JP5545048B2 - 無効電力補償装置の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体素子の動作により、アーク炉等の負荷によって発生する電圧フリッカを抑制するための無効電力補償装置の制御装置に関するものである。

図４は、この種の無効電力補償装置の従来技術を示しており、例えば特許文献１に記載されているものである。
図４において、無効電力補償装置１は、系統電源２から系統インピーダンス３を介してアーク炉等の負荷４が接続された系統において、負荷４の手前に接続されており、負荷４によって発生する電圧フリッカを抑制するために設けられている。この無効電力補償装置１は、サイリスタ５と、サイリスタ５に直列接続されたリアクトル６と、これらの直列回路に並列接続されたコンデンサ７とから構成されており、ＰＴ（計器用変圧器）８及びＣＴ（変流器）９によって系統電圧Ｖ_ｓ及び負荷電流Ｉ_ｆを検出する制御装置１３によって制御されるものである。

無効電力補償装置１の基本的な動作としては、電圧フリッカを抑制するために、負荷４が発生する無効電力を補償する。いま、負荷４が発生する無効電力をＱ_ｆ、無効電力補償装置１が補償する無効電力をＱ_ｔ、系統の無効電力をＱ_ｓとすると、制御装置１３によってＱ_ｔ＝Ｑ_ｆとなるように無効電力補償装置１を制御することで、系統の無効電力Ｑ_ｓ＝０となり、系統電圧Ｖ_ｓの変動を防止して電圧フリッカを抑制できることになる。

次に、図５は、特許文献１に記載された制御装置１３の構成図である。
この制御装置１３は、無効電力検出回路１０、ゲイン乗算器１１及び点弧角制御回路１２によって構成されている。無効電力検出回路１０は、ＰＴ８により検出した系統電圧Ｖ_ｓとＣＴ９により検出した負荷電流Ｉ_ｆとを用いて無効電力Ｑを演算する。その後、ゲイン乗算器１１により無効電力ＱにゲインＫを乗じてＫ×Ｑを演算し、点弧角制御回路１２が、Ｋ×Ｑに相当した無効電力を出力するための前記サイリスタ５の点弧角αを演算する。この点弧角αに従って図４のサイリスタ５を導通させることにより、負荷４の無効電力Ｑ_ｆを補償するための無効電力Ｑ_ｔを発生させている。

ここで、無効電力検出回路１０は負荷電流Ｉ_ｆ及び系統電圧Ｖ_ｓから負荷４の無効電力を予測する回路であるため、アーク炉等による負荷電流Ｉ_ｆが急峻かつランダムに変化した場合に予測誤差が生じる。そこで、制御装置１３では、予め設定したゲインＫをゲイン乗算器１１にて無効電力Ｑに乗じることで、予測誤差の補正を行っている。

なお、電圧フリッカはΔＶ_１０とも呼ばれており、図４に示すように系統に接続されたフリッカメータ１８によって測定されている。電圧フリッカΔＶ_１０は、電気学会技術報告書II部７２号によれば、電圧変動を１分間について周波数分析した結果得られる変動周波数ｆ_ｎの電圧変動成分の変動幅をΔＶ_ｎとし、変動周波数ｆ_ｎに対応する視感度係数をａ_ｎとすると、以下の数式１によって定義され、視感度係数ａ_ｎは図６のように定義されている。

また、予測誤差補正用の前記ゲインＫは調整可能となっており、負荷４に応じて無効電力補償装置１の補償効果が最も高くなるように考慮される。具体的には、ゲインＫを変えて補償効果を測定し、その結果に応じてゲインＫを再度調整する動作を繰り返しているが、これによると、ゲインＫの最適調整に多くの時間がかかり、所望の補償効果が得られない場合には、無効電力補償装置１が発生する無効電力Ｑ_ｔに余裕を持たせるために装置の容量を大きくしなければならない等の問題がある。

そこで、特許文献２においては、図７に示す構成の制御装置１３により、負荷の無効電力Ｑに複数種類のゲインを乗じた結果に基づいて、電圧フリッカが最小となるような最適補償ゲインを選択している。
すなわち、図７において、１１１〜１１３は現状のゲインｋ_１を中心とした３種類のゲインｋ_１〜ｋ_３（なお、ｋ_２＝ｋ_１＋ΔＧ，ｋ_３＝ｋ_１−ΔＧとし、ΔＧはゲイン調整幅を示す。）を乗じるゲイン乗算器、１２１〜１２３は点弧角制御回路、１４１〜１４３はそれぞれ異なる構成の無効電力補償装置モデル、２０１〜２０３は加算器、１５１〜１５３は系統モデル、１６１〜１６３は電圧フリッカ検出回路、１７は最小値選択回路であり、その他の構成要素には図５と同一の番号を付してある。なお、電圧フリッカ検出回路１６１〜１６３は、図４のフリッカメータ１８と同様に電圧フリッカを演算する機能を備えている。

この従来技術では、ゲイン乗算器１１１〜１１３において、負荷の無効電力Ｑに３種類のゲインｋ_１〜ｋ_３を乗じ、これらの乗算結果に対応する点弧角α_１〜α_３を点弧角制御回路１２１〜１２３によりそれぞれ求めている。更に、無効電力補償装置モデル１４１〜１４３により、点弧角α_１〜α_３に応じた補償電流Ｉ_ｔ１〜Ｉ_ｔ３を求めるとともに、補償電流Ｉ_ｔ１〜Ｉ_ｔ３と負荷電流Ｉ_ｆとを加算器２０１〜２０３によりそれぞれ加算した電流を系統モデル１５１〜１５３に入力して電圧Ｖ_１〜Ｖ_３を求め、これらの電圧Ｖ_１〜Ｖ_３を電圧フリッカ検出回路１６１〜１６３に入力して演算したフリッカ電圧の中の最小値に対応するゲイン（ｋ_１〜ｋ_３のいずれか）を最小値選択回路１７により選択し、このゲインをゲイン乗算器１１における最適補償ゲインＫとして設定する。
なお、ゲイン乗算器１１１における現状のゲインｋ_１（従って、ｋ_１〜ｋ_３のすべて）は、所定周期で逐次更新されており、その都度、フリッカ電圧が最小値になるようなゲインを選択してこれを最適補償ゲインＫとして設定するものである。従って、最適補償ゲインＫは所定周期で逐次更新され、この最適補償ゲインＫによって無効電力補償装置が逐次制御されることになる。

特公平７−１０４７３９号公報（第１頁右欄第７行〜第２頁左欄第３９行、第５図、第６図等） 特開２００４−３３６９４８号公報（段落[０００８]〜[００１１]、図１等）

さて、無効電力補償装置１は、負荷の無効電力の変動分に起因した電圧フリッカを抑制する以外に、無効電力の固定分に起因した力率の低下を補償することも目的としている。
このため、図７に示したように、フリッカ電圧のみに基づいて最適補償ゲインＫを決定する場合には、無効電力の固定分による力率低下を補償できないという問題がある。

上記の問題を、図８を参照しつつ説明する。
図８（ａ）は、図７のゲイン乗算器１１の前段の無効電力Ｑ_１、図８（ｂ）はゲイン乗算器１１の後段の無効電力Ｑ_２の波形図である。ここで、無効電力Ｑ_１は無効電力固定分Ｑ_１ａと無効電力変動分Ｑ_１ｂとに分離することができ、無効電力固定分Ｑ_１ａは力率低下を、無効電力変動分Ｑ_１ｂは電圧フリッカを引き起こすことになる。

このとき、図７に示した従来技術により、電圧フリッカを抑制するための最適補償ゲインＫが０．５になったとすると、無効電力Ｑ_２は無効電力Ｑ_１の半分の値となる。つまり、無効電力固定分Ｑ_２ａは無効電力固定分Ｑ_１ａの半分の値になり、無効電力変動分Ｑ_２ｂも無効電力変動分Ｑ_１ｂの半分の値になる。この結果、電圧フリッカは抑制できたとしても、無効電力固定分が半減されて点弧角制御に反映される結果、力率低下は半分程度しか補償できなくなってしまう。
そこで、本発明の解決課題は、電圧フリッカの抑制だけでなく力率低下の補償をも可能にした無効電力補償装置の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電力系統に連系され、電力系統に接続される負荷の無効電力によって発生する電圧フリッカを抑制するための無効電力補償装置の制御装置であって、
前記負荷の無効電力を検出する無効電力検出手段と、前記負荷の無効電力に基づいて前記無効電力補償装置の点弧角を制御する点弧角制御手段と、前記負荷の無効電力から生成した複数の点弧角を無効電力補償装置モデル及び系統モデルに順次入力して複数の系統電圧を生成し、これらの系統電圧に含まれるフリッカ電圧が最小となるような最適補償ゲインを選択する手段と、前記最適補償ゲインを用いて前記無効電力検出手段の出力を調整する手段と、を備えた制御装置において、
前記無効電力検出手段により検出した負荷の無効電力を無効電力固定分と無効電力変動分とに分離する分離演算手段と、
前記無効電力変動分に複数のゲインをそれぞれ乗じるゲイン乗算手段と、これらのゲイン乗算手段による乗算結果に前記無効電力固定分をそれぞれ加算する加算手段と、を備え、
前記加算手段の出力から生成した複数の点弧角に基づいて前記最適補償ゲインを求め、この最適補償ゲインと前記無効電力変動分との乗算結果を前記無効電力固定分に加算して前記点弧角制御手段に入力するものである。

また、請求項２に係る発明は、前記ゲイン乗算手段において前記無効電力変動分に乗じられる複数のゲインを所定周期で逐次更新するものである。

本発明によれば、負荷の無効電力を分離して得た無効電力変動分のみに複数のゲインを乗じてこれらと無効電力固定分との加算結果から複数の点弧角を演算し、これらの点弧角に基づいて求めた最適補償ゲインと無効電力変動分との乗算結果を無効電力固定分に加算してその加算結果から無効電力補償装置に対する点弧角を演算しているため、最適補償ゲインを無効電力変動分のみに反映させて電圧フリッカを抑制する一方で、無効電力固定分の補償により力率低下を補償することができる。
また、前記複数のゲインを所定周期で更新してその中から電圧フリッカを最小とするような最適補償ゲインを選択することにより、負荷変動に応じた最適補償ゲインを逐次更新することができ、この最適補償ゲインを用いて無効電力補償装置を逐次制御することが可能である。

本発明の実施形態を示す制御装置の構成図である。 本発明の実施形態の動作を示す無効電力の波形図である。 図１における分離演算器の構成図である。 特許文献１に記載された無効電力補償装置を示す構成図である。 図４における制御装置の構成図である。 視感度係数の説明図である。 特許文献２に記載された制御装置の構成図である。 特許文献２に記載された従来技術の問題点を説明するための無効電力の波形図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る制御装置１３Ａの構成図であり、図７と同一の機能を有する構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では図７と異なる部分を中心に説明する。

図１において、負荷電流Ｉ_ｆ及び系統電圧Ｖ_ｓを用いて無効電力検出回路１０により演算された負荷の無効電力Ｑは、分離演算器２１により無効電力固定分Ｑ_ａと無効電力変動分Ｑ_ｂとに分離される。ここで、分離演算器２１は、図３に示すように、無効電力Ｑを一次遅れフィルタ２２に通した結果を無効電力固定分Ｑ_ａとして出力し、また、減算器２３において無効電力Ｑから無効電力固定分Ｑ_ａを減算した結果を無効電力変動分Ｑ_ｂとして出力するように構成されている。

図１に示すように、分離演算器２１により分離された無効電力変動分Ｑ_ｂに対してゲイン乗算器１１により最適補償ゲインＫを乗算し、その出力と無効電力固定分Ｑ_ａとを加算器２４により加算した結果を点弧角制御回路１２に入力することにより、例えば図４に示した無効電力補償装置１のサイリスタ５の点弧角αを演算する。
一方、無効電力変動分Ｑ_ｂには、ゲイン乗算器１１１〜１１３により３種類のゲインｋ_１〜ｋ_３（従来と同様に、ｋ_２＝ｋ_１＋ΔＧ，ｋ_３＝ｋ_１−ΔＧとする。ここで、ΔＧはゲイン調整幅を示す。）が乗算される。そして、ゲイン乗算器１１１〜１１３の出力と無効電力固定分Ｑ_ａとが加算器２２１〜２２３においてそれぞれ加算され、その加算結果が点弧角制御回路１２１〜１２３に入力される。

点弧角制御回路１２１〜１２３以降の構成、動作は図７と同様であり、互いに異なる構成の無効電力補償装置モデル１４１〜１４３が点弧角α_１〜α_３に対応した補償電流Ｉ_ｔ１〜Ｉ_ｔ３を求め、これらの補償電流Ｉ_ｔ１〜Ｉ_ｔ３と負荷電流Ｉ_ｆとを加算器２０１〜２０３においてそれぞれ加算する。そして、加算器２０１〜２０３の出力を系統モデル１５１〜１５３に入力して電圧Ｖ_１〜Ｖ_３を求め、これらの電圧Ｖ_１〜Ｖ_３から電圧フリッカ検出回路１６１〜１６３が演算したフリッカ電圧の中の最小値を最小値選択回路１７により選択し、この最小値に対応するゲイン（ｋ_１〜ｋ_３のいずれか）をゲイン乗算器１１における最適補償ゲインＫとして設定する。この最適補償ゲインＫは、無効電力変動分Ｑ_ｂのみに乗算され、その乗算結果が無効電力固定分Ｑ_ａと加算されて点弧角制御回路１２に入力されることになる。
なお、この実施形態では、従来技術と同様に、ゲイン乗算器１１１〜１１３のゲインｋ_１〜ｋ_３が所定周期で逐次更新されており、これらのゲインｋ_１〜ｋ_３と無効電力変動分Ｑ_ｂとの乗算結果に基づいてフリッカ電圧が最小となる最適補償ゲインＫが逐次選択されるため、負荷変動時にも最適な補償が可能である。

ここで、図２（ａ），（ｂ）は前述した従来技術の図８（ａ），（ｂ）に対応する無効電力の波形図であり、図２（ａ）は、図１のゲイン乗算器１１の前段の無効電力Ｑ_１、図２（ｂ）はゲイン乗算器１１の後段の無効電力Ｑ_２の波形図である。なお、無効電力Ｑ_１は、分離演算器２１によって無効電力固定分Ｑ_１ａと無効電力変動分Ｑ_１ｂとに分離される。

本実施形態によれば、図１の構成により電圧フリッカを抑制するための最適補償ゲインＫが０．５になると、図２（ａ），（ｂ）に示すように、無効電力変動分Ｑ_２ｂは無効電力変動分Ｑ_１ｂの１／２の値になるが、図１に示した如く最適補償ゲインＫは無効電力固定分Ｑ_ａ（言い換えればＱ_１ａ）に直接作用しないので、無効電力固定分Ｑ_２ａは無効電力固定分Ｑ_１ａに等しい値となる。
この結果、図１の点弧角制御回路１２は、最適補償ゲインＫにより大きさが調整された無効電力変動分Ｑ_２ｂと、最適補償ゲインＫに影響されない無効電力固定分Ｑ_２ａとの和を入力としてサイリスタの点弧角αを演算して無効電力補償装置１を制御することになる。これにより、系統電圧の電圧フリッカを最適補償ゲインＫによって抑制する一方で、力率の低下についても充分に補償することが可能になる。

１ 無効電力補償装置
２ 系統電源
３ 系統インピーダンス
４ 負荷
５ サイリスタ
６ リアクトル
７ コンデンサ
８ ＰＴ
９ ＣＴ
１０ 無効電力検出回路
１１ ゲイン乗算器
１２ 点弧角制御回路
１３，１３Ａ 制御装置
１７ 最小値選択回路
１８ フリッカメータ
１１１〜１１３ ゲイン乗算器
１２１〜１２３ 点弧角制御回路
１４１〜１４３ 無効電力補償装置モデル
１５１〜１５３ 系統モデル
１６１〜１６３ 電圧フリッカ検出回路
２０１〜２０３，２２１〜２２３ 加算器
２１ 分離演算器
２２ 一次遅れフィルタ
２３，２４ 加算器

Claims (2)

1. 電力系統に連系され、電力系統に接続される負荷の無効電力によって発生する電圧フリッカを抑制するための無効電力補償装置の制御装置であって、
   前記負荷の無効電力を検出する無効電力検出手段と、前記負荷の無効電力に基づいて前記無効電力補償装置の点弧角を制御する点弧角制御手段と、前記負荷の無効電力から生成した複数の点弧角を無効電力補償装置モデル及び系統モデルに順次入力して複数の系統電圧を生成し、これらの系統電圧に含まれるフリッカ電圧が最小となるような最適補償ゲインを選択する手段と、前記最適補償ゲインを用いて前記無効電力検出手段の出力を調整する手段と、を備えた制御装置において、
   前記無効電力検出手段により検出した負荷の無効電力を無効電力固定分と無効電力変動分とに分離する分離演算手段と、
   前記無効電力変動分に複数のゲインをそれぞれ乗じるゲイン乗算手段と、これらのゲイン乗算手段による乗算結果に前記無効電力固定分をそれぞれ加算する加算手段と、を備え、
   前記加算手段の出力から生成した複数の点弧角に基づいて前記最適補償ゲインを求め、この最適補償ゲインと前記無効電力変動分との乗算結果を前記無効電力固定分に加算して前記点弧角制御手段に入力することを特徴とする無効電力補償装置の制御装置。
2. 請求項１に記載した無効電力補償装置の制御装置において、
   前記ゲイン乗算手段において前記無効電力変動分に乗じられる複数のゲインを所定周期で逐次更新することを特徴とする無効電力補償装置の制御装置。

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