(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数で動作する第１の交流電力系統と第２の周波数で動作する第２の交流電力系統との間で電力を伝送するためのシステムにおいて、
第１の巻線および第２の巻線を持つと共に、回転自在の軸および該軸を回転駆動する駆動電動機を持つ回転変圧器、
前記第１の交流電力系統に接続された一次コイルおよび前記回転変圧器の第１の巻線に接続された二次コイルを持つ逓降変圧器、
前記回転変圧器の第２の巻線に接続された一次コイルおよび前記第２の交流電力系統に接続された二次コイルを持つ逓昇変圧器、並びに
前記回転変圧器の第１の巻線と前記逓降変圧器の前記二次コイルを接続する第１の線路セグメント及び前記回転変圧器の第２の巻線と前記逓昇変圧器の前記一次コイルを接続する第２の線路セグメントのうちの一方に接続された分路補償回路、
を含んでいることを特徴とする電力伝送システム。
【請求項２】
更に、前記逓降変圧器の一次コイルおよび二次コイルのうちの一方に接続された直列補償回路を含んでいる請求項１載の電力伝送システム。
【請求項３】
前記直列補償回路が前記逓降変圧器の一次コイルと大地との間に接続されている請求項２記載の電力伝送システム。
【請求項４】
前記分路補償回路が前記第１の線路セグメントと大地との間に接続されている請求項１乃至３のいずれかに記載の電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に電力系統相互間または電気区域相互間での電力の伝送に関するものであり、更に詳しくは電力の伝送を制御するための電力潮流制御装置および方法に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
電力系統相互間の相互接続に非同期リンクを必要とする区域が世界中に多数存在する。これらの区域の幾つかは、電力系統の公称周波数が異なっている（例えば、６０Ｈｚと５０Ｈｚ）。電力系統相互間の非同期的な相互接続を達成するために最も普通に行われている方法は高電圧直流（ＨＶＤＣ）変換法である。ＨＶＤＣ変換は、高調波の濾波および無効電力補償を密接に調和させることなどが必要であるために複雑である。また、ＨＶＤＣ変換は、いずれかの側の交流電力系統がＨＶＤＣ電力定格に比べて容量が低いとき性能に限界がある。更に、ＨＶＤＣ変換は、多数の高電圧スイッチおよびフィルタ群が使用されるので、望ましくないほどのかなりのスペースを必要とする。
【０００３】
従来の回転変流機は２段階の変換を利用し、同じ軸上に全定格発電機および全定格電動機の両方を有する。回転変流機は交流から直流へ又は直流から交流へ変換するために利用されてきた。しかし、このような回転変流機は交流を異なる周波数の交流へ直接変換しない。更に、回転変流機は数百または数千ＲＰＭ（毎分回転数）の所定の速度で連続して運転され、それ自身を実際に回転させる電動機として動作する。
【０００４】
米国特許第３，４７１，７０８号明細書等に記載されているように、小さな周波数差を持つ多相系統相互間を結合するための回転変圧器が提案された。上記特許明細書によれば、非同期回転機の固定子巻線が第１の三相電力系統に接続され、その回転子巻線が第２の三相電力系統に接続されている。一方の系統の周波数が他方の系統の周波数と異なっている場合、回転子に一方向または反対方向にトルクがかかって、回転子が系統間の周波数の差に等しい回転速度で回転する。
【０００５】
「電力系統相互間で電力を伝送するための相互接続システム」と題する１９９７年３月３１日出願の米国特許出願第０８／８２５，５０２号明細書には、第１の電力系統から第２の電力系統へ電力を伝送するために回転変圧器を動作させる閉ループ角度位置制御システムが開示されている。また、「回転変圧器を備えた電力潮流制御装置」と題する１９９７年３月１１日出願の米国特許出願第０８／８１４，３７４号明細書には、一緒に接続された２つの回転変圧器を含み、２つの電気区域の間で有効な移相および電圧比を与えるように制御される電力潮流制御装置が開示されている。
【０００６】
【発明の開示】
回転変圧器を含んでいて、第１の電気周波数で動作する第１の電力網または交流電力系統と第２の電気周波数で動作する第２の電力網または交流電力系統との間で電力を伝送するための相互接続システムにおいて、補償サブシステムが設けられる。分路補償回路が第１の交流電力系統と回転変圧器との間に接続され、該分路補償回路は、電力相互接続システムに並列に注入される無効電流を調節することによって電圧を調整する。分路補償システムは回転変圧器の一方の側の低い方の電圧点に配置されて、回転変圧器の両側に対して同時調整を行う。直列補償回路が好ましくは第１の交流電力系統と回転変圧器との間に配置された逓降変圧器に接続され、該直列補償回路は、例えば回転変圧器に流れる無効電力を調整する。
【０００７】
分路補償回路の種々の実施態様が提供される。これれらの実施態様では、固定のコンデンサおよびスイッチング式のコンデンサか、或いは静止ＶＡＲ補償装置のいずれかを使用することが出来る。
【０００８】
直列補償回路の幾つかの実施態様もまた提供される。一実施態様では、直列補償回路は簡単なコンデンサで構成される。別の実施態様では、直列補償回路は二重回転移相回路を含む。また別の実施態様では、直列補償回路はインバータを含む。
【０００９】
本発明の上記および他の目的、特徴並びに利点は、添付の図面を参照した好ましい実施態様についての以下の説明から最も良く理解されよう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下の記載では、本発明が完全に理解されるようにするために、制限ではなく、説明のために、特定のアーキテクチャ、インターフェイス、技術などのような特定の細部について述べる。しかし、これらの細部とは別の実施態様で本発明が実施され得ることは当業者には明らかであろう。また、本発明の説明を不明瞭にするような周知の装置、回路および方法に関する詳細な説明は、必要のないものとして省略した。
【００１１】
図１は、第１の電力網または交流電力系統２２（区域１）と第２の電力網または交流電力系統２４（区域２）との間に接続される電力相互接続システム１００を示す。電力相互接続システム１００は三相線路２６によって第１の交流電力系統２２に接続され且つ三相線路２８によって第２の交流電力系統２４に接続される。電力相互接続システム１００は、例えば、図１に破線で表した変電所１０１に配置することが出来る。
【００１２】
電力相互接続システム１００は可変周波数変圧器（ＶＦＴ）１０２として知られている回転変圧器を含む。逓降変圧器３０が線路２６上に設けられ、これにより、一次コイル３０Ｐに印加された線路セグメント２６（１）上の電圧ＶT1が、二次コイル３０Ｓで電圧ＶVFT1まで逓降され、この電圧ＶVFT1は線路セグメント２６（２）を介して可変周波数変圧器１０２の第１の端子１０３（１）に印加される。逓昇変圧器３２が線路２８上に設けられ、これにより、可変周波数変圧器１０２の第２の端子１０３（２）から線路セグメント２８（１）を介して一次コイル３２Ｐに印加された電圧ＶVFT2が、二次コイル３２Ｓで電圧ＶT2まで逓昇され、この電圧ＶT2は線路セグメント２８（２）を介して第２の交流電力系統２４に印加される。一実施例では、逓降変圧器３０は１００ＭＶＡ逓降（ＧＳＵ）変圧器であり、逓昇変圧器３２は１００ＭＶＡ逓昇（ＧＳＵ）変圧器である。また一例として、上記の電圧は次のようにすることが出来る。すなわち、ＶT1＝２３０ｋＶ、ＶVFT1＝１８ｋＶ、ＶVFT2＝１８ｋＶおよびＶT2＝２３０ｋＶ。
【００１３】
図２に一層詳しく示されているように、可変周波数変圧器１０２は、その第１の端子１０３（１）が（線路２６に含まれる）三相線路ＲＡ、ＲＢおよびＲＣによって第１の交流電力系統２２に接続され、且つその第２の端子１０３（２）が（線路２８に含まれる）三相線路ＳＡ、ＳＢおよびＳＣによって第２の交流電力系統２４に接続される。
【００１４】
第１の交流電力系統２２および第２の交流電力系統２４は異なる電気特性（例えば、異なる周波数）を持っているか又は持つ可能性がある。特定の実施例では、第１の交流電力系統２２は６０Ｈｚで動作し、第２の交流電力系統２４は５０Ｈｚで動作する。これらの周波数は普通であるが、本発明の原理は第１の交流電力系統２２および２４のうちの一方または両方が他の周波数で動作する場合にも適用できることを理解されたい。
【００１５】
電力相互接続システム１００は更に、分路補償回路４０として知られている分路補償サブシステム、および直列補償回路５０として知られている直列補償サブシステムの両方を含む。分路補償回路４０は、電力相互接続システム１００と並列に注入される無効電流を調節することによって、電力相互接続システム１００内の電圧を調整するように作用する。分路補償回路４０の異なる実施態様が図３および図４に示されており、後で説明する。
【００１６】
直列補償回路５０は、変電所１０１を通る無効電力の流れを調整するか、或いは可変周波数変圧器１０２の固有の慣性により可変周波数変圧器１０２が達成することが出来るよりも速く所与の帯域幅内の有効電力の流れを調整するように作用する。直列補償回路５０の異なる実施態様が図５、図６および図７に示されており、後で説明する。
【００１７】
分路補償回路４０および直列補償回路５０の実施態様の説明の前に、可変周波数変圧器１０２について説明する。図２を参照して具体的に述べると、可変周波数変圧器１０２は回転変圧器組立体１０５およびトルク制御装置または回転子駆動部分１０６（これはまた一般に回転子駆動電動機または駆動電動機としても知られている）を含む。回転変圧器組立体１０５は回転子組立体１１０および固定子１１２を含む。回転子組立体１１０は、回転自在の軸１１３、スリップリング１１４および回転子かご型部分１１６を含む。第１の交流電力系統２２からの三相線路ＲＡ、ＲＢおよびＲＣがスリップリング１１４に接続され、第２の交流電力系統２４からの三相線路ＳＡ、ＳＢおよびＳＣが固定子１１２に接続される。
【００１８】
当業者に理解されるように、図２に例示された回転変圧器組立体１０５は、６０度の相帯を持つように巻装され、回転子巻線にはＲＡ＋、ＲＣ−、ＲＢ＋、ＲＡ−、ＲＣ＋およびＲＢ−の符号が付されており、固定子巻線にはＳＡ＋、ＳＣ−、ＳＢ＋、ＳＡ−、ＳＣ＋およびＳＢ−の符号が付されている。ところで、本発明はこの６０度の相帯のものに限定されず、むしろ本発明の原理は２相以上の回転変圧器組立体に適用可能であることを理解されたい。
【００１９】
回転子組立体１１０は、その軸線ＲＸの周りに時計回り方向ＣＷおよび反時計回り方向ＣＣＷの両方向に回転自在である。回転子組立体１１０は回転子駆動部分１０６（これは駆動電動機としても知られている）によって回転駆動される。回転子駆動部分１０６は、図２には、回転子組立体１１０上に装着された円筒形部分として象徴的に示してある。従って、図２の回転子駆動部分１０６は、回転子組立体１１０を回転させるための種々の異なる形式の駆動機構を一般的に示している。実施態様によっては、回転子駆動部分１０６はアクチュエータ、および回転子組立体１１０とのインターフェイスになるある種のリンク機構（例えば、歯車装置）を含む。例えば、一実施態様では、回転子駆動部分１０６は、ウォーム歯車駆動装置で構成される。他の実施態様では、回転子駆動部分１０６は、ラジアル（例えば、スプール）歯車を介して作用するステップ・モータのようなアクチュエータ、直結駆動装置、回転子組立体１１０上の歯車を回転させる油圧アクチュエータ、または回転子組立体１１０上の歯車を回転させる空気圧アクチュエータで構成される。このように、任意の適当な駆動機構を回転子駆動部分１０６のために用いることが出来る。可変周波数変圧器１０２についての更に詳しい理解を得るには、本出願と関連のある１９９７年３月１１日出願の米国特許出願第０８／８１４，３７４号明細書、１９９５年１０月３１日出願の米国特許出願第０８／５５０，９４１号明細書および１９９５年４月２１日出願の米国特許出願第０８／４２６，２０１号明細書を参照されたい。
【００２０】
図１に示されているように、分路補償回路４０は、好ましくは、線路セグメント２６（２）と大地との間に接続され、且つ逓降変圧器３０の二次コイル３０Ｓと可変周波数変圧器１０２の第１の端子１０３（１）との間に配置される。このような場合、分路補償回路４０の第１の側は電圧ＶVFT1を持ち、また分路補償回路４０の第２の側は接地電位にある。
【００２１】
分路補償回路４０は固定コンデンサおよびスイッチング式コンデンサを含むことが出来る。例えば、図３はその実施態様の分路補償回路４０Ａを示す。分路補償回路４０Ａは、それぞれの線路セグメント２６（２）と大地との間に接続されている複数のコンデンサ２００（１）、２００（２）および２００（３）を含む。これらのうち、コンデンサ２００（３）は固定コンデンサであり、他のコンデンサ２００（１）および２００（２）はスイッチ２０２（１）および２０２（２）で示されているようにスイッチング式のコンデンサである。ここで、分路補償回路４０Ａの他の実施態様として、コンデンサの数を増減してよく、また固定コンデンサとスイッチング式コンデンサとの混成を変えてもよいことを理解されたい。
【００２２】
分路補償回路４０はまた静止ＶＡＲ補償装置を含むことが出来、これは典型的にはコンデンサおよびインダクタと組み合わされる。例えば、図４はその実施態様の分路補償回路４０Ｂを示す。分路補償回路４０Ｂは線路セグメント２６（２）と大地との間に並列に接続された３つの線路２１０（１）、２１０（２）および２１０（３）を含む。線路２１０（１）は直列接続のコンデンサ２１２（１）およびインダクタ２１４（１）を含む。線路２１０（２）は直列接続の静止ＶＡＲ補償装置２１６（２）およびインダクタ２１４（２）を含む。線路２１０（３）は直列接続の静止ＶＡＲ補償装置２１６（３）、コンデンサ２１２（３）およびインダクタ２１４（３）を含む。ここで、分路補償回路４０Ｂの他の実施態様として、コンデンサの数を増減してよく、また線路の中の素子の組合せを異なる組合せにしてもよいことを理解されたい。
【００２３】
分路補償回路４０はまた、図１に示されている位置以外の場所に配置し得る。例えば、分路補償回路４０は線路セグメント２８（１）と大地との間に接続し、且つ可変周波数変圧器１０２と逓昇変圧器３２との間に配置することが出来る。但し、この位置は余り望ましいとは思えない。図１に示した分路補償回路４０の配置位置は、線路２６および２８上の電圧の調整を同時に行いながら、低い方の電圧点に接続するので有利である。
【００２４】
図１に示されているように、直列補償回路５０は、好ましくは、逓降変圧器３０の一次コイル３０Ｐと大地との間に接続される。また図１に示されているように、直列補償回路５０の第１の側は電圧ＶN1を持ち、また直列補償回路５０の第２の側は接地電位にある。
【００２５】
直列補償回路５０は種々の形態を取ることが出来、その３つの例が図５、図６および図７に示されている。図５は、逓降変圧器３０の一次コイル３０Ｐと大地との間に接続されたコンデンサ３００で構成された直列補償回路５０Ａを示す。
【００２６】
図６は、逓降変圧器３０の一次コイル３０Ｐと大地との間に接続された２つの可変周波数回転変圧器３０２（１）および３０２（２）で構成された直列補償回路５０Ｂを示す。これらの２つの可変周波数回転変圧器３０２（１）および３０２（２）は、線路４０２によって示されるように直列に接続された回転子巻線を持つ。２つの固定子巻線が補助電源に接続される。補助電源は可変周波数変圧器１０２の端子から取ることが出来る。このような補助電源からは有効電力は引き出されず、無効電力のみが引き出される。２つの可変周波数回転変圧器３０２（１）および３０２（２）の接続および協働動作は、前掲の１９９７年３月１１日出願の米国特許出願第０８／８１４，３７４号明細書を参照することにより理解されよう。
【００２７】
図７は、インバータ技術を利用する直列補償回路５０Ｃを示す。具体的に述べると、直列補償回路５０Ｃは、電動機速度制御システムの分野で良好に確立された構成に配置された、電源コンバータ３５４を備えた電圧源インバータ３５０を有する。電源ブリッジが、補助電源から必要なだけの電力を変換して、直流リンク電圧を維持するように作用する。補助電源は、可変周波数変圧器１０２の端子から引き出すことが出来る。
【００２８】
直列補償回路５０は、変電所１０１を通る無効電力の流れを調整し、また可変周波数変圧器１０２の固有の慣性により可変周波数変圧器１０２の回転子が達成することが出来るよりも速く所与の帯域幅内の有効電力の流れを調整する。無効電力は、可変周波数変圧器１０２の一方の側の電圧の大きさをその反対側に対して調節することにより調整される。有効電力は、伝送電圧と同一象限内の電圧を注入することにより調整される。
【００２９】
直列補償回路５０は、他の実施態様では、図１に示されているものと異なる接続を行うことが出来る。例えば、余り好ましいとは思えないが、直列補償回路５０は逓降変圧器３０の二次コイル３０Ｓに接続することが出来る。しかし、このような位置では電流が一層大きくなり且つ電圧が一層低くなるので、一般に直列補償回路５０に対して余分な複雑さおよびコストが加わる。
【００３０】
本発明を特定の好ましい実施態様について詳述したが、本発明はこのような例示した実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の真の精神および範囲内に含まれる種々の変形および変更を包含することを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様による電力相互接続システムの概略構成図であり、分路補償回路および直列補償回路の好ましい接続を示す。
【図２】本発明の一実施態様による回転変圧器の概略斜視図である。
【図３】図１の電力相互接続システムにおいて使用可能な分路補償回路の第１の実施態様の概略構成図である。
【図４】図１の電力相互接続システムにおいて使用可能な分路補償回路の第２の実施態様の概略構成図である。
【図５】図１の電力相互接続システムにおいて使用可能な直列補償回路の第１の実施態様の概略構成図である。
【図６】図１の電力相互接続システムにおいて使用可能な直列補償回路の第２の実施態様の概略構成図である。
【図７】図１の電力相互接続システムにおいて使用可能な直列補償回路の第３の実施態様の概略構成図である。
【符号の説明】
２２    第１の交流電力系統
２４    第２の交流電力系統
２６    三相線路
２８    三相線路
３０    逓降変圧器
３０Ｐ    一次コイル
３０Ｓ    二次コイル
３２    逓昇変圧器
３２Ｐ    一次コイル
３２Ｓ    二次コイル
４０    分路補償回路
５０    直列補償回路
１００    電力相互接続システム
１０１    変電所
１０２    可変周波数変圧器
１０５    回転変圧器組立体
１０６    回転子駆動部分
１１０    回転子組立体
１１２    固定子
１１３    回転自在の軸
１１４    スリップリング
１１６    回転子かご型部分
２１６    静止ＶＡＲ補償装置
３０２    可変周波数回転変圧器
３５０    電圧源インバータ
３５４    電源コンバータ
【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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