(57)【要約】【課題】軽負荷時に発生する電圧上昇や高調波過電流の増大を抑制できる電力品質改善装置を提供することである。【解決手段】制御装置２４は、無効電力計２２で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは、半導体スイッチ２１の開指令を出力して電力用コンデンサ２０を系統から切り離し、一方、無効電力計２２で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電母線の電圧位相で半導体スイッチ２１の閉指令を出力し、電力用コンデンサ２０を系統に接続する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力需要家の受電端の無効電力を検出する無効電力計と、
前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項２】
電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力需要家の受電端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、
前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記半導体スイッチに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項３】
電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力需要家の受電端の無効電力を検出する無効電力計と、
前記電力需要家の受電端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、
前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項４】
電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力供給者の電力供給端の無効電力を検出する無効電力計と、
前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項５】
電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力供給者の電力供給端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、
前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記半導体スイッチに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項６】
電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力供給者の電力供給端の無効電力を検出する無効電力計と、
前記電力供給者の電力供給端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、
前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項７】
電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、
前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力需要家の受電端の無効電力を検出する無効電力計と、
前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項８】
電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、
前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力需要家の受電端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、
前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記半導体スイッチに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項９】
電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、
前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力需要家の受電端の無効電力を検出する無効電力計と、
前記電力需要家の受電端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、
前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項１０】
電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、
前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力供給者の電力供給端の無効電力を検出する無効電力計と、
前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項１１】
電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、
前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力供給者の電力供給端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、
前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記半導体スイッチに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項１２】
電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、
前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、
前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、
前記電力供給者の電力供給端の無効電力を検出する無効電力計と、
前記電力供給者の電力供給端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、
前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする電力品質改善装置。
【請求項１３】
前記制御装置は、三相の母線に電力用コンデンサを投入する場合には、三相のうちの二相間の電力コンデンサを突入電流のピーク値が所定値より小さくなる当該二相間電圧位相で投入し、投入した二相の電流が定常状態になった後に、残りの一相の電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる母線の電圧位相で残りの一相の電力用コンデンサを投入することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項記載の電力品質改善装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力需要家の受電設備や電力供給者の電力供給設備に配置される電力用コンデンサの常時接続に伴う電力品質の低下を改善する電力品質改善装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力損失の低減や発電機の高効率運転など電力会社側で設備の効率的運用を図ることを目的に、お客さまの力率改善を促進している。そこで、電力需要家の受電設備に遅相無効電力の消費機器が接続される場合には電力需要家の負担により電力用コンデンサを接続し、遅相無効電力を補償して電力需要家の受電点における力率改善を図っている。電力会社はこの見返りとして遅れ力率８５％から１００％まで力率改善することに対して、１％刻みで最大１５％の基本料金割引きを実施している。また、電力系統において品質のよい電力とは、電圧値や系統周波数が一定であり高調波成分を含まない電力のことである。したがって、軽負荷時に進み力率にしないために、あるいは高調波共振抑制を図るために軽負荷時に電力用コンデンサの開放を行うようお願いしている。
【０００３】
一般に、電力用コンデンサは、開閉設備を伴うことなく母線直付けで接続されていることが多く、常時、電力系統に接続された状態であり軽負荷時に開放されないことが多い。一方、近年においては、大都市では超高圧ケーブル系統が主力となり容量性リアクタンスが増大している。このことから、夜間の軽負荷時には進相無効電力が増大し、その進相無効電流により受電端電圧が上昇するフェランチ現象が多く発生している。
【０００４】
配電トランスには電圧調整のための電圧調整タップが設けられているが、フェランチ現象による電圧上昇が大きく、配電トランスの電圧調整タップだけでは電圧調整ができない事態も発生している。
【０００５】
また、半導体応用機器の増加による高調波発生量の増大や、夜間などの軽負荷時に高調波電圧が増大することによって、電力品質面での悪影響が懸念される。
【０００６】
その対策として、電力系統側では分路リアクトルを設置したり高圧自動電圧調整器を設置したりして電圧調整機能を高める対策がある。また、電力需要家設備としてリアクトルを備える力率改善コンデンサ適用の対策があるが十分とはなっていない。そこで、夜間の軽負荷時において電力需要家の電力用コンデンサを開放してもらうことが考えられる。
【０００７】
ここで、配電線のフェランチ現象を抑制するために、配電線の電圧が設定値以上となったときに需要家のコンデンサを電圧継電器で開放するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、サイリスタ装置を用いてコンデンサを入切する装置においてコンデンサを交流電源に接続した瞬間にコンデンサに流れる突入電流を抑制するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
コンデンサとリアクトルとの直列構成の進相コンデンサ装置においてリアクトルと並列に切替器を設け、高調波電流が設定値以下のときには切替器を閉にしてリアクトルに電流が流れるのをバイパスし、高調波電流が設定値を越えるときには切替器を開にしてリアクトルに電流が流れるようにし、リアクトルの損失を低減するようにしたものがある（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
また、三相４線式配電線Ｕ、Ｖ、Ｗと中性線Ｎとの間に、コンデンサ入力型整流回路を備えた負荷を接続し、その負荷と並列に高調波低減回路を接続して、中性線の３次高調波電流をベースとするひずみ波電流を低減するようにしたものがある（例えば、特許文献４参照）。
【００１０】
進相コンデンサ装置を電力系統に接続したときの突入電流によって、直列リアクトルにおいて鉄心磁気飽和が生じてそのリアクタンスが低下し、第５調波などの高調波で共振状態となって、大きな電流が継続して流れることによって発生する高調波引き込み現象を防止するようにしたものがある（特許文献５参照）。
【特許文献１】特開２００５−１３０６８６号公報（図１参照）
【特許文献２】特開２００５−１７６５８５号公報（図３参照）
【特許文献３】特開２００６−３５２９８３号公報（図１参照）
【特許文献４】特開２００６−２８８１８２号公報（図１参照）
【特許文献５】特開２００５−２９５７８３号公報（図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１のものでは、電力需要家のコンデンサを開放するための真空遮断器等の開閉装置を新たに設けることが必要となるので電力需要家の負担が大きくなる。また、特許文献２のものではコンデンサを投入する際に発生する突入電流を抑制するものであるが、運転開始前にコンデンサに充電するための＋電源や開閉装置が必要となるので電力需要家の負担が大きくなる。
【００１２】
一方、特許文献３のものでは、高調波抑制の必要時にリアクトルを有効に機能させることができと共にリアクトルの損失を低減できるが、リアクトルが接続されない状態があるので、高調波抑制に制約が生じることも考えられる。特許文献４のものでは、高調波低減回路のインダクタンスＬｃ、コンデンサＣによって構成される共振回路の共振周波数は、負荷よって発生し中性線Ｎを流れる高調波電流の周波数と同じに設定し、高調波低減回路の電流の位相は、サイリスタＳＣＲ１、２の点弧角を調整して負荷よって発生する３次高調波電流と逆相にして高調波電流をキャンセルするが、負荷が異なるとインダクタンスＬｃ、コンデンサＣの定数を変更しなければならない。
【００１３】
また、特許文献５のものでは、進相コンデンサ装置の電源系統投入時の突入電流に対するリアクトルの抑制効果が損なわれることがなく、たとえ、突入電流によりリアクトルの鉄心が磁気飽和して進相コンデンサとの間で共振が発生しても、進相コンデンサ・リアクトル間の共振がきわめて短期間に減衰するものであるが、高調波引き込み現象防止装置の定電圧スイッチング部の導通開始電圧や抵抗部の抵抗値の選定が難しい。
【００１４】
本発明の目的は、電力需要家の負担を極力軽減しつつ軽負荷時に発生する電圧上昇や高調波電圧の増大を抑制できる電力品質改善装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明に係わる電力品質改善装置は、電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力需要家の受電端の無効電力を検出する無効電力計と、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明に係わる電力品質改善装置は、電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力需要家の受電端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記半導体スイッチに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明に係わる電力品質改善装置は、電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力需要家の受電端の無効電力を検出する無効電力計と、前記電力需要家の受電端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明に係わる電力品質改善装置は、電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力供給者の電力供給端の無効電力を検出する無効電力計と、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明に係わる電力品質改善装置は、電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力供給者の電力供給端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記半導体スイッチに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明に係わる電力品質改善装置は、電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力供給者の電力供給端の無効電力を検出する無効電力計と、前記電力供給者の電力供給端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
請求項７の発明に係わる電力品質改善装置は、電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力需要家の受電端の無効電力を検出する無効電力計と、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
請求項８の発明に係わる電力品質改善装置は、電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力需要家の受電端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記半導体スイッチに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項９の発明に係わる電力品質改善装置は、電力需要家の受電変圧器の２次側母線又はその下位の低圧母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力需要家の受電端の無効電力を検出する無効電力計と、前記電力需要家の受電端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
請求項１０の発明に係わる電力品質改善装置は、電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力供給者の電力供給端の無効電力を検出する無効電力計と、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２５】
請求項１１の発明に係わる電力品質改善装置は、電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力供給者の電力供給端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記半導体スイッチに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
請求項１２の発明に係わる電力品質改善装置は、電力供給者の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に接続される電力用コンデンサと、前記電力用コンデンサに直列接続される直列リアクトルと、前記直列リアクトルが直列接続された電力用コンデンサの前記母線への接続を入切する半導体スイッチと、前記電力供給者の電力供給端の無効電力を検出する無効電力計と、前記電力供給者の電力供給端の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置と、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の進相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から開始時刻を入力したときは前記半導体スイッチの開指令を出力し、前記無効電力計で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるとき又は前記時計装置から終了時刻を入力したときは前記電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる前記母線の電圧位相で前記半導体スイッチの閉指令を出力する制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２７】
請求項１３の発明に係わる電力品質改善装置は、請求項１乃至１２のいずれか１項の発明において、前記制御装置は、三相の母線に電力用コンデンサを投入する場合には、三相のうちの二相間の電力コンデンサを突入電流のピーク値が所定値より小さくなる当該二相間電圧位相で投入し、投入した二相の電流が定常状態になった後に、残りの一相の電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる母線の電圧位相で残りの一相の電力用コンデンサを投入することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、比較的安価な半導体スイッチを用いて電力用コンデンサの系統への接続を入切するので、電力需要家の負担を極力軽減しつつ、軽負荷時に発生する電圧上昇や高調波電圧の増大を抑制でき、軽負荷時の電力品質を改善できる。
【００２９】
また、電力需要家の電力用コンデンサを系統に投入する際には、電力用コンデンサに流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる電圧位相で半導体スイッチを閉じるので、電力用コンデンサの投入による系統への外乱を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる電力品質改善装置のブロック構成図である。特別高圧系統（特高系統）の電力需要家における受電変圧器の２次側（６．６ｋＶ配電系統）に適用した場合を示している。特高系統１１の受電変圧器の２次側は主遮断器１２を介して２次側母線１３に接続され電力が供給されている。受電変圧器の２次側母線１３には、さらに複数の負荷系統が接続され、図１では２つの負荷系統１４Ａ、１４Ｂが接続されている。負荷系統１４Ａは、遮断器１５ａ及び変圧器１６ａを介して低圧母線１７ａが接続され、低圧母線１７ａには負荷１８ａが接続されている。同様に、負荷系統１４Ｂには、遮断器１５ｂ及び変圧器１６ｂを介して低圧母線１７ｂが接続され、低圧母線１７ｂには開閉器１９ｂ１、１９ｂ２を介して負荷１８ｂ１、１８ｂ２が接続されている。
【００３１】
また、電力需要家の受電変圧器の２次側母線１３には、電力用コンデンサ２０が半導体スイッチ２１を介して接続されている。電力用コンデンサ２０は電力需要家の受電変圧器の２次側母線１３に接続される負荷１８ａ、１８ｂ１、１８ｂ２が必要とする遅相無効電力を補償するために設けられている。半導体スイッチ２１は電力用コンデンサ２０の受電変圧器の２次側母線１３への接続を入切する開閉器であり、スイッチとして半導体素子であるサイリスタやＩＧＢＴを用いているので、機械式開閉器より開閉速度が速く位相制御が可能であり、コストも安価である。
【００３２】
電力需要家の受電端である受電変圧器の２次側母線１３の無効電力は無効電力計２２で検出され、また、受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相は位相計２３で検出され、それぞれ制御装置２４に入力される。制御装置２４は、無効電力計２２で検出された受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは半導体スイッチ２１に閉指令を出力して電力用コンデンサ２０を受電変圧器の２次側母線１３に接続し、一方、受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは半導体スイッチ２１に開指令を出力して電力用コンデンサ２０を受電変圧器の２次側母線１３から切り離す。これにより、受電変圧器の２次側母線１３に接続された負荷１８ａ、１８ｂ１、１８ｂ２が遅相無効電力を必要としているときは、電力用コンデンサ２０を受電変圧器の２次側母線１３に接続して遅相無効電力を供給し、受電変圧器の２次側母線１３の電圧調整を行い、さらには特高系統の電力品質を改善するようにしている。
【００３３】
ここで、電力用コンデンサ２０を受電変圧器の２次側母線１３に接続するにあたっては、電力用コンデンサ２０に突入電流が流れる。そのため、電力用コンデンサ２０を受電変圧器の２次側母線１３に接続する際には、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流を抑制する必要がある。そこで、本発明では、受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相を位相計で検出し、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相で半導体スイッチ２１に閉指令を出力し、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流を抑制する。電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相は、以下のようにして求められる。
【００３４】
まず、電力用コンデンサ２０が単相の受電変圧器の２次側母線１３に接続される場合を考える。図２は、本発明の第１の実施の形態に係わる電力品質改善装置の電力用コンデンサを単相の母線に接続した場合の等価回路の回路図である。
【００３５】
いま、受電変圧器の２次側母線１３の受電電圧をＶ（ｔ）をＥsin（ωｔ＋θ）、電力用コンデンサ２０の電圧をＶc（ｔ）とすると、（１）式が成立する。なお、ωは角周波数、θは位相、Ｅは振幅値である。
【数１】
2008017689.tif 000003
【００３６】
また、半導体スイッチ２１を閉じたときに電力用コンデンサ２０に流れる電流をｉ（ｔ）、電力用コンデンサ２０の容量をＣとすると、（２）式が成立する。
【数２】
2008017689.tif 000004
【００３７】
電力用コンデンサ２０に流れる電流ｉ（ｔ）のピークが最小となる条件は（２）式よりｉ（ｔ）＝０のときである。ｉ（ｔ）＝０のときはωｔ＋θ＝±π／２であり、そのときの受電電圧Ｖ（ｔ）の絶対値は最大値Ｅである。つまり、受電電圧Ｖ（ｔ）の絶対値が最大値のときに電力用コンデンサ２０に流れる電流ｉ（ｔ）のピーク値は最小の０となる。
【００３８】
従って、電力用コンデンサ２０を単相の受電変圧器の２次側母線１３に接続する場合には、受電電圧Ｖ（ｔ）が最大値となる電圧位相の近傍で半導体スイッチ２１を閉じることになる。これにより、電力用コンデンサ２０を受電変圧器の２次側母線１３に接続する際の電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値を所定値より小さくすることができる。
【００３９】
次に、電力用コンデンサ２０が三相の受電変圧器の２次側母線１３に接続される場合を考える。三相の場合には、三相同時に半導体スイッチ２１の各相スイッチ２１r、２１s、２１tを投入することが突入電流を三相とも抑制できるとは限らない。そこで、三相のうち二相を同時に投入し、その後に残りの一相を投入することを考える。
【００４０】
図３は本発明の第１の実施の形態に係わる電力品質改善装置の電力用コンデンサを三相の受電母線にΔ結線で接続した場合の等価回路の回路図であり、図４は図３のΔ結線で接続した電力用コンデンサをＹ結線に変換した場合の等価回路の回路図である。
【００４１】
いま、受電変圧器の２次側母線１３の三相の受電電圧をＶr（ｔ）、Ｖs（ｔ）、Ｖt（ｔ）とし、最初に投入する二相はｒ相及びｓ相であるとして、ｓ相を基準としてｒ相を投入し、次にｓ相を基準にしてｃ相を投入するものとする。ｓ相を基準としたｒｓ相間の受電電圧をＶrs（ｔ）、ｔｓ相間の受電電圧をＶts（ｔ）、ｒｓ相間の受電電圧Ｖrs（ｔ）をＥsin（ωｔ＋θ）とすると、（３）式が成立する。
【数３】
2008017689.tif 000005
【００４２】
また、半導体スイッチ２１を閉じたときに三相の各相に流れる電流をｉr（ｔ）、ｉs（ｔ）、ｉt（ｔ）とする。最初にｒ相及びｓ相を投入し、ｓ相を基準とした場合のｒ相に流れる電流ｉr（ｔ）は（４）式で示される。
【数４】
2008017689.tif 000006
【００４３】
また、残りのｔ相をｓ相を基準として投入した場合のｔ相に流れる電流ｉt（ｔ）は（５）式で示される。
【数５】
2008017689.tif 000007
【００４４】
ここで、（４）式から分かるように、最初にｒ相及びｓ相を投入し、ｓ相を基準としたときのｒ相を流れる電流ｉr（ｔ）のピーク値が最小となる条件は、単相の場合と同様に、ｉr（ｔ）＝０、つまり、ωｔ＋θ＝±π／２のときであり、そのときの受電電圧Ｖ（ｔ）の絶対値は最大値Ｅである。
【００４５】
また、（５）式から分かるように、残りのｔ相をｓ相を基準として投入した場合のｔ相に流れる電流ｉt（ｔ）のピーク値が最小となる条件も、同様に、ｉt（ｔ）＝０、つまり、ωｔ＋θ＋π／３＝±π／２のときであり、そのときの受電電圧Ｖ（ｔ）の絶対値は最大値Ｅである。
【００４６】
従って、電力用コンデンサ２０を三相の受電変圧器の２次側母線１３に接続する場合には、ある一相を基準相として、二相間の受電電圧が最大値となる電圧位相の近傍で半導体スイッチ２１を閉じ、残りの一相を接続する際には、投入した二相の電流が定常状態になった後に、基準相と残りの一相間の受電電圧が最大値となる電圧位相の近傍で半導体スイッチ２１を閉じることになる。これにより、電力用コンデンサ２０を受電変圧器の２次側母線１３に接続する際の電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値を所定値より小さくすることができる。
【００４７】
以上の説明では、無効電力計２２で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相で半導体スイッチ２１の閉指令を出力するようにしたが、図５に示すように、図１の無効電力計２２に代えて、受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置２５を設け、この時計装置２５から終了時刻を入力したときに電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相で半導体スイッチ２１の閉指令を出力するようにしてもよい。
【００４８】
受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される時間帯は、夜間の軽負荷時であり、遅相無効電力の消費機器が系統から切り離された状態である。従って、系統は進相無効電力が増大した状態となっており、進相無効電力の補償を必要としている。そこで、進相無効電力の補償を必要としている時間帯の開始時刻（例えば、２２時前後）で半導体スイッチ２１を開き、進相無効電力の補償を必要としている時間帯の終了時刻（例えば、５時前後）で電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相で半導体スイッチ２１を閉じる。時計装置２５を用いた場合には、時計装置２５で計時した時刻で半導体スイッチ２１の開閉動作を行うので制御が簡素化される。
【００４９】
図５では、図１の無効電力計２２に代えて時計装置２５を設けた場合について説明したが、無効電力計２２に加えて時計装置２５を設け、無効電力計２２と時計装置２５とを切り換えて使用するようにしてもよい。時計装置２５を用いた場合には、時計装置２５で計時した時刻で半導体スイッチ２１の開閉操作を行うので制御が簡素化される。
【００５０】
また、以上の説明では、電力需要家の受電変圧器の２次側母線１３に電力品質改善装置の電力用コンデンサ２０を接続した場合について説明したが、図６に示すように、電力需要家の低圧母線１７に電力品質改善装置の電力用コンデンサ２０を接続するようにしてもよい。この場合、電力用コンデンサ２０は遅相無効電力の消費機器が多く接続される低圧母線１７ｂに接続される。
【００５１】
無効電力計２２で検出された電力需要家の受電端である受電変圧器の２次側母線１３の無効電力及び位相計２３で検出された低圧母線１７ｂの電圧位相は制御装置２４に入力される。そして、制御装置２４は、受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは半導体スイッチ２１の開指令を出力し、一方、無効電力計２２で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる低圧母線１７ｂの電圧位相で半導体スイッチ２１の閉指令を出力する。
【００５２】
また、図７に示すように、図６の無効電力計２２に代えて、受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置２５を設け、この時計装置２５から終了時刻を入力したときに電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相で半導体スイッチ２１の閉指令を出力するようにしてもよい。さらに、無効電力計２２に加えて時計装置２５を設け、無効電力計２２と時計装置２５とを切り換えて使用するようにしてもよい。
【００５３】
さらに、以上の説明では、電力需要家における受電変圧器の２次側（６．６ｋＶ配電系統）に電力品質改善装置を適用した場合を示したが、電力供給者（例えば、電力会社）の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に適用するようにしてもよい。
【００５４】
本発明の第１の実施の形態によれば、電力用コンデンサ２０の系統への接続を入切するための開閉器として半導体スイッチ２１を使用するので、位相制御ができるとともに、比較的安価に電力用コンデンサ２０の系統への投入や切り離しを行うことができる。また、電力需要家の負荷が軽減して受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が進相となる軽負荷時には、電力用コンデンサ２０を系統から切り離すので、軽負荷時に発生する電圧上昇や高調波過電流の増大を抑制でき軽負荷時の電力品質を改善できる。
【００５５】
また、電力用コンデンサ２０を系統に投入する際には、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる電圧位相で半導体スイッチ２１を閉じ、系統に電力用コンデンサ２０を接続するので、電力用コンデンサ２０の負担を軽減でき系統に対しても電力用コンデンサ２０の投入による外乱を抑制できる。
【００５６】
（第２の実施の形態）
図８は本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置のブロック構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、電力用コンデンサ２０に直列接続される直列リアクトル２６を追加して設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００５７】
直列リアクトル２６は高調波共振の抑制のために接続されるものであり、特に系統の第５次高調波共振の抑制のために接続される。直列リアクトル２６を直列接続した電力用コンデンサ２０を受電変圧器の２次側母線１３に接続するにあたっては、第１の実施の形態と同様に電力用コンデンサ２０に突入電流が流れるので、直列リアクトル付きの電力用コンデンサ２０を受電変圧器の２次側母線１３に接続する際にも、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流を抑制する必要がある。
【００５８】
その場合、第１の実施の形態と同様に、受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相を位相計２３で検出し、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相で半導体スイッチ２１に閉指令を出力し、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流を抑制することになるが、電力用コンデンサ２０に直列リアクトル２６が直列接続されていることに伴い、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相は、第１の実施の形態の場合と異なり、以下のようにして求められる。
【００５９】
まず、電力用コンデンサ２０が単相の受電変圧器の２次側母線１３に接続される場合を考える。図９は、本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の電力用コンデンサを単相の受電変圧器の２次側母線に接続した場合の等価回路の回路図である。
【００６０】
いま、直列リアクトル２６のインダクタンスをＬ、電力用コンデンサ２０の容量をＣ、コンデンサ２１のリアクタンスに対する直列リアクトル２６のリアクタンスの比率をｘとすると、直列リアクトル２６のインダクタンスＬは（６）式で示される。なお、ｘはＪＩＳ規格では、ｘ＝０．０６又はｘ＝０．１３である。
【数６】
2008017689.tif 000008
【００６１】
受電変圧器の２次側母線１３の受電電圧をＶ（ｔ）をＥsin（ωｔ＋θ）、電力用コンデンサ２０の電圧をＶc（ｔ）、半導体スイッチ２１を閉じたときに電力用コンデンサ２０に流れる電流をｉ（ｔ）とすると（７）式の連立方程式が成立する。
【数７】
2008017689.tif 000009
【００６２】
いま、初期条件として、ｉ（０）＝０、Ｖ（０）＝０であるとする。つまり、ｔ＝０のときの電流ｉ（ｔ）及び受電電圧Ｖ（ｔ）は０であるとする。（７）式の連立方程式から電流（ｔ）を消去すると（８）式が成立する。
【数８】
2008017689.tif 000010
【００６３】
ここで、Ｖ（ｔ）を（９）式とおく。（９）式中のα、β、γは未知数である。
【数９】
2008017689.tif 000011
【００６４】
次に、（９）式を（８）式に代入して未知数αを求めると、未知数αは（１０）式で示される。
【数１０】
2008017689.tif 000012
【００６５】
また、（９）式に初期条件ｔ＝０のときのＶ（０）＝０を代入するとともに、（１０）式で得られたαを代入して未知数γを求めると、未知数γは（１１）式で示される。
【数１１】
2008017689.tif 000013
【００６６】
一方、（９）式を（７−１）式に代入するとともに、（１０）式で求めたα、（１１）式で求めたγを代入すると、（１２）式が得られる。
【数１２】
2008017689.tif 000014
【００６７】
そして、（１２）式に初期条件ｔ＝０のときのｉ（０）＝０を代入して未知数βを求めると、未知数βは（１３）式で示される。
【数１３】
2008017689.tif 000015
【００６８】
（１３）式で得られた未知数βを（１２）式に代入して電流ｉ（ｔ）を求めると、（１４）式が得られる。
【数１４】
2008017689.tif 000016
【００６９】
ここで、（１４）式の第１項は定常項であり第２項は過渡項である。そして、第２項の過渡項の振幅は｜sinθ｜が大きくなるほど大きくなる。突入電流の起こり得る最大値は、定常項の電流が最大となった状態で、かつ過渡項の電流が最大となった状態のときである。定常電流の最大値に対する突入電流の起こり得る最大値の割合Ｋは（１５）式で示される。
【数１５】
2008017689.tif 000017
【００７０】
割合Ｋの値は、θ＝０で半導体スイッチ２１を投入したときは、直列リアクトル２６のリアクタンス比率ｘの値によらずＫ＝２である。一方、θ＝π／２で半導体スイッチ２１を投入したときは、Ｋ＝１＋（１／√ｘ）となり、直列リアクトル２６のリアクタンス比率ｘが０．０６であるときはＫ＝５．０８２となり非常に大きくなる。また、θ＝π／６で半導体スイッチ２１を投入したときは、ｘ＝０．０６のときはＫ＝３．２２となり大きくなる。以上のことから、電力用コンデンサ２０の突入電流を抑えるためには、電力用コンデンサ２０を接続する受電母線の電圧位相がθ＝０で半導体スイッチ２１を投入することが効果的であることが結論付けられる。
【００７１】
図１０は受電母線の電圧位相がθ＝π／２のときに半導体スイッチ２１を投入した場合のシミュレーション波形図である。受電母線の電圧Ｖ（ｔ）、電力用コンデンサ２０の流れる電流ｉ（ｔ）、電力用コンデンサ２０の電圧Ｖc（ｔ）の波形を示している。いま、電圧Ｖ（ｔ）がπ／２の進み位相であるとし、周波数が５０Ｈｚであるとする。そして、時点ｔ１（＝２０ｍｓ）のとき、つまり電圧位相がθ＝π／２のときに半導体スイッチ２１を投入したとすると、電流ｉ（ｔ）の最大値は定常電流値の約４．６４倍であった。
【００７２】
図１１は受電母線の電圧位相がθ＝０のときに半導体スイッチ２１を投入した場合のシミュレーション波形図である。受電母線の電圧Ｖ（ｔ）、電力用コンデンサ２０の流れる電流ｉ（ｔ）、電力用コンデンサ２０の電圧Ｖc（ｔ）の波形を示している。いま、電圧Ｖ（ｔ）の位相は０であるとし、時点ｔ２  （＝２０ｍｓ）のとき、つまりの電圧位相がθ＝０のときに半導体スイッチ２１を投入したとすると、電流ｉ（ｔ）の最大値は定常電流値の約１．７８倍であった。このように、電圧位相θがθ＝０で電力用コンデンサ２０を投入した場合には、突入電流の大きさは定常電流値の２倍以下に抑制できる。
【００７３】
次に、直列リアクトル２６付き電力用コンデンサ２０が三相の受電変圧器の２次側母線１３に接続される場合を考える。第１の実施の形態の場合と同様に、三相のうち二相を同時に投入し、突入電流が安定した後のｔ＝ｔcで残りの一相を投入することを考える。
【００７４】
図１２は本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の直列リアクトル付き電力用コンデンサを三相の受電母線にΔ結線で接続した場合の等価回路の回路図であり、図１３は図１２のΔ結線で接続した直列リアクトル付き電力用コンデンサをＹ結線に変換した場合の等価回路の回路図である。
【００７５】
単相の場合の解析から、ｓ相を基準としてｒ相を投入した場合のｒｓ相間の電流ｉr（ｔ）は、電圧位相θが０のときに投入したときに最も小さくなることがわかっているが、ｔ相の突入電流ｉt（ｔ）に一般解を求めるために電圧位相θは任意の値を取り得るものとする。
【００７６】
三相（ｒｓｔ相）のうちの二相（ｒｓ相）を時点ｔ＝０で同時に投入してから、突入電流ｉr（ｔ）、ｉs（ｔ）が安定するまでの０≦ｔ＜ｔcにおいて、ｒ相の電流ｉr（ｔ）、ｓ相の電流ｉs（ｔ）は、（１６）式で示される。これは、単相での解析結果の（１４）式及び図１３に示す等価回路から電力用コンデンサ２０の容量が３／２になることから容易に導き出せる。（１６）式の第１項は定常項であり第２項は過渡項である。
【数１６】
2008017689.tif 000018
【００７７】
次に、ｒ相の電流ｉr（ｔ）及びｓ相の電流ｉs（ｔ）の過渡成分が減衰して定常成分のみとなったｔ＝ｔcにおいて、ｔ相のスイッチ２１ｔを投入する。三相の各相の電力用コンデンサに掛かる電圧をＶrc（ｔ）、Ｖsc（ｔ）、Ｖtc（ｔ）とすると、ｒ相の電流ｉr（ｔ）、ｓ相の電流ｉs（ｔ）、ｔ相の電流ｉt（ｔ）の間には（１７）式の関係が成り立つ。
【数１７】
2008017689.tif 000019
【００７８】
また、ｔ＝ｔcにおいての初期条件は、これから投入しようとするｔ相の電流ｉt（ｔ）及びｔ相の電力用コンデンサに掛かる電圧Ｖtc（ｔ）は０であり、また、ｒ相の電流ｉr（ｔ）及びｓ相の電流ｉs（ｔ）の過渡成分は減衰して定常成分のみであり、同様に、ｒ相の電力用コンデンサに掛かる電圧Ｖrc（ｔ）及びｓ相の電力用コンデンサに掛かる電圧Ｖsc（ｔ）も定常成分のみであることから、（１８）式で示される。
【数１８】
2008017689.tif 000020
【００７９】
ここで、（１７−１）式に（１７−２）式を代入すると（１９）式が得られる。
【数１９】
2008017689.tif 000021
【００８０】
また、（１８−１）式、（１８−２）式、（１８−３）式から（２０）式が得られる。
【数２０】
2008017689.tif 000022
【００８１】
ｒ相の電流ｉr（ｔ）及びｓ相の電流ｉs（ｔ）の過渡成分が減衰して定常成分のみとなったｔ＝ｔcにおいて、（２０）式が成立する。また、（１９）式から三相の各相の電力用コンデンサに掛かる電圧Ｖrc（ｔ）、Ｖsc（ｔ）、Ｖtc（ｔ）の変化分が０であることから、ｔ≧ｔcを満たす任意の時刻ｔにおいて（２１）式が成り立つ。
【数２１】
2008017689.tif 000023
【００８２】
この（２１）式及び（１７−２）式を（１７−３）式に代入すると、（２２）式が得られる。
【数２２】
2008017689.tif 000024
【００８３】
同様に、（２１）式及び（１７−２）式を（１７−４）式に代入すると、（２３）式が得られる。
【数２３】
2008017689.tif 000025
【００８４】
（２２）式及び（２３）式から、後から投入するｔ相の電力用コンデンサに掛かる電圧をＶtc（ｔ）は（２４）式で示される。
【数２４】
2008017689.tif 000026
【００８５】
この（２４）式のｔ相の電力用コンデンサに掛かる電圧Ｖtc（ｔ）の一般解は、積分定数をＡ、Ｂとすると（２５）式で示される。
【数２５】
2008017689.tif 000027
【００８６】
また、（２５）式に（１８−１）式に示すｔ＝ｔcにおいての初期条件を適用するとともに、（１７−２）式を用いて積分定数Ａ、Ｂを求めると（２６）式となる。
【数２６】
2008017689.tif 000028
【００８７】
（２６）式を（２５）式に代入すると、ｔ相の電力用コンデンサに掛かる電圧Ｖtc（ｔ）は（２７）式のように求まる。
【数２７】
2008017689.tif 000029
【００８８】
ｔ相の電力用コンデンサに流れる電流ｉt（ｔ）は、（１７−２）式及び（２７）式より、（２８）式で示される。
【数２８】
2008017689.tif 000030
【００８９】
次に、ｔ相を投入した場合にｓ相に流れる電流ｔsを求める。ｔ相を投入した場合のｓ相の電力用コンデンサに掛かる電圧Ｖsc（ｔ）は、（１７−４）式の電流ｉt、ｉsに（１７−２）式を代入し、さらに（２４）式を代入すると、（２９）式が得られる。
【数２９】
2008017689.tif 000031
【００９０】
（２９）式のｓ相の電力用コンデンサに掛かる電圧Ｖsc（ｔ）の一般解は、積分定数をＡ’、Ｂ’とすると（３０）式で示される。
【数３０】
2008017689.tif 000032
【００９１】
また、
（２５）式に（１８−３）式及び（１８−５）式に示す初期条件を適用するとともに、（１７−２）式を用いて積分定数Ａ’、Ｂ’を求めると（３１）式となる。
【数３１】
2008017689.tif 000033
【００９２】
（３１）式を（３０）式に代入すると、ｓ相の電力用コンデンサに掛かる電圧Ｖsc（ｔ）は（３２）式のように求まる。
【数３２】
2008017689.tif 000034
【００９３】
ｓ相の電力用コンデンサに流れる電流ｉs（ｔ）は、（１７−２）式及び（３２）式より、（３３）式で示される。
【数３３】
2008017689.tif 000035
【００９４】
また、ｒ相の電力用コンデンサに流れる電流ｉr（ｔ）は、（１７−１）式、（２８）式及び（３３）式より、（３４）式で示される。
【数３４】
2008017689.tif 000036
【００９５】
以上のように、（２８）式、（３３）式及び（３４）式で得られたｔ相を投入した場合に三相の各相に流れる電流ｔr、ｔs、ｔtを整理すると、（３５）式で示される。
【数３５】
2008017689.tif 000037
【００９６】
ここで、（３５−１）式、（３５−２）式及び（３５−３）式の第１項は定常項であり第２項は過渡項である。そして、第２項の過渡項の振幅は、定常電流の最大値に対する突入電流の起こり得る最大値の割合Ｋ’が大きくなるほど大きくなる。突入電流の起こり得る最大値は、単相の場合と同様に、定常項の電流が最大となった状態で、かつ過渡項の電流が最大となった状態のときである。以上の解析結果をまとめると次のことが導かれる。
【００９７】
（１）後から投入されるｔ相の突入電流ピーク値は、（３５−３）式から分かるように、定常電流ピーク値の１＋Ｋ’以内となる。
【００９８】
（２）割合Ｋ’はcos（ωｔc＋θ）＝０のときに最小値１となり、sin（ωｔc＋θ）＝０のときに最大値１／√ｘとなる。この場合の関係は、単相の場合の逆となる。
【００９９】
従って、電力用コンデンサ２０の突入電流を抑えるためには、次の投入条件（ａ）、（ｂ）を満たすように投入操作を行えばよいことになる。
【０１００】
（ａ）Ｖrs（ｔ）＝０のときに、ｒ相のスイッチ２１ｒ及びｓ相のスイッチ２１ｓを投入する。
【０１０１】
（ｂ）ｒ相の電流ｉr（ｔ）及びｓ相の電流ｉs（ｔ）が定常状態に落ち着いたことを確認して、cos（ωｔc＋θ）＝０となる時刻ｔcで残りのスイッチ２１ｔを投入する。
【０１０２】
このようにすると、最初の投入操作での突入電流ピーク値は定常値ピーク値の２倍以内に抑制でき、また、２回目の投入操作でのｒ相及びｓ相のピーク値は定常ピーク値の１．５倍以内に抑制できる。さらに、ｔ相の突入電流ピーク値は、定常ピーク値の２倍以内にそれぞれ抑制できる。
【０１０３】
以上の解析結果をシミュレーションにより検証した。まず、受電電圧の周波数は５０Ｈｚ、コンデンサ２１のリアクタンスに対する直列リアクトル２６のリアクタンスの比率ｘをｘ＝０．０６（６%）、Ｅ＝１［Ｖ］において、定常電流のピーク値が１［Ａ］となるように、Ｃ＝１．７２８[ｍＦ]、Ｌ＝０．１１７３［ｍＨ]に選定した。また、ダンピング抵抗として直列リアクトル２６のＬに並列に１０［ｋΩ］の抵抗を接続した。
【０１０４】
まず、前述の条件（ａ）、（ｂ）のいずれも満たさない条件で電力用コンデンサを投入した。図１４は、その場合のシミュレーション波形図であり、図１４では、前述の条件（ａ）、（ｂ）のいずれも満たさない条件として、受電母線の電圧位相がθ＝０のときに三相同時投入（ｔc＝０）した場合のシミュレーション波形図を示している。図１４に示すように、受電母線の電圧位相がθ＝０（ｔ＝ｔ１＝２０ｍｓ）のときに半導体スイッチ２１を三相同時投入した場合には、約４．５倍の突入電流が流れていることが分かる。
【０１０５】
次に、前述の条件（ａ）を満たすが条件（ｂ）を満たさない状態で電力用コンデンサを投入した。図１５は、その場合のシミュレーション波形図である。図１５では、条件（ａ）を満たすように、受電母線の電圧位相がθ＝０（ｔ＝ｔ１＝２０ｍｓ）のときに半導体スイッチ２１のｒ相のスイッチ２１ｒ及びｓ相のスイッチ２１ｓを投入し、ｒ相の電流ｉr（ｔ）及びｓ相の電流ｉs（ｔ）が定常状態に落ち着いた後のcos（ωｔc＋θ）＝０を満たさない時点ｔc（＝２００ｍｓ）で残りのｔ相のスイッチ２１ｔを投入した。つまり、ｒ相のスイッチ２１ｒ及びｓ相のスイッチ２１ｓを投入してから９サイクル経過したｔc＝２００ｍｓで残りのｔ相のスイッチ２１ｔを投入した。
【０１０６】
図１５に示すように、受電母線の電圧位相がθ＝０（ｔ＝ｔ１＝２０ｍｓ）のときに半導体スイッチ２１のスイッチ２１ｒ、２１ｓを投入すると、ｒ相の電流ｉr（ｔ）及びｓ相の電流ｉs（ｔ）の突入電流分は大幅に抑制されていることが分かる。一方、ｔc＝２００ｍｓで残りのｔ相のスイッチ２１ｔを投入したときは、約４．５倍の突入電流が流れていることが分かる。
【０１０７】
次に、前述の条件（ａ）、（ｂ）を満たす状態で電力用コンデンサを投入した。図１６は、その場合のシミュレーション波形図である。図１６では、条件（ａ）を満たすように、受電母線の電圧位相がθ＝０（ｔ＝ｔ１＝２０ｍｓ）のときに半導体スイッチ２１のｒ相のスイッチ２１ｒ及びｓ相のスイッチ２１ｓを投入し、ｒ相の電流ｉr（ｔ）及びｓ相の電流ｉs（ｔ）が定常状態に落ち着いた後のcos（ωｔc＋θ）＝０を満たす時点ｔc（＝２０５ｍｓ）で残りのｔ相のスイッチ２１ｔを投入した。つまり、ｒ相のスイッチ２１ｒ及びｓ相のスイッチ２１ｓを投入してから９．２５サイクル経過したｔc＝２０５ｍｓで残りのｔ相のスイッチ２１ｔを投入した。
【０１０８】
図１６に示すように、受電母線の電圧位相がθ＝０（ｔ＝ｔ１＝２０ｍｓ）のときに半導体スイッチ２１のスイッチ２１ｒ、２１ｓを投入すると、ｒ相の電流ｉr（ｔ）及びｓ相の電流ｉs（ｔ）の突入電流分は大幅に抑制されていることが分かる。また、ｔc＝２０５ｍｓで残りのｔ相のスイッチ２１ｔを投入したときは、突入電流が２倍以内に抑制されていることが分かる。
【０１０９】
以上の説明では、無効電力計２２で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相で半導体スイッチ２１の閉指令を出力するようにしたが、図１７に示すように、図８の無効電力計２２に代えて、受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される予め定めた時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置２５を設け、この時計装置２５から終了時刻を入力したときに電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相で半導体スイッチ２１の閉指令を出力するようにしてもよい。
【０１１０】
受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される時間帯は、夜間の軽負荷時であり、遅相無効電力の消費機器が系統から切り離された状態である。従って、系統は進相無効電力が増大した状態となっており、進相無効電力の補償を必要としている。そこで、進相無効電力の補償を必要としている時間帯の開始時刻（例えば、２２時前後）で半導体スイッチ２１を開き、進相無効電力の補償を必要としている時間帯の終了時刻（例えば、５時前後）で電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相で半導体スイッチ２１を閉じる。
【０１１１】
図１７では、図８の無効電力計２２に代えて、時計装置２５を設けた場合について説明したが、無効電力計２２に加えて時計装置２５を設け、無効電力計２２と時計装置２５とを切り換えて使用するようにしてもよい。時計装置２５を用いた場合には、時計装置２５で計時した時刻で半導体スイッチ２１の開閉操作を行うので制御が簡素化される。
【０１１２】
また、以上の説明では、電力需要家の受電変圧器の２次側母線１３に電力品質改善装置の電力用コンデンサ２０を接続した場合について説明したが、図１８に示すように、電力需要家の低圧母線１７に電力品質改善装置の電力用コンデンサ２０を接続するようにしてもよい。この場合、電力用コンデンサ２０は遅相無効電力の消費機器が多く接続される低圧母線１７ｂに接続される。
【０１１３】
無効電力計２２で検出された電力需要家の受電端である受電変圧器の２次側母線１３の無効電力及び位相計２３で検出された低圧母線１７ｂの電圧位相は制御装置２４に入力される。そして、制御装置２４は、受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が所定の進相無効電力以上であるときは半導体スイッチ２１の開指令を出力し、一方、無効電力計２２で検出された無効電力が所定の遅相無効電力以上であるときは、電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる低圧母線１７ｂの電圧位相で半導体スイッチ２１の閉指令を出力する。
【０１１４】
また、図１９に示すように、図１８の無効電力計２２に代えて、受電変圧器の２次側母線１３の無効電力が過剰な進相無効電力となると予想される時間帯の開始時刻及び終了時刻を出力する時計装置２５を設け、この時計装置２５から終了時刻を入力したときに電力用コンデンサ２０に流れる突入電流のピーク値が所定値より小さくなる受電変圧器の２次側母線１３の電圧位相で半導体スイッチ２１の閉指令を出力するようにしてもよい。さらに、無効電力計２２に加えて時計装置２５を設け、無効電力計２２と時計装置２５とを切り換えて使用するようにしてもよい。
【０１１５】
さらに、以上の説明では、電力需要家における受電変圧器の２次側（６．６ｋＶ配電系統）に電力品質改善装置を適用した場合を示したが、電力供給者（例えば、電力会社）の変電所の母線又は主変圧器の３次側母線のいずれかの母線に適用するようにしてもよい。
【０１１６】
本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、電力用コンデンサ２０に直列リアクトル２６を直列接続しているので、電力用コンデンサ２０が系統に接続された状態において、直列リアクトル２６により系統の第５次高調波共振を抑制できる。従って、系統の電力品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる電力品質改善装置のブロック構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係わる電力品質改善装置の電力用コンデンサを単相の受電母線に接続した場合の等価回路の回路図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係わる電力品質改善装置の電力用コンデンサを三相の受電母線にΔ結線で接続した場合の等価回路の回路図。
【図４】図３のΔ結線で接続した電力用コンデンサをＹ結線に変換した場合の等価回路の回路図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係わる電力品質改善装置の他の一例のブロック構成図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係わる電力品質改善装置の別の他の一例のブロック構成図。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係わる電力品質改善装置のさらに他の一例のブロック構成図。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置のブロック構成図。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の電力用コンデンサを単相の受電母線に接続した場合の等価回路の回路図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の電力用コンデンサを単相の受電母線の電圧位相がθ＝π／２のときに投入した場合のシミュレーション波形図。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の電力用コンデンサを単相の受電母線の電圧位相がθ＝０のときに投入した場合のシミュレーション波形図。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の直列リアクトル付き電力用コンデンサを三相の受電母線にΔ結線で接続した場合の等価回路の回路図。
【図１３】図１２のΔ結線で接続した直列リアクトル付き電力用コンデンサをＹ結線に変換した場合の等価回路の回路図。
【図１４】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の直列リアクトル付き電力用コンデンサを２つ投入条件のいずれも満たさない状態で投入した場合のシミュレーション波形図。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の直列リアクトル付き電力用コンデンサを２つ投入条件に一方を見たし他方を満たさない状態で投入した場合のシミュレーション波形図。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の直列リアクトル付き電力用コンデンサを２つ投入条件の双方ともに満した状態で投入した場合のシミュレーション波形図。
【図１７】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の他の一例のブロック構成図。
【図１８】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置の別の他の一例のブロック構成図。
【図１９】本発明の第２の実施の形態に係わる電力品質改善装置のさらに他の一例のブロック構成図。
【符号の説明】
【０１１８】
１１…特高系統、１２…主遮断器、１３…受電変圧器の２次側母線、１４…負荷系統、１５…遮断器、１６…変圧器、１７…低圧母線、１８…負荷、１９…開閉器、２０…電力用コンデンサ、２１…半導体スイッチ、２２…無効電力計、２３…位相計、２４…制御装置、２５…時計装置、２６…直列リアクトル
【図１】
2008017689.tif 000038
【図２】
2008017689.tif 000039
【図３】
2008017689.tif 000040
【図４】
2008017689.tif 000041
【図５】
2008017689.tif 000042
【図６】
2008017689.tif 000043
【図７】
2008017689.tif 000044
【図８】
2008017689.tif 000045
【図９】
2008017689.tif 000046
【図１０】
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【図１１】
2008017689.tif 000048
【図１２】
2008017689.tif 000049
【図１３】
2008017689.tif 000050
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2008017689.tif 000053
【図１７】
2008017689.tif 000054
【図１８】
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【図１９】
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