JP2013215051A - 発電設備制御システム及びシステム制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電設備の運転継続性及び無効電力出力範囲を損なうことなく、零ミス電流を防止することができる発電設備制御システムを提供する。
【解決手段】発電機１を備える発電設備の電力系統への出力電力を制御する発電設備制御システムにおいて、ＳＶＣ５は、発電機１と並列に電力系統に接続され、電力系統の無効電力を出力する。電圧検出装置６、電流検出装置７はそれぞれ電力系統の系統電圧、系統電流を検出する。制御装置８は、発電設備の系統電圧に基づいて、ＳＶＣ５の無効電力出力を制御する。また、制御装置８は、発電機１の出力範囲を、予め零ミス電流が発生しない範囲に制限し、ＳＶＣ５に発電設備から要求される無効電力を出力させる。また、制御装置８は、発電機１の出力範囲に応じて、無効電力出力をＳＶＣ５に割り振る。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、発電設備を制御する発電設備制御システム及びシステム制御方法に関する。

近年、発電設備にあっては、電力系統の高効率化に伴い、変圧器や送電線の抵抗成分が小さくなる傾向にあり、発電所近傍で系統事故が発生した場合に、従来よりも故障電流に直流分が多く含まれる可能性が示唆されている。この場合、系統事故の発生後、交流電流に直流分の電流が重畳されることにより、数百ミリ秒程度にわたって電流が零点を交差しない現象（いわゆる零ミス電流）が発生する。この期間に遮断器を開放すると主極間のアークが継続するため、遮断器が損傷する可能性がある。

従来技術では、上記零ミス電流によるアーク対策として、電流が零点を交差するまで保護遮断を待つ方法や、零ミス電流が発生しない運転領域となるように、発電機の界磁を制御し、零ミス電流を防止する方法が提案されている。

特開昭６２―３１５６３号公報 特開昭６３−４６６８０号公報

しかしながら、従来技術において、電流が零点を交差するまで待機する方法では故障電流を除去するまでに遅れが生じるという課題がある。また、零ミス電流発生を防止する方法では、発電機の無効電力出力範囲を損なうという課題がある。一方、分散電源などの発電設備の系統連系点においては、発電設備からの出力に関するガイドライン等により、有効電力だけでなく無効電力の出力範囲も十分に確保しなければならない場合がある。

そこで、本実施形態は、上記の課題に鑑みてなされたもので、発電設備の運転継続性及び無効電力出力範囲を損なうことなく、零ミス電流を防止することができる発電設備制御システム及びシステムの制御方法を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、発電設備制御システムは、発電機を備える発電設備の電力系統への出力電力を制御する発電設備制御システムにおいて、無効電力補償手段、電圧検出手段、電流検出手段及び制御手段を備える。無効電力補償手段は、前記発電機と並列に前記電力系統に接続され、前記電力系統の無効電力を補償する。電圧検出手段は、前記電力系統の系統電圧を検出する。電流検出手段は、前記電力系統の系統電流を検出する。制御手段は、前記系統電圧、系統電流の検出結果に基づいて、前記発電機で発電される有効電力と前記無効電力補償手段で補償される無効電力とを制御する。また、前記制御手段は、前記発電機の出力範囲を、予め零ミス電流が発生しない範囲に制限し、前記無効電力補償手段に対して前記発電設備から要求される無効電力を制御するものとし、前記発電機の出力範囲に応じて、前記無効電力を前記無効電力補償手段に割り振る。

本実施形態に係る発電設備制御システムの構成を示す図である。 図１の制御装置の制御の流れを示す機能ブロック図である。 実施例１に係る発電設備制御システムの制御方法を示す図である。 実施例２に係る発電設備制御システムの制御方法を示す図である。 実施例３に係る発電設備制御システムの制御方法を示す図である。 実施例４に係る発電設備制御システムの制御方法を示す図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以降の図における同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る発電設備制御システムの構成を示す図である。発電設備は、例えば、電力系統（図示せず）に電力を供給する発電機１と、電力系統にかかる系統電圧を変換する変圧器２と、故障電流が発生した場合に電力系統の系統電流を遮断する遮断器３とを備える。

この発電設備を制御する発電設備制御システムは、無効電力補償装置（以降、ＳＶＣ：Static Var Compensatorと表記）５、電圧検出装置６、電流検出装置７及び制御装置８を有する。ＳＶＣ５は、発電機１と並列に接続され、電力系統の無効電力を補償する。電圧検出装置６は、変圧器２と並列に電力系統に接続され、電力系統の系統電圧を検出し、検出した系統電圧を制御装置８へ送信する。電流検出装置７は、遮断器３と系統連系点４との間に接続され、電力系統の系統電流を検出し、検出した系統電流を制御装置８へ送信する。なお、電圧検出装置６及び電流検出装置７の接続位置は一例であり、これに限るものではない。制御装置８は、電圧検出装置６より送信される電力系統の系統電圧及び電流検出装置７より送信される電力系統の系統電流に基づいて、発電機１及びＳＶＣ５の出力を制御する。

上記のように構成される発電設備制御システムは、発電機１の運転領域において、発電設備の近傍で系統短絡故障が発生する前に、予め零ミス電流が発生し得ない出力範囲に発電機１の運転領域を制限する。また、系統連系点４で要求される電力系統への無効電力は、ＳＶＣ５により供給する。

上記零ミス電流が発生する主な原因は、発電機１の進相運転中に系統短絡故障が発生することにある。つまり、故障電流が発生すると、発電機１の過渡リアクタンスが次第に大きくなり、これによって系統電流が零点を交差しにくくなるためである。そもそも発電機１の運転領域を零ミス電流が発生しない領域に制限すれば、零ミス電流発生を防止することができる。一方、ＳＶＣ５は、無効電力出力によらず、零ミス電流発生の原因となり得ない。

次に、発電設備制御システムの動作について、図２を参照して説明する。

図２は、制御装置８の制御の流れを示す機能ブロック図である。

制御装置８において、系統電圧検出部８１は電圧検出装置６から送られてくる検出電圧から系統電圧の電圧変化を検出するもので、この系統電圧検出結果は周波数変移検出部８２に送られる。この周波数変移検出部８２は系統電圧の検出結果から周波数偏移Δｆを検出するもので、ここで検出された周波数偏移ΔｆはＡＰＲ（自動電力調整部：Automatic Power Regulator）８３に送られる。このＡＰＲ８３は検出された周波数偏移Δｆに基づいて有効電力の目標値Ｐｏを設定するもので、ここで設定された目標値Ｐｏは発電機制御部８４に送られる。この発電機制御部８４は発電機１で発電される有効電力の出力値Ｐが目標値Ｐｏとなるように発電機１を制御するものである。また、発電機制御部８４は、電流検出装置７から送られてくる検出電流から系統電流の電流変化を検出し、系統電流の検出結果に基づいて、発電機１で発電される有効電力の出力を制御するものである。

なお、有効電力の目標値Ｐｏは、予めＡＰＲ８３に記憶しておいてもよいが、図示しない発電設備の上位装置から設定するようにしてもよい。

また、上記系統電圧検出部８１で検出された系統電圧は電圧変移検出部８５にも送られる。この電圧変移検出部８５は、入力された系統電圧から電圧変移ΔＶを検出するもので、検出された電圧変移ΔＶはＡＶＲ（自動電圧調整部：Automatic Voltage Regulator）８６に送られる。このＡＶＲ８６は、検出した電圧変移ΔＶに基づいて無効電力の目標値Ｑｏを設定するもので、ここで設定された目標値Ｑｏは発電機・ＳＶＣ協調制御部８７に送られる。

この発電機・ＳＶＣ協調制御部８７は、設定された無効電力の目標値Ｑｏを発電機１とＳＶＣ５とに対して適切に分配する。発電機１に対する分配目標値Ｑｏｇは発電機制御部８８に送られ、ＳＶＣ５に対する分配目標値ＱｏｓｖｃはＳＶＣ制御部８９に送られる。発電機制御部８８は発電機１で発電される無効電力の出力値Ｑｇが目標値Ｑｏｇとなるように発電機１を制御するものである。また、発電機制御部８８は、電流検出装置７から送られてくる検出電流から系統電流の電流変化を検出し、系統電流検出結果に基づいて、発電機１で発電される無効電力の出力を制御するものである。また、ＳＶＣ制御部８９はＳＶＣ５で発生される無効電力の出力値Ｑｓｖｃが目標値ＱｏｓｖｃとなるようにＳＶＣ５を制御するものである。

なお、無効電力の目標値Ｑｏは、予めＡＶＲ８６に目標出力値を記憶しておいてもよいが、図示しない発電設備の上位装置から設定するようにしてもよい。

また、本実施形態では、無効電力の目標値Ｑｏを設定しているが、無効電圧の出力値は系統電圧が一定となるように制御すればよいので、必ずしも無効電力目標値Ｑｏを設定する必要はない。

以上のように、制御装置８が発電機１を制御することにより、零ミス電流が発生しない発電機１の運転領域で、発電設備からの有効電力を得ることができる。また、制御装置８がＳＶＣ５を制御することにより、ＳＶＣ５より所望の無効電力を得ることができるため、発電設備として零ミス電流を防止しながら所望の無効電力出力を得ることができる。

さらに、ＳＶＣ５の運転領域と零ミス電流発生との因果関係が無いため、零ミス電流発生を防止しつつも、発電設備からの無効電力出力範囲を必要に応じて広げることができる。

次に、上記構成による発電設備制御システムの制御方法の詳細について、各実施例にしたがって説明する。

（実施例１）
実施例１は、発電機１を力率１で運転する場合の制御方法である。図３は、実施例１に係る制御方法を説明するための概念図である。

発電機１は、力率１に固定して運転する。一方、ＳＶＣ５は、系統連系点４で要求される全ての無効電力出力、すなわち遅相無効電力ＱＬから進相無効電力ＱＣまでの全てを実現する。これにより、発電設備からの無効電力出力は、全てＳＶＣ５から出力する。

実施例１によれば、無効電力出力において、発電機１の機器耐量を逓減できるため、零ミス電流の発生を防止しつつも、発電機１の延命もしくは新規製作の場合、機器コストを逓減することができる。

（実施例２）
実施例２は、発電機１が進相運転の場合にのみ零ミス電流が発生する可能性がある場合の制御方法である。図４は、実施例２に係る制御方法を説明するための概念図である。

発電機１は、零ミス電流を発生しない遅相運転の範囲で運転する。一方、ＳＶＣ５は、系統連系点４で要求される無効電力出力のうち、０から進相無効電力ＱＣまでを出力範囲として、系統連系点４で要求される無効電力出力、遅相無効電力ＱＬから進相無効電力ＱＣを実現する。すなわち、発電機１の無効電力出力は、零ミス電流の発生しない範囲に制限する。また、発電設備からの無効電力出力のうち、０から進相無効電力ＱＣまでの無効電力出力は、ＳＶＣ５により出力する。

実施例２によれば、発電機進相運転した場合にのみ零ミス電流発生の可能性がある発電機１及び電力系統において、ＳＶＣ５の出力範囲を小さくでき、機器コストを逓減することができる。

（実施例３）
実施例３は、発電機１を零ミス電流の発生しない力率１に近い範囲で運転する場合の制御方法である。図５は、実施例３に係る制御方法を説明するための概念図である。

発電機１は、零ミス電流を発生しない０から発電機１の遅相無効電力Ｑｇｌまでの力率１に近い範囲で運転する。一方、ＳＶＣ５は、系統連系点４で要求される無効電力出力のうち、（発電機１の遅相無効電力Ｑｇｌ−遅相無効電力ＱＬ）から進相無効電力ＱＣまで出力する。ＳＶＣ５は、系統連系点４で要求される無効電力出力、遅相無効電力ＱＬから進相無効電力ＱＣを実現する。すなわち、発電機１の無効電力出力は、零ミス電流の発生しない０から発電機１の遅相無効電力Ｑｇｌまでに制限する。また、発電設備からの無効電力出力のうち、（発電機１の遅相無効電力Ｑｇｌ−遅相無効電力ＱＬ）から進相無効電力ＱＣまでの無効電力出力は、ＳＶＣ５により出力する。

実施例３によれば、零ミス電流が発生する発電機１の運転領域は、電力系統や発電機１の種類により様々であるので、ＳＶＣ５の出力容量及び機器コストを最適にすることができる。

（実施例４）
実施例４は、発電機１を零ミス電流の発生しない範囲で運転する場合の制御方法である。図６は、実施例４に係る制御方法を説明するための概念図である。

発電機１は、零ミス電流を発生しない発電機１の遅相無効電力Ｑｇｌから発電機１の進相無効電力Ｑｇｃの範囲で運転する。一方、ＳＶＣ５は、系統連系点４で要求される無効電力出力のうち、（発電機１の遅相無効電力Ｑｇｌ−遅相無効電力ＱＬ−発電機１の進相無効電力出力Ｑｇｃ）から（進相無効電力ＱＣ−発電機１の進相無効電力出力Ｑｇｃ）まで出力する。ＳＶＣ５は、系統連系点４で要求される無効電力出力、遅相無効電力ＱＬから進相無効電力ＱＣを実現する。すなわち、発電機１の無効電力出力は、零ミス電流の発生しない発電機１の遅相無効電力Ｑｇｌから発電機１の進相無効電力Ｑｇｃまでに制限する。また、発電設備からの無効電力出力のうち、（発電機１の遅相無効電力Ｑｇｌ−遅相無効電力ＱＬ−発電機１の進相無効電力Ｑｇｃ）から（進相無効電力ＱＣ−発電機１の進相無効電力Ｑｇｃ）までの無効電力出力は、ＳＶＣ５により出力する。

実施例４によれば、零ミス電流が発生する発電機１の運転領域は、電力系統や発電機１の種類により様々であるので、ＳＶＣ５の出力容量及び機器コストを最適にすることができる。

以上の実施例１乃至４からも明らかなように、本実施形態によれば、発電設備の運転継続性及び無効電力出力範囲を損なうことなく、零ミス電流を防止することができる発電設備制御システムを提供することができる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…発電機、２…変圧器、３…遮断器、４…系統連系点、５…無効電力補償装置（ＳＶＣ）、６…電圧検出装置、７…電流検出装置、８…制御装置、８１…系統電圧検出部、８２…周波数変移検出部、８３…ＡＰＲ（自動電力調整部）、８４…発電機制御部、８５…電圧変移検出部、８６…ＡＶＲ（自動電圧調整部）、８７…発電機・ＳＶＣ協調制御部、８８…発電機制御部、８９…ＳＶＣ制御部。

Claims (7)

1. 発電機を備える発電設備の電力系統への出力電力を制御する発電設備制御システムにおいて、
   前記発電機と並列に前記電力系統に接続され、前記電力系統の無効電力を補償する無効電力補償手段と、
   前記電力系統の系統電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電力系統の系統電流を検出する電流検出手段と、
   前記系統電圧、系統電流の検出結果に基づいて、前記発電機で発電される有効電力と前記無効電力補償手段で補償される無効電力とを制御する制御手段と
   を具備し、
   前記制御手段は、前記発電機の出力範囲を、予め零ミス電流が発生しない範囲に制限し、前記無効電力補償手段に対して前記発電設備から要求される無効電力の出力を制御するものとし、前記発電機の出力範囲に応じて、前記無効電力の出力を前記無効電力補償手段に割り振ることを特徴とする発電設備制御システム。
2. 前記制御手段は、
   前記電圧検出手段の検出結果から前記電力系統にかかる系統電圧の変化を検出し、
   前記検出される系統電圧の変化から周波数偏移を検出し、検出される周波数偏移に基づいて前記発電機で発電される有効電力の出力を制御し、
   前記検出される系統電圧の変化から電圧変移を検出し、検出される電圧変移により、前記無効電力補償手段の無効電力出力を制御すること
   を特徴とする請求項１記載の発電設備制御システム。
3. 前記制御手段は、前記発電機の出力を前記零ミス電流の発生しない力率１に固定し、前記発電設備からの無効電力出力を全て前記無効電力補償手段により出力させることを特徴とする請求項１記載の発電設備制御システム。
4. 前記制御手段は、前記発電機の出力を前記零ミス電流の発生しない範囲に制限し、前記発電設備からの無効電力出力のうち、０から進相無効電力ＱＣまでの無効電力出力を前記無効電力補償手段により出力させることを特徴とする請求項１記載の発電設備制御システム。
5. 前記制御手段は、前記発電機の出力を、前記零ミス電流の発生しない０から発電機の遅相無効電力Ｑｇｌまでに制限し、前記発電設備からの無効電力出力のうち、（前記発電機の遅相無効電力Ｑｇｌ−遅相無効電力ＱＬ）から前記進相無効電力ＱＣまでの無効電力出力を、前記無効電力補償手段により出力させることを特徴とする請求項１記載の発電設備制御システム。
6. 前記制御手段は、前記発電機の出力を、前記零ミス電流の発生しない前記発電機の遅相無効電力Ｑｇｌから前記発電機の進相無効電力Ｑｇｃまでに制限し、前記発電設備からの無効電力出力のうち、（前記発電機の遅相無効電力Ｑｇｌ−前記遅相無効電力ＱＬ−前記発電機の進相無効電力Ｑｇｃ）から（前記進相無効電力ＱＣ−前記発電機の進相無効電力Ｑｇｃ）までの無効電力出力を、前記無効電力補償手段により出力させることを特徴とする請求項１記載の発電設備制御システム。
7. 発電機を備える発電設備の電力系統への出力電力を制御する発電設備制御システムの制御方法において、
   前記電力系統にかかる系統電圧及び系統電流を検出し、
   前記検出される系統電圧から周波数偏移を検出し、検出される周波数偏移に基づいて有効電力出力を制御し、
   前記検出される系統電圧から電圧変移を検出し、検出される電圧変移に基づいて無効電力出力を制御することを特徴とする発電設備制御システムの制御方法。

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