JP4373614B2 - 高調波抑制装置 - Google Patents
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Description
【従来の技術】
近年、例えば工場において同一の三相交流電源系統の受電側に単機大容量のサイリスタ変換装置を複数接続し、負荷に整流された直流電流を供給するシステムが構築されている。図11は工場の電力供給システムの一例を示し、電力は三相交流電源1から給電線2を介して工場内の需要設備3にそれぞれ供給される。需要設備3には、変圧器、サイリスタ整流器、定電流制御装置および負荷などがそれぞれ設けられている。サイリスタ整流器はその電力変換動作において高調波を発生し、このため給電線2に流れる交流電流には高調波電流を含むことになる。また、需要設備が複数個、同一の三相交流電源系統に接続されている場合は、各需要設備では独立した別個のサイリスタ制御が行われるため、各給電線に流れる交流電流はそれぞれ異なる大きさ、位相角の高調波電流を含むことになる。
【0002】
資源エネルギ庁は「高調波抑制ガイドライン」を作成し、高調波を発生する負荷を有する電力需要家の受電点(責任分岐点)における高調波規制の値を明確に示した。このため受電点における高調波電流の流出を抑えることが必須である。需要家系統において高調波抑制対策を施すほか、給電線に直接、高調波発生機器が接続される場合があるから、高調波LCフィルタ、電流検出方式の並列形アクティブフィルタ、電圧検出方式の並列形アクティブフィルタなどを組み合わせて需要家の責任分岐点での高調波電流の流出と高調波電圧歪みを抑制することが実用的である。
【0003】
また、図12に示すように、LCフィルタと2台の電圧形PWM(パルス幅変調)インバータを用いて高調波を抑制する装置は既に知られている。この装置は、2台のインバータAF1、AF2により構成し、整合変圧器を介して系統に接続する。電源と直列に接続したAF1は電源からの高調波電流の流入を阻止する。LCフィルタと直列に接続されたAF2は直流コンデンサ電圧の制御を行いながら、負荷が発生する高調波電流をLCフィルタに流し込む。
【0004】
【発明が解決しょうとする課題】
高調波LCフィルタ、電流検出方式の並列形アクティブフィルタ、電圧検出方式の並列形アクティブフィルタによる高調波抑制対策には次のような問題がある。高調波LCフィルタによる問題として、
(1)抑制原理が電源側とLCフィルタの高調波インピーダンスの分流によるため、高調波電流を受電点で完全に抑制することは困難である。
(2)複数の次数の亘って高調波を抑制するためには分路数を増やす必要がある。
(3)電源インピーダンスに含まれる容量性の要素により、電源系統の定数が変化した場合、高調波の拡大現象を引き起こすことがある。
(4)高調波LCフィルタの定数設定には、電力系統での反共振現象による高調波の拡大現象を十分検討する必要がある。
【0005】
電流検出方式の並列形アクティブフィルタによる問題として、
(1)電流検出点より負荷側に容量性負荷がある場合抑制動作が不安定となり、高調波拡大等の現象を生じる。
(2)アクティブフィルタのコストは高く、大容量ではその差は更に大きくなる。
電圧検出方式の並列形アクティブフィルタによる問題として、
(1)アクティブフィルタの容量は発生する高調波容量相当が必要になる。
(2)動作原理が電圧検出であるため高調波電流をほぼ完全に制御することは難しい。
【0006】
また、図12に示す装置は、高調波抑制のために複数のLCフィルタを使用する必要があり、上記LCフィルタによる問題点が依然として解決できなかった。さらに、電力系統の条件と高調波抑制効果の関係、直列形アクティブフィルタのゲインと高調波抑制効果の関係等については不明であり、この種の装置を実際に電力系統に配置して、大きな高調波抑制効果を得るように運用するためにはさらに実験を積み重ねる必要があった。
【0007】
この発明は、上述の高調波LCフィルタ、電流検出方式の並列形アクティブフィルタ、電圧検出方式の並列形アクティブフィルタ、図7に示す装置から生じる問題を解決する高調波電流抑制装置を提供することである。
この発明の主要な目的は、「電源側と負荷側の高調波電流の潮流」と「受電点(需要家単位の責任分岐点)における高調波電圧歪み」を抑制且つ補償できる新規な構成の高調波電流抑制装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の高調波抑制装置は、交流電源に直列に接続され、該交流電源側の電流を検出し、該検出電流を第1の補償ゲインで乗算して第1の補償高調波電圧を生成し、該補償高調波電圧を前記交流電源側の給電線に重畳する、第1の直列形アクティブフィルタと、高調波発生負荷側に且つ該高調波発生負荷に並列に単独に接続された進相コンデンサと、進相コンデンサと直列に接続され、前記給電線の電圧を検出し、該検出電圧を第2の補償ゲインで乗算して第2の補償高調波電圧を生成し、該補償高調波電圧を前記進相コンデンサに対して重畳する、第2の直列形アクティブフィルタと、を備えている。
また本発明の高調波装置の一実施態様によれば、第1の補償ゲインはほぼ500以上であり、第2の補償ゲインはほぼ500以上に設定される。また好ましくは、電源側の基本波インピーダンスに対する進相コンデンサの基本波インピーダンスの比は、ほぼ200以上である。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好適な一実施形態について説明する。図1は、電源12から高調波負荷へ電力を供給する給電システムに設けられた高調波抑制装置11の原理を説明する回路図を示し、説明を簡単にするために三相の電力供給システムのうち一相分のみを例示している。ここで、定常状態において対象となるのは、通常、ひずみ波対象三相交流であるから、直流、偶数調波および電力系統にあるΔ巻線を還流する3倍数高調波は存在しない。従って、発生理論高調波次数nは、n=6m±1(m=1、2、3…)である。なお、本発明は、発生する高調波次数nが如何なる場合においても対処できる。
【0010】
図1において、電源12のインピーダンスがZS(n)(ベクトル値)として、負荷電流がIL(n)(ベクトル値)として示されている。高調波抑制装置11は、電源12側に接続された電流検出方式の第1の直列形アクティブフィルタ13と、高調波負荷に並列に接続された進相コンデンサ14に直列に接続された電圧検出方式の第2の直列形アクティブフィルタ15とから構成されている。進相コンデンサ14は高調波負荷に並列に単独で接続されている。なお「単独」は、容量以外の誘導子等の素子の接続を含まない趣旨であり、接続される容量の大きさまたは数を限定するものではない。
【0011】
第1の直列形アクティブフィルタ13は、電源12側に流れる電流Iso(n)(ベクトル値)の電流検出を行い、電源系統からの高調波電流を負荷側へ潮流させないように、また負荷側の高調波電流を電源側へ潮流させないように高調波アイソレータとして動作する。第2の直列形アクティブフィルタ15は、給電線の電圧Vc(n)(ベクトル値)を検出し、直列形LCフィルタのリアクトルと同様に動作する。即ち、あたかも複数の同調(LC)形分路が存在するように進相コンデンサ14との組合わせとして動作する。
【0012】
図2は、電流検出方式の第1の直列形アクティブフィルタ13の概略回路図である。この直列形アクティブフィルタの構成は周知であり、市販された製品を使用しているので詳細な説明は省略する。変流器CTiから検出された電流Is(n)は制御回路21に与えられ、ここで基本波電流と高調波電流に分けられる。補償すべき高調波電圧が決定され、ゲインKsが選択されて制御信号に従ってPWMインバータ22を制御し、高調波補償電圧Vsc(n)=Is(n)・Ks(n)を生成し変圧器Trsを介して印加する。
【0013】
図3は、電圧検出方式の第2の直列形アクティブフィルタ15の概略回路図である。この直列形アクティブフィルタの構成はまた周知であり、市販された製品を使用しているので詳細な説明は省略する。変成器PTvから検出された電圧は制御回路23に与えられ、ここで基本波電圧と高調波電圧に分けられる。補償すべき高調波電圧が決定され、ゲインKcが選択されて制御信号に従ってPWMインバータ24を制御し、高調波補償電圧Vcc(n)=−Vc(n)・Kc(n)を生成し変圧器Trcを介して進相コンデンサ14に対して重畳する。第1と第2の直列形アクティブフィルタは、基本波において各インピーダンスが共に零になるように制御される。
【0014】
次に、図4から図6を参照して図1に示す高調波抑制装置の高調波抑制原理について説明する。図4は図1の等価回路を、図5は基本波成分(n=1)の等価回路を、図6は高調波成分の(n>1)の等価回路をそれぞれ示している。図5の基本波成分等価回路において第1と第2の直列形アクティブフィルタは、インピーダンス零に制御されるから図示されていない。一方、図6の高調波成分の等価回路には第1の直列形アクティブフィルタ13のインピーダンスZs(n)(ベクトル値)と第2の直列形アクティブフィルタ15のインピーダンスZcc(n)(ベクトル値)が図示されている。図4において、負荷側の高調波電流IL(n)(ベクトル値)は進相コンデンサ14への電流Ic(n)と電源2側の電流Is(n)(ベクトル値)に分流する。電源側の電流Is(n)は、
【数1】
Is(n)=IL(n)・(Zc(n)−Vcc(n)/Ic(n))/{(Zs(n)+ Vsc(n)/Is(n))+(Zc(n)−Vcc(n)/Ic(n))} (1)
(1)式の分子は、Kc≫0のとき、
【数2】
Zc(n)−Vcc(n)/Ic(n)≒0 (2)
また(1)式の分母第1項はKc≫0のとき、
【数3】
Zs(n)+Vsc(n)/Is(n)≫0 (3)
従って、Kc≫0かつKs≫0のときIs(n)≒0となり、負荷側の高調波電流IL(n)は電源側へほとんど流出しない。
【0015】
図6において、第1の直列形アクティブフィルタ13にインピィーダンスは、
【数4】
Ks(n)=Vsc(n)/Is(n) [Ω] (4)
ここで、インピィーダンスKs(n)(ベクトル値)は、電源インピィーダンスZs(n)(ベクトル値)より十分大きくすれば電源側の高調波電流Is(n)は負荷側に流出しない。即ち、
【数5】
|Ks(n)|≫|Zs(n)| (5)
を満足すれば良い。
【0016】
次に受電点の高調波電圧歪補償について説明する。進相コンデンサ14のインピィーダンスZc(n)と第2の直列形アクティブフィルタ15のインピーダンスZcc(n)は、
【数6】
Zc(n)=−jXc(n) (6)
Zcc(n)=jXc(n) (7)
となる。従って、コンデンサ分路の高調波インピーダンスは、
【数7】
Zc(n)+Zcc(n)≒0 (8)
負荷側の電流IL(n)は次式となり、式(11)に示すように電源側にはほとんど流出しない。
【数8】
Ks(n)≫(Zc(n)+Zcc(n)) (9)
IL(n)≒Ic(n) (10)
Is(n)≒0 (11)
従って、n>1のとき、受電点(第1の直列形アクティブフィルタ13の負荷側)において次式に示すように高調波電圧はほとんど発生しない。
【数9】
Vc(n)=Ic(n)(Zc(n)+Zcc(n))≒0 (12)
第1の直列形アクティブフィルタ13の電圧Vs(n)は電源側高調波電流Ish(n)(ベクトル値)と電源インピーダンスZc(n)の積によって高調波電圧歪を生じる。従って、電源側電圧Vs(n)と受電点電圧Vc(n)の高調波電圧歪の電位差は、
【数10】
Vs(n)−Vc(n)=Is(n)・Ks(n) (13)
となり、第1の直列形アクティブフィルタ13により分担することになる。
なお、(1)〜(13)式の各記号は全てベクトルである。
【0017】
力率改善について述べると、基本波成分n=1では図5に示すようにZc(n)のみとなり、(6)式に示す−jXc(n)に見合った進み無効電流を取ることができる。このため基本波における力率改善に効果がある。
また、直列リアクトルのない任意の容量の進相コンデンサを別途に負荷側に接続しても高調波電流はほとんど流入しない。これは高調波成分n>1において、図6に示すコンデンサ分路のインピーダンスは式(8)に示すように零になるため、コンデンサ分路に流れる。
【0018】
第2の直列形アクティブフィルタ15のインバータの高調波補償容量Pcは、インバータ両端の高調波電圧VINVc(n)(ベクトル値)と負荷側の高調波電流IL(n)の積によって決まり、次式になる。
【数11】
式(14)および(15)から進相コンデンサ14の容量が大きいほど高調波補償容量Pcは小さくなる。また、第1の直列形アクティブフィルタ13のインバータの高調波補償容量Psは、インバータ両端の高調波電圧VINVS(n)(ベクトル値)と負荷側の高調波電流IS(n)の積によって決まり、次式になる。
【数12】
(11)式に示すように高調波電流IS(n)はほぼ零になるからインバータの高調波補償容量Psはほぼ零になる。
【0019】
次に本発明の高調波抑制装置のシステム特性を調べるためコンピュータ・シミュレーションを実行した。システム特性の導くことが本趣旨であるため具体的数値の詳細は省略している。想定したシステムモデルは、日本国内で最も多くの需要家を有する三相6,600[V]系統において、電源側に高調波負荷電流ISh(n)(2,000KW、力率0.8)が存在し5〜25次の高調波電流が発生していると仮定した。負荷側に高調波負荷PLが2,000[kW]、遅れ力率0.8で高調波電流を発生しており、進相コンデンサ14の基本波容量を1,500[kVar]が存在すると仮定した。この容量は、負荷2,000[kW]、遅れ力率0.8が受電点において力率1.0になる容量であるからである。
【0020】
高調波抑制効果に関係するパラメータとして、第1と第2の直列形アクティブフィルタ13と15のゲインKsとKc、基本波の電源側インピーダンスZS(1)と進相コンデンサZC(1)の比ZC(1)/ZS(1)を用いた。進相コンデンサ14の基本波の容量は固定されているため、電源側インピーダンスZS(1)を変化させ、比ZC(1)/ZS(1)は20〜1,000とした。また、ゲインKsとKcは各々50〜5,000まで変化させた。
【0021】
図7は、電源への流出総合高調波電流ΣIS(n)を示している。図7から次のことがわかる。
(1)上記比ZC(1)/ZS(1)、ゲインKs、Kcは何れも大きい方が電源への流出高調波電流ΣIS(n)は小さく抑えられる。
ゲインKs、Kcをいずれもほぼ500以上にすれば比ZC(1)/ZS(1)が20以上で電源への流出総合高調波電流ΣIS(n)を0.05[A]以下に抑えられる。
(2)ゲインKs、Kcをいずれもほぼ500以上且つZC(1)/ZS(1)をほぼ200以上にすれば電源への流出総合高調波電流ΣIS(n)を0.005[A]以下に抑えられる。
【0022】
図8は、電源の総合高調波電圧歪み率ΣΔVS(n)を示している。図8から、次のことが分かる。
(1)電源の総合高調波電圧歪み率ΣΔVS(n)は、ゲインKs、Kcに関係なく、比ZC(1)/ZS(1)に関係している。特に、比ZC(1)/ZS(1)が200以下ではその傾向が顕著である。
図9は、負荷側の総合高調波電圧歪み率ΣΔVc(n)を示している。図9から、次のことが分かる。
(1)負荷側の総合高調波電圧歪み率ΣΔVc(n)は、ゲインKs、Kcに関係なく、比ZC(1)/ZS(1)に関係している。特に、比ZC(1)/ZS(1)が200以下ではその傾向が顕著である。
(2)第2の直列形アクティブフィルタ15のゲインKcの影響を受ける。
【0023】
図10は、第1の直列形アクティブフィルタ13の補償総合高調波電圧ΣVIN VS(n)を示す。図10から、次のことが分かる。
(1)第1の直列形アクティブフィルタ13の補償総合高調波電圧ΣVINVS (n)は、ゲインKs、Kcに関係なく、比ZC(1)/ZS(1)に関係している。 特に、比ZC(1)/ZS(1)が200以下ではその傾向が顕著である
【0024】
上述の他、次のことが分かった。
(1)第2の直列形アクティブフィルタ15の流出総合高調波電流ΣIc(n)はゲインKs、Kc、比ZC(1)/ZS(1)の影響を受けずほぼ一定である。
(2)第2の直列形アクティブフィルタ15の補償総合高調波電圧ΣVINVc(n)は、ゲインKs、Kc、比ZC(1)/ZS(1)の影響を受けずほぼ一定である。これは高調波負荷電流IL(n)がほとんど第2の直列形アクティブフィルタ15側に流入しているからである(式(8))。
(3)第1の直列形アクティブフィルタ13の高調波補償容量は電源系統の条件が変化しても大きく変わることなく、進相コンデンサ14の数パーセントで良い。
【0025】
上述のシミュレーションの結果を考察することにより高調波抑制システムの設計条件に関し次の結論が得られる。
(1)基本波の電源側インピーダンスZS(1)と進相コンデンサZC(1)の比ZC(1)/ZS(1)は、電源への流出高調波電流ΣIS(n)、第1の直列形アクティブフィルタ13の補償総合高調波電圧ΣVINVS(n)、電源の総合高調波電圧歪み率ΣΔVS(n)、負荷側の総合高調波電圧歪み率ΣΔVc(n)等から、ほぼ200以上が好ましい。また、第1の直列形アクティブフィルタ13の容量についても、補償総合高調波電圧ΣVINVS(n)が低く抑えられる比ZC(1)/ZS(1)であるほぼ200以上が好ましい。しかし、比ZC(1)/ZS(1)がほぼ200以下であってもゲインKcを大きく、第1の直列形アクティブフィルタ13の容量を比較的大きくし、電源側インピーダンスZS(1)の大きな系統であっても、流出高調波電流ΣIS(n)と負荷側の総合高調波電圧歪み率ΣΔVc(n)を低く抑えることができる。
(2)第1の直列形アクティブフィルタ13のゲインKsは、電源への流出高調波電流ΣIS(n)の抑制効果のためにはほぼ500以上が好ましい。特に、比ZC(1)/ZS(1)がほぼ200以下においてはゲインKsは大きい方が効果的である。
(3)第2の直列形アクティブフィルタ15のゲインKcは、負荷側の総合高調波電圧ΣVc(n)の抑制効果のためにはほぼ500以上が好ましい。
【0026】
上述のシミュレーションでは、日本国内の需要設備の多くを有する三相6.6kV高圧配電系統を対象とした。しかし、本高調波抑制システムは7,000[V]を超える特別高圧の電力系統、また低圧回路においても上述のシミュレーションの結果および考察は適用することができる。
【0027】
【発明の効果】
本発明の高調波抑制装置によれば、電源側と負荷側との高調波電流の潮流を制御可能であり、電源系統の高調波インピーダンスと高調波電流の積によって生じる受電点の高調波歪を補償することができる。また、受動素子にLCフィルタを用いることなく、進相コンデンサのみを用いているので、力率改善を兼ねることができ、任意の容量の進相コンデンサを負荷側に追加しても、追加した進相コンデンサには高調波電流は流入しない。
【0028】
電源側の基本波インピーダンスに対する進相コンデンサの基本波インピーダンスの比をほぼ200以上にすると、高調波抑制効果は著しく向上し、第1の直列形アクティブフィルタの容量は低く抑えられる。また、第1および第2の直列形アクティブフィルタの各ゲインはほぼ500以上にすると、高調波抑制効果は著しい。
本発明の高調波抑制装置は、電源系統と負荷側の高調波を抑制できること、進相容量を負荷側へ供給できることが大きな特徴である。従って、激しい負荷変動と無効電力の時間的変化を伴う高調波電流対策が要求されるリニア新幹線用電源の高調波対策等に提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高調波装置の原理を説明する概略回路図ある。
【図2】第1の直列形アクティブフィルタの概略回路構成図である。
【図3】第2の直列形アクティブフィルタの概略回路構成図である。
【図4】高調波抑制システムの等価回路図である。
【図5】基本波成分の等価回路である。
【図6】高調波成分の等価回路である。
【図7】電源への流出総合高調波電流ΣIS(n)特性を示す図である。
【図8】電源への総合高調波電圧歪み率ΣΔVS(n)特性を示す図である。
【図9】負荷側の総合高調波電圧歪み率ΣΔVc(n)特性を示す図である。
【図10】第1の直列形アクティブフィルタの総合高調波電圧ΣVINVS(n)特性を示す図である。
【図11】従来の電力供給システムの概略構成図である。
【図12】従来の2台の電圧形PWMインバータを使用する高調波抑制システムの概略構成図である。
【符号の説明】
11 高調波抑制装置
12 電源
13 第1の直列形アクティブフィルタ
14 進相コンデンサ
15 第2の直列形アクティブフィルタ
Claims (4)
- 交流電源と該交流電源に給電線により接続された高調波発生負荷とを含む電力系における高調波を抑制する高調波抑制装置であって、
前記交流電源に直列に接続され、該交流電源側の電流を検出し、該検出電流を第1の補償ゲインで乗算して第1の補償高調波電圧を生成し、該補償高調波電圧を前記交流電源側の給電線に重畳する、第1の直列形アクティブフィルタと、
前記高調波発生負荷側に且つ該高調波発生負荷に並列に単独に接続された進相コンデンサと、
前記進相コンデンサと直列に接続され、前記給電線の電圧を検出し、該検出電圧を第2の補償ゲインで乗算して第2の補償高調波電圧を生成し、該補償高調波電圧を前記進相コンデンサに対して重畳する、第2の直列形アクティブフィルタと、
を備えた高調波抑制装置。 - 前記第1の補償ゲインはほぼ500以上であり、前記第2の補償ゲインはほぼ500以上である、請求項1に記載の高調波抑制装置。
- 前記電源側の基本波インピーダンスに対する前記進相コンデンサの基本波インピーダンスの比は、ほぼ200以上である、請求項1または2に記載の高調波抑制装置。
- 前記第1の直列形アクティブフィルタは、電流検出器と、第1のインバータ回路と、検出電流から第1の補償ゲインを求めて前記第1のインバータ回路をパルス幅変調制御して前記第1の補償高調波電圧を生成する第1の制御回路と、前記第1の補償高調波電圧を前記交流側の給電線に印加する第1の変圧器とを含み、
前記第2の直列形アクティブフィルタは、電圧検出器と、第2のインバータ回路と、検出電圧から第2の補償ゲインを求めて前記第2のインバータ回路をパルス幅変調制御して前記第2の補償高調波電圧を生成する第2の制御回路と、前記第2の補償高調波電圧を前記進相コンデンサに対して印加する第2の変圧器とを含む、請求項1から3のいずれかに記載の高調波抑制装置。
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