JP4927761B2

JP4927761B2 - 受動素子を用いた電力線の分散型直列補償システムおよび方法

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Publication number: JP4927761B2
Application number: JP2007553288A
Authority: JP
Inventors: ディバン、ディーパクラージ、マラー; ジョハル、ハージート
Original assignee: Georgia Tech Research Corp
Current assignee: Georgia Tech Research Corp
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-01-30
Also published as: CA2596369A1; EP2587602A2; KR20120049928A; CA2596362C; ATE548789T1; KR20120053057A; EP1851777A4; JP2008530963A; US7835128B2; DK1851777T3; EP1851777B1; KR20120053056A; ES2383137T3; EP1851777A1; PL1851777T3; EP1847001A1; CA2596362A1; WO2006083739A1; US20080310069A1; KR101260534B1

Description

本発明は、一般に、送電網における電力潮流の制御に係り、より詳細には、送電線へ分散型直列インピーダンスを挿入して、目標とする電力線における電流潮流を低減することに関する。

ユーティリティに直面する数々の困難のうち、主な課題は、送電上の制約とボトルネック（隘路）からの脱却である。送電網の利用についての深刻な課題は、有効電力潮流の制御である。電力事業の顧客は、電圧や無効電力ではなく、実電力、メガワット、およびＭＷ−Ｈｒｓ (ｍｅｇａｗａｔｔ−ｈｏｕｒｓ：メガワット（時））を購入する。従って、実電力が、ネットワーク上を、どのようにして、および、どこを流れるかを制御することは極めて重要である。込み入ったネットワークは、システムの信頼度を制限し、関心が持たれる顧客へ低コストの電力を供給するための低コストの発電機の能力を制約する。隣り合った電力線が容量未満で作動するが、使用できなくなり、その一方で、制御できない「ループフロー（環状潮流）」が結果的に既存の電力線へ過負荷を生じる場合、状況は極めて悪化する。有効電力潮流の制御は、電力線のインピーダンスを変更させ、電力線を介して印加される電圧の角度を変化させて、電力潮流を制御することができる原価効率の良い「直列ＶＡＲ（可変）」の解を必要とする。直列無効補償は、コストが高いこと、電圧の絶縁達成の複雑さ、および故障管理に関する問題の発生を主な理由として、長い送電線以外にはめったに使用されなかった。

これからの電力網は、スマートで、感知能力を有し、故障耐性で、自己回復性で、静的に制御可能で、アセット効率およびエネルギ効率が高くあるべきだという一般合意がある。スマートな電力網を実現するための、受容され、技術的に証明されたアプローチは、電力網上で有効電力潮流の制御を達成する際は特に、ＦｌｅｘｉｂｌｅＡＣＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ、即ち、ＦＡＣＴＳ（フレキシブル交流送電システム）を使用することによる。一般的なＦＡＣＴＳデバイスは、３４５ｋＶまでで動作し、２００ＭＶＡ（メガボルトアンペア）の高さで定格化され得る。ＦＡＣＴＳ技術は、技術的に証明されているが、以下の多くの理由によって、広範囲な商業的受容は見られなかった。
１）システム電力の高定格化によって、相当な技術的努力を必要とする特注のカスタムハイパワーのＧＴＯまたはＧＣＴデバイスの使用を必要とし、このため、原価が高くなる。
２）高い故障電流（６０，０００アンペア）と基礎絶縁条件（１０００ｋＶ）が、電力システムの電力潮流制御に必要とされる直列システムに特にストレスを与える。
３）電力事業は、ＦＡＣＴＳデバイスでこれまで経験したどれよりも高い信頼度レベルが必要とされる。
４）システムを保守し稼動させるために該技術分野において要求される高度な作業能力は、電力事業の一般的な主要能力を超えている。
５）所有権の総合コストが高いこと。例えば、Ｍａｒｃｙ（マーシー）の転換可能な静的補償装置（ｃｏｎｖｅｒｔｉｂｌｅｓｔａｔｉｃｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ：ＣＳＣ）は、５４００万ドルである。

「浮く（ｆｌｏａｔｉｎｇ）」電力結合器を実現するためにクランプオン（挟持型）変圧器を使用することは周知である。水中電力転送のために、および、鉱山設備への非接触電力転送のために、絶縁ケーブル(insulated cable)からの電力を連結するための技術が提案されている。電力線に浮かし、電力線自体から電力を取り出す電力線器具を使用することも周知であり、長い間、市販されてもきた。電力線をわたる広帯域（ＢＬＰ）を含む電力線通信を実現するために、浮く結合器を使用することも周知である。電力線へ直角位相電圧を注入するために、ＳＳＳＣ（ＳｔａｔｉｃＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＳｅｒｉｅｓＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ：静的同期直列補償装置）、ＵＰＦＣ（ＵｎｉｆｉｅｄＰｏｗｅｒＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：統合電力潮流コントローラ）または有効フィルタなどの直列結合変圧器を使用することも周知である。

分散型直列受動インピーダンスの使用は、ハイドロケベック（Ｈｙｄｒｏ− Ｑｕｅｂｅｃ）社によって提案され、長い送電線上でスイッチ可能な直列コンデンサを挿入して、線インピーダンスを変更する。一般的に、これらのスイッチは、中央制御装置から制御される。しかしながら、電力線は、多くの経費をかけ、フレキシビリティを減少することで、所望されるインピーダンスのために特別に構築される。所望されるインピーダンスは、既存の電力線には容易に付加することができないし、また、後日、移動することもできない。さらに、静電容量（キャパシタンス）は、線インピーダンスを低下させ得るにすぎず、主として、遠距離輸送の送電線のインピーダンスを低減するために使用される。

分散型の直列「能動(active)」インピーダンスモジュールの使用は、本発明においてその全体が参照することによって組み込まれている “ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｌｏａｔｉｎｇＳｅｒｉｅｓＡｃｔｉｖｅＩｍｐｅｄａｎｃｅｓＦｏｒＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ”（「送電システムのための分散型浮き直列能動インピーダンス」）と題され、２００３年１０月３日に出願された米国特許出願第１０／６７８，９６６号に提案されている。該出願は、電流潮流を制御するために、電力線へ直角位相電圧を注入するために集合的に使用されるように該電力線に沿って分散される電力インバータを使用することを提案している。提案されている技術は、個別のモジュールから要求されるインピーダンスを駆使するために使用される高域帯幅の通信インフラストラクチャを必要とする。（駆使するための）コマンドは、全ての電力線における電流に対して視認性(visibility)を有するネットワークレベルのコントローラによって生成され、線インピーダンス毎に最適値を計算することができる。次に、実行するために該コマンドは個々のモジュールへ伝達される。

上述された形態の動作が複雑であるために、送電システムの製造コストが高くなり、一層複雑化される。電力コンバータが、送電線上で遭遇する過酷な環境条件下で動作するように、設計されている場合は特に、該電力コンバータそれ自体に掛かる経費が限定要因となり得る。また、長期（目標３０年）操業用の電力電子コンバータが、送電線上で一時停止したり、過酷な環境条件に遭遇したりした場合、このような技術を展開する電力事業（ユーティリティ）の信頼度および使用可能性に関わる問題を生じる。これらの問題は、経費が低く、より簡単であり、高域帯幅の通信インフラストラクチャの使用可能性を拠りどころとしない他の方法の必要性を指摘する。

分散型アプローチを実現する受動素子、特に、分散型直列インピーダンスのための直列受動素子が求められている。

送電線導体内へ分散型直列インピーダンスを挿入することによって電力線過負荷制御を実施するシステムおよび方法が概略的に記載されている。中でも、一つの例示的なシステムは、少なくとも一の分散型直列リアクタ（ＤＳＲ）を含み、該ＤＳＲは、導体周りに挟持された単巻変圧器（ＳＴＴ: single turn transformer）と、導体線電流が所定値に達した時、該導体内へ磁化インダクタンスを挿入するように構成されたコントローラと、を有する。該コントローラは、該導体線電流が所定値未満に戻った時、磁化インダクタンスを取り去るように更に構成され得る。

とりわけ、一つの例示的な方法は、分散型直列リアクタを介して磁化インダクタンスを提供することによって過負荷制御を実施し、該導体線電流が所定値に達した時に磁化インダクタンスを導体線内へ挿入させることを含む。該方法は、該導体線電流が所定値未満に下がった時に磁化インダクタンスを取り去ることを更に提供する。

以下の添付図面および発明の詳細な説明を検討することによって、本発明の他のシステム、方法、特徴および利点が、当業者にとって、より一層明確となるであろう。このような更なるシステム、方法、特徴、および利点は、本明細書においてすべて網羅されており、本発明の範囲を逸脱するものではなく、添付図面によって保護されるように意図されている。

本発明の多くの態様は、以下の図面によってより明確に理解されよう。これらの図面における構成要素は、縮尺というよりは、本発明の基本原理を強調して、明確に図解することを目的としている。更に、図面において、いくつかの図においては、同様の部分には同様の参照番号が付されている。

図１は、参照番号１００によって示される分散型直列リアクタ（ＤＳＲ）の一実施の形態を示している。該分散型直列リアクタ（ＤＳＲ）は、電力システム１０２の導体１０８内へ分散型直列インピーダンスを挿入することによって電力線の過負荷を制御するために用いられる。該電力システム１０２は、電源１０４と、少なくとも一の、通常は、複数の導体１０８によって接続される負荷１０６と、を有する。当然、電力システム１０２は、複数の電源１０４と複数の負荷１０６とを有し得る。ＤＳＲ１００は、好ましくは、送電線導体１０８に装着されるが、必ずしも、絶縁体１１０の近傍である必要はない。以下に更に詳細に説明されるように、ＤＳＲ１００モジュールは、電力線を破壊したり、該電力線に何らかの物理的な変更を加えたりすることを必要とせずに、該導体１０８に装着されるように形成される。更に、ＤＳＲ１００は、残りのネットワークを流れる電流に関する情報、中心コントローラ、および正規のシステム動作のために通常は必要とされる通信インフラストラクチャがなくても、動作可能である。

温度制限値に達した相互接続ネットワークにおける第１の送電線は、他の電力線を含む全ての電力線がその温度制限値をかなり下回って動作している場合もあるが、この時点において、ネットワーク全体の電力供給容量を制限する。このような条件において、温度制限値に接近する電力線に対してインピーダンスを増加すれば、電流は、未だその温度制限値に達していない他の電力線内へ流れ込む。これによって、どの電力線にも過負荷を生じさせることなく、ネットワークへ流れる電流の量が実質的に増加される。このように、局所的なパラメータのみに基づいて、即ち、送電線における電流に基づいて、線インピーダンスを制御することが可能であり、ネットワークにおける任意の他の電力線からの情報は必要とされない。

このような過負荷制御を実施するためには、電力線のインピーダンスをその公称値を超えて増加させることのみを必要とする。線電流がその温度制限値に接近する時、電力線のインピーダンスが上昇し、これによって、過負荷でない(under-loaded)電力線を強制して通常の運搬量よりも多い電流レベルを運搬させるように、ネットワークにおける電流の再分散を生じさせる。

また、分散型直列インピーダンスを達成させるために、全体範囲に対して各モジュールのインピーダンスを変える必要はない。その代わり、各モジュールは限定数の異なる値同士の間でスイッチ可能であり、従って、全モジュールのスイッチは、所望される範囲における線インピーダンスの変化を実現するために演繹的に設定されたポイントを用いて調整され得る。

ＤＳＲ１００は、受動的かつスイッチ可能な分散型インダクタンスが徐々に導体内へ挿入されることを可能とし、これによって、線インピーダンスを効果的に上昇させ、電流を、更なる容量を有する他の線内へ方向付ける。ＤＳＲ１００などの分散型直列インピーダンスデバイスは、単巻変圧器（ＳＴＴ）を用いて導体周りに挟持され得る。以下に詳細に説明されるように、ＳＴＴは、導体１０８内へ所望される磁化インダクタンスを挿入するように設計されたエアギャップを有する。電力および制御回路は、簡単化され、これにより、ＤＳＲ１００の重量、製造コスト、および信頼度を削減し得る。主に受動的な構成素子を使用することによって、結果的に、過酷な環境、極端な温度差、および故障状態における電気的過負荷を避けるために改良された設計が提供される。冗長なＤＳＲ１００の使用によってシステムの信頼度が高められる。線電流の関数(function)としての線インダクタンスをモニタすることによって、故障したＤＳＲ１００モジュールの位置を識別することが可能となる。

図２は、二本の送電線を有する電力システムの例を示している。第１の線１１６は、長さ：２０マイル（約３２１８７ｍ）、インピーダンス：３．４＋ｊ１６Ω、および電流：１７０アンペアである。第２の線１１８は、長さ：３０マイル（約４８２８０ｍ）、インピーダンス：５．１＋ｊ２４Ω、および電流：５１３．５アンペアである。電源１１２は、１３８∠０°ｋＶの電圧を有する。負荷１１４は、１３８∠９．０７°ｋＶの電圧を有する。線１１６は、線１１８が到達する前に、温度制限に達する。この時点で、線１１８が未使用の更なる容量を有していたとしても、線１１６を過負荷にせずに電力が送られることはあり得ない。

送電線上の電力潮流を制御するために、直列素子は最高の電位(potential)と衝撃(impact)を有する。二つの電圧バスを接続する送電線上の実際の電力の流れＰと無効電力の流れＱは、二つの電圧の大きさＶ₁、Ｖ₂、電圧角度位相差δ＝δ₁−δ₂に支配される。

式（１）

式（２）
式中、Ｘ_Lは、純粋に誘導性である想定される電力線のインピーダンスである。

電力線を流れる実際の電力の潮流の制御は、従って、角度δ、または、線インピーダンスＸ_Lを変更することを含む。もちろん、無効電力潮流は、変化する線インピーダンスにも影響される。位相シフト変圧器は、角度δを制御するために使用され得る。これは経費の掛かる解決法であり、動的な制御能力を許容するものではない。或いは、直列補償装置は、電力線の実効的な(effective)無効インピーダンスＸ_Lを増減させるために使用され、これによって、二つのバス間の実際の電力潮流の制御を可能とすることができる。インピーダンスの変更は、受動的な容量性または誘導性の素子を電力線へ直列して導入することによって、実行され得る。或いは、静的インバータが、負または正のインダクタ（誘導子）または線電流に直角な同期基本電圧などの制御可能な損失のない（Ｌｏｓｓ−ｌｅｓｓ）能動(active)素子を実現するために使用される。

図２を再び参照すると、送電システムおよびサブ送電システムは、より一層、網目状化され、相互接続化され得る。サービスを低下させずに故障した電力線を切り替える(switch out)能力は、システムの信頼度に大いに影響を与える。しかしながら、このような相互接続されたシステムにおいて、電流潮流は、線インピーダンスによって決定されることから、システムオペレータがネットワークのどの部分に電流を流すかを制御する能力は非常に限られている。このようなシステムにおいて、温度による制限容量に達した第１の電力線は、他の電線がかなり未使用な(under-utilized)ままの状態であっても、ネットワーク全体の容量を制限する。図２において、例えば、二つの電力線システム１００へ直列無効補償が適用された(applied)場合、表Ａに示されるように、更なる電流が電力線１１８を流れ、線リアクタンス（誘導抵抗）を２０％ずつ、変えることによって、更なる５２ＭＷの電力が二つのバス間へ供給され得る。

直列ＦＡＣＴＳデバイスは、式（１）におけるパラメータを変更することによって、電力潮流を制御することができる。一般的に、このようなデバイスは、電力線の切断(break)および高電圧プラットフォームを必要とし、更に、コスト上昇と複雑さとが追加される。受動素子を使用した分散型直列インピーダンスは、付加的に(incrementally)展開され得る、コスト有効度が高く、縮尺可能で、制御可能な直列インピーダンスデバイスを保証し、高い信頼度と使用可能性を特徴とする。

一般的な送電線インピーダンスＸ_Lは、約０．７９Ω／マイル（約０．４９Ω／ｋｍ）である。１８４ＭＷの電力潮流に対応する７７０アンペアの電力線の温度容量において、線インピーダンスを介した電圧降下は６０８ボルト／マイル（約３７８ボルト／ｋｍ）である。このため、線インピーダンスにおける２％の変化によって、１２．１６ボルト／マイル（約７．５６ボルト／ｋｍ）または０．０１５８Ω／マイル（約０．００９８Ω／ｋｍ）の導入が必要とされる。これが、４２μＨまたは９．２４ｋＶＡＲ（７７０アンペアにおいて１２ボルト）のインピーダンス値に変換される。電力線容量に対して有効な影響力を有するには驚くほど小さなインピーダンス値であり、電力線の一マイルあたりに展開される９．２４ｋＶＡＲの単一モジュールによって達成され得る。このようなモジュールは、電力線上で電気的および機械的の両方において浮き、該電力線から吊り下がることかできるように十分に小型軽量化され得る。更に、これによって、既存の電力線導体の周りに挟持され得るような多数のモジュールを用いて分散型直列インピーダンスを実施する可能性がより高められる。

各モジュールにおけるインピーダンスまたは電圧の直列導入は、変圧器の巻線として線導体自体を使用する単巻変圧器（ＳＴＴ）を用いて達成され得る。ワイヤー上でデバイスを浮かせることによって、電圧の定格化および絶縁の全ての問題が回避される

冗長性は、ユニットの故障などの場合、中断されることのない動作を提供し、なおかつ、高い信頼度と利用可能性を提供することができる。ＳＴＴは、一般的に直列接続デバイスにとって困難な問題とされているハイレベルの故障電流の処理を可能とする。約９．２ｋＶＡの目標電力の定格化によって、すぐに入手可能な高容量かつ低価格の構成素子および製造技術を使用することが可能となり、非常に廉価なユニットモジュールが実現できる。これらのデバイスは、必要に応じて、付加的に展開され、拡張可能性レベルを高くすることができる。最終的に、該デバイスは、既存の電力線へ挟持され、これによって、設置および始動プロセスが簡単化される。

図３は、導体に分散型直列インピーダンスを挿入することによって電力線過負荷を制御するための、参照番号１００で示される分散型直列リアクタ（ＤＳＲ）の一実施の形態を示している。好ましくは少なくとも二つのＤＳＲ１００が相互に接続されたまたは網目状化された電力ネットワークにおいて展開されるが、一つ以上のＤＳＲ１００の装置が展開されてもよい。ＤＳＲ１００デバイスは、通信なしの単純な制御戦略を用いて、個別のモジュールレベルで自主制御され、これによって、電力網全体の容量が大いに増加する。

ＤＳＲ１００は、ＳＴＴ１２０、スイッチを有する送電線または導体１０８の周りに挟持されるクランプオン変圧器電力結合器、を含む。好ましい実施例において、その挟持（クランプ）位置におけるＳＴＴ１２０は、磁化インダクタンスが所望される挿入インダクタンスと略等しくなるように設計されたエアギャップを有する。該ＳＴＴ１２０の巻線は、通常は、閉じられた接触スイッチ１２２を用いて短絡される。接触スイッチが、例えば、電気機械的スイッチであってもよいことが理解されよう。該接触スイッチ１２２は、付勢されていないときにはモジュールを迂回（バイパス）する。小さい電源１２８は、変流器１２６を介して、線電流から電力を取り出す。電源１２８は、コントローラ１３０へ電力を提供する。コントローラ１３０は、線電流をモニタし、線電流が所定のレベルに達した時に、接触スイッチ１２２を開とする。接触スイッチ１２２が開かれる時、サイリスタ１２４は、直列リアクタンスの挿入を制御する。サイリスタ１２４が閉じられた時、ＳＴＴ１２０の漏れリアクタンスに対応する最小レベルのリアクタンスが導線１０８内へ挿入される。サイリスタ１２４が開いた時、エアギャップを設定することによって所望される値に同調されたＳＴＴの磁化インダクタンスが電力線へ挿入される。当業者は、サイリスタ１２４が設計にとってそれほど重要でないと認識するであろう。サイリスタ１２４が省略されても、接触スイッチ１２２を開くことによって、磁化インダクタンスが導体１０８に挿入される。

閉のスイッチ１２２は、変圧器の巻線を短絡し、電力線または導体１０８内へ実質的にゼロのインダクタンスを挿入する。スイッチ１２２が開かれた時、磁化インダクタンスが導体１０８に挿入され、分散型直列リアクタンスが実施される。次に、予め定められた異なるレベルにおいてスイッチする複数のＤＳＲ１００モジュールが、必要とされる電力線インピーダンス制御の範囲を実現するために使用され、これによって、電力線の過負荷制御システムが実施される。電力システム１０２は、通信インフラストラクチャを必要とせずに動作し、ＤＳＲ１００モジュールの実施によってコスト削減と高められた信頼度とを実現する。

システムのあるレベルにおいて、特定の電力線の電流が所定値を超えると、ＤＳＲ１００モジュールが一層多くスイッチされ、線インピーダンスが徐々に上昇し、電流を未使用の(under-utilized)電力線へ分流させる。全体的な制御目標は、電力線を温度による過負荷から防止することであるため、制御戦略は非常に単純に見える。ＤＳＲ１００モジュール演算のための制御アルゴリズムは、式（３）で定義される。

式（３）
式中、Ｌ_injは導入された線インダクタンスであり、
Ｌ_fは電力線の全てのＤＳＲモジュールが有効であるときのインダクタンスの最終値であり、
Ｉ₀はモジュールに対する電流のトリガー値であり、
Ｉ_thermalはこれ以上になったらインピーダンスが導入されない温度制限値である。

図４に示されているように、ある電力線上の異なるモジュールは、線電流が所定の閾値を超過すると、上昇する線インダクタンスを集合的に生成する（線電流に基づいた）所定のスイッチレベルを有する。図４は、線電流が上昇したときのＬ_nat４０２より高い線インダクタンスにおける上昇を示すグラフ４００を示す。例えば、線電流がある一定のレベルＩ₀４０６に達すると、第１のＤＳＲ１００は、初期のＬ_nat４０２より高い送電線へ所望されるレベルのリアクタンスを挿入するように作動する。上昇したリアクタンスによって、他の送電線へいくつかの電流が分流される。参照番号４０８が付された線電流Ｉが上昇を続けていると、次の起動レベルに達し、これによって、次のＤＳＲ１００を起動させ、送電線内へ更なる所望されたレベルのリアクタンスが挿入される。上昇したリアクタンスによって、他の送電線内へ更なる電流が分流される。線電流の上昇によって、更なるＤＳＲ１００モジュールが起動されている限りは、必要に応じて、分散型直列インピーダンスの挿入が続けられる。電力線上の全てのＤＳＲモジュールが作動すると、インダクタンスは、その最終値、Ｌ_f４０４に達する。Ｌ_f４０４の最終値は、導体の温度制限値、従って、Ｉ_thermal４１０に応じて設定され、この値を超過すれば、インダクタンスの導入が発生しなくなる。

日に数回、または、所定の偶発性条件下で、過負荷状態を調べるとされる予め選択された電力線は、ＤＳＲ１００モジュールによって修正され、密集発生時の密集を自動的に処理し、通常の動作条件下において該システムに与える影響を最小にする。このため、電力線におけるＤＳＲ１００モジュールの展開は、電流制限導体の概念の実現を補助することができる。

ＤＳＲ１００モジュールが、複数の電力線上で実施される時、該ＤＳＲ１００モジュールの制御は、振動(oscillations)や相互作用がまったく起きないことを推定する。式（４）に示されているように、指数減衰推定量は、各モジュール内で使用され、モジュールと電力線との相互作用を最小とする。

式（４）

ｔ₀≦ｔ≦ｔ₀＋Δｔに対して有効である。
Ｌ_expは、各サンプリングの瞬間の実際の導入の要求に対応する。

全てのＤＳＲ１００モジュールを特定の電流レベルで作動するように設定して、電力網の送電線上に多数のＤＳＲ１００モジュールを有することによって、非常に漸進的な速度のインピーダンスの変化が生成される。これによって、本発明のシステムが関わっている限り、インピーダンスの直線変化として見えるものが効果的に作成され、デバイス間の通信が必要とされなくなる。各ＤＳＲ１００はわずかに異なるレベルでターンオン、ターンオフするようにプログラムされている。電流が所定レベル未満に後退し、降下する時は、サイリスタによって、電力線から、追加されたリアクタンスを取り除くことができ、該システムが通常の動作状態に戻ることが理解されよう。該システムが自己調整すること、および、温度による過負荷状態が存在しなくなれば、電力線が元の状態に復帰することが理解されよう。該ＤＳＲ１００の動作は、通信を必要としないが、通信は性能を改良するために使用され得ることも更に理解されよう。制御は、ＤＳＲ１００に対し局所的なパラメータに基づいて行われる。複数のユニットが、インピーダンスパラメータに関して連続性を生成するために順番に制御される。

例えば、１００個のＤＳＲ１００モジュールが展開された場合、１％の分解能で線インダクタンスを変更することが可能である。該ＤＳＲ１００モジュールのスイッチは、ノイズのフィルタリング、ヒステリシス、および当業者に周知である他の保護メカニズムを組み込むことが必要かもしれない。しかしながら、ＤＳＲ１００の動作のために全く通信を必要としないことははっきりしている。

ＤＳＲ１００モジュールは電流制限ケーブルとして理解され得る。ケーブルにおける電流がその温度制限容量に接近するにつれて、インピーダンスを上昇させ、これによって、ネットワークの他の相対的に未負荷な部分内へ強制的に電流が流れる。これは、予測できるやり方で発生するため、これによって、システムオペレータは、システムが使用可能な送電容量をより良好に使用することができる。

図５Ａは、ＤＳＲ１００のＳＴＴ１２０部分を拡大して示す。該ＳＴＴ１２０は、導体１０８の周りに挟持され、二分割されたコア部１３２、巻線１３４、通常は閉じている接触スイッチ１２２を含む。分割されたコア部１３２は、導体１０８の周りに挟持されたＳＴＴ１２０の一部をなす。更に、二分割されたコア部１３２のそれぞれに分離した巻線１３４を使用することが所望される場合、第２の接触スイッチ１３６が使用され得る。例えば、接触スイッチは電気機械的スイッチであってよいことに留意されたい。

図５Ｂは、ＤＳＲ１００のＳＴ１２０部分の一端から見た図を示す。コントローラ１３０は、接触スイッチ１２２を作動させる。コントローラ１３０は、接触スイッチ１２２を閉じ、巻線１３４を短絡させ、これによって、ＤＳＲ１００を迂回する。コントローラ１３０は、ＤＳＲ１００を使用するために接触スイッチ１２２を開く。エアギャップ１３８は、コントローラ１３０が導体３５０内へ磁化インダクタンスを配置する時、ＤＳＲ１００が所望のインダクタンスを生成することができるように、設計される。

接触スイッチ１２２とサイリスタ１２４を開いた状態で、磁化インダクタンスがケーブル内へ挿入される。エアギャップ１３８は、正確なレベルのインダクタンスが挿入されるように設計される。この設計によって、クランプオンデバイスの構成が簡単化され、コスト削減につながる。完璧な変圧器を実現するために共に結合される二つの同一形状の片半分を使用することが望ましい。或いは、全ての巻線が、磁気回路を完成するために単一のコアセグメントを使用した該コアの一のセグメントの上にあってもよい。この例では、接触スイッチ１２２が一つあればよい。

ＤＳＲ１００は、その好ましい実施の形態において、導体１０８へ分散型直列インダクタンスを挿入することによって、電力線負荷を制御するための完全に受動的なスイッチ可能システムであることが理解されよう。ＤＳＲ１００は、その好ましい実施の形態において、通信を必要とせず、簡単なシステムインターフェースの要件だけで、動作する。スイッチ機能を実行するために電力半導体が使用され得るが、電気機械的な接触子、即ち、接触スイッチ１２２の使用が好ましい。前述したように、主に受動的な構成素子を使用することによって、過酷な環境、極端な温度差、および故障状態における電気的な過負荷に耐えるように設計が改良され得る。該システムは、いくつかの電力システムの条件下における過負荷の危険性をはらむ対象電力線のために使用される。該システムは、線インピーダンスを効果的に上昇させ、更なる容量を有する電力線へ電流を分流させる。対象電力線は、過負荷を受けないようにされ、更なる送電過負荷救済コールや電力線（への）トリップ(line trips)が回避される。

再び、ＤＳＲ１００の動作に外部通信が必要とされないことが理解されよう。コントローラ１３０のより大きなプログラム能力をシステムオペレータにもたらすために通信が使用され得ることは、当業者によって、理解されよう。ＤＳＲ１００は、他のＤＳＲモジュールと通信することができる。また、システムのオペレータは、通信リンク（図示しない）を介して、一以上のコントローラ１３０を再プログラムすることができる。更に、コントローラ１３０は、例えば、短距離遠隔制御によって再プログラムされ得る。

図６は、変圧器の巻線の等価回路を示す。接触スイッチを閉じて、変圧器は短絡され、漏れリアクタンスＬ_Rが導体と直列に挿入される。この漏れリアクタンスは、約０．８μＨであり、この状況において、この値は極めて小さい。コントローラ１３０は、温度制限による容量を最適化するため、線電流およびケーブル温度をモニタする。全体的な制御戦略によれば、線インダクタンスにおける上昇が必要とされた時、接触スイッチ１２２が開き、これにより、回路内へ磁化インダクタンスＬ_mが挿入される。多数のユニットを直列に配列した場合は千鳥形のスイッチ技術(staggered switching technique)を使用する必要がある。

図７は、完全に機械的であるＤＳＲ７００の他の実施の形態を示す。効果的なインダクタンスが変化されるように移動され得るコアは、導線１０８内へインダクタンスを挿入するように使用され得る。通常の動作条件下でコアの二つの片半分７０２を所定距離離間させて保持するように一つのメカニズムが使用され、これにより、最小のインダクタンスも導体１０８に連結される。ケーブルの温度が上昇するにつれて、エアギャップ７０４が減少し、インダクタンスを効果的に上昇させる。温度によって形状が変化する熱機械的帯域(thermal mechanical band)は、このようなデバイスの完全に受動的な実施をもたらす。代替的に、ソレノイドが使用されてもよい。

図８は、ＤＳＲの動作を示すフローチャート８００を示す。ステップ８１０において、磁化インダクタンスを提供するためにエアギャップが設計された導体周りに挟持された単巻変圧器を介して、磁化インダクタンスが提供される。ステップ８２０は、コントローラを作動するために使用される電力の導出を示す。電力は、導体電流から取り出される。ステップ８３０で線電流がモニタされ、線電流が所定値に達した時、ステップ８４０において、接触スイッチが開とされる。接触スイッチが開とされると、電流が所望の値未満に下がるまで、ステップ８５０において、電流がモニタされる。電流が所望の値未満に下がると、ステップ８６０に示されているように、接触スイッチが閉とされる。当業者によって理解されるように、図８に示されている方法は、一つ以上のＳＴＴを含むことができるし、一般には、一つ以上のＳＴＴを含む。次に、ＳＴＴの各々は、導体電流の異なる所定値において導体周りでＳＴＴが挟持される該導体内へ磁化インダクタンスを挿入し、該導体に対するインダクタンスを徐々に上昇させ、これによって、過負荷を削減し、他の導体における電流を上昇させる。また、ＤＳＲを使用する方法に対しては通信が必要とされないが、オペレーションを改善するために通信が使用され得ることが理解されよう。

分散型直列インピーダンスを挿入するための種々の実施の形態がシミュレートされている。ＤＳＲモデルは、７７０アンペアの電流において９．２４ｋＶＡＲの直列インダクタンスの導入を想定している。組み込まれテストされた実験用のＳＴＴユニットに基づいて、漏れインダクタンスは０．８μＨであるが、挿入されたインダクタンスは０．０４２ｍＨである。

図９に示されるように、４バスシステム９００においてＤＳＲが更に使用された。図９は、参照番号９０６が付された電源Ｇｅｎ１と参照番号９０７が付された電源Ｇｅｎ２からなる二つの電源を有する４バスシステム９００を示す。参照番号９０１が付されたライン１は、長さ：４０マイル（約６４３７４ｍ）およびインピーダンス：６．７５２＋ｊ０．０８３７２Ωを有する。参照番号９０２が付されたライン２は、長さ：２０マイル（約３２１８７ｍ）およびインピーダンス：３．３７６＋ｊ０．０４１８６Ωを有する。参照番号９０３が付されたライン３２は、長さ：３０マイル（約４８２８０ｍ）およびインピーダンス：５．０８４＋ｊ０．０６２７９Ωを有する。参照番号９０４が付されたライン４は、長さ：４０マイル（約６４３７４ｍ）およびインピーダンス：６．７５２＋ｊ０．０８３７２Ωを有する。参照番号９０５が付されたライン５は、長さ：２０マイル（約３２１８７ｍ）およびインピーダンス：３．３７６＋ｊ０．０４１８６Ωを有する。負荷１は参照番号９０８が付され、負荷２は参照番号９０９が付される。ＤＳＲユニットがバイパス（迂回）される時、ネットワークを介して送られ得る最大電力は、図１０のグラフ１０００によって示されるように、ライン２およびライン５によって制限される。ＤＳＲユニットを追加することによって、許容ＡＴＣエンベロープ(allowable ATC envelope)が最小でも３７．６％増加することが分かった。

本発明の上記の実施の形態、特に、任意の好ましい実施の形態は、本発明の原理をより明確に理解されることを目的として、実施可能な例を挙げて、記載されているにすぎないことが理解されよう。本発明の精神および基本原理を実質的に逸脱することがない限り、多くの変形および変更が、本発明の上記の実施の形態に対して行われ得る。全てのこのような変更および変形は、本発明の範囲および本開示において本明細書中に組み込まれることが意図され、以下のクレームによって、その内容が保護される。

本出願は、本発明においてその全体が参照することによって組み込まれている、２００５年１月３１日に出願された出願番号第６０／６４８，４６６号の「パワー系統の送電線情報を判断するシステムおよび方法」と題された同時係願の米国仮出願に対して優先権を主張する。

電力システムにおける分散型直列リアクタの一実施の形態を示す図である。例として二本の送電線を有するシンプルな電力システムを示す図である。図２の電力システムに使用するための分散型直列リアクタを示す機能系統図である。図３の分散型直列リアクタが、線電流の上昇によって、スイッチインした時の線インダクタンスの上昇を示すグラフである。図３による分散型直列リアクタを示す側面図である。図３による分散型直列リアクタを示す端面図である。図３の分散型直列リアクタの変圧器巻線の等価回路を示す機能系統図である。他の実施の形態による調整可能なコアを有する分散型直列リアクタを示す図である。図３による分散型直列リアクタを介した導体への分散型インピーダンスの挿入を示すフローチャートである。４−バス電力システムにおける図３の分散型直列リアクタの展開を概略的に示す図である。分散型直列リアクタユニットを迂回（バイパス）することによって、図９によるネットワークを介して、供給された最大電力を示す図である。

Claims

分散型直列インピーダンスを提供することによって電力線過負荷制御を実施するシステムであって、
該システムは、導体に受動的インダクタンスを挿入するように構成されている少なくとも一の分散型直列リアクタ（ＤＳＲ）を含み、
少なくとも一の前記分散型直列リアクタは、
前記導体の周りに挟持され、巻線を含み、磁化インダクタンスおよび漏れインダクタンスを有する単巻変圧器（ＳＴＴ）と、
前記巻線と直列に接続されているスイッチング・デバイスと、
前記導体の線電流が所定値に達した時、前記スイッチング・デバイスを開くように構成されたコントローラと、
を有し、
前記単巻変圧器は磁化インダクタンスおよび漏れインダクタンスとを有し、
前記スイッチング・デバイスが閉じている場合、前記受動的インダクタンスは前記漏れインダクタンスに等しく、
前記スイッチング・デバイスが開いている場合、前記受動的インダクタンスは前記磁化インダクタンスに等しい、
システム。
前記単巻変圧器（ＳＴＴ）が、
二分割されたコア部と、
前記二分割されたコア部を離隔するエアギャップと、
を更に含み、
前記エアギャップは、前記二分割されたコア部が前記導体周りに挟持される時、所定レベルの磁化インダクタンスが生成されるように構成されている、
請求項１に記載のシステム。
前記スイッチング・デバイスは接触スイッチを含み、
前記接触スイッチが閉状態の時、前記巻線を短絡する、請求項１に記載のシステム。
前記コントローラは、さらに、前記接触スイッチを開くことによって前記磁化インダクタンスを挿入するように構成されている、請求項３に記載のシステム。
前記コントローラが、前記接触スイッチを開くことによって、前記磁化インダクタンスを挿入できるように更に構成されている、請求項３に記載のシステム。
前記接触スイッチが通常は閉じられている、請求項３に記載のシステム。
前記接触スイッチが電気機械的スイッチである、請求項３に記載のシステム。
前記コントローラが、さらに、前記導体の線電流が前記所定値未満に下がった時、前記スイッチング・デバイスを閉じるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
前記コントローラが、前記接触スイッチを閉じることによって前記導体の線電流が前記所定値未満に下がった時、前記磁化インダクタンスを取り去るように更に構成されている、請求項５に記載のシステム。
前記スイッチング・デバイスは前記接触スイッチと並列なサイリスタをさらに含み、
前記サイリスタが開いている場合、前記導体内へ前記磁化インダクタンスを挿入し、
前記サイリスタが閉じている場合、前記磁化インダクタンスを取り去る、
請求項５に記載のシステム。
複数の分散型直列リアクタを備え、
分散型直列リアクタの各々が、該分散型直列リアクタに特定量の磁化インダクタンスを挿入するように構成されている、
請求項１に記載のシステム。
前記単巻変圧器は、さらに、分割されたコア部ごとに個別の巻線を有する、請求項２に記載のシステム。
前記単巻変圧器は、さらに、個別の巻線ごとに個別の接触スイッチを有する、請求項１２に記載のシステム。
少なくとも二つの導体を更に含む、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも二つの導体の各々が少なくとも一の分散型直列リアクタに関連している、請求項１４に記載のシステム。
前記コントローラが、該コントローラを再プログラムするために通信を送受信するように更に構成されている、請求項１に記載のシステム。
前記コントローラが、他の分散型直列リアクタに関連しているコントローラと通信を送受信するように更に構成されている、請求項１に記載のシステム。
前記コントローラが、短距離遠隔制御を介して再プログラムされ得る、請求項１に記載のシステム。
分散型直列インピーダンスを提供することによって電力線過負荷制御を実施するシステムであって、
該システムは、導体に受動的インダクタンスを挿入するように構成されている少なくとも一の分散型直列リアクタ（ＤＳＲ）を含み、
少なくとも一の前記分散型直列リアクタの各々は、
前記導体の周りに挟持され、所定の磁化インダクタンスに対応する距離を有するエアギャップを含む、二分割されたコア部と、
前記導体の線電流が所定値に達したかを判断する手段と、
前記導体内へ挿入される前記受動的インダクタンスの量を変更する手段と、
を有し、
前記所定値を越えた場合、前記受動的インダクタンスは前記所定の磁化インダクタンスに等しい、
システム。
前記導体内へ挿入される前記受動的インダクタンスの量を変更する手段は、当初の距離から前記所定の磁化インダクタンスに対応する距離へ前記エアギャップを変更する、請求項１９に記載のシステム。
前記分散型直列リアクタの巻線を短絡することによって、該分散型直列リアクタをバイパスする手段を更に含む、請求項１９に記載のシステム。
導体の線電流から電力を導出する手段を更に含む、請求項１９に記載のシステム。
前記導体に挿入される受動的インダクタンスの量を変更する手段と通信する手段を更に含む、請求項１９に記載のシステム。
導体内へ直列インピーダンスを挿入することによって、電力線過負荷制御を実施する方法であって、
分散型直列リアクタ（ＤＳＲ）を介して前記導体内へ受動的インダクタンスを挿入し、
前記導体の線電流が所定値に達した場合、前記分散型直列リアクタの磁化インダクタンスと等しくなるように変更するために、前記導体内へ前記受動的インダクタンスを挿入させ、
前記分散型直列リアクタが導体周りに挟持された単巻変圧器を含み、
エアギャップが前記磁化インダクタンスを提供するように構成されている、
方法。
導体内へ直列インピーダンスを挿入することによって、電力線過負荷制御を実施する方法であって、
分散型直列リアクタ（ＤＳＲ）を介して前記導体内へ受動的インダクタンスを挿入し、
前記導体の線電流が所定値に達した場合、前記分散型直列リアクタの磁化インダクタンスと等しくなるように変更するために、前記導体内へ前記受動的インダクタンスを挿入させ、
前記導体の線電流が前記所定値に達した場合、前記受動的インダクタンスを変更させるために、接触スイッチを開くことを更に含む、方法。
前記接触スイッチを開くことによって、前記受動的インダクタンスを変更させる、請求項２５に記載の方法。
前記導体の線電流が所定値未満になった場合、前記接触スイッチを閉じることをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
前記接触スイッチを閉じることによって、前記分散型直列リアクタの漏れインダクタンスと等しくなるように、前記受動的インダクタンスを変更する、請求項２７に記載の方法。
導体内へ直列インピーダンスを挿入することによって、電力線過負荷制御を実施する方法であって、
分散型直列リアクタ（ＤＳＲ）を介して前記導体内へ受動的インダクタンスを挿入し、
前記導体の線電流が所定値に達した場合、前記分散型直列リアクタの磁化インダクタンスと等しくなるように変更するために、前記導体内へ前記受動的インダクタンスを挿入させ、
少なくとも二つの分散型直列リアクタを介して受動的インダクタンスをさらに生成し、
少なくとも二つの前記分散型直列リアクタの各々が、該分散型直列リアクタによって特定される所定の磁化インダクタンスと等しくなるように、前記受動的インダクタンスを変更するように構成されており、
前記所定の磁化インダクタンスは前記分散型直列リアクタのエアギャップの距離によって決定される、
方法。