(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配電用変電所におけるバンク１次側高調波電圧Ｅに対するバンク２次側高調波電圧ｅの比である高調波電圧拡大率
【数１】
0004973548.tif 000018
…（数式１）
（但し、％Ｘは前記配電用変電所より上位系統の％インピーダンスと該配電用変電所自体の％インピーダンスと該配電用変電所に接続された並行線路の％インピーダンスとの和、Ｃは配電系統の等価コンデンサ容量、Ｐは負荷有効電力、ｎは次数である。）を用い、
前記高調波電圧拡大率αを所定範囲内に抑制し得るパラメータ％Ｘ、Ｐ、Ｃを設定することを特徴とする高調波電圧歪抑制方法。
【請求項２】
配電用変電所におけるバンク１次側５次高調波電圧Ｅ５に対するバンク２次側５次高調波電圧ｅ５の比である５次高調波電圧拡大率
【数２】
0004973548.tif 000019
…（数式２）
（但し、％Ｘは前記配電用変電所より上位系統の％インピーダンスと該配電用変電所自体の％インピーダンスと該配電用変電所に接続された並行線路の％インピーダンスとの和、Ｃ０ＭＶＡはリアクトル無コンデンサ総容量、Ｃ６ＭＶＡはリアクトル付コンデンサ総容量、βはリアクトルの％に基づいて決まる係数、Ｐは負荷有効電力である。）を用い、
前記５次高調波電圧拡大率α５を所定範囲内に抑制し得るパラメータ％Ｘ、Ｃ０ＭＶＡ、Ｃ６ＭＶＡ、リアクトルの％、Ｐを設定することを特徴とする高調波電圧歪抑制方法。
【請求項３】
所定の％Ｘ、Ｐおよび所望するα５から導出される目標等価コンデンサ容量と現行等価コンデンサ容量との差分に応じてリアクトル付コンデンサＣ６adを、前記配電用変電所の配電系統に追加することを特徴とする請求項２に記載の高調波電圧歪抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配電系統の系統電圧に生じる高調波電圧歪みを抑制する高調波電圧歪抑制方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガイドラインで抑制はしているが、需要者側の電機機器の多様化により、非線形回路を通じて発生し、配電系統に逆潮流する高次の高調波が問題になる場合がある。
【０００３】
このような高調波流出電流の抑制方法は、（１）需要者における電気機器自体から発生する高調波電流そのものを低減させる方法と、（２）電気機器から発生した高調波電流を需要者構内の設備に分流させることによって外部への流出量を低減させる方法の２種類に大別される。
【０００４】
具体的には、上記（１）の方法として、変圧器と変換器の組合せにより５次、７次高調波成分を除去する多パルス化技術がある。また、（２）の方法として、受電変圧器の２次側で高調波を発生する電気機器に並列にフィルタを挿入する受動フィルタや、受電変圧器の２次側に接続して５次高調波を抑制する力率改善用コンデンサや、高調波を発生する電機機器に発生する高調波電流を検出し、逆極性の電流を能動的に印加して高調波電流を相殺する能動（アクティブ）フィルタ等の技術がある。
【０００５】
また、推定した制御目標点の高周波電圧が許容値を逸脱した場合にのみ特定次数の能動フィルタを稼動する技術も知られている（例えば、特許文献１）。かかる技術では、高調波電圧歪みを確実に許容値に収めると共に、能動フィルタの小容量化が可能となる。さらに、検出されたｎ次高調波電流成分の変動幅を系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように決定された制御ゲインで能動フィルタを稼動する技術も開示されている（例えば、特許文献２）。開示された内容によると、配電系統の回路定数の変動に拘わらず、常に良好な高調波補償効果を得ることができる。
【特許文献１】特開２００４−０４８９４４号公報
【特許文献２】特開２００５−２４５１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した高調波の抑制対策では、需要者から配電系統に流出する高調波電流を需要者端で抑制することにより、配電系統の系統電圧における高調波電圧歪みを適切なレベル以下に維持している。また、単一の配電系統において高調波電圧歪みが大きくなっている場合、配電系統側に高調波電流や高調波電圧を補償する補償機器を設置することで高調波電圧歪みの問題を回避することもできる。しかし、高調波電圧歪みが複数の配電系統において面的に拡大する場合には、多数の補償機器を設置しなくてはならなくなり、多大なコストを費やすこととなる。従って、かかる対策は現実的ではない。
【０００７】
この面的拡大は、リアクトル付コンデンサが普及すると共に抑制されるが、現状の普及率を踏まえると、需要者側の設備更新等のみでは、共振による被害や他の設備被害のリスク増大を招く虞がある。従って、リアクトル付コンデンサが普及するまでは、配電系統側における低コストかつ総合的な高調波電圧歪み対策が望まれる。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、低コストかつ簡易な構成で確実かつ効果的に高調波電圧歪みを抑制し、配電系統の系統電圧の安定を図ることが可能な高調波電圧歪抑制方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明にかかる高調波電圧歪抑制方法の代表的な構成は、配電用変電所におけるバンク１次側高調波電圧Ｅに対するバンク２次側高調波電圧ｅの比である高調波電圧拡大率
【数１】
0004973548.tif 000002
…（数式１）
（但し、％Ｘは配電用変電所より上位系統の％インピーダンスと配電用変電所自体の％インピーダンスと配電用変電所に接続された並行線路の％インピーダンスとの和、Ｃは配電系統の等価コンデンサ容量、Ｐは負荷有効電力、ｎは次数である。）を用い、高調波電圧拡大率αを所定範囲内に抑制し得るパラメータ％Ｘ、Ｐ、Ｃを設定することを特徴とする。
【００１０】
かかる構成では、バンク１次側高調波電圧Ｅに対するバンク２次側高調波電圧ｅの比である高調波電圧拡大率αを定式化することで、動的に変動する％Ｘ、Ｐ、Ｃに対する高調波電圧拡大率αを確実に把握することができ、高調波を抑制し得るαを達成するための最適なパラメータを迅速かつ容易に導出することが可能となる。従って、低コストかつ簡易な構成で確実かつ効果的に高調波電圧歪みを抑制し、配電系統の系統電圧の安定を図ることが可能となる。
【００１１】
本発明にかかる高調波電圧歪抑制方法の他の代表的な構成は、配電用変電所におけるバンク１次側５次高調波電圧Ｅ５に対するバンク２次側５次高調波電圧ｅ５の比である５次高調波電圧拡大率
【数２】
0004973548.tif 000003
…（数式２）
（但し、％Ｘは配電用変電所より上位系統の％インピーダンスと配電用変電所自体の％インピーダンスと配電用変電所に接続された並行線路の％インピーダンスとの和、Ｃ０ＭＶＡはリアクトル無コンデンサ総容量、Ｃ６ＭＶＡはリアクトル付コンデンサ総容量、βはリアクトルの％に基づいて決まる係数、Ｐは負荷有効電力である。）を用い、５次高調波電圧拡大率αを所定範囲内に抑制し得るパラメータ％Ｘ、Ｃ０ＭＶＡ、Ｃ６ＭＶＡ、リアクトルの％、Ｐを設定することを特徴とする。
【００１２】
ここでは、高調波電圧歪みとして特に問題となる５次の高調波に着目し、バンク１次側５次高調波電圧Ｅ５に対するバンク２次側５次高調波電圧ｅ５の比である高調波電圧拡大率α５を定式化することで、上述した高調波電圧歪抑制方法同様、動的に変動する％Ｘ、Ｃ０ＭＶＡ、Ｃ６ＭＶＡ、リアクトルの％、Ｐに対する５次高調波電圧拡大率α５を確実に把握することができ、高調波を抑制し得るα５を達成するための最適なパラメータを迅速かつ容易に導出することが可能となる。
【００１３】
所定の％Ｘ、Ｐおよび所望するα５から導出される目標等価コンデンサ容量と現行等価コンデンサ容量との差分に応じてリアクトル付コンデンサＣ６adを、配電用変電所の配電系統に追加してもよい。
【００１４】
パラメータ％Ｘ、Ｃ０ＭＶＡ、Ｃ６ＭＶＡ、Ｐが決まると５次高調波電圧拡大率α５が定まる。このときの現行等価コンデンサ容量（Ｃ０ＭＶＡ−βＣ６ＭＶＡ）を、所望するα５を逆算した目標等価コンデンサ容量（Ｃ０ＭＶＡ−βＣ６ＭＶＡ’）に変更することでα５を所望する値に推移させることが可能となる。リアクトル付コンデンサのリアクトルを例えば６％とした場合βは２となるので、等価コンデンサ容量は（Ｃ０ＭＶＡ−２Ｃ６ＭＶＡ）となり、等価コンデンサ容量の変更は、Ｃ０ＭＶＡの２倍の効率でコンデンサ容量に反映されるＣ６ＭＶＡによって為される。この場合、目標等価コンデンサ容量と現行等価コンデンサ容量との差分を２で除算した分の６％リアクトル付コンデンサＣ６adを、配電用変電所の配電系統に追加することで、α５を所望する値に推移させ、高調波電圧歪みをさらに効果的に抑制し、配電系統の系統電圧の安定を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように本発明によれば、低コストかつ簡易な構成で確実かつ効果的に高調波電圧歪みを抑制し、配電系統の系統電圧の安定を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１７】
配電系統システムでは、配電系統側における低コストかつ総合的な高調波電圧歪み対策が望まれている。本実施形態では、配電用変電所におけるバンク１次側高調波電圧Ｅに対するバンク２次側高調波電圧ｅの比である高調波電圧拡大率αを定式化することで、高次の高調波の本質的な特徴を捉え、その傾向を分析することで、高周波歪みを効率的に抑制する。以下、本実施形態の配電系統システム１００の構成を簡単に説明し、後に、高調波電圧拡大率αの定式を用いた高調波電圧歪抑制方法の具体的な処理を説明する。
【００１８】
（配電系統システム１００）
図１は、配電系統システム１００の概略的な構成を示す説明図である。ここで配電系統システム１００は、母線を含む上位系統１１０、配電用変電所１２０、高圧配電線網として放射状に広がる複数の並行線路（フィーダ）１３０（１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ）、その並行線路１３０上に配設され、並行線路１３０の接続を開閉する複数の開閉器１４０（１４０Ａ１、１４０Ａ２、１４０Ｂ１、１４０Ｂ２、１４０Ｃ１、１４０Ｃ２）とを含んで構成される。配電用変電所１２０は、上位系統１１０から受電した電力を６．６ｋＶ三相交流５０／６０Ｈｚに変成して並行線路１３０に配電するバンク（配電用変圧器）１２２を備えている。
【００１９】
図２は、バンク１２２を中心にした配電系統システム１００の等価回路を示す回路図である。ここでは、バンク１２２の２次側に接続される負荷、および高電圧需要者のコンデンサをそれぞれ纏めて示している。詳細に、Ｌは上位系統１１０のリアクタンスと配電用変電所１２０自体のリアクタンスと並行線路１３０のリアクタンスとの和を、Ｃ０はリアクトル無コンデンサ総容量を、Ｌ６は６％リアクトル付コンデンサの総リアクトル値を、Ｃ６は６％リアクトル付コンデンサ総容量を、Ｒは負荷抵抗を示す。ここでは、最終的にバンク１次側高調波電圧Ｅに対するバンク２次側高調波電圧ｅの比（ｅ／Ｅ）である高調波電圧拡大率αを求めることを目的としている。ここでは、理解を容易にするため、リアクトル付コンデンサとしてリアクトルが６％となるものを挙げているが、かかる場合に限られず、抑制する高調波電圧歪みの次数に応じて適応的に％を変更することができる。
【００２０】
基本波の角速度をω０とすると、リアクトル無コンデンサのｎ次高調波に対するアドミタンスＹＳＣ０は、
【数３】
0004973548.tif 000004
…（数式３）
となり、
６％リアクトル付コンデンサのｎ次高調波に対するインピーダンスＺＳＣ６は、
【数４】
0004973548.tif 000005
…（数式４）
となる。
【００２１】
基本波に対するＬ６のインピーダンスは、Ｃ６のインピーダンスの６％であるから、
【数５】
0004973548.tif 000006
…（数式５）
となる。ここで、右辺が負になるのは、コンデンサとリアクトルとが逆位相となるからである。ここで、数式５を数式４に代入すると、数式４は、
【数６】
0004973548.tif 000007
…（数式６）
となり、数式６のアドミタンスＹＳＣ６は、
【数７】
0004973548.tif 000008
…（数式７）
となる。
【００２２】
図３は、バンク１２２を中心にした配電系統システム１００の等価回路を示す他の回路図である。バンク１２２の２次側から見た配電系統側のｎ次インピーダンスＺ２は、
【数８】
0004973548.tif 000009
…（数式８）
となり、上位系統１１０から見た配電系統側のｎ次インピーダンスをＺ１は、
【数９】
0004973548.tif 000010
…（数式９）
となる。
【００２３】
数式９より並行線路に流れ込むｎ次電流Ｉは、
【数１０】
0004973548.tif 000011
…（数式１０）
となる。
【００２４】
この電流Ｉ１がバンク１２２の２次側から見た配電系統側のｎ次インピーダンスＺ２に流れることによって、バンク２次側ｎ次電圧ｅは、
【数１１】
0004973548.tif 000012
…（数式１１）
となる。
【００２５】
従ってＥに対するｅの高調波電圧拡大率αは次式で表される。
【数１２】
0004973548.tif 000013
…（数式１２）
【００２６】
ここで、基準電力容量ｐを１０［ｋＶＡ］、定格電圧をＶ［ｋＶ］とすると、上位系統１１０の％インピーダンスと配電用変電所１２０自体の％インピーダンスと並行線路１３０の％インピーダンスとの和である％Ｘは、
【数１３】
0004973548.tif 000014
…（数式１３）
となる。また、リアクトル無コンデンサ総容量Ｃ０ＭＶＡ［ＭＶＡ］、６％リアクトル付コンデンサ総容量Ｃ６ＭＶＡ［ＭＶＡ］、負荷有効電力ＰＭＷ［ＭＷ］は、
【数１４】
0004973548.tif 000015
…（数式１４）
となり、数式１２に数式１３および数式１４を代入し、ＬとＣ０とＣ６とＲとを削除すると、
【数１５】
0004973548.tif 000016
…（数式１５）
となる。
【００２７】
ここで、Ｃ０ＭＶＡ＋１／（１−０．０６ｎ２）・Ｃ６ＭＶＡを等価コンデンサ容量とおくと、数式１５の高調波電圧拡大率αは、
【数１６】
0004973548.tif 000017
…（数式１）
の様に簡略化できる。従って、高調波電圧拡大率αを所定範囲内に抑制するためには、かかる数式１のパラメータ％Ｘ、Ｐ、Ｃを制御すればよいことになる。
【００２８】
かかる構成では、バンク１次側高調波電圧Ｅに対するバンク２次側高調波電圧ｅの比である高調波電圧拡大率αを定式化することで、動的に変動する％Ｘ、Ｐ、Ｃに対する高調波電圧拡大率αを確実に把握することができ、高調波を抑制し得るαを達成するための最適なパラメータを迅速かつ容易に導出することが可能となる。従って、低コストかつ簡易な構成で確実かつ効果的に高調波電圧歪みを効果的に抑制し、配電系統の系統電圧の安定を図ることが可能となる。以下、パラメータ％Ｘ、Ｐ、Ｃと高調波電圧拡大率αとの関係を個々に詳述する。
【００２９】
図４は、％インピーダンス％Ｘと高調波電圧拡大率αの最大値との関係を示した説明図である。図４を参照すると、％インピーダンス％Ｘが大きくなるほど、路線による電圧の減衰を受けて高調波電圧拡大率αは小さくなることが理解できる。しかし、かかる％Ｘは、都市部で小さかったり、架空系統より地中系統の方が小さかったり、需要密度等の地域性に依存し、その値を意図的に変更するのは困難である。
【００３０】
図５は、負荷有効電力Ｐと５次高調波電圧拡大率α５との関係を示した説明図である。このとき％Ｘは８．５％、次数ｎは５である。図５を参照すると、等価コンデンサ容量Ｃが等しいとき、Ｐ＝８ＭＷの重負荷よりＰ＝３ＭＷの軽負荷の方が５次高調波電圧拡大率α５が大きくなることが理解できる。これは、夜間等の軽負荷時に高調波電圧歪みが生じやすいことを示す。このように、負荷有効電力Ｐは、需要者側の負荷利用率や力率に大きく依存し、％Ｘ同様、その値を意図的に変更するのは困難である。従って、実質的には、以下に示す等価コンデンサ容量Ｃを制御することとなる。
【００３１】
ここで、図５のＣ＝４．７ＭＶＡにおいてα５のピークが出ているのは、ｎ２（％Ｘ）Ｃ＝１の条件を満たしたとき数式１の分母が最小になるからである。
【００３２】
図６は、等価コンデンサ容量Ｃと５次高調波電圧拡大率α５との関係を示した説明図である。このとき％Ｘは８．５％、次数ｎは５、負荷有効電力Ｐは３ＭＷである。図６を参照すると、一点鎖線で示された５次高調波電圧拡大率α５の曲線２００は、４．７ＭＶＡまで等価コンデンサＣが増加するとそれに伴って５次高調波電圧拡大率α５も増加し、４．７ＭＶＡ以降は、等価コンデンサＣが増加すると５次高調波電圧拡大率α５が減少することが理解できる。
【００３３】
例えば、所定地域の等価コンデンサ容量が３．４ＭＶＡであった場合、図６では、５次高調波電圧拡大率α５が３．４倍にもなる。この５次高調波電圧拡大率α５を例えば矢印２１０で示すように２．０倍程度に削減させるよう試みた場合、等価コンデンサ容量Ｃの値を意図的に変更する。例えば、等価コンデンサ容量Ｃの値を変化させると、それに伴って図６の一点鎖線で示した５次高調波電圧拡大率α５の曲線２００が左右に推移する。具体的には等価コンデンサ容量Ｃに負の要素を加えると曲線２００は図６中右に推移し、正の要素を加えると曲線２００は図６中左に推移する。ここでは、制御したい等価コンデンサ容量３．４ＭＶＡがピーク値４．７ＭＶＡの左側に存在し、そのα５を削減することが目的なので、曲線２００は右に推移させればよいことになる。
【００３４】
本実施形態では、高調波として特に影響の大きい５次の高調波を挙げている。６％リアクトル付コンデンサを用いた場合に次数を５次とすると、Ｃ０ＭＶＡ＋１／（１−０．０６ｎ２）・Ｃ６ＭＶＡで示される等価コンデンサ容量Ｃは、Ｃ０ＭＶＡ−２・Ｃ６ＭＶＡと簡単になる。ここでは、６％リアクトル付コンデンサ総容量Ｃ６ＭＶＡが負の要素であり、かつ、Ｃ０ＭＶＡと比較して等価コンデンサ容量Ｃに２倍影響する。即ち、Ｃ６ＭＶＡを増やすことで曲線２００を右に推移させることができ、その推移幅は追加されたＣ６ＭＶＡ（Ｃ６ａｄ）の容量の２倍となる。かかるＣ６ＭＶＡ（Ｃ６ａｄ）の追加は、変電所、配電用変電所、電力柱等任意の様々な位置に配することができる。
【００３５】
ここで、具体的な計算例を述べると、所定の％Ｘ（８．５％）、所定のＰ（３ＭＷ）、等価コンデンサ容量３．４ＭＶＡのα５が３．４倍であったとき、そのα５を２．０倍に抑える場合には、まず、図６の曲線２００の左半分でα５＝２．０となる点の目標等価コンデンサ容量（ここでは２．４ＭＶＡ）を取得する。するとα５を２．０倍にするためには、曲線２００を図中右側（実線で示す曲線２２０）に推移させればよいことになる。その推移の幅は、目標等価コンデンサ容量２．４ＭＶＡと現行等価コンデンサ容量３．４ＭＶＡとの差分となるので１．０ＭＶＡとなる。かかる１．０ＭＶＡの負の要素を実現するためには、差分１．０ＭＶＡを２で除算した０．５ＭＶＡの６％リアクトル付コンデンサＣ６adを、配電用変電所の配電系統に追加すればよいこととなる。
【００３６】
ここでは、配電系統に追加する部材としてリアクトル付コンデンサを挙げて説明しているが、かかる場合に限らず、ＬＣフィルタやＬＣ機器等をリアクトル付コンデンサとして機能させ本実施形態に適用可能なことは言うまでもない。
【００３７】
以上、説明したように、パラメータ％Ｘ、Ｃ０ＭＶＡ、Ｃ６ＭＶＡ、リアクトルの％、Ｐが決まると５次高調波電圧拡大率α５が定まる。このときの現行等価コンデンサ容量（Ｃ０ＭＶＡ−βＣ６ＭＶＡ）を、所望するα５を逆算した目標等価コンデンサ容量（Ｃ０ＭＶＡ−β（Ｃ６ＭＶＡ＋Ｃ６ａｄ））に変更することでα５を所望する値に推移させることが可能となる。こうして、適切なコンデンサ容量のリアクトル付コンデンサＣ６adを、配電用変電所１２０の配電系統に追加することで、α５を所望する値に推移させ、高調波電圧歪みをさらに効果的に抑制し、配電系統の系統電圧の安定を図ることが可能となる。
【００３８】
一方、５次以外の例えば７次においても当該数式１を適用することができる。７次の高調波に関して、Ｃ０ＭＶＡ＋１／（１−０．０６ｎ２）・Ｃ６ＭＶＡで示される等価コンデンサ容量Ｃは、Ｃ０ＭＶＡ−０．５２Ｃ６ＭＶＡとなる。かかる数式を参照すると、７次高調波の場合、５次高調波のとき同様にＣ６ＭＶＡによって曲線２００を右に推移させることができるが、その幅は、５次のときの約１／４となり、５次と同等の効果を得るため４倍の容量を要する。ここでは、追加するリアクトル付コンデンサのリアクトルの％を調整することで、その追加の効果を向上することができる。
【００３９】
以上説明したように本実施形態の高調波電圧歪抑制方法によれば、低コストかつ簡易な構成で確実かつ効果的に高調波電圧歪みを抑制し、配電系統の系統電圧の安定を図ることが可能となる。
【００４０】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４１】
例えば、上述した実施形態においては、６％リアクトル付コンデンサを追加する構成を述べているが、かかる場合に限られず、６％以外のリアクトルを付けたコンデンサを用いることも同等の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、配電系統のループ切替を実施するための閉路判定装置および配電系統システムに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態における配電系統システムの概略的な構成を示す説明図である。
【図２】バンクを中心にした配電系統システムの等価回路を示す回路図である。
【図３】バンクを中心にした配電系統システムの等価回路を示す他の回路図である。
【図４】％インピーダンス％Ｘと高調波電圧拡大率αの最大値との関係を示した説明図である。
【図５】負荷有効電力Ｐと５次高調波電圧拡大率α５との関係を示した説明図である。
【図６】等価コンデンサ容量Ｃと５次高調波電圧拡大率α５との関係を示した説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１００  …配電系統システム
１１０  …上位系統
１２０  …配電用変電所
１２２  …バンク
１３０  …並行線路
【図１】
0004973548.tif 000020
【図２】
0004973548.tif 000021
【図３】
0004973548.tif 000022
【図４】
0004973548.tif 000023
【図５】
0004973548.tif 000024
【図６】
0004973548.tif 000025