JPH089692A - 可変速発電電動装置 - Google Patents

可変速発電電動装置

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JPH089692A
JPH089692A JP6135257A JP13525794A JPH089692A JP H089692 A JPH089692 A JP H089692A JP 6135257 A JP6135257 A JP 6135257A JP 13525794 A JP13525794 A JP 13525794A JP H089692 A JPH089692 A JP H089692A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 第1は,系統の周波数が大きく変動した場合
に運転不能になることのない可変速発電電動装置を提供
することである。第2は、同期化力を打ち消すことの無
い可変速発電電動装置を実現して、系統の周波数変動抑
制に貢献することである。第3は、系統の周波数変動を
抑制する制御機能を付加した可変速発電電動装置を提供
することである。 【構成】 本発明の構成は、系統の周波数が変動した場
合、すべり周波数が変動しないように回転速度が系統の
周波数変動とほぼ同じ割合で変化するが、この変化は同
期機が同期化力によって回転速度が変化するのと等価で
あり、同期化力を打ち消さない可変速発電電動装置とな
っていることを意味する。即ち、系統の周波数変動に応
動して回転速度が変動するのは、同期化力を打ち消して
いないことであり、系統の周波数変動抑制に貢献出来る

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電力系統の安定度改善
に貢献できる可変速発電電動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】同期機を用いた従来の発電電動装置に代
わり、巻線形誘導発電電動機を用いた可変速発電電動装
置が実用化されてきた。この可変速発電電動装置は、一
次巻線が電力系統に接続され二次巻線が交流励磁される
巻線形誘導発電電動機(以下誘導機1と呼ぶ。)と、誘
導機の回転軸に結合された原動機/負荷とから構成され
るものであり、系統周波数から決まる同期速度とは異な
る回転速度で運転できることから、運転効率を最適化で
きる,或いは系統故障時に従来同期機の動揺抑制に寄与
できる等の特徴を有している。但し、同期速度とは異な
る回転速度で運転するために、同期速度と回転速度の差
ので決まる周波数の交流で二次巻線を励磁する必要があ
る。(電気協会雑誌昭和61年3月号34頁他参照) ここに同期速度N1 は、系統周波数f1 と発電電動機の
極数pから決まり、N1=120f1 /pと定義される
回転速度である。すなわち、同期速度N1 は固定値では
なく系統周波数f1 が変化すると同期速度も変化する。
【0003】可変速発電電動装置は、系統周波数から決
まる同期速度に固定されることなく運用上最適な回転速
度に制御できること、同期速度と回転速度の差ので決ま
る周波数の交流で二次巻線を励磁することがその特徴と
なっている。
【0004】可変速発電電動装置は、交流励磁制御装置
によって誘導機の有効電力を制御でき、原動機/負荷制
御装置によって原動機/負荷のトルクを制御できるの
で、回転速度制御は交流励磁制御装置,原動機/負荷制
御装置いずれによっても可能である。(昭和61年電気学
会全国大会1026号他参照) 交流励磁制御装置によって回転速度制御が行われている
一例は、特公平 3-51910、特開昭61-247299 に示されて
いる。また、特開平1-231698に示されている例は、原動
機が図示されていないが、原動機/負荷制御装置によっ
て回転速度制御が行われている一例であると言える。
【0005】何故ならば、特開平1-231698に示されてい
る例では、交流励磁装置(サイクロコンバ―タ)で有効
電力を制御しているので、回転速度は他の制御装置、す
なわち図示されていない原動機制御装置で制御している
ことが前提となっている。
【0006】また、特開昭61-173698 、特開昭62-7149
7、特開昭62-71498も原動機/負荷制御装置によって回
転速度制御が行われている一例である。以下に可変速揚
水発電システムを例にして、従来の可変速発電電動装置
の構成と作用を説明する。
【0007】なお、以下の説明において、全ての変数,
定数は各々の基準値で無次元化された値とし、更に説明
中で使用しているε・jθ1 、ε・jθ2 、ε・jθ
R 、ε・j(θ2 +φ* )は指数関数を示している。例
えばε・jθ1 =EXP(jθ1 )を意味する。
【0008】まず最初に、交流励磁制御装置によって回
転速度制御が行われている可変速揚水発電システムの例
を説明する。図9にそのシステム構成を示す。図9にお
いて、巻線形誘導発電電動機1(以下、誘導機1と称す
る。)はその回転子にポンプ水車2が連結され、二次巻
線は周波数変換器であるサイクロコンバ―タ3によって
交流励磁される。可変速運転に際し最適な回転速度,ガ
イドベ―ン開度は、有効電力設定器6の出力P* と落差
検出器7の出力Hから、関数発生器8で求められ、各々
回転速度指令N* ,ガイドベ―ン開度指令Y* となる。
【0009】ガイドベ−ン開度制御装置140 は、ガイド
ベ―ン開度制御器41とガイドベ―ン開度指令Y* とガイ
ドベ―ン開度Yの差を演算する減算器42とから構成さ
れ、油圧サ―ボモ―タ4を介してポンプ水車2のガイド
ベ―ン開度Yがガイドベ―ン開度指令Y* と一致するよ
うに制御する。
【0010】電圧制御装置120 は、電圧設定器5の出力
* と電圧変成器17,電圧検出器23で検出する誘導機1
の一次電圧V1 との差を演算する減算器22と、電圧制御
器21とから構成され、電圧設定器5の出力V* と誘導機
1の一次電圧V1 が等しくなるようにd軸電流指令値I
d * を演算する。
【0011】ここにd軸電流は誘導機1の一次電圧v1
に対して90°遅れた電流成分で、無効電力はこのd軸電
流に比例する。速度制御装置130は、誘導機1の回転
子に取り付けられ回転速度に比例した周波数の交流信号
を出力する速度信号発生器33,周波数に比例した電圧を
発生する速度検出器34から得る速度信号NR と回転速度
指令N* との偏差を演算する減算器32と、速度制御器31
から構成され、この偏差からN* とNR が等しくなるよ
うにq軸電流指令値Iq * を演算する。
【0012】Idq軸電流検出装置100 は、誘導機1の
回転子に取り付けられた回転子の位相検出器19の出力ε
・jθR と、電圧変成器17,位相検出器19で検出する誘
導機1の一次電圧v1 の位相ε・jθ1 から誘導機1の
二次電流の位相基準ε・jθ2 を検出するフェ―ズドル
―ブロック回路(PLL回路)16と、誘導機1の二次電
流i2 を検出する電流検出器15と、誘導機1の二次電流
2 と誘導機1の二次電流の位相基準ε・jθ2 からI
dq軸電流検出を検出するIdq軸電流検出器14とで
構成され、誘導機1の二次電流のd軸電流Id、q軸電
流Iqを検出する。
【0013】ここに位相信号ε・jθR 、ε・jθ1
ε・jθ2 は、回転子の電気角θRから決まるベクトル
cosθR +jsinθR 、電圧v1 の位相角θ1 から
決まるベクトルcosθ1 +jsinθ1 ,θ1 −θR
(これをθ2 と呼ぶ)から決まるベクトルcosθ2
jsinθ2 である。
【0014】PLL回路16はその一例として、図10に示
されるようにε・jθ1 とε・j(θR θ2 )の差を求
めるベクトル減算器 161と比例積分演算器 162とベクト
ル発生器 163とベクトル加算器 164とで構成される。
【0015】二次電流制御装置110 は、d軸電流指令値
d * とd軸電流Id の差を演算する減算器12と、q軸
電流指令値Iq * とd軸電流Id の差を演算する減算器
13と電流制御器11とから構成され、d軸電流Id がd
軸電流指令値Id * に、q軸電流Iq がq軸電流指令値
q * に一致するようにサイクロコンバ―タの点弧角を
制御する。
【0016】図9のように構成された可変速揚水発電シ
ステムは、V=V* ,NR =N* ,Y=Y* ,Id =I
d * ,Iq =Iq * となるように運転されるので、電圧
がV* (通常定格電圧に設定される)のもと有効電力設
定値PR と落差Hでの最適な運転(回転速度がN* ,ガ
イドベ―ン開度がY* での運転)が可能となる。
【0017】また、Id =Id * ,Iq =Iq * で運転
すると、誘導機1の二次巻線は、電力系統の周波数f1
と回転速度NR に対応する周波数fR の差の周波数の交
流で励磁されることは次のように説明できる。
【0018】Id =Id * ,Iq =Iq * の状態では、
誘導機1の二次電流i2 は、tanφ* =Iq * /Id
* とすると(1)式で表される。
【0019】
【数1】 2 の周波数f2 は、i2 の位相角(θ2 +φ* )を微
分して求められる。θ2 =θ1 −θR であり、φ* は一
定値であるので f2 =d(θ2 +φ* )/dt=d(θ1 −θR )/d
t θ1 ,θR を微分するとf1 ,fR となるので、f2
(2)式で表される。
【0020】
【数2】 f2 =f1 −fR ……………………………………………(2) (2)式から誘導機1の励磁周波数f2 はすべり周波数
S (ただしfS =f1−fR )となることが分かる。
【0021】次に、ガイドベ―ン開度制御装置によって
回転速度制御が行われている可変速揚水発電システムの
例を説明する。図11にそのシステム構成を示す。図11に
おいて、誘導機1,ポンプ水車2,サイクロコンバ―タ
3,有効電力設定器6,落差検出器7,関数発生器8,
油圧サ―ボモ―タ4,ガイドベ―ン開度制御器41と減算
器42とで構成されるガイドベ−ン開度制御装置140 、電
圧設定器5,電圧変成器17と電圧検出器23と減算器22と
電圧制御器21とで構成される電圧制御装置120 ,回転子
の位相検出器19と電圧変成器17と系統周波数の位相検出
器18とPLL回路16と電流検出器15とIdq 検出器14
とで構成されるIdq軸検出装置100,減算器12と電流制
御器11とで構成される二次電流制御装置110 は図9と同
一であるので説明は省略する。
【0022】図9と異なっているのは、速度制御装置13
0 のかわりに、速度制御器31と減算器32と加算器33とで
構成される速度制御装置160 は、速度制御器31の出力N
C とガイドベ―ン開度指令値Y* を補正して、補正され
たガイドベ―ン開度指令値Y*1を演算している点と、電
流検出器71,有効電力検出器72,減算器73,有効電力制
御器74から構成される有効電力制御部170 を追加してい
る点である。
【0023】有効電力制御部170 は、有効電力指令値P
* と前記有効電力検出器72の出力Pが一致するように有
効電力制御器74はq軸電流指令値Iq * を出力する。ま
た、速度制御装置160 は、速度指令値N* と回転速度N
R が一致するようにガイドベ―ン開度指令値Y* を補正
する信号NC を出力し、ガイドベ―ン開度Yを補正され
たガイドベ―ン開度指令値Y1 * と一致させるようにガ
イドベ―ン制御装置140 が動作する。関数発生器8が正
確であると補正信号NC は零になる。
【0024】従って、このような構成でも図9のシステ
ムと同様に、V=V* ,NR =N*,Y=Y* ,Id
d * ,Iq =Iq * となるように運転されるので、電
圧がV* のもと有効電力設定値PR と落差Hでの最適な
運転(回転速度がN* ,ガイドベ―ン開度がY* での運
転)が可能となる。
【0025】
【発明が解決しようとする課題】従来の可変速発電電動
装置では、系統周波数から決まる同期速度に固定される
ことなく運用上最適な回転速度に制御できることから、
種々の特徴が発揮できる反面、回転速度が系統周波数と
独立して制御されることから下記の問題があった。
【0026】第1の問題点;電力系統の周波数或いは回
転速度が大きく変動した場合に運転不能になる恐れがあ
る。誘導機1の二次巻線に誘起される電圧はすべりに比
例するが、この電圧がサイクロコンバ―タが出力できる
電圧v2MAXを越えると、サイクロンコンバ―タによる誘
導機1の二次電流の制御が出来なくなり、運転は継続出
来なくなる。すべりSは同期速度N1 と誘導機1の回転
速度NR から決まるが、周波数によっても表示すことが
出来、(3)式で表される。
【0027】
【数3】 S=(N1 −NR )/N1 =(f1 −fR )/f1 ……………(3) (3)式からも分かるように、回転速度が一定(即ちN
R ,fR 一定)でも、電力系統の周波数f1 が大きく変
動した場合には、すべりSが大きくなり運転不能になる
恐れがある。例えばf1 が 100%,fR が95%でSが5
%の時、f1 が 105%に変動すると、すべりSは10%に
なる。
【0028】同様に電力系統の周波数が一定(即ちf
1 ,N1 一定)でも、回転速度が大きく変動した場合に
は、すべりが大きくなり運転不能になる恐れがある。例
えばN1 が 100%,NR が95%でSが5%の時、NR
90%に変動すると、すべりSは10%になる。特にガイド
ベ―ン制御で回転速度制御を行っている可変速発電電動
装置の場合は、有効電力変化時の回転速度変化が大きい
ので、すべりが大きくなり運転不能になる恐れが多いの
で、何らかの対策が必要になる。
【0029】第2の問題点;同期化力が殺されるので電
力系統の周波数変動抑制に貢献できない。電力系統の周
波数が低下した場合を例に説明する。同期機を用いた従
来の発電電動装置の場合は、電力系統の周波数が低下す
ると、発電運転中であれば発電電動機出力が増加して、
電力系統の周波数に対応する回転速度まで速度が低下し
て電力系統との同期が保たれる。揚水運転中であれば、
同期機入力が減少して、電力系統の周波数に対応する回
転速度まで速度が低下して電力系統との同期が保たれ
る。
【0030】この場合の同期機出力の増加,同期機入力
の減少を同期化力と言われているが、同期化力は電力系
統の周波数が低下するのを抑制する方向の変化であり、
電力系統の周波数変動抑制に貢献していると言える。
【0031】一方、可変速発電電動装置の場合は、電力
系統の周波数が低下した場合、同期化力によって回転速
度が低下しようとするが、回転速度は電力系統の周波数
とは関係なく前述のようにNR に制御されているため、
同期化力は打ち消されて誘導機出力の増加(或いは誘導
機入力の減少)も回転速度の低下も生じない。
【0032】このことは可変速発電電動装置は、電力系
統の周波数変動抑制に貢献していないと言える。 第3の問題点;ガバナフリ―機能が無いので電力系統の
周波数変動抑制に貢献できない。
【0033】同期機を用いた従来の発電電動装置の場合
は、発電運転中は原動機の回転速度制御機能により、上
述のように電力系統の周波数の低下伴って回転速度が低
下すると、それを抑制するように原動機の出力を変化す
るいわゆるガバナフリ―機能が有る。このガバナフリ―
機能は電力系統の周波数変動抑制に貢献する。
【0034】一方、可変速発電電動装置の場合は、電力
系統の周波数が低下しても上述のように回転速度は変化
しないので、原動機の出力は変化しない。このことは、
発電電動装置に於ける原動機の回転速度制御機能ではガ
バナフリ―の効果が無く、電力系統の周波数変動抑制に
貢献出来ないと言える。
【0035】上記第1の問題点を解決すべく、すべりを
検出してすべりが設定値を越えた量に応じて交流励磁制
御装置による有効電力補正を行う方法が提案されてい
る。(特開平1-231698) この方式は、図12に示されるように図10に対して、PL
L出力信号から誘導機1の励磁周波数f2 (即ちすべり
周波数fs )を検出するすべり周波数検出器81,すべり
周波数fs がすべり幅設定値fm を越えた量を検出する
すべり超過検出器82,一次遅れ演算器83,有効電力指令
値P* から一次遅れ演算器83の出力PCを減算して、補
正された有効電力指令値P1 * を出力する減算器84から
成るすべり周波数制限装置を追加している。
【0036】本方式では、すべり周波数制限装置により
すべり周波数fs は、すべり幅設定値fm をから大きく
越えることはなくなるので、すべりも過大になることは
なく、安定に運転が出来る。
【0037】しかしながら、この方式では第2および第
3の問題点が解決されておらず、電力系統の周波数変動
抑制の面からは従来と変わらない。上記第3の問題点を
解決すべく、電力系統の周波数変動を検出し、それによ
り、有効電力設定器6の出力P* を修正する方法が提案
されている。(特公平 3-51910) この方式は図13に示されるように図9に対して、周波数
検出器85,変動率演算器86,加算器84から成る電力系統
周波数抑制手段を追加している。本方式では、電力系統
周波数変動抑制手段により、電力系統の周波数変動に応
じて有効電力指令値を補正し、その結果有効電力は電力
系統の周波数変動を抑制する方向に変化するので、電力
系統の周波数変動抑制に貢献する。
【0038】しかしながら、この方法では、第1および
第2の問題点が解決されておらず、不完全な改善に留っ
ている。本発明の第1の目的は,電力系統の周波数が大
きく変動した場合にも運転不能になることのない、可変
速発電電動装置を提供することである。
【0039】第2の目的は、同期化力を打ち消すことの
無い可変速発電電動装置を実現して、電力系統の周波数
変動抑制に貢献出来るようにすることである。第3の目
的は、電力系統の周波数変動を抑制する制御機能を付加
した可変速発電電動装置を提供することである。
【0040】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明において
は、上記第1及び第2の目的を達成するために、一次巻
線が電力系統に接続され二次巻線が交流励磁される巻線
形誘導発電電動機と、巻線形誘導発電電動機の回転軸に
結合された原動機/負荷とから構成される可変速発電電
動装置において、電力系統の周波数または電圧位相のい
ずれか一方と前記回転軸の回転速度または回転角のいず
れか一方に基づいて前記交流励磁の周波数を検出する周
波数検出手段と、前記交流励磁の周波数がすべり周波数
指令値になるように前記交流励磁装置を制御するすべり
周波数制御手段とを有することを特徴とする。
【0041】請求項2の発明においては、上記第1の目
的を達成するために、請求項1において、すべり周波数
制御手段から出力されるすべり周波数指令値を規定値以
内に制限する手段を追加することを特徴とする。
【0042】請求項3の発明においては、上記第2及び
第3の目的を達成するために、一次巻線が電力系統に接
続され二次巻線が交流励磁される巻線形誘導発電電動機
と、巻線形誘導発電電動機の回転軸に結合された原動機
/負荷とから構成される可変速発電電動装置において、
電力系統の周波数または電圧位相のいずれか一方と前記
回転軸の回転速度または回転角のいずれか一方に基づい
て前記交流励磁の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記交流励磁の周波数がすべり周波数指令値になるよう
に前記交流励磁装置を制御するすべり周波数制御手段
と、前記回転軸の回転速度に応じて前記原動機/負荷の
トルクを補正する原動機/負荷トルク補正手段とを有す
ることを特徴とする。
【0043】請求項4の発明においては、上記第2及び
第3の目的を達成するために、一次巻線が電力系統に接
続され二次巻線が交流励磁される巻線形誘導発電電動機
と、巻線形誘導発電電動機の回転軸に結合された原動機
/負荷とから構成される可変速発電電動装置において、
電力系統の周波数または電圧位相のいずれか一方と前記
回転軸の回転速度または回転角のいずれか一方に基づい
て前記交流励磁の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記交流励磁の周波数がすべり周波数指令値になるよう
に前記交流励磁装置を制御するすべり周波数制御手段
と、前記電力系統の周波数変動に応じて前記原動機/負
荷のトルクを補正する原動機/負荷トルク補正手段とを
有することを特徴とする。
【0044】請求項5の発明においては、上記第2及び
第3の目的を達成するために、一次巻線が電力系統に接
続され二次巻線が交流励磁される巻線形誘導発電電動機
と、巻線形誘導発電電動機の回転軸に結合された原動機
/負荷とから構成される可変速発電電動装置において、
電力系統の周波数または電圧位相のいずれか一方と前記
回転軸の回転速度または回転角のいずれか一方に基づい
て前記交流励磁の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記交流励磁の周波数がすべり周波数指令値になるよう
に前記交流励磁装置を制御するすべり周波数制御手段
と、前記回転軸の回転速度に応じて前記すべり周波数指
令値を補正するすべり周波数指令値補正手段とを有する
ことを特徴とする。
【0045】請求項6の発明においては、上記第2及び
第3の目的を達成するために、一次巻線が電力系統に接
続され二次巻線が交流励磁される巻線形誘導発電電動機
と、巻線形誘導発電電動機の回転軸に結合された原動機
/負荷とから構成される可変速発電電動装置において、
電力系統の周波数または電圧位相のいずれか一方と前記
回転軸の回転速度または回転角のいずれか一方に基づい
て前記交流励磁の周波数を検出する周波数検出手段と、
前記交流励磁の周波数がすべり周波数指令値になるよう
に前記交流励磁装置を制御するすべり周波数制御手段
と、前記電力系統の周波数変動に応じて前記すべり周波
数指令値を補正するすべり周波数指令値補正手段とを有
することを特徴とする。
【0046】
【作用】請求項1のように構成された可変速発電電動装
置の作用を説明する。本装置は、すべり周波数制御手段
を設けていることから、すべり周波数fs (即ちf1
R )は一定に制御されるので、(3)式の分子は一定
となる。従って、電力系統の周波数が変動してもすべり
が変動しないようになる。例えばf1 が 100%,fR
95%でSが5%の時、f1 が 105%に変動しても、fs
が一定になるようにfR が 100%に制御されるので、す
べりSは5%から 4.76 %に変化するだけで、その変動
は小さい。
【0047】前述のように、電力系統の周波数が変動し
た場合、すべり周波数が変動しないように回転速度が電
力系統の周波数変動とほぼ同じ割合で変化するが、この
変化は同期機が同期化力によって回転速度が変化するの
と等価であり、同期化力を打ち消さない可変速発電電動
装置となっていることを意味する。
【0048】請求項2のように構成された可変速発電電
動装置の作用を説明する。本装置は、すべり周波数指令
値を制限する手段を設けて、すべり周波数指令値を規定
値以内に制限すると、電力系統の周波数が変動しても前
述のようにべりが規定値以内に制限される。
【0049】請求項3のように構成された可変速発電電
動装置の作用を説明する。本装置は、回転速度Nの変動
ΔNに比例して原動機/負荷のトルクをΔτM 補正させ
ると、すべり周波数制御によりf2 は一定に制御されて
いることから、後述のようにΔτM は電力系統の周波数
1 の変動量に比例し、誘導機1の有効電力もΔτM
正される。従って、請求項3の手段を用いた可変速発電
電動装置は、電力系統の周波数f1 の変動に応じて、原
動機/負荷のトルク及び誘導機1の有効電力を変化させ
る機能即ちガバナフリ―機能を発揮することが分かる。
【0050】請求項4のように構成された可変速発電電
動装置の作用を説明する。本装置は、電力系統の周波数
変動に応じて、原動機/負荷のトルク及び誘導機1の有
効電力を補正するので、請求項3と同様にガバナフリ―
機能を発揮することが分かる。
【0051】請求項5のように構成された可変速発電電
動装置の作用を説明する。本装置は、電力系統の周波数
変動Δf1 を積分した値で、すべり周波数指令値fs *
を補正する。すべり周波数制御によりf2 はすべり周波
数指令値fs * に一致するように制御されていることか
ら、後述のように、すべり周波数の指令値f2 * を補正
したことにより変化する誘導機1の有効電力の補正量Δ
E は、電力系統の周波数変動Δf1 に応じた値とな
る。
【0052】請求項6のように構成された可変速発電電
動装置の作用を説明する。本装置は、電力系統の周波数
と基準周波数の差Δf1 に応じて、すべり周波数の指令
値fs * を補正する。すべり周波数制御によりf2 はす
べり周波数指令値fs * に一致するように制御されてい
ることから、後述のように、すべり周波数の指令値f2
* を補正したことにより変化する誘導機1の有効電力の
補正量ΔPE は、電力系統の周波数変動Δf1 に応じた
値となる。
【0053】
【実施例】以下の説明は全ての変数,定数は各々の基準
値で無次元化された値とする。本発明の請求項1に係る
可変速発電電動装置の実施例を図面を参照して説明す
る。請求項1の実施例の構成図を図1に示す。誘導機
1,ポンプ水車2,サイクロコンバ―タ3,有効電力設
定器6,落差検出器7,関数発生器8,油圧サ―ボモ―
タ4,ガイドベ―ン開度制御器41,減算器42とで構成さ
れるガイドベ―ン開度制御装置140 、電圧設定器5,電
圧変成器17と電圧制御器21と減算器22と電圧検出器23と
で構成される電圧制御装置120 、Idq 検出器14と電
流検出器15とPLL回路16と電圧変成器17と系統周波数
の位相検出器18と回転子の位相検出器19とで構成される
Idq軸検出装置100,電流制御器11と減算器12とで構成
される二次電流制御装置110 は、図9と同一であるので
説明は省略する。
【0054】図9と異なっているのは、速度制御制御装
置130 の代わりに、速度指令値N*からすべり周波数指
令値fs * を演算するすべり周波数指令値発生器51,す
べり周波数指令値fs * とPLL回路16の内部出力f2
の差を演算する減算器52、そしてこの偏差にもとづきq
軸電流指令値Iq * を出力するすべり周波数制御器53と
から構成されるすべり周波数制御装置150 を設けたこと
である。すべり周波数指令値発生器51は図2に示される
ように減算器 511,係数器 512で構成され、その演算内
容は(4)式で表される。
【0055】
【数4】 fs * =N0 −N* …………………………………………(4) に応じた値となる。ここにN0 は基準同期速度であり、
電力系統の周波数f1 の基準値f0 に対応した回転速度
を意味する。
【0056】次に、本実施例の作用を説明する。PLL
回路16の内部出力f2 は誘導機1の励磁周波数であるの
で、前述のように(2)式で表されるが、回転速度で表
すと(5)式で表される。
【0057】
【数5】 f2 =N1 −NR ……………………………………………(5) すべり周波数制御器53の動作により、fs * =f2 に制
御されるので、(4)(5)式から(6)式が成り立
つ。
【0058】
【数6】 NR =N* +N1 −N0 ……………………………………(6) 回転速度NR は、(6)式に示されるようにN* +N1
−N0 に制御されることが分かる。
【0059】また、すべり周波数fs を(4)式のよう
に電力系統の周波数f1 に無関係に制御されるので、前
述のように電力系統の周波数が変動してもすべりは変動
しない。
【0060】電力系統の周波数が変動した場合、すべり
周波数が変動しないように回転速度が電力系統の周波数
変動とほぼ同じ割合で変化する((6)式参照)が、こ
の変化は同期機が同期化力によって回転速度が変化する
のと等価であり、同期化力を打ち消さない可変速発電電
動装置となっていることを意味する。
【0061】すなわち、本実施例によれば、可変速発電
電動装置の回転速度Nは、N* +N1 −N0 に制御され
るが、N* はN1 −N0 に対して十分大きいので、最適
な回転速度N* の近傍で運転でき、しかも電力系統の周
波数変動に応動してN* からN1 −N0 変動することに
なる。
【0062】前述のように、電力系統の周波数変動に応
動して回転速度が変動するのは、同期化力を打ち消して
いないことであり、電力系統の周波数変動抑制に貢献出
来る。
【0063】なお、本実施例では原動機/負荷として、
ポンプ水車の場合で説明したが、水車,ポンプ,蒸気タ
―ビン,はずみ車,風車等慣性を持った回転体を用いて
も同様の効果が得られる。
【0064】また、PLL回路が集積化されて内部出力
を取り出せない場合は、他のすべり周波数の検出方法を
とっても本発明は同等の作用・効果を示すことは明かで
ある。以下に他のすべり周波数検出方法の一例を示す。
【0065】すべり周波数をPLLの内部から検出する
代わりに、電力系統の周波数f1 と回転速度NR から、
すべり周波数fs をf1 −NR として検出しても同様の
効果が得られる。
【0066】図3にすべり周波数検出回路の他の構成を
示す。図3では図1に対して、速度信号発生器33, 速度
検出器34,系統周波数検出器35,減算器36から構成され
るすべり周波数検出回路165 を追加して、図1のPLL
出力信号f2 の代わりに、減算器36の出力信号fs を用
いている点が異なっている。作用・効果は図1と同一で
あるので説明は省略する。
【0067】同様に、PLLの他の出力信号である二次
電流位相基準εからその周波数を検出することでも、す
べり周波数を検出することが出来る。その一例は、従来
技術例で示した図13の周波数/電圧変換機81に示されて
いるので説明は省略する。
【0068】上記はすべり周波数の検出方法の一例であ
るが、すべり周波数の検出方法がいずれの手法をとって
も、本発明は同等の作用・効果を示すことは明かであ
る。本発明の請求項2に係る可変速発電電動装置の実施
例を図面を参照して説明する。
【0069】請求項2の実施例は、請求項1のすべり周
波数指令値発生器51を図2の内容から、図4に示す内容
に変更することで構成される。即ち、係数器 512の出力
にリミッタ 513を追加する。
【0070】次に、本実施例の作用を説明する。本実施
例は、すべり周波数指令値fs * が規定値にリミットさ
れるので、fs * になるように制御されている励磁周波
数f2 (即ちすべり周波数fs )は規定値を越えること
はない。
【0071】すなわち、本実施例によれば、すべり周波
数は規定値を越えることはないので、すべりも規定値を
越えることはない。従って電力系統の周波数が大きく変
動した場合でも運転不能になることはなく、安定に運転
が維持できる。
【0072】本発明の請求項3に係る可変速発電電動装
置の実施例を図面を参照して説明する。請求項3の実施
例の構成図を図5に示す。図5は、図1に対して速度信
号発生器33,速度検出器34から構成される回転速度検出
手段と、速度指令値N* と回転速度Nの差を演算する減
算器61,減算器61の出力からガイドベ―ン開度指令値Y
* を補正する信号τC を演算するトルク補正器62,ガイ
ドベ―ン開度指令値Y* に前記補正信号τC を加算する
加算器63とから構成されるトルク補正手段160 を追加し
ている。次に、本実施例の作用を説明する。本実施例で
は補正信号τC は(7)式で求める。
【0073】
【数7】 τC =K(N* −NR ) ……………………………………(7) ここにKは速度調定率 すべり周波数制御によって、(6)式が成り立つので、
補正信号τC により、原動機/負荷のトルクが補正され
る量ΔτM は(8)式で表される。
【0074】
【数8】 ΔτM =τC =−K(N1 −N0 )=−K(f1 −f0 ) ………(8) 原動機/負荷のトルクがΔτM 補正されると、誘導機1
の回転速度,すべりが変化しようとするが、すべり周波
数制御によって誘導機1の有効電力をΔτM 補正してす
べりの変化を抑える。従って、誘導機1の有効電力は電
力系統の周波数変動(f1 −f0 )に応じて補正され
る。
【0075】すなわち、本実施例によれば、請求項1の
実施例の効果に加えて、電力系統の周波数の変動に応じ
て、原動機/負荷のトルク及び誘導機1の有効電力を変
化させる機能即ちガバナフリ―機能を発揮することが出
来るので、電力系統の周波数の変動抑制によりいっそう
貢献できる。
【0076】本発明の請求項4に係る可変速発電電動装
置の実施例を図面を参照して説明する。請求項4の実施
例の構成図を図6に示す。図6は、図1に対して電力系
統の周波数と基準周波数の差Δf1 を検出する周波数偏
差検出器64と、前記Δf1 からガイドベ―ン開度指令値
* を補正する信号τC を演算するトルク補正器65,ガ
イドベ―ン開度指令値Y* に前記補正信号τC を加算す
る加算器63とから構成されるトルク補正手段161 を追加
している。次に、本実施例の作用を説明する。本実施例
では、補正信号τC は(9)式で求める。
【0077】
【数9】 τC =−KF Δf1 …………………………………………(9) ここにKF は周波数調定率 補正信号τC により、原動機/負荷のトルクが補正され
る量をΔτM とすると、ΔτM は(14)式で表される。
【0078】
【数10】 ΔτM =τC =−KF Δf1 ………………………………(10) 前述のように、すべり制御によって誘導機1の有効電力
もΔτM 補正される。(10)式から、請求項5の手段を
用いた可変速発電電動装置は、電力系統の周波数f1
変動Δf1 に応じて、原動機/負荷のトルク及び誘導機
1の有効電力を変化させる機能即ちガバナフリ―機能を
発揮することが分かる。
【0079】すなわち、本実施例によれば、請求項1の
実施例の効果に加えて、電力系統の周波数の変動に応じ
て、原動機/負荷のトルク及び誘導機1の有効電力を変
化させる機能即ちガバナフリ―機能を発揮することが出
来るので、電力系統の周波数の変動抑制によりいっそう
貢献できる。
【0080】本発明の請求項5に係る可変速発電電動装
置の実施例を図面を参照して説明する。請求項5の実施
例の構成図を図7に示す。図7は、図1に対して速度信
号発生器33,速度検出器34から構成される回転速度検出
手段を追加し、更にすべり周波数指令値発生器51の代わ
りに、速度指令値N* と回転速度NR からすべり周波数
指令値fs * を演算するすべり周波数指令値発生器54か
ら構成されるすべり周波数制御装置151 を構成してい
る。
【0081】次に、本実施例の作用を説明する。本実施
例では、回転速度に応じて(11)式により、すべり周波
数の指令値fs * を補正する。
【0082】
【数11】 但し、fso * は電力系統の周波数変動が零の時のすべり
周波数指令値,TN は補正積分時定数, は積分を表す。fso * は一定であり、またすべり周波数
制御によってf2 が指令値fs * に一致するように制御
されているので、(11)式は(12)式に変形出来る。
【0083】
【数12】 dfs * /dt=(fR * −fR )/TN ={(f0 −fs * )−(f1 −f2 )}/TN =−Δf1 /TN …………………………(12) すべり周波数の指令値fs * を補正したことにより変化
する誘導機1の有効電力の補正量ΔPE とすると、回転
軸の運動方程式から(13)式が成り立つ。
【0084】
【数13】 但しTA は発電電動装置の加速時定数であり、d/dt
は微分を表す。また有効電力,回転速度,周波数は全て
発電方向を正としている。fs * =f2 として、(12)
式を(13)式に代入すると、(13)式は(14)式とな
る。
【0085】
【数14】 −ΔPE =NRA (dΔf1 /dt+Δf1 /TN ) …………(14) (14)式から、請求項5の手段を用いた場合の可変速発
電電動装置は、電力系統の周波数変動Δf1 に応じて有
効電力PE を変化させる作用をすることが分かる。
【0086】すなわち、本実施例によれば、請求項1の
実施例の効果に加えて、電力系統の周波数の変動に応じ
て、可変速発電電動装置の有効電力を変化させることが
出来るので、電力系統の周波数の変動抑制によりいっそ
う貢献できる。この機能はすべり周波数制御が出来ない
同期機(何故ならば、同期機は直流励磁しているから)
を用いた発電電動装置では実現できない効果であり、本
可変速発電電動装置の特長となる。
【0087】本発明の請求項6に係る可変速発電電動装
置の実施例を図面を参照して説明する。請求項5の実施
例の構成図を図8に示す。図8は、図1に対して電力系
統の周波数と基準周波数の差Δf1 を検出する周波数偏
差検出器64を追加し、更にすべり周波数指令値発生器51
の代わりに、速度指令値N* と回転速度N前記Δf1
らすべり周波数指令値fs * を演算するすべり周波数指
令値発生器55を用いてすべり周波数制御装置152 を構成
している。
【0088】次に、本実施例の作用を説明する。本実施
例では、電力系統の周波数と基準周波数の差Δf1 に応
じて(15)式により、すべり周波数の指令値fs * を補
正する。
【0089】
【数15】 (15)式は(16)式に変形出来る。
【0090】
【数16】 dfs * /dt=−Δf1 /TN …………………………(16) (16)式は(12)式と同一の結果になっているので、本
実施例も請求項5の実施例と同様な作用となる。
【0091】すなわち、本実施例によれば、請求項1の
実施例の効果に加えて、電力系統の周波数の変動に応じ
て、可変速発電電動装置の有効電力を変化させることが
出来るので、電力系統の周波数の変動抑制によりいっそ
う貢献できる。この機能はすべり周波数制御が出来ない
同期機(何故ならば、同期機は直流励磁しているから)
を用いた発電電動装置では実現できない効果であり、本
可変速発電電動装置の特長となる。
【0092】
【発明の効果】本発明によれば、電力系統の周波数が大
きく変動した場合にもすべりの変動は抑制され、また同
期化力を打ち消すことの無く電力系統の周波数変動に追
従でき、更に電力系統の周波数変動を抑制する方向に有
効電力を変化させられるので、電力系統の周波数が大き
く変動した場合にも運転不能になることはなく、電力系
統の周波数変動抑制に貢献出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の請求項1の一実施例の可変速発電電動
装置の構成図。
【図2】本発明の請求項1に用られるすべり周波数指令
値発生器の一実施例の構成図。
【図3】本発明の請求項1の他の実施例の可変速発電電
動装置の構成図。
【図4】本発明の請求項2の一実施例の可変速発電電動
装置の構成図。
【図5】本発明の請求項3の一実施例の可変速発電電動
装置の構成図。
【図6】本発明の請求項4の一実施例の可変速発電電動
装置の構成図。
【図7】本発明の請求項5の一実施例の可変速発電電動
装置の構成図。
【図8】本発明の請求項6の一実施例の可変速発電電動
装置の構成図。
【図9】従来の可変速発電電動装置の構成図。
【図10】従来の可変速発電電動装置に用いられるPL
L構成図。
【図11】従来の可変速発電電動装置の他の構成図。
【図12】従来の可変速発電電動装置の他の構成図。
【図13】従来の可変速発電電動装置の他の構成図。
【符号の説明】
1…巻線形誘導発電電動機、2…ポンプ水車、3…サイ
クロコンバ−タ 4…油圧サ−ボモ−タ、5…電圧設定器、6…有効電力
設定器 7…落差検出器、8…関数発生器、11…電流制御器 14…IdIq 検出器、15…電流検出器、16…PLL 回路、17
…電圧変成器 18,19 …位相検出器、21…電圧制御器、23…電圧検出
器、31…速度制御器 33…速度信号発生器、34…速度検出器、35…系統周波数
検出器 41…ガイドベ−ン開度制御器、51,54,55…すべり周波数
指令値発生器 53…すべり周波数制御器、62,65 …トルク補正器、81…
すべり周波数検出器 82…すべり超過検出器、83…一次遅れ演算器、85…すべ
り周波数検出器 86…変動率演算器、100 …Idq 軸検出装置、110 …二次
電流制御装置 120 …電圧制御装置、130,160 …速度制御装置 140 …ガイドベ−ン開度制御装置、150,151,152 …すべ
り周波数制御装置 161 …トルク補正手段、165 …すべり周波数検出回路、
170 …有効電力制御部

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一次巻線が電力系統に接続され二次巻線
    が交流励磁される巻線形誘導発電電動機と、巻線形誘導
    発電電動機の回転軸に結合された原動機/負荷とから構
    成される可変速発電電動装置において、電力系統の周波
    数または電圧位相のいずれか一方と前記回転軸の回転速
    度または回転角のいずれか一方に基づいて前記交流励磁
    の周波数を検出する周波数検出手段と、前記交流励磁の
    周波数がすべり周波数指令値になるように前記交流励磁
    装置を制御するすべり周波数制御手段とを有することを
    特徴とする可変速発電電動装置。
  2. 【請求項2】 すべり周波数制御手段から出力されるす
    べり周波数指令値を規定値以内に制限する手段を有する
    ことを特徴とする請求項1記載の可変速発電電動装置。
  3. 【請求項3】 一次巻線が電力系統に接続され二次巻線
    が交流励磁される巻線形誘導発電電動機と、巻線形誘導
    発電電動機の回転軸に結合された原動機/負荷とから構
    成される可変速発電電動装置において、電力系統の周波
    数または電圧位相のいずれか一方と前記回転軸の回転速
    度または回転角のいずれか一方に基づいて前記交流励磁
    の周波数を検出する周波数検出手段と、前記交流励磁の
    周波数がすべり周波数指令値になるように前記交流励磁
    装置を制御するすべり周波数制御手段と、前記回転軸の
    回転速度に応じて前記原動機/負荷のトルクを補正する
    原動機/負荷トルク補正手段とを有することを特徴とす
    る可変速発電電動装置。
  4. 【請求項4】 一次巻線が電力系統に接続され二次巻線
    が交流励磁される巻線形誘導発電電動機と、巻線形誘導
    発電電動機の回転軸に結合された原動機/負荷とから構
    成される可変速発電電動装置において、電力系統の周波
    数または電圧位相のいずれか一方と前記回転軸の回転速
    度または回転角のいずれか一方に基づいて前記交流励磁
    の周波数を検出する周波数検出手段と、前記交流励磁の
    周波数がすべり周波数指令値になるように前記交流励磁
    装置を制御するすべり周波数制御手段と、前記電力系統
    の周波数変動に応じて前記原動機/負荷のトルクを補正
    する原動機/負荷トルク補正手段とを有することを特徴
    とする可変速発電電動装置。
  5. 【請求項5】 一次巻線が電力系統に接続され二次巻線
    が交流励磁される巻線形誘導発電電動機と、巻線形誘導
    発電電動機の回転軸に結合された原動機/負荷とから構
    成される可変速発電電動装置において、電力系統の周波
    数または電圧位相のいずれか一方と前記回転軸の回転速
    度または回転角のいずれか一方に基づいて前記交流励磁
    の周波数を検出する周波数検出手段と、前記交流励磁の
    周波数がすべり周波数指令値になるように前記交流励磁
    装置を制御するすべり周波数制御手段と、前記回転軸の
    回転速度に応じて前記すべり周波数指令値を補正するす
    べり周波数指令値補正手段とを有することを特徴とする
    可変速発電電動装置。
  6. 【請求項6】 一次巻線が電力系統に接続され二次巻線
    が交流励磁される巻線形誘導発電電動機と、巻線形誘導
    発電電動機の回転軸に結合された原動機/負荷とから構
    成される可変速発電電動装置において、電力系統の周波
    数または電圧位相のいずれか一方と前記回転軸の回転速
    度または回転角のいずれか一方に基づいて前記交流励磁
    の周波数を検出する周波数検出手段と、前記交流励磁の
    周波数がすべり周波数指令値になるように前記交流励磁
    装置を制御するすべり周波数制御手段と、前記電力系統
    の周波数変動に応じて前記すべり周波数指令値を補正す
    るすべり周波数指令値補正手段とを有することを特徴と
    する可変速発電電動装置。
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