JP2023107489A - 高調波抑制システム - Google Patents

Abstract

【課題】他励式整流器が接続された配電線に現れる高調波電圧を抑制できる高調波抑制システムを提供する。【解決手段】高調波抑制システム２１は、配電線２と他励式整流器４の間に流れる電流ＩＡＣを検出する電流検出器２２と、電流検出器２２によって検出される電流ＩＡＣから所定の周波数帯域の高調波電流ＩＨを抽出する帯域通過型フィルタ回路２３と、帯域通過型フィルタ回路２３によって抽出された高調波電流ＩＨと逆極性の補償電流ＩＯを配電線２に供給する無効電力補償装置２４とを備える。【選択図】図５

Description

本開示は高調波抑制システムに関し、特に、他励式整流器が接続された配電線に現れる高調波電圧を抑制する高調波抑制システムに関する。

たとえば特開２０１４－２０４５２２号公報（特許文献１）には、配電線から負荷に流れる電流を検出する電流検出器と、配電線の電圧を検出する電圧検出器と、それらの検出結果に基づいて、負荷に流れる無効電力の変動成分を補償する電流を配電線に供給する無効電力補償装置とを備え、電圧フリッカを抑制する技術が開示されている。

特開２０１４－２０４５２２号公報

しかし、特許文献１では、他励式整流器が接続された配電線に現れる高調波電圧と、それを抑制する技術については、何ら開示されていない。

それゆえに、この発明の主たる目的は、他励式整流器が接続された配電線に現れる高調波電圧を抑制することが可能な高調波抑制システムを提供することである。

本開示に係る高調波抑制システムは、交流電力を直流電力に変換する他励式整流器が接続された配電線に現れる高調波電圧を抑制する高調波抑制システムであって、他励式整流器で発生する高調波電流を検出する高調波検出部と、高調波検出部によって検出される高調波電流と逆極性の補償電流を配電線に供給する無効電力補償装置とを備えたものである。

本開示に係る高調波抑制システムでは、他励式整流器で発生する高調波電流を検出し、検出した高調波電流と逆極性の補償電流を配電線に供給する。したがって、他励式整流器が接続された配電線に現れる高調波電圧を抑制することができる。

本開示が適用される電力系統の要部を示すブロック図である。 図１に示す制御装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す直流電源の問題点を説明するためのフローチャートである。 本開示の原理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１に従う高調波抑制システムの構成を示す回路ブロック図である。 図５に示す無効電力補償装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に従う高調波抑制システムの構成を示す回路ブロック図である。 実施の形態３に従う高調波抑制システムの構成を示す回路ブロック図である。 図８に示す無効電力補償装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態について説明する前に、まず本開示の原理について説明する。図１は、本開示が適用される電力系統の要部を示すブロック図である。図１において、この電力系統は、商用交流電源１、配電線２、直流電源３、および負荷７を備える。

商用交流電源１は、商用周波数の交流電力を配電線２に供給する。直流電源３は、商用交流電源１から配電線２を介して供給される交流電力を直流電力に変換して負荷７に供給する。負荷７は、直流電源３から供給される直流電力によって駆動される。

直流電源３は、他励式整流器４、電流検出器５、および制御装置６を含む。他励式整流器４は、制御装置６によって制御されるサイリスタを含む周知のものであり、配電線２と負荷７の間に接続される。他励式整流器４は、商用交流電源１から配電線２を介して供給される交流電力を整流して直流電力を生成する。

電流検出器５は、他励式整流器４から負荷７に流れる直流電流ＩＤＣを検出し、検出値を示す信号ＩＤＣｆを制御装置６に出力する。制御装置６は、電流検出器５の出力信号ＩＤＣｆによって示される直流電流ＩＤＣが所定の直流電流指令値ＩＤＣａになるように他励式整流器４を制御する。

図２は、制御装置６の構成を示すブロック図である。図２において、制御装置６は、直流電流指令部１１、減算器１２、直流電流制御部１３、電圧検出器１４、および点弧角制御部１５を含む。

直流電流指令部１１は、所定の直流電流指令値ＩＤＣａを出力する。減算器１２は、直流電流指令値ＩＤＣａと、電流検出器５（図１）の出力信号ＩＤＣｆによって示される直流電流ＩＤＣとの偏差ΔＩＤＣ＝ＩＤＣａ－ＩＤＣを求める。

直流電流制御部１３は、減算器１２によって求められる偏差ΔＩＤＣがなくなるように直流電流制御値ＩＤＣｂを生成する。直流電流制御部１３は、たとえば、偏差ΔＩＤＣに比例する値と偏差ΔＩＤＣの積分値に比例する値とを加算することにより直流電流制御値ＩＤＣｂを生成する。

電圧検出器１４は、配電線２（図１）に現れる交流電圧ＶＡＣの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号ＶＡＣｆを出力する。点弧角制御部１５は、電圧検出器１４の出力信号ＶＡＣｆによって示される交流電圧ＶＡＣを基準電圧として、他励式整流器４に含まれるサイリスタの点弧角αを制御する。

直流電流ＩＤＣが直流電流指令値ＩＤＣａよりも小さい場合には、直流電流制御値ＩＤＣｂが増大し、点弧角αが減少して直流電流ＩＤＣが増大する。逆に、直流電流ＩＤＣが直流電流指令値ＩＤＣａよりも大きい場合には、直流電流制御値ＩＤＣｂが減少し、点弧角αが増大して直流電流ＩＤＣが減少する。したがって、直流電流ＩＤＣは、直流電流指令値ＩＤＣａに一致するように制御される。

図３は、直流電源３の問題点を説明するためのフローチャートである。図３において、たとえば配電線２に接続された他の負荷（図示せず）の運転が開始されて配電線２の交流電圧ＶＡＣの波形が歪むと（ステップＳ１）、点弧角制御部１５によって使用される基準電圧の波形が歪み、他励式整流器４に含まれるサイリスタの点弧角αが変動する。

点弧角αが変動すると、他励式整流器４の直流出力電圧ＶＤＣが変動し（ステップＳ２）、他励式整流器４から負荷７に流れる直流電流ＩＤＣが変動し（ステップＳ３）、直流電流制御値ＩＤＣｂが変動する（ステップＳ４）。直流電流制御値ＩＤＣｂが変動すると、点呼角αが変動し、配電線２から他励式整流器４に流れる交流電流ＩＡＣの波形が歪み（ステップＳ５）、配電線２の交流電圧ＶＡＣの波形が歪む（ステップＳ１）。

したがって、他の負荷（図示せず）の運転が安定した後でも、配電線２の交流電圧ＶＡＣの波形が歪み続け、他励式整流器４の制御が不安定になるという問題がある。本願発明者らによる実験では、波形の歪んだ交流電流ＩＡＣには、所定周波数帯域の非整数次の高調波電流ＩＨが含まれていた。

図４は、本開示の原理を説明するためのフローチャートであって、図３と対比される図である。図４が図３と異なる点は、ステップＳ６～Ｓ１２が追加されている点である。ステップＳ６において、交流電流ＩＡＣから高調波電流ＩＨを検出する。この高調波電流ＩＨは、他励式整流器４から配電線２に流れ、配電線２の交流電圧ＶＡＣの波形を歪ませる。波形の歪んだ交流電圧ＶＡＣは、高調波電圧ＶＨを含んでいる。

そこで、ステップＳ７において、高調波電流ＩＨと逆極性の補償電流ＩＯを配電線２に供給する。これにより、配電線２の交流電圧ＶＡＣに含まれる高調波電圧ＶＨが抑制され、交流電圧ＶＡＣの波形が改善される（ステップＳ８）。交流電圧ＶＡＣの波形が改善されると、点弧角制御部１５によって使用される基準電圧の波形が改善され、他励式整流器４に含まれるサイリスタの点弧角αが安定する。

点弧角αが安定すると、他励式整流器４の直流出力電圧ＶＤＣが安定し（ステップＳ９）、他励式整流器４から負荷７に流れる直流電流ＩＤＣが安定し（ステップＳ１０）、直流電流制御値ＩＤＣｂが安定する（ステップＳ１１）。直流電流制御値ＩＤＣｂが安定すると、点呼角αが安定し、配電線２から他励式整流器４に流れる交流電流ＩＡＣの波形が改善される（ステップＳ１２）。ステップＳ６～Ｓ１２を繰り返すことにより、他励式整流器４の制御を安定化させる。

［実施の形態１］
図５は、本開示の実施の形態１に従う高調波抑制システム２１の構成を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図５において、この高調波抑制システム２１は、電流検出器２２、帯域通過型フィルタ回路（ＢＰＦ：Band-pass filter）２３、および無効電力補償装置２４を含む。

電流検出器２２は、配電線２と他励式整流器４の間に流れる交流電流ＩＡＣの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号ＩＡＣｆを出力する。帯域通過型フィルタ回路２３は、電流検出器２２の出力信号ＩＡＣｆによって示される交流電流ＩＡＣから所定周波数帯域の高調波電流ＩＨを抽出し、抽出した高調波電流ＩＨを示す信号ＩＨｆを出力する。電流検出器２２および帯域通過型フィルタ回路２３は、他励式整流器４で発生する高調波電流ＩＨを検出する「高調波検出部」を構成する。

本願発明者らによる実験では、波形の歪んだ交流電流ＩＡＣには、主に３．５次の高調波電流ＩＨが含まれていた。そこで、帯域通過型フィルタ回路２３の通過帯域は、３．５次の高調波電流ＩＨを通過させるように、第３次高調波電流から第４次高調波電流までの高調波電流を通過させるように設定されている。ただし、高調波電流ＩＨの周波数は、他励式整流器４の構成、負荷７の消費電力などによって異なる値となる。

無効電力補償装置２４は、帯域通過型フィルタ回路２３の出力信号ＩＨｆによって示される高調波電流ＩＨと逆極性の補償電流ＩＯ＝－ＩＨを配電線２に供給する。

図６は、無効電力補償装置２４の構成を示すブロック図である。図６において、無効電力補償装置２４は、電流指令部３０、減算器３１、電流制御部３２、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部３３、自励式変換器３４、電流検出器３５を含む。電流指令部３０は、帯域通過型フィルタ回路２３の出力信号ＩＨｆによって示される高調波電流ＩＨと逆極性の電流指令値ＩＯａ＝－ＩＨを出力する。電流検出器３５は、自励式変換器３４から配電線２に流れる補償電流ＩＯを検出し、その検出値を示す信号ＩＯｆを出力する。

減算器３１は、電流指令値ＩＯａと、電流検出器３５の出力信号ＩＯｆによって示される補償電流ＩＯとの偏差ΔＩＯ＝ＩＯａ－ＩＯを求める。電流制御部３２は、減算器３１によって求められる偏差ΔＩＯがなくなるように電流制御値ＩＯｂを生成する。電流制御部３２は、たとえば、偏差ΔＩＯに比例する値と偏差ΔＩＯの積分値に比例する値とを加算することにより電流制御値ＩＯｂを生成する。

自励式変換器３４は、複数の自己消弧型スイッチング素子、リアクトル、コンデンサ等を含む周知のものである。自己消弧型スイッチング素子は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）などである。

自励式変換器３４は、ＰＷＭ制御部３３によって制御され、補償電流ＩＯを配電線２に供給する。ＰＷＭ制御部３３は、電流制御値ＩＯｂに応じた値の補償電流ＩＯが自励式変換器３４から配電線２に流れるように、自励式変換器３４をＰＷＭ制御する。

補償電流ＩＯが電流指令値ＩＯａよりも小さい場合には、電流制御値ＩＯｂが増大し、補償電流ＩＯが増大する。逆に、補償電流ＩＯが電流指令値ＩＯａよりも大きい場合には、電流制御値ＩＯｂが減少し、補償電流ＩＯが減少する。したがって、補償電流ＩＯは、電流指令値ＩＯａすなわち高調波電流ＩＨの逆極性の電流に一致するように制御される。

このため、他励式整流器４から配電線２に流れる高調波電流ＩＨと、無効電力補償装置２４から配電線２に流れる補償電流ＩＯ＝－ＩＨとの和が０となり、配電線２に現れる高調波電圧ＶＨが抑制される。

以上のように、この実施の形態１では、他励式整流器４が接続された配電線２に現れる高調波電圧ＶＨを抑制して、配電線２の交流電圧ＶＡＣの波形歪を抑制し、他励式整流器４の制御の安定化を図ることができる。

［実施の形態２］
図７は、本開示の実施の形態２に従う高調波抑制システム４０の構成を示すブロック図であって、図５と対比される図である。図７において、高調波抑制システム４０が高調波抑制システム２１と異なる点は、電流検出器２２および帯域通過型フィルタ回路２３が電圧検出器４１、帯域通過型フィルタ回路４２、記憶部４３、および演算部４４で置換されている点である。

電圧検出器４１は、配電線２に現れる交流電流ＶＡＣの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号ＶＡＣｆを出力する。帯域通過型フィルタ回路（ＢＰＦ）４２は、電圧検出器４１の出力信号ＶＡＣｆによって示される交流電圧ＶＡＣから所定周波数帯域の高調波電圧ＶＨを抽出し、抽出した高調波電圧ＶＨの瞬時値を示す信号ＶＨｆを出力する。

本願発明者らによる実験では、波形の歪んだ交流電圧ＶＡＣには、主に３．５次の高調波電圧ＶＨが含まれていた。そこで、帯域通過型フィルタ回路４２の通過帯域は、３．５次の高調波電圧ＶＨを通過させるように、第３次高調波電圧から第４次高調波電圧までの高調波電圧を通過させるように設定されている。ただし、高調波電圧ＶＨの周波数は、他励式整流器４の構成、負荷７の消費電力などによって異なる値となる。

記憶部４３には、高調波電圧ＶＨと実施の形態１で説明した高調波電流ＩＨとの関係を示すテーブル、数式等が格納されている。高調波電圧ＶＨと高調波電流ＩＨの関係は、予め実験により求められている。

演算部４４は、記憶部４３のテーブル、数式等を参照して、帯域通過型フィルタ回路４２の出力信号ＶＨｆによって示される高調波電圧ＶＨを高調波電流ＩＨに換算し、その高調波電流ＩＨの瞬時値を示す信号ＩＨｆを出力する。電圧検出器４１、帯域通過型フィルタ回路４２、記憶部４３、および演算部４４は、他励式整流器４で発生する高調波電流ＩＨを検出する「高調波検出部」を構成する。

無効電力補償装置２４は、演算部２２の出力信号ＩＨｆによって示される高調波電流ＩＨと逆極性の補償電流ＩＯ＝－ＩＨを配電線２に供給する。

この実施の形態２では、実施の形態１と同じ効果が得られる他、種々の事情により、配電線２と他励式整流器４の間のスペースに電流検出器２２（図５）を設けることができない場合にも、高調波電圧ＶＨを抑制することができる。

［実施の形態３］
図８は、本開示の実施の形態３に従う高調波抑制システム５１の構成を示す回路ブロック図であって、図５と対比される図である。図８では、配電線２に分散型電源５０が接続されている場合が示されている。分散型電源５０は、太陽光のような自然エネルギーを直流電力に変換し、その直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を配電線２の交流電圧ＶＡＣに同期して配電線２に供給する。

分散型電源５０の発電量が増大すると、逆潮流によって配電線２の交流電圧ＶＡＣの実効値Ｖｅが上昇する。交流電圧ＶＡＣの実効値Ｖｅが過度に高くなると、配電線２に接続された負荷に悪影響が発生する。本実施の形態３では、この問題の解決が図られる。

図８において、高調波抑制システム５１は、高調波抑制システム２１（図５）の無効電力補償装置２４を無効電力補償装置５２で置換したものである。無効電力補償装置５２は、高調波電流ＩＨのレベルがしきい値電流Ｉｔｈよりも大きい場合には、高調波電流ＩＨと逆極性の補償電流ＩＯを配電線２に供給し、高調波電流ＩＨのレベルがしきい値電流Ｉｔｈよりも小さい場合には、配電線２の交流電圧ＶＡＣの実効値Ｖｅ（電圧値）が参照電圧値Ｖｒになるように、配電線２に無効電流ＩＯを供給する。

図９は、無効電力補償装置５２の構成を示すブロック図であって、図６と対比される図である。図９を参照して、無効電力補償装置５２が無効電力補償装置２４と異なる点は、電流判定部６０、電圧検出器６１、無効電流指令部６２、および加算器６３が追加され、電流指令部３０が電流指令部３０Ａで置換されている点である。

電流判定部６０は、帯域通過型フィルタ回路２３の出力信号ＩＨｆによって示される高調波電流ＩＨの電流値が所定のしきい値電流Ｉｔｈよりも大きいか否かを判定し、判定結果を示す信号ＤＩを出力する。高調波電流ＩＨの電流値が所定のしきい値電流Ｉｔｈよりも大きい場合には、信号ＤＩは活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。高調波電流ＩＨの電流値が所定のしきい値Ｉｔｈ電流よりも小さい場合には、信号ＤＩは非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。

電流指令部３０Ａは、信号ＤＩが「Ｈ」レベルにされた場合に活性化され、高調波電流ＩＨと逆極性の電流指令値ＩＯＡを出力する。信号ＤＩが「Ｌ」レベルにされた場合には、電流指令部３０Ａは非活性化され、電流指令値ＩＯＡは０に設定される。電圧検出器６１は、配電線２に現れる交流電流ＶＡＣの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号ＶＡＣｆを出力する。

無効電流指令部６２は、信号ＤＩが「Ｌ」レベルにされた場合に活性化され、電圧検出器６１の出力信号ＶＡＣｆによって示される交流電圧ＶＡＣの実効値Ｖｅを求め、所定の参照電圧値（定格電圧値）Ｖｒと実効値Ｖｅとの偏差ΔＶｅ＝Ｖｒ－Ｖｅを求め、その偏差ΔＶｅがなくなるように無効電流指令値ＩＱを生成する。

無効電流指令部６２は、たとえば、偏差ΔＶｅに比例する値と偏差ΔＶｅの積分値に比例する値とを加算することにより無効電流指令値ＩＱを生成する。信号ＤＩが「Ｈ」レベルにされた場合には、無効電流指令部６２は非活性化され、無効電流指令値ＩＱは０に設定される。

加算器６３は、電流指令部３０Ａからの電流指令値ＩＯＡと、無効電流指令部６２からの無効電流指令値ＩＱとを加算して電流指令値ＩＯａを生成する。電流指令値ＩＯａは、減算器３１に与えられる。電流制御部３２、ＰＷＭ制御部３３、自励式変換器３４、および電流検出器３５の動作については、図４で説明した通りである。

次に、この高調波抑制システムの動作について説明する。他励式整流器４で発生する高調波電流ＩＨの電流値がしきい値電流Ｉｔｈよりも大きい場合には、電流判定部６０の出力信号ＤＩが活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。

信号ＤＩが「Ｈ」レベルにされると、電流指令部３０Ａによって高調波電流ＩＨと逆極性の電流指令値ＩＯＡが生成されるとともに、無効電流指令部６２によって無効電流指令値ＩＱが０にされる。加算器６３によって電流指令値ＩＯＡと無効電流指令値ＩＱ＝０とが加算されて電流指令値ＩＯａ＝ＩＯＡが生成される。

電流指令値ＩＯａと、電流検出器３５の出力信号ＩＯｆによって示される出力電流ＩＯとの偏差ΔＩＯ＝ＩＯａ－ＩＯが減算器３１によって求められる。電流制御部３２およびＰＷＭ制御部３３によって、その偏差ΔＩＯがなくなるように自励式変換器３４が制御され、無効電力補償装置５２から配電線２に高調波電流ＩＨと逆極性の電流ＩＯが供給され、配電線２の高調波電圧ＶＨが抑制される。

また、他励式整流器４で発生する高調波電流ＩＨの電流値がしきい値電流Ｉｔｈよりも小さい場合には、電流判定部６０の出力信号ＤＩが非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。

信号ＤＩが「Ｌ」レベルにされると、無効電流指令部６２によって交流電圧ＶＡＣの実効値Ｖｅが参照電圧値Ｖｒになるように無効電流指令値ＩＱが生成されるとともに、電流指令部３０Ａによって電流指令値ＩＯＡが０にされる。加算器６３によって無効電流指令値ＩＱと電流指令値ＩＯＡ＝０とが加算されて電流指令値ＩＯａ＝ＩＱが生成される。

電流指令値ＩＯａと、電流検出器３５の出力信号ＩＯｆによって示される出力電流ＩＯとの偏差ΔＩＯ＝ＩＯａ－ＩＯが減算器３１によって求められる。電流制御部３２およびＰＷＭ制御部３３によって、その偏差ΔＩＯがなくなるように自励式変換器３４が制御され、無効電力補償装置５２から配電線２に無効電流ＩＯが供給され、配電線２の交流電圧ＶＡＣの実効値Ｖｅが参照電圧値Ｖｒに調整される。

以上のように、この実施の形態３では、実施の形態１と同じ効果が得られる他、配電線２の交流電圧ＶＡＣの実効値Ｖｅを参照電圧値Ｖｒに調整することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 商用交流電源、２ 配電線、３ 直流電源、４ 他励式整流器、５，２２，３５ 電流検出器、６ 制御装置、７ 負荷、１１ 直流電流指令部、１２，３１ 減算器、１３ 直流電流制御部、１４，４１，６１ 電圧検出器、１５ 点弧角制御部、２１，４０，５１ 高調波抑制システム、２３，４２ 帯域通過型フィルタ回路、２４，５２ 無効電力補償装置、３０，３０Ａ 電流指令部、３２ 電流制御部、３３ ＰＷＭ制御部、３４ 自励式変換器、４３ 記憶部、４４ 演算部、５０ 分散型電源、６０ 電流判定部、６２ 無効電流指令部、６３ 加算器。

Claims (4)

1. 交流電力を直流電力に変換する他励式整流器が接続された配電線に現れる高調波電圧を抑制する高調波抑制システムであって、
   前記他励式整流器で発生する高調波電流を検出する高調波検出部と、
   前記高調波検出部によって検出される前記高調波電流と逆極性の補償電流を前記配電線に供給する無効電力補償装置とを備える、高調波抑制システム。
2. 前記高調波検出部は、
   前記配電線と前記他励式整流器の間に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器によって検出される電流から予め定められた周波数帯域の前記高調波電流を抽出する帯域通過型フィルタ回路とを含む、請求項１に記載の高調波抑制システム。
3. 前記高調波検出部は、
   前記配電線の交流電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電圧検出器によって検出される交流電圧から予め定められた周波数帯域の前記高調波電圧を抽出する帯域通過型フィルタ回路と、
   前記帯域通過型フィルタ回路によって抽出される前記高調波電圧に基づいて前記高調波電流を求める演算部とを含む、請求項１に記載の高調波抑制システム。
4. 前記無効電力補償装置は、
   前記高調波検出部によって検出される前記高調波電流のレベルがしきい値電流よりも大きい場合には、前記高調波検出部によって検出される前記高調波電流と逆極性の補償電流を前記配電線に供給し、
   前記高調波検出部によって検出される前記高調波電流のレベルが前記しきい値電流よりも小さい場合には、前記配電線の交流電圧の電圧値が参照電圧値になるように、前記配電線に無効電流を供給する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高調波抑制システム。
   

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