WO2014162949A1 - 限流・潮流制御装置 - Google Patents

Abstract

　この発明に従った限流・潮流制御装置（１０）は、超電導体を含む超電導限流素子（８）と、直列コンデンサ（１）と、並列回路とを備える。直列コンデンサ（１）は超電導限流素子（８）と直列に接続されている。並列回路は、超電導限流素子（８）と直列コンデンサ（１）とを含む直列回路に並列に接続されたリアクトル（２）を含む。このようにすれば、事故発生時の過電流によって超電導限流素子（８）の超電導体が常電導状態へ移行することにより、超電導限流素子（８）が自律的に限流動作を行なう。そのため、上記事故に起因して直列コンデンサ（１）の端子間に過大な負荷（過大な電圧）が加えられることを確実に防止できる。したがって、従来の装置のように直列コンデンサ（１）の保護のためのアレスタを設置する必要が無く、限流・潮流制御装置（１０）の構成を簡略化できる。

Description

限流・潮流制御装置

　この発明は、限流・潮流制御装置に関し、より特定的には超電導体を利用した限流・潮流制御装置に関する。

　従来、電力系統に設置されるＬＣ並列型の潮流制御装置が知られている。このような潮流制御装置の運用においては、コンデンサの挿入効果によってインピーダンスが補償された系統の短絡容量が増加する場合がある。このように短絡容量が大きい系統へ潮流制御装置を適用する場合、潮流制御に加えて短絡故障時の限流機能も当該装置に付与し、短絡電流対策を行なうことが望ましい。このような装置の１つとして、サイリスタ制御直列コンデンサ（ＴＣＳＣ）に、限流リアクトルを直列に接続して限流機能を付与した装置（限流・潮流制御装置）が提案されている（たとえば、山崎雄二　他４名、「サイリスタ制御直列コンデンサ応用限流器の開発」、電気学会論文誌Ｂ、一般社団法人電気学会、平成１３年、１２１第４巻、p.　514-519（非特許文献１）参照）。

山崎雄二　他４名、「サイリスタ制御直列コンデンサ応用限流器の開発」、電気学会論文誌Ｂ、一般社団法人電気学会、平成１３年、１２１第４巻、p.　514-519

　しかし、上述した従来の限流・潮流制御装置では、限流動作を行なうときに、事故電流を制御回路で検出する場合の時間遅れに起因して、サイリスタスイッチがフル導通するまでに遅れが発生する。このため、ＴＣＳＣのコンデンサを保護するためにアレスタなどの保護装置を設置する必要があった。このようなアレスタの設置は限流・潮流制御装置の装置構成を複雑化し、コストの増大要因となる。さらに、アレスタの復帰にはある程度の時間が必要であるため、その時間についてはＴＣＳＣをバイパスする必要があり、装置を設置した送電線の送電電力を制限するといった制約が発生するケースが考えられる。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、装置構成が複雑化することなく、制御上の制約の少ない限流・潮流制御装置を提供することである。

　この発明に従った限流・潮流制御装置は、超電導体を利用した限流・潮流制御装置であって、超電導体を含む超電導限流素子と、コンデンサと、並列回路とを備える。コンデンサは超電導限流素子と直列に接続されている。並列回路は、超電導限流素子とコンデンサとを含む直列回路に並列に接続されたリアクトルを含む。

　このようにすれば、事故発生時の過電流（短絡電流）によって超電導限流素子の超電導体が常電導状態へ移行することにより、超電導限流素子が自律的に限流動作を行なう。そのため、上記事故に起因してコンデンサの端子間に過大な負荷（過大な電圧）が加えられることを確実に防止できる。したがって、従来の装置のようにコンデンサ保護のためのアレスタを設置する必要が無く、限流・潮流制御装置の構成を簡略化できる。さらに、従来の装置のようにアレスタを用いていないため、当該アレスタの復帰時間に起因する制御上の制約はない。また、超電導限流素子は過電流によって自律的に常電導状態へと移行するため、確実な限流動作を行なうことができる。

　本発明によれば、装置構成が複雑化することなく、制御上の制約の少ない限流・潮流制御装置を提供できる。

本発明に従った限流・潮流制御装置の実施の形態１を説明するための回路図である。 本発明に従った限流・潮流制御装置の実施の形態２を説明するための回路図である。 検討したモデル系統を示す模式図である。 本発明の実施例に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の実施例に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の実施例に関するシミュレーション結果を示すグラフである。

　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

　（実施の形態１）
　図１を参照して、本発明による限流・潮流制御装置を説明する。本発明による限流・潮流制御装置１０は、直列コンデンサ１と、超電導限流素子８と、リアクトル２、１１と、バイパススイッチ３と、サイリスタスイッチ４と、制御回路５とを備える。超電導限流素子８は直列コンデンサ１と接続されている。直列コンデンサ１と超電導限流素子８とからなる直列回路と並列に接続されるように、サイリスタスイッチ４およびリアクトル２を含む並列回路が形成されている。この並列回路は、超電導限流素子８と直列コンデンサ１とからなる上記直列回路と、接続ポイント２１、２２において接続されている。並列回路においては、リアクトル２と直列にサイリスタスイッチ４が接続されている。サイリスタスイッチ４には制御回路５が接続されている。上記直列回路と並列に接続されるように、バイパススイッチ３およびリアクトル１１を含む他の並列回路が形成されている。当該他の並列回路は、超電導限流素子８と直列コンデンサ１とからなる上記直列回路と、接続ポイント２１、２２において接続されている。当該他の並列回路においては、リアクトル１１と直列にバイパススイッチ３が接続されている。バイパススイッチ３は、装置の点検時に超電導限流素子８などをバイパスするために設けられている。

　次に、図１に示した限流・潮流制御装置１０の動作について説明する。通常運転時では、超電導限流素子８に含まれる超電導体は超電導状態に維持される。そのため、直列コンデンサ１、リアクトル２およびサイリスタスイッチ４によりＴＣＳＣが構成される。当該ＴＣＳＣでは、制御角を変更することによってそのインピーダンス特性を容量性から誘導性にまでほぼ連続的に変更できる。したがって、当該ＴＣＳＣのインピーダンス特性を調整することにより、限流・潮流制御装置１０が接続された電力系統の潮流を制御することができる。

　一方、限流・潮流制御装置１０が接続された電力系統において事故（たとえば短絡事故）が発生した場合、当該事故に起因する過電流によって超電導限流素子８が常電導状態へ移行する。この結果、超電導限流素子８が自律的に限流動作を行なう。そして、サイリスタスイッチ４を導通させることで、超電導限流素子８に流れる電流をリアクトル２を含む並列回路に流すことができる。この結果、リアクトル２が限流リアクトルとして機能するとともに、超電導限流素子８を確実に超電導状態へと復帰させることができる。また、直列コンデンサ１の保護のための別途保護装置（たとえばアレスタ）を設置する必要が無いため、限流・潮流制御装置１０の構成を簡略化できるとともにアレスタなどに起因する制御上の制約を無くすことができる。

　図１に示した限流・潮流制御装置１０によれば、限流・潮流制御装置１０が設置された電力系統における事故などにより限流・潮流制御装置１０に過大な電流が流れた場合に、超電導限流素子８がクエンチすることによって迅速かつ自律的に限流動作するので、直列コンデンサ１の端子間に過電圧が印加されることを確実に抑制することができる。また、上述のような限流動作の後は、サイリスタスイッチ４を含む並列回路によって電流が超電導限流素子８をバイパスして流れることになるので、リアクトル２でのインピーダンス（限流インピーダンス）により過電流を限流するとともに、超電導限流素子８において発生する処理熱エネルギーを小さくすることができる。この結果、超電導限流素子８の高速復帰が可能となる。

　（実施の形態２）
　図２を参照して、本発明による限流・潮流制御装置の実施の形態２を説明する。

　図２を参照して、限流・潮流制御装置１０は基本的には図１に示した限流・潮流制御装置１０と同様の構造を備えるが、並列回路の構成が図１に示した限流・潮流制御装置１０とは異なっている。すなわち、図２に示した限流・潮流制御装置１０においては、並列回路にサイリスタスイッチ４が配置されておらず、当該並列回路にはリアクトル２およびタップ付きリアクトル９が直列に接続されている。タップ付きリアクトル９には制御回路５が接続されている。このような構造の限流・潮流制御装置１０によっても、図１に示した限流・潮流制御装置１０と同様に、直列コンデンサ１の端子間過電圧を抑制するとともに、限流・潮流制御装置１０の構成を簡略化してアレスタなどに起因する制御上の制約を無くすことができる。

　なお、図２に示した構成の限流・潮流制御装置１０では、図１に示したサイリスタスイッチ４を用いた場合に比べて、同じ潮流制御に必要となる並列回路のリアクトルのインダクタンスは大きくなるため、図１に示した装置構成より故障電流を抑制する効果が得られる。ただし、図２に示した構成のタップ付きリアクトル９においては、図１に示したサイリスタスイッチ４に比べてインダクタンス（Ｌ）の変化速度が遅いため、特に故障除去後の１回線送電時における電圧の維持や安定性に問題が無く、タップ付きリアクトル９のタップ操作時間中の送電線リアクタンス補償度の低下がある程度許容されるような場合に、図２に示した構成の限流・潮流制御装置１０を適用することが考えられる。

　以下、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。

　この発明に従った限流・潮流制御装置１０は、超電導体を利用した限流・潮流制御装置１０であって、超電導体を含む超電導限流素子８と、コンデンサ（直列コンデンサ１）と、並列回路とを備える。直列コンデンサ１は超電導限流素子８と直列に接続されている。並列回路は、超電導限流素子８と直列コンデンサ１とを含む直列回路に並列に接続されたリアクトル２を含む。

　このようにすれば、事故発生時の過電流（短絡電流）によって超電導限流素子８の超電導体が常電導状態へ移行することにより、超電導限流素子８が自律的に限流動作を行なう。そのため、上記事故に起因して直列コンデンサ１の端子間に過大な負荷（過大な電圧）が加えられることを確実に防止できる。したがって、従来の装置のように直列コンデンサ１の保護のためのアレスタを設置する必要が無く、限流・潮流制御装置１０の構成を簡略化できる。さらに、従来の装置のようにアレスタを用いていないため、当該アレスタの復帰時間に起因する制御上の制約はない。また、超電導限流素子８は過電流によって自律的に常電導状態へと移行するため、確実な限流動作を行なうことができる。

　上記限流・潮流制御装置１０において、並列回路に含まれるリアクトル２は限流リアクトルとしても機能する。この場合、事故発生時の過電流によって超電導限流素子８が限流動作を行なうことで、超電導限流素子８と直列コンデンサ１とを含む直列回路と並列に接続された並列回路へ電流が流れたときに、当該並列回路のリアクトル２によって限流動作を行なうことができる。

　上記限流・潮流制御装置１０において、並列回路は、リアクトル２と直列に接続されたサイリスタスイッチ４を含んでいてもよい。この場合、事故発生の直後では超電導限流素子８の自律的な動作によって直列コンデンサ１への負荷の印加を防止するとともに、サイリスタスイッチ４を動作させる（フル導通させる）ことによって超電導限流素子８に流れる電流を確実に並列回路へと流すことができる。この結果、超電導限流素子８に流れる事故電流を少なくでき、超電導限流素子８を早期かつ確実に復帰させることができる。

　上記限流・潮流制御装置１０において、並列回路は、リアクトル２と直列に接続されたタップ付きリアクトル９を含んでいてもよい。この場合、上述のようなサイリスタスイッチ４を用いる場合より並列回路におけるインダクタンスが大きくなるため、サイリスタスイッチ４を用いた場合より故障電流をより抑制できる。

　（実験例）
　以下、本発明の効果を確認するためシミュレーションを行なった。

　＜シミュレーション条件＞
　（１）　シミュレーションに用いたモデル系統について
　図３を参照して、シミュレーションにおいて検討したモデル系統は、電源１４から変圧器１５を介して送電している系統であり、変圧器１５の２次母線に新しく電源１３が設置されたケースを想定している。変圧器２次母線１２の定格電圧は７７ｋＶとした。変圧器１５は、定格容量２５０ＭＶＡの３台運用を想定した。変圧器１５の短絡インピーダンスは２２％（自己容量ベース）と想定した。

　新設の電源１３の条件としては、容量が３００ＭＶＡという条件を想定した。また、新設される電源１３の過渡リアクタンスＸｄ’は２０％（自己容量ベース）と想定した。

　限流・潮流制御装置１０は、母線１２から送電線１６へと繋がる線路の送電端に設置される。つまり、限流・潮流制御装置１０を介して母線１２と２回線の送電線１６が接続されている。

　送電線１６の両端には遮断器１８が設置されている。各送電線１６のリアクタンスはインピーダンスＬ＝１ｍＨ／ｋｍとし、Ｒ成分およびＣ成分は無視した。さらに各送電線１６の長さは５０ｋｍ、適用周波数を６０Ｈｚとした。

　図３に示したモデル系統は、後述するように限流・潮流制御装置１０を設置しなければ短絡電流が遮断器の定格遮断電流３１．５ｋＡを超過するケースとした。系統の背後インピーダンスを変圧器１５の短絡インピーダンスから２９．３３％＠１０００ＭＶＡ、新設の電源１３の過渡リアクタンスを６６．７％＠１０００ＭＶＡとすると、新設の電源１３と背後系統との合成インピーダンスは２０．４％＠１０００ＭＶＡとなる。この系統における母線１２至近端３相短絡時の短絡電流Ｉｓは３６．８ｋＡとなる。

　また、モデル系統については、限流動作の検証のため、検討が比較的容易な放射状系統とした。

　また、限流・潮流制御装置１０の構成は図１に示した限流・潮流制御装置１０と同様とした。以下のシミュレーションにおいては、限流動作の検証を容易にするため、図３に示すように限流・潮流制御装置１０により２回線一括補償を行なう条件でシミュレーションを行なった。

　（２）　負荷および送電線潮流について
　送電線１６の送電容量については、７７ｋＶ用の送電線として適用される送電線のうち比較的容量の大きい送電線を想定し、熱的な条件で決まる１回線の常時容量は１７０ＭＷとした。

　本シミュレーションでは、放射状系統で負荷を切り替えられないケースを想定する。この場合、１回線故障時には健全回線側に全電流が流れることになる。したがって、最大送電容量は２回線で１７０ＭＷとなる。

　一方、送電線の安定度として相差角１５°を想定すると、安定度上の送電電力は８０ＭＷ以下（１回線あたり）が目安となる。したがって、１回線送電時でも、線路リアクタンスＸ１（５０ｋｍ）を５０％補償すれば、１６０ＭＷの送電が可能である。

　上述した検討に基づき、シミュレーションに用いる系統については送電線１６のＸ１（５０ｋｍ）を５０％（２５ｋｍ相当）補償することで送電容量を増加し、７７ｋＶ送電線２回線の送電電力を１６０ＭＷとする、という条件とした。

　（３）　限流・潮流制御装置の条件について
　限流・潮流制御装置１０の直列コンデンサ１の容量性リアクタンスＸｃ、およびリアクトル２の誘導性リアクタンスＸＬについて、以下のように検討した。

　まず、定常時のリアクタンスは、線路リアクタンスの５０％補償とした。２回線状態では、線路リアクタンスＸ１＝ω×１ｍＨ×５０ｋｍ／２回線＝９．４２Ωであり、７７ｋＶ、１０００ＭＶＡベースではＸ１＝１．５９ｐｕである。よって、５０％補償時の限流・潮流制御装置１０のリアクタンスＸ_ＦＣＬは－ｊ０．８ｐｕとなる。さらに、故障除去後の１回線送電時には、Ｘ_ＦＣＬ＝－ｊ１．６ｐｕとして１回線の送電線リアクタンスＸ（＝３．１８ｐｕ）の５０％補償とする。

　また、直列コンデンサ１およびリアクトル２に流れる定常電流について、ＬＣ並列型の場合、線路電流に対して限流・潮流制御装置１０の直列コンデンサ１およびリアクトル２に流れる電流が増加し、装置コストの増加要因となる。そこで、２回線送電時での直列コンデンサ１およびリアクトル２に流れる常時電流を、線路電流の２倍以下にすることとした。

　よって、２回線送電時は容量性リアクタンスＸｃ＝－ｊ０．４ｐｕ、誘導性リアクタンスＸＬ＝ｊ０．８ｐｕとし、１回線送電時はＸＬ＝ｊ０．５３ｐｕに調整することとした。

　図１に示した限流・潮流制御装置１０では、この条件は，固定のリアクタンス（Ｘ）はｊ０．２ｐｕとし，電圧ピークからの角度をβとした場合に３０°≦点弧角β≦４０°の範囲で使用することで実現する事とした。また、この場合、サイリスタスイッチ４をフル導通した時のＸＬは、固定のリアクタンス（Ｘ）ｊ０．２ｐｕである。

　次に、短絡電流抑制に必要なリアクトル２の誘導性リアクタンスＸＬについて検討した。上記のようなモデル系統において、図３の事故点１７にて３相短絡が発生することにより電流値が最大となったときの故障電流を３０ｋＡ以下に抑制することを検討した。このような条件を満足する限流・潮流制御装置１０の特性は、以下のように決定した。具体的には、実施例である限流・潮流制御装置１０の限流リアクトルとして機能するリアクトル２の誘導性リアクタンス（ＸＬ）と、上述の電源１３と背後系統との合成インピーダンス２０．４％＠１０００ＭＶＡから故障電流Ｉｓ＝１／（ＸＬ＋０．２０４）×１００００００ｋＶＡ／（√３×７７ｋＶ）≦３０ｋＡとなる条件はＸＬ≧０．０４６ｐｕとなる。したがって、リアクトル２の誘導性リアクタンスＸＬは０．０４６ｐｕ以上となる。

　サイリスタスイッチ４をフル導通した時の誘導性リアクタンスＸＬ＝固定のリアクタンスＸ＝ｊ０．２ｐｕは、０．０４６ｐｕ以上という条件を満足する。つまり、サイリスタスイッチ４をフル導通したときの限流効果は十分であることがわかる。

　また、図１に示した限流・潮流制御装置１０における超電導限流素子８の解析用モデルとしては、電気学会技術報告第１０８８号の４．３．１（ＳＮ転位型超電導限流器のＥＭＴＰ解析簡易モデル）を用いた。また、故障除去後の限流抵抗は、故障除去から２００ｍｓまでの間で直線的に減少するように設定した。そして、金属系ＮｂＴi線材からなる６．６ｋＶ１．５ｋＡ級クエンチ型限流器用超電導コイルによる抵抗発生波形（発生した抵抗値の時間変化）を参考にして、超電導限流素子８の動作時間Ｔ_opは１ｍｓとした。

　また、限流・潮流制御装置１０における超電導限流素子８の動作開始電流は４８００Ａｒｍｓ（６．７ｋＡｐ）とした。この値は、超電導限流素子に流れる定常電流（２４００Ａ）の２倍となる値である。また、超電導限流素子８の常電導状態における限流抵抗は８Ωとした。

　（４）　シミュレーションで想定した条件
　想定した故障種別としては、図３に示した事故点１７において３相短絡（３ＬＳ）が発生したと想定した（電源側母線至近端３ＬＳ）。故障シーケンスとしては、時刻Ｔ＝０．３秒において３相短絡が発生し、時刻Ｔ＝０．４秒において遮断器１８が動作し（ＣＢ両端開放）、故障回線が遮断される。そして、時刻Ｔ＝０．６秒において、限流器（超電導限流素子８）が定常状態へ復帰するとした。

　＜結果＞
　図４～６に、本発明による限流・潮流制御装置１０を適用した場合のシミュレーションの結果を示す。図４～６において、各グラフの横軸は時間であり、図４のグラフの縦軸は故障電流（限流・潮流制御装置通過電流）を表わしている。なお、故障電流の単位はｋＡである。また、図５の縦軸は限流・潮流制御装置１０の直列コンデンサにおけるコンデンサ端子間電圧であり、その単位はｋＶである。また、図６の縦軸は限流抵抗を示しており、その単位はΩである。図４から分かるように、本発明の実施例においては、直流分を除いた短絡電流の交流成分は３０ｋＡｒｍｓ（＝４２．４ｋＡｐ以下に抑制されており、適切に限流されている。なお、図４～図６では、限流・潮流制御装置の通過電流における３相のそれぞれの成分をグラフＡ、グラフＢ、グラフＣとして示している。

　また、図５から分かるように、故障時における限流・潮流制御装置１０での直列コンデンサ１のコンデンサ端子間電圧の大きさは、限流器の若干の動作遅れなどの影響のため、故障直後の半波において３．２ｐｕ程度の過電圧が発生しているが、それ以降は定常電圧と同程度に抑制されている。

　このように、限流・潮流制御装置１０において自律的かつ高速な限流効果を示す超電導限流素子８を適用することで、直列コンデンサ１を過剰な端子間電圧から保護するためのアレスタを設置する必要が無く、また故障時に直列コンデンサ１をバイパスするためのバイパススイッチ動作が不要となる。

　なお、上述したシミュレーションにおいて、図１に示した構成の限流・潮流制御装置１０を用いた場合を検討したが、図２に示すようなタップ付きリアクトル９を備える限流・潮流制御装置１０を用いても、同様の効果を得ることができる。具体的には、図２に示した限流・潮流制御装置１０の直列コンデンサ１の容量性リアクタンスＸｃ、リアクトル２の誘導性リアクタンスＸＬ１、タップ付きリアクトル９の誘導性リアクタンスＸＬ２について、容量性リアクタンスＸｃ＝－ｊ０．４ｐｕ、誘導性リアクタンスＸＬ１＝ｊ０．５３ｐｕ、誘導性リアクタンスＸＬ２＝０～ｊ０．２７ｐｕとした。なお、２回線定常時の誘導性リアクタンスＸＬ２＝ｊ０．２７ｐｕとした。このときも、ＸＬ＝ｊ０．８ｐｕであり、０．０４６ｐｕ以上という条件を満足する。このような条件を用いてシミュレーションを行なっても、図１に示した構成の限流・潮流制御装置１０を用いた場合と同様の効果を得られた。

　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　この発明は、超電導限流素子を含む限流・潮流制御装置に特に有利に適用される。

　１　直列コンデンサ、２，１１　リアクトル、３　バイパススイッチ、４　サイリスタスイッチ、５　制御回路、６　限流リアクトル、８　超電導限流素子、９　タップ付きリアクトル、１０，１００　限流・潮流制御装置、１２　変電所母線、１６　送電線、１３
　新設電源、１４　電源、１５　変圧器、１７　事故点、１８　遮断器、２１，２２　接続ポイント。

Claims (4)

1. 　超電導体を利用した限流・潮流制御装置であって、
   　前記超電導体を含む超電導限流素子と、
   　前記超電導限流素子と直列に接続されたコンデンサと、
   　前記超電導限流素子と前記コンデンサとを含む直列回路に並列に接続されたリアクトルを含む並列回路とを備える、限流・潮流制御装置。
2. 　前記並列回路に含まれる前記リアクトルは限流リアクトルとして機能する、請求項１に記載の限流・潮流制御装置。
3. 　前記並列回路は、前記リアクトルと直列に接続されたサイリスタスイッチを含む、請求項１または２に記載の限流・潮流制御装置。
4. 　前記並列回路は、前記リアクトルと直列に接続されたタップ付きリアクトルを含む、請求項１または２に記載の限流・潮流制御装置。

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