JP4908192B2 - 無効電力補償装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統の電圧調整を行うための無効電力補償装置及び方法に関する。

電力系統における電圧変動の代表的な抑制制御装置として、電圧調整装置および無効電力補償装置の２種類がある。そして、電圧調整装置としては容量の大きい調相設備や負荷時タップ切換器付変圧器などがあり、無効電力補償装置としては静止形無効電力補償装置（以下、ＳＶＣ ［Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ］ と記す。）がある。

電圧変動の周期は、ミリ秒程度の瞬時から数十分ないし数時間の長い周期の変動までの広い周波数帯域にわたっており、電力品質を維持するため、これらの電圧変動の抑制が必要である。

ＳＶＣによる電圧補償は応答性が高いが、大きな電圧変動を抑制するには、装置の容量が大きくなり経済的ではない。また、ＳＶＣによる電圧補償が長時間継続することも経済的ではない。したがって、応答性が要求される瞬時の電圧変動の抑制制御はＳＶＣ等の無効電力補償装置が分担して、長時間の電圧補償が要求される常時の電圧変動の抑制制御は電圧調整装置が分担することとし、一般に、無効電力補償装置と電圧調整装置とが協調した電圧変動の抑制制御を行う。

このような電圧調整装置との補償分担を行う無効電力補償装置の一例が、特許文献１に記載されている。この特許文献１の無効電力補償装置の制御回路は、検出した系統電圧Ｖをローパスフィルタに通して系統電圧Ｖの中間値のような電圧を示すＶ０を取り出し、その入出力の差であるΔＶＦ＝Ｖ−Ｖ０により系統電圧の変化率の速い電圧変動成分ΔＶＦを抽出し、このΔＶＦを零にするように無効電力補償量を制御する。

また、無効電力補償装置以外の電圧調整装置が定常的に電圧変動成分を抑制し切れない場合は、系統電圧Ｖを基準電圧Ｖｒｅｆ付近に維持するように、無効電力補償量を制御する。
特開平５−２７８５６号公報

このように、従来の無効電力補償装置は、電圧調整装置と協調して電圧制御を行うために、応答速度が遅い電圧調整装置の電圧制御が行われるまでの瞬時の電圧変動に対し積極的に電圧制御を行い、また電圧調整装置による電圧制御効果が充分でない場合には無効電力補償装置の電圧制御を行い、電圧調整装置のバックアップとして電圧変動を抑制制御する。

したがって、無効電力補償装置の無効電力出力は、電圧変動がゼロ付近の定常時において常に同一の無効電力出力値にならない。この結果、瞬時の大きな電圧変動時に電圧変動抑制効果を十分発揮できない場合が生じる。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、無効電力補償装置による電圧調整を抑制して所要時に適切に応答し得る無効電力補償装置および方法を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、
電力系統に接続されて無効電流または無効電力の出力制御により系統電圧の変動を抑制する無効電力補償装置において、
前記電力系統における系統電圧の変動成分を所定の時定数を持つローパスフィルタ要素で検出する検出手段と、
前記系統電圧の変動成分から所定の振幅値以上の値を持つ所定変動成分を抽出する抽出手段と、
前記所定変動成分を所定範囲内の大きさに抑制し、かつ前記無効電力補償装置の無効電流出力が無効電流指令値に近づく前記無効電力補償装置の制御量を算出する抑制制御手段と、
前記抑制制御手段の制御量に応じて前記無効電力補償装置の無効電流出力または無効電力出力を制御する出力制御手段と
をそなえたことを特徴とする無効電力補償装置、
および
電力系統に接続されて無効電流または無効電力の出力制御により系統電圧の変動を抑制する無効電力補償方法において、
前記電力系統における系統電圧の変動成分を所定の時定数を持つローパスフィルタ要素で検出し、
前記系統電圧の変動成分から所定の振幅値以上の値を持つ所定変動成分を抽出し、
前記所定変動成分を所定範囲内の大きさに抑制する無効電力補償装置の制御量を算出し、
前記制御量に応じて前記無効電力補償装置の無効電流出力または無効電力出力を制御する
ことを特徴とする無効電力補償方法、
を提供するものである。

本発明は上述のように、電力系統における系統電圧の変動成分を検出して所定の振幅値以上の値を持つ所定変動成分を抽出した上で、所定範囲内の大きさに抑制し、かつ、無効電力補償装置の無効電流出力が無効電力指令値に近づく前記無効電力補償装置の制御量を算出し、この制御量に応じて前記無効電力補償装置の無効電流出力または無効電力出力を制御するようにしたため、振幅変化の大きな電圧変動に対し装置容量を十分活用した電圧変動抑制制御ができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（実施例１）
（構成）
図１は、本発明の一実施例の構成図である。電力系統Ｐに無効電力補償装置の一例として、静止形無効電力補償装置（以下、ＳＶＣ ［Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ］と略記）を設置した場合の制御方法について、図１を用いて説明する。

この図１において、１はリアクトル、２Ａおよび２Ｂはサイリスタで、リアクトル１とサイリスタ２Ａ，２Ｂとによってサイリスタ制御リアクトル（以下、ＴＣＲ ［Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｒｅａｃｔｏｒ］ と略記）を構成し、遅れ無効電力を調整する。３はコンデンサで、進み無効電力を電力系統Ｐに供給するものであり、ＴＣＲとコンデンサ３との組み合わせにより、進み、遅れの無効電力を調整することができるＳＶＣを構成している。

次に、ＳＶＣの制御回路を説明する。制御回路は、符号１０ないし２４で示される各要素により構成される。すなわち、１０は計器用変圧器、１１は電圧検出回路、１２は時定数Ｔのローパスフィルタ、１３は減算器、１４は電圧値Ｖｏリミット設定器、１５は上限値および下限値をそれぞれ外部からの設定値に変化できる機能を持つ可変リミッタ回路、１６は電圧変動の許容値を設定する不感帯回路、１７は電流検出器、１８は無効電流検出回路、１９は無効電流の定常指令値設定回路、２０は減算器、２１は演算回路、２２は減算器、２３は比例積分（ＰＩ）制御回路、２４は位相制御付ゲートパルス発生回路（以下、ＰＨＳと記す）である。

ＰＩ制御回路２３では、ＰＩ制御回路２３の入力が零になるようなＳＶＣの無効電力出力値に対応した制御量である位相制御角を算出する。ＰＨＳ２４は、ＰＩ制御回路２３の出力と同じ位相制御角を持つゲートパルスをサイリスタ２Ａ，２Ｂに与える。

（作用）
次に、図１および図２を参照して実施例１の作用について説明する。ここでは、系統電圧をＶとして説明する。検出手段である計器用変圧器１０および電圧検出回路１１により、ＳＶＣ端の系統電圧Ｖを検出する。系統電圧Ｖは、次いで検出手段の一部であるローパスフィルタ１２を通過すると、図２における系統電圧Ｖから高周波数成分が取り除かれたＶ０が取り出される。

この電圧Ｖ０は、検出手段の一部である可変リミッタ回路１５に入力され、電圧Ｖ０がリミッタの上限値および下限値の範囲内であれば入力値Ｖｏが出力され、上限値Ｖ０ｍａｘ以上であればＶｏｍａｘが出力され、下限値Ｖｏｍｉｎ以下であればＶｏｍｉｎが出力される。

なお、上限値Ｖｏｍａｘおよび下限値Ｖｏｍｉｎは、検出手段に含まれる電圧値Ｖｏリミット設定器１４の内部に設定されて保存されており、電圧値Ｖｏリミット設定器１４にトリガを与えると、電圧値Ｖｏリミット設定器１４の内部に設定されて保存されている上限値Ｖｏｍａｘおよび下限値Ｖｏｍｉｎが検出手段に含まれる可変リミッタ回路１５に与えられ、可変リミッタ回路１５のリミッタ上、下限値として更新設定される。

以下、可変リミッタ回路１５の出力をＶ１とする。減算器１３の出力ΔＶＦは、ΔＶＦ＝Ｖ−Ｖ１となり、図２に示すように電圧Ｖの変動が零の場合は零出力の応答となる。系統電圧Ｖの変動成分の内、変化率の速い成分ΔＶＦが抽出される。次に、電圧変動ΔＶＦは、抽出手段である不感帯回路１６に入力される。

不感帯回路１６では、電圧変動ΔＶＦの所定の振幅値が設定されており、不感帯回路１６の設定する所定の振幅値以内のΔＶＦが零に近い電圧変動は、不感帯回路１６から出力されない。例えば、電圧変動の所定の振幅値を±２％と設定した場合に、電圧変動ΔＶＦが所定の振幅値の範囲内（±２％内）の１％であると、不感帯回路１６の出力は０となる。

また、電圧変動ΔＶＦが所定の振幅値の上限（２％）を上回る５％であると、５％−２％（上限値）＝３％が不感帯回路１６から出力され、電圧変動ΔＶＦが所定の振幅値の下限−２％を下回る−１０％であると、−１０−（−）２％（下限値）＝−８％が不感帯回路１６から出力される。不感帯回路１６の電圧変動ΔＶＦの所定の振幅値は、ＳＶＣを動作させない微小電圧変動範囲に設定する。不感帯回路１６の出力値を、ΔＶＦ１と表記する。

抑制制御手段に含まれる無効電流検出回路１８は、電流検出器１７からＳＶＣの出力電流ｉの検出値を、計器用変圧器１０からＳＶＣの設置端電圧Ｖの検出値Ｖを取り込み、出力電流ｉに含まれる無効電流の検出値ｉｑを求める。

次に、この無効電流の検出値Ｉｑと抑制制御手段に含まれる無効電流の定常指令値設定回路１９で設定する定常無効電流出力指令値Ｉｑｒｅｆとの偏差ΔＩｑを抑制制御手段に含まれる減算器２０により演算し、抑制制御手段に含まれる演算回路２１に出力する。なお、図１では、ＳＶＣの遅れ無効電流出力を正とした場合における減算器２０および減算器２２の符号を表記している。演算回路２１では、入力値ΔＩｑにゲインＧを乗じたＧ×ΔＩｑ＝ΔＶＦ２を出力する。演算回路２０の出力を、以下ΔＶＦ２（＝Ｇ×ΔＩｑ）と表記する。

抑制制御手段に含まれる減算器２２は、抽出手段である不感帯回路１６の出力ΔＶＦ１から演算回路２１の出力ΔＶＦ２を減じたΔＶＦ１−ΔＶＦ２＝ΔＶＦＡＬＬを出力する。減算器２２の出力ΔＶＦＡＬＬは抑制制御手段に含まれるＰＩ制御回路２３に入力され、ＰＩ制御回路２３では、ＰＩ制御回路２３の入力であるΔＶＦＡＬＬが零になるような無効電力出力値に対応する制御量である位相制御角を算出し、算出した位相制御角結果を出力制御手段であるＰＨＳ２４に出力する。

ＰＨＳ２４は、ＰＩ制御回路２３の出力と同じ位相制御角を持つゲートパルスをサイリスタ２Ａ，２Ｂに与える。これにより、ＳＶＣはΔＶＦＡＬＬが零になるような無効電力を発生させる。

このように、ＰＩ制御回路２３の入力であるΔＶＦＡＬＬ＝ΔＶＦ１−ΔＶＦ２が零になるようにＳＶＣの無効電力出力が制御される。系統電圧Ｖを検出し、ローパスフィルタ１２を介して演算した電圧変動ΔＶＦが不感帯回路１６で設定する所定の振幅値の範囲内となった場合には、不感帯回路１６の出力ΔＶＦ１は零となる。

ΔＶＦ１が零となった場合、ΔＶＦＡＬＬが零となるためには必ずΔＶＦ２も零となる。ΔＶＦ２はΔＶＦ２＝Ｇ×ΔＩｑであるので、ΔＶＦ２＝０時にはΔＩｑは０となり、ＳＶＣが出力する無効電流Ｉｑは無効電流の定常指令値設定回路１９で設定する定常無効電流出力指令値Ｉｑｒｅｆに一致する。また、ゲインＧを大きくするほどΔＩｑに対するΔＶＦ２の値が大きくなるので、ΔＶＦ２が零となる応答速度は速くなる。

このように、ＳＶＣの定常時の無効電力出力を定常指令値Ｉｑｒｅｆに制御できると、例えば系統事故時等に電圧上昇することが多い電力系統にＳＶＣを設置する場合、Ｉｑｒｅｆを進相値で設定することにより、電圧上昇時にＳＶＣ出力を遅相側に変化させる変化量はＩｑｒｅｆを零とした場合より大きくできるので、電圧上昇変動に対する無効電力補償装置の抑制制御効果を高くすることができる。

なお、以上の説明では、無効電力補償装置としてＴＣＲ方式のＳＶＣを例として挙げたが、他に自励式ＳＶＣ、アクティブフィルタ、ＳＭＥＳなど比較的速い応答速度を持つ無効電力補償装置であっても本発明を適用できる。

（効果）
以上説明したように、本発明によれば、微小な電圧変動時にはＳＶＣの無効出力電流Ｉｑを無効電力出力設定値Ｉｑｒｅｆに維持することができるＳＶＣの制御回路としたので、微小な電圧変動には応答せずに振幅変化の大きな電圧変動にのみ瞬時に応答する。

このため、振幅変化の大きな電圧変動に対しＳＶＣ（無効電力補償装置）の装置容量を十分活用した電圧変動抑制制御が可能となる。また、同一の電圧変動量に対して無効電力補償装置の機器容量を低減できるので、経済性の高い無効電力補償装置とすることができる効果が得られる。

（実施例２）
（構成）
図３は、本発明の実施例２の動作を説明するための特性図である。この実施例２は、図１に示した実施例１と構成が同一であり、演算回路２１の動作内容のみが異なる。そして、図３は、演算回路２１の特性である入出力の関係を示している。

（作用）
実施例２における演算回路２１は、図３に示すように、入力ΔＩｑに応じて２つの傾きＡ，Ｂを持つ特性曲線にしたがってΔＶＦ２を出力する。すなわち、入力ΔＩｑの絶対値が零付近では傾きＡ（ゲインＡ）としてΔＶＦ２＝Ａ×ΔＩｑを出力し、入力ΔＩｑの絶対値が零から大きく離れている場合には傾きＢ（ゲインＢ）としてΔＶＦ２＝Ｂ×ΔＩｑを出力する。

なお、入力ΔＩｑの絶対値が零付近の時に使用する傾きＡ（ゲインＡ）は、演算回路２１の入力ΔＩｑの絶対値が零から大きく離れている場合に使用する傾きＢ（ゲインＢ）より大きい傾き角（ゲイン）となる特徴を持つ。また、ここでは傾きＡ，Ｂの２つとして説明したが、傾きの設定は２つ以上であればよく、２つ以上の傾きを設定する場合は、入力ΔＩｑの絶対値が大きくなるに従い、傾き角を小さくする。

（効果）
演算回路２１の入力ΔＩｑが零付近ではΔＶＦ２を大きくすることができるので、この入力ΔＩｑが小さく現れる小さな電圧変動にＳＶＣが応答した場合には、速くＳＶＣの無効電力出力を無効電力出力設定値Ｉｑｒｅｆに戻すことができる。また、大きな電圧変動にＳＶＣが応答した場合には、小さな電圧変動時に比較して低速の応答でＳＶＣの無効電力出力を無効電力出力設定値Ｉｑｒｅｆに戻すことができる。このため、大きな電圧変動に対して無効電力補償装置の装置容量を十分に活用することが可能となる。

（実施例３）
（構成）
図１に示した実施例１の構成と同一であるので、構成の説明を省略する。実施例３は、ローパスフィルタの時定数Ｔの設定に関するものである。

（作用）
実施例３におけるローパスフィルタ１２の動作は、実施例１で説明した通りである。ここでは、ローパスフィルタ１２の時定数Ｔの設定方法について記述する。

図２は、ローパスフィルタ１２の出力Ｖｏの一例を示している。図２の系統電圧Ｖの変化を電力系統の系統事故による電圧変動とすると、一般的に電力系統により保護装置の設置や設定状況により、電圧低下や電圧上昇が継続する系統事故継続時間はほぼ一定である。

図２の例では、系統電圧Ｖの低下を無効電力補償装置で補償しようとすると、電圧変動ΔＶＦが、系統電圧Ｖが低下中であるにも関わらず零に戻っており、電圧変動ΔＶＦが零に戻ることで無効電力補償装置の出力が零無効電力出力設定値Ｉｑｒｅｆに戻り、無効電力補償装置による電圧低下補償が不十分であることになる。

電圧変動ΔＶＦの変化特性（図２）が示すように、ローパスフィルタの時定数Ｔを大きくすることにより電圧低下中に無効電力補償装置の出力を維持できる。上記したように、系統事故継続時間は系統により異なるものの、系統を特定すればほぼ一定である。したがって、事故継続時間をＴＡとすると、ローパスフィルタの時定数Ｔを無効電力補償装置が設置される電力系統の事故継続時間ＴＡより大きく、例えば時定数Ｔを事故継続時間ＴＡの２倍程度以上とするのが望ましい。

（効果）
実施例１で示した無効電力補償装置の構成により、系統事故による電圧変動を十分補償することが可能となり、常時の電圧変動のみならず系統事故等の大きな電圧変動に対する無効電力補償装置の制御性能を向上できる。

（実施例４）
（構成）
実施例４は、構成が図１に示した実施例１と同一であるので、構成の説明を省略する。この実施例４は、図１に示した電圧値リミット設定器１４および可変リミッタ回路１５に関するものである。

（作用）
電圧値リミット設定器１４および可変リミッタ回路１５の動作については、実施例１で説明したものと同一であるため説明を省略する。

この実施例４では、ＳＶＣ（無効電力補償装置）を起動する場合、もしくは系統電圧Ｖの停電からの復電によってＳＶＣが再起動する場合について説明する。

ＳＶＣを起動または再起動する場合には、電圧値リミット設定器１４にトリガを与え、電圧値リミット設定器１４に保持している上限値Ｖｏｍａｘおよび下限値Ｖｏｍｉｎを可変リミッタ回路１５に出力し、可変リミッタ回路１５ではリミッタ値を上限値Ｖｏｍａｘおよび下限値Ｖｏｍｉｎに設定する。

起動または再起動する場合は、上限値Ｖｏｍａｘおよび下限値Ｖｏｍｉｎを現在の系統電圧Ｖ値または系統電圧の運用基準値Ｖｒｅｆに設定して可変リミッタ回路１５に送る。可変リミッタ回路１５は、リミット上、下限値が同一値である場合には、入力値によらず設定された上、下限値を出力するものとする。

起動後または再起動後、ローパスフィルタ１２の時定数Ｔに比して十分大きな時間が経過した後、電圧値リミット設定器１４にトリガを与え、通常運転時用に設定した上限値Ｖｏｍａｘおよび下限値Ｖｏｍｉｎを可変リミッタ回路１５に出力する。

（効果）
可変リミッタ１５が系統電圧Ｖの基準値Ｖｒｅｆを出力した場合には、減算器１３の出力ΔＶＦがほぼゼロとなるので、無効電力補償装置の起動時または再起動時に不要な無効電力出力をすることなく安定的に起動または再起動することができる。

本発明の第１の実施例の構成を示すブロック線図。 図１に示した第１の実施例の動作を説明するための、各部の動作波形を示す波形図。 本発明の第２の実施例に用いられる演算回路２１の動作特性を示す特性図。

符号の説明

１…リアクトル、２Ａ，２Ｂ…サイリスタ、３…コンデンサ、１０…計器用変圧器、
１１…電圧検出回路、１２…ローパスフィルタ、１３…減算器、
１４…電圧値リミット設定器、１５…可変リミッタ回路、１６…不感帯回路、
１７…電流検出器、１８…無効電流検出回路、１９…無効電流の定常指令値設定回路、
２０…減算器、２１…演算回路、２２…減算器、２３…比例積分（ＰＩ）制御回路、
２４…位相制御付ゲートパルス発生回路（ＰＨＳ）。

Claims (5)

1. 電力系統に接続されて無効電流または無効電力の出力制御により系統電圧の変動を抑制する無効電力補償装置において、
   前記電力系統における系統電圧の変動成分を所定の時定数を持つローパスフィルタ要素で検出する検出手段と、
   前記系統電圧の変動成分から所定の振幅値以上の値を持つ所定変動成分を抽出する抽出手段と、
   前記所定変動成分を所定範囲内の大きさに抑制し、かつ前記無効電力補償装置の無効電流出力が無効電流指令値に近づく前記無効電力補償装置の制御量を算出する抑制制御手段と、
   前記抑制制御手段の制御量に応じて前記無効電力補償装置の無効電流出力または無効電力出力を制御する出力制御手段と
   をそなえたことを特徴とする無効電力補償装置。
2. 請求項１記載の無効電力補償装置において、
   前記無効電力補償装置の抑制制御手段は、前記無効電力補償装置が出力する無効電流の大きさと前記無効電流指令値との偏差が小さい場合には前記制御量の変化速度を大きくし、前記偏差が大きい場合には前記制御量の変化速度を小さくすることを特徴とする無効電力補償装置。
3. 請求項１記載の無効電力補償装置において、
   前記所定の時定数は、無効電力補償装置を接続する電力系統における系統事故の継続時間値の２倍以上の値とすることを特徴とする無効電力補償装置。
4. 請求項１記載の無効電力補償装置において、
   前記検出手段による前記系統電圧の変動成分の検出値は、無効電力補償装置の起動時または系統電圧の低下に伴う前記無効電力補償装置の再起動時には、前記所定の時定数より長い時間にわたり零とすることを特徴とする無効電力補償装置。
5. 電力系統に接続されて無効電流または無効電力の出力制御により系統電圧の変動を抑制する無効電力補償方法において、
   前記電力系統における系統電圧の変動成分を所定の時定数を持つローパスフィルタ要素で検出し、
   前記系統電圧の変動成分から所定の振幅値以上の値を持つ所定変動成分を抽出し、
   前記所定変動成分を所定範囲内の大きさに抑制する無効電力補償装置の制御量を算出し、
   前記制御量に応じて前記無効電力補償装置の無効電流出力または無効電力出力を制御する
   ことを特徴とする無効電力補償方法。

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