JP2012120334A - 不平衡補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷電流の力率によらず、逆相電力を補償可能な不平衡補償装置を得る。
【解決手段】不平衡補償装置１００は、スコット結線変圧器３と、スコット結線変圧器３の２つの単相側に接続され、かつ互いに直流側を接続された２つの単相インバータ３１，３２と、制御回路６とを備える。制御回路６は、単相インバータ３１，３２の電流を制御することで、負荷電流の補償電流を調整する。
【選択図】図１

Description

この発明は、三相交流電源から負荷に電力を供給する三相電力供給システムにおいて、三相不平衡な負荷電力に対して逆相電力を補償することに好適な不平衡補償装置に関するものである。

従来の電力変換装置は、たとえば非特許文献１で提示されている。図７は、非特許文献１に開示された構成に基づく、従来の電力変換装置の構成を示す図である。図７を参照して、電力変換装置は不平衡電力補償装置であり、降圧変圧器８と、コンデンサ９１，９４と、高インピーダンス変圧器９２，９５と、サイリスタ電力変換器９３，９６とを備える。

不平衡負荷２は、三相交流電源１に接続され、スコット結線変圧器２１および単相負荷２２，２３を有する。単相負荷２２，２３は、たとえば電車であり、それぞれ独立に電力を消費する。このため、三相側に不平衡な電流が流れる。

図８は、負荷電流の一例を示した図である。図８を参照して、たとえばスコット結線変圧器２１のＴ座のみに力率１の負荷電流が流れた場合、三相側には図８で示されるように電流Ｉｖ，Ｉｕ，Ｉｗが流れる。すなわち、Ｖ相には、Ｖ相電圧から見て力率１の電流ＩｖがＶ相に流れる。Ｕ相、Ｗ相には、電流Ｉｖが均等に分流する。すなわちＵ相電流ＩｕおよびＷ相電流Ｉｗの大きさはＶ相電流の１／２である。また、Ｕ相電流Ｉｕは、Ｕ相電圧Ｖｕから見て遅れ位相であり、Ｗ相電流ＩｗはＷ相電圧から見て進み位相である。このため、三相不平衡の電流が流れる。不平衡電流が流れると、ある相だけ多くの電流が流れる一方で、他の相に余裕があるといったように電源設備の利用率が低下する。また、三相の電力を送る発電機に逆相電力が流れることで、発電機の軸がねじり振動を起こして疲労を起こすといった不具合が生じる。

図９は、不平衡電流を正相電流と逆相電流とに分けて表わした図である。（Ａ）は正相電流を示し、（Ｂ）は逆相電流を示す。図９を参照して、Ｖ相電流Ｉｖは正相電流Ｉｖ１および逆相電流Ｉｖ２に分解される。同様に、Ｕ相電流Ｉｕは、正相電流Ｉｕ１と逆相電流Ｉｕ２とに分解される。Ｗ相電流Ｉｗは、正相電流Ｉｗ１と逆相電流Ｉｗ２とに分解される。

Ｖ相では正相電流Ｉｖ１および逆相電流Ｉｖ２の位相が一致している。Ｕ相、Ｗ相では正相電流ベクトルの向きと逆相電流ベクトルの向きが異なる。正相電流Ｉｕ１のベクトルの向きは、Ｕ相電圧Ｖｕのベクトル（ＯからＵへの向きのベクトル）と同じである。一方、逆相電流Ｉｕ２は、Ｕ相電圧Ｖｕから見て１２０°位相が進んでいる。正相電流Ｉｗ１のベクトルの向きは、Ｗ相電圧Ｖｗのベクトル（ＯからＷへの向きのベクトル）と同じであるが、逆相電流Ｉｗ２はＷ相電圧Ｖｗのベクトルから見て１２０°位相が遅れている。

正相電力は、元の電源から供給される。逆相電力は有効電力にはならず、無効電力になる。この無効電力が上記の課題を生じさせるので、この無効電力を補償する必要がある。このため三相交流電源１に対して不平衡負荷２と並列に不平衡補償装置が接続される。不平衡補償装置が負荷による逆相電流を補償することで、三相交流電源１から見て正相電力しか流れていない状態となる。

図１０は、図９（Ｂ）に示した逆相電流Ｉｖ２を２つの電流ベクトルに分けて示した図である。図１０を参照して、逆相電流Ｉｖ２は、電流ベクトルＩｖ２ｕｖと、Ｉｖ２ｖｗとに分けて示される。電流ベクトルＩｖ２ｕｖは逆相電流ベクトルＩｕ２と大きさが同じであり、かつその方向が互いに逆方向であるので、これらの電流ベクトルを足し合わせるとゼロになる。同様に、電流ベクトルＩｖ２ｖｗは、逆相電流ベクトルＩｗ２と大きさが同じでありかつその方向が互いに逆であるため、これらの電流ベクトルを足し合わせるとゼロになる。

また、電流ベクトルＩｖ２ｕｖと逆相電流ベクトルＩｕ２とは、ＵＶ相線間電圧Ｖｕｖと直交している。このため、電流ベクトルＩｖ２ｕｖと逆相電流Ｉｕ２とは線間電圧Ｖｕｖから見ると単相無効電力となる。同様に、電流ベクトルＩｖ２ｖｗと逆相電力Ｉｗ２とはＶＷ相線間電圧と直交しているので、線間電圧Ｖｖｗから見ると電流ベクトルＩｖ２ｖｗおよび逆相電流Ｉｗ２とは単相無効電力となる。すなわち、ＵＶ相線間電圧に電流Ｉｖ２ｕｖ，Ｉｕ２を流すことのできる無効電流発生源を配置し、同じくＶＷ相線間電圧に電流Ｉｖ２ｖｗ，Ｉｗ２を流すことのできる無効電力発生源を配置することによって、逆相電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を補償することが可能となる。これによって、三相交流電源１側に逆相電流が流れることを抑制することができる。

図７に戻り、コンデンサ９１は、ＵＶ線間に進み無効電力を供給するコンデンサである。高インピーダンス変圧器９２およびサイリスタ電力変換器９３は、高インピーダンス変圧器９２の二次側端子をオンオフして遅れ無効電力を供給するサイリスタ制御式リアクトルを構成する。コンデンサ９１とサイリスタ制御式リアクトル（９２，９３）によって、サイリスタ電力変換器９３をオフにした場合には、コンデンサ９１による進み無効電力がＵＶ線間に流れる。一方、サイリスタをオンした場合、高インピーダンス変圧器９２による無効電力が流れて、コンデンサ９１による進み無効電力を打ち消して遅れ無効電力をＵＶ線間に流す。交流１周期の間にサイリスタをオンオフさせてそのタイミングを制御することにより、ＵＶ線間に流れる進み無効電力から遅れ無効電力までを連続的に制御できる。同様に、コンデンサ９４、高インピーダンス変圧器９５およびサイリスタ電力変換器９６によって、ＶＷ線間に流れる無効電力を、進み無効電力から遅れ無効電力まで連続的に制御することができる。

したがって、図８に示すような負荷電流が流れると、その逆相成分（図９（Ｂ）を参照）における電流ベクトルＩｕ２をＵＶ線間に流すようにサイリスタ電力変換器９３を制御し、電流ベクトルＩｗ２をＶＷ線間に流すようにサイリスタ電力変換器９６を制御すると、Ｖ相には電流ベクトルＩｖ２ｕｖと電流ベクトルＩｖ２ｖｗを合成した電流Ｉｖ２を流すことができる。すなわち、逆相電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２が流れるので、三相交流電源１側には正相電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１だけが流れて逆相電力補償が達成される。

「鉄道と電気技術」１９９６年８月号、ＶＯＬ．７ Ｎｏ．８ 「パワーエレクトロニクスの応用と保守（６）静止型不平衡電力補償装置（ＳＵＣ）」

従来の電力変換装置は以上のように構成されており、線間電圧ＵＶ相間および線間電圧ＶＷ相間に単相無効電力補償装置を配置することによって、負荷が発生する逆相電力を補償していた。しかしながら、送電線のＬ成分などによって、力率が１と異なる負荷電流が流れる。したがって、逆相電力をすべて補償できないという問題が発生する。

すなわち、従来の電力変換装置は、図８に示されるような、逆相電力ベクトルが線間電圧ＵＶ相、ＶＷ相に直交する負荷には有効であるが、負荷電流のベクトルの方向が異なる、すなわち力率が１とは異なる負荷に対しては、逆相電力をすべて補償できないという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、負荷電流の力率によらず、逆相電力を補償可能な不平衡補償装置を得ることを目的とする。

この発明に係る不平衡補償装置は、三相交流電源から負荷に電力を供給する三相電力供給システムに接続され、負荷による不平衡電流を補償する不平衡補償装置である。不平衡補償装置は、三相交流電源からの三相交流を２つの単相交流に変換するスコット結線変圧器と、スコット結線変圧器の第１および第２の出力にそれぞれ接続され、その直流側を互いに接続した第１および第２の単相インバータと、第１および第２の単相インバータの電流を制御することにより、負荷電流の逆相成分を補償するための補償電流を調整する制御回路とを備える。

この発明によれば、負荷電流の力率によらず、逆相電力を補償することができる。

この発明の実施の形態に係る不平衡補償装置の概略構成図である。 逆相電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２とスコット結線変圧器３の二次側Ｍ相およびＴ相とのベクトル図である。 力率が１から変化した場合の負荷電流を示したベクトル図である。 図３に示した負荷電流の正相成分および逆相成分を示すベクトル図である。 図４（Ｂ）に示した逆相電流Ｉｖ２を２つの電流ベクトルで示した図である。 図４（Ｂ）に示した逆相電流をＭ相およびＴ相に示した分解図である。 非特許文献１に開示された構成に基づく、従来の電力変換装置の構成を示す図である。 負荷電流の一例を示した図である。 不平衡電流を正相電流と逆相電流とに分けて表わした図である。 図９（Ｂ）に示した逆相電流Ｉｖ２を２つの電流ベクトルに分けて示した図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態に係る不平衡補償装置の概略構成図である。図１を参照して、不平衡補償装置は、三相交流電源１から不平衡負荷２に電力を供給する三相電力供給システムに接続される。不平衡補償装置１００は、不平衡負荷２による不平衡電流を補償する。不平衡負荷２は、スコット結線変圧器２１および単相負荷２２，２３を有する。単相負荷２２，２３はたとえば電車であり、それぞれ独立に電力を消費する。

不平衡補償装置１００は、スコット結線変圧器３と、単相インバータ３１，３２と、制御回路６とを備える。スコット結線変圧器３は、三相交流電源１からの三相交流を２つの単相交流に変換する。スコット結線変圧器３には、直流側が相互に接続された単相インバータ３１，３２が接続される。単相インバータ３１，３２は自励式インバータである。単相インバータ３１，３２により、スコット結線変圧器３のＴ座からＭ座へ、あるいはＭ座からＴ座へ電力が融通される。また、単相インバータ３１，３２は自励式インバータであるので、それぞれの相で無効電力を補償できる。

制御回路６は、単相インバータ３１，３２の電流を制御することにより、負荷電流の逆相成分を補償するための補償電流を調整する。補償電流の調整は、たとえば、Ｕ相電流センサ４１、Ｖ相電流センサ４２、ＵＶ線間電圧センサ５１およびＶＷ線間電圧センサ５２の各々の検出値に基づいて行なわれる。

次に、本発明の実施の形態に係る不平衡補償装置１００の動作について、図８に示した負荷電流と同様の負荷電流の場合について説明する。

図２は、逆相電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２とスコット結線変圧器３の二次側Ｍ相およびＴ相とのベクトル図である。図２を参照して、スコット結線変圧器３のＴ相から見ると、Ｖ相の逆相電流Ｉｖ２はＴ相と同じ相であり同じ方向になる。すなわち、Ｔ相電圧軸において有効電力が消費される。

逆相電流Ｉｕ２は、ＵＷ相線間電圧すなわちＭ相電圧に平行な電流成分Ｉｕ２ｍと、Ｍ相電圧に直交する成分Ｉｕ２ｖとに分解される。同様に、逆相電流Ｉｗ２も、ＵＷ相線間電圧、すなわちＭ相電圧に平行する成分Ｉｗ２ｍとＭ相電圧に直交する成分Ｉｗ２ｖとに分解される。なおＭ相電圧に直交するＵ相電流成分Ｉｕ２ｖおよびＷ相電流成分Ｉｗ２ｖは、Ｖ相逆相電流Ｉｖ２がＵ相およびＷ相を通じて分流する成分である。Ｕ相電流成分Ｉｕ２ｍは、ＵＷ線間電圧の方向とは逆方向に流れ、Ｗ相電流成分Ｉｗ２ｍは、ＷＵ線間電圧の方向とは逆方向に流れるので、有効電力を回生している。

すなわちＶ相は電力を消費するが、Ｕ相、Ｗ相は電力を回生している。全体として、消費される電力量と回生される電力量とは釣り合っている。そこで、制御回路６は、単相インバータ３１，３２のうちＭ相に接続された単相インバータ３１によってＭ相から電力を取り出して、その電力が単相インバータ３２からＴ相に供給されるように単相インバータ３１，３２に流れる電流を調整する。単相インバータ３１によって取出された電力は、直流側を介して単相インバータ３２へと送られ、単相インバータ３２は、その電力をＴ相へと供給する。この場合、Ｖ相の電流Ｉｖ２をＴ相の電流ＩＴと同じ方向に流すのでＴ相で電力が消費される。その消費される電力（＝ＩＴ×ＶＴ）と同じ電力（＝ＩＭ×ＶＭ）をＭ相から回生（融通）する。

したがって本発明の実施の形態によれば、負荷の逆相電力に相当する電力を不平衡補償装置１００が供給することができるので、逆相電力補償を達成することができる。

なお、Ｍ相電圧に直交するＵ相電流成分Ｉｕ２ｖおよびＷ相電流成分Ｉｗ２ｖは、Ｖ相に流れる逆相電流Ｉｖ２がＵ相およびＷ相に分流したものであるので、Ｖ相に流れる逆相電流を補償することによって補償することができる。

さらに、本発明の実施の形態によれば、図８に示した場合と比べて力率が変化した不平衡負荷に対しても逆相電力を補償することができる。図３は、力率が１から変化した場合の負荷電流を示したベクトル図である。

図３を参照して、電流ベクトルＩｖは電圧Ｖｖの方向（ＯからＶへの方向）から傾いている。同じく電流Ｉｕ，Ｉｗも図８に示す方向から電流Ｉｖとは逆に傾いている。

図４は、図３に示した負荷電流の正相成分および逆相成分を示すベクトル図である。（Ａ）は図３に示した負荷電流の正相成分を示す。（Ｂ）は図３に示した負荷電流の逆相成分を示す。図５は、図４（Ｂ）に示した逆相電流Ｉｖ２を２つの電流ベクトルで示した図である。まず、図５に示されるように、逆相電流Ｉｖ２は、２つの電流ベクトルＩｖ２ｕｖ，Ｉｖ２ｖｗで表現できる。ただし電流ベクトルＩｖ２ｕｖは、ＵＶ相間の線間電圧Ｖｕｖに直交していない。このため、従来技術では逆相電流Ｉｕ２のうちＵＶ相間の線間電圧から見て直交する成分だけしか補償できない。この点については、逆相電流Ｉｗ２についても同様である。

図４を参照して、正相電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１は、図９（Ａ）に示した方向から傾いている。正相成分は、このまま流れる。

図６は、図４（Ｂ）に示した逆相電流をＭ相およびＴ相に示した分解図である。図４および図６を参照して、Ｔ相で補償すべき電流は、Ｖ相の逆相電流Ｉｖ２である。一方、Ｍ相で補償すべき電流は、Ｕ相逆相電流Ｉｕ２、Ｗ相逆相電流Ｉｗ２からＶ相逆相電流Ｉｖ２のＵ相流入分Ｉｕ２ｖ，Ｉｗ２ｖをベクトル的にそれぞれ差し引いた電流Ｉｕ２ｍ，Ｉｗ２ｍである。電流ベクトルＩｕ２ｖ，Ｉｗ２ｖは、逆相電流Ｉｖ２の大きさの１／２の大きさを有し、かつ、その方向が逆相電流Ｉｖ２のベクトルの向きと逆である。電流ベクトルＩｕ２ｖ，Ｉｗ２ｖは、逆相電流Ｉｖ２が流れることで必然的に生じる成分である。すなわちＩｖ２を補償することで、電流ベクトルＩｕ２ｖ，Ｉｗ２ｖが補償される（なくなる）。

したがってＭ相で補償すべきは、電流Ｉｕ２ｍ，Ｉｗ２ｍとなる。これらは、Ｍ相から見るとＭ相電流ＩＭとなる。結果的にＭ相電流ＩＴとＴ相電流ＩＭとは必ず位相が９０°ずれている。またＭ相電流ＩＴとＴ相電流ＩＭの大きさは同じである。

Ｔ相電流は、Ｔ相電圧に平行な有効電力成分と、Ｔ相電圧に直交する無効電力成分とに分解される。Ｍ相電流も同様に、Ｍ相電圧に平行な有効電力成分と、Ｍ相電圧に直交する無効電力成分とに分解される。ここで、Ｍ相有効電力成分は回生となり、Ｔ相有効電力成分は力行（消費）となるので、上記の場合と同様に、スコット結線変圧器３のＭ相に接続された単相インバータ３１によってＭ相から電力を取出すとともに、その電力を単相インバータ３１，３２の直流を介して単相インバータ３２に送り、単相インバータ３２からＴ相に電力を供給する。

すなわちＭ相とＴ相との間で電力を融通することで、逆相電力成分のうち、Ｍ相有効電力成分およびＴ相有効電力成分を補償することができる。また、単相インバータ３１，３２が自励式インバータであるので、Ｍ相無効電力成分およびＴ相無効電力成分も補償することができる。この結果、逆相電力を補償することが可能となる。さらに、力率に応じて逆相電流の位相が様々に変化しても、Ｍ相−Ｔ相間で電力を融通することで有効電力成分を補償できる。また、単相インバータ３１，３２の各々で、Ｍ相無効電力成分およびＴ相無効成分を補償できる。

以上のように、本発明によれば、直流側で互いに接続された２つの単相インバータをスコット結線変圧器の二次側（Ｍ相およびＴ相）の巻線に接続し、三相負荷電流の逆相成分をＭ相成分とＴ相成分とに分解する。そしてそのＭ相成分およびＴ相成分に従ってＭ相およびＴ相単相インバータ（３１，３２）の電流を制御する。これによって、三相逆相電流を補償することができる。

なお、上記の実施の形態では、負荷の逆相電流をＭ相とＴ相とに分解してＭ相およびＴ相インバータを制御するものである。但し、逆相電流のＭ相成分とＴ相成分とは互いに直交し、かつその大きさが同じであるので、Ｍ相電流またはＴ相電流のいずれか１つを検出すれば、位相を９０°ずらすことでもう一方の電流を検出することができる。したがって、Ｍ相およびＴ相単相インバータの電流を制御することが可能である。

また、逆相電流のＭ相成分とＴ相成分とは互いに直交してその大きさが同じであり、Ｔ相電流はＶ相逆相電流と同方向である。このため、Ｔ相電流を演算し、その後、そのＴ相電流の位相を９０°ずらすことでＭ相電流を演算し、そのＴ相電流およびＭ相電流に従ってＭ相およびＴ相単相インバータの電流を制御してもよい。これによって、制御回路の構成を簡略化することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 三相交流電源、２ 不平衡負荷、３，２１ スコット結線変圧器、６ 制御回路、８ 降圧変圧器、２２，２３ 単相負荷、３１，３２ 単相インバータ、４１ Ｕ相電流センサ、４２ Ｖ相電流センサ、５１ ＵＶ線間電圧センサ、５２ ＶＷ線間電圧センサ、９１，９４ コンデンサ、９２，９５ 高インピーダンス変圧器、９３，９６ サイリスタ電力変換器、１００ 不平衡補償装置。

Claims (3)

1. 三相交流電源から負荷に電力を供給する三相電力供給システムに接続され、前記負荷による不平衡電流を補償する不平衡補償装置であって、
   三相交流電源からの三相交流を２つの単相交流に変換するスコット結線変圧器と、
   前記スコット結線変圧器の第１および第２の出力にそれぞれ接続され、その直流側を互いに接続した第１および第２の単相インバータと、
   前記第１および第２の単相インバータの電流を制御することにより、負荷電流の逆相電流を補償するための補償電流を調整する制御回路とを備える、不平衡補償装置。
2. 前記制御回路は、前記負荷電流の前記逆相電流をＭ相成分およびＴ相成分に分解することにより、前記補償電流を演算する、請求項１に記載の不平衡補償装置。
3. 前記第１および第２の単相インバータは、自励式インバータである、請求項２に記載の不平衡補償装置。

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