JP5321119B2 - 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、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と並列に接続される。また、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。

図５において、無効電力演算器２１は、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、全て系統電圧Ｖｓに基づく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前記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、前記目標量演算手段で演算される無効電力補償の目標量が、予め設定した無効電力補償装置の装置容量内に収まるように前記無効電力補正量を制限するようになっており、前記制限手段は、前記装置容量と前記負荷無効電力とに基づき前記無効電力補正量のとり得る上限値を設定する上限値設定手段と、前記負荷無効電力の正負の符号を反転した反転値を前記無効電力補正量のとり得る下限値として設定する下限値設定手段とを備え、前記無効電力補正量を、前記上限値設定手段で設定された上限値と前記下限値設定手段で設定された下限値との間の値に制限することを特徴としている。

また、請求項２記載の無効電力補償装置は、前記上限値設定手段は、前記負荷無効電力の高電力側のピーク値に相当するピーク相当値を演算し、前記装置容量から前記ピーク相当値を減算した値を前記上限値として設定することを特徴としている。
また、請求項３記載の無効電力補償装置は、前記下限値設定手段は、前記反転値の高電力側のピーク値に相当する反転ピーク相当値を演算し、前記反転ピーク相当値を前記下限値として設定することを特徴としている。

さらに、本発明の請求項４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であって、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、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、予め検出した無効電力補償装置の装置容量から前記負荷無効電力を減算した値を前記無効電力補正量のとり得る上限値とし、且つ前記負荷無効電力の正負の符号を反転した反転値を前記無効電力補正量のとり得る下限値とし、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の和を目標量として、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、負荷無効電力及び無効電力補正量に基づき算出される無効電力補償の目標量が、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を制限し、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の目標量を演算するため、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。

特に、無効電力補償装置の装置容量と負荷無効電力とに基づき、無効電力補正量のとり得る上限値を設定し、負荷無効電力の正負の符号を反転した反転値を無効電力補正量のとり得る下限値として設定し、これらを上限値及び下限値として、無効電力補正量を制限しているため、負荷無効電力と無効電力補正量との和を、無効電力補償装置の装置容量内に、容易に収めることができる。

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は最大値演算回路、３２は減算器、３３は装置容量設定器、３４は制限器である。
最大値演算回路３１は、負荷無効電力Ｑｆの最大値を演算する。例えば、負荷無効電力Ｑｆの周期毎に最大値を逐次検出し、これを負荷無効電力Ｑｆの最大値とする。最大値演算回路３１で演算された負荷無効電力Ｑｆの最大値Ｑｆ_MAXは、減算器３２に入力される。
減算器３２は、負荷無効電力の最大値Ｑｆ_MAXと、装置容量設定器３３で設定される無効電力補償装置１の装置容量Ｑcapとを入力し、装置容量Ｑcapから負荷無効電力Ｑｆの最大値Ｑｆ_MAXを減算する。そして、この減算値、すなわち、無効電力補償装置１の余力容量が制限器３４の上限値として設定される。

また、図１において、３６は反転器、３７は最大値演算回路である。
反転器３６は、零を基準として負荷無効電力Ｑｆの正負の符号を反転した反転値を生成する。反転器３６で反転された反転値Ｑｔは、最大値演算回路３７に入力される。
最大値演算回路３７は、反転値Ｑｔの最大値を演算する。例えば、反転値Ｑｔの周期毎に最大値を逐次検出し、この最大値を反転値Ｑｔの最大値Ｑｔ_MAXとする。そして、この反転値Ｑｔの最大値Ｑｔ_MAXが制限器３４の下限値として設定される。

制限器３４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を前述のようにして設定される上限値及び下限値間の値に制限する。制限器３４で制限された無効電力補正量制限値ΔＱｖ′は加算器３８に入力される。
加算器３８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の周期毎の最大値が負荷無効電力の最大値Ｑｆ_MAXとして算出されるため、最大値Ｑｆ_MAXは、図２（ａ）に示すように負荷無効電力Ｑｆの高電力側のピーク値を通る線となる。
一方、反転値Ｑｔは、負荷無効電力Ｑｆを、零を基準として正負の符号を反転した値となるため、０％の横軸を軸として負荷無効電力Ｑｆと線対称となる波形となる。そして、反転値Ｑｔの周期毎の最大値が反転値Ｑｔの最大値Ｑｔ_MAXとなるため、最大値Ｑｔ_MAXは、図２（ａ）に示すように反転値Ｑｔの高電力側のピーク値を通る線となる。

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、図２（ａ）において、装置容量Ｑcap１００％の破線と負荷無効電力の最大値Ｑｆ_MAXとで囲まれる領域は、装置余力容量、すなわち、負荷無効電力Ｑｆの他に装置余力容量相当の無効電力補償を行なうことができる領域であることを意味する。

また、０％の横軸を下回る領域は補償可能範囲外ではあるが、０％の横軸と反転値Ｑｔの最大値Ｑｔ_MAX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の最大値Ｑｔ_MAX以上であり、且つ装置容量Ｑcapから負荷無効電力の最大値Ｑｆ_MAXを減算した値以下であれば、無効電力補正量ΔＱｖ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には、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、無効電力補正量ΔＱｖを、図２（ａ）に示すように、装置容量Ｑcapから負荷無効電力Ｑｆの最大値Ｑｆ_MAXを減算した値を上限値、反転値Ｑｔの最大値Ｑｔ_MAXを下限値とする制限器３４で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′との和は、無効電力補償装置１の装置容量Ｑcapで補償可能な補償可能範囲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ため、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、無効電力補正量ΔＱｖが負値の比較的大きな値となり、負荷無効電力Ｑｆと無効電力補正量ΔＱｖとの和が負値となる場合には、これらの和が無効電力補償装置１の補償可能範囲を下回り、図３（ａ）に一点鎖線で示すように、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３４で制限し、図３（ａ）の下限値以上の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の補償可能範囲内に収めることができ、すなわち、図３（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、無効電力補正量ΔＱｖのみ制限を行い、負荷無効電力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Ｑcap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３４での制限をうけないため、負荷無効電力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損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４を除く他の負荷による無効電力や、負荷有効電力或いは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。
そして、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ため、装置容量Ｑcap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、他の負荷を含めて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、装置容量Ｑcap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、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、制限器３４が制限手段に対応し、加算器３８が目標量演算手段に対応している。
また、減算器３２の演算結果を制限器３４の上限値として設定する処理が上限値設定手段に対応し、反転器３６及び最大値演算回路３７の演算結果を制限器３４の下限値として設定する処理が下限値設定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 最大値演算回路
３２ 減算器
３３ 装置容量設定器
３４ 制限器
３６ 反転器
３７ 最大値演算回路
３８ 加算器

Claims (4)

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前記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、前記目標量演算手段で演算される無効電力補償の目標量が、予め設定した無効電力補償装置の装置容量内に収まるように前記無効電力補正量を制限するようになっており、
   前記制限手段は、前記装置容量と前記負荷無効電力とに基づき前記無効電力補正量のとり得る上限値を設定する上限値設定手段と、
   前記負荷無効電力の正負の符号を反転した反転値を前記無効電力補正量のとり得る下限値として設定する下限値設定手段とを備え、
   前記無効電力補正量を、前記上限値設定手段で設定された上限値と前記下限値設定手段で設定された下限値との間の値に制限することを特徴とする無効電力補償装置。
2. 前記上限値設定手段は、前記負荷無効電力の高電力側のピーク値に相当するピーク相当値を演算し、前記装置容量から前記ピーク相当値を減算した値を前記上限値として設定することを特徴とする請求項１記載の無効電力補償装置。
3. 前記下限値設定手段は、前記反転値の高電力側のピーク値に相当する反転ピーク相当値を演算し、前記反転ピーク相当値を前記下限値として設定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の無効電力補償装置。
4. 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であって、
   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、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、
   予め検出した無効電力補償装置の装置容量から前記負荷無効電力を減算した値を前記無効電力補正量のとり得る上限値とし、且つ前記負荷無効電力の正負の符号を反転した反転値を前記無効電力補正量のとり得る下限値とし、
   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の和を目標量として、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。

Images