JP7180258B2 - 無効電力補償装置及びその制御回路 - Google Patents
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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起因した系統電圧の瞬時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。
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Ｖｉ及び出力電流Ｉｉ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Ｖｓ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３１は系統電圧Ｖｓの正相成分（以下、単に系統電圧ともいう）を演算し、電圧指令値Ｖｓ ＊と系統電圧との偏差が減算器３２ｂにより演算される。電圧制御器３３ｑは、上記偏差を零にするように動作して無効電流指令ＩＰｑ ＊を演算し、三相電流演算器３４に出力する。
図４において、正相成分演算器３１は系統電圧Ｖｓの正相成分（以下、単に系統電圧ともいう）を演算し、電圧指令値Ｖｓ ＊と系統電圧との偏差が減算器３２ｂにより演算される。電圧制御器３３ｑは、上記偏差を零にするように動作して無効電流指令ＩＰｑ ＊を演算し、三相電流演算器３４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Ｅｄｃ０と直流電圧検出値Ｅｄｃとの偏差を減算器３２ｄにより演算し、電圧制御器３３ｄが上記偏差を零にするように動作して有効電流指令ＩＰｄ
＊を演算し、三相電流演算器３４に出力する。
三相電流演算器３４は、無効電流指令ＩＰｑ
＊及び有効電流指令ＩＰｄ
＊を座標変換することにより、インバータ１１の三相電流指令値Ｉｉ
＊を演算する。減算器３５は三相電流指令値Ｉｉ
＊と三相電流検出値Ｉｉとの偏差を演算し、電流制御器３６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Ｖｉ
＊を演算する。この出力電圧指令値Ｖｉ
＊に従ってＰＷＭ（パルス幅変調）演算器３７が駆動パルスを生成し、これらの駆動パルスによりインバータ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Ｖｓが瞬時に低下した場合、無効電力補償装置１０から、無効電流指令ＩＰｑ
＊に応じた無効電力が電力系統２０に注入されて系統電圧Ｖｓを上昇させる。同時に、有効電流指令ＩＰｄ
＊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Ｅｄｃ０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。
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ＩＰｄ
＊を演算する電圧制御器３３ｄ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電力系統に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。
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。
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。
「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具体的に開示されていない。
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無効電流をインバータ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３３ｄは有効電流指令ＩＰｄ
＊を増加させるように動作する。
しかし、電圧調節器３３ｄとして一般的に用いられる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。
しかし、電圧調節器３３ｄとして一般的に用いられる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制御して系統電圧を確実に補償し、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に係る無効電力補償装置は、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であって、
前記電力系統の短絡事故による系統電圧の瞬時低下時に、前記インバータに与える有効電流指令を増加させて前記インバータの直流電圧を増加させ、当該直流電圧を設定値に制御する無効電力補償装置において、
前記インバータの直流電圧が設定値に一致するように前記有効電流指令を生成する第１の電圧制御器及び第２の電圧制御器を備え、
前記電力系統の健全時には、前記第１の電圧制御器により前記有効電流指令を生成し、
前記電力系統の短絡事故による系統電圧の瞬時低下時には、前記第２の電圧制御器を前記第１の電圧制御器と並列に接続して前記有効電流指令を増加させることを特徴とする。
前記電力系統の短絡事故による系統電圧の瞬時低下時に、前記インバータに与える有効電流指令を増加させて前記インバータの直流電圧を増加させ、当該直流電圧を設定値に制御する無効電力補償装置において、
前記インバータの直流電圧が設定値に一致するように前記有効電流指令を生成する第１の電圧制御器及び第２の電圧制御器を備え、
前記電力系統の健全時には、前記第１の電圧制御器により前記有効電流指令を生成し、
前記電力系統の短絡事故による系統電圧の瞬時低下時には、前記第２の電圧制御器を前記第１の電圧制御器と並列に接続して前記有効電流指令を増加させることを特徴とする。
請求項２に係る無効電力補償装置は、請求項１に記載した無効電力補償装置において、前記電力系統の短絡事故により系統電圧が電圧低下判定値以下になったら前記第２の電圧制御器を前記第１の電圧制御器と並列に接続し、前記系統電圧が前記電圧低下判定値より大きい電圧復帰判定値以上になったら前記第２の電圧制御器を前記第１の電圧制御器と並列に接続されない状態にすることを特徴とする。
請求項３に係る無効電力補償装置は、請求項１または２に記載した無効電力補償装置において、前記第２の電圧制御器を、前記第１の電圧制御器よりも積分時間が短いＰＩ調節器によって構成したことを特徴とする。
請求項４に係る無効電力補償装置の制御回路は、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、
前記インバータの直流電圧が設定値に一致するように前記インバータの有効電流指令を生成する第１の電圧制御器及び第２の電圧制御器を備え、
前記電力系統の健全時には、前記第１の電圧制御器により前記有効電流指令を生成し、
前記電力系統の短絡事故による系統電圧の瞬時低下時には、前記第２の電圧制御器を前記第１の電圧制御器と並列に接続することにより前記有効電流指令を増加させて前記インバータの直流電圧を増加させることを特徴とする。
前記インバータの直流電圧が設定値に一致するように前記インバータの有効電流指令を生成する第１の電圧制御器及び第２の電圧制御器を備え、
前記電力系統の健全時には、前記第１の電圧制御器により前記有効電流指令を生成し、
前記電力系統の短絡事故による系統電圧の瞬時低下時には、前記第２の電圧制御器を前記第１の電圧制御器と並列に接続することにより前記有効電流指令を増加させて前記インバータの直流電圧を増加させることを特徴とする。
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、電力系統からインバータに供給される有効電力を増加させて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することができ、系統全体の電圧や周波数に悪影響を及ぼすことがない。
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することができ、系統全体の電圧や周波数に悪影響を及ぼすことがない。
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。
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、減算器３２ｄの出力、すなわちインバータ１１の直流電圧設定値Ｅｄｃ０と直流電圧検出値Ｅｄｃとの偏差が、第１の電圧制御器３３ｄと第２の電圧制御器３３ｄ’とに入力されている。
第１の電圧制御器３３ｄは、図４と同様にＰＩ調節器によって構成され、Ｅｄｃ０とＥｄｃとの偏差が零になるように調節動作して有効電流指令ＩＰｄ ＊＊を演算する。また、第２の電圧制御器３３ｄ’は、第１の電圧制御器３３ｄよりゲインが大きく、積分時間が短いＰＩ調節器またはＰ（比例）調節器からなり、Ｅｄｃ０とＥｄｃとの偏差が零になるように調節動作して有効電流指令ＩＰｄ’を演算し、スイッチ３８に入力する。
第１の電圧制御器３３ｄは、図４と同様にＰＩ調節器によって構成され、Ｅｄｃ０とＥｄｃとの偏差が零になるように調節動作して有効電流指令ＩＰｄ ＊＊を演算する。また、第２の電圧制御器３３ｄ’は、第１の電圧制御器３３ｄよりゲインが大きく、積分時間が短いＰＩ調節器またはＰ（比例）調節器からなり、Ｅｄｃ０とＥｄｃとの偏差が零になるように調節動作して有効電流指令ＩＰｄ’を演算し、スイッチ３８に入力する。
一方、第３の電圧制御器３３ｑは、系統電圧指令値Ｖｓ
＊と系統電圧Ｖｓの正相成分との偏差が零になるように調節動作して無効電流指令ＩＰｑ
＊を演算する。
また、系統電圧Ｖｓの正相成分はヒステリシスコンパレータ（シュミットトリガ回路）４０に入力され、その出力によって前記スイッチ３８のオン・オフが制御される。ヒステリシスコンパレータ４０は、二つの閾値として、例えば系統電圧Ｖｓの定格値の５０％の値（電圧低下判定値とする）と６０％の値（電圧復帰判定値とする）とを有し、入力電圧が電圧低下判定値以下になった場合にはスイッチ３８をオンし、前記入力電圧が電圧復帰判定値以上に復帰した場合にはスイッチ３８をオフするような信号を出力する。
また、系統電圧Ｖｓの正相成分はヒステリシスコンパレータ（シュミットトリガ回路）４０に入力され、その出力によって前記スイッチ３８のオン・オフが制御される。ヒステリシスコンパレータ４０は、二つの閾値として、例えば系統電圧Ｖｓの定格値の５０％の値（電圧低下判定値とする）と６０％の値（電圧復帰判定値とする）とを有し、入力電圧が電圧低下判定値以下になった場合にはスイッチ３８をオンし、前記入力電圧が電圧復帰判定値以上に復帰した場合にはスイッチ３８をオフするような信号を出力する。
上記構成において、電力系統が健全であってヒステリシスコンパレータ４０の入力電圧が電圧復帰判定値以上である場合、スイッチ３８はオフしている。このため、第１の電圧制御器３３ｄによる有効電流指令ＩＰｄ
＊＊がそのまま有効電流指令ＩＰｄ
＊として三相電流演算器３４に入力され、第３の電圧制御器３３ｑによる無効電流指令ＩＰｑ
＊が三相電流演算器３４に入力される。
三相電流演算器３４は、有効電流指令ＩＰｄ ＊及び無効電流指令ＩＰｑ ＊から三相電流指令値Ｉｉ ＊を演算し、電流制御器３６は三相電流検出値Ｉｉを三相電流指令値Ｉｉ ＊に追従させるような電圧指令値Ｖｉ ＊を生成する。ＰＷＭ演算器３７は、電圧指令値Ｖｉ ＊に基づいてインバータ１１のスイッチング素子１１ｂ～１１ｇに対する駆動パルスを生成する。
三相電流演算器３４は、有効電流指令ＩＰｄ ＊及び無効電流指令ＩＰｑ ＊から三相電流指令値Ｉｉ ＊を演算し、電流制御器３６は三相電流検出値Ｉｉを三相電流指令値Ｉｉ ＊に追従させるような電圧指令値Ｖｉ ＊を生成する。ＰＷＭ演算器３７は、電圧指令値Ｖｉ ＊に基づいてインバータ１１のスイッチング素子１１ｂ～１１ｇに対する駆動パルスを生成する。
仮に、三相または二相短絡事故が発生して系統電圧Ｖｓが瞬時に低下し、ヒステリシスコンパレータ４０の入力電圧が電圧低下判定値以下の値、例えば、系統電圧Ｖｓの定格値の２０％～３０％に低下すると、スイッチ３８はオン状態となる。
これにより、第２の電圧制御器３３ｄ’から出力される有効電流指令ＩＰｄ’がスイッチ３８を介して加算器３９により有効電流指令ＩＰｄ ＊＊と加算され、有効電流指令ＩＰｄ ＊として三相電流演算器３４に入力されると共に、第３の電圧制御器３３ｑによる無効電流指令ＩＰｑ ＊が三相電流演算器３４に入力される。
ここで、有効電流指令ＩＰｄ ＊は、電力系統の健全時に比べてＩＰｄ’が加算された分だけ大きくなるので、無効電力補償動作に伴ってインバータ１１の損失が増加したとしても、電力系統から供給される有効電力を増加させて直流電圧の低下を抑制することができる。
これにより、第２の電圧制御器３３ｄ’から出力される有効電流指令ＩＰｄ’がスイッチ３８を介して加算器３９により有効電流指令ＩＰｄ ＊＊と加算され、有効電流指令ＩＰｄ ＊として三相電流演算器３４に入力されると共に、第３の電圧制御器３３ｑによる無効電流指令ＩＰｑ ＊が三相電流演算器３４に入力される。
ここで、有効電流指令ＩＰｄ ＊は、電力系統の健全時に比べてＩＰｄ’が加算された分だけ大きくなるので、無効電力補償動作に伴ってインバータ１１の損失が増加したとしても、電力系統から供給される有効電力を増加させて直流電圧の低下を抑制することができる。
特に、第２の電圧制御器３３ｄ’のゲインを第１の電圧制御器３３ｄより大きくし、また、積分時間が短いＰＩ調節器等を用いて高速動作を可能にすれば、インバータ１１が必要とする有効電力を電力系統から瞬時に供給して直流電圧Ｅｄｃを上昇させ、設定値Ｅｄｃ０に追従させることができる。
従って、インバータ１１による無効電力補償動作を安定的に行わせて系統電圧Ｖｓの低下を防ぎ、分散電源の解列を未然に防止することが可能である。
従って、インバータ１１による無効電力補償動作を安定的に行わせて系統電圧Ｖｓの低下を防ぎ、分散電源の解列を未然に防止することが可能である。
この実施形態では、系統電圧Ｖｓの低下時に第２の電圧制御器３３ｄ’を第１の電圧制御器３３ｄに並列に接続して有効電流指令ＩＰｄ
＊を増加させているが、スイッチ３８や第２の電圧制御器３３ｄ’を用いずに、系統電圧Ｖｓの低下時に第１の電圧制御器３３ｄのゲインを大きくして有効電流指令ＩＰｄ
＊＊（ＩＰｄ
＊）を増加させても良い。
また、有効電流指令は有効電力指令と同義であり、無効電流指令は無効電力指令と同義であるから、図１における有効電流指令ＩＰｄ ＊＊，ＩＰｄ’，ＩＰｄ ＊及び無効電流指令ＩＰｑ ＊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。
また、有効電流指令は有効電力指令と同義であり、無効電流指令は無効電力指令と同義であるから、図１における有効電流指令ＩＰｄ ＊＊，ＩＰｄ’，ＩＰｄ ＊及び無効電流指令ＩＰｑ ＊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。
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
３１：正相電圧演算器
３２ｄ，３２ｑ，３５：減算器
３３ｄ，３３ｄ’，３３ｑ：電圧制御器
３４：三相電流演算器
３６：電流制御器
３７：ＰＷＭ演算器
３８：スイッチ
３９：加算器
４０：ヒステリシスコンパレータ
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
３１：正相電圧演算器
３２ｄ，３２ｑ，３５：減算器
３３ｄ，３３ｄ’，３３ｑ：電圧制御器
３４：三相電流演算器
３６：電流制御器
３７：ＰＷＭ演算器
３８：スイッチ
３９：加算器
４０：ヒステリシスコンパレータ
Claims (4)
- 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であって、
前記電力系統の短絡事故による系統電圧の瞬時低下時に、前記インバータに与える有効電流指令を増加させて前記インバータの直流電圧を増加させ、当該直流電圧を設定値に制御する無効電力補償装置において、
前記インバータの直流電圧が設定値に一致するように前記有効電流指令を生成する第１の電圧制御器及び第２の電圧制御器を備え、
前記電力系統の健全時には、前記第１の電圧制御器により前記有効電流指令を生成し、
前記電力系統の短絡事故による系統電圧の瞬時低下時には、前記第２の電圧制御器を前記第１の電圧制御器と並列に接続して前記有効電流指令を増加させることを特徴とした無効電力補償装置。 - 請求項１に記載した無効電力補償装置において、
前記電力系統の短絡事故により系統電圧が電圧低下判定値以下になったら前記第２の電圧制御器を前記第１の電圧制御器と並列に接続し、前記系統電圧が前記電圧低下判定値より大きい電圧復帰判定値以上になったら前記第２の電圧制御器を前記第１の電圧制御器と並列に接続されない状態にすることを特徴とした無効電力補償装置。 - 請求項１または２に記載した無効電力補償装置において、
前記第２の電圧制御器を、前記第１の電圧制御器よりも積分時間が短いＰＩ調節器によって構成したことを特徴とする無効電力補償装置。 - 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、
前記インバータの直流電圧が設定値に一致するように前記インバータの有効電流指令を生成する第１の電圧制御器及び第２の電圧制御器を備え、
前記電力系統の健全時には、前記第１の電圧制御器により前記有効電流指令を生成し、
前記電力系統の短絡事故による系統電圧の瞬時低下時には、前記第２の電圧制御器を前記第１の電圧制御器と並列に接続することにより前記有効電流指令を増加させて前記インバータの直流電圧を増加させることを特徴とした無効電力補償装置の制御回路。
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|---|---|---|---|---|
| CN113472191B (zh) * | 2021-07-01 | 2022-09-27 | 浙江国研智能电气有限公司 | 一种任意功率因数的软开关逆变器控制方法及系统 |
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