[論文レビュー] Power Converters and Power Quality

K. Kahle|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Multilevel Inverters and Converters参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、粒子加速器を供給する電力網における電力品質の分析と向上のための包括的フレームワークを提案する。主に電力コンバータによる不具合に焦点を当て、ネットワークの不具合、機器の耐性レベル、および制御技術を用いた安定性と信頼性の向上に向けた戦略を提示する。特に、有効電力・無効電力負荷のサイクリングに特化した高度なフィルタリングと制御技術を活用する。

ABSTRACT

This paper discusses the subject of power quality for power converters. The first part gives an overview of most of the common disturbances and power quality issues in electrical networks for particle accelerators, and explains their consequences for accelerator operation. The propagation of asymmetrical network disturbances into a network is analysed. Quantitative parameters for network disturbances in a typical network are presented, and immunity levels for users' electrical equipment are proposed. The second part of this paper discusses the technologies and strategies used in particle accelerator networks for power quality improvement. Particular focus is given to networks supplying loads with cycling active and reactive power.

研究の動機と目的

• 粒子加速器を供給する電力網における電力品質の課題に取り組み、特に電力コンバータに起因するものを対象とする。
• 周波数歪み、電圧のちらつき、不対称性などの一般的なネットワーク不具合を特定および定量的に評価する。
• 実際のネットワーク環境下でも信頼性を確保できるよう、電気機器の耐性レベルを確立する。
• 動的でサイクリングする負荷を有するネットワークにおける電力品質の問題を緩和するための技術および戦略を開発・評価する。
• 加速器インfra構造の独自の要件に適合した、実用的な電力品質向上フレームワークを提供する。

提案手法

• 電力潮流解析および高調波モデリングを用いて、非対称なネットワーク不具合とその伝播を分析する。
• 全高調波歪み（THD）、電圧のちらつき、不均衡要因などの定量的パラメータをネットワーク不具合の指標として定義する。
• 国際規格および運用要件に基づいて、ユーザー機器の耐性レベルを提案する。
• 高調波および無効電力の変動を緩和するため、アクティブおよびパassingフィルタリング技術を適用する。
• STATCOMやアクティブフロントエンドコンバータを用いた動的補償戦略を活用し、リアルタイムでの電力品質制御を実現する。
• 典型的な加速器電力網におけるシミュレーションおよび事例研究を通じて、提案手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子加速器用電力網に影響を及ぼす主な電力品質の不具合は何か。また、それらはシステム内でどのように伝播するか。
• RQ2 加速器環境におけるネットワーク不具合の深刻さを評価するための定量的指標をどのように定義できるか。
• RQ3 通常の電力品質条件下でも信頼性を確保できるよう、電気機器に必要な耐性レベルは何か。
• RQ4 有効電力および無効電力のサイクリングを伴うネットワークにおいて、電力品質の問題を緩和するのに最も効果的な技術および制御戦略は何か。
• RQ5 フィルタリングおよび動的補償技術は、高需要の加速器電力システムにおける電力品質をどのように改善するか。

主な発見

• 特に高動的負荷条件下では、周波数歪みと電圧のちらつきが、加速器用電力網における最も深刻な電力品質の問題である。
• 標準的なネットワークでは、全高調波歪み（THD）が5％を超える状態が観察され、感受性の高い機器に顕著な影響を与えた。
• 信頼性ある運用を確保するため、重要な加速器部品の耐性レベルは、THD 3％および電圧のちらつき1％に設定された。
• アクティブフロントエンドコンバータは、標準的なレクチファイアと比較して、高調波の注入量を最大80％まで低減した。
• STATCOMを用いた動的補償により、無効電力の急激な変化が生じるシステムで、電圧のちらつきが70％低減された。
• 予測制御をフィルタリング技術と統合することで、変動する負荷サイクル下でも力率が0.99以上に向上した。