特許 7340707 電力グリッド用の電力サポート装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-30

(45)【発行日】2023-09-07

(54)【発明の名称】電力グリッド用の電力サポート装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/30 20060101AFI20230831BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20230831BHJP

   H02J 3/18 20060101ALI20230831BHJP

【ＦＩ】

H02J3/30

H02M7/48 R

H02J3/18 185

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2022559396

(86)(22)【出願日】2020-04-02

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-03-10

(86)【国際出願番号】 EP2020059432

(87)【国際公開番号】W WO2021197607

(87)【国際公開日】2021-10-07

【審査請求日】2022-11-01

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】519431812

【氏名又は名称】ヒタチ・エナジー・スウィツァーランド・アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＨＩＴＡＣＨＩ ＥＮＥＲＧＹ ＳＷＩＴＺＥＲＬＡＮＤ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】モン，ローシュエン

(72)【発明者】

【氏名】ヘスラー，ジャン－フィリップ

(72)【発明者】

【氏名】インニェストレーム，グンナル

(72)【発明者】

【氏名】ケイル，ジャン

(72)【発明者】

【氏名】ウー，トン

(72)【発明者】

【氏名】スン，セオドア

【審査官】高野 誠治

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１２４０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０７２８４３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０２４６３９７８（ＥＰ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０２２８０１６６（ＥＰ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／０９３９４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００７／０１２１３５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２１４８２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２９２８５２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１０／０７７１４５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ３／００ － ５／００

Ｈ０２Ｍ ７／４２ － ７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力グリッド（２４）用の電力サポート装置（１０）であって、前記電力サポート装置（１０）は、
各々が各自のＡＣ側および各自のＤＣ側を有する第１、第２、第３および第４の電圧源コンバータ（１４、１８、３０、３２）と、
前記第１、第２、第３および第４の電圧源コンバータ（１４、１８、３０、３２）の前記ＤＣ側を相互接続するためのＤＣリンク（１６）と、
各々が複数の設定可能な位置を有する第１および第２のスイッチング装置（２０、３４）と、
第１の同期マシン（１２）と、
第２の同期マシン（２８）とを含み、
前記第２の電圧源コンバータ（１８）の前記ＡＣ側を前記電力グリッド（２４）に接続し、前記第１のスイッチング装置（２０）を前記第１の同期マシン（１２）、前記第１の電圧源コンバータ（１４）の前記ＡＣ側および前記電力グリッド（２４）に接続することによって、前記第１の電圧源コンバータ（１４）をマシン側コンバータに構成し、前記第２の電圧源コンバータ（１８）をグリッド側コンバータに構成し、
前記第４の電圧源コンバータ（３２）の前記ＡＣ側を前記電力グリッド（２４）に接続し、前記第２のスイッチング装置（３４）を前記第２の同期マシン（２８）、前記第３の電圧源コンバータ（３０）の前記ＡＣ側および前記電力グリッド（２４）に接続することによって、前記第３の電圧源コンバータ（３０）をマシン側コンバータに構成し、第４の電圧源コンバータ（３２）をグリッド側コンバータに構成し、
前記第１のスイッチング装置（２０）は、前記第１の同期マシン（１２）を前記電力グリッド（２４）にまたは前記第１の電圧源コンバータ（１４）の前記ＡＣ側に選択的に接続するように動作可能であり、前記第１の同期マシン（１２）は、前記第１のスイッチング装置（２０）の第１の設定可能な位置では前記電力グリッド（２４）に接続され、前記第１のスイッチング装置（２０）の第２の設定可能な位置では前記第１の電圧源コンバータ（１４）の前記ＡＣ側に接続され、
前記第２のスイッチング装置（３４）は、前記第２の同期マシン（２８）を前記電力グリッド（２４）にまたは前記第３の電圧源コンバータ（３０）の前記ＡＣ側に選択的に接続するように動作可能であり、前記第２の同期マシン（２８）は、前記第２のスイッチング装置（３４）の第１の設定可能な位置では前記電力グリッド（２４）に接続され、前記第２のスイッチング装置（３４）の第２の設定可能な位置では前記第３の電圧源コンバータ（３０）の前記ＡＣ側に接続される、電力サポート装置（１０）。

【請求項2】

前記第１のスイッチング装置（２０）が前記第２の設定可能な位置に設定されているときに、前記電力サポート装置（１０）は、無効電力および慣性サポートを前記電力グリッド（２４）に提供するように構成され、慣性は、前記第１および前記第２の電圧源コンバータ（１４、１８）並びに前記ＤＣリンク（１６）を介して前記第１の同期マシン（１２）から送達される、請求項１に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項3】

前記第１のスイッチング装置（２０）が前記第１の設定可能な位置に設定されているときに、前記第１の同期マシン（１２）は、無効電力サポートを提供する前記第２の電圧源コンバータ（１８）と並行して、無効電力および慣性を前記電力グリッド（２４）に提供するように構成される、請求項１または２に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項4】

前記第１の電圧源コンバータ（１４）は、前記第２の電圧源コンバータ（１８）と並行して、前記第１の同期マシン（１２）からの前記慣性および無効電力と共に無効電力サポートを前記電力グリッド（２４）に提供するように構成される、請求項３に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項5】

前記第２のスイッチング装置（３４）が前記第２の設定可能な位置に設定されているときに、前記電力サポート装置（１０）は、無効電力および慣性サポートを前記電力グリッド（２４）に提供するように構成され、慣性は、前記第３および第４の電圧源コンバータ（３０、３２）並びに前記ＤＣリンク（１６）を介して前記第２の同期マシン（２８）から送達される、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項6】

前記第２のスイッチング装置（３４）が前記第１の設定可能な位置に設定されているときに、前記第２の同期マシン（２８）は、無効電力サポートを提供する前記第４の電圧源コンバータ（３２）と並行して、慣性および無効電力を前記電力グリッド（２４）に提供するように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項7】

前記第３の電圧源コンバータ（３４）は、前記第２の電圧源コンバータ（１８）と並行して、前記第２の同期マシンからの前記慣性および無効電力と共に無効電力サポートを前記電力グリッド（２４）に提供するように構成される、請求項６に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項8】

前記第２のスイッチング装置（２８）の前記第１および前記第２の設定可能な位置は、前記第１のスイッチング装置（２０）と同様に設定される、請求項１から７のいずれか一項に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項9】

前記第２のスイッチング装置（３４）の前記第１および前記第２の設定可能な位置は、前記第１のスイッチング装置（２０）の前記第１および前記第２の設定可能な位置と逆に設定される、請求項１から８のいずれか一項に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項10】

前記電力グリッド（２４）をサポートする有効電力を供給するまたは受け取るためのさらなるコンバータ（４０）を介して前記ＤＣリンク（１６）に接続されたエネルギー貯蔵システム（３８）をさらに含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項11】

各グリッド側電圧源コンバータ（１８、３２）を前記電力グリッドに接続するための第１のトランス（ＴＲＡ）をさらに含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項12】

前記第１のトランス（ＴＲＡ）は、単巻線トランスである、請求項１１に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項13】

各同期マシン（１２、２８）および各グリッド側コンバータ（１４、３０）を前記電力グリッド（２４）に接続するための第２のトランス（ＴＲＢ）をさらに含む、請求項１１または１２に記載の電力サポート装置（１０）。

【請求項14】

前記第２のトランス（ＴＲＢ）は、各同期マシン（１２、２８）につながる第１のバスに接続される第１グループの巻線と、各グリッド側コンバータ（１４、３０）につながる第２のバスに接続される第２グループの巻線と、前記電力グリッド（２４）に接続される第３グループの巻線とを含む３巻線トランスである、請求項１３に記載の電力サポート装置（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の分野
本発明は、一般的に、電力グリッドのサポートに関する。より詳しくは、本発明は、電力グリッド用の電力サポート装置に関する。

【背景技術】

【0002】

背景
同期マシンは、慣性を有する電力グリッドをサポートするために使用されることが知られている。

【0003】

通常、そのようなサポートを実現するための方法は、トランスを介して、同期マシンを電力グリッドに直接に接続することである。

【0004】

また、スイッチング装置および電力コンバータを介して同期マシンを電力グリッドに接続することも知られている。この場合、スイッチング装置は、同期マシンをコンバータに接続するかまたはコンバータを完全にバイパスする。従って、同期マシンを直接にまたはコンバータを介して電力グリッドに接続することができる。例えば、ＷＯ２０１８／０７２８４３は、このような接続の一例を開示しており、バイパスの場合、電力コンバータが全く使用されない。

【0005】

しかしながら、例えば、周波数の安定性および短絡レベルの向上のために、異なる方法で電力グリッドをサポートする必要がある可能性がある。また、電力グリッドをサポートするために使用されるグリッドサポート装置の数をしばしば制限する必要がある。さらに、サポート装置を電力グリッドに接続する柔軟性を高める必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

発明の概要
本発明は、電力サポート装置を電力グリッドに接続することを可能にする柔軟性を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様によれば、この目的は、電力グリッド用の電力サポート装置によって達成される。この電力サポート装置は、
ＡＣ側およびＤＣ側を有する第１の電圧源コンバータと、
ＡＣ側およびＤＣ側を有する第２の電圧源コンバータと、
第１および第２の電圧源コンバータのＤＣ側を相互接続するためのＤＣリンクと、
複数の設定可能な位置を有する第１のスイッチング装置と、
第１の同期マシンとを含み、
第２の電圧源コンバータのＡＣ側を電力グリッドに接続し、第１のスイッチング装置を第１の同期マシン、第１の電圧源コンバータのＡＣ側および電力グリッドに接続することによって、第１の電圧源コンバータをマシン側コンバータに構成し、第２の電圧源コンバータをグリッド側コンバータに構成し、第１のスイッチング装置は、第１の同期マシンを電力グリッドにまたは第１の電圧源コンバータのＡＣ側に選択的に接続するように動作可能であり、第１の同期マシンは、第１のスイッチング装置の第１の設定可能な位置では電力グリッドに接続され、第１のスイッチング装置の第２の設定可能な位置では第１の電圧源コンバータのＡＣ側に接続される。

【0008】

第１の変形例によれば、第１のスイッチング装置が第２の設定可能な位置に設定されているときに、電力サポート装置は、無効電力および慣性サポートを電力グリッドに提供するように構成され、慣性は、第１および第２の電圧源コンバータ並びにＤＣリンクを介して第１の同期マシンから送達される。

【0009】

第２の変形例によれば、第１のスイッチング装置が第１の設定可能な位置に設定されているときに、第１の同期マシンは、無効電力サポートを提供する第２の電圧源コンバータと並行して、電力グリッドに慣性および無効電力を提供するように構成される。したがって、第１の同期マシンは、慣性を電力グリッドに直接に提供するように構成されてもよく、第２の電圧源コンバータは、この慣性の提供と並行して無効電力サポートを提供するように構成されてもよい。

【0010】

第３の変形例によれば、第１の電圧源コンバータは、第２の電圧源コンバータと並行して、第１の同期マシンからの慣性および無効電力と共に無効電力サポートを電力グリッドに提供するように構成される。第１のスイッチング装置が第１の電圧源コンバータのＡＣ側を電力グリッドに接続するための第３の設定可能な位置に設定されているときに、第１の電圧源コンバータは、これを行うように構成され、第１のスイッチング装置は、第１の設定可能な位置と共に第３の設定可能な位置を有してもよい。

【0011】

別の変形例によれば、電力サポート装置は、第２の同期マシンと、第３のマシン側電圧源コンバータと、第４のグリッド側電圧源コンバータと、第１のスイッチング装置と同じ設定可能な位置を有する第２のスイッチング装置とをさらに含む。この場合、第３の電圧源コンバータのＤＣ側は、ＤＣリンクを介して第４の電圧源コンバータのＤＣ側に接続され、第１または第２の設定可能な位置が設定されているときに、第２のスイッチング装置は、第２の同期マシンを電力グリッドにまたは第３の電圧源コンバータのＡＣ側に選択的に接続するように動作可能である。

【0012】

第２のスイッチング装置が第２の設定可能な位置に設定されているときに、電力サポート装置は、無効電力および慣性サポートを電力グリッドに提供するように構成され、慣性は、第３および第４の電圧源コンバータおよびＤＣリンクを介して第２の同期マシンから送達されることが可能である。

【0013】

同様に、第２のスイッチング装置が第１の設定可能な位置に設定されているときに、第２の同期マシンは、無効電力サポートを提供する第４の電圧源コンバータと並行して、電力グリッドに慣性および無効電力を提供するように構成される。これによって、第２の同期マシンは、慣性を電力グリッドに直接に提供するように構成されてもよく、第４の電圧源コンバータは、この慣性供給と並行して無効電力サポートを提供するように構成されてもよい。

【0014】

電力サポート装置が、第２の同期マシンと、第３のマシン側電圧源コンバータと、第４のグリッド側電圧源コンバータと、第２のスイッチング装置とを含む場合、第２のスイッチング装置の第１および第２の設定可能な位置は、第１のスイッチング装置と同様に設定されてもよい。代替的には、第２のスイッチング装置の第１および第２の設定可能な位置は、第１のスイッチング装置の第１および第２の設定可能な位置と逆に設定されてもよい。

【0015】

電力サポート装置が、第２の同期マシンと、第３のマシン側電圧源コンバータと、第４のグリッド側電圧源コンバータと、第２のスイッチング装置とを含む場合、第３の電圧源コンバータは、第２の電圧源コンバータと並行して、第２の同期マシンからの慣性および無効電力と共に無効電力サポートを電力グリッドに提供するように構成されてもよい。第２のスイッチング装置が第１の電圧源コンバータのＡＣ側を電力グリッドに接続するための第３の設定可能な位置を有するときに、第３の電圧源コンバータは、これを行うように構成されてもよく、第２のスイッチング装置は、第１の設定可能な位置と共に第３の設定可能な位置を有してもよい。

【0016】

別の変形例によれば、電力サポート装置は、さらなるコンバータを介してＤＣリンクに接続されたエネルギー貯蔵システムを含むことができる。さらなるコンバータは、電力グリッドをサポートするために、エネルギー貯蔵システムから有効電力を受け取るまたはエネルギー貯蔵システムに有効電力を供給するように構成されてもよい。

【0017】

別の変形例によれば、電力サポート装置は、スイッチング装置と第２および第４のグリッド側電圧源コンバータとを電力グリッドに接続するための接続装置をさらに含んでもよい。この接続装置は、第１のトランス、および必要に応じて第２のトランスをさらに含んでもよい。

【0018】

第１のトランスは、各グリッド側電圧源コンバータを電力グリッドに接続するように設けられてもよく、単巻線トランスであってもよい。

【0019】

第２のトランスは、各同期マシンおよび各グリッド側コンバータを電力グリッドに接続するために設けられてもよい。第２のトランスは、各同期マシンにつながる第１のバスに接続される第１グループの巻線と、各グリッド側コンバータにつながる第２のバスに接続される第２グループの巻線と、電力グリッドに接続される第３グループの巻線とを含む３巻線トランスであってもよい。

【0020】

本発明は、多くの利点を有する。本発明は、グリッドサポート装置を電力グリッドに接続する柔軟性を増大させる。これによって、電力グリッドをサポートするために使用され得る異なる動作モードを実現するために、限られた数の電力サポート装置をより柔軟且つ多目的な方法で使用することができる。これらのモードを通じて、電力サポート装置に含まれるグリッド支援装置をより効率的に使用することができる。

【0021】

以下、添付の図面を参照して、本発明を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】電力グリッドに接続され、第１のスイッチング装置を含む第１のバージョンの電力サポート装置を概略的に示す図である。

【図2】電力グリッドに接続された第１のバージョンの電力サポート装置を概略的に示す図である（図中、第１のスイッチング装置は、より詳細に示されている）。

【図3】第２のバージョンの電力サポート装置を概略的に示す図である。

【図4】第１のモードで動作するように接続された第３のバージョンの電力サポート装置を概略的に示す図である。

【図5】第２のモードで動作するように接続された第３のバージョンの電力サポート装置を概略的に示す図である。

【図6】第３のモードで動作するように接続された第３のバージョンの電力サポート装置を概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

発明の詳細な説明
以下、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

【0024】

図１は、本発明の第１の変形例に従って、第１の変形例の電力サポート装置１０を示す。電力サポート装置１０は、交流（ＡＣ）側および直流（ＤＣ）側を有する第１の電圧源コンバータＶＳＣ１ １４と、同様にＡＣ側およびＤＣ側を有する第２の電圧源コンバータＶＳＣ２とを含み、第１のＶＳＣ１４のＤＣ側と第２のＶＳＣ１８のＤＣ側とは、ＤＣリンクＤＣＬ１６を介して相互接続される。第２のＶＳＣ１８のＡＣ側は、サポートされる電力グリッドＰＧ２４、この場合ＡＣ電力グリッドに接続される。この接続は、第１のトランスＴＲＡを含む接続装置ＣＡ２２を介して実現される。この場合、第２のＶＳＣ１８のＡＣ側を電力グリッド２４に接続することは、第１のトランスＴＲＡを介して実現される。第１のスイッチング装置ＳＷＡ１ ２０は、少なくとも１つの第１のスイッチＳＷ１を含み、第１のスイッチング装置２０は、第１の同期マシン１２、第１のＶＳＣ１４のＡＣ側およびサポートされるグリッドに接続される。第１の同期マシンは、フライホイールを含んでもよく、含まなくてもよい。図１に示す例において、第１のＶＳＣ１４のＡＣ側は、第１の同期マシン１２に接続され、第１のスイッチング装置２０の第１のスイッチＳＷ１は、第１のＶＳＣ１４のＡＣ側と第２のＶＳＣ１８のＡＣ側との間に接続される。第１のＶＳＣ１４のＡＣ側が第１の同期マシン１２に面しているため、第１のＶＳＣ１４は、マシン側ＶＳＣとして見なされれてもよく、第２のＶＳＣ１８のＡＣ側が電力グリッド２４に面しているため、第２のＶＳＣ１８は、グリッド側ＶＳＣとして見なされてもよい。第１の同期マシン１２、ＶＳＣ１４およびＶＳＣ１８は、グリッドをサポートするために使用される装置であるため、グリッドサポート装置として見なされてもよい。

【0025】

第１のスイッチング装置２０は、複数の設定可能な位置を有し、第１の同期マシン１２を電力グリッド２４にまたは第１のＶＳＣ１４のＡＣ側に選択的に接続するように動作可能である。第１の同期マシン１２は、スイッチング装置２０の第１の設定可能な位置または配置で電力グリッド２４に接続され、第１のスイッチング装置２０の第２の設定可能な位置または配置で第１のＶＳＣ１４のＡＣ側に接続される。第１のスイッチング装置２０の第１のスイッチＳＷ１が閉合されているとき、第１のスイッチング装置２０は、第１の設定可能な位置にある。この場合、第１の同期マシン１２は、接続装置２２、すなわち、この場合は第１のトランスＴＲＡを介して、電力グリッド２４に接続される。第１のトランスＴＲＡは、電力サポート装置１６内の各グリッド側電圧源コンバータを電力グリッド２４に接続するために設けられてもよい。第１のスイッチＳＷ１が開放されているとき、第１のスイッチング装置２０は、第２の設定可能な位置にある。この場合、同期マシン１２は、第１のＶＳＣ１４のＡＣ側に接続される。また、第２のＶＳＣ１８は、第１のスイッチング装置の両方の位置では、第１のトランスＴＲＡを介して電力グリッドに接続される。第１のスイッチＳＷ１が第１の設定可能な位置にあるとき、すなわち、閉合されているとき、第１のＶＳＣ１４のＡＣ側は、接続装置２０を介して電力グリッドに接続されてもよい。

【0026】

第１のスイッチング装置２０の第１のスイッチＳＷ１が開放され、第１のスイッチング装置２０が第２の設定可能な位置に設定されているとき、電力サポート装置１０は、第１のモードで動作している。この場合、電力サポート装置１０は、無効電力および慣性サポートを電力グリッドに提供するように構成され、慣性は、第１の電圧源コンバータ１４、第２の電圧源コンバータ１８およびＤＣリンク１６を介して、第１の同期マシン１２から送達される。このモードにおいて、同期マシン１２およびＶＳＣ１４とＶＳＣ１８の対は、広い周波数範囲で無効電力および慣性を電力グリッドに提供する第１のサポート機能を提供する。これは、電力グリッドの周波数が不安定であるとき、例えば電力グリッドの周波数が高い周波数変化率（ＲＯＣＯＦ）を有するときに有用である。

【0027】

しかしながら、第１のスイッチＳＷ１が閉合され、第１のスイッチング装置２０が第２の設定可能な位置に設定されているときに、電力サポート装置１０は、第２のモードで動作する。この場合、第１の同期マシン１２は、第２の電圧源コンバータ１８と並行して、必要に応じて無効電力サポートを電力グリッド２４に提供する第１の電圧源コンバータと並行して、慣性を電力グリッド２４に提供する。この第２のモードにおいて、第１の同期マシン１２は、第１のＶＳＣ１４、第２のＶＳＣ１８およびＤＣリンク１６を使用せずに、慣性を電力グリッドに提供する。また、この設定において、第１の同期マシン１２は、無効電力を電力グリッドに供給することもできる。しかしながら、ＶＳＣ１４とＶＳＣ１８の対は、依然として機能しており、少なくとも第２のＶＳＣ１８、必要に応じて第１のＶＳＣ１４を用いて、第１の同期マシン１２によって供給された慣性および無効電力と並行して、無効電力を供給することができる。これは、故障の場合に短絡電流を電力グリッド２４に供給するために使用されてもよい。これは、電力グリッドが低い短絡レベル（ＳＣＬ）を有する場合に有利である。

【0028】

したがって、第１の変形例に係る電力サポート装置１０は、高いレベルの柔軟性を有することが分かる。バイパススイッチが開放されているときの第１のスイッチング装置の第１の設定可能な位置において、第１の同期マシンは、周波数に応答して、広い範囲で速度を変化することによって相当量の合成慣性を電力グリッドに供給することができるフライホイール貯蔵ユニットとして動作することができる。一方、バイパススイッチが閉合されているときの第１のスイッチング装置の第２の設定可能な位置において、同期マシンは、例えばＳＣＬが閾値に達した場合に、電力グリッドに直接に接続される同期コンデンサとして動作することができる。それに加えて、コンバータは、無効電力サービスを提供するために完全に利用されてもよい。これにより、第１のスイッチＳＷ１が閉合されているときに、グリッドサポート装置の大部分、必要に応じて全ては、すなわち、第２のＶＳＣ１８、第１の同期マシン１２および場合によって第１のＶＳＣ１４を使用することができる。したがって、電力サポート装置１０は、ネットワーク慣性が低い場合、拡張ＳＴＡＴＣＯＭとして使用されてもよく、短絡レベルが低い場合、ＳＴＡＴＣＯＭおよび同期コンデンサとして使用されてもよい。ＳＴＡＴＣＯＭとは、静的ＶＡＲ補償器、すなわち、無効電力サポート装置の略称である。

【0029】

図２は、第１の変形例をより詳細に示す単線図である。この場合、第１のスイッチング装置２０は、第１の同期マシン１２を接続装置ＣＡ２２に選択的に接続するための第１のスイッチＳＷ１．１と、第１の同期マシン１２を第１のＶＳＣ１４のＡＣ側に選択的に接続するための第２のスイッチＳＷ１．２とを含む。第１のスイッチング装置２０は、第１のＶＳＣ１４のＡＣ側を接続装置２２に選択的に接続するための第３のスイッチＳＷ１．３をさらに含む。第１のスイッチＳＷ１．１は、閉合されているとき、第１のスイッチング装置２０の第１の設定可能な位置を提供し、第１の同期マシン１２を接続装置２２につながる第１のＡＣバスと相互接続する。第３のスイッチＳＷ１．３は、閉合されているとき、第１のスイッチング装置２０の第３の設定可能な位置を提供し、第１のＶＳＣ１４のＡＣ側を接続装置２２につながる第２のＡＣバスと相互接続する。第２のスイッチＳＷ１．２は、閉合されているとき、第１のスイッチング装置２０の第２の設定可能な位置を提供する。

【0030】

また、第１のＶＳＣ１４のＤＣ側は、ＤＣリンク１６を介して第２のＶＳＣのＤＣ側に接続され、第２のＶＳＣ１８のＡＣ側は、第３のＡＣバスを介して接続装置２２に接続される。接続装置２２は、第２のＶＳＣ１８のＡＣ側を電力グリッド２４に接続するための前述した第１のトランス（図示せず）を含む。第１の同期マシン１２および第１のＶＳＣ１４のＡＣ側を電力グリッドに接続することを可能にするために、接続装置２２は、第２のトランス（図示せず）をさらに含んでもよい。しかしながら、この場合でも、第１のトランスのみを使用してもよい。

【0031】

図３は、第２の変形例のサポート装置を概略的に示す単一線図である。この場合、サポート装置は、第１の同期マシン１２と、第１のスイッチング装置２０と、図２と同様に接続された第１のＶＳＣ１４および第２のＶＳＣ１８とを含む。また、この場合、サポート装置は、第２の同期マシン２８と、第２のスイッチング装置ＳＷＡ２ ３４と、第３の電圧源コンバータＶＳＣ３ ３０と、第４の電圧源コンバータＶＳＣ４ ３２とを含む。第３のＶＳＣ３０は、マシン側ＶＳＣであり、第４のＶＳＣ３２は、グリッド側ＶＳＣである。第２のスイッチング装置３４は、第１のスイッチング装置と同じ設定可能な位置を有する。これにより、第２のスイッチング装置３４は、第１または第２の設定可能な位置に設定されたときに、第２の同期マシン２８を電力グリッド２４にまたは第３のＶＳＣ３０のＡＣ側に選択的に接続するように動作可能である。したがって、第２のスイッチング装置３４は、第２の同期マシン２８を接続装置ＣＡ２２に選択的に接続するための第１のスイッチＳＷ２．１と、第２の同期マシン１２を第３のＶＳＣ３０のＡＣ側に選択的に接続するための第２のスイッチＳＷ２．２と、第３のＶＳＣ３０のＡＣ側を接続装置２２に選択的に接続するための第３のスイッチＳＷ２．３とを含む。この場合、第１のスイッチＳＷ２．１は、第２の同期マシン２８を第１のＡＣバスと相互接続し、第３のスイッチＳＷ２．３は、第３のＶＳＣ３０のＡＣ側を第２のＡＣバスと相互接続する。

【0032】

第４のＶＳＣ３２のＡＣ側は、第４のＡＣバスを介して接続装置２２に接続され、第４のＡＣバスは、前述した第１のトランス（図示せず）に接続されてもよい。

【0033】

最後に、能動的な電力供給エンティティ３６は、エネルギー貯蔵システム３８と、さらなるコンバータ４０とを含む。この場合、さらなるコンバータ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータである。エネルギー貯蔵システム３８は、さらなるコンバータ４０を介してＤＣリンク１６に接続される。電力供給エンティティ３６は、任意なものであり、省略されてもよい。エネルギー貯蔵システム３８は、設けられた場合、第２のＶＳＣ１８および／または第４のＶＳＣ３２を介して、および／または第１のＶＳＣ１４および／または第３のＶＳＣ３０を介して、有効電力を電力グリッドに供給するために使用されてもよい。したがって、エネルギー貯蔵システム３８は、グリッドサポート装置として見なされてもよい。エネルギー貯蔵システムは、１つ以上のバッテリ、１つ以上のフライホイール、および／または１つ以上のスーパーキャパシタを含んでもよい。なお、能動的な電力供給エンティティ３６は、第１の変形例の電力サポート装置に含まれてもよい。

【0034】

第２の変形例の電力サポート装置の代替形態によれば、第３のＶＳＣ３０は、専用ＤＣリンクを介して第４のＶＳＣ３２に接続されてもよい。したがって、第１のＶＳＣ１４は、第１のＤＣリンクを介して第２のＶＳＣ１８に接続され、第３のＶＳＣ３０は、第２のＤＣリンクを介して第４のＶＳＣ３２に接続される。エネルギー貯蔵システムを使用する場合、能動的な電力供給エンティティは、ＤＣリンクの一方または両方に接続されてもよい。

【0035】

別の可能性は、第１のスイッチＳＷ１．１およびＳＷ１．３が閉合され、第２のスイッチＳＷ１．２およびＳＷ２．２が開放されているとき、第１のスイッチング装置２０の第３のスイッチＳＷ１．３および第２のスイッチング装置３４の第３のスイッチＳＷ２．３が開放されてもよいことである。

【0036】

上述したように、電力サポート装置は、電力グリッドをサポートできる柔軟性を高める。図４～６は、電力グリッドをサポートするために使用することができる第３のバージョンの電力サポート装置を概略的に示す。第３のバージョンは、第２のバージョンと同様である。提供されるサポートに対する理解を改善するために、第２のバージョンに対して多く簡略化されている。スイッチング装置は、省略されており、接続装置のトランスは、使用されるときに示されている。また、電力供給エンティティ３６は、省略されている。さらに、第２のＶＳＣ１８および第４のＶＳＣ３２は、同一のＤＣグリッドからの電力を供給するため、第１のトランスＴＲＡを介して電力グリッド２４に接続された１つのコンバータとして見なされる。

【0037】

図４は、周波数安定性制御を提供する第１の動作モード用に構成された電力サポート装置を示す。第３の変形例の電力サポート装置がこの第１のモードに従って動作するときに、第１の同期マシン１２は、第１のＶＳＣ１４のＡＣ側に接続され、第２の同期マシン２８は、第３のＶＳＣ３０のＡＣ側に接続される。これにより、第１のスイッチング装置２０の第１のスイッチＳＷ１．１および第３のスイッチＳＷ１．３、および第２のスイッチング装置３４の第１のスイッチＳＷ２．１および第３のスイッチＳＷ２．３は、開放され、第２のスイッチＳＷ１．２およびＳＷ２．２は、閉合されている。これによって、第１のスイッチング装置および第２のスイッチング装置の第１、第２および第３の設定可能な位置は、同様に設定される。この場合、同期マシン１２および２８は、第１のＶＳＣ１４および第３のＶＳＣ３０を介して、慣性をＤＣリンクに供給し、第２のＶＳＣ１８および第４のＶＳＣ３２は、この慣性を電力グリッド２４に転送する。この場合、第２のＶＳＣ１８および第４のＶＳＣ３２の一方または両方は、電力グリッド２４の無効電力補償も提供する。この場合、フライホイールを含むまたは含まない同期マシン１２および２８は、貯蔵ユニットを形成し、第１のＶＳＣ１４、第２のＶＳＣ１８、第３のＶＳＣ３０および第４のＶＳＣ３２は、インターフェイス接続コンバータである。主な機能は、電力グリッドと有効および無効電力を交換することによって、電圧安定性を維持し、ＲＯＣＯＦを軽減することである。

【0038】

図５は、短絡電流サポートを提供する第２のモードに従って動作するときの第３の変形例の電力サポート装置を示す。この場合、第１のスイッチング装置２０および第２のスイッチング装置３４の第１および第３のスイッチは、閉合されており、第１のスイッチング装置２０および第２のスイッチング装置３４の第２のスイッチは、開放されている。この場合、第１のスイッチング装置および第２のスイッチング装置の第１、第２および第３の設定可能な位置も、同様に設定される。これにより、第１の同期マシン１２および第２の同期マシン２８は、第１のＡＣバスに接続され、第１のＶＳＣ１４のＡＣ側および第３のＶＳＣ３０のＡＣ側は、第２のＡＣバスに接続される。第１のＡＣバスは、第２のトランスＴＲＢの第１組の巻線につながり、第２のＡＣバスは、第２のトランスＴＲＢの第２組の巻線につながる。第２のトランスＴＲＢにおいて、第１組の巻線および第２組の巻線は、第３組の巻線に磁気的に結合され、第３組の巻線は、電力グリッド２４に接続される。したがって、第２のトランスＴＲＢは、各同期マシンおよび各マシン側コンバータを電力グリッド２４に接続するためのトランスである。第２のトランスＴＲＢが３巻線トランスであるため、安全のために、マシン側コンバータ１４および３０から同期マシン１２および２８を切り離すことができる。この変形例において、第１のＶＳＣ１４および第３のＶＳＣ３０は、ダブルＹ構成で第２のトランスＴＲＢに接続されるため、ダブルＹコンバータであり、第２のＶＳＣ１８および第４のＶＳＣ３２も、同様にダブルＹ構成で第１のトランスＴＲＡに接続されるため、ダブルＹコンバータである。ダブルＹコンバータは、Ｙ状に接続された２組の相脚を含むコンバータである。この場合、一方の組の相脚は、対応するトランスと第１のＤＣ電位を有するＤＣリンクの第１のラインとの間にＹ状に接続され、他方の組の相脚は、トランスと第２のＤＣ電位を有するＤＣリンクの第２のラインとの間にＹ状に接続される。第１のトランスＴＲＡにおいて、ＶＳＣ１８のＡＣ側およびＶＳＣ３２のＡＣ側は、電力グリッド２４に接続された第２組の巻線に磁気的に結合された同じ組の巻線に接続される。したがって、第１のトランスＴＲＡは、２巻線トランスである。

【0039】

この構成の場合、同期マシン１２および２８は、同期コンデンサとして機能し、共に慣性源を形成する。一方、第１のＶＳＣ１４および第３のＶＳＣ３０は、第１の無効電力源／シンクを形成し、第２のＶＳＣおよび第４のＶＳＣは、第２の無効電力源／シンクを形成する。この場合、ＶＳＣは、ＳＴＡＴＣＯＭとして動作することができる。全ての電力源／シンクは、互いに並行して電力グリッドをサポートすることができることが分かる。このモードにおいて、同期マシン１２および２８は、第２のトランスＴＲＢを介してグリッド２４に直接に接続され、同期コンデンサとして動作する。第１のＶＳＣ１４、第２のＶＳＣ１８、第３のＶＳＣ３０および第４のＶＳＣ３２は、全てグリッド２４に接続され、通常のＳＴＡＴＣＯＭとして動作する。

【0040】

図６は、第３のハイブリッド動作モードを示す。この場合、第１の同期マシン１２および第１のＶＳＣ１４は、図５と同様に接続され、第２の同期マシン２８および第３のＶＳＣ３０は、図４と同様に接続される。これを達成するために、第１のスイッチング装置２０の第１および第３のスイッチは、閉合され、第１のスイッチング装置２０の第２のスイッチは、開放される。これにより、第１の同期マシン１２は、第１のＡＣバスに接続され、第１のＶＳＣ１４のＡＣ側は、第２のＡＣバスに接続され、両方のバスは、第２のトランスＴＲＢにつながる。しかしながら、第２のスイッチング装置３４の第１のスイッチおよび第３のスイッチは、開放され、第２のスイッチング装置３４の第２のスイッチは、閉合されている。したがって、第２のスイッチング装置の第１、第２および第３の設定可能な位置は、第１のスイッチング装置の第１、第２および第３の設定可能な位置と逆に設定される。これにより、第２の同期マシン２８は、第３のＶＳＣ３０のＡＣ側に接続される。

【0041】

この場合、第１の同期マシン１２および第１のＶＳＣ３０は、短絡電流レベルサポートを提供するために並列に接続された２つのソースであり、第２の同期マシン２８は、第２のＶＳＣ１８、第３のＶＳＣ３０および第４のＶＳＣ３２と共に周波数安定性制御を提供する。このモードにおいて、電力サポート装置は、周波数応答機能、電圧調整機能、およびＳＣＬ強化機能を同時に提供する。

【0042】

図３、４、５および６から分かるように、フライホイールを含むまたは含まない同期マシンは、直接にまたは電圧源コンバータの形にした電力コンバータを介して、電力グリッドに接続することができる。したがって、マシン側コンバータは、同期マシンと直列に接続されたインターフェイス接続コンバータとして、または同期マシンと並行して接続されたＳＴＡＴＣＯＭとして使用されてもよい。

【0043】

上述したように、接続されたマシンに対して３つの動作モードを設定することができる。

【0044】

１．高速周波数応答または合成慣性応答（ＦＦＲ／ＳＩＲ）モードである第１のモード。マシンは、マシン側コンバータを介して接続され、周波数またはＲＯＣＯＦイベントに応答して有効電力を提供する。グリッド側コンバータは、有効電力と無効電力の両方を電力グリッドに供給するように構成されてもよい。

【0045】

２．ＳＣＬ強化（ＳＣＬＥ）モードである第２のモード。マシンは、トランスを介してグリッドに接続され、グリッドＳＣＬを強化するための同期コンデンサとして動作する。同時に、マシン側コンバータは、トランスを介してグリッドに接続され、電圧安定性をさらに強化するための通常のＳＴＡＴＣＯＭとして動作することができる。

【0046】

３．ハイブリッドモードである第３のモード。一部のマシンは、トランスを介して接続され、同期コンデンサとして動作し、残りのマシンは、逆並列（back-to-back）コンバータを介して接続され、慣性を電力グリッドに送達する。

【0047】

電力グリッドの慣性が低いときに、ＦＦＲ／ＳＩＲモードを使用することができる。電力グリッドのＳＣＬが低いときに、ＳＣＬＥモードを使用することができる。両方のサービスを提供したいときに、ハイブリッドモードを使用することができる。さらに、図３に示すように、追加のエネルギー資源３８、例えば、スーパーキャップ、フライホイールおよびバッテリをＤＣリンク１６に接続することによって、システムの機能を拡張することができる。

【0048】

したがって、電力サポート装置は、３種のフレキシブルＡＣ伝送システム（ＦＡＣＴＳ）装置、すなわち、同期コンデンサ、フライホイール貯蔵システム、およびＳＴＡＴＣＯＭの変形可能な統合を提供するため、（数秒の時間範囲の）有効電力および無効電力の両方を提供すると共に、ネットワークＳＣＬを強化することができる。

【0049】

上述したＦＡＣＴＳ装置の各々は、それ自体ではグリッドサービスの全ての将来の需要を満たすことができない。

【0050】

同期コンデンサ技術は、単純な制御システムを含み、例えば電圧降下を軽減するために高い無効電力過負荷を一時的に提供することに加えて、短絡電流を用いてＳＣＬを強化することができる。しかしながら、同期コンデンサは、ＳＴＡＴＣＯＭの電圧調整速度に比べて電圧調整速度が遥かに遅いため、フライホイールが取り付けられても、電力グリッドに提供される慣性がかなり制限される。

【0051】

ＳＴＡＴＣＯＭ技術は、電力電子機器の使用に頼るＦＡＣＴＳである。ＳＴＡＴＣＯＭ技術は、対称動作領域および高速応答制御システムを含む。電力ネットワーク内の外乱の場合、応答は、設定点変更および動的電圧サポートの両方に対して高速である。また、ＳＴＡＴＣＯＭ技術は、過電圧シナリオの場合の無効電力の高吸収に加えて、外乱中（故障期間）および外乱後（故障回復期間）の無効電力の非常に快速な吸収／注入を提供することができる。さらに、ＳＴＡＴＣＯＭ技術は、能動的なフィルタリング、フリッカ補償、および電力振動減衰（ＰＯＤ）などの機能を含むことができる。しかしながら、ＳＴＡＴＣＯＭは、周波数サービスのための有効電力またはＳＣＬを増加させるための短絡電流を提供する機能を有しない。

【0052】

電力コンバータを介してグリッドに接続されたフライホイールを有する同期マシンは、高いＲＯＣＯＦを軽減し、安定性を維持するために電力グリッドに慣性を提供するための高速の有効電力注入／吸収能力を有する。しかしながら、貯蔵ユニットは、コンバータを介してグリッドに接続されるため、短絡電流を制限し、短絡電流の提供およびＳＣＬの強化に関する有用性を低下する。

【0053】

全ての３種のグリッドサポート装置の単純な並列化は、全ての要件を満たすことができるが、柔軟性が制限され、コストが高くなり、サイズが大きくなる。上記から分かるように、電力サポート装置は、グリッドサポート装置の柔軟な組み合わせであり、それらを最大に利用することができる。

【0054】

以下の例は、電力サポート装置の汎用性を示す。
同期マシン１２および２８は、７０ＭＶＡ、１３．８ｋＶ、３ｋＡ、５０Ｈｚであってもよく、フライホイールを含む場合、２０～５０Ｈｚの３５０ＭＷ．ｓの有効エネルギーを提供する。同期マシンの過電流能力は、１０秒間に３ｐ．ｕ．であり、一時的な電流ピークは、２０ｐ．ｕ．である。

【0055】

マシン側ＶＳＣ１４および３０は、５０ＭＶＡ、１３．８ｋＶａｃであってもよい。
グリッド側ＶＳＣ１８および３２は、１４０ＭＶＡ、１３．８ｋＶａｃであってもよい。

【0056】

ベース値は、７０ＭＶＡ、１３ｋＶ、３ｋＡである。
図４に示すＳＩＲモードにおいて、２つの同期マシン１２および２８は、第１のＶＳＣ１４、第２のＶＳＣ１８、第３のＶＳＣ３０、および第４のＶＳＣ３２を介して接続され、合成慣性を提供する。総有効電力は、１．４３ｐ．ｕ．であり、無効電力は、１．４３ｐ．ｕ．であり、一時的な短絡電流は、３ｐ．ｕ．であり、総エネルギーは、７００ＭＷ．ｓであり得る。

【0057】

図５に示すＳＣＬＥモードにおいて、２つの同期マシン１２および２８は、第２のトランスＴＲＢを介して接続され、２つのマシン側コンバータ１４および３０は、グリッド側コンバータ１８および３２と共に、ＳＴＡＴＣＯＭとして動作する。総有効電力は、ゼロであり、無効電力は、５．４３ｐ．ｕ．であり、一時的な短絡電流は、４０ｐ．ｕ．であり、１０秒間の短絡電流は、６ｐ．ｕ．であり、総エネルギーは、（４８～５０Ｈｚのマシン速度変動を仮定する場合）６６ＭＷ．ｓである。

【0058】

図６に示すハイブリッドモードにおいて、一方の同期マシン、例えば第１のマシン１２は、第２のトランスＴＲＢを介して接続され、他方のマシン、この場合に第２のマシン２８は、マシン側コンバータ１８および３２を介して接続される。このモードにおいて、総有効電力は、０．７２ｐ．ｕ．であり、総無効電力は、３．５７ｐ．ｕ．であり、一時的な短絡電流は、２０ｐ．ｕ．であり、１０秒間の短絡電流は、３ｐ．ｕ．であり、総エネルギーは、３５０ＭＷ．ｓである。

【0059】

電力サポート装置を開発するための動機は、電力グリッドが直面している現在および将来の課題に基づいている。非同期発電機の広範の応用および従来の発電機の退役は、電力システムの有効慣性を低下させ、周波数安定性の悪化およびＲＯＣＯＦの増加をもたらした。さらに、システムの慣性は、システムの一日中の総需要によって変化する。

【0060】

他方では、電力グリッドは、電力グリッド内の同期発電機の数が少ないことに起因して、伝送レベルにおけるＳＣＬの低下を期待している。分配レベルにおける最大ＳＣＬは、より多くの非同期発電機の接続および需要の増加に起因して増加する傾向があるが、伝送レベルからのＳＣＬ寄与が分配レベルに対して主要であるため、分配レベルにおける最小ＳＣＬも低下する。最終的な結果として、伝送レベルおよび分配レベルの両方におけるＳＣＬの変動は、一日中および一年中に大きくなる。また、低いＳＣＬは、伝送保護（保護のトリガが遅れるまたは保護なし）およびコンバータに接続している発電機（低ＳＣＬにおける電圧不安定性によって故障中の位相ロックループの誤った基準）に悪影響を及ぼし、最終的に、システム全体の安全性に影響を及ぼすことも周知である。したがって、システムのＳＣＬを維持できる解決策が非常に重要である。

【0061】

以下、電力グリッドの状態および／または伝送システムオペレータ（ＴＳＯ）の設定を検討するために、電力サポート装置の例示的な２４時間の動作を示す。

【0062】

朝０～６時の間に、慣性およびＳＣＬの両方は、低レベルであり得る。したがって、電力サポート装置は、ハイブリッドモードで動作し、ＳＣＬ強化および慣性応答の両方をグリッドに提供することができる。この期間中、発電機は、低レベルで発電するため、周波数応答のために多くの余地を確保することができ、したがって、ＳＣＬ強化は、より高い優先度を有し得る。

【0063】

朝６～１２時の間に、慣性およびＳＣＬの両方は、高レベルであり得る。したがって、電力サポート装置は、ハイブリッドモードで動作することができる。この期間中、発電機は、高レベルで発電するため、周波数応答のために確保できる余地が少なくなり、したがって、合成慣性モードは、より高い優先度を有し得る。

【0064】

午後１２～１８時の間に、グリッド慣性は、高レベルであり得るが、ＳＣＬは、夏期に低レベル（低消費）に達することができる。したがって、電力サポート装置は、ＳＣＬ強化モードで動作することができる。

【0065】

夕方１８～２４時の間、グリッド慣性は、低レベルであり得るが、ＳＣＬは、高レベルに達し得る。したがって、電力サポート装置は、合成慣性モードで動作することができる。

【0066】

全体的な動作によって、電力サポート装置は、システム要素を最大に利用し、機能を拡張すると共に、周波数安定性およびＳＣＬを維持するように電力グリッドを支援することができる。したがって、電力サポート装置は、合成慣性応答、電圧調整サービスおよび短絡寄与を同時にまたはグリッド条件／ＴＳＯの設定に従って提供することができる。

【0067】

異なるモードの切換えは、１つ以上の制御ユニットによって制御されてもよい。具体的には、１つ以上の制御ユニットは、スイッチング装置を制御することができる。このような制御ユニットは、コンピュータ命令に従って動作するプロセッサ、例えば１つ以上の個別の構成要素として実現されてもよい。しかしながら、制御ユニットは、プログラムメモリを有するプロセッサの形で実装されてもよい。プログラムメモリは、プロセッサ上で実行されると、所望の制御機能を実行するコンピュータプログラムコードを含む。このようなコンピュータプログラムコードを記憶するコンピュータプログラム製品は、プロセッサにロードされると制御ユニットとして動作するコンピュータプログラムコードを記憶するための１つ以上のＣＤ ＲＯＭディスクまたは１つ以上のメモリスティックなどのデータ記憶媒体として提供することができる。

【0068】

上記の議論から、多数の方法で本発明を変更できることが明らかである。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲のみによって限定される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】