特開 2024-100468 複同調フィルタ設備及び抵抗素子の選定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024100468

(43)【公開日】2024-07-26

(54)【発明の名称】複同調フィルタ設備及び抵抗素子の選定方法

(51)【国際特許分類】

   H03H 7/01 20060101AFI20240719BHJP

   H02J 3/01 20060101ALI20240719BHJP

【ＦＩ】

H03H7/01 B

H02J3/01

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023004486

(22)【出願日】2023-01-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003942

【氏名又は名称】日新電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121441

【弁理士】

【氏名又は名称】西村 竜平

(74)【代理人】

【識別番号】100154704

【弁理士】

【氏名又は名称】齊藤 真大

(74)【代理人】

【識別番号】100206151

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 惇志

(74)【代理人】

【識別番号】100218187

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 治子

(74)【代理人】

【識別番号】100227673

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 光起

(72)【発明者】

【氏名】香西 勇樹

(72)【発明者】

【氏名】黒田 和宏

【テーマコード（参考）】

5G066

5J024

【Ｆターム（参考）】

5G066EA01

5J024AA01

5J024AA10

5J024BA19

5J024CA01

5J024CA03

5J024CA10

5J024DA01

5J024DA25

5J024EA08

5J024KA03

(57)【要約】

【課題】所望の周波数範囲において抵抗素子によるダンピング効果を得る。
【解決手段】高調波抑制対象である母線５１の交流電圧に含まれる高調波成分を抑制する複同調フィルタ設備１００であって、母線５１に接続され、リアクトル素子１１及びコンデンサ素子１２が直列に接続されたＬＣ直列共振回路１０と、ＬＣ直列共振回路１０に直列に接続され、リアクトル素子２１及びコンデンサ素子２２が並列に接続されたＬＣ並列共振回路２０と、ＬＣ並列共振回路２０と並列に接続される抵抗素子３０とを備え、抵抗素子３０のインピーダンスは、ＬＣ直列共振回路１０及びＬＣ並列共振回路２０による直列共振が発生する２つの共振周波数の間の周波数において、抵抗性を示す位相範囲に含まれるように設定される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高調波抑制対象である母線の交流電圧に含まれる高調波成分を抑制する複同調フィルタ設備であって、
前記母線に接続され、リアクトル素子及びコンデンサ素子が直列に接続されたＬＣ直列共振回路と、
前記ＬＣ直列共振回路に直列に接続され、リアクトル素子及びコンデンサ素子が並列に接続されたＬＣ並列共振回路と、
前記ＬＣ並列共振回路と並列に接続される抵抗素子とを備え、
前記抵抗素子のインピーダンスは、前記ＬＣ直列共振回路及び前記ＬＣ並列共振回路による直列共振が発生する２つの共振周波数の間の周波数において、抵抗性を示す位相範囲に含まれるように設定される、複同調フィルタ設備。

【請求項2】

前記抵抗性を示す位相範囲は、－３０度以上３０度以下である、請求項１記載の複同調フィルタ設備。

【請求項3】

前記抵抗素子は、前記ＬＣ並列共振回路に並列に接続され、
前記抵抗素子は、前記ＬＣ並列共振回路が並列共振した場合におけるインピーダンスよりも小さいインピーダンスに設定される、請求項１記載の複同調フィルタ設備。

【請求項4】

前記ＬＣ直列共振回路と前記ＬＣ並列共振回路との間に接続された避雷器をさらに備える、請求項１記載の複同調フィルタ設備。

【請求項5】

前記ＬＣ直列共振回路のリアクトル素子が降圧変圧器である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の複同調フィルタ設備。

【請求項6】

前記母線に接続され、前記ＬＣ直列共振回路のリアクトル素子を構成する三巻線変圧器をさらに備え、
前記ＬＣ直列共振回路のコンデンサ素子、前記ＬＣ並列共振回路、及び、前記抵抗素子が、前記三巻線変圧器の三次側に接続されている、請求項５記載の複同調フィルタ設備。

【請求項7】

電力線に接続され、リアクトル素子及びコンデンサ素子が直列に接続されたＬＣ直列共振回路と、前記ＬＣ直列共振回路に直列に接続され、リアクトル素子及びコンデンサ素子が並列に接続されたＬＣ並列共振回路と、前記ＬＣ並列共振回路と並列に接続される抵抗素子とを有する複同調フィルタ設備における抵抗素子の選定方法であって、
前記ＬＣ直列共振回路及び前記ＬＣ並列共振回路による直列共振が発生する２つの共振周波数において、抵抗性を示す位相範囲に含まれるように前記抵抗素子のインピーダンスを設定する、抵抗素子の選定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複同調フィルタ設備及び抵抗素子の選定方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

交流電圧に含まれる高調波成分を抑制するために、コンデンサｎ素子とリアクトルｎ素子とにより構成される複同調フィルタ設備が知られている。

【0003】

高調波成分を抑制するダンピング機能を備えた複同調フィルタ設備としては、例えば非特許文献１に示すように、高調波抑制対象である母線にコンデンサＣ１とリアクトルＬ１とを直列に接続して、さらにコンデンサＣ２及びリアクトルＬ２の並列回路を直列に接続する構成である（図８参照）。この複同調フィルタでは、コンデンサＣ１及びリアクトルＬ１の直列共振特性と、コンデンサＣ２及びリアクトルＬ２の並列共振特性による直列共振により、２つの共振点を形成することで、２つの周波数にてフィルタ効果を得ることができる。

【0004】

また、共振点よりも高次の高調波成分は、リアクトルＬ１に並列に接続された抵抗素子Ｒ１に流入するので、抵抗素子Ｒ１によって高調波成分が低減されるダンピング効果を得ることができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】IEC/TR 62001-1, “7.5.1 Single tuned damped filters” “7.5.2 Double tuned damped filters” Ed. 1.0, 2016.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一方、例えば土地取得等の事情により、高調波抑制対象である母線に直接取り付けることができない場合がある。このような場合、上記の複同調フィルタ設備では、対象母線から送電線を介した電気的に離れた母線に複同調フィルタ設備を取り付けることとなる。しかしながら、送電線のインダクタンスにより、対象母線から見ると誘導性を示すことになり、抵抗素子Ｒ１によるダンピング効果を得ることが難しくなってしまう。

【0007】

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高調波抑制対象である母線から電気的に離れた箇所に設置する場合においても、所望の周波数範囲において抵抗素子によるダンピング効果を得ることを主たる課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

すなわち本発明に係る複同調フィルタ設備は、高調波抑制対象である母線の交流電圧に含まれる高調波成分を抑制する複同調フィルタ設備であって、前記母線に接続され、リアクトル素子及びコンデンサ素子が直列に接続されたＬＣ直列共振回路と、前記ＬＣ直列共振回路に直列に接続され、リアクトル素子及びコンデンサ素子が並列に接続されたＬＣ並列共振回路と、前記ＬＣ並列共振回路と並列に接続される抵抗素子とを備え、前記抵抗素子のインピーダンスは、前記ＬＣ直列共振回路及び前記ＬＣ並列共振回路による直列共振が発生する２つの共振周波数の間の周波数において、抵抗性を示す位相範囲に含まれるように設定されることを特徴とする。
また、複同調フィルタ設備における抵抗素子の選定方法は、電力線に接続され、リアクトル素子及びコンデンサ素子が直列に接続されたＬＣ直列共振回路と、前記ＬＣ直列共振回路に直列に接続され、リアクトル素子及びコンデンサ素子が並列に接続されたＬＣ並列共振回路と、前記ＬＣ並列共振回路と並列に接続される抵抗素子とを有する複同調フィルタ設備における抵抗素子の選定方法であって、前記ＬＣ直列共振回路及び前記ＬＣ並列共振回路による直列共振が発生する２つの共振周波数において、抵抗性を示す位相範囲に含まれるように前記抵抗素子のインピーダンスを設定することを特徴とする。

【0009】

このような構成であれば、抵抗素子のインピーダンスが、ＬＣ直列共振回路及びＬＣ並列共振回路による直列共振が発生する２つの共振周波数の間の周波数において、抵抗性を示す位相範囲に含まれるように設定されるので、抵抗素子のインピーダンスは、ＬＣ直列共振回路及びＬＣ並列共振回路を構成するリアクトル素子及びコンデンサ素子を含めて設定されることとなる。したがって、例えば送電線といったリアクトインダクタンスが大きい素子を介して接続される場合であっても、抵抗素子のインピーダンスを設定することにより、電気的に離れた前記母線にて所望の周波数において抵抗素子によるダンピング効果を得ることができる。また、ＬＣ直列共振回路のリアクトル素子には抵抗素子が並列に接続されないので、抵抗素子を一つにすることができる。

【0010】

具体的な抵抗性を示す位相範囲は、－３０度以上３０度以下であることが好ましい。

【0011】

このような位相範囲であれば、複同調フィルタ設備の接続点において他の設備との共振が拡大しないので、複同調フィルタ設備が抵抗性を示すこととなり、抵抗素子のダンピング効果を得ることができる。

【0012】

前記抵抗素子は、前記ＬＣ並列共振回路に並列に接続され、前記抵抗素子は、前記ＬＣ並列共振回路の並列共振時のインピーダンスよりも小さいインピーダンスに設定されることが挙げられる。

【0013】

このような構成であれば、抵抗素子は、ＬＣ並列共振回路の並列共振時のインピーダンスよりも小さいインピーダンスに設定されるので、ＬＣ並列共振回路の並列共振周波数の近傍の高調波成分は、ＬＣ並列共振回路に並列に接続された抵抗素子に流入する。したがって、ＬＣ並列共振回路の並列共振周波数の近傍の高調波成分に対して、抵抗素子によるダンピング効果を得ることができる。

【0014】

ＬＣ並列共振回路を過渡的な過電圧から保護するためには、前記ＬＣ直列共振回路と前記ＬＣ並列共振回路との間に接続された避雷器をさらに備えることが望ましい。

【0015】

前記複同調フィルタ設備において、前記ＬＣ直列共振回路のリアクトル素子が降圧変圧器であるものが挙げられる。

【0016】

このような構成であれば、降圧変圧器の漏れインピーダンス（％Ｘ）がＬＣ直列共振回路のリアクタンスとなり、変圧器の２次側にＬＣ直列共振回路のコンデンサ素子及びＬＣ並列共振回路及び抵抗素子を接続することによって、降圧変圧器の一次側の回路にフィルタを設置した場合と電気的に等価なインピーダンス特性を持つフィルタを容易に構成することができる。

【0017】

前記電力線に接続され、前記ＬＣ直列共振回路のリアクトル素子を構成する三巻線変圧器をさらに備え、前記ＬＣ直列共振回路のコンデンサ素子、前記ＬＣ並列共振回路、及び、前記抵抗素子が、前記三巻線変圧器の三次側に接続されているものが挙げられる。

【0018】

このような構成であれば、三巻線変圧器の二次側を別の負荷用母線として用いることができる。また、降圧変圧器を中性点機器設置用の変圧器として兼用することができる。

【発明の効果】

【0019】

このように構成した本発明によれば、高調波抑制対象である母線から電気的に離れた箇所に設置する場合においても、所望の周波数範囲において抵抗素子によるダンピング効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本実施形態における複同調フィルタ設備を示す模式図である。

【図2】同実施形態における複同調フィルタ設備のインピーダンス特性を示すグラフである。

【図3】実験例における（ａ）周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフ、（ｂ）周波数と位相との関係を示すグラフである。

【図4】他の実施形態における複同調フィルタ設備を示す模式図である。

【図5】他の実施形態における複同調フィルタ設備を示す模式図である。

【図6】他の実施形態における複同調フィルタ設備を示す模式図である。

【図7】他の実施形態における複同調フィルタ設備を示す模式図である。

【図8】従来例における複同調フィルタ設備を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下に、本発明に係る複同調フィルタ設備の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に示すいずれの図についても、わかりやすくするために、適宜省略し、又は、誇張して模式的に描かれている場合がある。同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略する。

【0022】

＜１．装置構成＞
本実施形態における複同調フィルタ設備１００は、図１に示すように、電力線である高圧側母線（例えば１５４ｋＶ母線）５１の交流電圧に含まれる例えば５次高調波、７次高調波、１１次高調波などの高調波成分を抑制するものである。

【0023】

具体的にこの複同調フィルタ設備１００は、遮断器４１を介して高圧側母線５１に接続されるＬＣ直列共振回路１０と、ＬＣ直列共振回路１０に直列に接続されるＬＣ並列共振回路２０と、ＬＣ並列共振回路２０に接続される抵抗素子３０とを備える。以下、各部について説明する。

【0024】

ＬＣ直列共振回路１０は、リアクトル素子１１及びコンデンサ素子１２を互いに直列に接続することにより構成される。なお、本実施形態において、リアクトル素子１１はコンデンサ素子１２に対して母線５１とは反対側に接続されるが、リアクトル素子１１及びコンデンサ素子１２が接続される位置関係は特に限定されない。

【0025】

ＬＣ並列共振回路２０は、リアクトル素子２１及びコンデンサ素子２２を互いに並列に接続することにより構成される。本実施形態において、ＬＣ並列共振回路２０は、ＬＣ直列共振回路１０に対して母線５１とは反対側に接続されるが、ＬＣ直列共振回路１０及びＬＣ並列共振回路２０が接続される位置関係は特に限定されない。

【0026】

抵抗素子３０は、ＬＣ並列共振回路２０に並列に接続される。また、本実施形態において、抵抗素子３０のインピーダンスは、ＬＣ並列共振回路２０のリアクトル素子２１及びコンデンサ素子２２における並列共振時の合成インピーダンスよりも小さく設定される。これにより、ＬＣ並列共振回路２０のリアクトル素子２１及びコンデンサ素子２２における並列共振周波数の近傍の高調波成分は、抵抗素子３０に流入する。

【0027】

＜２．抵抗素子３０のインピーダンスの設定方法＞
図２に示すように、ＬＣ直列共振回路１０及びＬＣ並列共振回路２０の合成インピーダンスは、ＬＣ直列共振回路１０のインピーダンス及びＬＣ並列共振回路２０のインピーダンスの交点である周波数ｆ_ａ、ｆ_ｂ（なお、ｆ_ａ＜ｆ_ｂとする。）において最小となる。これら周波数ｆ_ａ、ｆ_ｂがＬＣ直列共振回路１０及びＬＣ並列共振回路２０による直列共振の共振周波数となる。すなわち、ＬＣ直列共振回路１０及びＬＣ並列共振回路２０の直列共振は、２つの共振周波数ｆ_ａ、ｆ_ｂにおいて発生する。

【0028】

そして、抵抗素子３０のインピーダンスは、これら周波数ｆ_ａ、ｆ_ｂの間の周波数において、抵抗性を示す位相範囲に含まれるように設定される。高調波フィルタが高調波抑制効果を示す範囲の指標として用いられる尖鋭度Ｑは、複同調フィルタ設備の回路のインピーダンス角が±４５度となる周波数で規定されている。このことから、複同調フィルタ設備１００の接続点において他の設備との共振が拡大しないために、具体的な抵抗性を示す位相範囲は－４５度以上４５度以下であり、より好ましい位相範囲は－３０度以上３０度以下である。

【0029】

ここで位相θは、次の数１で表される。なお、ＬＣ直列共振回路１０のリアクトル素子１１のリアクタンスをＸ_Ｌ１、コンデンサ素子１２のリアクタンスをＸ_Ｃ１、ＬＣ並列共振回路２０のリアクトル素子２１のリアクタンスをＸ_Ｌ２、コンデンサ素子２２のリアクタンスをＸ_Ｃ２、抵抗素子３０インピーダンスをＲ_２とする。また、コンデンサ素子１１、２１、リアクトル素子１２、２２のリアクタンスは、複同調フィルタ設備１００が接続される電力系統の基本周波数に対するリアクタンスであり、ｎは基本周波数ｆ_１に対する倍率である。すなわち、ｎと周波数との関係は、ｆ＝ｎ×ｆ_１となる。

【0030】

【数1】

【0031】

数１より、周波数ｆ_ａ、ｆ_ｂの間の周波数範囲において、ｔａｎθは単調に増加する。したがって、抵抗性を示す位相範囲とするには、抵抗素子３０のインピーダンスは、周波数ｆ_ａでは数２を満たし、かつ、周波数ｆ_ｂでは数３を満たすように設定される。

【0032】

【数2】

【0033】

【数3】

【0034】

＜３．実験例＞
ここで、５次高調波（２５０Ｈｚ）から７次高調波（３５０Ｈｚ）の周波数範囲における抵抗素子３０のダンピング効果を確認した実験例を図３に示す。抵抗素子３０のインピーダンスは、５次高調波ではｔａｎθがｔａｎ（－３０°）よりも大きくなるように設定され、７次高調波ではｔａｎθがｔａｎ（３０°）よりも小さくなるように設定される。なお、図３（ａ）の縦軸はインピーダンス［Ω］、横軸は周波数［Ｈｚ］、図３（ｂ）の縦軸は位相［°］、横軸は周波数［Ｈｚ］である。

【0035】

その結果、図３（ａ）に示すように、複同調フィルタ設備１００の合成インピーダンスは、２５０Ｈｚから３５０Ｈｚの周波数範囲において低下しているので、複同調フィルタ設備１００が高調波成分を抑制している。また、図３（ｂ）に示すように、２５０Ｈｚから３５０Ｈｚの周波数範囲において、位相は、抵抗性を示す位相範囲である―３０度から３０度に収まっている。したがって、この複同調フィルタ設備１００は、２５０Ｈｚから３５０Ｈｚの周波数範囲において高調波成分を抑制するとともに、抵抗性を示している。

【0036】

＜４．本実施形態の効果＞
本実施形態によれば、抵抗素子３０のインピーダンスが、ＬＣ直列共振回路１０及びＬＣ並列共振回路２０による直列共振が発生する２つの共振周波数ｆ_ａ、ｆ_ｂの間の周波数において、抵抗性を示す位相範囲に含まれるように設定されるので、抵抗素子３０のインピーダンスは、ＬＣ直列共振回路１０及びＬＣ並列共振回路２０を構成するそれぞれのリアクトル素子１１、２１及びコンデンサ素子１２、２２を含めて設定されることとなる。したがって、リアクトル素子１１、２１のインダクタンス及びコンデンサ素子１２、２２のキャパシタンスの何れもが大きい場合であっても、抵抗素子３０のインピーダンスを設定することにより、所望の周波数において抵抗素子３０によるダンピング効果を得ることができる。また、ＬＣ直列共振回路１０のリアクトル素子１１には抵抗素子３０が並列に接続されないので、抵抗素子３０を一つにすることができる。

【0037】

＜５．その他の実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

【0038】

図４に示すように、ＬＣ直列共振回路１０及びＬＣ並列共振回路２０の間に避雷器６１を設けても良い。この構成により、ＬＣ並列共振回路２０を過渡的な過電圧から保護することができる。

【0039】

さらに、図５に示すように、高調波抑制対象である母線（例えば１５４ｋＶ母線）５１から送電線Ｌを介した母線５２に複同調フィルタ設備１００を取り付けてもよい。この場合、送電線Ｌ、ＬＣ直列共振回路１０、及び、ＬＣ並列共振回路２０の合成インピーダンスを用いて抵抗素子３０のインピーダンスを設定することにより、抵抗素子３０によるダンピング効果を得ることができる。

【0040】

図６に示すように、ＬＣ直列共振回路１０のリアクトル素子１１を降圧変圧器１３として、降圧変圧器１３の低圧側母線５２にコンデンサ素子１２が接続される構成としてもよい。これにより、降圧変圧器１３の漏れインピーダンス（％Ｘ）がＬＣ直列共振回路１０のリアクタンスとなり、降圧変圧器１３の２次側にＬＣ並列共振回路２０及び抵抗素子３０を接続することによって、降圧変圧器１３の一次側の回路にフィルタを設置した場合と電気的に等価なインピーダンス特性を持つフィルタを容易に構成することができる。

【0041】

さらに、図７に示すように、降圧変圧器１３を三巻線変圧器１４により構成して、三巻線変圧器１４の２つの低圧側母線５２、５３の一方（三次側母線５３）にコンデンサ素子１２を接続しても良い。この構成であれば、三巻線変圧器１４の二次側を別の負荷用母線として用いることができる。

【0042】

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

【符号の説明】

【0043】

１００・・・複同調フィルタ設備
１０ ・・・ＬＣ直列共振回路
１１ ・・・リアクトル素子
１２ ・・・コンデンサ素子
２０ ・・・ＬＣ並列共振回路
２１ ・・・リアクトル素子
２２ ・・・コンデンサ素子
３０ ・・・抵抗素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】