JP3686273B2 - 交流電力系統設備 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流電力系統設備に係り、特に交流電力系統に変圧器を介して発電電動機が接続された系統で、交流電力系統の事故時に電力系統保護用遮断器が開放されるように形成されている交流電力系統設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、交流電力系統設備における交流電力系統の事故保護では、交流系統中の遮断器を開放するのが普通であるが、この場合、交流電力系統の潮流増加等により事故電流が遮断器の遮断電流を超える可能性がある。このため、従来一般には、事故時に交流電力系統に直列リアクトルを挿入して系統インピーダンスを増加させ、遮断電流を小さくした状態で遮断器を作動させることが提案されている。また、同期調相機を設置して不足励磁運転を行い電圧を低下させるようにして遮断器を通過する事故電流を低減させるようにする方法も考えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者における事故時に交流電力系統に直列リアクトルを挿入するものでは、系統インピーダンスを増加させることによる事故復帰後の系統安定性等に課題があり、また、後者の同期調相機を用いて電圧を低下させるものでは、同期調相機は界磁時定数が、短くとも数１００msecと長いため、高速に電圧を低下させる制御ができず、遮断器の開放タイミングでは事故電流を低減できない場合が生ずる。
【０００４】
同期調相機の時定数が長いのは、以下の要因による。すなわち、同期調相機は通常の同期機の構造をしており、その界磁巻線の巻き回数が大きく、界磁巻線のインダクタンスはこの巻数の２乗に比例するため一般に大きくなっていることによっている。回路時定数はこのインダクタンスＬと巻線抵抗Ｒの比Ｌ／Ｒで表されるため、同期調相機の時定数も長くなっている。
【０００５】
また、界磁巻線に電流を流すための励磁装置の電圧仕様の違いによる。すなわち、同期調相機の場合、直流電流を流す励磁装置は、その制御性の向上を図る関係から、定格電流相当を流すために必要な電圧に対し１．５倍程度の定格電圧となる（いわゆるシーリング電圧）ことに基因している。
【０００６】
本発明はこれに鑑みなされたもので、その目的とするところは、系統の遮断容量を確保することが可能、すなわち交流電力系統の事故電流が速やかに低減され、遮断器による正常な事故電流遮断が可能なこの種の交流電力系統設備を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、交流電力系統と、該交流電力系統での事故電流を検出する検出器と、該検出器の事故電流検出信号により作動する電力系統保護用遮断器と、前記交流電力系統に変圧器を介して接続された発電電動機と、該発電電動機の電流または電圧指令を出力する制御装置とを備え、前記交流電力系統の事故電流検出時に前記電力系統保護用遮断器を開放するようになした交流電力系統設備において、前記発電電動機に、出力側が二次巻線に接続され可変周波数の交流電流を給電する電力変換装置を備えた交流励磁型発電電動機を用いるとともに、前記制御装置に、前記交流電力系統の電圧を制御する電圧制御器と、前記事故電流検出信号に基いて前記電圧制御器の電圧指令を低下させる制御手段を設け、所期の目的を達成するようにしたものである。
【０００８】
また本発明は、交流電力系統と、該交流電力系統での事故電流を検出する検出器と、該検出器の事故電流検出信号により作動する電力系統保護用遮断器と、前記交流系統に変圧器を介して接続された発電電動機と、該発電電動機の電流または電圧指令を出力する制御装置とを備え、前記交流電力系統の事故電流検出時に前記電力系統保護用遮断器を開放するようになした交流電力系統設備において、前記発電電動機に、出力側が二次巻線に接続され可変周波数の交流電流を給電する電力変換装置を備えた交流励磁型発電電動機を用いるとともに、前記制御装置に、前記交流電力系統の電圧を制御する電圧制御器と、前記交流電力系統の無効電力を制御する無効電力制御器と、前記事故電流検出信号に基いて前記無効電力制御器の無効電力指令を低下させる制御手段を設けたものである。
【０００９】
すなわちこのように構成された交流電力系統設備であると、事故が発生した場合、次のように作用する。すなわち、系統事故時地絡点の電位は零に近くなり、事故電流はこの地絡点に向かって流れるわけであるが、このとき検出器により事故が検出され、遮断器が開放される前に、交流励磁型発電電動装置において系統電圧を小さくする位相と大きさの励磁電流が２次巻線に流され、事故点と前記交流励磁型発電電動装置の間に位置する遮断器の事故電流が抑制される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図１にはその交流電力系統設備の概略系統が示されている。１が交流電力系統であり、２が交流励磁同期機（発電電動機）、１１が電力変換装置、１４が回転子位相検出器、５が速度検出器、９が電流制御器である。この例は、交流励磁型発電電動装置として原動機をもたない交流励磁同期機を用いた場合の例である。
【００１１】
交流電力系統１に接続された交流励磁同期機２は、サイコロコンバータなどの電力変換装置１１により交流励磁され制御される。電力変換装置１１は、交流電力系統１に変圧器４を介して接続され、交流励磁電流の位相を変化させることにより、交流励磁同期機２の出力を制御する。この制御動作を以下に説明する。
【００１２】
１３は位相検出器で、交流電力系統の電圧位相と交流励磁同期機２の電気角で表した回転角（回転子位相検出機１４で検出）の差に等しいすべり位相を演算する。６および８は、交流励磁同期機２の２次電流のうち１次側から見て交流電力系統１の電圧位相に等しい成分（ｑ軸成分と略す）の指令値を発生する装置で、６が、速度検出器５により検出される回転速度Ｎと回転速度指令Ｎｏの偏差を零にするように調整する速度制御器であり、８が、電力検出器７で検出される交流電力系統１から供給される有効電力Ｐと外部から与えられる有効電力指令Ｐｏの偏差を零にするように調整する電力制御器である。
【００１３】
１０は交流励磁同期機２の２次電流のうち１次側から見て交流電力系統１の電圧位相と電気角でπ／２だけ位相の異なる成分（ｄ軸成分と略す）の指令値を発生する装置で、この装置１０は、例えば交流電力系統１の電圧設定値ＶＰＯあるいは交流励磁同期機２の無効電力指令と検出値（系統電圧ＶＰ）の偏差を零にするように調整する電圧制御器である。
【００１４】
９は電流制御器で、位相検出器１３の出力信号ｃｏｓθｓとｓｉｎθｓを用い、ｑ軸成分電流をつくる速度制御器６および電力制御器８の出力Ｉｑとｄ軸成分電流をつくる電圧制御器１０の出力Ｉｄから交流励磁同期機２の２次側各相電流指令Ｉａ’，Ｉｂ’，Ｉｃ’を演算式（１）により演算する。ただしＫは定数である。
【００１５】
【数１】

【００１６】
この電流指令値（Ｉａ’，Ｉｂ’，Ｉｃ’）と電力変換装置３の出力電流検出値（Ｉｍａ，Ｉｍｂ，Ｉｍｃ）を比較して電流制御系９は、その偏差が零になるように電力変換装置１１を制御する。このように制御することにより、交流励磁同期機の出力電圧は常に系統電圧位相と同期し、Ｉｑ指令により有効電力出力を、Ｉｄ指令により発電機電圧を制御することができる。
【００１７】
原動機を持たない同期調相機やフライホイール発電システムでは交流励磁同期機２の速度制御を電気入力を制御することにより行う必要があり、これは前記の電力制御器８よりも遅い制御で、速度制御器６により励磁電流の有効電力成分を制御することにより安定に速度制御をしている。交流電力系統は、事故電流を遮断する遮断器３につながっている。
【００１８】
この状態で、交流励磁同期機２の遮断器３側にて系統事故が発生すると、電力の流れが急にせきとめられると同時に、地絡点に向かって事故電流が流れる。この事故電流等から系統事故を検出する検出器２１からの事故信号から一定期間電圧を低下させるための電圧指令を電圧指令発生器１５から出力する。これにより電圧指令が低下し、Ｉｄ指令が減少することにより系統電圧は下げられることになる。
【００１９】
これは系統の無効電力を交流励磁同期機２が急速に吸収することになり、遮断器３を流れる事故電流が低減されることになる。この制御の動きを図２の（ａ）に示す。また電圧抑制制御の動作説明するベクトル図を図２の（ｂ）に示す。系統事故時にはＩｄ成分を減少させることにより、発電電動機として急速に無効電力を吸収し、系統電圧を抑制する制御が行なわれる。図２の（ｃ）に系統事故時の交流励磁同期機による事故電流抑制動作のタイムチャートが示されている。
【００２０】
図３に別の事故電流抑制方法について示す。この図では系統異状時に事故電流等から系統事故を検出する検出器２１からの事故信号から一定期間無効電力を吸収するための無効電力指令を無効電力指令発生器２２から出力する。これにより無効電力指令が低下し、Ｉｄ指令が減少することにより系統電圧が下げられ、事故電流抑制が行われる。
【００２１】
次に、図４に基づき安定な再閉路関係について説明する。この図のように遮断器開放後の電圧位相を維持するために系統潮流検出器２０が設置され、事故直前の潮流の大きさと符号により、遮断器開放時の交流励磁同期機２の有効電力出力指令を有効電力指令発生器１６から出力する。
【００２２】
図４のように潮流が流れている場合には、遮断器３開放時にはその潮流が遮断されるため、交流励磁同期機により有効電力を吸収することにより電圧位相の変動を小さく抑えることができ、再閉路時の電力動揺を小さくすることができる。交流励磁同期機の有効電力量は、潮流の大きさ、方向から有効電力指令発生器１６にて決定される。図５にこの場合の動作のタイムチャートが示されている。
【００２３】
また、安定な再閉路関係についての別の実施例が図６に示されている。本図では系統事故時に開放される遮断器３より交流励磁同期機側の電圧位相（電圧検出器１２にて検出）および事故点から反対側の遮断器１８側の電圧位相（電圧検出器１９にて検出）の両端における電圧位相差を演算する位相差演算器１７を設置し、この位相差により有効電力指令発生器１６の出力を演算し、遮断器開放時の交流励磁型発電電動装置の有効電力出力を変えることにより、電圧位相の変動を小さく抑えることができ、再閉路時の電力動揺を小さくすることができる。
【００２４】
以上説明してきたように、このように形成された交流電力系統設備であると、交流電力系統において、一次巻線側を変圧器を通して交流系統に接続された交流励磁同期機，すなわち交流励磁型発電電動機と、前記交流電力系統から変圧器を介して給電され、出力側が前記交流励磁発電電動機の二次巻線に接続され可変周波数の交流電流を給電する電力変換装置と、前記電力変換装置に接続され、電流または電圧指令を出力する制御装置からなる交流励磁型発電電動装置を接続し、系統事故遮断時において事故検出信号により交流励磁型発電電動装置の電圧を下げることにより遮断器の遮断電流を低減できるとともに、遮断器開放時に有効電力制御を行うことにより、再閉路時の遮断器間の電圧位相差を低減し、再閉路時の電力動揺を低減することが可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、系統の遮断容量を確保することが可能、すなわち交流電力系統の事故電流が速やかに低減され、遮断器による正常な事故電流遮断が可能なこの種の交流電力系統設備を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の交流電力系統設備の一実施例を示す系統図である。
【図２】本発明の交流電力系統設備における系統異常時の各切換器、制御器の作用を説明する動作説明図である。
【図３】本発明の交流電力系統設備の他の実施例を示す系統図である。
【図４】本発明の交流電力系統設備の他の実施例を示す系統図である。
【図５】図４の交流電力系統設備における系統異常時の各切換器、制御器の作用を説明する動作説明図である。
【図６】本発明の交流電力系統設備の他の実施例を示す系統図である。
【符号の説明】
１…交流電力系統、２…交流励磁同期機、３…遮断器、４…変圧器、５…速度検出器、６…速度制御器、７…電力検出器、８…電力制御器、９…電流制御系、１０…電圧制御器、１１…交流励磁装置、１２…電圧検出器、１３…位相検出器、１４…回転子位相検出機、１５…電圧指令値発生器、１６…有効電力指令発生器、１７…電圧位相差演算器、１８…遮断器、１９…電圧検出器、２０…無効電力制御器、２１…系統事故検出器、２２…無効電力指令発生器。

Claims (2)

1. 交流電力系統と、該交流電力系統での事故電流を検出する検出器と、該検出器の事故電流検出信号により作動する電力系統保護用遮断器と、前記交流電力系統に変圧器を介して接続された発電電動機と、該発電電動機の電流または電圧指令を出力する制御装置とを備え、前記交流電力系統の事故電流検出時に前記電力系統保護用遮断器を開放するようになした交流電力系統設備において、前記発電電動機に、出力側が二次巻線に接続され可変周波数の交流電流を給電する電力変換装置を備えた交流励磁型発電電動機を用いるとともに、前記制御装置に、前記交流電力系統の電圧を制御する電圧制御器と、前記事故電流検出信号に基いて前記電圧制御器の電圧指令を低下させる制御手段を設けたことを特徴とする交流電力系統設備。
2. 交流電力系統と、該交流電力系統での事故電流を検出する検出器と、該検出器の事故電流検出信号により作動する電力系統保護用遮断器と、前記交流電力系統に変圧器を介して接続された発電電動機と、該発電電動機の電流または電圧指令を出力する制御装置とを備え、前記交流電力系統の事故電流検出時に前記電力系統保護用遮断器を開放するようになした交流電力系統設備において、前記発電電動機に、出力側が二次巻線に接続され可変周波数の交流電流を給電する電力変換装置を備えた交流励磁型発電電動機を用いるとともに、前記制御装置に、前記交流電力系統の電圧を制御する電圧制御器と、前記交流電力系統の無効電力を制御する無効電力制御器と、前記事故電流検出信号に基いて前記無効電力制御器の無効電力指令を低下させる制御手段を設けたことを特徴とする交流電力系統設備。

Images