JP7452254B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統に接続されるアーク炉等の負荷の無効電力変動によって発生する電圧フリッカを抑制するための無効電力補償装置及びその制御部からなる電力変換装置に関するものである。

例えば、製鋼用のアーク炉のように負荷変動が大きい装置では、負荷変動に伴う無効電力の変動により、電圧フリッカが発生する。アーク炉を設置しているプラントや事業所では、電力会社が定めた規制値以内に電圧フリッカを抑制する必要があるため、電圧フリッカ抑制用として無効電力補償装置が電力系統に連系されている。

図５に、この種の無効電力補償装置の一例を示す。
図５において、電力系統１０２に系統インピーダンス１０３を介して接続される負荷としてのアーク炉１０４に対して、無効電力補償装置１０１が並列接続されている。この無効電力補償装置１０１は、サイリスタ、リアクトル、コンデンサ等からなり、変成器１１３及び変流器１０５により検出した電圧、電流に基づいて制御部１１４が無効電力補償装置１０１内のサイリスタをオン・オフ制御するように構成されている。

無効電力補償装置１０１は、アーク炉１０４が発生する無効電力を補償して電圧フリッカを抑制する。
すなわち、アーク炉１０４が発生する無効電力をＱ_ｆ、無効電力補償装置１０１が出力する無効電力をＱ_ｔ、電力系統１０２の無効電力をＱ_ｓ（＝Ｑ_ｆ－Ｑ_ｔ）とすると、Ｑ_ｔ＝Ｑ_ｆとなるように無効電力補償装置１０１を制御することにより、電力系統１０２の無効電力はＱ_ｓ＝０となる。これにより、電力系統１０２の電圧変動ひいては電圧フリッカを抑制することができる。
なお、図５では無効電力補償装置１０１を他励式無効電力補償装置として示してあるが、自励式無効電力補償装置の場合も基本的動作は同一である。

アーク炉１０４の操業状態は、スクラップを溶解する溶解期と、脱酸、脱硫、非金属介在物除去等の還元精錬を行う精錬期とに大別することができる。
図６に示すように、溶解期は比較的大きな負荷電流が速い周期で変動し、精錬期は溶解期に対して比較的小さい負荷電流が遅い周期で変動する。図６における縦軸のＩ_ｆｒｍｓは、アーク炉１０４に流入する負荷電流Ｉ_ｆの実効値である。
上記の精錬期のように負荷電流が小さい期間では、電圧フリッカの発生量が少なくなる一方、電力系統１０２の力率は悪化する。

ここで、特許文献１には、上述した溶解期及び精錬期の特徴に着目した無効電力補償装置の制御方式が開示されている。
この制御方式では、アーク炉の昇降速度を検出して溶解期と精錬期とを判別し、電圧フリッカが大きい溶解期ではフリッカ補償制御を行うと共に、力率が悪化する精錬期では制御方式を力率改善制御に切り替えることにより、受電点の力率を改善し、アーク炉への投入電力を削減して低コストでの操業を可能にしている。

特許第６４７２０５４号公報（［００３５］～［００４０］、図１等）

さて、無効電力補償装置の最大電流値は精錬期より溶解期の方が大きいが、精錬期はほぼ一定の負荷電流が常時流れ続けるため、損失に着目すると、精錬期の方が溶解期より大きくなる傾向がある。このため、特許文献１のように無効電力補償装置以外の電力コストの削減を図る場合には、容量が大きい無効電力補償装置を備える必要があり、トータルで見るとコストが高くなってしまうという問題がある。

そこで本発明の解決課題は、装置の熱余裕及び負荷の状態を考慮して無効電力補償装置を制御することにより、少ない容量で十分な無効電力補償性能を得るようにした電力変換装置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、電力系統に接続された負荷の無効電力によって発生する電圧フリッカを抑制するために、前記電力系統に無効電力を注入する無効電力補償装置及びその制御部からなる電力変換装置において、
前記制御部は、前記負荷の操業状態に応じて制御定数の異なる２つのモードの何れかにより前記無効電力補償装置を制御することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、
前記負荷がアーク炉である場合に、前記２つのモードは、前記操業状態としての溶解期に対応する第１モードと精錬期に対応する第２モードとからなり、前記第１モードにおける制御定数が前記第２モードにおける制御定数より大きいことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載した電力変換装置において、
前記第２モードにおける制御定数を、負荷電流が過去の運転における制御定数を超えた時間に基づいて設定することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２に記載した電力変換装置において、
前記第２モードにおける制御定数を、所定時間にわたる負荷電流の積分値が過去の運転における制御定数を超えた時間に基づいて設定することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１～４の何れか１項に記載した電力変換装置において、
前記制御定数が、前記無効電力補償装置に与える補償電流指令の制限値であることを特徴とする。

本発明においては、負荷の操業状態に応じて無効電力補償装置における制御定数、具体的には、補償電流指令の制限値を変化させる。
例えば、負荷がアーク炉である場合、操業状態が溶解期であって無効電力補償装置が熱的に余裕のある場合には半導体スイッチング素子を電流限界値にて運転するように制御定数を設定し、操業状態が精錬期であって無効電力補償装置に熱的な余裕がない場合には定格容量にて運転するように制御定数を溶解期より小さい値に設定することにより、無効電力補償装置の容量を必要最小限にして装置のコストを低減することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。 図１における補償電流演算手段の一例を示すブロック図である。 図１における補償電流制限手段の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態における負荷電流、第１指令制限値及び第２指令制限値の一例を示す波形図である。 従来技術を示す構成図である。 アーク炉の操業状態と負荷電流との関係を示す波形図である。

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電力変換装置の全体構成図である。図５と同様に、電力系統１０２には、系統インピーダンス１０３を介して負荷としてのアーク炉１０４が接続されている。
また、無効電力補償装置（自励式ＳＶＣ）１０１を含む電力変換装置１００が、系統インピーダンス１０３とアーク炉１０４との間に接続されている。
なお、電力系統１０２及び電力変換装置１００等は三相回路であるが、図１では単線図により表示している。

電力変換装置１００において、電流検出器１０５により検出した負荷電流Ｉ_ｆが補償電流演算手段１０８に入力され、第１補償電流指令Ｉ_ｒｅｆ１が演算される。この第１補償電流指令Ｉ_ｒｅｆ１は補償電流制限手段１０９により制限されて第２補償電流指令Ｉ_ｒｅｆ２が生成される。
一方、電流検出器１０７により検出した無効電力補償装置１０１の出力電流Ｉ_ｏｕｔが電流制御演算手段１１０に入力されており、電流制御演算手段１１０は、出力電流Ｉ_ｏｕｔが第２補償電流指令Ｉ_ｒｅｆ２に一致するように演算を行う。

また、電流制御演算手段１１０の出力と電圧検出器１０６により検出した連系点電圧Ｖ_ｐｃｃとが加算手段１１２により加算されて電圧指令Ｖ_ｒｅｆが算出され、この電圧指令Ｖ_ｒｅｆはＰＷＭ（パルス幅変調）演算手段１１１に入力される。
ＰＷＭ演算手段１１１では、電圧指令Ｖ_ｒｅｆとキャリアとを比較する等の演算を行ってＰＷＭパルスを生成し、このＰＷＭパルスを用いて無効電力補償装置１０１内の半導体スイッチング素子を駆動することにより、所望の無効電力を出力して電力系統１０２との連系点に注入する。

次に、図２は図１における補償電流演算手段１０８の一例を示すブロック図である。
無効電力補償装置１０１は無効電力Ｑ_ｆを補償するため、負荷電流Ｉ_ｆから有効電流を除いた電流を出力する必要がある。このため、まず、負荷電流Ｉ_ｆをベクトル回転手段１０８ａに入力して回転座標変換し、ｄ軸成分Ｉ_ｆｄとｑ軸成分Ｉ_ｆｑとに分解する。なお、回転座標系は連系点電圧Ｖ_ｐｃｃに同期して回転する座標系であり、連系点電圧Ｖ_ｐｃｃ方向をｄ軸と定義し、このｄ軸から９０°進んだ方向をｑ軸と定義する。

負荷電流ｄ軸成分Ｉ_ｆｄは移動平均手段１０８ｂに入力され、その出力Ｉ_ｆｄ２と前記ｄ軸成分Ｉ_ｆｄとの偏差を減算手段１０８ｃにより求めることにより、有効電流を除去した負荷電流ｄ軸成分（有効電流除去後）Ｉ_ｆｄ３が求められる。そして、このＩ_ｆｄ３と負荷電流ｑ軸成分Ｉ_ｆｑとをベクトル回転手段１０８ｄに入力して逆回転座標変換を行うことにより、無効電力補償装置１０１が出力するべき電流指令（無効電流指令）を求めることができる。

次いで、図３は図１における補償電流制限手段１０９の一例を示すブロック図である。
第１補償電流指令Ｉ_ｒｅｆ１は乗算手段１０９ｆに入力されると共に、絶対値演算手段１０９ａに入力されて三相各相の第１負荷電流指令（絶対値）Ｉ_{ｆaｂｓ１}が演算される。これらの第１負荷電流指令（絶対値）Ｉ_{ｆaｂｓ１}は最大値選択演算手段１０９ｂに入力されて三相のうちの最大値が選択され、この最大値は１次遅れフィルタ１０９ｃを介して第２負荷電流指令（絶対値）Ｉ_{ｆaｂｓ２}となり、除算手段１０９ｅに入力されている。

また、アーク炉１０４の操業状態（溶解期または精錬期）に応じて、入力信号を第１指令制限値または第２指令制限値に切り替える切替手段１０９ｄが設けられており、この切替手段１０９ｄの出力信号は指令制限設定値として除算手段１０９ｅに入力される。ここで、上記の第１指令制限値及び第２指令制限値は、請求項における制御定数に相当する。
なお、切替手段１０９ｄの切替操作は、アーク炉１０４の操業状態を把握している運用管理者により実行される。

除算手段１０９ｅでは、指令制限設定値を第２負荷電流指令（絶対値）Ｉ_{ｆaｂｓ２}により除算し、その結果を上限値１００％のリミッタ１０９ｆにより制限して負荷電流指令制限係数αが求められる。この負荷電流指令制限係数αは前記乗算手段１０９ｇに入力され、第１補償電流指令Ｉ_ｒｅｆ１との乗算結果が第２補償電流指令Ｉ_ｒｅｆ２として出力される。
なお、前述した１次遅れフィルタ１０９ｃを下り方向（Ｉ_{ｆaｂｓ１}からＩ_{ｆaｂｓ２}に向かう方向）のみに作用する特性とすることにより、負荷電流Ｉ_ｆの過渡的な変化に対しても適切に制限された第２補償電流指令Ｉ_ｒｅｆ２を求めることができる。

図４は、本実施形態における負荷電流、第１指令制限値及び第２指令制限値の一例を示す波形図である。
図４に示すように、アーク炉１０４の操業状態が溶解期である場合の第１指令制限値に対して、精錬期である場合の第２指令制限値を小さく設定する。

すなわち、損失が小さい（無効電力補償装置１０１は熱的に余裕がある）溶解期では、第１指令制限値を無効電力補償装置１０１の内部の半導体スイッチング素子の定格電流値に制限して動作させ、損失が大きい（無効電力補償装置１０１は熱的に余裕がない）精錬期では、第１指令制限値より小さい第２指令制限値により補償電流を制限することにより、無効電力補償装置１０１を熱限界状態にて運転することが可能である。
これにより、装置の熱余裕に応じて無効電力補償量を制限できるため、無効電力補償装置１０１の能力をその容量に応じて最大限活用したシステムを実現することができる。

なお、精錬期における第２指令制限値の設定方法としては、負荷電流が過去の運転における第２指令制限値を超えた時間（超過時間）が所定の時間閾値より長い場合には第２指令制限値を大きくし、前記超過時間が前記時間閾値より短い場合には第２指令制限値を小さくすれば良い。また、前記超過時間については、例えば、所定時間内に負荷電流が第２指令制限値を超えた時間の割合を判断基準としても良いし、第２指令制限値を超えた時間の最長値を判断基準としても良い。
更に、過去の運転における第２指令制限値を超えた負荷電流の所定時間当たりの積分値が所定の積分値閾値を超えた場合に第２指令制限値を大きくし、前記積分値が前記積分値閾値より小さい場合に第２指令制限値を小さくしても良い。ここで、負荷電流の所定時間当たりの積分値としては、例えば、前回運転時の平均値を判断基準としても良いし、所定時間単位で区切った場合の最大値を判断基準としても良い。

１００：電力変換装置
１０１：無効電力補償装置
１０２：電力系統
１０３：系統リアクトル
１０４：アーク炉（負荷）
１０５，１０７：電流検出器
１０６：電圧検出器
１０８：補償電流演算手段
１０８ａ，１０８ｄ：ベクトル回転手段
１０８ｂ：移動平均手段
１０８ｃ：減算手段
１０９：補償電流制限手段
１０９ａ：絶対値演算手段
１０９ｂ：最大値選択演算手段
１０９ｃ：１次遅れフィルタ
１０９ｄ：切替手段
１０９ｅ：除算手段
１０９ｆ：リミッタ
１０９ｇ：乗算手段
１１０：電流制御演算手段
１１１：ＰＷＭ演算手段
１１２：加算手段

Claims (5)

1. 電力系統に接続された負荷の無効電力によって発生する電圧フリッカを抑制するために、前記電力系統に無効電力を注入する無効電力補償装置及びその制御部からなる電力変換装置において、
   前記制御部は、前記負荷の操業状態に応じて制御定数の異なる２つのモードの何れかにより前記無効電力補償装置を制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載した電力変換装置において、
   前記負荷がアーク炉である場合に、前記２つのモードは、前記操業状態としての溶解期に対応する第１モードと精錬期に対応する第２モードとからなり、前記第１モードにおける制御定数が前記第２モードにおける制御定数より大きいことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載した電力変換装置において、
   前記第２モードにおける制御定数を、
   負荷電流が過去の運転における制御定数を超えた時間に基づいて設定することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２に記載した電力変換装置において、
   前記第２モードにおける制御定数を、
   所定時間当たりの負荷電流の積分値が、過去の運転における制御定数を超えた時間に基づいて設定することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載した電力変換装置において、
   前記制御定数が、前記無効電力補償装置に与える補償電流指令の制限値であることを特徴とする電力変換装置。

Images