JP2004350437A

JP2004350437A - 同期発電機の自動電圧調整器

Info

Publication number: JP2004350437A
Application number: JP2003145680A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Noto; 啓行能登
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】発電機電圧の微小変動の場合も大幅変動の場合も速やかに設定値に追従できる自動電圧調整器を得る。
【解決手段】発電機１の出力電圧と発電機の制御目標電圧との偏差信号ΔＶを出力する加算器２２、偏差信号ΔＶを積分して積分信号を出力する積分器２５、発電機の出力電圧と出力電流とに基づいて発電機が必要とする励磁電流を推定して推定励磁電流信号を出力する励磁電流推定器２７、及び偏差信号ΔＶと積分信号と推定励磁電流信号とに基づいて発電機の励磁電流を制御する励磁電流制御手段３０を備えた。発電機の必要とする励磁電流励磁を電流推定器２７にて推定して励磁電流を制御するので、発電機電圧の変動を抑制でき、積分器２５の積分時定数を大きくでき、制御信号が一時的に過大または過小となることを防止でき、発電機電圧の目標値からの行き過ぎ量を抑制できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、同期発電機の自動電圧調整器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動電圧調整器として、同期発電機の端子電圧を検出する電圧検出器の検出信号と電圧指令信号発生器の電圧指令信号との誤差を演算する減算器と、減算器の出力を増幅する誤差信号増幅器の制御信号を検出信号で除算する除算器と、除算器の出力電圧に比例したオンデューティーのスイッチング信号を出力するパルス変調器と、同期発電機の出力する交流電圧を直流電圧に整流する整流器と、整流器が出力する直流電圧をスイッチング信号に従ってチヨツパ操作することにより同期発電機の界磁巻線に励磁電圧を供給する電圧変換器を備え、除算器が誤差増幅器の出力を除算することにより、同期発電機の端子電圧が変動した場合に、励磁電源電圧の変動を相殺し、同期発電機の端子電圧を所望の電圧に調整しているので、安定に同期発電機の出力端子電圧を制御できるものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、このような自動電圧調整器において、積分器を設けて除算器の出力を積分して除算器の出力に加算して発電機の励磁回路の制御信号とすることにより、発電機が必要とする定常電流を供給できるようにするとともに定常誤差を零とするものがある。しかし、積分器を設けて定常状態の励磁電流を決定するようにすると、積分器が定常状態での励磁電流を決定するため、大容量負荷の起動や停止等で発電機電圧が大幅に変動した場合、電圧の制御は発電機が励磁装置の許容範囲内で行われるすなわち具体的には許容範囲を超えないようリミッタ等が設けられているので、誤差信号が零に収束するまでに長時間を要し、積分器の出力が過大または過小となり、発電機電圧が目標値を逸脱してしまうことがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−８０１９９号公報（段落番号００２５、００２６、図１及び図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の自動電圧調整器は上記のように構成されているので、励磁電源電圧の変動は相殺できるものの、発電機電圧が微少変動した時や大幅変動した時に応答が適切に行われないという問題点があった。この発明は、上記のような問題点を解決して、発電機電圧の微小変動の場合も大幅変動の場合も速やかに設定値に追従できる自動電圧調整器を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る同期発電機の自動電圧調整器は、同期発電機の出力電圧と制御目標電圧との偏差を演算して偏差信号として出力する演算手段、偏差信号を積分して積分信号を出力する積分手段、同期発電機の出力電圧と出力電流とに基づいて同期発電機が必要とする励磁電流を推定して推定励磁電流信号を出力する励磁電流推定手段、及び偏差信号と積分信号と推定励磁電流信号とに基づいて同期発電機の励磁電流を制御する励磁電流制御手段を備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の一形態を示す自動電圧調整器の構成図である。図１において、同期発電機である発電機１の出力端子１ａ，１ｂ，１ｃに負荷２が接続されている。また、発電機１は、励磁入力端子１ｄ，１ｅを有している。自動電圧調整装置３は、発電機１の出力電圧を自動制御するためのものであり、計器用変圧器４、計器用変流器７、自動電圧調整器本体１０にて構成されている。計器用変圧器４は、発電機１の出力端子１ａ〜１ｃに接続され発電機１の出力電圧を適当な電圧と位相の電圧検出信号に変換する。計器用変流器７は発電機１の負荷電流（図１では、ｂ相だけ）を検出し、電流検出信号を出力する。
【０００８】
自動電圧調整器本体１０は、次のように構成されている。計器用変圧器４及び計器用変流器７から電圧検出信号及び電流検出信号をアナログ／デジタル変換器１１に供給し、これらのアナログ信号をデジタル信号に変換して、力率角演算器１２、電流実効値演算器１３、電圧実効値演算器１４、無効電力演算器１５に供給する。加算器２１に、電圧実効値演算器１４の出力Ｖｇと無効電力演算器１５の出力Ｑが入力され、その差（Ｖｇ−Ｑ）が加算器２２に出力信号Ｖｄとして出力される。
【０００９】
加算器２２には、出力信号Ｖｄと電圧設定器２３にて設定された目標電圧に比例する目標電圧信号Ｖ０が入力され、その差（Ｖ０−Ｖｄ）が誤差信号ΔＶとして出力される。誤差信号ΔＶは、ゲイン・位相進み補償器２４及び積分器２５へ入力され、それぞれの出力が加算器２６に入力される。また、力率角演算器１２及び電流実効値演算器１３の出力φ、Ｊｇ並びに電圧設定器２３の目標電圧信号Ｖ０が、励磁電流推定器２７に入力され、励磁電流推定器２７の出力は加算器２６へ入力される。
【００１０】
加算器２６の出力は、リミッタ２８を介してデジタル／アナログ変換器２９にてアナログ信号に変換されて出力される。なお、この発明における励磁電流制御手段としての励磁電流制御装置３０は、加算器２６、リミッタ２８及びデジタル／アナログ変換器２９にて構成されている。自動電圧調整器本体１０は、以上のように構成されており、ハードウェアとしてはこの実施の形態においてはマイクロコンピュータにて実現されている。そして、自動電圧調整器本体１０の励磁電流制御手段３０から出力されるアナログ信号は増幅器３０に供給される。増幅器３０の出力側は発電機１の励磁入力端子１ｄ，１ｅに接続されている。
【００１１】
次に、動作について説明する。発電機１の各出力端子１ａ、１ｂ、１ｃの電圧は、励磁入力端子１ｄ、１ｅ端子に加える直流電流によって変化させることができるので、自動電圧調整器１０によって、１ａ，１ｂ，１ｃの電圧を監視し、その電圧の変化を補正する電流を１ｄ，１ｅ端子に出力することで、発電機１の出力電圧を所望の一定値に制御する。
【００１２】
より具体的には、次のように動作する。計器用変圧器４及び計器用変流器７からアナログ／デジタル変換器１１に電圧検出信号及び電流検出信号が入力され、発電機１の出力電圧及び負荷電流に比例するデジタル信号に変換される。力率角演算器１２、電流実効値演算器１３、電圧実効値演算器１４及び無効電力演算器１５は、発電機１の出力電圧及び負荷電流に比例するデジタル信号に基づいて、発電機力率角、発電機電流実効値、発電機電圧実効値、無効電力を演算により求め、それぞれに対応するデジタル信号である出力θ、Ｊｇ、Ｖｇ、Ｑを出力する。
【００１３】
加算器２１は、出力Ｖｇから出力Ｑを減算して、出力信号Ｖｄとして加算器２２へ供給する。加算器２３には、出力信号Ｖｄと電圧設定器２３にて設定された目標電圧に比例する目標電圧信号Ｖ０が入力され、目標電圧信号Ｖ０と出力信号Ｖｄとの差（Ｖ０−Ｖｄ）が誤差信号ΔＶとして出力される。誤差信号ΔＶは、ゲイン・位相進み補償器２４によって発電機１の位相遅れ特性を打ち消すように補償されて加算器２６に供給される。積分器２５は、発電機電圧の定常誤差を零とするよう誤差信号ΔＶを積分して加算器２６へ出力する。
【００１４】
励磁電流推定器２７は、力率角演算器１２、電流実効値演算器１３および電圧設定器２３の各出力θ，Ｊｇ，Ｖ０に基づいて、定常状態における励磁電流Ｊｆを、例えば次の式（１）のように推定する。
Ｊｆ＝√（Ｖｓ^２＋２ＶｓＸｓＪｓｉｎφ＋Ｘｓ^２・Ｊ^２）・・（１）
ただし、Ｊｆは励磁電流、Ｖｓは目標電圧、φは力率角、Ｊは発電機電流、Ｘｓは発電機の同期インピーダンスである。
【００１５】
そして、この励磁電流Ｊｆに相当する推定励磁電流の信号を励磁電流推定器２７から加算器２６に出力し、ゲイン・位相進み補償器２４及び積分器２５の出力信号に加算する。この励磁電流推定器２７にて算出された励磁電流Ｊｆは、発電機１に必要とされる実際の励磁電流の値にほぼ近い値となるため、積分器２５は励磁電流推定器２７にて算出された（推定）励磁電流と実際に必要とされる励磁電流との定常誤差を打ち消すように動作する。なお、発電機電圧が低下した時は、誤差信号ΔＶが正の値となり、発電機の励磁を強め、発電機電圧を目標電圧に回復させる。また、無効電力すなわち信号Ｑの値が大きくなった時は、励磁を弱め無効電力の発生を抑制する。
【００１６】
リミッタ２８は、発電機１及び増幅器３０が損傷しないように加算器２６の信号の大きさを制限し、増幅器３０は、デジタル／アナログ変換器２９の出力信号を発電機１の励磁に必要な電力まで増幅して発電機１の励磁入力端子１ｄ、１ｅに供給する。
【００１７】
以上のように、この実施の形態によれば、積分器２５が定常誤差の打ち消しのために機能する。すなわち、積分器２５は励磁電流推定器２７により推定された界磁電流Ｊｆを供給した場合に、発電機が実際に必要とする界磁電流との間に通常若干の誤差があり、この誤差分を積分して定常誤差を零とするように動作する。従って、積分器２５の積分時定数を大きくでき、発電機電圧が大幅に変動しても、積分器２５の出力変動は小さいものとなって、制御信号が一時的に過大または過小となることを防止でき、発電機電圧の目標値からの行き過ぎ量を抑制できる。励磁電流推定器２７により推定された推定励磁電流である界磁電流Ｊｆに基づいて発電機１を制御した場合に、発電機１が実際に必要とする界磁電流との間に通常若干の誤差が生じうるが、積分器２５はこの誤差分を積分して定常誤差を零とするように動作する。従って、発電機１の電圧が大幅に変動しても、積分器２５の出力変動はそれほど大きくならないので、積分器２５の積分時定数を大きくすることにより、制御信号が一時的に過大または過小となることを防止でき、発電機１の電圧が目標値から行き過ぎる量を抑制できる。
【００１８】
また、積分器２５の入力を加算器２２からの入力信号である誤差信号ΔＶとすることで、積分器２５の動作がゲイン・位相進み補償器２４の動作に影響されないため、ゲイン・位相進み補償器２４と積分器２５の定数を独立に設定でき、調整も容易となる。ただし、ゲイン・位相進み補償器２４の出力信号を積分器２５に入力するようにすることもできる。
【００１９】
実施の形態２．
図２は、この発明の他の実施の形態を示す自動電圧調整器の構成を示す構成図である。図２において、自動電圧調整器４３を構成する自動電圧調整器５０は、状態出力付リミッタ５８及びゲート５９を有する。状態出力付リミッタ５８は入力信号の大きさが所定の範囲を超えたとき、出力信号が所定範囲を超えないように制限動作をするとともに制限動作中を示す状態出力である信号ＬＳをゲート４９に出力する。
【００２０】
ゲート５９は、加算器２２と積分器２５との間に設けられ、信号ＬＳが有意のとき加算器２２からの信号を遮断する。この実施の形態においては、加算器２６、状態出力付リミッタ５８及びデジタル／アナログ変換器２９にて界磁電流制御装置６０が構成されている。なお、状態出力付リミッタ５８及びゲート５９が、この発明における積分動作禁止手段である。その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。
【００２１】
次に動作について説明する。状態出力付リミッタ５８は、加算器２３から入力される入力信号が予め設定された所定の範囲から外れたときその出力信号の大きさを所定の範囲に制限してデジタル／アナログ変換器２９に供給するとともに制限動作中を示す信号ＬＳを発信する。この信号ＬＳによりゲート５８が開路動作し、加算器２２からの積分器２５への誤差信号ΔＶを遮断し、積分動作を停止させることで、積分器２５の出力振幅を抑制することができる。
【００２２】
この実施の形態２によれは、状態出力付リミッタ５８によって制御信号の振幅が制限されるとき、発電機の遅れ特性によって電圧回復に時間を要するため、誤差信号ΔＶの絶対値が大なる期間が長時間継続するが、状態出力付リミッタ４８による振幅制限動作中は、ゲート５９によって、積分器２５への絶対値の大きい入力を遮断し、積分器２５の積分動作を停止させることで、発電機電圧の目標値からの行き過ぎ量を抑制できる。
【００２３】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、同期発電機の出力電圧と制御目標電圧との偏差を演算して偏差信号として出力する演算手段、偏差信号を積分して積分信号を出力する積分手段、同期発電機の出力電圧と出力電流とに基づいて同期発電機が必要とする励磁電流を推定して推定励磁電流信号を出力する励磁電流推定手段、及び偏差信号と積分信号と推定励磁電流信号とに基づいて同期発電機の励磁電流を制御する励磁電流制御手段を備えたものであるので、励磁電流推定手段により推定された推定励磁電流に基づいて同期発電機を制御した場合に、同期発電機が実際に必要とする励磁電流との間に通常若干の誤差が生じうるが、積分手段はこの誤差分を積分して定常誤差を零とするように動作する。従って、同期発電機の電圧が大幅に変動しても、積分手段の出力変動はそれほど大きくならないので、積分手段の積分時定数を大きくすることにより、制御信号が一時的に過大または過小となることを防止でき、同期発電機の電圧が目標値から行き過ぎる量を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態である自動電圧調整器構成図である。
【図２】この発明の他の実施の形態である自動電圧調整器構成図である。
【符号の説明】
３，４３自動電圧調整器、４計器用変圧器、７計器用変流器、
１０，４０自動電圧調整器本体、２１，２２，２６加算器、
２３電圧設定器、２４ゲイン・位相進み補償器、２５積分器、
２７励磁電流推定器、５８状態出力付リミッタ、５９ゲート。

Claims

同期発電機の出力電圧と制御目標電圧との偏差を演算して偏差信号として出力する演算手段、上記偏差信号を積分して積分信号を出力する積分手段、上記同期発電機の上記出力電圧と出力電流とに基づいて上記同期発電機が必要とする励磁電流を推定して推定励磁電流信号を出力する励磁電流推定手段、及び上記偏差信号と上記積分信号と上記推定励磁電流信号とに基づいて上記同期発電機の励磁電流を制御する励磁電流制御手段を備えた同期発電機の自動電圧調整器。
上記励磁電流制御手段は、上記励磁電流が所定値を超えないように制限する励磁電流制限手段を有するものであって上記励磁電流制限手段が動作しているとき上記積分手段の積分動作を禁止する積分動作禁止手段を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の同期発電機の自動電圧調整器。
上記励磁電流制御手段は、上記偏差信号の位相を補償する位相補償手段を有するものであってこの位相補償された上記偏差信号と上記積分信号と上記推定励磁電流信号とに基づいて上記同期発電機の励磁電流を制御するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の同期発電機の自動電圧調整器。