JP7275839B2

JP7275839B2 - 無効電力補償装置の制御方法及び制御回路

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Publication number: JP7275839B2
Application number: JP2019092657A
Authority: JP
Inventors: 博篠原; 武彦小島; 仁志磯谷
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2023-05-18
Anticipated expiration: 2039-05-16
Also published as: JP2020188614A

Description

本発明は、例えば、電力系統の三相または二相短絡事故等によって系統電圧の瞬時低下（以下、瞬低ともいう）が発生した場合に、電力系統に無効電力（無効電流）を注入して系統電圧を所定値に維持するための無効電力補償装置の制御方法及び制御回路に関するものである。

図７は、この種の無効電力補償装置の概略的な構成図である。
図７において、無効電力補償装置２０は、遮断器２１と変圧器２２とを介して電力系統１０に連系されたインバータ２３を備えている。インバータ２３は、図８に示すように、直流中間回路に設けられるコンデンサ２４と、還流ダイオード２６ａ～２６ｆがそれぞれ逆並列に接続されたＩＧＢＴやＧＴＯサイリスタ等の半導体スイッチング素子２５ａ～２５ｆとによって構成されている。

上記の無効電力補償装置２０は、インバータ２３の出力電圧Ｖ_ｉ及び出力電流Ｉ_ｉを制御して電力系統１０に無効電力を注入し、電力系統１０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９は、無効電力補償装置２０の制御回路を示すブロック図であり、その主要部は例えば特許文献１に記載されている。
図９において、正相成分演算部３２は系統電圧Ｖ_ｓの正相分（正相電圧）を検出し、電圧指令部３１による電圧指令値と正相電圧検出値との偏差が減算器３３により演算される。電圧制御部３４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 ^＊を演算する。
ここで、電圧制御部３４の出力側に設けられたリミッタ３５は特許文献１には明記されていないが、インバータ２３の構成素子が過大な電流によって破損しないようにインバータ２３の出力電流を定格値以下に制限するためのものであり、無効電力補償装置２０の制御回路には通常、設けられている。

制御回路では、上記無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊に基づいて図７のインバータ２３の三相電流指令値Ｉ_ｉ ^＊を演算し、三相電流検出値Ｉ_ｉが三相電流指令値Ｉ_ｉ ^＊に追従するようにインバータ２３の出力電圧指令値Ｖ_ｉ ^＊を演算する。インバータ２３は、上記出力電圧指令値Ｖ_ｉ ^＊に従って半導体スイッチング素子２５ａ～２５ｆをＰＷＭ（パルス幅変調）制御する。
上記の動作により、例えば電力系統１０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２０から電力系統１０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１０の正相電圧が増加し、系統電圧Ｖ_ｓは所定値に復帰する。同時に、所定の有効電力が電力系統１０からコンデンサ２４に供給されることにより、インバータ２３の直流電圧を設定値に維持するような制御が行われる。

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低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に記載されているごとく、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、以下のように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１０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１０（ａ））または二相短絡事故（図１０（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。
ＦＲＴ要件によれば、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、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継続することが要求されている。

前述したように、無効電力補償装置２０は電力系統１０の電圧変動に追従して無効電流を出力し、その電圧補償効果は、電圧変動量と無効電流量とに追従する。
このため、無効電力補償装置２０が、ＦＲＴ要件により規定された三相または二相短絡時において系統の瞬低補償を行う場合には、瞬間的に大きく低下する系統電圧に追従して定格を超えた無効電流を短時間出力することになり、これによって分散型電源を解列させずに運転を継続させ、電力系統１０の電圧を所定値まで上昇させることが期待されている。

しかしながら、無効電力補償装置２０から出力される無効電流は短時間定格の値であり、想定された時間を超えて無効電流を出力することができない。このため、電力系統１０の電圧低下が長時間にわたって継続する場合でも所定時間内に無効電流の出力を停止しなければならず、出力を停止する際には、系統全体の電圧や周波数を維持する要請から、電力系統１０に擾乱を与えないことが求められる。

ここで、特許文献２には、系統の瞬低発生時にインバータの出力電流を減少させて安定した継続運転を可能にし、瞬低からの復帰時にインバータの直流電圧指令値を段階的に調整してその出力電流を徐々に増加させることにより、電力系統の擾乱を防止するようにした系統連系用電力変換装置が記載されている。

また、特許文献３には、タップ付き変圧器と無効電力補償装置とを協調動作させる電圧変動補償装置であって、揚水発電所等に接続された送配電系統のように瞬低等による電圧変動期間をある程度予測可能である場合、電圧変動期間の前後において、無効電力一定制御、変圧器タップ操作、交流電圧一定制御を切り替えながら電力系統に注入する無効電力を緩やかに変化させ、系統電圧の急激な変化を防止する技術が開示されている。

特開平９－１５４２８４号公報（段落［００１３］～［００１９］、図１等）特開２０１８－８２５６９号公報（段落［００７４］～［００７９］、図５～図７）特開２０１８－８２５３０号公報（段落［００４５］～［００６７］、図１～図６，図１１等）

「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

特許文献２に記載された先行技術は、瞬低発生時のいわゆるＦＲＴモードから系統電圧が復帰して通常運転モードに移行した際にインバータをソフトスタートさせるものであり、また、特許文献３に記載された先行技術は、瞬低の発生期間が予測可能である電力系統を対象として、特に瞬低から復帰した時の擾乱を防止するものである。
すなわち、これら何れの先行技術も、瞬低期間内に無効電流の出力を停止した場合に生じる電力系統への擾乱を考慮したものではない。
そこで、本発明の解決課題は、瞬低期間内に出力する無効電流を適切に制御して電力系統における擾乱を抑制し、分散型電源の解列を防いで系統全体の電圧や周波数を所定値に維持可能とした無効電力補償装置の制御方法及び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の制御方法は、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瞬時低下を補償する無効電力補償装置の制御方法において、
前記インバータは、系統電圧の瞬時低下を補償するための所定の大きさの無効電流を瞬時低下の発生時点から出力し、かつ、その出力期間を、系統電圧の瞬時低下期間内の所定期間に制御し、系統電圧の瞬時低下の発生時点から一定期間を経過した時点以後は、無効電流を徐々に零まで減少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の制御方法は、請求項１に記載した無効電力補償装置の制御方法において、前記インバータは、前記一定期間を経過した時点以後は、無効電流を連続的またはステップ状に零まで減少させることを特徴とする。

請求項３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瞬時低下を補償する無効電力補償装置の制御回路において、
系統電圧が所定値以下に低下したことを判定する電圧低下判定部と、
前記電圧低下判定部により電圧低下が判定された時に所定の無効電流設定値に応じた無効電流指令を所定期間出力してから前記無効電流指令を徐々に零まで減少させる出力特性を備えたフィルタと、
前記フィルタの出力を系統電圧の瞬時低下期間内で有効にするフィルタ出力有効化手段と、を備え、
前記フィルタから出力される無効電流指令に基づいて前記インバータを制御することを特徴とする。

請求項４に係る無効電力補償装置の制御回路は、請求項３に記載した無効電力補償装置の制御回路において、
前記フィルタ出力有効化手段を、
前記電圧低下判定部により電圧低下が判定された時点から前記瞬時低下期間内の一定期間だけアクティブとなるように前記電圧低下判定部の出力信号を遅延させるオフディレー部と、このオフディレー部の出力信号により系統電圧の平常時における無効電流指令を前記フィルタの出力に切り替える切替スイッチと、により構成したことを特徴とする。

請求項５に係る無効電力補償装置の制御回路は、請求項３または４に記載した無効電力補償装置の制御回路において、前記フィルタが一次遅れ特性を有す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る系統電圧の瞬時低下期間内で無効電流を適切に制御して徐々に零まで減少させるため、電力系統に擾乱を与えるおそれもなく、分散型電源の解列を未然に防止しながら系統全体の電圧や周波数を所定値に維持することができる。

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。図１の動作を示すフローチャートである。図１におけるフィルタ４４の特性図である。本発明の実施形態の作用効果を従来技術と比較するための測定回路の構成図である。図４の測定回路を用いて、従来技術により測定した各部の電圧、電流等の波形図である。図４の測定回路を用いて、本発明の実施形態により測定した各部の電圧、電流の波形図である。無効電力補償装置の概略的な構成図である。図７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９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９との相違点を中心に説明する。

本実施形態では、正相成分演算部３２の出力信号が電圧低下判定部４２に入力され、その出力信号（電圧低下判定信号）４２ｓが第１の切替スイッチ４３とオフディレー部４５とに入力されている。
切替スイッチ４３の一方の入力端子ａには設定器４１ａにより“０”が入力され、他方の入力端子ｂには設定器４１ｂにより所定の無効電流設定値が入力されている。切替スイッチ４３は、電圧低下判定信号４２ｓが“Ｌ（Ｌｏｗ）”レベルの時に入力端子ａに接続され、電圧低下判定信号４２ｓが“Ｈ（Ｈｉｇｈ）”レベルの時に入力端子ｂ側に切り替えられる。この切替スイッチ４３の出力端子は、一次遅れフィルタ等からなるフィルタ４４を介して後述する第２の切替スイッチ４６の入力端子ｄに接続されている。

電圧低下判定信号４２ｓが入力されているオフディレー部４５は、電圧低下判定信号４２ｓが“Ｈ”レベルである期間Ｔ_０１より長い期間Ｔ_０２にわたって“Ｈ”レベルの信号４５ｓを出力する。
オフディレー部４５の出力信号４５ｓは第２の切替スイッチ４６に入力され、この切替スイッチ４６は、上記信号４５ｓが“Ｌ”レベルの時にリミッタ３５側の入力端子ｃに接続され、信号４５ｓが“Ｈ”レベルの時にフィルタ４４側の入力端子ｄに接続されるようになっており、切替スイッチ４６の出力信号が無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊として出力される。
ここで、オフディレー部４５及び第２の切替スイッチ４６は、フィルタ４４の出力を無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊として有効にするためのフィルタ出力有効化手段を構成している。

無効電力補償装置は、上記の無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊に基づいて、前述した図７におけるインバータ２３の出力電圧指令値Ｖ_ｉ ^＊を演算する。インバータ２３は、この出力電圧指令値Ｖ_ｉ ^＊に基づいて半導体スイッチング素子２５ａ～２５ｆをＰＷＭ制御し、電力系統１０に無効電力を注入して系統電圧Ｖ_ｓを上昇させるように制御を行う。

次に、図２は、この実施形態の動作を示すタイミングチャートである。ここでは、図２の時刻ｔ_１で電力系統に瞬低が発生し、この瞬低が時刻ｔ_４まで続いたとする。
図１の電圧低下判定部４２は系統電圧Ｖ_ｓが所定値以下に低下したことを判定し、期間Ｔ_０１にわたって“Ｈ”レベルの信号（電圧低下判定信号）４２ｓを出力する。この期間Ｔ_０１では、第１の切替スイッチ４３が入力端子ｂ側に切り替わるので、フィルタ４４には設定器４１ｂによる無効電流設定値が入力される。

この時、オフディレー部４５の出力信号４５ｓは期間Ｔ_０２（Ｔ_０２＞Ｔ_０１）の間、“Ｈ”レベルとなり、この期間Ｔ_０２では、第２の切替スイッチ４６が入力端子ｄ側に切り替わる。これにより、無効電流設定値をフィルタ４４によって処理した値が、切替スイッチ４６から無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊として出力される。

ここで、図３は、フィルタ４４の特性の一例を示す波形図である。
瞬低が発生する時刻ｔ_１以前は、フィルタ４４から設定器４１ａによる設定値“０”が出力されると共に、第２の切替スイッチ４６は入力端子ｃ側に接続されているため、図３の無効電流指令Ｉ_Ｐｑ１ ^＊は、リミッタ３５によって大きさが制限された値となっている。

時刻ｔ_１では、フィルタ４４の入出力が、“０”から設定器４１ｂによる無効電流設定値に応じた値Ｉ_Ｐｑ２ ^＊に瞬時に切り替わり、この値Ｉ_Ｐｑ２ ^＊が期間Ｔ_０１にわたり無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊として出力される。そして、時刻ｔ_２以後は、フィルタ４４の一次遅れ特性により無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊が連続的に減少し、時刻ｔ_３で零になる。なお、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までステップ状に減少するような特性をフィルタ４４に持たせても良い。
なお、時刻ｔ_２以後は、予め設定された時間だけ無効電流指令Ｉ_Ｐｑ ^＊を連続的またはステップ状に減少させ、瞬低から復帰した時刻（図２における時刻ｔ_４）で瞬時に零になるようにフィルタ４４及びオフディレー部４５を設計しても良い。

図４は、本実施形態による作用効果を従来技術と比較するために用いた測定回路の構成図である。図４において、ＳＶＣは、制御回路が本実施形態の機能を備えている場合、及び、備えていない場合（従来技術）の無効電流補償装置を包括的に示している。
図５は従来技術による各部の電圧、電流等の波形図、図６は本実施形態による各部の電圧、電流等の波形図であり、「ＡＶＲ制御部出力」とは、無効電流補償装置ＳＶＣに設けられたＡＶＲ（自動電圧調整器）の制御部出力を示している。

図５では、時刻０で瞬低が発生し、無効電流補償装置ＳＶＣの出力電流（無効電流）をほぼ３５０．００［ｍｓ］の直前に所定値から瞬時に零にしているため、連系点電圧には記号ｆで示すインパルス状の変動が発生している。
一方、図６の本実施形態では、無効電流補償装置ＳＶＣの出力電流をほぼ３５０．００［ｍｓ］以後、所定値から零まで徐々に減少させたことにより、記号ｆ’から明らかなように連系点電圧のインパルス状の変動を除去できている。

なお、本実施形態において、無効電流設定値や無効電流指令をそれぞれ無効電力設定値、無効電力指令と置き換えた場合でも所期の作用効果が得られるのは言うまでもない。

１０：電力系統
２０：無効電力補償装置
２１：遮断器
２２：変圧器
２３：インバータ
２４：コンデンサ
２５ａ～２５ｆ：半導体スイッチング素子
２６ａ～２６ｆ：還流ダイオード
３１：電圧指令部
３２：正相電圧演算部
３３：減算器
３４：電流制御部
３５：リミッタ
４１ａ，４１ｂ：設定器
４２：電圧低下判定部
４３，４６：切替スイッチ
４４：フィルタ
４５：オフディレー部

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瞬時低下を補償する無効電力補償装置の制御方法において、
前記インバータは、系統電圧の瞬時低下を補償するための所定の大きさの無効電流を瞬時低下の発生時点から出力し、かつ、その出力期間を、系統電圧の瞬時低下期間内の所定期間に制御し、系統電圧の瞬時低下の発生時点から一定期間を経過した時点以後は、無効電流を徐々に零まで減少させる、無効電力補償装置の制御方法。
請求項１に記載した無効電力補償装置の制御方法において、
前記インバータは、前記一定期間を経過した時点以後は、無効電流を連続的またはステップ状に零まで減少させることを特徴とした無効電力補償装置の制御方法。
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瞬時低下を補償する無効電力補償装置の制御回路において、
系統電圧が所定値以下に低下したことを判定する電圧低下判定部と、
前記電圧低下判定部により電圧低下が判定された時に所定の無効電流設定値に応じた無効電流指令を所定期間出力してから前記無効電流指令を徐々に零まで減少させる出力特性を備えたフィルタと、
前記フィルタの出力を系統電圧の瞬時低下期間内で有効にするフィルタ出力有効化手段と、を備え、
前記フィルタから出力される無効電流指令に基づいて前記インバータを制御することを特徴とした無効電力補償装置の制御回路。
請求項３に記載した無効電力補償装置の制御回路において、
前記フィルタ出力有効化手段を、
前記電圧低下判定部により電圧低下が判定された時点から前記瞬時低下期間内の一定期間だけアクティブとなるように前記電圧低下判定部の出力信号を遅延させるオフディレー部と、このオフディレー部の出力信号により系統電圧の平常時における無効電流指令を前記フィルタの出力に切り替える切替スイッチと、により構成したことを特徴とする無効電力補償装置の制御回路。
請求項３または４に記載した無効電力補償装置の制御回路において、
前記フィルタが一次遅れ特性を有することを特徴とする無効電力補償装置の制御回路。