JP4685715B2

JP4685715B2 - 電源系統安定化方法及びその方法を用いた電源系統安定化システム

Info

Publication number: JP4685715B2
Application number: JP2006164691A
Authority: JP
Inventors: 計範橋村
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2026-06-14
Also published as: JP2007336669A

Description

この発明は、電源系統安定化方法及びその方法を用いた電源系統安定化システムに係り、特に、船舶や産業プラントなどの発電容量と負荷消費容量が近い電源系統システムにおける電源系統安定化方法及びその方法を用いた電源系統安定化システムに関するものである。

電源系統に接続されている負荷設備で負荷変動が発生すると、発電機が電源系統に供給していた電力に対し消費される電力量が変化してバランスが崩れるため、この消費電力量の変化が電源系統の電圧や発電機駆動装置である発電機エンジンの速度を変動させることになる。

このような事態を防止するための従来技術として、電源系統の電圧、電流、周波数などを監視し、負荷変動などによりこれらが変化した際に、発電機の自動電圧調整装置による発電機の励磁電圧や、発電機エンジンのガバナ制御ユニットにより発電機エンジンのトルクを制御して変化を修正し、発電容量と負荷消費電力量のバランスを図る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−４１３３９号公報（要約の欄、図２、図８）

しかし、上記従来技術においては、負荷変動などの結果に基づいて電源系統の電圧、電流、周波数などの変化を修正するものであり、この負荷変動などにより電源系統の電圧、電流、周波数などに過大な変化が発生した際には、制御の応答が遅く、発電機の電圧保護や発電機エンジンの速度保護がかかってトリップすることがあった。特に、発電容量と負荷消費容量が近いような電源系統システムにおいて、急激、且つ過大な負荷変動が発生した場合、系統電圧や発電機の回転数が著しく変動し、発電機の電圧保護や発電機エンジンの速度保護を動作させ、発電機エンジンや発電機トリップ、停電等に至る場合もある。また、このような負荷変動が頻繁に発生する場合、発電機エンジンへの燃料を制御するガバナの調節が繰り返されることによりエンジン故障にまで至ってしまうこともある。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電源系統にインバータを介して接続される電動機により駆動される負荷の消費電電力が変動した際、消費電力の変動により生じる電源系統を安定させる指令信号をインバータの出力電流と周波数の変化率に基づいて生成し、電源系統を安定化させる電源系統安定方法及びその方法を用いた電源系統安定化システムを提供することを目的とするものである。

この発明による電源系統安定化方法は、電源系統にインバータを介して負荷を駆動する電動機を接続すると共に、上記電源系統に電力を供給する発電機を接続し、上記負荷の消費電力が変動した際、上記消費電力の変動により生じる上記電源系統の電圧変動を安定化させる電源系統安定方法において、上記負荷の消費電力の変動を、上記インバータの出力電流変化率と出力周波数変化率として出力し、上記出力電流変化率と出力周波数変化率に基づいて、上記発電機の発電容量を制御し、上記電源系統の電圧変動を安定化させるものである。

また、別の発明による電源系統安定化システムは、電源系統にインバータを介して接続される電動機を備え、上記電動機により駆動される負荷の消費電力が変動した際、上記消費電力の変動により生じる上記電源系統の電圧変動を安定化させる電源系統安定化システムにおいて、上記負荷の消費電力の変動に基づく上記インバータの出力電流と周波数の変化率を入力すると共に、上記負荷の変動履歴を記録し、その記録された変動履歴が規定期間内に許容回数を超えた場合に、上記インバータに対し運転上限速度を制限する指令を出力する電源系統安定化装置を備えたものである。

この発明によれば、インバータ駆動電動機により駆動される負荷設備等の負荷変動を、インバータ出力電流の変化率及び周波数の変化率を監視することにより検知し、負荷変動に比例して発電機の自動電圧調整手段や発電機エンジン制御手段のガバナ調節量を制御するので、電圧変動や発電機の回転数変化が抑制され電源系統が安定する。

また、負荷変動の頻度を監視して負荷の異常状態を把握し、運転速度範囲を狭めて最大負荷変動率を低減させることにより、負荷が異常状態に陥っても発電機トリップなどによる停電や発電機エンジンの故障などの最悪ケースを回避することができる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る電源系統安定化システム及び電源系統安定化方法について好適な実施の形態を説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電源系統安定化システムの機器構成を示すもので、図１において、電源系統１には発電機２が開閉装置３を介して接続されている。発電機２は界磁巻線４を備えており、この界磁巻線４は発電機２の発電電圧を所定値に制御する自動電圧調整器５に接続されている。更に、自動電圧調整器５には自動電圧調整器制御ユニット６が接続されており、自動電圧調整器５と自動電圧調整器制御ユニット６により、自動電圧調整手段７が構成されている。この自動電圧調整手段７からの指令により、界磁巻線４に指令電圧が供給される。

また、発電機２は発電機エンジン８に結合されており、この発電機エンジン８はエンジンガバナ制御ユニット９により制御されるガバナ１０の動作により、燃料噴射ポンプ１１からの燃料噴射が調節されて回転速度が制御される。即ち、エンジンガバナ制御ユニット９、ガバナ１０、及び燃料噴射ポンプ１１により、発電機エンジン制御手段１２が構成されている。

なお、発電機エンジン８の回転速度を所定値に制御するガバナ１０は、図２に詳細を示すように、この発電機エンジン８を含むシステムの上位機能等から指令される回転速度指令値ωｓが比較器２０でセンサ（図示せず）で検出した発電機エンジン８の現在回転速度ωと比較され、その偏差速度成分をサーボ増幅器２１で増幅し、エンジン回転制御のためのトルク指令値τｓとして燃料噴射ポンプ１１のアクチュエータ２２を駆動する。アクチュエータ２２は、燃料噴射ポンプ１１を駆動し操作することによって所定量の燃料を噴射する。即ち、エンジンガバナ制御ユニット９の指令に基づき燃料噴射ポンプ１１が発電機エンジン８への燃料噴射量を操作するので、発電機エンジン８の現在回転速度ωは回転速度指令値ωｓに一致するように制御される。従って、発電機２の発電周波数は設定された周波数に維持される。

また、発電機２の発電電圧を所定値に制御する自動電圧調整器５は、図３に詳細を示すように、この自動電圧調整器５を含むシステムの上位機能等から指令される電圧指令値Ｖｓが、比較器３０で発電機２の発電電圧に比例する検出電圧Ｖと比較され、その偏差電圧成分をサーボ増幅器３１で増幅し、界磁巻線４への電圧指令値Ｖfsとして電力増幅器３２に入力して増幅し、得られた界磁電圧値Ｖfを界磁巻線４に供給する。一方、発電機電圧の検出機能としては、計器用変圧器３３が発電電圧を所定比率で変換して交流電圧ｖを得て、さらに、この交流電圧ｖを整流器３４が整流して発電電圧に比例する検出電圧Ｖを得ている。即ち、発電機電圧の検出機能で得られた検出電圧Ｖが比較器３０に入力されている。従って、発電機２は電圧指令値Ｖｓと一致するように制御される。

以上が電源系統１の電源側の機器構成であり、次に負荷側の機器構成を図１に戻って説明する。電源系統１にはインバータ１３が開閉装置１４を介して接続されており、このインバータ１３により、負荷１５に対し動力を供給する電動機１６が駆動制御される。なお、インバータ１３と電動機１６については、インバータと電動機を一体化したインバータ搭載形電動機により構成することも考えられ、インバータと電動機は別体構成にしてもよく、あるいは一体構成にしてもよい。

次に、電源系統安定化装置１７はインバータ１３と自動電圧調整手段７及び発電機エンジン制御手段１２との間に接続されるものである。この電源系統安定化装置１７は、負荷１５の変動時における系統の安定化を図るために必要なデータ収集や、基準指令を出力するために各機器とインターフェースしている。

即ち、電源系統安定化装置１７は、インバータ１３から出力電流変化率、及び周波数変化率を入力し、自動電圧調整手段７に電圧調整率を出力すると共に、発電機エンジン制御手段１２に調節率を出力する。更に、後述するように速度上限リミットをインバータ１３に対して与えるものである。

この発明の実施の形態１に係る電源系統安定化システムは上記のように構成されており、次に、このシステムを用いた電源系統安定化方法について説明する。

図４は、この発明の実施の形態１に係る電源系統安定化方法を説明する制御動作フロー図である。この図４において、今、何らかの事情で負荷変動が発生したとすると、その負荷変動により、インバータ１３は電源系統安定化装置１７の演算部１７ａに対し、出力電流変化率ΔＩ、及び周波数変化率Δｒｐｍを出力する。このインバータ１３からの出力電流変化率ΔＩ、及び周波数変化率Δｒｐｍに基づいて、電源系統安定化装置１７の演算部１７ａは発電機エンジン８のガバナ調整率を演算し、ガバナ制御ユニット９にガバナ調節基準指令を出力する。このガバナ調節基準指令により、発電機エンジン８のトルクが変化する。例えば、負荷１５が減少した際、電源系統安定化装置１７の演算部１７ａからの指令により、カバナ開度が下がると発電機エンジン７のトルクが下がり、負荷１５の減少による発電機２と発電機エンジン８の回転数増加が抑制されることになる。

同様に、インバータ１３からの出力電流変化率ΔＩ、及び周波数変化率Δｒｐｍに基づいて、電源系統安定化装置１７の演算部１７ａは発電機２の自動電圧調整器制御ユニット６に励磁電圧調整基準指令を出力する。この励磁電圧調整基準指令により、発電機２の励磁電圧が変化する。例えば、負荷１５が減少した際、電源系統安定化装置１７の演算部１７ａからの指令により、自動電圧調整装置制御ユニット６が発電機２の励磁電圧を下げ、負荷１５の減少による系統電圧の跳ね上がりを抑制することになる。

以上のように、インバータ１３からの出力電流変化率ΔＩ、及び周波数変化率Δｒｐｍに基づいて、電源系統安定化装置１７の演算部１７ａが、ガバナ制御ユニット９及び自動電圧調整器制御ユニット６に基準指令を出力することにより、電源系統１の電圧と周波数が調整され、例えば、負荷１３の減少に応じた発電機２の発電容量が下がり、電源系統１における発電と消費のバランスがとれ、発電機２や発電機エンジン７の運転が安定することになる。

また、インバータ１３からの出力電流変化率ΔＩ、及び周波数変化率Δｒｐｍを電源系統安定化装置１７の偏差カウンタ１７ｂに出力し、この偏差カウンタ１７ｂにより運転時の標準負荷変動率である設定偏差基準と、インバータ１３からの出力電流変化率ΔＩ、及び周波数変化率Δｒｐｍを比較し、インバータ１３からの出力電流変化率ΔＩ、及び周波数変化率Δｒｐｍが設定偏差基準を越える変動履歴を監視し、その回数をカウントする。

設定偏差基準を越える変動履歴の回数が規定期間内に許容回数を越えた場合には、負荷１５の運転が異常もしくは不安定と判断し、負荷変動による発電機２と発電機エンジン８への影響を減少させるために、インバータ１３に対し運転上限速度を制限する。これにより、回転速度・トルク特性が比例している負荷１５では最大負荷電流が下がるため、負荷変動幅が狭まり、最大変動率が低くなる。例えば、船舶で負荷変動の頻度が高い場合、海の時化状態でレーシングが発生していると判断し、電源系統安定化装置１７の偏差カウンタ１７ｂによりインバータ１３の最高運転速度を７０％に制限すれば、レーシング時のプロペラ最大負荷変動（電流変動）は約５０％（速度の約２乗）に低減できる。

以上のように、実施の形態１によれば、負荷変動が発生しても電圧変動や発電機２の回転数変化が抑制され電源系統１を安定させることが出来、更に、負荷変動の頻度を監視して負荷１５の異常状態を把握し、運転速度範囲を狭めて最大負荷変動率を低減させることにより、負荷１５に異常状態が発生しても発電機トリップなどによる停電や、発電機エンジン７の故障などの最悪ケースを回避することができる。

なお、上記実施の形態においては、インバータ１３からの出力電流変化率ΔＩ、及び周波数変化率Δｒｐｍに基づいて、電源系統安定化装置１７の演算部１７ａが、ガバナ制御ユニット９及び自動電圧調整器制御ユニット６に基準指令を出力し、この基準指令により、ガバナ制御ユニット９及び自動電圧調整器制御ユニット６の両者を制御する場合について図示説明したが、ガバナ制御ユニット９、又は自動電圧調整器制御ユニット６の何れか一方のみを制御することでも従来技術に比較すれば電源系統を安定させることができる。

この発明は、船舶や産業プラントなどの発電容量と負荷消費容量が近い電源系統システムにおける電源系統安定化システムへの適用できる。

この発明の実施の形態１に係る電源系統安定化システムの機器構成を示す図である。ガバナの詳細を説明する図である。自動電圧調整装置の詳細を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る電源系統安定化方法を説明する制御動作フロー図である。

符号の説明

１電源系統２発電機
３、１４開閉装置４界磁巻線
５自動電圧調整器６自動電圧調整器制御ユニット
７自動電圧調整手段８発電機エンジン
９エンジンガバナ制御ユニット１０ガバナ
１１燃料噴射ポンプ１２発電機エンジン制御手段
１３インバータ１５負荷
１６電動機１７電源系統安定化装置
２０、３０比較器２１、３１サーボ増幅器
２２アクチュエータ３２電力増幅器
３３計器用変圧器３４整流器

Claims

電源系統にインバータを介して負荷を駆動する電動機を接続すると共に、上記電源系統に電力を供給する発電機を接続し、上記負荷の消費電力が変動した際、上記消費電力の変動により生じる上記電源系統の電圧変動を安定化させる電源系統安定方法において、
上記負荷の消費電力の変動を、上記インバータの出力電流変化率と出力周波数変化率として出力し、上記出力電流変化率と出力周波数変化率に基づいて、上記発電機の発電容量を制御し、上記電源系統の電圧変動を安定化させることを特徴とする電源系統安定方法。
発電機エンジンにより駆動され、電源系統に電力を供給する発電機と、
上記発電機への励磁電圧を制御する自動電圧調整手段と、
上記電源系統にインバータを介して接続され、負荷に対し動力を供給する電動機と、
上記インバータと上記自動電圧調整手段との間に接続され、上記自動電圧調整手段に対し、上記負荷の消費電力の変動に基づく上記インバータの出力電流と周波数の変化率に比例した上記発電機の励磁電圧調整基準を出力する電源系統安定化装置と、を備えたことを特徴とする電源系統安定化システム。
発電機エンジンにより駆動され、電源系統に電力を供給する発電機と、
上記発電機エンジンへの燃料を制御し、上記発電機エンジンを制御する発電機エンジン制御手段と、
上記電源系統にインバータを介して接続され、負荷に対し動力を供給する電動機と、
上記インバータと上記発電機エンジン制御手段との間に接続され、上記発電機エンジン制御手段に対し、上記負荷の消費電力の変動による上記インバータの出力電流と周波数の変化率に比例した上記発電機エンジンの速度調整基準を出力する電源系統安定化装置と、を備えたことを特徴とする電源系統安定化システム。
発電機エンジンにより駆動され、電源系統に電力を供給する発電機と、
上記発電機への励磁電流を制御する自動電圧調整手段と、
上記発電機エンジンへの燃料を制御し、上記発電機エンジンを制御する発電機エンジン制御手段と、
上記電源系統にインバータを介して接続され、負荷に対し動力を供給する電動機と、
上記インバータと上記自動電圧調整手段及び上記発電機エンジン制御手段との間に接続され、上記自動電圧調整手段に対し、上記負荷の消費電力の変動による上記インバータの出力電流と周波数の変化率に比例した上記発電機の励磁電圧調整基準を出力すると共に、上記発電機エンジン制御手段に対し、上記負荷の消費電力の変動による上記インバータの出力電流と周波数の変化率に比例した上記発電機エンジンの速度調整基準を出力する電源系統安定化装置と、を備えたことを特徴とする電源系統安定化システム。
電源系統にインバータを介して接続される電動機を備え、上記電動機により駆動される負荷の消費電力が変動した際、上記消費電力の変動により生じる上記電源系統の電圧変動を安定化させる電源系統安定化システムにおいて、
上記負荷の消費電力の変動に基づく上記インバータの出力電流と周波数の変化率を入力すると共に、上記負荷の変動履歴を記録し、その記録された変動履歴が規定期間内に許容回数を超えた場合に、上記インバータに対し運転上限速度を制限する指令を出力する電源系統安定化装置を備えたことを特徴とする電源系統安定化システム。