JP3963549B2 - 電圧検出型アクティブフィルタの高調波電圧検出回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源系統における高調波障害防止対策に使用される電圧検出型アクティブフィルタの高調波電圧検出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高調波を含む電源系統の高調波障害防止対策として、この電源系統にアクティブフィルタを設置して、電源系統の電流または電圧の信号を検出し、得られた信号から高調波分を抽出し、その高調波電流成分を打消すように補償電流を流し、電源系統の高調波補償を行う。
このように、高調波補償するには対象となる高調波の検出が必要となるが、電源系統の高調波成分を検出する方法としては、アクティブフィルタを接続した電源系統上の接続位置、すなわちアクティブフィルタの設置点を基準として、アクティブフィルタ設置点の上位、電源側で高調波電流を検出する電源電流検出方法、アクティブフィルタ設置点の下位、負荷側で高調波電流を検出する負荷電流検出方法、並びに、アクティブフィルタの設置点で検出した系統電圧から高調波電圧を抽出する電圧検出方法がある。
【０００３】
しかし、一般に、負荷電流検出方法は、アクティブフィルタ設置点の下位、負荷側の高調波電流を検出するので、アクティブフィルタ設置点の上位、電源側の高調波電流に対してはアクティブフィルタは全く補償せず、下位負荷側の高調波電流のみ補償するアクティブフィルタであり、万能ではない。
また、負荷電流検出方法や電源電流検出方法は、共に、アクティブフィルタを設置する電力系統に進相コンデンサやＬＣフィルタが存在すると、それらのコンデンサと電源系統のインダクタンスによる共振回路が形成され、高調波電流や電圧が共振拡大するなどの条件下では、両方法のアクティブフィルタはダンピング効果を有さず、高調波成分を安定に抑制できないなどの問題を有する。
【０００４】
これに対し、電圧検出方法を用いた場合は、アクティブフィルタの設置点の上位電源側の高調波電流や下位負荷側の高調波電流には関係なく、設置点の高調波電圧を検出して安定して動作し、特に高調波発生源の下位側や系統の末端に設置した場合に、高調波電流に対するダンピング効果が高く、系統内の高調波拡大現象を効果的に抑制できるという性質がある。
従って、電源系統の高調波障害防止対策としては、専ら電圧検出型アクティブフィルタを電源系統の末端に設置して用いられる方法が良好とされている。
【０００５】
図３はアクティブフィルタの設置点で検出した系統電圧から、高調波電圧を抽出する電圧検出方法を採用した、電圧検出型アクティブフィルタの構成例を示す。
図３において、電源１ａと負荷２との間の電源系統１に設置された電圧検出型アクティブフィルタ３の主回路は、高調波補償電流を生成して出力するインバータ３５の出力側に、このインバータの電流の立上りを制限するための交流リアクトル３４を直列に接続し、次にインバータのスイッチングリップルを吸収するためのフィルタ３２を並列に接続した後、基本波に換算して電源電圧相当に昇圧する主回路変圧器３１を直列に電源系統１との間に接続して構成されている。
また、この電圧検出型アクティブフィルタ３と電源系統１との接続点より、高調波を含む系統電圧を変圧器３６の図示しない一次巻線で検出し、次にこの交流電圧を変圧器３６の図示しない二次巻線で降圧して、インバータを制御する制御回路３７に内装したＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換機３７１に入力し、デジタル化した信号に変換する。制御回路３７では、Ａ／Ｄ変換器３７１でデジタル化された高調波を含む電源系統の電圧信号から、基本波分を分離して除き高調波の信号を抽出し、次にこの高調波分信号波形が逆位相となるような補償指令信号を演算し、電圧信号を電流信号に変換した後、この信号をインバータ３５に指令して補償電流を生成して出力するよう制御するとともに、この補償指令信号と、インバータ３５に直列に接続した交流リアクトル３４の出力側に設けた変流器３３で検出した補償電流帰還信号とを比較し、この偏差がゼロに、あるいは十分小さくなるように制御して電源系統の高調波補償がなされる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来においては、図２に示すような系統電圧検出用の変圧器３６は、一次巻線３６ａで系統電圧を検出し、二次巻線３６ｂで降圧して制御回路３７に内装するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器３７１に入力するよう作用させるが、二次巻線３６ｂにおける基本波交流電圧のピーク値が、Ａ／Ｄ変換器３７１の入力信号レベルの最大定格値（±５Ｖ）を超えないように制限する必要もあり、余裕を見込んで変圧器３６の変圧比が定められていた。
従って、一次巻線３６ａが系統電圧のピーク値を検出するとき、すなわち、一次巻線３６ａが電源電圧の基本波ピーク値であるとき、二次巻線３６ｂはＡ／Ｄ変換器３７１の入力信号レベルの最大定格値±５Ｖを下廻る±４Ｖ程度に降圧するような巻線比に設定していた。
【０００７】
しかし、多くの場合、基本波に対する高調波の電圧ピーク値の割合は数％程度であるから、例えば電源電圧が６．６ＫＶ級の高圧の場合において、この基本波に対して、或る次数の高調波の電圧ピーク値の割合が５％であるとき、その高調波電圧のピーク値は約±４６６Ｖに相当することになるが、変圧器３６で降圧した値であるところの、Ａ／Ｄ変換器３７１の入力側端子側における高調波電圧のピーク値は約±０．２Ｖとなり、入力信号レベル±５Ｖに比較すると４％に相当し、極めて僅少な値となってしまう。
このため、この場合のＡ／Ｄ変換器３７１の入力端子における電圧波形は、例えば５次高調波を含む電源系統電圧を検出したと仮定した場合には、図４（Ａ）に示すように全体として殆ど基本波と区別がつかず、５次高調波分の存在が希薄であって、この波形から基本波分を分離して取り除き、高調波分を抽出し、この電圧値を取扱って高調波補償の指令信号を生成する演算の精度は非常に悪くなり、演算誤差は大きなものとなるので、アクティブフィルタの性能を維持することに困難を極めるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、高調波を含む電源系統から、基本波分に対して高調波分の電圧ピーク値の割合が数％と少ない場合でも、適正に高調波分を検出する高調波電圧検出回路を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述したような点に鑑みなされたもので、つぎの如く構成したものである。
すなわち、電源系統電圧を一次巻線で検出し二次巻線に降圧して交流信号を検出する変圧器の、前記二次巻線と並列に、所定インピーダンスとコンデンサからなる直列回路とを接続して、前記電源系統電圧の高調波周波数に共振するよう構成した共振回路において、前記所定のインピーダンス部分に所定の比率により分圧された電圧を検出する手段を有し、前記電源系統電圧の高調波分を共振拡大された状態で検出するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
かかる解決手段により、つぎの如き作用効果を奏し得る。
すなわち、電源系統電圧の基本波に対する高調波の電圧ピーク値が僅かであっても、上記変圧器の二次側に設けた共振回路によって、高調波分の電圧振幅が共振拡大し、高調波の存在は顕著なものとなる。そして、予め調査しておいた電源系統の状態により補償すべき高調波の次数とピーク値によって、前記共振回路の定数が設定されるとともに、前記所定のインピーダンス部分では、共振拡大されるピーク値の割合を勘案して、次段制御信号レベルの最大定格値を超過しない程度に、取扱い易い大きさの電圧波形となるよう、所定の比率に分圧し、基本波分との和の電圧波形を検出する。
【００１１】
この波形から基本波分を分離して取り除き、顕著に存在する高調波分を抽出するので、この電圧値を取扱って高調波補償の指令信号を生成する演算も顕著に行なわれるものとなる。
従って、演算精度は従来例に比較して格段に優れたものとなり、演算誤差は極僅かなので実用上は問題にはならないものであって、基本波に較べ高調波の電圧ピーク値の割合が小さいものであっても、アクティブフィルタの性能を低下させることなく維持できるものとなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の系統電圧検出回路を示し、従来例の図２と同等部分は同一符号により示している。
図１において、変圧器３６の一次巻線３６ａの図示しない端子の延長を、図３に示すような電圧検出型アクティブフィルタ３の設置点である電源系統１に接続して、電源系統電圧を検出し、図１の変圧器３６の二次巻線３６ｂに降圧する。この二次巻線３６ｂに並列に、本発明要部である、リアクトルやコンデンサからなる所定のインピーダンス３７２部分とコンデンサ３７３との直列回路を接続し、電源系統電圧の高調波周波数との共振回路を構成する。
このため、二次巻線３６ｂに誘起した高調波電圧分は共振拡大した高調波電圧となり、共振しない基本波電圧との和の電圧波形となって共振回路内に存在することとなる。
そして、この共振回路の所定のインピーダンス３７２部分で分圧した電圧を、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器３７１の入力信号とするが、Ａ／Ｄ変換器の入力信号レベルの最大定格±５Ｖを超えないような所定の比率の分圧比となるように、共振回路の回路定数が設定されることとなる。
【００１３】
ここで、共振回路の定数は、予め調査された電源系統の、補償すべき高調波の次数と、その電圧ピーク値によって定まるが、一般に、６．６ＫＶ電源系統で問題となる主要な高調波の電圧・電流は、第５次、第７次の高調波であり、また、補償すべき高調波の電圧ピーク値の程度も、基本波に対する高調波の電圧ピーク値の割合である電圧ひずみ率は、系統のインピーダンスと力率改善用のコンデンサによる共振を引き起こすときのような最大値で１０％程度であり、最小値としては、ガイドラインなどに定める「２％以下に改善」することなどが目安となる。 従って、共振回路の回路特性を表す、横軸Ｈｚで表した周波数、縦軸ｄＢで表した振幅、のボード線図において、第５次或いは第７次、または第６次の高調波の周波数に共振点が存在するような周波数特性となるように、共振回路の定数を設定し、第５次或いは第７次、または第５次と第７次の高調波を共振拡大できるようにする。
【００１４】
また、電源系統に存在する高調波電圧のピーク値が、基本波に較べて僅かな場合には、図１における所定のインピーダンス３７２に対するコンデンサ３７３によるインピーダンスとの比のうち、所定のインピーダンス３７２の方の比を高くするように設定することによって、共振拡大率を上げ、高調波分を顕著な波形として検出し、その後、所定のインピーダンス３７２部分で、Ａ／Ｄ変換器３７１の入力信号レベルの最大定格値以下になるよう再分圧することにより、感度よく高調波分を検出することができる。
この場合のＡ／Ｄ変換器３７１の入力端子における電圧波形は、例えば第５次高調波を含む電源系統電圧を検出したと仮定した場合には、従来、図４（Ａ）に示すような波形であったものが、本発明によれば、同図（Ｂ）に示すようになり、共振しない基本波と共振拡大された第５次高調波との和の電圧波形として、第５次高調波の存在が顕著に現われたものとなっている。
【００１５】
なお、本発明の適用に当っては、図３に示すような、高調波補償電流を生成し出力するインバータ３５の制御は以下のように行なわれる。すなわち、制御装置３７においてＡ／Ｄ変換器３７１でデジタル化された基本波と高調波分との和の電圧信号から、基本波を分離して除き高調波分の信号を抽出し、次にこの高調波分信号波形とは逆位相の補償信号とし、この信号を、予め設定しておいた図１に示すような所定のインピーダンス３７２部分とコンデンサ３７３で構成した共振回路の回路定数によって定めた高調波の共振拡大率で除して、前記補償信号のゲインを調整し、過剰の補償電流をインバータ３５が出力し制御が不安定となることのないような補償指令信号を演算し、この信号をインバータ３５に指令して補償電流を生成して出力するよう制御するとともに、この補償指令と変流器３３で検出した補償電流帰還信号とを比較し、この偏差がゼロ、或いは十分小さくなるようにフィードバックを設定することにより、制御を安定化できる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば従来例に対し、リアクトルやコンデンサからなる所定のインピーダンスとコンデンサの他に、僅かな部品の追加のみで高調波電圧検出回路とアクティブフィルタの安定した制御系を構成でき、構成部品点数が少ない分、小型でかつ信頼性の高いものとなる。
若し、補償すべき高調波の状態が変化し、補償条件を変更したい場合でも、回路定数の増減を選択的に図れるように予め設定すればよく、容易である。
従って、基本波に較べ高調波の電圧ピーク値の割合が小さい場合でも、適正に高調波分を検出する高調波電圧検出回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の系統電圧検出回路を示す図である。
【図２】図２は従来の系統電圧検出回路を示す図である。
【図３】図３は電圧検出型アクティブフィルタのシステム構成図である。
【図４】図４（Ａ）は従来の、図４（Ｂ）は本発明の、各々Ａ／Ｄ変換器の入力電圧波形を示した図である。
【符号の説明】
１ 電源系統
１ａ 電源
２ 負荷
３ 電圧検出型アクティブフィルタ
３１ 主回路変圧器
３２ フィルタ
３３ 変流器
３４ 交流リアクトル
３５ インバータ
３６ 変圧器
３６ａ 一次巻線
３６ｂ 二次巻線
３７ 制御回路
３７１ Ａ／Ｄ変換器
３７２ 所定のインピーダンス
３７３ コンデンサ
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Claims (1)

1. 電源系統電圧を一次巻線で検出し二次巻線で降圧して交流信号を検出する変圧器の、前記二次巻線と並列に、所定のインピーダンスとコンデンサからなる直列回路とを接続して、前記電源系統電圧の高調波周波数に共振するように構成した共振回路において、前記所定のインピーダンス部分に所定の比率により分圧された電圧を検出する手段を有し、前記電源系統電圧の補償すべき高調波分を共振拡大された状態で検出することを特徴とする電圧検出型アクティブフィルタの高調波電圧検出回路。

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