JP3933539B2

JP3933539B2 - 配電線路の高調波制御方法とその装置。

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Publication number: JP3933539B2
Application number: JP2002204948A
Authority: JP
Inventors: 信行藤原; 雅史上野; 達則佐藤; 喜延植田
Original assignee: Meidensha Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Meidensha Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: JP2004048944A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配電系統における高調波電圧歪みを補償するための制御方法とその装置に関するものであ。
【０００２】
【従来の技術】
電力需要の増大と多様化に伴ない、配電系統の安定化の重要性が増している。これに対応するために電力系統の安定化，品質向上を目的として、配電線路に高調波抑制装置を設置し、負荷等より発生した高調波成分とは逆極性の成分を配電線路に出力することによって補償することが行われている。
【０００３】
図７は、その抑制装置の概念図を示したものである。同図（ａ）は配電系統に対し高調波電流源Ｉｃとして作用する並列補償方式を示したもので、この方式には、抑制装置の負荷側の高調波電流Ｉｌを検出し、これと同量の電流を配電線路に送出して高調波電流を打ち消す負荷電流検出方式と、抑制装置電源側の高調波電流Ｉｓを検出し、これを打ち消すよう補償電流を送出する電源電流検出方式、および補償部の高調波電圧Ｖｓを検出し、これと同相の高調波電流を発生してダンピング抵抗として作用させる電圧検出方式がある。
【０００４】
図７（ｂ）は配電系統に対し高調波電圧源Ｖｃとして作用する直列補償方式を示したもので、この補償方式には補償部の高調波電圧Ｖｓを検出し、これと同量で逆極性の電圧を加えることで負荷側の電圧歪みを打ち消す電圧検出方式と、配電系統の高調波電流Ｉを検出し、これと同相の電圧を加えることでダンピング抵抗として作用させる電流検出方式とがある。
【０００５】
また、図７（ｃ）は、（ａ）図と（ｂ）図とを組み合わせた直並列補償方式を示したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図７で示す従来においては、何れも配電線路に発生した高調波電流又は電圧に基づいて補償するようにしている。すなわち、高調波を抑制するための制御対象とする部位は、装置が設置される箇所（自端）であり、必ずしも配電系統全体の高調波電圧歪みを確実に抑制するものではなく、しかも自端に生じる高調波全量を補償対象としているため、装置容量が大きくなっている。
【０００７】
また、図７で示す各方式にはそれぞれ特徴があり、（ａ）図の並列補償方式は装置電源側への補償に優れ、（ｂ）図の直列補償方式は装置負荷側の補償効果に優れているが、配電線の不特定多数の如何なる高調波源に対しても補償可能とするためには、直列補償方式又は並列補償方式の単一使用では十分な補償効果が得られないと共に、容量が大きくなる問題を有している。
【０００８】
さらに、（ｃ）図の方式の場合には、上記した問題はなくなるが、補償効果が例えば直列補償の如く一方側に片寄った場合には、他方の並列補償側に余裕が生じて有効活用ができなくなり、装置の容量効果を十分に発揮することが不可能となる。
【０００９】
本発明が目的とするところは、装置容量を有効に活用できる配電線路の高調波制御方法と装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１は、配電系統に並列補償部と直列補償部とを備えた高調波制御装置を設置し、検出された系統の高調波電圧と無効電流とを制御回路に導入して演算し、この演算値をもとに配電系統の高調波電圧を制御するものにおいて、
前記検出された電圧，電流と、高調波制御装置の設置点から予め設定した制御目標点までの高調波電圧の特定次数に対応する線路リアクタンスとで制御目標点の電圧推定値を求め、この推定値と前もって設定された制御目標点電圧の歪み率許容値とを比較し、前記推定値が許容値を越えたときに前記検出電圧とは逆位相の電圧を発生すべく直列補償部を制御することを特徴としたものである。
【００１１】
本発明の第２は、前記制御目標点の電圧推定値は、前記検出された電流値と線路リアクタンスとの乗算値に、前記検出された電圧値を加算して求めたことを特徴としたものである。
【００１２】
本発明の第３は、前記検出された電圧値と、前もって設定された制御目標点電圧の歪み率許容値とを比較し、前記検出値が許容値を越えたときに特定次数の高調波電圧に対する進み無効電流を発生すべく前記並列補償部を制御することを特徴としたものである。
【００１３】
本発明の第４は、前記並列補償部に対する制御指令に制限値を設け、この制限値を越えたときに前記直列補償部に制御指令値を分流させ、直列補償部の補償を増大させることを特徴としたものである。
【００１４】
本発明の第５は、前記検出された電圧をもとに配電系統における電力の逆送状態を検出する逆送判定部を設け、逆送判定時に前記直列補償部の制御を停止して並列補償部のみで補償制御することを特徴としたものである。
【００１５】
本発明の第６は、前記逆送判定は、直列補償部の補償開始直後の電圧歪みの変化方向を検知し、この変化方向信号の増大を判定することを特徴としたものである。
【００１６】
本発明の第７は、配電系統に並列補償部と直列補償部とを備えた高調波制御装置を設置し、系統の高調波電圧と電流とを検出して制御回路に導入して演算し、この演算値をもとに配電系統の高調波電圧を制御するものにおいて、
前記検出された無効電流と高調波制御装置の設置点から予め設定した制御目標点までの高調波電圧の特定次数に対応する線路リアクタンス設定値とを乗算する乗算部と、この乗算値と前記検出された高調波電圧値とを加算して制御目標点の電圧推定値を得る第１の加算部と、この加算部よりの電圧推定値と予め設定された制御目標点電圧の歪み率許容値とを比較する第２の加算部とを前記制御回路に設け、第２の加算部よりの信号に応じて前記直列補償部を制御するよう構成したことを特徴としたものである。
【００１７】
本発明の第８は、前記検出された高調波電圧と予め設定された制御目標点電圧の歪み率許容値とを比較する第３の加算部を設け、この加算部より信号に応じて前記並列補償部を制御するよう構成したことを特徴としたものである。
【００１８】
本発明の第９は、前記第３の加算部の出力側に並列補償部の定格電流値に制限されたリミッタを設け、このリミッタと第３の加算部の出力信号とを比較する第４の加算部を設け、且つ、この第４の加算部の出力信号と前記第２の加算部よりの出力信号とを加算する第５の加算部を設けたことを特徴としたものである。
【００１９】
本発明の第１０は、前記第５の加算部と直列補償部との信号伝送路に開閉部を設けると共に、前記検出された高調波電圧より配電系統の電力逆送状態を検出する逆送判定部を設け、逆送判定時にはこの逆送判定部より開閉部に対する開路信号を出力するよう構成したことを特徴としたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示すものである。Ｐは電源、ＳＳは変電所で、この変電所ＳＳと負荷間の所望位置に高調波制御装置１が設置される。高調波制御装置１は、並列補償部２と、この並列補償部とは直列コンデンサ４を介して接続された直列補償部３、及び制御回路１０を備えている。並列補償部２は配電線路に接続された並列変圧器５とコンバータ６とを備え、直列補償部３は一次側が配電線路に直列に接続された直列変圧器７とインバータ８とを備えている。
【００２１】
また、制御回路１０には、計器用変圧器ＰＴによって検出された系統電圧Ｖｓと、計器用変流器ＣＴによって検出された電流Ｉが入力され、これら入力された検出信号をもとに制御回路１０は演算を実行し、直列補償部３を介して系統電圧に任意の位相をもった電圧Ｖｃを重畳して高調波電圧を制御する。また、並列補償部２を介して任意の位相をもつ電流Ｉｃを系統に注入し、系統の高調波電流を抑制して高調波電圧を制御する。
【００２２】
図２は制御回路１０の回路構成図を示したものである。１１（１１ａ，１１ｂ）はｄｑ変換部で、ＣＴ，ＰＴによって検出された三相の電流，電圧を二相に変換する。１２（１２ａ，１２ｂ）はローパスフィルタで、各フィルタを通過した系統の高調波進み無効電流Ｉｄと高調波電圧Ｖｓとは目標点制御部２０に導入される。
【００２３】
目標点制御部２０は電圧歪み率が最大となる系統端末（制御目標点）の電圧歪み率を推定し、且つ、この歪み率が許容値を逸脱しないよう制御するためのもので、乗算部２１と第１，第２の加算部２３，２４及び拡大部２２を有している。乗算部２１に印加される線路リアクタンスｎＸｌ（Ｘｌは基本波成分リアクタンス値）は、高調波抑制装置１の設置点から予め設定した制御目標点までの高調波次数ｎに対応する設定値である。また、第２の加算部２４に印加される許容電圧Ｖｒｅｆは、系統端末を制御目標点と定めたときの系統の電圧歪み率の許容値が設定される。
【００２４】
３０は自端制御部で、この制御部はローパスフィルタ１２ｂを通過した特定次数の高調波電圧を導入し、設定された許容電圧と加算する第３の加算部３１と制御ゲイン部３２を有している。第３の加算部３１に印加される許容電圧Ｖｒｅｆは、第２の加算部２４に印加された許容電圧値と同じ設定値とされる。
【００２５】
４０は直列補償による補正部で、リミッタ４１、第４の加算部４２及び制御ゲイン部４３を備えている。１３は第５の加算部、１４はリミッタ、１５は極性反転部、１６（１６ａ，１６ｂ）はｄｑ逆変換部で、二相を三相に変換する。
１７は逆送判定部で、この判定部はローパスフィルタ１２ｂの出力信号とリミッタ１４の出力信号とを入力し、直列補償部３の補償電圧に伴う高調波電圧値の変化を検出し、これが増加した場合に逆送と判断して開閉部１８（常閉接点）に対してオン・オフ制御する。
【００２６】
以上のように構成されたものにおいてその動作を説明する。
配電系統の電流，電圧は、計器用変流器ＣＴ及び計器用変圧器ＰＴにより検出されてそれぞれ制御回路１０のｄｑ変換部１１ａ，１１ｂに入力され、ｄｑ変換された後にそれぞれローパスフィルタ１２ａ，１２ｂを通って目標点制御部２０に出力される。目標点制御部２０に入力された系統無効電流Ｉｄは、乗算部２１において、高調波抑制装置１の設置点から予め設定した制御目標点までの高調波次数ｎに対応する線路リアクタンスｎＸｌ（Ｘｌは基本波成分リアクタンス値）との積が演算される。
【００２７】
乗算された信号は拡大部２２において拡大されて△Ｖとなり、第１の加算部２３に出力される。加算部２３では、拡大された制御目標点信号△Ｖと自端電圧Ｖｓとを加算して制御目標点電圧推定値Ｖ１０とする。推定値Ｖ１０は第２の加算部２４において、予め設定されたた許容電圧Ｖｒｅｆとの差演算が行われ、許容電圧Ｖｒｅｆを超過した分は第５の加算部１３に印加される。加算部１３では直列補償による補正部４０の信号と加算された後、リミッタ１４，極性反転部１５を介してｄｑ逆変換部１６ａに出力されて二相三相変換され、直列補償指令値Ｖｃとして図示省略のインバータ８の制御部に出力される。
したがって、インバータ８の制御部は、加算部２４を介して入力された差電圧に対応した電圧量を打ち消す電圧か直列変圧器７に発生するようインバータ８を制御する。
【００２８】
直列補償部３による補償にもかかわらず、ＰＴ及びｄｑ変換部１１ｂ，ローパスフィルタ１２ｂを通って検出された高調波電圧Ｖｓが許容電圧より高い場合には、その電圧Ｖｓは自端制御部３０の加算部３１において許容電圧Ｖｒｅｆと比較され、その差電圧は制御ゲイン部３２を介して補正部４０のリミッタ４１と第４の加算部４２に印加される。リミッタ４１を通過した信号はｄｑ逆変換部１６ｂに出力されて二相三相変換され、並列補償指令値Ｉｃとして図示省略のコンバータ６の制御部に出力される。コンバータは、この指令値に応じて並列変圧器５を介して配電線に無効電流Ｉｃを流し高調波電圧の低減を図る。その際、フィードバック制御により高調波電圧Ｖｓが許容値となるように補償電流量Ｉｃを制御する。
【００２９】
前述の並列補償指令値Ｉｃの制御時に、その補償指令値Ｉｃが並列補償部２の定格電流Ｉｌｉｍを超過する場合が生じる。その際、補正部４０はリミッタ４１によって並列指令値Ｉｃを定格電流Ｉｌｉｍに制限し、不足分を直列補償指令値Ｖｓに振り分ける。
すなわち、第４の加算部４２において、加算部３１からの偏差信号とリミッタ４１よりの信号との差演算をし、その偏差信号を不足分として制御ゲイン部４３を介して第５の加算部１３へ加算することにより振り分けている。
なお、直列補償指令値Ｖｓ側では、直列補償部３の定格電圧Ｖｌｉｍを超過する場合には、リミッタ１４によって直列補償指令値Ｖｓを定格に制限している。
【００３０】
ところで、配電系統では自動化システムを前提として、配電線路の途中に常時投入状態となっている区分用開閉器と、常時開放状態となっている連絡用開閉器とからなる区分単位で構築されている。このように構築された配電系統では、図３実線で示すように、例えば変電所Ａのように通常は決められた配電用変電所から決められた方向に電力が供給されているが、配電線路に事故が発生した場合や配電線停止工事の時には区分用開閉器と連絡用開閉器を適宜入り切りして配電系統状態を変更して停電区間の縮小に努めている。
この場合、実線で示している或る区間においては、Ｂ変電所から送電されることになり、その送電方向は通常とは逆方向となる。
なお、図３は順送時における高調波制御装置１の補償効果を示したもので目標点制御部２０における推定値Ｖ１０が線路の制御目標点の電圧推定値となる。
【００３１】
逆送状態になると並列補償部２の補償が不足して補正部４０の働きにより直列補正部３が動作する場合と、自配電線の力率が遅れた状態にあり、高調波拡大の可能性がないにもかかわらず他の配電線系統の高調波拡大の影響でこの高調波電圧を補償する場合とがある。直列補償部３は、順送時の電圧低下方向しか補償動作を行わないため、上記条件下においては直列補償部３が高調波電圧を増幅する方向に動作する惧れがある。
このような場合、補償電圧の極性を反転させればよいが、逆送時には変電所Ａ側（並列補償側）を補償することとなり、並列補償部２は自端の電圧歪みが小さくなるので不動作となる。
【００３２】
高調波制御装置１は、補償効果を考慮して電源寄りに設置されるが、逆送状態となったときには、それが末端近くに位置した状態となることが予想される。この状態では並列補償部２の補償効果が高くなるので、本発明では逆送状態となった場合、直列補償部３の動作を停止させ、並列補償部２のみの動作に切り替えて装置容量の有効利用を図りながら、配電線路の特定次数高調波電圧を許容値以下とすべく次の制御が実行される。
【００３３】
まず、逆送現象は逆送判定部１７で検出する。逆送判定部１７には、ローパスフィルタ１２ｂを経た高調波電圧Ｖｓとリミッタ１４の出力信号とを導入し、この判定部において直列補償指令値Ｖｃによって制御された直列補償部３よりの補償電圧に伴う高調波電圧Ｖｓの変化を監視している。
【００３４】
図４は逆送判定シーケンスを示したもので、制御目標点の電圧歪みが低下することで順送と判定して開閉部１８への制御信号は発生しない。
逆送現象となると制御目標点の電圧歪みが上昇する。この現象を捕らえて逆送と判定し、出力信号を開閉部１８に発してこの開閉部を開路状態とする。したがって、高調波制御装置１としては、並列補償部２のみでの補償となる。
また、系統状態が逆送状態から通常状態に復帰した場合には直列補償動作を再開する必要がある。
【００３５】
このため、逆送判定部１７は図４点線で囲んだ逆送時の保護動作をおこなっている。すなわち、直列補償部による電圧より補償開始前の履歴と現在値を比較しながら、電圧発生直後の電圧歪みの大きさの変化方向を検知し、電圧歪みが増加方向のときには逆送と判断して直列補償をロックする。ロック後は一定時間毎に逆送状態が継続されているか否かの判断走査が実行され、通常状態に復帰された場合にはロックを解除して開閉部１８を閉路状態に移行し、直列補償部の動作を再開させる。
【００３６】
図５は逆送判定なし時における逆送時の補償効果を示し、図６は逆送判定あり時における逆送時の補償効果を示したもので、逆送判定部１７を設けて切換制御を実行することによって、補償効果が向上していることが判明できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、系統の電圧歪みに対しては目標点制御部において特定次数に対する許容値を定めているため、装置全体としては小容量化が可能となり、しかも、電圧歪み率が最大となる系統端末（制御目標点）の電圧歪み率を推定し、この値が許容値となるよう直列補償部が制御されることにより、設置された装置の負荷側を確実に許容値以下に制御することができる。
また、その制御目標点の電圧歪みの推定においては、検出する特定次数の電圧，電流及び装置設置点から制御目標点までの配電線インピーダンスだけでよいので整定が容易となるものである。
【００３８】
また、系統端末を制御目標点とする直列補償部と、自端制御を行う並列補償部とを併設したことにより、装置設置点より電源側及び負荷側と系統全体の補償を許容値以下に制御することが可能となり、その制御時においても、補正部の働きにより並列補償部の補償容量が不足した場合には直列補償部がこれを補なうよう制御されるので、装置容量を有効に活用することができる。
更に、逆送状態が発生して高調波拡大現象となったとしても、逆送判定部によって直列補正部の動作を切り離すことにより、高調波電圧歪みの拡大方向の制御を防止し、且つ、通常状態復帰時には自動的に直列補正部による制御切り替えを可能とする等の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図。
【図２】本発明に使用される制御回路の構成図。
【図３】通常運用時の補償効果の説明図。
【図４】逆送判定部の動作説明図。
【図５】逆送判定なし時における逆送時補償効果説明図。
【図６】逆送判定あり時における逆送時補償効果説明図。
【図７】従来の高調波制御装置を示し、（ａ）は並列補償方式の概念図、（ｂ）は直列補償方式の概念図、（ｃ）は直並列補償方式の概念図。
【符号の説明】
１…高調波制御装置
２…並列補償部
３…直列補償部
４…直流コンデンサ
５…並列変圧器
６…コンバータ
７…直列変圧器
８…インバータ
１０…制御回路
１１（１１ａ，１１ｂ）…ｄｑ変換部
１２（１２ａ，１２ｂ）…ローパスフィルタ
１３…加算部
１４…リミッタ
１５…極性反転部
１６（１６ａ，１６ｂ）…ｄｑ逆変換部
１７…逆送判定部
１８…開閉部
２０…目標点制御部
３０…自端制御部
４０…補正部

Claims

配電系統に並列補償部と直列補償部とを備えた高調波制御装置を設置し、検出された系統の高調波電圧と無効電流とを制御回路に導入して演算し、この演算値をもとに配電系統の高調波電圧を制御するものにおいて、
前記検出された電圧，電流と、高調波制御装置の設置点から予め設定した制御目標点までの高調波電圧の特定次数に対応する線路リアクタンスとで制御目標点の電圧推定値を求め、この推定値と前もって設定された制御目標点電圧の歪み率許容値とを比較し、前記推定値が許容値を越えたときに前記検出電圧とは逆位相の電圧を発生すべく直列補償部を制御することを特徴とした配電線路の高調波制御方法。
前記制御目標点の電圧推定値は、前記検出された電流値と線路リアクタンスとの乗算値に、前記検出された電圧値を加算して求めたことを特徴とした請求項１記載の配電線路の高調波制御方法。
前記検出された電圧値と、前もって設定された制御目標点電圧の歪み率許容値とを比較し、前記検出値が許容値を越えたときに特定次数の高調波電圧に対する進み無効電流を発生すべく前記並列補償部を制御することを特徴とした請求項１又は２記載の配電線路の高調波制御方法。
前記並列補償部に対する制御指令に制限値を設け、この制限値を越えたときに前記直列補償部に制御指令値を分流させ、直列補償部の補償を増大させることを特徴とした請求項１乃至３記載の配電線路の高調波制御方法。
前記検出された電圧をもとに配電系統における電力の逆送状態を検出する逆送判定部を設け、逆送判定時に前記直列補償部の制御を停止して並列補償部のみで補償制御することを特徴とした請求項１乃至４記載の配電線路の高調波制御方法。
前記逆送判定は、直列補償部の補償開始直後の電圧歪みの変化方向を検知し、この変化方向信号の増大を判定することを特徴とした請求項５記載の配電線路の高調波制御方法。
配電系統に並列補償部と直列補償部とを備えた高調波制御装置を設置し、検出された系統の高調波電圧と無効電流とを制御回路に導入して演算し、この演算値をもとに配電系統の高調波電圧を制御するものにおいて、
前記検出された無効電流と高調波制御装置の設置点から予め設定した制御目標点までの高調波電圧の特定次数に対応する線路リアクタンス設定値とを乗算する乗算部と、この乗算値と前記検出された高調波電圧値とを加算して制御目標点の電圧推定値を得る第１の加算部と、この加算部よりの電圧推定値と予め設定された制御目標点電圧の歪み率許容値とを比較する第２の加算部とを前記制御回路に設け、第２の加算部よりの信号に応じて前記直列補償部を制御するよう構成したことを特徴とした配電線路の高調波制御装置。
前記検出された高調波電圧と予め設定された制御目標点電圧の歪み率許容値とを比較する第３の加算部を設け、この加算部より信号に応じて前記並列補償部を制御するよう構成したことを特徴とした請求項７記載の配電線路の高調波制御装置。
前記第３の加算部の出力側に並列補償部の定格電流値に制限されたリミッタを設け、このリミッタと第３の加算部の出力信号とを比較する第４の加算部を設け、且つ、この第４の加算部の出力信号と前記第２の加算部よりの出力信号とを加算する第５の加算部を設けたことを特徴とした請求項７又は８記載の配電線路の高調波制御装置。
前記第５の加算部と直列補償部との信号伝送路に開閉部を設けると共に、前記検出された高調波電圧より配電系統の電力逆送状態を検出する逆送判定部を設け、逆送判定時にはこの逆送判定部より開閉部に対する開路信号を出力するよう構成したことを特徴とした請求項７乃至９記載の配電線路の高調波制御装置。