JP2018023263A - 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】実施形態の電圧補償装置は、挿入された前記電力系統の一方に接続される第１〜第３端子と、前記電力系統の他方に接続される第４〜第６端子と、前記第１端子〜前記第６端子の間に直列に一次側がそれぞれ接続された第１〜第３変圧器と、自己消弧型のスイッチング素子を有し前記電力系統の周波数よりも高い周波数で動作する電力変換回路を含む第１電力変換器と、前記第１端子の側の前記電力系統の電圧である第１電圧、または、前記第４端子の側の前記電力系統の電圧である第２電圧と、目標電圧と、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。【選択図】図２

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許容範囲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、電力系統に直列に挿入されて、前記電力系統の電圧を補償する。電圧補償装置は、挿入された前記電力系統の一方に接続される第１端子、第２端子および第３端子と、前記電力系統の他方に接続される第４端子、第５端子および第６端子と、前記第１端子と前記第４端子との間に直列に一次側が接続された第１変圧器と、前記第２端子と前記第５端子との間に直列に一次側が接続された第２変圧器と、前記第３端子と前記第６端子との間に直列に一次側が接続された第３変圧器と、自己消弧型のスイッチング素子を有し、前記電力系統の周波数よりも高い周波数でスイッチング動作する電力変換回路を含み、前記第１変圧器、前記第２変圧器および前記第３変圧器のそれぞれの二次側に出力が接続された第１電力変換器と、前記第１端子の側における前記電力系統の電圧である第１電圧または前記第４端子の側における前記電力系統の電圧である第２電圧と、目標となる電圧である目標電圧と、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生成する制御部と、を備える。前記制御部は、選択信号によって前記第１電圧または前記第２電圧のうちのいずれか一方の電圧を入力し、前記一方の電圧を、前記一方の電圧の位相に同期して回転座標変換して、第１成分および前記第１成分に直交する第２成分を出力する第１座標変換部と、前記第１成分と前記目標電圧に応じて設定された前記第１成分の目標値との第１偏差、および、前記第２成分と前記第２成分の目標値との第２偏差をそれぞれ入力して、前記一方の電圧の位相に同期して回転座標逆変換する第２座標変換部と、を含む。

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。 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。 図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第２の実施形態の電圧補償装置の動作例を説明するための概念図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、第２の実施形態の電圧補償装置の動作例を説明するための概念図である。 図９（ａ）〜図９（ｄ）は、第２の実施形態の電圧補償装置の動作例を説明するための概念図である。 第３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。 第４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。 図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、第４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。 図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、第４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５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５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。 第５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５の実施形態の変形例の電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。

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および図３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７１〜７４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、一方の側を仮の電源端６と呼び、他方の側を仮の負荷端７と呼ぶこととする。便宜上、仮の電源端６の各相を、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相と呼び、仮の負荷端７の各相をｕ相、ｖ相およびｗ相と呼ぶこととする。電力系統において、Ｕ相およびｕ相は同じ相であり、Ｖ相およびｖ相は同じ相であり、Ｗ相およびｗ相は同じ相である。電圧補償装置１は、仮の電源端６において、Ｕ相に端子２ａで接続され、Ｖ相に端子２ｂで接続され、Ｗ相に端子２ｃで接続される。電圧補償装置１は、仮の負荷端７において、ｕ相に端子３ａで接続され、ｖ相に端子３ｂで接続され、ｗ相に端子３ｃで接続される。

本実施形態では、仮の電源端６および仮の負荷端７のうちいずれか一方を、変電所方向に決定した後、電圧補償装置１は、各相の電圧を補償する。電圧補償装置１は、仮の電源端６が変電所方向である場合には、仮の電源端６の電圧が、目標値または目標の範囲に対してどれくらい高いかまたは低いかを検出し、仮の負荷端７の電圧が目標値または目標の範囲内となるように補償する。電圧補償装置１は、仮の負荷端７が変電所方向である場合には、仮の負荷端７の電圧が、目標値または目標の範囲に対してどれくらい高いか低いかを検出し、仮の電源端６の電圧が目標値または目標の範囲内となるように補償する。

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、端子２ａと端子３ａとの間に接続されており、電力系統に直列に接続されている。直列変圧器１３の一次巻線１３ｐは、端子２ｂと端子３ｂとの間に接続されており、電力系統に直列に接続されている。直列変圧器１５の一次巻線１５ｐは、端子２ｃと端子３ｃとの間に接続されており、電力系統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、高圧直流端子２１ａと低圧直流端子２１ｂとの間に接続されている。高圧直流端子２１ａおよび低圧直流端子２１ｂには、直流リンク用のコンデンサ２４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端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃを含む。交流端子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、高圧直流端子２１ａと低圧直流端子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。

直流リンク用のコンデンサ２４は、第１電力変換器２０に直流電力を供給する。このコンデンサ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、後述する他の実施形態の場合のように、コンデンサ２４は、第２電力変換器３０を介して電力系統側と無効電力のやり取りをすることがある。

第２電力変換器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、コンデンサ２４の両端にそれぞれ接続されている。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。

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、直流リンクのコンデンサ２４に供給するコンバータ装置である。より具体的には、第２電力変換器３０は、アクティブ平滑フィルタとして動作し、コンデンサ２４を介して第１電力変換器２０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装置であってもよい。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。

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。

並列変圧器４１の一次巻線４１ｐは、仮の負荷端７において、Ｕ相およびＶ相の線間に接続されている。並列変圧器４２の一次巻線４２ｐは、仮の負荷端７において、Ｖ相およびＷ相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。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、仮の電源端６の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７３，７４は、仮の負荷端７の側に接続されている。交流電圧検出器７３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７４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７１〜７４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７１〜７４は、仮の電源端６および仮の負荷端７のそれぞれの線間電圧を検出して、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〜ＶＡＣ４に変換して出力する。

直流電圧検出器７５は、コンデンサ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。

制御部８０は、交流電圧データＶＡＣ１〜ＶＡＣ４、電流データＩＬ１，ＩＬ２および直流電圧データＶＤＣを入力し、これらにもとづいてゲート駆動信号Ｖｇ１，Ｖｇ２を生成し、第１電力変換器２０および第２電力変換器３０のスイッチング素子を駆動する。

後に詳述するように、制御部８０は、仮の電源端６または仮の負荷端７のいずれか一方が実際の変電所に接続されるように、変電所方向信号Ｄｓｓを入力する。

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Ｖｇ１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Ｖｇ２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９１，９２と、スイッチ９３と、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４と、ＰＬＬ９５と、加減算器９６，９７と、ｄｑ−ａｂｃ変換回路９８と、ゲート信号生成回路９９と、を含む。

第１制御回路８１は、変電所方向信号Ｄｓｓを入力することによって、仮の電源端６の交流電圧データＶＡＣ１，ＶＡＣ２を入力するか、仮の負荷端７の交流電圧データＶＡＣ３，ＶＡＣ４を入力するかを選択する。本実施形態では、仮の電源端６または仮の負荷端７側のうちいずれかが変電所方向であるか事前に判明しているものとする。

第１制御回路８１は、選択された交流電圧データＶＡＣ１，ＶＡＣ２または交流電圧データＶＡＣ３，ＶＡＣ４にもとづいて、相ごとの補償電圧に対応する補償電圧指令を生成し、生成された補償電圧指令にもとづいてゲート駆動信号Ｖｇ１を生成する。生成されたゲート駆動信号Ｖｇ１は、第１電力変換器２０の各スイッチング素子２３ａ〜２３ｆを駆動する。

三相電圧検出回路９１は、仮の電源端６の交流電圧データＶＡＣ１，ＶＡＣ２を入力して、電力系統の各相電圧を検出する。三相電圧検出回路９１の出力は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に供給される。

三相電圧検出回路９２は、仮の負荷端７の交流電圧データＶＡＣ３，ＶＡＣ４を入力して、電力系統の各相電圧を検出する。三相電圧検出回路９１の出力は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に供給される。

スイッチ９３は、変電所方向信号Ｄｓｓにもとづいて、三相電圧検出回路９１，９２のうちのいずれか一方を選択する。選択された一方の電圧が変電所から供給されている系統電圧である。この電圧を変電所接続端系統電圧Ｖｓｓｔともいうことする。変電所接続端系統電圧Ｖｓｓｔは、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に入力される。たとえば、変電所方向信号Ｄｓｓが論理値“１”の場合には、三相電圧検出回路９１が変電所接続端の系統電圧Ｖｓｓｔをａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に接続する。変電所方向信号Ｄｓｓが論理値“０”の場合には、三相電圧検出回路９２が変電所接続端の系統電圧Ｖｓｓｔをａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に接続する。

ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４は、三相交流の各相電圧を入力して回転座標変換する。ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４は、クラーク（Clark）変換およびパーク（Park）変換を含むｄｑ変換回路であり、式（１）によって各相電圧をｄｑ変換する。式（１）のωは、変電所接続端系統電圧Ｖｓｓｔ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。

ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４は、系統電圧ｄ軸成分ｄ１および系統電圧ｑ軸成分ｑ１を出力する。これら各成分ｄ１，ｑ１は、互いに直交するベクトル量である。

出力された系統電圧ｄ軸成分ｄ１は、負荷電圧ｄ軸目標値ｄ１＊とともに加減算器９６に入力される。加減算器９６は、偏差Δｄ１（＝ｄ１＊−ｄ１）を出力し、ｄｑ−ａｂｃ変換回路９８に入力する。

出力された系統電圧ｑ軸成分ｑ１は、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊とともに加減算器９７に入力される。加減算器９７は、偏差Δｑ１（＝ｑ１＊−ｑ１）を出力し、ｄｑ−ａｂｃ変換回路９８に入力する。

本実施形態では、「系統電圧」ｄ軸成分や「系統電圧」ｑ軸成分は、変電所方向に接続された交流電圧データにもとづいて生成される。また、「負荷電圧」ｄ軸目標値や「負荷電圧」ｑ軸目標値は、実際の負荷端に出力される目標電圧の範囲にもとづいて設定される。

これらの偏差Δｄ１，Δｑ１は、各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Δｄ１，Δｑ１と呼ぶこととする。

ｄｑ−ａｂｃ変換回路９８は、逆パーク変換および逆クラーク変換を含む逆ｄｑ変換回路であり、式（２）によってｄ軸の補償量Δｄ１およびｑ軸の補償量Δｑ１をそれぞれ入力して、各相電圧の補償電圧指令を生成して出力する。

ｄｑ−ａｂｃ変換回路９８から出力された各相の補償電圧指令は、ゲート信号生成回路９９に供給される。ゲート信号生成回路９９は、ＰＷＭ回路等を含み、各相の補償電圧指令にもとづいて、ゲート駆動信号Ｖｇ１を生成する。

図３に示すように、ＰＬＬ９５は、加減算器９５ａと、ＰＩ補償器９５ｂと、加算器９５ｃと、積分器９５ｄと、を含む。加減算器９５ａは、基準電圧値０および系統電圧ｑ軸成分ｑ１の電圧値Ｖｑ１を入力して、これらの偏差を出力する。偏差は、ＰＩ補償器９５ｂによって、偏差が０になるように比例積分演算されて出力される。ＰＩ補償器９５ｂの出力は、加算器９５ｃによって、電源角周波数ω０に加算された後に、積分器９５ｄによって角度（位相）データθとして出力される。ここで、電源角周波数ω０は、変電所方向信号Ｄｓｓによって選択された真の変電所方向の電圧の角周波数である。

ＰＬＬ９５は、系統電圧ｑ軸成分ｑ１の大きさがゼロになるように同期信号として位相θのデータを生成して出力する。ＰＬＬ９５の出力は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４およびｄｑ−ａｂｃ変換回路９８に供給される。ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４およびｄｑ−ａｂｃ変換回路９８は、ＰＬＬ９５によって、変電所接続端の系統電圧Ｖｓｓｔの位相θに同期して動作する。なお、ＰＬＬ９５は、同期信号である位相θにもとづく角速度ωのデータを出力することができる。

電圧補償方向決定回路１０５は、変電所方向信号Ｄｓｓが入力される。電圧補償方向決定回路１０５は、実際の変電所方向に応じて、補償する電圧の極性を切り替える信号を出力する。たとえば、変電所方向信号Ｄｓｓが論理値“１”の場合には、「１」を出力する。変電所方向信号Ｄｓｓが論理値“０”の場合には、「−１」を出力する。

電圧補償方向決定回路１０５の出力は、乗算器１０６に接続されている。乗算器１０６は、各相に対応した補償電圧指令を入力する。たとえば、乗算器１０６は、各相の補償電圧指令に対して、「１」を乗じて出力する。実際の変電所方向に応じて、補償電圧指令の極性を反転する場合には、「−１」を乗じて出力する。乗算器１０６は、各相の極性を含めた電圧補償指令をゲート信号生成回路９９に供給する。

第２制御回路８２は、たとえば交流電流制御回路１００を含む。交流電流制御回路１００は、たとえば、直流電圧データＶＤＣと、あらかじめ設定される直流電圧指令値ＶＤＣ＊との差分、および電流データＩＬ１，ＩＬ２にもとづいて有効電流指令値を生成する。交流電流制御回路１００は、生成した有効電流指令値にしたがって、第２電力変換器３０の交流電流を制御して、コンデンサ２４に流入する電力を操作する指令値を生成する。ゲート信号生成回路１０１は、生成された指令値にしたがって、ゲート駆動信号Ｖｇ２を生成する。

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では、仮の電源端６および仮の負荷端７のうちいずれか一方が変電所方向に設定されている。電力を供給する変電所は、インピーダンスの低い電圧源としてふるまうので、電圧補償装置１から見た場合、変電所側のインピーダンスは、負荷側のインピーダンスに比べて十分低い。電圧補償装置１は、変電所側の電圧を基準にして、負荷側の電圧を補償する。

本実施形態の場合には、変電所方向があらかじめ判明しているので、その方向に合わせて、変電所方向信号Ｄｓｓを供給する。たとえば、仮の電源端６が変電所方向である場合には、変電所方向信号Ｄｓｓを論理値“１”に設定して、スイッチ９３によって三相電圧検出回路９１の出力を選択する。電圧補償装置１は、交流電圧データＶＡＣ１，ＶＡＣ２を用いて、仮の負荷端７の電圧を補償する。

仮の電源端６の電圧が、目標値または目標の電圧範囲（以下、目標値等という。）よりも低い場合には、電圧補償装置１は、仮の負荷端７の電圧が目標値等となるように、直列変圧器を介して仮の電源端６の電圧に補償電圧を加算する。本実施形態の電圧補償装置１では、第１電力変換器２０は、直列変圧器１１，１３，１５を介して、電力系統の各相電圧に補償電圧を加算する。

仮の電源端６の電圧が、目標値等よりも高い場合には、電圧補償装置１は、仮の負荷端７の電圧が、目標値等となるように、直列変圧器を介して仮の電源端６の電圧から補償電圧を減算する。補償電圧を減算することは、仮の電源端６の電圧とは１８０°位相が異なる位相を有する補償電圧を加算することを意味する。なお、上述の変電所方向信号Ｄｓｓの設定値は一例である。異なる論理値を割り当ててもよいし、論理値でなくアナログ値を設定してももちろんよい。

仮の負荷端７が変電所方向である場合には、変電所方向信号Ｄｓｓを論理値“０”に設定して、スイッチ９３によって三相電圧検出回路９２の出力を選択する。電圧補償装置１は、交流電圧検出器７３，７４によって検出された交流電圧データＶＡＣ３，ＶＡＣ４を用いて、仮の電源端６の電圧を補償する。

仮の負荷端７の電圧が目標値等よりも低い場合には、電圧補償装置１は、仮の電源端６の電圧が目標値等となるように、直列変圧器を介して仮の負荷端７の電圧に補償電圧を加算する。

仮の負荷端７の電圧が、目標値等よりも高い場合には、電圧補償装置１は、仮の電源端６の電圧が目標値等となるように、直列変圧器を介して仮の負荷端７の電圧に、仮の負荷端７の電圧と１８０°位相の異なる補償電圧を加算する。

補償電圧の生成に関してより詳細に説明する。
三相電圧検出回路９１，９２のいずれか一方から出力された変電所方向の電圧は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に入力される。ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４は、系統電圧ｄ軸成分ｄ１および系統電圧ｑ軸成分ｑ１を出力する。

系統電圧ｄ軸成分ｄ１は、負荷電圧ｄ軸目標値ｄ１＊とともに加減算器９６に入力される。加減算器９６は、系統電圧ｄ軸成分ｄ１および負荷電圧ｄ軸目標値ｄ１＊の偏差である補償量Δｄ１を出力する。

系統電圧ｑ軸成分ｑ１は、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊とともに加減算器９７に入力される。加減算器９７は、系統電圧ｑ軸成分ｑ１および負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊の偏差である補償量Δｑ１を出力する。

三相電圧をｄｑ変換した場合には、ｑ軸成分は、ｄ軸成分に直交する電圧成分として生成される。本実施形態では変電所方向はあらかじめ判明しているため、系統電圧ｑ軸目標値ｑ１＊は０としてよい。ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４およびｄｑ−ａｂｃ変換回路９８は、ＰＬＬ９５によってｑ１＝０となるように同期して動作するので、ｑ１＊＝０とした場合には、加減算器９７の出力も０である。

なお、系統電圧ｑ軸目標値ｑ１＊を０でない値に設定することによって、後述する他の実施形態において、変電所方向の電圧が目標値等にある場合を含めて、変電所方向を判別することができる。

加減算器９６が出力する補償量Δｄ１は、変電所方向の電圧の目標値に対する偏差を表しており、第１制御回路８１は、補償量Δｄ１にもとづいて補償電圧指令を生成し、補償量Δｄ１に応じた補償電圧を出力するようにゲート駆動信号Ｖｇ１を生成する。

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４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４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である。スイッチ回路２２２ａ，２２２ｄは直列に接続されている。スイッチ回路２２２ｃ，２２２ｅは直列に接続されている。スイッチ回路２２２ｃ，２２２ｆは直列に接続されている。直列に接続された双方向スイッチ回路の接続ノードに、並列変圧器２４１の二次側が接続されている。

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の二次側に接続されている。

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、電力系統に地絡等の事故があった場合に、タップ切替回路２２０ａ，２２０ｂを保護するために動作する。

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。

このような比較例の電圧補償装置２００では、変電所がＵ相、Ｖ相およびＷ相の側に接続されていることを前提に、下流のｕ相、ｖ相およびｗ相の各相電圧を補償することとしている。そのため、送電網の切り替え等によって変電所の接続が変更された場合には、電圧補償装置２００は、電圧補償動作を行うことができない。変電所の接続方向が変更された場合には、比較例の電圧補償装置では、上流と下流のそれぞれの接続を切り替える必要があり、長時間にわたって送電を遮断することとなる。

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。

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。

比較例の電圧補償装置２００の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、変電所方向信号Ｄｓｓを入力することによって、変電所方向を、適時適切に設定することができる。そのため、電圧補償装置１は、電圧補償装置１の設置時に限らず、送電網の切り替えに応じて適切な補償電圧を出力することができる。

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〜ＶＡＣ４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、フィルタ２６を介して、第１電力変換器２０の各交流端子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。

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場合がある。

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、本実施形態の場合の第１制御回路８１ｂのブロック図の例が示されている。本実施形態の場合には、電圧補償装置は、変電所方向を自ら検出し、検出した変電所方向を示す変電所方向信号Ｄｓｓを生成する。そして、電圧補償装置は、自ら生成した変電所方向信号Ｄｓｓによって、変電所側の交流電圧データを入力して、負荷側の電圧を補償する。

第１制御回路８１ｂは、変電所方向信号生成回路１１０を含む。変電所方向信号生成回路１１０は、補償量Δｄ１，Δｑ１を入力して、これらにもとづいて、変電所方向を検出し、検出された変電所方向を示す変電所方向信号Ｄｓｓを生成する。生成された変電所方向信号Ｄｓｓによって、仮の電源端６および仮の負荷端７のうちいずれか一方が選択され、電圧補償装置は、選択された側の交流電圧データにもとづいて、実際の負荷側の電圧を補償する。

変電所方向信号生成回路１１０は、判別回路１１１と、初期値設定部１１２と、を含む。判別回路１１１は、加減算器９６，９７の出力に接続されている。判別回路１１１は、加減算器９６，９７から補償量Δｄ１，Δｑ１を入力して、これらにもとづいて変電所方向を判別し変電所方向信号Ｄｓｓを生成する。

初期値設定部１１２の出力は、判別回路１１１に接続されている。初期値設定部１１２は、変電所方向信号Ｄｓｓの初期値が設定されている。変電所方向信号Ｄｓｓの初期値は、電圧補償装置の起動時の変電所方向信号Ｄｓｓを設定する。たとえば、初回の起動時には、初期値設定部１１２は、仮の電源端６の交流電圧データＶＡＣ１，ＶＡＣ２を入力する変電所方向信号Ｄｓｓを生成するように判別回路１１１を設定する。初期値設定部１１２の初期値は、任意に設定されることができる。電圧補償装置の最初の起動時に、仮の負荷端７の交流電圧データＶＡＣ３，ＶＡＣ４を用いるようにしてももちろんよい。初期値設定部１１２は、任意の時点で書き換えられてもよい。たとえば、電圧補償装置が２度目以降に起動する場合には、前回判別された変電所方向を初期値とするようにしてもよい。

本実施形態の場合の変電所方向を検出して電圧補償する動作について説明する。
図７（ａ）〜図９（ｄ）は、本実施形態の電圧補償装置の動作例を説明する概念図である。
ここで説明する例では、初期値設定部１１２によって仮の電源端６が変電所方向に設定されているものとする。つまり、判別回路１１１は、仮の電源端６の交流電圧データＶＡＣ１，ＶＡＣ２によって検出された三相電圧をａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に入力するように、変電所方向信号Ｄｓｓを出力する。そして、仮の電源端６が真の変電所方向である場合には、変電所方向信号Ｄｓｓが維持される。仮の電源端６が真の変電所方向でない場合には、変電所方向信号Ｄｓｓが切り替えられる。

図７（ａ）〜図７（ｄ）では、変電所方向の電圧Ｖｓｓが目標値等よりも低いか、高い場合の電圧補償の動作が示されている。図８および図９では、変電所方向の電圧Ｖｓｓが目標値等にある場合の電圧補償の動作が示されている。

本実施形態の電圧補償装置の変電所方向の判別方法では、電圧補償装置１ｂから見た変電所ＳＳ側のインピーダンスが負荷ＤＥ側に比べて十分低いため、変電所ＳＳ側の電圧に対して補償動作を行っても、変電所ＳＳ側の電圧が変化しないことを利用する。仮の電源端６の側あるいは仮の負荷端７の側のいずれかの電圧に対して補償動作を行った場合に、電圧補償装置は、電圧補償できない側が変電所方向であり、電圧補償できた側が実際の負荷に接続されていると判定する。

この実施形態においてより具体的には、変電所方向信号生成回路１１０は、実際の負荷の側の電圧を電圧補償しようとした場合には、補償量Δｄ１が一定値に収束し、変電所側の電圧を電圧補償しようとした場合には、補償量Δｄ１’が一定値に収束せず発散して最大値で飽和することを検出する。

まず、図７（ａ）および図７（ｂ）に示される場合について説明する。図７（ａ）に示すように、電圧補償装置１ｂは、仮の電源端６の端子２ａ〜２ｃを介して変電所ＳＳに接続され、仮の負荷端７の端子３ａ〜３ｃを介して負荷ＤＥに接続されている。つまり、仮の電源端６が真の変電所方向である。

第１制御回路８１ｂのａｂｃ−ｄｑ変換回路９４には、変電所ＳＳから供給され、端子２ａ〜２ｃに印加されている電圧Ｖｓｓのデータが入力される。ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４は、電圧Ｖｓｓのデータにｄｑ変換を施して、系統電圧ｄ軸成分ｄ１および系統電圧ｑ軸成分ｑ１を出力する。ここで、系統電圧ｑ軸成分ｑ１は、ＰＬＬ９５によって０に制御される。つまり、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４は、電圧Ｖｓｓの位相に同期してｄｑ変換を行い、ｄｑ−ａｂｃ変換回路９８は、電圧Ｖｓｓの位相に同期して逆ｄｑ変換を行う。

加減算器９６は、系統電圧ｄ軸成分ｄ１および負荷電圧ｄ軸目標値ｄ１＊の偏差を補償量Δｄ１として出力する。負荷電圧ｄ軸目標値ｄ１＊は、目標となる系統電圧の範囲に対応し、これにもとづいて設定される。ここでは、負荷電圧ｄ軸目標値ｄ１＊に対応する電圧を目標電圧Ｖｒｅｆとする。

なお、「系統電圧」ｄ軸成分や「系統電圧」ｑ軸成分という場合に、「系統電圧」は、仮の電源端６の電圧の意味であり、以下説明する例では、実際の系統電圧（真の変電所側の電圧）と必ずしも一致しない場合がある。また、「負荷電圧」ｄ軸目標値や「負荷電圧」ｑ軸目標値という場合にも、「負荷電圧」は、仮の負荷端７の電圧の意味であり、実際の負荷電圧と必ずしも一致しない場合がある。

図７（ａ）〜図７（ｄ）の例では、変電所方向検出の原理を説明するために、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊は、０であるものとする。したがって、ｑ軸の補償量Δｑ１は常に０である。なお、一般には、後述するように、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊は、負荷電圧ｄ軸目標値ｄ１＊に比べて十分小さく、０ではない値に設定される。

図７（ｂ）に示すように、電圧Ｖｓｓが目標電圧Ｖｒｅｆを下回っている場合には、電圧Ｖｓｓに対応する系統電圧ｄ軸成分ｄ１は、目標電圧Ｖｒｅｆに対応する負荷電圧ｄ軸目標値ｄ１＊よりも小さい。したがって、補償量Δｄ１は正の値を有する。電圧補償装置１ｂは、補償量Δｄ１に応じて、電圧Ｖｓｓに対して正の補償電圧Ｖｃを出力する。負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥは、以下のように表される。

ＶＤＥ＝Ｖｓｓ＋Ｖｃ，Ｖｃ＞０ （３）

電圧Ｖｓｓが目標電圧Ｖｒｅｆを上回る場合には、系統電圧ｄ軸成分ｄ１は、負荷電圧ｄ軸目標値ｄ１＊よりも大きい。したがって、補償量Δｄ１は負の値を有する。電圧補償装置１ｂは、正の値を有する補償量Δｄ１に応じて、電圧Ｖｓｓに対する補償電圧−Ｖｃを出力する。補償電圧Ｖｃは負の値を有する。負荷の電圧ＶＤＥは、以下のように表される。

ＶＤＥ＝Ｖｓｓ＋Ｖｃ，Ｖｃ＜０

変電所ＳＳの側の電圧Ｖｓｓと１８０°位相の異なる補償電圧Ｖｃを生成し、電圧Ｖｓｓに加算することによって、補償電圧Ｖｃを負の値にすることができる。

次に、図７（ｃ）および図７（ｄ）に示される場合について説明する。図７（ｃ）に示すように、電圧補償装置１ｂが、仮の電源端６の端子２ａ〜２ｃを介して、負荷ＤＥに接続され、仮の負荷端７の端子３ａ〜３ｃを介して、変電所ＳＳに接続されている。つまり、仮の負荷端７が真の変電所方向である。

変電所方向信号Ｄｓｓは初期値に設定されているので、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４には、変電所ＳＳから送電されて、電圧補償装置１ｂを介して負荷ＤＥに表れている電圧ＶＤＥのデータが入力される。

ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４は、負荷ＤＥの電圧ＶＤＥのデータにｄｑ変換を施して、系統電圧ｄ軸成分ｄ１’および系統電圧ｑ軸成分ｑ１’として出力する。実際にｄｑ変換を施しているのは、負荷ＤＥの電圧ＶＤＥである。系統電圧ｑ軸成分ｑ１’は、ＰＬＬ９５によって０に制御される。つまり、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４は、電圧ＶＤＥの位相に同期してｄｑ変換を行い、ｄｑ−ａｂｃ変換回路９８は、電圧ＶＤＥの位相に同期して逆ｄｑ変換を行う。なお、以下では、上述のように、電圧補償装置が実際に変電所が接続されている接続端と反対の接続端を電源端として動作することを、電圧補償装置が変電所方向を誤認している、のようにいうことがある。

図７（ｄ）に示すように、電圧ＶＤＥが目標電圧Ｖｒｅｆを下回っている場合には、電圧ＶＤＥに対応する系統電圧ｄ軸成分ｄ１’は、目標電圧Ｖｒｅｆに対応する負荷電圧ｄ軸目標値ｄ１＊よりも小さい。したがって、補償量Δｄ１’は、正の値を有する。電圧補償装置１ｂは、補償量Δｄ１’に応じて、電圧ＶＤＥに対して正の補償電圧Ｖｃ’を出力する。

電圧補償装置１ｂは、仮の電源端６を変電所方向と誤認しているので、図の破線の矢印のように、補償電圧Ｖｃ’を当初の電圧ＶＤＥに加算するように生成する。仮の負荷端７の電圧Ｖｓｓは、以下のように表される。

Ｖｓｓ＝ＶＤＥ＋Ｖｃ’，Ｖｃ’＞０

上式において、Ｖｓｓは一定であるため、実際の負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥに補償電圧Ｖｃ’を加算しても、目標電圧Ｖｒｅｆ（＞Ｖｓｓ）に等しくすることができない。

電圧補償装置１ｂは、補償電圧Ｖｃ’を加算しても電圧Ｖｓｓが上昇しないので、より大きな補償量Δｄ１’を生成して、補償電圧Ｖｃ’を上昇させようとする。このように、電圧補償装置１ｂが正帰還動作となった場合には、補償量Δｄ１’は、一定値に収束しない。補償量Δｄ１’は、正帰還動作によって発散し、補償電圧Ｖｃ’の最大値に対応する値に達して飽和する。補償量Δｄ１，Δｄ１’および補償電圧Ｖｃ，Ｖｃ’の最大値は、第１電力変換器２０が出力することができる最大電圧によって設定される。

判別回路１１１は、補償量Δｄ１’が最大値に達したことを検出し、現在の接続状態が変電所方向を誤認していることを判別することができる。つまり、判別回路１１１は、仮の負荷端７の端子３ａ〜３ｃに変電所ＳＳが接続されていることを検出することができる。判別回路１１１は、仮の負荷端７の交流電圧データＶＡＣ３，ＶＡＣ４を用いるように、スイッチ９３を切り替える変電所方向信号Ｄｓｓを生成する。

電圧Ｖｓｓが目標電圧Ｖｒｅｆを下回る場合には、補償量Δｄ１は正の値を有する。電圧補償装置１ｂは、正の値を有する補償量Δｄ１を打ち消すように、電圧Ｖｓｓに対する補償電圧Ｖｃ’を出力する。補償電圧Ｖｃ’は負の値を有する。負荷の電圧ＶＤＥは、以下のように表される。

ＶＤＥ＝Ｖｓｓ＋Ｖｃ’，Ｖｃ’＜０

Ｖｃ＞０の場合と同様に、電圧補償装置１ｂは、補償することができない電圧Ｖｓｓを補償するために、より絶対値の大きい補償量Δｄ１’を生成する。補償量Δｄ１’は、正帰還動作によって、最大値に達する。判別回路１１１は、変電所方向を誤認していると判断し、スイッチ９３を切り替える変電所方向信号Ｄｓｓを生成する。

上述では、電力系統の電圧が目標値等よりも低い場合や高い場合について説明した。しかし、電力系統の電圧が目標値等にある場合には、補償量Δｄ１は０になるので、電圧補償装置は電圧補償を行わず、変電所方向を判別することもできない。そのような場合であっても、本実施形態の電圧補償装置では、変電所方向を判別するために、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊を用いる。

まず、図７（ａ）のように、仮の電源端６と実際の変電所方向が一致している場合について説明する。図８（ａ）に示すように、目標電圧Ｖｒｅｆと変電所ＳＳ側の電圧Ｖｓｓの大きさが一致している場合には、補償量Δｄ１は０となる。

第１制御回路８１ｂは、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊から、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４から出力された系統電圧ｑ軸成分ｑ１を差し引いて、補償量Δｑ１を生成する。系統電圧ｑ軸成分ｑ１は、ＰＬＬ９５によって０に制御されるので、補償量Δｑ１は、ｑ１＊となる。

補償量Δｄ１に対応する補償電圧をＶｃとした場合に、補償量Δｑ１は、補償電圧Ｖｃに直交する電圧Ｖｃｑに対応する。そこで、式（３）の電圧をそれぞれベクトルとすると、式（４）のようになる。なお、この例では、Ｖｃ＝０だが、より一般的には、式（４）の右辺にベクトルとしてのＶｃを加算してよい。

図８（ｂ）は、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊が注入された後の各部の電圧ベクトルの関係を示している。図８（ｂ）に示すように、変電所方向の電圧Ｖｓｓ（＝Ｖｒｅｆ）に補償電圧Ｖｃｑをベクトル加算することによって、負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥを得ることができる。補償電圧Ｖｃｑが加算されることによって、電圧ＶＤＥは電圧Ｖｓｓに対して位相差δを有し、電圧ＶＤＥの大きさは、変電所ＳＳ側の電圧Ｖｓｓの大きさよりも大きくなる。

この場合には、補償量Δｄ１，Δｑ１ともに一定である。具体的には、補償量Δｄ１は、０であり、最大値よりも小さい。したがって、判別回路１１１は、正しい変電所方向を認識しており、この変電所方向信号Ｄｓｓを維持する。

次に、図７（ｃ）のように、仮の電源端６が実際の変電所方向と一致せず、仮の負荷端７が真の変電所方向である場合について説明する。図９（ａ）に示すように、当初、目標電圧Ｖｒｅｆと負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥがｄ軸上で大きさが一致している場合には、対応する補償量Δｄ１’は０である。

図９（ｂ）〜図９（ｄ）は、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊が注入された後の各部の電圧ベクトルの関係を示している。また、図９（ｂ）〜図９（ｄ）では、実線の座標軸は、仮の負荷端７、つまり変電所方向の電圧Ｖｓｓに関するものである。一点鎖線の座標軸は、仮の電源端６、つまり実際には負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥに関するものである。負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊を注入することによって負荷ＤＥ側の座標軸が負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊に応じて回転していることを示している。破線の一部円は、負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥのｄ軸の目標電圧（目標値）の軌跡である。

図９（ｂ）に示すように、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊が入力されると、電圧補償装置１ｂは、ｑ１＊に対応する補償電圧Ｖｃｑ’を出力する。しかし、電圧補償装置１ｂは、負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥに補償電圧Ｖｃｑ’を加算して変電所ＳＳ側の電圧Ｖｓｓに一致させようとすると、電圧Ｖｓｓが一定のため、破線の目標値に対してｄ軸の値が減少する。そのため、本来発生しないはずの補償量Δｄ１’が発生し、電圧補償装置１ｂは、補償量Δｄ１’に応じた補償電圧Ｖｃ’を出力する。電圧補償装置１ｂは、補償量Δｄ１’を解消するために、より大きな補償電圧Ｖｃ’を発生しようとする（図９（ｃ））。補償量Δｄ１’は、正帰還によりさらに増大し、補償電圧Ｖｃ’の最大値に達して飽和するまで動作する（図９（ｄ））。

したがって、補償量Δｄ１’の大きさが最大値に達した場合には、変電所方向信号生成回路１１０は、変電所方向が仮の電源端６でなく、仮の負荷端７であると判定する。判別回路１１１は、交流電圧データＶＡＣ３，ＶＡＣ４をａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に入力するように、スイッチ９３を切り替えるように変電所方向信号Ｄｓｓを生成する。

上述では、説明の便宜上、変電所方向の電圧Ｖｓｓまたは負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥが、目標電圧Ｖｒｅｆと等しい（または目標電圧の範囲内）か否かによって区別して説明した。本実施形態の電圧補償装置１ｂでは、いずれの場合であっても、目標値ｄ１＊，ｑ１＊を入力して、補償量Δｄ１の大きさを判別することによって変電所方向を検出し、検出された変電所方向の電圧を基準にして、負荷ＤＥ側の電圧を適切に補償することができる。

また、本実施形態の電圧補償装置１ｂでは、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊を注入することによって、仮の電源端６の電圧と仮の負荷端７の電圧との間に位相差δを生じさせることができる。そのため、後述する効果において説明するように、仮の負荷端７に出力制限機能付きのパワーコンディショナが連系された場合であっても、変電所方向を正確に検出することができる。

本実施形態の電圧補償装置の作用および効果について説明する。
電圧補償装置１ｂは、変電所と負荷との間で、電圧が低下している箇所に挿入される。たとえば、電圧補償装置１ｂは、最初に設置される場合には、変電所方向が判明していることが多く、作業指示書等によって変電所方向に指示されている側を仮の電源端６とすることになんら問題はない。このような場合には、第１の実施形態の電圧補償装置１のように、オペレータが作業指示書にしたがって、変電所方向信号を設定することができる。

近年、電力系統の送電網は、複雑に構成されている場合があり、需要者側の電力需要に応じ、あるいは、上流の系統事故等に対応して、送電網の切り替えを適宜行うことがある。たとえば、電圧補償装置１ｂが設けられた送電線の一方の変電所から送電される場合もあり、上述の理由等で、他方の側の変電所に切り替えて送電される場合もあり、電圧補償装置は、いずれの場合にも対応する必要がある。

電圧補償装置の変電所方向信号Ｄｓｓを、電力網制御システム等を用いて、有線あるいは無線で送電網の状態に応じて切り替えることも可能だが、切り替え制御の対象が多く、広範囲に実用とするには困難もある。本実施形態の電圧補償装置１ｂでは、変電所方向信号生成回路１１０を有しているので、電圧補償装置１ｂ自身が変電所ＳＳの方向を常時あるいは適時監視することができ、変電所の方向を自動的に判別して、適切に接続することができる。したがって、特別な電力網制御システム等を導入することなく、簡便に適切な接続を得ることができ、電力系統システムの簡素化、低コスト化等実現することができる。

近年、電力系統の需要者側に太陽光発電システム等の系統に逆潮流する装置が連系されることが顕著である。このような場合であっても、本実施形態の電圧補償装置１ｂは、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊を注入することによって、変電所方向を自ら判別し、適切方向に接続することができる。

太陽光発電システムのパワーコンディショナ（Power Conditioning System、ＰＣＳ）が連系された電力系統では、逆潮流が増加するほど系統電圧が上昇する。ＰＣＳの多くは、出力制限機能を有している。ＰＣＳの出力制限機能は、系統電圧が一定以上に上昇しないように、系統電圧があらかじめ設定された電圧に達した場合に、出力を制限して逆潮流量を低下させる。

変電所側の電圧および負荷側の電圧のうちのいずれか一方の電圧を操作して電圧が変化するか否かで真の変電所方向を検出する方法では、出力制限機能を有するＰＣＳが負荷ＤＥ側に接続された場合には、変電所方向を検出することができない。具体的には、ＰＣＳの逆潮流量が増加し、出力制限機能が動作している場合に、電圧補償装置が電圧を低下させるように電圧補償動作すると、ＰＣＳは、系統電圧が低下したものと判断し、出力制限機能を解除する。そのため、ＰＣＳによる逆潮流量は増加し、負荷ＤＥ側の電圧が上昇する。つまり、ＰＣＳの出力制限機能の動作および解除により、電力系統の電圧が変化しないこととなる。

本実施形態の電圧補償装置１ｂでは、負荷電圧ｑ軸目標値ｑ１＊を注入するので、負荷ＤＥ側の電圧に変電所側の電圧に対して位相差を生じさせることができる。つまり、電圧補償装置１ｂは、負荷ＤＥ側の位相を変化させることによって、電圧ＶＤＥの大きさを変化させることができる。出力制限機能を有するＰＣＳは、位相差δを生じた電圧ＶＤＥを制御することはできないので、負荷ＤＥ側に出力制限機能を有するＰＣＳが連系されていても、電圧補償装置１ｂは、変電所方向を正確に判別することができる。

（第３の実施形態）
図１０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。
本実施形態の電圧補償装置では、変電所方向信号生成回路３１０の構成が第２の実施形態の場合と相違する。第１制御回路８１ｃは、変電所方向信号生成回路３１０を含む。変電所方向信号生成回路３１０は、スイッチ３１１と、ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３と、負荷電圧位相演算回路３１４と、判別回路３１５と、初期値設定部３１６と、を含む。

スイッチ３１１は、三相電圧検出回路９１，９２のうちのいずれか一方を選択して、ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３に接続する。スイッチ３１１は、スイッチ９３と相補的に動作する。この例では、インバータ３１２を介して変電所方向信号Ｄｓｓを入力する。すなわち、スイッチ９３が三相電圧検出回路９１を選択している場合には、スイッチ３１１は三相電圧検出回路９２を選択する。スイッチ９３が三相電圧検出回路９２を選択している場合には、スイッチ３１１は、三相電圧検出回路９１を選択する。

ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３は、三相電圧検出回路９１，９２のいずれかの出力を入力して、ｄｑ変換する。ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３は、ＰＬＬ９５により位相同期がかけられている。

負荷電圧位相演算回路３１４は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３からｄ軸成分およびｑ軸成分をそれぞれ入力する。負荷電圧位相演算回路３１４は、入力されたｄ軸成分およびｑ軸成分に位相差が生じたか否かを計算する。計算された結果は、判別回路３１５に入力され、仮の電源端６が真の変電所方向であるか否かを判別する。初期値設定部３１６は、第２の実施形態の場合と同様に変電所方向の初期値を設定する。

本実施形態の電圧補償装置の動作について説明する。
本実施形態の電圧補償装置の変電所方向信号生成回路３１０のａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に真の変電所方向の電圧が入力されているときには、負荷側の電圧が入力される。このとき、ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３は、負荷側の電圧の同相成分およびその電圧の直交成分を出力する。ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３は、変電所方向の電圧の位相に同期して動作している。そのため、負荷側の同相電圧は、変電所方向の電圧から、補償量Δｑ１によって生成される位相差δを生ずる。

負荷電圧位相演算回路３１４では、負荷側の電圧の位相が、補償量Δｑ１によって生成された位相差δを含むか否かを計算する。負荷側の電圧の位相から位相差δを抽出できた場合には、正しい位相差を検出した旨の信号を出力する。

判別回路３１５は、正しい位相差である旨の信号を入力することによって、真の変電所方向に接続されているものと判別し、スイッチ９３，３１１に対して接続を維持する信号を生成する。

一方、電圧補償装置が変電所方向を誤認している場合には、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に、負荷側の電圧が入力され、変電所方向信号生成回路３１０のａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３には、変電所方向の電圧が入力されている。第１の実施形態の場合と同様に、変電所方向の電圧は、負荷側の電圧によっては変動せず、負荷側の電圧による位相差を生ずることはない。そのため、ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３が出力する電圧の位相は、補償量Δｄ１，Δｑ１によって生成される位相差δに等しくならない。そのため、負荷電圧位相演算回路３１４は、正しい位相差ではない旨の信号を出力する。

判別回路３１５は、正しい位相差でない旨の信号によって、スイッチ９３，３１１に対して接続を切り替える信号を生成する。スイッチ９３，３１１の接続が切り替えられたことによって、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４には、真の変電所方向の電圧が入力され、上述した動作にしたがって、動作する。

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、上述の他の実施形態の場合と同様の効果を生ずる。また、出力制限機能付きのＰＣＳが負荷側に連系された場合であっても、負荷電圧同相成分および負荷電圧直交成分の変電所側の電圧に対する位相差δを検出することによって、真の変電所方向を正確に検出することができる。本実施形態の電圧補償装置では、出力の飽和を検出する必要がないので、より迅速に変電所方向を判別することができる。

（第４の実施形態）
図１１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。
本実施形態の場合には、接続判別のために、電源の周波数変化を検出する。
図１１に示すように、第１制御回路８１ｄは、変電所方向信号生成回路４１０を含む。本実施形態の電圧補償装置では、変電所方向信号生成回路４１０の構成が、他の実施形態の場合と異なる。本実施形態の場合には、変電所方向信号生成回路４１０は、ＰＬＬ４１４と、微分器４１５，４１６と、を含む点で第３の実施形態の場合と相違する。他の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

スイッチ３１１、インバータ３１２およびａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３は、第３の実施形態の場合と同一である。ただし、ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３は、出力に接続されたＰＬＬ４１４から出力される位相θ２に同期して動作する。ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４は、出力に接続されたＰＬＬ９５から出力される位相θ１に同期して動作する。つまり、変電所方向信号生成回路４１０のａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３は、電圧補償装置が真の変電所方向に接続されている場合には、負荷側の電圧に同期して動作する。変電所方向信号生成回路４１０のａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３は、電圧補償装置が負荷側に接続されている場合には、変電所方向の電圧の位相に同期して動作する。

ＰＬＬ４１４は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３の直交成分側の出力に接続されている。つまり、ＰＬＬ４１４は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３が直交成分側の出力を０にするように動作する。

ＰＬＬ９５，４１４は、上述した図３の構成を有する。ＰＬＬ９５，４１４は、角度（位相）データとともに、角速度データを出力することができる。ＰＬＬ９５の角速度データω１のデータ出力は、微分器４１５に接続されている。ＰＬＬ４１４の角速度ω２のデータ出力は、微分器４１６に接続されている。つまり、ＰＬＬ９５，４１４が出力する角速度ω１，ω２のデータは、微分器４１５，４１６によってそれぞれ微分されて判別回路４１７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１２（ａ）〜図１３（ｂ）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。
図１２（ａ）および図１２（ｂ）には、電圧補償装置が変電所方向を正しく認識している場合の例を示している。図１３（ａ）および図１３（ｂ）には、電圧補償装置が変電所方向を間違って認識している場合を示している。以下、いずれの場合についても、変電所方向の電圧Ｖｓｓは、許容される範囲内にあるが、電圧Ｖｓｓが許容範囲外の場合については、第２の実施形態の場合において説明したことと同様である。

まず、電圧補償装置が変電所方向を正しく認識している場合について説明する。
図１２（ａ）に示すように、変電所方向の電圧Ｖｓｓが許容範囲内の場合には、正相電圧成分では、電圧の補償を行わない。

図１２（ｂ）に示すように、負荷ＤＥ側にｑ軸成分の目標値ｑ１＊を注入することによって、負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥの位相が変化する。そのため、ＰＬＬ４１４は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３の直交成分出力を０にするように動作するので、当初変電所ＳＳ側の電圧Ｖｓｓの角速度ω１（＝１／角周波数）で動作していたものが、負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥの角速度ω２に一致するようにする。つまり、負荷ＤＥ側の電圧の周波数が変化する。

判別回路４１７は、変電所ＳＳ側の電圧Ｖｓｓの周波数変化および負荷ＤＥ側の電圧ＶＤＥの周波数変化を入力し、電圧ＶＤＥの周波数変化が、電圧Ｖｓｓの周波数変化よりも大きい場合には、変電所方向が正しく認識されていると判断する。

電圧補償装置が変電所方向を正しく認識していない場合について説明する。
図１３（ａ）に示すように、変電所ＳＳの方向と認識している負荷ＤＥ側の電圧が許容範囲内のときには、正相電圧成分では、電圧の補償が行われない。

図１３（ｂ）に示すように、ｑ軸に目標値ｑ１＊が注入されると、目標値ｑ１＊が注入された側は、実際には変電所ＳＳ側のため、位相変化を生じることがない。それに対して、目標値ｑ１＊を注入している負荷ＤＥ側では、目標値ｑ１＊によって位相変化を生じる。

このため、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４に接続されたＰＬＬ９５から出力される成分は、周波数変化を生じる。

したがって、ａｂｃ−ｄｑ変換回路９４側のＰＬＬ９５から出力された信号の周波数変化が、ａｂｃ−ｄｑ変換回路３１３側のＰＬＬ４１４から出力された信号の周波数変化よりも大きい場合には、変電所方向を誤認していると判定することができる。

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、上述した各実施形態の場合と同様の効果に加え、さらに以下の効果を奏する。すなわち、本実施形態の電圧補償装置では、変電所ＳＳ側および負荷ＤＥ側の双方の電圧Ｖｓｓ，ＶＤＥの周波数を検出し、その周波数変化に応じて、真の変電所方向を判別することができる。したがって、電力系統に位相、周波数乱れ等が生じても、正しく真の変電所方向を判別することができる。

また、本実施形態の場合には、ｑ軸目標値の注入後の過渡的状態において、変電所方向を判別するので、迅速な判別結果を得ることができる。

（第５の実施形態）
図１４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１５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。
本実施形態の電圧補償装置では、第２電力変換器３０を無効電力補償装置として動作させて、無効電力が注入された方向を検出することによって、変電所方向を判別する。変電所は、定電圧電源として振る舞うので、インピーダンスが低い。そのため、電力系統に注入された無効電力にもとづく電流（以下、無効電流ともいう。）は変電所方向に流れる。本実施形態では、変電所の側の電圧が無効電力を注入し、電力系統に流れる電流の変化の有無を検出することによって変電所方向を検出する。

なお、この実施形態の場合には、仮の電源端６側および仮の負荷端７側のそれぞれの電圧は、目標値等にあるものとする。

図１４に示すように、本実施形態の電圧補償装置１ｅは、電圧補償部１０ｅを備える。電圧補償部１０ｅは、電流検出器６３，６４を含む。電流検出器６３は、直列変圧器１１と仮の負荷端７の端子３ａとの間に接続されている。電流検出器６４は、直列変圧器１５と仮の負荷端７の端子３ｃとの間に接続されている。電流検出器６３，６４は、この例では、電力系統のＵ相およびＷ相の線電流を検出するように接続されている。

本実施形態の電圧補償装置１ｅでは、第２電力変換器３０を動作させて無効電力を電力系統に注入した場合に、電流検出器６３，６４によって検出された電流にもとづいて計算される無効電力が無効電力注入によって変化したか否かを検出することによって、真の変電所方向を判別する。

電圧補償装置１ｅは、制御部８０ｅを備える。図１５に示すように、制御部８０ｅは、第１制御回路８１ｅと第２制御回路８２ｅとを含む。

図１５は、制御部８０ｅを例示するブロック図であり、第２制御回路８２ｅの詳細な構成を例示するブロック図である。図１５では、第１制御回路８１ｅの一部が示されている。図１５に示されているａｂｃ−ｄｑ変換回路９４およびａｂｃ−ｄｑ変換回路９４の出力以降は、上述の他の実施形態の場合と同様であり図示が省略されている。

第２制御回路８２ｅは、変電所方向信号生成回路５１０と、交流電流制御回路５５０と、を含む。

変電所方向信号生成回路５１０は、三相電流検出回路５１１と、スイッチ５１６ａ，５１６ｂ，５１９ａ，５１９ｂと、無効電力演算回路５２０，５２１と、判別回路５２２と、初期値設定部５２３と、を含む。

まず、交流電流制御回路５５０の構成から説明する。交流電流制御回路５５０は、三相電圧検出回路５５１と、係数器５５２と、ａｂｃ−ｄｑ変換回路５５３と、ＰＬＬ５５４と、加算器５５５，５５６と、ｄｑ−ａｂｃ変換回路５５７と、ゲート信号生成回路５５８と、三相電流検出回路５５９と、ａｂｃ−ｄｑ変換回路５６０と、加減算器５６１，５６２と、ＰＩ補償器５６３，５６４と、を含む。

交流電流制御回路５５０は、並列変圧器４１，４２の二次側の電圧、各相の線電流、有効電流指令値Ｉｐ＊および無効電流指令値Ｉｑ＊にもとづいて、電力系統に注入する有効電力および無効電流を制御するためのゲート駆動信号Ｖｇ２を生成する。

三相電圧検出回路５５１は、仮の負荷端７の側の交流電圧データＶＡＣ３，ＶＡＣ４を入力し、各相電圧を検出する。検出された各相電圧は、係数器５５２を介してａｂｃ−ｄｑ変換回路５５３に入力される。係数器５５２の係数は、１／Ｎに設定されている。ここで、Ｎは、並列変圧器４１，４２の巻数比である。ａｂｃ−ｄｑ変換回路５５３は、並列変圧器４１，４２の二次側各相の交流電圧をｄｑ変換して出力する。ａｂｃ−ｄｑ変換回路５５３から出力されるｑ軸成分は、ＰＬＬ５５４に入力され、ＰＬＬは、ｑ軸成分をゼロにするように動作する。つまり、ａｂｃ−ｄｑ変換回路５５３は、ＰＬＬ５５４によって、仮の負荷端７側の電圧の位相に同期して動作する。ｄｑ−ａｂｃ変換回路５５７もＰＬＬ５５４によって仮の負荷端７側の電圧の位相に同期して動作する。

三相電流検出回路５５９は、電流検出器６１，６２によって検出されたインダクタ５１，５２に流れる電流の電流データＩＬ１，ＩＬ２を入力して、並列変圧器４１，４２の二次側の線電流を検出する。検出された各相の線電流は、ａｂｃ−ｄｑ変換回路５６０に入力される。

ａｂｃ−ｄｑ変換回路５６０は、並列変圧器４１，４２の二次側の線電流をｄｑ変換して出力する。ｄｑ変換後のｄ軸成分は、有効電流指令値Ｉｐ＊とともに、加減算器５６１に入力される。ｄｑ変換後のｑ軸成分は、無効電流指令値Ｉｑ＊とともに、加減算器５６２に入力される。加減算器５６１，５６２は、ｄ軸成分およびｑ軸成分の偏差をそれぞれ出力する。

ｄ軸成分およびｑ軸成分のそれぞれの偏差は、ＰＩ補償器５６３，５６４に入力され、ＰＩ補償器５６３，５６４は、それぞれの偏差を比例積分演算して、それぞれの偏差がゼロにちかづくように補償量を出力する。

ＰＩ補償器５６３，５６４から出力された補償量は、加算器５５５，５５６によって並列変圧器４１，４２の二次側の各相電圧のｄ軸成分およびｑ軸成分に加算されて、ｄｑ−ａｂｃ変換回路５５７に入力される。ｄｑ−ａｂｃ変換回路５５７は、有効電力および無効電力のための指令値を生成してゲート信号生成回路５５８に供給する。

上述の交流電流制御回路５５０は、無効電力補償のための周知の構成であり、上述に限らず他の周知の構成とすることができる。

次に、変電所方向信号生成回路５１０の詳細な構成について説明する。三相電流検出回路５１１には、電力系統のＵ相およびＷ相の線電流の電流データＩＬ３，ＩＬ４が入力される。三相電流検出回路５１１は、Ｕ相およびＷ相の線電流のデータにもとづいて、電力系統の各相の交流電流の値を検出する。

三相電流検出回路５１１によって検出された各線電流のデータＩ０は、４つに分かれてスイッチ５１６ａ，５１６ｂの各入力に接続されている。

各線電流の１つめの電流のデータＩ０は、加減算器５１３に入力される。加減算器５１３の入力には、交流電流制御回路５５０の三相電流検出回路５５９の出力が係数器５１２を介して接続されている。係数器５１２は、係数として１／Ｎが設定されている。つまり、加減算器５１３には、並列変圧器４１，４２の一次側の電流のデータＩｑ０が入力される。スイッチ５１６ａの一方の入力端子には、加減算器５１５によって、電流のデータＩ１，Ｉｑ０の差分である電流のデータＩ１が入力される。電流のデータＩ１は、仮の電源端６側を、仮の電源端６から仮の負荷端７に向かって流れる電流を表している。

各線電流の２つめのデータＩ０は、係数器５１４を介してスイッチ５１６ａの他方の入力端子に入力される。係数器５１４の係数は、−１に設定されている。つまり、係数器５１４から出力される電流のデータＩ２は、−１×Ｉ０である。電流のデータＩ２は、仮の負荷端７側を、仮の負荷端７から仮の電源端６に向かって流れる電流を表している。

各線電流の３つめのデータＩ０は、電流のデータＩ３として、スイッチ５１６ｂの一方の入力端子に入力される。電流のデータＩ３は、仮の負荷端７側を、仮の電源端６から仮の負荷端７に向かって流れる電流を表している。

各線電流の４つめのデータＩ０は、係数器５２６に入力される。係数器５２６の係数は、−１に設定されている。係数器５２６から出力された電流のデータ（−）Ｉ０は、加減算器５１５に入力される。加減算器５１５には、電流のデータＩｑ０が入力される。スイッチ５１６ｂの他方の入力端子には、加減算器５１５によって、電流のデータＩ４として、電流のデータ（−）Ｉ０，Ｉｑ０の差分が入力される。電流のデータＩ４は、仮の電源端６側を、仮の負荷端７から仮の電源端６に向かって流れる電流を表している。

スイッチ５１６ａ，５１６ｂは、変電所方向信号Ｄｓｓによってほぼ同時に入力を切り替える。変電所方向信号Ｄｓｓによって、スイッチ５１６ａが電流のデータＩ１を選択したときには、スイッチ５１６ｂは、電流のデータＩ３を選択する。変電所方向信号Ｄｓｓによって、スイッチ５１６ａが電流のデータＩ２を選択したときには、スイッチ５１６ｂは、電流のデータＩ４を出力するように選択する。電流のデータＩ１，Ｉ３が選択されたときには、電流のデータＩ１，Ｉ３は無効電力演算回路５２０，５２１にそれぞれ供給される。電流のデータＩ２，Ｉ４が選択されたときには、電流のデータＩ２，Ｉ４は無効電流演算回路５２０，５２１にそれぞれ供給される。

スイッチ５１９ａの一方の入力端子には、三相電圧検出回路５１７の出力が接続されている。スイッチ５１９ａの他方の入力端子には、三相電圧検出回路５１８の出力が接続されている。スイッチ５１９ａの出力端子は、無効電力演算回路５２０に接続されている。スイッチ５１９ｂの一方の入力端子には、三相電圧検出回路５１７の出力が接続されている。スイッチ５１９ｂの他方の入力端子には、三相電圧検出回路５１８の出力が接続されている。スイッチ５１９ｂの出力端子は、無効電力演算回路５２１に接続されている。

スイッチ５１９ａ，５１９ｂは、スイッチ５１６ａ，５１６ｂに連動してほぼ同時に動作する。無効電力演算回路５２０には、スイッチ５１６ａによって、電流のデータＩ１が入力されるときには、スイッチ５１９ａによって、三相電圧検出回路５１７から出力される電圧のデータＶ１が入力される。無効電力演算回路５２０は、電流のデータＩ１および電圧のデータＶ１にもとづいて、無効電力Ｑ１を計算して出力する。

無効電力演算回路５２１は、スイッチ５１６ｂによって、電流のデータＩ３が入力されるときには、スイッチ５１９ｂによって、三相電圧検出回路５１８から出力される電圧のデータＶ２が入力される。無効電力演算回路５２１は、電流のデータＩ３および電圧データＶ２にもとづいて、無効電力Ｑ２を計算して出力する。

無効電力演算回路５２０は、スイッチ５１６ａによって、電流のデータＩ２が入力されるときには、スイッチ５１９ａによって、電圧のデータＶ２が入力される。無効電力演算回路５２０は、電流のデータＩ２および電圧のデータＶ２にもとづいて、無効電力Ｑ１を計算して出力する。

無効電力演算回路５２１は、スイッチ５１６ｂによって、電流のデータＩ４が入力されるときには、スイッチ５１９ｂによって、電圧のデータＶ１が入力される。無効電力演算回路５２１は、電流のデータＩ４および電圧のデータＶ１にもとづいて、無効電力Ｑ２を計算して出力する。

判別回路５２２は、無効電力演算回路５２０，５２１それぞれで計算された無効電力Ｑ１，Ｑ２を比較して、比較結果にもとづいて変電所方向信号Ｄｓｓを生成する。この例では、Ｑ１＜Ｑ２の場合に、変電所方向は正しく判別されており、Ｑ１＞Ｑ２の場合には、変電所方向が誤認されていると判別される。

なお、Ｑ１＝Ｑ２となった場合には、判別不能として、Ｑ１＜Ｑ２またはＱ１＞Ｑ２となるまで待機するようにしてもよいし、変電所方向誤認の状態であるとして、変電所方向信号Ｄｓｓを切り替えて、繰り返し判別動作を行うようにしてもよい。変電所方向信号Ｄｓｓによって選択されたスイッチ５１９ａの出力は、第１制御回路８１ｅのａｂｃ−ｄｑ変換回路９４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１６（ａ）および図１６（ｂ）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。
電力系統に流れる電流は、変電所ＳＳ側から負荷ＤＥ側に流れる。電力系統において、変電所ＳＳが接続された側のインピーダンスは、負荷ＤＥが接続された側のインピーダンスよりも低いので、第２電力変換器３０によって注入された無効電流は、並列変圧器４１，４２を介して変電所ＳＳ側に流れる。したがって、電力系統に流れる電流は、並列変圧器４１，４２から見て、変電所ＳＳの側において電流が変化し、その電流にもとづく無効電力が変化する。並列変圧器４１，４２から見て負荷ＤＥ側では、電流は変化しないので、無効電力も変化しない。

図１６（ａ）の例では、仮の電源端６の端子２ａ〜２ｃに変電所ＳＳが接続され、仮の負荷端７の端子３ａ〜３ｃに負荷ＤＥが接続されている。電流のデータＩ１は、仮の電源端６側を流れる電流を表しており、データＩ３は、仮の負荷端７側を流れる電流を表している。

無効電力演算回路５２０は、電流のデータＩ１および仮の電源端６側の電圧のデータＶ１によって無効電力Ｑ１を計算する。無効電力演算回路５２１は、電流のデータＩ３および仮の負荷端７側の電圧のデータＶ２によって無効電力Ｑ２を計算する。

仮の電源端６側に変電所ＳＳが接続され、仮の負荷端７側に負荷ＤＥが接続されている場合には、Ｉ１＜Ｉ３より、Ｑ１＜Ｑ２となるので、判別回路５２２は、現在の接続によって真の変電所方向が選択されているもの判断することができる。

図１６（ｂ）の例では、仮の負荷端７の端子３ａ〜３ｃに変電所ＳＳが接続され、仮の電源端６の端子２ａ〜２ｃに負荷ＤＥが接続されている。電流のデータＩ２は、仮の電源端６側を流れる電流を表しており、電流のデータＩ４は、仮の負荷端側を流れる電流を表している。

無効電力演算回路５２０は、電流のデータＩ２および電圧のデータＶ１によって無効電力Ｑ１を計算する。無効電力演算回路５２１は、電流のデータＩ４および電圧のデータＶ２によって無効電力Ｑ２を計算する。

この場合には、｜Ｉ２｜＞｜Ｉ４｜であるから、Ｑ１＞Ｑ２となる。したがって、判別回路５２２は、仮の負荷端７側が真の変電所方向であると判別することができる。

本実施形態の電圧補償装置では、無効電流を電力系統に注入することによって、変電所方向を判別することができるので、電圧補償動作で電力系統の電圧を変動させることなく、変電所方向を判別することができる。

上述では、仮の電源端６側および仮の負荷端７側の無効電力をそれぞれ計算して、大小関係を比較することによって、変電所方向を判別した。仮の電源端６側および仮の負荷端７側のそれぞれの電流を取得後、電流の絶対値をとる処理を行った後、電流の大きさを比較することによっても変電所方向を判別することができる。

（第５の実施形態の変形例）
図１７は、本変形例の電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。
上述の実施形態では、変電所側の無効電流、負荷側の無効電流および第２電力変換器３０から注入する無効電流の関係から電源方向を判断している。一方で、負荷側に流れる無効電流は、負荷の接続状態等によって時々刻々変化するため、上述の無効電流を比較することによっては、変電所方向を判別することが困難な場合がある。そこで、本変形例では、変電所側および負荷側の無効電流の時間変化を求めることによって、変電所方向を判別する。

本変形例では、無効電力演算回路５２０，５２１の出力に微分器５２４，５２５がそれぞれ接続されている。微分器５２４，５２５の出力が判別回路５２２に供給される。

第２電力変換器３０から無効電流注入行わない場合には、電圧補償装置の変電所側および負荷側の無効電力は等しくなるため、その変化量も等しい。ここで、第２電力変換器３０から進み無効電力を電力系統に供給した場合には、電圧補償装置の変電所側の無効電力変化量は、負荷側の無効電力変化量より大きくなる。

変電所方向を誤認している場合には、電圧補償装置から見た負荷側の無効電力の変化量が大きくなるため、変電所の方向を誤認していると判断でき、真の変電所方向を判別できる。

負荷の無効電力が変化した場合においても、変化量の大きさを比較することによって、容易に変電所方向を判別することができる。

上述の各実施形態および変形例は、１つまたは２つ以上を組み合わせて実施することができる。たとえば、第２の実施形態の第１制御回路に、第３の実施形態の第１制御回路を組み合わせてもよく、さらに第５実施形態の第２制御回路を組み合わせてもよい。

上述した各実施形態の電圧補償装置の制御部は、たとえば演算部と記憶部とを含んでもよい。演算部は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等のプログラムの各ステップに応じて動作する回路を含んでもよい。プログラムは、たとえば記憶部に格納されている。制御部の各回路および各部は、その一部または全部が記憶部等に格納されたプログラムに置き換えられてもよい。

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〜１ｃ 電圧補償装置、２ａ〜２ｃ 端子、３ａ〜３ｃ 端子、６ 仮の電源端、７ 仮の負荷端、１０，１０ａ 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 高圧直流端子、２１ｂ 低圧直流端子、２２ａ〜２２ｃ 交流端子、２３ａ〜２３ｆ スイッチング素子、２４ コンデンサ、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、６１〜６４ 電流検出器、７１〜７４ 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、９１，９２ 三相電圧検出回路、９３ スイッチ、９４ ａｂｃ−ｄｑ変換回路、９５ ＰＬＬ、９６，９７ 加減算器、９８ ｄｑ−ａｂｃ変換回路、９９ ゲート信号生成回路、１００ 交流電流制御回路、１０１ ゲート信号生成回路、１０５ 電圧補償方向決定回路、１０６ 乗算器、１１０ 変電所方向信号生成回路、１１１ 判別回路、１１２ 初期値設定部、３１０ 変電所方向信号生成回路、３１１ スイッチ、３１２ インバータ、３１３ ａｂｃ−ｄｑ変換回路、３１４ 負荷電圧位相演算回路、３１５ 判別回路、３１６ 初期値設定部、４１０ 変電所方向信号生成回路、４１４ ＰＬＬ、４１５，４１６ 微分器、４１７ 判別回路、４１８ 初期値設定部、５１０ 変電所方向信号生成回路、５１１ 三相電流検出回路、５１２，５１４ 係数器、５１３，５１５ 加減算器、５１６ａ，５１６ｂ，５１９ａ，５１９ｂ スイッチ、５１７，５１８ 三相電圧検出回路、５２０，５２１ 無効電力演算回路、５２２ 判別回路、５２３ 初期値設定部、５２４，５２５ 微分器

Claims (6)

1. 電力系統に直列に挿入されて、前記電力系統の電圧を補償する電圧補償装置であって、
   挿入された前記電力系統の一方に接続される第１端子、第２端子および第３端子と、
   前記電力系統の他方に接続される第４端子、第５端子および第６端子と、
   前記第１端子と前記第４端子との間に直列に一次側が接続された第１変圧器と、
   前記第２端子と前記第５端子との間に直列に一次側が接続された第２変圧器と、
   前記第３端子と前記第６端子との間に直列に一次側が接続された第３変圧器と、
   自己消弧型のスイッチング素子を有し、前記電力系統の周波数よりも高い周波数でスイッチング動作する電力変換回路を含み、前記第１変圧器、前記第２変圧器および前記第３変圧器のそれぞれの二次側に出力が接続された第１電力変換器と、
   前記第１端子の側における前記電力系統の電圧である第１電圧または前記第４端子の側における前記電力系統の電圧である第２電圧と、目標となる電圧である目標電圧と、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生成する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   選択信号によって前記第１電圧または前記第２電圧のうちのいずれか一方の電圧を入力し、前記一方の電圧を、前記一方の電圧の位相に同期して回転座標変換して、第１成分および前記第１成分に直交する第２成分を出力する第１座標変換部と、
   前記第１成分と前記目標電圧に応じて設定された前記第１成分の目標値との第１偏差、および、前記第２成分と前記第２成分の目標値との第２偏差をそれぞれ入力して、前記一方の電圧の位相に同期して回転座標逆変換する第２座標変換部と、
   を含む電圧補償装置。
2. 前記制御部は、前記第１偏差および前記第２偏差にもとづいて前記選択信号を生成する請求項１記載の電圧補償装置。
3. 前記制御部は、
   前記一方の電圧とは異なる他方の電圧を入力し回転座標変換して、第３成分および前記第３成分に直交する第４成分を出力する第３座標変換部と、
   前記第３成分および前記第４成分にもとづいて前記選択信号を出力する演算部と、
   を含む請求項１または２に記載の電圧補償装置。
4. 前記第２成分の目標値を入力する前後において、前記制御部は、前記一方の電圧の位相にもとづいて計測された前記一方の電圧の周波数の時間変化および前記一方の電圧とは異なる他方の電圧の位相にもとづいて計測された前記他方の電圧の周波数の時間変化にもとづいて、前記選択信号を生成する請求項１〜３のいずれか１つに記載の電圧補償装置。
5. 前記第４端子と前記第１電力変換器との間に接続された第２電力変換器と、
   前記第２電力変換器に流れる交流電流を検出する第１電流検出器と、
   前記電力系統の線電流を検出する第２電流検出器と、
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記第１電流検出器によって検出された前記交流電流および前記第２電流検出器によって検出された前記線電流にもとづいて、前記選択信号を生成する請求項１〜４のいずれか１つに記載の電圧補償装置。
6. 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１〜５のいずれか１つに記載の電圧補償装置。

Images