JP7013096B2

JP7013096B2 - 無効電力補償装置

Info

Publication number: JP7013096B2
Application number: JP2018174490A
Authority: JP
Inventors: 健太佐々木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2022-01-31
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: JP2020048314A

Description

本発明の実施形態は、交流アーク炉の電源系統に接続する無効電力補償装置に関する。

製鋼用の交流アーク炉が接続されている系統では、無効電力の急峻な変動により、電圧フリッカが問題となる。そのため、電圧フリッカを規制値内に収めることを目的に、交流アーク炉が接続された母線にフリッカ抑制用無効電力補償装置が連系される。

このような系統では、交流アーク炉の遅れ無効電力を補償して力率を改善するために、進相コンデンサ等のコンデンサ設備が設けられることが多い。交流アーク炉の操業中に単相通電となると、遅れ無効電力の減少のために、系統の電圧が上昇するフェランチ効果が発生し、コンデンサ設備等に過大な電圧が印加されるおそれがある。

また、電力系統一般に、その系統に接続されている変圧器や電線等によるリアクタンス成分とコンデンサ設備等のキャパシタンス成分により決まる共振点や反共振点を有することが知られている。交流アーク炉が単相通電となると、遅れ無効電力の減少のために系統電圧が上昇するとともに、母線に高調波電流が流出し、反共振点では、系統のインピーダンスが著しく上昇するため、母線に流れる高調波電流に反共振点の周波数に近い成分が含まれると、系統の電圧は大きく歪み、電圧値がさらに上昇する。そのため、同一母線に接続されている機器や装置等にはさらなる過電圧が印加されるおそれがある。

特開２０１７－１１８６０号公報特開２０１４－８７２０７号公報

本発明の実施形態では、三相通電によって通常動作する交流アーク炉が、単相通電となった場合でも、母線電圧の上昇を抑制して安全に操業を継続できる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、三相交流が供給される母線に交流アーク炉とともに接続される。前記無効電力補償装置は、前記母線に無効電力を注入する電力変換器と、前記母線に一定の無効電力を供給するための第１制御信号を生成し、前記母線のフリッカを抑制する無効電力を供給するための第２制御信号を生成し、前記第１制御信号および前記第２制御信号のいずれか一方を選択して前記電力変換器に供給する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記交流アーク炉の各相の電流を検出して、検出された各相の電流のデータを、あらかじめ設定されたしきい値と比較して、いずれかの相の電流が前記しきい値を下回った場合に、前記第１制御信号を前記電力変換器に供給し、すべての相の電流のデータが前記しきい値以上の場合に、前記第２制御信号を前記電力変換器に供給する。

本実施形態では、三相通電によって通常動作する交流アーク炉が、単相通電となった場合でも、母線電圧の上昇を抑制して安全に操業を継続できる無効電力補償装置が実現される。

実施形態に係る無効電力補償装置を例示する模式的なブロック図である。図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施形態の無効電力補償装置の一部を例示するブロック図である。参考例の無効電力補償装置の一部を例示するブロック図である。

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。

図１は、本実施形態に係る無効電力補償装置を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、実施形態の無効電力補償装置１０は、母線１０１に接続されている。交流アーク炉は、母線１０１に接続され、母線１０１から電力の供給を受けて動作する。無効電力補償装置１０は、補償すべき電力を母線１０１に注入して、アーク炉によって発生している母線１０１の電圧フリッカを低減する。無効電力補償装置１０は、アーク炉が単相動作して遅れ無効電力が減少した場合に、減少した遅れ無効電力に相当する無効電力を母線１０１に注入して、進み無効電力による母線電圧上昇を抑制する。

母線１０１には、交流アーク炉や無効電力補償装置１０のほか、進相コンデンサ４０が接続されている。調相設備である進相コンデンサ４０は、交流アーク炉によって低下した力率を改善する。その他、母線１０１には、図示しないが、他の調相設備として既設のサイリスタ制御リアクトル（Thyristor Controlled Reactor、ＴＣＲ）が連系されている場合もある。その場合には、ＴＣＲによる高調波抑制のための高次の高調波フィルタも母線１０１に連系されている。

これら母線１０１や母線１０１に接続されている機器や装置等、さらには、電力系統１側を含めた系統のインピーダンスは、周波数特性を有し、その特性に応じて共振点や反共振点の周波数をそれぞれ有している。共振点では直列共振となり、系統のインピーダンスは、著しく低下する。反共振点では並列共振となり、系統のインピーダンスは、著しく上昇する。

交流アーク炉では、電極４は、炉用変圧器３を介して母線１０１に接続されている。電極４は、炉体５に装入されたスクラップ６から上方に離間して配置されている。電極４は、固定されている炉体５に装入されているスクラップ６との間でアーク放電を発生する。電極４は、このアーク放電を維持するように、図示しない電極昇降機構によってスクラップ６に対して上下に昇降される。

母線１０１には、電力系統１から三相交流電源が供給される。電極昇降機構および電極４から母線１０１までの回路は、それぞれ三相分設けられている。電極昇降機構は、三相交流の各相に応じた電極４に印加される相電圧および電極４に流れる線電流によって求められるインピーダンスが一定となるように、各相の電極４とスクラップ６との間の距離を制御する。

このように、各相のインピーダンスは、電極昇降機構によって、ほぼ一定の値に制御されるが、アーク放電の状態は常に変動しており、電極昇降機構の応答速度よりも急激な変動をすることがある。いずれかの相のインピーダンスが他の相のインピーダンスよりも大きくなって三相交流の平衡状態が維持できなくなり不平衡となることがある。この不平衡が大きくなった場合には、電力系統１は、実質的に単相でアーク炉に電力を供給することとなる。そのため、アーク炉に投入される電力は、減少し、アーク炉に投入される遅れ無効電力も減少する。

実施形態の無効電力補償装置１０は、各相の線電流を監視し、交流アーク炉が三相通電で動作しているか、単相通電で動作しているかを判定する。無効電力補償装置１０は、交流アーク炉が単相通電で動作していると判定した場合には、フリッカ抑制制御動作から、一定の無効電力補償動作に切り替える。一定の無効電力補償動作では、無効電力補償装置１０は、単相通電による交流アーク炉の動作によって減少した遅れ無効電力を母線１０１に注入し、力率を改善する。

無効電力補償装置１０の具体的な構成例について説明する。
無効電力補償装置１０は、制御装置２０と、フリッカ抑制用無効電力補償装置（電力変換器）３０と、を備える。制御装置２０は、母線１０１の電圧のデータおよび電極４に流れる電流のデータにもとづいて、フリッカ抑制用無効電力補償装置３０に制御信号を供給する。制御信号は、フリッカ補償制御を行うためのフリッカ補償制御信号（第２制御信号）、または、無効電力一定制御を行うための無効電力一定制御信号（第１制御信号）のいずれかが選択されて出力される。フリッカ抑制用無効電力補償装置３０は、フリッカ補償制御信号または無効電力一定制御信号のいずれかにもとづいて、補償すべき無効電力を生成し、生成した適切な無効電力を母線１０１に注入する。

制御装置２０は、無効電力一定制御回路２１と、フリッカ抑制制御回路２２と、選択回路２３と、切替回路２４と、を含む。

無効電力一定制御回路（Ｑ一定制御回路と図示）２１は、計器用変圧器７の出力および変流器２の出力に接続されており、母線１０１の各相電圧のデータおよび電極４に流れる各相の線電流のデータを入力する。無効電力一定制御回路２１は、母線１０１の各相電圧のデータおよび電極４に流れる各線電流のデータにもとづいて、無効電力一定制御信号を出力する。無効電力一定制御信号は、低下した遅れ無効電力に相当する無効電力指令値を含む。出力される無効電力指令値によって、フリッカ抑制用無効電力補償装置３０は、単相通電による交流アーク炉の動作によって減少した遅れ無効電力に相当する遅れ無効電力を母線１０１に注入し、系統の力率を改善する。

フリッカ抑制制御回路２２は、計器用変圧器７の出力および変流器２の出力に接続されており、母線１０１の各相電圧のデータおよび電極４に流れる各相の線電流のデータを入力する。フリッカ抑制制御回路２２は、母線１０１の各相電圧のデータおよび電極４に流れる各相の線電流のデータにもとづいて、フリッカ補償制御信号を出力する。フリッカ補償制御信号は、母線１０１のフリッカを抑制する無効電力指令値を含む。

無効電力一定制御回路２１およびフリッカ抑制制御回路２２の出力は、切替回路２４の第１入力および第２入力にそれぞれ接続されている。切替回路２４は、選択回路２３の出力にもとづいて、無効電力一定制御回路２１の出力またはフリッカ抑制制御回路２２の出力のいずれかをフリッカ抑制用無効電力補償装置３０に供給する。

選択回路２３は、各相の線電流のデータを入力して、入力された線電流のデータをあらかじめ設定されたしきい値と比較する。すべての相の線電流のデータがしきい値以上の場合には、選択回路２３は、切替回路２４を第２入力に接続する。切替回路２４の第２入力を介して、フリッカ抑制制御回路２２の出力は、フリッカ抑制用無効電力補償装置３０に接続される。各相の線電流のデータのいずれか１つのしきい値よりも低い場合には、選択回路２３は、切替回路２４を第１入力に接続する。切替回路２４の第１入力を介して、無効電力一定制御回路２１の出力は、フリッカ抑制用無効電力補償装置３０に接続される。

交流アーク炉では、三相交流の相ごとに電極４の昇降制御を行い、インピーダンスが一定となるように制御する。上述のように、実施形態の無効電力補償装置１０では、三相とも正常にインピーダンス一定制御を行っている場合には、フリッカを抑制するために、フリッカ抑制制御回路２２によって生成された制御信号にもとづいて、無効電力補償動作をする。

一方、単相通電となると、アーク炉への電力投入量が減少するため、遅れ無効電力が減少して、系統の力率が低下する。実施形態の無効電力補償装置１０は、遅れ無効電力の減少量に相当する無効電力指令値を生成して、遅れ無効電力を母線１０１に注入する。

フリッカ抑制用無効電力補償装置（電力変換器）３０は、供給された無効電力指令値に応じた無効電力となるように電圧および電流を生成して、母線１０１に供給する。フリッカ抑制用無効電力補償装置３０は、好ましくは、自励式の電力変換器であり、母線１０１に供給する電力容量や電圧等に応じて適切な回路方式が採用される。

実施形態の無効電力補償装置１０の動作について、説明する。
図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施形態の無効電力補償装置の一部を例示するブロック図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）は、選択回路の構成例である。図２（ａ）に示すように、選択回路２３は、コンパレータ２３１Ｒ，２３１Ｓ，２３１Ｔと、オンディレイ回路２３２Ｒ，２３２Ｓ，２３２Ｔと、ＡＮＤ回路２３３と、を含む。

コンパレータ２３１Ｒ，２３１Ｓ，２３１Ｔは、各相の変流器２に接続されている。コンパレータ２３１Ｒ，２３１Ｓ，２３１Ｔは、あらかじめ設定されたしきい値Ｉｓをそれぞれ含む。コンパレータ２３１Ｒ，２３１Ｓ，２３１Ｔは、各相の線電流がしきい値Ｉｓ以上の場合に、Ｈレベルの信号を出力する。コンパレータ２３１Ｒ，２３１Ｓ，２３１Ｔは、各相の線電流がしきい値Ｉｓよりも小さい場合には、Ｌレベルの信号を出力する。

しきい値Ｉｓは、アーク炉ごとに適切な値が選定されて設定される。しきい値Ｉｓは、たとえばそのアーク炉において、安定にアーク放電を継続しているときの電流値を実測することによって設定され、たとえば放電時の５０％等に設定される。

コンパレータ２３１Ｒ，２３１Ｓ，２３１Ｔの出力は、オンディレイ回路２３２Ｒ，２３２Ｓ，２３２Ｔをそれぞれ介して、ＡＮＤ回路２３３に接続されている。オンディレイ回路２３２Ｒ，２３２Ｓ，２３２Ｔは、Ｈレベルの信号があらかじめ設定されたオンディレイ時間以上の場合に、Ｈレベルの信号を出力する。オンディレイ回路２３２Ｒ，２３２Ｓ，２３２Ｔは、Ｈレベルの信号がオンディレイ時間よりも短い場合、および、Ｌレベルの信号が入力された場合には、Ｌレベルの信号を出力する。

つまり、選択回路２３は、各相の線電流のデータがしきい値Ｉｓ以上となる状態がオンディレイ時間を超えて継続する限り、各相電流に関してＨレベルの信号が出力され、その他の場合にはＬレベルの信号が出力される。

なお、オンディレイ時間を設定することによって、アーク放電による急峻な電流の変動に対して、論理値出力が振動的に変動するのを防止する。

ＡＮＤ回路２３３は、すべての入力（すべてのオンディレイ回路の出力）がＨレベルの場合にＨレベルの信号を出力する。ＡＮＤ回路２３３は、いずれかの入力がＬレベルの場合にＬレベルの信号を出力する。

ＡＮＤ回路２３３の出力、すなわち選択回路２３の出力は、Ｈレベルの場合に切替回路２４をフリッカ抑制制御回路２２に接続する。選択回路２３の出力は、Ｌレベルの場合に切替回路２４を無効電力一定制御回路２１に接続する。

なお、図２（ｂ）に示すように、オンディレイ回路２３３は、ＡＮＤ回路２３３の出力に１つ設けるようにしてもよい。すなわち、選択回路２３ａは、各相に設けられたコンパレータ２３１Ｒ，２３１Ｓ，２３１Ｔと、ＡＮＤ回路２３３と、オンディレイ回路２３４と、を含み、コンパレータ２３１Ｒ，２３１Ｓ，２３１Ｔの出力は、ＡＮＤ回路２３３に接続されている。ＡＮＤ回路２３３の出力には、オンディレイ回路２３４が接続されている。

この場合の選択回路２３ａでは、ＡＮＤ回路２３３の出力がＨレベルの場合に、Ｈレベルの状態がオンディレイ時間以上継続したときに、オンディレイ回路２３４、すなわち選択回路２３ａがＨレベルの信号を出力する。ＡＮＤ回路２３３がＨレベルの信号をオンディレイ時間よりも短い時間出力する場合、および、ＡＮＤ回路２３３がＬレベルの信号を出力する場合には、選択回路２３ａは、Ｌレベルの信号を出力する。

このようにして、実施形態の無効電力補償装置１０は、三相交流の各相の電流のデータを監視して、１つの相で電流値が小さいことを検出した場合に、単相動作であると判定して、不足する遅れ無効電力を母線１０１に注入するように動作する。

実施形態の無効電力補償装置１０の効果について説明する。
実施形態の無効電力補償装置１０では、選択回路２３がすべての相の線電流のデータがしきい値Ｉｓ以上であるか否かを判定する。選択回路２３は、すべての相の線電流のデータがしきい値Ｉｓ以上の場合に、三相交流が供給され、すべての相で一定インピーダンス制御によるアーク放電制御がなされていると判断する。この場合には、フリッカ抑制のための無効電力指令値を生成するので、無効電力補償装置１０は、母線１０１の電圧フリッカを適切に抑制することができる。

一方、三相のうちのいずれかの相の線電流のデータがしきい値Ｉｓを下回った場合には、アーク炉は単相動作しているものと判断し、単相動作によって減少した遅れ無効電力に相当する無効電力指令値を生成する。そのため、無効電力補償装置１０は、アーク炉の単相動作によって減少した遅れ無効電力を補償して力率を改善する。

上述したとおり、交流アーク炉が接続された母線１０１には、交流アーク炉による遅れ無効電力を補償するために、進相コンデンサ４０が連系されている。系統は、変圧器や系統の電線等のリアクタンス成分と進相コンデンサ４０を含むコンデンサ設備等のキャパシタンス成分とを有する。

さらに、母線１０１には、既設ＴＣＲが設けられ、ＴＣＲによる高調波除去のための高調波フィルタ等が設けられている場合も多く、交流アーク炉とこれらの設備等によるインピーダンスネットワークが構築され得る。交流アーク炉では、交流アーク炉を含む系統のインピーダンスネットワークの並列共振による反共振点の周波数が交流電源の２倍の周波数に非常に接近することがある。

交流アーク炉が単相通電による動作をすることにより遅れ無効電力が減少し力率が低下するとともに、比較的大きな高調波電流が母線１０１に流入する。この高調波電流は、直流が重畳された正弦波のような波形を呈しており、二次調波成分が含まれている。

つまり、アーク炉が単相通電による動作をすると、二次調波成分を含む高調波電流が母線１０１に流入し、二次調波の周波数に近い反共振点を有する系統のインピーダンスによって、母線１０１の電圧は大きく歪む。そのため、母線１０１の電圧値が過度に上昇し、母線１０１に接続された機器や装置等に過大に電圧が印加され、破損等の悪影響を及ぼすおそれがある。

実施形態の無効電力補償装置１０によれば、アーク炉が単相通電による動作となることによって、遅れ無効電力が減少した場合に、減少した遅れ無効電力に相当する無効電力指令値を生成して、遅れ無効電力を母線１０１に注入する。そのため、母線電圧の上昇を抑制することができ、母線１０１に接続された機器や装置等に過大な電圧が印加されることを防止できる。

図３は、参考例の無効電力補償装置の一部を例示するブロック図である。
図３の参考例では、上述の実施形態の場合の選択回路２３のＡＮＤ回路２３３がＯＲ回路２３５となっている点で実施形態の場合と相違し、他の点では実施形態の場合と同じである。
図３に示すように、選択回路１２３では、各相に設けられたコンパレータ２３１Ｒ，２３１Ｓ，２３１Ｔから出力される信号は、オンディレイ回路２３２Ｒ，２３２Ｓ，２３２Ｔを介して、ＯＲ回路２３５に入力される。選択回路１２３は、すべての相の電流のデータがしきい値Ｉｓよりも小さい場合に、Ｌレベルの信号を出力し、他の場合には、Ｈレベルの信号を出力する。つまり、いずれかの相の電流のデータが欠落しても、他相の電流のデータがしきい値Ｉｓ以上である場合には、参考例の無効電力補償装置は、フリッカ抑制制御回路によって生成された、フリッカ抑制のための無効電力指令値を生成し続ける。

一方、アーク炉では、１つの相が欠落し、単相通電による動作をすることによって、アーク炉の遅れ無効電力が減少するとともに、反共振点に近い周波数を有する高調波電流が流れることがある。そのため、母線１０１を含む電源系統のインピーダンスが著しく大きくなり、母線１０１の電圧が上昇することとなる。

上述のとおり、選択回路２３の変更点は、ＯＲ回路２３５をＡＮＤ回路に修正するだけである。そのため、無効電力補償装置１０の動作をプログラム等によって実現する場合には、少ない変更点でアーク炉の単相通電による高調波電流を抑制して、安全に運転を継続できる無効電力補償装置１０を実現することができる。

以上説明した実施形態によれば、三相通電によって通常動作する交流アーク炉が、単相通電となった場合でも、母線電圧の上昇を抑制して安全に操業を継続できる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電力系統、２変流器、３炉用変圧器、４電極、５炉体、６スクラップ、７計器用変圧器、１０無効電力補償装置、２０制御装置、２１無効電力一定制御回路、２２フリッカ抑制制御回路、２３選択回路、２４切替回路、３０フリッカ抑制用無効電力補償装置、４０進相コンデンサ、１０１母線

Claims

三相交流が供給される母線に交流アーク炉とともに接続される無効電力補償装置であって、
前記母線に無効電力を注入する電力変換器と、
前記母線に一定の無効電力を供給するための第１制御信号を生成し、前記母線のフリッカを抑制する無効電力を供給するための第２制御信号を生成し、前記第１制御信号および前記第２制御信号のいずれか一方を選択して前記電力変換器に供給する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記交流アーク炉の各相の電流を検出して、検出された各相の電流のデータを、あらかじめ設定されたしきい値と比較して、いずれかの相の電流が前記しきい値を下回った場合に、前記第１制御信号を前記電力変換器に供給し、すべての相の電流のデータが前記しきい値以上の場合に、前記第２制御信号を前記電力変換器に供給する無効電力補償装置。
前記母線には、前記交流アーク炉の遅れ力率を改善する進相コンデンサ、サイリスタ制御リアクトルおよび前記サイリスタ制御リアクトルの高調波を抑制する高調波フィルタが接続された請求項１記載のＡＣアーク炉の無効電力補償装置。
前記制御装置では、
前記第１制御信号は、いずれかの相の電流のデータが所定の時間を超えて前記しきい値を超えることがないときに前記電力変換器に供給され、
前記第２制御信号は、すべての相の電流のデータが前記所定の時間以上前記しきい値以上となったときに前記電力変換器に供給される請求項１または２に記載の無効電力補償装置。