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明細書 :配電系統の電圧不平衡補償装置及び方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4218835号 (P4218835)
公開番号 特開2006-054944 (P2006-054944A)
登録日 平成20年11月21日(2008.11.21)
発行日 平成21年2月4日(2009.2.4)
公開日 平成18年2月23日(2006.2.23)
発明の名称または考案の名称 配電系統の電圧不平衡補償装置及び方法
国際特許分類 H02J   3/26        (2006.01)
FI H02J 3/26 B
請求項の数または発明の数 4
全頁数 23
出願番号 特願2004-233328 (P2004-233328)
出願日 平成16年8月10日(2004.8.10)
審査請求日 平成19年6月4日(2007.6.4)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504132272
【氏名又は名称】国立大学法人京都大学
【識別番号】000003687
【氏名又は名称】東京電力株式会社
発明者または考案者 【氏名】引原 隆士
【氏名】舟木 剛
【氏名】田中 俊輔
個別代理人の代理人 【識別番号】100100516、【弁理士】、【氏名又は名称】三谷 惠
審査官 【審査官】赤穂 嘉紀
参考文献・文献 特開昭59-044934(JP,A)
特開平06-253457(JP,A)
特開平04-058797(JP,A)
調査した分野 H02J 3/26
特許請求の範囲 【請求項1】
配電系統のV結線変圧器の二次側系統の三相端子のいずれかの二相端子間に接続され直流を交流に電力変換して配電系統に連系する単相インバータと、前記V結線変圧器の電圧、前記V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンス及び前記V結線変圧器に接続される負荷に基づいて前記配電系統の三相の不平衡の度合を評価するための不平衡評価量が零もしくは最小となる前記単相インバータの出力電流の目標値を演算する目標値演算部と、前記単相インバータの出力電流が前記目標値演算部で求められた目標値になるように前記単相インバータを制御する出力制御部とを備えたことを特長とする配電系統の不平衡補償装置。
【請求項2】
配電系統のV結線変圧器の二次側系統の三相端子のいずれかの二相端子間に直流を交流に電力変換する単相インバータを連系し、前記V結線変圧器の電圧、前記V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンス及び前記V結線変圧器に接続される負荷に基づいて前記配電系統の三相の不平衡の度合を評価するための不平衡評価量が零もしくは最小となる前記単相インバータの出力電流の目標値を演算し、前記単相インバータの出力電流が前記目標値になるように前記単相インバータを制御することを特長とする配電系統の不平衡補償方法。
【請求項3】
配電系統のV結線変圧器の二次側系統の三相端子のいずれかの二相端子間に接続され直流を交流に電力変換して配電系統に連系する単相インバータと、前記V結線変圧器の電圧、前記V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンス及び前記V結線変圧器に接続される負荷に基づいて前記配電系統の三相の不平衡の度合を評価するための不平衡評価量が零もしくは最小となる前記単相インバータの出力無効電力の目標値を演算する目標値演算部と、前記単相インバータの出力無効電力が前記目標値演算部で求められた目標値になるように前記単相インバータを制御する出力制御部とを備えたことを特長とする配電系統の不平衡補償装置。
【請求項4】
配電系統のV結線変圧器の二次側系統の三相端子のいずれかの二相端子間に直流を交流に電力変換する単相インバータを連系し、前記V結線変圧器の電圧、前記V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンス及び前記V結線変圧器に接続される負荷に基づいて前記配電系統の三相の不平衡の度合を評価するための不平衡評価量が零もしくは最小となる前記単相インバータの出力無効電力の目標値を演算し、前記単相インバータの出力無効電力が前記目標値になるように前記単相インバータを制御することを特長とする配電系統の不平衡補償方法。

発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、配電系統の三相の不平衡を補償する配電系統の不平衡補償装置及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電力の自由化によって電力系統への分散型電源(例えば太陽光発電システム)の連系が増加している。通常、分散型電源は発電した直流を単相インバータにより単相交流に変換し単相200Vの配電系統に連系されることが多い。現状では連系される単相の分散型電源の総容量が小さいので、三相交流である配電系統の電圧、電流を不平衡化する影響は小さいが、連系される分散型電源が多くなると、配電系統に対する不平衡化の影響を無視できなくなる。配電系統に三相の不平衡が生じた場合には、三相負荷である三相誘導機の出力トルクが変動したり、電圧及び電流の不平衡により送配電において、電力損失の増加や電圧低下が発生したりする。
【0003】
そこで、分散型電源の単相インバータの制御による三相の不平衡状態の補償が検討されている。例えば、連系系統の瞬時実電力及び瞬時虚電力をもとにした単相不平衡状態の評価量を導出し、評価量が最小となるように、分散型電源の無効電力出力制御を行い不平衡補償を実現したものがある(例えば、非特許文献1参照)。

【非特許文献1】電学論D、124巻2号、2004年 p215~p221「三相電圧不平衡を考慮した単相太陽光発電システムの系統連系手法」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、非特許文献1のものでは、配電系統の受変電用の変圧器は、インピーダンスが平衡していることを前提として、インピーダンスが平衡の下で検討を行っている。このため、非特許文献1の手法による単相インバータの出力制御では、インピーダンスが三相不平衡の場合には、不平衡補償を実現できない。配電系統においては2台の単相変圧器を用いたV結線で負荷に電力を供給することが多く、しかも、V結線を構成する2台の変圧器の容量が異なる場合が多い。すなわち、インピーダンスが三相不平衡な変圧器が用いられることが多い。従って、配電系統の受変電用変圧器がV結線変圧器の場合には、非特許文献1の手法をそのまま適用して、配電系統の三相の不平衡を補償することができない。
【0005】
本発明の目的は、配電系統の受変電用変圧器のインピーダンスや負荷が不平衡であっても配電系統に生じる不平衡を補償できる配電系統の不平衡補償装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
請求項1の発明に係わる配電系統の不平衡補償装置は、配電系統のV結線変圧器の二次側系統の三相端子のいずれかの二相端子間に接続され直流を交流に電力変換して配電系統に連系する単相インバータと、V結線変圧器の電圧、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンス及びV結線変圧器に接続される負荷に基づいて配電系統の三相の不平衡の度合を評価するための不平衡評価量が零もしくは最小となる単相インバータの出力電流の目標値を演算する目標値演算部と、単相インバータの出力電流が目標値演算部で求められた目標値になるように単相インバータを制御する出力制御部とを備えたことを特長とする。
【0007】
請求項2の発明に係わる配電系統の不平衡補償方法は、配電系統のV結線変圧器の二次側系統の三相端子のいずれかの二相端子間に直流を交流に電力変換する単相インバータを連系し、V結線変圧器の電圧、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンス及びV結線変圧器に接続される負荷に基づいて配電系統の三相の不平衡の度合を評価するための不平衡評価量が零もしくは最小となる単相インバータの出力電流の目標値を演算し、単相インバータの出力電流が目標値になるように単相インバータを制御することを特長とする。
【0008】
請求項3の発明に係わる配電系統の不平衡補償装置は、配電系統のV結線変圧器の二次側系統の三相端子のいずれかの二相端子間に接続され直流を交流に電力変換して配電系統に連系する単相インバータと、前記V結線変圧器の電圧、前記V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンス及び前記V結線変圧器に接続される負荷に基づいて前記配電系統の三相の不平衡の度合を評価するための不平衡評価量が零もしくは最小となる前記単相インバータの出力無効電力の目標値を演算する目標値演算部と、前記単相インバータの出力無効電力が前記目標値演算部で求められた目標値になるように前記単相インバータを制御する出力制御部とを備えたことを特長とする。
【0009】
請求項4の発明に係わる配電系統の不平衡補償方法は、配電系統のV結線変圧器の二次側系統の三相端子のいずれかの二相端子間に直流を交流に電力変換する単相インバータを連系し、前記V結線変圧器の電圧、前記V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンス及び前記V結線変圧器に接続される負荷に基づいて前記配電系統の三相の不平衡の度合を評価するための不平衡評価量が零もしくは最小となる前記単相インバータの出力無効電力の目標値を演算し、前記単相インバータの出力無効電力が前記目標値になるように前記単相インバータを制御することを特長とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、V結線変圧器の電圧、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンス及びV結線変圧器の二次側系統に接続される負荷に基づいて配電系統の三相の不平衡の度合を評価するための不平衡評価量を算出し、不平衡評価量が零もしくは最小となるように単相インバータの出力電流を制御するので、変圧器のインピーダンスが不平衡の場合や不平衡負荷が接続された場合であっても配電系統に生じる不平衡を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図1は本発明の第1の実施の形態に係わる不平衡補償装置の説明図であり、図1(a)はV結線変圧器の結線図、図1(b)は不平衡補償装置の構成図である。
【0012】
図1(a)において、V結線変圧器は2台の単相変圧器をV結線で接続したものであり、例えば、上位系統側のuvw相のuv相間及びvw相間、下位系統側のabc相のab相間及びbc相間にそれぞれ2台の単相変圧器の一次側、二次側が接続されて構成される。2台の単相変圧器のインピーダンスXは同じであるとする。
【0013】
図1(b)はV結線変圧器の二次側に不平衡補償装置11を接続した構成図であり、三相平衡負荷Zが接続された場合を示している。不平衡補償装置11は、V結線変圧器のbc相間に接続され、分散型電源12の直流を単相インバータ13で交流に電力変換して配電系統に供給する。単相インバータ13は出力制御部14により制御され、配電系統に生じる不平衡を補償するように出力電流IOUTを出力する。すなわち、出力制御部14は、電流検出器16で検出される単相インバータ13の出力電流IOUTをフィードバックし目標値演算部15で求められた目標値IOUT1になるように制御する。これにより、単相インバータ13の出力電流IOUTは、出力制御部14により目標値演算部15で求められた目標値IOUT1になるように制御される。
【0014】
目標値演算部15は、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンスX及びV結線変圧器の二次側系統に接続される負荷Zに基づいて、単相インバータ13の出力電流IOUTの目標値IOUT1を演算する。出力電流IOUTの目標値IOUT1は、配電系統の一次側電圧E(Euv、Evw)及び出力電流から求まる瞬時実電力の交流成分及び瞬時虚電力の交流成分として表される不平衡の度合を評価するための不平衡評価量ξが零となるように演算される。
【0015】
図2は三相交流系統を一般的に表したものであり、以下これを用いて不平衡評価量について説明する。
【0016】
一般的に、不平衡評価量ξは(1-1)式で示される。以下の数式において、文字の上部の「・」は複素ベクトルであることを示し、本文中では「・」の表記は省略する。
【数1】
JP0004218835B2_000002t.gif

【0017】
不平衡評価量ξは、(1-1)式に示すように、三相交流系統の瞬時実電力pの交流成分|P|の自乗及び瞬時虚電力qの交流成分|Q|の自乗の和の平方根で示される。
【0018】
三相交流系統の瞬時実電力pの交流成分|P|及び瞬時虚電力qの交流成分|Q|は、(1-2)式に示すように、三相交流系統の三相電圧Vab、Vbc、Vca及び三相電流I、I、Iを二相変換した電圧Vα、電圧Vβ、電流Iα、電流Iβで表現される。すなわち、(1-3)式及び(1-4)式で示すように、三相-二相変換した電圧-電流によって表される瞬時実電力p及び瞬時虚電力qの交流成分から求められる。
【0019】
但し、三相交流系統の三相電圧Vab、Vbc、Vca及び三相電流I、I、Iを三相-二相変換した二相電圧Vα、Vβ、二相電流Iα、Iβで表わされた瞬時実電力p及び瞬時虚電力qは、(1-3)式及び(1-4)式に示すように、直流成分と交流系統周波数の2倍の周波数で振動する交流成分の和に分けることができる。その2倍の周波数で振動する交流成分をそれぞれ瞬時実電力pの交流成分|P|及び瞬時虚電力qの交流成分|Q|とする。
【0020】
ここで、電力系統における三相不平衡に関する電力品質として、(1-5)式及び(1-6)式で示す電圧不平衡率及び電流不平衡率が定義されている。(1-5)式及び(1-6)式において、Vは正相電圧、Vは逆相電圧、Iは正相電流、Iは逆相電流である。一方、(1-1)式で示される不平衡評価量ξを正相電圧V、逆相電圧V、正相電流I、逆相電流Iで表すと(1-7)式となり、不平衡評価量ξは、電圧不平衡率と電流不平衡率とを同時に含んだ量であることが分かる。
【0021】
次に、不平衡評価量ξを零、すなわち三相の電圧及び電流を平衡にするための条件を考える。(1-1)式を変形すると、(2-1)式が得られる。(2-1)式を零にするための条件は、(2-2)式で示される。
【数2】
JP0004218835B2_000003t.gif

【0022】
次に、図1に戻り、不平衡評価量ξを零にするために、不平衡補償装置11の単相インバータ13からV結線変圧器の二次側に供給する出力電流IOUTを導出する。図1(b)に示すように、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)、V結線変圧器の二次側電圧Vab、Vbcとし、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンスX及びV結線変圧器に接続される負荷は三相平衡負荷Zであるとする。また、単相インバータ13からV結線変圧器の二次側に供給する出力電流をIOUT1とする。この場合、二次側電圧Vab、Vbcは、(3-1)式で示され、二次回路における回路方程式は(3-2)式で示される。二次回路の二次電流I、Iは、(3-1)式及び(3-2)式より、(3-3)式で表される。
【数3】
JP0004218835B2_000004t.gif

【0023】
二次回路の二次電流I、Iを三相二相変換すると、α相電流及びβ相電流は(4-1)式及び(4-2)式で示される。
【数4】
JP0004218835B2_000005t.gif

【0024】
不平衡評価量ξを零にするための条件、すなわち単相インバータ13の出力により平衡状態にする条件は(2-2)式に対応する諸量を代入することで得られる。ただし、(2-2)式のうち電圧に関する式は、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)が平衡であることから成立している。そこで、(4-1)式及び(4-2)式を(2-2)式のうち電流に関する式に代入すると(4-3)式が得られる。(4-3)式が成立するのは、(4-4)式が成立するときであり、従って、単相インバータ13の出力電流IOUTを(4-5)式を満たす出力電流IOUT1に制御すれば、完全な平衡化が実現される。
【0025】
このように、変圧器のインピーダンスXを考慮して不平衡評価量ξを零にするためには、単相インバータ13の出力電流IOUTを(4-5)式を満たす出力電流IOUT1に制御すればよい。
【0026】
そこで、不平衡補償装置11の目標値演算部15は、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンスX及びV結線変圧器に接続される負荷Zに基づいて、(4-5)式で示される単相インバータ13の出力電流IOUTの目標値IOUT1を演算する。出力制御部14は、単相インバータ13の出力電流IOUTが目標値演算部15で演算された目標値IOUT1になるように単相インバータ13の出力を制御する。
【0027】
なお、V結線変圧器の一次側電圧Eが直接計測できない場合は、二次側電圧・電流及び変圧器インピーダンスXから(3-1)式の第1式により算出できる。また、負荷インピーダンスZが予め計測できない場合は、二次側電圧・電流値から(3-2)式により算出できる。但し、変圧器インピーダンスXについては予め計測しておく必要がある。
【0028】
第1の実施の形態によれば、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンスX及び、V結線変圧器に接続される三相平衡負荷Zに基づいて配電系統の三相の不平衡の度合を評価するための不平衡評価量ξを算出し、不平衡評価量ξが零となるように単相インバータ13の出力電流IOUTを制御するため、変圧器のインピーダンスが三相不平衡であっても配電系統の不平衡を抑制することができる。
【0029】
なお、単相インバータ13の容量が不平衡評価量ξを零とする単相インバータ出力に比較して小さい場合は、完全な平衡化はできないが、単相インバータ13の容量の範囲内で不平衡評価量ξを最小とする電流を出力することにより不平衡を低減することができる。
【0030】
次に、本発明の第2の実施の形態を説明する。図3は本発明の第2の実施の形態に係わる配電系統の不平衡補償装置の構成図である。この第2の実施の形態は、図1に示した第1の実施の形態に対し、三相平衡負荷Zに代えて三相不平衡負荷Z、Zとし、各々の変圧器インピーダンスを不平衡インピーダンスX、Xとしたものである。図1と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【0031】
不平衡補償装置11はV結線変圧器の二次側のbc相間に接続され、分散型電源12の直流を単相インバータ13で交流に電力変換して配電系統に供給する。V結線変圧器の二次側のab相間には負荷Zが接続され、V結線変圧器の二次側のbc相間には負荷Zが接続されている。
【0032】
単相インバータ13は出力制御部14により制御され、配電系統に生じる不平衡を補償するように出力電流IOUTを出力する。すなわち、出力制御部14は、電流検出器16で検出される単相インバータ13の出力電流IOUTをフィードバックし目標値演算部15で求められた目標値IOUT1になるように制御する。これにより、単相インバータ13の出力電流IOUTは、出力制御部14により目標値演算部15で求められた目標値IOUT1になるように制御される。
【0033】
目標値演算部15は、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンスX、X及びV結線変圧器に接続される三相不平衡負荷Z、Zに基づいて、単相インバータ13の出力電流IOUTの目標値IOUT1を演算する。出力電流IOUTの目標値IOUT1は、配電系統の一次側電圧E(Euv、Evw)及び出力電流から求まる瞬時実電力及び瞬時虚電力の交流量で示される不平衡の度合を評価するための不平衡評価量ξが零または最小となるように演算される。
【0034】
ここで、不平衡評価量ξを零にするために、不平衡補償装置11の単相インバータ13からV結線変圧器の二次側に供給する出力電流IOUTを導出する。図3に示すように、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)、V結線変圧器の二次側電圧Vab、Vbcとし、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンスはX、X、及びV結線変圧器に接続される三相不平衡負荷はZ、Zであるとする。また、単相インバータ13からV結線変圧器の二次側に供給する出力電流の目標値をIOUT1とする。
【0035】
この場合、二次側電圧Vab、Vbcは、(5-1)式で示され、二次回路における回路方程式は(5-2)式で示される。二次回路の二次電流I、Iは、(5-1)式及び(5-2)式より、(5-3)式で表される。
【数5】
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【0036】
二次回路の二次電流I、Iを三相二相変換すると、α相電流及びβ相電流は(6-1)式及び(6-2)式で示される。不平衡評価量ξを零にするための条件は(2-2)式に対応する諸量を代入することで得られる。ただし、(2-2)式のうち電圧に関する式は、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)が平衡であることから成立している。そこで、(6-1)式及び(6-2)式を(2-2)式のうち電流に関する式に代入すると(6-3)式が得られる。
【数6】
JP0004218835B2_000007t.gif

【0037】
(6-3)式が成立するのは、(6-3)式の最終行左辺の分子が零となるときである。(6-3)式の最終行左辺の分子を展開すると(7-1)式が得られ、不平衡評価量ξを零にするための条件式は(7-2)式となる。そして、(7-2)式を成立させる単相インバータ13の出力電流IOUT1は(7-3)式で示される。
【数7】
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【0038】
このように、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)、V結線変圧器を構成する各変圧器の不平衡インピーダンスX、X及び三相不平衡負荷Z、Zを考慮して不平衡評価量ξを零にするためには、単相インバータの出力電流IOUTを(7-3)式を満たす出力電流IOUT1に制御すればよい。
【0039】
そこで、不平衡補償装置11の目標値演算部15は、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンスX、X及びV結線変圧器に接続される負荷Z、Zに基づいて、(7-3)式で示される単相インバータ13の出力電流IOUTの目標値IOUT1を演算する。出力制御部14は、単相インバータ13の出力電流IOUTが目標値演算部15で演算された目標値IOUT1になるように単相インバータ13の出力を制御する。
【0040】
なお、V結線変圧器の一次側電圧Eが直接計測できない場合は、二次側電圧・電流及び変圧器インピーダンスXから(5-1)式の第1式により算出できる。また、負荷インピーダンスZ、Zが予め計測できない場合は、二次側電圧・電流値から(5-2)式により算出できる。変圧器インピーダンスX、Xについては予め計測しておく必要がある。
【0041】
第2の実施の形態によれば、V結線変圧器の一次側電圧、V結線変圧器を構成する各変圧器の不平衡インピーダンス及びV結線変圧器に接続される三相不平衡負荷に基づいて配電系統の三相電圧電流の不平衡を評価するための不平衡評価量ξを算出し、不平衡評価量が零となるように単相インバータの出力電流を制御するので、変圧器のインピーダンスが不平衡の場合や不平衡負荷が接続された場合であっても配電系統の不平衡を抑制することができる。
【0042】
なお、単相インバータ13の容量が完全平衡化に必要な単相インバータ出力に比して小さい場合、単相インバータの容量の範囲内で不平衡評価量ξを最小とする電流を出力することにより、三相交流の不平衡を低減することができる。
【0043】
次に、本発明の第3の実施の形態を説明する。第1の実施の形態及び第2の実施の形態では、単相インバータ13の出力電流を調整して配電系統に生じる不平衡を補償するようにしたが、単相インバータ13の出力無効電力を調整して配電系統に生じる不平衡を補償することも可能である。すなわち、第1の実施の形態及び第2の実施の形態では、有効電力や無効電力を考慮に入れずに単相インバータ13の出力電流を調整するものであるので、無効電力だけでなく有効電力も変動することがある。第3の実施の形態では、有効電力の出力を保持しつつ変圧器のインピーダンスが不平衡の場合や不平衡負荷が接続された場合であっても配電系統の不平衡を補償するようにするものである。
【0044】
図4は本発明の第3の実施の形態に係わる配電系統の不平衡補償装置の構成図である。2台の単相変圧器をV結線で接続したV結線変圧器は、上位系統側のuvw相のuv相間及びvw相間、下位系統側のabc相のab相間及びbc相間にそれぞれ一次側及び二次側が接続されている。いま、2台の単相変圧器のインピーダンスは不平衡インピーダンスX、Xであるとし、二次側巻線に流れる電流をI、Iとする。また、負荷インピーダンスZ、Zに流れる電流をI、Iとし、単相インバータ13の出力電流をIOUTとする。
【0045】
不平衡補償装置11はV結線変圧器の二次側のbc相間に接続され、分散型電源12の直流を単相インバータ13で交流に電力変換して配電系統に供給する。V結線変圧器の二次側のab相間の負荷には負荷電流Iが流れ、V結線変圧器の二次側のbc相間の負荷には負荷電流Iが流れている。
【0046】
単相インバータ13は出力制御部14により制御され、配電系統に生じる不平衡を補償するように出力電流IOUTを出力する。すなわち、出力制御部14は、電流検出器16で検出される単相インバータ13の出力電流IOUTをフィードバックし目標値演算部15で求められた目標値IOUT1になるように制御する。これにより、単相インバータ13の出力電流IOUTは、出力制御部14により目標値演算部15で求められた目標値IOUT1になるように制御される。
【0047】
目標値演算部15は、無効電力を調整して電圧・電流の不平衡を補償するための単相インバータ13の出力電流IOUTの目標値IOUT1を演算するものであり、有効電力目標値演算部17と、無効電力目標値演算部18と、出力電流設定部19とから構成される。
【0048】
有効電力目標値演算部17は、分散型電源12の出力電圧Vd及び出力電流Idに基づいて有効電力目標値Pを演算する。例えば、分散型電源12が太陽光発電システムである場合には、日射量により太陽電池の出力特性曲線および最大可能出力が決まるので、日射量により単相インバータ13の有効電力目標値を求めることができるが、分散電源12の起動時や日射量の変化時などの過渡時には動作が不安定になるので、分散型電源12の出力電圧Vと出力電流Iとを乗算して、分散型電源12の実際の出力電力を求め、これに基づいて有効電力目標値Pを求める。
【0049】
例えば、出力電圧Vが低下したときには実際の出力電力よりも有効電力目標値Pを低めに設定し、その後に最大出力点に運転点を持っていくように有効電力目標値Pを演算する。このように、有効電力目標値Pは分散電源12の運転状態により変化する。
【0050】
無効電力目標値演算部18は、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンスX、X及びV結線変圧器の負荷電流I、Iに基づいて、無効電力目標値Qを演算する。
【0051】
無効電力目標値Qは、配電系統の一次側電圧E(Euv、Evw)及び単相インバータ13の出力電流IOUTから求まる瞬時実電力及び瞬時虚電力の交流量で示される不平衡の度合を評価するための不平衡評価量ξが零または最小となるように演算される。この場合、無効電力目標値Qは、有効電力の出力を有効電力目標値Pに保持しつつ、出力無効電力Qのみを調整して不平衡評価量ξが零または最小になるように求められる。
【0052】
出力電流設定部19は、単相インバータ13の出力電流IOUTが有効電力目標値演算部17で演算された有効電力目標値P及び無効電力目標値演算部18で演算された無効電力目標値Qになるような目標値IOUT1を演算し、出力制御部14に出力する。これにより、出力制御部14は単相インバータ13の出力電流IOUTがその目標値IOUT1になるように制御し、分散型電源12の有効電力の出力が有効電力目標値Pを保持しつつ配電系統の電圧・電流の不平衡を補償する。
【0053】
出力無効電力Qのみを調整して不平衡評価量ξを零または最小にするための無効電力目標値Qは以下のように導出される。図4に示すように、V結線変圧器の一次側電圧E(Euv、Evw)、V結線変圧器の二次側電圧Vab、Vbcとし、V結線変圧器を構成する各変圧器のインピーダンスはX、X、及びV結線変圧器の負荷電流はI、Iであるとする。また、無効電力目標値演算部18から出力される無効電力目標値をQとする。
【0054】
この場合、二次側電圧Vab、Vbcは、(8-1)式で示され、V結線変圧器の二次電流I、Iは、(8-2)式で表される。また、二次電流I、Iを三相-二相変換した二相電流Iα、Iβは(8-3)式で表される。
【数8】
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【0055】
次に単相インバータ13の出力電力は(9-1)式で示され、二次側電圧Vbc及び単相インバータ13の出力電流IOUTを実数部及び虚数部で表現すると(9-2)式で示される。これにより、単相インバータ13の出力電力の有効電力P及び無効電力Qは(9-3)式で示される。さらに、負荷電流Iを実数部及び虚数部で表現し、二次側電圧Vbcの実数部及び虚数部をV結線変圧器の一次側電圧E及び変圧器のインピーダンスXで表現すると、単相インバータ13の出力電力の有効電力Pは(9-4)式で示され、単相インバータ13の出力電力の無効電力Qは(9-5)式で示される。
【数9】
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【0056】
次に、(9-4)式及び(9-5)式から、単相インバータ13の出力電流IOUTの実数部IOUTR及び虚数部IOUTIを求める。出力電流IOUTの実数部IOUTRは(10-1)式で示され、出力電流IOUTの虚数部IOUTIは(10-2)式で示される。出力電流IOUTの実数部IOUTR及び虚数部IOUTIは単相インバータ13の出力電力の有効電力P及び無効電力Qの関数で示される。
【数10】
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【0057】
不平衡評価量|ξ|は(2-1)式に対応する諸量を代入することで得られる。一方、上位系統側の電圧は平衡であることから(11-1)式が成立する。従って、不平衡評価量|ξ|は(11-2)式で示され、二相電流Iα、Iβの実数部及び虚数部で表現すると(11-3)式で示される。
【数11】
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【0058】
二相電流Iαの実数部IαR及び虚数部IαIは、(12-1)式に示すように負荷電流Iの実数部I1R及び虚数部I1Iで示され、二相電流Iβの実数部IβR及び虚数部IβIは(12-2)式に示すように、負荷電流Iの実数部I1R及び虚数部I1I、負荷電流Iの実数部I2R及び虚数部I2I、単相インバータ13の出力電流IOUTの実数部IOUTR及び虚数部IOUTIで示される。(12-1)式及び(12-2)式を(11-3)式に代入すると、不平衡評価量|ξ|は(12-3)式で示される。
【数12】
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【0059】
(12-3)式から分かるように、不平衡評価量|ξ|は出力電流IOUTの実数部IOUTR及び虚数部IOUTIの関数で示される。出力電流IOUTの実数部IOUTR及び虚数部IOUTIは、有効電力P及び無効電力Qの関数で示されることから、不平衡評価量|ξ|は有効電力P及び無効電力Qの関数である。
【0060】
そこで、単相インバータ13の有効電力Pに対して、不平衡評価量|ξ|を最小にする無効電力Qを求める。いま、単相インバータ13の有効電力Pは定数とする。(12-3)式から分かるように、不平衡評価量|ξ|は無効電力Qの関数である出力電流IOUT(実数部IOUTR、虚数部IOUTI)の二次関数であり、二次項の符号は正であるので、不平衡評価量|ξ|は下に凸の関数であり極値のときに最小となる。
【0061】
(12-3)式の両辺を無効電力Qで微分すると(13-1)式が得られ、整頓すると(13-2)式が得られる。(13-2)式で示される不平衡評価量|ξ|の導関数が0となるときに極値をとり、不平衡評価量|ξ|は最小となる。
【数13】
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【0062】
V結線変圧器の一次側電圧Eは通常運転時においては0でないので、(13-2)式で示される不平衡評価量|ξ|の導関数が0となる条件は、(14-1)式で示される。
【0063】
単相インバータ13の出力電流IOUTの実数部IOUTRは(10-1)式で示されるので、(10-1)式の両辺を無効電力Qで微分すると、(14-2)式が得られる。同様に、出力電流IOUTの虚数部IOUTIは(10-2)式で示されるので、(10-2)式の両辺を無効電力Qで微分すると、(14-3)式が得られる。(10-1)式、(10-2)式、(14-2)式、(14-3)式を(14-1)式に代入すると(14-4)式が得られる。(14-4)式から無効電力Qを求めると、無効電力Qは(14-5)式で示される。
【数14】
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【0064】
(14-5)式で示される無効電力Qが不平衡評価量|ξ|を最小とする無効電力Qを示しており、これを無効電力目標値Qとする。無効電力目標値演算部18は無効電力目標値Qを求めるために、無効電力Qを示す(14-5)式に有効電力目標値演算部17で演算された有効電力目標値Pを代入する。すなわち、(14-5)式で示される無効電力Qは有効電力Pの関数で示される(例えば、[数10]に示すように、B、D、Fは有効電力Pの関数である)ので、(14-5)式に有効電力目標値Pを代入して無効電力目標値Qを求める。
【0065】
出力電流設定部19は、この無効電力目標値Qを入力すると共に有効電力目標値演算部17で演算された有効電力目標値Pを入力し、単相インバータの出力電流IOUTの目標値IOUT1を演算し出力制御部14に出力する。これにより、出力制御部14は単相インバータ13の出力電流IOUTがその目標値IOUT1になるように制御する。つまり、無効電力Qを無効電力目標値Qに制御することによって、分散型電源12の有効電力の出力を有効電力目標値Pに保持しつつ配電系統の電圧・電流の不平衡を補償する。
【0066】
ここで、(14-5)式で示される不平衡評価量|ξ|を最小とする無効電力Qに対して、出力電流IOUTの実数部IOUTRは及び虚数部IOUTIは(10-1)式及び(10-2)式に示されるように、2つ存在することになる。出力電流IOUTの目標値IOUT1はいずれか1つであるから、以下、2つのうちのいずれであるかを示す。
【0067】
出力電流IOUTの実数部IOUTRについて、(14-5)式で求められた無効電力Qを(10-1)式に代入すると、(15-1)式に示すとおり2つの出力電流IOUTの実数部IOUTRが得られる。
【0068】
一方、(12-3)式で示される不平衡評価量|ξ|を出力電流IOUTの実数部IOUTRで微分し、不平衡評価量|ξ|の実数部IOUTRによる導関数が0となる条件(不平衡評価量|ξ|が最小となる条件)を求めると(15-2)式となり、1つの出力電流IOUTの実数部IOUTRが得られる。
【数15】
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【0069】
従って、不平衡評価量|ξ|が最小となる無効電力Qの値に対する出力電流IOUTの実数部IOUTRは、(15-2)式で示されることになり、(15-1)式で示される2つの出力電流IOUTの実数部IOUTRのうち、複号の下の符号の実数部IOUTRであることが分かる。
【0070】
第3の実施の形態によれば、単相インバータ13の出力電力の有効電力の出力を保持して無効電力のみを変化させ、配電系統の電圧・電流の不平衡を補償するための無効電力目標値を演算する無効電力目標値演算部18を設けたので、単相インバータ13の出力電力の有効電力の出力を保持しつつ、変圧器のインピーダンスが不平衡の場合や不平衡負荷が接続された場合であっても配電系統の不平衡を抑制することができる。
【0071】
次に、本発明の第4の実施の形態を説明する。図5は本発明の第4の実施の形態に係わる配電系統の不平衡補償装置の構成図である。この第4の実施の形態は、図4に示した第3の実施の形態に対し、単相インバータ13の出力電力を検出する電力演算部20を設け、無効電力目標値演算部18は有効電力目標値演算部17で求められた有効電力目標値Pに代えて電力演算部20で求められた有効電力Pを用いて無効電力目標値Qを求めるようにしたものである。図4と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【0072】
単相インバータ13の出力電圧Vbcは電圧検出器21で検出され、単相インバータ13の出力電流IOUTは電流検出器16で検出され、電力演算部20に入力される。
【0073】
前述したように無効電力目標値演算部18は、不平衡評価量|ξ|を最小とする無効電力目標値Q*を演算するものであり、その無効電力目標値Q*は有効電力Pの関数で示される。そこで、保持したい有効電力Pとして単相インバータ13が実際に出力している有効電力Pとするために、電力演算部20で演算された実有効電力Pを用いて無効電力目標値演算部18は無効電力目標値Qを求める。
【0074】
すなわち、(14-5)式で示される無効電力Qは有効電力Pの関数で示される(例えば、[数10]に示すように、B、D、Fは有効電力Pの関数である)ので、実際に単相インバータ13が出力している有効電力Pを代入して無効電力目標値Qを求める。
【0075】
出力電流設定部19は、電力演算部20で得られた有効電力P及び無効電力Qが有効電力目標値演算部17で演算された有効電力目標値P及び無効電力目標値演算部18で演算された無効電力目標値Qになるような目標値IOUT1を演算し、出力制御部14に出力する。
【0076】
これにより、出力制御部14は単相インバータ13の出力電流IOUTがその目標値IOUT1になるように制御し、分散型電源12の有効電力の出力が有効電力目標値Pを保持しつつ配電系統の電圧・電流の不平衡を補償することになる。
【0077】
第4の実施の形態によれば、電力演算部20により単相インバータ13から出力される有効電力P及び無効電力Qを検出し、有効電力目標値P及び無効電力目標値Qに一致するように制御するので、単相インバータ13の出力する有効電力Pを有効電力目標値Pに保持しつつ、変圧器のインピーダンスが不平衡の場合や不平衡負荷が接続された場合であっても配電系統の不平衡を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0078】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係わる配電系統の不平衡補償装置の説明図。
【図2】三相交流系統における不平衡評価量の説明図
【図3】本発明の第2の実施の形態に係わる配電系統の不平衡補償装置の構成図。
【図4】本発明の第3の実施の形態に係わる配電系統の不平衡補償装置の説明図。
【図5】本発明の第4の実施の形態に係わる配電系統の不平衡補償装置の構成図。
【符号の説明】
【0079】
11…不平衡補償装置、12…分散型電源、13…単相インバータ、14…出力制御部、15…目標値演算部、16…電流検出器、17…有効電力目標値演算部、18…無効電力目標値演算部、19…出力電流設定部、20…電力演算部、21…電圧検出器

図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4