JPH0433114A

JPH0433114A - 無効電力補償装置

Info

Publication number: JPH0433114A
Application number: JP2140495A
Authority: JP
Inventors: Fumio Aoyama; 文夫青山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-30
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1992-02-04
Anticipated expiration: 2013-09-03
Also published as: JP2793327B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、負荷の無効電力変動に伴う電力系統の電圧変
動を抑制するために設けられる無効電力補償装置に関す
る。

（従来の技術）アーク炉のように、無効電力の変動が不規則で、かつ、
大きい負荷は電力系統の電圧を変動させる。

この電圧変動を抑制するために無効電力補償装置が用い
られる。これは負荷と並列に設置され、ｐ荷の消費する
無効電力を検出してその変化分を補償するものである。

この無効電力補償装置としては種々のものが提案されて
いるが、原理的にはどれも同じであるので、ここでは自
励式変換器を用いた無効電力補償装置を代表例として説
明する。

第８図はこの無効電力補償装置とその制御回路を示すブ
ロック図である。なお、この図は煩雑さを避けるために
、三相系統を単線結線で表している。

同図において、負荷１には電源２より、送電線３及び受
電変圧器４を介して、電力が供給される。

無効電力補償装置としての自励式変換器１０は、受電変
圧器４に対して負荷１と並列に設置される。

この自励式変換器１０は、変流器５及び電圧検出用変圧
器６によって検出される電流、電圧から無効電力を演算
し、それを補償する電流を流すための制御回路２０を含
んで構成される。

このうち、自励式変換器１０は、第９図に示すように、
三相の電源線にそれぞれ設けられた交流リアクトル１２
、グレーツ接続された６個のゲートターンオフサイリス
タ（以下、ＧＴＯと言う）１３、各ＧＴＯ１３に並列接
続されたダイオード１４、及び、無効電力補償要素とし
ての直流コンデンサ１５によって構成される。

一方、制御回路２０は下記のように構成されている。

変流器５によって検出される負荷１の電流１ｔ。

は三相回路の線電流で、３相２相変換回路２１において
２相交流に変換される。この処理は３相交流の各線電流
をＩＲ、ｉｓ　ｒ　　ｌアとし、２相電流をｉ　　ｌ　
とすると次式で表される。

ｄ’　　ｑ回路電圧についても同様に電圧検出用変圧器６によって
負荷２の電圧■が検出され、３相２相変換回路２２にお
いて２相交流に変換される。この変換は（１）式のｉを
Ｖに置換した下記（２）式に等しい。

２相変換された電圧信号ｖｄ、ｖ、は同期検出回路２４
によってろ波され、同期電圧信号ｖ、＊Ｖ　＊となる。

無効電力検出回路２３は、電気学会誌論文５１３−Ｂｏ
ｏ　ｐ、４１〜４８「瞬時無効電力の一般化理論とその
応用」において定義されているいわゆる瞬時実電力、瞬
時虚電力を次式の演算によって検出するものである。

で、自励式変換器ＩＯでは瞬時無効電力ＱＬのみを補償
すればよい。すなわち、補償量ｑ　＊は反転回路２５で
ｑ、の符号を反転させられ、９８本−ＱＬ　　　　　　
　　　・・・（４）として得られる。自励式変換器ＩＯ
を定電流源と１゜て動作させるために、瞬時電流演算回
路２６におい・　＊　　・　＊て各線電流指令値ｉ。Ｒ”　　”Ｃ８”。、を演算する
。これは（３）式及び（１）式の逆変換で求めら＊、＊れる。２相交流における指令値を”ｃｄ　　’　　ｌｃ
ｑとすると、零表す。また、ｖ、ｖ’は２相交流においてｑ大きさがｌｐｕで直交する成分であり、°　　＊、Ｖ　
←■　本と考えて差しつがいｄｄ　　　　　　ｑｑない。従ってｐＬは電源から負荷へ供給される瞬時電力
、ＱＬは２相間で循環している瞬時無効電力である。

ところで、電力系統においては、その電圧変動の大きさ
は無効電力変動によるものが支配的で、有効電力による
変動は無視して差しっかいないので与えられる。ただし
、前述の理由により１本−〇であるから、となる。このようにして求められた指令値と、変洸器１
１によって検出される自励式変換器１０の各線電流ｉ　
　ｉ　　ｉ　の差分を減算器２７で演算し、ＣＲ’　　
Ｃ３″　ＣＴ誤差アンプ２８において定電流制御を行い、変換器の電
流を指令値に追従させる。この場合、誤差アンプ２８の
出力はゲート回路２９に入力され、変換器をＰＷＭ制御
するための、オン、オフパルスを発生し、第９図に示す
ＧＴＯ１３のゲートに印加する。

この自励式変換器ＩＯは定電圧型であるので、直流電圧
を一定にするための直流コンデンサ１５が必要である。

しかし、ここでは瞬時無効電力、すなわち、各相間で循
環する電力のみを補償し、有効分は補償しないので原理
的には直流回路に流れる電流は零であり、Ｇ　Ｔ　０１
３の転流に伴う電流のみを考えればよいので直流コンデ
ンサの容量は小さくてよい。また、交流リアクトル１２
はパルス幅変調された電圧を平滑化した電流に変換する
作用をする。

（発明が解決しようとする課題）上述した従来の無効電力補償装置は負荷無効電力ｑと同
じ大きさの無効電力を発生するため、その装置容量Ｑ　
は負荷の最大無効電力Ｑ　　を補ｃｏ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　ｗａｘ償し得る容量をもっ
ていなければならない。もし、容量Ｑ　よりも大きくな
るので、無効電力変動装Ｏ置は飽和状態となり負荷無効電力ｑＬの変化に応動する
ことができなくなる。従って、負荷の無効電力変動がそ
のまま電力系統に現れ、電圧変動が抑制されなくなる。

これを解決するものとして、特公昭５５−１５７３５号
公報に示された方法がある。これは第１０図に示すよう
に、負荷無効電力ＱＬを遅れ回路４１に加えて無効電力
の平均値ｑＭを求め、さらに、減算回路４２により負荷
無効電力ｑ、と、無効電力の平均値を補償しようとする
ものである。この場合にも装置容量Ｑ　が最大無効電力
変動量ΔＱ　　よりもｃｏ　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　ｌ１ａｘ小さい場合には上
述したと同様に無効電力補償装置が飽和する領域が生じ
る。この様子を第１１図に示す。同図（ａ）は負荷無効
電力ｑ、の変化を示したもので、その平均値Ｑ）４にΔ
ｑが重畳していると見做すことができる。同図（ｂ）は
無効電力補償装置の補償無効電力ｑ　を示しており、こ
の補償無効電力ｑ　は装置容量Ｑ　で飽和する。同図（
Ｃ）ＣＣＯは電力系統の受電無効電力ｑ　、すなわち、負荷無効電
力ｑ、と補償無効電力ｑ。とを合成したちのを示してい
る。これらの図から明らかなように、受電無効電力ｑ　
には依然として無効電力の変動分が含まれており、しか
も、元の無効電力ＱＬの変動周波数成分よりも高い周波
数の変動成分を含入していることがわかる。

一方、系統の電圧変動の一形態として、いわゆる、電圧
フリッカがある。これは、電圧変動が照明のちらつきを
引起こし、人間の目に感じられるものである。このちら
つきの度合いは変動周波数によって大きく左右される。

第１２図はその視覚感度特性を示したもので、１０Ｈｚ
の変動成分が最も大きなちらつきを引起こす。

一方、電圧フリッカの発生源として最たるものは製鋼用
アーク炉である。その電圧変動の周波数特性は変動周波
数に反比例することが一般的に知られている。その典型
的な特性を第１３図に示す。また、アーク炉の最大無効
電力Ｑ　　と第１１図（ａ）ａｘに示すΔｑの大きさの比率はアーク炉の操業力率に依存
すると考えられ、Δｑは最大無効電力Ｑ　　の０．３〜
０．４倍が一般的である。

ｌ１ａｘしかして、電圧フリッカ抑制の観点から従来の無効電力
補償装置を評価すると次のような問題がある。

（１）負荷無効電力ｑ、を完全に補償するためには無効
電力補償装置の容量が大きくなり、不経済である。最大
無効電力Ｑ　　に対して装置容量Ｑ０゜ａＸが小さい場合には補償無効電力が飽和し、電圧フリッ力
抑制効果がなくなる。

（２）負荷無効電力変動Δｑのみを補償する場合にも、
装置容量Ｑ　は最大無効電力Ｑ　　の０．３〜ＣＯ■ａ
Ｘ０．４倍が必要である。装置容量Ｑ　がそれより小Ｏさい場合には、負荷無効電力ＱＬの変動周波数成分より
も高い周波数成分の変動を引起こし、電圧フリッカ抑制
効果が低下する。例えば、負荷動電力Ｑ（、の３Ｈｚの
変動はそれよりも高い周波数、例えば、９Ｈｚの変動周
波数の電圧フリッカとなるが、視感度係数は３Ｈｚより
も９Ｈｚの方が約１．８倍も大きいので、電圧フリッカ
が増大することもあり得る。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもの
で、補償無効電力が飽和しないように抑制し、これによ
って、負荷最大無効電力に対する装置容量の比率を小さ
く、がっ、電圧フリッカ抑制効果の高い無効電力補償装
置を得ることを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）この発明は、電力変換手段を有する無効電力補償要素を
負荷と並列に接続し、前記負荷の無効電力を検出すると
共に、この無効電力の検出値に対応して前記無効電力補
償要素に供給すべき無効電力補償量を演算し、この無効
電力補償量に基づいて前記電力変換手段を制御する無効
電力補償装置において、前記電力補償要素に供給される
補償無効電力を検出する補償無効電力検出手段と、検出
された前記補償無効電力の関数として、この補償無効電
力が大きくな−るほど値の小さい補償ゲインを出力する
ゲイン演算手段と、この補償ゲインを前記無効電力補償
量に乗算する乗算手段とを備え、この乗算手段の出力を
補償無効電力指令値として前記電力変換手段を制御する
ように構成したものである。

（作　用）この発明においては、無効電力補償要素に供給すべき無
効電力補償量に、補償無効電力が大きくなるほど値の小
さい補償ゲインを乗じた補償無効電力指令値によって電
力変換手段を制御するようにしたので、補償無効電力が
飽和することがなくなり、これによって、負荷最大無効
電力に対する装置容量の比率を小さくでき、しかも、元
の周波数成分に対する周波数がなくて電圧フリッカ抑制
効果も高められる。

（実施例）第１図はこの発明の一実施例の概略構成を示すブロック
図であり、図中、第８図と同一の要素には同一の符号を
付してその説明を省略する。そして、第８図中の制御回
路２０を除去し、その代わりに制御回路３０を設けたも
のである。

この制御回路３０は、変流器５及び電圧検出用変圧器６
の出力に基づいて、負荷１の無効電力ＱＬを検出する負
荷無効電力検出部３１と、この負荷無効電力検出部３１
の出力を反転して無効電力補償量Ｑｌ、を求める反転回
路３２と、この反転回路３２の無効電力補償量を一方入
力とし、後述する制御ゲインを他方入力としてこれらを
乗算する乗算回路３３と、変流器１１及び電圧検出用変
圧器６の出力に基づいて自励式変換器１０に供給される
無効電力ｑ　を検出する補償無効電力検出部３４と、こ
の補償無効電力検出部３４で検出された補償無効電力の
関数とし、補償無効電力が大きくなるほど値の小さい補
償ゲインＫ　を出力して乗算回路３３の他方入力とする
ゲイン制御部３５と、乗算回路３３の出力を補償無効電
力の指令値ｑ　＊とじて自励式変換器１０を制御する補
償電力制御部３６とて構成されている。

第２図はこの制御回路３０の詳細な構成を示すブロック
図である。ここで、負荷無効電力検出部３１および３２
は、それぞれ前述の３相２相変換回路２１．３相２相変
換回路２２、無効電力検出回路２３および同期検出回路
２４で構成されている。このうち、負荷無効電力検出部
３１を構成する３相２相変換回路２１に変流器５の電流
信号が、３相２相変換回路２２に電圧検出用変圧器６の
電圧信号がそれぞれ供給され、これによって負荷無効電
力ＱＬと、２和文本波成分ｖ、ｖ’とを演算する。また、補償ｑ無効電力検出部３２を構成する３相２相変換回路２１に
変流器１１の電流信号が、３相２相変換回路２２に電圧
検出用変圧器６の電圧信号がそれぞれ供給され、これに
よって補償無効電力ｑ　を演算する。

ゲイン制御部３５は第３図にその詳細を示すように、補
償無効電力ｑ　の絶対値１ｑ　　ｌを演算する絶Ｃ封鎖回路３５＾と、この絶対値ｌｑ　　ｌの平均値ｑ）
４を演算する平均値検出回路３５Ｂと、外部設定される
設定値Ｑ１から平均値を差引く減算回路３５Ｃと、差引
いた値に係数に１を掛算する係数回路３５Ｄと、さらに
、この係数回路３５Ｄの出力に係数に２を加算する加算
回路３５Ｂとで構成されている。また、補償電力制御部
３６は前述した瞬時電流演算回路２６、減算器２７、誤
差アンプ２８およびゲート回路２９とで構成されている
。

上記のように構成された本実施例の動作を、主に、従来
装置と異なる点を中心にして以下に説明する。

負荷無効電力検出部３１で演算検出された負荷無効電力
ｑ　は反転回路３２で反転され−ＱＬとして乗算回路３
３に加えられる。また、補償無効電力検出部３４は負荷
無効電力検出部３１と同様にして補償無効電力ｑ　を演
算検出してゲイン制御部３５に加える。

ゲイン制御部３５においては、補償無効電力ｑ。

を絶対値回路３５Ａに入力してその絶対値１ｑ。

を演算して平均値検出回路３５Ｂに加える。この平均値
検出回路３５Ｂは絶対値１ｑ、ｌの平均値ガを検出する
。また、減算回路３５Ｃは設定値Ｑ１から平均値ＱＭを
減算し、係数回路３５Ｄは減算された値に係数に１を掛
算して出力する。この出力は加算回路３５ｇによって、
外部設定されたもう一つの係数に２と加算される。この
結果、ゲイン制御部３５からは次式に示すように、補償
無効電力ｑ。

が大きくなるほど値の小さい補償ゲインＫ。を出力する
。

Ｋ　　−Ｋ　　（Ｑ　　　ｑ　　）　十に２　　　・・
・（８）ｌ１Ｍなお、平均値検出回路３５Ｂとして一次遅れのローパス
フィルタ（Ｌ　Ｐ　Ｆ）を用いることにより、適当な時
間範囲での補償無効電力の平均値が求められる。

次に、このようにして演算された補償ゲインＫ　は乗算
回路３３により、反転回路３２の出力てある符号反転し
た負荷無効電力−ＱＬと乗算され、補償無効電力指令値
ｑｃ＊が得られる。補償電力制御部３６はこの補償無効
電力指令値ｑ　＊と補償無効電力ｑ　とが等しくなるよ
うに自励式変換器ｌＯを制御する。

第４図（ａ）〜（ｄ）はこの関係を示した波形図であり
、特に、Ｑ　ｌ　””　Ｏ−２５ｐＵ　（Ｑ　ｏｏベー
ス）、Ｋ１−１．５　、Ｋ２−０．５とした場合のもの
である。ここて、負荷無効電力ｑＬが同図（ａ）に示し
たように変化したとすると、補償ゲインＫ　は（８）式
に従って同図（ｂ）に示したように変化する。このため
、補償無効電力ｑ　は同図（ｃ）に、受電無効型力ｑ　
は同図（ｄ）にそれぞれ示すように変化する。

しかして、この実施例によれば、補償無効電力ｑｏの飽
和が抑えられるので、負荷無効電力ｑ。

の変動周波数成分を変動させることがなくなり、無効電
力補償に伴うフリッカの増大を抑制することができる。

なお、第１図においては、負荷無効電力検出部３１およ
び補償無効電力検出部３４の両方に３相２相変換回路２
２および同期検出回路２４を設けているが、補償無効電
力検出部３４中の２相変換回路２２および同期検出回路
２４を除去し、負荷無効電力検出部３１中の同期検出回
路２４の出力を補償無効電力検出部３４中の無効電力検
出回路２３に加えるようにすれば、全体の構成を簡易化
することができる。

第５図はこの発明の他の実施例の構成を示すブロック図
である。これは第１図中の補償無効電力検出部３４を除
去し、この代わりに、変流器１１で検出される補償電流
ｉ　に基づいて補償電流の実効値Ｉ　を演算する実効値
検出回路３７を設け、この電流の実効値Ｉ　を補償無効
電力ｑ　の代わりにＣＣゲイン制御部３５に加えるようにして制御回路３０Ａを
構成したものである。これは、補償無効電力ｑ　と補償
電流の実効値Ｉ　との間に、ＣＣｑ　暢Ｉ　の関係があることを利用したもので、ＣＣ無効補償電流を間接的に検出したことに外ならず、この
ような構成によっても第１図に示したと同様な動作をさ
せることができる。こうすれば構成がより簡易化される
。

第６図はこの発明のもう一つ他の実施例の構成を示すブ
ロック図である。これは、反転回路３２から出力される
補償すべき無効電力−ｑ、を平均値検出回路３８によっ
て平均化してガを求め、減算回路３９により平均化前の
−ＱＬとの差分Δｑを演算して乗算回路３３に加えるよ
うにして制御回路３０Ｂを構成したものである。因みに
、この実施例における各部の波形を、第３図に対応にす
るように第７図のようになる。この結果、補償無効電力
を進相、遅相の両方で利用するので、上記各実施例より
もフリッカ抑制効果が高められる。

〔発明の効果〕

以上の説明によって明らかなようにこの発明によれば、
直接または間接に検出された補償無効電力が大きくなる
ほど値の小さい補償ゲインを演算し、この補償ゲインを
無効電力補償量に乗算し、得られた値を補償無効電力指
令値として電力変換手段を制御するようにしたので、補
償無効電力の飽和がなくなり、不要な電圧フリッカの発
生を防ぐことができる。また、設備容量を低減できるの
で経済性が高められる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の概略構成を示すブロック
図、第２図は同実施例の詳細な構成を示すブロック図、
第３図は同実施例の主要素の詳細な構成を示すブロック
図、第４図（ａ）〜（ｄ）は同実施例の動作を説明する
ための波形図、第５図および第６図はそれぞれこの発明
の他の実施例の構成を示すブロック図、第７図（ａ）〜
（ｄ）はこの実施例の動作を説明するための波形図、第
８図は従来の無効電力補償装置の構成を示すブロック図
、第９図は同装置の主要素の詳細な構成を示す回路図、
第１０図は同装置の主要素の詳細な構成を示すブロック
図、第１１図（ａ）〜（ｃ）は同装置の動作を説明する
ための波形図、第１２図は電圧フリッカの視感度特性図
、第１３図はアーク炉の電圧変動の周波数特性図である
。３・・・送電線、４・・・受電変圧器、５・・・変流器
、６・・・電圧検出用変圧器、１０・・・自励式変換器
、３０、３０Ａ　、　３０Ｂ・・・制御回路、３１・・
・負荷無効電力検出部、３２・・・反転回路、３３・・
・乗算回路、３４・・・補償無効電力検出部、３５・・
・ゲイン制御部、３６・・・補償電力制御部、３７・・
・実効値検出回路、３８・・・平均値検出回路、３９・
・・減算回路。

Claims

【特許請求の範囲】

電力変換手段を有する無効電力補償要素を負荷と並列に
接続し、前記負荷の無効電力を検出すると共に、この無
効電力の検出値に対応して前記無効電力補償要素に供給
すべき無効電力補償量を演算し、この無効電力補償量に
基づいて前記電力変換手段を制御する無効電力補償装置
において、前記電力補償要素に供給される補償無効電力
を検出する補償無効電力検出手段と、検出された前記補
償無効電力の関数として、この補償無効電力が大きくな
るほど値の小さい補償ゲインを出力するゲイン演算手段
と、この補償ゲインを前記無効電力補償量に乗算する乗
算手段とを備え、この乗算手段の出力を補償無効電力指
令値として前記電力変換手段を制御することを特徴とす
る無効電力補償装置。