JP4286806B2 - 電圧補償装置 - Google Patents

Description

この発明は、負荷に供給する電力系統の系統電圧が何らかの原因で例えば瞬時的に低下したとき、それを検出して電圧低下を補償するようにした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次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」と称する）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インバータと充電コンデンサが設けられた複数の電圧補償回路を電力系統に直列に接続すると共に、これらの電圧補償回路に並列に高速機械式のスイッチ手段を接続し、系統電圧が定常の状態にあるときは前記スイッチ手段により前記各電圧補償回路を短絡して負荷に系統電圧を供給し、前記系統電圧の瞬低時には前記スイッチ手段を開いて、補償すべき電圧値に応じて前記各電圧補償回路の出力を組合わせて正負いずれかの極性の補償電圧を負荷に供給し、電力系統の電圧低下を補償するようにしている。（例えば、特許文献１参照）

特開平２００２−３５９９２９号公報（第４〜１５頁、図１〜図２１）

従来の電圧補償装置は以上のように構成されており、系統電圧の瞬低発生時には電圧補償装置に設けた前記スイッチ手段を高速で開路するが、系統電圧の位相が９０°あるいは２７０°付近で瞬低の補償を開始する場合には、開路したスイッチ手段の接点にかかる電圧が高くなり、その接点にアークが再点弧することがある。この場合、瞬間的に過電流が発生し、電圧補償装置に設けた過電流保護回路が動作することにより補償電圧の出力を停止してしまうという課題があった。

この発明は、上記のような従来の装置の課題を解決するためになされたもので、電圧補償時にスイッチ手段にアーク再点弧が生じないようして過電流保護機能による電圧補償装置の出力停止を防止し、系統電圧の瞬低時に確実にその電圧補償を行うことができる電圧補償装置を提供することを目的としたものである。

この発明に係る電圧補償装置は、
電力系統における系統電圧の変動を補償する電圧補償装置であって、
エネルギー蓄積手段に蓄積された直流エネルギーを交流エネルギーに変換して前記補償のための補償電圧を出力する直列接続された複数のインバータと、
前記系統電圧が定常状態にあるときは接点を閉じて負荷に前記系統電圧を供給し、前記系統電圧が前記定常状態から前記補償を要する値に低下したときは接点を開いて前記負荷へ前記インバータからの補償電圧を供給するスイッチ手段と、
前記補償電圧の供給開始時点に於いて前記系統電圧が定常状態であれば取りえると仮想した仮想系統電圧が所定値より高いときは、前記インバータからの補償電圧を段階的に上昇させて前記仮想系統電圧に対応する値に達するよう前記インバータを制御するインバータ制御手段と
を備えるものである。

この発明に於いて、補償電圧の供給開始時点とは、瞬低時に、系統電圧に代えてインバータの出力である補償電圧を負荷へ供給し始める時点をいう。
更に、この発明に於いて、系統電圧が定常状態から補償を要する値に低下したときとは、系統電圧の瞬時値の極性如何によらずその絶対値が補償を要する値に低下したときをいう。
また、この発明に於いて、仮想系統電圧が所定値より高いとは、仮想系統電圧の瞬時値の極性如何によらずその絶対値が所定値より高いことを意味する。
また、この発明に於いて、仮想系統電圧が所定値以下とは、仮想系統電圧の瞬時値の極性如何によらずその絶対値が所定値以下であることを意味する。
更に、この発明に於いて、所定値とは、基本的には切換スイッチの接点間にアークが再点弧する直前の電圧値を意味するが、そのアークの再点弧が生じない電圧値の範囲内で必要に応じて任意に設定可能である。

この発明による電圧補償装置によれば、系統電圧が瞬低したとき、スイッチ手段による系統電圧からインバータの出力電圧への切換えにより補償が開始される時点が前記系統電圧の位相が９０度若しくはその近傍、又は２７０度若しくはその近傍の時点にあっても、前記インバータの出力電圧の絶対値が前記補償開始時点から段階的に上昇して所定の値に達するよう制御されるので、スイッチ手段のアーク再点弧等による過電流が生じることはなく、従って過電流保護機能による電圧補償装置の出力停止を防止することができ、系統電圧の低下を確実に補償することができる。

実施の形態１
図１はこの発明の実施の形態１による電圧補償装置を示す構成図である。
図１に於いて、電圧補償装置１００は、電力系統の系統電源１と負荷２との間に直列に接続されており、系統電源１から充電用トランス（図示せず）を介して４０[Ｖ]に充電される第１のコンデンサ３１、８０[Ｖ]に充電される第２のコンデンサ３２、１６０[Ｖ]に充電される第３のコンデンサ３３、及び２８０[Ｖ]に充電される第４のコンデンサ３４を備えている。これらの第１、第２、第３及び第４のコンデンサ３１、３２、３３、３４は、電力系統の瞬低を補償するためのエネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段を構成している。

第１のコンデンサ３１に蓄積された４０[Ｖ]の直流エネルギーは、第１のインバータ４１により４０[Ｖ]の交流エネルギーに変換され、第２のコンデンサ３２に蓄積された８０[Ｖ]の直流エネルギーは、第２のインバータ４２により８０[Ｖ]の交流エネルギーに変換される。同様に、第３のコンデンサ３３に蓄積された１６０[Ｖ]の直流エネルギーは、第３のインバータ４３により１６０[Ｖ]の交流エネルギーに変換され、第４のコンデンサ３４に蓄積された２８０[Ｖ]の直流エネルギーは、第４のインバータ４４により２８０[Ｖ]の交流エネルギーに変換される。これらの第１、第２、第３及び第４のインバータ４１、４２、４３、４４は、インバータ制御回路５によりそれぞれ後述のように制御される。
各インバータ４１、４２、４３、４４は、具体的には例えば前記特許文献１の実施の形態に記載された構成と同様の周知の回路である。

系統電源１の状態を常時監視するアナログ検出回路６は、系統電圧１０１、電圧補償装置１００の出力電圧１０２、第１、第２、第３及び第４のコンデンサ３１、３２、３３、３４の充電電圧、並びに系統電圧１０１の位相、及び出力電圧１０２の位相をそれぞれ検出し、それぞれの値に対応した信号を出力する。

マイコンからなる演算装置７は、アナログ検出回路６の出力と後述するスイッチ開閉検出回路８の出力、及び過電流検出回路９の出力が入力される。この演算装置７は、系統電圧１０１の瞬低が発生した場合、その時点に於ける系統電圧１０１の値に対応して補償すべき電圧値を演算し、各インバータ４１、４２、４３、４４が後述する所望の電圧を発生するようインバータ制御回路５に指令を発する。

常時閉接点からなる切換スイッチ１０は、演算装置７の指令に基づくスイッチ駆動回路１２の動作により、系統電圧１０１の正常時には閉路し、瞬低発生時には開路するよう制御される。この切換スイッチ１０の開閉状態は、スイッチ開閉状態検出回路８により検出され、その出力が演算装置７に入力される。
尚、図１では説明用として、切換スイッチ１０は、直列接続された第１、第２、第３及び第４のインバータ４１、４２、４３、４４に並列に１個接続して示しているが、具体的には例えば前記特許文献１の実施の形態に示されている構成と同様の周知の構成であり、各インバータ４１、４２、４３、４４に各々並列接続された複数の常閉スイッチを直列接続して構成されている。

過電流検出回路９は、各インバータ４１、４２、４３、４４から負荷２に供給される出力電流をＣＴ１３を介して検出し、その値に対応した信号を演算装置７に入力する。演算装置７は、インバータの出力電流が所定の値以上となったとき、各インバータ４１、４２、４３、４４の出力を停止するようインバータ制御回路５に指令を与える。

一般にこの種の電圧補償装置においては、系統電圧１０１に瞬低が発生したとすると、その時点に於ける系統電圧低下の瞬時値に基づいて演算装置７が瞬低と判定するが、その判定までに瞬低が発生してから約１．０[ｍＳ]を要する。その後、演算装置７の指令により切換スイッチ１０が開路されるが、その接点が閉じた状態から完全開路状態に移行するのに約３．０[ｍＳ]の時間が必要である。従って、瞬低の発生から切替スイッチ１０が完全に開路されるまでに４．０[ｍＳ]程度の時間が必要となる。

系統電圧１０１の１／４サイクルは約４．１８[ｍＳ]であるから、瞬低発生時点が電源電圧１０１の位相０°付近（位相１８０°付近も同様）の場合には、電圧補償装置１００の切換スイッチ１０が完全に開路となる時点は、１／４サイクル後の位相９０°付近（瞬低発生時の位相が１８０°の場合は位相２７０°付近）の時点に該当するため、各インバータ４１、４２、４３、４４によるその時点の補償電圧は、その時点に於ける電源電圧１０１の瞬時値に相当する２８０[Ｖ]が必要である。

然るに、この２８０[Ｖ]の補償電圧を切換スイッチ１０が完全に開路する前に印加すると、切換スイッチ１０の接点にアークが再点弧してしまい、切換スイッチ１０とインバータ４１、４２、４３、４４で形成される閉ループに過電流が発生し、過電流検出回路９の出力に基づく過電流保護機能が動作することにより補償電圧の出力を停止することがある。
そこで、この発明の実施の形態１による電圧補償装置１００は、以下のように動作して前記のような過電流保護機能による補償電圧の出力停止を生じないようにしている。

以下、この発明の実施の形態１に於ける電圧補償装置１００の動作について詳細に説明する。
図２は実施の形態１に於ける電圧補償装置１００の動作を説明するための動作説明図で
ある。
図１及び図２において、系統電圧１０１がＡＣ１８２〜２４２[Ｖ]の範囲にあれば、演
算装置７は系統電圧が正常であると判断し、切換スイッチ１０の接点を閉じたままの状態とし、系統電圧１００を切換スイッチ１０を介して負荷２へ供給する。

今、図２の時点ｔ０１において系統電圧１０１が例えばＡＣ１８０Ｖ以下に降下したとすると、演算装置７は時点ｔ０１から１．０[ｍＳ]以内の時点ｔ０２で瞬低と判定し、その判定後瞬時にスイッチ駆動回路１２へ切換スイッチ１０の開路指令を発する。これにより切換スイッチ１０は時点ｔ０２で接点の開路を開始する。

ｔ０２の時点で切換スイッチ１０の接点開路が開始されると、スイッチ開閉検出回路８は瞬時にそれを検出し、演算装置７に切換スイッチ１０が開路されたことを示す信号を出力する。この信号を受けた演算装置７は、アナログ検出回路６から入力された系統電圧１０１に基づいて算出した仮想系統電圧１０１ａとその時点に於ける系統電圧１０１との値を比較して不足電圧を算出し、インバータ制御回路５に対し、各インバータ４１、４２、４３、４４が前記比較結果に基づく不足電圧を補償する電圧を出力するよう動作指令を与える。この指令を受けたインバータ制御回路５は、第１、第２、第３及び第４のインバータ４１、４２、４３、４４を動作させ、電源電圧１０１の不足電圧分を補償する出力を段階的に発生させて負荷２へ供給する。

これを更に詳細に説明すれば、演算装置７が算出した補償開始時点に於ける仮想系統電圧１０１ａと実際の系統電圧１０１との差である不足電圧が所定値以上の場合、即ち、図２に示すように、系統電圧１０１のほぼ１／４サイクルの時点である補償開始時ｔ０３での仮想系統電圧１０１ａが２８０[Ｖ]であるのに対し、実際の系統電圧１０１がその３０％〜５０％以下の８４[Ｖ]〜１４０[Ｖ]であったとすると、時点ｔ０３に於いて第１のインバータ４１が４０[Ｖ]に充電された第１のコンデンサ３１の直流エネルギーを４０[Ｖ]の交流エネルギーに変換し、これを第１階調の補償電圧として約２００[μＳ]の間、負荷２に供給する。

次に時点ｔ０４において、第２のインバータ４２が８０[Ｖ]に充電された第２のコンデンサ３２の直流エネルギーを８０[Ｖ]の交流エネルギーに変換し、これを第２階調の補償電圧として約２００[μＳ]の間、負荷２に供給する。更に時点ｔ０５において、第４のインバータ４４が２８０[Ｖ]に充電された第４のコンデンサ３４の直流エネルギーを２８０[Ｖ]の交流エネルギーに変換し、これを第３階調の補償電圧として負荷２に供給する。この２８０[Ｖ]の電圧は、仮想系統電圧１０１ａの時点ｔ０５に於ける瞬時値に対応するものである。

前記の補償開始の時点ｔ０３、及びその後のｔ０４の時点では、切換スイッチ１０の接点は未だ完全開路に至っておらず、接点間の間隔は完全解放に比べて狭いが、それらの各時点では、４０[Ｖ]、８０[Ｖ]と段階的に電圧が上昇するようにしているので、切換スイッチ１０の接点間に再点弧アークが発生することはない。また切換スイッチ１０は、その接点の開路を開始した時点ｔ０２から約３．０[ｍＳ]後の時点ｔ０６で接点の開路を完了するが、その時点ｔ０６の直前である時点ｔ０５で第４のインバータ４４から２８０[Ｖ]が印加されても、この時点では既に接点間の間隔は十分大きくなっており再点弧アークが発生することはない。従って、いずれの時点に於いても、過電流検出回路９の出力に基づく過電流保護機能による補償電圧の停止は生じない。

次に時点ｔ０７に於いて、第２及び第３のインバータ４２、４３が動作し、それらの出力が加算された２４０[Ｖ]の補償電圧が発生する。さらに、時点ｔ０８に於いて第１及び第３のインバータ４１、４３が動作し、それらの出力が加算された２００[Ｖ]の補償電圧が発生する。時点ｔ１０では第３のインバータ４３が動作し、１６０[Ｖ]の補償電圧が発生する。

このように、４０[Ｖ]に充電された第１のコンデンサ３１、８０[Ｖ]に充電された第２のコンデンサ３２、１６０[Ｖ]に充電された第３のコンデンサ３３、２８０[Ｖ]に充電された第４のコンデンサ３４の各直流電圧を、対応する第１、第２、第３及び第４のインバータにて交流電圧に変換し、これらの電圧を加減算して階段状に細かく階調制御し、０[Ｖ]、４０[Ｖ]、８０[Ｖ]、１２０[Ｖ]、１６０[Ｖ]、２００[Ｖ]、２４０[Ｖ]、２８０[Ｖ]のように階段状に細かく重畳する階調制御を行い、仮想系統電圧１０１ａの正弦波形に近似した波形の補償電圧を発生させて負荷２へ出力する。

次に、時点ｔ０９に於いて瞬低が復帰したとすると、演算装置７はアナログ検出回路９の出力によりこれを検出し、スイッチ駆動回路１２に切換スイッチ１０を閉じる指令を与える。スイッチ駆動回路１２はこれを受けて切換スイッチ１０を閉じるよう駆動し、時点ｔ１１に於いて切換スイッチの閉路が完了し、以降、負荷２には切換スイッチ１０を介して系統電圧１０１が供給される。

以上のように、この発明の実施の形態１による発明の電圧補償装置によれば、補償電圧に係わる出力電圧を段階的に高くしているので、切換リレー６が完全に開路する時点ｔ０６より以前の、切換スイッチ１０が開路途中で接点のギャップが小さい時点ｔ０２〜ｔ０５で切換スイッチ１０に印加される補償電圧は０[Ｖ]〜８０[Ｖ]と低く、切換スイッチ１０の接点のアーク再点弧が抑制され過電流が発生することがないので、過電流保護機能による補償電圧の出力停止を防止することができる。

なお、上記の説明は瞬低発生時の位相が０°近傍であるとし、補償電圧の供給開始時点が９０°近傍の場合について説明したが、瞬低発生時点が１８０°近傍で、補償電圧の供給開始の時点が２７０°近傍の場合であっても、補償電圧の極性が前記の場合と逆となる以外は前記と同様である。位相、補償電圧が異なる場合についても同様である。
また、瞬低発生時点が０°または１８０°若しくはこれらの近傍以外の位相であっても、不足電圧に応じて各インバータ４１、４２、４３、４４を階調制御し、補償電圧を仮想系統電圧１０１ａに近似した補償電圧を発生させるものである。

実施の形態２
図３は、この発明の実施の形態２おける電圧補償装置の補償電圧出力制御時の動作を示す動作説明図で、補償電圧の供給開始時点ｔ０３に於ける仮想系統電圧が所定値以下の場合を示す。実施の形態２に於ける電圧補償装置の構成は図１に示す実施の形態１の構成と同様である。
実施の形態２では、補償電圧の供給開始時点が９０°若しくは２７０°の近傍である場合は、前記実施の形態１に於ける前記の動作と同様の動作により、補償電圧を段階的に上昇させて負荷に供給するが、補償電圧の供給開始時点ｔ０３の位相が０°または１８０°の近傍となる場合には、その時点に於ける仮想系統電圧の値は小さく切換スイッチ１０の接点が開路途中であってもその間にアークが発生することはないので、補償電圧の供給開始時点ｔ０３で直ちにその時点での仮想系統電圧に対応する補償電圧を発生するものである。
次に、その補償電圧の供給開始時点の位相が、０°または１８０°、若しくはその近傍である場合の動作について説明する。

図１及び図３に於いて、系統電圧３の瞬低が時点ｔ０１で発生したとすると、アナログ検出回路６の検出結果に基づいて演算装置７が時点ｔ０２で瞬低を判定し、スイッチ駆動回路１２へスイッチ開放の指令信号を出力する。スイッチ駆動回路１２はこれを受けて直ちに時点ｔ０２でスイッチ１０の開路を開始させる。

また、演算装置７は、アナログ検出回路６から入力された系統電圧１０１に対応する信号に基づいて算出した仮想系統電圧１０１ａとその時点における系統電圧１０１の値を比較し、その差が所定値以上、例えば、仮想系統電圧が２８０Ｖに対して３０〜５０％以上差がある場合に、インバータ制御回路５に制御指令を与える。インバータ制御回路５はこれを受けて各インバータ４１、４２、４３及び４４をその不足電圧分に相当する補償電圧を出力するよう制御し、時点ｔ０３に於いて負荷２への補償電圧の供給を開始する。

この補償電圧の供給開始時点ｔ０３は、仮想系統電圧１０１ａの位相が０°の近傍であり仮想系統電圧１０１ａの値は小さく、切換スイッチ１０の開路初期においてもその接点間に再点弧アークが発生する恐れはないので、第２のインバータ４２により第２のコンデンサ３２に蓄積された電圧８０[Ｖ]を交流電圧に変換するとともに、第１のインバータ４１により第１のコンデンサ３１に蓄積された電圧４０[Ｖ]を交流電圧に変換し、これらの電圧を加算した１２０[Ｖ]を、時点ｔ０３に於いて直ちに負荷に供給する。即ち、補償電圧の供給開始時点ｔ０３に於いて、直ちにその時点における仮想系統電圧１０１ａに対応する補償電圧を発生して負荷２に供給するものである。

次に、時点ｔ０４に於いて第３のインバータ４３により第３のコンデンサ３４に蓄積された電圧１６０[Ｖ]を交流電圧に変換して出力し、その時点での仮想系統電圧１０１ａに対応する補償電圧を出力する。時点ｔ０２で開路を開始した切換スイッチ１０は、時点ｔ０５に於いて開路を完了する。

更に、時点ｔ０６に於いて第３のインバータ４３により第３のコンデンサ３３に蓄積された電圧１６０[Ｖ]を交流電圧に変換するとともに第１のインバータ４１により第１のコンデンサ３１に蓄積された電圧４０[Ｖ]を交流電圧に変換し、それらの電圧を加算した電圧２００[Ｖ]を補償電圧として負荷２に出力する。

瞬低が時点ｔ０６に復帰したとすると、演算装置７はこれを判定してスイッチ駆動開路１２に対し閉路指令を与える。スイッチ駆動回路１２はこれを受けて切換スイッチ１０を閉路させ、時点ｔ０９に於いてその閉路を完了するが、切換スイッチ１０の閉路が完了する前の時点ｔ０８に於いて、第３のインバータ４３により第３のコンデンサに蓄積された１６０[Ｖ]の電圧を交流電圧に変換すると共に、第２のインバータ４２により第２のコンデンサ３２に蓄積された８０[Ｖ]の電圧を交流電圧に変換し、それらの電圧を加算した２４０[Ｖ]の補償電圧を負荷に供給する。
このように、きめ細かく各インバータ４１、４２、４３、４４を選択制御して、仮想系統電圧１０１ａに近似した補償電圧を発生して負荷２に供給するものである。

以上のように、この発明の実施の形態２による発明の電圧補償装置は、補償電圧の供給開始時点に於ける仮想系統電圧の値が所定値以下の場合には、直ちに仮想系統電圧に対応する値の補償電圧を出力するようにしたので、短時間に電圧補償をすることができる。

この発明の実施の形態１おける電圧補償装置のブロック図である。 この発明の実施の形態１おける電圧補償装置の補償電圧出力制御時の動作を示す動作説明図である。 この発明の実施の形態２おける電圧補償装置の補償電圧出力制御時の動作を示す動作説明図である。

符号の説明

１ 系統電源
１００ 電圧補償装置
１０１ 系統電圧
１０１ａ 仮想系統電圧
１０２ 出力電圧
１３ ＣＴ
２ 負荷
３１、３２、３３、３４ 第１〜第４のコンデンサ
４１、４２、４３、４４ 第１〜第４のインバータ
５ インバータ制御回路
６ アナログ検出回路
７ 演算装置
８ スイッチ開閉検出回路
９ 過電流検出回路
１０ 切換スイッチ
１２ スイッチ駆動回路

Claims (3)

1. 電力系統における系統電圧の変動を補償する電圧補償装置であって、
   エネルギー蓄積手段に蓄積された直流エネルギーを交流エネルギーに変換して前記補償のための補償電圧を出力する直列接続された複数のインバータと、
   前記系統電圧が定常状態にあるときは接点を閉じて負荷に前記系統電圧を供給し、前記系統電圧が前記定常状態から前記補償を要する値に低下したときは接点を開いて前記負荷へ前記インバータからの補償電圧を供給するスイッチ手段と、
   前記補償電圧の供給開始時点に於いて前記系統電圧が定常状態であれば取りえると仮想した仮想系統電圧が所定値より高いときは、前記インバータからの補償電圧を段階的に上昇させて前記仮想系統電圧に対応する値に達するよう前記インバータを制御するインバータ制御手段と
   を備えたことを特徴とする電圧補償装置。
2. 前記補償電圧の供給開始時点は、系統電圧の位相が９０°若しくはその近傍、または２７０°若しくはその近傍の時点であることを特徴とする請求項１に記載の電圧補償装置。
3. 前記インバータ制御手段は、前記補償電圧の供給開始時点に於ける仮想系統電圧が所定値以下のときは、前記インバータからの補償電圧が前記補償電圧の供給開始時点において直ちに前記仮想系統電圧に対応する値に達するよう前記インバータを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧補償装置。

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