JP4387620B2 - 発電設備の系統連系保護装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原動機により駆動される同期発電機を備え、かつ遮断器を介して交流電力系統と連系される、ゴミ発電システム、コージェネレーション等の自家用発電設備の系統連系保護装置に係り、特に高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の自家用発電設備の単独運転を自家用発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護できるようにした発電設備の系統連系保護装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、一般需要家が、例えばゴミ発電システム、コージェネレーション等の自家用発電設備と交流電力系統とを連系するために、系統連系保護装置が用いられてきている。
【０００３】
図３は、一般需要家がこの種の自家用発電設備と交流電力系統とを系統連系して運転を行なう場合の従来の系統連系保護装置の構成例を示すブロック図である。
【０００４】
図３において、交流電力系統である上位変電所４では、系統電源１の電圧を変圧器２を介して降圧し、遮断器３を通して、上位変電所４側からの電力を需要家に配電する配電線２６により、一般需要家７に電力を供給している。一般需要家７は、遮断器５Ｂを介して負荷６Ｂで電力を消費する。
【０００５】
一方、自家発電設備、および系統連系保護装置２０を設置している自家発設置需要家９では、原動機２４により駆動される同期発電機１０の出力を、遮断器２８、遮断器１２を介して、上位変電所４と連系している。
【０００６】
同期発電機１０の出力電圧の制御は、自動電圧調整器（ＡＶＲ）２２により同期発電機１０の界磁巻線２３の電圧を制御することによって行ない、同期発電機１０の出力周波数の制御は、同期発電機１０を駆動する原動機２４の図示しない調速機により原動機２４パワーを制御することによって行なわれている。
【０００７】
また、自家発設置需要家９では、上位変電所４側からの電力を、遮断器１２．、遮断器５Ａを介して受け、負荷（構内負荷）６Ａで消費するようにしている。
【０００８】
一方、系統連系保護装置２０は、同期発電機１０の出力側にその出力電流を検出する変流器１１を設け、また変流器１１の出力電流に基づいて同期発電機１０の過電流を検出する過電流継電器（ＯＣ）５１と、同期発電機１０の出力電圧異常を検出する過電圧継電器（ＯＶ）５２および不足電圧継電器（ＵＶ）５３とを設け、これら各保護継電器５１，５２，５３の検出信号に基づいて、故障トリップ回路２７を動作させ、トリップ信号を出力して遮断器２８を解放するようにしている。
【０００９】
さらに、この他に、保護手段として、遮断器２８の出力側（変電所側）に変流器１４を設け、また当該変流器１４の出力電流に基づいて過電流を検出する過電流検出器（ＯＣ）１５と、系統電源１の異常時、特に系統電源１が例えば遮断器３の解放によって遮断された時、同期発電機１０の出力電力と負荷６Ａの負荷電力とのアンバランスから、周波数や電圧が異常になることを検出する周波数低下継電器（ＵＦ）１６、周波数上昇継電器（ＯＦ）１７、過電圧継電器（ＯＶ）１８、および不足電圧継電器（ＵＶ）１９とを設け、これら各保護継電器１５，１６，１７，１８，１９の検出信号に基づいて、故障トリップ回路１３を動作させ、トリップ信号を出力して遮断器１２を解放し、遮断器３の再閉路が可能な状態にするようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような発電設備の系統連系保護装置においては、例えば同期発電機１０の出力電力と負荷６Ａ，６Ｂの所要電力が、有効分および無効分共にほぼ等しくなっている時に、系統電源１に異常が発生して遮断器３が開となると、周波数も電圧もほとんど変化しない。
【００１１】
このため、保護継電器１５〜１９のいずれも動作せず、運転を継続する状態となる。
【００１２】
これは、いわゆる単独運転（アイランディング）と呼ばれる現象であり、遮断器３の再閉路を妨げるという問題が発生する。
そこで、従来では、このような単独運転を防ぐ目的で、変電所４からの専用線により接続された転送遮断装置８を設けて、遮断器１２に対して転送遮断を実施する方法が採用されているものがある。
【００１３】
すなわち、この転送遮断装置８は、上位変電所４の遮断器３が開となった信号を検出した時に、遮断器１２に対して遮断信号を送って遮断器１２を開放するものである。
【００１４】
しかしながら、この種の転送遮断装置８は、数百ｋＷ程度の出力である中小容量の自家発電設備にとっては、非常にコストが高くなり、さらに伝送手段や伝送経路を設置する必要がある。
【００１５】
このため、自家発電設備を設置することによるエネルギーコスト削減のメリットを得ることができない。
【００１６】
本発明の目的は、高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の自家用発電設備の単独運転を自家用発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能な発電設備の系統連系保護装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に対応する発明の発電設備の系統連系保護装置は、原動機により駆動される同期発電機を備え、かつ遮断器を介して交流電力系統と連系される自家用発電設備の同期発電機の出力から周波数を検出する周波数検出手段と、周波数検出手段により検出された周波数の変化率を検出する周波数変化率検出手段と、周波数変化率検出手段により検出された周波数変化率に基づいて、周波数の変化を助長するように電圧揺動信号を演算し、同期発電機の自動電圧調整器に電圧揺動信号を与える電圧揺動信号発生手段と、同期発電機の出力電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流に基づいて、揺動信号発生手段により演算された電圧揺動信号に制限を与える揺動信号制限手段と、揺動信号発生手段により演算された電圧揺動信号を発電設備の自動電圧調整器に与えることで生じる同期発電機の電圧変動に伴なって助長される周波数変動を検知し、遮断器を開放して交流電力系統から同期発電機を解列させる保護手段とを備え、前記揺動信号制限手段は、前記電流検出手段により検出された電流に基づいて、当該電流が増加した場合に前記電圧揺動信号を絞るようにゲインを演算するゲイン演算手段と、前記ゲイン演算手段により演算されたゲインを、前記揺動信号発生手段により演算された電圧揺動信号と乗算する乗算手段からなる。
【００１８】
従って、請求項１に対応する発明の発電設備の系統連系保護装置においては、自家用発電設備の同期発電機の周波数の変化率を検出し、周波数変化率が正の場合には同期発電機の電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負の場合には同期発電機の電圧を上げ方向に変化させることにより、周波数変動を拡大して、前述した従来のように高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の自家用発電設備の単独運転を自家用発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護することができる。
【００２０】
また、揺動信号制限手段により、同期発電機の出力電流が増加した場合に電圧揺動信号を絞ることが可能となるため、電圧揺動信号が原因で同期発電機と交流電力系統との間に大きい無効電力が流れるのを避けることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置の構成例を示すブロック図であり、図３と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２３】
すなわち、本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置が、前記図３に示した従来の発電設備の系統連系保護装置と異なる点は、前述した高価な転送遮断装置８を省略し、その代わりに、以下のような各手段を備えた構成としていることである。
【００２４】
すなわち、図１に示すように、周波数検出器４１と、周波数変化率検出器４２と、周波数変化率過大検出器４３と、電圧揺動信号発生手段である電圧揺動基準演算部４４と、揺動信号制限回路４８とを備えている。
【００２５】
周波数検出器４１は、同期発電機１０の出力から周波数を検出する。
【００２６】
周波数変化率検出器４２は、周波数検出器４１により検出された周波数の変化率を検出する。
【００２７】
電圧揺動基準演算部４４は、周波数変化率検出器４２により検出された周波数変化率に基づいて、周波数の変化を助長するように電圧揺動信号を演算し、同期発電機１０の自動電圧調整器２２に電圧揺動信号を与える。
【００２８】
すなわち、この電圧揺動基準演算部４４は、周波数変化率に応じて自動電圧調整器２２に与える電圧揺動基準を、以下のような関係式により決める。
【００２９】
ΔＶ^* ＝−Ｋ（ｄｆ／ｄｔ） （Ｋ：定数）
周波数変化率過大検出器４３は、電圧揺動基準演算部４４により演算された電圧揺動信号を同期発電機１０の自動電圧調整器２２に与えることで生じる同期発電機１０の電圧変動に伴なって助長される周波数変動を検知し、遮断器１２を開放して交流電力系統である上位変電所４から同期発電機１０を解列させる。
【００３０】
すなわち、この周波数変化率過大検出器４３は、周波数変化率があらかじめ定められた設定値以上か否かを判定し、設定値以上になった場合に異常出力信号 Ｖ₃₁を故障トリップ回路１３に出力する。
【００３１】
揺動信号制限回路４８は、変流器１１により検出された電流に基づいて、電圧揺動基準演算部４４により演算された電圧揺動信号に制限を与える。
【００３２】
すなわち、この揺動信号制限回路４８は、変流器１１により検出された電流に基づいて、当該電流が増加した場合に電圧揺動基準演算部４４により演算された電圧揺動信号を絞るようにゲインを演算するゲイン演算器４６と、ゲイン演算器４６により演算されたゲインを、電圧揺動基準演算部４４により演算された電圧揺動信号と乗算し、同期発電機１０の自動電圧調整器２２に出力する乗算器４７とからなっている。
【００３３】
次に、以上のように構成した本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置の作用について、図２に示す特性図を参照して説明する。
【００３４】
図１において、周波数検出器４１では、同期発電機１０の出力から周波数を検出する。
【００３５】
周波数変化率検出器４２では、周波数検出器４１により検出された周波数の変化率を検出する。
【００３６】
いま、同期発電機１０からの出力の有効電力をＰ、無効電力をＱ、負荷６が必要とする有効電力をＰＬ、無効電力をＱＬとすると、系統電源１へ流出する有効電力△Ｐおよび無効電力△Ｑは、それぞれ次のように表わされる。
【００３７】
ΔＰ＝Ｐ−Ｐ_L
ΔＱ＝Ｑ−Ｑ_L
ここで、負荷６の電圧をＶ、周波数をｆとする。
【００３８】
そうすると、通常の場合は、ΔＰ≒０，ΔＱ≒０に近い状態で遮断器３が開となっても、負荷６の電圧Ｖ、周波数ｆはほとんど変化しないため、各保護継電器１５〜１９が検出できず、単独運転を継続することになる。
【００３９】
しかし、微少な周波数差から、系統電源１と負荷６の位相がゆっくりとずれてくるので、遮断器３の再投入は、事故拡大につながって危険な状態となり、配電系統の安定性を低下させることになる。
【００４０】
同期発電機１０の単独運転を検出する原理を、以下に説明する。
【００４１】
負荷の有効電力は
Ｐ＝（Ｖ² ｃｏｓφ）／Ｒ （１）
（Ｖ：電圧、Ｒ：抵抗値、ｃｏｓφ：力率）
で表わされる。
【００４２】
ここで、同期発電機１０の単独運転中に、わずかに周波数が低下した場合を考える。
【００４３】
この時、電圧揺動基準演算部４４では、同期発電機１０の電圧をわずかに上げるように電圧揺動基準を出力する。
【００４４】
すると、上記（１）式で表わされる負荷電力が増加するので、負荷のトルクが増加し、同期発電機１０の回転速度、すなわち周波数が低下する。
【００４５】
この正帰還作用により、周波数の変動を増大させて、周波数変化率過大を周波数変化率過大検出器４３で検出し、異常信号Ｖ₃₁を出力する。
【００４６】
なお、最初に周波数がわずかに上昇した場合には、上記とは逆の作用により、周波数が上昇する方向に変動が増大し、周波数変化率過大を周波数変化率過大検出器４３で検出し、異常信号Ｖ₃₁を出力する。
【００４７】
故障トリップ回路１３では、この異常信号Ｖ₃₁により、遮断器１２を遮断して同期発電機１０を解列する。
【００４８】
このことにより、従来用いていた転送遮断装置８を用いなくても、自家発電設備側で単独運転を検出することが可能となる。
【００４９】
ここで、同期発電機１０を系統連系中に系統の周波数が変動した場合、電圧揺動基準演算部４４では、系統の周波数変化率に応じた電圧揺動基準を出力する。
【００５０】
同期発電機１０が系統に連系している状態で、大きい電圧揺動基準を出力すると、同期発電機１０と系統との間に大きい無効電力が流れて過電流になる恐れがある。
【００５１】
そこで、揺動信号制限回路４８では、同期発電機１０の出力電流の大きさに応じて、電流が増加すると、電圧揺動基準演算部４４からの電圧揺動基準を絞るように作用する。
【００５２】
図２は、揺動信号制限回路４８のゲイン演算器４６の特性を示す図である。
【００５３】
すなわち、図２に示すように、同期発電機１０の出力電流が定格電流以下であれば、ゲインは１であるので、電圧揺動基準を絞る作用は行なわれない。
【００５４】
一方、同期発電機１０の出力電流がＩｍａｘ以上であれば、ゲインは０となるので、電圧揺動基準を出力させないようにすることにより、電圧揺動基準が原因で同期発電機１０と交流電力系統との間に大きい無効電力が流れるのを避けることができる。
【００５５】
上述したように、本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置では、自家用発電設備の同期発電機１０の周波数の変化率ｄｆ／ｄｔを検出し、周波数変化率が正（ｄｆ／ｄｔ＞０）の場合には同期発電機１０の電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負（ｄｆ／ｄｔ＜０）の場合には同期発電機１０の電圧を上げ方向に変化させるようにしているので、周波数変動を拡大して、前述した従来のように高価な転送遮断装置８を設けることなく、系統連系中の自家用発電設備の単独運転を自家用発電設備側で確実にかつ容易に検出して同期発電機１０を解列し保護することが可能となる。
【００５６】
また、同期発電機１０の出力電流が増加した場合に、電圧揺動信号を絞るようにしているので、電圧揺動信号が原因で同期発電機１０と交流電力系統との間に大きい無効電力が流れるのを避けることが可能となる。
（その他の実施の形態）
尚、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することが可能である。
また、実施の形態は可能な限り適宜組合わせて実施してもよく、その場合には組合わせた作用効果を得ることができる。
さらに、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより、種々の発明を抽出することができる。
例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも一つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも一つ）が得られる場合には、この構成要件が削除された構成を発明として抽出することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発電設備の系統連系保護装置によれば、自家用発電設備の同期発電機の周波数の変化率を検出し、周波数変化率が正の場合には同期発電機の電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負の場合には同期発電機の電圧を上げ方向に変化させるようにしているので、高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の自家用発電設備の単独運転を自家用発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発電設備の系統連系保護装置の一実施の形態を示すブロック図。
【図２】同一実施の形態による発電設備の系統連系保護装置におけるゲイン演算器の特性を示す図。
【図３】従来の発電設備の系統連系保護装置の構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
１…系統電源、
２…変圧器、
３、５Ａ、５Ｂ、１２、２８…遮断器、
４…上位変電所、
６Ａ、６Ｂ…負荷、
７…一般需要家、
８…転送遮断装置、
９…自家発設置需要家、
１０…同期発電機、"、
１１、１４…変流器、
１３、２７…故障トリップ回路、
１５、５１…過電流継電器、
１６…周波数低下継電器、
１７…周波数上昇継電器、
１８、５２…過電圧継電器、
１９、５３…不足電圧継電器、
２０、２９…系統連系保護装置、
２２…自動電圧調整器、
２３…界磁巻線、
２４…原動機、
２６…配電線、
４１…周波数検出器、
４２…周波数変化率検出器、
４３…周波数変化率過大検出器、
４４…電圧揺動基準演算部、
４６…ゲイン演算器、
４７…乗算器、
４８…揺動信号制限回路。

Claims (1)

1. 原動機により駆動される同期発電機を備え、かつ遮断器を介して交流電力系統と連系される自家用発電設備の系統連系保護装置において、前記同期発電機の出力から周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段により検出された周波数の変化率を検出する周波数変化率検出手段と、前記周波数変化率検出手段により検出された周波数変化率に基づいて、前記周波数の変化を助長するように電圧揺動信号を演算し、前記同期発電機の自動電圧調整器に前記電圧揺動信号を与える電圧揺動信号発生手段と、前記同期発電機の出力電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流に基づいて、前記揺動信号発生手段により演算された電圧揺動信号に制限を与える揺動信号制限手段と、前記揺動信号発生手段により演算された電圧揺動信号を前記発電設備の自動電圧調整器に与えることで生じる前記同期発電機の電圧変動に伴なって助長される周波数変動を検知し、前記遮断器を開放して交流電力系統から前記同期発電機を解列させる保護手段とを備えて成り、前記揺動信号制限手段は、前記電流検出手段により検出された電流に基づいて、当該電流が増加した場合に前記電圧揺動信号を絞るようにゲインを演算するゲイン演算手段と、前記ゲイン演算手段により演算されたゲインを、前記揺動信号発生手段により演算された電圧揺動信号と乗算する乗算手段からなることを特徴とする、発電設備の系統連系保護装置。

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