変換器２を構成する各単位変換器３の直流側に直流側開閉用スイッチ１４をそれぞれ設け、さらにまた自励式変換器２を構成する各単位変換器３を制御の切り替えにより（制御ソフトの切り替えにより）任意の並列段数で制御可能な制御装置１５を備えた構成としている。
【００３７】
次に、以上のように構成した本実施形態の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムの作用について説明する。
まず、通常運転時には、直流遮断スイッチ１０が閉極、保護抵抗投入用スイッチ６、および永久電流スイッチ８が開極しており、電流は自励式変換器２→直流遮断スイッチ１０→超電導コイル１→自励式変換器２のパスで流れる。
【００３８】
次に、このような状態から、いま例えば単位変換器３が故障した場合には、永久電流スイッチ８を閉極し、直流遮断スイッチ１０を開極することにより、超電導コイル１に蓄積されたエネルギーを、永久電流スイッチ８からなる超電導コイル短絡回路（永久電流回路）にバイパスさせる。
【００３９】
次に、自励式変換器２の運転を停止し、故障した単位変換器３の交流側および直流側の開閉スイッチ１３および１４を開極して、故障した単位変換器３を切り離す。
【００４０】
その後、制御装置１５により制御ソフトを切り替え、任意の並列段数の健全な単位変換器３による運転を行なう。
なお、上記において、保護抵抗７と当該保護抵抗投入用のスイッチ６とからなる超電導コイル短絡回路（保護抵抗回路）は、あえて省略する必要はない。
【００４１】
上述したように、本実施形態の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムは、超電導コイル１と、複数の単位変換器３を並列接続してなり、変換器用変圧器を介さずに入力される交流電力を直流に変換し、超電導コイル１を励消磁する電流型の自励式変換器２と、各自励式変換器２の直流側出力端にそれぞれ設けられた直流リアクトル５と、超電導コイル１に並列に接続され、超電導コイル１に蓄積されたエネルギーを減衰させることなく保持するための永久電流スイッチ８からなる超電導コイル短絡回路（永久電流回路）と、超電導コイル１および自励式変換器２からなる直流主回路に設けられた直流遮断スイッチ１０と、自励式変換器２を構成する各単位変換器３の交流側にそれぞれ設けられた交流側開閉用スイッチ１３と、自励式変換器２を構成する各単位変換器３の直流側にそれぞれ設けられた直流側開閉用スイッチ１４とから構成したものである。
【００４２】
従って、自励式変換器２を構成する単位変換器３が故障した場合にも、故障した単位変換器３を切り離して、残りの健全な単位変換器３により継続してシステムの運転を行なうことが可能となる。
これにより、システム全体の運転効率が高く、かつ信頼性の高い自励式変換器を用いた超電導コイルシステムを実現することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１乃至請求項４に対応する発明によれば、超電導コイルと、交流電力を直流に変換し、超電導コイルを励消磁する電流型の自励式変換器と、自励式変換器の直流側出力端に設けられた直流リアクトルと、超電導コイルに並列に接続され、投入用のスイッチを有する超電導コイル短絡回路（超電導コイルに蓄積されたエネルギーを減衰させることなく保持するための永久電流スイッチ、もしくは超電導コイル異常時に当該超電導コイルに蓄積されたエネルギーを吸収するための保護抵抗と、当該保護抵抗投入用のスイッチとから構成される）と、自励式変換器の直流側に並列に接続され、投入用のスイッチを有する変換器短絡回路（自励式変換器異常時に当該自励式変換器に流れ込む主回路電流をバイパスして自励式変換器を保護するための短絡スイッチから構成される）と、超電導コイルおよび自励式変換器からなる直流主回路に設けられた直流遮断スイッチとを備え、かつ上記直流リアクトルとして、変換器短絡回路を負荷として自励式変換器の無効電力制御運転を可能とする直流リアクトルを選定するようにしたので、超電導コイルが故障した場合、もしくは無効電力および高調波の制御のみを行なう場合に、超電導コイルを自励式変換器から切り離し、自励式変換器単独でＳＶＣ（静止型無効電力補償装置）、もしくは高調波補償用としてシステムを継続して運転することができ、もってシステム全体の運用効率が高く、かつ信頼性の高い自励式変換器を用いた超電導コイルシステムが提供できる。
【００４４】
一方、請求項５乃至請求項９に対応する発明によれば、超電導コイルと、複数の単位変換器を並列接続してなり、変換器用変圧器を介さずに入力される交流電力を直流に変換し、超電導コイルを励消磁する電流型の自励式変換器と、各単位変換器の直流側出力端にそれぞれ設けられた直流リアクトルと、自励式変換器を構成する各単位変換器の交流側にそれぞれ設けられた交流側開閉用スイッチと、自励式変換器を構成する各単位変換器の直流側にそれぞれ設けられた直流側開閉用スイッチと、自励式変換器を構成する各単位変換器を制御の切り替えにより任意の並列段数で制御可能な制御手段とを備え、さらに必要に応じて、各単位変換器の直流側出力端にそれぞれ設けられた直流リアクトルと、超電導コイルに並列に接続され、投入用のスイッチを有する超電導コイル短絡回路と、自励式変換器の直流側に並列に接続され、投入用のスイッチを有する変換器短絡回路と、超電導コイルおよび自励式変換器からなる直流主回路に設けられた直流遮断スイッチとを備えるようにしたので、自励式変換器を構成する単位変換器が故障した場合に、故障した単位変換器を切り離して、残りの健全な単位変換器でシステムを継続して運転することができ、もってシステム全体の運用効率が高く、かつ信頼性の高い自励式変換器を用いた超電導コイルシステムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による自励式変換器を用いた超電導コイルシステムの第１の実施形態を示す回路構成図。
【図２】本発明による自励式変換器を用いた超電導コイルシステムの第２の実施形態を示す回路構成図。
【図３】従来の自励式変換器を用いた超電導コイルシステムを示す主回路構成図。
【符号の説明】
１…超電導コイル、
２…変換器、
３…単位変換器、
４…変換器用変圧器、
５…直流リアクトル、
６…保護抵抗投入用スイッチ、
７…保護抵抗回路、
８…永久電流スイッチ、
１０…直流遮断スイッチ、
１１…短絡スイッチ、
１２…変換器短絡回路、
１３…交流側開閉スイッチ、
１４…直流側開閉スイッチ、
１５…制御装置。
【図１】
0003724876.tif 000002
【図２】
0003724876.tif 000003
【図３】
0003724876.tif 000004