(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のワット数および第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であって、前記第１の巻線が前記第１の交流電力系統に接続されていて、それに印加される前記第１の周波数を持ち、前記第２の巻線が前記第２の交流電力系統に接続されていて前記第２の周波数にあり、前記第１の巻線と前記第２の巻線との間の電磁結合により、前記第１のワット数とは異なる第２のワット数の電力が発生される回転変圧器、並びに前記回転変圧器に接続されていて、前記回転自在の軸から回復電力を得て、該回復電力の少なくとも幾分かを前記第２のワット数の電力に加えるために前記第２の交流電力系統に供給する電力回復システムであって、電動機制御装置を有しておらず、前記駆動電動機の固定子巻線と前記第２の交流電力系統を直接接続する線路を有する電力回復システムを含み、前記回転自在の軸の回転速度が前記第２の交流電力系統の周波数に対応するように前記駆動電動機の磁極数が選択されていること、を特徴とする電力伝送システム。
【請求項２】
前記駆動電動機の磁極数が２０であり、前記回転自在の軸の回転速度が３００ＲＰＭであり、前記第２の周波数が５０Ｈｚである請求項１記載の電力伝送システム。
【請求項３】
前記駆動電動機が誘導電動機であり、前記第１の交流電力系統と前記第２の交流電力系統との間の電力伝送が前記駆動電動機のトルク−滑り特性に従って前記第１の周波数と前記第２の周波数との差に比例して変化する請求項１記載の電力伝送システム。
【請求項４】
第１のワット数および第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であって、前記第１の巻線が前記第１の交流電力系統に接続されていて、それに印加される前記第１の周波数を持ち、前記第２の巻線が前記第２の交流電力系統に接続されていて前記第２の周波数にあり、前記第１の巻線と前記第２の巻線との間の電磁結合により、前記第１のワット数とは異なる第２のワット数の電力が発生される回転変圧器、並びに前記回転変圧器に接続されていて、前記回転自在の軸から回復電力を得て、該回復電力の少なくとも幾分かを前記第２のワット数の電力に加えるために前記第２の交流電力系統に供給する電力回復システムであって、電動機制御装置を有しておらず、前記駆動電動機の固定子巻線と前記第２の交流電力系統を直接接続する線路を有する電力回復システムを含み、前記回転自在の軸の回転速度が前記第２の交流電力系統の周波数に対応しないように前記駆動電動機の磁極数が選択されていることにより電力伝送の方向がバイアスされていること、を特徴とする電力伝送システム。
【請求項５】
第１のワット数および第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であって、前記第１の巻線が前記第１の交流電力系統に接続されていて、それに印加される前記第１の周波数を持ち、前記第２の巻線が前記第２の交流電力系統に接続されていて前記第２の周波数にあり、前記第１の巻線と前記第２の巻線との間の電磁結合により、前記第１のワット数とは異なる第２のワット数の電力が発生される回転変圧器、並びに前記回転変圧器に接続されていて、前記回転自在の軸から回復電力を得て、該回復電力の少なくとも幾分かを前記第２のワット数の電力に加えるために前記第２の交流電力系統に供給する電力回復システムであって、前記駆動電動機と多相の界磁巻線との間に接続された交流励磁器と、前記駆動電動機の固定子巻線と前記第２の交流電力系統を直接接続する線路とを有し、前記界磁巻線が前記第２の交流電力系統に接続されている電力回復システム、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６】
前記駆動電動機の磁極数が１８であり、前記交流励磁器が前記多相の界磁巻線に５Ｈｚを供給する請求項５記載の電力伝送システム。
【請求項７】
第１のワット数および第１の周波数の第１の交流電力系統から第２の周波数の第２の交流電力系統へ電力を伝送するための方法において、回転変圧器の第１の巻線に第１の周波数を供給して、前記回転変圧器の第２の巻線に、前記第１のワット数とは異なる第２のワット数の電力を発生させるステップ、前記回転変圧器の回転自在の軸の駆動電動機によって、前記回転自在の軸の回転から電力を回復するステップ、および前記回復電力を前記第２の交流電力系統に加えて前記第２のワット数の電力を増大させるステップを有し、前記回転自在の軸の回転から電力を回復する前記ステップが、
電動機制御装置を有せず、前記駆動電動機の固定子巻線と前記第２の交流電力系統を直接接続する線路を使用し、前記回転自在の軸の回転速度が前記第２の交流電力系統の周波数に対応するように前記駆動電動機の磁極数が選択すること、を特徴とする電力伝送方法。
【請求項８】
第１のワット数および第１の周波数の第１の交流電力系統から第２の周波数の第２の交流電力系統へ電力を伝送するための方法において、回転変圧器の第１の巻線に第１の周波数を供給して、前記回転変圧器の第２の巻線に、前記第１のワット数とは異なる第２のワット数の電力を発生させるステップ、前記回転変圧器の回転自在の軸の駆動電動機によって、前記回転自在の軸の回転から電力を回復するステップ、および前記回復電力を前記第２の交流電力系統に加えて前記第２のワット数の電力を増大させるステップを有し、前記回転自在の軸の回転から電力を回復する前記ステップが、前記第２の交流電力系統に接続される多相の界磁巻線と、前記駆動電動機と前記多相の界磁巻線との間に接続された交流励磁器と、前記駆動電動機の固定子巻線と前記第２の交流電力系統を直接接続する線路とを使用することを含むこと、を特徴とする電力伝送方法。
【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領域相互間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させられる。
【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。該出願明細書にはまた、回転変圧器を第２の電力系統に接続する三相線路に回転変圧器の駆動電動機が接続され、この接続は回転変圧器の回転軸に機械的パワーを回復させる。異なる状況でも他の態様のパワー回復が望まれる。
【０００６】
【発明の開示】
本発明による、第１の電気周波数を持つ第１の電力網または交流電力系統と第２の電気周波数を持つ第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は、回転変圧器および電力回復システムを含む。電力回復システムは、回転変圧器の回転軸に伝えられる機械的パワーに起因する差の電力を回復して、受電側の交流電力系統に供給する。電力回復システムは両方向に動作することが可能である。
【０００７】
電力回復システムの種々の実施態様が提供される。一実施態様では、電力回復システムは、回転変圧器の駆動電動機と第２の交流電力系統との間に接続された電動機制御装置を含み、これは２つの交流電力系統の周波数の広範な変動に対して調節を行う。第２の実施態様では、電力回復システムは、回転変圧器の駆動電動機と第２の交流電力系統との間を接続する１つの線路で構成され、その際、駆動電動機の磁極数が、回転軸の回転速度が駆動電動機に接続される交流電力系統の周波数に対応するように選択される。第３の実施態様では、電力回復システムは交流励磁器および多相の界磁巻線を含み、交流励磁器を介して供給される電力の周波数により駆動電動機のトルクを制御する。
【０００８】
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。
【０００９】
【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。
【００１０】
図１は、第１の電力網または交流電力系統２２と第２の電力網または交流電力系統２４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に接続されている。
【００１１】
電力相互接続システム１００は可変周波数回転変圧器１０２および電力回復システム１０３を含む。図５により詳しく説明されているように、可変周波数回転変圧器１０２は、（線路２６に含まれる）三相線路ＳＡ、ＳＢおよびＳＣによって第１の交流電力系統２２に接続され且つ（線路２８に含まれる）三相線路ＲＡ、ＲＢおよびＲＣによって第２の交流電力系統２４に接続される。
【００１２】
特定の実施例では、第１の交流電力系統２２の周波数は６０Ｈｚであり、第２の交流電力系統２４の周波数は５０Ｈｚである。これらの周波数は普通であるが、本発明の原理は交流電力系統２２および２４の一方または両方が他の周波数である場合にも適用することが出来ることを理解されたい。
【００１３】
図１に示されているように、可変周波数回転変圧器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。図５により詳しく説明されているよう、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、回転軸（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２の交流電力系統２４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１の交流電力系統２２からの三相線路ＳＡ、ＳＢおよびＳＣが固定子１１２に接続される。
【００１４】
当業者に理解されるように、図５に例示されている回転変圧器組立体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。
【００１５】
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。
【００１６】
回転子駆動部分１０６は、図５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５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、通常の電動機駆動装置によって制御される電動機で構成される。任意の適当な駆動機構を回転子駆動部分１０６のために用いてよい。
【００１７】
電力回復システム１０３は、回転変圧器１０２の第１組の巻線に供給された電力と第２組の巻線から得られる電力との間の差の電力ワット数を少なくとも一部分回復するように作用する。例えば、１２０ＭＷのワット数の電力が図１に矢印Ｐ１で示すように第１の交流電力系統２２から回転変圧器１０２の第１組の巻線（例えば、固定子巻線ＳＡ＋、ＳＣ−、ＳＢ＋、ＳＡ−、ＳＣ＋およびＳＢ−）へ供給された場合、ただ１００ＭＷの電力が矢印Ｐ２で示すように回転変圧器１０２の第２組の巻線（例えば、回転子巻線ＲＡ＋、ＲＣ−、ＲＢ＋、ＲＡ−、ＲＣ＋およびＲＢ−）を通る。残りの２０ＭＷ（すなわち、Ｐ１−Ｐ２）は、回転変圧器１０２の回転軸１１３に機械的パワーとして現れて、駆動電動機を駆動する。駆動電動機１０６の磁極数が４であると仮定すると、回転軸１１３は３００ＲＰＭで回転し、交流電力系統２２および２４の間の１０Ｈｚの差を反映する。他の周波数差または磁極数の場合には、回転速度は変わる。回転軸１１３上の相対パワーは回転子巻線および固定子巻線（例えば、回転変圧器１０２の第１および第２組の巻線）の間の周波数差に比例する。
【００１８】
従って、電力回復システム１０３は、回転軸１１３へ機械的パワーとして供給される電力Ｐ１−Ｐ２を回復して、電力差Ｐ１−Ｐ２が第２の交流電力系統２４に供給されて、回転変圧器１０２の第２組の巻線から第２の交流電力系統２４へ供給される電力のワット数を増大させるように作用する。電力回復システム１０３の幾つかの異なる実施態様を以下に説明する。
【００１９】
図２は本発明の一実施態様による電力回復システム１０３Ａを示し、この電力回復システム１０３Ａは電動機制御装置２００を含む。電動機制御装置２００は、駆動電動機１０６を制御するための電力用電子装置であり、前掲の米国特許出願第０８／８２５，５０２号明細書に記載されている原理に従って第１の交流電力系統２２から第２の交流電力系統２４へに電力潮流を調整するようにプログラムされる通常の電動機駆動システムで構成される。電動機制御装置２００は線路２０２によって駆動電動機１０６の固定子巻線に接続される。電動機制御装置２００の整合用変圧器が線路２２０によって点２２２に接続される。線路２２０は、点２２２で、第２の交流電力系統２４に電力を供給するための線路２８に接続される。
【００２０】
図２の実施態様における一例では、駆動電動機１０６は定格２０ＭＷの４極電動機である。電動機制御装置２００は駆動電動機１０６に等しい定格（本例では、２０ＭＷ）を持つ。電力回復システム１０３Ａによって回転軸１１３（２０ＭＷ、５０Ｈｚ）から回復された電力（Ｐ１−Ｐ２）は線路２２０を介して第２の交流電力系統２４に供給されて、６０Ｈｚの第１の交流電力系統２２から５０Ｈｚの第２の交流電力系統２４へ実質的に全ワット数の電力（例えば、１２０ＭＷ）の伝送を達成する。
【００２１】
図２の実施態様は、電動機制御装置２００が回転変圧器１０２によって接続されている２つの交流電力系統の周波数の広い変動に対して調節できるので、交流電力系統相互間の電力伝送の融通性が大きい。
【００２２】
図３は本発明の別の実施態様による電力回復システム１０３Ｂを示し、電力回復システム１０３Ｂは、電動機制御装置を有していず、代わりに駆動電動機１０６の固定子巻線を点２２２で線路２８に接続する単一の線路２３０を有する。図３の実施態様では、駆動電動機１０６の磁極数は、それが接続される交流電力系統（例えば、交流電力系統２４）の周波数に回転軸１１３の回転速度が対応する（好ましくは、正確に対応する）ように選択される。図３の実施態様における特定の例では、駆動電動機１０６が２０磁極を持ち、回転軸１１３の３００ＲＰＭの速度を５０ＭＨｚに変換して、２０ＭＷを第２の交流電力系統２４へ供給する。
【００２３】
図３の実施態様で駆動電動機１０６が同期電動機であった場合、交流電力系統２２および２４はそれらの間の位相関係に従って電力を伝送し、これは可変の回転変圧器１０２によって制御することは出来ない。
【００２４】
図３の実施態様で駆動電動機１０６が誘導電動機であった場合、交流電力系統２２および２４の間の電力伝送は、駆動電動機１０６のトルク−滑り特性に従って交流電力系統２２および２４の周波数差に比例して変化する。交流電力系統２２および２４の周波数が正確にそれぞれの公称周波数（例えば、交流電力系統２２では６０Ｈｚおよび交流電力系統２４では５０Ｈｚ）にある場合、なんら電力伝送は生じない。駆動電動機に僅かに異なる数の磁極を選択することによって、電力伝送を特定の方向にバイアスすることが出来る。例えば、磁極数が２２の電動機が使用された場合、ゼロ電力伝送が生じる点は２７２．７ＲＰＭの回転子速度、すなわち送電側系統と受電側系統との間の９．０９Ｈｚの周波数差に対応する。
【００２５】
図４は本発明の別の実施態様による電力回復システム１０３Ｃを示し、電力回復システム１０３Ｃは、駆動電動機１０６の固定子巻線を点２２２（すなわち、線路２８）に接続する線路２４０を有する。更に、電力回復システム１０３Ｃは、多相の界磁巻線に接続された交流励磁器２５０を有する。特定の例では、駆動電動機１０６が１８磁極を持つ電動機であり、この場合、交流励磁器２５０は通常５Ｈｚを界磁巻線２５２に供給する。これ以外の組合せも可能であり、例えば、２０磁極の駆動電動機１０６で界磁に通常は直流を供給することも可能である。
【００２６】
図４の場合、駆動電動機１０６は交流励磁器２５０によって供給される電力の周波数により制御可能である。従って、回転変圧器１０２全体を介しての電力伝送を制御することが出来る。このように図４の実施態様は、別々の送電系統の或る範囲の周波数偏差にわたる電力制御との非同期連系である。
【００２７】
第１の交流電力系統２２が回転変圧器１０２の固定子巻線に接続され且つ第２の交流電力系統２４が回転変圧器１０２の回転子巻線に接続されるものとして例示したが、このような接続は希望により逆にすることが出来ることを理解されたい。更に、システムの他のパラメータも、例示したものとは異なるようにすることができ、例えば、駆動電動機１０６の磁極数を例示したものとは異なる数にすることが出来る。
【００２８】
以上の説明から、上述したシステムを使用すると両方向の電力伝送を行うことが出来ることが理解されよう。
【００２９】
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る。
【図２】一実施態様の電力回復システムを持つ電力相互接続システムの概略構成図である。
【図３】別の実施態様の電力回復システムを持つ電力相互接続システムの概略構成図である。
【図４】別の実施態様の電力回復システムを持つ電力相互接続システムの概略構成図である。
【図５】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。
【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
１００    電力相互接続システム
１０２    可変周波数回転変圧器
１０３    電力回復システム
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    回転軸
１１４    スリップリング
１１６    回転子かご型部分
２００    電動機制御装置
２５０    交流励磁器
【図１】
0003992859.tif 000002
【図２】
0003992859.tif 000003
【図３】
0003992859.tif 000004
【図４】
0003992859.tif 000005
【図５】
0003992859.tif 000006