JP2011050122A - 進相コンデンサ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器ロスの増加を抑制するとともに、フェランチ現象も抑制できる進相コンデンサ制御装置を提供する。
【解決手段】構内配電系統に設けられ、進相コンデンサ開閉器の投入開放制御を行う進相コンデンサ制御装置において、測定された変圧器の２次電流値と、想定電圧値と負荷の想定力率値とにより上記変圧器を通過する無効電力を推定し、あるいは受電点で測定された有効電力と負荷の想定力率値とにより受電点における無効電力を推定する無効電力推定部と、この無効電力推定部が推定した無効電力を補償するように、進相コンデンサ開閉器の投入開放制御の判断をおこない、進相コンデンサ開閉器に対し投入するまたは開閉する制御指令を出す制御決定部とを設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力需要家が電力負荷力率改善用に設置する低圧用進相コンデンサを、電流のみの簡易計測で入切制御すると共に、電力会社からの力率割引を受けつつ、変圧器の電力ロスを最小化するように制御する、進相コンデンサ制御装置に関するものである。

一般家庭など電灯契約の需要家を除き、配電系統から受電する需要家は、電力系統からの受電点での遅れ力率を８５％以上に改善・維持することで、契約電力に応じて支払う基本料金に対して割引を受けることができる。受電点の遅れ力率を１００％に近づけるほどこの割引率は大きくなり、過剰な力率改善によって遅れ力率から進み力率に転じても特にペナルティも生じない。

また、一般に力率改善用に用いる進相コンデンサ自体は比較的低価格であるため、多くの需要家は、力率改善用の進相コンデンサを常時接続形態で、過剰気味に設置する。しかし、需要家による進相コンデンサの過剰設置により、下記の問題が生じる。

（１）特高受電／高圧受電の需要家については、特高／高圧母線に進相コンデンサを常時接続で設置する場合が多い。その場合、受電電力を特高／高圧から低圧へと変換する需要家構内変圧器では力率は改善されておらず、構内負荷の無効電力が構内変圧器を通過するため、変圧器ロス（負荷損）が増加する。

（２）過剰な進相コンデンサ設置によって、特に需要家が軽負荷となる夜間では、各需要家とも受電点力率が大幅な進みとなる。すなわち、需要家から電力系統へ無効電力が供給される形となり、その結果、配電系統の電圧が上昇するフェランチ現象が発生する。

上記（１）の対策としては、（ａ）進相コンデンサ接続先を特高／高圧回路から低圧回路へ移行する（特許文献１）、上記（２）の対策としては、（ｂ）受電点力率をほぼ１００％に維持するよう、構内無効電力負荷の増減に応じて進相コンデンサを入切制御する自動力率調整器を設置する（特許文献２）、といった対策が有効である。

（ａ）については、需要家のコスト負担は大きくは変わらないため普及の大きな障壁とはなっていない。（ｂ）については、自動力率調整器本体に加え、受電点電力を計測するためのセンサー（ＣＴ／ＰＴ）の設置と、コンデンサへの開閉器設置が新たに必要となるため、多くの需要家では対策が進まないのが現状である。

特許文献１では、自動力率調整器の簡易版として、構内変圧器の二次側（低圧側）に負荷電流を計測する電流センサ（ＣＴ）と、その計測値から進相コンデンサを入切制御する簡易制御装置のみを設置し、負荷電流の大きさのみで進相コンデンサの入切制御を行うものが提案されている。すなわち、電流に第一基準と第二基準を設け、負荷電流が第一基準を超過した場合に進相コンデンサを入り制御し、第二基準を下回った場合に進相コンデンサを切り制御する簡易式の制御である。これによって、電圧センサ（ＰＴ）の設置や、自動力率調整器での負荷無効電力量計算が省略できるため、需要家へのコスト負担を減らすことが可能である。

特開２００８−１７６８９号公報（図６など） 実開平６−７０４４７号公報

特許文献２では、電圧センサを省略し、電流センサによる負荷電流のみで簡易的に進相コンデンサの入切制御を行う。しかし、進相コンデンサの入切判定基準を第一基準、第二基準としているが、その基準値の設定方法は記載されていない。そのため、これによって受電点の力率が、力率割引が最大となる遅れ力率１００％以上（＝進み力率）となることを必ず保障するものではない。
また基準値が、力率割引のための平均力率算定対象時間帯（一般に深夜以外の時間帯、以後“昼間帯”と呼ぶ）と、それ以外の時間帯（深夜、以後“夜間帯”と呼ぶ）とで同じである。そのため、遅れ力率１００％を保障するためには、基準値を低めに設定し、進相コンデンサが入り気味になるようにする必要がある。これは昼間帯においては適切な処置であるが、遅れ力率１００％以上を保障する必要のない夜間帯では、必要以上に構内変圧器の通過無効電力を増やすことになり、変圧器ロスの増加があまり改善されない可能性がある。

本発明は、以上のような従来の進相コンデンサを用いた力率改善方法の問題点を解決するためになされたもので、変圧器ロスの増加を抑制するとともに、フェランチ現象も抑制できる進相コンデンサ制御装置を提供することを目的とする。

高圧配電系統から受電点を経て変圧器により低電圧に電圧変換を行って配電される低圧母線に、負荷と、進相コンデンサと進相コンデンサ開閉器との直列体とが接続された構内配電系統に設けられ、進相コンデンサ開閉器の投入開放制御を行う進相コンデンサ制御装置において、測定された変圧器の２次電流値と、想定した低圧母線の電圧値である想定電圧値と、想定した負荷の力率値である想定力率値とにより変圧器を通過する無効電力を推定し、あるいは受電点で測定された有効電力と、想定した負荷の力率値である想定力率値とにより受電点における無効電力を推定する無効電力推定部と、この無効電力推定部が推定した無効電力を補償するように、進相コンデンサ開閉器の投入開放の判定をおこない、この投入開放の判定結果に基づいて進相コンデンサ開閉器に対し投入または開放の制御指令を出す制御決定部とを設けた。

この発明によれば、簡易な計測のみで進相コンデンサ制御が実現できる。

本発明の実施の形態１による進相コンデンサ制御装置を含む配電系統全体の構成を示す概念図である。 本発明の実施の形態１による進相コンデンサ制御装置の制御フローを示すフロー図である。 本発明の実施の形態２による進相コンデンサ制御装置を含む配電系統全体の構成を示す概念図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に関わる進相コンデンサ制御装置と、その周辺の需要家構内配電系統の構成を示す概念図であり、図２は進相コンデンサ制御装置の制御フロー図である。図１において、１は需要家の受電点に設けられた受電点開閉器で、異常時などに高圧配電系統から需要家への配電を遮断するために設けられる。２は需要家内の構内高圧
母線（例えば６．６ｋＶ）、３は構内高圧母線２の高圧を低圧に変換する構内変圧器で、直列に構内変圧器開閉器４が設けられている。５は構内変圧器３により低圧（例えば基準電圧の２０２Ｖ）に変換されたて配電される低圧母線で、低圧母線５には通常複数の負荷６ａ、６ｂ、６ｃ（ここでは３個の負荷を示しているが、負荷の個数は何個でも良い。）が接続されている。７ａ、７ｂは力率を改善するための進相コンデンサで、それぞれ進相コンデンサ開閉器８ａ、８ｂを介して低圧母線に接続されている。９は構内変圧器４の２次側の電流値を測定するための電流センサ（ＣＴ）、１０は本発明の対象である進相コンデンサ制御装置で、制御決定部１１、無効電力推定部１２、時間帯判定部１３を備えている。

次に、進相コンデンサ制御装置１０の各部の動作について図２を用いて説明する。無効電力推定部１２において、電流センサ９により測定された構内変圧器３の二次側電流値Ｉに、低圧母線５の想定電圧値Ｖ（例えば、基準電圧である２０２Ｖ）を乗じて皮相電力値とし、更に負荷の想定された力率値である想定力率値ＰＦを加味した下記計算により、変圧器通過無効電力値Ｑ_Ｌを推定する。

一方、時間帯判定部１３において、現在時刻が平均力率算定対象時間帯（昼間帯、所定時間帯とも言う）か対象外の時間帯（夜間帯）かを判定する。この判定結果に応じて、無効電力の推定計算に使用する想定力率値ＰＦを昼間帯用とするか夜間帯用とするかを切り替える。

なお夜間帯用の想定力率値は負荷機器の内容から可能な限り実態に近い力率を想定する。例えば、インバータを介さない動力誘導機負荷では力率を７５％、インバータを介する誘導機負荷では９５％、事務用機器では９５％とするなど、一般的に言われている目安を基準とすればよい。また、昼間帯用の想定力率は夜間帯用力率より小さめ（＝無効電力成分比が大きめ）に想定する。
したがって、想定力率値ＰＦが夜間帯用想定力率値の場合は、Ｑ_Ｌは実態に近い無効電力が推定される。一方、昼間帯用想定力率値では実態より小さめの数値とするため、Ｑ_Ｌはやや大きめの数値として推定される。

次に、制御決定部１１において、進相コンデンサ（コンデンサ容量をＱ_ｃとする）を制御後、入状態とした場合の変圧器通過無効電力Ｑ_ｙと、切状態とした場合の変圧器通過無効電力Ｑ_ｎを下記計算により求める。
１）進相コンデンサが既に入状態の場合
Ｑ_ｙ＝Ｑ_Ｌ
Ｑ_ｎ＝Ｑ_Ｌ＋Ｑ_ｃ
２）進相コンデンサが既に切状態の場合
Ｑ_ｙ＝Ｑ_Ｌ−Ｑ_ｃ
Ｑ_ｎ＝Ｑ_Ｌ

求めたＱ_ｙ、Ｑ_ｎにつき、夜間帯はその絶対値が小さくなるように、すなわち構内変圧器３の通過電力が最小となるように入切状態を決定し、その状態を変える場合は、実際に進相コンデンサ開閉器８ａ、８ｂへ投入または開放の制御信号を出す。
昼間帯の場合も同様に入切状態を決定するが、昼間帯では更に、切状態となることによってＱ_ｎが遅れ方向（＝受電点から負荷側へ無効電力が流れる方向）になる、すなわち受電点力率が遅れとなり力率割引が受けられない可能性がある場合には、入状態に決定する。

また、制御決定部１１では、機器寿命低下へとつながる進相コンデンサ開閉器８ａ、８ｂの投入開放制御頻発を防止するには、最終的な投入開放制御信号出力の前に動作時限を持たせればよい。すなわち図２の制御フローの出力が一定期間同じである場合のみ、実際に投入開放制御を行えばよい。例えば制御演算周期が１分で、１０回連続して（＝１０分連続して）同じ入切方向の制御判断となった場合のみ、進相コンデンサの開閉器８ａ、８ｂに対しその同じ方向の制御信号を出せばよい。

また、図１のように複数台の進相コンデンサ（図１では２個の進相コンデンサ７ａ、７ｂを示しているが、３個以上であっても良い。）がある場合は、従来の自動力率調整器と同じく、組合せ最適化によってどの進相コンデンサを入切制御するかを決定すれば良い。組合せ最適化の評価としては、前述と同じく、夜間帯では無効電力の絶対値が最小となるように、昼間帯では力率が進み方向になる範囲で無効電力の絶対値が最小となるように、進相コンデンサの入切台数を決定すれば良い。

また、構内変圧器３が複数ある場合は、変圧器ごとに進相コンデンサと制御装置のセットを設置しても良いし、代表して１台の主変圧器だけに設置して制御してもよい。代表して１台の主変圧器のみに設置する場合は、他の変圧器に接続する負荷の無効電力分を加味して、昼間帯の想定負荷力率を更に小さい値とすればよい。

この構成によれば、昼間帯は力率進み状態を維持する範囲で、変圧器通過無効電力が最小となるように進相コンデンサが制御され、夜間帯は力率の進み／遅れに関わらず変圧器通過無効電力が最小となるように制御される。これによって需要家は力率割引を第一に補償しつつ、変圧器ロスを最小に抑えることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に関わる進相コンデンサ制御装置と、その周辺の需要家構内配電系統の構成を示す概念図である。図３において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示す。図３において、１４は電力センサで１５は通常電力会社が電力取引のために需要家ごとに設置している電力量計（Ｗｈメータ）、１６は、需要家が契約電力の超過有無を監視するために設置するデマンドコントローラである。

実施の形態２では、図１で示す実施の形態１と異なり、進相コンデンサ制御装置１０の入力用に電流計を設置せず、代替として既設の電力量計１５とデマンドコントローラ１６を用いる。この実施の形態２では、受電点電力が変圧器負荷とほぼ等しい必要があるため、基本的には構内変圧器３は１台を想定する。但し、小容量負荷用に、小容量変圧器が別にあっても誤差の範囲として許容する。

電力量計１５は、受電点の電流・電圧を計測し、需要家が使用した有効電力量(Ｗ_ｈ)を積算し、使用電力量が所定電力量となるごとに、パルス信号をデマンドコントローラに出力する。デマンドコントローラ１６では、受信したパルス信号を使用電力量に換算し、毎正時と毎正時間３０分を区切りとして、３０分ごとの使用電力量を算出する。

進相コンデンサ制御装置１０は、無効電力推定部１２において、３０分での使用電力量を計測時間ｔ（この場合３０分＝０．５時間）で割って平均有効電力値とし、更に想定力率ＰＦを加味した下記計算により、受電点通過無効電力値Ｑ_Ｌを推定する。

それ以外の動作は、実施の形態１と同じである。

また、電力量計１５では受電点有効電力Ｐを随時算出しているため、電力量計１５から直接有効電力Ｐを取り込んでも良い。その場合は、進相コンデンサ制御装置１０は、無効電力推定部１２において、電力量計１５から取り込んだ有効電力Ｐから、更に想定力率ＰＦを加味した下記計算により、受電点通過無効電力値Ｑ_Ｌを推定する。

この構成によれば、実施の形態１で必要であった電流計の新設が不要であり、更に低コストで進相コンデンサの入切制御が実現できる。

本発明は、電力需要家が電力負荷力率改善用に設置する進相コンデンサの制御装置として利用できる。

２：高圧母線 ３：構内変圧器
５：低圧母線 ６ａ、６ｂ、６ｃ：負荷
７ａ、７ｂ：進相コンデンサ ８ａ、８ｂ：進相コンデンサ用開閉器
９：電流センサ １０：進相コンデンサ制御装置
１１：制御判定部 １２：無効電力推定部
１３：時間帯判定部 １５：電力量計
１６：デマンドコントローラ

Claims (3)

1. 高圧配電系統から受電点を経て変圧器により低電圧に電圧変換を行って配電される低圧母線に、負荷と、進相コンデンサと進相コンデンサ開閉器との直列体とが接続された構内配電系統に設けられ、上記進相コンデンサ開閉器の投入開放制御を行う進相コンデンサ制御装置において、
   測定された上記変圧器の２次電流値と、想定した上記低圧母線の電圧値である想定電圧値と、想定した上記負荷の力率値である想定力率値とにより上記変圧器を通過する無効電力を推定し、
   あるいは上記受電点で測定された有効電力と、想定した上記負荷の力率値である想定力率値とにより受電点における無効電力を推定する無効電力推定部と、
   この無効電力推定部が推定した無効電力を補償するように、上記進相コンデンサ開閉器の投入開放の判定をおこない、この投入開放の判定結果に基づいて上記進相コンデンサ開閉器に対し投入または開放の制御指令を出す制御決定部とを
   設けたことを特徴とする進相コンデンサ制御装置。
2. 現在時刻が所定時間帯の時刻であるかないかを判定する時間帯判定部を備え、
   この時間帯判定部が現在時刻が所定時間帯の時刻であると判定した場合の想定力率値を、上記時間帯判定部が現在時刻が所定時間帯の時刻でないと判定した場合の想定力率値よりも低く設定することを特徴とする請求項１に記載の進相コンデンサ制御装置。
3. 制御決定部が、投入または開放のうちいずれかの判定を所定回数連続して行った場合に、進相コンデンサ開閉器に対して投入または開放の制御指令を出すことを特徴とする請求項１に記載の進相コンデンサ制御装置。

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