JP2006271070A - サイリスタ制御リアクトル方式ｓｖｃ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 必要十分なＴＣＲ無効電力出力の幅を確保しながら、運転損失を低減可能なサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置を提供する。
【解決手段】 逆並列サイリスタとリアクトルの直列回路で構成されたＴＣＲ３と、固定コンデンサ４と、負荷の入力電流と母線電圧から無効電力の変動分の演算結果で逆並列サイリスタのゲート点弧角を制御するＳＶＣ制御回路７とで構成し、ＳＶＣ制御回路７は、負荷の無効電力の変動分が所定範囲であるとき、所定時間における負荷の無効電力の変動分の代表値を出力する負荷無効電力変動幅監視回路７３と、可変点弧角リミッタ７４とを備えるようにし、前記可変点弧角リミッタ７４は前記代表値に応じてゲート点弧角の上下限リミットを設定すると共に、前記ゲート点弧角が前記上下限リミット内に入るように前記ゲート点弧角をシフトする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、運転損失を低減可能なサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置に関する。

サイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）装置は、逆並列接続したサイリスタと、リアクトルまたは高インピダンス変圧器を直列接続し、サイリスタ位相制御で通電電流を可変とし、遅れ無効電力を調整するＴＣＲ（Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｒｅａｃｔｏｒ）と、このＴＣＲと並列に設置され固定進み無効電力を供給するコンデンサの組み合わせにより、可変の進み無効電力を系統に供給し、電圧安定化を図る装置である。

このサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置においては、無効電力の補償対象である負荷の運転状態即ち負荷の発生する無効電力の変動幅によらず、サイリスタのゲート点弧角範囲を、ＴＣＲを制御可能な最大容量幅に相当する範囲に固定設定するのが通常の使い方である。このような使い方においては、負荷の発生する無効電力の大きさに関係なくＴＣＲの動作範囲が決まるので、無効電力が大きくなったときにはリアクトルまたは高インピダンス変圧器に大電流を流す必要があり、そのため損失が大きく、またリアクトルまたは高インピダンス変圧器の設備容量が増大するという問題があった。この問題を解決する手法として、無効電力の大きさに応じて、制御の基準レベルを連続的に変化させる提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２００２−２２３５２４号公報（第３−４頁、図１）

特許文献１に示された手法によれば、無効電力の平均値に応じて制御の基準レベルを変化させるようにしているので、無効電力の平均値が比較的遅く変化した場合は、ＴＣＲの制御範囲を無効電力の変動分のみとすることが可能となり、従って設備容量が低減可能となる。しかしながら、通常無効電流の変動分は負荷の運転状況に応じて大きく変化している場合が多く、この変動分の変化に対する損失低減運転という意味では上記手法だけでは不十分である。例えば、負荷の無効電力の平均値は同じでも、その変動幅が変化したとき、上記手法では損失は低減しない。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、負荷の運転状況に応じ、必要十分なＴＣＲ無効電力出力の幅を確保しながら、運転損失を低減可能なサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置は、
負荷と共通の母線に接続され、逆並列サイリスタとリアクトルの直列回路で構成されたＴＣＲと、このＴＣＲと並列に接続された固定コンデンサと、前記負荷の入力電流と前記母線の電圧を入力として前記負荷の無効電力の変動分を演算し、この演算結果に基づいて前記逆並列サイリスタのゲート点弧角を制御するＳＶＣ制御回路とを具備し、前記ＳＶＣ制御回路は、前記負荷の無効電力の所定時間の変動分が、前記ＴＣＲの定格容量以下の所定範囲内のとき、前記所定時間における前記負荷の無効電力の変動分の代表値を出力する負荷無効電力変動幅監視手段と、前記逆並列サイリスタのゲート点弧角の上下限リミットを任意の値に設定できる可変点弧角リミット手段とを有し、前記可変点弧角リミット手段は、前記代表値に応じて前記ゲート点弧角の上下限リミットを設定すると共に、前記ゲート点弧角が前記上下限リミット内に入るように前記ゲート点弧角をシフトするようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、負荷の運転状況に応じてサイリスタの点弧角にリミットをかけ、ＴＣＲの発生する無効電力がこのリミットの範囲内となるようにしているので、必要十分なＴＣＲ無効電力出力の幅を確保しながら、運転損失を低減可能なサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置を図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置のブロック構成図である。

図１において、サイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置１は、ＳＶＣ接続母線に接続され、同じ母線に接続されている負荷２の無効電力ＱＬを補償するよう動作する。サイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置１は、ＳＶＣ接続母線に接続され遅れ無効電力量を調整するＴＣＲ３と、同じくＳＶＣ接続母線に接続され突入電流抑制用リアクトルを備えた固定コンデンサ４がその主回路を構成している。ＴＣＲ３は、逆並列サイリスタ３１とこれに直列に接続されたリアクトル３２で構成されており、逆並列サイリスタ３１は、ＳＶＣ制御回路７からの位相制御信号で動作している。

ＳＶＣ制御回路７には、ＳＶＣ接続母線に接続された電圧検出器５からの電圧信号と、負荷２の入力電流を検出する電流検出器６の電流信号が与えられる。この電圧及び電流信号を無効電力演算回路７１で受け、無効電力の変動分ΔＱを演算して点弧角演算回路７２に与える。点弧角演算回路７２は、この無効電力の変動分ΔＱを補償するための逆並列サイリスタ３１の点弧角αを決定し、この点弧角αで逆並列サイリスタ３１を制御する。尚、ここで述べた無効電力の変動分ΔＱは、無効電力ＱＬから比較的長い周期で変化する低周波成分を除去したものとするのが通常である。

無効電力演算回路７１の出力である無効電力の変動分ΔＱは負荷無効電力変動監視回路７３にも与えられる。この負荷無効電力変動監視回路７３は、詳細は後述する手法によって無効電力の変動分ΔＱが所定時間の間所定の変動幅に入ったことを監視し、このときの無効電力変動分の代表値を演算によって求める。この演算結果を受け、可変点弧角リミッタ７４は無効電力の変動分の代表値に応じた点弧角リミット値を演算により求め、点弧角演算回路７２の出力である点弧角αに下限及び上限のリミット値（αｍｉｎ、αｍａｘ）を与えると共に、この下限及び上限のリミット値の範囲内で点弧角演算回路７２の出力が動作するような位相シフト指令を点弧角演算回路７２に与える。

以下、負荷無効電力変動監視回路７３の動作の詳細を図２を参照して説明する。図２は負荷無効電力変動監視回路７３の動作を説明するフローチャートである。

まず負荷の無効電力変動分ΔＱが入力される（ＳＴ１）。次にその無効電力変動分ΔＱがＴＣＲ３の定格容量以下かどうか即ち制御可能な大きさかどうか判断する（ＳＴ２）。これがＴＣＲ３の定格容量以下であれば、次に無効電力変動分ΔＱが所定時間の間所定範囲以内であるかどうかを監視する（ＳＴ−３）。次に、無効電力変動分ΔＱが所定時間の間所定範囲以内であれば、この所定期間における無効電力変動分ΔＱの代表値を演算によって求める（ＳＴ−４）。この代表値は例えば平均値または最大値とする。更にステップＳＴ−４で求められた無効電力変動分ΔＱの代表値に応じて点弧角αの下限及び上限のリミット（αｍｉｎ、αｍａｘ）を設定するように可変点弧角リミッタ７４に指令を出力する（ＳＴ−５）。

上記ステップＳＴ−２で無効電力変動分ΔＱがＴＣＲ３の定格容量を超える場合、また上記ステップＳＴ−３で無効電力変動分ΔＱが所定時間内に所定範囲を超えた場合には、再びステップＳＴ−１に戻り、前記と同様の動作を繰り返す。尚、ステップＳＴ−３の監視動作とステップＳＴ−４の演算動作は並列に処理を行うのが通常である。

次に可変点弧角リミッタ７４の動作について説明する。

上記で求められた無効電力変動分ΔＱの代表値がＴＣＲ３の定格容量に対して小さい場合を考える。このときはＴＣＲ３の出力無効電力ＱＴＣＲの幅は小さくても良いので、点弧角αの下限リミットαｍｉｎを、通常時よりも大きくしてもよいということになる。この理由は、ＴＣＲ３の出力無効電力ＱＴＣＲの幅は、点弧角下限リミットαｍｉｎと点弧角上限リミットαｍａｘの間で出力を可変したときの無効電力幅に相当するからである。この点弧角範囲が最大のとき、ＴＣＲ３は定格容量を供給可能となるが、負荷の要求する無効電力幅が小さいのであれば、当然のことながら、この範囲（αｍｉｎ〜αｍａｘ）を狭めることが可能になる。

上記範囲（αｍｉｎ〜αｍａｘ）を狭めようとする場合、可変点弧角リミッタ７４は、下限リミットαｍｉｎを大きくするか、または上限リミットαｍａｘを小さくするかの選択があるが、本発明の目的が、ＴＣＲ３の無効電力ＱＴＣＲの絶対量を減らし損失を低減することであるため、下限リミットαｍｉｎを大きくするように動作させることが適切となる。このように制御するには、上限リミットαｍａｘを適切な固定値に設定しておけば良い。

上記の具体的な効果について、図３を参照して説明する。図３は所望の無効電力ＱＴＣＲの幅を得るときのＴＣＲ３の電流波形を示し、図３（ａ）は上述の点弧角下限リミットαｍｉｎが小さいときの電流波形、図３（ｂ）はこの下限リミットαｍｉｎを大きくしたときの電流波形である。

逆並列サイリスタ３１の動作により、電流は正弦波にはならず、位相制御された不連続な波形となる。図３（ａ）に示すように、点弧角αが小さい即ち点弧角下限リミットαｍｉｎが小さいときは電流面積が大きく電流の絶対値が大きい。ところが、図３（ｂ）に示すように、点弧角αが大きい即ち点弧角下限リミットαｍｉｎが大きい場合は、図３（ａ）に比べ、位相制御量が増え電流の絶対値は小さくなる。即ち、流れる電流の絶対値（無効電力の絶対値に相当）は、図３（ａ）に比べ、図３（ｂ）は小さくなっている。

次に、電流の絶対値ではなく、出力の幅に着目して考える。図３の実線の電流波形は負荷２が待機状態で無効電力の発生が少ない状態を示し、破線の電流波形は負荷２が運転状態で無効電力の発生が多いときのＴＣＲ電流の最小値を示す。負荷２が運転状態のとき、負荷の無効電力が変動するので、ＴＣＲ電流は図３の実線と破線の間を変動する。この状態で点弧角が実線と破線の間で制御されているとすると、出力される電流変動幅（無効電力変動幅に相当）は実線と破線で囲まれた部分の面積に相当するから、図３（ａ）と図３（ｂ）とでは同一となる。これは、必要な無効電力変動幅がＴＣＲ３の定格容量以下であれば、点弧角のリミット値をシフトしても良いことを示している。サイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置に求められるものが、電圧変動を抑制するための無効電力幅であれば、可変点弧角リミッタ７４により、図３（ｂ）に示したように無効電力幅を確保できる範囲で点弧角範囲を狭めて出力電流が小さくなるようにシフトすれば、ＴＣＲ３の運転損失を低減し、効率の高い装置を提供できることになる。

図４は本発明の実施例２に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置のブロック構成図である。

この実施例２の各部について、図１の実施例１に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、負荷無効電力変動監視回路７３の出力を受けて動作する出力無効電力幅・点弧角範囲対応テーブル７５を設け、この出力無効電力幅・点弧角範囲対応テーブル７５の出力によって可変点弧角リミッタ７４Ａを直接動作させるようにした点である。

本来、ＴＣＲ３が出力する無効電力変動幅ΔＱＴＣＲと、それを確保する点弧角範囲（αｍｉｎ〜αｍａｘ）の関係は以下のように数式化されているため、これを演算によって求めることは可能である。即ち、点弧角α＝０のときのＴＣＲ電流をＩｏとしたときのＴＣＲ電流の基本波実効値Ｉｒｍｓは、
Ｉｒｍｓ＝Ｉｏ（π−２α−ｓｉｎ２α）／π
で与えられるので、この結果から無効電力変動幅ΔＱＴＣＲは点弧角αの関数として求められる。

しかしながら、上記の複雑な数式を都度演算することは、サイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置の応答速度を低減させることになる。

この問題を解決するために、出力無効電力幅・点弧角範囲対応テーブル７５を設ける。この出力無効電力幅・点弧角範囲対応テーブル７５には、あらかじめ出力無効電力幅と点弧角αの関係を演算した結果が表（テーブル）として記憶されている。負荷無効電力変動幅監視回路７３の出力からこの出力無効電力幅・点弧角範囲対応テーブル７５を参照することにより、複雑な演算を行う事なく、高速に可変点弧角範囲リミッタ７４Ａに対し、リミット値を直接指令することが可能となる。

図５は本発明の実施例３に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置のブロック構成図である。

この実施例３の各部について、図１の実施例１に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、電圧検出器５の出力を受けて動作する電圧監視回路７６を設け、ＳＶＣ接続母線の電圧が所定値以上になったとき可変点弧角リミッタ７４Ｂのリミット動作を解除する指令を出力するように構成した点である。

電圧監視回路７６は、本発明を実施したときＳＶＣ接続母線の電圧が上昇しすぎる問題を回避するための保護回路として設けたものである。負荷２あるいは負荷２以外の負荷の状況にもよるが、可変点弧角リミッタ７４Ｂが作動して極端にＴＣＲ３の遅れ無効電力ＱＴＣＲが減ったとき、固定コンデンサ４の進み無効電力を相殺できずＳＶＣ接続母線の電圧が許容値以上に上昇する恐れがある。この問題を解決する手段として、電圧監視回路７６がＳＶＣ接続母線の電圧を監視し、電圧がある設定値を超過すると、上記可変点弧角リミッタ７４Ｂに対し、リミッタ設定機能を解除し、併せて点弧角のシフト機能をリセットする指令を送る。この動作により、点弧角範囲はＴＣＲ３の定格容量相当に広がり、電圧安定機能を維持することが可能になる。

図６は本発明の実施例４に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置のブロック構成図である。

この実施例４の各部について、図１の実施例１に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、電圧検出器５の出力を受けて動作する電圧制御回路７７を設け、この電圧制御回路７７の出力を可変点弧角リミッタ７４Ｃに与えて、可変点弧角リミッタ７４Ｃのリミット値を補正するようにした点である。

電圧制御回路７７は、ＳＶＣ接続母線の電圧が上昇したとき、可変点弧角リミッタ７４Ｃの出力である下限リミットαｍｉｎ及び上限リミットαｍａｘの少なくとも１つを減少させるような補正信号を出力する。このように構成すれば、ＳＶＣ接続母線に接続された負荷２及びこの負荷２とは異なる他の負荷の影響等によるＳＶＣ接続母線の電圧の上昇に応じてＴＣＲ３が発生する遅れ無効電力ＱＴＣＲを増大するように制御されるので、実施例３に比べてより木目の細かい電圧安定化制御を行うことが可能となる。

本発明の実施例１に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置のブロック構成図。 負荷無効電力変動監視回路７３の動作を説明するフローチャート。 所望の無効電力ＱＴＣＲの幅を得るときのＴＣＲ３の電流波形。 本発明の実施例２に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置のブロック構成図。 本発明の実施例３に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置のブロック構成図。 本発明の実施例４に係るサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置のブロック構成図。

符号の説明

１ サイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置
２ 負荷
３ ＴＣＲ
３１ 逆並列サイリスタ
３２ リアクトル
４ 固定コンデンサ
５ 電圧検出器
６ 電流検出器
７ ＳＶＣ制御回路
７１ 無効電力演算回路
７２ 点弧角演算回路
７３ 負荷無効電力変動幅監視回路
７４、７４Ａ、７４Ｂ、７４Ｃ 可変点弧角リミッタ
７５ 出力無効電力幅・点弧角範囲対応テーブル
７６ 電圧監視回路
７７ 電圧制御回路

Claims (6)

1. 負荷と共通の母線に接続され、逆並列サイリスタとリアクトルの直列回路で構成されたＴＣＲと、
   このＴＣＲと並列に接続された固定コンデンサと、
   前記負荷の入力電流と前記母線の電圧を入力として前記負荷の無効電力の変動分を演算し、この演算結果に基づいて前記逆並列サイリスタのゲート点弧角を制御するＳＶＣ制御回路と
   を具備し、
   前記ＳＶＣ制御回路は、
   前記負荷の無効電力の所定時間の変動分が、前記ＴＣＲの定格容量以下の所定範囲内のとき、前記所定時間における前記負荷の無効電力の変動分の代表値を出力する負荷無効電力変動幅監視手段と、
   前記逆並列サイリスタのゲート点弧角の上下限リミットを任意の値に設定できる可変点弧角リミット手段と
   を有し、
   前記可変点弧角リミット手段は、
   前記代表値に応じて前記ゲート点弧角の上下限リミットを設定すると共に、
   前記ゲート点弧角が前記上下限リミット内に入るように前記ゲート点弧角をシフトするようにしたことを特徴とするサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置。
2. 前記ゲート点弧角の上限リミットを所定値に定めたとき、前記ゲート点弧角の下限リミットの変化に応じて前記ＴＣＲが出力し得る無効電力幅を予めテーブルに準備し、
   前記代表値を、前記テーブルと照らし合わせることにより、複雑な演算をすることなく
   前記所定の上限リミットに対する下限リミットを求めるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置。
3. 前記母線の電圧の上昇を監視する電圧監視手段を有し、
   この電圧監視手段により前記母線の電圧が所定値以上になったとき、
   前記可変点弧角リミット手段の前記上下限リミット設定機能及び前記ゲート点弧角シフト機能を解除するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置。
4. 前記母線の電圧の上昇に応じて前記下限リミット及び前記上限リミットの少なくとも１つを減少させる電圧補正手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置。
5. 前記上限リミットを固定値としたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置。
6. 前記代表値は前記所定時間における無効電力の変動分の平均値または最大値としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のサイリスタ制御リアクトル方式ＳＶＣ装置。

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