JP2018152933A - 水力発電システムにおける自立／連系運転自動切換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自立運転から連系運転へ切換える際に、擾乱を抑制して無瞬断で自動切換えが行える水力発電システムにおける自立／連系運転自動切換装置を提供する。【解決手段】母線電圧が復電し、自立時制御位相（Ｂ）と母線電圧位相（Ｃ）の同期完了後、自立時制御位相と母線電圧位相の偏差から位相偏差補正値演算回路８１で生成した位相補正量を、自立時制御位相生成部５０の自立位相指令（１ｐｕ）に加算する。これによって、切換終了時刻において、系統電圧位相を制御位相θとして選択した場合、位相跳躍は発生しない。また、運転自動切換期間において、連系時電圧指令生成部４０の直流電圧制御処理におけるＰＩ制御の積分項の初期値を、ｄ軸検出電流保持値に設定して直流電圧制御処理を動作させ、直流電圧制御処理後の有効電流指令をｄ軸検出電流保持値によって制限させることで、自動切換え前後の電流指令の変動が抑制される。【選択図】 図２

Description

本発明は、小水力可変速発電システムにおいて、系統の停電・復電に応じて連系運転と自立運転を自動で切換えるシステム構成を備え、自立運転から連系運転への自動切換の際に無瞬断で運転方式を切換える制御方式に関する。

図１に水力発電システムの構成の一例を示す。停電時など系統電源が無い場合に、発電装置１で生成される発電エネルギーをコンバータ装置６で制御することで、特定負荷１８に対して電力供給することができる。本システム構成は主に発電装置１、コンバータ装置６、水車コントローラ２１で構成される。

発電装置１において、２は水流を受けて回転駆動し発電エネルギーを生成する水車であり、その回転軸はフライホイール４を介して永久磁石同期発電機３の軸に接続されている。前記フライホイール４は、自立運転時に系統側負荷変動による発電機速度の不安定化を防ぐ慣性をもっている。５は水車流路の流量を調整するガバナである。

コンバータ装置６において、７は永久磁石同期発電機３の速度を制御し、該発電機３から発電機側開閉器１１を介して導かれる出力電力を直流電力に変換する発電機制御インバータ（発電機制御用電力変換回路）である。

８は系統連系制御を行い、発電機制御インバータ７の直流出力電力を交流電力に変換する系統連系制御インバータ（系統連系用電力変換回路）である。

９は停電時などに水車２が起動停止するまでの発電エネルギーを消費させる制御ユニットであり、１０はその制動抵抗器である。

１３は、発電機制御インバータ７と系統連系制御インバータ８を直流リンクで接続する直流コンデンサである。

系統連系制御インバータ８の交流出力側は、該出力電力を滑らかにするためのＬＣＲフィルタ１４および系統連系側開閉器１２を介して連系トランス１７の一次側に接続されている。

連系トランス１７の二次側は母線側開閉器２０を介して交流系統１９に接続されている。

連系トランス１７および母線側開閉器２０の共通接続点には特定負荷１８が接続されている。

１５は系統連系点の系統電圧（系統連系側開閉器１２と連系トランス１７の間の電圧）を検出する系統電圧検出トランスであり、１６は母線電圧を検出する母線電圧検出トランスである。

尚、ＬＣＲフィルタ１４と系統連系側開閉器１２の間に流れる系統電流を検出する系統電流検出器、系統連系制御インバータ８の出力電流を検出する出力電流検出器および直流コンデンサ１３の直流電圧を検出する直流電圧検出器は図示省略している。

前記発電機制御インバータ７および系統連系制御インバータ８は、半導体スイッチング素子を例えば三相ブリッジ接続して各々構成され、電圧指令信号とキャリア信号によりＰＷＭ変調して生成したゲート信号によって制御される。

交流系統１９との連系モード時において、発電機制御インバータ７は発電装置１に対してＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｔａｃｋｉｎｇ）制御（最大出力追従制御）を行い交流電力を直流電力に変換し、系統連系制御インバータ８は直流電圧制御を行い直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。

母線側開閉器２０を開制御して交流系統１９を解列させる自立モード時においては、発電機制御インバータ７は直流電圧制御に制御モードを切換え、系統連系制御インバータ８は交流電圧制御に制御モードを切換えることで、特定負荷１８に対して所望の交流電圧を供給する。

水車コントローラ２１は、発電装置１のガバナ５に対して流量（出力）調整を行い、コンバータ装置６と運転指令と運転ステータスをやり取りし、母線側開閉器２０に対して開閉操作を行う（コンバータ装置６の運転ステータスから判断する）。

図２に、自立→連系運転の自動切換方式を備えた系統連系制御インバータ８の制御ブロック図を示す。図２の最上段は、図１における直流コンデンサ１３から交流系統１９までの回路を簡略図示したものであり、図１と同一部分は同一符号をもって示している。

自立運転時の電圧指令を生成する自立時電圧指令生成部３０は、ｄ軸側の出力電圧指令（Ｖａｃ＿ｄ＿ｃｍｄ）から、系統電圧検出トランス１５で検出した系統電圧検出値を座標変換した（後述の連系時制御位相生成部６０の座標変換回路６１で得られた）ｄ軸検出電圧Ｖｄ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔを減算する減算器３１ｄと、減算器３１ｄの減算出力に対して交流電圧の電圧制御を施すＡＣ−ＡＶＲ処理回路３２ｄ（ＰＩ制御器で構成される）と、ＡＣ−ＡＶＲ処理回路３２ｄの出力に前記出力電圧指令Ｖａｃ＿ｄ＿ｃｍｄを加算する加算器３３と、ｑ軸側の出力電圧指令（Ｖａｃ＿ｑ＿ｃｍｄ）から、系統電圧検出トランス１５で検出した系統電圧検出値を座標変換した（後述の連系時制御位相生成部６０の座標変換回路６１で得られた）ｑ軸検出電圧Ｖｑ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔを減算する減算器３１ｑと、減算器３１ｑの減算出力に対して交流電圧の電圧制御を施すＡＣ−ＡＶＲ処理回路３２ｑ（ＰＩ制御器で構成される）とを備えている。

自立運転時の出力電圧指令としては、ｄ軸側（Ｖａｃ＿ｄ＿ｃｍｄ）に所望の出力電圧の設定値を、ｑ軸側（Ｖａｃ＿ｑ＿ｃｍｄ）に０を設定する。検出値には系統電圧検出を座標変換した値（連系時制御位相生成部６０のＶｄ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔ、Ｖｑ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔ；定常状態ではｑ軸電圧Ｖｑ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔ＝０となるように変換した値）を用いる。

各指令値、検出値の偏差を入力として、ＡＣ−ＡＶＲ処理を行い、その出力が自立運転の電圧指令（ｄ軸及びｑ軸）となる。ｄ軸側の出力電圧指令の設定値（Ｖａｃ＿ｄ＿ｃｍｄ）は、通常クッション処理で数百ｍｓｅｃ〜数千ｍｅｃの時定数で出力される。これは、特定負荷１８に容量性負荷（コンデンサ）がある場合、自立運転の出力電圧が急峻であると過電流停止する恐れがあるためである。したがって、出力電圧の応答性向上のためにｄ軸制御側にはフィードフォワード項としてｄ軸側指令値（クッション出力）を加算（加算器３３）している。

４０は、連系運転時のｄ軸電圧指令（有効分）およびｑ軸電圧指令（無効分）を生成する連系時電圧指令生成部である。

ｄ軸電圧指令を生成する回路は、直流電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｍｄから、直流コンデンサ１３の直流電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔを減算する減算器４１ｄと、減算器４１ｄの減算出力に対して、直流電圧の電圧制御を施すＤＣ−ＡＶＲ処理回路４２ｄ（ＰＩ制御器で構成される）と、ＤＣ−ＡＶＲ処理回路４２ｄの出力から、系統連系制御インバータ８の出力電流検出値（３相）を３相／２相変換回路９１によって座標変換したｄ軸電流（有効電流）検出値Ｉｄ＿ｄｅｔを減算する減算器４３ｄと、減算器４３ｄの減算出力に対して電流制御を施すＡＣＲ処理回路４４ｄ（ＰＩ制御器で構成される）とを備えている。

ｑ軸電圧指令を生成する回路は、系統電圧検出値と系統電流検出値から有効電力検出値Ｐ＿ｄｅｔ、無効電力検出値Ｑ＿ｄｅｔを演算する電力演算回路４５と、演算された有効電力検出値Ｐ＿ｄｅｔに力率指令値を乗算して無効電力指令Ｑ＿ｃｍｄを求める乗算器４６と、前記無効電力指令Ｑ＿ｃｍｄから無効電力検出値Ｑ＿ｄｅｔを減算する減算器４１ｑと、減算器４１ｑの減算出力に対して無効電力制御処理を施すＡＱＲ処理回路４２ｑ（ＰＩ制御で構成される）と、ＡＱＲ処理回路４２ｑの出力から、系統連系制御インバータ８の出力電流検出値（３相）を３相／２相変換回路９１によって座標変換したｑ軸電流（無効電流）検出値Ｉｑ＿ｄｅｔを減算する減算器４３ｑと、減算器４３ｑの減算出力に対して電流制御を施すＡＣＲ処理回路４４ｑ（ＰＩ制御器で構成される）とを備えている。

前記乗算器４６に入力される力率指令が１の場合は無効分は出力しないことになるので、無効電流指令およびｑ軸電圧指令は零となる。自立時電圧指令生成部３０および連系時電圧指令生成部４０で各々生成された自立運転時の電圧指令と連系運転時の電圧指令は、自立運転モードと連系運転モードに応じて運転モード切換スイッチＳ６によって切換えられる。

この運転モード切換スイッチＳ６は、ｄ軸用スイッチ９２ｄ（その出力は図示Ｄ）とｑ軸用スイッチ９２ｑ（その出力は図示Ｅ）を有し、各スイッチが上側端子に接続されるときは自立時電圧指令生成部３０で生成された電圧指令が出力され、各スイッチが下側端子に接続されるときは連系時電圧指令生成部４０で生成された電圧指令が出力される。

運転モード切換スイッチＳ６から出力されたｄ軸電圧指令Ｖｄ＿ｃｍｄ、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＿ｃｍｄは、２相／３相変換回路９３によって３相電圧指令に座標変換され、ＰＷＭ変調回路９４においてキャリア周波数との比較およびデッドタイムの設定がなされ、系統連系制御インバータ８のゲート信号が生成される。

自立運転時の制御位相を生成する自立時制御位相生成部５０は、系統が復電する前には、下側端子に入力される自立運転時の自立位相補正値零を選択し、系統の復電後には、上側端子に後述の自立位相ＰＬＬ制御部８０から入力される自立位相補正値（図示（１））を選択する位相補正値切換スイッチＳ１と、固定の自立位相指令（１ｐｕ）に位相補正値切換スイッチＳ１で選択された自立位相補正値を加算する加算器５１と、加算器５１の加算出力（加算された位相指令値）から、演算周期あたりの位相の変化量（位相進み角Δθ）を求める位相進み角演算回路５２とを備えている。

系統が復電する前は、位相補正値切換スイッチＳ１が下側端子に接続される（自立位相補正値は零である）ため、位相進み角演算回路５２は固定の自立位相指令値（１ｐｕ）から商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の位相進み角Δθを演算する。系統の復電後（後述する時刻ｔ１後）は位相補正値切換スイッチＳ１が上側端子に切換えられ、自立位相補正値（（１））と自立位相指令（１ｐｕ）の和から位相進み角を演算する（自立運転ではあるが連系運転に入るための同期合わせをするための位相補正を開始する）。ここで位相進み角は、演算周期あたりの位相の変化量（Δθ）を表す。

固定位相指令値（１ｐｕ）の場合の位相進み角は、商用周期（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を演算周期で除した値となる（演算周期は商用周期より十分小さい）。自立位相補正（（１））が＋０．０１ｐｕの場合ならば、位相指令値が＋１．０１ｐｕ（５０Ｈｚならば５０．５Ｈｚ、６０Ｈｚならば６０．６Ｈｚ）となり、演算周期で除した値がその演算周期の位相進み角となる。

連系運転時の制御位相を生成する連系時制御位相生成部６０は、系統電圧検出トランス１５によって検出された３相の系統電圧検出値（Ｖｕｖ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔ、Ｖｕｗ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔ、Ｖｗｕ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔ）を座標変換して２相のｄ軸電圧検出値Ｖｄ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔ、ｑ軸電圧検出値Ｖｑ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔを出力する３相／２相変換回路６１と、３相／２相変換回路６１の出力値から、演算周期あたりの位相の変化量（位相進み角Δθ）を求める位相進み角演算回路６２とを備えている。

尚、前記３相／２相変換回路６１の出力に対してＰＬＬ処理を行う回路は図示省略している。

この連系時制御位相生成部６０の構成により、系統電圧検出と同期した制御位相が得られる。

母線電圧の位相を生成する母線電圧位相生成部７０は、母線電圧検出トランス１６によって検出された３相の母線電圧検出値（Ｖｕｖ＿ｂｕｓ＿ｄｅｔ、Ｖｕｗ＿ｂｕｓ＿ｄｅｔ、Ｖｗｕ＿ｂｕｓ＿ｄｅｔ）を座標変換して２相のｄ軸電圧検出値、ｑ軸電圧検出値を出力する３相／２相変換回路７１と、３相／２相変換回路７１の出力値から、演算周期あたりの位相の変化量（位相進み角Δθ）を求める位相進み角演算回路７２とを備えている。

尚、前記３相／２相変換回路７１の出力に対してＰＬＬ処理を行う回路は図示省略している。

この母線電圧位相生成部７０の構成により、母線電圧検出と同期した制御位相が得られる。

前記位相進み角演算回路７２の出力である位相進み角Δθを、積分器９５によって演算周期あたりで積算（１／ｓ）すると母線電圧の制御位相が求められ、この制御位相を用いて３相／２相変換回路７１は座標変換を行っている。

積分器９５の出力（位相）は加算器９６において、連系トランス１７の連系トランス位相補正部が加算され、母線電圧位相Ｃとして出力される。

前記自立時制御位相生成部５０で生成された自立時制御位相（位相進み角演算回路５２の出力）と、連系時制御位相生成部６０で生成された連系時制御位相（位相進み角演算回路６２の出力）は、自立運転モードと連系運転モードに応じて、運転モード切換スイッチＳ６によって切換られる。

すなわち、自立運転時は上側端子に接続されて自立時制御位相が選択され、連系運転に切換ったとき（後述の運転自動切換時刻ｔ４）に下側端子に接続されて連系時制御位相が選択される。

運転モード切換スイッチＳ６の出力である位相進み角Δθを積分器９７によって演算周期あたりで積算（１／ｓ）すると制御位相θ（Ａ，Ｂ）が求められ、この制御位相を用いて３相／２相変換回路６１、９１および２相／３相変換回路９３は座標変換を行っている。

尚、図２中の制御位相θの波形を表す図は、制御位相θは位相進み角Δθを積分して生成するものであるが、制御位相θの波形が時刻ｔの経過とともに直線的に増加する過程において、演算周期毎に位相進み角Δθを加算して生成される様子を示している。

自立位相ＰＬＬ制御部８０は、積分器９７から出力される制御位相θ（運転モード切換スイッチＳ６によって、自立運転時は自立時制御位相の位相進み角が選択され、連系運転時は連系時制御位相の位相進み角が選択されて生成された制御位相）（図示Ｂ）が入力される第１の入力端と、加算器９６から出力される、連系トランス位相補正を加えた母線電圧位相（図示Ｃ）が入力される第２の入力端とを有し、第１および第２の入力端に各々入力された位相の位相差を演算し、該位相差を零とする位相補正量を生成する位相偏差補正値演算回路８１と、自立運転時に位相偏差補正値演算回路８１の入力側の２つの位相の同期がとれていないときに上側端子に接続されて位相の固定補正値を選択し、位相差が所定値以下となったときに（後述の時刻ｔ７で）下側端子に接続されて位相偏差補正値演算回路８１の出力（位相補正量）を選択する位相補正値切換スイッチＳ２とを備えている。

位相補正値切換スイッチＳ２の出力は、自立位相補正値（１）として自立時制御位相生成部５０の位相補正値切換スイッチＳ１の上側端子に入力される。

上記のように、位相偏差補正値演算回路８１の２つの入力側の位相の偏差が所定値以下になったときに、この微小の偏差補正値を自立位相補正値（１）として自立時制御位相生成部５０側へ入力しているので、同期外れが防止される。

図１、図２の構成において、停電が生じて交流系統１９と切り離して（母線側開閉器２０を開放）自立運転している状態から、停電が解除され復電したときの動作を以下に述べる。前記復電前は位相補正値切換スイッチＳ１，Ｓ２および運転モード切換スイッチＳ６は図示接続位置になっており、復電後はＳ１→Ｓ２→Ｓ６の順番で切換が行われる。

自立運転時に、母線電圧検出トランス１６により復電が確認されると、自立時制御位相生成部５０の位相補正値切換スイッチＳ１は上側端子に切換り、所定の値の自立位相補正値（１）が自立位相指令値（１ｐｕ）に加算され、その加算出力に基づいて生成された自立時制御位相（Ｂ）と、連系トランス位相補正が加算された母線電圧位相（Ｃ）との位相比較が自立位相ＰＬＬ制御部８０で行われる。

前記自立時制御位相（Ｂ）と母線電圧位相（Ｃ）の同期が完了すると位相補正値切換スイッチＳ２が下側端子に切換り、同時に母線側開閉器２０の投入指令を生成・送出し、閉極後、例えば母線側開閉器２０の補助接点によるアンサ信号を受信し、所定時間経過後に、運転モード切換スイッチＳ６は下側端子に切換り（自立→連系に切換り）切換動作が完了する。

尚、水力発電システムにおける運転切換装置、自立運転方法に関する技術は、例えば特許文献１〜３に記載されている。

特開２０１６−１３１４４２号公報 特開２０１６−１８５００５号公報 特開２０１６−１８５００６号公報

上記システムにおいて、停電が生じて系統と切り離して自立運転している状態から停電が解除され復電後、系統電圧と同期合わせを行い連系運転に戻す。自立運転機能部と連系運転機能部が個別の制御回路で構成されるため、同期合わせをした直後に自立運転制御から連系運転制御に切換えるが、このときに擾乱を生じる虞がある。

この理由は、交流系統１９の復電時に自立運転から連系運転へ自動切換え（無瞬断）を行う際、図２の連系時電圧指令生成部４０のＤＣ−ＡＶＲ処理回路４２ｄ及びＡＱＲ処理回路４２ｑには、系統の停電時に連系運転から自立運転に自動切換え（ゲートブロック後）を行った際の操作量が演算停止の為保持されており、その状態で自立運転から連系運転へ自動切換えを行う（運転モード切換スイッチＳ６を下側端子に切換える）と、特定負荷１８に対して過大もしくは過小な電流指令が生成されてしまう（自立運転時の電流出力は特定負荷１８の負荷状態に依存する）。

また、連系時制御位相生成部６０のＰＬＬ処理にも系統の停電時に連系運転から自立運転に自動切換えを行った際の操作量が演算停止の為保持されており、その状態で自立運転から連系運転へ自動切換えを行うと、交流系統１９及び特定負荷１８に対して位相跳躍が発生してコンバータ装置６が過電流で運転停止してしまう。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、自立運転から連系運転へ切換える際に、擾乱を抑制して無瞬断で自動切換えが行える水力発電システムにおける自立／連系運転自動切換装置を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の水力発電システムにおける自立／連系運転自動切換装置は、
水流により回転駆動される水車と、軸によって前記水車と接続された発電機と、前記発電機の出力電力を直流電力に変換する発電機制御用電力変換回路と、前記発電機制御用電力変換回路の直流電力を交流電力に変換する系統連系用電力変換回路と、前記系統連系用電力変換回路の交流出力側に接続された連系トランスと、前記連系トランスと系統を結ぶ電路に介挿された母線側開閉器と、を備え、系統の停電、復電に応じて連系運転と自立運転を切換える機能を有した水力発電システムにおいて、
自立運転時に用いられ、自立位相指令に基づいて演算された自立時制御位相か、又は連系運転時に用いられ、系統連系点の電圧を検出した系統電圧検出値に基づいて演算された連系時制御位相が入力される第１の入力端と、系統の母線電圧検出値に基づいて演算された母線電圧位相が入力される第２の入力端とを有し、前記第１および第２の入力端に各々入力された位相の位相差を演算し、該位相差を零とする位相補正量を生成する位相偏差補正値演算回路を備え、
自立運転から連系運転に切換える切換開始時刻から切換終了時刻までの期間を運転自動切換期間と定義し、自立運転中に母線電圧の復電が確認されてから、前記第１の入力端に入力された自立時制御位相が第２の入力端に入力された母線電圧位相に同期するまでの期間、前記自立位相指令に固定補正値を加算した位相指令に基づいて自立時制御位相を生成し、
前記自立時制御位相と母線電圧位相の同期後、前記運転自動切換期間のうち、切換開始時刻から、該切換開始時刻と切換終了時刻の間の運転自動切換時刻までの期間、前記自立位相指令に、前記位相偏差補正値演算回路で生成された位相補正量を加算した位相指令に基づいて自立時制御位相を生成する自立時制御位相生成部と、
前記発電機制御用電力変換回路および系統連系用電力変換回路の間の直流中間回路の直流電圧検出値と直流電圧指令値との偏差に対して直流電圧制御処理を施し、該直流電圧制御処理後の有効電流指令と有効電流検出値の偏差に対して電流制御処理を施して連系時のｄ軸電圧指令値を求め、
系統の検出電圧、検出電流から求めた無効電力検出値と無効電力指令との偏差に対して無効電力制御処理を施し、該無効電力制御処理後の無効電流指令と無効電流検出値の偏差に対して電流制御処理を施して連系時のｑ軸電圧指令を求める連系時電圧指令生成部であって、
前記運転自動切換期間において、前記直流電圧制御処理におけるＰＩ制御の積分項の初期値を、前記切換開始時刻前に保持しておいたｄ軸検出電流保持値に設定して直流電圧制御処理を動作させ、該直流電圧制御処理後の有効電流指令を前記ｄ軸検出電流保持値によって制限し、
前記運転自動切換時刻において自立時ｄ軸電圧指令に代えて前記ｄ軸側の電流制御処理の出力を連系時のｄ軸電圧指令とし、
前記切換開始時刻において、前記無効電力制御処理におけるＰＩ制御の積分項の初期値を、前記切換開始時刻以前に保持しておいたｑ軸電流保持値に設定して無効電力制御処理を動作させ、
前記切換開始時刻から切換終了時刻までの運転自動切換期間では、無効電力制御処理の出力に代えて前記ｑ軸電流保持値を無効電流指令として前記電流制御処理へ入力し、
前記運転自動切換時刻において、自立時ｑ軸電圧指令に代えて前記ｑ軸側の電流制御処理の出力を連系時のｑ軸電圧指令とする連系時電圧指令生成部と、
系統電圧検出値を基に演算した位相に対してＰＩ制御を施して求めた系統電圧位相と、母線電圧検出値を基に演算した位相に、前記連系トランスの位相補成分を加算した母線電圧位相と、前記自立時制御位相生成部で生成された自立時制御位相とを選択して連系時の制御位相を生成する連系時制御位相生成部であって、
前記運転自動切換期間の切換開始時刻に、前記系統電圧位相を求めるＰＩ制御の積分項の初期値を零とし、
前記切換開始時刻と切換終了時刻の間の運転自動切換時刻に、前記自立時制御位相に代えて前記系統電圧位相に切換えておき、
前記切換開始時刻から切換終了時刻になるまでは前記母線電圧位相を選択して制御位相として出力し、前記切換終了時刻以降は前記系統電圧位相を選択して制御位相として出力する連系時制御位相生成部と、
を備えたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の水力発電システムにおける自立／連系運転自動切換装置は、請求項１において、
前記連系時電圧指令生成部は、
前記直流電圧制御処理後の出力に制限をかけるリミッタであって、前記切換開始時刻から切換終了時刻になるまでの間はｄ軸検出電流保持値を維持し、切換終了時刻後は、前記ｄ軸検出電流保持値から固定リミット値になるまで一定上昇率で増加するリミット値を有した有効電流指令リミッタと、
系統連系用電力変換回路の出力電流検出値を３相／２相変換したｄ軸電流検出値、ｑ軸電流検出値を各々移動平均した値を、前記ｄ軸電流保持値、ｑ軸電流保持値として記憶する電流保持部と、
を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、母線電圧が復電し、自立時制御位相と母線電圧位相の同期完了後、自立時制御位相と母線電圧位相の偏差により位相偏差補正値演算回路で生成された位相補正量が、自立位相指令に加算されるため、切換開始時刻には母線電圧位相と同相の制御位相を生成することができる。

これによって、切換終了時刻において、連系時制御位相生成部が系統電圧位相を制御位相として選択した場合、位相跳躍は発生しない。

また、運転自動切換期間において、連系時電圧指令生成部の直流電圧制御処理におけるＰＩ制御の積分項の初期値を、ｄ軸検出電流保持値に設定して直流電圧制御処理を動作させ、直流電圧制御処理後の有効電流指令をｄ軸検出電流保持値によって制限しているので、自動切換え前後の電流指令の変動が抑制され、スムーズに電流制御処理を行うことができる。

（１）請求項１、２に記載の発明によれば、自立運転から連系運転への自動切換え時に、位相跳躍は発生せず、電流指令の変動が抑制されるので、擾乱を抑制して無瞬断で自動切換えが行える。

本発明が適用される水力発電システムの一例を示す構成図。 図１のシステムにおける制御ブロック図。 本発明の実施形態例による連系時電圧指令生成部の制御ブロック図。 本発明の実施形態例による連系時制御位相生成部の制御ブロック図。 本発明の実施形態例による自立→連系運転切換制御における時系列の様子を示す説明図。 本発明の実施形態例による自立→連系運転切換制御におけるフローチャート。 本発明の実施形態例による制御位相自動切換状態を示す実験波形図。 本発明の実施形態例による電流指令自動切換状態を示す実験波形図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本実施形態例では、図２の制御ブロックの連系時電圧指令生成部４０を図３の制御ブロックに置き換え、連系時制御位相生成部６０を図４の制御ブロックに置き換えて構成したものであり、その他の部分は図２と同様に構成されている。図２のＡ〜Ｆの部分は、図３、図４のＡ〜Ｆの部分に置き換わっている。

まず、図３（ａ）に示す、連系時電圧指令生成部４０のｄ軸電圧指令（Ｄ）を生成する回路を説明する。直流電圧指令Ｖｄｃ＿ｓｅｔは、クッション処理回路１０１によってクッション処理が施されて所定の時定数で運転モード切換スイッチＳ６の下側端子（連系モード選択端子）に入力される。

運転モード切換スイッチＳ６は、上側端子（自立モード選択端子）に入力される直流電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔ（直流コンデンサ１３の検出電圧）と下側端子に入力されるクッション処理回路１０１の出力（クッション処理が施された直流電圧指令）とを切換える。

減算器４１ｄは運転モード切換スイッチＳ６の出力から直流電圧検出値Ｖｄｃ＿ｄｅｔを減算する。

減算器４１ｄの出力側に設けられるＤＣ−ＡＶＲ処理回路（４２ｄ）は、減算器４１ｄの減算出力が入力される、ＰＩ制御の比例項（比例ゲインＫｐ）１０２ｄと、比例項１０２ｄの出力が入力される、ＰＩ制御の積分項（積分時定数に相当する係数Ｋｉ）１０３ｄと、積分項１０３ｄの出力が一方の入力端に入力され、後述の切換開始時刻後（ｔ３後）において初期値を加算する加算器１０４ｄと、一方の入力端に比例項１０２ｄの出力側が接続され、他方の入力端に積分項出力（加算器１０４ｄの出力）が接続される加算器１０５ｄとを備えている。

１０６ｄは、後述の切換開始時刻（ｔ３）になるまでにｄ軸検出電流を保持しておくｄ軸の電流保持部であり、ｄ軸検出電流値Ｉｄ＿ｄｅｔを移動平均して図示省略のメモリに保持する移動平均回路１０７ｄと、一端が移動平均回路１０７ｄに接続され、後述の切換開始時刻（ｔ３）で投入され、その所定時間後に開放される保持値更新スイッチＳ３を有している。

保持値更新スイッチＳ３の他端は、後述の切換開始時刻（ｔ３）後に上側端子に切換えられる積分項更新スイッチＳ４の下側端子に接続されている。積分項更新スイッチＳ４の上側端子は加算器１０４ｄの出力端および加算器１０５ｄの他方の入力端に接続されている。

積分項更新スイッチＳ４の主端子は、後述の切換開始時刻（ｔ３）において電流保持部１０６ｄから積分項更新スイッチＳ４を介して入力されたｄ軸電流保持値をラッチするサンプラ１０８ｄ（ラッチ回路；遅延素子）を介して加算器１０４ｄの他方の入力端に接続されている。

サンプラ１０８ｄにラッチされた前記ｄ軸電流保持値は、前記時刻（ｔ３）後に積分項更新スイッチＳ４が上側端子に切換えられることにより、積分項１０３ｄの初期値として与えられる。

Ｓ８はリミッタ切換スイッチであり、上側端子に入力される固定リミット値と下側端子に入力される、前記電流保持部１０６ｄからのｄ軸電流保持値（（２））とを切換え、その切換出力は、加算器１０５ｄの出力端と減算器４３ｄの正側入力端の間に設けられた有効電流指令リミッタ１１０ｄにリミット値として与えられる。

有効電流指令リミッタ１１０ｄは、前記ＤＣ−ＡＶＲ処理後の出力、すなわち加算器１０５ｄの出力に制限をかけるリミッタであり、そのリミット値は、後述の切換開始時刻（ｔ３）から切換終了時刻（ｔ５）になるまでの間はリミッタを解除してｄ軸電流保持値を維持し、切換終了時刻後、リミッタ切換スイッチＳ８が上側端子に切換えられて固定リミット値が選択されるまでの間、一定上昇率で増加するリミット値を有している。

ＡＣＲ処理回路４４ｄの出力側は、運転モード切換スイッチＳ６の下側端子（連系モード選択端子）に接続されている。

この運転モード切換スイッチＳ６は、自立運転時には上側端子（自立モード選択端子）に接続されて自立電圧指令Ｖｄ＿ｃｍｄ＿ｓｒｕｎを選択し、後述の運転自動切換時刻（ｔ４）に下側端子に切換えられ、その出力はｄ軸電圧指令Ｄとして図２の２相／３相変換回路９３に入力される。

次に図３の（ｂ）に示す、連系時電圧指令生成部４０のｑ軸電圧指令（Ｅ）を生成する回路を説明する。図３（ｂ）において、無効電流指令Ｑ＿ｃｍｄおよび無効電力検出値Ｑ＿ｄｅｔを求めている図２の電力演算回路４５および乗算器４６は図示省略している。

無効電力指令Ｑ＿ｃｍｄは、運転モード切換スイッチＳ６の下側端子（連系モード選択端子）に入力される。

運転モード切換スイッチＳ６は、上側端子（自立モード選択端子）に入力される無効電力検出値Ｑ＿ｄｅｔ（電力演算回路４５の出力値）と下側端子に入力される無効電力指令Ｑ＿ｃｍｄ（乗算器４６の出力）とを切換える。

減算器４１ｑは運転モード切換スイッチＳ６の出力から無効電力検出値Ｑ＿ｄｅｔを減算する。

減算器４１ｑの出力側に設けられるＡＱＲ処理回路（４２ｑ）は、減算器４１ｑの減算出力が入力される、ＰＩ制御の比例項（比例ゲインＫｐ）１０２ｑと、比例項１０２ｑの出力が入力される、ＰＩ制御の積分項（積分時定数に相当する係数Ｋｉ）１０３ｑと、積分項１０３ｑの出力が一方の入力端に入力され、後述の切換開始時刻後（ｔ３後）において初期値を加算する加算器１０４ｑと、一方の入力端に比例項１０２ｑの出力側が接続され、他方の入力端に積分項出力（加算器１０４ｑの出力）が接続される加算器１０５ｑとを備えている。

１０６ｑは、後述の切換開始時刻（ｔ３）になるまでにｑ軸検出電流を保持しておくｑ軸の電流保持部であり、ｑ軸検出電流値Ｉｑ＿ｄｅｔを移動平均して図示省略のメモリに保持する移動平均回路１０７ｑと、一端が移動平均回路１０７ｑに接続され、後述の切換開始時刻（ｔ３）で投入され、その所定時間後に開放される保持値更新スイッチＳ３を有している。

保持値更新スイッチＳ３の他端は、後述の切換開始時刻（ｔ３）後に上側端子に切換えられる積分項更新スイッチＳ４の下側端子に接続されている。積分項更新スイッチＳ４の上側端子は加算器１０４ｑの出力端および加算器１０５ｑの他方の入力端に接続されている。

積分項更新スイッチＳ４の主端子は、後述の切換開始時刻（ｔ３）において電流保持部１０６ｑから積分項更新スイッチＳ４を介して入力されたｑ軸電流保持値をラッチするサンプラ１０８ｑ（ラッチ回路；遅延素子）を介して加算器１０４ｑの他方の入力端に接続されている。

サンプラ１０８ｑにラッチされた前記ｑ軸電流保持値は、前記時刻（ｔ３）後に積分項更新スイッチＳ４が上側端子に切換えられることにより、積分項１０３ｑの初期値として与えられる。

ＡＱＲ処理回路の出力である加算器１０５ｑの出力端は運転自動切換スイッチＳ７の下側端子に接続されている。運転自動切換スイッチＳ７は、後述の切換開始時刻（ｔ３）で上側端子に接続されて前記電流保持部１０６ｑからのｑ軸電流保持値（３）を選択し、後述の切換終了時刻（ｔ５）で下側端子に切換えられて加算器１０５ｑの出力（ＡＱＲ処理回路の出力）を選択する。

運転自動切換スイッチＳ７の選択出力は無効電流指令リミッタ１１０ｑを介して減算器４３ｑの正側入力端に入力される。

ＡＣＲ処理回路４４ｑの出力側は、運転モード切換スイッチＳ６の下側端子（連系モード選択端子）に接続されている。

この運転モード切換スイッチＳ６は、自立運転時には上側端子（自立モード選択端子）に接続されて自立電圧指令Ｖｑ＿ｃｍｄ＿ｓｒｕｎを選択し、後述の運転自動切換時刻（ｔ４）に下側端子に切換えられ、その出力はｑ軸電圧指令Ｅとして図２の２相／３相変換回路９３に入力される。

次に、本実施形態例における連系時制御位相生成部６０を図４とともに説明する。尚、図４では図２の母線電圧位相生成部７０の構成も示しており、図２と同一部分は同一符号をもって示している。

３相／２相変換回路６１でｄｑ座標変換されたｄ軸検出電圧（Ｖｄ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔ）、ｑ軸検出電圧（Ｖｑ＿ｇｒｉｄ＿ｄｅｔ）は、位相誤差演算回路１２１において位相の誤差が演算される。位相誤差演算回路１２１の出力側と図２で述べた位相進み角演算回路６２の間には、ＰＬＬ処理回路（ＰＩ制御器で構成される）とリミッタ１３０が設けられている。

前記ＰＩ制御器で構成されるＰＬＬ処理回路は、位相誤差演算回路１２１の誤差出力が入力されるＰＩ制御の比例項（比例ゲインＫｐ）１２２と、比例項１２２の出力が入力される、ＰＩ制御の積分項（積分時定数に相当する係数Ｋｉ）１２３と、積分項１２３の出力が一方の入力端に入力され、後述の切換開始時刻後（ｔ３後）において初期値を加算する加算器１２４と、一方の入力端に比例項１２２の出力側が接続され、他方の入力端に積分項出力（加算器１２４の出力）が接続される加算器１２５とを備えている。

保持値更新スイッチＳ３は、後述の切換開始時刻（ｔ３）で投入されて、保持値零を積分項更新スイッチＳ４の下側端子に与え、その所定時間後に開放される。

積分項更新スイッチＳ４の上側端子は加算器１２４の出力端および加算器１２５の他方の入力端に接続されている。

積分項更新スイッチＳ４の主端子は、後述の切換開始時刻（ｔ３）において保持値更新スイッチＳ３から積分項更新スイッチＳ４を介して入力された零値をラッチするサンプラ１２８（ラッチ回路；遅延素子）を介して加算器１２４の他方の入力端に接続されている。

サンプラ１２８にラッチされた零値は、前記時刻（ｔ３）後に積分項更新スイッチＳ４が上側端子に切換えられることにより、積分項１２３の初期値として与えられる。

積分器９７で計算された制御位相（Ｂ）は、図２の位相偏差補正値演算回路８１の一方の入力端に入力される一方、制御位相選択スイッチＳ５の上側端子にも入力される。

前記母線電圧位相（連系トランス位相補正を加算した加算器９６の出力）（Ｃ）は、図２の位相偏差補正値演算回路８１の他方の入力端に入力される一方、制御位相選択スイッチＳ５の下側端子にも入力される。

制御位相選択スイッチＳ５は，後述の切換開始時刻（ｔ３）において下側端子に接続されて母線電圧位相を選択し、後述の切換終了時刻（ｔ５）において上側端子に切換えられて系統電圧位相を選択し、制御位相θとして出力する。

次に、前記図１〜図４における各スイッチＳ１〜Ｓ８の動作（切換え条件、切換え時刻について）を、自立運転から連系運転への切換え時の時系列の様子を示す図５とともに説明する。

図５において、切換開始時刻ｔ３から切換終了時刻ｔ５までの期間が運転自動切換期間であり、切換開始時刻ｔ３から所定の時間Δｔ３後の時刻ｔ４を運転自動切換時刻としている。

位相補正値切換スイッチＳ１…母線電圧が所定の電圧以上（図５の時刻ｔ１）で下側→上側となる（自立運転時に復電した）。この動作により同期合わせが開始される。

運転モード切換スイッチＳ６…連系運転できる条件の、同期合わせが時刻ｔ７で完了し、母線側開閉器２０の閉極完了のアンサを受けた時刻ｔ３（切換開始時刻）から所定の時間Δｔ３後の時刻ｔ４（運転自動切換時刻）で上側→下側に接続。

リミッタ切換スイッチＳ８…固定リミットは固定値である。前記切換開始時刻ｔ３において上側から下側に切換わり、切換終了時刻ｔ５から所定時間経過後の時刻ｔ６で下側→上側に切換る。

このスイッチＳ８が下側に接続されている場合、図３においてｄ軸電流保持値（２）（切換寸前までｄ軸検出電流Ｉｄ＿ｄｅｔを移動平均した値）を切換開始時刻ｔ３から切換終了時刻ｔ５まで維持し、この後有効電流指令リミッタ１１０ｄを一定の傾斜でリミット値を上昇させ、時刻ｔ６においてリミッタ切換スイッチＳ８は下側→上側に接続し固定リミット値に切換える（ｄ軸電流に制限を与える）。

保持値更新スイッチＳ３…積分回路の初期値を与えるスイッチであり、初期値を与え終わったら開放する。すなわち、母線側開閉器２０の閉極完了のアンサ信号を受信した時刻ｔ３で投入され、所定の時間後に開放される（図３の連系時電圧指令生成部４０のＳ３では自立から連系に切換えるときのｄ軸電流値・ｑ軸電流値を保持して積分項の初期値とし、図４の連系時制御位相生成部６０のＳ３では初期値を零とする）。

積分項更新スイッチＳ４…保持値更新スイッチＳ３の値を受けてから上側に切換り、保持値を初期値として与えるスイッチであり、前記切換開始時刻ｔ３前は下側に接続され、前記時刻ｔ３で保持値が入力された後の時刻（ｔ３後の時刻）で上側→下側に切換えられる。

制御位相選択スイッチＳ５…母線側開閉器２０の閉極完了のアンサを受けた前記切換開始時刻ｔ３で下側に接続され、切換終了時刻ｔ５で上側に切換えられる。

運転自動切換スイッチＳ７…切換開始時刻ｔ３で下側→上側に切換え、切換終了時刻ｔ５で上側→下側に切換えられる。

位相補正値切換スイッチＳ２…図２の位相偏差補正値演算回路８１の２つの入力端の自立位相（Ｂ）と母線電圧位相（Ｃ）の位相差が所定の範囲に入った（所定の値以下となった）ら、上側→下側に切換える。

上記構成において、図３のＤＣ−ＡＶＲ処理、ＡＱＲ処理および図４のＰＬＬ処理における各ＰＩ制御は、例えば位置型（速度型でも可）で構成される。図３、図４の各スイッチＳ１〜Ｓ８における図示接続状態は、自立運転時の状態を表している。

本発明は自立運転から連系運転切換の技術であるが、通常時（正常時）の連系運転から異常と判断され自立運転への移行に伴い、有効電流指令値および無効電流指令値が保存されることを以下に説明する。図３のＤＣ−ＡＶＲ処理およびＡＱＲ処理については、運転モードが停電あるいは故障によって連系から自立に切換った際、運転モード切換スイッチＳ６が上側端子に接続されていることで減算器４１ｄ、４１ｑの減算出力、すなわちＰＩ制御入力が各々零となって比例項成分は発生せず、積分項には系統連系故障発生時の操作量が保持される（積分項切換スイッチＳ４が上側で閉の状態の場合）。このため図３（ａ）のＤＣ−ＡＶＲ処理には故障発生時の有効電流指令値が、同様に図３（ｂ）のＡＱＲ処理には故障発生時の無効電流指令値が保持されている。この連系→自立への自動切換えについては、例えば特許文献３に記載されている。

次に、上記のように構成された装置の動作を、時系列の様子を示す図５と図６のフローチャートとともに説明する。図６は制御装置が、自立→連系への運転自動切換時に行う制御のフローチャートを示し、連系運転から自立運転に切換ったときから実行され、自立運転時には、図５の時刻ｔ１〜ｔ７の間で常時ステップＦ１〜Ｆ１２のループを循環して実行されるものである。

まずステップＦ１では、母線電圧検出値に基づいて自立運転中に復電が確認された（母線電圧＞所定の値となった）か否かと、図３の有効電流指令リミッタ１１０ｄのリミット値が固定リミットであるか否かに基づいて定常の自立運転状態を続けるか、連系への切換動作を開始するかを判断する。

「母線電圧＜所定の値」である場合、ステップＦ１の判定結果はＹＥＳとなり、定常の自立運転を続行する。

「母線電圧＞所定の値」が確認された場合、ステップＦ１の判定結果はＮＯとなり、ステップＦ２へ進む。このステップＦ１の判定処理段階の時刻ｔ１以前では、自立時制御位相生成部５０の位相補正値切換スイッチＳ１は下側端子に接続されているため、自立時の制御位相は固定の自立位相指令（１ｐｕ）のみに基づいて生成される。

次にステップＦ２では、位相偏差補正値演算回路８１の２つの入力端に入力される自立時制御位相（Ａ）と母線電圧位相（Ｃ）の位相差が「位相差＜所定値」となったか、及び母線側開閉器２０の閉極完了のアンサを受け取ったか否かを判断する。

前記位相差が所定の範囲内となり、前記アンサがあれば連系準備成立（時刻ｔ３）でありステップＦ６に進み、それ以外は連系準備未成立（同期していない）のためステップＦ３へ進む。

ステップＦ３では、時刻ｔ１において図２の自立時制御位相生成部５０の位相補正値切換スイッチＳ１が上側端子に接続され、自立位相ＰＬＬ制御部８０の位相補正値切換スイッチＳ２の出力である自立位相補正値（１）（固定補正値）を選択する。

これによって自立ＰＬＬ制御が開始され、自立時制御位相生成部５０の自立位相指令値（１ｐu)に固定補正値が加算され（θ＋Δθ）、母線電圧位相との同期合わせが開始される。

ステップＦ４では、「位相差＜所定値」を判定し、自立運転位相と母線電圧位相の差が所定の範囲以内になるまで待つ。

時刻ｔ７において位相差が所定値以内となり前記同期合わせが完了したら、ステップＦ５において、自立位相ＰＬＬ制御部８０の位相補正値切換スイッチＳ２を下側端子に切換えると同時に母線側開閉器２０に投入指令を送出し、そのアンサが戻ってくるまで待つ。

そして時刻ｔ２で前記開閉器２０は閉極完了のアンサを送出する。またステップＦ５では、図３のリミッタ切換スイッチＳ８を時刻ｔ３において、下側に切換えて有効電流指令リミッタ１１０ｄに対する固定リミットを解除し、前記開閉器２０の閉極完了のアンサを時刻ｔ３で受信したら「運転自動切換」の信号を生成する。また同時に、図４の制御位相選択スイッチＳ５を下側に切換えて切換終了時刻ｔ５になるまでの間、母線電圧位相（Ｃ）を制御位相θとして用いる。

この制御位相選択スイッチＳ５の動作により、自立運転から連系運転へ切換えるときに位相合わせを保持することができるという効果を奏する。

以上で自立→連系への切換え準備が完了し、ステップＦ２における判定が成立しステップＦ６へ進む。

ステップＦ６では、切換開始時刻ｔ３において、図３、図４の３箇所の保持値更新スイッチＳ３が投入されて各積分初期値がｄ軸電流保持値、ｑ軸電流保持値に設定される。尚、図４の系統電圧の位相進み角演算における積分項初期値は零としている。その理由は、母線電圧位相（連系トランス位相の補正を含む）と系統電圧位相、自立時制御位相はほぼ一致しているためである。

前記初期値を与え終わったら（時刻ｔ３から所定時間後に）積分項更新スイッチＳ４を上側端子に切換えて積分回路を生成する。そしてその後、保持値更新スイッチＳ３は適宜な時刻に開放する。

前記スイッチＳ３、Ｓ４の動作により、切換開始時刻ｔ３〜切換終了時刻ｔ５の間、図３では保持値による電流制限回路が構成されることになる。このため、運転自動切換期間においてｄ軸電流保持値（（２））で制限されるため、切換え前後の電流指令の変動が抑制されてスムーズに電流制御（ＡＣＲ）に切換えることができる。

また図３（ｂ）のＡＱＲ処理回路側では、時刻ｔ３〜時刻ｔ５の間運転自動切換スイッチＳ７が上側端子に接続されているため、運転切換時に電流指令にｑ軸電流保持値（（３））が入力されるため、切換え前後の電流指令の変動が抑制されてスムーズに電流制御に切換えることができる。

次にステップＦ７では、切換開始時刻ｔ３から所定の時間Δｔ３経過後の運転自動切換時刻ｔ４にて、今まで運転モード「自立」であった状態を「連系」に切換える。同時に図３、図４における運転モード切換スイッチＳ６を下側端子に切換える。尚、図３（ｂ）の運転自動切換スイッチＳ７は、切換終了時刻ｔ５になるまでｑ軸電流保持値（（３））を選択しているため、運転自動切換時刻ｔ４ではＡＱＲ処理回路は活きていない。

次にステップＦ８では、運転自動切換時刻ｔ４から所定の時間Δｔ４経過した切換終了時刻ｔ５において、母線側の位相と系統連系制御インバータ８側、つまり系統の位相は同期しているので、時刻ｔ５で図４の制御位相選択スイッチＳ５を上側端子に切換えても位相跳躍は発生しない。この状況から運転自動切換の信号を終了する。

そして切換終了時刻ｔ５で制御位相選択スイッチＳ５を上側端子に切換える。このため、切換終了時刻ｔ５では図４の運転モード切換スイッチＳ６が下側端子に接続されており、制御位相選択スイッチＳ５が上側端子に切換えられるため、制御位相θ（Ａ）は系統電圧から生成することになる。

次にステップＦ９では、切換終了時刻ｔ５において図３（ｂ）の運転自動切換スイッチＳ７を下側端子に切換えてＡＱＲ処理回路（ｑ軸電流の制御回路）を活かす。これによってｑ軸電流指令は通常の指令値となる。

次にステップＦ１０では、図３（ａ）の有効電流指令リミッタ１１０ｄが、時刻ｔ３においてｄ軸電流保持値で制限されていたリミッタ値（電流制限機能）を時刻ｔ５以降は一定の変化率で上昇させる。

次にステップＦ１１では、有効電流指令リミッタ１１０ｄのリミット値が固定リミットを超過したか否かを判定する。

次にステップＦ１２では、前記リミッタ１１０ｄのリミット値が固定リミット値となる時刻ｔ６において、リミッタ切換スイッチＳ８を上側端子に切換えて固定リミット値に復帰させる。

以上の動作により、自立運転から系統運転に切換える際に、位相跳躍はなく、同時に電流変動は発生しない。

図４の連系時制御位相生成部６０では、系統電圧と母線電圧の検出値に対してそれぞれ位相進み角を演算して、位相進み角を積算する（積分器９５、９７）ことで制御位相を生成している。

系統電圧は時刻ｔ７で既に同期されているのでこの時刻以降、自立制御位相（Ｂ）と母線電圧の制御位相（Ｃ）は同一となる。また時刻ｔ４以降では、前記スイッチＳ６の下側から得られる連系電圧から生成される制御位相も母線電圧位相と同期している。

切換開始時刻ｔ３にて積分項に初期値を入れ、積分項更新スイッチＳ４を上側に接続し系統電圧からの位相進み角で動作させ、時刻ｔ３から母線電圧制御位相で運転し、時刻ｔ５からは系統電圧制御位相で運転する。

積分項が上記の状態で復電によって自立運転から連系運転へ切換えると位相跳躍や過電流を発生してしまうため、本実施形態例では図４のように各ＰＩ制御の積分項更新を行っている。

本実施形態例における、時刻に対する制御位相の変遷をまとめると次のとおりである。

自立運転〜時刻ｔ１（復電）…自立位相指令による固定位相（１ｐｕ）
時刻ｔ１〜ｔ７（同期完了）…自立位相指令（１ｐｕ）＋固定補正値による位相
時刻ｔ７〜ｔ３…補正された自立時制御位相生成部５０の出力位相
時刻ｔ３〜ｔ５…母線電圧位相
時刻ｔ５〜…系統電圧位相
以上のように本実施形態例によれば、時刻ｔ１で母線電圧が復電し、時刻ｔ７で自立時制御位相と母線電圧位相の同期完了後、自立時制御位相と母線電圧位相の偏差により位相偏差補正値演算回路８１で生成された位相補正量が、自立時制御位相生成部５０の自立位相指令（１ｐｕ）に加算されるため、切換開始時刻ｔ３には母線電圧位相と同相の制御位相を生成することができる。

これによって、切換終了時刻ｔ５において、連系時制御位相生成部６０が系統電圧位相を制御位相として選択した（前記スイッチＳ６を下側に、Ｓ５を上側に切換えた）場合、位相跳躍は発生しない。

また、運転自動切換期間（ｔ３〜ｔ５）において、連系時電圧指令生成部４０の自動電圧制御処理におけるＰＩ制御の積分項の初期値を、ｄ軸検出電流保持値に設定して自動電圧制御処理を動作させ、自動電圧制御処理後の有効電流指令をｄ軸検出電流保持値によって制限している（リミッタ切換スイッチＳ８を下側に接続している）ので、自動切換え前後の電流指令の変動が抑制され、スムーズに自動電流制御処理を行うことができる。

次に、本実施形態例による自立運転から連系運転への自動切換時の、制御位相の実験波形を図７に示し、電流指令の実験波形を図８に示す。図７、図８における時刻ｔ１〜ｔ７の時系列は、図５の時系列の様子と図６の動作フローとリンクしている。

図７（ａ）において、系統復電後に自立運転を継続しながら自立制御位相と母線電圧位相の同期を時刻ｔ１から開始する。次に図７（ｂ）の時刻ｔ７において、同期が完了して系統連系故障保持時限経過後に母線側開閉器２０を投入する。次に時刻ｔ３で母線側開閉器投入アンサを受信して運転自動切換開始条件が成立すると運転自動切換を開始する。

制御位相は、切換開始時刻ｔ３でＰＬＬ処理の積分項を更新し、制御位相を母線電圧位相に切換え、運転自動切換時刻ｔ４において系統電圧位相の位相進み角をＰＬＬ出力に切換え（Ｓ６を下側にする）、切換終了時刻ｔ５で制御位相を系統電圧位相に切換える（Ｓ５を上側にする）。図７（ｂ）の実験波形から、自動切換時に位相跳躍が発生していないことが確認できる。

また電流指令は、母線側開閉器２０の投入が行われた時刻ｔ２の後の切換開始時刻ｔ３において、ＤＣ−ＡＶＲ処理及びＡＱＲ処理の積分項が更新され、運転自動切換時刻ｔ４において、電圧指令が自立電圧指令からＡＣＲ出力（連系）に切換えられ（Ｓ６を下側にする）、切換終了時刻ｔ５で有効電流指令リミッタ１１０ｄが変化率制限で開放していく。図８の実験波形から、自動切換時に急峻な電流変動が発生せず、電流制御に移行できていることが確認できる。

１…発電装置
２…水車
３…永久磁石同期発電機
４…フライホイール
５…ガバナ
６…コンバータ装置
７…発電機制御インバータ
８…系統連系制御インバータ
９…制動ユニット
１０…制動抵抗器
１１…発電機側開閉器
１２…系統連系側開閉器
１３…直流コンデンサ
１４…ＬＣＲフィルタ
１５…系統電圧検出トランス
１６…母線電圧検出トランス
１７…連系トランス
１８…特定負荷
１９…交流系統
２０…母線側開閉器
２１…水車コントローラ
３０…自立時電圧指令生成部
４０…連系時電圧指令生成部
４２ｄ…ＤＣ−ＡＶＲ処理回路
４２ｑ…ＡＱＲ処理回路
４４ｄ、４４ｑ、５０…自立時制御位相生成部
５１、１０４ｄ、１０４ｑ、１０５ｄ、１０５ｑ、１２４、１２５…加算器
５２、６２、７２…位相進み角演算回路
６１、７１、９１…３相／２相変換回路
７０…母線電圧位相生成部
８０…自立位相ＰＬＬ制御部
８１…位相偏差補正値演算回路
９３…２相／３相変換回路
９４…ＰＷＭ変調回路
９５、９７…積分器
１０１…クッション処理回路
１０２ｄ、１０２ｑ、１２２…比例項
１０３ｄ、１０３ｑ、１２３…積分項
１０８ｄ、１０８ｑ、１２８…サンプラ
１１０ｄ…有効電流指令リミッタ
１１０ｑ、１３０…リミッタ
Ｓ１、Ｓ２…位相補正値切換スイッチ
Ｓ３…保持値更新スイッチ
Ｓ４…積分項更新スイッチ
Ｓ５…制御位相選択スイッチ
Ｓ６…運転モード切換スイッチ
Ｓ７…運転自動切換スイッチ
Ｓ８…リミッタ切換スイッチ

Claims (2)

1. 水流により回転駆動される水車と、軸によって前記水車と接続された発電機と、前記発電機の出力電力を直流電力に変換する発電機制御用電力変換回路と、前記発電機制御用電力変換回路の直流電力を交流電力に変換する系統連系用電力変換回路と、前記系統連系用電力変換回路の交流出力側に接続された連系トランスと、前記連系トランスと系統を結ぶ電路に介挿された母線側開閉器と、を備え、系統の停電、復電に応じて連系運転と自立運転を切換える機能を有した水力発電システムにおいて、
   自立運転時に用いられ、自立位相指令に基づいて演算された自立時制御位相か、又は連系運転時に用いられ、系統連系点の電圧を検出した系統電圧検出値に基づいて演算された連系時制御位相が入力される第１の入力端と、系統の母線電圧検出値に基づいて演算された母線電圧位相が入力される第２の入力端とを有し、前記第１および第２の入力端に各々入力された位相の位相差を演算し、該位相差を零とする位相補正量を生成する位相偏差補正値演算回路を備え、
   自立運転から連系運転に切換える切換開始時刻から切換終了時刻までの期間を運転自動切換期間と定義し、自立運転中に母線電圧の復電が確認されてから、前記第１の入力端に入力された自立時制御位相が第２の入力端に入力された母線電圧位相に同期するまでの期間、前記自立位相指令に固定補正値を加算した位相指令に基づいて自立時制御位相を生成し、
   前記自立時制御位相と母線電圧位相の同期後、前記運転自動切換期間のうち、切換開始時刻から、該切換開始時刻と切換終了時刻の間の運転自動切換時刻までの期間、前記自立位相指令に、前記位相偏差補正値演算回路で生成された位相補正量を加算した位相指令に基づいて自立時制御位相を生成する自立時制御位相生成部と、
   前記発電機制御用電力変換回路および系統連系用電力変換回路の間の直流中間回路の直流電圧検出値と直流電圧指令値との偏差に対して直流電圧制御処理を施し、該直流電圧制御処理後の有効電流指令と有効電流検出値の偏差に対して自動電流制御処理を施して連系時のｄ軸電圧指令値を求め、
   系統の検出電圧、検出電流から求めた無効電力検出値と無効電力指令との偏差に対して無効電力制御処理を施し、該無効電力制御処理後の無効電流指令と無効電流検出値の偏差に対して電流制御処理を施して連系時のｑ軸電圧指令を求める連系時電圧指令生成部であって、
   前記運転自動切換期間において、前記直流電圧制御処理におけるＰＩ制御の積分項の初期値を、前記切換開始時刻前に保持しておいたｄ軸検出電流保持値に設定して直流電圧制御処理を動作させ、該直流電圧制御処理後の有効電流指令を前記ｄ軸検出電流保持値によって制限し、
   前記運転自動切換時刻において自立時ｄ軸電圧指令に代えて前記ｄ軸側の電流制御処理の出力を連系時のｄ軸電圧指令とし、
   前記切換開始時刻において、前記無効電力制御処理におけるＰＩ制御の積分項の初期値を、前記切換開始時刻以前に保持しておいたｑ軸電流保持値に設定して無効電力制御処理を動作させ、
   前記切換開始時刻から切換終了時刻までの運転自動切換期間では、無効電力制御処理の出力に代えて前記ｑ軸電流保持値を無効電流指令として前記電流制御処理へ入力し、
   前記運転自動切換時刻において、自立時ｑ軸電圧指令に代えて前記ｑ軸側の電流制御処理の出力を連系時のｑ軸電圧指令とする連系時電圧指令生成部と、
   系統電圧検出値を基に演算した位相に対してＰＩ制御を施して求めた系統電圧位相と、母線電圧検出値を基に演算した位相に、前記連系トランスの位相補成分を加算した母線電圧位相と、前記自立時制御位相生成部で生成された自立時制御位相とを選択して連系時の制御位相を生成する連系時制御位相生成部であって、
   前記運転自動切換期間の切換開始時刻に、前記系統電圧位相を求めるＰＩ制御の積分項の初期値を零とし、
   前記切換開始時刻と切換終了時刻の間の運転自動切換時刻に、前記自立時制御位相に代えて前記系統電圧位相に切換えておき、
   前記切換開始時刻から切換終了時刻になるまでは前記母線電圧位相を選択して制御位相として出力し、前記切換終了時刻以降は前記系統電圧位相を選択して制御位相として出力する連系時制御位相生成部と、
   を備えたことを特徴とする水力発電システムにおける自立／連系運転自動切換装置。
2. 前記連系時電圧指令生成部は、
   前記直流電圧制御処理後の出力に制限をかけるリミッタであって、前記切換開始時刻から切換終了時刻になるまでの間はｄ軸検出電流保持値を維持し、切換終了時刻後は、前記ｄ軸検出電流保持値から固定リミット値になるまで一定上昇率で増加するリミット値を有した有効電流指令リミッタと、
   系統連系用電力変換回路の出力電流検出値を３相／２相変換したｄ軸電流検出値、ｑ軸電流検出値を各々移動平均した値を、前記ｄ軸電流保持値、ｑ軸電流保持値として記憶する電流保持部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水力発電システムにおける自立／連系運転自動切換装置。

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