JP4538283B2 - 電力変換装置における連系変圧器の一次電圧推装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置における連系変圧器の一次電圧推定装置に係わり、特に電柱上に設置される連系変圧器の一次電圧推定装置に関するものである。

アクティブフィルタや応答速度の速い無効電力補償装置等の電力変換装置を電柱上に設置することが考えられている。その際、電力変換装置に導入するための系統電圧の取得方法としては、図５（ａ）で示すように連系変圧器１の一次側から変換器盤２に取り入れる場合と、図５（ｂ）で示すように連系変圧器１の二次側から取り入れる場合の２通りがある。
なお、柱上に設置される電力変換装置としては、連系変圧器１と、変換器盤２内に収納されているフィルタやインバータ等より構成されている。
変圧器の一次側電圧を推定する方法としては、特許文献１のようなものが公知となっている。この特許文献１のものは、変圧器の一次側にＰＴ（計器用変圧器）やＰＤ（電圧検出器）の設置されていない場合の一次電圧を推定するもので、変圧器の二次電圧，二次電流及びタップ位置を検出し、タップ位置に対応した巻線インピーダンス、巻線比の定数、検出された二次側電圧、電流を用いて変圧器の一次電圧を推定したものである。
特許第３５０２５１６号公報

柱上に設置される変換器盤２への系統電圧の取り込みを、図５（ａ）で示すように連系変圧器の一次側より取得するためには、屋外用で精度の高いＰＴ等よりなる電圧検出手段３、あるいはこの検出手段３を収納するための小形の盤（箱）が必要となるばかりでなく、外部配線が増加するなど構造的にも複雑となり、コスト高あるいは故障発生の要因となる。
そこで、図５（ｂ）で示すように、電力系統の電圧を連系変圧器の二次側から取得することが考えられるが、しかし、連系変圧器の一次と二次間には、変換装置の電流と連系変圧器のインピーダンスの作用により、変圧比分は除外しても電圧差が発生するため、取得した電圧をそのまま系統電圧として電力変換装置内にて所定の制御を実行することはできないという問題が生じる。
また、特許文献１の推定方法の場合には、保護継電装置等に適用することを目的としてなされているため、系統電圧の基本波のみを推定対象とし、演算式は全て実効値を用いているため高調波のように１サイクル以内よりも速い現象では検出できなく、アクティブフィルタや応答速度の速い無効電力補償装置には適用できない。
高調波や速い現象を検出するためには、例えば高調波各次数において同様の演算をする方法が存在するが、この場合には演算回路数が膨大となって柱上に設置するようなものには適用が困難である。

本発明が目的とするところは、高圧のＰＴや外部配線を不要とした連系変圧器の一次電圧推定装置を提供することにある。

本発明は、配電線に一次側が接続された連系変圧器と、この連系変圧器の二次巻線に、Ｔ形の出力フィルタ及び順逆変換機能を有する電力変換装置を接続して電柱上に設置し、電力変換装置、出力フィルタ、及び連系変圧器を介して配電線との電力の授受を行うものにおいて、
前記電柱上に設置された電力変換装置に、検出された連系変圧器の二次側電圧と電力変換装置による補償電流を入力して連系変圧器の一次側電圧を演算する一次電圧演算部を設け、
この一次電圧演算部は、前記連系変圧器の二次側電圧と前記出力フィルタの中間部電圧との差信号を求め、この差信号と予め求めた出力フィルタのリアクタンスと連系変圧器のインダクタンスの比の定数との乗算を実行し、且つこの乗算値と前記連系変圧器の二次側電圧との和を算出すると共に、前記入力された補償電流と連系変圧器の内部抵抗定数を乗算し、この乗算値と前記和の値との差を求め、この差信号を基に電力変換装置のＰＷＭ制御信号を演算するよう構成したことを特徴としたものである。

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以上のとおり、本発明によれば、電力変換装置として必要な配電線の電圧を検出するために、低圧側の電圧と補償電流値等を用いて高圧側の電圧値を推定して変換部（インバータ）の制御信号を演算するものであるから、従来のような高圧ＰＴは不要となって配電線の電柱に設置する電力変換装置がコンパクトとなり、且つ安価となるものである。
また、連系変圧器のインピーダンスによる電圧降下が補償でき、しかも、瞬時値レベルでの検出が可能となり、アクティブフィルタや無効電力補償装置に適用できる。さらには、瞬時値を推定しているので、高調波の検出につても簡単な演算回路の付加で容易に検出できるものである。
また、電力変換装置のスイッチングリップルの影響を受けにくい推定演算が可能となるものである。

図１は本発明の実施例を示す構成図である。１０は電力変換装置で、この電力変換装置１０は連系変圧器１１、出力フィルタ１２及び変換部（インバータ）１３の主回路を有して構成され、図５（ｂ）のよう出力フィルタ１２とインバータ１３等は変換器盤に収納されて連系変圧器とは分離されて電柱上に設置される。
なお、変換部１３は順逆変換機能を有するが、図１ではインバータ状態時で表現している。
連系変圧器１１は、等価的には内部抵抗Ｒ_trとインダクタンスＬ_trを有して、その一次巻線は電力系統の配電線に接続され、また、二次巻線は出力フィルタ１２と接続されている。出力フィルタ１２は、リアクタンスＬ_f1，Ｌ_f2，抵抗Ｒ_f及びコンデンサＣ_fよりなるＴ形フィルタで構成されている。１４は連系変圧器の一次電圧演算部、１５は制御演算部で、ＰＷＭ制御信号を生成してインバータ１３に出力し、インバータのスイッチング素子を制御する。インバータ１３は、制御演算部１５からの出力指令に基づいて電圧Ｖ₀，電流Ｉ_c0を出力する。Ｖ₁はＴ形フィルタの中間電圧、Ｉ_fはフィルタコンデンサ電流、Ｉ_cはフィルタ通過後の補償電流である。また、Ｖ₂は出力フィルタ１２と連系変圧器１１間の電圧、Ｖ_sは連系変圧器の一次電圧である。

以上のように構成された本発明において、簡単とするために連系変圧器の変圧比を１：１とすると、連系変圧器の一次電圧Ｖ_sと二次電圧Ｖ₂及び補償電流Ｉ_cとの間には、１式の関係が成立する。この実施例は１式をもとに連系変圧器１１の一次電圧Ｖ_sを推定するものである。
Ｖ_s＝Ｖ₂−（Ｒ_tr＋Ｌ_tr・ｄ／ｄｔ）Ｉ_c …（１）
ただし、１式は連系変圧器の励磁電流については考慮しないものとする。
図２は、連系変圧器の一次電圧演算部１４を示したものである。１６は乗算部で、この乗算部には予め知ることのできる連系変圧器のインダクタンスＬ_trを微分した値と内部抵抗Ｒ_trとの和を定数として保存している。
図示省略された検出部を介して検出された連系変圧器の二次電圧Ｖ₂と補償電流Ｉ_cは、それぞれ一次電圧演算部１４に導入されるが、補償電流Ｉ_cは乗算部１６において定数と乗算され、その出力は加算部１７において二次電圧Ｖ₂とは逆極性に加算されて推定値Ｖ_sが求められる。推定された変圧器の一次電圧Ｖ_sは、補償電流Ｉ_cと共にインバータの制御演算部１５に出力されてインバータの制御信号が演算される。

したがって、この実施例によれば、電力変換装置として必要な配電線の電圧を検出するために、低圧側の電圧，電流値を用いて高圧側の電圧値を推定してインバータの制御信号を演算するものであるから、従来のような高圧ＰＴは不要となって配電線の電柱に設置する電力変換装置がコンパクトとなり、且つ安価となるものである。
また、連系変圧器のインピーダンスによる電圧降下が補償でき、しかも、瞬時値レベルでの検出が可能となり、アクティブフィルタや無効電力補償装置に適用できるものである。
ただ、この実施例の場合、簡単に実施できる利点は有するが、計算に電流の微分項が含まれるため、フィルタで除去できないＰＷＭ制御のためのスイッチングのリップル分が補償電流Ｉ_cに残留する可能性がある。すなわち、インバータの出力である電圧Ｖ₀，電流Ｉ_c0及びフィルタコンデンサ電流Ｉｆについては、ＰＷＭ制御を実行するためのスイッチングに起因するリップル分が多く含まれているが、フィルタを通過した補償電流Ｉｃにもリップル分が残留している可能性があり、残留していると算出した電圧Ｖ_sにもリップル分が現れることになる。この問題を解決したものが図３である。

図３において、図１と同一部分若しくは相当部分には同一符号を付してその説明を省略する。この実施例で図１と異なる点は、出力フィルタ１２の中間電圧 Ｖ₁をも使用するもので、電圧Ｖ₁，Ｖ₂との間には２式の関係が成立する。
Ｖ₂＝Ｖ₁−Ｌ_f2・ｄＩ_c／ｄｔ … （２）
これ用いて、Ｖ_sの算出式から３式の通りに微分項を消去することができる。
Ｖ_s＝Ｖ₂＋（Ｌ_tr／Ｌ_f2）（Ｖ₂−Ｖ₁）−Ｒ_trＩ_c … （３）
連系変圧器の一次電圧演算部２０は、この３式に基づいて演算するもので図４のように構成される。

すなわち、２１は第１の加算部で、変圧器二次側直近電圧Ｖ₂と出力フィルタ１２の中間電圧Ｖ₁との偏差を求める。２２は第１の乗算部で、検出される電圧Ｖ₁，Ｖ₂間に存在するフィルタのリアクタンスＬ_f2と連系変圧器のインダクタンスＬ_trとの比である定数と、偏差電圧との乗算を行ない、その演算値を第２の加算部２４に出力して電圧Ｖ₂と同極性にて加算される。２３は第２の乗算部で、この乗算部には、連系変圧器の内部抵抗値Ｒ_trが定数として保存されており、この定数Ｒ_trと入力された補償電流Ｉ_cとの乗算が実行され、その出力は第２の加算部２４において逆極性に加算されて一次電圧Ｖ_sを得る。一次電圧演算部２０で求められた推定の一次電圧Ｖ_sは、補償電流Ｉ_cと共に制御演算部１５に出力されてインバータの制御信号が演算される。
したがって、この実施例においては、図１で示す実施例の効果に加えて、更に電力変換装置のスイッチングリップルの影響の受けにくい一次電圧の推定が可能となるものである。

本発明の実施形態を示す構成図。 本発明に使用される連系変圧器の一次電圧演算部の構成図。 本発明の他の実施形態を示す構成図。 本発明の他の実施形態に使用される連系変圧器の一次電圧演算部の構 成図。 配電線の電柱に設置された電力変換装置の状態図で、（ａ）は連系変 圧器の一次側電圧取得方式、（ｂ）は二次電圧取得方式。

１，１１…連系変圧器
２…変換器盤
３…高圧ＰＴ
１０…電力変換装置
１１…連系変圧器
１２…出力フィルタ
１３…インバータ
１４，２０…一次電圧演算部
１５…制御演算部
１６，２２，２３…乗算部
１７，２１，２４…加算部

Claims (1)

1. 配電線に一次側が接続された連系変圧器と、この連系変圧器の二次巻線に、Ｔ形の出力フィルタ及び順逆変換機能を有する電力変換装置を接続して電柱上に設置し、電力変換装置、出力フィルタ、及び連系変圧器を介して配電線との電力の授受を行うものにおいて、
   前記電柱上に設置された電力変換装置に、検出された連系変圧器の二次側電圧と電力変換装置による補償電流を入力して連系変圧器の一次側電圧を演算する一次電圧演算部を設け、
   この一次電圧演算部は、前記連系変圧器の二次側電圧と前記出力フィルタの中間部電圧との差信号を求め、この差信号と予め求めた出力フィルタのリアクタンスと連系変圧器のインダクタンスの比の定数との乗算を実行し、且つこの乗算値と前記連系変圧器の二次側電圧との和を算出すると共に、前記入力された補償電流と連系変圧器の内部抵抗定数を乗算し、この乗算値と前記和の値との差を求め、この差信号を基に電力変換装置のＰＷＭ制御信号を演算するよう構成したことを特徴とした電力変換装置における連系変圧器の一次電圧推定装置。

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