(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統電圧をディジタルサンプリングしてフーリエ変換し、基本波電圧の位相を検出するフーリエ変換手段と、
前記基本波電圧の位相と予め設定された電流源設定電流とに基づいて基本波電圧位相に同期した高調波電流ベクトルを演算する電流源負荷量演算手段と、
前記電流源負荷量演算手段から出力される高調波電流ベクトルを瞬時値正弦波形に変換し、この波形をＤ／Ａ変換することにより高調波発生負荷としての高調波電流指令を作成する瞬時値変換手段と、
前記高調波電流指令に従って電流源アンプを駆動し、系統へ高調波電流を注入する手段と、
を備えたことを特徴とする電力系統高調波リアルタイムシミュレータ。
【請求項２】
系統電圧をディジタルサンプリングしてフーリエ変換し、高調波電圧を検出するフーリエ変換手段と、
前記高調波電圧、基本波電圧、及び、高調波有効・無効電力設定手段により与えられる初期負荷量に基づいて、基本波電圧位相に同期し、かつ負荷により吸収されるべき高調波電流ベクトルを演算する電流変換演算手段と、
前記電流変換演算手段の出力を基本波電圧の位相を基準とした高調波電流ベクトルに変換する電流変換手段と、
前記電流変換手段から出力される高調波電流ベクトルを瞬時値正弦波形に変換し、この波形をＤ／Ａ変換することにより高調波吸収負荷としての高調波電流指令を作成する瞬時値変換手段と、
前記高調波電流指令に従って電流源アンプを駆動し、系統へ高調波電流を注入する手段と、
を備えたことを特徴とする電力系統高調波リアルタイムシミュレータ。
【請求項３】
系統電圧及び系統電流をディジタルサンプリングしてフーリエ変換し、基本波電圧の位相と高調波電流とを検出するフーリエ変換手段と、
前記基本波電圧の位相と予め設定された電流源設定電流とに基づいて基本波電圧位相に同期した高調波電流ベクトルを演算する電流源負荷量演算手段と、
前記高調波電流及び基本波電圧の位相に基づいて計測電流量としての高調波電流ベクトルを演算する計測電流量演算手段と、
前記電流源負荷量演算手段の出力と計測電流量演算手段の出力との偏差が入力され、前記計測電流量演算手段の出力が前記電流源負荷量演算手段の出力に一致するように制御演算を行う制御演算手段と、
前記制御演算手段から出力される高調波電流ベクトルを瞬時値正弦波形に変換し、この波形をＤ／Ａ変換することにより高調波発生負荷としての高調波電流指令を作成する瞬時値変換手段と、
前記高調波電流指令に従って電流源アンプを駆動し、系統へ高調波電流を注入する手段と、
を備えたことを特徴とする電力系統高調波リアルタイムシミュレータ。
【請求項４】
系統電圧をディジタルサンプリングしてフーリエ変換し、高調波電圧及び高調波電流を検出するフーリエ変換手段と、
前記高調波電圧、基本波電圧、及び、高調波有効・無効電力設定手段により与えられる初期負荷量に基づいて、基本波電圧位相に同期し、かつ負荷により吸収されるべき高調波電流ベクトルを演算する電流変換演算手段と、
前記電流変換演算手段の出力を基本波電圧の位相を基準とした高調波電流ベクトルに変換する電流変換手段と、
前記高調波電流及び基本波電圧の位相に基づいて計測電流量としての高調波電流ベクトルを演算する計測電流量演算手段と、
前記電流変換手段の出力と計測電流量演算手段の出力との偏差が入力され、前記計測電流量演算手段の出力が前記電流変換手段の出力に一致するように制御演算を行う制御演算手段と、
前記制御演算手段から出力される高調波電流ベクトルを瞬時値正弦波形に変換し、この波形をＤ／Ａ変換することにより高調波吸収負荷としての高調波電流指令を作成する瞬時値変換手段と、
前記高調波電流指令に従って電流源アンプを駆動し、系統へ高調波電流を注入する手段と、
を備えたことを特徴とする電力系統高調波リアルタイムシミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般需要家を縮約して高調波発生負荷または吸収負荷として動作する負荷モデルにより実系統の高調波を模擬可能とした電力系統高調波リアルタイムシミュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、電力系統シミュレータは種々提供されているが、それらの多くは商用周波数である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの基本波電圧・電流による現象を模擬するものであった。このため、パワーエレクトロニクス機器等に起因して実際の系統にある程度（数％）存在する高調波を模擬することができず、特に、周波数の高い高調波電圧に対し、高調波インピーダンスに対応して限りなく小さい時間遅れを持つ高調波電流を模擬するためには、一瞬のうちに電流応答波形をディジタル演算して応答遅れのない理想の電流源を駆動しなくてはならず、これは物理的に困難であった。
【０００３】
そこで本発明は、系統の高調波電圧に対する高調波電流の応答遅れを補償し、高調波電圧や電流による現象を高精度に模擬できるようにした電力系統高調波リアルタイムシミュレータを提供しようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、系統電圧をディジタルサンプリングしてフーリエ変換し、基本波電圧の位相を検出するフーリエ変換手段と、前記基本波電圧の位相と予め設定された電流源設定電流とに基づいて基本波電圧位相に同期した高調波電流ベクトルを演算する電流源負荷量演算手段と、前記電流源負荷量演算手段から出力される高調波電流ベクトルを瞬時値正弦波形に変換し、この波形をＤ／Ａ変換することにより高調波発生負荷としての高調波電流指令を作成する瞬時値変換手段と、前記高調波電流指令に従って電流源アンプを駆動し、系統へ高調波電流を注入する手段と、を備えたものである。
【０００５】
請求項２記載の発明は、系統電圧をディジタルサンプリングしてフーリエ変換し、高調波電圧を検出するフーリエ変換手段と、前記高調波電圧、基本波電圧、及び、高調波有効・無効電力設定手段により与えられる初期負荷量に基づいて、基本波電圧位相に同期し、かつ負荷により吸収されるべき高調波電流ベクトルを演算する電流変換演算手段と、前記電流変換演算手段の出力を基本波電圧の位相を基準とした高調波電流ベクトルに変換する電流変換手段と、前記電流変換手段から出力される高調波電流ベクトルを瞬時値正弦波形に変換し、この波形をＤ／Ａ変換することにより高調波吸収負荷としての高調波電流指令を作成する瞬時値変換手段と、前記高調波電流指令に従って電流源アンプを駆動し、系統へ高調波電流を注入する手段と、を備えたものである。
【０００６】
請求項３記載の発明は、系統電圧及び系統電流をディジタルサンプリングしてフーリエ変換し、基本波電圧の位相と高調波電流とを検出するフーリエ変換手段と、前記基本波電圧の位相と予め設定された電流源設定電流とに基づいて基本波電圧位相に同期した高調波電流ベクトルを演算する電流源負荷量演算手段と、前記高調波電流及び基本波電圧の位相に基づいて計測電流量としての高調波電流ベクトルを演算する計測電流量演算手段と、前記電流源負荷量演算手段の出力と計測電流量演算手段の出力との偏差が入力され、前記計測電流量演算手段の出力が前記電流源負荷量演算手段の出力に一致するように制御演算を行う制御演算手段と、前記制御演算手段から出力される高調波電流ベクトルを瞬時値正弦波形に変換し、この波形をＤ／Ａ変換することにより高調波発生負荷としての高調波電流指令を作成する瞬時値変換手段と、前記高調波電流指令に従って電流源アンプを駆動し、系統へ高調波電流を注入する手段と、を備えたものである。
【０００７】
請求項４記載の発明は、系統電圧をディジタルサンプリングしてフーリエ変換し、高調波電圧及び高調波電流を検出するフーリエ変換手段と、前記高調波電圧、基本波電圧、及び、高調波有効・無効電力設定手段により与えられる初期負荷量に基づいて、基本波電圧位相に同期し、かつ負荷により吸収されるべき高調波電流ベクトルを演算する電流変換演算手段と、前記電流変換演算手段の出力を基本波電圧の位相を基準とした高調波電流ベクトルに変換する電流変換手段と、前記高調波電流及び基本波電圧の位相に基づいて計測電流量としての高調波電流ベクトルを演算する計測電流量演算手段と、前記電流変換手段の出力と計測電流量演算手段の出力との偏差が入力され、前記計測電流量演算手段の出力が前記電流変換手段の出力に一致するように制御演算を行う制御演算手段と、前記制御演算手段から出力される高調波電流ベクトルを瞬時値正弦波形に変換し、この波形をＤ／Ａ変換することにより高調波吸収負荷としての高調波電流指令を作成する瞬時値変換手段と、前記高調波電流指令に従って電流源アンプを駆動し、系統へ高調波電流を注入する手段と、を備えたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図７は本発明の実施形態が適用される電力系統シミュレータの全体構成図である。
図７において、１０は実系統における原子力発電所や水力・火力発電所等に対応する発電機モデルであり、１１は制御装置、１２はアナログ回路１３及び出力アンプ１４からなる発電機本体である。１５は発電機用変圧器としての変圧器モデル、１６は遮断器モデルを示す。
また、２０はコンデンサ及びリアクトルからなる送電線モデル、３０は遮断器モデル、４０は系統用変圧器としての変圧器モデルである。
【０００９】
更に、５０はコントローラ５１及び出力アンプ５２からなる負荷モデルであり、電力需要家に対応する。
本発明では、上記負荷モデル５０を高調波発生負荷または高調波吸収（消費）負荷として動作させ、高調波電流指令に従って系統に高調波電流を注入（いわゆる吸い出し動作も含む）することにより、実系統に存在する高調波を模擬するものである。
【００１０】
次に、図１は請求項１〜請求項４に記載した発明の基本となる処理を概念的に示した図である。
すなわち、本発明では、まず系統電圧や必要に応じて系統電流をディジタルサンプリングし、基本波や高調波といった周波数別のベクトルに展開（静止化）する。次に、高調波電流ベクトル設定手段（電流源負荷量演算手段または設定負荷量の電流変換演算手段など）により、基本波の位相に同期した高調波電流ベクトル（発生または吸収されるべき高調波電流ベクトル）を演算する。その際、高調波有効・無効電力設定手段により設定された初期負荷量を用いることもある。
そして、前記高調波電流ベクトルを瞬時値正弦波形に変換すると共に、この瞬時値正弦波形を基本波負荷電流瞬時値正弦波形に重畳してＤ／Ａ変換し、電流指令として電流源アンプを駆動することにより、系統へ高調波電流を注入する。
なお、系統の高調波電流を計測して設定量にフィードバックし、計測量が設定量に一致するようにＰＩ制御演算等を行って高調波電流指令を作成しても良い。
【００１１】
次に、図２は請求項１に記載した発明の実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、当該負荷モデルを高調波発生負荷として動作させる例である。
図２において、系統接続点５０５から系統電圧ｖａ（ｔ）の瞬時値がディジタルサンプリングされ、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）手段５０１により基本波電圧位相θ０が検出される。この基本波電圧位相θ０は電流源負荷量演算手段５０２に入力され、予め実測により設定された電流源設定電流Ｉｇ∠θｇに従って基本波電圧位相θ０に同期した高調波電流ベクトル（実数部Ｉｒ、虚数部Ｉｉ）に変換される。
上記電流源負荷量演算手段５０２は、当該負荷モデルを高調波発生負荷として見た場合の発生高調波電流を演算している。
【００１２】
電流源負荷量演算手段５０２から出力された高調波電流ベクトルは瞬時値変換手段５０３において振幅Ｉａ、位相θａを有する瞬時値正弦波形に変換される。この波形はＤ／Ａ変換されて電流指令となり、電流源アンプ５０４に与えられる。
電流源アンプ５０４では、上記電流指令に従って高調波電流を生成し、この高調波を系統接続点５０５を介して系統に注入する。
【００１３】
図３は、請求項２に記載した発明の実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、当該負荷モデルを高調波吸収負荷として動作させる例である。
図３において、離散フーリエ変換手段５０１によってｎ次高調波の実効値電圧Ｖａｎ∠θ１が出力され、設定負荷量の電流変換演算手段５０６に入力される。電流変換演算手段５０６は、ｎ次高調波の実効値電圧、基本波電圧、及び、例えばａ相のｎ次高調波の初期負荷量ＰＬＡｎ，ＱＬＡｎを用いて、高調波インピーダンスに反比例した電流ベクトルの実数部（ａ相についてはＩＬＡｒ）及び虚数部（同じくＩＬＡｉ）を演算し、出力する。なお、初期負荷量ＰＬＡｎ，ＱＬＡｎは、図示されていない有効電力・無効電力設定手段によって設定される値である。
【００１４】
電流変換演算手段５０６の出力は、後続の電流変換手段５１２により基本波電圧の位相θａを基準とした高調波電流ベクトルに変換され、その実数部Ｉｒ及び虚数部Ｉｉが瞬時値変換手段５０３に入力される。
すなわち、上記電流変換演算手段５０６及び電流変換手段５１２は、当該負荷モデルを高調波吸収負荷として見た場合に吸収されるべき高調波電流を演算している。
【００１５】
瞬時値変換手段５０３では、高調波電流ベクトルが前記と同様に振幅Ｉａ、位相θａを有する瞬時値正弦波形に変換される。この値はＤ／Ａ変換されて電流指令となり、電流源アンプ５０４に与えられる。
電流源アンプ５０４では、上記電流指令に従って高調波電流を生成し、系統接続点５０５を介して系統に注入する（系統から吸い出す）。
【００１６】
また、図４は請求項３に記載した発明の実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、図２の実施形態に高調波電流のフィードバックループを付加して構成されており、負荷モデルが発生する高調波電流をその設定量に高精度に一致させるようにしたものである。
本実施形態においては、離散フーリエ変換手段５０１に系統電圧ｖａ（ｔ）の瞬時値と、シャント５１０により検出した系統電流Ｉａ（ｔ）の瞬時値とが入力される。離散フーリエ変換手段５０１からは、基本波電圧の位相θａとｎ次高調波の実効値電流Ｉａｎ∠θ２とが出力され、これらは各々電流源負荷量演算手段５０２、計測電流量演算手段５０７に入力される。
【００１７】
電流源負荷量演算手段５０２は、前記図２と同様に電流源負荷量の実数部Ｉｇｒ、虚数部Ｉｇｉを演算して出力する。一方、計測電流量演算手段５０７では、ｎ次高調波の実効値電流と基本波電圧の位相とを用いて、高調波の計測電流量の実数部ＩＭＡｒ及び虚数部ＩＭＡｉを求めて出力する。
電流源負荷量演算手段５０２及び計測電流量演算手段５０７の出力側には減算器５０８が設けられており、この減算器５０８において、各演算手段５０２，５０７の出力の実数部どおし、虚数部どおしの偏差が演算され、実数部偏差ΔＩｒ及び虚数部偏差ΔＩｉとして出力される。すなわち、高調波電流ベクトルの設定量に対して計測量がフィードバックされる。
【００１８】
上記偏差ΔＩｒ，ΔＩｉは後段のＰＩ（比例・積分）制御演算手段５０９に入力されてＰＩ制御演算が実行され、設定量に一致するような高調波電流ベクトル（負荷モデルにより発生するべき高調波電流ベクトル）が演算される。ここで、ＰＩ制御演算に代えてＰＩＤ（比例・積分・微分）制御演算を用いても良い。
制御演算手段５０９から出力された高調波電流ベクトルは瞬時値変換手段５０３において振幅Ｉａ、位相θａを有する瞬時値正弦波形に変換される。この波形はＤ／Ａ変換されて電流指令となり、電流源アンプ５０４に与えられる。
電流源アンプ５０４では、上記電流指令に従って高調波電流を生成し、シャント５１０及び系統接続点５０５を介して系統に注入する。
【００１９】
図５は、請求項４記載の発明の実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、図３の実施形態に高調波電流のフィードバックループを付加して構成されており、負荷モデルが吸収する高調波電流をその設定量に高精度に一致させるようにしたものである。
本実施形態では、図４と同様に離散フーリエ変換手段５０１に系統電圧ｖａ（ｔ）及び系統電流Ｉａ（ｔ）の各瞬時値が入力される。離散フーリエ変換手段５０１からは、ｎ次高調波の実効値電圧Ｖａｎ∠θ１及び実効値電流Ｉａｎ∠θ２が出力され、これらは各々設定負荷量の電流変換演算手段５０６、計測電流量演算手段５０７に入力される。
【００２０】
設定負荷量の電流変換演算手段５０６は、前記図３と同様に、ｎ次高調波の実効値電圧、基本波電圧、及び、例えばａ相のｎ次高調波の初期負荷量ＰＬＡｎ，ＱＬＡｎを用いて、高調波インピーダンスに反比例した電流ベクトルの実数部ＩＬＡｒ及び虚数部ＩＬＡｉを演算し、出力する。初期負荷量ＰＬＡｎ，ＱＬＡｎは、図示されていない有効電力・無効電力設定手段によって設定される値である。
上記電流変換演算手段５０６の出力は、電流変換手段５１２により基本波電圧の位相θａを基準とした電流に変換される。
一方、計測電流量演算手段５０７は図４と同様の動作を行い、高調波の計測電流量の実数部及ＩＭＡｒ及び虚数部ＩＭＡｉを求めて出力する。
【００２１】
減算器５０８では、電流変換手段５１２と計測電流量演算手段５０７の出力の実数部どおし、虚数部どおしの偏差が演算され、実数部偏差ΔＩｒ及び虚数部偏差ΔＩｉとして出力される。
これらの偏差ΔＩｒ，ΔＩｉは後段のＰＩ制御演算手段５０９に入力され、ＰＩ演算によって設定量に一致するような高調波電流ベクトル（負荷モデルにより吸収されるべき高調波電流ベクトル）が演算される。なお、この実施形態でも、ＰＩ制御演算に代えてＰＩＤ制御演算を用いても良い。
【００２２】
上記高調波電流ベクトルは、瞬時値変換手段５０３において振幅Ｉａ、位相θａを有する瞬時値正弦波形に変換されると共に、Ｄ／Ａ変換されて電流指令となり、電流源アンプ５０４に与えられる。
電流源アンプ５０４では、上記電流指令に従って高調波電流を生成し、シャント５１０及び系統接続点５０５を介して系統に注入する（系統から吸い出す）。
【００２３】
最後に、図６は、請求項３及び４記載の発明の実施形態を合成した例を示すブロック図であり、図４、図５と同一の構成要素には同一番号を付してある。
この実施形態では、電流変換手段５１２の出力と電流源負荷量演算手段５０２の出力とが加算器５１１により加算されて高調波電流の目標電流ベクトルが作成される。そして、この目標電流ベクトルに対して計測電流量がフィードバックされ、減算器５０８により実数部偏差ΔＩｒ及び虚数部偏差ΔＩｉが求められる。減算器５０８以降の処理は、図４、図５と同一である。
この実施形態によれば、高調波発生負荷及び高調波吸収負荷の双方を考慮した負荷モデルを実現でき、より一層、実系統に近い高調波模擬を行うことができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来の電力系統シミュレータでは不可能であった高調波電圧・電流現象を正確に、しかも高調波電流の応答遅れなく模擬することができ、系統の各地点での高調波潮流の解析や高調波抑制効果の検証が容易になる。
また、高調波発生負荷と吸収負荷とを比率を変えて個別に割り付け可能となり、高調波電流の流入や消費を自由に設定できる利点がある。
更に、高調波の周波数ごとに位相や利得を調整できるので、系統シミュレータ全体の周波数特性を一手に調整することができ、全体的に高調波模擬精度の向上が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１〜請求項４の発明の基本となる処理を概念的に示した図である。
【図２】請求項１記載の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図３】請求項２記載の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図４】請求項３記載の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図５】請求項４記載の発明の実施形態を示すブロック図である。
【図６】請求項３及び４記載の発明の実施形態を合成した例を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施形態が適用される電力系統シミュレータの全体構成図である。
【符号の説明】
１０  発電機モデル
１１  制御装置
１２  発電機本体
１３  アナログ回路
１４  出力アンプ
１５，４０  変圧器モデル
１６，３０  遮断器モデル
２０  送電線モデル
５０  負荷モデル
５１  コントローラ
５２  出力アンプ
５０１  離散フーリエ変換手段
５０２  電流源負荷量演算手段
５０３  瞬時値変換手段
５０４  電流源アンプ
５０５  系統接続点
５０６  設定負荷量の電流変換演算手段
５０７  計測電流量演算手段
５０８  減算器
５０９  ＰＩ制御演算手段
５１０  シャント
５１１  加算器
５１２  電流変換手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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