JPH08265974A - 自励式無効電力補償装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高価な進相コンデンサ設備を用いずに力率を
改善する自励式無効電力補償装置を提供する。 【構成】 自励式インバータ4を変圧器Tを介して系統母
線2に接続し、インバータ出力電圧を系統電圧と同位相
で振幅制御することにより補償用無効電力を発生する自
励式無効電力補償装置7において、負荷1の無効電力の瞬
時値を検出してそれが所定値より小さいことを検知した
場合、進相無効電力供給用バイアス信号をインバータ出
力制御信号に付加して無効電力補償装置から系統母線に
進相無効電力を供給し、負荷から系統に流出した無効電
力を補償して系統側の力率を改善する力率改善部8を付
設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アーク炉等の無効電力
変動の大きい負荷のフリッカ、電圧変動対策用として好
適な自励式静止型無効電力補償装置に関し、特に系統側
の力率改善手段に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電力系統では、無効電力変動により系統
電圧変動を引き起こす大容量のアーク炉、電車負荷、鉄
鋼圧延負荷等の変動負荷に対しては、系統電源とその変
動負荷との間に変動負荷による無効電力を補償する無効
電力補償装置を設けており、その一例として自励式静止
型無効電力補償装置（自励式ＳＶＣ）を図４の一般的系
統の等価回路を参照して次に示す。図において（Vs）は
系統電源、（Xs）は系統インピーダンス、（CT）は負荷
電流検出用変流器、（PT）は母線電圧検出用変圧器、
（Ｔ）は系統連系用変圧器、（１）は負荷、（２）は系
統母線、（３）は自励式静止型無効電力補償装置であ
る。上記負荷（１）はアーク炉等で、系統母線（２）を
介して系統電源（Vs）に接続される。

【０００３】無効電力補償装置（３）はインバータ
（４）と無効電力演算部（５）と制御指令部（６）とを
具備し、変圧器（Ｔ）を介して系統母線（２）に接続す
ることにより系統電源（Vs）から系統インピーダンス
（Xs）を介して負荷（１）に並列に接続される。インバ
ータ（４）は、例えばコンバータ等の直流電圧から系統
電圧（Vs）と等しい基本周波数（50、60Hz）の固定矩形
波ベース電圧（Vp）を発生する大容量で低損失、低速応
答の矩形波インバータと、コンバータ等の直流電圧から
無効電流打ち消し用補償電流を生成するための高周波の
可変矩形波電圧成分（Vq）を発生する小容量で高損失、
高速応答の高周波ＰＷＭインバータとを有し、変圧器
（Ｔ）を介して系統母線（２）に接続する。無効電力演
算部（５）は変流器（CT）及び変圧器（PT）の各出力が
入力し、負荷電流（IL）及び母線電圧（VL）（無効電力
補償装置と系統母線との接続点の電圧）を演算して負荷
（１）の無効電力（QL）を算出する。制御指令部（６）
は無効電力演算部（５）の出力に接続され、補償用無効
電流指令値（Qs）を算出して出力指令用点弧パルス
（Ｐ）を決定し、それをインバータ（４）に連続的に送
出して進相及び遅相の補償用無効電力（Ｑ）を連続的に
出力制御する。

【０００４】上記構成によれば、変流器（CT）で負荷電
流（IL）を検出し、負荷変動による無効電力変動を検知
すると、インバータ（４）で補償用無効電力（Ｑ）を発
生するための矩形波電圧を出力して変圧器（Ｔ）を介し
て系統母線（２）に供給し、補償用無効電力（Ｑ）によ
って負荷変動による無効電力（QL）を打ち消す。上記無
効電力（Ｑ）は、Q={Vs・(Vp+Vq)/Xs} によって決ま
り、ＰＷＭインバータによる電圧成分（Vq）を可変制御
（振幅制御）して適宜、設定する。

【０００５】例えば図５（ａ）に示すように、期間（T
a）では、増加する遅相無効電力（Qa）、期間（Tb）で
は、小さく変動する遅相無効電力（Qb）、及び期間（T
c）では、減少する遅相無効電力（Qc）が負荷変動によ
り発生したとする。そうすると、図５（ｂ）に示すよう
に、期間（Ta）で増加する進相無効電力（Qd）、期間
（Tb）で小さく変動する無効電力（Qe）をそれぞれ無効
電力補償装置（３）から発生し、負荷（１）の無効電力
（Qa）（Qb）をまず補償する。

【０００６】この時、負荷（１）の無効電力（QL）が一
旦、大きく変動した後、そのまま大きく変動しない期間
が持続した場合、無効電力補償装置（３）は出力０の方
向にゆっくりと戻って出力０で止まり、次の大きな変動
に備えて待機する。又、無効電力補償装置（３）は、進
相100〜遅相100までの無効電力変動を補償出来るが、元
来、電圧変動、フリッカの抑制を主目的とするため、通
常、負荷（１）の変動分のみを制御信号として補償す
る。そこで、期間（Tb）における無効電力（Qb）のよう
に前の期間（Ta）で大きく変動した後、一定の無効電力
に対して小さく変動する期間が長く持続した場合、無効
電力補償装置（３）は図５（ｂ）の期間（Tba）におい
て出力０の方向にゆっくりと戻り、出力０近辺を中心と
して小さな変動分のみを補償する。

【０００７】例えば、負荷（１）の無効電力（QL）が期
間（Ta）で遅相側に０MVarから20MVarへ、そして期間
（Tc）で遅相側に20MVarから０MVarへそれぞれ変動した
時、無効電力補償装置（３）は期間（Ta）で20MVarから
０MVarに変動する進相無効電力（Qd）を発生すると共
に、期間（Tc）で０MVarから20MVarに変動する進相無効
電力（Qf）をそれぞれ発生しようとする。一方、期間
（Tb）において負荷（１）の無効電力（Qb）が一旦、20
MVarまで変動した後、18〜22MVarの範囲で平均20MVarを
中心に小さく変動しつつ長く持続したとする。そうする
と、上述したように、無効電力補償装置（３）は変動分
４MVarを補償しつつ、次の大きな変動があった時に効率
良く変動分を抑制するように備えるため、図５（ｂ）に
示すように、期間（Tba）において20MVarから０MVarに
ゆっくりと戻る。そこで、無効電力補償装置（３）の出
力は変動分４MVarのみを補償して殆ど０近辺で作動す
る。そのため、系統に対しては負荷（１）からの遅相分
（Qb、Qc=20MVar）が流出し、系統（受電点）の力率を
低下させる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、上述したように、期間（Tb）のように負荷（１）の
無効電力（Qb）が大きく変動しない期間が持続して無効
電力補償装置（３）の出力が０に戻った場合、負荷
（１）から無効電力（Qb）（Qc）が流出して系統の力率
を低下させる点で、そのため、従来、例えば進相コンデ
ンサ設備を主回路に並列に付加して力率を改善すること
も出来るが、力率改善用進相コンデンサ設備は高価であ
るため、コストが増加し、且つ、設置スペースも増大す
るという不具合が生じ、又、負荷停止時の電圧上昇の課
題も生じる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、自励式インバ
ータを変圧器を介して系統母線に接続し、上記インバー
タ出力電圧を系統電圧と同位相で振幅制御することによ
り補償用無効電力を発生する自励式無効電力補償装置に
おいて、負荷の無効電力の瞬時値を検出してそれが所定
値より小さいことを検知した場合、進相無効電力供給用
バイアス信号を上記インバータ出力制御信号に付加して
上記無効電力補償装置から系統母線に進相無効電力を供
給し、負荷から系統に流出した無効電力を補償して系統
側の力率を改善する力率改善部を付設したことを特徴と
する。

【００１０】

【作用】上記技術的手段によれば、自励式無効電力補償
装置を運転する際、力率改善部において負荷の無効電力
の瞬時値を検出して負荷変動が小さいことを検知した場
合、その期間では無効電力補償装置の動作容量も小さい
ため、進相無効電力供給用バイアス信号をインバータ出
力制御信号に付加して定格までの余剰の進相無効電力を
無効電力補償装置から系統母線に供給し、負荷から系統
に流出した無効電力を補償して系統側の力率を改善す
る。

【００１１】

【実施例】本発明に係る自励式無効電力補償装置の実施
例を図１乃至図３を参照して以下に説明する。まず図１
において図４に示す部分と同一部分には同一参照符号を
付してその説明を省略する。相違する点は、本発明に係
る無効電力補償装置（７）において力率改善部（８）を
付設したことである。それにより負荷（１）の無効電力
（QL）の瞬時値を検出してそれが所定値より小さく、負
荷変動が小さいことを検知した場合、その期間では無効
電力補償装置（７）の動作容量も小さいため、進相無効
電力供給用バイアス信号（Qrb）を無効電力補償装置
（７）のインバータ出力制御信号に付加する。そして、
図３（ｅ）に示すように、定格までの余剰の進相無効電
力（Qr）を無効電力補償装置（７）から系統母線（２）
に供給して負荷（１）から流出した遅相無効電力を補償
し、系統側の力率を改善する。

【００１２】上記力率改善部（８）は、図２に示すよう
に、最大振幅検出部（９）と比較器（10）とカウンタ
（11）とＲＳフリップフロップ回路（12）とスイッチ部
（13）と加算器（14）とを具備する。上記最大振幅検出
部（９）は無効電力演算部（５）の出力に接続され、負
荷（１）の無効電力（QL）の瞬時最大振幅（Qp）を検出
する。比較器（10）は瞬時最大振幅（Qp）と設定値（Q
t）とを比較入力し、Qp＞Qt、又は、Qp＜Qtの各場合に
応じてハイ又はロウ信号をそれぞれ出力する。カウンタ
（11）はクロックパルス（CL）、限時設定値（To）及び
比較器出力（Fr）を入力値とし、比較器（10）からロウ
信号が入力すると、クロックパルス（CL）に同期して計
数開始して限時設定値（To）で決まる一定時間経過後に
ハイ信号を出力する。又、比較器（10）からハイ信号が
入力すると、計数リセットされる。

【００１３】ＲＳフリップフロップ回路（12）は比較器
（10）及びカウンタ（11）の各出力（Fr）（Fs）が入力
し、カウンタ出力（Fs）がロウで、比較器出力（Fr）が
ハイの時、ロウ信号を出力し、逆にカウンタ出力（Fs）
がハイで、比較器出力（Fr）がロウの時、ハイ信号を出
力する。スイッチ部（13）はソフトスタート回路を内蔵
すると共に、進相無効電力供給用バイアス信号指令値
（Qro）及びフリップフロップ回路（12）からのハイ又
はロウ信号が入力する。そして、フリップフロップ回路
（12）からハイ信号が入力すると、閉成して上記指令値
（Qro）をソフトスタートさせて加算器（14）に入力す
る。加算器（14）は負荷（１）の無効電力（QL）と指令
値（Qro）とを加算し、補償用無効電流指令値（Qs）と
して出力する。

【００１４】上記構成に基づき本発明の動作を次に説明
する。まず負荷電流（IL）及び電圧（VL）から無効電力
演算部（５）において負荷（１）の無効電力（QL）を算
出する。そして、図３（ａ）に示すように、最大振幅検
出回路（９）において無効電力（QL）の瞬時値の最大振
幅（Qp）を検出して比較器（10）に入力し、瞬時最大振
幅（Qp）と設定値（Qt）とを比較する。そこで、まず期
間（Tm）でQp＞Qtになると、図３（ｂ）に示すように、
その期間（Tm）で比較器出力（Fr）がハイ信号になって
フリップフロップ回路（12）の出力端子（Ｒ）及びカウ
ンタ（11）に入力する。この場合、図３（ｃ）（ｄ）に
示すように、カウンタ（11）は計数リセット入力とな
り、又、フリップフロップ回路（12）の出力（Fq）はロ
ウ信号になってスイッチ部（13）を遮断し、無効電力
（QL）がそのまま補償用無効電力指令値（Qs）となる。

【００１５】次に、期間（Tn）でQp＜Qtになって持続す
ると、その期間（Tn）で比較器出力（Fr）がロウ信号に
なってフリップフロップ回路（12）の出力端子（Ｒ）及
びカウンタ（11）に入力する。この場合、その入力開始
時間からカウンタ（11）で計数し、図３（ｃ）に示すよ
うに、限時設定値（To）で決まる一定時間経過後にカウ
ンタ出力（Fs）がハイ信号になってフリップフロップ回
路（12）の入力端子（Ｓ）に入力される。そうすると、
フリップフロップ回路（12）の各入力端子（Ｓ）（Ｒ）
がハイ及びロウになり、図３（ｄ）に示すように、出力
（Fq）がハイ信号になってスイッチ部（13）を閉成し、
それを期間（Tn）が終了するまで持続する。そこで、ス
イッチ部（13）から指令値（Qro）を加算器（14）に入
力し、無効電力（QL）と加算して補償用無効電力指令値
（Qs=QL+Qro）となる。この時、加算する指令値（Qro）
をソフトスタートさせ、無効電力補償装置（７）による
急激な無効電力変動を出さないようにする。

【００１６】例えば、図３（ｅ）に示すように、力率改
善部（８）において負荷変動が小さいことを検知した場
合、進相無効電力10MVar(=Qr)を出力するようなバイア
ス信号を上記インバータ出力制御信号に付加しておく。
そうすると、図５（ａ）と同様、まず期間（Ta）で負荷
変動によって0MVarから20MVarへ遅相無効電力が変動し
た場合、無効電力補償装置（７）は、従来同様、0MVar
から20MVarに変動する進相無効電力を出力して補償す
る。次に、期間（Tb）において、負荷（１）の遅相無効
電力が20MVarを中心に18MVarから22MVarの範囲で小さく
変動してそのまま長く持続した場合、無効電力補償装置
（７）の出力は、従来、進相分20MVarから０MVarへ戻っ
て出力０近辺で作動していたのに対し、本発明では、進
相分20MVarから10MVarへ戻る。そこで、無効電力補償装
置（７）の出力は進相分10MVar近辺で作動し、その結
果、負荷（１）から系統側へ流出する遅相無効電力分20
MVarは進相分10MVarにより補償されて従来の20MVarから
10MVarとなる。それにより系統側の力率低下が小さくな
って力率を改善出来る。この時、進相分20MVarから10MV
arへ戻る際、まず期間（Tbb）で０MVar側へ戻った後、
期間（Tbc）でソフトスタートして10MVarに到達させ、
無効電力補償装置（７）による急激な無効電力変動を出
さないようにする。

【００１７】そして、期間（Tc）において負荷（１）の
遅相無効電力が20MVarから0MVarへ変動すると、無効電
力補償装置（７）は一定の進相分10MVarをベースに負荷
（１）からの変動分20MVarを補償する。従って、従来か
らの変動無効電力を補償し、かつ、一定の進相バイアス
信号によって力率も改善出来る。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、負荷変動によって発生
した無効電力変動を補償する自励式無効電力補償装置に
おいて、制御対象とする負荷の変動が小さい場合、予め
進相無効電力供給用バイアス信号を無効電力補償装置の
インバータ出力制御信号に付加して無効電力補償装置か
ら系統母線に進相無効電力を供給し、特に、負荷の遅相
無効電力が大きく変動しない期間が長く持続して負荷か
ら系統に遅相無効電力が流出した場合、無効電力補償装
置を上記進相無効電力近辺で作動させて負荷からの遅相
無効電力を補償し、系統側の力率を改善するようにした
から、力率改善用コンデンサ設備が不要、又は少なくな
ってコスト及びスペースの低減化を実現出来、又、負荷
停止時の電圧上昇の問題も生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る自励式無効電力補償装置の実施例
を示す一般的系統の回路ブロック図である。

【図２】本発明に係る力率改善部の実施例を示す回路ブ
ロック図である。

【図３】（ａ）は本発明に係る力率改善部の比較器入力
の一例を示すグラフである。（ｂ）は本発明に係る力率
改善部のフリップフロップ回路Ｒ入力端子の入力信号の
一例を示すグラフである。（ｃ）は本発明に係る力率改
善部のフリップフロップ回路Ｓ入力端子の入力信号の一
例を示すグラフである。（ｄ）は本発明に係る力率改善
部のフリップフロップ回路Ｑ出力端子の出力信号の一例
を示すグラフである。（ｅ）は本発明に係る自励式無効
電力補償装置の実施例を示す補償用無効電力のグラフで
ある。

【図４】従来の自励式無効電力補償装置の一例を示す一
般的系統の回路ブロック図である。

【図５】（ａ）は負荷の無効電力変動の一例を示すグラ
フである。（ｂ）は図５（ａ）の無効電力変動を補償す
る自励式無効電力補償装置の無効電力を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１ 負荷 ２ 系統母線 ４ インバータ ７ 無効電力補償装置 ８ 力率改善部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自励式インバータを変圧器を介して系統
   母線に接続し、上記インバータ出力電圧を系統電圧と同
   位相で振幅制御することにより補償用無効電力を発生す
   る自励式無効電力補償装置において、 負荷の無効電力の瞬時値を検出してそれが所定値より小
   さいことを検知した場合、進相無効電力供給用バイアス
   信号を上記インバータ出力制御信号に付加して上記無効
   電力補償装置から系統母線に進相無効電力を供給し、負
   荷から系統に流出した無効電力を補償して系統側の力率
   を改善する力率改善部を付設したことを特徴とする自励
   式無効電力補償装置。