JP2017216841A - 電圧補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速、かつ、連続的に電力系統の電圧を適正値に補償する電圧補償装置を提供する。
【解決手段】電圧補償装置１は、自己消弧形のスイッチング素子を有するインバータ回路を含む電力変換器２０、３０と、三相交流の第１相Ｕ、第２相Ｖ及び第３相Ｗに夫々直列に接続された一次巻線１１ｐ、１３ｐ、１５ｐと第１電力変換器の出力２２ａ〜２２ｃに接続された二次巻線１１ｓ、１３ｓ、１５ｓとを含む第１変圧器１１、第２変圧器１３及び第３変圧器１５と、第１変圧器の上流側と第２変圧器の上流側との間の線間の電圧を表す第１電圧ＶＡＣ１及び第２変圧器の上流側と前記第３変圧器の上流側との間の線間の電圧を表す第２電圧ＶＡＣ２にもとづいて、スイッチング素子２３ａ〜２３ｆ、３３ａ〜３３ｆを駆動する駆動信号を出力する制御部８０と、を備える。制御部は、相電圧生成回路と、第１、第２座標変換回路と、第１〜第４フィルタと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電圧補償装置に関する。

電力系統では、変電所からの距離に応じて電力線インピーダンスが増加することから、末端では、その電圧降下により受電電圧が低下する場合がある。電力系統では、変電所からの距離によらず一定の電圧が利用できるようにする必要がある。

佐々木 裕治、吉田 隆彦、関 長隆、渡辺 敏之、齊藤 裕治 著、「高速応答を可能にしたＴＶＲとその実証試験」、電気学会論文誌Ｂ,Ｖｏｌ.１２３（２００３）

実施形態は、高速かつ連続的に電力系統の電圧を適正値に補償する電圧補償装置を提供する。

実施形態に係る電圧補償装置は、自己消弧形のスイッチング素子を有するインバータ回路を含む電力変換器と、三相交流の第１相、第２相および第３相にそれぞれ直列に接続された一次巻線と前記第１電力変換器の出力に接続された二次巻線とを含む第１変圧器、第２変圧器および第３変圧器と、前記第１変圧器の上流側と前記第２変圧器の上流側との間の線間の電圧を表す第１電圧データおよび前記第２変圧器の上流側と前記第３変圧器の上流側との間の線間の電圧を表す第２電圧データにもとづいて、前記スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する制御部と、を備える。前記制御部は、前記第１電圧データおよび前記第２電圧データを入力して前記第１相、前記第２相、および前記第３相の相電圧を生成する相電圧生成回路と、前記三相交流の正相成分を回転座標変換して互いに直交するベクトル成分である第１出力および第２出力を生成する第１座標変換回路と、前記第１出力から直流成分を抽出する第１フィルタと、前記第２出力から直流成分を抽出する第２フィルタと、前記三相交流の逆相成分を回転座標変換して互いに直交する第３出力および第４出力を生成する第２座標変換回路と、前記第３出力から直流成分を抽出する第３フィルタと、前記第４出力から直流成分を抽出する第４フィルタと、を含み、前記第１フィルタ〜前記第４フィルタの出力にもとづいて前記駆動信号を生成する。

第１の実施形態に係る電圧補償装置を例示するブロック図である。 第１の実施形態の電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。 比較例に係る電圧補償装置を例示するブロック図である。 第１の実施形態の変形例に係る電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。 第１の実施形態の他の変形例に係る電圧補償装置を例示するブロック図である。 第２の実施形態に係る電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。 第２の実施形態の電圧補償装置の動作を説明するための概念図である。 第３の実施形態に係る電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。 第３の実施形態の電圧補償装置の動作を説明するための概念図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電圧補償装置を例示するブロック図である。
図２は、本実施形態の電圧補償装置の一部である制御部を例示するブロック図である。
本実施形態の電圧補償装置１の構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の電圧補償装置１は、電圧補償部１０と、制御部８０と、を備える。電圧補償部１０は、直列変圧器１１，１３，１５と、第１電力変換器２０と、第２電力変換器３０と、並列変圧器４１，４２と、インダクタ５１，５２と、電流検出器６１，６２と、交流電圧検出器７１，７２と、直流電圧検出器７５と、を含む。電圧補償装置１は、電圧補償部１０によって電力系統に直列に接続される。電力系統は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる三相交流の配電系統である。以下では、電力系統に直列に接続された電圧補償装置１から見て、変電所側を上流、需要者側を下流と呼ぶこととする。電圧補償装置１は、Ｕ相の上流６ａと入力端子２ａで接続され、Ｕ相の下流７ａと出力端子３ａで接続されている。電圧補償装置１は、Ｖ相の上流６ｂと入力端子２ｂで接続され、Ｖ相の下流７ｂと出力端子３ｂで接続されている。電圧補償装置１は、Ｗ相の上流６ｃと入力端子２ｃで接続され、Ｗ相の下流７ｃと出力端子３ｃで接続されている。電圧補償装置１は、電力系統の上流６ａ〜６ｃおよび下流７ａ〜７ｃの電圧の上昇あるいは低下を検出して、目標値の範囲内となるように電力系統の電圧を補償する。

直列変圧器１１，１３，１５は、一次巻線１１ｐ，１３ｐ，１５ｐと、二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓと、をそれぞれ含む。直列変圧器１１の一次巻線１１ｐは、入力端子２ａと出力端子３ａとの間に接続されており、電力系統のＵ相に直列に接続されている。直列変圧器１３の一次巻線１３ｐは、入力端子２ｂと出力端子３ｂとの間に接続されており、電力系統のＶ相に直列に接続されている。直列変圧器１５の一次巻線１５ｐは、入力端子２ｃと出力端子３ｃとの間に接続されており、電力系統のＷ相に直列に接続されている。つまり、３つの直列変圧器１１，１３，１５の一次巻線１１ｐ，１３ｐ,１５ｐは、電力系統の各相に直列に接続されている。

直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、それぞれ一方の端子１２ａ，１４ａ，１６ａで互いに接続され、それぞれの他方の端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂは、第１電力変換器２０の各交流出力端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃに接続されている。つまり、直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、スター結線されて、第１電力変換器２０の出力に接続されている。

第１電力変換器２０は、高圧直流入力端子２１ａと低圧直流入力端子２１ｂとの間に接続されている。高圧直流入力端子２１ａおよび低圧直流入力端子２１ｂには、直流リンク２４用のコンデンサを介して直流電圧が供給される。第１電力変換器２０は、三相交流電圧を出力する交流出力端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃを含む。交流出力端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、フィルタ２６を介して直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓに接続されている。第１電力変換器２０は、高圧直流入力端子２１ａと低圧直流入力端子２１ｂとの間に印加された直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ装置である。第１電力変換器２０は、たとえば、６つのスイッチング素子２３ａ〜２３ｆを含んでいる。スイッチング素子２３ａ〜２３ｆは、自己消弧形のスイッチング素子であり、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等である。スイッチング素子は、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチとして直列に接続される。直列に接続されたアームは、３つ並列に接続されてインバータ回路を構成する。第１電力変換器２０のインバータ回路は、直流電圧を電力系統の周波数よりも高い周波数の交流電圧に変換することができれば、この回路構成に限定されない。インバータ回路は、たとえばマルチレベルインバータ回路やその変形等であってもよい。

第１電力変換器２０と直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓとの間には、フィルタ２６が接続されている。フィルタ２６は、この例では、各相に直列に接続されたインダクタＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗと、各線間に接続されたコンデンサＣａ，Ｃｂ，Ｃｃとを含む。フィルタ２６は、第１電力変換器２０が出力する数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚ程度の高周波スイッチング波形を電力系統の周波数に変換するローパスフィルタである。フィルタ２６は、第１電力変換器２０の出力の周波数や、変調方式等にしたがって適切な回路を用いることができる。

直流リンク２４は、第１電力変換器２０に直流電力を供給するコンデンサを含む。この直流リンク２４は、第２電力変換器３０から供給される有効電力を第１電力変換器２０に供給する。なお、後述するように、直流リンク２４は、第２電力変換器３０を介して電力系統側と無効電流のやり取りをすることができる。

第２電力変換器（電力変換器２）３０は、高圧直流端子３１ａと、低圧直流端子３１ｂとを含んでいる。高圧直流端子３１ａおよび低圧直流端子３１ｂは、直流リンク２４に接続されている。第２電力変換器３０は、交流端子３２ａ，３２ｂ，３２ｃを含む。交流端子３２ａ，３２ｂ，３２ｃのいずれか１つ、この例では、交流端子３２ａには、インダクタ５１の一端が接続されている。交流端子３２ｂ，３２ｃの他の１つ、この例では、交流端子３２ｃには、インダクタ５２の一端が接続されている。つまり、第２電力変換器３０は、交流端子３２ａ，３２ｂ，３２ｃに入力される交流電力を直流に変換して、直流リンク２４に供給するコンバータ装置、より具体的にはアクティブ平滑フィルタとして動作し、直流リンク２４に有効電力を供給する。第２電力変換器３０は、第１電力変換器２０と同じ回路構成のインバータ回路であってもよい。第２電力変換器３０は、第１電力変換器２０と同様に、６つの自己消弧形のスイッチング素子３３ａ〜３３ｆを含んでいる。スイッチング素子３３ａ〜３３ｆは、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチとして直列に接続される。直列接続されたアームは、３つ並列に接続されてインバータ回路を構成する。第２電力変換器３０のインバータ回路は、直流電圧と、電力系統の周波数よりも高い周波数の交流電圧とを相互に変換することができれば、この構成に限定されない。なお、この例では、第２電力変換器３０のインバータ回路の構成は、第１電力変換器２０のインバータ回路の構成と同一であるが、異なる構成であってもよい。

並列変圧器４１の一次巻線４１ｐは、Ｕ相およびＶ相の下流７ａ，７ｂ側の線間に接続されている。並列変圧器４２の一次巻線４２ｐは、Ｖ相およびＷ相の下流７ｂ，７ｃ側の線間に接続されている。並列変圧器４１の二次巻線４１ｓの一方は、インダクタ５１の他端に接続され、他方は、第２電力変換器３０の交流端子３２ｂに接続されている。並列変圧器４２の二次巻線４２ｓは、インダクタ５２の他端に接続され、他方は、第２電力変換器３０の交流端子３２ｂに接続されている。つまり、並列変圧器４１，４２の二次巻線４１ｓ，４２ｓは、インダクタ５１，５２を介して第２電力変換器３０の交流端子３２ａ〜３２ｃとＶ結線されている。

電流検出器６１は、第２電力変換器３０の交流端子３２ａと並列変圧器４１の二次巻線４１ｓとの間に直列に接続されている。電流検出器６２は、第２電力変換器３０の交流端子３２ｃと並列変圧器４２の二次巻線４２ｓとの間に直列に接続されている。つまり、電流検出器６１，６２は、インダクタ５１，５２に流れるそれぞれの交流電流を検出して、電流データＩＬ１，ＩＬ２を出力する。

交流電圧検出器７１，７２は、電力系統の上流６ａ〜６ｃ側に接続されている。交流電圧検出器７１は、Ｕ相とＶ相との線間に接続され、ＵＶ間の線間電圧を検出する。交流電圧検出器７２は、Ｖ相とＷ相との線間に接続され、ＶＷ間の線間電圧を検出する。交流電圧検出器７１，７２は、たとえば計器用変圧器と計器用変圧器の出力を適切な電圧レベルに変換するトランスデューサとを含んでいる。交流電圧検出器７１，７２は、直列変圧器１１，１３，１５の一次巻線１１ｐ，１３ｐ，１５ｐの両端の電圧を検出して、計器用変圧器で降圧し、トランスデューサによって制御部８０に入力可能な信号である交流電圧データＶＡＣ１，ＶＡＣ２に変換して出力する。

直流電圧検出器７５は、直流リンク２４の両端の直流電圧を検出して、直流電圧データＶＤＣを出力する。

なお、本実施形態の電圧補償装置１では、第２電力変換器３０は、第１電力変換器２０に直流電圧および有効電力を供給することができれば、他の構成であってもかまわない。

図２に示すように、制御部８０は、第１制御回路８１と、第２制御回路８２と、を含む。第１制御回路８１は、第１電力変換器２０の動作を制御するためのゲート駆動信号を第１電力変換器２０に供給する。第２制御回路８２は、第２電力変換器３０の動作を制御するためのゲート駆動信号を第２電力変換器３０に供給する。

第１制御回路８１は、三相電圧検出回路９１と、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９２，１０２と、ローパスフィルタ９３，９４，１０３，１０４と、ｄｑ−ａｂｃ変換回路９７，１０７と、ゲート駆動信号生成回路１１１と、ＰＬＬ１１２と、を含む。

第１制御回路８１は、交流電圧データＶＡＣ１，ＶＡＣ２を入力して、相電圧ごとの補償電圧に対応する補償量を生成して、生成された補償量にもとづいてゲート駆動信号を生成する。第１制御回路８１は、電力系統の各相の電圧を正相成分および逆相成分に分離して、回転座標変換を行う。第１制御回路８１は、各相電圧の正相成分および逆相成分のそれぞれに対して目標値との差分を演算することによって補償量を生成する。

三相電圧検出回路９１は、交流電圧データＶＡＣ１，ＶＡＣ２を入力して、三相交流の相電圧に変換して出力する。三相電圧検出回路９１の出力は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９２，１０２に供給される。

ａｂｃ−ｄｑ変換回路９２，１０２は、三相交流の３つの相電圧を入力して回転座標変換（ｄｑ変換）する。ｄｑ変換は、式（１）によって相電圧をｄｑ変換する。式（１）のωは、三相交流の角周波数であり、たとえば２π×５０［ｒａｄ／ｓ］あるいは２π×６０［ｒａｄ／ｓ］である。

一方のａｂｃ−ｄｑ変換回路９２は、相電圧の正相成分についてｄｑ変換する。この例では、式（１）の（ａ，ｂ，ｃ）にＲ相、Ｓ相、およびＴ相の相電圧をそれぞれ入力してｄｑ変換する。

他方のａｂｃ−ｄｑ変換回路１０２は、相電圧の逆相成分についてｄｑ変換する。この例では、式（１）の（ａ，ｂ，ｃ）にＲ相、Ｔ相、およびＳ相の相電圧をそれぞれ入力してｄｑ変換する。

以上のようにして、一方のａｂｃ−ｄｑ変換回路９２は、各相電圧の正相成分の検出値を出力する。検出値は、ｄ軸成分およびｑ軸成分について出力される。ｄ軸成分およびｑ軸成分は、互いに直交するベクトルである。同様に他方のａｂｃ−ｄｑ変換回路１０２は、相電圧の逆相電圧の検出値を出力する。これらの検出値も、互いに直行するｄ軸成分およびｑ軸成分の２つが出力される。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）９３は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９２のｄ軸成分の出力に接続されている。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）９４は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９２のｑ軸成分の出力に接続されている。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０３は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路１０２のｄ軸成分の出力に接続されている。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０４は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路１０２のｑ軸成分の出力に接続されている。

三相交流の正相成分にｄｑ変換を施した場合には、系統正相電圧ｄ軸成分および系統正相電圧ｑ軸成分は、直流の正相成分に、２倍の周波数の逆相成分が重畳された信号としてそれぞれ出力される。三相交流の逆相成分にｄｑ変換を施した場合には、系統逆相電圧ｄ軸成分および系統逆相電圧ｑ軸成分は、直流の逆相成分に、２倍の周波数の正相成分が重畳された信号として出力される。

したがって、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９２，１０２からの出力から２倍の周波数成分をローパスフィルタ９３，９４，１０３，１０４によって除去することによって、直流信号として、正相成分および逆相成分が抽出される。一方のａｂｃ−ｄｑ変換回路９２によって得られる正相成分は、ｄ軸成分およびｑ軸成分からなる。他方のａｂｃ−ｄｑ変換回路１０２によって得られる逆相成分は、ｄ軸成分およびｑ軸成分からなる。

抽出された正相成分のｄ軸成分は、加減算器９５によって、系統正相電圧ｄ軸目標値に対する偏差として、ｄｑ−ａｂｃ変換回路９７に入力される。抽出された正相成分のｑ軸成分は、加減算器９６によって、系統正相電圧ｑ軸目標値に対する偏差として、ｄｑ−ａｂｃ変換回路９７に入力される。

抽出された逆相成分のｄ軸成分は、加減算器１０５によって、系統逆相電圧ｄ軸目標値に対する偏差として、ｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に入力される。抽出された逆相成分のｑ軸成分は、加減算器１０６によって、系統逆相電圧ｑ軸目標値に対する偏差として、ｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に入力される。

これらの偏差は、電力系統の相電圧に対する補償電圧に対応しており、以下では、補償量と呼ぶこととする。ｄｑ−ａｂｃ変換回路９７，１０７は、式（２）によってｄ軸の補償量およびｑ軸の補償量をそれぞれ入力して、逆ｄｑ変換して各相電圧の正相成分および逆相成分を含む補償量を生成して出力する。

正相成分側のｄｑ−ａｂｃ変換回路９７の出力Ｕ_Ｎ，Ｖ_Ｎ，Ｗ_Ｎは、加算器１０８〜１１０によって、逆相成分側のｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７の出力Ｕ_Ｒ，Ｖ_Ｒ，Ｗ_Ｒとそれぞれ加算される。これらの補償量に対応する出力信号は、ゲート駆動信号生成回路１１１に供給され、必要な補償電圧に対応するように、ゲート駆動信号生成回路に入力されてゲート駆動信号に変換される。

ＰＬＬ１１２は、正相成分側の直流信号、すなわち電力系統の電圧ｑ軸成分を入力して、ｑ軸成分がゼロになるように同期信号θを生成して出力する。ＰＬＬ１１２の出力は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９２，１０２およびｄｑ−ａｂｃ変換回路９７，１０７に供給される。つまり、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９２，１０２およびｄｑ−ａｂｃ変換回路９７，１０７は、ＰＬＬ１１２によって、電力系統の位相（電源角度）に同期して動作する。

電力系統では、一般に、三相交流電圧は、零相電圧と、正相電圧と、逆電圧との和からなっている。三相三線式の場合には、零相電圧は常にゼロであり、零相電圧を考慮することが不要であるため、三相の相電圧の総和はかならずゼロになる。不平衡電圧は、平衡正相電圧と平衡逆相電圧との２つの成分からなっている。したがって、上述のように、三相交流を正相成分と逆相成分とに分離することによって、それぞれ補償量を生成するための処理を行うことができる。そして、補償量の正相成分と逆相成分とを加算することによって、容易に各相電圧に応じた補償電圧に応じたゲート駆動信号のパターンを生成することができる。

第２制御回路８２は、たとえば交流電流制御回路等１２０を含む。交流電流制御回路等１２０は、この例では、インダクタ５１，５２を介して供給される交流電流のデータである電流データＩＬ１，ＩＬ２および直流電圧検出器７５によって取得される直流電圧データＶＤＣを入力して、第１電力変換器２０に供給する有効電力および直流電圧を制御する。

本実施形態の電圧補償装置１の動作について説明する。
本実施形態の電圧補償装置１は、電力系統の上流側の各相電圧にもとづいて、所定の相電圧になるように相ごとに電圧を補償する。下流側の相電圧が所定の値よりも低い場合には、所定の値になるように補償電圧を加算する。下流側の相電圧が所定の値以上の場合には、所定の値になるように補償電圧を減算する。

相電圧の補償は、二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓに発生させる電圧および位相を設定することによって実行される。たとえば、Ｕ相の相電圧の所定の値がＸ［Ｖ］の場合に、実際のＵ相の相電圧がＸ［Ｖ］−Δｘ［Ｖ］のときには、電圧補償装置１は、二次巻線１１ｓに電力系統と同相で、Δｘ［Ｖ］を出力する。直列変圧器１１によって下流側の相電圧は、Ｘ［Ｖ］となる。実際のＵ相の相電圧がＸ［Ｖ］＋Δｘ［Ｖ］の場合には、電圧補償装置１は、二次巻線１１ｓに電力系統とは１８０°異なる位相で、Δｘ［Ｖ］を出力する。直列変圧器１１によって下流側の相電圧は、Ｘ［Ｖ］となる。

上述したように、本実施形態の電圧補償装置１では、正相成分および逆相成分に分離してｄｑ変換することによって、相ごとの相電圧の補償値を得ることができる。そのため、平衡電圧の電圧補償に加えて、上流側に発生している不平衡状態に対しても電圧補償して下流に平衡電圧を供給することができる。

本実施形態の電圧補償装置１の効果について、比較例の電圧補償装置２００と比較しつつ説明する。
図３は、比較例の電圧補償装置を例示するブロック図である。
図３に示すように、比較例の電圧補償装置２００は、直列変圧器２１１，２１３，２１５と、タップ切替回路２２０ａ，２２０ｂと、並列変圧器２４１，２４２と、交流電圧検出器２７１〜２７４と、制御部２８０とを有する。比較例の電圧補償装置２００では、直列変圧器２１１，２１３，２１５の一次巻線は、電力系統の各相に直列に接続されている。直列変圧器２１１，２１３，２１５の各二次巻線の一端は、互いに接続されている。直列変圧器２１１の二次巻線の他端は、タップ切替回路（タップ切替回路１）２２０ａの一方の端子に接続されている。直列変圧器２１３の二次巻線の他端は、タップ切替回路２２０ａの他方の端子に接続されている。直列変圧器２１３の二次巻線の他端は、また、タップ切替回路（タップ切替回路２）２２０ｂの一方の端子にも接続されている。直列変圧器２１５の二次巻線の他端は、タップ切替回路２２０ｂの他方の端子に接続されている。

タップ切替回路２２０ａは、並列変圧器２４１の二次側のタップの数に応じたスイッチ回路２２２ａ〜２２２ｆを含んでいる。スイッチ回路２２２ａ〜２２２ｆは、サイリスタが逆並列に接続された双方向スイッチ回路が直列に接続され、直列に接続された双方向スイッチ回路の数は、並列変圧器２４１の二次側のタップの数に等しい。タップ切替回路２２０ｂは、タップ切替回路２２０ａと同じ回路構成を有している。スイッチ回路２２２ｇ〜２２２ｍは、サイリスタが逆並列に接続された双方向スイッチ回路が直列に接続され、直列に接続された双方向スイッチ回路の数は、並列変圧器２４２の二次側のタップの数に等しい。

並列変圧器２４１の一次巻線は、Ｕ相の下流（ｕ相）とＶ相の下流（ｖ相）との間に接続されている。並列変圧器２４２の一次巻線は、Ｖ相の下流（ｖ相）とＷ相の下流（ｗ相）との間に接続されている。並列変圧器２４１，２４２のそれぞれの二次巻線の各タップは、双方向スイッチの直列接続ノードに接続されている。

交流電圧検出器２７１〜２７４は、本実施形態の電圧補償装置１の交流電圧検出器７１〜７４と同様に接続されている。

制御部２８０は、電力系統の電圧の目標電圧の上限値および下限値を有している。交流電圧検出器２７１〜２７４の検出結果と目標電圧の上限値および下限値とを比較して、サイリスタのゲートを点弧する信号を生成する。

接触器２９１，２９２は、タップ切替回路２２０ａ，２２０ｂの両端に接続されている。接触器２９１，２９２は、タップ切替回路２２０ａ，２２０ｂのサイリスタを強制的にターンオフさせる場合に動作する。

比較例の電圧補償装置２００では、直列変圧器２１１，２１３，２１５の二次巻線と、並列変圧器２４１，２４２の二次巻線とが、サイリスタによる双方向スイッチ２２２ａ〜２２２ｍによって接続されている。制御部２８０は、交流電圧検出器２７１〜２７４の検出結果と、あらかじめ設定されている目標電圧の上限値および下限値とを比較する。そして、制御部２８０は、各相の電圧が目標値の下限値よりも低いときには、直列変圧器の一次巻線の電圧が高くなるように、より高い電圧を出力するタップに接続するように双方向スイッチを制御する。たとえば、Ｕ相の下流の電圧が低いときには、制御部２８０は、双方向スイッチ２２２ｃ，２２２ｄをオンさせるようにゲート駆動信号を生成する。双方向スイッチ２２２ｃ，２２０ｄは、並列変圧器２４１のタップのうちもっとも高い電圧を発生するタップに接続されている。Ｕ相の下流の電圧が高いときには、制御部２８０は、双方向スイッチ２２２ａ，２２２ｆをオンさせるようにゲート駆動信号を生成する。双方向スイッチ２２２ａ，２２２ｆは、並列変圧器２４１のタップのうちもっとも高い電圧を生成するタップに接続し、接続されたタップの電圧は、Ｕ相の電圧とは逆位相で印加される。

このように、比較例の電圧補償装置２００では、並列変圧器２４１，２４２に設けられたタップを切り替えることによって直列変圧器２１１，２１３，２１５の電圧を補償するので、補償電圧の設定値は、タップの数に依存した離散値となる。比較例の電圧補償装置２００では、補償電圧が離散的であるために、電力系統の下流にさらに無効電力補償装置等の追加的設備が必要となり、システムが複雑になり、費用も増大する。

また、比較例の電圧補償装置２００では、補償電圧を離散的にしか設定することができないので、相ごとに電圧設定して、不平衡電圧を補償することが困難である。したがって、電力系統の下流に不平衡負荷が接続された場合等には、電力系統の上流にも不平衡負荷の影響がおよぶおそれがある。

さらに、比較例の電圧補償装置２００では、サイリスタによる双方向スイッチでは、並列変圧器２４１，２４２のタップを切り替える際に、電力系統の各相の電圧の１／２周期分の時間を要する。そのため、電圧補償装置２００の応答時間は、電力系統の周期によって制約される。

このような比較例の電圧補償装置２００に対して、本実施形態の電圧補償装置１では、第１電力変換器２０は、第１制御回路８１内では、検出される電圧データや補償量は、ほぼ連続的なデータとして生成される。たとえば、交流電圧データＶＡＣ１，ＶＡＣ２の値は、アナログディジタル変換器（ＡＤ変換器）で読み取られるので、これらのデータは、ＡＤ変換器の分解能により決定される程度まで精度が高められる。したがって、ほぼ連続的な値を有する補償電圧を設定することができる。本実施形態の電圧補償装置１を用いた電力系統システムでは、補償電圧の精度を高める装置やシステムを必要としないので、系統のシステム全体を簡素にすることができ、費用を抑制することができる。

また、上述のとおり、本実施形態の電圧補償装置１では、相ごとに独立して補償電圧を設定することができるので、不平衡電圧の補償も行うことができる。したがって、上流の不平衡状態を下流に及ぼすことを効果的に防止することができる。

さらに、本実施形態の電圧補償装置１では、自己消弧形のスイッチング素子を用いた電力変換器によって電圧補償を行うので、電力系統の周期にかかわらず、高速に電圧補償動作を行うことができる。

従来より、変電所からの距離に応じて電力系統の電圧の低下等が予想される箇所には、電圧を補償する工夫がなされていた。たとえば柱上変圧器の電圧低下が予想される系統末端では、あらかじめタップ位置を高い電圧に設定する等である。また系統インピーダンスに対し、進み無効電力を注入することで電圧をサポートする進相コンデンサも用いられる。しかし、これらの対策は各需要家が電力を消費することを前提とした対策であり、夜間のように電力需要低下した際には、不必要に系統電圧を上昇させてしまう問題がある。

これらの問題に対処するため、比較例の電圧補償装置２００のようなＴＶＲ（Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）が、提案されている。上述したように、ＴＶＲは、系統電圧に応じて補償電圧を可変する機能を持つため、電力需要の大きい昼間の電力低下に対応することができ、夜間の電圧上昇にも対応できるとされている。

しかしながらＴＶＲは、サイリスタで並列変圧器タップを切り替えて直列変圧器への印加電圧を操作し電圧補償動作するため、応答時間が遅く、また補償電圧が変圧器タップに依存するため不連続な電圧補償動作であり、家庭用太陽光発電の普及に伴い、逆潮流が増加した昨今の電力系統において電圧異常を補償しきれない状況が生じている。

本実施形態の電圧補償装置１では、連続的な電圧補償を可能とするのみならず、各相独立した電圧補償を可能とすることによって、近年の複雑化された電力系統の電圧補償を高速かつ効果的に行うことができる。

（第１の実施形態の変形例）
図４は、本変形例に係る電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。
上述した実施形態の電圧補償装置１の第１制御回路８１では、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９２，１０２に入力される相電圧データの相順を互いに逆方向に接続することによって、電力系統の電圧の正相成分および逆相成分を分離する。そして、ＰＬＬ１１２によって、すべてのａｂｃ−ｄｑ変換回路９２，１０２およびｄｑ−ａｂｃ変換回路９７，１０７を電源角度に同期させて動作させる。正相成分および逆相成分を分離する方法は、これに限らない。本変形例では、正相成分および逆相成分を他の方法によって分離する。

本変形例では、制御回路８１ａは、係数器１１３を含む。係数器１１３は、係数（−１）を有する。係数器１１３は、入力されるデータに（−１）を乗じて出力する。係数器１１３は、ＰＬＬ１１２の出力に接続され、同期信号θに（−１）を乗じて出力する。つまり、係数器１１３は、同期信号θとは１８０°異なる位相のデータを有する同期信号（−）θを出力する。

この変形例では、正相成分側および逆相成分側のａｂｃ−ｄｑ変換回路９２，１０２は、同じ相順で相電圧が入力されている。

ＰＬＬ１１２の出力は、正相成分側のａｂｃ−ｄｑ変換回路９２およびｄｑ−ａｂｃ変換回路９７に接続されている。ＰＬＬ１１２の出力は、係数器１１３を介して、ａｂｃ−ｄｑ変換回路１０２およびｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に接続されている。つまり、正相成分側のａｂｃ−ｄｑ変換回路９２およびｄｑ−ａｂｃ変換回路９７は、電力系統と同じ位相で同期している。逆相成分側のａｂｃ−ｄｑ変換回路１０２およびｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７は、電力系統の位相とは１８０°異なる位相に同期して動作する。回転座標変換を、電力系統の位相に同期させ、さらに逆位相に同期させることによっても正相成分と逆相成分とを分離することができる。

（第１の実施形態の変形例２）
図５は、本変形例の電圧補償装置１ａを例示するブロック図である。
直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、スター結線されている。二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、スター結線に限らず、デルタ結線とすることもできる。
本変形例の電圧補償装置１ａでは、直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓの結線以外は、第１の実施形態の電圧補償装置１と同一であり、同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示すように、本変形例の電圧補償装置１ａでは、電圧補償部１０ａの直列変圧器１１の二次巻線１１ｓは、端子１２ａ，１２ｂを含む。直列変圧器１３の二次巻線１３ｓは、端子１４ａ，１４ｂを含む。直列変圧器１５の二次巻線１５ｓは、端子１６ａ，１６ｂを含む。それぞれの二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓの一方の端子１２ａ，１４ａ，１６ａは、巻き始めであり、他方の端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂは、巻き終わりである。一方の端子１２ａは、他方の端子１４ｂと接続され、一方の端子１４ａは、他方の端子１６ｂと接続され、一方の端子１６ａは、他方の端子１２ｂと接続されている。端子１２ａ，１４ｂの接続ノードは、第１電力変換器２０の交流出力端子２２ｂに接続されている。端子１４ａ，１６ｂの接続ノードは、第１電力変換器２０の交流出力端子２２ｃに接続されている。端子１６ａ，１２ｂの接続ノードは、第１電力変換器２０の交流出力端子２２ａに接続されている。つまり、直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、デルタ結線されて、第１電力変換器２０の各交流出力端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃに接続されている。

本変形例の電圧補償装置１ａは、第１の実施形態の電圧補償装置１と同様に動作する。すなわち、直列変圧器の両端の電圧が目標電圧の下限よりも小さいときには、一次巻線と同相の不足電圧分に相当する電圧を二次巻線に発生させて磁気結合を介して一次巻線の電圧に加算する。直列変圧器の両端の電圧が目標電圧の上限よりも大きいときには、一次巻線と逆相の不足電圧分に相当する電圧を二次巻線に発生させて磁気結合を介して一次巻線に加算（すなわち減算）する。

本実施形態の電圧補償装置１ａの作用および効果について説明する。
第１電力変換器２０の出力にスター結線の直列変圧器を接続した場合には、二次巻線の一方の端子を第１電力変換器２０の出力に接続するので、結線作業が容易になるとの利点がある。その一方で、スター結線では、二次巻線の他方の端子を互いに接続して中性点とするが、中性点が他に接続されず、変圧器の非線形性等により電圧歪が発生したときに、電流を他に流すことができないため、電圧歪現象が解消されにくいとの問題を生ずることがある。

第１電力変換器２０の出力にデルタ結線の直列変圧器を接続した場合には、各相の二次巻線を互いに接続する等して結線作業が煩雑になる反面、二次巻線内に還流電流を流すことができる。そのため、電圧補償装置１ａは、電圧歪みを発生しにくく、高品質の電力を電力系統に対して連系することができる。

本実施形態の電圧補償装置１ａでは、第１電力変換器２０の出力に接続された直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓがデルタ結線されているので、電圧歪の少ない高品質の電力の連系が可能になる。

直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、以下説明する他の実施形態においても、スター結線またはデルタ結線のいずれかを適用することができる。

（第２の実施形態）
図６は、本実施形態の電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。
図６には、第１制御回路８１ｂの一部が示されている。図に示されていないｄｑ−ａｂｃ変換回路９７，１０７の出力以降は、上述した第１の実施形態等の場合と同じである。
上述したとおり、電力系統の不平衡電圧は、平衡正相電圧と平衡逆相電圧とに分離することができる。分離された正相成分と逆相成分とは偏差演算処理後に再度加算される。ｄｑ変換された出力は互いに直交するベクトルであり、平衡正相電圧のベクトルと平衡逆相電圧のベクトルとの加算されたものが不平衡電圧である。したがって、補償量の大きさは、ベクトルの和の大きさに等しい。なお、上述したとおり、各補償量は、方向および大きさを有するベクトルであるが、補償量の大きさという場合に、単に補償量ということがある。

一方で、第１電力変換器２０が出力することができる最大電圧は、第１電力変換器２０の回路構成等によってあらかじめ決まっており、無限の出力を取り出せるわけではない。補償電圧の大きさが、第１電力変換器２０の最大電圧を超える場合には、補償のための電圧波形のピーク付近が第１電力変換器２０の最大電圧で抑えられて、電力系統に歪んだ補償電圧を供給する。

そこで、本実施形態の電圧補償装置では、系統電圧の正相成分を逆相成分よりも優先して補償量に割り当てることによって、補償された電圧が第１電力変換器２０の最大電圧以下となるように設定する。

図６に示すように、本実施形態の電圧補償装置の第１制御回路８１ｂは、リミッタ１３１，１３３，１３５，１３６，１３８，１４０と、演算回路１３２，１３４，１３７，１３９と、比較器１４１と、スイッチ１４２ａ，１４２ｂと、を含む。

リミッタ１３１は、正相成分側の加減算器９５とｄｑ−ａｂｃ変換回路９７との間に設けられている。リミッタ１３１は、入力された信号を±Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}の範囲内に制限する。リミッタ１３１に入力された信号の振幅が±Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}範囲内の場合には、入力された信号がそのまま出力される。リミッタ１３１に入力された信号の振幅が±Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}を超えた場合には、リミッタ１３１は、±Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}を出力する。リミッタ１３１から出力された信号は、正相ｄ軸成分補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ＿ｒｅｆ}として、ｄｑ−ａｂｃ変換回路９７に入力される。

なお、すべてのリミッタには、正負のリミット値が設けられている。図においても煩雑さを避けるため、図示しないが、負側のリミット値も設けられている。以下では、特に断らない限り、リミッタのリミット値という場合には、負側のリミット値が設けられており、正負のリミット値は、絶対値が等しいものとする。入力された信号は、正負のリミット値の範囲内の場合には、そのまま出力され、正負のリミット値を超える場合には、そのリミット値で制限されるものとする。ただし、リミット値は、絶対値が等しい正負の値を有する場合に限らず、任意の設定としてもよい。

リミッタ１３３は、正相成分側の加減算器９６とｄｑ−ａｂｃ変換回路９７との間に設けられている。リミッタ１３３のリミット値は、正相ｑ軸成分補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ＿ｍａｘ}に設定される。正相ｑ軸成分補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ＿ｍａｘ}については、後に詳述するが、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}および正相ｄ軸成分補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ＿ｒｅｆ}に応じて変化する。正相ｑ軸成分補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ＿ｍａｘ}の値は、演算回路１３２によって計算されて設定される。最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}は、第１電力変換器２０の最大電圧にもとづいてあらかじめ設定されている。

リミッタ１３５は、逆相成分側の加減算器１０５とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に設けられている。リミッタ１３５のリミット値は、逆相補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ＤＱｒ＿ｍａｘ}に設定される。逆相補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ＤＱｒ＿ｍａｘ}は、後に詳述するが、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}、正相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ＿ｒｅｆ}および正相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ＿ｒｅｆ}に応じて変化する。逆相補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ＤＱｒ＿ｍａｘ}の値は、演算回路１３４によって計算されて設定される。

リミッタ１３６は、逆相成分側の加減算器１０６とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に設けられている。リミッタ１３６のリミット値は、逆相補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ＤＱｒ＿ｍａｘ}に設定される。

リミッタ１３８は、逆相成分側の加減算器１０６とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に設けられている。リミッタ１３８のリミット値は、逆相ｑ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｍａｘ}に設定される。逆相ｑ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｍａｘ}は、後に詳述するが、逆相補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ＤＱｒ＿ｍａｘ}および逆相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｒｅｆ}に応じて変化する。逆相ｑ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｍａｘ}の値は、演算回路１３７によって計算されて設定される。

リミッタ１４０は、正相成分側の加減算器１０５とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に設けられている。リミッタ１４０のリミット値は、逆相ｄ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｍａｘ}に設定される。逆相ｄ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｍａｘ}は、後に詳述するように、逆相補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ＤＱｒ＿ｍａｘ}および逆相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｒｅｆ}に応じて変化する。逆相ｄ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｍａｘ}の値は、演算回路１３９によって計算されて設定される。

比較器１４１は、逆相成分側の加減算器１０５，１０６の出力の大きさの大小関係を比較する。つまり、比較器１４１は、加減算器１０５から出力される逆相ｄ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}および加減算器１０６から出力される逆相ｑ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の大きさを比較する。比較器１４１は、たとえば、Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}≧Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、論理値１を出力する。Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}＜Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、論理値０を出力する。

スイッチ１４２ａは、リミッタ１３５，１４０とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に接続されている。スイッチ１４２ａは、リミッタ１３５の出力か、リミッタ１４０の出力を切り替えてｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に入力する。スイッチ１４２ａは、論理値の入力によって接続先が切り替えられ、たとえば論理値１の場合に、リミッタ１３５の出力が選択され、リミッタ１３５の出力がｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に供給される。スイッチ１４２ａは、論理値０が入力された場合には、リミッタ１４０の出力が選択され、リミッタ１３６の出力がｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に供給される。

スイッチ１４２ｂは、リミッタ１３８，１３６とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に接続されている。スイッチ１４２ｂは、リミッタ１３８の出力か、リミッタ１３８の出力を切り替えてｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に入力する。スイッチ１４２ｂは、論理値の入力によって接続先が切り替えられ、たとえば論理値１の場合に、リミッタ１３８の出力が選択され、リミッタ１３８の出力がｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に供給される。スイッチ１４２ｂは、論理値０が入力された場合には、リミッタ１３６の出力が選択され、リミッタ１３６の出力がｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に供給される。

つまり、Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}≧Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、リミッタ１３５から出力される逆相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｒｅｆ}およびリミッタ１３８から出力される逆相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｒｅｆ}がそれぞれｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に入力される。Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}＜Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、リミッタ１４０から出力される逆相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｒｅｆ}およびリミッタ１３６から出力される逆相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｒｅｆ}が、それぞれｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に入力される。

本実施形態の電圧補償装置の動作について説明する。
図７は、本実施形態の電圧補償装置の動作を説明するための概念図である。
この実施形態の電圧補償装置では、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}のうち、正相成分に優先的に出力を割り当てる。この実施形態では、割り当てられた正相成分の大きさが、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}よりも小さい場合には、余剰分を逆相成分に割り当てる。

図７（ａ）に示すように、補償量の正相成分は、Ｄ軸と、Ｄ軸に直行するＱ軸との２次元平面上にベクトルで表される。円Ｃｎの半径は、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}を表す。つまり、円Ｃｎの半径は、第１電力変換器２０の最大電圧に対応する最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}である。Ｄ軸に平行なベクトルは、正相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍ＿Ｄｎ＿ｒｅｆ}を表す。Ｑ軸に平行なベクトルは、正相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ＿ｒｅｆ}を表す。

補償量の正相成分に優先的に出力を割り当てた場合に、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}は、正相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍ＿Ｄｎ＿ｒｅｆ}に等しくなる。正相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍ＿Ｑｎ＿ｒｅｆ}とのベクトル和である。補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｉｎｖ}は、ピタゴラスの定理により、以下の式（３）によって求められる。ここで、Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ}，Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ}は、それぞれローパスフィルタ９３，９４の出力であり、正相ｄ軸出力値および正相ｑ軸出力値と呼ぶ。

本実施形態では、正相ｄ軸出力値は、その最大値である正相ｄ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ＿ｍａｘ}まで出力されることが可能である。このときのＶ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ＿ｍａｘ}は、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}に等しい。正相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ＿ｒｅｆ}が、Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}よりも小さい場合には、その余剰分は、正相ｑ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ}に割り当てられる。そのときの正相ｑ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ＿ｍａｘ}は、補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｉｎｖ}を最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}に置き換えて、式（４）によって求められる。式（４）の演算は、演算回路１３２によって実行される。

つまり、正相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ＿ｍａｘ}は、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}および正相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ＿ｒｅｆ}によって設定される。

図７（ｂ）には、補償量の正相成分の大きさが最大補償量Ｖｃ_{ｏｍｐ＿ｍａｘ}よりも小さく、補償量の余剰が生じた場合には、その余剰分を逆相成分に割り当てる場合が示されている。円Ｃｎの内側の円Ｃｒは、逆相成分のベクトルの軌跡を模式的に表している。逆相成分は、円Ｃｒ内を角速度ωで正相成分とは逆方向に回転するベクトルである。正相成分の補償量は、式（３）の補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｉｎｖ}である。逆相成分に割り当てることが可能なのは、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}と正相成分の補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｉｎｖ}の差であり、式（５）によって求められる。式（５）の演算は、演算回路１３４によって実行される。

逆相補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ＤＱｒ＿ｍａｘ}は、逆相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｒｅｆ}および逆相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｒｅｆ}のベクトル和の大きさで表される。本実施形態では、逆相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｒｅｆ}および逆相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｒｅｆ}のいずれを優先するかを、リミッタ入力前の逆相ｄ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}と逆相ｑ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の大小関係によって決定する。Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}とＶ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の大小関係は、比較器１４１によって比較される。比較器１４１の出力に応じて、スイッチ１４２ａ，１４２ｂの接続が切り替えられる。

Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}≧Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、ｄ軸出力を優先する。そのため逆相ｑ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｍａｘ}は、逆相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｒｅｆ}に応じて変化する。逆相ｑ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｍａｘ}は、式（６）によって求められる。式（６）の演算は、演算回路１３７によって実行される。

Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}＜Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、ｑ軸出力を優先する。そのため逆相ｄ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｍａｘ}は、逆相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｒｅｆ}に応じて変化する。逆相ｄ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｍａｘ}は、式（６’）によって求められる。式（６’）の演算は、演算回路１３９によって実行される。

本実施形態の電圧補償装置の効果について説明する。
本実施形態の電圧補償装置では、第１制御回路８１ｂにおいて、第１電力変換器２０の最大電圧を超えないように、補償量を制限する。補償量の制限は、正相成分および逆相成分のうち正相成分を優先的に出力できるように設定される。そのため、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９２，１０２によって大きな補償量が出力された場合であっても、逆相成分の補償量はより制限されて、最大補償量以下に制限される。そのため、歪みのない補償電圧を出力することができる。

逆相成分の補償量は、ｄ軸成分およびｑ軸成分のうち大きさが大きい方を選択して優先して出力することができるので、不平衡電圧に影響の大きい方の寄与を高めることができる。

（第３の実施形態）
第２の実施形態の場合には、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}に対して、正相成分の補償量の割り当てを優先して正相成分の寄与を大きくした。本実施形態の場合には、逆相成分の補償量の割り当てを優先する。

図８は、本実施形態の電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。
図８に示すように、本実施形態の電圧補償装置の第１制御回路８１ｃは、リミッタ１５１，１５２，１５４，１５６，１６０，１６２と、演算回路１５３，１５５，１５９，１６１と、比較器１５７と、スイッチ１５８ａ，１５８ｂと、を含む。

リミッタ１５１は、逆相側の加減算器１０５とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に設けられている。リミッタ１５１のリミット値は、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}に設定されている。

リミッタ１５２は、逆相側の加減算器１０６とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に設けられている。リミッタ１５２のリミット値は、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}に設定されている。

リミッタ１５４は、加減算器１０６とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に設けられている。リミッタ１５４のリミット値は、逆相ｑ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｍａｘ}に設定される。逆相ｑ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｍａｘ}は、後に詳述するように、演算回路１５３によって計算された値に設定される。

リミッタ１５６は、加減算器１０５とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に設けられている。リミッタ１５６のリミット値は、逆相ｄ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｍａｘ}に設定される。逆相ｄ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｍａｘ}は、後に詳述するように、演算回路１５５によって計算された値に設定される。

比較器１５７は、逆相成分側の加減算器１０５，１０６の出力の大小関係を比較する。つまり、比較器１５７は、加減算器１０５から出力される逆相ｄ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}および加減算器１０６から出力される逆相ｑ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の大きさを比較する。比較器１５７は、たとえば、Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}≧Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、論理値１を出力する。Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}＜Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、論理値０を出力する。

スイッチ１５８ａは、リミッタ１５１，１５６とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に接続されている。スイッチ１５８ａは、リミッタ１５１の出力か、リミッタ１５６の出力化を切り替えてｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に入力する。スイッチ１５８ａは、論理値の入力によって接続先が切り替えられ、たとえば論理値１の場合に、リミッタ１５１の出力が選択され、リミッタ１５１の出力がｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に供給される。スイッチ１５８ａは、論理値０が入力された場合には、リミッタ１５６の出力が選択され、リミッタ１５６の出力がｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に供給される。

スイッチ１５８ｂは、リミッタ１５４，１５２とｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７との間に接続されている。スイッチ１５８ｂは、リミッタ１５４の出力か、リミッタ１５２の出力化を切り替えてｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に入力する。スイッチ１５８ｂは、論理値の入力によって接続先が切り替えられ、たとえば論理値１の場合に、リミッタ１５４の出力が選択され、リミッタ１５４の出力がｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に供給される。スイッチ１５８ｂは、論理値０が入力された場合には、リミッタ１５２の出力が選択され、リミッタ１５２の出力がｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に供給される。

つまり、Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}≧Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、リミッタ１５１から出力される逆相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｒｅｆ}およびリミッタ１５４から出力される逆相ｑ軸補償量がそれぞれｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に入力される。Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}＜Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、リミッタ１５６から出力される逆相ｄ軸補償量およびリミッタ１５２から出力される逆相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｒｅｆ}がそれぞれｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に入力される。

本実施形態の電圧補償装置の動作について説明する。
図９は、本実施形態の電圧補償装置の動作を説明するための概念図である。

本実施形態の場合には、逆相成分を正相成分よりも優先的に最大補償量に割り当てるので、逆相成分のうち、ｄ軸成分の補償量およびｑ軸成分の補償量の大きい方を優先的に割り当てることとする。
図９（ａ）には、逆相成分のベクトル図が示されている。逆相成分の補償量は、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}まで出力することが可能である。半径Ｃｒは、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}を表す。Ｄ軸に平行なベクトルは、逆相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｒｅｆ}を表す。Ｑ軸に平行なベクトルは、逆相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｒｅｆ}を表す。

本実施形態では、式（３）と同様に、補償量Ｖｃ_{ｏｍｐ＿ｉｎｖ}は、ピタゴラスの定理（逆相ｄ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｒｅｆ}および逆相ｑ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｒｅｆ}の２乗和の平方根）により求めることができる。補償量の最大値は、第１電力変換器２０の最大電圧に対応し、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}となる。ここで、本実施形態の場合には、加減算器１０５，１０６から出力される逆相ｄ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}および逆相ｑ軸出力Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}のうちの大きい方を優先的に出力できるように割り当てる。

Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}およびＶ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}は、比較器１５７によって大小関係を比較される。比較器１５７は、比較結果にしたがって、スイッチ１５８ａ，１５８ｂを切り替える。

Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}≧Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、逆相ｑ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｍａｘ}は、式（７）にしたがって、演算回路１５３によって決定される。スイッチ１５８ａは、リミッタ１５１から出力される逆相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｒｅｆ}をｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に供給する。

Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ}＜Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ}の場合には、逆相ｄ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｒ＿ｍａｘ}は、式（７’）にしたがって、演算回路１５５によって決定される。スイッチ１５８ｂは、リミッタ１５４から出力される逆相ｑ軸補償量リミット値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｍａｘ}で制限された逆相ｑ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｒ＿ｒｅｆ}をｄｑ−ａｂｃ変換回路１０７に供給する。

補償量の逆相成分のベクトル和が、最大補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿ｍａｘ}よりも小さい場合には、その余剰分は、補償量の正相成分に割り当てられる。本実施形態では、補償量の正相成分について、補償量のｄ軸成分に補償量の余剰分を優先的に割り当てるようにする。

図９（ｂ）に示すように、円Ｃｒ内側の円Ｃｎは、補償量の正相成分のベクトルの軌跡を模式的に表している。円Ｃｎの半径は、以下の式（８）の右辺の第２項で表される。つまり、正相ｄ軸補償量の最大値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ＿ｍａｘ}は、円Ｃｒの半径と円Ｃｎの半径の差で表される。演算回路１５９によって、式（８）のＶ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ＿ｍａｘ}を計算し、リミッタ１６０のリミット値とする。

正相ｄ軸補償量Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｄｎ＿ｒｅｆ}に余剰分が生じた場合には、その余剰分は、逆相ｑ軸補償量に割り当てられる。したがって、その最大値Ｖ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ＿ｍａｘ}は、演算回路１６１によって、式（９）のＶ_{ｃｏｍｐ＿Ｑｎ＿ｍａｘ}を計算する。

このようにして、本実施形態の電圧補償装置では、最大補償量のうち、補償量の逆相成分に優先的に割り当てる。補償量に余剰分が生じた場合に、補償量の正相成分を割り当てる。

本実施形態の電圧補償装置の効果について説明する。
本実施形態の電圧補償装置では、第１制御回路８１において、第１電力変換器２０の最大電圧を超えないように補償量を制限する。補償量の制限については、逆相成分から優先的に割り当てるので、逆相成分の補償量を相対的に大きく設定することができる。そのため、上流側で生じた不平衡状態を優先的解消することができる。

上述の複数の実施形態において、補償量の正相成分か逆相成分かのうちどちらを優先的に割り当てるか、そして、正相成分および逆相成分のｄ軸成分かｑ軸成分かのうちどちらを優先的に割り当てるか、にもとづいて制御回路の構成を設定した。いかなる成分を優先的に補償量として確保するかは、上述に限られず、任意に設定することができる。

以上説明した実施形態によれば、高速かつ連続的に電力系統の電圧を適正値に補償する電圧補償装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１，１ａ 電圧補償装置、２ａ〜２ｃ 入力端子、３ａ〜３ｃ 出力端子、６ａ〜６ｃ 上流、７ａ〜７ｃ 下流、１０ 電圧補償部、１１，１３，１５ 直列変圧器、１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ 端子、２０ 第１電力変換器、２１ａ 高圧直流入力端子、２１ｂ 低圧直流入力端子、２２ａ〜２２ｃ 交流出力端子、２３ａ〜２３ｆ スイッチング素子、２４ 直流リンク、２６ フィルタ、３０ 第２電力変換器、３１ａ 高圧直流端子、３１ｂ 低圧直流端子、３２ａ〜３２ｃ 交流端子、３３ａ〜３３ｆ スイッチング素子、４１，４２ 並列変圧器、５１，５２ インダクタ、６１，６２ 電流検出器、７１，７２ 交流電圧検出器、７５ 直流電圧検出器、８０ 制御部、８１ 第１制御回路、８２ 第２制御回路、９１ 三相電圧検出回路、９２，１０２ ａｂｃ−ｄｑ変換回路、９３，９４，１０３，１０４ ローパスフィルタ、９５，９６，１０５，１０６ 加減算器、９７，１０７ ｄｑ−ａｂｃ変換回路、１０８〜１１０ 加算器、１１１ ゲート駆動信号生成回路、１１２ ＰＬＬ、１１３ 係数器、１３１，１３３，１３５，１３６，１３８，１４０，１５１，１５２，１５４，１５６，１６０，１６２ リミッタ、１３２，１３４，１３７，１３９、１５３，１５５，１５９，１６１ 演算回路、１４１，１５７ 比較器、１４２ａ，１４２ｂ，１５８ａ．１５８ｂ スイッチ

Claims (10)

1. 自己消弧形のスイッチング素子を有するインバータ回路を含む電力変換器と、
   三相交流の第１相、第２相および第３相にそれぞれ直列に接続された一次巻線と前記第１電力変換器の出力に接続された二次巻線とを含む第１変圧器、第２変圧器および第３変圧器と、
   前記第１変圧器の上流側と前記第２変圧器の上流側との間の線間の電圧を表す第１電圧データおよび前記第２変圧器の上流側と前記第３変圧器の上流側との間の線間の電圧を表す第２電圧データにもとづいて、前記スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記第１電圧データおよび前記第２電圧データを入力して前記第１相、前記第２相、および前記第３相の相電圧を生成する相電圧生成回路と、
   前記三相交流の正相成分を回転座標変換して互いに直交するベクトル成分である第１出力および第２出力を生成する第１座標変換回路と、
   前記第１出力から直流成分を抽出する第１フィルタと、
   前記第２出力から直流成分を抽出する第２フィルタと、
   前記三相交流の逆相成分を回転座標変換して互いに直交する第３出力および第４出力を生成する第２座標変換回路と、
   前記第３出力から直流成分を抽出する第３フィルタと、
   前記第４出力から直流成分を抽出する第４フィルタと、
   を含み、
   前記第１フィルタ〜前記第４フィルタの出力にもとづいて前記駆動信号を生成する電圧補償装置。
2. 前記制御部は、
   前記第１フィルタの出力に設けられた第１リミッタと、
   前記第２フィルタの出力に設けられた第２リミッタと、
   前記第３フィルタの出力に設けられた第３リミッタと、
   前記第４フィルタの出力に設けられた第４リミッタと、
   を含み、
   前記第１リミッタ〜前記第４リミッタのそれぞれの制限値は、
   前記第１フィルタの出力〜前記第４フィルタの出力のベクトル和の大きさが前記電力変換器が出力する最大値に対応する最大補償量以下となるよう設定される請求項１記載の電圧補償装置。
3. 前記第１フィルタの出力および前記第２フィルタの出力のベクトル和が前記最大補償量以下の場合には、
   前記第２リミッタの制限値は、前記最大補償量および前記第１フィルタの出力にもとづいて設定される請求項２記載の電圧補償装置。
4. 前記第３リミッタの制限値および前記第４リミッタの制限値のベクトル和の大きさは、前記最大補償量、前記第１リミッタの出力の大きさおよび前記第２リミッタの出力の大きさにもとづいて設定される請求項３記載の電圧補償装置。
5. 前記第３フィルタの出力の大きさが前記第４フィルタの出力の大きさ以上のときには、
   前記第４リミッタの制限値は、前記第３フィルタの出力の大きさにもとづいて設定され、
   前記第４フィルタの出力が前記第３フィルタの出力よりも大きいときには、
   前記第３リミッタの制限値は、前記第４フィルタの出力の大きさにもとづいて設定される請求項４記載の電圧補償装置。
6. 前記第３フィルタの出力および前記４フィルタの出力のベクトル和が前記最大補償量以下の場合であって、
   前記第３フィルタの出力の大きさが前記第４フィルタの出力の大きさ以上のときには、
   前記第４リミッタの制限値は、前記最大補償量および前記第３フィルタの出力の大きさにもとづいて設定され、
   前記第３フィルタの出力の大きさが前記第４フィルタの出力の大きさよりも小さいときには、
   前記第４リミッタの制限値は、前記最大補償量および前記第３フィルタの出力の大きさにもとづいて設定され請求項２記載の電圧補償装置。
7. 前記第１リミッタの制限値および第２リミッタの制限値は、前記最大補償量、前記第３リミッタの出力の大きさおよび前記第４リミッタの出力の大きさにもとづいて設定される請求項６記載の電圧補償装置。
8. 前記第１回転座標変換回路は、前記三相交流を、前記第１相、前記第２相、および前記第３相の相順で入力し、
   前記第２回転座標変換回路は、前記三相交流を、前記第１相、前記第３相、および前記第２相の相順で入力し、
   前記第１座標変換回路および前記第２座標変換回路は、同一位相で同期される請求項１〜７のいずれか１つに記載の電圧補償装置。
9. 前記第１回転座標変換回路および前記第２回転座標変換回路は、前記三相交流を、同一の相順で入力し、
   前記第１回転座標変換回路は、前記三相交流の正相成分の位相に同期し、
   前記第２回転座標変換回路は、前記清掃成分の位相の逆位相に同期する請求項１〜７のいずれか１つに記載の電圧補償装置。
10. 前記第１変圧器の二次巻き線、前記第２変圧器の二次巻き線、および前記第３変圧器の二次巻き線は、スター結線またはデルタ結線のいずれかである請求項１〜９のいずれか１つに記載の電圧補償装置。

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