特開 2024-77323 電圧調整装置

(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】P2024077323

(43)【公開日】2024-06-07

(54)【発明の名称】電圧調整装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/26 20060101AFI20240531BHJP

   H02J 3/14 20060101ALI20240531BHJP

【ＦＩ】

H02J3/26

H02J3/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022189357

(22)【出願日】2022-11-28

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】平野 南洋

(72)【発明者】

【氏名】白土 紀明

【テーマコード（参考）】

5G066

【Ｆターム（参考）】

5G066AA05

5G066DA03

5G066GA02

(57)【要約】

【課題】装置の大型化を回避するために２相分の調整変圧器を用いつつ、３相の不平衡の抑制効果が得られる電圧調整装置を提供する。
【解決手段】電圧調整装置は、３相の交流電圧を配電する配電線それぞれに直列に接続された２次巻線と、２次巻線に対応する１次巻線とを有する直列変圧器、タップ付き２次巻線を有する調整変圧器、前記調整変圧器のタップを、前記２次巻線それぞれについて切り換える２相分のスイッチを有するタップ切換器、並びに、前記タップ切換器を制御する制御部、を備え、前記制御部は、前記調整変圧器の２次巻線それぞれの複数のタップの組み合わせのうち、前記配電線における出力側の３相の交流電圧それぞれと目標電圧値との偏差に基づく指標値が最小となるタップの組み合わせを決定し、決定した組み合わせとなるように前記タップ切換器を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

３相の交流電圧を配電する配電線それぞれに直列に接続された２次巻線と、前記２次巻線に対応する１次巻線とを有する直列変圧器、
前記配電線のうちの第１配電線及び第２配電線の間、前記第２配電線及び第３配電線の間に並列接続された２つの１次巻線と、前記２つの１次巻線それぞれに対応するタップ付き２次巻線とを有する調整変圧器、
前記直列変圧器の１次巻線及び前記調整変圧器の２次巻線の間に設けられており、前記調整変圧器のタップを、前記２次巻線それぞれについて切り換える２相分のスイッチを有するタップ切換器、並びに、
前記タップ切換器を制御する制御部、
を備え、
前記制御部は、前記調整変圧器の２次巻線それぞれの複数のタップの組み合わせのうち、前記配電線における出力側の３相の交流電圧それぞれと目標電圧値との偏差に基づく指標値が最小となるタップの組み合わせを決定し、決定した組み合わせとなるように前記タップ切換器を制御する
電圧調整装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記配電線の入力側における電圧値と、出力側における目標電圧値との差分に応じて選択すべきタップを記憶した記憶部を更に備え、
前記制御部は、
第１配電線及び第２配電線の線間電圧値と、前記第２配電線及び第３配電線の線間電圧値とを検出し、
検出した線間電圧値それぞれについて、前記記憶部を参照して２相分個別にタップを仮決定し、
仮決定したタップの組合せとした場合の出力側の３相の交流電圧それぞれと、目標電圧値との偏差に基づく指標値を算出し、
他のタップの組み合わせについて算出された前記指標値と比較して最小となるタップの組み合わせを決定する
請求項１に記載の電圧調整装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記指標値を下記式により算出する
請求項１又は２に記載の電圧調整装置。

【数1】

σ：指標値
ΔＶuv：目標電圧値と第１配電線及び第２配電線間の交流電圧の実効値との偏差
ΔＶvw：目標電圧値と第２配電線及び第３配電線間の交流電圧の実効値との偏差
ΔＶwu：目標電圧値と第３配電線及び第１配電線間の交流電圧の実効値との偏差

【請求項4】

前記直列変圧器の１次巻線はデルタ結線されている
請求項１に記載の電圧調整装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電圧調整装置に関する。

【背景技術】

【0002】

配電系統の系統電圧を設定された範囲に保つことが必要である。配電系統の電圧が変動する要因は基本的に、需要家の負荷変動である。それ以外の要因として、太陽光発電等による分散型電源の発電状況による変動がある。これらの変動を抑えて設定された範囲に保つために、タップを切り換える電圧調整装置（ＳＶＲ：Step Voltage Regulator）や、無効電力調整によって系統電圧を調整する機器（ＳＶＣ：Static Var Compensator）が用いられている。ＳＶＲについては、サイリスタを用いてタップ切り換えの即応性を高めたサイリスタ式自動電圧調整器（ＴＶＲ：Thyristor type step Voltage Regulator ）も使用されている。

【0003】

特許文献１，２には、３相の交流電圧を配電する配電線に、３相分の２次巻線を直列に接続した直列変圧器と、配電線に並列に接続されたタップ付きの調整変圧器とを備え、２次側の電圧を目標電圧に調整する電圧調整装置が開示されている。このような電圧調整装置では、直列変圧器の１次巻線と、調整変圧器の２次巻線の各タップとの間に設けられて調整変圧器のタップを切り換えるタップ切換器を用い、制御装置が調整変圧器から直列変圧器に印加される電圧を調整して配電線の電圧を調整する。

【0004】

特許文献１の電圧調整装置では、直列変圧器の１次巻線がＹ（スター）結線して構成され、調整変圧器の２次側をＶ結線として、制御部は２相分のタップを制御する。

【0005】

特許文献２の電圧調整装置では、直列変圧器の１次巻線がΔ（デルタ）結線して構成され、調整変圧器の２次巻線をＹ結線として、制御部は３相分のタップを制御し、配電線の３相の電圧の不平衡を調整している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７－０８５７１５号公報

【特許文献2】特開２０１９－０８０４３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に開示されているように、２相分のタップ切換器を一括制御することによって、特許文献２のように３相分のタップ切換器及び調整変圧器を用いるよりも、コスト削減及びコンパクト化を達成することができる。しかしながら、３相分のタップ切換器及び調整変圧器を用いる特許文献２の構成のような不平衡の抑制効果は得られない。

【0008】

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、装置の大型化を回避するために２相分の調整変圧器を用いつつ、３相の不平衡の抑制効果が得られる電圧調整装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の一実施形態の電圧調整装置は、３相の交流電圧を配電する配電線それぞれに直列に接続された２次巻線と、前記２次巻線に対応する１次巻線とを有する直列変圧器、
前記配電線のうちの第１配電線及び第２配電線の間、前記第２配電線及び第３配電線の間に並列接続された２つの１次巻線と、前記２つの１次巻線それぞれに対応するタップ付き２次巻線とを有する調整変圧器、前記直列変圧器の１次巻線及び前記調整変圧器の２次巻線の間に設けられており、前記調整変圧器のタップを、前記２次巻線それぞれについて切り換える２相分のスイッチを有するタップ切換器、並びに、前記タップ切換器を制御する制御部、を備え、前記制御部は、前記調整変圧器の２次巻線それぞれの複数のタップの組み合わせのうち、前記配電線における出力側の３相の交流電圧それぞれと目標電圧値との偏差に基づく指標値が最小となるタップの組み合わせを決定し、決定した組み合わせとなるように前記タップ切換器を制御する。

【0010】

本開示の電圧調整装置では、３相の交流電圧全体として目標電圧値との偏差を小さくするようにタップが選択される。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、３相の交流電圧をそれぞれ個別に変圧できる構成とせずに装置の大型を防ぎつつ、電圧不平衡を改善させることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態の電圧調整装置の構成を示すブロック図である。

【図2】電圧調整装置における２次側電圧と調整電圧とのベクトル関係のイメージ図である。

【図3】線間電圧の上昇及び低下の説明図である。

【図4】タップごとの電圧特性を示す図表である。

【図5】制御部による制御処理の一例を示すフローチャートである。

【図6】制御内容の概要図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本開示をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。以下の実施の形態では、本開示の電圧調整装置について説明する。

【0014】

図１は、本実施形態の電圧調整装置１の構成を示すブロック図である。電圧調整装置１は、３つの配電線１ｕ，１ｖ，１ｗに接続されている。配電線１ｕ，１ｖ，１ｗは、電源から負荷（いずれも不図示）へＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電圧を配電する配電線である。以下、１次側の各相の電圧をＵ１，Ｖ１，Ｗ１とし、２次側の各相の電圧をＵ２，Ｖ２，Ｗ２として説明する。

【0015】

電圧調整装置１は、直列変圧器２と、調整変圧器３と、タップ切換器４と、制御部５とを含み、配電線１ｕ，１ｖ，１ｗに配電される交流電圧を、２次側にて目標電圧となるように調整する装置である。配電線１ｕ，１ｖ，１ｗの１次側及び２次側には、電圧検出器１０１，１０２が設けられており、配電線１ｕ，１ｖ，１ｗの各相の線間電圧を検出する。電圧検出器１０１，１０２は、制御部５に接続されている。電圧検出器１０２のみが備えられていてもよい。

【0016】

直列変圧器２は、配電線１ｕ，１ｖ，１ｗそれぞれに直列に接続される２次巻線２１２，２２２，２３２と、２次巻線２１２，２２２，２３２それぞれに対応する１次巻線２１１，２２１，２３１とを含む。１次巻線２１１，２２１，２３１はそれぞれ、一端及び他端が、隣り合う１次巻線２１１，２２１，２３１と接続された「Δ結線」で構成されている。配電線１ｕの２次巻線２１２と対応する１次巻線２１１と、配電線１ｖの２次巻線２２２と対応する１次巻線２２１との間の接点をＮ１とする。同様にして、配電線１ｖの２次巻線２２２と対応する１次巻線２２１と、配電線１ｗの２次巻線２３２と対応する１次巻線２３１との間の接点をＮ２とする。１次巻線２３１と、１次巻線２２１との間の接点をＮ３とする。接点Ｎ１は中性点に接続されており、接点Ｎ２，Ｎ３は、タップ切換器４のスイッチ群に接続されている。直列変圧器２は「Δ－Ｙ結線」で構成されている。なお、本開示の電圧調整装置１について直列変圧器２における１次巻線２１１，２２１，２３１の結線は、Δ結線に限定しない。

【0017】

調整変圧器３は、配電線１ｕと配電線１ｖとの間に並列に接続される１次巻線３１１と、配電線１ｖと配電線１ｗとの間に並列に接続される１次巻線３２１とを含む。２つの１次巻線３１１及び１次巻線３２１は、配電線１ｖに共通に接続された「Ｖ結線」で構成されている。調整変圧器３は、１次巻線３１１及び１次巻線３２１にそれぞれ対応する２次巻線３１２及び２次巻線３２２を含む。

【0018】

調整変圧器３の２次巻線３１２は、一端及び他端から引き出された接点と、２次巻線３１２を特定の比率に分ける箇所から引き出された接点とを有する。接点は一部ヒューズＦを介してタップ切換器４に接続されている。２次巻線３２２は同様に、一端及び他端から引き出された接点と、特定の比率に分ける箇所から引き出された接点とを有する。接点は一部ヒューズＦを介してタップ切換器４に接続されている。つまり、調整変圧器３の２次巻線３１２，３２２は、一端及び他端と、２次巻線を特定の比率に分ける箇所とを含む３つ以上の箇所から引き出された接点を介して、巻線のうちの使用する部分（タップ）を選択可能なタップ付き巻線である。各接点は、タップ切換器４を介して直列変圧器２の一次側の１次巻線間の接点Ｎ１～Ｎ３と接続されている。なお特定の比率に分ける箇所は、図１に示すような１つに限らず、２つ以上存在してもよい。図１に示す例では、２次巻線３１２，３２２には、２／３の箇所から引き出された接点が設けられており、２次巻線３１２，３２２はそれぞれ、１倍、１／３倍、２／３倍の３パターンのタップを選択可能である。

【0019】

タップ切換器４は、調整変圧器３の２次巻線３１２，３２２のタップを切り替えるための６つのスイッチ（サイリスタ）を２相分有する。タップ切換器４は具体的には、２次巻線３１２側のスイッチＴｈＡ１，ＴｈＢ１，ＴｈＣ１，Ｔｈ１１，Ｔｈ２１，Ｔｈ３１と、２次巻線３２２側のスイッチＴｈＡ２，ＴｈＢ２，ＴｈＣ２，Ｔｈ１２，Ｔｈ２２，Ｔｈ３２とを有する。

【0020】

調整変圧器３の２次巻線３１２の一端は、ヒューズＦを介してスイッチＴｈＡ１及びスイッチＴｈ１１の一端に接続されている。調整変圧器３の２次巻線３１２の他端は、ヒューズＦを介さずにスイッチＴｈＣ１及びスイッチＴｈ３１の一端に接続されている。調整変圧器３の２次巻線３１２の、巻線を特定の比率（２／３）に分ける箇所から引き出された接点は、ヒューズＦを介してスイッチＴｈＢ１及びスイッチＴｈ２１の一端に接続されている。

【0021】

同様にして２次巻線３２２の一端は、ヒューズＦを介してスイッチＴｈＡ２及びスイッチＴｈ１２の一端に接続されている。調整変圧器３の２次巻線３２２の他端は、ヒューズＦを介さずにスイッチＴｈＣ２及びスイッチＴｈ３２の一端に接続されている。調整変圧器３の２次巻線３２２の、巻線を特定の比率（２／３）に分ける箇所から引き出された接点は、ヒューズＦを介してスイッチＴｈＢ２及びスイッチＴｈ２２の一端に接続されている。

【0022】

スイッチＴｈＡ１，ＴｈＢ１，ＴｈＣ１の他端は共通して、直列変圧器２の接点Ｎ１と共に中性点に接続されている。調整変圧器３の２次巻線３１２に一端が接続されたスイッチＴｈ１１，Ｔｈ２１，Ｔｈ３１の他端は共通して、直列変圧器２の接点Ｎ３に接続されている。調整変圧器３の２次巻線３２２に一端が接続されたスイッチＴｈ１２，Ｔｈ２２，Ｔｈ３２の他端は共通して、直列変圧器２の接点Ｎ２に接続されている。

【0023】

調整変圧器３は、配電線１ｕ，１ｖ，１ｗとの接続もタップ切換器４との接続も、「Ｖ結線」であり、「Ｖ－Ｖ結線」で構成されている。

【0024】

タップ切換器４のスイッチＴｈＡ１，ＴｈＢ１，ＴｈＣ１の他端と、Ｔｈ１１，Ｔｈ２１，Ｔｈ３１の他端との間には、限流抵抗器Ｒ１及び切換スイッチＴｈＳ１の直列回路と、電磁接触器ＭＣ１とが並列に接続されている。切換スイッチＴｈＳ１は、スイッチＴｈＡ１，ＴｈＢ１，ＴｈＣ１，Ｔｈ１１，Ｔｈ２１，Ｔｈ３１によってタップを切り換える過程で、限流抵抗器Ｒ１を介してタップ間を橋渡ししておくために、タップ間への限流抵抗器Ｒ１の接続及び切り離しを行なうためのものである。電磁接触器ＭＣ１は、スイッチＴｈＡ１，ＴｈＢ１，ＴｈＣ１，Ｔｈ１１，Ｔｈ２１，Ｔｈ３１，ＴｈＳ１によってタップを切り換える運用が停止されている間に、直列変圧器２の１次側を解放状態にしないようにするためのものである。２次巻線３２２側のスイッチについても同様に、限流抵抗器Ｒ２及び切換スイッチＴｈＳ２の直列回路と、電磁接触器ＭＣ２とが並列に接続されている。

【0025】

タップ切換器４のスイッチＴｈＡ１，ＴｈＢ１，ＴｈＣ１，Ｔｈ１１，Ｔｈ２１，Ｔｈ３１，ＴｈＳ１、及び電磁接触器ＭＣ１と、スイッチＴｈＡ２，ＴｈＢ２，ＴｈＣ２，Ｔｈ１２，Ｔｈ２２，Ｔｈ３２，ＴｈＳ２、及び電磁接触器ＭＣ１は、制御部５から制御可能である。タップ切換器４は、直接切換式であっても、間接切換式であってもよい。

【0026】

制御部５は、論理回路、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array ）等を用いて構成される。制御部５は、予め記憶された制御プログラムに基づいて、調整変圧器３のスイッチＴｈＡ１，ＴｈＢ１，ＴｈＣ１，Ｔｈ１１，Ｔｈ２１，Ｔｈ３１，ＴｈＳ１，ＴｈＡ２，ＴｈＢ２，ＴｈＣ２，Ｔｈ１２，Ｔｈ２２，Ｔｈ３２，ＴｈＳ２に対する制御信号を出力する。制御部５は、これらの制御信号によって、上述の３つのタップとスイッチ（点弧サイリスタ）の組合せにより、２相それぞれについて、第１タップから第７タップの調整電圧が可能である。例えば、図２中、ハッチング及び太線で示すように、タップ切換器４のスイッチＴｈ１１及びスイッチＴｈＢ１を点弧させ、スイッチＴｈ１２及びスイッチＴｈＢ２を点弧させることによって、２次巻線３１２，３２２をいずれも一部（２／３倍）を使用しつつ、正負を反転し、－２／３倍（図４参照、第２タップ）とすることができる。

【0027】

電圧調整装置１による電圧を調整するための制御の詳細について説明する。図２は、電圧調整装置１における２次側電圧と調整電圧とのベクトル関係のイメージ図である。図２中、上部に、電圧調整装置１における直列変圧器２及び調整変圧器３の結線関係を示す。図２中、下部に、各結線関係に対応する電圧変換のベクトルのイメージを示す。

【0028】

図２中の左側に、電圧調整装置１の１次側に位置する直列変圧器２の２次巻線２１２，２２２，２３２のＹ（スター）結線を示し、右側へ順に、直列変圧器２の１次巻線２１１，２２１，２３１のΔ結線、調整変圧器３の２次巻線３１２，３２２のＶ結線、１次巻線３１１，３２１のＶ結線を示す。直列変圧器２の１次巻線２１１，２２１，２３１のΔ結線、調整変圧器３の２次巻線３１２，３２２のＶ結線は、いずれの接点間が接続されるかが、タップ切換器４によって、図中の矢符に示すように切り換えられる。このように、本実施形態の電圧調整装置１は、調整変圧器３への入力電圧（２次側）から見てＶ－Ｖ－Δ－Ｙ結線により構成される。

【0029】

図２の上部に示すように、調整変圧器３はＶ－Ｖ結線であって、位相の変位はない。直列変圧器２では、Δ－Ｙ結線により、移動変位は３０°である。調整変圧器３への入力電圧（２次側電圧）に対して、直列変圧器２の出力電圧（１次側電圧）の位相は、＋３０°または－３０°変位する。直列変圧器２の１次巻線２１１，２２１，２３１がΔ結線により構成されていることから、Ｙ結線とする構成と比べて、励磁電流の第３高調波成分はΔ結線に流れ、２次巻線２１２，２２２，２３２の中性点電位の振動と、零相電圧Ｖ０の発生とを抑制できる。

【0030】

図２の下部に示すように、調整変圧器３の１次巻線３１１，３２１における電位Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２間の交流電圧は、ベクトルＶvu1 ，Ｖwv1 で表される。ベクトルＶvu1 ，Ｖwv1 それぞれの大きさは、線間電圧の大きさに対応する。ベクトルＶvu1 とベクトルＶwv1 とがなす角度は、２つの交流電圧の位相差（３０°）を示す。

【0031】

これに対し、調整変圧器３の２次巻線３１２，３２２における交流電圧は、ベクトルＶvu2 ，Ｖwv2 で表される。図２中、選択されたタップのＶ２寄りの電位をｖ２、Ｗ２寄りの電位をｗ２、Ｕ２寄りの電位をｕ２で示す。ベクトルＶvu2 ，Ｖwv2 それぞれの大きさは、線間電圧の大きさに対応する。上述したように、調整変圧器３の１次巻線３１１，３２１と２次巻線３１２，３２２とは、Ｖ―Ｖ結線である。２次巻線３１２，３２２から出力される２つの交流電圧は、１次巻線３１１，３２１の交流電圧に対し、選択されたタップに対応する巻数比が乗じられるようにして変圧される。図２に示すように、位相差は生じず、ベクトルＶvu2 とベクトルＶwv2 とがなす角度は変わらない。ただし、２相に対し、個別にタップを選択できるため、図２に示すように、ベクトルＶvu2 及びベクトルＶwv2 それぞれの大きさは、個別に変更できる。

【0032】

上述したように、直列変圧器２の１次巻線２１１，２２１，２３１は、Δ結線であるしたがって、ベクトルＶvu2 とベクトルＶwv2 に対応する２つの交流電圧が３つの１次巻線２１１，２２１，２３１それぞれにそのまま印加される。１次巻線２１１，２２１，２３１に印加される３つの交流電圧は、ベクトルＶsr，Ｖts，Ｖrtで表される。１次巻線２３１に印加される交流電圧Ｖrtは、タップ切換器４のスイッチＴｈ１１，Ｔｈ２１，Ｔｈ３１のいずれかと、スイッチＴｈ２１，Ｔｈ２２，Ｔｈ３２のいずれかとの間の電圧との差に等しい。ベクトルＶsr，Ｖts，Ｖrtそれぞれの大きさは、１次巻線２１１，２２１，２３１に印加される交流電圧の実効値である。

【0033】

上述したように、直列変圧器２の２次巻線２１２，２２２，２３２は、Ｙ結線である。１次巻線２１１，２２１，２３１がΔ結線であるから、Δ－Ｙ結線により、１次巻線２１１，２２１，２３１におけるベクトルＶsr，Ｖts，Ｖrtがそれぞれ、変圧（巻数比に応じて変換）された後、相電圧ΔＶ，ΔＷ，ΔＵへと変換される。相電圧ΔＵ，ΔＶ，ΔＷは、１次電圧Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１へと重畳される。ここで、相電圧ΔＵ，ΔＶ，ΔＷのベクトルを結ぶ三角形は、ベクトルＶsr，Ｖts，Ｖrtで結ばれる三角形と相似形にもなっていない。このように、タップ切換によって調整した２相の線間電圧（Ｖvu2 ，Ｖwv2 ）は、直列変圧器２から出力される調整電圧に位相差を生じさせる。したがって、２相（ＵＶ間、ＶＷ間）の調整電圧のみならず、直接的に調整の対象となっていないＷＵ間を含む３相全ての調整電圧に直接的に影響を及ぼす。

【0034】

このように、調整変圧器３は２相分を制御する構成であるにもかかわらず、非調整相に対しても多少制御が可能である。また、本実施形態の電圧調整装置１では、この直列変圧器２のΔ－Ｙ結線により、励磁電流による第３高調波がΔ結線内を還流するため、中性点が振動せず、３相３脚鉄心とする必要がない点で有利である。直列変圧器２は、Δ－Ｙ結線に限定するものではなく、Δ－Ｙ結線としない場合は、後述するように位相差の影響を考慮した変圧比の設定は必要とは限らない。

【0035】

本実施形態の電圧調整装置１は、Ｖ－Ｖ－Δ－Ｙ結線により構成されるため、位相差を生じないＶ－Ｖ－Ｙ－Ｙ結線の場合（先行技術における特許文献１）や、３相全てについてタップ制御を行なう場合（従来技術の特許文献２）と比して、変圧比の設計が重要である。特に直列変圧器２のΔ－Ｙ結線により、直列変圧器２から出力される調整電圧に位相差が生じるためである。

【0036】

そのため、本実施形態の電圧調整装置１では、直列変圧器２の２次巻線電圧の大きさΔＥと、２次側の線間電圧の大きさＶ₂ との関係（Ｋ＝ΔＥ／Ｖ₂ ）が、式（１）、（２）を満たすように設定してある。ΔＥは、具体的には、直列変圧器２の２次巻線２１２，２２２，２３２の両端間の交流電圧のベクトルΔＥｕ，ΔＥｖ，ΔＥｗの大きさである。Ｖ₂ は、具体的には、２次側の線間電圧Ｖuv1 ，Ｖvw1 ，Ｖwu1 の大きさ（調整変圧器３の１次側線間電圧）である。Ｋ１は、昇圧時の変圧比（第１比率Ｋ１）であり、Ｋ２は、降圧時の変圧比（第２比率Ｋ２）である。

【0037】

【数1】

【0038】

以下、ΔＥ、Ｖ₂ 及び変圧比の範囲の式（１）、（２）について説明する。

【0039】

図３は、線間電圧の上昇及び低下の説明図である。配電線１ｕ，１ｖ，１ｗの１次側それぞれの交流電圧は、ベクトルＥｕ１，Ｅｖ１，Ｅｗ１で表されている。配電線１ｕ，１ｖ，１ｗの２次側それぞれの交流電圧は、ベクトルＥｕ２，Ｅｖ２，Ｅｗ２で表されている。直列変圧器２の２次巻線２１２，２２２，２３２の両端間の交流電圧は、ベクトルΔＥｕ，ΔＥｖ，ΔＥｗで表される。

【0040】

線間電圧を上昇させる場合、ベクトルＥｕ２はベクトルＥｕ１，ΔＥｕの和で表される。同様に、ベクトルＥｖ２は、ベクトルＥｖ１，ΔＥｖの和で表される。ベクトルＥｗ２は、ベクトルＥｗ１，ΔＥｗの和で表される。２つのベクトルＥｕ２，Ｅｖ２の終点間の距離は、配電線１ｕ，１ｖの２次側の線間電圧Ｖｕｖを示す。ベクトルの終点は矢印の先端である。２つのベクトルＥｖ２，Ｅｗ２の終点間の距離は、配電線１ｖ，１ｗの２次側の線間電圧出力側の線間電圧Ｖｖｗを示す。２つのベクトルＥｗ２，Ｅｕ２の終点間の距離は、配電線１ｗ，１ｕの２次側の線間電圧Ｖｗｕを示す。

【0041】

配電線１ｕ，１ｖ，１ｗの交流電圧は３相平衡電圧である。また、ベクトルΔＥｕ，ΔＥｖ，ΔＥｗの大きさは共通している。このため、ベクトルＥｕ１，Ｅｕ２，ΔＥｕによって形成される三角形は、ベクトルＥｖ１，Ｅｖ２，ΔＥｖによって形成される三角形と同じであり、ベクトルＥｖ１，Ｅｖ２，ΔＥｖによって形成される三角形と同じである。

【0042】

前述したように、直列変圧器２に関して、１次巻線２１１，２２１，２３１はデルタ結線されており、２次巻線２１２，２２２，２３２の結線はＹ結線である。このため、ベクトルＥｕ２，ΔＥｕがなす角度、ベクトルＥｖ２，ΔＥｖがなす角度、及び、ベクトルＥｗ２，ΔＥｗがなす角度は３０度である。

【0043】

以下では、ベクトルＥｕ１，Ｅｖ１，Ｅｗ１の大きさをＥ₁ で表す。ベクトルＥｕ２，Ｅｖ２，Ｅｗ２の大きさをＥ２で表す。ベクトルΔＥｕ，ΔＥｖ，ΔＥｗの大きさがΔＥである。入力側の線間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの大きさをＶ₁ で表す。出力側の線間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの大きさがＶ₂ である。

【0044】

線間電圧を上昇させる場合、余弦定理により、下記の（３）式が成り立つ。
Ｅ₁ ² ＝Ｅ₂ ² ＋ΔＥ² －２・Ｅ₂ ・ΔＥ・cos３０°…（３）
「・」は積を示す。ΔＥ＝Ｋ・Ｖ₂ が成り立つ。（２）式において、ΔＥにＫ・Ｖ₂ を代入することによって、下記の（４）式が得られる。
Ｅ₁ ² ＝Ｅ₂ ² ＋（Ｋ・Ｖ₂ ）² －Ｅ₂ ・Ｋ・Ｖ₂ ・√３…（４）

【0045】

前述したように、配電線１ｕ，１ｖ，１ｗの交流電圧は３相平衡電圧である。このため、Ｅ₁ ＝Ｖ₁ ／√３及びＥ₂ ＝Ｖ₂ ／√３が成り立つ。これらの式を用いて、（４）式のＥ₁ 及びＥ₂ を削除することによって、下記の（５）式が得られる。
３・Ｋ² ・Ｖ₂ ² －３・Ｋ・Ｖ₂ ² ＋Ｖ₂ ²－Ｖ₁ ² ＝０…（５）

【0046】

（５）式は、Ｋに関する２次方程式である。解の公式を用いることによって、Ｋは下記の（６）式で表される。

【0047】

【数2】

【0048】

通常、Ｖ₂ はΔＥよりも十分に大きい。このため、Ｋが０．５を超えることはない。このため、（６）式の中でＫが０．５以上となる解を削除する。これにより、Ｋは（７）式で表される。

【0049】

【数3】

【0050】

出力側の線間電圧が２次定格電圧に調整される１次タップ電圧の最小値をＶ_min で表し、２次定格電圧をＶ_c で表した場合、第１比率Ｋ１は、下記の（８）式で表される。

【0051】

【数4】

【0052】

入力側及び出力側の線間電圧の変圧比（＝Ｖ₁ ／Ｖ₂ ）に関してｒ（％）のズレが許容される場合（変圧誤差の許容比率ｒ）、変圧比は、（１－（ｒ／１００））・Ｖ₁ ／Ｖ₂ 以上であり、且つ、（１＋（ｒ／１００））・Ｖ₁ ／Ｖ₂ 以下である値であればよい。従って、入力側及び出力側の線間電圧の変圧比（＝Ｖ₁ ／Ｖ₂ ）に関してｒ（％）のズレが許容される場合、第１比率Ｋ１は、上述の式（１）式を満たす。

【0053】

線間電圧を低下させる場合、図３の下側に示すように、ベクトルＥｕ２はベクトルＥｕ１からベクトルΔＥｕを引くことによって得られる。同様に、ベクトルＥｖ２は、ベクトルＥｖ１からベクトルΔＥｖを引くことによって得られる。ベクトルＥｗ２は、ベクトルＥｗ１からベクトルΔＥｗを引くことによって得られる。この場合においても、３つの線間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの大きさは一致している。

【0054】

ベクトルＥｕ１，Ｅｕ２，ΔＥｕによって形成される三角形は、ベクトルＥｖ１，Ｅｖ２，ΔＥｖによって形成される三角形と同じであり、ベクトルＥｖ１，Ｅｖ２，ΔＥｖによって形成される三角形と同じである。ベクトルＥｕ２，ΔＥｕがなす角度、ベクトルＥｖ２，ΔＥｖがなす角度、及び、ベクトルＥｗ２，ΔＥｗがなす角度は３０度である。

【0055】

線間電圧を低下させる場合、余弦定理により、下記の（９）式が成り立つ。
Ｅ₁ ² ＝Ｅ₂ ² ＋ΔＥ² －２・Ｅ₂ ・ΔＥ・cos１５０°…（９）
ΔＥ＝Ｋ・Ｖ₂ が成り立つので、（９）式において、ΔＥにＫ・Ｖ₂ を代入することによって、下記の（１０）式が得られる。
Ｅ₁ ² ＝Ｅ₂ ² ＋（Ｋ・Ｖ₂ ）² ＋Ｅ₂ ・Ｋ・Ｖ₂ ・√３…（１０）

【0056】

前述したように、Ｅ₁ ＝Ｖ₁ ／√３及びＥ２＝Ｖ₂ ／√３が成り立つ。これらの式を用いて（１０）式のＥ₁ 及びＥ₂ を削除することによって、下記の（１１）式が得られる。
３・Ｋ² ・Ｖ₂ ² ＋３・Ｋ・Ｖ₂ ² ＋Ｖ₂ ² －Ｖ₁ ² ＝０…（１１）

【0057】

（１１）式は、Ｋに関する２次方程式である。解の公式を用いることによって、Ｋは下記の（１２）式で表される。

【0058】

【数5】

【0059】

Ｋは比率であるため、負の値ではない。このため、（１２）式の中でＫが負の値となる解を削除する。これにより、Ｋは（１３）式で表される。

【0060】

【数6】

【0061】

出力側の線間電圧が２次定格電圧に調整される１次タップ電圧の最大値をＶ_max で表し、２次定格電圧をＶ_c で表した場合、第２比率Ｋ２は、下記の（１４）式で表される。

【0062】

【数7】

【0063】

入力側及び出力側の線間電圧の変圧比（＝Ｖ₂ ／Ｖ₁ ）に関してｒ（％）のズレが許容される場合、第２比率Ｋ２は、上述の式（２）を満たす。

【0064】

電圧調整装置１では、第２比率Ｋ２が（２）式を満たすようにΔＥ及びＶ₂ が設計されている。このため、１次タップ電圧が最大値である場合において、誤差が小さい正確な電圧調整が実現される。前述したように、変圧誤差の許容比率ｒは例えば０．４である。

【0065】

第１比率Ｋ１が式（１）を満たし、且つ、第２比率Ｋ２が式（２）式を満たす場合においては、１次タップ電圧が最小値及び最大値とは異なる値であっても、入力側及び出力側の線間電圧の変圧比に関するズレはｒ（％）以下である。

【0066】

昇圧時、例えば、１次タップ電圧の最小値Ｖ_min を６３００Ｖとし、２次定格電圧Ｖ_c を６６００Ｖとし、変圧誤差の許容比率ｒが０．４（％）である場合、式（１）にこれらの数値を代入し、０．０２８０≦Ｋ１≦０．００３３１を満たすように、ΔＥ及びＶ₂ が設計される。第１比率Ｋ１が０．０３０５５である場合、ベクトルＥｕ１，Ｅｕ２がなす角度、ベクトルＥｖ１，Ｅｖ２がなす角度、及び、ベクトルＥｗ１，Ｅｗ２がなす角度は、約１．６度であり、十分に小さい。

【0067】

また降圧時、例えば、１次タップ電圧の最大値Ｖ_max を６９００Ｖとし、２次定格電圧Ｖ_c を６６００Ｖとし、変圧誤差の許容比率ｒが０．４（％）である場合、式（２）にこれらの数値を代入し、０．０２７３≦Ｋ２≦０．００３２８を満たすように、ΔＥ及びＶ₂ が設計される。第２比率Ｋ２が０．０３０８６である場合、ベクトルＥｕ１，Ｅｕ２がなす角度、ベクトルＥｖ１，Ｅｖ２がなす角度、及び、ベクトルＥｗ１，Ｅｗ２がなす角度は、約１．４度であり、十分に小さい。

【0068】

上述のように構成され、設定される電圧調整装置１では、制御部１５が、複数のタップのうちのいずれかを選ぶと、どれほど昇圧し、あるいは降圧するかが算出可能である。上述の変圧比Ｋ１，Ｋ２の設定に基づく巻き数等の設定により、変圧比の誤差や位相の変動を小さくしつつ、２相分の調整によって３相全てを調整し、不平衡の抑制が可能となる。

【0069】

図４は、タップごとの電圧特性を示す図表である。図４の例では、２次定格電圧を６６００Ｖとし、１次タップ電圧の最大値Ｖ_max を６９００Ｖとし、１次タップ電圧の最小値Ｖ_min を６３００Ｖとし、更に、図１に示した構成で、タップ数が「７」である場合の電圧特性を示す。

【0070】

図４の設定例では、調整変圧器３の変圧比を１０分の１として設定し、変圧比Ｋを０．００３０とするように各要素を選定している。図４の例では、２次側の定格電圧を６６００Ｖとしているので、±６６０Ｖ（±１倍）、±４４０Ｖ（±２／３倍）、±２２０Ｖ（±１／３倍）、及び±０倍、のうちのいずれかを選択できる。第１タップ（－１倍）では、１次側の電圧が高くなっている場合に大きく降圧させることができ、第４タップ（０倍）ではそのまま素通し、第７タップ（＋１倍）では１次側の電圧が低下している場合に大きく昇圧させることができる。

【0071】

「実際の１次タップ電圧」は、変圧比Ｋを０．００３０として設計した場合における二次電圧が定格電圧６６００Ｖの場合の１次電圧を表している。変圧比の誤差は、「（実際の１次タップ電圧－定格１次タップ電圧）／定格２次電圧」で表される。図４に示すように、いずれのタップを選択した場合であっても、ｒ＝０．４％に対して十分な裕度を有している。ΔＥは、直列変圧器２の２次巻線２１２，２２２，２３２それぞれにおける電位大きさである。変圧による位相変位は小さいことが望ましいが、計算上、図４に示すように、いずれのタップを選択した場合であっても２°以内となり充分に小さい。

【0072】

上述のように構成された電圧調整装置１の制御部５は、更に、図４に示すような昇圧又は降圧とタップとの関係を示すテーブルを記憶しておき、このテーブルに基づいて、２次側の電圧が目標電圧（基準電圧、ここでは６６００Ｖ）となるように、２相分のタップを選択してタップ切換器４を制御する。以下に示す処理によって、電圧調整装置１は、２相分のタップ切換器４を用いたコンパクトな構成としても、３相分全体としての電圧を、不均衡を抑えるように調整できる。図５は、制御部５による制御処理の一例を示すフローチャートである。

【0073】

制御部５は、電圧検出器１０１から、配電線１ｕ，１ｖ，１ｗの１次側の線間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕを取得する（ステップＳ１）。制御部５は、取得した１次側の線間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕのうち、制御対象となる２相分の線間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗと目標電圧との差異から、配電線１ｕ，１ｖ間、及び配電線１ｖ，１ｗ間の２相それぞれについて、タップを仮決定する（ステップＳ２）。制御部５は例えば、線間電圧Ｖｕｖが６３００Ｖに最も近い場合、目標電圧６６００Ｖまで昇圧させるため、配電線１ｕ，１ｖ間のタップを第７タップとする。このとき、例えば、線間電圧Ｖｖｗが６４００Ｖに最も近い場合、目標電圧６６００Ｖまで昇圧させるため、配電線１ｖ，１ｗ間のタップを第６タップとする。

【0074】

制御部５は、仮決定したタップとした場合の調整後の各相の２次側の線間電圧Ｖｕｖ２，Ｖｖｗ２，Ｖｗｕ２を算出する（ステップＳ３）。制御部５は、ステップＳ３で算出したＶｕｖ２，Ｖｖｗ２，Ｖｗｕ２それぞれについて、目標電圧との偏差ΔＶｕｖ，ΔＶｖｗ，ΔＶｗｕを算出する（ステップＳ４）。

【0075】

制御部５は、ステップＳ４で算出した偏差ΔＶｕｖ，ΔＶｖｗ，ΔＶｗｕに基づく３相の基準電圧からの標準偏差σを、以下の式（１５）に基づき算出する（ステップＳ５）。

【0076】

【数8】

【0077】

制御部５は、ステップＳ２で仮決定したタップに対し、隣のタップを選択した場合の調整後の各相の２次側の電圧線間電圧Ｖｕｖ２，Ｖｖｗ２，Ｖｗｕ２を、複数のパターンそれぞれについて算出する（ステップＳ６）。制御部５は同様にして、ステップＳ６で算出したＶｕｖ２，Ｖｖｗ２，Ｖｗｕ２それぞれについて、目標電圧との偏差ΔＶｕｖ，ΔＶｖｗ，ΔＶｗｕ、及び標準偏差σを算出する（ステップＳ７）。

【0078】

制御部５は、ステップＳ５及びステップＳ７で算出した標準偏差σのうち、最小の標準偏差となるタップのパターンを、最適なタップとして決定する（ステップＳ８）。制御部５は、決定したタップへ切り換えさせる制御信号をタップ切換器４へ出力し（ステップＳ９）、処理を終了する。

【0079】

テーブルを参照して組み合わせを決定することにより、処理をできるだけ簡易化しつつ、不均衡を抑制することができる。

【0080】

図５に示した処理手順は、位相差を生じないＶ－Ｖ－Ｙ－Ｙ結線で構成される電圧調整装置においても適用可能である。Ｖ－Ｖ－Ｙ－Ｙ結線で構成される電圧調整装置においては、図２－３に示した位相変動や変圧誤差を考慮する必要がなく、図４に示したような、Ｖ－Ｖ－Ｙ－Ｙ結線におけるタップの選択に応じた電圧調整のテーブルを用いればよい。この場合も制御部は同様にして、電圧線間電圧からタップを仮決定し、切り換え対象のタップのいくつかの組み合わせについて式（１５）の標準偏差σを算出し、最小の標準偏差σとなるタップの組み合わせを決定する。

【0081】

図６は、制御内容の概要図である。図６Ａは、本実施形態に示したように、２相分のタップを個別に選択して制御した場合の各相の電圧の調整例を示す。図６Ｂは、比較例として、３相全体ではなく調整対象の２相分のタップについてそれぞれ電圧を目標電圧となるように選択して制御した場合の各相の電圧の調整例を示す。一点鎖線で示す目標電圧に対し、破線で調整前の各相の電圧値の高さを示し、実線により調整後の各相の電圧値の高さを示す。

【0082】

調整前の２次側の配電線１ｕ，１ｖ，１ｗ間の線間電圧Ｖｕｖ２，Ｖｖｗ２，Ｖｗｕ２はそれぞれ、６５００Ｖ、６３００Ｖ、６７００Ｖである。本実施形態の電圧調整装置１では、調整後の線間電圧Ｖｕｖ２，Ｖｖｗ２，Ｖｗｕ２はそれぞれ例えば、６４７６Ｖ、６６１２Ｖ、６６７８Ｖとすることができる。比較例では、調整後の線間電圧Ｖｕｖ２，Ｖｖｗ２，Ｖｗｕ２はそれぞれ例えば、６５００Ｖ、６４９７Ｖ、６８０１Ｖである。

【0083】

比較例では、調整対象の調整対象の配電線１ｕ，１ｖ間の線間電圧及び配電線１ｖ，１ｗ間の線間電圧は、揃って目標電圧に近づけることができているが、非調整対象の配電線１ｗ，１ｕ間の線間電圧は、調整前よりも更に、目標電圧から遠ざかっている。このように、３相分ではなく２相分のタップを調整する構成では、調整対象の配電線１ｗ，１ｕ間の線間電圧が、調整対象の配電線１ｕ，１ｖ間の線間電圧及び配電線１ｖ，１ｗ間の線間電圧の中間にない場合に、非調整対象の線間電圧を更に目標電圧から遠ざけてしまうケースが起こり得る。

【0084】

これに対し、本実施形態の電圧調整装置１では、上述したように、非調整対象の配電線１ｗ，１ｕ間の線間電圧も調整可能である。また、制御部５が、標準偏差σが最小となるようにタップを決定する。このため、本実施形態の電圧調整装置１では、非調整対象の配電線１ｗ，１ｕ間の線間電圧についても調整可能である。調整対象の線間電圧を目標値へより近づける効果が、比較例よりも低いことがあったとしても、図６に示すように、電圧不平衡についてはより改善させることができる。

【0085】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、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及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。

【0086】

特許請求の範囲に記載されている複数の請求項に関して、引用形式に関わらず、相互に組み合わせることが可能である。特許請求の範囲では、複数の請求項に従属する多項従属請求項が記載されている。特許請求の範囲では、多項従属請求項に従属する多項従属請求項は記載されていないが、多項従属請求項に従属する多項従属請求項を記載してもよい。

【符号の説明】

【0087】

１ 電圧調整装置
１ｕ，１ｖ，１ｗ 配電線
１０１，１０２ 電圧検出器
２ 直列変圧器
２１１，２２１，２３１ １次巻線
２１２，２２２，２３２ ２次巻線
３ 調整変圧器
３１１，３２１ １次巻線
３１２，３２２ ２次巻線
４ タップ切換器
ＴｈＡ１，ＴｈＢ１，ＴｈＣ１，Ｔｈ１１，Ｔｈ２１，Ｔｈ３１，ＴｈＡ２，ＴｈＢ２，ＴｈＣ２，Ｔｈ１２，Ｔｈ２２，Ｔｈ３２ スイッチ
５ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】