JP3812142B2

JP3812142B2 - 可変速発電システムの制御装置

Info

Publication number: JP3812142B2
Application number: JP13795898A
Authority: JP
Inventors: 譲久保田; 基生二見; 雅哉一瀬; 光幸本部; 明洋真岡
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-05-20
Filing date: 1998-05-20
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2018-05-20
Also published as: JPH11332293A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可変速発電システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、電力系統の周波数調整及び系統安定化のためにＧＴＯ変換器やサイクロコンバータで二次側を励磁される可変速揚水発電システム及び可変速フライホイールシステムなどが用いられている。これらのシステムでは発電所スペース、経済性などを考慮して発電電動機の励磁装置と始動装置とを兼用した自己始動方式が用いられている。可変速発電システムの発電電動機には巻線型誘導機もしくは交流励磁同期機が用いられている。このため、二次励磁装置は、システムが系統から切り離されて運転される自己始動から系統投入後のシステム運転まで安定した電流制御が必要となる。従来、この種の電流制御方式としては特開平2− 246797号公報及び文献「ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際（総合電子出版社、１９９５年５月８日出版）」に記載されているものが知られている。すなわち、二次励磁電流を回転座標軸のｄ，ｑ軸成分に分解してそれらの相互干渉をなくすための非干渉方式が提案されている。しかし、この方式は非干渉制御の一般的な解析であり、発電電動機の固定子側漏れインダクタンスが自己始動及びシステム運転などに応じて大きく変化するものに対しては、制御が追従できず運転状態が不安定になるという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、自己始動時及び系統へ並入した後のシステム運転時において安定な制御を可能とする可変速発電システムの制御装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明による可変速発電システムの制御装置は、回転子巻線電流を電流指令に合わせるように励磁用電力変換器にスイッチング指令を与え、可変速発電システムの複数の運転状態に応じて電流制御ゲインを切り替える。ここで、複数の運転状態とは、例えば可変速発電システムが系統に連系される系統並入運転状態及び系統から切り離される自己始動状態である。本発明によれば、運転状態に応じて電流制御ゲインを切り替えるので、可変速発電システムの安定な制御が可能になる。
【０００５】
ここで、好ましくは、電流指令を、固定子巻線側の有効電力を有効電力指令に合わせるための電流指令とする。また、好ましくは、回転子巻線電流を、回転座標軸におけるｄ軸またはｑ軸電流とし、電流指令をｄ軸またはｑ軸電流指令とし、電流制御ゲインｄ軸またはｑ軸電流制御ゲインとしたり、さらに、このｑ軸電流を固定子巻線側の有効電力を有効電力指令に合わせるためのｑ軸電流指令としたりする。これらによれば、高速な電力制御ができる。
【０００６】
また、本発明による可変速発電システムの制御装置は、交流発電電動機の固定子巻線電圧を電圧指令に合わせるように励磁用電力変換器にスッチング指令を与え、可変速発電システムの複数の運転状態に応じて電圧制御ゲインを切り替える。本構成によれば、上記構成と同様に安定な電力制御ができるとともに、安定な電圧制御が可能になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図１及び図２を用いて本発明の一実施例について説明する。図１に可変速揚水発電システムの構成図を示す。図１において、電力系統ＶＯから主変圧器Ｍｔｒ及び同期投入遮断器３３を介して発電電動機３６に接続し、一方、同期投入遮断器３３は始動用遮断器３４を介して短絡回路３５に接続されている。また同じ主変圧器Ｍｔｒからさらに励磁用トランスＥｔｒを介して励磁装置３７を接続し、この励磁装置３７により可変周波数の交流を発生して前記の発電電動機３６の回転子巻線を交流励磁するものである。励磁装置３７は交流を直流に変換する順変換器（コンバータ）３８，順変換器３８の出力電圧リプルを低減するためのコンデンサ３９，コンデンサ３９の直流をさらに所望の周波数の交流に変換する逆変換器（インバータ）４０から構成される。なお、この励磁装置３７はサイクロコンバータでも構成できる。
【０００８】
励磁電流調節器３２により逆変換器４０を制御して可変周波数の交流を出力するが、この交流の位相を、固定子側に接続した固定周波数交流の電圧位相と発電電動機の回転位相から決定し、発電電動機の回転子側に流れる電流、すなわち励磁電流が所定の大きさと位相になるように励磁装置の出力電圧を制御する。励磁電流調整器３２の制御としては発電電動機の誘起電圧を発生させるｄ軸方向の電流成分Ｉｄとこれに電気的に直交し、発電電動機の誘起電圧には無関係に有効電力のみが変化するｑ軸方向の電流成分Ｉｑの２軸に励磁電流を分解して制御する。そしてこれらの軸方向は固定子側に接続した固定周波数の交流の電圧角周波数と発電電動機の回転角周波数から一意に決定できるので、電圧角周波数検出器２８と回転角周波数検出器２９の出力からすべり角周波数ωｓ＊を励磁角周波数検出器３０で演算し上記のｄ軸方向とｑ軸方向を決定することができる。スイッチ素子ＳＷ１は自己始動時のすべり角周波数指令△ωｓ＊及び電圧角周波数検出器２８の出力を切り替えるためのスイッチ回路である。
【０００９】
励磁電流検出器３１は、電流検出手段５０によって検出される可変周波数の交流電流を励磁角周波数検出器３０で演算されたωｓ＊から励磁電流位相を演算し、その結果からｄ軸の電流成分（無効電流）Ｉｄとｑ軸の電流成分（有効電流）Ｉｑを検出する。
【００１０】
有効電力の制御を行うためには、前記ｑ軸方向の電流を制御すればよいので有効電力調節器２１はその制御出力としてｑ軸電流指令Ｉｑ＊を出力する。また、交流電圧の制御を行うためには前記ｄ軸方向の電流を制御すればよいので交流電圧調節器２７はその制御出力としてｄ軸電流指令Ｉｄ＊を出力する。
【００１１】
励磁電流調節器３２では、励磁電流検出器３１により検出したｄ軸方向の電流とｑ軸方向の電流がそれぞれ交流電圧調節器２７，有効電力調節器２１の出力に一致するように制御する。励磁電流調節器３２の出力信号（変調波信号）はゲートパルス発生器４１で搬送波信号と比較され、それによって得られたＰＷＭパルス信号は逆変換器４０にスイッチング指令（ゲート信号）を与える。一方、励磁電流調節器３２には自己始動時用のｄ，ｑ軸電流指令Ｉｄｓ＊，Ｉｑｓ＊が入力されている。このように、自己始動時用に個別に電流指令を設けることにより、後述するように、制御ゲインの切り替えとともに、システムの運転状態に応じた安定した電流制御が可能になる。なお、有効電力調整器２１にＩｑｓ＊を出力する機能を持たせてもよい。
【００１２】
交流電圧検出器２６は電力系統ＶＯの大きさを検出し、交流電圧調節器２７はこの検出した交流電圧ＶＬが電圧指令Ｖｃ＊に一致するようにｄ軸電流指令Ｉd*を調整して交流電圧を制御する。
【００１３】
速度検出器２５は発電電動機の回転速度を検出する。速度調節器２３は前記速度検出器２５で検出した発電電動機の回転速度が速度指令値Ｎｃ＊に一致するように有効電力補正量△Ｐを調節する。スイッチ素子８は自己始動の別方式を構成するもので、速度調節器２３の出力△Ｐを有効電力演算器２２及びｑ軸電流指令Ｉｑｓ＊に切り替えるためのスイッチ回路である。有効電力演算器２２は外部有効電力指令Ｐｃ＊に有効電力補正量△Ｐを加算し内部有効電力指令値Ｐｓ＊を出力する。
【００１４】
有効電力調節器２１は、電流検出手段５１により検出される発電電動機から系統への出力電流及び電圧検出手段６０により検出される発電電動機の出力電圧から、有効電力検出器２４で検出したシステムの有効電力が内部有効電力指令値Ｐｓ＊に一致するようにｑ軸電流指令Ｉｑ＊を調整してシステムの有効電力を制御する。
【００１５】
一方、順変換器３８は順変換器の入力電流及び出力電圧をもとに直流電圧が一定となるように電圧調節器４２で制御され、ゲートパルス発生回路４３からスイッチング指令が与えられる。以上のようにして可変速揚水発電システムはシステムの有効電力を制御している。可変速発電システムとしての運転は同期投入遮断器３３投入，始動用遮断器３４開放，スイッチ素子ＳＷ１ｂ側，ｄ軸電流指令Ｉｄｓ＊とｑ軸電流指令Ｉｑｓ＊は切り離し、実質的には両者とも“０”の条件で行われる。一方、自己始動は発電電動機の一次側を短絡するために同期投入用遮断器３３開放し、始動用遮断器３４投入して発電電動機３６の一次側を短絡する。続いて、スイッチ素子ＳＷ１をａ側に設定し、さらにｄ，ｑ軸電流指令Ｉｄｓ＊，Ｉｑｓ＊を与える（Ｉｄ＊とＩｑ＊は切り離す）ことにより発電電動機３６をすべり周波数ωｓ＊に応じて速度を上昇させる。
【００１６】
ところで、本発明者の検討によれば、可変速揚水発電システムでは発電電動機３６の一次側、すなわち固定子側は自己始動時、系統並入前の交流電圧制御時並びに系統並入後のシステム運転などの条件でインピーダンスが大きく変化する。図２に、発電電動機３６の一相分の等価回路（抵抗分無視）を示す。同図より回転子側の漏れインダクタンスは一定値となるが、固定子側の漏れインダクタンスは自己始動に対し交流電圧制御では一般に約２０％、またシステム運転時には約６０％増加する。したがって、運転条件すなわち固定子側インピダンスすべての範囲を高速で、かつ安定な電流制御を行うためにはｄ，ｑ軸電流の制御ゲインを切り替える必要がある。また、自己始動の別方式としてｑ軸電流指令Ｉｑ＊の代わりに速度調節器２３の出力△Ｐを加えても同様に速度を上昇させることができる。
【００１７】
図３に、本発明による自己始動及びシステム運転を行う場合の励磁電流調節器３２の一例の詳細図を示す。本例は非干渉制御方式を用い非干渉制御ゲインを切り替えるものである。スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ３は自己始動とシステム運転時のｄ，ｑ軸電流指令Ｉｄｓ＊，Ｉｑｓ＊とＩｄ＊，Ｉｑ＊を切り替えるためのスイッチ回路、ｄ軸電流調節器１はｄ軸電流指令Ｉｄ＊またはＩｄｓ＊と無効電流Ｉｄとの偏差を演算し、ｄ軸電圧指令ｅｄ１＊を算出する。一方、ｑ軸電流調節器２はｑ軸電流指令のＩｑ＊またはＩｑｓ＊と前記有効電流Ｉｑの偏差を演算し、ｑ軸電圧指令ｅｑ１＊算出する。また、非干渉制御回路１０は掛算器３及び４，制御ゲインに相当する自己始動用漏れインダクタンス定数５ａ及び５ｂとシステム運転用漏れインダクタンス定数５ｂ及び６ｂ，スイッチ素子ＳＷ４及びSW５から構成されており、自己始動及びシステム運転時に応じてスイッチ回路を切り替え補償電圧ｅｄ２＊及びｅｑ２＊を演算し、出力する。減算器７はｄ軸電流調節器１の出力ｅｄ１＊とスイッチＳＷ５の出力ｅｄ２＊を減算しｄ軸電圧指令ｅｄ＊を出力するための回路、また加算器８はｑ軸電流調整器２の出力ｅｑ１＊とスイッチＳＷ４の出力ｅｑ２＊を加算し、ｑ軸電圧指令ｅｑ＊を出力するための回路である。２相／３相変換器９は基準位相信号に基づいてｄ，ｑ軸電圧指令ｅｄ＊及びｅｑ＊から三相の電圧指令ｅｕ＊，ｅｖ＊，ｅｗ＊を出力する。
【００１８】
上記の回路において自己始動時はスイッチ素子ＳＷ２〜ＳＷ５をａ側に設定することにより、発電電動機３６には所定のｄ，ｑ軸電流Ｉｄ，Ｉｑが流れすべり周波数ωｓ＊に応じて加速される。続いて発電電動機３６の速度が同期速度近傍に達するとシステム運転にする。このためスイッチ素子ＳＷ２〜ＳＷ５をｂ側に設定することによりシステムはｄ，ｑ軸電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に応じて動作する。この結果、非干渉制御ゲインを自己始動及びシステム運転時に応じて切り替えることにより安定な電流制御ができ、さらに信頼性が向上できる。
【００１９】
以上のようにして、発電電動機の二次励磁電流を回転座標軸のｄ，ｑ軸成分に分解して制御し、それぞれｄ，ｑ軸成分の制御ゲインを自己始動及びシステム運転毎に設け、両者の運転に応じて制御ゲインを切り替えることにより自己始動からシステム運転まで安定した電流制御ができるので信頼性を向上できる。
【００２０】
図４は本発明の他の実施例である。図１，図３と同一物には同じ番号を付しているので説明を省略する。図１，図３と異なる点はすべり角周波数演算器４３，基準位相発生器４４並びにスイッチ素子１０を設けたところにある。すべり角周波数演算器４３は速度調節器２３の出力Ｉｑｓ＊とｄ軸電流指令Ｉｄｓ＊からすべり角周波数ωｓ＊(ωｓ＊＝１／Ｔ₂・Ｉｑｓ＊／Ｉｄｓ＊）を演算する。またスイッチ素子１０は自己始動とシステム運転の切り替えのためのスイッチ回路、基準位相発生器４４はすべり角周波数（ωｓｓ＊またはωｓ＊）から２相／３相変換器９の基準位相となるＳＩＮθ及びＣＯＳθを発生する回路である。自己始動時にはスイッチ素子（ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ１０）をすべてａ側に設定し、速度指令Ｎｃ＊（ωｃ＊）を与えることにより、回転周波数ωｒに応じてすべり角周波数ωｓ＊が演算され前述の場合と同様に速度を上昇させることができる。
【００２１】
図５は本発明の他の実施例である。可変速発電システムでは交流電圧制御においても電流制御系と同様に、発電電動機固定子（一次）側の回路インピーダンスが開放時とシステム運転時で大きく変わる。このため、交流電圧調整器２７の補償ゲインを切り替えることにより安定した交流電圧制御が可能になる。交流電圧調整器２７ａは系統並入前の補償ゲインを、また交流電圧調整器２７ｂは系統並入後の補償ゲインがそれぞれ設定されスイッチ素子９により上記運転状態に応じて切り替える。この結果、発電電動機固定子（一次）側の開放状態からシステム運転まで安定かつ高応答の交流電圧制御ができるので信頼性が向上する。電流制御ゲインを変えない場合で負荷と電流制御系の伝達関数を条件に応じて考慮した電圧制御ゲインを設定すれば高速な電圧制御が可能である。
【００２２】
ＡＶＲゲイン切り替えと同時にＡＣＲゲインを切り替えた場合も同様に最適な応答を得ることができる。
【００２３】
図６は本発明の他の実施例である。前述の交流電圧制御が安定に行われない場合、発電電動機固定子（一次）の交流電圧が変動し有効電力制御系が不安定状態になる。このため、有効電力調整器２１ｂの補償ゲインを交流電圧検出器２６の出力ＶＬに応じて切り替える。これにより、たとえ交流電圧制御系が不安定になっても有効電力制御が安定でしかも高応答の有効電力制御ができるので信頼性が向上する。電流制御ゲインを変えない場合でも負荷と電流制御系の伝達関数を条件に応じて考慮した有効電力制御ゲインを設定すれば高速な有効電力制御が可能である。
【００２４】
図７は本発明の他の実施例における励磁電流調節器を示す。図３と同一物には同じ番号を付しているので説明を省略する。図３と異なる点はｄ，ｑ軸電流の非干渉制御を非干渉制御ゲインを変えずに、その代わりにｄ軸電流調節器１及びｑ軸電流調節器２のゲインを変えていることである。積分定数１１及び比例定数１２，１３はｄ軸電流の補償ゲイン、スイッチ素子ＳＷ６は比例定数１２及び１３を切り替えるためのスイッチ、加算器１４はスイッチ素子ＳＷ６の出力及び積分定数１１の出力を加算しｅｄ１＊を出力するための回路である。同様に積分定数１６及び比例定数１７，１８はｑ軸電流の補償ゲイン、スイッチ素子ＳＷ７は比例定数１７及び１８を切り替えるためのスイッチ、加算器１９はスイッチ素子ＳＷ７の出力及び積分定数１６の出力を加算しｅｑ１＊を出力するための回路である。本実施例は、非干渉制御ゲインを一定値（例えば、始動用インダクタンス定数）に設定し、負荷条件に応じて比例定数のゲインをスイッチ素子ＳＷ６，７で切り替えてもｄ，ｑ軸電流の干渉を、抑制することができる。なお、システムの接続されている系統の状況に応じて切り替える手段を用いれば系統事故時（１回線／２回線）の変更に際しても最適な運用ができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、自己始動やシステム運転などの運転条件によらない安定な制御が可能になるので、可変速発電電動機の最適な有効電力または交流電圧（または無効電力）制御が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における可変速揚水発電システムの回路構成図。
【図２】運転条件によるインピーダンスの変化を説明するための詳細図。
【図３】本発明による励磁電流調節器の一例。
【図４】本発明の他の実施例。
【図５】本発明の他の実施例における交流電圧制御の回路構成図。
【図６】本発明の他の実施例における有効電力制御の回路構成図。
【図７】本発明の他の実施例における励磁電流調節器。
【符号の説明】
１…ｑ軸電流調節器、２…ｄ軸電流調節器、３，４…掛算器、５ａ〜５ｂ…自己始動用漏れインダクタンス定数、６ａ〜６ｂ…システム運転用漏れインダクタンス定数、７…減算器、８，１４，１９…加算器、９…２相／３相変換器、１０…非干渉制御回路、１１，１６…積分定数、１２，１３，１７，１８…比例定数、ＳＷ１〜ＳＷ９…スイッチ素子、Ｍｔｒ…主変圧器、Ｅｔｒ…励磁用変圧器、Ｐｃ＊…有効電力指令値、Ｎｃ＊…速度指令値、Ｖｃ＊…電圧指令値、ＶＬ…系統電圧検出値、Ｉｄ＊…ｄ軸電流指令値、Ｉｄ…ｄ軸電流検出値、Ｉｑ＊…ｑ軸電流指令値、Ｉｑ…ｑ軸電流検出値、２１…有効電力調節器、２１ｂ…有効電力調節器（補償ゲイン切り替え機能付）、２２…有効電力演算器、２３…速度調節器、２４…有効電力検出器、２５…速度検出器、２６…交流電圧検出器、２７…交流電圧調節器、２７ａ…交流電圧調整器（系統並入前補償ゲイン）、２７ｂ…交流電圧調整器（系統並入後補償ゲイン）、２８…電圧角周波数検出器、２９…回転角周波数検出器、３０…励磁角周波数検出器、３１…励磁電流検出器、３２…励磁電流調節器、３３…同期投入遮断器、３４…始動用遮断器、３５…短絡回路、３６…発電電動機、３７…周波数変換装置、３８…順変換器、３９…コンデンサ、４０…逆変換器、４１，４３…パルス発生回路、４２…電圧調節器、４３…すべり角周波数演算器、４４…基準位相発生器。

Claims

固定子巻線と回転子巻線とを有する交流発電電動機と、該回転子巻線に接続した励磁用電力変換器とを備える可変速発電システムの制御装置において、
該制御装置は、回転子巻線電流指令値に前記回転子巻線の電流検出値が一致するように前記励磁用電力変換器を動作させる電流制御手段を備え、
該電流制御手段は、前記可変速発電システムの自己始動時や系統並入時や系統解列時の運転状態に応じて、前記回転子巻線電流指令値と前記回転子巻線の電流検出値との差に対応する誤差量に適用する電流制御ゲインを切り替えることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
請求項１において、前記制御装置の前記電流制御手段がｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とを直流量として検出する手段を有し、
前記制御装置が、前記交流発電電動機の固定子側有効電力あるいは前記可変速発電システムが電力系統と授受する有効電力が指令値に一致するようにｑ軸電流成分指令値を決定するｑ軸電流制御手段と、
前記交流発電電動機の固定子側電圧が指令値に一致するようにｄ軸電流成分を決定する、若しくは前記可変速発電システムが電力系統と授受する無効電力が指令値に一致するようにｄ軸電流成分指令値を決定するｄ軸電流制御手段を備え、
前記制御装置が、前記ｄ軸電流成分検出値と、前記ｑ軸電流検出値とを前記ｄ軸電流成分指令値と前記ｑ軸電流成分指令値とに一致させるように動作することを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
請求項１において、前記制御装置の前記電流制御手段がｄ軸電流成分とｑ軸電流成分とを直流量として検出する手段を有し、
前記自己始動時には、予め設定したｑ軸電流成分指令値と、予め設定したｄ軸電流成分指令値とに、前記ｄ軸電流成分の検出値とｑ軸電流成分の検出値とを一致させるように動作することを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
請求項１において、前記切り替える電流制御ゲインがｑ軸電流成分指令値とｑ軸電流成分検出値との誤差量に適用する第１の電流制御ゲインであることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
請求項１において、前記切り替える電流制御ゲインがｄ軸電流成分指令値とｄ軸電流成分検出値との誤差量に適用する第２の電流制御ゲインであることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
請求項１において、前記切り替える電流制御ゲインが、ｑ軸電流成分指令値とｑ軸電流成分検出値との誤差量に適用する第１の電流制御ゲインと、
ｄ軸電流成分指令値とｄ軸電流成分検出値との誤差量に適用する第２の電流制御ゲインとであることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
請求項６において、前記制御装置が、前記ｄ軸電流成分を調整するｄ軸成分電流調節手段と、前記ｑ軸電流成分を調整するｑ軸成分電流調節手段と、前記ｄ軸成分およびｑ軸成分の非干渉制御回路とを有し、前記切り替える電流制御ゲインが、前記第１の電流制御ゲインと第２の電流制御ゲイン、あるいは前記非干渉制御回路の制御ゲインである第３の電流制御ゲインであることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
請求項７において、前記ｄ軸成分電流調節手段とｑ軸成分電流調節手段とが、積分定数と、複数の比例定数とを含み、該複数の比例定数を切り替えて前記第１の電流制御ゲインと前記第２の電流制御ゲインとを切り替えることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
請求項７において、非干渉制御回路が、積分定数と、複数の比例定数とを含み、該複数の比例定数を切り替えて前記第３の電流制御ゲインを切り替えることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
請求項２において、前記交流発電電動機の固定子側電圧を指令値に一致するようにｄ軸電流成分指令値を決定するｄ軸電流制御手段は、互いに補償ゲインが異なる電圧調節手段を複数個備え、該複数個の電圧調整手段を前記自己始動時や系統並入時や系統解列時の運転状態に応じて切り替えることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
請求項２において、前記交流発電電動機の固定子側電圧が指令値に一致するようにｄ軸電流成分を決定する、若しくは前記可変速発電システムが電力系統と授受する無効電力が指令値に一致するようにｄ軸電流成分指令値を決定するｄ軸電流制御手段は、前記指令値と検出値との差に適用する補償ゲインを、前記固定子巻線側の電圧に応じて切り替えることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。