JP7079407B2

JP7079407B2 - 無効電力補償装置及びその制御回路

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Publication number: JP7079407B2
Application number: JP2018031453A
Authority: JP
Inventors: 博篠原
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2022-06-02
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: JP2019149849A

Description

本発明は、例えば、電力系統の三相または二相短絡事故によって発生する瞬時電圧低下を補償する無効電力補償装置及びその制御回路に関するものである。

図２は、無効電力補償装置の概略的な構成図である。
図２において、電力系統２０に連系される無効電力補償装置１０は、インバータ１１と変圧器１２と遮断器１３とを備えている。インバータ１１は、例えば図３に示すように、直流中間回路に設けられるコンデンサ１１ａと、還流ダイオードが接続されたＩＧＢＴやＧＴＯサイリスタ等の半導体スイッチング素子１１ｂ～１１ｇとによって構成されている。

上記の無効電力補償装置１０は、インバータ１１の出力電圧Ｖ_ｉ及び出力電流Ｉ_ｉを制御して電力系統２０に無効電力を注入し、電力系統２０のリアクタンス成分及び無効電流によって系統電圧Ｖ_ｓの変動を補償している。

図４は、無効電力補償装置１０の制御回路を示すブロック図である。
図４において、正相成分演算器３２は系統電圧Ｖ_ｓの正相分（正相電圧）を検出し、電圧指令値と電圧検出値との偏差が減算器３６ｂにより演算される。電圧制御器３１ｑは、上記偏差を零にするように動作して無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊を演算し、三相電流演算器３３に出力する。

ここで、インバータ１１を構成する半導体スイッチング素子１１ｂ～１１ｇや還流ダイオード等の動作によって損失が発生し、その結果、コンデンサ１１ａの電圧が低下すると、インバータ１１は所望の交流電圧を出力できなくなる。これを防止するため、インバータ１１の直流電圧設定値と直流電圧検出値との偏差を減算器３６ａにより演算し、電圧制御器３１ｄが上記偏差を零にするように動作して有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊を演算し、三相電流演算器３３に出力する。

三相電流演算器３３は、無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊及び有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊を用いて座標変換を行い、インバータ１１の三相電流指令値Ｉ_ｉ ^＊を演算する。減算器３６ｃは電流指令値Ｉ_ｉ ^＊と電流検出値Ｉ_ｉとの偏差を演算し、電流制御器３４は上記偏差が零になるように動作してインバータ１１の出力電圧指令値Ｖ_ｉ ^＊を演算する。この出力電圧指令値Ｖ_ｉ ^＊に従ってＰＷＭ（パルス幅変調）演算器３５が駆動パルスを生成し、インバータ１１の半導体スイッチング素子１１ｂ～１１ｇをオン・オフさせる。

上記の動作により、例えば電力系統２０に三相または二相短絡事故が発生して系統電圧Ｖ_ｓが瞬時に低下した場合、無効電力補償装置１０から電力系統２０に対して、無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊に応じた無効電力が注入されるため電力系統２０の正相電圧が増加し、系統電圧Ｖ_ｓを上昇させる。同時に、有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊に応じた有効電力が電力系統２０からコンデンサ１１ａに供給されることにより、インバータ１１の直流電圧を設定値に維持するような制御が行われる。
なお、上述した有効電流指令の代わりに有効電力指令を用い、無効電流指令の代わりに無効電力指令を用いても良いのは言うまでもない。

この種の制御回路は、例えば特許文献１に記載されている。なお、特許文献１には明示されていないが、有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊を演算する電圧制御器３１ｄとしては、一般にＰＩ（比例・積分）調節器が用いられている。

さて、近年では、太陽光や風力等の再生可能エネルギーを利用した分散型電源が電力系統に導入されてきている。これらの分散型電源を備えた電力系統において、三相または二相短絡事故等により瞬時電圧低下が発生した時に分散型電源が一斉に解列されてしまうと、系統全体の電圧や周波数の維持に大きな影響を与える。
そこで、非特許文献１に記載されているように、低圧または高圧の電力系統に連系される分散型電源には事故時運転継続要件（ＦＲＴ要件）を満たすことが求められている。

図５は、分散型電源と電力系統との間に設けられた連系変圧器のＹ結線側（高圧側）で三相短絡事故（図５（ａ））または二相短絡事故（図５（ｂ））が発生した場合の線間電圧の変化を示しており、非特許文献１に記載されているものである。なお、三相各相をＡ，Ｂ，Ｃ相とする。
前述したＦＲＴ要件においては、図５（ａ），（ｂ）に示すごとく、短絡事故によって残電圧が定格値の２０％～３０％に低下した場合でも、分散型電源の運転を所定時間、継続することが要求されている。

特開平９－１５４２８４号公報（段落［００１３］～［００１９］、図１）

「系統連系規程（ＪＥＡＣ９７０１－２０１６）」，ｐ.７４－８２，ｐ.１６９－１８０，一般社団法人日本電気協会系統連系専門部会，２０１６年

図４に示した従来技術によれば、無効電力補償装置１０の動作によって電力系統２０の電圧変動を補償することが可能であるが、ＦＲＴ要件にて規定された三相または二相短絡時の瞬時電圧低下を補償する際に低下するインバータ１１の直流電圧の制御方法は開示されていない。

電力系統の三相または二相短絡時には、瞬間的に大きく低下する交流電圧を補償する電流をインバータ１１が出力する。この場合、インバータ１１の損失が急増してその直流電圧が大幅に低下するのを抑制するため、図４における電圧調節器３１ｄは有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊を増加させるように動作する。
しかし、電圧調節器３１ｄに用いられるＰＩ調節器には積分演算による時間遅れがあるため、充分な有効電力を瞬時に取ることはできず、インバータ１１の直流電圧を一定に制御することが困難である。直流電圧を一定に制御できないと、電力系統２０に対する電圧補償が不可能になって分散型電源が解列してしまい、系統全体の電圧や周波数維持に大きな影響を与えるという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、短絡事故等により系統電圧が瞬時に低下した場合でもインバータの直流電圧を迅速に設定値に保って系統電圧の低下を補償し、分散型電源の解列を防止するようにした無効電力補償装置及びその制御回路を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、インバータにより電力系統に無効電力を注入して系統電圧の変動を補償すると共に、前記インバータと前記電力系統との間で有効電力を授受して前記インバータの直流電圧を所定値に制御する無効電力補償装置において、
前記インバータに対する無効電力指令を前記系統電圧の検出値により除算して有効成分補正量を演算し、この有効成分補正量により補正して得た有効電力指令を用いて前記インバータの直流電圧を制御することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、インバータにより電力系統に無効電力を注入して系統電圧の変動を補償すると共に、前記インバータと前記電力系統との間で有効電力を授受して前記インバータの直流電圧を所定値に制御する無効電力補償装置の制御回路であって、
前記インバータに対する無効電力指令を前記系統電圧の検出値により除算して有効成分補正量を演算する手段と、
前記インバータに対する有効電力指令を前記有効成分補正量により補正する補正手段と、
前記補正手段により補正した前記有効電力指令と前記無効電力指令とを用いて、前記インバータの出力電流指令を生成する手段と、
前記出力電流指令に基づいて前記インバータの出力電圧指令を生成する手段と、
前記出力電圧指令に従って前記インバータの半導体スイッチング素子を駆動する手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、三相短絡や二相短絡事故等によって系統電圧が瞬時に低下した場合でも、その系統電圧に応じて、電力系統からインバータに供給される有効電力を補正することにより、有効電力指令を演算する電圧制御器に遅れがあったとしても、インバータの直流電圧を迅速に設定値に制御することができる。
これにより、無効電力の注入による電圧補償が瞬時に行われて系統電圧が所定値に維持されるため、分散型電源の解列を未然に防止して系統全体の電圧や周波数に悪影響を及ぼすことがない。

本発明の実施形態に係る無効電力補償装置の制御回路のブロック図である。無効電力補償装置の概略的な構成図である。図２におけるインバータの主回路構成図である。無効電力補償装置の従来の制御回路を示すブロック図である。非特許文献１に記載された、電力系統の短絡事故による線間電圧の変化を示す図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る無効電力補償装置の制御回路のブロック図である。図１において、図４と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略し、以下では図４との相違点を中心に説明する。

この実施形態では、電圧制御器３１ｑから出力される無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊が、従来と同様に三相電流演算器３３に入力されているほか、ゲイン乗算器３７に入力されて所定のゲインが乗算される。ゲイン乗算器３７の出力は除算器３８にて系統電圧検出値により除算されて有効成分補正量ΔＩ_Ｐｄが算出される。この有効成分補正量ΔＩ_Ｐｄを加算器３６ｄにて有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊に加算することにより、補正後の有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊が三相電流演算器３３に入力されている。

なお、有効電流指令は有効電力指令と同義であり、また、無効電流指令は無効電力指令と同義であるため、図１の実施形態においては、有効電流指令及び無効電流指令の代わりに、有効電力指令及び無効電力指令をそれぞれ用いても良い。

この実施形態の基本的な動作は、従来技術と同様である。すなわち、三相または二相短絡事故が発生して系統電圧Ｖ_ｓが瞬時に低下すると、電力系統２０の電圧指令値と正相電圧との偏差に応じた無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊と、インバータ１１の直流電圧設定値と検出値との偏差に応じた有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊とが三相電流演算器３３に入力される。三相電流演算器３３は、無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊及び有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊に基づいて三相電流指令値Ｉ_ｉ ^＊を演算し、この電流指令値Ｉ_ｉ ^＊と電流検出値Ｉ_ｉとの偏差を零にするような電圧指令値Ｖ_ｉ ^＊を生成してインバータ１１の半導体スイッチング素子１１ｂ～１１ｇを制御することにより、電力系統２０の正相電圧及びインバータ１１の直流電圧を所定値に維持するように動作する。

ここで、本実施形態では、ゲイン乗算器３７及び除算器３８を用いて、無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊及び系統電圧Ｖ_ｓの大きさに応じた有効成分補正量ΔＩ_Ｐｄを演算し、この補正量ΔＩ_Ｐｄを用いて有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊を補正している。これにより、系統電圧Ｖ_ｓが瞬時に低下した場合には有効電流指令Ｉ_Ｐｄ ^＊を増加させてコンデンサ１１aの直流電圧の低下を防ぎ、設定値に保つことが可能になる。

例えば、系統電圧Ｖ_ｓが定格値である場合、有効電流Ｉ_Ｐｄが１００％出力時の損失（コンデンサ１１aの直流電圧を一定にするために必要な有効電流）が３％であったとすると、系統電圧Ｖ_ｓが１／５の２０％になった場合は、有効成分補正量ΔＩ_Ｐｄを１５％（＝３％×１００／２０）にすることで、直流電圧を一定に制御するために必要な有効電流Ｉ_Ｐｄを出力させることができる。
なお、有効成分補正量ΔＩ_Ｐｄの大きさはゲイン乗算器３７によって調整可能であるが、このゲインの代わりに、無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊に対応する損失を予め記録したテーブルを設けておき、このテーブルを用いて、無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊に応じた有効成分補正量ΔＩ_Ｐｄを算出しても良い。

１０：無効電力補償装置
１１：インバータ
１１ａ：コンデンサ
１１ｂ～１１ｇ：半導体スイッチング素子
１２：変圧器
１３：遮断器
２０：電力系統
３１ｄ，３１ｑ：電圧制御器
３２：正相電圧演算器
３３：三相電流演算器
３４：電流制御器
３５：ＰＷＭ演算器
３６ａ～３６ｃ：減算器
３６ｄ：加算器
３７：ゲイン乗算器
３８：除算器

Claims

インバータにより電力系統に無効電力を注入して系統電圧の変動を補償すると共に、前記インバータと前記電力系統との間で有効電力を授受して前記インバータの直流電圧を所定値に制御する無効電力補償装置において、
前記インバータに対する無効電力指令を前記系統電圧の検出値により除算して有効成分補正量を演算し、この有効成分補正量により補正して得た有効電力指令を用いて前記インバータの直流電圧を制御することを特徴とした無効電力補償装置。
インバータにより電力系統に無効電力を注入して系統電圧の変動を補償すると共に、前記インバータと前記電力系統との間で有効電力を授受して前記インバータの直流電圧を所定値に制御する無効電力補償装置の制御回路であって、
前記インバータに対する無効電力指令を前記系統電圧の検出値により除算して有効成分補正量を演算する手段と、
前記インバータに対する有効電力指令を前記有効成分補正量により補正する補正手段と、
前記補正手段により補正した前記有効電力指令と前記無効電力指令とを用いて、前記インバータの出力電流指令を生成する手段と、
前記出力電流指令に基づいて前記インバータの出力電圧指令を生成する手段と、
前記出力電圧指令に従って前記インバータの半導体スイッチング素子を駆動する手段と、
を備えたことを特徴とする無効電力補償装置の制御回路。