JP2013212021A

JP2013212021A - 無効電力補償装置

Info

Publication number: JP2013212021A
Application number: JP2012081599A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kitayama; 匡史北山; Kenichi Kuroda; 憲一黒田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10

Abstract

【課題】再生可能エネルギーによる分散電源が配電系統に存在する場合にも適した無効電力補償装置を提供すること。
【解決手段】配電線１００の電圧変動に応じた無効電力を発生して配電線１００の電圧変動を抑制する無効電力補償装置１であって、配電線電圧を表す電圧信号が入力され、所定の時間遅れ特性で追随し、無効電力を発生しない範囲として設定される電圧下限値から電圧上限値までの範囲内に制限された比較電圧と配電線電圧との差分値を変動分電圧として生成し、この変動分電圧に応じた無効電力を発生して配電線１００に供給する無効電力補償部３と、配電線１００の電圧変動を分析する電圧分布分析部２２を有し、電圧分布分析部２２の分析結果に基づいて電圧下限値および電圧上限値を生成して無効電力補償部３に出力する電圧上下限値演算部２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、無効電力補償装置に関する。

配電系統を含む電力系統の電圧は、負荷の変動に応じて常に変動しており、その変動は線路亘長が長くなる場合に顕著となる。負荷としては、クレーンなどの重機やアーク炉などの生産設備など負荷の瞬時変動が大きいものについては、負荷急増時に瞬時電圧低下の問題が発生する。

従来の無効電力補償装置（特に、静止形無効電力補償装置）は、上記のような急峻な電圧変動を吸収することを主たる目的としている。

具体的に、例えば下記特許文献１に開示される「無効電力補償装置の制御方法」では、無効電力補償装置の出力可能範囲を固定領域と変動領域に分割しておき、固定領域では対応できない急峻な変動に対しては変動領域で瞬時に電圧一定制御を行う制御方法を提供する。

また、下記特許文献２に開示される「無効電力補償システム」では、複数の瞬時電圧変動発生負荷が接続している配電線においても、系統電圧に含まれる複数の周波数帯域に対し、瞬時の電圧変動成分、瞬時電圧変動よりも低い中間周波電圧変動成分を抽出する回路を備え、これらの抽出信号に応じた無効電流指令によって無効電力補償装置を動作させるようにしている。

また、下記特許文献３に開示される「静止形無効電力補償装置の制御方法」では、配電系統の電圧から移動基準電圧を生成し、この移動基準電圧と固定基準電圧とを比較して大きい方を選択する上限設定部、小さい方を選択する下限設定部からなる電圧指令値演算部により、系統電圧の状況に応じて電圧指令値を決定するようにしている。

特開２０００−１３９０２８号公報特開２００１−５１７３４号公報特開２００６−８１２８５号公報

ところで、近年では、配電系統に太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーによる分散電源が導入されるケースが増えている。この種の分散電源が導入される場合、上記負荷のような瞬時での変動分は非常に小さくなるものの、日射量や風量の自然条件の変動に伴う緩やかな出力の変動分は存在する。従来の無効電力補償装置は、負荷の急峻な変動による瞬時（秒以下）の電圧変動を補償する電圧制御指令を生成することには適しているが、このような緩やか（長期的）な変動分は考慮されていない。現に、従来の無効電力補償装置では、無効電力を演算する際、電圧指令値のみが可変とされる一方で、電圧上限値と電圧下限値は固定とされ、緩やかな電圧変動に対応する制御にはなっていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、再生可能エネルギーによる分散電源が配電系統に存在する場合にも適した無効電力補償装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、配電線の電圧変動に応じた無効電力を発生して当該配電線の電圧変動を抑制する無効電力補償装置であって、配電線電圧を表す電圧信号が入力され、所定の時間遅れ特性で追随し、無効電力を発生しない範囲として設定される電圧下限値から電圧上限値までの範囲内に制限された比較電圧と前記配電線電圧との差分値を変動分電圧として出力する変動分電圧生成部を有し、この変動分電圧生成部の出力に応じた無効電力を発生して前記配電線に供給する無効電力発生部と、前記配電線の電圧変動を分析する電圧分布分析部を有し、この電圧分布分析部の分析結果に基づいて前記電圧下限値および前記電圧上限値を生成して前記変動分電圧生成部に出力する電圧上下限値演算部と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、再生可能エネルギーによる分散電源が配電系統に存在する場合にも適した無効電力補償装置を提供することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る無効電力補償装置の構成を示す図である。図２は、無効電力補償部の詳細構成を示す図である。図３は、連系変圧器から配電線に供給される無効電力出力特性の一例を示す図である。図４は、実施の形態１における電圧上下限値の生成手法の一例を示す概念図である。図５は、実施の形態２における電圧上下限値の生成手法の一例を示す概念図である。図６は、実施の形態３における電圧上下限値の生成手法の一例を示す概念図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る無効電力補償装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る無効電力補償装置の構成を示す図である。図１に示すように、実施の形態１に係る無効電力補償装置１は、電圧上下限値演算部２および無効電力補償部３を備えて構成され、電圧上下限値演算部２は、電圧蓄積部２１、電圧分布分析部２２および分析スケジューラ２３を備えて構成される。

配電線１００には、電圧計測装置５０および連系変圧器６０が接続される。電圧計測装置５０は、配電線１００の電圧を計測し、その計測値（配電線電圧）を電圧上下限値演算部２および無効電力補償部３に出力する。電圧上下限値演算部２は、電圧計測装置５０が計測した配電線電圧に基づいて、後述する電圧上限値および電圧下限値を生成し無効電力補償部３に出力する。無効電力補償部３は、配電線電圧、電圧上限値および電圧下限値に基づいて、後述する無効電力を発生し連系変圧器６０を介して配電線１００に供給する。

図２は、無効電力補償部３の詳細構成を示す図である。図２に示すように、無効電力補償部３は、制御部３Ａおよび無効電力発生部３Ｂを備えて構成される。

無効電力発生部３Ｂは、インバータ３６およびコンデンサ３７を備えている。変圧器６０を介して無効電力発生部３Ｂを電力系統に並列に接続し、インバータ３６を構成するスイッチング素子をオン／オフ制御して進み位相又は遅れ位相の出力電流を電力系統に流すことにより、無効電力を補償して系統全体の電圧変動を防止するものである。

制御部３Ａは、変動分電圧生成部３１、無効電力制御部３３およびゲートパルス出力部３４を備え、変動分電圧生成部３１は、リミッタ付き１次遅れ制御ブロック３１ａおよび加減算器３１ｂを備えて構成される。制御部３Ａは、配電線電圧が低下した場合には進相無効電力が供給されるように、逆に配電線電圧が上昇した場合には遅相無効電力が供給されるよう無効電力発生部３Ｂを制御する。

リミッタ付き１次遅れ制御ブロック３１ａには、電圧計測装置５０が計測した配電線電圧を表す電圧信号が入力される。リミッタ付き１次遅れ制御ブロック３１ａは、例えば時定数をＴｒとしたローパスフィルタである。また、リミッタ付き１次遅れ制御ブロック３１ａは、入力された電圧信号に基づいて、所定の時間遅れ特性で追随し所定の範囲内（ＶＵ〜ＶＬの範囲内）に制限された比較電圧Ｖ_compを生成する。ここで、電圧上限値ＶＵおよび電圧下限値ＶＬは、電圧上下限値演算部２から通知されるパラメータであり、無効電力を発生しない範囲として設定される、リミッタ付き１次遅れ制御ブロック３１ａのリミット範囲を決める上下限の設定値である。すなわち、リミッタ付き１次遅れ制御ブロック３１ａは、電圧計測装置５０が計測した配線系統電圧と、電圧上下限値演算部２から通知された電圧上限値ＶＵおよび電圧下限値ＶＬとに基づいて、電圧下限値ＶＬと電圧上限値ＶＵとの間の値に維持される出力電圧Ｖ_compを生成する。加減算器３１ｂは、リミッタ付き１次遅れ制御ブロック３１ａの出力と電圧計測装置５０の出力、すなわち電圧計測装置５０が計測した配電線電圧との差分値（変動分電圧）を出力する。

無効電力制御部３３は、無効電力発生部３Ｂが配電線１００に供給する無効電力の出力値が変動分電圧に応じた値となるような制御信号を生成してゲートパルス出力部３４に出力する。ゲートパルス出力部３４は、無効電力制御部３３からの制御信号に基づくゲートパルス信号を生成して無効電力発生部３Ｂのスイッチング回路３６に出力する。無効電力発生部３Ｂは、このゲートパルス信号に応じた無効電力を発生し連系変圧器６０を介して配電線１００に供給する。このようにして、配電線１００の電圧値が所望の電圧値となるような制御が行われる。

つぎに、図１に戻り、電圧上下限値演算部２について説明する。電圧計測装置５０によって計測された電圧計測値は、計測した時刻情報と共に電圧蓄積部２１に蓄積される。電圧分布分析部２２は、分析スケジューラ２３に記録された起動時刻に起動され、電圧蓄積部２１に蓄積された電圧のヒストグラムから電圧上限値ＶＵおよび電圧下限値ＶＬを生成して無効電力補償部３に出力する。その後の動作は、上述した通りである。

図３は、連系変圧器６０から配電線１００に供給される無効電力出力特性の一例を示す図である。図示のように、電圧計測装置５０の計測値が、電圧上限値ＶＵと電圧下限値ＶＬとの間にあるときには無効電力は出力されない。一方、電圧計測値が電圧上限値ＶＵより大きい場合には、遅れ無効電力を生成して配電線電圧を下げる。これとは逆に、電圧計測値が電圧下限値ＶＬより小さい場合には進み無効電力を生成して配電線電圧を上げる。

電圧分布分析部２２は、電圧蓄積部２１に蓄積された電圧のヒストグラムから電圧上限値ＶＵおよび電圧下限値ＶＬを生成する。分析スケジューラ２３は、電圧分布分析部２２を起動するスケジュールを記憶しており、このスケジュールによって電圧分布分析部２２は起動し、前回起動された時刻から今回起動された時刻までの電圧計測値の分析を行う。

図４は、実施の形態１における電圧上限値および電圧下限値の生成手法の一例を示す概念図である。電圧分布分析部２２は、例えば前回の起動時刻から今回の起動時刻までの間における電圧計測値のヒストグラムを生成する。なお、後述する実施の形態２，３を含め、本実施の形態におけるヒストグラムは、模式的または便宜的に図４に示すような上に凸の放物線波形で示している。

電圧分布分析部２２は、上部電圧リスクＲＵを計算する。この上部電圧リスクＲＵは、例えば電圧計測値が電圧上限値を超える頻度の累積値の頻度全体に対する割合として次式のように計算することができる。

ＲＵ＝（電圧上限値を超える頻度）／（全体の頻度） …（１）

また、電圧分布分析部２２は、下部電圧リスクＲＬを計算する。この下部電圧リスクＲＬについても、上部電圧リスクＲＵと同様に、電圧計測値が電圧下限値を下回る頻度の累積値の頻度全体に対する割合として次式のように計算することができる。

ＲＬ＝（電圧下限値を下回る頻度）／（全体の頻度） …（２）

電圧分布分析部２２は、上部電圧リスクＲＵおよび下部電圧リスクＲＬの各設定値（例えば１０％、異なる値でも構わない）を記録しており、上部電圧リスクＲＵおよび下部電圧リスクＲＬが各設定値となるように電圧上限値ＶＵと電圧下限値ＶＬの値を決定する。

以上説明したように、実施の形態１の無効電力補償装置によれば、所定時間における電圧計測値の分布から電圧上限値と電圧下限値を自動的に求めて制御系に反映させているので、再生可能エネルギーによる分散電源が配電系統に接続されることに起因して生ずる、緩やかで長期的な電圧変動成分が存在する場合であっても、適切に対応することが可能となる。

また、実施の形態１の無効電力補償装置によれば、緩やかで長期的な電圧変動成分が存在する場合に不必要な無効電力を出力することがなく、遅れ無効電力または進み無効電力の何れの電力をも効果的に発生できるように出力可能範囲の略中央部に位置させることができるので、配電線の電圧が急激に変動する事態が発生したとしても、この種の急峻な電圧変動に対応することが可能となる。

また、実施の形態１の無効電力補償装置によれば、配電線電圧の計測値における全体の頻度の累積値に対する割合が所定の設定値（ＲＵ，ＲＬ）以下となる累積値を与える上限側および下限側の各境界電圧をそれぞれ電圧上限値ＶＵおよび電圧下限値ＶＬとして決定するようにしているので、管理業務に携わる管理者の負荷を軽減することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、電圧分布分析部２２で上部電圧リスクＲＵおよび下部電圧リスクＲＬを計算したが、実施の形態２では、上部電圧リスクＲＵおよび下部電圧リスクＲＬに代えて、上部電圧頻度ＦＵおよび下部電圧頻度ＦＬを設けて電圧上限値および電圧下限値を計算するようにしたものである。

上部電圧頻度ＦＵおよび下部電圧頻度ＦＬは、図５に示すように、それぞれ次式および次々式で示すような電圧上限値と電圧下限値の発生する頻度の全体の頻度に対する割合である。

ＦＵ＝（電圧上限値の頻度）／（全体の頻度） …（３）
ＦＬ＝（電圧下限値の頻度）／（全体の頻度） …（４）

すなわち、実施の形態２に係る電圧分布分析部２２は、配電線電圧の計測値における全体の頻度の累積値に対する割合が所定の設定値（上記のＦＵ，ＦＬ）以下となる上限側および下限側の各境界電圧をそれぞれ電圧上限値ＶＵおよび電圧下限値ＶＬとして決定する。このようにすれば、頻度の累積計算（図４にハッチングで示した領域の面積）を行う必要がなくなるため、実施の形態１に比べて計算負荷が小さくなるという効果が得られる。

なお、上記（３）および（４）式における“全体の頻度”に代えて、“頻度の最大値”を基準にしてもよい。また、上部電圧頻度ＦＵおよび下部電圧頻度ＦＬの値は、図５に示すような異なる値であってもよいし、同じ値であってもよい。

実施の形態３．
実施の形態１では、電圧分布分析部２２で上部電圧リスクＲＵおよび下部電圧リスクＲＬを計算したが、実施の形態３では、上部電圧リスクＲＵおよび下部電圧リスクＲＬに代えて、上部電圧マージンΔＶＵおよび下部電圧マージンΔＶＬを設けて電圧上限値および電圧下限値を計算するようにしたものである。

上部電圧マージンΔＶＵおよび下部電圧マージンΔＶＬは、図６に示すように、それぞれ次式および次々式で示すような電圧最大値と電圧最小値との差である。

電圧上限値＝（電圧最大値）−ΔＶＵ …（５）
電圧下限値＝（電圧最小値）＋ΔＶＬ …（６）

すなわち、実施の形態３に係る電圧分布分析部２２は、配電線電圧の計測値における最大値から所定のマージン（ΔＶＵ）を差し引いた値を電圧上限値ＶＵとして決定すると共に、配電線電圧の計測値における最小値に所定のマージン（ΔＶＬ）を加えた値を電圧下限値ＶＬとして決定する。このようにすれば、全体の頻度を計算する必要がなくなるため、実施の形態１，２に比べて計算負荷が小さくなるという効果が得られる。

なお、上部電圧マージンΔＶＵおよび下部電圧マージンΔＶＬは、図６に示すような異なる値であってもよいし、同じ値であってもよい。

以上のように、本発明に係る無効電力補償装置は、再生可能エネルギーによる分散電源が配電系統に存在する場合に有用である。

１無効電力補償装置
２電圧上下限値演算部
３無効電力補償部
３Ａ制御部
３Ｂ無効電力発生部
２１電圧蓄積部
２２電圧分布分析部
２３分析スケジューラ
３１変動分電圧生成部
３１ａリミッタ付き１次遅れ制御ブロック
３１ｂ加減算器
３３無効電力制御部
３４ゲートパルス出力部
３６インバータ
３７コンデンサ
５０電圧計測装置
６０連系変圧器
１００配電線

Claims

配電線の電圧変動に応じた無効電力を発生して当該配電線の電圧変動を抑制する無効電力補償装置であって、
配電線電圧を表す電圧信号が入力され、所定の時間遅れ特性で追随し、無効電力を発生しない範囲として設定される電圧下限値から電圧上限値までの範囲内に制限された比較電圧と前記配電線電圧との差分値を変動分電圧として出力する変動分電圧生成部を有し、この変動分電圧生成部の出力に応じた無効電力を発生して前記配電線に供給する無効電力発生部と、
前記配電線の電圧変動を分析する電圧分布分析部を有し、この電圧分布分析部の分析結果に基づいて前記電圧下限値および前記電圧上限値を生成して前記変動分電圧生成部に出力する電圧上下限値演算部と、
を備えたことを特徴とする無効電力補償装置。
前記電圧分布分析部は、前記配電線電圧の計測値における全体の頻度の累積値に対する割合が所定の設定値以下となる累積値を与える上限側および下限側の各境界電圧をそれぞれ前記電圧上限値および前記電圧下限値として決定することを特徴とする請求項１に記載の無効電力補償装置。
前記電圧分布分析部は、前記配電線電圧の計測値における全体の頻度の累積値に対する割合が所定の設定値以下となる上限側および下限側の各境界電圧をそれぞれ前記電圧上限値および前記電圧下限値として決定することを特徴とする請求項１に記載の無効電力補償装置。
前記電圧分布分析部は、前記配電線電圧の計測値における頻度の最大値に対する割合が所定の設定値以下となる上限側および下限側の各境界電圧をそれぞれ前記電圧上限値および前記電圧下限値として決定することを特徴とする請求項１に記載の無効電力補償装置。
前記電圧分布分析部は、前記配電線電圧の計測値における最大値から所定のマージンを差し引いた値を前記電圧上限値として決定すると共に、前記配電線電圧の計測値における最小値に所定のマージンを加えた値を前記電圧下限値として決定することを特徴とする請求項１に記載の無効電力補償装置。