JP2008312370A - 無効電力補償装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流検出器を必要とせず、制御の多重化における待機系側に誤差が蓄積しない無効電力補償装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】系統に接続されたリアクトル１２と、リアクトル１２と直列に接続されたサイリスタ１３と、系統の交流電圧を検出する電圧検出手段３と、サイリスタ１３の点弧角を制御する制御手段４とで構成する。制御手段４は、交流電圧から交流電圧指令値を減算して第１の電圧偏差を求める演算手段４１と、第１の電圧偏差から交流電流推定値にスロープリアクタンスを乗算した値を減算して第２の電圧偏差を求める演算手段４２と、第２の電圧偏差を入力とし、この第２の電圧偏差がゼロになるようにその出力である無効電力指令を調整する電圧補償手段４３と、無効電力指令に応じてサイリスタ１３の点弧角を制御する点弧制御手段４６とを備える。交流電流推定値は、無効電力指令に交流電圧と定格電圧との比を乗算して求める。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力系統において交流電圧を一定範囲に維持するために使用されている、逆並列に接続したサイリスタを制御してリアクトル電流の大きさを変える無効電力補償装置及びその制御方法に関する。

電力系統において、交流電圧を一定範囲に維持するため、逆並列に接続したサイリスタを制御してリアクトル電流の大きさを変えるサイリスタ制御リアクトル式の無効電力補償装置（以下ＴＣＲ装置と呼称する。）が一般的に使用されている。

ＴＣＲ装置は変圧器を介して交流系統に接続され、逆並列に接続されたサイリスタによってこのサイリスタと直列に接続されリアクトルの通電電流位相を制御する。この結果、ＴＣＲ装置は遅れ無効電力を発生することとなり、並列に設置されるフィルタコンデンサの進み無効電力を相殺し、系統に与える無効電力を制御することにより交流系統の電圧変動を抑制する。

ＴＣＲ装置の制御においては、交流電圧検出器によりＴＣＲ装置が接続される交流母線電圧を検出し、この検出電圧Ｖａｃが交流電圧指令Ｖｒｅｆとなるような制御を行う。このとき、ＴＣＲ装置に流れる電流ＩｔｃｒにスロープリアクタンスＸｓｌを乗算した電圧を補正電圧ΔＶｘｓｌとして補正演算を行なう。即ち、ΔＶ１＝（Ｖａｃ−ΔＶｘｓｌ−Ｖｒｅｆ）がゼロとなるようにＴＣＲ装置のサイリスタの点弧位相αを制御する。近年、この制御を安定に行うため、運転状態に応じて制御パラメータを調整する手法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
特開２０００−９２７１３号公報（第３−５頁、図１）

特許文献１に示された従来のＴＣＲ装置の制御においては、電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）にスロープリアクタンスＸｓｌ相当の傾きを与えるためにＴＣＲ装置の実電流を検出し、この実電流から演算によって補正電圧を求めるようにしていた。この従来の方式では、電流検出のための電流検出器が必要となるばかりでなく、制御系を多重化した場合、実際に制御して出力電流を決定している常用系に対し、待機している待機系では、実際の出力電流と比例・積分制御される補償演算器の出力である無効電力指令値の間の誤差が蓄積し、点弧位相αが最大値に振り切ってしまうという欠点があり、常用系が異常となって制御が待機系側に切り替わったとき、大きな電圧変動が生じるという欠点があった。

本発明は上述した問題点を解決するために為されたもので、その目的は、電流検出器を必要とせず、制御の多重化における待機系側に誤差が蓄積しない無効電力補償装置及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の無効電力補償装置及びその制御方法は、交流電力系統に接続されたリアクトルと、このリアクトルと直列に接続された逆並列構成のサイリスタと、前記交流電力系統の交流電圧を検出する電圧検出手段と、前記サイリスタの点弧角を制御する制御手段とを備えた無効電力補償装置において、前記制御手段は、前記交流電圧から交流電圧指令値を減算して第１の電圧偏差を求め、この第１の電圧偏差から交流電流推定値にスロープリアクタンスを乗算した補正電圧値を減算して第２の電圧偏差を求め、この第２の電圧偏差を入力とし、この第２の電圧偏差がゼロになるようにその出力である無効電力指令を調整し、この無効電力指令に応じて前記サイリスタの点弧角を制御するようにし、前記交流電流推定値は、前記無効電力指令に前記交流電圧と前記交流電力系統の定格電圧との比を乗算して求めるようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、電流検出器を必要とせず、制御の多重化における待機系側に誤差が蓄積しない無効電力補償装置及びその制御方法を提供することが可能となる。

本発明の実施例について図１及び図２を参照して説明する。

図１は本発明の無効電力補償装置の回路構成図である。交流母線にはＴＣＲ装置主回路１とフィルタコンデンサ２と交流電圧検出器３が接続されている。ＴＣＲ装置主回路１は交流母線に接続された入力変圧器１１と、この入力変圧器１１の２次側に接続されたリアクトル１２と、このリアクトル１２に直列に接続され、リアクトル１２に流れるＴＣＲ電流を制御するためのサイリスタ１３によって構成されている。サイリスタ１３は正・負の電流を制御する必要があるため、正側及び負側のサイリスタが逆並列に接続されている。

交流電圧検出器３によって検出された交流母線の電圧Ｖａｃは３台の制御ユニット４Ａ、４Ｂ及び４Ｃに並列に与えられる。３台の制御ユニット４Ａ、４Ｂ及び４Ｃは後述するように同一の回路構成を有しており、交流母線の電圧Ｖａｃが与えられた交流電圧指令値Ｖｒｅｆに追従するようにサイリスタ１３の点弧位相αを演算によって求めて制御パルスをパルス選択器５に与える。そしてパルス選択器５は制御ユニット４Ａ、４Ｂ及び４Ｃの何れかの制御パルスを選択し、点弧パルス生成回路６を介して点弧パルスをサイリスタ１３に与える。ここでパルス選択器５は、予め常用制御系として与えられた制御ユニットの制御パルスを選択し、当該制御ユニットが異常となったとき、待機系の制御ユニットの制御パルスを選択するようにしても良いが、制御ユニット４Ａ、４Ｂ及び４Ｃから与えられる制御パルスのうち、最も早く得られた制御パルスを選択するようにしても良い。また、この制御パルスで直接サイリスタ１３を制御することが可能であれば、点弧パルス生成回路６は省略しても良い。

以下制御ユニット４Ａを例に、その内部構成を説明する。

交流電圧検出器３によって検出された交流母線の電圧Ｖａｃから減算器４１によって交流電圧指令値Ｖｒｅｆが減算され、その出力である電圧偏差ΔＶ１は減算器４２を介して補償演算器４３に与えられる。

一方、補償演算器４３の出力である無効電流指令値Ｉｔｃｒ＿ｒｅｆと交流母線電圧Ｖａｃを乗算器４４で乗算し、ＴＣＲ電流推定値Ｉｔｃｒ＊を得る。尚この乗算で用いる交流母線電圧Ｖａｃは定格電圧Ｖｏに対する比を表しているものとする。

そして、ＴＣＲ電流推定値Ｉｔｃｒ＊とスロープリアクタンスＸｓｌを乗算器４５で乗算し、この乗算結果である偏差ΔＶｘｓｌを上述した減算器４２によって電圧偏差ΔＶ１から減算する。このような演算を行なうことによって、補償演算器４３の入力である電圧偏差ΔＶ２は（ΔＶ１−Ｉｔｃｒ＊×Ｘｓｌ）となる。

補償演算器４３には通常比例積分型の演算器が用いられ、上記電圧偏差ΔＶ２がゼロになるようにその出力である無効電力指令値Ｑｔｃｒ＿ｒｅｆを調節する。これは、交流母線電圧Ｖａｃを（Ｖｒｅｆ＋Ｉｔｃｒ＊×Ｘｓｌ）となるように制御していることに他ならない。無効電力指令値Ｑｔｃｒ＿ｒｅｆは位相制御器４６に与えられ、位相制御器４６において無効電流指令値Ｑｔｃｒ＿ｒｅｆに従ってサイリスタ１３の点弧位相αを演算により求めてパルス発生器４７に与える。パルス発生器４７は点弧位相αを有する制御パルスをパルス選択器５に与える。

以上説明した構成における本発明の無効電力補償装置の動作について、図２を参照して以下に説明する。

図２は本発明の無効電力補償装置の動作を説明するための制御Ｖ−Ｉ特性説明図である。この制御Ｖ−Ｉ特性は、ＴＳＲ装置の出力電流または出力容量を横軸にとったときの電圧を縦軸に表示している。上述のように交流母線電圧Ｖａｃは（Ｖｒｅｆ＋Ｉｔｃｒ＊×Ｘｓｌ）となるように制御されるので、ＴＣＲ電流Ｉｔｃｒがゼロのとき、交流母線電圧Ｖａｃは交流電圧指令値Ｖｒｅｆと等しくなり、そのときの点弧位相αは最大値となる。そしてＴＳＲ装置の出力電流が増大していくと交流母線電圧Ｖａｃは図の実線で示したように傾きがスロープリアクタンスＸｓｌの右上がりの直線上を辿り、点弧位相αが最小値となったときＴＣＲ電流が最大となる。このようなスロープリアクタンスＸｓｌを用いて制御Ｖ−Ｉ特性に傾きを持たせることによって、電圧変動の大小に拘わらず安定した制御を行うことが可能となる。そしてこのスロープリアクタンスＸｓｌは、交流電力系統における電圧検出ポイントに従って任意に設定することが可能である。

次にＴＣＲ電流推定値Ｉｔｃｒ＊について説明する。上述したように、位相制御器４６はＴＣＲ電流Ｉｔｃｒが無効電流指令値Ｑｔｃｒ＿ｒｅｆに見合う値となるように点弧位相αを演算により求めている。この演算は、ＴＣＲ装置主回路１の入力電圧が定格電圧Ｖｏであるときの演算式を用いているため、無効電流指令値Ｑｔｃｒ＿ｒｅｆに交流母線電圧Ｖａｃ（前述したように実際は定格電圧Ｖｏとの比）を乗算したものがＴＣＲ電流推定値Ｉｔｃｒ＊となる。

このようにスロープリアクタンスＸｓｌに乗算すべき電流として実電流であるＴＣＲ電流Ｉｔｃｒを用いず、上記のＴＣＲ電流推定値Ｉｔｃｒ＊を用いることによって、電流検出器を不要とするばかりでなく、以下のような効果を生じさせる。

図１に示したように、制御の信頼性を高めるために制御ユニットを複数台用いた場合、各々の制御ユニットには特性上のバラツキがある。例えば制御系をＡ系及びＢ系の二重系として運転し、パルス選択器５が制御系Ａを選択している場合を考える。このとき、上記バラツキによって、Ａ系における電圧偏差ΔＶ２が正、Ｂ系における電圧偏差ΔＶ２が負となっていたとすると、常用のＡ系の制御は交流電圧Ｖａｃを低めにしようと制御するので、常に待機しているＢ系の検出電圧は低くなり、Ｂ系の制御は遅れ電流を最小（発生遅れ無効電力最小）とするように制御が働く。ところが、実際の電流はＡ系の制御で決まっているので、誤差が蓄積して点弧位相αが最大値（１８０度方向）に張り付いてしまう。この状態でＡ系が故障等で切り離されてＢ系に制御が移行すると、点弧位相αの制御が大きく変動して系統の交流電圧を大きく動揺させてしまう。

これに対して、本発明のように各々の制御系においてＴＣＲ電流推定値Ｉｔｃｒ＊を用いた制御を行えば、自らの制御動作に従って各々の制御ユニットのＴＣＲ電流推定値Ｉｔｃｒ＊が決定されるので、上記のように制御系の切換によって点弧位相αの制御が変動することはなく安定した切換を行なうことが可能となる。

本発明の無効電力補償装置の回路構成図。 制御Ｖ−Ｉ特性説明図。

符号の説明

１ ＴＣＲ装置主回路
２ フィルタコンデンサ
３ 交流電圧検出器
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ 制御ユニット
５ パルス選択器
６ 点弧パルス発生器

１１ 入力変圧器
１２ リアクトル
１３ サイリスタ

４１ 減算器
４２ 減算器
４３ 補償演算器
４４ 乗算器
４５ 乗算器
４６ 位相制御器
４７ パルス発生器

Claims (4)

1. 交流電力系統に接続されたリアクトルと、
   このリアクトルと直列に接続された逆並列構成のサイリスタと、
   前記交流電力系統の交流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記サイリスタの点弧角を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記交流電圧から交流電圧指令値を減算して第１の電圧偏差を求める第１の演算手段と、
   前記第１の電圧偏差から交流電流推定値にスロープリアクタンスを乗算した補正電圧値を減算して第２の電圧偏差を求める第２の演算手段と、
   前記第２の電圧偏差を入力とし、この第２の電圧偏差がゼロになるようにその出力である無効電力指令を調整する電圧補償手段と、
   前記無効電力指令に応じて前記サイリスタの点弧角を制御する点弧制御手段と
   を有し、
   前記交流電流推定値は、前記無効電力指令に前記交流電圧と前記交流電力系統の定格電圧との比を乗算して求めるようにしたことを特徴とする無効電力補償装置。
2. 前記制御手段は複数個の制御手段から成り、
   前記点弧制御手段は、前記複数個の制御手段のうち何れか一つを選択して前記サイリスタの点弧角を制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の無効電力補償装置。
3. 交流電力系統に接続されたリアクトルと、
   このリアクトルと直列に接続された逆並列構成のサイリスタと、
   前記交流電力系統の交流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記サイリスタの点弧角を制御する制御手段と
   を備えた無効電力補償装置において、
   前記制御手段は、
   前記交流電圧から交流電圧指令値を減算して第１の電圧偏差を求め、この第１の電圧偏差から交流電流推定値にスロープリアクタンスを乗算した補正電圧値を減算して第２の電圧偏差を求め、この第２の電圧偏差を入力とし、この第２の電圧偏差がゼロになるようにその出力である無効電力指令を調整し、この無効電力指令に応じて前記サイリスタの点弧角を制御するようにし、
   前記交流電流推定値は、前記無効電力指令に前記交流電圧と前記交流電力系統の定格電圧との比を乗算して求めるようにしたことを特徴とする無効電力補償装置の制御方法。
4. 前記制御手段は複数個の制御手段から成り、
   前記点弧制御手段は、前記複数個の制御手段のうち何れか一つを選択して前記サイリスタの点弧角を制御するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の無効電力補償装置の制御方法。

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