愛総研・研究報告 第12号 2010年
小規模系統における
DVR
と分散電源、の瞬時電圧低下時の
運転継続の検討
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of DVR
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SmaH-Scaled Power Grid
戸 井 田 裕 俊 ¥ 三 上 陽 介 ¥ 木 川 陽 太 郎
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一 柳 勝 宏
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t tAbstract In recent years， the distributed generators have come into wide use in the smal1-scaled power grid， for example in the s巴miconductormanufacturing factory. And the customers of the generators request the machine to continue operating， during and after the instantaneous voltage sag. This paper introduces the DVR effect， operating with the distributed generators in voltage sag of the power line. The practical examination and the computer simulation was carried out in the smal1 scaled grid 1.はじめに 近年3系統のマイクログリッド化により太陽光発電や風 力発電，ガスエンジンといった分散型電源 (Distributed Gen巴:rator:DG) を含む小規模系統内で，電力の需給バラン スを高速に制御し，グリッド単位で省エネルギー化を図る 動きが各地で進んでいる。一方，グリッド内の需要家側で は計算機などの高度情報化機器が普及し，半導体製造ライ ンをはじめ精密機器メーカの製品では，高精度加工が要求 され，生産ラインは瞬時的な電圧低下にも極めて敏感な機 器構成となっており，瞬時電圧低下が発生した場合の影響 が大きくなっている。また工場に導入される分散型電源 は，送電線故障や大型負荷投入時の極めて短時間の瞬時電 圧低下でも発電出力が大きく影響を受け，連続的な運転が 阻害される場合があった。
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日立エンジニアリング・アンド・サービス(日 立市)t
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愛 知 工 業 大 学 工 学 部 電 気 工 学 科 ( 豊 田 市 ) 本 論 文 で は ， ガ ス エ ン ジ ン や デ ィ ー ゼ ノ レ 発 電 機 (DieselGenerator : DEG) といった回転機型の分散型電源 と瞬時電圧低下補償装置のynamicVoltage， Restorer:DVR と略す)を使用して高用側における故障などによる瞬時電 圧低下発生時に負荷側の電圧を維持し電力の品質を確保 するとともに，分散型電源の運転継続性を確保する目的で DVRを使用した，各種の実証試験を実施したのでその内 容を報告する。 2. DVRの原理 DVRは直列補償型瞬時電圧補償装置と呼ばれ，系統に 直列に挿入した直列トランスの両端に蓄電装置から電圧 を印加し，瞬時電圧低下発生時において負荷側の電圧を補 {賞するもので，電圧低下相の不足分の電圧のみを補償する ことから，蓄電設備容量を抑えることにより価格面で有利 となる可能性もあり，海外でも注目されている瞬低補償装 置である。 図Iに DVRシステム構成図を示す。 DVRは a点におけ 37る商用側電圧 V1とb点における負荷側電圧 V2を常時観測 し，入力側の電圧に対し，不足分の電圧 Vdvrを補償するこ とで，出力側の電圧を規定値に制御するもので，各相制御 によりインパータを使用し電圧制御することが可能であ る。図 2に瞬低時電圧位相状態図を示す。 解析は汎用の瞬時値解析ツーノレ(EM1下A胃)を使用し， DVRの変換器モデルを含む各種定数と制御の可能性を検討 した。 結果，モデル系統は 60Hzで，変換器は各相制御が可能な 単相インバータ 3台を使用し，キャリア周波数を約 1200Hz とし PWM波形を作成した。また，直列トランスの%インピ ーダンスを 10%程度とし，各種定数の最適な設定を行ない， 一般的な瞬時電圧低下(1相 0.3pu電圧低下)を想定し変搬号 の制御，動作内容を検証した。図 3，図 4に商用側において lLGが発生した場合の動作解析の結果例を示す。図 3の a 点における電圧が系統側の相電圧， b点における電圧が負荷 側の相電圧である。系統側の電圧を 200ms期間， 0.3puの電 圧低下が継続した場合の解析において DVRは瞬時竜圧低 下発生時に商用電圧に加算して直列トランスに不足分電圧 を印加し負荷側の電圧変動を抑制した運転を実施してい る。 Load DVR 図 1 DVRシステム構成図 Fig. 1. typical schematic ofDVR power system. 図 2 DVRの瞬時電圧低下発生時位相状態図 F ig. 2. Phasor diagram of power distribution system
Voltage of point“b" Voltage ofpoint
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Table 1 実証試験ケース一覧表 2 1.5 1 Time[呂] (a)DVR動作無し 0，5 15 15 0 10。
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kW WithDVR 10 11 11 印kW lωkW WithoutDVR 11 11 11 100kW 50kW WithDVR 12 11 11 100kW 50kW WithoutDVR 13 11 100m8 100kW 100kW WithDVR 14 11 11 lOOkW 100kW WithoutDVR 15 " 11 50kW 100kW 1町l出DVR 16 11 11 印kW 1∞
kW WithoutDVR 17 11 11 100kW 50kW WithDVR 18 11 11 100kW 50kW WithoutDVR 表2 Table 2 2 0，5 2 1.5 1.5 (b)DVR動作有り 図6 x点、における電圧波形 Voltage ofpoint“x" 1 Time[sl 1 Time[sl ( 的DVR動作無し 0，5 Fig， 6 15 10 目15 0 800 600 4002
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日] @ M S -c k 〆 4.実験結果および検討 実証試験結果の一例として発電機の出力が100kWであり Load1にのみ電力供給を行っている特性を図6から図10に 示す。図 6から図9に，瞬時電圧低下の継続期聞が 300ms の例で， DVR動作無しの場合と動作させた場合の電圧波形 並びに電流波形を比較したものである。図6，図8はDVR の発電機側(6，6k V系統)における電圧波形並びに電流波形 を示し，図7，図9に発電機出力端(440V系統)における電 圧波形並びに電流波形を示す。図6より， DVR動作無しの 場合，DVRの発電機倶，IJ(6，6 k V系拘における電圧は最大約 0.23puの電圧低下を各相で検出している。一方DVRを動作 させた場合， DVRの出力により，電圧が約1.0puに改善さ れていることを確認した。図 7より，発電機出力端(440V 系統)の電圧も同様に， DVRを動作させた場合，電圧が約 1.0puに改善されていることを確認した。 図8，図9より， DVRの発電機側(6，6 k V系統)及び発電機 出力端(440V系1
めにおける電流においても，DVRを動作さ せた場合，動作無しの場合と比べ最大約5分のl程度まで 変動が抑制されている。瞬低期間以降，発電機の周波数が 変動し出力電流が変動するが，発電機が運転停止すること は無かった。 図10に， DVRの商用電源側(6，6 kV系統)電圧， DVRの発 電機側(6，6 k V系統)電圧及びDVR出力電圧を示し， DVR 出力電圧の評価を行った。 DVRの出力電圧は瞬時電圧低下 の期間中はほぼ，商用電源側と発電機側の差分相当の電圧(a)DVR動作無し 1 0，8 0，6
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1 1.5 2 Time[自] (b)DVR動作有り 図9 y点における電流波形 Fig 9， Cぽrentof pointγ¥ 0，5 2 1，5 1 Time[呂] (b)DVR動作有り 図7 Y点における電圧波形 Fig， 7， Voltage ofpoint"y" 0，5 15 10 ー5 ー10 5。
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5 国10 [ ﹀ M A ] G M S - c k 〆 2 1.5 1 Time[自] (b)DVR動作有り 図8 x点における電流波形 Current of point“x" 0，5 Fig，8 1 0，8 0，6 つ 0.4 坦 0，2 +'e
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02 u ，0.4 ー0，6 '0，8 1 0 2 1.5 1 Time[sl (c) DVR出力電圧 0，5 2 1.5 1 T皿 e[sl 0，5350 300 250 :::::' 200 :;;; 150 :;:: 100 区 50
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100 ~ 50 a._ 0 -50 -100 150 5_まとめ 小規模系統におけるDVRと分散電源の瞬時電圧低下時の運転継続の検討 図 10 DVRの出力電圧の評価 Fig. 10. Evaluation ofDVR voltage 0.5 1.5
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巾 I (ゆ発電機出力(DVR無し) 員h A圃 肱"
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目。5 1.5 Time[sl (b)発電機出力ρVR有り) 図11 発電機の出力変動 Fig. 11. Characteristic of Generator. 直列補償型瞬低対策装置の動作原理を瞬時値解析ツール (EM四回ATP)を使用して解析しその基本動作を確認した。 また直列補償型瞬低対策装置とDEGの組み合わせること により，瞬時電圧低下の発生時も安定的に，電圧変動を 抑制し，かつ分散電源の運転継続を出力抑制が可能なこ とを実証試験により確認した。今後，クリーンエネルギ ーとして注目される，ガスエンジン発電機等に応用し， 瞬低発生時に継続的に運転可能なシステムの検討に拡大 してゆきたい。 41 文 献 2 (1)雨 谷 昭 弘 “Personal∞
mputer simulation of Power systemヘ電力システムのパソコンシミュレーション， p.228-237 (1998年) (2)社団法人電気協同研究会「瞬時電圧低下対策J，電 気協同研究，vo146ヲNo3(2001年) (3)配電系統に適用されるパワーエレクトロニクス技術 の最新動向調査 専門委員会 i配電系統に適用されるパワーエレクト ロニクスの最新 技術，技術報告J，電気技術報告 No.1093 pp.27-69 (2007年) ( 4 )Voltage Sag Compensation with Energy Optimized Dynamic Voltage Restorer:IEEE Transaction on Power DeliveryVo1.18，No3 July2003 D.Mahinda Vilathgamuwa，Senior Menber，IEEE，A.A.D.Ranjith Perena，and S. S. Choi (5) N.Hasegawa，H.Nakanoコ K .Yukita， Y.Goto，K.lchiyanagi，H. Toita H.lwama，T.F可imura:"Continuance Operation in the Gas Engine Generator with DVR"， 2008 National Convention Record IEEJ Vo16，No 089(2008，3) 長谷川直紀・中野寛之・雪国和人・後藤泰之・一柳 勝宏・戸井田裕俊・岩間博昭・藤村尚 ij(スエンγン導 入系統におけるDVRによる運転継続性J，平成20年 電気学会全国大会Vo16，No089(2008，3)
(6) N.Hasegawa，H.Nakano，Y.Goto，K.Yukita，K.lchiyanagi，H Toita Y.Kik:awa:"Study on Instantaneous Voltage Dorop on Power System with DVR
ヘ
IEEJ Trans.PEフNo.20，211(2008タ) 長谷川直紀・中野寛之・雪田和人・後藤泰之・一柳 勝宏・戸井田裕俊・木川陽太郎・ iDVR導入系統に おける瞬時電圧低下現象の基礎的検討J，平成21年電 気学会BNo.20.211(2009，9) (7) N.Hasegaw，ay'Shimizu，Y.GotoフK.Yukita，K.lchiyanagi，H 。Toitay'Kikawa，Y，Mikami :"Study on巴ffect of DVR in
micro-gridョ"IEEJ Trans.PE，No.09-30(2009，9) 長谷川直紀・清水康隆・雪国和人・後藤泰之。一柳 勝宏・戸井田裕俊・木川陽太郎・三上陽介「マイクログリ ッド、内におけるDVR導入効果の一検討し平成21年 電気学会電力技術研究会(2009，9) 2
