(57)【要約】【課題】配電系統に生じる電圧急変を補償して緩い電圧変動状態にする電力制御装置を安価に提供する。【解決手段】配電線路に接続されたインバータから補償する電流を短時間定格で供給する装置とし，ＰＷＭインバータにフィードバック制御させる電圧指令信号を生成するための電圧指令信号生成ユニットと，インバータの出力波形を制御するＰＷＭ駆動信号生成ユニットとを具備している。電圧指令信号が瞬時電圧安定化信号と低速検出電圧信号との差によって得られ，電圧指令信号生成ユニットが瞬時電圧安定化信号生成手段と電圧誤差信号生成手段とで形成されて，基準電圧に代行させて瞬時電圧安定化信号を用いた事，この安定化信号と低速検出電圧信号との差によって得られる短時間信号である電圧誤差信号でＰＷＭインバータにフィードバック制御させることによって，配電系統電圧の急変に対応させたフィードバック制御を可能とした電力制御装置とした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電系統の受電端と負荷端及び，負荷に並列に接続されたＰＷＭインバータとによって主回路が形成された電力制御装置において，制御回路として，ＰＷＭインバータの出力から電圧が検出されて前記ＰＷＭインバータにフィードバック制御させる電圧指令信号を生成するための電圧指令信号生成ユニット及びＰＷＭインバータを駆動するためのＰＷＭ駆動信号生成ユニットを具備し，該ＰＷＭ駆動信号生成ユニットが波形生成回路と駆動回路とによって形成されるＰＷＭインバータ制御信号の生成作用を有し，電圧指令信号生成ユニットが瞬時電圧安定化信号生成手段と電圧誤差信号生成手段とで形成されてＰＷＭ駆動信号生成ユニットに与える電圧指令信号の生成作用を有し，該電圧指令信号の信号波形が，受電系統の瞬時電圧変化に対して緩い電圧変化として該受電系統に給電する急変補償電流をＰＷＭインバータに出力させることを特徴とした電圧急変を補償する電力制御装置。
【請求項２】
前記電圧指令信号が瞬時電圧安定化信号と低速検出電圧信号との差によって得られ短時間でゼロに収斂する電圧指令信号である請求項１記載の電圧急変を補償する電力制御装置。
【請求項３】
負荷電圧の急激な変動値を抽出し，負荷電圧の緩慢な変動値に対しては抽出しないようにする手段として，応答速度の異なる二つの電圧検出器を具備し，負荷電圧の緩慢な変動値に対してはインバータ出力をゼロとするように制御することを特徴とする請求項１又は２記載の電圧急変を補償する電力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，三相配電系統において変電所内の系統切替え時や受電側の負荷変動の為に生じる配電線路の負荷端の電圧が変動するのに対し，急変電圧を緩やかな電圧変動で供給して負荷への影響を緩和する電力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
系統における瞬時電圧低下とその対策に関する解説が電力中央研究所の報告に開示されており，最新情報が次の資料に見られる。
【０００３】
【非特許文献１】
オーム社発行，雑誌ＯＨＭ（２００２年６月号）林敏之著「瞬時電圧低下の対策と課題」５６〜６０ページに記載されている中に，「表１．瞬時電圧低下の負荷への影響」に「電圧低下幅２０％，継続時間５〜３０ミリ秒でサイリスタ駆動モータが停止する」等の記載がある。対策の例として５９ページ「表４．の上段（ａ）直列方式の中央の欄に，インバータ補償の５０〜４００ｋＶＡ，応答時間１サイクル以内，適用範囲（保持時間）６０％（０．３５秒）」と記載されて，図解されているが，電源と負荷との間に直列に変圧器の二次コイルが挿入されており，６０ページに「直列変圧器を用いて電圧を注入する為インバータの異常動作などによる回路開放の保護に留意する必要がある」との解説がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２１０６６０公報によれば，従来例として同公報の「図５」に示されており，段落［０００２］には，「従来の技術」として「電力系統Ｌに必要に応じて適当な変圧比の変圧器を介して接続された電流調整装置及びリアクタンス装置を備えている。電流調整装置は自己消弧型スイッチング素子から成るブリッジインバータで構成」。段落［０００３］には，「電流調整装置に流れる補償電流ｉｃが検出され，この検出信号が補償電流指令信号Ｉｃ’と突き合わせされ，その偏差がゼロになるよう制御回路を介して電流調整装置すなわち補償電流がＰＷＭ制御される」と記載されていて，段落［０００４］には「電力系統Ｌの電流が検出され，その検出出力から無効電流ｉｈが検出される。このｉｈの実効値Ａは所定時間毎にサンプリングして求められる。この実効値Ａと，定格指令値ＩＲを高値優先回路３２に導き，その高値を除数端子に入力し，被除数端子には定格指令値ＩＲを入力して，除算器３３の出力に係数Ｋを得る」段落［０００５］には「係数設定器３０によると，実効値ＡがＩＲ以下では除数端子にはＩＲが入力され，係数ＫはＩＲ／ＩＲ＝１となる。実効値ＡがＩＲを超える時では．係数ＫはＩＲ／Ａとなる」と記載されている。段落［０００６］には「係数Ｋを乗算器１７に入力し，補償対象電流検出出力から得た無効電流ｉｈに乗算する，すなわち，実効値ＡがＩＲ以下では乗算器１７の出力信号Ｉｃ’はｉｈ×１＝ｉｈとなり，実効値ＡがＩＲを超える時は乗算器１７の出力信号Ｉｃ’はｉｈ×ＩＲ／Ａとなる。このＩｃ’は補償電流指令信号である」段落［０００７］には「このＩｃ’と電流調整装置４の電流検出器１３の検出信号とが突き合わせされ，その偏差がゼロになるよう制御回路１４を介して電流調整装置４のインバータがＰＷＭ制御され，補償電流ｉｃが制御される」と記載されている。
【０００５】
図４に従来の装置における出力を，時間軸を横軸として電圧および電流波形図を示す，上記の２つの従来例はどちらも，図４Ａに制御される前の負荷電圧Ｖ０を示す。図４Ｃは電圧一定制御の為に，インバータから出力させる電流を示す。図４Ｂはインバータから出力させる電流によって負荷電圧Ｖ０が一定に近づけられる制御がなされた結果の負荷電圧Ｖ０を示す。図６に上記の２つの従来例の調整装置を動作が理解できるように部分的に補強し，電圧一定制御させるようにした場合の基本的な回路を示す。図６において，受電端１と負荷端３との間の線路インピーダンス２の電圧降下が負荷３０に流れた電流によって発生する。接続部６にＰＷＭインバータ４が変圧器５を介して接続されていて，ＰＷＭインバータ４を形成するスイッチング素子に与えて駆動するために，波形生成回路９１と駆動回路９２とから構成されるＰＷＭ駆動信号生成ユニット９がＰＷＭインバータ４に接続される。ＰＷＭ駆動信号生成ユニット９には，誤差信号生成手段８が接続されており，負荷電圧Ｖ０の検出電圧Ｖｋと電圧基準値Ｖｓｋとの差の誤差信号ＶＥが与えられる。検出電圧Ｖｋは電圧検出器６１によって接続部６の電圧が検出され，比較器ＣＯによって基準電圧値Ｖｓｋと比較される。ここでは系統電圧目標値を電圧制御の基準電圧値Ｖｓｋとしている。
【０００６】
図４Ａにおける負荷電圧Ｖ０が系統電圧目標値から低くなった期間（ｔ１からｔ２の時間帯）および負荷電圧Ｖ０が系統電圧目標値から高くなった期間（ｔ３からｔ４の時間帯）は，図４Ｃにおけるインバータ電流Ｉｉｎｖが進み電流又は遅れ電流で連続出力している。このように連続出力する為，変圧器の大きさは連続定格容量が必要で，重量と占有体積が大きくなる欠点があった。
【０００７】
制御された結果の負荷電圧Ｖ０は，図４Ｂに示すように負荷電圧Ｖ０が系統電圧目標値から外れて低くなったり高くなったりする瞬間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の各時点において，負荷電圧Ｖ０は瞬間の突出的な電圧変動が生じる。この為，瞬間の突出電圧変動が電圧チラツキを負荷に与える事になり負荷の種類によっては負荷が異常動作を起こすので，瞬間の電圧変動を緩やかな変動に変換されて供給されることが求められてきた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記，図６の装置では図４に示すような時間波形で出力する変圧器に接続されたインバータが必要であり，図４Ａにおける負荷電圧Ｖ０が系統電圧目標値から低くなった期間および負荷電圧Ｖ０が系統電圧目標値から高くなった期間は，図４Ｃにおけるインバータ電流Ｉｉｎｖが進み電流又は遅れ電流で連続出力している。このように従来の装置では，連続出力する為，変圧器の大きさは連続定格容量が必要で，重量と占有体積が大きくなる欠点があった。このような変圧器の重量と占有体積を，大幅に削減できて安価に提供できるような装置を形成する技術を生み出すことが本発明の目的である。図４Ｂに示すように負荷電圧Ｖ０が系統電圧目標値から外れて低くなったり高くなったりする瞬間ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４の各時点において，負荷電圧Ｖ０は瞬間の突出電圧変動が生じる。この為，瞬間の突出電圧変動が電圧チラツキを負荷に与える事になり負荷の種類によっては負荷が異常動作を起こすので，瞬間の突出電圧変動を緩慢な電圧変動波形に変換されるようにする事も本発明の目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このインバータ出力時間が瞬間の電圧変動に対応して，緩やかな電圧変動で負荷に給電するための補償電流だけを出力するインバータ及び変圧器とするならば，変圧器の重量と占有体積を大幅に削減できることに着目して，制御手段を検討した結果，以下に述べる構成で実現可能なことが確認できた。
【００１０】
請求項１に関しては，受電系統の受電端と負荷端及び，負荷に並列に接続されたＰＷＭインバータとによって，主回路が形成された電力制御装置において，電圧一定制御のために前記ＰＷＭインバータ出力から検出した電圧と系統電圧目標値との誤差である電圧誤差信号を生成する電圧誤差信号生成手段と，前期ＰＷＭインバータを駆動させるＰＭＷ駆動信号生成ユニットとを有し，前記電圧誤差信号を前記ＰＷＭインバータにフィードバック制御させる電圧指令信号は，従来のような常に一定値の基準電圧値と比較するのではなく，一定電圧値に達するのが緩やかにゼロに収斂する波形を生成させることで実現できことに着目した。この波形信号を生成する手段として瞬時電圧安定化信号生成手段と電圧誤差信号生成手段を組み合わせる事によって電圧指令信号生成ユニットを形成した。受電系統の瞬時電圧変化に対して緩い電圧変化として該系統に給電する急変補償電流を出力することを特徴とした電圧急変を補償する電力制御装置とした。
【００１１】
請求項２に関しては，瞬時電圧安定化信号生成手段と電圧誤差信号生成手段を組み合せると，瞬時電圧安定化信号から低速検出電圧信号を減算して得られる電圧指令信号が短時間でゼロに収斂する信号波形となることを見通して，電圧誤差信号生成手段にあたえる入力信号として，低速検出電圧信号を得るため負荷電圧の中の一方は時定数の大きい低速検出とした。負荷電圧の中の他方は高速検出とし基準電圧との突き合わせで瞬時電圧安定化信号を得るようにして電圧誤差信号生成手段の入力信号とした。瞬時電圧安定化信号から低速検出電圧信号を減算して電圧指令信号が短時間でゼロに収斂する信号波形を生成し，請求項１記載の電圧急変を補償する電力制御装置とした。
【００１２】
請求項３に関しては，  負荷電圧の急激な変動値を抽出し，負荷電圧の緩慢な変動値に対しては抽出しないようにする手段として，応答速度の異なる二つの電圧検出器を具備し，負荷電圧の緩慢な変動値に対してはインバータ出力をゼロとするように制御させるようにしたことを特徴とする電圧急変を補償する電力制御装置とした。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による実施形態における全体構成図。三相交流の配電系統の受電端１，負荷３０が接続された負荷端３の間の線路に，線路インピーダンス２が存在しており，負荷端３の近傍の接続点６にＰＷＭインバータ４が接続されて電力制御装置の主回路が形成される。ＰＷＭインバータ４に変圧器５が接続される場合を図１Ａに示し，変圧器５が接続されていない場合を図１Ｂに示した。変圧器５は一次側巻線５１と二次側巻線５２とが同一の鉄心に巻廻されている。ＰＷＭインバータ４を形成しているスイッチング素子（図示していないが）の制御極にはＰＷＭ駆動信号が供給されて，配電系統に対し補償する電力を補給するよう，三相の各相毎に調整された電力がＰＷＭインバータ４から配電系統に補給される。制御回路８０は，接続点６の電圧変動を検出してインバータ電流を出力するため，ＰＷＭインバータ４に対して駆動信号を生成し供給する機能を持つ部分である。
【００１４】
図２に本発明の実施形態における制御回路８０のブロック図を記載した全体構成図を示した。ここで図１の符号と同じ部分は説明を省略するが，図２のＰＷＭ駆動信号生成ユニット９と，電圧指令信号ＶＤ２を出力する電圧指令信号生成ユニット７とから制御回路８０が形成されている。電圧指令信号生成ユニット７は，瞬時電圧安定化信号生成手段１０と電圧誤差信号生成手段１２を組み合わせる事によって形成される。
【００１５】
図３に本発明の一実施形態の電力制御装置により制御される電圧波形，電流波形を示す。線路インピーダンスと線路電流によって電圧降下が生じ，負荷電圧Ｖ０が現れている。電圧の急激な変動があった時点をｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４で示している。図３Ａは，制御される前の負荷電圧Ｖ０が変動している様子を示している。図３Ｂは，インバータ４の出力電圧Ｖｉの系統電圧目標値との比較図である。図３Ｃは，インバータ４の出力電流Ｉｉｎｖのインバータ電流ゼロレベルとの比較図であり電圧の急変に対応して緩やかに補償する電流が流れている。図３Ｄは，インバータ４の出力電流Ｉｉｎｖで線路に補償電流を出力した結果の負荷電圧Ｖ０と系統電圧目標値との比較図である。図４（従来）との違いはインバータ出力電流が連続的に流した従来の装置の特性とは違って，電圧急変を緩やかに補償するだけの短時間出力であって電圧の変化を緩やかに補償した点である。
【００１６】
図２において，接続点６の高速検出電圧信号ＶＳと，基準電圧値Ｖｓｋとを比較して生成した瞬時電圧安定化信号ＶＤ０を，従来における基準電圧Ｖｓｋに代行させて使用し，インバータ４の接続点６の電圧をフィードバックして前記ＰＷＭ駆動信号生成ユニット９に与えて出力を瞬時電圧安定化信号ＶＤ０に近づける制御系が本発明の特徴としているポイントである。
【００１７】
線路電流が線路インピ−ダンス２を流れるとき電圧降下が起こり負荷電圧Ｖ０が変動して現れている。６２は小さい時定数で負荷電圧を検出する高速電圧検出器，６３は大きい時定数で検出する低速電圧検出器である。この負荷電圧Ｖ０を高速電圧検出器６２で検出した高速検出電圧信号Ｖｓと基準電圧値Ｖｓｋと突き合わせて瞬時電圧安定化信号ＶＤ０を生成して，低速電圧検出器で検出した低速検出電圧信号ＶＤ１と突き合わせし，電圧誤差信号生成手段１２で減算する電圧指令信号生成ユニット７から電圧指令信号ＶＤ２を出力する。
【００１８】
以上のようにして生成した電圧指令信号ＶＤ２を従来の誤差信号ＶＥに代行させてＰＷＭ駆動信号生成ユニット９に与えてインバータを駆動するところに本発明の着眼ポイントがある。この結果，インバータの出力定格は連続定格ではなくて短時間定格でよい。何故ならば電圧指令信号ＶＤ２は電圧が急変した時点から立ち上がり短時間でゼロに収斂する信号波形であるから，この短時間信号波形が与えられてＰＷＭ駆動信号が生成され駆動するインバータは短時間出力の動作をするからである。
【００１９】
図５は本発明による実施形態における時間軸を横軸とした指令信号波形生成する概念図である。図５Ａにおける瞬時電圧安定化信号ＶＤ０は，例えば，１ミリ秒の応答速度の高速電圧検出器６２の高速検出電圧信号Ｖｓと基準電圧値Ｖｓｋとの差の信号である瞬時電圧安定化信号ＶＤ０の波形を示していて，ｔ１からｔ２迄の時間幅は約１００ミリ秒である。図５ＡにおけるＶＤ１は低速電圧検出器６３の出力信号である低速検出電圧信号を示している。例えば低速電圧検出器６３の検出速度は高速電圧検出器６２の検出速度より３０ミリ秒だけ大きい時定数で検出するものである。図５Ｂにおける電圧指令信号ＶＤ２は瞬時電圧安定化信号ＶＤ０と低速検出電圧信号ＶＤ１との差の波形を示しており，電圧指令信号ＶＤ２がインバータに電流を出力させるのはｔ１とｔ２との時間幅が１００ミリ秒であった場合は，その中の３０ミリ秒程度の短時間である。この３０ミリ秒の時間幅だけインバータ駆動し負荷電圧を補償する電流を出力することを示している。このようにインバータの定格は短時間定格でその役割を達成するから，巻線部品（変圧器）は連続定格の場合に比べて約５０％以下の重量に製作できて温度上昇の規格を満足するものとなる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば従来に於ける装置のような連続した電流を巻線部品に通電しないで瞬時電圧変動を補償する瞬間の時間だけ巻線部品に通電して，急峻な瞬時電圧変動が緩やかな電圧変動に変換されるので受電電源の電圧チラツキが生じないという効果があり，巻線部品が短時間定格で満足する為，軽量小型に設計出来て，本装置全体が軽量小型に安価に製作できるので省資源，省エネルギーに寄与し工業的価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態における全体構成図。
【図２】本発明による実施形態における制御ブロック図。
【図３】本発明による実施形態における出力波形概念図。
【図４】従来の電圧一定制御装置の出力波形概念図。
【図５】本発明による実施形態における指令信号波形概念図。
【図６】従来の電圧一定制御装置の回路図。
【符号の説明】
１        受電端
２        線路インピーダンス
３        負荷端
４        ＰＷＭインバータ
５      巻線部品（変圧器）
６      接続部
７    電圧指令信号生成ユニット
８    誤差信号生成手段（従来例）
９    ＰＷＭ駆動信号生成ユニット
１０    瞬時電圧安定化信号生成手段
１２    電圧誤差信号生成手段
３０    負荷
６１    電圧検出器
６２    高速電圧検出器
６３    低速電圧検出器
８０    制御回路
９１    波形生成回路
９２    駆動回路
ＣＯ    比較器
Ｉｉｎｖ    インバータ出力電流（補償電流）
ＶＥ        誤差電圧
Ｖ０        負荷電圧
ＶＤ０      瞬時電圧安定化信号
ＶＤ１      低速検出電圧信号
ＶＤ２      電圧指令信号
Ｖｉ        インバータ出力電圧
Ｖｋ          検出電圧
Ｖｓ          高速検出電圧信号
Ｖｓ  ｋ      基準電圧値
【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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