JP2014023227A

JP2014023227A - 瞬時電圧調整装置及び瞬時電圧調整方法

Info

Publication number: JP2014023227A
Application number: JP2012158211A
Authority: JP
Inventors: Shingo Murakami; 新吾村上
Original assignee: Aichi Electric Co Ltd
Current assignee: Aichi Electric Co Ltd
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-07-16
Also published as: JP5985911B2

Abstract

【課題】切替回数に制限のない半導体スイッチを用いて低圧側電圧の調整を行う。広範囲で緻密な電圧調整を少ないタップ数で実現可能な瞬時電圧調整装置及び瞬時電圧調整方法を提供する。
【解決手段】補助変圧器５の二次巻線５ｂ，５ｃ，５ｄの電圧構成比を１：３：９とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、低圧配電線に電圧変動が生じた場合でも低圧側電圧を一定に調整することが可能な瞬時電圧調整装置及び瞬時電圧調整方法に関する。

近年、配電系統の進み力率によるフェランチ現象や、太陽光発電等の分散型電源からの逆潮流による低圧配電線の電圧上昇が問題となってきている。また、平成２３年３月に発生した東北地方太平洋沖地震による電力供給不安から、国内では再生可能エネルギーへの転換の機運が高まっており、家庭用太陽光発電の導入が進み、これに伴う低圧配電線の電圧変動への影響が拡大することが想定される。

家庭用太陽光発電等の分散電源の増加に伴う低圧配電線の電圧変動に対応するため、電圧変動を検知しながら二次電圧を一定とするよう、一次タップ電圧を自動調整する機能を付加した柱上変圧器が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１０−１０３３９５

上記特許文献１記載の変圧器はタップ電圧を手動で変更する必要がないため、停電を伴わずに二次電圧の調整ができる点で非常に有効であるが、タップ電圧の切り替えが機械式であり、接触子は電気学会電気規格調査会標準規格ＪＥＣ−２２２０によって求められる電流遮断性能および耐用切替回数（１０万又は２０万回）に耐えうる設計がされている。

上記の如く、電気的，機械的に耐用回数に制限があることにより、２０年の設計寿命を維持するためには切替感度を鈍らせたり、不感帯を設けて切替回数を減らす対応をしており、細かな電圧調整ができないといった欠点があった。

そこで、本発明は上記問題点を解消するために、二次電圧を半導体リレーの切り替えによって調整することで、切替回数の制限を無くすとともに、切り替えの高速化を実現できる瞬時電圧調整装置及び瞬時電圧調整方法を提案するものである。

請求項１記載の発明は、変圧器の二次巻線に直列接続される一対の直列変圧器と、当該一対の直列変圧器の一次巻線の負荷側に接続される一次巻線および所定の電圧構成比を有する二次巻線から構成される補助変圧器と、補助変圧器の二次巻線に接続され、負荷側電圧の上昇量又は下降量に応じて当該二次巻線の電圧構成を切り替える半導体スイッチ回路と、前記直列変圧器の二次巻線に並列接続される短絡防止回路を備え、前記半導体スイッチ回路と短絡防止回路を操作して前記補助変圧器の電圧構成を切り替えて、直列変圧器の二次巻線に印加する電圧を下降又は上昇させることにより、直列変圧器の一次巻線を介して補助変圧器の一次巻線の電圧を調整することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記補助変圧器の二次巻線は、前記補助変圧器の一次巻線電圧を２ｎ[Ｖ]刻みで調整する場合、前記直列変圧器のレシオが１／ｍ[Ｖ]であれば、直列変圧器の二次巻線への印加電圧をｎ×ｍ[Ｖ]刻みで調節可能な電圧構成比とすることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２の何れかに記載の発明において、前記補助変圧器の二次巻線は、１：３：９の電圧構成比とすることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、変圧器の二次巻線に一対の直列変圧器を接続し、該直列変圧器の一次巻線の負荷側には補助変圧器を接続し、当該補助変圧器は所定の電圧構成比を有する複数の二次巻線を備え、補助変圧器の二次巻線に接続される半導体スイッチと短絡防止回路を操作することによって補助変圧器の二次巻線の電圧構成を切り替えて、直列変圧器の二次巻線に印加する電圧を下降又は上昇させることにより、直列変圧器の一次巻線を介して補助変圧器の一次巻線の電圧を調整することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、二次電圧の調整を半導体スイッチによって実現できるので、切替回数に制限はなく、切替速度を高速化することができる。

請求項２記載の発明によれば、補助変圧器の電圧構成比を可変することで、所望する刻み電圧で二次電圧の緻密な調整が可能となる。

請求項３記載の発明によれば、補助変圧器のタップ数を減らして広範囲の電圧調整が可能となる。

請求項４記載の発明によれば、上昇又は下降の何れの電圧調整も可能となる。

本発明の瞬時電圧調整装置を具備した自動電圧調整型柱上変圧器を配電系統に設置した状態を示す図である。前記自動電圧調整型柱上変圧器の回路図である。前記瞬時電圧調整装置を構成する半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦパターンを示す表である。前記瞬時電圧調整装置を構成する半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦパターンと直列変圧器の二次電圧及び調整電圧の関係を示す表である。前記半導体スイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作とＯＮ／ＯＦＦ動作タイミングを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図５を用いて説明する。図１は本発明の瞬時電圧調整装置を具備した自動電圧調整型柱上変圧器Ａを配電系統に設置した状態を示す図である。図１に示す自動電圧調整型柱上変圧器Ａは、高圧６．６[ｋＶ]を低圧２００／１００[Ｖ]に変換するものであり、本発明の瞬時電圧調整装置はこの自動電圧調整型柱上変圧器に付属するものである。

つまり、低圧配線線路に接続された家庭用太陽光発電（ＰＶ）等の再生可能エネルギー等に起因する電圧変動を検知しながら二次電圧が一定とするよう調整する機能として瞬時電圧調整装置が柱上変圧器に付属するのである。

図２は前記自動電圧調整型柱上変圧器Ａの回路図である。前述したように、自動電圧調整型柱上変圧器Ａは、６．６[ｋＶ]を２００／１００[Ｖ]に降圧する変圧器１に本発明に係る瞬時電圧調整装置２を付属して構成されている。

瞬時電圧調整装置２は、変圧器１の二次巻線１ｂに直列接続される２つの変圧器（以下、直列変圧器という）３，４と、直列変圧器３，４の負荷側に直列接続される補助変圧器５と、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂと補助変圧器５の二次巻線５ｂ，５ｃ，５ｄ間に接続される半導体スイッチ回路６と、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂに対して並列接続される短絡防止回路７によって構成されている。

前記半導体スイッチ回路５は、補助変圧器５の二次巻線５ｂ，５ｃ，５ｄに対して、複数のソリッドステイトリレーＳＳＲ１Ａ〜１Ｄ，２Ａ〜２Ｄ，３Ａ〜３Ｄをブリッジ接続することによって構成されており、前記短絡防止回路７は、ソリッドステイトリレーＳＳＲＲと抵抗素子ＲＵを直列接続し、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂに対して並列に、かつ、変圧器１の二次巻線１ｂの中性線に接続されている。

また、ソリッドステイトリレーＳＳＲ１Ａ〜１Ｄ，２Ａ〜２Ｄ，３Ａ〜３Ｄは、図３に示すように、ＳＳＲ※Ａ，※ＤがＯＮのときＳＳＲ※Ｂ，※ＣがＯＦＦする「上げ」と、ＳＳＲ※Ａ，※ＤがＯＦＦのときＳＳＲ※Ｂ，※ＣがＯＮする「下げ」と、ＳＳＲ※Ａ，※ＢがＯＮのときＳＳＲ※Ｃ，※ＤがＯＦＦする「素通し」の３動作の何れかが実行されるものである（※は１〜３の何れか）。

そして、前記補助変圧器５の２次巻線５ｂ，５ｃ，５ｄは、電圧構成が２０[Ｖ]，６０[Ｖ]，１８０[Ｖ]、つまり、１：３：９の電圧構成比を採用しており、ＳＳＲ１（１Ａ〜１Ｄ）が「上げ」動作のときは、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂの電圧を＋２０[Ｖ]調整することができ、ＳＳＲ１（１Ａ〜１Ｄ）が「下げ」動作のときは、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂの電圧を−２０[Ｖ]調整することができ、ＳＳＲ１（１Ａ〜１Ｄ）が「素通し」動作のときは、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂの電圧を０[Ｖ]調節することができる。

同様に、ＳＳＲ２（２Ａ〜２Ｄ）が「上げ」動作のときは、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂの電圧を＋６０[Ｖ]調整することができ、ＳＳＲ２（２Ａ〜２Ｄ）が「下げ」動作のときは、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂの電圧を−６０[Ｖ]調整することができ、ＳＳＲ２（２Ａ〜２Ｄ）が「素通し」動作のときは、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂの電圧を０[Ｖ]調節することができる。

また、ＳＳＲ３（３Ａ〜３Ｄ）が「上げ」動作のときは、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂの電圧を＋１８０[Ｖ]調整することができ、ＳＳＲ３（３Ａ〜３Ｄ）が「下げ」動作のときは、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂの電圧を−１８０[Ｖ]調整することができ、ＳＳＲ３（３Ａ〜３Ｄ）が「素通し」動作のときは、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂの電圧を０[Ｖ]調節することができる。

この結果、直列変圧器３，４の二次電圧をＳＳＲ１〜ＳＳＲ３の「上げ」，「下げ」，「素通し」動作の組み合わせによって、図４に示すように、直列変圧器３，４の二次巻線の電圧を−２６０[Ｖ]〜＋２６０[Ｖ] まで、２０[Ｖ] 刻みで調節することが可能となる。

そして、直列変圧器３，４のレシオが７／２８０Ｖであれば、各々の直列変圧器３，４の一次巻線３ａ，４ａの電圧を−６．５[Ｖ]〜＋６．５[Ｖ]まで０．５[Ｖ]刻みで調節することができ、２つの直列変圧器３，４によって合計−１３[Ｖ] 〜＋１３[Ｖ]まで１[Ｖ] 刻みで補助変圧器５の一次巻線５ａの電圧（出力電圧）を調節することが可能となる。

次に、前記瞬時電圧調整装置２の動作について説明する。図１に示すように家庭用太陽光発電ＰＶの接続により低圧配電線に電圧変動が生じた場合、自動電圧調整型柱上変圧器Ａは、図示しない電圧検知手段によってこれを検知し、図２に示す半導体スイッチ回路６のソリッドステイトリレーＳＳＲ１Ａ〜１Ｄ，２Ａ〜２Ｄ，３Ａ〜３Ｄに対してＯＮ／ＯＦＦ指令を出力する。

例えば、電圧変動によって出力電圧が−５[Ｖ]となった際に＋１[Ｖ]に調節する場合、図４に示すように、ＳＳＲ１「上げ」，ＳＳＲ２「上げ」，ＳＳＲ３「下げ」の状態にあるソリッドステイトリレーを、ＳＳＲ１「上げ」，ＳＳＲ２「素通し」，ＳＳＲ３「素通し」の状態へ移行させることにより、出力電圧を＋１[Ｖ]に調節することができる。

この際、ＳＳＲ１，ＳＳＲ２，ＳＳＲ３は、補助変圧器５が短絡しないように一旦全てをＯＦＦする必要があるが、これにより、直列変圧器３，４の二次側のインピーダンスが無限大となって、直列変圧器３，４の一次側に２００[Ｖ]がかかることになるので、直列変圧器３，４の二次側が高電圧（２００[Ｖ]×２８０／７[Ｖ]＝８０００[Ｖ]）となってしまう。

これを防止するために、出力電圧の調整をする際は、予め、短絡防止回路７のＳＳＲＲをＯＮさせて直列変圧器３，４の二次側を低抵抗（例えば、５０Ω）とした後に、ＳＳＲ１〜ＳＳＲ３を全てＯＦＦしてから、新たにＳＳＲ（本実施例ではＳＳＲ１Ａ，１Ｄ、ＳＳＲ２Ａ，２Ｂ、ＳＳＲ３Ａ，３Ｂ）をＯＮする。これにより、出力電圧を−５[Ｖ]から＋１[Ｖ]に調整することができる。

図５は、電圧波形と上記ＳＳＲ１〜ＳＳＲ３，ＳＳＲＲのＯＮ／ＯＦＦのタイミングを示す図であり、出力電圧が−５[Ｖ]のときにＯＮしているＳＳＲ群をαとし、出力電圧が＋１[Ｖ]のときにＯＮするＳＳＲ群をβとしている。

図５に示すように、ＳＳＲ群αがＯＮ状態にあるとき出力電圧は−５[Ｖ]に調整されている。＋１[Ｖ]に調整する目的で電圧ピーク時にＳＳＲ群αをＯＦＦ操作するがＳＳＲの特性上、電流が流れている間はＯＦＦ動作することはない。

また、電圧ピーク時にＳＳＲＲをＯＮ操作するがＳＳＲＲの特性上、電圧がゼロになるまではＯＮ動作せず、電圧及び電流がゼロになった時にＳＳＲ群αがＯＦＦ動作し、ＳＳＲＲがＯＮ動作して抵抗素子ＲＵの素通し状態となる。

そして、抵抗素子ＲＵが素通し状態の電圧ピーク時に、ＳＳＲＲをＯＦＦ操作、ＳＳＲ群βをＯＮ操作すると、電圧及び電流がゼロになった時にＳＳＲＲがＯＦＦ動作、ＳＳＲ群βがＯＮ動作して出力電圧が＋１[Ｖ]に調整される。

つまり、電圧調整の切替時間は、図５に示す正弦波の半波で完了することができ、非常に高速での切り替えが可能となる。

以上説明したように、本発明の瞬時電圧調整装置及び瞬時電圧調整方法は、出力電圧（二次電圧）の調整を半導体スイッチによって実現できるので、切替回数に制限はなく、切替速度を高速化することができる。

なお、上記実施例では、補助変圧器の二次巻線５ｂ，５ｃ，５ｄを２０[Ｖ]，６０[Ｖ]，１８０[Ｖ]と、１：３：９の電圧構成比とすることで電圧調整幅を−１３[Ｖ]〜＋１３[Ｖ]とした例について説明したが、１：３：９：２７のようにして電圧調整幅をより広くとっても良い。

また、上記のように１：３：９の電圧構成比とすることにより、タップ数を減らして広範囲な電圧調整が可能となるが、２０[Ｖ]，４０[Ｖ]，８０[Ｖ]といったように１：２：４のような異なる電圧構成比で電圧調整をしても良いことは当然である。

さらに、直列変圧器３，４のレシオは７／２８０[Ｖ]を例にとり説明したが、レシオを１／ｍ[Ｖ]としたならば、直列変圧器３，４の二次巻線３ｂ，４ｂへの印加電圧をｎ×ｍ[Ｖ]刻みで調整可能な電圧構成比で補助変圧器の二次巻線５ｂ〜５ｄを構成すれば、出力電圧を２ｎ[Ｖ]刻みで調整することが可能となる。

本発明は、とりわけ柱上変圧器に付属して利用される可能性が高い。

１柱上変圧器
２瞬時電圧調整装置
３，４直列変圧器
５補助変圧器
６半導体スイッチ回路
７短絡防止回路
Ａ自動電圧調整型柱上変圧器
ＳＳＲ，ＳＳＲＲソリッドステイトリレー
ＲＵ抵抗素子

Claims

変圧器の二次巻線に接続される直列変圧器と、当該直列変圧器の一次巻線の負荷側に接続される一次巻線および所定の電圧構成比を有する二次巻線から構成される補助変圧器と、補助変圧器の二次巻線に接続され、負荷側電圧の上昇量又は下降量に応じて当該二次巻線の電圧構成を切り替える半導体スイッチ回路と、前記直列変圧器の二次巻線に並列接続される短絡防止回路を備え、前記半導体スイッチ回路と短絡防止回路を操作して前記補助変圧器の電圧構成を切り替えて、直列変圧器の二次巻線に印加する電圧を下降又は上昇させることにより、直列変圧器の一次巻線を介して補助変圧器の一次巻線の電圧を調整することを特徴とする瞬時電圧調整装置。
前記補助変圧器の二次巻線は、前記補助変圧器の一次巻線電圧を２ｎ[Ｖ]刻みで調整する場合、前記直列変圧器のレシオが１／ｍ[Ｖ]であれば、直列変圧器の二次巻線への印加電圧をｎ×ｍ[Ｖ]刻みで調節可能な電圧構成比とすることを特徴とする請求項１記載の瞬時電圧調整装置。
前記補助変圧器の二次巻線は、１：３：９の電圧構成比とすることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れかに記載の瞬時電圧調整装置。
変圧器の二次巻線に直列変圧器を接続し、該直列変圧器の一次巻線の負荷側には補助変圧器を接続し、当該補助変圧器は所定の電圧構成比を有する二次巻線を備え、補助変圧器の二次巻線に接続される半導体スイッチと短絡防止回路を操作することによって補助変圧器の二次巻線の電圧構成を切り替えて、直列変圧器の二次巻線に印加する電圧を下降又は上昇させることにより、直列変圧器の一次巻線を介して補助変圧器の一次巻線の電圧を調整することを特徴とする瞬時電圧調整方法。