JP2011045210A

JP2011045210A - 電力供給装置及び無効電力補償装置

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Publication number: JP2011045210A
Application number: JP2009192806A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Hatano; 伸彦羽田野
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2011-03-03

Abstract

【課題】各相間電源回路部から出力される有効出力を均一にする。
【解決手段】直流電源２１１及びその直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路２１２からなる１又は複数の単相インバータ回路２１を直列接続してなる相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃを、デルタ結線して構成された電源回路２を不平衡負荷３００に直列接続し、その不平衡負荷３００に電力を供給する電力供給装置１００であって、デルタ結線内部を循環する循環電流ｉ_０を生じさせ、その循環電流ｉ_０を調整することにより各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃの有効出力ｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように制御する制御装置３を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、不平衡負荷に電力を供給する電力供給装置、及び電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整を行う無効電力補償装置に関するものである。

従来の無効電力補償装置としては、例えば特許文献１に示すように、３つの自励式単相インバータをデルタ結線して、各自励式単相インバータの出力側を３相交流電力系統のそれぞれの相にリアクトルを介して接続されているものがある。

しかしながら、この無効電力補償装置においては、電力系統のフリッカ等を補償するために３相不平衡な電流を出力すると、各自励式単相インバータに設けられた直流電源の出力エネルギが不均一になるという問題がある。

特開２００３−１８９４７４号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、１又は複数の単相インバータ回路を直列接続してなる相間電源回路部をデルタ結線して構成された電源回路により不平衡負荷に電力を供給する場合、又は、その電源回路を用いて電力系統に無効電力を供給する場合において、各相間電源回路部から出力される出力エネルギを均一にすることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る電力供給装置は、直流電源及びその直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路からなる１又は複数の単相インバータ回路を直列接続してなる相間電源回路部を、デルタ結線して構成された電源回路を不平衡負荷に直列接続し、当該不平衡負荷に電力を供給する電力供給装置であって、前記デルタ結線内部を循環する循環電流ｉ_０を生じさせ、当該循環電流ｉ_０を調整することにより各相間電源回路部の出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように制御する制御装置を備え、前記制御装置が、各相間電源回路部の出力電流から前記循環電流ｉ_０を除いたメイン出力電流ｉ_ａｂ、ｉ_ｂｃ、ｉ_ｃａ、各相間電源回路部の出力電圧において前記循環電流ｉ_０を生じさせる誘導電圧ｖ_０、及び、各相間電源回路部の出力電圧から前記誘導電圧ｖ_０を除いたメイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａを用いて、前記循環電流ｉ_０を以下に示すように制御することにより、各相間電源回路部の出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように制御することを特徴とする。

但し、係数Kはゲインである。また、前記メイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａの和はゼロである。なお、太字で表記した変数はそれぞれの交流電圧又は交流電流をフェーザで表示したものであり、「・」で表す演算は、フェーザを複素平面上のベクトルとして取扱った場合のベクトルの内積である。また、瞬時値領域では、「・」で表す演算は次式で計算する。

ここで、ｘ及びｙは、前記式（１）の中の任意のフェーザであり、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）は、それらの瞬時値である。また、ωは電力系統の基本角周波数である。

この電力供給装置によれば、デルタ結線内に積極的に循環電流を生じさせて、この循環電流をデルタ結線内部に循環させることにより、各相間電源回路部の出力エネルギを等しくすることができる。また、上記の循環電流は理論最適解であるため、装置を構成する機器の電流容量を的確に算出することができ、機器設計の最適化も可能となる。

また、本発明に係る無効電力補償装置は、電力系統に接続され、その電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整を行う無効電力補償装置であって、直流電源及びその直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路からなる１又は複数の単相インバータ回路を直列接続してなる相間電源回路部を、デルタ結線して構成された電源回路と、前記デルタ結線内部を循環する循環電流ｉ_０を生じさせ、当該循環電流ｉ_０を調整して、各相間電源回路の出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように制御する制御装置と、を備え、前記制御装置が、各相間電源回路部の出力電流から前記循環電流ｉ_０を除いたメイン出力電流ｉ_ａｂ、ｉ_ｂｃ、ｉ_ｃａ、各相間電源回路部の出力電圧において前記循環電流ｉ_０を生じさせる誘導電圧ｖ_０、及び、各相間電源回路部の出力電圧から前記誘導電圧ｖ_０を除いたメイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａを用いて、前記循環電流ｉ_０を以下に示すように制御することにより、各相間電源回路部の出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように制御することを特徴とする。

ここで、ｘ及びｙは、前記式（２）の中の任意のフェーザであり、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）は、それらの瞬時値である。また、ωは電力系統の基本角周波数である。

この無効電力補償装置によれば、デルタ結線内に積極的に循環電流を生じさせて、この循環電流をデルタ結線内部に循環させることにより、各相間電源回路部の出力エネルギを等しくすることができる。また、上記の循環電流は理論最適解であるため、装置を構成する機器の電流容量を的確に算出することができ、機器設計の最適化も可能となる。

このように構成した本発明によれば、１又は複数の単相インバータ回路を直列接続してなる相間電源回路部をデルタ結線して構成された電源回路により不平衡負荷に電力を供給する場合、又は、その電源回路を用いて電力系統に無効電力を供給する場合において、各相間電源回路部から出力される出力エネルギを均一にすることができる。

本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置の構成を示す模式図である。同実施形態の相間電源回路部の構成を示す模式図である。同実施形態のシミュレーションにおけるモデル回路を示す模式図である。同シミュレーションにおける制御装置の制御ブロック図である。シミュレーション結果における負荷電流を示す図である。シミュレーション結果における無効電力補償装置の出力電流を示す図である。シミュレーション結果における電力系統の電源電流を示す図である。シミュレーション結果における各相間電源回路部からの出力エネルギを示す図である。従来の循環電流を用いない場合の各相間電源回路部からの出力エネルギを示す図である。

以下に本発明に係る無効電力補償装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る無効電力補償装置１００は、ａ相、ｂ相及びｃ相からなる３相交流電力系統（以下、電力系統という。）２００と３相負荷３００との間において、電力系統２００に並列に接続され、その電力系統２００に無効電力を供給することにより、当該電力系統２００の電圧調整や負荷３００の力率改善を行うものである。

具体的にこのものは、図１に示すように、電力系統２００に接続される電源回路２と、当該電源回路２を制御する制御装置３とを備えている。

電源回路２は、図２に示すように、直流電源２１１及びその直流電源２１１の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路２１２からなる複数の単相インバータ回路２１を直列接続してなる相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃを、デルタ結線して構成されたものである。そして、電力系統２００が３相負荷３００に対して正相電流を供給し、電源回路２が３相負荷３００に対して逆相電流を供給する。

本実施形態の相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃは、３つの単相インバータ回路２１及びリアクトル２２を直列接続して構成されている。直流電源２１１は、エネルギの充放電機能を有し、かつスイッチング回路２１２以外とは電気的に絶縁された、例えばコンデンサである。

スイッチング回路２１２は、半導体スイッチ素子とそれに逆並列されたダイオードとから構成したフルブリッジインバータである。本実施形態では半導体スイッチ素子として、自己消弧能力を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている。このスイッチング回路２１２は、後述する制御装置３を用いて、ゲートへの駆動信号によりオンオフ制御され、動作パターン（スイッチパターン）が制御されるようにしている。

制御装置３は、電源回路２のデルタ結線内部を循環する循環電流ｉ_０を生じさせ、当該循環電流ｉ_０を調整して、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃの出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃを制御するものであり、その機器構成は、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、ＡＤ変換器等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリの所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってＣＰＵ、周辺機器等を協働させることにより、下記の制御機能を発揮する。

また、制御装置３は、系統電圧Ｖ_ｓａｂ、Ｖ_ｓｂｃ、Ｖ_ｓｃａ、系統電流ｉ_ｓａ、ｉ_ｓｂ、ｉ_ｓｃ、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃの出力電流から循環電流ｉ_０を除いたメイン出力電流ｉ_ａｂ、ｉ_ｂｃ、ｉ_ｃａ、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃの出力電圧から誘導電圧ｖ_０を除いたメイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａ、電源回路２からの各相への出力電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃ、循環電流ｉ_０、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃの出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａ等の検出信号を図示しない検出手段より受け取る。

具体的に制御装置３は、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃのメイン出力電流ｉ_ａｂ、ｉ_ｂｃ、ｉ_ｃａ、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃのメイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａを用いて、各相間電源回路部より誘導電圧ｖ_０を発生し、循環電流ｉ_０を以下に示すように制御することにより、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃの出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように制御する。なお、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃは、メイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａ及び誘導電圧ｖ_０を出力するものであり、誘導電圧ｖ_０は、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃのメイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａに対して充分に小さい値である。

但し、係数Ｋはゲインである。また、メイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａの和はゼロである。

なお、太字で表記した変数はそれぞれの交流電圧又は交流電流をフェーザで表示したものであり、「・」で表す演算は、フェーザを複素平面上のベクトルとして取扱った場合の、ベクトルの内積である。また、瞬時値領域では、「・」で表す演算は次式で計算する。

ここで、ｘ及びｙは、式（１）の中の任意のフェーザであり、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）は、それらの瞬時値である。また、ωは電力系統の基本角周波数である。

このとき、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃの出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａは以下の式のように計算され、時間の経過とともに等しい値に収束することがわかる。

次に、このように構成した無効電力補償装置１００の動作のシミュレーションについて説明する。

まず、図３にシミュレーションのモデルを示す。このモデルにおいて、電力系統２００から３相負荷３００に供給される各相ａ〜ｃの系統電流をｉ_ｓａ、ｉ_ｓｂ、ｉ_ｓｃ、電力系統２００の各相ａ〜ｃの電源電圧をＶ_ｓａ、Ｖ_ｓｂ、Ｖ_ｓｃとする。また、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃのメイン出力電圧をｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａ、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃのメイン出力電流をｉ_ａｂ、ｉ_ｂｃ、ｉ_ｃａ、誘導電圧をｖ_０とし、電源回路２の各相ａ〜ｃの出力電流をｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃとする。さらに各相ａ〜ｃの負荷電流をｉ_Ｌａ、ｉ_Ｌｂ、ｉ_Ｌｃとする。

このとき、３相負荷３００が、電力供給開始時から２．００秒後に平衡負荷（４ｋＷ、各相負荷３／４ｋＷ）から不平衡負荷（前記平衡負荷に加え、ｂｃ相で３／４ｋＷの単相負荷が起動）に変化したとする。このときの制御装置３の制御ブロック図を図４に示す。なお、図４においてアスタリスク（*）は目標値を示している。

上記のシミュレーションの結果を図５〜図８に示す。図５は、負荷電流ｉ_Ｌａ、ｉ_Ｌｂ、ｉ_Ｌｃの値を示すシミュレーション結果であり、図６は電源回路２からの出力電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃの値を示すシミュレーション結果であり、図７は電源電流ｉ_ｓａ、ｉ_ｓｂ、ｉ_ｓｃの値を示すシミュレーション結果である。これらの図から、無効電力補償装置２００が負荷変動に対して適切に電力補償していることが分かる。

また、このとき図８に示すように、制御装置３により循環電流ｉ_０を上記式により設定していることから、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃから出力される有効出力が均一に制御されていることが分かる。一方、循環電流ｉ_０を用いずに電力補償した場合には、図９に示すように、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃから出力される有効出力が不均一となる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る無効電力補償装置１００によれば、デルタ結線内に積極的に循環電流ｉ_０を生じさせて、この循環電流ｉ_０をデルタ結線内部に循環させることにより、各相間電源回路部２ａ、２ｂ、２ｃの出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａを等しくすることができる。また、上記の循環電流ｉ_０は理論最適解であるため、装置２００を構成する機器の電流容量を的確に算出することができ、機器設計の最適化も可能となる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、無効電力補償装置について説明したが、その他、電源回路を不平衡負荷に直列接続し、当該不平衡負荷に電力を供給する電力供給装置に適用しても良い。

また、前記実施形態の相間電源回路部は、複数の単相インバータ回路及びリアクトルを直列接続して構成されているが、１つの単相インバータ回路及びリアクトルを直列接続して構成しても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・無効電力補償装置
２００・・・電力系統
３００・・・３相負荷（不平衡負荷）
２・・・電源回路
２１１・・・直流電源
２１２・・・スイッチング回路
２１・・・単相インバータ回路
２ａ、２ｂ、２ｃ・・・相間電源回路部
ｉ_０・・・循環電流
３・・・制御装置

Claims

直流電源及びその直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路からなる１又は複数の単相インバータ回路を直列接続してなる相間電源回路部を、デルタ結線して構成された電源回路を不平衡負荷に直列接続し、当該不平衡負荷に電力を供給する電力供給装置であって、
前記デルタ結線内部を循環する循環電流ｉ_０を生じさせ、当該循環電流ｉ_０を調整することにより各相間電源回路部の出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように制御する制御装置を備え、
前記制御装置が、各相間電源回路部の出力電流から前記循環電流ｉ_０を除いたメイン出力電流ｉ_ａｂ、ｉ_ｂｃ、ｉ_ｃａ、各相間電源回路部の出力電圧において前記循環電流ｉ_０を生じさせる誘導電圧ｖ_０、及び、各相間電源回路部の出力電圧から前記誘導電圧ｖ_０を除いたメイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａを用いて、前記循環電流ｉ_０を以下に示すように制御することにより、各相間電源回路部の出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように制御する電力供給装置。
但し、係数Kはゲインである。また、前記メイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａの和はゼロである。なお、太字で表記した変数はそれぞれの交流電圧又は交流電流をフェーザで表示したものであり、「・」で表す演算は、フェーザを複素平面上のベクトルとして取扱った場合のベクトルの内積である。また、瞬時値領域では、「・」で表す演算は次式で計算する。
ここで、ｘ及びｙは、前記式（１）の中の任意のフェーザであり、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）は、それらの瞬時値である。また、ωは電力系統の基本角周波数である。
電力系統に接続され、その電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整を行う無効電力補償装置であって、
直流電源及びその直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路からなる１又は複数の単相インバータ回路を直列接続してなる相間電源回路部を、デルタ結線して構成された電源回路と、
前記デルタ結線内部を循環する循環電流ｉ_０を生じさせ、当該循環電流ｉ_０を調整して、各相間電源回路の出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、各相間電源回路部の出力電流から前記循環電流ｉ_０を除いたメイン出力電流ｉ_ａｂ、ｉ_ｂｃ、ｉ_ｃａ、各相間電源回路部の出力電圧において前記循環電流ｉ_０を生じさせる誘導電圧ｖ_０、及び、各相間電源回路部の出力電圧から前記誘導電圧ｖ_０を除いたメイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａを用いて、前記循環電流ｉ_０を以下に示すように制御することにより、各相間電源回路部の出力エネルギｅ_ａｂ、ｅ_ｂｃ、ｅ_ｃａが等しくなるように制御する無効電力補償装置。
但し、係数Kはゲインである。また、前記メイン出力電圧ｖ_ａｂ、ｖ_ｂｃ、ｖ_ｃａの和はゼロである。なお、太字で表記した変数はそれぞれの交流電圧又は交流電流をフェーザで表示したものであり、「・」で表す演算は、フェーザを複素平面上のベクトルとして取扱った場合のベクトルの内積である。また、瞬時値領域では、「・」で表す演算は次式で計算する。
ここで、ｘ及びｙは、前記式（２）の中の任意のフェーザであり、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）は、それらの瞬時値である。また、ωは電力系統の基本角周波数である。