JP2013051743A

JP2013051743A - 無効電力補償装置

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Publication number: JP2013051743A
Application number: JP2011186729A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Zaitsu; 寛材津; Susumu Yamashiya; 奨山士家
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: JP5760860B2

Abstract

【課題】無効電力補償の容量不足を起こすことなく、しかも無効電力制御装置の運転台数の変更にも同等の応答性を持たせることができる。
【解決手段】電圧指令値演算部１０は、定常時は系統電圧に一致した電圧指令値（Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆ）を出力することで系統電圧との偏差を０にして無効電力補償量を０に制御しておき、系統電圧が変動したときに電圧指令値の出力を単位時間当たり所定の増減量を有して系統電圧に追従変化させることで系統電圧との偏差に応じた無効電力補償量に制御し、最終的には系統電圧検出値に一致した電圧指令値を出力する。
台数制御部２０は、交直変換装置（無効電力制御装置）の運転台数の変更に比例して無効電力補償指令値を調節することで、電圧変動補償の制御パラメータの変更を不要にして、電圧変動補償に安定した応答性を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統の電圧変動を無効電力補償で抑制する静止型無効電力補償装置に係り、特に無効電力制御装置（交直変換装置）を複数台並列に設け、この無効電力制御装置の運転台数を変更して必要な無効電力補償量を得る無効電力補償装置に関する。

静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ：ＳｔａｔｉｃＶａｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）のブロック構成例を図５に示す。同図は、無効電力制御装置としての２台の交直変換装置（ＩＮＶ）を負荷と並列に接続した場合の構成例であり、負荷の状態に合わせて、交直変換装置の運転台数を変更することで、ＳＶＣの運転効率を高めることができる。

図５において、ＳＶＣ（静止型無効電力補償装置）１００は、電力系統に対し、モータなどの負荷２００と並列に接続され、絶縁と降圧を目的とした連系変圧器１１０と、交直変換装置のスイッチング動作により発生する高調波を抑制する２台のＬＣフィルタ１２０と、２台の交直変換装置（ＩＮＶ）１３０と、ＳＶＣ制御装置１４０から構成される。

ＳＶＣ制御装置１４０は、系統電圧Ｖｓと、インバータ電流Ｉｉｎｖと、直流電圧Ｖｄｃの各検出器（図示省略）を備え、検出した系統電圧Ｖｓと基準系統電圧との差（電圧変動）を抑制するために必要な無効電力指令値Ｑ＿ｒｅｆを演算する無効電力指令値演算部１４１と、この無効電力指令値Ｑ＿ｒｅｆと上記のインバータ電流Ｉｉｎｖと直流電圧Ｖｄｃの各検出値から２台の交直変換装置１３０に無効電力補償出力および直流電圧Ｖｄｃの変化を基にした有効電力補償出力が得られるよう、交直変換装置１３０ゲート信号ＩＮＶ１，ＩＮＶ２を生成するＩＮＶ制御装置１４２，１４３から構成される。

無効電力指令値演算部１４１は、図６に具体例を示すように、実効値演算器１では系統電圧検出値Ｖｓをその実効値Ｖｓ＿ｒｍｓとして求める。電圧変動補償制御器２では実効値の系統電圧指令値Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆと実効値演算器１で求める実効値の系統電圧Ｖｓ＿ｒｍｓの偏差に応じて電圧変動補償演算（例えばＰＩ演算など）することで、系統電圧Ｖｓ＿ｒｍｓを系統電圧指令値Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆ通りにするための無効電力量を演算し、この演算結果は無効電力指令値Ｑ＿ｒｅｆとしてＩＮＶ制御装置１４２，１４３に出力する。

ＩＮＶ制御装置１４２，１４３は、図６に具体例を示すように、系統電圧検出値ＶｓからＰＬＬ（位相同期）回路３とＣＯＳ関数演算器４とＳＩＮ関数演算器５によって系統電圧と同期したＣＯＳ波成分とＳＩＮ波成分を計算する。直流電圧制御器（ＤＣＡＶＲ）６では直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆとその検出値ＶｄｃのＰＩ演算で交直変換装置（ＩＮＶ）の直流電圧補償値を求め、この直流電圧補償値にＳＩＮ波成分を掛けあわせることで、ＩＮＶの有効電流指令値を求める。

ＩＮＶに発生させる無効電力は、ＣＯＳ波成分と無効電力指令値Ｑ＿ｒｅｆをかけあわせることで無効電流指令値を求める。この無効電流指令値と有効電流指令値とを足し合わせたものをＩＮＶ電流指令値とし、このＩＮＶ電流指令値とＩＮＶ電流検出値Ｉｉｎｖとの偏差を電流制御器（ＡＣＲ）７でＰＩ演算することで、ＩＮＶの電圧指令値を求め、これを基にしてＰＷＭ回路８でＰＷＭ波形のＩＮＶゲート信号を生成する。

以上のような構成により、ＳＶＣは、モータ負荷などの始動電流によって系統電圧が変動した時、系統電圧変動を電圧または実効値で検出して系統電圧変動を抑制するための無効電力量を演算し、これを指令値として交直変換装置や無効電力制御装置に制御した無効電力量を発生させ、系統電圧の変動を抑制する（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００８−４０７３３特開２００８−１０４２５８

（１）従来の技術では、制御装置の電圧変動補償部２の電圧指令値を固定としている。例えば、電力系統の公称電圧が６．６ｋＶであれば、電圧指令値は６．６ｋＶに固定している。

そうした場合、系統電圧検出値と電圧指令値が少しでも異なる時、ＳＶＣは系統電圧実効値と電圧指令値を一致させるために無効電力を発生させる。この無効電力の発生がＳＶＣの定格容量に近い状態にあって、急激な電圧変動が発生すると、ＳＶＣはさらに無効電力を発生させる必要があるが、すでに定格容量に近い無効電力を出力しているため、電圧変動を抑えるために必要な無効電力を発生できず（容量不足）、電圧変動を抑制できない場合がある。

この点について、特許文献１は、制御対象電圧変動に対応した無効電力容量を確保するため、制御対象電圧の変動に一定の時間遅れ特性で追従させた比較電圧を生成し、両者の差を制御対象電圧の変動分として検出し、この変動分で無効電力を制御することを提案している。この無効電力制御では、電圧変動に対して無効電力補償量を制限することで補償容量不足を回避しようとするが、無効電力補償で電圧変動が０になった後にも無効電力補償量が０に戻されることがないため、そのときの補償量によっては次回の電圧変動発生時に補償容量不足を起こすことが想定される。

また、特許文献２は、電圧検出値を一定時間遅延させたものとの差分が一定レベルに達したときに無効電力指令値を補正することで高速、低速の電圧変動にも対応できるようにしているが、特許文献１と同様に、定常時に無効電力補償が行なわれている場合には電圧変動発生時に補償容量不足を起こすことが想定される。

（２）負荷の軽重状態に合わせて、ＩＮＶ（無効電力制御装置）の運転台数を変更することで必要な無効電力補償量を得る無効電力補償装置の場合、この構成に従来の無効電力補償技術を適用するとしても、制御装置はＩＮＶ運転台数の変更にも電圧変動補償の制御パラメータは固定されたままになる。

この制御パラメータの固定では、ＩＮＶの運転台数が異なると電圧変動補償の応答性が異なるため（運転台数が多いと応答が速くなり、運転台数が少なくなると応答が遅くなる）、ＳＶＣの運転台数によって電圧変動補償の応答性に過不足を起こす問題がある。

本発明の目的は、無効電力補償の容量不足を起こすことなく、しかも無効電力制御装置の運転台数の変更にも同等の応答性を持たせることができる無効電力補償装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、定常時は系統電圧に一致した電圧指令値を出力することで系統電圧との偏差を０にして無効電力補償量を０に制御しておき、系統電圧が変動したときに電圧指令値の出力を単位時間当たり所定の増減量を有して系統電圧に追従変化させることで系統電圧との偏差に応じた無効電力補償量に制御し、最終的には系統電圧検出値に一致した電圧指令値に収束させるもので、以下の構成を特徴とする。

（１）電力系統に対し、無効電力量を制御できる無効電力制御装置を負荷と並列接続し、無効電力指令値演算部は、系統電圧検出値と系統電圧指令値との偏差に応じて電圧変動補償演算して前記無効電力制御装置の無効電力指令値（Ｑ＿ｒｅｆ）を求める無効電力補償装置において、
前記系統電圧指令値を設定する電圧指令値演算部は、定常時は系統電圧検出値に一致した電圧指令値を出力し、系統電圧が変動したときに単位時間当たり所定の増減量を有して系統電圧に追従変化する電圧指令値（Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆ）を出力し、最終的には系統電圧検出値に一致した電圧指令値に収束させる演算手段を備えたことを特徴とする。

（２）前記電圧指令値演算部は、
前記無効電力指令値（Ｑ＿ｒｅｆ）の正負極性を判定する符号判定器と、
前記符号判定器の正負判定出力に単位時間当たりの所定の増減量を掛け合わせて電圧指令値の正負増減分（±ΔＶ＿ｒｍｓ）を演算周期毎に求める乗算器と、
演算周期１周期前（Ｚ^-1）の前記電圧指令値の出力を保持する保持回路と、
前期乗算器で求める正負増減分を前記保持回路に保持する電圧指令値に足し合わせて現在の電圧指令値として記憶更新しておき、無効電力補償を開始したときには現在の系統電圧検出値に初期化するするリセット機能付レジスタと、
前記レジスタで記憶更新した電圧指令値を一定範囲に制限して前記電圧指令値（Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆ）として出力するリミッタと、
を備えたことを特徴とする。

（３）前記無効電力制御装置を複数台並列に設け、この無効電力制御装置の運転台数（Ｂ）を変更して必要な無効電力補償量を得る無効電力補償装置において、
前記無効電力指令値演算部は、前記電圧変動補償演算の出力を前記無効電力制御装置の運転台数（Ｂ）に比例したリミッタ値に制限する可変リミッタと、この可変リミッタの出力（Ａ）を前記運転台数（Ｂ）で除算して前記無効電力指令値（Ｑ＿ｒｅｆ）とする除算器とを備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、系統電圧指令値を設定する電圧指令値演算部は、定常時は系統電圧に一致した電圧指令値を出力することで系統電圧との偏差を０にして無効電力補償量を０に制御しておき、系統電圧が変動したときに電圧指令値の出力を単位時間当たり所定の増減量を有して系統電圧に追従変化させることで系統電圧との偏差に応じた無効電力補償量に制御し、最終的には系統電圧検出値に一致した電圧指令値に収束させるため、急激な電圧変動が発生した場合にも電圧変動を抑制するために必要な無効電力を容量不足を起こすことなく発生して電圧変動を抑制することができる。

また、無効電力制御装置が運転を開始したとき、電圧変動補償の指令値と検出値（系統電圧実効値）が同じになるため、無効電力を急激に発生させることがない。

また、無効電力指令値演算部は、電圧変動補償演算の出力を無効電力制御装置の運転台数（Ｂ）に比例したリミッタ値に制限し、この出力（Ａ）を運転台数（Ｂ）で除算して無効電力指令値（Ｑ＿ｒｅｆ）とする台数制御部を備えたため、無効電力制御装置の運転台数が変更された場合にも電圧変動補償の制御パラメータを再調整することなく、同等の応答性を持たせることができる。

本発明の実施形態を示す静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）の制御装置。従来の無効電力補償制御例。実施形態による無効電力補償制御例。実施形態による無効電力発生量の応答例。静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）の構成例。従来の静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）の制御装置。

図１は本発明の実施形態を示す静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）の制御装置であり、図６と異なる部分は無効電力指令値演算部１４１に電圧指令値演算部１０と台数制御部２０を追加した点にある。以下、これらの構成と演算・制御動作の詳細を説明する。

（１）電圧指令値演算部
電圧指令値演算部１０は、定常時は系統電圧に一致した電圧指令値を出力することで系統電圧との偏差を０にして無効電力補償量も０に制御しておき、系統電圧が変動したときに電圧指令値の出力を単位時間当たり所定の増減量を有して系統電圧に追従変化させることで系統電圧との偏差に応じた無効電力補償量に制御し、無効電力補償によって最終的には電圧指令値を系統電圧に収束させて無効電力補償量を０に制御するもので、その構成を図１中に示す。

電圧指令値演算部１０は、無効電力指令値演算部１４１の出力になる無効電力指令値Ｑ＿ｒｅｆの正負極性を符号判定器１１で判定し、この判定が正であれば＋１、負であれば−１を出力する。符号判定器１１の判定出力は乗算器にてステップ電圧を掛け合わせることで電圧指令値の正負増減分（±ΔＶ＿ｒｍｓ）を求め、この正負増減分を保持回路１２に保持する演算周期１周期前（Ｚ^-1）の電圧指令値出力（実効値）に足し合わせ、この結果をリセット機能付レジスタ１３に現在の電圧指令値（実効値）としてセットし、この現在値をリミッタ１４で一定範囲に制限して実効値の電圧指令値Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆとして出力する。

なお、上記のステップ電圧は、電圧指令演算周期の１周期（単位時間当たり）で所定の増減量で電圧指令値を増減させる単位電圧（ΔＶ＿ｒｍｓ）として設定する。例えば、ステップ電圧は、電圧指令値演算時間１分間で電圧指令値を１％程度変化させる値に設定するもので、負荷としてのモータの始動電流期間（１０秒程度）などによる系統電圧の急峻な変動に対して十分に小さい増減量を設定する。上記のステップ電圧の具体的な設定例としては、電圧指令値の演算周期を１０ｍｓとすると、１分（６０００回演算）で電圧変動補償の指令値が１００から１０１に変化するような値に設定するので、（１０１−１００）／６０００＝１６６．７×１０^-6という値を単位電圧（ΔＶ＿ｒｍｓ）として設定する。

リセット機能付レジスタ１３は、定常時には電圧指令値を記憶更新しておき、ＳＶＣが停止状態から運転を開始したとき（無効電力補償を開始したとき）にはそのリセットによって現在の系統電圧検出値（実効値）に初期化する。これにより、電圧指令値（実効値）の初期値は、電圧変動が発生していない定常時や安定時には系統電圧検出値（実効値）に一致させ、その偏差を０にして電圧変動補償量を０に制御し、無効電力補償量も０に保持する。

したがって、電圧指令値演算部１０は、無効電力指令値Ｑ＿ｒｅｆが正極性（＋）であれば、電圧変動補償の指令値（Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆ）をステップ電圧分で少しずつ大きくし、無効電力指令値Ｑ＿ｒｅｆが０になるまで電圧変動補償の指令値を大きくする。逆に、無効電力指令値Ｑ＿ｒｅｆが負極性（−）であれば、電圧変動補償の指令値をステップ電圧分で少しずつ小さくし、無効電力指令値Ｑ＿ｒｅｆが０になるまで電圧変動補償の指令値を小さくする。

このように、電圧指令値演算部１０の電圧指令値出力は、定常時は実効値演算部１からの電圧検出値（実効値）との偏差を０にしておき、電圧変動補償制御器２により求める無効電力指令値を０近くにしておく。そして、負荷となるモータの始動時など、電圧検出値が変動した場合には単位時間当たり一定の増減量を有して系統電圧に追従できる電圧指令値を出力することでの電圧指令値との偏差に応じた無効電力補償量に制御する。

図２は図６の構成による従来の無効電力補償制御例を示し、図３は図１の電圧指令値演算部１０による無効電力補償制御例を示す。図２に示す従来例では、系統電圧指令値Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆが固定の場合、つまり図１の電圧指令値演算部１０の出力が固定の場合、系統電圧実効値指令値と系統電圧検出値Ｖｓ＿ｒｍｓに差があるため、指令値Ｑ＿ｒｅｆが０にならず、定常的に無効電力を発生している。この無効電力量がすでに定格容量に近い状態で系統電圧が急変すると（時刻ｔ１）、指令値と検出値の差によって無効電力指令値Ｑ＿ｒｅｆが急速に上昇するが、無効電力発生量としては電圧急変前の値から装置定格で制限された最大値（リミッタ値）に制限され、系統電圧を充分に補償できる無効電力量を発生できず（容量不足）、電圧変動を抑制できないことになる。

この従来例に対し、本実施形態になる、図３に示す電圧指令値演算部１０による無効電力補償制御では、定常的には、電圧指令値Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆは系統電圧検出値Ｖｓ＿ｒｍｓに一致するよう制御され、無効電力発生量も０に制御されている。そして、系統電圧が急変（図示では低下）すると（時刻ｔ１）、指令値と検出値の偏差によって無効電力発生量を０から急峻に増加させる。このときの無効電力補償は直前の補償量が０にあるため、装置定格に制限されることなく充分な補償量を得ることができ、しかも電圧変動指令値は無効電力発生に伴って一定の増減量で系統電圧に向かって追従変化させ、これによって無効電力発生量も徐々に低下する。その後、系統電圧が基の値に復帰した場合（時刻ｔ２）、電圧変動指令値と検出値の差が正負逆転し、無効電力発生量はマイナスに反転し、この状態から０に向かって上昇制御される（時刻ｔ３）。

上記のように、電圧指令値演算部１０は、系統電圧が変動したときに、電圧変動補償の指令値の出力を単位時間当たり所定の増減量を有して系統電圧に追従変化させることで無効電力補償を行い、最終的には無効電力補償量を０に制御しておく。ただし、リミッタ１４で電圧変動補償の指令値を一定範囲に制限し、例えば定格電圧の±１０％でリミッタをかけることで、系統電圧が異常な値にならないようにする。

すなわち、電圧指令値演算部１０は、系統電圧の変動に対して、一定の無効電力を供給しないと元の電圧を維持できない場合、電圧変動補償の指令値を少しずつ変化させて無効電力補償量を小さくしていくが、電圧変動補償のリミッタにかかったらそれ以上電圧変動補償の指令値を変化させない。その時、無効電力はある程度発生している状態になる。また、元の系統電圧が維持されなくなるが、許容される電圧範囲内になるようにＳＶＣが動作することになる。

また、電圧指令値演算部１０は、リセット機能付レジスタ１３によって、電圧変動補償指令値を系統電圧（Ｖｓ＿ｒｍｓ）の現在値で初期化（リセット）することで、ＳＶＣ運転時の電圧変動補償の指令値と系統電圧実効値の偏差がほぼ０になり、ＳＶＣ起動時の無効電力発生量を抑制することができる。

また、電圧変動補償の指令値の変化は、ステップ電圧によって、例えば１分で電圧変動補償の指令値を１％増減させる程度の値に設定する。これにより、非常にゆっくりした速度で電圧指令値が変化するため、モータ負荷などの始動電流によって系統電圧が急激に変化した時の補償に影響はない。

（２）台数制御部
台数制御部２０は、交直変換装置（無効電力制御装置）の運転台数の変更に比例して無効電力補償指令値を調節することで、電圧変動補償の制御パラメータの変更を不要にして、電圧変動補償に安定した応答性を得るもので、そのブロック構成を図１中に示す。

台数制御部２０は、電圧変動補償部２の出力を可変リミッタ２１で運転台数Ｂに応じたリミッタ値に制限し、このリミッタ出力Ａを除算器２２で運転台数Ｂで除算して無効電力補償の指令値とする。

可変リミッタ２１は、運転台数１台のときのリミッタ値を１．０とすると、運転台数２台のときにはリミッタ値を２．０とし、運転台数４台のときにはリミッタ値を４．０とすることで、無効電力補償量のリミッタ値は運転中の全交直変換装置がもつ無効電力補償量の総和に制限する。

除算器２２は、運転中の全交直変換装置による無効電力補償量の総和を運転台数で除算することで、各交直変換装置に対する無効電力補償量を均等にする。

図４は無効電力発生量の応答例を示す。同図の（ａ）は１台運転時の応答例を示し、（ｂ）は２台運転時の従来の応答例を示し、従来の制御では運転台数が異なることで、無効電力発生量の応答が異なる。制御ゲインの再調整（台数ごとにゲインを調整）する必要がある。

（ｃ）は本実施形態による２台運転時の応答例を示し、（ａ）に示す１台運転時とは同等の応答性を呈し、電圧変動補償の制御パラメータを再調整する必要がない。また、１台当たりの無効電力発生量のリミッタ値は均等になる。

したがって、台数制御部２０は、ＳＶＣ装置全体としての無効電力発生量は無効電力指令値×運転台数に調節するが、各交直変換装置による無効電力補償量は変化しない。また、運転台数に合わせて電圧変動補償のリミッタ値を変化させることで、電圧変動補償出力を台数で割っても運転台数１台の場合と同スケールの無効電力指令値を発生させることができる。

１００ＳＶＣ（静止型無効電力補償装置）
２００負荷
１１０連系変圧器
１２０ＬＣフィルタ
１３０交直変換装置（ＩＮＶ）
１４０ＳＶＣ制御装置
１４１無効電力指令値演算部
１４２，１４３ＩＮＶ制御装置
１実効値演算部
２電圧変動補償部
１０電圧指令値演算部
２０台数制御部

Claims

電力系統に対し、無効電力量を制御できる無効電力制御装置を負荷と並列接続し、無効電力指令値演算部は、系統電圧検出値と系統電圧指令値との偏差に応じて電圧変動補償演算して前記無効電力制御装置の無効電力指令値（Ｑ＿ｒｅｆ）を求める無効電力補償装置において、
前記系統電圧指令値を設定する電圧指令値演算部は、定常時は系統電圧検出値に一致した電圧指令値を出力し、系統電圧が変動したときに単位時間当たり所定の増減量を有して系統電圧に追従変化する電圧指令値（Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆ）を出力し、最終的には系統電圧検出値に一致した電圧指令値に収束させる演算手段を備えたことを特徴とする無効電力補償装置。
前記電圧指令値演算部は、
前記無効電力指令値（Ｑ＿ｒｅｆ）の正負極性を判定する符号判定器と、
前記符号判定器の正負判定出力に単位時間当たりの所定の増減量を掛け合わせて電圧指令値の正負増減分（±ΔＶ＿ｒｍｓ）を演算周期毎に求める乗算器と、
演算周期１周期前（Ｚ^-1）の前記電圧指令値の出力を保持する保持回路と、
前期乗算器で求める正負増減分を前記保持回路に保持する電圧指令値に足し合わせて現在の電圧指令値として記憶更新しておき、無効電力補償を開始したときには現在の系統電圧検出値に初期化するするリセット機能付レジスタと、
前記レジスタで記憶更新した電圧指令値を一定範囲に制限して前記電圧指令値（Ｖｓ＿ｒｍｓ＿ｒｅｆ）として出力するリミッタと、
を備え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。
前記無効電力制御装置を複数台並列に設け、この無効電力制御装置の運転台数（Ｂ）を変更して必要な無効電力補償量を得る無効電力補償装置において、
前記無効電力指令値演算部は、前記電圧変動補償演算の出力を前記無効電力制御装置の運転台数（Ｂ）に比例したリミッタ値に制限する可変リミッタと、この可変リミッタの出力（Ａ）を前記運転台数（Ｂ）で除算して前記無効電力指令値（Ｑ＿ｒｅｆ）とする除算器とを備え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。