JP6012492B2

JP6012492B2 - 配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法

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Publication number: JP6012492B2
Application number: JP2013019512A
Authority: JP
Inventors: 孝道永元
Original assignee: Takaoka Toko Co Ltd
Current assignee: Takaoka Toko Co Ltd
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: JP2014150694A

Description

本発明は、配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法に関し、特に三相の各線間に現れる線間電圧（以下、単に「線間電圧」という）の管理と各相の電圧不平衡（以下、単に「不平衡」ともいう）の改善とを行う配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法に関する。

近年、家庭用太陽光発電（ＰＶ：Photovoltaic power generation）システム等をはじめとする分散型電源が普及しつつあり、地球環境の維持に寄与することが期待されている。しかし、この分散型電源は、配電系統に接続されると電力の需要と供給の流れを局所的に逆転させ、配電系統に逆潮流を招くことがある。

一方、配電系統では、順方向の潮流における電圧降下が想定されていて、その電圧降下分を補うように、供給側の電圧を予め高く設定している。しかし、逆潮流が生じると、想定された電圧降下が無くなるため、分散型電源が配電系統に接続された地点の電圧が局所的に上昇することになる。

この局所的な電圧上昇が、その周囲へ波及して配電系統の途中における線間電圧を上昇させることがある。線間電圧の上昇の程度が規定の許容範囲を逸脱するとさまざまな障害の原因になる。このため電圧調整機器が、配電系統における送電地点と需要家の受電地点との間のフィーダに介在するように設けられている。電圧調整機器は、配電系統の電圧を制御して、配電系統の電圧が昇圧方向及び降圧方向にどのように変化しても、需要家の受電地点における受電電圧が規定の許容範囲に収まるようにしている。

従来の電圧調整機器を用いた配電系統の電圧管理は、線間電圧値に基づいて行われている。具体的には、配電系統における制御目標地点の線間電圧を基準電圧±許容幅内にする電圧制御が行われる。なお、制御目標地点は、配電系統における負荷条件等に応じて任意に設定される。このような配電線の電圧調整には、負荷時タップ切換装置付変圧器（ＬＲＴ：Load Ratio control Transformer）や自動電圧調整器（ＳＶＲ：Step Voltage Regulator）などが適している。

配電系統の線間電圧は、三相で平衡（以下、単に「三相平衡」という）しているという前提で電圧制御することが一般的である。このため、電圧の昇降圧方向と加減量の何れの制御要素に関しても、三相を一律の制御方向と一律の制御量で調整する。すなわち、各相の電圧を昇圧または降圧の同一の方向に同程度で同時に調整する制御（以下、「三相一括制御」という）を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１７７８６８号公報

しかしながら、単相負荷や単相負荷の性質を有する分散型電源が、三相のうち何れかの相に偏って接続された場合、三相の電圧が不平衡状態となる。三相の線路電流に不平衡が生じると線間電圧にも不平衡が生じる。不平衡が限度を超えると、需要家の受電地点における受電電圧が許容範囲から逸脱し、その結果、需要家の機器に悪影響を与える等の障害が発生するおそれがある。したがって、三相平衡の維持と電圧管理の両方を満足できるような配電線の電圧調整器及び電圧調整方法が望まれている。

これに対して、特許文献１に開示されたような従来の電圧調整器においては、三相の電圧が不平衡であるにもかかわらず三相一括制御した場合、電圧調整器から出力される三相の電圧が何れの相も同じ割合で電圧調整される。したがって、従来の電圧調整器では、調整前の三相の電圧が不平衡状態にあれば調整後も不平衡状態を維持することとなり、三相電圧の不平衡を解消することはできない。

例えば、ある１つの線間電圧が許容範囲を逸脱して著しく高い（低い）場合に、これを許容範囲内に収めるために、三相一括で大幅に下降（上昇）方向の制御をすることにより、他の線間電圧が許容範囲から低く（高く）外れてしまう場合がある。このように、三相一括制御では、配電系統の電圧不平衡が大きい場合、電圧不平衡に対する改善効果には限界がある。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、制御目標地点における三相配電線の線間電圧の電圧不平衡率を改善した後に三相一括の電圧制御を行うことにより、三相配電線の全ての線間電圧を既定の電圧管理幅内に効率的に収めることが可能な配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法を提供することを目的とする。

本発明に係る配電線の配電系統の電圧調整システムは、制御目標地点における三相配電線の線間に現れる三相の線間電圧の大きさを調整して、該線間電圧を既定の電圧管理幅に収める電圧調整システムであって、前記制御目標地点における前記三相の線間電圧の電圧不平衡率が所定の基準値より大であるか否かを判断し、該電圧不平衡率が該基準値より大であると判断した場合には、第１の所定時間経過後に該三相の線間電圧の中から選定した線間電圧を降圧または昇圧し、これにより、該制御目標地点における該電圧不平衡率を該基準値以下に収める調整を行う電圧不平衡率改善装置と、前記制御目標地点における前記三相の線間電圧の中で前記電圧管理幅から外れているものがあるか否かを判断し、該三相の線間電圧の中で該電圧管理幅から外れているものがあると判断した場合には、前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間経過後に該三相の線間電圧を一括して降圧または昇圧して前記電圧管理幅に収める調整を行う電圧調整装置とを備えることを特徴とする。

この電圧調整システムによると、三相一括の電圧制御を行う電圧調整装置と、制御目標地点における電圧不平衡率を改善する電圧不平衡率改善装置を協調させる制御を行うことにより、三相配電線の線間に現れる三相の電圧の不平衡を是正することができるとともに、基準電圧±許容幅内に電圧を収める電圧管理を行うことができる。

この電圧調整システムは、前記電圧不平衡率改善装置が、前記電圧不平衡率を算出する電圧不平衡率算出部と、前記電圧不平衡率が前記基準値以下であるか否かを判断する電圧不平衡率判断部と、前記電圧不平衡率判断部により前記電圧不平衡率が前記基準値よりも大であると判断されたことを条件として、前記三相の線間電圧の中の最大の線間電圧を選定する線間電圧選定部と、前記線間電圧選定部により選定された前記最大の線間電圧を降圧して前記電圧不平衡率を前記基準値以下に収める電圧不平衡率調整部とを備えていてもよい。

この電圧調整システムによると、家庭用太陽光発電システム等をはじめとする分散型電源の普及によって、三相の電圧の不平衡が生じやすい配電環境において、効率的に電圧不平衡の是正を行うことができる。

この電圧調整システムは、前記電圧不平衡率改善装置が、前記電圧不平衡率を算出する電圧不平衡率算出部と、前記電圧不平衡率が前記基準値以下であるか否かを判断する電圧不平衡率判断部と、前記電圧不平衡率判断部により前記電圧不平衡率が前記基準値よりも大であると判断されたことを条件として、前記三相の線間電圧の中の最小の線間電圧を選定する線間電圧選定部と、前記線間電圧選定部により選定された前記最小の線間電圧を昇圧して前記電圧不平衡率を前記基準値以下に収める電圧不平衡率調整部とを備えていてもよい。

この電圧調整システムは、前記電圧調整装置が、前記制御目標地点における前記三相の線間電圧のそれぞれを計測する線間電圧計測部と、前記電圧不平衡率が前記基準値以下であることを条件として、前記線間電圧計測部によって計測された前記三相の線間電圧の中に前記電圧管理幅から外れているものがあるか否かを判断する線間電圧判断部と、線間電圧判断部により前記三相の線間電圧の中に前記電圧管理幅から外れているものがあると判断された場合に、三相の線間電圧を一括して降圧または昇圧する三相一括電圧変換部とを備えていてもよい。

この電圧調整システムによると、電圧不平衡率が基準値以下である場合にのみ三相一括の電圧制御を行うことにより、全ての線間電圧を既定の電圧管理幅内に効率的に収めることができる。

この電圧調整システムでは、電圧調整装置が、同一変化幅のステップ間隔で前記三相の線間電圧を降圧または昇圧するようにしてもよい。

この電圧調整システムによると、同一変化幅のステップ間隔で線間電圧の昇圧・降圧を制御することにより、効率的な電圧管理を行うことができる。

この電圧調整システムでは、前記電圧管理幅は、基準電圧±許容幅によって設定されてもよい。

この電圧調整システムによると、電圧管理幅を基準電圧±許容幅によって設定することにより確実に電圧管理を行うことができる。

また、本発明に係る配電系統の電圧調整方法は、制御目標地点における三相配電線の線間に現れる三相の線間電圧の大きさを調整して、該線間電圧を既定の電圧管理幅に収める電圧調整方法であって、前記制御目標地点における前記三相の線間電圧の電圧不平衡率が所定の基準値より大であるか否かを判断し、該電圧不平衡率が該基準値より大であると判断した場合には、第１の所定時間経過後に該三相の線間電圧の中から選定した線間電圧を降圧または昇圧し、これにより、該制御目標地点における該電圧不平衡率を該基準値以下に収める調整を行う電圧不平衡率改善段階と、前記制御目標地点における前記三相の線間電圧の中で前記電圧管理幅から外れているものがあるか否かを判断し、該三相の線間電圧の中で該電圧管理幅から外れているものがあると判断した場合には、前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間経過後に該三相の線間電圧を一括して降圧または昇圧して前記電圧管理幅に収める調整を行う電圧調整段階とを含むことを特徴とする。

この電圧調整方法によると、三相一括の電圧制御を行う電圧調整段階と、制御目標地点における電圧不平衡率を改善する電圧不平衡率改善段階を協調させる制御を行うことにより、三相配電線の線間に現れる三相の電圧の不平衡を是正することができるとともに、基準電圧±許容幅内に電圧を収める電圧管理を行うことができる。

この電圧調整方法は、前記電圧不平衡率改善段階が、前記電圧不平衡率を算出する電圧不平衡率算出段階と、前記電圧不平衡率が前記基準値以下であるか否かを判断する電圧不平衡率判断段階と、前記電圧不平衡率判断段階により前記電圧不平衡率が前記基準値よりも大であると判断されたことを条件として、前記三相の線間電圧の中の最大の線間電圧を選定する線間電圧選定段階と、前記線間電圧選定段階により選定された前記最大の線間電圧を降圧して前記電圧不平衡率を前記基準値以下に収める電圧不平衡率調整段階とを含むものであってもよい。

この電圧調整方法によると、家庭用太陽光発電システム等をはじめとする分散型電源の普及によって、三相の電圧の不平衡が生じやすい配電環境において、効率的に電圧不平衡の是正を行うことができる。

この電圧調整方法では、前記電圧不平衡率改善段階が、前記電圧不平衡率を算出する電圧不平衡率段階と、前記電圧不平衡率が前記基準値以下であるか否かを判断する電圧不平衡率判断段階と、前記電圧不平衡率判断段階により前記電圧不平衡率が前記基準値よりも大であると判断されたことを条件として、前記三相の線間電圧の中の最小の線間電圧を選定する線間電圧選定段階と、前記線間電圧選定段階により選定された前記最小の線間電圧を昇圧して前記電圧不平衡率を前記基準値以下に収める電圧不平衡率調整段階とを含むものであってもよい。

この電圧調整方法は、前記電圧調整段階が、前記制御目標地点における前記三相の線間電圧のそれぞれを計測する線間電圧計測段階と、前記電圧不平衡率が前記基準値以下であることを条件として、前記線間電圧計測段階によって計測された前記三相の線間電圧の中に前記電圧管理幅から外れているものがあるか否かを判断する線間電圧判断段階と、線間電圧判断段階により前記三相の線間電圧の中に前記電圧管理幅から外れているものがあると判断された場合に、三相の線間電圧を一括して降圧または昇圧する三相一括電圧変換段階とを含むものであってもよい。

この電圧調整方法によると、電圧不平衡率が基準値以下である場合にのみ三相一括の電圧制御を行うことにより、全ての線間電圧を既定の電圧管理幅内に効率的に収めることができる。

また、この電圧調整方法では、前記電圧調整段階が、同一変化幅のステップ間隔で前記三相の電圧を降圧または昇圧するようにしてもよい。

この電圧調整方法によると、同一変化幅のステップ間隔で線間電圧の昇圧・降圧を制御することにより、効率的な電圧管理を行うことができる。

また、この電圧調整方法では、前記電圧管理幅は、基準電圧±許容幅によって設定されてもよい。

この電圧調整方法によると、電圧管理幅を基準電圧±許容幅によって設定することにより確実に電圧管理を行うことができる。

本発明によれば、制御目標地点における三相配電線の線間電圧の電圧不平衡率を改善した後に三相一括の電圧制御を行うことにより、三相配電線の全ての線間電圧を既定の電圧管理幅内に効率的に収めることが可能な配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法を提供することができる。

本発明によれば、三相一括の電圧制御を行う電圧調整装置と、制御目標地点における電圧不平衡率を改善する電圧不平衡率改善装置を協調させる制御を行うことにより、三相配電線の線間に現れる三相の電圧の不平衡を是正することができるとともに、基準電圧±許容幅内に電圧を収める電圧管理を行うことができ、これにより、障害の発生を未然に防止する配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法を提供することができる。

本発明によれば、家庭用太陽光発電システム等をはじめとする分散型電源の普及によって、三相の電圧の不平衡が生じやすい配電環境において有用な配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法を検証するシミュレーションモデルのブロック構成図である。本発明の実施形態に係る配電系統の電圧調整システムのブロック構成図である。制御目標地点の線間電圧と相電圧との関係を説明するためのベクトル図である。本発明の実施形態に係る配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法において電圧不平衡率改善装置が実行する処理を説明するためのフローチャートである。本発明の実施形態に係る配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法において電圧調整装置が実行する処理を説明するためのフローチャートである。本発明の実施形態に係る配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法において電圧調整装置及び電圧不平衡率改善装置が実行する処理を説明するためのフローチャートである。図６のフローチャートにおいて電圧不平衡率改善装置が実行する処理を詳細に説明するためのフローチャートである。本発明の実施形態に係る配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法のシミュレーションモデルにおいて、各需要家の線間電圧分布の初期状態を示すシミュレーションの結果である。本発明の実施形態に係る配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法の制御手法を実行した場合の各需要家の線間電圧分布を示すシミュレーションの結果である。本発明の実施形態に係る配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法の制御手法を実行した場合の制御目標地点の線間電圧分布を示すシミュレーションの結果である。

＜モデル１００＞
以下、本発明の実施の形態に係る電圧調整システムについて、図１に示す配電系統モデル１００（以下、単に「モデル１００」という）を用いたシミュレーションにより、その有用性の検証を行ったので、図面を参照して説明する。

モデル１００は、電力供給源２０からフィーダ３０を経由して各需要家１〜１０に、三相交流６．７ｋＶを配電する配電系統である。フィーダ３０には、電力供給源２０に最も近い需要家１から数字の順に遠隔となる需要家１０までの負荷が接続されている。需要家１〜１０にはそれぞれフィーダ３０から不図示の柱上変圧器等を介して電力が供給される。フィーダ３０は、説明の便宜上、需要家１〜３に接続された部分をフィーダ３１と称し、需要家４〜１０に接続された部分をフィーダ３２と称する。

周知のように、フィーダ３０には長さに比例した電気抵抗があるため、フィーダ３０に、フィーダ３０を流れる電流に比例した電圧降下が発生することは避けられない。このため、電力供給源２０は、フィーダ３０やその他不図示の介在設備における電圧降下分を予め上乗せした高めの電圧６．７ｋＶ前後をフィーダ３０に給電する。こうすることにより、柱上変圧器のタップを適切に選択することで、需要家へ電気事業法で定められている１０１±６Ｖの電圧を供給することが可能となる。

上述した理由により、公称６．６ｋＶの配電系統であっても、電力供給源２０は、予め６．７ｋＶ前後に設定された高めの電圧をフィーダ３０に給電する。さらに、柱上変圧器のタップで対応ができない電圧降下に対しては、フィーダ３０の途中で電圧降下した分を補うため、フィーダ３０の途中に例えばＳＶＲやＬＲＴなどからなる電圧調整装置２２を介在させて適宜昇圧補正をする。すなわち、電圧調整装置２２は、降下した電圧を柱上変圧器のタップを適切に選択することで、遠隔地にある需要家へ１０１±６Ｖの電圧を供給することが可能となる程度まで昇圧してフィーダ３０に給電する。このようにして、電力供給源２０から、ある程度の送電ロスを含んで送出される電力であっても、遠隔地にある需要家１０に１０１±６Ｖの範囲内の電圧を供給できるようにしている。

なお、配電系統におけるフィーダ３０の末端にある需要家１０の位置では、公称６．６ｋＶからさらに電圧降下した低い電圧で受電することが想定されている。そこで、柱上変圧器のタップを６，４５０Ｖとし、変圧比を６，４５０／１０５Ｖとすることで低圧側で１０１±６Ｖの電圧を受電することが可能となる。ここで、モデル１００の公称１００Ｖの低圧側における電圧降下は、柱上変圧器で２．０Ｖ、低圧幹線で３．０Ｖ、低圧引込線で３．０Ｖを見込んでいる。

電圧調整装置２２は、フィーダ３０の途中、すなわち、フィーダ３１とフィーダ３２との間に介挿されている。フィーダ３１はフィーダ３０のうち電力供給源２０に近い側にあり、それには需要家１〜３が接続されている。フィーダ３２はフィーダ３０のうち電力供給源２０から遠い側にあり、それには需要家４〜１０が接続されている。

＜電圧調整システム＞
図１，２に沿って、本発明の実施形態に係る電圧調整システム２００の構成を説明する。図２に示すように、電圧調整システム２００は、制御目標地点としての需要家１０の位置に設置される電圧不平衡率改善装置２１と、需要家３と需要家４の間に設置される電圧調整装置２２とを備える。

＜電圧不平衡率改善装置＞
図２に示すように、電圧不平衡率改善装置２１は、フィーダ３２から電力を受けるようになっており、制御手段２１０により主要部が構成されている。

制御手段２１０は、制御目標地点における三相の線間電圧の電圧不平衡率を算出する電圧不平衡率算出部２１１と、電圧不平衡率算出部２１１によって算出された電圧不平衡率が所定の基準値以下であるか否かを判断する電圧不平衡率判断部２１２と、電圧不平衡率判断部２１２により電圧不平衡率が基準値よりも大であると判断されたことを条件として、三相の線間電圧の中から電圧調整の対象となる線間電圧を選定する線間電圧選定部２１３と、線間電圧選定部２１３により選定された線間電圧を降圧または昇圧して電圧不平衡率を基準値以下に収める調整を行う電圧不平衡率調整部２１４とを備える。

後述するように、電圧不平衡率の基準値は、電圧調整装置２２による三相一括制御で全ての線間電圧が電圧管理幅に収まる値として選定されている。

電圧不平衡率調整部２１４は、表１に示すように、制御目標地点において電圧上昇が確認できる場合には、最大の線間電圧をもたらす２相間に必要に応じてリアクトルを投入するようになっている。

ここで、制御目標地点において電圧上昇が確認できる場合とは、例えば、配電系統に太陽光発電システムなどの分散型電源が接続されている場合や、深夜等に需要家が軽負荷となった場合に送電線の対地容量などのコンデンサ成分に応じてフェランチ現象が生じる場合などを想定している。

これに対して、制御目標地点において電圧低下が確認できる場合には、電圧不平衡率調整部２１４は、最小の線間電圧をもたらす２相間に必要に応じてコンデンサを投入するようになっている。

ここで、制御目標地点において電圧低下が確認できる場合とは、例えば、配電系統に太陽光発電システムなどの分散型電源が接続されておらず、またフェランチ現象も生じない場合で需要家の負荷の状況が重負荷の場合を想定している。このような場合には、配電系統の末端にある制御目標地点で電圧低下が生じていると考えられる。

ここで、三相の線間電圧及び相電圧の関係を説明する。三相平衡状態においては、三相電圧のａｂ相間に単相リアクトルが投入された場合、ａ相の電圧は大きさが低下して位相が遅れ、ｂ相の電圧は大きさが低下して位相が進む。これを線間電圧で確認すると、線間電圧の大小関係は、線間電圧ａｂ＜線間電圧ｃａ≒線間電圧ｂｃとなる。この法則を利用すれば、不平衡状態においては線間電圧のうち大きさが最大のものを低下させることで、電圧不平衡率を改善することができる。

図３は、制御目標地点の三相の線間電圧及び相電圧の関係を説明するためのベクトル図である。図３において、ａｂ，ｂｃ，ｃａは制御目標地点における不平衡状態の三相配線の線間電圧をベクトル表示したものであり、ｏａ，ｏｂ，ｏｃは相電圧をベクトル表示したものである。また、ａ'ｂ'，ｂ'ｃ'，ｃ'ａ'は、電圧不平衡率改善装置２１により電圧不平衡率が改善された後の制御目標地点における三相配線の線間電圧をベクトル表示したものであり、ｏａ'，ｏｂ'，ｏｃ'は相電圧をベクトル表示したものである。

図３に示すように、三相電圧のａｂ相間に単相リアクトルが投入された場合、相電圧ｏａは相電圧ｏａ'まで大きさが低下して位相が遅れ、相電圧ｏｂは相電圧ｏｂ'まで大きさが低下して位相が進む。これにより、線間電圧ａｂは線間電圧ａ'ｂ'まで小さくなる。上記の三相平衡状態の場合と同様に、図３の例においても線間電圧ａｂの減少量は他の線間電圧よりも大きくなる。これにより、電圧不平衡率が改善される。

＜電圧調整装置＞
図２に示すように、電圧調整装置２２は、フィーダ３１から電力を受け、フィーダ３２に電力を出力するようになっており、制御手段２２０により主要部が構成されている。制御手段２２０は、線間電圧計測部２２１と線間電圧判断部２２２と三相一括電圧変換部２２３とを備える。

電圧調整装置２２は、単相変圧器あるいは単相の単巻変圧器（以下、「単相の単巻変圧器」という）を複数用いてＹ型に三相結線したもの、三相変圧器、あるいは半導体スイッチによってデジタル的に電圧調整する機器である。例えば、Ｙ型に三相結線された単相の単巻変圧器に、各相の電圧を昇圧または降圧の同一の方向に同程度で同時に調整する制御を行う制御装置を備えて三相一括制御を可能にしている。

電圧調整装置２２を構成する単相の単巻変圧器は、周知のように不図示の切換タップ付単巻変圧器のタップを最適選択して切換制御することにより、所望のステップで電圧を調整することを可能にしている。

本実施形態では、同一変化幅のステップ間隔で三相の線間電圧を降圧または昇圧する方法を採用している。本実施形態では、１ステップ電圧は１００Ｖである。

線間電圧計測部２２１は、制御目標地点における各相間の線間電圧のそれぞれを計測可能な構成となっている。線間電圧判断部２２２は、制御目標地点における電圧不平衡率が上記基準値以下であることを条件として、線間電圧計測部２２１によって計測された制御目標地点の線間電圧で予め設定された電圧管理幅から外れているものがあるか否かを判断するようになっている。さらに、線間電圧判断部２２２は、最も電圧管理幅を逸脱した線間電圧が電圧管理幅から逸脱している方向を特定するようになっている。

三相一括電圧変換部２２３は、線間電圧判断部２２２により制御目標地点の線間電圧で電圧管理幅から外れているものがあると判断された場合に、三相の線間電圧を一括して昇圧または降圧して電圧管理幅に収めるようになっている。

＜電圧不平衡率改善方法＞
図４は、本発明の実施形態に係る電圧調整システム２００が備える電圧不平衡率改善装置２１で実行される三相配線の電圧不平衡率改善方法を示すフローチャートである。なお、以下では電圧不平衡率調整部２１４がリアクトルを有するものとして説明する。

ステップＳ１では、電圧不平衡率改善装置２１の制御手段２１０は、制御目標地点の電圧不平衡率の基準値と、電圧不平衡率の調整に関する動作整定時間（第１の所定時間）の定義をする。例えば、制御目標地点を図１に示す需要家１０の位置とする。また、表２に示すように、制御目標地点の電圧不平衡率の基準値ｒｅｆ＿１を例えば１．２％とし、動作整定時間Δｔ１を１５（ｓ）とする。

後述するように、動作整定時間Δｔ１とは、電圧不平衡率改善装置２１が基準値ｒｅｆ＿１より大きい電圧不平衡率を検出した時点から、電圧不平衡率改善のための線間電圧の調整を開始する時点までの時間である。

また、一度に投入される単相リアクトルの容量を１００ｋＶａｒとし、投入される単相リアクトルの最大容量を２００ｋＶａｒとする。すなわち、投入されるリアクトルの合計は、０ｋＶａｒ，１００ｋＶａｒ，２００ｋＶａｒのいずれかとなる。なお、これらの値はあくまで一例であり、実際の電圧調整システム２００においては、一度に投入される単相リアクトルの容量や投入回数が上記と異なっていてもよい。

次に、ステップＳ２では、制御手段２１０の電圧不平衡率算出部２１１は、数１に従って制御目標地点の電圧不平衡率Ｖｋを算出する。

さらに、ステップＳ２では、制御手段２１０の電圧不平衡率判断部２１２は、制御目標地点の電圧不平衡率が基準値ｒｅｆ＿１よりも大きいか否かを判断する。制御目標地点の電圧不平衡率が基準値ｒｅｆ＿１よりも大きい場合には、制御手段２１０は逸脱フラグをオンとし（ステップＳ３）、ステップＳ５の処理に進む。一方、制御目標地点の電圧不平衡率が基準値ｒｅｆ＿１以下である場合には、制御手段２１０は逸脱フラグをオフとし（ステップＳ４）、再びステップＳ２の処理を実行する。

次に、ステップＳ５では、制御手段２１０は、逸脱フラグがオンとなっている場合に、逸脱フラグがステップＳ３でオンとなってから動作整定時間Δｔ１が経過したか否かを判断する。逸脱フラグがオンとなってから動作整定時間Δｔ１が経過した場合には、制御手段２１０は、ステップＳ６の処理に進む。一方、逸脱フラグがオンとなってから動作整定時間Δｔ１が経過していない場合には、制御手段２１０は再びステップＳ５の処理を実行する。

次に、ステップＳ６では、制御手段２１０の線間電圧選定部２１３は、線間電圧ａｂ，ｂｃ，ｃａのうち最大の線間電圧を選定する。

次に、制御手段２１０の電圧不平衡率調整部２１４は、線間電圧選定部２１３によって選定された最大の線間電圧が線間電圧ａｂである場合には１００ｋＶａｒの単相リアクトルをａｂ相に投入し（ステップＳ７）、線間電圧選定部２１３によって選定された最大の線間電圧が線間電圧ｂｃである場合には１００ｋＶａｒの単相リアクトルをｂｃ相に投入し（ステップＳ８）、線間電圧選定部２１３によって選定された最大の線間電圧が線間電圧ｃａである場合には１００ｋＶａｒの単相リアクトルをｃａ相に投入する（ステップＳ９）。そして、制御手段２１０は再びステップＳ２の処理を実行する。

なお、図４のフローチャートでは、制御目標地点において電圧上昇が確認できる場合を想定している（表１参照）。制御目標地点において電圧低下が確認できる場合には、ステップＳ６の処理を、制御手段２１０の線間電圧選定部２１３が線間電圧ａｂ，ｂｃ，ｃａのうち最小の線間電圧を選定する処理に置き換える。また、ステップＳ７〜Ｓ９の処理を、コンデンサを各相間に投入する処理に置き換える。

なお、上記の説明では、ステップＳ７〜Ｓ９において、リアクトルまたはコンデンサが各相間に投入されるとしたが、状況に応じて投入されたリアクトルまたはコンデンサが開放されてもよい。例えば、制御目標地点において電圧上昇が確認できる場合においては、既に投入されたコンデンサを解放することによっても、線間電圧を低下させることが可能である。

同様に、制御目標地点において電圧低下が確認できる場合においては、既に投入されたリアクトルを解放することによっても、線間電圧を上昇させることが可能である。

＜三相一括制御＞
図５は、本発明の実施形態に係る電圧調整システム２００が備える電圧調整装置２２で実行される三相配線の電圧調整方法を示すフローチャートである。

ステップＳ２１では、電圧調整装置２２の制御手段２２０は、制御目標地点の基準電圧及びその許容幅と、三相一括制御に関する動作整定時間（第２の所定時間）の定義をする。制御目標地点は既に述べたように図１に示す需要家１０の位置とする。また、表３に示すように、制御目標地点の基準電圧ｒｅｆ＿２を例えば６，４５０（Ｖ）、許容幅ｔｏｌを基準電圧の±１．５％の±９６．７５Ｖ、動作整定時間Δｔ２を５０（ｓ）とする。また、１ステップの電圧調整幅を１００Ｖとする。

後述するように、動作整定時間Δｔ２とは、電圧調整装置２２が電圧管理幅から外れた線間電圧を検出した時点から、三相一括の電圧制御を開始する時点までの時間である。

次に、ステップＳ２２では、制御手段２２０の線間電圧計測部２２１は、制御目標地点における各相間の線間電圧ａｂ，ｂｃ，ｃａのそれぞれを計測する。そして、制御手段２２０の線間電圧判断部２２２は、制御目標地点の線間電圧ａｂ，ｂｃ，ｃａのうち電圧管理幅、すなわち基準電圧ｒｅｆ＿２±許容幅ｔｏｌの範囲から外れているものがあるか否かを判断する。

制御目標地点の線間電圧ａｂ，ｂｃ，ｃａのうち電圧管理幅から外れているものがある場合には、制御手段２２０は逸脱フラグをオンとし（ステップＳ２３）、ステップＳ２５の処理に進む。一方、制御目標地点の線間電圧ａｂ，ｂｃ，ｃａのいずれも電圧管理幅から外れていない場合には、制御手段２２０は逸脱フラグをオフとし（ステップＳ２４）、再びステップＳ２２の処理を実行する。

次に、ステップＳ２５では、制御手段２２０は、逸脱フラグがオンとなっている場合に、逸脱フラグがステップＳ２３でオンとなってから動作整定時間Δｔ２が経過したか否かを判断する。逸脱フラグがオンとなってから動作整定時間Δｔ２が経過していない場合には、制御手段２２０は再びステップＳ２５の処理を実行する。一方、逸脱フラグがオンとなってから動作整定時間Δｔ２が経過した場合には、制御手段２２０は、ステップＳ２６の処理に進む。

ここで、三相一括制御に関する動作整定時間Δｔ２は、電圧不平衡率の調整に関する動作整定時間Δｔ１よりも十分長く設定されている。これにより、ステップＳ２５で動作整定時間Δｔ２のカウントが行われている間に、線間電圧の電圧不平衡率が基準値以下に調整されることとなる。

次に、ステップＳ２６では、制御手段２２０の線間電圧判断部２２２は、最も電圧管理幅を逸脱した線間電圧、すなわち基準電圧ｒｅｆ＿２との差の絶対値が最も大きい線間電圧について、電圧管理幅から逸脱している方向を選定する。

次に、制御手段２２０の三相一括電圧変換部２２３は、線間電圧判断部２２２によって選定された逸脱方向が電圧管理幅の上限側、すなわち最も電圧管理幅を逸脱した線間電圧から基準電圧ｒｅｆ＿２を減算した値が正である場合には１タップ降圧側にタップ切換を行う（ステップＳ２７）。

一方、線間電圧判断部２２２によって選定された逸脱方向が電圧管理幅の下限側、すなわち最も電圧管理幅を逸脱した線間電圧から基準電圧ｒｅｆ＿２を減算した値が負である場合には、制御手段２２０の三相一括電圧変換部２２３は１タップ昇圧側にタップ切換を行う（ステップＳ２８）。そして、制御手段２２０は再びステップＳ２２の処理を実行する。

なお、ステップＳ２５の処理の後に、ステップＳ２９として、制御手段２２０の線間電圧判断部２２２が、制御目標地点の線間電圧ａｂ，ｂｃ，ｃａのうち電圧管理幅から外れているものがあるか否かを再び判断する処理を追加してもよい。ここでステップＳ２２と同様の処理を繰り返す理由は、ステップＳ２５で動作整定時間Δｔ２のカウントが行われている間に電圧不平衡率が基準値以下に調整されることにより、全ての線間電圧が電圧管理幅に収まる場合があるからである。

制御目標地点の線間電圧ａｂ，ｂｃ，ｃａのうち電圧管理幅から外れているものがある場合には、制御手段２２０はステップＳ２６の処理に進む。一方、制御目標地点の線間電圧ａｂ，ｂｃ，ｃａのいずれも電圧管理幅から外れていない場合には、制御手段２２０は逸脱フラグをオフとし（ステップＳ２４）、再びステップＳ２２の処理を実行する。

以上、図４，５のフローチャートを参照しながら説明したように、本発明では電圧不平衡率の改善が三相一括の電圧制御に先立って行われることが重要である。そして、これを実現するために、図４のフローチャートのステップＳ５と図５のフローチャートのステップＳ２５においては、動作整定時間Δｔ１を動作整定時間Δｔ２よりも短く設定することで、電圧不平衡率改善装置２１による電圧不平衡率の改善と、電圧調整装置２２による三相一括の電圧制御の協調を取っている。

また、別の方法として、専用線を用いた通信を利用して、電圧不平衡率改善装置２１と電圧調整装置２２の動作の協調を取ることも考えられる。この場合のフローチャートを図６，７に示す。

図６のフローチャートは、ステップＳ２１〜Ｓ２４，Ｓ２６〜Ｓ２９の処理については図５のフローチャートと同様であり、これらステップＳ２１〜Ｓ２４，Ｓ２６〜Ｓ２９の処理は電圧調整装置２２の制御手段２２０により実行される。なお、図６のフローチャートのステップＳ３０の処理は、図５のフローチャートのステップＳ２５の処理を図７のフローチャートの処理に置き換えたものであり、電圧不平衡率改善装置２１の制御手段２１０によって実行される。

また、図７のフローチャートは、ステップＳ１〜Ｓ３，Ｓ５〜Ｓ９の処理については図４のフローチャートと同様であり、これらステップＳ１〜Ｓ３，Ｓ５〜Ｓ９の処理は電圧不平衡率改善装置２１の制御手段２１０により実行される。なお、ステップＳ２で、制御目標地点の電圧不平衡率が基準値ｒｅｆ＿１以下となった場合には、処理を終了して、電圧調整装置２２の制御手段２２０により実行される図５のフローチャートの処理に戻るようになっている。

これにより、動作整定時間に差を設ける図４，５のフローチャートに示した方法と同様の効果を得られるが、コストやメンテナンス性を考慮に入れると、専用線を用いた通信を利用する図６，７の方法よりも動作整定時間に差を設ける図４，５の方法がより望ましい。

＜モデル１００のシミュレーション＞
次に、図１に示すモデル１００に具体的な数値を代入してシミュレーションを進める。モデル１００では、需要家１〜１０の一部には、三相配電系統に対して大きく偏った単相負荷の電力需要がある。このため、モデル１００における三相の電圧には、許容範囲を逸脱する不平衡が生じている。このため、電圧調整システム２００は、不平衡を改善することと、電圧を管理することの両方に対応することとなる。

モデル１００において、電力供給源２０は、６．７ｋＶの系統電源であり、系統の背後インピーダンスはｊ０．３８９Ωである。この電力供給源２０は、フィーダ３０の全長４．０ｋｍにわたって０．５ｋｍごとの等間隔に接続された需要家１〜１０に配電している。需要家１〜９には３００ｋＷの平衡した三相負荷が接続されている。需要家１０には太陽光発電（ＰＶ）システムがｂｃ線間に３６０ｋＷ、ｃａ線間に３１０ｋＷが接続されている。

また、既に述べたように、電圧調整装置２２は、需要家３と需要家４の間に設置され、電圧不平衡率改善装置２１は需要家１０の位置に設置される。制御目標地点は需要家１０の位置である。

需要家１０の柱上変圧器の変圧比は６，４５０／１０５Ｖであり、低圧側の電圧降下は、以下のとおりである。

柱上変圧器：２．０Ｖ
低圧幹線：３．０Ｖ
低圧引込線：３．０Ｖ
これにより、低圧側の電圧管理幅１０１±６Ｖを高圧側に換算すると、６，３２７Ｖ〜６，５７３Ｖとなる。

シミュレーションによる電圧不平衡率改善装置２１の設定条件と、電圧調整装置２２の設定条件は、それぞれ表２と表３に既に示したとおりである。電圧不平衡率改善装置２１の動作整定時間Δｔ１が電圧調整装置２２の動作整定時間Δｔ２よりも短く設定されることにより、電圧不平衡率の改善が三相一括の電圧制御よりも先に実行される設定となっている。

次に、シミュレーション結果を説明する。
図８は各需要家の線間電圧分布の電圧調整前の初期状態のシミュレーション結果を示すグラフである。図８に示されているように、制御目標地点となる需要家１０の位置では、線間電圧ｂｃと線間電圧ｃａが電圧管理幅の上限を逸脱している。また、制御目標地点の電圧不平衡率は１．９％である。

ここで、三相一括制御の電圧調整装置２２のみを用いて制御目標地点の電圧制御を行う場合には、降圧側にタップ切換を行って線間電圧ｃａと線間電圧ｂｃを電圧管理幅に収めるように制御することになるが、その場合にはａｂ線間電圧が電圧管理幅の下限を逸脱してしまう。このように、制御目標地点での最大の線間電圧と最小の線間電圧との差が大きい場合には、制御目標地点の電圧不平衡率を改善しないことには、全ての線間電圧を電圧管理幅に収めることができないことが分かる。

図９は、電圧不平衡率改善装置２１を用いて、電圧不平衡率を基準値以下に改善した後、電圧調整装置２２を用いて電圧制御を行った場合のシミュレーション結果を示すグラフである。制御目標地点の全ての線間電圧が電圧管理幅内に制御できていることが確認できる。このときの電圧不平衡率は１．０％である。

ここで、表２に示したように、電圧不平衡率改善装置２１の同一相への投入リアクトル容量は、１回目は１００ｋＶａｒ、２回目は１００ｋＶａｒを追加するものとしている。ただし、１回目のリアクトルの投入で電圧不平衡率が基準値以下に改善された場合には、２回目のリアクトルの投入は行われない。また、電圧不平衡率の基準値の１．２％は、三相一括制御で全ての線間電圧が電圧管理幅に収まる値として選定されている。

図１０は、制御目標地点の電圧変化のシミュレーション結果を示すグラフである。図１０のグラフの左側の破線で囲って示した領域（１５ｓ付近）で１回目の単相リアクトルの投入が行われ、中央の破線で囲って示した領域（３０ｓ付近）で２回目の単相リアクトルの投入が行われている。これにより、制御目標地点の電圧不平衡率が基準値以下に改善される。

さらに、図１０のグラフの右側の破線で囲って示した領域（５０ｓ付近）で、三相一括の電圧制御が行われている。この三相一括制御後は、全ての相の線間電圧が電圧管理幅に収まることがグラフから確認できる。

このように、電圧上昇と電圧不平衡が顕在化している配電系統においては、電圧制御及び電圧不平衡の改善は、電圧調整装置２２の出力を三相一括で制御することでは対応が困難である。しかしながら、電圧調整装置２２と電圧不平衡率改善装置２１を協調させる制御を行うことにより、定常的に配電系統の電圧制御及び電圧不平衡率の改善ができることをシミュレーションは示した。

なお、本実施形態におけるモデル１００は、図１に示したように、単一の電力供給源２０から一方向に配電する配電系統であるが、このモデル１００は一例に過ぎない。本発明に係る配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法は、分散型電源が不平衡配置され、逆潮流等による影響も含まれている配電系統に適用可能である。例えば、家庭用太陽光発電システムから得られた単相電力を、配電系統の三相のうちいずれか一相に逆潮流させて生じた不平衡を改善するような場合にも好適である。

さらに、電圧調整装置２２の１ステップの電圧調整幅は予め定められた固定幅１００Ｖであるが、固定幅１００Ｖに限定されることなく、状況に応じて最適な電圧調整幅を設定できるように制御してもよい。電圧調整幅には無段階も含めるものとする。

なお、本実施形態において電圧調整装置２２には、主要構成部に単相の単巻変圧器を用いているが、これに限定される必要はなく、半導体で構成された同等機能のものでも構わない。そのような半導体装置により、上述したステップ電圧の電圧幅を任意の無段階に設定してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、三相一括の電圧制御を行う電圧調整装置と、制御目標地点における電圧不平衡率を改善する電圧不平衡率改善装置を協調させる制御を行うことにより、三相配電線の線間に現れる三相の電圧の不平衡を是正することができるとともに、基準電圧±許容幅内に電圧を収める電圧管理を行うことができ、これにより、障害の発生を未然に防止する配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法を提供することができる。

特に、本発明によれば、家庭用太陽光発電システム等をはじめとする分散型電源の普及によって三相の電圧の不平衡が生じやすい配電環境において有用な配電系統の電圧調整システム及び電圧調整方法を提供することができる。

１〜１０需要家
２０電力供給源
２１電圧不平衡率改善装置
２２電圧調整装置
３０，３１，３２フィーダ
１００配電系統モデル
２００電圧調整システム
２１０，２２０制御手段
２１１電圧不平衡率算出部
２１２電圧不平衡率判断部
２１３線間電圧選定部
２１４電圧不平衡率調整部
２２１線間電圧計測部
２２２線間電圧判断部
２２３三相一括電圧変換部
ｏａ，ｏｂ，ｏｃ相電圧
ａｂ，ｂｃ，ｃａ線間電圧

Claims

制御目標地点における三相配電線の線間に現れる三相の線間電圧の大きさを調整して、該線間電圧を既定の電圧管理幅に収める電圧調整システムであって、
前記制御目標地点における前記三相の線間電圧の電圧不平衡率が所定の基準値より大であるか否かを判断し、該電圧不平衡率が該基準値より大であると判断した場合には、第１の所定時間経過後に該三相の線間電圧の中から選定した線間電圧を降圧または昇圧し、これにより、該制御目標地点における該電圧不平衡率を該基準値以下に収める調整を行う電圧不平衡率改善装置と、
前記制御目標地点における前記三相の線間電圧の中で前記電圧管理幅から外れているものがあるか否かを判断し、該三相の線間電圧の中で該電圧管理幅から外れているものがあると判断した場合には、前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間経過後に該三相の線間電圧を一括して降圧または昇圧して前記電圧管理幅に収める調整を行う電圧調整装置とを備えることを特徴とする電圧調整システム。
前記電圧不平衡率改善装置は、
前記電圧不平衡率を算出する電圧不平衡率算出部と、
前記電圧不平衡率が前記基準値以下であるか否かを判断する電圧不平衡率判断部と、
前記電圧不平衡率判断部により前記電圧不平衡率が前記基準値よりも大であると判断されたことを条件として、前記三相の線間電圧の中の最大の線間電圧を選定する線間電圧選定部と、
前記線間電圧選定部により選定された前記最大の線間電圧を降圧して前記電圧不平衡率を前記基準値以下に収める電圧不平衡率調整部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電圧調整システム。
前記電圧不平衡率改善装置は、
前記電圧不平衡率を算出する電圧不平衡率算出部と、
前記電圧不平衡率が前記基準値以下であるか否かを判断する電圧不平衡率判断部と、
前記電圧不平衡率判断部により前記電圧不平衡率が前記基準値よりも大であると判断されたことを条件として、前記三相の線間電圧の中の最小の線間電圧を選定する線間電圧選定部と、
前記線間電圧選定部により選定された前記最小の線間電圧を昇圧して前記電圧不平衡率を前記基準値以下に収める電圧不平衡率調整部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電圧調整システム。
前記電圧調整装置は、
前記制御目標地点における前記三相の線間電圧のそれぞれを計測する線間電圧計測部と、
前記電圧不平衡率が前記基準値以下であることを条件として、前記線間電圧計測部によって計測された前記三相の線間電圧の中に前記電圧管理幅から外れているものがあるか否かを判断する線間電圧判断部と、
線間電圧判断部により前記三相の線間電圧の中に前記電圧管理幅から外れているものがあると判断された場合に、三相の線間電圧を一括して降圧または昇圧する三相一括電圧変換部とを備え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項に記載の電圧調整システム。
電圧調整装置が、同一変化幅のステップ間隔で前記三相の線間電圧を降圧または昇圧す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項に記載の電圧調整システム。
前記電圧管理幅は、基準電圧±許容幅によって設定されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電圧調整システム。
制御目標地点における三相配電線の線間に現れる三相の線間電圧の大きさを調整して、該線間電圧を既定の電圧管理幅に収める電圧調整方法であって、
前記制御目標地点における前記三相の線間電圧の電圧不平衡率が所定の基準値より大であるか否かを判断し、該電圧不平衡率が該基準値より大であると判断した場合には、第１の所定時間経過後に該三相の線間電圧の中から選定した線間電圧を降圧または昇圧し、これにより、該制御目標地点における該電圧不平衡率を該基準値以下に収める調整を行う電圧不平衡率改善段階と、
前記制御目標地点における前記三相の線間電圧の中で前記電圧管理幅から外れているものがあるか否かを判断し、該三相の線間電圧の中で該電圧管理幅から外れているものがあると判断した場合には、前記第１の所定時間よりも長い第２の所定時間経過後に該三相の線間電圧を一括して降圧または昇圧して前記電圧管理幅に収める調整を行う電圧調整段階とを含むことを特徴とする電圧調整方法。
前記電圧不平衡率改善段階は、
前記電圧不平衡率を算出する電圧不平衡率算出段階と、
前記電圧不平衡率が前記基準値以下であるか否かを判断する電圧不平衡率判断段階と、
前記電圧不平衡率判断段階により前記電圧不平衡率が前記基準値よりも大であると判断されたことを条件として、前記三相の線間電圧の中の最大の線間電圧を選定する線間電圧選定段階と、
前記線間電圧選定段階により選定された前記最大の線間電圧を降圧して前記電圧不平衡率を前記基準値以下に収める電圧不平衡率調整段階とを含むことを特徴とする請求項７に記載の電圧調整方法。
前記電圧不平衡率改善段階は、
前記電圧不平衡率を算出する電圧不平衡率段階と、
前記電圧不平衡率が前記基準値以下であるか否かを判断する電圧不平衡率判断段階と、
前記電圧不平衡率判断段階により前記電圧不平衡率が前記基準値よりも大であると判断されたことを条件として、前記三相の線間電圧の中の最小の線間電圧を選定する線間電圧選定段階と、
前記線間電圧選定段階により選定された前記最小の線間電圧を昇圧して前記電圧不平衡率を前記基準値以下に収める電圧不平衡率調整段階とを含むことを特徴とする請求項７に記載の電圧調整方法。
前記電圧調整段階は、
前記制御目標地点における前記三相の線間電圧のそれぞれを計測する線間電圧計測段階と、
前記電圧不平衡率が前記基準値以下であることを条件として、前記線間電圧計測段階によって計測された前記三相の線間電圧の中に前記電圧管理幅から外れているものがあるか否かを判断する線間電圧判断段階と、
線間電圧判断段階により前記三相の線間電圧の中に前記電圧管理幅から外れているものがあると判断された場合に、三相の線間電圧を一括して降圧または昇圧する三相一括電圧変換段階とを含むことを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の電圧調整方法。
前記電圧調整段階は、同一変化幅のステップ間隔で前記三相の電圧を降圧または昇圧することを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の電圧調整方法。
前記電圧管理幅は、基準電圧±許容幅によって設定されることを特徴とする請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の電圧調整方法。