JP3647816B2 - 同期投入制御方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも一方が変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、遮断器の同期投入を制御する同期投入制御方法及びその実施に使用する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機の多くは、飛行用の主エンジン駆動の発電機を主電源として備え、また、補助電源として、補助エンジン駆動の発電機を備えたAPU（Auxiliary Power Unit）及びバッテリ等を備えている。
【０００３】
主エンジン駆動の発電機としては、例えば、統合型駆動発電機（IDG：Integrated Drive Generator）があり、該IDGは、主エンジンが始動している場合に、該エンジンにより駆動されて発電し、機内にその電力を供給する。APUは、一般に、駐機中であって主エンジンが停止している場合に、IDGに代わって機内に電力を供給する。バッテリは、一般にニッケルカドミニウムバッテリからなり、IDG及びAPUの何れも使用されない状態に、最小限必要な電力を限られた時間供給することが可能となっている。
【０００４】
また、IDG及びAPU等が停止されている駐機中にあっては、航空機には、外部電源設備（GPU：Ground Power Unit）が接続され、機内に電力を供給することもできるようになっている。
【０００５】
上記の何れの電力供給源からも機内へは、例えば、200V，400Hzの交流電力が供給されるようになっているが、電力供給先の機内機器に安定した電力を供給し続けるためにも、電力供給源を瞬断することなく切り換える際には、電圧，周波数，及び位相を電力供給源間で略一致させることが必要である。
【０００６】
ところが、エンジン駆動の発電機を備えるIDGにあっては、駆動エンジンの回転数は、一定となるようにされているが、厳密には一定とならない。このため、発電機からの供給電力の電圧，周波数，及び位相が変動し、他の電力供給源との間の切り換えの際に、供給電力の変動に弱い例えば機内電子機器等に影響を与えることがあった。なお、APUは、ガスタービンエンジン等により駆動されるため、エンジン回転数は略一定であり、供給電力に変動は殆どない。
【０００７】
一般に、発電機の出力は、界磁電流としてフィードバックされ、サイリスタ等を利用した発電機に界磁電流を与えることによって所定の電圧（例えば、200V）に制御されている（電圧一定制御）。また、発電機の出力周波数は、所定の周波数（例えば、400Hz）に対応する回転数指令を出力することによりフィードバック制御されている（周波数一定制御）。
【０００８】
一方、発電機の出力電圧位相は、前述の如く駆動エンジンの回転数の変動により、他の電力供給源の位相から正側及び負側の両方向に変則的にずれることがある。
【０００９】
このため、従来から、このように変則的に変動する位相が他の電力供給源の位相と一致する時点を予測し、予測した時点に、電力供給源の切り換え用の遮断器の切り換え時間（投入死時間）を考慮して該遮断器に投入指令を出力する方法が種々開示されている。
【００１０】
例えば、特開昭64-81700号公報には、発電機の時系列的な位相変化量の平均値に基づいて位相が一致する時点を予測する方法が開示されている。
【００１１】
また、特開平5-308728号公報には、位相が一致するまでの時間を、電力供給源間の周波数差fと位相差φとから、
（位相が一致するまでの時間）＝｜φ｜／（360[deg]×｜f｜） …（１）
上記（１）式を用いて予測演算する方法が開示されている。
【００１２】
さらに、特開平11-266541号公報には、各遮断器の投入死時間の個体差を勘案して、位相が一致するまでの時間を予測する方法が開示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開昭64-81700号公報，特開平5-308728号公報，及び特開平11-266541号公報にあっては、位相差が一致するまでの時間を予測するのみであって、積極的な制御をしておらず、例えば、予測後に外乱が生じた場合であっても投入指令を中止することができないので、投入に失敗することがあった。また、一度投入に失敗すると、周波数差が小さくなっているため、位相差の変動が停滞し、再投入に時間を要していた。
【００１４】
本発明は、上記状況に鑑みて行なわれたものであり、電力供給源間の周波数差及び位相差が所定範囲内に入るように、発電機と該発電機を駆動するエンジンとの間に設けられた変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御することにより、位相差が停滞するような場合であっても、位相差を積極的に操作して速やかに同期投入条件を満足する位相差が得られ、しかも、位相差を所定範囲内に長時間安定して維持することができるため、外乱の影響を受け難く投入に失敗することが少ない同期投入制御方法及びその実施に使用する装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を以下のような構成からなる同期投入制御方法及び装置によって解決することができる。
【００１６】
本発明に係る同期投入制御方法は、少なくとも一方が変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、該電力供給源間の周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、前記切り換え用の遮断器に投入指令を出力する同期投入制御方法であって、前記電力供給源間の周波数差及び位相差を検出する第１ステップと、検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となるように、前記変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御する第２ステップと、検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となる場合に、前記遮断器に投入指令を出力する第３ステップとを有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る同期投入制御装置は、少なくとも一方が変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、該電力供給源間の周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、前記切り換え用の遮断器に投入指令を出力する同期投入制御装置であって、前記電力供給源間の周波数差を検出する周波数差検出手段と、前記電力供給源間の位相差を検出する位相差検出手段と、各検出手段により検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となるように、前記変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、前記各検出手段により検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となる場合に、前記遮断器に投入指令を出力する投入指令出力手段とを備えることを特徴とする。
【００１８】
上記発明によれば、電力供給源間の周波数差及び位相差が所定範囲内に入るように、発電機と該発電機を駆動するエンジンとの間に設けられた変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御することにより、位相差が停滞するような場合であっても、位相差を積極的に操作して、同期投入条件を満足する位相差が速やかに得られ、しかも、位相差を所定範囲内に長時間安定して維持することができるため、外乱の影響を受け難く投入に失敗することが少ない。
【００１９】
なお、本発明においては、２つの電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、少なくとも一方の電力供給源が、少なくとも周波数差及び位相差を操作可能な変速機付きの発電機である。従って、例えば、３つ以上の電力供給源を有する系統であっても、そのうちの２つを対象として本発明を適用することが可能である。また、例えば、複数の電力供給源から並行して電力供給を行っている場合に、無負荷の電力供給源の遮断器を投入する場合であっても、負荷側の電力供給源の周波数及び位相差は一致しているため、これらの一方と、上記無負荷の電力供給源とを対象として本発明を適用すればよい。
【００２０】
また、検出される周波数差が所定範囲内となるような回転数指令を変速機に出力する「周波数一定制御」において、この回転数指令に、検出される位相差が同一方向（正側又は負側）に変化するように、所定のオフセットを付与して変速機に出力することにより、積極的に位相差を速やかに所定範囲内に入るように制御（フィードフォワード制御）することが可能である。このようなフィードフォワード制御は、上記のフィードバック制御と組み合わせても、また、単独で利用することも可能である。また、このようなオフセットの値を可変とすることも可能であり、例えば、オフセットの値を段階的に小さくすることによって、より滑らかな制御を実現することも可能である。
【００２１】
また、一般には、負荷側の電力供給源の周波数が無負荷側の電力供給源の周波数よりも低く、且つ負荷側の電力供給源の位相が無負荷側の電力供給源の位相よりも遅れている場合に、同期投入を実施することにより、安定した同期投入を達成することができるため、このような状態に周波数及び位相の関係を持たせるべく、上記所定範囲をシフトさせることも可能である。
【００２２】
また、本発明に係る同期投入制御装置にあっては、電圧制御機能を有する必要はなく、このような機能を別の装置に委ねることも可能である。本発明に係る同期投入制御装置がこの機能を兼ね備える場合には、電力供給源間の出力の電圧差を検出し、検出される電圧差が所定範囲内となるように、発電機に界磁電流指令を出力することによって「電圧一定制御」を行い、検出される電圧差、周波数差、及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、遮断器に投入指令を出力するように構成する。
【００２３】
また、発電機の周波数及び位相の少なくとも何れかに基づいて、周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる時点を予測するような従来の手法を、本発明と組み合わせて使用することも可能である。なお、予測制御を併用する場合には、投入指令の出力時点は、従来の如く遮断器の切り換え時間（投入死時間）を考慮して決定するのが望ましい。
【００２４】
上記変速機としては、無段変速機を採用することが望ましく、特に、油圧式の如き応答の遅いものではなく、応答の速いトラクション・ドライブ変速機構を有する無段変速機を採用することが更に望ましい。
【００２５】
また、本発明は、従来技術で説明した如きIDG等を備えた航空機への適用に限らず、風力，火力，及び水力等の各発電設備、並びに船舶等、様々な用途に適用可能である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る同期投入制御方法を実施するための装置について図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る同期投入制御装置の適用例を示すブロック図である。なお、本実施の形態においては、航空機への適用を例に挙げて説明する。
【００２８】
図１において、電力供給源は、GPU等の電源系統4と、IDG等の変速装置3を伴った発電機5との２つであり、電源系統4及び発電機5は、それぞれ遮断器B1及びB2を介して機内機器等の負荷7に接続されている。なお、図１において、参照符号6は接点である。
【００２９】
発電機5は、変速装置3が備える無段変速機33を介してエンジンEにより駆動されるようになっている。無段変速機33は、トラクション・ドライブ変速機構を備えたものであり、好ましくは所謂「ハーフトロイダル型CVT」である。
【００３０】
変速装置3は、上述した無段変速機33のほかに、回転数制御器31と油圧サーボ系32とを備えており、該回転数制御器31には、エンジンEの出力回転数（エンジン回転数）N1が与えられる。回転数制御器31は、エンジン回転数N1と、後述する同期投入制御装置1からの指令と、無段変速機33の発電機駆動回転数N2とに基づいたサーボ弁開度指令iを油圧サーボ系32に与える。油圧サーボ系32は、与えられたサーボ弁開度指令iに応じて図示しないサーボ弁の開度を調整する。サーボ弁により開度を調整されると、これによって該サーボ弁を介して流れる作動流体（ここでは、作動油）の流量が変化し、この結果としての流量が、ストローク指令xとして無段変速機33に与えられる。無段変速機33は、与えられたストローク指令xに応じた流量を有する作動流体に応じて、油圧シリンダの如きアクチュエータが動作され、該アクチュエータの出力端に接続されたパワーローラの傾転角が変更されて、無段変速機33の変速比が調整される。このように変速された無段変速機33の発電機駆動回転数N2で発電機5は駆動される一方で、該発電機駆動回転数N2は、前述の如く回転数制御器31にフィードバックされる。
【００３１】
電源系統4及び発電機5には、電圧調整装置2が接続されており、該電圧調整装置2は、電源系統4及び発電機5から供給電圧をそれぞれ検出し、これら供給電圧の差（電圧差）Vを求める電圧差検出器21を備えている。該電圧差検出器21は、検出した電圧差Vを、電圧調整装置2が備える電圧調整器22に与え、該電圧調整器22は、電圧差Vを後述する同期投入制御装置1に与える一方、電圧差Vに応じた界磁電流指令jを発電機5に与え、発電機5の供給電圧を一定に制御する。
【００３２】
本実施形態に係る同期投入制御装置1は、周波数差検出器11と、位相差検出器12と、同期投入制御器13とを備えている。周波数差検出器11は、電源系統4及び発電機5の各交流電圧波形を矩形波に変換し、該矩形波の一周期の時間を計測して、電源系統4及び発電機5の出力周波数をそれぞれ検出することによって、周波数差fを検出する。位相差検出器12は、電源系統4及び発電機5の各交流電圧差を矩形波に変換し、該矩形波の立ち上がりの時間差を計測することによって、位相差φを検出する。
【００３３】
具体的には、電源系統4及び発電機5の電圧パルスをそれぞれ計測し、図２に示すように、電圧のゼロクロス点間から各周期を計測し、各周期に基づいて、次式を用いて周波数差fを演算する。ここで、fPWSは電源系統4の周波数、fGENは発電機5の周波数、TPWSは電源系統4の周期、及びTGENは発電機5の周期である。電源系統4及び発電機5の各電圧パルスは、電圧調整装置2から得てもよいし、また、電源系統4及び発電機5から図示しない電圧検出器を介して得てもよい。
【００３４】
【数１】
【００３５】
位相差φは、電源系統4側を基準として、次式から演算する。但し、ここでは発電機5側の位相が遅れている場合を「正側」としている。
【００３６】
【数２】
【００３７】
検出された周波数差f及び位相差φは、同期投入制御器13に与えられ、該同期投入制御器13は、周波数差f及び位相差φに基づいて発電機回転数指令N2refを演算し、回転数制御器31に与える。また、同期投入制御器13は、電圧調整器22から与えられた電圧差Vと、上記周波数差f及び位相差φとが所定範囲内にあるか否かを判定し、全て所定範囲内にある場合に、電源系統4及び発電機5のうち、無負荷側の遮断器（例えば、B2）に投入指令を出力し、負荷側の遮断器（例えば、B1）に切断指令を出力するようになっている。
【００３８】
図３は、本実施形態に係る同期投入制御装置1の同期投入制御器13の同期投入制御手順を示すフローチャートであり、図４は、この制御により操作される位相差φの時系列的な変化を示すグラフである。
【００３９】
同期投入制御器13は、まず、検出された位相差φが、予め設定された上限値φaよりも小さく且つ下限値φbよりも大きいか否か、即ちφb＜φ＜φaであるか否かを判定する（ステップS1）。
【００４０】
位相差φが上限値φa以上（即ちφ≧φa）であるか又は下限値φb以下（即ちφ≦φb）である場合（ステップS1で“NO”）には、同期投入制御器13は、位相差φが所定範囲内（即ちφb＜φ＜φa）になく、位相差φが同期投入条件を満足していないと判断して、回転数一定指令（所謂「定格回転数」）αに所定のオフセットβを加算することによって発電機回転数指令N2refを演算し、これを回転数制御器31に与える（ステップS2）。これにより、同期投入制御器13は、図４の「周波数差オフセット制御」領域に示す如く、位相差φが上記所定範囲外の状態で停滞させないために、積極的に位相差φの傾斜角度を小さくするように制御する。
【００４１】
なお、オフセットβは、位相差φが停滞することを防止する目的から、上述した如くに加算するだけでなく、例えば減算するように構成することも可能である。
【００４２】
一方、位相差φが上記所定範囲内（即ちφb＜φ＜φa）にある場合（ステップS1で“YES”）には、同期投入制御器13は、位相差φが所定範囲内（即ちφb＜φ＜φa）にあって、位相差φが同期投入条件を満足していると判断して、定格回転数αに、制御ゲインKFB(s)と位相差φとを乗じたものを加算することによって発電機回転数指令N2refを演算し、これを回転数制御器31に与える（ステップS3）。これにより、同期投入制御器13は、図４の「位相差フィードバック制御」領域に示す如く、上記所定範囲内に入った位相差φを該所定範囲内にて維持するように制御する。
【００４３】
そして、同期投入制御器13は、ステップS2又はS3の後で、他の同期投入条件も含めて全ての同期投入条件を満足しているか否かを判定し（ステップS4）、全ての同期投入条件を満足している場合（ステップS4で“YES”）には、遮断器B1，B2の一方に投入指令を出力し、他方には、切断指令を出力する（ステップS5）。一方、全ての同期投入条件を満足していない場合（ステップS4で“NO”）には、ステップS1からの処理に戻り、必要に応じて周波数差オフセット制御を継続する。
【００４４】
本実施の形態においては、図４にてより明確に示すように、位相差フィードバック制御を遮断器B1，B2の切り換え完了まで継続して行うようにしているため、外乱を受けても位相差φが上記所定範囲内に維持され、速やかに再投入することができる。
【００４５】
投入指令が出力されると、一方の遮断器（例えば、B2）は、固有の切り換え時間（例えば、約50msec）後に投入が完了し、他方の遮断器（例えば、B1）の切断が完了して、切り換えが完了する。なお、前記一方の遮断器（例えば、B2）の投入が完了してから、前記他方の遮断器（例えば、B1）の切断が完了するまでの間は、両方の電力供給源から電力が供給される所謂「パララン状態」となっている。また、切り換え完了後は、変速装置3は、無負荷状態で回転数一定制御を行う。
【００４６】
以上の例にあっては、オフセットβを固定値としてあるが、これを段階的に変化させ、フィードバック制御に移行する前に、位相差φを可及的に緩やかにするように構成することも可能である。例えば、図５に示すように、再投入準備のためのオフセットβ1をオフセットβとしてまず与え、このオフセットβをβ＝β1，β2，β3…（ここで、β1＞β2＞β3…）のように段階的に小さくして、位相差φを段階的に小さくする方向へ変化させる。
【００４７】
このようなオフセットβの値は、例えば、図６（ａ）に示すような位相差φの大きさに応じたオフセットβの値を用意しておくもの、又は図６（ｂ）に示すような位相差φの傾き（変化量）θの大きさに応じたオフセットβの値を用意しておくものを利用することができ、これらのデータをテーブル形式として、同期投入制御器13の図示しないメモリに予め格納しておくことにより、容易に実現可能である。
【００４８】
（第２の実施の形態）
また、上記の例にあっては、位相差φの所定範囲（φb＜φ＜φa）を固定値としてあるが、これを電力負荷の切り換え方向に応じて変更することも可能である。つまり、電力負荷を切り換える方向は、▲１▼電源系統4から発電機5へ、及び▲２▼発電機5から電源系統4への２つの方向がある。一般には、負荷側の周波数が低く、且つ位相が遅れている場合に、同期投入を実施することが望ましい。これは、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、切り換え方向に応じて上記位相差φの所定範囲を変更すれば、より安全に同期投入できることを意味している。
【００４９】
ここで、周波数差f[Hz]＝発電機周波数fGEN[Hz]−電源系統周波数fPWS[Hz]であり、位相差φは、電源系統4側を基準とし、発電機5が位相遅れ側である場合を「正」とする。
【００５０】
具体的には、図８に示すように、上記図１に示した第１の実施の形態の構成に対して、電源系統4及び発電機5の何れかが負荷側であるかを検出するための切換え指令9を同期投入制御器13に与えるように構成すると共に、負荷7の情報（負荷側の周波数が低く、且つ位相が遅れていることを示す情報）を検出する電力検出器8を設け、検出した負荷7の情報を同期投入制御器13に与えるように構成してある。
【００５１】
電源系統4の周波数に対して、オフセットβを正の方向へ増加させた場合、位相差φは減少方向に傾きを増す。逆に、オフセットβを負の方向へ減少させた場合、位相差φは増加方向に傾きを増す。ここでは、負荷側の周波数を他方に対して小さくする必要があるので、オフセットβの符号は、図７（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示すような形態となる。
【００５２】
位相差φが正である場合、電源系統4に対して発電機5の位相が遅れている。従って、元々中立位置（φ≒０[deg]）近傍にあった位相差φの所定範囲（φb＜φ＜φa）を、図７（ａ）又は（ｂ）のように移動させることにより、同期投入時の衝撃（トルクピーク，過渡トルクの動揺等）を抑制することができる。
【００５３】
同期投入制御器13の制御内容としては、図９のフローチャートに示すように、上記第１の実施の形態に対して、上記所定範囲を移動するステップ（ステップS6）をステップS1の前に追加するものとなる。
【００５４】
つまり、ステップS6では、同期投入制御器13は、切換え指令に基づいて、電源系統4及び発電機5の何れかが負荷側であるかを判定すると共に、電力検出器8から情報に基づいて、負荷側の周波数が低く、且つ位相が遅れていることを判定し、それに応じて上記所定範囲を移動させる。
【００５５】
より詳しくは、▲１▼電源系統4が負荷側であると判定した場合には、オフセットβをβ＞0にセットすると共に、上記所定範囲の上限値φaをφa＜0とするように上記所定範囲を移動させる。一方、▲２▼発電機5が負荷側であると判定した場合には、オフセットβをβ＜0にセットすると共に、上記所定範囲の下限値φbをφb＞0とするように上記所定範囲を移動させる。
【００５６】
以後の処理は、上記第１の実施の形態と同様であり、その詳細は説明は省略する。
【００５７】
図１０は、本実施形態に係る同期投入制御装置1の制御によるエンジン回転数N1と、無段変速機33の出力である発電機駆動回転数N2との時系列的な変化を示す実験結果のグラフであり、図１１は、図１０に対応する周波数差f及び位相差φの時系列的な変化を示す実験結果のグラフである。
【００５８】
図１０に示す如く、エンジン回転数N1は、略一定に4500rpm〜9200rpm（図１０では約5500rpm）で動作している。一方、発電機駆動回転数N2は、定格回転数αの24000rpmを維持するように同期投入制御装置1に制御される。同期投入制御装置1により同期投入制御が開始されると、約3.5秒後まで周波数差オフセット制御がなされ、それに続いて位相差フィードバック制御に移行する際に、若干の変動が見られるものの、略両制御間において、発電機駆動回転数N2の変動は見られない。
【００５９】
本実施の形態においては、他方の電力供給源が周波数等の変動を伴わないため、発電機駆動回転数N2から一義的に定まる周波数差fは、図１１に示す如く、発電機駆動回転数N2と同様の変化を示している。一方、位相差φは、図４に示した位相差φの波形と同様の変化を示し、周波数オフセット制御の間に所定範囲内に入るように操作され、位相差フィードバック制御に移行した時点から、上記所定範囲内で略変動することなく安定した値を維持している。
【００６０】
このように、本実施の形態に係る同期投入制御における位相差フィードバックは、非常に有効であり、安定した同期投入条件の長期的な維持を保証することができる。また、周波数差オフセット制御と組み合わせることにより、上記所定範囲内に位相差φを速やかに入れることができる。
【００６１】
また、本実施の形態においては、主として、同期投入制御器13及び回転数制御器31に制御機能を集約しているため、このような構成にあっては、制御系の設計、パラメータ調整、及び保守等が容易である。
【００６２】
（第３の実施の形態）
図１２は、本発明に係る同期投入制御装置の別の適用例を示すブロック図である。本実施の形態に係る同期投入制御装置100は、ガスタービン駆動型の発電システム200への適用例であり、図１又は図８に示した上記第１又は第２の実施の形態の同期投入制御装置1と、電圧調整装置2と、回転数制御器31と、油圧サーボ系32とを含んだ構成とされている。また、発電機Gは、無段変速機33を併せ持ったものとして示してある。従って、その他の構成及び作用は、上記第１又は第２の実施の形態と同様であり、同様の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６３】
ガスタービン駆動型の発電システム200は、大気を圧縮機201に取り込んで燃焼器203に圧送し、燃焼器203は、圧縮された空気を加熱してタービン202に圧送し、該タービン202を駆動し、発電機Gを駆動する一般的なものである。
【００６４】
本実施の形態に係る同期投入制御装置100は、商用電源等の電源系統4と、無段変速機付きの発電機Gとから同期投入条件に係るパラメータを検出し、燃焼器203を通る圧縮空気の流量を調整する燃料調整弁204の開度を調整することによって、発電機駆動回転数N2を調整している。
【００６５】
（第４の実施の形態）
図１３は、本発明に係る同期投入制御装置の更に別の適用例を示すブロック図である。本実施の形態に係る同期投入制御装置100は、蒸気タービン駆動型の発電システム200への適用例であり、図１２に示した上記第３の実施の形態の同期投入制御装置100と同様の構成とされている。従って、その他の構成及び作用は、上記第３の実施の形態と同様であり、同様の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６６】
蒸気タービン駆動型の発電システム200は、復水器215から給水ポンプ211により圧送される水がボイラ212で加熱され、その蒸気を、蒸気圧調整弁213を介してタービン214に送ることによって、該タービン202を駆動し、発電機Gを駆動する一般的なものであり、本実施の形態に係る同期投入制御装置100は、蒸気圧調整弁213の開度を調整することによって、発電機駆動回転数N2を調整する。
【００６７】
【発明の効果】
本発明に係る同期投入制御方法及びその実施に使用する装置によれば、電力供給源間の周波数差及び位相差が所定範囲内に入るように、発電機と該発電機を駆動するエンジンとの間に設けられた変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御することにより、位相差が停滞するような場合であっても、位相差を操作して速やかに同期投入条件を満足する位相差が得られ、しかも、位相差を所定範囲内に長時間安定して維持することができるため、外乱の影響を受け難く投入に失敗することが少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る同期投入制御装置の適用例を示すブロック図である。
【図２】 図１に示した同期投入制御装置が各系統の電圧パルスから位相差を検出する方法を説明するための各系統の電圧波形である。
【図３】 図１に示した同期投入制御装置の制御手順を示すフローチャートである。
【図４】 図１に示した同期投入制御装置による制御の結果、操作される位相差の変化と、制御手順とを示すグラフである。
【図５】 図１に示した同期投入制御装置が可変オフセットにより位相差を制御する方法を説明するための位相差のグラフである。
【図６】 図１に示した同期投入制御装置が記憶する図５に示した可変オフセットの形態を示す図であり、（ａ）には位相差に応じたオフセットの値、（ｂ）には位相差の傾き（変化量）に応じたオフセットの値をそれぞれ示してある。
【図７】 本発明の別の実施の形態に係る同期投入制御装置による位相差の所定範囲の移動制御を説明するためのグラフである。
【図８】 図７に示した制御を実現するための同期投入制御装置の例を示すブロック図である。
【図９】 図８に示した同期投入制御装置の制御手順を示すフローチャートである。
【図１０】 図１に示した同期投入制御装置による制御中のエンジンの回転数と、変速機の出力である発電機駆動回転数との時系列的な変化を示すグラフである。
【図１１】 図１に示した同期投入制御装置による制御中の周波数差及び位相差の時系列的な変化を示すグラフである。
【図１２】 本発明の実施の形態に係る同期投入制御装置の別の適用例を示すブロック図である。
【図１３】 本発明の実施の形態に係る同期投入制御装置の更に別の適用例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 同期投入制御装置
2 電圧調整装置
3 変速装置
4 電源系統
5 発電機
7 負荷
8 電力検出器
9 切換え指令
11 周波数差検出器
12 位相差検出器
13 同期投入制御器
21 電圧差検出器
22 電圧調整器
31 回転数制御器
32 油圧サーボ系
33 無段変速機
N1 エンジン回転数
N2 発電機駆動回転数
N2ref 発電機回転数指令
α 回転数一定指令（定格回転数）
β オフセット
φ 位相差
f 周波数差
V 電圧差
i 界磁電流指令
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも一方が変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、遮断器の同期投入を制御する同期投入制御方法及びその実施に使用する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機の多くは、飛行用の主エンジン駆動の発電機を主電源として備え、また、補助電源として、補助エンジン駆動の発電機を備えたAPU（Auxiliary Power Unit）及びバッテリ等を備えている。
【０００３】
主エンジン駆動の発電機としては、例えば、統合型駆動発電機（IDG：Integrated Drive Generator）があり、該IDGは、主エンジンが始動している場合に、該エンジンにより駆動されて発電し、機内にその電力を供給する。APUは、一般に、駐機中であって主エンジンが停止している場合に、IDGに代わって機内に電力を供給する。バッテリは、一般にニッケルカドミニウムバッテリからなり、IDG及びAPUの何れも使用されない状態に、最小限必要な電力を限られた時間供給することが可能となっている。
【０００４】
また、IDG及びAPU等が停止されている駐機中にあっては、航空機には、外部電源設備（GPU：Ground Power Unit）が接続され、機内に電力を供給することもできるようになっている。
【０００５】
上記の何れの電力供給源からも機内へは、例えば、200V，400Hzの交流電力が供給されるようになっているが、電力供給先の機内機器に安定した電力を供給し続けるためにも、電力供給源を瞬断することなく切り換える際には、電圧，周波数，及び位相を電力供給源間で略一致させることが必要である。
【０００６】
ところが、エンジン駆動の発電機を備えるIDGにあっては、駆動エンジンの回転数は、一定となるようにされているが、厳密には一定とならない。このため、発電機からの供給電力の電圧，周波数，及び位相が変動し、他の電力供給源との間の切り換えの際に、供給電力の変動に弱い例えば機内電子機器等に影響を与えることがあった。なお、APUは、ガスタービンエンジン等により駆動されるため、エンジン回転数は略一定であり、供給電力に変動は殆どない。
【０００７】
一般に、発電機の出力は、界磁電流としてフィードバックされ、サイリスタ等を利用した発電機に界磁電流を与えることによって所定の電圧（例えば、200V）に制御されている（電圧一定制御）。また、発電機の出力周波数は、所定の周波数（例えば、400Hz）に対応する回転数指令を出力することによりフィードバック制御されている（周波数一定制御）。
【０００８】
一方、発電機の出力電圧位相は、前述の如く駆動エンジンの回転数の変動により、他の電力供給源の位相から正側及び負側の両方向に変則的にずれることがある。
【０００９】
このため、従来から、このように変則的に変動する位相が他の電力供給源の位相と一致する時点を予測し、予測した時点に、電力供給源の切り換え用の遮断器の切り換え時間（投入死時間）を考慮して該遮断器に投入指令を出力する方法が種々開示されている。
【００１０】
例えば、特開昭64-81700号公報には、発電機の時系列的な位相変化量の平均値に基づいて位相が一致する時点を予測する方法が開示されている。
【００１１】
また、特開平5-308728号公報には、位相が一致するまでの時間を、電力供給源間の周波数差fと位相差φとから、
（位相が一致するまでの時間）＝｜φ｜／（360[deg]×｜f｜） …（１）
上記（１）式を用いて予測演算する方法が開示されている。
【００１２】
さらに、特開平11-266541号公報には、各遮断器の投入死時間の個体差を勘案して、位相が一致するまでの時間を予測する方法が開示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開昭64-81700号公報，特開平5-308728号公報，及び特開平11-266541号公報にあっては、位相差が一致するまでの時間を予測するのみであって、積極的な制御をしておらず、例えば、予測後に外乱が生じた場合であっても投入指令を中止することができないので、投入に失敗することがあった。また、一度投入に失敗すると、周波数差が小さくなっているため、位相差の変動が停滞し、再投入に時間を要していた。
【００１４】
本発明は、上記状況に鑑みて行なわれたものであり、電力供給源間の周波数差及び位相差が所定範囲内に入るように、発電機と該発電機を駆動するエンジンとの間に設けられた変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御することにより、位相差が停滞するような場合であっても、位相差を積極的に操作して速やかに同期投入条件を満足する位相差が得られ、しかも、位相差を所定範囲内に長時間安定して維持することができるため、外乱の影響を受け難く投入に失敗することが少ない同期投入制御方法及びその実施に使用する装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を以下のような構成からなる同期投入制御方法及び装置によって解決することができる。
【００１６】
本発明に係る同期投入制御方法は、少なくとも一方が変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、該電力供給源間の周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、前記切り換え用の遮断器に投入指令を出力する同期投入制御方法であって、前記電力供給源間の周波数差及び位相差を検出する第１ステップと、検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となるように、前記変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御する第２ステップと、検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となる場合に、前記遮断器に投入指令を出力する第３ステップとを有することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る同期投入制御装置は、少なくとも一方が変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、該電力供給源間の周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、前記切り換え用の遮断器に投入指令を出力する同期投入制御装置であって、前記電力供給源間の周波数差を検出する周波数差検出手段と、前記電力供給源間の位相差を検出する位相差検出手段と、各検出手段により検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となるように、前記変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、前記各検出手段により検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となる場合に、前記遮断器に投入指令を出力する投入指令出力手段とを備えることを特徴とする。
【００１８】
上記発明によれば、電力供給源間の周波数差及び位相差が所定範囲内に入るように、発電機と該発電機を駆動するエンジンとの間に設けられた変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御することにより、位相差が停滞するような場合であっても、位相差を積極的に操作して、同期投入条件を満足する位相差が速やかに得られ、しかも、位相差を所定範囲内に長時間安定して維持することができるため、外乱の影響を受け難く投入に失敗することが少ない。
【００１９】
なお、本発明においては、２つの電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、少なくとも一方の電力供給源が、少なくとも周波数差及び位相差を操作可能な変速機付きの発電機である。従って、例えば、３つ以上の電力供給源を有する系統であっても、そのうちの２つを対象として本発明を適用することが可能である。また、例えば、複数の電力供給源から並行して電力供給を行っている場合に、無負荷の電力供給源の遮断器を投入する場合であっても、負荷側の電力供給源の周波数及び位相差は一致しているため、これらの一方と、上記無負荷の電力供給源とを対象として本発明を適用すればよい。
【００２０】
また、検出される周波数差が所定範囲内となるような回転数指令を変速機に出力する「周波数一定制御」において、この回転数指令に、検出される位相差が同一方向（正側又は負側）に変化するように、所定のオフセットを付与して変速機に出力することにより、積極的に位相差を速やかに所定範囲内に入るように制御（フィードフォワード制御）することが可能である。このようなフィードフォワード制御は、上記のフィードバック制御と組み合わせても、また、単独で利用することも可能である。また、このようなオフセットの値を可変とすることも可能であり、例えば、オフセットの値を段階的に小さくすることによって、より滑らかな制御を実現することも可能である。
【００２１】
また、一般には、負荷側の電力供給源の周波数が無負荷側の電力供給源の周波数よりも低く、且つ負荷側の電力供給源の位相が無負荷側の電力供給源の位相よりも遅れている場合に、同期投入を実施することにより、安定した同期投入を達成することができるため、このような状態に周波数及び位相の関係を持たせるべく、上記所定範囲をシフトさせることも可能である。
【００２２】
また、本発明に係る同期投入制御装置にあっては、電圧制御機能を有する必要はなく、このような機能を別の装置に委ねることも可能である。本発明に係る同期投入制御装置がこの機能を兼ね備える場合には、電力供給源間の出力の電圧差を検出し、検出される電圧差が所定範囲内となるように、発電機に界磁電流指令を出力することによって「電圧一定制御」を行い、検出される電圧差、周波数差、及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、遮断器に投入指令を出力するように構成する。
【００２３】
また、発電機の周波数及び位相の少なくとも何れかに基づいて、周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる時点を予測するような従来の手法を、本発明と組み合わせて使用することも可能である。なお、予測制御を併用する場合には、投入指令の出力時点は、従来の如く遮断器の切り換え時間（投入死時間）を考慮して決定するのが望ましい。
【００２４】
上記変速機としては、無段変速機を採用することが望ましく、特に、油圧式の如き応答の遅いものではなく、応答の速いトラクション・ドライブ変速機構を有する無段変速機を採用することが更に望ましい。
【００２５】
また、本発明は、従来技術で説明した如きIDG等を備えた航空機への適用に限らず、風力，火力，及び水力等の各発電設備、並びに船舶等、様々な用途に適用可能である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る同期投入制御方法を実施するための装置について図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る同期投入制御装置の適用例を示すブロック図である。なお、本実施の形態においては、航空機への適用を例に挙げて説明する。
【００２８】
図１において、電力供給源は、GPU等の電源系統4と、IDG等の変速装置3を伴った発電機5との２つであり、電源系統4及び発電機5は、それぞれ遮断器B1及びB2を介して機内機器等の負荷7に接続されている。なお、図１において、参照符号6は接点である。
【００２９】
発電機5は、変速装置3が備える無段変速機33を介してエンジンEにより駆動されるようになっている。無段変速機33は、トラクション・ドライブ変速機構を備えたものであり、好ましくは所謂「ハーフトロイダル型CVT」である。
【００３０】
変速装置3は、上述した無段変速機33のほかに、回転数制御器31と油圧サーボ系32とを備えており、該回転数制御器31には、エンジンEの出力回転数（エンジン回転数）N1が与えられる。回転数制御器31は、エンジン回転数N1と、後述する同期投入制御装置1からの指令と、無段変速機33の発電機駆動回転数N2とに基づいたサーボ弁開度指令iを油圧サーボ系32に与える。油圧サーボ系32は、与えられたサーボ弁開度指令iに応じて図示しないサーボ弁の開度を調整する。サーボ弁により開度を調整されると、これによって該サーボ弁を介して流れる作動流体（ここでは、作動油）の流量が変化し、この結果としての流量が、ストローク指令xとして無段変速機33に与えられる。無段変速機33は、与えられたストローク指令xに応じた流量を有する作動流体に応じて、油圧シリンダの如きアクチュエータが動作され、該アクチュエータの出力端に接続されたパワーローラの傾転角が変更されて、無段変速機33の変速比が調整される。このように変速された無段変速機33の発電機駆動回転数N2で発電機5は駆動される一方で、該発電機駆動回転数N2は、前述の如く回転数制御器31にフィードバックされる。
【００３１】
電源系統4及び発電機5には、電圧調整装置2が接続されており、該電圧調整装置2は、電源系統4及び発電機5から供給電圧をそれぞれ検出し、これら供給電圧の差（電圧差）Vを求める電圧差検出器21を備えている。該電圧差検出器21は、検出した電圧差Vを、電圧調整装置2が備える電圧調整器22に与え、該電圧調整器22は、電圧差Vを後述する同期投入制御装置1に与える一方、電圧差Vに応じた界磁電流指令jを発電機5に与え、発電機5の供給電圧を一定に制御する。
【００３２】
本実施形態に係る同期投入制御装置1は、周波数差検出器11と、位相差検出器12と、同期投入制御器13とを備えている。周波数差検出器11は、電源系統4及び発電機5の各交流電圧波形を矩形波に変換し、該矩形波の一周期の時間を計測して、電源系統4及び発電機5の出力周波数をそれぞれ検出することによって、周波数差fを検出する。位相差検出器12は、電源系統4及び発電機5の各交流電圧差を矩形波に変換し、該矩形波の立ち上がりの時間差を計測することによって、位相差φを検出する。
【００３３】
具体的には、電源系統4及び発電機5の電圧パルスをそれぞれ計測し、図２に示すように、電圧のゼロクロス点間から各周期を計測し、各周期に基づいて、次式を用いて周波数差fを演算する。ここで、fPWSは電源系統4の周波数、fGENは発電機5の周波数、TPWSは電源系統4の周期、及びTGENは発電機5の周期である。電源系統4及び発電機5の各電圧パルスは、電圧調整装置2から得てもよいし、また、電源系統4及び発電機5から図示しない電圧検出器を介して得てもよい。
【００３４】
【数１】
位相差φは、電源系統4側を基準として、次式から演算する。但し、ここでは発電機5側の位相が遅れている場合を「正側」としている。
【００３６】
【数２】
検出された周波数差f及び位相差φは、同期投入制御器13に与えられ、該同期投入制御器13は、周波数差f及び位相差φに基づいて発電機回転数指令N2refを演算し、回転数制御器31に与える。また、同期投入制御器13は、電圧調整器22から与えられた電圧差Vと、上記周波数差f及び位相差φとが所定範囲内にあるか否かを判定し、全て所定範囲内にある場合に、電源系統4及び発電機5のうち、無負荷側の遮断器（例えば、B2）に投入指令を出力し、負荷側の遮断器（例えば、B1）に切断指令を出力するようになっている。
【００３８】
図３は、本実施形態に係る同期投入制御装置1の同期投入制御器13の同期投入制御手順を示すフローチャートであり、図４は、この制御により操作される位相差φの時系列的な変化を示すグラフである。
【００３９】
同期投入制御器13は、まず、検出された位相差φが、予め設定された上限値φaよりも小さく且つ下限値φbよりも大きいか否か、即ちφb＜φ＜φaであるか否かを判定する（ステップS1）。
【００４０】
位相差φが上限値φa以上（即ちφ≧φa）であるか又は下限値φb以下（即ちφ≦φb）である場合（ステップS1で“NO”）には、同期投入制御器13は、位相差φが所定範囲内（即ちφb＜φ＜φa）になく、位相差φが同期投入条件を満足していないと判断して、回転数一定指令（所謂「定格回転数」）αに所定のオフセットβを加算することによって発電機回転数指令N2refを演算し、これを回転数制御器31に与える（ステップS2）。これにより、同期投入制御器13は、図４の「周波数差オフセット制御」領域に示す如く、位相差φが上記所定範囲外の状態で停滞させないために、積極的に位相差φの傾斜角度を小さくするように制御する。
【００４１】
なお、オフセットβは、位相差φが停滞することを防止する目的から、上述した如くに加算するだけでなく、例えば減算するように構成することも可能である。
【００４２】
一方、位相差φが上記所定範囲内（即ちφb＜φ＜φa）にある場合（ステップS1で“YES”）には、同期投入制御器13は、位相差φが所定範囲内（即ちφb＜φ＜φa）にあって、位相差φが同期投入条件を満足していると判断して、定格回転数αに、制御ゲインKFB(s)と位相差φとを乗じたものを加算することによって発電機回転数指令N2refを演算し、これを回転数制御器31に与える（ステップS3）。これにより、同期投入制御器13は、図４の「位相差フィードバック制御」領域に示す如く、上記所定範囲内に入った位相差φを該所定範囲内にて維持するように制御する。
【００４３】
そして、同期投入制御器13は、ステップS2又はS3の後で、他の同期投入条件も含めて全ての同期投入条件を満足しているか否かを判定し（ステップS4）、全ての同期投入条件を満足している場合（ステップS4で“YES”）には、遮断器B1，B2の一方に投入指令を出力し、他方には、切断指令を出力する（ステップS5）。一方、全ての同期投入条件を満足していない場合（ステップS4で“NO”）には、ステップS1からの処理に戻り、必要に応じて周波数差オフセット制御を継続する。
【００４４】
本実施の形態においては、図４にてより明確に示すように、位相差フィードバック制御を遮断器B1，B2の切り換え完了まで継続して行うようにしているため、外乱を受けても位相差φが上記所定範囲内に維持され、速やかに再投入することができる。
【００４５】
投入指令が出力されると、一方の遮断器（例えば、B2）は、固有の切り換え時間（例えば、約50msec）後に投入が完了し、他方の遮断器（例えば、B1）の切断が完了して、切り換えが完了する。なお、前記一方の遮断器（例えば、B2）の投入が完了してから、前記他方の遮断器（例えば、B1）の切断が完了するまでの間は、両方の電力供給源から電力が供給される所謂「パララン状態」となっている。また、切り換え完了後は、変速装置3は、無負荷状態で回転数一定制御を行う。
【００４６】
以上の例にあっては、オフセットβを固定値としてあるが、これを段階的に変化させ、フィードバック制御に移行する前に、位相差φを可及的に緩やかにするように構成することも可能である。例えば、図５に示すように、再投入準備のためのオフセットβ1をオフセットβとしてまず与え、このオフセットβをβ＝β1，β2，β3…（ここで、β1＞β2＞β3…）のように段階的に小さくして、位相差φを段階的に小さくする方向へ変化させる。
【００４７】
このようなオフセットβの値は、例えば、図６（ａ）に示すような位相差φの大きさに応じたオフセットβの値を用意しておくもの、又は図６（ｂ）に示すような位相差φの傾き（変化量）θの大きさに応じたオフセットβの値を用意しておくものを利用することができ、これらのデータをテーブル形式として、同期投入制御器13の図示しないメモリに予め格納しておくことにより、容易に実現可能である。
【００４８】
（第２の実施の形態）
また、上記の例にあっては、位相差φの所定範囲（φb＜φ＜φa）を固定値としてあるが、これを電力負荷の切り換え方向に応じて変更することも可能である。つまり、電力負荷を切り換える方向は、▲１▼電源系統4から発電機5へ、及び▲２▼発電機5から電源系統4への２つの方向がある。一般には、負荷側の周波数が低く、且つ位相が遅れている場合に、同期投入を実施することが望ましい。これは、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、切り換え方向に応じて上記位相差φの所定範囲を変更すれば、より安全に同期投入できることを意味している。
【００４９】
ここで、周波数差f[Hz]＝発電機周波数fGEN[Hz]−電源系統周波数fPWS[Hz]であり、位相差φは、電源系統4側を基準とし、発電機5が位相遅れ側である場合を「正」とする。
【００５０】
具体的には、図８に示すように、上記図１に示した第１の実施の形態の構成に対して、電源系統4及び発電機5の何れかが負荷側であるかを検出するための切換え指令9を同期投入制御器13に与えるように構成すると共に、負荷7の情報（負荷側の周波数が低く、且つ位相が遅れていることを示す情報）を検出する電力検出器8を設け、検出した負荷7の情報を同期投入制御器13に与えるように構成してある。
【００５１】
電源系統4の周波数に対して、オフセットβを正の方向へ増加させた場合、位相差φは減少方向に傾きを増す。逆に、オフセットβを負の方向へ減少させた場合、位相差φは増加方向に傾きを増す。ここでは、負荷側の周波数を他方に対して小さくする必要があるので、オフセットβの符号は、図７（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ示すような形態となる。
【００５２】
位相差φが正である場合、電源系統4に対して発電機5の位相が遅れている。従って、元々中立位置（φ≒０[deg]）近傍にあった位相差φの所定範囲（φb＜φ＜φa）を、図７（ａ）又は（ｂ）のように移動させることにより、同期投入時の衝撃（トルクピーク，過渡トルクの動揺等）を抑制することができる。
【００５３】
同期投入制御器13の制御内容としては、図９のフローチャートに示すように、上記第１の実施の形態に対して、上記所定範囲を移動するステップ（ステップS6）をステップS1の前に追加するものとなる。
【００５４】
つまり、ステップS6では、同期投入制御器13は、切換え指令に基づいて、電源系統4及び発電機5の何れかが負荷側であるかを判定すると共に、電力検出器8から情報に基づいて、負荷側の周波数が低く、且つ位相が遅れていることを判定し、それに応じて上記所定範囲を移動させる。
【００５５】
より詳しくは、▲１▼電源系統4が負荷側であると判定した場合には、オフセットβをβ＞0にセットすると共に、上記所定範囲の上限値φaをφa＜0とするように上記所定範囲を移動させる。一方、▲２▼発電機5が負荷側であると判定した場合には、オフセットβをβ＜0にセットすると共に、上記所定範囲の下限値φbをφb＞0とするように上記所定範囲を移動させる。
【００５６】
以後の処理は、上記第１の実施の形態と同様であり、その詳細は説明は省略する。
【００５７】
図１０は、本実施形態に係る同期投入制御装置1の制御によるエンジン回転数N1と、無段変速機33の出力である発電機駆動回転数N2との時系列的な変化を示す実験結果のグラフであり、図１１は、図１０に対応する周波数差f及び位相差φの時系列的な変化を示す実験結果のグラフである。
【００５８】
図１０に示す如く、エンジン回転数N1は、略一定に4500rpm〜9200rpm（図１０では約5500rpm）で動作している。一方、発電機駆動回転数N2は、定格回転数αの24000rpmを維持するように同期投入制御装置1に制御される。同期投入制御装置1により同期投入制御が開始されると、約3.5秒後まで周波数差オフセット制御がなされ、それに続いて位相差フィードバック制御に移行する際に、若干の変動が見られるものの、略両制御間において、発電機駆動回転数N2の変動は見られない。
【００５９】
本実施の形態においては、他方の電力供給源が周波数等の変動を伴わないため、発電機駆動回転数N2から一義的に定まる周波数差fは、図１１に示す如く、発電機駆動回転数N2と同様の変化を示している。一方、位相差φは、図４に示した位相差φの波形と同様の変化を示し、周波数オフセット制御の間に所定範囲内に入るように操作され、位相差フィードバック制御に移行した時点から、上記所定範囲内で略変動することなく安定した値を維持している。
【００６０】
このように、本実施の形態に係る同期投入制御における位相差フィードバックは、非常に有効であり、安定した同期投入条件の長期的な維持を保証することができる。また、周波数差オフセット制御と組み合わせることにより、上記所定範囲内に位相差φを速やかに入れることができる。
【００６１】
また、本実施の形態においては、主として、同期投入制御器13及び回転数制御器31に制御機能を集約しているため、このような構成にあっては、制御系の設計、パラメータ調整、及び保守等が容易である。
【００６２】
（第３の実施の形態）
図１２は、本発明に係る同期投入制御装置の別の適用例を示すブロック図である。本実施の形態に係る同期投入制御装置100は、ガスタービン駆動型の発電システム200への適用例であり、図１又は図８に示した上記第１又は第２の実施の形態の同期投入制御装置1と、電圧調整装置2と、回転数制御器31と、油圧サーボ系32とを含んだ構成とされている。また、発電機Gは、無段変速機33を併せ持ったものとして示してある。従って、その他の構成及び作用は、上記第１又は第２の実施の形態と同様であり、同様の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６３】
ガスタービン駆動型の発電システム200は、大気を圧縮機201に取り込んで燃焼器203に圧送し、燃焼器203は、圧縮された空気を加熱してタービン202に圧送し、該タービン202を駆動し、発電機Gを駆動する一般的なものである。
【００６４】
本実施の形態に係る同期投入制御装置100は、商用電源等の電源系統4と、無段変速機付きの発電機Gとから同期投入条件に係るパラメータを検出し、燃焼器203を通る圧縮空気の流量を調整する燃料調整弁204の開度を調整することによって、発電機駆動回転数N2を調整している。
【００６５】
（第４の実施の形態）
図１３は、本発明に係る同期投入制御装置の更に別の適用例を示すブロック図である。本実施の形態に係る同期投入制御装置100は、蒸気タービン駆動型の発電システム200への適用例であり、図１２に示した上記第３の実施の形態の同期投入制御装置100と同様の構成とされている。従って、その他の構成及び作用は、上記第３の実施の形態と同様であり、同様の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００６６】
蒸気タービン駆動型の発電システム200は、復水器215から給水ポンプ211により圧送される水がボイラ212で加熱され、その蒸気を、蒸気圧調整弁213を介してタービン214に送ることによって、該タービン202を駆動し、発電機Gを駆動する一般的なものであり、本実施の形態に係る同期投入制御装置100は、蒸気圧調整弁213の開度を調整することによって、発電機駆動回転数N2を調整する。
【００６７】
【発明の効果】
本発明に係る同期投入制御方法及びその実施に使用する装置によれば、電力供給源間の周波数差及び位相差が所定範囲内に入るように、発電機と該発電機を駆動するエンジンとの間に設けられた変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御することにより、位相差が停滞するような場合であっても、位相差を操作して速やかに同期投入条件を満足する位相差が得られ、しかも、位相差を所定範囲内に長時間安定して維持することができるため、外乱の影響を受け難く投入に失敗することが少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る同期投入制御装置の適用例を示すブロック図である。
【図２】 図１に示した同期投入制御装置が各系統の電圧パルスから位相差を検出する方法を説明するための各系統の電圧波形である。
【図３】 図１に示した同期投入制御装置の制御手順を示すフローチャートである。
【図４】 図１に示した同期投入制御装置による制御の結果、操作される位相差の変化と、制御手順とを示すグラフである。
【図５】 図１に示した同期投入制御装置が可変オフセットにより位相差を制御する方法を説明するための位相差のグラフである。
【図６】 図１に示した同期投入制御装置が記憶する図５に示した可変オフセットの形態を示す図であり、（ａ）には位相差に応じたオフセットの値、（ｂ）には位相差の傾き（変化量）に応じたオフセットの値をそれぞれ示してある。
【図７】 本発明の別の実施の形態に係る同期投入制御装置による位相差の所定範囲の移動制御を説明するためのグラフである。
【図８】 図７に示した制御を実現するための同期投入制御装置の例を示すブロック図である。
【図９】 図８に示した同期投入制御装置の制御手順を示すフローチャートである。
【図１０】 図１に示した同期投入制御装置による制御中のエンジンの回転数と、変速機の出力である発電機駆動回転数との時系列的な変化を示すグラフである。
【図１１】 図１に示した同期投入制御装置による制御中の周波数差及び位相差の時系列的な変化を示すグラフである。
【図１２】 本発明の実施の形態に係る同期投入制御装置の別の適用例を示すブロック図である。
【図１３】 本発明の実施の形態に係る同期投入制御装置の更に別の適用例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 同期投入制御装置
2 電圧調整装置
3 変速装置
4 電源系統
5 発電機
7 負荷
8 電力検出器
9 切換え指令
11 周波数差検出器
12 位相差検出器
13 同期投入制御器
21 電圧差検出器
22 電圧調整器
31 回転数制御器
32 油圧サーボ系
33 無段変速機
N1 エンジン回転数
N2 発電機駆動回転数
N2ref 発電機回転数指令
α 回転数一定指令（定格回転数）
β オフセット
φ 位相差
f 周波数差
V 電圧差
i 界磁電流指令
Claims (13)
- 少なくとも一方が変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、該電力供給源間の周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、前記切り換え用の遮断器に投入指令を出力する同期投入制御方法であって、
前記電力供給源間の周波数差及び位相差を検出する第１ステップと、
検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となるように、前記変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御する第２ステップと、
検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となる場合に、前記遮断器に投入指令を出力する第３ステップと、
前記第１ステップの後で、検出される周波数差が前記所定範囲内となるように、前記変速機への回転数指令を演算する第４ステップと、
検出される位相差が同一方向に変化するように、演算された回転数指令に所定のオフセットを付与して前記変速機に出力する第５ステップと、
前記オフセットを付与した回転数指令を出力した結果、検出される位相差が前記所定範囲内となるか否かを判定する第６ステップと
を有し、
前記第２ステップは、前記位相差が前記所定範囲内となる場合に、検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内に維持されるように、前記変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御する
ことを特徴とする同期投入制御方法。 - 前記電力供給源間の出力の電圧差を検出する第７ステップと、
検出される電圧差が所定範囲内となるように、前記発電機に界磁電流指令を出力する第８ステップと
を更に有し、
前記第３ステップは、検出される電圧差、周波数差、及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となる場合に、前記遮断器に投入指令を出力する
ことを特徴とする請求項１記載の同期投入制御方法。 - 前記発電機の電圧、周波数、及び位相の少なくとも何れかに基づいて、前記位相差が前記所定範囲内となる時点を予測する第９ステップを更に備え、
前記第３ステップは、予測された時点に前記遮断器の投入が完了するように前記投入指令を出力することを特徴とする請求項１又は２記載の同期投入制御方法。 - 前記電力供給源の何れが負荷側であるかを判定する第１０ステップと、
負荷側である電力供給源の周波数が他方よりも低く、且つ位相が他方よりも遅れるように、前記所定範囲をシフトさせる第１１ステップと
を更に有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の同期投入制御方法。 - 少なくとも一方が変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、該電力供給源間の周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、前記切り換え用の遮断器に投入指令を出力する同期投入制御方法であって、
前記電力供給源間の周波数差及び位相差を検出するステップと、
検出される周波数差が前記所定範囲内となるように、前記変速機への回転数指令を演算するステップと、
検出される位相差が同一方向に変化するように、演算された回転数指令に所定のオフセットを付与して前記変速機に出力するステップと
を有することを特徴とする同期投入制御方法。 - 少なくとも一方が無段変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、該電力供給源間の周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、前記切り換え用の遮断器に投入指令を出力する同期投入制御 方法であって、
前記電力供給源間の周波数差及び位相差を検出する第１ステップと、
検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となるように、前記変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御する第２ステップと、
検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となる場合に、前記遮断器に投入指令を出力する第３ステップと
を有することを特徴とする同期投入制御方法。 - 少なくとも一方が変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、該電力供給源間の周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、前記切り換え用の遮断器に投入指令を出力する同期投入制御装置であって、
前記電力供給源間の周波数差を検出する周波数差検出手段と、
前記電力供給源間の位相差を検出する位相差検出手段と、
各検出手段により検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となるように、前記変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
前記各検出手段により検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となる場合に、前記遮断器に投入指令を出力する投入指令出力手段と、
前記周波数差検出手段により検出される周波数差が前記所定範囲内となるように、前記変速機への回転数指令を演算する回転数指令演算手段と、
前記位相差検出手段により検出される位相差が同一方向に変化するように、前記回転数指令演算手段により演算された回転数指令に所定のオフセットを付与して前記変速機に出力する回転数指令出力手段と、
該回転数指令出力手段が前記オフセットを付与した回転数指令を出力した結果、前記位相差検出手段により検出される位相差が前記所定範囲内となるか否かを判定する判定手段と
を備え、
前記フィードバック制御手段は、前記位相差が前記所定範囲内となる場合に、前記各検出手段により検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内に維持されるように、前記変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御すべくなしてあることを特徴とする同期投入制御装置。 - 前記電力供給源間の出力の電圧差を検出する電圧差検出手段と、
該電圧差検出手段により検出される電圧差が前記所定範囲内となるように、前記発電機に界磁電流指令を出力する界磁電流指令出力手段と
を更に備え、
前記投入指令出力手段は、各検出手段により検出される電圧差、周波数差、及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となる場合に、前記遮断器に投入指令を出力すべくなしてあることを特徴とする請求項７記載の同期投入制御装置。 - 前記発電機の電圧、周波数、及び位相の少なくとも何れかに基づいて、前記位相差が前記所定範囲内となる時点を予測する予測手段を更に備え、
前記投入指令出力手段は、前記予測手段により予測された時点に前記遮断器の投入が完了するように前記投入指令を出力すべくなしてあることを特徴とする請求項７又は８記載の同期投入制御装置。 - 前記変速機は、無断変速機であることを特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載の同期投入制御装置。
- 前記電力供給源の何れが負荷側であるかを判定する負荷側判定手段と、
該負荷側判定手段により負荷側であると判定された電力供給源の周波数が他方よりも低く、且つ位相が他方よりも遅れるように、前記所定範囲をシフトさせるシフト手段と
を更に備えることを特徴とする請求項７乃至１０の何れかに記載の同期投入制御装置。 - 少なくとも一方が変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、該電力供給源間の周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、前記切り換え用の遮断器に投入指令を出力する同期投入制御装置であって、
前記電力供給源間の周波数差を検出する周波数差検出手段と、
前記電力供給源間の位相差を検出する位相差検出手段と、
前記周波数差検出手段により検出される周波数差が前記所定範囲内となるように、前記変速機への回転数指令を演算する回転数指令演算手段と、
前記位相差検出手段により検出される位相差が同一方向に変化するように、前記回転数指令演算手段により演算された回転数指令に所定のオフセットを付与して前記変速機に出力する回転数指令出力手段と
を備えることを特徴とする同期投入制御装置。 - 少なくとも一方が無段変速機を介して駆動される発電機を備える電力供給源間の電力供給の切り換えに際して、該電力供給源間の周波数差及び位相差がそれぞれ所定範囲内となる場合に、前記切り換え用の遮断器に投入指令を出力する同期投入制御装置であって、
前記電力供給源間の周波数差を検出する周波数差検出手段と、
前記電力供給源間の位相差を検出する位相差検出手段と、
各検出手段により検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となるように、前記変速機の発電機駆動回転数をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
前記各検出手段により検出される周波数差及び位相差がそれぞれ前記所定範囲内となる場合に、前記遮断器に投入指令を出力する投入指令出力手段と
を備えることを特徴とする同期投入制御装置。
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