JP2012178962A

JP2012178962A - 進相コンデンサ用制御装置

Info

Publication number: JP2012178962A
Application number: JP2011057184A
Authority: JP
Inventors: Mutsumi Aoki; 睦青木; Hiroyuki Ukai; 裕之鵜飼; Hiroshi Kobayashi; 浩小林
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Toenec Corp
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC; Toenec Corp
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: JP5717189B2

Abstract

【課題】力率改善と高調波の全てを適切な範囲の値以内になるように進相コンデンサの投入台数を制御することができる。
【解決手段】進相コンデンサ２５を２以上配置して進相コンデンサ設備２５Ａを構成し、進相コンデンサ設備２５Ａを負荷２７，２８に並列に接続し、負荷の変動に応じて進相コンデンサを自動的に順次投入，開放する進相コンデンサ用制御装置３０は、計測された電圧および電流波形から電圧および電流波形の基本波，第５調波，第７調波成分を算出するとともに、電圧の基本波成分と電流の基本波成分の位相差から力率を算出し、電圧の基本波成分から負荷端の電圧を算出し、算出された第５調波電流と第７調波電流と力率と負荷端電圧値の値を使って、数式（１）で評価指標εを算出し、その評価指標εがより小さくなる側に進相コンデンサ２５の投入台数を変化させる制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、進相コンデンサの投入台数を制御する進相コンデンサ用制御装置に関するものである。

電力の需要家には、負荷の力率を改善するため進相コンデンサが設置されている。この進相コンデンサを受変電用変圧器の二次側（低圧側）に設置すれば、力率の改善により変圧器を流れる電流が減少し、その作用により、変圧器の損失を低減する効果や変圧器における電圧降下を低減する効果が得られる。
一般的に、進相コンデンサの容量を調整するためには、小容量のコンデンサを複数台設置し、負荷の電流または無効電力から、負荷の力率を推定し、その値が予め設定された値（目標値）になるようにコンデンサに付随するスイッチまたは電磁接触器の投入または開放の制御を行う。このような制御を行う制御器が自動力率調整装置である。負荷の大きさは電力の使用状態によって時々刻々変化しており、力率改善に必要な進相コンデンサの容量も時々刻々変化するため、従来の自動力率調整装置は、負荷の無効電流または無効電力を検知してコンデンサの制御を行っていた。
一方、進相コンデンサに付随するスイッチの投入時には過大な電流が流れる。この過大な電流を抑制するために、コンデンサと直列にリアクトルを設置することがある。リアクトルが接続されたコンデンサは、リアクトルとコンデンサの作用によって、特定の次数の高調波に対してインピーダンスが非常に小さくなる。この効果を利用して、負荷から発生した高調波電流の一部をリアクトル付きコンデンサに吸収させ、需要家から配電線に流出する高調波電流を抑制することが可能である。かかる技術の一つが下記特許文献１に開示されている。

特開平１０−１４５９７６号公報

しかし、従来の自動力率調整装置は、電圧および電流を検出する検出点の無効電流または無効電力のみによって進相コンデンサに付随するスイッチの開閉を行うため、需要家から配電線に流出する高調波電流を所望の値に抑制することができなかった。一方、特許文献１に記載の制御方法を用いると、高調波流出電流を所望の値とするために進相コンデンサ（ＳＣ）の投入台数が多くなりすぎてしまい、変圧器の二次側電圧が規定値から超えてしまう恐れがあった。

このようなことから、本発明は、力率改善と変圧器の二次側電圧と変圧器から配電系統へ流出する高調波の全てが適切な範囲の値以内になるようにコンデンサの投入台数を制御できるコンデンサ用制御装置の提供を目的とし、この目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
なお、ここで言う適切な範囲の値とは、需要家の負荷の運用に支障をきたすことがないもので、需要家内の電気設備を運転する運転員が決定できるものである。
本発明の進相コンデンサ用制御装置は、力率に加えて、高調波電圧，高調波電流，電圧の大きさを算出し、算出された結果から投入する進相コンデンサの容量を算定する演算装置を備えたことを要旨とする。

本発明の進相コンデンサ用制御装置では、力率に加えて、高調波電圧，高調波電流，電圧の大きさを算出し、算出された結果から投入する進相コンデンサの容量を算定する演算装置を備えたことにより、力率改善と高調波の全てを適切な範囲の値以内になるように進相コンデンサの投入台数を制御することができ、電力品質を総合的に改善することができる。

また、本発明は、進相コンデンサと直列リアクトルと開閉器を直列に接続してなる進相コンデンサ群を２以上配置して進相コンデンサ設備を構成し、該進相コンデンサ設備を負荷に並列に接続し、負荷の変動に応じて前記進相コンデンサ群を自動的に順次投入，開放する進相コンデンサ用制御装置において、
コンデンサ用制御装置は、負荷の電圧および電流波形を装置内に取り込む手段および演算装置を備え、計測された電圧および電流波形から電圧および電流波形の基本波，第５調波，第７調波成分を算出するとともに、電圧の基本波成分と電流の基本波成分の位相差から力率を算出し、電圧の基本波成分から負荷端の電圧を算出し、
算出された第５調波電流と第７調波電流と力率と負荷端電圧値の値を使って、数式（１）で表される評価指標εを算出し、その評価指標εがより小さくなる側に前記進相コンデンサ群の投入台数を変化させる制御を行うことを要旨とする。

Ｉｈｔ_５ｔｈＨ：配電系統へ流出する第５次調波電流［Ａ］
Ｉｈ_５ｔｈＨ：高圧需要家で発生した第５次調波電流［Ａ］
Ｉｈｔ_７ｔｈＨ：配電系統へ流出する第７次調波電流［Ａ］
Ｉｈ_７ｔｈＨ：高圧需要家で発生した第７次調波電流［Ａ］
ＰＦ_ｒｐ：受電点力率
Ｖ_Ｌｏａｄ：負荷端電圧［Ｖ］
ｗ_１：第５次調波流出電流評価指標に対する重み係数
ｗ_２：第７次調波流出電流評価指標に対する重み係数
ｗ_３：受電点力率評価指標に対する重み係数
ｗ_４：負荷電圧評価指標に対する重み係数

こうすれば、力率改善と変圧器の二次側電圧と変圧器から配電系統へ流出する高調波の全てを適切な範囲の値以内になるようにコンデンサの投入台数を制御することができ、電力品質を総合的に改善することができる。

進相コンデンサが設置された需要家の設備仕様の接続構成図である。コンデンサ用制御装置の構成図である。コンデンサ用制御装置の制御手順を示すフローチャート図である。力率の変化を示すタイムチャート図である。第５調波電流の変化を示すタイムチャート図である。第７調波電流の変化を示すタイムチャート図である。負荷端電圧の変化を示すタイムチャート図である。高調波流出電流算出のための需要家モデルの等価回路である。

本発明の一つの実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、進相コンデンサが設置された需要家の設備仕様の接続構成図である。
図１において、需要家の三相変圧器２０の二次側には、負荷２７，２８と並列に進相コンデンサ２５が設置されている。なお、進相コンデンサ２５と直列にリアクトル２４が設置され、進相コンデンサ２５とリアクトル２４に付随して電磁接触器２３が設置されている。
進相コンデンサ２５と直列リアクトル２４と電磁接触器２３（開閉器）を直列に接続してなる進相コンデンサ群を５群配置して進相コンデンサ設備２５Ａが構成され、この進相コンデンサ設備２５Ａを負荷２７，２８に並列に接続し、負荷の変動に応じて進相コンデンサ群を自動的に順次投入，開放する制御を行う進相コンデンサ用制御装置３０が設けられている。
コンデンサ用制御装置３０は、変圧器２０の二次側の電圧および電流を検出して制御装置内に取り込んでいる。
図２は、コンデンサ用制御装置３０の構成を示したものであり、Ａ／Ｄ変換器３１，演算装置３２，継電器３３，記憶装置３４でコンデンサ用制御装置３０が構成されている。

図３において、コンデンサ用制御装置３０の制御手順をフローチャートで示す。
制御点である電圧計測用変成器（電圧検出点）２１および電流計測用変成器（電流検出点）２２で検出された電圧と電流波形は、Ａ／Ｄ変換器３１によってディジタルの信号に変換され、演算装置３２に転送される。
演算装置３２では、制御点で計測された電圧および電流波形から、電圧および電流波形の基本波，第５調波，第７調波成分を算出する。また、電圧の基本波成分と電流の基本波成分の位相差から制御点の力率を算出し、電圧の基本波成分から負荷端の電圧を算出する。これらの算出結果は，継電器３３に転送され、継電器３３内では、第５調波電流と第７調波電流と力率と負荷端電圧値の値を使って、数式（１）で表される評価指標（目的関数値）ε_０を算出する。

コンデンサ用制御装置３０には、対象となる需要家の設備仕様から変圧器と電線とコンデンサのインピーダンスの値および変圧器とコンデンサと負荷の接続状態を表した需要家モデルを記憶する記憶装置３４が備えられている。
継電器３３では、記憶装置３４から需要家モデルの情報を読み出し、進相コンデンサの接続台数を１台増加して投入した場合の評価指標ε_＋１および進相コンデンサの接続台数を１台開放した場合の評価指標ε_・１を計算する。そして、これらの値を比較して、評価指標がより小さくなる側に進相コンデンサ設備２５Ａの進相コンデンサ投入台数を変化させる。

なお、進相コンデンサにより、電源に流出する高調波電流を抑制するためには、進相コンデンサの容量をできるだけ大きくし、進相コンデンサによって吸収される高調波電流量を多くすれば良い。しかし、過剰な容量の進相コンデンサは、変圧器の損失増加や変圧器二次側電圧の上昇を引き起こしてしまうという問題点がある。このように、複数の項目間ではトレードオフの関係となっている。この問題を解決するために、本例のコンデンサ用制御装置は、上記したように、負荷の電圧および電流波形を装置内に取り込む手段を備えており、この電圧および電流波形を計測する制御点で計測された電圧および電流波形から、コンデンサ用制御装置に備えられた演算装置によって、電圧および電流波形の基本波，第５調波，第７調波成分を算出する。また、電圧の基本波成分と電流の基本波成分の位相差から制御点の力率を算出し、電圧の基本波成分から負荷端の電圧を算出する。このようにして算出された第５調波電流と第７調波電流と力率と負荷端電圧値の値を使って、数式（１）で表される評価指標εを算出し、その評価指標が最も小さくなるように進相コンデンサの投入台数を決定する。

数式（１）における重み係数ｗ１〜ｗ４は、力率改善と変圧器の二次側電圧と変圧器から配電系統へ流出する高調波の全てが適切な範囲の値以内になるように、需要家内の電気設備を運転する運転員が調整する。調整の一つの方法は、記憶装置３４に記憶されている需要家モデルを用いて、力率改善と変圧器の二次側電圧と変圧器から配電系統へ流出する高調波の全てが適切な範囲の値以内になるように、重み係数ｗ１〜ｗ４を変更しながら複数回のシミュレーションを行うものである。

以下には、上述のコンデンサ用制御装置３０を使用して行ったシミュレーション結果を説明する。
変圧器３０の容量は、高圧受電設備で使用される平均的な容量である３００ｋＶＡとした。
需要家用負荷機器として、空調機器として使用されるファンおよびポンプ，エレベータなどがある。これらの負荷機器は、インバータで制御される場合が多くなっているが、インバータから高調波電流が発生する。一方で、インバータを使用しない負荷機器も存在する。
これらのことから、シミュレーションでは、高調波を発生する負荷２８と高調波を発生しない負荷（定電力負荷）２７で構成されるものとした。
高調波を発生する負荷２８の代表的な回路として、シミュレーションでは三相ブリッジコンデンサ平滑回路としている。また、高調波を発生しない負荷２７としては、定電力特性を有する負荷（定電力負荷）とした。また、高調波を発生する負荷２８と、高調波を発生しない負荷（定電力負荷）２７の消費電力は同じとして、その値を２５ｋＷとした。
高調波を発生する負荷２８と高調波を発生しない負荷（定電力負荷）２７は、幹線２６を介して変圧器２０と接続され、それぞれ３セットを図１のように接続した。

また、本シミュレーションでは２４時間の負荷機器の使用状況の変化を考慮して、事務所ビルの平均的なロードカーブの実測データを用いて、その１日の最大値が上述の２５ｋＷとなるように負荷電力の時間変化を想定した。変圧器の効率およびコンデンサの損失などの計算に必要な定数は、メーカーカタログ値を参考に決定した。
本実施形態における重み係数ｗ１〜ｗ４は、上述のように複数回のシミュレーションを実施して、表１のように設定した。

図５は、第５調波電流の変化を示すタイムチャートである。
ここで示されている「従来法」とは、制御点の力率のみを用いて制御する従来型の制御装置を使用した場合の結果を示している。
本発明の手段によれば、８時から２０時にわたって第５次調波流出電流が従来法よりも小さく抑制できていることがわかる。また最大値を比較すると、提案法は従来法よりも３０％程度、第５調波流出電流を小さくできている。

図６は、第７調波電流の変化を示すタイムチャートである。
本発明の手段によれば、８時から１９時にわたって第７次調波流出電流が従来法よりも小さく抑制できていることがわかる。また最大値を比較すると、提案法は従来法よりも２０％程度、第７調波流出電流を小さくできている。

図７は、負荷端電圧のタイムチャートである。
従来法では消費電力が大きくなる８時から２０時の時間帯では、電圧が低下している。これに対し、本発明の手段による方法では、進相コンデンサを多めに投入することにより電圧の変化を抑制し、変圧器二次側の定格電圧である２１０Ｖ付近でおおむね一定に制御することができている。

図４は、受電点力率のタイムチャートである。
本発明の手段による方法では進相コンデンサを従来法よりも多めに投入するため、本発明の手段を用いた力率は従来法よりも進みとなっているが適正の範囲内となっている。
このように、本発明の手段によれば、第５調波電流と第７調波電流を抑制すると同時に、負荷端電圧は定格電圧に維持され、受電点力率も約１となるようにコンデンサの制御を行うことが可能となる。

本発明の手段は、図１の回路だけではなく、コンデンサが変圧器の一次側に設置された場合においても適用可能である。また、コンデンサが負荷と並列に接続された場合も適用可能である。
その他、上位側電力系統に高調波電圧がある場合、以下に示す方法を用いれば、上位系統から需要家に流れる高調波電流と需要家の変圧器から配電線に流れる高調波電流とを分離でき、分離後の需要家の変圧器から配電線に流れる高調波電流を用いて本発明の手段を用いることができる。これにより、配電系統の高調波電圧の程度によらず、需要家の受電点から流出する高調波流出電流を抑制する制御が可能である。また、上位系統から需要家に流れる高調波電流と需要家の変圧器から配電線に流れる高調波電流を合計した電流を用いて本発明の手段を適用することで、受電点を流れる高調波電流を低減する方向に、進相コンデンサの制御を行うことも可能である。

即ち、高調波流出電流に関する項は次の方法により算出する。
受電点に流れる高調波電流は、需要家から発生した高調波電流と配電系統から流入する高調波電流の和となっている。そこで、需要家から発生した高調波流出電流の値を正確に求めるには、配電系統から流入する高調波電流を分離する必要がある。
その分離方法は、負荷と進相コンデンサに流れる高調波電流を算出し、受電点で測定した高調波電流から差し引くことで需要家から発生する高調波電流を求め、その値を用いて流出高調波電流を求める手法である。
図８に高調波電流等を算出するための需要家モデルの等価回路を示す。また、回路記号を表２に示し、この手法の説明を以下に示す。

図２の等価回路において、次の式が成り立つ。

１０配電線（インピーダンス）
２０三相変圧器
２１電圧計測用変成器（電圧検出点）
２２電流計測用変成器（電流検出点）
２３電磁接触器
２４直列リアクトル
２５低圧進相コンデンサ
２６低圧幹線（インピーダンス）
２７定電力負荷
２８高調波発生負荷
３０進相コンデンサ用制御装置
３１Ａ／Ｄ変換器
３２演算装置
３３継電器
３４記憶装置

Claims

力率に加えて、高調波電圧，高調波電流，電圧の大きさを算出し、算出された結果から投入する進相コンデンサの容量を算定する演算装置を備えた進相コンデンサ用制御装置。
進相コンデンサと直列リアクトルと開閉器を直列に接続してなる進相コンデンサ群を２以上配置して進相コンデンサ設備を構成し、該進相コンデンサ設備を負荷に並列に接続し、負荷の変動に応じて前記進相コンデンサ群を自動的に順次投入，開放する進相コンデンサ用制御装置において、
コンデンサ用制御装置は、負荷の電圧および電流波形を装置内に取り込む手段および演算装置を備え、計測された電圧および電流波形から電圧および電流波形の基本波，第５調波，第７調波成分を算出するとともに、電圧の基本波成分と電流の基本波成分の位相差から力率を算出し、電圧の基本波成分から負荷端の電圧を算出し、
算出された第５調波電流と第７調波電流と力率と負荷端電圧値の値を使って、数式（１）で表される評価指標εを算出し、その評価指標εがより小さくなる側に前記進相コンデンサ群の投入台数を変化させる制御を行うことを特徴とする進相コンデンサ用制御装置。

Ｉｈｔ_５ｔｈＨ：配電系統へ流出する第５次調波電流［Ａ］
Ｉｈ_５ｔｈＨ：高圧需要家で発生した第５次調波電流［Ａ］
Ｉｈｔ_７ｔｈＨ：配電系統へ流出する第７次調波電流［Ａ］
Ｉｈ_７ｔｈＨ：高圧需要家で発生した第７次調波電流［Ａ］
ＰＦ_ｒｐ：受電点力率
Ｖ_Ｌｏａｄ：負荷端電圧［Ｖ］
ｗ_１：第５次調波流出電流評価指標に対する重み係数
ｗ_２：第７次調波流出電流評価指標に対する重み係数
ｗ_３：受電点力率評価指標に対する重み係数
ｗ_４：負荷電圧評価指標に対する重み係数