(57)【要約】  高性能且つ高効率を両立した自励式無効電力補償装置であって、充放電機能を有する直流電源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と、当該直流電源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に接続され、その直流電源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の電圧を交流電圧に変換して前記電力系統に出力する自励式インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３とからなる電源回路４１、４２、４３を複数直列に接続して構成するとともに、前記それぞれの直流電源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の電圧を互いに異ならせていることを特徴とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に並列に接続され、その電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整や負荷の力率改善を行う自励式無効電力補償装置であって、
充放電機能を有する直流電源と、当該直流電源に接続され、その直流電源の電圧を交流電圧に変換して前記電力系統に出力する自励式インバータとからなる電源回路を複数直列に接続して構成するとともに、前記それぞれの直流電源の電圧を互いに異ならせていることを特徴とする自励式無効電力補償装置。
【請求項２】
前記それぞれの直流電源の電圧比が略２のべき乗の関係にあることを特徴とする請求項１記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項３】
前記直流電源がコンデンサであることを特徴とする請求項１又は２記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項４】
前記出力電圧と前記系統電圧との位相差を制御して、前記電力系統と前記それぞれの直流電源の間で入出力するエネルギの総和の平均が略ゼロとなるように調整する制御部を備えていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項５】
前記制御部が、所望の出力電圧を出力する際に、前記それぞれの直流電源間の電圧比を所定の値に可及的に近づけるように、前記自励式インバータ毎の動作を定めるものであることを特徴とする請求項４記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項６】
前記制御部が、交流周波数の１／４サイクル毎又は１／２サイクル毎又は整数サイクル毎に前記直流電源毎に通過する電荷量の平均がゼロとなるように調整することを特徴とする請求項５記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項７】
前記制御部が、構成部品の耐電圧性能および電流容量に基づいて、前記無効電力を出力するための出力電圧の上下限を制限し、その範囲において、前記それぞれの直流電源の電圧の和を前記出力電圧と可及的に略等しくなるように前記自励式インバータ毎の動作を定めるものであることを特徴とする請求項５又は６記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項８】
電力系統に並列に接続され、その電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整や負荷の力率改善を行う自励式無効電力補償装置であって、
コンデンサと、当該コンデンサに接続され、そのコンデンサの電圧を交流電圧に変換して前記電力系統に出力する自励式インバータとからなる電源回路を３組直列に接続して構成するとともに、前記出力電圧と前記系統電圧との位相差を制御して、前記電力系統と前記それぞれのコンデンサの間で入出力するエネルギの総和を調整する制御部を備え、
前記それぞれのコンデンサの電圧が略４：２：１の関係であり、
前記制御部が、構成部品の耐電圧性能および電流容量に基づいて、前記無効電力を出力するための出力電圧の上下限を制限し、その範囲において、前記コンデンサ電圧の和を前記出力電圧と可及的に略等しくし、かつ前記それぞれのコンデンサの電圧の比が略４：２：１の関係を維持するように、前記自励式インバータ毎の動作を定めるものであることを特徴とする自励式無効電力補償装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力系統に接続されて、その電力系統に無効電力を供給する無効電力補償装置に関し、特に自励式インバータを利用した自励式無効電力補償装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力系統の安定度向上に必要な電圧補償、あるいは受電設備容量の削減等に必要な力率改善を目的として自励式無効電力補償装置が設置されている。【０００３】
この自励式無効電力補償装置は、例えば特許文献１に示すように、１つのコンデンサを直流電源とし、そのコンデンサから出力される直流電圧をインバータにより交流電圧に変換して、その交流電圧を電力系統に出力するようにしている。【０００４】
ところが、この自励式無効電力補償装置のインバータ制御には、ＰＷＭ制御が用いられており、性能と損失との間にトレードオフの関係がある。つまり、自励式無効電力補償装置の性能を向上させるためには、多パルス化するためにスイッチ回数を増やす必要があるが、これによりインバータを構成する半導体スイッチ素子による電力損失が無視できなくなり高効率化を図ることができないという問題がある。【０００５】
一方で、半導体スイッチ素子による電力損失を無くし高効率化を図るためには、スイッチ回数を可及的に少なくしなければならないが、そうすると出力電流を精度良く調整できず，系統電圧の安定化に支障が生じたり，系統へ高調波が流出するといった問題が生じてしまう。
【特許文献１】特開平８−１３７５６４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明は、上記性能と損失との間のトレードオフの関係を一挙に解決し、高性能且つ高効率を両立した自励式無効電力補償装置を提供することをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明に係る自励式無効電力補償装置は、電力系統に並列に接続され、その電力系統に出力電圧である無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整や負荷の力率改善を行う自励式無効電力補償装置であって、充放電機能を有する直流電源と、当該直流電源に接続され、その直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して前記電力系統に出力する自励式インバータとからなる電源回路を複数直列に接続して構成するとともに、前記それぞれの直流電源の電圧を互いに異ならせていることを特徴とする。【０００８】
このようなものであれば、異なる出力電圧の電源回路を複数直列に接続して構成しており、その組み合わせにより出力する電圧の大きさを変化させることが出来、インバータ全体の等価的なスイッチ回数を減らすことが出来るので高性能且つ高効率の自励式無効電力補償装置を提供することができる。【０００９】
具体的な実施の形態としては、前記それぞれの直流電源に充電させる直流電圧の電圧比が略２のべき乗の関係にあることが望ましい。【００１０】
前記直流電源としては、コンデンサが考えられる。【００１１】
例えばコンデンサを用いた場合には、それぞれのコンデンサより入出力するエネルギの総和は理想的にはゼロであるが、現実にはインバータの損失を補填する有効電流及びインバータにより生じる高調波電流が同時に流れるため、これらを含めてそれぞれのコンデンサより入出力するエネルギの総和がゼロになるように制御する必要がある。その必要性を具備するためには、前記出力電圧と前記系統電圧との位相差を制御して、前記電力系統と前記それぞれのコンデンサの間で入出力するエネルギを調整する制御部を備えていることが望ましい。【００１２】
各々のコンデンサの電圧を一定にして一層高性能化するためには、前記制御部が、所望の出力電圧を出力する際に、前記それぞれのコンデンサ間の電圧比を所定の値に可及的に近づけるように、前記自励式インバータ毎の動作を定めるものであることが望ましい。【００１３】
本発明の効果をより一層高めるためには、前記制御部が、交流周波数の１／４サイクル毎又は１／２サイクル毎又は整数サイクル毎に前記それぞれのコンデンサ毎に入出力するエネルギの総和が平均が略ゼロとなるように調整することが好ましい。【００１４】
さらに、出力電圧に関わらず、常に１５レベルの高精度な電圧出力を実現するためには、前記制御部が、例えば半導体スイッチ素子、コンデンサ又はリアクトル等の構成部品の耐電圧性能および電流容量に基づいて、前記無効電力を出力するための出力電圧の上下限を制限し、その範囲において、前記それぞれの直流電源の電圧の和を前記出力電圧と可及的に略等しくなるように前記自励式インバータ毎の動作を定めるものであることが好ましい。【００１５】
さらに加えて、本発明に係る自励式無効電力補償装置は、電力系統に並列に接続され、その電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整や負荷の力率改善を行う自励式無効電力補償装置であって、コンデンサと、当該コンデンサに接続され、そのコンデンサの電圧を交流電圧に変換して前記電力系統に出力する自励式インバータとからなる電源回路を３組直列に接続して構成するとともに、前記出力電圧と前記系統電圧との位相差を制御して、前記電力系統と前記それぞれのコンデンサの間で入出力するエネルギの総和を調整する制御部を備え、前記それぞれのコンデンサの電圧が略４：２：１の関係であり、前記制御部が、例えば半導体スイッチ素子、コンデンサ又はリアクトル等の構成部品の耐電圧性能および電流容量に基づいて、前記無効電力を出力するための出力電圧の上下限を制限し、その範囲において、前記コンデンサ電圧の和を前記出力電圧と可及的に略等しくし、かつ前記それぞれのコンデンサの電圧の比が略４：２：１の関係を維持するように、前記自励式インバータ毎の動作を定めるものであることを特徴とする。【００１６】
このようなものであれば、所望の出力電圧に応じて、コンデンサ電圧の大きさを略４：２：１の関係を維持しながら上下させることができ、出力電圧に関わらず常に１５レベルの高精度な電圧出力を可能にすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
このように構成した本発明によれば、異なる出力電圧の電源回路を複数直列に接続して構成しており、その組み合わせにより出力する電圧の大きさ変化させることが出来、インバータ全体の等価的なスイッチ回数を減らすことが出来るので高性能且つ高効率の自励式無効電力補償装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の第１実施形態に係る自励式無効電力補償装置の概略構成図。
【図２】同実施形態における情報処理装置の機器構成図。
【図３】同実施形態における情報処理装置の機能構成図。
【図４】同実施形態におけるインバータの制御方法を示すブロック線図。
【図５】同実施形態におけるインバータの制御方法の出力レベルの組み合わせ及びその時のコンデンサ電圧条件を示す表。
【図６】同実施形態における各電源回路の動作タイミングを示す図。
【図７】同実施形態において出力レベル１の電圧を出力する際のインバータの充電及び放電を示す図。
【図８】従来の３パルスインバータを用いた自励式無効電力補償装置の動作シミュレーションの結果を示す図。
【図９】従来の１６パルスインバータを用いた自励式無効電力補償装置の動作シミュレーションの結果を示す図。
【図１０】同実施形態に係る自励式無効電力補償装置の動作シミュレーションの条件設定を示す図。
【図１１】同シミュレーションにおける各インバータの動作を示す図。
【図１２】同シミュレーションにおけるコンデンサ電圧の推移を示す図。
【図１３】同シミュレーションにおける出力電圧の位相調整量の推移を示す図。
【図１４】同シミュレーションにおける系統電流等を示す図。
【図１５】コンデンサ電圧の合計値及びそのときの各電源回路の動作タイミングを示す図。
【図１６】本発明の第２実施形態に係る自励式無効電力補償装置のインバータの制御方法を示すブロック図。
【図１７】同実施形態に係る自励式無効電力補償装置の動作シミュレーションの条件設定を示す図。
【図１８】同実施形態に係る自励式無効電力補償装置の動作シミュレーションの結果を示す図。
【符号の説明】
【００１９】
１・・・自励式無効電力補償装置、Ｖｐ・・・系統電圧、ＶＳＶＣ・・・出力電圧、４１、４２、４３・・・電源回路、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３・・・直流電源（コンデンサ）、Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３・・・自励式インバータ、８２・・・制御部
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
＜第１実施形態＞【００２１】
以下に本発明に係る自励式無効電力補償装置の第１実施形態について図面を参照して説明する。【００２２】
本実施形態の自励式無効電力補償装置１は、図１に示すように、交流電源２と負荷（需要家）３とを含む電力系統において、負荷（需要家）３に対して並列に接続され、その電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の系統電圧の調整や負荷力率の改善を行うものである。【００２３】
この自励式無効電力補償装置１の構成は、電源回路４１、４２、４３及び当該電源回路４１、４２、４３の直流電源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に初期電力を充電するための初期充電用回路５からなる。ここで、電源回路４１、４２、４３を直列に接続することにより自励式無効電力補償装置１を構成している。【００２４】
各部を詳述する。【００２５】
電源回路４１、４２、４３は、充放電機能を有する直流電源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と、当該直流電源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に接続され、その直流電源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３が出力する電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌを交流電圧に変換して前記電力系統に出力する自励式インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３とからなる。【００２６】
直流電源Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、コンデンサであり、後述する初期充電用回路５によりそれぞれの初期充電電圧Ｖｈ０、Ｖｍ０、Ｖｌ０の電圧比がそれぞれ２のべき乗の関係つまり、それぞれの充電電圧Ｖｈ０、Ｖｍ０、Ｖｌ０を最小充電電圧Ｖｌ０に対して略２ｎ倍（ｎ＝０、１、２）になるように充電する。即ち、Ｖｈ０＝２×Ｖｍ０＝２×２×Ｖｌ０の関係となるように充電している。具体的には、初期充電電圧Ｖｈ０、Ｖｍ０、Ｖｌ０をそれぞれ基準とする交流電圧の波高値の６０［％］、３０［％］、１５［％］としている。【００２７】
自励式インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３は、半導体スイッチ素子Ｉ１１、Ｉ２１、Ｉ３１とそれに逆並列されたダイオードＩ１２、Ｉ２２、Ｉ３２から構成したフルブリッジインバータであり、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３に接続して、そのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の直流電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌを交流電圧に変換して電力系統に出力するものである。本実施形態では半導体スイッチ素子Ｉ１１、Ｉ２１、Ｉ３１として、オン時の飽和電圧が小さく電力損失が少ないＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている。この自励式インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３は、後述する情報処理装置８の制御部８２を用いて、ゲートへの駆動信号によりオンオフ制御され、動作パターン（スイッチパターン）が制御されるようにしている。【００２８】
初期充電用回路５は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３に直流電圧Ｖｈ０、Ｖｍ０、Ｖｌ０を充電するためのもので、充電用トランス５１を含み、前記コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３に対して並列に接続している。なお、充電動作は装置起動時にのみ行われる。充電が完了すれば、図示しないスイッチにより前記コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３から電気的に切り離され、自励式無効電力補償装置１の動作には、なんら影響を与えない。【００２９】
しかして、本実施形態は、系統電圧Ｖｐの位相角を測定するための位相測定部６、コンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌを測定するためのコンデンサ電圧測定部７、系統電圧Ｖｐの波高値を測定するための系統電圧測定部９及びそれらからの測定データに基づいて出力電圧ＶＳＶＣの波高値と位相を調整するための情報処理装置８を備えるようにしている。【００３０】
位相測定部６は、系統電圧Ｖｐの位相角を測定するものであり、その測定結果を示す位相角測定データを情報処理装置８に出力するものである。【００３１】
コンデンサ電圧測定部７は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３に充電されている電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌを測定するためのものであり、その電圧測定データを情報処理装置８に出力するものである。【００３２】
系統電圧測定部９は、系統電圧Ｖｐの波高値を測定して、その測定結果を示す系統電圧測定データを情報処理装置８に出力するものである。【００３３】
情報処理装置８は、図２に示すように、その機器構成はＣＰＵ８０１、メモリ８０２、入出力インターフェイス８０３等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリ８０２の所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってＣＰＵ８０１、周辺機器等を協働させることにより、図３に示すように、受付部８１及び制御部８２等としての機能を発揮する。【００３４】
受付部８１は、前述した各測定部からその測定データを受信して、制御部８２に出力するものである。【００３５】
制御部８２は、受付部８１が受信した各測定データに基づいて、前記出力電圧ＶＳＶＣと前記系統電圧Ｖｐとの位相差を制御して、交流周波数の１サイクル毎に前記電力系統と前記コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の間で入出力するエネルギの総和の平均がゼロとなるように調整するものである。つまり、各々のコンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌを監視して充電エネルギと初期充電エネルギとの差に応じて電力系統との間で有効電力の出し入れを行い、前記コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の充電エネルギの総和Ｅｃが一定値となるように制御するものである。【００３６】
具体的には図４のブロック線図に示すように系統電圧Ｖｐに対する出力電圧ＶＳＶＣの位相差φを決定し、自励式無効電力補償装置１の出力電圧ＶＳＶＣの目標電圧Ｖｒｅｆを以下の式により計算して、インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３を制御するものである。【００３７】
【数１】
2006064742.tif 000002
ここで、Ｖｐは交流電源２の交流電圧の波高値、Ｘｐは電力系統のインピーダンス、ＸＳＶＣは自励式無効電力補償装置１のリアクトル１０のインピーダンス、Ｑは一般的なＳＶＣと同様に連系点電圧Ｖｔの制御や、力率改善などの目的に応じて、情報処理装置８により演算される。【００３８】
なお、図４のブロック線図においては、定数Ｋ１は総和Ｅｃと基準値Ｅｒｅｆの誤差是正に要する時間を調整するための定数であり、定数Ｋ２は総和Ｅｃの時間的な振動を抑制するための定数である。また、定数Ｋ３は、中間変数Ｐを総和Ｅｃと基準値Ｅｒｅｆの誤差是正のための電力とみなし、それを自励式無効電飾補償装置１と電力系統との間でやりとりするための系統電圧Ｖｐと出力電圧ＶＳＶＣの位相差φに換算するための定数である。【００３９】
ここで全コンデンサに蓄積されたエネルギの総和Ｅｃ、基準値Ｅｒｅｆは、【００４０】
【数２】
2006064742.tif 000003
【００４１】
【数３】
2006064742.tif 000004
とそれぞれ表される。なお、Ｃ１は、コンデンサＣ１の静電容量、Ｃ２は、コンデンサＣ２の静電容量、Ｃ３は、コンデンサＣ３の静電容量である。【００４２】
さらに、制御部８２は電圧ＶＳＶＣを出力する際に、前記それぞれのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３間の電圧比を所定の値（Ｖｈ：Ｖｍ：Ｖｌ＝４：２：１）に可及的に近づけるように、前記自励式インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３毎の動作パターンを定めるものである。【００４３】
具体的な自励式インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３の動作パターンについて以下に述べる。【００４４】
コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３には、初期充電状態ではＶｈ０＝２×Ｖｍ０＝２×２×Ｖｌ０の関係の電圧Ｖｈ０、Ｖｍ０、Ｖｌ０を充電しているので、インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３の動作パターンを選択の仕方により、７段階のレベルの電圧ＶＳＶＣを出力することができる。このとき最小出力レベルをレベル１とする。また同一レベルの電圧ＶＳＶＣを出力するにあたりインバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３の動作パターンが複数通り選択可能な場合がある。【００４５】
自励式インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３の動作パターンは、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の初期充電電圧Ｖｈ０、Ｖｍ０、Ｖｌ０を正規化した値（Ｖｈ０、２Ｖｍ０、４Ｖｌ０）と出力時の充電電圧を正規化した値（Ｖｈ、２Ｖｍ、４Ｖｌ）とを比較して、その値が乖離しているコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の順番に優先的に補正するように決定している。【００４６】
つまり、図５の表に示すように、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３それぞれの電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌの状態が、コンデンサ電圧条件のいずれの関係に当てはまるかにより、出力レベルに応じてその動作パターン、つまり放電及び充電を決定する。図５の表において「１」の場合にはそのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３から放電し、「−１」の場合にはコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３へ充電する。但し、出力電流ＩＳＶＣと出力電圧とが逆極性の場合は充放電関係が逆になる。さらに、この場合にはコンデンサ電圧条件の不等号の向きも反対になる。さらに、図６には、電源回路４１、４２、４３に所定の出力動作をさせ、装置１の出力電圧ＶＳＶＣ及び出力電流ＩＳＶＣを出力する各電源回路４１、４２、４３の動作タイミングを示している。【００４７】
次に、具体例として図７にレベル１の電圧ＶＳＶＣを出力する場合の例を示す。レベル１の電圧ＶＳＶＣを出力するためのコンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌの組み合わせとしては、【００４８】
（１）コンデンサ電圧Ｖｌのみを放電する場合、【００４９】
（２）コンデンサ電圧Ｖｍを放電し、コンデンサ電圧Ｖｌを充電する場合、【００５０】
（３）コンデンサ電圧Ｖｈを放電し、コンデンサ電圧Ｖｍ及びコンデンサ電圧Ｖｌを充電する場合、【００５１】
の３通りがある。これにより、コンデンサ電圧Ｖｍ、Ｖｌを充電することも放電することも出力パターンの選択の仕方によって可能となる。つまり、それぞれの出力レベル毎に、インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３の動作パターンを選択することで、各電源回路４１、４２、４３のコンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌが調整可能となる。【００５２】
次に、このように構成した本実施形態に係る自励式無効電力補償装置１の動作を以下に述べる。【００５３】
まず、自励式無効電力補償装置１を起動すると、系統電圧測定部９が系統電圧Ｖｐの波高値を測定し、位相測定部６が系統電圧Ｖｐの位相を測定し、コンデンサ電圧測定部７がコンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌを測定して、それぞれ測定データを情報処理装置８に出力する。そして、その測定データを情報処理装置８が受信して、制御部８２により電力系統に無効電力ＶＳＶＣを供給し始める。【００５４】
その後に、コンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌに変動が生じた場合には、制御部８２が位相測定データ及びコンデンサ電圧測定データに基づいて、図４の制御ブロック線図に示される制御手法により出力電圧ＶＳＶＣの位相を調整する。これにより、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の充電エネルギの総和Ｅｃが調整される。【００５５】
さらに制御部８２は、コンデンサ電圧測定データにより、コンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌが図５のコンデンサ電圧条件のいずれに当てはまるかを判断し、各インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３の半導体スイッチ素子Ｉ１１、Ｉ２１、Ｉ３１の動作パターンを選択し、インバータ駆動回路１１にインバータ駆動信号を出力する。これにより、インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３が所望の動作をして出力電圧ＶＳＶＣを出力すると共にコンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌの電圧比がＶｈ：Ｖｍ：Ｖｌ＝４：２：１の関係に補正される。【００５６】
次に、図１０に示す具体的な条件設定による自励式無効電力補償装置１の動作シミュレーションの結果を示す。本シミュレーションにおいては、装置１の起動後時刻２［Ｓ］〜４［Ｓ］において２０％の電圧低下が発生したとしている。ここでは、今まで用いてきた直流電源の電圧の［％］を［Ｖ］と読み替える。なお、比較のため、従来の３パルス（搬送波周波数１８０Ｈｚ）ＰＷＭインバータのみを用いた場合の動作シミュレーション結果を図８に、１６パルス（搬送波周波数９６０Ｈｚ）ＰＷＭインバータのみを用いた場合の動作シミュレーション結果を図９に示す。【００５７】
図１１に示すように、制御部８２によってインバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３がＰＷＭ制御され、出力電圧ＶＳＶＣが調整される。このとき、インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３のスイッチ回数は、半周期毎にコンデンサ電圧Ｖｈは１パルス、コンデンサ電圧Ｖｍは３パルス、コンデンサ電圧Ｖｌは７パルスであり、等価的なスイッチ回数は２．４パルス（＝（６０［Ｖ］×１パルス＋３０［Ｖ］×３パルス＋１５［Ｖ］×７パルス）／１０５［Ｖ］）とみなすことができ、３パルスインバータ以下であることが確認できる。さらに、図８、図９の結果に比べて出力電圧ＶＳＶＣの高調波成分がはるかに少ないことがわかる。【００５８】
また、図１１において例えば出力レベル３（４５［Ｖ］）を出力するとき（Ａ部分）には、コンデンサＣ１、Ｃ３が充電され、コンデンサＣ２が放電されている様子を確認することができる。【００５９】
図１２に示す位相差の推移は、系統電圧Ｖｐが正常な時刻（１〜２［Ｓ］、４〜５［Ｓ］）においては−０．２３［ｒａｄ］程度に安定している。さらに、時刻２［Ｓ］〜４［Ｓ］の電圧低下の間には−０．５［ｒａｄ］程度に安定していることが分かる。【００６０】
コンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌの調整機能が良好に動作した結果は，図１３に示されている。系統電圧Ｖｐに急激な変動があるにも関わらず、コンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌは全時間にわたり、ほぼ６０［Ｖ］、３０［Ｖ］、１５［Ｖ］に安定している様子が分かる。【００６１】
また、系統電圧Ｖｐが８０［Ｖ］に低下しているにも関わらず、連系点電圧Ｖｔは９０［Ｖ］程度に維持できており、本来の自励式無効電力補償装置１としての電圧安定化効果も確認できる。【００６２】
また、図１４に示す結果において、本装置１が電力系統に遅れ電流ｉＳＶＣを供給し、系統側からみた負荷力率（ｃｏｓ∠（Ｖｐ，ｉｐ））を良好に改善できていることがわかる。【００６３】
このように構成した自励式無効電力補償装置１によれば、異なる出力電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌの電源回路４１、４２、４３を複数直列に接続して構成しており、その組み合わせにより出力する電圧の大きさを変更することができ、インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３の等価的なスイッチ回数を減らすことが出来るので高性能化且つ高効率化を実現することができる。【００６４】
つまり、トータルで最大出力電圧１０５Ｖの１５レベルインバータが構成でき、この１５レベルインバータの出力電圧ＶＳＶＣの総合歪率は高調波フィルタを用いなくとも４％程度と、１６パルスインバータ（搬送波約１ｋＨｚのインバータ）に比べて遙かに高性能である。さらに、等価的なスイッチ回数は２．４パルスと３パルスインバータ以下で例えば１０５［Ｖ］の単器インバータで１ｋＨｚのＰＷＭ制御を行った場合、すなわち１６パルスインバータと比べて、スイッチング損失は１５％程度で済む。以上のように本実施形態によれば高性能且つ高効率を両立することができる。【００６５】
さらに、制御部８２が、前記出力電圧ＶＳＶＣと前記系統電圧Ｖｐとの位相差を制御して、交流周波数の１サイクル毎に前記電力系統と前記コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の間で入出力するエネルギの総和の平均がゼロとなるように調整し、電圧ＶＳＶＣを出力する際に、前記それぞれのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３間の電圧比を所定の値（Ｖｈ：Ｖｍ：Ｖｌ＝４：２：１）に可及的に近づけるように、前記自励式インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３毎の動作パターンを定めるものであるので、本実施形態の効果を一層顕著にすることができる。【００６６】
＜第２実施形態＞【００６７】
次に本発明に係る自励式無効電力補償装置１の第２実施形態について図面を参照して説明する。【００６８】
本実施形態に係る自励式無効電力補償装置１は、前記第１実施形態と制御部８２の機能が異なる。つまり、本実施形態の制御部８２は、図１５に示すように、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌの和（Ｖｈ＋Ｖｍ＋Ｖｌ）を出力電圧ＶＳＶＣの波高値と可及的に同一とし、かつそれぞれのコンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌの比が、Ｖｈ：Ｖｍ：Ｖｌ＝４：２：１の関係を維持するように、自励式インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３毎の動作を定め、出力電圧ＶＳＶＣの波高値に関わらず常に１５レベルの電圧を出力できるようにする機能も有する。【００６９】
なお、図１５においては、例えば出力電圧が、１０５［Ｖ］から９０［Ｖ］に変化した時の出力電圧ＶＳＶＣ及び、そのときの各電源回路４１、４２、４３の動作タイミングを示している。このとき、本実施形態の制御部８２は、各コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌがそれぞれ５１．４４［Ｖ］、２５．７２［Ｖ］、１２．８６［Ｖ］となるように自励式インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３を制御する。【００７０】
さらに、本実施形態の制御部８２は、装置１の構成部品の耐電圧性能および電流容量に基づいて出力電圧ＶＳＶＣの波高値を制限し、上記のように１５レベルの電圧を出力できるようにするものである。【００７１】
具体的には、図１６のブロック線図に示すように、演算部（Ｒ）を介して、出力電圧ＶＳＶＣの波高値の暫定値|Ｖｚ|を算出する。算出した暫定値|Ｖｚ|を第２リミッタ部（Ｔ）を介して判断し、その暫定値|Ｖｚ|が装置１の耐電圧性能を超えていない場合および暫定値|Ｖｚ|より定まる出力電流が装置１の電流容量を超えていない場合には、その暫定値|Ｖｚ|を、出力電圧ＶＳＶＣの目標値Ｖｒｅｆの波高値|Ｖｒｅｆ|に決定する。一方、その暫定値|Ｖｚ|が装置１の耐電圧性能を超えている場合、又は暫定値|Ｖｚ|より定まる出力電流が装置１の電流容量を超えている場合には、それらを満たす所定の波高値|Ｖｒｅｆ|に決定する。【００７２】
ここで、図１６中の|Ｖｎ|は連系点電圧Ｖｔの波高値の目標値で、時間領域において一定値である。Ｖｔは、連系点電圧の時間領域における瞬時値、Ｅｃは、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の充電エネルギの総和の時間領域における瞬時値、ＲＭＳブロックは、瞬時値を実効値に変換するものである。第１リミッタ部（Ｓ）は、第２リミッタ部（Ｔ）により|Ｖｎ|と|Ｖｔ|の誤差が生じた場合に、前段の積分部の出力が発散しないよう設けるものである。【００７３】
一方、コンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌの和Ｖｈ＋Ｖｍ＋Ｖｌの目標値|Ｖｃ|は、波高値|Ｖｒｅｆ|を第３リミッタ部（Ｕ）を介して決定する。【００７４】
次に、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の充電エネルギＥｃと目標値Ｅｒｅｆの差が定常状態においてゼロとなるようにコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３に入出力する有効電力Ｐｓを決定する。そして、定数Ｋ４による換算により、有効電力Ｐｓを自励式無効電力補償装置１と電力系統との間でやりとりするための系統電圧Ｖｔと、出力電圧ＶＳＶＣの目標電圧Ｖｒｅｆの位相差φが決定される。そして、自励式無効電力補償装置１の出力電圧の目標電圧Ｖｒｅｆを以下の式により計算して、インバータＩ１、Ｉ２、Ｉ３を制御するものである。【００７５】
【数４】
2006064742.tif 000005
【００７６】
ここで、ωは電力系統の基本周波数である。【００７７】
次に、図１７に示す具体的な条件設定による自励式無効電力補償装置１の動作シミュレーションの結果を図１８に示す。本シミュレーションにおいては、装置１の起動後時刻２［Ｓ］〜４［Ｓ］において３０％の電圧低下が発生したとしている。また、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の静電容量はそれぞれ１００［ｍＦ］、２００［ｍＦ］、４００［ｍＦ］である。【００７８】
ここで、図１６における第２リミッタ部（Ｔ）は、装置１の構成部品の耐電圧性能および電流容量に基づいて出力電圧の範囲を定めるものであり、その最大リミッタ値はｍｉｎ（｜Ｖｔ｜＋５０［Ｖ］、１４０［Ｖ］）、つまり、系統電圧の波高値｜Ｖｔ｜＋５０［Ｖ］と１４０［Ｖ］との小さい方の値であり、最小リミッタ値は、系統電圧の波高値｜Ｖｔ｜−５０［Ｖ］である。第３リミッタ部（Ｕ）は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３などの装置１の構成部品の耐電圧性能に基づいて定められるものであり、その最大リミッタ値は１２０［Ｖ］であり、最小リミッタ値は０［Ｖ］である。第１リミッタ部（Ｓ）の、最大リミッタ値は４０［Ｖ］で、最小リミッタ値は−４０［Ｖ］である。【００７９】
このとき、自励式無効電力補償装置１が電力系統に出力すべき電圧ＶＳＶＣは、１４０［Ｖ］となり、図１８に示すように、コンデンサＣ１の電圧Ｖｈは、５６［Ｖ］から６８［Ｖ］に上昇しており、コンデンサＣ２１の電圧Ｖｍは、２８［Ｖ］から３４［Ｖ］に上昇しており、コンデンサＣ３の電圧Ｖｌは、１４［Ｖ］から１７［Ｖ］に上昇しており、これらの合計値は１１９［Ｖ］となっている。これにより、系統電圧Ｖｐは、１００［Ｖ］から７０［Ｖ］まで３０％低下しているにも関わらず、連系点電圧Ｖｔは９０［Ｖ］程度に維持できており、本来の自励式無効電力補償装置としての電圧安定化効果を確認できる。【００８０】
このように構成した自励式無効電力補償装置１によれば、所望の出力電圧ＶＳＶＣに応じて、コンデンサ電圧Ｖｈ、Ｖｍ、Ｖｌの大きさを４：２：１の関係を維持しながら上下させることができ、出力電圧ＶＳＶＣに関わらず常に１５レベルの高精度な電圧出力を可能にすることができるので、低電圧出力時においても、電圧の出力レベル数を減らすことなく高精度な電圧出力が可能となる。さらに、このとき、装置１の構成部品の耐電圧性能および電流容量を考慮して出力電圧ＶＳＶＣの最大値を算出しているので、安定な装置動作を確保することができる。【００８１】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。【００８２】
例えば、前記実施形態では電源回路を３つ直列接続したがこれに限られず、２つ直列に接続しても良いし、４つ以上直列接続するように構成しても構わない。【００８３】
また、コンデンサ電圧の電圧比を２のべき乗の関係にしたが、この他の電圧比により構成しても良い。【００８４】
前記実施形態では、１つの電源回路に１つのコンデンサのみを用いて出力電圧を異ならせているが、１つの電源回路に複数のコンデンサを直列接続して、異なる出力電圧を出力するようにしても良い。【００８５】
さらに、前記実施形態ではエネルギ蓄積手段としてコンデンサを用いたがこれに限られず、例えばバッテリーを用いても良い。【００８６】
その上、半導体スイッチ素子にはＩＧＢＴを用いたがこれに限られることなく、例えばゲートターンオフサイリスタのような自己消弧形半導体スイッチ素子であっても差支えない。【００８７】
また、それらのスイッチ素子を直列接続したものを１つのスイッチとして用いても良い。【００８８】
前記実施形態では、正規化して最も乖離したものを補正するようにしているが、この他にも、正規化しないで初期充電電圧と実際の電圧とを比較して最も乖離しているものを補正するようにしても良い。【００８９】
上記に加えて、前記実施形態ではコンデンサ全体のエネルギを調整する際に、全てにコンデンサ電圧の総和を考慮して調整したが、一番大きい電圧を充電しているコンデンサ電圧のみを考慮して調整するようにしても良いし、２つのコンデンサ電圧を考慮して調整するようにしても良い。【００９０】
式１の目標電圧Ｖｒｅｆは、装置の系統連系点の電圧Ｖｔの波高値と位相を計測し、装置１のリアクトル１０のインピーダンスＸＳＶＣを用いて算出することもできる。【００９１】
【数５】
2006064742.tif 000006
【００９２】
直流電圧の総和は、必ずしも１０５［％］（＝６０［％］＋３０［％］＋１５［％］）である必要はなく、一般的なＳＶＣ同様に、系統条件や要求性能から設計すればよい。【００９３】
本発明は、単相用途に限られるものではなく、これまでの説明の電圧・電流諸量を３相交流における正相・逆相成分として取り扱えば、３交流系統へも適用できる。【００９４】
更に加えて、前記第２実施形態では、出力電圧を算出する際に、第１リミッタ部、第２リミッタ部、第３リミッタ部を設けて、出力電圧の最大値を制限していたが、これらリミッタ部を設けることなく出力電圧を算出するようにしても良い。【００９５】
この他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
以上のように、本発明に係る自励式無効電力補償装置は、異なる出力電圧の電源回路を複数直列に接続して構成しており、その組み合わせにより出力する電圧の大きさ変化させることができ、インバータ全体の等価的なスイッチ回数を減らすことが出来るので高性能且つ高効率を実現することができる。
【図１】
2006064742.tif 000007
【図２】
2006064742.tif 000008
【図３】
2006064742.tif 000009
【図４】
2006064742.tif 000010
【図５】
2006064742.tif 000011
【図６】
2006064742.tif 000012
【図７】
2006064742.tif 000013
【図８】
2006064742.tif 000014
【図９】
2006064742.tif 000015
【図１０】
2006064742.tif 000016
【図１１】
2006064742.tif 000017
【図１２】
2006064742.tif 000018
【図１３】
2006064742.tif 000019
【図１４】
2006064742.tif 000020
【図１５】
2006064742.tif 000021
【図１６】
2006064742.tif 000022
【図１７】
2006064742.tif 000023
【図１８】
2006064742.tif 000024
【国際調査報告】
2006064742.tif 000025
2006064742.tif 000026
2006064742.tif 000027