(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流系統の電圧変動を抑制する電圧変動抑制装置において、
前記交流系統の電圧実効値を求める電圧検出演算部と、
前記電圧実効値と該電圧実効値の目標である交流電圧指令値の差分に基づき無効電力指令値を出力する無効電力制御部と、
可変制御リアクトルによる無効電力を発生し、該発生した無効電力を前記交流系統に出力する無効電力発生装置を備え、
前記無効電力発生装置は、前記無効電力指令値と前記可変制御リアクトルの直流巻線の直流電流検出値に基づき、前記可変制御リアクトルの直流電源電圧を制御することにより前記無効電力を発生することを特徴とする電圧変動抑制装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電圧変動抑制装置において、
前記無効電力発生装置は、前記直流電流検出値と第１の一次遅れと第１のゲインにより直流電流フィードバック値を演算する電流検出演算部と、
前記無効電力指令値から前記直流電流フィードバック値を減算し前記無効電力指令値を修正する減算部と、
該修正された無効電力指令値と第２のゲインに基づき直流電圧指令値を演算する第２のゲイン調整部を備え、
前記直流電圧指令値により前記可変制御リアクトルの直流電源電圧を制御することを特徴とする電圧変動抑制装置。
【請求項３】
請求項1または請求項２に記載の電圧変動抑制装置において、
前記無効電力制御部は、前記電圧実効値と該電圧実効値の目標である交流電圧指令値の差分に基づき無効電力指令値を出力することに替えて、前記電圧実効値の位相を調整し、さらに位相を調整した前記電圧実効値のゲインを調整することにより前記無効電力指令値を出力することを特徴とする電圧変動抑制装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電圧変動抑制装置において、
前記電圧実効値の位相の調整は、それぞれ進み９０度から遅れ９０度まで位相調整が可能な２つの位相調整部により実行されることを特徴とする電圧変動抑制装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電圧変動抑制装置において、
前記電圧実効値から、比較的長時間の電圧変動を監視しステップ的な電圧変更を行う装置の調整対象となる電圧変動周波数範囲の成分である長時間電圧制御成分を取り出し、該取り出した長時間電圧制御成分を前記無効電力指令値から減算することを特徴とする電圧変動抑制装置。
【請求項６】
交流系統の電圧変動を抑制する電圧変動抑制方法において、
前記交流系統の電圧実効値を求める電圧検出演算ステップと、
前記電圧実効値と該電圧実効値の目標である交流電圧指令値の差分に基づき無効電力指令値を出力する無効電力制御ステップと、
可変制御リアクトルによる無効電力を発生し、該発生した無効電力を前記交流系統に出力する無効電力発生ステップを備え、
前記無効電力発生ステップは、前記無効電力指令値と前記可変制御リアクトルの直流巻線の直流電流検出値に基づき、前記可変制御リアクトルの直流電源電圧を制御することにより前記無効電力を発生することを特徴とする電圧変動抑制方法。
【請求項７】
請求項６に記載の電圧変動抑制方法において、
前記無効電力発生ステップは、前記直流電流検出値と第１の一次遅れと第１のゲインにより直流電流フィードバック値を演算し、
前記無効電力指令値から前記直流電流フィードバック値を減算し前記無効電力指令値を修正し、
該修正された無効電力指令値と第２のゲインに基づき直流電圧指令値を演算し、
前記直流電圧指令値により前記可変制御リアクトルの直流電源電圧を制御することを特徴とする電圧変動抑制方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の電圧変動抑制方法において、
前記無効電力制御ステップは、前記電圧実効値と該電圧実効値の目標である交流電圧指令値の差分に基づき無効電力指令値を出力することに替えて、前記電圧実効値の位相を調整し、さらに位相を調整した前記電圧実効値のゲインを調整することにより前記無効電力指令値を出力することを特徴とする電圧変動抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配電線など電力系統における電圧変動を抑制する電圧変動抑制装置および電圧変動抑制方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
配電線等の電力系統には様々の要因により様々なタイプの電圧変動が発生する。この電圧変動を抑制するため、電圧変動抑制装置が用いられている。
図７は、電圧変動抑制装置が接続される電力系統の構成例を示す図である。図７には、図示していない発電所から供給される電力の電圧を降圧する配電変電所１、配電線２、自動電圧調整器ＳＶＲ(Step Voltage Regulator)３、需要家における負荷４、電圧変動抑制装置５が記載されている。
【０００３】
配電変電所１は、配電線２を経由して負荷４等の負荷設備に電力を供給するが、配電用変圧器のタップ変更により送り出し電圧の調整機能を持っている。ＳＶＲ３は、配電線亘長が長い場合に電圧降下対策として設置されるものであり、変圧器のタップ変更による電圧調整機能を持っている。電圧変動抑制装置５は、系統電圧６を検出処理し、無効電力７を発生して配電線２に供給することにより、電圧変動を抑制する。
【０００４】
図７に示す電力系統の構成例において、負荷４の負荷設備に短周期の負荷変動特性を持つアーク炉等が含まれる場合、短周期電圧変動の原因となり、フリッカを起こすという問題が発生する。また、配電変電所１における変圧器タップ変更による送り出し電圧調整や、長距離配電系統に導入されるＳＶＲ３のタップ変更による電圧調整といった、比較的長時間の電圧変動を監視し、ステップ的な電圧変更を行う装置と電圧変動抑制装置５との協調が問題視されている。
【０００５】
図８は、図７に示す電圧変動抑制装置５の機能ブロックの構成例を示す図である。図に示すように、系統電圧６を用いて電圧検出演算部２１において実効値演算等の電圧検出演算により配電線２の系統電圧実効値を求める。そして、系統電圧実効値に応じて、無効電力制御部２２は電圧変動を抑制する制御として無効電力指令値２３を無効電力発生装置２４に入力する。無効電力発生装置２４は、無効電力指令値２３にしたがい、電圧変動を抑制する無効電力７を配電線２、すなわち電力系統に出力する。
【０００６】
電力系統の電圧安定化のための電圧変動抑制装置として、従来は静止形無効電力補償装置ＳＶＣ(Static Var Compensator）が主に導入されてきた。しかし、パワーエレクトロニクス機器であるＳＶＣの装置寿命や、柱上設置した際のメンテナンス性から、電力品質向上への社会的要求の高まりに対して大量導入には至っていない。
【０００７】
一方でパワーエレクトロニクスを用いない可変制御リアクトルによる無効電力発生装置を用いた電圧変動抑制装置が提案されている。可変制御リアクトルは長年電力系統に導入・運用されてきた電力用リアクトルや電力用変圧器の原理に基づく電気機器であり、長寿命・高信頼性が期待できる。
【０００８】
図９は、可変制御リアクトルによる無効電力発生装置の動作原理を示す図である。図９に示すように、可変制御リアクトル３０は、出力電圧を設定可能な直流電源装置３１に接続された直流巻線３２と交流系統３３に接続された交流巻線３４をコア３５に巻回したものである。
【０００９】
直流電源装置３１の出力電圧を設定することにより直流巻線３２を流れる直流電流３６を所望の値に設定する。直流電流３６によりコア３５の磁化を制御することにより、交流系統３３に無効電力３７を発生させる。この可変制御リアクトル３０を図７に示す無効電力発生装置２４に用いた場合は、交流系統３３が配電線２であり、無効電力３７が無効電力７である。
【００１０】
しかしながら、無効電力発生装置として可変制御リアクトルを用いた場合、従来提案されていた制御方式では、電圧変動に対して応答が遅いという問題がある。
図１０は、可変制御リアクトルを用いた無効電力発生装置における従来の制御方式を説明する図である（例えば、非特許文献１を参照）。図１０に示す無効電力発生装置は、配電線等の電力系統、すなわち交流系統の電圧変動抑制装置に用いられるものとしている。なお、以下の図面の説明においては、同様な機能を有するものについては、同一の符号を付すこととする。
【００１１】
図１０に示すように、交流系統３３の系統電圧６が電圧検出演算部２１で検出処理され、系統電圧実効値が点線で囲まれた無効電力制御部２２ａの減算部４１のプラス端子に入力される。減算部４１は、系統電圧６の検出値とマイナス端子に入力される系統電圧実効値の目標電圧である交流電圧指令値４２との差を求め、電圧調整器ＡＶＲ(Automatic Voltage Regulator)４３に入力する。
【００１２】
ＡＶＲ４３は、系統電圧実効値と系統電圧目標値の偏差に基づき、偏差を零にすべく無効電力指令値２３を出力する。無効電力指令値２３は、点線で囲まれた無効電力発生装置２４ａのゲイン調整部４４に入力される。無効電力指令値２３と直流電圧指令値４５は比例するので、ゲイン調整部４４は、無効電力指令値２３を設定されたゲインＫ１で増幅して直流電圧指令値４５とする。直流電圧指令値４５により直流電源装置３１の直流電圧が設定され、それに応じて可変制御リアクトル３０の直流巻線３２を流れる直流電流３６により交流系統３３に供給される無効電力３７の発生が制御される。
【００１３】
可変制御リアクトル３０を用いた無効電力発生装置２４ａの場合、無効電力指令値２３にしたがい、直流電源装置３１から可変制御リアクトル３０の直流巻線に直流電圧を印加して直流電流３６を直流巻線に流す。可変制御リアクトル３０は直流電流３６に応じて無効電力３７を出力する。直流電圧指令値４５による直流電圧に対して無効電力３７には、ステップ応答で数百ｍｓ〜１ｓ程度の出力遅延が発生する。これは可変制御リアクトル３０の直流巻線回路がリアクタンスを持ち、直流電圧の変化に対して直流電流３６が遅れるためであり、直流電流３６の遅れが無効電流の遅れとして現れるためである。
【００１４】
図１１は、図１０に示す従来の制御方式による制御応答を模式的に示す図である。図１１の（ａ）に示す無効電力指令値２３の制御指令に対して、図１１の（ｂ）に示すように、直流電源装置３１の直流電圧は、ゲイン調整部４４での遅延が無視できる程度であるため、直ちに応答する。
【００１５】
一方、直流電流３６は、図１１の（ｃ）に示すように、直流巻線３２のリアクタンスにより遅延時間ｔ１で応答する。無効電力３７は直流電流３６の変化に追随するので、図１１の（ｄ）に示すように、直流電流３６と同様に遅延時間ｔ１で応答する。
【００１６】
この遅延時間ｔ１は、ゲイン調整部４４のゲインＫ１を大きくすることにより短くすることができるが、ゲインＫ１をあまり大きくすると、発生する無効電力が必要以上に大きくなり、制御が不安定になるため、遅延時間ｔ１を所望の値まで短くすることができないという問題が生ずる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】大日向  敬、外６名、「磁束制御型可変インダクタンスを適用した電圧安定化装置の実用化」、電気設備学会全国大会講演論文集、社団法人電気設備学会、２００７年８月１日、第２５巻、ｐ．４０７−ｐ．４０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
そこで、本発明の解決しようとする課題は、電圧変動抑制装置の無効電力発生装置として可変制御リアクトルを用いた場合、電圧変動に対して応答を速くすることができないという点であり、本発明は、無効電力発生装置として可変制御リアクトルを用い、電圧変動に対して応答の速い電圧変動抑制装置および電圧変動抑制方法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】
【００１９】
交流系統の電圧変動を抑制する電圧変動抑制装置において、交流系統の電圧検出値に基づく無効電力指令値と可変制御リアクトルの直流巻線の直流電流検出値に基づき、可変制御リアクトルの直流電源電圧を制御することにより無効電力を発生し交流系統に出力する無効電力発生装置を備える。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、無効電力指令値に対して可変制御リアクトルの直流巻線の直流電流検出値がフィードバックされるため、無効電力指令値に大きなゲインを与えて直流電圧指令値とすることができるので、無効電力発生の制御応答を高速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の電圧変動抑制装置に係る無効電力発生装置の直流電流フィードバック制御方式を説明する図である。
【図２】本発明の制御方式による制御応答を模式的に示す図である。
【図３】本発明の電圧変動抑制装置の第１の実施の形態を説明する図である。
【図４】本発明の電圧変動抑制装置の第２の実施の形態を説明する図である。
【図５】本発明の電圧変動抑制装置の第３の実施の形態を説明する図である。
【図６】本発明の電圧変動抑制装置の低圧実機モデルの制御構成を説明する図である。
【図７】電圧変動抑制装置が接続される電力系統の構成例を示す図である。
【図８】電圧変動抑制装置の機能ブロックの構成例を示す図である。
【図９】可変制御リアクトルによる無効電力発生装置の動作原理を示す図である。
【図１０】可変制御リアクトルを用いた無効電力発生装置における従来の制御方式を説明する図である。
【図１１】従来の制御方式による制御応答を模式的に示す図である。
【図１２】低圧実機モデルによる制御応答の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本発明の電圧変動抑制装置に係る無効電力発生装置の直流電流フィードバック制御方式を説明する図である。図１においては、先に述べたように、図９、図１０に示したものと同様な機能のものは同一の符号を付している。
【００２３】
図１に示すように、交流系統３３の系統電圧に基づき図示していない電圧検出演算部、無効電力制御部を介して生成された無効電力指令値２３が無効電力発生装置２４ｂに入力され、減算部６４で、電流検出演算部６１で求められた可変制御リアクトルの直流電流フィードバック値を減算されてゲイン調整部４４に入力される。
【００２４】
ゲイン調整部４４は、減算部６４の出力をゲインＫ１で増幅して直流電圧指令値４５を求め、可変制御リアクトル３０の直流電源３１に与えることにより、直流電流３６を制御して交流系統３３の電圧変動を抑制するための無効電力３７を発生させる。
【００２５】
直流電流３６の値は直流電流検出器６２で検出され、検出された直流電流検出値６３は電流検出演算部６１に入力される。電流検出演算部６１は、伝達関数Ｋ２／（１＋Ｔ１・Ｓ）により直流電流検出値６３から可変制御リアクトルの直流電流フィードバック値を求めて減算部６４のマイナス端子に入力する。
【００２６】
すなわち、本発明の直流電流フィードバック制御方式は、検出した直流電流３６を電流検出演算部６１において一次遅れフィルタ処理を施しフィードバックをかける。そして、無効電力指令値２３から電流検出演算部６１によるフィードバック量を減算部６４で減算する。減算部６４の出力をゲイン調整部４４において高ゲインで増幅し、直流電圧指令値４５として直流電源装置３１に入力する。可変制御リアクトル３０は入力にしたがい無効電力３７を電力系統に出力する。本発明によれば、減算部６４の出力をゲイン調整部４４において高ゲインで増幅することができるため、制御応答を高速化することができる。
【００２７】
ゲインＫ１及びゲインＫ２の値は、使用する可変制御リアクトルの特性、及び電圧変動抑制装置の設置される交流系統の系統インピーダンスの大きさ等に応じて設定される。
図２は、本発明の制御方式による制御応答を模式的に示す図である。図２の（ａ）に示す無効電力指令値２３の制御指令に対して、可変制御リアクトルの直流巻線に印加される直流電圧は、直流電圧指令値４５がゲイン調整部４４において高ゲインで増幅されたものであるので、図２の（ｂ）に示すように一旦無効電力指令値２３に相当する直流電圧を超えた値で応答する。
【００２８】
これにより、直流電流検出値６３は、図２の（ｃ）に示すように、従来の制御方式における遅延時間ｔ１より短い遅延時間ｔ２で応答し、同様に無効電力３７も、図２の（ｄ）に示すように、遅延時間ｔ２で応答する。
【００２９】
次に、本発明の制御方式による本発明の電圧変動抑制装置の第１乃至第３の実施の形態について図３乃至図５を参照して説明する。なお、各実施の態様における無効電力発生装置は、図１に示す本発明の直流電流フィードバック制御方式による無効電力発生装置２４ｂであるから、その説明は繰り返しになるので省略する。
【００３０】
図３は、本発明の電圧変動抑制装置の第１の実施の形態を説明する図である。第１の実施の形態は、主にステップ的な電力変動を抑制するためのものである。図３に示すように、第１の実施の形態に係る電圧変動抑制装置の無効電力制御部は、図１０に示す無効電力制御部と同じ無効電力制御部２２ａである。また、電圧検出演算部２１の演算による遅延がＴ２であることが示されている。無効電力制御部２２ａにおいて、電圧検出演算部２１で求めた系統電圧６の実効値と交流電圧指令値４２の偏差に基づきＡＶＲ４３が無効電力指令値２３を生成し、それに基づき無効電力発生装置２４ｂが無効電力３７を交流系統３３に出力する。
【００３１】
図４は、本発明の電圧変動抑制装置の第２の実施の形態を説明する図である。第２の実施の形態は、短周期電圧変動を抑制するためのものである。
先に述べたように、配電線等の電力系統にアーク炉等の負荷設備が接続された場合、短周期電圧変動であるフリッカが発生する。しかしながら、ＡＶＲによる無効電力制御部は、本発明の直流フィードバック制御を採用した無効電力発生装置と組み合わせても、制御応答速度が充分でなく、１０Ｈｚを中心とした短周期電圧変動であるフリッカに対して有効な変動抑制効果が得られなかった。またフリッカの電圧変動周波数範囲は０．１〜３０Ｈｚに広がるため、特定の周波数のみでなく、任意の周波数帯での電圧変動抑制制御は難しいものとされてきた。
【００３２】
そこで、本発明の第２の実施の形態においては、無効電力制御部がフリッカ補償位相調整機能を備えるものとする。ここでフリッカ補償位相調整機能とは、交流系統の短周期電圧変動に対して、その短周期電圧変動の位相を遅らせあるいは進めることにより、短周期電圧変動を相殺する電圧変動を発生させる無効電力指令値を生成するものである。
【００３３】
図４に示すように、フリッカ補償位相調整機能を有する無効電力制御部２２ｂは、第１位相調整部９１、第２位相調整部９２、ゲイン調整部９３を備える。第１位相調整部９１及び第２位相調整部９２は、１段で進み９０度から遅れ９０度まで位相調整が可能である。２段設置することにより１８０度までの任意の位相調整が可能となる。位相調整量は、電圧変動抑制装置内の各処理による遅延を反映させて決定する。
【００３４】
位相調整に加えて、ゲイン調整部９３のゲインＫ３（補償感度）を調整することにより所定のフリッカ周波数に対して適切な無効電力指令値２３を生成することができる。
図５は、本発明の電圧変動抑制装置の第３の実施の形態を説明する図である。第３の実施の形態は、電圧変動抑制装置が比較的長時間の電圧変動を監視し、ステップ的な電圧変更を行う装置と協調するためのものである。
【００３５】
先に述べたように、配電変電所１における変圧器タップ変更による送り出し電圧調整や、長距離配電系統に導入されるＳＶＲ３のタップ変更による電圧調整といった、比較的長時間の電圧変動を監視し、ステップ的な電圧変更を行う装置（以下、長時間電圧制御装置という。）が存在する。例えば配電系統中の事故発生や事故からの回復時にステップ的な電圧変更が行われる。このような長時間電圧制御装置によるステップ的な電圧変更に対しては、電圧変動抑制装置は電圧変動とみなさないようにし、長時間電圧制御装置と協調する必要がある。
【００３６】
そこで、本発明の第３の実施の形態においては、電圧変動抑制装置が、長時間電圧制御装置と協調するため、長時間電圧制御装置による電圧変動成分（長時間電圧制御成分）を無効電力指令値から除去する機能を備える。
【００３７】
図５に示すように、電圧検出演算部２１の出力する系統電圧実効値が無効電力制御部２２ｃと長時間電圧制御部１０１に並行して入力される。
無効電力制御部２２ｃは、図３に示す無効電力制御部２２ａまたは図４に示す無効電力制御部２２ｂである。無効電力制御部２２ｃは、無効電力制御部２２ａまたは無効電力制御部２２ｂが出力する無効電力指令値２３を無効電力制御成分１０４として出力する。
【００３８】
長時間電圧制御部１０１は、系統電圧実効値を一次遅れ演算部１０２でローパスフィルタ処理し、長時間電圧制御装置の調整対象となる電圧変動周波数範囲の成分を取り出す。そしてゲイン調整部１０３でゲイン調整を施し、長時間電圧制御成分１０５として出力する。
【００３９】
この長時間電圧制御成分１０５を無効電力制御成分１０４から減算部１０６で減算することにより除去して無効電力指令値２３ａとすることで、長時間電圧制御装置の調整対象となる電圧変動周波数範囲を電圧変動抑制装置の制御範囲から外して長時間電圧制御装置と制御協調をとることができる。
【００４０】
次に、本発明の電圧変動抑制装置の制御能力を低圧実機モデルを用いて検証した結果を示す。
図６は、本発明の電圧変動抑制装置の低圧実機モデルの制御ブロック構成を説明する図である。この制御ブロック構成は、図５に示す制御ブロック構成の無効電力制御部２２ｃを、図４に示す無効電力制御部２２ｂとしたものである。
【００４１】
図６に示すように、系統電圧６を検出し、電圧検出演算部２１において三相瞬時値電圧を実効値に変換する。フリッカ補償のための位相調整を行う無効電力制御部２２ｂでは、フリッカ周波数帯において高速制御が要求される５〜１０Ｈｚを制御範囲とする。長時間電圧制御部１０１では、ＳＶＲの最短の時限整定を０．５Ｈｚと想定し、０．５Ｈｚ以下の変動成分を除去する。無効電力制御部２２ｂの出力でありフリッカ補償のための位相調整を行った無効電力制御成分から長時間電圧制御成分を減算部１０６で減算し、無効電力指令値２３ａとする。
【００４２】
本低圧実機モデルでは無効電力発生装置として可変制御リアクトル３０を用い、直流電源装置３１の直流電圧出力で可変制御リアクトル３０を制御する。直流電流３６と無効電力３７の間の制御遅れは無視できるものとし、可変制御リアクトル３０の直流巻線を流れる直流電流を電流検出演算部６１を介してフィードバックする。フィードバックされた直流電流を無効電力指令値２３ａから減算し、ゲイン調整部４４で増幅し、直流電圧指令値４５を出力する。
【００４３】
以上の構成を採用することにより、無効電力指令値２３ａに対して、直流電流は高速追従し、直流電流入力に対して、可変制御リアクトル３０の出力である無効電力３７は高速追従することが確かめられた。
【００４４】
図１２は、低圧実機モデルによる制御応答の測定結果を示す図である。
図１２に示すように、系統電圧２００Ｖに１０Ｈｚの周期変動を重畳しており、可変制御リアクトル３０の直流巻線にはほぼ２Ａの直流電流が流れている。
【００４５】
無効電力制御部２２ｂが制御開始前の１０Ｈｚの周期変動を重畳した系統電圧実効値（波形上）に対して、制御開始により直流電流（波形下）が１０Ｈｚで周期変動し、系統電圧実効値の変動が抑制されていることが分かる。
【符号の説明】
【００４６】
１      配電変電所
２      配電線
３      ＳＶＲ
４      負荷
５      電圧変動抑制装置
６      系統電圧
７      無効電力
２１    電圧検出演算部
２２    無効電力制御部
２３    無効電力指令値
２４    無効電力発生装置
３０    可変制御リアクトル
３１    直流電源装置
３２    直流巻線
３３    交流系統
３４    交流巻線
３５    コア
３６    直流電流
３７    無効電力
４１    減算部
４２    交流電圧指令値
４３    ＡＶＲ
４４    ゲイン調整部
４５    直流電圧指令値
６１    電流検出演算部
６２    直流電流検出器
６３    直流電流検出値
９１    第１位相調整部
９２    第２位相調整部
９３    ゲイン調整部
１０１  長時間電圧制御部
１０２  一次遅れ演算部
１０３  ゲイン調整部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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