JP4483622B2 - 三相四線式負荷模擬装置 - Google Patents

Description

本発明は、解析対象とする実際の電力系統と電気的に相似な電気回路をアナログ回路（リアクトル、抵抗、コンデンサ、電流源等）により実現し、実際の電力系統より低い電圧（数十〜数百〔Ｖ〕）及び電流（数十〔ｍＡ〕〜数十〔Ａ〕)を印加、通流することにより、電力系統に発生する種々の現象をリアルタイムでシミュレーション可能とした電力系統用アナログシミュレータに関し、特に三相四線式の配電系統に接続される負荷を模擬するようにした三相四線式負荷模擬装置に関するものである。

従来、この種の負荷模擬装置としては、図４に示す構成が知られている。図４において、１００は三相負荷模擬装置、２００は無限大電源モデルにより構成されて実際の三相配電系統（低圧系統）を模擬する三相交流電源である。

三相負荷模擬装置１００は、Δ結線側が交流電源２００に接続されたＹ−Δ結線の変圧器（以下、Ｙ−Δ変圧器ともいう）１０１と、そのＹ結線側の各相に接続された電圧検出器１０２〜１０４と、これら各相の電圧検出値をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換部１０５と、このＡ／Ｄ変換部１０５の出力信号及び予め設定された負荷量に基づいて負荷電流指令を演算するＣＰＵ（またはＤＳＰ：ディジタルシグナルプロセッサ）１０６と、前記負荷電流指令をアナログ量に変換するＤ／Ａ変換部１０７と、前記電流指令に基づいて抵抗負荷、容量性負荷、誘導性負荷、定電力負荷、定電流負荷等を模擬するための負荷電流を交流電源２００から引き込む電流源１０８〜１１０とから構成されており、前記電流源１０８〜１１０の各一端は変圧器１０１のＹ結線の各一端に接続され、中性点ＮはＹ結線の中性点に接続されて零相電流ｉ_０の経路となっている。
なお、ｖ_ａ，ｖ_ｂ，ｖ_ｃは三相交流電源２００の各相電圧、ｉ_ａ，ｉ_ｂ，ｉ_ｃは各相負荷電流（何れも瞬時値）を示す。ここで、各相の電圧検出値は、中性点Ｎを基準電位としてそれぞれ検出している。

上述したように三つの電流源により構成された三相負荷模擬装置は、例えば後述する特許文献１，２に記載されている。
なお、図４に示した三相負荷模擬装置１００では、零相電流ｉ_０（＝ｉ_ａ＋ｉ_ｂ＋ｉ_ｃ）を系統（交流電源２００）側に流さずにＹ−Δ変圧器１０１のΔ結線内で環流させている。

また、高圧系統におけるアナログシミュレーションでは、実系統が三相四線式の結線であることから、図５に示すように、三つの電流源１０８〜１１０を備えた三相負荷模擬装置１００をＹ−Δ−Ｙ結線の変圧器（以下、Ｙ−Δ−Ｙ変圧器ともいう）１１１を介して三相四線式の交流電源２００Ａに接続し、前記変圧器１１１のΔ結線内で零相電流を環流させている。

特許第２７３７３５７号公報（第２図等） 特許第２９１９６５７号公報（段落［０００８］、図１等）

図５に示した三相四線式の負荷模擬装置１００では、零相電流を系統側に流さないためにＹ−Δ−Ｙ変圧器１１１を必要とする。
しかし、Ｙ−Δ−Ｙ変圧器１１１を挿入すると、負荷模擬装置１００の構造が複雑になり、重量が重くなるという問題があった。また、変圧器１１１の励磁電流、飽和及び漏れリアクタンス等に起因した誤差（２〜３％程度の誤差）が生じるため、高精度な三相負荷模擬装置を製造することが困難であった。

また、特許文献１に記載された従来技術のように、負荷電流指令を計算するＣＰＵにおいて、最初に計算した各相の負荷電流指令から零相電流成分を計算し（ａ，ｂ，ｃ相電流の加算平均により求める）、この零相電流成分を最初に計算した負荷電流指令から減算した値を新たな各相の電流指令として用いれば、零相電流成分を低減することが可能である。
しかし、アナログシミュレータでは高速なリアルタイム演算が要求されており（演算ステップが１００〔μs〕程度）、上述したような零相電流成分低減のための演算を既設の設備に追加するには演算装置の交換が必要となり、その改造も容易ではなかった。

そこで本発明の解決課題は、Ｙ−Δ−Ｙ変圧器を不要にして構造の簡略化、軽量化を図ると共に、演算装置等の交換を不要にした三相四線式負荷模擬装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、高圧系統を模擬した三相四線結線の交流電源に接続され、電流指令に従って前記交流電源から負荷電流を引き込む電流源を備えた三相四線式負荷模擬装置において、
前記交流電源の三相のうち、中性点を基準として第１相，第２相の電圧をアナログ量として検出する電圧検出手段と、
第１相，第２相の電流をアナログ量として検出する電流検出手段と、
検出された第１相，第２相の電圧をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
ディジタル量に変換された第１相，第２相の電圧と予め設定された負荷量とに基づいて、前記第１相及び第２相の電流指令をディジタル量として演算する演算手段と、
演算された電流指令をアナログ量に変換するＤ／Ａ変換手段と、
アナログ量に変換された各電流指令に応じて、前記第１相及び第２相の負荷電流を前記交流電源からそれぞれ引き込む第１，第２の電流源と、
前記電流検出手段により検出された第１相，第２相の電流から、零相電流が零になるように第３相の電流指令を演算するアナログ演算手段と、
このアナログ演算手段により演算された電流指令に応じて、第３相の負荷電流を前記交流電源から引き込む第３の電流源と、を備えたものである。

本発明によれば、三相交流電源の第１相及び第２相（例えばａ相，ｂ相）の電圧検出値に基づき、これらａ相，ｂ相の電流指令を演算手段により演算してａ相，ｂ相の電流源に与える。また、残りの第３相（ｃ相）については、前記ａ相，ｂ相の電流を検出し、これらの電流検出値を用いて零相電流が零になるように高速アナログ演算により電流指令を求め、この電流指令をｃ相の電流源に与える。
これにより、Ｙ−Δ−Ｙ変圧器を用いることなく零相電流を低減することが可能であり、構造の簡略化、軽量化を図ることができると共に、演算装置の交換や改造も不要になる。
また、本発明の負荷模擬装置は、三つの電流源、二つの電圧検出手段及び電流検出手段、Ａ／Ｄ変換部，Ｄ／Ａ変換部を備えたＣＰＵ等の演算手段により実現可能であり、回路構成が簡単で小形化、低価格化を図ることができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本実施形態の構成を示すものであり、１００Ａは三相四線式負荷模擬装置、２００Ａは無限大電源モデルにより構成されて高圧系統を模擬する三相四線式の交流電源である。

負荷模擬装置１００Ａは、中性点Ｎに共通接続された三つの電流源１０８〜１１０を備え、これらの電流源１０８〜１１０の各一端は三相交流電源２００Ａの各相（ａ，ｂ，ｃ相）の一端にそれぞれ接続されている。
また、中性点Ｎを基準としてａ相の電圧を検出する電圧検出器１０２と、同じくｂ相の電圧を検出する電圧検出器１０３とが設けられており、これらの電圧検出値（瞬時値）ｖ_ａ(t)，ｖ_ｂ(t)はＡ／Ｄ変換部１０５に入力されている。
更に、ａ相の電流を検出する電流検出器１１２と、同じくｂ相の電流を検出する電流検出器１１３とが設けられ、これらの電流検出値（瞬時値）ｉ_ａ(t)，ｉ_ｂ(t)は高速演算が可能なアナログ演算器１１４に入力されている。

前記Ａ／Ｄ変換部１０５によりディジタル信号に変換されたａ相，ｂ相の電圧検出値は演算手段としてのＣＰＵ（ＤＳＰ）１０６に入力され、ディジタル量のａ相，ｂ相電流指令（負荷電流指令）ｉ_ａｓ(t)，ｉ_ｂｓ(t)が演算される。これらの電流指令ｉ_ａｓ(t)，ｉ_ｂｓ(t)はＤ／Ａ変換部１０７によりアナログ量に変換され、ａ相，ｂ相の電流源１０８，１１０にそれぞれ入力されている。

ここで、ａ相，ｂ相電流指令ｉ_ａｓ(t)，ｉ_ｂｓ(t)の計算方法を以下に説明する。なお、計算方法はａ相，ｂ相何れも同一であるので、以下ではａ相を例にとってその電流指令ｉ_ａｓ(t)の計算方法を述べる。
はじめに、電圧検出器１０２により中性点Ｎを基準としたａ相電圧ｖ_ａ(t)を検出し、Ａ／Ｄ変換部１０５によりディジタル量に変換してＣＰＵ１０６が以下の数式１を計算する（定電力負荷特性の場合）。
［数式１］
ｉ_ａｓ(t)＝（Ｐ_ａ／｜Ｖ_ａ｜^２）・ｖ_ａ(t)＋（Ｑ_ａ／｜Ｖ_ａ｜^２）・ｖ_ａ ^−９０°(t)
但し、ｖ_ａ ^−９０°(t)：ｖ_ａ(t)より９０°遅れた電圧
Ｖ_ａ：ベクトル量のａ相電圧
Ｐ_ａ：ａ相の有効電力設定値
Ｑ_ａ：ａ相の無効電力設定値
なお、上記Ｐ_ａ，Ｑ_ａの値に｜Ｖ_ａ｜を乗算すれば定電流負荷を模擬することが可能であり、｜Ｖ_ａ｜^２を乗算すれば定インピーダンス負荷を模擬することができる。

このようにして演算したａ相，ｂ相電流指令ｉ_ａｓ(t)，ｉ_ｂｓ(t)を電流源１０８，１１０に与えることにより、これらの指令値に従ったａ相電流ｉ_ａ(t)及びｂ相電流ｉ_ｂ(t)を交流電源２００Ａから負荷電流として引き込むことができる。

一方、残りの一相すなわちｃ相の電流指令ｉ_ｃｓ(t)については、電流検出器１１２，１１３により検出したａ相電流ｉ_ａ(t)及びｂ相電流ｉ_ｂ(t)を用いて、アナログ演算器１１４が数式２の演算を行うことにより算出する。
［数式２］
ｉ_ｃｓ(t)＝−（ｉ_ａ＋ｉ_ｂ）

図２は、アナログ演算器１１４の回路構成例であり、周知の加算増幅回路により上記数式２の演算を実現するものである。図２において、ＯＰはオペアンプ、Ｒ_１〜Ｒ_３は抵抗（Ｒ_１＝Ｒ_２＝Ｒ_３）を示す。
このような回路を用いることにより、入力から出力までの遅延時間は、通常数〔μｓ〕以下と非常に小さくて済む。

次に、図３（ａ）は、図５に示した従来の三相負荷模擬装置１００により、以下の条件で零相電流をシミュレーションした結果を示している。
（１）図５の従来技術ではＹ−Δ−Ｙ変圧器１１１が挿入されているが、このＹ−Δ−Ｙ変圧器１１１を削除してシミュレーションを実施。
（２）三相交流電源（無限大電源）２００Ａの電圧は、線間電圧２０〔Ｖｒｍｓ〕としてこれを１〔p.u.〕とすると、零相電圧を発生させるために、各相の電圧を数式３のように設定した。

（３）送電線のインピーダンスは零とする（三相交流電源２００Ａと負荷模擬装置１００とは直結）。
（４）数式１におけるＰ_ａ＝Ｐ_ｂ＝Ｐ_ｃ＝１〔p.u.〕，Ｑ_ａ＝Ｑ_ｂ＝Ｑ_ｃ＝０．５〔p.u.〕に設定（定電力負荷）

図３（ａ）から、ａ相電源の波高値のみを１．１〔p.u.〕に設定することにより、３〔％〕程度（０．０３〔p.u.〕程度）の零相電流が発生していることが判る。これは、前述の如くＹ−Δ−Ｙ変圧器１１１を削除したために、三相交流電源２００Ａにより印加した零相電圧が、負荷模擬装置１００Ａに零相電流を流してしまっていることに起因している。

これに対し、図３（ｂ）は、図１に示した本実施形態の三相四線式負荷模擬装置１００Ａにより、以下の条件で零相電流をシミュレーションした結果である。
（１）図１におけるアナログ演算器１１４の遅延時間を５〔μｓ〕として模擬した。
（２）その他の各相電圧の設定、送電線インピーダンス、Ｐ，Ｑ値については、上述した図３（ａ）の場合と全く同一条件とした。

図３（ｂ）によれば、電流検出器１１２，１１３により検出したａ相電流ｉ_ａ(t)及びｂ相電流ｉ_ｂ(t)を用いて、ｃ相の電流源１０９への電流指令ｉ_ｃｓ(t)を数式２に基づいて高速にアナログ演算することにより（遅延時間＝５〔μｓ〕を考慮）、零相電流が０．１〔％〕程度（０．００１〔p.u.〕程度）まで減少していることが判る。
このように、零相電圧を負荷模擬装置に印加した場合でも零相電流を流さないようにすることが可能であり、回路構成の複雑化や重量増加、更には精度悪化の原因となるＹ−Δ−Ｙ変圧器を使用しなくても、所望の負荷電流を模擬可能な三相四線式負荷模擬装置を提供することができる。

本発明の実施形態を示す構成図である。 図１におけるアナログ演算器の回路構成例を示す図である。 従来技術及び本発明の実施形態によるシミュレーション結果を示す零相電流の波形図である。 従来技術を示す構成図である。 従来技術を示す構成図である。

符号の説明

１００Ａ：三相四線式負荷模擬装置
１０２，１０３：電圧検出器
１０５：Ａ／Ｄ変換部
１０６：ＣＰＵ（ＤＳＰ）
１０７：Ｄ／Ａ変換部
１０８，１０９，１１０：電流源
１１２，１１３：電流検出器
１１４：アナログ演算器
２００Ａ：三相交流電源（高圧系統）
ＯＰ：オペアンプ

Claims (1)

1. 高圧系統を模擬した三相四線結線の交流電源に接続され、電流指令に従って前記交流電源から負荷電流を引き込む電流源を備えた三相四線式負荷模擬装置において、
   前記交流電源の三相のうち、中性点を基準として第１相，第２相の電圧をアナログ量として検出する電圧検出手段と、
   第１相，第２相の電流をアナログ量として検出する電流検出手段と、
   検出された第１相，第２相の電圧をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
   ディジタル量に変換された第１相，第２相の電圧と予め設定された負荷量とに基づいて、前記第１相及び第２相の電流指令をディジタル量として演算する演算手段と、
   演算された電流指令をアナログ量に変換するＤ／Ａ変換手段と、
   アナログ量に変換された各電流指令に応じて、前記第１相及び第２相の負荷電流を前記交流電源からそれぞれ引き込む第１，第２の電流源と、
   前記電流検出手段により検出された第１相，第２相の電流から、零相電流が零になるように第３相の電流指令を演算するアナログ演算手段と、
   このアナログ演算手段により演算された電流指令に応じて、第３相の負荷電流を前記交流電源から引き込む第３の電流源と、
   を備えたことを特徴とする三相四線式負荷模擬装置。