JP5554217B2 - 無効電力補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統の電圧変動を抑えるために無効電力を補償する静止型無効電力補償装置を備えた無効電力補償装置に関するものである。

従来、電力系統の電圧を安定化するための制御方式の一つとして無効電力補償装置が使用されている。無効電力補償装置は、電力系統の電圧変動に対して無効電力を補償する静止型無効電力補償装置（Static Var Compensator：ＳＶＣ）と、ＳＶＣの出力する無効電力を制御する無効電力制御装置とを備えている。

また、無効電力補償装置は、ＳＶＣと並列に電力系統に接続された調相設備を備える場合がある。ここで、調相設備は、進相コンデンサ（Static Capacitor：ＳＣ）もしくは分路リアクトル（Shunt Reactor：ＳｈＲ）またはその双方からなり、遮断器を介して電力系統に投入または解列することにより無効電力を補償することができる。

ＳＶＣは、半導体素子によるスイッチを制御して進みまたは遅れの無効電力を発生するものであり、瞬時に連続的に無効電力を制御できる。他方、調相設備は、遮断器を介して電力系統に接続されるため、遮断器の入切の操作により不連続に無効電力を制限するが、ＳＶＣのみで運用した場合よりも無効電力の調整範囲を広くすることができる。

従来、無効電力補償装置では、急激な電圧変動を想定した制御が行われておらず、定常時にＳＶＣがその容量の大半に相当する無効電力を発生した状態で運転されていることが多い。そのため、ＳＶＣがその容量の大半に相当する無効電力を発生した状態で電力系統の擾乱時に急激な電圧変動が発生すると、ＳＶＣは電圧変動を抑えるために必要な無効電力を十分に発生できず、電圧変動を抑制できない場合がある。そこで、例えば特許文献１の無効電力補償装置では、調相設備に無効電力を分担するなど、定常運転時におけるＳＶＣの出力する無効電力をゼロ付近に制御し、電力系統の擾乱の発生に対応した制御を行っている。

また、特許文献２では、２台のＳＶＣが互いに近接して配置されている場合に、一方のＳＶＣの電流偏差を演算し、この演算結果を他方のＳＶＣ制御装置に入力して他方のＳＶＣの出力を補正することで、それぞれのＳＶＣの動作を協調させている。

特開２００８−４０７３３号公報 特開平０４−３３３１１２号公報

しかしながら、従来の無効電力補償装置では、例えば２台のＳＶＣを近接配置した場合、電力系統の電圧変動に対してそれぞれのＳＶＣが速応的に電圧変動を抑制するため、それぞれのＳＶＣが適正な無効電力を出力することができないことがあり、さらに調相設備が設けられている場合には、進相コンデンサまたは分路リアクトルの不要な投入または解列が発生することがあるなどの問題点があった。

また、その対策の一例として、特許文献２では、一方のＳＶＣの電流偏差を演算して、この演算結果を他方のＳＶＣ制御装置に入力してその出力を補正する制御を行うことで、２台のＳＶＣのそれぞれの動作をバランスさせているが、このような制御方法ではＳＶＣおよびＳＶＣ制御装置とは別に電流偏差を演算する機能を有する制御部を設ける必要があり、構成が複雑になっていた。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、複数台のＳＶＣが互いに近距離に配置された場合において、遠隔制御などを必要とせず、簡素な構成で複数台のＳＶＣを協調して制御することができるとともに、定常時のＳＶＣの出力を抑制して電力系統の擾乱時の電圧変動に対応することができる無効電力補償装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る無効電力補償装置は、第１の母線に接続され当該第１の母線の電圧変動に応じて無効電力を発生する第１の静止型無効電力補償装置と、この第１の静止型無効電力補償装置の出力を制御する第１の無効電力制御装置と、前記第１の母線と送電線を介して接続された第２の母線に接続され当該第２の母線の電圧変動に応じて無効電力を発生する第２の静止型無効電力補償装置と、この第２の静止型無効電力補償装置の出力を制御する第２の無効電力制御装置と、を備えた無効電力補償装置であって、前記第１の無効電力制御装置は、前記第１の母線の母線電圧と所定の基準電圧との差分を出力する第１の変動分電圧生成部と、前記第１の母線の母線電圧の変化に対する前記第１の静止型無効電力補償装置の出力変化を決定する第１のスロープリアクタンスのインピーダンス値と前記第１の静止型無効電力補償装置に流れる電流値との積を前記第１の変動分電圧生成部の出力から差し引いた差分に基づき、前記第１の静止型無効電力補償装置に出力させる無効電力を演算する第１の無効電力制御部と、を備え、前記第２の無効電力制御装置は、前記第１の母線の母線電圧に対して所定の時間遅れ特性で追随して所定の範囲内に制限された比較電圧を生成するとともに当該比較電圧と当該母線電圧との差分を出力する第２の変動分電圧生成部と、前記第２の母線の母線電圧の変化に対する前記第２の静止型無効電力補償装置の出力変化を決定しかつ前記第１のスロープリアクタンスのインピーダンス値よりも大きな値である第２のスロープリアクタンスのインピーダンス値と前記第２の静止型無効電力補償装置に流れる電流値との積を前記第２の変動分電圧生成部の出力から差し引いた差分に基づき、前記第２の静止型無効電力補償装置に出力させる無効電力を演算する第２の無効電力制御部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、第１および第２の静止型無効電力補償装置が互いに近距離に配置された場合において、簡素な構成で第１および第２の静止型無効電力補償装置を協調して制御することができるとともに、定常時の第１および第２の静止型無効電力補償装置の各出力を抑制して電力系統の擾乱時の電圧変動に対応することができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る無効電力補償装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、本実施の形態の無効電力補償装置における母線電圧とＳＶＣが発生する無効電力との関係を示す特性図である。 図３は、従来の無効電力補償装置の構成例を示すブロック図である。 図４は、従来の無効電力補償装置における母線電圧とＳＶＣが発生する無効電力との関係を示す特性図である。 図５は、実施の形態１に係る無効電力補償装置の別の構成例を示すブロック図である。 図６は、実施の形態２に係る無効電力補償装置の別の構成例を示すブロック図である。

以下に、本発明に係る無効電力補償装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る無効電力補償装置の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態の無効電力補償装置は、上位系統の母線である母線７（第１の母線）に遮断器９を介して接続される静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）１（第１の静止型無効電力補償装置）と、母線７に接続されて母線７の電圧を計測する計器用変圧器（ＰＴ：Potential Transformer）８と、遮断器９とＳＶＣ１との間に挿入されてＳＶＣ１に流れる電流を計測する計器用変流器（ＣＴ：Current Transformer）１０と、ＰＴ８の検出する電圧Ｖ１およびＣＴ１０の検出する電流Ｉ１を取り込み、ＳＶＣ１を通じて母線７の電圧を制御するＳＶＣ制御部４（第１の無効電力制御装置）と、母線７に接続された調相設備６と、電圧Ｖ１および電流Ｉ１に基づいて調相設備６の投入または解列を制御する協調制御部５とを備えている。

さらに、本実施の形態の無効電力補償装置は、下位系統の母線である母線１４（第２の母線）に遮断器１５を介して接続された静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）２（第２の静止型無効電力補償装置）と、母線１４に接続されて母線１４の電圧を計測する計器用変圧器（ＰＴ：Potential Transformer）１７と、遮断器１５とＳＶＣ２との間に挿入されてＳＶＣ２に流れる電流を計測する計器用変流器（ＣＴ：Current Transformer）１６と、ＰＴ１７の検出する電圧Ｖ２およびＣＴ１６の検出する電流Ｉ２を取り込み、ＳＶＣ２を通じて母線１４の電圧を制御するＳＶＣ制御部３（第２の無効電力制御装置）とを備えている。

ＳＶＣ１，２は、電圧階級の異なる静止型無効電力補償装置であり、上述のように、ＳＶＣ１は上位系統に、ＳＶＣ２は下位系統に接続されている。また、ＳＶＣ１と調相設備６は母線７に並列に接続されており、その他、図示しない負荷が母線７に接続されている。同様に、ＳＶＣ２と負荷が母線１４に並列に接続されている。ＳＶＣ２は、例えばＳＶＣ１と近傍位置に配置されているとする。すなわち、ＳＶＣ１とＳＶＣ２は互いに近距離に設置されているとする。これは、例えばＳＶＣ１，２が同一の変電所内に設置された場合である。本実施の形態は、このようにＳＶＣ１，２が互いに近接配置されて、互いに影響を及ぼし得る状況にある場合に効果的に適用できる。なお、正確には、近距離とは電気的に距離が近いことをいい、ＳＶＣ１とＳＶＣ２との間のインピーダンスが小さい場合である。一般に物理的に近距離に配置されていれば電気的にも近距離に配置されることになるが、物理的に距離が離れていても電気的に近距離に配置されることもあり得る。

また、ＳＶＣ１とＳＶＣ２の容量および特性は例えば互いに異なる。すなわち、ＳＶＣ１の容量はＳＶＣ２の容量よりも大きく、ＳＶＣ１はＳＶＣ２よりも多くの無効電力を出力することができる。ＳＶＣ１とＳＶＣ２の特性の相違、例えば、スロープ特性の相違等については後述する。

また、上位系統の母線７には交流電源２０が接続されている。他方、下位系統の母線１４は、変圧器１１と送電線１３を介して上位系統の母線７と接続されている。ここで、変圧器１１は、変圧器一次側の電圧である母線７の電圧を変圧器二次側の電圧である母線１４の電圧に降下させる。なお、変圧器１１と送電線１３との間にも母線１２が配設されているが、この母線１２については実施の形態２で説明する。

ＳＶＣ１は、変圧器１Ａ、スイッチング回路１Ｂ、リアクトル１Ｃ、およびフィルタ１Ｄを備えている。このＳＶＣ１は、サイリスタ制御リアクトル方式（Thyristor Contro11ed Reactor：ＴＣＲ）による静止型無効電力補償装置であり、スイッチング回路１Ｂを構成する各サイリスタをオン／オフ制御することにより、リアクトル１Ｃで発生する無効電力の大きさを制御する。また、フィルタ１Ｄは、本来的には、スイッチング回路１Ｂのスイッチングによって発生するノイズを除去するための手段として挿入されているが、フィルタ１Ｄはコンデンサを備えており、フィルタ１Ｄ自身が進相の無効電力を発生する能力を有しているため、リアクトル１Ｃとともに無効電力の制御手段として機能する。なお、これらの制御手段に加えて、サイリスタ開閉制御コンデンサ方式（Thyristor Switched Capacitor：ＴＳＣ）の制御手段を付加する構成としてもよい。

ＳＶＣ制御部４は、電圧センサ４０、変動分電圧生成部４１、電流センサ４７、スロープリアクタンス４２、乗算器４６、減算器４５、無効電力制御部４３、およびゲートパルス出力部４４を備えている。ＳＶＣ制御部４は、系統電圧が低下した場合には進相無効電力を、逆に系統電圧が上昇した場合には遅相無効電力を供給するようＳＶＣ１を制御する。

電圧センサ４０は、ＰＴ８で計測された母線７における母線電圧の電圧信号（瞬時値）が入力され、この電圧信号を制御対象電圧である電圧信号（実効値）に変換して出力する。

電流センサ４７は、ＣＴ１０により計測された瞬時値の電流信号が入力され、この電流信号を実効値に変換して出力する。

変動分電圧生成部４１（第１の変動分電圧生成部）は、電圧基準回路１４１と減算器１４２とを備えて構成される。電圧基準回路１４１は、電圧基準値を出力する。減算器１４２は、電圧センサ４０の出力である電圧信号と電圧基準回路の出力である電圧基準値の差分値（変動分電圧）を出力する。ＳＶＣ１の出力する無効電力は、図２に示す特性図に一致するように制御される。

スロープリアクタンス４２は、ＳＶＣ１で発生する無効電力の変化に対して電圧信号が所定の割合で変化するというスロープ特性を決定する。乗算器４６は、電流センサ４７が出力する電流信号とスロープリアクタンス４２のインピーダンス値ＸＳ１との積を出力する。

減算器４５は、電流センサ４７の出力する電流値とスロープリアクタンス４２のインピーダンス値ＸＳ１との積を変動分電圧生成部４１の出力である変動分電圧から差し引いた差分を出力する。

無効電力制御部４３（第１の無効電力制御部）は、減算器４５の出力が０となるようにＳＶＣ１の無効電力出力値を演算し出力する。無効電力制御部４３は、無効電力出力値を演算することを通じて母線電圧を制御する。そして、ゲートパルス出力部４４は、演算された無効電力値を発生するようにゲートパルス信号を生成してＳＶＣ１のスイッチング回路１Ｂに出力する。ＳＶＣ１は、このゲートパルス信号に応じて無効電力を発生する。

調相設備６は、遮断器６２を介して母線７に接続された進相コンデンサ６１と、遮断器６４を介して母線７に接続された分路リアクトル６３とを備えている。進相コンデンサ６１と分路リアクトル６３は、それぞれＳＶＣ１と並列に母線７に接続されている。

協調制御部５は、ＳＶＣ１の出力する無効電力を検出する無効電力検出部５１と、検出された無効電力に応じて調相設備６の投入または解列を制御する調相制御部５２とを備えている。無効電力検出部５１は、ＰＴ８の検出する電圧Ｖ１およびＣＴ１０の検出する電流Ｉ１に基づいてＳＶＣ１の発生する無効電力（Ｑｓｖｃ）を算出し出力する。調相制御部５２は、検出された無効電力が所定の範囲内にあるか否かを判定し、この判定結果に基づいて調相設備６の投入または解列を制御する。すなわち、調相制御部５２は、ＳＶＣ１が発生する無効電力（Ｑｓｖｃ）が所定の範囲から逸脱している場合に、調相設備６の投入または解列の操作を行い、ＳＶＣ１が発生する無効電力（Ｑｓｖｃ）が所定の範囲に入るように制御する。ここで、所定の範囲とは、ＱＣ１＜Ｑｓｖｃ＜ＱＬ１で規定される範囲であり、ＱＣ１（＜０）は進みの無効電力の所定値を、ＱＬ１（＞０）は遅れの無効電力の所定値を表している。換言すれば、調相制御部５２は、Ｑｓｖｃ＞ＱＬ１の場合は、調相設備６の分担する遅れ無効電力が大きくなるように制御し、Ｑｓｖｃ＜ＱＣ１の場合は、調相設備６の分担する進み無効電力が大きくなるように制御する。なお、調相設備６の投入または解列操作は、ＳＶＣ１による電圧制御が定常状態になった後に行い、ＳＶＣ１が発生する無効電力を調相設備６に分担させることができる。

次に、ＳＶＣ２は、変圧器２Ａ、スイッチング回路２Ｂ、リアクトル２Ｃ、およびフィルタ２Ｄを備えている。このＳＶＣ２は、サイリスタ制御リアクトル方式（Thyristor Contro11ed Reactor：ＴＣＲ）による静止型無効電力補償装置であり、スイッチング回路２Ｂを構成する各サイリスタをオン／オフ制御することにより、リアクトル２Ｃで発生する無効電力の大きさを制御する。また、フィルタ２Ｄは、本来的には、スイッチング回路２Ｂのスイッチングによって発生するノイズを除去するための手段として挿入されているが、フィルタ２Ｄはコンデンサを備えており、フィルタ２Ｄ自身が進相の無効電力を発生する能力を有しているため、リアクトル２Ｃとともに無効電力の制御手段として機能する。なお、これらの制御手段に加えて、サイリスタ開閉制御コンデンサ方式（Thyristor Switched Capacitor：ＴＳＣ）の制御手段を付加する構成としてもよい。

ＳＶＣ制御部３は、電圧センサ３０、変動分電圧生成部３１、電流センサ３７、スロープリアクタンス３２、乗算器３６、減算器３５、無効電力制御部３３、およびゲートパルス出力部３４を備えている。ＳＶＣ制御部３は、系統電圧が低下した場合は進相無効電力を、逆に系統電圧が上昇した場合には遅相無効電力を供給するようＳＶＣ２を制御する。

電圧センサ３０は、ＰＴ１７で計測された母線７における母線電圧の電圧信号（瞬時値）が入力され、この電圧信号を制御対象電圧である電圧信号（実効値）に変換して出力する。

電流センサ３７は、ＣＴ１６により計測された瞬時値の電流信号が入力され、この電流信号を実効値に変換して出力する。

変動分電圧生成部３１（第２の変動分電圧生成部）は、リミッタ付き１次遅れ制御ブロック１３１と減算器１３２とを備えて構成される。リミッタ付き１次遅れ制御ブロック１３１は、電圧センサ３０の出力する電圧信号を入力として、所定の時間遅れ特性で追随し所定の範囲内（ＶＬ２〜ＶＨ２の範囲内）に制限された比較電圧Ｖｃｏｍｐを生成する。すなわち、リミッタ付き１次遅れ制御ブロック１３１は、時定数をＴｒとしたローパスフィルタであり、出力電圧Ｖｃｏｍｐが予め設定された上限値ＶＨ２と下限値ＶＬ２との間の値に維持されるようにリミット機能が付加されている。なお、上限値ＶＨ２および下限値ＶＬ２は、定常時の電圧変動範囲（ＶＬ２≦Ｖ２≦ＶＨ２）の上限値および下限値にそれぞれ対応するよう予め設定されている。減算器１３２は、リミッタ付き１次遅れ制御ブロック１３１の出力と電圧センサ４０の出力との差分値（変動分電圧）を出力する。

スロープリアクタンス３２は、ＳＶＣ２で発生する無効電力の変化に対して電圧信号が所定の割合で変化するというスロープ特性を決定する。乗算器３６は、電流センサ３７が出力する電流値とスロープリアクタンス３２のインピーダンス値ＸＳ２との積を出力する。本実施の形態では、ＸＳ２＞ＸＳ１と設定する。すなわち、上位系統のＳＶＣ制御部４のスロープリアクタンス４２のインピーダンス値ＸＳ１は、下位系統のＳＶＣ制御部３のスロープリアクタンス３２のインピーダンス値ＸＳ２よりも小さいとする。これにより、
母線７の電圧変動に対するＳＶＣ１の出力無効電力量の変化の割合は、母線１４の電圧変動に対するＳＶＣ２の出力無効電力量の変化よりも大きくなる。

減算器３５は、電流センサ３７の出力する電流値とスロープリアクタンス３２のインピーダンス値ＸＳ２との積を変動分電圧生成部３１の出力である変動分電圧から差し引いた差分を出力する。

無効電力制御部３３（第２の無効電力制御部）は、減算器３５の出力が０となるようにＳＶＣ２の無効電力出力値を演算し出力する。無効電力制御部３３は、無効電力出力値を演算することを通じて母線電圧を制御する。そして、ゲートパルス出力部３４は、演算された無効電力値を発生するようにゲートパルス信号を生成してＳＶＣ２のスイッチング回路２Ｂに出力する。ＳＶＣ２は、このゲートパルス信号に応じて無効電力を発生する。

次に、本実施の形態の動作について、従来の無効電力補償装置の動作と比較しつつ説明する。ここで、従来の無効電力補償装置の構成を図３に示す。図３に示すように、従来の無効電力補償装置では、本実施の形態と比較して、下位系統に接続されたＳＶＣ制御部３の構成要素の一部のみが異なり、具体的には、変動分電圧生成部３８の構成が図１の変動分電圧生成部３１の構成と異なっている。すなわち、変動分電圧生成部３８は、電圧基準回路１３８と減算器１３９とを備えている。ここで、変動分電圧生成部３８の構成および動作は上位系統に接続されたＳＶＣ制御部４の変動分電圧生成部４１と同様である。なお、図３において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図２は、本実施の形態における母線電圧とＳＶＣが発生する無効電力との関係を示す特性図である。また、図４は、従来の無効電力補償装置における母線電圧とＳＶＣが発生する無効電力との関係を示す特性図である。

まず、従来の無効電力補償装置の動作について図４、図３を参照して説明する。図４では、横軸はＳＶＣ１またはＳＶＣ２が出力する無効電力を表し、進み側を負で、遅れ側を正で表している。縦軸は、母線７または母線１４の電圧を表している。なお、この定義は図２でも同様である。

特性線Ｌ１１は、定常時における母線７の電圧とＳＶＣ１が発生する無効電力との関係を示すものである。特性線Ｌ１１において、ＳＶＣ１の制御範囲はＡ１１−Ｂ１１間であり、Ａ１１またはＢ１１における無効電力量がＳＶＣ１の容量を表している。また、Ｃ１１は、ＳＶＣ１の動作点の一例を表している。Ｃ１１では、母線７の電圧はＶ１１であり、ＳＶＣ１は例えば進みの無効電力を発生する。Ａ１１−Ｂ１１間における特性線Ｌ１１はスロープ特性と呼ばれ、その傾きはスロープリアクタンス４２のインピーダンス値ＸＳ１１で決まる。特性線Ｌ１１が示すように、ＳＶＣ１の制御範囲内では、母線７の電圧変動に対してＳＶＣ１は連続的に無効電力を出力する。

特性線Ｌ１２は、定常時における母線１４の電圧とＳＶＣ２が発生する無効電力との関係を示すものである。特性線Ｌ１２において、ＳＶＣ２の制御範囲はＡ１２−Ｂ１２間であり、Ａ１２またはＢ１２における無効電力量がＳＶＣ２の容量を表している。すなわち、ＳＶＣ２の容量はＳＶＣ１の容量よりも小さいことがわかる。また、Ｃ１２は、ＳＶＣ２の動作点の一例を表している。Ｃ１２では、母線１４の電圧はＶ１２であり、ＳＶＣ２は例えば進みの無効電力を発生する。Ａ１２−Ｂ１２間における特性線Ｌ１２はスロープ特性と呼ばれ、その傾きはスロープリアクタンス３２のインピーダンス値ＸＳ１２で決まる。この場合、インピーダンス値はＸＳ１２＝ＸＳ１１と設定され、ＳＶＣ２の制御範囲における特性線Ｌ１２の傾きはＳＶＣ１の制御範囲における特性線Ｌ１１の傾きに等しい。特性線Ｌ１２が示すように、ＳＶＣ２の制御範囲内では、母線１４の電圧変動に対してＳＶＣ２は連続的に無効電力を出力する。

また、Ｃ１１における無効電力はＳＶＣ１の容量と比してゼロに近く、定常動作時におけるＳＶＣ１の出力する無効電力はゼロ付近にある。すなわち、ＳＶＣ１は、定常時において、その容量と比較してわずかな無効電力を発生した状態にある。そのため、電力系統に擾乱などが発生し、母線７の電圧が急激に変動する事態が発生したとしても、ＳＶＣ１は常に動作可能であり、急峻な電圧変動を抑制することができる。なお、図３に示すように、母線７には、調相設備６が接続され、ＳＶＣ１と調相設備６が協調動作していることから、ＳＶＣ１が出力する無効電力がその制御範囲から逸脱した場合には、調相設備６の投入又は解列を操作することで、ＳＶＣ１の出力する無効電力をゼロ付近に設定することができる。よって、ＳＶＣ１は、再び例えばＣ１１で動作することとなる。

他方、Ｃ１２はＡ１２の付近にあり、Ｃ１２における無効電力はゼロ付近ではなく、ＳＶＣ２はその容量に近い無効電力を発生している。そのため、ＳＶＣ２は、電力系統に擾乱が発生した場合に、その急峻な電圧変動を抑制するよう無効電力を出力することが困難となる。二台のＳＶＣ１，２が近接配置された場合における図４のような制御特性は、従来の無効電力補償装置では一般的である。

次に、本実施の形態の動作について図２、図１を参照して説明する。特性線Ｌ１は、定常時における母線７の電圧とＳＶＣ１が発生する無効電力との関係を示すものである。特性線Ｌ１において、ＳＶＣ１の制御範囲はＡ１−Ｂ１間であり、Ａ１またはＢ１における無効電力量がＳＶＣ１の容量を表している。また、Ｃ１は、ＳＶＣ１の動作点の一例を表している。Ｃ１では、母線７の電圧はＶ１であり、ＳＶＣ１は例えば進みの無効電力を発生する。Ａ１−Ｂ１間における特性線Ｌ１の傾きは、スロープリアクタンス４２のインピーダンス値ＸＳ１で決まる。特性線Ｌ１が示すように、ＳＶＣ１の制御範囲内では、母線７の電圧変動に対してＳＶＣ１は連続的に無効電力を出力する。

特性線Ｌ２は、定常時における母線１４の電圧とＳＶＣ２が発生する無効電力との関係を示すものである。この特性線Ｌ２では、無効電力を発生しない電圧不感帯が設けられている。この電圧不感帯は、変動分電圧生成部３１にてリミッタ（上限がＶＨ２，下限がＶＬ２）を設けたことに対応して、母線電圧がＶＬ２からＶＨ２の範囲に設けられたものである。特性線Ｌ２において、ＳＶＣ２の制御範囲はＡ２−Ｂ２間であり、Ａ２またはＢ２における無効電力量がＳＶＣ２の容量を表している。ＳＶＣ２の容量はＳＶＣ１の容量よりも小さいことがわかる。また、Ｃ２は、ＳＶＣ２の動作点の一例を表している。Ｃ２では、母線１４の電圧はＶ２であり、電圧不感帯内に属するため、ＳＶＣ２は無効電力を発生していない。電圧不感帯を設けることは、ＳＶＣ１をＳＶＣ２に優先して動作させることとなる。例えば母線電圧の変動に対しては、その変動が電圧不感帯内に属する限りは、ＳＶＣ２は動作せず、無効電力の発生はＳＶＣ１によって担われるからである。電圧不感帯を設けることにより、定常時におけるＳＶＣ２の発生する無効電力はゼロとなり、常にその容量分の無効電力を出力できる状態で待機しているので、図４の場合と異なり、電力系統に擾乱が発生した場合でも、ＳＶＣ２は急峻な電圧変動を抑制することができる。

Ａ１−Ｂ２間における特性線Ｌ２の傾きはスロープリアクタンス３２のインピーダンス値ＸＳ２で決まるが、上述したように、ＸＳ２＞ＸＳ１と設定されているので、ＳＶＣ２の制御範囲における特性線Ｌ２の傾きはＳＶＣ１の制御範囲における特性線Ｌ１の傾きよりも大きい。図２では、特性線Ｌ１の傾きを特性線Ｌ２の傾きよりも少し小さく描いている。このように、ＳＶＣ１のスロープリアクタンス４２のインピーダンス値ＸＳ１をＳＶＣ２のスロープリアクタンス３２のインピーダンス値ＸＳ２よりも小さくする特性とした場合、ＳＶＣ１は、ＳＶＣ２と比較して、小さな電圧変動に対しても大きな無効電力を発生することができる。すなわち、ＳＶＣ１は、ＳＶＣ２よりも優先的に無効電力を発生する。

このように、図２では、例えば電圧階級および容量の異なる二台のＳＶＣ１，２が近距離に配置された場合でも、（ａ）定常時におけるＳＶＣ２の無効電力−母線電圧特性に電圧不感帯を設け、かつ、（ｂ）ＳＶＣ１のスロープリアクタンス４２のインピーダンス値ＸＳ１をＳＶＣ２のスロープリアクタンス３２のインピーダンス値ＸＳ２よりも小さくすることにより、ＳＶＣ１をＳＶＣ２に優先して動作させることができ、従来のように、ＳＶＣ２が電力系統の擾乱時における急峻な電圧変動を抑えることができないといった問題を解消できる。

なお、ＳＶＣ１をＳＶＣ２に優先して動作させる条件としては、上記の（ａ）および（ｂ）の他に、さらに、（ｃ）ＳＶＣ１の電圧制御の応答をＳＶＣ２の電圧制御の応答よりも速くすることが挙げられる。つまり、電圧変動に対する無効電力制御部４３の応答特性を無効電力制御部３３の応答特性よりも速く設定することで、ＳＶＣ１がＳＶＣ２よりも速応的に無効電力を発生することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、例えば電圧階級および容量の異なる二台のＳＶＣ１，２が互いに近距離に配置された場合においても、例えば上位系統に接続された容量の大きいＳＶＣ１を優先的に動作させる協調制御を行うことにより、母線７，１４の電圧を設定範囲内に制御しながら定常時のＳＶＣ１，２の出力する無効電力を抑制し、電力系統の擾乱時の急峻な電圧変動に対してＳＶＣ１，２が対応できるようにすることができる。

また、本実施の形態では、ＳＶＣ１，２に対して、ＳＶＣ１を優先的に動作させる協調制御を行う際に、ＳＶＣ制御部３，４間でＳＶＣ１，２の運転状態等の情報のやりとりをする必要がなく、よって、ＳＶＣ制御部３，４とは別の（遠隔）制御部などを設ける必要がなく、構成が簡素化される。これに対して、特許文献２では、２台のＳＶＣが互いに近接して配置されている場合に、一方のＳＶＣの電流偏差を演算し、この演算結果を他方のＳＶＣ制御装置に入力して他方のＳＶＣの出力を補正しているので、ＳＶＣ制御装置の他に電流演算機能などを有する別の制御装置を設ける必要があり、構成及び処理が複雑になっていた。

また、本実施の形態によれば、電力系統全体の電圧分布と無効電力の調相量を適切に制御することができる。

なお、図１に示すように、本実施の形態では、上位系統の母線７にのみ調相設備６を接続しているが、図５に示すように、下位系統の母線１４にも調相設備８０を接続することができる。すなわち、図５では、図１の構成に加えて、母線１４にはＳＶＣ２と並列に調相設備８０が設けられており、調相設備８０は、遮断器８２を介して母線１４に接続された進相コンデンサ８１と、遮断器８４を介して母線１４に接続された分路リアクトル８３とを備えている。さらに、調相設備８０の解列または投入を制御する協調制御部７０が設けられている。協調制御部７０は、ＳＶＣ２の出力する無効電力を検出する無効電力検出部７１と、検出された無効電力に応じて調相設備８０の投入または解列を制御する調相制御部７２とを備えている。協調制御部７０の構成および動作は協調制御部５と同様であるためその説明を省略する。

また、図１において、調相設備６および協調制御部５を設けない構成も可能であり、この場合も、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。調相設備６を設けなくても、定常状態においてＳＶＣ１の発生する無効電力量がゼロ付近の場合は、調相設備６に無効電力を分担させる必要がないことから、調相設備６および協調制御部５を設けなくともよい。

実施の形態２．
図６は、本実施の形態に係る無効電力補償装置の構成例を示すブロック図である。以下では、実施の形態１で説明した図５の構成と異なる部分についてのみ説明し、図６では図５と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図６に示すように、交流電源２０と変圧器１１との間には計器用変流器（ＣＴ）１８が設けられている。また、変圧器１１と送電線１３との間に接続された母線１２（第３の母線）には、計器用変圧器（ＰＴ）２６と調相設備２１とが互いに並列に接続されている。調相設備２１は、遮断器２３を介して母線１２に接続された進相コンデンサ２２と、遮断器２５を介して母線１２に接続された分路リアクトル２４とを備えている。さらに、ＣＴ１８、ＰＴ８、ＰＴ２６、変圧器１１、および調相設備２１にそれぞれ接続された電圧無効電力制御部（Voltage Q(reactive power) Control 部）１９が設けられている。電圧無効電力制御部１９は、無効電力検出部９１とタップ・調相制御部９２とを備えて構成される。

無効電力検出部９１は、ＣＴ１８の検出する電流信号とＰＴ８の検出する電圧信号が入力され、これらの入力に基づいて無効電力を算出する。

タップ・調相制御部９２は、無効電力検出部９１の出力する無効電力とＰＴ２６の検出する電圧信号が入力され、これらの入力信号に基づき、変圧器１１の一次側（上位系統側）の無効電力と変圧器１１の二次側（下位系統側）の母線電圧（母線１４の電圧）とがそれぞれ所定の値に制御されるように、変圧器１１にはその二次側のタップを調節するタップ調節信号を出力し、調相設備２１には進相コンデンサ２２および分路リアクトル２４の投入または解列を操作する投入・解列信号を出力する。

電圧無効電力制御部１９の動作は次の通りである。電圧無効電力制御部１９は、無効電力検出部９１により、変圧器１１の一次側（上位系統側）の無効電力を監視しており、母線７の電圧変動に対して、調相設備２１の投入または解列を操作することにより、無効電力を補償することができる。なお、調相設備２１の補償する無効電力により、上位系統の母線７でも無効電力が補償される。ただし、例えば、上位系統の調相設備６では、分路リアクトル６３が遮断器６４で投入され、下位系統の調相設備２１では、進相コンデンサ２２が遮断器２３で投入されたなどは、効率的ではないため、協調制御部５と電圧無効電力制御部１９間では協調を取る必要がある。また、電圧無効電力制御部１９は、ＰＴ２６からの電圧信号により、変圧器１１の二次側（下位系統側）の電圧を監視しており、母線１４の電圧変動に対して、その電圧変動を抑制するように、変圧器１１の二次側のタップを調整する。例えば、電圧が降下した場合は、タップ・調相制御部９２は変圧器１１の二次側のタップを上げるように指示するタップ調節信号を出力する。

ところで、図２に示した母線電圧とＳＶＣが発生する無効電力との関係は、本実施の形態でも成立する。一方、上記のように、本実施の形態では、電圧無効電力制御部１９を設けるようにしたので、変圧器１１の一次側の無効電力が補償されて上位系統から供給される電力は安定に制御され、かつ、母線１４の負荷の変動等に起因する母線電圧変動に対しても変圧器１１の二次側の電圧を一定に維持するように電圧調整しているので、母線１４の定常時の電圧変動幅が制限されることとなる。そのため、本実施の形態では、図２の電圧不感帯幅（ＶＨ２とＶＬ２の差）を実施の形態１の場合よりも小さく設定することができ、この場合でも、ＳＶＣ１，２に対してＳＶＣ１を優先的に動作させる協調制御を行うことができる。

また、本実施の形態では、調相設備２１を設けたので、調相設備２１の補償する無効電力により、上位系統の母線７でも無効電力が補償されることになり、これにより定常時のＳＶＣ１の無効電力出力を抑制し、あるいは、母線７に接続された調相設備６の動作回数を減らすことができるという効果もある。

なお、本実施の形態では、図５の構成に電圧無効電力制御部１９、ＣＴ１８、ＰＴ２６、調相設備２１を付加する構成としたが、図１の構成に電圧無効電力制御部１９等を付加する構成、または図１の構成から調相設備６および協調制御部５を除いた構成に電圧無効電力制御部１９等を付加する構成も可能である。

実施の形態１，２では、例えば電圧階級および容量の異なる二台のＳＶＣ１，２を例に説明したが、実施の形態１，２は、これ以外の場合にも適用可能である。例えば、ＳＶＣ１，２の電圧階級が同じ場合やＳＶＣ１，２の容量が同程度である場合も適用可能である。電圧階級が同じ場合の具体例としては、図１の構成において、母線７に送電線を介して電圧階級の同じ別の母線とこの別の母線にＳＶＣ１とは異なる別のＳＶＣが接続されているような場合である。また、実施の形態１，２は、三台以上のＳＶＣが互いに近距離に配置されている場合にも適用可能である。この場合、優先させて動作させる一台のＳＶＣに対しては、ＳＶＣ１と同様の構成とし、その他のＳＶＣに対しては、ＳＶＣ２と同様の構成とし、さらに、スロープリアクタンスのインピーダンス値に関しては、優先させて動作させる一台のＳＶＣのものを他のものよりも小さく設定すればよい。

本発明は、電力系統の電圧変動を抑えるために無効電力を補償する静止型無効電力補償装置を備えた無効電力補償装置として有用である。

１，２ ＳＶＣ
１Ａ，２Ａ 変圧器
１Ｂ，２Ｂ スイッチング回路
１Ｃ，２Ｃ リアクトル
１Ｄ，２Ｄ フィルタ
３，４ ＳＶＣ制御部
５ 協調制御部
６，２１，８０ 調相設備
７，１２，１４ 母線
９，１５，２３，２５，６２，６４，８２，８４ 遮断器
１１ 変圧器
１３ 送電線
１９ 電圧無効電力制御部
２０ 交流電源
２２，６１，８１ 進相コンデンサ
２４，６３，８３ 分路リアクトル
３０，４０ 電圧センサ
３１，３８，４１ 変動分電圧生成部
３２，４２ スロープリアクタンス
３３，４３ 無効電力制御部
３４，４４ ゲートパルス出力部
３５，４５，１３２，１３９，１４２ 減算器
３６，４６ 乗算器
３７，４７ 電流センサ
５１，９１，７１ 無効電力検出部
５２，７２ 調相制御部
７０ 協調制御部
９２ タップ・調相制御部
１３１ リミッタ付き１次遅れ制御ブロック
１３８，１４１ 電圧基準回路

Claims (7)

1. 第１の母線に接続され当該第１の母線の電圧変動に応じて無効電力を発生する第１の静止型無効電力補償装置と、この第１の静止型無効電力補償装置の出力を制御する第１の無効電力制御装置と、前記第１の母線と送電線を介して接続された第２の母線に接続され当該第２の母線の電圧変動に応じて無効電力を発生する第２の静止型無効電力補償装置と、この第２の静止型無効電力補償装置の出力を制御する第２の無効電力制御装置と、を備えた無効電力補償装置であって、
   前記第１の無効電力制御装置は、前記第１の母線の母線電圧と所定の基準電圧との差分を出力する第１の変動分電圧生成部と、前記第１の母線の母線電圧の変化に対する前記第１の静止型無効電力補償装置の出力変化を決定する第１のスロープリアクタンスのインピーダンス値と前記第１の静止型無効電力補償装置に流れる電流値との積を前記第１の変動分電圧生成部の出力から差し引いた差分に基づき、前記第１の静止型無効電力補償装置に出力させる無効電力を演算する第１の無効電力制御部と、を備え、
   前記第２の無効電力制御装置は、前記第１の母線の母線電圧に対して所定の時間遅れ特性で追随して所定の範囲内に制限された比較電圧を生成するとともに当該比較電圧と当該母線電圧との差分を出力する第２の変動分電圧生成部と、前記第２の母線の母線電圧の変化に対する前記第２の静止型無効電力補償装置の出力変化を決定しかつ前記第１のスロープリアクタンスのインピーダンス値よりも大きな値である第２のスロープリアクタンスのインピーダンス値と前記第２の静止型無効電力補償装置に流れる電流値との積を前記第２の変動分電圧生成部の出力から差し引いた差分に基づき、前記第２の静止型無効電力補償装置に出力させる無効電力を演算する第２の無効電力制御部と、を備えることを特徴とする無効電力補償装置。
2. 前記第１の無効電力制御部の制御応答特性は、前記第２の無効電力制御部の制御応答特性よりも速いことを特徴とする請求項１に記載の無効電力補償装置。
3. 前記第１の静止型無効電力補償装置は、前記第２の静止型無効電力補償装置の近傍位置に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の無効電力補償装置。
4. 前記第１の母線は上位系統の母線であり、前記第２の母線は下位系統の母線であり、前記第１の静止型無効電力補償装置の容量は前記第２の静止型無効電力補償装置の容量よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無効電力補償装置。
5. 前記第１の母線に投入または解列可能に接続され、前記第１の静止型無効電力補償装置とそれぞれ並列に接続された進相コンデンサおよび分路リアクトルを有する前記第１の母線用の調相設備を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の無効電力補償装置。
6. 前記第２の母線に投入または解列可能に接続され、前記第２の静止型無効電力補償装置とそれぞれ並列に接続された進相コンデンサおよび分路リアクトルを有する前記第２の母線用の調相設備を備えることを特徴とする請求項５に記載の無効電力補償装置。
7. 前記第１の母線は上位系統の母線であり、前記第２の母線は下位系統の母線であり、前記第１の母線と前記第２の母線との間には降圧用の変圧器が設けられており、前記変圧器の二次側に接続された第３の母線には当該第３の母線にそれぞれ並列に接続された進相コンデンサおよび分路リアクトルを有する当該第３の母線用の調相設備が設けられており、前記変圧器の一次側の無効電力の検出値に応じて前記第３の母線用の調相設備の投入または解列を操作するとともに前記変圧器の二次側の母線電圧に応じて前記変圧器の二次側のタップを調整することにより前記変圧器の一次側の無効電力と前記変圧器の二次側の母線電圧をそれぞれ所定の値に制御する電圧無効電力制御部が設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の無効電力補償装置。

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