JP2714195B2 - 電圧変動及び高調波の抑制装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は電源系統から電力変動及び高調波電流の大き
い負荷に電力を供給するシステムにおいて、負荷の電力
変動に起因して発生する電源系統の電圧変動及び高調波
を抑制する電圧変動及び高調波の抑制装置に関する。

（従来の技術） 従来、アーク炉のようにその無効電力の変動が不規則
で、かつ容量の大きい負荷から発生する電源系統の電圧
変動を抑制する場合、その無効電力変動を補償するため
の装置を負荷と並列に設置し、負荷の消費する無効電力
を検出して電圧変動抑制装置の無効電力を制御してい
た。

第４図は従来の電圧変動抑制装置の回路構成図であ
る。なお、第４図では煩雑さを避けるため、三相系統を
単線結線図として取扱う。

第４図において、負荷１は電源２より送電線３（その
インピーダンスをjX_Sとする）及び受電変圧器４（その
インピーダンスをjX_Tとする）を介して電力が供給され
る。電圧変動抑制装置としての自励式変換器10は負荷１
と並列に設置され、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から構成され
る。自励式変換器10は第５図に示すように交流リアクト
ル12、ゲートターンオフサイリスタ（GTO）13、ダイオ
ード14、電流コンデンサ15によって構成される。変流器
５によって検出される負荷１の電流は三相回路の線路電
流で、三相二相変換回路21において、二相交流に変換さ
れる。この処理は三相交流の各線路電流をi_R,i_S,i_T、二
相交流をi_d,i_qとすると次式で表される。

回路電圧についても同様に電圧検出用変圧器６によっ
て検出され、三相二相変換回路22において二相交流に変
換される。この変換は（１）式のｉをｖに置換えたもの
に等しい。

二相変換された電圧信号v_d,v_qは同期検出回路24によ
ってその基本波成分に同期した同期電圧信号v_d ^＊,v_q ^＊
に変換される。無効電力検出回路23は、電気学会誌論文
58−B60,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
虚電力を検出するもので、次式の演算によって求められ
る。

但し、ｐは瞬時実電力、ｑは瞬時虚電力を表わす。ま
た、v_d ^＊,v_q ^＊は二相交流において大きさが1puで、直交
する成分であり、v_d≒v_d ^＊,v_q≒v_q ^＊と考えて差支えな
い。したがって、ｐは電源から負荷へ供給される瞬時有
効電力、ｑは二相間で循環している瞬時無効電力であ
る。

電力系統においてもその電圧変動の大きさは無効電力
によるものが支配的で、有効電力による変動は無視して
差支えないので、自励式変換器10ではｑのみを補償すれ
ばよい。すなわち、補償量qc^＊は反転回路25でｑの符号
を反転させ、 q_c ^＊＝−ｑ …（４） として得られる。自励式変換器10を定電流源として動作
させるため、瞬時電流演算回路26において各線路電流指
令値i_CR ^＊,i_CS ^＊,i_CT ^＊を演算する。これは（３）式及
び（１）式の逆変換により求められる。二相交流おける
指令値をi_Cd ^＊,i_Cq ^＊とすると、 で与えられる。但し、前述の理由によりｐ^＊＝０である
から、 となる。このようにして求められた指令値と、変流器１
によって検出される自励式変換器の各線路電流i_CR,i_CS,
i_CTの差分を演算回路27で演算し、誤差アンプ28におい
て定電流制御を行ない、変換器の指令値に追従させる。
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５
図に示すGTO13のゲートに印加される。この自励式変換
器は定電圧型であるから、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。

また、交流リアクトル12はパルス幅変調された電圧を
平滑化して電流に変換する作用をする。

以上のように電圧変動を抑制する一方で、負荷の発生
する高調波を抑制するためにリアクトル及びコンデンサ
からなる高調波フィルタ７が設置される。このフィルタ
はいわゆる単一調波同調型受動フィルタであるので、各
次高調波毎に１台以上の高調波フィルタを設けて高調波
フィルタ群を構成している。

（発明が解決しようとする課題） このように従来の電圧変動及び高調波の抑制装置にお
いては、高調波抑制手段として高調波フィルタを用いて
いる。しかし、この高調波フィルタは全ての高調波を抑
制できるものではなく、高調波フィルタの定数と送電線
３のリアクタンスX_Sで決定される反共振周波数に相当す
る高調波に対しては抑制できない。特にアーク炉のよう
にその高調波が急峻に、且つ不規則に変化する場合は高
調波フィルタで抑制されないばかりでなく、増大するこ
ともある。

一方、第４図に示すように負荷１に高調波フィルタ７
と共に自励式変換器10を並列接続した電圧変動及び高調
波の抑制装置にあっては、原理的に高調波を抑制する能
力を有しているが、その制御は開ループで行われている
ために若干の制御エラーがあっても前述の現象によって
高調波が増大し、十分な効果が得られないという欠点が
ある。

また、自励式変換器10によって負荷の発生する高調波
を全て制御するようにすると、高調波フィルタ７は単に
進相容量としての役割となってしまい、しかも自励式変
換器の容量も大きくなるので不経済である。

本発明の目的は、反共振周波数に相当する高調波や時
間的に変化する高調波に対しても良好な抑制効果を発揮
させることができる経済的にも有利な電圧変動及び高調
波の抑制装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するため、電源系統から電
力変動及び高調波電流の大きい負荷に電力を供給するシ
ステムにおいて、負荷に並列に設けられた自励式変換器
及び高調波フィルタと、系統電圧から基本波成分に同期
した同期電圧信号に変換する同期検出回路、この同期検
出回路より出力される同期電圧信号に同期して前記負荷
電流から無効電力を検出する無効電力検出回路、この無
効電力検出回路で検出された無効電力より得られる基本
波無効電力から求められる無効電力指令値を前記同期検
出信号に同期した電流指令値に変換する瞬時電流演算回
路により構成された電流指令演算部と、前記電源系統の
電流をフィルタに加えて高調波電流を検出し、この高調
波電流から高調波電流指令値を求める高調波電流指令演
算部と、前記電流指令演算部により求められた電流指令
値及び前記高調波電流指令演算部により求められた高調
波電流指令値を合成して電流指令値を得る加算回路と、
この加算回路より得られる電流指令値と前記自励式変換
器に流れる電流との偏差に応じて前記自励式変換器を制
御する制御手段とを備え、前記負荷の無効電力変動に対
しては開ループ制御により高速に制御し、負荷より電源
系統に流出する高調波に対しては閉ループ制御により抑
制するようにしたものである。

また、電源系統から電力変動及び高調波電流の大きい
負荷に電力を供給するシステムにおいて、負荷に並列に
設けられた自励式変換器及び高調波フィルタと、系統電
圧から基本波成分に同期した同期電圧信号に変換する同
期検出回路、この同期検出回路より出力される同期電圧
信号に同期して前記負荷電流から無効電力を検出する無
効電力検出回路、この無効電力検出回路で検出された無
効電力をろ波することにより得られる基本波無効電力か
ら求められる無効電力指令値を前記同期検出信号に同期
した電流指令値に変換する第１の瞬時電流演算回路、前
記負荷電流から前記同期検出回路より出力される同期電
圧信号に同期して逆相電力を検出する逆相電力検出回
路、この逆相電力検出回路で検出された基本波逆相電力
から求められる逆相電力指令値から前記同期信号に同期
した逆相電力指令値に変換する第２の瞬時電流演算回路
により構成された電流指令演算部と、前記電源系統の電
流をフィルタに加えて高調波電流を検出し、この高調波
電流から高調波電流指令値を求める高調波電流指令演算
部と、前記電流指令演算部により求められた電流指令値
並びに逆相電流指令値及び前記高調波電流指令演算部に
より求められた高調波電流指令値を合成して電流指令値
を得る加算回路と、この加算回路より得られる電流指令
値と前記自励式変換器に流れる電流との偏差に応じて前
記自励式変換器を制御する制御手段とを備え、前記負荷
の無効電力変動並びに逆相電力変動に対しては開ループ
制御により高速に制御し、負荷より電源系統に流出する
高調波に対しては閉ループ制御により抑制するようにし
たものである。

（作用） したがって、このような構成の電圧変動及び高調波の
抑制装置にあっては、電流指令演算部で求められた無効
電力に基いて自励式変換器を開ループ制御することによ
り負荷変動に伴う電圧変動が抑制されるので、急峻な電
圧変動に対しても高性能に抑制効果を発揮させることが
できる。また、高調波電流指令演算部で求められた高調
波電流に基いて自励変換器を閉ループ制御することによ
り電源系統に流出する高調波が抑制されるので、従来の
高調波フィルタのように反共振周波数を持つことなく、
変動する高調波をも抑制することができる。

さらに、電流指令演算部に基本波逆相電流を求める演
算機能を持たせることにより、逆相電流の変動に対して
も開ループ制御により高性能に抑制効果を発揮させるこ
とができる。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明による電圧変動及び高調波の抑制装置
の概略的な構成例を示す回路図であり、制御回路以外の
系統構成は第４図と同じなので、該当する部分には同一
符号を付してその説明を省略する。

本発明では第１図に示すように自励式変換器10の制御
回路30として、変流器５により検出される負荷電流i_Lと
変圧器６により検出される系統電圧ｖが入力され、負荷
の無効電力変動又は基本波逆相電流を抑制するための電
流指令値i_F ^＊を求める電流指令演算部31と、変流器８に
より検出される電源系統に流れる電流i_Sが入力され、電
源系統に流出する高調波を抑制するための高調波電流指
令値i_H ^＊を求める高調波電流指令演算部32と、これら電
流指令演算部31で求められた電流指令値i_F ^＊と高調波電
流指令演算部32で求めら８れた高調波電流指令値i_H ^＊と
を加算する加算回路33とを備え、この加算回路33で加算
された両電流指令値の加算値i_C ^＊と変流器11により検出
された自励式変換器10に流れる電流との偏差に応じて誤
差アンプ28及びゲート回路29を介して自励式変換器10に
流れる電流i_Cを制御する構成としたものである。

上記構成において、電流指令演算部31は負荷電流i_Lと
系統電圧ｖとから負荷が消費する無効電力を演算し、さ
らにこの無効電力を補償するための基本波電流指令値i_F
^＊を演算する。この基本波電流指令値i_F ^＊には必要に応
じて負荷の逆相電流を補償するための信号を加えること
も可能である。高調波電流指令演算部32は電源電流i_Sか
ら高調波電流を検出し、さらにこの高調波電流を抑制す
るための高調波電流指令値i_H ^＊を演算する。これらの電
流指令値は加算回路33によって加算され、自励式変換器
10の電流指令値i_C ^＊を得ている。

従って、自励式変換器10は従来と同様に誤差アンプ28
及びゲート回路29によって制御され、電流指令値i_C ^＊を
追従した電流が流れる。

次に本発明の一実施例を第２図を参照して説明する
に、第４図と同一部分には同一符号を付してその説明を
省略し、ここでは電流指令演算部31及び高調波電流指令
演算部32の詳細について述べる。

第２図に示す実施例では、電流指令演算部31の構成と
して無効電力検出回路23の出力である瞬時虚電力をフィ
ルタ34でろ波することにより基本波無効電力Q_Lを検出
し、この基本波無効電力Q_Lを係数回路35によりある係数
を乗じて無効電力指令値Q_L ^＊を求め、さらにこの無効電
力指令値Q_L ^＊を瞬時電流演算回路26に加えて電流指令値
i_Q ^＊に変換するようにしている。

一方、高調波電流指令演算部32の構成としては変流器
８により検出された電源系統の電流i_Sをフィルタ43に加
えて高調波電流i_Hを検出し、この高調波電流i_Hに係数回
路44によりある係数を乗じて高調波電流指令値i_H ^＊を求
めるようにしている。

これら電流指令演算部31及び高調波電流指令演算部32
で求められた電流指令値i_Q ^＊及び高調波電流指令値i_H ^＊
を加算回路33により合成することにより、自励式変換器
10の電流指令値i_C ^＊が得られる。

従って、この電流指令値i_C ^＊と自励式変換器10に流れ
る電流i_Cとの偏差に応じて自励式変換器10を誤差アンプ
28及びゲート回路29を介して制御することにより、負荷
変動に伴う電圧変動や電源系統に流出する高調波が抑制
される。

このように本実施例では、負荷１の無効電力変動に対
しては開ループ制御により高速に制御されるので、この
無効電力変動に伴う電圧変動を高性能に抑制することが
できる。また、負荷１より電源系統に流出する高調波に
対しては閉ループ制御により抑制されるので、高調波フ
ィルタ７と送電線３のリアクタンスによる反共振周波数
の高調波を抑制することができると共に高調波フィルタ
７による高調波の増大現象を除くことができ、良好な高
調波抑制効果が得られる。

次に本発明の他の実施例を第３図を参照して説明する
に、第２図と同一部分には同一符号を付してその説明を
省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。

第３図に示す実施例では、電流指令演算部31として第
２図の無効電力演算系に加えて逆相電力演算系を設けた
ものである。すなわち、第３図において、変流器５によ
り検出される負荷電流i_Lを三相二相変換回路36で二相交
流に変換し、この二相交流を逆相電力検出回路37に与え
て逆相電力を検出する。この場合、逆相電力検出回路37
では（３）式における瞬時実電力、虚電力の演算でv_q ^＊
を反転（−１を乗じる）した式により演算が実行され
る。ここで、演算で用いられる−v_q ^＊は同期検出回路24
の出力v_q ^＊を反転回路45によって反転することで得られ
る。この逆相電力検出回路37の出力としては基本波正相
電力が基本波周波数の倍周波数の交流、基本波逆相電力
が直流として検出されるので、これらの出力をフィルタ
38,39を通してろ波することにより、基本波逆相電力p_N,
q_Nを得ることができる。これらの基本波逆相電力p_N,q_N
は係数回路40,41によりある係数を乗して逆相電力指令
値p_N ^＊,q_N ^＊を求め、これを瞬時電流演算回路42に加え
て逆相電力指令値i_N ^＊に変換する。そして、この逆相電
力指令値i_N ^＊は加算回路33により前述した電流指令値i_Q
^＊及び高調波電流指令値i_H ^＊と合成され、自励式変換器
10の電流指令値i_C ^＊として出力される。

従って、このような電流指令演算部31とすれば、負荷
の無効電力の変動は勿論のこと、逆相電流の変動に対し
ても開ループ制御により高性能に抑制効果を発揮させる
ことができる。また、高調波の抑制に対しては第２図の
実施例と同様の効果が得られる。

［発明の効果］ 以上のべたように本発明によれば、以下のような効果
が得られる。

（１）開ループ制御により負荷変動に伴なう電圧変動を
抑制できるので、急峻な電圧変動に対しても高性能であ
る。

（２）閉ループ制御により高調波を抑制するので、従来
の高調波フィルタのように反共振周波数を持つことがな
く、変動する高調波をも抑制することができる。

（３）時間的に変化しない高調波は高調波フィルタに吸
収され、電源に流出する残りの高調波のみを自励式変換
器で抑制すればよいので、自励式変換器の容量を小さく
することができ、経済的にも有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電圧変動及び高調波の抑制装置の
概略構成を示す回路図、第２図は本発明の一実施例を示
す回路構成図、第３図及び第４図は本発明の他の実施例
を示す回路構成図、第５図は従来の電圧変動及び高調波
の抑制装置を示す回路構成図である。 １……負荷、２……電源、３……送電線、４……受電変
圧器、5,8,11……変流器、６……電圧検出用変圧器、７
……高調波フィルタ、10……自励式変換器、21,22,36…
…三相二相変換回路、23……無効電力検出回路、24……
同期検出回路、26,42……瞬時電流演算回路、28……誤
差アンプ、29……ゲート回路、31……電流指令演算部、
32……高調波電流指令演算部、33……加算回路、34,38,
39,43……フィルタ、35,40,41,44……係数回路、37……
逆相電力検出回路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電源系統から電力変動及び高調波電流の大
   きい負荷に電力を供給するシステムにおいて、負荷に並
   列に設けられた自励式変換器及び高調波フィルタと、系
   統電圧から基本波成分に同期した同期電圧信号に変換す
   る同期検出回路、この同期検出回路より出力される同期
   電圧信号に同期して前記負荷電流から無効電力を検出す
   る無効電力検出回路、この無効電力検出回路で検出され
   た無効電力より得られる基本波無効電力から求められる
   無効電力指令値を前記同期検出信号に同期した電流指令
   値に変換する瞬時電流演算回路により構成された電流指
   令演算部と、前記電源系統の電流をフィルタに加えて高
   調波電流を検出し、この高調波電流から高調波電流指令
   値を求める高調波電流指令演算部と、前記電流指令演算
   部により求められた電流指令値及び前記高調波電流指令
   演算部により求められた高調波電流指令値を合成して電
   流指令値を得る加算回路と、この加算回路より得られる
   電流指令値と前記自励式変換器に流れる電流との偏差に
   応じて前記自励式変換器を制御する制御手段とを備え、
   前記負荷の無効電力変動に対しては開ループ制御により
   高速に制御し、負荷より電源系統に流出する高調波に対
   しては閉ループ制御により抑制することを特徴とする電
   圧変動及び高調波の抑制装置。
2. 【請求項２】電源系統から電力変動及び高調波電流の大
   きい負荷に電力を供給するシステムにおいて、負荷に並
   列に設けられた自励式変換器及び高調波フィルタと、系
   統電圧から基本波成分に同期した同期電圧信号に変換す
   る同期検出回路、この同期検出回路より出力される同期
   電圧信号に同期して前記負荷電流から無効電力検出する
   無効電力検出回路、この無効電力検出回路で検出された
   無効電力をろ波することにより得られる基本波無効電力
   から求められる無効電力指令値を前記同期検出信号に同
   期した電流指令値に変換する第１の瞬時電流演算回路、
   前記負荷電流から前記同期検出回路より出力される同期
   電圧信号に同期して逆相電力を検出する逆相電力検出回
   路、この逆相電力検出回路で検出された基本波逆相電力
   から求められる逆相電力指令値から前記同期信号に同期
   した逆相電力指令値に変換する第２の瞬時電流演算回路
   により構成された電流指令演算部と、前記電源系統の電
   流をフィルタに加えて高調波電流を検出し、この高調波
   電流から高調波電流指令値を求める高調波電流指令演算
   部と、前記電流指令演算部により求められた電流指令値
   並びに逆相電流指令値及び前記高調波電流指令演算部に
   より求められた高調波電流指令値を合成して電流指令値
   を得る加算回路と、この加算回路より得られる電流指令
   値と前記自励式変換器に流れる電流との偏差に応じて前
   記自励式変換器を制御する制御手段とを備え、前記負荷
   の無効電力変動並びに逆相電力変動に対しては開ループ
   制御により高速に制御し、負荷より電源系統に流出する
   高調波に対しては閉ループ制御により抑制することを特
   徴とする電圧変動及び高調波の抑制装置。