JP2019079282A

JP2019079282A - 電力系統安定化装置のチューニング装置

Info

Publication number: JP2019079282A
Application number: JP2017205802A
Authority: JP
Inventors: 啓太満原; Keita Mitsuhara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-05-23

Abstract

【課題】電力系統安定化装置のパラメータを自動でチューニングするに際し、パラメータの決定をするのは、設計者の経験とセンスによるところが大きく、最適化の判断が難しいという課題があった。【解決手段】ステップ応答波形、又はボード線図に基づいて目標値からの偏差を小さくするようにパラメータを増減させることを繰り返し、最適なパラメータを算出しチューニングを行う電力系統安定化装置のチューニング装置を実現した。【選択図】図２

Description

この発明は、電力系統の安定化を図る電力系統安定化装置のチューニング装置に関する。

発電機励磁系における電力系統安定化装置は、一般的にＰＳＳ（Power System Stabilizer）と呼ばれ、電力系統の安定度を向上させるため、発電機の有効電力や端子電圧等の動揺を速やかに抑制する制御装置である。ＰＳＳには、発電機の有効電力の基準値からの変化分△Ｐを入力信号とするＰ型ＰＳＳの他に、発電機の回転速度の基準値からの変化分△ωｇを入力信号とするω型ＰＳＳ等があるが、いずれのＰＳＳも、入力信号に対応する制御信号を生成して、その制御信号を発電機の自動電圧調整装置（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）に出力することにより、発電機の動揺を抑制する。このＰＳＳの伝達関数の制御定数（パラメータ）の決め方として、実際に発電機と接続し、ＰＳＳのゲインと位相とを自動でチューニングすることがなされている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１−１２９８００号公報

しかし、実際に発電機と接続してＰＳＳのパラメータを自動でチューニングするに際し、パラメータの初期値を、接続される発電機や電力系統の特徴などによらず一律に定めると、実機に対し適切なＰＳＳの応答を得るのに相当な時間が必要となる。しかし、現地試験では、調整できる時間・回数が限られており何度も調整できないため、最適なパラメータを現地で短時間に決定することは困難である。そのため、パラメータの初期値の設定には、電力系統と発電機及び励磁装置の近似モデルを作成し、机上でシミュレーションデータを元にパラメータを決定するのであるが、決定の仕方は、設計者の経験とセンスによるところが大きく、ＰＳＳの応答には速応性と収束性がトレードオフの関係があるため、最適化の判断が難しい、特にパラメータの決定に複数且つ複雑な因果関係があると、さらに設計が難しいという欠点があった。

この発明に係る電力系統安定化装置のチューニング装置は、電力系統安定化装置の伝達関数の第一のパラメータを設定する第一の設定手段、第一のパラメータにより、ステップ応答波形、又はボード線図に基づいて、電力系統安定化装置の動作をシミュレーションすることにより目標値からの偏差である第一の評価関数を算出する第一の評価関数算出手段、第一の評価関数を小さくするように第一のパラメータを増減する第一のパラメータ補正手段を備え、第一のパラメータ補正手段で補正された第一のパラメータを、第一の設定手段に新たに設定し、繰り返し第一の評価関数を算出して第一のパラメータを補正することにより第一のパラメータを最適化することを特徴とする。

この発明の電力系統安定化装置のチューニング装置によれば、電力系統安定化装置の伝達関数のパラメータを自動的にオフラインで最適化することができる。

本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置を含む発電機励磁制御装置全体の概念図である。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置の機能ブロック図である。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置のオフラインでのチューニング手順を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置のオフラインでのチューニング手順による評価関数を示す説明図である。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置のオフラインでのチューニング手順によりパラメータが最適化された際のステップ応答波形を示す説明図である。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置の別のオフラインでのチューニング手順を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置の別のオフラインでのチューニング手順による評価関数を示す説明図である。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置の別のオフラインでのチューニング手順による評価関数を示す説明図である。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置の別のオフラインでのチューニング手順による評価関数を示す説明図である。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置の別のオフラインでのチューニング手順によりパラメータが最適化された際のボード線図である。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置のハードウエア構成の概念図である。本発明の実施の形態１による電力系統安定化装置のチューニング装置に含まれる手段を説明する説明図である。本発明の実施の形態２による電力系統安定化装置のチューニング装置のオンラインでのチューニング手順を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２による電力系統安定化装置のチューニング装置のオンラインでのチューニング手順による評価関数を示す説明図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１は、実際に発電機と接続してＰＳＳのパラメータを決定するオンラインでのチューニングの前に、シミュレーションで、ステップ応答試験を行い、目標値との二乗誤差を評価関数として、伝達関数の各パラメータが最適値となるようにオフラインにてチューニングを行うようにした。このオフラインでのパラメータの最適値をオンラインでのチューニングの初期値として設定する。

図１は本発明の実施の形態１の電力系統安定化装置をチューニングするにあたり、電力系統安定化装置を含む発電機励磁制御装置全体の概念構成図である。計器用変流器１０１、計器用変成器１０２から信号検出器１０３にて発電機１００の端子電圧Ｖｇと発電機有効電力Ｐｇを検出する。検出した端子電圧Ｖｇと端子電圧設定値Ｖｇｒｅｆとを比較した偏差をＡＶＲ２にて増幅、及び位相調整したあと、自動パルス位相器４にてＡＶＲ出力に応じて位相したパルスを発生する。このパルスを用いてサイリスタ５の点弧角を制御し、発電機の界磁電圧を調整する。チューニング装置６は、オフラインでは、発電機励磁制御装置をシミュレーションすることにより、ＰＳＳ１のパラメータの最適値を算出する。また現地試験時にはＰＳＳ１にチューニング装置６を接続することによりＰＳＳ１のパラメータのチューニングを行う。

図２は、ＰＳＳ１とＡＶＲ２をモデリングしたチューニングの機能ブロック図で、発電機有効電力Ｐｇを入力とするＰＳＳ１の伝達関数ブロック１ａと、端子電圧Ｖｇを入力とする、ＡＶＲ２の伝達関数ブロック２ａが、各パラメータからなる伝達関数で示されている。Ｐ型ＰＳＳの伝達関数ブロック１ａは、発電機有効電力Ｐｇを入力とし、リセットフィルタ１ｃにより変化分△Ｐを算出し、位相補償部１ｄにより位相を遅らせ、ゲイン部１ｂでゲインＫｐを掛けて安定化信号Ｖｐｓｓを作成する。安定化信号Ｖｐｓｓはリミッタ１ｅを経由して、ＡＶＲ２に入力される。以下の手順で、ＰＳＳ１の伝達関数ブロック１ａの各パラメータを最適化するようにループ３を繰り返して自動的にチューニングを行う。

このチューニング機能を使用して、オフラインでの自動チューニングの手順を図３のフローチャートに示す。
（１）位相補償部１ｄの、位相進みのパラメータＴlead1〜Ｔlead3、及び位相遅れのパラメータＴlag1〜Ｔlag3の初期値を１とする（ステップＳ１）。
（２）シミュレーションで１回目のステップ応答試験を行い、目標値Ｚとの二乗誤差を評価関数として、△Ｅ１が算出される（ステップＳ２）。図４はステップ応答試験での評価関数△Ｅｎの大きさの推移を示している。なお、ここでの△Ｅｎは、ｎ回のステップ応答波形の全ての山を足し合わせたものをいう。
（３）Ｔlead1〜Ｔlead3、Ｔlag1〜Ｔlag3の各パラメータに、−０．０１、０、又は＋０．０１のいずれかを乱数として加算することで偏差△α１を与える（ステップＳ３）。
（４）２回目のステップ応答試験をして、評価関数△Ｅ２（図４参照）が算出される（ステップＳ４）。
（５）手順（２）で得られた評価関数△Ｅ１と手順（４）で得られた評価関数△Ｅ２を比較する（ステップＳ５）。
（６）ΔＥｎ＞ΔＥｎ＋１の場合、Ｔlead1〜Ｔlead3、Ｔlag1〜Ｔlag3の各パラメータに、＋０．０１を加算し、ΔＥｎ＜ΔＥｎ＋１の場合、−０．０１を加算して偏差Δα２を与える（ステップＳ６）。
（７）再度ステップ応答試験を行い新たな評価関数△Ｅ３（図４参照）を算出する（ステップＳ７、Ｓ４）。
（８）以上のように評価関数△Ｅｎと△Ｅｎ＋１について、ステップＳ４からステップＳ８までを所定回数(例えばｎ＝１０００)繰り返す。これを図２ではループ３と示している。
（９）所定回数ループを繰り返すことにより、図５に示すように、評価関数△Ｅｎは目標値Ｚになだらかに収束し、パラメータが最適化される。

上述したチューニングでは、ステップ応答試験での目標値Ｚとの二乗誤差を評価関数として△Ｅｎを算出したが、ボード線図を評価関数として△Ｆｎを算出してもよい。この手順を示すフローチャートを図６に示す。この場合、ボード線図でＰＳＳ１の効果が最も高くなる位相−９０度を目標値Ｙとする。ステップ応答試験で算出される評価関数同様、図６のステップＳ２１からＳ２７により、図７から図９に示すようにΔＦ１〜Ｆ３が算出され、ステップＳ２７からＳ２８のループを繰り返すことにより、目標値Ｙに近接する。１０００回ループを繰り返した後のボード線図は図１０となり、パラメータが最適化される。

チューニング装置６の、ハードウエア構成の一例を図１１に示す。チューニング装置６は少なくとも、プロセッサ６ａと記憶装置６ｂから構成され、記憶装置６ｂは図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ６ａは、記憶装置６ｂから入力されたチューニングのためのプログラムなどを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ６ａにプログラムが入力される。また、プロセッサ６ａは、演算結果等のデータを記憶装置６ｂの揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

上述した図３、及び図６のチューニングの手順を実現するために、チューニング装置６には、図１２に示すような以下の手段を含む。
（１）ステップＳ１、及びＳ２１を実行するパラメータ設定手段６１。
（２）ステップＳ２、Ｓ４、Ｓ２２、及びＳ２４を実行する評価関数算出手段６２。
（３）ステップＳ３、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ２３、Ｓ２５、及びＳ２６を実行するパラメータ補正手段６３。
これら手段はプログラムによりプロセッサ６ａにて実行される。

このように本発明の実施の形態１によれば、設計者の経験とセンスによることなく最適化されたパラメータを自動的にオフラインで決定することができる。

実施の形態２．
図１３は、本発明の実施の形態２のチューニングの手順を説明するフローチャートである。本発明の実施の形態２のチューニングは、現地試験でのオンラインによるチューニングである。
（１）Ｔlead1〜Ｔlead3、Ｔlag1〜Ｔlag3の各パラメータの初期値は、実施の形態１でオフラインで最適化された値とする（ステップＳ３１）。
（２）図１で説明した発電機励磁制御装置の電力系統安定化装置１にチューニング装置６を接続し、ステップ応答試験を行う。
（３）目標値Ｚを超えた時間t1以降に、１／２周期毎に目標値Ｚとの二乗誤差を評価関数△Ｇｎとする（ステップＳ３２）。図１４は、評価関数△Ｇｎを説明する説明図である。
（４）ΔＧｎ＋１とΔＧｎと比較して（初回は、ΔＧｎと初期値を比較）、規定の減衰率（本実施の形態２の場合、目標値との偏差が１％（周期Ｔｓｅｃ以上））に満たない場合は、ΔＧｎ＞ΔＧｎ＋１の場合、Ｔlead1〜Ｔlead3、Ｔlag1〜Ｔlag3の各パラメータに、＋０．０１を加算し、ΔＧｎ＜ΔＧｎ＋１の場合、−０．０１を加算して補正する（ステップＳ３４、Ｓ３６）。
（５）目標値との偏差が１％に満たない場合は、ステップＳ３２からステップＳ３７を繰り返す。
（６）目標値との偏差が１％以下となれば、チューニングを終了する。また、目標値との偏差が１％に満たない場合でも、チューニング開始から１分を超えたときはチューニングを終了する（ステップＳ３５）。
（２）から（６）の手順のループを繰り返すことで、オフラインでのパラメータの初期値を用いて、従来の三分の一程度のループの繰り返し時間で現地試験のチューニングが完了する。

本発明の実施の形態２を実現するためのチューニング装置６のハードウエア構成は本発明の実施の形態１と同様である。ただし、減衰率を算出するためのステップＳ３４をパラメータ補正手段で実行する。チューニング装置６は、オフライン時とオンライン時で同じ装置を使用しても、それぞれに設けた異なる装置を使用してもよい。

以上のように、本発明の実施の形態２では、現地試験において、ＰＳＳのパラメータのチューニングの初期値にオフラインチューニングで算出された最適値を使用するため、従来に比べ現地試験でのチューニングの時間が短縮される。さらに、ＰＳＳのパラメータを自動的にオンラインで最適化することができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。また図中、同一符号は、同一、又は相当する構成、機能を有する部分を示す。

１電力系統安定化装置（ＰＳＳ）、２自動電圧調整装置（ＡＶＲ）、１ａ、２ａ伝達関数ブロック、６チューニング装置、６１パラメータ設定手段、６２評価関数算出手段、６３パラメータ補正手段。

Claims

電力系統安定化装置の伝達関数の第一のパラメータを設定する第一の設定手段、前記第一のパラメータにより、ステップ応答波形、又はボード線図に基づいて、前記電力系統安定化装置の動作をシミュレーションすることにより目標値からの偏差である第一の評価関数を算出する第一の評価関数算出手段、前記第一の評価関数を小さくするように前記第一のパラメータを増減する第一のパラメータ補正手段を備え、前記第一のパラメータ補正手段で補正された第一のパラメータを、前記第一の設定手段に新たに設定し、繰り返し第一の評価関数を算出して前記第一のパラメータを補正することにより前記第一のパラメータを最適化することを特徴とする電力系統安定化装置のチューニング装置。
ｎ回目の第一の評価関数よりもｎ＋１回目の第一の評価関数の方が大きい場合、前記第一のパラメータを０．０１増加する補正を行い、ｎ回目の第一の評価関数よりもｎ＋１回目の第一の評価関数の方が小さい場合、前記第一のパラメータを０．０１減ずる補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力系統安定化装置のチューニング装置。ただし、前記ｎは自然数とする。
前記第一のパラメータ補正手段で最適化された第一のパラメータを第二のパラメータの初期値として設定する第二の設定手段、前記電力系統安定化装置に接続し、前記第二のパラメータにより、前記ステップ応答波形に基づいて前記電力系統安定化装置を動作させ、目標値からの偏差である第二の評価関数を算出する第二の評価関数算出手段、前記第二の評価関数が規定された範囲の数値に満たないとき、前記第二のパラメータを補正する第二のパラメータ補正手段を備え、前記第二のパラメータ補正手段で補正された第二のパラメータを前記第二の設定手段に新たに設定することで繰り返し第二の評価関数を算出してチューニング動作を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力系統安定化装置のチューニング装置。
前記第二のパラメータ補正手段は、連続する２つの周期のｎ回目の第二の評価関数よりもｎ＋１回目の第二の評価関数が大きい場合、前記第二のパラメータを０．０１増加する補正を行い、ｎ回目の第二の評価関数よりもｎ＋１回目の第二の評価関数の方が小さい場合、前記第二のパラメータを０．０１減ずる補正を行うことを特徴とする請求項３に記載の電力系統安定化装置のチューニング装置。ただし、前記ｎは自然数とする。
前記規定された範囲内の数値に満たなくても、あらかじめ決められた時間内でチューニング動作を終了することを特徴とする請求項４に記載の電力系統安定化装置のチューニング装置。