JP4048161B2 - 電圧補償装置 - 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低下を補償する電圧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補償装置が用いられている。
従来の電圧補償装置となる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、開極指令により定常短絡スイッチの接点が開離しアークが発生するが、充電コンデンサの電荷を定常短絡スイッチを介した閉回路に、定常短絡スイッチを流れていた電流と逆極性に流す。これにより、定常短絡スイッチ電流に強制的に電流ゼロ点が形成され、定常短絡スイッチは速やかに遮断される。その後は、系統の電流が電圧補償回路を流れ、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）。

また、従来から、機械スイッチを高速に遮断する開閉装置では、機械スイッチを流れる電流に強制転流回路から高周波電流を流すことで強制電流零点をつくり、強制遮断している。このとき電流遮断を容易にするため、強制転流回路内にインダクタンスを配置している（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００２−３５９９２９号公報 電気学会研究会資料、ＳＡ−９７−３４、１９９７「高速スイッチを適用した限流装置」

上記のような従来の電圧補償装置においても、系統電圧の瞬低発生時に定常短絡スイッチを容易に高速遮断するために、定常短絡スイッチと電圧補償回路とで構成される閉回路内にインダクタンスとなる限流リアクトルを配置して用いる。しかしながら、この限流リアクトルは電圧補償回路と直列に接続されるため、補償電圧を発生して系統電圧の瞬低を補償する補償動作時に、電圧降下を発生させ、負荷へ所望の電圧が供給できな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、限流リアクトルが電圧補償回路と直列に接続された電圧補償装置において、限流リアクトルに起因する負荷電圧の低下を抑制して系統電圧の瞬低を高精度に補償することを目的とする。

この発明に係る電圧補償装置は、電力系統における電圧低下の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御部と、それぞれエネルギ蓄積手段に蓄積された直流電圧を交流に変換して出力する複数の電圧補償回路を上記電力系統に直列に接続し、該複数の電圧補償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により補償電圧を発生させる補償電圧発生部と、上記補償電圧発生部をバイパスするために該補償電圧発生部に並列に接続された短絡スイッチと、該短絡スイッチの電流遮断時に該短絡スイッチと上記補償電圧発生部とで構成される閉回路に流す電流を制限するために、上記補償電圧発生部に直列に接続されたリアクトルとを備える。系統電圧が低下していない通常時には、上記短絡スイッチを閉じて上記補償電圧発生部をバイパスし、該系統電圧が設定された基準電圧より低下すると、上記短絡スイッチを電流遮断して開放し、上記補償電圧発生部にて発生させた上記補償電圧を該系統電圧に重畳して負荷に供給される電圧の低下を補償する。そして、上記補償電圧発生部にて出力される上記補償電圧を、上記系統電圧の上記基準電圧からの電圧低下量よりも予め大きく設定し、上記リアクトルのインダクタンス成分による電圧降下を補償するものである。

この発明による電圧補償装置では、系統電圧が設定された基準電圧より低下すると、系統電圧の電圧低下量よりも予め大きく設定した補償電圧を補償電圧発生部にて発生させて、この補償電圧を系統電圧に重畳して負荷に供給される電圧の低下を補償する。上記補償電圧は、リアクトルのインダクタンス成分による電圧降下を補償するように予め大きく設定されているため、上記リアクトルに起因する負荷電圧の低下を抑制して系統電圧の瞬低を高精度に補償することができる。

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による電圧補償装置１００の概略構成図である。
図１に示すように、電力系統からの電力は、変圧器により降圧されて、電圧補償装置１００を介して需要家３（負荷）に接続され、電力が供給される。電圧補償装置１００は、電力系統と直列に接続され補償電圧を発生する補償電圧発生ユニット１と、この補償電圧発生ユニット１をバイパスするために補償電圧発生ユニット１に並列に接続された短絡スイッチとしての並列機械スイッチ２と、制御装置７とで構成される。また、補償電圧発生ユニット１に直列に限流リアクトル４が接続されている。

図２は、電圧補償装置１００、特に補償電圧発生ユニット１の詳細を示すもので、補償電圧発生ユニット１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、およびエネルギ蓄積手段としての充電コンデンサ１０ｐｎ１〜１０ｐｎ３で構成される各電圧補償回路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。なお、充電用トランス１次巻線１２は、電力系統と接続される。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。
また、充電コンデンサ１０（以下、単にコンデンサ１０と称す）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。各電圧補償回路ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３内のコンデンサ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

補償電圧発生ユニット１内の各ＩＧＢＴ９および並列機械スイッチ２は制御装置７に接続され、制御装置７は、系統電圧Ｖｓ、負荷３に供給される負荷電圧ＶＬおよび補償電圧発生ユニット１を流れる負荷電流ＩＬを入力として、制御信号５ａ(駆動信号ｇ１１〜ｇ１４、ｇ２１〜ｇ２４、ｇ３１〜ｇ３４)、５ｂ（ｚ）を出力して各ＩＧＢＴ９および並列機械スイッチ２を制御する。
制御装置７に入力された系統電圧Ｖｓは、予め設定された正常時の系統電圧である正常電圧Ｖｎと比較され、両者の差が所定の許容値以内であるとき、正常と判断され並列機械スイッチ２をオン状態とする。これにより、系統電力は抵抗の小さい並列機械スイッチ２を通して負荷３に供給される。

地絡や線間短絡等が電圧低下箇所６で発生し系統電圧Ｖｓが低下し、系統電圧Ｖｓの正常電圧Ｖｎからの電圧低下量が上記所定の許容値を超えると、制御装置７では瞬低と判断し並列機械スイッチ２をオフした後、補償電圧を出力して補償動作を開始する。このとき、制御装置７は並列機械スイッチ２に開極指令５ｂを送出した後、並列機械スイッチ２の接点間に発生するアークを遮断するため、例えば電圧補償回路ＰＮ１のコンデンサ１０ｐｎ１に予め充電されていた電荷を並列機械スイッチ２を介した閉回路に、並列機械スイッチ２を流れていた電流（以下、スイッチ電流と称す）と逆極性に流す。この放電電流の周波数はスイッチ電流の周波数より十分に高く、この高周波電流（放電電流）がスイッチ電流に重畳されて、スイッチ電流に強制的に電流ゼロ点が形成され、並列機械スイッチ２は遮断される。このとき限流リアクトル４により上記高周波電流（放電電流）を制限し、並列機械スイッチ２の遮断を容易にする。また、限流リアクトル４は、万一、並列機械スイッチ２が故障等により開放不可となった場合の電流制限にも効果がある。
なお、並列機械スイッチ２は通電ロスが小さいサイリスタやその他の半導体スイッチでもよい。

並列機械スイッチ２がオフすると、その後は系統の電流が補償電圧発生ユニット１を介して流れることになる。制御装置７は、補償電圧発生ユニット１内の各ＩＧＢＴ９を制御し、これにより補償電圧発生ユニット１は補償電圧を出力して系統電圧Ｖｓに重畳させ補償動作を行う。
制御装置７は、図３に示すように、補償電圧決定部２０と階調電圧出力パターン決定部２１とを備える。系統電圧が瞬低と判断され、上述した並列機械スイッチ２の遮断動作が終了すると、補償電圧決定部２０は、制御装置７に入力される系統電圧Ｖｓ、負荷電圧ＶＬおよび負荷電流ＩＬと、予め設定された正常電圧Ｖｎおよび限流リアクトル４のインダクタンスＬとに基づいて、補償電圧Ｖｉを演算して出力する。この演算の詳細については、後述する。

階調電圧出力パターン決定部２１では、補償電圧決定部２０からの補償電圧Ｖｉを入力として、出力電圧を発生させる電圧補償回路ＰＮ１、ＰＮ２、ＰＮ３の組み合わせを選択し、各電圧補償回路ＰＮのインバータの駆動信号ｇ１１〜ｇ１４、ｇ２１〜ｇ２４、ｇ３１〜ｇ３４を発生する。各電圧補償回路ＰＮ１〜ＰＮ３からそれぞれ発生される出力電圧の総和により、補償電圧発生ユニット１は、０〜７階調の補償電圧を発生することができ、最大の補償電圧は、７×Ｖ１となる。

次に、補償電圧決定部２０での補償電圧Ｖｉの演算について、図４に基づいて以下に説明する。
図４に示すように、補償電圧Ｖｉは、３つの異なる制御演算量を組み合わせて求めるもので、系統電圧Ｖｓと正常電圧Ｖｎとの差である系統電圧低下量ΔＶｓに基づく制御演算（以下、Ａ制御と称す）、負荷電圧ＶＬと正常電圧Ｖｎとの差電圧ΔＶＬに基づく制御演算（以下、Ｂ制御と称す）、および負荷電流ＩＬと設定された限流リアクトル４のインダクタンスＬとに基づく制御演算（以下、Ｃ制御と称す）を行っている。

上記Ａ制御により、系統電圧低下量ΔＶｓを例えば５kHzでサンプリングした制御演算量を求め、これにより系統電圧の低下を補償するが、このＡ制御による制御演算量に、Ｂ制御による制御演算量とＣ制御による制御演算量とを加算して補償電圧Ｖｉを求める。
Ｃ制御においては、Ｃ制御演算部２３にて限流リアクトル４のインダクタンスＬによる電圧降下分を補償電圧増加量２３ａとして演算し、この補償電圧増加量２３ａを例えば２０kHzでサンプリングして制御演算量を求める。このＣ制御による制御演算量を、Ａ制御による制御演算量に加算することで、限流リアクトル４のインダクタンスＬによる電圧降下分が予め加算された補償電圧Ｖｉが設定でき、限流リアクトル４の起因する負荷電圧ＶＬの電圧低下が補償できる。
また、Ｂ制御においては、負荷電圧ＶＬと正常電圧Ｖｎとの差電圧ΔＶＬが０になるようにＢ制御演算部２２にて補償電圧増加量２２ａを演算し、この補償電圧増加量２２ａを例えば２０kHzでサンプリングして制御演算量を求める。このＢ制御による制御演算量を、Ａ制御による制御演算量にさらに加算することで、限流リアクトル４以外の配線インダクタンスによる電圧降下などによる負荷電圧ＶＬの変動も補償することができる。このＢ制御は、負荷電圧ＶＬを正常電圧Ｖｎに一致させるように制御演算量を求めるものであるため、Ｃ制御による補償が正常に機能しない等により誤差が残存する場合は、その分の誤差も補償する。

このように、補償電圧Ｖｉは、限流リアクトル４のインダクタンス成分による電圧降下を補償するように予め大きく設定されているため、限流リアクトル４に起因する負荷電圧の低下を抑制して系統電圧の瞬低を高精度に補償することができる。また、負荷電圧ＶＬと正常電圧Ｖｎとの差電圧ΔＶＬが０になるように補償電圧増加量２２ａを演算して、補償電圧Ｖｉを設定するため、系統電圧Ｖｓの瞬低時に、負荷電圧ＶＬを基準の正常電圧Ｖｎに高精度に保持することができる。このため、高精度で信頼性の良い瞬低補償が実現できる。

なおこの実施の形態では、Ａ制御による制御演算量に、Ｂ制御による制御演算量とＣ制御による制御演算量とを加算して補償電圧Ｖｉを求める場合を示したが、Ａ制御による制御演算量に、Ｃ制御による制御演算量のみを加算させて補償電圧Ｖｉを求めてもよく、限流リアクトル４に起因する負荷電圧の低下を抑制して系統電圧の瞬低を高精度に補償することができる。
また、Ａ制御による制御演算量に、Ｂ制御による制御演算量のみを加算させて補償電圧Ｖｉを求めてもよく、この場合は、Ｂ制御による制御演算量が限流リアクトル４のインダクタンス成分による電圧降下分を含んだ値となり、限流リアクトル４に起因する負荷電圧の低下を抑制すると共に、負荷電圧ＶＬが基準の正常電圧Ｖｎに一致するように制御され、系統電圧の瞬低を高精度に補償することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１の図４で示した補償電圧Ｖｉの演算は、図５に示すように、Ｂ制御演算部２２を積分回路２２ｂで構成して、負荷電圧ＶＬと正常電圧Ｖｎとの差電圧ΔＶＬを積分した値に基づいて補償電圧増加量２２ａを決定しても良い。この場合、上記積分回路２２ｂによる積分は、例えば５kHzでリセットすることで、ノイズによる誤差の影響を除去する。
また、積分制御だけでなく、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を用いた制御回路でＢ制御演算部２２を構成すると、さらに高精度な制御が行える。

このようなＡ、Ｂ、Ｃの３種の制御演算の異なる組み合わせによる補償動作の比較を図６〜図９に示す。図６〜図９とも、（ａ）は瞬低時の系統電圧、（ｂ）は補償電圧、（ｃ）は負荷電圧と目標電圧（正常電圧）、（ｄ）は（ｃ）図の中央部を拡大したものである。
図６は、Ａ制御のみの場合で、即ち、系統電圧低下量ΔＶｓにより制御演算量を求め、これによる補償電圧で系統電圧の低下を補償した。図７は、Ａ制御による制御演算量にＢ制御による制御演算量のみを加算させた補償電圧を用いた場合で、負荷電圧ＶＬと正常電圧Ｖｎとの差電圧ΔＶＬが０になるように補償電圧を増加させて、系統電圧の低下を補償した。図８は、Ａ制御による制御演算量にＣ制御による制御演算量のみを加算させた補償電圧を用いた場合で、限流リアクトル４のインダクタンス成分による電圧降下を補償するように補償電圧を増加させて、系統電圧の低下を補償した。そして図９は、Ａ制御による制御演算量に、Ｂ制御による制御演算量とＣ制御による制御演算量とを加算させた補償電圧を用いた場合で、限流リアクトル４のインダクタンス成分による電圧降下を補償すると共に、負荷電圧ＶＬと正常電圧Ｖｎとの差電圧ΔＶＬが０になるように、補償電圧を増加させて系統電圧の低下を補償した。

図に示すように、補償電圧を増加させて設定した図７および図８の場合では、系統電圧の低下量のみを補償した図６の場合よりも精度良く補償されている。また、Ａ制御による制御演算量に、Ｂ制御による制御演算量とＣ制御による制御演算量とを加算させた補償電圧を用いた場合、即ち図９の場合では、一層高精度な補償が実現できているのが分かる。

この発明の実施の形態１による電圧補償装置の概略構成図である。 図１の一部を詳細に示した構成図である。 この発明の実施の形態１による制御装置を説明するブロック図である。 この発明の実施の形態１による補償電圧の演算を説明する図である。 この発明の実施の形態２による補償電圧の演算を説明する図である。 この発明の実施の形態２による補償動作の効果を説明する電圧波形の比較例である。 この発明の実施の形態２による補償動作の効果を説明する電圧波形である。 この発明の実施の形態２の別例による補償動作の効果を説明する電圧波形である。 この発明の実施の形態２の別例による補償動作の効果を説明する電圧波形である。

符号の説明

１ 補償電圧発生ユニット、２ 短絡スイッチとしての並列機械スイッチ、
３ 負荷（需要家）、４ 限流リアクトル、６ 電圧低下箇所、７ 制御装置、
１０（１０ｐｎ１，１０ｐｎ２，１０ｐｎ３） エネルギ蓄積手段としての充電コンデンサ、
２２ Ｂ制御演算部、２２ｂ 積分回路、２３ Ｃ制御演算部、
２２ａ，２３ａ 補償電圧増加量、１００ 電圧補償装置、Ｖｎ 正常電圧、
Ｖｓ 系統電圧、Ｖｉ 補償電圧、ＶＬ 負荷電圧、ＩＬ 負荷電流、
Ｌ インダクタンス、ΔＶｓ 系統電圧低下量、ΔＶＬ 差電圧、
ＰＮ１〜ＰＮ３，ＰＮ 電圧補償回路。

Claims (4)

1. 電力系統における電圧低下の監視、およびそれに基づく給電制御を行う制御部と、それぞれエネルギ蓄積手段に蓄積された直流電圧を交流に変換して出力する複数の電圧補償回路を上記電力系統に直列に接続し、該複数の電圧補償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により補償電圧を発生させる補償電圧発生部と、上記補償電圧発生部をバイパスするために該補償電圧発生部に並列に接続された短絡スイッチと、該短絡スイッチの電流遮断時に該短絡スイッチと上記補償電圧発生部とで構成される閉回路に流す電流を制限するために、上記補償電圧発生部に直列に接続されたリアクトルとを備えて、系統電圧が低下していない通常時には、上記短絡スイッチを閉じて上記補償電圧発生部をバイパスし、該系統電圧が設定された基準電圧より低下すると、上記短絡スイッチを電流遮断して開放し、上記補償電圧発生部にて発生させた上記補償電圧を該系統電圧に重畳して負荷に供給される電圧の低下を補償する電圧補償装置において、上記補償電圧発生部にて出力される上記補償電圧を、上記系統電圧の上記基準電圧からの電圧低下量よりも予め大きく設定し、上記リアクトルのインダクタンス成分による電圧降下を補償することを特徴とする電圧補償装置。
2. 上記負荷に供給される負荷電流を検出し、該負荷電流に基づいて上記リアクトルのインダクタンス成分による電圧降下分を演算し、該演算された電圧を上記電圧低下量に加算して上記補償電圧を設定することを特徴とする請求項１記載の電圧補償装置。
3. 上記負荷に供給される負荷電圧と上記基準電圧との差が減少する方向に、該両電圧の差電圧に基づいて所定の演算により上記補償電圧の増加分を決定することを特徴とする請求項１または２記載の電圧補償装置。
4. 上記補償電圧の増加分は、上記差電圧を積分して得ることを特徴とする請求項３記載の電圧補償装置。
   

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