JP5542609B2 - 無効電力補償装置 - Google Patents

Description

この発明は、無効電力補償装置に関し、特に電力系統に用いられる無効電力補償装置に関する。

ＳＴＡＴＣＯＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）、ＳＶＧ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）あるいは自励式ＳＶＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）などと呼ばれる無効電力補償装置は、電力系統無効電力を制御することによって電力系統の安定度を向上させるために導入されることが多い。無効電力補償装置は、定常運転時の電力系統の安定度を向上させる場合のみならず、電力系統事故中及び事故除去後といった電力系統の過渡的な安定度の向上にも有効である。無効電力補償装置は、例えば直流電圧を交流電圧に変換する自励式の電力変換器と、直流電圧を供給するコンデンサと、電力系統と連系する変圧器とで構成されている。

そして、無効電力補償装置の制御部は一般に以下のように構成されている。すなわち制御部は、系統電圧が所望の系統電圧指令に追従するように無効電流指令を出力する電圧制御部と、無効電力補償装置の出力電流がこの無効電流指令に追従するように無効電力補償装置の出力電圧を制御する電流制御部とを有している。例えば、無効電力補償装置における制御部が、無効電流指令を出力する電圧制御部と、電力変換器の出力電流がこの無効電流指令に追従するように電力変換器の出力電圧を制御する電流制御部から構成されているものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、無効電力補償装置の電流制御を、有効電流成分と無効電流成分に分けて制御することが開示されている。そして、電圧制御の出力が無効電流指令となることが示されている。さらに、コンデンサ電圧が一定になるように直流電圧制御部が有効電流指令を出力するように構成されるものが示されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００２−２８１６７０号公報（段落番号００３０〜００３４及び図６）

Ｔｏｓｈｉｙｕｋｉ Ｆｕｊｉｉ他，Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ±８０ＭＶＡ ＯＧＴ ＳＴＡＴＣＯＭ ｕｎｄｅｒ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ ｏｆ Ｊａｐａｎ，ｖｏｌ．１２８，Ｎｏ．４，２００８（ｐｐ．３５５−３５８，Ｆｉｇ．５及びＦｉｇ．８）

無効電力補償装置は、電力系統無効電力を制御することによって電力系統の安定度を向上させるために導入されることが多いが、電力系統条件は場所により様々である。例えば、図９の電力系統図に示すように、無効電力補償装置５０１は自励式の電力変換器５０１ａ及びコンデンサ５０１ｂを有し、交流側は変圧器５５１で昇圧され、接続線５１０及び送電線（インダクタンスとして図示）５０２を介して交流電力系統５０３に接続されるとともに、送電線（インダクタンスとして図示）５０４を介して交流電力系統５０５に接続されている。さらに、交流電力系統５０３には、無効電力補償装置５０１の至近端である接続線５１０に、変圧器５０６を介して調相用コンデンサ５０７が接続されるとともに、変圧器５０８を介して負荷５０９が接続される場合がある。このような条件で、無効電力補償装置５０１が連系されている至近端で事故が発生した場合、接続線５１０の電圧は事故発生時及び事故除去時に大きく変動する。系統電圧が変動すると、変圧器５０８の磁束が飽和し図１０（ａ）の波形図に示すように、変圧器５０８に励磁突入電流が流れる。変圧器５０８の各相の励磁突入電流は１サイクルに１度大きな電流が流れることにより系統電圧は正負非対称のひずみを生じる。この影響で、系統電圧は電源周波数ｆの２倍（２ｆ）で歪んだ波形となる。

変圧器５０８の励磁突入電流は、通常時間の経過とともに次第に減衰する。しかしながら、飽和した変圧器５０８の至近端にコンデンサ５０７が接続されている場合、図１０（ｂ）に示すコンデンサ５０７が無い場合に比較して、コンデンサ５０７との相互干渉により、図１０（ａ）に示すように励磁突入電流が大きくなり、その継続時間が長くなる。従って接続線５１０の電圧の変動が大きくなりさらに変動時間が長くなる。無効電力補償装置は通常時は無効電流のみを出力し有効電流はほぼ零である。しかしながら系統電圧が動揺する場合、無効電力補償装置の有効電力が変動し直流電圧が動揺する。

ここで、無効電力補償装置が受ける影響について述べる。無効電力補償装置は、電力系統に振動が発生すると、その振動の影響を受けた電圧を検出し、その電圧に基づき電圧制御部が動作して無効電流指令を出力する。このため、無効電流指令にはその振動を含むことになる。無効電力補償装置の制御部において無効電流成分と有効電流成分とがそれぞれｄ軸、ｑ軸とするｄｑ座標系で制御される。ｄ軸は系統電圧に直交した成分、ｑ軸は系統電圧と同位相の成分となるように、系統電圧に基づき制御される。電力系統を構成する送電線５０２，５０４は主にインダクタンス成分であり、無効電力補償装置５０１が接続される電力系統の電圧は、無効電流を出力することで送電線５０２，５０４に発生する無効電流に直交した電圧を発生させ、その大きさを制御することができる。従って、電圧制御は電力系統の電圧を制御するように電圧のｑ軸成分（系統電圧と同位相の成分）を制御すべく、ｄ軸電流指令を出力する。

ｄ，ｑ座標変換を行うと、３相平衡の場合ｄ，ｑ成分が無効電流成分及び無効電流成分に比例した直流成分となる。これにより、電圧が３相平衡の場合では、ｑ軸電圧が系統電圧の大きさに比例し、ｄ軸電圧がほぼ零となる。しかし、電圧が３相不平衡や高調波成分を含む場合、ｄｑ座標の電圧にも変動成分が重畳する。例えば、３相不平衡（逆相１ｆ）になった場合、ｄｑ座標には基本波の２倍周波（２ｆ）が重畳する。また、上記のように変圧器の励磁突入電流などでは、正相の２ｆの電圧振動が存在し、そのｄ，ｑ座標成分は１ｆ振動となる。さらに、正相の３ｆの電圧振動は、ｄ，ｑ座標で２ｆ振動、正相の４ｆ振動は３ｆ振動となる。一般に正相成分の周波数は基本波周波数分下がり、逆相成分は基本波周波数分上昇した成分がｄｑ座標に表れる。

電圧制御は正相基本波を制御するように構成されるため、電圧の変動を除去する目的で電圧検出にフィルタが用いられる。最も大きな影響を及ぼす成分は、逆相により生じる２ｆ成分であり、これを除去するように低域通過フィルタが構成される。しかし、１ｆ振動に関しては、１ｆ振動を除去すると電圧制御の応答を高くすることができないため、１ｆを除去するだけの低域通過フィルタを用いることができない場合が多い。このため、１ｆ振動は除去されず、ｄ，ｑ座標成分として残留する。

ｄ，ｑ座標は系統電圧に基づき設定されるが、上記のように系統電圧が不平衡になったり、高調波を含む場合に、座標系が変動することを防止するように正相成分に同期するような応答で制御される。これにより、電力系統事故や送電ルートの切り替えなどで生じる位相変化には追従するが、上記のような不平衡や高調波には追従しないような座標系が構成される。そして、無効電力補償装置５０１は、接続線５１０の電圧を制御するように、設定された座標系に基づき無効電流を出力し、有効電流はほぼ零となるように出力する。しかし、有効電流を零にしても、電圧変動により生じる瞬時有効電力は零とならない。すなわち、電圧変動と無効電流により生じる瞬時有効電力変動が発生する。この瞬時有効電力変動は、無効電力補償装置５０１を構成するコンデンサ５０１ｂの電圧変動の要因となる。直流電圧の変動周波数は、電力変換器５０１ａで実行される交流直流変換の原理から、ｄｑ座標での変動周波数と同じであり、正相の２ｆ変動が系統電圧に発生すると、１ｆの変動となる。

コンデンサ５０１ｂの端子電圧の変動を抑制する目的で、直流電圧制御が行われる。直流電圧制御は、コンデンサ５０１ｂの電圧を検出し、その直流電圧が一定になるように有効電流指令を出力する。上記の系統電圧変動により発生する直流電圧変動は基本波周波数以上の周波数成分を持つが、電流制御の遅れや検出遅れなどにより、その成分を十分抑制できるだけの制御ゲインを得ることができない。また、コンデンサ５０１ｂの静電容量は不平衡電力に対して直流電圧変動が大きくならないように選定されるが、上記の１ｆ振動まで抑制するように静電容量を増加すると、装置の大型化、コスト増加となる。さらに、無効電力補償装置は変換器保護の観点から、直流過電圧保護機能が搭載されていることが多く、系統電圧の変動により無効電力補償装置の直流電圧の振動が大きくなると、直流過電圧保護レベルに達し過電圧保護装置が動作するなど、安定して動作しないという問題が生じる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、系統電圧が変動したときに、直流電圧振動を抑制でき安定して動作する無効電力補償装置を得ることを目的とする。

この発明に係る無効電力補償装置においては、電力変換器、電圧検出手段、電流検出手段及び変換器制御手段を備えた無効電力補償装置であって、
上記電力変換器は、電力系統に接続され直流回路の電力を変換して上記電力系統に出力電流として出力するものであり、
上記電圧検出手段は、上記電力系統の系統電圧を系統電圧検出値として検出するものであり、
上記電流検出手段は、上記出力電流を出力電流検出値として検出するものであり、
上記変換器制御手段は、有効無効電流変換部と無効電流指令値演算部と無効電流制御部と振動抑制制御部と有効電流制御部と変換器制御部とを有するものであって、
上記有効無効電流変換部は、上記出力電流検出値を上記電力系統へ出力される有効電流成分と無効電流成分とに変換するものであり、
上記無効電流指令値演算部は、所定の系統電圧指令値と上記系統電圧検出値とに基づいて無効電流指令演算値を演算するものであり、
上記無効電流制御部は、上記無効電流指令演算値と上記無効電流成分とに基づき第１の電圧指令値を求めるものであり、
上記振動抑制制御部は、上記無効電流指令演算値に基づいて上記直流回路の直流電圧の振動成分を求め、求めた上記振動成分に基づいて補正値を求めるものであり、
上記有効電流制御部は、所定の有効電流指令値を上記補正値により補正した補正有効電流指令値と上記有効電流成分とに基づき第２の電圧指令値を演算するものであり、
上記変換器制御部は、上記第１の電圧指令値と上記第２の電圧指令値とに基づいて上記電力変換器の上記出力電流を制御するものである。

さらに、この発明に係る無効電力補償装置においては、電力変換器、電圧検出手段、電流検出手段及び変換器制御手段を備えた無効電力補償装置であって、
上記電力変換器は、電力系統に接続され直流回路の電力を変換して上記電力系統に出力電流として出力するものであり、
上記電圧検出手段は、上記電力系統の系統電圧を系統電圧検出値として検出するものであり、
上記電流検出手段は、上記出力電流を出力電流検出値として検出するものであり、
上記変換器制御手段は、有効無効電流変換部と無効電流制御部と振動抑制制御部と有効電流制御部と変換器制御部とを有するものであって、
上記有効無効電流変換部は、上記出力電流検出値を上記電力系統へ出力される有効電流成分と無効電流成分とに変換するものであり、
上記無効電流制御部は、所定の無効電流指令値と上記無効電流成分とに基づき第１の電圧指令値を求めるものであり、
上記振動抑制制御部は、上記系統電圧検出値に基づいて上記直流回路の直流電圧の振動成分を求め、求めた上記振動成分に基づいて補正値を求めるものであり、
上記有効電流制御部は、所定の有効電流指令値を上記補正値により補正した補正有効電流指令値と上記有効電流成分とに基づき第２の電圧指令値を演算するものであり、
上記変換器制御部は、上記第１の電圧指令値と上記第２の電圧指令値とに基づいて上記電力変換器の上記出力電流を制御するものである。

また、この発明に係る無効電力補償装置においては、電力変換器、電圧検出手段、電流検出手段及び変換器制御手段を備えた無効電力補償装置であって、
上記電力変換器は、電力系統に接続され直流回路の電力を変換して上記電力系統に出力電流として出力するものであり、
上記電圧検出手段は、上記電力系統の系統電圧を系統電圧検出値として検出するものであり、
上記電流検出手段は、上記出力電流を出力電流検出値として検出するものであり、
上記変換器制御手段は、有効無効電流変換部と無効電流指令値演算部と無効電流制御部と振動抑制制御部と有効電流制御部と変換器制御部とを有するものであって、
上記有効無効電流変換部は、上記出力電流検出値を上記電力系統へ出力される有効電流成分と無効電流成分とに変換するものであり、
上記無効電流指令値演算部は、所定の系統電圧指令値と上記系統電圧検出値とに基づいて無効電流指令演算値を演算するものであり、
上記無効電流制御部は、上記無効電流指令演算値と上記無効電流成分とに基づき第１の電圧指令値を求めるものであり、
上記振動抑制制御部は、上記系統電圧検出値に基づいて上記直流回路の直流電圧の振動成分を求め、求めた上記振動成分に基づいて補正値を求めるものであり、
上記有効電流制御部は、所定の有効電流指令値を上記補正値により補正した補正有効電流指令値と上記有効電流成分とに基づき第２の電圧指令値を演算するものであり、
上記変換器制御部は、上記第１の電圧指令値と上記第２の電圧指令値とに基づいて上記電力変換器の上記出力電流を制御するものである。

この発明は、電力変換器、電圧検出手段、電流検出手段及び変換器制御手段を備えた無効電力補償装置であって、
上記電力変換器は、電力系統に接続され直流回路の電力を変換して上記電力系統に出力電流として出力するものであり、
上記電圧検出手段は、上記電力系統の系統電圧を系統電圧検出値として検出するものであり、
上記電流検出手段は、上記出力電流を出力電流検出値として検出するものであり、
上記変換器制御手段は、有効無効電流変換部と無効電流指令値演算部と無効電流制御部と振動抑制制御部と有効電流制御部と変換器制御部とを有するものであって、
上記有効無効電流変換部は、上記出力電流検出値を上記電力系統へ出力される有効電流成分と無効電流成分とに変換するものであり、
上記無効電流指令値演算部は、所定の系統電圧指令値と上記系統電圧検出値とに基づいて無効電流指令演算値を演算するものであり、
上記無効電流制御部は、上記無効電流指令演算値と上記無効電流成分とに基づき第１の電圧指令値を求めるものであり、
上記振動抑制制御部は、上記無効電流指令演算値に基づいて上記直流回路の直流電圧の振動成分を求め、求めた上記振動成分に基づいて補正値を求めるものであり、
上記有効電流制御部は、所定の有効電流指令値を上記補正値により補正した補正有効電流指令値と上記有効電流成分とに基づき第２の電圧指令値を演算するものであり、
上記変換器制御部は、上記第１の電圧指令値と上記第２の電圧指令値とに基づいて上記電力変換器の上記出力電流を制御するものであるので、直流電圧振動を抑制でき安定して動作する無効電力補償装置を得ることができる。

さらに、この発明は、電力変換器、電圧検出手段、電流検出手段及び変換器制御手段を備えた無効電力補償装置であって、
上記電力変換器は、電力系統に接続され直流回路の電力を変換して上記電力系統に出力電流として出力するものであり、
上記電圧検出手段は、上記電力系統の系統電圧を系統電圧検出値として検出するものであり、
上記電流検出手段は、上記出力電流を出力電流検出値として検出するものであり、
上記変換器制御手段は、有効無効電流変換部と無効電流制御部と振動抑制制御部と有効電流制御部と変換器制御部とを有するものであって、
上記有効無効電流変換部は、上記出力電流検出値を上記電力系統へ出力される有効電流成分と無効電流成分とに変換するものであり、
上記無効電流制御部は、所定の無効電流指令値と上記無効電流成分とに基づき第１の電圧指令値を求めるものであり、
上記振動抑制制御部は、上記系統電圧検出値に基づいて上記直流回路の直流電圧の振動成分を求め、求めた上記振動成分に基づいて補正値を求めるものであり、
上記有効電流制御部は、所定の有効電流指令値を上記補正値により補正した補正有効電流指令値と上記有効電流成分とに基づき第２の電圧指令値を演算するものであり、
上記変換器制御部は、上記第１の電圧指令値と上記第２の電圧指令値とに基づいて上記電力変換器の上記出力電流を制御するものであるので、直流電圧振動を抑制でき安定して動作する無効電力補償装置を得ることができる。

また、この発明は、電力変換器、電圧検出手段、電流検出手段及び変換器制御手段を備えた無効電力補償装置であって、
上記電力変換器は、電力系統に接続され直流回路の電力を変換して上記電力系統に出力電流として出力するものであり、
上記電圧検出手段は、上記電力系統の系統電圧を系統電圧検出値として検出するものであり、
上記電流検出手段は、上記出力電流を出力電流検出値として検出するものであり、
上記変換器制御手段は、有効無効電流変換部と無効電流指令値演算部と無効電流制御部と振動抑制制御部と有効電流制御部と変換器制御部とを有するものであって、
上記有効無効電流変換部は、上記出力電流検出値を上記電力系統へ出力される有効電流成分と無効電流成分とに変換するものであり、
上記無効電流指令値演算部は、所定の系統電圧指令値と上記系統電圧検出値とに基づいて無効電流指令演算値を演算するものであり、
上記無効電流制御部は、上記無効電流指令演算値と上記無効電流成分とに基づき第１の電圧指令値を求めるものであり、
上記振動抑制制御部は、上記系統電圧検出値に基づいて上記直流回路の直流電圧の振動成分を求め、求めた上記振動成分に基づいて補正値を求めるものであり、
上記有効電流制御部は、所定の有効電流指令値を上記補正値により補正した補正有効電流指令値と上記有効電流成分とに基づき第２の電圧指令値を演算するものであり、
上記変換器制御部は、上記第１の電圧指令値と上記第２の電圧指令値とに基づいて上記電力変換器の上記出力電流を制御するものであるので、直流電圧振動を抑制でき安定して動作する無効電力補償装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１である無効電力補償装置の構成を示す構成図である。 図１の電力変換器の詳細構成を示す回路図である。 図１の電力変換器の代わりに用いることができる別の電力変換器を示す回路図である。 動作を説明するための各部の波形図である。 実施の形態２である無効電力補償装置の構成を示す構成図である。 実施の形態３である無効電力補償装置の構成を示す構成図である。 実施の形態４である無効電力補償装置の構成を示す構成図である。 実施の形態５である無効電力補償装置の構成を示す構成図である。 無効電力補償装置が接続される電力系統を示す電力系統図である。 従来の無効電力補償装置が接続される電力系統における変圧器の励磁突流を示す波形図である。

実施の形態１．
図１〜図４は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は無効電力補償装置の構成を示す構成図、図２は図１の電力変換器の詳細構成を示す回路図である。図３は図２の電力変換器の代わりに用いることができる別の電力変換器を示す回路図、図４は動作を説明するための各部の波形図である。図１において、無効電力補償装置は次のように構成され、複数の相（三相）を有する電力系統１０１に連系されている。自励式の電力変換器２（詳細後述）は、図１には図示していないスイッチング素子を含み、供給された直流電圧を交流電圧に変換して電力系統１０１へ無効電力を出力する。電流検出手段としての電流検出器３は電力変換器２から電力系統へ出力される出力電流を検出する。電圧検出手段としての電圧検出器４は、電力系統１０１の系統電圧を検出する。変換器制御手段としての変換器制御装置６は、上記電力変換器２の出力電流と電力系統１０１の系統電圧とに基づいて電力変換器２におけるスイッチング素子をスイッチングさせることにより、電力変換器２から電力系統１０１へ出力される出力電流を制御する。

次に、詳細構成を説明する。図１において、電力変換器２は、ｕ相、ｖ相、ｗ相を有する三相交流の電力系統１０１に接続され、図２に示すように自己消弧型のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含み、直流回路としてのコンデンサ１（Ｃ１）の直流電圧を交流電圧に変換して電力系統１０１へ出力することにより、電力系統１０１へ無効電力を出力する。変換器用変圧器５は、電力変換器２から出力された交流電圧を変圧して電力系統１０１へ出力する。図２及び図３は、電力変換器２の回路図例である。図２において、電力変換器２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、ダイオードＤ１〜Ｄ６とを有する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は例えばＧＣＴ（Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ ＴｕｒｎＯｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）であるが、自己消弧型のスイッチング素子であればこれに限定されるものではない。

ダイオードＤ１〜Ｄ６は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にそれぞれ逆並列接続されている。図２の例ではコンデンサ１（Ｃ１）は直流回路に１直列に構成されて、直流電圧を平滑化する。図３の電力変換器は、図２の電力変換器の代わりに用いることができるものであり、図３において、電力変換器２０２は、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２２と、ダイオードＤ１１〜Ｄ２８とを有する。スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２２は例えばＧＣＴ（Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）である。ダイオードＤ１１〜Ｄ２２はスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２２にそれぞれ逆並列接続されている。Ｄ２３〜Ｄ２６は、クランプダイオードである。図３の例ではコンデンサ２０１（Ｃ１１、Ｃ１２）は、直流回路に２直列で接続され、直流電圧を平滑化する。図２、図３に示すように、電力変換器２，２０２は、２レベル、マルチレベル等のいずれの方式でも適用可能である。

図２に示すスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６あるいは図３に示すスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ２２の各々には変換器制御装置６から駆動信号（ゲートパルス信号）が供給される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６あるいはＱ１１〜Ｑ２２は駆動信号に基づいてスイッチング動作を行ない、コンデンサＣ１あるいはコンデンサＣ１１、Ｃ１２によって平滑化された電圧すなわち直流電圧を交流電圧に変換して変換器用変圧器５を介して電力系統１０１に供給する。

図１に戻って、電流検出器３は、電力変換器２から変換器用変圧器５を介して電力系統としての電力系統１０１へ出力される出力電流を検出する。電流検出器３によって検出された出力電流は、フィードバック電流として変換器制御装置６（後述）に与えられる。電圧検出器４は、電力系統１０１の系統電圧を検出する。電圧検出器４によって検出された電圧はフィードバック電圧として変換器制御装置６に与えられる。

次に、変換器制御装置６について詳細に説明する。変換器制御装置６は、無効電流指令値演算部７と、有効無効電流変換部８ａと、電圧検出部８ｂと、無効電流制御部９と、振動抑制制御部１０と、有効電流制御部１１と、電圧指令値変換部１２と、ゲートパルス信号生成部１３，１４，１５と、加減算器２１，２２，２３とを有する。なお、電圧指令値変換部１２及びゲートパルス信号生成部１３，１４，１５がこの発明における変換器制御部である。変換器制御装置６は、電流検出器３によって検出された出力電流に基づいて電力変換器２におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６（図２参照）をスイッチングさせることにより、電力変換器２から電力系統１０１へ出力される電流を制御する。

より詳細には、有効無効電流変換部８ａは、電流検出器３により検出された出力電流の検出値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを電力変換器２から電力系統１０１へ出力される無効電流成分としての無効電流Ｉｄ及び有効電流成分としての有効電流Ｉｑに変換する。電圧検出部８ｂは電圧検出器４を介して検出された系統電圧を三相二相変換して系統電圧検出値Ｖｑを求め、この系統電圧検出値Ｖｑは加減算器２１に入力され系統電圧指令値Ｖｑ＊との差δＶｑが無効電流指令値演算部７へ出力される。無効電流指令値演算部７は、系統電圧検出値Ｖｑと系統電圧指令値Ｖｑ＊との差δＶｑに基づいて、系統電圧が所定電圧値になるように、無効電流指令演算値を演算し、無効電流指令値Ｉｄ＊とする。

加減算器２２にて無効電流指令値Ｉｄ＊と無効電流Ｉｄ（測定値）との差δＩｄが演算され、その差δＩｄが無効電流制御部９へ出力される。無効電流制御部９は、有効無効電流変換部８ａにて変換された無効電流Ｉｄが無効電流指令値Ｉｄ＊になるように、電力変換器２から出力されるべき出力電圧の指令値である第１の電圧指令値としての電圧振幅指令値Ｖ＊を演算する。すなわち無効電流制御部９では、電力変換器２から出力される交流電圧のレベル制御が行なわれる。振動抑制制御部１０では、無効電流指令値Ｉｄ＊に基づいて電力系統の電圧振動を抑制するための制御量すなわち有効電流指令値の補正値Ｉｑ２ｆ＊を演算する（詳細後述）。有効電流指令値Ｉｑ＊と有効電流指令値の補正値Ｉｑ２ｆ＊とが加減算器２３にて加算されて有効電流指令値が補正有効電流指令値Ｉｄｃｏｍｐ＊（＝Ｉｑ＊＋Ｉｑ２ｆ＊）に補正されるとともに有効電流Ｉｑとの差δＩｑが演算されて有効電流制御部１１へ出力される。有効電流制御部１１は、差δＩｑが零になるように電力変換器２が出力すべき出力電圧の基準とされる第２の電圧指令値としての電圧位相指令値θ＊を演算し、電力変換器２から出力される交流電圧の位相制御を行う。なお、所定の有効電流指令値Ｉｑ＊は、固定値であってもよいし、何らかの演算によって得られる変動値であってもよい。

電圧指令値変換部１２は、電圧振幅指令値Ｖ＊と電圧位相指令値θ＊とに基づいて、電力変換器２から出力される電圧の指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を演算する。ゲートパルス信号生成部１３は、例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御に従って、電力変換器２が指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に相当する電圧を出力するためのゲートパルス信号を電力変換器２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に供給する。指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊は、電圧検出部８ｂにより変換された系統電圧検出値Ｖｑを用いた電圧フィードバック制御系に、有効無効電流変換部８ａにより検出された無効電流Ｉｄを用いた電流マイナーループ制御系を加えた制御系の出力として得られる。この制御系により、電圧の指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を系統電圧すなわち系統電圧検出値Ｖｑの変化に追従して変化させることができる。

この実施の形態１における特徴は、変換器制御装置６に、振動抑制制御部１０を設けたことである。この振動抑制制御部１０を設けることで、系統電圧検出値Ｖｑが２ｆ成分で振動している場合においても、後述の理由によりその影響を除去することが可能となる。系統電圧の振動の影響を除去可能なのは、以下の理由による。図４（ａ）に示すような系統電圧検出値Ｖｑである場合、系統電圧基本周波数（１ｆ成分）は図４（ｂ）に示すように、系統電圧の正相２ｆ振動成分ΔＶは図４（ｃ）に示すようになる。そして、ｄｑ座標を、ｑ軸が系統電圧の正相に同期した成分、ｄ軸がｑ軸に対して９０度遅れた成分を表すように設定する。このとき、電力系統周波数をω（＝２πｆ）とすると２ｆ振動成分は、ｄ軸電圧が（−ΔＶｓｉｎ（ωｔ＋φ））、ｑ軸電圧が（Ｖｑ＋ΔＶｃｏｓ（ωｔ＋φ））となる。ここで、φは振動成分の位相である。

例えば、系統電圧の変動値ΔＶはｄ，ｑ座標上にｑ軸成分ΔＶｄ及びｑ軸成分ΔＶｑとして変換されるが、ｑ軸成分の１ｆ振動成分ΔＶｑは図４（ｄ）に示すようになる。無効電流指令値演算部７にて系統電圧検出値Ｖｑ及びｑ軸成分の１ｆ振動成分ΔＶｑに基づき、無効電流指令値Ｉｄ＊が演算されるが、無効電流指令値演算部７において、１ｆは応答周波数内ではなく、制御器は積分器として動作する領域であるため、無効電流指令値Ｉｄ＊はΔＶｑの積分値がゲイン倍され、ΔＶｑ（＝ΔＶｃｏｓ（ωｔ＋φ））の振動に対して９０度遅れた振動波形が発生する。すなわち、無効電流指令値の振動成分ΔＩｄ＊＝ＫΔＶｓｉｎ（ωｔ＋φ）となる。但し、Ｋは無効電流指令値演算部７のω成分のゲインである。無効電流指令値の振動成分ΔＩｄ＊を図４（ｅ）に、有効電流Ｉｑを図４（ｆ）に示す。

一方、１ｆ振動ΔＶｑの影響により発生する有効電力変動ΔＰは、出力電流と電圧変動との積である。無効電力補償装置は無効電流Ｉｄを出力し、有効電流Ｉｑはほぼ零である。従って、ΔＰ＝Ｉｄ×（−ΔＶｓｉｎ（ωｔ＋φ））となる。無効電力補償装置が進み電流を出力する場合Ｉｄ＜０、遅れ電流を出力する場合Ｉｄ＞０となるので、進み電流出力の場合はΔＶｑより９０度位相の遅れた振動、遅れ電流出力の場合はΔＶｑより９０度進んだ振動となる。有効電力変動ΔＰにより、コンデンサＣ１は充放電し、コンデンサＣ１の直流電圧は振動するが、コンデンサ電流は出力有効電力に応じて流れるため、コンデンサ電圧変動は近似的に（１／Ｃ１）∫（−ΔＰ）ｄｔとなる。これにより、直流電圧振動成分ΔＶｄｃは−ＩｄΔＶｃｏｓ（ωｔ＋φ）／Ｃ１となる。図４（ｇ）は、Ｉｄ＜０の場合の直流電圧振動成分ΔＶｄｃの波形例である。

この関係より、無効電流指令値Ｉｄ＊に基づき直流電圧振動成分ΔＶｄｃを検出する。ΔＶｄｃとＩｄ＊を比較すると、ΔＶｄｃは無効電流Ｉｄの極性に依存して無効電流指令値Ｉｄ＊より９０度位相の遅れまたは進んだ振動となっている（図４（ｅ），（ｇ）参照）。振動抑制制御部１０では、無効電流指令値Ｉｄ＊を微分しゲイン倍して、無効電流指令値Ｉｄ＊の極性を乗ずることにより直流電圧振動成分ΔＶｄｃ（図４（ｇ））を求め、有効電流指令値Ｉｑ＊の補正値Ｉｑ２ｆ＊を出力する。そして、この補正値Ｉｑ２ｆ＊で有効電流指令値Ｉｑ＊を補正することで、直流電圧振動を抑制することができる。直流電圧を検出してフィードバック制御すれば、直流電圧に含まれる振動をゲイン倍して有効電流指令値を得てその振動を抑制できるが、直流電圧のフィードバック制御が無いかそのゲインが低くても同様の振動抑制効果を得ることができる。これにより、系統電圧の２ｆ振動により発生するコンデンサ１の直流電圧振動成分ΔＶｄｃを抑制し、直流電圧が過電圧レベルに達し過電圧保護モードとなることを回避することが可能となる。以上のように、三相系では２ｆ振動で現れる振動は、ｄｑ座標上では１ｆ振動となって現れるが、制御器はｄｑ座標系で制御されるため、制御系で１ｆ振動を抑制することは、三相系の２ｆ振動を抑制することになり、効果的に２ｆ振動を抑制できることになる。

従って、この実施の形態１に係る無効電力補償装置では、電力系統事故時に変圧器励磁突入電流の影響により系統電圧に基本周波数の２倍の２ｆの振動が発生した場合においても、安定した運転が可能となる。
なお、この実施の形態１における電流制御は、無効電流制御部９が電圧振幅指令、有効電流制御部１１が電圧位相指令を出力するように構成しているが、無効電流制御部が系統電圧と直交した電圧成分指令を、有効電流制御部が系統電圧と同位相の電圧成分指令を出力するように構成してもよく、有効電流と無効電流がそれぞれ制御できるように構成されている制御系であっても同様の効果を奏する。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２である無効電力補償装置の構成を示す構成図である。図５において、変換器制御手段としての変換器制御装置３６は、振動抑制制御部３１を有する。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。図５において、振動抑制制御部３１へ電圧検出部８ｂで変換された系統電圧検出値Ｖｑと有効無効電流変換部８ａにて算出された無効電流Ｉｄとが入力され、これらに基づき有効電流指令値の補正値Ｉｑ２ｆ＊が求められる。加減算器２３にて有効電流指令値Ｉｑ＊と有効電流指令値の補正値Ｉｑ２ｆ＊とが加算されて有効電流指令値が補正有効電流指令値Ｉｄｃｏｍｐ＊（＝Ｉｑ＊＋Ｉｑ２ｆ＊）に補正されるとともに補正有効電流指令値Ｉｄｃｏｍｐ＊と有効電流Ｉｑとの差δＩｑが演算されて有効電流制御部１１へ出力される。

ここで、系統電圧の正相２ｆ振動成分をΔＶとし、ｄｑ座標を、ｑ軸が系統電圧の正相に同期した成分、ｄ軸がｑ軸に対して９０度遅れた成分を表すように設定する。このとき、電源周波数をω（＝２πｆ）とすると２ｆ振動成分は、ｄ軸電圧が（−ΔＶｓｉｎ（ωｔ＋φ））、ｑ軸電圧が（Ｖｑ＋ΔＶｃｏｓ（ωｔ＋φ））となる。これにより発生する直流電圧振動成分ΔＶｄｃは実施の形態１で示したとおり（−ＩｄΔＶｃｏｓ（ωｔ＋φ）／Ｃ１）である。これは、Ｉｄの極性により、ｑ軸電圧の変動ΔＶｑ＝ΔＶｃｏｓ（ωｔ＋φ）と同位相または逆位相の関係となる。実施の形態２の振動抑制制御部３１では、電力系統周波数ωは通過し直流成分が除去されるようにｑ軸電圧をハイパスフィルタを通過させゲイン倍した後、無効電流Ｉｄが負のとき１、正のとき−１となる極性を乗じて、直流電圧振動成分ΔＶｄｃを求め、有効電流指令値の補正値を出力している。

なお、以上では、無効電流指令値Ｉｄ＊を演算によらずに設定しているが、図１の実施の形態１と同じように、加減算器２１及び無効電流指令値演算部７を設けて、系統電圧検出値Ｖｑを加減算器２１へ入力し、系統電圧指令値Ｖｑ＊との差δＶｑが無効電流指令値演算部７へ出力されるようにし、無効電流指令値演算部７において、系統電圧検出値Ｖｑと系統電圧指令値Ｖｑ＊との差δＶｑに基づいて、系統電圧すなわち系統電圧検出値Ｖｑが所定電圧値になるように、無効電流指令演算値を演算し、無効電流指令値Ｉｄ＊として出力するようにしてもよい。

この発明の実施の形態２に係る無効電力補償装置では以上のように構成されているので、電力系統事故時に変圧器励磁突入電流の影響により系統電圧に２ｆの振動が発生した場合においても、直流電圧振動を抑制して安定した運転が可能となる。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３である無効電力補償装置の構成を示す構成図である。本実施の形態は、実施の形態１に係る無効電力補償装置に電力変換器に供給される直流電圧のフィードバック制御を追加したものである。図６において、図１の変換器制御装置６の代わりに変換器制御手段としての変換器制御装置４６を備え、変換器制御装置４６は直流電圧検出器１６、直流電圧制御部１７、加減算器２４を有する。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。直流電圧検出器１６は、電力変換器２に供給される直流電圧Ｖｄｃであるコンデンサ１の端子電圧を検出する。

検出された直流電圧検出値としての直流電圧Ｖｄｃ及び直流電圧指令値Ｖｄｃ＊が加減算器２４に入力され、その差δＶｄｃが直流電圧制御部１７に与えられる。直流電圧制御部１７は、差δＶｄｃに基づいて、有効電流指令値Ｉｑ＊を出力する。すなわち、直流電圧制御部１７は、直流電圧検出器１６によって検出された直流電圧Ｖｄｃが直流電圧指令値Ｖｄｃ＊になるように、有効電流指令演算値を演算し、有効電流指令値Ｉｑ＊として出力し、図１の無効電力補償装置と同様に加減算器２３に入力される。所定の直流電圧指令値Ｖｄｃ＊は、固定値であってもよいし、何らかの演算によって得られる変動値であってもよい。以降の動作は、図１の無効電力補償装置におけるのと同様である。

なお、この実施の形態に示した加減算器２４、直流電圧制御部１７を、図５や後述の図７、図８に示した変換器制御装置３６，５６，６６に設けて、有効電流指令値Ｉｑ＊を演算するようにしてもよい。

以上のように、この発明の実施の形態３に係る無効電力補償装置は、電力変換器２に供給される直流電圧及びのフィードバック制御を行なうことにより、図１の実施の形態１に係る無効電力補償装置と比べて、さらに良好な無効電力補償を行なうことができる。

実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４である無効電力補償装置の構成を示す構成図である。図７において、変換器制御手段としての変換器制御装置５６は、振動抑制制御部５１を有する。その他の構成については、図５に示した実施の形態２と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。図７の振動抑制制御部５１は、無効電流Ｉｄに応じた関数ｆｕｎ（Ｉｄ）を演算する。電力系統周波数ωは通過し直流成分が除去されるようにｑ軸電圧にハイパスフィルタを通過させ、バイパスフィルタを通過した信号をゲイン倍した後、関数ｆｕｎ（Ｉｄ）を乗じて、直流電圧振動成分ΔＶｄｃを求め、有効電流指令値の補正値Ｉｑ２ｆ＊を演算する。直流電圧振動成分ΔＶｄｃは、−ＩｄΔＶｃｏｓ（ωｔ＋φ）／Ｃ１で近似できるが、無効電流Ｉｄが小さい領域では小さい。このため、無効電流Ｉｄが小さい領域では有効電流指令値の補正値Ｉｑ２ｆ＊を零か小さくしても、コンデンサ１の静電容量Ｃ１で十分変動が抑制できる。この関係から、ｆｕｎ（Ｉｄ）は｜Ｉｄ｜＜Ｉｄ０のときｆｕｎ（Ｉｄ）＝０、｜Ｉｄ｜≧Ｉｄ０のときはｆｕｎ（Ｉｄ）＝−ｓｉｇｎ（Ｉｄ）のように無効電流Ｉｄと関係付けられる。但し、Ｉｄ０は正の所定値、ｓｉｇｎ（Ｉｄ）は無効電流Ｉｄが正のとき１、負のとき−１となる符号関数である。

この実施の形態４に係る無効電力補償装置は以上のように構成されているので、電力系統事故時に変圧器励磁突入電流の影響により系統電圧に２ｆの振動が発生した場合においても、無効電流が大きな領域では有効電流指令値を補正して振動を抑制し、小さい領域ではコンデンサの静電容量で直流電圧振動を抑制し、安定した運転が可能となる。なお、本実施例では関数ｆｕｎの変数として無効電流Ｉｄを使用したが、無効電流指令値Ｉｄ＊を使っても同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図８は、この発明の実施の形態５である無効電力補償装置の構成を示す構成図である。図８において、変換器制御手段としての変換器制御装置６６は、振動抑制制御部６１を有する。その他の構成については、図５に示した実施の形態２と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。図８の振動抑制制御部６１において、無効電流Ｉｄに応じた関数ｆｕｎ（Ｉｄ）を演算する。電力系統周波数ωは通過し直流成分が除去されるようにｑ軸電圧をハイパスフィルタを通過させゲイン倍した後、ｆｕｎ（Ｉｄ）を乗じて、直流電圧振動成分ΔＶｄｃを求め、有効電流指令値の補正値Ｉｑ２ｆ＊を演算する。直流電圧振動成分ΔＶｄｃは−ＩｄΔＶｃｏｓ（ωｔ＋φ）／Ｃ１で近似できるが、無効電流Ｉｄが小さい領域では小さい。このため、無効電流Ｉｄが小さい領域では有効電流指令値の補正値を零か小さくしても、コンデンサの静電容量Ｃ１で十分変動が抑制できる。この関係から、ｆｕｎ（Ｉｄ）は｜Ｉｄ｜＜Ｉｄ０のときｆｕｎ（Ｉｄ）＝（Ｉｄ／Ｉｄ０）、｜Ｉｄ｜≧Ｉｄ０のときはｆｕｎ（Ｉｄ）＝−ｓｉｇｎ（Ｉｄ）のように無効電流Ｉｄと関係付けられる。但し、Ｉｄ０は正の所定値、ｓｉｇｎ（Ｉｄ）は無効電流Ｉｄが正のとき１、負のとき−１となる符号関数である。

この実施の形態５に係る無効電力補償装置は以上のように構成されているので、電力系統事故時に変圧器励磁突入電流の影響により系統電圧に２ｆの振動が発生した場合においても、無効電流が大きな領域では有効電流指令値を補正して振動を抑制し、小さい領域ではコンデンサの静電容量で直流電圧振動を抑制し、安定した運転が可能となる。なお、本実施例では関数ｆｕｎの変数として無効電流Ｉｄを使用したが、無効電流指令値Ｉｄ＊を使っても同様の効果を得ることができる。

１ コンデンサ、２，２０２ 電力変換器、３ 電流検出器、４ 電圧検出器、
５ 変換器用変圧器、６，３６，４６，５６，６６ 変換器制御装置、
７ 無効電流指令値演算部、８ａ 有効無効電流変換部、９ 無効電流制御部、
１０，３１，５１，６１ 振動抑制制御部、１１ 有効電流制御部、
１２ 電圧指令値変換部、１３，１４，１５ ゲートパルス信号生成部、
１６ 直流電圧検出器、１７ 直流電圧制御部、２１，２２，２３，２４ 加減算器、
１０１ 電力系統。

Claims (5)

1. 電力変換器、電圧検出手段、電流検出手段及び変換器制御手段を備えた無効電力補償装置であって、
   上記電力変換器は、電力系統に接続され直流回路の電力を変換して上記電力系統に出力電流として出力するものであり、
   上記電圧検出手段は、上記電力系統の系統電圧を系統電圧検出値として検出するものであり、
   上記電流検出手段は、上記出力電流を出力電流検出値として検出するものであり、
   上記変換器制御手段は、有効無効電流変換部と無効電流指令値演算部と無効電流制御部と振動抑制制御部と有効電流制御部と変換器制御部とを有するものであって、
   上記有効無効電流変換部は、上記出力電流検出値を上記電力系統へ出力される有効電流成分と無効電流成分とに変換するものであり、
   上記無効電流指令値演算部は、所定の系統電圧指令値と上記系統電圧検出値とに基づいて無効電流指令演算値を演算するものであり、
   上記無効電流制御部は、上記無効電流指令演算値と上記無効電流成分とに基づき第１の電圧指令値を求めるものであり、
   上記振動抑制制御部は、上記無効電流指令演算値に基づいて上記直流回路の直流電圧の振動成分を求め、求めた上記振動成分に基づいて補正値を求めるものであり、
   上記有効電流制御部は、所定の有効電流指令値を上記補正値により補正した補正有効電流指令値と上記有効電流成分とに基づき第２の電圧指令値を演算するものであり、
   上記変換器制御部は、上記第１の電圧指令値と上記第２の電圧指令値とに基づいて上記電力変換器の上記出力電流を制御するものである
   無効電力補償装置。
2. 電力変換器、電圧検出手段、電流検出手段及び変換器制御手段を備えた無効電力補償装置であって、
   上記電力変換器は、電力系統に接続され直流回路の電力を変換して上記電力系統に出力電流として出力するものであり、
   上記電圧検出手段は、上記電力系統の系統電圧を系統電圧検出値として検出するものであり、
   上記電流検出手段は、上記出力電流を出力電流検出値として検出するものであり、
   上記変換器制御手段は、有効無効電流変換部と無効電流制御部と振動抑制制御部と有効電流制御部と変換器制御部とを有するものであって、
   上記有効無効電流変換部は、上記出力電流検出値を上記電力系統へ出力される有効電流成分と無効電流成分とに変換するものであり、
   上記無効電流制御部は、所定の無効電流指令値と上記無効電流成分とに基づき第１の電圧指令値を求めるものであり、
   上記振動抑制制御部は、上記系統電圧検出値に基づいて上記直流回路の直流電圧の振動成分を求め、求めた上記振動成分に基づいて補正値を求めるものであり、
   上記有効電流制御部は、所定の有効電流指令値を上記補正値により補正した補正有効電流指令値と上記有効電流成分とに基づき第２の電圧指令値を演算するものであり、
   上記変換器制御部は、上記第１の電圧指令値と上記第２の電圧指令値とに基づいて上記電力変換器の上記出力電流を制御するものである
   無効電力補償装置。
3. 電力変換器、電圧検出手段、電流検出手段及び変換器制御手段を備えた無効電力補償装置であって、
   上記電力変換器は、電力系統に接続され直流回路の電力を変換して上記電力系統に出力電流として出力するものであり、
   上記電圧検出手段は、上記電力系統の系統電圧を系統電圧検出値として検出するものであり、
   上記電流検出手段は、上記出力電流を出力電流検出値として検出するものであり、
   上記変換器制御手段は、有効無効電流変換部と無効電流指令値演算部と無効電流制御部と振動抑制制御部と有効電流制御部と変換器制御部とを有するものであって、
   上記有効無効電流変換部は、上記出力電流検出値を上記電力系統へ出力される有効電流成分と無効電流成分とに変換するものであり、
   上記無効電流指令値演算部は、所定の系統電圧指令値と上記系統電圧検出値とに基づいて無効電流指令演算値を演算するものであり、
   上記無効電流制御部は、上記無効電流指令演算値と上記無効電流成分とに基づき第１の電圧指令値を求めるものであり、
   上記振動抑制制御部は、上記系統電圧検出値に基づいて上記直流回路の直流電圧の振動成分を求め、求めた上記振動成分に基づいて補正値を求めるものであり、
   上記有効電流制御部は、所定の有効電流指令値を上記補正値により補正した補正有効電流指令値と上記有効電流成分とに基づき第２の電圧指令値を演算するものであり、
   上記変換器制御部は、上記第１の電圧指令値と上記第２の電圧指令値とに基づいて上記電力変換器の上記出力電流を制御するものである
   無効電力補償装置。
4. 上記直流回路の直流電圧を直流電圧検出値として検出する直流電圧検出手段を備えたものであり、
   上記変換器制御手段は、所定の直流電圧指令値と上記直流電圧検出値とに基づき有効電流指令演算値を演算する有効電流指令値演算部を有し、上記有効電流指令演算値を上記所定の有効電流指令値とするものである
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の無効電力補償装置。
5. 上記直流回路は、コンデンサであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の無効電力補償装置。

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