(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択された送電線電圧（Ｖo）と基本周波数で交流電流（Ｉ）を運ぶ交流送電線路（３）の２つの端部（５，７）間の電力潮流を制御する電力潮流コントローラ（１）であって、
送電線電圧（Ｖo）に対する大きさ及び位相角が制御可能で交流電流（Ｉ）の基本周波数を持つ制御可能な交流電圧（Ｖpq）を発生させるスイッチング電力コンバータ手段（２３，９）と、
交流電流（Ｉ）の基本周波数と、送電線電圧に対する所定の位相角と、所定の振幅とを有する交流のバイアス電圧（Ｖα）を発生させるバイアス電圧発生手段（３５）と、
制御可能な交流電圧（Ｖpq）と交流のバイアス電圧（Ｖα）とをベクトル加算して結合電圧（Ｖpq＋Ｖα）を発生させ、結合電圧を送電線電圧（Ｖo）と直列に送電線路（３）に注入する結合手段（１５）と、
スイッチング電力コンバータ手段（２３，９）が発生する基本周波数の制御可能な交流電圧（Ｖpq）の制御可能な大きさ及び位相角を制御することにより、バイアス電圧（Ｖα）と組み合わせて、送電線路（３）の実効インピーダンス、送電線路（３）の２つの端部（５，７）の電圧間の実効位相角、及び送電線路電圧の大きさを、それぞれ単独に且つ協調させて、選択的に調整し、送電線路（３）の電力潮流を等しくない最大電力潮流制御限界間で制御する制御手段（１７）とよりなる電力潮流コントローラ（１）。
【請求項２】
バイアス電圧発生手段（３５）は交流のバイアス電圧（Ｖα）を発生し、制御手段（１７）は制御可能な交流電圧（Ｖpq）の制御可能な大きさ及び位相角（ρ）を調整して伝送角を進めるか遅らせるように制御可能な交流電圧（Ｖpq）を制御することにより送電線路（３）の端部（５，７）のうち一方の端部の方へ電力潮流が起こるようにする、請求項１の電力潮流コントローラ。
【請求項３】
バイアス電圧発生手段（３５）は送電線路電圧（Ｖo）と直角位相関係にバイアス電圧（Ｖα）を発生させる手段よりなる、請求項１のコントローラ。
【請求項４】
結合手段（１５）は、スイッチング電力コンバータ手段（２３，９）が発生する制御可能な交流電圧（Ｖpq）と交流のバイアス電圧（Ｖα）とが直列に印加され二次巻線（４１）と、送電線路（３）に直列に接続された一次巻線（３９）とを有するが第１の変圧器よりなる、請求項１の電力潮流コントローラ。
【請求項５】
バイアス電圧発生手段（３５）は送電線路（３）に分路接続された第２の変圧器よりなる、請求項４の電力潮流コントローラ。
【請求項６】
送電線路（３）は３本の相導体を有し、スイッチング電力コンバータ手段（２３，９）は三相コンバータ手段であり、第１及び第２の変圧器（１５，２７）は三相変圧器であり、第２の変圧器（２７）は送電線路の３本の相導体にデルタ接続されて送電線路電圧（Ｖo）と直角位相の三相バイアス電圧（Ｖαa、Ｖαb、Ｖαc）を発生させる、請求項５の電力潮流コントローラ。
【請求項７】
スイッチング電力コンバータ手段（２３，９）は、制御可能な交流電圧（Ｖpq）を発生し交流端子（１３）が第１の変圧器（１５）の二次巻線（４１）に接続された直流−交流インバータと、直流リンク（２１）がその直流端子（２５）を直流−交流インバータ（９）の直流端子（１９）に接続して有効電力を直流−交流インバータ（９）に供給する交流−直流コンバータ（２３）とよりなり、第２の変圧器（２７）の第２の三相二次巻線（３１ａ，３１ｂ，３１ｃ）は交流−直流コンバータ（２３）の交流端子（３３）に接続されている、請求項６の電力潮流コントローラ。
【請求項８】
バイアス電圧発生手段（３５）は交流のバイアス電圧（Ｖα）を発生し、制御手段（１７）は送電線路（３）の端部（５，７）の一方の方へ単一方向に電力潮流が起こるように制御可能な交流電圧（Ｖpq）の制御可能な大きさ及び位相角を調整することにより電力潮流を増加または減少させる、請求項４の電力潮流コントローラ。
【請求項９】
スイッチング電力コンバータ（２３，９）は、制御可能な交流電圧（Ｖpq）を発生させる直流−交流インバータ（９）と、直流−交流インバータ（９）へ有効電力を供給するために直流−交流インバータ（９）の直流端子１９へ接続された直流電力手段（２３）とよりなる、請求項１の電力潮流コントローラ。
【請求項１０】
直流電力手段（２３）は、直流リンク手段（２１）が直流−交流インバータ（９）の直流端子（１９）に接続された交流−直流コンバータと、一次巻線（２９）が送電線路（３）と分路接続され、第１の二次巻線（３５）がバイアス電圧発生手段を形成し、第２の二次巻線（３１）が交流−直流コンバータ（２３）の交流端子（３３）に接続された分路変圧器手段（２７）とよりなる、請求項９の電力潮流コントローラ。
【請求項１１】
バイアス電圧発生手段（３５）は一次巻線（２９）が送電線路と分路接続され、二次巻線（３５）が交流のバイアス電圧（Ｖα）を与える分路変圧器よりなる、請求項１の電力潮流コントローラ。
【請求項１２】
スイッチング電力コンバータ手段（２３，９）は選択された正及び負の最大電圧限界を有し、制御手段（１７）は制御可能な交流電圧（Ｖpq）の大きさを正及び負の電圧限界間で制御し、負の電圧限界は交流のバイアス電圧（Ｖα）の所定の振幅以下である、請求項１１の電力潮流コントローラ。
【請求項１３】
分路変圧器（２７）は送電線路電圧（Ｖo）と直角位相の交流のバイアス電圧（Ｖα）を発生するように接続されている、請求項１１の電力潮流コントローラ。
【請求項１４】
送電線路（３）と分路変圧器（２７）は三相であり、分路変圧器（２７）はデルタ接続されて送電線路電圧（Ｖo）と直角位相の三相交流バイアス電圧（Ｖαa、Ｖαb、Ｖαc）を発生する、請求項１３の電力潮流コントローラ。
【請求項１５】
選択された送電線電圧（Ｖo）と基本周波数で交流電流（Ｉ）を運ぶ交流送電線路（３）の２つの端部（５，７）間で単一方向の電力潮流を制御する電力潮流コントローラ（１）であって、
送電線電圧（Ｖo）に対する大きさ及び位相角（ρ）が制御可能で交流電流（Ｉ）の基本周波数を持つ制御可能な交流電圧（Ｖpq）を発生させるスイッチング電力コンバータ手段（２３，９）と、
送電線路電圧（Ｖo）と直角位相で所定の振幅を有する交流のバイアス電圧（Ｖα）を発生させるバイアス電圧発生手段（３５）と、
制御可能な交流電圧（Ｖpq）と交流のバイアス電圧（Ｖα）とをベクトル加算して結合電圧（Ｖpq＋Ｖα）を発生させ、結合電圧を送電線電圧（Ｖo）と直列に送電線路（３）に注入する結合手段（１５）と、
スイッチング電力コンバータ手段に有効電力を供給する手段（２３）と、
制御可能な交流電圧（Ｖpq）の大きさを交流のバイアス電圧（Ｖα）の所定の大きさ以下の選択された大きさに、またその位相角を０°と３６０°の間の選択された角度に制御して選択して、選択された送電線路実効インピーダンス、実効位相角、及び送電線路電圧を得ることにより、送電線路（３）とスイッチング電力コンバータ手段（２３，９）との間で交換される有効及び無効電力を制御して、送電線路（３）を介する単一方向の電力潮流を制御する電力潮流コントローラ（１）。
【請求項１６】
バイアス電圧発生手段（３５）は送電線路（３）に分路接続された分路変圧器よりなる、請求項１５の電力潮流コントローラ。
【請求項１７】
結合手段（１５）は、制御可能な交流電圧（Ｖpq）と交流のバイアス電圧（Ｖα）が直列に印加される二次巻線（４１）と、送電線路（３）に直列に接続された一次巻線（３９）とを有する直列変圧器よりなる、請求項１６の電力潮流コントローラ。
【発明の詳細な説明】
関連出願の相互参照
発明の背景
発明の分野
本発明は交流送電線路の電力潮流制御装置に関し、さらに詳細には、単一方向の電力潮流制御を含む送電線路の２つの方向の最大電力潮流の不等制御を行うために送電線路インピーダンス、送電線路電圧の大きさ及び／又は位相角を制御するかかる装置に関する。
背景情報
統一型電力潮流コントローラ（ＵＰＦＣ）とも呼ばれる汎用型電力潮流コントローラは、米国特許第５，３４３，１３９号に記載されている。このコントローラは、大きさと角度が制御可能な電圧を送電線路に直列に注入することにより送電線路の実効電圧、実効インピーダンス及び実効角度を変化させ、それにより送電線路を流れる有効及び無効電力を制御する。
米国特許第５，３４３，１３９号に記載されたＵＰＦＣは、現在の伝送角を「移相角」σ
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だけ進ませるだけでなく遅らせることもできる。ＵＰＦＣのこの一般的な能力は、例えば電力潮流の逆転が必要とされる実際の用途のあるものにとっては望ましいが、多くの用途では伝送角を単一方向で変化、つまり進ませるか遅らせるだけで充分である。これらの用途に用いる場合、ＵＰＦＣのソリッドステート・インバータは、所与のＭＶＡ定格で、
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の範囲に亘り伝送角を制御できる、即ち、最大２σmaxの角度変化量の制御ができるが、実際の使用は
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の正の範囲かまたは
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の負の範囲の伝送角制御に限られ、最大角度変化量がσmaxに過ぎないため、充分に利用されるとは言えない。所要のＭＶＡ定格は制御範囲と比例するため、ＵＰＦＣのソリッドステート・インバータの利用率は５０％に過ぎないことが容易に理解される。
従って、送電線路の電力潮流制御に利用する場合効率が高い改良型ＵＰＦＣに対する需要が存在する。さらに詳細には、単一方向の電力潮流に対して伝送角を進ませるか遅らせるかのいづれか一方だけが必要な場合、或いは２つの方向の潮流に対する最大進み角と遅れ角が等しくないような用途においてＵＰＦＣをその全角度制御範囲に亘り完全に利用できるようにする構成に対する需要が存在する。
発明の概要
上記及び他の需要は、伝送角を進ませるか遅らせるかのいづれか一方だけが必要な用途、若しくは最大の進み角と遅れ角が等しくない用途においてＵＰＦＣをその全角度制御範囲に亘り完全利用できるようにする本発明によって充足される。本発明の電力潮流コントローラの基本概念は、固定したまたは選択可能な進み角もしくは遅れ角を確立し、ＵＰＦＣにより所望の全制御範囲に亘ってこの固定角を変化（増加または減少）させることである。従って、本発明の電力潮流コントローラは、送電線路電圧に対する大きさ及び位相角が制御可能な電圧を発生するスイッチング電力コンバータ手段と、送電線路電圧に対する所定の位相角でバイアス電圧を発生させるバイアス電圧発生手段と、スイッチング電力コンバータ手段により発生される制御可能な電圧とバイアス電圧とをベクトル加算して送電線路電圧に直列に送電線路に注入される結合電圧を発生させる結合手段とを含む。
本発明の好ましい実施例では、このバイアス電圧は送電線路電圧と直角位相関係にある。これを実現可能にする分路変圧器は、３相デルタ一次巻線が３つの送電線路相導体と接続されており、そのため二次巻線の総電圧は送電線路の対応相−中性電圧と直角位相である。また好ましくは、結合手段はスイッチング電力コンバータ手段からの制御可能な電圧とバイアス電圧が直列に接続された二次巻線と送電線路に直列に接続された一次巻線とを有する変圧器である。
制御手段は、スイッチング電力コンバータ手段により発生される制御可能な電圧の制御可能な大きさ及び位相角を制御するが、その制御は、バイアス電圧と共に、送電線路実効インピーダンス、送電線路電圧の大きさの実効値及び送電線路の２つの端部電圧間の実効位相角が、それぞれ単独にまたは協調して、バイアス電圧により設定される範囲内で、選択的に調整されるようにする。バイアス電圧が送電線路電圧と直角位相で発生される本発明の好ましい実施例では、制御手段はスイッチング電力コンバータ手段により発生される制御可能な電圧の大きさをバイアス電圧の大きさ以下の値に制御することにより単一方向の電力潮流制御においてコンバータを完全利用する。
【図面の簡単な説明】
本発明の完全な理解は、添付図面を参照して好ましい実施例の以下の詳細な説明を読むことにより得られるであろう。
図１は、送電線路に接続された本発明による電力潮流コントローラの単一相導体概略図である。
図１ａは、図１の電力潮流コントローラの三相実施例を示す概略図である。
図２は、図１の電力潮流コントローラの動作を説明するフェーザ図である。
図３は、図１の電力潮流コントローラが行う完全直列補償を示すフェーザ図である。
図４は、図１の電力潮流コントローラが行う部分的直列補償を示すフェーザ図である。
図５は、図１の電力潮流コントローラが移相と直列容量性補償を行う場合の角度及びインピーダンス制御の一般的なケースを示すフェーザ図でる。
図６は、インバータ電圧の大きさがバイアス電圧よりも大きい場合の図１の電力潮流コントローラの動作示すフェーザ図でる。
図７は、制御可能なコンバータ電圧の大きさがバイアス電圧よりも小さい場合の図１の電力潮流コントローラの動作を説明するフェーザ図である。
好ましい実施例の説明
図１に、送電線路３の第１の端部５と第２の端部７の間の電力潮流を制御するために送電線路に接続された本発明による電力潮流コントローラ１を示す。電力潮流コントローラ１と送電線路３は共に三相であるが、図示を簡潔にするために単一の相導体で示してある。
電力潮流コントローラ１は、好ましくは電圧ソース型直流−交流インバータ９を有するスイッチング電力コンバータ手段を含む。かかるインバータは、当該技術分野でよく知られているように、ゲートターンオフ・スイッチ（ＧＴＯ）のようなソリッドステート・スイッチ列を含む。インバータ９は交流端子１３に制御可能な交流電圧Ｖpqを発生させ、この電圧Ｖpqは結合変圧器１５を介して送電線路電圧Ｖoに直列に送電線路３に注入される。かくして、この電圧Ｖpqは送電線路電圧Ｖoに加算され、調整済み送電線路電圧′Ｖ′oが発生する。
本明細書の一部を形成するものとして引用する米国特許第５，３４３，１３９号に詳説されているように、注入電圧Ｖpqの大きさ及び位相角を制御することにより送電線路３のインピーダンス、伝送角及び送電線路電圧の大きさを、それぞれ単独にまたは組合わせて調整し、送電線路３を介する電力潮流を制御することができる。制御器１７は、電圧Ｖpqの大きさ及び位相を制御するためにＧＴＯ１１へゲート信号を送る。制御器１７は、測定変数、パラメータ設定値及び送電線路電圧基準値ＶRef、送電線路インピーダンス基準値ＺRef、伝送角基準値ΦRef及び分路無効電力補償基準値ＱRefを含む入力に基づいてＧＴＯの点弧信号を発生させる。再び、適当な制御については米国特許第５，３４３，１３９号に記載されている。
注入電圧Ｖpqの大きさは、インバータ９の直流端子１９へ印加される直流電圧Ｖdcによって決まる。直列無効補償だけが所望の場合、直流端子１９へ印加される電圧は米国特許第５，１９８，７４６号に記載されるようにコンデンサ２１により与えることができる。この場合、注入電圧Ｖpqは送電線路電流Ｉと直角位相関係のままであり、かくして、インバータ９により送電線路との間で無効電力だけが交換される。しかしながら、注入電圧Ｖpqの位相角が送電線路電圧Ｖoの位相に対して制御されるため送電線路電流に対して任意の角度を取り得る本願では、インバータ９は送電線路との間で無効電力だけでなく有効電力も交換する能力をもつ必要がある。このため、インバータ９へ有効電力を供給し且つインバータ９から有効電力を吸収する機構が必要となる。かかる機構は、相互参照した関連出願において説明される電力源または有効インピーダンスであり得る。本発明の実施例では、別の、好ましくは電圧ソース型のコンバータ２３をこのコンバータ２３の直流端子２５に接続したコンデンサ２１により形成される直流リンクによりインバータ９と背面結合する。コンバータ２３は分路変圧器２７により送電線路３に接続するが、この変圧器の一次巻線２９は送電線路３に接続され、その第１の二次巻線３１はコンバータ２３の交流端子３３に結合されている。
これまで述べた電力潮流コントローラ１は、米国特許第５，３４３，１３９号に記載されたものと同一である。このようなコントローラは、送電線路３における両方向の全電力潮流の制御が可能である。しかしながら、お分かりのように、両方向における電力の完全制御は全ての設備にとって必ずしも必要とはいえない。このため、本発明は、バイアス電圧を注入電圧Ｖpqに加えることにより２つの方向における電力潮流の限界点を調整する。お分かりのように、これらの限界点の設定は、各方向における最大電力潮流制御限界点が異なるように、或いは電力潮流を単一方向だけに制限するようにできる。
本発明の実施例において、バイアス電圧Ｖαは分路変圧器２７の第２の二次巻線３５により与えられる。このバイアス電圧Ｖαは、送電線路に分路接続した別の変圧器或いは送電線路３とは無関係に、しかしながらそれに位相ロックした電源を含む他の電源により与えることができる。いずれの場合でも、バイアス電圧Ｖαはインバータ９が発生する制御可能な電圧Ｖpqにベクトル加算され、その結果送電線路に注入される結合電圧が発生する。本発明の実施例において、この結合電圧は、一次巻線３９を送電線路３に直列接続した結合変圧器１５により送電線路電圧に直列に注入される。直列変圧器１５の二次巻線４１は、インバータ９の交流端子１３及び分路変圧器２７の二次巻線３５と直列に接続される。
種々の回路構成により三相の直角位相バイアス電圧を発生できる。図１ａは、第２の二次巻線３５ａ，３５ｂ，３５ｃに三相直角位相バイアス電圧Ｖαa、Ｖαb、Ｖαcを発生させる分路変圧器２７の巻線の三相デルタ構成の一例を示す。各相のバイアス電圧はインバータ９が発生する対応相電圧にベクトル加算され、変圧器１５ａ，１５ｂ，１５ｃにより送電線路の対応相に注入される。分路変圧器２７は、デルタ接続の一次巻線２９ａ，２９ｂ，２９ｃと、第１の二次巻線３１ａ，３１ｂ，３１ｃを有し、後者はコンバータ２３に接続されている。
本発明の電力潮流コントローラ１の動作を図２を参照して説明する。叙上のように、線路の電力潮流制御に用いる全注入電圧は２つの成分よりなる。それらは、現在の伝送角を固定角αだけ進める（または遅らす）ために分路接続変圧器により与えられる固定直角位相電圧である電圧成分Ｖαと、電力潮流コントローラ１により与えられる制御可能な成分である電圧成分Ｖpqである。この電圧成分Ｖpqの大きさは
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の範囲において可変であり、その角度ρはＶαの固定角度π／２に対して
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の範囲にある。制御済み送電線路電圧Ｖ′oの大きさ及び角度は、全注入電圧Ｖα＋Ｖpqを現在の線路電圧Ｖoにベクトル加算することにより得られる。ρ＝０の場合を考える。この場合、Ｖpqは電圧Ｖαに直接（代数的に）加算されるため直角位相注入電圧が２倍になり、直角位相電圧注入により得られる移相角はδ＝αからδ＝δmax（直角位相）に増加する。一方、ρ＝πの場合、Ｖpq＝−Ｖαであり、このためＶα＋Ｖpq＝０である。これは、実効注入電圧が零であり、Ｖo＝Ｖ′oであることを意味する。伝送角はその最初の値であり、角度制御はその範囲の最小値：δ＝δminである。従って、以上より、伝送角は直角位相電圧の注入によりδmin＜δ＜δmax（直角位相）の範囲で制御できることになる。図２に示すように、電圧フェーザＶpqの角度ρを適当な値にすると、伝送角をδmax（直角位相）より大きい値に進めることができることに注意されたい。
インバータ９及びコンバータ２３のＭＶＡ定格を必要とされる制御角範囲が０からδmaxである場合のＵＰＦＣに用いるインバータの定格と比較すると、本発明の電力潮流コントローラ１の利用率が増加していることが明らかである。
本発明の電力潮流コントローラ１の回路構成では、直列で電圧を注入する結果インバータ９と、分路接続結合変圧器２７と直接交換される、最大進み（遅れ）伝送角に対応する全最大ＭＶＡは、下記の通りである。
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インバータ９の必要な定格を決定するインバータ９と交換される最大ＭＶＡは下記の通りである。
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これは、
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の場合、交換される最大全ＭＶＡの半分である。
米国特許第５，３４３，１３９号のＵＰＦＣ回路では、インバータ９に対応するインバータにより交換される最大ＭＶＡと、直列電圧注入により送電線路３と交換される最大ＭＶＡは明らかに等しいが、これはそのインバータだけが直列電圧注入に起因する電力の交換に直接関与するからである。従って、インバータ９に対応する米国特許第５，３４３，１４９号のＵＰＦＣ回路のインバータは、本発明の電力潮流コントローラ１の回路構成の２倍の定格をもつ必要があることになる。コンバータ２３のＭＶＡ定格はインバータ９の定格に比例するため、この比較はこのインバータについても成立する。
本発明の電力潮流コントローラ１はまた、直列補償により線路インピーダンスを制御することができることに注意されたい。これは、全注入電圧（Ｖα＋Ｖpq）またはその成分が線路電流と直角位相になるように電圧Ｖpqの角度ρを選択することによって実現する。これを、全直列補償については図３に、部分直列補償と伝送角をαだけ進めるのを組合わせた場合については図４に、示す。
線路インピーダンス制御のための伝送角制御及び直列補償の一般的なケースを図５に示す。Ｖpqの電圧成分Ｖpqαは固定直角位相電圧Ｖαの一部を相殺するために用いられ、また電圧成分ＶpqCは直列容量性補償を行って現在の無効線路インピーダンスを減少させるために用いられる。
図２乃至５に示した上記の例から、一般的に本発明の電力潮流コントローラが線路に直列に注入できる制御可能な電圧成分は、フェーザＶαの終点を中心とし半径が
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の円により画定される限界内にあると結論できる。勿論、この全注入電圧は（大きさが
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で、角度ρがその円の中心から描いた円内にあるフェーザである）電圧Ｖpqと、（その円の中心を画定する）固定フェーザＶαとのベクトル和、即ち、注入電圧Ｖ＝Ｖα＋Ｖpqである。
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の場合に求めることが可能な注入電圧を、それぞれ図６及び７に示す。これらの図は、本発明の電力潮流コントローラは、画定された境界内において、電圧、インピーダンス及び角度の３つ全てのパラメータを制御して、参照米国特許出願のＵＰＦＣにつき説明されているのと同じ態様で送電線路における電力潮流を決定することができることを示している。
本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、本願の開示全体に照らして当業者であれば種々の変形例及び設計変更が想到されるであろうことが分かる。従って、図示の特定の構成は例示の目的をもつものに過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものにあらず、この範囲は後記の請求の範囲及びその均等物の全範囲を与えられるべきである。
【図１】
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【図１ａ】
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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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