JP2004328831A - 電圧変動補償装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電力系統に直列に接続され、コンデンサＣ１〜Ｃ３の電圧を正負いずれかの極性で電圧出力する複数の電圧補償ユニット１〜３で構成され、該複数の電圧補償ユニット１〜３内から所望の組み合わせを選択し、その出力電圧の総和で電力系統の電圧低下を補償する電圧変動補償装置において、装置を大型化することなく、高精度で長時間の電圧補償を可能にする。
【解決手段】最大の電圧を出力する電圧補償ユニット１内のコンデンサＣ１にエネルギ供給する大容量のコンデンサＣ０とチョッパ回路１１とを備え、他の電圧補償ユニット２、３内のコンデンサＣ２、Ｃ３はエネルギ授受がバランスするように、電圧補償ユニット２、３から出力する。
【選択図】 図１
【解決手段】最大の電圧を出力する電圧補償ユニット１内のコンデンサＣ１にエネルギ供給する大容量のコンデンサＣ０とチョッパ回路１１とを備え、他の電圧補償ユニット２、３内のコンデンサＣ２、Ｃ３はエネルギ授受がバランスするように、電圧補償ユニット２、３から出力する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、負荷に供給される電力系統の電圧が瞬時的に変動した際に、それを検出して電圧変動を補償する電圧変動補償装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
雷などにより電力系統の電圧が瞬時的に低下し、工場などの精密機器などが誤作動や一時停止することにより、生産ラインで多大な被害を被ることがある。このような被害を防ぐために、電力系統の瞬時的電圧低下などの電圧変動を監視して、電圧低下を補償する電圧変動補償装置が用いられている。
従来の電圧変動補償装置は、電力系統に直列に接続され、正負いずれかの極性で補償電圧を出力する複数の電圧補償回路で構成される。各電圧補償回路には、ダイオードが逆並列に接続された４個の半導体スイッチング素子から成るフルブリッジインバータ、および充電コンデンサが備えられ、充電コンデンサの直流電圧を交流に変換して出力する。また、各電圧補償回路の出力端には、高速機械式の定常短絡スイッチが並列に設けられる。各電圧補償回路内の充電コンデンサは、充電ダイオードと充電用トランスによってそれぞれ異なる電圧が充電され、電圧の比は概ね２のべき乗比に設定される。
定常時、電流は定常短絡スイッチを流れる。また電力系統の電圧低下時には、誤差電圧に応じて複数の電圧補償回路内から所望の組み合わせを選択し、その出力電圧の総和で電力系統の電圧低下を補償する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３５９９２９号公報（第１頁、第６−第８頁、第１、第６図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電圧変動補償装置は以上のように構成され、補償電圧を階調制御により出力するため電力系統の瞬時的な電圧低下を高精度に補償するものであるが、コンデンサ電圧の低下（エネルギの低下）に伴い、出力すべき最大電圧仕様を満足できなくなった時点で補償限界に至り、それにより電圧変動の補償を継続できる時間が決まることになる。補償の時間を確保するためには、各電圧補償回路内の充電コンデンサの容量を比例的に大きくし、即ち複数箇所に大容量のコンデンサを備える必要がある。一般に電圧変動補償装置においては、エネルギを蓄積するコンデンサの大きさが概ね装置の大きさを決定してしまうため、装置が大型化する問題があった。
また、コンデンサのエネルギは電圧の２乗に比例するため、初期に蓄積しておく電圧が高ければ高いほど多くのエネルギを蓄積できる。従って、装置の小型化を図るためには、各電圧補償回路内の充電コンデンサへの充電電圧を予め高く設定しておくことで、各充電コンデンサを大容量にせずに補償時間をより長くすることが可能であるが、電圧を高くしただけ補償電圧の階調の幅が大きくなり、きめ細かな階調制御ができず補償精度が低下するという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、電力系統に複数の電圧補償回路が直列に接続されて、各電圧補償回路内のエネルギ蓄積手段に蓄積された直流電圧を交流に変換して出力する電圧変動補償装置において、装置を大型化することなく、高精度で長時間の電圧補償を可能にすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電圧変動補償装置は、電力系統における電圧低下の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御部と、該電力系統に直列に接続され、それぞれ異なる電圧が蓄積されたエネルギ蓄積手段に蓄積された直流電圧を交流に変換して出力する複数（Ｎ個）の電圧補償回路とを備えて、上記電力系統の電圧低下時に、出力電圧が逆極性のものを含むことを可能にして上記複数の電圧補償回路の中から所定の組み合わせを選択し、該出力電圧極性を含む組み合わせ（以下、出力パターンと称す）による各出力電圧の総和で上記電力系統の電圧低下を補償して負荷に発生する電圧変動を抑える。そして、上記複数の電圧補償回路のうちＫ個（Ｋ＜Ｎ）の電圧補償回路内のエネルギ蓄積手段の前段に、該エネルギ蓄積手段に比して容量の大きな第２のエネルギ蓄積手段とチョッパ回路とを設け、該第２のエネルギ蓄積手段から該チョッパ回路を介して上記エネルギ蓄積手段にエネルギを供給するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。図１はこの発明の実施の形態１による電圧変動補償装置の構成図である。
図１に示すように、電力系統４に、複数の電圧補償回路としての第１〜第３の電圧補償ユニット１〜３が直列に接続され、それらの出力端には、並列に高速機械式の定常短絡スイッチ５が接続される。なお、電力系統４からの各相の電力線にそれぞれ第１〜第３の電圧補償ユニット１〜３が直列に接続されるものであるが、図１ではＵ相の電力線７ｕに接続されたものを示す。７ｖはＶ相の電力線である。また、電力系統における電圧低下の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御回路６を備えて、制御回路６からの指令により第１〜第３の電圧補償ユニット１〜３の出力電圧が系統に直列に重畳されて系統電圧の低下を補償する。
【０００８】
第１〜第３の電圧補償ユニット１〜３は、第１〜第３の単相インバータ１０、２０、３０と、第１のエネルギ蓄積手段としての充電コンデンサ（第１のコンデンサＣ１、第２のコンデンサＣ２、第３のコンデンサＣ３）とを備え、単相インバータ１０、２０、３０の交流側が電力系統に直列に接続され、各単相インバータ１０、２０、３０は充電コンデンサＣ１〜Ｃ３の直流電圧を交流に変換して出力する。また、各電圧補償ユニット１〜３内の第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３に充電される電圧（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）の比は概ね２のべき乗比に設定されて、４：２：１となる。
また、第１の電圧補償ユニット１内の第１のコンデンサＣ１の前段には、第２のエネルギ蓄積手段として大容量のコンデンサＣ０（以下、容量コンデンサＣ０と称す）、および、第１のコンデンサＣ１と容量コンデンサＣ０とを接続するチョッパ回路としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１１を備える。
さらに、第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３および容量コンデンサＣ０は、当該相（Ｕ相）の電力線７ｕから第１〜第３の単相インバータ１０、２０、３０を介して、他相、この場合Ｖ相の電力線７ｖに接続される充電回路により、電力系統の線間電圧を用いて充電される。各電圧補償ユニット１〜３内の充電回路には、充電抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３、Ｒ２１，Ｒ２２、Ｒ３１，Ｒ３２、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、およびツェナーダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３を備える。なお、ツェナーダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３は充電が効率的に行えるものであるが、なくても充電は行える。
【０００９】
第１〜第３の単相インバータ１０、２０、３０の構成を図２に示す。図に示すように、ダイオードが逆並列に接続された４個のＩＧＢＴ８から成るフルブリッジインバータで構成される。フルブリッジインバータはＩＧＢＴ以外の自己消弧型半導体スイッチング素子で構成しても良い。また、フルブリッジに限らず、ハーフブリッジなど電圧を発生するインバータの構成であればよい。
【００１０】
次に、動作について説明する。
定常時、定常短絡スイッチ５はオン状態で、電流は電圧変動補償装置をバイパスして定常短絡スイッチ５を流れ、装置ロスは低減される。また電力系統の瞬時的な電圧低下時（瞬低時）には、定常短絡スイッチ５をオフして、瞬低補償動作を開始する。即ち、誤差電圧に応じて選択された各電圧補償ユニット１〜３において、補償電圧が出力される。これらの出力は系統にて組み合わされ、゛０００゛〜゛１１１゛の８階調の電圧出力を発生することができ、最大の補償電圧は、７×Ｖ３となる。
なお、各電圧補償ユニット１〜３内の第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３に充電される電圧（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）の比は概ね２のべき乗比としたが、これに限るものではない。また、各電圧補償ユニット１〜３にて出力される補償電圧は、系統電圧と逆極性のものを含んでも良い。Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係と出力電圧の階調レベルとの関係は図３のようなパターンが考えられる。例えば、パターンＧは最も階調数が多く、３つの電圧補償ユニット１〜３で１３の階調数が得られる故、きめ細かな出力電圧の階調制御が可能であり、出力フィルタを削除することができる。
【００１１】
また、容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０は初期に十分に高く充電しておき、容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０を入力としたＤＣ／ＤＣコンバータ１１により、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１を所定の値になるよう制御する。なお、容量コンデンサＣ０および第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３についてはコンデンサではなく、バッテリー等のエネルギ蓄積手段であっても同様の効果が得られる。
また上述したように、第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３および容量コンデンサＣ０は、当該相（Ｕ相）の電力線７ｕから第１〜第３の単相インバータ１０、２０、３０を介して、他相、この場合Ｖ相の電力線７ｖに接続される充電回路により、電力系統の線間電圧を用いて充電する。この充電動作は装置を立ち上げる時に行うとともに、電力系統の瞬低が発生しない定常時に行う。
【００１２】
第１の電圧補償ユニット１内の第１のコンデンサＣ１については、大容量の容量コンデンサＣ０からＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してエネルギが供給されるが、第２、第３の電圧補償ユニット２、３内の第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３のエネルギについて以下に示す。
図４に、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係が、４：２：１と５：２：１と６：２：１との場合について出力電圧の階調レベルとの関係の別例を示す。例えば図４（ａ）に示すように、出力階調レベルとして同じ１を出力する場合において、３つのパターンを有する。第１の場合は、最小出力の第３の電圧補償ユニット３からＶ３を出力するのみであり、この場合、第３のコンデンサＣ３からエネルギが放出されるのみとなる。しかし、第２の場合は、第２の電圧補償ユニット２からＶ２を正で、第３の電圧補償ユニット３からＶ３を負で出力するから、第２のコンデンサＣ２からエネルギが放出され、第３のコンデンサＣ３にはエネルギが供給される。また、第３の場合は、第１のコンデンサＣ１からエネルギが放出され、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３にエネルギが供給される。
このように、出力階調レベルが同じでも複数のパターンを利用することによって、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３に第１のコンデンサＣ１からエネルギを移行することができる。このような選択パターンは図４に示すように、他の階調出力レベルの場合においても存在する。
【００１３】
この実施の形態では、、電力系統の瞬低時に、出力電圧が逆極性のものを含むことを可能にして電圧補償ユニット１〜３の中から所定の組み合わせを選択し、該出力パターンによる各電圧補償ユニット１〜３の出力電圧の総和で上記電力系統の電圧低下を補償する。この補償時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１により、容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０を入力として、最大電圧を蓄積する第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１は所定の値になるよう制御する。そして、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３は、エネルギの放出と第１のコンデンサＣ１からのエネルギの供給とによるエネルギ授受ができるだけバランスするように出力制御する。即ち、出力電圧極性を含んで選択された電圧補償ユニット１〜３の組み合わせで決定される上記出力パターンを、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３におけるエネルギ授受ができるだけバランスするように決定して補償電圧を出力する。
【００１４】
このため、第１のコンデンサＣ１だけでなく第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３についても電圧低下を抑制でき、電圧変動の継続補償時間を長くできる。また容量コンデンサＣ０のエネルギをほとんど使い果たし出力すべき最大電圧仕様を満足できなくなった時点で、補償限界に至り補償終了となるため、その時の第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３の保有エネルギ分は結果的には使われずに残ってしまう。従って、第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３のコンデンサの容量をできるだけ小さくしておくことが、エネルギの有効利用に重要となる。このように大容量のコンデンサである容量コンデンサＣ０は１つ設ければよく、装置を大型にすることなく補償時間を確保できる。また、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１を所定の値以上に保っている限り電圧変動の継続補償が可能となるため、必要以上に各コンデンサＣ１〜Ｃ３の充電電圧を高くして階調幅を拡げることなく、きめ細かく高精度な出力電圧の階調制御が行える。
【００１５】
実施の形態２．
次に、上記実施の形態１に示す電圧変動補償装置において、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３におけるエネルギ授受ができるだけバランスするように出力パターンを決定して補償電圧を出力する動作について詳述する。
ここで、少し簡略化するために、第２、第３の電圧補償ユニット２、３の２つを”フィルタユニット”と呼ぶこととする。まず、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係が、４：２：１の場合について説明する。図５（ａ）に、各出力階調レベルを得る際の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット（第１の電圧補償ユニット１）の出力パターンを示す。ここで、Ｖａは階調幅となる電圧で、この場合、Ｖ３と等しい。図５（ｂ）には、正弦波を最大５レベルの階調制御で出力した場合の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット１のエネルギ量をそれぞれ示す。
まず、このフィルタユニット２、３のみについて考えるとフィルタユニット２、３のみで出しうる階調レベルは１〜３であり、そのうち最小出力ユニット（第３の電圧補償ユニット３）が受け持つのは１レベルおよび３レベルである。この１レベルおよび３レベルにおいて、最小出力ユニット３は、いずれも正、負双方の極性で電圧出力するパターンが存在する。つまり、フィルタユニット２、３が発生する電圧のうち最小出力ユニット３が受け持つ１レベルおよび３レベルの出力条件においては、第３のコンデンサＣ３にエネルギを供給する場合と、エネルギを放出する場合との双方が存在する。従って、フィルタユニット２、３が発生する階調レベル１〜３の条件において、仮に第２のコンデンサＣ２のエネルギが増減しないとすれば、第３のコンデンサＣ３のエネルギは増減を自由に調整できることになる。
【００１６】
次に、第２のコンデンサＣ２のエネルギを増減させないためには、フィルタユニット２、３全体から放出されるエネルギ分を、第１のコンデンサＣ１から供給すればよい。
図５（ｂ）に示すように、最大レベルが５までの階調制御で正弦波を出力させた場合、フィルタユニット２、３のエネルギ授受は、ほぼバランスしていることがわかる。この状態であれば、出力パターンの選択によりフィルタユニット２、３のエネルギ授受をほぼ０にしてバランスさせることができる。しかし、図５（ａ）を見ればわかるように、６および７の階調レベルでは、フィルタユニット２、３は２Ｖａと３Ｖａの出力、つまりいずれもエネルギを放出するパターンしかないため、６および７の階調レベルでの電圧出力では、フィルタユニット２、３のエネルギは減少することになる。
【００１７】
次に、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係が、５：２：１の場合について、図６（ａ）に、各出力階調レベルを得る際の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット（第１の電圧補償ユニット１）の出力パターンを示す。また、図６（ｂ）には、正弦波を最大６レベルの階調制御で出力した場合の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット１のエネルギ量をそれぞれ示す。
図６（ｂ）に示すように、最大レベルが６までの階調制御で正弦波を出力させた場合、フィルタユニット２、３のエネルギ授受は、ほぼバランスしていることがわかる。この状態であれば、出力パターンの選択によりフィルタユニット２、３のエネルギ授受をほぼ０にしてバランスさせることができる。しかし、図６（ａ）を見ればわかるように、７の階調レベルでは、フィルタユニット２、３は２Ｖａの出力、つまりエネルギを放出するパターンしかないため、フィルタユニット２、３のエネルギは減少することになる。
次に、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係が、６：２：１の場合について、図７（ａ）に、各出力階調レベルを得る際の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット（第１の電圧補償ユニット１）の出力パターンを示す。また、図７（ｂ）には、正弦波を最大７レベルの階調制御で出力した場合の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット１のエネルギ量をそれぞれ示す。
図７（ｂ）に示すように、最大レベルが７までの階調制御で正弦波を出力させた場合、フィルタユニット２、３のエネルギ授受は、ほぼバランスしていることがわかる。この状態であれば、出力パターンの選択によりフィルタユニット２、３のエネルギ授受をほぼ０にしてバランスさせることができる。
【００１８】
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係が、４：２：１、５：２：１、６：２：１の３種の場合について、フィルタユニット２、３のエネルギが以上のように変化するため、最大レベルが５までの階調制御で正弦波を出力させた場合は４：２：１を用い、最大レベルが６まで階調制御が必要になると５：２：１に切り替え、最大レベルが７まで階調制御が必要になると６：２：１に切り替えると、フィルタユニット２、３のエネルギ授受をほぼ０にしてバランスさせることができる。上述したように、第３のコンデンサＣ３のエネルギはフィルタユニット２、３全体の中でエネルギの増減を調整できるため、第３のコンデンサＣ３の電圧Ｖ３は一定となる。
上記にように、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係を切り替えるには、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１を、１：２：４で決まる４の値から５または６の値に増加すればよいことがわかる。
これにより、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３の容量値をできるだけ小さくすることができ、出力すべき最大電圧仕様を満足できなくなった時点で残存するエネルギを小さくすることができる。これは、装置のエネルギ利用率を増加でき、装置の小型化に結びつく。
【００１９】
なお、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係は、５：２：１や６：２：１に固定しない。例えば、出力階調レベルとして１レベルを出力する場合、５：２：１や６：２：１では、図６、図７に示すように、フィルタユニット２、３にエネルギを供給できない。従って、このような場合、フィルタユニット２、３内のエネルギが即座に無くなってしまうこととなる。一方、４：２：１を用いた場合、図５に示すように、出力階調レベルとして１または２レベルを出力する場合においてもフィルタユニット２、３にエネルギを供給できる。
従って、各コンデンサＣ０〜Ｃ３の状況に応じて、または、瞬低の発生状況に応じて、または、フィルタユニット２、３へのエネルギ授受の状況もしくは各コンデンサＣ２、Ｃ３の電圧状況に応じて、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１をＤＣ／ＤＣコンバータ１１により変化させることにより、よりエネルギの有効な利用が可能となる。
【００２０】
また、フィルタユニット２、３のコンデンサＣ２、Ｃ３の容量値を小さくするには限界がある。例えば図５〜図７からわかるようにフィルタユニット２、３のエネルギの増減がゼロになるのは、もちろん正弦波の半周期の積分の結果であるから、半周期の間は電圧を安定に保つだけの容量値は必要となる。
また、瞬低の状況が急変した場合等においては、第１のコンデンサＣ１の電圧を急に変化させ、所定の電圧に設定する必要があるため、この点においても第１のコンデンサＣ１の容量値は小さい方が望ましい。例えば、一旦、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１を６レベルに設定した後、瞬低が軽くなり、４レベルに低下させなければならない状況が考えられる。
すなわち、（コンデンサＣ１の容量値）＜（コンデンサＣ２、Ｃ３の容量値）としておくのが望ましい。
【００２１】
実施の形態３．
次に、上記実施の形態１に示す電圧変動補償装置において、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１をＤＣ／ＤＣコンバータ１１により変化させて電圧変動を補償する動作について説明する。
図８は、チョッパ回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作を示すフローチャートである。
初期の時点ではＶ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係は４：２：１に設定されているものとし、まず、電力系統の瞬低を検出すると（Ｓ１）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧であるチョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを４と設定する（Ｓ２）。続いて出力すべき補償電圧の大きさが最大７階調必要か判断し（Ｓ３）、不要なら最大６階調必要か判断し（Ｓ４）、さらに不要なら、即ち出力すべき補償電圧の大きさが最大５階調以下であるとき、図４（ａ）に示すＶ３：Ｖ２：Ｖ１＝１：２：４である論理テーブルの階調発生パターンに決定し（Ｓ５）、最小出力電圧であるＶ３が規定値より低ければ、Ｖ３が充電されるモード（出力パターン）を選択し、Ｖ３が規定値より高ければ、Ｖ３が放電されるモードを選択して（Ｓ６）、各電圧補償ユニット１〜３からの出力電圧の総和により電力系統の瞬低を補償する（Ｓ７）。この後、Ｓ３に戻る。
【００２２】
Ｓ３にて、出力すべき補償電圧の大きさが最大７階調必要であれば、チョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを６と設定し（Ｓ１２）、図４（ｃ）に示すＶ３：Ｖ２：Ｖ１＝１：２：６である論理テーブル内の階調発生パターンに決定し（Ｓ１５）、最小出力電圧であるＶ３が規定値より低ければ、Ｖ３が充電されるモードを選択し、Ｖ３が規定値より高ければ、Ｖ３が放電されるモードを選択して（Ｓ１６）、各電圧補償ユニット１〜３からの出力電圧の総和により電力系統の瞬低を補償する（Ｓ１７）。この後、Ｓ１５に戻る。
Ｓ４にて、出力すべき補償電圧の大きさが最大６階調必要であれば、チョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを５と設定し（Ｓ２２）、図４（ｂ）に示すＶ３：Ｖ２：Ｖ１＝１：２：５である論理テーブル内の階調発生パターンに決定し（Ｓ２５）、最小出力電圧であるＶ３が規定値より低ければ、Ｖ３が充電されるモードを選択し、Ｖ３が規定値より高ければ、Ｖ３が放電されるモードを選択して（Ｓ２６）、各電圧補償ユニット１〜３からの出力電圧の総和により電力系統の瞬低を補償する（Ｓ２７）。続いて、出力すべき補償電圧の大きさが最大７階調必要か判断し（Ｓ２８）、不要ならＳ２２へ、必要ならＳ１２へ移る。
【００２３】
次に、図９は、チョッパ回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作の第２の例を示すフローチャートである。
この場合、図８で示した場合における電圧変動の補償動作のステップＳ７、Ｓ１７、Ｓ２７の後、必ずＳ３に戻って、出力すべき補償電圧の大きさが最大７階調必要か判断し、さらに不要ならＳ４にて最大６階調必要か判断する。
この場合は、瞬低の状況が大きく変化する場合に対して有効であり、時々刻々と変化する瞬低のレベルに対し出力すべき電圧が変わっても、必要な出力パターンを適切に設定できるようにチョッパ電圧Ｖ１を繰り返し設定する。これにより、例えば７レベルの出力が必要でその後２レベルの出力が必要な場合には、一旦、Ｖ３：Ｖ２：Ｖ１を１：２：６に変化した後、その後１：２：４に戻すよう動作する。このように種々の瞬低状況に対応できる。
なお、図８、図９に示す例では、必要とされる補償電圧階調に応じて、Ｖ３：Ｖ２：Ｖ１の関係を設定するものであり、第３のコンデンサＣ３の電圧Ｖ３は監視して制御に用いるが、第２のコンデンサＣ２の電圧Ｖ２を監視する必要がないため、回路が簡素化される。
【００２４】
次に、図１０は、チョッパ回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作の第３の例を示すフローチャートである。
初期の時点ではＶ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係は４：２：１に設定されているものとし、まず、電力系統の瞬低を検出すると（Ｔ１）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧であるチョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを４と設定する（Ｔ２）。続いて、第２のコンデンサＣ２の電圧Ｖ２と規定値との差がある範囲内かどうか判断し（Ｔ３）、ある範囲を外れたとき、電圧Ｖ２が上記規定値より高いかどうか判断する（Ｔ４）。Ｖ２が上記規定値より高い場合は、チョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを上げるように切り替え（Ｔ５ａ）、Ｖ２が上記規定値以下の場合は、チョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを下げるように切り替え（Ｔ５ｂ）、チョッパを制御する。その後、チョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルに応じて階調発生パターン（Ｖ３：Ｖ２：Ｖ１）を１：２：４、１：２：５あるいは１：２：６の中のいずれかに切り替え（Ｔ６）、第２のコンデンサＣ２の電圧Ｖ２が規定値より低ければ、Ｖ２が充電されるモード（出力パターン）を選択し、Ｖ２が規定値より高ければ、Ｖ２が放電されるモードを選択する（Ｔ７）。また、最小出力電圧であるＶ３が規定値より低ければ、Ｖ３が充電されるモードを選択し、Ｖ３が規定値より高ければ、Ｖ３が放電されるモードを選択して（Ｔ８）、各電圧補償ユニット１〜３からの出力電圧の総和により電力系統の瞬低を補償する（Ｔ９）。この後、Ｔ３に戻る。
Ｔ３にて、電圧Ｖ２と規定値との差がある範囲内である時は、チョッパ電圧の目標値レベルを変更せずＴ６にて階調発生パターン（Ｖ３：Ｖ２：Ｖ１）を設定する。
【００２５】
図１０に示す例では、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３の電圧Ｖ２、Ｖ３を監視して、電圧Ｖ１の制御をチョッパ回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１１で行うため、電圧Ｖ２、Ｖ３をそれぞれ一定に保つことができ、長時間に渡り精度の高い補償が可能となる。
なお、階調発生パターンの切り替えタイミングは、チョッパ電圧Ｖ１の目標値を変化させた直後でもよいし、またＶ１の実電圧が目標値に達した時点でもよい。
【００２６】
また、チョッパ電圧Ｖ１の目標値の設定に関しては、上記の説明ではいずれも、階調レベルを４〜６の間で１階調ずつ変化させているが、１階調未満の電圧値の増減であっても、出力パターンを決定する論理テーブルさえ書き換えれば問題はない。もちろん、階調幅が常に一定とはならないが、全体としては精度の高い階調制御による電圧補償が行える。
さらにまた、図１０に示す例では、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３の電圧Ｖ２、Ｖ３を監視するが、これらの電圧値は演算で求めることもでき、例えば、系統の電流と出力モードとから電圧Ｖ２、Ｖ３の変化は演算でき、これにより、チョッパ電圧の設定を決定することも可能である。
【００２７】
実施の形態４．
上述したように、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３におけるエネルギ授受ができるだけバランスするようにチョッパ電圧Ｖ１を制御し、出力パターンを決定して補償電圧を出力するが、各出力パターンによる補償時間（パルス幅）を調整し、エネルギ授受を補正して０に近づけることもできる。
例えば、電圧Ｖ２の電圧が規定値より低ければ、電圧Ｖ２を発生する時間のうち充電が多くなるよう、また、放電が少なくなるよう、その電圧発生の補償時間のパルス幅を少し変える。このとき出力電圧の実効値が低下することになるため、電圧Ｖ１を発生する時間をやや延ばしてやればよい。
図１１に、最大レベルが７レベルの階調制御で正弦波を出力させた場合の、各出力パターンによる補償時間（パルス幅）の調整について示す。正規の発生電圧に対し、パルス幅を補正した発生電圧では、階調レベルが３〜５レベルのパルス幅が拡がり、また７レベルのパルス幅が狭まっていることがわかる。階調発生パターン（Ｖ３：Ｖ２：Ｖ１）が１：２：６とすると、パルス幅を補正した発生電圧では、正規の発生電圧に対し充電の量が増加し、放電の量が減少することになる。従って、パルス幅を補正することにより、フィルタユニット２、３のエネルギ授受を変化させることができる。即ち、フィルタユニット２、３のエネルギ量が少ない場合には、充電を行う出力パターンのパルス幅を広めに、放電を行う出力パターンのパルス幅を狭めにすることで、エネルギ量を回復させ、フィルタユニット２、３のエネルギ授受をほぼ０にすることが可能となる。
【００２８】
実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５について説明する。図１に示す上記実施の形態１では、第１の電圧補償ユニット１内の第１のコンデンサＣ１の前段に、容量コンデンサＣ０およびチョッパ回路としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１１を備えたが、この実施の形態では、図１２に示すように、電圧Ｖ０の容量コンデンサＣ０と電圧Ｖ１の第１のコンデンサＣ１との間に降圧チョッパ１２、昇圧チョッパ１３あるいは昇降圧チョッパ１４を備える。その他の構成は上記実施の形態１と同様である。
まず、１２（ａ）に示す降圧チョッパ１２を用いる場合を図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は電圧変動補償装置の構成を示す図である。なお、便宜上、第３の電圧補償ユニット３、定常短絡スイッチ５および制御回路６の図示を省略する。図に示すように、容量コンデンサＣ０と第１のコンデンサＣ１との間に、チョッパスイッチ１２ａ、ダイオード１２ｂおよびリアクトル１２ｃから成る降圧チョッパ１２が備えられる。また、Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙは容量コンデンサＣ０を充電するための充電抵抗、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙは第１のコンデンサＣ１を充電するための充電抵抗、Ｒ２ｘ、Ｒ２ｙは第２のコンデンサＣ２を充電するための充電抵抗である。
【００２９】
次に、動作を説明する。
Ｕ相の電位がＶ相の電位より高い場合、最大出力ユニットである第１の電圧補償ユニット１において、Ｕ相電力線７ｕから第１の単相インバータ１０の出力端子を介して取り込まれたＵ相電圧は、第１の単相インバータ１０の上アーム（図中右側）のダイオードを通ってＣ１＋端子を通り、第１のコンデンサＣ１を充電して、さらに充電抵抗Ｒ１ｙを通りダイオードＤ１を通りＶ相電力線に戻る。また、Ｃ１＋端子からＣ０＋端子に進み容量コンデンサＣ０を充電して、さらに充電抵抗Ｒ０ｙを通りダイオードＤ１を通りＶ相電力線に戻る。Ｕ相の電位がＶ相の電位より低い場合、Ｄ１がオフ状態となるため、容量コンデンサＣ０および第１のコンデンサＣ１に充電された電荷はそのまま維持される。容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０および第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１の大きさは、最終的には充電抵抗Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙ、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙによる各分圧にて決定され、それらの値を選定することにより所定の値にすることが可能である。
【００３０】
瞬低補償の動作としては、定常時には定常短絡スイッチ５が導通しており、そのとき、各単相インバータ１０、２０の出力はゼロ、すなわち上アーム側をいずれもオンにすることができる（なおこのとき下アーム側をオンにしてもよいがその場合にはダイオードＤ１〜Ｄ３の極性を反転させれば同じ動作が得られる）。そのため、定常状態においては第１の単相インバータ１０および第２の単相インバータ２０のインバータ出力電位同士を接続した点はＵ電位と同じとなる。したがって、第２の電圧補償ユニット２においても、第２のコンデンサＣ２は充電抵抗Ｒ２ｘ、Ｒ２ｙとダイオードＤ２とによって充電され、抵抗値を選定することで電圧Ｖ２を所定の値に設定することが可能である。なお、図示しない第３の電圧補償ユニット３についても同様に第３のコンデンサＣ３が充電できる。
例えば、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３をまず４：２：１の関係に充電し、Ｖ０＞Ｖ１の条件に充電する場合を考える。初期充電が完了した状態では、Ｖ１に対しＶ０は高く設定されている。Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙ、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙでそれぞれの抵抗値を表し、（Ｖｒｍｓ＊１．１４１）を線間電圧の実効値とすると、初期充電が完了した時点では、
Ｖ０＝Ｒ０ｘ／（Ｒ０ｘ＋Ｒ０ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１）
Ｖ１＝Ｒ１ｘ／（Ｒ１ｘ＋Ｒ１ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１） となる。
図１３（ｂ）に、時間Ｔと電圧Ｖ１、Ｖ０との関係を示す。Ｔ＝０で電力系統に瞬低が発生し、補償を開始する。このとき、説明の簡単化のため、電圧Ｖ１の目標値を変える必要のない瞬低条件とする。Ｔ＝０から瞬低補償を行いながら、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１が低下しないように、降圧チョッパ１２を用いて容量コンデンサＣ０のエネルギを第１のコンデンサＣ１に移行する。それにより容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０は除々に低下し、やがてＶ０＝Ｖ１となり、概ね補償の限界に至る。
【００３１】
次に、１２（ｂ）に示す昇圧チョッパ１３を用いる場合を図１４を用いて説明する。図１４（ａ）は電圧変動補償装置の構成を示す図である。なお、便宜上、ここでは第１の電圧補償ユニット１のみを示す。
図に示すように、容量コンデンサＣ０と第１のコンデンサＣ１との間に、チョッパスイッチ１３ａ、ダイオード１３ｂおよびリアクトル１３ｃから成る昇圧チョッパ１３が備えられる。Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙは充電抵抗であり、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙは存在しない。
次に、動作を説明する。
Ｕ相の電位がＶ相の電位より高い場合、第１の電圧補償ユニット１において、Ｕ相電力線７ｕから第１の単相インバータ１０の出力端子を介して取り込まれたＵ相電圧は、第１の単相インバータ１０の上アーム（図中右側）のダイオードを通って、第１のコンデンサＣ１および容量コンデンサＣ０を充電して、さらにダイオードＤ０を通り充電抵抗Ｒ０ｙを通りＶ相電力線に戻る。このとき、容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０と第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１とは等しい大きさに設定される。初期充電が完了した時点では、
Ｖ０＝Ｒ０ｘ／（Ｒ０ｘ＋Ｒ０ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１）＝Ｖ１ となる。
図１４（ｂ）に、時間Ｔと電圧Ｖ１、Ｖ０との関係を示す。Ｔ＝０で電力系統の瞬低が発生し、瞬低補償が進むに連れ、電圧Ｖ０は低下していくが、昇圧チョッパ１３を用いて容量コンデンサＣ０のエネルギを第１のコンデンサＣ１に移行するため、電圧Ｖ０が低下しても第１のコンデンサＣ１は常に一定の電圧Ｖ１とすることができる。この場合、容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０がゼロになるまで補償継続が可能である。
【００３２】
次に、１２（ｃ）に示す昇降圧チョッパ１４を用いる場合を図１５を用いて説明する。図１５（ａ）は電圧変動補償装置の構成を示す図である。なお、便宜上、ここでは第１の電圧補償ユニット１のみを示す。
図に示すように、容量コンデンサＣ０と第１のコンデンサＣ１との間に、チョッパスイッチ１４ａ、ダイオード１４ｂおよびリアクトル１４ｃから成る昇降圧チョッパ１４が備えられる。Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙは充電抵抗であり、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙは存在しない。
次に、動作を説明する。
定常状態においては、第１の単相インバータ１０の全アームをオンとしておく。それにより第１のコンデンサＣ１には充電されず、容量コンデンサＣ０のみに、Ｒｏｘ、Ｒｏｙの抵抗の分圧で決まる電圧Ｖ０が充電される。
Ｖ０＝Ｒ０ｘ／（Ｒ０ｘ＋Ｒ０ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１） となる。
図１５（ｂ）に、時間Ｔと電圧Ｖ１、Ｖ０との関係を示す。
Ｔ＝０で電力系統の瞬低が発生し、その時点で、電圧Ｖ１はゼロであるから、第１の単相インバータ１０の各アームを全オフにして第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１が即座に所定の値になるよう昇降圧チョッパ１４で制御する。それから瞬低補償を開始する。補償が進むに連れ、電圧Ｖ０は低下していくが、昇降圧チョッパ１４を用いて容量コンデンサＣ０のエネルギを第１のコンデンサＣ１に移行するため、電圧Ｖ０が低下しても第１のコンデンサＣ１は常に一定の電圧Ｖ１とすることができる。この場合、チョッパ１４の構成は昇降圧型であるため、Ｖ０＜Ｖ１となっても、電圧Ｖ１を一定値にすることができ、最終的に容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０がゼロになるまで補償継続が可能である。
【００３３】
次に、１２（ｃ）に示す昇降圧チョッパを用いる場合の別例を図１６を用いて説明する。図１６（ａ）は電圧変動補償装置の構成を示す図である。なお、便宜上、ここでは第１の電圧補償ユニット１のみを示す。
図に示すように、容量コンデンサＣ０と第１のコンデンサＣ１との間に、チョッパスイッチ１５ａ、ダイオード１５ｂおよびリアクトル１５ｃから成る昇降圧チョッパ１５が備えられる。Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙは容量コンデンサＣ０を充電するための充電抵抗、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙは第１のコンデンサＣ１を充電するための充電抵抗である。また、ダイオードＤ１は正極が充電抵抗Ｒ１ｙに、負極が第１のコンデンサＣ１に接続される。
次に、動作を説明する。
定常状態においては、第１の単相インバータ１０の上アームをオンとしておく。それにより、Ｕ相の電位がＶ相の電位より高い場合、容量コンデンサＣ０を充電し、Ｕ相の電位がＶ相の電位より低い場合、第１のコンデンサＣ１を充電することができる。この場合、Ｖ０＞Ｖ１の条件で充電し、初期充電が完了した状態では、Ｖ１に対しＶ０は高く設定されている。初期充電が完了した時点では、
Ｖ０＝Ｒ０ｘ／（Ｒ０ｘ＋Ｒ０ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１）
Ｖ１＝Ｒ１ｘ／（Ｒ１ｘ＋Ｒ１ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１） となる。
図１５（ｂ）に、時間Ｔと電圧Ｖ１、Ｖ０との関係を示す。
Ｔ＝０で電力系統の瞬低が発生し、補償を開始する。補償が進むに連れ、電圧Ｖ０の電圧は低下していくが、昇降圧チョッパ１５を用いて容量コンデンサＣ０のエネルギを第１のコンデンサＣ１に移行するため、電圧Ｖ０が低下しても第１のコンデンサＣ１は常に一定の電圧Ｖ１とすることができる。この場合、チョッパ１５の構成は昇降圧型であるため、Ｖ０＜Ｖ１となっても、電圧Ｖ１を一定値にすることができ、最終的に容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０がゼロになるまで補償継続が可能である。
【００３４】
なお、上記各実施の形態では、コンデンサＣ０〜Ｃ３は、電力系統の線間電圧を用いて充電するようにしたが、充電用のトランスを備えて充電しても良い。
また、電圧補償ユニットの個数が多くなると、容量コンデンサとチョッパ回路とを最大出力ユニットに限らず、２個あるいはそれ以上の電圧補償ユニットに設けても良い。
【００３５】
【発明の効果】
以上のようにこの発明に係る電圧変動補償装置は、電力系統における電圧低下の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御部と、該電力系統に直列に接続され、それぞれ異なる電圧が蓄積されたエネルギ蓄積手段に蓄積された直流電圧を交流に変換して出力する複数（Ｎ個）の電圧補償回路とを備えて、上記電力系統の電圧低下時に、出力電圧が逆極性のものを含むことを可能にして上記複数の電圧補償回路の中から所定の組み合わせを選択し、該出力電圧極性を含む組み合わせ（以下、出力パターンと称す）による各出力電圧の総和で上記電力系統の電圧低下を補償して負荷に発生する電圧変動を抑える。そして、上記複数の電圧補償回路のうちＫ個（Ｋ＜Ｎ）の電圧補償回路内のエネルギ蓄積手段の前段に、該エネルギ蓄積手段に比して容量の大きな第２のエネルギ蓄積手段とチョッパ回路とを設け、該第２のエネルギ蓄積手段から該チョッパ回路を介して上記エネルギ蓄積手段にエネルギを供給するものであるため、装置を大型化することなく、高精度で継続補償時間の長い電圧補償が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による電圧変動補償装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による単相インバータの構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１による単相インバータの電圧発生パターンである。
【図４】この発明の実施の形態１による単相インバータの電圧発生パターンの別例である。
【図５】この発明の実施の形態２による各電圧補償ユニットの出力パターンとエネルギ量を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２の別例による各電圧補償ユニットの出力パターンとエネルギ量とを示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２の別例による各電圧補償ユニットの出力パターンとエネルギ量との別例を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３によるチョッパ回路の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作を示すフローチャートである。
【図９】この発明の実施の形態３の別例によるチョッパ回路の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作を示すフローチャートである。
【図１０】この発明の実施の形態３の別例によるチョッパ回路の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作を示すフローチャートである。
【図１１】この発明の実施の形態４による各出力パターンの補償時間の調整を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態５による電圧変動補償装置の構成図である。
【図１３】この発明の実施の形態５による電圧変動補償装置の詳細構成図と動作説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態５の別例による電圧変動補償装置の詳細構成図と動作説明図である。
【図１５】この発明の実施の形態５の別例による電圧変動補償装置の詳細構成図と動作説明図である。
【図１６】この発明の実施の形態５の別例による電圧変動補償装置の詳細構成図と動作説明図である。
【符号の説明】
１〜３ 電圧補償回路としての第１〜第３の電圧補償ユニット、
４ 電力系統、６ 制御回路、１０ 第１の単相インバータ、
１１ チョッパ回路としてのＤＣ／ＤＣコンバータ、１２ 降圧チョッパ、
１３ 昇圧チョッパ、１４，１５ 昇降圧チョッパ、
２０ 第２の単相インバータ、３０ 第３の単相インバータ、
Ｃ０ 第２のエネルギ蓄積手段としての容量コンデンサ、
Ｃ１〜Ｃ３ エネルギ蓄積手段としての第１〜第３のコンデンサ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、負荷に供給される電力系統の電圧が瞬時的に変動した際に、それを検出して電圧変動を補償する電圧変動補償装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
雷などにより電力系統の電圧が瞬時的に低下し、工場などの精密機器などが誤作動や一時停止することにより、生産ラインで多大な被害を被ることがある。このような被害を防ぐために、電力系統の瞬時的電圧低下などの電圧変動を監視して、電圧低下を補償する電圧変動補償装置が用いられている。
従来の電圧変動補償装置は、電力系統に直列に接続され、正負いずれかの極性で補償電圧を出力する複数の電圧補償回路で構成される。各電圧補償回路には、ダイオードが逆並列に接続された４個の半導体スイッチング素子から成るフルブリッジインバータ、および充電コンデンサが備えられ、充電コンデンサの直流電圧を交流に変換して出力する。また、各電圧補償回路の出力端には、高速機械式の定常短絡スイッチが並列に設けられる。各電圧補償回路内の充電コンデンサは、充電ダイオードと充電用トランスによってそれぞれ異なる電圧が充電され、電圧の比は概ね２のべき乗比に設定される。
定常時、電流は定常短絡スイッチを流れる。また電力系統の電圧低下時には、誤差電圧に応じて複数の電圧補償回路内から所望の組み合わせを選択し、その出力電圧の総和で電力系統の電圧低下を補償する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３５９９２９号公報（第１頁、第６−第８頁、第１、第６図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電圧変動補償装置は以上のように構成され、補償電圧を階調制御により出力するため電力系統の瞬時的な電圧低下を高精度に補償するものであるが、コンデンサ電圧の低下（エネルギの低下）に伴い、出力すべき最大電圧仕様を満足できなくなった時点で補償限界に至り、それにより電圧変動の補償を継続できる時間が決まることになる。補償の時間を確保するためには、各電圧補償回路内の充電コンデンサの容量を比例的に大きくし、即ち複数箇所に大容量のコンデンサを備える必要がある。一般に電圧変動補償装置においては、エネルギを蓄積するコンデンサの大きさが概ね装置の大きさを決定してしまうため、装置が大型化する問題があった。
また、コンデンサのエネルギは電圧の２乗に比例するため、初期に蓄積しておく電圧が高ければ高いほど多くのエネルギを蓄積できる。従って、装置の小型化を図るためには、各電圧補償回路内の充電コンデンサへの充電電圧を予め高く設定しておくことで、各充電コンデンサを大容量にせずに補償時間をより長くすることが可能であるが、電圧を高くしただけ補償電圧の階調の幅が大きくなり、きめ細かな階調制御ができず補償精度が低下するという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、電力系統に複数の電圧補償回路が直列に接続されて、各電圧補償回路内のエネルギ蓄積手段に蓄積された直流電圧を交流に変換して出力する電圧変動補償装置において、装置を大型化することなく、高精度で長時間の電圧補償を可能にすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電圧変動補償装置は、電力系統における電圧低下の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御部と、該電力系統に直列に接続され、それぞれ異なる電圧が蓄積されたエネルギ蓄積手段に蓄積された直流電圧を交流に変換して出力する複数（Ｎ個）の電圧補償回路とを備えて、上記電力系統の電圧低下時に、出力電圧が逆極性のものを含むことを可能にして上記複数の電圧補償回路の中から所定の組み合わせを選択し、該出力電圧極性を含む組み合わせ（以下、出力パターンと称す）による各出力電圧の総和で上記電力系統の電圧低下を補償して負荷に発生する電圧変動を抑える。そして、上記複数の電圧補償回路のうちＫ個（Ｋ＜Ｎ）の電圧補償回路内のエネルギ蓄積手段の前段に、該エネルギ蓄積手段に比して容量の大きな第２のエネルギ蓄積手段とチョッパ回路とを設け、該第２のエネルギ蓄積手段から該チョッパ回路を介して上記エネルギ蓄積手段にエネルギを供給するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。図１はこの発明の実施の形態１による電圧変動補償装置の構成図である。
図１に示すように、電力系統４に、複数の電圧補償回路としての第１〜第３の電圧補償ユニット１〜３が直列に接続され、それらの出力端には、並列に高速機械式の定常短絡スイッチ５が接続される。なお、電力系統４からの各相の電力線にそれぞれ第１〜第３の電圧補償ユニット１〜３が直列に接続されるものであるが、図１ではＵ相の電力線７ｕに接続されたものを示す。７ｖはＶ相の電力線である。また、電力系統における電圧低下の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御回路６を備えて、制御回路６からの指令により第１〜第３の電圧補償ユニット１〜３の出力電圧が系統に直列に重畳されて系統電圧の低下を補償する。
【０００８】
第１〜第３の電圧補償ユニット１〜３は、第１〜第３の単相インバータ１０、２０、３０と、第１のエネルギ蓄積手段としての充電コンデンサ（第１のコンデンサＣ１、第２のコンデンサＣ２、第３のコンデンサＣ３）とを備え、単相インバータ１０、２０、３０の交流側が電力系統に直列に接続され、各単相インバータ１０、２０、３０は充電コンデンサＣ１〜Ｃ３の直流電圧を交流に変換して出力する。また、各電圧補償ユニット１〜３内の第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３に充電される電圧（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）の比は概ね２のべき乗比に設定されて、４：２：１となる。
また、第１の電圧補償ユニット１内の第１のコンデンサＣ１の前段には、第２のエネルギ蓄積手段として大容量のコンデンサＣ０（以下、容量コンデンサＣ０と称す）、および、第１のコンデンサＣ１と容量コンデンサＣ０とを接続するチョッパ回路としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１１を備える。
さらに、第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３および容量コンデンサＣ０は、当該相（Ｕ相）の電力線７ｕから第１〜第３の単相インバータ１０、２０、３０を介して、他相、この場合Ｖ相の電力線７ｖに接続される充電回路により、電力系統の線間電圧を用いて充電される。各電圧補償ユニット１〜３内の充電回路には、充電抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３、Ｒ２１，Ｒ２２、Ｒ３１，Ｒ３２、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、およびツェナーダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３を備える。なお、ツェナーダイオードＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３は充電が効率的に行えるものであるが、なくても充電は行える。
【０００９】
第１〜第３の単相インバータ１０、２０、３０の構成を図２に示す。図に示すように、ダイオードが逆並列に接続された４個のＩＧＢＴ８から成るフルブリッジインバータで構成される。フルブリッジインバータはＩＧＢＴ以外の自己消弧型半導体スイッチング素子で構成しても良い。また、フルブリッジに限らず、ハーフブリッジなど電圧を発生するインバータの構成であればよい。
【００１０】
次に、動作について説明する。
定常時、定常短絡スイッチ５はオン状態で、電流は電圧変動補償装置をバイパスして定常短絡スイッチ５を流れ、装置ロスは低減される。また電力系統の瞬時的な電圧低下時（瞬低時）には、定常短絡スイッチ５をオフして、瞬低補償動作を開始する。即ち、誤差電圧に応じて選択された各電圧補償ユニット１〜３において、補償電圧が出力される。これらの出力は系統にて組み合わされ、゛０００゛〜゛１１１゛の８階調の電圧出力を発生することができ、最大の補償電圧は、７×Ｖ３となる。
なお、各電圧補償ユニット１〜３内の第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３に充電される電圧（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）の比は概ね２のべき乗比としたが、これに限るものではない。また、各電圧補償ユニット１〜３にて出力される補償電圧は、系統電圧と逆極性のものを含んでも良い。Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係と出力電圧の階調レベルとの関係は図３のようなパターンが考えられる。例えば、パターンＧは最も階調数が多く、３つの電圧補償ユニット１〜３で１３の階調数が得られる故、きめ細かな出力電圧の階調制御が可能であり、出力フィルタを削除することができる。
【００１１】
また、容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０は初期に十分に高く充電しておき、容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０を入力としたＤＣ／ＤＣコンバータ１１により、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１を所定の値になるよう制御する。なお、容量コンデンサＣ０および第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３についてはコンデンサではなく、バッテリー等のエネルギ蓄積手段であっても同様の効果が得られる。
また上述したように、第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３および容量コンデンサＣ０は、当該相（Ｕ相）の電力線７ｕから第１〜第３の単相インバータ１０、２０、３０を介して、他相、この場合Ｖ相の電力線７ｖに接続される充電回路により、電力系統の線間電圧を用いて充電する。この充電動作は装置を立ち上げる時に行うとともに、電力系統の瞬低が発生しない定常時に行う。
【００１２】
第１の電圧補償ユニット１内の第１のコンデンサＣ１については、大容量の容量コンデンサＣ０からＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してエネルギが供給されるが、第２、第３の電圧補償ユニット２、３内の第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３のエネルギについて以下に示す。
図４に、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係が、４：２：１と５：２：１と６：２：１との場合について出力電圧の階調レベルとの関係の別例を示す。例えば図４（ａ）に示すように、出力階調レベルとして同じ１を出力する場合において、３つのパターンを有する。第１の場合は、最小出力の第３の電圧補償ユニット３からＶ３を出力するのみであり、この場合、第３のコンデンサＣ３からエネルギが放出されるのみとなる。しかし、第２の場合は、第２の電圧補償ユニット２からＶ２を正で、第３の電圧補償ユニット３からＶ３を負で出力するから、第２のコンデンサＣ２からエネルギが放出され、第３のコンデンサＣ３にはエネルギが供給される。また、第３の場合は、第１のコンデンサＣ１からエネルギが放出され、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３にエネルギが供給される。
このように、出力階調レベルが同じでも複数のパターンを利用することによって、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３に第１のコンデンサＣ１からエネルギを移行することができる。このような選択パターンは図４に示すように、他の階調出力レベルの場合においても存在する。
【００１３】
この実施の形態では、、電力系統の瞬低時に、出力電圧が逆極性のものを含むことを可能にして電圧補償ユニット１〜３の中から所定の組み合わせを選択し、該出力パターンによる各電圧補償ユニット１〜３の出力電圧の総和で上記電力系統の電圧低下を補償する。この補償時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１により、容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０を入力として、最大電圧を蓄積する第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１は所定の値になるよう制御する。そして、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３は、エネルギの放出と第１のコンデンサＣ１からのエネルギの供給とによるエネルギ授受ができるだけバランスするように出力制御する。即ち、出力電圧極性を含んで選択された電圧補償ユニット１〜３の組み合わせで決定される上記出力パターンを、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３におけるエネルギ授受ができるだけバランスするように決定して補償電圧を出力する。
【００１４】
このため、第１のコンデンサＣ１だけでなく第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３についても電圧低下を抑制でき、電圧変動の継続補償時間を長くできる。また容量コンデンサＣ０のエネルギをほとんど使い果たし出力すべき最大電圧仕様を満足できなくなった時点で、補償限界に至り補償終了となるため、その時の第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３の保有エネルギ分は結果的には使われずに残ってしまう。従って、第１〜第３のコンデンサＣ１〜Ｃ３のコンデンサの容量をできるだけ小さくしておくことが、エネルギの有効利用に重要となる。このように大容量のコンデンサである容量コンデンサＣ０は１つ設ければよく、装置を大型にすることなく補償時間を確保できる。また、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１を所定の値以上に保っている限り電圧変動の継続補償が可能となるため、必要以上に各コンデンサＣ１〜Ｃ３の充電電圧を高くして階調幅を拡げることなく、きめ細かく高精度な出力電圧の階調制御が行える。
【００１５】
実施の形態２．
次に、上記実施の形態１に示す電圧変動補償装置において、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３におけるエネルギ授受ができるだけバランスするように出力パターンを決定して補償電圧を出力する動作について詳述する。
ここで、少し簡略化するために、第２、第３の電圧補償ユニット２、３の２つを”フィルタユニット”と呼ぶこととする。まず、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係が、４：２：１の場合について説明する。図５（ａ）に、各出力階調レベルを得る際の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット（第１の電圧補償ユニット１）の出力パターンを示す。ここで、Ｖａは階調幅となる電圧で、この場合、Ｖ３と等しい。図５（ｂ）には、正弦波を最大５レベルの階調制御で出力した場合の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット１のエネルギ量をそれぞれ示す。
まず、このフィルタユニット２、３のみについて考えるとフィルタユニット２、３のみで出しうる階調レベルは１〜３であり、そのうち最小出力ユニット（第３の電圧補償ユニット３）が受け持つのは１レベルおよび３レベルである。この１レベルおよび３レベルにおいて、最小出力ユニット３は、いずれも正、負双方の極性で電圧出力するパターンが存在する。つまり、フィルタユニット２、３が発生する電圧のうち最小出力ユニット３が受け持つ１レベルおよび３レベルの出力条件においては、第３のコンデンサＣ３にエネルギを供給する場合と、エネルギを放出する場合との双方が存在する。従って、フィルタユニット２、３が発生する階調レベル１〜３の条件において、仮に第２のコンデンサＣ２のエネルギが増減しないとすれば、第３のコンデンサＣ３のエネルギは増減を自由に調整できることになる。
【００１６】
次に、第２のコンデンサＣ２のエネルギを増減させないためには、フィルタユニット２、３全体から放出されるエネルギ分を、第１のコンデンサＣ１から供給すればよい。
図５（ｂ）に示すように、最大レベルが５までの階調制御で正弦波を出力させた場合、フィルタユニット２、３のエネルギ授受は、ほぼバランスしていることがわかる。この状態であれば、出力パターンの選択によりフィルタユニット２、３のエネルギ授受をほぼ０にしてバランスさせることができる。しかし、図５（ａ）を見ればわかるように、６および７の階調レベルでは、フィルタユニット２、３は２Ｖａと３Ｖａの出力、つまりいずれもエネルギを放出するパターンしかないため、６および７の階調レベルでの電圧出力では、フィルタユニット２、３のエネルギは減少することになる。
【００１７】
次に、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係が、５：２：１の場合について、図６（ａ）に、各出力階調レベルを得る際の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット（第１の電圧補償ユニット１）の出力パターンを示す。また、図６（ｂ）には、正弦波を最大６レベルの階調制御で出力した場合の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット１のエネルギ量をそれぞれ示す。
図６（ｂ）に示すように、最大レベルが６までの階調制御で正弦波を出力させた場合、フィルタユニット２、３のエネルギ授受は、ほぼバランスしていることがわかる。この状態であれば、出力パターンの選択によりフィルタユニット２、３のエネルギ授受をほぼ０にしてバランスさせることができる。しかし、図６（ａ）を見ればわかるように、７の階調レベルでは、フィルタユニット２、３は２Ｖａの出力、つまりエネルギを放出するパターンしかないため、フィルタユニット２、３のエネルギは減少することになる。
次に、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係が、６：２：１の場合について、図７（ａ）に、各出力階調レベルを得る際の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット（第１の電圧補償ユニット１）の出力パターンを示す。また、図７（ｂ）には、正弦波を最大７レベルの階調制御で出力した場合の、フィルタユニット２、３および最大出力ユニット１のエネルギ量をそれぞれ示す。
図７（ｂ）に示すように、最大レベルが７までの階調制御で正弦波を出力させた場合、フィルタユニット２、３のエネルギ授受は、ほぼバランスしていることがわかる。この状態であれば、出力パターンの選択によりフィルタユニット２、３のエネルギ授受をほぼ０にしてバランスさせることができる。
【００１８】
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係が、４：２：１、５：２：１、６：２：１の３種の場合について、フィルタユニット２、３のエネルギが以上のように変化するため、最大レベルが５までの階調制御で正弦波を出力させた場合は４：２：１を用い、最大レベルが６まで階調制御が必要になると５：２：１に切り替え、最大レベルが７まで階調制御が必要になると６：２：１に切り替えると、フィルタユニット２、３のエネルギ授受をほぼ０にしてバランスさせることができる。上述したように、第３のコンデンサＣ３のエネルギはフィルタユニット２、３全体の中でエネルギの増減を調整できるため、第３のコンデンサＣ３の電圧Ｖ３は一定となる。
上記にように、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係を切り替えるには、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１を、１：２：４で決まる４の値から５または６の値に増加すればよいことがわかる。
これにより、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３の容量値をできるだけ小さくすることができ、出力すべき最大電圧仕様を満足できなくなった時点で残存するエネルギを小さくすることができる。これは、装置のエネルギ利用率を増加でき、装置の小型化に結びつく。
【００１９】
なお、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係は、５：２：１や６：２：１に固定しない。例えば、出力階調レベルとして１レベルを出力する場合、５：２：１や６：２：１では、図６、図７に示すように、フィルタユニット２、３にエネルギを供給できない。従って、このような場合、フィルタユニット２、３内のエネルギが即座に無くなってしまうこととなる。一方、４：２：１を用いた場合、図５に示すように、出力階調レベルとして１または２レベルを出力する場合においてもフィルタユニット２、３にエネルギを供給できる。
従って、各コンデンサＣ０〜Ｃ３の状況に応じて、または、瞬低の発生状況に応じて、または、フィルタユニット２、３へのエネルギ授受の状況もしくは各コンデンサＣ２、Ｃ３の電圧状況に応じて、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１をＤＣ／ＤＣコンバータ１１により変化させることにより、よりエネルギの有効な利用が可能となる。
【００２０】
また、フィルタユニット２、３のコンデンサＣ２、Ｃ３の容量値を小さくするには限界がある。例えば図５〜図７からわかるようにフィルタユニット２、３のエネルギの増減がゼロになるのは、もちろん正弦波の半周期の積分の結果であるから、半周期の間は電圧を安定に保つだけの容量値は必要となる。
また、瞬低の状況が急変した場合等においては、第１のコンデンサＣ１の電圧を急に変化させ、所定の電圧に設定する必要があるため、この点においても第１のコンデンサＣ１の容量値は小さい方が望ましい。例えば、一旦、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１を６レベルに設定した後、瞬低が軽くなり、４レベルに低下させなければならない状況が考えられる。
すなわち、（コンデンサＣ１の容量値）＜（コンデンサＣ２、Ｃ３の容量値）としておくのが望ましい。
【００２１】
実施の形態３．
次に、上記実施の形態１に示す電圧変動補償装置において、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１をＤＣ／ＤＣコンバータ１１により変化させて電圧変動を補償する動作について説明する。
図８は、チョッパ回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作を示すフローチャートである。
初期の時点ではＶ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係は４：２：１に設定されているものとし、まず、電力系統の瞬低を検出すると（Ｓ１）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧であるチョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを４と設定する（Ｓ２）。続いて出力すべき補償電圧の大きさが最大７階調必要か判断し（Ｓ３）、不要なら最大６階調必要か判断し（Ｓ４）、さらに不要なら、即ち出力すべき補償電圧の大きさが最大５階調以下であるとき、図４（ａ）に示すＶ３：Ｖ２：Ｖ１＝１：２：４である論理テーブルの階調発生パターンに決定し（Ｓ５）、最小出力電圧であるＶ３が規定値より低ければ、Ｖ３が充電されるモード（出力パターン）を選択し、Ｖ３が規定値より高ければ、Ｖ３が放電されるモードを選択して（Ｓ６）、各電圧補償ユニット１〜３からの出力電圧の総和により電力系統の瞬低を補償する（Ｓ７）。この後、Ｓ３に戻る。
【００２２】
Ｓ３にて、出力すべき補償電圧の大きさが最大７階調必要であれば、チョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを６と設定し（Ｓ１２）、図４（ｃ）に示すＶ３：Ｖ２：Ｖ１＝１：２：６である論理テーブル内の階調発生パターンに決定し（Ｓ１５）、最小出力電圧であるＶ３が規定値より低ければ、Ｖ３が充電されるモードを選択し、Ｖ３が規定値より高ければ、Ｖ３が放電されるモードを選択して（Ｓ１６）、各電圧補償ユニット１〜３からの出力電圧の総和により電力系統の瞬低を補償する（Ｓ１７）。この後、Ｓ１５に戻る。
Ｓ４にて、出力すべき補償電圧の大きさが最大６階調必要であれば、チョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを５と設定し（Ｓ２２）、図４（ｂ）に示すＶ３：Ｖ２：Ｖ１＝１：２：５である論理テーブル内の階調発生パターンに決定し（Ｓ２５）、最小出力電圧であるＶ３が規定値より低ければ、Ｖ３が充電されるモードを選択し、Ｖ３が規定値より高ければ、Ｖ３が放電されるモードを選択して（Ｓ２６）、各電圧補償ユニット１〜３からの出力電圧の総和により電力系統の瞬低を補償する（Ｓ２７）。続いて、出力すべき補償電圧の大きさが最大７階調必要か判断し（Ｓ２８）、不要ならＳ２２へ、必要ならＳ１２へ移る。
【００２３】
次に、図９は、チョッパ回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作の第２の例を示すフローチャートである。
この場合、図８で示した場合における電圧変動の補償動作のステップＳ７、Ｓ１７、Ｓ２７の後、必ずＳ３に戻って、出力すべき補償電圧の大きさが最大７階調必要か判断し、さらに不要ならＳ４にて最大６階調必要か判断する。
この場合は、瞬低の状況が大きく変化する場合に対して有効であり、時々刻々と変化する瞬低のレベルに対し出力すべき電圧が変わっても、必要な出力パターンを適切に設定できるようにチョッパ電圧Ｖ１を繰り返し設定する。これにより、例えば７レベルの出力が必要でその後２レベルの出力が必要な場合には、一旦、Ｖ３：Ｖ２：Ｖ１を１：２：６に変化した後、その後１：２：４に戻すよう動作する。このように種々の瞬低状況に対応できる。
なお、図８、図９に示す例では、必要とされる補償電圧階調に応じて、Ｖ３：Ｖ２：Ｖ１の関係を設定するものであり、第３のコンデンサＣ３の電圧Ｖ３は監視して制御に用いるが、第２のコンデンサＣ２の電圧Ｖ２を監視する必要がないため、回路が簡素化される。
【００２４】
次に、図１０は、チョッパ回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作の第３の例を示すフローチャートである。
初期の時点ではＶ１、Ｖ２、Ｖ３の電圧の関係は４：２：１に設定されているものとし、まず、電力系統の瞬低を検出すると（Ｔ１）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力電圧であるチョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを４と設定する（Ｔ２）。続いて、第２のコンデンサＣ２の電圧Ｖ２と規定値との差がある範囲内かどうか判断し（Ｔ３）、ある範囲を外れたとき、電圧Ｖ２が上記規定値より高いかどうか判断する（Ｔ４）。Ｖ２が上記規定値より高い場合は、チョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを上げるように切り替え（Ｔ５ａ）、Ｖ２が上記規定値以下の場合は、チョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルを下げるように切り替え（Ｔ５ｂ）、チョッパを制御する。その後、チョッパ電圧Ｖ１の目標値レベルに応じて階調発生パターン（Ｖ３：Ｖ２：Ｖ１）を１：２：４、１：２：５あるいは１：２：６の中のいずれかに切り替え（Ｔ６）、第２のコンデンサＣ２の電圧Ｖ２が規定値より低ければ、Ｖ２が充電されるモード（出力パターン）を選択し、Ｖ２が規定値より高ければ、Ｖ２が放電されるモードを選択する（Ｔ７）。また、最小出力電圧であるＶ３が規定値より低ければ、Ｖ３が充電されるモードを選択し、Ｖ３が規定値より高ければ、Ｖ３が放電されるモードを選択して（Ｔ８）、各電圧補償ユニット１〜３からの出力電圧の総和により電力系統の瞬低を補償する（Ｔ９）。この後、Ｔ３に戻る。
Ｔ３にて、電圧Ｖ２と規定値との差がある範囲内である時は、チョッパ電圧の目標値レベルを変更せずＴ６にて階調発生パターン（Ｖ３：Ｖ２：Ｖ１）を設定する。
【００２５】
図１０に示す例では、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３の電圧Ｖ２、Ｖ３を監視して、電圧Ｖ１の制御をチョッパ回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１１で行うため、電圧Ｖ２、Ｖ３をそれぞれ一定に保つことができ、長時間に渡り精度の高い補償が可能となる。
なお、階調発生パターンの切り替えタイミングは、チョッパ電圧Ｖ１の目標値を変化させた直後でもよいし、またＶ１の実電圧が目標値に達した時点でもよい。
【００２６】
また、チョッパ電圧Ｖ１の目標値の設定に関しては、上記の説明ではいずれも、階調レベルを４〜６の間で１階調ずつ変化させているが、１階調未満の電圧値の増減であっても、出力パターンを決定する論理テーブルさえ書き換えれば問題はない。もちろん、階調幅が常に一定とはならないが、全体としては精度の高い階調制御による電圧補償が行える。
さらにまた、図１０に示す例では、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３の電圧Ｖ２、Ｖ３を監視するが、これらの電圧値は演算で求めることもでき、例えば、系統の電流と出力モードとから電圧Ｖ２、Ｖ３の変化は演算でき、これにより、チョッパ電圧の設定を決定することも可能である。
【００２７】
実施の形態４．
上述したように、第２、第３のコンデンサＣ２、Ｃ３におけるエネルギ授受ができるだけバランスするようにチョッパ電圧Ｖ１を制御し、出力パターンを決定して補償電圧を出力するが、各出力パターンによる補償時間（パルス幅）を調整し、エネルギ授受を補正して０に近づけることもできる。
例えば、電圧Ｖ２の電圧が規定値より低ければ、電圧Ｖ２を発生する時間のうち充電が多くなるよう、また、放電が少なくなるよう、その電圧発生の補償時間のパルス幅を少し変える。このとき出力電圧の実効値が低下することになるため、電圧Ｖ１を発生する時間をやや延ばしてやればよい。
図１１に、最大レベルが７レベルの階調制御で正弦波を出力させた場合の、各出力パターンによる補償時間（パルス幅）の調整について示す。正規の発生電圧に対し、パルス幅を補正した発生電圧では、階調レベルが３〜５レベルのパルス幅が拡がり、また７レベルのパルス幅が狭まっていることがわかる。階調発生パターン（Ｖ３：Ｖ２：Ｖ１）が１：２：６とすると、パルス幅を補正した発生電圧では、正規の発生電圧に対し充電の量が増加し、放電の量が減少することになる。従って、パルス幅を補正することにより、フィルタユニット２、３のエネルギ授受を変化させることができる。即ち、フィルタユニット２、３のエネルギ量が少ない場合には、充電を行う出力パターンのパルス幅を広めに、放電を行う出力パターンのパルス幅を狭めにすることで、エネルギ量を回復させ、フィルタユニット２、３のエネルギ授受をほぼ０にすることが可能となる。
【００２８】
実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５について説明する。図１に示す上記実施の形態１では、第１の電圧補償ユニット１内の第１のコンデンサＣ１の前段に、容量コンデンサＣ０およびチョッパ回路としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１１を備えたが、この実施の形態では、図１２に示すように、電圧Ｖ０の容量コンデンサＣ０と電圧Ｖ１の第１のコンデンサＣ１との間に降圧チョッパ１２、昇圧チョッパ１３あるいは昇降圧チョッパ１４を備える。その他の構成は上記実施の形態１と同様である。
まず、１２（ａ）に示す降圧チョッパ１２を用いる場合を図１３を用いて説明する。図１３（ａ）は電圧変動補償装置の構成を示す図である。なお、便宜上、第３の電圧補償ユニット３、定常短絡スイッチ５および制御回路６の図示を省略する。図に示すように、容量コンデンサＣ０と第１のコンデンサＣ１との間に、チョッパスイッチ１２ａ、ダイオード１２ｂおよびリアクトル１２ｃから成る降圧チョッパ１２が備えられる。また、Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙは容量コンデンサＣ０を充電するための充電抵抗、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙは第１のコンデンサＣ１を充電するための充電抵抗、Ｒ２ｘ、Ｒ２ｙは第２のコンデンサＣ２を充電するための充電抵抗である。
【００２９】
次に、動作を説明する。
Ｕ相の電位がＶ相の電位より高い場合、最大出力ユニットである第１の電圧補償ユニット１において、Ｕ相電力線７ｕから第１の単相インバータ１０の出力端子を介して取り込まれたＵ相電圧は、第１の単相インバータ１０の上アーム（図中右側）のダイオードを通ってＣ１＋端子を通り、第１のコンデンサＣ１を充電して、さらに充電抵抗Ｒ１ｙを通りダイオードＤ１を通りＶ相電力線に戻る。また、Ｃ１＋端子からＣ０＋端子に進み容量コンデンサＣ０を充電して、さらに充電抵抗Ｒ０ｙを通りダイオードＤ１を通りＶ相電力線に戻る。Ｕ相の電位がＶ相の電位より低い場合、Ｄ１がオフ状態となるため、容量コンデンサＣ０および第１のコンデンサＣ１に充電された電荷はそのまま維持される。容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０および第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１の大きさは、最終的には充電抵抗Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙ、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙによる各分圧にて決定され、それらの値を選定することにより所定の値にすることが可能である。
【００３０】
瞬低補償の動作としては、定常時には定常短絡スイッチ５が導通しており、そのとき、各単相インバータ１０、２０の出力はゼロ、すなわち上アーム側をいずれもオンにすることができる（なおこのとき下アーム側をオンにしてもよいがその場合にはダイオードＤ１〜Ｄ３の極性を反転させれば同じ動作が得られる）。そのため、定常状態においては第１の単相インバータ１０および第２の単相インバータ２０のインバータ出力電位同士を接続した点はＵ電位と同じとなる。したがって、第２の電圧補償ユニット２においても、第２のコンデンサＣ２は充電抵抗Ｒ２ｘ、Ｒ２ｙとダイオードＤ２とによって充電され、抵抗値を選定することで電圧Ｖ２を所定の値に設定することが可能である。なお、図示しない第３の電圧補償ユニット３についても同様に第３のコンデンサＣ３が充電できる。
例えば、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３をまず４：２：１の関係に充電し、Ｖ０＞Ｖ１の条件に充電する場合を考える。初期充電が完了した状態では、Ｖ１に対しＶ０は高く設定されている。Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙ、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙでそれぞれの抵抗値を表し、（Ｖｒｍｓ＊１．１４１）を線間電圧の実効値とすると、初期充電が完了した時点では、
Ｖ０＝Ｒ０ｘ／（Ｒ０ｘ＋Ｒ０ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１）
Ｖ１＝Ｒ１ｘ／（Ｒ１ｘ＋Ｒ１ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１） となる。
図１３（ｂ）に、時間Ｔと電圧Ｖ１、Ｖ０との関係を示す。Ｔ＝０で電力系統に瞬低が発生し、補償を開始する。このとき、説明の簡単化のため、電圧Ｖ１の目標値を変える必要のない瞬低条件とする。Ｔ＝０から瞬低補償を行いながら、第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１が低下しないように、降圧チョッパ１２を用いて容量コンデンサＣ０のエネルギを第１のコンデンサＣ１に移行する。それにより容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０は除々に低下し、やがてＶ０＝Ｖ１となり、概ね補償の限界に至る。
【００３１】
次に、１２（ｂ）に示す昇圧チョッパ１３を用いる場合を図１４を用いて説明する。図１４（ａ）は電圧変動補償装置の構成を示す図である。なお、便宜上、ここでは第１の電圧補償ユニット１のみを示す。
図に示すように、容量コンデンサＣ０と第１のコンデンサＣ１との間に、チョッパスイッチ１３ａ、ダイオード１３ｂおよびリアクトル１３ｃから成る昇圧チョッパ１３が備えられる。Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙは充電抵抗であり、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙは存在しない。
次に、動作を説明する。
Ｕ相の電位がＶ相の電位より高い場合、第１の電圧補償ユニット１において、Ｕ相電力線７ｕから第１の単相インバータ１０の出力端子を介して取り込まれたＵ相電圧は、第１の単相インバータ１０の上アーム（図中右側）のダイオードを通って、第１のコンデンサＣ１および容量コンデンサＣ０を充電して、さらにダイオードＤ０を通り充電抵抗Ｒ０ｙを通りＶ相電力線に戻る。このとき、容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０と第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１とは等しい大きさに設定される。初期充電が完了した時点では、
Ｖ０＝Ｒ０ｘ／（Ｒ０ｘ＋Ｒ０ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１）＝Ｖ１ となる。
図１４（ｂ）に、時間Ｔと電圧Ｖ１、Ｖ０との関係を示す。Ｔ＝０で電力系統の瞬低が発生し、瞬低補償が進むに連れ、電圧Ｖ０は低下していくが、昇圧チョッパ１３を用いて容量コンデンサＣ０のエネルギを第１のコンデンサＣ１に移行するため、電圧Ｖ０が低下しても第１のコンデンサＣ１は常に一定の電圧Ｖ１とすることができる。この場合、容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０がゼロになるまで補償継続が可能である。
【００３２】
次に、１２（ｃ）に示す昇降圧チョッパ１４を用いる場合を図１５を用いて説明する。図１５（ａ）は電圧変動補償装置の構成を示す図である。なお、便宜上、ここでは第１の電圧補償ユニット１のみを示す。
図に示すように、容量コンデンサＣ０と第１のコンデンサＣ１との間に、チョッパスイッチ１４ａ、ダイオード１４ｂおよびリアクトル１４ｃから成る昇降圧チョッパ１４が備えられる。Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙは充電抵抗であり、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙは存在しない。
次に、動作を説明する。
定常状態においては、第１の単相インバータ１０の全アームをオンとしておく。それにより第１のコンデンサＣ１には充電されず、容量コンデンサＣ０のみに、Ｒｏｘ、Ｒｏｙの抵抗の分圧で決まる電圧Ｖ０が充電される。
Ｖ０＝Ｒ０ｘ／（Ｒ０ｘ＋Ｒ０ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１） となる。
図１５（ｂ）に、時間Ｔと電圧Ｖ１、Ｖ０との関係を示す。
Ｔ＝０で電力系統の瞬低が発生し、その時点で、電圧Ｖ１はゼロであるから、第１の単相インバータ１０の各アームを全オフにして第１のコンデンサＣ１の電圧Ｖ１が即座に所定の値になるよう昇降圧チョッパ１４で制御する。それから瞬低補償を開始する。補償が進むに連れ、電圧Ｖ０は低下していくが、昇降圧チョッパ１４を用いて容量コンデンサＣ０のエネルギを第１のコンデンサＣ１に移行するため、電圧Ｖ０が低下しても第１のコンデンサＣ１は常に一定の電圧Ｖ１とすることができる。この場合、チョッパ１４の構成は昇降圧型であるため、Ｖ０＜Ｖ１となっても、電圧Ｖ１を一定値にすることができ、最終的に容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０がゼロになるまで補償継続が可能である。
【００３３】
次に、１２（ｃ）に示す昇降圧チョッパを用いる場合の別例を図１６を用いて説明する。図１６（ａ）は電圧変動補償装置の構成を示す図である。なお、便宜上、ここでは第１の電圧補償ユニット１のみを示す。
図に示すように、容量コンデンサＣ０と第１のコンデンサＣ１との間に、チョッパスイッチ１５ａ、ダイオード１５ｂおよびリアクトル１５ｃから成る昇降圧チョッパ１５が備えられる。Ｒ０ｘ、Ｒ０ｙは容量コンデンサＣ０を充電するための充電抵抗、Ｒ１ｘ、Ｒ１ｙは第１のコンデンサＣ１を充電するための充電抵抗である。また、ダイオードＤ１は正極が充電抵抗Ｒ１ｙに、負極が第１のコンデンサＣ１に接続される。
次に、動作を説明する。
定常状態においては、第１の単相インバータ１０の上アームをオンとしておく。それにより、Ｕ相の電位がＶ相の電位より高い場合、容量コンデンサＣ０を充電し、Ｕ相の電位がＶ相の電位より低い場合、第１のコンデンサＣ１を充電することができる。この場合、Ｖ０＞Ｖ１の条件で充電し、初期充電が完了した状態では、Ｖ１に対しＶ０は高く設定されている。初期充電が完了した時点では、
Ｖ０＝Ｒ０ｘ／（Ｒ０ｘ＋Ｒ０ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１）
Ｖ１＝Ｒ１ｘ／（Ｒ１ｘ＋Ｒ１ｙ）＊（Ｖｒｍｓ＊１．１４１） となる。
図１５（ｂ）に、時間Ｔと電圧Ｖ１、Ｖ０との関係を示す。
Ｔ＝０で電力系統の瞬低が発生し、補償を開始する。補償が進むに連れ、電圧Ｖ０の電圧は低下していくが、昇降圧チョッパ１５を用いて容量コンデンサＣ０のエネルギを第１のコンデンサＣ１に移行するため、電圧Ｖ０が低下しても第１のコンデンサＣ１は常に一定の電圧Ｖ１とすることができる。この場合、チョッパ１５の構成は昇降圧型であるため、Ｖ０＜Ｖ１となっても、電圧Ｖ１を一定値にすることができ、最終的に容量コンデンサＣ０の電圧Ｖ０がゼロになるまで補償継続が可能である。
【００３４】
なお、上記各実施の形態では、コンデンサＣ０〜Ｃ３は、電力系統の線間電圧を用いて充電するようにしたが、充電用のトランスを備えて充電しても良い。
また、電圧補償ユニットの個数が多くなると、容量コンデンサとチョッパ回路とを最大出力ユニットに限らず、２個あるいはそれ以上の電圧補償ユニットに設けても良い。
【００３５】
【発明の効果】
以上のようにこの発明に係る電圧変動補償装置は、電力系統における電圧低下の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御部と、該電力系統に直列に接続され、それぞれ異なる電圧が蓄積されたエネルギ蓄積手段に蓄積された直流電圧を交流に変換して出力する複数（Ｎ個）の電圧補償回路とを備えて、上記電力系統の電圧低下時に、出力電圧が逆極性のものを含むことを可能にして上記複数の電圧補償回路の中から所定の組み合わせを選択し、該出力電圧極性を含む組み合わせ（以下、出力パターンと称す）による各出力電圧の総和で上記電力系統の電圧低下を補償して負荷に発生する電圧変動を抑える。そして、上記複数の電圧補償回路のうちＫ個（Ｋ＜Ｎ）の電圧補償回路内のエネルギ蓄積手段の前段に、該エネルギ蓄積手段に比して容量の大きな第２のエネルギ蓄積手段とチョッパ回路とを設け、該第２のエネルギ蓄積手段から該チョッパ回路を介して上記エネルギ蓄積手段にエネルギを供給するものであるため、装置を大型化することなく、高精度で継続補償時間の長い電圧補償が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による電圧変動補償装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による単相インバータの構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１による単相インバータの電圧発生パターンである。
【図４】この発明の実施の形態１による単相インバータの電圧発生パターンの別例である。
【図５】この発明の実施の形態２による各電圧補償ユニットの出力パターンとエネルギ量を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２の別例による各電圧補償ユニットの出力パターンとエネルギ量とを示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２の別例による各電圧補償ユニットの出力パターンとエネルギ量との別例を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３によるチョッパ回路の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作を示すフローチャートである。
【図９】この発明の実施の形態３の別例によるチョッパ回路の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作を示すフローチャートである。
【図１０】この発明の実施の形態３の別例によるチョッパ回路の出力電圧の設定および電圧変動の補償動作を示すフローチャートである。
【図１１】この発明の実施の形態４による各出力パターンの補償時間の調整を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態５による電圧変動補償装置の構成図である。
【図１３】この発明の実施の形態５による電圧変動補償装置の詳細構成図と動作説明図である。
【図１４】この発明の実施の形態５の別例による電圧変動補償装置の詳細構成図と動作説明図である。
【図１５】この発明の実施の形態５の別例による電圧変動補償装置の詳細構成図と動作説明図である。
【図１６】この発明の実施の形態５の別例による電圧変動補償装置の詳細構成図と動作説明図である。
【符号の説明】
１〜３ 電圧補償回路としての第１〜第３の電圧補償ユニット、
４ 電力系統、６ 制御回路、１０ 第１の単相インバータ、
１１ チョッパ回路としてのＤＣ／ＤＣコンバータ、１２ 降圧チョッパ、
１３ 昇圧チョッパ、１４，１５ 昇降圧チョッパ、
２０ 第２の単相インバータ、３０ 第３の単相インバータ、
Ｃ０ 第２のエネルギ蓄積手段としての容量コンデンサ、
Ｃ１〜Ｃ３ エネルギ蓄積手段としての第１〜第３のコンデンサ。
Claims (5)
- 電力系統における電圧低下の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御部と、該電力系統に直列に接続され、それぞれ異なる電圧が蓄積されたエネルギ蓄積手段に蓄積された直流電圧を交流に変換して出力する複数（Ｎ個）の電圧補償回路とを備えて、上記電力系統の電圧低下時に、出力電圧が逆極性のものを含むことを可能にして上記複数の電圧補償回路の中から所定の組み合わせを選択し、該出力電圧極性を含む組み合わせ（以下、出力パターンと称す）による各出力電圧の総和で上記電力系統の電圧低下を補償して負荷に発生する電圧変動を抑える電圧変動補償装置において、上記複数の電圧補償回路のうちＫ個（Ｋ＜Ｎ）の電圧補償回路内のエネルギ蓄積手段の前段に、該エネルギ蓄積手段に比して容量の大きな第２のエネルギ蓄積手段とチョッパ回路とを設け、該第２のエネルギ蓄積手段から該チョッパ回路を介して上記エネルギ蓄積手段にエネルギを供給することを特徴とする電圧変動補償装置。
- 上記第２のエネルギ蓄積手段およびチョッパ回路は、それぞれ異なる電圧が蓄積された上記複数のエネルギ蓄積手段の内、最大電圧を蓄積するエネルギ蓄積手段（以下、最大エネルギ蓄積手段と称す）の前段にのみ設けられたことを特徴とする請求項１記載の電圧変動補償装置。
- 上記電力系統の電圧低下の補償時に、上記最大エネルギ蓄積手段を有する電圧補償回路（以下、最大出力補償回路と称す）以外の上記電圧補償回路におけるエネルギの授受がバランスするように上記出力パターンを決定することを特徴とする請求項２記載の電圧変動補償装置。
- 上記チョッパ回路を制御して上記最大出力補償回路の出力電圧となる上記最大エネルギ蓄積手段の電圧を制御可能とし、上記電力系統の電圧低下時に、必要補償電圧に応じて、上記最大エネルギ蓄積手段の電圧を制御することを特徴とする請求項３記載の電圧変動補償装置。
- 決定された上記出力パターンにより上記電力系統の電圧低下を補償する際、上記最大出力補償回路以外の上記電圧補償回路におけるエネルギの授受をよりバランスさせるように上記出力パターンによる補償時間を調整することを特徴とする請求項３または４記載の電圧変動補償装置。
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