JP4840291B2 - 無効電力補償装置の制御方式 - Google Patents

Description

この発明は、半導体装置を用いて電力系統に連系し、電力系統の電圧変動を抑制する無効電力補償装置の制御方式に関する。

図２に、無効電力補償装置の一般的な例を示す。
すなわち、図２の無効電力補償装置１は、電力系統２から系統インピーダンス３を介して負荷４が接続された系統の、上記系統インピーダンス3と負荷４との間に設置され、負荷４によって発生する無効電力を補償する。

無効電力補償装置１はサイリスタ５、リアクトル６、コンデンサ７、制御装置１３などから構成される。その動作としては、電圧フリッカを補償するために、負荷４が発生する無効電力を補償する。負荷４が発生する無効電力をＱｆ、無効電力補償装置１の無効電力をＱｔ、系統の無効電力をＱｓとすると、Ｑｔ＝Ｑｆとなるように、無効電力補償装置１を制御することで系統の無効電力をＱｓ＝０とし、その結果、系統電圧の電圧変動を抑制でき、電圧フリッカを抑制することができる。

制御装置１３の具体例を図３に示す。ここでは、ＰＴやＣＴにより系統電圧，９０°位相遅れの系統電圧や負荷電流ｉｆを検出し、無効電力検出器１０により無効電力Ｑを演算する。検出した無効電力Ｑにゲイン要素１１からのゲインを乗算した結果を、点弧角制御回路１２に入力し、この点弧角制御回路１２でサイリスタを点弧するための点弧角指令αを演算するものである。

図４に、例えば特許文献１に開示された無効電力検出器１０の具体例を示す。
同図では、以下のように無効電力Ｑを演算する。
（イ）系統電圧ｖ１と、系統電圧ｖ1に対し９０°遅れた電圧ｖ２と負荷電流ｉｆを検出し、図５に示すようなオールパスフィルタ２１で負荷電流ｉｆを９０°進めた電流ｉｆ’を演算する。ここに、ｖ1，ｖ２およびｉｆは次式のように示される。

ｖ1＝√２Ｅｓｉｎωｔ −（１）
ｖ２＝−√２Ｅｃｏｓωｔ −（２）
ｉｆ＝√２Ｉｓｉｎ（ωｔ−φ） −（３）

（ロ）ｖ２とｉｆを乗算することで、無効電力瞬時値qを演算する。
q＝ｖ２×ｉｆ＝E・I｛ｓｉｎφ−ｓｉｎ（２ωｔ−φ）｝ −（４）
（ハ）ｖ１とｉｆを９０°進めた電流ｉｆ’ を乗算することで、仮想無効電力瞬時値q’を演算する。
q’＝ｖ１×ｉｆ’＝E・I｛ｓｉｎφ+ｓｉｎ（２ωｔ−φ）｝ −（５）

（ニ）無効電力瞬時値qと仮想無効電力瞬時値q’を加算する。
q＋q’＝２E・I・ｓｉｎφ −（６）
（ホ）上記（６）式に1/２を乗じることで、無効電力Qを演算する。
Q＝（q＋q’）/2= E・I・ｓｉｎφ −（7）

特開平０８−１４０２６８号公報

特許文献１のようにすると、無効電力Qを演算するためには、系統電圧に対して９０°位相遅れの電圧を検出する変圧器（PT）や、オールパスフィルタが必要になる。特に、オールパスフィルタは図５のようにオペアンプ等を用いて作るので、９０°位相を進めるための調整が必要になる。このため、回路が複雑かつ規模が大きくなり、フィルタの調整に時間が必要になるなど、コストアップの要因になる。また、オールパスフィルタは瞬時,
瞬時の値を移相するため、急峻な負荷電流の変化によっては、演算誤差が大きくなる可能性がある。

したがって、この発明の課題は、回路を複雑かつ大規模化することなく、演算誤差も小さな無効電力の演算方式を提供することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、電力系統に接続されて電力系統の電圧変動を抑制する無効電力補償装置によって負荷の無効電力を補償するに当たり、
系統電圧と負荷電流との積によって演算される有効電力瞬時値を一定期間平均した微分値と、系統電圧より９０°遅れた電圧と負荷電流との積によって演算される無効電力瞬時値を一定期間平均した微分値との差を、前記無効電力瞬時値に加算することで無効電力値を演算し、この演算値により負荷の無効電力を補償することを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記有効電力瞬時値を一定期間平均した微分値は、ｎ（２以上の自然数）サンプリング前まで有効電力瞬時値を微分したものが、１サンプリング前の有効電力瞬時値を微分したものと同一位相，同一振幅となるように移相し、振幅をそろえて演算することができる（請求項２の発明）。これら請求項１または２の発明においては、前記無効電力瞬時値を一定期間平均した微分値は、ｎ（２以上の自然数）サンプリング前まで無効電力瞬時値を微分したものが、１サンプリング前の無効電力瞬時値を微分したものと同一位相，同一振幅となるように移相し、振幅をそろえて演算することができる（請求項３の発明）。

従来のように、負荷電流を９０°進めた電流を系統電圧に乗算して求めた仮想無効電力瞬時値と、無効電力瞬時値とを加算して無効電力を求めるようにすると、オールパスフィルタ等が必要となって演算誤差も大きくなるので、この発明によれば、無効電力値の求め方を工夫することで、演算検出回路の小型化，低コスト化を図ることが可能となる。また、負荷電流を一定期間平均した微分値を利用することで、急峻な負荷電流の変化に対しても、演算誤差を抑制できるようになる。

図１はこの発明の実施の形態を示すブロック図である。
これは、図４に示す無効電力演算検出器１０に、移相器１９、n（２以上の自然数）個平均微分器２２，２５、ゲイン（要素）２３,２６、乗算器２４、減算器２７、除算器２８および設定器２９などを付加したものである。その演算方式は、無効電力瞬時値qを演算するところまでは図４と同じで、以下は相違について主として説明する。

まず、図４と同様に、乗算器１５によりｖ２とifを乗算して、（４）式に示されるような無効電力瞬時値ｑを演算した後、乗算器２４によりｖ1とifを乗算して、数１で示す（８）式のように、有効電力瞬時値ｐを演算する。

有効電力瞬時値ｐを２ωで除算し、微分すると、数２で示す（９）式となる。

また、ｐを２ωで除算し、n個平均微分演算器２５で微分演算すると、数３で示す（１０）式となる。同式のNsは１周期あたりのサンプル数（サンプル数/周期）を示す。

上記（１０）式の中括弧（｛｝）内を合成すると、数４で示す（１１）式のように変形できる。

（１１）式から、次の数５で示す（１２）式のように、ｒｐとｃｏｓαｐが求められる。

先の数４の（１１）式は、数２の（９）式と比べて、振幅比と位相差について、数６の（１３）式のような違いがある。

これに対し、無効電力についても有効電力の場合と同様の処理をすると、（９）式は数７の（１４）式、（１０）式は数８の（１５）式、（１１）式は数９の（１６）式、（１２）式は数１０の（１７）式、（１３）式は数１１の（１８）式のように、それぞれ表わされることになる。

瞬時有効電力のｎ個平均微分と、瞬時無効電力のｎ個平均微分から、数１２の（１９ａ），（１９ｂ）式が得られる。

（１９ｂ）式を（１９ａ）式に代入すると、数１３の（２０）式となる。

先の（１１）式の関係から、数１４の（２１）式が得られる。

また、先の（１６）式の関係から、数１５の（２２）式が得られる。

（２１），（２２）式を（２０）式に代入すると、数１６の（２３）式が得られる。

以上のことから、図１の加算器１７の一方の入力を求める演算が、上記（２３）式で示されることになる。この演算には、ｎ個平均微分器２２，２５、ゲイン（要素）２３，２６、減算器２７、除算器２８および設定器２９などが用いられることから、ゲイン２３，２６および設定器２９には、それぞれ数１７の（２４）式のような設定されることになる。

加算器１７では上記（２３）式で示す値と、先の（４）式で示す値とが加算されることでE・I・ｓｉｎφなる量を得ることができる。
因みに、Ns＝１９２、ｎ＝８とすると、２３のゲインは“１．０１１５”、２４のゲインは“１．０１１５”、２９の設定値は“１．０３５２”となる。

以上のように、従来は系統電圧に対して９０°位相遅れの電圧を検出するＰＴや、オールパスフィルタが必要になり、回路規模が複雑で大規模になっていたが、この発明によれば、ＰＴやオールパスフィルタの代わりにNs個分のデータを保持できるメモリを用意することで、無効電力の演算が可能になることから、回路が小型化されコストダウンが可能となる。負荷電流を一定期間平均した微分を行なうことで、急激な負荷電流の変化に対しても演算誤差を抑制することができる。

この発明の実施の形態を示すブロック図 従来例を示すシステム構成図 図２の制御装置の構成を示すブロック図 図３の無効電力検出器の具体例を示すブロック図 図４のオールパスフィルタの具体例を示す回路図

符号の説明

１０…無効電力演算検出器、１５，２４…乗算器、１７…加算器、１９…移相器、２２，２５…ｎ個平均微分器、２３，２６…ゲイン（要素）、２６…減算器、２８…除算器、２９…設定器。

Claims (3)

1. 電力系統に接続されて電力系統の電圧変動を抑制する無効電力補償装置によって負荷の
   無効電力を補償するに当たり、
   系統電圧と負荷電流との積によって演算される有効電力瞬時値を一定期間平均した微分値と、系統電圧より９０°遅れた電圧と負荷電流との積によって演算される無効電力瞬時値を一定期間平均した微分値との差を、前記無効電力瞬時値に加算することで無効電力値を演算し、この演算値により負荷の無効電力を補償することを特徴とする無効電力補償装置の制御方式。
2. 前記有効電力瞬時値を一定期間平均した微分値は、ｎ（２以上の自然数）サンプリング前まで有効電力瞬時値を微分したものが、１サンプリング前の有効電力瞬時値を微分したものと同一位相，同一振幅となるように移相し、振幅をそろえて演算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の制御方式。
3. 前記無効電力瞬時値を一定期間平均した微分値は、ｎ（２以上の自然数）サンプリング前まで無効電力瞬時値を微分したものが、１サンプリング前の無効電力瞬時値を微分したものと同一位相，同一振幅となるように移相し、振幅をそろえて演算することを特徴とする請求項1または２に記載の無効電力補償装置の制御方式。

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