JP5278026B2 - 無効電力補償装置及び無効電力補償装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、負荷が接続された電力系統の電圧変動を抑制する無効電力補償装置及び無効電力補償装置の制御方法に関する。

電力系統の電圧変動を抑制する無効電力補償装置として、例えば、図４に示す無効電力補償装置１が提案されている。
この無効電力補償装置１は、電力系統２から系統インピーダンス３を介して負荷４が接続された系統において、系統インピーダンス３と負荷４との間に配置され、負荷４によって発生する無効電力を補償するように動作する。

無効電力補償装置１は、無効電力補償部１１と制御部１２とで構成される。
無効電力補償部１１は、例えば、遅れ無効電力発生用のリアクトル１１ａと、このリアクトル１１ａの一端に接続されたスイッチ部１１ｂと、進相コンデンサ１１ｃとを備えて構成される。進相コンデンサ１１ｃは、直列に接続されたリアクトル１１ａ及びスイッチ部１１ｂと並列に接続され、リアクトル１１ａと進相コンデンサ１１ｃとの接続点が、系統インピーダンス３と負荷４との間に接続される。前記スイッチ部１１ｂは、２つのサイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２が逆並列に接続されて構成される。

制御部１２は、系統電圧検出器１６で検出された系統インピーダンス３及び負荷４間の系統電圧Ｖｓ及び負荷電流検出器１８で検出された負荷電流Ｉｆに基づき、サイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２の導通／非導通を制御する。これらサイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２による位相制御を行い、リアクトル１１ａに流れる遅れ無効電力を調整することにより、リアクトル１１ａに流れる遅れ無効電力と進相コンデンサ１１ｃの容量との合成で表される無効電力補償装置１の無効電力Ｑｔを制御する。

無効電力補償部１１は、負荷４が発生する無効電力を補償するように動作する。
ここで、負荷４が発生する無効電力をＱｆ、無効電力補償装置１の無効電力をＱｔ、系統の無効電力をＱｓとすると、Ｑｔ＝Ｑｆとなるように無効電力補償部１１を動作させることで、系統電圧の電圧変動を抑制することができる。
図５は、無効電力補償装置１の制御部１２の構成の一例を示すブロック図である。この構成は、例えば、特許文献１に記載されている。

無効電力演算器２１において、系統電圧Ｖｓ及び負荷電流Ｉｆに基づき無効電力を演算し、これを負荷無効電力Ｑｆとする。
また、目標電圧設定器２２において系統電圧の実効値の目標電圧を設定し、目標電圧設定器２２で設定された目標電圧と系統電圧検出器１６で検出された系統電圧Ｖｓの実効値との差電圧ΔＶを減算器２３で演算し、この差電圧ΔＶを電圧調節器２４に入力する。そして、電圧調節器２４において、差電圧ΔＶに基づき負荷無効電力Ｑｆを補正するための無効電力補正量ΔＱｖを演算する。

そして、無効電力演算器２１で演算された負荷無効電力Ｑｆと、電圧調節器２４で算出された無効電力補正量ΔＱｖとを加算器２５で加算し、これを目標無効電力補償量Ｑ_Mとしてゲート制御回路２６に出力する。ゲート制御回路２６は、無効電力補償部１１の無効電力が、目標無効電力補償量Ｑ_M相当となる制御信号を生成し、この制御信号に応じてスイッチ部１１ｂの各サイリスタＳＣＲ１及びＳＣＲ２を駆動する。

特開平５−３３３９５３号公報（４図）

図５に示すように、負荷電流Ｉｆと系統電圧Ｖｓとから演算した負荷無効電力Ｑｆに基づき無効電力補償を行なうことにより、負荷４の無効電力Ｑｆによる系統電圧の電圧変動を抑制することができる。さらに、系統電圧Ｖｓから演算された無効電力補正量ΔＱｖをも用いて無効電力補償を行なうことにより、無効電力補償の対象とする負荷４を除く、他の負荷の無効電力による系統電圧の電圧変動や、負荷有効電力或いは、負荷無効電力の演算誤差によって残留した無効電力による系統電圧の電圧変動等を抑制することができる。

このように、系統電圧Ｖｓに基づき無効電力補償を行なうことにより、負荷４を除く負荷の無効電力、あるいは、負荷有効電力等に起因する系統電圧の電圧変動を抑制することができるが、無効電力補正量ΔＱｖの演算は、負荷無効電力Ｑｆの演算に対して遅いため、負荷無効電力演算を行なわず、全て無効電力補正量で補償するという制御方法は、負荷の無効電力に対する追従性の観点から現実的ではない。

ところで、このように、負荷無効電力Ｑｆと系統電圧に基づく無効電力補正量ΔＱｖとの和を目標量として無効電力補償を行なう場合、図６（ａ）に示すように、負荷無効電力Ｑｆと無効電力補正量ΔＱｖとの和が無効電力補償装置１の装置容量Ｑcapを超えると、図６（ｂ）に示すように、装置容量Ｑcap（１００％）を超える領域相当の無効電力補償を行なうことができない。つまり、負荷変動に追従して演算されている負荷無効電力Ｑｆ相当の補償を行なうことができなくなり、その結果、補償性能の低下を引き起こす可能性がある。これを回避するためには、無効電力補償装置１の装置容量を増やす等を行なう必要があり、すなわち、コストアップの要因になってしまう。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題点に着目してなされたものであり、負荷変動に追従して無効電力補償を的確に行なうことの可能な無効電力補償装置及び無効電力補償装置の制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の無効電力補償装置は、電力系統の電圧変動を抑制するように無効電力補償を行なう無効電力補償装置において、前記電力系統に接続される負荷の無効電力を負荷無効電力として演算する無効電力演算手段と、前記電力系統の系統電圧とその目標値との差に基づき、前記負荷無効電力を補正するための無効電力補正量を演算する無効電力補正量演算手段と、前記負荷無効電力の平均値を演算し、予め設定した前記負荷無効電力の変動幅を前記平均値に加算した最大負荷無効電力相当値及び前記平均値から前記変動幅を減算した最小負荷無効電力相当値を演算する負荷無効電力相当値演算手段と、前記負荷無効電力相当値演算手段で演算した最大負荷無効電力相当値及び最小負荷無効電力相当値に基づき前記無効電力補正量を制限する制限手段と、前記制限手段で制限された無効電力補正量制限値と前記負荷無効電力とに基づき無効電力補償の目標量を演算する目標量演算手段と、を備え、前記制限手段は、予め設定した無効電力補償装置の装置容量から前記最大負荷無効電力相当値を減算した値を上限値とし、前記最小負荷無効電力相当値の正負の符号を反転した反転値を下限値として、これら上限値及び下限値間の値に前記無効電力補正量を制限することを特徴としている。

また、本発明の請求項２記載の無効電力補償装置の制御方法は、電力系統の電圧変動を抑制するように無効電力補償を行なう無効電力補償装置の制御方法において、前記電力系統に接続される負荷の無効電力を負荷無効電力として演算すると共にその平均値を演算し、前記平均値に予め設定した前記負荷無効電力の変動幅を加算した値を、前記無効電力補償装置の装置容量から減算してこれを上限値とすると共に、前記平均値から前記変動幅を減算した値の正負の符号を反転した反転値を下限値とし、さらに、前記電力系統の系統電圧とその目標値との差に基づき、前記負荷無効電力を補正するための無効電力補正量を演算し、前記無効電力補正量を前記上限値及び下限値間の値に制限し、制限後の前記無効電力補正量と前記負荷無効電力とに基づき前記無効電力補償を行なうことを特徴としている。

本発明によれば、負荷無効電力の平均値に変動幅を加算した値、すなわち、負荷無効電力の最大値相当値を無効電力補償装置の装置容量から減算し、減算した値を上限値とするため、無効電力補償装置の余力容量を上限値として設定することと同等となる。また、負荷無効電力の平均値から変動幅を減算した値、すなわち負荷無効電力の最小値相当値の正負の符号を反転した反転値を下限値とするため、負荷無効電力と相殺することにより補償可能な補償量相当分を下限値として設定することと同等となる。そして、無効電力補正量を、これら上限値及び下限値間の値に制限し、制限後の無効電力補正量と負荷無効電力とに基づき無効電力補償を行なうため、負荷無効電力相当の無効電力補償を十分行いつつ、且つ、無効電力補正量相当の無効電力補償は、可能な範囲内で行なうことになって、負荷無効電力の変動に対する追従性能を損なうことなく電圧変動補償を行なうことができる。

本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置の制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の動作説明に供する説明図である。 本発明の動作説明に供する説明図である。 無効電力補償装置の一例を示す構成図である。 従来の無効電力補償装置の制御部の構成を示すブロック図である。 従来の動作説明に供する説明図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した、無効電力補償装置１の制御部１２′の一例を示すブロック図である。なお、無効電力補償部１１の構成は上記図４に示す構成と同一であるのでその詳細な説明は省略する。また、図１において、図５に示す従来の制御部１２と同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
図１において、２１は、系統電圧検出器１６で検出された系統電圧Ｖｓ及び負荷電流検出器１８で検出された負荷電流Ｉｆに基づき負荷無効電力Ｑｆを演算する無効電力演算器、２２は、系統電圧の実効値の目標電圧を設定する目標電圧設定器、２３は、目標電圧設定器２２で設定された目標電圧と系統電圧検出器１６で検出された系統電圧Ｖｓとの実効値との差電圧ΔＶを演算する減算器、２４は、減算器２３で演算された差電圧ΔＶに基づき、負荷無効電力Ｑｆを補正するための無効電力補正量ΔＱｖを演算する電圧調節器である。

また、図１において、３１は平均値演算回路、３２は加算器、３３は変動幅設定器、３４は減算器、３５は装置容量設定器、３６は制限器である。
平均値演算回路３１は、無効電力演算器２１で演算された負荷無効電力Ｑｆの平均値を演算する。平均値演算回路３１で演算された負荷無効電力Ｑｆの平均値Ｑａｖは加算器３２に入力される。
加算器３２は、負荷無効電力Ｑｆの平均値Ｑａｖと変動幅設定器３３で設定された変動幅ΔＨとを加算する。加算器３２の演算結果は、減算器３４に入力される。
変動幅設定器３３は、負荷無効電力Ｑｆの想定される変動幅ΔＨ、すなわち、負荷無効電力Ｑｆの振幅の半分の値相当を設定する。

この変動幅は、例えば予め負荷４を動作させることにより負荷無効電力Ｑｆの振幅を検出し、これに基づき設定する。また、例えば、負荷４の稼働状況等に応じて変動幅を複数設定しておき、負荷４の実際の稼働状況等、負荷無効電力Ｑｆの振幅の変化に応じて変動幅を変更するようにしてもよい。また、負荷無効電力Ｑｆとその平均値Ｑａｖとの差分を算出することにより負荷無効電力Ｑｆの振幅を算出し、これに基づき変動幅ΔＨを逐次算出するようにしてもよい。

減算器３４は、装置容量設定器３５で設定された無効電力補償装置１の装置容量Ｑcapから加算器３２の加算結果を減算する。この減算結果が、制限器３６の上限値として設定される。
さらに、図１において、３８は減算器、３９は反転器、４０は加算器である。
減算器３８は、平均値演算回路３１で演算された負荷無効電力Ｑｆの平均値Ｑａｖから変動幅設定器３３で設定された変動幅ΔＨを減算する。減算器３８の演算結果は、反転器３９に入力される。
反転器３９は、零を基準として、減算器３８の減算結果の正負の符号を反転した反転値を生成する。反転器３９で反転された反転値Ｑｔは、制限器３６の下限値として設定される。

制限器３６は、電圧調節器２４で演算された無効電力補正量ΔＱｖを入力し、この無効電力補正量ΔＱｖを、上限値及び下限値間の値に制限する。制限器３６で制限された無効電力補正量制限値ΔＱｖ′は加算器４０に入力される。
加算器４０は、無効電力補正量制限値ΔＱｖ′と負荷無効電力Ｑｆとを加算し、これを目標無効電力補償量Ｑ_Mとして、ゲート制御回路２６に出力する。ゲート制御回路２６は、目標無効電力補償量Ｑ_M相当の無効電力補償を行なうための制御信号を生成し、この制御信号に応じてスイッチ部１１ｂの各サイリスタＳＣＲ１、ＳＣＲ２を制御する。

次に、上記実施の形態の動作を、図２及び図３を伴って説明する。
負荷無効電力Ｑｆが、図２（ａ）に示すように変化する場合、負荷無効電力Ｑｆの平均値Ｑａｖは、図２（ａ）に示すように、負荷無効電力Ｑｆの振幅の略中心を通る値として算出される。変動幅ΔＨは、負荷無効電力Ｑｆの想定される変動幅相当に設定されているため、平均値Ｑａｖに変動幅ΔＨを加算することにより、平均値Ｑａｖを表す信号線が、負荷無効電力Ｑｆの高電力側のピークを通る位置近傍にシフトされることになり、この信号線は負荷無効電力Ｑｆの高電力側の最大電力相当を表すことになる（以下、最大電力相当線という。）。そして、“平均値Ｑａｖ＋変動幅ΔＨ”を、装置容量設定器３５で設定された装置容量Ｑcapから減算した値は、図２（ａ）において、装置容量Ｑcap（１００％）と最大電力相当線とで囲まれる領域となる。

ここで、図２（ａ）において、０％の横軸と装置容量Ｑcap（１００％）の破線とで囲まれる領域は、無効電力補償装置１で補償可能な無効電力の補償可能範囲を表している。したがって、装置容量Ｑcap（１００％）と最大電力相当線とで囲まれる領域は、負荷無効電力Ｑｆの他にさらに無効電力補償を行なうことの可能な領域を表し、すなわち、装置余力容量を表すことになる。

逆に、平均値Ｑａｖから変動幅ΔＨを減算すると、平均値Ｑａｖを表す信号線が、負荷無効電力Ｑｆの低電力側のピークを通る位置近傍にシフトされることになり、この信号線は負荷無効電力Ｑｆの低電力側の最小電力相当を表すことになる（以下、最小電力相当線という。）。
そして、減算器３８の演算結果は、反転器３９で反転されることにより、零を基準として正負の符号を反転した値となるため、反転値Ｑｔを表す信号線は、図２（ａ）に示すように、最小電力相当線を、零を軸として線対称となる位置に移動した波形となる。

ここで、図２（ａ）において、０％の横軸を下回る領域は、無効電力補償装置１の補償可能範囲外を表すが、０％の横軸と反転値信号Ｑｔとで囲まれる領域は、負荷無効電力Ｑｆと相殺することにより、補償可能となる領域を表し、すなわち、負荷無効電力Ｑｆの他に無効電力補償を行なうことができる装置余力容量を表す。
したがって、無効電力補正量ΔＱｖが反転値Ｑｔ以上であり、且つ装置容量Ｑcapから最大電力相当線に相当する値（平均値Ｑａｖ＋変動幅ΔＨ）を減算した値以下であれば、負荷無効電力Ｑｆ及び無効電力補正量ΔＱｖとの和は、無効電力補償装置１の補償可能範囲内に収まることになり、負荷無効電力Ｑｆ及び無効電力補正量ΔＱｖとの和相当の無効電力補償を行なうことができることになる。

例えば、負荷無効電力Ｑｆと無効電力補正量ΔＱｖとの和が無効電力補償装置１の装置容量Ｑcapを超える場合、単にこれら負荷無効電力Ｑｆと無効電力補正量ΔＱｖとの和を無効電力補償の目標量として制御した場合、図６に示すように、負荷無効電力Ｑｆを抑制するに十分な電力補償を行なうことができない。
しかしながら、図１に示すように、装置容量Ｑcapから負荷無効電力Ｑｆの最大電力相当線に相当する値（平均値Ｑａｖ＋変動幅ΔＨ）を減算した値を上限値、反転値Ｑｔを下限値とする制限器３６により無効電力補正量ΔＱｖを制限することにより、負荷無効電力Ｑｆと制限後の無効電力補正量制限値ΔＱｖ′との和は、無効電力補償装置１の補償可能範囲内に収まることになり、図２（ｂ）に示すように、負荷無効電力Ｑｆと無効電力補正量制限値ΔＱｖ′との和相当の無効電力補償を行なうことができることになる。

そして、負荷無効電力Ｑｆの制限は行なわず、無効電力補正量ΔＱｖを制限しているため、負荷無効電力Ｑｆ相当の補償は行いつつ、装置余力容量の範囲内で無効電力補正量相当の補償を行なうことになって、負荷４の負荷変動に追従して補償を行なうことができ、負荷変動の追従性を損なうことなく、電圧変動補償を行なうことができる。
逆に、負荷無効電力Ｑｆと無効電力補正量ΔＱｖとの和が負値となり無効電力補償装置１の補償可能範囲外となる場合には、図３（ｂ）に破線で示すように、負荷無効電力Ｑｆを抑制するのに十分な電力補償を行なうことができない。

しかしながら、無効電力補正量ΔＱｖを制限器３６で制限し、図３（ａ）の下限値を上回る値に制限することにより、負荷無効電力Ｑｆと無効電力補正量制限値ΔＱｖ′との和を無効電力補償装置１の補償範囲内に収めることができ、すなわち、図３（ｂ）に実線で示すように、負荷無効電力量Ｑｆと無効電力補正量制限値ΔＱｖ′との和相当の無効電力補償を行なうことができることになる。

そして、無効電力補正量ΔＱｖのみ制限を行い、負荷無効電力量Ｑｆは制限していないため、負荷無効電力Ｑｆ相当の補償は行いつつ、装置余力容量の範囲内で無効電力補正量相当の補償を行なうことになって、負荷４の負荷変動に追従して補償を行なうことができ、負荷変動の追従性を損なうことなく、電圧変動補償を行なうことができる。
また、例えば、負荷無効電力Ｑｆと無効電力補正量ΔＱｖとの和が無効電力補償装置１の装置容量を超えない場合、すなわち零％から１００％内の値をとる場合には、無効電力補正量ΔＱｖは制限器３６での制限をうけないため、負荷無効電力量Ｑｆと無効電力補正量ΔＱｖとの和相当の無効電力補償を行なうことができる。

したがって、負荷４の負荷変動の追従性を行なうことなく電圧変動補償を行なうことができると共に、負荷に起因する要因以外の、負荷有効電力や演算誤差などに起因する電圧変動を的確に抑制することができる。
このように、負荷４の負荷変動の追従性を損なうことなく電圧変動補償を行なうことができる。このため、装置容量を低減することができ、すなわちコストダウンを図ることができる。

なお、上記実施の形態においては、負荷４に起因する電圧変動のみを抑制する場合について説明したが、これに限るものではなく、複数の負荷に起因する電圧変動を抑制する場合であっても適用することができる。この場合には、各負荷による負荷無効電力を演算し、これら負荷無効電力の総和と、無効電力補正量ΔＱｖとの和が、無効電力補償装置の装置容量内に収まるように、無効電力補正量ΔＱｖを制限すればよい。

また、上記実施の形態においては、図４に示すように、無効電力補償部１１として、リアクトル１１ａ、スイッチ部１１ｂ、進相コンデンサ１１ｃ等から構成される回路を適用した場合について説明したがこれに限るものではなく、無効電力補償を行なうことの可能な回路であれば適用することができる。
ここで、上記実施の形態において、無効電力演算器２１が無効電力演算手段に対応し、減算器２３及び電圧調節器２４が無効電力補正量演算手段に対応し、平均値演算回路３１、加算器３２及び減算器３８が負荷無効電力相当値演算手段に対応し、制限器３６が制限手段に対応し、加算器４０が目標量演算手段に対応している。

１ 無効電力補償装置
２ 電力系統
３ 系統インピーダンス
４ 負荷
１１ 無効電力補償部
１２、１２′ 制御部
１６ 系統電圧検出器
１８ 負荷電流検出器
２１ 無効電力演算器
２２ 目標電圧設定器
２３ 減算器
２４ 電圧調節器
３１ 平均値演算回路
３２ 加算器
３３ 変動幅設定器
３４ 減算器
３５ 装置容量設定器
３６ 制限器
３８ 減算器
３９ 反転器
４０ 加算器

Claims (2)

1. 電力系統の電圧変動を抑制するように無効電力補償を行なう無効電力補償装置において、
   前記電力系統に接続される負荷の無効電力を負荷無効電力として演算する無効電力演算手段と、
   前記電力系統の系統電圧とその目標値との差に基づき、前記負荷無効電力を補正するための無効電力補正量を演算する無効電力補正量演算手段と、
   前記負荷無効電力の平均値を演算し、予め設定した前記負荷無効電力の変動幅を前記平均値に加算した最大負荷無効電力相当値及び前記平均値から前記変動幅を減算した最小負荷無効電力相当値を演算する負荷無効電力相当値演算手段と、
   前記負荷無効電力相当値演算手段で演算した最大負荷無効電力相当値及び最小負荷無効電力相当値に基づき前記無効電力補正量を制限する制限手段と、
   前記制限手段で制限された無効電力補正量制限値と前記負荷無効電力とに基づき無効電力補償の目標量を演算する目標量演算手段と、を備え、
   前記制限手段は、予め設定した無効電力補償装置の装置容量から前記最大負荷無効電力相当値を減算した値を上限値とし、前記最小負荷無効電力相当値の正負の符号を反転した反転値を下限値として、これら上限値及び下限値間の値に前記無効電力補正量を制限することを特徴とする無効電力補償装置。
2. 電力系統の電圧変動を抑制するように無効電力補償を行なう無効電力補償装置の制御方法において、
   前記電力系統に接続される負荷の無効電力を負荷無効電力として演算すると共にその平均値を演算し、
   前記平均値に予め設定した前記負荷無効電力の変動幅を加算した値を、前記無効電力補償装置の装置容量から減算してこれを上限値とすると共に、前記平均値から前記変動幅を減算した値の正負の符号を反転した反転値を下限値とし、
   さらに、前記電力系統の系統電圧とその目標値との差に基づき、前記負荷無効電力を補正するための無効電力補正量を演算し、前記無効電力補正量を前記上限値及び下限値間の値に制限し、
   制限後の前記無効電力補正量と前記負荷無効電力とに基づき前記無効電力補償を行なうことを特徴とする無効電力補償装置の制御方法。

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