JP2016144331A - 系統電圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】系統電圧を昇圧するための電力用コンデンサを電力系統に投入しても、系統電圧が過電圧になることを抑制することのできる系統電圧制御装置を提供することにある。
【解決手段】昇圧するためのＭＳＣ５が設けられた電力系統の電圧を制御する無効電力補償装置１であって、系統電圧Ｖｐを検出し、系統電流Ｉｐを検出し、系統電圧Ｖｐ及び系統電流Ｉｐに基づいて、サセプタンスを演算するサセプタンス演算部１５と、演算したサセプタンスに基づいて、ＭＳＣ５を制御するＭＳＣ協調制御部１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、系統電圧を制御する系統電圧制御装置に関する。

一般に、電力系統の無効電力を補償するために無効電力補償装置を設けることが知られている。無効電力補償装置は、電力系統の系統電圧を制御する（例えば、特許文献１参照）。

電力系統の電圧低下を防止するために、開閉器を介して電力用コンデンサが設けられた電力系統がある。無効電力補償装置は、電力系統の電圧低下が生じた場合、開閉器を投入して電力用コンデンサを電力系統に接続することで電圧低下を抑制する。また、系統事故により電力系統が電圧低下した場合、電力用コンデンサを保護するために開閉器を開放する。

特開平１１−８９３６号公報

しかしながら、電力用コンデンサを投入した状態で、系統事故により電力用コンデンサを切り離し、系統事故が復帰した場合、電力系統に電力用コンデンサを再投入して、系統電圧が過電圧になることがある。

そこで、本発明の目的は、系統電圧を昇圧するための電力用コンデンサを電力系統に投入しても、系統電圧が過電圧になることを抑制することのできる系統電圧制御装置を提供することにある。

本発明の観点に従った系統電圧制御装置は、昇圧するための電力用コンデンサが設けられた電力系統の電圧を制御する系統電圧制御装置であって、前記電力系統の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電力系統の電流を検出する電流検出手段と、前記電圧検出手段により検出された電圧及び前記電流検出手段により検出された電流に基づいて、前記電力系統のサセプタンスを計測するサセプタンス計測手段と、前記サセプタンス計測手段により計測されたサセプタンスに基づいて、前記電力用コンデンサを制御する電力用コンデンサ制御手段とを備える。

本発明によれば、系統電圧を昇圧するための電力用コンデンサを電力系統に投入しても、系統電圧が過電圧になることを抑制することのできる系統電圧制御装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る無効電力補償装置の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係る無効電力補償装置の適用された電力システムの構成を示す構成図。 本発明の第２の実施形態に係る無効電力補償装置の構成を示す構成図。 第２の実施形態に係る無効電力補償装置の適用された電力システムの構成を示す構成図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る無効電力補償装置１の構成を示す構成図である。図２は、本実施形態に係る無効電力補償装置１の適用された電力システム１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

電力システム１０は、無効電力補償装置１、変圧器２、一次側母線３、二次側母線４、４つのＭＳＣ(machinery switched capacitor)５、２つのＴＣＲ(thyristor controlled reactor)６、２つのフィルター回路７、電圧検出器２１、及び電流検出器２２を備える。

二次側母線４は、変圧器２を介して、一次側母線３に接続されている。変圧器２の一次側は、一次側母線３に接続されている。変圧器２の二次側は、二次側母線４に接続されている。変圧器２は、一次側母線３の電圧を二次側母線４の電圧に降圧する。

電圧検出器２１は、一次側母線３の三相電圧を系統電圧Ｖｐとして検出する検出器である。電圧検出器２１は、検出した系統電圧Ｖｐを無効電力補償装置１に出力する。

電流検出器２２は、変圧器２の一次側に流れる三相電流を系統電流Ｉｐとして検出する検出器である。電流検出器２２は、検出した系統電流Ｉｐを無効電力補償装置１に出力する。

ＭＳＣ５は、二次側母線４に接続されている。ＭＳＣ５は、固定容量の機械式開閉器操作コンデンサである。ＭＳＣ５は、電力用コンデンサ５１、リアクトル５２、及び開閉器５３を備える。開閉器５３が投入されると、電力用コンデンサ５１により、系統電圧Ｖｐが昇圧される。ＭＳＣ５は、無効電力補償装置１からの制御指令Ｓｃ２により制御される。

ＴＣＲ６は、二次側母線４に接続されている。ＴＣＲ６は、無効電力を連続的に制御するための機器である。ＴＣＲ６は、２つのリアクトル６１、交流スイッチ６２、及び開閉器６３を備える。交流スイッチ６２は、２つのサイリスタが逆並列に接続された回路である。ＴＣＲ６は、リアクトル６１に流れる電流の位相が交流スイッチ６２により制御されることで、無効電力を制御する。ＴＣＲ６は、無効電力補償装置１からの制御指令Ｓｃ１により制御される。開閉器６３は、ＴＣＲ６を保護するための機器である。開閉器６３は、通常時は投入されている。

フィルター回路７は、二次側母線４に接続されている。フィルター回路７は、リアクトル７１、コンデンサ７２、及び開閉器７３を備える。フィルター回路７は、一次側母線３及び二次側母線４に重畳される高調波を抑制する。開閉器７３は、フィルター回路７を保護するための機器である。開閉器７３は、通常時は投入されている。

無効電力補償装置１は、電圧検出器２１により検出された系統電圧Ｖｐ及び電流検出器２２により検出された系統電流Ｉｐに基づいて、ＭＳＣ５及びＴＣＲ６を制御することで、系統電圧Ｖｐを制御する。

無効電力補償装置１は、減算器１１、自動電圧制御部１２、ＴＣＲ操作指令部１３、低電圧検出部１４、サセプタンス演算部１５、ＭＳＣ協調制御部１６、及びＭＳＣ操作指令部１７を備える。

低電圧検出部１４は、系統電圧Ｖｐが所定の電圧値以下になると、低電圧として検出する。所定の電圧値は、例えば、系統事故と判断される電圧の上限値である。低電圧検出部１４は、低電圧を検出すると、自動電圧制御部１２及びＭＳＣ協調制御部１６に検出信号を出力する。

減算器１１には、電圧指令値Ｖｒｅｆ及び電圧検出器２１により検出された系統電圧Ｖｐが入力される。電圧指令値Ｖｒｅｆは、予め設定されていてもよいし、外部の上位制御系の装置から受信してもよい。電圧指令値Ｖｒｅｆは、例えば定格電圧値である。減算器１１は、電圧指令値Ｖｒｅｆと系統電圧Ｖｐとの差分の電圧値を自動電圧制御部１２に出力する。

自動電圧制御部１２には、減算器１１により演算された差分の電圧値及び電流検出器２２により検出された系統電流Ｉｐが入力される。系統電流Ｉｐは、系統電圧Ｖｐの位相を制御するために用いられる。自動電圧制御部１２は、減算器１１により演算された差分の電圧値が零になるように比例積分(PI, proportional-plus-integral control)制御をする。また、自動電圧制御部１２は、低電圧検出部１４から低電圧を示す検出信号が入力された場合、全てのＴＣＲ６の総和の容量を超えた制御を行わないように、制御結果の制御値を制限する。制限する上限値は、系統電圧Ｖｐに基づいて演算してもよいし、予め設定された値（零を含む）にしてもよい。なお、自動電圧制御部１２は、低電圧検出部１４から低電圧を示す検出信号が入力された場合、保護動作として、全てのＴＣＲ６の開閉器６３を開放してもよい。自動電圧制御部１２は、制御値をＴＣＲ操作指令部１３に出力する。

ＴＣＲ操作指令部１３は、自動電圧制御部１２から入力された制御値に基づいて、ＴＣＲ６を制御するための位相角を演算する。ＴＣＲ操作指令部１３は、演算した位相角に基づいて、２つのＴＣＲ６にそれぞれ制御指令Ｓｃ１を出力する。制御指令Ｓｃ１によりそれぞれのＴＣＲ６の交流スイッチ６２が制御される。

サセプタンス演算部１５は、電圧検出器２１により検出された系統電圧Ｖｐ及び電流検出器２２により検出された系統電流Ｉｐに基づいてサセプタンスＢを演算し、計測する。サセプタンスＢは、次式により求める。

Ｂ＝Ｑ／Ｖｐ／Ｖｐ …（１）
ここで、Ｑは、系統電圧Ｖｐ及び系統電流Ｉｐにより求める無効電力を表している。

サセプタンス演算部１５は、演算したサセプタンスＢをＭＳＣ協調制御部１６に出力する。

ＭＳＣ協調制御部１６は、サセプタンス演算部１５により演算されたサセプタンスＢに基づいて、投入するＭＳＣ５を決定するように制御をする。ＭＳＣ協調制御部１６は、サセプタンスＢが所定時間以上継続して所定値を超えた場合などに、系統電圧Ｖｐを上げるように制御する。サセプタンスＢが所定時間以上継続して所定値を超えたことを判断するために、ＭＳＣ協調制御部１６に遅延回路を設けてもよい。系統電圧Ｖｐを上げる場合は、ＭＳＣ協調制御部１６は、投入するＭＳＣ５の数量及び総和の容量を増加させる。系統電圧Ｖｐを下げる場合は、ＭＳＣ協調制御部１６は、投入するＭＳＣ５の数量及び総和の容量を減少させる。低電圧検出部１４から低電圧を示す検出信号が入力された場合、ＭＳＣ協調制御部１６は、全てのＭＳＣ５の開閉器５３を開放する。ＭＳＣ協調制御部１６は、制御結果をＭＳＣ操作指令部１７に出力する。

ＭＳＣ操作指令部１７は、ＭＳＣ協調制御部１６から入力された制御結果に従って、制御するＭＳＣ５に制御指令Ｓｃ１を出力する。各ＭＳＣ５の開閉器５３は、受信した制御指令Ｓｃ１に従って、開放又は投入される。

本実施形態によれば、系統電圧Ｖｐ及び系統電流Ｉｐを検出して、サセプタンスＢを演算することで、サセプタンスＢを常に把握することができる。これにより、無効電力補償装置１は、積分制御を行う自動電圧制御部１２と独立に、ＭＳＣ５を適切に投入することができる。従って、ＭＳＣ５を投入し過ぎることにより、系統電圧Ｖｐが電圧指令値Ｖｒｅｆを上回り過電圧となるような事態を避けることができる。

ここで、ＰＩ制御を行う自動電圧制御部１２からの制御結果に基づいて、ＭＳＣ５を投入する制御方法も考えられる。しかし、ＰＩ制御は、その積分の演算により、現在の系統電圧Ｖｐよりも少し古い系統電圧Ｖｐが影響した制御結果を出力する。従って、系統電圧Ｖｐが低い状態から上昇して回復状態になる場合、現在の系統電圧Ｖｐが低くなく、ＭＳＣ５を投入する必要の無い状態でも、ＭＳＣ５が投入される可能性がある。

例えば、系統電圧Ｖｐが低く、ＭＳＣ５が投入された状態で、系統事故が生じてＭＳＣ５が開放された後に、系統事故が復帰した場合について考える。系統事故の復帰後、系統電圧Ｖｐは、正常な状態（例えば、定格電圧）に戻るように上昇する。このとき、ＰＩ制御では、系統電圧Ｖｐが低い状態のときに積算された残留偏差（オフセット）が蓄えられている。このため、系統電圧Ｖｐが目標とする電圧指令値Ｖｒｅｆに到達しても、まだ、ＰＩ制御は、系統電圧Ｖｐを上げようとする。

これに対して、本実施形態のように、検出した系統電圧Ｖｐ及び系統電流Ｉｐに基づいて、常にサセプタンスＢを演算することにより、直近（現在）のサセプタンスＢに基づいて、系統電圧Ｖｐを制御することができる。これにより、系統電圧Ｖｐを目標とする電圧指令値Ｖｒｅｆよりも高い電圧に制御することを抑制することができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る無効電力補償装置１Ａの構成を示す構成図である。図４は、本実施形態に係る無効電力補償装置１Ａの適用された電力システム１０Ａの構成を示す構成図である。

電力システム１０Ａは、図２に示す第１の実施形態に係る電力システム１０において、無効電力補償装置１を無効電力補償装置１Ａに代えたものである。その他の点は、電力システム１０Ａは、第１の実施形態と同様である。

無効電力補償装置１Ａは、減算器１１、自動電圧制御部１２Ａ、ＴＣＲ操作指令部１３Ａ、低電圧検出部１４、ＭＳＣ協調制御部１６Ａ、ＭＳＣ操作指令部１７Ａ、及び積分制御調整部１８を備える。

低電圧検出部１４は、系統電圧Ｖｐの低電圧を検出すると、自動電圧制御部１２Ａに検出信号を出力する。その他の点は、第１の実施形態に係る低電圧検出部１４と同様である。

減算器１１は、電圧指令値Ｖｒｅｆと系統電圧Ｖｐとの差分の電圧値を自動電圧制御部１２Ａに出力する。その他の点は、第１の実施形態に係る減算器１１と同様である。

積分制御調整部１８には、電圧検出器２１により検出された系統電圧Ｖｐが入力される。積分制御調整部１８は、系統電圧Ｖｐが所定の電圧値以下になると、所定期間中、自動電圧制御部１２ＡにＰＩ制御を調整するための信号を出力する。所定の電圧値は、低電圧検出部１４に設定される低電圧として検出される電圧値などである。所定期間の終了時点は、予め設定された時間が経過するまで、系統電圧Ｖｐが電圧指令値Ｖｒｅｆに一致した時点、系統電圧Ｖｐが予め設定された電圧値以上になった時点、又は、これらの組合せによる条件を満たした時点などである。

自動電圧制御部１２Ａは、積分制御調整部１８からＰＩ制御を調整するための信号を受信すると、自己のＰＩ制御を調整する。また、自動電圧制御部１２Ａは、低電圧検出部１４から低電圧を示す検出信号が入力された場合、第１の実施形態に係る自動電圧制御部１２と同様に、全てのＴＣＲ６の容量の総和を超えた制御を行わないように、制御結果の制御値を制限する。なお、自動電圧制御部１２Ａは、低電圧検出部１４から低電圧を示す検出信号が入力された場合、保護動作として、全てのＴＣＲ６の開閉器６３を開放してもよい。自動電圧制御部１２Ａは、制御値をＴＣＲ操作指令部１３Ａ及びＭＳＣ協調制御部１６Ａに出力する。

自動電圧制御部１２ＡにおけるＰＩ制御の調整は、残留偏差の上限（上限は、零を含む。）を設けたり、積分時間を短くしたり、蓄積された残留偏差の量を減らしたり（残留偏差の量を零にリセットすることを含む。）することなどである。これにより、自動電圧制御部１２Ａから出力される制御値は、比例制御と比較して積分制御による影響が小さくなるため、直近（現在）の系統電圧Ｖｐの影響が大きい制御値になる。自動電圧制御部１２Ａは、低電圧が解消された後（又は、系統事故の回復後）、ＰＩ制御を元の制御に徐々に戻す。例えば、自動電圧制御部１２Ａは、残留偏差の上限を徐々に増やしたり、積分時間を徐々に長くしたりする。これにより、低電圧の検出直後では、ＴＣＲ６の投入を通常よりも遅らせることができる。

ＴＣＲ操作指令部１３Ａは、自動電圧制御部１２Ａから入力された制御値に基づいて、２つのＴＣＲ６にそれぞれ制御指令Ｓｃ１Ａを出力する。制御指令Ｓｃ１ＡによりそれぞれのＴＣＲ６の交流スイッチ６２が制御される。その他の点は、第１の実施形態に係るＴＣＲ操作指令部１３と同様である。

ＭＳＣ協調制御部１６Ａは、自動電圧制御部１２Ａから入力された制御値に基づいて、投入するＭＳＣ５を決定するように制御をする。ＭＳＣ協調制御部１６Ａは、系統電圧Ｖｐが所定の電圧値以下の場合、ＰＩ制御が調整された自動電圧制御部１２Ａによる制御値に基づいて、投入するＭＳＣ５を決定するように制御をする。系統電圧Ｖｐを上げる場合は、ＭＳＣ協調制御部１６Ａは、投入するＭＳＣ５の数量及び総和の容量を増加させる。系統電圧Ｖｐを下げる場合は、ＭＳＣ協調制御部１６Ａは、投入するＭＳＣ５の数量及び総和の容量を減少させる。ＭＳＣ協調制御部１６Ａは、制御結果をＭＳＣ操作指令部１７Ａに出力する。自動電圧制御部１２Ａが低電圧検出部１４から低電圧を示す検出信号を受信している場合、ＭＳＣ協調制御部１６Ａは、全てのＭＳＣ５の開閉器５３を開放する。その他の点は、第１の実施形態に係るＭＳＣ協調制御部１６と同様である。

ＭＳＣ操作指令部１７Ａは、ＭＳＣ協調制御部１６Ａから入力された制御結果に従って、制御するＭＳＣ５に制御指令Ｓｃ１Ａを出力する。各ＭＳＣ５の開閉器５３は、受信した制御指令Ｓｃ１Ａに従って、開放又は投入される。

本実施形態によれば、系統電圧Ｖｐが所定の電圧値以下になった場合、自動電圧制御部１２ＡにおけるＩ制御を調整することで、直近（現在）の系統電圧Ｖｐによる影響が大きい制御値で、系統電圧Ｖｐを制御することができる。これにより、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、第１の実施形態において、自動電圧制御部１２で行う制御は、ＰＩ制御に限らず、どのような制御でもよい。また、第２の実施形態において、自動電圧制御部１２Ａで行う制御は、ＰＩ制御に限らず、積分制御が含まれていれば、どのような制御でもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…無効電力補償装置、１１…減算器、１２…自動電圧制御部、１３…ＴＣＲ操作指令部、１４…低電圧検出部、１５…サセプタンス演算部、１６…ＭＳＣ協調制御部、１７…ＭＳＣ操作指令部。

Claims (7)

1. 昇圧するための電力用コンデンサが設けられた電力系統の電圧を制御する系統電圧制御装置であって、
   前記電力系統の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電力系統の電流を検出する電流検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧及び前記電流検出手段により検出された電流に基づいて、前記電力系統のサセプタンスを計測するサセプタンス計測手段と、
   前記サセプタンス計測手段により計測されたサセプタンスに基づいて、前記電力用コンデンサを制御する電力用コンデンサ制御手段と
   を備えることを特徴とする系統電圧制御装置。
2. 前記電力系統は、位相を制御するための交流スイッチが設けられ、
   前記電圧検出手段により検出された電圧の積分制御の制御値を演算する積分制御演算手段と、
   前記積分制御演算手段により演算された前記積分制御の制御値に基づいて、前記交流スイッチを制御する交流スイッチ制御手段と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の系統電圧制御装置。
3. 位相を制御するための交流スイッチ及び昇圧するための電力用コンデンサが設けられた電力系統の電圧を制御する系統電圧制御装置であって、
   前記電力系統の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電力系統の電流を検出する電流検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧の積分制御の制御値を演算する積分制御演算手段と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧が所定の電圧以下の場合、直近の電圧による影響が大きくなるように前記積分制御演算手段の前記積分制御を調整する積分制御調整手段と、
   前記積分制御演算手段により演算された前記積分制御の制御値に基づいて、前記交流スイッチを制御する交流スイッチ制御手段と、
   前記積分制御演算手段により演算された前記積分制御の制御値に基づいて、前記電力用コンデンサを制御する電力用コンデンサ制御手段と
   を備えることを特徴とする系統電圧制御装置。
4. 電力系統の電圧を昇圧するための電力用コンデンサと、
   前記電力系統の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電力系統の電流を検出する電流検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧及び前記電流検出手段により検出された電流に基づいて、前記電力系統のサセプタンスを計測するサセプタンス計測手段と、
   前記サセプタンス計測手段により計測されたサセプタンスに基づいて、前記電力用コンデンサを制御する電力用コンデンサ制御手段と
   を備えることを特徴とする電力系統システム。
5. 電力系統の位相を制御するための交流スイッチと、
   前記電力系統の電圧を昇圧するための電力用コンデンサと、
   前記電力系統の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電力系統の電流を検出する電流検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧の積分制御の制御値を演算する積分制御演算手段と、
   前記電圧検出手段により検出された電圧が所定の電圧以下の場合、直近の電圧による影響が大きくなるように前記積分制御演算手段の前記積分制御を調整する積分制御調整手段と、
   前記積分制御演算手段により演算された前記積分制御の制御値に基づいて、前記交流スイッチを制御する交流スイッチ制御手段と、
   前記積分制御演算手段により演算された前記積分制御の制御値に基づいて、前記電力用コンデンサを制御する電力用コンデンサ制御手段と
   を備えることを特徴とする電力系統システム。
6. 昇圧するための電力用コンデンサが設けられた電力系統の電圧を制御する系統電圧制御方法であって、
   前記電力系統の電圧を検出し、
   前記電力系統の電流を検出し、
   検出した電圧及び検出した電流に基づいて、前記電力系統のサセプタンスを計測し、
   計測したサセプタンスに基づいて、前記電力用コンデンサを制御すること
   を含むことを特徴とする系統電圧制御方法。
7. 位相を制御するための交流スイッチ及び昇圧するための電力用コンデンサが設けられた電力系統の電圧を制御する系統電圧制御方法であって、
   前記電力系統の電圧を検出し、
   前記電力系統の電流を検出し、
   検出した電圧の積分制御の制御値を演算し、
   検出した電圧が所定の電圧以下の場合、直近の電圧による影響が大きくなるように前記積分制御を調整し、
   演算した前記積分制御の制御値に基づいて、前記交流スイッチを制御し、
   演算した前記積分制御の制御値に基づいて、前記電力用コンデンサを制御すること
   を含むことを特徴とする系統電圧制御方法。

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