JP3305899B2 - 発電機の電力安定化装置 - Google Patents

発電機の電力安定化装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、発電機の端子電圧が目
標値になるように励磁量を調節する自動電圧調整装置に
電圧調整信号を補助信号として入力するための発電機の
電力安定化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、発電機の励磁制御装置は発電機
の端子電圧を目標電圧に一定に保つ自動電圧調整器(A
VR)と、その目標電圧を調整することにより発電機運
転の安定化を図る電力安定化装置(PSS)から構成さ
れる。電力安定化装置は、発電機に加わる外乱によって
生じる相差角動揺に対する制動力を高めるようにしたも
ので、有効電力の変化分ΔP、発電機角速度の変化分Δ
ω又は系統側周波数の変化分Δf等の安定化信号を検出
演算し、自動電圧調整装置の電圧調整信号の補助信号と
して入力している。すなわち、電力安定化装置は、これ
らの安定化信号をリセットフィルタ、進み遅れ回路、又
は帯域除去フィルタを通し、ノイズを落とし、電圧の定
常偏差を無くし、更に位相を修正して適当な電圧調整信
号に加工して出力するように構成されている。
【0003】電力安定化装置の中で特に多く用いられて
いるのは、有効電力の変化分ΔPを用いるタイプのもの
(以下、ΔP−PSSという)である。このタイプは高
周波ノイズに強いことと、位相補償をあまり必要としな
いことから、関数の設定が他のタイプと比較して容易で
あるからである。
【0004】ここで、電力安定化装置は、角速度変化分
Δωと同期した位相で発電機の界磁を変化させると、最
も効率的に電力の動揺を抑えることが出来る。一方、電
力安定化装置の出力から界磁の強さまでには、界磁回路
の遅れのために位相が約90度遅れる。したがって、電
力安定化装置としては、界磁回路の遅れを補償するため
に、角速度変化分Δωより90度進んだ信号で、かつ角
速度変化分Δωと同期した位相である角加速度変化分Δ
aをフィードバックするのが望ましい。しかし、角加速
度変化分Δaの検出は困難である。
【0005】そこで、角加速度変化分Δaの代わりに、
ほぼそれに比例した有効電力変化分ΔPをフィードバッ
クする方式であるΔP−PSSを採用している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】ところが、有効電力の
変化分ΔPを用いる電力安定化装置は実用的なものでは
あるが、発電機の出力変化に代表される低周波の外乱に
弱い。特に、一定速度で発電機の出力を変化させると有
効電力の変化分ΔPは一定値となるので、電力安定化装
置は常に一定の電圧目標修正値を出力することになる。
自動電圧調整装置はこの値に追従するように発電機端子
電圧を制御するので、発電機出力が変化し続けている間
は、発電機電圧は所定値からずれてしまう。
【0007】これは、発電機の負荷変化時には、発電機
はほとんど一定回転数で回転しているので、角加速度変
化分Δaはほとんど0であるのに、有効電力Pで見る
と、ランプ上の変化となり、電力安定化装置が不要な電
圧操作を行うことになるからである。
【0008】また、従来はこのような不要な低周波外乱
による自動電圧調整装置の電圧操作を少しでも低減する
ために、5秒程度のリセットフィルタを付加していた
が、電力動揺が0.3Hz程度の以下の長周期動揺であ
る場合には、このリセットフィルタはリセットしていた
ので、リセットフィルタの設置も有効な手段ではなかっ
た。
【0009】本発明の目的は、発電機の出力変化に代表
される低周波の外乱に強い発電機の安定化装置を得るこ
とである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の発電機の電力安
定化装置は、発電機の安定化信号の変化分に基づいて発
電機の角加速度変化分推定値を算出する角加速度オブザ
ーバと、この角加速度オブザーバからの角加速度変化分
推定値に基づいて自動電圧調整装置への電圧調整補正信
号を算出する電力安定化回路とを有しており、上記角加
速度オブザーバは、有効電力変化分に基づいて電力動揺
を再現し、角速度変化分推定値、相差角変化分推定値及
び有効電力変化分推定値を算出し、これらに基づいて角
加速度変化分推定値を算出する角加速度変化分推定値算
出手段と、有効電力変化分と有効電力変化分推定値との
偏差に基づいた信号を算出し角加速度変化分推定値算出
手段に帰還する有効電力変化分帰還手段とを備えてい
る。
【0011】
【0012】また、角加速度オブザーバには、必要に応
じて、角速度変化分と角速度変化分推定値との偏差に基
づいた信号を算出し角加速度変化分推定値算出手段に帰
還する角速度変化分帰還手段を設けたり、発電機の界磁
の遅れを再現する一次遅れフィルタを設ける。
【0013】
【作用】本発明の角加速度オブザーバは、電力動揺に伴
う有効電力変化分ΔPが検出されると、それにより予想
される電力動揺が角加速度変化分推定手段でシミュレー
ションされる。このシミレーションにより得られた角加
速度変化分推定値を安定化回路に入力する。電力安定化
回路はこの角加速度変化分推定値に基づいて、自動電圧
調整装置に電圧調整信号を出力する。
【0014】また、有効電力変化分帰還手段は、有効電
力の変化分ΔPの推定値と実測値との偏差に適切なゲイ
ンを掛けた後、この角加速度変化分推定手段に帰還す
る。同様に、角速度変化分推定手段は、発電機角速度の
変化分Δωの推定値と実測値との偏差に適切なゲインを
掛けた後、角加速度変化分推定手段に帰還する。これに
より、時間と共に発生するシミュレーションによる予測
値と実測値とのずれを補正する。
【0015】したがって、精度良く推定された角加速度
を電力安定化回路に用いることにより、直接有効電力変
化分を用いていたとき問題になった低周波のノイズが除
去される。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図1は本
発明の電力安定化装置を示す構成図である。角加速度オ
ブザーバ1は測定信号として有効電力変化分ΔP又はΔ
ωを入力し、角加速度変化分推定値Δaを算出するもの
である。角加速度オブザーバ1で得られた角加速度変化
分推定値は、安定化信号として電力安定化回路2に入力
され、ここで自動電圧調整装置3の電圧調整信号eが算
出される。この電圧調整信号eは加算器4で発電機の目
標電圧V0と加算され、自動電圧調整装置3に入力され
る。自動電圧調整装置3は、この電圧調整信号eを加味
して、発電機の端子電圧が目標電圧V0になるように発
電機の励磁量を制御する。
【0017】このように本発明の電力安定化装置は、発
電機の角加速度を推定する角加速度オブザーバ1を有
し、この推定された角加速度を電力安定化回路2の安定
化信号とする。また、角加速度オブザーバ1は、少なく
とも電力動揺を再現する回路を有し、これを用いて有効
電力変化分または発電機角速度変化分を推定する。この
有効電力変化分推定値または発電機の角速度変化分推定
値と、実測した有効電力変化分信号または発電機の角速
度変化分信号との偏差を計算し、この偏差信号にゲイン
を掛けた信号を電力動揺を再現する回路に帰還する機能
を持つ。
【0018】次に、角加速度オブザーバ1が精度良く角
加速度を推定できる原理を説明する。本発明の角加速度
オブザーバ1は、上述のように電力動揺を再現する回路
を有する。この電力動揺再現回路で、電力動揺に伴う有
効電力変化分ΔPが検出されると、それにより予想され
る電力動揺がシミュレーションされる。
【0019】ここで、単なる電力動揺のシミュレーショ
ンだけであれば、実際の電力動揺の振動周波数や減衰率
と、この回路のそれとが多少はずれるので、時間と共に
シミュレーションによる予測と実際の観測値がずれてい
く。そこで、有効電力の変化分ΔP又は発電機の角速度
の変化分Δωの、回路による推定値と実測値の偏差に適
切なゲインを掛けた後この回路に帰還するようにしてい
る。
【0020】これにより、回路の推定値の位相と大きさ
を補正し、実測値とほぼ等しいものにすることが出来
る。この一般論は制御理論の中のオブザーバ理論やカル
マンフィルタの理論として確立されている。このような
構成の電力動揺の再現回路は、この回路が持つ振動モー
ド以外では働きづらいので、低周波のノイズを精度良く
除くことができる。
【0021】上記の原理により精度良く推定された角加
速度を電力安定化回路2に用いることにより、直接有効
電力変化分を用いていたとき問題になった低周波のノイ
ズが除去される。
【0022】図2は、本発明の角加速度オブザーバ1の
第1の実施例を示す構成図である。角加速度オブザーバ
1は、有効電力変化分に基づいて電力動揺を再現し、角
速度変化分推定値Δωs、相差角変化分推定値Δδs及
び有効電力変化分推定値ΔPsを算出し、これらに基づ
いて角加速度変化分推定値asを算出する角加速度変化
分推定値算出手段11と、有効電力変化分ΔPと有効電
力変化分推定値ΔPsとの偏差に基づいた信号を算出し
角加速度変化分推定値算出手段11の加算器4aに帰還
する有効電力変化分帰還手段12とを備えている。
【0023】この第1の実施例では、電力動揺の再現回
路は、角加速度推定値Δaを積分して角速度推定値Δω
sを求める積分器5aと、更に角速度推定値Δωsを積
分して相差角推定値δsを求める積分器5bと、角速度
推定値Δωsに比例した減衰力推定値DΔωsを求める
比例器6aとから構成されており、これにより電力動揺
モードの振動を表現している。
【0024】また、相差角推定値Δδsを比例器6bで
K1倍することにより、有効電力変化分推定値ΔPsを
求め、加算器4aで測定値ΔPとの偏差を計算し、それ
を帰還ゲイン7でL1倍して加算器4bに帰還してい
る。このように、この第1の実施例では、角速度センサ
が不要であるので、簡易に実施することが出来る。
【0025】図3は、本発明の角加速度オブザーバ1の
第2の実施例の構成図を示すものである。この第2の実
施例では、測定信号として有効電力変化分ΔPに加えて
角速度変化分Δωも用いたものである。電力動揺を表現
するブロックは図2に示した第1の実施例の場合と同じ
である。異なる点は、角速度変化分Δωに関する測定値
Δωと推定値Δωsとの偏差を加算器4aで計算し、帰
還ゲイン7でL2倍して角加速度変化分Δasの計算に
帰還している点である。
【0026】図4は、本発明の角加速度オブザーバ1の
第3の実施例の構成図を示すものである。この第3の実
施例と図3に示した第2の実施例との相違点は、角速度
変化分Δωに関する測定値Δωと推定値Δωsとの偏差
を帰還する点が推定値Δωsである点である。このよう
にしても適切な帰還ゲイン7cの定数L3を設定するこ
とにより、角加速度オブザーバ1を構成することが出来
る。
【0027】これら第2の実施例及びこの第3の実施例
は、角速度変化分Δωを検出する角速度センサがある場
合の実施例である。いずれの場合も調整を要する帰還ゲ
インが少ないので、容易に調整することが出来る。
【0028】図5は、本発明の角加速度オブザーバ1の
第4の実施例を示す構成図である。この第4の実施例で
は、測定信号として角速度変化分Δωと有効電力変化分
ΔPを用い、測定値と推定値との偏差を角速度変化分推
定値Δωsと有効電力変化分推定値ΔPsの修正に用い
ている。
【0029】また、この第4の実施例では、電力動揺を
再現する回路として、以上の第1の実施例乃至第3の実
施例のような単純な2次振動モードに加えて、励磁の遅
れを表す1次遅れフィルタ8を設けている。
【0030】この第4の実施例では、発電機の動態安定
度ブロック図とよばれるモデルをそのまま用いており、
初期設定の系統状態に変化がなければ、ここで取り上げ
た実施例の中では最も精度良く動揺モードを表現する。
また、偏差を角加速度変化分Δaと角速度変化分Δωと
の修正に用いているが、更に1次遅れフィルタ8の状態
修正にも用いることが出来、この場合は帰還ゲインをカ
ルマンフィルタとして容易に求めることが出来る。
【0031】図6乃至図8は、図5の角加速度オブザー
バ1を用いて長周期から短周期までの角加速度aを推定
したシミュレーション計算の結果を示す。図6に示すよ
うに、短周期では、推定値asは測定値aより少し小さ
くなっており、少し小さな振動を推定するものの、いず
れも位相は精度良く一致している。また、図7の中周期
や図8の長周期では、振幅も極めて精度良く推定出来て
いる。このように、この第4の実施例により精度良く角
加速度が推定できる。
【0032】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、最
も効率的に電力の動揺を抑えることが出来る角速度変化
分と同位相の角加速度変化分を推定し、その角加速度変
化分に基づいて自動電圧調整装置に電圧調整信号を与え
るので、発電機の負荷変化時の電力安定化装置の不要な
電圧操作を除くことができる。
【0033】また、電力動揺に0.3Hz程度の以下の
長周期動揺がでた場合であっても、リセットフィルタの
リセット時間を長くとれるので、長周期の電力動揺に対
しても有効になるという大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電力安定化装置を示す構成図
【図2】本発明の角加速度オブザーバの第1の実施例を
示す構成図
【図3】本発明の角加速度オブザーバの第2の実施例を
示す構成図
【図4】本発明の角加速度オブザーバの第3の実施例を
示す構成図
【図5】本発明の角加速度オブザーバの第4の実施例を
示す構成図
【図6】本発明の第4の実施例による短周期の場合の特
性図
【図7】本発明の第4の実施例による中周期の場合の特
性図
【図8】本発明の第4の実施例による長周期の場合の特
性図
【符号の説明】
1 角加速度オブザーバ 2 電力安定化回路 3 自動電圧調整装置 4 加算器 5 積分器 6 比例器 7 帰還ゲイン 8 一次遅れフィルター 11 角加速度変化分推定値算出手段 12 有効電力変化分帰還手段 13 角速度変化分帰還手段
フロントページの続き (72)発明者 高木 幸三 東京都府中市東芝町1番地 株式会社東 芝 府中工場内 (72)発明者 ▲榊▼ 吉孝 東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会 社東芝 本社事務所内 (56)参考文献 特開 昭56−148140(JP,A) 特開 昭59−230431(JP,A) 特開 昭50−118232(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02J 3/00 - 5/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発電機の端子電圧が目標値になるように
    励磁量を調節する自動電圧調整装置に電圧調整信号を補
    助信号として入力するための発電機の電力安定化装置に
    おいて、前記発電機の安定化信号の変化分に基づいて前
    記発電機の角加速度変化分推定値を算出する角加速度オ
    ブザーバと、この角加速度オブザーバからの前記角加速
    度変化分推定値に基づいて前記自動電圧調整装置への電
    圧調整補正信号を算出する電力安定化回路とを有してお
    り、 前記角加速度オブザーバは、有効電力変化分に基づいて
    電力動揺を再現し、角速度変化分推定値、相差角変化分
    推定値及び有効電力変化分推定値を算出し、これらに基
    づいて角加速度変化分推定値を算出する角加速度変化分
    推定値算出手段と、前記有効電力変化分と前記有効電力
    変化分推定値との偏差に基づいた信号を算出し前記角加
    速度変化分推定値算出手段に帰還する有効電力変化分帰
    還手段とを備えたことを特徴とする発電機の電力安定化
    装置。
  2. 【請求項2】 前記角加速度オブザーバは、角速度変化
    分と前記角速度変化分推定値との偏差に基づいた信号を
    算出し前記角加速度変化分推定値算出手段に帰還する角
    速度変化分帰還手段を備えたことを特徴とする請求項1
    に記載の発電機の電力安定化装置。
  3. 【請求項3】 前記角加速度オブザーバは、前記発電機
    の界磁の遅れを再現する一次遅れフィルタを有したこと
    を特徴とする請求項1または請求項2に記載の発電機の
    電力安定化装置。
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