JP4752006B2 - 三相三線式負荷模擬装置 - Google Patents

Description

本発明は、解析対象とする実際の電力系統と電気的に相似な電気回路をアナログ回路（リアクトル、抵抗、コンデンサ、電流源等）により実現し、実際の電力系統より低い電圧（数十〜数百〔Ｖ〕）及び電流（数十〔ｍＡ〕〜数十〔Ａ〕)を印加、通流することにより、電力系統に発生する種々の現象をリアルタイムでシミュレーション可能とした電力系統用アナログシミュレータに関し、特に三相三線式の配電系統に接続される負荷を模擬するようにした三相三線式負荷模擬装置に関するものである。

従来、この種の負荷模擬装置としては、図４に示す構成が知られている。図４において、１００は三相負荷模擬装置、２００は無限大電源モデルにより構成されて実際の三相配電系統を模擬する三相交流電源である。

三相負荷模擬装置１００は、Δ結線側が交流電源２００に接続されたＹ−Δ結線の変圧器（以下、Ｙ−Δ変圧器ともいう）１０１と、そのＹ結線側の各相に接続された電圧検出器１０２〜１０４と、これら各相の電圧検出値をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換部１０５と、このＡ／Ｄ変換部１０５の出力信号及び予め設定された負荷量に基づいて負荷電流指令を演算するＣＰＵ（またはＤＳＰ：ディジタルシグナルプロセッサ）１０６と、前記負荷電流指令をアナログ量に変換するＤ／Ａ変換部１０７と、これらの電流指令に基づいて抵抗負荷、容量性負荷、誘導性負荷、定電力負荷、定電流負荷等を模擬するための負荷電流を交流電源２００から引き込む電流源１０８〜１１０とから構成されており、前記電流源１０８〜１１０の各一端は変圧器１０１のＹ結線の各一端に接続され、中性点ＮはＹ結線の中性点に接続されて零相電流ｉ_０の経路となっている。
なお、ｖ_ａ，ｖ_ｂ，ｖ_ｃは三相交流電源２００の各相電圧、ｉ_ａ，ｉ_ｂ，ｉ_ｃ は各相負荷電流（何れも瞬時値）を示す。ここで、各相の電圧検出値は、中性点Ｎを基準電位としてそれぞれ検出している。

上述したように三つの電流源により構成された三相電子的負荷装置（三相負荷模擬装置）は、例えば以下の特許文献１，２に記載されている。

特許第２７３７３５７号公報（第２図等） 特許第２９１９６５７号公報（段落［０００８］、図１等）

高圧系統におけるアナログシミュレーションでは、実系統が三相四線式の結線であることから、三つの電流源１０８〜１１０を備えた三相負荷模擬装置を三相四線式の交流電源に接続し、かつ中性点同士を接続して電流源１０８〜１１０に不可欠な電流帰路を確保することが容易である。
しかし、配電系統等の低圧系統では三相三線式が主流であるため、このような系統を模擬する場合には、図４に示したようにＹ−Δ変圧器１０１を介在させ、そのＹ結線側を電流源１０８〜１１０に接続して電流帰路を確保する必要があった。

このようにＹ−Δ変圧器１０１を挿入すると、三相負荷模擬装置１００の構造が複雑になり、また、Ｙ−Δ変圧器１０１の単体で励磁電流、飽和及び漏れリアクタンス等に起因した誤差（２〜３％程度の誤差）が生じるため、高精度な三相負荷模擬装置を製造することが困難であった。
そこで本発明の解決課題は、構造の簡略化を図り、しかも高精度に各種負荷を模擬することができる三相三線式負荷模擬装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、配電系統を模擬した三相三線結線の交流電源に接続され、電流指令に従って前記交流電源から負荷電流を引き込む電流源を備えた三相三線式負荷模擬装置において、
前記交流電源の三相のうち、第１相を基準として第２相との間の線間電圧、第３相との間の線間電圧をアナログ量としてそれぞれ検出する電圧検出手段と、
検出された前記線間電圧をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
ディジタル量に変換された前記線間電圧と、予め設定された有効電力設定値及び無効電力設定値と、に基づいて、第２相及び第３相の負荷電流指令をディジタル量として演算する演算手段と、
演算された負荷電流指令をアナログ量に変換するＤ／Ａ変換手段と、
アナログ量に変換された各負荷電流指令に応じて、第２相及び第３相の負荷電流を前記交流電源からそれぞれ引き込む二つの電流源と、を備えたものである。

本発明によれば、負荷模擬装置に二つの電流源のみを用い、これらの電流源の一端を相互に接続してなる中性点を三相交流電源の第１相（例えばｂ相）に接続し、各電流源の他端を三相交流電源の第２相、第３相（ａ相、ｃ相）にそれぞれ接続することにより、前記第１相を第２相、第３相の電流源の電流帰路とすることができる。これにより、低圧系統の主流である三相三線式の交流電源に対しても、Ｙ−Δ変圧器を使用せずに負荷模擬装置を直接接続して各種の負荷を高精度に模擬することが可能となる。
また、負荷模擬装置は、二つの電流源及び電圧検出手段、Ａ／Ｄ変換部，Ｄ／Ａ変換部を備えたＣＰＵ等の演算手段により実現可能であり、回路構成が簡単で小形化、低価格化を図ることができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本実施形態の構成を示すものであり、１００Ａは三相三線式負荷模擬装置、２００は無限大電源モデルにより構成されて配電系統（低圧系統）を模擬する三相交流電源である。

負荷模擬装置１００Ａは、中性点Ｎに共通接続された二つの電流源１０８，１０９を備え、これらの電流源１０８，１０９の各一端は端子ａ，ｃにそれぞれ接続されていると共に、前記中性点Ｎは端子ｂに接続されている。また、端子ａ，ｂ，ｃは、三相交流電源２００の各相（ａ，ｂ，ｃ相）の一端にそれぞれ接続されている。

端子ａ，ｂ間には電圧検出器１０２が接続され、端子ｂ，ｃ間には電圧検出器１０３が接続されており、これらの電圧検出器１０２，１０３によるアナログ量の線間電圧検出値（ベクトル量であるが、便宜的にベクトル量を示す「・」を省略する）Ｖ_ａｂ，Ｖ_ｃｂはＡ／Ｄ変換部１０５に入力されている。
Ａ／Ｄ変換部１０５によりディジタル量に変換された線間電圧検出値Ｖ_ａｂ，Ｖ_ｃｂは演算手段としてのＣＰＵ（ＤＳＰ）１０６に入力され、電流指令（負荷電流指令）が演算される。これらの電流指令はＤ／Ａ変換部１０７によりアナログ量に変換され、前記電流源１０８，１０９に入力されている。

電流源１０８，１０９は、入力された電流指令に従って三相交流電源２００から負荷電流を引き込むことにより、目的とする所望の負荷を模擬する。なお、ｖ_ａ，ｖ_ｂ，ｖ_ｃは前記同様に三相交流電源２００の各相電圧、ｉ_ａ，ｉ_ｂ，ｉ_ｃ は各相負荷電流（何れも瞬時値）である。

図示するような三相三線式の系統では線間に負荷が接続されることから、本実施形態では、電圧検出器１０２，１０３によって線間電圧Ｖ_ａｂ，Ｖ_ｃｂを検出するものとし、これらの線間電圧は何れもｂ相を基準としたａ相，ｃ相の電圧として検出される。このように線間電圧の基準相をｂ相に統一することにより、電圧検出器１０２，１０３は絶縁機能を要求されることがない。

次に、本実施形態において、ＣＰＵ１０６により実行される電流指令（負荷電流）の計算方法について説明する。
例えば、無限大電源モデルにより三相平衡で相電圧Ｖ_ａ，Ｖ_ｂ，Ｖ_ｃ（何れもベクトル量）を発生させた時の有効電力成分の電流を計算する場合を例にとる。

図１の三相交流電源（無限大電源モデル）２００が発生させた相電圧Ｖ_ａ，Ｖ_ｂ，Ｖ_ｃと線間電圧Ｖ_ａｂ，Ｖ_ｂｃ，Ｖ_ｃａとの関係は、図２（ａ）のようになる。また、線間電圧Ｖ_ａｂ，Ｖ_ｂｃ，Ｖ_ｃａをＹ形の電圧ベクトルで再表記して相電流Ｉ_ａ，Ｉ_ｂ，Ｉ_ｃと共に示すと、図２（ｂ）のようになる。

図２（ｂ）より、三相交流電源２００が三相平衡電圧を発生させたとすると、線間電圧Ｖ_ａｂ，Ｖ_ｂｃ，Ｖ_ｃａの位相関係は１２０°ずつ遅れた正相電圧のみとなる。また、この線間電圧Ｖ_ａｂ，Ｖ_ｂｃ，Ｖ_ｃａの各々に対し、３０°遅れた位相の電流を流せば、三相平衡した有効電力成分の電流を流せることが判る。ここで使用する電流源は、図１に示したように二つの電流源１０８，１０９であり、これら二つの電流源１０８，１０９はａ相とｃ相に電流をそれぞれ出力することから、Ｖ_ａｂ，Ｖ_ｃａが先ず求まれば良い。
また、検出する線間電圧は、図１によればＶ_ａｂ，Ｖ_ｃｂの二つであるから、Ｖ_ｃａを数式１により求めれば良い。
［数式１］
Ｖ_ｃａ＝−（Ｖ_ａｂ＋Ｖ_ｂｃ）＝−Ｖ_ａｂ＋Ｖ_ｃｂ

ＣＰＵ１０６では、以上より求めたＶ_ａｂ，Ｖ_ｃａを用いて、相電流Ｉ_ａ，Ｉ_ｃを電流指令として求めれば良い。また、Ｉ_ａ，Ｉ_ｃを電流源１０８，１０９によりａ相，ｃ相に流すことにより、数式２に示すｂ相電流Ｉ_ｂがｃ相を帰路にして流れることになる。
［数式２］
Ｉ_ｂ＝−（Ｉ_ａ＋Ｉ_ｃ）
すなわち本実施形態では、二つの電流源１０８，１０９の電流帰路としてｂ相が存在することから、三相三線式の交流電源２００に対して、Ｙ−Δ変圧器を介在させることなく負荷模擬装置１００Ａを直接接続することが可能となる。

ここで、負荷電流を計算する方法の一例として、Ｖ_ａｂからＩ_ａを求めてみる。但し、電流源への指令値は瞬時値であることから、ベクトル表記したＶ_ａｂ，Ｉ_ａを瞬時値ｖ_ａｂ(t)，ｉ_ａ(t)として以下に示す。
［数式３］
ｉ_ａ(t)＝（Ｐ／｜Ｖ_ａｂ｜^２）・ｖ_ａｂ ^−３０°(t)＋（Ｑ／｜Ｖ_ａｂ｜^２）・ｖ_ａｂ ^{−１２０°}(t)
但し、ｖ_ａｂ ^−３０°(t)：ｖ_ａｂ(t)より３０°遅れた電圧
ｖ_ａｂ ^{−１２０°}(t)：ｖ_ａｂ(t)より１２０°遅れた電圧
Ｐ：有効電力設定値〔ｐ.ｕ.〕
Ｑ：無効電力設定値〔ｐ.ｕ.〕
｜Ｖ_ａｂ｜：ｖ_ａｂ(t)の実効値電圧〔ｐ.ｕ.〕

なお、上記Ｐ，Ｑの値に｜Ｖ_ａｂ｜を乗算すれば定電流負荷を模擬することが可能であり、｜Ｖ_ａｂ｜^２を乗算すれば定インピーダンス負荷を模擬することができる。

次に、図３は、図１に示した三相三線式負荷模擬装置１００Ａにより、交流電源２００の発生電圧を三相平衡とし、数式３におけるＰ＝２〔ｐ.ｕ.〕，Ｑ＝０〔ｐ.ｕ.〕に設定して、負荷電流をシミュレーションした結果を示している。
この図３から明らかなように、三相三線式の交流電源２００に本発明の負荷模擬装置１００Ａを接続した場合にも、各相負荷電流が正常に流れて模擬できていることが判る。

本発明の実施形態を示す構成図である。 本発明の実施形態における相電圧、線間電圧、相電流の関係を示す図である。 本発明の実施形態によるシミュレーション結果を示す波形図である。 従来技術を示す構成図である。

符号の説明

１００Ａ：三相三線式負荷模擬装置
１０２，１０３：電圧検出器
１０５：Ａ／Ｄ変換部
１０６：ＣＰＵ（ＤＳＰ）
１０７：Ｄ／Ａ変換部
１０８，１０９：電流源
２００：三相交流電源（低圧系統）

Claims (1)

1. 配電系統を模擬した三相三線結線の交流電源に接続され、電流指令に従って前記交流電源から負荷電流を引き込む電流源を備えた三相三線式負荷模擬装置において、
   前記交流電源の三相のうち、第１相を基準として第２相との間の線間電圧、第３相との間の線間電圧をアナログ量としてそれぞれ検出する電圧検出手段と、
   検出された前記線間電圧をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
   ディジタル量に変換された前記線間電圧と、予め設定された有効電力設定値及び無効電力設定値と、に基づいて、第２相及び第３相の負荷電流指令をディジタル量として演算する演算手段と、
   演算された負荷電流指令をアナログ量に変換するＤ／Ａ変換手段と、
   アナログ量に変換された各負荷電流指令に応じて、第２相及び第３相の負荷電流を前記交流電源からそれぞれ引き込む二つの電流源と、
   を備えたことを特徴とする三相三線式負荷模擬装置。