JP4523950B2

JP4523950B2 - 無効電力補償装置、無効電力補償システム、及び無効電力補償方法

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Publication number: JP4523950B2
Application number: JP2007035144A
Authority: JP
Inventors: 康弘清藤; 博柏崎; 孝志相原; 智道伊藤; 庄一郎古関; 吉雄江口; 誠二田中; 哲也加藤; 康博今津
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2027-02-15
Also published as: JP2008199853A

Description

本発明は、需要者側で発生する負荷変動を電力供給側で抑制する無効電力補償装置、無効電力補償システム、及び無効電力補償方法に関する。

金属を溶解するアーク炉は、使用電力となる正相有効電流、電圧変動を引き起こす正相無効電流、あるいは、電圧不平衡を引き起こす逆相電流が頻繁に変動する。このため、アーク炉需要家のアーク炉母線に電圧フリッカが発生する。この電圧フリッカがアーク炉母線から、アーク炉用変圧器、電力会社側の上位母線、及び、一般需要家用変圧器を介して、一般需要家母線に減衰しながら伝達する。一般需要家母線の電圧フリッカを低減するために発生源であるアーク炉母線の電圧フリッカを抑制する必要がある。
例えば、特許文献１には、電源にリアクタンスを介して接続される母線と、母線に変圧器を介して接続される負荷と、母線に接続される複数のフィルタと、母線に接続されるリアクトルを介してサイリスタとを備え、母線の電圧と負荷に流れる電流とを用いて、サイリスタを位相制御して、アーク炉の無効電力変動を抑制する技術が開示されている。なお、バンドリジェクトフィルタ（ＢＲＦ）を用いて、直流成分を抽出している。
また、アーク炉母線に並列接続される複数のフィルタの各々は、直列共振回路を構成するため、アーク炉電流には例えば２次フィルタ電流、３次フィルタ電流、４次フィルタ電流、及び５次フィルタ電流が含まれる。無効電力補償装置がこれらのフィルタ電流を含めてアーク炉電流を検出して、無効電力変動を打ち消すように制御すると、制御遅れの影響でこれらの共振回路への正帰還が発生し、これらの高次電流がさらに増大する問題がある。これを避けるため、無効電力補償装置は需要家側に設置され、かつフィルタ電流を含めないアーク炉電流のみを検出して、正相無効電流と逆相電流の変動を打ち消すように制御されてきた。
特開平７−６７３２１号公報（図１、段落番号００１１）

契約または設備の制約から、無効電力補償装置を従来の需要家側ではなくリアクタンス（送電線）を介した電源側（電力会社側）に設置する要求が生じている。無効電力補償装置の入力となるアーク炉電流は、並列接続された複数のフィルタ電流を含んでいるため、正帰還により高次電流が増大する問題点がある。
需要家側におけるフィルタ周波数設定値は固定値であるが、電源側あるいは需要家側の電力系統構成の影響で、電源側に設置される無効電力補償装置から見える共振点（制御不安定点）は低く見える。電力系統構成は絶えず変動するため、電源側に設置される無効電力補償装置から見える共振点（制御不安定点）が変動していくという問題点がある。なお、特許文献１の技術は、母線側（需要者側）で電圧フリッカを検出し、無効電力変動を抑制しているため問題は少ない。

そこで、本発明は、需要者側で発生する電力変動を電力供給側で抑制することができる無効電力補償装置、無効電力補償システム、及び無効電力補償方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の無効電力補償システムは、上位系統と、インピーダンスを有する送電線と、この送電線を介して前記上位系統から送電される需要家とを備える電力系統の電圧変動を低減する無効電力補償装置を備える無効電力補償システムであって、前記無効電力補償装置は、前記送電線の前記上位系統側で測定される前記送電線に流れる負荷電流から正相電流成分を抽出する正相電流抽出手段と、前記負荷電流から逆相電流成分を抽出する逆相電流抽出手段と、前記送電線の前記上位系統側で測定した連系点電圧及び前記負荷電流から負荷アドミッタンスの周波数特性を演算する振幅位相演算手段と、前記振幅位相演算手段が演算した前記負荷アドミッタンスの振幅特性と位相特性とから特異周波数を特定する周波数特定手段と、前記正相電流抽出手段の出力信号から前記特異周波数の周波数成分を除去する第１フィルタと、前記逆相電流抽出手段の出力信号から前記特異周波数の周波数成分を除去する第２フィルタと、前記第１フィルタの出力信号を打ち消す正相電流と前記第２フィルタの出力信号を打ち消す逆相電流とからなる補償電流を前記負荷電流に加算出力する電力変換器とを備えることを特徴とする。

これによれば、負荷電流に流れる正相電流及び逆相電流が抽出され、抽出された各電流から特定の周波数成分が除去される。そして除去された電流を打ち消すように正相電流及び逆相電流が生成され、生成された電流が補償電流として負荷電流に加算される。また、連系点電圧と負荷電流とで演算された負荷アドミッタンスの正相振幅の特異周波数が特定され、この特異周波数の周波数成分が負荷電流から抽出された正相電流及び逆相電流から除去される。

本発明によれば、需要者側で発生する電力変動を電力供給側で抑制することができる。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態である無効電力補償システムの構成を説明する。
図１において、無効電力補償システム２００は、送電線１３０及びアーク炉需要家用の変圧器Ｔｒ３を介して上位系統１１０と接続される無効電力補償装置１００と、送電線１３５及び一般需要家用の変圧器Ｔｒ２Ａ，Ｔｒ２Ｂ，Ｔｒ２Ｃを介して上位系統１１０と接続される一般需要家１２０と、送電線１３７を介してアーク炉需要家用の変圧器Ｔｒ３に接続されるアーク炉需要家１５０とを備えている。

アーク炉需要家１５０は、アーク炉１５２と、共振周波数ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５のＬＣ直列共振回路が複数並列接続されたＢＰＦ１５５と、送電線１３７から電力を受電し、アーク炉１５２に電力を供給する変圧器Ｔｒ４とを備えている。
アーク炉１５２は、鉄等の金属廃棄物に三相電圧を印加して、相間にアーク電流を流して溶解させる炉であり、溶解状態によりアークの瞬時電流が逐次変動する。また、アーク炉１５２には、相間の瞬時電流のバラツキにより、不平衡電流が流れ、金属廃棄物のインダクタンス成分等により、非繰り返しで不定期に電流振幅と位相が変動する。このアーク炉動作に伴い発生する連系点周波数を中心とした広い周波数範囲にわたる電流変動成分によって、アーク炉需要家１５０に電圧変動が発生する。この電圧変動は、変圧器Ｔｒ４、及び送電線１３７のリアクタンスＬ３を介して、無効電力補償システム２００のアーク炉用母線に伝わり、さらに変圧器Ｔｒ３を介して上位母線に伝わり、一部が送電線１３０のリアクタンスＬ１を介して上位系統１１０に変動電流として分流し、残りが変圧器Ｔｒ２Ａ，Ｔｒ２Ｂ，Ｔｒ２Ｃを介して一般需要家用母線に伝わり、さらに送電線１３５のリアクタンスＬ２を介して一般需要家１２０にも影響を与える。

ＢＰＦ１５５は、商用周波数ｆ０（６０Ｈｚ）の整数倍ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５（１２０Ｈｚ，１８０Ｈｚ，２４０Ｈｚ，３００Ｈｚ）の共振周波数としており、アーク炉１５２で発生する高調波周波数の電圧ノイズをバイパスしている。

上位系統１１０は、発電設備、又は変電設備が代表的である。送電線１３０は、長距離送電線であることが多く、複数のルートがある場合や、２回線となっている場合もある。送電線容量、発電設備容量、又は変電設備容量、または設備点検などの制約により、一日に数回の頻度で上位系統１１０および送電線１３０の切換が行われる。このとき、送電線１３０のリアクタンスＬ１が変化する。

無効電力補償装置１００は、計器用変圧器ＰＴで検出した連系点電圧Ｖｓと、変流器５０で検出した送電線１３７を介してアーク炉需要家１５０へ流れるアーク炉電流Ｉ_Ｌを入力として、正相無効電流、逆相電流の変動成分を抽出して、これらを打ち消す補償電流Ｉｃを生成してアーク炉用母線に注入する。言い換えれば、アーク炉用母線に流れる連系電流Ｉｓは、Ｉｓ＝Ｉｃ＋Ｉ_Ｌとなる。

ここで、三相不平衡電力について説明する。アーク炉負荷では、三相電源に複数の周波数成分が含まれている。ここでは、そのうちの周波数成分ｆについて説明する。
三相電圧Ｖｕ(ｆ)，Ｖｖ(ｆ)，Ｖｗ(ｆ)、三相電流Ｉｕ(ｆ)，Ｉｖ(ｆ)，Ｉｗ(ｆ)としたとき、周波数成分ｆに対する三相電力Ｐ(ｆ)は、
Ｐ(ｆ)＝Ｖｕ(ｆ)・Ｉｕ(ｆ)＋Ｖｖ(ｆ)・Ｉｖ(ｆ)＋Ｖｗ(ｆ)・Ｉｗ(ｆ)
＝３Ｖ０(ｆ)・Ｉ０(ｆ)＋３Ｖ１(ｆ)・Ｉ１(ｆ)＋３Ｖ２(ｆ)・Ｉ２(ｆ)
であり、零相電力と正相電力と逆相電力との和となる。
なお、
零相電流Ｉ０(ｆ)＝（１／３）（Ｉｕ(ｆ)＋Ｉｖ(ｆ)＋Ｉｗ(ｆ)）、
正相電流Ｉ１(ｆ)＝（１／３）（Ｉｕ(ｆ)＋ａ・Ｉｖ(ｆ)＋ａ^２・Ｉｗ(ｆ)）、
逆相電流Ｉ２(ｆ)＝（１／３）（Ｉｕ(ｆ)＋ａ^２・Ｉｖ(ｆ)＋ａ・Ｉｗ(ｆ)）
であり、ａはベクトルオペレータである。

また、周波数成分ｆに対する負荷電流Ｉｕ(ｆ)，Ｉｖ(ｆ)，Ｉｗ(ｆ)は、平衡電流と不平衡電流とに分解され、不平衡電流は逆相電流Ｉ２(ｆ)が原因となって発生する。ここで、逆相電流Ｉ２(ｆ)と正相電流Ｉ１(ｆ)との比Ｉ２(ｆ)／Ｉ１(ｆ)は、不平衡率ｋ(ｆ)である。特に、三相交流平衡電流Ｉ(ｆ)のとき、Ｉ０(ｆ)＝０，Ｉ１(ｆ)＝Ｉ，Ｉ２(ｆ)＝０となり、正相電流のみとなる。

また、正相電流は正相有効電流と正相無効電流とに分解される。したがって、無効電力及び不平衡電力を低減するために、無効電力補償装置１００は正相無効電流及び逆相電流を打ち消す補償電流Ｉｃを電力系統に注入する。

図２において、無効電力補償装置１００は、ＳＴＡＴＣＯＭ（STATic synchronous COMpensator）もしくは自励式ＳＶＣ（Static Var Compensator：静止形無効電力補償装置）ともいう。）ともいい、変圧器１０と、電力変換器２０と、コンデンサ３０と、電流制御手段４０と、振幅位相演算手段６０と、振幅位相演算手段６５と、周波数特定手段７０と、正相電流抽出手段８０と、逆相電流抽出手段８５と、ＢＥＦ（Band Elimination Filter）９０，９５と、変流器（ＣＴ）５５とを備え、アーク炉用母線に無効電力を供給して連系点電圧Ｖｓを安定化する。なお、電流制御手段４０と振幅位相演算手段６０と振幅位相演算手段６５と周波数特定手段７０と正相電流抽出手段８０と逆相電流抽出手段８５とＢＥＦ９０，９５とは、図示しないＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を用いたコンピュータ及びプログラムによって機能する。

変圧器１０と電力変換器２０とコンデンサ３０とは、電力変換器２０のスイッチタイミングを制御することにより、コンデンサ３０の直流電圧を加工して交流電圧として出力し、正相無効電流と逆相電流を調整する。なお、電力変換器２０は、自励式変換器であり、系統側のＡＣ電圧の歪に無関係に運転することができるので、補償電力供給能力の制約が少ない。また、自励式ＳＶＣは、進相コンデンサが不用であるので、他励式ＳＶＣに比較して設置スペースが小さいという利点がある。また、電力変換器２０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体制御素子を用いて構成されるが、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）等を用いることもできる。

電流制御手段４０は、アーク炉電流ＩＬの正相無効電流成分と逆相電流成分とに基づいて、電力変換器２０のスイッチタイミングを制御する。

正相電流抽出手段８０は、アーク炉電流ＩＬから正相無効電流を抽出する。具体的には、アーク炉電流ＩＬから振幅位相演算手段６０が演算した連系点周波数における位相特性の値θを用いてｓｉｎθを乗算して正相無効電流を演算する。ＢＥＦ９０は、正相電流抽出手段８０が出力する正相無効電流信号から設定された周波数成分を除去する。逆相電流抽出手段８５は、系統電流Ｉｓから逆相電流を抽出する。例えば、逆相電流Ｉ２を
Ｉ２＝（１／３）（Ｉｕ＋ａ^２・Ｉｖ＋ａ・Ｉｗ）
を用いて演算する。ＢＥＦ９５は、逆相電流抽出手段８５が出力する逆相電流信号から設定された一つあるいは複数の周波数成分を除去する。

振幅位相演算手段６０は、連系点電圧Ｖｓ及びアーク炉電流Ｉ_Ｌを用いて負荷アドミッタンスのボード線図を演算する。すなわち、アーク炉電流Ｉ_Ｌと連系点電圧Ｖｓをそれぞれ周波数解析して、ｎ次（測定窓が１０ｓならば、１次＝１／１０ｓ＝０．１Ｈｚ）周波数成分を求め、アーク炉電流ｎ次成分を連系点電圧ｎ次成分で除してｎ次成分負荷アドミッタンスＹａｒｃ（ｎ）を演算し、この負荷アドミッタンスＹａｒｃ（ｎ）の振幅と位相との周波数特性を演算する。

具体的には、図３及び図４の構成図において、振幅位相演算手段６０は、αβ変換手段３１０，３１５と、波形メモリ３１２，３１３，３１７，３１８と、ＦＦＴ３２０，３２２，３２４，３２６と、正相演算手段３３０，３３５と、、逆相演算手段３７０，３７５と、振幅位相分離手段３４０，３４５，３８０，３８５と、除算器３５０，３５５と、加算器３６０，３６５とを備える。

αβ変換手段３１０は、（１）式、及び（２）式に基づいて三相の連系点電圧Ｖｓ（Ｖｓｕ，Ｖｓｖ，Ｖｓｗ）を用いてα相電圧Ｖｓａとβ相電圧Ｖｓｂとを出力する。
Ｖｓａ＝Ｖｓｕ・２／３−Ｖｓｖ／３−Ｖｓｗ／３（１）
Ｖｓｂ＝Ｖｓｕ／√３−Ｖｓｗ／√３（２）

αβ変換手段３１５は、（３）式（４）式に基づいて三相のアーク炉電流Ｉ_Ｌ（Ｉａｒｃｕ，Ｉａｒｃｖ，Ｉａｒｃｗ）を用いてａ相電流Ｉａｒｃａとｂ電流Ｉａｒｃｂとを出力する。
Ｉａｒｃａ＝Ｉａｒｃｕ・２／３−Ｉａｒｃｖ／３−Ｉａｒｃｗ／３（３）
Ｉａｒｃｂ＝Ｉａｒｃｕ／√３−Ｉａｒｃｗ／√３（４）

波形メモリ３１２，３１３，３１７，３１８は、１０秒間のα相電圧Ｖｓａ、β相電圧Ｖｓｂ、電流ａ相電流Ｉａｒｃａ、及びｂ電流Ｉａｒｃｂを各々記憶する。

ＦＦＴ変換手段３２０，３２２，３２４，３２６は、α相電圧Ｖｓａ、β相電圧Ｖｓｂ、α相電流Ｉａｒｃａ、β相電流Ｉａｒｃｂを、高速フーリエ変換するものであり、各々正弦波成分Ｖｓａｓ，Ｖｓｂｓ，Ｉａｒｃａｓ，Ｉａｒｃｂｓと余弦波成分Ｖｓａｃ，Ｖｓｂｃ，Ｉａｒｃａｃ，Ｉａｒｃｂｃとに分解する。なお、検出分解能を０．１Ｈｚに想定すると、判定に必要なサンプリング期間はＴ＝１／０．１Ｈｚ＝１０秒となる。

関数ｆ（ｔ）のｎ次ＦＦＴの一般式は、次の式（５）及び式（６）で表せる。

正相演算手段３３０は、ＦＦＴ変換された連系点電圧Ｖｓａｓ（ｎ），Ｖｓｂｓ（ｎ），Ｖｓａｃ（ｎ），Ｖｓｂｃ（ｎ）を、正相電圧Ｖｓｄ（正）（ｎ），Ｖｓｑ（正）（ｎ）に変換するものである。
正相演算手段３３５は、ＦＦＴ変換されたアーク炉電流Ｉａｒｃａｓ（ｎ），Ｉａｒｃｂｓ（ｎ），Ｉａｒｃａｃ（ｎ），Ｉａｒｃｂｃ（ｎ）を、正相電流Ｉａｒｃｄ（正）（ｎ），Ｉａｒｃｑ（正）（ｎ）に変換するものである。

振幅位相分離手段３４０は、正相電圧Ｖｓｄ（正）（ｎ），Ｖｓｑ（正）（ｎ）を正相振幅と正相位相とに分離するものであり、次式によって演算される。
Ｖｓ正相振幅（ｎ）＝√｛Ｖｓｄ（正）（ｎ）^２＋Ｖｓｑ（正）（ｎ）^２｝
Ｖｓ正相位相（ｎ）＝ｔａｎ^−１｛Ｖｓｄ（正）（ｎ）／Ｖｓｑ（正）（ｎ）｝

振幅位相分離手段３４５は、正相電流Ｉａｒｃｄ（正），Ｉａｒｃｑ（正）を正相振幅と正相位相とに分離するものであり、次式によって演算される。
Ｉａｒｃ正相振幅（ｎ）＝√｛Ｉａｒｃｄ（正）（ｎ）^２＋Ｉａｒｃｑ（正）（ｎ）^２｝
Ｉａｒｃ正相位相（ｎ）＝ｔａｎ^−１｛Ｉａｒｃｄ（正）（ｎ）／Ｉａｒｃｑ（正）（ｎ）｝

除算器３５０は、Ｉａｒｃ正相振幅（ｎ）をＶｓ正相振幅（ｎ）で除することによって、負荷アドミッタンスＹａｒｃ（ｎ）の正相振幅（ｎ）を演算する。また、加算器３６０は、Ｉａｒｃ正相位相（ｎ）からＶｓ正相位相（ｎ）を減じることによって、負荷アドミッタンスＹａｒｃ正相位相（ｎ）を演算する。

逆相演算手段３７０は、ＦＦＴ変換された連系点電圧Ｖｓａｓ（ｎ），Ｖｓｂｓ（ｎ），Ｖｓａｃ（ｎ），Ｖｓｂｃ（ｎ）を、ｄｑベクトル変換された正相電圧Ｖｓｄ（逆）（ｎ），Ｖｓｑ（逆）（ｎ）に変換するものである。また、正相演算手段３７５は、ＦＦＴ変換されたアーク炉電流Ｉａｒｃａｓ（ｎ），Ｉａｒｃｂｓ（ｎ），Ｉａｒｃａｃ（ｎ），Ｉａｒｃｂｃ（ｎ）を、ｄｑベクトル変換された正相電流Ｉａｒｃｄ（逆）（ｎ），Ｉａｒｃｑ（逆）（ｎ）に変換するものである。

振幅位相分離手段３８０は、ｄｑベクトル変換された逆相電圧Ｖｓｄ（逆）（ｎ），Ｖｓｑ（逆）（ｎ）を逆相振幅と逆相位相とに分離するものであり、次式によって演算される。
Ｖｓ逆相振幅（ｎ）＝√｛Ｖｓｄ（逆）（ｎ）^２＋Ｖｓｑ（逆）（ｎ）^２｝
Ｖｓ逆相位相（ｎ）＝ｔａｎ^−１｛Ｖｓｄ（逆）（ｎ）／Ｖｓｑ（逆）（ｎ）｝

振幅位相分離手段３８５は、ｄｑベクトル変換された逆相電流Ｉａｒｃｄ（逆）（ｎ），Ｉａｒｃｑ（逆）（ｎ）を逆相振幅と逆相位相とに分離するものであり、次式によって演算される。
Ｉａｒｃ逆相振幅（ｎ）＝√｛Ｉａｒｃｄ（逆）（ｎ）^２＋Ｉａｒｃｑ（逆）（ｎ）^２｝
Ｉａｒｃ逆相位相（ｎ）＝ｔａｎ^−１｛Ｉａｒｃｄ（逆）（ｎ）／Ｉａｒｃｑ（逆）（ｎ）｝

除算器３５５は、Ｉａｒｃ逆相振幅（ｎ）をＶｓ逆相振幅（ｎ）で除することによって、負荷アドミッタンスＹａｒｃ逆相振幅（ｎ）を演算する。また、加算器３６５は、Ｉａｒｃ逆相位相（ｎ）からＶｓ逆相位相（ｎ）を減じることによって、負荷アドミッタンスＹａｒｃの逆相位相（ｎ）を演算する。

ここで、図５を参照して、電力系統の負荷アドミッタンスＹａｒｃについて補足する。
図５（ａ）は無効電力補償システム２００の等価回路であり、図５（ｂ）はこの等価回路のテブナン等価回路である。
図５（ａ）において、無効電力補償装置１００と上位系統１１０とアーク炉に並列接続されることがある他励式の無効電力補償装置の交流源１５２とには、各々等価的なインダクタンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３が接続され、これらのインダクタンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３の接続点をノードＡとしている。なお、アーク炉１５２にはＢＰＦ１５５が接続されている。

ここで、ノードＡの電位Ｖ_Ａを重ね合わせの定理を用いて算出する。
Ｖ_Ａ＝（Ｚ２／／Ｚ３’）／｛（Ｚ２／／Ｚ３’）＋Ｚ１｝・Ｖ１＋（Ｚ１／／Ｚ３’）／｛（Ｚ１／／Ｚ３’）＋Ｚ２｝・Ｖ２＋（Ｚ１／／Ｚ２）／｛（Ｚ１／／Ｚ２）＋Ｚ３’｝・Ｖ３
ここで、ａ，ｂを整数として、（Ｚａ／／Ｚｂ）＝Ｚａ・Ｚｂ／（Ｚａ＋Ｚｂ）であり、Ｚ３’はＺ３とアーク炉の等価抵抗とＢＰＦ１５５との合成インピーダンスである。

図５（ｂ）のテブナン等価回路においては、この電位Ｖ_Ａがテブナン電源Ｖｓとして記載されている。また、交流源Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を接地して求めるＡ点におけるテブナン抵抗は、各インピーダンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３’（図５（ａ））の並列回路である。本実施形態においては、Ａ点の電位を連系点電圧Ｖｓと負荷電流であるアーク炉電流Ｉ_Ｌとを測定して、アーク炉１５２のアドミッタンスＹを演算している。なお、後記するように連系点電圧Ｖｓと補償電流Ｉｃとで、無効電力補償装置１００の装置アドミッタンスも演算している。

周波数特定手段７０は、振幅位相演算手段６０が演算したアドミッタンスＹの振幅と位相とから特異点の周波数を一つあるいは複数特定する。
図６（ａ）はアーク炉電流Ｉ_Ｌに基づいた負荷アドミッタンスＹａｒｃの正相振幅の周波数特性であり、縦軸が規格化した振幅［ｐｕ］であり、横軸が周波数［Ｈｚ］である。図６（ｂ）は正相位相の周波数特性であり、縦軸が位相［°］であり、横軸が周波数［Ｈｚ］である。

図６（ａ）において、正相振幅が１０［ｐｕ］以上の周波数は、１０１．８Ｈｚ、１０４．９Ｈｚ、１６３，５Ｈｚ、２１２．９Ｈｚであり、これらの共振周波数がアーク炉のフィルタ共振周波数と推定される。
また、図６（ｂ）に示される正相位相特性は、位相変化点が多く共振周波数の特定が困難である。

図７（ａ）はアーク炉電流Ｉ_Ｌに基づいたアドミッタンスＹａｒｃの逆相振幅の周波数特性であり、縦軸が規格化した振幅［ｐｕ］であり、横軸が周波数［Ｈｚ］である。図６（ｂ）は逆相位相の周波数特性であり、縦軸が位相［°］であり、横軸が周波数［Ｈｚ］である。１０［ｐｕ］以上の逆相振幅は発生していないので、共振周波数として特定されない。なお、逆相振幅が１０［ｐｕ］以下の周波数１０１．８Ｈｚ、１０４．９Ｈｚ、１０９．５Ｈｚ、１４０．４Ｈｚ、１５４．３Ｈｚ、１６０．５Ｈｚ、１６３．５Ｈｚの共振周波数が存在する。すなわち、正相振幅から推定された共振周波数と同一の周波数成分が含まれている。なお、図６（ｂ）に示される逆相位相特性も位相変化点が多く、共振周波数の特定が困難である。

すなわち、周波数特定手段７０（図２）は、図６（ａ）に示される正相振幅特性を用いて、特定された共振周波数ｆ_Ｖ２，ｆ_Ｖ３，ｆ_Ｖ４，ｆ_Ｉ２，ｆ_Ｉ３，ｆ_Ｉ４をＢＥＦ９０，９５（図２）に設定する。

以上説明したように、本実施形態によれば、上位系統１１０からインピーダンスを有する送電線１３０を介してアーク炉需要家１５０に送電する電力系統の電圧変動を低減する無効電力補償装置１００は、上位系統１１０側で測定される送電線１３０に流れるアーク炉電流Ｉ_Ｌから無効電流成分を抽出し、無効電流成分の信号から特定周波数の周波数成分を除去し、上位系統１１０側で測定した連系点電圧Ｖｓ及びアーク炉電流Ｉ_Ｌから負荷アドミッタンスＹａｒｃの周波数特性を演算し、負荷アドミッタンスＹａｒｃの振幅特性と位相特性とから特異周波数を特定し、特定周波数（単数あるいは複数の特異周波数）の周波数成分を除去した無効電流成分の信号を打ち消す正相電流と特定周波数（単数あるいは複数の特異周波数）の周波数成分を除去した逆相電流成分の信号を打ち消す逆相電流とからなる補償電流Ｉｃをアーク炉電流Ｉ_Ｌに加算出力する。これにより、送電線よりも上位系統１１０側で無効電流（正相電流）及び逆相電流を補償することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、アーク炉電流Ｉ_Ｌを用いて演算したアーク炉正相アドミッタンス振幅を用いたが、これに加えて、アーク炉電流Ｉ_Ｌを用いて演算したアーク炉逆相アドミッタンス振幅を用いて演算した負荷アドミッタンス逆相振幅を考慮して共振周波数を特定することができる。

この第２実施形態の無効電力補償装置の構成は第１実施形態と同様であるが、周波数特定方法が異なる。この周波数特定方法を図９のフローチャートを参照して説明する。
まず、振幅位相演算手段６０は、第１実施形態と同様に、アーク炉電流Ｉ_Ｌと連系点電圧Ｖｓとを１０秒間記録して、（Ｓ１０）、アーク炉電流Ｉ_Ｌと連系点電圧Ｖｓとを用いて、アーク炉アドミッタンス正相振幅（Ｙａｒｃ正相振幅）を演算して（Ｓ２０）、アーク炉電流Ｉ_Ｌと連系点電圧Ｖｓとを用いて、アーク炉アドミッタンス逆相振幅（Ｙａｒｃ逆相振幅）を演算する（Ｓ３０）。

そして、周波数特定手段７０は、Ｙａｒｃ正相振幅が所定値１０［ｐｕ］以上の周波数１０１．８Ｈｚ、１０４．９Ｈｚ、１６３．５Ｈｚ、２１２．９Ｈｚを特定し、Ｙａｒｃ逆相振幅が他の所定値５［ｐｕ］以上の周波数１０１．８Ｈｚ、１０４．９Ｈｚ、１０９．５Ｈｚ、１４０．４Ｈｚ、１５４．３Ｈｚ、１６０．５Ｈｚ、１６３．５Ｈｚを特定する（Ｓ４０）。さらに、周波数特定手段７０は、双方の共通周波数である１０１．８Ｈｚ、１０４．９Ｈｚ、１６３．５Ｈｚを特定し、この特定周波数に基づいた周波数（重複周波数）をＢＥＦ９０，９５に設定する（Ｓ５０）。そしてこのルーチンが終了する。これにより、Ｙａｒｃ正相振幅で特定された周波数２１２．９Ｈｚが除去される。

（第３実施形態）
第１実施形態では、アーク炉電流Ｉ_Ｌを用いて演算したアーク炉正相アドミッタンス振幅を用いたが、これに加えて、無効電力補償装置１００の補償電流Ｉｃを用いて演算した負荷アドミッタンス正相振幅を考慮して共振周波数を特定することができる。

この第３実施形態の無効電力補償装置の構成は第１実施形態と同様であるが、周波数特定方法が異なる。この周波数特定方法を図１０のフローチャートを参照して説明する。
まず、振幅位相演算手段６０は、第１実施形態と同様に、アーク炉電流Ｉ_Ｌと連系点電圧Ｖｓとを１０秒間記録して、（Ｓ１１０）、アーク炉電流Ｉ_Ｌと連系点電圧Ｖｓとを用いて、アーク炉アドミッタンス正相振幅（Ｙａｒｃ正相振幅）を演算する（Ｓ１２０）。
さらに、振幅位相演算手段６５は、補償電流Ｉｃと連系点電圧Ｖｓとを１０秒間記録して（Ｓ１１０）、補償電流Ｉｃと連系点電圧Ｖｓとを用いて、無効電力補償装置１００の装置アドミッタンス正相振幅（Ｙｉｎｖ正相振幅）を演算する（Ｓ１３０）。

そして、周波数特定手段７０は、Ｙａｒｃ正相振幅が１０［ｐｕ］以上の周波数１０１．８Ｈｚ、１０４．９Ｈｚ、１６３．５Ｈｚ、２１２．９Ｈｚを特定し、Ｙｉｎｖ正相振幅が２０［ｐｕ］以上の周波数１０４．９Ｈｚ、１４１．９Ｈｚ、１６３．５Ｈｚ、２１２．９Ｈｚを特定する（Ｓ１４０）。さらに、周波数特定手段７０は、双方の共通周波数である１０４．９Ｈｚ、１６３．５Ｈｚ、２１２．９Ｈｚを特定し、この特定周波数に基づいた周波数（重複周波数）をＢＥＦ９０，９５に設定する（Ｓ１５０）。そしてこのルーチンが終了する。これにより、Ｙａｒｃ正相振幅で特定された周波数１０１．８Ｈｚが除去される。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記各実施形態は、無効電流（正相）のＢＥＦ９０と逆相のＢＥＦ９５とで周波数設定を共通にしたが、何れかのＢＥＦを削除する場合もある。
１０２ＨｚがＬＣ共振周波数である場合では、１０２Ｈｚ−６０Ｈｚ＝４２Ｈｚの正相用のＢＥＦ９０と、１０２Ｈｚ＋６０Ｈｚ＝１６２Ｈｚの逆相用のＢＥＦ９５とが原理的に必要であるが、例えば、４２Ｈｚの正相用のＢＥＦ９０のみで十分な場合もある。
（２）前記各実施形態は、正相アドミッタンス、あるいは逆相アドミッタンスを演算したが、正相インピーダンス、あるいは逆相インピーダンスを演算しても、これらは正相アドミッタンス、あるいは逆相アドミッタンスの逆数とみなされる。

本発明の第１実施形態である無効電力補償システムの構成図である。本発明の第１実施形態である無効電力補償装置の構成図である。振幅位相演算手段の一の構成図である。振幅位相演算手段の他の構成図である。無効電力補償システムの等価回路である。アーク炉正相振幅、及び正相位相の周波数特性を示す図である。アーク炉逆相振幅、及び逆相位相の周波数特性を示す図である。無効電力補償装置の正相振幅の周波数特性を示す図である。本発明の第２実施形態のフィルタ周波数を特定する方法を示すフローチャート本発明の第３実施形態のフィルタ周波数を特定する方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０変成器
２０電力変換器
３０コンデンサ
４０電流制御手段
５０変流器
５５変流器
６０振幅位相演算手段
６５振幅位相演算手段
７０周波数特定手段
８０無効電流抽出手段
８５逆相電流抽出手段
９０，９５ＢＥＦ
１００無効電力補償装置
１１０上位系統
１２０一般需要家
１３０，１３５送電線
１５０アーク炉需要家
１５２アーク炉
１５５ＢＰＦ
２００無効電力補償システム
３１０，３１５ αβ変換手段
３２０，３２２，３２４，３２６ＦＦＴ変換手段
３３０，３３５正相演算手段
３４０，３４５，３８０，３８５振幅位相分離手段
３５０，３５５除算器
３６０，３６５加算器
３７０，３７５逆相演算手段

ＰＴ変成器
ＣＴ変流器
Ｔｒ２Ａ，Ｔｒ２Ｂ，Ｔｒ２Ｃ，Ｔｒ３，Ｔｒ４変圧器
ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ_Ｖ２，ｆ_Ｖ３，ｆ_Ｖ４、ｆ_Ｉ２，ｆ_Ｉ３，ｆ_Ｉ４共振周波数
ＩＬアーク炉電流

Claims

負荷に流れる負荷電流から正相電流成分を抽出する正相電流抽出手段と、
前記負荷電流から逆相電流成分を抽出する逆相電流抽出手段と、
前記負荷電流及び連系点電圧から負荷アドミッタンスの周波数特性を演算する振幅位相演算手段と、
前記振幅位相演算手段が演算した前記負荷アドミッタンスの振幅特性と位相特性とから特異周波数を特定する周波数特定手段と、
前記正相電流抽出手段の出力信号から前記特異周波数の周波数成分を除去する第１のフィルタと、
前記逆相電流抽出手段の出力信号から前記特異周波数の周波数成分を除去する第２のフィルタと、
前記第１のフィルタの出力信号を打ち消す正相電流と、前記第２のフィルタの出力信号を打ち消す逆相電流とからなる補償電流を前記負荷電流に加算出力する電力変換器とを備えることを特徴とする無効電力補償装置。
前記振幅位相演算手段は、前記負荷アドミッタンスの正相振幅の周波数特性を演算し、
前記周波数特定手段は、前記正相振幅が所定値以上の特異周波数を複数選定し、この選定された特異周波数を前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタに設定することを特徴とする請求項１に記載の無効電力補償装置。
前記振幅位相演算手段は、前記負荷電流及び前記連系点電圧から前記負荷アドミッタンスの逆相振幅と、前記負荷アドミッタンスの正相振幅との周波数特性を演算し、
前記周波数特定手段は、前記負荷アドミッタンスの逆相振幅が所定値以上の第１特異周波数と、前記負荷アドミッタンスの正相振幅が所定値以上の第２特異周波数とを選定し、
前記第１特異周波数と前記第２特異周波数との共通周波数を複数特定し、この特定された複数の共通周波数を前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタに設定することを特徴とする請求項１に記載の無効電力補償装置。
前記振幅位相演算手段は、前記補償電流及び前記連系点電圧から装置アドミッタンスの正相振幅と、前記負荷アドミッタンスの正相振幅との周波数特性を演算し、
前記周波数特定手段は、前記装置アドミッタンスの正相振幅が所定値以上の第１特異周波数と、前記負荷アドミッタンスの正相振幅が所定値以上の第２特異周波数とを選定し、
前記第１特異周波数と前記第２特異周波数との共通周波数を複数特定し、この特定された複数の共通周波数を前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタに設定することを特徴とする請求項１に記載の無効電力補償装置。
上位系統と、インピーダンスを有する送電線と、この送電線を介して前記上位系統から送電される需要家と、これらからなる電力系統の電圧変動を低減する無効電力補償装置とを備える無効電力補償システムであって、
前記無効電力補償装置は、
前記送電線の前記上位系統側で測定される前記送電線に流れる負荷電流から正相電流成分を抽出する正相電流抽出手段と、
前記負荷電流から逆相電流成分を抽出する逆相電流抽出手段と、
前記送電線の前記上位系統側で測定した連系点電圧及び前記負荷電流から負荷アドミッタンスの周波数特性を演算する振幅位相演算手段と、
前記振幅位相演算手段が演算した前記負荷アドミッタンスの振幅特性と位相特性とから特異周波数を特定する周波数特定手段と、
前記無効電流抽出手段の出力信号から前記特異周波数の周波数成分を除去する第１のフィルタと、
前記逆相電流抽出手段の出力信号から前記特異周波数の周波数成分を除去する第２のフィルタと、
前記第１のフィルタの出力信号を打ち消す正相電流と前記第２のフィルタの出力信号を打ち消す逆相電流とからなる補償電流を前記負荷電流に加算出力する電力変換器とを備えることを特徴とする無効電力補償システム。
前記需要家は、アーク炉と、このアーク炉に並列接続され、商用周波数の高調波周波数を共振周波数とする帯域フィルタとを備え、
前記周波数特定手段で特定される特定周波数と前記商用周波数の高調波周波数との差が前記電力系統によって生じることを特徴とする請求項５に記載の無効電力補償システム。
前記振幅位相演算手段は、前記負荷アドミッタンスの正相振幅の周波数特性を演算し、
前記周波数特定手段は、前記正相振幅が所定値以上の特異周波数を複数選定し、この選定された特異周波数を前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタに設定することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の無効電力補償システム。
前記振幅位相演算手段は、前記負荷電流及び前記連系点電圧から負荷アドミッタンスの逆相振幅と、前記負荷アドミッタンスの正相振幅との周波数特性を演算し、
前記周波数特定手段は、前記負荷アドミッタンスの逆相振幅が所定値以上の第１特異周波数と、前記負荷アドミッタンスの正相振幅が所定値以上の第２特異周波数とを選定し、
前記第１特異周波数と前記第２特異周波数との共通周波数を複数特定し、この特定された複数の共通周波数を前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタに設定することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の無効電力補償システム。
前記振幅位相演算手段は、前記補償電流及び前記連系点電圧から装置アドミッタンスの正相振幅と、前記負荷アドミッタンスの正相振幅との周波数特性を演算し、
前記周波数特定手段は、前記装置アドミッタンスの正相振幅が所定値以上の第１特異周波数と、前記負荷アドミッタンスの正相振幅が所定値以上の第２特異周波数とを選定し、
前記第１特異周波数と前記第２特異周波数との共通周波数を複数特定し、この特定された複数の共通周波数を前記第１のフィルタ及び前記第２のフィルタに設定することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の無効電力補償システム。
前記無効電力補償装置は、前記電力変換器が変圧器を介して補償電流を前記負荷電流に加算出力することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の無効電力補償システム。
上位系統と、インピーダンスを有する送電線と、この送電線を介して前記上位系統から送電される需要家とを備える電力系統の電圧変動を低減する無効電力補償装置の無効電力補償方法であって、
前記無効電力補償装置は、
前記送電線の前記上位系統側で測定される前記送電線に流れる負荷電流から正相電流成分と逆相電流成分とを抽出するステップと、
前記送電線の前記上位系統側で測定した連系点電圧及び前記負荷電流から負荷アドミッタンスの周波数特性を演算するステップと、
前記負荷アドミッタンスの振幅特性と位相特性とから特異周波数を特定するステップと、
前記正相電流成分の信号、及び前記逆相電流成分の信号から前記特異周波数の周波数成分を除去するステップと、
前記特異周波数の周波数成分を除去した正相電流成分の信号を打ち消す正相電流と前記特異周波数の周波数成分を除去した逆相電流成分の信号を打ち消す逆相電流とからなる補償電流を前記負荷電流に加算出力するステップとを実行することを特徴とする無効電力補償方法。