JPH01271669A - 可変速発電システム - 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、交流励磁型可変速発電機を用いた可変速発電
システムに係り、特に、水車を原動機とした発電システ
ムに好適な可変速発電システムの制御方式に関する。

〔従来の技術〕

水車システム、特にポンプ水車を用いた揚水発電システ
ムなどでは、それらが接続される電力系統の周波数とは
独立に、その水車を可変速運転するのが望ましい場合が
あり、このことは、最近のパワーエレクトロニクス及び
制御技術の発展により、種々の可変速発電システム、特
に水車を原動機とした発電システム、或いはポンプ水車
を用いた可変速揚水発電システムの実現という形で具体
化されるようになってきている。

ところで、この種の従来技術としては、例えば、「日立
評論」のＶｏ　１．　６８　（１９８６）　ｐ、　　６
５３〜６５８に開示されている可変速発電システムがあ
り、以下、この従来技術について説明すると、この従来
技術は、第４図に示すように、交流電力系統に接続され
た交流励磁形の可変速発電機１を備え、この可変速発電
機ｌが、これに直結された水車３を原動機として駆動さ
れ、交流電力系統に電力を供給するようになっている。

可変速発電機１は、電力系統から変圧器５とサナクロコ
ンバータフを介して供給される、電力系統とは独立した
周波数の３相交流電流Ｉ２により励磁されるようになっ
ており、これにより可変速発電機として機能するように
なっている。なお、この励磁電流■２はコレクタリング
６を介して可変速発電機１の回転子に供給されるように
なっている。

可変速発電機１には、さらに位相検出器２が直結されて
おり、これにより電力系統の電圧位相に対する可変速発
電機１の回転子位相の差が検出されるようになっている
。なお、このときの電力系統の電圧位相は、電圧検出器
４により検出され、位相検出器２に入力されるようにな
っている。

サイクロコンバータ７は電流指令発生器９により制御さ
れ、これにより所定の交流励磁電流■２が可変速発電機
１に供給されることになるが、このため、電流指令発生
器９は、位相検出器２から入力される位相差データと、
ｄ軸成分電流指令発生器１３からのｄ軸電流指令値Ｉｄ
”、それにｑ軸電流指令発生器１５から与えられるｑ軸
電流指令値■ｑ１１とにより電流指令値■？を演算し、
それをサイクロコンパ−タフに入力するようになってい
る。

一方、これと並行して、原動機側の水車３は、水車回転
速度調整信号発生器２２の信号をもとに、調速器１９、
サーボ系１８を介してガイドベーン１７を制御すること
により、所定の回転速度Ｎに速度制御されることになる
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、このような可変速発電システムでは、可変速
発電機ｌの回転速度の制御は、水車３のガイドベーン１
７で行なわれるようになっており、このため、回転速度
変動に対する抑制効果は、あまり期待できない。

その理由は、そもそも、このシステムでは、可変速運転
を目的としているためであり、従って、回転速度変動に
より可変速発電機１の回転子の位相が変化しても、それ
は位相検出器２の出力により励磁電流■２の変化となっ
て表われ、自動的に回転速度変動に追従し、この結果、
回転速度変動に対する制動力はほとんど発生しないから
である。

一方、このような水車発電システムでは、部分負荷時に
、水車に振動、いわゆるセントラル・ホワール振動を生
じ易いが、このとき、可変速発電システムでは、上記し
たように、回転速度変動に対する制動力が期待できない
ため、このホワール振動が起ると、これが水圧脈動を惹
起し、水車トルクの脈動となり、この結果、第７図に示
すように、さらに回転速度変動を増長させ、最終的に水
圧鉄管や水車の破壊につながる虞れを生じる。なお、こ
の第７図で、ΔＨは水圧変動を、そしてＮは回転速度を
それぞれ表わす。

しかして、上記従来技術では、このようなセントラル・
ホワール振動に対する配慮が特にされておらず、運転性
に問題があった。

他方、この振動の問題については、可変速発電機の有効
電力の制御による対処も考えられるが、この場合には、
制御系でのゲインの制限から、充分な応答が得られず、
このような周期の短い振動の抑制は困難であり、かえっ
て電力の脈動を生じるなどの弊害が現われる場合を生じ
るという問題があった。

本発明の目的は、負荷の状態にかかわらず、常に安定し
た回転速度の維持が可能で、可変速運転の利点が充分に
活用できるようにした可変速発電システムを提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、可変速発電システムにおいて、不安定振動
発生の虞れのある部分負荷領域では、可変速発電機の交
流励磁電流の周波数を一定に保持させるように制御する
ことにより達成される。

〔作用〕

可変速発電機の交流励磁電流の周波数が一定に保たれる
と、このときには、この可変速発電機は同期機として動
作することになり、このときの電力系統の周波数と交流
励磁電流の周波数との差によって定まる回転速度で定速
運転されるようになる。そして、この結果、回転子あ回
転位相変化、すなわち回転速度変動に対して、通常の同
期機と同じ同期化トルクを発生し、大きな制動力が現わ
れ、セントラル・ホワール振動などによる不安定振動を
充分に制御することができる。

〔実施例〕

以下、本発明による化変速発電システムについて、図示
の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、図において、２３は交流
系統、１は交流系統２３に接続された可変速発電機、２
は位相検出器で、交流系統２３の電圧位相と可変速発電
機１の電気角で表わした回転角との差に等しいすべり位
相を検出する０位相検出器２の回転子は可変速発電機ｌ
の回転軸に連結されており、更に回転子側には可変速発
電機１の１次巻線と並列に接続された３相巻線が設けら
れている。一方、位相検出器２の固定子側には電気角で
π／２だけ位相の異なる位置にホールコンバータがそれ
ぞれ１個設けられていて、可変速発電機ｌの２次側から
見た交流系統２３の電圧と位相が一致した信号ｃｏｓθ
とこれよりπ／２の位相差をもつ信号ｓｉｎθが該ホー
ルコンバータより検出される。

１１は周波数発生器、そして１２は切換器であり、位相
検出器２からの信号ｃｏｓθ、ｓｉｎθと、周波数発生
器１１で発生されている一定周波数信号ｃｏｓω。ｔ、
ｓｉｎω。ｔとが切換器１２を介して電流指令発生器９
に入力される。従って、この電流指令発生器９には、信
号ｃｏｓθとｓｉｎθ、および信号ｃｏｓω。ｔ、ｓｉ
ｎω。ｔの双方から選択された一方の信号が供給される
ようになっている。

１３はｄ軸成分電流指令発生器で、交流系統２３におけ
る電圧実効値の検出値Ｖと、外部で、オペレータによっ
て設定された無効電圧設定値ｖ０との偏差に基いてｄ軸
成分指令値１ｄ”を発生する。

なお、このｄ軸成分電流指令値Ｉｄ”とは、可変速発電
機１の２次電流のうちで、１次側からみて交流系統２３
の電圧位相と電気角でπ／２だけ位相を異にする成分（
以下、ｄ軸成分と略す）に対する指令値のことで、定常
状態では直流値となるものである。ところで、このｄ軸
成分電流指令発生器１３としては、例えば、可変速発電
機１の無効電力出力と、それに対する設定値との偏差に
応じて上記指令値１ｄ”を発生するものとしてもよい。

１５はｑ軸成分電流指令発生器で、交流系統２３の出力
検出値Ｐと外部からオペレータによって設定された有効
電力設定値Ｐ０の偏差からｑ軸成分電流指令値１．＊を
発生する。なお、このｑ軸成分電流指令値はＩｑ″１と
は、可変速発電機１の２次電流のうち、１次側から見て
交流系統２３の電圧位相に等しい成分（以下ｑ軸成分と
略す、）に対する指令値のことで、定常状態では直流値
を示すものである。しかして、このｑ軸成分電流指令発
生器１５としては、例えば可変速発電機ｌのトルク、回
転数、もしくは交流系統２３の周波数の設定値と出力検
出値Ｐとの偏差に応じて前記指令値１．′を発生するも
のとしてもよい。

１４は切換器、１６は一定ｑ軸成分発生器であり、切換
器１４は、ｑ軸成分電流指令発生器１５の出力信号と、
一定ｑ軸成分発生器１６の出力信号のうちの一方を選択
し、ｑ軸成分電流指令値１、″として取り出す働きをす
る。

上記した電流指令発生器９は、切換器１２で選択された
位相検出器２からの信号ｃｏｓθ＋ｓｉｎθ又は周波数
発生器１’ｌからの信号ｃｏｓω。ｔ。

ｓｉｎω。ｔのいずれかの信号を用い、切換器１４で選
択されたｑ軸成分電流指令発生器１５又は−定ｑ軸成分
発生器１６のいずれかによる信号出力Ｉｑ＊とｄ軸成分
電流指令発生器１３の出力１．ｄａから可変速発電機１
の２次側各相電流指令値■−１Ｉ　ｋ”＋　　Ｉ　Ｃ”
を演算式（１）により演算する。但しＫは定数である。

第２図に、電流指令発生器９の詳細回路構成例をに−１
の場合について示す、この構成例では、掛算器８ａ〜８
ｄと増幅器２５８〜２５ｊを用いて２次電流指令値１ｍ
”＋ｂ”＋ＩＣを演算するよ■ うになっている。

サイクロコンバータ７は交流系統２３から受電変圧器５
を介して交流電力を受け、可変速発電機１の２次側２４
の各相の交流励磁電流Ｉ２が、電流指令発生器９から与
えられる電流指令値Ｉ　ａ”＋Ｉｂ”＋ＩＣ″に追従し
たものとなるように制御される。

第３図はサイクロコンバータ７の詳細を、そのｌ相分に
ついて示したもので、この第３図において、２６は可変
速発電機１の２次電流検出器、２７は指令値■ｒと検出
値！□を比較して移相器２８に三相分相の所要位相でサ
イリスタ点弧パルスの発生を指令する電流制御装置、２
９および３２は各々正接続側サイリスク変換器３０およ
び逆接続側サイリスク変換器３１のサイリスクゲートを
付勢するゲートパルスを通過させるゲート、３３は２次
電流の極性切替指令発生器であって、電流指令値の正又
は負に従って極性切替指令信号ＰＮ（正接続側への通電
指令のとき信号レベルは１、負接続側のときはＯとする
）を発生する。

３５は零電流検出器であって、検出電流が零とみなされ
ているときの出力レベルはｕ　Ｏｔｔ、電流が流れてい
るとみなされているときの出力レベルは１１１′となる
出力信号ＺＤを発生する。

従って、このサイクロコンパ−タフにより、電流指令値
１−ｒ　　１ｋ”＋　　ＩＣに対応した交流励磁電流が
可変速発電機１に供給されることになる。

一方、水車３を含む原動機側について説明すると、２０
は切換器、２１は交流系統２３へ供給されている電力Ｐ
と、外部から与えられている電力指令Ｐ０との偏差に基
いて、調速器１９に与えるべき信号を発生するための水
車出力調整信号発生器、２２は水車３の実回転速度Ｎと
、外部から与えられている回転速度指令Ｎ０との偏差に
基いて調速器１９に与えるべき信号を発生するための水
車速度調整信号発生器である。

従って、水車３は、切換器２０の状態により、水車出力
調整信号発生器２１、又は水車速度調整信号発生器２２
のいずれかの信号により、サーボ系１８を介してガイド
ベーン１７の開度が操作されることにより運転制御され
ることになる。

次に、この実施例全体の動作について説明する。

本発明では、この実施例における切換器１２゜１４．２
０の切換えを、負荷の状態に応じて行なうところに特徴
がある。

すなわち、この第１図の実施例では、これらの切換器１
２．１４．２０の切換え操作についての具体的な構成に
ついては、記載を省略しであるが、図示してない制御装
置を含み、負荷に応じて自動的に切換えが行なわれるよ
うになっているものであり、以下、まず、これら切換器
の切換えのタイミングについて説明する。

一般に水車の効率ηは、水位Ｈ１水車出力Ｐが決まると
、第５図のように、回転速度Ｎに対して最も効率の良い
点がある。例えば、この第５図では、水位Ｈ１、水車出
力ＰＩに対しては回転数Ｎい水位Ｈ２、水車出力Ｐ２に
対しては回転数Ｎ２のようになる。なお、このように、
最高効率点を選んで運転できるのが、可変速発電システ
ムの一つの利点である。

ところで、この場合での出力Ｐと、最高効率回転速度Ｎ
を図にすると、第６図のようになる。

しかして、このようなシステムでは、サイクロコンバー
タの容量から、すべり周波数に限界があり、他方、回転
速度には最高回転速度Ｎ３と最低回転速度Ｎ、があるた
め、この第６図に示すように、部分負荷運転に際しては
、最低回転速度Ｎ。

での定速運転が望ましい。

そこで、第１図の実施例では、第６図の運転点Ａにおけ
る定格負荷近傍では、各切換器１２．１４゜２０を図示
の状態に保ち、これにより本来の可変速運転を行なうよ
うになっている。すなわち、このときには、第４図の従
来例と同じく、位相検出器２の検出信号により運転され
る。

しかして、この状態で部分負荷指令がきたときには、Ｂ
点の最低速度となったことを確認し、切換器１２，１４
．２０を切換える。この切換時の動作を以下に説明する
。なお、ここでは、例として、ＣＯＳθ成分のみについ
て説明する。

まず、位相検出器２の信号は第１１図の（ｃｏｓθ〕と
して表わすような波形であり、周波数発生器１１は、時
刻ｔ、の時点で位相検出器２の信号と同期させて再スタ
ートするものとする。第１１図の（ｃｏｓ（ω。１））
はその信号を示している。

なお、（ｓｉｎω。ｔ）も、時刻１．に合わせて、位相
差９０＠で再スタートする。

そこで、この時刻１．に同期して切換器１２゜１４．２
０を同時に切換えるのである。

このとき、電流指令発生器９は、（１）式のように、演
算による変換を行なうだけであるから、これらの信号）
ｄ”、ｌｑ”、ｃｏｓθ、ｓｉｎθは時刻ｔ１では変化
せず、従って、可変速発電機１の出力も変化せず、交流
系統にじよう乱を与えることはない。

この状態を、さらに第９図により説明すると、このとき
可変速発電機１の磁極配置は変わっていない。従って、
系統側（固定子側）の電流は固定子側コイル９０により
仮想磁極９３を生じ、この仮想磁極９３は系統周波数に
一致する回転速度で回転している。また、回転子側では
、回転子コイル９１に流れる電流により仮想磁極９４を
生じ、この仮想磁極９４は、回転子からみて励磁周波数
（ω。）に対応する回転速度で回転しており、結果的に
停止状態からみると系統周波数に一致する回転速度で回
転していることになり、これにより、磁力線９２が常に
一定配置で回転し、回転子から固定子にエネルギーを送
っている状態になっている。

このとき、従来の可変速発電システムの場合には、回転
速度のしよう乱が起こると自動的に位相検出器２の位相
が追随するため、自動的に仮想磁極９４が系統に合わせ
て調節されてしまうため、回転速度のしよう乱をおさえ
ることは困難である。

しかるに、この実施例では、このときには周波数発生器
１１の周波数が一定のため、あたかも仮想磁極９４が回
転子に固定されたような振舞いをし、回転速度のしよう
乱を抑えてしまう。

これを、さらに詳しく説明すると、仮想磁極９４は、通
常の同期機と同等と考えてよいから、内部相差角θ、に
対して、電気出力Ｐ、すなわち発電機のトルクは第１０
図のようになる。そこで、いま、０点で運転していたも
のが、０点に移ったとすると、これを戻そうという力が
自動的に働き、一定速度で運転される。この場合の戻す
力は非常に大きい。

従って、この実施例によれば、第８図に示すように、部
分負荷時でも回転速度Ｎのふらつきはなくなり、セント
ラル・ホワールによる振動を無視できる程度にまで小さ
く抑えることができるのである。

なお、本実施例においては、部分負荷時では、全く同期
機と同様の特性をもつので、このときには、従来の水車
発電機と同様、調速器１９は水車出力調整信号発生器２
１の信号によりコントロールされる。

また、このときまでの指令値■ｑ０は、高いレベルに設
定されすぎると電圧制御の妨害にもなるので、第１２図
に示すように、切換え時の値１１１＋。

から、待期時の値■９゜′に下げるようになっている、
そして、この下げるスピードは、ｄ軸成分電流指令発生
器１３の応答速度より十分遅くとり、となるようにし、
指令値１ｄ”の方は！ｄ−からＩｄ”に変化させる。

次に、第６図において、０点の運転点から、Ａ点の負荷
に対応する指令がきた場合には、Ｂ点を通過するところ
で切換えを行う。切換えを行うときは、第１３図に示す
ように、指令値１ｑ”″をｌ　ｑ　ｏ＊から徐々に上昇
させ、位相検出器２の信号が周波数発生器１１の信号と
一致した時点の時刻ｔ２で、切換器１２．１４．２０を
再切換えする。なお、このときでも、励磁状態は全く前
と同じであり、系統にじよう乱を与えることはない。

このように、本実施例によれば、セントラル・ホワール
等の不安定励動の生じやすい部分負荷領域では、同期機
なみの制動効果をもたせることができるため、不安定振
動現象を問題ないレベルまで抑えることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、原動機の不安定振動領域における運動
において、同期トルクなみの強い制動力をもたせること
ができるので、不安定振動を小さく抑制することができ
、可変速発電システムの運転性向上が得られ、適用範囲
を広げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による可変速発電システムの一実施例を
示すブロック図、第２図は上記実施例における電流指令
発生器の詳細を示すブロック図、第３図は同じ〈実施例
におけるサイクロコンバータの１相分の詳細を示すブロ
ック図、第４図は可変速発電システムの従来例を示すブ
ロック図、第５図は水車効率の説明図、第６図はシステ
ムの運転点を示す説明図、第７図は従来のシステムの振
動の説明図、第８図は本発明の一実施例の振動の説明図
、第９図は可変速発電機の磁極の説明図、第１０図は同
期化トルクの説明図、第１１図は切換え時の説明図、第
１２図は切換後の指令値の説明図、第１３図は再切換え
時の説明図である。 ｌ・・・・・・可変速発電機、２・・・・・・位相検出
器、３・・・・・・水車、７・・・・・・サイクロコン
バータ、９・・・・・・Ｋｍ指令発生器、１１・・・・
・・周波数発生器、１２．１４゜２０・・・・・・切換
器、１３・・・・・・ｄ軸成分電流指令発生器、１５・
・・・・・ｑ軸成分電流指令発生器、１６・・・・・・
一定ｑ軸成分発生器。 第１図　　　１．□。、、わ 第２図　　　。 第３医 第４図 第５図 ム 第６区 Ｐ÷ 第７図 １１Ｅ８！１ｎ １１１９図 第１Ｏ駁 θｐ 第１１１ 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流電力系統に接続された交流励磁型可変速発電機
   と、この可変速発電機の回転子回転位置と上記交流電力
   系統の電圧との位相差を検出する位相検出器とを備え、
   この位相差検出器の出力信号により上記交流励磁型可変
   速発電機に対する交流励磁を行なう方式の可変速発電シ
   ステムにおいて、所定の一定周波数の信号を発生する周
   波数指令信号発生手段と、該周波数指令信号発生手段の
   出力と上記位相検出器の出力信号の一方を任意に選択し
   て出力する切換手段と、該切換手段の出力により上記可
   変速発電機に対する交流励磁電力を発生する交流励磁手
   段とを設け、上記可変速発電機の負荷領域に応じて上記
   切換手段を切換制御するように構成したことを特徴とす
   る可変速発電システム。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記交流励磁手段
   が上記交流電力系統から給電されるサイクロコンバータ
   を含み、このサイクロコンバータの変換電力容量の上限
   値で定まる上記可変速発電機の運転可能回転数に応じて
   、上記切換手段の切換制御が行なわれるように構成され
   ていることを特徴とする可変速発電システム。