JP4664930B2

JP4664930B2 - 発電機の力率制御装置およびその力率制御方法

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Publication number: JP4664930B2
Application number: JP2007035671A
Authority: JP
Inventors: 一行関根; 恒大塚
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: JP2008199865A

Description

本発明は、商用電源（事業用電力）に常用（自家発電用）発電機が連系されているとき、運転中、商用電源に、例えば電力会社の送電線への落雷等により事故が発生し、常用発電機を単独運転に移行させる際、今迄の運転力率を速やかに定格力率に移行させて常用発電機に安定運転を行わせる発電機の力率制御装置およびその力率制御方法に関する。

従来、一般産業設備においては、構内（所内）の負荷動力の信頼性の度合を高めるため、自家発電プラントからの電力と商用電源からの電力（電力会社から電力系統を経て供給される電力）とを併用し、並列運転を行っていた。

この並列運転においては、常時、商用電源から購入する電力を契約電力量まで受電し、自家発電側に余裕を持って運転させ、契約電力量では不足する構内負荷に対し、自家発電プラントの電力で補っていた。

このように、商用電源の系統と連系し、並列運転を行って電力を購入している自家発電プラントにおいては、構内負荷変化に対し、商用電源からの購入電力を受電点において力率が１．０近傍になるように制御を行っていた。

ここに、力率とは皮相電力に対する有効電力の比をいう。また、皮相電力とは交流電圧と電流の実効値との積をいう。

従来、商用電源と連系する常用（自家発電用）発電機においては、例えば、力率１．０近傍で運転してきるとき、商用電源に不測の事態が発生し、単独運転に移行する場合、余裕を持って移行できるように、設計上、定格力率を、例えば０．８に設定していた。

また、設計上、定格力率を上述の値に設定するのは、自家発電設備が、例えば、ガスタービンの場合、並列運転からガスタービン単独運転になったとき、過渡時の負荷変動に伴う燃料供給不足等を余裕を持って補給することに基づくものである。

ところで、近時の規制緩和に基づく電力の小売自由化に伴う分散電源、例えば、コジェネレーション、風車発電、ごみ発電等の自家発電設備が普及してくると、分散電源を有する需要家の数は、益々増加する傾向にある。

これに伴って、例えば、特許文献１〜３に見られるように、商用電源と連系する自家発電設備に関する発明が数多く提案されており、今後の技術の発展、動向が注目されている。
特開２０００−１５６９３５号公報特開２００２−３７４６２９号公報特開２００５−６４１４号公報

商用電源に連系する分散電源の普及に伴って常用（自家発電用）発電機は、従来の、例えば、０．８の定格力率から１．０に近い定格力率で設計することが多くなってきた。具体的には、定格力率を遅れ０．９５で製造している。

このように、定格力率を、従来に較べて高く設定するのは、発電機製造コストが安くなることに由来している。

また、ごみ発電に適用する常用発電機においては、電力会社への売電も兼ねて構内（所内）負荷に較べて、例えば、２倍以上の負荷（出力）が出せるように定格ｋＷで設計し、常用発電機自身に設けた自動電圧調整器（ＡＶＲ）で受電点力率を１．０近傍の運転力率に制御することが多い。

しかしながら、売電をすることで電力料金を安くする傾向にある常用発電機であって、商用電源に不測の事態が発生すると、系統解列となり、単独運転になった場合、常用発電機は、他の需要家と連系を採っているとき、その負荷を背負い、これがため電圧、回転数が急変し、自身がストール（停止）することがあった。

このような系統解列により、常用発電機が単独運転になるとき、運転力率１．０近傍であると、常用発電機の出力電圧の復原性が遅くなり、この間、不安定運転を強いられることがあった。常用発電機が力率１．０近傍で運転している場合に系統で不足の事態、例えば停電が生じると電圧の復原性が遅くなる事象が実機並びに、理論上も検証されている。

すなわち、運転力率を、例えば０．８の定格力率で運転している従来に較べ、電圧の復原が遅れたり、あるいは、ガスタービン単独運転に移行し、このとき自構内の負荷急増により燃料補給の追従ができず、常用発電機からの電力供給が十分に行うことができない等の不都合、不具合があった。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、商用電源に連系する常用（自家発電用）発電機が力率を、例えば１．０近傍で運転している場合、商用電源に不測の事態が発生し、常用発電機が単独運転になったときでも運転力率から定格力率に速やかに移行させ、電圧を安定した状態に維持させ、常用発電機に安定運転を行わせる発電機の力率制御装置およびその力率制御方法を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、大容量負荷を始動させる際、その始動前に常用発電機の１．０近傍での運転力率から定格力率に移行させて安定した電圧を速やかに戻し、常用発電機に安定運転を行わせる発電機の力率制御装置およびその力率制御方法を提供することにある。

本発明に係る発電機の力率制御装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、商用電源と連系する自家発電設備を備えた発電機の力率制御装置において、前記自家発電設備の運転中、前記商用電源に不測の事態が発生したとき、この不測の事態の発生の信号に基づいて前記自家発電設備の運転力率を定格力率に演算する演算装置と、この演算装置の演算信号に基づいて前記自家発電設備の界磁巻線に界磁電流を与え、運転力率を定格力率に調整する自動電圧調整装置とを備えたものである。

本発明に係る発電機の力率制御装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、商用電源と連系する自家発電設備を備えた発電機の力率制御装置において、前記自家発電設備における大容量電動機を複数台備え、これら大容量電動機のうち、少なくとも１台以上が運転中で、残りの大容量電動機を始動させるとき、前記運転中の大容量電動機に電力を供給する自家発電設備の運転力率を定格力率に演算する演算装置と、この演算装置の演算信号に基づいて前記運転中の大容量電動機に電力を供給する自家発電設備の界磁巻線に界磁電流を与える自動電圧調整装置を具備し、運転力率を定格力率に調整し、前記残りの大容量電動機に始動指令を与えるときの信号と、前記演算装置の演算中、運転力率が定格力率になったときの応答信号とが揃ったことを条件に前記残りの大容量電動機の開閉器に閉成信号を与える制御装置とを備えたものである。

本発明に係る発電機の力率制御方法は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、商用電源と連系する自家発電設備の運転中、前記商用電源に不測の事態が発生したとき、この不測の事態の発生の信号に基づいて前記自家発電設備の運転力率を定格力率に演算し、この演算信号に基づいて前記自家発電設備の界磁巻線に界磁電流を与え、運転力率を定格力率に調整し、この調整を繰返し行い、運転力率と定格力率との偏差がゼロにせしめる方法である。

本発明に係る発電機の力率制御方法は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、商用電源と連系する自家発電設備における大容量電動機を複数台備え、これら大容量電動機のうち、少なくとも１台以上が運転中で、残りの大容量電動機を始動させるとき、前記運転中の大容量電動機に電力を供給する自家発電設備の運転力率を定格力率に演算し、この演算信号に基づいて前記運転中の大容量電動機に電力を供給する自家発電設備の界磁巻線に界磁電流を与え運転力率を定格力率に調整するとともに、前記残りの運転前の大容量電動機に始動指令を与えるときの信号と、前記自家発電設備の運転力率が定格力率になったときの応答信号とが揃ったことを条件に、前記残りの運転前の大容量電動機の開閉器に閉成信号を与える方法である。

本発明に係る発電機の力率制御装置およびその力率制御方法は、商用電源に不測の事態が発生したとき、この検出信号に基づいて運転力率を定格力率に演算し、この演算信号に基づいて自家発電設備における発電機の界磁巻線に界磁電流を与え運転力率を定格力率に調整するので、自家発電設備における発電機に安定運転を行わせることができる。

以下、本発明に係る発電機の力率制御装置およびその力率制御方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係る発電機の力率制御装置およびその力率制御方法の第１実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係る発電機の力率制御装置およびその制御方法は、責任分岐線Ａを境に、上位が電力会社の送電系統Ｂと下位が自家発電設備の配電系統Ｃとに区分けされる。

送電系統Ｂは、電力用母線１の電力の供給流れに沿って順に、遮断器２、地絡および短絡のそれぞれの事故を検出する検出器３ａ，３ｂ、鉄塔４、遮断器５、変圧器６を備え、図示しない発電所の発電機から供給される電力を責任分岐線（受電点力率）Ａに送っている。

一方、自家発電設備の配電系統Ｃは、電力会社の送電系統Ｂから供給される電力の流れに沿って順に、受電遮断器７、雷検出器８、不足周波数リレー（ＵＦＲ）、過周波数リレー（ＯＦＲ）、不足電圧リレー（ＵＶＲ）、過電圧リレー（ＯＶＲ）を組み込んだ連系リレー９、取引用変成器（電力量計）１０、構内（所内）変圧器１１、構内（所内）遮断器１２、構内（所内）母線１３を介して、例えば電動機等の構内（所内）負荷１４を備え、構内（所内）に動力を与えている。

また、自家発電設備の配電系統Ｃには、構内母線１３、構内遮断器１５を介装して常用発電機１６が接続されており、送電系統Ｂに不測の事態が発生したとき、あるいは、構内に高い動力が求められたとき、不足分の構内動力を賄うようにしている。

また、常用発電機１６は、自動電圧調整器１８および演算装置１７を備え、自動電圧調整器で構内運用に適正な発電電圧に調整すると共に、連系リレー９または雷検出器８からの信号に基づいて電圧を制御している。

そして、常用発電機１６は、通常、構内動力を給電系１９を介して構内負荷１４に与えるとともに、電力に余剰が発生したとき、売電系２０を介して責任分岐線Ａに電力を送っている。

なお、自家発電設備の配電系統Ｃには、電力会社の送電系統Ｂおよび常用発電機１６のそれぞれから他の需要家２１に電力が給電できるように、他の需要家用給電系２２が設けられている。

このように、責任分岐線Ａを境に、上位が電力会社の送電系統Ｂと下位が自家発電設備の配電系統Ｃとに区分けされ、通常時、電力会社の送電系統Ｂから自家発電設備の配電系統Ｃに給電され、電力の生成に余裕ができると、自家発電設備から電力会社に売電を行う給電、売電系統において、例えば、自家発電設備への給電中、雷等により送電系統Ｂに事故が発生したとき、あるいは何らかの事情により電圧等の変動があったとき、自家発電設備の電圧制御は、図２に示すフロー図に従って行われるようになっている。

例えば、送電系統Ｂから配電系統Ｃへの給電中、雷検出器８によって落雷が検出されるか、あるいは連系リレー９によって電圧または周波数の変動が検出されると、ＯＲ回路２３は、いずれかの信号を演算装置１７に与える。

演算装置１７は、ＯＲ回路２３の出力信号に基づいて常用発電機１６の運転力率が定格力率になっているかを演算する。運転力率が定格力率との間に偏差が出ると、この偏差は自動電圧調整器１８に与えられ、ここで力率が定格力率になるように電圧が調整される。

自動電圧調整器１８で電圧が調整されると、この調整電圧は、再び演算装置１７にフィードバックされ、再び運転力率が定格力率になるように演算される。

運転力率と定格力率との偏差がゼロになると、常用発電機１６は演算を終了させ、自動電圧調整器１８から常用発電機１６の界磁巻線（図示せず）に調整電圧に基づき励磁電流を与える。

このように、本実施形態に係る発電機の力率制御装置およびその力率制御方法は、常用発電機１６の運転力率を定格力率に演算する演算装置１７と、この演算装置１７からの演算信号に基づいて電圧を調整し、この調整電圧に基づいて界磁巻線に界磁電流を与える自動電圧調整器１８とを備え、送電系統Ｂに不測の事態が発生したとき、運転力率を定格力率に速やかに移行させるので、常用発電機１６を安定運転に維持させることができる。

図３は、本発明に係る発電機の力率制御装置およびその力率制御方法の第２実施形態を示す概念図である。

本実施形態に係る発電機の力率制御装置およびその力率制御方法は、例えば、ごみ発電設備において、焼却設備毎に設けられた複数台の大容量電動機のうち、少なくとも１台以上を運転している状態から、残りの運転していない大容量電動機を運転させる場合に適用される。

この場合、自構内の自家発電設備としてガスタービンで駆動される常用発電機が設置され、この常用発電機は自構内の動力の生成の他に電力会社への売電も兼ねている。そして、発電単価、ひいては製造コストを低減させる関係から常用発電機は、高い運転力率で運転を行っている。

なお、図１に示した第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付してある。

本実施形態は、構内母線１３を境に、上位が商用電流系統Ｂ_１と下位が自家発電設備の配電系統Ｃ_１とに区分けされる。

商用電源系統Ｂ_１は、電力の供給流れに沿って順に、商用（電力事業用）電源２４、遮断器２４ａ，２４ｂ、変圧器２５を備え、商用電源２３から構内母線１３に電力が供給されている。

一方、配電系統Ｃ_１には、開閉器２６を介装して、例えば焼却炉の送風機を駆動する大容量の電動機２７が接続されている。

また、配電系統には、別の送風機を駆動する、例えば大容量の電動機等の負荷２８が接続されており、自構内に設置されたガスタービン２９を原動機とし、この原動機によって駆動される常用発電機１６が設けられている。

常用発電機１６は、遮断器３０、構内母線１３を介して負荷２８に与える電力の運転力率を演算する演算装置３１と、演算信号に基づいて定格力率に調整する自動電圧調整器３２とを備え、自構内に過度の負荷要求があっても運転力率を素早く定格力率に戻すようにしている。

負荷２８に与えられる電力の運転力率を演算する演算装置３１は、制御装置３３を介装して構内母線１３から大容量の電動機２７に電力を与える開閉器２６に接続している。

制御装置３３は、押釦スイッチ３４、ＡＮＤ回路３５を備え、押釦スイッチ３４の電動機駆動指令信号（ＯＮ信号）Ｐを演算装置３１に与え、この演算装置３１の応答信号ＱにＯＮ信号Ｐが揃ったことを条件に開閉器２６を閉成させるようにしている。

次に、図３に示す電力系統図および図４に示すフロー図を引用して本実施形態に係る発電機の力率制御方法を説明する。

自構内の負荷２８、例えば、ごみ発電設備の焼却炉の送風機を運転中、他の焼却炉の運転前の送風機を駆動する電動機２７に駆動指令が入ると、制御装置３３は、押釦スイッチ３４の電動機駆動指令信号（ＯＮ信号）Ｐを演算装置３１に与える。

演算装置３１は、図４に示すように、常用発電機１６の運転力率が定格力率になっているかを演算する。運転力率が定格力率との間に偏差が出ると、この偏差を自動電圧調整器
３２に与え、ここで力率が定格力率になるように電圧が調整される。

自動電圧調整器３２で電圧が調整されると、この調整電圧は、再び演算装置３１にフィードバックされ、再び運転力率が定格力率になるように演算される。

運転力率を定格力率との偏差がゼロになると、常用発電機１６は、演算を終了させ、自動電圧調整器３２から常用発電機１６の界磁巻線（図示せず）に調製電圧に基づく励磁電流を与える。

このとき、演算装置３１は、常用発電機１６の端子電圧が定格力率になったことを示す応答信号Ｑを制御装置３３に与える。

このように、制御装置３３は、押釦スイッチの電動機駆動指令信号（ＯＮ信号）Ｐと演算装置３１の応答信号Ｑとが揃ったことを条件に、ＡＮＤ回路３５から開閉器２６に閉成信号を与え、構内母線１３からの電力で運転前の電動機２７を駆動する。

図５は、図３に示した電力系統を模式的に示す回路図である。

この回路図を基に、常用発電機１６の端子電圧の運転力率が定格力率になるまでの時間をシミュレーションしたものである。

図６は、縦軸に発電機端子電圧を示し、横軸に時間を示す発電機電圧変遷図である。

この線図から、破線で示す本発明に係る定格力率での運転が実線で示す従来の１．０近傍での力率に較べてより早く定格電圧に戻ることがわかった。

このように、本実施形態に係る発電機の力率制御装置およびその力率制御方法は、自構内に複数の負荷を備え、一つの負荷２８の運転中、残りの運転前の負荷にも運転を行わせる場合、運転中の負荷２８の運転力率を定格力率に調整する演算装置３１と自動電圧調整装置３２とを備える一方、残りの運転前の負荷、例えば大容量の電動機２７を駆動するとき、この電動機始動指令信号Ｐと、常用発電機１６の運転力率が定格力率になったときに演算装置３１から出力される応答信号Ｑとが揃ったことを条件に開閉器２６を閉成して大容量の電動機を始動する制御装置３３を備えたので、常用発電機１６の端子電圧をより早く定格電圧に戻すことができ、常用発電機１６に安定運転を行わせることができる。

本発明に係る発電機の力率制御装置およびその力率制御方法の第１実施形態を示す概念図。本発明に係る発電機の力率制御方法の第１実施形態を示すフロー図。本発明に係る発電機の力率制御装置およびその力率制御方法の第２実施形態を示す概念図。本発明に係る発電機の力率制御方法の第２実施形態を示すフロー図。図３に示した電力系統を模式的に示す回路図。本発明による運転力率と従来の運転力率とを比較する発電機電圧変遷図。

符号の説明

１電力用母線
２遮断器
３ａ，３ｂ検出器
４鉄塔
５遮断器
６変圧器
７受電遮断器
８雷検出器
９連系リレー
１０取引用変成器
１１構内変圧器
１２構内遮断器
１３構内母線
１４構内負荷
１５構内遮断器
１６常用発電機
１７演算装置
１８自動電圧調整器
１９給電系
２０売電系
２１他の需要家
２２他の需要家用給電系
２３ＯＲ回路
２４商用電源
２４ａ，２４ｂ遮断器
２５変圧器
２６開閉器
２７電動機
２８負荷
２９ガスタービン
３０遮断器
３１演算装置
３２自動電圧調整器
３３制御装置
３４押釦スイッチ
３５ＡＮＤ回路

Claims

商用電源と連系する自家発電設備を備えた発電機の力率制御装置において、前記自家発電設備の運転中、前記商用電源に不測の事態が発生したとき、この不測の事態の発生の信号に基づいて前記自家発電設備の運転力率を定格力率に演算する演算装置と、この演算装置の演算信号に基づいて前記自家発電設備の界磁巻線に界磁電流を与え、運転力率を定格力率に調整する自動電圧調整装置とを備えたことを特徴とする発電機の力率制御装置。
前記商用電源の不測の事態を雷検出器および連系リレーもしくは、天気予報会社からの通知のうち、いずれかで検出し、この検出信号に基づいて前記自家発電設備の運転力率を定格力率に演算する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の発電機の力率制御装置。
前記自家発電設備は、前記商用電源に売電を行う構成にしたことを特徴とする請求項１記載の発電機の力率制御装置。
商用電源と連系する自家発電設備を備えた発電機の力率制御装置において、前記自家発電設備における大容量電動機を複数台備え、これら大容量電動機のうち、少なくとも１台以上が運転中で、残りの大容量電動機を始動させるとき、前記運転中の大容量電動機に電力を供給する自家発電設備の運転力率を定格力率に演算する演算装置と、この演算装置の演算信号に基づいて前記運転中の大容量電動機に電力を供給する自家発電設備の界磁巻線に界磁電流を与える自動電圧調整装置を具備し、運転力率を定格力率に調整し、前記残りの大容量電動機に始動指令を与えるときの信号と、前記演算装置の演算中、運転力率が定格力率になったときの応答信号とが揃ったことを条件に前記残りの大容量電動機の開閉器に閉成信号を与える制御装置とを備えたことを特徴とする発電機の力率制御装置。
前記制御装置は、大容量電動機に始動指令を与える信号と、前記演算装置の演算中、運転力率が定格力率になったときの応答信号が揃ったことを条件に前記開閉器に閉成信号を与えるＡＮＤ回路を備えたことを特徴とする請求項４記載の発電機の力率制御装置。
商用電源と連系する自家発電設備の運転中、前記商用電源に不測の事態が発生したとき、この不測の事態の発生の信号に基づいて前記自家発電設備の運転力率を定格力率に演算し、この演算信号に基づいて前記自家発電設備の界磁巻線に界磁電流を与え、運転力率を定格力率に調整し、この調整を繰返し行い、運転力率と定格力率との偏差がゼロにせしめることを特徴とする発電機の力率制御方法。
商用電源と連系する自家発電設備における大容量電動機を複数台備え、これら大容量電動機のうち、少なくとも１台以上が運転中で、残りの大容量電動機を始動させるとき、前記運転中の大容量電動機に電力を供給する自家発電設備の運転力率を定格力率に演算し、この演算信号に基づいて前記運転中の大容量電動機に電力を供給する自家発電設備の界磁巻線に界磁電流を与え運転力率を定格力率に調整するとともに、前記残りの運転前の大容量電動機に始動指令を与えるときの信号と、前記自家発電設備の運転力率が定格力率になったときの応答信号とが揃ったことを条件に、前記残りの運転前の大容量電動機の開閉器に閉成信号を与えることを特徴とする発電機の力率制御方法。