JP2008253092A - 自動同期化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の同期発電機を無負荷状態で同期化させる自動同期化方法において、比較的簡単な構成により、同期化を完了するまでに必要な同期化時間を短くして、停電が発生してから瞬時に重要な電力負荷への電力供給を開始する。
【解決手段】複数の同期発電機１０の各回転数を所定回転数に上昇させるステップと、複数の同期発電機１０の各出力側を開閉する各出力側開閉器１３を投入して、当該複数の同期発電機１０の各出力側を並列接続するステップと、複数の同期発電機１０の各出力電圧を同時に所定電圧に設定するステップとを、順に実行する
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の同期発電機を無負荷状態で同期化させる自動同期化方法に関する。

上記のような複数の同期発電機は、例えば、非常用電源設備として利用されるものであり、それら同期発電機の電力負荷への同期投入は、停電に伴って発電開始指令が入力されると、複数の同期発電機を無負荷状態で同期化させた後に、電力負荷の入力側を開閉する入力側開閉器を投入して、電力負荷への電力の供給を開始するという手順で実行される。
そして、かかる複数の同期発電機の同期化方法としては、複数の同期発電機の各回転数及び各出力電圧を一致させた状態で各出力側開閉器を強制的に投入する強制同期化方法の他、自動同期投入装置を用いて自動的に同期投入を完了させる自動同期化方法がある（例えば、特許文献１及び２を参照）。

上記特許文献１の自動同期化方法では、複数の同期発電機の各出力側開閉器を投入して各出力側を並列接続すると共に各回転数を上昇させた後に、複数の同期発電機の各出力電圧をランプ指令勾配に沿って比較的緩やかに上昇させる。すると、複数の同期発電機間には出力電力の周波数、電圧、位相の相違により横流電流が発生して同期化力が働き、その同期化力により自動的に同期化を完了する。

一方、上記特許文献２の自動同期化方法では、複数の同期発電機の各出力側開閉器を投入して各出力側を並列接続すると共に各回転数を所定回転数に上昇させた後に、複数の同期発電機の各励磁電流を上昇させて、複数の同期発電機を励磁状態とする。すると、上記特許文献１と同様に、複数の同期発電機間には同期化力が働き、その同期化力により同期化する。その後、複数の同期発電機の各回転数が上記所定回転数から定格回転数に上昇させた時点で、各出力電圧を定格電圧に上昇させ同期化を完了する。

特開昭５５−８２３３号公報 特開昭６１−２４４２３１号公報

上記特許文献１に記載の自動同期化方法では、複数の同期発電機の各出力電圧を比較的緩やかに上昇させるので、同期化を完了するのに必要な同期化必要時間が長くなり、例えば停電が発生してから瞬時に重要な電力負荷への電力供給を開始することはできなかった。
更に、上記複数の同期発電機の夫々に対して各出力電圧をランプ指令勾配に沿って上昇させるためのランプ関数電圧指令器を設置するという煩雑な構成を採用する必要がある。

また、上記特許文献２に記載の自動同期化方法では、複数の同期発電機の各励磁電流を上昇させて同期化させた後に、各回転数及び各出力電圧を定格値に上昇させる必要があるので、上記特許文献１と同様に、同期化必要時間が長くなる。

また、従来の自動同期化方法では、複数の同期発電機の同期化を完全に終了してから、電力負荷への電力供給を開始するものであり、例えば、同期化を行っている間に、界磁回路の故障等により無効電力を抑制し得ない場合や、原動機の故障等により回転数が安定せずに逆電流が発生する場合などのような異常状態となった場合には、上記同期化を完了することができず、結果、電力負荷への電力供給を開始することができなくなるという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡単な構成により、同期化を完了するまでに必要な同期化時間を短くして、停電が発生してから瞬時に重要な電力負荷への電力供給を開始することができる自動同期化方法を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る自動同期化方法は、複数の同期発電機を無負荷状態で同期化させる自動同期化方法であって、その第１特徴構成は、前記複数の同期発電機の各回転数を所定回転数に上昇させる回転数上昇ステップと、
前記複数の同期発電機の各出力側を開閉する各出力側開閉器を投入して、当該複数の同期発電機の各出力側を並列接続する出力側開閉器投入ステップと、
前記複数の同期発電機の各出力電圧を同時に所定電圧に設定する出力電圧設定ステップとを、順に実行する点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記回転数上昇ステップ及び上記出力側開閉器投入ステップを実行した後に、上記出力電圧設定ステップを実行することで、複数の同期発電機間に発生する横流電流により同期化力が働き、その同期化力により自動的に同期化を完了することができる。
また、上記出力電圧設定ステップでは、複数の同期発電機の各出力電圧を徐々に上昇させるのではなく、例えば自動電圧調整器の特性のみを利用する比較的簡単な構成により各出力電圧を比較的急に（例えば２秒）上昇させる形態で、各出力電圧を所定電圧に設定する。すると、複数の同期発電機に対する同期化力や出力電圧上昇による負担の増加を許容範囲内としながら、比較的瞬時に複数の同期発電機の同期化を完了することができる。
従って、このような比較的簡単な構成により、同期化を完了するまでに必要な同期化時間を短くして、停電が発生してから瞬時（例えば４０秒以内）に重要な電力負荷への電力供給を開始することができる自動同期化方法を実現することができる。

本発明に係る自動同期化方法の第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記回転数上昇ステップを実行後に、回転数が所定回転数に到達しない又は所定回転数に収束しない特定の前記同期発電機に対して、前記出力側開閉器の投入を禁止する出力側開閉器投入禁止ステップを実行する点にある。

上記回転数上昇ステップの実行後において、複数の同期発電機の何れかが、出力電圧上昇による負担の増加により原動機の回転数が所定回転数に到達しない又は所定回転数に収束しないという現象が発生する場合がある。
そこで、上記第２特徴構成によれば、そのような回転数の異常現象が発生した特定の同期発電機に対して、上記出力側開閉器投入禁止ステップを実行することで、他の同期発電機のみに対して、上記出力側開閉器投入ステップと上記出力電圧設定ステップとを実行して、同期化を完了させ、次いで、出力側開閉器が投入された同期発電機のみから電力負荷への電力供給を開始することができる。

本発明に係る自動同期化方法の第３特徴構成は、上記第１乃至上記第２の何れかの特徴構成に加えて、前記出力電圧設定ステップを実行後に、前記複数の同期発電機の夫々において、前記出力電圧をバイアス制御して無効電力を調整すると共に、前記回転数をバイアス制御して有効電力を調整する制御ステップを実行する点にある。

上記第３特徴構成によれば、上記出力電圧設定ステップを実行後に複数の同期発電機の夫々において上記制御ステップを実行して、無効電力を調整するための上記出力電圧と、有効電力を調整するための上記回転数とを、夫々バイアス制御することで、複数の同期発電機間に流れる横流電流を迅速に抑制して、迅速に電力負荷への電力供給を行える状態とすることができる。

本発明に係る自動同期化方法の第４特徴構成は、上記第１乃至上記第３の何れかの特徴構成に加えて、前記出力電圧設定ステップを実行後に、異常状態となっている特定の前記同期発電機に対して、前記出力側開閉器を開放する出力側開閉器開放ステップを実行する点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記出力電圧設定ステップの実行後において、複数の同期発電機の何れかが異常状態となっている場合には、その異常状態となっている特定の同期発電機に対して、上記出力側開閉器投入禁止ステップを実行することで、他の同期発電機のみに対して同期化を完了したものとして、次いで、出力側開閉器が投入された同期発電機のみから電力負荷への電力供給を開始することができる。

本発明に係る自動同期化方法の第５特徴構成は、上記第４特徴構成に加えて、前記異常状態が、無効電力の値により検知される界磁回路異常状態、又は、逆電力の発生により検知される回転数異常状態である点にある。

上記第５特徴構成によれば、上記同期発電機の異常状態としては、上記界磁回路が故障するなどして無効電力の値が正常なものに抑制できない界磁回路異常状態、又は、同期発電機を駆動する原動機の回転数が所定回転数に収束せずに逆電流が発生する回転数異常状態として、有効電力の値や回転数により検出することができる。

本発明に係る自動同期化方法の実施の形態について、図１に基づいて説明する。尚、図１は、本自動同期化方法を実行する発電システムの概略構成図である。

かかる発電システムは、停電に伴って発電開始指令が入力されると、複数の同期発電機１０の無負荷状態で同期化させる自動同期化方法を実行した後に、重要負荷４１や一般負荷４３等の電力負荷の入力側を開閉する入力側開閉器４０，４２を投入して、これら電力負荷４１，４３への電力の供給を開始するように構成されている。以下、複数の同期発電機１０の夫々に対して設けられている構成について説明を加える。

かかる同期発電機１０は、内燃機関などの原動機１１により回転駆動される。また、シーケンサ等の制御装置２０は、原動機１１の運転中において、ガバナ１２の開度制御を実行することで、各原動機１１の回転数を定格回転数に維持するように構成されている。

同期発電機１０の出力側には、出力電圧を検出する変圧器１６と、その出力側を開閉する出力側開閉器１３と、出力電流を検出する変流器１４とが設けられており、更に、複数の同期発電機１０の夫々が、当該変流器１４よりも下流側で互いに並列接続され、更にその接続線が電力負荷４１，４３側に接続されている。
尚、電力負荷としては、停電時にも電力を供給するべき重要負荷４１と停電時には電力を供給しなくても構わない一般負荷４３とがあり、同期発電機１０の発電電力は優先して重要負荷４１に供給されるように、夫々の入力側開閉器４１、４２が配置されている。

上記変圧器１６で検出された出力電圧と上記変流器１４で検出された出力電流とから無効電力及び有効電力を検出するメータ装置１５が設けられている。
また、同期発電機１０の界磁回路１７に接続される自動電圧調整器（以下、「ＡＶＲ」と呼ぶ。）１８が設けられており、このＡＶＲ１８は、変圧器１６で検出された出力電圧を制御装置２０からの電圧指令値と比較し、その偏差が零となるよう同期発電機１０の界磁電流を調整するように構成されている。

また、メータ装置１５で検出された有効電力及び無効電力に基づくバイアス信号を出力するバイアス制御回路１９が設けられている。即ち、このバイアス制御回路１９は、ＡＶＲ１８に対してメータ装置１５で検出された発電電圧に基づくバイアス信号を出力することで出力電圧をバイアス制御して、無効電力を所定値に調整すると共に、ガバナ１２に対してメータ装置１５で検出された有効電力に基づくバイアス信号を出力することで回転数をバイアス制御して、有効電力を調整するように構成されている。

そして、上記のように構成された複数の同期発電機１０を無負荷状態で同期化させるための自動同期化方法は、上記複数の同期発電機１０の各制御装置２０により実行され、その処理フローについて以下に説明する。

停電に伴って発電開始指令が入力されると、先ず、夫々の同期発電機１０の各回転数を定格回転数に上昇させる回転数上昇ステップが実行され、次いで、複数の同期発電機１０の各出力側を開閉する各出力側開閉器１３を投入して、当該複数の同期発電機１０出力側を並列接続する出力側開閉器投入ステップが実行される。
この回転数上昇ステップでは、複数の同期発電機１０の各原動機１１の運転が開始され、更に、ガバナ１２の開度が制御されて、各原動機１１の回転数が所定の定格回転数に上昇され維持される。

ここで、上記のような回転数上昇ステップを実行後には、出力電圧上昇による負担の増加により、ガバナ１２の開度を制御しても、原動機１１の回転数が所定の定格回転数に到達しない又は定格回転数に収束しない場合がある。そこで、そのような特定の同期発電機２０に対して、出力側開閉器投入禁止ステップが実行されて、上記出力側開閉器投入ステップによる出力側開閉器１３の投入が禁止される。
また、出力側開閉器１３の投入が禁止された同期発電機１０については、原動機１１を停止して、異常を通報するアラーム等が出力される。
一方、出力側開閉器１３の投入が禁止されなかった同期発電機１０については、上記出力側開閉器１３の投入が禁止された同期発電機１０の回復を待つことなく、以降のステップが継続して実行されることになるので、電力負荷４１，４３への電力供給開始は遅延しない。

次に、各変圧器１６で検出される複数の同期発電機１０の各出力電圧を、同時に所定電圧に設定する出力電圧設定ステップが実行される。
すると、各出力電圧の位相が異なっている場合は複数の同期発電機１０の間に横流電流が流れることで同期化力が発生し、位相の進んでいる側の同期発電機１０が発電機として作用し、遅れている側の同期発電機１０が電動機として作用して、複数の同期発電機１０の位相が自動的に一致して同期化が完了する。

更に、この電圧設定ステップでは、各ＡＶＲ１８に入力される電圧指令値を徐々に上昇させるのではなく、その電圧指令値を一気に定格電圧に設定することで、各ＡＶＲ１８が、各変圧器１６で検出された出力電圧と定格電圧と比較し、その偏差が零となるよう各同期発電機１０の界磁電流を調整して、複数の同期発電機１０の各出力電圧が、比較的短い例えば２秒で定格電圧に上昇される。
すると、複数の同期発電機１０に対する同期化力や出力電圧上昇による負担の増加を許容範囲内としながら、比較的瞬時に複数の同期発電機１０の同期化が完了されることになる。
尚、上記各出力電圧の上昇速度を上記のような２秒よりも長くした場合でも、複数の同期発電機１０に対する負担の減少効果は殆どない。一方、同上昇速度を１秒程度と短くしすぎると、上記負担が大きくなりすぎて、同期発電機１０や原動機１１の劣化が懸念される。よって、上記各出力電圧の上昇速度は２秒程度が最適と考えられる。

また、上記出力電圧設定ステップを実行後には、上述したように、各バイアス制御回路１９により、各出力電圧及び各回転数をバイアス制御する制御ステップが実行され、複数の同期発電機１０における各有効電力及び各無効電力が調整される。
よって、複数の同期発電機１０間に流れる横流電流が迅速に抑制され、迅速に入力側遮断器４０，４２を投入して電力負荷４１，４３への電力供給を開始することができる。

更に、上記出力電圧設定ステップを実行後には、各制御装置２０により、各界磁回路１７の故障等の理由で、メータ装置１５により検出される無効電力の値が所定の閾値を越えているときには、その同期発電機１０は界磁回路異常状態であると判定され、また、各原動機１１の故障等の理由で、変流器１４で検出される出力電流がマイナスであるとき、即ち逆電流が発生しているときには、その同期発電機１０は回転数異常であると判定する。
そして、各制御手段２０により、上記界磁回路異常状態や上記回転数異常状態等の異常状態となっていると判定された特定の同期発電機１０に対して、出力側開閉器１３を開放する出力側開閉器開放ステップが実行される。
また、出力側開閉器１３が開放された同期発電機１０については、原動機１１を停止して、異常を通報するアラーム等が出力される。
一方、出力側開閉器１３が開放されなかった同期発電機１０については、運転が継続され、上記出力側開閉器１３が開放された同期発電機１０の回復を待つことなく入力側遮断器４０，４２が投入されることにより、迅速に電力負荷４１，４３への電力供給が開始されることになる。

本発明の自動同期化方法は、複数の同期発電機を無負荷状態で同期化させる方法であり、更に、比較的簡単な構成により、同期化を完了するまでに必要な同期化時間を短くして、停電が発生してから瞬時に重要な電力負荷への電力供給を開始することができる方法として有効に利用可能である。

自動同期化方法を実行する発電システムの概略構成図

符号の説明

１０：同期発電機
１３：出力側開閉器
４０，４２：入力側開閉器

Claims (5)

1. 複数の同期発電機を無負荷状態で同期化させる自動同期化方法であって、
   前記複数の同期発電機の各回転数を所定回転数に上昇させる回転数上昇ステップと、
   前記複数の同期発電機の各出力側を開閉する各出力側開閉器を投入して、当該複数の同期発電機の各出力側を並列接続する出力側開閉器投入ステップと、
   前記複数の同期発電機の各出力電圧を同時に所定電圧に設定する出力電圧設定ステップとを、順に実行する自動同期化方法。
2. 前記回転数上昇ステップを実行後に、回転数が所定回転数に到達しない又は所定回転数に収束しない特定の前記同期発電機に対して、前記出力側開閉器の投入を禁止する出力側開閉器投入禁止ステップを実行する請求項１に記載の自動同期化方法。
3. 前記出力電圧設定ステップを実行後に、前記複数の同期発電機の夫々において、前記出力電圧をバイアス制御して無効電力を調整すると共に、前記回転数をバイアス制御して有効電力を調整する制御ステップを実行する請求項１又は２に記載の自動同期化方法。
4. 前記出力電圧設定ステップを実行後に、異常状態となっている特定の前記同期発電機に対して、前記出力側開閉器を開放する出力側開閉器開放ステップを実行する請求項１〜３の何れか一項に記載の自動同期化方法。
5. 前記異常状態が、無効電力の値により検知される界磁回路異常状態、又は、逆電力の発生により検知される回転数異常状態である請求項４に記載の自動同期化方法。

Images