無効電力補償装置およびその制御方法
【課題】負荷の各線路間に流れる電流に基づいて無効電力の補償量を調整可能にする。
【解決手段】無効電力補償装置（１）は、三相電力系統（２）の各相に対応したスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子がスイッチング動作することで三相電力系統の各相に補償無効電力を供給する主回路（１７）と、負荷（３）の各線路に流れる三相三線電流を負荷の各線路間に流れる三相電流に変換するＹ−Δ変換手段（１１）と、三相電流のそれぞれのｄ軸電流およびｑ軸電流を検出するｄｑ軸電流検出手段（１２）と、検出された三相電流のそれぞれのｑ軸電流に基づいて、主回路のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するドライブ回路（１５）とを備えている。
【解決手段】無効電力補償装置（１）は、三相電力系統（２）の各相に対応したスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子がスイッチング動作することで三相電力系統の各相に補償無効電力を供給する主回路（１７）と、負荷（３）の各線路に流れる三相三線電流を負荷の各線路間に流れる三相電流に変換するＹ−Δ変換手段（１１）と、三相電流のそれぞれのｄ軸電流およびｑ軸電流を検出するｄｑ軸電流検出手段（１２）と、検出された三相電流のそれぞれのｑ軸電流に基づいて、主回路のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するドライブ回路（１５）とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相電力系統に接続された負荷が発生する無効電力を補償して系統の電圧を安定化する無効電力補償装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アーク炉や圧延機などの負荷変動が激しい大型産業用電気設備が電力系統に接続されると、系統電圧の変動やフリッカなどの電力障害が発生する。電力会社が供給する電力は同じ配電線から複数の需要家へもたらされるため、ある需要家の電気設備が引き起こした電力障害は同じ配電線路にある他の需要家にも影響を及ぼしてしまう。そこで、そのような電力障害を引き起こすおそれのある電気設備を有する需要家は、無効電力補償装置を設置して電力系統の電圧を安定化する必要がある。
【０００３】
一般に、無効電力補償装置は、負荷が発生する無効電力を補償して、需要家側から電力系統側に供給される無効電力を常に一定に保つ。具体的には、無効電力補償装置は、負荷の各線路に流れる電流を三相／二相変換およびｄｑ変換して対称座標変換理論に基づく正相ｄｑ軸電流成分および逆相ｄｑ軸電流成分を検出することで負荷が発生する瞬時無効電力を検出し、当該検出した瞬時無効電力に基づいて主回路のスイッチング素子を制御することで、進相から遅相までの無効電力を電力系統に連続的に供給する（例えば、特許文献１から３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２４５３８３号公報
【特許文献２】特開平７−２０００８４号公報
【特許文献３】特開２０００−５９９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の無効電力補償装置では負荷の各線路に流れる電流を正相および逆相ｄｑ軸電流成分に変換しているが、例えば、サイリスタを使用した他励式の無効電力補償装置では、無効電力を調整するためのサイリスタおよびリアクトルが電力系統の線路間に接続されるため、負荷の各線路間に流れる電流に基づいて無効電力の補償量を決定する方が都合がよい。また、負荷が発生する無効電力は負荷不平衡によっても変動するが、従来の無効電力補償装置で負荷不平衡に起因する無効電力の補償まで行うことは困難である。
【０００６】
上記問題に鑑み、本発明は、負荷の各線路間に流れる電流に基づいて無効電力の補償量を調整可能な無効電力補償装置およびその制御方法を提供することを目的とする。さらに、そのような無効電力補償装置およびその制御方法において負荷不平衡に起因する無効電力の補償をも可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一局面に従うと、例えば、三相電力系統に接続された負荷が発生する無効電力を補償する無効電力補償装置は、前記三相電力系統の各相に対応したスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子がスイッチング動作することで前記三相電力系統の各相に補償無効電力を供給する主回路と、前記負荷の各線路に流れる三相三線電流を前記負荷の各線路間に流れる三相電流に変換するＹ−Δ変換手段と、前記三相電流のそれぞれのｄ軸電流およびｑ軸電流を検出するｄｑ軸電流検出手段と、前記検出された前記三相電流のそれぞれのｑ軸電流に基づいて、前記主回路の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するドライブ回路とを備えている。これにより、負荷の各線路間に流れる電流に基づいて無効電力の補償量を調整することができる。
【０００８】
上記の無効電力補償装置は、前記検出された前記三相電流のｄ軸電流に基づいて、前記負荷に流れる不平衡電流として、前記負荷の各線路間に流れる三相無効電流を検出する不平衡電流検出手段と、前記検出された三相無効電流を、前記ドライブ回路に入力される前記三相電流のｑ軸電流に相ごとに加算または減算する演算手段とを備えていてもよい。これにより、負荷不平衡に起因する無効電力の補償が可能となる。
【０００９】
また、本発明の別の局面に従うと、例えば、三相電力系統の各相に対応したスイッチング素子を有する主回路を備え、前記三相電力系統に接続された負荷が発生する無効電力を前記スイッチング素子をスイッチング動作させることで補償する無効電力補償装置の制御方法は、前記負荷の各線路に流れる三相三線電流を前記負荷の各線路間に流れる三相電流にＹ−Δ変換するステップと、前記三相電流のそれぞれのｄ軸電流およびｑ軸電流成分を検出するステップと、前記検出された前記三相電流のそれぞれのｑ軸電流に基づいて、前記主回路の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するステップとを備えている。これにより、負荷の各線路間に流れる電流に基づいて無効電力の補償量を調整することができる。
【００１０】
上記の無効電力補償装置制御方法は、前記検出された前記三相電流のｄ軸電流に基づいて、前記負荷に流れる不平衡電流として、前記負荷の各線路間に流れる三相無効電流を検出するステップと、前記検出された三相無効電流を、前記スイッチング素子を制御するステップで参照される前記三相電流のｑ軸電流に相ごとに加算または減算するステップとを備えていてもよい。これにより、負荷不平衡に起因する無効電力の補償が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように、本発明によると、無効電力補償装置が負荷の各線路間に流れる三相電流に基づいて無効電力の補償量を調整できるようになる。さらに、負荷不平衡に起因する無効電力を補償することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置の概略構成図
【図２】他励式ＳＶＣに用いられる主回路の回路構成図
【図３】図２の変形例に係る主回路の回路構成図
【図４】自励式ＳＶＣに用いられる主回路の回路構成図
【図５】図４の変形例に係る主回路の回路構成図
【図６】Ｙ−Δ変換手段のブロック図
【図７】ｄｑ軸電流検出手段のブロック図
【図８】負荷電圧および負荷電流のフェーザ図
【図９】不平衡電流検出手段のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１４】
（無効電力補償装置の概要）
図１は、本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置の概略構成を示す。本実施形態に係る無効電力補償装置１は、Ｙ−Δ変換手段１１と、ｄｑ軸電流検出手段１２と、不平衡電流検出手段１３と、演算手段１４と、ドライブ回路１５と、位相角検出手段１６と、主回路１７とを備えており、三相電力系統２に接続された負荷３が発生する無効電力を補償する。
【００１５】
Ｙ−Δ変換手段１１は、負荷３の各線路ａ，ｂ，ｃに流れる三相三線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを負荷３の各線路間ａｂ，ｂｃ，ｃａに流れる三相電流Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａに変換する。ｄｑ軸電流検出手段１２は、三相電流Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａのそれぞれのｄ軸電流Ｉａｂｄ，Ｉｂｃｄ，Ｉｃａｄおよびｑ軸電流Ｉａｂｑ，Ｉｂｃｑ，Ｉｃａｑを検出する。不平衡電流検出手段１３は、Ｉａｂｄ，Ｉｂｃｄ，Ｉｃａｄに基づいて、負荷不平衡に起因して負荷３の各線路間ａｂ，ｂｃ，ｃａに流れる無効電流Ｉａｂｕ，Ｉｂｃｕ，Ｉｃａｕを検出する。演算手段１４は、Ｉａｂｑ，Ｉｂｃｑ，ＩｃａｑとＩａｂｕ，Ｉｂｃｕ，Ｉｃａｕとを相ごとに加算または減算して負荷３の各線路間ａｂ，ｂｃ，ｃａの無効電流Ｉａｂｒ，Ｉｂｃｒ，Ｉｃａｒを算出する。ドライブ回路１５は、Ｉａｂｒ，Ｉｂｃｒ，Ｉｃａｒに基づいて制御信号を出力して主回路１７を制御する。位相角検出手段１６は、負荷３の各線路ａ，ｂ，ｃの瞬時電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃに基づいて、Ｙ−Δ変換やｄｑ変換などで必要となる各種位相角を検出する。主回路１７は、後述するように三相電力系統２の各線路ａ，ｂ，ｃに対応したスイッチング素子を有し、ドライブ回路１５の制御信号に従って当該スイッチング素子がスイッチング動作することで三相電力系統２の各線路ａ，ｂ，ｃに補償無効電力を供給する。
【００１６】
なお、図１ではＩａ，Ｉｂ，Ｉｃを個別に測定するように図示しているが、任意の二つの線路に流れる電流（例えば、Ｉａ，Ｉｃ）を測定してこれらから残りの一つの線路に流れる（例えば、Ｉｂ）を算出してもよい。また、位相角検出手段１６は、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃではなく、各線路間ａｂ，ｂｃ，ｃａの電圧Ｖａｂ，Ｖｂｃ，Ｖｃａに基づいて各種位相角を検出してもよい。この場合、任意の二つの線路間の電圧（例えば、Ｖａｂ，Ｖｂｃ）を測定してこれらから残りの一つの線路間の電圧（例えば、Ｖｃａ）を算出してもよい。
【００１７】
以下、主回路１７、Ｙ−Δ変換手段１１、ｄｑ軸電流検出手段１２、および不平衡電流検出手段１３の構成例について説明する。ドライブ回路１５および位相角検出手段１６は既知の一般的な要素であるため、詳細な説明は省略する。
【００１８】
（主回路の構成例）
図２は、ＴＣＲ（Thyristor Controlled Reactor）方式の他励式ＳＶＣ（Static Var Compensator）に用いられる主回路１７の回路構成例を示す。当該主回路１７は、一次側がΔ結線、二次側がＹ結線の連系変圧器１７１を介して三相電力系統２に接続される。二次側のＹ結線の各相には、遅れ無効電力発生用の分路リアクトル１７２と、スイッチング素子としてのサイリスタ１７３と、進相コンデンサ１７４と、高調波および過電流抑制用の直列リアクトル１７５とが接続されている。そして、ドライブ回路１５から出力される制御信号でサイリスタ１７３の点弧角が制御されるようになっている。すなわち、連系変圧器１７１の一次側の各線路間ａｂ，ｂｃ，ｃａの電流が制御されるようになっている。
【００１９】
なお、図３に示したように、連系変圧器１７１をΔ−Δ結線の変圧器に置き換えて、二次側のΔ結線の各相に、分路リアクトル１７２、サイリスタ１７３、進相コンデンサ１７４、直列リアクトル１７５を挿入接続してもよい。
【００２０】
一方、図４は、ＳＶＧ（Static Var Generator）あるいはＳＴＡＴＣＯＭ（STATic synchronous COMpensator）と呼ばれる自励式ＳＶＣに用いられる主回路１７の回路構成例を示す。当該主回路１７は、Δ−Δ結線の連系変圧器１７１を介して三相電力系統２に接続される。連系変圧器１７１の二次側の各巻線には連系用リアクトル１７６の一端が接続され、各連系用リアクトル１７６の他端に、スイッチング素子１７７、フライホイールダイオード１７８、および直流コンデンサ１７９で構成される三相自励式変換器から直流電圧が供給されるようになっている。スイッチング素子１７７は、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などである。また、スイッチング素子１７７としてＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）などであるを使用することもできる。そして、ドライブ回路１５から出力される制御信号でスイッチング素子１７７がスイッチング制御されるようになっている。
【００２１】
なお、図５に示したように、三相自励式変換器を３つの単相自励式変換器（単相インバータ）に置き換えて、各単相インバータから各連系用リアクトル１７６に直流電圧を供給するようにしてもよい。
【００２２】
（Ｙ−Δ変換手段の構成例）
図６は、Ｙ−Δ変換手段１１の構成例を示す。Ｙ−Δ変換手段１１は、三相／二相変換手段１１１ｐ，１１１ｎと、フィルタ手段１１２と、乗算手段１１３と、二相／三相変換手段１１４ｐ，１１４ｎと、加算手段１１５とを備えている。
【００２３】
三相／二相変換手段１１１ｐ，１１１ｎは、次式（１）に従って、Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを三相／二相変換およびｄｑ変換する。なお、式中のＩｄ，Ｉｑはｄｑ変換後のｄ軸電流およびｑ軸電流、θはｄｑ変換に係る位相角である。
【００２４】
【数１】
【００２５】
ここで、ｄｑ変換に係る位相角θとして、三相／二相変換手段１１１ｐにはＶａの位相角θａが与えられ、三相／二相変換手段１１１ｎにはその逆位相である−θａが与えられる。したがって、三相／二相変換手段１１１ｐによってＩａ，Ｉｂ，Ｉｃの正相ｄ軸電流および正相ｑ軸電流が検出され、三相／二相変換手段１１１ｎによってＩａ，Ｉｂ，Ｉｃの逆相ｄ軸電流および逆相ｑ軸電流が検出される。
【００２６】
なお、式中の係数「２／３」は、ｄｑ変換の前後で電力保証の必要の有無に応じて変わり得る。例えば、ｄｑ変換の前後で電力を保証する必要のある絶対変換では式中の係数を√（２／３）に変更すればよい。一方、ｄｑ変換の前後で電力を保証する必要がない相対変換では係数は２／３にする。
【００２７】
三相／二相変換手段１１１ｐ，１１１ｎから出力される正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流には基本角周波数の高調波成分が含まれる。フィルタ手段１１２は、三相／二相変換手段１１１ｐ，１１１ｎの各出力に含まれるそのような高調波成分を除去する。具体的には、フィルタ手段１１２は、１／２周期の移動平均を算出する移動平均フィルタで実現することができる。
【００２８】
乗算手段１１３は、フィルタ手段１１２によってフィルタリング処理された正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流をそれぞれ１／√３倍する。そして、次式（２）に従って、二相／三相変換手段１１４ｐは乗算後の正相ｄ軸電流および正相ｑ軸電流をｄｑ逆変換および二相／三相変換し、二相／三相変換手段１１４ｎは乗算後の逆相ｄ軸電流および逆相ｑ軸電流をｄｑ逆変換および二相／三相変換する。なお、式中のＩｄ，Ｉｑはｄｑ逆変換前のｄ軸電流およびｑ軸電流、Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａはｄｑ逆変換後の三相電流、θはｄｑ逆変換に係る位相角である。
【００２９】
【数２】
【００３０】
ここで、ｄｑ逆変換に係る位相角θとして、二相／三相変換手段１１４ｐにはθａ＋π／６が与えられ、二相／三相変換手段１１４ｎには−θａ−π／６が与えられる。すなわち、二相／三相変換手段１１４ｐは、乗算後の正相ｑ軸電流および正相ｑ軸電流をπ／６相当だけ進相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換する。一方、二相／三相変換手段１１４ｎは、乗算後の逆相ｑ軸電流および逆相ｑ軸電流をπ／６相当だけ遅相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換する。
【００３１】
ここで、Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを対称座標変換したときの正相分電流をＩｐａ，Ｉｐｂ，Ｉｐｃ、逆相分電流をＩｎａ，Ｉｎｂ，Ｉｎｃ、Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａを対称座標変換したときの正相分電流をＩｐａｂ，Ｉｐｂｃ，Ｉｐｃａ、逆相分電流をＩｎａｂ，Ｉｎｂｃ，Ｉｎｃａとすると、Ｉｐａｂ，Ｉｐｂｃ，ＩｐｃａはそれぞれＩｐａ，Ｉｐｂ，Ｉｐｃの１／√３倍で位相はπ／６だけ進み、Ｉｎａｂ，Ｉｎｂｃ，ＩｎｃａはそれぞれＩｎａ，Ｉｎｂ，Ｉｎｃの１／√３倍で位相はπ／６だけ遅れるという関係が成り立つ。したがって、二相／三相変換手段１１４ｐによってＩｐａｂ，Ｉｐｂｃ，Ｉｐｃａが検出され、二相／三相変換手段１１４ｎによってＩｎａｂ，Ｉｎｂｃ，Ｉｎｃａが検出される。
【００３２】
ＩｐａｂとＩｎａｂとの合計、ＩｐｂｃとＩｎｂｃとの合計、およびＩｐｃａとＩｎｃａとの合計が、それぞれ、Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａに該当する。加算手段１１５は、二相／三相変換手段１１４ｐ，１１４ｎから出力される正相分電流と逆相分電流とを相ごとに足し合わせてＩａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａを算出する。
【００３３】
（ｄｑ軸電流検出手段の構成例）
図７は、ｄｑ軸電流検出手段１２の構成例を示す。ｄｑ軸電流検出手段１２は、遅延手段１２１と、ｄｑ変換手段１２２とを備えている。
【００３４】
遅延手段１２１は、Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａのそれぞれをα軸電流として当該α軸電流をπ／２相当の位相だけ遅延させてβ軸電流を算出する。ｄｑ変換手段１２２は、次式（３）に従って、α軸電流およびβ軸電流をｄｑ座標軸に変換する。なお、式中のＩα，Ｉβはα軸電流およびβ軸電流、Ｉｄ，Ｉｑはｄｑ変換後のｄ軸電流およびｑ軸電流、θはｄｑ変換に係る位相角である。
【００３５】
【数３】
【００３６】
ここで、ｄｑ変換に係る位相角θとして、Ｉａｂを変換するｄｑ変換手段１２２にはＶａｂの位相角θａｂが与えられ、Ｉｂｃを変換するｄｑ変換手段１２２にはＶｂｃの位相角θｂｃが与えられ、Ｉｃａを変換するｄｑ変換手段１２２にはＶｃａの位相角θｃａが与えられる。以上の構成により、θａｂが与えられるｄｑ変換手段１２２からＩａｂｄ，Ｉａｂｑが出力され、θｂｃが与えられるｄｑ変換手段１２２からＩｂｃｄ，Ｉｂｃｑが出力され、θｃａが与えられるｄｑ変換手段１２２からＩｃａｄ，Ｉｃａｑが出力される。
【００３７】
（不平衡電流検出手段の構成例）
不平衡電流検出手段１３の構成例の説明の前に、三相不平衡電流の検出方法について図８のフェーザ図を参照しながら説明する。いま、負荷不平衡のため、電流ベクトルＩａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａが不平衡になっているとする。電流ベクトルＩａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａは、それぞれ、それぞれ、有効電流成分であるｄ軸電流ベクトルＩａｂｄ，Ｉｂｃｄ，Ｉｃａｄと、無効電流成分であるｑ軸電流ベクトルＩａｂｑ，Ｉｂｃｑ，Ｉｃａｑとに分解することができる。
【００３８】
さらに、スタインメッツの交流理論によると、線路間ａｂの抵抗性インピーダンスに流れるｄ軸電流ベクトルＩａｂｄは、他線路間ｂｃのコンデンサに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量がｄ軸電流ベクトルＩａｂｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩａｂｄｃと、別の他線路間ｃａのリアクトルに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量が有効電流ベクトルＩａｂｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩａｂｄｒとに分解することができる。同様に、線路間ｂｃの抵抗性インピーダンスに流れるｄ軸電流ベクトルＩｂｃｄは、他線路間ｃａのコンデンサに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量がｄ軸電流ベクトルＩｂｃｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩｂｃｄｃと、別の他線路間ａｂのリアクトルに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量がｄ軸電流ベクトルＩｂｃｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩｂｃｄｒとに分解することができる。線路間ｃａの抵抗性インピーダンスに流れるｄ軸電流ベクトルＩｃａｄは、他線路間ａｂのコンデンサに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量がｄ軸電流ベクトルＩｃａｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩｃａｄｃと、別の他線路間ｂｃのリアクトルに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量がｄ軸電流ベクトルＩｃａｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩｃａｄｒとに分解することができる。
【００３９】
以上のように、各線路間に流れる有効電流成分を他線路間に流れる無効電流成分に分解することで、各線路間に流れるトータルの無効電流Ｉａｂｒ，Ｉｂｃｒ，Ｉｃａｒは、次式（４）のように表される。
【００４０】
【数４】
【００４１】
式（４）における右辺第２項は、三相不平衡な線路間有効電流成分に起因する項であり、不平衡電流検出手段１３によって算出される。右辺第１項と第２項との減算処理は図１に示した演算手段１４によって行われる。
【００４２】
次に、不平衡電流検出手段１３の構成例について説明する。図９は、不平衡電流検出手段１３の構成例を示す。不平衡電流検出手段１３は、乗算手段１３１と、演算手段１３２とを備えている。
【００４３】
乗算手段１３１は、Ｉａｂｄ，Ｉｂｃｄ，Ｉｃａｄをそれぞれ１／√３倍する。演算手段１３２は、演算手段１３１の任意の二つの出力の差分を算出して、式（４）の右辺第２項に該当するＩａｂｕ，Ｉｂｃｕ，Ｉｃａｕをそれぞれ出力する。
【００４４】
なお、乗算手段１３１を演算手段１３２の後段に配置し、先に演算手段１３２でＩａｂｄ，Ｉｂｃｄ，Ｉｃａｄの任意の二つの差分を算出してから、その差分を演算手段１３１でそれぞれ１／√３倍してもよい。また、演算手段１３２において引く数と引かれる数とを入れ替えてもよい。この場合、図１に示した演算手段１４において、式（４）の右辺第１項と第２項との加算処理を行うようにすればよい。
【００４５】
以上のように、本実施形態に係る無効電力補償装置によると、負荷の各線路間に流れる三相電流に基づいて無効電力の補償量を調整することができる。さらに、負荷不平衡に起因する無効電力を補償することができる。
【００４６】
なお、不平衡電流対策が不要の場合には不平衡電流検出手段１３および演算手段１４を省略してもよい。逆に、不平衡電流検出手段１３および演算手段１４を備えている場合において負荷平衡であっても、式（４）の右辺第２項、すなわち、不平衡電流検出手段１３の出力がほぼゼロになるだけであるため、無効電力補償性能は何ら損なわれるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る無効電力補償装置は、アーク炉や圧延機などの大型産業用電気設備が引き起こすフリッカ障害を抑制するフリッカ抑制装置などとして有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 無効電力補償装置
２ 三相電力系統
３ 負荷
１１ Ｙ−Δ変換手段
１１１ｐ 三相／二相変換手段（第１の三相／二相変換手段）
１１１ｎ 三相／二相変換手段（第２の三相／二相変換手段）
１１２ フィルタ手段
１１３ 乗算手段
１１４ｐ 二相／三相変換手段（第１の二相／三相変換手段）
１１４ｎ 二相／三相変換手段（第２の二相／三相変換手段）
１１５ 加算手段
１２ ｄｑ軸電流検出手段
１２１ 遅延手段
１２２ ｄｑ変換手段
１３ 不平衡電流検出手段
１４ 演算手段
１５ ドライブ回路
１７ 主回路
１７３ サイリスタ（スイッチング素子）
１７７ スイッチング素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三相電力系統に接続された負荷が発生する無効電力を補償して系統の電圧を安定化する無効電力補償装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アーク炉や圧延機などの負荷変動が激しい大型産業用電気設備が電力系統に接続されると、系統電圧の変動やフリッカなどの電力障害が発生する。電力会社が供給する電力は同じ配電線から複数の需要家へもたらされるため、ある需要家の電気設備が引き起こした電力障害は同じ配電線路にある他の需要家にも影響を及ぼしてしまう。そこで、そのような電力障害を引き起こすおそれのある電気設備を有する需要家は、無効電力補償装置を設置して電力系統の電圧を安定化する必要がある。
【０００３】
一般に、無効電力補償装置は、負荷が発生する無効電力を補償して、需要家側から電力系統側に供給される無効電力を常に一定に保つ。具体的には、無効電力補償装置は、負荷の各線路に流れる電流を三相／二相変換およびｄｑ変換して対称座標変換理論に基づく正相ｄｑ軸電流成分および逆相ｄｑ軸電流成分を検出することで負荷が発生する瞬時無効電力を検出し、当該検出した瞬時無効電力に基づいて主回路のスイッチング素子を制御することで、進相から遅相までの無効電力を電力系統に連続的に供給する（例えば、特許文献１から３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２４５３８３号公報
【特許文献２】特開平７−２０００８４号公報
【特許文献３】特開２０００−５９９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の無効電力補償装置では負荷の各線路に流れる電流を正相および逆相ｄｑ軸電流成分に変換しているが、例えば、サイリスタを使用した他励式の無効電力補償装置では、無効電力を調整するためのサイリスタおよびリアクトルが電力系統の線路間に接続されるため、負荷の各線路間に流れる電流に基づいて無効電力の補償量を決定する方が都合がよい。また、負荷が発生する無効電力は負荷不平衡によっても変動するが、従来の無効電力補償装置で負荷不平衡に起因する無効電力の補償まで行うことは困難である。
【０００６】
上記問題に鑑み、本発明は、負荷の各線路間に流れる電流に基づいて無効電力の補償量を調整可能な無効電力補償装置およびその制御方法を提供することを目的とする。さらに、そのような無効電力補償装置およびその制御方法において負荷不平衡に起因する無効電力の補償をも可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一局面に従うと、例えば、三相電力系統に接続された負荷が発生する無効電力を補償する無効電力補償装置は、前記三相電力系統の各相に対応したスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子がスイッチング動作することで前記三相電力系統の各相に補償無効電力を供給する主回路と、前記負荷の各線路に流れる三相三線電流を前記負荷の各線路間に流れる三相電流に変換するＹ−Δ変換手段と、前記三相電流のそれぞれのｄ軸電流およびｑ軸電流を検出するｄｑ軸電流検出手段と、前記検出された前記三相電流のそれぞれのｑ軸電流に基づいて、前記主回路の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するドライブ回路とを備えている。これにより、負荷の各線路間に流れる電流に基づいて無効電力の補償量を調整することができる。
【０００８】
上記の無効電力補償装置は、前記検出された前記三相電流のｄ軸電流に基づいて、前記負荷に流れる不平衡電流として、前記負荷の各線路間に流れる三相無効電流を検出する不平衡電流検出手段と、前記検出された三相無効電流を、前記ドライブ回路に入力される前記三相電流のｑ軸電流に相ごとに加算または減算する演算手段とを備えていてもよい。これにより、負荷不平衡に起因する無効電力の補償が可能となる。
【０００９】
また、本発明の別の局面に従うと、例えば、三相電力系統の各相に対応したスイッチング素子を有する主回路を備え、前記三相電力系統に接続された負荷が発生する無効電力を前記スイッチング素子をスイッチング動作させることで補償する無効電力補償装置の制御方法は、前記負荷の各線路に流れる三相三線電流を前記負荷の各線路間に流れる三相電流にＹ−Δ変換するステップと、前記三相電流のそれぞれのｄ軸電流およびｑ軸電流成分を検出するステップと、前記検出された前記三相電流のそれぞれのｑ軸電流に基づいて、前記主回路の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するステップとを備えている。これにより、負荷の各線路間に流れる電流に基づいて無効電力の補償量を調整することができる。
【００１０】
上記の無効電力補償装置制御方法は、前記検出された前記三相電流のｄ軸電流に基づいて、前記負荷に流れる不平衡電流として、前記負荷の各線路間に流れる三相無効電流を検出するステップと、前記検出された三相無効電流を、前記スイッチング素子を制御するステップで参照される前記三相電流のｑ軸電流に相ごとに加算または減算するステップとを備えていてもよい。これにより、負荷不平衡に起因する無効電力の補償が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように、本発明によると、無効電力補償装置が負荷の各線路間に流れる三相電流に基づいて無効電力の補償量を調整できるようになる。さらに、負荷不平衡に起因する無効電力を補償することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置の概略構成図
【図２】他励式ＳＶＣに用いられる主回路の回路構成図
【図３】図２の変形例に係る主回路の回路構成図
【図４】自励式ＳＶＣに用いられる主回路の回路構成図
【図５】図４の変形例に係る主回路の回路構成図
【図６】Ｙ−Δ変換手段のブロック図
【図７】ｄｑ軸電流検出手段のブロック図
【図８】負荷電圧および負荷電流のフェーザ図
【図９】不平衡電流検出手段のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１４】
（無効電力補償装置の概要）
図１は、本発明の一実施形態に係る無効電力補償装置の概略構成を示す。本実施形態に係る無効電力補償装置１は、Ｙ−Δ変換手段１１と、ｄｑ軸電流検出手段１２と、不平衡電流検出手段１３と、演算手段１４と、ドライブ回路１５と、位相角検出手段１６と、主回路１７とを備えており、三相電力系統２に接続された負荷３が発生する無効電力を補償する。
【００１５】
Ｙ−Δ変換手段１１は、負荷３の各線路ａ，ｂ，ｃに流れる三相三線電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを負荷３の各線路間ａｂ，ｂｃ，ｃａに流れる三相電流Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａに変換する。ｄｑ軸電流検出手段１２は、三相電流Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａのそれぞれのｄ軸電流Ｉａｂｄ，Ｉｂｃｄ，Ｉｃａｄおよびｑ軸電流Ｉａｂｑ，Ｉｂｃｑ，Ｉｃａｑを検出する。不平衡電流検出手段１３は、Ｉａｂｄ，Ｉｂｃｄ，Ｉｃａｄに基づいて、負荷不平衡に起因して負荷３の各線路間ａｂ，ｂｃ，ｃａに流れる無効電流Ｉａｂｕ，Ｉｂｃｕ，Ｉｃａｕを検出する。演算手段１４は、Ｉａｂｑ，Ｉｂｃｑ，ＩｃａｑとＩａｂｕ，Ｉｂｃｕ，Ｉｃａｕとを相ごとに加算または減算して負荷３の各線路間ａｂ，ｂｃ，ｃａの無効電流Ｉａｂｒ，Ｉｂｃｒ，Ｉｃａｒを算出する。ドライブ回路１５は、Ｉａｂｒ，Ｉｂｃｒ，Ｉｃａｒに基づいて制御信号を出力して主回路１７を制御する。位相角検出手段１６は、負荷３の各線路ａ，ｂ，ｃの瞬時電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃに基づいて、Ｙ−Δ変換やｄｑ変換などで必要となる各種位相角を検出する。主回路１７は、後述するように三相電力系統２の各線路ａ，ｂ，ｃに対応したスイッチング素子を有し、ドライブ回路１５の制御信号に従って当該スイッチング素子がスイッチング動作することで三相電力系統２の各線路ａ，ｂ，ｃに補償無効電力を供給する。
【００１６】
なお、図１ではＩａ，Ｉｂ，Ｉｃを個別に測定するように図示しているが、任意の二つの線路に流れる電流（例えば、Ｉａ，Ｉｃ）を測定してこれらから残りの一つの線路に流れる（例えば、Ｉｂ）を算出してもよい。また、位相角検出手段１６は、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃではなく、各線路間ａｂ，ｂｃ，ｃａの電圧Ｖａｂ，Ｖｂｃ，Ｖｃａに基づいて各種位相角を検出してもよい。この場合、任意の二つの線路間の電圧（例えば、Ｖａｂ，Ｖｂｃ）を測定してこれらから残りの一つの線路間の電圧（例えば、Ｖｃａ）を算出してもよい。
【００１７】
以下、主回路１７、Ｙ−Δ変換手段１１、ｄｑ軸電流検出手段１２、および不平衡電流検出手段１３の構成例について説明する。ドライブ回路１５および位相角検出手段１６は既知の一般的な要素であるため、詳細な説明は省略する。
【００１８】
（主回路の構成例）
図２は、ＴＣＲ（Thyristor Controlled Reactor）方式の他励式ＳＶＣ（Static Var Compensator）に用いられる主回路１７の回路構成例を示す。当該主回路１７は、一次側がΔ結線、二次側がＹ結線の連系変圧器１７１を介して三相電力系統２に接続される。二次側のＹ結線の各相には、遅れ無効電力発生用の分路リアクトル１７２と、スイッチング素子としてのサイリスタ１７３と、進相コンデンサ１７４と、高調波および過電流抑制用の直列リアクトル１７５とが接続されている。そして、ドライブ回路１５から出力される制御信号でサイリスタ１７３の点弧角が制御されるようになっている。すなわち、連系変圧器１７１の一次側の各線路間ａｂ，ｂｃ，ｃａの電流が制御されるようになっている。
【００１９】
なお、図３に示したように、連系変圧器１７１をΔ−Δ結線の変圧器に置き換えて、二次側のΔ結線の各相に、分路リアクトル１７２、サイリスタ１７３、進相コンデンサ１７４、直列リアクトル１７５を挿入接続してもよい。
【００２０】
一方、図４は、ＳＶＧ（Static Var Generator）あるいはＳＴＡＴＣＯＭ（STATic synchronous COMpensator）と呼ばれる自励式ＳＶＣに用いられる主回路１７の回路構成例を示す。当該主回路１７は、Δ−Δ結線の連系変圧器１７１を介して三相電力系統２に接続される。連系変圧器１７１の二次側の各巻線には連系用リアクトル１７６の一端が接続され、各連系用リアクトル１７６の他端に、スイッチング素子１７７、フライホイールダイオード１７８、および直流コンデンサ１７９で構成される三相自励式変換器から直流電圧が供給されるようになっている。スイッチング素子１７７は、ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などである。また、スイッチング素子１７７としてＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）などであるを使用することもできる。そして、ドライブ回路１５から出力される制御信号でスイッチング素子１７７がスイッチング制御されるようになっている。
【００２１】
なお、図５に示したように、三相自励式変換器を３つの単相自励式変換器（単相インバータ）に置き換えて、各単相インバータから各連系用リアクトル１７６に直流電圧を供給するようにしてもよい。
【００２２】
（Ｙ−Δ変換手段の構成例）
図６は、Ｙ−Δ変換手段１１の構成例を示す。Ｙ−Δ変換手段１１は、三相／二相変換手段１１１ｐ，１１１ｎと、フィルタ手段１１２と、乗算手段１１３と、二相／三相変換手段１１４ｐ，１１４ｎと、加算手段１１５とを備えている。
【００２３】
三相／二相変換手段１１１ｐ，１１１ｎは、次式（１）に従って、Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを三相／二相変換およびｄｑ変換する。なお、式中のＩｄ，Ｉｑはｄｑ変換後のｄ軸電流およびｑ軸電流、θはｄｑ変換に係る位相角である。
【００２４】
【数１】
【００２５】
ここで、ｄｑ変換に係る位相角θとして、三相／二相変換手段１１１ｐにはＶａの位相角θａが与えられ、三相／二相変換手段１１１ｎにはその逆位相である−θａが与えられる。したがって、三相／二相変換手段１１１ｐによってＩａ，Ｉｂ，Ｉｃの正相ｄ軸電流および正相ｑ軸電流が検出され、三相／二相変換手段１１１ｎによってＩａ，Ｉｂ，Ｉｃの逆相ｄ軸電流および逆相ｑ軸電流が検出される。
【００２６】
なお、式中の係数「２／３」は、ｄｑ変換の前後で電力保証の必要の有無に応じて変わり得る。例えば、ｄｑ変換の前後で電力を保証する必要のある絶対変換では式中の係数を√（２／３）に変更すればよい。一方、ｄｑ変換の前後で電力を保証する必要がない相対変換では係数は２／３にする。
【００２７】
三相／二相変換手段１１１ｐ，１１１ｎから出力される正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流には基本角周波数の高調波成分が含まれる。フィルタ手段１１２は、三相／二相変換手段１１１ｐ，１１１ｎの各出力に含まれるそのような高調波成分を除去する。具体的には、フィルタ手段１１２は、１／２周期の移動平均を算出する移動平均フィルタで実現することができる。
【００２８】
乗算手段１１３は、フィルタ手段１１２によってフィルタリング処理された正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流をそれぞれ１／√３倍する。そして、次式（２）に従って、二相／三相変換手段１１４ｐは乗算後の正相ｄ軸電流および正相ｑ軸電流をｄｑ逆変換および二相／三相変換し、二相／三相変換手段１１４ｎは乗算後の逆相ｄ軸電流および逆相ｑ軸電流をｄｑ逆変換および二相／三相変換する。なお、式中のＩｄ，Ｉｑはｄｑ逆変換前のｄ軸電流およびｑ軸電流、Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａはｄｑ逆変換後の三相電流、θはｄｑ逆変換に係る位相角である。
【００２９】
【数２】
【００３０】
ここで、ｄｑ逆変換に係る位相角θとして、二相／三相変換手段１１４ｐにはθａ＋π／６が与えられ、二相／三相変換手段１１４ｎには−θａ−π／６が与えられる。すなわち、二相／三相変換手段１１４ｐは、乗算後の正相ｑ軸電流および正相ｑ軸電流をπ／６相当だけ進相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換する。一方、二相／三相変換手段１１４ｎは、乗算後の逆相ｑ軸電流および逆相ｑ軸電流をπ／６相当だけ遅相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換する。
【００３１】
ここで、Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを対称座標変換したときの正相分電流をＩｐａ，Ｉｐｂ，Ｉｐｃ、逆相分電流をＩｎａ，Ｉｎｂ，Ｉｎｃ、Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａを対称座標変換したときの正相分電流をＩｐａｂ，Ｉｐｂｃ，Ｉｐｃａ、逆相分電流をＩｎａｂ，Ｉｎｂｃ，Ｉｎｃａとすると、Ｉｐａｂ，Ｉｐｂｃ，ＩｐｃａはそれぞれＩｐａ，Ｉｐｂ，Ｉｐｃの１／√３倍で位相はπ／６だけ進み、Ｉｎａｂ，Ｉｎｂｃ，ＩｎｃａはそれぞれＩｎａ，Ｉｎｂ，Ｉｎｃの１／√３倍で位相はπ／６だけ遅れるという関係が成り立つ。したがって、二相／三相変換手段１１４ｐによってＩｐａｂ，Ｉｐｂｃ，Ｉｐｃａが検出され、二相／三相変換手段１１４ｎによってＩｎａｂ，Ｉｎｂｃ，Ｉｎｃａが検出される。
【００３２】
ＩｐａｂとＩｎａｂとの合計、ＩｐｂｃとＩｎｂｃとの合計、およびＩｐｃａとＩｎｃａとの合計が、それぞれ、Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａに該当する。加算手段１１５は、二相／三相変換手段１１４ｐ，１１４ｎから出力される正相分電流と逆相分電流とを相ごとに足し合わせてＩａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａを算出する。
【００３３】
（ｄｑ軸電流検出手段の構成例）
図７は、ｄｑ軸電流検出手段１２の構成例を示す。ｄｑ軸電流検出手段１２は、遅延手段１２１と、ｄｑ変換手段１２２とを備えている。
【００３４】
遅延手段１２１は、Ｉａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａのそれぞれをα軸電流として当該α軸電流をπ／２相当の位相だけ遅延させてβ軸電流を算出する。ｄｑ変換手段１２２は、次式（３）に従って、α軸電流およびβ軸電流をｄｑ座標軸に変換する。なお、式中のＩα，Ｉβはα軸電流およびβ軸電流、Ｉｄ，Ｉｑはｄｑ変換後のｄ軸電流およびｑ軸電流、θはｄｑ変換に係る位相角である。
【００３５】
【数３】
【００３６】
ここで、ｄｑ変換に係る位相角θとして、Ｉａｂを変換するｄｑ変換手段１２２にはＶａｂの位相角θａｂが与えられ、Ｉｂｃを変換するｄｑ変換手段１２２にはＶｂｃの位相角θｂｃが与えられ、Ｉｃａを変換するｄｑ変換手段１２２にはＶｃａの位相角θｃａが与えられる。以上の構成により、θａｂが与えられるｄｑ変換手段１２２からＩａｂｄ，Ｉａｂｑが出力され、θｂｃが与えられるｄｑ変換手段１２２からＩｂｃｄ，Ｉｂｃｑが出力され、θｃａが与えられるｄｑ変換手段１２２からＩｃａｄ，Ｉｃａｑが出力される。
【００３７】
（不平衡電流検出手段の構成例）
不平衡電流検出手段１３の構成例の説明の前に、三相不平衡電流の検出方法について図８のフェーザ図を参照しながら説明する。いま、負荷不平衡のため、電流ベクトルＩａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａが不平衡になっているとする。電流ベクトルＩａｂ，Ｉｂｃ，Ｉｃａは、それぞれ、それぞれ、有効電流成分であるｄ軸電流ベクトルＩａｂｄ，Ｉｂｃｄ，Ｉｃａｄと、無効電流成分であるｑ軸電流ベクトルＩａｂｑ，Ｉｂｃｑ，Ｉｃａｑとに分解することができる。
【００３８】
さらに、スタインメッツの交流理論によると、線路間ａｂの抵抗性インピーダンスに流れるｄ軸電流ベクトルＩａｂｄは、他線路間ｂｃのコンデンサに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量がｄ軸電流ベクトルＩａｂｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩａｂｄｃと、別の他線路間ｃａのリアクトルに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量が有効電流ベクトルＩａｂｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩａｂｄｒとに分解することができる。同様に、線路間ｂｃの抵抗性インピーダンスに流れるｄ軸電流ベクトルＩｂｃｄは、他線路間ｃａのコンデンサに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量がｄ軸電流ベクトルＩｂｃｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩｂｃｄｃと、別の他線路間ａｂのリアクトルに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量がｄ軸電流ベクトルＩｂｃｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩｂｃｄｒとに分解することができる。線路間ｃａの抵抗性インピーダンスに流れるｄ軸電流ベクトルＩｃａｄは、他線路間ａｂのコンデンサに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量がｄ軸電流ベクトルＩｃａｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩｃａｄｃと、別の他線路間ｂｃのリアクトルに流れる無効電流ベクトルであってスカラー量がｄ軸電流ベクトルＩｃａｄの１／√３倍の無効電流ベクトルＩｃａｄｒとに分解することができる。
【００３９】
以上のように、各線路間に流れる有効電流成分を他線路間に流れる無効電流成分に分解することで、各線路間に流れるトータルの無効電流Ｉａｂｒ，Ｉｂｃｒ，Ｉｃａｒは、次式（４）のように表される。
【００４０】
【数４】
【００４１】
式（４）における右辺第２項は、三相不平衡な線路間有効電流成分に起因する項であり、不平衡電流検出手段１３によって算出される。右辺第１項と第２項との減算処理は図１に示した演算手段１４によって行われる。
【００４２】
次に、不平衡電流検出手段１３の構成例について説明する。図９は、不平衡電流検出手段１３の構成例を示す。不平衡電流検出手段１３は、乗算手段１３１と、演算手段１３２とを備えている。
【００４３】
乗算手段１３１は、Ｉａｂｄ，Ｉｂｃｄ，Ｉｃａｄをそれぞれ１／√３倍する。演算手段１３２は、演算手段１３１の任意の二つの出力の差分を算出して、式（４）の右辺第２項に該当するＩａｂｕ，Ｉｂｃｕ，Ｉｃａｕをそれぞれ出力する。
【００４４】
なお、乗算手段１３１を演算手段１３２の後段に配置し、先に演算手段１３２でＩａｂｄ，Ｉｂｃｄ，Ｉｃａｄの任意の二つの差分を算出してから、その差分を演算手段１３１でそれぞれ１／√３倍してもよい。また、演算手段１３２において引く数と引かれる数とを入れ替えてもよい。この場合、図１に示した演算手段１４において、式（４）の右辺第１項と第２項との加算処理を行うようにすればよい。
【００４５】
以上のように、本実施形態に係る無効電力補償装置によると、負荷の各線路間に流れる三相電流に基づいて無効電力の補償量を調整することができる。さらに、負荷不平衡に起因する無効電力を補償することができる。
【００４６】
なお、不平衡電流対策が不要の場合には不平衡電流検出手段１３および演算手段１４を省略してもよい。逆に、不平衡電流検出手段１３および演算手段１４を備えている場合において負荷平衡であっても、式（４）の右辺第２項、すなわち、不平衡電流検出手段１３の出力がほぼゼロになるだけであるため、無効電力補償性能は何ら損なわれるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る無効電力補償装置は、アーク炉や圧延機などの大型産業用電気設備が引き起こすフリッカ障害を抑制するフリッカ抑制装置などとして有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 無効電力補償装置
２ 三相電力系統
３ 負荷
１１ Ｙ−Δ変換手段
１１１ｐ 三相／二相変換手段（第１の三相／二相変換手段）
１１１ｎ 三相／二相変換手段（第２の三相／二相変換手段）
１１２ フィルタ手段
１１３ 乗算手段
１１４ｐ 二相／三相変換手段（第１の二相／三相変換手段）
１１４ｎ 二相／三相変換手段（第２の二相／三相変換手段）
１１５ 加算手段
１２ ｄｑ軸電流検出手段
１２１ 遅延手段
１２２ ｄｑ変換手段
１３ 不平衡電流検出手段
１４ 演算手段
１５ ドライブ回路
１７ 主回路
１７３ サイリスタ（スイッチング素子）
１７７ スイッチング素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相電力系統に接続された負荷が発生する無効電力を補償する無効電力補償装置であって、
前記三相電力系統の各相に対応したスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子がスイッチング動作することで前記三相電力系統の各相に補償無効電力を供給する主回路と、
前記負荷の各線路に流れる三相三線電流を前記負荷の各線路間に流れる三相電流に変換するＹ−Δ変換手段と、
前記三相電流のそれぞれのｄ軸電流およびｑ軸電流を検出するｄｑ軸電流検出手段と、
前記検出された前記三相電流のそれぞれのｑ軸電流に基づいて、前記主回路の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するドライブ回路とを備えている
ことを特徴とする無効電力補償装置。
【請求項２】
請求項１に記載の無効電力補償装置において、
前記検出された前記三相電流のｄ軸電流に基づいて、前記負荷に流れる不平衡電流として、前記負荷の各線路間に流れる三相無効電流を検出する不平衡電流検出手段と、
前記検出された三相無効電流を、前記ドライブ回路に入力される前記三相電流のｑ軸電流に相ごとに加算または減算する演算手段とを備えている
ことを特徴とする無効電力補償装置。
【請求項３】
請求項１および２のいずれか一つに記載の無効電力補償装置において、
前記Ｙ−Δ変換手段は、
前記三相三線電流を正相ｄｑ軸座標に三相／二相変換する第１の三相／二相変換手段と、
前記三相三線電流を逆相ｄｑ軸座標に三相／二相変換する第２の三相／二相変換手段と、
前記三相／二相変換によって得られた正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流に含まれる高調波成分を除去するフィルタ手段と、
前記フィルタリング処理された正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流を１／√３倍する乗算手段と、
前記乗算後の正相ｄ軸電流および正相ｑ軸電流をπ／６相当だけ進相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換する第１の二相／三相変換手段と、
前記乗算後の逆相ｄ軸電流および逆相ｑ軸電流をπ／６相当だけ遅相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換する第２の二相／三相変換手段と、
前記二相／三相変換によって得られた正相分電流および逆相分電流を相ごとに足し合わせて前記三相電流を算出する加算手段とを有する
ことを特徴とする無効電力補償装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一つに記載の無効電力補償装置において、
前記ｄｑ軸電流検出手段は、
前記三相電流のそれぞれをα軸電流として当該α軸電流をπ／２相当の位相だけ遅延させてβ軸電流を算出する遅延手段と、
前記α軸電流および前記β軸電流をｄｑ軸座標に変換するｄｑ変換手段とを有する
ことを特徴とする無効電力補償装置。
【請求項５】
三相電力系統の各相に対応したスイッチング素子を有する主回路を備え、前記三相電力系統に接続された負荷が発生する無効電力を前記スイッチング素子をスイッチング動作させることで補償する無効電力補償装置の制御方法であって、
前記負荷の各線路に流れる三相三線電流を前記負荷の各線路間に流れる三相電流にＹ−Δ変換するステップと、
前記三相電流のそれぞれのｄ軸電流およびｑ軸電流成分を検出するステップと、
前記検出された前記三相電流のそれぞれのｑ軸電流に基づいて、前記主回路の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するステップとを備えている
ことを特徴とする無効電力補償装置制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の無効電力補償装置制御方法において、
前記検出された前記三相電流のｄ軸電流に基づいて、前記負荷に流れる不平衡電流として、前記負荷の各線路間に流れる三相無効電流を検出するステップと、
前記検出された三相無効電流を、前記スイッチング素子を制御するステップで参照される前記三相電流のｑ軸電流に相ごとに加算または減算するステップとを備えている
ことを特徴とする無効電力補償装置制御方法。
【請求項７】
請求項５および６のいずれか一つに記載の無効電力補償装置制御方法において、
前記Ｙ−Δ変換するステップは、
前記三相三線電流を正相ｄｑ軸座標に三相／二相変換するステップと、
前記三相三線電流を逆相ｄｑ軸座標に三相／二相変換するステップと、
前記三相／二相変換によって得られた正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流の高調波成分を除去するステップと、
前記フィルタリング処理された正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流を１／√３倍するステップと、
前記乗算後の正相ｄ軸電流および正相ｑ軸電流をπ／６相当だけ進相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換するステップと、
前記乗算後の逆相ｄ軸電流および逆相ｑ軸電流をπ／６相当だけ遅相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換するステップと、
前記二相／三相変換によって得られた正相分電流および逆相分電流を相ごとに足し合わせて前記三相電流を算出するステップとを有する
ことを特徴とする無効電力補償装置制御方法。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか一つに記載の無効電力補償装置制御方法において、
前記ｄｑ軸電流を検出するステップは、
前記三相電流のそれぞれをα軸電流として当該α軸電流をπ／２相当の位相だけ遅延させてβ軸電流を算出するステップと、
前記α軸電流および前記β軸電流をｄｑ軸座標に変換するステップとを有する
ことを特徴とする無効電力補償装置制御方法。
【請求項１】
三相電力系統に接続された負荷が発生する無効電力を補償する無効電力補償装置であって、
前記三相電力系統の各相に対応したスイッチング素子を有し、当該スイッチング素子がスイッチング動作することで前記三相電力系統の各相に補償無効電力を供給する主回路と、
前記負荷の各線路に流れる三相三線電流を前記負荷の各線路間に流れる三相電流に変換するＹ−Δ変換手段と、
前記三相電流のそれぞれのｄ軸電流およびｑ軸電流を検出するｄｑ軸電流検出手段と、
前記検出された前記三相電流のそれぞれのｑ軸電流に基づいて、前記主回路の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するドライブ回路とを備えている
ことを特徴とする無効電力補償装置。
【請求項２】
請求項１に記載の無効電力補償装置において、
前記検出された前記三相電流のｄ軸電流に基づいて、前記負荷に流れる不平衡電流として、前記負荷の各線路間に流れる三相無効電流を検出する不平衡電流検出手段と、
前記検出された三相無効電流を、前記ドライブ回路に入力される前記三相電流のｑ軸電流に相ごとに加算または減算する演算手段とを備えている
ことを特徴とする無効電力補償装置。
【請求項３】
請求項１および２のいずれか一つに記載の無効電力補償装置において、
前記Ｙ−Δ変換手段は、
前記三相三線電流を正相ｄｑ軸座標に三相／二相変換する第１の三相／二相変換手段と、
前記三相三線電流を逆相ｄｑ軸座標に三相／二相変換する第２の三相／二相変換手段と、
前記三相／二相変換によって得られた正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流に含まれる高調波成分を除去するフィルタ手段と、
前記フィルタリング処理された正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流を１／√３倍する乗算手段と、
前記乗算後の正相ｄ軸電流および正相ｑ軸電流をπ／６相当だけ進相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換する第１の二相／三相変換手段と、
前記乗算後の逆相ｄ軸電流および逆相ｑ軸電流をπ／６相当だけ遅相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換する第２の二相／三相変換手段と、
前記二相／三相変換によって得られた正相分電流および逆相分電流を相ごとに足し合わせて前記三相電流を算出する加算手段とを有する
ことを特徴とする無効電力補償装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一つに記載の無効電力補償装置において、
前記ｄｑ軸電流検出手段は、
前記三相電流のそれぞれをα軸電流として当該α軸電流をπ／２相当の位相だけ遅延させてβ軸電流を算出する遅延手段と、
前記α軸電流および前記β軸電流をｄｑ軸座標に変換するｄｑ変換手段とを有する
ことを特徴とする無効電力補償装置。
【請求項５】
三相電力系統の各相に対応したスイッチング素子を有する主回路を備え、前記三相電力系統に接続された負荷が発生する無効電力を前記スイッチング素子をスイッチング動作させることで補償する無効電力補償装置の制御方法であって、
前記負荷の各線路に流れる三相三線電流を前記負荷の各線路間に流れる三相電流にＹ−Δ変換するステップと、
前記三相電流のそれぞれのｄ軸電流およびｑ軸電流成分を検出するステップと、
前記検出された前記三相電流のそれぞれのｑ軸電流に基づいて、前記主回路の前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するステップとを備えている
ことを特徴とする無効電力補償装置制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の無効電力補償装置制御方法において、
前記検出された前記三相電流のｄ軸電流に基づいて、前記負荷に流れる不平衡電流として、前記負荷の各線路間に流れる三相無効電流を検出するステップと、
前記検出された三相無効電流を、前記スイッチング素子を制御するステップで参照される前記三相電流のｑ軸電流に相ごとに加算または減算するステップとを備えている
ことを特徴とする無効電力補償装置制御方法。
【請求項７】
請求項５および６のいずれか一つに記載の無効電力補償装置制御方法において、
前記Ｙ−Δ変換するステップは、
前記三相三線電流を正相ｄｑ軸座標に三相／二相変換するステップと、
前記三相三線電流を逆相ｄｑ軸座標に三相／二相変換するステップと、
前記三相／二相変換によって得られた正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流の高調波成分を除去するステップと、
前記フィルタリング処理された正相ｄ軸電流、正相ｑ軸電流、逆相ｄ軸電流、および逆相ｑ軸電流を１／√３倍するステップと、
前記乗算後の正相ｄ軸電流および正相ｑ軸電流をπ／６相当だけ進相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換するステップと、
前記乗算後の逆相ｄ軸電流および逆相ｑ軸電流をπ／６相当だけ遅相させてｄｑ逆変換および二相／三相変換するステップと、
前記二相／三相変換によって得られた正相分電流および逆相分電流を相ごとに足し合わせて前記三相電流を算出するステップとを有する
ことを特徴とする無効電力補償装置制御方法。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか一つに記載の無効電力補償装置制御方法において、
前記ｄｑ軸電流を検出するステップは、
前記三相電流のそれぞれをα軸電流として当該α軸電流をπ／２相当の位相だけ遅延させてβ軸電流を算出するステップと、
前記α軸電流および前記β軸電流をｄｑ軸座標に変換するステップとを有する
ことを特徴とする無効電力補償装置制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１１０８８４（Ｐ２０１３−１１０８８４Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５０８２（Ｐ２０１１−２５５０８２）
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【出願人】（０００２１１２９３）中国電機製造株式会社 (69)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（３０４０２０１７７）国立大学法人山口大学 (579)
【出願人】（０００２１１２９３）中国電機製造株式会社 (69)
【Ｆターム（参考）】
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