JP2018084882A - 無効電力補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統に注入する無効電流の高調波成分を低減する。【解決手段】無効電力補償装置１は、直流電圧を３相交流電圧に変換する複数の３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２，１０−３，１０−４と、オープン巻線構造の複数の低圧巻線３０１，３０２と、１つの高圧巻線３０３とを有する３相トランス３０と、を備え、低圧巻線３０１の両端には２つの３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２が直列に接続され、低圧巻線３０２の両端には２つの３相ＰＷＭインバータ１０−３，１０−４が直列に接続され、高圧巻線３０３は電力系統４０に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統の無効電力を制御する無効電力補償装置に関するものである。

図７に、従来の無効電力補償装置の第１の構成例を示す。図７に示す無効電力補償装置２は、３相ＰＷＭインバータ１０と、コンデンサ２０と、３相トランス３１とを備え、電力系統４０に接続される。

３相トランス３１の低圧巻線３１１はコンデンサ２０を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０の出力に接続され、高圧巻線３１２は電力系統４０に接続される。かかる構成により、３相ＰＷＭインバータ１０は、３相トランス３１を介して電力系統４０に所定の無効電流を流すことができる。

しかし、従来の無効電力補償装置２は、出力電流に大きな高調波成分が含まれる。そこで、３相ＰＷＭインバータを複数備えて、スイッチングタイミングをずらすことで高調波成分を小さくする無効電力補償装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。

図８に、従来の無効電力補償装置の第２の構成例を示す。例えば、特許文献２の図７に同様の無効電力補償装置が開示されている。図８に示す無効電力補償装置３は、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２と、コンデンサ２０−１，２０−２と、３相トランス３２とを備え、電力系統４０に接続される。

３相トランス３２のオープン巻線構造の低圧巻線３２１の一方の端子にはコンデンサ２０−１を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０−１の出力が接続され、他方の端子にはコンデンサ２０−２を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０−２の出力が接続される。３相トランス３２の高圧巻線３２２は電力系統４０に接続される。かかる構成により、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２は、３相トランス３２を介して電力系統４０に所定の無効電流を流すことができる。

無効電力補償装置３は、３相ＰＷＭインバータを２つ備えるため、３相ＰＷＭインバータ１０−１と３相ＰＷＭインバータ１０−２のスイッチングのタイミングを９０度ずらすことで、出力電流の高調波成分を低減することができる。具体的には、無効電力補償装置２と比較すると、周波数がスイッチング周波数ｆｃと、その２倍の２ｆｃと、その３倍の３ｆにおいて、無効電力補償装置２よりも高周波成分を低減することができる。特に周波数が２ｆｃの高周波成分を低減することができる。

図９に、従来の無効電力補償装置の第３の構成例を示す。例えば、特許文献１の図１、及び特許文献２の図３に同様の無効電力補償装置が開示されている。図９に示す無効電力補償装置４は、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２，１０−３，１０−４と、コンデンサ２０−１，２０−２と、３相トランス３３，３４とを備え、電力系統４０に接続される。

３相トランス３３のオープン巻線構造の低圧巻線３３１の一方の端子にはコンデンサ２０−１を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０−１の出力が接続され、他方の端子にはコンデンサ２０−２を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０−２の出力が接続される。３相トランス３４のオープン巻線構造の低圧巻線３４１の一方の端子にはコンデンサ２０−１を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０−３の出力が接続され、他方の端子にはコンデンサ２０−２を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０−４の出力が接続される。また、３相トランス３３のオープン巻線構造の高圧巻線３３２の一方の端子は電力系統４０に接続され、他方の端子は３相トランス３４の高圧巻線３４２に接続される。

かかる構成により、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２，１０−３，１０−４は、３相トランス３３，３４を介して電力系統４０に所定の無効電流を流すことができる。無効電力補償装置４は、無効電力補償装置２の４倍、無効電力補償装置３の２倍の数の３相ＰＷＭインバータを使用しているので、出力電流の高調波成分をより小さくできる可能性がある。

特開平７−２２２４５５号公報 特開２０１０−８８１６２号公報

しかし、上記の無効電力補償装置２，３においては、出力電流に依然として比較的大きな高調波成分が残ってしまうという問題がある。

また、上記の無効電力補償装置４は、高調波成分を低減できる可能性があるが、３相トランスを２台使用しているため、コストや重量が増加してしまうという問題がある。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、１台の３相トランスを使用して、電力系統に注入する無効電流の高調波成分を低減することが可能な無効電力補償装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る無効電力補償装置は、電力系統の無効電力を制御する無効電力補償装置であって、直流電圧を３相交流電圧に変換する複数の３相ＰＷＭインバータと、オープン巻線構造の複数の低圧巻線と、１つの高圧巻線とを有する３相トランスと、を備え、前記低圧巻線の両端にはそれぞれ２つの前記３相ＰＷＭインバータが直列に接続され、前記高圧巻線は電力系統に接続されることを特徴とする。

さらに、本発明に係る無効電力補償装置において、前記３相トランスは、オープン巻線構造の第１の低圧巻線及び第２の低圧巻線を有し、前記第１の低圧巻線の両端に接続された前記３相ＰＷＭインバータのキャリア波の位相差を９０±１２度の範囲とし、且つ前記第２の低圧巻線の両端に接続された前記３相ＰＷＭインバータのキャリア波の位相差を９０±１２度の範囲とすることを特徴とする。

さらに、本発明に係る無効電力補償装置において、前記第１の低圧巻線の一方に接続された前記３相ＰＷＭインバータと前記第２の低圧巻線の一方に接続された前記３相ＰＷＭインバータのキャリア波の位相差を１８０±３３度の範囲とし、且つ前記第１の低圧巻線の他方に接続された前記３相ＰＷＭインバータと前記第２の低圧巻線の他方に接続された前記３相ＰＷＭインバータのキャリア波の位相差を１８０±３３度の範囲とすることを特徴とする。

本発明によれば、１台の３相トランスを使用して、電力系統に注入する無効電流の高調波成分を低減することができるようになる。

本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置の構成例を示す図である。 複数の低圧巻線と１つの高圧巻線とからなる３相トランスを有する無効電力補償装置の構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置の低圧巻線に印加される電圧の波形例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置と従来の無効電力補償装置の出力電流の高調波成分を比較したグラフである。 本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置の、キャリア波の位相差に対する出力電流の高調波成分を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置の、キャリア波の位相差に対する出力電流の高調波成分を示すグラフである。 従来の無効電力補償装置の第１の構成例を示す図である。 従来の無効電力補償装置の第２の構成例を示す図である。 従来の無効電力補償装置の第３の構成例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

１台の３相トランスを用いて無効電力補償装置の出力電流の高調波成分を低減するために、３相トランスを複数の低圧巻線と１つの高圧巻線とを有する構成とすることが考えられる。図２に、そのような無効電力補償装置の構成例を示す。図２に示す無効電力補償装置５は、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２と、コンデンサ２０−１，２０−２と、３相トランス３５とを備え、電力系統４０に接続される。３相トランス３５は、低圧巻線３５１及び３５２と、高圧巻線３５３とを有する。

低圧巻線３５１にはコンデンサ２０−１を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０−１の出力が接続され、低圧巻線３５２にはコンデンサ２０−２を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０−２の出力が接続される。高圧巻線３５３は電力系統４０に接続される。

かかる構成により、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２は、３相トランス３５を介して電力系統４０に所定の無効電流を流すことができる。無効電力補償装置５は、３相ＰＷＭインバータを２つ備えるため、３相ＰＷＭインバータ１０−１と３相ＰＷＭインバータ１０−２のスイッチングのタイミングを１８０度ずらすことで、出力電流の高調波成分を低減することができる。具体的には、無効電力補償装置２と比較すると、周波数がスイッチング周波数ｆｃとその３倍の３ｆｃにおいて、従来の無効電力補償装置２よりも高調波成分を低減することができる。しかし、依然として周波数２ｆｃの高調波成分が無効電力補償装置２と同様に大きな値となる。

そこで、周波数がスイッチング周波数ｆｃと、その２倍の２ｆｃと、その３倍の３ｆｃの全てにおいて高周波成分を低減するために、本発明に係る無効電力補償装置は以下に説明する構成とする。

図１は、本発明の無効電力補償装置の構成例を示す概略図である。図１に示す無効電力補償装置１は、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２，１０−３，１０−４と、コンデンサ（直流電源）２０−１，２０−２，２０−３，２０−４と、３相トランス３０とを備え、電力系統４０に接続される。電力系統４０は、例えば６．６ｋＶの配電系統である。

コンデンサ２０−１，２０−２，２０−３，２０−４は、無効電力補償装置１の外部に設けられてもよい。また、本実施形態では２０−１，２０−２，２０−３，２０−４をコンデンサとしているが、２０−１，２０−２，２０−３，２０−４はコンデンサに限定されるものではなく、直流電源であればよい。

３相ＰＷＭインバータ１０−１は、複数のスイッチング素子を備えており、変調波（指令値）とキャリア波（例えば、三角波）との比較によるＰＷＭ制御により、スイッチング素子のオンオフ動作を制御し、コンデンサ２０−１から入力された直流電圧を３相交流電圧に変換する。３相ＰＷＭインバータ１０−２，１０−３，１０−４についても同様である。

３相トランス３０は、オープン巻線構造の低圧巻線である第１の低圧巻線３０１及び第２の低圧巻線３０２と、１つの高圧巻線３０３とを有する。低圧巻線の数は２つに限定されるものではない。ただし、低圧巻線の増加に伴いコストが増加するため、図１に示すように低圧巻線の数は２つとするのが好適である。

低圧巻線の両端にはそれぞれ２つの３相ＰＷＭインバータが直列に接続される。すなわち、第１の低圧巻線３０１は、一方の端子にコンデンサ２０−１を電源とする３相ＰＷＭインバータである３相ＰＷＭインバータ１０−１の出力が接続され、他方の端子にコンデンサ２０−２を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０−２の出力が接続される。第２の低圧巻線３０２は、一方の端子にコンデンサ２０−３を電源とする３相ＰＷＭインバータである３相ＰＷＭインバータ１０−３の出力が接続され、他方の端子にはコンデンサ２０−４を電源とする３相ＰＷＭインバータ１０−４の出力が接続される。

高圧巻線３０３は、電力系統４０に接続される。なお、図１では高圧巻線３０３をスター結線として示しているが、デルタ結線であってもよい。

図３に、無効電力補償装置１の低圧巻線に印加される電圧の波形例を示す。図３（ａ）は、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２のスイッチング信号を生成するためのキャリア波において、３相ＰＷＭインバータ１０−１のキャリア波と３相ＰＷＭインバータ１０−２のキャリア波との位相差を０度とした場合の、第１の低圧巻線３０１に印加される電圧の波形例である。図３（ｂ）は、３相ＰＷＭインバータ１０−１のキャリア波と３相ＰＷＭインバータ１０−２のキャリア波との位相差を９０度とした場合の、第１の低圧巻線３０１に印加される電圧の波形例である。

図３（ａ）に比べて、図３（ｂ）の方が電圧の高調波成分が低減されていることが分かる。つまり、オープン巻線構造の低圧巻線の両端に２つの３相ＰＷＭインバータを接続することにより、オープン巻線には該２つの３相ＰＷＭインバータが直列接続されたのと等価な電圧が印加されることになり、しかも各３相ＰＷＭインバータのキャリア波の位相差を９０度とすることで、オープン巻線構造の第１の低圧巻線３０１に印加される電圧の高調波成分を低減することができる。

同様に、３相ＰＷＭインバータ１０−３，１０−４のスイッチング信号を生成するためのキャリア波において、３相ＰＷＭインバータ１０−３のキャリア波と３相ＰＷＭインバータ１０−４のキャリア波との位相差を９０度とすることで、オープン巻線構造の第２の低圧巻線３０２に印加される電圧の高調波成分を低減することができる。したがって、無効電力補償装置１は、第１の低圧巻線３０１の両端に接続された３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２のキャリア波の位相差を略９０度とし、且つ第２の低圧巻線３０２の両端に接続された３相ＰＷＭインバータ１０−３，１０−４のキャリア波の位相差を略９０度とする。

図３（ｃ）は、さらに３相ＰＷＭインバータ１０−１のキャリア波と３相ＰＷＭインバータ１０−３のキャリア波との位相差を１８０度とし、且つ３相ＰＷＭインバータ１０−２のキャリア波と３相ＰＷＭインバータ１０−４のキャリア波との位相差を１８０度とした場合の第１の低圧巻線３０１及び第２の低圧巻線３０２の平均電圧の波形例である。この場合、図３（ｂ）よりも更に高調波成分が低減されていることが分かる。この電圧が高圧巻線３０３に誘導される。

このように、３相トランス３０は第１の低圧巻線３０１及び第２の低圧巻線３０２を備えることで、高圧側から見れば第１の低圧巻線３０１及び第２の低圧巻線３０２が並列接続されていることと等価となる。そのため、キャリア波の位相差を１８０度とすることで、第１の低圧巻線３０１に印加される高調波電圧と第２の低圧巻線３０２に印加される高調波電圧との位相差が１８０度となり、高圧巻線３０３から見ると高調波成分は低圧巻線同士でキャンセルしあうこととなり、高圧巻線３０３に誘導される電圧の高調波成分は非常に小さくなる。その結果、電力系統４０に注入する無効電流の高調波成分を低減することができる。したがって、無効電力補償装置１は、第１の低圧巻線３０１の一方に接続された３相ＰＷＭインバータ１０−１と第２の低圧巻線３０２の一方に接続された３相ＰＷＭインバータ１０−３のキャリア波の位相差を略１８０度とし、且つ第１の低圧巻線３０１の他方に接続された３相ＰＷＭインバータ１０−２と第２の低圧巻線３０２の他方に接続された３相ＰＷＭインバータ１０−４のキャリア波の位相差を略１８０度とする。

図４は、本発明に係る無効電力補償装置１と、上述した無効電力補償装置２，３，５の出力電流の高調波成分を比較したグラフである。縦軸は高圧巻線に流れる電流の高調波成分をパーセントで示している。無効電力補償装置１においては、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２のキャリア波の位相差を９０度とし、３相ＰＷＭインバータ１０−３，１０−４のキャリア波の位相差を９０度とし、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−３のキャリア波の位相差を１８０度とし、３相ＰＷＭインバータ１０−２，１０−４のキャリア波の位相差を１８０度としている。無効電力補償装置３においては、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２のキャリア波の位相差を９０度としている。無効電力補償装置５においては、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２のキャリア波の位相差を１８０度としている。図４に示すグラフから、本発明に係る無効電力補償装置１は、周波数がスイッチング周波数ｆｃと、その２倍の２ｆｃと、その３倍の３ｆｃの全てにおいて、無効電力補償装置２，３，５よりも高調波成分を低減できていることが分かる。

図５、６は、本発明に係る無効電力補償装置１の、キャリア波の位相差に対する出力電流の高調波成分を示すグラフである。図５は、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−３のキャリア波の位相差を１８０度に固定し、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２のキャリア波の位相差、及び３相ＰＷＭインバータ１０−３，１０−４のキャリア波の位相差を同じ角度で０度から１１５度まで変化させた時の高調波成分を示す。横軸は３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２、及び３相ＰＷＭインバータ１０−３，１０−４のキャリア波の位相差を示し、縦軸は図４と同様に高圧巻線に流れる電流の高調波成分をパーセントで示している。同図には総合歪率も示しており、該総合歪率特性の極小値接線と最大傾き接線との交点を変曲点とすると、変曲点が９０±１２度に存在することが分かる。よって図５から、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２のキャリア波の位相差を９０±１２度の範囲とするのが好適であることが分かる。同様に、３相ＰＷＭインバータ１０−３，１０−４のキャリア波の位相差も９０±１２度の範囲とするのが好適である。

図６では、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−２のキャリア波の位相差を９０度に固定し、３相ＰＷＭインバータ１０−３，１０−４のキャリア波の位相差も９０度に固定し、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−３のキャリア波の位相差、及び３相ＰＷＭインバータ１０−２，１０−４のキャリア波の位相差を同じ角度で０度から２１０度まで変化させた時の高調波成分を示す。横軸は３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−３、及び３相ＰＷＭインバータ１０−２，１０−４のキャリア波の位相差を示し、縦軸は図４と同様に高圧巻線に流れる電流の高調波成分をパーセントで示している。同図には総合歪率も示しており、該総合歪率特性の極小値接線と最大傾き接線との交点を変曲点とすると、変曲点が１８０±３３度に存在することが分かる。よって図６から、３相ＰＷＭインバータ１０−１，１０−３のキャリア波の位相差を１８０±３３度の範囲とするのが好適であることが分かる。同様に、３相ＰＷＭインバータ１０−２，１０−４のキャリア波の位相差も１８０±３３度の範囲とするのが好適である。

また、本発明に係る無効電力補償装置１の３相トランス３０の数は１台であるため、従来の無効電力補償装置４のようにコストや重量が増加することもない。また、従来の無効電力補償装置２，３の回路構成と比較すると、３相ＰＷＭインバータやコンデンサの数が増加しているが、それぞれの容量は１／４倍となっており、また出力電流の高調波成分を低減できることから、無効電力補償装置の出力端に装着するフィルタの小型化又は削除が可能となり、むしろ装置全体のコストを低減することができる。

さらに、図７〜９に示した従来の無効電力補償装置２，３，４では、３相ＰＷＭインバータが１つでも故障すれば運転を停止せざるを得ないが、図１に示した本発明に係る無効電力補償装置１においては、例えば３相ＰＷＭインバータ１０−１又は１０−２が故障しても、これらインバータの動作を停止させた上で、出力容量は半減するが３相ＰＷＭインバータ１０−３，１０−４で運転を継続することが可能となる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。例えば、低圧巻線の数が３つの場合も考えられる。その際も各巻線の両端に接続される２つの３相ＰＷＭインバータのキャリア波の位相差は９０±１２度の範囲とするのが好適である。一方、各低圧巻線をそれぞれ３０１，３０２，３０３とした場合で、低圧巻線３０１に接続された３相ＰＷＭインバータのキャリア波と低圧巻線３０２に接続された３相ＰＷＭインバータのキャリア波との位相差は１２０±２２度の範囲が好適であり、低圧巻線３０２に接続された３相ＰＷＭインバータのキャリア波と低圧巻線３０３に接続された３相ＰＷＭインバータのキャリア波との位相差も１２０±２２度の範囲とするのが好適であることは容易に類推できる。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

このように、本発明によれば、電力系統に注入する無効電流の高調波成分を低減できるため、電力系統の無効電力を制御する任意の用途に有用である。

１ 無効電力補償装置
１０−１，１０−２，１０−３，１０−４ ３相ＰＷＭインバータ
２０−１，２０−２，２０−３，２０−４ コンデンサ
３０ ３相トランス
４０ 電力系統
３０１ 第１の低圧巻線
３０２ 第２の低圧巻線
３０３ 高圧巻線

Claims (3)

1. 電力系統の無効電力を制御する無効電力補償装置であって、
   直流電圧を３相交流電圧に変換する複数の３相ＰＷＭインバータと、
   オープン巻線構造の複数の低圧巻線と、１つの高圧巻線とを有する３相トランスと、を備え、
   前記低圧巻線の両端にはそれぞれ２つの前記３相ＰＷＭインバータが直列に接続され、前記高圧巻線は電力系統に接続されることを特徴とする無効電力補償装置。
2. 前記３相トランスは、オープン巻線構造の第１の低圧巻線及び第２の低圧巻線を有し、
   前記第１の低圧巻線の両端に接続された前記３相ＰＷＭインバータのキャリア波の位相差を９０±１２度の範囲とし、且つ前記第２の低圧巻線の両端に接続された前記３相ＰＷＭインバータのキャリア波の位相差を９０±１２度の範囲とすることを特徴とする、請求項１に記載の無効電力補償装置。
3. 前記第１の低圧巻線の一方に接続された前記３相ＰＷＭインバータと前記第２の低圧巻線の一方に接続された前記３相ＰＷＭインバータのキャリア波の位相差を１８０±３３度の範囲とし、且つ前記第１の低圧巻線の他方に接続された前記３相ＰＷＭインバータと前記第２の低圧巻線の他方に接続された前記３相ＰＷＭインバータのキャリア波の位相差を１８０±３３度の範囲とすることを特徴とする、請求項２に記載の無効電力補償装置。

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