JP6482083B2 - 無効電力補償装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無効電力補償装置に関する。

アーク炉などの負荷は急激な負荷変動を生じ、無効電力の変動、有効電力の変動、歪み電流および逆相電流の４つの要因によって、電圧フリッカが発生する。電圧フリッカを発生する負荷を有する需要家は、電力会社が定めた電圧フリッカの規制値以内に電圧フリッカを抑制する必要がある。無効電力補償装置は、電圧フリッカの発生を抑制するために電力系統に連系されて用いられる。自己消弧型の電力スイッチング素子を含む自励式変換器を有する自励式無効電力補償装置は、電圧フリッカのような、不規則かつ急峻な無効電力変動の抑制に有効であることが知られている。

自励式無効電力補償装置は、優れた電圧フリッカ改善性能を持つ一方で、自励式変換器を構成する自己消弧形の電力スイッチング素子が高速スイッチングするため、スイッチング損失等による運転ロスが発生する。負荷から発生する電圧フリッカが小さい場合であっても、無効電力補償装置自体の運転を継続すると運転ロスが発生し、むだなエネルギを消費するおそれがある。

特開平１０−２０１１０１号公報

実施形態は、負荷より発生する電圧フリッカの発生量を判定し、電圧フリッカの発生量が大きいときに無効電力補償装置を動作させ、電圧フリッカの発生量が小さいときに無効電力補償装置を停止して運転ロスを低減することによって、効率的な運転を行う無効電力補償装置を提供する。

実施形態に係る無効電力補償装置は、電力系統に連系して無効電力を供給する電力変換部と、電圧フリッカ値を検出する周期である第１周期での第１電圧フリッカ値と、前記第１周期よりも後の第２周期までに前記第１電圧フリッカ値に積算された第２電圧フリッカ値と、を検出するフリッカ検出部と、複数のしきい値を有し、前記複数のしきい値のそれぞれと前記第１電圧フリッカ値とにもとづいて前記第１周期における第１信号を生成し、前記複数のしきい値のそれぞれと前記第２電圧フリッカ値とにもとづいて前記第２周期における第２信号を生成するフリッカ判定部と、前記第１信号および前記第２信号にもとづいて前記電力変換部を動作または停止させる制御部と、を備える。前記複数のしきい値は、第１しきい値と、第２しきい値と、を含む。前記第１しきい値は、前記第１周期から前記第２周期にわたって同一の値をとり、前記第２しきい値は、時間に対して単調に増加し、前記第１周期から前記第２周期にわたって前記第１しきい値よりも小さい値をとり、前記フリッカ判定部は、前記第１電圧フリッカ値が前記第１しきい値以上のときには、前記制御部が前記第１信号にもとづいて前記電力変換部を動作させ、前記第１電圧フリッカ値が前記第２しきい値よりも小さいときには、前記制御部が前記第１信号にもとづいて前記電力変換部を停止させ、前記第１電圧フリッカ値が前記第１しきい値よりも小さく、前記第２しきい値以上のときには、前記第１周期の直前の前記電力変換部の状態を維持し、前記第２電圧フリッカ値が前記第１しきい値以上のときには、前記制御部が前記第２信号にもとづいて前記電力変換部を動作させ、前記第２電圧フリッカ値が前記第２しきい値よりも小さいときには、前記制御部が前記第２信号にもとづいて前記電力変換部を停止させ、前記第２電圧フリッカ値が前記第１しきい値よりも小さく、前記第２しきい値以上のときには、前記第２周期の直前の前記電力変換部の状態を維持する。前記複数のしきい値は、第３しきい値をさらに含む。前記第３しきい値は、時間に対して単調に増加し、前記第１周期から前記第２周期にわたって前記第２しきい値よりも大きい値をとり、前記第１周期において前記第１しきい値よりも小さく、前記第２周期において前記第１しきい値よりも大きい値をとる。前記フリッカ判定部は、前記第１電圧フリッカ値が前記第１しきい値よりも小さくかつ前記第３しきい値以上のときには、前記制御部が前記第１信号にもとづいて前記電力変換部を動作させ、前記第１電圧フリッカ値が前記第３しきい値よりも小さくかつ前記第２しきい値以上のときには、前期制御部が前記第１周期の直前の前記電力変換部の状態を維持し、前記第２電圧フリッカ値が前記第１しきい値よりも大きく、前記第３しきい値よりも小さいときには、前記制御部が前記第２信号にもとづいて前記電力変換部を動作させ、前記第２電圧フリッカ値が前記記第１しきい値よりも小さく、前記第２しきい値以上のときには、前記制御部が前記第２周期の直前の前記電力変換部の状態を維持する。

本実施形態では、異なる時間ごとに取得された電圧フリッカ値と複数のしきい値のそれぞれとを比較して、電力変換部を動作または停止させるフリッカ判定部を備えるので、電圧フリッカの発生量が少ないときに電力変換部の動作を停止させて運転ロスを低減することができ、効率的な運転を行うことが可能である。

第１の実施形態に係る自励式無効電力補償装置を例示するブロック図である。 図１の自励式無効電力補償装置のフリッカ判定部の動作を説明する図である。 図１の自励式無効電力補償装置の動作を説明するためのフローチャートの例である。 第２の実施形態に係る自励式無効電力補償装置を例示するブロック図である。 図４の自励式無効電力補償装置のフリッカ推定部およびフリッカ判定部の動作を説明する図である。 図４の自励式無効電力補償装置の動作を説明するためのフローチャートの例である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る自励式無効電力補償装置を例示するブロック図である。
図２は、図１の自励式無効電力補償装置のフリッカ判定部の動作を説明する図である。
図３は、図１の自励式無効電力補償装置の動作を説明するためのフローチャートの例である。
図１に示すように、本実施形態の自励式無効電力補償装置１は、電力変換部１０と、制御回路２０と、を備える。自励式無効電力補償装置１は、母線３を介して、電力系統２に連系されている。また、自励式無効電力補償装置１は、母線３に接続された系統電圧検出部３１および母線３に接続されたフリッカ発生負荷４に流れる線電流を検出する電流検出部３２に接続されている。系統電圧検出部３１は、たとえば計器用変圧器であり、母線３の電圧を検出する。電流検出部３２は、たとえば計器用変流器である。フリッカ発生負荷４は、たとえば製鋼用アーク炉、圧延機あるいは溶接機等のように、供給電力が急峻な変動を生じ、電圧フリッカを発生する装置や機器である。自励式無効電力補償装置１は、連系される電流検出部３２によって検出されたフリッカ発生負荷４に流れる線電流および系統電圧検出部３１によって検出されたフリッカ発生負荷４が接続されている母線３の電圧を自励式無効電力補償装置の制御回路２０に入力し、これらにもとづいて無効電力を制御し、電圧フリッカの発生量を抑制する。

電力変換部１０は、変圧器１２と、主回路１４と、を含んでいる。変圧器１２は、主回路１４で生成された無効電力を昇圧して母線３を介して電力系統２へ供給する。主回路１４は、母線３の電圧、フリッカ発生負荷４の線電流、および自己が出力する電流にもとづいて、制御回路２０によって生成された制御信号によって、適切な振幅、周波数および位相の出力電圧および出力電流を生成する。電力変換部１０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の自己消弧型半導体素子による高周波スイッチング動作を行うインバータ回路である。

制御回路２０は、フリッカ監視部２２と、フリッカ検出部２３と、フリッカ判定部２４と、制御部２５と、を含む。制御回路２０は、フリッカ発生負荷４から発生し、検出された電圧フリッカ値としきい値とを比較する。制御回路２０は、電圧フリッカ値がしきい値よりも大きいときには、電力変換部１０に対して出力電圧および出力電流を制御するための制御信号を送出し、電圧フリッカ値がしきい値よりも小さいときには、電力変換部１０に対して、電力変換部１０を停止させる信号、たとえばゲートブロック信号を送出する。電力変換部１０は、制御信号を受信したときには、無効電力補償動作を行い、ゲートブロック信号を受信したときには、無効電力補償動作を停止する。

フリッカ監視部２２は、系統電圧検出部３１および電流検出部３２の出力に接続されている。フリッカ監視部２２は、母線３の電圧およびフリッカ発生負荷４に流れる線電流を入力して、１０Ｈｚに換算した電圧フリッカ値ΔＶ１０を１分間積分値として測定する。フリッカ検出部２３は、フリッカ監視部２２によって測定される電圧フリッカ値をｎ秒周期で検出する。ここで、ｎは、１から６０までの整数であり、たとえば、ｎ＝１［秒］である。以下では、特に断らない限りｎ＝１［秒］として説明する。ｎは、電圧フリッカ値を検出する周期であることから、以下では検出周期と呼ぶ。また、検出周期ｎごとに積算された電圧フリッカ値をΔＶ１０（ｎ）と表すこととする。つまり、ΔＶ１０＝ΔＶ１０（６０）である。

フリッカ判定部２４は、フリッカ検出部２３に接続されている。フリッカ判定部２４は、電圧フリッカ値ΔＶ１０に対して３つのしきい値ΔＶ１０ｔｈ，ΔＶ１０ｒｅｇ１，ΔＶ１０ｒｅｇ２を有する。ｎ＝１［秒］ごとに検出された電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、３つのしきい値ΔＶ１０ｔｈ，ΔＶ１０Ａ（ｎ），ΔＶ１０Ｂ（ｎ）のそれぞれと比較される。３つのしきい値のうちの１つは、ΔＶ１０ｔｈである。ΔＶ１０ｔｈは、電圧フリッカ値ΔＶ１０の検出周期ｎ＝１［秒］ごとに一定のしきい値を与える。３つのしきい値のうち残りの２つΔＶ１０Ａ（ｎ）およびΔＶ１０Ｂ（ｎ）は、検出周期ｎに応じて増大するしきい値である。ｎ＝６０［秒］において、ΔＶ１０Ａ（ｎ）は、ΔＶ１０ｒｅｇ１に、ΔＶ１０Ｂ（ｎ）は、ΔＶ１０ｒｅｇ２に等しい。つまり、任意の検出周期ｎにおけるΔＶ１０Ａ（ｎ），ΔＶ１０Ｂ（ｎ）と、ΔＶ１０ｒｅｇ１，ΔＶ１０ｒｅｇ２と、の関係は、以下のように表すことができる。

ΔＶ１０Ａ（ｎ）＝（ΔＶ１０ｒｅｇ１／６０）×ｎ
ΔＶ１０Ｂ（ｎ）＝（ΔＶ１０ｒｅｇ２／６０）×ｎ

ΔＶ１０ｒｅｇ１は、ΔＶ１０ｒｅｇ２よりも大きい値を有する。したがって、ΔＶ１０Ａ（ｎ）は、全検出周期ｎにわたって、ΔＶ１０Ｂ（ｎ）よりも大きい。

より具体的には、図２に示すように、ΔＶ１０ｔｈは、時間に依存しない一定のしきい値であり、ΔＶ１０Ａ（ｎ）およびΔＶ１０Ｂ（ｎ）は、時間とともに線形に増大するしきい値である。ΔＶ１０Ａ（ｎ）およびΔＶ１０Ｂ（ｎ）は、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）の測定始期においては、いずれも０である。フリッカ値の測定の終期（６０秒）では、ΔＶ１０ｒｅｇ１＞ΔＶ１０ｔｈ＞ΔＶ１０ｒｅｇ２となるように設定されている。

フリッカ判定部２４の各しきい値ΔＶ１０ｔｈ，ΔＶ１０Ａ（ｎ），ΔＶ１０Ｂ（ｎ）と、検出周期ｎにおける電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）との関係は、以下のとおりである。すなわち、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）が、しきい値ΔＶ１０ｔｈよりも大きいときには、フリッカ判定部２４は、フリッカ発生負荷４の線電流および母線３の電圧にもとづいて、無効電力補償動作のための制御信号を制御部２５へ送信する。電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）が、しきい値ΔＶ１０Ａ（ｎ）よりも大きいときには、制御部２５によって、無効電力補償動作のための制御信号を電力変換部１０へ送信する。電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）が、しきい値ΔＶ１０Ｂ（ｎ）よりも小さいときには、フリッカ判定部２４は、制御部２５によって、ゲートブロック信号を電力変換部１０へ送信する。上述以外の条件の場合には、後述するように、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）と検出周期ごとの各しきい値との大小関係によって、フリッカ判定部２４の動作は異なる。

制御部２５は、フリッカ判定部２４から出力された、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）と各しきい値との比較結果にしたがって、制御信号またはゲートブロック信号を生成して、電力変換部１０に供給する。電力変換部１０は、制御信号を受けた場合には無効電力補償動作を行い、ゲートブロック信号を受けた場合には無効電力補償動作を停止する。

図３のフローチャートを用いて、本実施形態の自励式無効電力補償装置１の動作について説明する。図３に示すように、フリッカ検出部２３によって検出された電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、フリッカ判定部２４において、検出周期ｎごとに、各しきい値ΔＶ１０ｔｈ，ΔＶ１０Ａ（ｎ），ΔＶ１０Ｂ（ｎ）と比較される。比較された結果、制御部２５は、電力変換部１０に対する適切な信号を生成する。

ステップＳ１において、制御回路２０によって、検出周期ｎ＝１［秒］に設定される。ｎの初期値は、あらかじめ設定されており、制御回路２０内の図示しない記憶部等に格納されている。なお、ｎの値は、１〜６０［秒］の範囲で任意の整数に設定することができる。

ステップＳ２において、制御回路２０によって、検出周期ｎが６０［秒］以上であるか否かが判定される。ｎが６０［秒］以上である場合には、この判定サイクルのプログラムを終了し、開始に戻って次の判定サイクルのプログラムを開始させる。ｎが６０［秒］に満たない場合には、次のステップに遷移する。

ステップＳ３において、フリッカ検出部２３によって、ｎ＝１［秒］のときの電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）が検出される。

ステップＳ４において、フリッカ判定部２４によって、電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）と、しきい値ΔＶ１０ｔｈと、の大小関係が比較される。電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）がしきい値ΔＶ１０ｔｈ以上の場合には、ステップＳ５に遷移する。ステップＳ５では、制御部２５によって、制御信号が生成され、生成された制御信号は、電力変換部１０に供給される。この制御信号によって電力変換部１０は、無効電力補償動作を行う。その後、処理は、次のステップＳ６に遷移し、検出周期ｎに１を加算して、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ４において、フリッカ判定部２４によって、電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）が、しきい値ΔＶ１０ｔｈよりも小さいと判定された場合には、ステップＳ７に遷移する。

ステップＳ７において、フリッカ判定部２４によって、電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）と、しきい値ΔＶ１０Ａ（１）との大小関係が比較される。電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）が、しきい値ΔＶ１０Ａ（１）以上の場合には、ステップＳ５に遷移し、制御部２５によって制御信号が生成される。ステップＳ５では、制御信号によって、電力変換部１０は、無効電力補償動作を行う。その後、ステップＳ６に遷移して、次の検出周期のためのサイクルを繰り返す。電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）が、しきい値ΔＶ１０Ａ（１）よりも小さい場合には、ステップＳ８に遷移する。

ステップＳ８において、フリッカ判定部２４によって、電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）と、しきい値ΔＶ１０Ｂ（１）と、の大小関係が比較される。電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）が、しきい値ΔＶ１０Ｂ（１）よりも小さい場合には、ステップＳ９に遷移する。ステップＳ９では、制御部２５によって、ゲートブロック信号が電力変換部１０に送出されて、電力変換部１０の動作が停止する。その後、ステップＳ６に遷移して、次の検出周期のためのサイクルを繰り返す。

ステップＳ８では、電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）がしきい値ΔＶ１０Ｂ（１）以上の場合には、１つ前の検出周期の動作状態を維持する。つまり、ステップＳ１０において、フリッカ判定部２４によって、直前の検出周期で、電力変換部１０が制御部２５から制御信号を受けて無効電力補償動作をしていた場合には、無効電力補償動作が継続される。直前の検出周期において、電力変換部１０を停止させるようにゲートブロック信号が送出されている場合には、電力変換部１０の停止状態が維持される。ステップＳ１０の実行後、ステップＳ６を経てステップＳ２に戻って次のサイクルを繰り返す。

図２には、各しきい値とともに、自励式無効電力補償装置１の動作の具体例が合わせて示されている。以下では、図３のフローチャートにあてはめて、この具体例の動作について説明する。

図２の具体例Ｅ１では、検出周期ｎ＝０［秒］〜ｎ１［秒］の範囲では、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈよりも小さく（ステップＳ４）、しきい値ΔＶ１０Ａ（ｎ）よりも大きい（ステップＳ７）。したがって、ステップＳ５において、フリッカ判定部２４は、制御部２５に対して無効電力補償動作を行うための制御信号を電力変換部１０に送出するように指令する。自励式無効電力補償装置１は、無効電力補償動作を行う。

検出周期ｎ＝ｎ１［秒］〜ｎ２［秒］の範囲では、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈよりも小さく（ステップＳ４）、しきい値ΔＶ１０Ａ（ｎ）よりも小さく（ステップＳ７）、しきい値Δ１０Ｂ（ｎ）よりも大きい（ステップＳ８）。したがって、ステップＳ１０において、直前の検出周期における動作を継続する指令を制御部２５に対して送出する。つまり、自励式無効電力補償装置１は、無効電力補償動作を行う。

検出周期ｎ＝ｎ２［秒］〜ｎ３［秒］の範囲では、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈよりも小さく（ステップＳ４）、しきい値ΔＶ１０Ａ（ｎ）よりも大きい（ステップＳ７）。したがって、自励式無効電力補償装置１は、無効電力補償動作を行う。

検出周期ｎ＝ｎ３［秒］以降では、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈよりも大きいので（ステップＳ４）、自励式無効電力補償装置１は、無効電力補償動作を行う。

上述のように、具体例Ｅ１の場合には、全検出期間にわたって、自励式無効電力補償装置１は、無効電力補償動作を行う。

次に、具体例Ｅ２の場合について説明する。検出周期ｎ＝０［秒］〜ｎ４［秒］の範囲では、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈよりも小さく（ステップＳ４）、しきい値ΔＶ１０Ａ（ｎ）よりも小さく（ステップＳ７）、しきい値ΔＶ１０Ｂ（ｎ）よりも小さい（ステップＳ８）。したがって、フリッカ判定部２４は、制御部２５に対してゲートブロック信号を電力変換部１０に供給するように指令を送出する。自励式無効電力補償装置１は、無効電力補償動作を停止する。

検出周期ｎ＝ｎ４［秒］〜ｎ５［秒］の範囲では、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈよりも小さく（ステップＳ４）、しきい値ΔＶ１０Ａ（ｎ）よりも小さく（ステップＳ７）、しきい値ΔＶ１０Ｂ（ｎ）よりも大きい（ステップＳ８）。したがって、フリッカ判定部２４は、制御部２５に対して、直前の検出周期における動作を継続する指令を送出する。つまり、自励式無効電力補償装置１は、動作停止状態を維持する。

検出周期ｎ＝ｎ５［秒］以降では、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈよりも大きい（ステップＳ４）。したがって、フリッカ判定部２４は、制御部２５に対して制御信号を生成して電力変換部１０に送出するように指令する。自励式無効電力補償装置１は、無効電力補償動作を行う。

このようにして、本実施形態の自励式無効電力補償装置１では、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）を検出周期ｎごとに、各しきい値ΔＶ１０ｔｈ，ΔＶ１０Ａ（ｎ），ΔＶ１０Ｂ（ｎ）と比較して、無効電力補償動作を行うか否かを決定する。

本実施形態の自励式無効電力補償装置１の作用および効果について説明する。
本実施形態の自励式無効電力補償装置１は、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）と、３つのしきい値ΔＶ１０ｔｈ，ΔＶ１０Ａ（ｎ），ΔＶ１０Ｂ（ｎ）のそれぞれとを、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）の検出周期ｎごとに比較して、制御部２５に対して制御信号またはゲートブロック信号を電力変換部１０に対して送出する指令を有するフリッカ判定部２４を備えている。そのため、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）の大きさが大きいときに無効電力補償動作をさせて、電圧フリッカ値ΔＶ１０の大きさが小さいときに無効電力補償動作停止させることができる。電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）が小さいときに、電力変換部１０を停止させることができるので、自励式無効電力補償装置１は、電圧フリッカ値ΔＶ１０を規定値に抑えつつ、消費電力を低減させることが可能になる。

自励式無効電力補償装置１のフリッカ判定部２４は、しきい値ΔＶ１０ｒｅｇ１よりも小さく、ΔＶ１０ｒｅｇ２よりも大きい、検出周期ｎによらないしきい値ΔＶ１０ｔｈを有している。そのため、具体例Ｅ２のように、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）が取得期間中で急激に増大した場合であっても、電力変換部１０を無効電力補償動作に切り替えることができるので、効率の高い無効電力補償動作を行いつつ、確実にフリッカ発生を抑制することが可能になる。

上述の例では、検出周期ｎを１［秒］として説明したが、検出周期ｎは、ｎ＝２［秒］やｎ＝１０［秒］等ｎ＝１〜６０［秒］の任意の自然数に設定することができる。たとえば、ｎ＝２［秒］に設定する場合には、図３のフローチャートにおいて、ステップＳ１でｎ＝２に設定し、ステップＳ５で繰り返しループごとに２［秒］を加算するようにすればよい。

（第２の実施形態）
図４は、本実施形態に係る自励式無効電力補償装置を例示するブロック図である。
図５は、図４の自励式無効電力補償装置のフリッカ推定部およびフリッカ判定部の動作を説明する図である。
図６は、図４の自励式無効電力補償装置の動作を説明するためのフローチャートの例である。
第１の実施形態の自励式無効電力補償装置１では、電圧フリッカ値ΔＶ１０の検出周期ｎごとに、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）と、各しきい値とを比較して、電力変換部１０の動作または停止を決定する。本実施形態の自励式無効電力補償装置１ａでは、必ずしも検出周期ｎごとに電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）と複数のしきい値との比較を行わない。自励式無効電力補償装置１ａでは、所定の区間の電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）のデータを取得し、取得されたデータにもとづいて未来の電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ＋ｍ）を予測して、その予測値としきい値とを比較する。電圧フリッカの積分値は、時間に対してほぼ線形に増大するので、複数の電圧フリッカ値を実際に検出して、この複数の電圧フリッカ値にもとづいて線形の推定式を算出する。算出された線形推定式を用いて未来の電圧フリッカ値を求めて、しきい値との比較を行う。

図４に示すように、本実施形態の自励式無効電力補償装置１ａは、制御回路２０ａを備えており、制御回路２０ａは、フリッカ推定部２８を有する。本実施形態の自励式無効電力補償装置１ａの他の構成については、第１の実施形態の自励式無効電力補償装置１と同じであり、同じ構成要素については同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。

フリッカ推定部２８の入力は、フリッカ検出部２３の出力に接続されており、フリッカ推定部２８の出力は、フリッカ判定部２４の入力に接続されている。フリッカ推定部２８は、フリッカ検出部２３から検出周期ｎごとに電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）を取得する。取得された電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、フリッカ推定部２８の記憶部２８ａに格納される。たとえば、記憶部２８ａには、１分間の積算期間の最初の１０秒間１０個の電圧フリッカ値が別々の場所に格納されている。フリッカ推定部２８は、演算部２８ｂを有している。演算部２８ｂは、たとえば１０［秒］の区間内の電圧フリッカ値ΔＶ１０にもとづいて、その時点（たとえば、ｎ＝１０［秒］）における電圧フリッカ値ΔＶ１０の線形近似式を計算する。つまり、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、以下の式（１）のように表される。

ΔＶ１０（ｎ）＝Ｓ×ｎ＋ｂ （１）
ここで、Ｓは、検出周期ｎに対する電圧フリッカ値の増分の割合である。ｂは、時間ｎ＝０のときの電圧フリッカ値に相当する。

式（１）については、推定区間Ｄｉに含まれる（ｎ，ΔＶ１０（ｎ））の組を用いて、最小二乗法によって導出することができる。線形近似の手法については、他の周知のものを用いてもよい。

フリッカ推定部２８において、計算されたΔＶ１０（ｎ）の推定式（１）を用いて、未来の電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ＋ｍ）が求められる。フリッカ判定部２４において、未来の電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ＋ｍ）としきい値ΔＶ１０ｔｈ’との大小関係を比較することによって、電力変換部１０の動作判定が行われる。ここで、ｍは、任意の自然数であり、この例ではｍ＝３０［秒］としている。つまり、未来の電圧フリッカ値として、３０［秒］先の推定値を用いて電力変換部１０の動作判定が行われる。なお、未来の電圧フリッカ値の判定時として、固定値を用いてもよい。たとえば、各推定区間Ｄｉにおいて、ΔＶ１０（６０）の値を推定し、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’との比較を行ってもよい。

図５を用いて、ΔＶ１０（ｎ）の推定式（１）としきい値ΔＶ１０ｔｈ’との関係について具体的に説明する。図５には、横軸に検出周期ｎ、縦軸に、検出周期ごとの電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）が積算値として示されている。しきい値ΔＶ１０ｔｈ’は、検出周期ｎによらない一定値である。しきい値ΔＶ１０ｔｈ’は、第１の実施形態の自励式無効電力補償装置１のフリッカ判定部２４が有するしきい値ΔＶ１０ｔｈと等しい値であってもよい。ｎ＝６０［秒］におけるしきい値ΔＶ１０ｒｅｇ２’は、ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さい値である。座標（０，０）と（６０，ΔＶ１０ｒｅｇ２’）とを結んだ直線の傾きを、傾きに関するしきい値Ｓｔｈ＝ΔＶ１０ｒｅｇ２’／６０とする。しきい値ΔＶ１０ｒｅｇ２’は、第１の実施形態の自励式無効電力補償装置１のしきい値ΔＶ１０ｒｅｇ２と等しい値であってもよい。

本実施形態の自励式無効電力補償装置１ａでは、検出周期ｎごとに、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）としきい値ΔＶ１０ｔｈ’とを比較して、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）がしきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも大きいときには、電力変換部１０を動作させる。電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）がしきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さいときには、式（１）の係数Ｓとしきい値Ｓｔｈとを比較し、（ｎ＋ｍ）［秒］における電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ＋ｍ）の値としきい値ΔＶ１０ｔｈ’との大小関係が比較される。推定区間Ｄｉは、検出周期ｎをｊ個含む一定の期間である。

図６のフローチャートを用いて、本実施形態の自励式無効電力補償装置１ａの動作を説明する。この例では、検出周期ｎを１［秒］、推定区間Ｄｉを１０［秒］としている。推定区間Ｄｉとは、連続する複数の検出周期ｎを含む区間であり、未来の検出周期における電圧フリッカ値を推定するために、複数の検出周期および電圧フリッカ値の組を含んでいる。推定区間Ｄｉを１０［秒］とした場合、１つの推定区間には、ｊ＝１０個の検出周期および電圧フリッカ値の組が含まれている。そして、電圧フリッカの判定サイクル６０［秒］の間には、６個の推定区間Ｄ１，Ｄ２，…，Ｄ６が含まれている。この例では、ｍ＝３０［秒］として、３０［秒］先の電圧フリッカ値を推定するものとする。

この例では、プログラムの開始後、最初の推定区間Ｄ１において、１［秒］から１０［秒］の間でｊ＝１０個の電圧フリッカ値ΔＶ１０（１），…ΔＶ１０（１０）を求め、ΔＶ１０（ｎ）の線形近似式を推定する。推定された線形近似式から、ｎ＋３０＝４０［秒］における電圧フリッカ値ΔＶ１０（４０）としきい値ΔＶ１０ｔｈ’との大小比較を行い、電力変換部１０の動作判定を行う。次に、推定区間Ｄ２において、検出周期ｎが１１［秒］〜２０［秒］の電圧フリッカ値ΔＶ１０（１１），…，Ｖ１０（２０）を測定して、これらからΔＶ１０（２０）の線形式を推定し、ｎ＋３０＝５０［秒］の電圧フリッカ値ΔＶ１０（５０）の推定値としきい値ΔＶ１０ｔｈ’との比較を行う。同様に、推定区間Ｄ３において、検出周期ｎが２１［秒］〜３０［秒］におけるΔＶ１０（３０）の推定式を求め、ｎ＋３０＝６０［秒］における電圧フリッカ値としきい値との比較を行う。なお、推定区間Ｄ４以降においては、３０［秒］先の時間は、判定サイクルの６０［秒］を超過するが、以下の例では、６０［秒］を超える仮想的な検出周期が存在するものとして、計算および推定を繰り返す。すなわち、Ｄ４において計算された推定式によって、ｎ＋３０＝７０［秒］におけるΔＶ１０（７０）を計算し、Ｄ５において計算された推定式によって、ｎ＋３０＝８０［秒］のおけるΔＶ１０（８０）を計算する。それぞれの電圧フリッカ値の推定値としきい値ΔＶ１０ｔｈ’との比較を行う。検出周期ｎは、上述の推定区間の個数ｉおよび推定区間内のデータ個数ｊを用いて以下のように表すことができる。

ｎ＝１０×（ｉ−１）＋ｊ （２）
この例では、ｉ＝１〜６の自然数、ｊ＝１〜１０の自然数である。

ステップＳ１１およびステップＳ１２において、制御回路２０では、検出周期ｎを１［秒］に設定するために式（２）より、ｉ＝１およびｊ＝１が設定される。

ステップＳ１３において、制御回路２０によって、検出周期ｎが６０［秒］を超えたか否かが判定される、検出周期ｎが６０［秒］を超えたときには、この電圧フリッカ値の判定サイクルを終了し、次の１分間の電圧フリッカ値の判定サイクルを開始する。検出周期ｎが６０［秒］に満たないときには、次のステップに遷移する。

ステップＳ１４において、フリッカ検出部２３によって、検出周期ｎ＝１［秒］のときの電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）を検出し、その値をフリッカ推定部２８の記憶部２８ａに格納する。

ステップＳ１５において、フリッカ判定部２４によって、電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）としきい値ΔＶ１０ｔｈ’との大小関係を比較する。電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）がしきい値ΔＶ１０ｔｈ’以上のときには、制御部２５に対して電力変換部１０を動作させる制御信号を送出すべき指令を送出する。

ステップＳ１６において、制御部２５によって、電力変換部１０に対して制御信号を送出し、電力変換部１０は、無効電力補償動作を行う。その後、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’を下回ることはないので、プログラムを終了し、この判定サイクルの残り時間だけ電力変換部１０が無効電力補償動作をすることを継続する。その後、次の判定サイクルを開始する。

ステップＳ１５において、フリッカ判定部２４によって、電圧フリッカ値ΔＶ１０（１）がしきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さいと判定されたときには、次のステップＳ１７に遷移する。

ステップＳ１７において、制御回路２０によって、検出周期および電圧フリッカ値のデータの組が１０個に達したか否かを判定する。これら１０個のデータの組は、それぞれ記憶部２８ａの異なるアドレスに格納されている。データの組の個数が１０個に達していないときには、ステップＳ１８において、データ個数ｊに１を加算して、ステップＳ１３に戻る。組のデータ個数ｊが１０個に達した場合には、次のステップへ遷移する。

ステップＳ１９において、フリッカ推定部２８によって、記憶部２８ａにそれぞれ格納されている各検出周期ｎ＝１，…，１０の電圧フリッカ値ΔＶ１０（１），…，ΔＶ１０（１０）にもとづいて、最小二乗法によって、式（１）の係数Ｓおよび定数ｂを算出する。

ステップＳ２０において、フリッカ判定部２４によって、係数Ｓ（１０）としきい値Ｓｔｈとの大小関係を比較する。係数Ｓ（１０）がしきい値Ｓｔｈ以上のときには、ステップＳ２１に遷移し、係数Ｓがしきい値Ｓｔｈよりも小さいときには、ステップＳ２４に遷移する。

ステップＳ２１においては、フリッカ判定部２４によって、ｎ＝１０［秒］よりも３０［秒］先の、すなわちｎ＝４０［秒］のときの電圧フリッカ値ΔＶ１０（４０）と、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’との大小関係を比較する。ｎ＝４０［秒］のときの電圧フリッカ値ΔＶ１０（４０）は、フリッカ推定部２８で求められた係数Ｓおよび定数ｂを用いて式（１）から計算される。

電圧フリッカ値ΔＶ１０（４０）が、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’以上のときには、ステップＳ２２に遷移して、電力変換部１０が無効電力補償動作を行うように制御部２５が制御信号を送出する。その後、ステップＳ２３において、制御部２５によって、ｉに１を加算して、次の推定区間Ｄ２の判定ステップを実行する。

電圧フリッカ値ΔＶ１０（４０）が、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さいときには、ステップＳ２４において、制御部２５は、ゲートブロック信号を電力変換部１０に送出し、無効電力補償動作を停止させる。

ステップＳ２４を実行した後には、ステップＳ２３において、制御回路２０によって、ｉに１を加算して次の推定区間Ｄ２の判定ステップを実行する。

図５のグラフには、具体例Ｅ３（太実線）が合わせて示されており、図６のフローチャートにあてはめてより具体的に自励式無効電力補償装置１ａの動作について説明する。具体例Ｅ３では、検出周期ｎ＝１〜１０［秒］の期間、すなわち、推定区間Ｄ１では、すべての取得期間の電圧フリッカ値ΔＶ１０（１），…，ΔＶ１０（１０）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さい（ステップＳ１５）。フリッカ推定部２８によって計算された係数Ｓは、図５においては、具体例Ｅ３の推定区間Ｄ１における傾きを表している。推定区間Ｄ１における係数Ｓは、しきい値Ｓｔｈよりも大きい（ステップＳ２０）が、式（１）から計算されるｎ＝４０のときの電圧フリッカ値ΔＶ１０（４０）の推定値は、図５のプロットＰ１に示すように、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも少し小さい（ステップＳ２１）。したがって、ｎ＝１０［秒］の時点においては、電力変換部１０は、無効電力補償動作を行わず、停止状態である。なお、初期状態（０［秒］〜１０［秒］）では、電力変換部１０は停止状態なので、０［秒］から次の推定区間直前の２０［秒］まで、電力変換部１０は停止状態が維持される。

次の推定区間Ｄ２（１１［秒］〜２０秒［秒］）では、各電圧フリッカ値ΔＶ１０（１１），…，ΔＶ１０（２０）は、すべてしきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さい（ステップＳ１５）。係数Ｓは、しきい値Ｓｔｈよりも小さい（ステップＳ２０）。図５のプロットＰ２に示すように、ｎ＝５０［秒］における電圧フリッカ値ΔＶ１０（５０）の推定値もしきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さい（ステップＳ２１）。したがって、フリッカ判定部２４は、制御部２５が電力変換部１０にゲートブロック信号を送出して無効電力補償動作を停止するように動作する。

次の推定区間Ｄ３（２１［秒］〜３０［秒］）では、各電圧フリッカ値ΔＶ１０（２１），…，ΔＶ１０（３０）は、すべてしきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さい（ステップＳ１５）が、係数Ｓはしきい値Ｓｔｈよりも大きい（ステップＳ２０）。しかし、図５のプロットＰ３に示すように、ｎ＝６０［秒］における電圧フリッカ値ΔＶ１０（６０）の推定値は、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さいので、フリッカ判定部２４は、制御部２５に対して、電力変換部１０が無効電力補償動作を停止することを継続するように指令する。

さらに、次の推定区間Ｄ４（３１［秒］〜４０［秒］）では、各電圧フリッカ値ΔＶ１０（３１），…，ΔＶ１０（４０）は、すべてしきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さい（ステップＳ１５）が、係数Ｓは、しきい値Ｓｔｈよりも大きい（ステップＳ２０）。また、ｎ＝７０［秒］における電圧フリッカ値ΔＶ１０（７０）の推定値は、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも大きい。同様に、推定区間Ｄ５（４１［秒］〜５０［秒］）においても、各電圧フリッカ値ΔＶ１０（４１），…，ΔＶ１０（５０）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも小さく（ステップＳ１５）、係数Ｓは、しきい値Ｓｔｈよりも大きい（ステップＳ２０）。ｎ＝８０［秒］における電圧フリッカ値ΔＶ１０（８０）は、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’よりも大きい（ステップＳ２１）。したがって、推定区間Ｄ４，Ｄ５の推定計算の結果、ｎ＝５０［秒］〜６０［秒］の間では、電力変換部１０が無効電力補償動作を行う（プロットＰ４およびＰ５）。

本実施形態の自励式無効電力補償装置１ａの作用および効果について説明する。
上述のように、本実施形態の自励式無効電力補償装置１ａでは、フリッカ推定部２８を有している。そのため、適切に係数しきい値Ｓｔｈを設定し、推定区間Ｄｎに含まれる各電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）にもとづいて、未来の電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ＋ｍ）を推定することができる。自励式無効電力補償装置１ａでは、推定された未来の電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ＋ｍ）と、しきい値ΔＶ１０ｔｈ’との大小関係の比較を行うことによって、全検出期間中における早期の期間において、電力変換部１０の動作を停止させる条件を広く設定することができる。そのため、より電力変換部１０の運転ロスを低減して省エネルギ効果を向上させることが可能になる。

第１の実施形態の自励式無効電力補償装置１では、検出周期の早期の期間において、電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ）がしきい値ΔＶ１０Ａ（ｎ）を超えると、電力変換部１０が無効電力補償動作を行うので、しきい値ΔＶ１０ｔｈに対して十分余裕があるにもかかわらず電力変換部１０の動作にともなうロスが発生する場合がある。これに対して、本実施形態の自励式無効電力補償装置１ａでは、未来の電圧フリッカ値ΔＶ１０（ｎ＋ｍ）としきい値ΔＶ１０ｔｈ’とを比較するので、電圧フリッカ値の検出の初期段階において、電力変換部１０の無効電力補償動作を停止させることができる。したがって、電力変換部１０が動作する期間を短くすることによって、より効率的な運転を行うことができる。

上述の第２の実施形態においては、推定区間Ｄｉに含まれる複数のデータを用いて、最小二乗法によって未来の電圧フリッカ値のための線形推定式を求めたが、他の方法によって線形推定式を求めてもよい。たとえば、推定区間Ｄｉを規定する始期および終期の検出周期と、それぞれの電圧フリッカ値との２つのデータの組から線形推定式を求めることによって、演算量を減らすことができる。また、フリッカ発生負荷の動作等によってフリッカの発生が時間に対して非線形となる場合には、線形近似以外のフィッティング手法を用いてもよい。

以上説明した実施形態によれば、電圧フリッカの発生量が小さいときに無効電力補償装置を停止して運転ロスを低減することによって、効率的な運転を行う自励式無効電力補償装置を実現することができる。

以上、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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１，１ａ 自励式無効電力補償装置、２ 電力系統、３ 母線、４ フリッカ発生負荷、１０ 電力変換部、１２ 変圧器、１４ 主回路、２０，２０ａ 制御回路、２２ フリッカ監視部、２３ フリッカ検出部、２４ フリッカ判定部、２５ 制御部、２８ フリッカ推定部、３１ 系統電圧検出部、３２ 電流検出部

Claims (1)

1. 電力系統に連系して無効電力を供給する電力変換部と、
   電圧フリッカ値を検出する周期である第１周期での第１電圧フリッカ値と、前記第１周期よりも後の第２周期までに前記第１電圧フリッカ値に積算された第２電圧フリッカ値と、を検出するフリッカ検出部と、
   複数のしきい値を有し、前記複数のしきい値のそれぞれと前記第１電圧フリッカ値とにもとづいて前記第１周期における第１信号を生成し、前記複数のしきい値のそれぞれと前記第２電圧フリッカ値とにもとづいて前記第２周期における第２信号を生成するフリッカ判定部と、
   前記第１信号および前記第２信号にもとづいて前記電力変換部を動作または停止させる制御部と、
   を備え、
   前記複数のしきい値は、第１しきい値と、第２しきい値と、を含み、
   前記第１しきい値は、前記第１周期から前記第２周期にわたって同一の値をとり、
   前記第２しきい値は、時間に対して単調に増加し、前記第１周期から前記第２周期にわたって前記第１しきい値よりも小さい値をとり、
   前記フリッカ判定部は、
   前記第１電圧フリッカ値が前記第１しきい値以上のときには、前記制御部が前記第１信号にもとづいて前記電力変換部を動作させ、
   前記第１電圧フリッカ値が前記第２しきい値よりも小さいときには、前記制御部が前記第１信号にもとづいて前記電力変換部を停止させ、
   前記第１電圧フリッカ値が前記第１しきい値よりも小さく、前記第２しきい値以上のときには、前記第１周期の直前の前記電力変換部の状態を維持し、
   前記第２電圧フリッカ値が前記第１しきい値以上のときには、前記制御部が前記第２信号にもとづいて前記電力変換部を動作させ、
   前記第２電圧フリッカ値が前記第２しきい値よりも小さいときには、前記制御部が前記第２信号にもとづいて前記電力変換部を停止させ、
   前記第２電圧フリッカ値が前記第１しきい値よりも小さく、前記第２しきい値以上のときには、前記第２周期の直前の前記電力変換部の状態を維持し、
   前記複数のしきい値は、第３しきい値をさらに含み、
   前記第３しきい値は、時間に対して単調に増加し、前記第１周期から前記第２周期にわたって前記第２しきい値よりも大きい値をとり、前記第１周期において前記第１しきい値よりも小さく、前記第２周期において前記第１しきい値よりも大きい値をとり、
   前記フリッカ判定部は、
   前記第１電圧フリッカ値が前記第１しきい値よりも小さくかつ前記第３しきい値以上のときには、前記制御部が前記第１信号にもとづいて前記電力変換部を動作させ、
   前記第１電圧フリッカ値が前記第３しきい値よりも小さくかつ前記第２しきい値以上のときには、前期制御部が前記第１周期の直前の前記電力変換部の状態を維持し、
   前記第２電圧フリッカ値が前記第１しきい値よりも大きく、前記第３しきい値よりも小さいときには、前記制御部が前記第２信号にもとづいて前記電力変換部を動作させ、
   前記第２電圧フリッカ値が前記第１しきい値よりも小さく、前記第２しきい値以上のときには、前記制御部が前記第２周期の直前の前記電力変換部の状態を維持する無効電力補償装置。

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