JP2008178221A - アクティブフィルタ - Google Patents
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Abstract
Description
一般的に、電力系統には多数の異なる周波数成分の高調波が存在するため、従来のアクティブフィルタでは充分な補償効果が得られない上、電圧の高調波を抑制することができないという問題がある。
この問題は、今後のパワエレ産業の発達や、分散電源の拡大、電力系統における種々の高調波源の増大等により高調波ノイズの影響が益々大きくなることを考えると、極めて重大である。
まず初めに、この発明の基本的な考え方を説明する。
この発明の基本は、従来のようにdq軸変換を行なわず、状態変数を複素数で表す新しい交流理論を利用した交流回路の解析/制御にもとづき新規なアクティブフィルタを実現することにある。このための基本式となるのが、次の単相回路の電力方程式である。
この式は電圧/電流瞬時値を有効電力実効値/無効電力実効値に結ぶことができ、非常に重要な式である。
正弦波電圧ν、正弦波電流iは以下の通り表される。
この式から、有効電力瞬時値pは定常項電力VIcos(ψ−θ)と2倍周波数で振動している電力VIcos(2ωt+ψ+θ)であることがわかる。また、単相回路において、有効電力瞬時値pと有効電力実効値Pは等しくないことがわかる。
この式から、無効電力瞬時値qは定常項電力VIsin(ψ−θ)と2倍周波数で振動している電力VIsin(2ωt+ψ+θ)であることがわかる。また、単相回路において、無効電力瞬時値qと無効電力実効値Qは等しくないことがわかる。
以上の式(2)〜式(6)により、式(1)が成立することがわかる。
図1はこの発明の実施の形態1におけるアクティブフィルタの機能ブロック図を示すもので、アクティブフィルタ1は、電力系統PNと負荷系統LNとの間に接続され、電圧検出用変成器PTで検出された母線電圧νSと、電流検出用変流器CTで検出された負荷電流iLとから、負荷電流iLの高調波成分を打ち消す補償電流iAFを出力し、系統側電流iSを基本正弦波とし、電力系統の他のユーザへの悪影響を抑制する機能を果たすものである。
まず、ステップ101において、電圧・電流計測、A/D変換を行う。
フーリエ変換によれば、回路の電圧瞬時値νは以下のように表わすことができる。
は電圧基本波成分と多数の電圧高調波成分より構成される。
なお、式(2)の複素数電圧νは実数部と虚数部に分けることができる。
このように、電圧実測瞬時値波形はコサイン関数を使用することがわかる。
なお、式(3)の複素数電流iは実数部と虚数部に分けることができる。
単相有効電力瞬時値pは以下の通りで定義される。
基本波以外周波数の有効電力瞬時値pharmonicは次のように計算される。
基本波以外周波数の無効電力瞬時値qharmonicは次のように計算される。
単相有効電力実効値Pの定義は以下の通りである。
有効電力瞬時値pを上式に代入すると、次式が得られる。
実測瞬時電圧値νreは次式で展開する。
計算式は次式である。
式(38)の分母として実測電圧瞬時値の代わりに、積分手法で求められた電圧実効値Vを利用する。
電圧実効値の移動平均値νaveを取れば、更に安定な値を求められる。
計測された有効電力実効値Pと無効電力実効値Qの移動平均を取れば、更に安定な値を求められる。
図3において、Lはインダクタ、Cはコンデンサ、VSは電源、AFはこの発明に係わるアクティブフィルタ、Sはスイッチである。iSは系統側電流、iLは負荷側電流、iAFはアクティブフィルタAFの出力である補償電流である。
スイッチSを投入すると、このLC回路に過渡電流が生じる。
この回路の定常電流解は以下の通りである。
図4は、負荷電流iLの波形を示しており、基本波電流と三つの高調波成分電流を重ねて振動していることがわかる。
図5は、有効電力瞬時値pと有効電力実効値Pの波形を示しており、有効電力瞬時値pは振動しているが、有効電力実効値Pは一定の値に収束する。これから高調波を含む有効電力瞬時値の積分計算により、基本波成分のみの有効電力瞬時値の演算結果と一致していることがわかる。
なお、このモデル回路では、抵抗分Rがないため、有効電力実効値は零であることがわかる。
図6は、無効電力瞬時値qと無効電力実効値Qの波形を示しており、無効電力瞬時値qは振動しているが、無効電力実効値Qは一定の値に収束する。これから高調波を含む無効電力瞬時値の積分計算により、基本波成分のみの無効電力瞬時値の演算結果と一致していることがわかる。(これがこの発明のキーポイントである)
図7は、アクティブフィルタAFの出力である補償電流iAFの波形を示すもので、数学的に、補償電流iAFの波形は基本波以外すべての高調波電流の合計値である。
図8は、アクティブフィルタAFを並列接続した系統側電流iSの波形を示すもので、系統側電流波形は基本波のみとなる。
11 電圧電流計測手段
12 A/D変換手段
13 有効電力瞬時値/無効電力瞬時値算出手段
14 有効電力実効値/無効電力実効値算出手段
15 母線瞬時電圧推定値算出手段
16 系統側基本波電流算出手段
17 補償電流算出手段
18 インターフェース
19 記憶手段
20 補償電流出力手段
Claims (7)
- 電力系統と負荷の間に接続され、負荷電流中の高調波成分を抑制する補償電流を供給するアクティブフィルタにおいて、
上記電力系統の瞬時電圧、瞬時電流を検出する電圧電流検出手段と、
検出された上記瞬時電圧、瞬時電流をデジタルデータに変換するA/D変換手段と、
デジタルデータに変換された上記瞬時電圧、瞬時電流を用いて有効電力瞬時値及び無効電力瞬時値を計算する有効電力瞬時値及び無効電力瞬時値算出手段と、
算出された上記有効電力瞬時値及び無効電力瞬時値を用いて積分手法により有効電力実効値及び無効電力実効値を計算する有効電力実効値及び無効電力実効値算出手段と、
算出された上記有効電力実効値及び無効電力実効値を用いて上記電力系統側の基本波電流を算出する系統側基本波電流算出手段と、
上記負荷電流と上記系統側基本波電流との差分を上記補償電流として出力する補償電流出力手段とを
備えたことを特徴とするアクティブフィルタ。 - 上記A/D変換された瞬時電圧値データを用いて電力系統周波数を測定すると共に、実測周波数を用いて最小二乗法により現時点及び90度前時点の瞬時電圧推定値を算出する母線瞬時電圧推定値算出手段を備え、
上記系統側基本波電流算出手段は、上記算出された有効電力実効値、無効電力実効値、母線瞬時電圧推定値を用いて上記系統側基本波電流を算出する
ことを特徴とする請求項1記載のアクティブフィルタ。 - 上記電力系統は、多相回路系統であることを特徴とする請求項1記載のアクティブフィルタ。
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