(57)【要約】    【課題】  シンプルな構成且つ低コストで、高調波を発生させることなく、電圧を連続的に制御して、有効電力潮流の調整ができる電力調整装置を提供する。    【解決手段】  電力系統母線１，２間に直列接続された第１及び第２の直列変圧器３，４、固定子及び回転子の一方の巻線が電力系統母線１に接続され、他方の巻線が第２の直列変圧器３の被励起巻線を介して電力系統母線１に接続された第１の位相機５、固定子及び回転子の一方の巻線が電力系統母線１に接続され、他方の巻線が第２の直列変圧器４の被励起巻線を介して電力系統母線１に接続された第２の位相機６、第１及び第２の位相機５，６の回転子を駆動する第１及び第２の駆動装置７，８、第１及び第２の駆動装置７，８に、位相差指令値を与えることにより、直列変圧器３，４の直列巻線の両端子の間に、電圧移相や電圧比を発生させる制御装置９を有する。【選択図】  図１
2006050756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の母線若しくは送電線と、
前記一対の母線若しくは送電線に、それぞれ設けられた第１の接続点及び第２の接続点と、
直列巻線及び被励起巻線を備え、前記第１の接続点と前記第２の接続点との間に直列に接続された第１の直列変圧器及び第２の直列変圧器と、
固定子巻線を有する固定子及び回転子巻線を有する回転子を備え、前記固定子巻線及び前記回転子巻線のうち、一方の巻線端子が前記第１の接続点に接続され、他方の巻線端子が、前記第１の直列変圧器の被励起巻線を介して、前記第１の接続点に接続された第１の位相機と、
固定子巻線を有する固定子及び回転子巻線を有する回転子を備え、前記固定子巻線及び前記回転子巻線のうち、一方の巻線端子が前記第１の接続点に接続され、他方の巻線端子が、前記第２の直列変圧器の被励起巻線を介して、前記第１の接続点に接続された第２の位相機と、
前記第１の位相機の回転子に軸結合され、これを駆動する第１の駆動装置と、
前記第２の位相機の回転子に軸結合され、これを駆動する第２の駆動装置と、
前記第１の駆動装置及び前記第２の駆動装置に、固定子と回転子間の位相差を調整する位相差指令値を与える制御装置と、
を有することを特徴とする電力調整装置。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記第１の直列変圧器及び前記第２の直列変圧器の直列巻線の端子間に電圧移相及び電圧比を発生させるように、前記第１の駆動装置及び前記第２の駆動装置に前記位相差指令値を与えることを特徴とする請求項１記載の電力調整装置。
【請求項３】
前記第１の接続点の電圧を検出する電圧検出器が、前記制御装置に接続され、
前記制御装置は、
前記電圧検出器の出力、前記第１の接続点及び前記第２の接続点の間を流れる電力潮流の目標値である電力潮流設定値、前記第２の接続点の電圧の目標値である電圧設定値、前記第１の直列変圧器の漏れリアクタンス、前記第２の直列変圧器の漏れリアクタンスに基づいて、前記第１の直列変圧器及び前記第２の直列変圧器の直列巻線に誘起する調整電圧及び位相差を算出する調整電圧演算部と、
前記調整電圧演算部において算出された調整電圧及び位相差に基づいて、前記第１の駆動装置に出力される位相差指令値及び前記第２の駆動装置に出力される位相差指令値を算出する位相差演算部と、
を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、電力系統母線間に接続された移相変圧器を用いて、母線間の電力潮流を制御する電力調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電力系統母線間の電力潮流は、移相変圧器を用いて、送電線路に直列に注入する電圧を変化させることにより制御している。この移相変圧器は、送電線路に直列に接続された直列変圧器、直列変圧器の直列巻線に接続された励起巻線を持つ調整変圧器、調整変圧器の調整巻線と直列変圧器の被励起巻線間に接続されたタップ切替器を有している。そして、タップ切替器のタップ値を切り替えることによって、送電線路に注入する電圧を変化させている（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】安海一郎他：「２７５ｋＶ，１０００ＭＶＡ位相調整器」，昭和６０年電気学会全国大会，７１８
【非特許文献２】色川彰一：「パワーエレクトロニクスの電力応用  系統安定化装置−ＦＡＣＴＳ」，電気評論，１９９８年７月，５８−６３頁
【特許文献１】特開平１０−３２２９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、タップ切替器によってタップ値を切り替える方式の場合には、電圧を離散的に切り替えることになるため、電圧を微細に調整する必要がある用途には不向きであった。また、タップ切替器を用いた場合には、タップ切り替えに時間がかかる上、タップ切替器を頻繁にメンテナンスする必要があり、運用コストがかかるという問題があった。これに対処するため、タップ切替器をサイリスタ等の半導体スイッチ素子で置き換えたものやパワーエレクトロニクスを応用した電力変換装置により、注入電圧に付加的な制御を行うようなパワーエレクトロニクス機器を用いて、高速かつ連続的に調整する方法も考えられる（非特許文献２参照）。しかし、かかる方法では、コストが高くなるうえに、相対的に損失が大きく、高調波が発生する問題があった。
【０００４】
本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、シンプルな構成且つ低コストで、高調波を発生させることなく、電圧を連続的に制御して、有効電力潮流の調整ができる電力調整装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記のような目的を達するため、本発明は、一対の母線若しくは送電線と、前記一対の母線若しくは送電線に、それぞれ設けられた第１の接続点及び第２の接続点と、直列巻線及び被励起巻線を備え、前記第１の接続点と前記第２の接続点との間に直列に接続された第１の直列変圧器及び第２の直列変圧器と、固定子巻線を有する固定子及び回転子巻線を有する回転子を備え、前記固定子巻線及び前記回転子巻線のうち、一方の巻線端子が前記第１の接続点に接続され、他方の巻線端子が、前記第１の直列変圧器の被励起巻線を介して、前記第１の接続点に接続された第１の位相機と、固定子巻線を有する固定子及び回転子巻線を有する回転子を備え、前記固定子巻線及び前記回転子巻線のうち、一方の巻線端子が前記第１の接続点に接続され、他方の巻線端子が、前記第２の直列変圧器の被励起巻線を介して、前記第１の接続点に接続された第２の位相機と、前記第１の位相機の回転子に軸結合され、これを駆動する第１の駆動装置と、前記第２の位相機の回転子に軸結合され、これを駆動する第２の駆動装置と、前記第１の駆動装置及び前記第２の駆動装置に、固定子と回転子間の位相差を調整する位相差指令値を与える制御装置と、を有することを特徴とする。
【０００６】
以上のような本発明では、タップ付き変圧器や機械式の電圧調整器のように、段階的に電圧を調整するのではなく、第１の位相機の位相差及び第２の位相機の位相差に基づいて、第１の直列変圧器及び第２の直列変圧器に誘起される電圧を連続的に制御できる。従って、電力系統母線間等の電圧を任意の大きさと位相に調整することができ、結果として有効電力潮流の調整ができる。また、パワーエレクトロニクスを応用した電力変換器を用いたシステムよりも、シンプルな構成且つ低コストで実現でき、高調波を発生させることがない。
【発明の効果】
【０００７】
以上のような本発明によれば、シンプルな構成且つ低コストで、高調波を発生させることなく、電圧を連続的に制御して、有効電力潮流の調整が可能な電力調整装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の形態（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］
［構成］
図１は本発明の第１の実施形態を示す電力調整装置の構成図である。図１において、１及び２は、電力系統母線である。この電力系統母線１，２は、発電所、変電所又は需要家構内に設けられた３相交流の母線である。３は第１の直列変圧器であり、４は第２の直列変圧器である。第１の直列変圧器３は、その直列巻線の一方の端子が、電力系統母線１に分岐点若しくは接続点（第１の接続点１ａ）を介して接続されている。第１の直列変圧器の他方の端子は、第２の直列変圧器４の直列巻線に接続されている。第２の直列変圧器４は、その直列巻線の一方の端子が、電力系統母線２に分岐点若しくは接続点（第２の接続点２ａ）を介して接続されている。第２の直列変圧器４の他方の端子は、第１の直列変圧器３の直列巻線に接続されている。
【０００９】
５は第１の位相機、６は第２の位相機である。第１の位相機５は、巻線型誘導機若しくは回転型変圧器と同様に、固定子巻線を有する固定子５０１、回転子巻線を有する回転子５０２を備えている。第１の位相機５における固定子５０１の巻線端子５１１は、電力系統母線１に接続されるとともに、第１の直列変圧器３の被励起巻線端子３０３に接続されている。第１の位相機５における回転子５０２の巻線端子５１２は、直列変圧器３の被励起巻線端子３０４に接続されている。第２の位相機６は、固定子巻線を有する固定子６０１、回転子巻線を有する回転子６０２を備えている。第２の位相機６における固定子６０１の巻線端子６１１は、電力系統母線１に接続されるとともに、直列変圧器４の被励起巻線端子４０４に接続されている。第２の位相機６における回転子６０２の巻線端子６０２は、直列変圧器４の被励起巻線端子４０３に接続されている。
【００１０】
７，８は駆動装置である。第１の駆動装置７は、第１の位相機５における回転子５０２の軸５０３と機械的に結合され、回転子５０２を回転させる装置である。第２の駆動装置８は、第２の位相機６における回転子６０２の軸６０３と機械的に結合され、回転子６０２を回転させる装置である。９は、第１の駆動装置７及び第２の駆動装置８の動作を制御することにより、回転子５０２及び回転子６０２の回転角度を調整する制御装置である。制御装置９は、以下の作用で示すように、第１の駆動装置７及び第２の駆動装置８を制御する電子回路によって構成されている。この電子回路は、所定のプログラムの働きにより、動作するコンピュータによって構成することもできる。
【００１１】
［作用］
次に、本実施の形態の作用について、図２及び図３を参照して説明する。まず、第１の位相機５における固定子５０１と回転子５０２との巻線比を、１：１と仮定する。すると、第１の位相機５における固定子５０１と回転子５０２との機械的な位相差が（δＡ）の時、回転子５０２には、固定子５０１の電圧と大きさが等しく且つ位相差が（δＡ）である電圧が誘起される。同様に、第２の位相機６における固定子６０１と回転子６０２との機械的な位相差が（δＢ）である時、回転子６０２には、固定子６０１の電圧と大きさが等しく且つ位相差が（δＢ）である電圧が誘起される。
【００１２】
このような電圧の関係は、以下の（１）〜（６）式で示される。これらの式において、Ｖｓは電力系統母線１の電圧、Ｖ２Ａは回転子５０２側の電圧、ｎは第１の直列変圧器３及び第２の直列変圧器４における直列巻線に対する被励起巻線の巻数比、ＶｔｒＡは第１の直列変圧器３の１次電圧、Ｖ２Ｂは回転子６０２側の電圧、ＶｔｒＢは第２の直列変圧器４の１次電圧、ＶＬは電力系統母線２の電圧である。なお、ここでは説明を簡単にするため、第１の位相機５及び第２の位相機６の励磁電流や、漏れインピーダンスは無視している。
【００１３】
（数１)
V2A=Vs・exp(-jδA)=Vs・(cosδ-jsinδA)                   …（１）
（数２）
VtrA=(Vs-V2A)/n=Vs/n・(1-cosδA+jsinδA)                …（２）
（数３）
V2B=Vs・exp(-jδB)=Vs・(cosδB-jsinδB)                  …（３）
（数４）
VtrB=(V2B-Vs)/n=-(Vs-V2B)/n=-Vs/n・(1-cosδB+jsinδB)   …（４）
（数５）
VtrA+VtrB=Vs/n・(-cosδA+cosδB+j(sinδA-sinδB))       …（５）
（数６）
VL=Vs+VtrA+VtrB                                        …（６）
【００１４】
上記の第１の直列変圧器３の電圧ＶｔｒＡは、図３に示すように、左端を交流系統母線１の電圧Ｖｓのベクトルの先端と接する半径Ｖｓ／ｎの円軌跡として表すことができ、直列変圧器４の電圧ＶｔｒＢは、位相差δＡ時の電圧ＶｔｒＡのベクトルの先端と右端を接する半径Ｖｓ／ｎの円軌跡として表すことができる。すなわち、電圧ＶＬは位相差δＡとδＢの組み合わせにより、電圧ＶｔｒＡの円軌跡上を移動する電圧ＶｔｒＢの円軌跡の範囲内、例えば、Ｖｓと同位相ならばＶｓ―２Ｖｓ／ｎからＶｓ＋２Ｖｓ／ｎまでの任意の電圧に調整することができる。なお、図３の電圧ＶＬは、δＡ＝９０°、δＢ＝１８０°の例を示している。
【００１５】
そこで、本実施形態においては、制御装置９によって、第１の直列変圧器３及び第２の直列変圧器４に誘起させる調整電圧分に基づいて、（５）式を用いて、位相差δＡ及びδＢを逆算して得られた位相差指令値を、第１の駆動装置７及び第２の駆動装置８へ出力する。すると、位相差指令値に応じて、第１の駆動装置７及び第２の駆動装置８において適切なトルクが発生し、回転子５０２及び６０２が所定角度だけ回転し、回転子５０２の電圧と固定子５０１の電圧及び回転子６０２の電圧と固定子６０１の電圧とに、所望の位相差が生じる。
【００１６】
［効果］
以上のような本実施形態によれば、タップ付き変圧器や機械式の電圧調整器のように、段階的に電圧を調整するのではなく、第１の位相機５の位相差δＡ及び第２の位相機６の位相差δＢを変化させることによって、第１の直列変圧器３及び第２の直列変圧器４に誘起される電圧を連続的に制御できる。従って、電力系統母線２の電圧を、任意の大きさと位相に微細に調整することができ、結果として有効電力潮流の調整ができる。また、パワーエレクトロニクスを応用した電力変換器を用いたシステムよりも、シンプルな構成且つ低コストで実現できるとともに、高調波を発生させることがない。
【００１７】
なお、上記の特許文献１に記載された発明においては、本実施形態と同様に一対の位相機を用いている。この特許文献１の発明では、位相機の二次電圧を直列変圧器の被励起巻線に印加する構成となっている。これに対して、本実施形態では、位相機の一次電圧と二次電圧の差分を、直列変圧器の被励起巻線に印加することにより微調整可能な構成となっている。従って、特許文献１の発明と本発明とは、直列変圧器に誘起される電圧に差異があり、位相機の制御方法も異なる。
【００１８】
［第２の実施形態］
［構成］
図４は本発明の第２の実施形態を示す電力調整装置の構成図である。本実施形態は、基本的には、図１の第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態は、図４に示すように、制御に必要な電力系統母線１において、電圧Ｖｓを検出する電圧検出器１１が追加されている点に特徴がある。
【００１９】
このような電圧検出器１１が接続された制御装置９のブロック構成図を、図５に示す。図５において、１２は調整電圧演算部、１３は位相差演算部である。調整電圧演算部１２は、電力系統母線１の電圧Ｖｓと、電力系統母線２の電圧ＶＬの調整目標である電圧設定値Ｖｒｅｆと、電力系統母線１と２の間に流れる有効電力潮流の目標である電力設定値Ｐｒｅｆと、第１の直列変圧器３の漏れリアクタンスＸｔｒＡと、第２の直列変圧器４の漏れリアクタンスＸｔｒＢとを入力として、第１の位相機５及び第２の位相機６によって、第１の直列変圧器３及び第２の直列変圧器４の直列巻線に誘起されるべき調整電圧の大きさＶＴと位相差θＴとを算出する手段である。位相差演算部１３は、調整電圧の大きさＶＴと位相差θＴを入力として、第１の位相機５の位相差δＡと第２の位相機６の位相差δＢの指令値δＡｒｅｆとδＢｒｅｆとを算出する手段である。
【００２０】
［作用］
次に、本実施形態の作用を説明する。まず、調整電圧演算部１２における調整電圧の大きさＶＴと位相差θＴの計算方法を、図６を用いて説明する。すなわち、リアクタンスＸを流れる有効電力潮流Ｐは、リアクタンスＸの両端の電圧の大きさをＶ１，Ｖ２とし、その位相差をθとすると、以下の（７）式で表される。
（数７）
P=V1・V2/X・sinθ  …（７）
【００２１】
従って、電力系統母線２の目標電圧ベクトルと電力系統母線１の電圧Ｖｓとの位相差θＬは、電力系統母線２の電圧の大きさが電圧設定値Ｖｒｅｆに調整されることを見込むと、以下の（８）式で表される。
（数８）
θL=tan-1(Pref・(XtrA+XtrB)/(Vs・Vref))   …（８）
【００２２】
そして、電力系統母線１の電圧Ｖｓを位相基準０°とすれば、調整電圧の大きさＶＴは（９）式で表され、位相差θＴは（１０）式で表される。以上のように、（９）式、（１０）式を用いることにより、調整電圧演算部１２では、第１の直列変圧器３及び第２の直列変圧器４の直列巻線に誘起されるべき電圧の大きさＶＴと位相差θＴを算出することができる。
（数９）
VT=VtrA+VtrB=|Vref・exp(jθL)-Vs|=SQRT((Vref・cosθL-Vs)2+(Vref・sinθL)2)
…（９）
（数１０）
θT=tan-1(Vref・sinθL/(Vref・cosθL-Vs))  …（１０）
【００２３】
次に、位相差演算部１３における位相差指令値δＡｒｅｆとδＢｒｅｆの計算方法を、図７を用いて説明する。すなわち、直列変圧器の直列巻線に誘起される電圧は、前述の（５）式で表されるが、まず、虚軸を位相基準として調整電圧の大きさＶＴとなる位相差δＡとδＢを求めることを考えると、虚軸基準であれば実部は０なので、以下の（１１）式が必要条件となり、（５）式は、以下の（１２）式にまとめられる。そして、（１２）式から、δＡを求める（１３）式が導かれる。
【００２４】
（数１１）
δB=-δA  …（１１）
（数１２）
jVT=VtrA+VtrB=Vs/n・(-cosδA+cos(-δA)+j(sinδA-sin(-δA)))=j2・Vs/n・sinδA
…（１２）
（数１３）
δA=sin-1(n・VT/(2・Vs))  …（１３）
【００２５】
ここで、虚軸を位相基準とした調整電圧ベクトルを、実軸基準とするため９０°を加え、調整電圧の位相差θＴを減じると、以下の（１４）式、（１５）式となり、これが直列変圧器の直列巻線に調整電圧を誘起するために必要な第１の位相機５及び第２の位相機６の位相差指令値δＡｒｅｆとδＢｒｅｆになる。複素平面上の単位ベクトルｅｘｐ（ｊδ）は、δの増加に伴い反時計回りに回転するが、第１の直列変圧器３及び第２の直列変圧器４の誘起電圧ＶｔｒＡ及びＶｔｒＢのベクトルは（２）式、（４）式から明かなように、δＡ或いはδＢの増加に応じて時計回りに回転する。そのため、上記調整電圧ベクトルの回転では、時計回りに回転する方向を正としている。
【００２６】
（数１４）
δAref=δA+90°-θT  …（１４）
（数１５）
δBref=δB+90°-θT=-δA+90°-θT  …（１５）
【００２７】
［効果］
以上のような本実施形態によれば、第１の実施の形態に示す電力調整装置の第１の駆動装置７及び第２の駆動装置８に、電力系統母線１の電圧Ｖｓ、電力系統母線２の目標の電圧設定値Ｖｒｅｆ、電力系統母線１と２の間の目標の電力設定値Ｐｒｅｆ、第１の直列変圧器３の漏れリアクタンスＸｔｒＡ、第２の直列変圧器４の漏れリアクタンスＸｔｒＢから計算した位相差指令値δＡｒｅｆとδＢｒｅｆを与えることにより、所望の有効電力潮流と電圧への調整を、より正確に実現できる。
【００２８】
［他の実施形態］
本発明は上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、第１の位相機５における固定子５０１側の巻線端子５１１が、電力系統母線１及び被励起巻線端子３０３に接続され、回転子５０２側の巻線端子５１２が、被励起巻線端子３０４に接続されているが、この接続関係を、逆の関係、すなわち、巻線端子５１１を被励起巻線端子３０４に接続し、巻線端子５１２を電力系統母線１及び被励起巻線端子３０３に接続しても、同様の作用、効果を奏することができる。同様に、第２の位相機６における固定子６０１側の巻線端子６１１が、被励起巻線端子４０３に接続され、回転子６０２側の巻線端子６１２が、電力系統母線１及び被励起巻線端子４０４に接続されていてもよい。また、上記の実施形態における１，２は、配電系統等の送電線であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す回路構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態の作用を説明する回路構成図。
【図３】本発明の第１の実施形態の作用を説明する説明図。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す回路構成図。
【図５】本発明の第２の実施形態における制御装置を示す機能ブロック図。
【図６】本発明の第２の実施形態の作用を説明する説明図。
【図７】本発明の第２の実施形態の作用を説明する説明図。
【符号の説明】
【００３０】
１，２…電力系統母線
３…第１の直列変圧器
４…第２の直列変圧器
３０３，３０４，４０３，４０４…被励起巻線端子
５…第１の位相機
６…第２の位相機
５０１，６０１…固定子
５０２，６０２…回転子
５０３，６０３…軸
５１１，６１１，５１２，６１２…巻線端子
７…第１の駆動装置
８…第２の駆動装置
９…制御装置
１１…電圧検出器
１２…調整電圧演算部
１３…位相差演算部
Ｖｓ…電力系統母線１の電圧
ＶＬ…電力系統母線２の電圧
Ｖ２Ａ…回転子５０２側の電圧
Ｖ２Ｂ…回転子６０２側の電圧
ＶｔｒＡ…第１の直列変圧器３の電圧
ＶｔｒＢ…第２の直列変圧器４の電圧
δＡ…固定子５０１と回転子５０２の位相差
δＢ…固定子６０１と回転子６０２の位相差
【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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【図７】
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