JP4820220B2 - 静止形無効電力補償装置の制御方式 - Google Patents

Description

この発明は、各相毎にリアクトルの電流をサイリスタで位相制御して無効電力を制御する静止形無効電力補償装置の制御方式に関するものである。

各相毎にリアクトルの電流をサイリスタで位相制御して無効電力を制御する静止形無効電力補償装置（以下「ＳＶＣ」と略記する）においてリアクトル電流の大きさをサイリスタ変換器で位相制御する際に、高調波電流が発生することは知られており、例えば非特許文献１のFigure 3.9に高調波電流の発生が記載されている。ＴＣＲ（Thyristor Controlled Reactor）から発生する３次の高調波電流が大きいため、非特許文献１のFigure3.11に示されているように、ＴＣＲをデルタ接続することにより３次の高調波電流の系統側への流出を抑制するようにしている。
電力系統電圧が三相平衡状態にある場合には、３次高調波電流はデルタ接続により打ち消されて、系統側にはほとんど流出しないが、系統電圧に三相不平衡成分が含まれている場合には、打ち消されずに系統側に３次高調波電流が流出する。電力系統が３次付近で共振特性を有する場合には、ＴＣＲより流出した３次高調波電流により系統の３次高調波電圧歪が拡大され、ＳＶＣの健全運転が阻害されるという問題や、系統に接続されている他の機器に悪影響を与えるという問題が生じる。

このような場合の対策として、従来は、非特許文献１に記載の例ではＴＣＲに並列に３次高調波フィルタを接続して系統側に流出する３次高調波電流を吸収するようにしている。
また、ＴＣＲの各相の基本波電流の大きさを各相で同じ大きさに揃えるようにＴＣＲの各相の電流を制御する方法も非特許文献１や特許文献１（特許文献１ではＴＣＲではなくＳＶＣとして記載されている）に記載されているが、単に基本波電流の大きさを揃えるだけでは効果がなく、逆に３次高調波電流を拡大する場合があることも特許文献１と非特許文献１に記載されている。この理由は、ＳＶＣの基本波電流と３次高調波電流発生量とは、図４に示すように非線形特性を有しており、さらにある位相角α０を境にαの変化に対する３次高調波発生感度特性Ｋ３の極性が反転するので、制御が不安定になるためである。

特開昭６１−２２１５３３号公報（図１及びその説明） R.Mohan Mathur, Rajiv K.Varma:"Thyristor-based FACTS controllers for electrical transmission systems",Wiley-Interscience社出版，2002 ，Ｐ４７−５５

従来のＳＶＣでは系統電圧の不平衡時には３次高調波電流が系統側に流出するため、３次高調波電圧の歪が生じて系統に接続されている他の機器に悪影響を与えるという問題や、３次高調波フィルタを設ける必要があるため、高価になるという問題点があった。
また、３次高調波電流を抑制するために三相間の電流を揃えるように制御すると不安定になり逆に３次高調波を拡大するという問題点がある。

この発明は、前述のような実情に鑑みてなされたもので、系統側に３次高調波電流が流出するのを安価な方式で抑制することを目的とするものである。

この発明に係る静止形無効電力補償装置の制御方式は、各相毎にリアクトルの電流をサイリスタで位相制御して無効電力を制御する静止形無効電力補償装置において、当該静止形無効電力補償装置がその各相で発生する３次高調波電流の発生量が等しくなるように各相の前記サイリスタを制御する静止形無効電力補償装置であって、前記各相で発生する３次高調波電流を検出する検出手段を各相毎に設け、この検出手段によって検出された各相で発生する３次高調波電流に基づいて各相の３次高調波電流の発生量が等しくなるように各相の前記サイリスタの制御角を制御することを特徴とする静止形無効電力補償装置の制御方式である。

この発明は、各相毎にリアクトルの電流をサイリスタで位相制御して無効電力を制御する静止形無効電力補償装置において、当該静止形無効電力補償装置がその各相で発生する３次高調波電流の発生量が等しくなるように各相の前記サイリスタを制御する静止形無効電力補償装置であって、前記各相で発生する３次高調波電流を検出する検出手段を各相毎に設け、この検出手段によって検出された各相で発生する３次高調波電流に基づいて各相の３次高調波電流の発生量が等しくなるように各相の前記サイリスタの制御角を制御するので、従来のＳＶＣにおける３次高調波フィルタを設ける必要があるため高価になるという問題点や従来のＳＶＣにおける３次高調波電流を抑制するために三相間の電流を揃えるように制御すると不安定になり逆に３次高調波を拡大するという問題点に鑑みて系統側に３次高調波電流が流出するのを安価な方式で抑制することができる効果がある。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を図１〜図５により説明する。図１はＳＶＣの事例を電力系統に設置した電力系統の構成例および３次高調波抑制制御回路の事例を示すブロック図、図２はＳＶＣを流れる３次高調波電流量の検出手段の一例を示す回路図、図３はＳＶＣの３次高調波電流発生量とサイリスタ制御位相角との関係の事例をグラフで示す図、図４はサイリスタ制御角αの変化に対するＳＶＣの３次高調波電流発生量の変化を表す感度係数の事例をグラフで示す図、図５は図４の感度係数の非線形な関係を線形化するための線形化関数の一例をグラフで示す図である。なお、各図中、同一符合は同一部分を示す。

この発明の実施の形態１は、リアクトル電流の大きさをサイリスタ変換器で位相制御することにより無効電力の大きさを調整するようにしたＴＣＲ方式の静止形無効電力補償装置（ＳＶＣ）においてＳＶＣから発生する３次高調波電流の抑制制御方式に関するものであり、ＳＶＣを電力系統に接続した際に電力系統に存在する３相不平衡電圧成分によりＳＶＣから系統側に流出する３次高調波電流を最小にできる静止形無効電力補償装置の制御方式を例示するものであり、また、ＳＶＣから系統側に流出する３次高調波電流を抑制するようにし、かつ、ＳＶＣの各相に流れる３次高調波電流成分を検出して、検出した３次高調波電流の各相間のアンバランスを減少させるようにＳＶＣ各相のサイリスタ変換器の制御角を補正することにより系統側に３次高調波電流が流出するのを抑制するようにし、かつ、３次高調波発生量とＳＶＣの制御位相角の間に存在する非線形な関係を補正する制御回路を導入することにより、安定動作が可能な３次高調波電流抑制制御方式を得る静止形無効電力補償装置の制御方式を例示するものである。
以下、具体的に説明する。

図１において、３相電力系統１に接続された変電所母線２にＳＶＣ３が接続されている。ＳＶＣ３は、リアクトル４、５，６とサイリスタ変換器７，８，９をそれぞれ直列に接続した主回路要素をデルタ接続して構成している。
母線２には母線電圧を測定するＰＴ１０が接続されている。
上記ＰＴで測定された母線２の電圧信号がＳＶＣ制御部の電圧センサ（ＶＳ）１００に入力されて三相電圧実効値に変換されたのち、電圧信号ＶＭとして上記ＳＶＣ制御内に取込まれる。
上記電圧信号ＶＭは、減算回路１０１において予め制御回路内で設定された電圧基準値（Ｖｒｅｆ）から減算され、偏差分ΔＶ（＝Ｖｒｅｆ−ＶＭ）が次段のＡＶＲ回路１０２に入力される。
このＡＶＲ回路１０２は、比例制御と積分制御の合成回路で構成されており、電圧偏差ΔＶが定常的に０付近になるようにＳＶＣに流れる無効電力量をフィードバック制御する役割を有する。
このＡＶＲ回路１０２の出力ＱＡは、次段の制御位相角演算回路（Ｇα）１０３に入力され、必要な無効電力量を得るためのＳＶＣのサイリスタ制御角αを演算する。
この演算は、例えば非特許文献１の（１３．８）式に従って、所望の無効電力量を出力するのに必要なサイリスタ制御角αが演算される。なお、このαは三相間の各相に対して同一の共通の値である。

一方、デルタ接続のＳＶＣ３の各相に流れる電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷは、ＣＴ１１，１２，１３により検出され、電流センサ（ＣＳ−Ｕ）１０４ａ、電流センサ（ＣＳ−Ｖ）１０４ｂ，電流センサ（ＣＳ−Ｗ）１０４ｃにより各相の３次高調波電流の大きさが演算される。
この電流センサとしては、例えば図２に示す回路が用いられる。図２において、Ｕ相の電流ＩＵは３次に同調したバンドパスフィルタ２０１に入力され、３次電流のみが抽出される。さらに、抽出した３次電流を整流回路２０２で整流することにより、３次高調波電流の大きさに比例した電圧出力（ＩＵ３）を作成している。また、Ｖ相、Ｗ相も同様の構成である。
本実施の形態の事例では、ＳＶＣ３は、リアクトル４ａ,４ｂとサイリスタ変換器７との直列回路で構成された第１の直列回路と、リアクトル５ａ，５ｂとサイリスタ変換器８との直列回路で構成された第２の直列回路と、リアクトル６ａ，６ｂとサイリスタ変換器９との直列回路で構成された第３の直列回路とから成り、前記第１の直列回路と前記第２の直列回路と前記第３の直列回路とをデルタ接続して構成される。

これらの３次電流検出値ＩＵ３、ＩＶ３，ＩＷ３を平均値回路（ＣＳ−ＡＶ）１０５に入力し、３相の平均値を求めて平均値ＩＡＶ３を求める。
さらに、電流偏差演算回路（合成回路）１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃにおいて、各相の３次高調波電流値ＩＵ３、ＩＶ３，ＩＷ３と平均高調波電流値ＩＡＶ３との偏差が次式により求められる。
ΔＩＵ３＝ＩＵ３−ＩＡＶ３
ΔＩＶ３＝ＩＶ３−ＩＡＶ３
ΔＩＷ３＝ＩＷ３−ＩＡＶ３

一方、ＳＶＣ３の発生する３次高調波電流とサイリスタ制御角αとの関係は図３に示すとおりであり、次の関係を有する。
α＜α０の期間： αが大きいほど３次高調波電流は大きくなる。
α＞α０の期間： αが大きいほど３次高調波電流は小さくなる。

図３からサイリスタ制御角αの変化に対する３次高調波発生量の変化を示す感度係数K３を求めると図４となる。
ただし、K３＝ｄ（I3）／ｄ（α）
但し、I3は、３次高調波電流の実効値を示す。

図４から明らかのようにサイリスタ制御角αの変化に対する高調波発生量の変化を示す感度係数Kは非線形であり、α０を境にその極性が反転する。このため、各相の位相角を補正して３相間の３次高調波電流の大きさを揃えるようにαを正確に制御するには、K３の特性を線形化することが必要である。

この目的のために、３次高調波偏差信号ΔIU3、ΔIV3、ΔIW3を乗算回路１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃに入力して、次式の演算を行う。
ΔＩUA＝F（α）＊ΔＩＵ３
ΔＩUA＝F（α）＊ΔＩＶ３
ΔＩUA＝F（α）＊ΔＩＷ３
ただし、F（α）は図４に示す感度係数Ｋ３を線形化するための線形化関数であり、この実施例では近似的に図５の関数を用いている。

上記の電流偏差信号ΔＩUA、ΔＩVA、ΔＩWAを補正角演算回路（ＰＨＣ−Ｕ，ＰＨＣ−Ｖ，ＰＨＣ−Ｗ）１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃに入力して、制御角補正信号ΔαＵ、ΔαＶ、ΔαＷを出力する。この補正角演算回路１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃは比例制御機能と積分制御機能の合成で構成され、ΔＩUA、ΔＩVA、ΔＩWAを０に近づけるように各相のサイリスタ制御角をフィードバック制御により補正する役割を有する。

上記の制御角補正信号ΔαＵ、ΔαＶ、ΔαＷを合成回路１１０a，１１０b,１１０ｃに入力して、各相の制御角の次式を用いて補正を行い、各相毎のサイリスタ制御角αU，αV，αWを得る。
αU＝αA＋ΔαU
αV＝αA＋ΔαV
αW＝αA＋ΔαW
ここで、αAは、前記非特許文献１の（３．８）式で得られる各相共通のサイリスタ制御角である。

上式で得た各相毎のサイリスタ制御角αU，αV，αWを、次段のゲートパルス発生回路（GPG-U,GPG-V,GPG-W）１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃに入力して、サイリスタ制御角αU，αV，αWに応じたゲートパルスをサイリスタ変換器７，８，９に与えて、当該サイリスタ変換器を各相毎に制御する。

このような構成において上記母線２に不平衡電圧がある場合に、ＳＶＣではサイリスタ制御時に発生する３次高調波電流を３相間でその大きさを等しく揃えるように制御するので、これらの３次高調波電流はＳＶＣのΔ接続内で相殺され、系統側に流出する３次高調波電流は抑制される。また、制御に線形化関数Ｆ（α）を導入することにより制御の不安定性は解消され、安定した制御を行うことができる。

このように、実施の形態１によるこの発明では、母線２の電圧に不平衡成分がある場合にでも、ＳＶＣ３から系統側に流出する３次高調波電流を最小にでき、電力系統の電圧歪を低減するとともに、３次高調波フィルタを不要にできるという効果がある。

この発明の実施の形態１を示す図で、ＳＶＣの事例を電力系統に設置した電力系統の構成例および３次高調波抑制制御回路の事例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、ＳＶＣを流れる３次高調波電流量の検出手段の一例を示す回路図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、ＳＶＣの３次高調波電流発生量とサイリスタ制御位相角との関係の事例をグラフで示す図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、サイリスタ制御角αの変化に対するＳＶＣの３次高調波電流発生量の変化を表す感度係数の事例をグラフで示す図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、図４の感度係数の非線形な関係を線形化するための線形化関数の一例をグラフで示す図である。

符号の説明

１ ３相電力系統、 ２ 変電所母線、
３ 静止形無効電力補償装置（ＳＶＣ）、
４ａ,４ｂ，５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ リアクトル、
７，８，９ サイリスタ変換器、 １０ ＰＴ、
１１，１２，１３ ＣＴ、 １００ 電圧検出回路、
１０１ 減算回路、 １０２ ＡＶＲ制御回路、
１０３ 関数回路、
１０４a，１０４ｂ，１０４ｃ ３次高調波検出回路、
１０５ 均値演算回路、
１０６a，１０６ｂ，１０６ｃ 合成回路、
１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ 乗算回路、
１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ 補正角演算回路、
１０９ 線形化関数、
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ 合成回路、
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ ゲートパルス発生回路。

Claims (3)

1. 各相毎にリアクトルの電流をサイリスタで位相制御して無効電力を制御する静止形無効電力補償装置において、当該静止形無効電力補償装置がその各相で発生する３次高調波電流の発生量が等しくなるように各相の前記サイリスタを制御する静止形無効電力補償装置であって、前記各相で発生する３次高調波電流を検出する検出手段を各相毎に設け、この検出手段によって検出された各相で発生する３次高調波電流に基づいて各相の３次高調波電流の発生量が等しくなるように各相の前記サイリスタの制御角を制御することを特徴とする静止形無効電力補償装置の制御方式。
2. 請求項１に記載の静止形無効電力補償装置の制御方式において、前記サイリスタの制御角と前記３次高調波電流発生量との間の非線形な関係を補正手段により補正することを特徴とする静止形無効電力補償装置の制御方式。
3. 請求項１または請求項２に記載の静止形無効電力補償装置の制御方式において、前記各相の３次高調波電流の平均値と前記各相の３次高調波電流との偏差が各相で０に近づくように前期各相の前記サイリスタの制御角を制御することを特徴とする静止形無効電力補償装置の制御方式。

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