(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と該交流電源に給電線により接続された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、
前記交流電源に直列に接続され、該交流電源側の電流を検出し、該検出電流を第１の補償ゲインで乗算して第１の補償高調波電圧を生成し、該補償高調波電圧を前記交流電源側の給電線に重畳する、第１の直列形アクティブフィルタと、
前記高調波発生負荷側に且つ該高調波発生負荷に並列に単独に接続された進相コンデンサと、
前記進相コンデンサと直列に接続され、前記給電線の電圧を検出し、該検出電圧を第２の補償ゲインで乗算して第２の補償高調波電圧を生成し、該補償高調波電圧を前記進相コンデンサに対して重畳する、第２の直列形アクティブフィルタと、
を備えた高調波抑制装置。
【請求項２】
前記第１の補償ゲインはほぼ５００以上であり、前記第２の補償ゲインはほぼ５００以上である、請求項１に記載の高調波抑制装置。
【請求項３】
前記電源側の基本波インピーダンスに対する前記進相コンデンサの基本波インピーダンスの比は、ほぼ２００以上である、請求項１または２に記載の高調波抑制装置。
【請求項４】
前記第１の直列形アクティブフィルタは、電流検出器と、第１のインバータ回路と、検出電流から第１の補償ゲインを求めて前記第１のインバータ回路をパルス幅変調制御して前記第１の補償高調波電圧を生成する第１の制御回路と、前記第１の補償高調波電圧を前記交流側の給電線に印加する第１の変圧器とを含み、
前記第２の直列形アクティブフィルタは、電圧検出器と、第２のインバータ回路と、検出電圧から第２の補償ゲインを求めて前記第２のインバータ回路をパルス幅変調制御して前記第２の補償高調波電圧を生成する第２の制御回路と、前記第２の補償高調波電圧を前記進相コンデンサに対して印加する第２の変圧器とを含む、請求項１から３のいずれか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１１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、電圧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】
また、図１２に示すように、ＬＣフィルタと２台の電圧形ＰＷＭ（パルス幅変調）インバータを用いて高調波を抑制する装置は既に知られている。この装置は、２台のインバータＡＦ１、ＡＦ２により構成し、整合変圧器を介して系統に接続する。電源と直列に接続したＡＦ１は電源からの高調波電流の流入を阻止する。ＬＣフィルタと直列に接続されたＡＦ２は直流コンデンサ電圧の制御を行いながら、負荷が発生する高調波電流をＬＣフィルタに流し込む。
【０００４】
【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、電圧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）複数の次数の亘って高調波を抑制するためには分路数を増やす必要がある。
（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。
【０００５】
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）電流検出点より負荷側に容量性負荷がある場合抑制動作が不安定となり、高調波拡大等の現象を生じる。
（２）アクティブフィルタのコストは高く、大容量ではその差は更に大きくなる。
電圧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）アクティブフィルタの容量は発生する高調波容量相当が必要になる。
（２）動作原理が電圧検出であるため高調波電流をほぼ完全に制御することは難しい。
【０００６】
また、図１２に示す装置は、高調波抑制のために複数のＬＣフィルタを使用する必要があり、上記ＬＣフィルタによる問題点が依然として解決できなかった。さらに、電力系統の条件と高調波抑制効果の関係、直列形アクティブフィルタのゲインと高調波抑制効果の関係等については不明であり、この種の装置を実際に電力系統に配置して、大きな高調波抑制効果を得るように運用するためにはさらに実験を積み重ねる必要があった。
【０００７】
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、電圧検出方式の並列形アクティブフィルタ、図７に示す装置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。
この発明の主要な目的は、「電源側と負荷側の高調波電流の潮流」と「受電点（需要家単位の責任分岐点）における高調波電圧歪み」を抑制且つ補償できる新規な構成の高調波電流抑制装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の高調波抑制装置は、交流電源に直列に接続され、該交流電源側の電流を検出し、該検出電流を第１の補償ゲインで乗算して第１の補償高調波電圧を生成し、該補償高調波電圧を前記交流電源側の給電線に重畳する、第１の直列形アクティブフィルタと、高調波発生負荷側に且つ該高調波発生負荷に並列に単独に接続された進相コンデンサと、進相コンデンサと直列に接続され、前記給電線の電圧を検出し、該検出電圧を第２の補償ゲインで乗算して第２の補償高調波電圧を生成し、該補償高調波電圧を前記進相コンデンサに対して重畳する、第２の直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装置の一実施態様によれば、第１の補償ゲインはほぼ５００以上であり、第２の補償ゲインはほぼ５００以上に設定される。また好ましくは、電源側の基本波インピーダンスに対する進相コンデンサの基本波インピーダンスの比は、ほぼ２００以上である。
【０００９】
【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１２から高調波負荷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１１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。
【００１０】
図1において、電源１２のインピーダンスがＺS(n)（ベクトル値）として、負荷電流がＩL(n)（ベクトル値）として示されている。高調波抑制装置１１は、電源１２側に接続された電流検出方式の第１の直列形アクティブフィルタ１３と、高調波負荷に並列に接続された進相コンデンサ１４に直列に接続された電圧検出方式の第２の直列形アクティブフィルタ１５とから構成されている。進相コンデンサ１４は高調波負荷に並列に単独で接続されている。なお「単独」は、容量以外の誘導子等の素子の接続を含まない趣旨であり、接続される容量の大きさまたは数を限定するものではない。
【００１１】
第１の直列形アクティブフィルタ１３は、電源１２側に流れる電流Ｉso(n)（ベクトル値）の電流検出を行い、電源系統からの高調波電流を負荷側へ潮流させないように、また負荷側の高調波電流を電源側へ潮流させないように高調波アイソレータとして動作する。第２の直列形アクティブフィルタ１５は、給電線の電圧Ｖc(n)（ベクトル値）を検出し、直列形ＬＣフィルタのリアクトルと同様に動作する。即ち、あたかも複数の同調（ＬＣ）形分路が存在するように進相コンデンサ１４との組合わせとして動作する。
【００１２】
図２は、電流検出方式の第１の直列形アクティブフィルタ１３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。変流器ＣＴｉから検出された電流Ｉs(n)は制御回路２１に与えられ、ここで基本波電流と高調波電流に分けられる。補償すべき高調波電圧が決定され、ゲインＫs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Ｖsc(n)＝Ｉs(n)・Ｋs(n)を生成し変圧器Ｔｒｓを介して印加する。
【００１３】
図３は、電圧検出方式の第２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。変成器ＰＴｖから検出された電圧は制御回路２３に与えられ、ここで基本波電圧と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Ｋcが選択されて制御信号に従ってＰＷＭインバータ２４を制御し、高調波補償電圧Ｖcc(n)＝−Ｖc(n)・Ｋc(n)を生成し変圧器Ｔｒｃを介して進相コンデンサ１４に対して重畳する。第１と第２の直列形アクティブフィルタは、基本波において各インピーダンスが共に零になるように制御される。
【００１４】
次に、図４から図６を参照して図１に示す高調波抑制装置の高調波抑制原理について説明する。図４は図１の等価回路を、図５は基本波成分（ｎ＝１）の等価回路を、図６は高調波成分の（ｎ＞１）の等価回路をそれぞれ示している。図５の基本波成分等価回路において第１と第２の直列形アクティブフィルタは、インピーダンス零に制御されるから図示されていない。一方、図６の高調波成分の等価回路には第１の直列形アクティブフィルタ１３のインピーダンスＺs(n)（ベクトル値）と第２の直列形アクティブフィルタ１５のインピーダンスＺcc(n)（ベクトル値）が図示されている。図４において、負荷側の高調波電流ＩL(n)（ベクトル値）は進相コンデンサ１４への電流Ｉc(n)と電源２側の電流Ｉs(n)（ベクトル値）に分流する。電源側の電流Ｉs(n)は、
【数１】
Ｉs(n)＝ＩL(n)・（Ｚc(n)−Ｖcc(n)／Ｉc(n)）／｛（Ｚs(n)＋ Ｖsc(n)／Ｉs(n)）＋（Ｚc(n)−Ｖcc(n)／Ｉc(n)）｝   （１）
（１）式の分子は、Ｋc≫０のとき、
【数２】
Ｚc(n)−Ｖcc(n)／Ｉc(n)≒０                    （２）
また（１）式の分母第１項はＫc≫０のとき、
【数３】
Ｚs(n)＋Ｖsc(n)／Ｉs(n)≫０                     （３）
従って、Ｋc≫０かつＫs≫０のときＩs(n)≒０となり、負荷側の高調波電流ＩL(n)は電源側へほとんど流出しない。
【００１５】
図６において、第１の直列形アクティブフィルタ１３にインピィーダンスは、
【数４】
Ｋs(n)＝Ｖsc(n)／Ｉs(n)  ［Ω］                  （４）
ここで、インピィーダンスＫs(n)（ベクトル値）は、電源インピィーダンスＺs(n)（ベクトル値）より十分大きくすれば電源側の高調波電流Ｉs(n)は負荷側に流出しない。即ち、
【数５】
｜Ｋs(n)｜≫｜Ｚs(n)｜                            （５）
を満足すれば良い。
【００１６】
次に受電点の高調波電圧歪補償について説明する。進相コンデンサ１４のインピィーダンスＺc(n)と第２の直列形アクティブフィルタ１５のインピーダンスＺcc(n)は、
【数６】
Ｚc(n)＝−ｊＸc(n)                              （６）
Ｚcc(n)＝ｊＸc(n)                               （７）
となる。従って、コンデンサ分路の高調波インピーダンスは、
【数７】
Ｚc(n)＋Ｚcc(n)≒０                              （８）
負荷側の電流ＩL(n)は次式となり、式（１１）に示すように電源側にはほとんど流出しない。
【数８】
Ｋs(n)≫（Ｚc(n)＋Ｚcc(n)）                      （９）
ＩL(n)≒Ｉc(n)                                  （１０）
Ｉs(n)≒０                                        （１１）
従って、ｎ＞１のとき、受電点（第１の直列形アクティブフィルタ１３の負荷側）において次式に示すように高調波電圧はほとんど発生しない。
【数９】
Ｖc(n)＝Ｉc(n)（Ｚc(n)＋Ｚcc(n)）≒０              （１２）
第１の直列形アクティブフィルタ１３の電圧Ｖs(n)は電源側高調波電流Ｉsh(n)（ベクトル値）と電源インピーダンスＺc(n)の積によって高調波電圧歪を生じる。従って、電源側電圧Ｖs(n)と受電点電圧Ｖc(n)の高調波電圧歪の電位差は、
【数１０】
Ｖs(n)−Ｖc(n)＝Ｉs(n)・Ｋs(n)                      （１３）
となり、第１の直列形アクティブフィルタ１３により分担することになる。
なお、（１）〜（１３）式の各記号は全てベクトルである。
【００１７】
力率改善について述べると、基本波成分ｎ＝１では図５に示すようにＺc(n)のみとなり、（６）式に示す−ｊＸc(n)に見合った進み無効電流を取ることができる。このため基本波における力率改善に効果がある。
また、直列リアクトルのない任意の容量の進相コンデンサを別途に負荷側に接続しても高調波電流はほとんど流入しない。これは高調波成分ｎ＞１において、図６に示すコンデンサ分路のインピーダンスは式（８）に示すように零になるため、コンデンサ分路に流れる。
【００１８】
第２の直列形アクティブフィルタ１５のインバータの高調波補償容量Pｃは、インバータ両端の高調波電圧ＶINVc(n)（ベクトル値）と負荷側の高調波電流ＩL(n)の積によって決まり、次式になる。
【数１１】
0004373614.tif 000002
式（１４）および（１５）から進相コンデンサ１４の容量が大きいほど高調波補償容量Ｐcは小さくなる。また、第１の直列形アクティブフィルタ１３のインバータの高調波補償容量Pｓは、インバータ両端の高調波電圧ＶINVS(n)（ベクトル値）と負荷側の高調波電流ＩS(n)の積によって決まり、次式になる。
【数１２】
0004373614.tif 000003
（１１）式に示すように高調波電流ＩS(n)はほぼ零になるからインバータの高調波補償容量Pｓはほぼ零になる。
【００１９】
次に本発明の高調波抑制装置のシステム特性を調べるためコンピュータ・シミュレーションを実行した。システム特性の導くことが本趣旨であるため具体的数値の詳細は省略している。想定したシステムモデルは、日本国内で最も多くの需要家を有する三相６，６００［Ｖ］系統において、電源側に高調波負荷電流ISh(n)（２，０００ＫＷ、力率０．８）が存在し５〜２５次の高調波電流が発生していると仮定した。負荷側に高調波負荷ＰＬが２，０００［ｋＷ］、遅れ力率０．８で高調波電流を発生しており、進相コンデンサ１４の基本波容量を１，５００［ｋＶａｒ］が存在すると仮定した。この容量は、負荷２，０００［ｋＷ］、遅れ力率０．８が受電点において力率１．０になる容量であるからである。
【００２０】
高調波抑制効果に関係するパラメータとして、第１と第２の直列形アクティブフィルタ１３と１５のゲインＫｓとＫｃ、基本波の電源側インピーダンスＺS(1)と進相コンデンサＺC(1)の比ＺC(1)／ＺS(1)を用いた。進相コンデンサ１４の基本波の容量は固定されているため、電源側インピーダンスＺS(1)を変化させ、比ＺC(1)／ＺS(1)は２０〜１，０００とした。また、ゲインＫｓとＫｃは各々５０〜５，０００まで変化させた。
【００２１】
図７は、電源への流出総合高調波電流ΣIS(n)を示している。図７から次のことがわかる。
（１）上記比ＺC(1)／ＺS(1)、ゲインＫｓ、Ｋｃは何れも大きい方が電源への流出高調波電流ΣIS(n)は小さく抑えられる。
ゲインＫｓ、Ｋｃをいずれもほぼ５００以上にすれば比ＺC(1)／ＺS(1)が２０以上で電源への流出総合高調波電流ΣIS(n)を０．０５［Ａ］以下に抑えられる。
（２）ゲインＫｓ、Ｋｃをいずれもほぼ５００以上且つＺC(1)／ＺS(1)をほぼ２００以上にすれば電源への流出総合高調波電流ΣIS(n)を０．００５［Ａ］以下に抑えられる。
【００２２】
図８は、電源の総合高調波電圧歪み率ΣΔＶS(n)を示している。図８から、次のことが分かる。
（１）電源の総合高調波電圧歪み率ΣΔＶS(n)は、ゲインＫｓ、Ｋｃに関係なく、比ＺC(1)／ＺS(1)に関係している。特に、比ＺC(1)／ＺS(1)が２００以下ではその傾向が顕著である。
図９は、負荷側の総合高調波電圧歪み率ΣΔＶc(n)を示している。図９から、次のことが分かる。
（１）負荷側の総合高調波電圧歪み率ΣΔＶc(n)は、ゲインＫｓ、Ｋｃに関係なく、比ＺC(1)／ＺS(1)に関係している。特に、比ＺC(1)／ＺS(1)が２００以下ではその傾向が顕著である。
（２）第２の直列形アクティブフィルタ１５のゲインＫｃの影響を受ける。
【００２３】
図１０は、第１の直列形アクティブフィルタ１３の補償総合高調波電圧ΣＶINVS(n)を示す。図１０から、次のことが分かる。
（１）第１の直列形アクティブフィルタ１３の補償総合高調波電圧ΣＶINVS (n)は、ゲインＫｓ、Ｋｃに関係なく、比ＺC(1)／ＺS(1)に関係している。  特に、比ＺC(1)／ＺS(1)が２００以下ではその傾向が顕著である
【００２４】
上述の他、次のことが分かった。
（１）第２の直列形アクティブフィルタ１５の流出総合高調波電流ΣIc(n)はゲインＫｓ、Ｋｃ、比ＺC(1)／ＺS(1)の影響を受けずほぼ一定である。
（２）第２の直列形アクティブフィルタ１５の補償総合高調波電圧ΣＶINVc(n)は、ゲインＫｓ、Ｋｃ、比ＺC(1)／ＺS(1)の影響を受けずほぼ一定である。これは高調波負荷電流ＩL(n)がほとんど第２の直列形アクティブフィルタ１５側に流入しているからである（式（８））。
（３）第１の直列形アクティブフィルタ１３の高調波補償容量は電源系統の条件が変化しても大きく変わることなく、進相コンデンサ１４の数パーセントで良い。
【００２５】
上述のシミュレーションの結果を考察することにより高調波抑制システムの設計条件に関し次の結論が得られる。
（１）基本波の電源側インピーダンスＺS(1)と進相コンデンサＺC(1)の比ＺC(1)／ＺS(1)は、電源への流出高調波電流ΣIS(n)、第１の直列形アクティブフィルタ１３の補償総合高調波電圧ΣＶINVS(n)、電源の総合高調波電圧歪み率ΣΔＶS(n)、負荷側の総合高調波電圧歪み率ΣΔＶc(n)等から、ほぼ２００以上が好ましい。また、第１の直列形アクティブフィルタ１３の容量についても、補償総合高調波電圧ΣＶINVS(n)が低く抑えられる比ＺC(1)／ＺS(1)であるほぼ２００以上が好ましい。しかし、比ＺC(1)／ＺS(1)がほぼ２００以下であってもゲインＫｃを大きく、第１の直列形アクティブフィルタ１３の容量を比較的大きくし、電源側インピーダンスＺS(1)の大きな系統であっても、流出高調波電流ΣIS(n)と負荷側の総合高調波電圧歪み率ΣΔＶc(n)を低く抑えることができる。
（２）第１の直列形アクティブフィルタ１３のゲインＫｓは、電源への流出高調波電流ΣIS(n)の抑制効果のためにはほぼ５００以上が好ましい。特に、比ＺC(1)／ＺS(1)がほぼ２００以下においてはゲインＫｓは大きい方が効果的である。
（３）第２の直列形アクティブフィルタ１５のゲインＫｃは、負荷側の総合高調波電圧ΣＶc(n)の抑制効果のためにはほぼ５００以上が好ましい。
【００２６】
上述のシミュレーションでは、日本国内の需要設備の多くを有する三相６．６ｋＶ高圧配電系統を対象とした。しかし、本高調波抑制システムは７，０００［Ｖ］を超える特別高圧の電力系統、また低圧回路においても上述のシミュレーションの結果および考察は適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の高調波抑制装置によれば、電源側と負荷側との高調波電流の潮流を制御可能であり、電源系統の高調波インピーダンスと高調波電流の積によって生じる受電点の高調波歪を補償することができる。また、受動素子にＬＣフィルタを用いることなく、進相コンデンサのみを用いているので、力率改善を兼ねることができ、任意の容量の進相コンデンサを負荷側に追加しても、追加した進相コンデンサには高調波電流は流入しない。
【００２８】
電源側の基本波インピーダンスに対する進相コンデンサの基本波インピーダンスの比をほぼ２００以上にすると、高調波抑制効果は著しく向上し、第１の直列形アクティブフィルタの容量は低く抑えられる。また、第１および第２の直列形アクティブフィルタの各ゲインはほぼ５００以上にすると、高調波抑制効果は著しい。
本発明の高調波抑制装置は、電源系統と負荷側の高調波を抑制できること、進相容量を負荷側へ供給できることが大きな特徴である。従って、激しい負荷変動と無効電力の時間的変化を伴う高調波電流対策が要求されるリニア新幹線用電源の高調波対策等に提供可能である。
【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】第１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】第２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４】高調波抑制システムの等価回路図である。
【図５】基本波成分の等価回路である。
【図６】高調波成分の等価回路である。
【図７】電源への流出総合高調波電流ΣＩS(n)特性を示す図である。
【図８】電源への総合高調波電圧歪み率ΣΔＶS(n)特性を示す図である。
【図９】負荷側の総合高調波電圧歪み率ΣΔＶc(n)特性を示す図である。
【図１０】第１の直列形アクティブフィルタの総合高調波電圧ΣＶINVS(n)特性を示す図である。
【図１１】従来の電力供給システムの概略構成図である。
【図１２】従来の２台の電圧形ＰＷＭインバータを使用する高調波抑制システムの概略構成図である。
【符号の説明】
１１                              高調波抑制装置
１２                             電源
１３                             第１の直列形アクティブフィルタ
１４                              進相コンデンサ
１５                             第２の直列形アクティブフィルタ
【図１】
0004373614.tif 000004
【図２】
0004373614.tif 000005
【図３】
0004373614.tif 000006
【図４】
0004373614.tif 000007
【図５】
0004373614.tif 000008
【図６】
0004373614.tif 000009
【図７】
0004373614.tif 000010
【図８】
0004373614.tif 000011
【図９】
0004373614.tif 000012
【図１０】
0004373614.tif 000013
【図１１】
0004373614.tif 000014
【図１２】
0004373614.tif 000015