JP5517865B2 - 発電プラントの発電機電圧制御システム - Google Patents

Description

本発明は、発電プラントの発電機電圧制御システムに関する。

図６は、従来の発電プラントの発電機電圧制御装置の概要を示す。本図は、発電機１を、主変圧器３の高圧側にある主変圧器遮断器２の投入により送電系統側と同期させる高圧同期方式のプラントを例として記載している。発電機１の運転時、発電機１で発生した電力は、発電機１出力側に設けられた主変圧器３，主変圧器遮断器２及び開閉所１４を介して外部の送電系統に出力されると共に、発電機１と主変圧器３の間から分岐した回路に接続される所内変圧器４及び前記所内変圧器４に接続される所内変圧器受電遮断器５を介して所内高圧母線６に給電される。所内高圧母線６には、発電プラントの運転に必要な所内負荷電動機７等が接続されている。

また、発電機１の出力運転に必要な発電機１の励磁電源は、発電機１と主変圧器３の間から分岐した回路から励磁電源変圧器８を介して接続されるサイリスタ９にて直流電力に変換され、直流電力は前記サイリスタ９に接続される界磁遮断器１０を介して界磁巻線１１に供給される。

尚、発電機１の出力側に設けられた計器用変圧器１２は発電機出力電圧を計測し、発電機電圧制御装置１３は本電圧信号を取り込み、発電機１出力電圧が所定の電圧値となる様にサイリスタ９を制御することにより、界磁巻線１１に供給される界磁電流を制御する。

発電機１が送電系統と接続され、出力運転している状態で、送電系統や開閉所１４で短絡・地絡等の電気事故が発生し、保護装置１５が前記電気事故を検出すると、事故点と発電プラントを切離すことを目的に、前記保護装置１５は主変圧器遮断器２に開放信号を出力する。これにより、主変圧器遮断器２が開放し、発電プラントは事故点から切離される。発電プラントは、発電プラントの運転に必要な所内負荷のみに電源を供給する所内単独運転へ移行し、運転を継続する。

特開平１１−１１３２９６号公報

上記の様に、送電系統や開閉所１４で短絡・地絡等の電気事故が発生し、発電機１の出力電圧が低下すると、発電機電圧制御装置１３が計器用変圧器１２を介してこの発電機出力電圧の低下を検知する。そして、発電機電圧制御装置１３は、発電機１が所定の電圧を出力する様に、発電機１の出力電圧を上昇させる方向に制御する。

一方、保護装置１５が事故を検出し、主変圧器遮断器２を開放すると、事故点が除去され、発電機出力電圧が復帰する。この時、発電機電圧制御装置１３は低下した発電機１出力電圧を上昇させる方向に制御している。そのため、フィードバックにより発電機１出力電圧が定格値に戻るまでには、制御遅れがあることから、発電機１出力電圧は定格値をオーバーシュートし、発電プラントの所内変圧器４や前記所内変圧器４を介して給電される所内負荷等の電気設備に過電圧を印加させてしまい、機器損傷を引き起こす可能性があった。また、このような過電圧により、所内変圧器４等の変圧器は過励磁状態となり、増大した励磁電流によって、変圧器を保護するために設置されている比率差動継電器２０を誤動作させる可能性があり、所内単独運転の継続ができなくなるという問題があった。

以上のように、従来の発電プラントの構成では、送電系統等での事故発生時に、発電機電圧制御のオーバーシュートによる過電圧が生じ、所内電気設備の損傷や変圧器保護用の比率差動継電器の誤動作により、所内単独運転の継続が不可能になることが有り得るという問題があった。

そこで本発明の目的とするところは、送電系統等の外部事故により所内単独運転へ移行する発電プラントにおいて、事故除去後の制御のオーバーシュートによる過電圧の発生を抑制し、所内単独運転の継続を可能とすることにある。

本発明は、発電機通常運転時には、発電機出力側に設けた計器用変圧器により前記発電機出力電圧を監視し、前記発電機の出力電圧が所定の電圧値となるようにサイリスタを制御する発電機電圧制御装置が送電系統や開閉所での電気事故発生時には、前記事故を検知する保護装置の事故検出信号に基づき、前記発電機の界磁巻線に無負荷界磁電圧を発生させる制御にその制御モードを切替えることを特徴とする。

本発明によれば、送電系統等の外部事故により所内単独運転へ移行する発電プラントにおいて、事故除去後の制御のオーバーシュートによる過電圧の発生量を抑制し、所内単独運転の継続が可能である。

実施例１の発電プラント用発電機電圧制御装置の構成図である。 実施例２の発電プラント用発電機電圧制御装置の構成図である。 実施例３の発電プラント用発電機電圧制御装置の構成図である。 実施例４の発電プラント用発電機電圧制御装置の構成図である。 実施例５の発電プラント用発電機電圧制御装置の構成図である。 従来の発電プラント用発電機電圧制御装置の構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は本発明を採用した一実施例である発電プラントの発電機電圧制御システムの構成を示す。

図１では、発電機１を主変圧器３高圧側にある主変圧器遮断器２の投入により送電系統側と並列させる高圧同期方式の発電プラントの所内電源設備の構成を示している。発電機１の運転時、発電機１で発生した電力は、発電機１出力側に設けられた主変圧器３，主変圧器遮断器２及び開閉所１４を介して外部の送電系統に出力されると共に、発電機１と主変圧器３の間から分岐した回路に接続される所内変圧器４及び前記所内変圧器４に接続される所内変圧器受電遮断器５を介して所内高圧母線６に給電される。所内高圧母線６には、発電プラントの運転に必要な所内負荷電動機７等の所内負荷が接続されている。

また、発電機１の出力運転に必要な発電機１の励磁電源は、発電機１と主変圧器３の間から分岐した回路から励磁電源変圧器８を介して接続されるサイリスタ９にて直流電力に変換され、この電力は前記サイリスタ９に接続される界磁遮断器１０を介して界磁巻線１１に供給される。

尚、発電機１を運転する際、発電機１の出力側に設けられた計器用変圧器１２が発電機出力電圧を計測し、本電圧信号は発電機電圧制御装置１３に取り込まれる。そして、前記発電機電圧制御装置１３は、発電機出力電圧が所定の電圧値となる様にサイリスタ９を制御することにより、界磁巻線１１に供給される界磁電流を制御する。

ここで、送電系統や開閉所１４で短絡等の電気事故が発生すると、送電系統や開閉所１４の状態を監視する保護装置１５が事故を検知する。保護装置１５によって電気事故が検知されると、保護装置１５は、主変圧器遮断器２へ開放指令を伝送すると共に、発電機電圧制御装置１３へ電気事故発生の信号を伝送する。電気事故は、主変圧器遮断器２の開放によって除去されるが、保護装置１５は一旦事故を検知すると、事故要因の除去を確認してリセット操作を行うまで事故信号出力を継続する構成となっている。

この時、主変圧器遮断器２が開放されると、発電プラントは送電系統から切離され、発電機１は、発電機１の出力運転に必要な所内負荷電動機７等の所内負荷、及び励磁電源として励磁電源変圧器８にのみ電力を供給しながら運転を継続する所内単独運転へと移行する。尚、所内単独運転時における発電機１の出力運転に必要な電力は、発電機１の定格の出力容量の数％程度である。

発電機電圧制御装置１３は、電気事故発生の信号を受信すると、所定電圧値モードから無負荷界磁電圧モードに切替わる。所定電圧値モードとは、発電機１の出力側に設けられた計器用変圧器１２によって発電機出力電圧を監視し、発電機出力電圧が所定の電圧値となる様に制御するモードである。なお、電気事故発生により、発電プラントは所内単独運転に移行するが、上記の様に、所内単独運転時の発電機１の出力は定格容量に比べて非常に小さい。そこで、無負荷界磁電圧モードでは、界磁巻線１１に発電機１の無負荷界磁電圧を発生させる様に制御するモードであり、このモードにおいて発電機１の運転を継続する。

ここで、発電機１の出力電圧の許容変動範囲は、「電気学会電気規格調査会標準規格同期機 ＪＥＣ−２１３０」で規定されており、例えば、定格出力１０ＭＶＡ以上の発電機であれば、±５％以下である。そこで、界磁巻線１１に発電機１の無負荷界磁電圧を発生させる様に制御する無負荷界磁電圧モードに切替えた後も、発電機１出力側に設けた計器用変圧器１２は発電機出力電圧を監視する。そして、発電機１の出力電圧が設定値（電圧変動の許容範囲が±５％なので、これ以下の変動範囲を設定）の範囲外となる状態がある時間（例えば設定値を±４％で設定した場合、±４％の電圧変動を発電機１等の所内電源機器が許容する時間以下）になると、通常の発電機１の出力側に設けられた計器用変圧器１２によって発電機出力電圧を監視し、発電機出力電圧が所定の電圧値となる様に制御する所定電圧値モードに戻し、所内単独運転を継続する。

このように、本実施例では、発電機通常運転時には、発電機出力側に設けた計器用変圧器により発電機出力電圧を監視し、発電機の出力電圧が所定の電圧値となるように前記サイリスタを制御し、送電系統や開閉所での電気事故発生時には、発電機電圧制御装置が事故を検知する保護装置の事故検出信号に基づき、発電機の界磁巻線に無負荷界磁電圧を発生させる制御に切替えることを特徴とする。この制御により、事故除去後の制御のオーバーシュートによる過電圧の発生を抑制し、所内単独運転の継続を可能とする。また、発電機電圧の過渡変動量を抑制すると共に、その継続時間を短時間で収束させ、安定した所内単独運転を継続することが可能となる。

図２は、本発明を採用した一実施例である発電プラントの発電機電圧制御システムの構成を示す。実施例１の発電機電圧制御装置１３は、保護装置１５から伝送される事故信号の入力のみで、界磁巻線１１に発電機１の無負荷界磁電圧を発生させる様に制御する無負荷界磁電圧モードに切替えていた。一方、本実施例では、発電機１が送電系統と接続されている状態で、送電系統や開閉所１４で電気事故が発生した時のみ発電機電圧制御装置１３が制御モードを切替える様に、保護装置１５から伝送される事故信号と、保護装置１５からの指令により主変圧器遮断器２が開放したことを示す信号とのＡＮＤ条件の成立により、発電機電圧制御装置１３の制御モードを切替える。

図３は、本発明を採用した一実施例である発電プラントの発電機電圧制御システムの構成を示す。実施例１の発電機電圧制御装置１３は、保護装置１５から伝送される事故信号の入力のみで、界磁巻線１１に発電機１の無負荷界磁電圧を発生させる様に制御する無負荷界磁電圧モードに切替えていた。一方、本実施例では、発電機１が送電系統と接続されている状態で、送電系統や開閉所１４で電気事故が発生した時のみ発電機電圧制御装置１３が制御モードを切替える様に、保護装置１５から伝送される事故信号と主変圧器遮断器２の閉信号に瞬時動作，限時復帰タイマー１７を設けた信号とのＡＮＤ条件の成立により発電機電圧制御装置１３の制御モードを切替える。尚、前記の瞬時動作，限時復帰タイマー１７の設定値としては、保護装置１５から伝送される事故信号により発電機電圧制御装置１３の制御モードの切替完了まで信号出力を継続できる長さとする。

図４は、本発明を採用した一実施例である発電プラントの発電機電圧制御システムの構成を示す。図４に示す発電プラントは、発電機１の出力側でかつ主変圧器３の低圧側に設けた発電機負荷開閉器１６の投入により発電機１を送電系統に並列させる低圧同期方式の発電プラントである。実施例３は、発電機１が送電系統と接続されている状態で、送電系統や開閉所１４で電気事故が発生した時のみ発電機電圧制御装置１３が制御モードを切替える様に、保護装置１５から伝送される事故信号と主変圧器遮断器２の閉信号に瞬時動作，限時復帰タイマー１７を設けた信号とのＡＮＤ条件の成立を制御モードの切替条件としていた。一方、本実施例では、低圧同期方式のプラントにおいても発電機１が送電系統と接続されている状態で、送電系統や開閉所１４で電気事故が発生した時のみ発電機電圧制御装置１３の制御モードを切替える様に、実施例３の条件に発電機負荷開閉器１６の閉信号を加え、３つの条件のＡＮＤ条件の成立により発電機電圧制御装置１３の制御モードを切替える。尚、図４は、主変圧器遮断器２の開閉状態を示す条件として、実施例３と同じ条件としたが、実施例２と同じ条件とすることも可能である。

図５は、本発明を採用した一実施例である発電プラントの発電機電圧制御システムの構成を示す。実施例１は、発電機電圧制御装置１３が保護装置１５から伝送される事故信号の入力により、界磁巻線１１に発電機１の無負荷界磁電圧を発生させる様に制御するモードに切替えていた。一方、本実施例では、所内変圧器４一次側に設置した所内変圧器計器用変流器１８、及び励磁電源変圧器８一次側に設けられた励磁電源変圧器計器用変流器１９、及び発電機１出力側に設置した計器用変圧器１２から得られる電気信号を発電機電圧制御装置１３に取り込む点が相違する。発電機電圧制御装置１３は、前記電気信号により所内負荷の消費電力及び励磁電源の消費電力を監視しており、保護装置１５から事故信号が入力されると、前記の発電プラントの消費電力分の発電をするのに適切な界磁電圧を界磁巻線１１に発生させる様に制御するモードに切替える。

尚、図５では、所内変圧器回路及び励磁電源変圧器回路の消費電力を計測する方法の一例として、所内変圧器４一次側，励磁電源変圧器８一次側に設けられた計器用変流器と、発電機１出力側に設けられた計器用変圧器１２にて所内消費電力を監視する構成を記載したが、所内消費電力の計測方法として他の方法を適用することも可能である。また、保護装置１５からの事故信号を発電機電圧制御装置１３に取り込む構成としては、実施例２〜４の構成とすることも可能である。また、発電プラントの消費電力を発電するために適切な界磁電圧を界磁巻線１１に発生させる制御モードに切替えた後、発電機電圧制御装置１３の監視及び制御モードの再切替えの構成は、実施例１と同様である。

このように、本実施例では、送電系統や開閉所での電気事故発生時には、発電機電圧制御装置が、事故を検知する保護装置の事故検出信号を取り込み、事故検出信号入力時には、発電機の界磁巻線に、計測している所内消費電力を発電機が供給するのに対して適切な界磁電圧を発生させる制御に切替える構成を有することで、所内電源設備に過電圧を印加させることを防止し、発電機電圧の過渡変動を短時間で収束させ、安定した所内単独運転を継続することが可能となる。

１ 発電機
２ 主変圧器遮断器
３ 主変圧器
４ 所内変圧器
５ 所内変圧器受電遮断器
６ 所内高圧母線
７ 所内負荷電動機
８ 励磁電源変圧器
９ サイリスタ
１０ 界磁遮断器
１１ 界磁巻線
１２ 計器用変圧器、
１３ 発電機電圧制御装置
１４ 開閉所
１５ 保護装置
１６ 発電機負荷開閉器
１７ 瞬時動作，限時復帰タイマー
１８ 所内変圧器計器用変流器
１９ 励磁電源変圧器計器用変流器
２０ 比率差動継電器

Claims (6)

1. 発電機と、前記発電機出力側に設けた主変圧器、前記主変圧器高圧側に接続される主変圧器遮断器及び開閉所を介して接続された送電系統、前記開閉所及び送電系統の状態を監視し電気事故を検知する保護装置と、
   前記発電機と前記主変圧器の間から分岐した回路に接続される所内変圧器、及び前記所内変圧器に接続される所内変圧器受電遮断器を介して接続される、発電プラントの運転に必要な所内負荷に電力を供給する所内高圧母線より構成される所内電源系統と、
   更に、前記発電機と前記主変圧器の間から分岐した回路に接続される励磁電源変圧器から供給される交流電力を直流電力に変換するサイリスタと、前記サイリスタ出力側に接続され、事故時に励磁回路を遮断する界磁遮断器と、
   前記サイリスタを制御することにより発電機界磁電流を制御する発電機電圧制御装置及び前記発電機電圧制御装置に前記発電機出力電圧信号を伝送する計器用変圧器を有する発電プラントの発電機電圧制御システムにおいて、
   発電機通常運転時には、発電機出力側に設けた計器用変圧器により前記発電機出力電圧を監視し、前記発電機の出力電圧が所定の電圧値となるように前記サイリスタを制御し、送電系統や開閉所での電気事故発生時には、前記開閉所及び送電系統の状態を監視し前記事故を検知する保護装置の事故検出信号に基づき、前記発電機電圧制御装置が前記発電機の界磁巻線に無負荷界磁電圧を発生させる制御に切替えることを特徴とする発電プラントの発電機電圧制御システム。
2. 請求項１において、送電系統や開閉所での電気事故を検知する保護装置の前記事故検出信号と前記保護装置の動作により発電プラントと送電系統を切離す主変圧器遮断器が開放したことを示す信号のＡＮＤ条件により、発電機の界磁巻線に無負荷界磁電圧を発生させる制御に切替える構成を有することを特徴とする発電プラントの発電機電圧制御システム。
3. 請求項１において、送電系統や開閉所での電気事故を検知する保護装置の前記事故検出信号と主変圧器遮断器の閉信号に瞬時動作，限時復帰タイマーを設けた信号とのＡＮＤ条件により、発電機の界磁巻線に無負荷界磁電圧を発生させる制御に切替える構成を有することを特徴とする高圧同期方式の発電プラントの発電機電圧制御システム。
4. 請求項２，３において、送電系統や開閉所での電気事故を検知する保護装置の前記事故検出信号と主変圧器遮断器の開閉状態を示す前記信号（保護装置の事故検出信号によって開放した信号若しくは閉信号に瞬時動作、限時復帰タイマーを設けた信号）に加え、発電機負荷開閉器が閉状態を示す信号とのＡＮＤ条件により、発電機の界磁巻線に無負荷界磁電圧を発生させる制御に切替える構成を有することを特徴とする低圧同期方式の発電プラントの発電機電圧制御システム。
5. 発電機と、前記発電機出力側に設けた主変圧器、前記主変圧器高圧側に接続される主変圧器遮断器及び開閉所を介して接続された送電系統、前記開閉所及び送電系統の状態を監視し電気事故を検知する保護装置と、
   前記発電機と前記主変圧器の間から分岐した回路に接続される所内変圧器、及び前記所内変圧器に接続される所内変圧器受電遮断器を介して接続される、発電プラントの運転に必要な所内負荷に電力を供給する所内高圧母線より構成される所内電源系統と、
   更に、前記発電機と前記主変圧器の間から分岐した回路に接続される励磁電源変圧器から供給される交流電力を直流電力に変換するサイリスタと、前記サイリスタ出力側に接続され、事故時に励磁回路を遮断する界磁遮断器と、
   前記サイリスタを制御することにより発電機界磁電流を制御する発電機電圧制御装置及び前記発電機電圧制御装置に前記発電機出力電圧信号を伝送する計器用変圧器を有する発電プラントの発電機電圧制御システムにおいて、
   発電機通常運転時には、発電機出力側に設けた前記計器用変圧器により発電機出力電圧を監視し、前記発電機の出力電圧が所定の電圧値となるように前記サイリスタを制御し、前記所内負荷に電源を供給する前記所内変圧器回路、及び前記発電機の励磁電源を供給する前記励磁電源変圧器回路の消費電力を監視し、
   送電系統や開閉所での電気事故発生時には、前記発電機電圧制御装置が、前記開閉所及び送電系統の状態を監視し事故を検知する前記保護装置の事故検出信号を取り込み、前記事故検出信号入力時には、前記発電機の界磁巻線に、計測している所内消費電力を発電機が供給するのに対して適切な界磁電圧を発生させる制御に切替える構成を有することを特徴とする発電プラントの発電機電圧制御システム。
6. 請求項１〜５において、送電系統での事故により、制御を切替えた後の発電プラントの発電機電圧制御装置は、発電機の出力電圧を監視し、その電圧が設定範囲を外れる時間が設定値以上になると、発電機電圧を設定値に維持する様、発電機出力電圧を監視し、制御する状態に切替える構成を有することを特徴とする発電プラントの発電機電圧制御システム。

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