(57)【要約】【課題】極低損失の交流超電導リアクトルを組み合わせて構成した限流機能付き電力潮流制御装置を提供する。【解決手段】本発明は、上流系統から分岐する複数の下流系統のそれぞれに制御ユニットを挿入して、電力を制御する。制御ユニットのそれぞれは、インダクタンスを変化させることのできる可変式コイルと、コンデンサーを接続した直列回路に、別のコイルを並列接続したものに、コイルやコンデンサーあるいは系統自身を異常電圧から保護するアレスターを接続して限流機能を有するように構成する。この制御ユニットのそれぞれを中央制御センターから制御して、前記可変式コイルのインダクタンスを変化させ、直列共振条件をはずして進相、遅相インピーダンスを発生させ、調整することにより、複数の下流系統の間で系統で要求される進相、遅相電力を振りわけることにより系統の潮流の自動制御を行う。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流系統から分岐する複数の下流系統のそれぞれに制御ユニットを挿入して、進相、遅相電力を制御する潮流制御装置において、
前記制御ユニットのそれぞれは、インダクタンスを変化させることのできる可変式コイルと、コンデンサーを接続した直列回路に、別のコイルを並列接続したものに、コイルやコンデンサーあるいは系統自身を異常電圧から保護するアレスターを接続して限流機能を有するように構成し、
前記制御ユニットのそれぞれを中央制御センターから制御して、前記可変式コイルのインダクタンスを変化させ、直列共振条件をはずしてインピーダンスを発生させ進相、遅相電力を調整することにより、前記複数の下流系統の間で系統電力を振りわけることにより系統の潮流の自動制御を行う、
ことから成る限流機能付き潮流制御装置。
【請求項２】
前記制御ユニットのそれぞれの前記可変式コイルを、中央制御センターからの制御により短絡するスイッチを備え、該制御ユニットを並列共振状態にすることでインピーダンスを無限大にして、電力系統の下流側に電力を送らない機能を備える請求項１に記載の限流機能付き潮流制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上流系統から分岐する複数の下流系統のそれぞれに制御ユニットを挿入して、進相、遅相電力を制御する限流機能付き潮流制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力の需要は今後とも増大することが予想され、電力の安定供給のために、電力系統のネットワーク網の構築が図られている。しかし、供給安定化技術のための系統網の強化は一面においては、故障対策技術が不可欠となる。網の目のように張り巡らされた電力系統網で地落等が発生すると周辺網の電力が集中して、送電・配電線に大電流が流れ、遮断器の定格容量を超えてしまう問題が発生する。限流器はこれらの故障により発生する大電流を遮断器の定格容量以下に制限する新しい技術として注目されている電力機器である。限流器はパワーエレクトロニクス素子を利用しても実現できるが複雑な機器となりメンテナンスを常に必要とする。しかし、系統故障はたまたま起こるものであり、機器としての要求仕様はメンテナンスフリーで、なるべく機械的な駆動部や外部制御を必要としないこと、さらに大電流化が容易な機器が望まれる。現在、パワーエレクトロ素子を使用した限流器が考案され、開発されているが、限流開始を検出する装置の必要性と定常運転（ＯＮ状態）の電力損失が大きいことが難点となっている。このような要求に対して超電導限流器は有効であり、限流機能は（１）超電導現象のＳＮ転位を利用することで常伝導転位時の抵抗で故障インピーダンスを保証して故障電流を抑制する抵抗型限流器と（２）故障時の系統の故障インピーダンスをリアクトルで保証して故障電流を抑制するリアクトル型に大別されている。
【０００３】
抵抗型限流器では超電導薄膜を利用するものとバルク超電導体を利用するものがあるが、常伝導転位時に膨大な発熱が発生して、故障復帰への冷却をいかに速やかに行うかに課題がある。リアクトル型では超電導マグネットと整流器ブリッジ方式と呼ばれるもので、ダイオードの助けを必要とするが高電圧・大電流の基幹系統ではダイオードの損失が無視出来なくなること、また復帰時に吸収したエネルギーを急速に放出すること、マグネットクエンチの発生等の課題が多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人は、現在研究開発が行われているこれらの限流器方式とは異なった限流器方式の研究開発を進めている。ＬＣ共振現象を利用するもので、故障時に生ずる系統大電流を超電導リアクトルには流さない方式を考えている。これにより超電導リアクトル型限流器で問題となるクエンチ、故障復帰等の諸問題の回避が可能な限流器方式である。我々は共振切り換え型限流器と呼んでいる。当該回路は電力系統の進相、遅相の潮流制御および限流器としての機能をもつものである。
【０００５】
図２に、我々が現在研究機開発を行っている共振切り換え型限流器の基本回路構成を示す。キャパシターＣ、それと直列の超電導リアクトルＬ１、これらＣ及びＬ１と並列の常伝導リアクトルＬ２（系統事故がまれにしか起こらないことから超電導リアクトルの必要はない。）、及び超電導リアクトルＬ１と並列のアレスター（ある電圧以上になると抵抗が急激に小さくなる半導体素子）から構成され、系統に直列に挿入される。
【０００６】
この基本回路構成の動作原理は、以下の通りである。アレスターを考えない場合の回路インピーダンスは、
【数１】
2004350337.tif 000003
と表される。Ｌ１とＣを共振状態に設定すれば、ω２Ｌ１Ｃ＝０となるので、Ｚｆｃｌ＝０が成立する。過大電流が流れてＬ１の端子電圧が上がればアレスターが動作し、Ｌ１が短絡されるので回路インピーダンスは
【数２】
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となり、Ｌ１＝Ｌ２ならば、回路インピーダンスは理論上無限大となり、過大電流は抑制される。このように、Ｌ１を連続的に変化すると制御装置のインピーダンスの絶対値がゼロから無限大まで変化し、その符号も負から正値に変化するので、電力の位相を進相にも遅相にも自由に調整できる制御装置になる。
【０００７】
系統が正常運転中では、ＣとＬ１との直列共振状態で基本的に回路インピーダンスが（１）式で示すインピーダンスとなり、完全な共振状態ではインピーダンスはゼロとなる。実際にはＬ１及びＣの損失があるため非常に低い状態で運転される。しかし系統の地落等の事故で過大電流が流れると、超電導リアクトルＬ１の端子電圧が上昇してアレスターが動作して、超電導リアクトルの電圧を一定電圧に保持し、それ以上の電圧はＣとＬ２との並列運転に自動的に移行する。このため、（２）式で示すように理論的には無限大の回路インピーダンスとなり、限流効果が発揮される。限流器運転動作点はアレスターの選択で一義的に決まってしまう。アレスターの動作電圧を交流超電導リアクトルのクエンチポイント（超電導状態から常伝導状態への遷移点）以下に設定すれば、交流超電導リアクトルは保護され、クエンチしない。一方、系統故障状態が解消されると、超電導リアクトルＬ１の端子電圧が低下して、アレスターが不動作状態となり、自動復帰される。
【０００８】
このような超電導リアクトルに要求されることは、系統に直列に挿入されることから、極めて交流損失の小さなリアクトルを開発することを要請される。
そこで、本発明は、極低損失の交流超電導リアクトルを組み合わせて構成した限流機能付き電力潮流制御装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の限流機能付き潮流制御装置は、上流系統から分岐する複数の下流系統のそれぞれに制御ユニットを挿入して、電力を制御する。制御ユニットのそれぞれは、インダクタンスを変化させることのできる可変式コイルと、コンデンサーを接続した直列回路に、別のコイルを並列接続したものに、コイルやコンデンサーあるいは系統自身を異常電圧から保護するアレスターを接続して限流機能を有するように構成する。この制御ユニットのそれぞれを中央制御センターから制御して、前記可変式コイルのインダクタンスを変化させ、直列共振条件をはずしてインピーダンスを発生させ調整することにより、複数の下流系統の間で系統電力を振りわけることにより系統の潮流の要求に沿った進相電力供給と遅相電力供給機能を有効に使用して送電電力の自動制御を行う。
【００１０】
また、制御ユニットのそれぞれの可変式コイルを、中央制御センターからの制御により短絡するスイッチを備え、該制御ユニットを並列共振状態にすることでインピーダンスを無限大にして、電力系統の下流側に電力を送らない機能を備える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明を具体化する限流機能付き電力潮流制御装置の概念を説明するための共振切り換え型限流器ユニットの回路構成を示す図である。例示の構成は、図２に例示した基本構成に加えて、抵抗Ａ、抵抗Ｂ、アレスターＢ、アレスターＣが付加される。コイルＡは、図２の超電導リアクトルＬ１に、またコイルＢは、常伝導リアクトルＬ２に相当する。
アレスターＡと直列の抵抗Ａは、アレスターＡを導通状態に維持するために設ける。コイルＢと直列の抵抗Ｂは、並列共振回路への移行時の速度の制御と下流側電流制御のために設けるが、この抵抗は必ずしも必要ではない。アレスターＢは、下流側の遮断器が動作したときの過電圧による回路の溶断等を防止するために、装置出力側においてアース間に設ける。コンデンサーＣと並列のアレスターＣは、コンデンサーＣの過電圧防止のために設けるが、必ずしも必要としない。
【００１２】
定常運転時にはコイルＡとコンデンサーＣの直列共振状態で運転する。電力系統下流側で地落事故等が発生して、電流が増加するとコイルＡの電流増加による電圧上昇により、アレスターＡが動作し、コイルＢとコンデンサーＣの並列共振状態に移行し、電流上昇を自動的に抑制する。抵抗ＡはコイルＡを所定の電圧に維持するためであり、抵抗Ｂは直列共振から並列共振への移行時の遷移速度を調整する役割がある。アレスターＣはコンデンサーＣの過大電圧を保護する役割を担い、アレスターＢは系統下流を急速に電流遮断を行ったときに共振切り換え型限流器ユニットの各回路の異常電圧による素子破壊を防ぐ役割を担う。
【００１３】
図３は、上流系統から２つの下流系統への電力を制御する構成例を示す図である。図３は、図１の限流器ユニットを使用して、電力系統のネットワークを構成するとき、電力送電の最も簡単な２回路分岐を例に取り上げて、電力系統１と電力系統２に電力を分配する回路を示す。同図に示すように制御ユニット１，２のそれぞれは、図１を参照して前述したように、２個のコイル（そのインダクタンスをＬ（変数）とする）と、一個のコンデンサー（その静電容量をＣとする）で構成される。
【００１４】
電力系統１の下流への電力を送らないようにするには、半導体短絡スイッチＡを短絡して（これによりコイルＡ１を短絡）、コイルＡ２とコンデンサーＣａの並列共振状態にすることにより、ユニット１のインピーダンスを無限大にすることにより行う。同様の操作は電力系統２でも行うことができる。電力系統１と電力系統２の送電電力の分配は半導体短絡スイッチＡ，Ｂを開放し、コイルＡ１、コイルＢ１のインダクタンスを増減して直列共振条件よりずらすことにより、下流系統で要求される進相電力または遅相電力で中間の電力分配を制御する。
図４は式（１）のＬ１を変化させた数値解析した結果を示す。直列共振状態のインダクタンス（Ｌ０）に対するインダクタンスの増減比を示し、その比が１より小さければ進相電力を供給でき、比が１より大きければ遅相電力を系統に供給できることを示している。
【００１５】
２個のコイルＡ１，Ａ２は超電導、常伝導どちらも考える。コイルＡ１とコイルＢ１のインダクタンスの変化はタップ式の不連続変化、または空心インダクタンスに鉄心を挿入するまたはその逆に鉄心入りから脱着させることにより、連続的にインダクタンスを変化させる方式とする。さらに、コイルやコンデンサーあるいは系統自身を異常電圧から保護するアレスターが接続されている。アレスターとは±Ｖ以下の電圧が印加されているときは絶縁体として、以上の電圧が印加されているときは導電体になる異常電圧保護器である。図中のアレスターの動作電圧はＶ０＜Ｖ１＜Ｖ２に設定する。なお、抵抗（Ｒ１及びＲ２）は制御ユニットの限流機能応答性等を制御する機能を持ち、無い場合もある。
このような構成によって、電源周波数をｆとするとＬ、Ｃとｆはｆ＝１／２π√ＬＣの関係が成立するものとする。
【００１６】
潮流制御においては以下の２つのケースを考える。下記（Ａ）、（Ｂ）のいずれも中央制御センターからの遠隔操作を基本とする。
（Ａ）図示のユニット１のコイルＡ１を半導体短絡スイッチ等で短絡して、コンデンサーＣとコイルＡ２で並列共振状態にすることでインピーダンスを無限大にして、電力系統の下流側に電力を送らない機能を持つ。スイッチのＯＮ、ＯＦＦは１サイクルから潮流制御に必要な時間だけ行う。
【００１７】
（Ｂ）図示の半導体短絡スイッチＡを開放した条件下で系統を直列共振条件下で運転し、コイルＡ１、Ｂ１のインダクタンスを変化させ、直列共振条件をはずすことによりインピーダンスを発生させる。これにより２系列以上の系統におけるインピーダンスの調整により、系統電力を振りわけることにより系統が要求する（進相、遅相電力の）潮流の自動制御を行う。
【００１８】
例示装置の動作原理は、以下の通りである。
制御ユニット内のＬが元来のオリジナル状態の場合、ＬとＣが電源周波数に直列共振状態なので、ユニット全体のインピーダンスは完全にゼロである。２つの制御ユニットのインピーダンスが両方ともゼロであれば、上流側の電力は２つの下流系統に均一に分配される。
仮に、下流系統１で短絡事故が発生すると、膨大な故障電流によりユニット１の直列共振回路のＬ電圧が上昇する。この電圧がＶ０以上になるとアレスターが動作して、自動的にユニット１は直列共振から並列共振状態に変わり、制御ユニットのインピーダンスは無限大になり、故障電流を抑制する限流器として動作する。
【００１９】
下流系統２の電力量（潮流）を減少するとき、制御ユニット２のＬＣ直列共振回路のコイルＢ１のＬのインダクタンスの値を変化させる。これによりＬＣの直列共振周波数が電源周波数とずれるために、ユニット２のインピーダンスが増大して下流系統２に要求される電力（進相、遅相電力）の潮流を減少できる。
制御ユニットのインピーダンスは以下の方法で０〜１００％の広範囲で制御可能である。制御ユニット内のＣと直列に接続しているインダクタンスＬがオリジナル（Ｌ０）のときは、ＬＣ直列共振周波数が電源周波数と一致するので、制御ユニットのインピーダンスは完全にゼロとなり、制御ユニットはＯＮ状態となる。
【００２０】
制御ユニット内のＣと直列に接続しているインダクタンスＬの両端を短絡すると、もう一つのＬとＣとが電源周波数と一致する並列共振回路を構成するので、ユニットのインピーダンスは無限大となり、事実上、系統をＯＦＦにした状態になる。ＯｆｆとＯＮの中間状態は、制御ユニット内のＣと直列接続しているインダクタンスＬを変化させることで制御する。
【００２１】
図示の構成により、パワーエレクトロニクス用半導体素子を主要回路に用いずに、大容量の電力潮流を制御できる。また、制御系はパワーエレクトロニクス用半導体デバイスを用いずに、０−１００％の広範囲にわたって潮流を制御できる。さらに、制御過程での損失の発生がないので効率の良い潮流制御が可能である。
【００２２】
【実施例】
図５は、共振切り換え型限流器の限流効果実験回路の構成を示す。実験はＳＣＲ−ＳＷを開放した条件で、各回路素子の電流、電圧を測定後、所定の限流条件（限流サイクル数、限流開始短絡位相角等）で限流過度電圧・電流を計測する。今回の実験ではアレスターは７００Ｖの動作電圧の素子を使用し、抵抗ＲａとＲｂは可変できる構成とした。短絡比は１０倍を選択した回路構成で行った。
【００２３】
図６は、実験条件として、Ｒａ＝５０Ω、Ｒ１＝５０Ω、短絡比＝１０、短絡位相角０度、５サイクル短絡、アレスター動作電圧＝７００Ｖで行った結果を示す図である。また、図７は、図６に示した限流状態を拡大して示す図である。
負荷抵抗の２０Ωの内、１８Ωを短絡した状態（短絡比が１０）であることから、通常ならば１０Ａｒｍｓから１００Ａｒｍｓの電流が流れるところであるが、アレスターが動作して、Ｌ２とＣの並列共振回路に移行したことにより、負荷電流のピーク電流は２５Ａ以下になっていることがわかる。
【００２４】
図８は、別の実験条件として、Ｒａ＝５０Ω、Ｒ１＝０Ω（但し常伝導リアクトルの抵抗は０．２Ω）、短絡比＝１０、短絡位相角０度、５サイクル短絡、アレスター動作電圧＝７００Ｖで行った結果を示す図である。
常伝導マグネット（リアクトル）の回路抵抗を無くしたときには回路のＱが高くなるとともに、回路時定数が長くなるため、過度状態が長くなる。また、負荷電流は定常運転時の約２倍に上昇する。
【００２５】
図９は、短絡事故で短絡角９０度（電流のピークでの短絡事故を模擬）するために、実験条件として、Ｒａ＝５０Ω、Ｒ１＝５０Ω、短絡比＝１０、短絡位相角９０度、３サイクル短絡、アレスター動作電圧＝７００Ｖで行った結果を示す図である。
この条件は最も厳しい短絡事故を想定した模擬実験である。この条件においても自動的にスムーズに限流動作に移行するとともに、復帰動作もスムーズに行われていることが確かめられた。なお、０−３６０度まで、４５度ステップで短絡位相角を替えた実験も行ったが、いずれのケースでも図９に示したと同様のスムーズな動作を示す実験結果を得ている。さらに、限流サイクル数について、１−７サイクルで実験を行ったが、同様にスムーズな動作を示す実験結果を得ている。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、電力系統のネットワークを構築したとき、ネットワークの一部の系統に要求される進相、遅相電力を自動的に制限する機能を持たせることにより、電力系統のネットワーク全体の潮流を連続的に制御できる。
また、今日の流行のパワーエレクトロニクス半導体を使用しなくても大容量の電力を制御でき、インダクタンスＬとコンデンサーＣとの構成であることから損失が極めて小さく、アナログ系であることから制御の信頼性が極めて高く、高速応答である。
さらに、下流系統に短絡故障のような重故障が起きても、限流機能を有するので電力系統の信頼度を極めて高く維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】共振切り換え型限流器ユニットの回路構成を示す図である。
【図２】図１の限流器ユニットの動作原理を説明する図である。
【図３】図１の限流器ユニットを使用して、電力系統のネットワークを構成するとき、電力送電の最も簡単な２回路分岐を例に取り上げて、電力系統１と電力系統２に電力を分配する回路を示す図である。
【図４】直列共振回路のインダクタンスを変化させたときの進相、遅相電力供給を説明した図である。
【図５】共振切り換え型限流器の限流効果実験回路の構成を示す図である。
【図６】限流器の実験結果を示す図である。
【図７】図６にしめした限流状態を拡大して示す図である。
【図８】別の実験結果を示す図である。
【図９】短絡事故で短絡角９０度（電流のピークでの短絡事故を模擬）を示す図である。
【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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【図８】
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【図９】
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