特開 2025-25319 電圧調整装置及び電圧調整方法

(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】P2025025319

(43)【公開日】2025-02-21

(54)【発明の名称】電圧調整装置及び電圧調整方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/16 20060101AFI20250214BHJP

【ＦＩ】

H02J3/16

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023129984

(22)【出願日】2023-08-09

(71)【出願人】

【識別番号】507151526

【氏名又は名称】株式会社ＧＳユアサ

(71)【出願人】

【識別番号】000222037

【氏名又は名称】東北電力株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304021288

【氏名又は名称】国立大学法人長岡技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001036

【氏名又は名称】弁理士法人暁合同特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊東 洋一

(72)【発明者】

【氏名】有松 健司

(72)【発明者】

【氏名】芳賀 仁

(72)【発明者】

【氏名】知識 凜

【テーマコード（参考）】

5G066

【Ｆターム（参考）】

5G066DA01

5G066DA08

(57)【要約】

【課題】タップ切換時の急激な電圧変動を抑制する。
【解決手段】
電圧調整装置１０は、トランス２０と、調整電源４０と、を含む。前記トランス２０は、一次巻き線２１と、二次巻き線２２と、前記一次巻き線２１又は前記二次巻き線２２のいずれか一方に配置されたタップ２５と、を含む。前記調整電源４０は、前記一次巻き線２１又は前記二次巻き線２２に対して、直列に接続されたインバータ４１である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電圧調整装置であって、
トランスと、
調整電源と、を含み、
前記トランスは、
一次巻き線と、
二次巻き線と、
前記一次巻き線又は前記二次巻き線のいずれか一方に配置されたタップと、を含み、
前記調整電源は、前記一次巻き線又は前記二次巻き線に対して、直列に接続されたインバータである、電圧調整装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電圧調整装置であって、
前記インバータは、タップ切換時に、負荷電圧の変動を滑らかにする協調制御を実行する、電圧調整装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の電圧調整装置であって、
負荷電圧の振幅を振幅指令値にフィードバック制御する制御回路と、
負荷電圧の振幅の指令値を前記制御回路に出力する振幅指令部を有し、
前記振幅指令部は、
前記トランスの二次電圧の振幅を検出する振幅検出器と、
前記振幅検出器の検出信号の一次遅れ信号を、負荷電圧の振幅の指令値として出力する一次遅れフィルタと、を備える、電圧調整装置。

【請求項4】

電圧調整方法であって、
タップ切換時に、トランスの一次巻き線又は二次巻き線に対して直列に接続されたインバータの出力電圧を変化させることにより、負荷電圧の変動を滑らかにする、電圧調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電圧を調整する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

配電設備の一つに、電圧調整装置がある。特許文献１は、トランスのタップ切換により、電圧を調整する点を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１９３１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

タップ付きのトランスは、電圧の調整が段階的であり、タップ切換時に、電圧が急激に変動する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

電圧調整装置は、トランスと、調整電源と、を含む。前記トランスは、一次巻き線と、二次巻き線と、前記一次巻き線又は前記二次巻き線のいずれか一方に配置されたタップとを含む。前記調整電源は、前記一次巻き線又は前記二次巻き線に対して直列に接続されたインバータである。

【発明の効果】

【0006】

電圧の連続的な調整が可能であり、タップ切換時の電圧変動を滑らかにすることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】電圧調整装置の回路図

【図2】電圧調整装置の回路図

【図3】電圧調整装置の等価回路

【図4】電圧調整装置の回路図

【図5】電圧調整装置の回路図

【図6】電圧調整装置の回路図

【図7】電圧調整装置の回路図

【図8】電圧調整装置の制御回路

【図9】シミュレーション結果を示すグラフ

【図10】シミュレーション結果を示すグラフ

【図11】タップ切換時の電圧変化を示す図

【図12】振幅指令部のブロック図

【図13】シミュレーション結果を示すグラフ

【図14】シミュレーション結果を示すグラフ

【図15】需要家システムのブロック図

【図16】電圧調整装置の制御回路

【図17】シミュレーション結果を示すグラフ

【図18】シミュレーション結果を示すグラフ

【図19】電圧調整装置の回路図

【発明を実施するための形態】

【0008】

（本実施形態の概要）
（１）本発明の一実施形態に係る電圧調整装置は、トランスと、調整電源と、を含む。前記トランスは、一次巻き線と、二次巻き線と、前記一次巻き線又は前記二次巻き線のいずれか一方に設置されたタップとを含む。前記調整電源は、前記一次巻き線又は前記二次巻き線に対して直列に接続されたインバータである。

【0009】

本発明の一実施形態に係る電圧調整装置によれば、タップによる切換電圧の中間の電圧をインバータにより出力することができ、電圧の連続的な調整が可能である。そのため、タップ切換時の電圧変動を滑らかにすることが出来る。

【0010】

（２）上記（１）に記載の電圧調整装置において、前記インバータは、タップ切換時に、負荷電圧の変動を滑らかにする協調制御を実行してもよい。協調制御の実行により、タップ切換時に、負荷電圧の急激な変動を緩和することが出来る。

【0011】

（３）上記（１）又は（２）に記載の電圧調整装置において、負荷電圧の振幅を振幅指令値にフィードバック制御する制御回路と、負荷電圧の振幅の指令値を前記制御回路に出力する振幅指令部を有してもよい。前記振幅指令部は、前記トランスの二次電圧の振幅を検出する振幅検出器と、前記振幅検出器の検出信号の一次遅れ信号を、負荷電圧の振幅の指令値として出力する一次遅れフィルタと、を備える構成でもよい。負荷電圧は、トランスの二次電圧の一次遅れ電圧に調整されるから、タップ切換時における負荷電圧の急激な電圧変動を緩和し、電圧変動を滑らかにすることが出来る。

【0012】

＜実施形態１＞
１．電圧調整装置１０の説明
図１は電圧調整装置１０の回路図である。図１にて開示する電圧調整装置１０は、三相のトランス２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗと、３相の調整電源４０から構成されている。

【0013】

トランス２０Ｕ、２０Ｖ、２０Ｗは、一次巻き線２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗと、二次巻き線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗと、タップ２５Ｕ、２５Ｖ、２５Ｗを備える。一次巻き線２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗは、交流電源（図略）に接続され、二次巻き線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗは、負荷Ｒに接続される。

【0014】

タップ２５Ｕ、２５Ｖ、２５Ｗは、一次巻き線２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗと二次巻き線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗの巻き線比ｎを変更する。この例では、タップ２５Ｕ、２５Ｖ、２５Ｗを、一次巻き線２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗに設けている。

【0015】

調整電源４０は、二次巻き線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗに対して、直列に接続されている。調整電源４０は、図２に示すように、三相インバータ４１である。

【0016】

三相インバータ４１は、直流電源の直流電圧を三相電圧に変換して出力し、ＰＷＭ制御により電圧の連続的な調整が可能である。尚、三相インバータ４１の直流電源は、コンデンサでもよいし、二次電池でもよい。

【0017】

図３は、電圧調整装置１０の等価回路である。負荷電圧VLは、数式１にて示すように、二次巻き線２２の二次電圧V2と三相インバータ４１の出力電圧Vinvの和になり、タップ２５による段階的な電圧調整（右辺１項目）と、三相インバータ４１による連続的な電圧調整（右辺２項目）が可能である。

【0018】

VL＝V2＋Vinv・・・・・（１）

【0019】

以下の説明において、一次巻き線２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗを総称して一次巻き線２１とし、二次巻き線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗを総称して二次巻き線２２とする。また、タップ２５Ｕ、２５Ｖ、２５Ｗを総称してタップ２５とする。

【0020】

図１、図２では、電圧調整装置１０の一例として、タップ２５をトランス２０の一次側に設け、三相インバータ４１を二次側に設けた。タップ２５、三相インバータ４１の配置は、上記の例に限らず、図４に示すように、タップ２５をトランス２０の二次側に設け、三相インバータ４１をトランス２０の一次側に設けてもよい。

【0021】

また、図５に示すように、タップ２５と三相インバータ４１をトランス２０の一次側に設置する構成や、図６に示すように、タップ２５と三相インバータ４１をトランス２０の二次側に設置する構成にすることも出来る。また、トランス２０の結線は、Ｙ－Ｙ結線に限らず、Δ－Ｙ結線やＹ－Δ結線、Δ―Δ結線でもよい。

【0022】

また、図７は、図１に示す電圧調整装置１０に対してコンデンサＣを追加している。コンデンサＣは３相の線間に配置され、三相インバータ４１の出力段に設けられたインダクタンスＬと共に、ＬＣフィルタを構成する。ＬＣフィルタにより三相インバータ４１のスイッチングノイズを抑圧することが出来る。

【0023】

図８は、電圧調整装置１０の制御回路５０Ａである。制御回路５０Ａは、直流電圧補償器５１、三相指令発生器５３、電圧補償器５５、ＰＷＭ信号発生器５７を備える。直流電圧補償器５１は、三相インバータ４１の直流電圧Vdcを一定に保つため、Vdcをフィードバックし、直流電圧Vdcが指令値Vdcrefと一致するような位相信号および／または振幅信号を三相指令発生器５３に出力する。

【0024】

三相指令発生器５３は、直流電圧補償器５１から出力される信号と、負荷電圧VLの振幅指令値V_Lrefと、電源電圧V_1U、V_1V、V_1Wの検出値に基づいて、交流電源の電源電圧V_1U、V_1V、V_1Wに同期し、負荷電圧VLの振幅指令値V_Lrefに対応した電圧信号（三相交流信号）を出力する。

【0025】

電圧補償器５５には、電圧検出器により検出される三相負荷電圧V_LU、V_LV、V_LWのフィードバック信号と、三相指令発生器５３の電圧信号とに基づいて、負荷電圧VLの振幅が振幅指令値VLrefと一致するように、ＰＷＭ信号発生器５７に対して、制御信号を出力する。

【0026】

このように制御回路５０は、三相インバータ４１の出力電圧調整により、負荷電圧VLの振幅を振幅指令値VLrefにフィードバック制御することが出来る。

【0027】

図９は、トランス２０の二次電圧V2を変化させた時の負荷電圧VLの変動をシミュレーションした結果である。シミュレーションの条件は以下の通りであり、図９の時刻ｔ１にて、トランス２０の二次電圧V2を切り換えている。

【0028】

V2：２００Ｖ⇒１００Ｖ
VL（指令値）：２００Ｖ
負荷Ｒ：７５Ω、インダクタL：なし

【0029】

シミュレーションの結果、タップ切換により、トランス２０の二次電圧V2がステップ状に変化しても、負荷電圧VLの振幅は概ね一定に保たれており、制御回路５０の有効性（フィードバック制御の有効性）が確認された。

【0030】

図１０は、交流電源の電源電圧が高調波を含有している場合について、負荷電圧VLの変動をシミュレーションした結果であり、図１０の時刻ｔ１にて、電源電圧に高調波を重畳させている。図１０に示すように、三相インバータ４１の出力電圧調整により高調波成分が補償されることで、負荷電圧VLを概ね正弦波にすることが出来ている。

【0031】

図１１は、タップ切換時における電圧変化を示す図である。この例では、時刻ｔ１でトランス２０の二次電圧V2がステップ状に変化（降下）し、時刻ｔ２にてトランス２０の二次電圧V2がステップ状に変化（上昇）している。

【0032】

図１２は、振幅指令部７０のブロック図である。振幅指令部７０は、トランス２０の二次電圧V2の振幅を検出する振幅検出器７１と一次遅れフィルタ７３からなる。振幅指令部７０は、トランス２０の二次電圧V2の検出値を、一次遅れフィルタ７３に通した信号を、負荷電圧VLの振幅指令値VLrefとして、制御回路５０Ａの三相指令発生器５３に出力する。

【0033】

これにより、タップ切換時、負荷電圧VLの振幅は三相インバータ４１によりトランス２０の二次電圧V2の一次遅れ電圧に調整（協調制御）されるから、タップ切換時における負荷電圧VLの急激な電圧変動を緩和し、電圧変動を滑らかにすることが出来る（図１１のＡ部）。なお、協調制御とは、タップ切換時の負荷電圧VLの変動を滑らかにするために、三相インバータ４１とタップ切換動作を協調して制御させることをいう。

【0034】

図１３、図１４は、タップ切換時の負荷電流ILの変動を、三相インバータ４１による協調制御が無い場合と有る場合について、シミュレーションした結果である。シミュレーションの条件は以下の通りである。

【0035】

タップ切換前、V2＝VL＝１００Ｖである。
タップ切換によりV2を１００Ｖから１５０Ｖに変更する。
負荷Ｒは、コンデンサインプット型の整流器である。

【0036】

図１３に示すように、三相インバータ４１の協調制御が無い場合、タップ切換時、負荷Ｒに対して過大な切換電流（Ｂ部）が流れる。図１４に示すように、三相インバータ４１の協調制御がある場合、負荷Ｒに対して過大な切換電流が流れることを抑えることが出来る。

【0037】

２．電圧調整装置１０の適用例
図１５は、需要家システムＳ１のブロック図である。需要家システムＳ１は、電力系統１に連系する。電力系統１は、電気事業者が運営する系統であり、三相の系統電源３を有している。

【0038】

需要家システムＳ１は、電圧調整装置１０、複数の負荷設備１１０～１３０及びコントローラ１５０を含む。第１負荷設備１１０、第２負荷設備１２０は交流負荷、第３負荷設備１３０は直流負荷である。

【0039】

コントローラ１５０は、各負荷設備１１０～１３０と通信可能に接続されており、各負荷設備１１０～１３０との間で、種々の情報を通信する。

【0040】

通信される情報には、各負荷設備１１０～１３０の運転状態（例えば、モータの回転速度など）に関する情報が含まれる。

【0041】

コントローラ１５０は、各負荷設備１１０～１３０の運転状態に基づいて、電圧調整装置１０を制御することにより、需要家システムＳ１の配電電圧Ｖinを最適値にコントロールする。

【0042】

３．効果説明
実施形態１に係る電圧調整装置１０は、トランス２０と三相インバータ４１を併用しているから、タップ２５による切換電圧の中間の電圧を三相インバータ４１により出力することができ、電圧の連続的な調整が可能である。そのため、タップ切換時における負荷電圧ＶＬの急激な変動を緩和することが出来る。また、電圧調整装置１０を三相インバータ４１だけで構成する場合に比べて、容量の小さなインバータ４１の使用が可能であり、コストメリットがある。

【0043】

＜実施形態２＞
図１６は電圧調整装置１０の制御回路５０Ｂのブロック図である。図１６にて開示する制御回路５０Ｂは、図８にて開示する制御回路５０Ａに対して、ハイパスフィルタ６１と電流補償器６３を追加した点が相違している。

【0044】

ハイパスフィルタ６１は、電流検出器による負荷電流ILの検出値から、低周波成分を抑圧し、高周波成分のみ通過させる。尚、図１６中のiLuh*、iLvh*、iLwh*はハイパスフィルタの出力信号（負荷電流ILの高調波成分）である。

【0045】

電流補償器６３には、電圧補償器５５から出力される信号に対して、ハイパスフィルタ６１の出力信号を減算した信号が入力される。

【0046】

電流補償器６３は、入力される信号に基づいて、負荷電圧VLの振幅が振幅指令値VLrefと一致し、かつ負荷電流ILの高調波成分が抑圧されるように、ＰＷＭ信号発生器５７に対して制御信号（指令値）を出力する。なお、高調波抑制制御とは、負荷電流ILの高調波成分をフィードバックし、電流補償器６３でＰＷＭ信号発生器５７に対する指令値を補正することにより、負荷電流ILの高調波成分を抑制する制御のことをいう。

【0047】

図１７、図１８は、タップ切換時の負荷電流ILの変化を、高調波抑制制御が無い場合と有る場合について、シミュレーションした結果である。

【0048】

図１７に示すように、高調波抑制制御が無い場合、負荷電流ILにスパイク状の歪が発生している。図１８に示すように、高調波抑制制御が有る場合、負荷電流ＩＬは、エッジが丸みを帯びた形状に変化しており、スパイク状の歪が緩和している。

【0049】

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0050】

（１）実施形態１において、電圧調整装置１０により、需要家の配電電圧Vinを調整した例を示したが、電圧調整装置１０の用途は、配電電圧Vinの調整に限定されるものではない。電圧調整を目的としたものであれば、適宜適用することが出来る。

【0051】

（２）実施形態１において、電圧調整装置１０を三相用としたが、図１９に示すように、単相用とすることも可能である。

【0052】

（３）実施形態１において、三相インバータ４１による協調制御において、負荷電圧VLの振幅の指令値を一次遅れフィルタ７３を利用して制御する形態を例示した。タップ切換時に負荷電圧VLの変動を滑らかにするものであれば、負荷電圧VLの振幅を別の方法で制御してもよい。

【符号の説明】

【0053】

１０ 電圧調整装置
２０ トランス
２１ 一次巻き線
２２ 二次巻き線
２５ タップ
４１ インバータ
５０Ａ、５０Ｂ 制御回路
７０ 振幅指令部
７１ 振幅検出器
７３ 一次遅れフィルタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】