JP5301311B2 - 電力伝送システム用の動的復旧型サポートシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、電圧サポートを提供するシステムおよび方法に関し、特に電力伝送システムに補足的な動的無効電力を供給するシステムおよび方法に関する。

送電線、大型変圧器、または発電所などの主電力伝送デバイスの故障および／または停電に起因する給電システムにおける電圧降下の後、（例えば誘導電動機負荷などの）電力システムの負荷は回復しようとして給電システムから無効電力を引き出す。この付加的な無効電力の需要は、システム内に他の何らかの無効電力源が投入されない限りさらに電圧を抑制する。電圧抑制が十分に長く継続すると、システム内の正味の無効電力不足によって電圧破壊を招くことがある。

これらの状態で電圧を復旧するために、通常のまたは定格の無効電力需要を超える無効電力が一時的にシステムに供給される。しかし、超過の無効電力を供給することによって修正措置を講ずると、超過の無効電力が電圧回復のモーメントを越えて給電システムに供給されれば、過電圧状態を招くこともある。過電圧状態はシステムの絶縁にストレスをかけ、それによってフラッシュオーバー、装置（例えば変圧器、避雷器）の損傷、および／またはその他のシステムの故障を引き起こすことがある。

この問題に関する従来の解決策には、静止型ＶＡＲ補償装置（ＳＶＣ）、電圧源コンバータを使用した静止型無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）および同期調相機が含まれる。しかし、このようなデバイスは比較的高価であることがあり、高電力用半導体技術の能動制御、または同期型機械の固有の過渡的無効電力容量に依存するものである。システムに無効電力を供給するために、電圧測定およびブレーカを開閉するための切り換えタイミングを含む能動制御に依存する切り換え分路コンデンサのバンクも使用されてきた。しかし、無効電力が過剰であると、回路ブレーカの開動作は母線電圧を通常の動作範囲内で制御するのに有効なほど迅速に行われないことがあり、かつ一時的な過電圧が生ずることがある。

したがって、電力伝送システムの動的な復旧型サポートを提供するための比較的低コストかつ効果的なシステムおよび方法が必要とされている。

本発明の実施形態は、上記のいくつかまたは全ての必要を解消する。本発明の一実施形態において、（例えば変電所母線などの）電力伝送システムの電圧低下検出を含む、電力伝送システムに補足的な無効電力を供給するための方法を開示する。電圧低下に応答して、並列接続された金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を備えたセグメントを含む、少なくとも１つの分路コンデンサが変電所の電力伝送システムに接続される。少なくとも１つのＭＯＶ内の電流を検出すると、関連する分路コンデンサ、および必要に応じてその他のセグメントが電力伝送システムから遮断される。

本発明の一態様において、分路コンデンサの電力伝送システムへの接続には、少なくとも１つの回路ブレーカを開き、電力伝送システムを並列接続された少なくとも１つのＭＯＶを備えた分路コンデンサに接続することを含む。本発明のさらなる態様において、少なくとも１つの回路ブレーカの閉鎖には、２つ以上の回路ブレーカを順次閉鎖することが含まれる。本発明のさらなる態様において、少なくとも１つの回路ブレーカの閉鎖には、２つ以上の回路ブレーカを同時に閉鎖することが含まれる。

本発明のさらなる実施形態において、少なくとも１つの金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を備えた少なくとも１つの分路コンデンサを含めた分路コンデンサバンクを接続する、少なくとも１つの回路ブレーカを含む電力伝送システムに対して、補足的な無効電力を供給するためのシステムを開示する。このシステムはさらにコントローラを有し、このコントローラは、電力伝送システムの電圧低下を検出し、電圧低下に応答して少なくとも１つの回路ブレーカを閉じ、これによって少なくとも１つの分路コンデンサが電力伝送システムに接続される。このコントローラは、少なくとも１つのＭＯＶ内の電流を監視し、検出する。ＭＯＶ内に電流を検出すると、少なくとも１つの分路コンデンサを電力伝送システムから遮断する。

本発明のまたさらなる実施形態において、変電所母線における電圧低下検出を含む、電力伝送システムへ補足的な無効電力を供給するための方法を開示する。電圧低下検出に応答して、分路コンデンサが電力伝送システムに接続され、少なくとも１つの分路コンデンサが電力伝送システムに直接接続されるとともに、その他の分路コンデンサが金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を備えた電力伝送システムに接続される。少なくとも１つのＭＯＶにおいて電流が検出されると、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を備えた電力伝送システムに接続された分路コンデンサが、電力伝送システムから遮断される。

本発明を一般的な用語で記載してきたが、以下に添付図面を参照する。なお、添付図面は必ずしも縮尺通りではない。

本発明の実施形態による、基本的な動的復旧型サポートシステムの例示的構造を示す図である。 本発明の実施形態による、動的復旧型サポートシステムを制御するための方法を実装するコントローラの制御論理の例示的フローチャートである。 本発明の例示的実施形態による、電圧低下後の母線電圧回復の時間プロットのグラフである。 本発明の実施形態による、例示的な動的復旧型サポートシステムの概略図である。 本発明の例示的実施形態による、図４に示す動的復旧型サポートシステムの例示的実施形態の底面図である。

本発明の例示的実施形態は、偶発的な（例えば故障後の）電圧回復アプリケーション用の動的な復旧型サポートシステム（ＤＲＳＳ）に向けられている。本発明の例示的実施形態のＤＲＳＳによる解決策は、高圧コンデンサおよび高エネルギ金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）技術を含んでいる。本発明の例示的実施形態は、電力システムで許容できる電圧範囲を超えずに電圧降下後の回復を促進するために使用される受動的な時間−過電圧（ＴＯＶ）制御と組み合わせて、高キャパシタンス、高無効電力の「ブースト」部分を特徴としている。

本発明の例示的実施形態では、分路コンデンサバンクは電圧低下に直面する電力伝送システムに超過の無効電力を提供する。供給された無効電力によるオーバーシュートまたは所望の電圧範囲の超過を避け、しかも分路コンデンサバンクによって提供される補足的な無効電圧が不十分であることによる電圧破壊を避けるために、この超過無効電力に起因する何らかの過電圧遷移を許容レベル内に制限する金属酸化物バリスタが組み込まれる。金属酸化物バリスタは短期間の使用中に大量の電力を散逸させることができるが、金属酸化物バリスタを使用すると、電圧オーバーシュートの危険を伴わずにコンデンサを電力伝送システムに接続するために回路ブレーカを開路する時間がかかる。

本発明の例示的実施形態を実装するデバイスは、電圧回復を促進するために高圧コンデンサの形態の大量の超過無効電力を挿入し、過電圧状態という起こり得る結果を軽減するために高エネルギＭＯＶを組み込む。機器（すなわち変流器）と組み合わせたＭＯＶはさらに、システムから超過無効電力をより迅速に取り出すために高速動作の母線電圧表示装置としての機能をも果たす。ＭＯＶをこのように利用することでＭＯＶの導通時間と、この導通による局部的な電圧および電流の調波歪みの継続時間とが短縮される。

本発明の実施形態で使用される装置は、従来の電力用半導体技術および同期機械と比較すると大幅に安価である。さらに、本発明の実施形態の受注から納品までの時間は、従前のより高価なシステムよりも大幅に短い。加えて、本発明の実施形態を実装するために使用される制御デバイスは通常は電源が切られているので、制御デバイスは長期故障率が低く、定常状態での電力（ワット）損がほとんどない。

本発明の実施形態を、本発明の実施形態によるシステム、方法、装置およびコンピュータプログラム製品のブロック図を参照して以下に説明する。本発明の実施形態は、幾つかの図面を通して同様の参照番号が同様の素子を示す添付図面を参照して、以下により詳細に説明する。まさに、これらの発明は多くの異なる形態で実施されることができ、本明細書に記載の実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。逆に、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすように提示される。

図１は、本発明の実施形態による基本的な動的復旧型サポートシステムの構成例を示す。図１の実施形態に示されるように、動的復旧型サポートシステム１００は、動的復旧型サポートシステム１００全体を電力伝送システム１０５（例えば変電所母線）に接続する主回路ブレーカ１１０と、コンデンサ１２０およびＭＯＶ１２５とを含む分路コンデンサバンクを接続する１つまたは複数の回路ブレーカ１１５とを含んでいる。ＭＯＶ１２５内の電流を監視するため（すなわちＭＯＶ１２５が導通しているか否かを判定するため）、かつ回路ブレーカ１１０および／または１１５の切り換えを制御するために動的普及型サポートシステムにはコントローラ１３０も実装されている。

この動的復旧型サポートシステム１００は、電力伝送システム１０５に電圧低下が発生した場合に（例えば重大な電圧降下事象）、補足的な無効電圧を供給する。このような事象が本発明の実施形態で発生すると、主回路ブレーカ１１０が閉じられるとともに、分路コンデンサ１２０のバンクを電力伝送システムに接続する各回路ブレーカ１１５も閉じられる。分路コンデンサ１２０のバンクによって供給される超過の無効電力が大きいほど、電圧はより迅速に回復され、電圧抑制の悪影響が少なくなる。分路コンデンサによって供給される無効電流のこの超過供給は、動的復旧型サポートシステム１００の実装の「ブースト」段階と呼ばれる。

しかし、電力伝送システム１０５に過度の無効電力が長すぎる期間にわたって供給されると、電力伝送システム１０５の過電圧が生ずることがあり、これは給電システムおよびその装置に多くの好ましくない影響をもたらす。したがって、電力伝送システム１０５に大量のキャパシタンスが供給され、しかも電圧レベルが回復すると適切に制限されることを確実にするため、分路コンデンサのバンク内の１つまたは複数のコンデンサ１２０を少なくとも１つのＭＯＶ１２５に接続してもよい。本発明の例示的実施形態では、ＭＯＶ１２５は酸化亜鉛バリスタである。ＭＯＶ１２５は過度の無効電力が電力伝送システム１０５に供給されることを抑止する装置としての、また無効電力を電力伝送システム１０５に供給する「ブースト」段階が終了したこと、または間もなく悪影響が生ずることをコントローラ１３０に示す表示装置としての両方の動作を行う。ＭＯＶ１２５は電圧の関数として電流を導通するが、それは抵抗器のような直線的関係にはない。その結果、ＭＯＶ１２５は電流が導通する前に超えなければならないしきい値電圧を有している。したがって、ＭＯＶ１２５が導通を開始する時には、大量の無効電力が既に電力伝送システム１０５に供給されている。

したがって、ＭＯＶ１２５は導通を開始し、ＭＯＶ電流が生成されると、「ブースト」段階が終了したことの表示がなされる。その結果、本発明の実施形態で実証されるＭＯＶ１２５は、動的復旧型サポートシステム１００がいつ分路コンデンサ１１５のバンクからの無効電力の供給を低減する（または少なくとも増加しない）べきであるかを示すため、過電圧（または近過電圧）事象を表示するように「同調」される。無効電力のこの低減は、コントローラ１３０が１つまたは複数の回路ブレーカ１１０および／または１１５を全て同時にまたは段階的に、個々にまたはグループごとなどに開放することによって実施してもよい。コントローラ１３０が動的復旧型サポートシステム１００の動作を制御するプロセスのより詳細な説明は、図２を参照して以下により詳細に記述される。

図２は、本発明の実施形態による動的復旧型サポートシステムを制御するための方法を実施するコントローラの制御論理の例示的フローチャートである。図２の１つまたは複数のブロックおよび／またはブロックの組み合わせをコンピュータプログラム命令によって実装可能であることが理解されよう。これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータまたはその他のプログラム可能なデータ処理装置で実行する命令が、以下に詳細に記載されるブロック図の各ブロック、またはブロック図のブロックの組み合わせの機能性を実装するための手段を作製するように、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または機械を製造するその他のプログラム可能なデータ処理装置にロードされてもよい。これらのコンピュータプログラム命令はさらに、コンピュータまたはその他のプログラム可能なデータ処理装置に対して、ブロックまたは複数のブロックで指定される機能の実装を含む特定の態様で機能するように命令可能なコンピュータ読み取り可能メモリに記憶されてもよい。

本発明の実施形態はさらに、コンピュータのオペレーティング・システムで実行される応用プログラムを介して実装されてもよい。それに加えて、またはその代替として、通信ネットワークを経てリンクされた遠隔処理デバイスによってタスクが実行される本発明の実施形態で実施できるように、応用プログラム（全部または一部）を遠隔メモリまたは記憶装置に格納してもよい。さらに、図２の各ブロックおよび／またはブロックの組み合わせを、特定の機能または要素、または専用ハードウエアおよびコンピュータ命令に組み合わせを実行する専用のハードウエアを使用したコンピュータ・システムで実装することもできる。これらの実施形態をさらに、携帯デバイス、マルチプロセッサ・システム、マイクロプロセッサを使用した、またはプログラム可能な消費電子機器、ミニコンピュータ、メインフレーム・コンピュータなどを含むその他のコンピュータ・システム構成で実施してもよい。

図２に示されるように、プロセス２００はブロック２０５で開始され、そこで電力伝送システムの電圧レベルを監視することによって電圧低下（または重大な電圧降下事象）を検出するために、電力伝送システムが制御デバイスによって監視される。電圧低下（または重大な電圧降下）が検出されなければ、ブロック２１０が呼び出されて、このような電力伝送システムのこのような事象の監視が継続される。しかし、電圧低下（または重大な電圧降下事象）が検出されると、ブロック２１５が呼び出される。

ブロック２１５で、コントローラは、動的復旧型サポートシステムを電力伝送システムに接続する回路ブレーカ（例えば図１の主回路ブレーカ１１０）を閉じることによって、ＭＯＶと接続されたコンデンサを含む分路コンデンサの動的復旧型サポートシステムを作動させる。他の実施形態では、動的復旧型サポートシステムによる無効電力を急激に、または段階的に増大するためのコンデンサの所望の調整に応じて、回路ブレーカを全て一度に、順次、または様々なグループ分けまたは段階で閉じてもよい。回路ブレーカが閉じられると、検出された電圧低下を補正するために無効電力をブーストするため、電力伝送システムに大量の無効電力を供給する「ブースト」段階が開始される。

動的復旧型サポートシステムの分路コンデンサのバンク内の１つまたは複数のコンデンサに接続されたＭＯＶは、電力伝送システムに供給されるキャパシタンスを制限する。無効電流のブーストには大量のキャパシタンスが短時間で供給される必要があるが、過度のキャパシタンスが供給されると、システムの絶縁にストレスを加える過電圧状態を含む好ましくない影響を生じ、フラッシュオーバー、装置（例えば変圧器、避雷器など）の損傷および／またはその他のシステム故障を招くことがある。ＭＯＶを使用することによってこのような過電圧事象の発生が防止される。

次いで、ブロック２２０が呼び出され、そこでコントローラは電流を検出するためにＭＯＶを監視する（すなわちＭＯＶの導通）。それは、システムの電圧が所望の電圧範囲内まで回復し、または所望の回復電圧範囲を超えつつある（または超えた）ことを示す。この事象が検出されると、ブロック２２５が呼び出され、そこでＭＯＶを使用してコンデンサを電力伝送システムに接続する回路ブレーカが開かれて、コンデンサを遮断し、コンデンサがそれ以上の無効電力を供給することが阻まれる。別の実施形態では、動的復旧型サポートシステムによる無効電力を急激に、または段階的に低減するためのコンデンサの所望の調整に応じて、回路ブレーカを有するコンデンサのセグメントを全て一度に、順次、または様々なグループ分けまたは段階で閉じてもよい。

本発明のある実施形態では分路コンデンサの全てが専用のＭＯＶに接続されてもよいが、別の実施形態はあるコンデンサだけがＭＯＶに接続され、別のコンデンサは接続されなくてもよい。後者の実施形態では、ＭＯＶに接続されたコンデンサは、分路コンデンサ内の他のコンデンサの前で電力伝送システムから遮断されてもよい。電力伝送システムに接続されたままのコンデンサは、電力伝送システムに補足的な電源を提供するためにそうされてもよい。ブロック２３０で、コントローラは、電力伝送システムの電圧（例えば変電所の母線電圧）が電圧降下事象から回復したこと、および無効電流の補足的な供給がもはや必要ないことを検出できる。この事象が生じ、電力伝送システムが完全に回復すると（またはほぼ完全に回復すると）、ブロック２３５が呼び出され、本発明の動的復旧型サポートシステムが遮断されてもよい。

図３は、本発明の例示的実施形態による電圧低下後の墓前電圧回復の時間プロットのグラフ表示である。図３に示されるように、母線電圧の電圧低下は約１．００秒で発生する。（円で示される）最も下にある線３００は、母線電圧を「ブースト」するために動的補償がなされない場合に電力伝送システムの電圧を示す。（「ｘ」マークで示される）最も上にある線３０２は、分路コンデンサおよび本発明の動的復旧型サポートシステムのＭＯＶを使用した結果の電力伝送システムの電圧回復を示している。

図４は、本発明の例示的実施形態による動的復旧型サポートシステム４００の例示的一実施形態の詳細な概略図である。図１に示された実施形態を参照して前述した機能性および動作は図４の実施形態にも該当する。

図５は、本発明の例示的実施形態による図４に示された動的復旧型サポートシステム５００の例示的実施形態の底面図である。本発明の実施形態を実装する動的復旧型サポートシステム４００および５００に示されたデバイスは、比較的小さい底面積を有しており、従来のサポートシステムよりも大幅に小さい設置面積を有している。その上、本発明の例示的実施形態では、従来のＳＶＣ用途で適用されるような水冷は必要ない。さらに、定常状態の調波電圧または調波フィルタの使用を必要とする電流問題がなく、かつ本発明の実施形態には従来のサポートシステムと比較してノイズの問題がない。

本明細書に記載の発明から、上述の詳細な説明および添付図面に基づく教示内容から得られる利点を有する、様々な改変および実施形態が当業者には想起可能であろう。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に限らず、添付の特許請求の範囲の範疇にあるその他の実施形態も包含するものと理解されたい。本明細書の用語は、限定目的で用いられておらず、包括的な意味かつ説明目的でのみ用いられている。

１００ 動的復旧型サポートシステム
１０５ 電力伝送システム
１１０ 主回路ブレーカ
１１５ 回路ブレーカ
１２０ 分路コンデンサ
１２５ 金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）
１３０ コントローラ
２００ 図２記載のプロセス
２０５ ブロック
２１０ ブロック
２１５ ブロック
２２０ ブロック
２２５ ブロック
２３０ ブロック
２３５ ブロック
３００ 最も下にある線
３０２ 最も上にある線
４００ 図４に記載の動的復旧型サポートシステム
５００ 図５に記載の動的復旧型サポートシステム

Claims (10)

1. 伝送システムに補足的な無効電力を供給するシステムであって、
   少なくとも１つの分路コンデンサ（１２０）と、少なくとも１つの金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（１２５）とを並列に接続して含む分路コンデンサのバンクを接続する少なくとも１つの回路ブレーカ（１１５）と、
   電力伝送システム（１０５）の電圧低下を検出し、
   前記電圧低下に応答して、前記少なくとも１つの回路ブレーカ（１１５）を閉じ、前記少なくとも１つの回路ブレーカ（１１５）を閉じることによって前記少なくとも１つの分路コンデンサ（１２０）を前記電力伝送システム（１０５）に接続し、
   前記少なくとも１つのＭＯＶ（１２５）内の電流を検出し、かつ、
   前記少なくとも１つのＭＯＶ（１２５）内の電流を検出すると、前記少なくとも１つの分路コンデンサ（１２０）を前記電力伝送システム（１０５）から遮断するように構成されたコントローラ（１３０）と、を備えるシステム。
2. 主回路ブレーカ（１１０）をさらに備え、前記主回路ブレーカ（１１０）は少なくとも１つの分路コンデンサ（１２０）を前記電力伝送システムと少なくとも１つのＭＯＶ（１２５）とを接続する前記少なくとも１つの回路ブレーカ（１１５）を前記電力伝送システム（１０５）に接続する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記少なくとも１つのＭＯＶ（１２５）が酸化亜鉛バリスタである、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記少なくとも１つの分路コンデンサ（１２０）を前記電力伝送システム（１０５）から遮断することは、前記少なくとも１つのＭＯＶ（１２５）を介して前記少なくとも１つの分路コンデンサ（１２０）を接続する前記少なくとも１つの回路ブレーカ（１１５）を開とすることを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記少なくとも１つの回路ブレーカ（１１５）を開とすることは２つ以上の回路ブレーカ（１１５）を同時に開とすることを含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの回路ブレーカ（１１５）を開とすることが第１グループの回路ブレーカ（１１５）と第２グループの回路ブレーカ（１１５）とを開とすることを含み、前記第１グループの回路ブレーカ（１１５）は前記第２グループの回路ブレーカ（１１５）とは別のタイミングで開とされる、請求項４に記載のシステム。
7. 電力伝送システム（１０５）に補足的な無効電力を供給する方法であって、
   電力伝送システム（１０５）の電圧低下を検出するステップと、
   前記電圧低下の検出に応答して、複数の分路コンデンサ（１２０）を前記電力伝送システム（１０５）に接続し、前記複数の分路コンデンサ（１２０）の第１の部分が前記電力伝送システム（１０５）に直接接続され、前記複数の分路コンデンサ（１２０）の第２の部分が各々、並列に接続された金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（１２５）と共に前記電力伝送システム（１０５）に接続されるステップと、
   前記ＭＯＶ（１２５）内の少なくとも１つの電流を検出するステップと、
   前記少なくとも１つのＭＯＶ（１２５）内での電流を検出すると、前記分路コンデンサ（１２０）の少なくとも前記第２の部分を前記電力伝送システム（１０５）から遮断するステップと、を含む方法。
8. 前記複数の分路コンデンサ（１２０）の前記第２の部分を前記電力伝送システム（１０５）から遮断した後、前記複数の分路コンデンサ（１２０）の前記第１の部分を前記電力伝送システム（１０５）から遮断するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つのＭＯＶ（１２５）内の電流を検出した後、前記電力伝送システム（１０５）の電圧レベルが回復したことを判定するステップと、
   前記電力伝送システム（１０５）の電圧レベルが回復したことの判定に応答して、前記複数の分路コンデンサ（１２０）を前記電力伝送システム（１０５）から遮断するステップと、をさらに含む、請求項７又は８に記載の方法。
10. 電力伝送システム（１０５）に補足的な無効電力を供給する方法であって、
    電力伝送システム（１０５）の電圧低下を検出するステップと、
    前記電圧低下の検出に応答して、複数の分路コンデンサ（１２０）を前記電力伝送システム（１０５）に接続し、前記複数の分路コンデンサ（１２０）の各々が金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）（１２５）に並列に接続されるステップと、
    前記ＭＯＶ（１２５）内の少なくとも１つの電流を検出するステップと、
    前記少なくとも１つのＭＯＶ（１２５）内での電流を検出すると、前記複数の分路コンデンサ（１２０）を前記電力伝送システム（１０５）から遮断するステップと、を含む方法。

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