JP3911598B2 - 交流励磁型発電電動装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流励磁型発電電動装置に係り、特に交流電力系統に異常が生じたときに、速やかに有効電力を放出または吸収し、交流電力系統の安定度を向上させるとともに、通常時は安定に運転を行う交流励磁型発電電動装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、交流電力系統の負荷の急激な増減等の変動に対処するために、交流電力系統にフライホイール効果を有する同期機を接続し、そのフライホイールエネルギーを放出、吸収して負荷の増減を抑制する方法が知られている。このようなフライホイール効果を有する交流励磁型発電電動装置を用いて電力系統の安定度を向上させるための制御方式に関する従来例として、特開平4−325831号公報に開示された発明が存在する。
【0003】
本従来例は、電力系統に接続された交流励磁式の可変速同期機(交流励磁型発電電動機)と、この可変速同期機の励磁電圧の周波数と絶対値と位相(可変速同期機の有効電力出力に対応)とを制御する励磁制御装置とを備えている。本従来例の励磁制御装置は、励磁電圧の絶対値と位相とを系統状態量または可変速同期機の運転状況に合わせて制御し、励磁電圧の周波数を可変速同期機のすべり周波数(系統電圧周波数から発電機回転周波数を減算したもの)に合わせて制御する。
【0004】
本従来例においては、励磁電圧の絶対値は、可変速同期機の出力電圧または無効電力を検出して、その変動を抑えるように制御され、励磁電圧の位相は、可変速同期機または電力系統に接続された発電機の有効電力変動を抑えるように制御される。但し、上述したように、励磁電圧の周波数に関しては、可変速同期機を系統電圧の位相と同期させて運転するために、可変速同期機のすべり周波数となるように常に制御される。
【0005】
本従来例によれば、交流電力系統の異常時の電力動揺等を検出し、可変速同期機の出力電圧、有効電力を高速に制御することにより、交流電力系統の安定を図ることができる。しかし、本従来例は、交流電力系統の異常時以外の通常の待機運転時の交流励磁型発電電動装置の運用方法、及び回転エネルギーの放出、吸収後の待機運転状態への移行方法については何ら開示するものではない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
原動機を持たないフライホイール発電機の場合、系統安定化運転(電力の急放出、吸収時)以外の待機運転中の速度が可変速同期機の許容する可変速制御範囲内から逸脱すると、制御範囲内への回復が難しく、いかにして可変速範囲内から逸脱しないように速度制御するかが問題となる。
【0007】
本発明は、原動機を持たないフライホイール発電機のように、回転子の回転速度の急変が許容でき、かつ原動機を持たないために待機運転時の回転速度制御が困難なシステムにおける交流電力系統の安定化性能の向上を目的とする。そのために、交流電力系統の異常時に有効電力を高速で吸収、放出でき、かつ交流励磁型発電電動機の待機運転時においては、回転子の回転速度が許容範囲内を逸脱することなく安定に運転できる交流励磁型発電電動装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の交流励磁型発電電動装置は、交流電力系統と、一次巻線及び二次巻線を有し、該一次巻線が前記交流電力系統に接続された原動機を持たない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、その出力側が前記交流励磁型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該交流励磁型発電電動機に給電する電力変換装置と、該電力変換装置に接続され該電力変換装置に電流指令信号を出力する電流制御器と、前記交流励磁型発電電動機の回転速度を検出する速度検出器と、前記交流電力系統と前記交流励磁型発電電動機との間でやり取りされる有効電力を検出する電力検出器とを備えた交流励磁型発電電動装置において、前記電力検出器の検出した有効電力と有効電力指令値との偏差を低減するように前記電力変換装置を制御する第1の制御手段と、前記速度検出器の検出した速度と速度指令値との偏差を低減するように前記電力変換装置を制御する第2の制御手段と、前記第1の制御手段と前記第2の制御手段とを切り替えて前記電力変換装置に接続する切替手段と、前記交流電力系統における異常を示す系統異常信号を検知するとともに、検知した系統異常信号の有無に応じて前記第1の制御手段と前記第2の制御手段とを選択するための選択信号を出力する系統異常検出手段とを備え、前記系統異常検出手段は、通常時は、前記第2の制御手段を選択する選択信号を前記切替手段に出力し、前記系統異常信号を検知したときは、前記第1の制御手段を選択する選択信号を前記切替手段に出力した後、設定時間後に前記第2の制御手段を選択する選択信号に戻すことを特徴とする。これにより、交流励磁型発電電動機の待機運転時には回転速度を制御する第2の制御手段により速度制御を行い、交流励磁型発電電動機の安定な運転を実現でき、交流電力系統に異常が発生した場合には、交流励磁型発電電動機の有効電力を制御する第1の制御手段により有効電力制御を行い、交流励磁型発電電動機から有効電力を急激に放出、吸収して交流電力系統の安定度を向上させることができる。
【0009】
また、第1の制御手段と第2の制御手段を、それぞれ、互いに利得の異なる2つの制御手段により構成し、前記系統異常検出手段は、前記第1の制御手段と前記第2の制御手段の第1の利得の組合せと、第1の利得と組合せが異なる第2の利得の組合せとに分けて、通常時は、第1の利得の組合せを選択し、前記系統異常信号を検知したときは、前記第2の利得の組合せを選択した後、設定時間後に前記第1の利得の組合せに戻すようにすることができる。これにより、速度制御と電力制御との間の滑らかな切り替えを行うことができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施の形態を説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態の全体構成を示すブロック図である。図において、交流電力系統1には、交流励磁型発電電動機2の固定子、変圧器4の一次側端子、電圧変成器17及び電流変成器18の一次側端子がそれぞれ並列接続されている。電圧変成器17と電流変成器18との二次側端子は電力検出器7の2個の入力端子にそれぞれ接続され、電力検出器7の2個の出力端子は、それぞれ減算器19,21のマイナス側入力端子に接続されて、検出した有効電力Pと電圧Vとをそれぞれ減算器19,21に入力する。減算器19のプラス側入力端子には有効電力指令値P0が、減算器21のプラス側入力端子には電圧設定値V0がそれぞれ外部から入力される。減算器19の出力端子は、有効電力Pと有効電力指令値P0との偏差を低減するように交流励磁型発電電動機2の有効電力を調整する電力制御器8の入力端子に接続され、減算器21の出力端子は、交流電力系統1の電圧設定値又は交流励磁型発電電動機2の無効電力指令値と検出値との偏差を低減するように調整する電圧(無効電力)制御器13の入力端子に接続されている。
【0011】
交流励磁型発電電動機2の軸22には、回転子位相検出器15と速度検出器5とが接続され、速度検出器5の出力端子はもう1個の減算器20のマイナス側入力端子に接続されている。減算器20のプラス側入力端子には回転速度指令値N0が外部から入力され、減算器20の出力端子は、交流励磁型発電電動器2の回転子の回転速度Nと回転速度指令値N0との偏差を低減するように交流励磁型発電電動器2の回転子の回転速度Nを調整する速度制御器6の入力端子に接続されている。電力制御器8と速度制御器6の出力端子は、系統異常検出器10から出力される選択信号により開閉制御される切替器12,11の一方の端子にそれぞれ接続され、切替器12,11の他方の端子は、交流励磁型発電電動機2の2次側各相の電流指令値Ia*,Ib*,Ic*を演算する電流制御器9の第1の入力端子に接続されてq軸成分電流Iq(交流励磁型発電電動機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)を電流制御器9に入力する。電流制御器9の第2の入力端子は電圧制御器13の出力端子に接続され、電圧制御器13からd軸成分電流Id(交流励磁型発電電動機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π/2だけ位相の異なる成分)が電流制御器9に入力される。
【0012】
回転子位相検出器15の出力端子は、交流電力系統1の電圧位相と交流励磁型発電電動機2の電気角で表した回転角との差に等しいすべり位相を演算する位相検出器16の第1の入力端子に接続され、回転子位相検出器15で検出した回転角θrが位相検出器16に入力される。電圧変成器17の二次側端子には電力検出器7と並列に系統電圧位相演算器14の入力端子が接続されており、系統電圧位相演算器14の出力端子は位相検出器16の第2の入力端子に接続されて系統電圧位相演算器14から位相検出器16に電圧位相θvが入力される。位相検出器16の出力端子は電流制御器9の第3の入力端子に接続され、位相検出器16の出力信号cosθsとsinθsとが電流制御器9に入力される。
【0013】
電流制御器9の第4の入力端子兼出力端子は、交流励磁電流の位相を変化させることにより交流励磁型発電電動機2の出力を増減させるサイクロコンバータなどの電力変換装置3の第1の出力端子兼入力端子に接続され、電流制御器9と電力変換装置3とは相互に信号のやり取りを行う。電力変換装置3の第2の入力端子は変圧器4の2次側端子に接続されている。電力変換装置3の第3の入力端子及び第2の出力端子はともに交流励磁型発電電動機2の回転子に接続され、交流励磁型発電電動機2の回転子の出力電流Ima,Imb,Imcを検出するとともに、交流励磁型発電電動機2の出力を増減させることができるように接続されている。
【0014】
次の本実施の形態の動作を説明する。
まず、電力検出器7は、電圧変成器17と電流変成器18を介して入力される交流電力系統1の電圧Vと電流Iとに基づいて有効電力Pを検出する。電力検出器7で検出された有効電力Pは減算器19のマイナス側入力端子に入力され、減算器19のプラス側入力端子に外部から入力される有効電力指令値P0との差が演算される。減算器19で演算された有効電力指令値P0と有効電力Pとの偏差は電力制御器8に入力され、電力制御器8では入力された偏差に基づき、この偏差を低減するようなq軸成分電流Iqの指令値を電流制御器9に出力する。
【0015】
一方、交流励磁型発電電動機2の回転子の回転速度Nが速度検出器5で検出され、減算器20のマイナス側入力端子に入力される。減算器20のプラス側入力端子には外部から回転速度指令値N0が入力され、この回転速度指令値N0と速度検出器5で検出された回転速度Nとの偏差が減算器20により減算され、速度制御器6に入力される。速度制御器6では入力された偏差に基づき、この偏差を低減するようなq軸成分電流Iqの指令値を電流制御器9に出力する。
【0016】
交流励磁型発電電動機2の回転子の回転角θrは、回転子位相検出器15で検出され位相検出器16に入力される。位相検出器16には、電圧変成器17により検出され系統電圧位相演算器14により演算された交流電力系統1の電圧位相θvも入力され、交流電力系統1の電圧位相θvと交流励磁型発電電動機2の電気角で表した回転角θrとの差に等しいすべり位相θs(θs=θv−θr)が位相検出器16により演算され、位相検出器16からその余弦成分(cosθs)と正弦成分(sinθs)とが電流制御器9に出力される。
【0017】
電力検出器7から出力された交流電力系統1の電圧Vは、減算器21のマイナス側入力端子に入力され、減算器21のプラス側入力端子に外部から入力される電圧設定値V0との差が演算される。減算器21で演算された電圧設定値V0と交流電力系統1の電圧Vとの偏差は電圧制御器13に入力され、電圧制御器13では入力された偏差に基づき、この偏差を低減するようなd軸成分電流Idの指令値を電流制御器9に出力する。
【0018】
電流制御器9では、位相制御器16からの入力される余弦成分cosθs,正弦成分sinθsと、速度制御器6又は電力制御器8から入力されるq軸成分電流Iqの指令値と、電圧制御器13から入力されるd軸成分電流Idの指令値とに基づき、次の演算式(1)に従って、交流励磁型発電電動機2の2次側各相の電流指令値Ia*,Ib*,Ic*を演算する。但し、演算式(1)においてKは定数を表す。
【0019】
【数1】
【0020】
電流制御器9は、上記演算により求めた電流指令値Ia*,Ib*,Ic*を電力変換装置3の検出した交流励磁型発電電動機2の回転子の出力電流Ima,Imb,Imcと比較し、両者の偏差が低減するように電力変換装置3を制御する。このように制御することにより、交流励磁型発電電動機2の出力電圧は常に系統電圧位相と同期し、q軸成分電流Iqの指令値により交流励磁型発電電動機2の有効電力出力を、d軸成分電流Idの指令値により交流励磁型発電電動機2の発電機電圧又は無効電力を制御することができる。
【0021】
交流励磁型発電電動機2が待機運転している状態では、切替器11を閉路し、切替器12を開路することにより、速度制御器6の出力信号により交流励磁型発電電動機2の位相制御を行い、速度検出器5で検出する回転速度Nと回転速度指令値N0との偏差を低減するように交流励磁型発電電動機2を制御し、交流励磁型発電電動機2の速度制御運転が行われる。
【0022】
次に、系統事故、事故相除去、高速再閉路のような交流電力系統の異常が発生した場合には、系統異常検出器10は、例えば事故相除去の際に遮断される遮断器接点信号などの系統異常信号を受けて切替器11,12の選択信号を出力する。この選択信号により、切替器11が開路され、切替器12が閉路される。これにより、電力制御器8の出力信号が電流制御器9に入力され、電力制御器8からの出力信号により交流励磁型発電電動機2の交流励磁電流の位相制御が行われる。この位相制御においては、電力検出器7で検出する交流電力系統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値P0との偏差を低減するように交流励磁型発電電動機2を制御し、交流励磁型発電電動機2の有効電力制御運転が行われる。このときの有効電力指令値P0は、交流電力系統1上の他の発電機の有効電力動揺を抑えるように与えられ、交流励磁型発電電動機2が有効電力指令値P0に対して高速に有効電力制御を行うことにより、他の発電機の有効電力動揺の抑制が可能となる。この場合、交流励磁型発電電動機2は有効電力を放出又は吸収するため、その回転子の回転速度が低下又は上昇する。
【0023】
図2は、交流電力系統1に異常が発生した時の本実施の形態の交流励磁型発電電動装置の各部の動作を示すタイミングチャートである。図2(1)は事故相の系統異常信号の状態を示し、系統異常の発生した時刻t 0 に事故相の遮断器が断となる。なお、事故相の遮断器は所定の時間、例えば1秒間、の後に自動的に回復する。
【0024】
図2の(2)は、本実施の形態の系統異常検出器10から出力される選択信号の状態を示し、系統異常の発生した時刻t 0 にオンとなり、系統異常検出器10内のタイマにより設定された所定の時間後(時刻t 1 )にオフとなる。
【0025】
図2の(3)及び(4)は、それぞれ、本実施の形態の切替器11,12の状態を示し、選択信号がオンの間、切替器11はオフ状態、切替器12はオン状態となる。この期間中は、本実施の形態の交流励磁型発電電動機2は有効電力制御となり、有効電力指令値P0に従った有効電力を交流電力系統1に放出、吸収する。この交流励磁型発電電動機2の有効電力の放出、吸収状態を図2の(5)に示す。図2の(5)の場合は、有効電力を吸収する場合を示しており、電力吸収に従い、図2の(6)に示すように、交流励磁型発電電動機2の回転速度Nは上昇する。
【0026】
時刻t 1 において選択信号がオフとなると、切替器11はオン、切替器12はオフに戻り、交流励磁型発電電動機2は速度制御に戻り、回転速度指令値N0に従って回転する。この時点では、交流励磁型電動機2の回転速度は回転速度指令値N0よりも高くなっているので、本実施の形態の交流励磁型発電電動装置の有効電力は発電方向(有効電力放出方向)に制御され、交流励磁型発電電動機2の回転速度が徐々に回転速度指令値N0まで減速され、待機運転状態に戻る。
【0027】
図3は本発明の第2の実施の形態の交流励磁型発電電動装置の構成を示すブロック図である。図において、図1の第一の実施の形態の交流励磁型発電電送装置と同一の構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。
【0028】
本実施の形態においては、利得の異なる2個ずつの速度制御器と電力制御器が設けられ、速度制御器と電力制御器のそれぞれ1個は常に電流制御器9に接続されているように構成したものである。すなわち、速度制御器として利得の異なる2個の速度制御器6−1,6−2が並列に設けられ、速度制御器6−1には切替器11−1が、速度制御器6−2には切替器11−2がそれぞれ接続されている。また、電力制御器として利得の異なる2個の電力制御器8−1,8−2が並列に設けられ、電力制御器8−1には切替器12−1が、電力制御器8−2には切替器12−2がそれぞれ接続されている。切替器11−1,11−2,12−1,12−2の他方の端子は電流制御器9の第1の入力端子に接続されている。
【0029】
速度制御器6−1の利得は速度制御器6−2の利得より大きく、電力制御器8−1の利得は電力制御器8−2の利得より大きい。また、交流励磁型発電電動機2の待機運転時には切替器11−1及び12−2が閉路され、切替器11−2及び12−1が開路されている。すなわち、待機運転時には、速度制御器6−1からのq軸成分電流Iqの指令値が電力制御器8−2のq軸成分電流Iqの指令値よりも大きな割合で、かつ速度制御器6−1及び電力制御器8−2の双方からq軸成分電流Iqの指令値が電流制御器9に入力される。したがって、定常運転時には、交流励磁型発電電動機2は速度制御の割合の方が有効電力制御の割合より大きくなり、回転速度指令値N0に従った有効電力を交流電力系統1に放出、吸収する。
【0030】
交流電力系統の異常時に事故相の遮断器が切れると、系統異常検出器10から選択信号が出力され、この選択信号により切替器11−1と12−2が開路され、切替器11−2と12−1が閉路される。したがって、選択信号出力中は、電力制御器8−1からのq軸成分電流Iqの指令値が速度制御器6−2からのq軸成分電流Iqの指令値よりも大きな割合で、かつ電力制御器8−1及び速度制御器6−2の双方からq軸成分電流Iqの指令値が電流制御器9に入力される。すなわち、この期間中は交流励磁型発電電動機2は有効電力制御の割合の方が速度制御の割合より大きくなり、有効電力指令値P0に従った有効電力を交流電力系統1に放出、吸収する。
【0031】
選択信号がオフとなると、再度、切替器11−1及び12−2が閉路され、切替器11−2及び12−1が開路される。これにより、交流励磁型発電電動機2は速度制御の割合の方が有効電力制御の割合より大きくなり、回転速度指令値N0に従った有効電力を交流電力系統1に放出、吸収する。交流電力系統の異常時に図2に示すように交流励磁型発電電動機2が有効電力を吸収するような場合には、交流励磁型発電電動機2の回転速度が定常運転時より上昇しているため、定常運転への復帰により、交流励磁型発電電動機2の有効電力は発電方向(有効電力放出方向)に制御され、除々に回転速度指令値N0まで減速され、待機運転に戻る。
【0032】
【発明の効果】
本発明による交流励磁型発電電動装置においては、交流電力系統の異常時に他の発電機の電力動揺を抑えるように有効電力を制御し、有効電力の急激な放出、吸収を行えるので、極めて大きな交流電力系統の安定度の向上効果が得られる。さらに、待機運転時においては、交流励磁型発電電動機を速度制御することにより、安定に、かつ要求される回転速度で運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による交流励磁型発電電動装置の第1の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図2】図1の実施の形態の要部の交流電力系統の異常時の動作を示すタイミングチャートである。
【図3】本発明による交流励磁型発電電動装置の第2の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 交流電力系統
2 交流励磁発電電動機
3 電力変換装置
4 変圧器
5 速度検出器
6,6−1,6−2 速度制御器
7 電力検出器
8,8−1,8−2 電力制御器
9 電流制御器
10 系統異常検出器
11,11−1,11−2,12,12−1,12−2 切替器
13 電圧制御器
14 系統電圧位相演算器
15 回転子位相検出器
16 位相検出器
P0 有効電力指令値
N0 回転速度指令値
Claims (2)
- 交流電力系統と、一次巻線及び二次巻線を有し、該一次巻線が前記交流電力系統に接続された原動機を持たない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、その出力側が前記交流励磁型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該交流励磁型発電電動機に給電する電力変換装置と、該電力変換装置に接続され該電力変換装置に電流指令信号を出力する電流制御器と、前記交流励磁型発電電動機の回転速度を検出する速度検出器と、前記交流電力系統と前記交流励磁型発電電動機との間でやり取りされる有効電力を検出する電力検出器とを備えた交流励磁型発電電動装置において、
前記電力検出器の検出した有効電力と有効電力指令値との偏差を低減するように前記電力変換装置を制御する第1の制御手段と、
前記速度検出器の検出した速度と速度指令値との偏差を低減するように前記電力変換装置を制御する第2の制御手段と、
前記第1の制御手段と前記第2の制御手段とを切り替えて前記電力変換装置に接続する切替手段と、
前記交流電力系統における異常を示す系統異常信号を検知するとともに、検知した系統異常信号の有無に応じて前記第1の制御手段と前記第2の制御手段とを選択するための選択信号を出力する系統異常検出手段とを備え、
前記系統異常検出手段は、通常時は、前記第2の制御手段を選択する選択信号を前記切替手段に出力し、前記系統異常信号を検知したときは、前記第1の制御手段を選択する選択信号を前記切替手段に出力した後、設定時間後に前記第2の制御手段を選択する選択信号に戻すことを特徴とする交流励磁型発電電動装置。 - 請求項1記載の交流励磁型発電電動装置において、
前記第1の制御手段と前記第2の制御手段を、それぞれ、互いに利得の異なる2つの制御手段により構成し、
前記系統異常検出手段は、前記第1の制御手段と前記第2の制御手段の第1の利得の組合せと、第1の利得と組合せが異なる第2の利得の組合せとに分けて、通常時は、第1の利得の組合せを選択し、前記系統異常信号を検知したときは、前記第2の利得の組合せを選択した後、設定時間後に前記第1の利得の組合せに戻すことを特徴とする交流励磁型発電電動装置。
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