JP2004080951A

JP2004080951A - 可変速フライホイール発電機の制御方法および装置

Info

Publication number: JP2004080951A
Application number: JP2002240271A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kudo; 工藤　健司
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】発電設備停止時の系統周波数の過渡的な動揺を回避すること。
【解決手段】発電設備９と、少なくとも１台の可変速フライホイール発電機１が連係された系統において、発電設備９に運転停止指令が出されたときに可変速フライホイール発電機１を予め定められた待機状態に置き、その後前記運転指令を前記発電設備９へ伝えると同時に前記可変速フライホイール発電機の回転エネルギを前記待機状態から予め定められたレートで出入りさせる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電設備と同じ電力系統に接続されたフライホイール発電機の運転方法に係り、特に発電設備の起動停止時に電力系統の周波数変動を小さく抑えることのできる可変速フライホイール発電機の制御方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の発電設備は、効率向上などのために単機あたりの発電容量が大きいものが多くなっており、さらに、こういった単機容量の大きな発電設備をベースロード用としてだけでなく、電力需要のピーク時用とする運用も多く行われるようになっている。
水力・火力・原子力を問わず、単機容量の大きな発電設備の起動停止時には、出力の急変により電力系統に系統動揺が生じ、系統周波数が変動して電力系統の安定度を損なう虞があるため、自動周波数制御（ＡＦＣ）機能を持つ発電設備（以下、ＡＦＣ発電設備と記す。）によって出力を調整し、系統周波数の大きな変動を回避している。
【０００３】
図５は、このときの様子を示した模式図であり、（ａ）は電力系統の概略構成図、（ｂ）は発電設備の停止時の各発電設備の出力変動と系統周波数変動を、時間を横軸にとって示したグラフである。
【０００４】
図５（ａ）に示したように、電力系統２１には、発電設備２２とＡＦＣ発電設備２３とが接続されており、これらの発電設備２２，２３が電力を電力系統２１に出力し、この電力を図示しない負荷が消費している。そして、ＡＦＣ発電設備２３は、電力系統２１の系統周波数や電圧の変動を監視しており、これらの変動があった場合にその出力を調整するように構成されている。
ここで、時間Ｔ＝ｔ_０において発電設備２２の停止によって発電設備２２からの出力が０となる場合を考える。この場合、図５（ｂ）に示したように、電力系統２１に供給される電力はほぼステップ関数状に減少するため系統周波数の変動が起きる。そして、例えば系統周波数が低下し始めると、これを検知したＡＦＣ発電設備がその出力を増加させる。このようにして、電力系統２１の系統周波数を一定の範囲とする制御が行われている。
【０００５】
上述のＡＦＣ発電設備２３は例えば可変速水力機械を用いたものなどもあるが、この他に可変速フライホイールを用いるものが知られており、このようなものとして例えば特開平６−２８４５８３号公報に開示された技術がある。
【０００６】
この、特開平６−２８４５８３号公報に開示された周波数変動抑制装置は、電力系統の周波数を周波数検出器により検出し、この検出された周波数信号を第１の不完全微分回路により不完全微分し、この第１の不完全微分回路の出力信号を第２の不完全微分回路によりさらに不完全微分し、この第２の不完全微分回路の出力信号を目標値としてフライホイール発電電動機の入出力電力を電力制御装置により制御することで、負荷変動に応じてフライホイール発電電動機の入出力電力を制御し、電力系統の周波数変動を抑制するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＡＦＣ発電設備を用いた系統安定化手法や特開平６−２８４５８３号公報に開示された技術では、電力系統の動揺を系統電圧変動または系統周波数変動により検出している。このように、電力系統の動揺を検出してからＡＦＣ発電設備を用いて発電出力の調整を行い、もしくは可変速機およびフライホイールの回転エネルギの入出力制御を行う制御では、系統電圧または系統周波数の検出から発電出力の調整制御や可変速機およびフライホイールの回転エネルギの入出力制御までに一次遅れが発生し、入力急変に対して十分な入力調整ができないという課題があった。
【０００８】
すなわち、図５（ｂ）に示したように、発電設備２２の停止に伴いＴ＝ｔ_０にて電力系統２１へ供給される電力がステップ関数状に減少しても、これを検知してＡＦＣ発電設備が出力を増加させるまでに一次遅れΔｔが発生するため、この間に系統周波数が許容運転周波数範囲外となってしまうことも想定される。
【０００９】
このため、通常では発電設備２２を停止する場合、発電出力を５〜８％程度に絞った後に電力系統２１から切り離すといった運用が行われているが、特に発電設備２２の出力が大きい場合や、電力系統２１の容量が小さい場合には系統周波数が許容運転周波数範囲外となってしまう恐れがあった。
【００１０】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、電力系統に接続される発電設備の停止時に、その出力変動に合わせて可変速フライホイール発電機の回転速度を可変速幅内で変化させることにより回転エネルギを入出力制御し、系統周波数の大きな変動を回避することができる可変速フライホイール発電機の制御方法および装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、次のような手段により可変速フライホイール発電機を制御するものである。
すなわち、請求項１記載の発明は、発電設備を有する電力系統に連系された可変速フライホイール発電機の制御方法において、前記発電設備の停止により引き起こされる出力変動パターンに基づいてこの出力変動を抑制する前記可変速フライホイール発電機の運転パターンを予め定めておき、前記発電設備の停止指令が発せられたときに前記運転パターンにて前記可変速フライホイール発電機を運転することを特徴とする。
【００１２】
発電設備の通常停止時の制御方法は決まっているため、発電設備の運転停止時の電力系統への出力変動も常にほぼ同じと考えられる。
そこで、請求項１の発明では、発電設備の停止によって電力系統に生じる出力変動パターン、すなわち発生電力の低下に基づき、これを抑制するように可変速フライホイール発電機の運転を制御することによって、電力系統の系統電圧や系統周波数を検出してから可変速フライホイール発電機の制御を行うときのような制御の一次遅れを小さくして系統周波数が許容運転周波数範囲外となることを確実に防ぐことができるものである。
【００１３】
つまり、発電設備の運転停止時、発電設備に運転停止指令を送出する以前に可変速フライホイール発電機を同期速度以下で運転するように運転指令信号を送出し、その後発電設備へ運転停止指令を送出し、発電設備からの出力低下に合わせて、可変速フライホイール発電機の回転エネルギを発電設備の出力低下パターンに合わせて予め設定されたレートで制御することにより、電力系統の動揺を小さくして系統周波数が許容運転周波数範囲外となることを防止することができる。
【００１４】
請求項２記載の発明は、発電設備を有する電力系統に連系された可変速フライホイール発電機の制御装置において、前記発電設備への停止指令を受けて前記可変速フライホイール発電機を予め定められた待機状態に置き、その後前記停止指令を前記負荷へ送出すると同時に前記可変速フライホイール発電機の回転エネルギを前記待機状態から予め定められたレートで前記電力系統へ出力させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明によっても、請求項１記載の発明と同様の作用効果が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は本発明の第１実施形態を示す系統構成図であり、発電設備と可変速フライホイール発電機が連系された電力系統を例に説明する。
【００１８】
図１に示すように、可変速フライホイール発電機１は固定子巻線１ａおよび回転子巻線１ｂから構成されており、この可変速フライホイール発電機１の回転子巻線１ｂはフライホイール２に連結されている。そして、この可変速フライホイール発電機１には、回転子の位相を検出する位相検出器３と、回転速度を検出する速度検出器４も連結されている。また、可変速フライホイール発電機１の固定子巻線１ａは、開閉器６を介して電力系統５に接続されている。
【００１９】
周波数変換器７は、その入力線７ａが電力系統５に接続される一方、その出力線７ｂが前記回転子巻線１ｂに接続されている。この周波数変換器７には、制御装置８が接続されている。
【００２０】
この制御装置８には、位相検出器３および速度検出器４によりそれぞれ検出された回転子の位相および回転速度信号、電流検出器１６および電圧検出器１８によりそれぞれ検出された可変速フライホイール発電機１の入出力電流および電圧信号がそれぞれ入力され、周波数変換器７の出力および周波数を制御する。この制御装置８は、制御手段としてのシーケンスコントローラ１２からの電力指令Ｐｒｅｆを変化させることにより、高い応答性で可変速フライホイール発電機１の入力電力を制御することができるように構成されている。
【００２１】
この制御装置８に入力される電流検出器１６および電圧検出器１８によりそれぞれ検出された電流および電圧は、可変速フライホイール発電機１の有効電力量を検出するためのものである。
【００２２】
シーケンスコントローラ１２には、発電設備９と可変速フライホイール発電機１とを合わせた入出力状態（有効電力、無効電力）を検出する電流検出器１４および電圧検出器１５の検出信号、可変速フライホイール発電機１の速度検出器４により検出された速度検出信号がそれぞれ入力され、可変速フライホイール発電機１の運転状態を監視するとともに、最適な制御を行う働きをする。
【００２３】
他方、水力、火力または原子力などによる発電設備９は、開閉器１０を介して電力系統５に接続されており、発電設備９には制御装置１１が接続されている。
【００２４】
この制御装置１１には、電流検出器１７および電圧検出器１９によりそれぞれ検出された発電設備９の電流および電圧信号がそれぞれ入力されるとともに、シーケンスコントローラ１３からの制御信号が入力される。このシーケンスコントローラ１３は、可変速フライホイール発電機１のシーケンスコントローラ１２と接続され、発電設備９の運転を監視するとともに、発電設備９の適切な制御を行う働きをする。
【００２５】
なお、本実施形態における可変速フライホイール発電機１のシーケンスコントローラ１２と発電設備９のシーケンスコントローラ１３は、共通のシーケンスコントローラとすることもできる。
【００２６】
次に、これらの構成による発電設備９の停止時における可変速フライホイール発電機１の制御方法を説明する。
【００２７】
図２は図１の構成のうち、本実施形態の説明に必要な部分だけを抽出して示した構成図であり、以下、この図２に基づいて作用を説明する。なお、図２において、図１と同一の構成には同一の符号を付した。
【００２８】
いま、或る時点（これを時間Ｔ＝０とする。）で、操作員から発電運転中の発電設備９に運転停止指令が入力されたとする。
【００２９】
このとき、図３に示す制御を順次実行していく。この制御による発電設備９および可変速フライホイール発電機１の入力変化と、電力系統５全体の系統周波数のタイムチャートを図４（ａ）および（ｂ）に示す。
【００３０】
この図４（ａ）において、Ｐ_１は発電設備９から電力系統５への出力を、Ｐ_２は可変速フライホイール発電機１への電力系統５からの入力をそれぞれ示している。なお、図４（ａ）において、可変速フライホイール発電機１は、回転速度が大きいほどＰ_２入力が大きく、回転速度が小さいほどＰ_２入力が小さい。
【００３１】
まず、図３に示すステップ▲１▼において、この発電設備９の運転停止指令は発電設備９のシーケンスコントローラ１３に入力され、この発電設備９のシーケンスコントローラ１３は、可変速フライホイール発電機１のシーケンスコントローラ１２に発電設備９の運転停止指令が入力された旨の信号を送出する（ステップ▲２▼）。
【００３２】
これにより、可変速フライホイール発電機１のシーケンシコントローラ１２は、可変速フライホイール発電機１の制御装置８に対して可変速フライホイール発電機１を同期速度以上の回転速度Ｐ_２Ｔで運転するように運転開始指令を発する（ステップ▲３▼）。このとき、可変速フライホイール発電機１の運転開始に際しては、電力系統５に大きな系統動揺を与えないよう、適切な時間をかけて起動することが望ましい。
【００３３】
次いで、この可変速フライホイール発電機１の制御装置８は、周波数変換器７に指令を発し、可変速フライホイール発電機１の二次電流を制御して、可変速フライホイール発電機１を与えられた同期速度以上の回転速度Ｐ_２Ｔで運転させる（ステップ▲４▼）。
【００３４】
さらに、可変速フライホイール発電機１が同期速度以上の与えられた回転速度Ｐ_２Ｔに達すると、可変速フライホイール発電機１のシーケンスコントローラ１２は、発電設備９のシーケンスコントローラ１３に可変速フライホイール発電機１が同期速度以上の指定値に達した旨の信号を送出する（ステップ▲５▼）。
【００３５】
ステップ▲５▼にて可変速フライホイール発電機が同期速度以上の指定値に達した旨の信号を受けると、発電設備９のシーケンスコントローラ１３は、発電設備９の制御装置１１に運転停止指令を発する。これに合わせて可変速フライホイール発電機１のシーケンスコントローラ１２は、可変速フライホイール発電機１の回転速度を発電設備９の停止による電力系統５への出力減少分を相殺するように予め決められたレートで予め決められた回転速度Ｐ_２Ｂまで低減する指令を可変速フライホイール発電機１の制御装置８に発する（ステップ▲６▼）。
【００３６】
これにより、可変速フライホイール発電機１は発電設備９からの出力が低下することによる電力系統５の動揺を抑制し、電力系統５の系統周波数を許容運転周波数範囲内に留めることができる。すなわち、図４（ａ）において、時間Ｔ＝ｔ_１にて発電設備９の出力が急激に低下するが、このときに可変速フライホイール発電機１の回転エネルギを電力系統５へ放出するように制御する。発電設備９が運転停止することにより、電力系統５の系統周波数は一時的には低下するが、発電設備９の運転停止と同時に可変速フライホイール発電機１から電力系統５に対してその回転エネルギを放出するため、電力系統の動揺、すなわち系統周波数の大幅な低下を抑えることができ、系統周波数が許容運転周波数範囲から外れないようにできる。
【００３７】
本実施形態においては、発電設備９の運転停止による電力系統５への出力減少分を予め補償するように可変速フライホイール発電機１の運転を制御するため、発電設備９の停止と可変速フライホイール発電機１からの出力発生がほぼ同時になされるため、制御の一次遅れが生じない。このため、発電設備９の運転停止直後の過渡時であっても電力系統５の系統周波数は大きく変動せず、電力系統５を許容運転周波数範囲内で運用することができる。
【００３８】
ここで、発電設備９の運転停止は、通常、発電設備９のシーケンスコントローラ１３内に予め定められたシーケンスによってなされるため、出力減少パターンは常に同一のものとなる。このように発電設備９の出力変動パターンは通常ほぼ決まったものであるため、運転開始や運転停止時の出力変動も、いつもほぼ同じと考えられる。そこで、発電設備９の運転停止時には発電設備９の運転停止指令に対して、まず可変速フライホイール発電機１を同期速度以上で運転し、その後発電設備９の運転停止に合わせて発電設備９の出力低下を補償すべく可変速フライホイール発電機１の回転速度を低下させる制御をシーケンスコントローラ１２により行う。
【００３９】
つまり、発電設備９の運転停止に伴う電力系統５への出力減少を補償する可変速フライホイール発電機１の運転パターンは毎回同じものとなるため、この運転パターンを予めフライホイール発電機１のシーケンスコントローラ１２内、もしくは制御装置８内に時間の関数などとして予め持たせておくことが可能であり、そのような構成とすることで常に一次遅れのない制御を行うことができる。
【００４０】
なお、本実施形態では、発電設備９の運転停止指令がシーケンスコントローラ１３に入力されてから可変速フライホイール発電機１の運転を開始しているが、これに限らず、予め運転を開始した可変速フライホイール発電機１を、発電設備９の運転停止指令がシーケンスコントローラ１３に入力された後に同期速度以上で回転させ、発電設備９の出力低下を補償するようにしてもよい。
【００４１】
また、図示していないが、電力系統５にさらにＡＦＣ発電設備が連系されている場合、このＡＦＣ発電設備を併用することによってより安定に電力系統５を運用することが可能である。すなわち、ＡＦＣ発電設備は電力系統５の系統電圧や系統周波数を検出して系統周波数制御を行うため制御の一次遅れが発生するが、一時遅れが発生するような急激な系統周波数の変化を可変速フライホイール発電機１からの出力によって補償することが可能である。つまり、発電設備９の運転停止等による電力系統５の過渡的な系統周波数の動揺を可変速フライホイール発電機１によって抑制し、さらにＡＦＣ発電設備を用いて系統周波数を一定に保つようにすれば、より安定性の高い電力系統５の運用が可能となる。
【００４２】
さらに、発電設備９の運転停止による出力低下が、何らかの理由によって予め想定した出力変動パターンと異なる場合、可変速フライホイール発電機１の予め定めた運転パターンを解除し、電力系統５の系統周波数を検出して発電設備９の出力変動を補償するように可変速フライホイール発電機１を運転するようにもできる。
このような場合、発電設備９の運転が通常と異なるパターンで停止するので、可変速フライホイール発電機１を予め定めた運転パターンで運転することによって逆に系統周波数が許容運転周波数範囲外となることも考えられるため、発電設備９の運転停止中に何らかの理由で系統周波数が許容運転周波数範囲外となった場合や、発電設備９の制御装置１１の制御異常等が発生した場合、シーケンスコントローラ１２がこれを検出して可変速フライホイール発電機１の予め定めた運転パターンでの運転を解除し、例えば特開平６−２８４５８３号公報に記載された方法によって出力変動分を補償するように運転させる。このようにすれば、発電設備９が異常停止するような場合であっても、電力系統５に与える系統動揺を最小限に抑えることが可能となる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、可変速フライホイール発電機の回転エネルギを利用して、発電装置の停止時の入力急変を最小限に抑えることで電力系統の動揺を小さくし、系統周波数を許容運転周波数範囲内に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の電力系統全体を示す系統構成図。
【図２】図１の構成のうち、本発明の説明に必要な部分だけを抽出して示した電力系統の構成図。
【図３】図１の実施形態において発電設備の運転停止時の制御手順を示す説明図。
【図４】（ａ）発電設備の運転停止時における発電設備の出力および可変速フライホイール発電機の入力のタイムチャート、および（ｂ）電力系統全体の系統周波数を示すタイムチャート。
【図５】（ａ）従来の発電設備とＡＦＣ発電設備とを有する電力系統の系統構成図、および（ｂ）発電設備の運転停止時の各発電設備の出力と電力系統全体の系統周波数を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１　可変速フライホイール発電機
２　フライホイール
３　位相検出器
４　速度検出器
５　電力系統
６、１０　開閉器
７　周波数変換器
８、１１　制御装置
９　発電設備
１２　シーケンスコントローラ（制御手段）
１３　シーケンスコントローラ
１４　電流検出器
１５　電圧検出器
１６、１７　電流検出器
１８、１９　電圧検出器

Claims

発電設備を有する電力系統に連系された可変速フライホイール発電機の制御方法において、前記発電設備の停止により引き起こされる出力変動パターンに基づいてこの出力変動を抑制する前記可変速フライホイール発電機の運転パターンを予め定めておき、前記発電設備の停止指令が発せられたときに前記運転パターンにて前記可変速フライホイール発電機を運転することを特徴とする可変速フライホイール発電機の制御方法。
発電設備を有する電力系統に連系された可変速フライホイール発電機の制御装置において、前記発電設備への停止指令を受けて前記可変速フライホイール発電機を予め定められた待機状態に置き、その後前記停止指令を前記負荷へ送出すると同時に前記可変速フライホイール発電機の回転エネルギを前記待機状態から予め定められたレートで前記電力系統へ出力させる制御手段を備えたことを特徴とする可変速フライホイール発電機の制御装置。