(57)【要約】【課題】系統電圧の電圧低下対策として、変換器の容量を低減して、小型化・低コスト化を図った電圧補償装置を提供する。【解決手段】直流電圧を交流電圧に変換する変換器と、一次巻線が変換器の交流電圧側と接続され、ニ次巻線が系統と直列に接続された直列変圧器と、変換器の直流電圧側と接続された電気二重層キャパシタと、変換器の出力を演算してゲート信号を出力するとともに、変換器から交流電圧を出力し、当該交流電圧を直列変圧器のニ次巻線から系統に重畳する制御手段と、変換器内の自己消弧素子をスイッチングするゲート回路とを具備する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を交流電圧に変換する変換器と、
一次巻線が前記変換器の交流電圧側と接続され、ニ次巻線が系統と直列に接続された直列変圧器と、
前記変換器の直流電圧側と接続された電気二重層キャパシタと、
前記系統の電源側電圧を検出する第１の電圧検出器と前記変換器の交流電圧を検出する第２の電圧検出器と前記電気二重層キャパシタの直流電圧を検出する第３の電圧検出器とからの出力信号を入力し、前記交直流変換器の出力を演算してゲート信号を出力するとともに、前記系統の電源側電圧が所定の値の範囲内のときは、前記変換器から前記電気二重層キャパシタを充電し、前記系統の電源側電圧が所定の値以上に低下したときは、前記電気二重層キャパシタを放電して前記変換器から交流電圧を出力し、当該交流電圧を前記直列変圧器のニ次巻線から系統に重畳する制御手段と、
前記ゲート信号を入力し、前記交直流変換器内の自己消弧素子をスイッチングするためのゲートパルスを出力するゲート回路と
を具備することを特徴とする電圧補償装置。
【請求項２】
直流電圧を交流電圧に変換する変換器と、
一次巻線が前記変換器の交流電圧側と接続され、ニ次巻線が系統と直列に接続された直列変圧器と、
前記変換器の直流電圧側にリプルを抑制するために接続されたコンデンサと、
電圧補償時の電力を蓄積するために前記交直流変換器の直流電圧側と前記コンデンサおよび昇降圧チョッパを介して接続された電気二重層キャパシタと、
前記変換器の直流電圧側とともに前記電気二重層キャパシタに充放電を行う昇降圧チョッパと、
前記系統の電源側電圧を検出する第１の電圧検出器と前記変換器の交流電圧を検出する第２の電圧検出器と前記変換器の直流電圧を検出する第３の電圧検出器と前記電気二重層キャパシタの直流電圧を検出する第４の電圧検出器とからの出力信号を入力し、前記変換器の出力を演算してゲート信号を出力するとともに、前記系統の電源側電圧が所定の値の範囲内のときは、前記変換器および昇降圧チョッパから電気二重層キャパシタを充電し、前記系統の電源側電圧が所定の値以上に低下したときは、前記電気二重層キャパシタを放電して前記交直流変換器から交流電圧を出力し、当該交流電圧を直列変圧器のニ次巻線から系統に重畳する制御手段と、
前記ゲート信号を入力し、前記変換器内の自己消弧素子をスイッチングするためのゲートパルスを出力するゲート回路と
を具備することを特徴とする電圧補償装置。
【請求項３】
直流電圧を交流電圧に変換する前記変換器は、３相分の単相交流電圧を出力するとともに、３相分の単層の直列変圧器の一次巻線と接続されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電圧補償装置。
【請求項４】
前記直列変圧器と並列に接続されたバイパススイッチを、さらに具備し、前記制御手段は、前記系統の電源側電圧が所定の値の範囲内のとき、バイパススイッチをオンして前記変換器をゲートブロックして停止し、前記系統の電源側電圧が所定の値以上に低下したとき、バイパススイッチをオフして前記変換器によって補償電圧を出力することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電圧補償装置。
【請求項５】
前記電気二重層キャパシタと並列に接続され、該電気二重層キャパシタの充電を行う充電回路を、さらに具備したことを特徴とする請求項４に記載の電圧補償装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力系統の電源側電圧が低下したときに、負荷側電圧を適性な電圧範囲内に維持する電圧補償装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の電圧補償装置を用いた電力系統の概略図を示したものである。同図において、１は所要の系統、２は系統電源側、３は系統負荷側、４は負荷装置、５は変換器、６は電気二重層キャパシタ、７はリアクトル、８は系統１と電圧補償系との接続点、９は系統１と電源側２との連系スイッチ、１０は系統電源側２の電圧を検出する第１の電圧検出器、１１は系統負荷側３の電圧を検出する第２の電圧検出器、１２は電気二重層キャパシタの端子電圧を検出する第３の電圧検出器、１３は制御手段、１４はゲート回路を示している。
【０００３】
変換器５の直流電圧側は、電気二重層キャパシタ６に接続され、変換器５の交流電圧側は、リアクトル７を介して接続点８において系統１に接続されている。
【０００４】
この接続点８の系統電源側２に、連系スイッチ９が設けられ、接続点８の系統負荷側に、負荷装置４が接続されている。
【０００５】
次に、回路動作について説明する。制御手段１３は、第１の電圧検出器１０により系統電源側２の電圧を検出し、第２の電圧検出器１１により系統負荷側３の電圧を検出し、第３の電圧検出器１２により電気二重層キャパシタ６の端子電圧を検出する。
【０００６】
制御手段１３が第１の電圧検出器１０の電圧値から低電圧状態であると判断した場合には、制御手段１３は、連系スイッチ９を開放し、変換器５によって交流電圧を出力し、負荷装置４に電圧を給電する。さらに制御手段１３は、第２の電圧検出器１１の検出値である交流電圧が規定電圧範囲内の値となるように、第３の電圧検出器１２による電気二重層キャパシタ６の端子電圧を取込んで、直流交流変換器５の駆動用スイッチング信号を演算する。
【０００７】
ゲート回路１４は、演算されたスイッチング信号を受取り、変換器５内の自己消弧形素子を駆動するために、スイッチングパルスを出力する。
【０００８】
制御手段１３が第１の電圧検出器１０の電圧値から系統電圧が復帰したと判断した場合には、制御手段１３は、系統電源側２の電圧と系統負荷側３の電圧を合わせてから連系スイッチ９を投入する。ここで、系統電圧が所定の値の範囲内すなわち正常なときは、制御手段１３は、変換器５に電気二重層キャパシタ６の充電を行わせる。
【０００９】
このようにして、従来の電圧補償装置は、系統電圧が所定の値以上に低下したときでも、負荷装置に電圧を供給し、負荷装置を停止することなく運転を継続していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電圧補償装置では、系統電圧の低下に対して連系スイッチを開放して系統電源側と負荷側とを切り離していたので、変換器は、系統電源側と同等の電圧を出力できる電源容量が必要であった。
【００１１】
とはいえ、１秒未満の短時間に生ずる瞬時電圧低下は系統電圧の減少が系統電圧の半分にも達しないケースが多く、ほとんどの場合、５０％以上の交流電圧が残っているのが実情であった。
【００１２】
そこで、本発明の電圧補償装置は、系統の電源側電圧が所定の値以上に低下したときには、直列変圧器を用いて電圧低下分を補償し、負荷側電圧を適正電圧範囲内に維持することにより、変換器の容量を低減し、その結果、小型化・低コスト化が図れる電圧補償装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１に記載の電圧補償装置は、直流電圧を交流電圧に変換する変換器と、一次巻線が前記変換器の交流電圧側と接続され、ニ次巻線が系統と直列に接続された直列変圧器と、変換器の直流電圧側と接続された電気二重層キャパシタと、系統の電源側電圧を検出する第１の電圧検出器と変換器の交流電圧を検出する第２の電圧検出器と電気二重層キャパシタの直流電圧を検出する第３の電圧検出器とからの出力信号を入力し、変換器の出力を演算してゲート信号を出力するとともに、系統の電源側電圧が所定の値の範囲内のときは、変換器から電気二重層キャパシタを充電し、系統の電源側電圧が所定の値以上に低下したときは、電気二重層キャパシタを放電して変換器から交流電圧を出力し、当該交流電圧を直列変圧器のニ次巻線から系統に重畳する制御手段と、ゲート信号を入力し、変換器内の自己消弧素子をスイッチングするためのゲートパルスを出力するゲート回路とを具備することを特徴とする。
【００１４】
これにより、変圧器ニ次巻線に発生する補償電圧は、系統電圧の電圧降下分だけでよくなり、変換器および電気二重層キャパシタの容量を低減することができ、その結果、電圧補償装置の小型化・低コスト化を図ることができる。
【００１５】
請求項２に記載の電圧補償装置は、直流電圧を交流電圧に変換する変換器と、
一次巻線が前記変換器の交流電圧側と接続され、ニ次巻線が系統と直列に接続された直列変圧器と、変換器の直流電圧側にリプルを抑制するために接続されたコンデンサと、電圧補償時の電力を蓄積するために変換器の直流電圧側とコンデンサおよび昇降圧チョッパを介して接続された電気二重層キャパシタと、変換器の直流電圧側とともに電気二重層キャパシタに充放電を行う昇降圧チョッパと、系統の電源側電圧を検出する第１の電圧検出器と変換器の交流電圧を検出する第２の電圧検出器と変換器の直流電圧を検出する第３の電圧検出器と電気二重層キャパシタの直流電圧を検出する第４の電圧検出器とからの出力信号を入力し、変換器の出力を演算してゲート信号を出力するとともに、系統の電源側電圧が所定の値の範囲内のときは、変換器および昇降圧チョッパから電気二重層キャパシタを充電し、系統の電源側電圧が所定の値以上に低下したときは、電気二重層キャパシタを放電して変換器から交流電圧を出力し、当該交流電圧を直列変圧器のニ次巻線から系統に重畳する制御手段と、ゲート信号を入力し、変換器内の自己消弧素子をスイッチングするためのゲートパルスを出力するゲート回路とを具備することを特徴とする。
【００１６】
これにより、電気二重層キャパシタの必要容量が小さくて電気二重層キャパシタの定格電圧が変換器の動作電圧より小さいときでも、変換器の動作電圧まで昇降圧チョッパで昇圧して補償電圧を直列変圧器から出力し、電圧補償を行うことができる。
【００１７】
請求項３に記載の電圧補償装置は、請求項１または請求項２に記載の電圧補償装置において、直流電圧を交流電圧に変換する変換器は、３相分の単相交流電圧を出力するとともに、３相分の単層直列変圧器の一次巻線と接続されたことを特徴とする。
【００１８】
これにより、三相系統で１相もしくは２相の電圧が低下する三相不平衡が発生しても、本電圧補償装置により補償電圧を出力することにより、負荷装置の電圧を三相平衡とすることができる。
【００１９】
請求項４に記載の電圧補償装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電圧補償装置において、直列変圧器と並列に接続されたバイパススイッチを、さらに具備し、制御手段は、系統の電源側電圧が所定の値の範囲内のとき、バイパススイッチをオンして前記変換器をゲートブロックして停止し、系統の電源側電圧が所定の値以上に低下したとき、バイパススイッチをオフして変換器によって補償電圧を出力することを特徴とする。
【００２０】
これにより、系統電源側が適正電圧のときは電圧補償装置を停止することができるので、変換器自体の損失を低減することができる。
【００２１】
なお、バイパススイッチは、直列変圧器の１次巻線と並列に接続しても同じ効果を得ることができる。
【００２２】
請求項５に記載の電圧補償装置は、請求項４に記載の電圧補償装置において、電気二重層キャパシタと並列に接続され、該電気二重層キャパシタの充電を行う充電回路を、さらに具備したことを特徴とする。
【００２３】
これにより、電気二重相キャパシタの充電に伴って変換器を駆動する必要がなくなり、変換器が駆動しなくても、系統電圧正常時の電気二重相キャパシタの端子電圧を適正電圧に維持することができるので、変換器の駆動により生じていた損失を著しく低減することができ。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態：請求項１に対応）
図１は、第１の実施の形態に係る回路構成を示す図であるが、図中１〜１４は、従来の技術で説明したので、ここでの説明は省略する。
【００２５】
同図において、１５は直列変圧器、１６は変換器５の交流電圧を検出する第４の電圧検出器である。
【００２６】
変換器５の直流電圧側は、電気二重層キャパシタ６と接続され、交流電圧側は、直列変圧器１５の一次巻線と接続されている。
【００２７】
直列変圧器１５のニ次巻線は、系統と直列に接続され、系統電源側２の電圧低下に対して交流電圧を重畳することにより負荷側の電圧を規定電圧範囲内に維持する。
【００２８】
制御手段１３は、第１の電圧検出器１０により系統電源側２の電圧を検出し、第３の電圧検出器１２により電気二重層キャパシタ６の端子電圧を検出し、第４の電圧検出器１６により直列変圧器のニ次電圧を検出する。
【００２９】
第１の電圧検出器１０の電圧値から低電圧状態であることを判断した場合には、制御手段１３は、負荷装置４の入力電圧が規定電圧範囲内となるように、第３の電圧検出器１２の検出値である電気二重層キャパシタの端子電圧を取込み、変換器５のためのスイッチング信号を演算する。
【００３０】
ゲート回路１３は、このスイッチング信号を受取り、スイッチングパルスを出力して変換器５の自己消弧形素子を駆動する。
【００３１】
その結果、変換器５が補償源電圧を出力し、直列変圧器１６のニ次巻線が補償電圧を発生する。
【００３２】
第１の電圧検出器１０の電圧値から、系統電圧が復帰したと判断した場合には、制御手段１３は、変換器５が電気二重層キャパシタ６の充電を行うように制御を始める。
【００３３】
第３の電圧検出器１２の電圧値から、制御手段１３が電気二重層キャパシタ６が満充電していると判断した場合には、制御手段１３は、変換器５による充電動作を停止する。また、制御手段１３は、第３の電圧検出器１２の電圧検出値の増減変化量から電流量を演算し、電気二重層キャパシタ６の充電電流が目的の電流値になるよう変換器５を制御して充電を行う。
【００３４】
第１の実施の形態によれば、直列変圧器のニ次巻線に発生させる補償電圧は、系統電圧の電圧降下分だけでよく、従来は系統の負荷容量全部を負担していた変換器および電気二重層キャパシタの容量を低減することができ、その結果、装置の小型化・低コスト化を図ることができる。
【００３５】
なお、図１において、直流交流変換器５は、三相ブリッジ変換器を用いて記載したが、ＮＰＣ（Ｎｅｕｔｒａｌ　Ｐｏｉｎｔ　Ｃｌａｍｐｅｄ）変換器を適用することもできる。また、電圧補償の対象は、三相系統の場合だけでなく、単相系統のみの場合でもよい。
【００３６】
（第２の実施の形態：請求項２に対応）
図２は第２の実施の形態に係る回路構成を示す図であり、同図において、１７はコンデンサ、１８は昇降圧チョッパ、１９は変換器５の直流電圧を検出するための第５の電圧検出器である。
【００３７】
直流交流変換器５の直流電圧側は、コンデンサ１７に接続され、コンデンサ１７は、昇降圧チョッパ１８を介して電気二重層キャパシタ６と接続されている。
【００３８】
第１の電圧検出器１０の電圧値から低電圧状態であると判断した場合には、制御手段１３は、負荷装置４の入力電圧が規定電圧範囲内となるように、第５の電圧検出器１９の検出値であるコンデンサ電圧を取込み、変換器５のスイッチング信号を演算する。ゲート回路１３は、このスイッチング信号を受取り、スイッチングパルスを出力して変換器５の自己消弧形素子を駆動する。変換器５は、補償源電圧を出力して、直列変圧器１６のニ次巻線に補償電圧を発生させる。また、制御手段１３は、昇降圧チョッパ１８を制御してコンデンサ１７の電圧を目標電圧に維持しながら、電気二重層キャパシタ６の放電を行う。
【００３９】
第１の電圧検出器１０の電圧値から、系統電圧が復帰したと判断した場合には、制御手段１３は、電気二重層キャパシタ６の充電を行うように昇降圧チョッパ１８の制御を始める。また、コンデンサ１７の端子電圧を目標電圧を維持するように、変換器５を動作させる。
【００４０】
一方、第３の電圧検出器１２の電圧検出値から、電気二重層キャパシタ６が満充電であると判定した場合には、制御手段１３は、昇降圧チョッパ１８による充電動作を停止する。また、制御手段１３は、第３の電圧検出器１２の電圧検出値の増減変化量から電流量を演算し、電気二重層キャパシタ６の充電電流が目的の電流値になるよう昇降圧チョッパ１８を制御して充電を行う。
【００４１】
第２の実施の形態によれば、電気二重層キャパシタの必要容量が小さくて電気二重層キャパシタの定格電圧が変換器の動作電圧より小さいときでも、変換器の動作電圧まで昇降圧チョッパで昇圧して、補償源電圧を直列変圧器に供給し、直列変圧器から補償電圧を出力することができる。
【００４２】
（第３の実施の形態：請求項３に対応）
図３は、第３の実施の形態に係る回路構成を示す図であり、同図において、変換器５は、単相ブリッジ変換器３組を並列にして構成されており、各単相ブリッジの交流電圧側が、各相の直列変圧器の一次巻線に接続されている。
【００４３】
第１の電圧検出器１０の電圧値から低電圧状態であると判断した場合には、制御手段１３は、低電圧となっている系統電圧相に対して、直列変圧器のニ次巻線から補償電圧を出力し、負荷装置４の入力電圧を規定電圧範囲内にする。
【００４４】
第３の実施の形態によれば、三相系統で１相もしくは２相の電圧が低下する三相不平衡が発生しても、各相毎に補償電圧を出力することによって、負荷装置の電圧を三相平衡とすることができる。
【００４５】
（第４の実施の形態：請求項４に対応）
図４は、第４の実施の形態に係る回路構成を示す図であり、同図において、２０はバイパススイッチである。
【００４６】
バイパススイッチ２０は、直列変圧器１５のニ次巻線と並列に接続し、系統電源側電圧が適正電圧のとき、制御手段１３は、バイパススイッチ２０をオンし、系統電源側からバイパススイッチを介して系統負荷側へと電力を送り、一方、変換器５は停止させる。系統電源側電圧が低電圧のとき、制御手段１３は、バイパススイッチ２０をオフし、変換器５から補償源電圧を供給して直列変圧器１５から補償電圧を出力することによって、系統負荷側電圧を適正な電圧範囲内とする。
【００４７】
第４の実施の形態によれば、系統電源側が適正電圧のときは、本電圧補償装置を停止することができるので、変換器が生じる損失を低減することができる。
【００４８】
なお、バイパススイッチ２０は、直列変圧器の一次巻線と並列に接続しても同じ効果を得ることができる。
【００４９】
（第５の実施の形態：請求項５に対応）
図５は、第５の実施の形態に係る回路構成を示す図であり、同図は、第４の実施の形態に係る回路構成に、充電回路２１が追加されている。
【００５０】
系統電源側電圧が適正電圧であると判断したとき、制御手段１３は、バイパススイッチ２０をオンし、変換器５をゲートブロックして電圧補償動作を停止したままでいると、電気二重相キャパシタ６は、開放状態となり自己放電動作により電圧が減少していく。
【００５１】
電圧補償装置により十分な電圧補償効果を得るためには、常時、電気二重相キャパシタ６の端子電圧を適正電圧に維持する必要がある。そのために、電気二重相キャパシタ６と並列に小容量の充電回路２１を接続して、適宜電気二重相キャパシタ６の充電を行う。
【００５２】
第５の実施の形態によれば、変換器５による電気二重相キャパシタ６の充電を行わないので、変換器が生じる損失を低減することができるとともに、系統電圧正常時の電気二重相キャパシタの端子電圧を適正電圧に維持して電圧補償動作に備えることができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、系統電圧の電圧低下に対して、系統に直列に接続した直列変圧器によって電圧低下分を補償し、負荷電圧を適正電圧範囲内に維持することができる。これにより、変換器の容量を低減することができるので、電圧補償装置の小型化・低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る回路構成図
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る回路構成図
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る回路構成図
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る回路構成図
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る回路構成図
【図６】従来の電圧補償装置の回路構成図
【符号の説明】
１・・・系統、２・・・系統電源側、３・・・系統負荷側、４・・・負荷装置、５・・・変換器、６・・・電気二重相キャパシタ、７・・・リアクトル、８・・・本装置と系統との接続点、９・・・連系スイッチ、１０・・・第１の電圧検出器、１１・・・第２の電圧検出器、１２・・・第３の電圧検出器、１３・・・制御手段、１４・・・ゲート回路、１５・・・直列変圧器、１６・・・第４の電圧検出器、１７・・・コンデンサ、１８・・・昇降圧チョッパ、１９・・・第５の電圧検出器、２０・・・バイパススイッチ、２１・・・充電回路
【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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