JP2004166405A

JP2004166405A - 発電設備の出力調整装置

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Publication number: JP2004166405A
Application number: JP2002329746A
Authority: JP
Inventors: Muneaki Kamiyama; 念昭上山; Tomoya Ando; 智矢安藤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】需要家負荷変動時、まず発電機出力電流によりフィードバック制御を行い、遅れて現れる周波数変動についても周波数によるフィードバック制御を行うことにより、ダミー負荷消費量の制御応答速度と安定速度を速くすることのできる発電設備の出力調整装置を得る。
【解決手段】需要家負荷の変動分を発電機の出力端に接続したダミー負荷の電力消費で吸収し、発電機出力周波数を一定に保つようにした発電設備の出力調整装置において、発電機の出力電流および周波数をフィードバックし、設定値とこれらフィードバック値との偏差に応じて前記ダミー負荷で消費される電力を制御する調整装置を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通常運転時に電力系統に接続されずに独立分散電源として運用され、電力系統に接続される場合には、安定した周波数調整運転を行えるようにした発電設備の出力調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
調速機を持たない小出力の水力発電設備においては、一般的に需要家負荷変動による周波数変動を検出した場合、負荷変動分をダミー負荷により消費し発電機出力周波数を一定に制御している（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０７−２１７５２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
需要家負荷変動が発電機周波数の変動として現れるまでには時間的に遅れが生じるが、このように、調速機を省略した従来の技術の場合周波数が変動してから制御を開始するため、発電機出力周波数を安定させるためには時間がかかり、急激な負荷変動に応答できないといった問題があった。
【０００５】
また、電流検出による制御を行うという考え方もあるが、この制御方式の場合負荷の不平衡や、落差変動による出力変動を捉えることができないため、実際には適用されていない。
更に、系統連係して運用される発電機においては、系統単独を検出する制御装置を準備する必要があり大掛かりなシステム構成となっていた。
【０００６】
また、出力調整装置としての主回路素子にサイリスタ整流素子が適用されており、そのスイッチングノイズの影響が、発電機電圧に悪影響（電圧波形の歪み率を低下させる）をもたらしていた。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の欠点に鑑み、需要家負荷変動により発電機出力電流によりフィードバック制御を行うと共に、遅れて現れる周波数変動についても周波数によるフィードバック制御を行うことにより、ダミー負荷消費量の制御応答速度と安定速度を速くすることのできる発電設備の出力調整装置を得ることを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発電設備の出力調整装置の発明は、需要家負荷の変動分を発電機の出力端に接続したダミー負荷にて消費し、発電機出力周波数を一定に保つようにした発電設備の出力調整装置において、発電機の出力電流および周波数と設定値との偏差に応じて前記ダミー負荷で消費される電力を制御する調整装置を設けたことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４に係る発明は、電力系統に連係な発電設備であって、系統に連係されるまでは発電機周波数を調整する機能、系統連係後は単独運転への移行を検出する機能を併せて有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各実施の形態を通して共通する部分には共通符号をつけて説明の重複を避ける。
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係る第１の実施の形態を示すシステム構成図であり、図２は図１に設けた調整装置の詳細ブロック構成図である。
【００１１】
図１はガイドベーン等の流量調整機構を持たない小出力の水力発電設備の出力調整装置を示すもので、調整池１で貯水された水は水圧鉄管２を流下し、全開状態の入口弁３を通って水車４に至り、ランナーを回転させる。水車４のランナーは発電機５の回転子と軸結合されているため、水車ランナーとともに発電機５の回転子が一体的に回転し、発電する。そして発電機５から出力された電力は需要家負荷Ｃに供給される。なお、前記水車４は前述したように、ガイドベーン等の流量調整機構を持たないため、水車４に流れ込む水量は調整地１の水位に基づいて一義的に決定される。
【００１２】
発電機５の出力電流は電流変成器６によって検出され、その出力Ｉは電流変換器７を介して調整装置９に入力される。一方発電機５の周波数Ｆは、周波数変換器８を介し前記調整装置９へ入力される。発電機５の出力電流Ｉ、周波数Ｆは調整装置９内でそれぞれの基準値ｆｓ、Ｉｓと比較され、比較結果電流偏差ΔＩまたは周波数偏差Δｆが生じた場合、その偏差に応じて半導体スイッチング回路１０内のスイッチング素子の通電電流を制御することにより、ダミー負荷１１に流れる電流量を調整し、消費電力を調整する。
【００１３】
ところで、このダミー負荷１１は、入口弁３を一定開度で運転している状態で、水車４に流れ込む水量の変動あるいは需要家の負荷変動等により電力需給のバランスが崩れて、周波数変動が生じた場合にこの周波数変動を抑えるために設けられたものであり、変動分に応じてダミー負荷に電力を消費させることで電力需給をバランスさせ、発電機周波数を一定に保つことができる。
【００１４】
次に、図２を参照して調整装置９の詳細構成を説明する。調整装置９は、比較部９−１により発電機周波数Ｆと基準周波数ｆｓとの偏差Δｆを演算して出力し、また比較部９−２により発電機電流Ｉと基準電流Ｉｓとの偏差ΔＩを演算して出力し、そしてそれぞれの偏差Δｆ、ΔＩを演算器９−３に入力してスイッチング指令出力を生ずるように構成されている。
【００１５】
電力系統が安定している状態では、周波数偏差Δｆ、電流偏差ΔＩは発生しておらず、スイッチング回路１０に対するスイッチング指令は一定値を維持している。しかし、需要家負荷Ｃが変動して発電機出力電流Ｉに変化が生じた場合、比較部９−２で電流偏差ΔＩが発生して演算器９−３に入力される。なお、電流偏差ΔＩが発生した時点では、発電機５には回転系による時間的遅れのため、まだ周波数変動は発生せず、周波数偏差Δｆは生じない。
【００１６】
この結果、調整装置９からは、まず電流偏差ΔＩだけによるスイッチング指令出力が生じ、ダミー負荷１１に供給する電流量はΔＩに対応した分だけ変化し、負荷変動前と同様の発電機電流値に戻る。発電機出力電流が変動前の値に戻ることにより電流偏差ΔＩは０となるが、周波数が遅れて変化するため、電流偏差ΔＩよりも遅れて周波数偏差Δｆが発生し、この周波数偏差Δｆの発生分によりスイッチング出力指令が変化する。
【００１７】
この時の周波数偏差Δｆの量は電流が既に負荷変動前と同様になっているため周波数変動量は抑えられ、電流偏差ΔＩに比べ少ない量となる。周波数偏差Δｆによるスイッチング出力指令に基づいて、ダミー負荷１１に供給される電流量が変化するため、発電機電流は再度変動する。この変動により電流偏差ΔＩが発生して前述の制御を繰り返すことにより、周波数偏差Δｆの量は徐々に少なくなり安定化する。
以上のように、この第１の実施の形態によれば、電流検出の速応性と周波数検出の安定性の２つを兼ね備え、ダミー負荷の制御を行うことが可能となる。
【００１８】
（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態を示すシステム構成図であり、図４は図３に設けられた調整装置の詳細構成ブロック図である。
【００１９】
まず図３において、本実施の形態の場合、発電機の周波数検出部については第１の実施の形態と同じであるが、電流検出部以降の機能が若干異なる。すなわち、図４の調整装置９Ａおよびスイッチング回路１０Ａで示すように、電流変成器６−１〜６−３によりａ，ｂ，ｃ各相の出力電流を検出し、電流変換器７を経て調整装置９Ａに入力し、電流不平衡相を演算により特定する。
【００２０】
そして調整装置９Ａは、その演算結果を各相毎に独立して制御可能なスイッチング回路１０Ａのスイッチング素子１０ａ，１０ｂおよび１０ｃに入力し、各相ダミー負荷１１ａ，１１ｂおよび１１ｃの電力消費量をそれぞれ調整して三相平衡状態にし、発電機５への零相電流を抑制する。
【００２１】
このように、本実施の形態によれば、各相毎に電流不平衡相を演算し、その演算結果に基づいてダミー負荷における電力消費量を各相毎に制御して、三相平衡状態を維持することができる。
【００２２】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態の１部を示す構成図である。
この実施の形態で採用する調整装置９Ｂは、図５で示すように発電機の出力端子から入力した交流電圧を直流電圧に変換する整流回路（例えば、ダイオードブリッジ）１２、平滑コンデンサ１３、出力スイッチング回路（例えば、ＩＧＢＴ）１４およびこの出力スイッチング回路１４を制御する演算制御部１５から構成されている。
【００２３】
前記調整装置９Ｂは、入力した発電機の出力電流Ｉおよび周波数Ｆ（または発電機の回転数）によって出力スイッチング回路１４を制御し、直流出力の大きさを制御することにより、ダミー負荷１１での電力消費量を制御し、発電機出力周波数の安定化を図るものである。
【００２４】
本実施の形態によれば、調整装置９Ｂで交流／直流変換しているため、平滑回路にて電流調整をおこなっているスイッチング回路の移行サージが抑制され、結果的に電流調整時に発電機電圧の波形歪みを改善することができる。
【００２５】
（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４の実施の形態を示す回路図である。
この実施の形態の目的は、発電機５が系統に連係している場合には、ダミー負荷は必要としないが、一定周期毎にダミー負荷を活かすことによって、ダミー負荷への電流と系統側への電流比を演算し、発電機単独運転の検出を行うようにしたものである。
【００２６】
図６において、Ｚ１は系統負荷インピーダンス（変電所インピーダンス）、Ｚ２は発電機インピーダンス、ＺＬは配電線負荷インピーダンスを表す。また、Ｉ１は系統側の電流、Ｉ２はダミー負荷電流と配電線負荷間の循環電流そしてＩ３は発電機電流を表し、発電機の系統連係時と単独運転時のダミー負荷への分担電流比を算出することにより、発電機の単独運転を検出することができるようにしたものである。これは、系統連係時にはダミー負荷への電流分担比が１となること、単独運転時には０になることに着目したものである。
【００２７】
図７はダミー負荷の接続状態、非接続状態を説明するための図であり、特に（Ａ）は、ダミー負荷非接続時の等価回路図、（Ｂ）は、ダミー負荷接続時の等価回路図である。
【００２８】
図７（Ａ）から、
【数１】

図７（Ｂ）から
【数２】

【数３】

上記より、
【数４】

【数５】

と置くと、
ダミー負荷に流入するダミー負荷電流Ｉｄは、
Ｉｄ＝ ΔＩ１＋ ΔＩ２となる。
【００２９】
ここで系統側への電流（ΔＩ１）とこのダミー負荷電流（Ｉｄ）の比を電流分担比とすると、
【数６】

図７（Ａ）において発電機５が系統連係している場合には、系統負荷＞Ｚ１および＞Ｚ２と考えられることから、式６は式７として近似できる。
【数７】

【００３０】
今度は発電機が単独運転に移行（配電線負荷ＺＬが接続された状態で、系統側の電源が切れた場合）には、変電所インピーダンスＺ１が無限大になるため、Ｚ１＞ＺＬおよび＞Ｚ２となるので式６は式８に近似できる。
【数８】

【００３１】
以上述べたように、本実施の形態によれば、系統連係時、Ｚ２＞Ｚ１となるため電流分担比が１に近似され、一方単独運転時には、Ｚ２＜ＺＬとなるため電流分担比が０に近似されることを調整装置９Ｃで演算し、検出することができる。この結果、系統に連係する場合には、単独運転を検出できるシステムを構築できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、発電機電流による調整を加えることにより、需要家負荷の変動に対し発電機周波数の変化を小さくすることが可能となり、安定した周波数を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るシステム構成図。
【図２】出力調整装置の詳細ブロック図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るシステム構成図。
【図４】出力調整装置のスイッチング回路構成図。
【図５】不平衡調整を行うためのスイッチング回路構成図。
【図６】単独運転検出機能の説明図。
【図７】ダミー負荷の接続状態、非接続状態を説明する図で、特に（Ａ）は系統連係時の説明図、（Ｂ）は系統連係時でダミー負荷接続時の説明図。
【符号の説明】
１…調整池、２…水圧鉄管、３…入口弁、４…水車、５…発電機、６，６‘…電流変成器、７，７‘…電流変換器、８…周波数変換器、９，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ…調整装置、９−１，９−２…比較部、９−３…演算部、１０，１０−１…スイッチング回路、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…ダミー負荷、１２…３相ダイオード整流器、１３…平滑コンデンサ、１４…出力スイッチング回路、１５…演算制御部。

Claims

需要家負荷の変動分を発電機の出力端に接続したダミー負荷にて消費し、発電機出力周波数を一定に保つようにした発電設備の出力調整装置において、
発電機の出力電流および周波数と設定値との偏差に応じて前記ダミー負荷で消費される電力を制御する調整装置を設けたことを特徴とする発電設備の出力調整装置。
前記調整装置は、発電機の出力電流を各相分入力して不平衡相を演算により特定し、この特定された相のダミー負荷に対して消費電力を制御するための指令を出力することを特徴とする請求項１記載の発電設備の出力調整装置。
発電機交流入力を直流に変換して出力する交直変換器と、この交直変換器の直流出力を入力し、通電時間により直流出力の大きさを変換するスイッチング素子と、発電機の出力電流および周波数と設定値との偏差に応じてこのスイッチング素子通電時間を制御する演算制御部とからなる請求項１記載の発電設備の出力調整装置。
電力系統に連係な発電設備であって、系統に連係されるまでは発電機周波数を調整する機能、系統連係後は単独運転への移行を検出する機能を併せて有することを特徴とする発電設備の調整装置。