JP2018097410A - 無効電力補償装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な無効電力補償を行うことができる無効電力補償装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、補償回路と制御回路とを備えた無効電力補償装置が提供される。補償回路は、交流母線を介して交流の電力系統及び負荷に接続され、スイッチング素子を有し、スイッチング素子のオン・オフにより、無効電力を電力系統に出力する。制御回路は、補償回路から出力する無効電力の指令値を算出し、指令値に基づいてスイッチング素子のオン・オフを制御することにより、指令値に応じた無効電力を補償回路に出力させる。制御回路は、負荷の有効電力の変動を検出し、有効電力の変動にともなう交流母線の電圧実効値の変動を相殺するように指令値を算出する。あるいは、負荷の有効電力の変動を検出し、有効電力の変動にともなう進相コンデンサの無効電力の変動を相殺するように指令値を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、無効電力補償装置及びその制御方法に関する。

交流の電力系統に接続され、電力系統に無効電力を出力することにより、電力系統の電圧の変動を抑制する無効電力補償装置がある。無効電力補償装置は、例えば、負荷の無効電力の変動を検出し、この変動を打ち消すように、電力系統に無効電力を出力することにより、無効電力の変動を抑制する。

無効電力補償装置は、例えば、ＳＶＣ（Static Var Compensator）と呼ばれる。無効電力補償装置には、例えば、ＴＣＲ（Thyristor Controlled Reactor）、ＴＳＣ（Thyristor Switched Capacitor）、ＳＶＧ（Static Var Generator）などの回路方式がある。

例えば、ＴＣＲ方式では、進相コンデンサと、進相コンデンサに並列に接続された補償回路と、が用いられる。補償回路は、無効電力を消費するためのリアクトルと、リアクトルに流れる電流を調整するためのサイリスタと、を有する。ＴＣＲ方式では、進相コンデンサによる進み無効電力と、リアクトルによる遅れ無効電力と、の合成により、電力系統の無効電力の変動を抑制する。

しかしながら、電力系統の電圧変動は、例えば、負荷有効電力による電力系統のリアクタンス電圧降下によっても生じる。また、負荷有効電力が変動すると、電力系統の電圧位相が変動し、等価的な周波数変動が生じる。このため、例えば、ＴＣＲ方式などの進相コンデンサを用いる方法では、進相コンデンサの無効電力が、周波数変動にともなって変動する。

負荷の無効電力の変動を補償する方式では、有効電力の変動にともなう電圧変動や進相コンデンサの無効電力の変動を抑制することができない。このため、無効電力補償装置及びその制御方法では、より高精度な無効電力補償が望まれている。

特開昭５７−２５０１４号公報 特公平０６−７３０９０号公報 特公平０７−３６１３８号公報

本発明の実施形態は、高精度な無効電力補償を行うことができる無効電力補償装置及びその制御方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、補償回路と、制御回路と、を備えた無効電力補償装置が提供される。前記補償回路は、交流母線を介して交流の電力系統及び負荷に接続され、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン・オフにより、無効電力を前記電力系統に出力する。前記制御回路は、前記補償回路から出力する前記無効電力の指令値を算出し、前記指令値に基づいて前記スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、前記指令値に応じた前記無効電力を前記補償回路に出力させる。前記制御回路は、前記負荷の有効電力の変動を検出し、前記有効電力の変動にともなう前記交流母線の電圧実効値の変動を相殺するように前記指令値を算出する。

前記無効電力補償装置は、前記補償回路と並列に前記交流母線に接続された進相コンデンサをさらに備え、前記交流母線の電圧の実効値をＶとし、前記負荷の有効電力をＰ_Ｌとし、時間をｔとし、前記電力系統の定格電圧の実効値をＶ_０とし、前記電力系統の定格周波数における角周波数をω_０とし、前記電力系統及び前記交流母線のリアクタンス成分をＸとし、前記進相コンデンサの定格無効電力をＱ_０とし、前記無効電力の指令値をＱ_ＳＶＣとし、前記Ｖ、Ｐ_Ｌ、Ｖ_０、ω_０、Ｘ、Ｑ_０、Ｑ_ＳＶＣのそれぞれを、前記電力系統の定格電圧Ｖ_０及び基準容量Ｐ_０を用いて規格化した値とするとき、前記制御回路は、

で表される式により、前記無効電力の指令値を算出する。

前記無効電力補償装置は、前記補償回路と並列に前記交流母線に接続された進相コンデンサをさらに備え、前記負荷の有効電力をＰ_Ｌとし、時間をｔとし、前記電力系統の定格周波数における角周波数をω_０とし、前記電力系統及び前記交流母線のリアクタンス成分をＸとし、前記進相コンデンサの定格無効電力をＱ_０とし、前記無効電力の指令値をＱ_ＳＶＣとし、前記Ｐ_Ｌ、ω_０、Ｘ、Ｑ_０、Ｑ_ＳＶＣのそれぞれを、前記電力系統の定格電圧Ｖ_０及び基準容量Ｐ_０を用いて規格化した値とするとき、前記制御回路は、

で表される式により、前記無効電力の指令値を算出してもよい。

前記負荷の有効電力をＰ_Ｌとし、時間をｔとし、前記電力系統の定格周波数における角周波数をω_０とし、前記無効電力の指令値をＱ_ＳＶＣとし、前記Ｐ_Ｌ、ω_０、Ｑ_ＳＶＣのそれぞれを、前記電力系統の定格電圧Ｖ_０及び基準容量Ｐ_０を用いて規格化した値とするとき、前記制御回路は、

で表される式により、前記無効電力の指令値を算出してもよい。

本発明の別の実施形態によれば、交流母線を介して交流の電力系統及び負荷に接続され、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン・オフにより、無効電力を前記電力系統に出力する補償回路と、前記補償回路と並列に前記交流母線に接続された進相コンデンサと、前記補償回路から出力する前記無効電力の指令値を算出し、前記指令値に基づいて前記スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、前記指令値に応じた前記無効電力を前記補償回路に出力させる制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記負荷の有効電力の変動を検出し、前記有効電力の変動にともなう前記進相コンデンサの無効電力の変動を相殺するように前記指令値を算出する無効電力補償装置が提供される。

前記交流母線の電圧の実効値をＶとし、前記負荷の有効電力をＰ_Ｌとし、時間をｔとし、前記電力系統の定格電圧の実効値をＶ_０とし、前記電力系統の定格周波数における角周波数をω_０とし、前記電力系統及び前記交流母線のリアクタンス成分をＸとし、前記進相コンデンサの定格無効電力をＱ_０とし、前記無効電力の指令値をＱ_ＳＶＣとし、前記Ｖ、Ｐ_Ｌ、Ｖ_０、ω_０、Ｘ、Ｑ_０、Ｑ_ＳＶＣのそれぞれを、前記電力系統の定格電圧Ｖ_０及び基準容量Ｐ_０を用いて規格化した値とするとき、前記制御回路は、

で表される式により、前記無効電力の指令値を算出する。

前記交流母線の電圧の実効値をＶとし、前記負荷の有効電力をＰ_Ｌとし、時間をｔとし、前記電力系統の定格電圧の実効値をＶ_０とし、前記電力系統の定格周波数における角周波数をω_０とし、前記電力系統及び前記交流母線のリアクタンス成分をＸとし、前記進相コンデンサの定格無効電力をＱ_０とし、前記無効電力の指令値をＱ_ＳＶＣとし、前記Ｖ、Ｐ_Ｌ、Ｖ_０、ω_０、Ｘ、Ｑ_０、Ｑ_ＳＶＣのそれぞれを、前記電力系統の定格電圧Ｖ_０及び基準容量Ｐ_０を用いて規格化した値とするとき、前記制御回路は、

で表される式により、前記無効電力の指令値を算出してもよい。

本発明の別の実施形態によれば、交流母線を介して交流の電力系統及び負荷に接続され、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン・オフにより、無効電力を前記電力系統に出力する補償回路と、前記補償回路から出力する前記無効電力の指令値を算出し、前記指令値に基づいて前記スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、前記指令値に応じた前記無効電力を前記補償回路に出力させる制御回路と、を備えた無効電力補償装置の制御方法であって、前記負荷の有効電力の変動を検出する工程と、前記有効電力の変動にともなう前記交流母線の電圧実効値の変動を相殺するように前記指令値を算出する工程と、を有する無効電力補償装置の制御方法が提供される。

本発明の別の実施形態によれば、交流母線を介して交流の電力系統及び負荷に接続され、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン・オフにより、無効電力を前記電力系統に出力する補償回路と、前記補償回路と並列に前記交流母線に接続された進相コンデンサと、前記補償回路から出力する前記無効電力の指令値を算出し、前記指令値に基づいて前記スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、前記指令値に応じた前記無効電力を前記補償回路に出力させる制御回路と、を備えた無効電力補償装置の制御方法であって、前記負荷の有効電力の変動を検出する工程と、前記有効電力の変動にともなう前記進相コンデンサの無効電力の変動を相殺するように前記指令値を算出する工程と、を有する無効電力補償装置の制御方法が提供される。

高精度な無効電力補償を行うことができる無効電力補償装置及びその制御方法が提供される。

実施形態に係る無効電力補償装置を模式的に表すブロック図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施形態に係る補償回路を模式的に表すブロック図である。 実施形態に係る制御回路を模式的に表すブロック図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、有効電力の変動の影響を説明するための説明図である。 実施形態に係る無効電力補償装置の制御方法の一例を模式的に表すフローチャートである。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
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は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る無効電力補償装置を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、無効電力補償装置１０は、補償回路１１と、制御回路１２と、進相コンデンサ１３と、進相コンデンサ１３の直列リアクトル１４と、電流検出器１５と、電圧検出器１６と、を備える。無効電力補償装置１０は、交流母線４に接続されている。無効電力補償装置１０は、交流母線４を介して交流の電力系統２及び負荷３に接続されている。無効電力補償装置１０は、電力系統２に無効電力を出力することにより、負荷３の変動などにともなう交流母線４の電圧の変動を抑制する。換言すれば、無効電力補償装置１０は、負荷３に印加される交流電圧実効値（受電端電圧）の変動を抑制する。

電力系統２の供給する交流電力は、単相交流電力でもよいし、三相交流電力などの多相交流電力でもよい。負荷３は、例えば、アーク炉や電動機などの交流負荷である。電力系統２及び交流母線４は、抵抗５ａ及びインダクタンス５ｂを含む。抵抗５ａは、電力系統２及び交流母線４の抵抗成分である。インダクタンス５ｂは、電力系統２及び交流母線４のリアクタンス成分である。

補償回路１１は、交流母線４に接続されている。補償回路１１は、スイッチング素子を有し、スイッチング素子のオン・オフにより、遅れ無効電力及び進み無効電力の少なくとも一方を電力系統２に出力する。

制御回路１２は、補償回路１１に接続されている。制御回路１２は、補償回路１１による無効電力の出力を制御する。制御回路１２は、例えば、補償回路１１のスイッチング素子の制御端子に接続され、スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、補償回路１１から出力される無効電力の大きさを制御する。

進相コンデンサ１３は、直列リアクトル１４を介して交流母線４に接続されている。進相コンデンサ１３は、補償回路１１と並列に交流母線４に接続される。進相コンデンサ１３は、進み無効電力を電力系統２に出力する。

電流検出器１５は、交流母線４に流れる電流を検出する。換言すれば、電流検出器１５は、負荷３に流れる電流を検出する。電流検出器１５は、制御回路１２に接続されている。電流検出器１５は、電流の検出結果を制御回路１２に入力する。

電圧検出器１６は、交流母線４の電圧を検出する。換言すれば、電圧検出器１６は、負荷３に印加される電圧を検出する。電圧検出器１６は、制御回路１２に接続されている。電圧検出器１６は、電圧の検出結果を制御回路１２に入力する。

制御回路１２は、電流検出器１５及び電圧検出器１６の各検出結果を基に、負荷３の無効電力を算出し、算出した無効電力に基づいて補償回路１１を制御する。これにより、制御回路１２は、変動に応じた無効電力を電力系統２に出力し、交流母線４の電圧の変動を抑制する。これにより、無効電力補償装置１０は、電力系統２を安定化させる。

電力系統２が多相交流である場合、電流検出器１５及び電圧検出器１６は、例えば、負荷３の各相の電流及び電圧を検出し、検出結果を制御回路１２に入力する。補償回路１１及び制御回路１２は、電力系統２の各相に無効電力を出力し、電力系統２の各相の電圧の変動を抑制する。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施形態に係る補償回路を模式的に表すブロック図である。
図２（ａ）に表したように、この例において、補償回路１１は、リアクトル２１と、一対のサイリスタ２２、２３（スイッチング素子）と、を有する。

リアクトル２１は、交流母線４に接続されている。リアクトル２１は、例えば、トランスを介して交流母線４に接続してもよい。例えば、リアクトル２１に変えて、トランスを用いてもよい。各サイリスタ２２、２３は、リアクトル２１に直列に接続されている。また、各サイリスタ２２、２３は、互いに逆並列に接続されている。各サイリスタ２２、２３のそれぞれのゲート（制御端子）は、制御回路１２に接続されている。

制御回路１２は、各サイリスタ２２、２３の点弧を制御する。これにより、補償回路１１は、各サイリスタ２２、２３の点弧に応じて、リアクトル２１による遅れ無効電力を電力系統２に出力する。制御回路１２は、補償回路１１による遅れ無効電力と、進相コンデンサ１３による進み無効電力と、の合成により、進み無効電力及び遅れ無効電力を任意に電力系統２に出力する。すなわち、図２（ａ）は、いわゆるＴＣＲ方式の補償回路１１を模式的に表す。

図２（ｂ）に表したように、この例において、補償回路１１は、複数のコンデンサ３１ａ〜３１ｃと、複数のサイリスタ３２ａ〜３２ｃ、３３ａ〜３３ｃ（スイッチング素子）と、を有する。

各コンデンサ３１ａ〜３１ｃは、交流母線４に接続されている。各コンデンサ３１ａ〜３１ｃは、トランスやリアクトルなどを介して交流母線４に接続してもよい。各サイリスタ３２ａ、３３ａは、コンデンサ３１ａに直列に接続されている。各サイリスタ３２ｂ、３３ｂは、コンデンサ３１ｂに直列に接続されている。各サイリスタ３２ｃ、３３ｃは、コンデンサ３１ｃに直列に接続されている。各サイリスタ３２ａ、３３ａ、各サイリスタ３２ｂ、３３ｂ、各サイリスタ３２ｃ、３３ｃは、それぞれ互いに逆並列に接続されている。各サイリスタ３２ａ〜３２ｃ、３３ａ〜３３ｃのそれぞれのゲート（制御端子）は、制御回路１２に接続されている。

制御回路１２は、各サイリスタ３２ａ〜３２ｃ、３３ａ〜３３ｃの点弧を制御する。これにより、制御回路１２は、電力系統２に接続するコンデンサ３１ａ〜３１ｃの数を切り替える。制御回路１２は、電力系統２に接続するコンデンサ３１ａ〜３１ｃの数により、電力系統２に出力する進み無効電力の大きさを制御する。すなわち、図２（ｂ）は、いわゆるＴＳＣ方式の補償回路１１を模式的に表す。図２（ｂ）では、３つのコンデンサ３１ａ〜３１ｃを示している。電力系統２に選択的に接続するコンデンサの数は、３つに限ることなく、２つ以上の任意の数でよい。

図２（ｃ）に表したように、この例において、補償回路１１は、リアクトル４１と、インバータ回路４２と、コンデンサ４３と、を有する。

リアクトル４１は、交流母線４に接続されている。リアクトル４１は、トランスを介して交流母線４に接続してもよい。また、リアクトル４１に変えてトランスを用いてもよい。インバータ回路４２は、交流出力点と、直流出力点と、を有する。インバータ回路４２の交流出力点は、リアクトル４１に接続されている。インバータ回路４２の直流出力点は、コンデンサ４３に接続されている。

インバータ回路４２は、複数のスイッチング素子４４と、複数の整流素子４５と、を有する。各スイッチング素子４４は、ブリッジ接続されている。各スイッチング素子４４には、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）などの自己消弧形のスイッチング素子が用いられる。各整流素子４５は、各スイッチング素子４４に逆並列に接続されている。各整流素子４５には、例えば、ダイオードが用いられる。各整流素子４５は、いわゆる還流ダイオードである。各スイッチング素子４４のそれぞれの制御端子は、制御回路１２に接続されている。

制御回路１２は、各スイッチング素子４４のオン・オフを制御することにより、コンデンサ４３に蓄積された直流電力から交流電力を生成し、交流電力を電力系統２に出力する。これにより、この例の補償回路１１では、電力系統２の系統電圧とインバータ回路４２から出力される出力電圧との電圧差により、任意の大きさの進み無効電力及び遅れ無効電力を電力系統２に出力することができる。

すなわち、図２（ｃ）は、いわゆるＳＶＧ方式の補償回路１１を模式的に表す。ＳＶＧ方式の補償回路１１は、例えば、自励式ＳＶＣやＳＴＡＴＣＯＭ（Static synchronous Compensator）などと呼ばれる場合もある。

このように、補償回路１１の回路方式は、ＴＣＲ方式でもよいし、ＴＳＣ方式でもよいし、ＳＶＧ方式でもよい。補償回路１１の回路方式は、これらに限ることなく、電力系統２に無効電力を供給可能な任意の回路方式でよい。

進相コンデンサ１３は、必要に応じて設けられ、省略可能である。例えば、補償回路１１がＴＳＣ方式やＳＶＧ方式である場合には、進相コンデンサ１３は、必ずしも設けなくてもよい。

図３は、実施形態に係る制御回路を模式的に表すブロック図である。
図３に表したように、制御回路１２は、有効電力演算部６１と、変動演算部６２と、補償無効電力演算部６３と、制御信号生成部６４と、電圧実効値演算部６５と、を有する。

有効電力演算部６１には、電流検出器１５によって検出された負荷３に流れる負荷電流の検出値と、電圧検出器１６によって検出された交流母線４の電圧の検出値と、が入力される。有効電力演算部６１は、入力された電流検出値及び電圧検出値を基に、負荷３に供給される有効電力Ｐ_Ｌを算出する。有効電力演算部６１は、算出した有効電力Ｐ_Ｌを変動演算部６２に入力する。

電圧実効値演算部６５には、電圧検出器１６によって検出された交流母線４の電圧（受電端電圧）の検出値が入力される。電圧実効値演算部６５は、入力された検出値から交流母線４の電圧の実効値Ｖを算出する。

変動演算部６２は、例えば、入力された有効電力Ｐ_Ｌの時間微分により、有効電力Ｐ_Ｌの変動ΔＰ_Ｌ（ｄＰ_Ｌ／ｄｔ）を算出する。そして、変動演算部６２は、算出した有効電力Ｐ_Ｌの変動ΔＰ_Ｌを補償無効電力演算部６３に入力する。

このように、制御回路１２は、電流検出器１５及び電圧検出器１６の各検出値を基に有効電力Ｐ_Ｌを算出し、有効電力Ｐ_Ｌから有効電力Ｐ_Ｌの変動ΔＰ_Ｌを算出することにより、有効電力Ｐ_Ｌの変動ΔＰ_Ｌを検出する。

補償無効電力演算部６３には、例えば、有効電力ＰＬの変動ΔＰＬの検出値が入力されるとともに、電圧実効値演算部６５で算出された電圧実効値Ｖが入力される。補償無効電力演算部６３は、入力された有効電力Ｐ_Ｌの変動ΔＰ_Ｌと電圧実効値Ｖとを基に、補償回路１１から出力する無効電力の指令値Ｑ_ＳＶＣを算出する。補償無効電力演算部６３は、算出した無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを制御信号生成部６４に入力する。

制御信号生成部６４は、入力された無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを基に、補償回路１１の制御信号を生成し、生成した制御信号を補償回路１１に入力する。制御信号生成部６４は、例えば、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを基に、補償回路１１のスイッチング素子のオン・オフを切り替える制御信号を生成し、生成した制御信号をスイッチング素子の制御端子に入力する。例えば、補償回路１１がＴＣＲ方式である場合、制御信号生成部６４は、各サイリスタ２２、２３を点弧させるためのパルス信号を制御信号として生成し、生成したパルス信号を各サイリスタ２２、２３のそれぞれのゲートに入力する。これにより、制御信号生成部６４は、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣに応じた無効電力を補償回路１１から電力系統２に出力させる。

なお、補償回路１１がＳＶＧ方式である場合には、制御信号生成部６４に無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを入力するとともに、補償回路１１から出力する有効電力の指令値を入力し、各指令値に応じた制御信号を制御信号生成部６４に生成させてもよい。このように、有効電力の指令値を制御信号生成部６４に入力し、各指令値に応じた有効電力及び無効電力を補償回路１１から電力系統２に出力させる。これにより、例えば、交流母線４の電圧変動をより適切に抑制することができる。

次に、補償無効電力演算部６３による無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣの算出方法について説明する。
以降に示す各式の電圧、電力、インピーダンス等の電気量は、電力系統２の定格電圧、基準容量を基準として規格化して示す。
無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣの算出方法は、複数考案され、それぞれにより異なる効果が得られる。
（１）電圧変動補償
補償無効電力演算部６３は、以下の（１）式により、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを算出する。

（１）式において、
Ｉ_ＳＶＣは、補償回路１１に流れる電流である。
Ｘは、インダクタンス５ｂのリアクタンスである。
Ｑ_０は、進相コンデンサ１３の定格無効電力（定格周波数、定格電圧印加時の無効電力）である。
ω_０は、電力系統２の定格周波数における角周波数である。
Ｖ_０は、電力系統２の定格電圧（実効値）である。

補償無効電力演算部６３は、例えば、電力系統２の定格電圧Ｖ_０と交流母線４の電圧実効値Ｖとの差が小さい場合には、上記の（１）式において、Ｖ＝Ｖ_０と近似し、以下の（２）式により、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを算出する。

（２）式を用いた場合には、例えば、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣの演算負荷を軽くすることができる。一方、（１）式を用いた場合には、例えば、（２）式を用いた場合に比べて、より高精度に無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを算出することができる。

補償無効電力演算部６３において、（１）式による演算と（２）式による演算とを選択的に切り替えられるようにしてもよい。例えば、電力系統２の定格電圧Ｖ_０と交流母線４の電圧実効値Ｖとの差が所定値未満である場合には、（２）式の演算により、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを算出する。一方、電力系統２の定格電圧Ｖ_０と交流母線４の電圧実効値Ｖとの差が所定値以上である場合には、（１）式の演算により、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを算出する。これにより、Ｖ_０とＶとの差が小さい場合には、演算負荷を軽くすることができ、Ｖ_０とＶとの差が大きい場合には、高精度に無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを算出することができる。

また、例えば、補償回路１１がＴＳＣ方式やＳＶＧ方式などであり、無効電力補償装置１０が進相コンデンサ１３を含まない場合、補償無効電力演算部６３は、以下の（３）式により、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを算出する。

図１に示すシステム構成において、補償回路１１及び進相コンデンサ１３における損失を無視すれば、交流母線４の電圧実効値の変動ΔＶは、以下の（４）式によって概算することができる。

（４）式において、
Ｒは、抵抗５ａの抵抗値である。
ΔＱ_Ｃは、進相コンデンサ１３の無効電力の変動である。
ΔＱ_Ｌは、負荷３の無効電力の変動である。

一般に、インダクタンス５ｂのリアクタンスＸに比較して、抵抗５ａの抵抗値Ｒは非常に小さい。このため、負荷３の有効電力の変動による電圧変動を無視し、進相コンデンサ１３の無効電力も一定（ΔＱ_Ｃ＝０）として、負荷３の無効電力の変動ΔＱ_Ｌを打ち消すように補償回路１１の無効電力Ｑ_ＳＶＣを制御する場合がある。この場合、補償ゲインをＫ_ＳＶＣとして、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣは、以下の（５）式で表すことができる。

Ｋ_ＳＶＣが１の時に負荷３の無効電力の変動が補償され、交流母線４の電圧が実質的に一定となるので、進相コンデンサ１３の無効電力も変動せず、ΔＱ_Ｃ＝０と言える。

しかしながら、有効電力によるリアクタンスＸの電圧変動によっても、交流母線４の電圧変動が生じる。このため、上記（４）式は、厳密には正しくない。また、有効電力が変動すると、交流母線４の電圧位相が変動して等価的な周波数変動となる。進相コンデンサ１３の無効電力は、これらの影響によっても変動する。

従って、例えば、有効電力の変動が急峻な場合などには、それに伴う電圧変動及び進相コンデンサ１３の無効電力の変動を無視することができない。すなわち、（５）式による無効電力の変動補償では、不十分な場合がある。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、有効電力の変動の影響を説明するための説明図である。 図４（ａ）は、図１のシステム構成を簡略化した等価回路を模式的に表す。
図４（ｂ）は、電流及び電圧のベクトル図の一例を模式的に表す。
ここでは、簡単化のため、図４（ａ）に表す電源系統と負荷とコンデンサとからなる系統を想定し、負荷有効電力Ｐ_Ｌ、母線電圧実効値Ｖ、及びコンデンサ無効電力Ｑ_Ｃの関係を整理する。なお、電源系統は無損失（Ｒ＝０）、負荷無効電力は０、コンデンサは無損失とする。

電圧、電流、及び電力の関係式を以下の（６）式に示す。

（６）式において、Ｖ’、Ｉ’はベクトル、Ｖは実効値（スカラ量）である。また、負荷有効電力Ｐ_Ｌは消費で正とし、コンデンサ無効電力Ｑ_Ｃは容量性で負（誘導性で正）と定義する。

有効電力Ｐ_Ｌが変動すると、リアクタンスＸ（インダクタンスＬ＝Ｘ／ω_０）によるリアクタンス電圧降下が生じ、電圧実効値Ｖは以下の（７）式となる。

一方、有効電力潮流の関係により、Ｖ’とＶ_０’との位相差δが変動する場合の角周波数の変化幅Δωは、｜δ｜≦０．５ｒａｄ（３０°）程度の場合に、以下の（８）式が成り立つ。

これは、負荷有効電力Ｐ_Ｌの変動による電圧の位相変動が、周波数変動と等価であることを表している。この周波数変動に比例してコンデンサのサセプタンスが変化するので、コンデンサ電流、すなわちコンデンサ無効電力が変動する。

また、コンデンサ無効電力Ｑ_Ｃは、電圧実効値の二乗に比例して変動する。従って、これらを合わせると、以下の（９）式となる。

（９）式を（７）式に代入して整理すると、以下の（１０）式となる。

特に、コンデンサが無い場合には、Ｑ_０＝０ｐｕを代入して、以下の（１１）式となる。

このように、負荷有効電力Ｐ_Ｌの変動に起因して、交流母線４の電圧変動及びコンデンサ無効電力Ｑ_Ｃの変動による受電無効電力変動が発生することが分かる。従って、負荷の無効電力変動を補償する無効電力補償では、こうした有効電力の変動にともなう交流母線４の電圧変動やコンデンサ無効電力Ｑ_Ｃの変動を抑制することができない。すなわち、（５）式による無効電力補償では、負荷有効電力Ｐ_Ｌの変動にともなう交流母線４の電圧変動を適切に抑制することができない場合がある。

これに対して、本実施形態に係る無効電力補償装置１０では、制御回路１２の補償無効電力演算部６３が、上記の（１）式、（２）式、または（３）式により、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを算出する。すなわち、補償無効電力演算部６３は、（１０）式のｄＰ_Ｌ／ｄｔの項を、補償回路１１に流れるＳＶＣ電流Ｉ_ＳＶＣによるリアクタンス電圧降下ＸＩ_ＳＶＣで相殺するように作用する。これにより、制御回路１２は、有効電力の変動にともなう交流母線４の電圧実効値の変動を相殺するように無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを算出する。

これにより、本実施形態に係る無効電力補償装置１０では、負荷有効電力Ｐ_Ｌの変動に起因する交流母線４の電圧変動を抑制することができる。無効電力補償装置１０では、（１０）式のｄＰ_Ｌ／ｄｔの項が相殺され、Ｖ_０／（１−ＸＱ_０）に実質的に一定となるように交流母線４の電圧実効値Ｖを制御することができる。このように、無効電力補償装置１０では、（５）式による無効電力補償に比べて、交流母線４の電圧実効値Ｖの変動をより適切に抑制し、より高精度な無効電力補償を実現することができる。

また、（９）式のコンデンサ無効電力Ｑ_Ｃにおいて、電圧実効値Ｖの二乗に比例する変動成分が抑制される。従って、無効電力補償装置１０によれば、負荷有効電力Ｐ_Ｌの変動にともなうコンデンサ無効電力Ｑ_Ｃの変動も抑制することができる。
（２）コンデンサ無効電力変動補償
補償無効電力演算部６３による無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣの算出は、下記の（１２）式を基に行ってもよい。

（１２）式では、電力系統２から供給される無効電力（受電無効電力）が、コンデンサ無効電力の定格値−Ｑ_０に一致するように補償回路１１から出力される無効電力を制御する。（１２）式において、無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣは、−Ｑ_０とＱ_Ｃとの差分である。すなわち、この例において、制御回路１２は、有効電力の変動にともなう進相コンデンサ１３の無効電力の変動を相殺するように無効電力指令値Ｑ_ＳＶＣを算出する。

上記（１）式、（２）式、及び（３）式の制御方式では、交流母線４の電圧実効値が実質的に一定となるように無効電力を制御できる反面、コンデンサ無効電力Ｑ_Ｃの負荷有効電力の変動ｄＰ_Ｌ／ｄｔに比例する成分は、抑制することができない。すなわち、受電無効電力の変動が抑制されない。

これに対して、（１２）式による制御方式では、受電無効電力を−Ｑ_０で実質的に一定にすることができる。このように、（１２）式による制御方式では、例えば、（５）式による無効電力補償に比べて、受電無効電力の変動をより適切に抑制し、より高精度な無効電力補償を実現することができる。

但し、（１２）式による制御方式では、交流母線４の電圧実効値Ｖが変動する可能性がある。また、（１２）式による制御方式では、補償回路１１が定常的に無効電力を出力する可能性がある。例えば、Ｖ＝１ｐｕかつ有効電力Ｐ_Ｌが一定の場合にのみ、Ｑ_ＳＶＣ＝０となる。

負荷３の有効電力の変動が無い時のコンデンサ無効電力Ｑ_Ｃａｖｅ（定常値）は、交流母線４の電圧の二乗に比例する。コンデンサ無効電力Ｑ_Ｃａｖｅは、以下の（１３）式で表される。

受電無効電力がコンデンサ無効電力Ｑ_Ｃａｖｅに一致するように補償回路１１を制御する場合、補償回路１１の無効電力の指令値Ｑ_ＳＶＣは、以下の（１４）式となる。

（１４）式による制御方式では、補償回路１１が定常的な無効電力を出力することがない。従って、（１４）式の制御方式は、（１２）式の制御方式に比較して経済的である。例えば、補償回路１１の電圧変動に対する容量を小さくすることができる。例えば、補償回路１１の動作を抑制し、補償回路１１での消費電力を抑えることができる。このように、（１４）式の制御方式では、（１２）式の制御方式に比べて、補償回路１１の小型化や省電力化を図ることができる。

このように、（１）式、（２）式、（３）式による制御方式では、交流母線４の電圧実効値が実質的に一定になるように補償回路１１を制御することができる。そして、（１２）式、（１４）式による制御方式では、受電無効電力が実質的に一定になるように補償回路１１を制御することができる。

例えば、補償無効電力演算部６３において、（１）式、（２）式、（３）式による制御方式と、（１２）式、（１４）式による制御方式と、を選択的に切り替えられるようにしてもよい。例えば、電圧実効値の変動が大きい場合には、（１）式、（２）式、（３）式による制御方式を選択し、受電無効電力の変動が大きい場合には、（１２）式、（１４）式による制御方式を選択する。これにより、より高精度な無効電力補償を行うことができる。

図５は、実施形態に係る無効電力補償装置の制御方法の一例を模式的に表すフローチャートである。
図５に表したように、無効電力補償装置１０では、電流検出器１５が負荷３の電流を検出し、電圧検出器１６が交流母線４の電圧を検出する（図５のステップＳ０１）。電流検出器１５は、電流の検出値を制御回路１２に入力する。電圧検出器１６は、電圧の検出値を制御回路１２に入力する。

制御回路１２は、電流検出器１５で検出された電流の検出値、及び電圧検出器１６で検出された電圧の検出値を有効電力演算部６１に入力する。有効電力演算部６１は、入力された電流検出値及び電圧検出値を基に、負荷３の有効電力を算出する（図５のステップＳ０２）。有効電力演算部６１は、算出した有効電力を変動演算部６２に入力する。

変動演算部６２は、入力された有効電力の変動を算出する（図５のステップＳ０３）。すなわち、変動演算部６２は、負荷３の有効電力の変動を検出する。変動演算部６２は、算出した変動を補償無効電力演算部６３に入力する。

補償無効電力演算部６３は、入力された有効電力の変動及び電圧実効値を基に、補償回路１１から出力する無効電力の指令値を算出する（図５のステップＳ０４）。補償無効電力演算部６３は、上記の（１）式、（２）式、（３）式、（１２）式、または（１４）式により、無効電力の指令値を算出する。補償無効電力演算部６３は、算出した無効電力指令値を制御信号生成部６４に入力する。

制御信号生成部６４は、入力された無効電力指令値を基に、補償回路１１の制御信号を生成し、生成した制御信号を補償回路１１に入力する（図５のステップＳ０５）。

補償回路１１は、入力された制御信号に基づいてスイッチング素子のオン・オフを切り替える。これにより、無効電力指令値に応じた無効電力が、補償回路１１から電力系統２に出力される（図５のステップＳ０６）。これにより、高精度な無効電力補償が可能となる。

この例では、電流検出器１５で検出された電流検出値、及び、電圧検出器１６で検出された電圧検出値を基に、有効電力の算出及び有効電力の変動の算出を行っている。これに限ることなく、外部の機器から入力された電流検出値及び電圧検出値を基に、有効電力の算出及び有効電力の変動の算出を行ってもよい。さらには、外部の機器から入力された有効電力の算出値を基に、有効電力の変動の算出を行ってもよい。

すなわち、図５のステップＳ０１及びステップＳ０２は、必要に応じて設けられ、省略可能である。電流検出器１５及び電圧検出器１６は、無効電力補償装置１０に必要に応じて設けられ、省略可能である。

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、その他の様々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とその均等の範囲に含まれる。

２…電力系統、 ３…負荷、 ４…交流母線、 ５ａ…抵抗、 ５ｂ…インダクタンス、 １０…無効電力補償装置、 １１…補償回路、 １２…制御回路、 １３…進相コンデンサ、 １４…直列リアクトル、 １５…電流検出器、 １６…電圧検出器、 ２１…リアクトル、 ２２、２３…サイリスタ（スイッチング素子）、 ３１ａ〜３１ｃ…コンデンサ、 ３２ａ〜３２ｃ、３３ａ〜３３ｃ…サイリスタ（スイッチング素子）、 ４１…リアクトル、 ４２…インバータ回路、 ４３…コンデンサ、 ４４…スイッチング素子、 ４５…整流素子、 ６１…有効電力演算部、 ６２…変動演算部、 ６３…補償無効電力演算部、 ６４…制御信号生成部、 ６５…電圧実効値演算部

Claims (9)

1. 交流母線を介して交流の電力系統及び負荷に接続され、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン・オフにより、無効電力を前記電力系統に出力する補償回路と、
   前記補償回路から出力する前記無効電力の指令値を算出し、前記指令値に基づいて前記スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、前記指令値に応じた前記無効電力を前記補償回路に出力させる制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記負荷の有効電力の変動を検出し、前記有効電力の変動にともなう前記交流母線の電圧実効値の変動を相殺するように前記指令値を算出する無効電力補償装置。
2. 前記補償回路と並列に前記交流母線に接続された進相コンデンサをさらに備え、
   前記交流母線の電圧の実効値をＶとし、
   前記負荷の有効電力をＰ_Ｌとし、
   時間をｔとし、
   前記電力系統の定格電圧の実効値をＶ_０とし、
   前記電力系統の定格周波数における角周波数をω_０とし、
   前記電力系統及び前記交流母線のリアクタンス成分をＸとし、
   前記進相コンデンサの定格無効電力をＱ_０とし、
   前記無効電力の指令値をＱ_ＳＶＣとし、
   前記Ｖ、Ｐ_Ｌ、Ｖ_０、ω_０、Ｘ、Ｑ_０、Ｑ_ＳＶＣのそれぞれを、前記電力系統の定格電圧及び基準容量を基準として規格化した値とするとき、
   前記制御回路は、
   

   

   で表される式により、前記無効電力の指令値を算出する請求項１記載の無効電力補償装置。
3. 前記補償回路と並列に前記交流母線に接続された進相コンデンサをさらに備え、
   前記負荷の有効電力をＰ_Ｌとし、
   時間をｔとし、
   前記電力系統の定格周波数における角周波数をω_０とし、
   前記電力系統及び前記交流母線のリアクタンス成分をＸとし、
   前記進相コンデンサの定格無効電力をＱ_０とし、
   前記無効電力の指令値をＱ_ＳＶＣとし、
   前記Ｐ_Ｌ、ω_０、Ｘ、Ｑ_０、Ｑ_ＳＶＣのそれぞれを、前記電力系統の定格電圧及び基準容量を基準として規格化した値とするとき、
   前記制御回路は、
   

   

   で表される式により、前記無効電力の指令値を算出する請求項１記載の無効電力補償装置。
4. 前記負荷の有効電力をＰ_Ｌとし、
   時間をｔとし、
   前記電力系統の定格周波数における角周波数をω_０とし、
   前記無効電力の指令値をＱ_ＳＶＣとし、
   前記Ｐ_Ｌ、ω_０、Ｑ_ＳＶＣのそれぞれを、前記電力系統の定格電圧及び基準容量を基準として規格化した値とするとき、
   前記制御回路は、
   

   

   で表される式により、前記無効電力の指令値を算出する請求項１記載の無効電力補償装置。
5. 交流母線を介して交流の電力系統及び負荷に接続され、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン・オフにより、無効電力を前記電力系統に出力する補償回路と、
   前記補償回路と並列に前記交流母線に接続された進相コンデンサと、
   前記補償回路から出力する前記無効電力の指令値を算出し、前記指令値に基づいて前記スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、前記指令値に応じた前記無効電力を前記補償回路に出力させる制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記負荷の有効電力の変動を検出し、前記有効電力の変動にともなう前記進相コンデンサの無効電力の変動を相殺するように前記指令値を算出する無効電力補償装置。
6. 前記交流母線の電圧の実効値をＶとし、
   前記負荷の有効電力をＰ_Ｌとし、
   時間をｔとし、
   前記電力系統の定格電圧の実効値をＶ_０とし、
   前記電力系統の定格周波数における角周波数をω_０とし、
   前記電力系統及び前記交流母線のリアクタンス成分をＸとし、
   前記進相コンデンサの定格無効電力をＱ_０とし、
   前記無効電力の指令値をＱ_ＳＶＣとし、
   前記Ｖ、Ｐ_Ｌ、Ｖ_０、ω_０、Ｘ、Ｑ_０、Ｑ_ＳＶＣのそれぞれを、前記電力系統の定格電圧及び基準容量を基準として規格化した値とするとき、
   前記制御回路は、
   

   

   で表される式により、前記無効電力の指令値を算出する請求項５記載の無効電力補償装置。
7. 前記交流母線の電圧の実効値をＶとし、
   前記負荷の有効電力をＰ_Ｌとし、
   時間をｔとし、
   前記電力系統の定格電圧の実効値をＶ_０とし、
   前記電力系統の定格周波数における角周波数をω_０とし、
   前記電力系統及び前記交流母線のリアクタンス成分をＸとし、
   前記進相コンデンサの定格無効電力をＱ_０とし、
   前記無効電力の指令値をＱ_ＳＶＣとし、
   前記Ｖ、Ｐ_Ｌ、Ｖ_０、ω_０、Ｘ、Ｑ_０、Ｑ_ＳＶＣのそれぞれを、前記電力系統の定格電圧及び基準容量を基準として規格化した値とするとき、
   前記制御回路は、
   

   

   で表される式により、前記無効電力の指令値を算出する請求項５記載の無効電力補償装置。
8. 交流母線を介して交流の電力系統及び負荷に接続され、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン・オフにより、無効電力を前記電力系統に出力する補償回路と、
   前記補償回路から出力する前記無効電力の指令値を算出し、前記指令値に基づいて前記スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、前記指令値に応じた前記無効電力を前記補償回路に出力させる制御回路と、
   を備えた無効電力補償装置の制御方法であって、
   前記負荷の有効電力の変動を検出する工程と、
   前記有効電力の変動にともなう前記交流母線の電圧実効値の変動を相殺するように前記指令値を算出する工程と、
   を有する無効電力補償装置の制御方法。
9. 交流母線を介して交流の電力系統及び負荷に接続され、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン・オフにより、無効電力を前記電力系統に出力する補償回路と、
   前記補償回路と並列に前記交流母線に接続された進相コンデンサと、
   前記補償回路から出力する前記無効電力の指令値を算出し、前記指令値に基づいて前記スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、前記指令値に応じた前記無効電力を前記補償回路に出力させる制御回路と、
   を備えた無効電力補償装置の制御方法であって、
   前記負荷の有効電力の変動を検出する工程と、
   前記有効電力の変動にともなう前記進相コンデンサの無効電力の変動を相殺するように前記指令値を算出する工程と、
   を有する無効電力補償装置の制御方法。

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