(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
公称電圧を搬送する送電線ネットワークと、該送電線ネットワークに接続され前記送電線ネットワーク上の公称電圧よりも低い配電電圧を搬送する配電線ネットワークとを有するユーティリティ電力ネットワークに接続されるための電圧回復装置において、同電圧回復装置は前記配電線ネットワークに並列に接続されたエネルギー貯蔵ユニットを備え、かつ前記ユーティリティ電力ネットワークで故障条件が検出された後に前記ユーティリティ電力ネットワーク上の電圧を前記公称電圧の所定の比率の範囲内まで回復するために、前記ユーティリティ電力ネットワークと電圧回復装置の間で有効電力及び無効電力を一定量にて一定の期間にわたって伝送すべく構成されている電圧回復装置。
【請求項２】
前記電圧回復装置は有効電力と無効電力の組み合わせを伝送すべく構成されている請求項１に記載の電圧回復装置。
【請求項３】
前記電圧回復装置は、前記ユーティリティ電力ネットワークに０．９０Ｐ．Ｕ．までの範囲内の公称電圧の有効及び無効電力を０．５秒以内の期間にて供給するように構成されている請求項２に記載の電圧回復装置。
【請求項４】
前記エネルギー貯蔵ユニットと前記ユーティリティ電力ネットワークとの間に電気接続されたインバータと、
前記インバータに接続されるとともに、エネルギー貯蔵ユニットとユーティリティ電力ネットワークとの間を伝送される有効電力量及び無効電力量を制御すべく構成されたコントローラとを更に備える請求項２に記載の電圧回復装置。
【請求項５】
前記エネルギー貯蔵ユニットは超伝導磁石を有する請求項４に記載の電圧回復装置。
【請求項６】
前記エネルギー貯蔵ユニットは、フライホイール、電池、容量性エネルギー貯蔵システムバンク、圧縮ガスエネルギー源、及び燃料電池システムからなる群から選択される請求項４に記載の電圧回復装置。
【請求項７】
前記エネルギー貯蔵ユニットと前記インバータの間に接続される磁石インタフェースを
更に備える請求項４に記載の電圧回復装置。
【請求項８】
公称電圧を搬送する送電線ネットワークと、該送電線ネットワークに接続され前記送電線ネットワーク上の公称電圧よりも低い配電電圧を搬送する配電線ネットワークとを有するユーティリティ電力ネットワークを安定化させるための方法であって、
エネルギー貯蔵ユニットを有した電圧回復装置を前記配電ネットワークに並列に電気接続する工程と、
前記ユーティリティ電力ネットワーク上で故障条件を検出する工程と、
前記ユーティリティ電力ネットワーク上の電圧を前記公称電圧の所定の比率の範囲内に回復するために、前記故障条件の検出に応じて、前記電圧回復装置を前記ユーティリティ電力ネットワークに有効電力及び無効電力を一定量及び一定の期間にて伝送するように動作させる工程とを備える方法。
【請求項９】
前記エネルギー貯蔵ユニットと前記ユーティリティ電力ネットワークとの間にインバータを電気接続する工程を更に備え、前記電圧回復装置を動作させる工程は、前記エネルギー貯蔵ユニットと前記ユーティリティ電力ネットワークとの間で伝送される有効電力量及び無効電力量を制御するために前記インバータを制御する工程を有する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
許容可能なユーティリティ基準値内の電圧への０．５秒以内の迅速な回復を促進すべく、前記送電線ネットワークに有効電力及び無効電力を供給するように電圧回復装置を構成する工程を更に含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
０．５秒以内に０．９０Ｐ．Ｕ．の公称電圧以内まで前記送電線ネットワークに有効電力及び無効電力を供給するように前記電圧回復装置を構成する工程を更に備える請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記エネルギー貯蔵ユニットは超伝導磁石を有する請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
エネルギー貯蔵ユニットは、フライホイール、電池、容量性エネルギー貯蔵システムバンク、圧縮ガスエネルギー源、及び燃料電池システムからなる群から選択される請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記有効電力は所定の時間にわたり一定の電圧にて電圧回復装置から伝送される請求項１に記載の電圧回復装置。
【請求項１５】
前記所定時間の経過後に前記有効電力が前記電圧回復装置から一定の速度にて伝送される請求項１４に記載の電圧回復装置。
【請求項１６】
前記有効電力は所定の時間にわたり一定の電圧にて前記電圧回復装置から伝送される請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
前記所定時間の経過後に前記有効電力が前記電圧回復装置から一定の速度にて伝送される請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
送電ネットワーク及び配電ネットワークを有するユーティリティ電力ネットワークを安定化するための方法であって、
それぞれがエネルギー貯蔵ユニットを有する複数の電圧回復装置を配電ネットワークに並列に電気接続する工程と、
ユーティリティ電力ネットワーク上の故障条件を検出する工程と、
前記故障条件の検出に応じて、前記送電ネットワークの電圧を公称電圧の所定の比率内にまで回復させるために一定の量、かつ一定の時間にわたってユーティリティ電力ネットワークに有効電力及び無効電力を伝送すべく１以上の電圧回復装置を動作させる工程とを備える方法。
【請求項１９】
ユーティリティ電力ネットワークにおいて、
公称電圧を搬送する送電線ネットワークと、
それぞれが前記送電線ネットワークに接続されている複数の配電線ネットワークと、前記配電線ネットワークのそれぞれは前記送電線ネットワークが搬送する前記公称電圧よりも低い配電電圧を搬送することと、
前記配電線ネットワークのうちの少なくとも１つに並列に接続されている複数の電圧回復装置と、前記電圧回復装置のそれぞれは、前記ユーティリティ電力ネットワークで検出された故障条件の後に、前記配電線ネットワークと電圧回復装置の間で、前記ユーティリティ電力ネットワークの電圧を前記ユーティリティ電力ネットワークの公称電圧の所定の比率内まで回復させるための一定の高さ及び一定の期間にわたって有効電力及び無効電力を伝送すべく形成されていることとを備えるユーティリティ電力ネットワーク。
【請求項２０】
前記電圧回復装置のそれぞれは有効電力と無効電力の組み合わせを伝送すべく形成されている請求項１９に記載のユーティリティ電力ネットワーク。
【請求項２１】
前記電圧回復装置のそれぞれは、最低でも前記公称電圧の０．９０Ｐ．Ｕ．の電圧を、前記故障が解消した後０．５秒以内で回復させるために有効電力及び無効電力を前記ユーティリティ電力ネットワークに提供すべく形成されている請求項２０に記載のユーティリティ電力ネットワーク。
【請求項２２】
前記電圧回復装置のそれぞれは、
前記エネルギー貯蔵ユニットと前記配電線ネットワークのうちの１つとの間に電気接続されたインバータと、
前記インバータに接続されるとともに、前記エネルギー貯蔵ユニットとユーティリティ電力ネットワークの間で伝送される有効電力及び無効電力の量を制御すべく形成されているコントローラとを備える請求項２０に記載のユーティリティ電力ネットワーク。
【請求項２３】
前記エネルギー貯蔵ユニーットは超伝導磁石を有する請求項２２に記載のユーティリティ電力ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
（関連出願情報）
本願は、ここにその全容を援用する、１９９９年１月２９日出願の米国特許出願第０９／２４０，７５１号の一部継続出願である。本願はまた、米国特許法第１１９条（ｅ）（１）に基づき、１９９９年１月２９日出願の米国特許出願第６０／１１７，７８４号に優先権を主張するものである。
【０００１】
（引用文献）
本件はここに以下の出願を援用するものである。すなわち、１９９９年１１月２４日出願の米国特許第６，４４５，５５５号明細書（米国特許出願第０９／４４９，５０５号）、１９９９年１１月２４日出願の米国特許第６，４１４，８５３号明細書（米国特許出願第０９／４４９，４３６号）、発明の名称が「コンデンサスイッチング」である１９９９年１１月２４日出願の米国特許出願公開第２００３−６７２８５号明細書（米国特許出願第０９／４４９，３７８号）、発明の名称が「ユーティリティ電力ネットワーク」である１９９９年１１月２４日出願の米国特許出願第６０／１６７，３７７号、ならびに発明の名称が「ユーティリティネットワークに電力を供給するための方法及び装置」である１９９９年１１月２４日出願の米国特許第６，６００，９７３号明細書（米国特許出願第０９
／４４９，３７５号）である。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、発電システム、送電システム、ならびに負荷への供給を行う配電システムに関するものである。電力はこれらのネットワークに主として交流として流れるがそのこと自体は当業者にはよく知られたことである。
【０００３】
競争力を維持するべく、電気ユーティリティ企業はコストを低減する一方でシステム動作及び信頼度を高める努力を常に行っている。こうした課題を解決すべく、ユーティリティ企業は設置された機器の寿命を延ばし、それら機器のユーティリティネットワークを診断、監視するための技術を開発している。これらの技術の開発はユーティリティ電力グリッドのサイズが増大し及びそれに対する要求が増すにつれて益々重要となっている。
【０００４】
一般にユーティリティ電力グリッドは、約２５ｋＶよりも大きい電圧及びこれよりも小さい電圧をそれぞれ搬送するための送電線及び配電線ネットワークの両方を有するものとされている。
【０００５】
図１を参照すると、発電機１２、サブステーション１４、およびスイッチングステーション１６を備えた送電ネットワーク１０を有するユーティリティ電力ネットワークの一部が示されている。発電機１２、サブステーション１４、およびスイッチングステーション１６はすべて送電線１８によって接続されている。送電線１８は一般に２５キロボルト（ｋＶ）よりも大きな電圧を搬送する。図１では、特定の送電線上の電圧は図において付随している線の厚さにほぼ比例する。実際の送電システムの電圧は右下の凡例に示されている。
【０００６】
図２は図１のユーティリティ電力ネットワークを部分展開図１０ａにて示したものであり、逓降変圧器２２によって送電線１８に結合された配電線２０が示されている。各配電線は送電線におけるレベルよりも低い電圧レベル（例  ２５ｋＶ以下）にて負荷２４に電力を搬送する。
【０００７】
ユーティリティ電力グリッド上の電圧の不安定性はユーティリティ産業にとって重大な問題である。具体的には、送電グリッド上で故障が発生した場合、瞬間的な電圧降下が生じ、これによりグリッド上での電圧消失や電圧不安定性につながる場合がある。
【０００８】
ユーティリティ電力システムでの故障の仕組みをよりよく理解するため、送電システム上の３相故障による、システムでの一連の出来事を説明する。例として再び図１を参照し、セグメント７０から遠隔点にある送電ネットワークの一部で故障が生じたものと仮定する。セグメント７０は送電線ネットワーク１０のサブステーション１４ａとスイッチングステーション１６ａとの間にある。図３を参照すると、この故障によるサブステーション１４ａにおける時間の関数としての電圧プロファイルが示されている。この特定の事例では、電圧は公称１１５ｋＶから約９０ｋＶまで低下する。故障がセグメント７０により近くかセグメント自体にて生じた場合、電圧降下はより深刻であり、線の電圧は０に近づき得る点を認識することが重要である。
【０００９】
一般にこうした故障は送電システム上に瞬時に顕在化する極めて大きな負荷として現れる。この非常に大きな負荷の出現に対し、送電システムは負荷（故障）に非常に大きな電流を供給しようとする。送電システムの回路遮断器に付随した検出器回路が過剰電流状態を直ち（数ミリ秒以内）に検出する。検出器回路からの活動化信号は保護リレーに送られ、保護リレーは回路の開放を開始する。リレーはその性質上、開放するために３〜６ＡＣ線サイクル（最大１００ミリ秒）を要する。遮断器が開くと故障は復旧するが、遮断器の開放によってカスケード式に一連の出来事が引き起こされ、極端な場合には送電及び配電システムのその部分の電圧が消失する。詳細には、遮断器が開放した時点で電圧は依然低く（ほぼ０）、送電システムの一部が実質的に除かれてしまうためにシステムのインピーダンスが急激に高くなって人工的に高負荷が出現する。この状態では電圧は低下し、負荷に供給される電流は急激に増大する。この電流の急激な増加により送電及び配電システムにおいて大きな損失が生ずる。場合によっては、負荷及びインピーダンスが非常に大きいためにグリッドの電圧が正常に戻らず、システム全体の長期の電圧低下ならびに電圧の消失につながる。これらの電圧の不安定性の問題はグリッドの負荷条件が増えるにつれて更に顕在化する。
【００１０】
ボルトアンペア無効電力は、「ｖｏｌｔ  ａｍｐｅｒｅｓ  ｒｅａｃｔｉｖｅ」の頭文字をとったＶＡＲとして表される。所定の長さの時間にわたったボルトアンペア無効電力は、電源と負荷との間でのエネルギーの振動を表すものである。その役割は、磁場を形成し、コンデンサを充電するためのエネルギーを供給することと、このエネルギーを、磁場が消失するかコンデンサが放電する際に電源に戻すことである。
【００１１】
無効電力は電圧と電流との直角分によるものであり、したがって平均の有効電力を表していない点に留意されたい。このようにボルトアンペア無効電力は発電機への平均的エネルギーの入力を必要としないが、これを発生させる際には発電機のボルトアンペア容量を一定量消費するため、発電機の利用可能な有効電力の出力が制限される。更にグリッド上の無効電力の伝送にともなう抵抗性すなわちＩ２Ｒの損失が生ずる。この更なる損失もまた発電機によって補償されなければならず、グリッドで利用可能な有効電力を更に制限するものである。Ｉ２Ｒ損失は無効電力の伝送によって生ずるものであるが、これはその無効電力の一部ではない点に留意されたい。
【００１２】
上記に述べた電圧安定性の問題を解決するための解決策の一つは、更なる送電線を構築してシステムのインピーダンスを低下させることにより、遮断器の開放によって生ずる電流の大きな損失及び急激な増加の効果を打ち消すことである。しかしこのように更なる線を設けることは経費もかかり、特定の設置構成では極めて困難である。
【００１３】
こうした電圧不安定性の問題を解決するための様々な機器や装置による解決策も開発されている。一般にこうした装置はシステムに有効及び／または無効電力を注入することによって問題を低減するものである。
【００１４】
静止リアクタンス補償装置（ＳＶＣ）と呼ばれるこうした装置の一つでは、特定の負荷において故障が生じた際にコンデンサ列から無効電力を供給する。具体的には、ＳＶＣはＳＶＣが位相角をシフトさせることによって供給される無効電力を迅速に供給することにより、ネットワークの電圧を上昇させる。ＳＶＣはシステムの状態が変化することに基づく送電ネットワーク上の動的な電力スイングに応じて位相角を連続的にシフトさせる。
【００１５】
電池及び超伝導磁気貯蔵装置などの他の装置は、負荷に有効電力及び無効電力を供給できる点においてＳＶＣと異なる。例えば、ＳＭＥは超伝導線のコイルを通じて流れる直流電流によって形成される磁場内にグリッドから与えられる電気エネルギーを貯蔵する。ＳＭＥを使用するための方法の一つは、グリッドから負荷が隔離された後、検出された故障に応じて負荷に電力を与えることである。ＳＭＥは電池と同様直流装置であるのでこれを交流ユーティリティグリッドに対してインタフェースするためには電力調整システムが通常必要とされる。すなわち電力調整システムは一般に他の濾過及び制御回路に加えＤＣ／ＡＣ変換器を備えている。
【００１６】
（発明の概要）
本発明は、故障復旧時間の間のユーティリティ電力システムの全体の有効及び無効電力損失を低減することにより、ユーティリティ電力システムまたはネットワーク上の電圧を安定化させるための解決策を提供するものである。「ユーティリティ電力システムまたはネットワーク」とは、正常な動作条件下において公称電圧を搬送するように構成された高電圧送電線ネットワークに結合された少なくとも１つの配電線ネットワークを有するシステムまたはネットワークのことである。配電線ネットワークは一般に負荷を有する少なくとも１つの配電供給部を備え、送電ネットワーク上の電圧よりも低いレベルにて電圧を搬送する。本発明は、ユーティリティ電力システム上の１以上の所定の位置に配された電圧回復装置から有効及び無効電力を供給することにより送電損失を低減するものである。
【００１７】
本発明の一般的な一態様は、公称電圧を搬送するユーティリティネットワークに接続するための電圧回復装置に関する。この態様では、電圧回復装置は、ユーティリティ電力ネットワークに接続され、ユーティリティ電力ネットワークで検出された故障条件の後にユーティリティ電力ネットワークの電圧を公称電圧の所定の比率内に回復させるうえで充分なレベルにてかつ充分な時間にわたってユーティリティ電力ネットワークと電圧回復装置との間において有効及び無効電力を伝送するように構成されたエネルギー貯蔵ユニットを備える。
【００１８】
従来の故障復旧策と異なり、本発明の電圧回復装置は特定の負荷の電圧を維持するのではなく、ユーティリティ電力システムの電圧の安定性を維持することに主眼をおいたものである。例えば、送電線上の電圧の安定化はユーティリティ電力システムの全体の損失を低減させることによって実現される。詳細には、異常に大きな電圧降下及び位相角のシフトにつながる極限負荷への有効及び無効電力の伝送によって生ずる異常に高い有効及び無効電力損失が低減される。こうした異常に高い損失は、有効及び無効電力が送電ネットワークではなく配電ネットワークに注入または吸収される場合により効率的かつ効果的に低減される。
【００１９】
本質的には、本発明は送電システムが損なわれていない場合の損失（除去されたり切り離された部分のない送電システム）と比較して通常２〜３倍大きいユーティリティ電力システム上の損失の低減を図ったものである。これらの大きな損失をなくすことにより、故障が検出され送電ネットワーク上の回路遮断器が開かれた直後の時間においてシステムにかかるストレスが軽減される。
【００２０】
更に、配電ネットワークの電圧が送電ネットワークの電圧よりも低いことにより配電ネットワーク用の電圧回復装置の設計及び設置がより簡単かつ容易となる。こうした電圧回復装置は信頼性も高い。
【００２１】
送電ネットワーク上ではなく、配電ネットワーク上の電圧回復装置から有効及び無効電力を供給及び／または吸収することには幾つかの利点がある。第１かつ最も一般的な点として、電圧回復装置は全体の損失の大部分が生じているユーティリティ電力ネットワークの部分（配電線ネットワーク）に有効及び無効電力を供給するように構成されている。第２に、電圧回復装置に付随する配電ネットワーク上で故障が発生するような特定の場合において、電圧回復装置は送電ネットワークに事実上影響を与えることなく故障を解消する。したがって送電ネットワークはより高い安定性にて動作する。
【００２２】
本発明の実施形態は以下の特徴の１以上のものを備える。
一実施形態において、エネルギー貯蔵ユニットは例えばＳＭＥＳのような超伝導磁石を備える。ＳＭＥＳ装置は、検出された故障に迅速に対応し、その後配電線に有効及び無効電力の両方を選択的に供給する能力のため、電圧回復装置として特に適している。具体的には、ＳＭＥＳ装置は配電線に接続された負荷に有効電力を限定された長さの時間にわたって供給し、無効電力をネットワークに無限に供給することが可能である。別の実施形態では、エネルギー貯蔵ユニットは、フライホイールエネルギー貯蔵装置、電池、容量性エネルギー貯蔵システム、圧縮ガスエネルギー貯蔵ユニット、及び燃料電池及びこれに付随するエネルギー源からなる群から選択される。
【００２３】
電圧回復装置は送電線ネットワークの電圧を公称ユーティリティ設計基準に見合ったレベルに回復させるように構成されている。一般のユーティリティ設計基準は、ネットワークの電圧が故障の解消の０．５秒以内に、公称の０．８〜０．９５Ｐ．Ｕ．（ｐｅｒ  Ｕｎｉｔ）、好ましくは０．９〜０．９５Ｐ．Ｕ．の範囲である場合にネットワークが回復されるものとしている。
【００２４】
電圧回復装置は更に、エネルギー貯蔵ユニットとユーティリティ電力ネットワークとの間に電気的に結合されたインバータと、インバータに接続されるとともに、エネルギー貯
蔵ユニットとユーティリティ電力ネットワークとの間で伝送される有効及び無効電力の量を制御するように構成されたコントローラとを備える。すなわちインバータは、エネルギー貯蔵ユニットへの、及びエネルギー貯蔵ユニットからの双方向のエネルギーの流れを可能とする。エネルギーがユーティリティ電力ネットワークからインバータに伝送される際にエネルギー貯蔵ユニットがエネルギー（すなわち更なるエネルギー）を吸収することができないような特定の条件において、伝送されたエネルギーをインバータ内部の抵抗器を用いて放散させることが可能である。
【００２５】
本発明は更に、選択的にほぼ一定の電圧またはほぼ一定の電力にてＳＭＥＳ装置のようなエネルギー貯蔵ユニットを放電する方法を含む。ほぼ一定の電圧にてエネルギー貯蔵ユニットを放電する方法は、放電期間の最初の部分において装置の貯蔵エネルギーの大部分を与える手段を与えるものである。これは、故障の開始後の初期の時間において大量の有効電力が供給される点において、ユーティリティ配電ネットワークに非常に有利な効果を与えるものである。ユーティリティ配電及び送電ネットワークが故障による大きな損失の影響を最も受けるのはこの期間においてである。この期間に貯蔵装置に貯蔵されたエネルギーのかなりの部分を注入することによりこうした損失をより効果的に低減させることが可能である。定常電圧におけるＳＭＥＳ、フライホイールや他の装置などのエネルギー貯蔵装置の放電は、装置内の貯蔵エネルギーが何らかの変量の第２の電力（この場合ＳＭＥＳの電流、フライホイールの場合の回転速度）にしたがって変化するために有利である。この種の装置から放電される電力は、例えば、こうした変量の変化率（例  電流や回転速度）と変量（例  電流や回転速度）の瞬間的な値との積として変化する。装置が定常電圧放電を行う場合、これらの２つの因子の積は放電の最初の瞬間に最大となり、経過放電時間の２乗に比例して減少する。この方法は放電の開始後、初期に装置から最大量の電力が与えられ、上記に教示されたように付随するユーティリティ送電及び配電ネットワーク上の損失を低減させるうえで有利である。更に、ほぼ一定の電圧においてエネルギー貯蔵装置を放電させる本方法は、ほぼ一定の電力にて装置を放電させる方法を実施するために必要とされるインタフェースと比較してより簡単かつ効率的なエネルギー貯蔵装置と付属のインバータとの間のインタフェースが可能となる。
【００２６】
本発明の別の一態様は、ユーティリティ電力ネットワークを安定化させるための方法に関するものである。この方法では電圧回復装置を配電ネットワークに電気的に接続する。ユーティリティ電力ネットワーク上で故障条件が検出されると、電圧回復装置は故障後の所定の時間内に活動化され、公称電圧の所定の比率内にユーティリティ電力ネットワーク上の電圧を回復させるうえで充分なレベルにて送電ネットワークに有効及び無効電力を供給する。
【００２７】
本発明のこの態様の１つの応用例では、ユーティリティ電力ネットワークは送電ネットワークと、送電ネットワークに電気的に接続された配電ネットワークとを備える。配電ネットワークは少なくとも１個の負荷に結合された配電線を有する。この方法は、電圧回復装置を配電ネットワークに電気的に接続することを更に含む。
【００２８】
本方法は以下の更なる工程の１以上を含むことが可能である。本方法は更に、エネルギー貯蔵ユニットとユーティリティ電力ネットワークとの間にインバータを電気的に結合することを含み得る。次いでインバータは、エネルギー貯蔵ユニットとユーティリティ電力ネットワークとの間で伝送される有効電力のレベル及び無効電力のレベルを制御するために制御される。電圧回復装置は有効電力と無効電力の組み合わせを供給するように構成されている。
【００２９】
特定の実施形態においては、電圧回復装置は送電ネットワークに有効電力を供給することにより０．５秒以内に許容可能なユーティリティ基準値内に電圧を速やかに回復させる。電圧回復装置は、送電線ネットワークに有効及び無効電力を供給することにより５秒以内に０．９０Ｐ．Ｕ．の公称電圧以内に電圧を速やかに回復させる。
【００３０】
本発明の更なる別の実施態様では、制御システムは、ユーティリティ電力ネットワークに電気的に結合された電圧回復装置を制御するコンピュータプログラムを保存するための部分を少なくとも有するメモリと、コンピュータ読み出し可能な指示を実行するためのプロセッサと、メモリをプロセッサに接続するバスとを備える。保存されたプログラムは、故障の検出に応じて、送電ネットワークの電圧を公称電圧の所定の比率内に回復させるうえで充分なレベルかつ充分な時間にわたったユーティリティ電力ネットワークへの有効電力及び無効電力の伝送を制御するように電圧回復装置に制御信号を与えるコンピュータ読み出し可能な指示を含む。
【００３１】
本発明の別の一態様は、ユーティリティ送電及び配電ネットワークは一般に複数の線及び負荷から構成されることと、これらの線と負荷のいずれのものにも故障が生ずるということに関するものである。したがって特定のユーティリティネットワーク上に複数のこうした電圧回復装置を設置することが有利である。本発明のこの実施形態では、上述したようなエネルギー貯蔵装置、インバータ、及び配電線に接続された付属制御部からなる個別の自蔵型電圧回復装置が送電及び配電ネットワーク上の複数の点に設置される。これらの個別の装置はそれぞれ下記に述べるように動作して送電及び配電ネットワークに対する故障の影響を低減する。ネットワーク上に配されたこれらの複数の装置は、複数の装置の総和に等しいエネルギー及び電力性能を有する１個の装置によって与えられる効果と比較して大幅に有利な効果を与えるものである。この有利な効果は個別の装置の容量と装置が取り付けられた送電及び配電線の容量とが近いことに概ねよって得られるものである。
【００３２】
本発明のこれら及び他の特徴は以下の実施形態の説明から、また特許請求の範囲から明らかとなろう。
（発明の詳細な説明）
図４を参照すると、配電線ネットワークの配電線２０に並列に接続された分流ＳＭＥＳすなわちＤ−ＳＭＥＳモジュール３０が示されている。一般にＤ−ＳＭＥＳモジュール３０は、有効及び無効電力を別々または共に送電線ネットワークに供給することが可能である。この実施形態では、Ｄ−ＳＭＥＳモジュール３０は２．８ＭＶＡにてサイジングされ、平均で２Ｍワットを４００ミリ秒にわたって、５．６ＭＶＡを１秒間にわたって、２．８ＭＶＡＲの無効電力を無限に供することが可能なものである。
【００３３】
配電線２０は、高電圧を逓降させる（例  送電線１８上で搬送される２５ｋＶよりも高い電圧をこの場合６ｋＶである低電圧に）第１の変圧器２２ａによって送電線ネットワークの送電線１８に接続されている。第２の変圧器２２ｂはこの６ｋＶを、この場合４８０Ｖである負荷２４に適した電圧に逓降させる。
【００３４】
Ｄ−ＳＭＥＳモジュール３０は低温保存ユニットの閉じ込め容器３６内に置かれたエネルギー貯蔵磁気コイル３４を有する超伝導磁気エネルギー貯蔵ユニット３２を備える。エネルギー貯蔵ユニット３２は更に磁石電力供給要素３８を備える。閉じ込め容器３６は磁気コイル３４を液体ヘリウム中に保持するものであり、真空絶縁空間によって分離された２個のオーステナイト系ステンレス鋼容器からなる。図に示された実施形態では、低温保存ユニットは、容器３６内の動作温度を維持するとともに容器内で形成されるヘリウム蒸気を再液化させるうえで協働する、１以上のギフォード−マクマホーン型冷却器（図に示されていない）を備える。通常の動作条件でヘリウム（液体または気体）が容器３６の外部を循環することはない。外部の室温冷却システムのガスが内部のヘリウムと互換されることはない。このシステムの構成により、一方または両方の冷却器が動作不能な状態で最低４８時間にわたって引き続きシステムを運転することが可能である。
【００３５】
超伝導磁気コイル３４は、機械的に安定した形態にケーブル化され、巻き線に先立って絶縁された、ニオブ−チタン銅系の母材線から形成された超伝導ケーブルにて製造される。Ｄ−ＳＭＥＳモジュール３０での使用に適した超伝導磁気コイルはアメリカン・スーパーコンダクター社（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（マサチューセッツ州ウェストボロー）より入手可能である。エネルギー貯蔵ユニット３２は、磁気コイル３４を充電するための磁石電力供給要素３８、磁石インタフェース４８、絶縁変圧器４０、及び遮断器または接触器４２を更に備える。電力供給要素３８はダイナパワー社（Ｄｙｎａｐｏｗｅｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（バーモント州サウスバーリントン）より入手可能である。この実施形態では、電力供給要素３８は配電線２０から絶縁変圧器４０及び逓降変圧器５０を介して交流電力を受け取り、磁気エネルギー貯蔵ユニット３２に直流電力を供給する。遮断器４２は、絶縁変圧器４０と逓降変圧器５０との間に置かれ、電力供給要素３８の挿入及び取り外しが容易に行えることにより電力供給要素の保守が容易となる。超伝導磁気エネルギー貯蔵ユニット３２は磁石インタフェース４８及び２個の指向性ダイオード４９を介してインバータシステム４４とインタフェースする。指向性ダイオード４９により、電力はエネルギー貯蔵ユニット３２からインバータシステム４４にのみ流れ、逆方向には流れない。
【００３６】
図５を参照すると、インバータシステム４４はＤ−ＳＭＥＳモジュール３０からの直流電圧を交流電圧に変換し、この実施形態では４個のインバータユニット４６を備えている（図５）。一般にインバータ４４は有効電力及び無効電力を任意の組み合わせにて与える電力源として機能する。インバータは、有効電力がエネルギー貯蔵ユニット３２から利用できる間だけ有効電力を供給することが可能であるが、インバータ４４は、インバータが公称の定格容量にて動作するものと仮定して無効電力を無限に供給することが可能である。より正確には、インバータ４４はユーティリティ電力ネットワーク自体を含む他の電力源から無効電力を受けとって、その無効電力を所望の大きさ及び位相にてユーティリティ電力ネットワークに戻すことが可能である。すなわちインバータ４４はエネルギー貯蔵ユニット３２からの電力なしで無効電力を供給または伝送することが可能である。
【００３７】
本質的には、インバータ４４は有効電力成分と無効電力成分の両方を有する電力を供給及び吸収することが可能な４象限の装置のことである。図８を参照すると、有効電力軸８２と無効電力軸８４を有するグラフ８０を用いて電圧回復装置３０によって伝送される電力をベクトル表現することが可能である。所定の大きさ及び位相角を有するベクトルはグラフ８０の４つの象限のいずれにもおかれうる。例えば、システム制御ユニット６０（下記に詳述する）からの制御信号に応じ、インバータ４４は、それぞれ正の有効電力及び負の無効電力成分のみを有するベクトル８５または８６によって表される電力を伝送することが可能である。一方、ここでベクトル８８によって表される電力は有効電力成分８８ａ及び無効電力成分８８ｂを有することが可能である。すなわち、電力の大きさ（ベクトルの長さ）及び位相角（θ）を調整して所定の軌跡を定義することが可能である。特定の用途ではインバータ４４はコストを低減するためにパルスモードで動作せられる。
【００３８】
各インバータユニット４６は、７００ＫＶＡを連続的に、過負荷にて１．４ＭＶＡを１秒間、供給することが可能である。各インバータユニット４６の出力を電力変圧器の中位電圧側で合成することにより次の表に基づくシステムの定格が得られる。
【００３９】
【表１】
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各インバータユニット４６は３個のインバータモジュール（図に示されていない）を有する。インバータユニット４６はモジュール式であるため、標準のインバータモジュールにより他のシステム定格に適応するような一定の汎用性が与えられる。こうしたモジュール式の構成により、システムの性能は低下するものの、更に一定レベルの故障許容が可能となる。各インバータモジュールは、とりわけ、装置の保護、電流調節、熱保護、モジュール間の電力バランス、及び診断といった、ローカルな機能を管理するローカルスレーブコントローラを有する。インバータユニット及びモジュールは内蔵の電力分配及び冷却システムとともにラック内に設けられる。
【００４０】
インバータシステム４４は、逓降変圧器５０及びスイッチギアユニット５２を介して配電線２０に結合される。各電力変圧器５０は、自身の基準定格で５．７５％の公称インピーダンスを有する、２４．９ｋＶ／４８０Ｖ３相のオイル充填パッドマウント型変圧器である。電力変圧器は一般に電力ケーブルが密封導管（図に示されていない）内で保護された状態でシステムの密閉容器に隣接して屋外に設置される。図４に示されるように、ヒューズ５３が逓降変圧器５０と配電線２０との間に接続される。
【００４１】
各スイッチギアユニット５２により電力変圧器５０とインバータユニット４６との間に過電流保護が与えられる。４個の主インバータ出力部はそれぞれ、定格１相当たり４８０Ｖ、９８０Ａ  ＲＭＳ連続の回路遮断器に４５ｋＡの遮断容量を与える。スイッチギアユニット５２も安全及び保守目的のための一次切断手段として機能し、電圧及び接地事故監視機能を備え得る。スイッチギアユニットは通常インバータユニット容器に隣接して配設される。
【００４２】
再び図４を参照すると、システム制御ユニット６０は適応制御アルゴリズムを利用したマルチプロセッサ駆動システムである。システム制御ユニット６０は配電線２０及びインバータシステム４４のインバータユニット４６からの入力を処理するためのマルチステートマシンとして動作する。システムコントロールユニット６０は、ユニットの入力及び所定の内部制御則の関数として、インバータユニット４６の位相及び大きさ、ならびにＤ−ＳＭＥＳモジュール３０の有効電力出力を動的に決定する。システム制御ユニット６０は、動作時においてリアルタイムの電圧及び電流波形データを処理及び監視サイトへの送信のためデータ取得システムへと通過させる。システム制御ユニット６０は更にローカルユーザインタフェースと安全インターロックを支援する。制御ユニット６０は、電圧回復装置３０への、または電圧回復装置３０からの電力の伝送が、ユーティリティシステムでの故障や不測事態に対処できる速さにて行われるうえで充分な応答時間を有することが必要である。一般的には、故障が１ラインサイクル（６０Ｈｚでは１／６０秒、５０Ｈｚでは１／５０秒）内で検出されることが望ましい。一実施形態では応答時間は５００マイクロ秒よりも短い。
【００４３】
図４Ａに示されるように、システム制御ユニット６０は１個の回路基板上の３個のコントローラ６０ａ、６０ｂ、及び６０ｃ（例  マイクロプロセッサ）から構成することが可能である。更に、この回路は適当なドライバ回路及びアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器（図に示されていない）を含んでいる。
【００４４】
コントローラ６０ａはコンピュータの命令を実行してインバータシステム４４の回路及び電圧ループを制御する。（上述したように、インバータシステム４４からの電力の大きさ及び位相を動的に変化させるうえで用いるため。）コントローラ６０ｂはシステムコントローラとして機能する。これはコントローラ６０ｂはコンピュータの命令を実行することによりユーティリティ電力ネットワーク上で所定量の電力を検出し、この情報をコントローラ６０ａに与えるということである。コントローラ６０ｃはコントローラ６０ａ及び６０ｂによって得られた情報を記録し、その情報をフォーマット化してこれをユーザに対して表示する。この実施形態では３個のコントローラが示されているが、コントローラ６０ａ、６０ｂ、及び６０ｃによる機能を賄ううえで任意の数（例  １個のコントローラ）のコントローラを使用することが可能である。各コントローラにおいて実行されるコンピュータの命令は、コントローラ６０内の１以上のメモリ（図に示されていない）または各コントローラの内部メモリに記憶させることが可能である。
【００４５】
図６は、Ｄ−ＳＭＥＳモジュール３０を配電線２０に接続するうえでの最適位置を決定するための方法を示したものである。始めにＤ−ＳＭＥＳモジュール３０を接続するための最適位置を決定することは、送電システムにおける損失を逓減する目的を達成するうえで極めて有利である。Ｄ−ＳＭＥＳモジュール３０は、例えば送電線ではなく配電線２０に接続されるが、これはユーティリティ電力ネットワークラインの全体に対する配電線の損失の寄与がより大きいためである。すなわち、送電システムに対し、ユーティリティ電力ネットワーク全体の全損失のより大きなパーセンテージが配電線２０によるものである。Ｄ−ＳＭＥＳモジュール３０は携帯性に優れるためにシステムの最適化が容易となる点も重要な点として認識されるべきである。
【００４６】
適当なＤ−ＳＭＥＳモジュールの接続位置を決定する際の最初の重要な工程は、送電線ネットワークの臨界ラインセグメントを決定することである（工程２００）。「臨界ラインセグメント」とは、不測事態や故障が生じた場合に送電ネットワーク上での不測事態後の電圧が大幅に低下するようなラインセグメントまたは他の送電システム要素のことである。例えば、電圧が単位電圧当たり０．９よりも低下する（電圧が送電システムの公称電圧の９０％よりも低くなる）ような故障を有するラインセグメントは臨界ラインセグメントとみなされる。
【００４７】
多数のラインセグメントの内のいずれが臨界セグメントとみなされるかを決定するため、分析される送電ネットワークの全体または一部において一以上の故障のシナリオをシミュレートする。送電ネットワークは、例えば、パワーテクノロジー社（Ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｉｎｃ．，）（ニューヨーク州シェネクタディー）の製品であるＰＳＥ／Ｅ（Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）ダイナミックスタビリティシミュレーションモデルを使用してモデル化される。このシミュレーションモデルは図１に示されるもののようなユーティリティ電力ネットワークの一部のみを表したものであってもよい。これに対し、シミュレーションモデルは複数の州をまたぐようなより広範囲の地理的領域を表したものである場合もある。
【００４８】
図１を参照すると、スイッチングステーション１６ａとサブステーション１４ａとの間に延びる送電線セグメント７０は、こうした臨界ラインセグメントを表している。この送電線ネットワーク１０のおよそ１６ｋｍ（１０マイル）のセグメントは臨界ラインセグメントと考えられるが、これは、開放された場合、線上で発生する検出された故障のため、ループの東側（図の右側）の全ての負荷はループの西側（図の左側）の発電機によって電力供給されなければならないことによる。
【００４９】
例えばラインセグメント７０が開放し、それによりそのセグメント上の更なる電流の流れが防止されるものとする。一旦こうなると、ラインセグメント７０の開放によって他のセグメントのいずれが悪影響を受けたかを決定するべく送電ネットワークまたはネットワークの特定の地理的領域が評価される。例として、サブステーション１４ｂがセグメント７０の開放によって深刻な悪影響を与えられる。
【００５０】
一旦全ての臨界ラインセグメントが特定される（工程２００）と、特定された臨界ラインセグメントに付随する配電線に接続された負荷のサイズ及び種類が分析される（工程２０２）。詳細には、補償されるべき負荷が、一実施形態では３ＭＷであるＤ−ＳＭＥＳモジュール３０の有効電力出力と同じ大きさとなるように決定がなされる。この例では、３ＭＷよりも大きい負荷を有する配電線のみがＤ−ＳＭＥＳモジュールを接続するための候補とみなされる。Ｄ−ＳＭＥＳモジュール自体の出力よりも小さい負荷を有する配電線にＤ−ＳＭＥＳモジュールを接続することも有効ではあるが、そうすることはＤ−ＳＭＥＳモジュールの効果的かつ効率的な使い方ではない。
【００５１】
Ｄ−ＳＭＥＳを配置する最適位置は他の因子によっても任意の時間に影響される点を認識することも重要である。特定の負荷の特性は時間的に変化しうる。詳細には、負荷の大きさ及び種類は季節に応じて大幅に変化しうる。例えば、夏には、負荷はヒーティング換気空調（ＨＶＡＣ）システム、すなわちモータ駆動型の負荷でありうる。これに対して、負荷は冬には抵抗性暖房負荷でありうる。抵抗性暖房負荷は、電圧が抵抗性負荷上で低下する場合に、その抵抗性負荷によって必要とされる電力が電圧とともに低下する点においてモータ駆動型負荷と大きく異なっている。一方、モータ駆動型負荷は一般に一定電力負荷であり、電圧が低下するとともに電流は増大して一定の電力が維持される。また、電流が増大する場合、損失もまた大きくなって電圧不安定性の問題が生ずる。したがって、Ｄ−ＳＭＥＳモジュールがネットワーク上のどこに接続されるべきかを決定するうえでは負荷の「種類」が常に重要である。こうした状況では、送電システムの電圧安定性が最も効果的に維持される位置にＤ−ＳＭＥＳモジュールを容易かつ有利に動かすことが可能である。
【００５２】
次に、送電ネットワークの特定された臨界ラインセグメントのそれぞれと配電線とを結合するために使用される全ての逓降変圧器のインピーダンスが測定される（工程２０４）。一般にこのインピーダンスは無効性である。ユーティリティ電力ネットワークにおける全体の損失に対する逓降変圧器の損失の寄与は大きいため逓降変圧器は評価される。これらの変圧器のインダクタンスは全体の損失の４０％にものぼる。次いで最も高いインピーダンスを有する変圧器がＤ−ＳＭＥＳモジュールへの接続の候補として選択される。例として、３個のＤ−ＳＭＥＳモジュールが使用できる場合、３つの特定される臨界ラインセグメントは、最小負荷条件を満たすものであり、逓降変圧器のインピーダンスが高いものから順に３つのものがＤ−ＳＭＥＳ装置への設置のために選択される（工程２０６）。
【００５３】
次いでシステムは、選択された位置におけるＤ−ＳＭＥＳモジュールの設置が所望の効果を達成しているかを判定するために再評価される（工程２０８）。経験に頼って１以上のＤ−ＳＭＥＳモジュールを動かして更なる改善が見られるかを調べることが望ましい。次いで最適の結果を得る位置（送電損失が最小となり、送電システムの安定性が最大となる）が実際の運転において用いられる。
【００５４】
再び図４を参照すると、システム制御ユニット６０は検知線６１を介して配電線２０の電圧を監視する。電圧が所定の閾値を下回った場合（例  一般に０．９Ｐ．Ｕ．の公称電圧）、制御ユニット６０はインバータシステム４４に信号を送り、磁気エネルギー貯蔵ユニット３２が配電線２０に最大電力出力を供給する。運転時には、制御ユニット６０は故障検出の約５００マイクロ秒以内にインバータ４４に制御信号を送る。送電ネットワークの遮断器が開放するには故障の開始点から約６０ミリ秒を要する点を認識することは重要である。したがって、Ｄ−ＳＭＥＳモジュール３０は遮断器の開放に先立って有効及び無効電力の両方を供給する。
【００５５】
最大電力出力とは、Ｄ−ＳＭＥＳモジュール３０が発生可能な有効電力の全体をインバータユニット４４からの無効電力によって補ったもののことである。この実施形態では、Ｄ−ＳＭＥＳモジュール３０は平均で２Ｍワットの有効電力と２〜５．６ＭＶＡＲの無効電力を供給するように構成されている。故障検出の１ミリ秒以内において、Ｄ−ＳＭＥＳモジュール３０は線の電圧を速やか（通常０．５秒以内）に許容レベル内とするうえで充分な有効電力を供給することが可能である。この時点で配電線上の全ての負荷がオペレーショナルとなり、線上に無効電力損失が生ずる。次いで制御ユニット６０は有効電力の供給を停止し、必要であればＤ−ＳＭＥＳモジュール３０からの無効電力の発生を増加させて無効電力の不均衡を是正し、しかもこれを無限に行うことが可能である。したがって、故障の検出及び解消の０．５秒以内に、磁気エネルギー貯蔵ユニット３２は有効及び無効電力の供給により公称電圧の最低許容レベル（通常０．９Ｐ．Ｕ．  広く受け入れられている工業基準）にシステムを復帰させることが可能である。更に検出故障の５秒以内に、有効電力の発生によりシステムの正常な長期連続運転にとって許容可能なレベル（通常０．９５Ｐ．Ｕ．）に復帰させることが可能である。
【００５６】
例えば図７を参照すると、システム電圧は故障の解消後約０．１秒以内に約０．７Ｐ．Ｕ．に復帰していることが分かる。この時点でシステム電圧はＤ−ＳＭＥＳ装置が設置されている場合といない場合とで同じである。図７の実線はＤ−ＳＭＥＳ装置がない場合、電圧は復帰せずに実際には故障の解消後に低下することと示している。これに対し、Ｄ−ＳＭＥＳ装置が設置されている場合、電圧は０．５秒以内に０．９０Ｐ．Ｕ．に、次の０．１秒以内に０．９５Ｐ．Ｕ．にまで速やかに復帰する。図７の破線は、Ｄ−ＳＭＥＳユニットが設置されている場合の電圧の回復を示したものである。こうした状況では、Ｄ−ＳＭＥＳシステムを設置することはシステムが電圧消失に到るかあるいは特定された時間内に回復するかを決定するものである。
【００５７】
他の実施形態は特許請求の範囲に含まれるものである。例として、図４〜７に基づいて上記に述べた実施形態では、送電ネットワークの電圧を回復させるうえで必要とされる有効及び無効電力を供給するうえでＤ−ＳＭＥＳユニットを使用した。しかしながら、フライホイール、電池、容量性エネルギー貯蔵システムバンク、圧縮ガスエネルギー源、及び燃料電池システム（例  炭素系燃料を電流に変換するシステム及びその関連エネルギー源）などの、有効及び無効電力の一方または両方を供給することが可能な他の電圧回復装置も発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】送電ネットワークの一部を示す模式図。
【図２】配電線を含む図１の送電ネットワークの部分の拡大図。
【図３】故障の際の図２の送電ネットワークの一部の電圧プロファイルを示すグラフ。
【図４】図２の配電線に接続されたＳＭＥＳ装置を示すブロック図。
【図４Ａ】図４のコントローラを示すブロック図。
【図５】図２の配電線に接続されたＳＭＥＳ装置を示す概略図。
【図６】１以上の電圧回復装置を接続するための最適位置を決定するための大まかな段階を示すフロー図。
【図７】図１の送電線ネットワークの一部においてＤ−ＳＭＥＳ電圧回復装置を備える場合、及び備えない場合の電圧回復特性を示すグラフ。
【図８】ユーティリティ電力ネットワークとＤ−ＳＭＥＳ電圧回復装置との間にて移送される電力を表すベクトルを示すグラフ。
【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４Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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