JP2018019516A - 並列型電圧調整装置及び電圧調整システム - Google Patents

Abstract

【課題】出力余裕を確保することができる並列型電圧調整装置及び電圧調整システムを提供する。【解決手段】この並列型電圧調整装置は、配電系統に並列に接続されるＳＶＣ（静止型無効電力補償装置）等であって、自端及び隣接機器の無効電力等の出力情報から、自端と隣接機器の制御量を均すよう、例えば平均または重み付き平均等の統計処理を用いて自端の出力指令値を変更する。【選択図】図５

Description

本発明は、配電系統に並列に接続され配電系統の電圧を制御する並列型電圧調整装置及び電圧調整システムに関する。

配電系統の電圧は、配電用変電所に設置された負荷時タップ切替変圧器（ＬＲＴ：Load Ratio Control Transformer）によるタップ位置切替、配電線路（フィーダ）に設置された自動電圧調整器（ＳＶＲ：Step Voltage Regulator）によるタップ位置切替、配電線路に設置された静的同期直列補償装置（ＳＳＳＣ：Static Synchronous Series
Compensator）等によって制御される。ＬＲＴ、ＳＶＲは、ステップ型の直列型電圧調整装置であり、ＳＳＳＣは連続型の直列型電圧調整装置である。以後これらを総称して直列型電圧調整装置という。

ところで、近年の配電系統では太陽光発電装置（ＰＶ：PhotoVoltaics）を備えた需要家が増大している。太陽光発電装置の発電出力は天候変動に左右され配電系統の急激な電圧変動を生じさせる原因となっている。これに対し、高速な無効電力出力制御によって電圧変動を迅速に抑制する機能を持つ静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ：Static Var Compensator）、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ：Static Synchronous CoMpensator）を配電系統に接続し、急激な電圧変動を抑制することが期待されている。以後これらを総称して並列型電圧調整装置という。

直列型電圧調整装置が変電所側（送出し側）に設置され、並列型電圧調整装置が配電線路の末端側に設置される。並列型電圧調整装置は、直列型電圧調整装置よりも高速で動作するので、電圧変動に対して、直列型電圧調整装置よりも先に動作する。並列型電圧調整装置が直列型電圧調整装置に先行して電圧制御するため、直列型電圧調整装置が動作しない現象が発生することが懸念される。並列型電圧調整装置が設置点電圧を適正範囲内に収束させるように動作すると、並列型電圧調整装置は最大出力で運転し続ける可能性があり、急峻な電圧変動を抑制するための出力余裕がなくなる。その結果、急峻な電圧変動の抑制という並列型電圧調整装置の本来の機能が果たせなくなる恐れがある。

そこで、直列型電圧調整装置と並列型電圧調整装置を協調して適切に動作させる電力制御システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の電力制御システムでは、ＳＶＲは、ＳＶＣの出力現在値または出力履歴情報を把握し、その情報を元にＳＶＣが出力なしの場合を想定した自端の電圧値を推定する。自端の電圧値の推定には、例えばＳＶＣの出力電流と配電用変電所側の短絡リアクタンスに相当するパラメータとを用いて、電圧補正量ΔＶｓを計算する。電圧補正量ΔＶｓは、ＳＶＣが出力なしの場合と、出力ありの場合とで生じる電圧差分を示している。ＳＶＣの出力による電圧変動分を含んでいるタップ動作判定基準値Ｖｓから電圧補正量ΔＶｓを差し引いて、ＳＶＣの出力による電圧変動分の影響分を除外し、この補正電圧がＳＶＲの目標電圧点において適正電圧を逸脱していた場合、無効電力補償装置ＳＶＣの出力を減ずるように自動電圧調整器ＳＶＲを動作させることが開示されている。

特開２０１４−３３４９２号公報

しかしながら、特許文献１の電力制御システムでは、並列型電圧調整機器であるＳＶＣが複数存在する場合を想定していない。よって、直列型電圧調整機器であるＳＶＲと協調動作されるＳＶＣの出力余力は確保されるが、当該ＳＶＣとは別の更に負荷側に存在するＳＶＣは、ＳＶＲと協調動作せずに出力余力が確保されない可能性がある、という問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、出力余裕を確保することができる並列型電圧調整装置及び電圧調整システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様の並列型電圧調整装置は、配電系統に並列に接続される並列型電圧調整装置であって、自端及び隣接機器の出力情報から、自端と隣接機器の制御量を均すように自端の出力指令値を変更することを特徴とする。ここで、本明細書及び特許請求の範囲において、一の系統において複数の並列型電圧調整装置を設置するときに、当該系統において自端以外の任意の並列型電圧調整装置との関係を隣接機器として扱う。

また、本発明の一態様の電圧調整システムは、前記並列型電圧調整装置を複数有しているとともに、直列型電圧調整装置を含んで構成され、前記直列型電圧調整装置に前記並列型電圧調整装置の制御量を加担させることを特徴とする。

本発明の並列型電圧調整装置によれば、自端の出力情報だけでなく隣接機器の出力情報から自端の出力指令値を変更するので、系統にて直列型電圧調整装置と協調動作しない場合であっても、自端の出力余裕を確保することができる。

本実施の形態における電圧調整システムの全体構成の一例を示す図である。 複数のＳＶＣ及びＳＳＳＣでの出力情報の様子を示す図である。 ＳＳＳＣの構成例を示す図である。 本実施の形態におけるＳＶＣの制御内容を示す図である。 隣接機器となるＳＶＣがある場合にＳＶＣにおける制御内容を伝達関数で示す図である。 従来例におけるＳＳＳＣでの協調制御動作を説明する図である。 従来例におけるＳＶＣでの制御動作を説明する図である。 本実施の形態における２台のＳＶＣの制御動作を説明する図である。 本実施の形態におけるＳＶＣでのフロー図である。

以下、添付図面を参照して本実施の形態の並列型電圧調整装置について説明する。図１は本実施の形態の並列型電圧調整装置が設置された電圧調整システムの構成例を示す図である。図１に示す電圧調整システムとなる配電系統は、変電所に定電圧電源１１が設置され、変電所のバンクの送り出しにＬＲＴ１２が設置されている。ＬＲＴ１２の二次側に接続された母線には複数本の配電線路１３が並列に接続される（図１では１系統のみ示している）。配電線路１３には、配電線路１３に対して直列に接続される直列型電圧調整装置となるＳＳＳＣ１４が接続され、ＳＳＳＣ１４の下位側に配電線路１３に対して並列に第１ＳＶＣ１５、第２ＳＶＣ１６が接続される。各ＳＶＣ１５、１６は、ＳＳＳＣ１４の制御対象区間に設置され、配電線路１３に対して並列に接続される並列型電圧調整装置である。また、各ＳＶＣ１５、１６は相互に隣接機器となり、言い換えると、第１ＳＶＣ１５から見て第２ＳＶＣ１６は隣接機器となり、且つ、第２ＳＶＣ１６から見て第１ＳＶＣ１５は隣接機器となる。本実施の形態では、配電線路１３に対して並列に接続される複数（３台以上）のＳＶＣのうちの一部として、第１ＳＶＣ１５と第２ＳＶＣ１６とを図示説明し、第１ＳＶＣ１５と第２ＳＶＣ１６との関係は、他のＳＶＣと比べたときに相互間の電気的なインピーダンスが最小になって隣り合う関係とされる。また、第１ＳＶＣ１５は、他のＳＶＣと比べたときにＳＳＳＣ１４との電気的なインピーダンスが最小になる関係とされる。本実施の形態では、直列型電圧調整装置となるＳＳＳＣ１４から第１ＳＶＣ１５、第２ＳＶＣ１６までの区間、又は、隣接機器同士となる第１ＳＶＣ１５及び第２ＳＶＣ１６の間の区間に着目して説明する。なお、ＳＳＳＣ１４の制御対象区間にある配電線路１３には需要家１７及び太陽光発電装置１８が接続されている。

図２に示すように、直列型電圧調整装置となるＳＳＳＣ１４と第１ＳＶＣ１５とは通信ネットワーク２１を介して通信可能に接続されており、第１ＳＶＣ１５の出力情報（無効電力、電流等）がＳＳＳＣ１４へ通知される。また、第１ＳＶＣ１５と第２ＳＶＣ１６とにおいても、通信ネットワーク２２を介して通信可能に接続されており、第１ＳＶＣ１５及び第２ＳＶＣ１６の間で相互に出力情報（無効電力、電流等）が通知、交換される。ＳＳＳＣ１４は、ローカル制御により制御対象区間の目標電圧が適正電圧（電圧管理幅）に収まるように出力指令値を決定して電圧制御を行う。第１ＳＶＣ１５及び第２ＳＶＣ１６はローカル制御によりそれぞれのＳＶＣ制御点の電圧が設定値になるように出力を制御している。ＳＶＣ制御点は、各ＳＶＣ１５、１６と配電線路１３との接続点である。

図３はＳＳＳＣ１４の構成例を示している。ＳＳＳＣ１４は、直列変圧器１４ａと自励式変換器１４ｂとを有しており、直列変圧器１４ａが配電線路１３に直列に接続されている。ＳＳＳＣ１４は、自励式変換器１４ｂで電圧調整することで制御対象区間の電圧を変化させる。また、第１ＳＶＣ１５及び第２ＳＶＣ１６は、例えば降圧用変圧器、直列リアクトル、進相コンデンサ、高電圧大容量サイリスタ装置で構成され、サイリスタを用いた高速制御により、負荷状態において無効電力を連続的に変化させて、応答速度の速い無効電力補償を行う。

本実施の形態では、並列型電圧調整装置同士となる第１ＳＶＣ１５及び第２ＳＶＣ１６が、互いに出力を均すように動作する。これにより、配電系統にて末端側となる第２ＳＶＣ１６の出力情報を第１ＳＶＣ１５を介してＳＳＳＣ１４まで伝搬することができる。この結果、ＳＳＳＣ１４に隣り合う第１ＳＶＣ１５のみならず、さらに系統末端側の第２ＳＶＣ１６の出力余裕を確保することができる。

図４は並列型電圧調整装置であるＳＶＣの制御内容を示す図である。以下に述べる制御内容は、系統に接続される隣接ＳＶＣ同士で実施され、本実施の形態では、第１ＳＶＣ１５及び第２ＳＶＣ１６の両方にて実施される。ＳＶＣは、自端の出力情報（無効電力）と、隣接機器となるＳＶＣの出力情報（無効電力）とを統計処理制御して自端の出力指令値（出力変更量）を決定している。統計処理としては、自端の出力情報を含む複数の出力情報についての単純平均処理の他、重み付き（加重）平均処理を例示することができる。単純平均処理では、出力情報の総和に対し、出力情報の個数で割る演算を行っており、仮に、並列型電圧調整装置が第１ＳＶＣ１５及び第２ＳＶＣ１６の２体である場合、それぞれの出力情報を加算してから２で除算する。重み付き平均処理では、複数のＳＶＣの装置性能や配電系統における各種条件に応じ、それぞれの出力情報に対応する重みを付けてから平均化する。なお、出力変更量となる出力指令値は、無効電力指令値とする他、電圧指令値、電流指令値としてもよい。

図５はＳＶＣの制御内容を伝達関数で実現した一例を示している。平均化処理器３１において、自端となるＳＶＣの出力情報と、隣接機器となるＳＶＣの出力情報とを通信周期毎に取り込んで上述のように平均処理制御し、この制御による計算値を出力指令値とする。加減算器３２において、出力指令値と自端となるＳＶＣの出力情報との偏差をとり、積分器３３で複数周期分を積算して電圧指令値変更量を出力する。そして、加算器３４にて、電圧指令値変更量と、単位換算用の電圧基準値とを加算して新しい電圧指令値に変換する。新しい電圧指令値は制御点電圧逸脱防止リミッタ３５を通して最終的な電圧指令値として出力する。上記の各出力情報は無効電力であり、プラスとなる場合とマイナスとなる場合とがある。電圧基準値は、配電系統で決まっている基準の電圧であり、本実施の形態では１を入力したが、１より増減した値に設定してもよい。積分器３３を比例器に変更し、加減算器３２の偏差を比例制御して電圧指令値変更量を演算してもよい。但し、図５のように伝達関数に積分制御を組み込むことにより、偏差が小さい状況であっても、偏差を繰り返し加算して電圧指令値を出力するので、偏差が残らない制御が実現される。リミッタ３５は、ＳＶＣの目標電圧がＳＶＣの適正範囲内に収まるように上限値及び下限値が設定される。例えば、ＳＶＣの目標電圧が上限逸脱する場合、リミッタ３５の上限値を低下させて、新しい電圧指令値を低下させる。

ここで、本実施の形態の並列型電圧調整装置（ＳＶＣ）による具体的な動作について説明する前に、図６及び図７を参照して、従来例に係る並列型電圧調整装置の動作について説明する。図６及び図７において、横軸はＳＳＳＣ、第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣに対応した配電線路上の各位置を示しており、縦軸は各位置での電圧を示している。図６は第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣの動作前の電圧プロファイルを点線で示し、動作後の電圧プロファイルを実線で示している。第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣの動作前は、点線の電圧プロファイルで示すように、ＳＳＳＣの制御点での電圧が適正電圧の範囲内にあるものの、ＳＶＣの各制御点の電圧が適正範囲上限より上昇している。この状態で、第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣを動作することで、実線の電圧プロファイルで示すように、ローカル制御により決定した出力により各ＳＶＣの制御点電圧を適正範囲上限付近に抑え込む。また、ＳＳＳＣによる協調動作を実施すべく、第１ＳＶＣからＳＳＳＣに出力情報を出力する。

図７は、ＳＳＳＣによる協調動作前の電圧プロファイルを実線で示し、協調動作後の電圧プロファイルを点線で示している。ＳＳＳＣが第１ＳＶＣの出力情報を基に制御対象区間の電圧を下げる協調動作を行うと、電圧プロファイルが実線から点線で示した状態となり、この協調動作によって第１ＳＶＣの出力が減少する。言い換えると、第１ＳＶＣの出力がＳＳＳＣによって加担され、第１ＳＶＣの出力余力を確保した状態にすることができる。

但し、従来例においては、ＳＳＳＣの協調動作において、第１ＳＶＣより更に負荷側に存在する第２ＳＶＣの出力情報を反映した制御を行っていなかった。このため、場合によっては第２ＳＶＣの出力が図７に示すように継続して維持され、第２ＳＶＣの出力余力を確保できなくなることがあった。本実施の形態では、このような状態であっても、第１ＳＶＣのみならず第２ＳＶＣの出力も低減させるよう、以下に述べるように制御を行っている。

図８を参照して、本実施の形態の並列型電圧調整装置（ＳＶＣ）による具体的な動作について説明する。図８においても、横軸はＳＳＳＣ、第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣに対応した配電線路上の各位置を示しており、縦軸は各位置での電圧を示している。図８は、２台のＳＶＣによる協調動作前の電圧プロファイルを実線で示し、協調動作後の電圧プロファイルを点線で示している。本実施の形態においても、従来例と同様に、ＳＳＳＣが第１ＳＶＣの出力情報を基に制御対象区間の電圧を下げる協調動作を行うことによって第１ＳＶＣの出力を減少しているものとする。本実施の形態では、第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣが相互に隣接ＳＶＣ（隣接機器）同士となり、第１ＳＶＣが第２ＳＶＣの出力情報を取得し、第２ＳＶＣが第１ＳＶＣの出力情報を取得する。第１ＳＶＣは、自端の出力情報と、隣接ＳＶＣとなる第２ＳＶＣの出力情報とに基づいて平均化処理を実施し、この平均化処理の演算結果を基に自端出力を協調制御する。同様にして、第２ＳＶＣは、自端の出力情報と、隣接ＳＶＣとなる第１ＳＶＣの出力情報とに基づいて平均化処理を実施し、この平均化処理の演算結果を基に自端出力を協調制御する。従って、第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣの両方にて出力（制御量）を均すように動作し、図７で示した状態に比べて第２ＳＶＣの出力が減少する。上記動作を繰り返すことで、第１ＳＶＣだけでなく、さらに負荷側の第２ＳＶＣの出力を低減させることができ、各ＳＶＣの出力余力を確保した状態にすることができる。

図９は、隣接ＳＶＣ同士における協調動作のフロー図である。第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣは、自端に対して隣接ＳＶＣとなる互いの出力情報を通信周期毎に取得する（ステップＳ１）。第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣは、自端の出力情報を取得する（ステップＳ２）。第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣは、ステップＳ１で取得した隣接ＳＶＣの出力情報と、ステップＳ２で取得した自端の出力情報とを平均化処理した平均値を演算する（ステップＳ３）。第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣは、演算した平均値に基づき、自端の電圧指令値をどの程度変更すべきか計算して決定する（ステップＳ４）。ステップＳ４で決定した電圧指令値変更量は、演算した平均値と自端の出力情報との偏差を積分制御によって電圧量へ換算したものである。ここで、第１ＳＶＣ及び第２ＳＶＣにおける設置点電圧を取得し、かかる設置点電圧が適正範囲から逸脱しないか判断する（ステップＳ５）。設置点電圧が適正範囲から逸脱しないと判断した場合は、自端の現在の電圧指令値に、ステップＳ４で計算した電圧指令値変更量を加算し、新たな電圧指令値に変更する（ステップＳ６）。一方、ステップＳ５において、設置点電圧が適正範囲から逸脱すると判断した場合は、電圧指令値を変更することなくステップＳ１の処理へ移行する（ステップＳ７）。

なお、上記実施の形態において、直列型電圧調整装置として連続型直列型電圧調整装置となるＳＳＳＣを例に説明したが、それ以外の連続型直列型電圧調整装置として統合電力潮流制御装置（ＵＰＦＣ：Unined Power Fiow Controller）に対しても同様に適用できる。 また、直列型電圧調整装置としては、ステップ型直列型電圧調整装置を適用してもよく、例えば、自動電圧調整器（ＳＶＲ：Step Voltage Regulator）やサイリスタ式自動電圧調整装置（ＴＶＲ：Thyristor Voltage Regulator）を同様に適用できる。

また、上記のように協調動作する隣接ＳＶＣ同士において、何れか一方のＳＶＣで図４や図５で示す制御を実施して出力指令値や電圧指令値を演算し、その演算結果を何れか他方の両方ＳＶＣで入力して動作を制御するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、第１ＳＶＣ１５と第２ＳＶＣ１６との間の電気的なインピーダンスが他のＳＶＣと比べて最小になる関係としたが、最小に限定されるものでなく任意に設定してもよい。更に、配電線路１３に対して並列に３台以上のＳＶＣが接続される場合、ＳＳＳＣ１４から負荷側に向かって対になる隣接ＳＶＣが順に上記協調動作を行うようになり、ＳＳＳＣ１４に複数台のＳＶＣの制御量を加担することができる。言い換えると、配電系統にて末端側となるＳＶＣの出力情報を一次側のＳＶＣを介してＳＳＳＣ１４まで伝搬可能となり、ＳＳＳＣ１４に電気的に近いＳＶＣだけでなく系統末端側のＳＶＣの出力余裕を確保することができる。

１１ 定電圧電源
１２ ＬＲＴ
１３ 配電線路
１４ ＳＳＳＣ
１５ 第１ＳＶＣ
１６ 第２ＳＶＣ
１７ 需要家
１８ 太陽光発電装置
３１ 平均化処理器
３２ 加減算器
３３ 積分器
３４ 加算器
３５ 保護リミッタ

Claims (5)

1. 配電系統に並列に接続される並列型電圧調整装置であって、
   自端及び隣接機器の出力情報から、自端と隣接機器の制御量を均すように自端の出力指令値を変更することを特徴とする並列型電圧調整装置。
2. 自端及び前記隣接機器が出力する無効電力の出力情報の平均または重み付き平均を用いて、自端の出力指令値を変更することを特徴とする請求項１に記載の並列型電圧調整装置。
3. 前記請求項１または請求項２に記載された並列型電圧調整装置を複数有しているとともに、直列型電圧調整装置を含んで構成され、
   前記直列型電圧調整装置に前記並列型電圧調整装置の制御量を加担させることを特徴とする電圧調整システム。
4. 前記直列型電圧調整装置は連続型電圧調整機器であることを特徴とする請求項３に記載の電圧調整システム。
5. 前記並列型電圧調整装置が３台以上接続されている請求項３または請求項４に記載の電圧調整システム。
   

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