JP5942490B2 - 自動力率制御装置および自動力率制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、同期発電機の自動力率制御装置および自動力率制御方法に関する。

一般に、需要家の構内に設置する同期発電機が発電する電力は、有効電力と無効電力とを含む皮相電力である。有効電力とは、負荷で実際に消費される電力であり、無効電力とは、負荷と電源とで往復するだけで消費されない電力である。しかも、無効電力は、負荷で消費されないにも拘らず、電力損失を発生させてしまう電力である。したがって、無効電力を発電する必要性はないようにも思えるが、電力を消費する負荷となる電気機器の多くが内部にコイル成分を有し、同期発電機が無効電力を発電することは不可避である。

一方、電力会社が需要家へ送電する電力も有効電力と無効電力とを含む皮相電力である。したがって、電力会社は、実際は需要家にて消費されない無効電力を含んだ皮相電力を需要家へ送電している。その結果、電力会社は、無効電力とを含む皮相電力を許容する容量の発電機、変圧器、およびその他の送電設備を備え、さらに無効電力の送電に伴う電力損失の発生を負担しているという現実がある。

ところで、需要家の受電点における力率（皮相電力に対する有効電力の割合）を改善することができれば、電力会社から需要家への間の送電設備などのコストおよび電力損失の発生を抑えることができる。そして、需要家の受電点における力率を改善する方法の一つが、需要家の構内に設置される同期発電機により積極的に無効電力を発電することである。つまり、この力率の改善方法は、需要家の構内における負荷が必要とする無効電力を、自構内の同期発電機により賄うことにより、電力会社から需要家への送電される無効電力を削減するという方法である。

以上の観点から、需要家の自構内に設置された同期発電機において無効電力を最大化させ、受電点における力率を改善する技術が幾つか知られている。例えば、特許文献１には、ガスタービンの吸気温度に応じて同期発電機が発電する電力の力率を制御する方法が記載されている。特許文献２には、受電電源からの有効電力ならびに無効電力および並列運転を行う他の同期発電機からの有効電力ならびに無効電力を検出して、同期発電機が発電する電力の力率を制御する方法が記載されている。

特開昭６４−１６３００号公報 特開平６−１４４６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法は，ガスタービン発電機に特有の現象を利用したものであり、ボイラ発電機などには適用することができない。また、特許文献２に記載された方法は、受電電源および並列運転を行う他の同期発電機からの有効電力ならびに無効電力の検出にかかる信号を必要とするので、需要家の構内が広く同期発電機が遠く離れた場所に設置されている場合、当該信号のためのケーブル布設の手間と費用がかかるといった問題や、同期発電機の無効電力を最大化することのみを目的とした場合でも４つの信号により制御を行わなければならないとういう無駄なコストがかかるといった問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、既存設備に新たな部品を加えることなく、同期発電機が発電する無効電力を最大化させる力率の設定値を方法で算出する自動力率制御装置および自動力率制御方法を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる自動力率制御装置は、同期発電機が発電する電力のうち有効電力を検出する有効電力検出手段と、前記有効電力検出手段が検出した有効電力と所定の設定値である余裕係数とに基づき、前記同期発電機が発電する電力の力率の設定値を算出する力率演算手段と、前記力率演算手段が算出した力率の設定値に基づき、前記同期発電機の界磁電流を制御する力率調整手段とを備えることを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる自動力率制御方法は、同期発電機が発電する電力のうち有効電力を検出する有効電力検出ステップと、前記有効電力検出ステップが検出した有効電力と所定の設定値である余裕係数とに基づき、前記同期発電機が発電する電力の力率の設定値を算出する力率演算ステップと、前記力率演算ステップが算出した力率の設定値に基づき、前記同期発電機の界磁電流を制御する力率調整ステップとを含むことを特徴とする。

本発明にかかる自動力率制御装置および自動力率制御方法は、既存設備に新たな部品を加えることなく、同期発電機が発電する無効電力を最大化させる力率の設定値を方法で算出することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態にかかる自動力率制御装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図２は、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法を示すフローチャートである。 図３は、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法にかかる力率の設定方法を説明するための出力可能曲線を示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態にかかる自動力率制御装置および自動力率制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態にかかる自動力率制御装置の概略構成を示す機能ブロック図である。図１に示されるように、本発明の実施形態にかかる自動力率制御装置１は、有効電力検出器２と、力率演算器３と、自動力率調整器（ＡＰＦＲ）４と、自動電圧調整器（ＡＶＲ）５とを備える。

有効電力検出器２は、同期発電機６により発電された皮相電力のうち、有効電力の大きさを検出する装置である。そして、力率演算器３は、有効電力検出器２により検出された有効電力の大きさと発電機操作装置８により設定される余裕係数とに基づいて同期発電機６の力率の設定値を算出する装置である。なお、発電機操作装置８は、同期発電機６のオペレータが操作を行う通常の操作装置として構成され得る。また、この力率演算器３が行う同期発電機６の力率の設定値の算出方法については、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法として後に詳述する。

自動力率調整器（ＡＰＦＲ）４は、同期発電機６の力率が力率演算器３が設定した値となるよう界磁電流を自動的に調整する装置である。そして自動電圧調整器（ＡＶＲ）５は、同期発電機６の界磁電圧を可変することにより同期発電機６の力率を可変させる装置である。

同期発電機６は、界磁の作る磁界を電機子巻線が横切る回転速度に同期した電力を発電する一般的な発電機であり、界磁を励起する界磁電流の制御により、発電電力の力率を制御することができる発電機である。したがって、同期発電機６は、自動力率調整器（ＡＰＦＲ）４および自動電圧調整器（ＡＶＲ）５を介して、力率演算器３が設定した力率で発電をすることが可能な構成となっている。

なお、上記のように力率が制御された皮相電力は、変圧器７を介して上位系統に送電され、需要家の構内の負荷によって消費される。以上のように、本発明の実施形態にかかる自動力率制御装置１は、有効電力検出器２と、力率演算器３と、自動力率調整器（ＡＰＦＲ）４と、自動電圧調整器（ＡＶＲ）５という、既存の構成に新たな部品を加えることなく、同期発電機６が発電する無効電力を最大化させる。

次に、図２および図３を参照しながら、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法について説明する。図２は、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法を示すフローチャートであり、図３は、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法にかかる力率の設定方法を説明するための出力可能曲線を示すグラフである。

図２に示されるように、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法は、最初に有効電力検出器２が同期発電機６により発電された皮相電力の有効電力を検出する（ステップＳ１）。そして、力率演算器３が、有効電力検出器２により検出された有効電力の大きさに基づいて同期発電機６の力率の設定値を算出する（ステップＳ２）。

力率演算器３が行う同期発電機６の力率の設定値の算出方法については、以下のように行う。

同期発電機６には、図３に示されるような容量的な運転限界が存在する。この運転限界を曲線で表したものは、同期発電機６の「可能出力曲線」と呼ばれる。図３に示されるように、同期発電機６の可能出力曲線は、横軸を有効電力とし縦軸を無効電力とする平面に描かれ、可能出力曲線の内側（つまり原点側）が同期発電機６の出力可能な皮相電力を表している。

図３に示されるように、遅相運転領域（座標平面の右上領域）における同期発電機６の可能出力曲線は、２つの要因によって規定されている。１つ目の要因は、界磁電流による制約であり、図３中では記号Ａで示される曲線により表されている。２つ目の要因は、電気子電流による制約であり、図３中では記号Ｂで示される曲線により表されている。また、これら記号Ａおよび記号Ｂで示される曲線の交点と座標平面の原点とを結んだ角度θ_１の直線Ｌは、同期発電機６の定格力率を示す直線である。

通常、同期発電機６の運転は、発電される皮相電力が定格力率となるように行われている。すなわち、図３中の例を用いて説明すれば、有効電力がＰ_１である場合、無効電力がＱ_２となるように界磁電流が制御されて同期発電機６が運転される（図３中ではＭ_２の点で示されている）。

しかしながら、図３に示されるように、有効電力がＰ_１である場合、無効電力がＱ_１に至るまで同期発電機６の運転能力に余裕がある。そこで、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法にかかる力率の設定方法では、有効電力がＰ_１である場合に無効電力がＱ_１になるように、力率演算器３が同期発電機６の力率の設定を行う（図３中ではＭ_１の点で示されている）。

具体的には、力率演算器３は以下のような計算を行う。すなわち、力率演算器３は、有効電力検出器２により検出された有効電力がＰである場合、下記（式１）によって同期発電機６の力率の設定を行う。

ただし、ｆ（Ｐ）は、同期発電機６の可能出力曲線を示す関数である。

一方、上記（式１）で演算された力率（ｃｏｓθ（Ｍａｘ））を同期発電機６の力率の設定値に設定すると、同期発電機６の出力が急激に変動した場合に制御系の遅れにより同期発電機６の可能出力曲線の範囲を逸脱する可能性がある。すると、同期発電機６の固定子および回転子の巻線の異常加熱を招く危険性がある。

そこで、力率演算器３は、以下に示されるように、可能出力曲線に余裕係数α（０≦α＜１）を乗じた曲線を利用して、同期発電機６の力率の設定を行うことが好ましい。なお、余裕係数αは、同期発電機６のオペレータが発電機操作装置８により設定する設定値である。下記（式２）は、可能出力曲線を示す関数ｆ（Ｐ）に余裕係数αを乗じた関数ｆ（Ｐ）×αを用いて算出する同期発電機６の力率の設定値を表す。

図３に示されるように、上記（式２）を用いて力率演算器３が同期発電機６の力率の設定した場合、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法にかかる力率の設定方法では、有効電力がＰ_１である場合に無効電力がＱ_３になるように同期発電機６の力率が設定される（図３中ではＭ_３の点で示されている）。

以上をまとめると、ステップＳ２では、力率演算器３が有効電力検出器２により検出された有効電力の大きさと発電機操作装置８により設定される余裕係数とに基づいて、上記（式１）または（式２）に従い同期発電機６の力率の設定値を算出するということになる。

その後、自動力率調整器（ＡＰＦＲ）４は、同期発電機６の力率が上記のように算出された力率（ｃｏｓθ（Ｍａｘ）またはｃｏｓθ（α））となるように、自動電圧調整器（ＡＶＲ）５を介して、同期発電機６の界磁電流を制御する（ステップＳ３）。

なお、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法は、上記説明したステップＳ１〜Ｓ３を継続することにより、同期発電機が発電する無効電力を最大化させることが可能である。

以上より、本発明の実施形態にかかる自動力率制御装置１は、同期発電機６が発電する電力のうち有効電力を検出する有効電力検出器２と、有効電力検出器２が検出した有効電力と所定の設定値である余裕係数とに基づき、同期発電機６が発電する電力の力率の設定値を算出する力率演算器３と、力率演算器３が算出した力率の設定値に基づき、同期発電機６の界磁電流を制御する自動力率調整器（ＡＰＦＲ）４とを備えるので、既存設備に新たな部品を加えることなく、同期発電機６が発電する無効電力を最大化させる力率の設定値を簡単な方法で算出することができる。

また、本発明の実施形態にかかる力率演算器３は、有効電力検出器２により検出された有効電力がＰである場合、下式によって同期発電機６の力率の設定値の算出を行うことにより、同期発電機６が発電する無効電力を最大化させる力率の設定値を簡単に方法で算出することができる。

ただし、ｆ（Ｐ）は、同期発電機６の可能出力曲線を示す関数であり、αは、余裕係数である。

１ 自動力率制御装置
２ 有効電力検出器
３ 力率演算器
４ 自動力率調整器（ＡＰＦＲ）
５ 自動電圧調整器（ＡＶＲ）
６ 同期発電機
７ 変圧器
８ 発電機操作装置

Claims (2)

1. 同期発電機が発電する電力のうち有効電力を検出する有効電力検出手段と、
   前記有効電力検出手段が検出した有効電力と、オペレータが操作を行う発電機操作装置により設定される余裕係数とに基づき、前記同期発電機が発電する電力の力率の設定値を算出する力率演算手段と、
   前記力率演算手段が算出した力率の設定値に基づき、前記同期発電機の界磁電流を制御する力率調整手段と、
   を備え、
   前記力率演算手段は、前記有効電力検出手段により検出された有効電力がＰである場合、下式によって前記同期発電機の力率の設定値の算出を行うことを特徴とする自動力率制御装置。
   

   

   ただし、ｆ（Ｐ）は、前記同期発電機の可能出力曲線を示す関数であり、αは、前記余裕係数であり、０≦α＜１である。
2. 同期発電機が発電する電力のうち有効電力を検出する有効電力検出ステップと、
   前記有効電力検出ステップが検出した有効電力と、オペレータが操作を行う発電機操作装置により設定される余裕係数とに基づき、前記同期発電機が発電する電力の力率の設定値を算出する力率演算ステップと、
   前記力率演算ステップが算出した力率の設定値に基づき、前記同期発電機の界磁電流を制御する力率調整ステップと、
   を含み、
   前記力率演算ステップは、前記有効電力検出ステップにより検出された有効電力がＰである場合、下式によって前記同期発電機の力率の設定値の算出を行うことを特徴とする自動力率制御方法。
   

   

   ただし、ｆ（Ｐ）は、前記同期発電機の可能出力曲線を示す関数であり、αは、前記余裕係数であり、０≦α＜１である。

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