JP2005245117A - 電力用アクティブフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】配電系統の回路定数が変化したときに制御ゲインを自動調節して、常に的確な制御ゲインで系統電圧に含まれる高調波成分の補償を行うことができるようにしたアクティブフィルタを提供する。
【解決手段】系統電圧検出部２により検出した３相の系統電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwをｄｑ変換部３により２相交流電圧Ｖd，Ｖqに変換した後直流分を抽出して系統電圧に含まれるｎ次（ｎは３以上の奇数）高調波電圧成分Ｖnd，Ｖnqを求める。補償電流検出部７により検出した３相の高調波補償電流Ｉau，Ｉav，Ｉawをｄｑ変換部８により２相の交流電流Ｉd，Ｉqに変換した後直流分を抽出して高調波補償電流に含まれるｎ次高調波電流成分Ｉnd，Ｉnqを求める。制御ゲイン決定部１０でｎ次高調波電流成分の変動幅を検出して、その変動幅を系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように制御ゲインＫを決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、系統電圧の高調波歪みを抑制するために配電系統に接続される電力用アクティブフィルタに関するものである。

配電系統では、高調波発生源から発生した高調波が進相コンデンサと配電線インピーダンスによる共振により拡大する現象が発生することがある。高調波の拡大現象が発生すると、高調波電圧の影響で進相コンデンサが過負荷となって焼損する等の事故が発生することがある。

系統電圧の高調波歪みを抑制するために配電系統に設置される電力用アクティブフィルタとして、特許文献１に示されているような電圧検出形のアクティブフィルタが知られている。電圧検出形のアクティブフィルタは、配電系統の系統電圧を検出する系統電圧検出部と、系統電圧検出部により検出された系統電圧に含まれるｎ次（ｎは３以上の奇数）の高調波成分Ｖafを検出する高調波電圧成分検出部と、制御ゲインＫを設定する制御ゲイン設定部と、下記の（１）式に示すように、制御ゲイン設定部により設定された制御ゲインＫを高調波電圧成分検出部により検出されたｎ次高調波電圧成分Ｖafに乗じて求めた高調波補償電流Ｉafを出力する補償電流出力部とを備えていて、補償電流出力部が出力する高調波補償電流Ｉafを配電系統に注入することにより系統電圧の高調波歪みを抑制する。
Ｉaf＝Ｋ×Ｖaf（ベクトル演算） …（１）
このアクティブフィルタは、高調波電圧に対してのみ作用する１／Ｋ［Ω］の抵抗として動作する。

高調波成分の検出を迅速に行わせるため、上記高調波電圧成分検出部においては、３相の系統電圧検出信号を、検出しようとする高調波成分の角速度と同じ角速度で回転する回転座標系の２相交流信号に変換して、該２相交流信号から高調波成分を検出する方法がとられている。３相の系統電圧検出信号を、高調波成分の角速度と同じ角速度で回転する回転座標系の信号に変換すると、該回転座標系においては、高調波成分が静止して直流成分として検出されるため、座標変換部の出力に平均化処理を施して直流分を抽出することにより、高調波成分を求めることができる。

この場合、高調波電圧成分検出部は、系統電圧検出部から得られる３相の交流電圧検出信号を、ｄ軸とｑ軸との２軸を有してｎ次高調波成分の角速度と同じ角速度ｎωｔで回転する回転座標系の２相交流電圧信号に変換するｄｑ変換部と、このｄｑ変換部から得られる２相交流電圧信号から直流分を抽出するローパスフィルタとにより構成される。高調波電圧成分検出部をマイクロプロセッサにより構成する場合、上記フィルタは、ｄｑ変換部から得られる２相交流電圧信号の平均値（２相交流電圧信号に含まれる直流分）を求める平均値演算手段により構成される。平均値演算手段としては、ｄｑ変換部から得られる２相交流電圧信号のデジタル値に系統電圧の基本波成分の１周期の期間に亘って移動平均演算を施す手段がよく用いられる。

高調波電圧成分検出部が上記のように構成される場合、補償電流出力部は、直流分抽出部から得られる高調波電圧成分にそれぞれ制御ゲインＫを乗じることにより、２相の高調波補償電流指令を発生する乗算手段と、該２相の高調波補償電流指令にｄｑ変換部による変換と逆の変換を施すことにより３相の高調波補償電流指令を出力するｄｑ逆変換部と、インバータと、ｄｑ逆変換部が出力した高調波補償電流指令により指令される大きさと位相とを有する高調波補償電流をインバータから出力させるように３相の高調波補償電流指令に応じてインバータを制御するインバータ制御部とにより構成される。
特開２００２−３２０３２９号公報

アクティブフィルタＡＦの設置点の系統電圧Ｖaは、重ね合わせの定理より、アクティブフィルタＡＦが出力する高調波補償電流Ｉaf以外の要因による電圧Ｖa1と、アクティブフィルタが出力する高調波補償電流Ｉafとアクティブフィルタから見た系統インピーダンスとにより決まる電圧Ｖa2とのベクトル和となる。そのため、アクティブフィルタによる高調波電圧補償制御には、図５に示したような制御ループが存在する。

アクティブフィルタにおいては、限界ゲイン（アクティブフィルタを安定に動作させる制御ゲインＫの最大値で、配電系統の負荷状況により異なる）を超えない範囲で、制御ゲインＫを大きくすればするほど高調波補償効果が高くなる。しかし、制御ゲインＫを大きくしていくと、配電系統の負荷状況が変化せず、限界ゲインが変化しない場合であっても、高調波電圧成分Ｖafの検出遅れ等に起因して生じる制御遅れにより制御系が不安定になり、かえって高調波成分が増幅されることがある。特に図５に示した制御ループに、アクティブフィルタＡＦが出力する高調波補償電流Ｉafにより設置点の系統電圧Ｖaが上昇するモードが存在すると、高調波補償電流Ｉafが無限に（実際には定格電流を超えないように制限されるが）大きくなり、系統電圧の高調波歪みが増大する。

また配電系統の負荷状況が変化する状態では、限界ゲインが時々刻々変化するため、制御ゲインＫを大きくすると、制御ゲインが限界ゲインを超える状態が生じ易くなって、制御系が不安定になり、高調波成分を増加させるおそれがある。

上記のように、制御ゲインが大きすぎて、アクティブフィルタの制御が不安定になると、系統電圧に含まれる高調波成分をかえって増加させることがあるため、アクティブフィルタが系統に悪影響を与えることになり、好ましくない。

特許文献１に示されたような従来のアクティブフィルタでは、上記のような問題点について配慮されていないため、制御ゲインを大きくして高い高調波抑制効果を得ることが難しかった。

また従来技術によった場合には、制御を不安定にすることがない範囲で、最大の高調波抑制効果を得るための最適の制御ゲインを決定するために、詳細な事前検討や、煩雑な現地調整試験を行う必要があったため、アクティブフィルタを設置する際の前準備が面倒になり、設置に要するコストが高くなるという問題があった。

本発明の目的は、配電系統に悪影響を与えない範囲で、制御ゲインをできるだけ大きくして高い高調波補償効果を得ることができるようにした電力用アクティブフィルタを提供することにある。

本発明の他の目的は、制御ゲインを設定するための煩雑な前準備を行うことなく配電系統に設置することができるようにした電力用アクティブフィルタを提供することにある。

本発明は、配電系統の系統電圧を検出する系統電圧検出部と、系統電圧検出部により検出された系統電圧に含まれるｎ次（ｎは３以上の奇数）の高調波成分を検出する高調波電圧成分検出部と、制御ゲイン設定部と、制御ゲイン設定部により設定された制御ゲインを高調波電圧成分検出部により検出されたｎ次高調波電圧成分に乗じて求めた高調波補償電流を出力する補償電流出力部とを備えて、高調波補償電流を配電系統に注入することにより系統電圧の高調波歪みを抑制する電力用アクティブフィルタに係わるものである。

本発明においては、制御ゲイン設定部が、補償電流出力部から出力される高調波補償電流を検出する補償電流検出部と、この補償電流検出部により検出された高調波補償電流のｎ次（ｎは３以上の奇数）高調波電流成分を検出する高調波電流成分検出器と、この高調波電流成分検出器により検出されたｎ次高調波電流成分の変動幅を系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように制御ゲインを決定する制御ゲイン決定部とを備えている。

本発明の好ましい態様では、上記制御ゲイン決定部が、系統電圧の基本波成分の１周期の期間に補償電流検出部により検出される高調波補償電流に含まれるｎ次高調波電流成分の最大値と最小値との差を高調波電流成分の変動幅として演算する高調波電流成分変動幅演算手段と、演算された高調波電流成分の変動幅が系統電圧に影響を及ぼさない範囲の上限値に設定された第１の判定値以上であるときに制御ゲインを高調波電流成分の変動幅に第１の定数を乗じた分だけ減少させ、高調波電流成分の変動幅が上記第１の判定値よりも小さい値に設定された第２の判定値以下であるときに制御ゲインを高調波電流成分の変動幅に第２の定数を乗じた分だけ増加させることにより制御ゲインを演算する制御ゲイン演算部とにより構成される。

上記の構成では、制御ゲイン決定部が、補償電流出力部から出力される高調波補償電流に含まれるｎ次高調波電流成分の変動幅を系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように制御ゲインを決定するとしたが、制御ゲイン決定部は、高調波電圧成分検出部により検出されるｎ次高調波電圧成分の変動幅を系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように制御ゲインを決定するものであってもよい。

この場合、制御ゲイン決定部は、系統電圧の基本波成分の１周期の期間に高調波電圧成分検出部により検出されたｎ次高調波電圧成分の最大値と最小値との差を高調波電圧成分の変動幅として演算する高調波電圧成分変動幅演算手段と、演算された高調波電圧成分の変動幅が系統電圧に影響を及ぼさない範囲の上限値に設定された第１の判定値以上であるときに制御ゲインを高調波電圧成分の変動幅に第１の定数を乗じた分だけ減少させ、高調波電圧成分の変動幅が第１の判定値よりも小さい値に設定された第２の判定値以下であるときに制御ゲインを高調波電圧成分の変動幅に第２の定数を乗じた分だけ増加させることにより制御ゲインを演算する制御ゲイン演算部とにより構成するのが好ましい。

上記高調波電圧成分検出部は、系統電圧検出部により検出された３相の交流電圧を、ｄ軸及びｑ軸を有してｎ次高調波成分の角速度と同じ角速度で回転する回転座標系の２相の交流電圧に変換する第１のｄｑ変換部（３相／２相変換部）と、この第１のｄｑ変換部から得られる２相の交流電圧のデジタル値に系統電圧の基本波成分の１周期の期間に亘って移動平均演算を施して２相の交流電圧にそれぞれ含まれる直流分を抽出することにより２相の交流電圧にそれぞれ含まれる２相のｎ次高調波成分を求める第１の直流分抽出部とにより構成することができる。このように高調波電圧成分検出部を構成する場合、前記高調波電圧成分変動幅演算手段は、系統電圧の基本波成分の１周期の期間に求められた２相のｎ次高調波電圧成分の最大値と最小値との差のうちの大きい方を高調波電圧成分の変動幅として採用するように構成する。

また高調波電流成分検出部は、系統電流検出部により検出される３相の交流電流を、ｄ軸及びｑ軸を有してｎ次高調波成分の角速度と同じ角速度で回転する回転座標系の２相交流電流に変換する第２のｄｑ変換部（３相／２相変換部）と、この第２のｄｑ変換部から得られる２相交流電流のデジタル値に系統電圧の基本波成分の１周期の期間に亘って移動平均演算を施して２相の交流電流にそれぞれ含まれる直流分を抽出することにより２相の交流電流にそれぞれ含まれる２相のｎ次高調波電流成分を求める第２の直流分抽出部とにより構成することができる。このように高調波電流成分検出部を構成する場合、前記高調波電流成分変動幅演算手段は、系統電圧の基本波成分の１周期の期間に求められた２相のｎ次高調波電流成分のそれぞれの最大値と最小値との差のうちの大きい方を高調波電流成分の変動幅として採用するように構成する。

また補償電流出力部は、直流分抽出部により求められた２相の高調波電圧成分にそれぞれ制御ゲインを乗じて２相の高調波補償電流を求める乗算手段と、２相の高調波補償電流にｄｑ変換部による変換と逆の変換を施すことにより、系統電流に含まれる高調波電圧成分を低減するために配電系統に注入する３相の高調波補償電流の大きさと位相とを与える３相の高調波補償電流指令を発生するｄｑ逆変換部（２相／３相変換部）と、インバータと、ｄｑ逆変換部が発生した３相の高調波補償電流指令により指令される大きさと位相とを有する３相の高調波補償電流をインバータから出力させるように３相の高調波補償電流指令に応じてインバータを制御するインバータ制御部とを備えた構成とすることができる。

ここで、「系統電圧に影響を及ぼさない範囲」とは、系統電圧の変動範囲及び波形の歪み率が規格から外れることがない範囲を意味する。即ち、高調波補償電流に含まれるｎ次高調波電流成分の変動幅または系統電圧に含まれるｎ次高調波電圧成分の変動幅が「系統電圧に影響を及ぼさない範囲」にあるときに、配電系統に注入される高調波補償電流の変動によって、系統電圧の変動幅が規格から外れたり、系統電圧の波形の歪み率が規格から外れたりすることがないように、「系統電圧に影響を及ぼさない範囲」を設定するものとする。

上記のように、高調波補償電流に含まれるｎ次高調波電流成分または系統電圧に含まれるｎ次高調波電圧成分の変動幅を系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように制御ゲインを決定すると、配電系統の回路定数が変化した時に、制御ゲインが、制御を安定に保つことができる範囲の値に自動調節されるため、制御を不安定にすることがない範囲で制御ゲインを適値に調節して、常に最大の高調波補償効果を得ることができる。

また上記のように構成すると、系統条件に応じて制御ゲインを適当な値に設定するための詳細な事前検討や、煩雑な現地調整試験を行う必要がなくなるので、アクティブフィルタの設置を容易にすることができる。

以上のように、本発明によれば、高調波補償電流に含まれるｎ次高調波電流成分または系統電圧に含まれるｎ次高調波電圧成分の変動幅を系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように制御ゲインを決定するので、配電系統の回路定数が変化した時に、制御ゲインを、制御を安定に行わせる範囲の値に自動調節して、常に最大の高調波補償効果を得ることができる。

また本発明によれば、系統条件に応じて制御ゲインを適当な値に設定するための詳細な事前検討や、煩雑な現地調整試験を行う必要がなくなるため、アクティブフィルタの設置を容易にすることができる。

以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
第１の実施形態
図１は本発明の第１の実施形態の全体的な構成を示したもので、同図において、１ｕないし１ｗは配電系統に設けられたＵ，Ｖ，Ｗ３相の配電線、２は配電線１ｕないし１ｗの電圧を検出する系統電圧検出部、３は系統電圧検出部２により検出された３相の系統電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwを２相交流電圧Ｖd，Ｖｑに変換する第１のｄｑ変換部（３相／２相変換部）、４は第１のｄｑ変換部から得られる２相の交流電圧Ｖd，Ｖqにそれぞれ含まれる直流分を抽出して２相の交流電圧Ｖd，Ｖqにそれぞれ含まれる２相のｎ次（ｎは３以上の奇数）高調波電圧成分Ｖnd，Ｖnqを求める第１の直流分抽出部、５及び６は第１の直流分抽出部から得られる２相のｎ次高調波電圧成分Ｖnd及びＶnqに制御ゲインＫを乗じることにより２相の高調波補償電流Ｉad及びＩaqを演算する乗算手段である。

また７は後記する補償電流出力部から出力される高調波補償電流Ｉau，Ｉav，Ｉawを検出する補償電流検出部、８は補償電流検出部７により検出された３相の高調波補償電流Ｉau，Ｉav，Ｉawを２相の交流電流Ｉd，Ｉqに変換する第２のｄｑ変換部、９は第２のｄｑ変換部から得られる２相の交流電流Ｉd，Ｉqにそれぞれ含まれる直流分を抽出して２相の交流電流Ｉd及びＩqにそれぞれ含まれるｎ次高調波電流のｄ軸成分Ｉnd及びｑ軸成分Ｉnqを求める第２の直流分抽出部、１０は第２の直流分抽出部から得られるｎ次高調波電流成分Ｉnd及びＩnqに演算処理を施すことにより制御ゲインＫを決定する制御ゲイン決定部で、補償電流検出部７と、第２のｄｑ変換部８と、第２の直流分抽出部９と、制御ゲイン決定部１０とにより制御ゲイン設定部１１が構成されている。

更に１２は高調波補償電流指令値Ｉad，Ｉaqを３相の高調波補償電流指令値Ｉau´ないしＩaw´に変換するｄｑ逆変換部、１３はインバータ制御部、１４はインバータで、乗算手段５，６と、ｄｑ逆変換部１２と、インバータ制御部１３と、インバータ制御部１３により制御されて所定の補償電流ＩauなしＩawを出力するインバータ１４とにより補償電流出力部１５が構成されている。

図１に示したアクティブフィルタにおいて、系統電圧検出部２及び補償電流検出部７は電圧及び電流をそれぞれ検出するセンサを含むハードウェアにより構成され、インバータ１４は半導体スイッチ素子のブリッジ回路により構成されている。またインバータ制御部１３は、インバータ１４を構成するスイッチ素子のオンオフ指令を発生するオンオフ指令発生手段と、該オンオフ指令に応じてインバータを構成するスイッチ素子に駆動信号を与えるドライバ回路とにより構成されている。

第１のｄｑ変換部３、第１の直流分抽出部４、乗算手段５，６、第２のｄｑ変換部８、第２の直流分抽出部９、制御ゲイン決定部１０及びｄｑ逆変換部１２と、インバータ制御部１３のオンオフ指令発生手段とは、マイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより構成される。

更に詳細に説明すると、系統電圧検出部２は、３相の配電線１ｕないし１ｗに接続されて３相の系統電圧に比例した系統電圧検出信号Ｖu，Ｖv及びＶwを出力するＰＴ（計器用電圧変成器）と、該ＰＴの出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器とにより構成されている。系統電圧検出部２から得られる系統電圧検出信号Ｖu，Ｖｖ及びＶwのデジタル値は、第１のｄｑ変換部３に与えられる。

第１のｄｑ変換部３は、下記の変換式（数１）を用いて、系統電圧検出部２により検出された３相の交流電圧Ｖu，Ｖv，Ｖwを、ｄ軸及びｑ軸を有してｎ次高調波成分の角速度と同じ角速度ｎωｔで回転する回転座標系の２相交流電圧Ｖd，Ｖqに変換する演算処理を行う。ｎ次高調波成分の角速度と同じ角速度ｎωｔで回転する回転座標系の２相交流電圧Ｖd，Ｖqには、ｎ次高調波成分が直流分として含まれているため、２相の交流電圧Ｖd，Ｖqから直流分を抽出することにより、ｎ次高調波成分を検出することができる。

第１のｄｑ変換部３から得られる信号は第１の直流分抽出部４に与えられている。第１の直流分抽出部４は、ｄｑ変換部３から得られる２相の交流電圧Ｖd，Ｖqから直流分を抽出するローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。本実施形態の直流分抽出部４は、第１のｄｑ変換部３から得られる２相の交流電圧のデジタル値を一定のサンプリング周波数（本実施形態では６［ｋＨｚ］）でサンプリングして、系統電圧の基本波成分の１周期の期間（系統電圧の周波数が５０［Ｈｚ］の場合２０[msec]）に亘ってサンプリング値の移動平均演算を施す平均値演算手段からなっていて、２相交流電圧Ｖd，Ｖqの平均値を演算することにより両信号から直流分を抽出して系統電圧に含まれるｎ次高調波電圧成分Ｖnd及びＶnqを求める。ｎ次高調波電圧成分Ｖnd及びＶnqはそれぞれ後記する制御ゲイン設定部から与えられる制御ゲインＫとともに乗算手段５及び６に与えられる。本実施形態では、第１のｄｑ変換部３と、第１の直流分抽出部４とにより、高調波電圧成分検出部が構成されている。

補償電流検出部７は、補償電流出力部１５の出力電流を検出するＣＴ（変流器）と、該ＣＴの出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器とにより構成されている。補償電流検出部７により検出された補償電流Ｉau，Ｉaｖ及びＩawのデジタル値は、第２のｄｑ変換部８に与えられる。第２のｄｑ変換部８は、前記の変換式（数１）の電圧を電流で置き換えた変換式を用いて、補償電流検出部７により検出された３相の高調波補償電流Ｉau，Ｉav，Ｉawを、ｄ軸及びｑ軸を有してｎ次高調波成分の角速度と同じ角速度ｎωｔで回転する回転座標系の２相交流電流Ｉd，Ｉqに変換する。

第２のｄｑ変換部８の出力は第２の直流分抽出部９に与えられている。第２の直流分抽出部９は、第２のｄｑ変換部８から得られる２相の交流電流のデジタル値を一定のサンプリング周波数（本実施形態では６［ｋＨｚ］）でサンプリングして、高調波補償電流の基本波成分の１周期の期間に亘ってサンプリング値の移動平均演算を施す平均値演算手段からなっていて、２相の交流電流Ｉd及びＩqの平均値を演算することにより両交流電流信号にそれぞれ含まれるｎ次高調波電流成分Ｉnd及びＩnqを求める。本実施形態では、第２のｄｑ変換部８と、第２の直流分抽出部９とにより、補償電流検出部７が検出した高調波補償電流に含まれるｎ次高調波成分を検出する高調波電流成分検出部が構成されている。

第２の直流分抽出部９から得られる高調波電流成分Ｉnd及びＩnqは、制御ゲイン決定部１０に与えられる。制御ゲイン決定部１０は、後記するように、高調波電流成分Ｉnd及びＩnqに所定の演算処理を施すことにより、高調波補償電流のｎ次高調波成分の変動幅を、系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように制御ゲインＫを決定する。制御ゲイン決定部１０により決定された制御ゲインＫは、乗算手段５及び６に与えられる。

乗算手段５及び６は、高調波電圧成分Ｖnd及びＶnqに制御ゲインＫを乗じるベクトル演算を行って、２相の高調波補償電流Ｉad及びＩaqを求め、これらをｄｑ逆変換部１２に与える。ｄｑ逆変換部１２は、下記の演算式（数２）を用いて、ｄｑ変換部で行った変換と逆の変換を行うことにより、２相の高調波補償電流Ｉad及びＩaqを３相の高調波補償電流指令Ｉau´，Ｉav´及びＩaw´に変換する。

ｄｑ逆変換部１２から得られる３相の高調波補償電流指令Ｉau´ないしＩaw´は、インバータ制御部１３に与えられる。インバータ制御部１３は、３相の高調波補償電流指令Ｉau´ないしＩaw´により指令される大きさと位相とを有する高調波補償電流Ｉau，Ｉav及びＩawをインバータ１４から出力させるようにインバータ１４を制御する。インバータ１４から出力される３相の高調波補償電流ＩauないしＩawは、配電線１ｕ，１ｖ及び１ｗに注入される。この補償電流により系統電圧に含まれるｎ次高調波成分が低減され、系統電圧の波形歪みが改善される。

本実施形態において、アクティブフィルタの基本的な動作は従来のものと同様であるが、本発明においては、制御ゲイン決定部１０が、高調波補償電流出力部から出力されるｎ次高調波電流成分の変動幅を系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように制御ゲインを決定する。本実施形態では、この制御ゲイン決定部１０が、系統電圧の基本波成分の１周期の期間に検出されたｎ次高調波電流成分のｄ軸成分Ｉndの最大値と最小値との差ΔＩndをｎ次高調波電流成分の変動幅ΔＩとして演算する高調波電流変動幅演算手段と、演算されたｎ次高調波電流の変動幅ΔＩが系統電圧に影響を及ぼさない値の上限値に設定された第１の判定値以上であるときにｎ次高調波電流成分の変動幅に第１の定数を乗じた分だけ制御ゲインを減少させ、ｎ次高調波電流成分の変動幅ΔＩが上記第１の判定値よりも小さい値に設定された第２の判定値以下であるときにｎ次高調波電流成分の変動幅ΔＩに第２の定数を乗じた分だけ制御ゲインを増加させることにより制御ゲインを演算する制御ゲイン演算部とにより構成されている。上記第２の判定値は、高調波補償電流に含まれるｎ次高調波電流成分の変動幅が、系統電圧に影響を及ぼさない範囲でとり得る値の下限値に設定するのが好ましい。

上記制御ゲイン決定部を構成するためにマイクロプロセッサに実行させるプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートを図２に示した。図２に示した例では、第５次高調波成分を補償する場合を例にとっている。マイクロプロセッサは、一定の制御周期で図２のルーチンを実行する。本実施形態では、第１の直流分抽出部４が第１のｄｑ変換部３の出力をサンプリングする際のサンプリング周期と同じ周期で図２のルーチンを実行するようにしている。

図２に示したアルゴリズムによる場合には、先ずステップ１において、第２の直流分抽出部９から得られる２相の第５次高調波電流成分Ｉ5d及びＩ5qを読み込む。次いでステップ２において２相の第５次高調波電流のｄ軸成分Ｉ5d及びｑ軸成分Ｉ5qのそれぞれの最大値（Ｉ5dmax，Ｉ5qmax）及び最小値（Ｉ5dmin，Ｉ5qmin）を求めて、新たに求めた最大値及び最小値を既に求められている最大値及び最小値と置き換える（最大値及び最小値を更新する）。

次いでステップ３において、系統電圧（この例では５０Ｈｚ）の１周期の期間（２０ms)が経過したか否かを判定する。その結果１周期の期間が経過しているときにはステップ４に移行して第５次高調波電流のｄ軸成分の最大値と最小値との差Ｉ5dmax−Ｉ5dminの絶対値を演算して、第５次高調波電流のｄ軸成分の変動幅ΔＩdを演算し、第５次高調波電流のｑ軸成分の最大値と最小値との差Ｉ5qmax−Ｉ5qminの絶対値を演算して、第５次高調波電流のｑ軸成分の変動幅ΔＩqを演算する。その後ステップ５で第５次高調波電流のｄ軸成分の変動幅ΔＩd及びｑ軸成分の変動幅ΔＩqのうちの大きい方を高調波電流成分の変動幅ΔＩとして採用する。このようにして高調波電流成分の変動幅ΔＩを求めた後、ステップ６で高調波電流成分の変動幅ΔＩが、系統電圧に影響を及ぼさない値の上限値に設定された第１の判定値以上であるか否かを判定し、高調波電流成分の変動幅ΔＩが第１の判定値以上である場合には、ステップ７に進んで制御ゲインＫを第５次高調波電流成分の変動幅に第１の定数Ｇ1を乗じた値ΔＩ×Ｇ1だけ減少させる。第１の判定値は、例えばアクティブフィルタの第５次高調波補償電流の定格値の１．０％に設定される。

またステップ６で第５次高調波電流成分の変動幅ΔＩが第１の判定値よりも小さいと判定されたときには、ステップ８に進んで、第５次高調波電流成分の変動幅ΔＩが、第１の判定値よりも小さい値に設定された第２の判定値以下であるか否かを判定し、第５次高調波電流成分の変動幅ΔＩが第２の判定値以下であるときに、ステップ９に進んで制御ゲインＫを第５次高調波電流成分の変動幅ΔＩに第２の定数Ｇ2を乗じた値ΔＩ×Ｇ2だけ増加させる。ここで、第２の判定値は、系統電圧に影響を及ぼさない範囲の下限値（零でない値）で、例えばアクティブフィルタの第５次高調波補償電流の定格値の０．３％に設定される。

ステップ７またはステップ９で制御ゲインを減少または増加させた後、ステップ１０に移行して、第５次高調波電流成分の最大値（Ｉ5dmax，Ｉ5qmax)及び最小値（Ｉ5dmin，Ｉ5qmin）をクリアし、ステップ１１で新たな制御ゲインＫを出力した後このルーチンを終了する。

上記ステップ３において、系統電圧の１周期の期間が経過していないと判定されたときには、ステップ１１に移行して、元の制御ゲインＫを出力した後、このルーチンを終了する。

上記のように、補償電流出力部から出力される高調波補償電流に含まれるｎ次高調波電流成分の変動幅ΔＩが系統電圧に影響を与えない範囲の上限値以上になったときに制御ゲインＫを減少させ、ｎ次高調波電流成分の変動幅ΔＩが系統電圧に影響を与えない範囲の下限値以下になったときに制御ゲインを増加させるように制御ゲイン設定部を構成すると、配電系統の回路定数が変化したときに、制御が安定に行われる範囲の適値に制御ゲインを自動調節して、常に最大の高調波補償効果を得ることができる。

また上記のように構成すると、系統条件に応じて制御ゲインを適当な値に設定するための詳細な事前検討や、煩雑な現地調整試験を行う必要がなくなるので、アクティブフィルタの設置を容易にすることができる。

第１の定数Ｇ1及び第２の定数Ｇ2は、例えば、Ｇ1＝５，Ｇ2＝０．１に設定される。これらの定数は、制御のレスポンスを調整するためのもので、第１の定数Ｇ1を大きくすると、高調波電流成分の変動幅ΔＩが上限値を超えたときに、該変動幅ΔＩを上限値以下に戻す制御を迅速に行わせることができる。また第２の定数Ｇ2を大きくすると、高調波電流成分の変動幅が下限値よりも小さくなったときに、該変動幅ΔＩを下限値以上に戻す制御を迅速に行わせることができる。

なお上記第１の判定値と第２の判定値との間は不感帯となり、ｎ次高調波電流成分の変動幅ΔＩが第１の判定値と第２の判定値との間にあるときには制御ゲインの調節は行われない。

図２に示したアルゴリズムによる場合には、ステップ２ないし５により、系統電圧の基本波成分の１周期の期間に検出されるｎ次高調波電流成分の最大値と最小値との差を高調波電流成分の変動幅として演算する高調波電流成分変動幅演算手段が構成される。またステップ６ないし９により、演算された高調波電流成分の変動幅が系統電圧に影響を及ぼさない範囲の上限値に設定された第１の判定値以上であるときに高調波電流成分の変動幅に第１の定数を乗じた分だけ制御ゲインを減少させ、高調波電流成分の変動幅が第１の判定値よりも小さい値に設定された第２の判定値以下であるときに高調波電流成分の変動幅に第２の定数を乗じた分だけ制御ゲインを増加させることにより制御ゲインを演算する制御ゲイン演算部が構成される。

第２の実施形態
図３は本発明の第２の実施形態の構成を示したもので、同図において、ｄｑ変換部３及び直流分抽出部４はそれぞれ図１に示した第１のｄｑ変換部３及び第１の直流分抽出部４と同じものであり、ｄｑ変換部３と、直流分抽出部４とにより、高調波電圧成分検出部が構成されている。

本実施形態では、高調波電圧成分検出部により検出されるｎ次高調波電圧成分Ｖnd及びＶnqの変動幅を系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように制御ゲインを決定する制御ゲイン決定部１０´が設けられて、この制御ゲイン決定部１０´により、制御ゲイン設定部１１´が構成されている。その他の構成は図１に示した実施形態と同様である。

図３に示した実施形態において、制御ゲイン決定部１０´は、系統電圧の基本波成分の１周期の期間に高調波電圧成分検出部により検出されたｎ次高調波電圧成分のｄ軸成分Ｖndの最大値と最小値との差ΔＶndと、基本波成分の１周期の期間に高調波電圧成分検出部により検出されたｎ次高調波電圧成分のｑ軸成分Ｖndの最大値と最小値との差ΔＶnqとを演算して、ΔＶnd及びΔＶnqのうちの大きい方を高調波電圧成分の変動幅ΔＶとして採用する高調波電圧成分変動幅演算手段と、演算された高調波電圧成分の変動幅が系統電圧に影響を及ぼさない範囲の上限値に設定された第１の判定値以上であるときに制御ゲインを高調波電圧成分の変動幅に第１の定数を乗じた分だけ減少させ、高調波電圧成分の変動幅が第１の判定値よりも小さい値に設定された第２の判定値以下であるときに制御ゲインを高調波電圧成分の変動幅に第２の定数を乗じた分だけ増加させることにより制御ゲインを演算する制御ゲイン演算部とにより構成されている。上記第２の判定値は、系統電圧に含まれるｎ次高調波電流成分の変動幅が系統電圧に影響を及ぼさない範囲でとり得る値の下限値に設定するのが好ましい。

制御ゲイン決定部１０´を構成するために所定の制御周期でマイクロプロセッサに実行させるプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートを図４に示した。図４に示したアルゴリズムによる場合には、先ずステップ１において、第２の直流分抽出部９から得られる２相の第５次高調波電圧成分Ｖ5d及びＶ5qを読み込む。次いでステップ２において第５次高調波電圧のｄ軸成分Ｖ5d及びｑ軸成分Ｖ5qのそれぞれの最大値（Ｖ5dmax，Ｖ5qmax）及び最小値（Ｖ5dmin，Ｖ5qmin）を求めて、新たに求めた最大値及び最小値を既に求められている最大値及び最小値と置き換える（最大値及び最小値を更新する）。

次いでステップ３において、系統電圧（この例では５０Ｈｚ）の１周期の期間（２０ms)が経過したか否かを判定する。その結果１周期の期間が経過しているときにはステップ４に移行して第５次高調波電圧のｄ軸成分の最大値と最小値との差Ｖ5dmax−Ｖ5dminの絶対値を演算して、第５次高調波電圧のｄ軸成分の変動幅ΔＶdを演算し、第５次高調波電圧のｑ軸成分の最大値と最小値との差Ｖ5qmax−Ｖ5qminの絶対値を演算して、第５次高調波電圧のｑ軸成分の変動幅ΔＶqを演算する。その後ステップ５で第５次高調波電圧のｄ軸成分の変動幅ΔＶd及びｑ軸成分の変動幅ΔＶqのうちの大きい方を高調波電圧成分の変動幅ΔＶとして採用する。このようにして高調波電圧成分の変動幅ΔＶを求めた後、ステップ６で高調波電圧成分の変動幅ΔＶが、系統電圧に影響を及ぼさない値の上限値に設定された第１の判定値以上であるか否かを判定し、高調波電圧成分の変動幅ΔＶが第１の判定値以上である場合には、ステップ７に進んで制御ゲインＫを第５次高調波電圧成分の変動幅に第１の定数Ｇ1を乗じた値ΔＶ×Ｇ1だけ減少させる。第１の判定値は、例えばアクティブフィルタの第５次高調波補償電流の定格値の０．１％に設定される。

またステップ６で第５次高調波電圧成分の変動幅ΔＶが第１の判定値よりも小さいと判定されたときには、ステップ８に進んで、第５次高調波電圧成分の変動幅ΔＶが、第１の判定値よりも小さい値に設定された第２の判定値以下であるか否かを判定し、第５次高調波電圧成分の変動幅ΔＶが第２の判定値以下であるときに、ステップ９に進んで制御ゲインＫを第５次高調波電圧成分の変動幅ΔＶに第２の定数Ｇ2を乗じた値ΔＶ×Ｇ2だけ増加させる。第２の判定値は、系統電圧に影響を及ぼさない範囲の下限値（零でない値）で、例えばアクティブフィルタの第５次高調波補償電圧の定格値の０．０３％に設定される。

ステップ７またはステップ９で制御ゲインを減少または増加させた後、ステップ１０に移行して、第５次高調波電圧成分の最大値（Ｖ5dmax，Ｖ5qmax)及び最小値（Ｖ5dmin，Ｖ5qmin）をクリアし、ステップ１１で新たな制御ゲインＫを出力した後このルーチンを終了する。

上記ステップ３において、系統電圧の１周期の期間が経過していないと判定されたときには、ステップ１１に移行して、元の制御ゲインＫを出力した後、このルーチンを終了する。

上記のように、系統電圧に含まれるｎ次高調波電圧成分の変動幅ΔＶが系統電圧に影響を与えない範囲の上限値以上になったときに制御ゲインＫを減少させ、高調波電圧成分の変動幅ΔＶが系統電圧に影響を与えない範囲の下限値以下になったときに制御ゲインを増加させるように制御ゲイン設定部を構成した場合にも、配電系統の回路定数が変化したときに、制御が安定に行われる範囲の適値に制御ゲインを自動調節して、常に最大の高調波補償効果を得ることができる。また系統条件に応じて制御ゲインを適当な値に設定するための詳細な事前検討や、煩雑な現地調整試験を行う必要がなくなるので、アクティブフィルタの設置を容易にすることができる。

図３に示した実施形態において、第１の定数Ｇ1及び第２の定数Ｇ2は制御のレスポンスを調整するための定数で、例えば、Ｇ1＝１，Ｇ2＝０．０２に設定される。

図４に示したアルゴリズムによる場合には、ステップ２ないし５により、系統電圧の基本波成分の１周期の期間に検出されるｎ次高調波電圧成分の最大値と最小値との差を高調波電圧成分の変動幅として演算する高調波電圧成分変動幅演算手段が構成される。またステップ６ないし９により、演算された高調波電圧成分の変動幅が系統電圧に影響を及ぼさない範囲の上限値に設定された第１の判定値以上であるときに高調波電圧成分の変動幅に第１の定数を乗じた分だけ制御ゲインを減少させ、高調波電圧成分の変動幅が第１の判定値よりも小さい値に設定された第２の判定値以下であるときに高調波電圧成分の変動幅に第２の定数を乗じた分だけ制御ゲインを増加させることにより制御ゲインを演算する制御ゲイン演算部が構成される。

系統電圧検出部２により検出される系統電圧には、高調波と基本波とが含まれているため、図３に示すように構成した場合には、基本波の存在により、系統電圧の検出値Ｖu，Ｖv及びＶwをＡ／Ｄ変換する際に、ｎ次高調波成分のデジタル値に誤差が生じやすい。これに対し、図１に示したように構成した場合には、補償電流検出部７がｎ次高調波電流成分のみを検出するため、該検出部の出力をＡ／Ｄ変換する際に、ｎ次高調波成分のデジタル値に生じる誤差を少なくすることができる。

上記の実施形態では、第５次高調波成分を補償するとしたが、本発明は、一般に配電系統の系統電圧に含まれるｎ次（ｎは３以上の奇数）高調波成分を補償する場合に適用することができる。

本発明の第１の実施形態の構成を示したブロック図である。 図１の実施形態で用いる制御ゲイン決定部を構成するためにマイクロプロセッサに実行させるプログラムのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。 本発明の第２の実施形態の構成を示したブロック図である。 図３の実施形態で用いる制御ゲイン決定部を構成するためにマイクロプロセッサに実行させるプログラムのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。 アクティブフィルタの制御系の構成を説明するためのブロック図である。

符号の説明

１ｕ〜１ｗ 配電線
２ 系統電圧検出部
３ 第１のｄｑ変換部
４ 第１の直流分抽出部
５ 乗算手段
６ 乗算手段
７ 補償電流検出部
８ 第２のｄｑ変換部
９ 第２の直流分抽出部
１０ 制御ゲイン決定部
１１ 制御ゲイン設定部
１２ ｄｑ逆変換部
１３ インバータ制御部
１４ インバータ
１５ 補償電流出力部

Claims (4)

1. 配電系統の系統電圧を検出する系統電圧検出部と、前記系統電圧検出部により検出された系統電圧に含まれるｎ次（ｎは３以上の奇数）の高調波電圧成分を検出する高調波電圧成分検出部と、制御ゲイン設定部と、前記制御ゲイン設定部により設定された制御ゲインを前記高調波電圧成分検出部により検出されたｎ次高調波電圧成分に乗じて求めた高調波補償電流を出力する補償電流出力部とを備え、前記高調波補償電流を前記配電系統に注入することにより前記系統電圧の高調波歪みを抑制する電力用アクティブフィルタにおいて、
   前記制御ゲイン設定部は、前記補償電流出力部から出力される高調波補償電流を検出する補償電流検出部と、前記補償電流検出部により検出された高調波補償電流のｎ次高調波電流成分を検出する高調波電流成分検出部と、前記高調波電流成分検出部により検出されたｎ次高調波電流成分の変動幅を、系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように前記制御ゲインを決定する制御ゲイン決定部とを具備していること、
   を特徴とする電力用アクティブフィルタ。
2. 前記制御ゲイン決定部は、前記系統電圧の基本波成分の１周期の期間に前記補償電流検出部により検出される高調波補償電流に含まれるｎ次高調波電流成分の最大値と最小値との差を高調波電流成分の変動幅として演算する高調波電流成分変動幅演算手段と、演算された高調波電流成分の変動幅が前記系統電圧に影響を及ぼさない範囲の上限値に設定された第１の判定値以上であるときに前記高調波電流成分の変動幅に第１の定数を乗じた分だけ前記制御ゲインを減少させ、前記高調波電流成分の変動幅が前記第１の判定値よりも小さい値に設定された第２の判定値以下であるときに前記高調波電流成分の変動幅に第２の定数を乗じた分だけ前記制御ゲインを増加させることにより前記制御ゲインを演算する制御ゲイン演算部とにより構成されている請求項１に記載の電力用アクティブフィルタ。
3. 配電系統の系統電圧を検出する系統電圧検出部と、前記系統電圧検出部により検出された系統電圧に含まれるｎ次（ｎは３以上の奇数）の高調波電圧成分を検出する高調波電圧成分検出部と、制御ゲイン設定部と、前記制御ゲイン設定部により設定された制御ゲインを前記高調波電圧成分検出部により検出されたｎ次高調波電圧成分に乗じて求めた高調波補償電流を出力する補償電流出力部とを備え、前記高調波補償電流を前記配電系統に注入することにより前記系統電圧の高調波歪みを抑制する電力用アクティブフィルタにおいて、
   前記制御ゲイン設定部は、前記高調波電圧成分検出部により検出されたｎ次高調波電圧成分の変動幅を、系統電圧に影響を及ぼさない範囲に保つように前記制御ゲインを決定する制御ゲイン決定部を備えていること、
   を特徴とする電力用アクティブフィルタ。
4. 前記制御ゲイン決定部は、前記系統電圧の基本波成分の１周期の期間に前記高調波電圧成分検出部により検出されるｎ次高調波電圧成分の最大値と最小値との差を高調波電圧成分の変動幅として演算する高調波電圧成分変動幅演算手段と、演算された前記高調波電圧成分の変動幅が前記系統電圧に影響を及ぼさない範囲の上限値に設定された第１の判定値以上であるときに前記高調波電圧成分の変動幅に第１の定数を乗じた分だけ前記制御ゲインを減少させ、前記高調波電圧成分の変動幅が前記第１の判定値よりも小さい値に設定された第２の判定値以下であるときに前記高調波電圧成分の変動幅に第２の定数を乗じた分だけ前記制御ゲインを増加させることにより前記制御ゲインを演算する制御ゲイン演算部とにより構成されている請求項３に記載の電力用アクティブフィルタ。
   

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