JP6464801B2 - 制御装置、制御方法、及び、自立運転システム - Google Patents

Description

本発明は、自立運転時の電力系統の安定度を向上させるための制御装置、制御方法、及び、自立運転システムに関する。

電力系統で事故が発生した場合、電圧低下が発生し、STATCOM(Static synchronous Compensator：無効電力補償装置)は電圧補償制御により系統電圧を一定に保つ制御を行う。また、STATCOMに系統事故時に発生する周波数動揺を抑制するための周波数動揺抑制制御機能を持たせることも通常行われている。

従来のSTATCOMの制御装置は、系統の電圧低下が生じた場合、電圧補償制御と周波数動揺抑制制御を同時に動作させている。
しかし、周波数動揺及び電圧低下が生じ、系統電圧及び有効電力が急激に低下した場合、STATCOMの電圧補償制御部は、電圧低下を補償するために電圧を上げようとして無効電力を出力するよう動作する一方で、STATCOMの周波数動揺抑制制御部は、有効電力の減少を防ぐために電圧を下げようとして無効電力を吸収する動作を行う可能性があった。つまり、STATCOMにおいては電圧補償制御と周波数動揺抑制制御が互いに干渉し、その効果を弱めあうという課題があった。

特許文献１は、上述の課題を解決するためになされたもので、STATCOMは、系統電圧が所定内の場合には周波数動揺抑制制御のみを行い、電圧が所定外の場合には電圧補償制御のみを行うことで、電圧補償制御と周波数動揺抑制制御の干渉を防止している。

特開２０１１−２１１８０３号公報

系統事故時、発電機のAVR(Automatic Voltage Regulation)制御の影響が強く、自家設備内に設置されたSTATCOMによる周波数動揺抑制制御効果が低くなる問題があった。上記特許文献1では、STATCOM内の制御干渉は防止できたが、AVR制御と周波数動揺抑制制御の干渉については検討されていないことが課題である。

本発明は、系統事故等により発電機および負荷を有する自家設備が自立運転に切り替わった際に、周波数動揺および電圧低下が生じた場合においても、周波数動揺抑制効果を高めることが可能な制御装置、制御方法、及び、自立運転システムを提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、連系点の電圧低下が閾値以内であり、かつ自立運転に切り替わっている際には、発電機AVR用指令値演算部からAVR制御用指令値として、電圧一定制御指令値に周波数動揺抑制指令と逆位相の信号を合わせた指令値を生成し、これを発電機AVRに与えることによって、AVR制御用指令値と系統電圧の偏差を小さくすることでAVR制御の影響を小さくし、STATCOMによる周波数動揺抑制を優先して制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、系統事故等により発電機および負荷を有する自家設備が自立運転に切り替わった際に、周波数動揺および電圧低下が生じた場合においても、AVRによる電圧制御の影響を小さくしてSTATCOMによる周波数動揺抑制を優先させて制御することができるので電力系統の安定度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置を含んで成る自立運転システムの構成概要を示す図である。 本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置におけるAVR指令値演算方法を説明する図である。 本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置の周波数動揺と従来例の周波数動揺の様子を比較して示す図である。 本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置における周波数動揺抑制値を生成する制御ブロックを示す図である。 本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置における電圧補償指令値を生成する制御ブロックを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置を含んで成る自立運転システムの構成概要を示す図である。

図１に示すように、本自立運転システムでは、電力系統１と、自家設備内に設置されている発電機７が連系線３を介して接続されている。
さらに連系線３上にSTATCOM８及び負荷６、連系点３１の周波数を計測する周波数計測器４、連系点３１の電圧を計測する電圧計５が接続されている。

STATCOM８は制御装置１０を有しており、制御装置１０は周波数動揺抑制制御部１１、電圧補償制御部１２、出力制御部１３、及び、AVR(Automatic Voltage Regulation)制御指令値演算部１４を備えている。

なお、AVR制御指令値演算部１４は、本実施形態ではSTATCOM８の制御装置１０内にあるものとして説明しているが、権利範囲はこの実施形態に限定されない。AVR制御指令値演算部１４は、STATCOM８の制御装置１０とは別の制御装置に含まれてもよい。

電力系統１側で事故が発生すると、遮断器２が動作し、自家設備工場は発電機７による自家発電で負荷６に電力を供給する自立運転に切り替わる。
図２は、本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。図２において、図１を適宜参照するとともにステップを“Ｓ”と略記する。

ステップＳ１において、連系点３１の周波数を周波数計測器４で計測する。次に、ステップＳ２で、計測した周波数を元に周波数動揺抑制制御部１１で周波数動揺抑制指令値を演算する。この点をさらに説明すると、図５は、周波数動揺抑制制御部１１における周波数動揺抑制指令値を生成する制御ブロック図であり、周波数計測器４で計測した周波数をハイパスフィルタ５１に入力して低周波成分を除いたうえで位相進み遅れ補償部５２に入力する。位相進み遅れ補償部５２で位相のずれを補償した後にゲイン付加部５３によりゲインを付加して周波数動揺抑制指令値を生成する。

また、ステップＳ３において、連系点３１の電圧を電圧計５で計測する。そしてステップＳ４で、計測した電圧を元に電圧補償制御部１２で系統電圧を補償する電圧補償指令値を演算する。この点をさらに説明すると、図６は、電圧補償制御部１２における電圧補償指令値を生成する制御ブロック図であり、電圧計５で計測した電圧を加算器６１の一方に入力し、加算器６１の他方に入力される電圧指令（値が固定された系統電圧値）との差分をとり、その差分をＰＩ制御部６２に入力し、ＰＩ制御部６２でＰＩ制御することで電圧補償指令値を生成する。

次に、ステップＳ５において、あらかじめ設定された閾値(不図示)より電圧低下が発生した場合(ステップＳ５の判定がＹＥＳの場合)、すなわち電圧低下が閾値より大きいときは、電圧補償指令値のみSTATCOM８へ出力(ステップＳ６参照)される。閾値は、たとえば基準電圧（系統電圧）の−５％に設定する。

またステップＳ５で、あらかじめ設定された閾値より電圧低下が発生していない場合(ステップＳ５の判定がＮＯの場合)、すなわち電圧低下が閾値以内のときは、周波数動揺抑制指令値のみSTATCOM８へ出力(ステップＳ７参照)される。どちらを出力するかの判断は、図１に示される出力制御部１３で行われる。

さらに、あらかじめ設定された閾値より電圧低下が発生しておらず（電圧低下が閾値以内）、発電機７および負荷６を有する自家設備が自立運転に切り替わっている場合(ステップＳ５の判定がＮＯ及びステップＳ８の判定がＹＥＳの場合)は、周波数動揺抑制指令値をSTATCOM８へ出力するとともに、周波数動揺抑制指令値を図１に示されるAVR制御指令値演算部１４へ入力して発電機AVR用指令値演算を行い(ステップＳ９参照)、発電機７へAVR制御用指令値を送信する(ステップＳ１０参照)。

図３は、本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置におけるAVR指令値演算方法を説明する図である。
図３（ａ）において、前段の加算器でAVR指令値Vrefと発電機端子電圧Vrmsの偏差をとり、それを受けてAVR９は発電機７（図１参照）の界磁電圧を制御する信号Efを出力する。

ここで、事故などにより発電機７および負荷６を有する自家設備が自立運転に切り替わると、周波数動揺が発生する。このとき周波数動揺抑制のための信号PSS（Power System Stabilizing signal）が図１に示されるAVR制御指令値演算部１４で演算され、それが発電機用AVR９に出力されるとともに、STATCOMの制御装置１０により周波数動揺抑制が行われる。

STATCOMの制御装置１０による周波数動揺抑制は、発電機端子電圧Vrmsに影響を与え、発電機端子電圧Vrmsは図３（ｃ）、（ｄ）の中段に示すVrmsのように、図３（ｂ）のPSSと逆位相の波形となる。

この場合、従来法では、図３（ｃ）の最上段に示すようにAVRの指令値Vrefを一定としているため、偏差eは図３（ｃ）の最下段に示すように振動的になる。
発電機AVR９は偏差eを受け取り（図３（ａ）参照）、偏差eが小さくなるように界磁電圧を制御する信号Efを出力する。よって、前述のように、従来法の場合には、周波数動揺抑制と電圧補償が干渉し、周波数動揺抑制効果が小さくなる。

これに対し、本発明では、AVRの指令値としてVref’(図３（ｄ）の最上段参照)を発電機AVR９で演算する。
AVRの指令値Vref’は、電圧低下が発生しておらず、且つ自立運転を行っているときに(図２のステップＳ５，Ｓ８参照)、発電機AVR９で演算される(図２のステップＳ９参照)。ここでAVRの指令値Vref’は、VrefにPSS(図３（ｂ）参照)と逆位相の信号を付加したものである。

これにより、AVRの指令値Vref’は、図３（ｄ）の最上段に示すようになり、このときVref’とVrmsの位相が同期(図３（ｄ）の最上段および中段参照)しているため、偏差eは小さくなる。

よって発電機AVR９によるAVR動作が弱まる一方で、出力制御部１３から出力される周波数動揺抑制制御信号に基づいてSTATCOM８による周波数動揺抑制が、従来のような周波数動揺抑制と電圧補償が干渉することなく、優先して実行される。

図４は、本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置の周波数動揺と従来例の周波数動揺の様子を比較して示す図である。
図４の左上側に示される従来の切り替え制御無しのグラフおよび図４の左下側に示される従来の切り替え制御有りのグラフに比べて、図４の右側に示される、本発明の方法によるグラフに示されるように、周波数動揺抑制効果が高められていることが理解できるであろう。

以上における説明から明らかなように、本発明の実施形態に係るSTATCOMの制御装置によれば、発電機および負荷を有する自家設備が自立運転時の発電機AVR制御とSTATCOM周波数動揺抑制制御の協調制御を行わせたまま周波数動揺抑制効果を高めることが可能となる。

１ 電力系統
２ 遮断器
３ 連系線
４ 周波数計測器
５ 電圧計
６ 負荷
７ 発電機
８ STATCOM(Static synchronous Compensator)
９ AVR(発電機AVR）
１０ 制御装置
１１ 周波数動揺抑制制御部
１２ 電圧補償制御部
１３ 出力制御部
１４ AVR制御指令値演算部
３１ 連系点
５１ ハイパスフィルタ
５２ 位相進み遅れ補償部
５３ ゲイン付加部
６１ 加算器
６２ ＰＩ制御部

Claims (5)

1. 発電機と負荷を有する自家設備が電力系統と連系点で接続され、該自家設備が有するSTATCOMおよび前記発電機を制御する発電機用AVRのそれぞれへ所定の制御信号を印加する制御装置において、
   前記連系点の周波数を元に周波数動揺抑制指令値を演算する周波数動揺抑制制御部と、
   前記連系点の電圧を元に系統電圧を補償する電圧補償指令値を演算する電圧補償制御部と、
   前記連系点の電圧低下があらかじめ設定された閾値より大きいときは前記電圧補償指令値を前記STATCOMへ出力し、前記電圧低下が前記閾値以内のときには前記周波数動揺抑制指令値を前記STATCOMへ出力する出力制御部と、
   前記電圧低下が前記閾値以内であり、かつ前記自家設備が自立運転しているときは、AVR制御用指令値として、電圧一定制御指令値に前記周波数動揺抑制指令値と逆位相の信号を合わせた指令値を生成して前記発電機用AVRに印加する発電機AVR用指令値演算部と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
2. 前記電圧一定制御指令値に前記周波数動揺抑制指令値と逆位相の信号を合わせた指令値は、AVR制御用指令値と系統電圧の偏差であり、前記発電機用AVRは、前記AVR制御用指令値と前記系統電圧の偏差を小さくする制御を行うことを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 発電機と負荷を有する自家設備が電力系統と連系点で接続され、該自家設備が有するSTATCOMおよび前記発電機を制御する発電機用AVRのそれぞれへ所定の制御信号を印加する制御装置における制御方法であって、前記制御装置は、周波数動揺抑制制御部、電圧補償制御部、出力制御部、および、発電機AVR用指令値演算部を備え、前記制御方法は、
   前記連系点の周波数を計測し、計測した周波数を元に前記周波数動揺抑制制御部で周波数動揺抑制指令値を演算するステップ、
   前記連系点の電圧を計測し、計測した電圧を元に前記電圧補償制御部で系統電圧を補償する電圧補償指令値を演算するステップ、
   前記連系点の電圧低下があらかじめ設定された閾値より大きいときは前記出力制御部が前記電圧補償指令値を前記STATCOMへ出力し、前記電圧低下が前記閾値以下のときは前記出力制御部が前記周波数動揺抑制指令値を前記STATCOMへ出力するステップ、および、
   前記電圧低下が前記閾値以内であり、かつ前記自家設備が自立運転しているときは、前記発電機AVR用指令値演算部からAVR制御用指令値として、電圧一定制御指令値に前記周波数動揺抑制指令値と逆位相の信号を合わせた指令値を生成して発電機AVRに印加するステップ、
   を含むことを特徴とする制御方法。
4. 電力系統と発電機とが連系線を介して連系点で接続され、さらに前記連系線上にSTATCOM、負荷、前記連系線の周波数を計測する周波数計測器、及び前記連系線の電圧を計測する電圧計が接続されるとともに、前記発電機をAVR制御する発電機用AVR、該発電機用AVRおよび前記STATCOMに所定の制御信号を印加する制御装置を備える自立運転システムにおいて、
   前記連系点の電圧低下が所定の閾値以内であり、かつ自立運転に切り替わっている際には、前記制御装置は、AVR制御用指令値として、電圧一定制御指令値に周波数動揺抑制指令値と逆位相の信号を合わせた指令値を生成し、これを前記発電機用AVRに与えることによって、AVR制御用指令値と系統電圧の偏差を小さくし、前記STATCOMによる周波数動揺抑制を優先して制御を行うことを特徴とする自立運転システム。
5. 発電機と負荷を有する自家設備が電力系統と連系線を介して連系点で接続され、該自家設備が有するSTATCOMおよび前記発電機を制御する発電機用AVRのそれぞれへ所定の制御信号を印加する制御装置を備える自立運転システムにおいて、
   前記連系線には該連系線の周波数を計測する周波数計測器、及び該連系線の電圧を計測する電圧計が接続されており、
   前記制御装置は、
   前記周波数計測器が計測した周波数を元に周波数動揺抑制指令値を演算する周波数動揺抑制制御部と、
   前記電圧計が計測した電圧を元に系統電圧を補償する電圧補償指令値を演算する電圧補償制御部と、
   前記連系点の電圧低下があらかじめ設定された閾値より大きいときは前記電圧補償指令値を前記STATCOMへ出力し、前記電圧低下が前記閾値以内のときは前記周波数動揺抑制指令値を前記STATCOMへ出力する出力制御部と、
   前記電圧低下が前記閾値以内であり、かつ前記自家設備が自立運転しているときは、AVR制御用指令値として、電圧一定制御指令値に前記周波数動揺抑制指令値と逆位相の信号を合わせた指令値を生成して前記発電機用AVRに印加する発電機AVR用指令値演算部と、
   を備えることを特徴とする自立運転システム。