JP2000224896A - 直流送電制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直流変換所の母線電圧から軸ねじれ振動周波
数領域以外の周波数をも検出し、効率よく軸ねじれ抑制
制御を行う。 【解決手段】発電機２に連系された直流変換所の交流母
線５の各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃから、各相の周波数ｆ
ａ、ｆｂ、ｆｃを検出する周波数検出器１４２ａ〜１４
２ｃと、前記周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃの平均値を求めて
母線５の周波数を検出する平均処理回路１４３と、母線
５の周波数変動から軸ねじれ振動を検出するフィルタ１
４４及び判定回路１４５と、検出した軸ねじれ振動を抑
制するための制御信号を出力するフィルタ１４７と、前
記制御信号を定電流制御装置１４９の出力に加算する加
算器１５０とを具備する。加算器１５０の出力で、直流
変換所の制御角を調節し、軸ねじれ振動を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流送電系統の制
御装置に関するものであり、特に、当該直流送電に連系
されたタービン発電機の軸ねじれ振動を抑制するのに好
適な直流送電制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、大電力の長距離送電や、ケー
ブルによる離島送電等に直流送電方式が用いられてい
る。

【０００３】ところで、タービン発電機が直流送電系統
の直流変換所近辺に連系されている場合、当該直流変換
所で行われる電力制御の条件によっては、直流送電系統
とタービン発電機とが干渉して、タービン発電機の軸が
振動することがある。この現象は、一般に、軸ねじれ振
動と呼ばれている。

【０００４】この軸ねじれ振動を抑制する装置として、
ＥＰＲＩレポ−ト(R.J.Piwko,E.V.Larsen:″HVDC Syste
m Control for Damping of Subsynchronous Oscillatio
ns″,EPRI EL-2708,RP1425-1 Final Report)記載のもの
がある。

【０００５】以下、当該レポート記載の内容について簡
単に説明する。

【０００６】先ず、軸ねじれ振動の判定方法について説
明する。

【０００７】当該レポートでは、発電機の回転子に作用
するトルクのダンピング係数から軸ねじれ振動を判定す
る方法が採用されている。

【０００８】図９は発電所近傍に直流送電系統が連系さ
れた電力系を示す図である。

【０００９】ここで、７１はタービン、７２は発電機、
７３はタービン７１と発電機７２とを連結する軸であ
る。発電機７２は、母線７４を介して、直流送電系統７
５及び交流送電系統７６と連系されている。また、直流
送電系統７５、交流送電系統７６は、各々交流系統７
７、７８に連系されている。

【００１０】図９において、発電機７２の出力をＰＧ、
交流送電系７６の交流電力をＰＡＣ、直流送電系の直流
電力ＰＤＣとすると、これ等には次式の関係がある。

【００１１】ＰＧ＝ＰＡＣ＋ＰＤＣ・・・・式１ また、発電機７２の出力ＰＧは、発電機７２の回転子に
作用するトルクをＴｅ、タービン７１の角速度をωとす
ると、次式で表すことができる。

【００１２】ＰＧ＝ωＴｅ よって、発電機７２の出力変動ΔＰＧは、次式のように
なる。

【００１３】 ΔＰＧ＝ω０ΔＴｅ＋Ｔｅ０Δω・・・・式２ 尚、Ｔｅ０は発電機７２の回転子に作用する定格トル
ク、ω０はタービン７１の定格角速度である。

【００１４】したがって、式１及び式２を用いて、発電
機７２の回転子に作用するトルクの電気ダンピング係数
Ｄｅ（＝ΔＴｅ／Δω）を表すと、次式のようになる。

【００１５】 Ｄｅ＝−Ｔｅ０／ω０＋ΔＰＡＣ／(ω０Δω)＋ΔＰＤＣ／(ω０Δω)・・・ ・式３ 式３において、発電機７２に直流送電系統７５が連系さ
れていないと仮定した場合、ΔＰＤＣ＝０となり、ま
た、−Ｔｅ０／ω０は定数であるので、電気ダンピング
係数Ｄｅは、ΔＰＡＣ／(ω０Δω)の値によって決ま
る。

【００１６】ここで、電力系統の負荷は、周波数が上昇
すると有効電力分も増加する（負荷の自己制御性）。ま
た、電力系統の周波数は、当該系統に接続された発電機
の回転速度によって決まる。

【００１７】したがって、ΔＰＡＣ／(ω０Δω)は、タ
ービン７１の角速度ωが増加すると交流出力ＰＡＣも増
加するので、十分に大きな正の値となり、電気ダンピン
グ係数Ｄｅは負にならない。

【００１８】一方、図９に示すように、発電機７２に直
流送電系統７５が連系されている場合、通常、直流変換
所では一定電力制御が行われているため、ΔＰＤＣは、
当該電力制御の条件により、Δωとは無関係に決まる。

【００１９】したがって、電気ダンピング係数Ｄｅは、
直流送電系統７５の直流変換所で行われる一定電力制御
の条件によっては、負になることもあり得る。

【００２０】尚、発電機７２の回転子に作用するトルク
のダンピング係数は、実際には、電気ダンピング係数Ｄ
ｅの他に、発電機７２の機械損による機械ダンピング係
数Ｄｍがある。機械ダンピング係数Ｄｍは発電機７２の
負荷状態によって異なり、無負荷時（ＮＬ）で最小、全
負荷時（ＦＬ）で最大となる図１０は、図９に示す電力
系において、発電機７２の回転子の角速度変動ΔωＧに
よる発電機７２の回転子に作用するトルクの変動ΔＴｅ
と、発電機７２の機械損による機械ダンピング係数Ｄｍ
との関係を示したブロック図である。

【００２１】ここで、Ｓはラプラス演算子を表してお
り、Ｍは発電機７２の慣性定数（回転子の質量に相当）
を表している。また、７９は定電流制御装置(Automatic
Current Regulator)、８０は定電圧制御装置(Automati
c Volt Regulator)である。

【００２２】図１０に示すように、発電機７２の回転子
に作用するトルクのダンピング係数は、電気ダンピング
係数Ｄｅと機械ダンピング係数Ｄｍとからなるので、先
ず、タービン７１と発電機７２の軸７３の共振周波数に
おいて、発電機７２の回転子の角速度変動ΔωＧによる
発電機７２の回転子のトルク変動ΔＴｅを算出して正味
の電気ダンピング係数Ｄｅ＝Real(ΔＴｅ／ΔωＧ)を求
め、その後、求めた電気ダンピングトルク係数Ｄｅと機
械ダンピングＤｍとの総合ダンピングＤｔにより軸ねじ
れ振動の状態を判定する。

【００２３】Ｄｔ＝Ｄｅ＋Ｄｍ・・・・式４ Ｄｔ＞０ ：安定 Ｄｔ≦０ ：不安定 尚、軸ねじれ振動の状態は、図１１に示すような図を用
いて判定することもできる。図１１は、タービン７１と
発電機７２の軸７３の共振周波数においてプロットし
た、電気ダンピング係数Ｄｅと、機械ダンピング係数Ｄ
ｍとの関係を示す図である。ここで、電気ダンピング係
数Ｄｅは、縦軸の正（＋）方向にプロットされている。
また、機械ダンピング係数Ｄｍは、縦軸の負（−）方向
にプロットされている。

【００２４】図１１において、機械ダンピング係数Ｄｍ
が電気ダンピング係数Ｄｅの上側にある場合はＤｔ≦０
となるので不安定、下側の場合はＤｔ＞０となるので安
定と判定することができる。

【００２５】次に、軸ねじれ振動抑制装置について説明
する。

【００２６】この軸ねじれ振動抑制装置は、タービン−
発電機系の軸の固有振動モードのうち、不安定なモード
に対する振動が、当該発電機に連系された直流送電系統
の直流変換所母線電圧の周波数変動として現れることを
利用して、当該母線電圧の周波数変動から軸ねじれ振動
を検出しようとするものである。

【００２７】図１２に、図１０において、当該レポート
記載の軸ねじれ振動抑制装置(Subsynchronous Damping
Control)８３を設けた場合のブロック図を示す。

【００２８】軸ねじれ振動抑制装置８３は、センサ８１
と、フィルタ８２とを備えている。

【００２９】センサ８１は、直流送電系統７５の直流変
換所７５ａでの母線の１つの相電圧から周波数の変動Δ
ｆを検出する。

【００３０】フィルタ８２は、センサ８１で検出した母
線電圧の周波数変動Δｆから軸ねじれ振動を検出する。
そして、検出した軸ねじれ振動成分のゲインを調節し、
制御信号として出力する。

【００３１】加算器８４は、フィルタ８２からの制御出
力と、定電流制御装置７９の出力とを加算し、直流変換
所７５ａに入力する。これを受けて、直流変換所７５ａ
は、制御角αを変化させ、電気ダンピング係数Ｄｅを増
加させる。これにより、ねじれ振動を抑制する。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記レポー
ト記載の従来の軸ねじれ振動抑制装置では、センサ８１
により、直流変換所７５ａでの母線の１つの相電圧から
微小な周波数変動Δｆを検出することで、軸ねじれ振動
を検出している。

【００３３】１つの相電圧を用いて周波数を検出した場
合、検出できる周波数は、理論的には、半サイクル毎に
周波数を検出しても、サンプリング周波数が１００Ｈｚ
又は１２０Ｈｚとなるため、サンプリング定理から５０
Ｈｚ又は６０Ｈｚ程度であるが、実際には、母線周波数
と略同じ程度以下（母線周波数が６０Ｈｚならば、６０
Ｈｚ程度以下）である。また、直流変換所７５ａの母線
電圧には高調波が含まれ、波形歪みが発生するため、１
つの相電圧で周波数を正確且つ高速に検出するのは困難
である。

【００３４】一方、軸ねじれ抑制制御により、直流変換
所７５ａの制御角αが変動すると、直流変換所７５ａの
母線電圧が変動して、母線周波数に影響を与える。この
影響度は、制御角αを変化させる周波数によって変動
し、軸ねじれ抑制制御の内部ループ、即ち図１２に示す
センサ８１、フィルタ８２、加算器８４及び直流変換所
７５ａで形成されるループの共振周波数で最大となる。

【００３５】このループの共振周波数は直流主回路定
数、直流制御系定数、交流系統構成等によって定まり、
条件によっては５０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度となって、軸
ねじれ振動周波数領域（５Ｈｚ〜５５Ｈｚ程度）に接近
することがある。

【００３６】この場合、上記従来の軸ねじれ振動抑制装
置では、上述したように、実際に検出できる周波数の上
限が母線周波数と略同じ程度であるため、前記ループの
共振周波数をそれよりも低い周波数として検出してしま
い、これにより、当該共振周波数を軸ねじれ振動として
誤検出してしまうことがあるという問題がある。

【００３７】このため、上記従来の軸ねじれ振動抑制装
置では、軸ねじれ振動周波数領域の高域（４０Ｈｚ〜５
５Ｈｚ程度）におけるゲイン余裕を確保するため、軸ね
じれ振動周波数のうち高い周波数領域に対するゲインを
抑制して、軸ねじれ抑制制御の安定性が確保できること
を確認しなければならなかった。

【００３８】尚、直流変換所７５ａの母線電圧から周波
数変動Δｆを検出する代わりに、発電機７２の電流を取
り込んで等価的に発電機７２の内部電圧を作成し、当該
内部電圧の周波数変動Δｆ（発電機７２の角速度変動Δ
ωに近い）を求めることことも可能である。

【００３９】この場合、求めた周波数変動Δｆが直流系
の制御による干渉を受けにくいという利点がある。

【００４０】しかしながら、この方法では、発電機７２
の内部電圧を計算するため、発電機７２の内部リアクタ
ンスや、変圧器、送電線等のリアクタンスの値を入手す
る必要がある。また、発電機７２の運転台数等の情報を
入手する必要があるため、実現するのは困難である。

【００４１】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、本発明の目的は、直流変換所母線電圧の周波数変
動から軸ねじれ振動周波数領域以外の周波数をも検出す
ることで、効率よく軸ねじれ抑制制御を行うことができ
る直流送電制御装置を提供することにある。

【００４２】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明の直流送電制御装置は、多相交流発電機に連
系された直流変換器母線の少なくとも２つの相電圧か
ら、前記少なくとも２つの相各々の周波数を、電圧波形
の１サイクルの期間を計測することにより検出する相周
波数検出手段と、前記相周波数検出手段で検出した前記
少なくとも２つの相各々の周波数を平均することで、前
記母線の周波数を検出する母線周波数検出手段と、前記
母線周波数検出手段で検出した周波数の変動から、前記
発電機の軸ねじれ振動を検出し、当該検出した軸ねじれ
振動を抑制するための制御信号を出力する軸ねじれ振動
検出手段と、前記軸ねじれ振動検出手段の出力を、直流
変換器を一定電流制御する定電流制御装置の出力に加算
する加算手段と、を具備し、前記加算手段の出力によ
り、前記直流変換器の制御角を調節して、前記発電機の
軸ねじれ振動を抑制することを特徴とする。

【００４３】本発明は、母線の少なくとも２つの相電圧
の周波数を平均することで、当該母線の周波数を検出し
ている。このため、母線の１つの相電圧から母線周波数
を検出する場合に比べ、より広い周波数領域において、
母線周波数を正確且つ高速に検出することができる。

【００４４】これにより、軸ねじれ振動周波数領域の高
域（４０Ｈｚ〜５５Ｈｚ程度）におけるゲイン余裕を確
保するために、軸ねじれ振動周波数のうち高い周波数領
域に対するゲインを必要以上に抑制する必要がなくな
り、効果的で安定した軸ねじれ抑制制御を行うことがで
きる。

【００４５】本発明は、前記軸ねじれ検出手段が軸ねじ
れ振動を所定期間継続して検出した場合に、前記発電機
に警報を送信する警報手段を有するものであることが好
ましい。

【００４６】このようにすることで、軸ねじれ抑制制御
が有効に作用しているか否かの判断が容易となる。

【００４７】本発明において、母線周波数検出手段は、
相周波数検出手段で正常に検出された相の周波数のみを
用いて平均値を算出することが好ましい。

【００４８】このようにすることで、地絡事故や断線事
故等の不平衡事故の場合でも、母線周波数の測定が可能
となる。

【００４９】また、軸ねじれ検出手段は、母線周波数変
動から、軸ねじれ振動周波数領域の周波数成分のみを、
所定ゲインで通過させるような帯域フィルタを用いるこ
とで実現できる。

【００５０】上述したように、タービン−発電機系の軸
の固有振動モードのうち、不安定なモードに対する振動
は、当該発電機に連系された直流送電系統の直流変換所
での母線電圧の周波数変動として現れる。したがって、
母線電圧の周波数変動から軸ねじれ振動を検出すること
が可能である。

【００５１】尚、軸ねじれ振動は、タービンの設計条件
等により、どの周波数領域で発生するか予測できるの
で、当該予測した周波数領域を検出するように帯域フィ
ルタのゲイン周波数特性等を調整すればよい。

【００５２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施形態につ
いて、図面を参照して説明する。

【００５３】図１は本実施形態の軸ねじれ振動抑制装置
が適用された電力系を示す図である。

【００５４】ここで、１はタービン、２は３相交流発電
機、３はタービン１と３相交流発電機２を連結する軸、
４は昇圧用変圧器、５は３相３線式の変換所交流母線、
６は並行交流送電線、７は交流遮断器、８は変換用変圧
器、９は順変換器、１０は直流送電線、１１は逆変換
器、１２ａ及び１２ｂは受電側交流系統、１３は逆変換
器１１を一定電圧制御する定電圧制御装置(Automatic V
olt Regulator)、１４９は順変換器９を一定電流制御す
る定電流制御装置(Automatic Current Regulator)、１
５０は加算器である。そして、１４が本実施形態の軸ね
じれ抑制制御装置(Subsynchronous Damping Control)を
示す。

【００５５】発電機２は、変換所交流母線５を介して、
交流送電線６及び直流送電線１０と連系されている。ま
た、交流送電線６、直流送電線１０は、各々受電側交流
系統１２ａ、１２ｂに連系されている。

【００５６】発電機２で発生した電力は、交流送電線
６、直流送電線１０を経由して、受電側交流系統１２
ａ、１２ｂに供給される。

【００５７】本実施形態の軸ねじれ抑制制御装置１４
は、図１に示すように、電圧変成器１４１と、周波数検
出器１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃと、平均処理回路１
４３と、振動成分検出用帯域フィルタ１４４と、振動レ
ベル判定回路１４５、系統条件判定回路１５２と、論理
回路１４６と、抑制信号生成用帯域フィルタ１４７と、
スイッチ１４８と、警報装置１５１と、を備えて構成さ
れるいる。

【００５８】電圧変換器１４１は、変換所交流母線５の
３相（ａ相、ｂ相、ｃ相）の電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを検
出する。

【００５９】周波数検出器１４２ａは、電圧変成器１４
１で検出した相電圧Ｖａを用いて、当該相の周波数ｆａ
を検出する。

【００６０】周波数検出器１４２ｂは、電圧変成器１４
１で検出した相電圧Ｖｂを用いて、当該相の周波数ｆｂ
を検出する。

【００６１】周波数検出器１４２ｃは、電圧変成器１４
１で検出した相電圧Ｖｃを用いて、当該相の周波数ｆｃ
を検出する。

【００６２】平均処理回路１４３は、周波数検出器１４
２ａ〜１４２ｃで検出した周波数ｆａ〜ｆｃの平均値ｆ
１を求め、当該平均値ｆ１に応じた信号（例えば電圧信
号）を出力する。

【００６３】振動成分検出用帯域フィルタ１４４は、平
均処理回路１４３の出力信号、即ち平均値ｆ１の変動か
ら軸ねじれ振動周波数領域にある変動成分Δｆを抽出す
る。

【００６４】上述したように、発電機の軸の固有振動モ
ードのうち、不安定なモードに対する振動は、発電機に
連系された直流変換所の交流母線電圧の周波数変動とし
て現れる。したがって、平均処理回路１４３の出力信
号、即ち平均値ｆ１の周波数変動から軸ねじれ振動を検
出することが可能である。

【００６５】また、軸ねじれ振動は、直流送電系統とタ
ービン発電機とが干渉することで生じる。したがって、
タービンの設計条件等により、どの周波数領域で軸ねじ
れ振動が発生するか予測できるので、この周波数領域の
変動成分を検出するように振動成分検出用帯域フィルタ
１４４を設計する。

【００６６】振動レベル判定回路１４５は、振動成分検
出用帯域フィルタ１４４で検出した周波数変動Δｆを監
視することで、軸ねじれ振動のおそれがあるか否かを判
断する。そして、Δｆが所定レベル以上の場合は、軸ね
じれ振動のおそれがあるものと判断して、抑制指令を出
力する。

【００６７】系統条件判定回路１５２は、交流送電線６
の運用状態や発電機２の運転状態等から、軸ねじれ振動
のおそれがあるか否かを判断する。そして、軸ねじれ振
動のおそれがあるものと判断した場合は、抑制指令を出
力する。

【００６８】たとえば、交流送電線６が遮断事故を起こ
した場合、発電機２には直流送電系統のみが連系される
ことになるので、軸ねじれ振動が発生する可能性が高
い。このような場合は、軸ねじれ振動のおそれがあるも
のと判断して、抑制指令を出力する。

【００６９】論理回路１４６は、振動レベル判定回路１
４５の抑制指令と、系統条件判定回路１５２の抑制指令
とのＡＮＤ処理を行う。

【００７０】抑制信号生成用帯域フィルタ１４７は、平
均処理回路１４３の出力信号、即ち平均値ｆ１の変動か
ら軸ねじれ振動周波数領域にある変動成分Δｆを抽出
し、当該抽出した変動成分Δｆのゲインを調節すること
で、軸ねじれ抑制信号を生成する。

【００７１】ここで、抑制信号生成用帯域フィルタ１４
７の伝達関数は、以下の要領で決定する。

【００７２】図２は、図１に示す電力系において、ター
ビン１の角速度の変動ΔωＧから、発電機２の回転子に
作用する電気トルクの変動ΔＴｅまでの全体的な流れを
示す線形化ブロック図である。

【００７３】図２において、Ａは軸ねじれ抑制制御を含
まない角速度変動ΔωＧから電気トルク変動ΔＴｅまで
の伝達関数、Ｂは軸ねじれ抑制制御の出力から電気トル
ク変動ΔＴｅまでの伝達関数、Ｃは角速度変動ΔωＧか
ら軸ねじれ抑制制御の入力までの伝達関数である。Ｄは
軸ねじれ抑制制御の出力から当該制御の入力までの伝達
関数であり、軸ねじれ抑制制御の内部的な巡回フィード
バックゲインを示す。伝達係数Ａ〜Ｄは、交流系統や直
流系統の条件によって定まる。Ｆ(s)は軸ねじれ抑制制
御の伝達関数である。

【００７４】発電機２の回転子に作用するトルクの電気
ダンピング係数Ｄｅは、図２に示す全ての伝達関数を含
む総合伝達関数ΔＴｅ／ΔωＧの実部として定義され
る。

【００７５】総合伝達係数をＧ(s)とすると、Ｇ(s)は図
２から次式で与えられる。

【００７６】 Ｇ(s)＝Ａ＋ＢＣ（Ｆ(s)/(1+F(s)D)）・・・・式５ 軸ねじれ抑制制御の伝達関数Ｆ(s)は次式のようにな
る。

【００７７】 Ｆ(s)＝（Ｇ(s)−Ａ）／（ＢＣ−Ｄ(Ｇ(s)−Ａ)）・・・・式６ したがって、抑制信号生成用帯域フィルタ１４７は、式
６で特定される伝達関数Ｆ(s)を満足するように、設計
すればよい。

【００７８】いま、軸ねじれ抑制制御が、図３に示すよ
うに、軸ねじれ振動周波数領域（５Ｈｚ〜５５Ｈｚ）で
の電気ダンピング係数Ｄｅを＋１．０p.u.（per unit：
発電機２を定格動作させたときのＤｅが１p.u.）以上に
することが設計目標とされているとした場合、Ｇ(s)＝
１となる。よって、理想的な軸ねじれ抑制制御の伝達関
数Ｆ(s)は、式６より以下のようになる。

【００７９】 Ｆ(s)＝（１−Ａ）／（ＢＣ−Ｄ(１−Ａ)） スイッチ１４８は、論理回路１４６の出力を受けて、平
均処理回路１４３と抑制信号生成用帯域フィルタ１４７
とを接続する。

【００８０】定電流制御装置１４９は、順変換器９の一
定電流制御を行う。

【００８１】加算器１５０は、定電流制御装置１４９の
出力と抑制信号生成用フィルタ１４７の出力とを加算す
る。

【００８２】警報装置１５１は、振動レベル判定装置１
４５から所定時間継続して抑制指令が出力されている場
合、近傍発電所の発電機保護システムに警報信号を発信
する。警報装置１５１は、例えば、動作時間の設定が可
能な、オンディレータイマで構成される。

【００８３】次に、本実施形態装置の動作について説明
する。

【００８４】周波数検出器１４２ａ〜１４２ｃは、電圧
変成器１４１で検出した相電圧Ｖａ〜Ｖｃを用いて、各
相の周波数ｆａ〜ｆｃを検出し、平均処理回路１４３に
入力する。

【００８５】これを受けて、平均処理回路１４３は、周
波数ｆａ〜ｆｃを平均値ｆ１を求め、当該平均値ｆ１に
応じた信号を生成する。

【００８６】振動成分検出用帯域フィルタ１４４は、平
均処理回路１４３で生成された信号の変動から軸ねじれ
振動周波数領域にある変動成分Δｆを抽出する。そし
て、抽出した変動成分Δｆを振動レベル判定回路１４５
に入力する。

【００８７】これを受けて、振動レベル判定回路１４５
は、変動成分Δｆの振幅が所定レベル以上であるか否か
を判断し、所定レベル以上の場合、抑制指令を出力す
る。

【００８８】一方、系統条件判定回路１５２は、交流送
電線６の運用状態や発電機２の運転状態等から軸ねじれ
振動のおそれがあるか否かを判断する。そして、軸ねじ
れ振動のおそれがあるものと判断した場合、抑制指令を
出力する。

【００８９】論理回路１４６は、振動レベル判定回路１
４５の抑制信号と、系統条件判定回路１５２の抑制信号
とが、同時に入力されている場合のみ、スイッチ１４８
をオンにする。スイッチ１４８がオンになると、平均処
理回路１４３と抑制信号生成用帯域フィルタ１４７とが
接続して、軸ねじれ抑制制御が行われる。

【００９０】軸ねじれ抑制制御が開始され、平均処理回
路１４３と抑制信号生成用帯域フィルタ１４７とが接続
されると、平均処理回路１４３の信号が抑制信号生成用
帯域フィルタ１４７に入力される。

【００９１】これを受けて、抑制信号生成用帯域フィル
タ１４７は、入力した信号の変動から軸ねじれ振動周波
数領域にある変動成分Δｆを抽出し、当該抽出した変動
成分Δｆのゲインを、上記式６で特定される伝達関数ｆ
(s)となるように調節して、軸ねじれ抑制信号を出力す
る。

【００９２】加算器１５０は、定電流制御装置１４９の
出力に、抑制信号生成用帯域フィルタ１４７から出力さ
れた軸ねじれ抑制信号を加算して、当該加算した信号を
順変換器９に入力する。

【００９３】これを受けて、順変換器９は、制御角を変
動させ、電気ダンピング係数Ｄｅを増加させる。これに
より、ねじれ振動を抑制する。

【００９４】尚、振動レベル判定装置１４５から所定時
間継続して抑制指令が出力されている場合、すなわち、
所定時間経過しても、軸ねじれ振動周波数領域にある変
動成分Δｆの振幅が減衰しない場合、軸ねじれ抑制制御
が有効でないとして、近傍発電所の発電機保護システム
に警報信号を発信する。

【００９５】次に、本実施形態の特徴的な部分である周
波数検出器１４２ａ〜１４２ｃ及び平均処理回路１４３
について、図面を用いて詳細に説明する。

【００９６】本実施形態の軸ねじれ抑制制御装置１４で
は、軸ねじれ振動を変換所交流母線５の電圧の周波数変
動から検出している。したがって、電圧波形から周波数
を高速且つ正確に検出することが重要になる。

【００９７】また、変換所交流母線５の電圧は、サイリ
スタの点弧、消弧による高調波以外に、事故除去後の直
流電力の立上り時の振動や、直流系の制御による直流電
圧変動等の影響を受け易い。したがって、電圧波形の歪
に影響されることなく、周波数を検出することも重要で
ある。

【００９８】このため、本実施形態では、周波数検出器
１４２ａ〜１４２ｃにより、交流母線５の各相の相電圧
Ｖａ〜Ｖｃから、交流母線５の各相の周波数ｆａ〜ｆｃ
を検出している。そして、平均処理回路１４３により、
交流母線５の各相の周波数ｆａ〜ｆｃの平均周波数ｆ１
を求めている。

【００９９】図４は本実施形態の軸ねじれ抑制装置にお
ける、母線電圧の周波数検出の原理を示している。

【０１００】図４に示すように、周波数検出器１４２ａ
は、電圧変成器１４１で検出した相電圧Ｖａを用いて、
電圧波形１サイクルの零点から零点までの時間（周期）
Ｔを測定し、当該１サイクルにおける周波数ｆａ（＝１
／Ｔ）を算出する。

【０１０１】周波数検出器１４２ｂ、１４２ｃも同様の
処理を行い、電圧変成器１４１で検出した相電圧Ｖａ、
Ｖｂの周波数ｆｂ、ｆｃを各々算出する。

【０１０２】尚、周波数の測定を１サイクル毎に行って
いたのでは、軸ねじれ振動周波数のうちの高域成分（４
０〜５５Ｈｚ程度）の検出が困難になる。

【０１０３】そこで、本実施形態では、図４に示すよう
に、電圧波形の半サイクル毎に、１サイクルの周期を計
測して、周波数ｆａ〜ｆｃの出力値を各相の半サイクル
毎に更新している。

【０１０４】そして、本実施形態では、図４に示すよう
に、平均処理回路１４３により、周波数検出器１４２ａ
〜１４２ｃから出力された周波数信号ｆａ〜ｆｃの平均
周波数ｆ１を求めている。そして、平均周波数ｆ１の変
動Δｆを観察することで、軸ねじれ振動を検出してい
る。

【０１０５】このようすることで、従来の技術で説明し
た、母線の１つの相電圧から求めた周波数で、軸ねじれ
振動を検出する場合に比べ、以下の利点を有する。

【０１０６】広い周波数領域において、母線周波数を
正確且つ高速に検出することができる。これにより、軸
ねじれ振動周波数領域の高域（４０Ｈｚ〜５５Ｈｚ程
度）におけるゲイン余裕を確保するために、軸ねじれ振
動周波数より高い周波数のゲインを抑制する必要がなく
なる。

【０１０７】ａ相、ｂ相、ｃ相の周波数検出値の平均
値を用いることで、ノイズや波形歪み等の影響を緩和す
ることができる。

【０１０８】地絡、断線事故等の不平衡故障が生じ
て、電圧低下や電圧喪失により周波数検出が不能となる
相が発生した場合でも、周波数を正常に検出することが
できた健全相を判別し、当該健全相の周波数値のみを用
いて平均処理を行なうことにより周波数を演算すること
ができる。

【０１０９】尚、平均処理を行うと、周波数検出が最初
の相の周波数を検出してから２〜３ｍｓ程度（等価一次
遅れ時定数に換算）遅れるが、周波数検出のサンプリン
グタイミングには影響はない。また、２〜３ｍｓ程度の
遅れであれば軸ねじれ抑制制御ブロックにおける進み遅
れ要素で補償可能である。

【０１１０】ここで、本実施形態が上記で述べた利点
を有する理由について説明する。

【０１１１】図５は交流母線５の１つの相電圧を用い
て、６０Ｈｚの軸ねじれ振動周波数を検出する例を説明
するための図、図６は交流母線５の３つの相電圧を用い
て、６０Ｈｚの軸ねじれ振動周波数を検出する例を説明
するための図である。

【０１１２】図５に示すように、交流母線５の１つの相
電圧から軸ねじれ振動周波数を検出する場合、サンプリ
ング周波数が最高でも母線周波数の２倍（半サイクル毎
にサンプルホ−ルド）、即ち１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚ
であるため、サンプリングタイミングによっては６０Ｈ
ｚの軸ねじれ振動周波数を正確に検出できないことがあ
る。

【０１１３】一方、図６に示すように、交流母線５の３
つの相電圧から軸ねじれ振動周波数を検出する場合、サ
ンプリング周波数を母線周波数の６倍（１／６サイクル
毎にサンプルホ−ルド）、即ち３００Ｈｚ又は３６０Ｈ
ｚになるので、軸ねじれ振動周波数が６０Ｈｚ程度にな
っても検出することができる。

【０１１４】次に、本実施形態の平均処理回路について
説明する。

【０１１５】図７は図１に示す平均処理回路１４３の概
略ブロック図である。

【０１１６】平均処理回路１４３は、図７に示すよう
に、電圧監視回路１５３ａ〜１５３ｃと、周波数検出器
監視回路１５４ａ〜１５４ｃと、周波数監視回路１５５
ａ〜１５５ｃと、周波数検出器健全数判定回路１５６
と、乗算回路１５７ａ〜１５７ｃと、検出周波数加算回
路１５８と、割算回路１５９と、を備えて構成される。

【０１１７】電圧監視回路１５３ａ〜１５３ｃは、各々
交流母線５の各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃの実効値電圧の
低下を検出し、当該検出した実効値電圧が設定値より低
下したときに、出力を１から０とする。

【０１１８】周波数検出器監視回路１５４ａ〜１５４ｃ
は、周波数検出器１４２ａ〜１４２ｃの出力信号が上限
値又は下限値を逸脱した場合に、出力を１から０とす
る。

【０１１９】周波数監視回路１５５ａ〜１５５ｃは、Ａ
ＮＤ回路で構成されており、各々、電圧監視回路１５３
ａ〜１５３ｃの出力と周波数検出器監視回路１５４ａ〜
１５４ｃの出力とのＡＮＤ処理を行う。

【０１２０】周波数検出器健全数判定回路１５６は、周
波数監視回路１５５ａ〜１５５ｃの出力を加算する。

【０１２１】乗算回路１５７ａ〜１５７ｃは、各々、周
波数検出器１４２ａ〜１４２ｃの出力と周波数監視回路
１５５ａ〜１５５ｃの出力とを乗算する。

【０１２２】検出周波数加算回路１５８は乗算回路１５
７ａ〜１５７ｃの出力を加算する。

【０１２３】割算回路１５９は、検出周波数加算回路１
５８の出力を周波数検出器健全数判定回路１５６の出力
で割る。これにより、周波数検出器１４２ａ〜１４２ｃ
の平均値を求める。

【０１２４】交流母線５の電圧が異常に低下したり、周
波数検出器１４２ａ〜１４２ｃに異常がある場合、周波
数検出器１４２ａ〜１４２ｃは正しい周波数を検出しな
い。すなわち、周波数検出器の出力が０になるか、また
は前値保持のままロックした状態になる。

【０１２５】このような場合、正しい周波数を検出して
いない周波数検出器の出力値をも含めて、周波数検出器
１４２ａ〜１４２ｃの出力の平均処理を行うと、交流母
線５の周波数を正しく求めることができない。

【０１２６】そこで、本実施形態では、電圧監視回路１
５３ａ〜１５３ｃ及び周波数検出器監視回路１５４ａ〜
１５４ｃを用いて、交流母線５の各相電圧の異常、およ
び周波数検出器１４２ａ〜１４２ｃの異常を検出し、周
波数検出器１４２ａ〜１４２ｃが正しい周波数を検出し
たか否かを判断している。

【０１２７】そして、正しい周波数を検出した周波数検
出器１４２ａ〜１４２ｃに対応する周波数監視回路１５
５ａ〜１５５ｃのみが１を出力し、それ以外の周波数監
視回路１５５ａ〜１５５ｃが０を出力することで、周波
数検出器健全数判定回路１５６が正しい周波数を検出し
た周波数検出器１４２ａ〜１４２ｃの数を算出できるよ
うにすると共に、検出周波数加算回路１５８が正しい周
波数を検出した周波数検出器１４２ａ〜１４２ｃの出力
のみを加算できるようにしている。

【０１２８】このようにすることで、正しく周波数を検
出した周波数検出器１４２ａ〜１４２ｃの出力値のみを
用いて平均処理を行うようにしている。

【０１２９】図８は図７に示す平均処理回路の動作を説
明するための図である。

【０１３０】図８に示すように、時刻ｔ1において、ａ
相電圧Ｖａがａ相地絡又は断線等により０となり、その
他の相電圧Ｖｂ、Ｖｃは健全であるとする。

【０１３１】このとき、交流母線５の周波数が上昇し、
これに伴い周波数検出器１４２ｂ、１４２ｃの出力ｆ
ｂ、ｆｃが上がっている場合でも、周波数検出器１４２
ａの出力ｆａは前値保持のままロックされる。

【０１３２】さて、周波数監視回路１５５ａ〜１５５ｃ
の出力を、各々ＳＵＰ（ｆａ）、ＳＵＰ（ｆｂ）、ＳＵ
Ｐ（ｆｃ）とすると、図８に示すように、時刻ｔ１でＳ
ＵＰ（ｆａ）は１から０に変化するが、ＳＵＰ（ｆ
ｂ）、ＳＵＰ（ｆｃ）は１のままとなる。

【０１３３】したがって、時刻ｔ１において、周波数検
出器健全数判定回路１５６の出力〔ＳＵＰ（ｆａ）＋Ｓ
ＵＰ（ｆｂ）＋ＳＵＰ（ｆｃ）〕が、３から２に変化す
る。また、検出周波数加算回路１５８の加算結果が、ｆ
ａ＋ｆｂ＋ｆｃからｆｂ＋ｆｃに変わる。

【０１３４】よって、割算回路１５９の出力結果は、３
相の周波数の平均値（ｆａ＋ｆｂ＋ｆｃ）／３から、２
相の周波数の平均値（ｆｂ＋ｆｃ）／２へと変化する。

【０１３５】したがって、地絡、断線事故等の不平衡故
障が生じて、電圧低下や電圧喪失により周波数検出が不
能となる相が発生した場合でも、交流母線５の周波数を
精度よく検出することができる。

【０１３６】本発明は、上記の実施形態に限定されるも
のではなく、その要旨の範囲内で様々な変形が可能であ
る。

【０１３７】たとえば、上記の実施形態では、交流母線
５の各相電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを用いて、各相の周波数
ｆａ、ｆｂ、ｆｃを検出し、これ等の平均値を求めるも
のについて説明したが、本発明は交流母線５の少なくと
も２つの相電圧を用いて、当該少なくとも２つの相の周
波数を検出し、平均値を求めるものであればよい。

【０１３８】また、たとえば、交流母線５の各相電圧と
各線間電圧とを用いて、６つの相の周波数を検出し、こ
れ等の平均値を求めるようにしてもよい。

【０１３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
変換所母線電圧の周波数変動から、軸ねじれ振動周波数
領域以外の周波数の変動成分も検出することができるの
で、軸ねじれ振動による母線電圧の周波数変動と、それ
以外の理由による母線電圧の周波数変動とを区別するこ
とができる。

【０１４０】したがって、変換所母線電圧の周波数が軸
ねじれ振動に対応する周波数で振動したときにのみ、軸
ねじれ振動抑制制御を行うことができ、これにより、軸
ねじれ振動を効果的に抑制することができる。

【０１４１】しかも、基本制御である定電流制御の高速
応答性への干渉が少なく、軸ねじれ振動が安定化すれば
抑制制御の制御信号が無くなるので、基本制御への影響
が少ない。

【０１４２】また、抑制制御のための入力信号として直
流変換所母線の周波数のみを使用するので、新たなセン
サや通信ル−トを確保する必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の軸ねじれ振動抑制装置が適用され
た電力系を示す図である。

【図２】図１に示す電力系において、タービンの角速度
の変動ΔωＧから、発電機の回転子に作用する電気トル
クの変動ΔＴｅまでの全体的な流れを示す線形化ブロッ
ク図である。

【図３】軸ねじれ振動周波数領域（５Ｈｚ〜５５Ｈｚ）
と電気ダンピング係数Ｄｅとの関係を示す図であり、電
気ダンピング係数Ｄｅの設計目標を説明するための図で
ある。

【図４】本実施形態の軸ねじれ抑制装置における、母線
電圧の周波数検出の原理を示す図である。

【図５】交流母線の１つの相電圧を用いて、６０Ｈｚの
軸ねじれ振動周波数を検出する例を説明するための図で
ある。

【図６】交流母線の３つの相電圧を用いて、６０Ｈｚの
軸ねじれ振動周波数を検出する例を説明するための図で
ある。

【図７】図１に示す平均処理回路の概略ブロック図であ
る。

【図８】図７に示す平均処理回路の動作を説明するため
の図である。

【図９】発電所近傍に直流送電系統が連系された電力系
を示す図である。

【図１０】図９に示す電力系において、タービンの角速
度変動ΔωＧによる発電機の回転子に作用するトルクの
変動ΔＴｅと、発電機の機械損による機械ダンピング係
数Ｄｍとの関係を示したブロック図である。

【図１１】図９に示す電力系において、発電機の軸の共
振周波数においてプロットした、電気ダンピング係数Ｄ
ｅと、機械ダンピング係数Ｄｍとの関係を示す図であ
る。

【図１２】図１０において、従来の軸ねじれ振動抑制装
置を設けた場合のブロック図である。

【符号の説明】

１ タ−ビン ２ 発電機 ３ 軸 ４ 昇圧用変圧器 ５ 変換所交流母線 ６ 並行交流送電線 ７ 交流遮断器 ８ 変換用変圧器 ９ 順変換器 １０ 直流送電線 １１ 逆変換器 １２ａ、１２ｂ 受電側交流系統 １３ 定電圧制御装置 １４ 軸ねじれ振動抑制装置 １４２ａ〜１４２ｃ 周波数検出器 １４３ 平均処理回路 １４４ 振動成分検出用帯域フィルタ １４５ 振動レベル判定回路 １４６ 論理回路 １４７ 抑制信号生成用帯域フィルタ １４８ スイッチ １４９ 定電流制御装置 １５０ 加算器 １５１ 警報装置 １５２ 系統条件判定回路 １５３ａ〜１５３ｃ 電圧監視回路 １５４ａ〜１５４ｃ 周波数検出器監視回路 １５５ａ〜１５５ｃ 周波数監視回路 １５６ 周波数検出器健全数判定回路 １５７ａ〜１５７ｃ 乗算回路 １５８ 検出周波数加算回路 １５９ 割算回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000217686 電源開発株式会社 東京都中央区銀座６丁目15番１号 (72)発明者 世古口 雅宏 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所電力事業部内 (72)発明者 後藤 益雄 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所電力事業部内 (72)発明者 真鳥 岩男 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所電力事業部内 (72)発明者 吉栖 立格 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所国分工場内 (72)発明者 東 正樹 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 村上 弘明 香川県高松市丸ノ内２番５号 四国電力株 式会社内 (72)発明者 加藤 和男 東京都中央区銀座六丁目15番１号 電源開 発株式会社内 Ｆターム(参考） 5G066 CA04 5H590 AA07 AA17 BB02 CA01 CC01 CC18 CC24 CD01 CD03 CE01 EA14 EB02 EB03 EB07 EB21 EB29 FA08 FB05 FC27 GA02 GA04 GA09 HA02 HA04 HA09 HA11 HA28 HB02 HB03 JA09 JA19 JB15 JB16 KK01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多相交流発電機に連系された直流変換器母
   線の少なくとも２つの相電圧から、前記少なくとも２つ
   の相各々の周波数を、電圧波形の１サイクルの期間を計
   測することにより検出する相周波数検出手段と、 前記相周波数検出手段で検出した前記少なくとも２つの
   相各々の周波数を平均することで、前記母線の周波数を
   検出する母線周波数検出手段と、 前記母線周波数検出手段で検出した周波数の変動から、
   前記発電機の軸ねじれ振動を検出し、当該検出した軸ね
   じれ振動を抑制するための制御信号を出力する軸ねじれ
   振動検出手段と、 前記軸ねじれ振動検出手段の出力を、直流変換器を一定
   電流制御する定電流制御装置の出力に加算する加算手段
   と、を具備し、 前記加算手段の出力により、前記直流変換器の制御角を
   調節して、前記発電機の軸ねじれ振動を抑制することを
   特徴とする直流送電制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記軸ねじれ検出手段が、軸ねじれ振動を所定期間継続
   して検出した場合に、前記発電機に警報を送信する警報
   手段を有することを特徴とする直流送電制御装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、 前記母線周波数検出手段は、前記相周波数検出手段で正
   常に検出された相の周波数の平均値を求めることで、前
   記母線の周波数を検出することを特徴とする直流送電制
   御装置。
4. 【請求項４】請求項１、２又は３において、 前記相電圧には、前記母線の線間電圧をも含むことを特
   徴とする直流送電制御装置。