JP4175632B2 - Power compensation system for single-phase three-wire distribution system - Google Patents
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Description
本発明は、我が国に広く普及している単相三線式配電系統を対象とした多機能電力補償システムに関するものであり、2系統の電流バランス機能、力率改善機能、高調波抑制機能、停電時電力供給機能、電力貯蔵機能を全て、あるいはその一部の機能を有するシステムに関する。 The present invention relates to a multi-function power compensation system for a single-phase three-wire distribution system that is widely used in Japan. The current balance function, power factor improvement function, harmonic suppression function, power failure function of two systems The present invention relates to a system having all or part of a power supply function and a power storage function.
現在、大工場、大規模店舗、大型オフィスビル等、大電力を消費する需要家に対しては、6kV以上の三相高圧系統が配電されている。しかし、圧倒的に数が多い一般家庭、小規模店舗、小規模オフィスビル等には、我が国独特の単相三線式の低圧配電系統が用いられている。三相負荷の場合、故障でもしない限り、定常状態では平衡した電流が三相系統に流れる。しかし、単相三線式配電系統に接続されている負荷は全て単相であり、数多くの単相負荷が2系統の単相電源に不特定に接続されている。これらの負荷は需要家の都合で任意に運転されるため、それぞれの系統電流は必ずしも平衡するとは限らない。極端な場合、一方の系統に接続されている負荷群のみが働き、他方の負荷群は休止状態であることも珍しくはない。このため、現在、単相三線式配電系統の末端にバランサと呼ばれる特殊な変圧器を設置して、系統電流の平衡をとる方式が採用されている。 Currently, three-phase high-voltage systems of 6 kV or more are distributed to consumers who consume large amounts of power, such as large factories, large-scale stores, and large office buildings. However, a unique single-phase three-wire low-voltage power distribution system is used for ordinary households, small stores, small office buildings, etc., which are overwhelmingly large in number. In the case of a three-phase load, a balanced current flows through the three-phase system in a steady state unless a failure occurs. However, all the loads connected to the single-phase three-wire distribution system are single-phase, and many single-phase loads are unspecifiedly connected to two single-phase power sources. Since these loads are arbitrarily operated for the convenience of the customer, the respective grid currents are not always balanced. In an extreme case, it is not uncommon for only the load group connected to one system to work and the other load group to be in a dormant state. For this reason, currently, a system is adopted in which a special transformer called a balancer is installed at the end of the single-phase three-wire distribution system to balance the system current.
しかし、系統電流はこのバランサの動作によって平衡しても、各需要家に接続されている引き込み線の電流は不平衡のままである。このため、需要家の電力使用が一方の系統に接続されている負荷群に極端に偏った場合には、契約電力内であっても配電盤のブレーカーが作動して、負荷の一部が運転停止となる部分停電を生じる事例も少なくない。この部分停電を避けるためには、各需要家の引き込み線の2系統の電流をバランスさせなければならない。 However, even if the grid current is balanced by the operation of the balancer, the current of the lead-in wire connected to each consumer remains unbalanced. For this reason, when the customer's power usage is extremely biased to the load group connected to one system, the breaker of the switchboard operates even within the contract power, and part of the load is shut down There are many cases where partial power failure occurs. In order to avoid this partial power failure, it is necessary to balance the currents of the two systems of each customer's service line.
ところで、交流を直流に変換するコンバータとして、古くからダイオード素子によりブリッジ回路を構成した整流回路が用いられている。しかしながら、この整流回路は高調波成分を多量に発生するため好ましいものでなく、その入力電流の正弦波化が望まれている。そこで、複数の能動素子と整流素子を含めてコンバータ回路を構成し、正弦波入力電圧に対してこれに波形が追従した正弦波入力電流が得られる正弦波入力単相整流回路を単相三線式配電系統に適用することが比較的古くから提案されている(例えば、特許文献1,非特許文献1,2,3,4等参照)。しかしながら、これらの提案は、交流から直流にいかに高力率で(波形歪みを少なく)、且つ効率的に変換するかというコンバータそのものの制御方式についてのものである。
By the way, as a converter for converting alternating current into direct current, a rectifier circuit in which a bridge circuit is configured by a diode element has been used for a long time. However, this rectifier circuit is not preferable because it generates a large amount of harmonic components, and a sine wave of its input current is desired. Therefore, a single-phase three-wire type sine wave input single-phase rectifier circuit that forms a converter circuit including a plurality of active elements and rectifier elements and obtains a sine wave input current whose waveform follows this sine wave input voltage. It has been proposed for a long time to be applied to a power distribution system (for example, see
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、単相三線式配電系統を対象とした、2系統の電流バランス機能、力率改善機能、高調波抑制機能、停電時電力供給機能、電力貯蔵機能等を有する多機能電力補償システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and is intended for a single-phase three-wire distribution system. Two-system current balance function, power factor improvement function, harmonic suppression function, power supply function during power failure, power An object of the present invention is to provide a multifunction power compensation system having a storage function and the like.
本発明の単相三線式配電系統の電力補償システムは、単相三線式配電系統の系統線にコンデンサを共有した2組のコンバータをそれぞれ組み込み、前記2組のコンバータは、コンデンサを共有したハーフブリッジ構成であり、更に単相三線式配電系統の中性点接続線を共有し、一方のコンバータを逆変換動作させると同時に他方を順変換動作させることを特徴とするものである。これにより、単相三線式配電系統の2系統に接続されている数多くの単相負荷にアンバランスが生じても、逆変換動作させるコンバータから補償電流を負荷の大きい側に供給し、順変換動作させるコンバータにより負荷の小さい側の系統から補償電流を取り込むことで、2系統の電流がバランスするように運転することができる。従って、単相三線式配電系統の2系統の電流をバランスし、接地されている中性線の電流をほぼ零に維持することができるとともに、2系統に接続されている単相負荷に所要の負荷電流を供給することができる。 The power compensation system for a single-phase three-wire distribution system according to the present invention incorporates two sets of converters each sharing a capacitor in the system line of the single-phase three-wire distribution system, and the two sets of converters are half bridges that share a capacitor. Further, the neutral point connection line of the single-phase three-wire distribution system is shared, and one converter is reversely converted and the other is forward-converted at the same time. As a result, even if an imbalance occurs in many single-phase loads connected to the two systems of the single-phase three-wire power distribution system, the compensation current is supplied from the converter that performs reverse conversion operation to the large load side, and forward conversion operation is performed. By taking the compensation current from the system with the smaller load by the converter to be operated, it is possible to operate so that the currents of the two systems are balanced. Therefore, it is possible to balance the currents of the two systems of the single-phase three-wire power distribution system, maintain the current of the neutral line that is grounded to be almost zero, and to satisfy the requirements for the single-phase load connected to the two systems. A load current can be supplied.
また、例えば電動機負荷のように力率の悪い負荷がある場合には、負荷電流が遅れの場合には補償電流に進み成分を、進みの負荷電流ならばその補償電流に遅れ成分を加えることで、力率を略100%とすることができる。しかも、2系統の負荷群が異なる力率であっても、それぞれの補償電流の位相を個別に制御できるため、それぞれの負荷電流の無効電力を補償し、2系統の力率をそれぞれ100%に維持することが可能である。 For example, when there is a load with a bad power factor, such as an electric motor load, a lead component is added to the compensation current if the load current is delayed, and a delay component is added to the compensation current if the load current is a lead. The power factor can be approximately 100%. In addition, even if the load groups of the two systems have different power factors, the phase of each compensation current can be individually controlled, so that the reactive power of each load current is compensated and the power factor of the two systems is 100% respectively. It is possible to maintain.
また、負荷が直流電源を備えたものである場合には、直流電源には一般にダイオードブリッジ型の整流回路を用いているため、その入力電流はパルス状の交流電流となり、低次高調波を多く含んだひずみ波電流である。これらの高調波電流が系統に流れ込むと高調波障害を発生する可能性がある。そのような負荷が接続された場合にも、補償電流をひずみ波負荷電流と逆位相の波形とすることにより、負荷電流の高調波成分をうち消すことが可能である。すなわち、本発明の2組のコンバータはアクティブ・フィルタ機能を有することができる。しかも、それぞれの補償電流の波形は個別に制御でき、片方の系統のみに補償電流を供給することも可能である。 Also, when the load is equipped with a DC power supply, a diode bridge type rectifier circuit is generally used for the DC power supply, so the input current becomes a pulsed AC current, and many low-order harmonics are generated. Including distorted wave current. If these harmonic currents flow into the grid, harmonic disturbances may occur. Even when such a load is connected, it is possible to eliminate the harmonic component of the load current by making the compensation current a waveform having a phase opposite to that of the distortion wave load current. That is, the two sets of converters of the present invention can have an active filter function. In addition, the waveform of each compensation current can be individually controlled, and the compensation current can be supplied to only one of the systems.
また、本発明の単相三線式配電系統の電力補償システムは、単相三線式配電系統の系統線に蓄電池を共有した2組のコンバータをそれぞれ組み込み、それぞれのコンバータを逆変換動作または順変換動作させるようにしてもよい。これにより、上述した機能に加え、系統が停電しても重要な負荷に電力を供給し続ける停電時の電力供給機能、即ち、無停電電源機能を備えることができる。また、夜間の余剰電力を蓄電池に貯蔵して昼間の電力ピーク時にこれを放出することで、系統の負荷平準化に寄与することができる。 In addition, the power compensation system for a single-phase three-wire distribution system according to the present invention incorporates two sets of converters each sharing a storage battery in the system line of the single-phase three-wire distribution system, and reverse-converts or forward-converts each converter. You may make it make it . Thereby, in addition to the above-described functions, it is possible to provide a power supply function at the time of a power failure that continues to supply power to an important load even if the system fails, that is, an uninterruptible power supply function. Moreover, it can contribute to the load leveling of a system | strain by storing surplus electric power at night in a storage battery, and releasing this at the time of the electric power peak of the daytime.
例えば、上記系統電流のバランス機能により、契約電力の低減が可能となり、設備容量も2系統の平均電力に合わせたものに低減することができる。総じて本発明によれば、単相三線式配電系統の省エネルギー化、設備および運転費用の低コスト化、ひいては電気料金の低コスト化が可能となる。 For example, the system power balance function allows contract power to be reduced, and the installed capacity can be reduced to match the average power of the two systems. In general, according to the present invention, it is possible to save energy in a single-phase three-wire distribution system, to reduce the cost of equipment and operation, and to reduce the cost of electricity.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the member or element which has the same effect | action or function, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
本発明は、コンデンサを共有した2組の単相コンバータ1,2を単相三線式配電系統に接続し、様々な負荷によって生じる系統電流の不平衡、力率低下、ひずみ等を補償するシステムに関するものである。さらに、コンバータが共有するコンデンサに代えて、あるいはコンデンサに並列に蓄電池群を付加することによって、電力を貯蔵し、単相三線式配電系統の無停電化、電力の負荷平準化を可能とするシステムも、本発明の範疇である。
The present invention relates to a system for connecting two sets of single-
図1は、単相コンバータとしてハーフブリッジ構成を用いた場合の本システムの実施形態である。1は単相三線式配電系統の系統側端子であり、端子31,32,33は系統から需要家側へ電力を供給するための引き込み線に相当する。一般に中間端子32が接地された中性線であり、柱上変圧器等によって端子31−32間および端子32−33間に同相の単相電圧が供給される。端子31−33間は端子31−32間の倍の電圧となる。2は需要家側の負荷端子41,42,43であり、配電盤を通して、様々な種類の単相負荷が端子41−42間、端子42−43間、あるいは端子41−43間に多数接続されている。
FIG. 1 is an embodiment of the present system when a half-bridge configuration is used as a single-phase converter.
3および4が本発明の多機能電力補償装置である。5,7,9,11は信号によって自由にオンオフができる自己消弧形スイッチング素子である。図ではIGBTで表しているが、MOSFET等、他のオンオフ機能を有するスイッチング素子が適用可能である。6,8,10,12はこれらのスイッチング素子に逆並列接続されるダイオードであり、モジュール構成の自己消弧形スイッチング素子では内蔵された逆並列ダイオードを流用することができる。13,14はコンデンサであり、一方のコンバータによって変換された直流エネルギーを、一時的に蓄積する役割を果たす。15,16は交流リアクトルであり、系統電圧とコンバータ入力電圧の差電圧をこのリアクトルに加えることにより、任意の波形の補償電流を流すことができる。17,18はフィルタリアクトル、19,20はフィルタコンデンサであり、スイッチング素子がオンオフすることによって発生する高次高調波電流を除去する役割を担う。
本発明の電力補償装置3には、直流電力を貯蔵するコンデンサ13,14を共通とした2組のハーフブリッジ構成のコンバータが内蔵されている。すなわち、コンデンサ13,14を共有して素子5,6,7,8で構成されたコンバータ1が端子51−52間に、コンデンサ13,14を共有して素子9,10,11,12で構成するコンバータ2が端子52−53間に組み込まれている。これら2組のハーフブリッジ構成のコンバータ1,2は、コンデンサのみならず端子52の接続線が共通であるため、これを単相三線式配電系統の中性点32へ接続することにより、回路構成を大幅に簡素化できる。さらに、単相三線式配電系統の中性点32は一般に接地されているため、本発明の電力補償装置3は中性線の電流を略ゼロとすることができ、2系統の電流をバランスすることができるので、原理的にコモンモードノイズを発生せず、EMI(電磁波障害)対策に有効な構成といえる。
The
本発明の多機能補償装置を電流バランス機能、力率改善機能、高調波抑制機能に限定する場合は、上記の電力補償装置3のみで充分であるが、停電時電力供給機能、電力貯蔵機能まで持たせるためには、さらに図1の4の装置を付加する必要がある。21,22は2組の蓄電池群である。これを電力補償装置3のコンデンサ13,14に代えて接続するか、これらのコンデンサ13,14に並列に接続した構成とする。
When the multi-function compensator of the present invention is limited to the current balance function, the power factor improvement function, and the harmonic suppression function, only the
次に、上記多機能電力補償システムの動作について説明する。本発明の電力補償装置3に組み込まれている2組のコンバータ1,2のうち、コンバータ1は系統端子31−32間の電力を補償し、コンバータ2は系統端子32−33間の電力を補償する。これらのコンバータはそれぞれ順変換動作、あるいは逆変換動作が可能であるだけでなく、一方を順変換動作させると同時に、他方を逆変換動作させることも可能である。本発明はこの特性を利用して単相三線式系統の電力補償を行うものである。
Next, the operation of the multifunction power compensation system will be described. Of the two
ここで、図1において負荷端子41−42間に接続されている負荷群が重く、負荷端子42−43間に接続されている負荷群が軽い場合を想定する。すなわち、負荷端子41に流入する負荷電流I41は大きく、負荷端子43から流出する負荷電流I43は小さいとする。ただし、図1の矢印方向を各電流の正方向とする。この負荷状態の場合、本発明の電力補償装置3では、コンバータ1を逆変換動作させると同時に、コンバータ2を順変換動作させることにより、系統電流I31とI33のバランスをとることができる。
Here, it is assumed that the load group connected between the load terminals 41-42 in FIG. 1 is heavy and the load group connected between the load terminals 42-43 is light. That is, it is assumed that the load current I 41 flowing into the load terminal 41 is large and the load current I 43 flowing out from the load terminal 43 is small. However, the arrow direction in FIG. 1 is the positive direction of each current. In this load state, the
コンバータ1を逆変換動作させると、電力補償装置3の端子51の補償電流I51は、図1の矢印とは逆方向、すなわち端子51から流出することとなる。この補償電流I51が負荷電流I41の一部を補うため、系統電流I31は負荷電流I41より少なくなる。この逆変換動作はコンデンサ13,14に蓄積された直流電力(エネルギー)によって実行できる。しかし、通常のコンデンサはごく僅かなエネルギーしか蓄積できないため、コンバータ1のみでは瞬く間にコンデンサ電圧が低下して、上記の逆変換動作を維持することはできない。このため、別途にコンデンサ充電装置を設置する必要があり、システムの複雑化が問題となるが、これに対して本発明では、もう1組のコンバータ2が組み込まれており、これを順変換動作させ、系統端子32−33間から補償電流I53を取り込むことによって、コンデンサ電圧を設定値に維持できる。さらに、系統電流I33は負荷電流I43と補償電流I53の和となるため、系統電流I33は負荷電流I43より大となって系統電流I31に等しくすることができる。
When the
本システムを作動させた場合の各部電流波形を図2に示す。同図において、(a)(c)は実測波形、(b)(d)はコンピュータによるシミュレーション波形である。(c)(d)に示すように、順変換動作しているコンバータ2の補償電流I53に対して、逆変換動作を行うコンバータ1の補償電流I51は逆位相となる。これらの補償電流を適切に制御することにより、(a)(b)に示すように、系統電流I31とI33は平衡して同一電流となり、中性線の系統電流I32はほぼ零となる。すなわち、本発明の電力補償装置3は、単相2系統に接続された負荷群が不平衡であっても、引き込み線の系統電流を平衡に保つことができる。
FIG. 2 shows the current waveform of each part when this system is operated. In the figure, (a) and (c) are actually measured waveforms, and (b) and (d) are computer-simulated waveforms. (C) As shown in (d), the compensation current I 51 of the
次に、制御回路の構成・作用について説明する。
[補償電流実効値の算出]
図1に示した2組のコンバータ1,2に対する制御方法は、この装置にどのような補償機能を与えるかによって大幅に異なる。たとえ電流バランス機能を持たせるだけとしても、様々な制御方法が考えられる。また、制御方法が選定されたとしても、これを実現する制御回路は多種多様の構成が考えられる。図3は、本発明の主目的である電流バランス機能を対象とした制御システムの一例である。
Next, the configuration and operation of the control circuit will be described.
[Calculation of effective compensation current value]
The control method for the two sets of
まず、図1における系統電流I31とI33を検出する。一般的な電流センサ等を用いた場合は、正弦波形に変化する電流の瞬時値が検出されるので、これらを実効値変換回路61および62を通して、それぞれの系統電流実効値Ie31とIe33に変換する。これらを平均値算出回路63に入力して、両系統電流の平均値Iav=(Ie31+Ie33)/2を求める。以下では、既述の例としてあげたように、負荷端子41−42間に接続されている負荷が重く、負荷端子42−43間の負荷が軽い場合を想定して、I41>I43ではあるが、系統電流実効値Ie31とIe33を平衡させる制御システムの動作を説明する。
First, the system currents I 31 and I 33 in FIG. 1 are detected. When a general current sensor or the like is used, an instantaneous value of a current that changes to a sine waveform is detected, and these are passed through effective
まず減算回路65にIavとIe31を入力して、両者の偏差Iav―Ie31を算出すると同時に、減算回路66によってIavとIe33の偏差を求める。これらの減算回路の出力は、同じ大きさ(絶対値:[Iav―Ie31]=[Iav―Ie33])であるが、一方が正の値で出力されると、他方は負の値となる。上記の負荷状態では、本装置を投入した直後の系統電流はIe31>Ie33であるので、減算回路65の出力Iav―Ie31は負となるが、減算回路66はIav−Ie33>0(正)として出力される。
First, I av and I e31 are input to the
上記の負荷関係の場合、装置3内のコンバータ1を逆変換動作させると同時に、コンバータ2を順変換動作させる。もしも、本装置に損失がないならば、これらのコンバータの補償電流I51およびI53は、上記の減算回路の出力偏差と同じ実効値となるように、フィードバック制御を行えばよい。従って、無損失の場合はI51とI53の実効値は同じになる。しかし、現実には装置内の損失のため、同一実効値では順変換動作によるコンデンサの補充量が不足し、コンデンサ電圧は低下して、装置は正常な動作を維持することができない。これを避けるため、図3に示した制御システム例では、2つのコンデンサ13および14の合計電圧VCを検出し、設定したコンデンサ電圧VCrefとの偏差ΔV=VC−VCrefを減算回路67によって求め、この偏差をPI制御回路68で損失補正電流ΔIに変換する。
In the case of the load relationship described above, the
本装置は系統に接続するだけで、装置3内の逆並列ダイオード6,8,10,12が作用してコンデンサ電圧は系統線間電圧31−33間の最大値(ピーク値)に充電される。しかし、本装置の2つのコンバータが安定して動作するためには、コンデンサ電圧VCはこの系統線間電圧最大値のさらに√2倍以上の電圧を維持することが望ましい。すなわち、VCrefとしては一般に系統線間電圧実効値の2倍程度、あるいはそれ以上に選定される。このため、スイッチング素子5,7,9,11に信号が与えられて、本装置が始動した直後のコンデンサ電圧は一般にVC<VCrefであるから、ΔV<0となる。この結果、PI制御回路68の出力の損失補正電流ΔIも負の値として出力される。
This device is simply connected to the system, and the
このΔIと減算回路65の出力Iav―Ie31を減算回路69に入力する。前記のようにIav―Ie31<0、ΔI<0であるから、この減算回路69の出力Iav―Ie31−ΔIは負の値となり、その振幅はIav―Ie31よりΔIだけ小さな値となる。すなわち、コンバータ1を逆変換動作させる場合、その補償電流I51の実効値は、平均値との偏差Iav―Ie31から、損失を考慮した損失補正電流ΔIだけ少ない実効値とすべきである。これと同時に、ΔIを減算回路70に入力し、減算回路66の出力Iav―Ie33との偏差Iav―Ie33−ΔIを求める。前記のように、Iav―Ie33>0、ΔI<0であるから、減算回路70の出力は、平均値との偏差Iav―Ie33に比べて損失補正電流ΔIだけ大きな値となる。従って、コンバータ2を順変換して、この損失に相当する電流分だけ余分な実効値となるように補償電流I53を流すことによって、装置内の損失を補填した上でコンデンサ電圧VCを設定した値VCrefに維持することができる。
This ΔI and the output I av -I e31 of the
[補償電流基準波形の作成]
以上は、不平衡な負荷電流I41とI43に対して系統電流I31とI33をバランスさせるために、本発明の装置から流し込む補償電流I51とI53をいかなる電流とすればよいか、その実効値の設定方法である。しかし、系統に注入する補償電流がひずみ波であると、高調波障害を引き起こすため、この補償電流は正弦波形が望ましい。さらに、システム全体として高力率を維持するために、少なくとも基本波力率は100%とする必要がある。従って、図3に示すように、例えば端子31−32間の系統電圧を検出して、これと同相の単位正弦波形を正弦波発生回路71により発生する。これを√2倍した上で、前記の減算回路69および70の出力に乗算回路73,74により乗算すれば、コンバータ1および2が出力すべき補償電流の基準波形(指令値)を求めることができる。
[Compensation current reference waveform creation]
What has been described above is what compensation currents I 51 and I 53 should be supplied from the apparatus of the present invention in order to balance the system currents I 31 and I 33 with respect to the unbalanced load currents I 41 and I 43 . The effective value setting method. However, if the compensation current injected into the system is a distorted wave, a harmonic disturbance is caused. Therefore, the compensation current is preferably a sine waveform. Furthermore, in order to maintain a high power factor for the entire system, at least the fundamental wave power factor needs to be 100%. Therefore, as shown in FIG. 3, for example, the system voltage between the terminals 31-32 is detected, and a unit sine waveform having the same phase as this is generated by the sine
まず、順変換動作となるコンバータ2から説明する。減算回路70の出力は正の値であるから、乗算回路74の出力は、図4(b)に示すように、端子31−32間の系統電圧V31−32(同図(a))と同相の正弦波形となる。これに対して、減算回路69の出力は負の値である。従って、この減算回路69の出力に単位正弦波形(図4(a)の系統電圧に比例)を掛け算すると、正弦波の極性は反転し、図4(c)に示すように、系統電圧から180°位相がずれた逆相の電流波形となる。すなわち、乗算回路74の波形は基本波力率100%の順変換動作時の電流を意味し、乗算回路73の波形は基本波力率100%で逆変換動作を行った場合の電流である。
First, the
さらに、乗算回路74の出力正弦波形の振幅(最大値)は√2(Iav―Ie33−ΔI)である。従って、この波形の実効値は、コンバータ2が順変換動作をして系統から引き出す電流の実効値と等しい値となる。一方、乗算回路73の出力正弦波形は負極性側に√2(Iav―Ie31−ΔI)の振幅を有するから、この波形の実効値は、コンバータ1が逆変換動作を行う際に系統に注入すべき電流の実効値に等しい。以上のように、負荷電流がI41>I43の場合は、乗算回路74は図4(b)の波形を、乗算回路73は同図(c)の波形を出力する。
Further, the amplitude (maximum value) of the output sine waveform of the
なお、以上の負荷状態とは逆にI41<I43の場合には、乗算回路73が図4(b)の波形を、乗算回路74が同図(c)の波形を出力する。従って、図4(b)をコンバータ1の補償電流基準波形I51refとすれば、コンバータ1は順変換回路として動作して、図4(b)と同一位相で同一振幅の補償電流I51を系統から取り込むこととなる。同様に、図4(c)の乗算回路74の出力は、コンバータ2の補償電流基準波形(指令値)I53refとなり、これと同一位相で同一振幅の正弦波補償電流I53をコンバータ2から系統に注入すればよい。以上のように、どちらのコンバータが順変換動作をするか(他方は逆変換動作となる)は、乗算回路73および74の出力である2つの基準波形の極性によって、一義的に定まることとなる。
In contrast to the above load state, when I 41 <I 43 , the
[電流追従制御]
上記の基準波形(指令値)を満足するような補償電流を得るには、様々な制御方法が考えられる。以下では、電流追従制御方式を説明する。I41>I43の負荷状態とし、まず、コンバータ2の動作を検討する。
[Current tracking control]
Various control methods are conceivable for obtaining a compensation current that satisfies the above-described reference waveform (command value). Hereinafter, the current tracking control method will be described. First, consider the operation of the
図3に示すように、電流センサ等を用いて補償電流I53を検出する。このI53と、乗算回路74の出力であるI53refを比較回路76に入力する。この比較回路76では、図5(a)に示すように、基準波形I53refにヒステリシス幅を設ける。基準波形が正極性の場合、検出したI53がヒステリシス幅の上限以下であれば、コンバータ2のスイッチング素子11をオン状態とする。この状態では、図6(a)に示すように、コンデンサ14の電圧と端子32−33間の系統電圧は交流リアクトル16を通して短絡される。従って、補償電流I53は図5(a)のように、ほぼ直線的に急増する。
As shown in FIG. 3, the compensation current I 53 is detected using a current sensor or the like. This I 53 and I 53 ref which is the output of the
このI53がヒステリシス幅の上限に達した時点で、スイッチング素子11の信号をオフにすると、スイッチング素子11に替わってダイオード10がオン状態となり、図6(b)に示すように、系統(32−33)→ダイオード10→コンデンサ13→交流リアクトル16を通して補償電流I53が流れる。本装置における2つのコンバータ1および2は共に昇圧コンバータとして動作するため、定常状態におけるコンデンサ13および14は系統(31−32)および系統(32−33)より高い電圧に充電されている。従って、この期間における補償電流I53は、図5(a)のように、ほぼ直線的に減少する。このI53がヒステリシス幅の下限に達した時点で、スイッチング素子11に信号を送り、再び図6(a)の回路とする。以上のように、基準波形I53refが正極性の期間では、スイッチング素子11をオンオフすることによって、図5(a)のように、補償電流I53はヒステリシス幅の中で増減を繰り返しながらI53refに追従することができる。
When the signal of the switching
基準波形I53refが負極性となる後半の期間では、スイッチング素子9をオンオフすることにより、同様にI53をI53refに追従させることができる。このためには、基準波形の極性によってオン信号を与えるスイッチング素子を切り換えなければならない。その一方法として、図3のように、基準波形I53refを極性判別回路78に入力し、その極性によって信号発生回路80の出力を送るスイッチング素子を切り換える。すなわち、基準波形が正極性の場合は下アームのスイッチング素子11へ、負極性の場合は上アームのスイッチング素子9にオン信号を配分する。
In the latter half of the period in which the reference waveform I 53ref has a negative polarity, the switching
次に、コンバータ1の動作を説明する。I41>I43の負荷状態にあっては、コンバータ1を逆変換装置として動作させ、図4(c)の基準電流I51refに追従した補償電流I51を端子41−42間の負荷に流入することにより、系統電流I31を減らすことができる。このためには、コンバータ2をコンバータ1とほぼ同様に制御すればよい。
Next, the operation of the
補償電流I51を検出し、これと基準波形I51refを比較回路75に入れる。I51refは同時に極性判別回路77にも入力し、I51refが正極性の場合は下アームのスイッチング素子7へ、負極性の場合は上アームのスイッチング素子5に信号を配分する。図4の前半周期の、系統電圧は正極性であるが補償電流は負極性の場合を検討する。この間の補償電流I51と基準波形I51refの関係を図5(b)に、回路状態を図7(a)(b)に示す。コンバータ2の動作と同様に、I51refに設けたヒステリシス幅の中で、補償電流I51が下限(絶対値の小さい境界)に達したらスイッチング素子5をオン状態とする。回路は図7(a)となり、コンデンサ13と系統(31−32)の差電圧が交流リアクトル15に加わる。コンデンサ電圧は系統電圧より高いため、補償電流I51は図示の方向に増大する。I51が上限(絶対値の大きい境界)に達した時点でスイッチング素子5をオフすると、ダイオード8がオンして、回路は図7(b)となって図示方向の補償電流I51はその量を減少する。図4(c)の基準電流I51refが正極性となる後半周期では、スイッチング素子7をオンオフすることにより、逆変換装置として動作しながら補償電流I51を基準波形I51refに追従制御することができる。
The compensation current I 51 is detected, and this and the reference waveform I 51ref are input to the
以上のように、負荷状態がI41>I43の場合、図3の制御システムによってコンバータ1は自動的に逆変換動作を行い、実効値Iav―Ie31−ΔIの正弦波補償電流I51を注入する。一方、コンバータ2は自動的に順変換動作となって、実効値Iav―Ie33−ΔIの正弦波補償電流I53を系統から取り込む。この結果、負荷には不平衡電流I41,I43が流れていても、系統電流は共に(I41+I43)/2+ΔIの電流となり、電流バランスを確保することができる。
As described above, when the load state is I 41 > I 43 , the
負荷状態が逆にI41<I43であっても同様な動作を行うことができる。この場合は、系統電圧と同相である図4(b)の基準波形が乗算回路73から出力され、これに追従するようにコンバータ1が自動的に順変換動作を行う。一方、乗算回路74の出力は図4(c)の逆相電流となり、コンバータ2が逆変換動作を行うことにより、系統電流のバランスを維持することができる。
Conversely, the same operation can be performed even when the load state is I 41 <I 43 . In this case, the reference waveform of FIG. 4B having the same phase as the system voltage is output from the
次に、この電力補償装置3を用いた力率改善機能について説明する。電動機負荷のように力率の悪い負荷を使用する場合は、系統の安定度を維持するために無効電力の処理が求められ、進相コンデンサ、調相機、静止無効電力補償装置等を用いて力率の改善が行われる。しかし、これらは三相系統で大電力を消費する大口需要家の場合であり、単相三線式配電系統を用いている小口需要家において、このような力率の改善を実施している例はほとんどない。単相三線式配電系統において、低力率の単相負荷を用いた場合でも、引き込み線の力率を改善できれば、定格出力を維持しながら系統電流を抑制できるため、省エネルギーとなり、電気代の低コスト化が可能となる。
Next, a power factor improvement function using the
上述した系統電流のバランスについての説明は、負荷端子41−42間および負荷端子42−43間に接続される負荷群の力率が同一の場合である。特に、抵抗負荷のように力率が100%の場合は、上記の電流バランス機能のみで系統電力の質を保つことができる。しかし、負荷全てが誘導性または容量性の場合、あるいは、一方の負荷群が誘導性、他方の負荷群が容量性の場合は、それぞれの無効電力を補償して、系統の力率を改善しなければならない。この要求に対して、本発明の電力補償装置3では、補償電流の位相を制御することによって、容易に力率が改善できる。すなわち、負荷電流が遅れの場合には補償電流に進み成分を、進みの負荷電流ならばその補償電流に遅れ成分を加えればよい。しかも、2系統の負荷群が異なる力率であっても、それぞれの補償電流の位相を個別に制御できるため、それぞれの負荷電流の無効電力を補償し、2系統の力率をそれぞれ100%に維持することが可能である。
The description about the balance of the system current described above is a case where the power groups of the load groups connected between the load terminals 41-42 and between the load terminals 42-43 are the same. In particular, when the power factor is 100%, such as a resistive load, the quality of the system power can be maintained only by the current balance function. However, if all loads are inductive or capacitive, or if one load group is inductive and the other load group is capacitive, then each reactive power is compensated to improve the power factor of the system. There must be. In response to this requirement, the
次に、この補償装置を用いた高調波抑制機能について説明する。テレビ、オーディオ、パソコン等の電子機器はその電源にコンデンサ入力形の整流回路を用いているため、その入力電流はパルス状の交流電流となり、低次高調波を多く含んだひずみ波電流である。これらの高調波電流が系統に流れ込むことによって引き起こされる高調波障害を防ぐために、系統との連系部にフィルタの設置が望まれる。本発明は上記の機能の上に、さらにこの高調波を抑制する機能を付加することができる。なお、コンデンサとリアクトルの共振を利用したLCフィルタでは負荷の変化に対応できないが、本発明のシステムでは負荷の変化に即応できるアクティブ・フィルタとして作動することを特徴としている。 Next, a harmonic suppression function using this compensation device will be described. Since electronic devices such as televisions, audios, and personal computers use a capacitor input type rectifier circuit as a power source, the input current is a pulsed alternating current, which is a distorted wave current containing many low-order harmonics. In order to prevent the harmonic disturbance caused by the flow of these harmonic currents into the system, it is desirable to install a filter in the interconnection part with the system. In the present invention, in addition to the above function, a function of suppressing this harmonic can be added. Note that an LC filter using resonance between a capacitor and a reactor cannot cope with a change in load, but the system of the present invention is characterized in that it operates as an active filter that can quickly respond to a change in load.
上記補償装置3によれば、負荷電流が高調波を含んだひずみ波であっても、補償電流をひずみ波負荷電流と逆位相の波形とすることにより、負荷電流の高調波成分をうち消すことが可能である。すなわち、本発明の補償装置3はアクティブ・フィルタ機能を有することができる。しかも、それぞれの補償電流の波形は個別に制御できる点が大きな特徴である。従って、例えば負荷端子41−42間にひずみ波発生負荷が接続されていても、他方の負荷端子42−43間は正弦波負荷であれば、補償電流I51に逆位相のひずみ波を重畳させるのみで、補償電流I53は正弦波電流で差し支えない。以上のように、補償電流の個別制御が可能なため、通常の三相用アクティブ・フィルタのように、三相−二相変換等の複雑な制御は不要である。
According to the
既に実用化されているアクティブ・フィルタは、本発明と同じ高調波抑制機能が主目的である。さらに、本発明と同じ無効電力補償機能も有しており、本発明と同じ電流バランス機能も付加している装置もある。しかし、これらは全て三相系統を対象とした装置であり、本発明のように単相三線式系統を対象とはしていない。既成のアクティブ・フィルタでは、三相系統で上記の機能を果たすために、上述したように三相―二相変換等の複雑な制御が必須である。これに対して本発明では、単相三線式配電系統の単相2系統に流す補償電流を個別に制御できるため、簡単な制御方法によって既設の三相用アクティブ・フィルタと同等の機能を持たせることができる。この結果、単相三線式配電系統の電力の質を改善でき、需要家にとっても電気代を低コスト化できる。 The active filter that has already been put into practical use mainly has the same harmonic suppression function as that of the present invention. Furthermore, some devices have the same reactive power compensation function as that of the present invention and also have the same current balance function as that of the present invention. However, these are all devices intended for a three-phase system, and not a single-phase three-wire system as in the present invention. In an existing active filter, in order to perform the above function in a three-phase system, complicated control such as three-phase to two-phase conversion is essential as described above. On the other hand, in the present invention, since the compensation current flowing through the single-phase two systems of the single-phase three-wire distribution system can be individually controlled, a function equivalent to that of the existing three-phase active filter is provided by a simple control method. be able to. As a result, the power quality of the single-phase three-wire distribution system can be improved, and the cost of electricity can be reduced for consumers.
次に、この補償装置3を用いた停電時電力供給機能および電力貯蔵機能について説明する。負荷としてコンピュータ等のIT機器が用いられ、重要なデータ処理等を行っている場合には、そのデータの保護やプログラム維持のために、無停電電源(UPS)の設置が勧められている。本発明では、直流端子間に蓄電池を接続することにより、この無停電電源機能、すなわち系統が停電しても、コンバータ1,2を逆変換動作させることで重要な負荷に電力を供給し続ける機能も兼ね備えている。
Next, a power supply function and a power storage function during a power failure using the
また、我が国の電力設備の負荷率は年々下降線をたどり、最近は55%を下回る状態のため、電力の負荷平準化が強く望まれている。このため、夜間の余剰電力を貯蔵して昼間の電力ピーク時にこれを放出する電力貯蔵装置が開発されている。本発明では、上述したように直流端子間に蓄電池を接続することにより、コンバータ1,2を順変換動作させ、蓄電して電力貯蔵装置として作動させることができる。
In addition, the load factor of power facilities in Japan has been on a downward trend year by year and has recently been below 55%, so there is a strong demand for power load leveling. For this reason, a power storage device has been developed that stores surplus power at night and discharges it during peak power hours in the daytime. In the present invention, as described above, by connecting the storage battery between the DC terminals, the
すなわち、本発明の電力補償システムにおいて、電力補償装置3のみの場合にはコンデンサ電圧を一定に維持するためには、一方を逆変換動作させると同時に、他方は必ず順変換動作させなければならない。しかし、この電力補償装置3のコンデンサ13,14に代わって、あるいはコンデンサ13,14に並列に、図1の装置4の蓄電池群21,22を付加すれば、両コンバータ共に逆変換動作とすることが可能となる。当然ながら、両コンバータを同時に順変換動作させて蓄電池を充電することも可能である。また、系統の停電時、或いは日中のピーク負荷時には両コンバータを同時に逆変換動作させて負荷に電力を供給することも可能である。この結果、本システムは、この蓄電池の電力によって停電時に負荷に電力を供給する無停電電源としての機能、あるいは夜間の余剰電力で充電して昼間の電力ピーク時にこれを放電する電力貯蔵装置としての機能も加味することができる。しかも、それぞれの補償電流を個別に制御できる特徴は失われないため、上記の電流バランス機能、力率改善機能、高調波抑制機能を維持することができる。
That is, in the power compensation system of the present invention, in the case of only the
なお、電池による電力貯蔵装置は電力会社を中心として三相系統に対する大容量装置が開発されている。これに対して、本システムは、単相三線式配電系統に接続する小容量機器を対象とする。小容量ながら一種の分散電源として作用するため、将来その台数が増加すれば、系統の負荷平準化に寄与することとなる。一方、需要家においても、電子レンジやクーラ始動時のような短時間のピーク電力を本システムで補うことにより、一時的な過電流による停電事故が防止できる上、安価な夜間電力の利用や契約電力の引き下げによる電気代の節約が可能となる。さらに、電流バランス、力率改善、高調波抑制等の他の機能と併せることにより、より一層の省エネルギー化、低コスト化が期待できる。 In addition, as for the power storage device using a battery, a large-capacity device for a three-phase system has been developed mainly by electric power companies. On the other hand, this system is intended for small-capacity equipment connected to a single-phase three-wire distribution system. Since it works as a kind of distributed power supply with a small capacity, if the number increases in the future, it will contribute to the load leveling of the system. On the other hand, customers can prevent power outage accidents due to temporary overcurrent by supplementing short-term peak power such as when starting a microwave oven or cooler with this system. Electricity costs can be saved by reducing power. Furthermore, by combining with other functions such as current balance, power factor improvement, and harmonic suppression, further energy saving and cost reduction can be expected.
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。 Although one embodiment of the present invention has been described so far, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be implemented in various forms within the scope of the technical idea.
1 系統端子群
2 負荷端子群
3 電力補償装置
4 蓄電池群
5,7,9,11 スイッチング素子
6,8,10,12 逆並列ダイオード
13,14 コンデンサ
15,16 交流リアクトル
17,18 フィルタリアクトル
19,20 フィルタコンデンサ
21,22 蓄電池群
31,32,33 系統端子
41,42,43 負荷端子
51,52,53 補償装置出力端子
65,66,67,69,70 減算回路
I31,I32,I33 系統電流
I41,I42,I43 負荷電流
I51,I52,I53 補償電流
I51ref,I53ref 補償電流基準波形
Ie31,Ie33 系統電流実効値
Iav 2系統電流実効値の平均
VC コンデンサ電圧
VCref コンデンサ電圧基準値
ΔI 損失補正電流
1
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