JP3634645B2 - 発電設備の系統連係保護装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばゴミ発電システム，コージェネレーション等の自家発電設備と系統電源とを連係する系統連系システムに利用される発電設備の系統連系保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電源系統とコージェネレーション等の自家用発電設備とを連係する系統連系システムとしては、図１５に示すような構成となっている。
【０００３】
この系統連系システムは、系統電源１の出力電圧を変圧器２で降圧し、遮断器３を通して電力を供給する上位変電所４と、この上位変電所４側から送られてくる電力を遮断器５を介して負荷６に供給される一般需要家７と、前記上位変電所４の系統電源１と連系する自家用発電設備１０と、この自家用発電設備１０に対する系統連系保護装置２０とで構成されている。
【０００４】
この自家用発電設備１０は系統電源１に対し遮断器１１を介して交流発電機１２が連系されている。交流発電機１２の出力電圧の制御は、自動電圧調整器（ＡＶＲ）１３にて界磁巻線１４の電圧を制御することにより行い、また発電機１２の出力周波数の制御は、調速機１５により交流発電機用エンジン１６のエンジンパワーを制御することにより行っている。
【０００５】
前記系統連系保護装置２０は、変流器２１から発電機１２の出力電流を検出し、この出力電流と発電機１２の出力電圧との関係から異常電流を検出する異常検出回路２２、この異常検出回路２２の検出異常に基づいて前記遮断器１１を開放する故障トリップ回路２３、遮断器１１の出力側に設置される変流器２４の出力電流に基づいて故障トリップ回路２３を動作させる過電流継電器（ＯＣ）２５などが設けられている。
【０００６】
さらに、系統電源１の異常時，特に系統電源１が例えば遮断器３の開放によって遮断されたとき、交流発電機１２の出力電力と負荷６の負荷電力とのアンバランスから、周波数や電圧が異常になることを検出する周波数低下継電器（ＵＦ）２６、周波数上昇継電器（ＯＦ）２７、過電圧継電器（ＯＶ）２８、不足電圧継電器（ＵＶ）２９を設け、これら継電器の検出信号に基づいて故障トリップ回路２３を動作させ、トリップ信号を出力して遮断器１１を開放し、遮断器３の再閉路が可能な状態に設定する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような系統連系システムでは、系統電源１の異常によって遮断器３が開となったとき、交流発電機２の出力電力と負荷６の所要電力が有効分および無効分ともにほぼ等しくなっていると、周波数も電圧もほとんど変化しないので、何れの継電器２５〜２９も動作せず、運転を継続する状態となる。いわゆる発電設備の単独運転（アイランディング）現象が発生し、遮断器３の再閉路を妨げることになる。
【０００８】
そこで、従来、単独運転を防ぐ観点から、変電所４側に転送遮断システム８を設け、専用線を介して遮断器１１を転送遮断する方法が採り入れられている。この転送遮断システム８は、上位変電所４の遮断器３が開となった信号を検出したときに遮断信号を送出し、遮断器１１を開放するシステムである。
【０００９】
ところで、かかる転送遮断システム８は、数百キロワット程度の出力である中小容量の自家用発電設備１０にとつては、非常にコストが高ものとなり、さらに伝送手段や伝送経路を設置する必要から複雑化する問題がある。
【００１０】
本発明は上記事情にかんがみてなされたもので、高価な転送遮断システムを設けることなく、系統連系中の自家発電設備の単独運転を、自身の自家発電設備側で確実に検知し保護する発電設備の系統連系保護装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発電設備と系統電源とが遮断器を介して連係する系統連系システムにおいて、前記発電設備の出力周波数を検出する周波数検出手段と、この周波数検出手段により検出される周波数の変化率を求める周波数変化率検出手段と、この周波数変化率検出手段により検出される周波数変化率をもとに、当該周波数変化率が正であるとき前記発電設備の進み無効電力を増加させ、前記周波数変化率が負であるとき遅れ無効電力を増加させるような電圧変動基準を決定する電圧変動基準決定手段と、調速機から発電機用エンジンに送出する原動機制御信号から操作量と制御方向とを検出する原動機制御信号検出手段と、前記周波数変化率の極性と前記制御方向の極性とを比較し、異極性の場合には前記電圧変動基準を大きくするような電圧変動基準補正信号を出力する電圧変動基準補正手段と、前記電圧変動基準と前記電圧変動基準補正信号とを前記発電設備の自動電圧調整器に印加することにより生じる前記発電設備の電圧変動に伴って助長される周波数変動を検知し、前記遮断器にて系統から発電設備を解列させる保護手段とを備えたものである。
【００１２】
この発明は以上のような手段を講じたことにより、周波数変化率検出手段が周波数検出手段で検出される発電設備の出力周波数の変化率を求めた後、電圧変動基準決定手段に送出する。ここで、電圧変動基準決定手段は、周波数変化率が正であるとき前記発電設備の進み無効電力を増加させ、前記周波数変化率が負であるとき遅れ無効電力を増加させるような電圧変動基準を決定し自動電圧調整器に供給し、正帰還作用により周波数変動を増大させる。
【００１３】
しかし、調速機やエンジンをもつ速度制御系では、速度指令に追従させるようにエンジン回転数を制御し、電圧変動基準による周波数変動を助長させる作用を妨げる。
【００１４】
そこで、速度制御系の動作をキャンセルする観点から、電圧変動基準補正手段は、前記周波数変化率の極性と調速機から発電機用エンジンに送出する原動機制御信号から取り出す制御方向の極性とを比較し、異極性の場合には前記電圧変動基準を大きくするような電圧変動基準補正信号を出力する。そして、電圧変動基準と電圧変動基準補正信号とを前記発電設備の自動電圧調整器に印加することにより生じる前記発電設備の電圧変動に伴って助長する周波数変動を検知し、遮断器にて系統から発電設備を解列し保護するものである。
【００１５】
また、別の発明は、前述する周波数検出手段、周波数変化率検出手段、原動機制御信号検出手段、電圧変動基準補正手段および保護手段の他、前記電圧変動基準決定手段として、周波数変化率検出手段により検出される周波数変化率をもとに、当該周波数変化率が正であるとき前記発電設備の進み無効電力を増加させ、前記周波数変化率が負であるとき遅れ無効電力を増加させる電圧変動基準を決定するために周波数変化率と電圧変動基準との関係を複数段の関数ゲインまたは関数形状で定義するとともに、この関数ゲインまたは関数形状を複数段切換え可能な構成にし、さらに新たに予め複数の周波数変化率しきい値が設定され、前記周波数変化率が各周波数変化率しきい値を超えるごとに、前記電圧変動基準決定手段に対して関数ゲインまたは関数形状の切換指令を出力する電圧変動基準切換手段を設けた構成とする。
【００１６】
この発明は、以上のような手段を講じたことにより、周波数変化率が各周波数変化率しきい値を超えるごとに段階的に大きな電圧変動基準を与えることにより、徐々に周波数変動を大きくし、よって確実に単独運転を検出できる。
【００１７】
さらに、他の発明としては、上記構成要素に新たに調速機から出力される原動機制御信号に対して位相補償を行って原動機制御信号検出手段に送出する位相補償手段を付加することにより、電圧変動基準に基づいて自動電圧調整器が発電機の電圧変動を生じさせる電圧制御系と調速機，発電機用エンジンからなる速度制御系において当該電圧制御系の指令値に対する遅れと当該速度制御系の調速機に対する遅れとのずれを補償する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係わる系統連係保護装置の一実施の形態を示すブロック構成図である。なお、同図において図１５と同一部分には同一符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００１９】
この実施の形態は、転送遮断システムを設ける代わりに、交流発電機１２の出力周波数の変化率を検出し遮断器１１を開放する機能、交流発電機１２の出力から有効電力を検出しエンジン１６を制御する速度制御機能、電圧変動，無効電力および有効電力を考慮した電圧制御機能を設けた構成である。
【００２０】
具体的には、交流発電機１２の出力電圧から周波数を検出する周波数検出手段３１、この周波数検出手段３１の検出周波数から周波数変化率Ｖ３０を検出する周波数変化率検出手段３２、この周波数変化率Ｖ３０が予め定める設定値以上か否かを判断し、設定値以上になったとき異常出力信号Ｖ３１を故障トリップ回路２３に送出する周波数変化率過大検出手段３３を設け、この故障トリップ回路２３が異常出力信号Ｖ３１を受けて遮断器１１にトリップ信号を送出し電路を開放する構成となっている。
【００２１】
また、この系統連係保護装置は、変流器２１により検出される発電機１２の出力電流と発電機１２の出力電圧とから無効電力を検出する無効電力検出手段３５と、同じく変流器２１により検出される発電機１２の出力電流と発電機１２の出力電圧とから有効電力を検出する有効電力検出手段３６と、有効電力基準設定部３７に設定される有効電力基準Ｐ＊と有効電力検出手段３６からの有効電力Ｐとを比較し、この有効電力偏差を調速機１５に与えてエンジン１６の原動機制御を実施する有効電力制御手段３８とからなる速度制御機能が設けられている。
【００２２】
また、この保護装置は、電圧変動基準決定手段４０、原動機制御信号検出手段４１、電圧変動基準補正手段４２および無効電力制御手段４３などが設けられている。
【００２３】
この電圧変動基準決定手段４０は、周波数変化率検出手段３２からの周波数変化率Ｖ３０を受け、周波数変化率が正（周波数が上昇中）の場合には発電機１２の出力電圧を低下させて周波数上昇を助長させ、また周波数変化率が負（周波数が下降中）の場合には発電機１２の出力電圧を上昇させて周波数下降を助長させるような電圧変動基準ΔＶ＊１を出力する機能をもっている。この周波数変化率Ｖ３０と電圧変動基準ΔＶ＊１との関係は図２に示すような関数で定義されている。この関数の定義には例えば同図（ａ）、（ｂ）の２つの関数形状例がある。
【００２４】
前記原動機制御信号検出手段４１は、調速機１５から出力されるエンジン１６の原動機制御信号ＣＳを受け、当該原動機制御信号から操作量と制御方向（トルク増方向を＋極性、トルク減方向を−極性）を検出する。図３は調速機１５とエンジン１６との関係を説明する図である。すなわち、調速機１５において有効電力制御手段３８からの有効電力偏差に応じて出力される速度設定値１５１と速度検出値１５２との偏差を増幅器１５３にて増幅して得られる原動機制御信号ＣＳを取り出し、エンジン１６のアクチュエータ１６１に供給する。このアクチュエータ１６１は、操作弁１６２の開度を操作し、原動機駆動部１６３に送り込む燃料等の供給量を制御する。
【００２５】
前記電圧変動基準補正手段４２は、周波数変化率検出手段３２で検出される周波数変化率Ｖ３０の極性と原動機制御信号検出手段４１で検出される制御方向（極性）とを比較し、異極性の場合には電圧変動基準ΔＶ＊１が大きくなるような電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２を出力する。
【００２６】
前記無効電力制御手段４３は、無効電力基準設定部４４に設定される無効電力基準Ｑ＊と無効電力検出手段３５で検出された無効電力とを一致させるための電圧基準ΔＶＱ＊を出力し前記自動電圧調整器１３に送出する。
【００２７】
この自動電圧調整器１３は、電圧基準設定部４５の電圧基準Ｖ＊と、無効電力制御手段４３からの電圧基準ΔＶＱ＊と、電圧変動基準決定手段４１からの電圧変動基準ΔＶ＊１と、電圧変動基準補正手段４２からの電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２とを用いて、発電機１２の出力電圧を制御するために界磁巻線１４の界磁を調整する機能をもっている。
【００２８】
なお、有効電力基準設定部３７、有効電力制御手段３８、調速機１５、エンジン１６によって速度制御ループを構成し、無効電力基準設定部４４、無効電力検出手段３５、無効電力制御手段４３によって無効電力制御ループを構成する。また、電圧基準設定部４５、無効電力制御手段４３の出力である電圧基準ΔＶＱ＊と、電圧変動基準決定手段４１からの電圧変動基準ΔＶ＊１と、電圧変動基準補正手段４２からの電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２と、自動電圧調整器１２によつて電圧制御ループを構成する。
【００２９】
次に、以上のように構成された系統連系保護装置の動作について図４ないし図７を参照して説明する。
【００３０】
今、図４において発電機１２出力の有効電力をＰ、無効電力をＱとし、一方、負荷６が必要とする有効電力をＰＬ、無効電力をＱＬとすると、系統電源１へ流出する有効電力ΔＰおよび無効電力ΔＱは次の式で表される。
【００３１】
ΔＰ＝Ｐ−ＰＬ
ΔＱ＝Ｑ−ＱＬ
ここで、発電機１２と系統間のインダクタンス分をｌ、負荷６の電圧をＶ、周波数をｆとする。
【００３２】
そうすると、通常の場合、ΔＰ≒０、ΔＱ≒０に近い状態で遮断器３が開となっても、負荷６の電圧Ｖ、周波数ｆはほとんど変化しないので、継電器２５〜２９の何れも動作せず、自家発電設備が単独運転を継続することになる。
【００３３】
しかし、系統電源１と負荷６の位相がゆっくりとずれてくるので、遮断器３の再投入は事故拡大につながり危険な状態となり、配電系統の安定性を低下させることになる。
【００３４】
単独運転中の電圧はＰ＝Ｖ２／Ｒで決まり、一方、単独運転中の周波数ｆはＱ＝（Ｖ２ωＣ）−（Ｖ２／ωＬ）で決まる。特に、周波数ｆに着目すると、負荷６が要求する無効電力ＱＬよりも発電機１２から供給される無効電力が進み方向にずれているときは、周波数ｆが上昇してコンデンサＣの電流ｉｃが増加し、インダクタンス電流ｉＬが減少して無効電力がバランスする方向に変化する。
【００３５】
一方、発電機１２から供給される無効電力が負荷６の要求する無効電力ＱＬよりも遅れ方向にずれている場合、周波数ｆが下降してインダクタンス電流ｉＬが増加し、コンデンサ電流ｉｃが減少して無効電力がバランスする方向に変化する。
【００３６】
次に、ΔＰ≒０、ΔＱ≠０の状態において単独運転となった場合の周波数変動は、図５に示すように系統遮断（ｔｏ）後、周波数ｆが変動しながら安定点ｆ１，ｆ２に接近する。ｆ１はΔＱがわずかに進みの場合、ｆ２はΔＱがわずかに遅れの場合である。図５に示す＋Δｆ、−Δｆは継電器２５ないし２９が単独運転を検出できるレベルである。
【００３７】
図６は図１の各構成要素である周波数検出手段３１で検出した周波数ｆ、周波数変化率検出手段３２で検出した周波数変化率ｄｆ／ｄｔおよび電圧変動基準決定手段４０で検出した電圧変動基準ΔＶ＊１の関係を示す図である。
【００３８】
今、周波数検出手段３１で検出される周波数ｆが図６に示すように変化する場合、ｄｆ／ｄｔはこれより９０°位相が進んだ波形となる。よって、この図から明らかなように、ｄｆ／ｄｔ〉０の場合には周波数が上昇中であるので、この間には電圧変動基準決定手段４０から電圧低下指令（進み無効電力指令）が出力され、周波数ｆがさらに上昇するように作用する。また、ｄｆ／ｄｔ〈０場合には周波数が下降中であるので、この間には電圧変動基準決定手段４０から電圧上昇指令（遅れ無効電力指令）が出力され、周波数ｆがさらに下降するように作用する。
【００３９】
従って、以上のような正帰還作用によって周波数変動が増大する。周波数変化率過大検出手段３３は、周波数変動の増大による周波数異常や周波数変化率過大を検出することにより、従来使用している高価な転送遮断システムを設けることなく、単独運転を検出することが可能となる。
【００４０】
ところで、調速機１５やエンジン１６などで構成される速度制御系では、発電機電圧を制御する電圧制御系の動作とは関係なくエンジン回転数を速度指令に追従させるように動作し、また速度制御系には定常偏差も存在するので、電圧変動基準ΔＶ＊１による周波数変動の助長を妨げる方向に作用する。
【００４１】
そのため単独運転を迅速に検出するには、系統解列直後からスムーズに周波数を変動させることが望ましい。一旦、十分な周波数変動が生じた後であれば速度制御系の速度を一定にしようとする動作は構わないが、系統解列直後では速度制御系の動作によってなかなか周波数変動が拡大できないといった問題がある。そのためには、電圧変動基準ΔＶ＊１による周波数変動を助長する作用を妨げる速度制御系の動作をキャンセルすることが望ましい。
【００４２】
そこで、電圧変動基準補正手段４２は、周波数変化率から定まる周波数変動方向と原動機制御の制御方向とを比較し、電圧変動基準ΔＶ＊１の働きを妨げる異極性となるときに補正信号を与えることにより電圧変動基準ΔＶ＊１の働きを妨げる要素を除去するように補償する。このとき、原動機制御信号検出手段４１は、原動機制御の制御方向の情報を電圧変動基準補正手段４２に与えることになる。
【００４３】
従って、以上のように周波数変化率検出手段３２、電圧変動基準決定手段４０、原動機制御信号検出手段４１および電圧変動基準補正手段４２を設けることにより、単独運転時での図５に示す周波数変動特性を図７に示す周波数変動特性に拡大することが可能となり、周波数異常や周波数変化率異常を検出でき、迅速、かつ、確実に自家発電設備の単独運転を検出できる。
【００４４】
すなわち、本実施の形態においては、周波数変化率ｄｆ／ｄｔを検出し、ｄｆ／ｄｔ〉０の場合には電圧変動基準決定手段４０から電圧低下指令を得、ｄｆ／ｄｔ〈０場合には電圧上昇指令を得、さらに速度制御系の動作を考慮して先の電圧低下指令または電圧上昇指令を補正し、この補正された電圧変動基準を自動電圧調整器１３に与えて発電機１２の出力電圧を変化させることにより、周波数変動を拡大でき、単独運転を迅速、かつ、確実に検出できる。
（第２の実施の形態）
図８は本発明に係わる系統連系保護装置の他の実施の形態を示すブロック構成図である。なお、同図において図１と同一部分には同一符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００４５】
この実施の形態は、図１の構成に新たに位相補償手段５０を設けたことにある。
【００４６】
先ず、位相補償手段５０を設ける必要性について説明する。図１の構成においては、電圧変動基準決定手段４０が周波数変化率から電圧変動基準を決定し、また電圧変動基準補正手段４２が電動機制御信号検出手段４１にて検出される原動機制御の情報に基づいて電圧変動基準の補正信号を取り出す。そして、補正された電圧変動基準に従って電圧変動を起こすことにより周波数変動を助長させ、単独運転を判定する。この点は本実施の形態も同じである。
【００４７】
ところで、補正された電圧変動基準を自動電圧調整器１３に入力して発電機電圧を変動させることで周波数変動が生じるのは、発電機電圧変動に伴う負荷電力変動がエンジン１６に対して負荷トルクの変動として影響を与えることにより生ずると解釈できる。しかし、電圧制御系は、電圧低下指令または電圧上昇指令に対する応答遅れがある。そのため、補正された電圧変動基準を自動電圧調整器１３に入力した後に負荷トルクの変動が生じるまでの間に遅れが生じる。
【００４８】
一方、調速機１５とエンジン１６からなる速度制御系においても、調速機１５からの制御信号に対応してエンジントルクが変動するまでには遅れがある。
【００４９】
ここで、両者の遅れが同程度であれば、第１の実施の形態の構成，つまり電圧変動基準補正手段４２を用いて電圧変動基準の補正を効果的に行うことができる。
【００５０】
しかしながら、電圧制御系と速度制御系とは別々に設計されることが常であり、両者の遅れが同程度になるとは限らない。その結果、電圧変動基準の補正が効果的になされるとは限らない。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、電圧制御系の指令値に対する遅れと速度制御系の調速機１５からの制御信号に対する遅れとのずれを補償するために、位相補償手段５０を設けたものである。
【００５２】
図９は両制御系の遅れのずれを補償する構成図である。
【００５３】
この図において５１は電圧制御系の応答を表現する伝達関数であって、図１の構成要素で言えば交流発電機１２、界磁巻線１４および自動電圧調整器１３からなる電圧制御系の応答を表現しており、時定数Ｔａの一時遅れで代表的に表現されている。５２は原動機制御信号に対するエンジントルクの応答を表現する伝達関数であって、図３の構成要素で言えば原動機制御信号ＣＳに対するアクチュエータ１６１、操作弁１６２および電動機駆動部１６３によるエンジントルクの応答を表現しており、時定数Ｔｂの一時遅れで代表的に表現されている。
【００５４】
よって、位相補償手段５０は、これら一次遅れのずれを補償するために、例えば（１＋Ｔａ・Ｓ）／（１＋Ｔｂ・Ｓ）で構成することができる。５３はトルク変動による速度変動を表現する伝達関数であって、図１の構成要素で言えば交流発電機１２とエンジン１６の回転体から決まる慣性定数Ｍとに従うトルク変動に対する速度変動の応答を表すものである。
【００５５】
従って、以上のような実施の形態によれば、電圧変動基準補正手段４２の入力側に位相補償手段５０を設け、電圧制御系の指令値に対する遅れと速度制御系の調速機からの制御信号に対する遅れとのずれを補償する要素で構成することにより、両者の遅れのずれを補償でき、電圧変動基準を適切に補正することができ、ひいては第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、発電機１２の出力電圧を変化させることにより、周波数変動を拡大し容易に単独運転を検出できる。
（第３の実施の形態）
図１０は本発明に係わる系統連系保護システムのさらに他の実施の形態を示す構成図である。なお、同図において図１と同一部分には同一符号を付し、その詳しい説明は省略し、以下，図１と異なる部分について説明する。
【００５６】
この実施の形態は、周波数変化率の大きさに応じて電圧変動基準を徐々に大きくし、周波数変動を迅速に拡大する実施例である。
【００５７】
先ず、電圧変動基準決定手段４０においては、周波数変化率検出手段３２から周波数変化率Ｖ３０を受けて電圧変動基準ΔＶ＊１を出力するが、このとき周波数変化率が正（周波数が上昇中）の場合には発電機１２の出力電圧を低下させて周波数上昇を助長させ、一方，周波数変化率が負（周波数が下降中）の場合には発電機１２の出力電圧を上昇させて周波数下降を助長させるような電圧変動基準ΔＶ＊１を出力する。このことは、第１の実施の形態と同じである。
【００５８】
ところで、電圧変動に基づく周波数変動は、電圧変動が大きくなると周波数変動も大きくなる。よって、単独運転であるか系統連系中であるかを判定させるためには、単独運転に陥ったときに十分な周波数変動を招く電圧変動を与える必要がある。しかし、連系中に大きな電圧変動指令を与えることは系統に擾乱を招くことが懸念される。
【００５９】
そこで、１つの考え方として、最初に系統に悪影響を与えないレベルの小さな電圧変動基準ΔＶ＊１を与えておく。その後、最初の電圧変動基準ΔＶ＊１の働きにより周波数変化率が予め設定するしきい値を超えたとき、比較的大きな電圧変動基準ΔＶ＊１を与える。この影響を受けて、さらに周波数変化率が予め定める次のしきい値を超えたとき、さらに大きな電圧変動基準ΔＶ＊１を与える。このような繰り返しを何回か実施すれば、単独運転らしさを確認しながら電圧変動基準ΔＶ＊１による作用を段階的に大きくすれば、系統への影響を無くすことができる。以下、このような手法を多段階検出の手法と呼ぶ。
【００６０】
そこで、このような多段階検出の手法を実現する本実施の形態としては、新たに予め複数の周波数変化率しきい値を設定し、周波数変化率検出手段３２で検出される周波数変化率が各しきい値を超える毎に電圧変動基準決定手段４０に対して切換指令を出力する電圧変動基準切変手段５６と、多段階検出の進行に合わせて電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２による補正を停止するスイッチ手段５７とを設けた構成とする。
【００６１】
さらに、電圧変動基準決定手段４０としては、周波数変化率検出手段３２で検出される周波数変化率をもとに、周波数変化率が正であるとき発電設備の進み無効電力を増加（出力電圧を低下）させ、周波数変化率が負であるときに遅れ無効電力を増加（出力電圧を上昇）させる電圧変動基準を決定するために、周波数変化率と電圧変動基準との関係を関数で定義するとともに、関数のゲインまたは関数の形状を複数段で切換え可能とし、前記電圧変動基準切変手段５６からの切換指令に応じて切り換える構成とする。図１１は、電圧変動基準を決定する関数の一例を示すイメージ図である。この図から明らかなように、関数が複数段用意され、さらにリミットレベルが設けられている。
【００６２】
さらに、原動機制御信号検出手段４１および電圧変動基準補正手段４２は、第１の実施の形態と同じであるが、周波数変化率の拡大がある程度進行すると、電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２がなくても、多段階検出の手法において十分な電圧変動基準ΔＶ＊１が得られる。そこで、多段階検出の進行に合わせて、スイッチ手段５７により、電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２による補正を停止させる構成としている。
【００６３】
従って、以上のような実施の形態によれば、多段階検出の手法により連系中には系統に与える影響を少なくし、単独運転時には周波数変動を迅速に拡大する動作に加え、電圧変動基準切変手段５６が予め複数のしきい値をもち、周波数変化率が各しきい値を超えるごとに切換指令を出力し、電圧変動基準決定手段４０にて、その切換指令に基づいて関数のゲインまたは関数の形状をもつ大きな電圧変動基準に切り換えて出力するので、単独運転時に図５に示す周波数変動特性から図７に示す周波数変動特性に拡大するので、周波数異常や周波数変化率異常を検出でき、迅速、かつ、確実に自家発電設備の単独運転を検出できる。
（第４の実施の形態）
図１２は本発明に係わる系統連系保護装置のさらに他の実施の形態を示す構成図である。なお、同図において図１および図１２と同一部分には同一符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００６４】
この実施の形態は、図１０に示す構成要素に新たに位相補償手段５０（図１２参照）を付加したものである。
【００６５】
この系統連系保護装置は、第３の実施の形態で述べたように、多段階検出の手法を採用し、電圧変動基準決定手段４０にて周波数変化率をもとに決定された電圧変動基準ΔＶ＊１と電圧変動基準補正手段４２にて決定された電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２とによって電圧変動を起こすことにより、周波数変動を助長し、この助長された周波数変動に基づいて単独運転を判定することは同じである。
【００６６】
本発明装置において特に異なるところは、第２の実施の形態で述べたように、位相補償手段５０を設け、電圧制御系の指令値に対する遅れと速度制御系の調速機からの制御信号に対する遅れとのずれを補償し、電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２を効果的に作用させるものである。
【００６７】
従って、以上のような実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様の効果の他、多段階検出の手法により連系中には系統に与える影響を少なくし、単独運転時には周波数変動を迅速に拡大する動作に加え、電圧変動基準切換手段５６が予め複数のしきい値をもち、周波数変化率が各しきい値を超えるごとに切換指令を出力し、電圧変動基準決定手段４０にて、その切換指令に基づいて関数のゲインまたは関数の形状をもつ大きな電圧変動基準に切り換えて出力するので、単独運転時に図５に示す周波数変動特性から図７に示す周波数変動特性に拡大するので、周波数異常や周波数変化率異常を検出でき、迅速、かつ、確実に自家発電設備の単独運転を検出できる。
（第５の実施の形態）
この実施の形態は、原動機制御信号検出手段４１による原動機制御信号の取得手段を改良したものである。
【００６８】
原動機制御信号検出手段４１は調速機１５から出力されるエンジン１６の原動機制御信号ＣＳから操作量と制御方向とを検出するものであるが、この検出方法としては、図１３に示すように周波数変化率検出手段３２における周波数変化率の検出と同期させたサンプリングタイミングにより原動機制御信号を読み込み、サンプリングタイミング間の原動機制御信号の変化量から決定するように構成する。
【００６９】
本発明装置においては、各構成要素例えば３１〜３３、４０〜４２等はマイクロコンピュータを用いて所要の処理を実行するが、そのうち周波数の検出手段として例えば電圧瞬時波形のゼロクロス区間の時間の逆数をとることによって周波数を求める。さらに、マイクロコンピュータを用いて、ゼロクロスのタイミングをサンプリングタイミングとして捉え、先に求めた周波数とサンプリング間の時間から周波数変化率、さらに電圧変動基準ΔＶ＊１を求めることが可能である。
【００７０】
そして、以上のようにして電圧変動基準ΔＶ＊１を求める場合、原動機制御信号検出手段４１としてマイクロコンピュータを用いることにより、サンプリングタイミングにより原動機制御信号ＣＳを読み取り、サンプリングタイミング間の原動機制御信号の変化量から操作量および制御方向（極性）を検出する。
【００７１】
従って、以上のような実施の形態によれば、マイクロコンピュータを用いて、電圧瞬時波形のゼロクロス時間の逆数をとつて周波数を求めるが、この周波数とサンプリング間の時間から周波数変化率および電圧変動基準ΔＶ＊１を検出するが、このとき原動機制御信号検出手段４１は周波数変化率ないし電圧変動基準ΔＶ＊１の検出と同期したタイミングで原動機制御信号ひいては電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２を得ることができ、よって、容易、かつ、的確に電圧変動基準を補正することにより発電機１２の出力電圧を変化でき、周波数変動を拡大して容易に単独運転を検出できる。
（第６の実施の形態）
この実施の形態は、電圧変動基準補正手段４２から出力する補正信号ΔＶ＊２の制限に関する例である。
【００７２】
すなわち、電圧変動基準補正手段４２から出力する補正信号ΔＶ＊２としては、例えば図１４に示すように原動機制御信号検出手段４１により検出された操作量に応じて徐々に大きくなる補正信号ΔＶ＊２を出力するが、操作量がある所定値以上となったとき、一定の補正信号ΔＶ＊２を出力する構成とする。
【００７３】
具体的には、電圧変動基準補正手段４２は、図１４に示すように原動機制御の操作量と補正信号との関係を定義し、電圧変動基準による周波数変動を妨げる量が多いときには補正信号を大きくする。一方、補正信号が大きくなると、連系中に電圧変動基準が必要以上に大きくなり、無効電力変動も大きくなる。
【００７４】
そこで、以上のような不具合を回避するために、図１４に示すように原動機制御の操作量と補正信号との定義に基づき補正信号を制限する。
【００７５】
従って、以上のような実施の形態によれば、制限をもたせた電圧変動基準補正信号を用いることにより、系統の無効電力変動を抑制しながら発電機１２の出力電圧を変化させて周波数変動を拡大でき、ひいては単独運転を容易に検出できる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高価な転送遮断システムを設けることなく、系統連系中の自家発電設備の単独運転を自身の自家発電設備側で確実に検知でき、この単独運転を検知できれば系統から迅速に発電設備を解列し保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる発電設備の系統連系保護装置の第１の実施の形態を示すブロック構成図。
【図２】電圧変動基準を決定する関数の形状例を説明する図。
【図３】調速機および原動機からなる速度制御系の構成を示す図。
【図４】自家発電設備である発電機から流出する電力を説明する図。
【図５】発電機から出力される周波数の変動を説明する図。
【図６】発電機から出力される周波数と周波数変化率と電圧変動基準との関係を説明する図。
【図７】周波数変動を拡大させる例を説明する図。
【図８】本発明に係わる発電設備の系統連系保護装置の第２の実施の形態を示すブロック構成図。
【図９】位相補償手段の位相補償方法を説明する図。
【図１０】本発明に係わる発電設備の系統連系保護装置の第３の実施の形態を示すブロック構成図。
【図１１】電圧変動基準を決定する多段階の関数を示す図。
【図１２】本発明に係わる発電設備の系統連系保護装置の第４の実施の形態を示すブロック構成図。
【図１３】本発明に係わる系統連系保護システムの第５の実施の形態を説明するための図であって、特に原動機制御信号検出手段を説明するための各信号の関係特性図。
【図１４】本発明に係わる系統連系保護システムの第６の実施の形態を説明するための図であって、特に電圧変動基準補整手段の補正信号の出力制限を説明する図。
【図１５】従来の系統連系保護システムの構成図。
【符号の説明】
１…系統電源
３…遮断器
６…負荷
１１…遮断器
１２…交流発電機
１３…自動電圧調整器
１５…調速機
１６…エンジン
３１…周波数検出手段
３２…周波数変化率検出手段
３３…周波数変化率過大検出手段
３５…無効電力検出手段
３６…有効電力検出手段
３８…有効電力制御手段
４０…電圧変動基準決定手段
４１…原動機制御信号検出手段
４２…電圧変動基準補整手段
４３…無効電力制御手段
５０…位相補償手段
５６…電圧変動基準切換手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばゴミ発電システム，コージェネレーション等の自家発電設備と系統電源とを連係する系統連系システムに利用される発電設備の系統連系保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電源系統とコージェネレーション等の自家用発電設備とを連係する系統連系システムとしては、図１５に示すような構成となっている。
【０００３】
この系統連系システムは、系統電源１の出力電圧を変圧器２で降圧し、遮断器３を通して電力を供給する上位変電所４と、この上位変電所４側から送られてくる電力を遮断器５を介して負荷６に供給される一般需要家７と、前記上位変電所４の系統電源１と連系する自家用発電設備１０と、この自家用発電設備１０に対する系統連系保護装置２０とで構成されている。
【０００４】
この自家用発電設備１０は系統電源１に対し遮断器１１を介して交流発電機１２が連系されている。交流発電機１２の出力電圧の制御は、自動電圧調整器（ＡＶＲ）１３にて界磁巻線１４の電圧を制御することにより行い、また発電機１２の出力周波数の制御は、調速機１５により交流発電機用エンジン１６のエンジンパワーを制御することにより行っている。
【０００５】
前記系統連系保護装置２０は、変流器２１から発電機１２の出力電流を検出し、この出力電流と発電機１２の出力電圧との関係から異常電流を検出する異常検出回路２２、この異常検出回路２２の検出異常に基づいて前記遮断器１１を開放する故障トリップ回路２３、遮断器１１の出力側に設置される変流器２４の出力電流に基づいて故障トリップ回路２３を動作させる過電流継電器（ＯＣ）２５などが設けられている。
【０００６】
さらに、系統電源１の異常時，特に系統電源１が例えば遮断器３の開放によって遮断されたとき、交流発電機１２の出力電力と負荷６の負荷電力とのアンバランスから、周波数や電圧が異常になることを検出する周波数低下継電器（ＵＦ）２６、周波数上昇継電器（ＯＦ）２７、過電圧継電器（ＯＶ）２８、不足電圧継電器（ＵＶ）２９を設け、これら継電器の検出信号に基づいて故障トリップ回路２３を動作させ、トリップ信号を出力して遮断器１１を開放し、遮断器３の再閉路が可能な状態に設定する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上のような系統連系システムでは、系統電源１の異常によって遮断器３が開となったとき、交流発電機２の出力電力と負荷６の所要電力が有効分および無効分ともにほぼ等しくなっていると、周波数も電圧もほとんど変化しないので、何れの継電器２５〜２９も動作せず、運転を継続する状態となる。いわゆる発電設備の単独運転（アイランディング）現象が発生し、遮断器３の再閉路を妨げることになる。
【０００８】
そこで、従来、単独運転を防ぐ観点から、変電所４側に転送遮断システム８を設け、専用線を介して遮断器１１を転送遮断する方法が採り入れられている。この転送遮断システム８は、上位変電所４の遮断器３が開となった信号を検出したときに遮断信号を送出し、遮断器１１を開放するシステムである。
【０００９】
ところで、かかる転送遮断システム８は、数百キロワット程度の出力である中小容量の自家用発電設備１０にとつては、非常にコストが高ものとなり、さらに伝送手段や伝送経路を設置する必要から複雑化する問題がある。
【００１０】
本発明は上記事情にかんがみてなされたもので、高価な転送遮断システムを設けることなく、系統連系中の自家発電設備の単独運転を、自身の自家発電設備側で確実に検知し保護する発電設備の系統連系保護装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発電設備と系統電源とが遮断器を介して連係する系統連系システムにおいて、前記発電設備の出力周波数を検出する周波数検出手段と、この周波数検出手段により検出される周波数の変化率を求める周波数変化率検出手段と、この周波数変化率検出手段により検出される周波数変化率をもとに、当該周波数変化率が正であるとき前記発電設備の進み無効電力を増加させ、前記周波数変化率が負であるとき遅れ無効電力を増加させるような電圧変動基準を決定する電圧変動基準決定手段と、調速機から発電機用エンジンに送出する原動機制御信号から操作量と制御方向とを検出する原動機制御信号検出手段と、前記周波数変化率の極性と前記制御方向の極性とを比較し、異極性の場合には前記電圧変動基準を大きくするような電圧変動基準補正信号を出力する電圧変動基準補正手段と、前記電圧変動基準と前記電圧変動基準補正信号とを前記発電設備の自動電圧調整器に印加することにより生じる前記発電設備の電圧変動に伴って助長される周波数変動を検知し、前記遮断器にて系統から発電設備を解列させる保護手段とを備えたものである。
【００１２】
この発明は以上のような手段を講じたことにより、周波数変化率検出手段が周波数検出手段で検出される発電設備の出力周波数の変化率を求めた後、電圧変動基準決定手段に送出する。ここで、電圧変動基準決定手段は、周波数変化率が正であるとき前記発電設備の進み無効電力を増加させ、前記周波数変化率が負であるとき遅れ無効電力を増加させるような電圧変動基準を決定し自動電圧調整器に供給し、正帰還作用により周波数変動を増大させる。
【００１３】
しかし、調速機やエンジンをもつ速度制御系では、速度指令に追従させるようにエンジン回転数を制御し、電圧変動基準による周波数変動を助長させる作用を妨げる。
【００１４】
そこで、速度制御系の動作をキャンセルする観点から、電圧変動基準補正手段は、前記周波数変化率の極性と調速機から発電機用エンジンに送出する原動機制御信号から取り出す制御方向の極性とを比較し、異極性の場合には前記電圧変動基準を大きくするような電圧変動基準補正信号を出力する。そして、電圧変動基準と電圧変動基準補正信号とを前記発電設備の自動電圧調整器に印加することにより生じる前記発電設備の電圧変動に伴って助長する周波数変動を検知し、遮断器にて系統から発電設備を解列し保護するものである。
【００１５】
また、別の発明は、前述する周波数検出手段、周波数変化率検出手段、原動機制御信号検出手段、電圧変動基準補正手段および保護手段の他、前記電圧変動基準決定手段として、周波数変化率検出手段により検出される周波数変化率をもとに、当該周波数変化率が正であるとき前記発電設備の進み無効電力を増加させ、前記周波数変化率が負であるとき遅れ無効電力を増加させる電圧変動基準を決定するために周波数変化率と電圧変動基準との関係を複数段の関数ゲインまたは関数形状で定義するとともに、この関数ゲインまたは関数形状を複数段切換え可能な構成にし、さらに新たに予め複数の周波数変化率しきい値が設定され、前記周波数変化率が各周波数変化率しきい値を超えるごとに、前記電圧変動基準決定手段に対して関数ゲインまたは関数形状の切換指令を出力する電圧変動基準切換手段を設けた構成とする。
【００１６】
この発明は、以上のような手段を講じたことにより、周波数変化率が各周波数変化率しきい値を超えるごとに段階的に大きな電圧変動基準を与えることにより、徐々に周波数変動を大きくし、よって確実に単独運転を検出できる。
【００１７】
さらに、他の発明としては、上記構成要素に新たに調速機から出力される原動機制御信号に対して位相補償を行って原動機制御信号検出手段に送出する位相補償手段を付加することにより、電圧変動基準に基づいて自動電圧調整器が発電機の電圧変動を生じさせる電圧制御系と調速機，発電機用エンジンからなる速度制御系において当該電圧制御系の指令値に対する遅れと当該速度制御系の調速機に対する遅れとのずれを補償する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明に係わる系統連係保護装置の一実施の形態を示すブロック構成図である。なお、同図において図１５と同一部分には同一符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００１９】
この実施の形態は、転送遮断システムを設ける代わりに、交流発電機１２の出力周波数の変化率を検出し遮断器１１を開放する機能、交流発電機１２の出力から有効電力を検出しエンジン１６を制御する速度制御機能、電圧変動，無効電力および有効電力を考慮した電圧制御機能を設けた構成である。
【００２０】
具体的には、交流発電機１２の出力電圧から周波数を検出する周波数検出手段３１、この周波数検出手段３１の検出周波数から周波数変化率Ｖ３０を検出する周波数変化率検出手段３２、この周波数変化率Ｖ３０が予め定める設定値以上か否かを判断し、設定値以上になったとき異常出力信号Ｖ３１を故障トリップ回路２３に送出する周波数変化率過大検出手段３３を設け、この故障トリップ回路２３が異常出力信号Ｖ３１を受けて遮断器１１にトリップ信号を送出し電路を開放する構成となっている。
【００２１】
また、この系統連係保護装置は、変流器２１により検出される発電機１２の出力電流と発電機１２の出力電圧とから無効電力を検出する無効電力検出手段３５と、同じく変流器２１により検出される発電機１２の出力電流と発電機１２の出力電圧とから有効電力を検出する有効電力検出手段３６と、有効電力基準設定部３７に設定される有効電力基準Ｐ＊と有効電力検出手段３６からの有効電力Ｐとを比較し、この有効電力偏差を調速機１５に与えてエンジン１６の原動機制御を実施する有効電力制御手段３８とからなる速度制御機能が設けられている。
【００２２】
また、この保護装置は、電圧変動基準決定手段４０、原動機制御信号検出手段４１、電圧変動基準補正手段４２および無効電力制御手段４３などが設けられている。
【００２３】
この電圧変動基準決定手段４０は、周波数変化率検出手段３２からの周波数変化率Ｖ３０を受け、周波数変化率が正（周波数が上昇中）の場合には発電機１２の出力電圧を低下させて周波数上昇を助長させ、また周波数変化率が負（周波数が下降中）の場合には発電機１２の出力電圧を上昇させて周波数下降を助長させるような電圧変動基準ΔＶ＊１を出力する機能をもっている。この周波数変化率Ｖ３０と電圧変動基準ΔＶ＊１との関係は図２に示すような関数で定義されている。この関数の定義には例えば同図（ａ）、（ｂ）の２つの関数形状例がある。
【００２４】
前記原動機制御信号検出手段４１は、調速機１５から出力されるエンジン１６の原動機制御信号ＣＳを受け、当該原動機制御信号から操作量と制御方向（トルク増方向を＋極性、トルク減方向を−極性）を検出する。図３は調速機１５とエンジン１６との関係を説明する図である。すなわち、調速機１５において有効電力制御手段３８からの有効電力偏差に応じて出力される速度設定値１５１と速度検出値１５２との偏差を増幅器１５３にて増幅して得られる原動機制御信号ＣＳを取り出し、エンジン１６のアクチュエータ１６１に供給する。このアクチュエータ１６１は、操作弁１６２の開度を操作し、原動機駆動部１６３に送り込む燃料等の供給量を制御する。
【００２５】
前記電圧変動基準補正手段４２は、周波数変化率検出手段３２で検出される周波数変化率Ｖ３０の極性と原動機制御信号検出手段４１で検出される制御方向（極性）とを比較し、異極性の場合には電圧変動基準ΔＶ＊１が大きくなるような電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２を出力する。
【００２６】
前記無効電力制御手段４３は、無効電力基準設定部４４に設定される無効電力基準Ｑ＊と無効電力検出手段３５で検出された無効電力とを一致させるための電圧基準ΔＶＱ＊を出力し前記自動電圧調整器１３に送出する。
【００２７】
この自動電圧調整器１３は、電圧基準設定部４５の電圧基準Ｖ＊と、無効電力制御手段４３からの電圧基準ΔＶＱ＊と、電圧変動基準決定手段４１からの電圧変動基準ΔＶ＊１と、電圧変動基準補正手段４２からの電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２とを用いて、発電機１２の出力電圧を制御するために界磁巻線１４の界磁を調整する機能をもっている。
【００２８】
なお、有効電力基準設定部３７、有効電力制御手段３８、調速機１５、エンジン１６によって速度制御ループを構成し、無効電力基準設定部４４、無効電力検出手段３５、無効電力制御手段４３によって無効電力制御ループを構成する。また、電圧基準設定部４５、無効電力制御手段４３の出力である電圧基準ΔＶＱ＊と、電圧変動基準決定手段４１からの電圧変動基準ΔＶ＊１と、電圧変動基準補正手段４２からの電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２と、自動電圧調整器１２によつて電圧制御ループを構成する。
【００２９】
次に、以上のように構成された系統連系保護装置の動作について図４ないし図７を参照して説明する。
【００３０】
今、図４において発電機１２出力の有効電力をＰ、無効電力をＱとし、一方、負荷６が必要とする有効電力をＰＬ、無効電力をＱＬとすると、系統電源１へ流出する有効電力ΔＰおよび無効電力ΔＱは次の式で表される。
【００３１】
ΔＰ＝Ｐ−ＰＬ
ΔＱ＝Ｑ−ＱＬ
ここで、発電機１２と系統間のインダクタンス分をｌ、負荷６の電圧をＶ、周波数をｆとする。
【００３２】
そうすると、通常の場合、ΔＰ≒０、ΔＱ≒０に近い状態で遮断器３が開となっても、負荷６の電圧Ｖ、周波数ｆはほとんど変化しないので、継電器２５〜２９の何れも動作せず、自家発電設備が単独運転を継続することになる。
【００３３】
しかし、系統電源１と負荷６の位相がゆっくりとずれてくるので、遮断器３の再投入は事故拡大につながり危険な状態となり、配電系統の安定性を低下させることになる。
【００３４】
単独運転中の電圧はＰ＝Ｖ２／Ｒで決まり、一方、単独運転中の周波数ｆはＱ＝（Ｖ２ωＣ）−（Ｖ２／ωＬ）で決まる。特に、周波数ｆに着目すると、負荷６が要求する無効電力ＱＬよりも発電機１２から供給される無効電力が進み方向にずれているときは、周波数ｆが上昇してコンデンサＣの電流ｉｃが増加し、インダクタンス電流ｉＬが減少して無効電力がバランスする方向に変化する。
【００３５】
一方、発電機１２から供給される無効電力が負荷６の要求する無効電力ＱＬよりも遅れ方向にずれている場合、周波数ｆが下降してインダクタンス電流ｉＬが増加し、コンデンサ電流ｉｃが減少して無効電力がバランスする方向に変化する。
【００３６】
次に、ΔＰ≒０、ΔＱ≠０の状態において単独運転となった場合の周波数変動は、図５に示すように系統遮断（ｔｏ）後、周波数ｆが変動しながら安定点ｆ１，ｆ２に接近する。ｆ１はΔＱがわずかに進みの場合、ｆ２はΔＱがわずかに遅れの場合である。図５に示す＋Δｆ、−Δｆは継電器２５ないし２９が単独運転を検出できるレベルである。
【００３７】
図６は図１の各構成要素である周波数検出手段３１で検出した周波数ｆ、周波数変化率検出手段３２で検出した周波数変化率ｄｆ／ｄｔおよび電圧変動基準決定手段４０で検出した電圧変動基準ΔＶ＊１の関係を示す図である。
【００３８】
今、周波数検出手段３１で検出される周波数ｆが図６に示すように変化する場合、ｄｆ／ｄｔはこれより９０°位相が進んだ波形となる。よって、この図から明らかなように、ｄｆ／ｄｔ〉０の場合には周波数が上昇中であるので、この間には電圧変動基準決定手段４０から電圧低下指令（進み無効電力指令）が出力され、周波数ｆがさらに上昇するように作用する。また、ｄｆ／ｄｔ〈０場合には周波数が下降中であるので、この間には電圧変動基準決定手段４０から電圧上昇指令（遅れ無効電力指令）が出力され、周波数ｆがさらに下降するように作用する。
【００３９】
従って、以上のような正帰還作用によって周波数変動が増大する。周波数変化率過大検出手段３３は、周波数変動の増大による周波数異常や周波数変化率過大を検出することにより、従来使用している高価な転送遮断システムを設けることなく、単独運転を検出することが可能となる。
【００４０】
ところで、調速機１５やエンジン１６などで構成される速度制御系では、発電機電圧を制御する電圧制御系の動作とは関係なくエンジン回転数を速度指令に追従させるように動作し、また速度制御系には定常偏差も存在するので、電圧変動基準ΔＶ＊１による周波数変動の助長を妨げる方向に作用する。
【００４１】
そのため単独運転を迅速に検出するには、系統解列直後からスムーズに周波数を変動させることが望ましい。一旦、十分な周波数変動が生じた後であれば速度制御系の速度を一定にしようとする動作は構わないが、系統解列直後では速度制御系の動作によってなかなか周波数変動が拡大できないといった問題がある。そのためには、電圧変動基準ΔＶ＊１による周波数変動を助長する作用を妨げる速度制御系の動作をキャンセルすることが望ましい。
【００４２】
そこで、電圧変動基準補正手段４２は、周波数変化率から定まる周波数変動方向と原動機制御の制御方向とを比較し、電圧変動基準ΔＶ＊１の働きを妨げる異極性となるときに補正信号を与えることにより電圧変動基準ΔＶ＊１の働きを妨げる要素を除去するように補償する。このとき、原動機制御信号検出手段４１は、原動機制御の制御方向の情報を電圧変動基準補正手段４２に与えることになる。
【００４３】
従って、以上のように周波数変化率検出手段３２、電圧変動基準決定手段４０、原動機制御信号検出手段４１および電圧変動基準補正手段４２を設けることにより、単独運転時での図５に示す周波数変動特性を図７に示す周波数変動特性に拡大することが可能となり、周波数異常や周波数変化率異常を検出でき、迅速、かつ、確実に自家発電設備の単独運転を検出できる。
【００４４】
すなわち、本実施の形態においては、周波数変化率ｄｆ／ｄｔを検出し、ｄｆ／ｄｔ〉０の場合には電圧変動基準決定手段４０から電圧低下指令を得、ｄｆ／ｄｔ〈０場合には電圧上昇指令を得、さらに速度制御系の動作を考慮して先の電圧低下指令または電圧上昇指令を補正し、この補正された電圧変動基準を自動電圧調整器１３に与えて発電機１２の出力電圧を変化させることにより、周波数変動を拡大でき、単独運転を迅速、かつ、確実に検出できる。
（第２の実施の形態）
図８は本発明に係わる系統連系保護装置の他の実施の形態を示すブロック構成図である。なお、同図において図１と同一部分には同一符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００４５】
この実施の形態は、図１の構成に新たに位相補償手段５０を設けたことにある。
【００４６】
先ず、位相補償手段５０を設ける必要性について説明する。図１の構成においては、電圧変動基準決定手段４０が周波数変化率から電圧変動基準を決定し、また電圧変動基準補正手段４２が電動機制御信号検出手段４１にて検出される原動機制御の情報に基づいて電圧変動基準の補正信号を取り出す。そして、補正された電圧変動基準に従って電圧変動を起こすことにより周波数変動を助長させ、単独運転を判定する。この点は本実施の形態も同じである。
【００４７】
ところで、補正された電圧変動基準を自動電圧調整器１３に入力して発電機電圧を変動させることで周波数変動が生じるのは、発電機電圧変動に伴う負荷電力変動がエンジン１６に対して負荷トルクの変動として影響を与えることにより生ずると解釈できる。しかし、電圧制御系は、電圧低下指令または電圧上昇指令に対する応答遅れがある。そのため、補正された電圧変動基準を自動電圧調整器１３に入力した後に負荷トルクの変動が生じるまでの間に遅れが生じる。
【００４８】
一方、調速機１５とエンジン１６からなる速度制御系においても、調速機１５からの制御信号に対応してエンジントルクが変動するまでには遅れがある。
【００４９】
ここで、両者の遅れが同程度であれば、第１の実施の形態の構成，つまり電圧変動基準補正手段４２を用いて電圧変動基準の補正を効果的に行うことができる。
【００５０】
しかしながら、電圧制御系と速度制御系とは別々に設計されることが常であり、両者の遅れが同程度になるとは限らない。その結果、電圧変動基準の補正が効果的になされるとは限らない。
【００５１】
そこで、本実施の形態では、電圧制御系の指令値に対する遅れと速度制御系の調速機１５からの制御信号に対する遅れとのずれを補償するために、位相補償手段５０を設けたものである。
【００５２】
図９は両制御系の遅れのずれを補償する構成図である。
【００５３】
この図において５１は電圧制御系の応答を表現する伝達関数であって、図１の構成要素で言えば交流発電機１２、界磁巻線１４および自動電圧調整器１３からなる電圧制御系の応答を表現しており、時定数Ｔａの一時遅れで代表的に表現されている。５２は原動機制御信号に対するエンジントルクの応答を表現する伝達関数であって、図３の構成要素で言えば原動機制御信号ＣＳに対するアクチュエータ１６１、操作弁１６２および電動機駆動部１６３によるエンジントルクの応答を表現しており、時定数Ｔｂの一時遅れで代表的に表現されている。
【００５４】
よって、位相補償手段５０は、これら一次遅れのずれを補償するために、例えば（１＋Ｔａ・Ｓ）／（１＋Ｔｂ・Ｓ）で構成することができる。５３はトルク変動による速度変動を表現する伝達関数であって、図１の構成要素で言えば交流発電機１２とエンジン１６の回転体から決まる慣性定数Ｍとに従うトルク変動に対する速度変動の応答を表すものである。
【００５５】
従って、以上のような実施の形態によれば、電圧変動基準補正手段４２の入力側に位相補償手段５０を設け、電圧制御系の指令値に対する遅れと速度制御系の調速機からの制御信号に対する遅れとのずれを補償する要素で構成することにより、両者の遅れのずれを補償でき、電圧変動基準を適切に補正することができ、ひいては第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、発電機１２の出力電圧を変化させることにより、周波数変動を拡大し容易に単独運転を検出できる。
（第３の実施の形態）
図１０は本発明に係わる系統連系保護システムのさらに他の実施の形態を示す構成図である。なお、同図において図１と同一部分には同一符号を付し、その詳しい説明は省略し、以下，図１と異なる部分について説明する。
【００５６】
この実施の形態は、周波数変化率の大きさに応じて電圧変動基準を徐々に大きくし、周波数変動を迅速に拡大する実施例である。
【００５７】
先ず、電圧変動基準決定手段４０においては、周波数変化率検出手段３２から周波数変化率Ｖ３０を受けて電圧変動基準ΔＶ＊１を出力するが、このとき周波数変化率が正（周波数が上昇中）の場合には発電機１２の出力電圧を低下させて周波数上昇を助長させ、一方，周波数変化率が負（周波数が下降中）の場合には発電機１２の出力電圧を上昇させて周波数下降を助長させるような電圧変動基準ΔＶ＊１を出力する。このことは、第１の実施の形態と同じである。
【００５８】
ところで、電圧変動に基づく周波数変動は、電圧変動が大きくなると周波数変動も大きくなる。よって、単独運転であるか系統連系中であるかを判定させるためには、単独運転に陥ったときに十分な周波数変動を招く電圧変動を与える必要がある。しかし、連系中に大きな電圧変動指令を与えることは系統に擾乱を招くことが懸念される。
【００５９】
そこで、１つの考え方として、最初に系統に悪影響を与えないレベルの小さな電圧変動基準ΔＶ＊１を与えておく。その後、最初の電圧変動基準ΔＶ＊１の働きにより周波数変化率が予め設定するしきい値を超えたとき、比較的大きな電圧変動基準ΔＶ＊１を与える。この影響を受けて、さらに周波数変化率が予め定める次のしきい値を超えたとき、さらに大きな電圧変動基準ΔＶ＊１を与える。このような繰り返しを何回か実施すれば、単独運転らしさを確認しながら電圧変動基準ΔＶ＊１による作用を段階的に大きくすれば、系統への影響を無くすことができる。以下、このような手法を多段階検出の手法と呼ぶ。
【００６０】
そこで、このような多段階検出の手法を実現する本実施の形態としては、新たに予め複数の周波数変化率しきい値を設定し、周波数変化率検出手段３２で検出される周波数変化率が各しきい値を超える毎に電圧変動基準決定手段４０に対して切換指令を出力する電圧変動基準切変手段５６と、多段階検出の進行に合わせて電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２による補正を停止するスイッチ手段５７とを設けた構成とする。
【００６１】
さらに、電圧変動基準決定手段４０としては、周波数変化率検出手段３２で検出される周波数変化率をもとに、周波数変化率が正であるとき発電設備の進み無効電力を増加（出力電圧を低下）させ、周波数変化率が負であるときに遅れ無効電力を増加（出力電圧を上昇）させる電圧変動基準を決定するために、周波数変化率と電圧変動基準との関係を関数で定義するとともに、関数のゲインまたは関数の形状を複数段で切換え可能とし、前記電圧変動基準切変手段５６からの切換指令に応じて切り換える構成とする。図１１は、電圧変動基準を決定する関数の一例を示すイメージ図である。この図から明らかなように、関数が複数段用意され、さらにリミットレベルが設けられている。
【００６２】
さらに、原動機制御信号検出手段４１および電圧変動基準補正手段４２は、第１の実施の形態と同じであるが、周波数変化率の拡大がある程度進行すると、電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２がなくても、多段階検出の手法において十分な電圧変動基準ΔＶ＊１が得られる。そこで、多段階検出の進行に合わせて、スイッチ手段５７により、電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２による補正を停止させる構成としている。
【００６３】
従って、以上のような実施の形態によれば、多段階検出の手法により連系中には系統に与える影響を少なくし、単独運転時には周波数変動を迅速に拡大する動作に加え、電圧変動基準切変手段５６が予め複数のしきい値をもち、周波数変化率が各しきい値を超えるごとに切換指令を出力し、電圧変動基準決定手段４０にて、その切換指令に基づいて関数のゲインまたは関数の形状をもつ大きな電圧変動基準に切り換えて出力するので、単独運転時に図５に示す周波数変動特性から図７に示す周波数変動特性に拡大するので、周波数異常や周波数変化率異常を検出でき、迅速、かつ、確実に自家発電設備の単独運転を検出できる。
（第４の実施の形態）
図１２は本発明に係わる系統連系保護装置のさらに他の実施の形態を示す構成図である。なお、同図において図１および図１２と同一部分には同一符号を付し、その詳しい説明は省略する。
【００６４】
この実施の形態は、図１０に示す構成要素に新たに位相補償手段５０（図１２参照）を付加したものである。
【００６５】
この系統連系保護装置は、第３の実施の形態で述べたように、多段階検出の手法を採用し、電圧変動基準決定手段４０にて周波数変化率をもとに決定された電圧変動基準ΔＶ＊１と電圧変動基準補正手段４２にて決定された電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２とによって電圧変動を起こすことにより、周波数変動を助長し、この助長された周波数変動に基づいて単独運転を判定することは同じである。
【００６６】
本発明装置において特に異なるところは、第２の実施の形態で述べたように、位相補償手段５０を設け、電圧制御系の指令値に対する遅れと速度制御系の調速機からの制御信号に対する遅れとのずれを補償し、電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２を効果的に作用させるものである。
【００６７】
従って、以上のような実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様の効果の他、多段階検出の手法により連系中には系統に与える影響を少なくし、単独運転時には周波数変動を迅速に拡大する動作に加え、電圧変動基準切換手段５６が予め複数のしきい値をもち、周波数変化率が各しきい値を超えるごとに切換指令を出力し、電圧変動基準決定手段４０にて、その切換指令に基づいて関数のゲインまたは関数の形状をもつ大きな電圧変動基準に切り換えて出力するので、単独運転時に図５に示す周波数変動特性から図７に示す周波数変動特性に拡大するので、周波数異常や周波数変化率異常を検出でき、迅速、かつ、確実に自家発電設備の単独運転を検出できる。
（第５の実施の形態）
この実施の形態は、原動機制御信号検出手段４１による原動機制御信号の取得手段を改良したものである。
【００６８】
原動機制御信号検出手段４１は調速機１５から出力されるエンジン１６の原動機制御信号ＣＳから操作量と制御方向とを検出するものであるが、この検出方法としては、図１３に示すように周波数変化率検出手段３２における周波数変化率の検出と同期させたサンプリングタイミングにより原動機制御信号を読み込み、サンプリングタイミング間の原動機制御信号の変化量から決定するように構成する。
【００６９】
本発明装置においては、各構成要素例えば３１〜３３、４０〜４２等はマイクロコンピュータを用いて所要の処理を実行するが、そのうち周波数の検出手段として例えば電圧瞬時波形のゼロクロス区間の時間の逆数をとることによって周波数を求める。さらに、マイクロコンピュータを用いて、ゼロクロスのタイミングをサンプリングタイミングとして捉え、先に求めた周波数とサンプリング間の時間から周波数変化率、さらに電圧変動基準ΔＶ＊１を求めることが可能である。
【００７０】
そして、以上のようにして電圧変動基準ΔＶ＊１を求める場合、原動機制御信号検出手段４１としてマイクロコンピュータを用いることにより、サンプリングタイミングにより原動機制御信号ＣＳを読み取り、サンプリングタイミング間の原動機制御信号の変化量から操作量および制御方向（極性）を検出する。
【００７１】
従って、以上のような実施の形態によれば、マイクロコンピュータを用いて、電圧瞬時波形のゼロクロス時間の逆数をとつて周波数を求めるが、この周波数とサンプリング間の時間から周波数変化率および電圧変動基準ΔＶ＊１を検出するが、このとき原動機制御信号検出手段４１は周波数変化率ないし電圧変動基準ΔＶ＊１の検出と同期したタイミングで原動機制御信号ひいては電圧変動基準補正信号ΔＶ＊２を得ることができ、よって、容易、かつ、的確に電圧変動基準を補正することにより発電機１２の出力電圧を変化でき、周波数変動を拡大して容易に単独運転を検出できる。
（第６の実施の形態）
この実施の形態は、電圧変動基準補正手段４２から出力する補正信号ΔＶ＊２の制限に関する例である。
【００７２】
すなわち、電圧変動基準補正手段４２から出力する補正信号ΔＶ＊２としては、例えば図１４に示すように原動機制御信号検出手段４１により検出された操作量に応じて徐々に大きくなる補正信号ΔＶ＊２を出力するが、操作量がある所定値以上となったとき、一定の補正信号ΔＶ＊２を出力する構成とする。
【００７３】
具体的には、電圧変動基準補正手段４２は、図１４に示すように原動機制御の操作量と補正信号との関係を定義し、電圧変動基準による周波数変動を妨げる量が多いときには補正信号を大きくする。一方、補正信号が大きくなると、連系中に電圧変動基準が必要以上に大きくなり、無効電力変動も大きくなる。
【００７４】
そこで、以上のような不具合を回避するために、図１４に示すように原動機制御の操作量と補正信号との定義に基づき補正信号を制限する。
【００７５】
従って、以上のような実施の形態によれば、制限をもたせた電圧変動基準補正信号を用いることにより、系統の無効電力変動を抑制しながら発電機１２の出力電圧を変化させて周波数変動を拡大でき、ひいては単独運転を容易に検出できる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高価な転送遮断システムを設けることなく、系統連系中の自家発電設備の単独運転を自身の自家発電設備側で確実に検知でき、この単独運転を検知できれば系統から迅速に発電設備を解列し保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる発電設備の系統連系保護装置の第１の実施の形態を示すブロック構成図。
【図２】電圧変動基準を決定する関数の形状例を説明する図。
【図３】調速機および原動機からなる速度制御系の構成を示す図。
【図４】自家発電設備である発電機から流出する電力を説明する図。
【図５】発電機から出力される周波数の変動を説明する図。
【図６】発電機から出力される周波数と周波数変化率と電圧変動基準との関係を説明する図。
【図７】周波数変動を拡大させる例を説明する図。
【図８】本発明に係わる発電設備の系統連系保護装置の第２の実施の形態を示すブロック構成図。
【図９】位相補償手段の位相補償方法を説明する図。
【図１０】本発明に係わる発電設備の系統連系保護装置の第３の実施の形態を示すブロック構成図。
【図１１】電圧変動基準を決定する多段階の関数を示す図。
【図１２】本発明に係わる発電設備の系統連系保護装置の第４の実施の形態を示すブロック構成図。
【図１３】本発明に係わる系統連系保護システムの第５の実施の形態を説明するための図であって、特に原動機制御信号検出手段を説明するための各信号の関係特性図。
【図１４】本発明に係わる系統連系保護システムの第６の実施の形態を説明するための図であって、特に電圧変動基準補整手段の補正信号の出力制限を説明する図。
【図１５】従来の系統連系保護システムの構成図。
【符号の説明】
１…系統電源
３…遮断器
６…負荷
１１…遮断器
１２…交流発電機
１３…自動電圧調整器
１５…調速機
１６…エンジン
３１…周波数検出手段
３２…周波数変化率検出手段
３３…周波数変化率過大検出手段
３５…無効電力検出手段
３６…有効電力検出手段
３８…有効電力制御手段
４０…電圧変動基準決定手段
４１…原動機制御信号検出手段
４２…電圧変動基準補整手段
４３…無効電力制御手段
５０…位相補償手段
５６…電圧変動基準切換手段
Claims (5)
- 発電設備と系統電源とが遮断器を介して連係する系統連系システムにおいて、
前記発電設備の出力周波数を検出する周波数検出手段と、
この周波数検出手段により検出される周波数の変化率を求める周波数変化率検出手段と、
この周波数変化率検出手段により検出される周波数変化率をもとに、当該周波数変化率が正であるとき前記発電設備の進み無効電力を増加させ、前記周波数変化率が負であるとき遅れ無効電力を増加させるような電圧変動基準を決定する電圧変動基準決定手段と、
調速機から発電機用エンジンに送出する原動機制御信号から操作量と制御方向とを検出する原動機制御信号検出手段と、
前記周波数変化率の極性と前記制御方向の極性とを比較し、異極性の場合には前記電圧変動基準を大きくするような電圧変動基準補正信号を出力する電圧変動基準補正手段と、
前記電圧変動基準と前記電圧変動基準補正信号とを前記発電設備の自動電圧調整器に印加することにより生じる前記発電設備の電圧変動に伴って助長される周波数変動を検知し、前記遮断器にて系統から前記発電設備を解列させる保護手段とを備えたことを特徴とする発電設備の系統連系保護装置。 - 発電設備と系統電源とが遮断器を介して連係する系統連系システムにおいて、
前記発電設備の出力周波数を検出する周波数検出手段と、
この周波数検出手段により検出される周波数の変化率を求める周波数変化率検出手段と、
この周波数変化率検出手段により検出される周波数変化率をもとに、当該周波数変化率が正であるとき前記発電設備の進み無効電力を増加させ、前記周波数変化率が負であるとき遅れ無効電力を増加させる電圧変動基準を決定するために周波数変化率と電圧変動基準との関係を複数段の関数で定義するとともに、これら複数段の関数を切換え可能とした電圧変動基準決定手段と、
予め複数の周波数変化率しきい値が設定され、前記周波数変化率が各周波数変化率しきい値を超えるごとに、前記電圧変動基準決定手段に対して関数の切換指令を出力する電圧変動基準切換手段と、
調速機から発電機用エンジンに送出する原動機制御信号から操作量と制御方向とを検出する原動機制御信号検出手段と、
前記周波数変化率の極性と前記制御方向の極性とを比較し、異極性の場合には前記電圧変動基準を大きくするような電圧変動基準補正信号を出力する電圧変動基準補正手段と、
前記電圧変動基準と前記電圧変動基準補正信号とを前記発電設備の自動電圧調整器に印加することにより生じる前記発電設備の電圧変動に伴って助長される周波数変動を検知し、前記遮断器にて系統から前記発電設備を解列させる保護手段とを備えたことを特徴とする発電設備の系統連系保護装置。 - 請求項１または請求項２に記載する発電設備の系統連系保護装置において、
前記調速機から出力される原動機制御信号に対して位相補償を行って前記原動機制御信号検出手段に送出する位相補償手段を設けたことを特徴とする発電設備の系統連系保護装置。 - 前記原動機制御信号検出手段による原動機制御信号の操作量および制御方向は、前記周波数変化率検出手段から出力される周波数変化率の検出と同期したサンプリングタイミングで原動機制御信号を読み取り、サンプリングタイミング間の当該原動機制御信号の変化量から検出することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の発電設備の系統連系保護装置。
- 前記電圧変動基準補正手段から出力する電圧変動基準補正信号は、前記原動機制御信号検出手段により検出される操作量に応じて大きくし、かつ、前記操作量が予め定める値以上となったとき一定の値に制限することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の発電設備の系統連系保護装置。
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