JPS6281998A - 可変速発電電動装置及び制御方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、２次励磁付の誘導機により任意の回転数で運
転できる可変速発電システムの励磁制御方式に係り、特
に発電及び揚水の自動周波数制御（ＡＦＣ）運転時にす
ベリ零附付を短時間で通過させる制御に好適な励磁制御
方式に関する。

〔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、発電運転時に系統から要求される発電力の変
化によりシステムの効率が変化すること、揚水運転時に
揚程等の変化によりシステムの効率が変化することとい
う不都合があった。

このような不都合を解消するため、発電力や揚程にかか
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。この研究は従来の同期機である揚
水発電機を２次励磁付の誘導機で運転する、いわゆる可
変速発電システムとするという方向に進んでいる。この
ように可変速発電システムとすることにより発電力、揚
程にかかわらず、そのシステムを最高効率で運転するこ
とが可能となるとされている。そこで、かかる可変速発
電システムを実現するための研究が進められている。

このような可変速発電システムについては、例えば「昭
和５９年電気学会全国大会論文、Ｎａ２Ｓ２、′“大容
量同期電動機の可変速運転特性″」において発表されて
いるものの、具体的な制御方式にっぃては、何らふれら
れていない。

〔発明の目的〕

本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、その
目的は発電及び揚水の各種運転状態で、短時間ですベリ
零附近を通過できるようにした励磁制御方式を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明は、可変速発電システムの回転数がシステムの人
、出力関係により定まることに着目し、すべりが一定範
囲内に達した時点で、かかるシステムの人、出力にアン
バラスン状態を作り、回転子の加速あるいは減速を生じ
させることにより、すベリ零附近を短時間で通過させて
上記目的を達成しようとするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細な説明するが、その前に本発明の基
礎となった事項を説明する。

第２図は可変速発電システムの概要を示すブロック図で
あり、−次、二次側とも三相巻線からなる。

第２図において、１は固定子、２は回転子である。また
５ａ〜５ｃは固定子のａ、ｂ、ｃ相巻線を、６ａ〜６ｃ
は回転子のａ、ｂ、Ｑ相巻線をそれぞれ示すものである
。さらに、定格周波数をｆ。

すべりをＳとすると、回転子２の速度はｆ　（１−８）
であるので、回転子２の励磁巻線６ａ〜６ｃをすべりＳ
の周波数で励磁すれば、回転子２の回転磁界は、すベリ
零（同期速度）で回転することになり、これに伴って固
定子１の回転磁界速度と同一の速度となる。７は回転子
２の回転数を測定する測定部であり、この測定部７から
の出力をすべり検出部３に供給する。このすべり検出部
３ですベリ周波数を検出し、その検出した値を電圧発生
部４に与える。電圧発生部４はすベリ周波数に応じた電
圧を発生させ、２次巻線６８〜６ｃを励磁する。このよ
うにすることにより、任意の回転数で回転を行っても、
単に２次巻線６８〜６ｃに。

系統周波数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　（１−８
）＋ｆＳ＝ｆ　　　　　　　・・・（１）となり、すベ
リにかかわらず、定格周波数の出力が固定子１から得ら
れることになる。

このような可変速発電システムにおいて、上記の励磁装
置として、サイクロコンバータを用いた場合には、すベ
リ零附近では、特定の相にのみ励磁電流が連続して流れ
、過熱の原因となる。

このため、サイクロコンバータの容量は、すベリ零附近
の電流（サイクロコンバータ出力電流としては、はぼ直
流）と、すベリ零附近の通過に要する時間で定まること
になる。このうち、電流の大きさは、運転条件で定まる
ため、容量の低減には、通過時間を短縮する必要がある
。容量の低減を図る一方法として、すベリがあらかじめ
定めた範囲内では、連続運転時間を規定することが考え
られる。この範囲を禁止帯と呼ぶ。この範囲が狭まく、
かつ、サイクロコンバータの容量を低減できる方式がシ
ステム上からは望ましい。

このため、本発明では、揚水及び発電機運転におけるＡ
ＦＣ運転時にすべり零附近を短時間で通過できる方式を
提供しようとするものである。

第３図は本実施例の基礎となった可変速発電システムの
具体例を示すブロック図であって、可変速機Ｇ工が系統
に接続されて運転されている場合が示されている。１０
は電力系統を、１及び２は第２図と同一の固定子及び回
転子をそれぞれ示している。静落差Ｈ及び出力指令Ｐ。

が指令値算出回路１５に与えられると、この指令値算出
回路１５は、効率を考慮したガバナ弁の開度指令値Ｈｖ
及び速度指令値Ｎ０　を算出する。１４は調速機の弁開
度設定器であり、この弁開度設定器１４は指令値算出回
路１５よりの開度指令値Ｈｖを取り込み、この弁開度指
令値Ｈｖを基に時間遅れをもって弁開度が設定され、こ
れにより調速機の弁開度が定まる。１３は水車特性部で
あり、この水車特性部１３は静落差Ｈ１弁開度設定器１
４からの調速機の弁開度及び速度発電機からの回転数Ｎ
で定まる。この水車特性部１３に応じて、可変速機の回
転子２は回転する。速度発電機１１は回転子２の回転を
検出できるようになっており、これの出力により、速度
が検出される。１９は電流変成器、２０は電圧変成器で
あり、これらの出力は有効電力算出部２１に供給される
。この有効電力算出部２１は、電流変成器１９及び電圧
変成器２０からの出力をもとに、有効電力Ｐを算出し出
力する。１６は２次巻線の位相角算出部であり。

この位相角算出部１６は、有効電力算出部２１からの出
力、出力指令Ｐ、、指令値算出回路１５からの速度指令
値Ｎ。、速度発電機１１からの速度Ｎをもとに位相差を
算出して算出部１７に出力する。算出部１７は上記出力
から２次回路（２２８〜２２ｃ）の励磁量を設定する。

、１８は電圧調整部であり、この電圧Ｗ４整部１８は電
圧変成器２０からの電圧信号をもとに励磁量の電圧値を
制御する。移相部２３ａ、２３ｂ、２３ｃは設定部１７
で設定した励磁量を取り込み、これをもってａ。

ｂ、ｃ相に励磁量を与えるものである。２２ａ。

２２ｂ、２２ｃは移相部２３ａ〜２３ｃで移相された励
磁巻線である。

このように、出力指令値に対して、ガバナ弁の開度、速
度の目標値が求められ、これらの値より、２次巻線の位
相角を算出して制御を行う必要があり、位相角算出部１
６の処理方式及び安定な制御方式は検討されているがま
だ確立されておらず、特にすベリ零附近の通過方式を確
立する必要がある。そこで、本発明では、第１図に示す
ような構成−して上記制御方式の具体化を図ったもので
ある。

第１図は、本発明の実施例を示すブロック図であり、可
変速機が系統に接続、運転している場合を示しである。

第１図に示す実施例が第３図に示す構成と異なるところ
は、位相角算出部１６を、指令値算出回路１５からの目
標回転数Ｎ０と速度発電機１１からの実際の回転数Ｎと
の差を求める比較部２４と、該比較部２４で求めた出力
を取り込み、例えば（、に２（Ｎ　　Ｎｏ　）　ｄ　ｔ
の計算をする位相角制御量算出部２５と、有効電力導出
部２１からの出力Ｐと出力指令値Ｐ０との差を求める比
較部２６と、該比較部２６で算出された出力を取り込み
、例えばｆｋｌ　＜ｐ　　Ｐ、　）ｄｔの計算をする位
相角制御量算出部２７と、該位相角制御量算出部２５゜
２７の出力を加算する加算部２８と、該加算部２８から
の出力を取り込むと共に、回転数Ｎ及びＮ、を基にすべ
りが一定範囲内のときのみに加算部２８からの出力に一
定値を掛ける補償部２９と、補償部２９からの出力を基
に位相角Ａδを算出する位相角算出部１６０とから構成
した点にある。

尚、位相角算出部１６０からの出力が設定部１７に供給
される。

ここで、補償部２９の一例の詳細について、第６図及び
第７図を用いて説明する。

第６図において、２９０は目標回転数Ｎａ　と実回転数
Ｎとの差をとる加算器、２９１はある設定幅の基準値２
９２と前記加算器２９０からの出力とを比較し、前記差
が一定幅にあるときに切換器２９３を駆動するコンパレ
ータ、２９４は掛算器である。切換器２９３の一方の接
点には掛算器２９４が設けられており、他方の接点は何
等特別な処理はしない。尚、これは−構成例を示したも
ので、例えばコンピュータのソフトで構成してもよいこ
とはいうまでもない。このような補償部２９によれば、
ステップ３００では、加算器２９０、コンパレータ２９
１、基準値２９２ですべり周波数が一定の範囲内か否か
の判定を行う。このステップ３００で、一定の範囲内と
判定されると、切換器２９３を切換えて掛算器２９４を
介するようにして、加算部２８の出力に一定値を乗じて
位相角算出部１１６に与える（ステップ３００）。コン
パレータ２９１ですべりがあらかじめ定めた範囲外にあ
ると判定されると（ステップ３００）、加算部２８の出
力がそのまま位相角算出部１６０に供給される。このよ
うにして出力指令値に対してガバナの開度指令値、速度
指令値が与えられ、実際の回転数Ｎと目標値Ｎ０　との
差及び実際の出力Ｐと目標値Ｐ０　との差により、２次
巻線の位相角Ａδを算出し、この値により励磁量を制御
することにより安定に制御できる。

以下、本発明の一実施例を適用した具体的な構成例につ
いて第４図を参照しながら説明する。

第４図は、２次励磁付の誘導機により任意の回転数で運
転できる、いわゆる可変速発電システムにおける揚水発
電機Ｇ□が送電線りを介して系統１０に接続運転してい
るシステム例を示す系統図である。

図において、送電ＭＬには、電圧変成器２０、電流変成
器１９が設置されている。

一般に、揚水発電機Ｇ１には、フランシス水車が使用さ
れ、水車出力と効率との関係は、第５図のように示され
る。同図は横軸に水車出力、縦軸に効率をとり、回転数
をパラメータとして示したものである。Ｐｌ、Ｐ、は水
車出力を、η、。

η２は効率を、Ｎ工、Ｎ２　は回転数を示す、出力Ｐ、
では回転数Ｎよ。で、出力Ｐ、では回転数Ｎ２゜で、そ
れぞ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、出力によって、効率が最高となる回転数は
異なっており、本発明はこれらの最高効率の点で運転し
ようとするものである。

第４図において、可変速発電システムは、操作端Ｔより
、発電機Ｇ工に要求される発電力の指令（又は目標値）
Ｐｏ　が与えられると、発電機Ｇ１の特性、水の落差を
考慮した上で、高効率の運転ができるように、発電機Ｇ
８の回転数Ｎ、、水車のガバナ弁の開度Ｈ９が制御指令
部Ｃにおいて求められ、これらの値（Ｎｏ、Ｈ，）にあ
うような運転がなされることになる。ここで、制御指令
部Ｃは、上記各要素１３，１４．１６〜１８により構成
されている。このような状態で、発電機出力の低下指令
が操作端Ｔより与えられると、あらかじめ制御指令部Ｃ
に与えられている手法により、発電機出力Ｐと水の落差
とに基づいて、発電機の効率ηが最高となるように回転
数Ｎ０及びガバナの弁開度Ｈ，が求められ、これら（Ｎ
ｏ　、、Ｈ，）が目標値となるよう、２次交流励磁の位
相角Δδが制御され、効率のよい運転が行われることに
なる。

一方１発電機Ｇ□の回転数の定格よりのずれは、制御指
令部Ｃより励磁回路ＥＩｌの情報として与えられ、その
情報としてすベリ周波数を用いることにより前述したよ
うに、定格周波数の出方が得られることになる。

次に、すベリ周波数で励磁する２次励磁の具体例につい
て説明する。第１図に示すように、３相の２次励磁巻線
に与えられる信号は次の（２）式％式％ すなわち、第４図の操作端Ｔより与えられた指令Ｐ。に
より、ａ”’−ｃ相の励磁量をうるための関数のうちの
位相角Ａδは位相角算出部１６において求められる。こ
の位相角算出部１６で求められた位相角Ａδが設定部１
７に与えられると、ａ〜Ｃ相の励磁電圧ｖ　ｆａ　、　
ｖ　、、　、　ｖ　１゜は、で求められる。ここで、Ｅ
はすべり及び可変速機の運転状態で定まる電圧値、δ。

は可変速機の運転状態で定まる位相角、Ａδは制御指令
部Ｃの出力で制御される位相角とする。

上式を用いて制御を行う場合に、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で制御すればよいのである。

本発明は、上記第（２）式において、ＡＦＣ運転時に有
効電力を安定に目標値に制御するものである。

このため、上記の構成において、励磁回路Ｅｘの位相角
（Δδ）を制御して、回転数Ｎ及び電力Ｐを目標値にあ
わせなければならない。そこで。

位相角Δδを動かすための情報としては、有効電力Ｐと
回転数Ｎとを用いればよいことが理解できる。

したがって１本発明の実施例は、位相算出部１６を第１
図に示すように構成し、上記第（３）式を実現するもの
である。

すなわち、位相角Ａδは、 Δδ＝＝−／　ｋ、（Ｐ−Ｐｏ）ｄ　ｔすに２（Ｎ−Ｎ
、）ｄ　ｔ　・（３）の如く計算される。ここで、Ｐｏ
は有効電力の目標値（電力制御指令値）、Ｎｏは回転数
の目標値、Ｐは有効電力の実際の値、Ｎは回転数の実際
の値、ｋ□及びに２は定数である。

さらに第１図を参照して上記第（３）式の算出過程を説
明する。

実回転数Ｎと目標値Ｎ。どの差（Ｎ−Ｎｌｌ　）が比較
部２４で算出される。ここで算出された出力（Ｎ　Ｎ、
）が位相角制御量算出部２５に供給され、該算出部２５
において、ｆｋｔ　　（Ｎｕｎ）ｄｔが算出される。

一方、有効電力の実際値Ｐと目標値Ｐ。どの差（ｐ−ｐ
、）が比較部２６で算出される。該比較部２６で算出さ
れた出力（ｐ−ｐ、　）が位相角制御量算出部２７に供
給され、該算出部２７で、−了に１（Ｐ−Ｐｏ）ｄ　ｔ
が算出される。

上記算出部２５．２７からの出力が加算部２８で加算さ
れる、（−Ｊｋ、　（Ｐ−Ｐ、）　ｄ　ｔ　＋ｆｋｘ　
（Ｎ　　ＮＪ　ｄ　ｔ）となる、尚、すべりＳが一定幅
内であるときは、Ｋ（−ｆｋ□（ｐ　−ｐ　ｏ　）ｄ　
ｔ　＋　５に、　（Ｎ−Ｎｆｌ）　ｄ　ｔ　）が、一定
幅外では、（−に、（Ｐ−Ｐｏ）　ｄ　ｔ＋　ｆｋ、　
（Ｎ−Ｎ、）　ｄ　ｔ）が設定部１７に与えられる。

このように算出され設定部１７に与えられる値により、
設定部１７で第（２）式の計算がなされることになる。

上記実施例では、第（３）式の計算をして位相角Δδを
求めているものであるが、第２の実施例として、上記第
（４）式を計算させるもの、また第３の実施例として、
第（５）式の如き計算をさせるようにしてもよいもので
ある。

Δδ＝Ｊ（Ｐ　　ＰＪ＋ｋｉ（Ｎ　　Ｎｏ）　　　　・
・・（４）Δδ＝＝−Ｊｋ、（Ｐ−ｐＨ）ｄ　ｔ＋／に
、（Ｎ−Ｎ、＋）ｄ　ｔ−に、（Ｐ−Ｐｏ）＋に、（Ｎ
−Ｎ、）　　　　・（５）ここで、に、、に、は定数で
ある。

かかる第２．第３実施例によっても第１実施例と同様の
作用効果が得られる。

第８図、第９図は揚水運転時にポンプが第１０図に示す
特性を有する場合について、点ＡからＢへの運転点への
変更指令が与えられた場合のシュミレーション結果を示
したものである。第１０図の横軸は揚程、縦軸はポンプ
入力で示してあり、Ｎ、が定格速度、Ｎ工〜Ｎ２が禁止
帯を示している０本実施例の方式を採用しない場合には
、第８図に示すように、すべり−０、６Ｈｚ　　から＋
０．６Ｈｚ（禁止？ｉＦ）の範囲を通過する時間は４．
１７ｓｅｃであるのに対し、本実施例の方式を採用した
場合には、第８図に示すように３．４６ｓｅｃとなり、
約８．０％に短縮することになる０本実施例の励磁にサ
イクロコンバータを用いて場合には、サイクロコンバー
タの容量は、既に述べたように、このすべり零附近の通
過時間に直接関係することから１本実施例の方式は、サ
イクロコンバータの容量低減に大きな効果がある。

これまでの説明は、実際の値を変化させる例についての
べたが、目標値を変化させても同様の効果の得られるこ
とはいうまでもない。

〔発明の効果〕 以上述べたように本発明によれば、簡単な構成により、
すべり零附近で、速度の目標値と実際の値との差あるい
は電力の目標値と実際の値との差の間にアンバランス状
態を形成して、２次励磁電圧の位相角を制御でき、発電
運転及び揚水運転時のＡＦＣ運転時に短時間ですべり零
附近を通過できるようにしたため、励磁装置であるサイ
クロコンバータの容量低減を図ることができる効果があ
る。

また、本発明によれば、系統の変動負荷をまかなうため
に、昼間は発電、夜間は揚水として運転する揚水発電シ
ステムで揚水運転時に系統より定まる電力に対しても効
率よく運転できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は可
変速揚水発電システムの原理概要を示す図、第３図は可
変速揚水発電システムの制御系統の概要を示すブロック
図、第４図は本発明の実施例が適用された可変速発電シ
ステムの具体的構成例を示すブロック図、第５図は出力
と効率の関係を示す線図、第６図は本実施例で用いる補
償部の一構成例を示すブロック図、第７図は第６図の動
作説明図、第８図は本実施例の方式を適用しない場合の
試算例を説明するために示す波形図、第９図は本実施例
の方式を用いた場合の試算例を説明するために示す波形
図、第１０図は上記試算に用いて特性を示す線図である
。 Ｅ、・・・励磁回路、Ｇ、・・・可変速発電システムの
発電機、Ｌ・・・送電線、Ｃ・・・制御指令部、Ｔ・・
・操作端、１・・・固定子、２・・・回転子、３・・・
すベリ検出部、４・・・電圧発生部、５８〜５Ｃ・・・
固定子のａ　−Ｃ相巻線、６ａ〜６ｃ・・・回転子のａ
−Ｃ相巻線、７・・・回転数測定部、１０・・・系統、
１１・・・速度発電機、１３・・・水車特性部、１４・
・・調速機の弁開度設定部。 １５・・・指令値算出回路、１６・・・位相角算出部、
１７　・２次巻線励磁量算出部、１８・・・電圧調整部
。 １９・・・電流変成器、２０・・・電圧変成器、２１・
・・有効電力導出部、２２ａ〜２２ｃ・・・２次励磁の
ａ〜Ｃ相巻線、２３８〜２３ｃ・・・移相部、２４，２
６・・・比較部、２５．２７・・・位相角制御量算出部
。 ２８・・・加算部、２９・・・補償部、１６０・・・２
次巻線位相角算出部、２９０・・・加算器、２９１・・
・コンパレータ、２９２・・・基準値、２９３・・・切
換器、２９４・・・掛算器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、電力系統に接続され、２次励磁付の誘導機を任意の
   回転数で運転する可変速発電システムにおいて、外部よ
   り与えられる電力制御指令値を基に目標回転数及びガバ
   ナ弁開度を設定する機能を備え、かつ、あらかじめ定め
   た範囲内のすべりでは、電力制御指令値と電動発電機の
   出力及び入力のいずれかとの間で算出した位相角制御量
   を変化させ、この変化させた値を用いて、２次励磁電圧
   の位相を制御することを特徴とした励磁制御方式。