JPH0576277B2

JPH0576277B2 -

Info

Publication number: JPH0576277B2
Application number: JP61083704A
Authority: JP
Inventors: Eiji Haraguchi; Hiroto Nakagawa; Goo Nohara; Masuo Goto
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd; Kansai Denryoku KK
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 1986-04-11
Filing date: 1986-04-11
Publication date: 1993-10-22
Also published as: JPS62239900A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の利用分野）本発明は、２次励磁付誘導機を用い、任意の回
転数で運転する可変速発電装置、特に可変速揚水
発電装置に関する。

（発明の背景）従来の揚水発電システムは、揚水時に負荷の調
整ができないこと、発電運転時に、系統より要求
される発電力が変化すること、ならびに揚水運転
時には揚程が変化すること等の利用により、シス
テムの効率が変化するという欠点があつた。

このため、発電力、揚程にかかわらず、上記シ
ステムを最高効率で運転させるための研究が進め
られている。前記の研究は、従来同期機であつた
揚水発電機を２次励磁付誘導機で置換え、同期速
度以外の回転数でこれを運転する、いわゆる可変
速発電システムを採用する方向に進んでいる。

このように可変速発電システムを採用すること
により、発電力、揚程にかかわらず、システムを
最高効率で運転することが可能となる。そこで、
この可変速発電システムを実現するための研究が
種々進められている。

ここで、２次励磁付誘導機を用いた可変速発電
装置の概略構造および動作について説明する。

第２図は、２次励磁付誘導機システムの概要を
示すブロツク図であり、２次励磁付誘導機GMは
１次、２次側共３相巻線からなつている。

同図で、１が固定子を、２が回転子を示す。ま
た５ａ〜５ｃは固定子１のａ，ｂ，ｃ相巻線を、
６ａ〜６ｃは回転子２のａ，ｂ，ｃ相巻線を、そ
れぞれ示す。

ここで、定格周波数をｆ、すべりをｓとする
と、回転子２回転速度はｆ（１−ｓ）である。そ
れ故に、回転子２の励磁巻線６ａ〜６ｃをすべり
ｓの周波数で励磁すると、回転子２の回転磁界は
すべり零（同期速度）で、換言すれば固定子１の
回転磁界速度と同一速度で回転することになる。

７は回転子２の回転数を測定する測定器であ
る。前記回転数測定器７の出力により、すべり検
出部３ですべり周波数を検出し、電圧発生部４で
すべり周波数に応じた電圧を発生させ、２次巻線
６ａ〜６ｃを励磁する。

このように構成し、制御することにより、この
誘導機MGを任意の回転数で運転しても、固定子
（電機子）巻線５ａ〜５ｃには、常に系統周波数
すなわち定格周波数ｆの電圧を発生させることが
できる。すなわち、第２図の例では、回転子２の
回転磁界は、ｆ（１−ｓ）＋ｆ・ｓ＝ｆ ……(1) となる。それ故に、すべりｓにかかわらず、定格
周波数ｆの出力が固定子巻線５ａ〜５ｃから得ら
れることになる。

第３図は、第２図に示した可変速発電システム
が電力系統１０に接続されて運転される場合を想
定して示すブロツク図である。同図において、第
２図と同一の符号は、同一または同等部分を示し
ている。

静落差Ｈおよび出力指令P₀が与えられると、
指令値算出回路１５で、例えば、後述するような
アルゴリズムに基づいて、効率を考慮したガバナ
弁の開度指令値Ｙおよび速度指令値N₀が算出さ
れる。

１４はガバナ（調速機）の弁開度設定器であ
る。指令値算出回路１５よりの弁開度指令値Ｙが
前記弁開度設定器１４によつて予定時間遅延さ
れ、調速機の弁開度制御器１３に供給される。

１２は水車部であり、この特性は、静落差Ｈ、
調速機の弁開度及び回転数Ｎで定まる。この水車
１２により、回転子２が回転される。７は速度発
電機などの回転数測定器を示し、この出力によつ
て前記速度Ｎが検出される。

１９は電流変成器、２０は電圧変成器であり、
有効電力算出部２１では、前記電流変成器１９及
び電圧変成器２０の出力に基づいて、有効電力を
算出する。

２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、後述する２次巻線
励磁量設定部１７で設定された励磁量に基づい
て、ａ，ｂ，ｃ相の回転子巻線６ａ〜６ｃの定電
流制御を行う部分である。

ところで、一般に、揚水発電機には、フランシ
ス水車が使用されるが、このフランシス水車の出
力と効率の関係は、第４図のように示される。同
図は、横軸に水車出力Ｐ、縦軸に効率ηをとり、
回転数Ｎおよび弁開度Ｙの組合せをパラメータと
して示したものである。

水車出力P₁では回転数N₁および弁開度Y₁の組
合せで、また出力P₂では回転数N₂および弁開度
Y₂の組合せで、それそれの出力における最高効
率η₁、η₂となることを示している。

このように、出力によつて、効率が最高となる
回転数は異なつているが、常に最高効率の点で運
転しようとするのが、可変速発電システムの特徴
である。

第３図において、可変速発電システムの動作中
に、操作端（図示せず）より、発電機に要求され
る発電出力指令P₀が与えられると、発電機GMや
水車１２の特性（第４図）および水の落差Ｈを考
慮した上で、最高効率の運転ができるように、発
電機および水車の速度（回転数）指令N₀、なら
びに水車のガバナ弁開度指令値Ｙが指令値算出回
路１５において求められる。

前記弁開度指令値Ｙは弁開度設定器１４を介し
て弁介度制御器１３に供給され、これに基づいて
水車１２のガバナ弁開度が制御される。一方、速
度指令値N₀は出力指令値P₀、発電機GMの有効
出力電力Ｐおよび実回転数Ｎと共に、２次巻線位
相角算出部１６に加えられる。

前記２次巻線位相角算出部１６では、有効電力
算出部２１の出力Ｐ、出力指令値P₀、速度指令
値N₀、速度Ｎに基づいて、２次巻線６ａ〜６ｃ
の励磁量を演算するのに必要な位相角Δδが、適
宜の手法によつて、例えば、特願昭60−9525号
［特開昭61−170299号公報］に示された次式にし
たがつて算出される。

Δδ＝∫k1（Ｐ−P₀）dt＋k2（Ｐ−P₀）ここで、k1、k2は定数とする。

なお、速度指令値N0、速度Ｎに基づいてΔδを
算出する場合には、良く知られているように、上
式の出力Ｐの代わりに速度Ｎ、出力指令値P₀の
代わりに速度指令値N₀をそれぞれ代入すると共
に、定数k1、k2を第４図におけるＰとＮとの関
係に基づいて変更すれば良い。

励磁電圧調整部１８は、電圧変成器２０の出力
を供給され、発電機GMのすべりｓおよび当該可
変速システムの運転状態（事故中か健全状態か）
に応じて決まる励磁電圧Ｅを目標値として設定す
ると共に、前記目標値に対する実際の出力電圧の
偏差に基づいてフイードバツク制御することによ
り、前記励磁電圧Ｅを発生する。

なお、このような目標値Ｅは、公知のベクトル
図（例えば、「配送電工学−前編−」；小池東一郎
著養賢堂発行−1972−；第269頁参照）に基づ
いて発電機の定数および運転条件より求めること
ができる。

また、フイードバツク制御系の具体的構成およ
び動作は、後述する第５図の電流制御系と類似で
あり、これから容易に推考実施できるので、ここ
ではその図示および説明を省略する。

２次巻線励磁量設定部１７（例えば前記特開昭
61−170299号参照）は、前述の第２図に関する説
明から分かるように、回転子２の速度Ｎに基づい
てすべり周波数fsを検出するすべり検出部を含
み、前記位相角Δδおよび実回転数Ｎに基づいて、
ａ，ｂ，ｃ相の目標励磁電圧V_fa、V_fb、V_fcを、
前記(1)式およびつぎの(2)式にしたがつて演算す
る。但し、Ｎ＝ｆ（１−ｓ）とする。

V_fa＝Esin（2πf・ｓ＋δ₀＋Δδ） V_fb＝Esin（2πf・ｓ＋δ₀＋Δδ−120°） V_fc＝Esin（2πf・ｓ＋δ₀＋Δδ−240°）(2) 前記(2)式において、δ₀は可変速機の運転状態で
定まる位相角である。

前記２次巻線励磁量設定部１７はまた、前記の
各目標励磁電圧V_fa、V_fb、V_fcおよびその時の回
転子の各相巻線の実励磁電圧V_fa′、V_fb′、V_fc′に
より、各相巻線６ａ〜６ｃに供給すべき励磁電流
の目標値I_a00、I_bp、I_cpを次式にしたがつて演算し
出力する。

I_a0（V_fa−V_fa′）／Ｚ I_bp（V_fb−V_fb′）／Ｚ I_cp（V_fc−V_fc′）／Ｚただし、Ｚは等価的に表した２次回路のインピ
ーダンスである。

なお、上記(2)式に基づいて、励磁電流制御を行
なう場合に、無効電力の制御指令に対しては電圧
Ｅで、有効電力の制御指令に対しては位相角Δδ
で、それぞれの制御が行なわれることになる。

第５図は、第３図の電流制御部２３ａ〜２３ｃ
の詳細を示したブロツク図である。明らかなよう
に、ここでは、２次巻線励磁量設定部１７の出力
である励磁電流目標値I_a0〜I_cpと電流変成器２４
ａ〜２４ｃの出力である実励磁電流値との差を、
比較部２６ａ〜２６ｃでとり、この出力（偏差）
に、ゲイン２５ａ〜２５ｃを乗ずることにより、
励磁電流の制御を行つている。

以上のような設定および制御により、第３図の
可変速発電システムは、所定の出力指令P₀およ
びその時の静落差Ｈに応じて、常に最高効率が得
られるように、水車回転数Ｎ、ガバナの弁開度Ｙ
および回転子の各相励磁電流が制御される。

なお、この場合、水車すなわち回転子の回転数
の定格値よりのずれは、前述のように、各相励磁
電流を制御してすべりｓを調整することにより補
正されるので、２次励磁付誘導機GMの出力端に
は定格周波数の出力が得られる。

第３図において、送電線Ｌの地点Ｆで地絡事故
が起き、２回線で構成されている送電線の１回線
を70ｍｓで開放した場合の、２次励磁付誘導機
GMの端子電圧は、励磁電圧調整部１８の電圧制
御系のゲイン、および定電流制御部２３ａ〜２３
ｃの電流制御系のゲインを一定とした場合には、
極端に大きく変動する。

その理由は、地絡のために固定子１に大きな電
流が流れ、かつその周波数が回転子側の周波数と
異なるために、回転子２の励磁巻線にビートを生
じ、このビート周波数に応じて、電流および電圧
制御系のフイードバツク量が大幅に変動するから
である。

（発明の目的）本発明の目的は、事故時における端子電圧変動
の小さい可変速発電装置を提供することにある。

（発明の概要）本発明は、２次励磁付誘導機を用いた可変速発
電装置において、２次巻線励磁の基準電源電圧を
可変速機のすべりおよび可変速発電システムの運
転状態（事故中か健全状態か）に応じて変化させ
ると共に、前記基準電源電圧および／または２次
巻線励磁電流の制御系のゲインを、２次励磁付誘
導機の出力情報（端子電圧および／または電流）
に基づいて制御する−さらに具体的にいえば、例
えば出力端子電圧が低下した時は前記ゲインを減
少させて制御系の応答特性を鈍化さ、その後、端
子電圧が上昇して定格値に復旧するのにしたがつ
て、定電流制御系のゲインを増大させるように構
成した点に特徴がある。

（発明の実施例）第１図は本発明による励磁電流制御系の構成例
を示すブロツク図であり、同図において、第５図
と同一の符号は、同一または同等部分をあらわし
ている。

第５図との比較から明らかなように、第１図の
実施例では、定電流制御系の増幅器２９ａ〜２９
ｃのゲインを、電圧変成器２７を介して得た端子
電圧に応じて変化させるようにしている。すなわ
ち、事故によつて端子電圧が低下し場合には、定
電流制御系の増幅器２９ａ〜２９ｃのゲインを低
下させる−換言すれば、電流制御系の応答特性を
鈍化させる。その後、端子電圧が上昇して定格値
に復旧するのにしたがつて、定電流制御系のゲイ
ンを増大させる。

このようにフイードバツク制御系のゲインを制
御することにより、地絡等の事故時における端子
電圧の変動を抑制でき、その上、定常時のAFC
（自動周波数制御）、AQR（自動無効電力制御）等
の運転に関しては、制御系のゲインを十分に大き
く保持して、高速に応答させることができる。

これまでの説明は、出力情報として２次励磁付
誘導機の端子電圧を用いる例についてのべたが、
出力情報として電機子電流または出力端子電流を
用い、下記のように制御しても、同様の効果が得
られることが明らかである。

(1) 電機子電流の実効値が一定値以上のときは、
電流または電圧制御系のゲインを電機子電流に
逆比例させる。

(2) あらかじめ電流または電圧制御系のゲインと
電機子電流の関係（テーブル）を与えておき、
この関係にもとずき、電流または電圧制御系の
ゲインを定める。

(3) マイクロコンピユータにより、出力端子電
圧、電流以外の出力情報をも取込み、これに基
づいて、最適ゲインを演算する適応制御方式に
する。

（発明の効果）本発明によれば、２次励磁付誘導機を用いた可
変速発電装置において、系統事故時の端子電圧の
変動を抑制できるため、運用上の効果は極めて大
きい。

更に、電力の変動分を補給又は消費するため、
昼間は発電、夜間は揚水ポンプとして運転する揚
水発電システムにおいては、系統より要求される
種々の電力に対して、効率よく運転できるため、
経済的は極めて大きい。

また、本発明によれば、地絡等の事故時におけ
る端子電圧の変動を抑制でき、その上、定常時の
AFC（自動周波数制御）、AQR（自動無効電力制
御）等の運転に関しては、制御系のゲインを十分
に大きく保持して、高速に応答させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の要部を示すブロツ
ク図、第２図は２次励磁付誘導機システムの概略
ブロツク図、第３図は第２図の２次励磁付誘導機
システムを用いたとすれば通常想定される可変速
揚水発電システムの概略ブロツク図、図４は水車
の出力と効率の関係例を示す図、第５図は第３図
に示した可変速揚水発電システムの励磁電流制御
系の詳細ブロツク図である。 GM……２次励磁付誘導機、Ｌ……送電線、１
……固定子、２……回転子、３……すべり検出
部、４……電圧発生部、５ａ〜５ｃ……固定子の
ａ，ｂ，ｃ相巻線、６ａ〜６ｃ……回転子のａ，
ｂ，ｃ相巻線、７……回転数測定器（速度発電
機）、１２……水車、１３……ガバナ制御器、１
４……調速機の弁開度設定部、１５……指令値算
出回路、１６……２次巻線位相角算出部、１７…
…２次巻線励磁量設定部、１８……励磁電圧調整
部、１９……電流変成器、２０……電圧変成器、
２１……有効電力算出部、P₀……出力指令値、
N₀……速度指令値、Ｎ……速度、２３ａ〜２３
ｃ……電流制御部、２４ａ〜２４ｃ……電流変成
器、２６ａ〜２６ｃ……比較部、２７……電圧変
成器。

Claims

【特許請求の範囲】１固定子、回転子、固定子巻線および回転子巻
線を有する２次励磁付誘導機を用いた可変速発電
装置において、前記２次励磁付誘導機の端子電圧を検出する手
段と、前記２次励磁付誘導機のすべり、および当該２
次励磁付誘導機を含む可変速発電装置が事故中か
健全状態かを表す運転状態に応じて回転子巻線の
励磁電源電圧を設定する手段と、回転子の回転速度、速度指令、出力指令および
出力値に基づいて、前記励磁電源から各回転子巻
線に供給すべき励磁電流目標値を演算する手段
と、各回転子巻線の実電流値を検出する手段と、前記実電流値の目標値に対する偏差に基づい
て、前記偏差が０になるように励磁電流を制御す
る電流制御系と、前記端子電圧が低いほど電流制御系のゲインを
小さくする手段とを具備したことを特徴とする２
次励磁付誘導機を用いた可変速発電装置。２固定子、回転子、固定子巻線および回転子巻
線を有する２次励磁付誘導機を用いた可変速発電
装置において、前記２次励磁付誘導機の端子電圧を検出する手
段と、前記２次励磁付誘導機のすべり、および当該２
次励磁付誘導機を含む可変速発電装置が事故中か
健全状態かを表す運転状態に応じて回転子巻線の
励磁電源電圧を設定する手段と、回転子の回転速度、速度指令、出力指令および
出力値に基づいて、前記励磁電源から各回転子巻
線に供給すべき励磁電流目標値を演算する手段
と、各回転子巻線の実電流値を検出する手段と、前記実電流値の目標値に対する偏差に基づい
て、前記偏差が０になるように励磁電流を制御す
る電流制御系と、前記端子電流が大きいほど電流制御系のゲイン
を小さくする手段とを具備したことを特徴とする
２次励磁付誘導機を用いた可変速発電装置。