JP6069165B2 - 不平衡補償装置 - Google Patents

Description

この発明は、三相交流電源から負荷に電力を供給する三相電力供給システムにおいて、三相不平衡な負荷電力に対して逆相電力を補償することに好適な不平衡補償装置に関するものである。

負荷による三相不平衡電流を補償するための不平衡補償装置として、たとえば非特許文献１には、三相交流電源に対して不平衡負荷と並列に接続された電力変換装置が開示される。この非特許文献１では、一次側が三相交流電源に接続された降圧変圧器の二次側において、線間電ＵＶ相間および線間電圧ＶＷ相間の各々にコンデンサおよびサイリスタ制御式リアクトルからなる単相無効電力補償装置を配置する。これにより、負荷が発生する逆相電力を補償する。

しかしながら、上記の単相無効電力補償装置は、逆相電力ベクトルが線間電圧ＵＶ相、ＶＷ相に直交する負荷には有効である一方で、負荷電流のベクトルの方向が異なる、すなわち力率が１とは異なる負荷に対しては、逆相電力をすべて補償できないという問題があった。

そこで、負荷電流の力率によらず逆相電力を補償可能な構成として、特許文献１には、三相交流電源からの三相交流を２つの単相交流に変換するスコット結線変圧器と、スコット結線変圧器の第１および第２の出力にそれぞれ接続され、その直流側を互いに接続した第１および第２のインバータと、第１および第２のインバータの電流を制御することにより、逆相電力を補償する制御回路とを備えた不平衡補償装置が開示されている。

特開２０１２−１２０３３４号公報

武政他、「パワーエレクトロニクスの応用と保守（６）静止形不平衡電力補償装置（ＳＵＣ）」、「鉄道と電気技術」１９９６年８月号、ＶＯＬ．７ Ｎｏ．８

上記の特許文献１に記載される不平衡補償装置によれば、力率が１と異なる負荷に対しても逆相電力をすべて補償することができる。しかしながら、その一方で、スコット結線変圧器の二次側に接続された２つの単相インバータの電流を制御するためには、三相負荷電力を２つの単相交流に変換するための演算処理（三相／二相変換処理）が必要となる。そのため、逆相電力補償のための制御ロジックが複雑化してしまい、制御回路の演算負荷が高くなる可能性がある。これにより、制御回路の高コスト化や、制御回路のスペック上制御周期を長くせざるを得なくなることによる制御精度の低下が懸念される。したがって、逆相電力補償のための制御ロジックを簡素に構築できることが求められる。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡易な構成で、逆相電力を補償可能な不平衡補償装置を提供することである。

この発明のある局面による不平衡補償装置は、三相交流電源から負荷に電力を供給する三相電力供給システムに接続され、負荷による不平衡電流を補償する不平衡補償装置であって、三相交流電源からの三相交流を２つの単相交流に変換する第１の三相／二相変換変圧器と、第１の三相／二相変換変圧器の第１および第２の出力にそれぞれ接続され、その直流側を互いに接続した第１および第２の単相インバータと、第１および第２の単相インバータの電流を制御することにより、負荷電流の逆相成分を補償するための補償電流を調整する制御回路と、負荷電流を検出する計器用変流器と、負荷電圧を検出する計器用変圧器とを備える。計器用変流器および計器用変圧器の各々は、三相交流を２つの単相交流に変換する第２の三相／二相変換変圧器を含む。制御回路は、計器用変流器および計器用変圧器の出力に基づいて第１および第２の単相インバータの電流を制御する。

この発明によれば、簡易な構成で、逆相電力を補償可能な不平衡補償装置を実現できる。

この発明の実施の形態に係る三相電力供給システムの概略構成図である。 本発明の実施の形態による不平衡補償装置における逆相電力補償を説明する機能ブロック図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

図１は、この発明の実施の形態に係る不平衡補償装置を適用した三相電力供給システムの概略構成図である。

図１を参照して、三相電力供給システムは、三相交流電源１から不平衡負荷２に電力を供給する。三相電力供給システムは、三相交流電源１と、不平衡負荷２と、不平衡補償装置１００とを備える。

不平衡負荷２は、三相交流電源１に接続され、スコット結線変圧器２１と、単相負荷２２，２３とを含む。単相負荷２２，２３は、例えば電車であり、それぞれ独立に電力を消費する。このため、三相側に不平衡な電流が流れる。

不平衡補償装置１００は、不平衡負荷２による不平衡電流を補償する。不平衡補償装置１００は、スコット結線変圧器３と、単相インバータ３１，３２と、制御回路６と、主変圧器（ＰＴ：Potential Transformer）４１と、主変流器（ＣＴ：Current Transformer）５１と、補助変圧器（補助ＰＴ）４２と、補助変流器（補助ＣＴ）５２とを備える。

スコット結線変圧器３は、三相／二相変換変圧器であり、三相交流電源１からの三相交流を２つの単相交流に変換する。スコット結線変圧器３には、直流側が相互に接続された単相インバータ３１，３２が接続される。

単相インバータ３１，３２は自励式インバータである。単相インバータ３１，３２の各々は、ＧＴＯサイリスタ等の電力用半導体スイッチング素子によって構成され、制御回路６から各々に入力されるゲートパルス信号によって動作する。単相インバータ３１，３２の構成には公知の構成を適用できるので、ここでは詳細な説明を繰り返さない。単相インバータ３１，３２により、スコット結線変圧器３のＴ座からＭ座へ、あるいはＭ座からＴ座へ電力が融通される。また、単相インバータ３１，３２は自励式インバータであるので、それぞれの相で無効電力を補償できる。

制御回路６は、単相インバータ３１，３２の電流を制御することにより、負荷電流の逆相成分を補償するための補償電流を調整する。補償電流の調整は、主変圧器４１および主変流器５１の検出値に基づいて行なわれる。制御回路６は、代表的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリ領域と、入出力インターフェイスとを主体として構成される。そして、制御回路６は、予めＲＯＭなどに格納されたプログラムをＣＰＵがＲＡＭに読み出して実行することによって、逆相電力補償に係る制御を実行する。

主変圧器４１は、三相負荷電圧を検出する。補助変圧器４２は、主変圧器４１の二次側に設けられ、検出された三相負荷電圧を制御回路６での処理に適した電圧に変換して制御回路６へ出力する。主変圧器４１および補助変圧器４２は「計器用変圧器」を構成する。

主変流器５１は、三相負荷電流を検出する。補助変流器５２は、主変流器５１の二次側に設けられ、検出された三相負荷電流を制御回路６での処理に適した電流に変換して制御回路６へ出力する。主変流器５１および補助変流器５２は「計器用変流器」を構成する。

補助変圧器４２および補助変流器５２の各々は、スコット結線変圧器により構成される。具体的には、補助変圧器４２において、スコット結線変圧器は、主変圧器４１からの三相交流電圧を２つの単相交流電圧（Ｔ座電圧ＶＴ、Ｍ座電圧ＶＭ）に変換する。補助変圧器４２は、スコット結線変圧器により変換されたＴ座電圧ＶＴおよびＭ座電圧ＶＭを制御回路６へ出力する。

補助変流器５２において、スコット結線変圧器は、主変流器５１からの三相交流電流を２つの単相交流電流（Ｔ座電流ＩＴ、Ｍ座電流ＩＭ）に変換する。補助変流器５２は、スコット結線変圧器により変換されたＴ座電流ＩＴおよびＭ座電流ＩＭを制御回路６へ出力する。

このような構成とすることにより、三相負荷電圧および三相負荷電流はそれぞれ、Ｔ座成分とＭ座成分とに分解されて制御回路６に与えられる。そして、制御回路６は、このＴ座成分およびＭ座成分に従って単相インバータ３１，３２の電流を制御する。

図２は、本発明の実施の形態による不平衡補償装置１００における逆相電力補償を説明する機能ブロック図である。なお、図２に記載された各機能ブロックについては、予め設定されたプログラムに従って制御回路６がソフトウェア処理を実行することにより実現することができる。あるいは、制御回路６の内部に、当該機能ブロックに相当する機能を有する回路（ハードウェア）を構成することも可能である。

図２を参照して、制御回路６は、Ｍ座電力検出部６１と、Ｔ座電力検出部６２と、差電力検出部６３と、不平衡電力制御部６４と、ＰＷＭ制御部６５とを含む。

図１で示したように、補助変圧器４２は、変圧器４１からの三相負荷電圧を２つの単相交流電圧（Ｔ座電圧ＶＴ、Ｍ座電圧ＶＭ）に変換する。補助変流器５２は、変流器５１からの三相負荷電流を２つの単相交流電流（Ｔ座電流ＩＴ、Ｍ座電流ＩＭ）に変換する。

Ｍ座電力検出部６１は、補助変圧器４２からＭ座電圧ＶＭを受け、補助変流器５２からＭ座電流ＩＭを受ける。Ｍ座電力検出部６１は、Ｍ座電流ＩＭを、Ｍ座電圧ＶＭに平行な有効電力成分と、Ｍ座電圧ＶＭに直交する無効電力成分とに分解する。そしてＭ座電力検出部６１は、これらの算出値に基づいて、Ｍ座有効電力ＰＭおよびＭ座無効電力ＱＭを演算する。

Ｔ座電力検出部６２は、補助変圧器４２からＴ座電圧ＩＴを受け、補助変流器５２からＴ座電流ＩＴを受ける。Ｔ座電力検出部６２は、Ｔ座電流ＩＴを、Ｔ座電圧ＶＴに平行な有効電力成分と、Ｔ座電圧ＶＴに直交する無効電力成分とに分解する。そしてＴ座電力検出部６２は、これらの算出値に基づいて、Ｔ座有効電力ＰＴおよびＴ座無効電力ＱＴを演算する。

差電力検出部６３は、Ｍ座電力検出部６１からＭ座有効電力ＰＭおよびＭ座無効電力ＱＭを受け、Ｔ座電力検出部６２からＴ座有効電力ＰＴおよびＴ座無効電力ＱＴを受ける。そして、差電力検出部６３は、Ｍ座有効電力ＰＭとＴ座有効電力との差電力ΔＰ（＝｜ＰＭ−ＰＴ｜）と、Ｍ座無効電力ＱＭとＴ座無効電力ＱＴとの差電力ΔＱ（＝｜ＱＭ−ＱＴ｜）とを算出する。

不平衡電力制御部６４は、差電力検出部６３により算出された差電力ΔＰ，ΔＱに基づいて、逆相電力の有効電力成分および無効電力成分を補償するための制御を行なう。具体的には、不平衡電力制御部６４は、差電力ΔＰに基づいて、Ｍ相有効電力ＰＭとＴ相有効電力ＱＭとが等しくなるようにＭ相とＴ相との間で融通させる有効電力の融通量を算出する。この有効電力融通量に基づいて、逆相電力のうち、Ｍ相有効電力成分およびＴ相有効電力成分を補償するように、単相インバータ３１，３２が制御される。不平衡電力制御部６４は、算出された有効電力融通量に基づいて、Ｍ座の単相インバータ３１の有効電力出力指令値およびＴ座の単相インバータ３２の有効電力出力指令値を生成する。なお、Ｍ座の単相インバータ３１の有効電力出力指令値と、Ｔ座の単相インバータ３２の有効電力出力指令値とは、反対極性で絶対値が同一である。

不平衡電力制御部６４はさらに、Ｍ座無効電力成分がゼロになるように、Ｍ座の単相インバータ３１の無効電力出力指令値を生成する。また、不平衡電力制御部６４は、Ｔ座無効電力成分がゼロになるように、Ｔ座の単相インバータ３２の無効電力出力指令値を生成する。具体的には、不平衡電力制御部６４は、Ｍ座の単相インバータ３１およびＴ座の単相インバータ３２が差電力ΔＱの１／２をそれぞれ出力するように、各々の無効電力出力指令値を生成する。

不平衡電力制御部６４は、Ｍ座の単相インバータ３１の有効電力出力指令値および無効電力指令値に従って単相インバータ３１の出力電流を制御するための電圧指令値ＶＭ＊を生成する。また、不平衡電力制御部６４は、Ｔ座の単相インバータ３２の有効電力出力指令値および無効電力出力指令値に従って単相インバータ３２の出力電流を制御するための電圧指令値ＶＴ＊を生成する。

ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部６５は、電圧指令値ＶＭ＊に基づいて、単相インバータ３１を構成する電力用半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御するためのゲートパルス信号を生成する。また、ＰＷＭ制御部６５は、電圧指令値ＶＴ＊に基づいて、単相インバータ３２を構成する電力用半導体スイッチング素子をＰＷＭ制御するためのゲートパルス信号を生成する。単相インバータ３１，３２の各々は、ＰＷＭ制御部６５から与えられるゲートパルス信号に応じて、スコット結線変圧器３およびコンデンサ３３の間で電力変換動作を実行する。

このように、不平衡補償装置１００は、負荷電流の逆相成分を補償するために、単相インバータ３１，３２の電流を制御する。この一連の制御において、スコット結線変圧器３の二次側が２つの単相交流電圧であるため、電圧指令値ＶＭ＊，ＶＴ＊の生成にあたっては、三相負荷電圧および三相負荷電流の各々を２つの単相交流に変換する必要がある。すなわち、三相負荷電圧および三相負荷電流の各々を２つの単相交流に変換するための演算処理（三相／二相変換処理）が必要となる。

本発明の実施の形態においては、三相負荷電圧を検出する「計器用変圧器」および三相負荷電流を検出する「計器用変流器」の各々にスコット結線変圧器を適用したことにより、上述した逆相電力補償の制御において、この三相／二相変換処理が不要となる。換言すれば、制御回路６におけるソフトウェア処理に含まれていた三相／二相変換処理を、計器用変圧器および計器用変流器に含まれるスコット結線変圧器を用いてハードウェア上で実行する。これにより、逆相電力補償のための制御ロジックが簡素化されるため、制御回路６における演算負荷を軽減できる。その結果、簡易な構成で逆相電力を補償することが可能となる。

なお、上記の実施の形態においては、不平衡補償装置が計器用変圧器（主変圧器４１および補助変圧器４２）および計器用変流器（主変流器５１および補助変流器５２）を備える構成について説明したが、不平衡補償装置が計器用変圧器および計器用変流器の検出値を受けて、負荷電流の逆相成分を補償するための補償電流を調整する構成とすることも可能である。

また、上述した実施の形態では、三相／二相変換変圧器の一例として、スコット結線変圧器を用いた構成について説明したが、任意の形式の三相／二相変換変圧器をスコット結線変圧器に代えて適用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 三相交流電源、２ 不平衡負荷、３，２１ スコット結線変圧器、６ 制御回路、８ 降圧変圧器、２２，２３ 単相負荷、３１，３２ 単相インバータ、４１ 主変圧器、４２ 補助変圧器、５１ 主変流器、５２ 補助変流器、１００ 不平衡補償装置。

Claims (4)

1. 三相交流電源から負荷に電力を供給する三相電力供給システムに接続され、前記負荷による不平衡電流を補償する不平衡補償装置であって、
   前記三相交流電源からの三相交流を２つの単相交流に変換する第１の三相／二相変換変圧器と、
   前記第１の三相／二相変換変圧器の第１および第２の出力にそれぞれ接続され、その直流側を互いに接続した第１および第２の単相インバータと、
   前記第１および第２の単相インバータの電流を制御することにより、負荷電流の逆相成分を補償するための補償電流を調整する制御回路と、
   前記負荷電流を検出する計器用変流器と、
   負荷電圧を検出する計器用変圧器とを備え、
   前記計器用変流器および前記計器用変圧器の各々は、三相交流を２つの単相交流に変換する第２の三相／二相変換変圧器を含み、
   前記制御回路は、前記計器用変流器および前記計器用変圧器の出力に基づいて前記第１および第２の単相インバータの電流を制御する、不平衡補償装置。
2. 前記計器用変流器は、前記負荷電流をＭ座成分およびＴ座成分に分解し、
   前記計器用変圧器は、前記負荷電圧をＭ座成分およびＴ座成分に分解し、
   前記制御回路は、前記負荷電流の逆相電流のＭ座成分およびＴ座成分に従って前記第１および第２の単相インバータの電流を制御する、請求項１に記載の不平衡補償装置。
3. 前記第１および第２の単相インバータは、自励式インバータである、請求項２に記載の不平衡補償装置。
4. 前記計器用変流器は、前記負荷電流を検出する主変流器と、前記主変流器の二次側および前記制御回路の間に設けられた前記第２の三相／二相変換変圧器からなる補助変流器とを含み、
   前記計器用変圧器は、前記負荷電圧を検出する主変圧器と、前記主変圧器の二次側および前記制御回路の間に設けられた前記第２の三相／二相変換変圧器からなる補助変圧器とを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の不平衡補償装置。

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