JP7337764B2

JP7337764B2 - 電力システム、制御装置、電力補償ユニット、および制御方法

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Publication number: JP7337764B2
Application number: JP2020154675A
Authority: JP
Inventors: 貴行谷内田; 涼太奥山
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2023-09-04
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: JP2022048702A

Description

本開示は、電力システム、制御装置、電力補償ユニット、および制御方法に関する。

一般的に、発電機は、有効電力を出力するとともに、無効電力も出力する。有効電力は、負荷で消費される電力である。一方、無効電力は、負荷で消費されない電力である。また、無効電力が変動することにより、電圧変動などが生じる場合がある。この点を鑑み、電圧変動を抑制するために、無効電力を出力する無効電力補償装置が提案されている。特許文献１では、電力系統に接続されている無効電力補償装置と、無効電力補償装置を制御する制御装置と、電力系統に接続されている発電機とにより構成される電力システムが開示されている。

特開２００４－１０４８６５号公報

電力系統に電力を出力する電力システムにおいて、電力系統側の力率を一定にする制御が望まれている。力率は、有効電力と無効電力とにより定まる値である。この制御では、無効電力補償装置から出力される無効電力の目標値を定め、無効電力を目標値に制御することにより、力率を一定にする制御が考えられる。

たとえば、特許文献１に記載の発明が、上記のような力率を一定にする制御を実行するように構成される場合には、発電機からの有効電力および発電機からの無効電力に基づいて、無効電力補償装置から出力される無効電力を制御する構成が考えられる。ここで、発電機から出力される有効電力が変化した場合に、電力系統側の力率を一定にする必要がある。しかしながら、この構成では、発電機から出力される有効電力が変化した場合には、無効電力補償装置からの電力系統における無効電力の値を目標値に到達させることができず、その結果、電力系統側の力率を適切に一定に制御することができないという問題があった。

本開示は上述のような問題点を解決するためになされたものであって、ある局面における目的は、有効電力が変動した場合であっても電力系統側の力率を一定に制御することができる技術を提供することである。

本開示のある局面に従う電力システムは、発電機と、無効電力補償装置と、制御装置と、第１検出器と、第２検出器とを備える。発電機は、電力系統に接続され、有効電力と無効電力とを出力する。無効電力補償装置は、電力系統に接続され、無効電力を出力する。制御装置は、無効電力補償装置を制御する。第１検出器は、発電機から出力される有効電力値と、発電機から出力される無効電力値とを検出する。第２検出器は、電力系統に出力される有効電力値と、電力系統に出力される無効電力値とを検出する。制御装置は、第１算出部と、第２算出部と、制御部とを含む。第１算出部は、第１検出器で検出される有効電力値に基づく値と第１検出器で検出される無効電力値との差分に基づいて第１量を算出する。第２算出部は、第２検出器で検出される有効電力値に基づく値と第２検出器で検出される無効電力値との差分、または、第１検出器で検出される有効電力値に基づく値と第２検出器で検出される無効電力値との差分に基づいて第２量を算出する。制御部は、第１量と第２量とを加算することにより無効電力補償装置から出力される無効電力値を制御する。

本開示によれば、発電機から出力される有効電力と発電機から出力される無効電力との差分に基づく第１量と、電力系統に出力される有効電力と電力系統に出力される無効電力との差分に基づく第２量とを加算することにより、無効電力補償装置の無効電力値を制御する。また、電力系統に出力される有効電力と、発電機から出力される有効電力とは略同一であることから、第２量は、発電機から出力される有効電力と、電力系統に出力される無効電力との差分に基づく値としてもよい。このように、本開示によれば、第１量と第２量との加算値により、無効電力補償装置の無効電力値を制御する。したがって、発電機から出力される有効電力が変化した場合であっても、電力系統における無効電力の値を目標値に到達させることができ、その結果、力率を一定に制御することができる。

この発明の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連して理解されるこの発明に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。

本実施の形態の電力システムの構成例である。制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 θを説明するための図である。制御装置の機能ブロック図である。第１演算部の各構成部から出力される電力値などを示す波形の一例を示す図である。第２演算部の各構成部から出力される電力などの波形の一例を示す図である。制御部の生成部が生成する指令信号により示される無効電力値Ｑ３の波形の一例を示す図である。制御装置の処理の一例を示すフローチャートである。第２実施形態の制御装置のブロック図である。

本発明に基づいた実施の形態における電力システムについて、以下、図を参照しながら説明する。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。また、各実施の形態における構成の少なくとも一部を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。なお、以下では、無効電力補償装置（Static Var Compensator）を「ＳＶＣ」とも称する。

＜第１実施形態＞
［電力システムの構成］
図１は、本実施の形態の電力システム１０００の構成例である。電力システム１０００は、無効電力補償ユニット２５０と、発電機３００と、３巻線変圧器４００と、第１検出器６００と、第２検出器７００とを備える。無効電力補償ユニット２５０は、ＳＶＣ２００と、該ＳＶＣ２００を制御する制御装置１００とを含む。発電機３００は、制御部３０２を含む。また、ＳＶＣ２００および発電機３００は、３巻線変圧器４００を介して電力系統５００に接続される。

発電機３００は、たとえば、太陽光発電および風力発電など自然エネルギーを利用して電力を発電する。発電機は、典型的には、交流発電機である。発電機３００から、有効電力と、無効電力とが出力される。また、発電機３００から出力される有効電力の値を「有効電力値Ｐ１」と称し、発電機３００から出力される有効電力の値を「無効電力値Ｑ１」と称する。発電機３００から出力された有効電力と無効電力とは、３巻線変圧器４００を経由して、電力系統５００の負荷（図示せず）に出力される。この負荷は、有効電力に基づいて駆動する。

また、発電機３００の制御部３０２は、無効電力値Ｑ１を制御する。たとえば、有効電力値Ｐ１が変動した場合であっても、無効電力値Ｑ１が有効電力値Ｐ１の変動値に対応した値となるように無効電力値Ｑ１を制御する。なお、制御部３０２の制御の方法は、他の方法であってもよい。また、発電機３００は、制御部３０２を有さないようにしてもよい。つまり、発電機３００は、無効電力値Ｑ１を制御しないようにしてもよい。

ＳＶＣ２００は、後述するように、力率を一定に制御するための無効電力を出力する（無効電力を補償する）。ＳＶＣ２００から出力される無効電力の値を「無効電力値Ｑ３」と称する。ＳＶＣ２００から出力された無効電力は、３巻線変圧器４００を経由して、電力系統５００の負荷（図示せず）に出力される。また、制御装置１００は、ＳＶＣ２００から出力される無効電力値Ｑ３を制御する。

３巻線変圧器４００は、発電機３００からの電圧を、予め定められた電圧に変更する。また、３巻線変圧器４００は、発電機３００から出力される有効電力および無効電力と、ＳＶＣ２００から出力される無効電力とを受け付ける。３巻線変圧器４００は、発電機３００から出力される有効電力を電力系統５００に出力する。また、３巻線変圧器４００は、発電機３００から出力される無効電力と、ＳＶＣ２００から出力される無効電力とを加算して電力系統５００に出力する。

第１検出器６００は、３巻線変圧器４００と発電機３００との間に設置されている。第１検出器６００は、発電機３００からの有効電力値Ｐ１および無効電力値Ｑ１を検出する。なお、第１検出器６００は、有効電力値Ｐ１を検出する検出部と、無効電力値Ｑ１を検出する検出部とに分かれていてもよい。第１検出器６００は、有効電力値Ｐ１および無効電力値Ｑ１を、制御装置１００に出力する。

第２検出器７００は、３巻線変圧器４００と電力系統５００との間に設置されている。第２検出器７００は、３巻線変圧器４００から出力される有効電力値Ｐ２と、無効電力値Ｑ２とを検出する。有効電力値Ｐ２と、無効電力値Ｑ２とは、電力系統５００に出力される電力値でもある。なお、第２検出器７００は、有効電力値Ｐ２を検出する検出部と、無効電力値Ｑ２を検出する検出部とに分かれていてもよい。第２検出器７００は、有効電力値Ｐ２および無効電力値Ｑ２を、制御装置１００に出力する。

制御装置１００は、後述の「電力系統５００側の力率」が目標力率となるように無効電力値Ｑ３を決定する。本実施の形態では、制御装置１００は、有効電力値Ｐ１、無効電力値Ｑ１、有効電力値Ｐ２、および無効電力値Ｑ２に基づいて、無効電力値Ｑ３を決定する。制御装置１００は、該決定された無効電力値Ｑ３の無効電力をＳＶＣ２００から出力させるようにＳＶＣ２００を制御する。

［制御装置のハードウェア構成］
図２は、制御装置１００のハードウェア構成を示すブロック図である。制御装置１００は、コントローラ１５０を有する。コントローラ１５０は、主たる構成要素として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１６０と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１６２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１６４と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）１６６と、通信Ｉ／Ｆ（Interface）１６８とを有する。各構成要素はデータバスによって相互に接続されている。

ＣＰＵ１６０の制御により、通信Ｉ／Ｆ１６８は、ＳＶＣ２００に対して指令信号を出力可能である。指令信号は、ＳＶＣ２００から出力される無効電力値Ｑ３を含む。

ＲＯＭ１６２は、ＣＰＵ１６０にて実行されるプログラムを格納する。ＲＡＭ１６４は、ＣＰＵ１６０におけるプログラムの実行により生成されるデータ、および通信Ｉ／Ｆ１６８を経由して入力されたデータを一時的に格納することができる。ＲＡＭ１６４は、作業領域として利用される一時的なデータメモリとして機能できる。ＨＤＤ１６６は、不揮発性の記憶装置である。また、ＨＤＤ１６６に代えて、フラッシュメモリなどの半導体記憶装置を採用してもよい。

また、ＲＯＭ１６２に格納されているプログラムは、記憶媒体に格納されて、プログラムプロダクトとして流通されてもよい。または、プログラムは、情報提供事業者によって、いわゆるインターネットなどによりダウンロード可能なプログラムプロダクトとして提供されてもよい。制御装置１００は、記憶媒体またはインターネットなどにより提供されたプログラムを読み取る。制御装置１００は、読み取ったプログラムを所定の記憶領域（たとえば、ＲＯＭ１６２）に記憶する。ＣＰＵ１６０は、該記憶されたプログラムを実行することにより上述の表示処理を実行する。

記憶媒体は、ＤＶＤ-ＲＯＭ（Digital Versatile Disk Read Only Memory）、ＣＤ－ＲＯＭ（compact disc read-only memory）、ＦＤ（Flexible Disk）、ハードディスクに限られず、磁気テープ、カセットテープ、光ディスク（ＭＯ（Magnetic Optical Disc）／ＭＤ（Mini Disc）／ＤＶＤ（Digital Versatile Disc））、光カード、マスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ（Electronically Programmable Read-Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory）、フラッシュＲＯＭなどの半導体メモリなどの固定的にプログラムを担持する媒体としてもよい。また、記録媒体は、プログラムなどをコンピュータが読取可能な非一時的な媒体である。

［目標力率について］
本実施の形態の制御装置１００は、電力系統５００に出力される有効電力および電力系統５００に出力される無効電力により定まる力率（以下、「電力系統５００側の力率」とも称する。）が目標力率となるような無効電力を、ＳＶＣ２００に出力させる。また、後述の図５などに示すように、有効電力値Ｐ１は変動する場合がある。制御装置１００は、有効電力値Ｐ１が変動したとしても、電力系統５００側の力率が目標力率となるようにＳＶＣ２００を制御する。また、目標力率となるときの無効電力値を、「無効電力の目標値」ともいう。

図３は、目標力率ｃｏｓθの一例を説明するための図である。図３では、有効電力値Ｐを底辺とし、無効電力値Ｑを高さとする直角三角形が示されている。なお、斜辺は、皮相電力Ｓである。θは、皮相電力Ｓを示す斜辺と、有効電力値Ｐを示す底辺とによりなす角度である。また、典型的には目標力率は、ｃｏｓθにより表される。つまり、目標力率ｃｏｓθは、以下の式（１）で表すことができる。

目標力率ｃｏｓθ＝Ｐ／Ｓ＝Ｐ／｛（Ｐ^２＋Ｑ^２）^１／２｝（１）
この目標力率ｃｏｓθは、予め設計者などにより定められる値である。したがって、θも予め定められた値である。

また、ＳＶＣ２００から出力されている有効電力および無効電力と、発電機３００から出力されている無効電力とから定まる力率ｃｏｓφ１は、Ｐ１、Ｑ１、およびＱ３を用いて以下の式（２）で表すことができる。

ｃｏｓφ１＝Ｐ１／｛（Ｐ１^２＋（Ｑ１＋Ｑ３）^２）^１／２｝（２）
式（２）の力率ｃｏｓφ１は、「発電機３００およびＳＶＣ２００側の力率」とも称される。

また、電力系統５００側の力率ｃｏｓφ２は、Ｐ２、Ｑ２を用いて以下の式（３）で表すことができる。

ｃｏｓφ２＝Ｐ２／｛（Ｐ２^２＋Ｑ２^２）^１／２｝（３）
また、後述の変化要素が存在しない場合には、Ｐ１＝Ｐ２となり、Ｑ２＝Ｑ１＋Ｑ３となる。しかしながら、電力システム１０００には、有効電力および無効電力の少なくとも一方を変化させる変化要素が存在することから、実際には、Ｐ１≒Ｐ２となり、Ｑ２≒Ｑ１＋Ｑ３となる。この変化要素とは、たとえば、３巻線変圧器４００に含まれるインピーダンスおよび電力システム１０００に含まれる複数の配線などである。複数の配線は、発電機３００と第１検出器６００とを結ぶ配線、第１検出器６００と３巻線変圧器４００とを結ぶ配線、無効電力補償ユニット２５０と３巻線変圧器４００とを結ぶ配線、３巻線変圧器４００と第２検出器７００とを結ぶ配線などを含む。

［制御装置の構成］
図４は、制御装置１００の機能ブロック図である。制御装置１００は、第１算出部１１０と、第２算出部１２０と、制御部１３０とを備える。第１算出部１１０は、ｔａｎθ乗算部１１１と、第１減算部１１２と、第１ゲイン部１１４と、フィルタ部１１６とを備える。第２算出部１２０は、ｔａｎθ乗算部１２１と、第２減算部１２２と、第２ゲイン部１２４と、フィルタ部１１６とを備える。

まず、第１算出部１１０を説明する。第１算出部１１０に含まれるｔａｎθ乗算部１１１は、有効電力値Ｐ１に対してｔａｎθを乗算する。上述のようにθは予め定められた値であることから、ｔａｎθも予め定められた値である。

図３の例に示すように、有効電力値Ｐ１に対してｔａｎθを乗算した値は、無効電力に対応した無効電力値となる。この無効電力値Ｑ（Ｐ１・ｔａｎθ）は、目標となる力率ｃｏｓθに対応した無効電力値Ｑであることから、「無効電力の第１目標値」とも称される。

ｔａｎθ乗算部１１１は、Ｐ１・ｔａｎθを第１減算部１１２に出力する。第１減算部１１２は、Ｐ１・ｔａｎθと、第１検出器６００で検出される無効電力値Ｑ１との差分を算出する。図４の例では、第１減算部１１２は、Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１という減算を行う。第１減算部１１２は、Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１を、第１ゲイン部１１４に出力する。

第１ゲイン部１１４は、Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１に対して、第１ゲインＫ１を乗算することにより、Ｋ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）を算出する。第１ゲインＫ１は予め定められた値である。第１ゲイン部１１４は、Ｋ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）をフィルタ部１１６に出力する。

フィルタ部１１６は、第１ゲイン部１１４からの出力であるＫ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）に対して、フィルタ処理を実行する。このフィルタ処理は、Ｋ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）の高周波成分を除去する処理である。フィルタ部１１６は、たとえば、ローパスフィルタにより構成される。このローパスフィルタは、たとえば、１次遅れ要素などである。また、ローパスフィルタは、多次遅れ要素（たとえば、２次遅れ要素）としてもよい。Ｋ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）に対してフィルタ処理が実行されることにより、Ｋ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）の高周波ノイズを除去することができる。フィルタ部１１６は、高周波成分が除去されたＫ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）を制御部１３０に出力する。また、高周波成分が除去されたＫ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）が、本開示の「第１量」および「ＳＶＣ２００から出力される無効電力値を第１目標値にするための操作量」に対応する。また、第１算出部１１０は、ＳＶＣ２００から出力される無効電力値を、第１目標値にするためにフィードフォワード制御を実行する。このように、第１算出部１１０は、フィードフォワード制御を実行することから、有効電力値Ｐ１が変動したとしても、この変動に対して素早く対応することができる。また、第１量は、フィードフォワード量とも称される。

ところで、制御装置１００が、第１目標値（Ｐ１・ｔａｎθ）となる無効電力をＳＶＣ２００に出力させることにより、ｃｏｓφ１を目標力率ｃｏｓθとすることが考えられる。しかしながら、電力システム１０００には、上述のように、力率を変化させる変化要素（たとえば、３巻線変圧器４００に含まれるインピーダンスなど）が含まれる。よって、Ｐ１≠Ｐ２となり、Ｑ２≠Ｑ１＋Ｑ３となることから、ｃｏｓφ１≠ｃｏｓφ２となる。

したがって、発電機３００からの有効電力が変動した場合などには、ｃｏｓφ１が目標力率ｃｏｓθとなったとしても、ｃｏｓφ２と目標力率ｃｏｓθとの偏差が生じてしまう。そこで、本実施の形態では、第２算出部１２０が、この偏差を解消するためのフィードバック制御を行う。これにより、発電機３００からの有効電力が変動した場合であっても、「電力系統５００側の力率ｃｏｓφ２」を目標力率ｃｏｓθに制御できる。

第２検出器７００からの有効電力値Ｐ２は、第２算出部１２０に含まれるｔａｎθ乗算部１２１に入力される。ｔａｎθ乗算部１２１は、有効電力値Ｐ２に対してｔａｎθを乗算する。このｔａｎθは、ｔａｎθ乗算部１１１で用いられるｔａｎθと同一である。また、図３の例に示すように、有効電力値Ｐ２に対してｔａｎθを乗算した値は、無効電力に対応した無効電力値となる。この無効電力値（Ｐ２・ｔａｎθ）は、目標となる力率ｃｏｓθに対応した無効電力値Ｑであることから、「無効電力の第２目標値」とも称される。

ｔａｎθ乗算部１２１は、Ｐ２・ｔａｎθを第２減算部１２２に出力する。第２減算部１２２は、Ｐ２・ｔａｎθと、第２検出器７００で検出される無効電力値Ｑ２との差分である第２量を算出する。図４の例では、第２減算部１２２は、Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２という減算を行う。第２減算部１２２は、Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２を、第２ゲイン部１２４に出力する。

第２ゲイン部１２４は、Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２に対して、第２ゲインＫ２を乗算することにより、Ｋ２・（Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２）を算出する。第２ゲインＫ２は予め定められた値である。第１ゲインＫ１と第２ゲインＫ２とが同一であってもよく異なっていてもよい。第２ゲイン部１２４は、Ｋ２・（Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２）を積分部１２６に出力する。

積分部１２６は、Ｋ２・（Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２）に対して、予め定められた期間Δｔにおける積分処理を行う。この積分処理は、この積分処理は、上述の偏差を解消するための処理である。また、積分処理が実行されたＫ２・（Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２）が、本開示の「第２量」および「ＳＶＣ２００から出力される無効電力値を第２目標値にするための操作量」に対応する。また、第２算出部１２０は、ＳＶＣ２００から出力される無効電力値Ｑ３を、第２目標値にするためにフィードバック制御を実行する。したがって、第２量は、フィードバック量とも称される。積分部１２６は、第２値（積分処理が行われたＫ２・（Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２））を加算部１３２に送信する。

制御部１３０に含まれる加算部１３２は、フィルタ部１１６からの第１値と、積分部１２６からの第２値とを加算する。この加算値が、ＳＶＣ２００から出力させる無効電力の値（無効電力値Ｑ３）である。生成部１３４は、無効電力値Ｑ３を示す指令信号を生成し、該指令信号をＳＶＣ２００に出力する。ＳＶＣ２００は、この指令信号に含まれる無効電力値Ｑ３の無効電力を出力する。

図５は、第１算出部１１０に入力される電力値を示す波形、および第１算出部１１０の各構成部から出力される電力値を示す波形の一例を示す図である。図６は、第２算出部１２０の各構成部から出力される電力の波形の一例を示す図である。図７は、制御部１３０の生成部１３４が生成する指令信号により示される無効電力値Ｑ３の波形の一例を示す図である。

図５～図７の横軸は時間とする。また、図５（Ａ）については、有効電力値Ｐ１の波形を示すことから、縦軸はワットを示す。図５（Ｂ）～図５（Ｅ）、および図６、図７については、無効電力に対応する電力の波形を示すことから、縦軸はバールを示す。また、図５～図７は、波形を示す概略図であり、各図面におけるワット値およびバール値は、実際の値とは異なっている。

図５～図７に示すタイミングｔ１において、有効電力値Ｐ１が変動（増加）されたとする。次に、有効電力値Ｐ１が変動される要因を説明する。たとえば、発電機３００がソーラーパネルを有し、該ソーラーパネルによる太陽光発電により発電する場合を説明する。この場合において、ソーラーパネルの単位面積当たりの太陽光の量が変動した場合には、有効電力値Ｐ１は増加する。また、たとえば、発電機３００が風車を有し、風力発電により発電する装置である場合において、風車に当たる風量が変動した場合には、有効電力値Ｐ１は変動する。

図５（Ｂ）～図５（Ｅ）は、それぞれ、ｔａｎθ乗算部１１１から出力される電力値、第１減算部１１２から出力される電力値、第１ゲイン部１１４から出力される電力値、およびフィルタ部１１６から出力される電力値の波形を示す。

図５（Ｂ）に示すように、タイミングＴ１において有効電力が増加した場合には、ｔａｎθ乗算部１１１から出力される電力値、第１減算部１１２から出力される電力値、および第１ゲイン部１１４から出力される電力値も増加する。上述のように、フィルタ部１１６は、第１ゲイン部１１４からの出力値の高周波成分を除去する。したがって、図５（Ｄ）に示す波形の頂部が、図５（Ｅ）に示すように、丸まった形状となる。

次に、図６を説明する。図６（Ａ）に示すように、ｔａｎθ乗算部１２１から出力される電力値Ｐ２・ｔａｎθは、タイミングＴ１において、変動する。なお、上述したようにＰ１・ｔａｎθ≒Ｐ２・ｔａｎθとなる。

図６（Ｂ）に示すように、第２減算部１２２から出力される電力値であるＰ２・ｔａｎθ－Ｑ２は、タイミングＴ１において、増加し、その後、徐々に減少していく。図６（Ｃ）に示すように、第２ゲイン部１２４から出力される電力値も、図６（Ｂ）と同様に第２ゲイン部１２４から出力される電力値であるＫ２（Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２）は、タイミングＴ１において、増加し、その後、徐々に減少していく。

図６（Ｄ）に示すように、積分部１２６から出力される電圧値は、無効電力の目標値であるＰ２・ｔａｎθに収束するように増加する。

図７は、加算部１３２から出力される電圧値の一例を示す図である。上述のように、加算部１３２から出力される電圧値は、ＳＶＣ２００から出力させる無効電力値Ｑ３である。図７の例では、タイミングＴ１からタイミングＴ２までは、比較的大きい増加率で電力値は増加する。このタイミングＴ１からタイミングＴ２までの電力値の増加率が大きくなる理由は、第１算出部１１０が、ＳＶＣ２００からの無効電力値を第１目標値となるようにフィードフォワード制御を実行しているからである（図５（Ｅ）の箇所α参照）。

また、タイミングＴ２以降においては、加算部１３２から出力される電圧値は、第２算出部１２０のフィードバック制御に基づいて目標値（Ｐ２・ｔａｎθ）に徐々に近づき、タイミングＴ３において、該目標値に到達する。生成部１３４は、加算部１３２から出力される無効電力値Ｑ３の無効電力をＳＶＣ２００から出力させるための指令信号を生成する。ＳＶＣ２００は、該指令信号を受信すると、該指令信号により示される無効電力値Ｑ３の無効電力を出力する。

たとえば、特許文献１に記載の発明において、力率を一定にする制御（以下、「一定制御」とも称する。）が実行される場合には、発電機からの有効電力および発電機からの無効電力のみに基づいて、無効電力補償装置から出力される無効電力を制御する構成が考えられる。ここで、図５（Ａ）のタイミングＴ１に示すように、発電機から出力される有効電力が変化した場合であっても、力率を一定にする必要がある。しかしながら、この構成では、発電機から出力される有効電力が変化した場合には、発電機からの有効電力および発電機からの無効電力に基づいて、一定制御を実行したとしても、発電機から電力系統までに上述の変化要素が含まれることから、無効電力補償装置からの電力系統における無効電力の値を目標値に到達させることができない。その結果、この構成では電力系統側の力率を目標力率に制御することができないという問題があった。

そこで、本実施の形態の制御装置１００では、「発電機３００から出力される有効電力値Ｐ１に基づく値と、発電機３００から出力される無効電力値Ｑ１に基づく値との差分」に基づいて算出される第１量と、「電力系統５００側に出力される有効電力値Ｐ２と電力系統５００側に出力される無効電力値Ｑ２」に基づいて算出される第２値との加算値を、無効電力値Ｑ３とする。そして、制御装置１００は、該無効電力値Ｑ３の無効電力をＳＶＣ２００から出力させる。特に、第２量は、３巻線変圧器４００と、電力系統５００との間に配置された第２検出器７００により検出される値である。したがって、発電機３００から電力系統５００までに変化要素が含まれていたとしても、電力系統５００側の力率を目標力率に制御することができる。

また、制御装置１００が第１量を用いずに、第２量に基づいて無効電力値Ｑ３を算出する構成が考えられる。つまり、この構成は、第１検出器６００で検出された有効電力値Ｐ１および無効電力値Ｑ１を用いない構成である。この構成では、発電機３００とＳＶＣ２００との連携が担保されていない。以下に、この構成により懸念される点を説明する。

発電機３００から出力される無効電力値Ｑ１は、様々な原因により、振動または発散する場合がある。第１の原因は、制御部３０２による無効電力値Ｑ１の制御と、制御装置１００による無効電力値Ｑ３の制御とが干渉することにより生じ得る原因である。第２の原因は、たとえば、無効電力を出力する負荷が、ＳＶＣ２００および発電機３００以外に、電力システム１０００に配置されている場合に生じ得る原因である。第３の原因は、発電機３００の不具合が発生した場合に生じ得る原因である。また、第１～第３の原因以外の原因で、無効電力値Ｑ１は、振動または発散する場合がある。以下では、振動または発散を、「振動など」と称する場合がある。制御装置１００が第１量を用いずに、第２量に基づいて無効電力値Ｑ３を算出する構成では、発電機３００から出力される無効電力の振動などが生じるた場合には、電力系統５００側の力率を目標力率とすることができない。

これに対し、本実施形態の電力システム１０００では、第２量のみならず、第１算出部１１０により算出された第１量（発電機３００から出力された有効電力値Ｐ１および無効電力値Ｑ１により定められる量）をも用いる。具体的には、図４に示すように、制御装置１００は、Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１という値に基づいて、無効電力値Ｑ３を算出する。したがって、電力システム１０００は、無効電力値Ｑ１の振動などが生じたとしても、この振動などが解消された無効電力値Ｑ３を算出することができ、その結果、電力系統５００側の力率を目標力率とすることができる。

また、ｔａｎθ乗算部１１１は、第１検出器６００で検出される有効電力値Ｐ１に対してｔａｎθ（係数）を乗算することにより、Ｐ１・ｔａｎθを算出する。このＰ１・ｔａｎθは、ＳＶＣ２００から出力される無効電力の第１目標値である。第１目標値は、第２目標値に近い値である。第１算出部１１０は、フィードフォワード制御を実行することにより、ＳＶＣ２００から出力される無効電力値を第１目標値にするための操作量（第１量）を算出する。したがって、図７のタイミングＴ１～タイミングＴ２で説明したように、発電機３００からの有効電力値Ｐ１が変動したとしても、高速に応答することができる。仮に、有効電力値Ｐ１の変動に対する応答が遅い場合には、有効電力値Ｐ１の変動前の力率と同一の力率とすることが遅くなり、その結果、電力系統５００の負荷に不具合が生じる場合がある。本実施形態では、有効電力値Ｐ１の変動に対する応答を早くすることができることから、このような不具合が生じることを低減できる。

また、第２算出部１２０は、フィードバック制御を実行することによりＳＶＣ２００から出力される無効電力値を第２目標値にするための操作量（第２量）を算出する。したがって、ＳＶＣ２００から出力される無効電力値を、電力系統５００側での目標値（Ｐ２・ｔａｎθ）に制御することができる。したがって、上述のように、有効電力値Ｐ１の変動に対して高速応答を実現しつつも、電力系統５００側の力率を目標力率に高精度かつ安定的に制御することができる。

また、フィルタ部１１６は、第１ゲイン部１１４からの出力であるＫ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）に対して、フィルタ処理を実行する。このフィルタ処理は、Ｋ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）の高周波成分を除去する処理である。この処理により、Ｋ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）の高周波ノイズを除去することができる。また、上述のように、無効電力値Ｑ１の振動などが生じたとしても、フィルタ部１１６は、この無効電力値Ｑ１の振動などを抑制できる。

また、図１に示すように、ＳＶＣ２００と、発電機３００とは、３巻線変圧器４００を介して電力系統５００に接続される。したがって、発電機３００からの電圧を所定の電圧に変換でき。さらに、３巻線変圧器４００のインピーダンスなどが、上述の変化要素となるが、この変化要素が存在していたとしても、電力系統５００側の力率を目標力率に制御することができる。

［制御装置の処理］
図８は、制御装置１００の処理の一例を示すフローチャートである。図８の処理は、一定時間（たとえば、０．１秒）経過ごとに実行される処理である。なお、ステップＳ４～ステップＳ１０は、第１算出部１１０の処理を示しており、ステップＳ１２～ステップＳ１８は、第２算出部１２０の処理を示している。

ステップＳ２において、制御装置１００は、第１検出器６００から有効電力値Ｐ１および無効電力値Ｑ１を取得するとともに、第２検出器７００から有効電力値Ｐ２および無効電力値Ｑ２を取得する。

ステップＳ４において、第１算出部１１０のｔａｎθ乗算部１１１は、有効電力値Ｐ１に対してｔａｎθを乗算する。次に、ステップＳ６において、第１減算部１１２は、Ｐ１・ｔａｎθと、第１検出器６００で検出される無効電力値Ｑ１との差分（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）を算出する。

次に、ステップＳ８において、第１ゲイン部１１４は、Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１に対して、第１ゲインＫ１を乗算することにより、Ｋ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）を算出する。次に、ステップＳ１０において、フィルタ部１１６は、第１ゲイン部１１４からの出力であるＫ１・（Ｐ１・ｔａｎθ－Ｑ１）に対して、フィルタ処理を実行する。

また、ステップＳ１２において、第２算出部１２０のｔａｎθ乗算部１２１は、有効電力値Ｐ２に対してｔａｎθを乗算する。次に、ステップＳ１４において、第２減算部１２２は、Ｐ２・ｔａｎθと、第２検出器７００で検出される無効電力値Ｑ２との差分を算出する。次に、ステップＳ１６において、第２ゲイン部１２４は、Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２に対して、第２ゲインＫ２を乗算することにより、Ｋ２・（Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２）を算出する。次に、ステップＳ１８において、積分部１２６は、Ｋ２・（Ｐ２・ｔａｎθ－Ｑ２）に対して、予め定められた期間Δｔにおける積分処理を行う。

次に、ステップＳ２０において、制御部１３０に含まれる加算部１３２は、フィルタ部１１６からの出力値と、積分部１２６からの出力値とを加算することにより無効電力値Ｑ３を算出する。以上で、処理は終了する。

＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態の制御装置１００Ａのブロック図である。第１実施形態では、図４に示したように、有効電力値Ｐ１が、第１算出部１１０のｔａｎθ乗算部１１１に入力され、有効電力値Ｐ２が、第２算出部１２０のｔａｎθ乗算部１２１に入力される構成を説明した。第２実施形態では、図９に示すように、有効電力値Ｐ１が、第１算出部１１０のｔａｎθ乗算部１１１および第２算出部１２０のｔａｎθ乗算部１２１に入力される。第２実施形態では、有効電力値Ｐ２は使用されない。なお、他の処理については、第１実施形態と同様である。

また、第２実施形態の制御装置１００Ａのフローチャートは、Ｓ１２の「Ｐ２・ｔａｎθを算出」が、「Ｐ１・ｔａｎθを算出」に代替される。

上述のように、有効電力値Ｐ１≒有効電力値Ｐ２となる。したがって、第２実施形態の制御装置１００Ａは、力率を一定に制御する精度において、第１実施形態の制御装置１００よりも低い。しかしながら、有効電力値Ｐ２を使用する必要がないことから、第２検出器７００から制御装置１００まで有効電力値Ｐ２出力する配線は必要ない。

＜その他の実施形態＞
（１）有効電力値Ｐ１，Ｐ２、および無効電力値Ｑ１，Ｑ２を使用して、制御装置１００が、ＳＶＣ２００を制御する構成であれば、他の制御を実行するようにしてもよい。たとえば、第１算出部１１０が、有効電力値Ｐ２、および無効電力値Ｑ２を用いてフィードフォワード制御を実行し、第２算出部１２０が、有効電力値Ｐ１、および無効電力値Ｑ１を用いてフィードバック制御を実行するようにしてもよい。

（２）本実施形態では、ＳＶＣ２００と、発電機３００とが、３巻線変圧器４００を介して電力系統５００に接続されている構成を説明した。しかしながら、たとえば、ＳＶＣ２００が第１の２巻線変圧器を介して電力系統５００に接続され、発電機３００が第２の２巻線変圧器を介して電力系統５００に接続されル構成であってもよい。

また、今回開示された各実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、実施の形態および各変形例において説明された発明は、可能な限り、単独でも、組合わせても、実施することが意図される。

１００，１００Ａ制御装置、１１０第１算出部、１１２第１減算部、１１４第１ゲイン部、１１６フィルタ部、１２０第２算出部、１２２第２減算部、１２４第２ゲイン部、１２６積分部、１３０，３０２制御部、１３２加算部、１３４生成部、１５０コントローラ、１６２ＲＯＭ、１６４ＲＡＭ、２５０無効電力補償ユニット、３００発電機、４００巻線変圧器、５００電力系統、６００第１検出器、７００第２検出器、１０００電力システム。

Claims

電力系統に接続され、有効電力と無効電力とを出力する発電機と、
前記電力系統に接続され、無効電力を出力する無効電力補償装置と、
前記無効電力補償装置を制御する制御装置と、
前記発電機から出力される有効電力値と、前記発電機から出力される無効電力値とを検出する第１検出器と、
前記電力系統に出力される有効電力値と、前記電力系統に出力される無効電力値とを検出する第２検出器とを備え、
前記制御装置は、
前記第１検出器で検出される有効電力値に基づく値と前記第１検出器で検出される無効電力値との差分に基づいて第１量を算出する第１算出部と、
前記第２検出器で検出される有効電力値に基づく値と前記第２検出器で検出される無効電力値との差分、または、前記第１検出器で検出される有効電力値に基づく値と前記第２検出器で検出される無効電力値との差分に基づいて第２量を算出する第２算出部と、
前記第１量と前記第２量とを加算することにより前記無効電力補償装置から出力される無効電力値を制御する制御部とを含む、電力システム。
前記第１算出部は、
前記第１検出器で検出される有効電力値に対して係数を乗算することにより第１目標値を算出し、
前記無効電力補償装置から出力される無効電力値を前記第１目標値にするための操作量を前記第１量として算出する、請求項１に記載の電力システム。
前記第２算出部は、
前記第２検出器で検出される有効電力値または前記第１検出器で検出される有効電力値に対して係数を乗算することにより第２目標値を算出し、
フィードバック制御を実行することにより前記無効電力補償装置から出力される無効電力値を第２目標値にするための操作量を前記第２量として算出する、請求項１または請求項２に記載の電力システム。
前記第１算出部は、前記第１検出器で検出される有効電力値に基づく値と前記第１検出器で検出される無効電力値との差分に対して高周波成分を除去するフィルタ処理を実行する、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の電力システム。
前記発電機と、前記無効電力補償装置とは、３巻線変圧器を介して前記電力系統に接続される、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電力システム。
請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の電力システムに含まれる制御装置。
請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の電力システムに含まれる、前記無効電力補償装置および前記制御装置を含む無効電力補償ユニット。
無効電力補償装置を制御する制御方法であって、
発電機から出力される有効電力値と、前記発電機から出力される無効電力値とを検出するステップと、
前記無効電力補償装置および前記発電機が接続されている電力系統に出力される有効電力値と、前記電力系統に出力される無効電力値とを検出するステップと、
前記発電機から出力される有効電力値に基づく値と前記発電機から出力される無効電力値との差分に基づいて第１量を算出するステップと、
前記電力系統に出力される有効電力値に基づく値と前記電力系統に出力される無効電力値との差分、または、前記発電機から出力される有効電力値に基づく値と前記電力系統に出力される無効電力値との差分に基づいて第２量を算出するステップと、
前記第１量と前記第２量とを加算することにより前記無効電力補償装置から出力される無効電力値を制御するステップとを備える、制御方法。