電圧フリッカ抑制装置
【課題】 電圧フリッカの要因となるすべての因子を加味することにより、電圧フリッカを生じさせる負荷が接続される負荷母線における電圧フリッカを十分に抑制することが可能な電圧フリッカ抑制装置を提供する。
【解決手段】
静止形無効電力補償装置１０の無効電力変動補償制御手段２０からの出力信号Ｓ１と、高調波電流変動補償制御手段３０からの出力信号Ｓ２と、逆相電流変動補償制御手段４０からの出力信号Ｓ３と、有効電力変動補償制御手段５０からの出力信号Ｓ４に基づき、負荷母線４の電圧変動を抑制する最終変動補償信号Ｓ５を電圧変動補償電流発生部７０へ入力するＳＶＣ指令制御手段６０とを備える。
【解決手段】
静止形無効電力補償装置１０の無効電力変動補償制御手段２０からの出力信号Ｓ１と、高調波電流変動補償制御手段３０からの出力信号Ｓ２と、逆相電流変動補償制御手段４０からの出力信号Ｓ３と、有効電力変動補償制御手段５０からの出力信号Ｓ４に基づき、負荷母線４の電圧変動を抑制する最終変動補償信号Ｓ５を電圧変動補償電流発生部７０へ入力するＳＶＣ指令制御手段６０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、無効電力の変動などに起因する負荷母線の電圧フリッカを抑制するための電圧フリッカ抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鋼用のアーク炉では、黒鉛電極とスクラップとの間に大電流アークを発生させ、このアーク熱でスクラップを溶解している。アーク炉においては、スクラップの溶け落ちによってアークが突然短絡するなど、アーク長の変動に伴ってアーク電流の不規則な脈動が生じる。そのため、アーク炉が接続される負荷母線の電圧が不規則な変動をし、これが一般負荷である照明などのちらつき（フリッカ）の原因となっている。
【０００３】
電圧フリッカは、無効電力の不規則な周期の変動などが原因であるため、例えばスイッチング素子などを用いて高速かつ連続可変的に無効電力を調整することで、電圧フリッカを抑制することが可能である。従来から、静止形無効電力補償装置を用いて電圧フリッカを抑制する技術は知られている（例えば、特許文献１、２、３参照）。これらの技術では、電圧フリッカを抑制するために、電圧フリッカの要因である無効電力変動成分、逆相電流変動成分、高調波電流変動成分などに対して補償を行うようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１３７５６４号公報
【特許文献２】特許第３１１２３８６号公報
【特許文献３】特許第２６７５２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、電圧フリッカの要因は、電圧フリッカを生じさせる負荷の種類によっても異なるが、図９に示すあるアーク炉の電圧フリッカ要因因子の一例としては、概ね無効電力変動成分が４０％、逆相電流変動成分が２０％、高調波電流変動成分が２０％、有効電力変動成分が２０％となっており、４つの電圧フリッカ要因因子に分解可能である。このうち、上述の静止形無効電力補償装置によって電圧フリッカを抑制できるのは、無効電力変動成分、逆相電流変動成分、高調波電流変動成分に対してのみであり、有効電力変動成分についての対策は、従来は行われていなかった。すなわち、従来は、特許文献１〜３のように、無効電力変動成分、逆相電流変動成分を主眼とし、必要に応じて高調波電流変動成分に対して補償を行うようにしているが、この方式では電圧フリッカを十分に抑制することができず、電圧フリッカの抑制効果を高めることが難しい。したがって、電圧フリッカを十分に抑制するためには、電圧フリッカの要因となるすべての因子を加味した制御が望まれる。
【０００６】
そこでこの発明は、電圧フリッカの要因となるすべての因子を加味することにより、電圧フリッカを生じさせる負荷が接続される負荷母線における電圧フリッカを十分に抑制することが可能な電圧フリッカ抑制装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、電圧フリッカを生じさせる負荷が接続される負荷母線の電圧変動を電力補償手段によって抑制する電圧フリッカ抑制装置であって、前記負荷に対応する無効電力変動成分を検出し、該無効電力変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する無効電力変動補償制御手段と、前記負荷に対応する高調波電流変動成分を検出し、該高調波電流変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する高調波電流変動補償制御手段と、前記負荷に対応する逆相電流変動成分を検出し、該逆相電流変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する逆相電流変動補償制御手段と、前記負荷に対応する有効電力変動成分を検出し、該有効電力変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する有効電力変動補償制御手段と、前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段から出力信号とに基づき、前記負荷母線の電圧変動を抑制する最終変動補償信号を前記電力補償手段へ入力する最終指令制御手段と、を備えたことを特徴とする電圧フリッカ抑制装置である。
【０００８】
この発明によれば、最終変動補償信号に有効電力変動分が加味され、この有効電力変動分が加味された最終変動補償信号が最終指令制御手段から電力補償手段へ出力され、電力補償手段によって負荷母線の電圧フリッカが抑制される。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電圧フリッカ抑制装置において、前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段からの出力信号は、スイッチなどを介して選択的に前記最終指令制御手段に入力可能となっていることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の電圧フリッカ抑制装置において、前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段からの出力信号は、補償上限値がそれぞれ任意に設定可能となっており、各補償上限値が設定された前記各出力信号は前記最終指令制御手段に入力可能となっていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、各変動補償制御手段からの出力信号に基づく最終変動補償信号を電力補償手段へ入力するようにしているので、電圧フリッカの要因となるすべての因子を加味した制御を行うことが可能となり、負荷母線の電圧フリッカを十分に抑制することができる。これにより、負荷母線に接続される照明などのちらつきを防止することができ、負荷母線に供給される電力の品質を高めることができる。
【００１２】
また、電力品質が向上することにより、負荷母線に系統連系可能なケースが増加し、電力需要の新規開拓を図ることができる。さらに、電力補償手段による電圧フリッカ抑制能力が向上するため、その分、電力補償手段の容量を低減することが可能となり、電圧フリッカ抑制装置の導入コストを低減することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、各変動補償制御手段からの出力信号は、スイッチを介して選択的に最終指令制御手段に入力可能となっているので、電圧フリッカの要因のうち特定の因子だけを加味した制御が可能となる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、各変動補償制御手段からの出力信号は、補償上限値がそれぞれ任意に設定可能となっており、各補償上限値が設定された各出力信号は前記最終指令制御手段に入力可能となっているので、電圧フリッカの要因因子の割合に応じた制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係わる電圧フリッカ抑制装置のブロック図である。
【図２】図１の電圧フリッカ抑制装置における制御の詳細を示すブロック図である。
【図３】図１における静止形無効電力補償装置の負荷無効電力変動と制御容量との関係を示す特性図である。
【図４】図１の装置における負荷無効電力変動とＡＰＣ出力ゲインとの関係を示す特性図である。
【図５】図１の装置における負荷無効電力の変動時のＡＰＣ制御を示す特性図である。
【図６】図１の装置が対象とする電圧フリッカ因子の分析結果の一例を示す特性図である。
【図７】図１の装置における有効電力ＡＰＣを動作させた場合の電力波形をイメージした特性図である。
【図８】図１の装置における有効電力ＡＰＣを停止させた場合の電力波形をイメージした特性図である。
【図９】あるアーク炉における電圧フリッカ要因因子の割合の一例を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
つぎに、この発明の実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。
【００１７】
図１ないし図８は、この発明の実施の形態を示している。図１および図２は、電圧フリッカ抑制装置としての静止形無効電力補償装置１０を製鋼用のアーク炉５に適用した場合を示している。この実施の形態においては、静止形無効電力補償装置１０は、従来の静止形無効電力補償装置が有する機能の他に、電圧フリッカをさらに抑制するための有効電力変動補償機能を付加したものから構成されている。
【００１８】
図２に示すように、電力系統に存在する電源１は電力系統を介して負荷母線４に供給されており、負荷であるアーク炉５は負荷母線４に接続されている。図２に示すように、負荷母線４の電圧変動は、ΔＶ≒Ｒ・ΔＰ＋Ｘ・ΔＱで表される。ここで、Ｒは電力系統の線路抵抗、ΔＰは負荷の有効電力変動量、Ｘは電力系統の線路リアクタンス、ΔＱは負荷の無効電力変動量である。
【００１９】
静止形無効電力補償装置１０は、逆相成分検出部１４、位相同期回路部１５、正相成分検出部１６、成分分離部１７、無効電力変動補償制御手段２０、高調波電流変動補償制御手段３０、逆相電流変動補償制御手段４０、有効電力変動補償制御手段５０、最終指令制御手段としてのＳＶＣ指令制御手段６０、電力補償手段としての電圧変動補償電流発生部７０を有している。静止形無効電力補償装置１０は、計器用変流器１１および計器用変圧器１２を介して必要なアーク炉５の負荷電流情報と負荷母線４の電圧情報を取り入れるようになっている。
【００２０】
計器用変流器１１は、負荷母線４とアーク炉５とを接続する回路の途中に設けられており、アーク炉５に流れる負荷電流を間接的に検出する機能を有している。計器用変圧器１２は、アーク炉５が接続される負荷母線４におけるアーク炉５の近傍に設けられており、負荷母線４の電圧を間接的に検出する機能を有している。計器用変流器１１によって検出された負荷電流信号Ｉは、加減算部１３および逆相成分検出部１４に流れるようになっている。加減算部１３は、負荷電流信号Ｉと逆相成分検出部１４からの逆相電流信号Ｉｎとを加減算し、加減算された電流信号が正相成分検出部１６に送られるようになっている。正相成分検出部１６は、逆相を除く正相成分の電流信号Ｉｐのみを検出する機能を有している。正相成分検出部１６からの正相電流信号Ｉｐは、成分分離部１７に送られるようになっている。
【００２１】
計器用変圧器１２によって検出された負荷母線４の電圧信号Ｖは、位相同期回路部（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）１５に入力されている。位相同期回路部１５からは、負荷母線４の電圧に対応する電圧信号Ｖが逆相成分検出部１４と成分分離部１７に向けて出力されるようになっている。成分分離部１７は、正相成分検出部１６からの正相電流信号Ｉｐおよび位相同期回路部１５からの負荷母線４の電圧に対応する電圧信号Ｖに基づき、無効電力変動補償制御手段２０、高調波電流変動補償制御手段３０、有効電力変動補償制御手段５０へ成分信号Ｑ（無効電力成分）、Ｉｈ（高調波電流成分）、Ｐ（有効電力成分）をそれぞれ出力するようになっている。すなわち、成分分離部１７からは、無効電力変動補償制御手段２０に向けて成分信号Ｑが出力されるとともに、高調波電流変動補償制御手段３０には成分信号Ｉｈ（逆相電流成分）が出力され、有効電力変動補償制御手段５０には成分信号Ｐが出力されるようになっている。また、逆相成分検出部１４からは、逆相電流変動補償手段４０へ成分信号Ｉｎが出力されるようになっている。
【００２２】
無効電力変動補償制御手段２０は、無効電力変動分検出部２１と、無効電力ＡＰＣ（ＡＰＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）２２と、乗算部２３と、第１のスイッチ２４などから構成されている。無効電力変動補償制御手段２０は、成分信号Ｑから無効電力変動成分ΔＱを検出し、この無効電力変動成分ΔＱに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能を有している。無効電力ＡＰＣ２２は、無効電力変動成分ΔＱに基づき、無効電力ＡＰＣゲインを出力し、有効に電圧フリッカを抑制するための制御を行う機能を有している。
【００２３】
ここで、無効電力ＡＰＣ２２の機能について、図３および図４を用いて説明する。静止形無効電力補償装置１０は、負荷無効電力変動を補償する機能を有しているが、実際には装置容量に限界があるため、定格容量以上の変動に応答することができない。つまり、図３の特性Ｋ１に示すように、静止形無効電力補償装置１０は、負荷無効電力変動に対応して定格容量も増加するのが理想であるが、実際には定格容量または任意の補償上限値以上の変動には応答することができず、定格容量は図３の特性Ｋ２となってしまう。そこで、図４の特性Ｋ３に示すように、負荷無効電力変動が静止形無効電力補償装置１０の定格容量または任意の補償上限値以上になると、ゲインを乗じた無効電力を出力することによって、有効に電圧フリッカを抑制するようにしている。
【００２４】
例えば、図５（ａ）に示すような負荷無効電力の変動が生じた際には、ＡＰＣ制御により定格無効電力が定格容量または任意の補償上限値以上の変動であっても、図５（ｂ）に示すように、負荷無効電力の変動に応じて有効に追従する無効電力が出力される。これは、後述する高調波電流変動、逆相電流変動、有効電力変動についても、同様にＡＰＣ制御を行うことにより、静止形無効電力補償装置１０を有効に活用することが可能となる。図２に示すように、無効電力変動補償制御手段２０においては、無効電力変動検出分ΔＱと無効電力ＡＰＣゲインが入力される乗算部２３の出力側には、第１のスイッチ２４などが接続されており、乗算部２３からの出力信号Ｓ１は、第１のスイッチ２４などを介してＳＶＣ指令制御手段６０に送られるようになっている。
【００２５】
高調波電流変動補償制御手段３０は、高調波変動成分検出部３１と、高調波ＡＰＣ３２と、乗算部３３と、第２のスイッチ３４などから構成されている。高調波電流変動補償制御手段３０は、成分信号Ｉｈから高調波電流変動成分ΔＩｈを検出し、この高調波電流変動成分ΔＩｈに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能を有している。高調波ＡＰＣ３２は、高調波電流変動成分ΔＩｈに基づき、高調波ＡＰＣゲインを出力し、有効に電圧フリッカを抑制するための制御を行う機能を有している。ここでは、高調波電流変動成分ΔＩｈに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能から電圧フリッカを抑制するための制御について説明したが、例えば成分分離部１７からの高調波電流成分Ｉｈを打ち消すための高調波電流を電圧変動補償電流発生部７０から出力させる機能でもよい。
【００２６】
高調波ＡＰＣ３２の機能については、原理的に無効電力ＡＰＣ２２の機能と同様であり、高調波電流変動が電圧変動補償電流発生部７０の定格容量または任意の補償上限値以上になると、ゲインを乗じた出力制御を行うことによって、有効に電圧フリッカを抑制するようにしている。図２に示すように、高調波変動補償制御手段３０では、高調波電流変動成分ΔＩｈと高調波ＡＰＣゲインが入力される乗算部３３の出力側には、第２のスイッチ３４などが接続されており、乗算部３３からの出力信号Ｓ２は、第２のスイッチ３４などを介してＳＶＣ指令制御手段６０に送られるようになっている。
【００２７】
逆相電流変動補償制御手段４０は、逆相変動分検出部４１と、逆相ＡＰＣ４２と、乗算部４３と、第３のスイッチ４４などから構成されている。逆相電流変動補償制御手段４０は、成分信号Ｉｎから逆相電流変動成分ΔＩｎを検出し、この逆相電流変動成分ΔＩｎに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能を有している。逆相ＡＰＣ４２は、逆相電流変動成分ΔＩｎに基づき、逆相ＡＰＣゲインを出力し、有効に電圧フリッカを抑制するための制御を行う機能を有している。ここでは、逆相電流変動成分ΔＩｎに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能から電圧フリッカを抑制するための制御について説明したが、例えば逆相成分検出部１４からの逆相電流成分Ｉｎを打ち消すための逆相電流を電圧変動補償電流発生部７０から出力させる機能でもよい。
【００２８】
逆相ＡＰＣ４２の機能については、原理的に無効電力ＡＰＣ２２の機能と同様であり、逆相電流変動が電圧変動補償電流発生部７０の定格容量または任意の補償上限値以上になると、ゲインを乗じた出力制御を行うことによって、有効に電圧フリッカを抑制するようにしている。図２に示すように、逆相電流変動補償制御手段４０では、逆相電流変動成分ΔＩｎと逆相ＡＰＣゲインが入力される乗算部４３の出力側には、第３のスイッチ４４などが接続されており、乗算部４３からの出力信号Ｓ２は、第３のスイッチ４４などを介してＳＶＣ指令制御手段６０に送られるようになっている。
【００２９】
有効電力変動補償制御手段５０は、有効電力変動分検出部５１と、有効電力ＡＰＣ５２と、乗算部５３と、第４のスイッチ５４などから構成されている。有効電力変動補償制御手段５０は、成分信号Ｐから有効電力変動成分ΔＰを検出し、この有効電力変動成分ΔＰに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能を有している。有効電力ＡＰＣ５２は、有効電力変動成分ΔＰに基づき、有効電力ＡＰＣゲインを出力し、有効に電圧フリッカを抑制するための制御を行う機能を有している。
【００３０】
有効電力ＡＰＣ５２の機能については、原理的に無効電力ＡＰＣ２２の機能と同様であり、有効電力変動が電圧変動補償電流発生部７０の定格容量または任意の補償上限値以上になると、ゲインを乗じた出力制御を行うことによって、有効に電圧フリッカを抑制するようにしている。図２に示すように、有効電力変動補償制御手段５０では、有効電力変動成分ΔＰと有効電力ＡＰＣゲインが入力される乗算部５３の出力側には、第４のスイッチ５４などが接続されており、乗算部５３からの出力信号Ｓ４は、第４のスイッチ５４などを介してＳＶＣ指令制御手段６０に送られるようになっている。
【００３１】
最終指令制御手段としてのＳＶＣ指令制御手段６０は、総加減算部６１と、最終ＡＰＣ６２と、乗算部６３とから構成されている。ＳＶＣ指令制御手段６０は、無効電力変動補償制御手段２０からの出力信号Ｓ１と、高調波電流変動補償制御手段３０からの出力信号Ｓ２と、逆相電流変動補償制御手段４０からの出力信号Ｓ３と、有効電力変動補償制御手段５０からの出力信号Ｓ４に基づき、負荷母線４の電圧変動を抑制する最終変動補償信号Ｓ５を電圧変動補償電流発生部７０へ入力する機能を有している。
【００３２】
図２に示すように、ＳＶＣ指令制御手段６０における総加減算部６１には、無効電力変動補償制御手段２０からの出力信号Ｓ１と、高調波電流変動補償制御手段３０からの出力信号Ｓ２と、逆相電流変動補償制御手段４０からの出力信号Ｓ３、有効電力変動補償制御手段５０からの出力信号Ｓ４がそれぞれ入力可能となっている。最終ＡＰＣ６２は、電圧フリッカを生じさせる４つの因子（無効電力変動、高調波電流変動、逆相電流変動、有効電力変動）を加味し、有効に電圧フリッカを抑制するための制御を行う機能を有している。
【００３３】
最終ＡＰＣ６２の機能については、原理的に無効電力ＡＰＣ２２の機能と同様であり、無効電力変動、高調波電流変動、逆相電流変動、有効電力変動を総合した変動が電圧変動補償電流発生部７０の定格容量以上になると、ゲインを乗じた出力制御を行うことによって、有効に電圧フリッカを抑制するようにしている。図２に示すように、ＳＶＣ指令制御手段６０では、乗算部６３からの最終変動補償信号Ｓ５は、電力補償手段としての電圧変動補償電流発生部７０に入力されるようになっている。
【００３４】
電圧変動補償電流発生部７０は、静止形無効電力補償装置（ＳＶＣ：Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）の構成要素の一部である。ＳＶＣには、自励式ＳＶＣ
（ＳＴＡＴＣＯＭ：ＳＴＡＴｉｃ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ＣＯＭｐｅｎｓａｔｏｒ）と他励式ＳＶＣとがあり、自励式ＳＶＣは電力品質改善用として一般的に無効電力補償機能、高調波電流補償機能、逆相電流補償機能を有しており、他励式ＳＶＣは電力品質改善用として一般的に無効電力補償機能を有している。電圧変動補償電流発生部７０は、ＳＶＣ指令制御手段６０からの最終変動補償信号Ｓ５に基づき、電圧フリッカなど電力品質を悪化させる電流を打ち消すための電流を負荷母線４側に出力するようになっている。
【００３５】
つぎに、静止形無効電力補償装置１０の動作および作用について説明する。
【００３６】
アーク炉５の運転中には、負荷母線４側からアーク炉５に電力が供給され、アーク熱によってアーク炉５内のスクラップが溶解される。アーク炉５においては、スクラップの溶け落ちによってアークが突然短絡するなど、アーク長の変動に伴ってアーク電流の不規則な脈動が生じる。そのため、負荷母線４の電圧が不規則に変動し、負荷母線４に接続されている照明などにちらつきが生ずる。本発明においては、負荷母線４に静止形無効電力補償装置１０を接続することにより、アーク炉５による電圧フリッカの発生を抑制している。
【００３７】
図２に示すように、アーク炉５の運転中には、負荷母線４側からアーク炉５に流れる負荷電流Ｉが計器用変流器１１によって検出され、負荷母線４の電圧は計器用変圧器１２によって検出される。検出された負荷電流に対応する負荷電流信号Ｉは、逆相成分検出部１４および正相成分検出部１６に入力される。正相成分検出部１６では、負荷電流における正相成分信号Ｉｐが検出され、正相成分信号Ｉｐは成分分離部１７に入力される。検出された負荷母線４の電圧に対応する電圧信号Ｖは、逆相成分検出部１４および成分分離部１７に入力される。
【００３８】
つぎに、成分分離部１７からは成分信号Ｑ（無効電力成分）、Ｉｈ（高調波電流成分）、Ｐ（有効電力成分）が出力され、そのうち成分信号Ｑは無効電力変動補償制御手段２０に入力され、成分信号Ｉｈは高調波電流変動補償制御手段３０に入力され、成分信号Ｐは有効電力変動補償制御手段５０に入力される。また、逆相成分検出部１４からの成分信号Ｉｎ（逆相電流成分）は、逆相電流変動補償制御手段４０に入力される。
【００３９】
無効電力変動補償制御手段２０では、無効電力変動分検出部２１によって無効電力変動成分ΔＱが検出される。その後、無効電力変動成分ΔＱに基づき無効ＡＰＣ２２から無効電力ＡＰＣゲインが出力され、この無効電力ＡＰＣゲインが乗算部２３に入力される。そして、乗算部２３から出力される出力信号Ｓ１は、ＳＶＣ指令制御手段６０の総加減算部６１に入力される。
【００４０】
高調波電流変動補償制御手段３０では、高調波変動成分検出部３１によって高調波電流変動成分ΔＩｈが検出される。その後、高調波電流変動成分ΔＩｈに基づき高調波ＡＰＣ３２から高調波ＡＰＣゲインが出力され、この高調波ＡＰＣゲインが乗算部３３に入力される。そして、乗算部３３から出力される出力信号Ｓ２は、ＳＶＣ指令制御手段６０の総加減算部６１に入力される。ここでは、高調波電流変動成分ΔＩｈに基づき高調波ＡＰＣ３２から高調波ＡＰＣゲインを出力する方式について説明したが、例えば成分分離部１７からの高調波電流成分Ｉｈに基づき高調波ＡＰＣ３２から高調波ＡＰＣゲインを出力して乗算部３３に入力し、ＳＶＣ指令制御手段６０を介して高調波電流成分Ｉｈを打ち消すための高調波電流を電圧変動補償電流発生部７０から出力させる機能でもよい。
【００４１】
逆相電流変動補償制御手段４０では、逆相変動分検出部４１によって逆相電流変動成分ΔＩｎが検出される。その後、逆相電流変動成分ΔＩｎに基づき逆相ＡＰＣ４２から逆相ＡＰＣゲインが出力され、この逆相ＡＰＣゲインが乗算部４３に入力される。そして、乗算部４３から出力される出力信号Ｓ３は、ＳＶＣ指令制御手段６０の総加減算部６１に入力される。ここでは、逆相電流変動成分ΔＩｎに基づき逆相ＡＰＣ４２から逆相ＡＰＣゲインを出力する方式について説明したが、例えば逆相成分検出部１４からの逆相電流成分Ｉｎに基づき逆相ＡＰＣ４２から逆相ＡＰＣゲインを出力して乗算部４３に入力し、ＳＶＣ指令制御手段６０を介して逆相電流成分Ｉｎを打ち消すための逆相電流を電圧変動補償電流発生部７０から出力させる機能でもよい。
【００４２】
有効電力変動補償制御手段５０では、有効電力変動分検出部５１によって有効電力変動成分ΔＰが検出される。その後、有効電力変動成分ΔＰに基づき有効電力ＡＰＣ５２から有効電力ＡＰＣゲインが出力され、この有効電力ＡＰＣゲインが乗算部５３に入力される。そして、乗算部５３から出力される出力信号Ｓ４は、ＳＶＣ指令制御手段６０の総加減算部６１に入力される。
【００４３】
ＳＶＣ指令制御手段６０では、各乗算部２３、３３、４３、５３からの出力信号Ｓ１〜Ｓ４が総加減算部６１に入力されると、最終ＡＰＣ６２によって最終ＡＰＣゲインが出力され、この最終ＡＰＣゲインが乗算部６３に入力される。そして、ＳＶＣ指令制御手段６０の乗算部６３から出力される最終変動補償信号Ｓ５は、電圧変動補償電流発生部７０に入力される。このように、ＳＶＣ指令制御手段６０は、電圧フリッカを生じさせる４つの因子（無効電力変動、高調波電流変動、逆相電流変動、有効電力変動）を加味した最終変動補償信号Ｓ５を電圧変動補償電流発生部７０に入力させ、電圧変動補償電流発生部７０が有効に電圧フリッカを抑制するよう機能させている。
【００４４】
図６は、あるアーク炉における電圧フリッカ因子の分析結果の一例を示しており、とくにΔ１０値の上位５０個を示している。ここで、「Δ１０値」とは、電圧フリッカの評価尺度として用いられるものである。Δ１０値は、人の目がもっとも敏感に感じる１０Ｈｚ近辺の短周期変動を測定した値であり、電圧フリッカを表す指標として、日本を含む一部の国で用いられている。我が国の電圧フリッカの規制値としては、電力系統を利用する事業者の基本的ルールとして、以下の通り定められている。
【００４５】
設備を電力系統に連系する事業者は、人が最も敏感とされる１０Ｈｚの変動に等価変換した電圧変動ΔＶ１０値が基準値（１時間連続して測定した１分間のデータのΔＶ１０値のうち、４番目最大値を０．４５Ｖ以下）以内になるような対策を行うことが必要である。許容値となっている０．４５Ｖは、種々の被験者の５０％がちらつきや不快に感じる値として求められたものである。また、４番目最大値とは、過去１時間のΔＶ１０値（１分間データ）６０個のうち、４番目に大きな値のことである。これは、ΔＶ１０値が正規分布すると仮定した場合、最小側から数えて９５％に相当する値となっている。
【００４６】
図６に示すように、あるアーク炉でのΔＶ１０値に対する割合は、無効電力変動分によるΔＶ１０値が約４０％で最も高く、逆相電流変動分によるΔＶ１０値の割合と、高調波電流変動分によるΔＶ１０値の割合と、有効電力変動分によるΔＶ１０値の割合は、約２０％とほぼ同様な値となっている。
【００４７】
図７は、電圧フリッカを生じさせる負荷によって生ずる有効電力変動の電圧変動成分を無効電圧変動成分に変換した場合における無効電力波形を示している。図７の特性Ｋ６に示すように、有効電力ＡＰＣ５２における任意の補償上限値や電圧変動補償電流発生部７０の定格容量を超過した場合において、有効電力ＡＰＣ５２を使用した場合は、特性Ｋ６ａに示すように、有効電力ＡＰＣゲインによって有効電力変動に追従した波形制御を行うことが可能となる。これに対して、図８の特性Ｋ７に示すように、有効電力ＡＰＣ５２における任意の補償上限値や電圧変動補償電流発生部７０の定格容量を超過した場合において、有効電力ＡＰＣ５２を使用しない場合は、特性Ｋ７ａに示すように、有効電力変動に追従した波形制御を行うこと不可能となり、静止形無効電力補償装置１０を有効に機能させることが困難となる。
【００４８】
このように、各変動補償制御手段２０〜５０からの出力信号Ｓ１〜４に基づく最終変動補償信号Ｓ５を電圧変動補償電流発生部７０へ入力するようにしているので、電圧フリッカの要因となるすべての因子を加味した制御を行うことが可能となり、負荷母線４の電圧フリッカを十分に抑制することができる。これにより、負荷母線４に接続される照明などのちらつきを防止することができ、負荷母線４に供給される電力の品質を高めることができる。
【００４９】
また、電力品質が向上することにより、負荷母線４に系統連系可能なケースが増加し、電力需要の新規開拓を図ることができる。さらに、静止形無効電力補償装置１０による電圧フリッカ抑制能力が向上するため、その分、静止形無効電力補償装置１０の容量を低減することが可能となり、静止形無効電力補償装置１０の導入コストを低減することができる。
【００５０】
さらに各変動補償制御手段２０〜５０からの出力信号Ｓ１〜Ｓ４は、各スイッチ２４、３４、４４、５４などを介して選択的に最終指令制御手段としてのＳＶＣ指令制御手段６０に入力可能となっているので、電圧フリッカの要因のうち特定の因子だけを加味した制御が可能となる。また，無効電力ＡＰＣ２２，高調波ＡＰＣ３２，逆相ＡＰＣ４２，有効電力ＡＰＣ５２により任意の補償上限値を設定することで電圧フリッカ要因因子の割合に応じた制御が可能となる。すなわち、図９に示す電圧フリッカの要因をディスプレイなどを介して表示することにより、目視などに基づき各変動補償制御手段２０〜５０のうち不必要な制御機能をスイッチ２４、３４、４４、５４などを介して停止させたり、各ＡＰＣ２２、３２、４２、５２においてそれぞれ補償上限値を設定したりすることができ、電圧フリッカの要因のうち特定の因子だけを加味したり、電圧フリッカの要因因子の割合に応じた制御が可能となる。また、ディスプレイなどを介して表示する構成に代えて、例えばリアルタイムに電圧フリッカ要因分析結果を各ＡＰＣにフィードバックし、自動的に各ＡＰＣ補償上限値を最適設定値にセットさせながら運用する構成とすることなども可能である。
【００５１】
以上、この発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、実施の形態においては、電圧フリッカを生じさせる負荷としては、アーク炉５を対象として説明したが、電圧フリッカを生じさせる負荷はアーク炉５に限定されることはなく、破砕機、掘削機、溶接機などの負荷も含まれる。なお、本発明は、電圧一定制御機能や電力動揺抑制機能などを備えている静止形無効電力補償装置に適用してもよい。
【００５２】
また、この実施の形態においては、図２に示すように、各変動補償制御手段２０〜５０からの出力信号Ｓ１〜Ｓ４を選択するためのスイッチ２４、３４、４４、５４を設けるようにしているが、これらのスイッチを必要としない構成であってもよい。さらに、高調波電流変動補償制御手段３０や逆相電流変動補償制御手段４０を必要としない種類の負荷などの場合は、これらの変動補償制御手段を必要としない構成としてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
４ 負荷母線
５ アーク炉（負荷）
１０ （静止形無効電力補償装置）電圧フリッカ抑制装置
１１ 計器用変流器
１２ 計器用変圧器
２０ 無効電力変動補償制御手段
３０ 高調波電流変動補償制御手段
４０ 逆相電流変動補償制御手段
５０ 有効電力変動補償制御手段
６０ ＳＶＣ指令制御手段（最終指令制御手段）
７０ 電圧変動補償電流発生部（電力補償手段）
Ｓ１〜Ｓ４ 出力信号
Ｓ５ 最終変動補償信号
【技術分野】
【０００１】
この発明は、無効電力の変動などに起因する負荷母線の電圧フリッカを抑制するための電圧フリッカ抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鋼用のアーク炉では、黒鉛電極とスクラップとの間に大電流アークを発生させ、このアーク熱でスクラップを溶解している。アーク炉においては、スクラップの溶け落ちによってアークが突然短絡するなど、アーク長の変動に伴ってアーク電流の不規則な脈動が生じる。そのため、アーク炉が接続される負荷母線の電圧が不規則な変動をし、これが一般負荷である照明などのちらつき（フリッカ）の原因となっている。
【０００３】
電圧フリッカは、無効電力の不規則な周期の変動などが原因であるため、例えばスイッチング素子などを用いて高速かつ連続可変的に無効電力を調整することで、電圧フリッカを抑制することが可能である。従来から、静止形無効電力補償装置を用いて電圧フリッカを抑制する技術は知られている（例えば、特許文献１、２、３参照）。これらの技術では、電圧フリッカを抑制するために、電圧フリッカの要因である無効電力変動成分、逆相電流変動成分、高調波電流変動成分などに対して補償を行うようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１３７５６４号公報
【特許文献２】特許第３１１２３８６号公報
【特許文献３】特許第２６７５２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、電圧フリッカの要因は、電圧フリッカを生じさせる負荷の種類によっても異なるが、図９に示すあるアーク炉の電圧フリッカ要因因子の一例としては、概ね無効電力変動成分が４０％、逆相電流変動成分が２０％、高調波電流変動成分が２０％、有効電力変動成分が２０％となっており、４つの電圧フリッカ要因因子に分解可能である。このうち、上述の静止形無効電力補償装置によって電圧フリッカを抑制できるのは、無効電力変動成分、逆相電流変動成分、高調波電流変動成分に対してのみであり、有効電力変動成分についての対策は、従来は行われていなかった。すなわち、従来は、特許文献１〜３のように、無効電力変動成分、逆相電流変動成分を主眼とし、必要に応じて高調波電流変動成分に対して補償を行うようにしているが、この方式では電圧フリッカを十分に抑制することができず、電圧フリッカの抑制効果を高めることが難しい。したがって、電圧フリッカを十分に抑制するためには、電圧フリッカの要因となるすべての因子を加味した制御が望まれる。
【０００６】
そこでこの発明は、電圧フリッカの要因となるすべての因子を加味することにより、電圧フリッカを生じさせる負荷が接続される負荷母線における電圧フリッカを十分に抑制することが可能な電圧フリッカ抑制装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、電圧フリッカを生じさせる負荷が接続される負荷母線の電圧変動を電力補償手段によって抑制する電圧フリッカ抑制装置であって、前記負荷に対応する無効電力変動成分を検出し、該無効電力変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する無効電力変動補償制御手段と、前記負荷に対応する高調波電流変動成分を検出し、該高調波電流変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する高調波電流変動補償制御手段と、前記負荷に対応する逆相電流変動成分を検出し、該逆相電流変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する逆相電流変動補償制御手段と、前記負荷に対応する有効電力変動成分を検出し、該有効電力変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する有効電力変動補償制御手段と、前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段から出力信号とに基づき、前記負荷母線の電圧変動を抑制する最終変動補償信号を前記電力補償手段へ入力する最終指令制御手段と、を備えたことを特徴とする電圧フリッカ抑制装置である。
【０００８】
この発明によれば、最終変動補償信号に有効電力変動分が加味され、この有効電力変動分が加味された最終変動補償信号が最終指令制御手段から電力補償手段へ出力され、電力補償手段によって負荷母線の電圧フリッカが抑制される。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電圧フリッカ抑制装置において、前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段からの出力信号は、スイッチなどを介して選択的に前記最終指令制御手段に入力可能となっていることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の電圧フリッカ抑制装置において、前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段からの出力信号は、補償上限値がそれぞれ任意に設定可能となっており、各補償上限値が設定された前記各出力信号は前記最終指令制御手段に入力可能となっていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、各変動補償制御手段からの出力信号に基づく最終変動補償信号を電力補償手段へ入力するようにしているので、電圧フリッカの要因となるすべての因子を加味した制御を行うことが可能となり、負荷母線の電圧フリッカを十分に抑制することができる。これにより、負荷母線に接続される照明などのちらつきを防止することができ、負荷母線に供給される電力の品質を高めることができる。
【００１２】
また、電力品質が向上することにより、負荷母線に系統連系可能なケースが増加し、電力需要の新規開拓を図ることができる。さらに、電力補償手段による電圧フリッカ抑制能力が向上するため、その分、電力補償手段の容量を低減することが可能となり、電圧フリッカ抑制装置の導入コストを低減することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、各変動補償制御手段からの出力信号は、スイッチを介して選択的に最終指令制御手段に入力可能となっているので、電圧フリッカの要因のうち特定の因子だけを加味した制御が可能となる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、各変動補償制御手段からの出力信号は、補償上限値がそれぞれ任意に設定可能となっており、各補償上限値が設定された各出力信号は前記最終指令制御手段に入力可能となっているので、電圧フリッカの要因因子の割合に応じた制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係わる電圧フリッカ抑制装置のブロック図である。
【図２】図１の電圧フリッカ抑制装置における制御の詳細を示すブロック図である。
【図３】図１における静止形無効電力補償装置の負荷無効電力変動と制御容量との関係を示す特性図である。
【図４】図１の装置における負荷無効電力変動とＡＰＣ出力ゲインとの関係を示す特性図である。
【図５】図１の装置における負荷無効電力の変動時のＡＰＣ制御を示す特性図である。
【図６】図１の装置が対象とする電圧フリッカ因子の分析結果の一例を示す特性図である。
【図７】図１の装置における有効電力ＡＰＣを動作させた場合の電力波形をイメージした特性図である。
【図８】図１の装置における有効電力ＡＰＣを停止させた場合の電力波形をイメージした特性図である。
【図９】あるアーク炉における電圧フリッカ要因因子の割合の一例を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
つぎに、この発明の実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。
【００１７】
図１ないし図８は、この発明の実施の形態を示している。図１および図２は、電圧フリッカ抑制装置としての静止形無効電力補償装置１０を製鋼用のアーク炉５に適用した場合を示している。この実施の形態においては、静止形無効電力補償装置１０は、従来の静止形無効電力補償装置が有する機能の他に、電圧フリッカをさらに抑制するための有効電力変動補償機能を付加したものから構成されている。
【００１８】
図２に示すように、電力系統に存在する電源１は電力系統を介して負荷母線４に供給されており、負荷であるアーク炉５は負荷母線４に接続されている。図２に示すように、負荷母線４の電圧変動は、ΔＶ≒Ｒ・ΔＰ＋Ｘ・ΔＱで表される。ここで、Ｒは電力系統の線路抵抗、ΔＰは負荷の有効電力変動量、Ｘは電力系統の線路リアクタンス、ΔＱは負荷の無効電力変動量である。
【００１９】
静止形無効電力補償装置１０は、逆相成分検出部１４、位相同期回路部１５、正相成分検出部１６、成分分離部１７、無効電力変動補償制御手段２０、高調波電流変動補償制御手段３０、逆相電流変動補償制御手段４０、有効電力変動補償制御手段５０、最終指令制御手段としてのＳＶＣ指令制御手段６０、電力補償手段としての電圧変動補償電流発生部７０を有している。静止形無効電力補償装置１０は、計器用変流器１１および計器用変圧器１２を介して必要なアーク炉５の負荷電流情報と負荷母線４の電圧情報を取り入れるようになっている。
【００２０】
計器用変流器１１は、負荷母線４とアーク炉５とを接続する回路の途中に設けられており、アーク炉５に流れる負荷電流を間接的に検出する機能を有している。計器用変圧器１２は、アーク炉５が接続される負荷母線４におけるアーク炉５の近傍に設けられており、負荷母線４の電圧を間接的に検出する機能を有している。計器用変流器１１によって検出された負荷電流信号Ｉは、加減算部１３および逆相成分検出部１４に流れるようになっている。加減算部１３は、負荷電流信号Ｉと逆相成分検出部１４からの逆相電流信号Ｉｎとを加減算し、加減算された電流信号が正相成分検出部１６に送られるようになっている。正相成分検出部１６は、逆相を除く正相成分の電流信号Ｉｐのみを検出する機能を有している。正相成分検出部１６からの正相電流信号Ｉｐは、成分分離部１７に送られるようになっている。
【００２１】
計器用変圧器１２によって検出された負荷母線４の電圧信号Ｖは、位相同期回路部（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）１５に入力されている。位相同期回路部１５からは、負荷母線４の電圧に対応する電圧信号Ｖが逆相成分検出部１４と成分分離部１７に向けて出力されるようになっている。成分分離部１７は、正相成分検出部１６からの正相電流信号Ｉｐおよび位相同期回路部１５からの負荷母線４の電圧に対応する電圧信号Ｖに基づき、無効電力変動補償制御手段２０、高調波電流変動補償制御手段３０、有効電力変動補償制御手段５０へ成分信号Ｑ（無効電力成分）、Ｉｈ（高調波電流成分）、Ｐ（有効電力成分）をそれぞれ出力するようになっている。すなわち、成分分離部１７からは、無効電力変動補償制御手段２０に向けて成分信号Ｑが出力されるとともに、高調波電流変動補償制御手段３０には成分信号Ｉｈ（逆相電流成分）が出力され、有効電力変動補償制御手段５０には成分信号Ｐが出力されるようになっている。また、逆相成分検出部１４からは、逆相電流変動補償手段４０へ成分信号Ｉｎが出力されるようになっている。
【００２２】
無効電力変動補償制御手段２０は、無効電力変動分検出部２１と、無効電力ＡＰＣ（ＡＰＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）２２と、乗算部２３と、第１のスイッチ２４などから構成されている。無効電力変動補償制御手段２０は、成分信号Ｑから無効電力変動成分ΔＱを検出し、この無効電力変動成分ΔＱに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能を有している。無効電力ＡＰＣ２２は、無効電力変動成分ΔＱに基づき、無効電力ＡＰＣゲインを出力し、有効に電圧フリッカを抑制するための制御を行う機能を有している。
【００２３】
ここで、無効電力ＡＰＣ２２の機能について、図３および図４を用いて説明する。静止形無効電力補償装置１０は、負荷無効電力変動を補償する機能を有しているが、実際には装置容量に限界があるため、定格容量以上の変動に応答することができない。つまり、図３の特性Ｋ１に示すように、静止形無効電力補償装置１０は、負荷無効電力変動に対応して定格容量も増加するのが理想であるが、実際には定格容量または任意の補償上限値以上の変動には応答することができず、定格容量は図３の特性Ｋ２となってしまう。そこで、図４の特性Ｋ３に示すように、負荷無効電力変動が静止形無効電力補償装置１０の定格容量または任意の補償上限値以上になると、ゲインを乗じた無効電力を出力することによって、有効に電圧フリッカを抑制するようにしている。
【００２４】
例えば、図５（ａ）に示すような負荷無効電力の変動が生じた際には、ＡＰＣ制御により定格無効電力が定格容量または任意の補償上限値以上の変動であっても、図５（ｂ）に示すように、負荷無効電力の変動に応じて有効に追従する無効電力が出力される。これは、後述する高調波電流変動、逆相電流変動、有効電力変動についても、同様にＡＰＣ制御を行うことにより、静止形無効電力補償装置１０を有効に活用することが可能となる。図２に示すように、無効電力変動補償制御手段２０においては、無効電力変動検出分ΔＱと無効電力ＡＰＣゲインが入力される乗算部２３の出力側には、第１のスイッチ２４などが接続されており、乗算部２３からの出力信号Ｓ１は、第１のスイッチ２４などを介してＳＶＣ指令制御手段６０に送られるようになっている。
【００２５】
高調波電流変動補償制御手段３０は、高調波変動成分検出部３１と、高調波ＡＰＣ３２と、乗算部３３と、第２のスイッチ３４などから構成されている。高調波電流変動補償制御手段３０は、成分信号Ｉｈから高調波電流変動成分ΔＩｈを検出し、この高調波電流変動成分ΔＩｈに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能を有している。高調波ＡＰＣ３２は、高調波電流変動成分ΔＩｈに基づき、高調波ＡＰＣゲインを出力し、有効に電圧フリッカを抑制するための制御を行う機能を有している。ここでは、高調波電流変動成分ΔＩｈに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能から電圧フリッカを抑制するための制御について説明したが、例えば成分分離部１７からの高調波電流成分Ｉｈを打ち消すための高調波電流を電圧変動補償電流発生部７０から出力させる機能でもよい。
【００２６】
高調波ＡＰＣ３２の機能については、原理的に無効電力ＡＰＣ２２の機能と同様であり、高調波電流変動が電圧変動補償電流発生部７０の定格容量または任意の補償上限値以上になると、ゲインを乗じた出力制御を行うことによって、有効に電圧フリッカを抑制するようにしている。図２に示すように、高調波変動補償制御手段３０では、高調波電流変動成分ΔＩｈと高調波ＡＰＣゲインが入力される乗算部３３の出力側には、第２のスイッチ３４などが接続されており、乗算部３３からの出力信号Ｓ２は、第２のスイッチ３４などを介してＳＶＣ指令制御手段６０に送られるようになっている。
【００２７】
逆相電流変動補償制御手段４０は、逆相変動分検出部４１と、逆相ＡＰＣ４２と、乗算部４３と、第３のスイッチ４４などから構成されている。逆相電流変動補償制御手段４０は、成分信号Ｉｎから逆相電流変動成分ΔＩｎを検出し、この逆相電流変動成分ΔＩｎに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能を有している。逆相ＡＰＣ４２は、逆相電流変動成分ΔＩｎに基づき、逆相ＡＰＣゲインを出力し、有効に電圧フリッカを抑制するための制御を行う機能を有している。ここでは、逆相電流変動成分ΔＩｎに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能から電圧フリッカを抑制するための制御について説明したが、例えば逆相成分検出部１４からの逆相電流成分Ｉｎを打ち消すための逆相電流を電圧変動補償電流発生部７０から出力させる機能でもよい。
【００２８】
逆相ＡＰＣ４２の機能については、原理的に無効電力ＡＰＣ２２の機能と同様であり、逆相電流変動が電圧変動補償電流発生部７０の定格容量または任意の補償上限値以上になると、ゲインを乗じた出力制御を行うことによって、有効に電圧フリッカを抑制するようにしている。図２に示すように、逆相電流変動補償制御手段４０では、逆相電流変動成分ΔＩｎと逆相ＡＰＣゲインが入力される乗算部４３の出力側には、第３のスイッチ４４などが接続されており、乗算部４３からの出力信号Ｓ２は、第３のスイッチ４４などを介してＳＶＣ指令制御手段６０に送られるようになっている。
【００２９】
有効電力変動補償制御手段５０は、有効電力変動分検出部５１と、有効電力ＡＰＣ５２と、乗算部５３と、第４のスイッチ５４などから構成されている。有効電力変動補償制御手段５０は、成分信号Ｐから有効電力変動成分ΔＰを検出し、この有効電力変動成分ΔＰに基づく負荷母線４の電圧変動分を抑制する機能を有している。有効電力ＡＰＣ５２は、有効電力変動成分ΔＰに基づき、有効電力ＡＰＣゲインを出力し、有効に電圧フリッカを抑制するための制御を行う機能を有している。
【００３０】
有効電力ＡＰＣ５２の機能については、原理的に無効電力ＡＰＣ２２の機能と同様であり、有効電力変動が電圧変動補償電流発生部７０の定格容量または任意の補償上限値以上になると、ゲインを乗じた出力制御を行うことによって、有効に電圧フリッカを抑制するようにしている。図２に示すように、有効電力変動補償制御手段５０では、有効電力変動成分ΔＰと有効電力ＡＰＣゲインが入力される乗算部５３の出力側には、第４のスイッチ５４などが接続されており、乗算部５３からの出力信号Ｓ４は、第４のスイッチ５４などを介してＳＶＣ指令制御手段６０に送られるようになっている。
【００３１】
最終指令制御手段としてのＳＶＣ指令制御手段６０は、総加減算部６１と、最終ＡＰＣ６２と、乗算部６３とから構成されている。ＳＶＣ指令制御手段６０は、無効電力変動補償制御手段２０からの出力信号Ｓ１と、高調波電流変動補償制御手段３０からの出力信号Ｓ２と、逆相電流変動補償制御手段４０からの出力信号Ｓ３と、有効電力変動補償制御手段５０からの出力信号Ｓ４に基づき、負荷母線４の電圧変動を抑制する最終変動補償信号Ｓ５を電圧変動補償電流発生部７０へ入力する機能を有している。
【００３２】
図２に示すように、ＳＶＣ指令制御手段６０における総加減算部６１には、無効電力変動補償制御手段２０からの出力信号Ｓ１と、高調波電流変動補償制御手段３０からの出力信号Ｓ２と、逆相電流変動補償制御手段４０からの出力信号Ｓ３、有効電力変動補償制御手段５０からの出力信号Ｓ４がそれぞれ入力可能となっている。最終ＡＰＣ６２は、電圧フリッカを生じさせる４つの因子（無効電力変動、高調波電流変動、逆相電流変動、有効電力変動）を加味し、有効に電圧フリッカを抑制するための制御を行う機能を有している。
【００３３】
最終ＡＰＣ６２の機能については、原理的に無効電力ＡＰＣ２２の機能と同様であり、無効電力変動、高調波電流変動、逆相電流変動、有効電力変動を総合した変動が電圧変動補償電流発生部７０の定格容量以上になると、ゲインを乗じた出力制御を行うことによって、有効に電圧フリッカを抑制するようにしている。図２に示すように、ＳＶＣ指令制御手段６０では、乗算部６３からの最終変動補償信号Ｓ５は、電力補償手段としての電圧変動補償電流発生部７０に入力されるようになっている。
【００３４】
電圧変動補償電流発生部７０は、静止形無効電力補償装置（ＳＶＣ：Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）の構成要素の一部である。ＳＶＣには、自励式ＳＶＣ
（ＳＴＡＴＣＯＭ：ＳＴＡＴｉｃ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ＣＯＭｐｅｎｓａｔｏｒ）と他励式ＳＶＣとがあり、自励式ＳＶＣは電力品質改善用として一般的に無効電力補償機能、高調波電流補償機能、逆相電流補償機能を有しており、他励式ＳＶＣは電力品質改善用として一般的に無効電力補償機能を有している。電圧変動補償電流発生部７０は、ＳＶＣ指令制御手段６０からの最終変動補償信号Ｓ５に基づき、電圧フリッカなど電力品質を悪化させる電流を打ち消すための電流を負荷母線４側に出力するようになっている。
【００３５】
つぎに、静止形無効電力補償装置１０の動作および作用について説明する。
【００３６】
アーク炉５の運転中には、負荷母線４側からアーク炉５に電力が供給され、アーク熱によってアーク炉５内のスクラップが溶解される。アーク炉５においては、スクラップの溶け落ちによってアークが突然短絡するなど、アーク長の変動に伴ってアーク電流の不規則な脈動が生じる。そのため、負荷母線４の電圧が不規則に変動し、負荷母線４に接続されている照明などにちらつきが生ずる。本発明においては、負荷母線４に静止形無効電力補償装置１０を接続することにより、アーク炉５による電圧フリッカの発生を抑制している。
【００３７】
図２に示すように、アーク炉５の運転中には、負荷母線４側からアーク炉５に流れる負荷電流Ｉが計器用変流器１１によって検出され、負荷母線４の電圧は計器用変圧器１２によって検出される。検出された負荷電流に対応する負荷電流信号Ｉは、逆相成分検出部１４および正相成分検出部１６に入力される。正相成分検出部１６では、負荷電流における正相成分信号Ｉｐが検出され、正相成分信号Ｉｐは成分分離部１７に入力される。検出された負荷母線４の電圧に対応する電圧信号Ｖは、逆相成分検出部１４および成分分離部１７に入力される。
【００３８】
つぎに、成分分離部１７からは成分信号Ｑ（無効電力成分）、Ｉｈ（高調波電流成分）、Ｐ（有効電力成分）が出力され、そのうち成分信号Ｑは無効電力変動補償制御手段２０に入力され、成分信号Ｉｈは高調波電流変動補償制御手段３０に入力され、成分信号Ｐは有効電力変動補償制御手段５０に入力される。また、逆相成分検出部１４からの成分信号Ｉｎ（逆相電流成分）は、逆相電流変動補償制御手段４０に入力される。
【００３９】
無効電力変動補償制御手段２０では、無効電力変動分検出部２１によって無効電力変動成分ΔＱが検出される。その後、無効電力変動成分ΔＱに基づき無効ＡＰＣ２２から無効電力ＡＰＣゲインが出力され、この無効電力ＡＰＣゲインが乗算部２３に入力される。そして、乗算部２３から出力される出力信号Ｓ１は、ＳＶＣ指令制御手段６０の総加減算部６１に入力される。
【００４０】
高調波電流変動補償制御手段３０では、高調波変動成分検出部３１によって高調波電流変動成分ΔＩｈが検出される。その後、高調波電流変動成分ΔＩｈに基づき高調波ＡＰＣ３２から高調波ＡＰＣゲインが出力され、この高調波ＡＰＣゲインが乗算部３３に入力される。そして、乗算部３３から出力される出力信号Ｓ２は、ＳＶＣ指令制御手段６０の総加減算部６１に入力される。ここでは、高調波電流変動成分ΔＩｈに基づき高調波ＡＰＣ３２から高調波ＡＰＣゲインを出力する方式について説明したが、例えば成分分離部１７からの高調波電流成分Ｉｈに基づき高調波ＡＰＣ３２から高調波ＡＰＣゲインを出力して乗算部３３に入力し、ＳＶＣ指令制御手段６０を介して高調波電流成分Ｉｈを打ち消すための高調波電流を電圧変動補償電流発生部７０から出力させる機能でもよい。
【００４１】
逆相電流変動補償制御手段４０では、逆相変動分検出部４１によって逆相電流変動成分ΔＩｎが検出される。その後、逆相電流変動成分ΔＩｎに基づき逆相ＡＰＣ４２から逆相ＡＰＣゲインが出力され、この逆相ＡＰＣゲインが乗算部４３に入力される。そして、乗算部４３から出力される出力信号Ｓ３は、ＳＶＣ指令制御手段６０の総加減算部６１に入力される。ここでは、逆相電流変動成分ΔＩｎに基づき逆相ＡＰＣ４２から逆相ＡＰＣゲインを出力する方式について説明したが、例えば逆相成分検出部１４からの逆相電流成分Ｉｎに基づき逆相ＡＰＣ４２から逆相ＡＰＣゲインを出力して乗算部４３に入力し、ＳＶＣ指令制御手段６０を介して逆相電流成分Ｉｎを打ち消すための逆相電流を電圧変動補償電流発生部７０から出力させる機能でもよい。
【００４２】
有効電力変動補償制御手段５０では、有効電力変動分検出部５１によって有効電力変動成分ΔＰが検出される。その後、有効電力変動成分ΔＰに基づき有効電力ＡＰＣ５２から有効電力ＡＰＣゲインが出力され、この有効電力ＡＰＣゲインが乗算部５３に入力される。そして、乗算部５３から出力される出力信号Ｓ４は、ＳＶＣ指令制御手段６０の総加減算部６１に入力される。
【００４３】
ＳＶＣ指令制御手段６０では、各乗算部２３、３３、４３、５３からの出力信号Ｓ１〜Ｓ４が総加減算部６１に入力されると、最終ＡＰＣ６２によって最終ＡＰＣゲインが出力され、この最終ＡＰＣゲインが乗算部６３に入力される。そして、ＳＶＣ指令制御手段６０の乗算部６３から出力される最終変動補償信号Ｓ５は、電圧変動補償電流発生部７０に入力される。このように、ＳＶＣ指令制御手段６０は、電圧フリッカを生じさせる４つの因子（無効電力変動、高調波電流変動、逆相電流変動、有効電力変動）を加味した最終変動補償信号Ｓ５を電圧変動補償電流発生部７０に入力させ、電圧変動補償電流発生部７０が有効に電圧フリッカを抑制するよう機能させている。
【００４４】
図６は、あるアーク炉における電圧フリッカ因子の分析結果の一例を示しており、とくにΔ１０値の上位５０個を示している。ここで、「Δ１０値」とは、電圧フリッカの評価尺度として用いられるものである。Δ１０値は、人の目がもっとも敏感に感じる１０Ｈｚ近辺の短周期変動を測定した値であり、電圧フリッカを表す指標として、日本を含む一部の国で用いられている。我が国の電圧フリッカの規制値としては、電力系統を利用する事業者の基本的ルールとして、以下の通り定められている。
【００４５】
設備を電力系統に連系する事業者は、人が最も敏感とされる１０Ｈｚの変動に等価変換した電圧変動ΔＶ１０値が基準値（１時間連続して測定した１分間のデータのΔＶ１０値のうち、４番目最大値を０．４５Ｖ以下）以内になるような対策を行うことが必要である。許容値となっている０．４５Ｖは、種々の被験者の５０％がちらつきや不快に感じる値として求められたものである。また、４番目最大値とは、過去１時間のΔＶ１０値（１分間データ）６０個のうち、４番目に大きな値のことである。これは、ΔＶ１０値が正規分布すると仮定した場合、最小側から数えて９５％に相当する値となっている。
【００４６】
図６に示すように、あるアーク炉でのΔＶ１０値に対する割合は、無効電力変動分によるΔＶ１０値が約４０％で最も高く、逆相電流変動分によるΔＶ１０値の割合と、高調波電流変動分によるΔＶ１０値の割合と、有効電力変動分によるΔＶ１０値の割合は、約２０％とほぼ同様な値となっている。
【００４７】
図７は、電圧フリッカを生じさせる負荷によって生ずる有効電力変動の電圧変動成分を無効電圧変動成分に変換した場合における無効電力波形を示している。図７の特性Ｋ６に示すように、有効電力ＡＰＣ５２における任意の補償上限値や電圧変動補償電流発生部７０の定格容量を超過した場合において、有効電力ＡＰＣ５２を使用した場合は、特性Ｋ６ａに示すように、有効電力ＡＰＣゲインによって有効電力変動に追従した波形制御を行うことが可能となる。これに対して、図８の特性Ｋ７に示すように、有効電力ＡＰＣ５２における任意の補償上限値や電圧変動補償電流発生部７０の定格容量を超過した場合において、有効電力ＡＰＣ５２を使用しない場合は、特性Ｋ７ａに示すように、有効電力変動に追従した波形制御を行うこと不可能となり、静止形無効電力補償装置１０を有効に機能させることが困難となる。
【００４８】
このように、各変動補償制御手段２０〜５０からの出力信号Ｓ１〜４に基づく最終変動補償信号Ｓ５を電圧変動補償電流発生部７０へ入力するようにしているので、電圧フリッカの要因となるすべての因子を加味した制御を行うことが可能となり、負荷母線４の電圧フリッカを十分に抑制することができる。これにより、負荷母線４に接続される照明などのちらつきを防止することができ、負荷母線４に供給される電力の品質を高めることができる。
【００４９】
また、電力品質が向上することにより、負荷母線４に系統連系可能なケースが増加し、電力需要の新規開拓を図ることができる。さらに、静止形無効電力補償装置１０による電圧フリッカ抑制能力が向上するため、その分、静止形無効電力補償装置１０の容量を低減することが可能となり、静止形無効電力補償装置１０の導入コストを低減することができる。
【００５０】
さらに各変動補償制御手段２０〜５０からの出力信号Ｓ１〜Ｓ４は、各スイッチ２４、３４、４４、５４などを介して選択的に最終指令制御手段としてのＳＶＣ指令制御手段６０に入力可能となっているので、電圧フリッカの要因のうち特定の因子だけを加味した制御が可能となる。また，無効電力ＡＰＣ２２，高調波ＡＰＣ３２，逆相ＡＰＣ４２，有効電力ＡＰＣ５２により任意の補償上限値を設定することで電圧フリッカ要因因子の割合に応じた制御が可能となる。すなわち、図９に示す電圧フリッカの要因をディスプレイなどを介して表示することにより、目視などに基づき各変動補償制御手段２０〜５０のうち不必要な制御機能をスイッチ２４、３４、４４、５４などを介して停止させたり、各ＡＰＣ２２、３２、４２、５２においてそれぞれ補償上限値を設定したりすることができ、電圧フリッカの要因のうち特定の因子だけを加味したり、電圧フリッカの要因因子の割合に応じた制御が可能となる。また、ディスプレイなどを介して表示する構成に代えて、例えばリアルタイムに電圧フリッカ要因分析結果を各ＡＰＣにフィードバックし、自動的に各ＡＰＣ補償上限値を最適設定値にセットさせながら運用する構成とすることなども可能である。
【００５１】
以上、この発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、実施の形態においては、電圧フリッカを生じさせる負荷としては、アーク炉５を対象として説明したが、電圧フリッカを生じさせる負荷はアーク炉５に限定されることはなく、破砕機、掘削機、溶接機などの負荷も含まれる。なお、本発明は、電圧一定制御機能や電力動揺抑制機能などを備えている静止形無効電力補償装置に適用してもよい。
【００５２】
また、この実施の形態においては、図２に示すように、各変動補償制御手段２０〜５０からの出力信号Ｓ１〜Ｓ４を選択するためのスイッチ２４、３４、４４、５４を設けるようにしているが、これらのスイッチを必要としない構成であってもよい。さらに、高調波電流変動補償制御手段３０や逆相電流変動補償制御手段４０を必要としない種類の負荷などの場合は、これらの変動補償制御手段を必要としない構成としてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
４ 負荷母線
５ アーク炉（負荷）
１０ （静止形無効電力補償装置）電圧フリッカ抑制装置
１１ 計器用変流器
１２ 計器用変圧器
２０ 無効電力変動補償制御手段
３０ 高調波電流変動補償制御手段
４０ 逆相電流変動補償制御手段
５０ 有効電力変動補償制御手段
６０ ＳＶＣ指令制御手段（最終指令制御手段）
７０ 電圧変動補償電流発生部（電力補償手段）
Ｓ１〜Ｓ４ 出力信号
Ｓ５ 最終変動補償信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧フリッカを生じさせる負荷が接続される負荷母線の電圧変動を電力補償手段によって抑制する電圧フリッカ抑制装置であって、
前記負荷に対応する無効電力変動成分を検出し、該無効電力変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する無効電力変動補償制御手段と、
前記負荷に対応する高調波電流変動成分を検出し、該高調波電流変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する高調波電流変動補償制御手段と、
前記負荷に対応する逆相電流変動成分を検出し、該逆相電流変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する逆相電流変動補償制御手段と、
前記負荷に対応する有効電力変動成分を検出し、該有効電力変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する有効電力変動補償制御手段と、
前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段から出力信号とに基づき、前記負荷母線の電圧変動を抑制する最終変動補償信号を前記電力補償手段へ入力する最終指令制御手段と、
を備えたことを特徴とする電圧フリッカ抑制装置。
【請求項２】
前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段からの出力信号は、スイッチなどを介して選択的に前記最終指令制御手段に入力可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の電圧フリッカ抑制装置。
【請求項３】
前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段からの出力信号は、補償上限値がそれぞれ任意に設定可能となっており、各補償上限値が設定された前記各出力信号は前記最終指令制御手段に入力可能となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧フリッカ抑制装置。
【請求項１】
電圧フリッカを生じさせる負荷が接続される負荷母線の電圧変動を電力補償手段によって抑制する電圧フリッカ抑制装置であって、
前記負荷に対応する無効電力変動成分を検出し、該無効電力変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する無効電力変動補償制御手段と、
前記負荷に対応する高調波電流変動成分を検出し、該高調波電流変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する高調波電流変動補償制御手段と、
前記負荷に対応する逆相電流変動成分を検出し、該逆相電流変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する逆相電流変動補償制御手段と、
前記負荷に対応する有効電力変動成分を検出し、該有効電力変動成分に基づく前記負荷母線の電圧変動分を抑制する有効電力変動補償制御手段と、
前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段から出力信号とに基づき、前記負荷母線の電圧変動を抑制する最終変動補償信号を前記電力補償手段へ入力する最終指令制御手段と、
を備えたことを特徴とする電圧フリッカ抑制装置。
【請求項２】
前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段からの出力信号は、スイッチなどを介して選択的に前記最終指令制御手段に入力可能となっていることを特徴とする請求項１に記載の電圧フリッカ抑制装置。
【請求項３】
前記無効電力変動補償制御手段からの出力信号と、前記高調波電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記逆相電流変動補償制御手段からの出力信号と、前記有効電力変動補償制御手段からの出力信号は、補償上限値がそれぞれ任意に設定可能となっており、各補償上限値が設定された前記各出力信号は前記最終指令制御手段に入力可能となっていることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧フリッカ抑制装置。
【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２０１２−３９７２８（Ｐ２０１２−３９７２８Ａ）
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７６７１２（Ｐ２０１０−１７６７１２）
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
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