JP2018107877A

JP2018107877A - 無効電力補償装置とそれによる電力系統の電圧制御方法

Info

Publication number: JP2018107877A
Application number: JP2016250710A
Authority: JP
Inventors: 晃神部; Akira Kanbe; 和雅廣瀬; Kazumasa Hirose
Original assignee: Aichi Electric Co Ltd
Current assignee: Aichi Electric Co Ltd
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2018-07-05

Abstract

【課題】天候によって出力が大きく変動する分散電源が配電系統に大量に連系され、系統電圧が急激に変動する状況が多い。この電圧変動は変動周期が短いため、既設の電圧調整装置では抑制することが困難である。そのため、無効電力補償装置を設置して電圧変動を抑制する。従来の無効電力補償装置は、既設の電圧調整装置の動作による電圧変動に対して、それを抑制する。その結果、最悪の場合、無効電力補償装置の出力が補償可能な上／下限値に張り付いてしまい、変動周期の短い電圧変動を抑制することができない。
【解決手段】無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）の制御装置に、系統電圧の短周期変動成分を抽出するフィルタと積分機能を有しない補償器を使用することで、既設の電圧調整装置の動作による電圧変動に対し、定常的には無効電力出力をほぼ０にすることができる。その結果、変動周期の短い電圧変動を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統の電圧を調整する電圧調整装置と協調して系統電圧を制御する無効電力補償装置と、それによる電圧制御方法に関する。

近年、低炭素社会の実現に向けて、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーの大量導入が進められている。太陽光発電や風力発電が電力系統に大量に連系されると、それらの出力は天候によって急激に変動するため、その影響を受けて系統電圧も急激に変動する。機械接点式のタップ切換によって電圧調整を行なうＳＶＲ等の電圧調整装置では、この急激な電圧変動（短周期の電圧変動）に対処することができず、系統電圧を適正電圧に維持することができない恐れがある。

そこで、ＩＧＢＴ等の半導体デバイスで構成されたＳＴＡＴＣＯＭの導入が検討されている。ＳＴＡＴＣＯＭはタップ切換ではなく無効電力で電圧調整を高速に行なう装置であり、短周期の電圧変動の抑制対策として有効である。

しかし、電力系統にＳＴＡＴＣＯＭを導入した場合、ＳＶＲ等、既設の電圧調整装置との干渉が問題となる。つまり、既設の電圧調整装置は個別に自律制御を行っているので、ここにＳＴＡＴＣＯＭを追加して、緩慢な電圧変動（長周期の電圧変動）に対してはＳＶＲを動作させ、短周期の電圧変動に対してはＳＴＡＴＣＯＭを動作させようとした場合、両者に協調制御がないと、長周期の電圧変動に対しても先にＳＴＡＴＣＯＭが動作してしまい、ＳＴＡＴＣＯＭの出力が長周期の電圧変動の抑制に使われる。その結果、短周期の電圧変動の補償に必要な出力分が不足してしまう。

極端な場合、ＳＴＡＴＣＯＭで補償できるよりも大きい長周期の電圧変動が発生すると、その出力が上限または下限に達し、短周期の電圧変動に対して電圧調整ができなくなってしまう。

これを解決するには、ＳＴＡＴＣＯＭの容量を大きくしたり、別途設けた集中制御装置によって両者を協調制御することが必要となるが、容量を大きくすると装置の大型化や質量およびコストの増加を招く。また、集中制御装置によって協調制御するには、ＳＶＲやＳＴＡＴＣＯＭの遠制化や、集中制御システムへの取込みなどが必要となりコストアップとなる。

これに対し、短周期の電圧変動のみ補償するようにＳＴＡＴＣＯＭを構成することで、大容量化や集中制御装置を別途設けることなく、長周期の電圧変動を調整する既設のＳＶＲ等との間で干渉が生じることを防止する方法も提案されている（下記特許文献１参照）。

この方法によれば、ＳＴＡＴＣＯＭの出力が長周期の電圧変動に対して使われることはなく、短周期の電圧変動の補償に必要な出力分が不足してしまうことはない。

特許第４７７３９３６号

ＳＶＲが電圧調整動作を行うと、その瞬間に電圧がステップ状に変化する。この電圧変化は、瞬間的には短周期の電圧変動と区別することができないので、上記特許文献１記載のＳＴＡＴＣＯＭであってもこの電圧変化を抑制する補償動作を行ってしまう。

ここで、特許文献１には、ＳＴＡＴＣＯＭの出力を算出する補償器に関する記述がないので、積分機能を有するか否かは不明であるが、仮に積分機能を有しているとすると、ＳＶＲ等の動作による電圧変動に対してＳＴＡＴＣＯＭによる補償動作が行われた後、定常的に電圧変動がほとんどない状態においても、ＳＴＡＴＣＯＭの出力は０に戻らない。長周期の電圧変動が発生してＳＶＲがそれを調整するように動作しても、ＳＴＡＴＣＯＭがそれを打ち消すように動作する。すると、電圧調整不足となり、再び、ＳＶＲが動作する可能性がある。極端な場合には、この一連の動作を繰り返して、ＳＴＡＴＣＯＭの出力が上／下限値に張り付いたままの状態となってしまい、短周期の電圧変動の補償に必要な出力分が不足してしまう。

或いは、リセット回路を通じて検出されるＳＶＲの動作による電圧変動は、長周期成分が除去されているため、実際の電圧変動よりも小さくなる。その結果、この電圧変動の抑制に使われるＳＴＡＴＣＯＭの出力は小さくなり、短周期の電圧変動抑制に使用可能な出力が確保できることは考えられる。しかし、例えば、過大な長周期の電圧変動が生じた場合には、上述したＳＶＲとＳＴＡＴＣＯＭによる一連の動作の繰り返しによってＳＴＡＴＣＯＭの出力が上／下限値に張り付く恐れが高くなる。

そこで、本発明のＳＴＡＴＣＯＭは、短周期の電圧変動に対してのみ補償動作するように構成するとともに、ＳＶＲ等、既設の電圧調整装置の動作による電圧変動に対して補償動作した場合、定常的に電圧変動がほとんどない状態においては、その出力を確実に０に戻すことで、その出力が上／下限値に張り付いたままになることを防止するように構成した。

請求項１記載の発明は、無効電力を出力して電力系統の電圧変動を抑制する無効電力補償装置において、変動周期の短い短周期電圧変動成分を抽出する手段と、積分機能を有しない補償手段により、定常的には、変動周期の長い長周期電圧変動に対してはほとんど無効電力を出力することなく、短周期電圧変動のみに対して無効電力を出力してそれを抑制するように構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１の短周期電圧変動成分を抽出する手段を、系統電圧変動の短周期成分を通過させるフィルタで構成し、積分機能を有しない補償手段を、積分器を含まない補償器で構成したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、無効電力を出力して電力系統の電圧変動を抑制する方法において、変動周期の短い短周期電圧変動成分を抽出する手段と、積分機能を有しない補償手段により、定常的には、変動周期の長い長周期電圧変動に対してはほとんど無効電力を出力することなく、短周期電圧変動のみに対して無効電力を出力してそれを抑制することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３の短周期電圧変動成分を抽出する手段を、系統電圧変動の短周期成分を通過させるフィルタとし、積分機能を有しない補償手段を、積分器を含まない補償器としたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、電力系統の電圧を調整する電圧調整装置が設置されている系統において、請求項３又は請求項４の方法を用いて、前記電圧調整装置では調整できない周期で変動する系統電圧変動を抑制することにより、前記電圧調整装置と協調して系統電圧を制御することを特徴とする。

本発明によれば、ＳＴＡＴＣＯＭの制御器（系統電圧制御系の制御器）に積分機能を有しない補償器を使用することにより、ＳＶＲ等、既設の電圧調整装置の動作による電圧変動に対してＳＴＡＴＣＯＭが補償動作しても、定常的に電圧変動がほとんどない状態においては、その出力を０に戻すことができ、その出力が上／下限値に張り付いたままになることを確実に防止できる。

本発明の無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）の構成を示す機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図１により説明する。図１は本発明に係る無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）のブロック構成を示している。図１に示すＳＴＡＴＣＯＭは、計器用変圧器１、電圧検出手段２、短周期成分抽出手段３、補償手段４、インバータ５、変圧器６から構成されている。

計器用変圧器１は、高圧配電線７の系統電圧（線間電圧）を検出するものであり、検出された電圧は電圧検出手段２に入力される。そして、電圧検出手段２で系統電圧の実効値を計算し、それを出力する。

短周期成分抽出手段３は、電圧検出手段２の出力から、系統電圧変動の短周期成分のみを通過させるフィルタ（ハイパスフィルタ）によって構成され、補償手段４は、積分機能を有しない補償器（例えば、位相遅れ補償器やＰ（比例）調節器）によって構成される。なお、電圧検出手段２とハイパスフィルタ３、補償器４はハードまたはソフトの何れによって実現してもよい。

インバータ５は、ＩＧＢＴ等の半導体デバイスから構成される自励式変換器であり、ＩＧＢＴのゲート信号に基づいて直流を交流に変換し、変圧器６を介して高圧配電線７に無効電力を供給するものである。

ＳＴＡＴＣＯＭによる電圧調整効果は、配電線７のリアクタンス分が大きいほど大きくなるので、系統の末端に設置されることが多く、これにより系統全体に対する電圧調整効果が得られる。

一方、ＳＶＲは、その設置点以降の電圧を調整するので、系統の途中に設置される。つまり、ＳＴＡＴＣＯＭはＳＶＲの後に設置される位置関係となる。

次に、本発明の無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）の動作について説明する。前述したとおり、ＳＶＲが設置された電力系統にＳＴＡＴＣＯＭを導入し、互いに干渉しないように電力系統の電圧調整を行うに当たっては、長周期の電圧変動に対してはＳＶＲで電圧調整し、短周期の電圧変動に対してはＳＴＡＴＣＯＭが動作する構成は上記特許文献１記載の発明と同様である。

長周期の電圧変動に対してＳＶＲより先にＳＴＡＴＣＯＭが動作してしまうことを防止でき、短周期の電圧変動の補償に必要なＳＴＡＴＣＯＭの出力分が不足してしまう問題を解消できる。

また、長周期の電圧変動に対しＳＶＲが動作した際、ＳＶＲの設置点以降の電圧がステップ状に変化するが、この電圧変動は瞬間的には短周期の電圧変動と区別できないので、本発明のＳＴＡＴＣＯＭもこの電圧変動を抑制するように動作する。

しかし、補償手段４が積分機能を有さないので、ＳＶＲが電圧調整動作をした瞬間にＳＴＡＴＣＯＭが補償動作を実行しても、その後、定常的に電圧変動がほとんどない状態においてその出力は０に戻る。したがって、ＳＴＡＴＣＯＭの出力が上／下限値に張り付いたままの状態となることを確実に防止できる。

この結果、短周期の電圧変動の補償に必要な出力分を常に確保することができ、ＳＶＲ等、既設の電圧調整装置と協調して、電力系統の電圧を適切に調整することが可能となる。

以上説明したように、本発明の無効電力補償装置によれば、その出力が上／下限値に張り付いた状態が維持されることを確実に防止でき、短周期の電圧変動の補償に必要な出力分を常に確保することができる。

また、上記電圧調整は出力容量の増加によらず実現できるので、装置のサイズや質量およびコストの増加を招くことはない。

さらに、ＳＴＡＴＣＯＭを構成する電圧検出手段と短周期成分抽出手段、補償手段をハード／ソフトの両方で実現することができるので利便性が高い。

本発明は電力系統の電圧制御に利用される。

１計器用変圧器
２電圧検出手段
３短周期成分抽出手段
４補償手段
５インバータ
６変圧器
７高圧配電線

Claims

無効電力を出力して電力系統の電圧変動を抑制する無効電力補償装置において、変動周期の短い短周期電圧変動成分を抽出する手段と、積分機能を有しない補償手段により、定常的には、変動周期の長い長周期電圧変動に対してはほとんど無効電力を出力することなく、短周期電圧変動のみに対して無効電力を出力してそれを抑制するように構成したことを特徴とする無効電力補償装置。
請求項１において、短周期電圧変動成分を抽出する手段は、系統電圧変動の短周期成分を通過させるフィルタで構成し、積分機能を有しない補償手段は、積分器を含まない補償器で構成することを特徴とする無効電力補償装置。
無効電力を出力して電力系統の電圧変動を抑制する方法において、変動周期の短い短周期電圧変動成分を抽出する手段と、積分機能を有しない補償手段により、定常的には、変動周期の長い長周期電圧変動に対してはほとんど無効電力を出力することなく、短周期電圧変動のみに対して無効電力を出力してそれを抑制することを特徴とする無効電力補償装置による電力系統の電圧制御方法。
請求項３において、短周期電圧変動成分を抽出する手段は、系統電圧変動の短周期成分を通過させるフィルタであり、積分機能を有しない補償手段は、積分器を含まない補償器であることを特徴とする電力系統の電圧制御方法。
電力系統の電圧を調整する電圧調整装置が設置されている系統において、請求項３又は請求項４の方法を用いて、前記電圧調整装置では調整できない周期で変動する系統電圧変動を抑制することにより、前記電圧調整装置と協調して系統電圧を制御することを特徴とする電力系統の電圧制御方法。