(57)【要約】【課題】単相三線式配電系統を対象とした、２系統の電流バランス機能、力率改善機能、高調波抑制機能、停電時電力供給機能、電力貯蔵機能等を有する多機能電力補償システムを提供する。【解決手段】単相三線式配電系統の系統線３１，３３にコンデンサ１３，１４を共有した２組のコンバータ１，２をそれぞれ組み込み、一方のコンバータを逆変換動作させると同時に他方を順変換動作させる。前記２組のコンバータ１，２は、コンデンサ１３，１４を共有したハーフブリッジ構成であり、更に単相三線式配電系統の中性点接続線を共有する。また、前記コンデンサに代えて、あるいはコンデンサに並列に蓄電池２１，２２を付加する。【選択図】図１
2005073459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相三線式配電系統の系統線にコンデンサを共有した２組のコンバータをそれぞれ組み込み、一方のコンバータを逆変換動作させると同時に他方を順変換動作させることを特徴とする単相三線式配電系統の電力補償システム。
【請求項２】
前記２組のコンバータは、コンデンサを共有したハーフブリッジ構成であり、更に単相三線式配電系統の中性点接続線を共有することを特徴とする請求項１記載の単相三線式配電系統の電力補償システム。
【請求項３】
前記コンデンサに代えて、あるいはコンデンサに並列に蓄電池を付加したことを特徴とする請求項１記載の単相三線式配電系統の電力補償システム。
【請求項４】
前記単相三線式配電系統の系統電流の不平衡を検出し、一方の組のコンバータを逆変換動作させて補償電流を負荷の大きい系統線に供給し、他方の組のコンバータを順変換動作させて補償電流を負荷の小さい系統線から取り込み、系統電流を平衡させる機能を備えたことを特徴とする請求項１記載の単相三線式配電系統の電力補償システム。
【請求項５】
前記コンバータにより、系統線の負荷電流の無効電流成分を補償する補償電流を供給する機能を備えたことを特徴とする請求項１記載の単相三線式配電系統の電力補償システム。
【請求項６】
前記コンバータにより、系統線の負荷電流のひずみ波成分を補償する補償電流を供給する機能を備えたことを特徴とする請求項１記載の単相三線式配電系統の電力補償システム。
【請求項７】
単相三線式配電系統の系統線に蓄電池を共有した２組のコンバータをそれぞれ組み込み、それぞれのコンバータを逆変換動作または順変換動作させ、前記蓄電池から負荷に電力を供給する機能、または前記蓄電池に電力を蓄積する機能を備えたことを特徴とする単相三線式配電系統の電力補償システム。
【請求項８】
さらに、前記２組のコンバータの一方のコンバータを逆変換動作させると同時に他方を順変換動作させ、系統電流を平衡させる機能を備えたことを特徴とする請求項７記載の単相三線式配電系統の電力補償システム。
【請求項９】
系統が停電しても負荷に電力を供給し続ける無停電電源機能を備えたことを特徴とする請求項７記載の単相三線式配電系統の電力補償システム。
【請求項１０】
夜間の余剰電力を蓄電池に貯蔵して昼間の電力ピーク時にこれを放出する系統の負荷平準化機能を備えたことを特徴とする請求項７記載の単相三線式配電系統の電力補償システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、我が国に広く普及している単相三線式配電系統を対象とした多機能電力補償システムに関するものであり、２系統の電流バランス機能、力率改善機能、高調波抑制機能、停電時電力供給機能、電力貯蔵機能を全て、あるいはその一部の機能を有するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、大工場、大規模店舗、大型オフィスビル等、大電力を消費する需要家に対しては、６ｋＶ以上の三相高圧系統が配電されている。しかし、圧倒的に数が多い一般家庭、小規模店舗、小規模オフィスビル等には、我が国独特の単相三線式の低圧配電系統が用いられている。三相負荷の場合、故障でもしない限り、定常状態では平衡した電流が三相系統に流れる。しかし、単相三線式配電系統に接続されている負荷は全て単相であり、数多くの単相負荷が２系統の単相電源に不特定に接続されている。これらの負荷は需要家の都合で任意に運転されるため、それぞれの系統電流は必ずしも平衡するとは限らない。極端な場合、一方の系統に接続されている負荷群のみが働き、他方の負荷群は休止状態であることも珍しくはない。このため、現在、単相三線式配電系統の末端にバランサと呼ばれる特殊な変圧器を設置して、系統電流の平衡をとる方式が採用されている。
【０００３】
しかし、系統電流はこのバランサの動作によって平衡しても、各需要家に接続されている引き込み線の電流は不平衡のままである。このため、需要家の電力使用が一方の系統に接続されている負荷群に極端に偏った場合には、契約電力内であっても配電盤のブレーカーが作動して、負荷の一部が運転停止となる部分停電を生じる事例も少なくない。この部分停電を避けるためには、各需要家の引き込み線の２系統の電流をバランスさせなければならない。
【０００４】
ところで、交流を直流に変換するコンバータとして、古くからダイオード素子によりブリッジ回路を構成した整流回路が用いられている。しかしながら、この整流回路は高調波成分を多量に発生するため好ましいものでなく、その入力電流の正弦波化が望まれている。そこで、複数の能動素子と整流素子を含めてコンバータ回路を構成し、正弦波入力電圧に対してこれに波形が追従した正弦波入力電流が得られる正弦波入力単相整流回路を単相三線式配電系統に適用することが比較的古くから提案されている（例えば、特許文献１，非特許文献１，２，３，４等参照）。しかしながら、これらの提案は、交流から直流にいかに高力率で（波形歪みを少なく）、且つ効率的に変換するかというコンバータそのものの制御方式についてのものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３３７０３４号公報
【非特許文献１】大島正明、正田英介：「単相三線式交直変換回路における定サンプル型ＰＷＭ方式」、平成11年電気学会産業応用部門大会論文集、第３巻、143−146ページ、1999年8月発行
【非特許文献２】清武博文、岡田英彦、石坂耕一、伊藤良三：「キャパシタ電圧を平衡化した単相倍電圧整流器の特性」、電気学会論文誌Ｄ分冊、Vol.121-D, No.9, 964−969ページ、2001年9月発行
【非特許文献３】藤田崇之、飯田祥二：「平衡コンデンサ電圧特性を有する高力率倍電圧整流回路」、平成14年電気学会産業応用部門大会論文集、第２巻、1044ページ、2002年8月発行
【非特許文献４】藤田崇之、飯田祥二：「高力率倍電圧整流回路における直流コンデンサの小容量化」、平成14年電気設備学会全国大会講演論文集、69−70ページ、2002年9月発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、単相三線式配電系統を対象とした、２系統の電流バランス機能、力率改善機能、高調波抑制機能、停電時電力供給機能、電力貯蔵機能等を有する多機能電力補償システム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】
【０００７】
本発明の単相三線式配電系統の電力補償システムは、単相三線式配電系統の系統線にコンデンサを共有した２組のコンバータをそれぞれ組み込み、一方のコンバータを逆変換動作させると同時に他方を順変換動作させることを特徴とするものである。これにより、単相三線式配電系統の２系統に接続されている数多くの単相負荷にアンバランスが生じても、逆変換動作させるコンバータから補償電流を負荷の大きい側に供給し、順変換動作させるコンバータにより負荷の小さい側の系統から補償電流を取り込むことで、２系統の電流がバランスするように運転することができる。従って、単相三線式配電系統の２系統の電流をバランスし、接地されている中性線の電流をほぼ零に維持することができるとともに、２系統に接続されている単相負荷に所要の負荷電流を供給することができる。
【０００８】
また、例えば電動機負荷のように力率の悪い負荷がある場合には、負荷電流が遅れの場合には補償電流に進み成分を、進みの負荷電流ならばその補償電流に遅れ成分を加えることで、力率を略１００％とすることができる。しかも、２系統の負荷群が異なる力率であっても、それぞれの補償電流の位相を個別に制御できるため、それぞれの負荷電流の無効電力を補償し、２系統の力率をそれぞれ１００％に維持することが可能である。
【０００９】
また、負荷が直流電源を備えたものである場合には、直流電源には一般にダイオードブリッジ型の整流回路を用いているため、その入力電流はパルス状の交流電流となり、低次高調波を多く含んだひずみ波電流である。これらの高調波電流が系統に流れ込むと高調波障害を発生する可能性がある。そのような負荷が接続された場合にも、補償電流をひずみ波負荷電流と逆位相の波形とすることにより、負荷電流の高調波成分をうち消すことが可能である。すなわち、本発明の２組のコンバータはアクティブ・フィルタ機能を有することができる。しかも、それぞれの補償電流の波形は個別に制御でき、片方の系統のみに補償電流を供給することも可能である。
【００１０】
また、本発明の単相三線式配電系統の電力補償システムは、単相三線式配電系統の系統線に蓄電池を共有した２組のコンバータをそれぞれ組み込み、それぞれのコンバータを逆変換動作または順変換動作させることを特徴とするものである。これにより、上述した機能に加え、系統が停電しても重要な負荷に電力を供給し続ける停電時の電力供給機能、即ち、無停電電源機能を備えることができる。また、夜間の余剰電力を蓄電池に貯蔵して昼間の電力ピーク時にこれを放出することで、系統の負荷平準化に寄与することができる。
【発明の効果】
【００１１】
例えば、上記系統電流のバランス機能により、契約電力の低減が可能となり、設備容量も２系統の平均電力に合わせたものに低減することができる。総じて本発明によれば、単相三線式配電系統の省エネルギー化、設備および運転費用の低コスト化、ひいては電気料金の低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１３】
本発明は、コンデンサを共有した２組の単相コンバータ１，２を単相三線式配電系統に接続し、様々な負荷によって生じる系統電流の不平衡、力率低下、ひずみ等を補償するシステムに関するものである。さらに、コンバータが共有するコンデンサに代えて、あるいはコンデンサに並列に蓄電池群を付加することによって、電力を貯蔵し、単相三線式配電系統の無停電化、電力の負荷平準化を可能とするシステムも、本発明の範疇である。
【００１４】
図１は、単相コンバータとしてハーフブリッジ構成を用いた場合の本システムの実施形態である。１は単相三線式配電系統の系統側端子であり、端子３１，３２，３３は系統から需要家側へ電力を供給するための引き込み線に相当する。一般に中間端子３２が接地された中性線であり、柱上変圧器等によって端子３１−３２間および端子３２−３３間に同相の単相電圧が供給される。端子３１−３３間は端子３１−３２間の倍の電圧となる。２は需要家側の負荷端子４１，４２，４３であり、配電盤を通して、様々な種類の単相負荷が端子４１−４２間、端子４２−４３間、あるいは端子４１−４３間に多数接続されている。
【００１５】
３および４が本発明の多機能電力補償装置である。５，７，９，１１は信号によって自由にオンオフができる自己消弧形スイッチング素子である。図ではＩＧＢＴで表しているが、ＭＯＳＦＥＴ等、他のオンオフ機能を有するスイッチング素子が適用可能である。６，８，１０，１２はこれらのスイッチング素子に逆並列接続されるダイオードであり、モジュール構成の自己消弧形スイッチング素子では内蔵された逆並列ダイオードを流用することができる。１３，１４はコンデンサであり、一方のコンバータによって変換された直流エネルギーを、一時的に蓄積する役割を果たす。１５，１６は交流リアクトルであり、系統電圧とコンバータ入力電圧の差電圧をこのリアクトルに加えることにより、任意の波形の補償電流を流すことができる。１７，１８はフィルタリアクトル、１９，２０はフィルタコンデンサであり、スイッチング素子がオンオフすることによって発生する高次高調波電流を除去する役割を担う。
【００１６】
本発明の電力補償装置３には、直流電力を貯蔵するコンデンサ１３，１４を共通とした２組のハーフブリッジ構成のコンバータが内蔵されている。すなわち、コンデンサ１３，１４を共有して素子５，６，７，８で構成されたコンバータ１が端子５１−５２間に、コンデンサ１３，１４を共有して素子９，１０，１１，１２で構成するコンバータ２が端子５２−５３間に組み込まれている。これら２組のハーフブリッジ構成のコンバータ１，２は、コンデンサのみならず端子５２の接続線が共通であるため、これを単相三線式配電系統の中性点３２へ接続することにより、回路構成を大幅に簡素化できる。さらに、単相三線式配電系統の中性点３２は一般に接地されているため、本発明の電力補償装置３は中性線の電流を略ゼロとすることができ、２系統の電流をバランスすることができるので、原理的にコモンモードノイズを発生せず、ＥＭＩ（電磁波障害）対策に有効な構成といえる。
【００１７】
本発明の多機能補償装置を電流バランス機能、力率改善機能、高調波抑制機能に限定する場合は、上記の電力補償装置３のみで充分であるが、停電時電力供給機能、電力貯蔵機能まで持たせるためには、さらに図１の４の装置を付加する必要がある。２１，２２は２組の蓄電池群である。これを電力補償装置３のコンデンサ１３，１４に代えて接続するか、これらのコンデンサ１３，１４に並列に接続した構成とする。
【００１８】
次に、上記多機能電力補償システムの動作について説明する。本発明の電力補償装置３に組み込まれている２組のコンバータ１，２のうち、コンバータ１は系統端子３１−３２間の電力を補償し、コンバータ２は系統端子３２−３３間の電力を補償する。これらのコンバータはそれぞれ順変換動作、あるいは逆変換動作が可能であるだけでなく、一方を順変換動作させると同時に、他方を逆変換動作させることも可能である。本発明はこの特性を利用して単相三線式系統の電力補償を行うものである。
【００１９】
ここで、図１において負荷端子４１−４２間に接続されている負荷群が重く、負荷端子４２−４３間に接続されている負荷群が軽い場合を想定する。すなわち、負荷端子４１に流入する負荷電流Ｉ４１は大きく、負荷端子４３から流出する負荷電流Ｉ４３は小さいとする。ただし、図１の矢印方向を各電流の正方向とする。この負荷状態の場合、本発明の電力補償装置３では、コンバータ１を逆変換動作させると同時に、コンバータ２を順変換動作させることにより、系統電流Ｉ３１とＩ３３のバランスをとることができる。
【００２０】
コンバータ１を逆変換動作させると、電力補償装置３の端子５１の補償電流Ｉ５１は、図１の矢印とは逆方向、すなわち端子５１から流出することとなる。この補償電流Ｉ５１が負荷電流Ｉ４１の一部を補うため、系統電流Ｉ３１は負荷電流Ｉ４１より少なくなる。この逆変換動作はコンデンサ１３，１４に蓄積された直流電力（エネルギー）によって実行できる。しかし、通常のコンデンサはごく僅かなエネルギーしか蓄積できないため、コンバータ１のみでは瞬く間にコンデンサ電圧が低下して、上記の逆変換動作を維持することはできない。このため、別途にコンデンサ充電装置を設置する必要があり、システムの複雑化が問題となるが、これに対して本発明では、もう１組のコンバータ２が組み込まれており、これを順変換動作させ、系統端子３２−３３間から補償電流Ｉ５３を取り込むことによって、コンデンサ電圧を設定値に維持できる。さらに、系統電流Ｉ３３は負荷電流Ｉ４３と補償電流Ｉ５３の和となるため、系統電流Ｉ３３は負荷電流Ｉ４３より大となって系統電流Ｉ３１に等しくすることができる。
【００２１】
本システムを作動させた場合の各部電流波形を図２に示す。同図において、（ａ）（ｃ）は実測波形、（ｂ）（ｄ）はコンピュータによるシミュレーション波形である。（ｃ）（ｄ）に示すように、順変換動作しているコンバータ２の補償電流Ｉ５３に対して、逆変換動作を行うコンバータ１の補償電流Ｉ５１は逆位相となる。これらの補償電流を適切に制御することにより、（ａ）（ｂ）に示すように、系統電流Ｉ３１とＩ３３は平衡して同一電流となり、中性線の系統電流Ｉ３２はほぼ零となる。すなわち、本発明の電力補償装置３は、単相２系統に接続された負荷群が不平衡であっても、引き込み線の系統電流を平衡に保つことができる。
【００２２】
次に、制御回路の構成・作用について説明する。
[補償電流実効値の算出]
図１に示した２組のコンバータ１，２に対する制御方法は、この装置にどのような補償機能を与えるかによって大幅に異なる。たとえ電流バランス機能を持たせるだけとしても、様々な制御方法が考えられる。また、制御方法が選定されたとしても、これを実現する制御回路は多種多様の構成が考えられる。図３は、本発明の主目的である電流バランス機能を対象とした制御システムの一例である。
【００２３】
まず、図１における系統電流Ｉ３１とＩ３３を検出する。一般的な電流センサ等を用いた場合は、正弦波形に変化する電流の瞬時値が検出されるので、これらを実効値変換回路６１および６２を通して、それぞれの系統電流実効値Ｉｅ３１とＩｅ３３に変換する。これらを平均値算出回路６３に入力して、両系統電流の平均値Ｉａｖ＝（Ｉｅ３１＋Ｉｅ３３）／２を求める。以下では、既述の例としてあげたように、負荷端子４１−４２間に接続されている負荷が重く、負荷端子４２−４３間の負荷が軽い場合を想定して、Ｉ４１＞Ｉ４３ではあるが、系統電流実効値Ｉｅ３１とＩｅ３３を平衡させる制御システムの動作を説明する。
【００２４】
まず減算回路６５にＩａｖとＩｅ３１を入力して、両者の偏差Ｉａｖ―Ｉｅ３１を算出すると同時に、減算回路６６によってＩａｖとＩｅ３３の偏差を求める。これらの減算回路の出力は、同じ大きさ（絶対値：［Ｉａｖ―Ｉｅ３１］＝［Ｉａｖ―Ｉｅ３３］）であるが、一方が正の値で出力されると、他方は負の値となる。上記の負荷状態では、本装置を投入した直後の系統電流はＩｅ３１＞Ｉｅ３３であるので、減算回路６５の出力Ｉａｖ―Ｉｅ３１は負となるが、減算回路６６はＩａｖ−Ｉｅ３３＞０（正）として出力される。
【００２５】
上記の負荷関係の場合、装置３内のコンバータ１を逆変換動作させると同時に、コンバータ２を順変換動作させる。もしも、本装置に損失がないならば、これらのコンバータの補償電流Ｉ５１およびＩ５３は、上記の減算回路の出力偏差と同じ実効値となるように、フィードバック制御を行えばよい。従って、無損失の場合はＩ５１とＩ５３の実効値は同じになる。しかし、現実には装置内の損失のため、同一実効値では順変換動作によるコンデンサの補充量が不足し、コンデンサ電圧は低下して、装置は正常な動作を維持することができない。これを避けるため、図３に示した制御システム例では、２つのコンデンサ１３および１４の合計電圧ＶＣを検出し、設定したコンデンサ電圧ＶＣｒｅｆとの偏差ΔＶ＝ＶＣ−ＶＣｒｅｆを減算回路６７によって求め、この偏差をＰＩ制御回路６８で損失補正電流ΔＩに変換する。
【００２６】
本装置は系統に接続するだけで、装置３内の逆並列ダイオード６，８，１０，１２が作用してコンデンサ電圧は系統線間電圧３１−３３間の最大値（ピーク値）に充電される。しかし、本装置の２つのコンバータが安定して動作するためには、コンデンサ電圧ＶＣはこの系統線間電圧最大値のさらに√２倍以上の電圧を維持することが望ましい。すなわち、ＶＣｒｅｆとしては一般に系統線間電圧実効値の２倍程度、あるいはそれ以上に選定される。このため、スイッチング素子５，７，９，１１に信号が与えられて、本装置が始動した直後のコンデンサ電圧は一般にＶＣ＜ＶＣｒｅｆであるから、ΔＶ＜０となる。この結果、ＰＩ制御回路６８の出力の損失補正電流ΔＩも負の値として出力される。
【００２７】
このΔＩと減算回路６５の出力Ｉａｖ―Ｉｅ３１を減算回路６９に入力する。前記のようにＩａｖ―Ｉｅ３１＜０、ΔＩ＜０であるから、この減算回路６９の出力Ｉａｖ―Ｉｅ３１−ΔＩは負の値となり、その振幅はＩａｖ―Ｉｅ３１よりΔＩだけ小さな値となる。すなわち、コンバータ１を逆変換動作させる場合、その補償電流Ｉ５１の実効値は、平均値との偏差Ｉａｖ―Ｉｅ３１から、損失を考慮した損失補正電流ΔＩだけ少ない実効値とすべきである。これと同時に、ΔＩを減算回路７０に入力し、減算回路６６の出力Ｉａｖ―Ｉｅ３３との偏差Ｉａｖ―Ｉｅ３３−ΔＩを求める。前記のように、Ｉａｖ―Ｉｅ３３＞０、ΔＩ＜０であるから、減算回路７０の出力は、平均値との偏差Ｉａｖ―Ｉｅ３３に比べて損失補正電流ΔＩだけ大きな値となる。従って、コンバータ２を順変換して、この損失に相当する電流分だけ余分な実効値となるように補償電流Ｉ５３を流すことによって、装置内の損失を補填した上でコンデンサ電圧ＶＣを設定した値ＶＣｒｅｆに維持することができる。
【００２８】
[補償電流基準波形の作成]
以上は、不平衡な負荷電流Ｉ４１とＩ４３に対して系統電流Ｉ３１とＩ３３をバランスさせるために、本発明の装置から流し込む補償電流Ｉ５１とＩ５３をいかなる電流とすればよいか、その実効値の設定方法である。しかし、系統に注入する補償電流がひずみ波であると、高調波障害を引き起こすため、この補償電流は正弦波形が望ましい。さらに、システム全体として高力率を維持するために、少なくとも基本波力率は１００％とする必要がある。従って、図３に示すように、例えば端子３１−３２間の系統電圧を検出して、これと同相の単位正弦波形を正弦波発生回路７１により発生する。これを√２倍した上で、前記の減算回路６９および７０の出力に乗算回路７３，７４により乗算すれば、コンバータ１および２が出力すべき補償電流の基準波形（指令値）を求めることができる。
【００２９】
まず、順変換動作となるコンバータ２から説明する。減算回路７０の出力は正の値であるから、乗算回路７４の出力は、図４（ｂ）に示すように、端子３１−３２間の系統電圧Ｖ３１−３２（同図（ａ））と同相の正弦波形となる。これに対して、減算回路６９の出力は負の値である。従って、この減算回路６９の出力に単位正弦波形（図４（ａ）の系統電圧に比例）を掛け算すると、正弦波の極性は反転し、図４（ｃ）に示すように、系統電圧から１８０°位相がずれた逆相の電流波形となる。すなわち、乗算回路７４の波形は基本波力率１００％の順変換動作時の電流を意味し、乗算回路７３の波形は基本波力率１００％で逆変換動作を行った場合の電流である。
【００３０】
さらに、乗算回路７４の出力正弦波形の振幅（最大値）は√２（Ｉａｖ―Ｉｅ３３−ΔＩ）である。従って、この波形の実効値は、コンバータ２が順変換動作をして系統から引き出す電流の実効値と等しい値となる。一方、乗算回路７３の出力正弦波形は負極性側に√２（Ｉａｖ―Ｉｅ３１−ΔＩ）の振幅を有するから、この波形の実効値は、コンバータ１が逆変換動作を行う際に系統に注入すべき電流の実効値に等しい。以上のように、負荷電流がＩ４１＞Ｉ４３の場合は、乗算回路７４は図４（ｂ）の波形を、乗算回路７３は同図（ｃ）の波形を出力する。
【００３１】
なお、以上の負荷状態とは逆にＩ４１＜Ｉ４３の場合には、乗算回路７３が図４（ｂ）の波形を、乗算回路７４が同図（ｃ）の波形を出力する。従って、図４（ｂ）をコンバータ１の補償電流基準波形Ｉ５１ｒｅｆとすれば、コンバータ１は順変換回路として動作して、図４（ｂ）と同一位相で同一振幅の補償電流Ｉ５１を系統から取り込むこととなる。同様に、図４（ｃ）の乗算回路７４の出力は、コンバータ２の補償電流基準波形（指令値）Ｉ５３ｒｅｆとなり、これと同一位相で同一振幅の正弦波補償電流Ｉ５３をコンバータ２から系統に注入すればよい。以上のように、どちらのコンバータが順変換動作をするか（他方は逆変換動作となる）は、乗算回路７３および７４の出力である２つの基準波形の極性によって、一義的に定まることとなる。
【００３２】
[電流追従制御]
上記の基準波形（指令値）を満足するような補償電流を得るには、様々な制御方法が考えられる。以下では、電流追従制御方式を説明する。Ｉ４１＞Ｉ４３の負荷状態とし、まず、コンバータ２の動作を検討する。
【００３３】
図３に示すように、電流センサ等を用いて補償電流Ｉ５３を検出する。このＩ５３と、乗算回路７４の出力であるＩ５３ｒｅｆを比較回路７６に入力する。この比較回路７６では、図５（ａ）に示すように、基準波形Ｉ５３ｒｅｆにヒステリシス幅を設ける。基準波形が正極性の場合、検出したＩ５３がヒステリシス幅の上限以下であれば、コンバータ２のスイッチング素子１１をオン状態とする。この状態では、図６（ａ）に示すように、コンデンサ１４の電圧と端子３２−３３間の系統電圧は交流リアクトル１６を通して短絡される。従って、補償電流Ｉ５３は図５（ａ）のように、ほぼ直線的に急増する。
【００３４】
このＩ５３がヒステリシス幅の上限に達した時点で、スイッチング素子１１の信号をオフにすると、スイッチング素子１１に替わってダイオード１０がオン状態となり、図６（ｂ）に示すように、系統（３２−３３）→ダイオード１０→コンデンサ１３→交流リアクトル１６を通して補償電流Ｉ５３が流れる。本装置における２つのコンバータ１および２は共に昇圧コンバータとして動作するため、定常状態におけるコンデンサ１３および１４は系統（３１−３２）および系統（３２−３３）より高い電圧に充電されている。従って、この期間における補償電流Ｉ５３は、図５（ａ）のように、ほぼ直線的に減少する。このＩ５３がヒステリシス幅の下限に達した時点で、スイッチング素子１１に信号を送り、再び図６（ａ）の回路とする。以上のように、基準波形Ｉ５３ｒｅｆが正極性の期間では、スイッチング素子１１をオンオフすることによって、図５（ａ）のように、補償電流Ｉ５３はヒステリシス幅の中で増減を繰り返しながらＩ５３ｒｅｆに追従することができる。
【００３５】
基準波形Ｉ５３ｒｅｆが負極性となる後半の期間では、スイッチング素子９をオンオフすることにより、同様にＩ５３をＩ５３ｒｅｆに追従させることができる。このためには、基準波形の極性によってオン信号を与えるスイッチング素子を切り換えなければならない。その一方法として、図３のように、基準波形Ｉ５３ｒｅｆを極性判別回路７８に入力し、その極性によって信号発生回路８０の出力を送るスイッチング素子を切り換える。すなわち、基準波形が正極性の場合は下アームのスイッチング素子１１へ、負極性の場合は上アームのスイッチング素子９にオン信号を配分する。
【００３６】
次に、コンバータ１の動作を説明する。Ｉ４１＞Ｉ４３の負荷状態にあっては、コンバータ１を逆変換装置として動作させ、図４（ｃ）の基準電流Ｉ５１ｒｅｆに追従した補償電流Ｉ５１を端子４１−４２間の負荷に流入することにより、系統電流Ｉ３１を減らすことができる。このためには、コンバータ２をコンバータ１とほぼ同様に制御すればよい。
【００３７】
補償電流Ｉ５１を検出し、これと基準波形Ｉ５１ｒｅｆを比較回路７５に入れる。Ｉ５１ｒｅｆは同時に極性判別回路７７にも入力し、Ｉ５１ｒｅｆが正極性の場合は下アームのスイッチング素子７へ、負極性の場合は上アームのスイッチング素子５に信号を配分する。図４の前半周期の、系統電圧は正極性であるが補償電流は負極性の場合を検討する。この間の補償電流Ｉ５１と基準波形Ｉ５１ｒｅｆの関係を図５（ｂ）に、回路状態を図７（ａ）（ｂ）に示す。コンバータ２の動作と同様に、Ｉ５１ｒｅｆに設けたヒステリシス幅の中で、補償電流Ｉ５１が下限（絶対値の小さい境界）に達したらスイッチング素子５をオン状態とする。回路は図７（ａ）となり、コンデンサ１３と系統（３１−３２）の差電圧が交流リアクトル１５に加わる。コンデンサ電圧は系統電圧より高いため、補償電流Ｉ５１は図示の方向に増大する。Ｉ５１が上限（絶対値の大きい境界）に達した時点でスイッチング素子５をオフすると、ダイオード８がオンして、回路は図７（ｂ）となって図示方向の補償電流Ｉ５１はその量を減少する。図４（ｃ）の基準電流Ｉ５１ｒｅｆが正極性となる後半周期では、スイッチング素子７をオンオフすることにより、逆変換装置として動作しながら補償電流Ｉ５１を基準波形Ｉ５１ｒｅｆに追従制御することができる。
【００３８】
以上のように、負荷状態がＩ４１＞Ｉ４３の場合、図３の制御システムによってコンバータ１は自動的に逆変換動作を行い、実効値Ｉａｖ―Ｉｅ３１−ΔＩの正弦波補償電流Ｉ５１を注入する。一方、コンバータ２は自動的に順変換動作となって、実効値Ｉａｖ―Ｉｅ３３−ΔＩの正弦波補償電流Ｉ５３を系統から取り込む。この結果、負荷には不平衡電流Ｉ４１，Ｉ４３が流れていても、系統電流は共に（Ｉ４１＋Ｉ４３）／２＋ΔＩの電流となり、電流バランスを確保することができる。
【００３９】
負荷状態が逆にＩ４１＜Ｉ４３であっても同様な動作を行うことができる。この場合は、系統電圧と同相である図４（ｂ）の基準波形が乗算回路７３から出力され、これに追従するようにコンバータ１が自動的に順変換動作を行う。一方、乗算回路７４の出力は図４（ｃ）の逆相電流となり、コンバータ２が逆変換動作を行うことにより、系統電流のバランスを維持することができる。
【００４０】
次に、この電力補償装置３を用いた力率改善機能について説明する。電動機負荷のように力率の悪い負荷を使用する場合は、系統の安定度を維持するために無効電力の処理が求められ、進相コンデンサ、調相機、静止無効電力補償装置等を用いて力率の改善が行われる。しかし、これらは三相系統で大電力を消費する大口需要家の場合であり、単相三線式配電系統を用いている小口需要家において、このような力率の改善を実施している例はほとんどない。単相三線式配電系統において、低力率の単相負荷を用いた場合でも、引き込み線の力率を改善できれば、定格出力を維持しながら系統電流を抑制できるため、省エネルギーとなり、電気代の低コスト化が可能となる。
【００４１】
上述した系統電流のバランスについての説明は、負荷端子４１−４２間および負荷端子４２−４３間に接続される負荷群の力率が同一の場合である。特に、抵抗負荷のように力率が１００％の場合は、上記の電流バランス機能のみで系統電力の質を保つことができる。しかし、負荷全てが誘導性または容量性の場合、あるいは、一方の負荷群が誘導性、他方の負荷群が容量性の場合は、それぞれの無効電力を補償して、系統の力率を改善しなければならない。この要求に対して、本発明の電力補償装置３では、補償電流の位相を制御することによって、容易に力率が改善できる。すなわち、負荷電流が遅れの場合には補償電流に進み成分を、進みの負荷電流ならばその補償電流に遅れ成分を加えればよい。しかも、２系統の負荷群が異なる力率であっても、それぞれの補償電流の位相を個別に制御できるため、それぞれの負荷電流の無効電力を補償し、２系統の力率をそれぞれ１００％に維持することが可能である。
【００４２】
次に、この補償装置を用いた高調波抑制機能について説明する。テレビ、オーディオ、パソコン等の電子機器はその電源にコンデンサ入力形の整流回路を用いているため、その入力電流はパルス状の交流電流となり、低次高調波を多く含んだひずみ波電流である。これらの高調波電流が系統に流れ込むことによって引き起こされる高調波障害を防ぐために、系統との連系部にフィルタの設置が望まれる。本発明は上記の機能の上に、さらにこの高調波を抑制する機能を付加することができる。なお、コンデンサとリアクトルの共振を利用したＬＣフィルタでは負荷の変化に対応できないが、本発明のシステムでは負荷の変化に即応できるアクティブ・フィルタとして作動することを特徴としている。
【００４３】
上記補償装置３によれば、負荷電流が高調波を含んだひずみ波であっても、補償電流をひずみ波負荷電流と逆位相の波形とすることにより、負荷電流の高調波成分をうち消すことが可能である。すなわち、本発明の補償装置３はアクティブ・フィルタ機能を有することができる。しかも、それぞれの補償電流の波形は個別に制御できる点が大きな特徴である。従って、例えば負荷端子４１−４２間にひずみ波発生負荷が接続されていても、他方の負荷端子４２−４３間は正弦波負荷であれば、補償電流Ｉ５１に逆位相のひずみ波を重畳させるのみで、補償電流Ｉ５３は正弦波電流で差し支えない。以上のように、補償電流の個別制御が可能なため、通常の三相用アクティブ・フィルタのように、三相−二相変換等の複雑な制御は不要である。
【００４４】
既に実用化されているアクティブ・フィルタは、本発明と同じ高調波抑制機能が主目的である。さらに、本発明と同じ無効電力補償機能も有しており、本発明と同じ電流バランス機能も付加している装置もある。しかし、これらは全て三相系統を対象とした装置であり、本発明のように単相三線式系統を対象とはしていない。既成のアクティブ・フィルタでは、三相系統で上記の機能を果たすために、上述したように三相―二相変換等の複雑な制御が必須である。これに対して本発明では、単相三線式配電系統の単相２系統に流す補償電流を個別に制御できるため、簡単な制御方法によって既設の三相用アクティブ・フィルタと同等の機能を持たせることができる。この結果、単相三線式配電系統の電力の質を改善でき、需要家にとっても電気代を低コスト化できる。
【００４５】
次に、この補償装置３を用いた停電時電力供給機能および電力貯蔵機能について説明する。負荷としてコンピュータ等のIT機器が用いられ、重要なデータ処理等を行っている場合には、そのデータの保護やプログラム維持のために、無停電電源（ＵＰＳ）の設置が勧められている。本発明では、直流端子間に蓄電池を接続することにより、この無停電電源機能、すなわち系統が停電しても、コンバータ１，２を逆変換動作させることで重要な負荷に電力を供給し続ける機能も兼ね備えている。
【００４６】
また、我が国の電力設備の負荷率は年々下降線をたどり、最近は５５％を下回る状態のため、電力の負荷平準化が強く望まれている。このため、夜間の余剰電力を貯蔵して昼間の電力ピーク時にこれを放出する電力貯蔵装置が開発されている。本発明では、上述したように直流端子間に蓄電池を接続することにより、コンバータ１，２を順変換動作させ、蓄電して電力貯蔵装置として作動させることができる。
【００４７】
すなわち、本発明の電力補償システムにおいて、電力補償装置３のみの場合にはコンデンサ電圧を一定に維持するためには、一方を逆変換動作させると同時に、他方は必ず順変換動作させなければならない。しかし、この電力補償装置３のコンデンサ１３，１４に代わって、あるいはコンデンサ１３，１４に並列に、図１の装置４の蓄電池群２１，２２を付加すれば、両コンバータ共に逆変換動作とすることが可能となる。当然ながら、両コンバータを同時に順変換動作させて蓄電池を充電することも可能である。また、系統の停電時、或いは日中のピーク負荷時には両コンバータを同時に逆変換動作させて負荷に電力を供給することも可能である。この結果、本システムは、この蓄電池の電力によって停電時に負荷に電力を供給する無停電電源としての機能、あるいは夜間の余剰電力で充電して昼間の電力ピーク時にこれを放電する電力貯蔵装置としての機能も加味することができる。しかも、それぞれの補償電流を個別に制御できる特徴は失われないため、上記の電流バランス機能、力率改善機能、高調波抑制機能を維持することができる。
【００４８】
なお、電池による電力貯蔵装置は電力会社を中心として三相系統に対する大容量装置が開発されている。これに対して、本システムは、単相三線式配電系統に接続する小容量機器を対象とする。小容量ながら一種の分散電源として作用するため、将来その台数が増加すれば、系統の負荷平準化に寄与することとなる。一方、需要家においても、電子レンジやクーラ始動時のような短時間のピーク電力を本システムで補うことにより、一時的な過電流による停電事故が防止できる上、安価な夜間電力の利用や契約電力の引き下げによる電気代の節約が可能となる。さらに、電流バランス、力率改善、高調波抑制等の他の機能と併せることにより、より一層の省エネルギー化、低コスト化が期待できる。
【００４９】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態の多機能電力補償装置を示す回路図である。
【図２】各部の電流波形を示す図である。
【図３】電流バランス機能を対象とした制御システムの一例を示すブロック図である。
【図４】系統電圧波形と補償電流基準波形との関係を示す波形図である。
【図５】補償電流基準波形にヒステリンス幅を設け、検出補償電流波形がその範囲内に制御されることを示す波形図である。
【図６】図５に示す制御に対応した補償電流の経路を示す回路図である。
【図７】図５に示す制御に対応した補償電流の経路を示す回路図である。
【符号の説明】
【００５１】
１      系統端子群
２      負荷端子群
３      電力補償装置
４      蓄電池群
５，７，９，１１      スイッチング素子
６，８，１０，１２      逆並列ダイオード
１３，１４      コンデンサ
１５，１６      交流リアクトル
１７，１８      フィルタリアクトル
１９，２０      フィルタコンデンサ
２１，２２      蓄電池群
３１，３２，３３      系統端子
４１，４２，４３      負荷端子
５１，５２，５３      補償装置出力端子
６５，６６，６７，６９，７０    減算回路
Ｉ３１，Ｉ３２，Ｉ３３      系統電流
Ｉ４１，Ｉ４２，Ｉ４３      負荷電流
Ｉ５１，Ｉ５２，Ｉ５３      補償電流
Ｉ５１ｒｅｆ，Ｉ５３ｒｅｆ    補償電流基準波形
Ｉｅ３１，Ｉｅ３３      系統電流実効値
Ｉａｖ      ２系統電流実効値の平均
ＶＣ    コンデンサ電圧
ＶＣｒｅｆ    コンデンサ電圧基準値
ΔＩ    損失補正電流
【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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