JP2014155430A - 配電系統の電圧不平衡抑制装置および配電系統の電圧不平衡抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧不平衡が発生している系統においても電圧を適正に維持できる配電系統の電圧不平衡抑制装置を提供する。
【解決手段】二次側および配電系統末端の三相全ての電圧を監視可能に配電系統途中に設置された自動電圧調整器（ＳＶＲ）と、配電系統末端側に設置された力率改善用の進相コンデンサ（ＳＣ）とを備え、三相各相の電圧のうち、最も電圧の高い相（最大相）と最も電圧の低い相（最小相）との電圧差を求め、電圧差が大きい場合には、電圧差が小さくなるように最小相の進相コンデンサ（ＳＣ）の投入台数および最大相の進相コンデンサ（ＳＣ）の開放台数を決定し、進相コンデンサ（ＳＣ）を制御して電圧差を抑制した後、自動電圧調整器（ＳＶＲ）により電圧を適正範囲内に維持する。
【選択図】図５

Description

本発明は、配電系統の電圧不平衡を抑制する進相コンデンサと自動電圧調整器を備えた配電系統の電圧不平衡抑制装置および配電系統の電圧不平衡抑制方法に関するものである。

配電系統の電圧制御機器の一つとして、線路途中に設置されている自動電圧調整器（Ｓｔｅｐ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ：ＳＶＲ）がある。現在の自動電圧調整器（ＳＶＲ）は、その二次側電圧の一相のみの電圧、または、電圧と電流を監視して、タップの制御が行われている。進相コンデンサ（Ｓｔａｔｉｃ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ：ＳＣ）もそれが設置されている地点の力率が目標力率となるように、ＳＣのバンク数を切り替えている。

林 他：「分散型電源の導入拡大に対応した配電系統電圧制御の動向と展望」、電気学会論文誌Ｂ，Ｖｏｌ．１２９，Ｎｏ．４，（２００９）

現在の自動電圧調整器（ＳＶＲ）の多くは、その二次側電圧の一相のみを監視して制御が行われているため、電圧不平衡が大きい系統では、監視相以外の相で電圧が適正範囲を逸脱してしまう可能性がある。また、系統の末端付近においても、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の監視が行われておらず、電圧変化も大きいため、電圧が適正範囲から逸脱してしまう可能性が高くなる。
進相コンデンサ（ＳＣ）も力率のみを監視して制御が行われているため、電圧不平衡が大きい系統では、その末端付近で少なくとも一つの相で電圧逸脱が生じる可能性がある。

本発明は、電圧不平衡が発生している系統においても電圧を適正に維持できる配電系統の電圧不平衡抑制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。
本発明の配電系統の電圧不平衡抑制装置は、
二次側および配電系統末端の三相全ての電圧を監視可能に配電系統途中に設置された自動電圧調整器（ＳＶＲ）と、
配電系統末端側に設置された力率改善用の進相コンデンサ（ＳＣ）とを備え、
進相コンデンサ（ＳＣ）と自動電圧調整器（ＳＶＲ）とを協調的に制御することによって電圧を適正に維持可能に構成した
ことを要旨とする。

進相コンデンサ（ＳＣ）と自動電圧調整器（ＳＶＲ）の両者を協調的に制御することによって、電圧不平衡が発生している系統においても電圧を適正に維持することができる。

また、本発明の配電系統の電圧不平衡抑制方法は、
前記請求項１に記載の配電系統の電圧不平衡抑制装置において、
三相各相の電圧のうち、最も電圧の高い相（最大相）と最も電圧の低い相（最小相）との電圧差を求め、電圧差が大きい場合には、電圧差が小さくなるように最小相の進相コンデンサ（ＳＣ）の投入台数および最大相の進相コンデンサ（ＳＣ）の開放台数を決定し、進相コンデンサ（ＳＣ）を制御して電圧差を抑制した後、自動電圧調整器（ＳＶＲ）により電圧を適正範囲内に維持することを要旨とする。
こうすれば、電圧不平衡が発生している系統においても電圧を適正に維持できるものとなる。

また、本発明の配電系統の電圧不平衡抑制方法において、
前記自動電圧調整器（ＳＶＲ）は、二次側電圧および系統末端の電圧の各相電圧のいずれかが不感帯の上限を逸脱した場合、電圧を降圧させるように制御され、この時、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の動作によって前記最小相の電圧が下限を逸脱した場合には、その相に進相コンデンサ（ＳＣ）を投入するように制御されるとともに、
一方、二次側電圧および系統末端の電圧の各相電圧のいずれかが不感帯の下限を逸脱した場合、他の監視電圧の全てが不感帯の上限より１５０Ｖ以上の差があれば自動電圧調整器（ＳＶＲ）を動作させ、他の監視電圧のうち、いずれかの電圧が不感帯の上限との差が１５０Ｖ以下であった場合は、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の動作を行わず、下限を逸脱した相に進相コンデンサ（ＳＣ）が投入されるものとすることもできる。
こうすれば、進相コンデンサ（ＳＣ）と自動電圧調整器（ＳＶＲ）の両者を協調的に制御することによって、電圧不平衡が発生している系統においても電圧を適正に維持することができる。

自動電圧調整器側子局内の電圧推定のための回路図である。 三相電圧の電圧が最大の相と最小の相の差分と電圧不平衡率の関係図である。 自動電圧調整器（ＳＶＲ）の制御のフローチャート図である。 進相コンデンサ（ＳＣ）の制御のフローチャート図である。 配電系統モデル図である。 自動電圧調整器（ＳＶＲ）二次側電圧の変化を示す図であり、（ａ）はＶ_ａｂ、（ｂ）はＶ_ｂｃにおける変化を示す。 系統末端電圧の変化を示す図であり、（ａ）はＶ_ａｂ、（ｂ）はＶ_ｂｃにおける変化を示す。 系統末端電圧の電圧不平衡率を示す図である。

次に、本発明を実施するための形態を説明する。
配電系統の電圧不平衡抑制装置は、二次側および配電系統末端の三相全ての電圧を監視可能に配電系統途中に設置された自動電圧調整器（ＳＶＲ）と、配電系統末端側の高圧需要家に設置された単相で制御可能な力率改善用の進相コンデンサ（ＳＣ）とを備えており、進相コンデンサ（ＳＣ）と自動電圧調整器（ＳＶＲ）の両者を協調的に制御する（進相コンデンサ（ＳＣ）と自動電圧調整器（ＳＶＲ）の一方のみの制御も含む）ことによって、電圧不平衡が発生している系統においても電圧を適正に維持できる制御装置である。
この配電系統の電圧不平衡抑制装置による電圧不平衡抑制制御は、以下に説明する＜ＳＶＲの制御法＞と＜単相ＳＣの制御法＞と＜単相ＳＣとＳＶＲの協調的制御法＞との組み合わせで行われる。

＜ＳＶＲの制御法＞
自動電圧調整器（ＳＶＲ）が監視する電圧監視箇所については自動電圧調整器（ＳＶＲ）の二次側に加えて、系統末端の電圧も監視するようにする。また、それぞれの監視箇所において、三相全ての相を監視するように設定しておく。
なお、不感帯について、従来は基準電圧の３％であったのに対し、６３７０〜６７０５Ｖまで拡大する。これは、系統末端電圧の推定誤差および自動電圧調整器（ＳＶＲ）の整定時間中の電圧変動を考慮して、電圧適正範囲６３５０〜６７２５Ｖの上下限から２０Ｖずつ縮小させた値として設定した範囲である。
整定時間とは、監視電圧が不感帯を逸脱してから自動電圧調整器（ＳＶＲ）が動作するまでの時間である。

ここで、系統末端の電圧情報はＬＤＣ（Ｌｉｎｅ Ｄｒｏｐ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）と同様の原理を用いて推定することとした。
自動電圧調整器側子局内の電圧推定の回路を図１に示す。
図１の回路においては、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の二次側から配電線の末端までの等価インピーダンスを設け、負荷電流から電圧降下を推測し、自動電圧調整器（ＳＶＲ）のタップを制御している。
具体的には、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の二次側電圧に比例した計器用変圧器二次側電圧をＶｓ、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の二次側電流に比例した計器用変流器の二次側電流をＩ_ＬＤＣとすると、系統末端までの電圧降下に比例した電圧ΔＶおよび系統末端電圧Ｖ_Ｆの推定値に比例した電圧Ｖ_ＬＤＣは、等価インビーダンスＲ_ｓｅｔ＋ｊＸ_ｓｅｔを用いて、以下の式で求めることができる。
なお、自動電圧調整器（ＳＶＲ）は電圧調整リレーを用いることでＶ_ＬＤＣを監視し、タップを制御している。
ΔＶ＝Ｉ_ＬＤＣ（Ｒ_ｓｅｔ＋ｊＸ_ｓｅｔ） （１）
Ｖ_ＬＤＣ＝Ｖ_ｓ−ΔＶ （２）

＜単相ＳＣの制御法＞
系統の末端に設置された需要家の単相進相コンデンサ（ＳＣ）は、各相の電圧を制御する。進相コンデンサ（ＳＣ）を１台、投入または開放することによって変動する電圧の大きさ（以下、「電圧感度」とする）は、配電線のインピーダンスによって近似的に求められる。
ａｂ相にＱｓｃ［ｖａｒ］の進相コンデンサ（ＳＣ）を投入した場合、相電流の変化は（３）式のようになるため、線電流の変化は、（４）式のようになる。

したがって、需要家受電点の相電圧の変化は、線電流の変化分と配電線インピーダンスＺ_１によって求めることができ、（５）式のように表すことができる。

これを線間電圧に換算すると（６）式のようになる。

すなわち、ａｂ相に進相コンデンサ（ＳＣ）を投入した場合の各相の電圧感度は、（７）式のように表すことができる。

ここで、各相の電圧のうち、最も電圧の高い相（最大相）と最も電圧の低い相（最小相）との差（以下、「電圧差」）と電圧不平衡率との関係を求めると図２のようになる。
このように、電圧差と電圧不平衡率は、ほぼ線形性を示す。そこで、電圧不平衡が大きい場合には、電圧差が小さくなるように系統の末端の需要家に設置された単相進相コンデンサ（ＳＣ）を制御する。
具体的には、単相進相コンデンサ（ＳＣ）の接続点における系統電圧の電圧差が２００Ｖを越えた場合は、力率が１より進みになり、かつ、電圧差が２００Ｖ以下になるように、最小相の進相コンデンサ（ＳＣ）投入台数および、最大相の進相コンデンサ（ＳＣ）開放台数を決定する。
この計算において、（７）式に示した電圧感度を用いて、進相コンデンサ（ＳＣ）を１台投入または、開放した時の電圧差の変化は、次式となる。Ｖ_ｉｊは進相コンデンサ（ＳＣ）を投入する相の線間電圧である。

図２より２００Ｖ以下に制御できれば、電圧不平衡率を約２％以下に抑制でき、電圧不平衡率の管理目標値の３％以下にすることができる。

＜単相ＳＣとＳＶＲの協調的制御法＞
単相進相コンデンサ（ＳＣ）により、最も電圧の高い相（最大相）と最も電圧の低い相（最小相）との電圧差を抑制することができれば、自動電圧調整器（ＳＶＲ）により、電圧を適正範囲内に維持することが容易となる。
また、自動電圧調整器（ＳＶＲ）を適切に制御すれば、単相進相コンデンサ（ＳＣ）の必要容量を低減することができる。
このように、進相コンデンサ（ＳＣ）と自動電圧調整器（ＳＶＲ）を協調的に制御させることによって、電圧維持および電圧不平衡抑制が可能となる。

自動電圧調整器（ＳＶＲ）は、二次側電圧および推定した系統末端需要家の受電点電圧の各相電圧（合計６つ）のいずれかが不感帯の上限を逸脱した場合、電圧を降圧させる。そして、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の動作によって、末端需要家の最小相の電圧が下限を逸脱した場合には、その相に進相コンデンサ（ＳＣ）を投入する。
一方、６つの監視電圧のいずれかが不感帯の下限を逸脱した場合、他の５つの監視電圧の全てが、不感帯の上限より１５０Ｖ以上の差があれば、自動電圧調整器（ＳＶＲ）のタップを動作させる。これは、自動電圧調整器（ＳＶＲ）のタップ動作により、上限逸脱を防ぐためである。５つの監視電圧のうち、いずれかの電圧が、不感帯上限値との差が１５０Ｖ以下であった場合は、自動電圧調整器（ＳＶＲ）は動作を行わず、進相コンデンサ（ＳＣ）の整定時間後、下限を逸脱した相に進相コンデンサ（ＳＣ）が投入される。
図３に自動電圧調整器（ＳＶＲ）の制御フローチャート、図４に進相コンデンサ（ＳＣ）の制御フローチャートを示す。
なお、自動電圧調整器（ＳＶＲ）と進相コンデンサ（ＳＣ）が同時に動作することを防ぐため、整定時間に違いを設けている。

次に、本発明の実施例を説明する。
上記配電系統の電圧不平衡抑制装置による配電系統の電圧不平衡抑制方法の有効性を確認するために、図５の配電系統モデルを用いてシミュレーションを行った。
表１に配電系統モデルの条件を示し、表２に需要家の条件を示す。
高圧需要家は、店舗，事務所，工場を想定し、最大電力２００〜３２０ｋＷとした。
また、各相の不平衡を考慮しており、ロードカーブおよび負荷の不平衡条件は、重負荷時の実測データをもとに設定した。

各需要家には力率改善用の進相コンデンサ（ＳＣ）が設置されており、容量は最大電力の２／３としている。一方、Ｃ４，Ｃ９は住宅が集中して連系されていると想定し、それぞれ最大電力５００ｋＷとした。Ｃ４はａｂ相、Ｃ９はｂｃ相に接続されているものとし、単相負荷の接続相の偏りにより電圧不平衡が大きくなる場合を想定している。
シミュレーションは、以下の２つのケースについて行った。
［Ｃａｓｅ１］：従来のＳＶＲ制御（監視電圧相はＶ_ｃａのみ）、Ｃ１０のコンデンサは固定投入
［Ｃａｓｅ２］：本発明のＳＶＲとＳＣの協調的制御法

このモデルは、最大相がＶ_ａｂ、最小相がＶ_ｂｃであったため、シミュレーション結果は、この二つの相のみを示している。
図６は、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の二次側電圧の一日分の時間変化を示したものであり、（ａ）はＶ_ａｂ、（ｂ）はＶ_ｂｃにおける変化を示す。
図７は、系統末端電圧の時間変化であり、（ａ）はＶ_ａｂ、（ｂ）はＶ_ｂｃにおける変化を示す。

図６および図７より、Ｃａｓｅ１は自動電圧調整器（ＳＶＲ）の監視電圧が自動電圧調整器（ＳＶＲ）の二次側電圧で一相のみ（Ｖ_ｃａ）であるため、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の二次側および系統末端のどちらもＶ_ａｂが適正範囲から逸脱している。
一方、Ｃａｓｅ２では自動電圧調整器（ＳＶＲ）と進相コンデンサ（ＳＣ）の協調制御法により、自動電圧調整器（ＳＶＲ）二次側、および、系統末端のどちらの電圧も適正範囲に維持できていることが分かる。
図８は、系統末端の電圧不平衡率である。この図より提案の制御法により電圧不平衡率が２％以下に抑制できていることが分かる。

Claims (3)

1. 二次側および配電系統末端の三相全ての電圧を監視可能に配電系統途中に設置された自動電圧調整器（ＳＶＲ）と、
   配電系統末端側に設置された力率改善用の進相コンデンサ（ＳＣ）とを備え、
   進相コンデンサ（ＳＣ）と自動電圧調整器（ＳＶＲ）とを協調的に制御することによって電圧を適正に維持可能に構成した
   ことを特徴とする配電系統の電圧不平衡抑制装置。
2. 前記請求項１に記載の配電系統の電圧不平衡抑制装置において、
   三相各相の電圧のうち、最も電圧の高い相（最大相）と最も電圧の低い相（最小相）との電圧差を求め、電圧差が大きい場合には、電圧差が小さくなるように最小相の進相コンデンサ（ＳＣ）の投入台数および最大相の進相コンデンサ（ＳＣ）の開放台数を決定し、進相コンデンサ（ＳＣ）を制御して電圧差を抑制した後、自動電圧調整器（ＳＶＲ）により電圧を適正範囲内に維持する
   ことを特徴とする配電系統の電圧不平衡抑制方法。
3. 前記自動電圧調整器（ＳＶＲ）は、二次側電圧および系統末端の電圧の各相電圧のいずれかが不感帯の上限を逸脱した場合、電圧を降圧させるように制御され、この時、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の動作によって前記最小相の電圧が下限を逸脱した場合には、その相に進相コンデンサ（ＳＣ）を投入するように制御されるとともに、
   一方、二次側電圧および系統末端の電圧の各相電圧のいずれかが不感帯の下限を逸脱した場合、他の監視電圧の全てが不感帯の上限より１５０Ｖ以上の差があれば自動電圧調整器（ＳＶＲ）を動作させ、他の監視電圧のうち、いずれかの電圧が不感帯の上限との差が１５０Ｖ以下であった場合は、自動電圧調整器（ＳＶＲ）の動作を行わず、下限を逸脱した相に進相コンデンサ（ＳＣ）が投入される
   ことを特徴とする請求項２記載の配電系統の電圧不平衡抑制方法。

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