(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
故障した電気送電系統から電力源を切り離すための耐単独運転装置であって、
前記電力源と前記送電系統との間に接続可能な電力コンバータと、
前記送電系統の電圧を測定する手段と、
現在の送電系統電圧測定値と以前の送電系統電圧測定値とを用いて、前記送電系統電圧の電圧動向を算出する手段と、
前記電圧動向に基づいて、正のフィードバック電力コンバータ制御信号を算出する手段と、
前記電力コンバータに接続する制御回路であって、前記制御信号を前記電力コンバータに供給する制御回路と、
前記現在の送電系統電圧が所定限界外の場合、前記送電系統から前記電力源を切断する手段と、
を備える耐単独運転装置。
【請求項２】
前記制御信号が加速関数を備える請求項１記載の耐単独運転装置。
【請求項３】
前記送電系統の周波数を測定する手段と、
現在の送電系統周波数測定値と以前の送電系統周波数測定値とを用いて、前記送電系統周波数の周波数動向を算出する手段と、
前記周波数動向に基づいて、前記正のフィードバック電力コンバータ制御信号を算出する手段と、
前記現在の送電系統周波数が所定限界外の場合、前記送電系統から前記電力源を切断する手段と、
を更に備える請求項１記載の耐単独運転装置。
【請求項４】
前記制御信号が加速関数を備える請求項３記載の耐単独運転装置。
【請求項５】
前記電力源が電力限定状態で動作している場合、前記制御信号が全ての場合において低電力出力を命令する請求項１記載の耐単独運転装置。
【請求項６】
前記測定する手段が連続的に動作する請求項１記載の耐単独運転装置。
【請求項７】
前記測定する手段が不連続な間隔で動作する請求項１記載の耐単独運転装置。
【請求項８】
分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法であって、
送電系統電圧を測定するステップと、
現在の送電系統電圧測定値と以前の送電系統電圧測定値とを用いて、前記送電系統電圧の電圧動向を算出するステップと、
前記電圧動向と同じ方向で電力コンバータ制御信号を算出するステップと、
前記電力コンバータ制御信号を前記電力コンバータに供給するステップと、
前記現在の送電系統電圧測定値が許容限界外の場合、前記電力源を切断するステップと、
から成る分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法。
【請求項９】
送電系統周波数を測定するステップと、
現在の送電系統周波数測定値と以前の送電系統周波数測定値とを用いて、前記送電系統周波数の周波数動向を算出するステップと、
前記周波数動向と同じ方向で電力コンバータ制御信号を算出するステップと、
前記制御信号を前記電力コンバータに供給するステップと、
前記現在の送電系統周波数測定値が許容限界外の場合、前記電力源を切断するステップと、
を更に含む請求項８記載の分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法。
【請求項１０】
前記電力コンバータ制御信号の算出に加速関数を用いる請求項８記載の分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法。
【請求項１１】
前記加速関数が、線形関数、指数関数および幾何関数で構成されている請求項１０記載の分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法。
【請求項１２】
送電系統位相を測定するステップと、
現在の送電系統位相測定値と以前の送電系統位相測定値とを用いて、前記送電系位相の位相動向を算出するステップと、
前記位相動向と同じ方向で電力コンバータ制御信号を算出するステップと、
前記制御信号を前記電力コンバータに供給するステップと、
前記現在の送電系統周波数測定値が許容限界外の場合、前記電力源を切断するステップと、
から更に成る請求項８記載の分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法。
【請求項１３】
前記測定ステップ、算出ステップ、処理ステップ、算出ステップおよび供給ステップが連続的に行われる請求項８記載の分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法。
【請求項１４】
前記測定ステップ、算出ステップ、処理ステップ、算出ステップおよび供給ステップが不連続な間隔で行われる請求項８記載の分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法。
【請求項１５】
前記電力コンバータ制御信号は電力限定源の電圧を下げる請求項８記載の分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、１９９７年１１月２４日に出願した仮特許出願番号第６０／０６６，４６０号からの米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づく優先権を主張するものであり、その内容は実際上この言及により本願に含まれるものとする。
【０００２】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、配電事業用送電系統と接続する耐単独運転インバータ、電力コンバータおよび発電機に関する。
（背景技術）
公益事業社から家庭や事業団体への配電には、各住宅や事業団体と連係する事業用送電線のネットワークを利用している。このネットワーク即ち送電系統は、様々な負荷に電力を供給したりライン上での問題を監視する様々な発電所および変電所と系統連係している。
【０００３】
一般に、電力会社の送電系統は、電圧を送電系統に印加するとともに電力を送電系統上の負荷に供給する多数の独立エネルギ源から構成することも可能である。代替エネルギ源が発電用に使用され始めている現在、分散型発電は世界中で増々一般的になりつつある。アメリカ合衆国では、電気会社の規制緩和が、電力会社と共存する独立エネルギ源の開発に拍車をかけている。個々の負荷に対する完全な独立エネルギ源の代わりに、これらの代替エネルギ源を送電系統に連結し、電力会社の容量を補充するために使用できる。
【０００４】
独立エネルギ源の数やタイプは急速に増えつつあり、光電力、風、水力、燃料電池、および超伝導、フライホイール、コンデンサ・タイプならびにバッテリのような蓄電システム、更には、従来の変速ディーゼル・エンジン、スターリング・エンジン、ガス・タービンならびにマイクロ・タービンを含む機械的手段をも含むことができる。多くの場合、これらエネルギ源は、その送電系統上で利用するこれらの電源から超過した電力を、公益事業社に売ることができる。
【０００５】
各独立エネルギ源では、送電系統にエネルギを供給して様々な負荷に給電するタイプの電力コンバータが必要であり、また送電系統が不安定になるときの防護物の設置も必要である。公益事業社は未だに主電力源であり、大抵の場合、独立エネルギ源をある程度管理している。事業用電源が独立エネルギ源から切断されて、独立エネルギ源が負荷とまたは外れた送電系統ブランチと直接連結したまま放置されていると、安全性の問題が持ち上がる。一旦事業用電力の連係が断たれた場合、送電系統と独立エネルギ源との接続を切断するには、各種の受動および能動手段を用いることができる。
【０００６】
事業用送電系統への連係が不可能になった場合でも、分散型発電に用いる電力コンバータ（例えば、需要者側での光電力、マイクロ・タービンまたは燃料電池からの電力変換）が発電して送電系統または送電系統の一部への給電を継続可能にすることを、公益事業社は図っている。この状態は単独運転または「継続運転（run-on）」として知られている。
【０００７】
より一般的には、単独運転とは、事業用送電系統がオフに切換られたり、遮断されたり、または配電線が故障した等のために、事業用電力側からの電気エネルギの出力がない場合の、送電系統に連結した電力コンバータ、発電機または独立電力源全般の連続動作として定義されている。事業用送電系統上での単独運転状態を解消する必要性は、電気事業界が長い間認識していたことである。
【０００８】
単独運転に伴って、人命、資産および備品に対する多くの危険性がある。これらの懸念は、電力の質（即ち、電圧、周波数または高調波成分）が許容限度から外れる可能性があること、または死を覚悟でライン上で作業を行うライン修理係が分配発電機からの逆流（ｂａｃｋｆｅｅｄ）で危害を受ける虞れがあること、または単独運転制御がないためにシステムの再接続や問題解決が困難或いは不可能となる虞れがあることが、その根源となっている。事業用送電系統から切断された区間は整備または修理を受けることになる。送電系統に接続したエネルギ源がある場合には、電力会社の作業員は直接的または間接的な電気ショックで負傷する可能性がある。
【０００９】
また、一旦事業用電力が切断すると、不安定な送電系統電圧または周波数により負荷の機器が損傷するという危険性もある。この分散発電機器自体が電力変動のために破損する可能性があり、これはまた、かかる機器に隣接する資産や人物に対しても安全性を脅かす虞れがある。
【００１０】
現在の電力システムにおいて、光電力、マイクロ・タービン、燃料電池、超伝導蓄電等のような新エネルギ発生装置として、インバータのような電力コンバータは不可欠である。これら全てはＤＣ電気を発生するが、電力送電系統への給電のためにはＡＣに変換する必要がある。ＤＣ‐ＡＣインバータは、通常、制御されたＡＣ正弦波電流を事業用送電線へ送る電流源として機能する。制御されたＡＣ電流は、観測対象事業用電力の交差ゼロと同期して生成され、また正確同相であれば、１（ｕｎｉｔｙ）の力率で発生し、即ち、有効電力だけを送出することができる。可変量の位相外れが発生して力率が１以外となる可能性もあり、その場合有効電力および無効電力が送電系統に送出される。無効電力出力は、電圧に対して出力電流波形を位相シフトするか、または出力電流波形に非対称な歪曲を生成することによって有効電力に変化させることができる。
【００１１】
このＤＣ‐ＡＣ変換機能を行うインバータは、「事業用双方向インバータ（Ｕｔｉｌｉｔｙ−Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ  Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）」として知られ、例えば、電気法規第６９０条の光発電システムＵＬ１７４１、光電力インバータの規格ＩＥＥＥ９２９、光発電（ＰＶ）システムの事業用インターフェイスのための実施勧告等の米国および国際基準および規格対象物である。
【００１２】
本発明は、ＤＣ−ＡＣインバータばかりでなく、送電系統との連係が関わる場合のＡＣ電力へのその他多くの変換方法にも適用される。例を挙げれば、ＤＣ電気をＡＣ電気に変換する静止インバータおよび回転変流機（ＤＣ−ＡＣ電動発電機）や、ＡＣ電気をＡＣ電気に変換するサイクロコンバータおよびＡＣ−ＡＣ電動発電機や、機械エネルギをＡＣ電気エネルギに変換する機械的発電機がある。一般用語である「電力コンバータ」または「コンバータ」もかかる装置を示すものとして本願では使用する。
【００１３】
単独運転の問題を解消するために、多くの方式が提案されている。電圧または周波数がある所定の限度を超える場合、コンバータ機器の不足電圧および過剰電圧ならびに不足周波数および過剰周波数によって停止し、除外（ｔｒｉｐ）するというような「受動方法」が最も平易な使用である。例えば、ＩＥＥＥ  Ｐ９２９が明示する限度は、公称周波数から＋／−０．５Ｈｚであり、公称電圧から約＋１０／−１４％である。
【００１４】
更に複雑な方式では、「不安定周波数」または「能動周波数ドリフト」が用いられる。この場合、コンバータ周波数制御回路を不安定にすることにより、上下の周波数ドリフトが発生し易い単独動作状態とし、最終的に不足周波数または過剰周波数のために停止させる。
【００１５】
その他の方式には、コンバータの有効電力出力または無効電力出力を変化させ、コンバータ端子電圧の変化を発生させ、大抵の場合、不足周波数または過剰周波数のため電圧停止を発現させる。
【００１６】
研究により確認されたことは、これらの方法は殆どの状況で機能してはいるものの、これら現行の方式にはまだ非検出ゾーンがあり、そこでは事業用電源が切断された後でも電力源が送電系統に給電を続けている。
【００１７】
例えば、ある実施態様ではスライド・モード周波数シフト方法の使用を開示している。この方法により、コンバータ出力電流の位相を周波数の関数とする。コンバータの電圧−電流位相の関係が負荷のそれよりも速く増加または減少し、６０Ｈｚ均衡点を不安定点にする。スライド・モード周波数シフト方法は、高Ｑ事業用電力回路に給電する際に非検出ゾーンを有し、負荷、変圧器励磁インダクタンス、および力率補正コンデンサでそれぞれで形成された共振ＲＬＣ並列回路として、力率補正キャパシタを有するフィーダ上において、負荷が軽い場合に起きるようなことである。
【００１８】
Ｑは共振回路の「品質係数」であり、
２πＦＬ／Ｒ
として定義でき、このとき、Ｆは事業用電力および共振周波数、Ｌは回路インダクタンス、およびＲは負荷抵抗である。試験所の実験において、２．０程度の低さのＱ値での単独運転が観測されている。かかる値は実際の世界的事業用配電回路において可能である。
【００１９】
他の実施態様では、周波数の変化率に基づいて無効電力を変えることを開示している。この技法が本願で開示する技法と異なる点は、本発明では、周波数変化の一次導関数である周波数の変化率ではなく、周波数変化の単位を用いることである。
【００２０】
十分に対処できなかった別の問題に、電力系統上の多数のコンバータに関するものがある。例えば、不安定周波数方法を用いて、ある製造業者は、周波数の上方ドリフトの傾向を選択し、別の製造業者は、周波数の下方ドリフトの傾向を選択する場合、彼等の努力はバランスし得、単独動作は解消しないまま存続することになる。
【００２１】
上述した問題を減らすために、確実な耐単独運動コンバータを製造するという試みがなされた。概ね、これらはあらゆる条件下で効果的であった。しかし、理論的な分析では、その時点までにまだ十分に対処すべきかなりの非検出ゾーンを、全てのコンバータが有していることを示していた。公益事業社は送電系統電力の損失の場合には確実な停止を要求するので、いかなる非検出ゾーンも容認することはできない。非検出ゾーンとは、持続的な単独運転を可能にする特定の負荷での動作領域のことである。これはＲＬＣ負荷回路の共振と有効および無効電力との一致点周辺範囲であるのが典型的である。
【００２２】
かかる発明の１つが、米国特許第５，４９３，４８５号に記載されている。この特許は、事業用電源の切断を検出すると送電系統から電源を切断するように修正信号を発生する修正回路と検出回路とを内蔵するインバータ装置を開示している。この修正回路は初期基準信号に依拠している。
【００２３】
米国特許第５，１６２，９６４号では、不足周波数状態および過剰周波数状態のために周波数スレシホルドを用いている。所定のスレシホルドまたは設定したスレシホルドにより、スレシホルドを交差する場合にのみ送電系統から電源を切断する。
【００２４】
これら２つの特許では、不足電圧および過剰電圧、ならびに不足周波数および過剰周波数の単純な制限を用いているが、単独運転に対する完全な防止には不十分であることを示している。
【００２５】
特許第４，８７８，２０８号のインバータ装置は最初にＡＣ出力信号を測定し、初期測定と現在の位相応答とを比較する。現在位相が所定範囲外である場合、ユニットは電源を送電系統から切断する。これは広く使われて効果的な技法であり、位相ロックが失われたり、異常に大きな電流を受け取ったりする場合でも、殆どのインバータ設計において不可欠である。かかる位相シフトは、１でない力率および電力コンバータが送電系統から突然切断された場合に起きる。
【００２６】
欧州特許ＥＰ８１０７１３は、単独運転状態を検出すると出力周波数を変化させる歪み源を用いている。この歪みはフィードバック・ループおよびパルス幅変調変化の形成から成る。単独運転負荷の電圧応答はそのインピーダンスに依存するので、当然ながら、コンバータ出力波形にひずみを与えても、必ずしも確実な単独動作が検出されるとは限らない。歪み周波数における非常に高いインピーダンス、または非線形負荷が引き起こす追加歪みがあると、この方式は無効になる可能性がある。
【００２７】
単独運転の問題を低減した実用可能なインバータ製品がいくつかある。それには、Ａｓｃｅｎｓｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ＳｕｎＳｉｎｅ  ３００およびＡｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍ  ＭＩ−２５０が含まれる。Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍ（ＡＥＳ）製品は、能動的な不安定周波数シフト技法を用いており、これは事業用電力が切断されると周波数を高め、最終的には大抵の場合に過剰周波数によって除外する。周波数ずれの方向はソフトウエアで設定可能である。しかしながら、現在提供されている製品について調査したところ、許容範囲内での単独運転防止に適したユニットは皆無であることがわかった。
【００２８】
例えば、フライホイール装荷を備える誘導電動機と、力率を１にする正補償キャパシタと、並列負荷抵抗とで構成されている最悪なケースの負荷に接続した場合（ある米国大手公益事業社が要請した試験）、ＡＥＳインバータは、不定な単独動作を行なうことがわかった。
【００２９】
全ての分散型発電予想状況において単独運転状態を効果的に且つ確実に除去できる耐単独運転方式が求められている。この方式は、その用法に柔軟性があり、広く適用可能であり、製造に関して経済性に優れ、更に既存および将来のコンバータ・システム全ての機種への統合が可能でなければならない。
【００３０】
（発明の概要）
本発明は上述した背景を考慮してなされた。したがって、本発明の目的は許容パラメータの範囲まで単独運転を除去する耐単独運転コンバータを提供することである。本発明は、事業用主電力源との連係を失ったときに分散型発電用機器（送電系統に電力を供給するように設計された機器）を確実に遮断するという課題に関するものである。
【００３１】
本発明の目的は、周波数の上または下への変化を検出し、同じ方向への周波数シフトを加速し、速やかに不足／過剰周波数限界を超過させるコンバータを提供することである。
【００３２】
本発明の他の目的は、単独運転状態中を除いて送電系統上の外乱が最少となるように周波数加速関数を線形関数、幾何学的関数、指数関数またはその他の増加関数とし、単独運転状態中の場合にはシステムが不安定になり速やかにトリップ・オフすることにある。
【００３３】
本発明の他の目的は、電圧の上または下への変化を検出し、同一方向の電圧シフトを加速し、速やかに不足／過剰電圧限界超過させるコンバータを提供することである。
【００３４】
本発明の他の目的は、単独運転状態中を除いて送電系統上の外乱が最少となるように電圧加速関数を線形関数、幾何学的関数、指数関数またはその他の増加関数とし、単独運転状態中の場合にはシステムが不安定になり速やかにトリップ・オフすることにある。
【００３５】
本発明の更に他の目的は、単一のコンバータに周波数正フィードバック方法および電圧正フィードバック方法の両方を組み込むことである。
本発明の他の目的は、周波数フィードバック・ループ、電圧フィードバック・ループ、またはその両方のループのいずれかに加速応答を組み込むことである。
【００３６】
本発明の別の目的は、上または下のいずれかへの電圧シフトに基づいて出力電力を低下させるように電力を制限する電源の方式を提供することである。
本発明の更に他の目的は、加速関数を有効電力および無効電力の両方に用いる点にある。
【００３７】
本発明の更に他の目的は、多数のコンバータおよび多数の電力源用耐単独運転コンバータを提供することである。
本発明の他の目的は、無効電力フィードバックまたは出力電流の位相の変更に対応することである。
【００３８】
本発明の更に他の目的は、有効電力フィードバックに対応することである。
更にまた、本発明の他の目的は、前述の方法を連続的または断続的に適用可能なコンバータを提供することである。
本発明の別の目的は、その出力電圧、位相または周波数を観測し、且つその有効または無効電流あるいは周波数基準を変えることにより、観測変化を補強可能なコンバータに関している。
その他の目的、特徴および利点は添付図面に関連して述べる詳細な説明から明白である。
【００３９】
（好適な実施形態の説明）
図１は、電力送電系統５に接続した本発明の簡略ブロック図である。電流源１０はＡＣ電気、ＤＣ電気または機械的な（水圧を含む）電流源でよいが、コンバータ２０と接続している。独立電流源１０は、光電力、風、水、燃料電池、蓄電システム（バッテリ、超伝導フライホイールおよびキャパシタのタイプ等）、ならびに従来の変速ディーゼル、スターリング・エンジン、ガス・タービンおよびマイクロ・タービンを含む機械的手段とすることができる。送電系統５に取り付ける独立電流源１０およびコンバータ２０の数はいずれでもよい。
【００４０】
コンバータ２０は、電圧、位相、周波数および電流のような必要なパラメータを測定する事業用電力測定回路３０に接続されている。測定回路３０は耐単独運転制御ユニット７０に接続されており、つまり情報が耐単独運転制御ユニット７０に送信される。この制御ユニット７０はコンバータ２０と連結している。大抵の用途では、単一の装置（電力コンバータ・システム１００）が、コンバータ２０、事業用電力測定回路３０および耐単独運転制御ユニット７０を包含している。
【００４１】
電力源１０には、ＤＣ電気、ＡＣ電気、整流ＡＣ電気、またはエンジンからの回転軸の形態のような機械的エネルギの形態とすればよい。ＤＣ電源には、光電力、燃料電池、および風タービン、フライホイール、変速ディーゼル・ジェネセット（ｇｅｎｓｅｔｓ）またはマイクロ・ガス・タービンのＡＣ発電機の整流出力が含まれる。ＡＣ電源には、風タービン、フライホイール、変速ディーゼル・ジェネセット、およびマイクロ・ガス・タービンＡＣ発電機が含まれる。機械的電源には、タービン、火花点火、ディーゼルおよびスターリングを含む各種のエンジン、更にまた風タービン、水タービンおよび水圧ポンプ／エンジン併用のような水圧電源が含まれる。
【００４２】
コンバータ２０はインバータまたは発電機とも呼ばれ、電力源１０から電気的または機械的エネルギを受け取る。電力コンバータ２０は固体インバータ、電気機械式回転変流機（電動機／発電機集合体とも呼ばれる）、双方向モータ・ドライブ或いはサイクロコンバータのようなＡＣ電力コントローラ、水圧コンバータ、または熱機関或いは機械エネルギ・コンバータにより駆動される電気機械式発電機でよい。
【００４３】
事業用電力測定部３０は、電圧、周波数、位相および電流レベルに関して送電系統を監視する。ある用途においては、全てのパラメータを測定する必要があり、そして必要な測定データだけを測定する。測定データは耐単独運転制御回路７０に送られ、回路７０はそのデータを処理して適切な応答を算出する。インバータは制御ユニット７０に応答して、送電系統５に接続している電力源１０を変更する。
【００４４】
耐単独運転制御システム７０は、単独運転が発生していないことを確実にするようにコンバータ２０の動作を制御する。アナログ電子回路、デジタル電子回路（事業用電圧および周波数値をサンプリングして適切にそれらに応答するアルゴリズムを実施する場合）、耐単独運転制御システム７０は、ソフトウエアで、または調整機あるいは音響装置の形態というような機械的手段により実現してもよい。
【００４５】
負荷４０は、送電系統の非分離区間に接続した電気の家庭および事業消費者を意味している。負荷４０は１つまたは数サイトにおける通常の用役負荷である。例えば、住宅において、これは照明と電気器具と暖房との混合である。負荷要求は、事業用電力源６０によって、更には電力源１０によって満たされる。
【００４６】
事業用電力源６０は、国立電力送電系統、僻地におけるような単一の発電機、または小型送電系統に給電する複数のジェネセットを備える発電所におけるような複数の発電機とすることもできる。事業用電力源６０は送電系統の主コントローラであり、その送電系統に適した周波数レベルおよび電圧レベルで電力を生成する。周波数、位相、電圧および電流の標準は変更でき、事業用電力源は、均一で信頼できる電力を維持する役割を担う。送電系統、電力コンバータ・システムおよび負荷は、単相システム、分相システム、三相システムまたは多相システムとすることができる。
【００４７】
点検または修理を施すために意図的に事業用送電系統５から切断することができ、あるいは電力線落下のような場合には、その意図がなく事業用送電系統５から切断される場合もある。理由には係らず、独立電源１０は送電系統の単独運転部分と引き続き連結しており、負荷４０に電力を供給し続ける。切断装置５０は、スイッチ、ヒューズまたは回路遮断機とすることができ、あるいは配電線が切断されているという場合も多い。切断装置とは、電力コンバータおよび負荷を事業用発電の主電源から切り離すものとすることができる。
【００４８】
コンバータ２０の電力出力が負荷４０に密接に一致するときに、単独運転状況が発生する可能性が最も高い。この一致が起きた場合、事業用電源６０を切断してもコンバータ２０の持続動作に至る可能性がある。これはシステムの電圧と周波数とが通常の範囲内に留まり得るからである。本発明の耐単独運転制御ユニット７０はこの危険発生を防止するものである。
【００４９】
耐単独運転制御システム７０は、連続的にまたは不連続な時間間隔で断続的に動作できる。
事業用電源６０が接続されている間、負荷４０の電圧は事業用電力によって維持される。コンバータ２０がその有効電力または無効電力出力を変えると、単にコンバータから事業用電力へのフローが変わる。しかしながら、事業用電源５０が切断してコンバータと負荷とから成る単独状態を形成する場合、幾つかの状況が考えられる。
【００５０】
コンバータが負荷の有効および無効両方の電力要求量を正確に供給しようとしていた場合、負荷電圧および位相が変わらないので、単独運転は継続される。
有効電力シフトが負荷において起きた場合、負荷電圧はオームの法則、即ち、
負荷電圧の変化＝負荷電流の変化×負荷インピーダンス（Ｖ＝Ｉ＊Ｚ）
にしたがって変化する。
【００５１】
この負荷電圧変化は、不足電圧または過剰電圧によるトリップを引き起こすことがある。しかしながら、電圧トリップは＋／−１０％に概ね設定されているので、コンバータは少なくともこの量だけシフトして、トリップを発生させなければならない。事業用発電機の接続時でさえ、このシフト量によって通常容認できない量のフリッカが生ずるので、著しく実用性に欠く。
【００５２】
図２は本発明の更に一般的な実施形態を示しており、多数の電力源（１０、１２、１４、１６）および多数のコンバータ（２０，２２，２４，２６）が、多数の負荷（４０，４２，４４，４６）を有する送電経路と並列に接続されている。多数の電力源（１０，１２，１４，１６）は、多数の電力コンバータ（２０，２２，２４，２６）に給電している。この場合の「多数」とは２つ以上のユニットを意味し、想像上では何千、更には何百万のコンバータ全てを電力送電系統５に接続して用いることもできないことではない。
【００５３】
単純な耐単独運転方式を用いる多数のコンバータは重大な単独運転の問題を引き起こすことがある。単独動作を検出しようとする場合、１つのコンバータの出力における変動はいずれも、その他のコンバータ全てと同期している必要があり、更に加えて、負荷は平均変化に対応して、副送電系統上のコンバータの数が増えるとゼロに向かう傾向がある。コンバータ２０が上方向の能動周波数ドリフトを有し、かつコンバータ２２が下方向の能動周波数ドリフトを有する場合、その作用によって均衡し、単独動作が持続する可能性がある。本発明は、多数のコンバータを有するシステムにおいてかかる単独動作を解消するものである。
【００５４】
本発明の一実施形態は、均一方向に周波数をシフトさせる、「群移動手法（ｇｒｏｕｐ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ  ａｐｐｒｏａｃｈ）」である。周波数シフトを上または下のいずれかに選択するには様々な理由がある。そして、１つの基準を選択することには利点および欠点があるため、国際社会は未だに意見の一致をみない。上方に周波数シフトすると、波形歪みを減少させることができる。モータ負荷を回転させるために周波数を下方にシフトすると、事業用電力の切断時に、スピン・ダウン（ｓｐｉｎ  ｄｏｗｎ）しがちとなり、一方上方シフトは、オンラインにあるあらゆる機械的誘導発電機に追従する。
【００５５】
「群移動手法」とは、ある特定時点において観測された、送電系統上で発生していることに基づいて方向を選択するというものである。例えば、０．０１Ｈｚの下方周波数シフトが観測された場合、全てのコンバータはシフトする能動周波数を下方にシフトする。この手法は周波数が電力システムの同報通信パラメータであるのでよく機能する。このパラメータは全ての発電機（即ちコンバータ）に同時に利用可能であり、したがってそれらは全て同じ方向に１つの群として動くことができる。事業用電力制御周波数が切断された場合、大抵の状況において、本発明では運転停止プロセスを加速させ、送電系統から電力源を切断する。
【００５６】
電圧とは、他ＡＣ電圧波形の実行値、ピーク、平均またはその相当測度のいずれかを意味するものとする。位相とは、公称事業用電力周波数に基づいて度数に換算した、ＡＣ波形半周期の期間を意味し、周波数とは、電圧波形の観測されたゼロ交差周波数を意味するものとする。分相システムおよび多相システムでは、電圧測定および周波数測定は、各位相区間（ｐｈａｓｅ  ｌｅｇ）毎に個々に行なうことができる。
【００５７】
また、この耐単独運転方式では、事業用電圧、位相または周波数の何れかの反復変化に対する増加応答を用いて、観測した変化を補強することができる。
本発明は能動周波数シフトを考慮して、観測した事業用電力周波数シフトに対する（線形、指数、幾何学的、併用、その他の）増加正フィードバック応答を述べる。
【００５８】
また、本発明は能動電力出力シフトを考慮して、観測した事業用電圧シフトに対する（線形、指数、幾何学的、併用、その他の）増加正フィードバック応答を述べる。例えば、ＡＣ実行値線電圧の上昇が観測された場合、コンバータ制御回路は有効電力出力を僅かに増加させる。線電圧が低下すると、コンバータはその有効電力出力を低下させる。
【００５９】
これらの実施形態の変形では、電圧または周波数移動に対する増加応答（線形、指数、幾何学的、併用、その他正フィードバック応答）を用いる。例えば、送電系統電圧の小さなシフトが観測された場合、対応する小さな出力電力シフトを発生する。電圧が同じ方向に更にシフトしたことが観測された場合、対応する電力出力シフトの増量を増加してプロセスを加速する。この結果、通常条件下では、通常の電力変化がかなり小さいので、一層安定性を向上したシステムとなる。全コンバータの「群」が同じ方向に動き始めると、これらは単に大きくなるだけである。
【００６０】
これらの同じ方向への電圧または周波数の反復変化を「動向」と呼ぶことにする。本方法は、動向を検出すると、電圧フィードバック応答、周波数フィードバック応答またはその両方のフィードバック応答のいずれかを加速することができる。スレシホルド・レベルを動向の判定に用いて不要な出力変動を最小限にすることも可能である。
【００６１】
送電系統の電圧または周波数の変化に対する電力コンバータの応答は、加速した応答の始動前においてでさえ、不安定な状態を引き起こすのに十分でなければならない。これが意味するのは、最低のフィードバック応答から、観測された変化よりも大きな変化を生じなければならないということである。例えば、負荷がコンバータ出力と一致すると仮定した場合、観測された送電系統電圧の１％変化は、不安定性を確実なものにするために、コンバータ出力の１％変化より僅かに大きくなければならない。この同じ要件は周波数シフトおよび無効電力にも適用される。
【００６２】
多くの事業用双方向コンバータは有効電力出力のみが可能であり、出力電流は常に線電圧と同相である。しかし、コンバータの中には、これらの出力電流の完全な位相制御を可能にし、したがって配電システム内に有効電力だけでなく無効電力をも投入可能とするものもある。有効電力出力専用に設計したコンバータにも、それらの出力波形に適応される非対称性またはシフトを有することができるものがあり、これには無効電力出力の変化と同じ効果がある。
【００６３】
無効電力をシフトすることができると、別の１組の耐単独運転方式が得られる。無効電力シフトを負荷出力上で行なう場合も、負荷電圧はオームの法則、即ち、
負荷電圧の変化＝負荷電流の変化×負荷インピーダンス（Ｖ＝Ｉ＊Ｚ）
に基づいて変化する。
ところが、コンバータ電流が負荷電圧と同相ではないので、電圧シフトに加えて、負荷電圧の位相シフトが生ずる。
【００６４】
単一のコンバータの場合には、無効電力シフトは、
位相の変化＝アークタンジェント（デルタＩｑ／Ｉｒ）
にしたがう位相変化の原因となる。ここで、デルタＩｑはコンバータ出力電流の無効成分の変化であり、Ｉｒはコンバータ出力電流（即ち一般のコンバータ出力電流）の有効成分であり、
Ｉ＝Ｉｒ＋ｊＩｑ
となる。ここで、ｊは（−１）の平方根である。
【００６５】
コンバータには位相トリップを備えることができ、観測した線ゼロ交差位相が通常の半周期パターン当たり正規の１８０度からある量（典型的には５度）だけシフトする場合、位相トリップによってコンバータが停止する。５度のトリップがあると、無効電力の約５／１８０＝２．２％のシフトが必要となる。
【００６６】
コンバータの無効電力出力の変化は、単一のコンバータの場合にはよく作用する。しかし、ここでも、多数のコンバータの場合では、コンバータ間に何らかの形態の同期がなければ、何れか１つのコンバータの効果が平均化する。この場合も、「群移動」手法を用いることができる。無効電力制御または波形シフトを可能とするいずれかのコンバータ、あるいは同様の手段が位相または周波数の変化を観測する場合、そのコンバータは無効電力シフトで応答する必要がある。これにより、この位相または周波数変化が増強する。位相または周波数変化が同じ方向に反復して見られる場合、位相変化への応答は線形、指数または他の応答のいずれかを増大させる必要がある。この場合も、これによって通常の条件下ではこの方式の影響力が最少化するが、正フィードバックが形成され、真の単独状態では応答を加速させる。この増強は非常に小さくでき、通常の事業用送電線上での電力の質の問題を引き起こさないように十分小さくすることができる。コンバータ出力電圧、位相または周波数における動きが同じ方向で繰り返し生じる（即ち、動向が生じる）場合、コンバータの応答は（線形、指数、幾何学的、併用またはその他増加関数を介して）増大し、応答の効果および速度が増加する。
【００６７】
例えば、１．０ボルトの電圧低下が１２０Ｖの通常送電系統システム上で観測される（即ち、０．８３％）。この量、即ち１％より僅かに多い量で、コンバータ出力が低下する。この結果、電力一致単独運転動作の場合では、更に１．２Ｖの電圧低下となる。ここで、同じ方向への変化が２回観測されたので、加速応答関数を求めることができる。かかる関数の１つは指数二重とすることができる。そこで、コンバータの応答は先の利得の２倍、２を乗算したもの、または２．４％となる。様々な時間ステップ後に観測した送電系統の電圧変化、加速要因および応答を次の表に示した。
【００６８】
【表１】
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第３ステップでは、単独動作電圧を（例えば）電圧トリップ未満で所定の１０％以上まで押し上げ、コンバータは停止する。第４ステップでは、コンバータ出力をゼロに低下させている。
【００６９】
加速する関数を求める「同方向への反復変化」即ち「動向」は、単に、互いに後続する２つの同方向事象または２回の同じ動向を示すサンプルでもよい。またこれらは平均手段またはサンプリング手段を含み、例えば、加速を呼び出すには、３回以上の同方向への変化を必要とすることも可能である。あるいは、その他の何れかの適した関数を加速応答の制御に用いることもできる。典型的には、送電系統の電圧および周波数の反復回数のサンプルに基づいて、加速応答関数をソフトウエアで実装しておく。
【００７０】
図３に、本発明の一実施形態を静止型コンバータまたはその他のコンバータ１００に関して示す。この実施形態では、ＡＣ電力源，整流ＡＣ電力源またはＤＣ電力源１０からのエネルギが事業用送電線同期ＡＣ電力に変換され、電力送電系統５に供給される。コンバータ電力回路１０５は、ＤＣ−ＡＣインバータ、整流器およびインバータ、またはＡＣモータ・ドライブやサイクロコンバータのようなＡＣ電力コントローラ及び／又は周波数コントローラとすることができる。多くの場合、コンバータの出力は、出力フィルタ１１０を介して供給され、電力送電系統５に投入される電流を基本的な５０または６０ＨｚのＡＣ電流に制限する。
【００７１】
コンバータは、切断手段１１５を有することもでき、これは、スイッチ、固体状スイッチ、リレイまたは接触器の形態とすればよい。この切断手段を用いて、事業用電源６０が送電系統から切断された時、つまり単独動作が起きた時のような特定の状況下で、送電系統５から電源１０を切断する。
【００７２】
典型的に、コンバータは、正常動作に応じて出力電圧、周波数および位相を監視する。電圧測定ユニット１２０、周波数測定ユニット１２５および位相測定ユニット１３０は、アナログ手段、デジタル手段、ソフトウエア手段または機械的手段のいずれかで実装することができる。分相または多相システムには、多数の測定ユニットを使用することができる（１位相区間につき１つ）。
【００７３】
電圧測定ユニット１２０からの電圧信号は電圧変化検出器１４０に供給される。即値と、以前の値或いは移動平均のような以前の値の関数か基準値かのいずれかとの間の送電系統ライン電圧の変化を、この装置または回路が検出する。
【００７４】
同様に、周波数測定ユニット１２５からの周波数信号は、周波数変化検出器１５０に供給される。即値と、以前の値或いは移動平均のような以前の値の関数か基準値かのいずれかとの間の送電系統ライン周波数の変化を、この装置または回路が検出する。電圧変化検出器１４０および周波数変化検出器１５０は、アナログ手段、デジタル手段または機械的手段に実装することができるが、ソフトウエアで実装すれば最も簡単である。分相または多相システムには、多数の検出器を使用できる。
【００７５】
電圧変化信号および周波数変化信号を利得加速器回路１４５と１４５とに供給する。電圧または周波数の同方向への変化が繰り返し検出された場合、利得加速器回路はその応答を増大させる。加速関数は、線形、指数、幾何学的、併用または任意の関数とすることができる。加速関数は、アナログ手段、デジタル手段または機械的手段に実装することができるが、ソフトウエアで実装すれば最も簡単である。電圧利得加速器１４５は、更に、電力乗算器１４７に接続されている。
【００７６】
位相測定ユニット１３０からの位相信号は、ゼロ交差検出器／ＰＬＬ１６０に供給される。典型的には、ゼロ交差検出器１６０は２つの関数を実行する。まず、コンバータ基準発生器１８０に開始時間基準を供給する。第２に、１でない力率負荷で事業用電力の損失を示すことができる、同相の大きなステップを検出する。ゼロ交差検出器１６０は、ゼロ交差位置を平均化するアナログ／デジタル位相ロック・ループとして実装してもよく、偽トリップまたは不規則な動作によってノイズが発生する可能性を低下させる。位相角加算器（ｓｕｍｍｅｒ）１７０は、周波数利得加速器１５５およびゼロ交差検出器／ＰＬＬ１６０からの周波数信号成分を結合する。
【００７７】
コンバータ電力回路１０５の波形は基準回路１９０により生成され、これは事業用電力波形と一致するように通常正弦波である。
正常な動作では、コンバータ基準発生器１８０を制御する出力測定装置２００、電力レベル設定２２０および電力レベル誤差加算器（ｓｕｍｍｅｒ）２１０を備えるフィードバック回路が、コンバータ基準１８０の振幅、したがってコンバータ出力を制御する。分相または多相システムにおいて、別個のフィードバック・ループは各位相上で動作する。
【００７８】
単独運転状態では、電圧測定ユニット１２０が線電圧を測定する。電圧変化検出器１４０は電圧変化の方向および量を示す。利得加速器１４５は適切な加速電圧値を算出する。利得加速器の出力を乗算器回路または乗算器手段１４７に供給する。乗算器１４７は、加速電圧値を倍数にして、コンバータ基準発生器１８０の出力、要するにコンバータ出力電力を変えて、測定変化と同じ方向への電圧変化を増やす。
【００７９】
電源１０が電力出力内に制限されて、その最大電力出力で動作している場合、電源がその最大電力制限以下に下がるまで、線電圧の上昇または低下のいずれかに基づいて電力を低下させる代替方式を用いる。例えば、光電力源は、直接光をその表面にどの程度受けるかに依存する電力出力に物理的に限定されている。電力コンバータは、光電源から利用可能な最大の電力を引出すように調節されるとともに、送電系統電圧増加が観測されている場合、他に提案されている方法で電力出力を増やすことは不可能である。この代替方式が依拠しているのは、多数コンバータのシステムにおいて、大部分のコンバータが最大電力点で動作しており、したがってその大部分は出力電力を低下するということである。単独動作状態では、これによって送電系統電圧が低下する。そして、群移動が再開し、システムは不足電圧により離脱する（ｔｒｉｐ  ｏｕｔ）。
【００８０】
単独運転状態では、ライン周波数を周波数測定ユニット１２５が測定する。周波数変化検出器１５０は変化の方向および量を判定する。利得加速器１５５は適切な周波数加速値を算出する。利得加速器１５５の出力は加算回路または加算手段１７０に供給され、基準発生器１８０の位相、要するにコンバータ出力位相を変化させる。これによって、コンバータ無効電力出力が変化し、周波数変化が増大する。
【００８１】
位相角加算器１７０および電力乗算器１４７は、アナログ手段、デジタル手段またはソフトウエア手段で実装可能である。出力電力フィードバック・ループの変化の原因となる、観測した送電系統電圧変化と、位相または無効出力電力フィードバック・ループの変化の原因となる観測した送電系統周波数変化とは、加速応答とともに、本発明の新規な特徴である。
【００８２】
図４は、本発明の他の実施形態を示しており、コンバータの代わりに回転変流機（ｒｏｔａｒｙ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いている。回転変流機はＡＣまたはＤＣモータ２６０で構成されている。モータ２６０はＡＣ発電機２７０に連結し、モータ電力制御部２８０および発電機励起制御部２９０によって制御されている。その他の変化検出器１４０、１５０および利得加速器１４５、１５５のような構成要素は、本願で述べたものと同じ機能を有する。
【００８３】
モータ電力制御部２８０がコンバータ電力出力を制御し、且つ発電機励起制御部２９０が発電機電圧、したがって無効電力を制御するので、この実施形態では図３に示すコンバータの実施形態と全く同様に機能する。２つのフィードバック・ループ、つまり電力変化の原因となる観測した電圧変化および無効電力変化の原因となる観測した周波数変化は、加速応答と共に、高信頼非単独運転保護方法を構成する。
【００８４】
図５では、本発明の更に別の実施形態が、図４に示した回転変流機２５０に代えてエンジン発電機（ｅｎｇｉｎｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｓｅｔ）を用いている。エンジン発電機３００はエンジン３１０（例えば、ディーゼル・エンジンまたは火花点火エンジン）で構成している。エンジン３１０は、ＡＣ発電機３２０に連結し、且つエンジン電力制御３３０および発電機励起制御３４０で制御されている。その他の変化検出器１４０、１５０および利得加速器１４５、１５５のような構成要素は、本願で述べたものと同じ機能を有している。
【００８５】
エンジン電力制御部３３０がエンジン３１０の電力出力を制御し、且つ発電機励起制御部３４０が発電機３２０の電圧、したがって無効電力を制御するので、この実施形態では図３に示すコンバータの実施形態と全く同様に機能する。２つのフィードバック・ループ、つまり電力変化の原因となる観測した電圧変化および無効電力変化の原因となる観測した周波数変化は、加速応答と一緒に、高信頼非単独運転保護方法を構成する。
【００８６】
本発明は、故障した電気送電系統から電力源を切り離すための耐単独運転装置であって、電力源と送電系統との間に接続可能な電力コンバータを備える。送電系統の電圧を測定する手段と、現在の送電系統電圧測定値と以前の送電系統電圧測定値とを用いて送電系統電圧の電圧動向を算出する手段とがある。電力コンバータには制御回路が接続されており、その制御回路は加速関数を備える。本システムはまた、現在の送電系統電圧が所定限界外の場合、送電系統から電力源を切断する手段を有する。
【００８７】
一実施形態において、本発明は、送電系統の周波数を測定する手段を有する。本発明は、現在の送電系統周波数測定値と以前の送電系統周波数測定値とを用いて、送電系統周波数の周波数動向を算出する手段と、周波数動向に基づいて、正のフィードバック電力コンバータ制御信号を算出する手段とを有する。一実施形態において、制御信号は加速関数を備える。この実施形態はまた、前記現在の送電系統周波数が所定制限外の場合、送電系統から電力源を切断する手段を有する。
【００８８】
加えて、電力源が電力限定状態で動作している場合、制御信号が全ての場合において低電力出力を命令する。
本発明は、耐単独運転装置を含み、耐単独運転装置において、測定する手段は連続的に動作する。
また、耐単独運転装置において、測定する手段は不連続な間隔で動作する。
【００８９】
本発明は、故障した電気送電系統から電力源を切り離すことを提供する。本発明は、電力源と送電系統との間に接続可能な電力コンバータと、送電系統の周波数を測定する手段とを備える。現在の送電系統周波数測定値と以前の送電系統周波数測定値とを用いて送電系統周波数の周波数動向を算出する手段と、周波数動向に基づいて正のフィードバック電力コンバータ制御信号を算出する手段とがある。電力コンバータには制御回路が接続されており、その制御回路は制御信号を電力コンバータに供給する。現在の送電系統周波数が所定限界外の場合、送電系統から装置を切断する手段がある。
更に、耐単独運転装置において、送電系統位相は送電系統周波数から算出される。
加えて、本実施形態において、測定する手段は連続的に動作する。また、測定する手段は不連続な間隔で動作する。
【００９０】
本発明は、分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法を含み、この方法は、送電系統電圧を測定するステップと、現在の送電系統電圧測定値と以前の送電系統電圧測定値とを用いて、送電系統電圧の電圧動向を算出するステップと、電圧動向と同じ方向で電力コンバータ制御信号を算出するステップと、電力コンバータ制御信号を電力コンバータに供給するステップと、現在の送電系統電圧測定値が許容限界外の場合、電力源を切断するステップとから成る。
【００９１】
この方法は、更に、送電系統周波数を測定するステップと、現在の送電系統周波数測定値と以前の送電系統周波数測定値とを用いて送電系統周波数の周波数動向を算出するステップと、周波数動向と同じ方向で電力コンバータ制御信号を算出するステップと、制御信号を電力コンバータに供給するステップと、現在の送電系統周波数測定値が許容限界外の場合、電力源を切断するステップとから成る。
【００９２】
分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法において、電力コンバータ制御信号の算出が加速関数を用いる。
分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法は、更に、送電系統位相を測定するステップと、現在の送電系統位相測定値と以前の送電系統位相測定値とを用いて送電系位相の位相動向を算出するステップと、位相動向と同じ方向で電力コンバータ制御信号を算出するステップと、制御信号を電力コンバータに供給するステップと、現在の送電系統周波数測定値が許容限界外の場合、電力源を切断するステップとから成る。
分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法において、測定ステップ、算出ステップ、処理ステップ、算出ステップおよび供給ステップが連続的に行われる。
分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法において、測定ステップ、算出ステップ、処理ステップ、算出ステップおよび供給ステップが不連続な間隔で行われる。
分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法において、加速関数は線形関数、指数関数および幾何関数で構成されている。
分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法において、電力コンバータ制御信号は電力限定源の電圧を低下させる。
【００９３】
分散型送電系統上での電力源の単独運転を防止する方法は、送電系統周波数を測定するステップと、現在の送電系統周波数測定値と以前の送電系統周波数測定値とを用いて、送電系統周波数の周波数動向を算出するステップと、周波数動向と同じ方向で電力コンバータ制御信号を算出するステップと、制御信号を電力コンバータに供給するステップと、現在の送電系統周波数測定値が許容限界外の場合、電力源を切断するステップとから成る。
【００９４】
以上の本発明の好適な実施形態についての説明は、例示および説明の目的のために記載したものである。開示した正確な形態が全てであることや、それに本発明を限定することを意図するものではない。多くの変形および変更が上述した教示に鑑みて可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、添付した特許請求の範囲によって限定されることを意図するものである。
【００９５】
本発明は多くの変更が可能であり、それらは全て特許請求の範囲に含まれる。本願で述べるとともに図面で例示した好適な実施形態は、いかなる場合でも限定として解釈すべきではない。
【００９６】
本発明の製品の実際の製造設計、材料および使用の相違による、全体的または部分的な本発明の何れの個別実例における安全性、保全性または対処性の実際の度合いに関しては、保証の表明も暗示もしないこととする。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電力コンバータの送電系統との系統連係を例示する基本ブロック図である。
【図２】  多数の電力コンバータを示すブロック図である。
【図３】  静止インバータ／コンバータの実施形態を例示するブロック図である。
【図４】  回転変流機で実施形態を示すブロック図である。
【図５】  エンジン発電機で実施形態を示すブロック図である。
【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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