JP5332198B2 - 発電機の出力制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御装置から発電機のガバナ増減指令を発して発電機の出力を制御する装置および方法に関する。

図３は、発電機の制御システムを示す。発電機用制御端末１０はコンピュータ構成にされ、制御サーバ２０から発電機出力制御指令を受信し、この指令に応じた出力制御演算を行う。この演算結果は、ガバナ増減のパルス信号として発信され、このパルス信号を発電機制御盤３０に伝送し、発電機４０のガバナ増減でその出力を制御する。

発電機用制御端末１０の演算処理部（ＣＰＵ）１１は、伝送処理部１２でサーバからの制御指令値（目標値）を受信し、アナログ入力部１３で制御盤３０を通した発電機有効電力および無効電力を取得し、これらデータと不揮発性メモリ１４に記憶する発電機制御に必要な発電機出力、各種設定値からデジタル演算を実施し、演算結果として発電機のガバナ増減の制御パルスをデジタル出力部１５に発生させる。このガバナ増減指令は補助リレー１６，１７を通してその接点オン・オフ信号として制御盤３０側に伝送される。

制御盤３０では、ガバナ増減指令をデジタル入力部３１で取り込み、これに応じて発電機４０の出力を増減させる。また、このときの発電機出力（有効電力と無効電力）を計測部３２，３３で求め、制御端末１０のアナログ入力部１３に伝送する。

発電機の出力制御を「ガバナ増」、「ガバナ減」の制御パルスで指令する場合、発電機側の機械的負担を低減させるため、制御パルスを出力する際には図４の（ａ）に示すように、１回のパルスで目標値まで出力を上げるのではなく、図４の（ｂ）に示すように幅の異なるいくつかのパルスに分割して出力する制御方法を採用している。

例えば、現在出力Ｐ₁（ｋＷ）で運転されている発電機の出力をＰ₂（ｋＷ）に上昇させる場合、図４の（ａ）に制御係数Ｋ_C＝１００％の場合を示すように、目標値（Ｐ₂）までの“ガバナ増”信号の１回のパルスを現在の発電機出力偏差の１００％分に相当する幅にすると、目標値付近で出力がなかなか安定せず、“ガバナ増”、“ガバナ減”を頻繁に出力するようになる。これは発電機本体に対しても機械的ストレスを与えることになり、あまり良い制御であるとは言えない。

そこで、図４の（ｂ）に制御係数Ｋ_C＝４０％の場合を示すように、目標値付近までの“ガバナ増”信号の１回のパルスを現在の発電機出力偏差の４０％分に相当する幅にすることで、「最初は幅広く、出力が目標値に近づいてきたら次第に幅を縮めていく」というように、目標値に徐々に近づけていく。このような処理であれば目標値付近まで出力を安定して推移させることができ、発電機本体の機械的ストレスも低減する。

なお、ガバナの応答遅れや、発電機出力の計測回路（フィードバック）での誤差等から、目標値と実際の出力を完全に一致させることは難しいので、実際には不感帯（δＰ）を設けて、発電機出力が目標値±δＰ以内に収まったら出力制御を終了する方式を採用している。

さらに、不感帯の幅を可変とする方式として、発電電力偏差を蓄積する積分要素をもとに必要な不感帯幅を可変設定しておき、不感帯幅と発電電力偏差を通じて得られる結果よりガバナ制御パルスの幅を求め、このパルス幅をもつガバナ制御パルスを発生すると共に積分要素の蓄積を０にリセットすることにより、発電電力偏差が不感帯幅の範囲内にある場合でも、積分要素に蓄積される量が多くなると、不感帯幅を小さくしてガバナ制御パルスの出力を促し、発電電力偏差を小さくするものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平０５−２１１７９９号公報

図４の（ｂ）で、「不感帯幅が広い」、「発電機出力の変化が緩やかである」といった状況では、発電機の出力が不感帯幅に入ってから目標値に到達するまでの時間が理論上長くなるため、「発電機出力が目標値±不感帯（δＰ）に収まったら制御を終了する」という制御方式では、目標値に到達する前に制御終了となるケースが考えられる。

例えば、図５は発電機出力が不感帯幅に入ってから目標値に到達するまでの時間が長い場合の制御応動を示し、この場合の真の目標値はＰ₂だが、実際にはそれよりも低いＰ₂’で制御が終了することが懸念される。

この点、特許文献１のように、不感帯幅を制御偏差に応じて制御すると、真の目標値に近い値で制御を終了することができる。しかしながら、不感帯幅の設定や制御系の応答性、発電機の目標出力の大きさによっては、図４の（ａ）のように不安定な制御になるおそれがあるし、図４の（ｂ）のように制御遅れになるおそれがある。

本発明の目的は、制御系の不感帯幅や応答性、発電機の目標出力の違いにも、安定性良くかつ制御遅れを小さくした発電機出力制御ができる制御装置および制御方法を提供することにある。

本発明は、発電機の出力制御を終了するときの判定基準を「目標値±不感帯（δＰ）」ではなく、現在値が「目標値＋δＰ」、「目標値−δＰ」のいずれにあるかを見直すことで制御系の不感帯幅や応答性、発電機の目標出力の違いにも、発電機の出力制御を目標値まで、安定性良くかつ制御遅れを小さくした制御ができるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１） 制御装置から発電機のガバナ増減指令を発して発電機の出力を制御する装置であって、
前記制御装置は、
目標発電機出力Ｐ₂と現在発電機出力Ｐ₁の偏差｜Ｐ₂−Ｐ₁｜が発電機定格Ｐに対する不感帯幅δＰ内にあるか否かを判定する判定手段と、
前記判定結果が不感帯幅δＰを逸脱し、かつ目標発電機出力Ｐ₂が現在発電機出力Ｐ₁よりも大きいときは、目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めて、その時間だけガバナ増指令を１回発し、その時点から応答待ち時間だけ待機し、現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ が不感帯幅δＰ外にある場合は再び目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めてその時間だけガバナ増指令を１回発する制御を繰り返す出力増制御手段と、
前記判定結果が不感帯幅δＰを逸脱し、かつ目標発電機出力Ｐ₂が現在発電機出力Ｐ₁よりも小さいときは現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めて、その時間だけガバナ減指令を１回発し、その時点から応答待ち時間だけ待機し、目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ が不感帯幅δＰ外にある場合は再び現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めてその時間だけガバナ減指令を１回発する制御を繰り返す出力減制御手段と、
を備えたことを特徴とする。

（２）制御装置から発電機のガバナ増減指令を発して発電機の出力を制御する方法であって、
前記制御装置は、
目標発電機出力Ｐ₂と現在発電機出力Ｐ₁の偏差｜Ｐ₂−Ｐ₁｜が発電機定格Ｐに対する不感帯幅δＰ内にあるか否かを判定する判定手順と、
前記判定結果が不感帯幅δＰを逸脱し、かつ目標発電機出力Ｐ₂が現在発電機出力Ｐ₁よりも大きいときは、目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めて、その時間だけガバナ増指令を１回発し、その時点から応答待ち時間だけ待機し、現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ が不感帯幅δＰ外にある場合は再び目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めてその時間だけガバナ増指令を１回発する制御を繰り返す出力増制御手順と、
前記判定結果が不感帯幅δＰを逸脱し、かつ目標発電機出力Ｐ₂が現在発電機出力Ｐ₁よりも小さいときは現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めて、その時間だけガバナ減指令を１回発し、その時点から応答待ち時間だけ待機し、目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ が不感帯幅δＰ外にある場合は再び現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めてその時間だけガバナ減指令を１回発する制御を繰り返す出力減制御手順と、
を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、発電機の出力制御を終了するときの判定基準を「目標値±不感帯（δＰ）」ではなく、現在値が「目標値＋δＰ」、「目標値−δＰ」のいずれにあるかを見直すことで、制御系の不感帯幅や応答性、発電機の目標出力の違いにも、発電機の出力制御を目標値まで、安定性良くかつ制御遅れを小さくした制御ができる。

図１は、本発明の実施形態を示す出力制御処理手順であり、図３に示す構成において、発電機制御端末１０の演算部１１がもつソフトウェア構成として示す。本実施形態では、発電機の出力制御を終了するときの判定基準を「目標値±不感帯（δＰ）」ではなく、「目標値＋δＰ」、「目標値−δＰ」に見直すことで不感帯幅が広い場合や出力変化が緩やかな場合でも発電機の出力制御を目標値付近まで、安定性良くかつ制御遅れを小さくした制御を得る。

発電機の出力制御開始には、発電機出力増／減フラグをそれぞれ「０」に初期設定し（Ｓ１）、設定値／指令値／現在値などを読み込む（Ｓ２）。このうち、設定値は、発電機出力変化率Ｋ_P［ｋＷ／ｓｅｃ］、応答待ち時間ｔ₂［ｓｅｃ］、発電機定格Ｐ［ｋＷ］、不感帯幅δＰ［％］、制御係数ｋ_c［％］、最小パルス幅τ［ｍｓ］とする。指令値は目標発電機出力Ｐ₂［ｋＷ］とする。現在値は計測される現在発電機出力Ｐ₁［ｋＷ］とする。

出力制御開始では、出力増減のフラグが共に「０」になる（Ｓ３）。この場合、目標発電機出力Ｐ₂と現在発電機出力Ｐ₁の絶対値偏差｜Ｐ₂−Ｐ₁｜が発電機定格Ｐに対する不感帯幅δＰ内にあるか否かを判定する（Ｓ４）。この判定で、不感帯幅δＰ内にあれば処理（Ｓ２）に戻って現在の目標発電機出力Ｐ₂と現在発電機出力Ｐ₁の読み込みによるチェックをしながら現在制御状態を継続し、偏差｜Ｐ₂−Ｐ₁｜が発電機定格Ｐの不感帯幅δＰよりも大きいとき（逸脱したとき）に目標発電機出力Ｐ₂と現在発電機出力Ｐ₁のいずれが大きいかの判定を行う（Ｓ５）。この判定は、現在値が「目標値＋δＰ」、「目標値−δＰ」のいずれにあるかによって、発電機出力を目標値に向かって上昇させる制御、または下降させる制御の切り替えを行うものである。

発電機出力を目標値に向かって上昇させる制御では、その出力増フラグを「１」にセットし（Ｓ６）、発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間ｔ₁を計算する（Ｓ７）。この計算は、発電機出力変化率Ｋ_Pと制御係数Ｋ_Cを使って下記の式１で行う。

［数１］ ｔ₁＝｛（Ｐ₂−Ｐ₁）／Ｋ_P｝×Ｋ_C／１００ …（１）
制御端末１０は、上記の演算で求められた時間ｔ₁［ｓｅｃ］だけ、ガバナ増の１発のパルスを出力し（Ｓ８）、その時点から応答待ち時間ｔ₂だけ待機する（Ｓ９）。この待機後、現在値出力Ｐ₁を読み込み（Ｓ１０）、現在値出力Ｐ₁と指令値Ｐ₂の偏差が発電機定格Ｐの不感帯幅δＰ内に入ったか否かを下記の式２で判定する（Ｓ１１）。

［数２］ Ｐ₁−Ｐ₂≦Ｐ×δ／１００ …（２）
不感帯幅δＰ内に入っていなければ処理Ｓ２に戻り、処理Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６経由で再び時間ｔ₁を計算しガバナ増制御を行う。現在値出力Ｐ₁と指令値Ｐ₂の偏差が発電機定格Ｐの不感帯幅δＰ内に入った場合、ガバナ増のフラグを「０」に戻し（Ｓ１２）、処理Ｓ２に戻ってＳ３、Ｓ４の繰り返しで出力増の処理を終了する。このとき、発電機出力Ｐ₁は式（２）で定める不感帯幅δＰ内に入った状態に維持され、この状態を逸脱したときには処理Ｓ４からＳ５〜Ｓ１１の経路でガバナ増の制御、または後述のＳ１３〜Ｓ１８の経路でガバナ減の制御を行い、発電機出力Ｐ₁を目標値Ｐ₂に許容する偏差内に保持する。

発電機出力を目標値に向かって下降させる制御では、その出力増フラグを「１」にセットし（Ｓ１３）、発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間ｔ₁を計算する（Ｓ１４）。この計算は、発電機出力変化率Ｋ_Pと制御係数ｋ_cを使って下記の式３で行う。

［数３］ ｔ₁＝｛（Ｐ₁−Ｐ₂）／Ｋ_P｝×Ｋ_C／１００ …（３）
制御端末１０は、上記の演算で求められた時間ｔ₁［ｓｅｃ］だけ、ガバナ減のパルスを出力し（Ｓ１５）、その時点から応答待ち時間ｔ₂だけ待機する（Ｓ１６）。この待機後、現在値出力Ｐ₁を読み込み（Ｓ１０）、現在値出力Ｐ₁と指令値Ｐ₂の偏差が発電機定格Ｐの不感帯幅δＰ内に入ったか否かを下記の式４で判定する（Ｓ１７）。

［数４］ Ｐ₂−Ｐ₁≦Ｐ×δ／１００ …（４）
不感帯幅δＰ内に入っていなければ処理Ｓ２に戻り、処理Ｓ３、Ｓ５、Ｓ１３経由で再び時間ｔ₁を計算しガバナ減制御を行う。現在値出力Ｐ₁と指令値Ｐ₂の偏差が発電機定格Ｐの不感帯幅δＰ内に入った場合、ガバナ減のフラグを「０」に戻し（Ｓ１８）、処理Ｓ２に戻ってＳ３、Ｓ４の繰り返しで出力減の処理を終了する。このとき、発電機出力Ｐ₁は式（４）で定める不感帯幅δＰ内に入った状態に維持され、この状態を逸脱したときには処理Ｓ４からＳ５〜Ｓ１１の経路でガバナ増の制御、または後述のＳ１３〜Ｓ１７の経路でガバナ減の制御を行い、発電機出力Ｐ₁を目標値Ｐ₂に許容する偏差内に保持する。

したがって、本実施形態では、発電機の出力制御を終了するときの判定基準を「目標値±不感帯（δＰ）」ではなく、「目標値＋δＰ」、「目標値−δＰ」に見直すことで不感帯幅が広い場合や出力変化が緩やかな場合でも発電機の出力制御を目標値付近まで継続させる。

具体例を図２の（ａ），（ｂ）に示す。従来は発電機の出力制御の終了基準を「目標値±δＰ」としていたが、これを発電機出力を上昇させる場合は目標値＋δＰ（図２の（ａ）参照）、発電機出力を下降させる場合は目標値−δＰ（図２の（ｂ）参照）に見直す。

また、本実施形態では、発電機出力Ｐ₁と目標値Ｐ₂の偏差が不感帯幅内に入るまで、変化率Ｋ_Pと制御係数Ｋ_Cを基にした時間ｔ₁だけガバナ増減パルスを与える制御になり、不感帯幅の設定や制御系の応答性、発電機の目標出力の大きさに拘わらず、安定した制御と応答性良い制御ができる。

なお、実施形態では、発電機用制御端末から発電機制御盤にガバナ増減のパルス信号を与えて発電機出力を制御する装置構成とする場合を示すが、装置構成や伝送情報形式などを適宜設計変更できる。例えば、パルス信号の幅（時間）に代えてパルスコードなどガバナ増減時間を指令できるデータであればよい。

本発明の実施形態を示す出力制御処理手順。 発電機出力の上昇／下降の制御波形例。 発電機の制御システム。 ガバナ増減の応答例。 発電機出力が不感帯に入ってから目標値に到達する間での波形例。

符号の説明

１０ 発電機用制御端末
２０ 制御サーバ
３０ 発電機制御盤

Claims (2)

1. 制御装置から発電機のガバナ増減指令を発して発電機の出力を制御する装置であって、
   前記制御装置は、
   目標発電機出力Ｐ₂と現在発電機出力Ｐ₁の偏差｜Ｐ₂−Ｐ₁｜が発電機定格Ｐに対する不感帯幅δＰ内にあるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定結果が不感帯幅δＰを逸脱し、かつ目標発電機出力Ｐ₂が現在発電機出力Ｐ₁よりも大きいときは、目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めて、その時間だけガバナ増指令を１回発し、その時点から応答待ち時間だけ待機し、現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ が不感帯幅δＰ外にある場合は再び目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めてその時間だけガバナ増指令を１回発する制御を繰り返す出力増制御手段と、
   前記判定結果が不感帯幅δＰを逸脱し、かつ目標発電機出力Ｐ₂が現在発電機出力Ｐ₁よりも小さいときは現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めて、その時間だけガバナ減指令を１回発し、その時点から応答待ち時間だけ待機し、目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ が不感帯幅δＰ外にある場合は再び現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めてその時間だけガバナ減指令を１回発する制御を繰り返す出力減制御手段と、
   を備えたことを特徴とする発電機の出力制御装置。
2. 制御装置から発電機のガバナ増減指令を発して発電機の出力を制御する方法であって、
   前記制御装置は、
   目標発電機出力Ｐ₂と現在発電機出力Ｐ₁の偏差｜Ｐ₂−Ｐ₁｜が発電機定格Ｐに対する不感帯幅δＰ内にあるか否かを判定する判定手順と、
   前記判定結果が不感帯幅δＰを逸脱し、かつ目標発電機出力Ｐ₂が現在発電機出力Ｐ₁よりも大きいときは、目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めて、その時間だけガバナ増指令を１回発し、その時点から応答待ち時間だけ待機し、現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ が不感帯幅δＰ外にある場合は再び目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めてその時間だけガバナ増指令を１回発する制御を繰り返す出力増制御手順と、
   前記判定結果が不感帯幅δＰを逸脱し、かつ目標発電機出力Ｐ₂が現在発電機出力Ｐ₁よりも小さいときは現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めて、その時間だけガバナ減指令を１回発し、その時点から応答待ち時間だけ待機し、目標発電機出力Ｐ ₂ −現在発電機出力Ｐ ₁ が不感帯幅δＰ外にある場合は再び現在発電機出力Ｐ ₁ −目標発電機出力Ｐ ₂ と単位時間に対する発電機出力変化率Ｋ _P と制御係数Ｋ _C から発電機出力が目標値に達するまでに必要な時間を求めてその時間だけガバナ減指令を１回発する制御を繰り返す出力減制御手順と、
   を備えたことを特徴とする発電機の出力制御方法。

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