JP4327185B2 - Active filter and voltage flicker suppression method - Google Patents
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Description
本発明は、配電系統に用いられるアクティブフィルタ及び電圧フリッカ抑制方法に関し、とくに電圧フリッカを抑制するとともに電圧の安定化を図る技術に関する。 The present invention relates to an active filter and a voltage flicker suppressing method used in a power distribution system, and more particularly to a technique for suppressing voltage flicker and stabilizing voltage.
電圧フリッカは系統電圧が1〜20Hzで変動する現象であり、需要家に照明のちらつきや機器の誤動作などの障害を引き起こすことがある。電圧フリッカは、大容量負荷の負荷変動や起動・停止に伴う突入電流により生じるもので、アーク炉、溶接機などが主なフリッカ発生源として知られている。 Voltage flicker is a phenomenon in which the system voltage fluctuates in the range of 1 to 20 Hz, and may cause troubles such as flickering of lighting and malfunction of equipment. The voltage flicker is caused by a load fluctuation of a large capacity load and an inrush current accompanying start / stop, and an arc furnace, a welding machine, etc. are known as main flicker generation sources.
フリッカ抑制装置として、自励式無効電力補償装置(STATCOM)が知られている。STATCOMをフリッカ発生源の近傍に設置し、電流フリッカを検出して無効電流を制御する。その結果、電流フリッカに伴う配電線の電圧降下を打ち消して系統の電圧フリッカを抑制できる。このようなフリッカ抑制装置は、フリッカ発生源を有する需要家側に設置される。
ところで、配電系統には不特定多数のフリッカ発生源が存在する。このため、フリッカ発生源を特定して個別に電流フリッカを検出することは困難である。また電流フリッカを検出できたとしても、フリッカ発生源と抑制装置の設置点が離れている場合、効果的な無効電流の指令値を決定することは困難である。 By the way, there are many unspecified flicker generation sources in the power distribution system. For this reason, it is difficult to specify the flicker generation source and individually detect the current flicker. Even if the current flicker can be detected, it is difficult to determine an effective reactive current command value if the flicker generation source and the installation point of the suppression device are separated.
この発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、電圧フリッカを抑制するとともに電圧の安定化を図ることが可能な配電系統に用いられるアクティブフィルタ及び電圧フリッカ抑制方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a background, and an object thereof is to provide an active filter and a voltage flicker suppression method used in a distribution system capable of suppressing voltage flicker and stabilizing voltage. And
上記目的を達成するための、本発明のうち請求項1に記載の発明は、アクティブフィルタであって、配電線との接続点における電圧である設置点電圧vを検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された前記設置点電圧vから補償電流指令値i* Cを生成する制御手段と、前記補償電流指令値i* Cに応じて補償電流iCを制御する電流制御手段とを有し、前記制御手段は、前記設置点電圧vの高調波成分vhを抽出する高調波抽出手段と、前記高調波成分vhにゲインKvを乗じて高調波抑制電流指令値i* Chを生成する高調波抑制ゲイン乗算部と、前記設置点電圧vの瞬時電圧振幅vampに基づいて、電圧フリッカを抑制するように基本波無効電流指令値i* Cfqを調整する基本波無効電流指令演算手段と、前記高調波抑制電流指令値i* Chと前記基本波無効電流指令値i* Cfqから前記補償電流指令値i* Cを演算する電流演算手段とを有し、前記基本波無効電流指令演算手段は、前記設置点電圧vの瞬時電圧振幅vampと系統電圧の基準値V* ampとの差から電圧フリッカを演算する電圧フリッカ演算手段と、前記電圧フリッカ(V * amp −v amp )の正負を検出する正負検出手段と前記正負検出手段で検出した正/負の数に応じた値を出力する計数手段とを有し、前記計数手段の出力値をV * amp として出力するフィードバック制御手段とを有することとする。
In order to achieve the above object, the invention according to
本発明のアクティブフィルタは、設置点電圧vに基づいて高調波成分vhを抽出し、高調波成分vhにゲインKvを乗じて高調波抑制電流指令値i* Chを生成し、設置点電圧vの瞬時電圧振幅vampと系統電圧の基準値V* ampとの差から電圧フリッカを演算し、電圧フリッカ(V* amp−vamp)に基づいて電圧フリッカを抑制するように基本波無効電流指令値i* Cfqを調整し、高調波抑制電流指令値i* Chと基本波無効電流指令値i* Cfqから補償電流指令値i* Cを演算し、この補償電流指令値i* Cに応じて電圧フリッカを抑制する。 The active filter of the present invention extracts the harmonic component v h based on the installation point voltage v, multiplies the harmonic component v h by the gain K v to generate the harmonic suppression current command value i * Ch , and sets the installation point. Calculate the voltage flicker from the difference between the instantaneous voltage amplitude v amp of the voltage v and the reference value V * amp of the system voltage, and disable the fundamental wave so as to suppress the voltage flicker based on the voltage flicker (V * amp− v amp ) and adjusting the current command value i * CFQ, calculates a compensation current command value i * C from harmonic suppression current command value i * Ch and fundamental reactive current command value i * CFQ, this compensation current command value i * C Accordingly, voltage flicker is suppressed.
このように本発明のアクティブフィルタは、配電系統の電圧フリッカ抑制の制御方法として電圧検出方式を採用し、アクティブフィルタの設置点の電圧vによって電圧フリッカを検出して制御を行うので、配電系統内に不特定多数のフリッカ発生源が存在する場合でも電圧フリッカを効果的に抑制することができる。従って、アクティブフィルタをフリッカ発生源の近傍に設置する必要がない。 As described above, the active filter of the present invention employs a voltage detection method as a control method for suppressing voltage flicker in the distribution system, and performs control by detecting voltage flicker by the voltage v at the installation point of the active filter. Even when an unspecified number of flicker generation sources exist, voltage flicker can be effectively suppressed. Therefore, there is no need to install an active filter near the flicker generation source.
また電圧フリッカ抑制と高調波抑制とを併用することで、進相コンデンサの存在等に起因する配電系統の共振を効果的に抑制することができ、電圧フリッカの抑制を安定して行うことができる。 Moreover, by using both voltage flicker suppression and harmonic suppression, it is possible to effectively suppress resonance of the power distribution system caused by the presence of a phase advance capacitor, and to stably suppress voltage flicker. .
また本発明のアクティブフィルタは、配電系統の高調波に対して1/KV [Ω]のダンピング抵抗として動作するので、抵抗値を決めるゲインKVを調節することにより設置点だけでなくフィーダ全体の高調波拡大現象を抑制することができる。 The active filter of the present invention operates as a damping resistance of 1 / K V [Ω] with respect to the harmonics of the distribution system. Therefore, not only the installation point but also the entire feeder can be adjusted by adjusting the gain K V that determines the resistance value. The harmonic expansion phenomenon can be suppressed.
本発明のうち請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のアクティブフィルタであって、前記基本波無効電流指令演算手段は、前記電圧フリッカ(V* amp−vamp)に比例ゲインKPを乗じた値を生成する電圧補償ゲイン乗算部と、PI制御器や位相補償、帯域制限などの伝達関数Gpにより前記基本波無効電流指令値i* Cfqを生成する基本波無効電流指令値演算手段とをさらに有することとする。
Of the present invention, the invention according to
本発明によれば、電圧フリッカ(V* amp−vamp)に応じた値に比例ゲインKPを乗じて得られた値に対し、PI制御器や位相補償、帯域制限などの伝達関数Gpにより前記基本波無効電流指令値i* Cfqを生成することで、電圧フリッカと逆位相の電流を生成する。そしてこの電流によって生じた電圧降下が電圧フリッカと打ち消しあい、その結果、電圧フリッカを抑制することができる。 According to the present invention, with respect to the value obtained by multiplying the values in the proportional gain K P corresponding to the voltage flicker (V * amp -v amp), PI control or phase compensation, the transfer function of such bandwidth limitation G p To generate the fundamental wave reactive current command value i * Cfq, thereby generating a current having a phase opposite to that of the voltage flicker. The voltage drop caused by this current cancels out with the voltage flicker, and as a result, the voltage flicker can be suppressed.
本発明のうち請求項3に記載の発明は、請求項1に記載のアクティブフィルタであって、前記基本波無効電流指令演算手段は、ローパスフィルタを含むこととする。 A third aspect of the present invention is the active filter according to the first aspect, wherein the fundamental reactive current command calculating means includes a low-pass filter.
配電系統には進相コンデンサ等の影響による共振点が存在するため、電圧フリッカ抑制のためのフィードバックゲインである比例ゲインKPを高く設定すると高調波電圧の増大が問題となるが、本発明のように基本波無効電流指令演算手段にローパスフィルタを用いることで、高調波成分に対するゲインを低減して高調波電圧を抑制することができる。なお、上記ローパスフィルタとしては、例えば、時定数をTcとした場合に伝達関数GPが次式
で表されるものを用いる。
Because the distribution system there is a resonance point due to the effects of such phase advancing capacitor, the increase of the harmonic voltage is set high proportional gain K P is a feedback gain for the voltage flicker suppression is a problem, the present invention As described above, by using the low-pass filter for the fundamental wave reactive current command calculation means, it is possible to reduce the gain for the harmonic component and suppress the harmonic voltage. As the low-pass filter, for example, when the time constant is Tc , the transfer function GP is expressed by the following equation:
Is used.
本発明のうち請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のアクティブフィルタであって、
前記高調波抽出手段は、ハイパスフィルタを含むこととする。
The invention according to claim 4 of the present invention is the active filter according to
The harmonic extraction means includes a high pass filter.
上記のようにローパスフィルタにより共振点付近の高調波電圧を低減しようとした場合、電圧フリッカ抑制の位相特性に影響が現れるが、本発明のように高調波抽出手段にハイパスフィルタを用いて高調波拡大抑制を併用することで、配電系統の共振点付近の高調波電圧を低減することができる。なお、上記ハイパスフィルタとしては、例えば、時定数をThとした場合に伝達関数Ghが次式
で表されるものを用いる。
When trying to reduce the harmonic voltage near the resonance point by using a low-pass filter as described above, the phase characteristics of voltage flicker suppression appear to be affected. However, as in the present invention, a high-pass filter is used for the harmonic extraction means. By using the expansion suppression together, the harmonic voltage near the resonance point of the distribution system can be reduced. As the high-pass filter, for example, the transfer function G h when the time constant was set to T h is the formula
Is used.
本発明によれば、変動負荷の電流を検出することなく、配電系統における電圧フリッカを効果的に抑制することができるとともに電圧の安定化を図ることができる。 According to the present invention, voltage flicker in a distribution system can be effectively suppressed and voltage can be stabilized without detecting a current of a variable load.
図1に本発明の一実施形態として説明する配電系統モデル1の構成を示している。6.6kVの配電系統をモデル化し、配電変電所を電圧源(vs)としている。実際の配電系統は4〜6フィーダで構成され、多数の需要家が接続しているが、ここでは1フィーダの幹線のみをモデル化している。
FIG. 1 shows a configuration of a power
同図において、L1は配電変圧器の漏れインダクタンス、L2,L3は配電線DLのインダクタンス、C1〜C3は力率改善用の進相コンデンサの静電容量、iCはアクティブフィルタAFに引き込まれる高調波電流である。アクティブフィルタAFは、フィーダ幹線の末端に接続され、配電線DLとの接続点における電圧(以下、設置点電圧vと称する。)により電圧フリッカを抑制する。配電系統末端電圧(設置点電圧v)には電圧高調波が数倍に拡大する高調波拡大現象が確認できるが、アクティブフィルタAFはこの高調波の拡大を抑制する。 In the figure, L 1 is the leakage inductance of the distribution transformer, L 2 and L 3 are the inductances of the distribution line DL, C1 to C3 are the capacitances of the phase advance capacitors for power factor improvement, and i C is the active filter AF. Harmonic current drawn. The active filter AF is connected to the terminal of the feeder trunk line, and suppresses voltage flicker by a voltage at a connection point with the distribution line DL (hereinafter referred to as an installation point voltage v). In the distribution system terminal voltage (installation point voltage v), a harmonic expansion phenomenon in which the voltage harmonic expands several times can be confirmed, but the active filter AF suppresses the expansion of the harmonic.
図2に本実施形態のアクティブフィルタAFの構成を示している。アクティブフィルタAFは、設置点電圧vを検出する電圧検出手段としての検出回路2と、設置点電圧vから補償電流指令値i* Cを生成する制御手段としてのコントローラ3と、コントローラ3によって駆動制御される電圧フリッカ抑制手段としての主回路4とを有している。
FIG. 2 shows the configuration of the active filter AF of the present embodiment. The active filter AF is drive-controlled by the
主回路4は、交流側の配電線DLに接続した三相整合トランス4aと三相リアクトル4b(インダクタンスLc)、IGBT(ゲート隔離型バイポーラトランジスタ)で構成される三相電圧型PWM変換器4c、及び直流コンデンサ4d(容量Cdc)を備えて構成される。主回路4は、直流コンデンサ4dの電圧vdcをコントローラ3に送る。
The main circuit 4 includes a three-phase voltage
コントローラ3では、直流コンデンサ4dの電圧vdcと電圧基準値v* dcとを比較し、基本波電流の電源電圧と同相の電流Δi* cdを調整して、直流コンデンサ4dの電圧vdcの平均電圧を一定にするように動作する。
The
図3にアクティブフィルタAFのコントローラ3の構成を示している。同図に示すように、コントローラ3は、図2の検出回路2で検出した三相交流電圧V=(vu,vv,vw)を、回転座標の2成分(d,q)で表される値(vd,vq)に変換するd−q変換回路3a、d−q変換回路3aでd−q変換された電圧の高調波成分を抽出する高調波抽出手段としてのハイパスフィルタ(HPF)3b、ハイパスフィルタ3bで抽出した電圧高調波成分に高調波抑制ゲインKVを乗算して高調波電流指令値(i* Chd,i* Chq)を生成する高調波抑制ゲイン乗算部3c、後述のように構成した基本波無効電流指令演算回路3iから出力される基本波無効電流指令値i* Cfqと上記高調波抑制ゲイン乗算部3cのq出力成分i* Chqとを加算する電流値演算手段としてのq成分加算部3d、後述の直流成分ゲイン乗算部3kから出力された直流電流値Δi* Cdと高調波抑制ゲイン乗算部3cのd出力成分i* Chdとを加算する電流値演算手段としてのd成分加算部3e、上記q成分加算部3dとd成分加算部3eの各出力(補償電流指令値i* Cのq,d成分)i* Cq,i* Cdを三相交流の電流指令値I* C =(i* Cu,i* Cv,i* Cw)に変換するd−q逆変換回路3f、上記d−q変換回路3aから出力された電圧(vd,vq)の振幅(二乗和の平方根)vampを演算する電圧振幅演算回路3g、設置点電圧振幅vampが系統電圧の基準値V* ampとなるように基本波無効電流指令値i* Cfqを自動調整する基本波無効電流指令演算回路3i、主回路4から出力される直流電圧値vdcと所定の指令値(直流電圧設定値)v* dcとの差をとる直流電圧差演算部3j、直流電圧差演算部3jの出力(vdc−v* dc)にゲインKdcを乗算して直流電流値Δi* Cdを生成する直流成分ゲイン乗算部3k、及び上記d−q変換回路3a及びd−q逆変換回路3fに供給する三相交流の基本波(角周波数ωt )を発生する基本波発生回路3pを有している。
FIG. 3 shows the configuration of the
図3に示したコントローラ3によれば、アクティブフィルタAFの電流指令値I* C =(i* Cu,i* Cv,i* Cw)は、電圧フリッカ抑制制御、高調波拡大抑制制御、及び直流電圧制御によって決定される。このうち電圧フリッカ抑制制御の手順は次の通りである。電圧フリッカの抑制には電圧検出方式を用いる。すなわち、まず検出回路2で検出した設置点電圧vの成分vu,vv,vwを、d−q変換回路3aにより角周波数ωt でd−q座標上の値vd,vqに変換する。この変換は、次式に従って行われる。
次に、vd,vqを電圧振幅演算回路3gに入力して、瞬時電圧振幅vampを次式で演算する。
そして基本波無効電流指令演算回路3iでvampと系統電圧の基準値V* ampとの差から基本波無効電流指令値のq成分i* Cfqを生成する。従って、電圧フリッカ抑制のための無効電流指令値i* Cfqは次式で与えられる。
なお、PI制御器や位相補償、帯域制限などの伝達関数をGpとし、フィードバックの偏差e=V* amp−vampを考慮すれば、電流指令値のラプラス変換は次式で表される。
一方、高調波拡大抑制制御の手順は次の通りである。すなわち、上記と同様に設置点電圧を検出してd−q変換を行った後、ハイパスフィルタGhを用いて抽出した交流成分vhd,vhqにゲインKvを乗じて、高調波拡大抑制制御のための電流指令値i* Chd,i* Chqを次式から求める。
ここで、アクティブフィルタAFの電流制御が理想的に動作する電流値がiChd=i* Chd, iChq=i* Chqであると仮定すると、設置点電圧vの高調波成分vhに対して、アクティブフィルタAFは1/KV [Ω]の抵抗として動作する。つまり、アクティブフィルタAFは、配電系統の高調波に対してダンピング抵抗として動作し、抵抗値を決めるゲインKVを調整することにより設置点だけでなくフィーダ全体の高調波拡大現象を抑制することができる。
According to the
Next, v d and v q are input to the voltage
Then, the fundamental wave reactive current
If the transfer function such as the PI controller, phase compensation, and band limitation is Gp , and the feedback deviation e = V * amp− vamp is taken into account, the Laplace transform of the current command value is expressed by the following equation.
On the other hand, the procedure of harmonic expansion suppression control is as follows. That is, after detecting the installation point voltage and performing dq conversion in the same manner as described above, the harmonic components are suppressed by multiplying the AC components v hd and v hq extracted using the high-pass filter G h by the gain K v. The current command values i * Chd and i * Chq for control are obtained from the following equations.
Here, assuming that the current value at which the current control of the active filter AF ideally operates is i Chd = i * Chd, i Chq = i * Chq , the harmonic component v h of the installation point voltage v The active filter AF operates as a resistance of 1 / K V [Ω]. In other words, the active filter AF is able to suppress the harmonic expansion phenomenon of the entire feeder well established point by adjusting the gain K V which acts as damping resistance, determine the resistance values for the harmonics of the distribution system it can.
一方、直流電圧制御の手順は次の通りである。直流電圧制御は直流コンデンサ電圧vdcの平均値が一定となるようにフィードバック制御を行う。すなわち直流コンデンサ電圧vdcと指令値v* dcとを比較し、フィードバックゲインKdcを乗じて基本波有効電流指令値i* Cfdを次式で与える。
なお、アクティブフィルタAFは、瞬時無効電力を制御して電圧フリッカを抑制するため、原理的な直流コンデンサ電圧に変動は生じない。従って、直流電圧制御は、電圧フリッカ抑制制御及び高調波拡大抑制制御の特性にほとんど影響しない。
On the other hand, the procedure of DC voltage control is as follows. In the DC voltage control, feedback control is performed so that the average value of the DC capacitor voltage v dc is constant. That is, the direct-current capacitor voltage v dc is compared with the command value v * dc and multiplied by the feedback gain K dc to give the fundamental wave active current command value i * Cfd by the following equation.
Note that the active filter AF controls the instantaneous reactive power to suppress voltage flicker, so that the fundamental DC capacitor voltage does not fluctuate. Therefore, the DC voltage control hardly affects the characteristics of the voltage flicker suppression control and the harmonic expansion suppression control.
以上のようにして与えられる電圧フリッカ抑制制御、高調波拡大抑制制御、及び直流電圧制御の電流指令値をd−q座標上で加算する。そして加算した電流指令値に逆変換を行って各相の電流指令値i* Cu, i* Cv,i* Cwを得る。この各相の電流指令値i* Cu, i* Cv,i* Cwを図2に示すPWM変換器4cに与えることにより、電圧フリッカ抑制制御、高調波拡大抑制制御、及び直流電圧制御が実現される。なお、電流制御には2サンプル設定のデッドビート制御を用いるが、この場合、電流制御系の伝達関数Gc(s)は次式となる。
以下では直流電圧制御の影響を無視し、電流制御系の伝達関数を考慮する。この場合、電圧フリッカ抑制装置の伝達関数は、
となる。
The current command values for voltage flicker suppression control, harmonic expansion suppression control, and DC voltage control given as described above are added on the dq coordinate. Then, inverse conversion is performed on the added current command values to obtain current command values i * Cu , i * Cv , i * Cw for each phase. By applying the current command values i * Cu , i * Cv , i * Cw of each phase to the
In the following, the influence of DC voltage control is ignored and the transfer function of the current control system is considered. In this case, the transfer function of the voltage flicker suppression device is
It becomes.
図4に基本波無効電流指令演算回路3iの構成を示している。この制御回路3iは、(V* amp−vamp)の正・負に応じて正又は負の信号を出力する正負検出手段としての正負(符号)検出器31と、その出力の符号に応じてアップ/ダウンすることにより、正/負の数に応じた値を出力する計数手段としてのアップダウンカウンタ32と、(V* amp−vamp)に比例ゲインKPを乗じる乗算部33と、PI制御器や位相補償、帯域制限などの伝達関数Gp34により前記基本波無効電流指令値i* Cfqを生成する基本波無効電流指令値演算手段を有している。
FIG. 4 shows the configuration of the fundamental wave reactive current
以上に説明したように、アクティブフィルタAFによる電圧フリッカの抑制は、電圧フリッカを検出して行われるフィードバック制御である。以下ではこのフィードバック制御の安定性について評価する。 As described above, suppression of voltage flicker by the active filter AF is feedback control performed by detecting voltage flicker. In the following, the stability of this feedback control will be evaluated.
<特性解析>
アクティブフィルタAFによる電圧フリッカ抑制の特性について解析する。まず配電系統を含むシステム全体をd−q変換することによりフリッカ抑制制御の伝達関数を導出する。図5に伝達関数の導出に用いる簡略化された配電系統を示している。同図において、rは配電線DLの抵抗成分、Lは配電線DLのインダクタンス、Cは力率改善用の進相コンデンサの静電容量である。配電線DLの末端には、アクティブフィルタAL及びフリッカ発生装置FGが接続している。
<Characteristic analysis>
The characteristics of voltage flicker suppression by the active filter AF are analyzed. First, the transfer function of flicker suppression control is derived by dq conversion of the entire system including the distribution system. FIG. 5 shows a simplified distribution system used to derive the transfer function. In the figure, r is the resistance component of the distribution line DL, L is the inductance of the distribution line DL, and C is the capacitance of the phase advance capacitor for power factor improvement. An active filter AL and a flicker generator FG are connected to the end of the distribution line DL.
ここで図5に示す回路の各相の回路方程式は、
と表すことができる。この式からiSを消去して整理すると、
となる。ここでこの式は2次の微分を含んでいるが、n次の微分項
のd−q変換は、
であるので、これを用いて(12)式をd−q変換すると、
となる。ただし、
である。さらにこの式をラプラス変換すると、
となる。ただし、
である。
Here, the circuit equation of each phase of the circuit shown in FIG.
It can be expressed as. If i S is deleted from this formula and arranged,
It becomes. Here, this equation includes a second-order derivative, but an n-th derivative term.
The dq transformation of
Therefore, using this, when the equation (12) is dq transformed,
It becomes. However,
It is. Furthermore, if this equation is Laplace transformed,
It becomes. However,
It is.
Id=Iq=0のときは系統電圧に電圧変動がない初期状態である。このときの系統電圧をVd0,Vq0とすると
の関係となる。
従って、(17),(19)式より、補償すべき電圧変動分ΔVd=Vd−Vd0,ΔVq=Vq−Vq0は、
となる。
When I d = I q = 0, the system voltage is in an initial state with no voltage fluctuation. If the system voltage at this time is V d0 , V q0
It becomes the relationship.
Therefore, from the equations (17) and (19), the voltage fluctuations to be compensated ΔV d = V d −V d0 and ΔV q = V q −V q0 are
It becomes.
一方、IdとIqはフリッカ発生源とアクティブフィルタに流れる電流の和であり、
である。これを(20)式に代入すると
となる。ただし、D1=A1+KVGhB1,D2=A2+KVGhB2である。
On the other hand, Id and Iq are the sum of the current flowing through the flicker generation source and the active filter,
It is. Substituting this into equation (20)
It becomes. However, a D 1 = A 1 + K V
図3のブロック線図における電圧振幅演算回路3gは非線形な伝達関数を持つが、vampについての小信号近似は、
となる。ここでvq0=0と仮定すると、
と近似することができる。(22),(24)式より、電圧フリッカ抑制の制御ループの一巡伝達関数は、
となる。
The voltage
It becomes. Assuming that v q0 = 0,
And can be approximated. From Equations (22) and (24), the loop transfer function of the control loop for suppressing voltage flicker is
It becomes.
またvampとvd0はほぼ等しいと考えると、電圧振幅の偏差eは、
と近似することができる。(26)式を(22)式に代入すると、
となる。従って、電圧フリッカ抑制を行った場合の電圧フリッカ発生源の電流と電圧フリッカΔVamp(s)の関係は、
となる。
Also, assuming that v amp and v d0 are substantially equal, the deviation e of the voltage amplitude is
And can be approximated. Substituting equation (26) into equation (22),
It becomes. Therefore, the relationship between the current of the voltage flicker generation source and the voltage flicker ΔVamp (s) when the voltage flicker suppression is performed is
It becomes.
<シミュレーション>
次に、上記伝達関数によって導かれる電圧フリッカ抑制制御の制御特性評価を行うべく、図5に示すモデルについてシミュレーションを行った。またシミュレーションの結果をボード線図と比較した。図6にシミュレーションに用いた回路定数を示している。なお、シミュレーションには電力系統解析用ソフトウエアであるPSCADを用いた。またシミュレーションは図7に示す条件1,2のそれぞれについて行った。各条件1,2共に比例ゲインKP=0.3A/Vに設定している。また条件2では高周波に対するゲインを低減するためカットオフ周波数30Hzのローパスフィルタを挿入している。
<Simulation>
Next, a simulation was performed on the model shown in FIG. 5 in order to evaluate the control characteristics of the voltage flicker suppression control guided by the transfer function. The simulation results were compared with the Bode diagram. FIG. 6 shows circuit constants used in the simulation. Note that PSCAD, which is power system analysis software, was used for the simulation. The simulation was performed for each of
図8に電圧フリッカ抑制制御の一巡伝達関数のボード線図を示している。条件1では、d−q軸上で280Hzの周波数にゲインの最大値で0dBに達し、位相が180度反転している。したがって、電圧フリッカ抑制制御を用いて電圧偏差に比例した補償電流を流すとKp=0.3A/Vで安定限界に達してしまう。このゲイン特性のピークは回路の共振周波数付近に現れており、系統の共振によって電圧フリッカ抑制の安定性が決まる。これに対し、条件2ではゲイン特性は全周波数領域で−20dB以下となっている。またフィルタによる位相遅れにより位相特性は150Hz付近で180゜となっているが、これによりカットオフ周波数以上のゲインが抑えられ、ゲイン余有が47dBに増加している。なお、このときの安定限界はKp=50A/V付近である。
FIG. 8 shows a Bode diagram of a circuit transfer function of voltage flicker suppression control. In
図9Aに条件1の場合のシミュレーション結果を、図9Bに条件2の場合のシミュレーション結果をそれぞれ示している。このシミュレーションでは、フリッカ発生源から周波数5Hz、実行値8Aのフリッカ成分を持つ無効電流を流し、Kv=20A/Vで電流制御を行った。
FIG. 9A shows a simulation result in the case of
図9Aは条件1についてゲインを(a)KP=0.3A/V,(b)KP=0.35A/Vとした場合の、比例ゲインKP,補償すべき電圧変動分ΔVd,アクティブフィルタAFに流れ込む電流iCの波形である。KPは当初0A/Vに設定し、200msの期間に増加させている。(a)KP=0.3A/Vの場合はΔVd,iC共に安定に制御されているが、(b)KP=0.35A/Vの場合はΔVd,iCが280Hzの振動を伴って発散している。
FIG. 9A shows the proportional gain K P and the voltage fluctuation ΔV d to be compensated when the gain is (a) K P = 0.3 A / V and (b) K P = 0.35 A / V with respect to the
図9Bは、条件2についてゲインを(a)KP=45A/V,(b)KP=50A/Vとした場合の、KP,ΔVd,iCの波形である。(a)KP=45A/Vの場合は安定しているが、(b)KP=50A/Vの場合は不安定である。
FIG. 9B shows waveforms of K P , ΔV d , and i C when the gain is (a) K P = 45 A / V and (b) K P = 50 A / V with respect to
以上のように、解析結果とシミュレーション結果とはほぼ一致しており、前出の(25)式で表される伝達関数の妥当性を確認することができた。 As described above, the analysis result and the simulation result almost coincided, and the validity of the transfer function represented by the above equation (25) could be confirmed.
次に、上記伝達関数を用いて、電圧フリッカ抑制を適用した場合の電圧フリッカ抑制効果を導出する。本実施形態では、電圧フリッカ抑制を適用した場合の抑制効果を、抑制前(KP,KV=0A/V)と抑制後の電圧フリッカの比により評価する。前出の(28)式にKP,KV=0A/Vを代入すると、フリッカ抑制前の電圧フリッカは、次式で表される。
そして電圧フリッカの抑制効果は、(28)式のΔVampを用いて、
で表わすことができる。
Next, the voltage flicker suppression effect when voltage flicker suppression is applied is derived using the above transfer function. In the present embodiment, the suppression effect when voltage flicker suppression is applied is evaluated by the ratio of voltage flicker before suppression (K P , K V = 0 A / V) and after suppression. When K P , K V = 0 A / V is substituted into the above equation (28), the voltage flicker before flicker suppression is expressed by the following equation.
The voltage flicker suppression effect is obtained by using ΔV amp in the equation (28).
It can be expressed as
<高調波拡大抑制の併用>
前述したように、配電系統には共振点が存在し、ゲイン特性にピークが存在する。このため、電圧フリッカ抑制のフィードバックゲインを高く設定することは困難である。そこで本実施形態では、高調波拡大抑制を併用することにより配電系統の共振を抑制している。
<Combination of harmonic expansion suppression>
As described above, there are resonance points in the distribution system, and there are peaks in the gain characteristics. For this reason, it is difficult to set a high feedback gain for suppressing voltage flicker. Therefore, in this embodiment, resonance of the distribution system is suppressed by using harmonic expansion suppression together.
図10に高調波拡大抑制を併用した場合の一巡伝達関数のボード線図を示している。同図は図3において高調波検出フィルタ(ハイパスフィルタ3b)の部分に時定数Tch=1/15s、Ghが次式
で定義される一次ローパスフィルタを用い、Kv=1A/Vとした場合である。図10に示すように、高調波抑制制御によってゲイン特性に存在していたピークが良好に抑えられていることがわかる。なお、ゲイン余有は24dBであるので安定限界はKP=4.7A/Vである。
FIG. 10 shows a Bode diagram of a round transfer function when harmonic expansion suppression is used together. In FIG. 3, the time constant T ch = 1/15 s and G h in the harmonic detection filter (high-
This is a case where the first-order low-pass filter defined by (1) is used and Kv = 1 A / V. As shown in FIG. 10, it can be seen that the peak existing in the gain characteristic is well suppressed by the harmonic suppression control. Since the gain margin is 24 dB, the stability limit is K P = 4.7 A / V.
図11に電圧フリッカを制御する比例ゲインKPを4.5A/Vに設定したときの電圧フリッカの抑制効果を示している。同図から理解されるように、高調波拡大抑制を併用することにより20Hz以下の電圧フリッカに対する抑制効果を−5.7dBに改善することができる。しかし300Hz付近と1kHz以上の高調波電圧が増幅されている。このうち300Hzの高調波電圧については制御ゲインKVを増加することにより抑制が可能であるが、1kHzの高調波電圧はむしろ増加する。これは電圧フリッカの検出値に高調波成分が混入し、位相遅れが生じるためである。 FIG. 11 shows the effect of suppressing voltage flicker when the proportional gain K P for controlling voltage flicker is set to 4.5 A / V. As understood from the figure, the suppression effect on voltage flicker of 20 Hz or less can be improved to −5.7 dB by using the harmonic expansion suppression together. However, harmonic voltages near 300 Hz and 1 kHz or higher are amplified. While it is possible suppressed by increasing the control gain K V for harmonic voltage of these 300 Hz, 1 kHz harmonic voltage increases rather. This is because harmonic components are mixed in the detected value of the voltage flicker, resulting in a phase delay.
このような高調波電圧は、例えばローパスフィルタを用いて帯域制限を行うことで抑制することができる。ここでローパスフィルタを用いて配電系統の共振点付近の高調波電圧を低減するには遮断周波数を30Hz程度に設定する必要があるが、この場合、電圧フリッカ抑制の位相特性に影響が現れる。一方、高調波拡大抑制を併用すれば配電系統の共振点付近の高調波電圧を低減させることができる。この場合、ローパスフィルタの遮断周波数は1kHz以上の高調波成分の増大が低減されるように設定すればよく、これにより電圧フリッカ抑制の位相特性の変化を低減することができる。 Such a harmonic voltage can be suppressed by performing band limitation using, for example, a low-pass filter. Here, in order to reduce the harmonic voltage near the resonance point of the distribution system using the low-pass filter, it is necessary to set the cut-off frequency to about 30 Hz. In this case, the phase characteristic of voltage flicker suppression is affected. On the other hand, if the harmonic expansion suppression is used in combination, the harmonic voltage near the resonance point of the distribution system can be reduced. In this case, the cut-off frequency of the low-pass filter may be set so as to reduce the increase in harmonic components of 1 kHz or more, thereby reducing the change in phase characteristics for suppressing voltage flicker.
図12に帯域制限した一巡伝達関数のボード線図を示す(KP=53A/V)。このボード線図では、電圧フリッカ抑制の補償器(基本波無効電流指令演算回路3i)をGPが次式で表される二次のローパスフィルタとし、
Tc=1/50sとした。また高調波拡大抑制には、Ghが次式で表される二次のハイパスフィルタ
を用い、Th=1/30s,Kv=2A/Vとした。図12に示すように、ローパスフィルタを用いることで高周波成分に対するゲインを大幅に低減できることがわかる。またこのときの位相余有は43゜であり、安定性も大幅に改善されている。
FIG. 12 shows a Bode diagram of the circular transfer function with the band limited (K P = 53 A / V). In this Bode diagram, the voltage flicker suppression compensator (fundamental wave reactive current
T c was set to 1/50 s. In order to suppress harmonic expansion, a second-order high-pass filter in which G h is expressed by the following equation
And T h = 1/30 s and K v = 2 A / V. As shown in FIG. 12, it can be seen that the gain for the high frequency component can be significantly reduced by using the low pass filter. Further, the phase margin at this time is 43 °, and the stability is greatly improved.
図13に電圧フリッカ抑制効果ΔVamp/ΔVamp0を示している。同図に示すように1〜20Hzに対する抑制効果は−16dB以下であり、1〜10Hzに限れば抑制効果は−20dB以下であり、電圧フリッカが1/10に低減されている。また配電系統の共振点300Hz付近の高調波電圧は−6dB程度に、1kHz以上の高調波電圧についてはほぼ0dBに低減されている。 Shows the voltage flicker suppressing effect ΔV amp / ΔV amp0 Figure 13. As shown in the figure, the suppression effect for 1 to 20 Hz is -16 dB or less, and if limited to 1 to 10 Hz, the suppression effect is -20 dB or less, and the voltage flicker is reduced to 1/10. The harmonic voltage near the resonance point of 300 Hz in the distribution system is reduced to about -6 dB, and the harmonic voltage of 1 kHz or more is reduced to almost 0 dB.
<実験結果>
図14に実験波形を示している。実験では(32)、(33)式の伝達関数を有するフィルタを使用している。また電圧フリッカ抑制ゲインである比例ゲインKP=53A/V、高調波拡大抑制ゲインKV=2A/Vとしている。
<Experimental result>
FIG. 14 shows experimental waveforms. In the experiment, a filter having a transfer function of equations (32) and (33) is used. Further, the proportional gain K P = 53 A / V and the harmonic expansion suppression gain K V = 2 A / V, which are voltage flicker suppression gains.
図14はフリッカ発生源の無効電流が遅れ5Aから進み5Aにステップ的に変化した場合であり、(a)は電圧フリッカ抑制装置を停止している場合である。この場合は電流フリッカの位相変化に伴ってd軸電圧ΔVdに約5Vの電圧変化が現れている。またd軸電圧ΔVd及びq軸電圧ΔVqには2次、6次の電圧高調波が含まれている。これは系統電圧の逆送電圧と5次、7次高調波成分によるものと考えられる。 FIG. 14 shows the case where the reactive current of the flicker generation source changes from the delay 5A to the advance 5A in a stepwise manner, and (a) shows the case where the voltage flicker suppressing device is stopped. In this case, the voltage change of about 5V to the d-axis voltage [Delta] V d with the phase change of the current flicker appearing. The d-axis voltage ΔVd and the q-axis voltage ΔVq include second-order and sixth-order voltage harmonics. This is considered to be due to the reverse voltage of the system voltage and the fifth and seventh harmonic components.
一方、(b)は電圧フリッカ抑制装置を動作した場合である。この場合はΔVdの電圧変化が抑制されている。またΔvqの6次高調波は抑制されているが、2次成分はほとんど低減していない。これは図13に示すように100Hz付近の抑制効果がほぼ0dBであるためである。 On the other hand, (b) shows a case where the voltage flicker suppressing device is operated. This voltage change [Delta] V d If is suppressed. Further, the sixth harmonic of Δv q is suppressed, but the second order component is hardly reduced. This is because the suppression effect in the vicinity of 100 Hz is almost 0 dB as shown in FIG.
図15乃至図17にフリッカ発生源の無効電流を正弦波状に±5A変動させて電圧フリッカを発生した場合の実験結果を示している。図15はフリッカ周波数ffを1Hzに、図16はフリッカ周波数ffを5Hzに、図17はフリッカ周波数ffを25Hzにそれぞれ設定した場合である。いずれの場合においても(a)電圧フリッカ抑制装置を停止している場合はΔVdに約5Vの電圧フリッカが現れているが、(b)電圧フリッカ抑制装置が動作した場合は電圧フリッカが約1/10に抑制されている。 FIGS. 15 to 17 show experimental results when voltage flicker is generated by changing the reactive current of the flicker generation source by ± 5 A in a sine wave form. 15 shows the case where the flicker frequency f f is set to 1 Hz, FIG. 16 shows the case where the flicker frequency f f is set to 5 Hz, and FIG. 17 shows the case where the flicker frequency f f is set to 25 Hz. In any case, (a) when the voltage flicker suppressing device is stopped, a voltage flicker of about 5 V appears in ΔVd, but (b) when the voltage flicker suppressing device is operated, the voltage flicker is about 1 / 10 is suppressed.
図18は電圧フリッカの測定結果である。フリッカ発生源で1〜25Hzの正弦波状電流フリッカを発生し、フーリエ変換により電圧フリッカ抑制装置動作前後のΔVampを求めた。実験では1〜10Hzの範囲で電圧フリッカを18dB低減している。また実験結果と前述の理論値の特性とはほぼ一致している。 FIG. 18 shows measurement results of voltage flicker. A sine wave current flicker of 1 to 25 Hz was generated from a flicker generation source, and ΔV amp before and after the operation of the voltage flicker suppression device was obtained by Fourier transform. In the experiment, the voltage flicker is reduced by 18 dB in the range of 1 to 10 Hz. Moreover, the experimental result and the characteristic of the above-mentioned theoretical value are almost in agreement.
以上の実施形態の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。 The above description of the embodiment is intended to facilitate understanding of the present invention and is not intended to limit the present invention. It goes without saying that the present invention can be changed and improved without departing from the gist thereof, and that the present invention includes equivalents thereof.
AF アクティブフィルタ
DL 配電線
L1〜L3 インダクタンス
v 設置点電圧
2 検出回路
3a d−q変換回路
3b ハイパスフィルタ
3c 高調波抑制ゲイン乗算部
3d,3e 加算部
3f d−q逆変換回路
3g 電圧振幅演算回路
3i 基本波無効電流指令演算回路
3j 直流電圧差演算部
3k 直流成分ゲイン乗算部
3p 基本波発生回路
4 主回路
4a 三相整合トランス
4b 三相リアクトル
4c 三相電圧型PWM変換器
4d 直流コンデンサ
3l 正負検出器
32 アップダウンカウンタ
33 ゲイン乗算部
34 PI制御器や位相補償、帯域制限などの伝達関数Gp
AF active filter DL distribution line L1-L3 inductance v
Claims (8)
前記電圧検出手段によって検出された前記設置点電圧vから補償電流指令値i* Cを生成する制御手段と、
前記補償電流指令値i* Cに応じて補償電流iCを制御する電流制御手段と
を有し、
前記制御手段は、
前記設置点電圧vの高調波成分vhを抽出する高調波抽出手段と、
前記高調波成分vhにゲインKvを乗じて高調波抑制電流指令値i* Chを生成する高調波抑制ゲイン乗算部と、
前記設置点電圧vの瞬時電圧振幅vampに基づいて、電圧フリッカを抑制するように基本波無効電流指令値i* Cfqを調整する基本波無効電流指令演算手段と、
前記高調波抑制電流指令値i* Chと前記基本波無効電流指令値i* Cfqから前記補償電流指令値i* Cを演算する電流演算手段と
を有し、
前記基本波無効電流指令演算手段は、
前記設置点電圧vの瞬時電圧振幅vampと系統電圧の基準値V* ampとの差から電圧フリッカを演算する電圧フリッカ演算手段と、
前記電圧フリッカ(V * amp −v amp )の正負を検出する正負検出手段と前記正負検出手段で検出した正/負の数に応じた値を出力する計数手段とを有し、前記計数手段の出力値をV * amp として出力するフィードバック制御手段と
を有することを特徴とするアクティブフィルタ。 Voltage detecting means for detecting an installation point voltage v which is a voltage at a connection point with the distribution line;
Control means for generating a compensation current command value i * C from the installation point voltage v detected by the voltage detection means;
Current control means for controlling the compensation current i C according to the compensation current command value i * C ,
The control means includes
Harmonic extraction means for extracting a harmonic component v h of the installation point voltage v;
A harmonic suppression gain multiplier that multiplies the harmonic component v h by a gain K v to generate a harmonic suppression current command value i * Ch ;
A fundamental wave reactive current command calculation means for adjusting a fundamental wave reactive current command value i * Cfq so as to suppress voltage flicker based on the instantaneous voltage amplitude v amp of the installation point voltage v;
Current calculation means for calculating the compensation current command value i * C from the harmonic suppression current command value i * Ch and the fundamental reactive current command value i * Cfq ;
The fundamental reactive current command calculation means is:
Voltage flicker calculation means for calculating voltage flicker from the difference between the instantaneous voltage amplitude v amp of the installation point voltage v and the reference value V * amp of the system voltage;
A positive / negative detecting means for detecting positive / negative of the voltage flicker (V * amp− v amp ) and a counting means for outputting a value corresponding to the positive / negative number detected by the positive / negative detecting means; An active filter comprising feedback control means for outputting an output value as V * amp .
前記基本波無効電流指令演算手段は、
前記電圧フリッカ(V* amp−vamp)に比例ゲインKPを乗じた値を生成する電圧補償ゲイン乗算部と、
PI制御器や位相補償、帯域制限などの伝達関数Gpにより前記基本波無効電流指令値i* Cfqを生成する基本波無効電流指令値演算手段と
をさらに有すること
を特徴とするアクティブフィルタ。 The active filter according to claim 1,
The fundamental reactive current command calculation means is:
A voltage compensation gain multiplier for generating a value obtained by multiplying the voltage flicker (V * amp− v amp ) by a proportional gain K P ;
PI control or phase compensation, further have a fundamental wave reactive current command value calculating means for generating the fundamental wave reactive current command value i * CFQ by the transfer function G p such bandlimited
Active filter characterized by
前記基本波無効電流指令演算手段は、ローパスフィルタを含むこと
を特徴とするアクティブフィルタ。 The active filter according to claim 1,
The fundamental filter reactive current command calculation means includes a low-pass filter.
前記高調波抽出手段は、ハイパスフィルタを含むこと
を特徴とするアクティブフィルタ。 The active filter according to claim 3,
The active filter, wherein the harmonic extraction means includes a high-pass filter.
前記電圧検出手段によって検出された前記設置点電圧vから補償電流指令値i* Cを生成する制御手段と、
前記補償電流指令値i* Cに応じて補償電流iCを制御する電流制御手段と
を有し、
前記制御手段は、
前記設置点電圧vの高調波成分vhを抽出する高調波抽出手段と、
前記高調波成分vhにゲインKvを乗じて高調波抑制電流指令値i* Chを生成する高調波抑制ゲイン乗算部と、
前記設置点電圧vの瞬時電圧振幅vampに基づいて、電圧フリッカを抑制するように基本波無効電流指令値i* Cfqを調整する基本波無効電流指令演算手段と、
前記高調波抑制電流指令値i* Chと前記基本波無効電流指令値i* Cfqから前記補償電流指令値i* Cを演算する電流演算手段と
を有し、
前記基本波無効電流指令演算手段は、
前記設置点電圧vの瞬時電圧振幅vampと系統電圧の基準値V* ampとの差から電圧フリッカを演算する電圧フリッカ演算手段と、
前記電圧フリッカ(V * amp −v amp )の正負を検出する正負検出手段と前記正負検出手段で検出した正/負の数に応じた値を出力する計数手段とを有し、前記計数手段の出力値をV * amp として出力するフィードバック制御手段と
を有してなるアクティブフィルタを配電線に接続することにより電圧フリッカを抑制する電圧フリッカ抑制方法。 Voltage detecting means for detecting an installation point voltage v which is a voltage at a connection point with the distribution line;
Control means for generating a compensation current command value i * C from the installation point voltage v detected by the voltage detection means;
Current control means for controlling the compensation current i C according to the compensation current command value i * C ,
The control means includes
Harmonic extraction means for extracting a harmonic component v h of the installation point voltage v;
A harmonic suppression gain multiplier that multiplies the harmonic component v h by a gain K v to generate a harmonic suppression current command value i * Ch ;
A fundamental wave reactive current command calculation means for adjusting a fundamental wave reactive current command value i * Cfq so as to suppress voltage flicker based on the instantaneous voltage amplitude v amp of the installation point voltage v;
Current calculation means for calculating the compensation current command value i * C from the harmonic suppression current command value i * Ch and the fundamental reactive current command value i * Cfq ;
The fundamental reactive current command calculation means is:
Voltage flicker calculation means for calculating voltage flicker from the difference between the instantaneous voltage amplitude v amp of the installation point voltage v and the reference value V * amp of the system voltage;
A positive / negative detecting means for detecting positive / negative of the voltage flicker (V * amp− v amp ) and a counting means for outputting a value corresponding to the positive / negative number detected by the positive / negative detecting means; A voltage flicker suppressing method for suppressing voltage flicker by connecting an active filter having feedback control means for outputting an output value as V * amp to a distribution line.
前記基本波無効電流指令演算手段は、
前記電圧フリッカ(V* amp−vamp)に比例ゲインKPを乗じた値を生成する電圧補償ゲイン乗算部と、
PI制御器や位相補償、帯域制限などの伝達関数Gpにより前記基本波無効電流指令値i* Cfqを生成する基本波無効電流指令値演算手段と
をさらに有すること
を特徴とする電圧フリッカ抑制方法。 The voltage flicker suppressing method according to claim 5,
The fundamental reactive current command calculation means is:
A voltage compensation gain multiplier for generating a value obtained by multiplying the voltage flicker (V * amp− v amp ) by a proportional gain K P ;
PI control or phase compensation, further have a fundamental wave reactive current command value calculating means for generating the fundamental wave reactive current command value i * CFQ by the transfer function G p such bandlimited
A voltage flicker suppression method characterized by the above.
前記基本波無効電流指令演算手段は、ローパスフィルタを含むこと
を特徴とする電圧フリッカ抑制方法。 The voltage flicker suppressing method according to claim 5,
The method for suppressing voltage flicker, wherein the fundamental wave reactive current command calculation means includes a low-pass filter.
前記高調波抽出手段は、ハイパスフィルタを含むこと
を特徴とする電圧フリッカ抑制方法。 The method for suppressing voltage flicker according to claim 7,
The harmonic extraction means includes a high-pass filter.
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