JP2008211893A - 系統再並列制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】母線の電圧、周波数の変動を抑え、安定した状態で解列された発電所を送電系統に再並列接続できる系統再並列制御装置を得る。
【解決手段】この発明による系統再並列制御装置は、母線１に並列接続された複数の発電設備４、５、６のうち、特定の一つの発電設備である１号発電設備４の出力電力を最大としてその負荷電力の分担を２号及び３号発電設備５、６に於ける負荷電力の分担よりも大きくし、かつ１号発電設備４の同期発電機４３の励磁量を増大して負荷無効電力の分担を２号及び３号発電設備５、６に於ける負荷無効電力の分担より大きくするよう制御するものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の発電設備が並列接続された発電所の母線を、系統連携遮断器を介して送電系統に再並列接続させるための系統再並列制御装置に関するものである。

通常、火力発電所等の発電所は、主要変圧器と発電機等で構成される発電設備を複数備える。これらの発電設備は、夫々の発電設備に対応して設けられた遮断器（以下、発電機側遮断器と称する）を介して特別高圧母線（以下、特高母線と称する）に並列に接続される。負荷設備は、特高母線に遮断器（以下、負荷設備側遮断器と称する）を介して接続された負荷給電線から電力の供給を受ける。特高母線は、系統連携遮断器を介して他の発電所の特高母線と共に送電系統に並列に接続されるが、もし、何らかの要因で系統連携遮断器が開放されると、その特高母線が送電系統から解列され系統分離の状態となる。送電系統から解列された発電所では、その発電所単独で特高母線に並列接続された複数の発電設備から負荷給電線を介して負荷設備に電力の供給を行うが、負荷設備への電力の安定供給と送電系統への送電を保持するために、解列された発電所を送電系統に速やかに再並列接続する必要がある。

解列された発電所の送電系統への再並列接続は、周知のように、その発電所と送電系統との電圧、周波数、及び位相を一致させた同期投入により行なわれる。この同期投入を行なう装置として、従来、特高母線に並列接続された複数の発電設備を同時に制御し、特高母線の電圧、周波数を特高母線と送電系統の電圧、周波数を一致させ、その上で特高母線と送電系統の位相が一致したことを検出し、特高母線を系統連携遮断器を介して送電系統に投入するようにした自動同期投入装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６４−７７４２９号公報

このような従来の自動同期投入装置による発電所の再並列制御に於いては、同時に複数の発電設備の電圧、周波数を制御するので、特高母線の電圧、周波数の変動が大きくなり、安定した状態で系統連携遮断器を投入できない可能性がある等の課題があった。

この発明は、上記のような従来の装置の課題を解決するためになされたもので、母線の電圧、周波数の変動を抑え、安定した状態で解列された発電所の母線を送電系統に再並列接続できる系統再並列制御装置を得ることを目的とする。

この発明による系統再並列制御装置は、母線に並列接続された複数の発電設備を有する発電所の前記母線を送電系統に再並列接続させる系統再並列制御装置であって、前記再並列接続の際、前記複数の発電設備のうちの特定の一つの発電設備に於ける負荷電力及び負荷無効電力の分担を、前記特定の発電設備以外の発電設備に於ける負荷電力及び負荷無効電力の分担よりも夫々大きくするように前記発電設備を制御することを特徴とするものである。

この発明による系統再並列制御装置は、再並列接続の際、複数の発電設備のうちの特定の一つの発電設備に於ける負荷電力及び負荷無効電力の分担を、前記特定の発電設備以外の発電設備に於ける負荷電力及び負荷無効電力の分担よりも夫々大きくするように前記発電設備を制御するようにしているので、母線の電圧、周波数の変動を抑え、安定した状態で解列された発電所の母線を送電系統に再並列接続できる系統再並列制御装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による系統再並列制御装置を備えた火力発電所の電力系統の説明図である。図１に於いて、火力発電所の特高母線１は、系統連係遮断器２を介して送電系統３に接続され、他の発電所と並列運転される。火力発電所は、１号発電設備４、２号発電設備５、及び３号発電設備６を備え、これらの発電設備４、５、６は、夫々、発電機側遮断器４１、５１、６１を介して特高母線１に並列に接続されている。１号発電設備４は、蒸気タービン４２により駆動される同期発電機４３を備え、同期発電機４３は、定常運転時には、ガバナー制御装置４４により回転速度が一定、従って出力周波数が一定となるように制御され、且つ、励磁装置４５により出力電圧が一定となるように制御される。同期発電機４３の出力は、主変圧器４６を介して発電機側遮断器４１に接続され特高母線１に供給される。

同様に、２号発電設備５は、蒸気タービン５２により駆動される同期発電機５３を備え、同期発電機５３は、定常運転時には、ガバナー制御装置５４により回転速度が一定、従って出力周波数が一定となるように制御され、且つ、励磁装置５５により出力電圧が一定となるように制御される。同期発電機５３の出力は、主変圧器５６を介して発電機側遮断器５１に接続され特高母線１に供給される。又、３号発電設備も同様に、蒸気タービン６２により駆動される同期発電機６３を備え、同期発電機６３は、定常運転時には、ガバナー制御装置６４により回転速度が一定、従って出力周波数が一定となるように制御され、且つ、励磁装置６５により出力電圧が一定となるように制御される。同期発電機６３の出力は、主変圧器６６を介して発電機側遮断器６１に接続され特高母線１に供給される。

負荷設備（図示せず）は、負荷設備側遮断器７を介して特高母線１に接続された負荷給電線８により電力の供給を受けて運転される。同期検定リレー９は、特高母線１を送電系統３に並列に接続する際、特高母線１と送電系統３の電圧、周波数、及び位相を検出し、それらが所定の範囲内で一致したとき系統連携遮断器２を投入して特高母線１を送電系統３に同期投入するために設けられている。

負荷給電線８から得られる負荷設備の有効電力に対応する信号（以下、単に、負荷電力と称する）２５と、負荷設備の無効電力に対応する信号（以下、単に、負荷無効電力と称する）２６とは、夫々系統再並列制御装置１０に入力される。又、１号発電設備４に於ける励磁装置４５の励磁量に基づいて得られる１号発電設備の出力電圧及び無効電力に対応する信号（以下、単に、１号発電設備電圧・無効電力と称する）２７と、１号発電設備４に於けるガバナー制御装置４４のガバナー制御量に基づいて得られる１号発電設備の有効電力に対応する信号（以下、単に、１号発電設備電力と称する）２８とが、夫々、系統再並列制御装置１０に入力される。

又、２号発電設備５に於ける励磁装置５５の励磁量に基づいて得られる２号発電設備の出力電圧及び無効電力に対応する信号（以下、単に、２号発電設備電圧・無効電力と称する）２９と、２号発電設備５に於けるガバナー制御装置５４のガバナー制御量に基づいて得られる２号発電設備の有効電力に対応する信号（以下、単に、２号発電設備電力と称する）３０とが、夫々、系統再並列制御装置１０に入力される。

更に、３号発電設備６に於ける励磁装置６５の励磁量に基づいて得られる３号発電設備の出力電圧及び無効電力に対応する信号（以下、単に、３号発電設備電圧・無効電力と称する）３１と、３号発電設備６に於けるガバナー制御装置６４のガバナー制御量に基づいて得られる３号発電設備の有効電力に対応する信号（以下、単に、３号発電設備電力と称する）３２とが、夫々、系統再並列制御装置１０に入力される。

尚、１号乃至３号発電設備４、５、６の出力電圧と無効電力とは、夫々の励磁装置４５、５５、５６の励磁量に対応して所定の関係にあるので、以下の説明では、１号発電設備電圧・無効電力２７、２号発電設備電圧・無効電力２９、及び３号発電設備電圧・無効電力３１を、夫々、１号発電設備電圧２７、２号発電設備電圧２９、３号発電設備電圧３１、又は、１号発電設備無効電力２７、２号発電設備無効電力２９、３号発電設備無効電力３１として、夫々、電圧、又は無効電力単独で称することがある。

火力発電所の特高母線１は、通常運転時には系統連携遮断器２を介して送電系統３に並列接続されている。このとき系統再並列制御装置１０は、１号発電設備電圧・無効電力２７、２号発電設備電圧・無効電力２９、３号発電設備電圧・無効電力３１、及び１号発電設備電力２８、２号発電設備電力３０、３号発電設備電力３２を夫々入出力信号として、１号発電設備４、２号発電設備５、及び３号発電設備６の夫々の励磁装置４５、５５、６５の励磁量、及びガバナー制御装置４４、５４、６４のガバナー制御量を制御し、特高母線２の電圧と周波数とがほぼ一定値となるよう制御する。

今、図１に於いて、系統連係遮断器１が何らかの要因で開放され、特高母線２が送電系統３から解列されたとすると、特高母線２は、常時閉成されている１号発電機側遮断器４１、２号発電機側遮断器５１、及び３号発電機側遮断器６１を介して夫々並列接続された１号発電設備４、２号発電設備５、及び３号発電設備６により、その火力発電所単独で運転される状態、所謂、系統分離運転の状態に至る。

この系統分離運転の状態に於いて、負荷設備は、常時閉成されている負荷設備側遮断器７を介して特高母線１に接続された負荷給電線８から電力の供給を受けて運転されるが、負荷電力２５は、１号発電設備電力２８と２号発電設備電力３０と３号発電設備電力３２との合計に等しい。

又、系統分離運転の状態に於いて、１号発電設備電圧２７、２号発電設備電圧２９、及び３号発電設備電圧３１は、夫々１号発電設備４の励磁装置４５、２号発電設備５の励磁装置５５、及び３号発電設備６の励磁装置６５の励磁量に基づいて調整され、これにより特高母線２の電圧は所定の電圧に自動的に制御される。又、これと同時に、負荷無効電力２６は、１号発電設備４の励磁装置４５、２号発電設備５の励磁装置５５、及び３号発電設備６の励磁装置６５による夫々の励磁量に対応して、１号発電設備４、２号発電設備５、及び３号発電設備により分担され、負荷無効電力２６は、１号発電設備無効電力２７と２号発電設備無効電力２９と３号発電設備無効電力３１との合計に等しい。

系統分離運転に於けるこれらの制御は、系統再並列制御装置１０に入出力される１号発電設備電圧・無効電力２７、２号発電設備電圧・無効電力２９、３号発電設備電圧・無効電力３１、及び１号発電設備電力２８、２号発電設備電力３０、３号発電設備電力３２に基づいて、系統再並列制御装置１０により行われる。

しかし、負荷設備への電力の安定供給と送電系統への電力送電を保持するためには、前述の系統分離運転の状態から、速やかにその火力発電所の特高母線を送電系統に再並列接続する必要がある。この発明の実施の形態１に係る系統再並列制御装置１０は、系統分離状態にある火力発電所の特高母線を、以下に述べる動作により送電系統に再並列接続させる。

図２は、この発明の実施の形態１による系統再並列制御装置１０の電力制御を説明するフロー図、図３は、この発明の実施の形態１による系統再並列制御装置１０の電圧制御を説明するフロー図である。図２に於いて、送電系統３から解列された火力発電所が系統分離運転の状態にあるとき、ステップＳ１に示すように、１号発電設備電力２８と２号発電設備電力３０と３号発電設備電力３２との合計は、負荷電力２５に等しい。

この系統分離運転状態から、系統再並列接続を行うために、先ず、１号乃至３号発電設備４、５、６の電力制御を行なう。ステップＳ２に於いて１号発電設備４の出力増大指令を発生すると同時に、ステップＳ３に於いて２号発電設備５及び３号発電設備６の出力減少指令を発生する。これにより、１号発電設備４のガバナー制御装置４４は、ガバナーを制御して蒸気タービン４２への蒸気流入量を増大させる。蒸気タービン４２への蒸気流入量の増大によるエネルギーの増加は、蒸気タービン４２のトルクの増大となって同期発電機４３に伝達され、１号発電設備４の出力が増大し負荷電力２５の負担が増大する。その後、１号発電設備４は、最大出力状態に達し、最大限の負荷電力の分担割合となる。このとき、蒸気タービン４２、従って同期発電機４３の回転数は殆ど変化せず、１号発電設備４の出力周波数は、ほぼ一定に保たれる。

一方、ステップＳ３に於いて出された出力現象指令により、２号発電設備５及び３号発電設備６では、夫々のガバナーが、ガバナー制御装置４５４、６４によりガバナーフリーの状態で制御され、発電設備５、６の出力が減少し、夫々の負荷電力の分担が減少する。その後、２号発電設備５、及び３号発電設備６は、夫々、最小の出力状態、即ち初期負荷値（例えば、負荷電力の１０％程度）の出力となり、最小限の負荷電力の分担割合となる。

ステップＳ４では、１号発電設備電力２８が最大に達しているか否かを判定し、最大に達していなければ（ＮＯ）、その出力増大を継続させ、ステップＳ５では、２号発電設備電力３０及び３号発電設備電力３２が最小に達しているか否かを判定し、最小に達していなければ（ＮＯ）、その出力減少を継続させ、最小に達していれば（ＹＥＳ）、２号及び３号発電設備５、６の出力減少制御を終了する（Ｓ５１）。

ステップＳ４に於いて、１号発電設備４の出力が最大に達していると判定（ＹＥＳ）したとき、この状態では負荷電力２５を賄うことができない場合、即ち、１号発電設備４の出力が最大で、２号発電設備５及び３号発電設備６の出力が最小の状態では負荷電力２５を賄うことができない場合は、ステップＳ６に進み、２号発電設備５の出力増大指令を発生すると共に、ステップＳ７により３号発電設備６の出力減少指令を発生する。

ステップＳ６による２号発電設備５に対する出力増大指令により、２号発電設備５の出力が増大し負荷電力２５の負担が増大する。一方、３号発電設備６は、ステップＳ７による出力減少指令によりガバナーフリーの状態で運転され、最小の出力状態、即ち初期負荷値（例えば、負荷電力の１０％程度）の出力を継続し、負荷電力の分担は最小を維持する。その結果、負荷電力２５は、出力最大の１号発電設備４により最大に分担され、初期負荷値まで出力が減少した３号発電設備６により例えば１０％程度負担され、出力が増大した２号発電設備５により残りが分担される。

ステップＳ８では、最大出力状態の１号発電設備４と、出力が増大された２号発電設備５と、最小の出力状態である３号発電設備とが分担する負荷電力により、負荷電力２５を賄うことができるかどうかを判定し、賄うことができれば（ＹＥＳ）、後述する図３に示す動作に移る。ステップＳ８により、最大出力状態の１号発電設備４と出力が増大された２号発電設備５と最小の出力状態である３号発電設備とにより負荷電力２５を賄うことができない、つまり２号発電設備５の出力増大が更に必要であると判定すれば（ＮＯ）、ステップＳ６により更に２号発電設備５の出力増大を指令し、ステップＳ７により３号発電設備６の出力減少指令を継続させ、３号発電設備６の出力を初期負荷値として制御を終了する（Ｓ９１）。

以上述べた系統再並列制御装置１０による１号乃至３号発電設備４、５、６の電力制御により、負荷電力２５は最大出力状態の１号発電設備４により最大に分担される。その結果、特高母線１の周波数は、１号発電設備４の電力制御により、再並列接続されるべき送電系統３の周波数に一致するよう制御される。

次に、系統再並列制御装置１０により、１号乃至３号発電設備４、５、６の電圧制御を行う。図３に於いて、ステップＳ１０に示すように、火力発電所の系統分離運転の状態で特高母線１の電圧は一定に保たれているが、このとき、負荷無効電力２６は、１号発電設備無効電力２７と２号発電設備無効電力２９と３号発電設備無効電力３１との合計に等しい。先ず、ステップＳ１１に於いて１号発電設備４の電圧増大指令を発生すると同時に、ステップＳ１２に於いて２号発電設備５及び３号発電設備６の電圧減少指令を発生する。

ステップＳ１１による１号発電設備４の電圧増大指令により、１号発電設備４の励磁装置４５は、同期発電機４３の励磁量を増大させる。同期発電機４３の励磁量が増大すると、同期発電機４３の誘起起電力が増大し、一定電圧に保持されている特高母線１への無効電力の供給が増大し、１号発電設備４に於ける負荷無効電力２６の分担割合が大きくなる。一方、２号及び３号発電設備５、６の励磁装置５５、６５は、夫々の同期発電機５３、６３の励磁量を減少させ、その誘起起電力を減少させる。これに伴い、２号及び３号発電設備５、６に於ける負荷無効電力の分担割合は小さくなる。

ステップＳ１３では、１号発電設備無効電力２７と負荷無効電力２６との割合が、１号発電設備電力２８と負荷電力２５との割合に等しくなったか否か、即ち、
１号発電設備無効電力２７＝（１号発電設備電力２８／負荷電力２５）
×負荷無効電力２６
の状態にあるか否かを判定し、その状態に達していなければ（ＮＯ）、１号発電設備４の励磁量を更に増大させて１号発電設備無効電力を増大させる。一方、ステップＳ１４では、２号発電設備無効電力２９及び３号発電設備無効電力３１が零、即ち夫々力率１００％に達しているか否かを判定し、力率１００％に達していなければその更に夫々の励磁量の減少を継続させ、力率１００％に達したときに（ＹＥＳ）、２号及び３号発電設備５、６の電圧減少制御を終了する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１３に於いて、１号発電設備無効電力２７と負荷無効電力２６との割合が、１号発電設備電力２８と負荷電力２５との割合に等しくなったと判定（ＹＥＳ）したとき、この状態では負荷無効電力２６を賄うことができない場合は、ステップＳ１６に進み、２号発電設備５の電圧増大指令を発生すると共に、ステップＳ１７により３号発電設備６の電圧減少指令を発生する。

ステップＳ１６による２号発電設備５に対する電圧増大指令により、２号発電設備５の励磁量が増大し、２号発電設備無効電力２９が増大する。一方、３号発電設備６は、ステップＳ１７による電圧減少指令により励磁量の減少が保たれ、その力率１００％が維持される。ステップＳ１８に於いて、２号発電設備無効電力２９と負荷無効電力２６との割合が、２号発電設備電力３０と負荷電力２５との割合に等しくなったか否か、即ち、
２号発電設備無効電力２９＝（２号発電設備電力３０／負荷電力２５）
×負荷無効電力２６
の状態にあるか否かを判定し、その状態に達していなければ（ＮＯ）、２号発電設備４の励磁量を更に増大させて２号発電設備無効電力を増大させる。

一方、ステップＳ１９では、３号発電設備無効電力３１が力率１００％に達しているか否かを判定し、力率１００％に達していなければその更に夫々の励磁量の減少を継続させ、力率１００％に達していれば（ＹＥＳ）、３号発電設備５の電圧減少制御を終了する（ステップＳ１９１）。以上の制御の結果、１号発電設備４により負荷無効電力が最大に分担され、２号発電設備５により負荷無効電力の残り分が分担される。特高母線１の電圧は、負荷無効電力２６を最大限に負担する１号発電設備４の出力電圧、即ち１号発電設備電圧２７により制御され、特高母線１の電圧変動が最小減に抑えられほぼ一定電圧に保たれる。

尚、以上の説明では、ステップＳ８、ステップＳ９１の動作の後に、ステップＳ１０からステップＳ１９１の動作を行なうものとしたが、ステップＳ１からステップＳ１９の動作と、ステップＳ１０からステップＳ１９１の動作を同時に並行して行うようにしてもよい。

以上述べた系統再並列制御装置１０による１号乃至３号発電設備４、５、６の電圧制御により、負荷無効電力２６は１号発電設備４により最大に分担される。その結果、特高母線１の電圧は、１号発電設備４の電圧制御により、再並列接続されるべき送電系統３の電圧に一致するよう制御される。

次に、ステップＳ２０では、同期検定リレー９により、特高母線１の電圧及び周波数が送電系統３の電圧と周波数に夫々一致していることを確認した上で、夫々の位相の一致を検出し、ステップＳ２１に於いて、系統連携遮断器２を投入して特高母線１を送電系統３に並列接続して解列されていた火力発電所の送電系統への再並列接続を完了する。

以上述べたように、この発明の実施の形態１による系統再並列制御装置によれば、解列された火力発電所の１号乃至３号発電設備のうち、１号発電設備４に負荷電力及び負荷無効電力を最大限に負担させるようにしているので、特高母線１の電圧及び周波数の制御を、１号発電設備４の励磁装置４５による励磁制御及びガバナー制御装置４４によるガバナー制御のみにより行なうことができ、解列された火力発電所の系統再並列接続を容易に行なうことができる。

尚、以上の説明では、この発明に係る系統再並列制御装置を火力発電所に適用した場合について説明したが、原子力発電所若しくは水力発電所であっても同様に適用することができる。

この発明の実施の形態１による系統再並列制御装置を備えた火力発電所の電力系統の説明図である。 この発明の実施の形態１による系統再並列制御装置１０の電力制御を説明するフロー図である。 この発明の実施の形態１による系統再並列制御装置１０の電圧制御を説明するフロー図である。

符号の説明

１ 特高母線
２ 系統連係遮断器
３ 送電系統
４ １号発電設備
５ ２号発電設備
６ ３号発電設備
４１、５１、６１ 発電機側遮断器
４２、５２、６２ 蒸気タービン
４３、５３、６３ 同期発電機
４４、５４、６４ ガバナー制御装置
４５、５５、６５ 励磁制御装置
４６、５６、６６ 主変圧器
２５ 負荷電力
２６ 負荷無効電力
２７ １号発電設備電圧・無効電力
２９ ２号発電設備電圧・無効電力
３１ ３号発電設備電圧・無効電力
２８ １号発電設備電力
３０ ２号発電設備電力
３２ ３号発電設備電力
７ 負荷側遮断器
８ 負荷給電線
９ 同期検定リレー

Claims (3)

1. 母線に並列接続された複数の発電設備を有する発電所の前記母線を送電系統に再並列接続させる系統再並列制御装置であって、前記再並列接続の際、前記複数の発電設備のうちの特定の一つの発電設備に於ける負荷電力及び負荷無効電力の分担を、前記特定の発電設備以外の発電設備に於ける負荷電力及び負荷無効電力の分担よりも夫々大きくするように前記発電設備を制御することを特徴とする系統再並列制御装置。
2. 前記特定の発電設備は、最大出力状態に制御されて前記負荷電力を最大限に分担すると共に、この負荷電力の分担に対応して前記負荷無効電力を分担するよう制御されることを特徴とする請求項１に記載の系統再並列制御装置。
3. 前記特定の発電設備以外の発電設備のうちの少なくとも一つは、最低限の出力状態に制御されて負荷電力を分担すると共に、力率１００％に制御されることを特徴とする請求項２に記載の系統再並列制御装置。

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