JP3140512B2 - 可変速発電電動機システムおよび可変速発電電動機の負荷遮断検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、周波数変換器を用いて
２次巻線を交流励磁し、可変速度にて発電機としてまた
は電動機として運転する可変速発電電動機システムに係
り、特に、電力系統遮断を検出するに好適な検出方法及
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電電動機システムの１例として、例え
ば、揚水または発電を行なう発電電動機システムがあ
る。従来、このような揚水または発電システムの発電電
動機としては、一般に同期機が用いられていることか
ら、一定回転速度による運転しか行なえないので、発電
量、揚水量及び落差により、ポンプ水車の効率が低下す
ること、また、揚水運転時の負荷調整が行えないという
問題があった。

【０００３】そこで、ポンプ水車の回転速度を可変にす
ることにより、上記問題点を解決する可変速揚水発電シ
ステムが提案されている。このシステムは、大容量の巻
線形の交流励磁同期機からなる可変速発電電動機（以
下、可変速機と称する。）の２次巻線を２次励磁する方
式とし、この励磁周波数を調整して可変速度での発電及
び揚水運転を実現するものである。

【０００４】このような可変速機と前述の同期機の大き
く異なる点として、同期機にあっては負荷トルク（有効
電力）に見合ったトルクは内部相差角が変化することに
より発生されるものであり、励磁電流がトルクに寄与す
るものではないのに対し、可変速機にあっては、２次励
磁電流をトルク成分（有効電力成分又ｑ軸成分とも称さ
れる）と、磁束方向成分（無効電力成分、電圧成分又ｄ
軸成分とも称される）とに分解して制御できることか
ら、それぞれ独立に有効電力と無効電力を制御すること
ができることにある。

【０００５】これらの特徴によって、それぞれの励磁制
御系は、 １）同期機においては、発電機電圧を一定に保つような
電圧一定制御（以下ＡＶＲと略す）によって励磁電圧を
制御する。

【０００６】２）可変速機においては、前記の様に有効
電力を一定に保つ有効電力制御（以下ＡＰＲと略す）
と、無効電力制御を行なうＡＶＲとをもち、これらによ
り２次励磁電流指令が決められ、当該電流指令と一致す
るよう電流一定制御（以下ＡＣＲと略す）によって励磁
電流を制御する機能を有する。可変速機については、例
えば、特開昭６２−１８１６９８号公報に示すものがあ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した可変
速機にあっては、その特徴に起因して、次に述べるよう
な問題点が生ずるおそれがある。

【０００８】すなわち、１次側系統である電力系統の近
端、遠端遮断時又は可変速機の負荷遮断時（以下、電力
系統遮断時と総称する。）に、出力電圧が急上昇してし
まう現象が現われることである。

【０００９】同期の場合は、系統の負荷がなくなると、
内部相差角が零に戻され、発電機電圧の上昇ΔＶに対し
ては、ＡＶＲにより、励磁電圧が絞られるため、発電機
電圧は上昇することなく指令値に保持される。

【００１０】しかし、可変速機においては、系統の負荷
がなくなると、トルク電流成分（ｑ軸成分）もＡＶＲに
かかる磁束方向成分（ｄ軸成分）−具体的には、ｑ軸成
分とｄ軸成分のベクトル合成が発電機電圧を決定する。
−となる為、発電機電圧の上昇ΔＶが発生するのであ
る。

【００１１】更に、上記の可変速機全般の問題に加え
て、ＡＶＲとＡＣＲとを有する発電電動機システム固有
の問題もある。すなわち、発電機電圧を決定する２次励
磁電流は、発電機電圧の上昇に伴って動作するＡＶＲの
ｄ軸電流指令下げ操作よりも、マイナーループであるＡ
ＣＲの応答が速くなるように、設計されているため、Ａ
ＣＲは、高速に前記のベクトル合成した電流指令値まで
に、２次励磁電流を増大させるため、発電機電圧上昇が
速い。つまり、発電機電圧の上昇ΔＶは、ＡＣＲの応答
性によって決まると言えることになる。発電機電圧の上
昇ΔＶを制御するためには、ＡＣＲの応答を下げて、Ａ
ＶＲの応答を上げれば良いことになる。しかしながら、
マイナーループであるＡＣＲより、メインループのＡＶ
Ｒの応答を高くすることは制御の安定性を欠くことにな
り問題がある。

【００１２】したがって、電力系統遮断が発生した場
合、発電機電圧の上昇ΔＶを制御するには、ＡＣＲの応
答より速い電力系統検出が必須となる。

【００１３】これを考慮した従来技術として、特願平１
−２８８９０７号公報に記載された技術がある。これ
は、発電機の出力電圧を測定して、負荷遮断を検知する
ものである。そして、負荷遮断があったと判断したとき
は、励磁電流のうち有効電力分を０とする制御を行なう
ものであった。しかし、電力系統に雷撃等の系統事故を
生じた場合、系統電圧のひずみ等による外乱が発生する
が、前記負荷遮断と系統事故を弁別する必要があり、高
速で信頼性の高い負荷遮断検出が要求される。所が、こ
の従来技術においては、電力系統の事故については、配
慮がされていなかった。

【００１４】本発明の目的は、発電電動機の１次側系統
の遮断を信頼性良く検出して、可変速発電電動機を制御
する可変速発電電動機システムを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題は、発電電動機
と、上記発電電動機の２次巻線に２次励磁電流を出力す
る周波数変換器と、上記周波数変換器に２次励磁電流指
令値を出力する制御部とを有し、可変速度で発電運転ま
たは電動運転を行なう可変速発電電動機システムにおい
て、２次励磁電流の検出手段と、上記２次励磁電流の検
出値に含まれる、発電電動機の回転数周波数成分を減衰
させるフィルターと、上記２次励磁電流指令値と、上記
フィルタ−の出力との偏差の検出を行なう第１の偏差検
出手段と、上記偏差により、上記発電電動機の１次側系
統の遮断を検出し、検出信号を出力する第１の検出手段
とを有し、上記制御部は、上記検出信号により、２次励
磁電流指令値を修正することにより達成される。

【００１６】

【作用】ここで、本発明の作用について説明する。

【００１７】発電電動機と、上記発電電動機の２次巻線
に２次励磁電流を出力する周波数変換器と、上記周波数
変換器に２次励磁電流指令値を出力する制御部とを有
し、可変速度で発電運転または電動運転を行なう可変速
発電電動機システムにおいて、２次励磁電流指令値の検
出手段は、制御部の出力する２次励磁電流指令値を検出
する。２次励磁電流の検出手段は、周波数変換器が出力
する２次励磁電流を検出する。フィルターは、上記２次
励磁電流の検出値に含まれる、発電電動機の回転数周波
数成分を減衰させる。第１の偏差検出手段は、上記２次
励磁電流指令値と、上記フィルタ−の出力との偏差の検
出を行なう。第１の検出手段は、上記偏差により、上記
発電電動機の１次側系統の遮断を検出し、検出信号を出
力する。上記制御部は、上記検出信号により、２次励磁
電流指令値を修正する。

【００１８】

【実施例】本発明に係わる可変速発電電動機システムを
有する電力系統に関する実施例について述べる。

【００１９】まず、電力系統が遮断されると、可変速機
は、電力系統から開放されるため可変速機の負荷は瞬時
に零となる。これに伴って、２次励磁電流(実励磁電流)
は、トルク電流成分Ｉｑと磁束方向成分Ｉｄの合成とな
り、発電機電圧は上昇する方向となる。しかし、遮断直
後は、可変速機の磁束を一定に保つように電機子反作用
によって実励磁電流は減じられる現象を生じる。その
後、ＡＣＲによって、前記のＩｄ，Ｉｑの合成した電流
指令まで励磁電流を増加させる為、可変速機の発電機電
圧は急激に上昇する。

【００２０】本発明における２次励磁電流による負荷遮
断検出は、前記の実励磁電流が減じる現象を励磁電流指
令値との偏差過大として検出し、負荷遮断検出する様に
作用させることにある。しかし、励磁電流指令と実励磁
電流の偏差過大は、電力系統遮断だけでなく電力系統事
故においても発生する。この時の実励磁電流は、回転速
度相当の周波数を持った脈動電流が重畳された電流とな
る為、この脈動成分を減衰させるフィルタ−を実励磁電
流検出値に作用させることにより、負荷遮断検出が達成
できる。

【００２１】また、各周波数変換器の出力である実励磁
電流に重畳している前記脈動電流成分は交流条件を満足
しており、ベクトル合成は零になる為、前記実励磁電流
の振幅計算を行い、２次励磁電流指令の振幅と比較する
ことにより、電力系統負荷遮断であるか、系統事故であ
るか弁別できるので、負荷遮断検出が達成できる。

【００２２】また、前記遮断器の前後の電圧波形が負荷
遮断前後で大きく異なる為、前記２つの電圧波形を比較
することにより、負荷遮断検出が達成できる。

【００２３】以下に、本発明を実施例に基づいて説明す
る。

【００２４】図３に本発明に係る可変速発電電動機シス
テムである可変速揚水発電システムの一実施例の全体構
成を示す。

【００２５】図３において、可変速揚水発電システム
は、主変圧器４を介して電力系統５に接続されている。
すなわち、ポンプ水車１に連結されている可変速機２の
１次端子は、遮断器３，８と主変圧器４を介して電力系
統５に接続されている。

【００２６】可変速揚水発電システムは、ポンプ水車１
と、可変速発電電動機である可変速機２と、遮断器３，
８と、周波数変換器６Ａ〜６Ｃと、励磁用変圧器７Ａ〜
７Ｃと、有効電力・電圧制御装置１５と、励磁電流制御
装置１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃと、電流指令演算器２２
と、電流一定演算器２３と、パルス発生器２４と、位相
検出器１２と、基準信号発生器１３と、負荷遮断検出装
置５０Ａ，５０Ｂと、遮断器制御装置３０と、有効電力
・電圧検出器１１とを有する。さらに、２次励磁電流の
検出手段である実励磁電流検出器２９Ａ，２９Ｂ，２９
Ｃを有する。有効電力・電圧制御装置１５と、励磁電流
制御装置１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃと、電流指令演算器２
２と、電流一定演算器２３と、パルス発生器２４と、位
相検出器１２と、基準信号発生器１３と、遮断器制御装
置３０は、制御部を構成する。

【００２７】可変速機２の２次巻線は、周波数変換器６
Ａ〜６Ｃより３相交流励磁される。周波数変換器６Ａ〜
６Ｃは、励磁用変圧器７Ａ〜７Ｃと遮断器８を介して主
変圧器４に接続される。発電機の有効電力ＰL、電圧ＶG
の制御は、有効電力・電圧制御装置１５において、有効
電力指令ＰO、電圧指令ＶOと、有効電力・電圧検出器１
１（電流検出器１０により電流を検出し、変圧器９Ａ〜
９Ｂを介して電圧を検出し、有効電力・電圧を求める）
からの有効電力ＰL、電圧ＶGとより、トルク電流成分Ｉ
ｑと磁束電流成分Ｉｄを求め、これらを励磁電流制御装
置１４Ａ〜１４Ｃへ出力することにより行う。励磁電流
制御装置１４は、ＩｑとＩｄ及び位相検出器１２と基準
信号発生器１３から求められる基準信号１３１Ａ〜１３
１Ｃにより交流の励磁電流指令Ｉrefを演算する電流指
令演算器２２と、実励磁電流検出２９Ａ〜２９Ｃと前記
電流指令Ｉrefが一致するよう作用する電流制御２３と
パルス発生器２４から成る。

【００２８】各遮断器３，８，１６Ａ，１６Ｂは、遮断
器制御装置３０から投入／遮断指令が出力される。本実
施例に係る負荷遮断検出装置は、２次励磁電流を監視す
る負荷遮断検出装置５０Ａと遮断器の電圧波形を監視す
る負荷遮断検出装置５０Ｂとを有する。

【００２９】図４に、負荷遮断時及び系統事故時の現象
を１相についてのみ示す。本図では、励磁電流指令Ｉre
fを実線で、実励磁電流ＴFBを定常時ＩFB1（ｍｍ）、負
荷遮断時ＩFB₂（一点鎖線…）、系統事故時ＩFB3（破線
…）で示す。定常時は電流指令Ｉrefと実電流ＩFBがＡ
ＣＲにより一致している。負荷遮断により実電流ＩFB2
は、電機子反作用により減じられるがＡＣＲにより電流
指令まで引戻される。系統事故時の実励磁電流ＩFB3
は、ＩFB1に回転数相当の周波数を持った脈動電流が重
畳される。

【００３０】本発明では、前記負荷遮断時の電流ＩFB2
と系統事故時の電流ＩFB3を弁別することを考慮してい
る。

【００３１】図１及び図５に、励磁電流を監視する負荷
遮断検出装置とその動作を示す。図１は、系統事故時に
発生する周波数成分を減衰させるフィルター５１を設け
ることにより、系統事故時の脈動電流を抑制する負荷遮
断検出装置を示す。負荷遮断検出装置５０Ａは、第１の
偏差検出手段５３と、励磁電流指定ＩrefA〜ＩrefCと実
励磁電流のＩFBA〜ＩFBCの偏差を設定値５４と比較す
る、第１の検出手段である比較器５２とを有し、偏差が
設定値より過大であることを検出すると負荷遮断検出信
号ＯＵＴを出力する。この負荷遮断検出信号ＯＵＴを有
効電力・電圧制御装置１５は受けて、有効電力の指令値
を０とすることにより、電圧の上昇を防ぐ。これは、例
えば、特願平１−２８８９０７号公報に記載されている
方法で実施することができる。

【００３２】図６，図７に可変速機２に対して負荷遮断
を行う遮断器の前後の電圧波形を監視する負荷遮断検出
装置５０Ｂの構成及び動作を示す。負荷遮断検出装置５
０Ｂは、第３の偏差検出手段５３´´と、第３の検出手
段である比較器５２´´とを有する。偏差検出手段５３
´´は、遮断機１６Ａの入力側と出力側の電圧の偏
差を求める。図７に示すように、遮断によって電力系統
側と可変速機側の回路が切れるため電圧波形の振幅又は
位相は異なったものになる。これより図６に示す装置に
より、電力系統側と可変速機側の電圧波形を検出し、両
電圧の偏差過大を検出する。遮断機３の入力側と出力側
の電圧、遮断機８の入力側と出力側の電圧 につ
いても同様にして偏差を求める。

【００３３】さらに、図３の遮断器制御装置３０が出力
する、可変速機２に対して負荷遮断を行う遮断器の遮断
指令３０１，３０２，３０３を、有効電力・電圧制御装
置１５は、信号３０４として受けて、有効電力の指令値
を０とする。

【００３４】図２に、第２の実施例である励磁電流を監
視する負荷遮断検出装置を示す。負荷遮断検出装置以外
は第１の実施例と同様である。負荷遮断検出装置５０Ａ
´は、第１の合成手段５５と、第２の合成手段５６と、
第２の偏差検出手段５３´と、第２の検出手段である比
較器５２´とを有する。各周波数変換器から出力される
３相を合成した電流指令ＩrefA〜ＩrefCの振幅｜ＩFB｜
と実励磁電流ＩFBA〜ＩFBCの振幅｜ＩFB｜について、ベ
クトル合成の演算をする。系統事故時の実励磁電流の振
幅｜ＩFB｜は、図４のＩFB1〜ＩFB3の記号を使って、 ｜ＩFB｜＝｜ＩFB1｜＋｜ＩFB3｜ …（１） と表わせる為、励磁電流指定｜Ｉref｜との偏差Δ｜Ｉr
ef｜について下式が成立する。

【００３５】 Δ｜Ｉref｜＝｜Ｉref｜−｜ＩFB｜≦０ …（２） このため、負荷遮断時のＩFBが減じる現象と異なり、弁
別が可能である。負荷遮断の検出時点は、図１と同様、
偏差過大を検出した時刻である。

【００３６】他の負荷遮断検出の方法として、前記の各
遮断検出方法を組合せることにより誤動作に対する信頼
性の高い負荷遮断検出装置を構成することができる。例
えば、遮断器の遮断指令を負荷遮断検出とした場合、遮
断器の動作時間により実遮断前に負荷遮断としてしまう
可能性もあるが、図１の構成と組合せることにより、実
遮断時刻を誤認識する率を減らして、的確に検出するこ
とが出来る。更に、定常運転時に別な要因で電流指令Ｉ
refと実電流ＩFBの偏差が発生した場合、遮断器の遮断
指令が出ていなければこれがインターロックとなって誤
動作を防止できる。 なお、上記の実施例は、負荷遮断
検出方法として、複数の方法を同時に実施するものであ
るが、本発明は、これに限られるものではなく、個々の
方法を単独で実施しても、本発明の目的を達成すること
ができる。

【００３７】また、本発明は、発電電動機の負荷遮断検
出に限られるものではなく、可変速である発電機の負荷
遮断検出、または可変速である電動機の負荷遮断検出に
も適用できる。

【００３８】尚、本発明に係わる手段は、マイクロコン
ピュータでも実現できる。

【００３９】以上説明したように、本発明によれば、電
力系統が遮断されたときに、瞬時に遮断を検出すること
ができる。更に、系統事故と負荷遮断を弁別しており負
荷遮断検出としての信頼性は非常に高い。

【００４０】また、負荷遮断検出の方法及び装置構成と
その機能は非常に簡単なもので実現できるため、可変速
機の負荷遮断時の発電機電圧上昇ΔＶの抑制できる効果
がある。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、発電電動
機の１次側系統の遮断を信頼性良く検出して、可変速発
電電動機を制御する可変速発電電動機システムを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】負荷遮断検出装置のブロック図。

【図２】負荷遮断検出装置の他の実施のブロック図。

【図３】可変速揚水発電システムの全体構成図。

【図４】負荷遮断、系統事故時の２次励磁電流の挙動の
説明図。

【図５】図１、図２の実施例における動作タイムチャー
ト。

【図６】負荷遮断検出装置の他の実施のブロック図。

【図７】図６の実施例における動作タイムチャート。

【符号の説明】

１…ポンプ水車、２…可変速機、３，８，１６Ａ，１６
Ｂ…遮断器、６Ａ〜６Ｃ…周波数変換器、７Ａ〜７Ｃ…
励磁用変圧器、１２…基準信号発生器、１３…位相検出
器、１４…励磁電流制御装置、１５…有効電力・電圧制
御装置、２２…電流指令演算器、２３…電流一定演算
器、２４…パルス発生器、３０…遮断器制御装置、５０
Ａ，５０Ｂ…負荷遮断検出装置、５１…フィルタ−、５
２…比較器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 明男 茨城県日立市大みか町五丁目２番１号 株式会社 日立製作所 大みか工場内 (72)発明者 西 美憲 大阪府大阪市北区中之島三丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 ▲くず▼坂 聡 大阪府大阪市北区中之島三丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 中川 博人 大阪府大阪市北区中之島三丁目３番22号 関西電力株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−243895（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−243898（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−178800（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 9/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発電電動機と、上記発電電動機の２次巻線
   に２次励磁電流を出力する周波数変換器と、上記周波数
   変換器に２次励磁電流指令値を出力する制御部とを有
   し、可変速度で発電運転または電動運転を行なう可変速
   発電電動機システムにおいて、 ２次励磁電流の検出手段と、 上記２次励磁電流の検出値に含まれる、発電電動機の回
   転数周波数成分を減衰させるフィルターと、 上記２次励磁電流指令値と、上記フィルタ−の出力との
   偏差の検出を行なう第１の偏差検出手段と、 上記偏差により、上記発電電動機の１次側系統の遮断を
   検出し、検出信号を出力する第１の検出手段とを有し、 上記制御部は、上記検出信号により、２次励磁電流指令
   値を修正することを特徴とする可変速発電電動機システ
   ム。
2. 【請求項２】発電電動機と、上記発電電動機の２次巻線
   に２次励磁電流を出力する周波数変換器と、上記周波数
   変換器に２次励磁電流指令値を出力する制御部とを有
   し、可変速度で発電運転または電動運転を行なう可変速
   発電電動機システムにおいて、 ２次励磁電流指令をベクトル合成する第１の合成手段
   と、 ２次励磁電流の検出手段と、 検出した２次励磁電流をベクトル合成する第２の合成手
   段と、 上記第１の合成手段の出力と、上記第２の合成手段の出
   力との偏差の検出を行なう第２の偏差検出手段と、 上記偏差により、上記発電電動機の１次側系統の遮断を
   検出し、検出信号を出力する第２の検出手段とを有し、 上記制御部は、上記検出信号により、２次励磁電流指令
   値を修正することを特徴とする可変速発電電動機システ
   ム。
3. 【請求項３】発電電動機と、上記発電電動機の２次巻線
   に２次励磁電流を出力する周波数変換器と、上記周波数
   変換器に２次励磁電流指令値を出力する制御部とを有
   し、可変速度で発電運転または電動運転を行なう可変速
   発電電動機システムの負荷遮断検出方法であって、 ２次励磁電流を検出すること、 上記２次励磁電流の検出値から、発電電動機の回転数周
   波数成分を減衰させること、 上記２次励磁電流指令値と、上記フィルタ−の出力との
   偏差の検出を行なうこと、 上記偏差により、上記発電電動機の１次側系統の遮断を
   検出し、検出信号を出力すること、 上記検出信号により、２次励磁電流指令値を修正するこ
   とよりなることを特徴とする可変速発電電動機システム
   の負荷遮断検出方法。
4. 【請求項４】発電電動機と、上記発電電動機の２次巻線
   に２次励磁電流を出力する周波数変換器と、上記周波数
   変換器に２次励磁電流指令値を出力する制御部とを有
   し、可変速度で発電運転または電動運転を行なう可変速
   発電電動機システムの負荷遮断方法であって、 ２次励磁電流指令をベクトル合成すること、 ２次励磁電流を検出すること、 検出した２次励磁電流をベクトル合成すること、 上記２つの合成結果の偏差の検出を行なうこと、 上記偏差により、上記発電電動機の１次側系統の遮断を
   検出し、検出信号を出力すること、 上記検出信号により、２次励磁電流指令値を修正するこ
   とよりなることを特徴とする可変速発電電動機システム
   の負荷遮断方法。