JP2020188614A - 無効電力補償装置の制御方法及び制御回路 - Google Patents

無効電力補償装置の制御方法及び制御回路 Download PDF

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Abstract

【課題】三相または二相短絡事故等により電力系統に瞬時電圧低下が発生した際に、瞬低期間内に系統に注入する無効電流を適切に制御して電力系統の擾乱を抑制し、分散型電源の解列を防いで系統全体の電圧や周波数を所定値に維持可能とした無効電力補償装置の制御方法及び制御回路を提供する。【解決手段】インバータにより電力系統に無効電力を注入して三相または二相短絡事故等による系統電圧の瞬時低下を補償する無効電力補償装置の制御方法及び制御回路において、系統電圧が所定値以下に低下したことを電圧低下判定部42により判定すると共に、一次遅れ特性を有するフィルタ44とその出力を所定期間有効にするオフディレー部45との作用により、瞬低期間内で、無効電流指令を所定値から徐々に零まで減少させることにより、電力系統の擾乱を抑制して系統全体の電圧や周波数を所定値に維持する。【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、電力系統の三相または二相短絡事故等によって系統電圧の瞬時低下(以下、瞬低ともいう)が発生した場合に、電力系統に無効電力(無効電流)を注入して系統電圧を所定値に維持するための無効電力補償装置の制御方法及び制御回路に関するものである。
図7は、この種の無効電力補償装置の概略的な構成図である。
図7において、無効電力補償装置20は、遮断器21と変圧器22とを介して電力系統10に連系されたインバータ23を備えている。インバータ23は、図8に示すように、直流中間回路に設けられるコンデンサ24と、還流ダイオード26a〜26fがそれぞれ逆並列に接続されたIGBTやGTOサイリスタ等の半導体スイッチング素子25a〜25fとによって構成されている。
上記の無効電力補償装置20は、インバータ23の出力電圧V及び出力電流Iを制御して電力系統10に無効電力を注入し、電力系統10のリアクタンス成分及び無効電流によって系統電圧Vの変動を補償している。
図9は、無効電力補償装置20の制御回路を示すブロック図であり、その主要部は例えば特許文献1に記載されている。
図9において、正相成分演算部32は系統電圧Vの正相分(正相電圧)を検出し、電圧指令部31による電圧指令値と正相電圧検出値との偏差が減算器33により演算される。電圧制御部34は、上記偏差を零にするように動作して無効電流指令IPq を演算する。
ここで、電圧制御部34の出力側に設けられたリミッタ35は特許文献1には明記されていないが、インバータ23の構成素子が過大な電流によって破損しないようにインバータ23の出力電流を定格値以下に制限するためのものであり、無効電力補償装置20の制御回路には通常、設けられている。
制御回路では、上記無効電流指令IPq に基づいて図7のインバータ23の三相電流指令値I を演算し、三相電流検出値Iが三相電流指令値I に追従するようにインバータ23の出力電圧指令値V を演算する。インバータ23は、上記出力電圧指令値V に従って半導体スイッチング素子25a〜25fをPWM(パルス幅変調)制御する。
上記の動作により、例えば電力系統10に三相または二相短絡事故が発生して系統電圧Vが瞬時に低下した場合、無効電力補償装置20から電力系統10に対して無効電流指令IPq に応じた無効電力が注入されるため電力系統10の正相電圧が増加し、系統電圧Vは所定値に復帰する。同時に、所定の有効電力が電力系統10からコンデンサ24に供給されることにより、インバータ23の直流電圧を設定値に維持するような制御が行われる。
さて、近年では、太陽光や風力等の再生可能エネルギーを利用した分散型電源が電力系統に導入されてきている。これらの分散型電源を備えた電力系統において、三相または二相短絡事故等により瞬低が発生した時に分散型電源が一斉に解列されてしまうと、系統全体の電圧や周波数に大きな影響を与える。
そこで、非特許文献1に記載されているごとく、低圧または高圧の電力系統に連系される分散型電源には、以下のように事故時運転継続要件(FRT要件)を満たすことが求められている。
図10は、分散型電源と電力系統との間に設けられた連系変圧器のY結線側(高圧側)で三相短絡事故(図10(a))または二相短絡事故(図10(b))が発生した場合の線間電圧の変化を示しており、非特許文献1に記載されているものである。なお、三相各相をA,B,C相とする。
FRT要件によれば、図10(a),(b)に示すように、短絡事故によって残電圧が定格値の20%〜30%に低下した場合でも、分散型電源の運転を継続することが要求されている。
前述したように、無効電力補償装置20は電力系統10の電圧変動に追従して無効電流を出力し、その電圧補償効果は、電圧変動量と無効電流量とに追従する。
このため、無効電力補償装置20が、FRT要件により規定された三相または二相短絡時において系統の瞬低補償を行う場合には、瞬間的に大きく低下する系統電圧に追従して定格を超えた無効電流を短時間出力することになり、これによって分散型電源を解列させずに運転を継続させ、電力系統10の電圧を所定値まで上昇させることが期待されている。
しかしながら、無効電力補償装置20から出力される無効電流は短時間定格の値であり、想定された時間を超えて無効電流を出力することができない。このため、電力系統10の電圧低下が長時間にわたって継続する場合でも所定時間内に無効電流の出力を停止しなければならず、出力を停止する際には、系統全体の電圧や周波数を維持する要請から、電力系統10に擾乱を与えないことが求められる。
ここで、特許文献2には、系統の瞬低発生時にインバータの出力電流を減少させて安定した継続運転を可能にし、瞬低からの復帰時にインバータの直流電圧指令値を段階的に調整してその出力電流を徐々に増加させることにより、電力系統の擾乱を防止するようにした系統連系用電力変換装置が記載されている。
また、特許文献3には、タップ付き変圧器と無効電力補償装置とを協調動作させる電圧変動補償装置であって、揚水発電所等に接続された送配電系統のように瞬低等による電圧変動期間をある程度予測可能である場合、電圧変動期間の前後において、無効電力一定制御、変圧器タップ操作、交流電圧一定制御を切り替えながら電力系統に注入する無効電力を緩やかに変化させ、系統電圧の急激な変化を防止する技術が開示されている。
特開平9−154284号公報(段落[0013]〜[0019]、図1等) 特開2018−82569号公報(段落[0074]〜[0079]、図5〜図7) 特開2018−82530号公報(段落[0045]〜[0067]、図1〜図6,図11等)
「系統連系規程(JEAC9701−2016)」,p.74−82,p.169−180,一般社団法人日本電気協会 系統連系専門部会,2016年
特許文献2に記載された先行技術は、瞬低発生時のいわゆるFRTモードから系統電圧が復帰して通常運転モードに移行した際にインバータをソフトスタートさせるものであり、また、特許文献3に記載された先行技術は、瞬低の発生期間が予測可能である電力系統を対象として、特に瞬低から復帰した時の擾乱を防止するものである。
すなわち、これら何れの先行技術も、瞬低期間内に無効電流の出力を停止した場合に生じる電力系統への擾乱を考慮したものではない。
そこで、本発明の解決課題は、瞬低期間内に出力する無効電流を適切に制御して電力系統における擾乱を抑制し、分散型電源の解列を防いで系統全体の電圧や周波数を所定値に維持可能とした無効電力補償装置の制御方法及び制御回路を提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項1に係る無効電力補償装置の制御方法は、インバータにより電力系統に無効電力を注入して系統電圧の瞬時低下を補償する無効電力補償装置の制御方法において、
前記インバータは、系統電圧の瞬時低下を補償するための所定の大きさの無効電流を瞬時低下の発生時点から出力し、かつ、その出力期間を、系統電圧の瞬時低下期間内の所定期間に制御することを特徴とする。
請求項2に係る無効電力補償装置の制御方法は、請求項1に記載した無効電力補償装置の制御方法において、前記インバータは、系統電圧の瞬時低下の発生時点から一定期間を経過した時点以後は、無効電流を徐々に零まで減少させることを特徴とする。
請求項3に係る無効電力補償装置の制御方法は、請求項2に記載した無効電力補償装置の制御方法において、前記インバータは、前記一定期間を経過した時点以後は、無効電流を連続的またはステップ状に零まで減少させることを特徴とする。
請求項4に係る無効電力補償装置の制御回路は、インバータにより電力系統に無効電力を注入して系統電圧の瞬時低下を補償する無効電力補償装置の制御回路において、
系統電圧が所定値以下に低下したことを判定する電圧低下判定部と、
前記電圧低下判定部により電圧低下が判定された時に所定の無効電流設定値に応じた無効電流指令を所定期間出力してから前記無効電流指令を徐々に零まで減少させる出力特性を備えたフィルタと、
前記フィルタの出力を系統電圧の瞬時低下期間内で有効にするフィルタ出力有効化手段と、を備え、
前記フィルタから出力される無効電流指令に基づいて前記インバータを制御することを特徴とする。
請求項5に係る無効電力補償装置の制御回路は、請求項4に記載した無効電力補償装置の制御回路において、
前記フィルタ出力有効化手段を、
前記電圧低下判定部により電圧低下が判定された時点から前記瞬時低下期間内の一定期間だけアクティブとなるように前記電圧低下判定部の出力信号を遅延させるオフディレー部と、このオフディレー部の出力信号により系統電圧の平常時における無効電流指令を前記フィルタの出力に切り替える切替スイッチと、により構成したことを特徴とする。
請求項6に係る無効電力補償装置の制御回路は、請求項4または5に記載した無効電力補償装置の制御回路において、前記フィルタが一次遅れ特性を有することを特徴とする。
本発明によれば、三相短絡や二相短絡事故等による系統電圧の瞬時低下期間内で無効電流を適切に制御して徐々に零まで減少させるため、電力系統に擾乱を与えるおそれもなく、分散型電源の解列を未然に防止しながら系統全体の電圧や周波数を所定値に維持することができる。
本発明の実施形態に係る無効電力補償装置の制御回路のブロック図である。 図1の動作を示すフローチャートである。 図1におけるフィルタ44の特性図である。 本発明の実施形態の作用効果を従来技術と比較するための測定回路の構成図である。 図4の測定回路を用いて、従来技術により測定した各部の電圧、電流等の波形図である。 図4の測定回路を用いて、本発明の実施形態により測定した各部の電圧、電流の波形図である。 無効電力補償装置の概略的な構成図である。 図7におけるインバータの主回路構成図である。 無効電力補償装置の従来の制御回路を示すブロック図である。 非特許文献1に記載された、電力系統の短絡事故による線間電圧の変化を示す図である。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、この実施形態に係る無効電力補償装置の制御回路のブロック図である。図1において、図9と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略し、以下では図9との相違点を中心に説明する。
本実施形態では、正相成分演算部32の出力信号が電圧低下判定部42に入力され、その出力信号(電圧低下判定信号)42sが第1の切替スイッチ43とオフディレー部45とに入力されている。
切替スイッチ43の一方の入力端子aには設定器41aにより“0”が入力され、他方の入力端子bには設定器41bにより所定の無効電流設定値が入力されている。切替スイッチ43は、電圧低下判定信号42sが“L(Low)”レベルの時に入力端子aに接続され、電圧低下判定信号42sが“H(High)”レベルの時に入力端子b側に切り替えられる。この切替スイッチ43の出力端子は、一次遅れフィルタ等からなるフィルタ44を介して後述する第2の切替スイッチ46の入力端子dに接続されている。
電圧低下判定信号42sが入力されているオフディレー部45は、電圧低下判定信号42sが“H”レベルである期間T01より長い期間T02にわたって“H”レベルの信号45sを出力する。
オフディレー部45の出力信号45sは第2の切替スイッチ46に入力され、この切替スイッチ46は、上記信号45sが“L”レベルの時にリミッタ35側の入力端子cに接続され、信号45sが“H”レベルの時にフィルタ44側の入力端子dに接続されるようになっており、切替スイッチ46の出力信号が無効電流指令IPq として出力される。
ここで、オフディレー部45及び第2の切替スイッチ46は、フィルタ44の出力を無効電流指令IPq として有効にするためのフィルタ出力有効化手段を構成している。
無効電力補償装置は、上記の無効電流指令IPq に基づいて、前述した図7におけるインバータ23の出力電圧指令値V を演算する。インバータ23は、この出力電圧指令値V に基づいて半導体スイッチング素子25a〜25fをPWM制御し、電力系統10に無効電力を注入して系統電圧Vを上昇させるように制御を行う。
次に、図2は、この実施形態の動作を示すタイミングチャートである。ここでは、図2の時刻tで電力系統に瞬低が発生し、この瞬低が時刻tまで続いたとする。
図1の電圧低下判定部42は系統電圧Vが所定値以下に低下したことを判定し、期間T01にわたって“H”レベルの信号(電圧低下判定信号)42sを出力する。この期間T01では、第1の切替スイッチ43が入力端子b側に切り替わるので、フィルタ44には設定器41bによる無効電流設定値が入力される。
この時、オフディレー部45の出力信号45sは期間T02(T02>T01)の間、“H”レベルとなり、この期間T02では、第2の切替スイッチ46が入力端子d側に切り替わる。これにより、無効電流設定値をフィルタ44によって処理した値が、切替スイッチ46から無効電流指令IPq として出力される。
ここで、図3は、フィルタ44の特性の一例を示す波形図である。
瞬低が発生する時刻t以前は、フィルタ44から設定器41aによる設定値“0”が出力されると共に、第2の切替スイッチ46は入力端子c側に接続されているため、図3の無効電流指令IPq1 は、リミッタ35によって大きさが制限された値となっている。
時刻tでは、フィルタ44の入出力が、“0”から設定器41bによる無効電流設定値に応じた値IPq2 に瞬時に切り替わり、この値IPq2 が期間T01にわたり無効電流指令IPq として出力される。そして、時刻t以後は、フィルタ44の一次遅れ特性により無効電流指令IPq が連続的に減少し、時刻tで零になる。なお、時刻tから時刻tまでステップ状に減少するような特性をフィルタ44に持たせても良い。
なお、時刻t以後は、予め設定された時間だけ無効電流指令IPq を連続的またはステップ状に減少させ、瞬低から復帰した時刻(図2における時刻t)で瞬時に零になるようにフィルタ44及びオフディレー部45を設計しても良い。
図4は、本実施形態による作用効果を従来技術と比較するために用いた測定回路の構成図である。図4において、SVCは、制御回路が本実施形態の機能を備えている場合、及び、備えていない場合(従来技術)の無効電流補償装置を包括的に示している。
図5は従来技術による各部の電圧、電流等の波形図、図6は本実施形態による各部の電圧、電流等の波形図であり、「AVR制御部出力」とは、無効電流補償装置SVCに設けられたAVR(自動電圧調整器)の制御部出力を示している。
図5では、時刻0で瞬低が発生し、無効電流補償装置SVCの出力電流(無効電流)をほぼ350.00[ms]の直前に所定値から瞬時に零にしているため、連系点電圧には記号fで示すインパルス状の変動が発生している。
一方、図6の本実施形態では、無効電流補償装置SVCの出力電流をほぼ350.00[ms]以後、所定値から零まで徐々に減少させたことにより、記号f’から明らかなように連系点電圧のインパルス状の変動を除去できている。
なお、本実施形態において、無効電流設定値や無効電流指令をそれぞれ無効電力設定値、無効電力指令と置き換えた場合でも所期の作用効果が得られるのは言うまでもない。
10:電力系統
20:無効電力補償装置
21:遮断器
22:変圧器
23:インバータ
24:コンデンサ
25a〜25f:半導体スイッチング素子
26a〜26f:還流ダイオード
31:電圧指令部
32:正相電圧演算部
33:減算器
34:電流制御部
35:リミッタ
41a,41b:設定器
42:電圧低下判定部
43,46:切替スイッチ
44:フィルタ
45:オフディレー部

Claims (6)

  1. インバータにより電力系統に無効電力を注入して系統電圧の瞬時低下を補償する無効電力補償装置の制御方法において、
    前記インバータは、系統電圧の瞬時低下を補償するための所定の大きさの無効電流を瞬時低下の発生時点から出力し、かつ、その出力期間を、系統電圧の瞬時低下期間内の所定期間に制御することを特徴とした無効電力補償装置の制御方法。
  2. 請求項1に記載した無効電力補償装置の制御方法において、
    前記インバータは、系統電圧の瞬時低下の発生時点から一定期間を経過した時点以後は、無効電流を徐々に零まで減少させることを特徴とした無効電力補償装置の制御方法。
  3. 請求項2に記載した無効電力補償装置の制御方法において、
    前記インバータは、前記一定期間を経過した時点以後は、無効電流を連続的またはステップ状に零まで減少させることを特徴とした無効電力補償装置の制御方法。
  4. インバータにより電力系統に無効電力を注入して系統電圧の瞬時低下を補償する無効電力補償装置の制御回路において、
    系統電圧が所定値以下に低下したことを判定する電圧低下判定部と、
    前記電圧低下判定部により電圧低下が判定された時に所定の無効電流設定値に応じた無効電流指令を所定期間出力してから前記無効電流指令を徐々に零まで減少させる出力特性を備えたフィルタと、
    前記フィルタの出力を系統電圧の瞬時低下期間内で有効にするフィルタ出力有効化手段と、を備え、
    前記フィルタから出力される無効電流指令に基づいて前記インバータを制御することを特徴とした無効電力補償装置の制御回路。
  5. 請求項4に記載した無効電力補償装置の制御回路において、
    前記フィルタ出力有効化手段を、
    前記電圧低下判定部により電圧低下が判定された時点から前記瞬時低下期間内の一定期間だけアクティブとなるように前記電圧低下判定部の出力信号を遅延させるオフディレー部と、このオフディレー部の出力信号により系統電圧の平常時における無効電流指令を前記フィルタの出力に切り替える切替スイッチと、により構成したことを特徴とする無効電力補償装置の制御回路。
  6. 請求項4または5に記載した無効電力補償装置の制御回路において、
    前記フィルタが一次遅れ特性を有することを特徴とする無効電力補償装置の制御回路。
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