JP7069257B2 - 無効電力補償装置が備える制御回路 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、無効電力補償装置が備える制御回路に関する。

配電系統の系統電圧は、負荷の変動により常に変化している。このような系統電圧の変動を抑制するために、無効電力補償装置が配電系統に設置されている。無効電力補償装置は、系統電圧が低下しているときに進み無効電力を配電系統に供給し、系統電圧が上昇しているときに遅れ無効電力を配電系統に供給することにより、系統電圧の変動を調整する。特許文献１～３は、このような無効電力補償装置の一例を開示する。

特許第５６３４１５０号 特許第５８６２９５５号 特許第５９６３２５０号

配電系統の系統電圧が短時間で大きく変動することがある。このような系統電圧の急変動が生じたときに、系統電圧を定常状態へと高速で復帰させる技術が必要とされている。

本明細書が開示する無効電力補償装置は、インバータ回路の出力電圧を制御して配電系統に無効電力を供給することにより前記配電系統の系統電圧を一定に制御するように構成されている。このような無効電力補償装置が備える制御回路は、第１減算器と、無効電流指令値算出部と、第２減算器と、出力電圧指令値算出部と、駆動部と、を備えることができる。前記第１減算器は、前記配電系統の系統電圧指令値と前記配電系統の系統電圧検出値の偏差である系統電圧偏差を算出するように構成されている。前記無効電流指令値算出部は、前記系統電圧偏差が小さくなるための無効電流指令値を算出するように構成されている。前記第２減算器は、前記無効電流指令値と前記インバータ回路のインバータ電流検出値の偏差である無効電流偏差を算出するように構成されている。前記出力電圧指令値算出部は、前記無効電流偏差が小さくなるための前記インバータ回路の出力電圧指令値を算出するように構成されている。前記駆動部は、前記出力電圧指令値に基づいて前記インバータ回路を駆動するように構成されている。前記無効電流指令値算出部は、系統インピーダンス算出部と、第１制御器と、第２制御器と、切換部と、を有することができる。前記系統インピーダンス算出部は、前記配電系統の系統インピーダンスを算出するように構成されている。前記第１制御器は、積分器を有しており、前記系統電圧偏差に基づいて第１無効電流指令値を算出するように構成されている。前記第２制御器は、前記配電系統の系統インピーダンスに基づいて第２無効電流指令値を算出するように構成されている。前記切換部は、前記第１制御器が算出した前記第１無効電流指令値を前記無効電流指令値として前記第２減算器に入力する第１制御モードと、前記第２制御器が算出した前記第２無効電流指令値を前記無効電流指令値として前記第２減算器に入力する第２制御モードと、を切り換えるように構成されている。前記切換部は、前記第１制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が閾値を超えたときに、前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り換えるように構成されている。ここで、「閾値を超える」とは、上限閾値を上回るように超える場合であってもよく、下限閾値を下回るように超える場合であってもよく、それら双方の場合が含まれていてもよい。また、「上限閾値を上回る」とは、「上限閾値以上」の意味であってもよく、「上限閾値よりも大きい」の意味であってもよい。同様に、「下限閾値を下回る」とは、「下限閾値以下」の意味であってもよく、「下限閾値よりも小さい」の意味であってもよい。

前記系統電圧の急変動が生じた場合、前記第１制御モードが実行する制御では、前記第１制御器が有する前記積分器の影響によりそのような急変動に高速で対応することができない。また、前記系統電圧の急変動が生じた場合、前記系統電圧を定常状態へと復帰させるためには、大きな操作量が必要となる。例えば、このような操作量として固定値を利用することが考えられる。しかしながら、操作量として固定値を利用する場合、前記配電系統に接続される負荷特性によっては前記系統電圧を過剰に変動させてしまう虞がある。このため、操作量に固定値を利用する場合、安全性を考慮して小さい操作量としなければならず、高速な制御が難しい。本明細書が開示する前記制御回路は、前記系統電圧の急変動が生じたときに、前記第２制御モードを実行する。前記第２制御モードでは、前記第２制御器が前記配電系統の前記系統インピーダンスに基づいて前記第２無効電流指令値を算出し、その第２無効電流指令値が前記第２減算器に入力される。このように、前記第２制御モードが実行する制御では、前記配電系統に接続される負荷特性に依存した制御が可能となる。これにより、前記第２制御モードでは、前記系統電圧を定常状態へと高速で復帰させることができる。

配電系統の構成を説明するための配電系統の概念図を示す。 無効電力補償装置が備える制御回路の制御ブロック図を示す。 進み無効電力を供給するために無効電流指令値算出部が実行する制御フローを示す。 遅れ無効電力を供給するために無効電流指令値算出部が実行する制御フローを示す。 低圧配電線の系統電圧の変動と無効電流指令値算出部が実行する制御モードの関係を示す。 進み無効電力を供給するために無効電流指令値算出部が実行する制御フローの変形例を示す。 遅れ無効電力を供給するために無効電流指令値算出部が実行する制御フローの変形例を示す。 系統インピーダンスを計測する方法を説明するための図を示す。

（配電系統の構成）
図１に、配電系統の構成を説明するための配電系統の概念図を示す。配電用変電所１の２次側に高圧配電線２が接続されている。その高圧配電線２の系統電圧の変動を抑えるために、高圧配電線２の線路途中に例えばＳＶＲ（Step Voltage Regulator）３が設置されている。高圧配電線２には、例えば柱上変圧器４を介して低圧配電線５が接続されている。低圧配電線５には複数の負荷６が接続されている。これら負荷６の各々は、例えば一般家庭の負荷、自然エネルギーを利用して発電された余剰電力を低圧配電線５に供給する負荷（例えば太陽電池等）である。なお、高圧配電線２の系統電圧は例えば６６００Ｖであり、低圧配電線５の系統電圧は例えば２００Ｖである。

（無効電力補償装置の構成）
低圧配電線５の系統電圧の変動を抑えるために、低圧配電線５に無効電力補償装置１０が設置されている。無効電力補償装置１０は、連係リアクトル１２と、連係リアクトル１２を介して低圧配電線５の連係点Ｐ１に並列接続されているインバータ回路１４と、インバータ回路１４の電位を確立するためにインバータ回路１４に接続されているコンデンサ１６と、インバータ回路１４に含まれる複数の半導体スイッチング素子の駆動を制御する制御回路１８と、を備えている。

無効電力補償装置１０は、インバータ回路１４の出力電圧を低圧配電線５の系統電圧の位相と同期させるとともにその大きさを変化させることにより、低圧配電線５の系統電圧を調整するように構成されている。例えば、負荷６の変動により低圧配電線５の系統電圧が低下した場合、無効電力補償装置１０は、インバータ回路１４の出力電圧が低圧配電線５の系統電圧よりも大きくなるように制御する。これにより、連係リアクトル１２が進相コンデンサとして動作し、進み無効電力が低圧配電線５に供給され、低圧配電線５の系統電圧が上昇する。一方、負荷６の変動により低圧配電線５の系統電圧が上昇した場合、無効電力補償装置１０は、インバータ回路１４の出力電圧が低圧配電線５の系統電圧よりも小さくなるように制御する。これにより、連係リアクトル１２が分路リアクトルとして動作し、遅れ無効電力が低圧配電線５に供給され、低圧配電線５の系統電圧が低下する。このように、無効電力補償装置１０は、低圧配電線５の系統電圧の変動に応じてインバータ回路１４の出力電圧を制御することにより、低圧配電線５の系統電圧が一定となるように調整することができる。

（無効電力補償装置の制御回路の構成）
図２に、無効電力補償装置１０の制御回路１８の制御ブロック図を示す。制御回路１８は、第１減算器１０２と、無効電流指令値算出部１０４と、第２減算器１０６と、出力電圧指令値算出部１０８と、駆動部１１０と、を備えている。

第１減算器１０２は、系統電圧指令値Ｖｒｅｆと系統電圧検出値Ｖｄｅｔの偏差である系統電圧偏差Ｖｄｅｖを算出するように構成されている。系統電圧指令値Ｖｒｅｆは、低圧配電線５の系統電圧に定められた許容電圧範囲（例えば２０２±２０Ｖ）内に設定された電圧であり、例えば２００Ｖである。系統電圧検出値Ｖｄｅｔは、低圧配電線５の連係点Ｐ１で検出された系統電圧である。第１減算器１０２には、系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓも入力している。この系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓは、低圧配電線５の系統インピーダンスを計測するために第１減算器１０２に加算される電圧である。なお、系統インピーダンスを計測する方法については後述する。

無効電流指令値算出部１０４は、系統電圧偏差Ｖｄｅｖが無くなるように、系統電圧偏差Ｖｄｅｖに基づいて無効電流指令値Ｉｃｏｍを算出するように構成されている。無効電流指令値算出部１０４は、ＰＩ制御器１１２と、高速制御器１１４と、系統インピーダンス算出部１１５と、切換部１１６と、を有している。なお、ＰＩ制御器１１２が第１制御器の一例であり、高速制御器１１４が第２制御器の一例である。

ＰＩ制御器１１２は、ＰＩ制御を実行するものであり、系統電圧偏差Ｖｄｅｖに基づいて第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１を算出するように構成されている。高速制御器１１４は、低圧配電線５の系統インピーダンスに基づいて第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２を算出するように構成されている。この例では、高速制御器１１４は、系統電圧偏差Ｖｄｅｖと低圧配電線５の系統インピーダンスの逆数（１／Ｚ）の積から第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２を算出するように構成されている。系統インピーダンス算出部１１５は、低圧配電線５の系統インピーダンスを算出するように構成されている。この例では、系統インピーダンス算出部１１５は、系統インピーダンスの逆数を算出し、高速制御器１１４に出力するように構成されている。また、系統インピーダンス算出部１１５には、系統インピーダンスを計測するために、インバータ回路１４（図１参照）の出力電流であるインバータ電流検出値Ｉｉｎｖと系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓとが入力している。後述するように、系統インピーダンス算出部１１５には、系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓに代えて系統電圧検出値Ｖｄｅｔが入力してもよい。

切換部１１６は、第２減算器１０６との接続先をＰＩ制御器１１２と高速制御器１１４の間で切り換えるように構成されている。切換部１１６がＰＩ制御器１１２と第２減算器１０６を接続すると、ＰＩ制御器１１２が出力する第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１が無効電流指令値Ｉｃｏｍとして第２減算器１０６に入力する。切換部１１６が高速制御器１１４と第２減算器１０６を接続すると、高速制御器１１４が出力する第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２が無効電流指令値Ｉｃｏｍとして第２減算器１０６に入力する。このように、無効電流指令値算出部１０４は、切換部１１６を利用することにより、ＰＩ制御器１１２が算出した第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１を第２減算器１０６に入力する第１制御モードと、高速制御器１１４が算出した第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２を第２減算器１０６に入力する第２制御モードと、を切り換えるように構成されている。

第２減算器１０６は、無効電流指令値Ｉｃｏｍとインバータ電流検出値Ｉｉｎｖの偏差である無効電流偏差Ｉｄｅｖを算出するように構成されている。

出力電圧指令値算出部１０８は、無効電流偏差Ｉｄｅｖが無くなるように、無効電流偏差Ｉｄｅｖに基づいてインバータ回路１４（図１参照）の出力電圧指令値Ｖｉｎｖを算出するように構成されている。出力電圧指令値算出部１０８は、例えばＰＩ制御を実行するＰＩ制御器によって構成されている。

駆動部１１０は、出力電圧指令値Ｖｉｎｖに基づいて駆動パルスを生成するように構成されている。駆動パルスは、例えばＰＷＭ制御方式に基づいて生成されるＰＷＭ信号である。駆動部１１０は、この駆動パルスを用いてインバータ回路１４（図１参照）に含まれる複数の半導体スイッチング素子のオン・オフを切り換えることにより、インバータ回路１４（図１参照）の出力電圧を制御する。

このように、無効電力補償装置１０の制御回路１８は、低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが系統電圧指令値Ｖｒｅｆと一致するように、系統電圧指令値Ｖｒｅｆと系統電圧検出値Ｖｄｅｔの偏差である系統電圧偏差Ｖｄｅｖに基づいてインバータ回路１４（図１参照）の出力電圧をフィードバック制御するように構成されている。

（無効電力補償装置の制御回路が実行する制御フロー）
上記したように、無効電流指令値算出部１０４は、ＰＩ制御器１１２が算出した第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１を第２減算器１０６に入力する第１制御モードと、高速制御器１１４が算出した第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２を第２減算器１０６に入力する第２制御モードと、を切り換えるように構成されている。無効電流指令値算出部１０４は、低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが安定している場合に第１制御モードを実行し、例えば重負荷の解列又は接続によって低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが短時間で大きく変動する場合に第２制御モードを実行するように構成されている。なお、低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが短時間で大きく変動するケースには様々な要因があり、重負荷の解列又は接続に限られない。例えば、電源の解列又は接続によっても低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔは短時間で大きく変動することがある。第２制御モードは、様々な要因で低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが短時間で大きく変動した場合に実行される。

図３及び図４に、無効電流指令値算出部１０４が実行する制御フローを示す。図３の制御フローは、低圧配電線５に進み無効電力を供給するためのロジックを構成しており、図４の制御フローは、遅れ無効電力を供給するためのロジックを構成している。この例に代えて、低圧配電線５に進み無効電力を供給するためのロジックと遅れ無効電力を供給するためのロジックが組み合わされるように構成されてもよい。これらの制御フローは、系統電圧検出値Ｖｄｅｔとインバータ電流検出値Ｉｉｎｖの周期的なサンプリングポイント毎に実行される。図５に、系統電圧偏差Ｖｄｅｖの変動と無効電流指令値算出部１０４が実行する制御モードの関係を示す。なお、図５に示す閾値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ４は、無効電流指令値算出部１０４が第１制御モードから第２制御モードに切り換えるときの条件となる閾値電圧である。系統電圧指令値ＶｒｅｆからＶｔｈ４だけ低い電圧を第１下限閾値とし、系統電圧指令値ＶｒｅｆからＶｔｈ１だけ高い電圧を第１上限閾値とする。図５に示す閾値Ｖｔｈ２、Ｖｔｈ３は、無効電流指令値算出部１０４が第２制御モードから第１制御モードに切り換えるときの条件となる閾値電圧である。系統電圧指令値ＶｒｅｆからＶｔｈ３だけ低い電圧を第２下限閾値とし、系統電圧指令値ＶｒｅｆからＶｔｈ２だけ高い電圧を第２上限閾値とする。第１上限閾値（Ｖｔｈ１）に対し第２上限閾値（Ｖｔｈ２）が復帰閾値として設定されており、第１下限閾値（Ｖｔｈ４）に対し第２下限閾値（Ｖｔｈ３）が復帰閾値として設定されている。なお、第１上限閾値（Ｖｔｈ１）と第２上限閾値（Ｖｔｈ２）の符号が一致していなくてもよく、第１下限閾値（Ｖｔｈ４）と第２下限閾値（Ｖｔｈ３）の符号が一致していなくてもよい。

以下、進み無効電力を供給するためのロジックを記述する図３を参照し、無効電流指令値算出部１０４が実行する制御フローを説明する。遅れ無効電力を供給するためのロジックを記述する図４の説明を省略するが、図３の説明に基づいて図４についても同様に説明される。

まず、低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが安定している場合の制御フローを説明する。この制御は、図５のＴ１よりも前の期間、Ｔ２とＴ３の間の期間、Ｔ４よりも後の期間に対応する。なお、初期状態は第１制御モードに設定されている。図３に示すように、無効電流指令値算出部１０４は、ステップＳ１１において、系統電圧偏差Ｖｄｅｖが第１上限閾値（Ｖｔｈ１）を上回っているか否かを判定する。低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔは安定しているので、系統電圧偏差Ｖｄｅｖは、第１上限閾値（Ｖｔｈ１）よりも低い。したがって、ステップＳ１１の判定結果は「ＮＯ」となる。無効電流指令値算出部１０４は、ステップＳ１３において、現在の制御モードが第２制御モードであるか否かを判定する。低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔは安定しているので、第１制御モードが継続されている。したがって、ステップＳ１３の判定結果は「ＮＯ」となる。無効電流指令値算出部１０４は、ステップＳ１７において、第１制御モードを実行（即ち、切換部１１６がＰＩ制御器１１２と第２減算器１０６を接続）する。このように、低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが安定している場合、第１制御モードが継続して実行される。

この第１制御モードでは、ＰＩ制御器１１２が制御系に組み込まれているので、低圧配電線５の系統電圧は系統電圧指令値Ｖｒｅｆと良く一致するように、即ち、定常偏差がゼロとなるように制御される。このように、低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが安定している場合、低圧配電線５の系統電圧は系統電圧指令値Ｖｒｅｆと良く一致するように制御される。

次に、低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが短時間で大きく変動する場合の制御フローを説明する。この制御は、図５のＴ１のタイミングに対応する（なお、図４の制御フローでは図５のＴ３のタイミングに対応する）。図３に示すように、無効電流指令値算出部１０４は、ステップＳ１１において、系統電圧偏差Ｖｄｅｖが第１上限閾値（Ｖｔｈ１）を上回っているか否かを判定する。低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが急変動すると、系統電圧偏差Ｖｄｅｖは第１上限閾値（Ｖｔｈ１）を上回って変動する。したがって、ステップＳ１１の結果は「ＹＥＳ」となる。無効電流指令値算出部１０４は、ステップＳ１２において、第２制御モードを実行（即ち、切換部１１６が高速制御器１１４と第２減算器１０６を接続）する。このように、低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが急変動する場合、第２制御モードが実行される。

この第２制御モードでは、系統電圧偏差Ｖｄｅｖと低圧配電線５の系統インピーダンスの逆数（１／Ｚ）の積である第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２が無効電流指令値Ｉｃｏｍとして用いられる。したがって、第２制御モードが実行する制御には、ＰＩ制御器１１２の制御のような積分項が含まれていない。このため、第２制御モードでは、ＰＩ制御器１１２の積分項の影響による応答遅れといった事態が発生せず、高速な制御が可能となっている。また、この第２制御モードでは、低圧配電線５の系統インピーダンスに基づいて第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２が算出されているので、低圧配電線５に接続される負荷６（図１参照）の特性に依存した制御が可能となる。第２制御モードでは、この点においても、高速な制御が可能となっている。なお、この第２制御モードでは、系統電圧偏差Ｖｄｅｖと低圧配電線５の系統インピーダンスの逆数（１／Ｚ）の積から第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２を算出しているが、低圧配電線５の系統インピーダンスを独立変数として含む関数を利用すれば、上記と同様な効果を発揮することができる。例えば、第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２は、進み無効電力を供給する場合には第１上限閾値Ｖｔｈ１と低圧配電線５の系統インピーダンスの逆数（１／Ｚ）の積から算出されてもよく、遅れ無効電力を供給する場合には第１下限閾値Ｖｔｈ４と低圧配電線５の系統インピーダンスの逆数（１／Ｚ）の積から算出されてもよい。

このように、無効電流指令値算出部１０４は、低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが安定している場合、ＰＩ制御器１１２を用いた第１制御モードを実行し、正確な制御を可能とする。一方、無効電流指令値算出部１０４は、低圧配電線５の系統電圧検出値Ｖｄｅｔが急変動する場合、高速制御器１１４を用いた第２制御モードを実行し、高速な制御を可能とする。無効電流指令値算出部１０４は、系統電圧偏差Ｖｄｅｖに基づいて制御モードを切り換えることにより、正確な制御と高速な制御を両立させることができる。

次に、第２制御モードから第１制御モードに復帰する場合の制御フローを説明する。この制御は、図５のＴ２のタイミングに対応する（なお、図４の制御フローでは図５のＴ４のタイミングに対応する）。図３に示すように、無効電流指令値算出部１０４は、ステップＳ１１において、系統電圧偏差Ｖｄｅｖが第１上限閾値（Ｖｔｈ１）を上回っているか否かを判定する。第２制御モードの実行により系統電圧偏差Ｖｄｅｖは小さくなっており、系統電圧偏差Ｖｄｅｖが第１上限閾値（Ｖｔｈ１）よりも低い。したがって、ステップＳ１１の判定結果は「ＮＯ」となる。無効電流指令値算出部１０４は、ステップＳ１３において、現在の制御モードが第２制御モードか否かを判定する。現在の制御モードは第２制御モードなので、判定結果は「ＹＥＳ」となる。無効電流指令値算出部１０４は、ステップＳ１４において、系統電圧偏差Ｖｄｅｖが第２上限閾値（Ｖｔｈ２）を下回っているか否かを判定する。系統電圧偏差Ｖｄｅｖが第２上限閾値（Ｖｔｈ２）を下回っていなければステップＳ１２に進み、第２制御モードが継続される。系統電圧偏差Ｖｄｅｖの値が十分に小さくなると、系統電圧偏差Ｖｄｅｖは第２上限閾値（Ｖｔｈ２）を下回って変動する。この場合、ステップＳ１６に進む。

無効電流指令値算出部１０４は、ステップＳ１６において、第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１の積分項を調整した後に、ステップＳ１７において、第１制御モードを実行（即ち、切換部１１６がＰＩ制御器１１２と第２減算器１０６を接続）する。より具体的には、無効電流指令値算出部１０４は、ステップＳ１６において、切換時の第１制御モードの第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１が切換直前の第２制御モードの前記第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２に近い値となるように、切換直前の第２制御モードの前記第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２に基づいて第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１の積分項を調整する。これにより、第２制御モードから第１制御モードに復帰するときに、第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２と第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１の差が小さくなり、切換前後の無効電流指令値Ｉｃｏｍの変動が小さくなる。

ここで、ステップＳ１６で実行される第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１の積分項の調整についてさらに詳しく説明する。ＰＩ制御器１１２の第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１は、比例項（比例ゲイン出力であり、以下の数式で「ＭＶｐ」とする）と積分項（積分ゲイン出力であり、以下の数式で「ＭＶｉ」とする）の合計であり、以下の数式で表すことができる。

第２制御モードから第１制御モードへの切換時のサンプリングポイントを［ｎ］回目のサンプリングポイントとすると、切換直前のサンプリングポイントは［ｎ－１］回目である。切換直前の［ｎ－１］回目のサンプリングポイントでは第２制御モードが実行されており、そのときの高速制御器１１４が算出する第２無効電流指令値はＩｃｏｍ２［ｎ－１］である。切換直前の［ｎ－１］回目のサンプリングポイントで第１制御モードが実行されていたと仮定すると、そのときの第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１［ｎ－１］は、以下の数式となる。

ステップＳ１６では、Ｉｃｏｍ１［ｎ－１］をＩｃｏｍ２［ｎ－１］に置き換えることで、ＰＩ制御器１１２の積分項に含まれる前回のサンプリングポイントの積分項を以下の数式に設定する。

このような積分項の調整により、調整をしない場合に比して積分項が大きく調整される。これにより、切換時の第１制御モードでは、第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１が切換直前の第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２に近い値に調整される。この結果、切換前後の無効電流指令値Ｉｃｏｍの変動が小さくなり、インバータ回路１４の操作量の急激な変動が抑えられる。

（無効電力補償装置の制御回路が実行する制御フローの変形例）
図６及び図７に、無効電流指令値算出部１０４が実行する制御フローの変形例を示す。図６が進み無効電力を供給するためのロジックの変形例であり、図７が遅れ無効電力を供給するためのロジックの変形例である。配電系統の系統インピーダンスの検出値に誤差があると、第２制御モードから第１制御モードに復帰させることが困難になる場合がある。例えば、配電系統の系統インピーダンスの検出値が真の値よりも大きい値として検出された場合、高速制御器１１４が算出する第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２（系統電圧偏差Ｖｄｅｖと配電系統の系統インピーダンスの逆数（１／Ｚ）の積）の値は小さい値となり、系統電圧偏差Ｖｄｅｖが第２上限閾値（Ｖｔｈ２）よりも低い値、又は、第２下限閾値（Ｖｔｈ３）よりも高い値に復帰できない事態が生じ得る。この場合、配電系統の系統インピーダンスの検出値の誤差が解消されない限り、系統電圧偏差Ｖｄｅｖが第２上限閾値（Ｖｔｈ２）を上回った状態、又は、第２下限閾値（Ｖｔｈ３）を下回った状態が維持されてしまう。図３及び図４の制御フローでは、ステップＳ１４からステップＳ１２への流れが継続し、系統電圧偏差Ｖｄｅｖのオフセットが維持されることが起こり得る。

図６及び図７に示すように、この変形例の制御フローでは、新たにステップＳ１５が追加されている。図６の場合、無効電流指令値算出部１０４は、このステップＳ１５において、ＰＩ制御器１１２の第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１が高速制御器１１４の第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２を上回ったか否かを判定する。図７の場合、無効電流指令値算出部１０４は、このステップＳ１５において、ＰＩ制御器１１２の第１無効電流指令値Ｉｃｏｍ１が高速制御器１１４の第２無効電流指令値Ｉｃｏｍ２を下回ったか否かを判定する。図６及び図７のステップ１５の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、系統インピーダンスの検出値の誤差によって系統電圧偏差Ｖｄｅｖのオフセットが維持される可能性があることから、ステップＳ１６へと進み、第２制御モードから第１制御モードに復帰させる。第１制御モードの実行により系統インピーダンスの検出値の誤差の影響は無視されるので、低圧配電線５の系統電圧は系統電圧指令値Ｖｒｅｆと良く一致するように制御される。なお、ステップＳ１５が「ＹＥＳ」の場合、ステップＳ１６をスキップしてステップＳ１７に進んでもよい。

（系統インピーダンスの計測方法）
以下、図８を参照し、系統インピーダンス算出部１１５（図２参照）が系統インピーダンスを計測する１つの方法について説明する。このような系統インピーダンスの計測は、上記した第１制御モードのときに実施される。なお、系統インピーダンスを計測する手法は、以下で説明する方法に限定されるものではなく、他の方法が用いられてもよい。

図２を参照して説明したように、第１減算器１０２には、系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓが入力しており、その系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓは系統電圧指令値Ｖｒｅｆに加算されている。その様子を図６に示す。正負の系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓが系統電圧指令値Ｖｒｅｆに周期的に加算されている。時間Ｔ１１，Ｔ１３，Ｔ１５のタイミングで正の系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓが系統電圧指令値Ｖｒｅｆに加算され、時間Ｔ１２，Ｔ１４のタイミングで負の系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓが系統電圧指令値Ｖｒｅｆに加算される。正の系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓが加算されると、それに追随して系統電圧及びインバータ出力電流が上昇する。負の系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓが加算されると、それに追随して系統電圧及びインバータ出力電流が低下する。なお、系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓの周波数は、任意の周波数でよい。

系統電圧及びインバータ出力電流が安定するタイミング（上向き矢印で示されるタイミング）がサンプリングポイントである。このサンプリングポイントにおいて、インバータ回路１４のインバータ出力電流の検出値であるインバータ電流検出値Ｉｉｎｖがサンプリングされる。

配電系統の系統インピーダンスの逆数（１／Ｚ）は、以下の数式によって算出される。ここで、「ｎ」は、時系列データのデータ番号である。

このように、無効電力補償装置１０は、系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓを系統電圧指令値Ｖｒｅｆに周期的に加算させることで、低圧配電線５の系統インピーダンスを系統インピーダンス計測用指令値Ｖｍｅｓの変化量（数式４の分母に相当）とインバータ電流検出値Ｉｉｎｖの変化量（数式４の分子に相当）から周期的に計測することができる。なお、数式４のＶｍｅｓ［ｎ］－Ｖｍｅｓ［ｎ－１］については、系統電圧検出値Ｖｄｅｔを用いてＶｄｅｔ［ｎ］－Ｖｄｅｔ［ｎ－１］から算出することもできる。

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

本明細書が開示する無効電力補償装置の一実施形態は、インバータ回路の出力電圧を制御して配電系統に無効電力を供給することにより前記配電系統の系統電圧を一定に制御するように構成されている。このような無効電力補償装置が備える制御回路は、第１減算器と、無効電流指令値算出部と、第２減算器と、出力電圧指令値算出部と、駆動部と、を備えることができる。前記第１減算器は、前記配電系統の系統電圧指令値と前記配電系統の系統電圧検出値の偏差である系統電圧偏差を算出するように構成されている。前記無効電流指令値算出部は、前記系統電圧偏差が小さくなるための無効電流指令値を算出するように構成されている。前記第２減算器は、前記無効電流指令値と前記インバータ回路のインバータ電流検出値の偏差である無効電流偏差を算出するように構成されている。前記出力電圧指令値算出部は、前記無効電流偏差が小さくなるための前記インバータ回路の出力電圧指令値を算出するように構成されている。前記駆動部は、前記出力電圧指令値に基づいて前記インバータ回路を駆動するように構成されている。前記無効電流指令値算出部は、系統インピーダンス算出部と、第１制御器と、第２制御器と、切換部と、を有することができる。前記系統インピーダンス算出部は、前記配電系統の系統インピーダンスを算出するように構成されている。前記第１制御器は、積分器を有しており、前記系統電圧偏差に基づいて第１無効電流指令値を算出するように構成されている。前記第１制御器は、前記積分器を含む限りどのような制御器であってよく、例えばＰＩ制御器又はＰＩＤ制御器であってもよい。前記第２制御器は、前記配電系統の系統インピーダンスに基づいて第２無効電流指令値を算出するように構成されている。前記切換部は、前記第１制御器が算出した前記第１無効電流指令値を前記無効電流指令値として前記第２減算器に入力する第１制御モードと、前記第２制御器が算出した前記第２無効電流指令値を前記無効電流指令値として前記第２減算器に入力する第２制御モードと、を切り換えるように構成されている。前記切換部は、前記第１制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が閾値を超えたときに、前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り換えるように構成されている。

上記制御回路の前記第２制御器は、前記系統電圧偏差と前記配電系統の前記系統インピーダンスの逆数の積から前記第２無効電流指令値を算出するように構成されていてもよい。

前記切換部は、前記第１制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が第１上限閾値を上回ったときに、前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り換え、前記第２制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が前記第１上限閾値よりも低い第２上限閾値を下回ったときに、前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り換える、ように構成されていてもよい。上記制御回路は、進み無効電力を供給することで前記系統電圧偏差が急上昇した場合に対処することができる。さらに、前記切換部は、前記系統電圧偏差が前記第１上限閾値を上回った後の前記第２制御モードにおいて、前記第１制御器が算出した前記第１無効電流指令値が前記第２制御器が算出した前記第２無効電流指令値を上回ったときに、前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り換えるように構成されていてもよい。

前記切換部は、前記第１制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が第１下限閾値を下回ったときに、前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り換え、前記第２制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が前記第１下限閾値よりも高い第２下限閾値を上回ったときに、前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り換える、ように構成されていてもよい。上記制御回路は、遅れ無効電力を供給することで前記系統電圧偏差が急降下した場合に対処することができる。さらに、前記切換部は、前記系統電圧偏差が前記第１下限閾値を下回った後の前記第２制御モードにおいて、前記第１制御器が算出した前記第１無効電流指令値が前記第２制御器が算出した前記第２無効電流指令値を下回ったときに、前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り換えるように構成されていてもよい。

上記制御回路の前記切換部は、前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り換えるときに、切換時の前記第１制御モードの前記第１無効電流指令値が切換直前の前記第２制御モードの前記第２無効電流指令値に近い値となるように、切換直前の前記第２制御モードの前記第２無効電流指令値に基づいて前記第１制御器の積分項を調整するように構成されていてもよい。

前記系統インピーダンス算出部は、前記系統電圧指令値に系統インピーダンス計測用指令値を加算したときの前記インバータ電流検出値の変化量と、前記系統インピーダンス計測用指令値又は前記系統電圧検出値のいずれか一方の変化量と、に基づいて前記系統インピーダンスを算出するように構成されていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０ ：無効電力補償装置
１４ ：インバータ回路
１８ ：制御回路
１０２ ：第１減算器
１０４ ：無効電流指令値算出部
１０６ ：第２減算器
１０８ ：出力電圧指令値算出部
１１０ ：駆動部
１１２ ：ＰＩ制御器
１１４ ：高速制御器
１１５ ：系統インピーダンス算出部
１１６ ：切換部

Claims (8)

1. インバータ回路の出力電圧を制御して配電系統に無効電力を供給することにより前記配電系統の系統電圧を一定に制御する無効電力補償装置が備える制御回路であって、
   前記配電系統の系統電圧指令値と前記配電系統の系統電圧検出値の偏差である系統電圧偏差を算出するように構成されている第１減算器と、
   前記系統電圧偏差が小さくなるための無効電流指令値を算出するように構成されている無効電流指令値算出部と、
   前記無効電流指令値と前記インバータ回路のインバータ電流検出値の偏差である無効電流偏差を算出するように構成されている第２減算器と、
   前記無効電流偏差が小さくなるための前記インバータ回路の出力電圧指令値を算出するように構成されている出力電圧指令値算出部と、
   前記出力電圧指令値に基づいて前記インバータ回路を駆動するように構成されている駆動部と、を備えており、
   前記無効電流指令値算出部は、
   前記配電系統の系統インピーダンスを算出する系統インピーダンス算出部と、
   積分器を有する第１制御器であって、前記系統電圧偏差に基づいて第１無効電流指令値を算出するように構成されている第１制御器と、
   前記配電系統の前記系統インピーダンスに基づいて第２無効電流指令値を算出するように構成されている第２制御器と、
   前記第１制御器が算出した前記第１無効電流指令値を前記無効電流指令値として前記第２減算器に入力する第１制御モードと、前記第２制御器が算出した前記第２無効電流指令値を前記無効電流指令値として前記第２減算器に入力する第２制御モードと、を切り換えるように構成されている切換部と、を有しており、
   前記切換部は、前記第１制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が閾値を超えたときに、前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り換えるように構成されている、制御回路。
2. 前記第２制御器は、前記系統電圧偏差と前記配電系統の前記系統インピーダンスの逆数の積に基づいて前記第２無効電流指令値を算出するように構成されている、請求項１に記載の制御回路。
3. 前記切換部は、
   前記第１制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が第１上限閾値を上回ったときに、前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り換え、
   前記第２制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が前記第１上限閾値よりも低い第２上限閾値を下回ったときに、前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り換える、ように構成されている、請求項１又は２に記載の制御回路。
4. 前記切換部は、前記系統電圧偏差が前記第１上限閾値を上回った後の前記第２制御モードにおいて、前記第１制御器が算出した前記第１無効電流指令値が前記第２制御器が算出した前記第２無効電流指令値を上回ったときに、前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り換えるように構成されている、請求項３に記載の制御回路。
5. 前記切換部は、
   前記第１制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が第１下限閾値を下回ったときに、前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り換え、
   前記第２制御モードにおいて、前記系統電圧偏差が前記第１下限閾値よりも高い第２下限閾値を上回ったときに、前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り換える、ように構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の制御回路。
6. 前記切換部は、前記系統電圧偏差が前記第１下限閾値を下回った後の前記第２制御モードにおいて、前記第１制御器が算出した前記第１無効電流指令値が前記第２制御器が算出した前記第２無効電流指令値を下回ったときに、前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り換えるように構成されている、請求項５に記載の制御回路。
7. 前記切換部は、前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り換えるときに、切換時の前記第１制御モードの前記第１無効電流指令値が切換直前の前記第２制御モードの前記第２無効電流指令値に近い値となるように、切換直前の前記第２制御モードの前記第２無効電流指令値に基づいて前記第１制御器の積分項を調整するように構成されている、請求項３～６のいずれか一項に記載の制御回路。
8. 前記系統インピーダンス算出部は、前記系統電圧指令値に系統インピーダンス計測用指令値を加算したときの前記インバータ電流検出値の変化量と、前記系統インピーダンス計測用指令値又は前記系統電圧検出値のいずれか一方の変化量と、に基づいて前記系統インピーダンスを算出するように構成されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の制御回路。

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