JP2013008079A - 無効電力補償装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置容量を超える無効電力に応じて無効電力固定分を制限し、無効電力変動分に起因する電圧フリッカを力率低下と並行して補償する。
【解決手段】負荷の無効電力検出回路１０と、無効電力を固定分、変動分に分離する分離演算器２１と、変動分に最適補償ゲイン１１を乗じた信号に基づきサイリスタ５の駆動信号を生成するための点弧角制御回路１２と、変動分に互いに異なる補助ゲイン１１１〜１１３を乗じた結果に基づき複数の電圧フリッカを演算する手段１２１〜１２３，…，１６１〜１６３と、複数の電圧フリッカから最小値に対応する補助ゲインを最適補償ゲイン１１に設定する最小値選択回路１７と、装置容量と無効電力最大値との比率を演算する除算器２６と、前記比率を固定分に乗じて固定分を装置容量以下に制限する上下限器２８、乗算器２９と、制限後の固定分をゲイン１１，１１１〜１１３の出力に加算する加算器２４，２２１〜２２３と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、アーク炉負荷等によって発生する無効電力を補償して電力系統の電圧フリッカを抑制するための技術に関するものである。

図５は、負荷の無効電力を補償するための無効電力補償装置の使用状態を示している。図５において、無効電力補償装置１は、電力系統２の系統インピーダンス３と負荷４との間に設置され、アーク炉負荷等の負荷４が発生する無効電力、ひいてはこの無効電力に起因した電圧フリッカを補償するものであり、サイリスタ５、リアクトル６及びコンデンサ７からなる補償装置本体１’と、サイリスタ５を導通制御するための制御装置１３とによって構成されている。

無効電力補償装置１は、電圧フリッカを補償するために、負荷４が発生する無効電力を補償する。すなわち、図５に示すように、負荷４が発生する無効電力をＱ_ｆ、補償装置本体１’の無効電力をＱ_ｔ、電力系統２の無効電力をＱ_ｓとすると、Ｑ_ｔ＝Ｑ_ｆとなるように補償装置本体１’を制御すれば、電力系統２の無効電力はＱ_ｓ＝０となり、系統電圧の変動ひいては電圧フリッカを抑制できることになる。

次に、前記制御装置１３の構成及び動作を図６に基づいて説明する。図６において、図５と同一の構成要素には同一の番号を付してある。
図６に示す制御装置１３は、例えば特許文献１の第６図に記載されているものであり、この制御装置１３は、無効電力検出回路１０、ゲイン１１、点弧角制御回路１２によって構成されている。無効電力検出回路１０は、ＣＴ９により検出した負荷電流Ｉ_ｆとＰＴ８により検出した系統電圧Ｖ_ｓとから、図５における負荷４の無効電力Ｑ_ｆを演算する。この無効電力Ｑ_ｆにゲイン１１としての値Ｋを乗じてＫ×Ｑ_ｆを求め、後続の点弧角制御回路１２により演算した点弧角αに従って補償装置本体１’のサイリスタ５を導通させ、無効電力Ｑ_ｔを発生させる。

ここで、無効電力検出回路１０は負荷電流Ｉ_ｆと系統電圧Ｖ_ｓとから無効電力Ｑ_ｆを予測する回路であるため、負荷４がアーク炉負荷等であって負荷電流Ｉ_ｆが急峻かつランダムに変化した場合に、無効電力Ｑ_ｆに予測誤差が生じる。このため、図６の従来技術では、予め設定されたゲイン１１を無効電力Ｑ_ｆに乗算することで、予測演算結果を補正している。

なお、電圧フリッカはΔＶ_１０とも呼ばれており、図５に示すようにフリッカメータ１８によって測定される。電圧フリッカΔＶ_１０は、電気学会技術報告書II部７２号によると、電圧変動を１分間について周波数分析した結果得られる変動周波数ｆ_ｎの電圧変動成分の変動幅をΔＶ_ｎ、変動周波数ｆ_ｎに対応する視感度係数をａ_ｎとすると、以下の数式１によって定義され、視感度係数ａ_ｎは図７のように定義されている。

一方、負荷４に応じて無効電力補償効果が最も高くなるように、前述した予測誤差補正用のゲイン１１は、その値を少しずつ変えて調整することが行われている。つまり、ゲインを変えては補償効果を測定し、測定結果に応じてゲインを再度変える操作を繰り返すため、ゲイン１１を最適補償ゲインとするための調整動作に多くの時間を要している。
そして、ゲイン１１の調整によっては補償効果が上がらないこともあり、その場合には無効電力補償装置１の容量を大きくせざるを得なくなる。

このような問題に対しては、例えば図８に示すように、無効電力検出回路１０による検出値に複数のゲインを乗じて得た信号に種々の演算を行って複数の電圧フリッカを算出し、その中から最適補償ゲインを決定する方法が提供されており、この従来技術は、特許文献２の図１に記載されている。
図８において、１３Ａは制御装置、１１１〜１１３はゲイン、１２１〜１２３は点弧角制御回路、１４１〜１４３は無効電力補償装置モデル、１５１〜１５３は系統モデル、１６１〜１６３は電圧フリッカ検出回路、１７は最小値選択回路、２０１〜２０３は加算器であり、その他の構成要素は図６と同一の番号を付してある。なお、図８において、α_１〜α_３は点弧角、Ｉ_ｔ１〜Ｉ_ｔ３は補償電流、Ｖ_１〜Ｖ_３は電圧変動量を示す。
ここで、無効電力補償装置モデル１４１〜１４３は、点弧角α_１〜α_３に従って図５のサイリスタ５を駆動したときの補償電流Ｉ_ｔ１〜Ｉ_ｔ３を演算する機能を有し、系統モデル１５１〜１５３は、負荷電流Ｉ_ｆに補償電流Ｉ_ｔ１〜Ｉ_ｔ３がそれぞれ重畳されたときの系統の電圧変動量Ｖ_１〜Ｖ_３を演算する機能を有している。

この制御装置１３Ａでは、ゲイン１１１の現状値をＫ１とすると、ゲイン１１２，１１３がそれぞれＫ１＋ΔＧ，Ｋ１−ΔＧに設定されており、点弧角制御回路１２１〜１２３は無効電力Ｑ_ｆと上記各ゲインとの乗算結果から点弧角α_１〜α_３をそれぞれ演算する。
補償装置モデル１４１〜１４３は点弧角α_１〜α_３に応じた補償電流Ｉ_ｔ１〜Ｉ_ｔ３を演算し、加算器２０１〜２０３にて負荷電流Ｉ_ｆと加算した値を系統モデル１５１〜１５３に入力して電圧変動量Ｖ_１〜Ｖ_３を求める。電圧フリッカ検出回路１６１〜１６３はフリッカメータと同様の機能を持ち、電圧変動量Ｖ_１〜Ｖ_３から電圧フリッカをそれぞれ演算する。最小値選択回路１７は、電圧フリッカ検出回路１６１〜１６３から出力される電圧フリッカの中から最小値を選択し、これを最適補償ゲインとしてゲイン１１に設定する。
すなわちこの従来技術では、ゲインが異なる複数の補償装置モデルによって補償量をそれぞれ演算し、このうち補償量が最も小さくなるときの制御量を実際の補償装置の制御量として採用することにより、短時間で最適な無効電力補償制御を実現可能としている。

ここで、無効電力補償装置は、負荷が発生する電圧フリッカを抑制する目的と無効電力による力率補償を行う目的とを持っている。つまり、無効電力補償装置としては、負荷無効電力の変動分に起因する電圧フリッカを抑制し、かつ、負荷無効電力の固定分に起因する力率低下を補償することが求められる。
このため、図８に示したように電圧フリッカ検出値のみに応じてゲイン１１を設定する方法によると、負荷無効電力の固定分に起因した力率低下を十分に補償できないという問題がある。

上記の問題を、図９に従って説明する。
いま、図８におけるゲイン１１の前段の無効電力をＱ_１（図８ではＱ_ｆと表記）、ゲイン１１の後段の無効電力をＱ_２とする。ここで、無効電力Ｑ_１は無効電力固定分Ｑ_１Ａと無効電力変動分Ｑ_１Ｂとに分解され、また、無効電力Ｑ_２は無効電力固定分Ｑ_２Ａと無効電力変動分Ｑ_２Ｂとに分解されるものであり、無効電力固定分Ｑ_１Ａ，Ｑ_２Ａは力率低下を、無効電力変動分Ｑ_１Ｂ，Ｑ_２Ｂは電圧フリッカを引き起こすことになる。

例えば、無効電力固定分Ｑ_１Ａ及び無効電力変動分Ｑ_１Ｂが図９（ａ）のように表される場合、図８に示した従来技術によってゲイン１１の値がそれまでの値の１／２になったとすると、図９（ｂ）に示すように、ゲイン１１の後段の無効電力固定分Ｑ_２Ａ、無効電力変動分Ｑ_２Ｂは、何れも無効電力固定分Ｑ_１Ａ、無効電力変動分Ｑ_１Ｂの１／２になる。
従って、電圧フリッカをある程度抑制することができたとしても、力率低下は半分程度しか補償できなくなってしまう。

このため、力率低下の補償機能を高めるためには、負荷無効電力を無効電力固定分と無効電力変動分とに分離し、無効電力変動分に対してのみ図８に示したような方法で最適なゲイン１１を乗算し、その結果を無効電力固定分に加算することで無効電力を補償することが考えられる。

特公平７−１０４７３９号公報（第２頁左欄第６行〜第３９行、第６図等） 特開２００４−３３６９４８号公報（段落[０００８]〜[００１３]、図１等）

前述したように、無効電力変動分にゲイン１１を乗算し、その結果を無効電力固定分に加算することで無効電力を補償する方法は、力率低下の補償を優先した補償方法ということができる。しかしながら、この方法では、負荷無効電力が補償装置の容量を超えた場合に、電圧フリッカの補償能力が著しく低下してしまうことが懸念される。
つまり、図１０（ａ）に示すように、補償装置の容量を超える負荷無効電力Ｑが発生した場合、補償装置の容量を超えた分の補償はできないことから、図１０（ｂ）に示す負荷無効電力Ｑ_ｃｏｍｐが補償対象となる。このため、装置容量を超えた分の無効電力変動分を補償できなくなり、結果として電圧フリッカの補償能力が低下することになる。

そこで、本発明の解決課題は、補償装置の容量を超える無効電力に対しては、超えた分に応じて無効電力固定分を制限することで、無効電力変動分に起因する電圧フリッカの補償を力率低下の補償と並行して実現可能にした無効電力補償装置の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電力系統に連系され、かつ、電力系統に接続される負荷の無効電力の変動分に起因した電圧フリッカを少なくとも補償する無効電力補償装置であって、前記電力系統との間で無効電力を授受するように動作する半導体素子を最適補償ゲインに基づく駆動信号によって制御するようにした無効電力補償装置において、
負荷の無効電力を検出する手段と、
検出した無効電力を無効電力固定分と無効電力変動分とに分離する手段と、
前記無効電力変動分に前記最適補償ゲインを乗じて得た信号に基づいて前記駆動信号を生成する手段と、
前記無効電力変動分に互いに異なる補助ゲインを乗じた結果に基づいて各補助ゲインに対応する複数の電圧フリッカを演算する手段と、
演算された複数の電圧フリッカの中の最小値に対応する前記補助ゲインを選択して前記最適補償ゲインに設定する手段と、
前記補償装置の容量と負荷の無効電力の最大値との比率を演算する手段と、
前記比率を前記無効電力固定分に乗じることにより前記無効電力固定分を前記補償装置の容量以下に制限する手段と、
制限後の前記無効電力固定分を前記最適補償ゲインの出力及び前記補助ゲインの出力にそれぞれ加算する手段と、を備えたものである。

本発明によれば、電圧フリッカ補償及び力率低下補償を並行して行うことができると共に、負荷無効電力が補償装置の容量を超える範囲においては、超えた分の無効電力固定分を制限することで、電圧フリッカ補償能力の低下を回避することができる。

本発明の実施形態を示す構成図である。 図１における分離演算器の構成図である。 本発明の実施形態における最適補償ゲイン１１の前後の無効電力固定分及び無効電力変動分の説明図である。 本発明の実施形態における負荷無効電力Ｑ、最大値検出値Ｑ_ｍａｘ、無効電力固定分Ｑ_Ａ、比率Ｇ_ｂａｓｅを示す図である。 無効電力補償装置の使用状態を示す図である。 図５における制御装置の構成図である。 視感度係数ａ_ｎの説明図である。 特許文献２に記載された従来技術の構成図である。 図８におけるゲイン１１の前後の無効電力固定分及び変動分の説明図である。 従来技術の問題点を説明するための負荷無効電力等の波形図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る制御装置１３Ｂの構成を示しており、図８と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では図８と異なる部分を中心に説明する。

図１において、無効電力検出回路１０により演算された負荷無効電力Ｑは、分離演算器２１により無効電力固定分Ｑ_Ａと無効電力変動分Ｑ_Ｂとに分離される。ここで、分離演算器２１は、図２に示すように、負荷無効電力Ｑの演算結果を一次遅れフィルタ２１ａに入力して演算した結果を無効電力固定分Ｑ_Ａとして出力し、また、減算器２１ｂにより負荷無効電力Ｑから無効電力固定分Ｑ_Ａを減算した結果を無効電力変動分Ｑ_Ｂとして出力する。

再び図１において、分離演算器２１から出力された無効電力変動分Ｑ_Ｂにゲイン１１（以下では、ゲイン１１を最適補償ゲインという。また、この最適補償ゲイン１１と区別するために、ゲイン１１１〜１１３を補助ゲインというものとする）を乗算した結果と乗算器２９の出力とを加算器２４にて加算し、その結果を点弧角制御回路１２に入力することにより図５のサイリスタ５に対する点弧角αを演算する。ここで、乗算器２９は、無効電力固定分Ｑ_Ａと後述する上下限器２８からの比率Ｇ_ｂａｓｅとを乗算するものである。

無効電力変動分Ｑ_Ｂには、補助ゲイン１１１（現状の最適補償ゲイン１１の値Ｋ１）、補助ゲイン１１２（Ｋ１＋ΔＧ）、補助ゲイン１１３（Ｋ１−ΔＧ）がそれぞれ乗算され、これらの乗算結果に、加算器２２１，２２２，２２３にて乗算器２９の出力、つまり無効電力固定分Ｑ_Ａと比率Ｇ_ｂａｓｅとの積がそれぞれ加算される。加算器２２１，２２２，２２３の出力は点弧角制御回路１２１，１２２，１２３に加えられており、以降の構成及び作用は図８と同様である。

すなわち、点弧角制御回路１２１〜１２３は入力信号（加算器２２１，２２２，２２３の出力）に基づいて点弧角α_１〜α_３をそれぞれ演算する。補償装置モデル１４１〜１４３は点弧角α_１〜α_３に応じた補償電流Ｉ_ｔ１〜Ｉ_ｔ３を演算し、加算器２０１〜２０３にて負荷電流Ｉ_ｆと加算した値を系統モデル１５１〜１５３に入力して電圧変動量Ｖ_１〜Ｖ_３を求める。電圧フリッカ検出回路１６１，１６２，１６３は、前記補助ゲイン１１１，１１２，１１３（Ｋ１，Ｋ１＋ΔＧ，Ｋ１−ΔＧ）に対応する３種類の電圧フリッカを演算し、これらの電圧フリッカの中から最小値選択回路１７により最小値を求め、その最小値の電圧フリッカを最適補償ゲイン１１の値として更新する。

一方、無効電力検出回路１０により演算された負荷無効電力Ｑは最大値検出器２５に入力され、無効電力最大値Ｑ_ｍａｘが検出される。また、設定器２７による設定値（例えば無効電力補償装置の容量を設定値１００％とする）が除算器２６に入力され、前記設定値が無効電力最大値Ｑ_ｍａｘにより除算されてその結果が上下限器２８に入力されている。
上下限器２８は、比率Ｇ_ｂａｓｅ＝１００％／Ｑ_ｍａｘ（ただし１００％が最大値）を演算し、この比率Ｇ_ｂａｓｅを乗算器２９に出力する。乗算器２９では、比率Ｇ_ｂａｓｅと無効電力固定分Ｑ_Ａとを乗算し、その結果を加算器２４，２２１〜２２３に出力する。

ここで、図３（ａ）は図１における最適補償ゲイン１１の前段の無効電力Ｑ_１，図３（ｂ）は最適補償ゲイン１１の後段の無効電力Ｑ_２を示している。本実施形態によれば、最適補償ゲイン１１は無効電力変動分Ｑ_Ｂにしか作用しないので、仮に最適補償ゲイン１１の値がそれまでの値の１／２になったとしても、図３（ａ）→図３（ｂ）に示すように、最適補償ゲイン１１の後段の無効電力変動分Ｑ_２Ｂだけが前段の無効電力変動分Ｑ_１Ｂの１／２になり、無効電力固定分Ｑ_２Ａは無効電力固定分Ｑ_１Ａと変わらない。
このため、無効電力変動分に起因する電圧フリッカを最適補償ゲイン１１によって抑制可能であると共に、無効電力固定分に起因する力率低下も充分に補償することができる。

また、図４は、本実施形態における負荷無効電力Ｑ、最大値検出値Ｑ_ｍａｘ、無効電力固定分Ｑ_Ａ、比率Ｇ_ｂａｓｅを示している。
負荷無効電力Ｑが図４（ａ）に示すように補償装置の容量を超えているとすると、まず、最大値検出器２５によって図示のように無効電力最大値Ｑ_ｍａｘが検出される。設定器２７による設定値を補償装置容量の１００％とすると、除算器２６により１００％／Ｑ_ｍａｘが演算され、図３（ｂ）のように１００％を上限値とする比率Ｇ_ｂａｓｅが上下限器２８から出力される。

このため、乗算器２９からは、無効電力固定分Ｑ_Ａに１００％以下の比率Ｇ_ｂａｓｅを乗算した値が出力されることになり、装置容量を超える無効電力に対しては、装置容量を超えた分だけ制限された無効電力固定分Ｑ_Ａが、加算器２４において最適補償ゲイン１１乗算後の無効電力変動分Ｑ_Ｂに加算され、また、加算器２２１〜２２３において補助ゲイン１１１〜１１３乗算後の無効電力変動分Ｑ_Ｂに加算される。

従って、無効電力固定分Ｑ_Ａについては、補償装置の容量を超えた分を制限する形で力率補償を行い、無効電力変動分Ｑ_Ｂについては最小値選択回路１７により選択した最適補償ゲイン１１を用いて電圧フリッカを抑制することができる。ここで、上下限器２８では無効電力固定分Ｑ_Ａの下限値を任意に設定可能であり、例えば、下限値を補償装置容量の５０％や７０％などに設定すれば、最小限の力率補償を確保しながら電圧フリッカ補償を行うことが可能である。

１ 無効電力補償装置
２ 電力系統
３ 系統インピーダンス
４ 負荷
５ サイリスタ
６ リアクトル
７ コンデンサ
８ ＰＴ
９ ＣＴ
１０ 無効電力検出回路
１１ ゲイン（最適補償ゲイン）
１２ 点弧角制御回路
１３，１３Ａ，１３Ｂ 制御装置
１７ 最小値選択回路
１８ フリッカメータ
１１１〜１１３ ゲイン（補助ゲイン）
１２１〜１２３ 点弧角制御回路
１４１〜１４３ 無効電力補償装置モデル
１５１〜１５３ 系統モデル
１６１〜１６３ 電圧フリッカ検出回路
２０１〜２０３ 加算器
２１ 分離演算器
２１ａ 一次遅れフィルタ
２１ｂ 減算器
２２１〜２２３ 加算器
２４ 加算器
２５ 最大値検出器
２６ 除算器
２７ 設定器
２８ 上下限器
２９ 乗算器

Claims (1)

1. 電力系統に連系され、かつ、電力系統に接続される負荷の無効電力の変動分に起因した電圧フリッカを少なくとも補償する無効電力補償装置であって、前記電力系統との間で無効電力を授受するように動作する半導体素子を最適補償ゲインに基づく駆動信号によって制御するようにした無効電力補償装置において、
   負荷の無効電力を検出する手段と、
   検出した無効電力を無効電力固定分と無効電力変動分とに分離する手段と、
   前記無効電力変動分に前記最適補償ゲインを乗じて得た信号に基づいて前記駆動信号を生成する手段と、
   前記無効電力変動分に互いに異なる補助ゲインを乗じた結果に基づいて各補助ゲインに対応する複数の電圧フリッカを演算する手段と、
   演算された複数の電圧フリッカの中の最小値に対応する前記補助ゲインを選択して前記最適補償ゲインに設定する手段と、
   前記補償装置の容量と負荷の無効電力の最大値との比率を演算する手段と、
   前記比率を前記無効電力固定分に乗じることにより前記無効電力固定分を前記補償装置の容量以下に制限する手段と、
   制限後の前記無効電力固定分を前記最適補償ゲインの出力及び前記補助ゲインの出力にそれぞれ加算する手段と、
   を備えたことを特徴とする無効電力補償装置の制御装置。

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