【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、１以上の交流（または直流）負荷のみ、または該負荷と電源との両方に電力を供給するための遮断スイッチを備えた並列接続電力安定化装置に関する。 特に、本発明は、電圧低下や瞬間停電の際、負荷に電力を供給すると共に、遮断スイッチによって負荷を電源から切り離すために超伝導を利用した電力安定化装置に関する。 この超伝導電力安定化装置は、
電源が電圧低下や瞬間停電から回復するまで、負荷と電源とに同時に電力を供給することもできる。 【０００２】 【従来の技術、および発明が解決しようとする課題】従来超伝導エネルギ蓄積装置は、交流系統からの電気を蓄積すると共に、蓄積した電気を該交流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。 【０００３】この種の装置の例として、ピーターソン（Ｐｅｔｅｒｓｏｎ）等の米国特許第４，１２２，５１
２号は、可逆交直変換器を使用し、交流系統からの交流を直流に変換し、それを超伝導磁石に蓄積し、蓄積した直流を再び交流に変換して前記交流系統に戻す。 この装置は、交流系統に対して効率的な電力の蓄積および放出を行うが、負荷へ電力を直接供給することはない。 ヒガシノ（Ｈｉｇａｓｈｉｎｏ）による米国特許第４，６９
５，９３２号は、超伝導エネルギ蓄積回路を開示する。
この回路は３相交流を直流に変換し、それを超伝導エネルギ蓄積コイルに蓄積する。 直流コンデンサとチョッパ回路とを使用し、超伝導エネルギ蓄積コイル内の直流の量を制御する。 この構成は、コイルの電流定格によって決まる供給能力に応じ、交流供給機器と変換器との電流容量を減少できるうえ、運転損失を削減できる。 【０００４】これら従来の超伝導エネルギ蓄積装置は、
電力系統に対して効率的に電気を蓄積し再供給するが、
電力系統から負荷を切り離したり、蓄積した電力を負荷に直接供給することはない。 このため従来装置は、電力系統および該電力系統に接続する全負荷を支援するに十分な発電を行わねばならない。 このような高レベルの支援を実現するため、従来の超伝導エネルギ蓄積装置は、
電源容量および電力容量を大きくする必要があり、物理的にも巨大とならざるを得なかった。 【０００５】スーパーコンダクティビティ（Ｓｕｐｅｒ
ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）社のビセル（Ｖｉｓｓｅ
ｒ）等に１９９０年１０月９日に付与された米国特許第４，９６２，３５４号は、超伝導電圧安定器を開示する。 この装置は、交直変換器と電圧調整器とエネルギ蓄積セルと超伝導エネルギ蓄積コイルとを備え、交流を直流に変換し、それを超伝導エネルギ蓄積コイルに蓄積する。 蓄積した直流電力をエネルギ蓄積セルに転送し、その蓄積セルから負荷に電力を供給する。 負荷へ供給する電力を負荷の電力要求に応じて制御することにより、負荷の動作を維持する。 本発明は、この米国特許第４，９
６２，３５４号を参照している。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明に基づく遮断スイッチを有する並列接続超伝導電力安定化装置は、電力系統または電源線に接続すると共に、該電力系統から電力を受ける少なくとも１つの交流または直流負荷に接続する。 この並列接続超伝導電力安定化装置は、超伝導誘導エネルギ蓄積装置に電力を蓄積し、電圧低下および停電の際、蓄積した電力を前記負荷のみに、または該負荷と電力系統とに同時に供給する。 この電力の供給は、ほぼ瞬時に行われる。 【０００７】前記遮断スイッチは、ユーティリティ（Ｕ
ｔｉｌｉｔｙ）系統から対象負荷を切り離し、該負荷のみに電力を供給し、その動作を続行させる。 このため負荷は、一時的な電圧障害を乗り切ることができる。 このように実質的に負荷を切り離すことによって、電力系統を支援し電圧低下や瞬間停電から回復させる。 前記遮断スイッチを作動させなければ、負荷と電源との両方に電力を提供することもできる。 【０００８】電圧低下や瞬間停電が発生すると、並列接続電力安定化装置の遮断スイッチは、電源から対象負荷を切り離すと同時に、該負荷に電力を供給し始める。 電源からの負荷の切り離しは、数分の１ミリ秒で完了する。 これを実現するため、前記遮断スイッチはサイリスタを備える。 これらサイリスタは、直交変換器の出力によって逆バイアスし、障害が発生すると自動的にオフのままとなる。 前記遮断スイッチのサイリスタはＧＴＯでも良い。 この場合、障害発生時にゲート信号を送ってはならない。 電源が復旧すると、有効電力発電・無効電力補償装置はその出力と電源との同期を取り、遮断スイッチはオンする。 【０００９】本発明の並列接続超伝導電力安定化装置は、負荷のみ、または該負荷とユーティリティ系統との両方に電力を供給すべく迅速に応答し、長時間にわたって確実に動作する。 この装置の超伝導磁石は耐久性があり、サイズにもよるが、毎分約１回の充放電を行う。 寿命は極めて長く、少なくとも１００万回の充放電ができる。 【００１０】本発明の並列接続超伝導電力安定化装置は、ユーティリティ系統にバックアップ電力を供給すると同時に負荷にも電力を供給できる。 この場合、遮断スイッチのサイリスタを連続作動させ、電源線と負荷との両方に電力を供給する。 有効電力発電・無効電力補償装置は、負荷および電源線に有効電力を供給すると共に、
一次電源に連続的に無効電力支援を行う。 有効電力発電・無効電力補償装置は、無効電力補償モードにおいて、
１００％進みから１００％遅れまでの負荷無効電力変化を１サイクル以下で補償する。 【００１１】電圧低下または瞬間停電の期間中、有効電力発電・無効電力補償装置は、電力バックアップ・復旧装置から電力を受け、負荷に有効電力を供給する。 負荷のみへの電力の供給は、遮断スイッチを使用して行う。
実際には、該遮断スイッチは、電圧低下または停電の間、電源から対象負荷を切り離す。 この遮断スイッチが無いと、超伝導エネルギ蓄積装置は、対象負荷だけでなく、電力系統に接続する障害を発生させた装置も含めた全装置を支援しなければならない。 これは大電流を必要とするため、装置は巨大になり実用的でなくなる。 遮断スイッチによって負荷を切り離すようにすれば、比較的小型の超伝導磁石で十分となり、遮断スイッチが無い場合に必然的に超伝導磁石が大型となって極めてコストが高くなるのに反し、経済的な装置を実現できる。 また超伝導磁石は、例えばバッテリなど他のエネルギ蓄積装置に比べ、物理的空間を占める割合も比較的小さい。 【００１２】 【実施例】図１は本発明の１実施例に基づく、遮断スイッチを有する並列接続超伝導電力安定化装置１０を示す。 この装置は超伝導電力バックアップ・復旧装置２０
を有する。 該装置２０は、電力を蓄積し、少なくとも１
つの負荷のみ、または該負荷と交流（または直流）電源との両方に、蓄積した電力を供給する。 超伝導電力バックアップ・復旧装置の１例はビセル等の米国特許第４，
９６２，３５４号が開示しており、本発明はこの米国特許第４，９６２，３５４号を参照している。 電力バックアップ・復旧装置２０は、交直変換器２２を含む。 交直変換器２２は、複数の電磁遮断器２６を介して電源２４
に接続する。 交直変換器２２は、電源２４から３相電力を受け、それを直流に変換する。 変換した直流電力は、
超伝導電力誘導エネルギ蓄積装置２８または超伝導磁石（マグネット）に蓄積する。 この詳細は当業者に公知である。 複数の遮断器２６は、保守またはテスト時に電源２４から交直変換器２２を切り離す。 【００１３】水冷却冷凍器３０は、複数の遮断器３２を介して電源２４に接続する。 水冷却冷凍器３０は、超伝導磁石２８の温度を維持するための冷凍装置と、超伝導電力安定化装置が使用する各種高出力電子機器を冷却するための水冷器とを含む。 電力バックアップ・復旧装置２０は電圧調整器３４を含む。 電圧調整器３４は、交直変換器２２と超伝導磁石２８とに接続し、超伝導磁石２
８への電気の蓄積と該磁石からの電気の供給とを制御する。 電圧調整器３４はスイッチング回路を備える。 本実施例において、このスイッチング回路は、閉じた場合に超伝導磁石２８に電力を蓄積し、開いた場合に該超伝導磁石２８からエネルギ蓄積セル３６に電力を供給する。
エネルギ蓄積セル３６は電圧調整器３４に接続する。 エネルギ蓄積セル３６は、超伝導磁石２８から得た電力を蓄積し、装置の他の部分にその電力を供給する。 エネルギ蓄積セル３６は、コンデンサバンクで形成でき、電圧調整器３４の一部として、または有効電力発電・無効電力補償装置４４の一部として内蔵できる。 有効電力発電・無効電力補償装置４４の詳細は後述する。 【００１４】制御器３８（コントローラ）は、電力の蓄積および供給に関する各部の動作を制御する制御回路を備える。 交直変換器２２と超伝導磁石２８と電圧調整器３４とは、各制御線を介して制御器３８に接続する。 これら制御線は、各機器の状態をモニタすると共に制御情報を各機器に送る。 図には１本の制御線しか示していないが、各機器への制御線の数は、当業者には明らかなように、必要に応じて選択する。 電力バックアップ・復旧装置２０とエネルギ蓄積セル３６とを含むこれら装置の動作は、前記参照特許に説明されている。 【００１５】電力バックアップ・復旧装置２０は１対の出力線４０，４２を含む。 これら出力線は有効電力発電・無効電力補償装置４４に接続する。 制御線４６は制御器３８と有効電力発電・無効電力補償装置４４とを接続し、該装置４４の機能をモニタし制御する。 有効電力発電・無効電力補償装置４４は、３本の出力線４７，４
８，４９を介して移相変圧器５０に接続する。 移相変圧器５０は、線５１，５２，５３を介してエネルギ蓄積セル３６に蓄積した電力を少なくとも１つの負荷、あるいは該負荷とユーティリティ電源との両方に送る。 【００１６】有効電力発電・無効電力補償装置４４は、
有効電力と無効電力とを発生する。 電圧低下や瞬間停電が生じた場合、有効電力発電・無効電力補償装置４４
は、電力バックアップ・復旧装置２０によって駆動され、負荷に対して有効電力および無効電力を提供する。
電力系統が通常に動作している場合、有効電力発電・無効電力補償装置４４は、無効電力を発生しあるいは無効電力補償を行い、電源２４を連続的に支援する。 この無効電力補償モードは、１００％進みから１００％遅れまでの負荷の無効電力変化を交流の１サイクル内で補償する。 【００１７】有効電力発電・無効電力補償装置４４はインバータを含む。 これらインバータは、エネルギ蓄積セル３６が蓄積しているエネルギを交流に変換する。 この詳細は当業者に公知である。 【００１８】無効電力補償の場合、移相変圧器５０を調整し、有効電力発電・無効電力補償装置４４（詳細は図４および５を参照して後述する）が内蔵するインバータの出力電圧レベルを調整する。 これによって該インバータから電源２４の電圧より高いあるいは低い出力電圧を提供する。 これら出力は、進み無効電力および遅れ無効電力を各々提供する。 【００１９】電源２４は数個のスイッチを介して移相変圧器５０の出力線５１，５２，５３に接続する。 過電流防止スイッチ５４は、３相電源の各線に接続した３個の過電流防止器を有する。 過電流防止スイッチ５４には保守用機械電気式バイパススイッチ５６が接続する。 ３相電源線は、バイパススイッチ５６を介して負荷５８と接続する。 バイパススイッチ５６は、保守または修理期間中および負荷側における何等かの障害状態中、並列接続電力安定化装置をバイパスし、電源２４と負荷５８とを直接接続する。 【００２０】遮断スイッチ６０は、電源２４と負荷５８
とを接続すると共に、電源２４と移相変圧器５０の各線５１，５２，５３とを接続する。 遮断スイッチ６０は、
第１スイッチ６２と第２スイッチ６４と第３スイッチ６
６とを備える。 これらスイッチは、負荷５８への３相電源線と移相変圧器５０の各線５１，５２，５３とを各々接続する。 第１〜第３スイッチ６２，６４，６６の各々は、１対の背向半導体制御整流器（サイリスタまたはゲートターンオフデバイス（ＧＴＯ））を有する。 これら整流器のゲートは、図では１本線で示す制御線６８を介して制御器３８と接続する。 遮断スイッチ６０の各要素は、無停電電源装置（ＵＰＳ）などに適用される市販品である。 このスイッチは通常開いた状態になっており、
無停電電源装置が停電を検出した場合のみ閉じる。 この動作は図１のスイッチ５６と同じである。 【００２１】第１断路器７０と第２断路器７２は、電源２４と負荷５８とを接続する３相線に配置する。 第１断路器７０は過電流防止スイッチ５４と遮断スイッチ６０
との間に配置し、第２遮断路７２は負荷５８と移相変圧器５０の線５１，５２，５３との間に配置する。 第１および第２断路器７０，７２は、超伝導電力安定化装置の動作中は閉じている。 これら断路器７０，７２は、制御線（図示せず）または当業者に公知の機械動作を通じて制御器３８により制御される。 【００２２】遮断スイッチ６０は第１モードまたは第２
モードで動作する。 第１モードにおいて、遮断スイッチ６０は、電源２４から負荷５８を切り離し、電力バックアップ・復旧装置２０と有効電力発電・無効電力補償装置４４と移相変圧器５０とから負荷５８のみに電力を供給させる。 第２モードにおいて、遮断スイッチ６０は、
電力バックアップ・復旧装置２０と有効電力発電・無効電力補償装置４４と移相変圧器５０とから、電源２４と負荷５８とに同時に電力を供給させる。 【００２３】前記第１モードにおいて、遮断スイッチ６
０は、内蔵するスイッチング素子の特性により、数分の１ミリ秒内に回路を遮断する。 第１〜第３スイッチ６
２，６４，６６のＧＴＯは、有効電力発電・無効電力補償装置４４の電圧出力が電源電圧より高いと、逆バイアス状態を維持する。 当業者には公知のように、これらスイッチは、半導体制御整流器またはサイリスタによっても構成できる。 この場合、各スイッチは自動的に整流されてオフを維持し、電源２４から負荷５８を切り離す。 【００２４】第１モードで遮断スイッチ６０を使用する場合、負荷５８のみに電力を供給するので、比較的小型の例えば定格２５０ワット時の超伝導磁石を使用できる。 これは、経済的設計を可能にするばかりでなく、非超伝導エネルギ蓄積装置よりも小型の装置を実現する。
電圧低下または停電の間、超伝導磁石は対象負荷のみを支援する。 遮断スイッチ６０は、有効電力発電・無効電力補償装置４４のインバータが有効電力発電機として働くよう、電圧低下や瞬間停電を引き起こした電源線から負荷５８をスムーズに切り離す。 遮断スイッチ６０が無いと、有効電力発電・無効電力補償装置４４は、小型磁石では負荷５８に十分な有効電力を供給できず、無効電力補償と有効電力支援とのスムーズな移行を提供できない。 【００２５】超伝導誘導エネルギ蓄積装置２８は、瞬間停電の期間中、対象負荷を支援する。 この時、遮断スイッチ６０は電源２４から負荷５８を切り離す。 これにより有効電力および無効電力負荷が減り、電力系統の他の部分の電圧が上昇する。 この電圧上昇は、電力系統の他の負荷を停止させずに維持し得る。 これが本発明の並列接続電力安定化装置の特徴の１つである。 このように本装置は、負荷が停電などの障害を乗りきることを助け、
電力系統の電圧を安定させる。 【００２６】これに必要な超伝導磁石は比較的小型でよく、これが経済的な装置を実現する。 遮断スイッチ６０
を用いない場合、電源線と負荷との両方を支援しなければならず、極めて大型の磁石が必要となり、コストを大きく引き上げてしまう。 遮断スイッチ６０を使用すれば、電源線と負荷との両方を支援する場合に必要なメガワット時の範囲の容量を、必要に応じてキロワット時の範囲に縮小できる。 【００２７】図２は、３相電源によるサイリスタの同期動作を示す。 同図上部は、３相電源の各線の正弦波形である。 各波形Ａ，Ｂ，Ｃは、遮断スイッチ６０の第１〜
第３スイッチ６２，６４，６６を通る３相線の各対応する相の電圧を示す。 ４番目の正弦波形Ｉａは、電源２４
から負荷５８に至る第１スイッチ６２を通る線電流である。 【００２８】３相波形の下部に示すのは、第１スイッチ６２のサイリスタのゲート動作である。 このゲート動作は、電圧ではなく線電流Ｉａに同期する。 第１スイッチ６２の上部サイリスタは線Ｄで示すように動作し、第１
スイッチ６２の下部サイリスタは線Ｅで示すように動作する。 第２および第３スイッチ６４，６６の各サイリスタも同様に動作する。 【００２９】第２モードにおいて、本装置は電源線と負荷とに同時に電力を供給する。 この場合、遮断スイッチ６０の各サイリスタは連続動作し、電源と負荷とを逆転させる。 この結果、電力バックアップ・復旧装置２０
は、負荷と電源とを同時にバックアップする。 電源２４
が通常の動作モードに戻ると、有効電力発電・無効電力補償装置４４はその出力を電源線に同期させ、遮断スイッチ６０は負荷と電源とを再接続する。 【００３０】図３は、第２モードにおけるサイリスタの動作を示すタイミング図である。 各波形の符号は図２と同一である。 ただし電流Ｉａ´は、遮断スイッチ６０を介する電力バックアップ・復旧装置２０から電源２４への電流である。 つまりＩａ´の方向はＩａと逆である。
前記したように、サイリスタのゲート動作は、線電流と同期して行われる。 【００３１】有効電力発電・無効電力補償装置４４は、
線電圧の値よりも高いまたは低い値において出力電圧を供給し、それによって進みまたは遅れ無効電力を提供する。 図４に示すように、有効電力発電・無効電力補償装置４４のインバータ７４，７６は、移相変圧器５０を構成する移相変圧器７８，８０に基づいて調整される。 通常運転の場合、エネルギ蓄積セル３６のコンデンサ８１
Ａ〜８１Ｄは、電源から充電される。 インピーダンス（有効電力発電・無効電力補償装置４４の出力において使用される移相変圧器７８，８０のインダクタまたは漂遊インダクタンスであり、通常１２パルス以上）は、スイッチング素子および変圧器自体のｄｉ／ｄｔを制限し、無効電流を制御可能にする程度に十分大きくなければならない。 【００３２】図５は、有効電力発電・無効電力補償装置４４のインバータを駆動するためのパルス幅変調（ＰＷ
Ｍ）波形を示す。 ＰＷＭインバータからより高いまたは低い電圧を提供するには、インバータが内蔵するスイッチのバルス幅を変化させる。 実際には、例えばアーク炉や大型モータなどの誘導負荷を制御したり、無効電力補償コンデンサをオン・オフする場合、無効電力要求は極めて早く変化する（２〜３ミリ秒以下）。 高出力（通常２５０KW以上）インバータに使用するソリッドステートスイッチは、このような早い無効電力変化に応答できない。 しかし電力バックアップ・復旧装置２０は、数ミリ秒内にエネルギ蓄積セルまたはコンデンサバンクを要求値に充電できる。 遮断スイッチ６０が比較的小型の磁石の使用を可能にすると共に低出力インバータの使用も可能にするので、無効電力要求に迅速に応答できるのである。 したがって電力バックアップ・復旧装置２０は、パルス幅変調と関連して、進みから遅れまでの無効電力支援を高感度で提供する。 【００３３】波形８４，８８，９０は、標準的な無効電力発電機の通常運転中のＰＷＭ波形である。 波形８４の垂直軸における線８６は、標準的な無効電力発電機の動作を通じて負荷に電力を供給するためのコンデンサバンクの電圧レベルを示す。 波形８８は、遅れ無効電力発電に対するＰＷＭ信号を示す。 波形９０は、進み無効電力発電に対するＰＷＭ信号を示す。 【００３４】波形９２は、超伝導誘導エネルギ蓄積装置２８を使用する電力バックアップ・復旧装置２０の進み無効電力発電を示す。 垂直軸にエネルギ蓄積セルの電圧レベルを示す。 線９４は所定の電圧レベルを示す。 負荷条件が変化し、さらに多くの無効電力をシステムに供給しなければならない場合、電源からの電力供給に頼る通常の無効電力発電機は、電圧波形９５のパルス期間またはパルス幅を拡大することによってＰＷＭ信号を変化させる。 ところが負荷の変化は、通常の無効電力発電機におけるＰＷＭの応答時間よりも早い。 一方、本発明のコンデンサバンク３６の電圧は、時間９８において超伝導磁石２８を放電することにより、急速に増加する（線９
６のＶｃａｐ'）。 その結果、本発明の有効電力発電・
無効電力補償装置４４は、従来の無効電力発電機よりも迅速に応答する。 【００３５】以上、本発明を詳細に説明してきたが、これら説明は本発明を制限するものではなく、本発明には本発明の範囲を逸脱せずに多くの変更形態が可能である。 【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の１実施例に基づく、遮断スイッチを有する並列接続超伝導電力安定化装置を示す構成図である。 【図２】３相電源から負荷に電力を提供している場合の、該電源の３相電圧波形と、該電圧波形の１つに対応する線電流波形と、１対の背向型サイリスタのゲート動作タイミングとを示す図である。 【図３】超伝導電力安定化装置から負荷と電源との両方に電力を供給している場合の、３相電源の電圧波形と、
該電圧波形の１つに対応する線電流波形と、１対の背向型サイリスタのゲート動作タイミングとを示す図である。 【図４】無効電力補償装置の構成図である。 【図５】超伝導電力バックアップ・復旧装置を有する場合と有しない場合とにおける、通常、進み、および遅れ動作に対する、有効電力発電・無効電力補償装置のインバータを駆動するパルス幅変調波形を示すタイミング図である。 【符合の説明】 １０…並列接続超伝導電力安定化装置 ２０…超伝導電力バックアップ・復旧装置 ２２…交直変換器 ２４…電源 ２６，３２…遮断器 ２８…超伝導誘導エネルギ蓄積装置（超伝導磁石） ３０…水冷却冷凍器 ３４…電圧調整器 ３６…エネルギ蓄積セル ３８…制御器 ４０，４２…出力線 ４４…有効電力発電・無効電力補償装置 ４６…制御線 ４７，４８，４９…出力線 ５０…移相変圧器 ５４…過電流防止スイッチ ５６…保守用機械電気式バイパススイッチ ５８…負荷 ６０…遮断スイッチ ６２，６４，６６…第１〜第３スイッチ ６８…制御線 ７０，７２…断路器 ───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カレル シー． デウィンケル アメリカ合衆国，ウィスコンシン，マジソ ン，オネイダ プレイス 725 |
