特表 2024-537420 電気グリッドにおける電力の安定化

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-10

(54)【発明の名称】電気グリッドにおける電力の安定化

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/12 20060101AFI20241003BHJP

   H02M 7/48 20070101ALN20241003BHJP

【ＦＩ】

H02J3/12

H02M7/48 R

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024523500

(86)(22)【出願日】2021-10-19

(85)【翻訳文提出日】2024-04-18

(86)【国際出願番号】 EP2021078998

(87)【国際公開番号】W WO2023066470

(87)【国際公開日】2023-04-27

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】505056845

【氏名又は名称】アーベーベー・シュバイツ・アーゲー

【氏名又は名称原語表記】ＡＢＢ Ｓｃｈｗｅｉｚ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｂｒｕｇｇｅｒｓｔｒａｓｓｅ ６６， ５４００ Ｂａｄｅｎ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】シュタットラー、レト

(72)【発明者】

【氏名】ベヒレ、ラルフ

【テーマコード（参考）】

5G066

5H770

【Ｆターム（参考）】

5G066DA02

5H770BA13

5H770DA03

5H770DA11

5H770DA22

5H770DA24

5H770DA41

5H770HA02Z

5H770HA03Z

(57)【要約】

電気グリッド（１８）における電力を安定化させるための方法であって、方法は、電気グリッド（１８）における低減された電力需要を検出することと、電気グリッド（１８）において補償されるべき有効電力及び無効電力を決定することと、電気グリッド（１８）に接続された電力補償回路（１２）を制御することによって、有効電力の少なくとも一部及び無効電力の少なくとも一部を補償することと、を備える。電力補償回路（１２）は、半導体スイッチ（３２）を介して電気グリッド（１８）に接続可能な少なくとも抵抗型負荷（３４）を備える。補償有効電力及び補償無効電力が、電気グリッド（１８）におけるグリッド電圧（２４）の位相角に対する半導体スイッチ（３２）のスイッチング角（α_１、α_２）を設定することによって調整される。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気グリッド（１８）における電力を安定化させるための方法であって、前記方法は、
前記電気グリッド（１８）における低減された電力需要を検出することと、
前記電気グリッド（１８）において補償されるべき有効電力及び無効電力を決定することと、
前記電気グリッド（１８）に接続された電力補償回路（１２）を制御することによって、前記有効電力の少なくとも一部及び前記無効電力の少なくとも一部を補償することと、を備え、
前記電力補償回路（１２）は、半導体スイッチ（３２）を介して前記電気グリッド（１８）に接続可能な少なくとも抵抗型負荷（３４）を備え、
補償有効電力及び補償無効電力が、前記電気グリッド（１８）におけるグリッド電圧（２４）の位相角に対する前記半導体スイッチ（３２）のスイッチング角（α_１、α_２）を設定することによって調整される、方法。

【請求項2】

前記半導体スイッチ（３２）は、サイリスタであり、前記スイッチング角（α_１、α_２）は、前記サイリスタの点弧角である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記低減された電力需要は、前記電気グリッド（１８）における電圧（２４）及び電流（２６）を測定することによって、並びに、前記電圧（２４）及び前記電流（２６）から電力を計算することによって、検出される、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記電力補償回路（１２）は、前記電気グリッド（１８）の２つの相を接続及び切断するための一対の逆並列接続された半導体スイッチ（３２）を備え、
前記少なくとも抵抗型負荷（３４）は、前記一対の逆並列接続された半導体スイッチ（３２）と直列に接続される、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記電力補償回路（１２）は、前記電気グリッド（１８）の各相についてハーフブリッジ（３８）を有する能動整流器（３６、３６ａ、３６ｂ）を備え、
前記少なくとも抵抗型負荷（３４）は、前記ハーフブリッジ（３８）に並列に接続される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記電力補償回路（１２）は、前記電気グリッド（１８）と前記半導体スイッチ（３２）との間に接続された変圧器（４２、４２’）を備え、この変圧器（４２、４２’）は、調整可能な変圧比を有し、
前記補償有効電力及び前記補償無効電力は、前記調整可能な変圧比を設定することによって調整される、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記変圧器（４２、４２’）は、タップ切換器（４４）を備える、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記電力補償回路（１２）は、前記電気グリッド（１８）に接続された第１の整流器（３６ａ）及び第２の整流器（３６ｂ）を備え、
前記補償有効電力及び前記補償無効電力は、前記第１の整流器（３６ａ）についての第１のスイッチング角（α_１、α_２）と、前記第２の整流器（３６ｂ）についての対応する異なる第２のスイッチング角（α_１、α_２）と、を設定することによって調整される、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記第１のコンバータ（３６ａ）のハーフブリッジ（３８）の上側半導体スイッチ（３２ａ）の前記スイッチング角（α_１）は、前記第１のコンバータ（３６ａ）の前記ハーフブリッジ（３８）の下側半導体スイッチ（３２ｂ）の前記スイッチング角（α_２）とは異なり、
前記第２のコンバータ（３６ｂ）のハーフブリッジ（３８）の上側半導体スイッチ（３２ａ）の前記スイッチング角（α_２）は、前記第２のコンバータ（３６ｂ）の前記ハーフブリッジ（３８）の前記下側半導体スイッチ（３２ｂ）の前記スイッチング角（α_２）に等しく、
前記第２のコンバータ（３６ｂ）の前記ハーフブリッジ（３８）の下側半導体スイッチ（３２ｂ）の前記スイッチング角（α_１）は、前記第１のコンバータ（３６ａ）の前記ハーフブリッジ（３８）の前記上側半導体スイッチ（３２ａ）の前記スイッチング角（α_１）に等しい、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記第１のコンバータ（３６ａ）のハーフブリッジ（３８）の上側半導体スイッチ（３２ａ）の前記スイッチング角（α_１）は、前記第１のコンバータ（３６ａ）の前記ハーフブリッジ（３８）の下側半導体スイッチ（３２ｂ）の前記スイッチング角（α_１）に等しく、
前記第２のコンバータ（３６ｂ）のハーフブリッジ（３８）の上側半導体スイッチ（３２ａ）の前記スイッチング角（α_２）は、前記第２のコンバータ（３６ｂ）の前記ハーフブリッジ（３８）の下側半導体スイッチ（３２ｂ）の前記スイッチング角（α_２）に等しく、
前記第１のコンバータ（３６ａ）の前記ハーフブリッジ（３８）の前記上側及び下側半導体スイッチ（３２ａ、３２ｂ）の前記スイッチング角（α_１）は、前記第２のコンバータ（３６ｂ）の前記ハーフブリッジ（３８）の前記上側及び下側半導体スイッチ（３２ａ、３２ｂ）の前記スイッチング角（α_２）とは異なる、請求項８に記載の方法。

【請求項11】

前記第１の整流器（３６ａ）及び前記第２の整流器（３６ｂ）は、それらのＤＣ出力（４０）において直列に接続され、前記少なくとも抵抗型負荷（３４）は、前記直列に接続されたＤＣ出力（４０）に並列に接続される、又は
前記第１の整流器（３６ａ）、前記第２の整流器（３６ｂ）及び前記少なくとも抵抗型負荷（３４）は、前記第１の整流器（３６ａ）及び前記第２の整流器（３６ｂ）の前記ＤＣ出力（４０）を介して、並列に接続される、請求項８～１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記第１の整流器（３６ａ）及び前記第２の整流器（３６ｂ）は、各整流器（３６ａ、３６ｂ）についての二次巻線を有する変圧器（４２’）を介して、前記電気グリッド（１８）に接続される、請求項８～１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

電気グリッド（１８）における電力を安定化させるためのシステム（１０）であって、前記システムは、
前記電気グリッド（１８）と、
前記電気グリッド（１８）に接続された電力補償回路（１２）と、
前記電力補償回路（１２）を制御するための制御装置（２２）と、を備え、
前記システム（１０）は、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法を実行するように適合される、システム（１０）。

【請求項14】

前記電気グリッド（１８）に接続された高調波フィルタ（１４）を更に備える、請求項１３に記載のシステム（１０）。

【請求項15】

前記電気グリッド（１８）に接続された少なくとも１つの負荷（１６）であって、前記電気グリッド（１８）から切断されると、前記低減された電力需要を引き起こす少なくとも１つの負荷（１６）を更に備え、
前記少なくとも１つの負荷（１６）は、電気駆動装置（１６ａ）及び電気アーク炉（１６ｂ）のうちの少なくとも１つを備える、請求項１３に記載のシステム（１０）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気グリッドにおける電力を安定化させるための方法及びシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

弱い電気グリッド又はアイランドグリッド（island grid）では、グリッド障害又は電気アーク炉若しくは大きい駆動装置のような大きい消費体の障害によって引き起こされる負荷遮断が、周波数の増大につながり得る。これは、電気グリッドに供給する発電機のトリップ及び／又は消費体がトリップすること（tripping of consumers）につながり得る。両方の場合において、貴重な生産時間が失われ得、システム全体の再始動は、時間及びコストがかかり得る。

【0003】

追加として、高調波フィルタが、例えば、大きい駆動装置、アーク炉又は整流器システムからの無効電力の補償のために、電気グリッドに接続され、グリッド障害後に戻るとき、これは、グリッドの低減された有効電力負荷及び無効電力負荷による、グリッド電圧のオーバースイングにつながり得る。これはまた、電圧変動が十分に大きい場合、大きい電気消費体のトリップ（スイッチオフ）にもつながり得る。特に、駆動装置は、通常、過電圧に対してあまり耐性がない。発電機の再始動は、典型的に、時間のかかる問題である。

【0004】

ＷＯ２０２０／１１３３３６Ａ１は、アーク炉及びそれらの電源のために電力を安定化させるための方法及びシステムを記載している。この方法は、アーク炉電極のアークの消滅事象を決定することに応答して、負荷に電力を吸収させることを備える。

【発明の概要】

【0005】

本発明の目的は、電気グリッドにおける発電機がトリップすることを低減し、及び／又は、電気グリッドにおける消費体のダウンタイムを低減することである。

【0006】

これらの目的は、独立請求項の主題によって達成される。更なる例示的な実施形態は、従属請求項及び以下の説明から明らかである。

【0007】

本発明の第１の態様は、電気グリッドにおける電力を安定化させるための方法に関する。電気グリッドは、低（１ｋＶまで）、中（５０ｋＶまで）、及び高（５０ｋＶ超）電圧グリッドであり得る。それは、生産設備のグリッドであり得るか、又は大量の消費体及び生産設備に供給するための大規模グリッドであり得る。電気グリッドは、三相グリッドであり得る。

【0008】

本発明の実施形態によれば、方法は、電気グリッドにおける低減された電力需要を検出することと、電気グリッドにおいて補償されるべき有効電力及び無効電力を決定することと、を備える。電気グリッドにおける電圧及び電流が測定され得、電力需要は、そこから決定され得る。例えば、電気グリッドによって供給される経時的な電力が計算され得、経時的な電力が突然低減すると、低減された電力需要が仮定され得る。また、消費体及び／又は負荷の現在の電力需要が、方法を実行する制御装置に報告され、これらの制御装置が、経時的な電力需要を決定するために、報告された電力需要を合計することもあり得る。

【0009】

電気グリッドにおける測定された電圧及び測定された電流から、電気グリッドにおける有効電力及び無効電力もまた、決定され得る。電圧と電流を複素数と考えると、複素電力は、電圧と電流の複素共役との積となる。有効電力（active power）（又は有効電力（real power））は、複素電力の実部である。無効電力は、複素電力の虚部である。

【0010】

本発明の実施形態によれば、方法は、電気グリッドに接続された電力補償回路を制御することによって、有効電力の少なくとも一部及び無効電力の少なくとも一部を補償することを更に備える。電力補償回路を用いて、不足している有効電力及び無効電力の少なくとも一部が生成され得る。このようにして、低減された電力が平衡され得、グリッドにおける電圧の振幅及び周波数が安定化され得る。

【0011】

電力補償回路は、半導体スイッチを介して電気グリッドに接続可能な少なくとも抵抗型負荷を備える。少なくとも抵抗型負荷は、抵抗と、オプションで、容量及び／又はインピーダンスと、を提供し得る。有効電力及び無効電力は、少なくとも抵抗型負荷を電気グリッドに接続及び切断することによって生成され得る。これは、電気グリッドの周波数で行われ得る。

【0012】

補償有効電力及び補償無効電力が、電気グリッドにおけるグリッド電圧の位相角に対する半導体スイッチのスイッチング角を設定することによって調整される。従って、トリップした消費体及び／又は負荷によって引き起こされ得る低減された有効電力が少なくとも部分的に補償され得るだけでなく、例えば、電圧の周波数変化を受ける高調波フィルタによって引き起こされ得る、変化した無効電力もまた、少なくとも部分的に補償され得る。

【0013】

本発明の実施形態によれば、半導体スイッチは、サイリスタであり、スイッチング角は、サイリスタの点弧角である。このような点弧角は、０°～１８０°の間の値を有し得る。他の能動的に制御可能な半導体スイッチの場合、ターンオンスイッチング角及びターンオフスイッチング角が決定され得る。

【0014】

本発明の実施形態によれば、低減された電力需要は、電気グリッドにおける電圧及び電流を測定することによって、並びに測定された電圧及び測定された電流から電力を計算することによって、検出される。低減された電力を決定し、電力補償回路を制御するための制御装置が、電気グリッドにおける電圧及び電流信号からの信号を受信し得る。既に述べたように、これらの経時的な信号から、有効電力及び無効電力が計算され得る。

【0015】

本発明の実施形態によれば、電力補償回路は、電気グリッドの２つの相を接続及び切断するための一対の逆並列接続された半導体スイッチを備える。少なくとも抵抗型負荷は、一対の逆並列接続された半導体スイッチと直列に接続される。電気グリッドの相の全ての対は、一対の逆並列接続された半導体スイッチと、少なくとも抵抗型負荷と、によって接続され得る。逆並列接続された半導体スイッチのこれら対は、相間でデルタ結線され得る。

【0016】

また、逆並列接続された半導体スイッチのこれら対は、相間で星形結線され得る。この場合、各相は、一対の逆並列接続された半導体スイッチを介して、中性点（star-point）に接続され得る。

【0017】

本発明の実施形態によれば、電力補償回路は、電気グリッドの各相についてハーフブリッジを有する能動整流器を備え、ここで、少なくとも抵抗型負荷は、ハーフブリッジに並列に接続される。更なる可能性は、各相についてハーフブリッジを備え得る能動整流器を用いて、電気グリッドにおける電圧を整流することである。ＤＣ側では、整流された電圧は、少なくとも抵抗型負荷に印加され得る。

【0018】

各ハーフブリッジは、上側及び下側半導体スイッチを備え得、ここで、グリッドの相は、スイッチ間に接続される。それらの他端では、ハーフブリッジは並列に接続され、整流器のＤＣ出力を提供する。上側及び下側半導体スイッチのスイッチング角は、電力補償回路が所望の有効電力及び無効電力を提供するように選択され得る。

【0019】

本発明の実施形態によれば、電力補償回路は、電気グリッドと半導体スイッチとの間に接続された変圧器を備え、この変圧器は、調整可能な変圧比を有する。変圧器は、変圧器の巻線の巻数を変更し得るタップ切換器を備え得る。変圧比は、タップ切換器を用いて調整され得る。このようにして、少なくとも抵抗型負荷に印加される電圧が調整され得、これはまた、少なくとも抵抗型負荷によって生成される有効電力及び無効電力を制御するためにも使用され得る。

【0020】

補償有効電力及び補償無効電力は、調整可能な変圧比を設定することによって調整される。

【0021】

本発明の実施形態によれば、電力補償回路は、電気グリッドに接続された第１の整流器及び第２の整流器を備える。両方の整流器は、変圧器を介して又は直接的に、電気グリッドに接続され得る。補償有効電力及び補償無効電力は、第１の整流器についての第１のスイッチング角と、第２の整流器についての対応する異なる第２のスイッチング角と、を設定することによって調整される。整流器は、等しく設計され得、対応する第１及び第２のスイッチング角は、それぞれ、第１及び第２の整流器の同じ半導体スイッチに関連し得る。

【0022】

本発明の実施形態によれば、第１のコンバータのハーフブリッジの上側半導体スイッチのスイッチング角は、第１のコンバータのハーフブリッジの下側半導体スイッチのスイッチング角とは異なる。第２のコンバータのハーフブリッジの上側半導体スイッチのスイッチング角は、第２のコンバータのハーフブリッジの下側半導体スイッチのスイッチング角に等しい。第２のコンバータのハーフブリッジの下側半導体スイッチのスイッチング角は、第１のコンバータのハーフブリッジの上側半導体スイッチのスイッチング角に等しい。このような切り替え方式は、「スプリットアルファ（split-alpha）」と呼ばれ得る。このようにして２つの整流器を切り替えることは、整流器がそれぞれの相電圧を打ち消すことに関して対称的に切り替えられるので、やや低い高次高調波がもたらされる。更に、このスイッチング方式を用いて、有効電力及び無効電力は、互いに独立して制御され得る。

【0023】

本発明の実施形態によれば、第１のコンバータのハーフブリッジの上側半導体スイッチのスイッチング角は、第１のコンバータのハーフブリッジの下側半導体スイッチのスイッチング角に等しい。第２のコンバータのハーフブリッジの上側半導体スイッチのスイッチング角は、第２のコンバータのハーフブリッジの下側半導体スイッチのスイッチング角に等しい。第１のコンバータのハーフブリッジの上側及び下側半導体スイッチのスイッチング角は、第２のコンバータのハーフブリッジの上側及び下側半導体スイッチのスイッチング角とは異なる。換言すれば、第１の整流器の半導体スイッチのオン時間は、第２の整流器の半導体スイッチのオン時間とは異なり得る（即ち、異なる閉じ角及び／又は異なる開き角）。また、このスイッチング方式を用いて、有効電力及び無効電力は、互いに独立して制御され得る。

【0024】

これらのスイッチング角は全て、電気グリッドのそれぞれの相電圧の負から正へのゼロ交差に関して提供されることに留意されたい。

【0025】

本発明の実施形態によれば、第１の整流器及び第２の整流器は、それらのＤＣ出力において直列に接続され、少なくとも抵抗型負荷は、直列に接続されたＤＣ出力に並列に接続される。また、第１の整流器、第２の整流器及び少なくとも抵抗型負荷は、第１の整流器及び第２の整流器のＤＣ出力に並列に接続される。また、別個の少なくとも抵抗型負荷が、各整流器、即ち、それらのＤＣ出力に接続されることも可能であり得る。

【0026】

本発明の実施形態によれば、第１の整流器及び第２の整流器は、各整流器についての二次巻線を有する変圧器を介して、電気グリッドに接続される。このようにして、第１及び第２の整流器が対称的に切り替えられるとき、切り替えによって引き起こされる高次高調波が、変圧器において補償され得る。

【0027】

本発明の更なる態様は、電気グリッドにおける電力を安定化させるためのシステムに関する。上記及び以下に記載されるような方法の特徴は、上記及び以下に記載されるようなシステムの特徴であり得、その逆もまた同様であることを理解されたい。

【0028】

本発明の実施形態によれば、システムは、上記及び以下に記載されるような電力補償回路と、上記及び以下に記載されるような電力補償回路を制御するための制御装置と、を備える。システムは、本明細書に記載されるような方法を実行するように適合される。

【0029】

本発明の実施形態によれば、高調波フィルタが、電気グリッドに接続される。システムは、高調波フィルタを更に備え得、これは、グリッドに接続された負荷によって引き起こされる高次高調波をフィルタリングするための受動フィルタであり得る。有効電力需要が低減したときに、高調波フィルタによって生成される無効電力は、この方法によって補償され得る。

【0030】

本発明の実施形態によれば、少なくとも１つの負荷が電気グリッドに接続され、これは、電気グリッドから切断されると、低減された電力需要を引き起こす。少なくとも１つの負荷は、電気駆動装置及び電気アーク炉のうちの少なくとも１つを備える。電気駆動装置は、コンバータと、電気モータ及び／又は発電機と、を備え得る。このような負荷は、１ＭＷより大きい有効電力需要を有し得ることに留意されたい。

【0031】

本発明のこれら及び他の態様は、以下で説明される実施形態から明らかになり、またそれらを参照して解明されるであろう。

【0032】

本発明の主題は、添付の図面に示される例示的な実施形態を参照して、以下の本文により詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】図１は、本発明の実施形態によるシステムを概略的に示す。

【図2A】図２Ａは、本発明の実施形態において使用される電力補償回路を概略的に示す。

【図2B】図２Ｂは、本発明の更なる実施形態において使用される電力補償回路を概略的に示す。

【図3】図３は、本発明の更なる実施形態において使用される電力補償回路を概略的に示す。

【図4】４は、本発明の更なる実施形態において使用される電力補償回路を概略的に示す。

【図5】図５は、本発明の更なる実施形態において使用される電力補償回路を概略的に示す。

【図6】図６は、本発明の実施形態による、電気グリッドにおける電力を安定化させるための方法のための流れ図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0034】

図面において使用されている参照符号及びそれらの意味は、参照符号のリストにおいて要約形式で列挙されている。原則として、図中では、同一の部分には同じ参照符号が付与されている。

【0035】

図１は、電力補償回路１２と、高調波フィルタ１４と、いくつかの負荷１６、例えば、電気駆動装置１６ａ、電気ＤＣ又はＡＣアーク炉１６ｂ、及び／又は他の大きい電気負荷１６ｃと、を備えるシステム１０を示し、これらは全て、電気グリッド１８に接続される。この文脈における大きいとは、負荷が、１ＭＷより大きい最大電力消費を有し得ることを意味し得る。電気グリッド１８は、例えば、３３ｋＶの電圧を有する、三相ＡＣグリッドであり得、即ち、それは、中電圧グリッドであり得る。１つ以上の発電機２０が、電気グリッドに電力を供給し得る。

【0036】

図１は、電力補償回路１２のための制御装置２２を更に示し、この制御装置２２は、システム１０全体の制御装置の一部であり得るか、又は、負荷１６のうちの１つ以上等の、システムの特定の構成要素の制御装置の一部であり得る。制御装置２２は、電気グリッド１８についての電圧測定値２４及び電流測定値２６を受信する。これらの測定２４、２６は、システム１０の入力において、及び／又は、負荷１６の入力において、実行され得る。これらの測定値及び／又は更なるデータに基づいて、制御装置２２は、電力補償回路１２を制御する。制御装置２２はまた、負荷１６のうちの１つ以上及び／又はフィルタ１４の、制御デバイス及び／又はセンサに通信可能に接続され得る。また、このようにして受信されたデータは、電力補償回路１２を制御するために使用され得る。

【0037】

一般に、受信されたデータ（電圧測定値２４及び電流測定値２６など）に基づいて、制御装置２２は、電気グリッド１８において電力需要低下があるかどうかを決定し、この電力需要低下を平衡させるか、又は少なくとも低減させるように、電力補償回路１２を制御する。例えば、有効電力及び無効電力は、負荷１６のうちの１つの負荷遮断又は電力グリッド１８のグリッド障害の場合、特に、電力グリッド１８が弱いか又はアイランド運転にあるときに、補償され得る。これは、電気グリッド１８が、過電圧になること、及び周波数が増大することを防止することになる。

【0038】

制御装置２２は、負荷１６のうちの１つ以上からの、又は架空線を備え得る電気グリッド１８からの、外乱（disturbances）及び／又は障害を検出するように適合され得る。更なる障害及び／又は検出された電力需要は、電気アーク炉１６ｂにおけるアークの消滅、及び１００ｍｓ～１０００ｍｓ以内での再点弧、大きい電気駆動装置１６のトリップ、並びに、一般に、大きい電気負荷１６ｃのトリップから決定され得る。

【0039】

電力補償回路１２及び制御装置２２は、有効電力及び無効電力を同時に生成するように設計され、特に、電気グリッド１８上の電圧オーバースイングを防止し、同時に周波数の増大を防止するように設計される。電圧オーバースイング及び周波数の増大は、電力需要が低下している間に、１つ以上の発電機２０が依然として大量の電力を生成していることによって引き起こされ得る。これは、負荷１６及び発電機２０がトリップすることを防止し、従って、この事象の後、工場、採鉱場、又は遠隔工業地域等のシステム１０は、いかなる外乱もなくその動作を継続することが可能になる。これは、システム１０が再始動するのを防止し得る。トリップ及び再始動は、生産時間の損失につながり得る。

【0040】

負荷遮断又はグリッド障害等の、決定された、低減された電力需要の場合、電力補償回路１２は、有効（active）／有効（real）電力だけでなく、変化した無効電力も補償し得る。無効電力は、フィルタキャパシタンス及びフィルタインダクタンスを備え得る高調波フィルタ１４により変化され得、これは、変化する電圧の場合に、無効電力を変化させ得る。

【0041】

以下の図２～図５は、システム１０において使用され得る、電力補償回路１２の実施形態を示す。これらの実施形態は全て、必要に応じて、残りの無効電力を補償するために使用され得る、電気グリッド１８に接続された同期コンデンサと組み合わせて使用され得ることに留意されたい。

【0042】

図２Ａ及び図２Ｂは、３つの半導体スイッチ装置３０を有する電力補償回路１２を示し、各半導体スイッチ装置３０は、一対の逆並列半導体スイッチ３２を有する。ここで、及び以下の図において、半導体スイッチ３２は、サイリスタであり得る。しかしながら、ＩＧＢＴ等の他のタイプの半導体スイッチ３２もまた可能である。

【0043】

各半導体スイッチ装置３０は、負荷３４を備え、又は、図２Ａに示されるように、一対の逆並列半導体スイッチ３２と直列に接続された２つの負荷３４を備える。一対の逆並列半導体スイッチ３２は、２つの負荷３４の間に接続されている。負荷３４を異なる方法で配置することも可能である。負荷配置に応じて、半導体スイッチ３２の直列接続及び／又は並列接続が実装され得る。これは、以下の実施形態にも適用され得る。

【0044】

各負荷３４は、少なくとも抵抗型（又はオーム）負荷であり、無効部分、即ち、容量性部分及び／又は誘導性部分を備え得る。各負荷３４は、受動的であり得、即ち、抵抗器、キャパシタ、及び／又はインダクタで構成され得る。例えば、各負荷３４は、少なくとも０．１ＭＷを損失するように適合され得る。図２に関して説明された負荷３４の特性は、以下の図にも適用される。

【0045】

図２Ａでは、３つの半導体スイッチ装置３０の各々は、電気グリッド１８の一対の相の間に接続され、即ち、これら半導体スイッチ装置３０は、デルタ結線されている。

【0046】

図２Ｂでは、３つの半導体スイッチ装置３０の各々は、電気グリッド１８の相のうちの１つと中性点３３との間に接続される。これら半導体スイッチ装置３０は、星形結線されている。

【0047】

図２Ａ、図２Ｂ及び以下の図において、電力補償回路１２の有効電力及び無効電力は、半導体スイッチ３２のスイッチング角（又はサイリスタの場合は点弧角）を制御することによって制御され得る。半導体スイッチ３２を導通に切り替えるためのスイッチング角が大きいほど、無効電力も大きくなる。負荷３４が純抵抗型であるときも、無効電力が生成されることに留意されたい。

【0048】

電力補償回路１２はまた、電力補償回路１２を電気グリッド１８に接続し、また、それを電気グリッド１８から完全に切断するための機械スイッチ３５も備え得る。

【0049】

図３は、負荷３４が整流器３６を介して電気グリッド１８と接続された電力補償回路１２を示す。整流器３６は、３つのハーフブリッジ３８を備え、その各々が、ハーフブリッジ３８のＤＣ出力４０間に直列接続された２つの半導体スイッチ３２を備える。電気グリッドの相が、半導体スイッチ３２間の中点に接続される。ＤＣ出力４０は、並列に接続され、負荷３４は、ＤＣ出力４０間に接続される。

【0050】

先と同様に、電力補償回路１２の有効電力及び無効電力は、半導体スイッチ３２のスイッチング角を制御することによって制御され得る。図２及び図３では、単にスイッチング角を変更することによって、供給される有効電力と無効電力との間の比が予め定義され、予期される動作点について最適化され得る。

【0051】

オプションの変圧器４２が、電気グリッド１８と整流器３６との間に接続され得る。変圧器４２は、例えば、タップ切換器４４を介して、調整可能な変圧比を有し得る。変圧比を変更することによって、電力補償回路１２によって供給される有効電力と無効電力との間の比も変更され得る。

【0052】

タップ切換器４４を用いて、電力負荷の変化が、利用可能なタップに応じて考慮され得る。タップ切換器４４の変圧器タップ位置と、半導体スイッチ３２のスイッチング角とに応じて、電力補償回路１２によって引き出される有効電力と無効電力とは、より互いに独立して制御可能である。これは、２つの様々な動作点を適合させることを可能にし、及び／又はより柔軟である。

【0053】

変圧器４２はまた、図２にも設けられ得、そこで、それは、電気グリッド１８と半導体スイッチ装置３０との間に接続され得る。

【0054】

図４は、２つの整流器３６ａ、３６ｂを備える電力補償回路１２を示し、その各々は、図３のように設計される。整流器３６ａ、３６ｂの各々は、変圧器４２’の二次巻線に接続され、変圧器４２’は、一次巻線を介して電気グリッド１８に接続される。変圧器４２’は、例えば、図３の変圧器４２と同様にタップ切換器４４を用いて、調整可能な変圧比を有し得る。

【0055】

図４において、整流器３６ａ、３６ｂは、それらのＤＣ出力４０と直列に接続され、負荷３４は、この直列接続に並列に接続される。

【0056】

図５は、図４と同様に２つの整流器３６ａ、３６ｂを有する電力補償回路１２を示すが、これらは、それらのＤＣ出力４０と並列に接続される。負荷３４は、整流器３６ａ、３６ｂに並列に接続されている。

【0057】

図４及び図５において、半導体スイッチ３２のスイッチング角は、有効電力が一定に保たれ得ながら、無効電力がある特定の範囲内で調整され得るように、制御され得る。これは、整流器３６ａ、３６ｂを非対称的に切り替えることによって達成され得る。これは、一時的な外乱（transient disturbance）に対して最も速い応答を有し得る。

【0058】

図４に示されるように、整流器３６ａの上側ハーフブリッジの半導体スイッチ３２ａと、整流器３６ｂの下側ハーフブリッジの半導体スイッチ３２ｂとは、同じスイッチング角α_１を有し得、整流器３６ａの下側ハーフブリッジの半導体スイッチ３２ｂと、整流器３６ｂの上側ハーフブリッジの半導体スイッチ３２ａとは、同じスイッチング角α_２（α_１とは異なる）を有し得る。これは、スプリットアルファ制御と呼ばれ得る。

【0059】

図５に示されるように、整流器３６ａの上側ハーフブリッジの半導体スイッチ３２ａと下側ハーフブリッジの半導体スイッチ３２ｂとは、同じスイッチング角α_１を有し得、整流器３６ｂの上側ハーフブリッジの半導体スイッチ３２ａと下側ハーフブリッジの半導体スイッチ３２ｂとは、同じスイッチング角α_２（α_１とは異なる）を有し得る。

【0060】

図５のスイッチング方式を図４の電力補償回路１２に適用することも可能であり、その逆もまた可能である。

【0061】

図６は、制御装置２２の制御下で、システム１０によって実行され得る、電気グリッド１８における電力を安定化させるための方法を用いた流れ図を示す。

【0062】

ステップＳ１０において、制御装置２２は、電気グリッド１８における低減された電力需要を検出する。上述さたように、これは、電気グリッド１８における電圧２４及び電流２６を測定することによって、並びに電圧２４及び電流２６から電力を計算することによって行われ得る。追加又は代替として、制御装置２２は、電圧２４及び電流２６の測定データを評価することによって、グリッド障害又は他の障害を決定する。追加又は代替として、制御装置２２は、負荷１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃから、及び／又は、高調波フィルタ１４から、低減された電力需要を示すデータを受信する。このようなデータは、負荷１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃのうちの１つが障害を有し、及び／又はトリップしたという情報を備え得る。

【0063】

ステップＳ１２において、制御装置２２は、電気グリッド１８において補償されるべき有効電力及び無効電力を決定する。例えば、制御装置は、低減された電力需要が出現する前に電気グリッド１８から引き出された有効電力及び無効電力を決定する。補償されるべき有効電力は、低減された電力需要の出現前の有効電力と、その後の有効電力との差であり得る。同様に、補償されるべき無効電力は、低減された電力需要の出現前の無効電力と、その後の無効電力との間の差であり得る。また、負荷１６のうちの１つがトリップしたとき、有効電力及び無効電力における低減された電力需要が、制御装置２２に既に記憶されており、次いで、補償されるべき有効電力及び無効電力として使用されることもあり得る。更なる可能性は、グリッドにおける特定の電圧変化に関して高調波フィルタ１４によって生成される無効電力が、制御装置２２によって記憶及び／又は計算され得、次いで、補償されるべき無効電力として使用されることである。

【0064】

ステップＳ１４において、制御装置２２は、有効電力の少なくとも一部及び無効電力の少なくとも一部を補償するように、電力補償回路１２を制御する。電力補償回路１２は、少なくとも抵抗型負荷３４が、半導体スイッチ３２を介して、電気グリッド１８に接続され、また、グリッド１８から切断されるように制御され、これにより、それは、補償されるべき有効電力及び無効電力を生成する。

【0065】

特に、電力補償回路１２は、有効電力を補償するだけでなく、例えば、高調波フィルタ１４によって生成される無効電力も補償するように制御される。障害後に電圧が戻ると、これは、システム１０が、不足している無効電力及び有効電力に起因して電圧がオーバースイングするのを防止し、従って、負荷１６がトリップするのを防止し、これは、システム１０全体を再始動するための時間を節約し得る。

【0066】

補償有効電力及び補償無効電力は、電力補償回路１２の半導体スイッチ３２のスイッチング角α_１、α_２を対応して設定することによって、調整及び／又は生成される。スイッチング角α_１、α_２は、電気グリッド１８におけるグリッド電圧２４の位相角に対して設定される。例えば、特定の半導体スイッチのためのスイッチング角は、電気グリッドのそれぞれの相電圧のゼロ交差後の特定の角度に設定され得る。

【0067】

追加として、電力補償回路１２が調整可能な変圧比を有する変圧器４２、４２’を備えるとき、補償有効電力及び補償無効電力は、調整可能な変圧比を対応して設定することによって調整され得る。

【0068】

電力補償回路１２が整流器３６、３６ａ、３６ｂを備えるとき、異なるスイッチング方式が、所望の有効電力及び無効電力を生成するために使用され得る。例えば、図３の整流器３６は、整流器３６のハーフブリッジ３８の上側半導体スイッチ３２ａ及び下側半導体スイッチ３２ｂについて異なるスイッチング角で切り替えられ得る。しかしながら、これは、電気グリッド１８において高次高調波を生成し得る。

【0069】

２つの整流器３６ａ、３６ｂが使用されるとき、高調波の生成は、整流器３６ａ、３６ｂを、（図５に示されるように）各整流器単独で、又は（図４に関して示されるように）互いに対してのいずれかで、対称的に切り替えることによって、平衡され得る。一般に、両方の場合において、補償有効電力及び補償無効電力は、第１の整流器３６ａについて第１のスイッチング角α_１、α_２と、第２の整流器３６ｂについて対応する異なる第２のスイッチング角α_１、α_２と、を設定することによって調整及び／又は生成される。

【0070】

第１の可能性は、「スプリットアルファ」と呼ばれる制御方式で整流器を切り替えることである。第１のコンバータ３６ａのハーフブリッジ３８の上側半導体スイッチ３２ａのスイッチング角α_１は、第１のコンバータ３６ａのハーフブリッジ３８の下側半導体スイッチ３２ｂのスイッチング角α_２とは異なるように選択される。第２のコンバータ３６ｂのハーフブリッジ３８の上側半導体スイッチ３２ａのスイッチング角α_２は、第２のコンバータ３６ｂのハーフブリッジ３８の下側半導体スイッチ３２ｂのスイッチング角α_２に等しく設定される。第２のコンバータ３６ｂのハーフブリッジ３８の下側半導体スイッチ３２ｂのスイッチング角α_１は、第１のコンバータ３６ａのハーフブリッジ３８の上側半導体スイッチ３２ａのスイッチング角α_１に等しく設定される。

【0071】

第２の可能性は、各整流器３６ａ、３６ｂについての上側及び下側半導体スイッチ３２ａ、３２ｂに対して同じスイッチング角α_１、α_２を使用するが、整流器３６ａ、３６ｂに対して異なるスイッチング角α_１、α_２を使用することである。第１のコンバータ３６ａのハーフブリッジ３８の上側半導体スイッチ３２ａのスイッチング角α_１は、第１のコンバータ３６ａのハーフブリッジ３８の下側半導体スイッチ３２ｂのスイッチング角α_１に等しくなるように選択される。第２のコンバータ３６ｂのハーフブリッジ３８の上側半導体スイッチ３２ａのスイッチング角α_２は、第２のコンバータ３６ｂのハーフブリッジ３８の下側半導体スイッチ３２ｂのスイッチング角α_２に等しくなるように選択される。第１のコンバータ３６ａのハーフブリッジ３８の上側及び下側半導体スイッチ３２ａ、３２ｂのスイッチング角α_１は、第２のコンバータ３６ｂのハーフブリッジ３８の上側及び下側半導体スイッチ３２ａ、３２ｂのスイッチング角α_２とは異なるように選択される。

【0072】

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に例示及び説明されてきたが、このような例示及び説明は、例示的又は実例的であって、限定的ではないと見なされるべきであり、本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変形例は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の参酌から、請求項に記載の発明を実施する当業者によって理解及び実施され得る。特許請求の範囲において、「備える」という単語は、他の要素又は工程を除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外するものではない。単一のプロセッサ若しくは制御装置又は他のユニットが、特許請求の範囲に記載されるいくつかのアイテムの機能を果たし得る。ある特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用され得ないことを示すものではない。特許請求の範囲におけるいずれの参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

【0073】

［参照符号のリスト］
１０ システム
１２ 電力補償回路
１４ 高調波フィルタ
１６ 負荷
１６ａ 電気駆動装置
１６ｂ 電気アーク炉
１６ｃ 大きい電気負荷
１８ 電気グリッド
２０ 発電機
２２ 制御装置
２４ 電圧測定値
２６ 電流測定値
３０ 半導体スイッチ装置
３２ 半導体スイッチ
３３ 中性点
３４ 負荷
３５ 機械スイッチ
３６ 整流器
３６ａ 整流器
３６ｂ 整流器
３８ ハーフブリッジ
４０ ＤＣ出力
４２ 変圧器
４２’ 変圧器
４４ タップ切換器
α_１ スイッチング角
α_２ スイッチング角

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】