JP4497085B2 - 瞬時電圧低下補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統の事故等によって発生する瞬時電圧低下補償に係り、特に簡単な構成で高速にて補償する瞬時電圧低下補償装置に関するものである。

電力系統側でのギャロピング、スリートジャンプ、雷による逆フラッシュオーバー等の事故で発生する電力系統の瞬時電圧低下を補償するための装置として、図１０で示すような直列補償方式が知られている。同図において、１は交流電源、２は変圧器で、負荷４に合わせた容量を有している。３は直列変圧器で、その二次巻線は変圧器２と負荷４と直列に接続されている。５は直流電源で電解コンデンサ、蓄電池、電気二重層キャパシタ等が使用される。６はインバータ、７はインダクタンスで、インバータ６において生成された電圧はこのインダクタンスを通って直列変圧器３の一次巻線に印加される。８は負荷電流を検出するための計器用変流器、９は計器用変圧器で、この計器用変圧器と変流器によって検出された電力系統の電圧、電流は図示省略されたインバータの制御回路に出力される。１０は半導体素子を逆並列接続して構成した高速スイッチで、変圧器３の二次巻線とは並列状態に接続され、電力系統の正常時にはオン状態を維持してこのスイッチを介して負荷４に電力が供給される。
図１０で示す瞬時電圧低下補償装置は、電源の正常時には高速スイッチを介して負荷に給電する。何らかの理由により電源電圧が低下したことをインバータの制御回路が検出すると、この制御回路は高速スイッチ１０を開路すると共に、計器用変流器８及び変圧器９によって検出した電流、電圧に基づきインバータ６を制御し、電源電圧の低下量に見合った電圧をインバータ６より発生させ、直列変圧器３の一次巻線に重畳させることで負荷電圧を所定値に保つ。なお、インバータの電源は、直流電源５に蓄えられたエネルギーから供給される。

このような瞬時電圧低下補償装置を介して系統電圧を補償するものとしては、特許文献１や特許文献２等が公知となっている。各特許文献のものは、系統電圧が正常の場合にはサイリスタで構成された高速スイッチを介して負荷に給電し、系統電圧の瞬時電圧低下を検出すると、インバータが電圧を発生させることによりサイリスタに流れていた電流をインバータ側に転流させる。
特許第２７７３２１４号公報 実用新案登録第２５７８８０２号公報

従来の瞬時電圧低下補償装置においては、常時は逆並列接続されたサイリスタを介して負荷に通電している。このため、インバータ５の制御回路としては計器用変流器８によって検出された負荷電流の方向を監視し、通電している高速スイッチ１０のサイリスタを直列変圧器側へ強制転流する向きにインバータ電圧を発生させるよう制御している。しかし、負荷電流は交流電流であり、その電流が小さいゼロ電流付近では電流の向きを判別することが困難となり、電流向きの検出誤りが発生して、図１１で示すように導通しているサイリスタに対して順方向になるインバータ電圧を発生させて短絡現象が生じる問題点を有している。このような短絡現象を防止する技術は、上記した各特許文献にも開示されているが、これら従来のものは、強制転流するまでの時間が長く、高速な電圧補償を必要とする装置については不満足なものとなっている。

すなわち、図１２（ａ）で示す負荷電流のように、サイリスタ１０Ｂが導通していて電源１から負荷４側の向きに電流が流れている状態の時刻ｔ1で、上述の理由により電流の向きを負荷４側から電源１側に流れていると誤って検出したとする。この場合、制御装置はサイリスタ１０Ａを消弧させようと作用するため、インバータ６の出力電圧がＡ点に対してＢ点が正になるような電圧を発生させる。しかし、導通しているサイリスタは１０Ｂであるため、サイリスタＢに流れる電流は増大し、図１２（ｂ）で示すように時刻ｔ2でインバータ６には過電流が流れ、ここで制御装置は電圧発生の向きが逆であると判断する。その結果、制御装置はインバータ電圧がＢ点に対してＡ点が正になるような電圧を発生させてサイリスタ１０Ｂを消弧させ、負荷電流をインバータ側に転流させる。この転流が終了した時刻がｔ3であり、瞬時電圧低下補償装置として補償電圧を発生するのは図１２（ｃ）で示す時刻ｔ3からとなる。つまり、補償電圧を発生させるまでの時間がｔ３−ｔ１時間を要することになる。
そこで本発明が目的とするところは、高速にて電圧補償を可能とした瞬時電圧低下補償装置を提供することにある。

本発明の第１は、電力系統に直列変圧器の二次側巻線を接続し、この二次側巻線と並列に双方向流通可能に構成された半導体スイッチを接続し、且つ直列変圧器の一次側にインバータを接続し、電力系統の瞬時電圧低下を補償する瞬時電圧低下補償装置において、
前記半導体スイッチを自己消弧形素子で構成し、前記電力系統の電圧を導入して電圧低下を検出する電圧検出部と、前記電力系統の電圧を導入して補償電圧を発生するインバータ補償電圧発生部と、前記電圧検出部の出力信号とインバータ補償電圧発生部からの出力電圧に基づいてＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部を設けると共に、
前記半導体スイッチを流れる負荷電流を検出する計器用変流器を設け、検出された負荷電流の向きと電流レベルをそれぞれ判定する向き判定部、及び電流レベル判定部と、各判定部からの判定信号と前記電圧検出部から入力された信号に基づき前記半導体スイッチの負荷電流の流れていないスイッチ素子に対してオフ信号を出力し、導通しているスイッチ素子に対してはオン信号を継続したまま前記インバータ補償電圧発生部からの信号をインバータに出力するよう制御する制御回路を備えたことを特徴としたものである。

本発明の第２は、電力系統に直列変圧器の二次側巻線を接続し、この二次側巻線と並列に双方向流通可能に構成された半導体スイッチを接続し、且つ直列変圧器の一次側にインバータを接続し、電力系統の瞬時電圧低下を補償する瞬時電圧低下補償装置において、
前記半導体スイッチを自己消弧形素子で構成し、前記電力系統の電圧を導入して電圧低下を検出する電圧検出部と、前記電力系統の電圧を導入して補償電圧を発生するインバータ補償電圧発生部と、前記電圧検出部の出力信号とインバータ補償電圧発生部からの出力電圧に基づいてＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部設けると共に、
負荷電流を入力して電流の向きを判定する向き判定部、負荷電流の電流レベルを判定する電流レベル判定部、及び前記各判定部からの判定信号と前記電圧検出部からの検出信号をそれぞれ入力演算して前記半導体スイッチのオフ信号を出力する制御回路を設け、この制御回路は、装置の既知回路定数と直流電圧値から転流動作によって流れるインバータ電流を算出し、算出電流が十分に小さい値になったと判断したタイミングで前記半導体スイッチに対するオフ信号を発生させ、
且つこの制御回路によるオフ信号出力時に前記インバータ補償電圧発生部からの信号をインバータに出力するよう制御するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明の第３は、前記制御回路が発生するオフ信号の転流動作終了タイミング時間ｔ1は、次式によって求めることを特徴としたものである。
ｔ1＝−Ｌ／Ｒ・Ｉｎ（１−ＩＬ０Ｒ／Ｅ）
ただし、Ｅ：インバータの直流電圧、Ｌ：インバータの回路インダクタンスと直列変圧器のインダクタンスとの和の値、Ｒ：インバータの回路抵抗と直列変圧器の抵抗値との和、ＩＬ０：転流開始前の負荷電流

本発明の第４は、前記制御回路は、前記半導体スイッチに流れる電流が十分に減少するまでの時間を予め定め、既知のインバータ回路のインダクタンス、キャパシタンス、及び抵抗からインバータの出力すべき電圧を演算し、前記定められた時間経過後に半導体スイッチをオフすることを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、直列変圧器と並列に接続された半導体スイッチが自己消弧形素子で構成されているので、補償開始時にインバータ過電流など転流失敗の虞がなく、確実に切り替えができる、また、電流が流れている状態でも電流を切断することが可能となる。半導体スイッチのオフによって電流は電源から直列変圧器を通して負荷に流れることになる。このとき、直列変圧器にはインピーダンスがあるため急激な電流変化により直列変圧器の両端には電圧が生じ、結果として負荷電圧が低下し、そのままでは高速な切り替えを行うことができない。本発明では、予めインバータで直列変圧器に負荷電流と同等の電流を流し、半導体スイッチに流れる少なくする強制転流を行うことで、高速かつ確実に
切り替えを行うことができる。

図１は本発明の第１の実施例を示す制御装置の構成図を示したものである。また、図２〜図５は本発明を構成する主回路である。すなわち、本発明は、半導体スイッチとして自己消弧形の半導体素子が使用されるもので、図２は単体の自己消弧形素子としてＧＴＯを使用した場合を示したものである。同図において、１２はＧＴＯ、１３はスナバ回路で、ダイオードＤ，コンデンサＣ，及び抵抗ＲよりなってＧＴＯと並列に接続されて単体のスイッチ体１１が構成される。図２では自己消弧形の半導体素子としてＧＴＯを用いたが、ＩＧＢＴ等でもよいことは勿論である。

図３は半導体スイッチ１４を示したもので、図２で示すスイッチ体１１を逆並列に接続し、更には必要によりアレスタＬＡが並列に接続されて半導体スイッチ１４が構成されて図１０の半導体スイッチ１０の代わりとして使用される。図４は回路電圧が大きい場合の適用例で、半導体スイッチ１４が複数個直列に接続され、その直列体と並列にアレスタＬＡが接続される。Ｒ1〜Ｒｎは抵抗で、半導体スイッチ１４がオフになった時の電圧分担を等しくするための分圧抵抗である。
また、図５は定格電流が大きい場合の適用例で、複数の半導体スイッチ１４とアレスタＬＡとが並列に構成されている。瞬時電圧低下補償装置としての他の主回路については図１０と同様に構成される。

図１は、瞬時電圧低下補償装置の半導体スイッチが図３のように構成された場合の制御装置２０の構成図である。同図において、２１は電圧検出部で、計器用変圧器６の二次電圧を導入して瞬時電圧低下を検出する。２２はＧＴＯやＩＧＢＴ等の自己消弧形素子の制御部で、半導体スイッチ１４に対してオフ信号を出力する。２３はインバータ補償電圧発生回路で、このインバータ補償電圧発生回路２３は、計器用変圧器６の二次電圧を導入して基準波形を発生する基準波形発生部２３ａと、この発生部２３ａの出力と計器用変圧器６の二次電圧出力との偏差信号を導入して補償電圧信号を発生する補償電圧信号部２３ｂを有している。２４はＰＷＭ信号生成するためのＰＷＭ信号発生部で、補償電圧信号部２３ｂからの信号と電圧検出部からの信号に基づいてＰＷＭ信号が生成されてゲート回路２５を介してインバータ６のスイッチング素子のゲートに出力される。
上記のように構成されたものにおいて、計器用変圧器９によって検出された値がしきい値より高く、電源電圧が正常時の場合には半導体スイッチ１４はオン状態となっており、このスイッチ１４を介して負荷に給電する。何らかの理由によって電源電圧が瞬時低下すると、計器用変圧器９を介して電圧検出部２１はこれを検出し制御部２２に出力する。制御部２２は入力された検出値と予め設定されたしきい値との偏差演算がなされ、比較される。その結果、瞬時電圧低下と判断されたときには半導体スイッチ１４を開路する。
一方、計器用変圧器６の二次電圧は基準波形発生部２３ａにも印加され、入力電圧に応じた電圧を発生し、加算部において計器用変圧器９の出力との偏差が得た後に補償電圧信号発生部２３ｂに出力される。補償電圧信号発生部２３ｂは入力信号に対応した補償信号を生成してＰＷＭ信号発生部２４に出力する。このＰＷＭ信号発生部２４には電圧検出部２１からの検出信号が入力されており、この検出信号と補償電圧信号に基づいてＰＷＭ信号を生成してインバータのゲート回路に出力する。したがって、インバータ６からは電源電圧の低下量に見合った電圧が直列変圧器３の一次巻線を介して二次巻線に重畳させることで負荷電圧を所定値に維持する。

したがって、この実施例によれば、直列変圧器３と並列に接続される半導体スイッチ１４に自己消弧形素子を使用したことによって、負荷電流の向きに拘わらず半導体スイッチをオフとして負荷電流を遮断することができるため、インバータは直ちに補償電圧を発生することができ、負荷電圧は途中で途切れることのない交流波形が得られる。

図６は第２の実施例を示す制御装置の構成図である。この制御装置は、図７で示すように半導体スイッチ１４を流れる電流の向きを検出するための計器用変流器１５が設置された場合の実施例である。図６において、２６は負荷電流の流れ方向を判別する向き判定部で、計器用変流器１５によって検出された電流が入力される。２７は電流レベル判定部で、半導体スイッチ１４を流れる電流のレベルが判定される。２８は制御回路で、この制御回路２８には向き判定部２６からの信号と電流レベル判定部２７、及び電圧検出部２１からの電流、電圧の各値が入力される。２９は切替部である。

図６の実施例において瞬時電圧低下時には、第１の実施例と同様に計器用変圧器９を介して電圧検出部２１はこれを検出し、電圧が低下したことを制御回路２８に連絡する。この時、制御回路２８には向き判定部２６、及び電流レベル判定部２７を介して半導体スイッチ１４を流れる電流の向き信号とその大きさが入力されており、それらが負荷電流の向きを誤りなく検出できる程度に大きい場合には、制御回路２８は、直ちに半導体スイッチ１４を構成するスイッチ体１１の電流の流れていない側のスイッチ体１１に対して自己消弧形素子制御部２２を介して当該素子のゲート信号をオフにすると共に、通電している向きのスイッチ体１１のゲート信号はオン状態のままとして切替部２９を制御回路２８側に切り替える。これにより、半導体スイッチ１４を流れる電流は、制御回路２８から出力される信号で制御されたインバータ電圧によって強制転流され、その電流が十分に減少した時点を電流レベル判定部２７によって判定されると、スイッチ体１１に対してオフ指令を出力し、ほぼ同時に切替部２９はインバータ補償電圧発生部２３側に切り替える。この切り替え時には、半導体スイッチを流れていた電流は、この半導体スイッチがオフしたことによって電流は電源から直列変圧器を通して負荷に流れることになる。直列変圧器にはインピーダンスがあるため急激な電流変化により直列変圧器の両端には電圧が生じ、結果として負荷電圧が低下し、そのままでは図１２（ｃ）で示すように負荷電圧に電圧歪みが発生してしまう。しかし、本発明では、予めインバータで直列変圧器に負荷電流と同等の電流を流し、半導体スイッチに流れる少なくする強制転流を行うことで、補償開始時の負荷電圧の電圧歪みの小さい電圧波形とすることができる。

インバータ補償電圧発生部２３は第１の実施例と同様に構成されているので、入力された電圧に応じた補償電圧を発生し、図示省略されたＰＷＭ信号発生部を介してインバータを構成する素子のゲート信号として出力し、インバータ６からは電源電圧の低下量に見合った電圧を発生し、直列変圧器３の二次巻線にはインバータからの電圧を重畳させることで負荷電圧を所定値に維持する。
なお、制御回路２８は、前述した動作時において負荷電流が少ない場合には、半導体スイッチ１４の導通状態に関わりなく自己消弧形素子制御部２２を介して半導体スイッチのゲート信号をオフさせて負荷電流をオフ状態とする。

この実施例によれば、補償開始時にインバータに電流を発生させることなく高速で確実に切替えが可能となると共に、図８で示すように負荷電圧の振動を抑制した切替制御が可能となるものである。

図９は第３の実施例を示す制御装置の構成図で、図６で示す第２の実施例との相違点は、制御回路２８にタイミング演算部２８ａと対照部２８ｂを設けた点と、電流検出を計器用変流器１５に代えて計器用変流器８から得るようにしたことで、他は同様である。タイミング演算部２８ａは、半導体スイッチ１４を流れる電流が、直列変圧器側にインバータ電圧を印加させる転流動作によって十分に小さくなったタイミングを演算するもので、装置における既知の定数であるインダクタンス値、抵抗値、及び回路の直流電圧値から電流値を演算する。対照部２８ｂは、ＲＯＭ等のテーブルよりなっており、電流値を変数として予め求めてテーブルとして格納されている。タイミング演算部２８ａはその演算時においてテーブルを参照し、電流が略転流し終わったタイミングを判断して自己消弧形素子制御部２２に対してゲート信号のオフを指令する。

タイミング演算部２８ａによる転流終了のタイミング演算は次式のようにして実行される。

Ｅ＝Ｌｄｉ（ｔ）／ｄｔ＋Ｒｉ（ｔ）……（１）
ただし、Ｅ：インバータの直流電圧、Ｌ：インバータの回路インダクタンスと直列変圧器のインダクタンスとの和の値、Ｒ：インバータの回路抵抗と直列変圧器の抵抗値との和、ｉ：転流で流れるインバータ電流
（１）式を展開すると、
ｉ＝Ｅ／Ｒ・（１-ｅｘｐ（-Ｒ／Ｌｔ））……（２）
となり、転流開始前の負荷電流をＩＬ（ｔ＝0）＝ＩＬ0とすると、転流が終了するまでの時間ｔ1は、
ｔ1＝−Ｌ／Ｒ・Ｉｎ（１−ＩＬ０Ｒ／Ｅ）……（３）
となる。

図９の実施例においても、計器用変圧器９を介して電圧検出部２１が瞬時電圧低下を検出し、電圧が低下したことを制御回路２８に連絡する。制御回路２８は
半導体スイッチ１４の通電してない方のスイッチ体をオフすると同時に、電流レベル判定部２７からの電流で誤認識レベルよりも大きい場合には、半導体スイッチ１４を流れる電流が減少したとき直流変圧器３を介してインバータ側に転流する。また、制御回路２８は、半導体スイッチ１４を流れる電流が十分に小さくなるまでの時間を上述の手段にて演算し、当該時間となったときに半導体スイッチ１４をオフとして切替部２９をインバータ補償電圧発生部２３側への切り替えを実行する。

第３の実施例によれば、計器用変流器１５を設置することなく負荷電圧の振動を抑制しながら高速での補償制御のための切替が可能となる。

なお、半導体スイッチに流れる負荷電流が十分に減少するまでの時間を予め固定できる場合には、半導体スイッチのオフは次のように実施してもよい。
すなわち、図９で示した実施例のインバータの直流電圧と、ＰＷＭ制御などのインバータのスイッチングパターンからインバータ電圧Ｅを可変することが可能となる。このことから、電流が直列変圧器に転流し終わったタイミングを予め定め、この時のインバータが発生する電圧を、装置の既知定数であるインダクタンス値、キャパシタンス値、抵抗値、及び回路直流電圧から演算して求める。または、演算結果をテーブルの対照表から求めてインバータ電圧を出力して転流動作を実行し、予め定めた時間経過後に半導体スイッチをオフする。

この実施例によれば、第３の実施例と比較すると、既存のＰＷＭ制御など任意電圧を発生させる制御部をそのまま流用することができ、また、３相インバータのように各相独立した制御ができない場合でも適用できる効果を有する。

本発明の第１の実施例を示す制御装置の構成図。 自己消弧形素子を使用したスイッチ体の構成図。 半導体スイッチの構成図。 半導体スイッチの他の構成図。 半導体スイッチの他の構成図。 本発明の第２の実施例を示す制御装置の構成図。 本発明の第２の実施例に使用される主回路の構成図。 本発明による負荷電圧の波形図。 本発明の第３の実施例を示す制御装置の構成図。 従来の瞬時電圧低下補償装置の構成図。 従来の瞬時電圧低下補償装置の動作説明図。 動作波形図で、（ａ）は受電電圧と負荷電流、（ｂ）は過電流発生説明図、（ｃ）補償動作後の波形図。

符号の説明

１…電源
２…変圧器
３…直列変圧器
４…負荷
５…直流電源
６…インバータ
７…インダクタンス
８、１５…計器用変流器
９…計器用変圧器
１０、１４…半導体スイッチ
２１…電圧検出部
２２…自己消弧形素子制御部
２３…インバータ補償電圧発生部
２６…向き判定部
２７…電流レベル判定部
２８…制御回路
２９…切替部

Claims (4)

1. 電力系統に直列変圧器の二次側巻線を接続し、この二次側巻線と並列に双方向流通可能に構成された半導体スイッチを接続し、且つ直列変圧器の一次側にインバータを接続し、電力系統の瞬時電圧低下を補償する瞬時電圧低下補償装置において、
   前記半導体スイッチを自己消弧形素子で構成し、前記電力系統の電圧を導入して電圧低下を検出する電圧検出部と、前記電力系統の電圧を導入して補償電圧を発生するインバータ補償電圧発生部と、前記電圧検出部の出力信号とインバータ補償電圧発生部からの出力電圧に基づいてＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部を設けると共に、
   前記半導体スイッチを流れる負荷電流を検出する計器用変流器を設け、検出された負荷電流の向きと電流レベルをそれぞれ判定する向き判定部、及び電流レベル判定部と、各判定部からの判定信号と前記電圧検出部から入力された信号に基づき前記半導体スイッチの負荷電流の流れていないスイッチ素子に対してオフ信号を出力し、導通しているスイッチ素子に対してはオン信号を継続したまま前記インバータ補償電圧発生部からの信号をインバータに出力するよう制御する制御回路を備えたことを特徴とした瞬時電圧低下補償装置。
2. 電力系統に直列変圧器の二次側巻線を接続し、この二次側巻線と並列に双方向流通可能に構成された半導体スイッチを接続し、且つ直列変圧器の一次側にインバータを接続し、電力系統の瞬時電圧低下を補償する瞬時電圧低下補償装置において、
   前記半導体スイッチを自己消弧形素子で構成し、前記電力系統の電圧を導入して電圧低下を検出する電圧検出部と、前記電力系統の電圧を導入して補償電圧を発生するインバータ補償電圧発生部と、前記電圧検出部の出力信号とインバータ補償電圧発生部からの出力電圧に基づいてＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号発生部設けると共に、
   負荷電流を入力して電流の向きを判定する向き判定部、負荷電流の電流レベルを判定する電流レベル判定部、及び前記各判定部からの判定信号と前記電圧検出部からの検出信号をそれぞれ入力演算して前記半導体スイッチのオフ信号を出力する制御回路を設け、この制御回路は、装置の既知回路定数と直流電圧値から転流動作によって流れるインバータ電流を算出し、算出電流が十分に小さい値になったと判断したタイミング時間ｔ１で前記半導体スイッチに対するオフ信号を発生させ、
   且つこの制御回路によるオフ信号出力時に前記インバータ補償電圧発生部からの信号をインバータに出力するよう制御するよう構成したことを特徴とした瞬時電圧低下補償装置。
3. 前記制御回路における電流動作終了タイミング時間ｔ１は、次式により求めることを特徴とした請求項２記載の瞬時電圧低下補償装置。
   ｔ1＝−Ｌ／Ｒ・Ｉｎ（１−ＩＬ０Ｒ／Ｅ）
   ただし、Ｅ：インバータの直流電圧、Ｌ：インバータの回路インダクタンスと直列変圧器のインダクタンスとの和の値、Ｒ：インバータの回路抵抗と直列変圧器の抵抗値との和、ＩＬ０：転流開始前の負荷電流
4. 前記制御回路は、前記半導体スイッチに流れる電流が十分に減少するまでの時間を予め定め、既知のインバータ回路のインダクタンス、キャパシタンス、及び抵抗からインバータの出力すべき電圧を演算し、前記定められた時間経過後に半導体スイッチをオフすることを特徴とする請求項２記載の瞬時電圧低下補償装置。

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