JP4773936B2 - 無効電力補償装置および系統電圧制御方法 - Google Patents

無効電力補償装置および系統電圧制御方法 Download PDF

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Description

この発明は、無効電力を出力して系統電圧の変動を抑制する無効電力補償装置および無効電力補償装置の系統電圧制御方法に関し、特に、負荷時タップ切換器付変圧器と協調を図り、かつ容量を小さくすることができる無効電力補償装置および系統電圧制御方法に関するものである。
環境問題やRPS(Renewables Portfolio Standard)法(電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法)施行に伴い、今後様々な箇所において風力連系の増加が予想される。風力連系が増加すると、風力発電の出力変動により系統電圧が変動する。近年は高度情報化社会の進展により電力品質向上のニーズがあること、また電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドラインに示されているように、分散型電源の連系に起因する電圧変動率には制限があることなどから、電圧変動対策を行う必要がある。
電圧変動の例を図5および図6に示す。図5は、負荷変動による電圧変動を示し、図6は、風力発電の出力変動による電圧変動を示す。実際の系統では、図5に示す電圧変動と図6に示す電圧変動を加えた電圧変動が発生する。
図5に示すように、負荷変動に起因する電圧変動は長周期成分が多い。一方、図6に示すように、風力発電の出力変動に起因する電圧変動は、従来の負荷時タップ切換器付変圧器では補償しきれない短周期成分が多いため、電圧一定制御型SVC(Static Var Compensator)を設置し、高速な無効電力補償により電圧変動を抑制している(例えば、特許文献1参照。)。
特開2004−266915号公報
しかしながら、電圧一定制御型SVCと負荷時タップ切換器付変圧器が設置されている系統においては、負荷変動に代表される長周期電圧変動に対しても、電圧一定制御型SVCが補償してしまうために、風力発電の出力変動に起因する電圧変動に対して十分な補償ができない、もしくは十分な補償をするには、本来補償の必要が無い長周期電圧変動に必要な補償容量に加え、風力発電の出力変動に起因する電圧変動を補償するのに十分な容量が必要となるという問題がある。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、負荷時タップ切換器付変圧器と協調を図り、かつ容量を小さくすることができる無効電力補償装置および無効電力補償装置の系統電圧制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、発明は、無効電力を出力して系統電圧の変動を抑制する無効電力補償装置であって、検出した系統電圧から長周期成分を除去する長周期成分除去手段と、前記長周期成分除去手段により長周期成分が除去された系統電圧を電圧偏差として電圧制御を行う電圧制御手段と、を備えたことを特徴とする。
の発明によれば、検出した系統電圧から長周期成分を除去し、長周期成分を除去した系統電圧を電圧偏差として電圧制御を行うよう構成したので、無効電力補償装置に風力発電の出力変動に起因する電圧変動など電圧変動の短周期成分だけを補償させることができる。
また、発明は、上記の発明において、前記長周期成分除去手段は、リセット回路であることを特徴とする。
の発明によれば、リセット回路により電圧変動の長周期成分を除去するよう構成したので、簡単に電圧変動の長周期成分を除去することができる。
また、発明は、上記発明において、前記長周期成分除去手段は、当該無効電力補償装置による補償前の系統電圧を算出する補償前電圧算出手段と、前記補償前電圧算出手段により算出された系統電圧の移動平均値を算出することによって短周期成分を除去する移動平均値算出手段と、検出した系統電圧から前記移動平均値算出手段により算出された移動平均値を引いて長周期成分を除去する電圧偏差算出手段と、を備えたことを特徴とする。
の発明によれば、当該無効電力補償装置による補償前の系統電圧を算出し、算出した系統電圧の移動平均値を算出することによって短周期成分を除去し、算出した移動平均値を系統電圧から引いて長周期成分を除去するよう構成したので、簡単に電圧変動の長周期成分を除去することができる。
また、発明は、上記発明において、前記補償前電圧算出手段は、検出した系統電圧から短絡インピーダンスと無効電力出力との積を引くことによって補償前の系統電圧を算出することを特徴とする。
の発明によれば、検出した系統電圧から短絡インピーダンスと無効電力出力との積を引くことによって補償前の系統電圧を算出するよう構成したので、正確に補償前の系統電圧を算出することができる。
また、発明は、上記発明において、無効電力を出力して系統電圧の変動を抑制する無効電力補償装置による系統電圧制御方法であって、検出した系統電圧から長周期成分を除去する長周期成分除去工程と、前記長周期成分除去工程により長周期成分が除去された系統電圧を電圧偏差として電圧制御を行う電圧制御工程と、を含んだことを特徴とする。
の発明によれば、検出した系統電圧から長周期成分を除去し、長周期成分を除去した系統電圧を電圧偏差として電圧制御を行うよう構成したので、無効電力補償装置に風力発電の出力変動に起因する電圧変動など電圧変動の短周期成分だけを補償させることができる。
発明によれば、無効電力補償装置に風力発電の出力変動に起因する電圧変動など電圧変動の短周期成分だけを補償させることができるので、無効電力補償装置と負荷時タップ切換器付変圧器との協調を図り、かつ無効電力補償装置の容量を小さくすることができるという効果を奏する。
また、発明によれば、簡単に電圧変動の長周期成分を除去することができるので、無効電力補償装置の容量を簡単に小さくすることができるという効果を奏する。
また、発明によれば、正確に補償前の系統電圧を算出するので、正確に電圧変動を補償することができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明に係る無効電力補償装置および無効電力補償装置の系統電圧制御方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、本実施例では、SVC装置としてSTATCOM(Static Synchronous Compensator)を用いる場合について説明する。また、STATCOMが設置される電力系統は、風力連系が行われているものとする。
まず、本実施例に係るSTATCOMの構成について説明する。図1は、本実施例に係るSTATCOMの構成を示す機能ブロック図である。同図に示すように、このSTATCOM100は、電圧検出回路110と、リセット回路120と、無効電力制御回路130と、ゲートドライバ140と、変換器150と、変圧器160とを有する。
電圧検出回路110は、母線10の電圧を検出する回路であり、検出された電圧は、リセット回路120に入力される。
リセット回路120は、電圧検出回路110によって検出された電圧から長周期成分、すなわち負荷変動に起因する電圧変動を除去する回路であり、風力発電所の出力変動に起因する電圧変動を無効電力制御回路130に出力する。
このリセット回路120が、電圧検出回路110によって検出された電圧から長周期成分を除去することによって、STATCOM100は電圧変動のうち短周期成分だけを補償することができる。なお、このリセット回路120の一次遅れ時定数Tは、除去する長周期成分に応じて調整される。
無効電力制御回路130は、電圧偏差に基づいて無効電力出力を制御する回路であり、リセット回路120の出力を電圧偏差として無効電力出力を制御する。具体的には、この無効電力制御回路130は、リセット回路120の出力に基づいて変換器150のゲートをオン/オフすることによって、無効電力出力を制御する。
ゲートドライバ140は、無効電力制御回路130のオン/オフ信号から変換器150のゲート入力となる所定の電圧のオン/オフ信号を生成するドライバ回路である。
変換器150は、ダイオードおよびIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)から構成される自励式変換器であり、IGBTのゲート信号に基づいて直流を交流に変換し、変圧器160を介して電力系統に無効電力を供給する。変圧器160は、STATCOM100を系統に連携させる変圧器である。
なお、STATCOM100では、検出した系統電圧からリセット回路120を用いて長周期成分を除去して無効電力制御回路130の入力とすることとしたが、系統電圧の長周期成分を目標電圧とすることによっても無効電力制御回路130の入力から長周期成分を除去することができる。
図2は、系統電圧の長周期成分を目標電圧とすることによって無効電力制御回路130の入力から長周期成分を除去するSTACOM200の構成を示す機能ブロック図である。同図に示すように、このSTATCOM200は、STATCOM100と比較すると、リセット回路120の代わりに補償前電圧算出部221と移動平均部222とを有する。また、このSTATCOM200は、移動平均部222の出力が無効電力制御回路130の目標電圧となるように構成される。
補償前電圧算出部221は、電圧検出回路110によって検出された電圧からSTATCOM200によって補償される前の電圧を算出する処理部であり、具体的には、電圧検出回路110によって検出された電圧から短絡インピーダンスとSTATCOM200との積を引いて補償前の電圧を算出する。
すなわち、補償前の電圧をV(t)とし、電圧検出回路110によって検出された電圧をVreal(t)とし、短絡インピーダンスをXとし、STATCOM200の無効電力出力をQs(t)とすると、V(t)=Vreal(t)−XQs(t)である。
移動平均部222は、補償前の電圧の移動平均を算出する処理部であり、移動平均をとることにより補償前の電圧から短周期成分を除去する。すなわち、移動平均値をVtarget(t)とすると、
Figure 0004773936
である。
そして、移動平均部222により算出された移動平均値Vtarget(t)は、無効電力制御回路130の目標電圧となり、電圧検出回路110によって検出された電圧Vreal(t)との差が無効電力制御回路130が入力する電圧偏差となる。
このように、補償前電圧算出部221が電圧検出回路110によって検出された電圧からSTATCOM200によって補償される前の電圧を算出し、移動平均部222が補償前の電圧の移動平均値を算出し、移動平均値を無効電力制御回路130の目標電圧とすることによって、無効電力制御回路130の入力から長周期成分を除去することができる。
図3は、STATCOMの無効電力出力例を示す図である。同図において、細線は従来の制御(初期電圧一定制御)による無効電力出力波形を示し、実線はリセット回路120を用いた場合(リセット制御)の無効電力出力波形を示し、破線は補償前の電圧の移動平均を目標電圧とした場合(移動平均制御)の無効電力出力波形を示す。
従来の制御では、STATCOMの容量を超える無効電力の出力が要求される場合があるが、リセット制御および移動平均制御では、無効電力の出力がほぼSTATCOMの容量内に抑えられている。
図4は、系統電圧の変動例を示す図である。同図において、細線は従来制御の場合の電圧波形を示し、実線はリセット制御の場合の電圧波形を示し、破線は移動平均制御の場合の電圧波形を示す。同図に示すように、リセット制御および移動平均制御では、従来の制御と比較して電圧変動が減少している。
上述してきたように、本実施例では、電圧検出回路110と無効電力制御回路130との間にリセット回路120を設け、電圧検出回路110によって検出された系統電圧から長周期成分を除去して無効電力制御回路130の偏差入力とすることとしたので、STATCOMは風力発電の出力変動に起因する電圧変動だけを補償することができる。したがって、無効電力補償装置と負荷時タップ切換器付変圧器との協調を図り、かつ無効電力補償装置の容量を小さくすることができる。
また、本実施例では、補償前電圧算出部221がSTATCOMによる補償前の電圧を算出し、移動平均部222が補償前の電圧の移動平均値を算出し、補償前の電圧の移動平均値を無効電力制御回路130の目標電圧とすることにより、電圧検出回路110によって検出された系統電圧から長周期成分を除去して無効電力制御回路130の偏差入力とすることとしたので、STATCOMは風力発電の出力変動に起因する電圧変動だけを補償することができる。したがって、無効電力補償装置と負荷時タップ切換器付変圧器との協調を図り、かつ無効電力補償装置の容量を小さくすることができる。
なお、本実施例では、風力連系が行われている電力系統の電圧を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、出力変動に高周波成分を多く含む発電所を含む電力系統の電圧を制御する場合にも同様に適用することができる。
以上のように、本発明に係る無効電力補償装置および無効電力補償装置の系統電圧制御方法は、電力系統の電圧制御に有用であり、特に、電圧変動に高周波成分が含まれる系統の電圧制御に適している。
本実施例に係るSTATCOMの構成を示す機能ブロック図である。 系統電圧の長周期成分を目標電圧とすることによって無効電力制御回路130の入力から長周期成分を除去するSTACOM200の構成を示す機能ブロック図である。 STATCOMの無効電力出力例を示す図である。 系統電圧の変動例を示す図である。 負荷変動による電圧変動を示す図である。 風力発電の出力変動による電圧変動を示す図である。
符号の説明
10 母線
100,200 STATCOM
110 電圧検出回路
120 リセット回路
130 無効電力制御回路
140 ゲートドライバ
150 変換器
160 変圧器
221 補償前電圧算出部
222 移動平均部

Claims (3)

  1. 無効電力を出力して系統電圧の変動を抑制する無効電力補償装置であって、
    当該無効電力補償装置による補償前の系統電圧を算出する補償前電圧算出手段と、
    前記補償前電圧算出手段により算出された系統電圧の移動平均値を算出することによって短周期成分を除去する移動平均値算出手段と、
    検出した系統電圧から前記移動平均値算出手段により算出された移動平均値を引いて長周期成分を除去する電圧偏差算出手段と、
    前記電圧偏差算出手段により長周期成分が除去された系統電圧を電圧偏差として電圧制御を行う電圧制御手段と、
    を備えたことを特徴とする無効電力補償装置。
  2. 前記補償前電圧算出手段は、検出した系統電圧から短絡インピーダンスと無効電力出力との積を引くことによって補償前の系統電圧を算出することを特徴とする請求項に記載の無効電力補償装置。
  3. 無効電力を出力して系統電圧の変動を抑制する無効電力補償装置による系統電圧制御方法であって、
    当該無効電力補償装置による補償前の系統電圧を算出する補償前電圧算出工程と、
    前記補償前電圧算出工程により算出された系統電圧の移動平均値を算出することによって短周期成分を除去する移動平均値算出工程と、
    検出した系統電圧から前記移動平均値算出工程により算出された移動平均値を引いて長周期成分を除去する電圧偏差算出工程と、
    前記電圧偏差算出工程により長周期成分が除去された系統電圧を電圧偏差として電圧制御を行う電圧制御工程と、
    を含んだことを特徴とする系統電圧制御方法。
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