JP2002281674A

JP2002281674A - 発電設備の系統連系保護装置

Info

Publication number: JP2002281674A
Application number: JP2001076843A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Nomiya; 成生野宮; Takeshi Taniguchi; 健谷口
Original assignee: Toshiba Corp; Nishishiba Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Nishishiba Electric Co Ltd
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2002-09-27

Abstract

(57)【要約】【課題】高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連
系中の自家用発電設備の単独運転を自家用発電設備側で
確実にかつ容易に検出して保護すること。【解決手段】自家用発電設備の同期発電機10の周波数の
変化率を検出し、周波数変化率が正の場合には同期発電
機10の電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負の
場合には同期発電機10の電圧を上げ方向に変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原動機により駆動
される同期発電機を備え、かつ遮断器を介して交流電力
系統と連系される、ゴミ発電システム、コージェネレー
ション等の自家用発電設備の系統連系保護装置に係り、
特に高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中
の自家用発電設備の単独運転を自家用発電設備側で確実
にかつ容易に検出して保護できるようにした発電設備の
系統連系保護装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、一般需要家が、例えばゴミ発
電システム、コージェネレーション等の自家用発電設備
と交流電力系統とを連系するために、系統連系保護装置
が用いられてきている。

【０００３】図４は、一般需要家がこの種の自家用発電
設備と交流電力系統とを系統連系して運転を行なう場合
の従来の系統連系保護装置の構成例を示すブロック図で
ある。

【０００４】図４において、交流電力系統である上位変
電所４では、系統電源１の電圧を変圧器２を介して降圧
し、遮断器３を通して、上位変電所４側からの電力を需
要家に配電する配電線２６により、一般需要家７に電力
を供給している。一般需要家７は、遮断器５Ｂを介して
負荷６Ｂで電力を消費する。

【０００５】一方、自家発電設備、および系統連系保護
装置２０を設置している自家発設置需要家９では、原動
機２４により駆動される同期発電機１０の出力を、遮断
器２８、遮断器１２を介して、上位変電所４と連系して
いる。

【０００６】同期発電機１０の出力電圧の制御は、自動
電圧調整器（ＡＶＲ）２２により同期発電機１０の界磁
巻線２３の電圧を制御することによって行ない、同期発
電機１０の出力周波数の制御は、同期発電機１０を駆動
する原動機２４の図示しない調速機により原動機２４パ
ワーを制御することによって行なわれている。

【０００７】また、自家発設置需要家９では、上位変電
所４側からの電力を、遮断器１２．、遮断器５Ａを介し
て受け、負荷（構内負荷）６Ａで消費するようにしてい
る。

【０００８】一方、系統連系保護装置２０は、同期発電
機１０の出力側にその出力電流を検出する変流器１１を
設け、また変流器１１の出力電流に基づいて同期発電機
１０の過電流を検出する過電流継電器（ＯＣ）５１と、
同期発電機１０の出力電圧異常を検出する過電圧継電器
（ＯＶ）５２および不足電圧継電器（ＵＶ）５３と、同
期発電機１０の逆電力を検出する逆電力継電器（ＲＰ
Ｒ）５４とを設け、これら各保護継電器の検出信号に基
づいて故障トリップ回路２７を動作させ、トリップ信号
を出力して遮断器２８を解放するようにしている。

【０００９】さらに、この他に、保護手段として、遮断
器２８の出力側（変電所側）に変流器１４を設け、また
当該変流器１４の出力電流に基づいて過電流を検出する
過電流検出器（ＯＣ）１５と、系統電源１の異常時、特
に系統電源１が例えば遮断器３の解放によって遮断され
た時、同期発電機１０の出力電力と負荷６Ａの負荷電力
とのアンバランスから、周波数や電圧が異常になること
を検出する周波数低下継電器（ＵＦ）１６、周波数上昇
継電器（ＯＦ）１７、過電圧継電器（ＯＶ）１８、およ
び不足電圧継電器（ＵＶ）１９とを設け、これら各保護
継電器の検出信号に基づいて故障トリップ回路１３を動
作させ、トリップ信号を出力して遮断器１２を解放し、
遮断器３の再閉路が可能な状態にするようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
発電設備の系統連系保護装置においては、例えば系統電
源１に異常が発生して遮断器３が開となった時に、同期
発電機１０の出力電力と負荷６Ａ，６Ｂの所要電力が、
有効分および無効分共にほぼ等しくなっていると、周波
数も電圧もほとんど変化しないので、保護継電器１５〜
１９のいずれも動作せず、運転を継続する状態となる。
これは、いわゆる単独運転（アイランディング）と呼ば
れる現象であり、遮断器３の再閉路を妨げるという問題
が発生する。そこで、従来では、このような単独運転を
防ぐ目的で、変電所４からの専用線により接続された転
送遮断装置８を設けて、遮断器１２に対して転送遮断を
実施する方法が採用されているものがある。

【００１１】すなわち、この転送遮断装置８は、上位変
電所４の遮断器３が開となった信号を検出した時に、遮
断器１２に対して遮断信号を送って遮断器１２を開放す
るものである。

【００１２】しかしながら、この種の転送遮断装置８
は、数百ｋＷ程度の出力である中小容量の自家発電設備
にとっては、非常にコストが高くなり、さらに伝送手段
や伝送経路を設置する必要があるため、自家発電設備を
設置することによるエネルギーコスト削減のメリットを
得ることができない。

【００１３】本発明の目的は、高価な転送遮断装置を設
けることなく、系統連系中の自家用発電設備の単独運転
を自家用発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護す
ることが可能な発電設備の系統連系保護装置を提供する
ことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に対応する発明の発電設備の系統連系保
護装置は、原動機により駆動される同期発電機を備え、
かつ遮断器を介して交流電力系統と連系される自家用発
電設備の同期発電機の出力から周波数を検出する周波数
検出手段と、交流電力系統の出力電圧を入力とし、当該
入力電圧が変動した場合に周波数検出手段からの出力を
ロックすることにより、電圧変動で発生する周波数の誤
差を除去する電圧変動防止手段と、電圧変動防止手段か
ら出力される周波数の変化率を検出する周波数変化率検
出手段と、周波数変化率検出手段により検出された周波
数変化率に基づいて、周波数の変化を助長するように電
圧揺動信号を演算し、同期発電機の自動電圧調整器に電
圧揺動信号を与える電圧揺動信号発生手段と、揺動信号
発生手段により演算された電圧揺動信号を発電設備の自
動電圧調整器に与えることで生じる同期発電機の電圧変
動に伴なって助長される周波数変動を検知し、遮断器を
開放して交流電力系統から同期発電機を解列させる保護
手段とを備えている。

【００１５】従って、請求項１に対応する発明の発電設
備の系統連系保護装置においては、自家用発電設備の同
期発電機の周波数の変化率を検出し、周波数変化率が正
の場合には同期発電機の電圧を下げ方向に変化させ、周
波数変化率が負の場合には同期発電機の電圧を上げ方向
に変化させることにより、周波数変動を拡大して、前述
した従来のように高価な転送遮断装置を設けることな
く、系統連系中の自家用発電設備の単独運転を自家用発
電設備側で確実にかつ容易に検出して保護することがで
きる。

【００１６】また、請求項２に対応する発明の発電設備
の系統連系保護装置は、上記請求項１に対応する発明の
発電設備の系統連系保護装置において、同期発電機の出
力電圧を入力とし、当該電圧の波形をなめらかに整形す
るフィルタ手段と、フィルタ手段により整形された波形
を零クロスの矩形波に変換する比較手段と、比較手段に
より変換された矩形波の立ち上がり信号から、電圧入力
信号の周期を演算する周期演算手段と、周期演算手段に
より演算された周期から周波数を演算する逆数演算手段
とから、周波数検出手段を構成している。従って、請求
項２に対応する発明の発電設備の系統連系保護装置にお
いては、以上のような手段を備えて周波数検出手段を構
成することにより、入力電圧が急激に変動した場合に
も、自家用発電設備の同期発電機の出力周波数を、正確
にかつ確実に検出することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態につ
いて図面を参照して詳細に説明する。

【００１８】図１は、本実施の形態による発電設備の系
統連系保護装置の構成例を示すブロック図であり、図４
と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、こ
こでは異なる部分についてのみ述べる。

【００１９】図１に示すように、本実施の形態による発
電設備の系統連系保護装置が、前記図４に示した従来の
発電設備の系統連系保護装置と異なる点は、前述した高
価な転送遮断装置８を省略し、その代わりに、以下のよ
うな各手段を備えた構成としていることである。

【００２０】すなわち、図１に示すように、周波数検出
器４１と、電圧変動防止部２１と、周波数変化率検出器
４２と、周波数変化率過大検出器４３と、電圧揺動信号
発生手段である電圧揺動基準演算部４４とを備えてい
る。

【００２１】周波数検出器４１は、同期発電機１０の出
力から周波数を検出する。

【００２２】すなわち、この周波数検出器４１は、同期
発電機１０の出力電圧を入力とし、当該電圧の波形をな
めらかに整形する抵抗１０１およびコンデンサ１０２か
らなるフィルタ回路と、フィルタ回路により整形された
波形を零クロスの矩形波に変換するコンパレータ１０７
と、コンパレータ１０７により変換された矩形波の立ち
上がり信号から、上記電圧入力信号の周期を演算する周
期演算部１１２と、周期演算部１１２により演算された
周期から周波数を演算する逆数演算部１１３とからな
る。

【００２３】電圧変動防止部２１は、交流電力系統であ
る上位変電所４の出力電圧を入力とし、当該入力電圧が
変動した場合に周波数検出器４２からの出力をロックす
ることにより、上記電圧変動で発生する周波数の誤差を
除去する。

【００２４】周波数変化率検出器４２は、電圧変動防止
部２１から出力される周波数の変化率を検出する。

【００２５】電圧揺動基準演算部４４は、周波数変化率
検出器４２により検出された周波数変化率に基づいて、
周波数の変化を助長するように電圧揺動信号を演算し、
同期発電機１０の自動電圧調整器２２に電圧揺動信号を
与える。

【００２６】すなわち、この電圧揺動基準演算部４４
は、周波数変化率に応じて自動電圧調整器２２に与える
電圧揺動基準を、以下のような関係式により決める。

【００２７】 ΔＶ^*＝−Ｋ（ｄｆ／ｄｔ）（Ｋ：定数）周波数変化率過大検出器４３は、電圧揺動基準演算部４
４により演算された電圧揺動信号を同期発電機１０の自
動電圧調整器２２に与えることで生じる同期発電機１０
の電圧変動に伴なって助長される周波数変動を検知し、
遮断器１２を開放して交流電力系統である上位変電所４
から同期発電機１０を解列させる。

【００２８】すなわち、この周波数変化率過大検出器４
３は、周波数変化率があらかじめ定められた設定値以上
か否かを判定し、設定値以上になった場合に異常出力信
号Ｖ₃₁を故障トリップ回路１３に出力する。

【００２９】次に、以上のように構成した本実施の形態
による発電設備の系統連系保護装置の作用について、図
３に示す波形図を参照して説明する。

【００３０】図１において、周波数検出器４１では、同
期発電機１０の出力から周波数を検出する。

【００３１】すなわち、周波数検出器４１では、図２に
示すように、電圧入力の波形歪対策のために、まず、抵
抗１０１およびコンデンサ１０２からなるフィルタ回路
で波形をなめらかに整形し、その波形をコンパレータ１
０７に与えて零クロスの矩形波に変換する。

【００３２】周期演算部１１２では、この矩形波の立ち
上がり信号から電圧入力信号の周期を求め、逆数演算部
１１３で周波数を演算する。

【００３３】かかる回路構成の周波数検出器４１におい
て、入力電圧が急に低下した場合、入力電圧には直流分
が加わるため、フィルタ回路の後で波形の正負のアンバ
ランスを生じ、図３における（Ａ）点のように、コンパ
レータ１０７からの出力の矩形波の立ち上がりのタイミ
ングがずれるため、周期演算に誤差を生じ、周波数の誤
差が発生する。

【００３４】電圧変動防止部２１では、交流電力系統で
ある上位変電所４の電圧が急に変動した場合に、その時
の周期の値を周波数の演算に使わないようにして、周波
数検出の誤差が発生することを避けるものである。

【００３５】いま、同期発電機１０からの出力の有効電
力をＰ、無効電力をＱ、負荷６が必要とする有効電力を
Ｐ_L、無効電力をＱ_Lとすると、系統電源１へ流出する
有効電力ΔＰおよび無効電力ΔＱは、それぞれ次のよう
に表わされる。

【００３６】ΔＰ＝Ｐ−Ｐ_L ΔＱ＝Ｑ−Ｑ_L ここで、負荷６の電圧をＶ、周波数をｆとする。

【００３７】そうすると、通常の場合は、ΔＰ≒０，Δ
Ｑ≒０に近い状態で遮断器３が開となっても、負荷６の
電圧Ｖ、周波数ｆはほとんど変化しないため、各保護継
電器１５〜１９が検出できず、単独運転を継続すること
になる。

【００３８】しかし、微少な周波数差から、系統電源１
と負荷６の位相がゆっくりとずれてくるので、遮断器３
の再投入は、事故拡大につながって危険な状態となり、
配電系統の安定性を低下させることになる。

【００３９】同期発電機１０の単独運転を検出する原理
を、以下に説明する。

【００４０】負荷の有効電力はＰ＝（Ｖ²ｃｏｓφ）／Ｒ（１）（Ｖ：電圧、Ｒ：抵抗値、ｃｏｓφ：力率）で表わされ
る。

【００４１】ここで、同期発電機１０の単独運転中に、
わずかに周波数が低下した場合を考える。

【００４２】この時、電圧揺動基準演算部４４では、同
期発電機１０の電圧をわずかに上げるように電圧揺動基
準を出力する。

【００４３】すると、上記（１）式で表わされる負荷電
力が増加するので、負荷のトルクが増加し、同期発電機
１０の回転速度、すなわち周波数が低下する。

【００４４】この正帰還作用により、周波数の変動を増
大させて、周波数変化率過大を周波数変化率過大検出器
４３で検出し、異常信号Ｖ₃₁を出力する。

【００４５】なお、最初に周波数がわずかに上昇した場
合には、上記とは逆の作用により、周波数が上昇する方
向に変動が増大し、周波数変化率過大を周波数変化率過
大検出器４３で検出し、異常信号Ｖ₃₁を出力する。

【００４６】故障トリップ回路１３では、この異常信号
Ｖ₃₁により、遮断器１２を遮断して同期発電機１０を解
列する。

【００４７】このことにより、従来用いていた転送遮断
装置８を用いなくても、自家発電設備側で単独運転を検
出することが可能となる。

【００４８】上述したように、本実施の形態による発電
設備の系統連系保護装置では、自家用発電設備の同期発
電機１０の周波数の変化率ｄｆ／ｄｔを検出し、周波数
変化率が正（ｄｆ／ｄｔ＞０）の場合には同期発電機１
０の電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負（ｄ
ｆ／ｄｔ＜０）の場合には同期発電機１０の電圧を上げ
方向に変化させるようにしているので、周波数変動を拡
大して、前述した従来のように高価な転送遮断装置８を
設けることなく、系統連系中の自家用発電設備の単独運
転を自家用発電設備側で確実にかつ容易に検出して同期
発電機１０を解列し保護することが可能となる。

【００４９】また、自家用発電設備の同期発電機１０の
周波数を検出する場合に、同期発電機１０の出力電圧の
波形をなめらかに整形し、当該整形された波形を零クロ
スの矩形波に変換し、当該矩形波の立ち上がり信号から
電圧入力信号の周期を演算し、当該周期から周波数を演
算するようにしているので、入力電圧が急激に変動した
場合にも、自家用発電設備の同期発電機１０の出力周波
数を、正確にかつ確実に検出することが可能となる。（その他の実施の形態）尚、本発明は、上記実施の形態
に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施すること
が可能である。また、上記各実施の形態には種々の段階
の発明が含まれており、開示される複数の構成要件にお
ける適宜な組合わせにより、種々の発明を抽出すること
ができる。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの
構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題
の欄で述べた課題（の少なくとも一つ）が解決でき、発
明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも一
つ）が得られる場合には、この構成要件が削除された構
成を発明として抽出することができる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の発電設備
の系統連系保護装置によれば、高価な転送遮断装置を設
けることなく、系統連系中の自家用発電設備の単独運転
を自家用発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による発電設備の系統連系保護装置の一
実施の形態を示すブロック図。

【図２】同一実施の形態による発電設備の系統連系保護
装置における周波数検出器の構成例を示す回路図。

【図３】同一実施の形態による発電設備の系統連系保護
装置における入力電圧が変動した場合の周波数検出の誤
差を説明するための波形図。

【図４】従来の発電設備の系統連系保護装置の構成例を
示すブロック図。

【符号の説明】

１…系統電源、２…変圧器、３，５Ａ，５Ｂ，１２，２８…遮断器、４…上位変電所、６Ａ，６Ｂ…負荷、７…一般需要家、８…転送遮断装置、９…自家発設置需要家、１０…同期発電機、１１，１４…変流器、１３，２７…故障トリップ回路、１５，５１…過電流継電器、１６…周波数低下継電器、１７…周波数上昇継電器、１８，５２…過電圧継電器、１９，５３…不足電圧継電器、２０，２９…系統連系保護装置、２１…電圧変動防止部、２２…自動電圧調整器、２３…界磁巻線、２４…原動機、２６…配電線、４１…周波数検出器、４２…周波数変化率検出器、４３…周波数変化率過大検出器、４４…無効電力基準演算部、４５…リアクトル、１０１…抵抗器、１０２…コンデンサ、１０７…コンパレータ、１１２…周期演算部、１１３…逆数演算部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷口健兵庫県姫路市網干区浜田1000番地西芝電機株式会社内Ｆターム(参考） 5G066 HA11 HB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原動機により駆動される同期発電機を備
え、かつ遮断器を介して交流電力系統と連系される自家
用発電設備の系統連系保護装置において、前記同期発電機の出力から周波数を検出する周波数検出
手段と、前記交流電力系統の出力電圧を入力とし、当該入力電圧
が変動した場合に前記周波数検出手段からの出力をロッ
クすることにより、前記電圧変動で発生する周波数の誤
差を除去する電圧変動防止手段と、前記電圧変動防止手段から出力される周波数の変化率を
検出する周波数変化率検出手段と、前記周波数変化率検出手段により検出された周波数変化
率に基づいて、前記周波数の変化を助長するように電圧
揺動信号を演算し、前記同期発電機の自動電圧調整器に
前記電圧揺動信号を与える電圧揺動信号発生手段と、前記揺動信号発生手段により演算された電圧揺動信号を
前記発電設備の自動電圧調整器に与えることで生じる前
記同期発電機の電圧変動に伴なって助長される周波数変
動を検知し、前記遮断器を開放して交流電力系統から前
記同期発電機を解列させる保護手段と、を備えて成ることを特徴とする発電設備の系統連系保護
装置。
【請求項２】前記請求項１に記載の発電設備の系統連
系保護装置において、前記周波数検出手段は、前記同期発電機の出力電圧を入力とし、当該電圧の波形
をなめらかに整形するフィルタ手段と、前記フィルタ手段により整形された波形を零クロスの矩
形波に変換する比較手段と、前記比較手段により変換さ
れた矩形波の立ち上がり信号から、前記電圧入力信号の
周期を演算する周期演算手段と、前記周期演算手段によ
り演算された周期から周波数を演算する逆数演算手段
と、からなることを特徴とする発電設備の系統連系保護
装置。