(57)【要約】【課題】配電系統における，重い負荷により生じる電圧低下に対し一定電圧に電圧制御する装置において，応答速度を早くするよう改善する。【解決手段】配電線路の受電端と負荷端の中間に接続されるＰＷＭインバータを有する電圧制御装置のＰＷＭインバータの出力が，負荷電流位相を補償する電流を供給するようにし，制御方法をフードバック制御による電圧一定制御に加えて，力率一定制御をフィードフォワード制御させる複合型の制御とする。この事によって制御信号の基準値が，時間軸に対して急峻な変位が得られるので，現象として応答速度が速くなるように改善された。【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圧制御装置において，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，力率一定制御のために負荷電流検出値と力率目標値との誤差である力率指令信号を生成する力率制御指令信号生成手段と，前記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指令信号として用いると同時に，前記力率指令信号を前記ＰＷＭインバータにフィードフォワード制御させる指令信号として用い，フィードバック制御と同時にフィードフォワード制御する複合型制御とすることにより，フィードフォワード制御の速い応答速度を生かしたことを特徴とする複合型高速電圧制御装置。
【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を高速度で一定電圧にする電圧制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】
電気学会編，工場配電（昭和４５年２月発行），第２章２．８図に示されている「負荷時タップ切替え変圧器」に記載の三相配電系統においては線路電圧を所定値に保持するために，例えばタップ付きトランス式の電圧調整器を電圧検出器とタップ切替器とを連動させて自動電圧調整作用をさせていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２６１８６９公報によれば，「変圧器のタップ自動切換装置」改良についての記載がある。
【０００４】
【特許文献２】
特開平７−３１２８２７公報の段落［０００２］には，検出した線路電圧に応じてスライダックの接点位置を適宜変更することにより電圧調整を行う。と記載あり，段落［０００７］には，接点位置を機械的に駆動して電圧調整を行う為，線路電圧が所定値に安定するまで長時間（約１分）の遅れを有し，瞬時電圧変動に対応できない欠点があった。と記載されている。トランスタップ切替え式の場合では線路にステップ電圧が発生する欠点があった。
【０００５】
発明者らが試みた従来の装置について以下に述べる。図５は従来の電圧一定制御装置回路図，図６は従来の力率一定制御装置回路図で，どちらも受電端１と負荷端３との間に線路インピーダンス２，負荷端の近傍にＰＷＭインバータ７が接続され，負荷の力率に対応してその逆相電流分をインバータ７から補償電流として出力される。９はＰＷＭ駆動パルス生成ユニットで，その出力パルスを，ＰＷＭインバータ７を構成するスイッチング素子の制御極に与えると，ＰＷＭインバータ７のパルス幅を変化させて出力電流が制御され，このようにして線路の電圧低下を抑制する。ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９は電流波形制御回路９１とＰＷＭ制御回路９２とによって形成されている。
【０００６】
図７に図５の電圧一定制御装置に用いた電圧一定制御装置の制御ブロック図を示す。図７において，受電端電圧ＶＳは線路インピーダンス２と供給電流ＩＳによって電圧降下が生じ負荷電圧Ｖ０が現れている。負荷電圧Ｖ０と系統電圧目標値ＶＳＳとを比較して電圧誤差増幅器１０で増幅した電圧誤差信号ＳＥを指令値としてインバータ７の出力電圧をフィードバックして前記ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９に与えて出力を目標値ＶＳＳに近づける制御系が完成している。
【０００７】
図６の従来の力率一定制御装置回路図では，補償電流検出器１３によって検出した値に対し，力率制御指令信号生成手段１１の出力である指令信号Ｓに近づくようにインバータ７を制御する。力率制御指令信号生成手段１１は，力率目標値ＰＦと刻々と変化する負荷電流ＩＬとの力率の差から指令信号Ｓを出力して，力率目標値に近づくようにインバータ７を制御する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記，図５の電圧一定制御装置回路では制御の応答速度が遅く，例えば１００ｋＶＡ規模のＳＶＧによる従来の電圧一定制御の方式で応答速度は，８０％補償時間が８０ミリ秒と遅いものであった。
【０００９】
一方，図６の力率一定制御装置回路図では，負荷電流検出器Ｄｉによって検出した値と力率目標値ＰＦとの差から生成する力率制御指令信号生成手段１１の出力である指令信号Ｓに出力電流（補償電流）が近づくようにインバータを制御する力率一定制御では，力率一定に制御する応答が速い特徴があるが，負荷端の電圧を一定にすることができないという問題があった。
【００１０】
本発明は，出力電圧精度を高め，かつ，応答が速いＳＶＧを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は，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，力率一定制御のために負荷電流検出値と力率目標値との誤差である力率指令信号を生成する力率制御指令信号生成手段と，前記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期ＰＷＭインバータにフィードバック制御させる指令信号として用いると同時に，前記力率指令信号を前記ＰＷＭインバータにフィードフォワード制御させる指令信号として用い，フィードバック制御と同時にフィードフォワード制御する複合型制御とするものである。
【００１２】
すなわち，ＳＶＧは負荷の遅れ電流成分に相当するものに対して，インバータで遅れ位相の電流を生成して，負荷に対し並列にインバータ電流を注入し電流位相を補償しようとするものである。検出した電圧を系統電圧目標値と比較して，インバータ出力値を修正しようとする，言わば後手の制御で応答速度が遅い従来のフィードバック制御に加えて，応答速度が速い予測制御とも言えるフィードフォワード制御を組み合わせ複合型の制御によって応答速度を速くする着想が，この発明による実施形態を実現させ，電圧誤差信号生成手段に，力率制御指令信号生成手段を組み合わせて新しい機能を生み出した。
【００１３】
フィードフォワード制御は，検出した信号値のその先を予測し先手をとって異常現象を排除しようとするもので，基本的に精度は悪いけれど応答速度が速い特徴を持っている。本発明の着眼は，従来の定電圧制御に用いられてきた電圧誤差信号のフィードバック制御と共に，応答速度の速いフィードフォワード制御を力率一定制御として同一の制御系内において複合させることである。
【００１４】
力率一定制御は力率制御指令信号生成手段で負荷電流力率と力率目標値との誤差を抽出して力率指令信号を生成する。従来の誤差電圧信号の時間軸上の変位が緩やかであったものが，力率指令信号が加算されると時間軸上の変位が急峻化されるので鋭敏にインバータ出力へ反映される。
【００１５】
従来の電圧一定制御の場合に見られる精度の高いフィードバック制御と，力率指令信号でフィードフォワード制御される速い応答が複合された本発明の複合型の制御によって応答速度の改善がなされ，同時に電圧制御精度も実用に適した精度が得られた。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に本発明による実施の形態を全体構成図で示した。以下に，本発明による実施の形態を説明する。図１の本発明による実施形態における全体構成を示す回路図において，１の受電端で三相電力を受けて，２の線路インピーダンスを通電した電力が負荷端３に供給される配電系統において，例えば単相の大電流負荷など種々の負荷３０が接続される。８のＳＶＧが負荷の近傍において負荷に並列に接続されている。負荷近傍の電圧Ｖ０を検出して電圧一定制御の信号生成のサンプル信号とし，同時に負荷電流ＩＬを検出して力率一定制御のサンプル信号としている。８のＳＶＧが負荷の近傍において負荷３０に並列に接続され負荷電流に大きい遅れ電流を含んで電圧が低下した場合，８のＳＶＧに遅れ電流成分を補償電流として負荷に対して補給させることによって線路電流の遅れ成分を減らし電圧低下を抑制させる機能を発揮させている。
【００１７】
図２に本発明の実施形態における制御回路のブロック図を示した。８のＳＶＧを形成するＰＷＭインバータ７の制御信号生成源としてのＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９がＰＷＭインバータ７に接続される。ＰＷＭインバータ７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信号発生ユニット９からＰＷＭ駆動パルスが供給されて配電系統に対し補償するよう各相毎に調整された電力がＰＷＭインバータ７から配電系統に補給され電圧制御する。
【００１８】
線路電流ＩＳ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Ｖｏが現れている。この負荷電圧Ｖｏを電圧検出し系統電圧目標値ＶＳＳと比較し誤差電圧増幅器１０で増幅されて電圧誤差信号ＳＥを出力する。一方，負荷電流ＩＬは検出されて，力率制御指令信号生成手段１１によって，力率目標値ＰＦと比較されて力率制御指令信号生成手段１１から力率指令信号ＳＤを出力する。
【００１９】
力率指令信号ＳＤに前記電圧誤差信号ＳＥが加算されて指令信号Ｓを出力する。この指令信号ＳとＰＷＭインバータの出力電流検出値との誤差をゼロに近づけるようにＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９がＰＷＭ駆動パルスを生成しＰＷＭインバータ７を出力コントロールさせて負荷の無効電力の電流を補償し，電圧変動を抑制するように作用する。この時の制御の基準値は，基本的には系統電圧目標値ＶＳＳであり負荷電圧Ｖ０との誤差を電圧誤差増幅器１０で増幅され電圧誤差信号ＳＥをつくる。同時に力率目標値ＰＦを基準とし力率制御指令信号生成手段１１で力率指令信号ＳＤを生成して，電圧誤差信号ＳＥに加算され補正された指令信号Ｓをつくる。従来の電圧一定制御では電圧誤差信号ＳＥを基準として検出電圧との誤差をゼロに近いようにするフィードバック制御であったが，本実施例では力率指令信号ＳＤを生成して，電圧誤差信号ＳＥに加算され補正された指令信号Ｓをつくり，これを従来の基準とした信号ＳＥに置き換えた事が従来に無い概念である。
【００２０】
ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９は，電流波形制御回路９１とＰＷＭ制御回路９２とで形成される。該ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット９は，基準電圧信号が所定の基準値である公知の考え方そのものに対して，配電系統の時々刻々変化する負荷電流値を基に信号生成する力率制御指令信号生成手段１１から出力される力率指令信号ＳＤで補正するフィードフォワード制御を複合させて，指令信号Ｓを目標値として供給するようにした着想が，この発明による実施形態を実現させた。
【００２１】
力率一定制御は，力率制御指令信号生成手段１１で負荷電流力率と力率目標値との誤差を抽出して力率指令信号ＳＤを生成する。図３に示す信号概念図ように，従来の誤差電圧信号ＳＥによる時間軸上の変位が緩やかであったものが，力率指令信号ＳＤが加算されて指令信号Ｓとして変位が急峻化されるので時間軸に鋭敏にインバータ出力へ反映される。この現象は，図３（Ａ）に示す従来の定電圧制御の誤差信号ＳＥの変位ｈ１に対して，図３（Ｂ）の力率指令信号ＳＤの変位ｈ２が加算されて，図３（Ｃ）の指令信号Ｓの変位ｈ３が基準値として働く電圧制御によって応答速度の速い制御を可能にしている。
【００２２】
図４に示した応答速度の説明図で，本発明の実施形態によって得られたＴＳ曲線は指令信号Ｓが基準値として制御した場合の応答を示すインバータ出力であって，従来の電圧一定制御の場合に得られたＴＥ曲線は電圧誤差信号ＳＥを基準値として制御した場合のインバータ出力である。ＴＳ曲線で示される本発明の場合において、ｔ１時点で電圧目標値に達しているのに対し，従来はｔ２時点で電圧目標値に達しており，電圧一定制御の場合に見られた応答速度である。力率指令信号ＳＤの変位ｈ２が加算されフィードフォワード制御が複合された本発明の複合型制御によって応答速度の改善がなされたことが示されている。実用機で，一例を挙げると従来の１００ｋＶＡ規模のＳＶＧで，従来の電圧一定制御の方式で応答速度は８０％補償時間が８０ミリ秒であったが，これを４０ミリ秒に速める事が出来た。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば従来に於けるトランスタップ切替え式の場合のようなステップ電圧が発生することに起因する瞬時電圧変動が生じない。電圧の大きい変動を早く一定にする装置が提供できるので工業的価値が大きい。更に応答速度の速いフィードフォワード制御を力率一定制御として同一の制御系内において複合させたことで更に応答速度を改善する事が出来た。
【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信号概念図。
【図４】本発明による実施形態における応答速度の説明図。
【図５】従来の電圧一定制御装置の回路図。
【図６】従来の力率一定制御装置の回路図。
【図７】従来の電圧一定制御装置の制御ブロック図。
【符号の説明】
１    受電端
２    線路インピーダンス
３    負荷端
３０  負荷
７  ＰＷＭインバータ
８  ＳＶＧ
９  ＰＷＭ駆動パルス生成ユニット
１０  電圧誤差増幅器
１１  力率制御指令信号生成手段
１２  電圧誤差信号生成手段
１３  補償電流検出器
９１  電流波形制御回路
９２  ＰＷＭ制御回路
Ｄｉ  負荷電流検出器
ＩＣ  インバータ出力電流（補償電流）
ＩＬ  負荷電流
ＩＳ  系統電流
ＰＦ  力率目標値
Ｖ０  負荷電圧
ＶＳ  受電端電圧
ＶＳＳ  系統電圧目標値
ＳＥ    電圧誤差信号
ＳＤ    力率指令信号
Ｓ      指令信号
【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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