JP4779777B2 - フリッカ抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷電流の無効電流成分などに起因するフリッカを抑制するフリッカ抑制装置に関わり、特に高調波フィルタなどが接続された負荷に適するフリッカ抑制装置に関する。

電源系統から負荷に電力を供給する場合、負荷に電流、特に無効電流成分が流れると、送配電線などのインピーダンスによる電圧降下によって電圧が低下する。特に変動負荷の場合は、電圧降下が変動し、負荷結合点にフリッカを生じる。過大なフリッカを生じると当該電源系統の需要家に悪影響を与えるために、フリッカは許容限度以内に抑制しなければならない。

これに対して、フリッカを抑制するフリッカ抑制装置がある。高調波まで抑制する装置として能動フィルタとも呼ばれている。しかし、能動フィルタは、高調波フィルタが接続された負荷に対しては不安定になることがある。これについては、例えば、財団法人 電気安全環境研究所 高調波問題検討委員会発行 高調波技術マニュアル２０５ページ〜
２０６ページに記載されている。さらに、電気学会技術報告（II部）第４２５号 電力用アクティブフィルタ技術に記載されている。

財団法人 電気安全環境研究所 高調波問題検討委員会発行 高調波技術マニュアル２０５ページ〜２０６ページ 電気学会技術報告（II部）第４２５号 電力用アクティブフィルタ技術

フリッカ抑制装置の適用先において、進相コンデンサ，高調波フィルタなどの容量性装置が変動負荷に並列に接続されている場合がある。容量性装置は、負荷の力率を補償する、または負荷から流出する高調波を吸収する。このとき、負荷が離れた場所に設置された場合など、場合によっては負荷電流として本来の負荷電流と容量性装置の合計電流しか検出できないことがある。

一方、負荷に並列接続された容量性装置は、負荷結合点からみたとき、負荷側回路のリアクタンスなどが加わった状態で、ある特定の周波数で直列共振となることがある。その最低周波数は、一般に４次高調波周波数の前後であるが、容量性装置の構成などによってさらに低い周波数となることもある。

フリッカ抑制においては、補償電流を出力しても負荷電流にはあまり影響を与えないことを前提としているが、上記のような直列共振が起きると、フリッカ抑制装置から発生する電流が共振周波数では拡大して負荷側に流れてしまう。本来の負荷電流と容量性装置との合計電流しか検出できない場合、容量性装置の電流を含んで補償対象電流を生成することになるので、悪いことに、正帰還となって不安定になってしまう。不安定にならないまでも過大な電流が循環してしまうことになる。

このため、例えば、従来のフリッカ抑制装置では容量性装置が並列に接続された負荷等には適用できなかった。

本発明の目的は、上記問題点を解決し、変動負荷による共振など発生しても、フリッカの抑制が安定して継続できるフリッカ抑制装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、所定の導電線の交流電圧を検出する交流電圧検出手段と、前記導電線から負荷に流れる負荷電流を検出し、検出された交流電圧及び検出された負荷電流に応じて補償電流信号を生成し、補償電流信号に応じて導電線に電流を供給してフリッカを抑制するものであって、導電線と負荷との間で発生する高調波の影響を低減するように、検出された交流電圧あるいは検出された負荷電流を補正するか、あるいは、補償電流設定手段から出力される補償電流信号を補正するように構成する。

あるいは、負荷電流から算出してフリッカ抑制装置に設定する補償電流の振幅を小さくすることによって、フリッカ抑制装置を容量性装置が並列に接続された場合にも適用できるようにした。

あるいは、検出した負荷電流からの補償電流の作成において、共振周波数におけるバンドエリミネーションフィルタを通し、共振周波数における補償電流の拡大を防止し、フリッカ抑制装置を容量性装置が並列に接続された負荷の場合にも適用できるようにした。

あるいは、検出した負荷電流からの補償電流の作成において、交流電圧も利用し、それから容量性負荷の影響を除去するように演算し、それによって共振周波数における補償電流の拡大を防止し、フリッカ抑制装置を容量性装置が並列に接続された負荷の場合にも適用できるようにした。

あるいは、検出した負荷電流および交流電圧から、負荷に起因するフリッカ電圧成分を除去した交流電圧を算出し、その電圧となるように出力電圧を制御することによって、フリッカ抑制装置を容量性装置が並列に接続された負荷の場合にも適用できるようにした。

あるいは、検出した負荷電流から、フリッカの原因となる成分を除去した電源電流を算出し、電源電流がその値となるようにフリッカ抑制装置を制御することによって、フリッカ抑制装置を容量性装置が並列に接続された負荷の場合にも適用できるようにした。

本発明によれば、容量性装置が並列に接続された負荷の場合にもフリッカ抑制装置を適用できる効果がある。

本発明、実施の形態を図面を用いて以下説明する。

まず、フリッカ抑制装置の原理を図２に示す。図２において１がフリッカ抑制装置である。フリッカ抑制装置内のインバータ１１は、一般に電圧形の変換装置が使用される。図示していない直流回路からの直流電圧から出力交流電圧を発生する。通常のフリッカ抑制装置では電圧形インバータの直流側には直流コンデンサ以外に電力貯蔵装置がないので無効電力だけを出力する。このほか、図示していない制御によってインバータでの損失を供給し、直流電圧を一定に保持する。

フリッカ抑制装置の制御を次に説明する。変動する負荷２の電流が変流器（以下ＣＴと表記する）７によって検出される。負荷結合点９の交流電圧ｕ_C が計器用変圧器（以下
ＶＴと表記する）８によって検出される。補償電流設定器１４では検出した電流および電流から、電圧に同相の成分とそれ以外の補償対象電流とに分離する。電圧に同相の成分は、有効電流成分であり、これは前述のように補償対象外である。補償対象電流は主として無効電流成分であり、また高調波成分も含まれる。三相用の場合には逆相の有効電流成分も含まれる。フリッカの原因となるのは主に正相の無効電流成分および逆相成分である。高調波成分は補償対象外とすることもある。その場合、上記の補償対象電流からフィルタによって高調波成分を除いた電流を新たな補償対象電流とすることもある。

インバータは、上記の補償対象電流を設定値として電流制御を行う。インバータの出力電流をＣＴ１３で検出し、それが補償対象電流に等しくなるように電流制御装置１２で制御する。これによってインバータは補償対象電流に等しい電流を出力し、負荷に流れる正相の無効電流および逆相電流などを補償する。電源系統から供給されるのは有効電流成分だけとなる。電源のインピーダンスの抵抗値は一般に小さく、有効電流成分が流れても電圧変動への影響はわずかであり、フリッカが抑制される。

なお、電流制御を行うため、インバータの出力回路には図示していないリアクトルが接続されている。これはインバータ用変圧器のもれリアクタンスであることもある。

また、高調波を補償しない場合は、補償対象電流にフィルタをかける代わりに、制御装置の応答特性を高調波には応答しないようにしてもよい。

さらに、技術部品について図１を用いて説明する。

説明にあたって負荷システムの周波数特性の例を図３で説明する。この図は、負荷側に流れＣＴ７で検出される負荷電流ｉ_Lの、フリッカ補償装置の出力電流ｉ_Cに対する振幅および位相の周波数特性である。負荷電流ｉ_Lは、極性を逆にして示している。電源は５０Ｈｚであり、負荷には並列に第５次および第７次の、各容量０.２ｐｕの高調波フィルタが並列に接続されている場合とした。負荷側リアクトル（リアクタンス）３として０.１ｐｕが入っており、この影響でｉ_C に対する共振周波数は約１７０Ｈｚおよび３００Ｈｚとなっている。負荷は抵抗性とする。図（ａ）は無負荷の場合。図（ｂ）は、負荷抵抗が５ｐｕ（負荷電力０.２ｐｕ）の場合。図（ｃ）は、負荷抵抗が１ｐｕ(負荷電力１ｐｕ)の場合を示す。

フリッカ抑制装置は負荷電流ｉ_Lから補償電流を算出して、その電流となるようにｉ_Cを出力する。補償電流は、検出した負荷電流ｉ_L から結合点電圧ｕ_C に同相の有効電流成分を差し引いて算出するが、分かりやすくするため、ここでは検出した負荷電流をそのまま補償電流とした場合を考える。電流制御を理想的と仮定すると、図４に示すように、検出した負荷電流がフリッカ抑制装置に設定され、フリッカ抑制装置で制御されてそこから出力され、フリッカ補償装置に再び入力される。周波数特性は負荷電流の極性を反転して示したので、図４に示すように負帰還ループの周波数特性となっている。このため、制御理論によって、振幅が０ｄＢ以下になるときの位相遅れが１８０度以上であるとこの制御系は不安定になる。

図３から、無負荷であると１７０Ｈｚにおいては負荷電流ｉ_L は出力電流ｉ_C に対し約
１７ｄＢに拡大してしまうことが分かる。しかもその周波数付近で位相が大きく遅れ180度遅れに近づく。このため、電流制御にわずかな遅れがあれば全体の位相遅れは１８０度を超え、不安定になってしまう。不安定にならないまでも好ましくない制御系であることがわかる。

ところが、負荷が抵抗性であれば、負荷抵抗が小さくなって負荷が重くなるとともに容量性負荷による直列共振回路のＱ値が低下してくる。このため、図（ｂ），（ｃ）に示すように電流拡大率が低下していき、また位相遅れの変化もゆるやかになっていく。例えば５ｐｕの負荷抵抗が接続されていれば図（ｂ）に示すように振幅が０ｄＢ以下になるときの位相遅れはわずかではあるものの小さくなるので、安定になってくる。また、振幅特性のピークが約７.５ｄＢであるので、補償電流を負荷電流の０.４倍（−８ｄＢ）に下げれば確実に安定化できる。負荷抵抗が１ｐｕであればそのままで安定である。

一般に負荷から発生する補償対象電流は、負荷の有効電流に比例して振幅が小さくなる。軽負荷状態ではフリッカも小さくなる。このため軽負荷では、補償対象電流をすべて補償する必要はない。本発明では、有効電流検出器１５によって負荷電流のうちから連系点電圧に同相の有効電流成分を検出する。これは、補償電流設定器１４に含まれる機能なので、実際には追加の装置は不要である。この有効電流は、負荷の大きさに比例するので、有効電流が大きければ乗算器１６への出力を１とすることによって補償対象電流をそのまま補償する。有効電流が小さくなればフリッカ抑制の必要性が軽減されるので、乗算器
１６への出力を１より小さくすることによって補償電流を小さくする。必要によっては補償電流を０とする。これによって、負荷に並列に容量性装置があっても、不安定になることが防止できる。

本発明は、負荷に容量性装置が含まれていない場合にも適用できる。本発明によれば軽負荷時におけるフリッカ抑制装置の出力電流を小さくできるので、フリッカ抑制装置の損失を小さくできる効果もある。

他の実施例を説明する。なお、第一の実施例と同じ部分は符号を共通とし、特徴部分を説明することとし同じ部分の説明は省略する。

本発明第二の実施例を図５を用いて説明する。本実施例では、特定周波数付近を抑制するバンドエリミネーションフィルタ１８を追加することによって振幅特性が０ｄＢを超える周波数における振幅を０ｄＢ未満とする。図６は１７０Ｈｚおよび３００Ｈｚ付近を抑制するバンドエリミネーションフィルタを追加したときの負荷電流検出周波数特性である。位相遅れが１８０度を超える部分もあるが振幅特性は０ｄＢ未満であり、安定化できる。

バンドエリミネーションフィルタの周波数は、負荷側リアクトル（リアクタンス）３の影響でフィルタの動作周波数とずれている。図６の例の場合、５次（２５０Ｈｚ）および７次（３５０Ｈｚ）のフィルタに対して１７０Ｈｚおよび３００Ｈｚとなっている。このため、バンドエリミネーションフィルタを追加しても、本発明によればフィルタの動作周波数の高調波に対してもある程度の補償効果を期待できる。

本発明第三の実施例を図７を用いて説明する。本実施例では、容量性電流除去演算器
１９を追加している。

容量性電流除去演算器１９の例を次に説明する。ここでは電圧・電流を複素数で表すため、記号を大文字とする。負荷側リアクトル（リアクタンス）３のインピーダンスをＺ_R、容量性装置の電流をＩ_F、容量性装置のインピーダンスをＺ_Fとする。負荷における電圧Ｕ_Lは、結合点電圧Ｕｃおよび負荷電流Ｉ_Lから
Ｕ_L＝Ｕ_C−Ｚ_R×Ｉ_L …式（１）
によって求めることができる。したがって容量性装置に流れる電流Ｉ_Fは、次の式で求めることができる。

Ｉ_F＝Ｕ_L／Ｚ_F＝（Ｕ_C−Ｚ_R×Ｉ_L）／Ｚ_F …式（２）
負荷電流から上記容量性装置に流れる電流を差し引けば本来の負荷２に流れる電流Ｉ_LLを求めることができる。

Ｉ_LL＝Ｉ_L−Ｉ_F＝Ｉ_L−（Ｕ_C−Ｚ_R×Ｉ_L）／Ｚ_F …式（３）
したがって、検出した負荷電流および結合点電圧から式（３）によって本来の負荷電流を算出し、これをもとに補償電流を生成すれば容量性装置の影響を受けずに制御することができる。Ｚ_RおよびＺ_Fは固定した値なので式（３）の演算は容易である。

ただし、この方法は、負荷から発生した無効電力および高調波の内、容量性装置で補償される分もフリッカ抑制装置で補償しようとすることになる。それらについては補償しないようにさらに高度の演算をしてもよい。たとえば無効電力はほぼ一定値であるので、その一定値を差し引くという簡単な演算でできる。高調波は、補償しない場合がもっとも簡単である。

本発明第四の実施例を図８を用いて説明する。

フリッカ抑制装置では検出した交流電圧および負荷電流からたとえばフーリエ級数展開によって基本波の電圧および電流を算出することができる。三相の場合は正相の値として算出することができる。基本波電流は、電圧の位相をもとに有効電流分と無効電流分とに分けられる。

算出した基本波電圧をＵ_Cl、基本波無効電流をＩ_Llqとする。また、系統の短絡インピーダンスをＺ_Sとする。基本波有効電流による電圧低下を無視すると、無限大母線電圧は次の式で推定できる。

Ｕ_Sc＝Ｕ_Cl＋Ｚ_S×ｊ×Ｉ_Llq …式（４）
この電圧は、基本波無効電流の影響を除去した、目標とする結合点電圧でもある。無限大母線電圧は、ほぼ一定であるので、式（４）による電圧Ｕ_Scを設定値としてフリッカ抑制装置の結合点電圧Ｕ_Cを制御すれば、結合点電圧はほぼ一定に制御される。負荷が要求する無効電力は、フリッカ抑制装置から供給されることになる。式（４）は、無限大母線電圧に対して設定する結合点電圧を求める式であるので、高速に算出する必要はない。

また、式（４）では基本波有効電流による電圧降下を考慮していないので、Ｕ_Scには基本波有効電流による変動分が重畳することになる。これは、逆にいうと有効電流に応じて多少の電圧変動が生じるということであり、フリッカ抑制装置を有効電流に対しては応答させないことに対応することになる。

本実施例では交流電圧設定器２０によって式（４）による演算を行って交流電圧設定値を求める。交流電圧制御装置２１では結合点電圧が設定された電圧になるようにインバータを制御する。

本実施例では、ゆるやかな系統電圧変動があっても系統側には無効電力を供給しないで使用できる。過渡的な系統電圧変動に対してはフリッカ抑制装置から系統側に無効電力を供給してしまうことになるが、それに対しては必要に応じて電流リミッタなどによって制限する。

短絡インピーダンスが変化すると推定した無限大母線電圧に誤差を生じて、その分をフリッカ補償装置から系統側に無効電力を供給することになってしまう。このため、例えば系統側に流れる電流も監視し、短絡インピーダンスを推定して補正するといったことを行ってもよい。

電圧を正弦波に制御すれば、高調波もフリッカ抑制装置から供給される。ただし、系統側の電圧ひずみに対しても抑制するように高調波を供給してしまうので注意が必要である。実際上は高調波に対しての制御は困難である。

本発明第五の実施例を図９を用いて説明する。

フリッカ抑制装置では電流設定器２２において、検出した負荷電流から基本波電流を算出する。三相の場合は正相の値として算出する。基本波電流は、電圧の位相をもとに有効電流分Ｉ_Lpと無効電流分とに分け、有効電流分Ｉ_Lpをインバータの電流設定値Ｉ_Scとする。

交流電流制御装置（電流リミッタ制御付き交流電流制御装置）２３では、受電電流Ｉ_S（瞬時値ｉ_S として検出する。）をＣＴ７１で検出し、この電流がＩ_Scに等しくなるように制御する。

この結果、受電電流が負荷の有効電流成分だけとなるので、結合点電圧の変動は有効電流成分だけに起因する小さな値に抑制される。負荷が要求する電流はフリッカ補償装置から供給されることになる。

本実施例においてもフリッカ抑制装置の電流が過大にならないように電流リミッタを設けておくことが望ましい。

また、説明では省略しているが、インバータの直流電圧が一定になるように有効電流制御に補正制御を追加する必要がある。

本発明の第一の実施例を説明するための図。 フリッカ抑制装置の動作原理を説明するための図。 負荷電流の周波数特性の例を説明するための図。 フリッカ抑制装置の安定性を説明するための図。 本発明の第二の実施例を説明するための図。 本発明の第二の実施例における周波数特性の例を説明するための図。 本発明の第三の実施例を説明するための図。 本発明の第四の実施例を説明するための図。 本発明の第四の実施例を説明するための図。

符号の説明

１…フリッカ抑制装置、２…負荷、３…負荷側リアクトル、４…容量性装置、５…電源系統側リアクトル、６…無限大母線、７，１７，７１…変流器（ＣＴ）、８…計器用変圧器（ＶＴ）、１１…インバータ、１２…電流制御装置、１３…加算器（減算器）、１４…補償電流設定器、１５…有効電流検出器、１６…乗算器、１７…電流制御器、１８…バンドエリミネーションフィルタ、１９…容量性電流除去演算器、２０…交流電圧設定器、
２１…電流リミッタ制御付き交流電圧制御装置、２２…交流電流設定器、２３…電流リミッタ制御付き交流電流制御装置。

Claims (1)

1. 所定の導電線の交流電圧を検出する交流電圧検出手段と、前記導電線から負荷に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、前記検出された交流電圧及び前記検出された負荷電流に応じて補償電流信号を出力する補償電流設定手段と、前記補償電流信号に応じて前記導電線に電流を供給してフリッカを抑制する電流供給手段と、を有し、
   前記補償電流信号は、前記負荷と前記負荷以外に並列的に設けられる負荷システムとしての容量性装置に起因した共振の電流の影響を抑制するように演算して求められ、
   前記容量性装置に流れる電流は、前記容量性装置が含まれる負荷システムまでの配線のインピーダンスを用いて、前記インピーダンスと前記負荷電流との積から配線の電圧降下を求め、前記交流電圧から前記電圧降下を差し引くことによって前記負荷システムにおける交流電圧を算出し、その電圧を容量性装置のインピーダンスで除算することによって算出することを特徴とするフリッカ抑制装置。

Images