JPH01243895A - 可変速揚水発電電動機の励磁方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、周波数変換器を用いて２次巻線を交流励磁し
可変速度にて揚水発電電動機を運転する可変速揚水発電
電動機の励磁方法及び装置に係り、特に、電力系統遮断
時等に発生する出力電圧の上昇を抑制するに好適な励磁
方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、揚水発電システムの発電電動機としては一般に同
期機が用いられていることがら、一定回転速度による運
転しか行えないので、発電量、揚水量及び落差によりポ
ンプ水車の効率が低下すること、また、揚水運転時の負
荷調整が行えないという問題があった。

そこで、ポンプ水車の回転速度を可変にすることにより
上記問題点を解決する可変速揚水発電システムが提案さ
れている。このシステムは、大容量の巻線形の誘導電動
機からなる可変連発を電動機（以下、可変速機と称する
。）の２次巻線を２次励磁する方式とし、この励磁周波
数を調整して可変速度で発電及び揚水運転を実現するも
のである。

このような可変速機と前述の同期機の大きく異なる点は
、同期機にあっては負荷トルク（有効電力）に見合った
トルクは内部相差角が変化することにより発生されるも
のであり、励磁電流がトルクに寄与するものではないの
に対し、可変速機にあっては２次励磁電流をトルク成分
（有効電力合成又はｑ軸成分とも称される）と、磁束方
向成分（無効電力成分、電圧成分又はｄ軸成分とも称さ
れる）とに分解して制御できることから、それぞれ独立
に有効電力と無効電力を制御することができることにあ
る（例えば、特願昭６１−２３１６２号参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上述した可変速機にあっては、その特徴点に起
因して次に述べるような問題が生ずるおそれがある。

すなわち、電力系統の近端、遠端遮断時又は可変速機の
負荷遮断時（以下、電力系統遮断時と総称する）に、出
力電圧が急上昇してしまう現象が現われることである。

同期機の場合は、系統の負荷がなくなると内部相差角が
零に戻され、出力電圧の上昇ΔＶに対しては直流励磁電
流が絞られ、出力電圧は指令値に保持制御される。しか
し、可変速機においては、系統の負荷がなくなるとトル
ク電流成分も電圧制御にかかる磁束方向成分に寄与する
ことになるため、出力電圧の上昇分ΔＶが増大するよう
になる。つまり、磁束の方向が遮断前の磁速方向電流成
分Ｉｎとトルク電流成分Ｉｑのベクトル合成した励磁電
流の方向に移る。この合成された励磁電流の振幅は前記
工、の振幅より大きいので、ΔＶが増大するのである。

また、系統負荷がなくなると有効電力制御はＩｑを増大
する方向へ動作し、無効電力制御（電圧制御）はニーを
小さくする方向へ動作することから、それらの電流Ｉｑ
　＝　Ｉａはそれぞれ制御上窓められた上限値、下限値
に達し、出力電圧の制御が不能になる。

なお、上述のような場合に、２次励磁を停止すれば出力
電圧上昇などの問題は解決されるのであるが１通常、電
力系統の運用面から高速又は急速に遮断を回復させるこ
とが要求されるので、励磁を停止することはできない。

本発明の目的は、上記従来の問題点を解決すること、言
い換えれば、電力系統遮断時の出力電圧上昇を抑制する
ことができる可変速揚水発電電動機の励磁方法及び装置
を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するため、電力系統に接続さ
れた巻線形誘動機からなる可変速揚水発電電動機の２次
巻線を、当該発電電動機の出力有効電力の指令値と検出
値の偏差を零にすべく求められる磁速方向電流成分とを
ベクトル合成してなる交流励磁電流により励磁する可変
速揚水発電電動機の励磁方法において、電力系統が遮断
された前記出力電圧を指令値に保持すべく前記偏差に基
づいて前記トルク電流成分を低減補正することを特徴と
する可変速揚水発電電動機の励磁方法としたことにある
。

また、電力系統に接続された巻線形誘動機からなる可変
速揚水発電電動機の２次巻線を交流励磁する周波数変換
器と、当該発電電動機の出力有効電力の指令値と検出値
の偏差を零にすべくトルク電流成分を求める有効電力制
御手段と、当該発電電動機の出力電圧の指令値と検出値
の偏差を零にすべく磁速方向電流成分を求める出力電圧
制御手段と、前記各手段から出力されるトルク電流成分
と前記磁速方向電流成分をベクトル合成して前記２次巻
線の励磁電流指令値を求め前記周波数変換器に出力する
励磁電流制御手段と、を備えてなる可変速揚水発電電動
機の励磁装置において、前記電圧制御手段から出力され
る磁速方向電流成分に予め定めた係数を乗じた値と、前
記有効電力制御手段から出力されるトルク電流成分とを
入力とし、該２つの入力のうち低い方の値をトルク電流
成分として前記励磁電流制御手段に出力する低値選択手
段を設けたことを特徴とする可変速揚水発電電動機の励
磁装置としたことにある。

〔作用〕

ここで、本発明の作用について説明する。

まず、電力系統が遮断されると、可変速揚水発電電動機
（以下、単に発電電動機と称す）は電力系統から開放さ
れるので、出力有効電力は零となり、有効電力制御手段
は、有効電力を指令値に保持すべくトルク電流成分Ｉｑ
　を増大させる方向へ作用し、電圧制御手段は出力電圧
の上昇を制御すべく磁速方向電流成分１．ｓを小さくす
る方向へ作用する。そして、実際には有効電力は出力さ
れないので増大されるトルク電流成分Ｉｑは出力電圧を
上昇させる方向に作用し、電圧制御手段は機能を失なっ
て出力電圧が急激に上昇されることになる。

しかし、本発明方法によると、電力系統が遮断されたと
きに、トルク電流成分Ｉｑは出力電圧の偏差に基づいて
低減補正されることから、出力電圧の上昇に応じて急速
に絞り込まれる。したがって、前述したトルク電流成分
ニ９による出力電圧の上昇作用が抑制され、出力電圧は
電圧制御手段の機能によって指令値に保持制御されるこ
とになる。

また、本発明方法の一実施態様として、電力系統の遮断
を出力電圧の偏差が規定値以上に達したことにより検知
するようにすれば、電力系統の遮断を遮断器の動作信号
等によらず検知できる。つまり、電力系統の遮断は系統
の各所に設けられた遮断器の動作状態信号で検知するこ
ともできるが、これによればその動作状態信号の伝送路
が必要になる。

また、本発明方法の他の一実施態様として、トルク電流
成分Ｉｑの低減補正を磁速方向電流成分Ｉｍに予め定め
た係数Ｋを乗じた値Ｉｑ’　　にするようにすれば、こ
の場合の励磁電流指令値Ｉ２＊は次式（１）で示される
ものとなる。

工２拳＝ＥＴ５石璽］ ＝５■５石ＵＬｐ ＝５Ｔ廼・Ｉ、　　　　　　・・・（１）つまり、トル
ク電流成分の制御が出力電圧の制御に一元化され、出力
電圧は安定して指令値に保持制御されることになる。

一方、本発明装置によれば、低値選択手段により自動的
にトルク電流成分ニーの指令値が、有効電力制御手段か
ら出力されるトルク電流成分ニ。

又は電圧制御手段から出力される磁速方向電流成分ニー
に所定の係数を乗じた値のうち、いずれが低い値が選択
されるので、上記本発明方法と同様の作用により出力電
圧の上昇が抑制されて指令値に保持制御される。また、
格別な電力系統の遮断検知手段は不要となる。

【実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第２図に本発明の一実施例にかかる可変速揚水発電シス
テムの全体構成図を示し、第１図にその励磁装置の要部
ブロック図を示す。

第２図において、水車１に連結されている可変速発電電
動機２の１次端子は、遮断器３と主変圧器４を介して電
力系統５に接続されている。発電電動機２の２次巻線は
、中性点を持つ４線式とされ、３相の交流励磁電流が周
波数変換器としてのサイクロコンバータ６（６Ａ〜６Ｃ
）から供給されるようになっている。各サイクロコンバ
ータ６Ａ〜６Ｃは、励磁用変圧器７（７Ａ〜７Ｃ）と、
遮断器８を介して主変圧器４の１次側に接続されている
。発電電動機２から流出される有効電力ＰＬと出力電圧
Ｖａの検出値は、計器用変圧器９と変流器１０と電力、
！圧検出器１１により得られるようになっている６位相
検出器１２は発電電動機２の２次誘起電力の位相を検出
するものである。基準信号演算回路１３は２次励磁用の
基本波を形成するもので、入力される２次誘起電圧の位
相に基づいて、すべり周波数ωＳを有し、一定の振幅を
持ち、かつ２次誘起電力とそれぞれ同相およびπ／２位
相差を有するｃｏｓωｓｔ、ｓｉｎωｓｔを形成し、励
磁電流制御装置１４（１４Ａ〜１４Ｃ）に出力するよう
になっている。

電力制御装置１５は入力される有効電力の指令値Ｐｏと
検出値ＰＬに基づいてトルク電流成分Ｉｑ　を決定する
とともに出力電圧の指令値Ｖｏと検出値Ｖｏに基づいて
磁束方向電流１．＋を決定し、各相ごとにそれぞれ励磁
電流制御装置１４に出力するようになっている。すなわ
ち、第１図に示すように、ＰｏとＰＬは加算器１６によ
りそれらの偏差ＡＰＬが求められ、次に有効電力制御手
段としての電力調整演算器１７において、ΔＰしを零に
すべくトルク電流成分Ｉｑ　が求められ、この１９は低
値選択器１８を介して励磁電流制御装置１４に出力され
るようになっている。同様に、ＶｏとＶａは加算器１９
により偏差ΔＶｏが求められ９次に出力電圧制御手段と
しての電圧調整演算器２０において、ΔＶａを零にすべ
く磁束方向電流Ｉ、が求められ、二の■４は励磁電流制
御装置１４に出力される一方、ゲイン演算器２１におい
て一定の係数Ｋが乗じられて低値選択器１８とゲイン演
算器２１からなる部分が本発明の特徴部にかかる一実施
例であり、低値選択器１８は入力される■１とに−Ｉ−
の低い方の指令値をトルク電流成分１ｑ’　　として励
磁電流制御装置１４に出力するようになっている。ここ
で、係数にの値は、発電電動機２の通常の運転（０〜１
００％負荷）でとり得るトルク電流成分■９と磁束分布
電流成分１１の範囲において、次式（２）を満足する値
に予め設定する。これにより通常時にあってはトルク電
流成分Ｉｑは磁速方向電流成分Ｉａに制御されることな
く安定に有効電力制御がなされる。

Ｉ　ｑ　＜　Ｋ・工４　　　　　　　　　　・・・（２
）励磁電流制御装置１４は電流パターン演算器２２、電
流制御演算器２３．自動パルス移相器２４を含んで形成
されている。電流パターン演算器２２は、第１図に示す
ように、入力されるトルク電流成分Ｉｑ’　　に基本波
信号ｃｏｓωａｔを乗じる掛算器２５．同じく磁速方向
電流成分ニーに基本波信号ｓｉｎωｉｔを乗じる掛算器
２６．掛算器２５と２６の出力をベクトル合成して励磁
電流制御装置２傘を出力するベクトル合成演算器２７を
含んで形成されている。すなわち、次式（３）に示す演
算処理がなされる。

工２申＝Ｉ　ｑｃｏｓωｓ　ｔ　＋　Ｉ　＊ｓｉｎωｓ
ｔ＝　ｌ４ｃｏｓ（ω５ｔ−）’ｐ）　　　　　　−（
３）ここで、ｌ２＝５−７１＝７ ｐ＝−ｔａｎ−’− なお、式（３）をベクトル表示すると次式のようになる
。

Ｉｚｌ：Ｉｉ＋Ｉｑ 電流制御演算器２３は変流器２９により検出される励磁
電流の検出値と指令値工２噂との偏差を零にすべくサイ
クロコンバータ６の制御位相角ＥＣを求める。自動パル
ス位相器２４は入力される制御位相角Ｅｃと変成器３０
から入力される電源電圧信号に基づいてサイクロコンバ
ータ６のサイリスタに点弧パルスを出力するようになっ
ている。

このように構成される実施例の動作を第３図。

第４図を参照しながら次に説明する。なお、第３図と第
４図の符号の添字は同一のものを表わすものとし、また
第３図に示すタイムチャートにおいてｔ１時に電力系統
の遮断が発生したものとして説明する。

まず、通常の状態にあるとき、すなわち遮断器３又は電
力系統５に設けられている遮断器が投入状態にあるとき
は、発ａｔ動機２から系統に電力が供給される。このと
きの有効電力ＰＬ　と出力電圧Ｖａは、電力調整器１７
と電圧調整器２０により求められたトルク電流成分Ｉｑ
ｘと磁速方向電流成分Ｉａｘに基づいて制御される。つ
まり、前記式（２）の関係から、通常の運転状態におい
ては、低値選択器１８は電力調整器１７から出力される
値が選択されるのである。この状態における励磁電流Ｉ
ｚｔ傘と出力電圧Ｖａのレベルは第３図に示すように安
定したものとなる。また、それらＩ　ｑ１ｅＩ蝋１．　
Ｉ２１”のベクトルは第４図に示したものとなり、磁束
方向Φ１と電流Ｉｄ１の位相が同一なので、出力電圧制
御および有効電力制御の応答性が良い。

次に、１１時において電力系統５で遮断が生じたとする
と、有効電力の検出値ＰＬは瞬時に零になるので、発電
電動機３の内部の関係において、磁束方向は瞬時に第４
図のΦ１からΦ２に移る。

これにより励磁電流Ｉ　ｚ１参が電圧発生の要因となる
ので、第３図に示すように出力電圧Ｖａは急激に上昇す
る。一方、電力調整器１７と電圧調整器２０についてみ
ると、それらの制御系の制御遅れ時間後のし２時におい
て、有効電力制御のフィードバック値である検出値ＰＬ
が零になるのでトルク電流成分１ｑ　を増大させる方向
に動作を開始し、また、出力電圧Ｖａの上昇により磁速
方向電流成分Ｉａを減少する方向に動作を開始する。

この過程で工１≧ＫＩ−に達すると、低値選択器１８の
動作によりトルク電流の指令値Ｉｑ’　　としてＫ　Ｉ
　ａが選択されるので、第３図に示すようにｔａ時点で
Ｉｑ’　　はそのときの磁束方向電流の指令値１１１３
に応じて制限されＩｑａに絞られる。これにより、励磁
電流は瞬時にＩ　ｚｓ＊に低減され、出力電圧Ｖａも指
令値ｖＯに瞬時に立下がり、その後は電圧調整器２０の
機能により、出力電圧Ｖａを指令値Ｖｏに保持するよう
に、トルク電流成分Ｉｑ’　　と磁速方向電流成分ニー
が制御され、安定な運転が継続される。なお、この状態
における磁束方向Φ３は第４図に示すようにＩ　２８ｍ
と同位相となっている。

因に、従来の方法によれば、第１図における低値選択器
１８とゲイン演算器２１を有していないことから、第３
図中に点線で示したように、トルク電流成分Ｉｑ’　　
と磁速方向電流成分ニ、はそれぞれ図中Ｉｑａ、　Ｉｄ
ａで示した上限値、下限値にまで達する。これにより励
磁電流Ｉ２・はＩ　２＋串となり、高い出力電圧Ｖａが
発生し続けることになるのである。このときのベクトル
関係は第４図に示したとおりである。

上記したように、本実施例によれば、低値選択器１８を
設け、これにより電力調整器１７から出力されるトルク
電流成分の指令値Ｉｑと、電圧調整器２０から出力され
る磁速方向電流成分の指令値ニーに係数Ｋを乗じた値の
いずれか低い値を実際のトルク電流成分指令値Ｉｑ’　
　としていることから、にの値を適切に選ぶことにより
、電力系統の遮断器が遮断動作すると、格別な遮断検出
手段に依ることなく、自動的にＩｑ≧Ｋ・工、の関係が
成立し、トルク電流成分指令値Ｉ、Ｉ　　は磁束方向電
流ニーにより制限される。この結果１発電電動機２は電
圧調整器２０に支配されることになり、出力電圧Ｖａは
指令値Ｖｏに安定して保持制御されることになるという
効果がある。

なお１本発明は上記実施例に限られるものではなく、要
は、電力系統の遮断を検知してトルク電流成分Ｉｑを出
力電圧の上昇分に応じて絞るように制御することにより
、出力電圧の上昇を抑制することができる。

例えば、電力系統の遮断検知は、系統に係わる遮断器の
動作信号により検知すること、あるいは出力電圧Ｖｃの
異常高などにより検知することも本発明に含まれる。

そして、低値選択器１８に代えて制限器などを設け、そ
の制御値を予め定めた一定値又は出力電圧の上昇分ΔＶ
に応じて可変設定するものとし、上記系統の遮断検知信
号に連動させて制限器を動作させるようにしても、上記
実施例と同一の効果を奏することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明方法によれば、電力系統が
遮断されたときに、出力電圧の上昇分に基づいてトルク
電流成分を低減補正するようにしていることから、その
遮断により生ずる出力電圧の上昇を抑制して、出力電圧
の指令値に安定に保持することができるという効果があ
る。

また１本発明装置によれば、磁速方向電流成分に予め定
めた係数を乗じた値と、有効電力制御手段から出力され
るトルク電流成分とのいずれか低い値を、トルク電流成
分の指令値としていることから、電力系統遮断時にトル
ク電流成分の指令値は、自動的に磁速方向電流成分によ
って制限されることになり、その遮断により生ずる出力
電圧の上昇を抑制して、出力電圧の指令値に安定に保持
制御できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図に示す本発明の一実施例装置の要部ブロ
ック図、第２図は本発明が適用されてなる可変速揚水発
電システムの一実施例装置の全体構成図、第３図は第２
図実施例の動作を説明するためのタイムチャート、第４
図は第２図実施例の動作を説明するための各部信号のベ
クトル図である。 ２・・・発電電動機、５・・・電力系統、６・・・周波
数変換器、１４・・・励磁電流制御装置、１５・・・電
力制御装置、１７・・・電力調整器、１８・・・低値選
択器、２゜・・・電圧調整器、２１・・・ゲイン演算器
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電力系統に接続された巻線形誘導機からなる可変速
   揚水発電電動機の２次巻線を、当該発電電動機の出力有
   効電力の指令値と検出値の偏差を零にすべく求められる
   トルク電流成分と、当該発電電動機の出力電圧の指令値
   と検出値との偏差を零にすべく求められる磁束方向電流
   成分とをベルトル合成してなる交流励磁電流により励磁
   する可変速揚水発電電動機の励磁方法において、 電力系統が遮断されたとき前記出力電圧を指令値に保持
   すべく前記偏差に基づいて前記トルク電流成分を低減補
   正することを特徴とする可変速揚水発電電動機の励磁方
   法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記電
   力系統の遮断を前記出力電圧の偏差が規定値以上に達し
   たことにより検知することを特徴とする方法。 ３、特許請求の範囲第１項記載の方法において、前記ト
   ルク電流成分の低減補正は、前記磁束方向電流成分に予
   め定めた係数を乗じた値に補正することを特徴とする方
   法。 ４、電力系統に接続された巻線形誘導機からなる可変速
   揚水発電電動機の２次巻線を交流励磁する周波数変換器
   と、 当該発電電動機の出力有効電力の指令値と検出値の偏差
   を零にすべくトルク電流成分を求める有効電力制御手段
   と、 当該発電電動機の出力電圧の指令値と検出値の偏差を零
   にすべく磁束方向電流成分を求める出力電圧制御手段と
   、 前記各手段から出力されるトルク電流成分と前記磁束方
   向電流成分をベクトル合成して前記２次巻線の励磁電流
   指令値を求め、前記周波数変換器に出力する励磁電流制
   御手段と、を備えてなる可変速揚水発電電動機の励磁装
   置において、 前記電圧制御手段から出力される磁速方向電流成分に予
   め定めた係数を乗じた値と、前記有効電力制御手段から
   出力されるトルク電流成分とを入力とし、該２つの入力
   のうち低い値をトルク電流成分として前記励磁電流制御
   手段に出力する低値選択手段を設けたことを特徴とする
   可変速揚水発電電動機の励磁装置。 ５、特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記係
   数は前記発電電動機の通常運転でとり得る範囲内にて磁
   束方向電流成分に当該係数を乗じた値がトルク電流成分
   以上となる値に設定されたことを特徴とする装置。