JP5207910B2

JP5207910B2 - 可変速発電電動機の運転制御方法及び運転制御装置

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Publication number: JP5207910B2
Application number: JP2008263241A
Authority: JP
Inventors: 孝小宅; 勇健岡野; 豊木村
Original assignee: Hitachi Mitsubishi Hydro Corp
Current assignee: Hitachi Mitsubishi Hydro Corp
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2013-06-12
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Description

本発明は、可変速発電電動機の運転制御方法及び制御装置に係わり、特に発電電動機の揚水開始時、または停止時に同期運転方式による運転制御を行う場合の安定性を向上させるための可変速発電電動機の運転制御方法及び運転制御装置に関する。

可変速発電電動機を備える可変速揚水発電システムにおいて、可変速運転方式を使用している場合には、発電機の電気出力と水車の原動機出力がアンバランスになった場合、水車の回転速度に変化が生じるため、過渡的にすべり周波数(回転速度)変化が発生する。例えば、発電運転中に発電機出力を急激に増加させる場合には、水車の回転速度は過渡的に低下し、発電機出力を急激に低下させる場合には、水車の回転速度は過渡的に上昇する。

可変速発電電動機が安定に運転を継続するためには、すべり周波数の変動範囲が、規定範囲(可変速運転範囲)内に入っている必要がある。そのため、すべり周波数が可変速運転範囲を逸脱することを防止するため、すべり周波数を一定に保った状態で運転する同期運転方式がある。この同期運転方式は、すべり周波数を固定するとともに、トルク方向電流指令値を固定することで実現する。しかし、同期運転方式を用いて可変速発電電動機の起動、停止を行う場合、トルク方向電流指令値を固定するために、励磁量を最適な値に制御できず、過励磁または不足励磁による不安定現象が発生する。その結果、発電電動機の揚水開始時、または停止時において同期運転方式を使用した場合に、有効電力が増加または減少する過程において、有効電力の動揺が発生するという問題がある。

この、有効電力の動揺を抑えるために、可変速発電電動機のトルク方向電流成分を所定の値になるよう調整操作することを行なっている。

特許文献１には、可変速発電電動機を揚水起動する際に、有効電力ＰＬから所定の変換式(ＰＬ×Ｃ＋Ｄ)によって(ＣおよびＤは定数)、最適な励磁電流のトルク方向電流指令目標値を求め、同期運転方式に切替える直前に固定したトルク方向電流指令値を、上記変換式で求めた目標値に近づくよう調整する方式、および、固定したトルク方向電流指令値を、予め設定された所定の値まで上げまたは下げ操作する方式による運転制御方法の例についての開示がある。
特開平８−８００９４号公報

ところで、上記従来の運転制御方法では、同期運転方式における揚水開始時の最適な励磁電流を確保するために、有効電力ＰＬから所定の変換式によって求めた値をトルク方向電流指令目標値としている。この場合、変換式に変動する有効電力ＰＬの項が含まれているため、有効電力変動によりトルク方向電流指令目標値が変動する場合があり、励磁量の安定性、電力の安定性確保が難しいという問題がある。

また、固定された所定の指令目標値までトルク方向電流指令値を上げまたは下げ操作する場合においては、有効電力ＰＬに関係無くトルク方向電流指令値が操作されるため、トルク方向電流成分の過不足が発生するという問題が発生する。

更に、所定の変換式（ＰＬ×Ｃ＋Ｄ）には、トルク方向電流の最低量を確保するために、バイアス分の項(Ｄ項)を設けている。しかし、有効電力が大きく動揺する（例えば極性が変わるような急変時）状態においては、ＰＬ×Ｃ項がマイナスになり、バイアス分の項(Ｄ項)よりもトルク方向電流指令目標値が下がる場合がある。その結果、トルク方向電流の最低量を確保することが出来なくなることも考えられる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、有効電力が変動するような状況においても安定した励磁量、電力の安定性を確保するために、励磁量を最適な値に制御することができる可変速発電電動機の運転制御方法および運転制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、一次巻線を電力系統に接続した可変速発電電動機の二次巻線を、三相交流励磁電流により励磁する可変速発電電動機の運転制御方法である。可変速発電電動機を励磁する三相交流励磁電流は、有効電力の指令値と検出値との偏差を零にするためのトルク方向電流指令値と、出力電圧の指令値と検出値との偏差を零にするための磁束方向電流成分指令値と、電力系統の電圧位相と可変速発電電動機の回転位相との差に等しいすべり位相とを基に、ベクトル合成して得られる。この可変速発電電動機の運転方式には、トルク方向電流成分と磁束方向電流成分の２成分により励磁電流を制御する可変速運転方式と、トルク方向電流指令値を運転方式切替え直前の値に切替えると同時に、すべり位相を運転方式切替え直前のすべり周波数に固定した正弦波に切替えて、一定周波数の励磁電流で制御する同期運転方式がある。本発明は、この可変速運転方式と同期運転方式とを、任意の条件によって切替えて運転する可変速発電電動機の運転制御方法において、同期運転方式による運転制御時に、切替え直前の値に固定されたトルク方向電流指令値を、有効電力から所定の変換回路、フィルタ回路、リミッタ回路によって求められるトルク方向電流指令目標値に追従させる電力動揺抑制回路を備えるものである。

また、本発明は、上記電力動揺抑制回路に不感帯を設け、算出されたトルク方向電流指令目標値とトルク方向電流指令値との差が予め設定された値以内の場合は、トルク方向電流指令値の制御を行わないようにしたものである。

本発明によると、同期運転方式を用いて可変速発電電動機を起動、停止する時に、固定されている励磁電流のトルク方向電流成分を安定に最適な値まで制御することが可能になる。特に、フィルタ回路を設けることにより、有効電力の変動による影響を直接受けることによる動揺を抑制できる。また、リミッタ回路を設けることにより、過励磁、または不足励磁による不安定現象が無くなる。また、不感帯を設け、トルク方向電流指令目標値とトルク方向電流指令値との差が一定の値以上の場合にのみ指令値を制御することにより、トルク方向電流指令値を目標値までランプ状に安定した状態で追従させることができる。これらにより、電力動揺を低減することができる。

以下、本発明の一実施の形態を、添付図面を参照して説明する。図１に本発明を適用する可変速揚水発電システムの一実施の形態例のシステム全体構成例を、図２に電力動揺抑制回路と同期運転Ｉｑ切替制御回路の構成例を示す。

はじめに、図１を参照して、本発明を適用する可変速揚水発電システムの全体構成例について説明する。図１において、可変速発電電動機１の固定子巻線は、主要変圧器３を介して電力系統４に接続している。また、可変速発電電動機１には、水車２が接続されている。主要変圧器３の２次側には、励磁用変圧器５を介して励磁装置６が接続され、可変速発電電動機１の二次巻線に接続し、三相交流励磁電流を供給する。

可変速発電電動機１には、回転位相検出器１２が接続され、発電機回転位相を検出する。また、可変速発電電動機１の固定子巻線側には、電圧位相検出器９が接続され、系統側電圧位相を検出する。励磁位相検出器１０は、電圧位相検出器９が検出する系統側電圧位相と、回転位相検出器１２が検出する発電機回転位相を入力し、これらを基にすべり位相を演算し、出力する。

励磁装置６は、可変速発電電動機１の二次巻線に三相交流励磁電流を供給することにより、可変速発電電動機１を制御する。励磁装置６が出力する三相交流励磁電流は、励磁電流調整演算器１８により制御される。具体的には、励磁電流調整演算器１８から出力された三相交流励磁電流指令値を自動パルス移相器１９へ入力し、自動パルス移相器１９へ入力された三相交流励磁電流指令値を基に生成した制御出力により励磁装置６を制御する。励磁装置６から出力された励磁電流は、励磁電流検出器１１により検出され、励磁電流調整演算器１８へフィードバックされる。

励磁電流調整演算器１８は、励磁位相検出器１０が出力するすべり位相と、電力調整演算器１４が出力するトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊１（Ｉｑ＊２）と、電圧調整演算器１５が出力する磁束方向励磁電流指令値Ｉｄ＊を入力し、ベクトル合成することで三相交流励磁電流指令値を出力する。

電力調整演算器１４は、有効電力指令値Ｐｒと可変速発電電動機１の固定子巻線側に接続する有効電力検出器７が検出した有効電力ＰＬを入力し、それらの偏差が０になるようにトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊１を演算し、出力する。また、電圧調整演算器１５は、発電電動機電圧指令値Ｖｒと可変速発電電動機１の固定子巻線側に接続する交流電圧検出器８が検出した発電電動機電圧ＶＧを入力し、それらの偏差が０になるように磁束方向励磁電流指令値Ｉｄ＊を演算し、出力する。

自動パルス移相器１９は、励磁電流調整演算器１８から出力された三相交流励磁電流指令値を入力し、三相交流励磁電流指令値に見合う励磁電流を得るための制御出力を生成し、励磁装置６へ出力することで励磁装置６を制御する。

同期運転指令回路１３は、同期運転方式を行なう運転状態になった際に各回路に同期運転指令を与えるものである。同期運転方式による運転時は、すべり位相、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊が同期運転切替直前の状態に固定される。

同期運転Ｉｑ切替制御回路１６は、同期運転指令回路１３からの指令を受け、可変速運転方式と同期運転方式との切替え制御を行う。具体的には、電力調整演算器１４からトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊１を入力し、運転状態に合わせてトルク方向励磁電流指令値を調整し、Ｉｑ＊２として出力する回路である。同期運転Ｉｑ切替制御回路１６は、可変速運転方式の場合は、入力信号Ｉｑ＊１を通過させる回路になる。そのため、電力調整演算器１４から入力されたトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊１をそのまま出力してトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２とする。また、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６は、同期運転方式の場合は、まず、同期運転指令回路１３からの指令により、同期運転指令直前のトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の値を、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６内に設けた設定器２７に初期値として設定する。そして、Ｉｑ指令値切替スイッチ２８を設定器２７側に切替え、設定器２７によって調整されたトルク方向励磁電流指令値をＩｑ＊２として出力する。その結果、同期運転時のトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２は、電力調整演算器１４からの出力Ｉｑ＊１の値に影響されず、同期運転指令直前のＩｑ指令値に固定される。なお、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６の詳細は図２に示し、説明を後述する。

電力動揺抑制回路１７は、有効電力検出器７が検出した有効電力ＰＬと同期運転Ｉｑ切替制御回路１６から出力されるトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２を入力し、同期運転方式の場合に同期運転Ｉｑ切替制御回路１６の設定器２７に対する操作指令を出力する。電力動揺抑制回路１７は、まず、入力された有効電力ＰＬを基に最適なトルク方向励磁電流指令目標値を算出する。そして、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２が算出したトルク方向励磁電流指令目標値に追従するように、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６内の設定器２７に対して、上げ指令または下げ指令の操作指令を出力する。これにより、同期運転方式における有効電力の急変によるトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の動揺を抑制し、Ｉｑ＊２の値が安定に最適な値になるように制御する。なお、電力動揺抑制回路１７の詳細は図２に示し、説明を後述する。

次に、可変速発電電動機１を制御する励磁電流の制御について説明する。

励磁電流調整演算器１８に対する励磁電流指令は、可変速発電電動機１の誘起電圧を発生させるｄ軸方向の励磁電流成分Ｉｄ＊と、それと直交し有効電力を変化させるｑ軸方向の励磁電流成分Ｉｑ＊の２軸成分に分けて与えられる。これらの軸方向は、電圧位相検出器９が検出する系統側電圧位相と、回転位相検出器１２が検出する発電機回転位相で決まる。そのため、励磁電流調整演算器１８では、系統側電圧位相と発電機回転位相から励磁位相検出器１０が演算したすべり位相を基に、トルク方向励磁電流指令Ｉｑ＊と磁束方向励磁電流指令Ｉｄ＊をベクトル合成することで三相交流励磁電流指令値を求める。よって、可変速発電電動機１の励磁電流は、ｄ軸成分（磁束成分）と、ｑ軸成分（トルク成分）によって独立して制御される。

可変速発電電動機１にて有効電力制御を行なう場合は、ｑ軸成分（トルク成分）のトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊を変化させることによって行う。本例では、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊は、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６から出力されるＩｑ＊２である。同期運転Ｉｑ切替制御回路１６は、可変速運転方式の場合は、電力調整演算器１４から出力されるＩｑ＊１をそのままＩｑ＊２として出力する。そのため、励磁電流調整演算器１８には、電力調整演算器１４の出力Ｉｑ＊１がトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊として入力される。また、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６は、同期運転方式の場合は、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６内に設けた設定器２７からの出力をＩｑ＊２として出力する。なお、本例では、同期運転時には電力動揺抑制回路１７が動作し、設定器２７に作用してＩｑ＊２の値を調整する。

可変速発電電動機１の電圧制御を行なう場合は、ｄ軸成分（磁束成分）の磁束方向励磁電流指令値Ｉｄ＊を変化させることによって行う。磁束方向励磁電流指令値Ｉｄ＊は、電圧調整演算器１５から出力され、発電電動機電圧指令値Ｖｒと交流電圧検出器８が検出した発電電動機電圧ＶＧとの偏差が０になるように演算される。

次に、図２を参照して同期運転Ｉｑ切替制御回路１６と電力動揺抑制回路１７の構成例について説明する。

図２において、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６は、電力調整演算器１４の出力であるトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊１と、同期運転指令回路１３からの同期運転指令を入力し、励磁電流調整演算器１８へトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２を出力する。電力動揺抑制回路１７は、有効電力検出器７が検出した有効電力ＰＬと、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６から出力されるトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２と、同期運転指令回路１３からの同期運転指令を入力し、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６内の設定器２７に対して、操作指令を出力する。

同期運転Ｉｑ切替制御回路１６は、前回値保持メモリ２６、設定器２７、Ｉｑ指令値切替スイッチ２８、ワンショットタイマ２９を備える。

同期運転指令回路１３からの同期運転指令がオンすると、ワンショットタイマ２９が一定時間オンし、同期運転指令直前のＩｑ＊２の値が設定器２７に初期値として設定される。Ｉｑ＊２の値は、励磁電流調整演算器１８へ出力する都度、前回値保持メモリ２６に保存され、ワンショットタイマ２９がオンすることにより、前回値保持メモリ２６の値が設定器２７へ設定される。それと同時に、Ｉｑ指令値切替スイッチ２８は設定器２７側に切替わる。そのため、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６の出力Ｉｑ＊２は、設定器２７からの出力となる。また、同期運転指令回路１３からの同期運転指令がオフの場合は、Ｉｑ指令値切替スイッチ２８は電力調整演算器１４側に切替わり、電力調整演算器１４からの入力信号Ｉｑ＊１はそのまま出力され、Ｉｑ＊２となる。

電力動揺抑制回路１７は、一次遅れを用いたフィルタ回路２１、有効電力ＰＬを所定の変換式（ＰＬ×Ａ）を用いてＩｑ指令値に変換するＰＬ−Ｉｑ変換回路２２、所定の変換式により求められたＩｑ指令値の急変防止のためのリミッタ２３を備える。電力動揺抑制回路１７では、入力した有効電力ＰＬをフィルタ回路２１、ＰＬ−Ｉｑ変換回路２２、リミッタ２３へ入力することで、トルク方向励磁電流指令目標値３０を演算し、出力する。更に、トルク方向励磁電流指令目標値３０とトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２を基に、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６内の設定器２７に対する操作指令を出力する比較器Ａ２４Ａ、比較器Ｂ２４Ｂ、不感帯２５を備える。

本発明の一実施の形態例による電力動揺抑制回路１７では、まず、入力した有効電力ＰＬを、一次遅れを用いたフィルタ回路２１を介してＰＬ−Ｉｑ変換回路２２へ入力する。従来は、有効電力ＰＬをそのまま所定の変換式に入力してトルク方向励磁電流指令値を出力していたため、有効電力ＰＬの変動に伴い、トルク方向励磁電流指令値が過剰に操作されていた。そのため、それが基で電力動揺を引き起こす可能性があった。そこで、本例では、ＰＬ−Ｉｑ変換回路２２には、一次遅れを使用したフィルタ回路２１を介した有効電力ＰＬを入力することで、有効電力ＰＬの変動の影響を緩和するようにした。

次に、ＰＬ−Ｉｑ変換回路２２によって算出されたＩｑ指令値をリミッタ２３へ入力し、リミッタとして設定された上下限値によって制限された値に変換して、トルク方向励磁電流指令目標値３０を出力する。ここで、リミッタ上限値は、有効電力ＰＬの急変に伴いトルク方向励磁電流指令目標値が急変することで過励磁状態になることを防止するために設け、過励磁状態にならない上限の値を設定する。

また、リミッタ下限値は、プライミング水圧確立時に必要とされるトルク方向励磁電流指令目標値を設定しておく。これにより、同期運転方式に切替えた直後にトルク方向励磁電流指令値はリミッタ下限値まで上げ操作されるため、その状態を待ってから水面押し下げ解除を行なうことで水車接水〜プライミング水圧確立までの間の励磁量を確保することができる。従来は、最低限必要とされるトルク方向励磁電流指令目標値を、所定の変換式のバイアス項としてＰＬ−Ｉｑ変換式の中で設定していた。そのため、可変速発電電動機の運転開始の初期段階で、有効電力ＰＬの値が小さい場合、特に、有効電力が変動し、極性が逆（マイナス）の状態では、必要とする励磁量を確保できない場合があった。一方、本例では、最低限必要とされるトルク方向励磁電流指令目標値を変換式のバイアス項として設定するのではなく、リミッタ下限値としてバイアス分を設定した。その結果、有効電力ＰＬが何らかの影響で急変した場合においても、確実にトルク方向励磁電流指令目標値の最低量を補償することができる。

次に、リミッタ２３から出力されたトルク方向励磁電流指令目標値３０と、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６から入力したトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２との差分ａを演算し、その値を比較器Ａ２４Ａへ入力する。また、不感帯２５から不感帯ｂとして設定された値を比較器Ａ２４Ａへ入力する。比較器Ａ２４Ａでは、差分ａと不感帯ｂの値を比較し、差分ａが不感帯ｂより大きい場合（ａ＞ｂ）にＯＮ信号を発生する。一方、比較器Ｂ２４Ｂには、トルク方向励磁電流指令目標値３０と、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６から入力したトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２との差分ｄと、不感帯として設定された値の符号を変換した値ｃを入力する。比較器Ｂ２４Ｂでは、差分ｄと不感帯ｃの値を比較し、差分ｄが不感帯ｃより小さい場合（ｃ＞ｄ）にＯＮ信号を発生する。

ここで、比較器Ａ２４Ａは、トルク方向励磁電流指令目標値３０がトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２より大きい場合で、トルク方向励磁電流指令値を上げる方向へ制御する場合の判定を行う。また、比較器Ｂ２４Ｂは、トルク方向励磁電流指令目標値３０がトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２より小さい場合で、トルク方向励磁電流指令値を下げる方向へ制御する場合の判定を行う。また、不感帯２５は、不感帯として設定する値を保持する記憶部である。本例では、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２がトルク方向励磁電流指令目標値３０に追従するように上げ指令または下げ指令を出力するが、その操作により指令値が目標値を超過する場合は上げ下げ指令を出力しないように、不感帯の値を設定する。

次に、比較器Ａ２４Ａまたは比較器Ｂ２４Ｂの出力と、同期運転指令回路１３からの同期運転指令との論理積（ＡＮＤ）をとり、その結果を基に同期運転Ｉｑ切替制御回路１６の設定器２７を制御する。比較器Ａ２４Ａと同期運転指令がともにＯＮの場合は、設定器２７に対する上げ指令を、比較器Ｂ２４Ｂと同期運転指令がともにＯＮの場合は、設定器２７に対する下げ指令を出力する。

このように不感帯を設けることにより、トルク方向励磁電流指令目標値３０とトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２との差が不感帯の範囲内の場合は、設定器２７に対する制御は行わず、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２は固定される。従来の制御では、トルク方向励磁電流指令目標値３０とトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２が一致するまでトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の値を変化させていたため、過剰操作となり、ハンチングが発生して不安定な状態となっていた。本例によれば、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２を安定に制御することができ、電力動揺を抑制することができる。

また、電力動揺抑制回路１７から出力された上げ指令または下げ指令は、同期運転Ｉｑ切替制御回路１６の設定器２７へ入力されると、設定器２７に設定されているトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２へ作用し、一定の変化レートでその値を上げまたは下げる。ここで、設定器２７の変化レートは、１回の上げまたは下げ操作を行ってもトルク方向電流指令目標値３０を超えないような変化レート設定にする。

図３に、トルク方向励磁電流指令目標値３０とトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の状態を表すグラフの例を示す。このように、トルク方向励磁電流指令目標値３０が有効電力ＰＬに見合った値に変化するのに応じて、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２を上げまたは下げ操作する。本例では、例えば上げ操作を行った場合にトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２を増加させる際の変化レート（立ち上がり角度）３１を緩やかにすることにより、トルク方向励磁電流指令目標値３０をほぼランプ状（一定の角度）に追従することができ、電力動揺を抑制することができる。これは、下げ操作を行う場合も同様である。

次に、本発明の一実施の形態例による、揚水開始時の動作例について説明する。図４に本発明の一実施の形態例による、揚水開始時の動作例を、図５に従来の制御による揚水開始時の動作例を示す。

図４及び図５において、有効電力ＰＬ、トルク方向励磁電流指令目標値３０、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２、磁束方向励磁電流指令値Ｉｄ＊、ガイドベーン開度４２のグラフを示す。また、図中に揚水開始時の過程を示す。図には、揚水開始時において状態が大きく変化するタイミングとして、水面押し下げ解除ｔ１、プライミング水圧確立ｔ２、揚水開始ｔ３を示す。揚水開始時の過程としては、水面押し下げ解除ｔ１までは、水面押し下げによる水車空転状態（ａ）で、水面押し下げ解除ｔ１により水面位が上昇し、水車２が接水して、水車の回転により水を押し上げ初める（ｂ）。その水圧が揚水開始可能な圧力に達すると、プライミング水圧確立ｔ２の状態となる（ｃ）。プライミング水圧確立ｔ２を経て、ガイドベーンを開き始めることで、揚水開始ｔ３となる。揚水開始ｔ３以降は、ガイドベーンを適正開度まで開口し、揚水を実施する（ｄ）。

このような揚水開始時の過程において同期運転方式による制御を行うが、水車が必要とするトルクの変化が大きいため、図４及び図５に示すように、有効電力の変化が揚水運転の過程の中で最も大きい。特に、水車が接水する際、およびプライミング水圧が確立する際においては、有効電力ＰＬが急激に変化することから、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２を有効電力ＰＬに見合った値に遅れなく追従させることは困難である。

そのため、本例では、電力動揺抑制回路１７のリミッタ２３の下限値に、プライミング水圧確立時に必要とされるトルク方向電流指令目標値を設定しておく。図４では、リミッタ２３の下限値として設定した値を下限リミッタ分４１として示している。これにより、同期運転方式に切替えた直後にトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２は下限リミッタ分４１まで上げ操作されるため、その状態で水面押し下げ解除ｔ１を行なうことで、水車接水〜揚水開始ｔ３までの間の励磁量を確保することができる。

揚水運転開始ｔ３以降のトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２は、有効電力ＰＬに追従する形で最適な値まで操作される。但し、有効電力ＰＬは、水車２が必要とするトルクに比例するため、定常的にある程度の変動が生じているので、この有効電力ＰＬをそのまま所定の変換式に与えると、図５に示すようにトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２が過剰に操作される。その結果、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の過剰操作を受けて、有効電力ＰＬの動揺が更に増大していた。

そのため、本例では、電力動揺抑制回路１７に一次遅れを用いたフィルタ回路２１を設け、フィルタを介した有効電力ＰＬをＰＬ−Ｉｑ変換回路２２へ入力する。これにより、トルク方向励磁電流指令目標値３０は、有効電力ＰＬの変動による影響を直接受けることがなくなり、図４に示すように、ほぼランプ状に一定の傾斜で有効電力ＰＬに追従することができる。その結果、トルク方向励磁電流指令目標値３０に追従するトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２もほぼランプ状に安定して変化させることができるため、有効電力ＰＬの変動も小さくなり、電力動揺を抑制することができる。

また、トルク方向励磁電流指令目標値３０は、有効電力ＰＬに見合った値に変化するため、有効電力ＰＬの変化の仕方によっては、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２は上げ操作ばかりではなく、下げ操作を行なう場合もある。従来は、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の操作方向は、所定の変換式から求められたトルク方向励磁電流指令目標値３０とトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の偏差極性により決まっていた。そのため、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２がトルク方向励磁電流指令目標値３０と完全に一致しないと、上げ・下げ操作が繰り返されることになる。図５に示すように、有効電力ＰＬの変動に合わせてトルク方向励磁電流指令目標値３０も変動するため、それが基になって電力動揺を引き起こす可能性があった。

そこで、本例では、上げ操作、下げ操作の検出部に不感帯２５を設け、偏差が不感帯内に入ればトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の操作をロックすることで、電力動揺を抑制することが可能になる。図４では、不感帯ｂとして不感帯２５に設定している不感帯幅を示す。トルク方向励磁電流指令目標値３０とトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２との偏差が不感帯幅ｂ以内の場合は、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の操作をロックし、値を固定する。そして、偏差が不感帯幅ｂを超えた場合に、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の操作を行うようにした。これにより、トルク方向励磁電流指令目標値３０とトルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２の値が完全に一致しない場合でも、その偏差が一定の幅以内にあれば、トルク方向励磁電流指令値Ｉｑ＊２を固定し、安定した運転を行うことができる。

なお、ここでは、可変速発電電動機を揚水起動する際の電力動揺抑制について述べたが、可変速発電電動機を停止する際にも同様の効果がある。

本発明の一実施の形態による可変速揚水発電システムの全体構成例を示すブロック図である。本発明の一実施の形態による電力動揺抑制回路と同期運転Ｉｑ切替制御回路の構成例を示すブロック図である。本発明の一実施の形態によるトルク方向励磁電流指令及び目標値のグラフの例を示す説明図である。本発明の一実施の形態による揚水開始時の動作例を示す説明図である。従来の制御による揚水開始時の動作例を示す説明図である。

符号の説明

１…可変速発電電動機、２…水車、３…主要変圧器、４…電力系統、５…励磁用変圧器、６…励磁装置、７…有効電力検出器、８…交流電圧検出器、９…電圧位相検出器、１０…励磁位相検出器、１１…励磁電流検出器、１２…回転位相検出器、１３…同期運転指令回路、１４…電力調整演算器、１５…電圧調整演算器、１６…同期運転Ｉｑ切替制御回路、１７…電力動揺抑制回路、１８…励磁電流調整演算器、１９…自動パルス移相器、２１…一次遅れを用いたフィルタ回路、２２…ＰＬ−Ｉｑ変換回路、２３…リミッタ、２４Ａ…比較器Ａ、２４Ｂ…比較器Ｂ、２５…不感帯、２６…前回値保持メモリ、２７…設定器、２８…Ｉｑ指令値切替スイッチ、２９…ワンショットタイマ

Claims

一次巻線を電力系統に接続した可変速発電電動機の二次巻線を、前記可変速発電電動機の入出力有効電力の指令値と有効電力の検出値との偏差を零にすべく、有効電力調整演算をすることにより得られるトルク方向電流指令値と、前記可変速発電電動機の出力電圧の指令値と出力電圧の検出値との偏差を零にすべく、電圧調整演算をすることにより得られる磁束方向電流指令値と、前記電力系統の電圧位相と前記可変速発電電動機の回転位相の差に等しいすべり位相とを基に、ベクトル合成して得られる三相交流励磁電流により励磁する可変速発電電動機の運転制御方法において、
トルク方向電流成分と磁束方向電流成分の２成分により励磁電流を制御する可変速運転方式と、前記トルク方向電流指令値を運転方式切替え直前の値に切替えると同時に、すべり位相を運転方式切替え直前のすべり周波数に固定した正弦波に切替えて、一定周波数の励磁電流で制御する同期運転方式を、任意の条件によって同期運転Ｉｑ切替制御回路により切替えて運転する可変速発電電動機の運転制御方法において、
前記同期運転方式による運転制御時に、切替え直前の値に固定されたトルク方向電流指令値を、有効電力から所定の変換回路、フィルタ回路、リミッタ回路によって求められるトルク方向電流指令目標値に追従させる電力動揺抑制回路を備えることを特徴とする可変速発電電動機の運転制御方法。
請求項１記載の可変速発電電動機の運転制御方法において、
前記同期運転方式における電力動揺抑制回路において、不感帯を設け、算出された前記トルク方向電流指令目標値と、前記トルク方向電流指令値との差が予め設定された値以内の場合は、前記トルク方向電流指令値の制御を行わないことを特徴とする可変速発電電動機の運転制御方法。
請求項１記載の可変速発電電動機の運転制御方法において、
前記同期運転方式における電力動揺抑制回路において、切替え直前の値に固定された前記トルク方向電流指令値を、算出された前記トルク方向電流指令目標値までランプ状に追従させることを特徴とする可変速発電電動機の運転制御方法。
一次巻線を電力系統に接続した可変速発電電動機の二次巻線を、三相交流励磁電流により励磁する励磁装置と、
前記可変速発電電動機の入出力有効電力の指令値と有効電力の検出値との偏差を零にすべくトルク方向電流指令値を算出する有効電力調整演算器と、
前記可変速発電電動機の出力電圧の指令値と出力電圧の検出値との偏差を零にすべく磁束方向電流指令値を算出する電圧調整演算器と、
前記有効電力調整演算器から出力されるトルク方向電流指令値と、前記電圧調整演算器から出力される磁束方向電流指令値と、前記電力系統の電圧位相と前記可変速発電電動機の回転位相の差に等しいすべり位相とを基に、ベクトル合成して三相交流励磁電流指令を算出し、前記励磁装置へ出力する励磁電流調整演算器と、
トルク方向電流成分と磁束方向電流成分の２成分により励磁電流を制御する可変速運転方式と、前記トルク方向電流指令値を運転方式切替え直前の前記有効電力調整演算の値に切替えると同時に、すべり位相を運転方式切替え直前のすべり周波数に固定した正弦波に切替えて、一定周波数の励磁電流で制御する同期運転方式を、同期運転指令回路からの指令に基づいて切替え制御する同期運転Ｉｑ切替制御回路と、
前記同期運転方式による同期運転時に、切替え直前の値に固定された前記トルク方向電流指令値を、有効電力から所定の変換回路、フィルタ回路、リミッタ回路によって求められるトルク方向電流指令目標値に追従させる電力動揺抑制回路を備える可変速発電電動機の運転制御装置。
請求項４記載の可変速発電電動機の運転制御装置において、
前記同期運転方式における電力動揺抑制回路において、不感帯を設け、算出された前記トルク方向電流指令目標値と、前記トルク方向電流指令値との差が予め設定された値以内の場合は、前記トルク方向電流指令値の制御を行わないことを特徴とする可変速発電電動機の運転制御装置。
請求項４記載の可変速発電電動機の運転制御装置において、
前記同期運転方式における電力動揺抑制回路において、切替え直前の値に固定された前記トルク方向電流指令値を、算出された前記トルク方向電流指令目標値までランプ状に追従させることを特徴とする可変速発電電動機の運転制御装置。