JP3242814B2 - 電力系統の補償制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、直列コンデンサによ
り電力系統のリャクタンス電圧を補償する電力系統の補
償制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１１は例えば「計測と制御 第３２巻
第９号（１９９３年９月号）ＰＰ７４２〜７４９」に
示された従来の直列コンデンサによる交流電力系統の補
償方式の例を示す図である。同図において、１は送電側
電源、２は送電側母線、３は受電側系統、４は受電側母
線、５は送電線路、６は送電線路５のインダクタンスを
含む電力系統のインダクタンス、７は直列コンデンサ、
ＩＬは送電線路５の線路電流である。

【０００３】電力系統の線路に直列コンデンサ７を設け
た上記従来の補償方式は、長距離大電力送電において電
力系統インダクタンスひいては同リャクタンスが大きい
場合、そのリャクタンスを相殺して送電限界を向上させ
る上で有用である。特に、コンデンサの損失が極めて小
さく、かつ、安価であるため電力変換器による補償法よ
り優れている面がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の電力系統の補償
制御装置は以上のように構成されているので、送電線投
入時，地絡事故時および回復時，系統切り換え時，その
他電圧急変が生じる時、基本周波数成分の電流以外に直
列コンデンサ７とインダクタンス６とによる共振周波数
成分（過渡的成分）の電流が流れる。この共振周波数成
分が基本周波数成分と重畳されるのでビートを生じ、線
路電流ＩＬの振幅と位相が脈動する。上記線路電流ＩＬ
をその実軸成分ＩＬＰと虚軸成分ＩＬＱとに分解して示
すと、図１２の如く表される。即ち、同図（ａ）は時間
ｔに対する変化を示し、同図（ｂ）は軌跡（リサージ
ュ）を示す。このとき、脈動周波数は上記２つの周波数
の差の周波数になる。この内、実軸成分ＩＬＰ、即ち有
効電流の脈動は発電機の軸トルク脈動として現れ、軸捩
れ振動を誘発する。特に、発電機軸の共振周波数に近い
とさらに軸捩れ振動が増幅されると云う問題点があっ
た。他方、虚軸成分ＩＬＱ、即ち無効電流の脈動は電圧
変動を誘発する。この他、直列コンデンサ７が電流を積
分した電圧を生じるのに対して、インダクタンス６が電
流の微分比例電圧を生じるため、制御上の過渡特性や動
特性が悪化すると云う問題点もあった。以上、要約する
と交流電力系統の直列コンデンサ補償方式において、直
列コンデンサ７が過渡特性や動特性を悪くする問題点が
あった。

【０００５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、補償電圧印加手段の過電流耐量
または過負荷耐量の向上、或いは、系統安定化に必要な
可変制御幅を広げることができる電力系統の補償制御装
置を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る電力系統
の補償制御装置は、電力系統の線路に直列に挿入され指
令値に基づく電圧を発生する、二次巻線に励磁電源を備
えた巻線形交流機と、上記電力系統の線路電流または電
力の検出手段と、上記検出手段の出力を受けて上記巻線
形交流機の二次巻線に励磁電源への指令値を生成する指
令値生成手段とを備えたものである。

【０００７】

【作用】この発明における電力系統の補償制御装置は、
電力系統の線路に直列に挿入され指令値に基づく電圧を
発生する、二次巻線に励磁電源を備えた巻線形交流機
と、上記電力系統の線路電流または電力の検出手段と、
上記検出手段の出力を受けて上記巻線形交流機の二次巻
線に励磁電源への指令値を生成する指令値生成手段とを
備えたことにより、巻線形交流機は、所望の一次電圧ひ
いては一次磁束鎖交数に対して、所与の一次電流を考慮
して二次電流を制御すれば、所望の一次電圧となるよう
制御できる。即ち、従属電圧源として活用できる。従っ
て、過電流耐量が大きい巻線形交流機を用いることによ
り、上記補償電圧印加手段の過電流耐量および過負荷耐
量が大きくなる。

【０００８】

【実施例】実施例１． 図１にこの発明の一実施例を示し、同図において、６は
線路リャクタンス，変圧器リーケージリャクタンス，積
極的に挿入する変圧器リーケージリャクタンス及び積極
的に挿入する限流リャクタンス等からなる系統リャクタ
ンス、７は直列コンデンサ、８は電流検出手段、９は電
圧検出手段、１０は電力検出手段、１１は指令値生成手
段、１２は補償電圧印加手段（従属電圧源）、Ｖｉ^* は
電圧指令値（ベクトルまたはスカラ）、ＩＬは線路電流
（ベクトルまたはスカラ）である。上記補償電圧印加手
段１２として、直流交流間電力変換器，高周波リンク形
サイクロコンバータ，巻線形交流機など、静止形または
回転機形の従属可変電圧源を用い得る。なお、同一符号
は同一手段または相当手段を示す。

【０００９】 上記実施例において、簡単化する場合、電
力検出手段１０を省略して線路電流を代表する電流検出
手段８に応答して補償電圧印加手段１２を制御すること
ができる。このとき、検出された電流ＩＬに応じた挿入
電圧Ｖｉを与えることにより、種々の制御ができるが詳
細は後記実施例で説明することとし、ここでは、電力に
応答して制御する場合につき説明する。

【００１０】 ここで、直列コンデンサ７は系統リャクタ
ンス６を相殺して合成リャクタンスを低くし、挿入電圧
Ｖｉの変化に対して線路電流がより敏感に変化するよう
になる。即ち、より低い挿入電圧で済み、補償電圧印加
手段１２の所要容量を軽減できる条件になっている。

【００１１】 さて、電流検出手段８と電圧検出手段９と
からの出力を受けて、電力検出手段１０が送電線路５を
介して送電される電力を演算または検出する。次いで、
この電力に応じて指令値生成手段１１が挿入電圧指令Ｖ
ｉ^* を出力し、この指令値を受けて補償電圧印加手段１
２が線路に直列に補償電圧Ｖｉを印加する。これに際
し、指令値生成手段１１に電力の動揺を抑制する伝達特
性を持たせる方法（少なくとも微分的伝達特性を持たせ
る）や所望の電力に対する偏差に応じて帰還制御する方
法，変分電力に応じて電力の動揺を抑制する伝達特性を
持たせる方法等が採用できる。さらに、線路電流に対し
て直交しかつ系統リャクタンス６の電圧と逆極性の電圧
を挿入すれば送電電力が増加し、同極性の電圧を挿入す
れば送電電力が減少するので、このメカニズムを活用す
ることができる。さらに、送電電力の所望値を外部より
指令として受ける場合、上位の系統安定化制御手段（例
えばパワーシステムスタビライザＰＳＳ）より指令を与
えられ得る。

【００１２】 以上の結果、直列コンデンサ補償のみで
は、直列コンデンサ７が電流の時間積分値に比例する電
圧を生じ、系統リャクタンス６が電流の時間微分値に比
例する電圧を生じるため前記共振問題を生じたのに対し
て、補償電圧印加手段１２はそのどちらでもない自由な
電圧を挿入できる。このため、直列コンデンサ７と系統
リャクタンス６との共振による動揺を生じようとする
と、適宜な指令値生成手段１１によりその動揺を抑制す
る挿入電圧を補償電圧印加手段１２より与え得る。従っ
て、低損失かつ経済的な直列コンデンサ７による補償を
ベースとする補償方式における前記ＬＣ共振現象とその
波及による悪影響を軽減ないし抑える作用をすることが
できる。即ち、直列コンデンサ補償方式における過渡特
性や動特性の改善ができる。

【００１３】 以上要約すると、定常的なリャクタンス電
圧の補償の内、基盤的部分を低損失かつ経済的な直列コ
ンデンサ７により補償し、動特性が関わるところで補佐
的に補償電圧印加手段１２を備え、ＬＣ共振現象とその
波及による悪影響を軽減ないし抑えることができる。特
に、送電端側に発電機がある電源線の場合、発電機のト
ルク脈動による軸捩れ共振を防止する効果がある点も特
筆される。また、補償電圧印加手段１２と直列コンデン
サ７との併用で補償電圧印加手段１２の所要電圧が低く
なり、所要容量が軽減される。

【００１４】 実施例２． 図２（ａ）は補償電圧印加手段１２に関する一実施例を
示す図で、同図において、３１は送電線路５に直列接続
された一次巻線３１１と二次巻線３１２とを備えた絶縁
変圧器、３３は二次巻線３１２に交流側端子が接続され
た静止形直流交流間電力変換器、３５は静止形電力変換
器３３の直流端子に接続された直流コンデンサである。
静止形電力変換器３３は電流源形において出力電圧を制
御する電圧制御形でもよく、この場合直流コンデンサ３
５に代わり直流リャクトルを用いることができる。ま
た、反電力系統側に高周波回路（高周波コンデンサ）を
持つ高周波リンク形サイクロコンバータでもよい。いず
れにせよ、何等かの電圧指令Ｖｉ^* を受けて出力電圧を
制御するものであればよい。

【００１５】 補償電圧印加手段１２を静止形電力変換器
３３により構成することにより、上記補償電圧印加手段
１２の制御に対する応答速度が速くなり、ひいては上記
脈動の抑制や電圧，電流，電力などの実軸虚軸２成分の
制御の応答速度が速くなる。ひいては、系統安定化制御
の応答速度を向上できる効果が得られる。なお、詳細は
後述実施例で説明する。

【００１６】 実施例３． 図２（ｂ）は補償電圧印加手段の別の実施例を示す図
で、同図において、５０は一次巻線５０ａと二次巻線５
０ｂとを備えた巻線形交流機、６００は二次巻線５０ｂ
の励磁制御装置である。巻線形交流機５０は、一次電流
と二次電流とで決まる一次磁束鎖交数に応じた一次電圧
を発生する。即ち、必要な一次電圧と実一次電流が与え
られれば必要な二次電流を決め得る。また、送電線路５
が絶縁変圧器３１を介して一次巻線５０ａに結合されて
いるので、線路電流ｉＬを代表する電流が一次巻線５０
ａにも流れ、この電流検出手段８を内在させて送電線路
５の電流検出手段に替えることができる。

【００１７】 以上により、発生すべき挿入電圧Ｖｉ^* と
一次電流ｉ１・ＩＬとから必要な二次励磁電流ｉ２を決
めることができ、ひいては励磁電圧の操作により二次電
流ｉ２や挿入電圧Ｖｉを制御できる。この詳細も、後記
詳細実施例で説明する。さて、巻線形交流機５０は、所
望の一次電圧ひいては一次磁束鎖交数に対して、所与の
一次電流を考慮して二次電流を制御すれば、上記所望の
一次電圧となるよう制御できる。即ち、従属電圧源とし
て活用できる。従って、過電流耐量が大きい巻線形交流
機５０を用いることにより、上記補償電圧印加手段１２
の過電流耐量および過負荷耐量が大きくなる。さらに、
系統安定化に必要な制御上の電流可変幅を大きく取り得
る効果もある。換言すれば、過負荷耐量が大きいことを
利用して大きな安定化効果が得られる。なお、詳細は後
述実施例で説明する。

【００１８】 実施例４． 図３（ａ）（ｂ）は挿入電圧Ｖｉのベクトル関係の取り
方を示す図で、都合上本文では交流ベクトルを表すドッ
トマーク“・”を省略して記述する。同図において、Ｖ
ｓ，Ｖｒはそれぞれ送電側電圧ベクトルおよび受電側電
圧ベクトル、ＩＬは線路電流ベクトル、Ｖｘ，Ｖｃはそ
れぞれ系統リャクタンス電圧ベクトルおよび直列コンデ
ンサ電圧ベクトルである。受電側電圧を基準に考える
と、系統リャクタンス電圧Ｖｘを直列コンデンサ電圧Ｖ
ｃで打ち消した点の送電側電圧Ｖｓ（実線表示）を中心
に、挿入電圧Ｖｉを電流に対して直交関係を保ちながら
正負極性に渡って制御すると、点線で示した送電側電圧
ベクトルの変化幅に対処できるわけである。

【００１９】 同図（ａ）は受電側電圧と線路電流が同相
となるよう送電側電圧ベクトルを維持した典型的実施例
を示し、同図（ｂ）は線路電流が受電側電圧と送電側電
圧との間の位相となるよう維持した典型的実施例を示
す。これらの維持関係は、送電側または受電側の発電機
を始め両側の機器との協調制御、または、送受電両側電
圧ベクトルに対して線路電流ベクトルの位相をどの範囲
に定めるかによって実現法の細部を決め得る。

【００２０】 補償電圧印加手段１２を設置するノードで
のローカルかつ検出容易な変数をベクトルの基準とし、
補償電圧印加手段１２に介在する有効電力の積算値ひい
てはエネルギ貯蔵を最小化する上で、線路電流ベクトル
自体を基準にするのがよい。これにより、線路電流ベク
トルに対して挿入電圧ベクトルを直交させることを基本
とし、かつ、幾らかの同相（同軸）電圧成分または過渡
的な同相（同軸）電圧成分を補助的に挿入することがで
きる。この詳細実施例も後述する。

【００２１】 上記ベクトル関係の取り方で重要なこと
は、定常的な系統リャクタンス電圧Ｖｘの一部分ないし
大部分を定常的な直列コンデンサ電圧Ｖｃで補償し、過
渡特性や動特性（例えば、変数の変分に関して論じられ
る固有値による安定性や変分に対する周波数特性）を補
佐的挿入電圧Ｖｉで改善することである。また、地絡事
故時の事故電流制限のような過渡時には、インダクティ
ブな系統リャクタンスと同方向の挿入電圧を与える。こ
のような作用は、指令値生成手段１１に線路電流の制御
系を持たせることにより実現できる。

【００２２】 以上要約すると、線路電流ベクトルに対し
て直交する電圧ベクトルを補償電圧印加手段１２から線
路に直列に印加することにより、線路電流制御や送受電
端間電圧変動に対処でき、かつ、補償電圧印加手段１２
に介在する電力を最少化できる効果が得られる。さらに
このため、補償電圧印加手段１２を簡略化でき経済性が
向上する効果が得られる。

【００２３】 実施例５． 図４は電力検出手段１０および指令値生成手段１１に関
する詳細部分実施例を示す図である。同図の電力検出手
段１０において、１３，１４は３相／２相変換手段又は
同演算手段で次式の演算を行うものである。電流に関す
る３相／２相変換手段１４も、電圧が電流に変わるだけ
で同様の演算でよく、同一の変換行列を用いて変換でき
る。

【００２４】

【数１】

【００２５】さらに、１５は電流検出手段８及び電圧検
出手段９の出力を受けて送電電力を検出または演算する
電力検出手段または電力演算手段である。これら検出出
力は指令値生成手段１１へ与えられる。

【００２６】 次に、指令値生成手段１１の内制御や演算
上で必要な基準ベクトルの導出法につき先に説明する。
指令値生成手段１１において、１６，１７は積分手段ま
たは積分演算手段で、位相が９０゜遅れ方向に回転し
（軸が入れ代わり一方の極性が負になり）α−β軸の磁
束鎖交数λα，λβを出力する。この時、極性が変わる
β軸の積分手段１７に対して符号を変えてβ軸の磁束鎖
交数λβを得る。１８はベクトルの絶対値演算手段、１
９，２０は基準ベクトルとなる単位ベクトル［ｅα，ｅ
β］^T ＝［ｓｉｎθｅ，ｃｏｓθｅ］^T を出力する除算
手段、２１は単位ベクトル［ｅα，ｅβ］^T から基準ベ
クトルの回転角θｅを演算する手段（逆三角関数演算手
段）である。以上１６〜２１は、観測および制御上の基
準座標（単位ベクトルｅまたは、基準ベクトルの回転角
θｅ）を決める座標規準演算手段である。上記実施例で
は電圧を積分した磁束鎖交数λα，λβを基準にしてい
るので、瞬時電圧変動の影響を受けにくく、サージによ
る誤動作も起こしにくいと云う特長がある。

【００２７】 他の実施例として、磁束鎖交数λα，λβ
にかえて電圧ベクトルＶα，Ｖβや電流ベクトルｉα，
ｉβを基準ベクトルに選ぶことができる。この場合、電
圧検出手段９または電流検出手段８の出力から得られる
電圧または電流を３相／２相変換手段１３，１４で３相
／２相変換し、その出力Ｖα，Ｖβまたはｉα，ｉβを
絶対値演算手段１８及び除算手段１９，２０に入れれば
よい。これらは、基準ベクトルの導出が簡単になる特長
がある。また、電流ベクトルは、地絡事故時に存続しや
すい量で、かつ、電圧サージの影響を受けにくい特長が
ある。更に、これらをＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ル
ープ）と組み合わせて基準ベクトルの回転角θｅを決め
たり、単位ベクトル［ｅα，ｅβ］^T ＝［ｓｉｎθｅ，
ｃｏｓθｅ］^T を演算できる。

【００２８】 次いで、送電電力を制御するために、補償
電圧印加手段が印加すべき挿入電圧ベクトルの指令値Ｖ
ｉ^* を演算する部分につき説明する。同図において、２
２，２３は電力制御手段で、２２はその電力比較部，２
３は電力制御演算部である。更に、２４は電流ベクトル
ｉα，ｉβを単位ベクトルｅα，ｅβにより同期回転座
標の量ｉｄ，ｉｑへ変換する座標変換手段で次式の演算
を行うものである。

【００２９】

【数２】

【００３０】即ち、電気角θｅで回転している電流ベク
トルｉα，ｉβを上式により、θｅだけ逆回転させ、静
止ベクトルに変換するベクトル回転器である。更に、２
５，２６は乗算手段、２７は直交変換手段（直交切り換
え手段）、２８はベクトル回転手段である。

【００３１】 次いで、作用を説明する。先ず、電力比較
部２２で電力指令Ｐ^* と送電電力Ｐとが比較され，その
偏差が電力制御演算部２３に与えられ比例係数（挿入リ
ャクタンス）Ｘｉを出力する。この時、電力制御演算部
２３は比例演算Ｐ，比例積分演算ＰＩ，比例積分微分演
算ＰＩＤなどの制御演算を行えばよい。次いで、乗算手
段２５，２６で各軸電流ｉｄ，ｉｑに上記比例係数Ｘｉ
を掛けて挿入すべき電圧ベクトルＶｉｄ^* ，Ｖｉｑ^* を
出力する。この時、挿入すべきリャクタンス電圧は電流
より位相を９０゜（π／２）進める必要がある。即ち、
直交変換する必要があり、直交変換手段２７がこの手段
で、乗算手段２５，２６の出力は互いに他軸へ与えると
共に、虚軸（ｑ軸）から実軸（ｄ軸）へ与える符号を反
転する。これらの演算を固定子座標（α−β軸や、ＲＳ
Ｔ軸）で行ってもよい。

【００３２】 これら送電電力制御を行うことにより、フ
ィードバック制御作用による送電電力の脈動抑制作用が
働く。従って、前記ＬＣ共振とのビートによる有効電力
の脈動が生じようとしても電力制御が働くので、それら
脈動の抑制作用がさらに確実なものとなる特長がある。
また、上記挿入リャクタンスＸｉは、可変リャクタンス
制御により線路電流を制御する場合にも使用できる。さ
らに、補償電圧印加手段１２からの変分回転角指令△θ
だけ回転を加えるベクトル回転手段２８を備え、この出
力Ｖｉ^* が前記補償電圧印加手段１２への電圧ベクトル
指令になる。ここで、上記変分回転角指令△θ^* は補償
電圧印加手段１２に介在する電力を調整する機能を果た
し、その積算値に対応する量（補償電圧印加手段１２の
反電源側電圧や速度）を制御する作用を受け持つ。な
お、ベクトルの回転は入力ベクトルに次式の行列を左か
ら掛けて得られる。

【００３３】

【数３】

【００３４】この実施例は、簡単な係数の乗算で済み、
かつ、直交電圧を印加するので補償電圧印加手段１２に
介在する電力の平均値や積算値をほぼゼロにできる。従
って、経済的となる特長がある。

【００３５】 実施例６．図５は電力検出手段１０および
指令値生成手段１１に関する他の詳細部分実施例を示す
図である。同図において、５１，５３はｄ軸（実軸）電
流制御手段で、５１はその電流比較部，５３はその電流
制御演算部、５２，５４はｑ軸（虚軸）電流制御手段
で、５２はその電流比較部，５４はその電流制御演算部
である。さらに、５５，５８は同一軸へ与える電圧指令
値を決める係数掛け算手段（係数器）、５６，５７は他
軸（直交軸）へ与える電圧指令値を決める係数掛け算手
段（係数器）、５９，６０は指令値の合成手段（加減算
手段）である。

【００３６】 電流，電圧，電力および基準ベクトルの検
出演算部は前記図４と同じゆえ説明を省略する。次に、
内側制御ループで線路電流の制御を行う場合の電圧指令
値生成部の動作を説明する。電力比較部２２で電力指令
Ｐ^* と送電電力Ｐとが比較され，その偏差が電力制御演
算部２３に与えられ実軸電流指令値ｉｄ^* を出力する。
この時、電力制御演算部２３は比例演算Ｐ，比例積分演
算ＰＩ，比例積分微分演算ＰＩＤなどの制御演算を行え
ばよい。さらに、実軸電流指令値ｉｄ^* は電流比較部５
１で実軸電流ｉｄと比較され、この電流偏差を電流制御
演算部５３に与えて電流偏差応答量ｉｅｄを出力する。
この時、電流制御演算部５３は比例演算Ｐ，比例積分演
算ＰＩなどの制御演算を行えばよい。

【００３７】 他方、ｑ軸電流制御側（虚軸電流制御側）
は、後述の補償電圧印加手段に介在する電力またはその
積分応答量を制御するために活用し、このｑ軸電流指令
値ｉｑ^* は補償電圧印加手段１２から与えられる。ｑ軸
電流制御手段５２，５４の動作および特性付けは上記ｄ
軸の場合と同様でよい。これら線路電流制御を行うこと
により、フィードバック制御作用による線路電流の脈動
抑制作用が働き、前記ＬＣ共振の抑制作用がさらに確実
なものとなる特長がある。ここでは、線路電流の２軸成
分、即ち電流ベクトルを制御する精細制御例を示してい
るが、実軸電流制御系（線路の有効電流制御係）が主に
なる。従って、電流の絶対値や実効値など、スカラ制御
だけでもＬＣ共振による脈動の抑制作用向上効果が得ら
れる。

【００３８】 実施例７． 次に、２軸の線路電流制御手段から電圧指令値を決める
部分につき詳しい動作を説明する。夫々の軸ごとの制御
演算手段５３，５４からの出力に対して、係数掛け算手
段５５〜５８および合成手段５９，６０は次式の行列演
算を行う。

【００３９】

【数４】

【００４０】ここに、ｋ２は自軸電流を流すための直交
リャクタンス電圧を与える係数、ｋ３は自軸電流を与え
るための抵抗降下電圧やダンピングを加えるための係数
である。この様に、直交他軸へのリャクタンス電圧のみ
ならず、同一軸（自軸）の電圧成分も与えることによ
り、線路電流の制御特性が改善される点が特長となる。
また、実軸電流指令ｉｄ^* を有効電流指令ｉｐ^* に代
え、虚軸電流指令ｉｑ^*を無効電流指令ｉ_Q ^*に代えて利
用できる。さらに、虚軸電流指令ｉｑ^* はゼロにして置
き、その変分が補償電圧印加手段１２に介在する電力を
左右するので、補償電圧印加手段１２からの変分虚軸電
流指令△ｉｑ^* を受けて、これにより補償電圧印加手段
１２に介在する電力およびその積算応答量を制御でき
る。以上の如くして得られた電圧指令値ベクトルＶｉ^*
は、補償電圧印加手段１２への前記挿入電圧指令として
与えられる。

【００４１】 さらに、上記指令値生成手段１１の指令入
力ｉｄ^* ，ｉｑ^* に替えて、線路電流指令（絶対値）ｉ
_L ^*，有効電流指令ｉ_P ^*，無効電流指令ｉ_Q ^*や有効電力指
令Ｐｒ，無効電流指令Ｑｒなどを与え、上位制御手段
（図示せず）からこれら指令を与えることにより、系統
電流の制御，有効電流や無効電流の制御または有効電力
または無効電力の制御、ひいては潮流の制御，系統安定
化制御（電圧，電流，電力の安定化，脱調抑制，制御理
論的動特性上の安定化など）および系統の位相差動揺・
電力動揺の抑制，過渡特性および動特性のさらなる向上
などができる。

【００４２】 実施例８． 図６は静止形の補償電圧印加
手段に関する部分実施例を示す図で、同図において、一
次巻線３１１ａ，３１１ｂが夫々送電線路５に直列接続
され、かつ、二次巻線３１２ａ，３１２ｂが夫々代表的
な２レベルまたは３レベルの３相インバータ３３ａ，３
３ｂに接続される位相変圧器３１ａ，３１ｂを備える。
インバータに替えて高周波リンク形サイクロコンバータ
でもよい。更に、３５は直流リンク用平滑コンデンサ
で、サイクロコンバータの場合は高周波リンク用交流コ
ンデンサである。この高周波リンク部の相数は単相以外
に３相などの多相にできる。

【００４３】 以上主回路部において、二次巻線３１２
ａ，３１２ｂ間に電気角３０゜（π／６）の位相差を付
けた例を示し、この位相差を付けることにより一次巻線
３１１ａ，３１１ｂでの合成電圧の高調波を減少させる
とともに、二次巻線３１２ａ，３１２ｂの高調波電流も
軽減させる。当然、静止形電力変換器（３相インバー
タ）３３ａ、３３ｂ間も電気角３０゜（π／６）の位相
差を持たせて運転させる。上記主回路部の起動に先立
ち、初期充電回路や初期充電動作モードを持たせること
ができる。

【００４４】 次に、同図において、リンク用交流コンデ
ンサ３５の電圧は変換器に介在する電力の出入りの積算
値、即ちエネルギ収支により変化するので、この電圧を
所定範囲に調整することが必要になる。このためさら
に、下記制御部を備える。同図において、３６は電圧検
出手段、３７，３８は電圧制御手段（レギュレータＡＶ
Ｒ）で、３７はその指令電圧Ｖｄｃ^* との比較部、３８
はその電圧制御演算部である。ここに、電圧制御演算部
３８は比例演算Ｐ，比例積分演算ＰＩ，比例積分微分演
算ＰＩＤなどの制御演算を行えばよい。この出力は前記
指令値生成手段１１へ帰還され、挿入電圧指令Ｖｉ^* と
して帰還されてくる。この時、前記指令値生成手段１１
で補償電圧印加手段１２に介在する電力に関係する量
（ｉｑ^* ，△θ^* ）が制御され、線路電流と同相の電圧
成分が挿入電圧指令Ｖｉ^* に含まれ、この制御が行われ
る。この結果、各電力変換器ユニットの直流電流ひいて
は直流電圧が調整されて、電圧制御系が完結されるわけ
である。

【００４５】 次いで、挿入電圧指令Ｖｉ^* を受けて各電
力変換器ユニットを制御する部分について説明する。同
図において、３９は座標変換手段、４１はベクトル回転
手段、４０，４２は２相／３相変換手段である。さて、
座標変換手段３９は複数の電力変換器３３ａ，３３ｂに
共通な電圧ベクトル指令Ｖｉ^* を次式で表わされる“回
転角度θｅを持つ基準ベクトル（単位ベクトル）”を用
いて固定座標（ステーショナリ・リファレンスフレー
ム）へ座標変換する。

【００４６】

【数５】

【００４７】即ち、次式の演算を行う。この演算に要す
る上記基準ベクトルは前記の指令値生成手段１１より与
えられる。

【００４８】

【数６】

【００４９】電圧ベクトル指令Ｖｉ^* は交流理論でよく
知られたＲｅ−Ｉｍ表示の実軸成分と虚軸成分に対応す
る任意な同期回転座標（シンクロナスリー・リファレン
スフレーム）のｄ−ｑ２軸成分からなるベクトルで、上
記座標変換により固定座標のα−β軸の量（交流）に変
換される。相数変換手段４０，４２はα−β軸の２相指
令を３相指令に変換する相数変換手段または相数変換演
算手段である。この相数変換は次式で表される。

【００５０】

【数７】

【００５１】さらに、同図において、４１はベクトル回
転手段（ＶＲ）またはベクトル回転演算手段であり、そ
の演算は一般的回転角度入力をθとすると次式で表され
る。

【００５２】

【数８】

【００５３】 同図のベクトル回転手段４１においては
θを−３０゜（−π／６）にして演算することを意味す
る。これにより、前記主回路の位相差を付けた運転指令
が得られる。以上の結果、図４，図５の指令値生成手段
と併せて、メジャーループで電力潮流や線路電流の制御
ができる。さらに、ＬＣ共振による脈動が生じようとし
てもそれらの脈動を抑制できる。ひいては発電機の軸捩
れ振動も抑制される。さらに、それらの指令値を上位制
御手段から与えて電力動揺防止ほか様々な安定化制御が
実現される。

【００５４】 実施例９． 図７は巻線形交流機を用いた補償電圧印加手段の部分実
施例を示す図で、図において、７０は補助変圧器、１５
１Ｒ，１５１Ｓ，１５１Ｔは線路電流の検出をも兼ね得
る一次巻線電流検出手段、１６９は二次励磁用電源（Ａ
Ｃ／ＡＣ電力変換器，ＡＣ−ＤＣ−ＡＣコンバータ・イ
ンバータまたはサイクロコンバータなど）、１６０ａ，
１６０ｂ，１６０ｃは直流電流も交流電流も検出できる
電流検出手段、１５２，１６１は３相／２相変換手段
（電流の場合も電圧の場合と同じ変換行列を用いて変換
できる）、１６２，１６７はベクトル回転手段、１６
３，１６４は二次励磁電流制御手段の比較部、１６５，
１６６は二次励磁電流制御手段の電流制御演算部、１６
８は２相／３相変換手段である。

【００５５】 さらに、１５５は機械的回転角度θｍの検
出手段、１５６は上記回転角θｍの出力に極対数ｎｐを
掛けて回転電気角θｒに変換する手段である。さらに、
１５７は回転電気角θｒから回転速度ωｒを検出（演
算）する速度検出手段、１５８は速度制御手段、１５９
は電気角θｅより回転電気角θｒを引いて滑り角θｓを
検出する滑り角検出手段、１５３はαβ軸の量から同期
回転座標のｄｑ軸の量へ変換する座標変換手段、１５４
は挿入電圧指令Ｖｉ^* および一次電流ｉ１ｄ，ｉ１ｑか
ら二次励磁電流指令ｉ２ｄ^* ，ｉ２ｑ^* を生成する二次
励磁指令演算手段である。

【００５６】 次に、動作を説明する。同図において、速
度制御手段１５８の出力は、前記指令値生成手段１１へ
帰還され、挿入電圧指令Ｖｉ^* として帰還されてくる。
この時、前記指令値生成手段１１で補償電圧印加手段１
２に介在する電力、即ち巻線形交流機５０の有効電力お
よびトルクに関係する量（ｉｑ^* ，△θ^* ）が制御さ
れ、線路電流と同相の電圧成分が挿入電圧指令Ｖｉ^* に
含まれて、この制御が行われる。この結果、巻線形交流
機５０のトルクひいては速度が調整されて、速度制御系
が完結されるわけである。これらにより、補償電圧印加
手段、即ち巻線形交流機５０に介在する電力とトルクを
調整し、巻線形交流機５０の速度を制御できる。この速
度制御系の指令ωｒ^* を上限下限の範囲で指令するもの
にしておけば、速度の上限下限の範囲内で回転エネルギ
を有効電力に変換して出し入れできる。

【００５７】 一方、ベクトル回転手段１６２が上記滑り
角θｓだけ“滑り周波数の二次励磁電流ベクトルｉ２”
を逆回転させ（式８にてθ＝−θｓの変換行列を入力電
流ベクトルに左から掛ける）、同期回転座標の量に変換
する。この結果、同期回転座標の二次励磁電流ベクトル
ｉ２ｄ，ｉ２ｑが得られ、同指令値ｉ２ｄ^* ，ｉ２ｑ^*
と比較される。この指令値ｉ２ｄ^* ，ｉ２ｑ^* は二次励
磁指令演算手段１５４で次式の演算を行うことにより得
られる。

【００５８】

【数９】

【００５９】ここに、ωｅは系統の角周波数、Ｍは巻線
形交流機の一次二次相互インダクタンス、Ｌ１は巻線形
交流機の一次インダクタンス、Ｌｔは変圧器のリーケー
ジインダクタンスである。即ち、一次電流ベクトル［ｉ
１ｄ，ｉ１ｑ］^T と挿入電圧指令ベクトル［Ｖｉｄ
^* ’，Ｖｉｑ^* ’］^T とから二次電流指令ベクトル［ｉ
２ｄ^* ，ｉ２ｑ^* ］^T を決められる。これに先立ち、線
路電流に比例する巻線形交流機５０の一次巻線電流ｉ１
（Ｒ，Ｓ，Ｔ）は３相／２相変換手段１５２で３相／２
相変換した後、さらに座標変換手段１５３で固定座標の
量ｉ１α，ｉ１βを同期回転座標の量ｉ１ｄ，ｉ１ｑへ
変換しておく。

【００６０】 さらに、同図において、二次励磁電流制御
手段の比較部１６３，１６４で比較した後，二次励磁電
流制御手段の電流制御演算部１６５，１６６で演算し
て、二次電圧指令Ｖ２ｄ^* ，Ｖ２ｑ^* を出力する。この
出力をベクトル回転手段１６７により滑り角θｓだけ回
転させ、回転子座標の量Ｖ２α^* ，Ｖ２β^* に変換す
る。さらに、この出力を２相／３相変換して二次励磁用
電源１６９に与えるべき３相電圧指令Ｖ２^* ＝［ｖ
_2u ^* ，ｖ_2v ^* ，ｖ_2w ^* ］^T を得ることができる。これ
ら、二次励磁電流制御系により所望の二次励磁が得られ
る結果、前記所望の挿入電圧、即ち一次巻線電圧が得ら
れるわけである。

【００６１】 実施例１０． 図８は巻線形交流機を用いた補償電圧印加手段の他の実
施例を示す図で、二次電流指令の決め方として一次電圧
制御系を設けるものである。同図において、７１は一次
電圧検出手段、７２は一括座標変換手段、７３は電圧制
御手段である。

【００６２】 一括座標変換手段７２は２相／３相変換手
段１５２と座標変換手段１５３とに別けて実行しても良
いが、まとめて次式の演算で行うことができる。この
点、前記実施例でも同様で、逆変換も同様にまとめて実
行できる。また、電流の変換についても同様である。

【００６３】

【数１０】

【００６４】なお、逆変換は変換行列部が上式の変換行
列の転置で表される。さて、電圧制御手段７３は前記図
７の電流制御手段１６３〜１６６と同様の構成でよく、
その出力を二次電流指令ベクトル［ｉ２ｄ^* ，ｉ２ｑ
^* ］^T として用いればよい。ただし、ｄ軸電圧はｑ軸励
磁電流により得られ、ｑ軸電圧はｄ軸励磁電流により得
られるので、ｄ軸電圧制御手段の出力を符号を変えてｑ
軸励磁電流指令にし、ｑ軸電圧制御手段の出力をｄ軸励
磁電流指令にする。以上の結果、二次巻線の過電流防止
や電流制限機能をも持たせ得る二次電流制御系をマイナ
ーループに設け、その外側に挿入電圧の制御系を設ける
ことができる。さらに、前記図４，図５の指令値生成手
段１１と併せて、メジャーループで電力潮流や線路電流
の制御ができる。さらに、ＬＣ共振による脈動が生じよ
うとしてもそれらの脈動を抑制できる。ひいては発電機
の軸捩れ振動も抑制される。さらに、それらの指令値を
上位制御手段から与えて電力動揺防止ほか様々な安定化
制御が実現される。

【００６５】 実施例１１． 図９はこの発明の他の一実施例を示す図で、同図におい
て、８１は過電流検出手段、８２はコンデンサの短絡手
段、８３，８４はコンデンサ短絡用メタリックスイッチ
手段および半導体スイッチ手段、８５はコンデンサ放電
電流抑制リャクトル、８６はコンデンサ過電圧抑制用ア
レスタ、８７はアレスタの電流検出手段、８８はアレス
タの電圧検出手段、８９はアレスタの吸収エネルギ（積
算電力）および温度上昇演算手段、９０は論理合成（Ｏ
Ｒ）手段である。

【００６６】 さて、同図において、電流地絡事故などに
よる事故電流が発生した場合、過電流検出手段８１の出
力に応答して短絡手段を働かせ、直列コンデンサ７を短
絡する。これにより、系統リャクタンス６（必要に応じ
て限流リャクトルや変圧器リーケージリャクタンスを追
加）が事故電流を制限する作用を行い、事故電流制限効
果を出す役割に転じることができる。さらに、この事故
時に、補償電圧印加手段１２の出力を短絡せず、前述の
電流制御系を働かせておけば、補償電圧印加手段１２が
線路電流を抑制するインダクティブな電圧、即ちリャク
タンス電圧に和動する電圧を発生する。さらには、過電
流検出時に挿入電圧指令を切り替えてリャクタンス電圧
に和動する電圧を発生させ得る。これにより、限流効果
がさらに向上する。勿論、平常時は直列コンデンサ７で
合成リャクタンスを適正に補償しておき、最大潮流に対
応させて置くことができる。

【００６７】 さらに、電力系統間を連系する連系システ
ムとして連系線路にこの発明を用い、必要に応じて積極
的に系統リャクタンス６を調整すると共に直列コンデン
サ７による補償を行い、かつ、過電流検出手段８１に応
答して上記直列コンデンサ７を短絡することにより、平
常時の必要連系（または送電）およびその制御機能と事
故時の限流機能との両者を満たすことができる。即ち、
電力系統間のＡＣ連系制御方式として有用な装置が実現
される。なお、短絡手段８２はアレスタ８６の吸収エネ
ルギや温度上昇に応答する並列アレスタ保護用短絡手段
と兼用できる。この点、半導体スイッチ８４を用いる場
合も同様である。

【００６８】 実施例１２． 図１０はこの発明に係る他の一実施例を示す図である。
同図において、１００は変圧器、１０１は発電機１の速
度検出手段、１０２は変分速度△ωr の検出または演算
手段、１０３は安定化制御手段、１０４は発電電力また
は発電機トルクの制御手段、１０５は速度制御手段、１
０６はタービンの調速器またはタービンの入力調整手
段、１０７は分岐線路の電流検出手段、１０８は分岐線
路の電圧検出手段、１０９は分岐負荷系統である。な
お，ωｒ^* は速度指令、ωｅは同期角速度、Ｖｉ^* は挿
入電圧指令である。

【００６９】 同図のように、直列コンデンサを分散設置
することにより対地線路電圧の局所的急変を押さえるこ
とができる。すなわち、線路電圧分布の変化幅が狭くな
り、線路および機器の絶縁責務が軽減される。同図に示
すように直列接続する補償電圧印加手段を分散設置する
ことにより、対地線路電圧の直列挿入電圧による過渡的
変動幅も狭くなり、線路および機器の絶縁責務が軽減さ
れる。さらに、それだけでなく、挿入電源の１部または
１台が故障しても、静止形補償電圧印加手段は短絡状態
になりやすいので（そうでない場合も短絡させるゲート
制御などにより短絡できるので）、前述の機能を維持し
て系統補償や制御の運転を継続できる。即ち、冗長性が
得られる。

【００７０】 また、分岐系統への分岐ノードの両側に分
散設置することにより、両側線路の都合に合わせた制御
が実現され、しかも、分岐点の電圧を安定に維持でき
る。なお、８ｂ，９ｂ，１０ｂなど指令値生成系を分岐
線路側に設置してもよい。このとき、分岐線電流を考慮
した制御を同ｂグループの機器で実行してもよいし両グ
ループで実行してもよい。また、分岐点の上流のｂグル
ープ機器で分岐点電圧の電圧調整を行うこともでき、こ
のために、検出手段１０ｂの前記電力検出手段を電圧検
出手段に置き換えることができる。さらにまた、指令値
生成手段１１ｂの電力制御手段の外側に電圧制御手段を
設け、電圧制御手段の出力により前記電力制御系への指
令や前記線路電流制御系への指令を与えてもよい。

【００７１】 また、微分や積分の動特性が働かない対電
流直交電圧を加えるだけであれば、同図ｃグループのよ
うにｊｋ１Ｘを線路電流に掛けて挿入電圧指令を決める
ことができる。これにより、制御手段を簡単にできる。
ただし、この場合電流に対して受動的要素となる。これ
に対し、線路電流に対して非比例の独立な電圧を与えて
電流を制御する前述の実施例の制御法の方が一層能動的
に電流制御できるので、これにより、過渡特性や動特性
の改善効果が大きいと云う特長がある。

【００７２】 同図に示すように、昇圧前の発電機側に本
補償機器を設置すると絶縁変圧器の絶縁責務が軽減さ
れ、元々必要であった送電用昇圧変圧器の高圧絶縁機能
を共用できる。特に、変換器用多重化変圧器と昇圧（高
圧）変圧器とを二重に必要としていた静止形電力変換器
や巻線電圧の高圧絶縁が困難な巻線形交流機を補償電圧
印加手段に用いる場合上記効果は大きい。さらに、情報
伝送速度の観点からみた近距離（発電所，発電機および
これらに近く、高速伝送できる変電所など）に補償電圧
印加手段を設置すれば、発電機の速度または変分速度を
制御できる。さらに、タービンとの協調制御によりター
ビンの応答速度が間に合わない高速応答領域を補償電圧
印加手段が補えるので、送電系の事故時やその回復後の
速度を安定に保ち、同上期間中の位相の開きを抑制でき
る。この結果、回復後の脱調や位相差動揺を抑制でき、
第１波動揺の大きな抑制効果と過渡安定化効果が得られ
る。

【００７３】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、補償
電圧印加手段を巻線形交流機により構 成したので、補償
電圧印加手段の過電流耐量または過負荷耐量を向上でき
る効果がある。或いは、系統安定化に必要な可変制御幅
を広げることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例による交流電力系統の補
償方式を示す構成図である。

【図２】 この発明に用いる補償電圧印加手段に関する
一実施例を示す構成図である。

【図３】 この発明の動作を説明するベクトル図であ
る。

【図４】 この発明に用いる補償電圧印加手段の制御手
段に関する一詳細実施例を示す構成図である。

【図５】 この発明に用いる補償電圧印加手段の制御手
段に関する一詳細実施例を示す構成図である。

【図６】 この発明に用いる補償手段に関する一詳細実
施例を示す構成図である。

【図７】 この発明に用いる補償電圧印加手段に関する
他の一詳細実施例を示す構成図である。

【図８】 この発明に用いる補償手段に関する他の一詳
細実施例を示す構成図である。

【図９】 この発明の他の一実施例による交流電力系統
の補償方式を示す構成図である。

【図１０】 この発明の他の一実施例による交流電力系
統の補償方式を示す構成図である。

【図１１】 従来の直列コンデンサによる交流電力系統
の補償方式を示す構成図である。

【図１２】 直列共振によって線路電流の有効分と無効
分が動揺する様子を示すグラフ図である。

【符号の説明】

５ 送電線路（電力系統の線路）、７ 直列コンデン
サ、８ 電流検出手段、９ 電圧検出手段、１０ 電力
検出手段（電力演算手段）、１１ 指令値生成手段、１
２ 補償電圧印加手段（従属電圧源）、３３ 静止形電
力変換器、５０巻線形交流機。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 3/24 G05F 1/70 H02J 3/06 H02J 3/18

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力系統の線路に直列に挿入され、その
   電力系統のリャクタンス電圧を補償するコンデンサを備
   えた電力系統の補償制御装置において、上記電力系統の
   線路に直列に挿入され電圧指令値に基づく電圧を発生す
   る、二次巻線に励磁電源を備えた巻線形交流機と、上記巻線形交流機の回転速度を検出する検出器と、上記
   巻線形交流機の回転速度指令値と上記回転速度検出値に
   従い、電圧指令を回転させる変分回転角指令または有効
   電力成分電流指令を出力する回転速度制御器と、 上記電力系統の電力の検出手段と、上記電力系統の線路
   電流検出手段と、上記電力の指令値発生手段と、上記電
   力系統の電力の検出値を上記指令値発生手段の出力に一
   致させる様に挿入リャクタンスまたは線路電流の無効電
   力成分指令を出力する電力制御手段と、 上記挿入リャクタンスまたは線路電流の無効電力成分指
   令と、上記変分回転角指令または有効電力成分電流指令
   と、上記線路電流検出値より、上記巻線形交流機の電圧
   指令値を生成する指令値生成手段と、 上記巻線形交流機の電圧指令より、巻線形交流機の二次
   巻線電流の指令値を生成し、二次巻線電流を制御するよ
   うに励磁電源の電圧指令を生成する制御器 を備えたこと
   を特徴とする電力系統の補償制御装置。