(57)【要約】【課題】スイッチやダイオードに印加される電圧を低減する超電導コイルエネルギー貯蔵装置を提供する。【解決手段】本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置は、交流電源系統に接続された交流直流変換手段と、前記交流直流変換手段により得られた直流電力を超電導コイル６に貯蔵する電力貯蔵手段と、前記超電導コイルの電流を立ち上げるためのコイル電流立ち上げ手段１４と、前記超電導コイル６の電流を還流させるコイル電流還流手段と、前記超電導コイル６に貯蔵された電力を放出する貯蔵電力放出手段と、を備え、前記コイル電流立ち上げ手段１４は、交流電源系統に接続された整流器１１と、この整流器１１およびスイッチ１０が前記超電導コイル６に対して直列に接続され、前記整流器１１および前記スイッチ１０に対して並列にダイオード８が接続されることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源系統に接続された交流直流変換手段と、
前記交流直流変換手段により得られた直流電力を超電導コイルに貯蔵する電力貯蔵手段と、
前記超電導コイルの電流を立ち上げるためのコイル電流立ち上げ手段と、
前記超電導コイルの電流を還流させるコイル電流還流手段と、
前記超電導コイルに貯蔵された電力を放出する貯蔵電力放出手段と、を備え、
前記コイル電流立ち上げ手段は、交流電源系統に接続された整流器と、この整流器およびスイッチが前記超電導コイルに対して直列に接続され、前記整流器および前記スイッチに対して並列にダイオードが接続されることを特徴とする超電導コイルエネルギー貯蔵装置。
【請求項２】
前記交流直流変換手段は、複数の交流電源系統からの交流電力を整流する複数の交流直流変換手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の超電導コイルエネルギー貯蔵装置。
【請求項３】
交流電源系統に接続された交流直流変換ステップと、
前記交流直流変換ステップにより得られた直流電力を超電導コイルに貯蔵する電力貯蔵ステップと、
前記超電導コイルの電流を立ち上げるためのコイル電流立ち上げステップと、
前記超電導コイルの電流を還流させるコイル電流還流ステップと、
前記超電導コイルに貯蔵された電力を放出する貯蔵電力放出ステップと、を備え、
前記コイル電流立ち上げステップは、交流電源系統に接続された整流器と、この整流器およびスイッチが前記超電導コイルに対して直列に接続され、前記整流器および前記スイッチに対して並列にダイオードが接続されることを特徴とする超電導コイルエネルギー貯蔵方法。
【請求項４】
前記交流直流変換ステップは、複数の交流電源系統からの交流電力を整流する複数の交流直流変換ステップを備えることを特徴とする請求項３に記載の超電導コイルエネルギー貯蔵方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力系統のエネルギーを超電導コイルに貯蔵するための超電導コイルエネルギー貯蔵装置および超電導コイルエネルギー貯蔵方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、超電導コイルエネルギー貯蔵装置は、交流電源系統からの電気を超電導コイルに蓄積すると共に、蓄積した電気を交流電源系統に戻すように構成されている。代表的な装置は、電力需要が少なく余裕電力がある期間に電力を蓄積し、電力需要が高まると蓄積した電力を電力系統に戻す超電導コイルエネルギー貯蔵装置がある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、特許文献１に記載された超電導コイルエネルギー貯蔵装置の回路構成例を示す回路図である。この超電導コイルエネルギー貯蔵装置１００は、交流電源系統１０１から供給される交流電力を、絶縁変圧器１０２を介して電圧形インバータ回路１０３において直流電力に変換し、そのエネルギーを超電導エネルギー貯蔵コイル１０５に貯蔵する。また、超電導エネルギー貯蔵コイル１０５に貯蔵されたエネルギーを、直流コンデンサ１０４を介して逆変換動作により、交流電力に変換して放出する。
【特許文献１】特開昭６１−２６２０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に提案されている技術の超電導コイルエネルギー貯蔵装置１００では、スイッチ１０６、１０７およびダイオード１０８、１０９には、超電導エネルギー貯蔵コイル１０５の電流が流れ、かつ直流コンデンサ１０４に印加される電圧に耐える容量のスイッチ１０６、１０７やダイオード１０８、１０９が必要となる。この為、大電力の装置になるほどスイッチ１０６、１０７やダイオード１０８、１０９の電圧、電流が大きくなり、装置が大型化してコスト高になるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、スイッチやダイオードに印加される電圧を低減することができる超電導コイルエネルギー貯蔵装置および超電導コイルエネルギー貯蔵方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置は、交流電源系統に接続された交流直流変換手段と、前記交流直流変換手段により得られた直流電力を超電導コイルに貯蔵する電力貯蔵手段と、前記超電導コイルの電流を立ち上げるためのコイル電流立ち上げ手段と、前記超電導コイルの電流を還流させるコイル電流還流手段と、前記超電導コイルに貯蔵された電力を放出する貯蔵電力放出手段と、を備え、前記コイル電流立ち上げ手段は、交流電源系統に接続された整流器と、この整流器およびスイッチが前記超電導コイルに対して直列に接続され、前記整流器および前記スイッチに対して並列にダイオードが接続されることを特徴とする。
【０００７】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵方法は、交流電源系統に接続された交流直流変換ステップと、前記交流直流変換ステップにより得られた直流電力を超電導コイルに貯蔵する電力貯蔵ステップと、前記超電導コイルの電流を立ち上げるためのコイル電流立ち上げステップと、前記超電導コイルの電流を還流させるコイル電流還流ステップと、前記超電導コイルに貯蔵された電力を放出する貯蔵電力放出ステップと、を備え、前記コイル電流立ち上げステップは、交流電源系統に接続された整流器と、この整流器およびスイッチが前記超電導コイルに対して直列に接続され、前記整流器およびスイッチに対して並列にダイオードが接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スイッチやダイオードに印加される電圧を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置および超電導コイルエネルギー貯蔵方法の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１０】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置の第１実施形態の回路構成例を示す回路図である。
【００１１】
本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置１において、電圧形インバータ回路４が絶縁変圧器３を介して交流電源系統２に接続される。電圧形インバータ回路４は、交流電源系統２との電圧の位相差及び電圧差を制御することにより、その交流電源系統とエネルギーの授受を行う。電圧形インバータ回路４の直流出力端子間には、直流コンデンサ５が接続される。この直流コンデンサ５にダイオード７を介して並列に、スイッチ９が接続される。さらに、直流コンデンサ５に並列に超電導コイル６が接続され、この超電導コイル６と直列にコイル電流立ち上げ手段１４が接続される。
【００１２】
コイル電流立ち上げ手段１４は、交流電源系統１３に接続された整流器１１と、この整流器１１およびスイッチ１０が超電導コイル６に対して直列に接続され、整流器１１およびスイッチ１０に対して並列にダイオード８が接続される。制御回路１５は、回路内の電流および電圧をモニターし、スイッチ１０の開閉を制御する。なおここでは、スイッチ９およびスイッチ１０は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を使用している。
【００１３】
次に、本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置１の動作について説明する。
【００１４】
まず、エネルギーを貯蔵するモードでは、コイル電流立ち上げ手段１４により電力貯蔵手段である超電導コイル６に電力を供給する。すなわち、スイッチ９を閉路状態として、絶縁変圧器１２を介してコイル電流の立上げに必要な電圧をダイオード整流器１１で整流しスイッチ１０の開閉を繰り返して超電導コイル６に直流電流のエネルギーを供給する。ここで、スイッチ１０の開閉を繰り返すのは、コイル電流立ち上げスピードを調整するためである。スイッチ１０を閉じているときのみ超電導コイル６に直流電流のエネルギーを供給している。
【００１５】
次に、エネルギーを保持するモードでは、コイル電流還流手段により超電導コイル６の電流を還流させる。すなわち、スイッチ９は閉路のままを継続し、スイッチ１０を開路とすることで、超電導コイル６の電流はダイオード８、スイッチ９を介して還流する。回路損失の影響で電流が低下した場合にはスイッチ１０を閉路または開閉を繰り返すことで電流が増加する。
【００１６】
また、エネルギーを放出するモードでは、貯蔵電力放出手段により超電導コイルに貯蔵された電力を放出する。すなわち、スイッチ９を開路することで超電導コイル６の電流はダイオード８，ダイオード７を介して直流コンデンサ５に放出するとともに、スイッチ９の開閉により直流コンデンサ５の端子電圧を電圧形インバータ回路４の動作に応じた値に制御するように動作する。
【００１７】
ここでコイル電流の立上げに必要な電圧（ＶＬ）は超電導コイル６のインダクタンスをＬ［Ｈ］として、電流変化率をｄｉ／ｄｔとするとＶＬ＝Ｌ＊ｄｉ／ｄｔ＋Ｖｓで計算される電圧となる。ここでＶｓは回路の電圧降下分で５Ｖ程度とし、Ｌを１０［Ｈ］、１０００Ａの電流まで６００秒で立ち上げることを想定するとＶＬは以下となる。  
［数１］
ＶＬ＝１０＊１０００／６００＋５＝２１．７［Ｖ］
【００１８】
通常では、電圧形インバータ４の変換容量が数ＭＷ以上では直流電圧も数ｋＶ以上が必要になる。従来例の超電導コイルエネルギー貯蔵装置１００におけるコイル電流立上げ用のスイッチ１０６、１０７、ダイオード１０８、１０９も数ｋＶの電圧に耐える必要があった。
【００１９】
本実施形態により、本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置１ではスイッチ１０は先に示したＶＬに耐える電圧があればよく、またダイオード整流器１１や絶縁変圧器１２などの部品定格もＶＬの電圧を出力できるもので良い。特に、スイッチ１０には高価であるＩＧＢＴを使用しており、これに印加される電圧が低く抑えられることは、装置の小型化とともに、コストを抑える効果もある。
【００２０】
［第２実施形態］
図２は、本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置の第２実施形態の回路構成例を示す回路図である。
【００２１】
本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置１Ａは、第１実施形態の構成（図１参照）において、交流入力端子２、絶縁変圧器３、電圧形インバータ回路４、直流コンデンサ５、ダイオード７およびスイッチ９からなる構成単位を２段とした構成となっている。その他の構成は、第１実施形態の構成と同様であり、同一の構成には同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００２２】
本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置１Ａにおいて、Ａ系統は、電圧形インバータ回路４Ａが絶縁変圧器３Ａと交流入力端子２Ａを介して交流電源系統に接続される。電圧形インバータ回路４Ａは、交流電源系統との電圧の位相差及び電圧差を制御することにより、その交流電源系統とエネルギーの授受を行う。電圧形インバータ回路４Ａの直流出力端子間には、直流コンデンサ５Ａが接続される。この直流コンデンサ５Ａにダイオード７Ａを介して並列に、スイッチ９Ａが接続される。Ｂ系統も同様である。
【００２３】
次に、本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置１Ａの動作について説明する。
【００２４】
まず、エネルギーを貯蔵するモードでは、コイル電流立ち上げ手段１４により電力貯蔵手段である超電導コイル６に電力を供給する。すなわち、スイッチ９Ａ，９Ｂを閉路状態として、絶縁変圧器１２を介してコイル電流の立上げに必要な電圧をダイオード整流器１１で整流しスイッチ１０の開閉を繰り返して超電導コイル６に直流電流のエネルギーを供給する。
【００２５】
次に、エネルギーを保持するモードでは、コイル電流還流手段により超電導コイル６の電流を還流させる。すなわち、スイッチ９Ａ，９Ｂは閉路のままを継続し、スイッチ１０を開路とすることで、超電導コイル６の電流はダイオード８、スイッチ９Ａ，９Ｂを介して還流する。回路損失の影響で電流が低下した場合にはスイッチ１０を閉路または開閉を繰り返すことで電流が増加する。
【００２６】
また、エネルギーを放出するモードでは、貯蔵電力放出手段により超電導コイル６に貯蔵された電力を放出する。すなわち、スイッチ９Ａ，９Ｂを開路することで超電導コイル６の電流はダイオード８，７Ａを介して直流コンデンサ５Ａに放出する。また、超電導コイル６の電流はダイオード７Ｂを介して直流コンデンサ５Ｂに放出する。スイッチ９Ａの開閉により直流コンデンサ５Ａの端子電圧を電圧形インバータ回路４Ａの動作に応じた値に制御するように動作し、スイッチ９Ｂの開閉により直流コンデンサ５Ｂの端子電圧を電圧形インバータ回路４Ｂの動作に応じた値に制御するように動作する。
【００２７】
なお、本実施形態では、Ａ系統とＢ系統として例を示したが、２段構成とすることに限らず、２段以上の多段構成としてもよい。
【００２８】
本実施形態により、エネルギー貯蔵容量の増大化に伴う回路電圧の高圧化に対して、同じ構成単位を多段接続することで高圧化に対処できる。また、コイル電流の立上げに必要な電圧（ＶＬ）は第１実施形態の回路に比較してスイッチ９Ｂの電圧降下分が増加しただけなので第１実施形態の回路に対して数Ｖの電圧しか上昇しない。すなわち、回路電圧が上昇してもスイッチ１０、ダイオード８、ダイオード整流器１１および絶縁変圧器１２は低圧の部品がそのまま使用できる。
【００２９】
以上のように本発明によれば、超電導コイル６にエネルギーを貯蔵するモードで使用する部品の部品定格はコイル電流を立上げに必要な電圧（数十Ｖ）の定格の部品が使用できる。このため装置全体の小型化、低コスト化が可能となる。
【００３０】
また、本発明はここに説明した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく必要に応じて種々の変形及び変更を実施し得る。例えば、コイル電流立ち上げ手段１４において、ダイオード整流器１１とスイッチ１０の代わりに、ダイオード整流器１１のダイオードをＩＧＢＴに置き換えたものを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置の第１実施形態の回路構成例を示す回路図。
【図２】本発明に係る超電導コイルエネルギー貯蔵装置の第２実施形態の回路構成例を示す回路図。
【図３】特許文献１に記載された超電導コイルエネルギー貯蔵装置の回路構成例を示す回路図。
【符号の説明】
【００３２】
１…超電導コイルエネルギー貯蔵装置、１Ａ…超電導コイルエネルギー貯蔵装置、２…交流電源系統、３…絶縁変圧器、４…電圧形インバータ回路、５…直流コンデンサ、６…超電導コイル、７…ダイオード、８…ダイオード、９…スイッチ、１０…スイッチ、１１…ダイオード整流器、１２…絶縁変圧器、１３…交流電源系統、１４…コイル電流立ち上げ回路、１５…制御回路、１６…電圧検出器、１７…電流検出器、１８…電流検出器。
【図１】
2009044785.tif 000003
【図２】
2009044785.tif 000004
【図３】
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