(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と該交流電源から受電点を介して給電される高調波発生負荷とを含む電力系における高調波を抑制する高調波抑制装置であって、
前記高調波負荷側に接続され、電圧検出位置が補償電圧印加位置より負荷側に配置された電圧検出方式の直列形アクティブフィルタと、
前記受電点側に接続され、電流注入位置は電流検出位置よりも受電点側に配置された電流検出方式の並列形アクティブフィルタと、を備え、
前記交流電源の高調波インピーダンス|Ｚｓ|ｈに対して前記直列形アクティブフィルタのゲインＫｖを１≪|ＫｖＧｖ／Ｚｓ|ｈになるように選択する、ここに|Ｇｖ|ｈは直列形アクティブフィルタの高調波における等価伝達関数である、
高調波抑制装置。
【請求項２】
前記電力系は複数の高調波発生源と、前記交流電源から各前記高調波発生負荷に給電する複数のフィーダとを含み、各前記フィーダの交流電源側に前記電流検出方式の並列形アクティブフィルタが、高調波発生負荷側に前記電圧検出方式の直列形アクティブフィルタが接続され、各フィーダに流れる高調波が抑制される、請求項１に記載の高調波抑制装置。
【請求項３】
各前記並列形アクティブフィルタおよび直列形アクティブフィルタは前記高調波発生負荷により発生される高調波のうち抑制されるべき単数または複数の次数の高調波に対応させて駆動される、請求項１または２に記載の高調波抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】
近年、例えば工場において同一の三相交流電源系統の受電側に単機大容量のサイリスタ変換装置を複数接続し、負荷に整流された直流電流を供給するシステムが構築されている。図６は工場の電力供給システムの一例を示し、電力は三相交流電源１から給電線２を介して工場内の需要設備３にそれぞれ供給される。需要設備３には、変圧器、サイリスタ整流器、定電流制御装置および負荷などがそれぞれ設けられている。サイリスタ整流器はその電力変換動作において高調波を発生し、このため給電線２に流れる交流電流には高調波電流を含むことになる。また、需要設備が複数個、同一の三相交流電源系統に接続されている場合は、各需要設備では独立した別個のサイリスタ制御が行われるため、各給電線に流れる交流電流はそれぞれ異なる大きさ、位相角の高調波電流を含むことになる。
【０００２】
資源エネルギ庁は「高調波抑制ガイドライン」を作成し、高調波を発生する負荷を有する電力需要家の受電点（責任分岐点）における高調波規制の値を明確に示した。このため受電点における高調波電流の流出を抑えることが必須である。需要家系統において高調波抑制対策を施すほか、給電線に直接、高調波発生機器が接続される場合があるから、高調波ＬＣフィルタ、電流検出方式の並列形アクティブフィルタなどを組み合わせて需要家の責任分岐点での高調波電流の流出と高調波電圧歪みを抑制することが実用的である。
【０００３】
【発明が解決しょうとする課題】
高調波ＬＣフィルタ、電流検出方式の並列形アクティブフィルタによる高調波抑制対策には次のような問題がある。高調波ＬＣフィルタによる問題として、
(１）抑制原理が電源側とＬＣフィルタの高調波インピーダンスの分流によるため、高調波電流を受電点で完全に抑制することは困難である。
（２）高調波抑制効果を高めるために高調波インピーダンスを低く設計すると他の需要家から発生する高調波電流を引き込む二次的な障害を発生する虞れがある他、過剰進相容量を抱える虞れがある。
（３）電源インピーダンスに含まれる容量性の要素により、電源系統の定数が変化した場合、高調波の拡大現象を引き起こすことがある。
（４）高調波ＬＣフィルタの定数設定には、電力系統での反共振現象による高調波の拡大現象を十分検討する必要がある。
【０００４】
電流検出方式の並列形アクティブフィルタによる問題として、
（１）設置点と電流検出位置に制約がある。すなわち、電流検出位置の負荷側に高調波インピーダンスの小さい容量性負荷やＬＣフィルタ等が存在し電流検出位置より電源側からの高調波電流が引き込まれると並列形アクティブフィルタから注入される補償高調波電流は検出高調波電流よりも増大するように動作し、高調波の拡大現象が起こる。また不安定な動作を生じる等の問題がある。
（２）設置点と電流検出位置の制約のため、高調波発生機器単位あるいは数台をまとめてアクティブフィルタを設置することになる。また容量性負荷を含まない高調波発生源のグループ単位でアクティブフィルタを設置しなければならない制約があり、設置台数の増加を強いられる。
（３）複数の分散した高調波電流は大きさと位相が負荷ごとに異なり、そのベクトル合成電流はスカラ和より小さくなる。さらに各高調波発生器の稼働率を考慮すると、個別にアクティブフィルタを設置する場合はまとめて設置する場合より補償容量は大きくなる。
この発明は、上述の高調波ＬＣフィルタ、電流検出方式の並列形アクティブフィルタから生じる問題を解決する高調波電流抑制装置を提供することである。
【０００５】
この発明の主要な目的は、受電点（需要家単位の責任分岐点）における高調波電流流出を抑制し、他の需要家から高調波電流を引き込まない、高調波電流抑制装置を提供することである。
またこの発明の目的は、一般用６［％］リアクトル付き進相コンデンサを含めた負荷群に対して並列形アクティブフィルタを設置でき、既存設備を有効に利用できる、高調波電流抑制装置を提供することである。
またこの発明の他の目的は、反共振現象や高調波の拡大現象が生じることのない、高調波電流抑制装置を提供することである。
またこの発明の他の目的は、高調波電圧歪みを抑制できる、高調波電流抑制装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の高調波抑制装置は、高調波負荷側に接続され、電圧検出位置が補償電圧印加位置より負荷側に配置された電圧検出方式の直列形アクティブフィルタと、受電点側に接続され、電流注入位置は電流検出位置よりも受電点側に配置された電流検出方式の並列形アクティブフィルタと、を備えている。
また本発明の高調波抑制装置は、前記電力系は複数の高調波発生源と、交流電源から各前記高調波発生負荷に給電する複数のフィーダとを含み、各前記フィーダの交流電源側に前記電流検出方式の並列形アクティブフィルタが、高調波発生負荷側に前記電圧検出方式の直列形アクティブフィルタが接続され、各フィーダに流れる高調波が抑制される。
また本発明の高調波装置は、前記交流電源の高調波インピーダンス|Ｚs|hに対して前記直列形アクティブフィルタのゲインＫvを１≪|ＫvＧv／Ｚs|hになるように選択する、ここに|Ｇv|hは直列形アクティブフィルタの高調波における等価伝達関数である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適な一実施形態について説明する。図１は、電源１１から高調波負荷１２へ電力を供給する給電システムに設けられた高調波抑制装置１３の原理を説明する回路図を示し、説明を簡単にするために三相の電力供給システムのうち一相分のみを例示している。ここで、定常状態において対象となるのは、通常、ひずみ波対象三相交流であるから、直流、偶数調波および電力系統にあるΔ巻線を還流する３倍数高調波は存在しない。従って、発生理論高調波次数ｎは、ｎ＝６ｍ±１（ｍ＝１、２、３…）である。なお、本発明は、発生する高調波次数ｎが如何なる場合においても対処できる。
【０００８】
図1において、電源１１のインピーダンスがＺSとして、高調波負荷１２の負荷インピーダンスがＺLとして示されている。電流検出方式の並列形アクティブフィルタ１４は電圧検出方式の直列形アクティブフィルタ１５よりも電源１１側に設けられている。並列形アクティブフィルタ１４の電流注入位置１４ａは電流検出位置にある変流器ＣＴより電源側に設けられている。直列形アクティブフィルタ１５の電圧印加位置１５ａは電圧検出位置にある変成器ＰＴよりも電源側に設けられている。
【０００９】
並列形アクティブフィルタ１４の動作条件としては、式▲１▼が知られている。
【数１】
｜１−Ｇi｜h≪１                               ▲１▼
ここで添え字「h」は高調波であることを示している。Ｇiは電流検出方式並列形アクティブフィルタの高調波検出回路および制御の遅れなどを含む等価伝達関数である。さらに、系統における動作条件として、電源インピーダンスＺSと負荷インピーダンスＺLは高調波においてＺS≪ＺLになる必要があることが知られている。従って式▲２▼を満足する必要がある。
【数２】
１ ≪｜ＺL／ＺS｜h                               ▲２▼
式▲２▼を満足しない場合、負荷高調波インピーダンス｜ＺL｜hが電源側高調波インピーダンス｜ＺS｜hより小さい場合（例えば容量性負荷が存在する場合）、電流検出方式並列形アクティブフィルタは安定に動作せずに高調波の拡大現象が生じることが知られている。
【００１０】
図１において、直列形アクティブフィルタ１５の電源側点ａから負荷側を見た高調波インピーダンス｜ＺaL｜hは▲３▼式により表すことができる。
【数３】
｜ＺaL｜h＝｜ＶC／ＩL＋ＺL｜h＝｜ＫvＧv＋ＺL｜h    ▲３▼
ここでＶCは直列形アクティブフィルタ１５の補償電圧、ＩLは負荷電流、Ｋvは直列形アクティブフィルタ１５のゲイン、Ｇvは直列形アクティブフィルタ１５の伝達関数である。▲２▼式から負荷インピーダンスＺLが大きい場合には並列形アクティブフィルタ１４の動作に支障はないが、小さい場合は動作条件を満足しない。
【００１１】
いま直列形アクティブフィルタ１５を並列形アクティブフィルタ１４と組合わせることにより▲２▼式を満たさなくても並列形電源側高調波インピーダンス｜ＺS｜hが動作する条件をもとめる。即ち、負荷高調波インピーダンス｜ＺL｜h＝０を▲３▼式に代入し、▲２▼式の｜ＺL｜hの代わりに▲３▼式の｜ＺaL｜hを代入して▲１▼式と合わせて整理すると、▲４▼式を得る。
【数４】
｜１−Ｇi｜h≪１≪｜ＫvＧv／ＺS｜h                ▲４▼
▲４▼式は電源側高調波インピーダンス｜ＺS｜hに対して直列形アクティブフィルタのゲインＫvを適切に選択すれば負荷高調波インピーダンス｜ＺL｜hの影響を受けないことを示す。即ち、高調波負荷が誘導性あるいは容量性であっても直列形アクティブフィルタのゲインＫvを適切に選択すれば、電流検出方式の並列形アクティブフィルタが高調波の拡大現象を発生せずに動作することができる。ここで、並列形アクティブフィルタの高調波における等価関数｜Ｇi｜h≒１、直列形アクティブフィルタの高調波における等価関数｜Ｇv｜h≒１である。なお、実システムでは等価関数｜Ｇv｜h＜１．０となるが説明を簡明にするため便宜上｜Ｇv｜h≒１として取り扱う。
【００１２】
本高調波抑制装置は、高調波負荷電流｜ＩL｜h≒０になるように制御するものではなく、高調波負荷電圧｜ＶL｜h≒０になるように制御する．即ち、直列形アクティブフィルタにより高調波電圧を補償｜ＶC｜hする。
【数５】
｜ＶC｜h≒｜ＩFＺS｜h                              ▲５▼
▲５▼式においてＩFは電源１１に流入する電流であり、並列形アクティブフィルタによって｜ＩF｜h≒０になるように制御されるので、直列形アクティブフィルタの補償容量を小さくすることができる。なお、電流検出方式の高調波電流補償を目的とした直列形アクティブフィルタでは負荷側の高調波インピーダンス｜ＺL｜hが誘導性で大きい電流負荷を用いた場合、高調波補償電圧｜ＶC｜hが大きくなりすぎて実用的ではない。高調波電圧検出、高調波電圧補償の直列形アクティブフィルタとすることで実用的な容量となる。図１において直列形アクティブフィルタ１５の電源側点ａから電源側をみた高調波インピーダンスＺaSは小さく抑えられ、負荷側をみた高調波インピーダンスが大きくなるように作用するので、電源側からの高調波電流の引き込みを抑制し、並列形アクティブフィルタの動作条件をその負荷インピーダンスに関係なく満足させることができる。さらに、高調波の拡大現象や反共振現象も抑制できる。
【００１３】
図2は、電圧検出方式の直列形アクティブフィルタ１５の概略回路図である。この直列形アクティブフィルタの構成は周知であり、市販された製品を使用しているので詳細な説明は省略する。変成器PTから検出された電圧は制御回路２１に与えられ、ここで５〜２５次の高調波電圧に分けられる。補償すべき高調波電圧が決定され、ゲインＫvが選択されて制御信号に従ってＰＷＭインバータ２２を制御し、高調波補償電圧を生成し変圧器Ｔを介して印加する。この直列形アクティブフィルタは補償すべき高調波の次数、例えば５次の高調波電圧のみを個別に補償することもでき、また５次数から２５次までの全ての高調波電圧を総合的に補償することもできる。
【００１４】
図３は、電流検出方式の並列形アクティブフィルタ１４の概略回路図である。この並列形アクティブフィルタの構成はまた周知であり、市販された製品を使用しているので詳細な説明は省略する。変流器ＣＴから検出された電流は制御回路２３に与えられ、ここで５〜２５次の高調波電流に分けられる。補償すべき高調波電流が決定され、制御信号に従ってＰＷＭインバータ２４を制御し、高調波補償電流を生成し変圧器Ｔを介して注入する。この並列形アクティブフィルタは補償すべき高調波の次数、例えば５次の高調波電流のみを個別に補償することもでき、また５次から２５次までの全ての高調波電流を総合的に補償することもできる。
【００１５】
上述の本発明の高調波抑制装置の効果を確かめるため図４に示すような高調波発生源をもつ変電システムモデルを想定した。説明を簡明にするために本実験において採用した詳細な数値は省略する。説明の意図は本装置の採用により従来の設備を変更することなく著しい高調波抑制効果等が得られたことを示すものである。図４において三相電源３１に受電点から主変圧器３２を介して母線により電力が供給される。母線は４つの給電線３３、３４、３５、３６に分岐し、このうち給電線３３、３４、３５はその末端に高調波発生源３７、３８、３９を有し、給電線３６は高調波発生源を有しない負荷を有する。さらに、給電線３３にはその末端に第５次同調形高調波ＬＣフィルタ４０を有し、給電線３４にはその末端に第５次および第7次同調形高調波ＬＣフィルタ４１、４２を有し、給電線３５にはその末端に第１１次同調形高調波ＬＣフィルタ４３を有し、給電線３６にはその末端に６［％］リアクトル付き進相コンデンサ４４を有する。
【００１６】
図５は図4の給電線３３、３４、３５の送出し端に電流検出方式の並列形アクティブフィルタ４５、４６、４７を、負荷側端に電圧方式の直列形アクティブフィルタ４８、４９、５０を設置した変電システムモデルを示す。各並列形アクティブフィルタの電流検出位置は電流注入位置より負荷側に、各直列形アクティブフィルタの電圧検出位置は補償電圧印加位置より負荷側に設けられる。
【００１７】
図４のＬＣフィルタのみの変電システムモデルと、図５の本高調波抑制装置を備えた変電システムモデルについて受電点における高調波電流をシミュミレーションにより求めた。図４の場合、高調波電流は高調波抑制ガイドラインの規制値の１／４に抑制されているのに対し、図５の場合、高調波電流は高調波抑制ガイドラインの規制値の１／１２０に抑制されていることが確認された。
図４のＬＣフィルタのみの変電システムモデルと、図５の本高調波抑制装置を備えた変電システムモデルについて、給電線３３、３４、３５、３６に流れる高調波電流をシミュミレーションにより求めた。給電線３３において図４の場合は送出し点において２４．８Ａ、ＬＣフィルタ４０において４６．３Ａ流れていた高調波電流は、図５の場合はＬＣフィルタ４０において１．８７Ａ、並列形アクティブフィルタの負荷側には４０．８Ａ、電源側（送出し点）では０．４１７Ａの高調波電流に減少した。
【００１８】
給電線３４において図４の場合は送出し点において２８．７Ａ、ＬＣフィルタ４１において３２．５Ａ、ＬＣフィルタ４２において４７．３Ａ流れていた高調波電流は、図５の場合はＬＣフィルタ４１において１．２４Ａ、ＬＣフィルタ４２において１．１１Ａ、並列形アクティブフィルタの負荷側には４７．７Ａ、電源側（送出し点）では０．４８８Ａの高調波電流に減少した。
給電線３５において図４の場合は送出し点において２８．５Ａ、ＬＣフィルタ４３において３９．７Ａ流れていた高調波電流は、図５の場合はＬＣフィルタ４３において２．５１Ａ、並列形アクティブフィルタの負荷側には１８．１Ａ、電源側（送出し点）では０．１８１Ａの高調波電流に減少した。
給電線３６において図４の場合は送出し点において６．２９Ａ、進相コンデンサ４４において６．３５Ａ流れていた高調波電流は、図５の場合は進相コンデンサ４４において０．２１７Ａ、並列形アクティブフィルタの電源側（送出し点）では０．２１７Ａの高調波電流に減少した。
【００１９】
また、図５に示すようにアクティブフィルタを運転すると、並列形アクティブフィルタにより高調波電流をキャンセルするため電源側の高調波電圧降下が改善され、かつ直列形アクティブフィルタにより負荷点の高調波電圧降下を補償するため、電圧歪みは小さくなる。本例の場合、図４の場合、給電線３３、３４、３５，３６においてそれぞれ対応して１．２６％、１．２４％、１．２３％、１．１４％の電圧歪みが、図５の場合にはそれぞれ０．０３％、０．０３％、０．０１％、０．０４％に改善された。
【００２０】
なお、図４において給電線３４にのみ電流検出方式の並列形アクティブフィルタを取付けた場合には、第７次高調波電流が著しく拡大する。これは他の給電線３３、３５、３６から第７次高調波電流がＬＣフィルタ４２に潮流するためである。即ち、並列形アクティブフィルタがＬＣフィルタ４２に流入する第７次高調波電流を検出するため、検出電流と同大逆位相の第７次高調波電流を電源側に注入する。この注入された同大逆位相の第７次高調波電流を再び検出して第７次高調波電流を注入する。これが繰り返されて第７次高調波電流は拡大する。さらに、給電線３４に直列形アクティブフィルタを設置運転し、ゲインＫvを▲４▼式を満足するように選定（この例では３０［Ω］以上）すると、給電線３４の直列形アクティブフィルタの高調波電流の阻止効果が十分作用し、他の給電線からＬＣフィルタ４２へ第７次高調波電流の流入はない。他の給電線および他の次数の高調波電流についても同様である。受電点よりも上位に高調波電圧歪みが含まれていた場合、あるいは高調波電流源が存在した場合でも直列形アクティブフィルタの高調波電流の阻止効果と負荷側の高調波電圧補償作用により、給電線の負荷側には高調波歪みは影響せず、高調波電流の流入もない。また、負荷側のＬＣフィルタを６［％］リアクトル付き進相コンデンサには殆ど高調波電流は流れないで電源側の並列形アクティブフィルタに流れることが確認された。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の高調波抑制装置によれば、従来の高調波ＬＣフィルタに比べて格段に高調波抑制効果が高く、受電点の高調波電流は高調波抑制ガイドラインの規制値以下に大幅に低減できる。他の需要家から高調波電流を引き込むことが抑制できる。高調波電圧歪みが補償され、進相コンデンサ、ＬＣフィルタへの高調波電流の流入は殆どなく、高調波ＬＣフィルタを一般用の力率改善用６［％］リアクトル付き進相コンデンサに置き換えることができる。直列形アクティブフィルタは電源側からみると高い高調波インピーダンスとして、負荷側からみると低い高調波インピーダンスとして作用するので、負荷群に容量性負荷が存在しても電源側とのインピーダンスによる反共振を抑制できる。容量性負荷を含むフィーダ単位での適用が可能となり、アクティブフィルタ適用の自由度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高調波装置の原理を説明する概略回路図ある。
【図２】電圧検出方式の直列形アクティブフィルタの概略回路構成図である。
【図３】電流検出方式の並列形アクティブフィルタの概略回路構成図である。
【図４】従来利用されている変電システムモデルの一例を示す回路図である。
【図５】図４の変電システムモデルに本発明の高調波抑制装置を取付けた回路図である。
【図６】従来の工場への電力供給システムの概略構成図ある。
【符号の説明】
１１                                    電源
１２                                 高調波負荷
１４                                 並列形アクティブフィルタ
１５                                 直列形アクティブフィルタ
３１                                 三相電源
３３、３４、３５、３６                給電線
３７、３８、３９                      高調波発生源
４４                                  進相コンデンサ
４５、４６、４７                      並列形アクティブフィルタ
４８、４９、５０                      直列形アクティブフィルタ
【図１】
0004409699.tif 000002
【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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