JP4045218B2 - 電圧変動補償装置 - Google Patents

Description

この発明は、負荷に供給される電力系統の電圧が瞬時的に変動した際に、それを検出して電圧変動を補償する電圧変動補償装置に関するものである。

雷などにより電力系統の電圧が瞬時的に低下し、工場などの精密機器などが誤作動や一時停止することにより、生産ラインで多大な被害を被ることがある。このような被害を防ぐために、電力系統の瞬時的電圧低下（以下、瞬低と称す）などの電圧変動を監視して、電圧低下を補償する電圧変動補償装置が用いられている。
従来の電圧変動補償装置は、電力系統に直列に接続され、正負いずれかの極性で補償電圧を出力する複数の電圧補償回路で構成される。各電圧補償回路には、ダイオードが逆並列に接続された４個の半導体スイッチング素子から成るフルブリッジインバータ、および充電コンデンサが備えられ、充電コンデンサの直流電圧を交流に変換して出力する。また、各電圧補償回路の出力端には、高速機械式の定常短絡スイッチが並列に設けられる。各電圧補償回路内の充電コンデンサは、充電ダイオードと充電用トランスによってそれぞれ異なる電圧が充電され、電圧の比は概ね２のべき乗比に設定される。
定常時、電流は定常短絡スイッチを流れる。また電力系統の瞬低時には、誤差電圧に応じて複数の電圧補償回路内から所望の組み合わせを選択し、その出力電圧の総和で電力系統の電圧低下を補償する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３５９９２９号公報（第１頁、第６−第８頁、第１、第６図）

従来の電圧変動補償装置は、系統電圧の各相をそれぞれ独立に補償しており、系統電圧の変動を検出すると、各相にそれぞれ必要な補償電圧を演算し、それらが各相の出力可能な電圧、即ちコンデンサの電圧以下の時、各相に補償電圧を出力するものであるため、必要な補償電圧がコンデンサの電圧を越える相が存在すると、電圧変動に対する補償が不可能となる。
このように、電圧変動補償装置が出力可能な補償電圧が、必要補償電圧に満たない相が１相でもあると補償不可となるため、コンデンサの電圧低下が最も大きい相で補償可能時間が決定され、他の相のエネルギを有効利用できず補償不可に陥りやすいという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、電圧系統の各相の電圧変動を補償する電圧変動補償装置において、各相のエネルギ蓄積手段のエネルギを全体として有効利用し、出力可能な補償電圧が必要補償電圧に満たない相が存在しても、継続して電圧補償できることを目的とする。

この発明による電圧変動補償装置は、電力系統における電圧変動の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御部と、該電力系統の各相にそれぞれ直列に接続し、各相毎に独立にコンデンサを有して該各相コンデンサの直流電圧を交流に変換して出力する各相電圧補償回路とを備えて、負荷に供給される電圧の変動を抑える。また、上記電力系統の電圧変動時に、各相の系統電圧を正常電圧に補償するための各相誤差電圧にそれぞれ同じ出力電圧（以下、重畳電圧と称す）を重畳して各相補償電圧を演算する補償電圧演算部と、上記重畳電圧を演算する重畳電圧演算部とを上記制御部内に備える。そして、上記重畳電圧演算部は、所定の単位時間毎に、上記各相コンデンサの電圧低下状態を検出してその各相間の偏りを、上記所定の単位時間よりも充分長い所定時間で無くすように、各相の電圧成分の合成で構成される上記重畳電圧を繰り返し演算し、該重畳電圧を用いて上記補償電圧演算部にて演算される上記各相補償電圧を上記各相電圧補償回路から出力して、上記電力系統における線間電圧の電圧変動を抑えるものである。

またこの発明による電圧変動補償装置は、電力系統の電圧変動時に、各相の系統電圧を正常電圧に補償するための各相誤差電圧にそれぞれ同じ出力電圧（以下、重畳電圧と称す）を重畳して各相補償電圧を演算する補償電圧演算部と、上記重畳電圧を演算する重畳電圧演算部とを上記制御部内に備えて、上記各相補償電圧を上記各相電圧補償回路から出力して上記電力系統における線間電圧の電圧変動を抑える。そして、上記重畳電圧演算部は、上記各相補償電圧と各相系統電流との位相角のずれθによるcosθが１に近い相ほど、上記各相電圧補償回路からの上記各相補償電圧の出力エネルギが大きくなるように上記重畳電圧を演算するものである。

このような電圧変動補償装置では、線間電圧の電圧変動を補償して負荷への電力供給の信頼性を保ちつつ、各相のコンデンサ電圧をほぼ均等に低下させることができる。このため、電圧変動補償装置全体のコンデンサのエネルギを有効利用でき、その結果電圧変動補償可能時間を延長することができる。

またこのような電圧変動補償装置では、力率が小さい場合に、各相補償電圧が高くなるのが抑制でき、コンデンサ電圧が比較的高いにもかかわらず補償電圧出力が不可能になるのが防止できる。このため、電圧変動補償装置全体のコンデンサのエネルギを有効利用でき、その結果電圧変動補償可能時間を延長することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。図１はこの発明の実施の形態１による電圧変動補償装置２００の概略構成図である。
図１（ａ）に示すように、送電線１からの電力は、変圧器２により降圧されて、電圧変動補償装置２００を介して需要家３（負荷）に接続され、電力が供給される。電圧変動補償装置２００は図１（ｂ）に示すように、３相交流（ａ相、ｂ相、ｃ相）のそれぞれの相について、コンデンサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを備えた各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃを直列に接続し、制御部として全相で共通の制御回路３０を備えて、この制御回路３０からの指令により、各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃから各相に補償電圧を出力して瞬低による電圧変動を補償する。

各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの詳細な構成は図２に基づいて以下に説明する。
図２に示すように、各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは、複数（この場合３個）の電圧補償ユニット１５で構成され、正負いずれかの極性で補償電圧を出力する電圧補償サブ回路ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３が電力系統に直列に接続される。各電圧補償ユニット１５には、ダイオードが逆並列に接続された４個のＩＧＢＴ９ｓｗ１１〜９ｓｗ１４、９ｓｗ２１〜９ｓｗ２４、９ｓｗ３１〜９ｓｗ３４から成るフルブリッジインバータ、およびサブコンデンサとしての充電コンデンサ１０ｐｎ１〜１０ｐｎ３で構成される各電圧補償サブ回路ＰＮ（ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３）と、充電コンデンサ１０（１０ｐｎ１〜１０ｐｎ３）を充電するための充電ダイオード１１と充電用トランス１４の２次巻線１３とが備えられる。また、充電コンデンサ１０の充電電圧Ｖ１〜Ｖ３は、ＩＧＢＴ９（９ｓｗ１１〜９ｓｗ１４、９ｓｗ２１〜９ｓｗ２４、９ｓｗ３１〜９ｓｗ３４）のオン／オフ制御により正負いずれかの極性で電力系統に接続される。また、これら複数の充電コンデンサ１０（１０ｐｎ１〜１０ｐｎ３）により、各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃが備える各コンデンサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ（図１参照）はそれぞれ構成される。

また、各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの出力端には、並列に高速機械式の定常短絡スイッチ８が設けられる。なお、この定常短絡スイッチ８は、各電圧補償サブ回路ＰＮと並列に複数個設けても良く、１つあるいは直列接続された複数の電圧補償サブ回路ＰＮの出力端毎に設けられていれば良い。また、フルブリッジインバータはＩＧＢＴ９以外の自己消弧型半導体スイッチング素子で構成しても良い。
充電コンデンサ１０は充電ダイオード１１と充電用トランス１４の２次巻線１３によってそれぞれ異なる電圧が充電され、充電用トランス１次巻線１２は、電力系統と接続される。各電圧補償サブ回路ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３内の充電コンデンサ１０に充電される電圧の比は概ね２のべき乗比に設定されている。つまり、以下の関係を満足させる。
Ｖ３＝２×Ｖ２＝２×２×Ｖ１

各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの定常短絡スイッチ８および各半導体スイッチング素子９は制御回路３０に接続され、制御回路３０からの指令信号ｚ，ｇ１１〜ｇ１４，ｇ２１ｇ〜２４，ｇ３１〜ｇ３４により動作する。この制御回路３０の構成および動作について、図３に基づいて以下に説明する。
図３に示すように、電力系統の各相の電圧、電流をモニタして観測される系統電圧Ｖｘ、系統電流Ｉｘはそれぞれ制御回路３０に入力される。また、各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ内の各コンデンサ１０ｐｎ１〜１０ｐｎ３の電圧をモニタした値Ｖa1〜Ｖa3、Ｖb1〜Ｖb3、Ｖc1〜Ｖc3もそれぞれ制御回路３０に入力される。入力されたコンデンサ電圧Ｖa1〜Ｖa3、Ｖb1〜Ｖb3、Ｖc1〜Ｖc3は、電圧加算部４０で各相ごとにコンデンサ電圧検出値としてのコンデンサ総和電圧Ｖca、Ｖcb、Ｖccが計算される。これらの各相のコンデンサ総和電圧Ｖca、Ｖcb、Ｖccは平均値演算部４１にて全相のコンデンサ平均電圧Ｖcaveが計算される。
比較演算部４４では、各相のコンデンサ総和電圧Ｖca、Ｖcb、Ｖccと全相のコンデンサ平均電圧Ｖcaveとの差Ｖca−Ｖcave、Ｖcb−Ｖcave、Ｖcc−Ｖcaveをそれぞれ計算する。

補償電圧演算部３３では、各相の系統電圧Ｖｘ、系統電流Ｉｘ、正常時の系統電圧である各相の設定電圧３１、各相のコンデンサ総和電圧Ｖca、Ｖcb、Ｖcc、全相のコンデンサ平均電圧Ｖcave、および比較演算部４４からの出力が入力され、各相の系統電圧Ｖｘが正常時の系統電圧である各相の設定電圧３１に比して電圧低下したとき、各線間電圧の電圧変動を補償するように各相の補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicを演算する。上記各相の補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicの演算は、補償電圧演算部３３内の重畳電圧演算部３４で演算される全相に共通の重畳電圧ベクトルＶ0を重畳してなされるもので、以下に詳述する。

図４は、電力系統の各相の電圧、電流をベクトル図で示したもので、図４（ａ）に、正常時の各相の電圧ベクトルＶna、Ｖnb、Ｖnc（以下、正常電圧ベクトルと称す）、電流ベクトルＩna、Ｉnb、Ｉnc（以下、正常電流ベクトルと称す）、および瞬低による電圧変動時の各相の電圧ベクトルＶsa、Ｖsb、Ｖsc（以下、瞬低電圧ベクトルと称す）を示す。なお、θsa、θsb、θscは電圧変動時の瞬低電圧ベクトルと正常電流ベクトルとの位相差を表している。図４（ｂ）に示すように、各相の瞬低電圧ベクトルＶsa、Ｖsb、Ｖscを正常電圧ベクトルＶna、Ｖnb、Ｖncに補償するための各相誤差電圧Ｖna−Ｖsa、Ｖnb−Ｖsb、Ｖnc−Ｖsc（以下、Ｖta、Ｖtb、Ｖtcと表す）に、それぞれ同じ出力電圧ベクトルである重畳電圧ベクトルＶ0を重畳（加算）して、図４（ｃ）に示すように、各相の補償電圧である各相補償電圧ベクトルＶia、Ｖib、Ｖicを演算する。
このとき、重畳電圧Ｖ0は、所定の単位時間Δｔ毎に繰り返し演算され、各演算時に、その時点の各相コンデンサの電圧低下の偏りを系統電圧の一周期の時間Ｔで無くすように、即ち、各相のコンデンサの電圧検出値（コンデンサ総和電圧）がほぼ均等になるように演算される。なお、上記演算の時間間隔Δｔは、系統電圧の周期Ｔに比して十分短い時間である。この重畳電圧Ｖ0の演算方法の詳細については、後述する。
このように、各相の電圧変動によって変動した線間電圧を補償するように、重畳電圧Ｖ0を重畳して各相の補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicを演算する。

系統電圧が通常時、定常短絡スイッチ８はオン状態で、電流は定常短絡スイッチ８を流れる。瞬低が発生すると、瞬低検出部３７は瞬低を検出して、信号ｚ（ｚａ、ｚｂ、ｚｃ）（＝０）により各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの定常短絡スイッチ８をオフする。この時、重畳電圧演算部３４では、所定の単位時間Δｔ毎に重畳電圧Ｖ0を繰り返し演算し、補償電圧演算部３３は各相の補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicを演算する。
各相の補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicが演算されると、図３に示すように、増幅回路３５にて増幅し、さらに絶対値変換を施した後、Ａ/Ｄコンバータ３６にて各相毎に３ビットのデジタル信号（Ｄ１〜Ｄ３）に変換する。各相の補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicの大きさが、充電コンデンサ１０ｐｎ１の充電電圧Ｖ１と等しくなったとき、Ａ/Ｄコンバータ３６からの出力信号における最下位ビットＤ１のみが１、即ち゛００１゛となるよう、また、同様に゛０１０゛・・・゛１１１゛の場合も、充電コンデンサ１０の充電電圧の組み合わせと等しくなるように増幅回路３５のゲインは予め調整しておく。

一方、演算された各相の補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicは、極性判定回路３８にも入力され、極性が判定される。３９ａ、３９ｂ、３９ｃは、各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃに対して駆動信号ｇａ、ｇｂ、ｇｃを発生する駆動信号発生器であり、この各相の駆動信号ｇａ、ｇｂ、ｇｃは、各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ内の複数個の電圧補償サブ回路ＰＮのインバータの１２種の駆動信号ｇ１１〜ｇ１４，ｇ２１〜ｇ２４，ｇ３１〜ｇ３４でそれぞれ構成される。この駆動信号発生器３９ａ、３９ｂ、３９ｃにより、各相の補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicの極性が正・負の場合に応じて、デジタル信号Ｄ１〜Ｄ３にてアクテイブとなる信号を選択し、各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃに対し、駆動信号ｇａ、ｇｂ、ｇｃを発生する。

例えば、図２で示す各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ内の電圧補償サブ回路ＰＮ１においては、最下位ビットＤ１＝１のときに、系統電圧の極性が正の場合、スイッチング素子９ｓｗ１１、９ｓｗ１４をオンし、スイッチング素子９ｓｗ１２、９ｓｗ１３をオフすることにより、充電電圧Ｖ１を正極性で出力する。また系統電圧の極性が負の場合、スイッチング素子９ｓｗ１２、９ｓｗ１３をオンし、スイッチング素子９ｓｗ１１、９ｓｗ１４をオフすることにより、充電電圧Ｖ１を負極性で出力する。またＤ１＝０のとき、スイッチング素子９ｓｗ１１〜９ｓｗ１４、のうち上アーム側９ｓｗ１２、９ｓｗ１４あるいは下アーム側９ｓｗ１１、９ｓｗ１３のどちらか一方をオン状態とし他方をオフ状態として出力端を短絡し、電圧補償サブ回路ＰＮ１からの出力をほぼゼロとする。
他の電圧補償サブ回路ＰＮ２、ＰＮ３からの出力も、対応するビットのデジタル信号Ｄ２、Ｄ３に応じて同様に行われ、即ち、各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ内において、デジタル信号Ｄ１〜Ｄ３によって選択された各補償サブ回路ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３から補償電圧が出力される。これらの出力は、系統にて組み合わされ、゛０００゛〜゛１１１゛の８階調の電圧出力を各相で発生することができ、最大の補償電圧は、７×Ｖ１となる。

次に、重畳電圧Ｖ0の演算方法の詳細について説明する。
電圧変動補償時、各相電圧補償回路では、誤差電圧Ｖｔに重畳電圧Ｖ0が重畳された補償電圧（Ｖｔ＋Ｖ0）の出力により、時間の経過と共に、コンデンサ電圧Ｖｃが低下する。時刻ｔにおけるコンデンサ電圧をＶｃ（ｔ）とすると、以下の式が成り立つ。

ここで、Ｃはコンデンサ静電容量を、Ｐは皮相電力を、pfは負荷力率を、Ｔは系統電圧の周期を、Ｖｎは正常時の系統電圧を表している。
重畳電圧Ｖ0を（Ｖ0＋ΔＶ0）に変化させたときの、Ｖｃ（ｔ）の変化量をΔＶｃとすると、（１）式より次の関係式が得られる。

Ｖｃ（ｔ）をＶｎ・Ｖｃpuとおいて（２）式を変形すると、次式が得られる。

上記（３）式に示すように、時刻毎の重畳電圧変化量ΔＶ0は、コンデンサ電圧の変化量ΔＶｃに基づいて決定されるものである。
この重畳電圧Ｖ0は、所定の単位時間Δｔ毎に繰り返し演算され、各演算時に、各相のコンデンサ総和電圧を検出して、これらがほぼ均等になるように重畳電圧演算部３４で演算されるもので、各相の正常電圧ベクトルをＶnj（j=a,b,c）とすると、以下の式で表される。

即ち、重畳電圧演算部３４は、所定の単位時間Δｔ毎に、Ｖnjの係数であるＳjを演算して重畳電圧Ｖ0を決定する。Ｓjの演算は、以下の式により行う。

但し、Ｋ，ｍは定数

このように各演算時ｔ_ｎでのＳj（ｔ_ｎ）を決定する。この演算は、その時ｔ_ｎの各相のコンデンサ総和電圧Ｖcjと全相のコンデンサ平均電圧Ｖcaveとの差を、系統電圧の周期時間Ｔの間に無くすようにＳj（ｔ_ｎ）を演算するものである。即ち、その時点の各相コンデンサの電圧低下の偏りを系統電圧の一周期の時間Ｔで無くすように演算する。
また、Ｓj（ｔ_ｎ）は前回演算時ｔ_ｎ−１の値Ｓj（ｔ_ｎ−１）、およびその時点（前回演算時からのΔｔの間）のコンデンサの変化量ΔＶcjに基づいて、演算される。即ち、時刻毎の重畳電圧変化量ΔＶ0を、コンデンサ電圧の変化量ΔＶｃに基づいて演算するものである。また、このように演算されるＳj（ｔ_ｎ）は一時的には増加することもあるが、継続する補償時間の間に時間の経過と共に減少する傾向を示す。これにより、補償動作が継続してコンデンサ電圧が低下すると重畳電圧Ｖ0およびその変化量も低減する。

この実施の形態では、各相電圧補償回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの各相のコンデンサ総和電圧Ｖca、Ｖcb、Ｖccのばらつきを無くすように重畳電圧Ｖ0を演算し、この重畳電圧Ｖ0を重畳して各相補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicを演算する。このため、線間電圧の電圧変動を補償して負荷３への電力供給の信頼性を保ちつつ、各相のコンデンサ総和電圧Ｖca、Ｖcb、Ｖccをほぼ均等に低下させることができる。このため、電圧変動補償装置２００全体のコンデンサのエネルギを有効利用でき、その結果電圧変動補償可能時間を延長することができる。
また、上記（４）（５）式を用いることにより、確実に信頼性よく重畳電圧Ｖ0を演算することができ、上述した効果が容易に確実に達成できる。
また、補償動作が継続してコンデンサ電圧が低下すると重畳電圧Ｖ0およびその変化量が小さくなるようにしたため、コンデンサ電圧に対して重畳電圧Ｖ0の変化割合が大きくなり制御が発散するなどの問題が無く、補償動作の制御の安定性が向上する。また、供給電力に従った重畳電圧ベクトルＶ0の決定が可能となるため、制御の信頼性が高まる。

実施の形態２．
上記実施の形態１において、補償動作の継続と共に、コンデンサ電圧Ｖｃが低下し、演算された補償電圧（Ｖｔ＋Ｖ0）がコンデンサ電圧Ｖｃを超えると、補償不可となるため、この実施の形態では、重畳電圧Ｖ0をリミット値を設けて制限する。
各相補償電圧（Ｖnj−Ｖsj＋Ｖ0）を各相コンデンサ電圧Ｖcj以内に収めるために、次の関係が必要である。
│Ｖnj−Ｖsj＋Ｖ0│≦Ｖcj （j=a,b,c） ・・・（６）
任意の瞬間でＶnj、Ｖsj、Ｖ0の各電圧は、上記（６）式を満たし、またＶcjは正であるため、（６）式は次のように変形できる。
−Ｖcj≦Ｖnj−Ｖsj＋Ｖ0≦Ｖcj （j=a,b,c） ・・・（７）
故に、
−Ｖcj−Ｖnj＋Ｖsj≦Ｖ0≦Ｖcj−Ｖnj＋Ｖsj （j=a,b,c） ・・・（８）

このため、図５に示すように、重畳電圧Ｖ0は、上記（４）（５）式を用いて演算した電圧を、上記（８）式で表されるリミット値を用いて制限することで、各相補償電圧（Ｖnj−Ｖsj＋Ｖ0）を各相コンデンサ電圧Ｖcj以内に収めることができる。
なお、リミット値は、上記のように、その時点の各相のコンデンサ電圧検出値Ｖcjと誤差電圧（Ｖnj−Ｖsj）とによって決定される。
また、コンデンサ電圧検出値Ｖcjの変化は小さく、誤差電圧（Ｖnj−Ｖsj）は系統の基本周波数で変動するため、重畳電圧Ｖ0のリミット値は急変せず、安定した制御が行える。

１相または２相の各相電圧補償回路１１０において、演算された補償電圧よりも各相のコンデンサ電圧の方が小さくなった後は、各相のコンデンサ電圧をほぼ均等に低下させる制御は不可能となる。しかし、補償に必要なエネルギーは保持している。この実施の形態では、出力補償電圧がコンデンサ電圧を超えた相が、コンデンサ電圧に等しい補償電圧を出力するように、重畳電圧Ｖ0にリミットをかけながら、補償を継続する。これにより、容易な制御で、更に三相の線間電圧を正常に保ったまま補償を継続することができる。

なお、各相をリミット値で制限する方法に限らず、演算された補償電圧よりも各相のコンデンサ電圧の方が小さくなった後は、演算された該各相補償電圧をキャンセルし、全ての相で各相補償電圧がコンデンサの電圧以下となるように重畳電圧Ｖ0を再演算すれば、同様に補償が継続できる。

実施の形態３．
この実施の形態３では、上記実施の形態１において、電圧変動補償中に系統電圧が正常に復電したときの制御について説明する。
電圧変動補償中に系統電圧が正常になったときには、所定の単位時間Δｔ毎に、Ｓjを演算して重畳電圧Ｖ0を決定していた重畳電圧演算部３４では上記（５）式の計算を止め、それ以降、新たな演算は行わない。そして、前回演算時の重畳電圧Ｖ0を重畳した各相補償電圧の出力により補償動作を継続し、この重畳電圧Ｖ0の瞬時値が零になった時点で、常短絡スイッチ８を閉じて電圧変動補償装置の出力を停止する。
補償中の重畳電圧Ｖ0によって、負荷の中性点電圧は急変するものであるが、この実施の形態では、重畳電圧Ｖ0すなわち中性点電圧は零の状態で系統側からの給電となるため、負荷の中性点電圧の急変が無く安定な動作が行える。

実施の形態４．
上記実施の形態３では、電圧変動補償中に系統電圧が正常になったときには、（５）式の計算を止め、それ以降、新たな重畳電圧Ｖ0の演算は行わないようにしたが、この実施の形態４では、系統電圧が正常になった後も、少しの間、重畳電圧Ｖ0の演算を継続する。
重畳電圧演算部３３では、電圧変動補償中に系統電圧が正常になったとき、各相のコンデンサ総和電圧Ｖca、Ｖcb、Ｖccが均等になるまで、所定の単位時間Δｔ毎に、（５）式によりＳjを演算して重畳電圧Ｖ0を決定する処理を継続し、重畳電圧Ｖ0を重畳した各相補償電圧の出力により補償動作を継続させる。そして、Ｖca＝Ｖcb＝Ｖccとなった時点で、定常短絡スイッチ８を閉じて電圧変動補償装置の出力を停止する。

これによって、多重雷等により、繰り返しの瞬低が起こったときも、補償可能となり、補償動作の信頼性が向上する。
ここで、系統電圧が正常になってから、定常短絡スイッチ８を閉じるまでの時間は電圧の高い相の電圧補償回路１１０から低い相の電圧補償回路１１０へエネルギを移行することになる。

なお、上記実施の形態３の制御を組み合わせて適用することもできる。即ち、上記実施の形態４において、各相のコンデンサ総和電圧Ｖca、Ｖcb、Ｖccが均等になった時点で、上記（５）式の計算を止めて新たな重畳電圧Ｖ0の演算は行わず、前回演算時の重畳電圧Ｖ0を用いた各相補償電圧により補償動作を継続し、この重畳電圧Ｖ0の瞬時値が零になった時点で、補償動作を終了しても良い。これによって、多重雷等により、繰り返しの瞬低が起こったときも、補償可能となり、補償動作の信頼性が向上すると共に、負荷の中性点の電圧の急変を防ぐことができる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５による電圧変動補償装置について以下に説明する。
上記各実施の形態では、重畳電圧Ｖ0は、各相のコンデンサ総和電圧がほぼ均等になるように、所定の単位時間Δｔ毎に繰り返し演算したが、実施の形態２、３で示したように、各相のコンデンサ総和電圧を均等に保つための電圧が出力できなくなったときには、補償を継続させるために制御を変化させていた。
この実施の形態５では、各相補償電圧と各相系統電流との位相角のずれθによるcosθが１に近い相ほど、各相電圧補償回路１１０からの各相補償電圧の出力エネルギが大きくなるように重畳電圧Ｖ0を演算する。この重畳電圧Ｖ0の演算は、補償開始時に１度のみで良く、そのとき演算された重畳電圧Ｖ0を補償開始から終了まで用いる。

重畳電圧Ｖ0および補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicの求め方について、以下に説明する。
図６は、この実施の形態５による電力系統の各相の電圧、電流、および重畳電圧、補償電圧をベクトル図で示したものである。図５（ａ）に示すように、正常電圧ベクトルＶna、Ｖnb、Ｖncである系統電圧が、瞬低により瞬低電圧ベクトルＶsa、Ｖsb、Ｖscとなったとき、各相の瞬低電圧ベクトルＶsa、Ｖsb、Ｖscを正常電圧ベクトルＶna、Ｖnb、Ｖncに補償するための各相誤差電圧Ｖna−Ｖsa、Ｖnb−Ｖsb、Ｖnc−Ｖscに、それぞれ同じ出力電圧ベクトルである重畳電圧ベクトルＶ0を重畳（加算）して、各相補償電圧ベクトルＶia、Ｖib、Ｖicを演算する。このとき、図５（ｂ）に示すように、各相補償電圧ベクトルＶia、Ｖib、Ｖicと各相系統電流の正常電流ベクトルＩna、Ｉnb、Ｉncとの位相角のずれθによるcosθが１に近い相ほど、即ち、力率が１に近いほど各相補償電圧ベクトルＶia、Ｖib、Ｖicのエネルギが大きくなるようにする。また、各相補償電圧ベクトルＶia、Ｖib、Ｖicと正常電流ベクトルＩna、Ｉnb、Ｉncとがこのような関係を満たすように、重畳電圧ベクトルＶ0を、決定する。

仮に、図７に示すように、各相補償電圧ベクトルＶia、Ｖib、Ｖicのエネルギが該均等になるように決定されると、図７（ｂ）に示すように、各相補償電圧ベクトルＶia、Ｖib、Ｖicと各相系統電流の正常電流ベクトルＩna、Ｉnb、Ｉncとの位相角のずれθによるcosθが１から離れた相ほど、即ち、力率が小さいほど、各相補償電圧ベクトルＶia、Ｖib、Ｖicの電圧が高くなる。このため、高い補償電圧が必要となる相の電圧補償回路１１０では、コンデンサ電圧が比較的高い状態でも補償電圧出力が不可能になってしまうことがある。

この実施の形態では、各相補償電圧ベクトルＶia、Ｖib、Ｖicと各相系統電流の正常電流ベクトルＩna、Ｉnb、Ｉncとの位相角のずれθによるcosθが１に近い相ほど各相補償電圧ベクトルＶia、Ｖib、Ｖicのエネルギが大きくなるようにすることにより、コンデンサ電圧が比較的高い状態で補償電圧出力が不可能になることはなく、電圧変動補償装置２００全体のコンデンサのエネルギを有効利用でき、その結果電圧変動補償可能時間を延長することができる。
理想的には、補償電圧出力が不可能となり補償終了に至った時に、各相のコンデンサ総和電圧Ｖca、Ｖcb、Ｖccがそれぞれ各相補償電圧Ｖia、Ｖib、Ｖicに一致していること、
即ち、│Ｖia│＝Ｖca、│Ｖib│＝Ｖcb、│Ｖic│＝Ｖccが同時に成立している状態で補償が終了することである。

なお、この場合も、上記実施の形態３が適用でき、系統電圧が正常になったとき、補償動作をすぐに停止させず、重畳電圧Ｖ0の瞬時値が零になった時点で、常短絡スイッチ８を閉じて電圧変動補償装置の出力を停止する。これによって、負荷の中性点の電圧の急変を防ぐことができる。

この発明の実施の形態１による電圧変動補償装置の概略構成図である。 この発明の実施の形態１による各相電圧補償回路の構成図である。 この発明の実施の形態１による電圧変動補償装置の制御回路の構成図である。 この発明の実施の形態１による電圧変動補償装置の動作を説明する電圧、電流のベクトル図である。 この発明の実施の形態２による重畳電圧の決定方法の説明図である。 この発明の実施の形態５による電圧変動補償装置の動作を説明する電圧、電流のベクトル図である。 この発明の実施の形態５の比較例による動作を説明する電圧、電流のベクトル図である。

符号の説明

３ 負荷、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ コンデンサ、
３０ 制御部としての制御回路、３１ 正常電圧としての設定電圧、
３３ 補償電圧演算部、３４ 重畳電圧演算部、３７ 瞬低検出部、
４１ 平均値演算部、４４ 電圧偏り検出部、１１０ａ〜１１０ｃ 各相電圧補償回路、２００ 電圧変動補償装置、ＰＮ１，ＰＮ２，ＰＮ３ 電圧補償サブ回路、
Ｖ0 重畳電圧、Ｖia，Ｖib，Ｖic 各相補償電圧、Ｖsa，Ｖsb，Ｖsc 瞬低電圧、
Ｖca，Ｖcb，Ｖcc 各相コンデンサ検出電圧値（コンデンサ総和電圧）、
Ｖｘ 系統電圧、Ｉｘ 系統電流。

Claims (11)

1. 電力系統における電圧変動の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御部と、該電力系統の各相にそれぞれ直列に接続し、各相毎に独立にコンデンサを有して該各相コンデンサの直流電圧を交流に変換して出力する各相電圧補償回路とを備えて、負荷に供給される電圧の変動を抑える電圧変動補償装置において、上記電力系統の電圧変動時に、各相の系統電圧を正常電圧に補償するための各相誤差電圧にそれぞれ同じ出力電圧（以下、重畳電圧と称す）を重畳して各相補償電圧を演算する補償電圧演算部と、上記重畳電圧を演算する重畳電圧演算部とを上記制御部内に備え、上記重畳電圧演算部は、所定の単位時間毎に、上記各相コンデンサの電圧低下状態を検出してその各相間の偏りを、上記所定の単位時間よりも充分長い所定時間で無くすように、各相の電圧成分の合成で構成される上記重畳電圧を繰り返し演算し、該重畳電圧を用いて上記補償電圧演算部にて演算される上記各相補償電圧を上記各相電圧補償回路から出力して、上記電力系統における線間電圧の電圧変動を抑えることを特徴とする電圧変動補償装置。
2. 上記充分長い所定時間は、上記電力系統の周期に基づいて決定される時間であることを特徴とする請求項１記載の電圧変動補償装置。
3. 上記重畳電圧は、時間の経過と共に減少させることを特徴とする請求項１または２記載の電圧変動補償装置。
4. 上記重畳電圧の各相成分は、上記所定の単位時間毎の前回演算値と当該相のコンデンサの電圧変化量とに応じて決定されることを特徴とする請求項３記載の電圧変動補償装置。
5. 上記重畳電圧演算部は、その時点の上記各相誤差電圧と上記各相コンデンサの電圧検出値とに基づいて決定されたリミット値にて上記重畳電圧を制限して出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電圧変動補償装置。
6. 任意の相で上記各相補償電圧が当該相のコンデンサの電圧検出値を超えると、演算された該各相補償電圧をキャンセルすると共に、上記重畳電圧演算部は、全ての相で上記各相補償電圧が当該相のコンデンサの電圧検出値以下となるように上記重畳電圧を演算して、上記各相電圧補償回路から上記各相補償電圧を出力する補償動作を継続することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電圧変動補償装置。
7. 上記電力系統が電圧変動から正常電圧に復電すると、上記重畳電圧演算部は上記各相コンデンサの電圧に基づく重畳電圧演算を新たに行わず、前回演算時の上記重畳電圧を用いて演算された上記各相補償電圧を上記各相電圧補償回路から出力する補償動作を、当該重畳電圧の瞬時値が零になるまで継続することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電圧変動補償装置。
8. 上記電力系統が電圧変動から正常電圧に復電すると、上記各相コンデンサの電圧検出値が概均等になる時点まで上記重畳電圧演算部は繰り返し上記重畳電圧を演算し、上記各相電圧補償回路から上記各相補償電圧を出力する補償動作を上記時点まで継続することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電圧変動補償装置。
9. 電力系統における電圧変動の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御部と、該電力系統の各相にそれぞれ直列に接続し、各相毎に独立にコンデンサを有して該各相コンデンサの直流電圧を交流に変換して出力する各相電圧補償回路とを備えて、負荷に供給される電圧の変動を抑える電圧変動補償装置において、上記電力系統の電圧変動時に、各相の系統電圧を正常電圧に補償するための各相誤差電圧にそれぞれ同じ出力電圧（以下、重畳電圧と称す）を重畳して各相補償電圧を演算する補償電圧演算部と、上記重畳電圧を演算する重畳電圧演算部とを上記制御部内に備えて、上記各相補償電圧を上記各相電圧補償回路から出力して上記電力系統における線間電圧の電圧変動を抑え、上記重畳電圧演算部は、上記各相補償電圧と各相系統電流との位相角のずれθによるcosθが１に近い相ほど、上記各相電圧補償回路からの上記各相補償電圧の出力エネルギが大きくなるように上記重畳電圧を演算することを特徴とする電圧変動補償装置。
10. 上記電力系統が電圧変動から正常電圧に復電すると、既に演算された上記重畳電圧を用いて上記各相電圧補償回路から上記各相補償電圧を出力する補償動作を、当該重畳電圧の瞬時値が零になるまで継続することを特徴とする請求項９に記載の電圧変動補償装置。
11. 電力系統の各相にそれぞれ直列に接続される各相電圧補償回路は、それぞれ異なる電圧が充電されて上記コンデンサを構成するサブコンデンサを備え該サブコンデンサの電圧を交流に変換して出力する複数の電圧補償サブ回路を直列に接続して構成され、各相補償電圧出力時には、各相における上記複数の電圧補償サブ回路の中から所望の組み合わせを選択し、その出力電圧の総和で上記電力系統における線間電圧の電圧変動を抑えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電圧変動補償装置。

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