JP5923341B2

JP5923341B2 - 電圧調整装置

Info

Publication number: JP5923341B2
Application number: JP2012042265A
Authority: JP
Inventors: 本田　秀樹; 秀樹本田; 洋志俵谷; 慎也内藤
Original assignee: Tohoku Electric Power Co Inc; Tohoku Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Tohoku Electric Power Co Inc; Tohoku Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: JP2013179778A

Description

本発明は、配電系統の電圧調整に使用する電圧調整装置に関する。

太陽光発電に代表される分散電源が配電系統に多数連系されるようになってきており、この分散電源に起因する配電系統の電圧変動が課題になっている。特に電気事業法では標準電圧に応じて維持すべき電圧値が定められており、これに対応するため、柱上変圧器の一次側タップを手動または自動で変更して電圧を調節し、二次側電圧を維持しなければならない。

また、これらの柱上変圧器は、一般住宅地内に設置されることが多いため、景観的および設置スペース的にも小型軽量のものが必要となる。

例えば特許文献１は、単巻変圧器の１次側に複数のタップを設け、二次側の電圧に応じてタップを自動で切替える方法を開示している。特許文献２は、分路変圧器と、誘起電圧が等しい２つの直列巻線及び励滋巻線を備えた直列変圧器から構成されている装置を開示している。

特許第４２２４３０９号公報特許第３９３８９０３号公報

上記したようなタップの切替えは、二次側の電圧を検出しタップ切替え指令を出力するタイミングによって、タップを切替える際に大電流が切替え機構部の電気的導通部に流れる場合がある。従って、切替え機構部の電気的導通部は、その大電流にも耐えうる特性を有する必要があった。また、タップの切替え時に発生する大電流からタップ切替え機構部を保護する為、タップの切替え時には一時的に抵抗を接続し電流を抑制する必要があり、タップ切替え機構部が複雑で尚且つ大型となり、装置全体も大きなものとなっている。

本発明の実施形態は、前述のようなタップ切替えのタイミングを制御することで、タップ切替え時の電流を抑制し、タップ切替え機構部のサイズを小さくすることを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る電圧調整装置は、中性点に対してそれぞれ対称に設けられた複数のタップを有する単巻変圧器と、前記単巻変圧器に接続され同一構成を有する第１及び第２タップ切替部と、該タップ切替部を制御する制御部とを具備し、各タップ切替部は、前記複数のタップのうち１つを前記中性点に接続するスイッチと、前記単巻変圧器の一端と前記中性点間の電圧を検出する電圧センサとを具備し、前記単巻変圧器の一端と前記中性点の間、及び前記単巻変圧器の他端と前記中性点の間にはそれぞれ異なる負荷が接続され、前記制御部は前記各電圧センサにて検出された電圧が、第１基準電圧を超えた場合あるいは第１基準電圧より低い第２基準電圧以下となった場合、前記スイッチを流れる電流が０付近のタイミングでタップが切替るよう前記各スイッチを独立に制御する。また本発明の実施形態による電圧調整装置は、タップ切替えのタイミングを前記励磁電流のゼロクロスポイント前後の位相角±３０°以内の時点に制御する。

配電系統の電圧調整装置において、タップ切替えのタイミングを制御することで、タップ切替え時の電流を抑制し、タップ切替え機構部のサイズを小さくすることが可能となる。

本発明の第１実施形態が適用されるシステム例として、太陽光発電システムの構成を示す図である。図１のタップ切替機構部の構成例を示すブロック図である。スイッチングにヒステリシスを持たせた場合の第１タップ切替部１９ａの動作を示す図である。変圧器の電圧と鉄心励磁特性の相関関係（５０Ｈｚの揚合）を示す図である。電圧ゼロクロスポイントを検出する回路をオペアンプ回路で実現する構成例を示す図である。本発明に係る励磁電流抑制型低圧電圧調整装置２’（１８，１９）を適用する太陽光発電システムの他の構成例を示すブロック図である。

以下、実施形態に係る励磁電流抑制型低圧電圧調整装置について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態が適用されるシステム例として、太陽光発電システムの構成を示す。単相３線式変圧器１１の一次側巻線１７には所定の交流電圧、例えば商用交流電圧６６００Ｖが印加され、単相３線式変圧器１１の二次側巻線の出力端ａ、ｂに単巻変圧器１８の一次側を接続し、単巻変圧器１８の二次側端子ｄ、ｅに負荷１３、１４と太陽光発電システムのインバータ１５の交流端子が接続される。

単巻変圧器１８は直列巻線１８ａ、１８ａ’と二次端子ｄ、ｅとタップ付きの分路巻線１８ｂ、１８ｂ’を有し、この分路巻線１８ｂ、１８ｂ’のタップには、タップ切替機構部１９が接続される。インバータ１５の直流側端子は太陽電池１６に接続され、交流側端子は負荷１３及び１４の直列回路、及び端子ｄ、ｅに接続される。太陽電池１６はソーラーパネル及びコンデンサあるいはバッテリから構成される。

インバータ１５はソーラーパネル（太陽電池）１６により発電された直流電力を交流に変換し、交流電圧を負荷１３と１４の負荷回路、及び単巻変圧器１８の二次端子ｄ、ｅに供給する。負荷１３、１４は例えば一般家庭で使用され交流１００Ｖで動作する電気製品である。単巻変圧器１８及びタップ切替機構部１９は、励磁電流抑制型低圧電圧調整装置２を構成する。

図２は、図１の電圧調整装置２の構成例を示すブロック図である。

単巻変圧器１８は、二次ライン線３、３’で二次端子ｄ，ｅに接続され、更に負荷１３、１４に接続される。二次端子ｄ，ｅには、制御部１２、電圧センサ１１、１１’のそれぞれ一方の電圧検出端子が接続される。電圧センサ１１、１１’のそれぞれ他方の電圧検出端子は中性線（中性点）７に接続され、中性線７は負荷１３、１４に接続される。この中性線７は、負荷電圧Ｖ１＋Ｖ２の中性点である。

スイッチ２０のコンタクタ１０は分路巻線１８ａのタップ５に接続され、コンタクタ９はタップ４に接続され、共通端子８は中性線７に接続される。同様にスイッチ２０’のコンタクタ１０’は分路巻線１８ｂのタップ５’に接続され、コンタクタ９’はタップ４’に接続され、共通端子８’は中性線７に接続される。タップ４、５、４’、５’は、中性線７すなわち中性点に対してそれぞれ対称に設けられる。尚、各分路巻線に設けられるタップの数は、本例のように２つに限らず３以上でもよい。

次に、本実施形態に係る電圧調整装置２の動作を詳細に説明する。

図２において、直列巻線１８ａ、分路巻線１８ｂ、スイッチ２０、電圧センサ１１を含む上側回路（第１タップ切換え手段）１９ａの動作は、直列巻線１８ａ’、分路巻線１８ｂ’、スイッチ２０’、電圧センサ１１’を含む下側回路（第２タップ切換え手段）１９ｂの動作と同様である。説明を簡単にするため、両回路について特に説明する場合を除き、ここでは上側回路の動作のみについて説明する。

制御部１２は電圧センサ１１によって検出した二次側ラインの負荷電圧Ｖ１に基づいてスイッチ２０の切り替え動作を制御する。すなわち制御部１２は、負荷電圧Ｖ１が当初設定した基準電圧より高くなった場合、スイッチ２０をタップ４側から５側へ切り替え、分路巻線の巻線数を少なくし電圧を下げる。また制御部１２は、電圧Ｖ１が当初設定した基準電圧より低くなった場合、スイッチ２０をタップ５側から４側へ切り替え、分路線の巻線数を多くし電圧を上げる。

このスイッチングの基準電圧は好適に、スイッチングにヒステリシスを持たせるために、タップ５側へ切り替えるときの基準電圧と、タップ４側へ切り替えるときの基準電圧を異なる電圧に設定する。例えばタップ５側へ切り替えるときの第１基準電圧を１０５Ｖと設定し、タップ４側へ切り替える第２基準電圧を第１基準電圧より低い１００Ｖに設定する。

図３はこのようにスイッチングにヒステリシスを持たせた場合の第１タップ切替部１９ａの動作を示す図である。時刻Ｔ１のように、負荷電圧Ｖ１が第１基準電圧に到達あるいは第１基準電圧以上となった場合、制御部１２はスイッチ２０を制御して、接続タップをタップ５側へ切り替える。時刻Ｔ２のように、負荷電圧Ｖ１が第２基準電圧まで低下、あるいは第２基準電圧以下となった場合、制御部１２はスイッチ２０を制御して、接続タップをタップ４側へ切り替える。第２タップ切替部１９ｂの動作は第１タップ切替部１９ａと同様である。尚、スイッチ２０、２０’の切替え動作は、電圧センサー１１、１１’で検出された電圧Ｖ１、Ｖ２に応じて独立して行われ、同時に行う必要はない。

図４は、変圧器の電圧と鉄心励磁特性の相関関係（５０Ｈｚの場合）及びスイッチ２０を切り替えるタイミングを説明する図である。

実線波形は電圧センサー１１の検出電圧値（二次側負荷電圧）Ｖ１、破線波形はスイッチ２０に流れる励磁電流Ｉ_０を示す。制御部１２は検出電圧値Ｖ１に基づいて、スイッチ２０を切り替えるタイミングを、励磁電流Ｉ_０が、０（ゼロ）となるゼロクロスポイント（ｔ２、ｔ４、ｔ６、ｔ８…）前後（位相角±３０°以内）になるように調整する。これにより、タップを切替えることにより発生するタップ切替え時の大きな励磁電流を抑制することができる。また、図２のコンタクタ９および１０には大電流が流れないため、コンタクタの小型化を図り低圧電圧調整装置全体の軽量小型化を実現することができる。

以上のように本発明に係る電圧調整装置は、中性点に対してそれぞれ対称に設けられた複数のタップを有する単巻変圧器１８と、前記単巻変圧器に接続され同一構成を有する第１及び第２タップ切替部１９ａ、１９ｂと、該タップ切替部を制御する制御部１２とを具備し、各タップ切替部は、前記複数のタップ４、５のうち１つを前記中性点７に接続するスイッチ２０と、前記単巻変圧器１８の一端ｄと前記中性点７間の電圧を検出する電圧センサ１１とを具備する。前記単巻変圧器１８の一端ｄと前記中性点７の間、及び前記単巻変圧器の他端ｅと前記中性点７の間にはそれぞれ異なる負荷１３，１４が接続され、前記制御部１２は前記各電圧センサ１１，１１’にて検出された電圧が、第１基準電圧以上となった場合あるいは第１基準電圧より低い第２基準電圧以下となった場合、前記スイッチ２０，２０’を流れる電流が０付近のタイミングでタップが切替るよう前記各スイッチを独立に制御する。

次に、スイッチ２０を切り替えるタイミングの調整方法の具体例を説明する。

図２に示す装置の二次側負荷電圧Ｖ１に対し、励磁電流Ｉ_０は位相角が９０°遅れて発生する。従って図４のように、二次側負荷電圧Ｖ１のゼロクロスポイント（ｔ１、ｔ３、ｔ５、ｔ７…のいずれか）付近を検出し、そのポイントから位相角９０°、２７０°、以降１８０°増加する毎に、励磁電流Ｉ_０のゼロポイント（ｔ２、ｔ４、ｔ６、ｔ８…）が存在する。商用周波数が５０Ｈｚの場合は、１周期が２０ｍｓ（＝１／周波数）であることから、二次側負荷電圧Ｖ１のゼロポイント検出から５ｍｓ（９０°）、１５ｍｓ（２７０°）、以降１０ｍｓ（１８０°）加算したいずれかの時点の±１．７ｍｓ（３０°）の範囲内でスイッチを切替えることにより、コンタクタの大電流を防止できる。

また、３０°の範囲以内であれば、ｓｉｎ３０°＝０．５であるから、最大ピーク電流の１／２の電流容量で済む。この時間調整部は、図２の制御部１２に組込まれる。

このように本発明に係る電圧調整装置では、タップ切替えするタイミングは、励磁電流Ｉ_０のゼロクロスポイント前後の位相角±３０°以内の時点である。すなわち、タップ切替えするタイミングは、電圧センサ１１又は１１’にて検出された電圧のゼロクロスポイントから９０°位相が遅れた時点前後の位相角±３０°以内の時点である。

次に、励磁電流Ｉ_０のゼロポイントを検出する構成について説明する。前述したように、装置の二次側負荷電圧Ｖ１に対し励磁電流Ｉ_０は位相が９０°遅れて発生する。従て、電圧Ｖ１と電流Ｉ_０両者の相関関係により、電圧ゼロクロスポイントをオペアンプを使用した回路により検出し、その後、遅延回路によって励磁電流Ｉ_０のゼロクロスポイントの位相角±３０°以内の範囲で図２のスイッチ２０を切り替える。

電圧ゼロクロスポイントを検出する回路をオペアンプ回路で実現する構成例を図５に示す。この電圧ゼロクロスポイント検出回路は、電圧Ｖ１が１次側に入力されるトランスＶＴの二次側電圧Ｖｓが、マイナスからプラスに変化する電圧ゼロクロスポイントで、オペアンプ６の出力電圧がＨレベルからＬレベルに立ち下がる。制御部１２は電圧センサ１１の検出電圧値に応じて、例えばこの立ち下がり時点を基に、励磁電流Ｉ_０のゼロクロスポイントを演算しスイッチ２０を切り替える。

尚、電圧ゼロクロスポイントの検出は本実施形態によらず、マイコンなどを使用したデジタル回路によっても実現可能である。

図２のタップ付き分路巻線１８ｂを含む直列巻線１８ａで構成される単巻変圧器の鉄心は、小型化を図るために鉄心形状を小さくすることにより、鉄心の磁束密度が大きくなり、従来のものは分路巻線のタップの切替え時に発生する励磁電流Ｉ_０も一時的に大電流が流れる。しかし、実施形態に係る図２のスイッチ２０、２０’を切り替えるタイミングを調整することで、タップ切替え時の励磁電流Ｉ_０を小さくし、鉄心形状の小さなものが適用可能となり、低圧電圧調整装置の小型化が図れる。

上記の実施形態で使用されるスイッチは電磁式コンタクタのみならず、ＧＴＯやＩＧＢＴなどパワー半導体で構成したものでも同じ効果が得られる。

次に第２実施形態を説明する。
図６は、本発明に係る励磁電流抑制型低圧電圧調整装置２’（１８，１９）を適用する太陽光発電システムの他の構成例を示すブロック図である。図１と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、詳細な説明は省略する。

電圧調整装置２’は、図２の構成すなわち、分路巻線１８ａ、１８ｂを含む直列巻線１８とタップ切替機構部１９から構成される。直列巻線１８の端子ａ、ｂには所定の交流電圧が印加され、本システムは図１のシステムと同様に動作する。

図１の第１実施形態に係る電圧調整装置２に比べ、第２実施形態に係る電圧調整装置２’は、単相３線式変圧器１１が省略されているので、システムの更なる小型、軽量化を実現できる。

以上のように、本発明によれば、単巻変圧器分路巻線のタップの切替え時に発生する励磁電流が、従来に比べ小さくなる（０付近となる）タイミングでタップを切替える。これにより、コンタクタを小型なものにでき、更に単相３線式単巻変圧器の鉄心の小型化も図れた低圧電圧調整装置を提供することができる。また、低圧電圧調整装置の小型化により低圧電圧調整装置を安価で提供できるようになり、例えば一般家庭用太陽光発電の普及拡大に伴う高圧配電系統への連系による設備工事費の削減にも貢献できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、上記実施形態では本発明を太陽光発電システムの送配電系に適用した例を示したが、これに限らず風力発電等、自然エネルギを利用したシステムあるいは利用しない他の発電システムの送配電系にも適用可能である。また、上記した新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２…電圧調整装置、３、３’…２次ライン、４、４’、５、５’…タップ、６…オペアンプ、９、１０…コンタクタ、２０、２０’…スイッチ、７…中性線、１１、１１’…電圧センサ、１２…制御部、１８ａ、１８ａ’…直列巻線、１８ｂ、１８ｂ’…分路巻線、１９…タップ切換え機構、ＶＴ…変圧器、Ｒ…抵抗器、Ｄ…ダイオード。

Claims

中性点に対してそれぞれ対称に設けられた複数のタップを有する単巻変圧器と、前記単巻変圧器に接続され同一構成を有する第１及び第２タップ切替部と、該タップ切替部を制御する制御部とを具備し、
各タップ切替部は、前記複数のタップのうち１つを前記中性点に接続するスイッチと、前記単巻変圧器の一端と前記中性点間の電圧を検出する電圧センサとを具備し、前記各単巻変圧器の一端と前記中性点の間にはそれぞれ異なる負荷が接続され、
前記制御部は前記各電圧センサにて検出された電圧が、第１基準電圧以上となった場合あるいは第１基準電圧より低い第２基準電圧以下となった場合、前記スイッチを流れる電流が０付近のタイミングでタップが切替るよう前記各スイッチを独立に制御することを特徴とする電圧調整装置。
タップ切替えする前記タイミングは、励磁電流のゼロクロスポイント前後の位相角±３０°以内の時点であることを特徴とする請求項１記載の電圧調整装置。
タップ切替えする前記タイミングは、前記電圧センサにて検出された電圧のゼロクロスポイントから９０°位相が遅れた時点前後の位相角±３０°以内の時点であることを特徴とする請求項１記載の電圧調整装置。