JP3715401B2

JP3715401B2 - 交流電力系統安定化装置

Info

Publication number: JP3715401B2
Application number: JP05173797A
Authority: JP
Inventors: 保弘八坂; 政市遠藤; 基生二見; 明洋真岡; 雅哉一瀬; 精之助宇野; 弘林田; 徹西尾; 潔蓑口; 明両満
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2017-03-06
Also published as: JPH10248166A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は連系用の静止型電力変換装置を備えている交流電力系統に関し、その変換装置のトリップ等による系統の過電圧を抑制する交流電力系統安定化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
送電系統を直流変換装置や周波数変換装置によって連系し、電力の広域運用による電力需給の安定化を図っている。直流を介して連係する方法としては、ＨＶＤＣ（High Voltage Direct Current Transmission）やＢＴＢ（Back To Back）があり、両端の周波数が異なるものをＦＣ（Frequency Converter）と呼んでいる。
【０００３】
連系用の電力変換装置を配備した連系所では、交流系統の無効電力を補償する力率改善コンデンサや高調波フィルタを接続している。この場合、電力変換装置を緊急に停止したり、電流を絞ったりすると、これらコンデンサやフィルタによって交流系統に過電圧が発生する。このため、電力変換装置の停止と同時にコンデンサを切り離している。
【０００４】
図６に、従来のシステムを示す。交流系統１に静止型電力変換装置２と、力率改善コンデンサ３、及び系統電圧を安定化する直流励磁型同期調相機４を接続している。直流励磁型同期調相機４はロータリコンデンサ（ＲＣ）などで、１次側が変圧器５を介して系統１に、２次側が直流励磁装置６に接続されている。電力変換装置２が運転状態から急停止するとほゞ同時に、コンデンサ３からの無効電力供給により系統電圧が急上昇し、コンデンサ３を切り離すまでの期間に系統１が過電圧となる。しかし、直流励磁型同期調相機５は時定数が数１００ｍ秒以上と長いため、電圧制御器７による通常の電圧一定制御はできても、急激な過電圧の抑制は困難である。その対策として、交流系統１に大容量のアレスタ９を接続しているが、経済的な系統構成ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を克服し、急激な過電圧の発生を抑制でき、且つ系統を経済的に構成できる、交流電力系統の安定化装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、連系用静止型電力変換装置と力率改善コンデンサを接続している交流電力系統において、一次巻線が変圧器を介して前記交流電力系統に接続された交流励磁同期機と、前記交流電力系統から給電され、出力側が前記交流励磁同期機の二次巻線に接続して交流励磁電流を供給する交流励磁装置と、前記電力変換装置に接続され、前記交流系統の系統電圧及び有効電力の設定値と検出値の偏差に応じて前記交流励磁電流を制御し、前記交流励磁同期機を交流励磁型調相機として運転制御する交流励磁電流制御系を備えたことにより達成される。
【０００７】
前記交流励磁電流制御系は、前記系統電圧の上昇幅または上昇率が規定値を超えた時に、前記交流励磁同期機から出力する無効電力が定格値より低下するように、前記交流励磁電流の振幅と位相を制御することを特徴とする。
【０００８】
前記交流励磁電流制御系は、通常時には前期系統電圧と設定値との偏差が０になるように制御指令値を出力し、前記系統電圧の上昇が前記規定値を超えた時に、通常の偏差による制御指令値より大きい、割増の制御指令値を出力する電圧制御手段を有していることを特徴とする。
【０００９】
また、前記連系用静止型電力変換装置の電流減少率、時間内の電流減少幅、電力減少率またはある時間内の電力減少幅が、予め設定されているしきい値を越えたときに異常検出信号を出力する手段を備え、前記交流励磁制御系は前記異常検出信号を受信したとき、直ちに系統電圧の上昇を抑制する方向に制御することを特徴とする。
【００１０】
上記の安定化装置において、前記交流励磁同期機は原動機を持たない交流励磁型発電電動機を、前記交流励磁装置はサイクロコンバータ等による電力変換装置を、それぞれ用いてなる。
【００１１】
本発明の構成によれば、例えば上記制御系によって制御されるサイクロコンバータからの交流励磁により、原動機を持たない交流励磁型発電電動機が交流励磁型調相機として運転されるので、系統電圧に対し２０ミリ秒程度の応答速度を有し、系統の急激な電圧上昇に対し系統の無効電力を吸収して過電圧を抑制し、系統を保護することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の交流電力系統安定化装置の実施形態を図面により詳細に説明する。図１は、第１の実施例による交流電力系統と安定化装置のシステム構成を示す。交流電力系統１は連系系統の一方で、近くに周波数変換あるいは交直変換（ＢＴＢを含む）のための他励式の静止型電力変換装置２と、その無効電力を補償する力率改善コンデンサ３が接続されている。
【００１３】
本実施例の交流系統安定化装置は、一次巻線１１が変圧器５を介して交流電力系統１と接続されている交流励磁同期機１０と、交流系統１から給電される一方、その出力側から交流励磁同期機１０の二次巻線１２に励磁電流を供給する交流励磁装置１３と、交流励磁電流の位相と値を変化させて交流励磁同期機１０から出力する有効電力／無効電力を増減させる交流励磁制御系２０を備えている。交流励磁同期機１０には原動機持たない交流励磁型発電電動機を使用し、交流励磁型同期調相機として運転する。交流励磁装置１３には電力変換器（例えばサイクロコンバータ）を用いている。
【００１４】
交流励磁制御系２０は交流励磁同期機１０のｄ軸成分、ｑ軸成分の２軸制御を行う。このため、系統電圧に対応するｄ軸成分の電流指令（Ｉｄ）を出力する電圧制御器（ＡＶＲ）２１、系統有効電力に対応するｑ軸成分の電流指令（Ｉｑ）を出力する電力制御器（ＡＰＲ）２２、すべり位相（θs）を演算する位相検出器２４、Ｉｄ，Ｉｑ，θから各相励磁電流（Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）の振幅と位相を制御する電流制御器２５を有している。
【００１５】
位相検出器２４は系統１の電圧位相と、回転子位相検出器１４で検出された交流励磁同期機１０の回転角（電気角）との差により、すべり位相（θs）を演算する。有効電力制御器２２は、電力検出器２６で検出した系統１からの有効電力Ｐと外部から与えられる有効電力指令Ｐ₀の偏差を０にするように、ｑ軸成分の電流指令Ｉｑを出力する。この指令Ｉｑには、速度検出器１５で検出した回転速度Ｎと回転速度指令Ｎ₀の偏差を０に調整する速度制御器２３による速度指令分が含まれる。なお、速度制御系は有効電力制御系より遅い系に構成される。
【００１６】
電圧制御器２１は、交流励磁同期機１０の２次電流のうち、１次側からみて交流電力系統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）の指令値を発生する。例えば、系統１の電圧設定値Ｖp₀（または交流励磁同期機１０の無効電力指令）と系統電圧Ｖpを加算器２１１に入力し、その偏差を０にするように指令Ｉｄを出力する。なお、加算器２１１の入力側に、系統電圧検出器８からの系統電圧Ｖｐと上昇側の規定電圧Ｖoverとの比較器２１０を設け、Ｖｐ＞Ｖoverのとき、系統電圧指令Ｖp₀との偏差を割増しするための所定値△Ｖp₀を出力する。偏差を割増しする代わりに制御ゲインをアップするように切り替えてもよい。
【００１７】
電流制御器２５は、まず位相検出器２４からのｃｏｓθs，ｓｉｎθsと、ｑ軸成分の電流指令Ｉｑ、ｄ軸成分の電流指令Ｉｄから、交流励磁同期機１０の２次側各相電流指令Ｉａ*，Ｉｂ*，Ｉｃ*を、行列式（１）により演算する。
【００１８】
【数１】

【００１９】
ただし、Ｋは定数である。
【００２０】
次に、電流制御器２５は、電流指令Ｉａ*，Ｉｂ*，Ｉｃ*と交流励磁装置１３の出力電流（Ｉma，Ｉmb，Ｉmc）を比較し、その偏差が０になるように交流励磁装置１３を制御する。これにより、交流励磁同期機１０の出力電圧は常に系統電圧位相と同期しながら、Ｉｑ指令で有効電力出力を、Ｉｄ指令で発電機電圧を制御する。
【００２１】
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１０の速度制御を電気入力によって制御する必要があり、上記のように電力制御器２２より制御速度の遅い速度制御器２３によって、励磁電流の有効成分を制御して、安定な速度制御を行っている。
【００２２】
次に、本実施例の系統異常時の動作を説明する。交流系統１に接続している静止型電力変換装置２は無効電力が必要で、送電線が長くなると交流系統電圧が低下する。この防止のために、大容量の力率改善コンデンサ３より無効電力を供給している。静止型電力変換装置２が系統事故や装置故障などでトリップすると、電力の流れが急に堰き止められ、コンデンサ３からの無効電力の供給が過剰になり、交流電力系統１の電圧が急上昇する。この過電圧はフェランチ効果と呼ばれ、基本調波電圧が大きくはね上る。
【００２３】
系統電圧ＶPが規定電圧Ｖoverを越えると、比較器２１０から割増し偏差値△Ｖp₀が出力される。この結果、電圧制御器２１は見かけ上大きな偏差を入力として、交流励磁同期機１０から出力される無効電力を定格値から低下するように励磁電流を制御し、これによって系統の無効電力を吸収する。これを電圧の挙動からみれば、交流励磁同期機１０が系統の過電圧と逆位相の電圧を出力していることになる。
【００２４】
図２に、電圧抑制の動作を説明するベクトル図を示す。同図（ａ）は通常の運転状態で、発電電動機励磁電流ＩｒはＩmaの１相分について示す。実際のＩｒは若干のｑ軸成分を有しているが、ここでは簡単にｄ軸成分のみで示している。この条件下では、発電電動機電流Ｉｓはｑ軸方向の発電電動機電圧Ｖｓと直交している（調相機運転状態）。系統電圧ＶｐはＶｓと同じｑ軸方向で、発電電動機から系統に無効電力を供給しているときにはＶｐ＜Ｖｓである。
【００２５】
同図（ｂ）は系統電圧異常時の状態であり、系統の過電圧によりＶｐ＞Ｖｓとなっている。この場合、発電電動機は無効電力を系統側より吸収し、これだけでも過電圧を低下させる働きとなる。さらに、励磁電流Ｉｒのｄ軸成分を減少するようにＩｄ指令を下げ、ｑ軸上に系統電圧Ｖｐと逆位相の電圧成分（ｊ（Ｘs＋Ｘtr）・Ｉs）を発生させて、過電圧を吸収する。すなわち、系統の過電圧に際してＩｄ成分を大きく減少させることにより（励磁電流制御系２０においては、電圧を大きく下げる制御）、発電電動機としてより急速に無効電力を吸収し、系統電圧を抑制する。
【００２６】
図３に、異常電圧発生時の電圧抑制動作のタイムチャートを示す。静止型電力変換器２のトリップで系統有効電力Ｐが時間ｔ１でダウンすると、系統電圧Ｖｐが上昇しやがて過電圧となる。Ｖｐが電圧規定値Ｖoverを超えた時間ｔ２で、電圧制御器２１の制御による発電電動機１０の励磁電流Ｉｒのｄ軸成分が絞り込まれ、発電機電動電圧Ｖｓも低下する。これに応じて、発電電動機１０は系統１から急速に無効電力を吸収し、系統電圧Ｖｐは２点鎖線のように抑制される。
【００２７】
ところで、交流励磁同期機１０の無効電力ないし電圧の制御速度は、従来の直流励磁型同期調相機４に比べて著しく速い。すなわち、直流の励磁装置は定格値相当の直流電流を流すため、定格電圧仕様は必要な電圧の１．５倍程度（シーリング電圧）でしかない。一方、サイクロコンバータ等を用いる交流励磁装置は、運転時に発生する回転子の誘起起電力に打ち勝って電流制御するために、直流励磁装置に比べ１０倍程度の高い電圧仕様となる。このため、交流励磁同期機１０の電圧応答速度は、直流励磁型同期調相機４に比べて十分速い。
【００２８】
ちなみに、直流励磁型同期調相機の電圧応答は数１００ミリ秒である。シミュレーション結果によれば、本実施例の交流励磁同期機１０の電圧応答は約２０ミリ秒であり、交流電力系統の過電圧を速やかに抑制できる。このため、アレスタ容量が小さくてすみ、連系系統における送電線や付帯設備の過電圧仕様も通常の交流電力系統と同程度でよく、経済的な系統構成が実現できる。
【００２９】
以上、本実施例の安定化装置によれば、連系用の周波数変換等の他励式静止型電力変換装置を接続している交流電力系統に、交流励磁同期機とその交流励磁電流制御器を接続し、系統の過電圧発生に対してそれを抑制するように励磁電流を制御するので、交流電力系統を速やかに安定化でき、安全で経済的な系統構成を実現できる。
【００３０】
次に、本発明の交流系統安定化システムの第２の実施例を説明する。図４に、第２の実施例によるシステム構成を示す。図１との相違は、静止型周波数変換装置２の異常検出手段２７を設けた点である。
【００３１】
本実施例は異常検出手段２７が、静止型周波数変換装置２の有効電力減少率、ある時間内の電力減少幅、電流減少率またはある時間内の電流減少幅の少なくとも１つが、各々に予め設定されているしきい値を越えたとき、異常検出信号を電圧制御器２１に与える。電圧制御器２１はこの異常検出信号の受信により直ちに、先行制御指令Ｉｄ’を発行し、電圧検出器８の検出値による過電圧制御に先行して過電圧を抑制する。先行制御指令Ｉｄ’は予め一定値が設定されている。
【００３２】
図５に、本実施例による静止型電力変換器異常時の電圧抑制動作のタイムチャートを示す。系統電圧Ｖｐが規定電圧以下の時間ｔ１で、静止型電力変換器２の有効電力Ｐの電力減少幅がしきい値を超えると、電圧制御器２１によるｄ軸電流抑制の先行指令が出力され、発電電動機１０の電圧Ｖｓが低下して、系統電圧の抑制が開始される。
【００３３】
本実施例によれば、先行して過電圧を抑制できるため、系統安定化の時間をさらに短縮できる。なお、実施例１の電圧検出値が規定値を超えたときの過電圧抑制と併用せずに、静止型周波数変換装置２の異常検出信号による先行制御のみを持続して、系統の過電圧を抑制するようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、系統の周波数変換や交直変換を行う連系用の静止型電力変換装置を有する交流電力系統において、１次側が系統と接続し２次側が交流励磁装置と接続して励磁電流を供給される交流励磁同期機を備え、系統電圧が規定値より高いときに励磁電流の位相を制御して系統の無効電力を吸収して、系統電圧の上昇を速やかに抑制するので、静止型電力変換装置のトリップなどに対し、系統を安全に保護できる。また、従来に比べ、アレスタを小容量にでき、連系系統の過電圧仕様を通常の送電系統並みに低下できるので、経済的な系統構成が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示し、静止型電力変換装置を接続した交流電力系統と、その系統安定化装置からなるシステム構成図。
【図２】第１の実施例における電圧抑制の動作を説明するベクトル図。
【図３】第１の実施例における異常電圧発生時の電圧抑制動作のタイムチャート。
【図４】本発明の第２の実施例を示し、静止型電力変換装置を接続した交流電力系統と、その系統安定化装置からなるシステム構成図。
【図５】第２の実施例における異常電圧発生時の電圧抑制動作のタイムチャート。
【図６】従来の静止型電力変換装置を接続した交流電力系統と、同期調相機を用いた系統安定化装置のシステム構成図。
【符号の説明】
１…交流系統、２…静止型電力変換装置、３…力率改善用コンデンサ、４…直流励磁同期調相機、５…変圧器、６…直流励磁装置、７…電圧制御器、８…電圧検出器、９…アレスタ、１０…交流励磁同期機（交流励磁型発電電動機）、１１…１次巻線、１２…２次巻線、１３…交流励磁装置（サイクロコンバータ）、１４…回転子位相検出器、１５…速度検出器、２０…交流励磁電流制御系、２１…電圧制御器、２１０…比較器、２１１…加算器、２２…有効電力制御器、２３…速度制御器、２４…位相検出器、２５…電流制御器、２６…電力検出器、２７…異常検出手段。

Claims

連系用静止型電力変換装置と力率改善コンデンサを接続している交流電力系統において、
一次巻線が変圧器を介して前記交流電力系統に接続された交流励磁同期機と、前記交流電力系統から給電され、出力側が前記交流励磁同期機の二次巻線に交流励磁電流を供給する交流励磁装置と、前記電力変換装置に接続され、前記交流系統の系統電圧及び有効電力の設定値と検出値の偏差に応じて前記交流励磁電流を制御し、前記交流励磁同期機を交流励磁型調相機として運転制御する交流励磁電流制御系と、前記連系用静止型電力変換装置の電流減少率、時間内の電流減少幅、電力減少率またはある時間内の電力減少幅が、予め設定されているしきい値を越えたときに異常検出信号を出力する手段を備え、
前記交流励磁制御系は前記異常検出信号を受信したとき、直ちに系統電圧の上昇を抑制する方向に先行制御することを特徴とする交流電力系統安定化装置。