リアクティブ電力補償技術とは何か その最適化戦略と意義
1 反応電力補償技術の概要
1.1 反応電力補償技術の役割
反応電力補償技術は、電力システムや電力網で広く使用されている技術の一つです。主に電力係数を改善し、線路損失を減少させ、電力品質を向上させ、送電容量と電力網の安定性を高めるために使用されます。これにより、電力設備がより安定かつ信頼性の高い環境で動作することができ、また電力網の有効電力の送電能力も向上します。
1.2 反応電力補償技術の制限
広く適用されている反応電力補償技術でも、すべての適用シナリオには適していない場合があります。例えば、負荷が頻繁に変動するシステムでは、補償装置の切り替え速度が負荷の急速な変化についていけないことがあります。これにより、不十分な応答となり、電力網の電圧が不安定に変動することがあります。
特定の場合には、反応電力補償装置が高調波電流や高調波電圧を生成し、全体的な電力システムや接続された装置に悪影響を与える可能性があります。したがって、補償スキームの設計と実装時には、高調波問題を十分に考慮し、適切な抑制措置を講じる必要があります。
2 反応電力補償の最適化戦略
本稿で提案する電力コンデンサに基づく反応電力補償技術は、完全な補償システム内に実装されています。このシステムは主に以下の3つの構成要素から成ります：S751e-JP メインコントローラ、S751e-VAR 制御ボード（コンデンサスイッチング実行ユニット）、および電力コンデンサバンク。これらの中では、S751e-JP メインコントローラと S751e-VAR 制御ボードはマスタースレーブ関係で動作します。
通常運転中、S751e-VAR 制御ボードは S751e-JP メインコントローラからの指示を受け取り、内部の複合スイッチを制御して事前にグループ化された電力コンデンサを切り替えます。S751e-JP メインコントローラは、電力システムからのリアルタイム運転データを収集・分析し、組み込みソフトウェアとアルゴリズムを使用して必要な反応電力補償量を計算し、これを S751e-VAR 制御ボードとの信号に変換します。制御ボードは、命令を受け取るとプリセットされた論理に基づいてスイッチング操作を行い、電力システムに対して正確な反応電力補償を可能にします。
2.1 反応電力補償装置の設計と設定
2.1.1 電力コンデンサの補償容量
電力コンデンサの補償容量を推定するためには、一般的に簡略化された計算方法が使用されます。しかし、この方法には実際の応用において一定の制限があります。したがって、本稿ではより詳細かつ正確なアルゴリズムを使用して必要な補償を決定します。まず、補償されていない状態でのシステムの初期電力係数（cosφ）を設定します。
および は、電力網が全負荷で動作しているときの有効電力値および無効電力値です；
は電力システム（または電力網）の年間平均有効負荷率で、通常 0.70 から 0.75 の範囲です；
は電力システム（または電力網）の年間平均無効負荷率で、通常 0.76 としています。
電力システムがすでに正常に動作している場合、過去の電力消費データを使用して計算することができます。この場合：
ここで：
Wm は電力システムの月平均有効エネルギー消費量です；
Wrm は電力システムの月平均無効エネルギー消費量です。
上記の目標電力係数に基づいて、電力コンデンサの実際の補償容量は以下の式を使用して決定できます：
2.1.2 電力コンデンサバンクの接続方法
電力システムの通常運転中に、電力コンデンサバンクは通常、デルタ (Δ) 接続と Y (ワイ) 接続という2つの基本的な接続方法を使用します。さらに、回路内のスイッチング装置の位置によって、内部または外部スイッチング構成に分類することもあります。
デルタ接続は、高速かつ同時に三相補償を行うことができ、ラインのバランス不良の期間を短縮し、補償効率を向上させます。ただし、これは比較的三相バランスの良いシステムにのみ適しており、精密なグリッド補償は達成できません。
Y 接続は、コンデンサバンクの各相に対して独立かつ正確な補償を行うことができます。ただし、一相で低電圧または過電圧が発生する可能性があり、通常は導入コストが高いです。
したがって、本稿では両方の接続方法の利点を組み合わせたハイブリッドアプローチを提案し、実際の負荷条件に応じてコンデンサグループの数と容量を調整します。
2.1.3 電力コンデンサのグループ化構成
電力コンデンサのグループ化構成には、等容量と不等容量のスキームがあります。
等容量グループ化では、総コンデンサバンクを同一容量のグループに分割し、グループの数は必要な総容量に基づいて決定されます。この方法は組み立てが簡単で、スイッチング制御ロジックも単純ですが、グループ数が少なく個々の容量が大きいため、補償ステップが粗くなり、精密な補償が難しくなります。頻繁なスイッチングは機器の摩耗を加速し、メンテナンスコストを増加させる可能性があります。
不等容量グループ化では、コンデンサの容量は予め定義された比率（例：1∶2∶4∶8）に従って分配されます。この方法は補償精度と柔軟性が高く、微調整可能な無効電力制御が可能です。ただし、システム設計と制御ロジックが複雑であり、拡張性が制限されます。また、小容量のコンデンサは過度なスイッチング操作により長期的な信頼性に影響を与えます。
総合的な評価の結果、本稿では等容量グループ化法を採用します。ただし、共通補償グループの容量は分割相補償グループよりも少し大きくなります。この構成はサイクリックスイッチング操作をサポートし、補償精度と応答速度を向上させ、制御の複雑さを減らします。また、補償周期を短縮し、全体的な効率を向上させます。
2.2 反応電力補償戦略の最適化
適切に設計された反応電力補償戦略は、さまざまな運転条件下で効果的な補償を確保します。通常のシステム運転中に、補償システムのリアルタイム状態は、有効電力や無効電力などのパラメータに基づいて、スイッチングインゾーン、安定ゾーン、スイッチングアウトゾーンなどに分けることができます。
補償戦略の最適化は、システム設計における重要な側面であり、補償性能に直接影響します。伝統的な単一パラメータ制御戦略は、1つの変数に焦点を当てているため、複雑または動的な条件に対処するには不十分です。これにより、過剰補償や過度なスイッチングが生じ、運用コストとメンテナンスコストが増加します。
したがって、本稿では多パラメータ複合制御戦略を採用します。1つのパラメータを主要な決定基準とし、他のいくつかのパラメータを補助因子として使用します。システムは複数のパラメータを同時に評価し、包括的な計算を行い、スイッチング要求を決定し、それに応じてスイッチング動作を実行することで、制御精度と安定性を向上させます。
2.3 補償装置の運用とメンテナンス
補償装置の安定性と干渉耐性を高めるためには、組み込みのソフトウェア保護システムを実装する必要があります。これにより、さまざまな異常条件下でも装置が正常に動作するか、安全に切断できるようになり、運用の信頼性と安全性が向上します。
さらに、専門の技術者が定期的にインストール調整と検査を行い、装置内の潜在的な安全上の危険を特定し、適時強化を行うことが必要です。
反応電力補償システムは通常、過電流、過電圧、低電圧保護などの保護機能を備えています。これらの保護が故障時に正しく応答するためには、定期的な動作性能テストが必要です。さらに、過電流と温度保護を実装して異常を早期に検出し、故障の進行を防ぐことが重要です。
