WO2009139078A1 - 発電機電圧安定化システム - Google Patents

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嶋田隆一
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国立大学法人 東京工業大学
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/275—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/293—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Definitions

  • the present invention relates to a generator voltage stabilization system that uses the generation function to compensate for the internal reactance voltage drop due to the delay power factor of the synchronous generator.
  • the internal reactance voltage drop occurs due to the delay power factor of the current flowing in the internal coil, and it is necessary to compensate for this.
  • the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object thereof is to provide a generator voltage stabilization system that stabilizes the output voltage of a synchronous generator at high speed in addition to control by an AVR. And Means for solving the problem
  • the present invention relates to a generator voltage stabilization system for compensating an internal reaction voltage drop of a three-phase synchronous generator 1 in contact with an IH AC load 3, and the object of the present invention is to provide the AC load 3 And a three-phase synchronous generator 1 are connected between a bridge circuit composed of four reverse conducting semiconductor switches and the DC terminal of the bridge circuit, thereby interrupting the current.
  • Control means for controlling the on / off of each reverse conducting semiconductor switch by supplying a control signal to the gate of each reverse conducting semiconductor switch Are connected in series to each phase, and the reverse conduction type is synchronized with the phase of the output pressure of the control means 4 md three-phase l J phase generator 1.
  • the above object of the present invention is to connect a device switch 5 between the AC terminals of the bridge circuits, and to start the three-phase synchronous generator 1 and suddenly change the AC load 3.
  • the bypass switch When the bypass switch is turned off, the generator internal U-actance voltage drop compensation is performed by the BU magnetic energy regenerative switch 2; otherwise, the bypass bypass V 5 is set. All
  • FIG. 1 shows the configuration of an embodiment of a generator voltage stabilization system according to the present invention. It is a block diagram.
  • FIG. 2 shows a simulation circuit diagram of the embodiment.
  • Fig. 3 is a diagram showing the simulation results of the circuit of Fig. 2 by the interview.
  • Fig. 4 shows the simulation results when the magnetic energy regenerative switch is not used.
  • the generator voltage stabilization system uses a function of generating a reactance voltage in advance of the magnetic energy regeneration switch in order to maintain the generated voltage of the synchronous generator when the load current increases rapidly. This compensates for the internal reactance voltage drop of the synchronous generator.
  • the magnetic energy regenerative switch stores the load magnetic (snapper) energy in the capacitor and turns it on the next time by alternately turning on and off the four connected switches in response to a gate signal synchronized with the power supply voltage. Sometimes regenerates to load. It has already been disclosed that various power controls can be performed by automatically generating a reactance voltage in a capacitor (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 20 0 4-2 6 0 9 9 1).
  • the gate signal of the opposing pair of four bridged semiconductor switches is controlled in synchronization with the power supply voltage, and the current phase is advanced by alternately turning on and off the semiconductor switches of the pair.
  • a characteristic of this switch is that the voltage to the load can be increased or decreased by advancing the current phase in an inductive load. 5 8 6 7 6).
  • AVR automatic voltage regulator
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a generator voltage stabilization system according to the present invention.
  • a magnetic energy regenerative switch hereinafter referred to as MERR 2 is inserted in series in each phase.
  • MERS 2 consists of a bridge circuit composed of four reverse conducting semiconductor switches and a capacitor that is connected between the DC terminals of the bridge circuit and stores magnetic energy when the current is interrupted.
  • On / off of each reverse conduction type semiconductor switch is controlled by the control means 4.
  • the control means 4 synchronizes with the phase of the output voltage of the three-phase synchronous generator 1 and simultaneously turns on and off the pairs located on the diagonal line of the reverse conducting semiconductor switch, and the two pairs simultaneously. By controlling the control signal so that it does not turn on, when the AC load 3 suddenly increases, a reactive reactance voltage is generated to compensate for the internal reactance voltage drop.
  • the phase of the output voltage of the three-phase synchronous generator 1 is detected by the voltage phase detector 6, and the signal is input to the control means 4, and the gate of the reverse conducting semiconductor switch is synchronized with the signal. Be controlled.
  • FIG. 2 shows a simulation circuit diagram of the embodiment, and the control means 4 of the gate is omitted.
  • the output voltage of the three-phase synchronous generator is 200 V at no load, and the synchronous impedance is 15.5 mH (0.5 p.u.).
  • the capacitance of the ME R S capacitor is 250 F, the resistance of the AC load 3 is 10 ⁇ (lp, u.), And the reactance is 22 mH.
  • FIG. 3 and 4 are diagrams showing the results of computer simulation of the circuit of FIG.
  • a power load that assumes a three-phase synchronous generator standing by with no load and an inductive load with a power factor of 0.7.
  • the generator has a sub-transient reactance of 0.5 pu and the load power is zero, 1 pu is connected after 0.1 second (Fig. 3) / M
  • Fig. 3 shows the simulation results when the bypass switch is turned off and power is supplied to the load via M E R S 2
  • the control phase of M E R S is advanced and remains fixed at 15 degrees.
  • the initial stage when there is no current in the period from 0.1 seconds after the start
  • the back voltage of the transient reactance remains unchanged, and the line voltage is 200 V r m s (effective value).
  • the line voltage is 200 V r m s (effective value).
  • the voltage is automatically generated in the capacitor, and it becomes the leading reactance voltage, which shows that the voltage drop is compensated.
  • the line voltage remains at 200 V r m s.
  • Fig. 4 shows the simulation results when MERS is not used, that is, when the bypass switch is short-circuited and power is supplied directly from the three-phase synchronous generator to the load.
  • Q When a load is connected after 1 second, the line voltage drops to 143 V r m s, about 30% lower than when there is no load. This makes it difficult for other power equipment to operate normally, for example, the mercury lamp goes off.
  • bypass switch Since sudden changes in the load are often immediately after the switch is turned on, the bypass switch is turned off when the switch is turned on and connected to MERS to compensate for the voltage drop. In all other cases, the bypass switch is turned on. Short MERS, M
  • bypass switch V is opened (off) and then the load is started, an economical start-up compensation device can be obtained.
  • Bypass • Switch 5 ON Z OFF control is
  • the load voltage may be monitored by means not shown, and control may be performed by the control means 4 based on the output.
  • the voltage of the synchronous generator can be maintained stably by utilizing the property of M E R S that automatically generates the forward reactance voltage.
  • M E R S the property of M E R S that automatically generates the forward reactance voltage.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

交流負荷３に接続される三相同期発電機１の内部リアクタンス電圧降下を補償するための発電機電圧安定化システムにおいて、交流負荷３と三相同期発電機１との間に、４個の逆導通型半導体スイッチ（以下、スイッチという。）にて構成されるブリッジ回路と、ブリッジ回路の直流端子間に接続され、電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサと、各スイッチのゲートに制御信号を与えて、スイッチのオン／オフ制御を行う制御手段４とを備えた磁気エネルギー回生スイッチ２が各相に直列にそれぞれ挿入されるとともに、制御手段４は、発電機１の出力電圧の位相に同期して、スイッチのうち対角線上に位置するペアを同時にオン／オフさせ、かつ２組のペアが同時にオンすることのないように制御信号を制御することにより、交流負荷３が急増したときに、進みのリアクタンス電圧を発生させて、発電機内部リアクタンス電圧降下を補償する。

Description

発電機電圧安定化システム
技術分野
本発明は磁気エネルギー回生スィ ッチによる進みのリ アクタンス電圧 明
発生機能を利用して、 同期発電機の遅れ力率による内部リ アクタンス電 圧降下を補償するようにした発電機電圧安定化システムに関する。
書
背景技術
エンジン発電機などで負荷が駆動される分散電力系、 独立電力系にお いては、 急速な負荷増大時に高速に発電機電圧を制御することが必要で ある。 従来は自動電圧調整器 （A V R ) を用いた界磁電流の調整によつ て同期発電機の端子電圧を制御していたが、 その時定数は秒のオーダー なので遅い。 かかる界磁電流制御では制御スピードが遅く、 発電機出力 電圧の急速な変化に応答できない。
また、 同期発電機においては内部のコイルに流れる電流の遅れ力率に よって内部リ アクタンス電圧降下が発生するため、 これを補償する必要 もある。
発明の開示
発明が解決しよう とする課題
本発明は上述のような事情に鑑み為されたものであり、 A V Rによる 制御に加え、 さ らに高速に同期発電機の出力電圧を安定化させる発電機 電圧安定化システムを提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
本発明は、I H交流負荷 3 に接 れる三相同期発 機 1 の内部リ アク夕 ンス電圧降下を補償するための発電機電圧安定化システムに関し、 本発 明の上記目的は、 前記交流負荷 3 と三相同期発電機 1 との間に、 4個の 逆導通型半導体スィ ッチにて構成されるブリ ッン'回路と、 該ブリ ッジ回 路の直流端子間に接続され 、 電流遮断時の磁気 Xネルギーを蓄積する 3 ンデンサと、 前記各逆導通型半導体スィ ッチのゲー トに制御信号を与え て、 前記各逆導通型半導体スィ ッチのオン /オフ制御を行う制御手段 4 とを備えた磁気エネルギー回生スィ ッチ 2 が各相に直列にそれぞれ挿入 されるとともに、 前記制御手段 4 m d三相 l J期発電機 1 の出力 圧 の位相に同期して、 前記逆導通型半導体スィ ッチのうち対角線上に位置 するぺァを同時にオン Zオフさせ、 かつ 2組のぺァが同時にオンする とのないよう に前記制御信号を制御することにより 、 刖記交流負荷 3が 増したときに、 進みのリ アク夕ンス電圧を発生させて 発電機内部 U ァク夕 ンス電圧降下を補償することを特徴とする発電機電圧安定化シス 丁ムによって達成される
また 、 本発明の上記目的は、 前記各ブリ ッジ回路の交流端子間にバイ ス • スイ ツチ 5 を接続し、 記三相同期発電機 1 の起動時及び 記交 流負荷 3の急変時のみ前記バィパス · スィ ツチ ¾すベてオフにして 、 BU 記磁気ェネルギ一回生スつ ツチ 2 による発電機内部 U ァクタンス電圧降 下補償を行い 、 それ以外の時は刖記バィパス · スィ Vチ 5 をすベてォン
—ヽ
にして 相同期発電機 1 を刖記交流負荷 3 に直接接続するよう にし た とを特徴とする前 発電機電圧安定化システムによつて達成される。 図面の簡単な説明
第 1 図は本発明に係る発電機電圧安定化システムの実施例の構成を示 すブロック図である。
第 2図は実施例のシミュレーショ ン回路図を示すものである。
第 3図は第 2図の回路のコンビュ一夕によるシミュレーショ ン結果を 示す図である。
第 4図は磁気エネルギ一回生スィ ッチを使用しなかった場合のシミュ レ一ショ ン結果を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明に係る発電機電圧安定化システムは、 負荷電流が急速に増加し た場合の同期発電機の発電電圧を維持するために、 磁気エネルギー回生 スィ ッチの進みのリ アクタンス電圧の発生機能によって、 同期発電機の 内部リアクタンス電圧降下を補償するものである。
磁気エネルギー回生スィッチは、 プリ ッジ接続された 4つのスィ ッチ を電源電圧に同期したゲー ト信号で交互にオン · オフすることで、 負荷 の磁気 （スナパ） エネルギーをコンデンサに蓄積し次回オン時に負荷に 回生する。 コンデンサにリ アクタンス電圧を自動発生させることで様々 な電力制御が可能であることは、 すでに、 開示されている （特開 2 0 0 4 - 2 6 0 9 9 1 号公報参照）。ブリ ッジ接続された 4つ半導体スィ ッチ の対向するペアのゲート信号を電源電圧に同期させて制御し、 ペアの半 導体スィ ッチを交互にオン · オフさせることで電流の位相を進み制御す ることが可能で、 誘導性負荷では、 電流位相を進ませることで負荷への 電圧を高く も低く も出来ることは、 このスィ ッチの特徴である （特開 2 0 0 7 - 0 5 8 6 7 6号公報参照）。
A V R (自動電圧調整装置〉の応答は界磁電流の時定数などによって、 秒弱の応答時間が必要で、 電圧に低下が生じるが、 磁気エネルギー回生 スィ ッチで補償する時定数は 1サイクルの時定数であるから、 負荷の変 動による電圧変動を制御できる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ、詳細に説明する。 第 1図は、 本発明に係る発電機電圧安定化システムの実施例の構成を 示すブロック図である。 第 1 図に示すように、 交流負荷 3 と三相同期発 電機 1 との間に、磁気エネルギー回生スィ ッチ（以下、 M E R Sという。） 2が各相に直列にそれぞれ揷入されている。
M E R S 2は、 4個の逆導通型半導体スィッチにて構成されるブリツ ジ回路と、 そのブリ ッジ回路の直流端子間に接続され、 電流遮断時の磁 気エネルギーを蓄積するコンデンサとで構成されており、 各逆導通型半 導体スィッチのオン Zオフは制御手段 4によって制御されている。 制御 手段 4は三相同期発電機 1の出力電圧の位相に同期して、 逆導通型半導 体スィッチのうち対角線上に位置するペアを同時にオン Zオフさせ、 か つ 2組のペアが同時にオンすることのないように制御信号を制御するこ とにより、 交流負荷 3が急増したときに、 進みのリアクタンス電圧を発 生させて、 発電機内部リアクタンス電圧降下を補償する。
なお、 三相同期発電機 1の出力電圧の位相は、 電圧位相検出器 6 によ つて検出され、 その信号が制御手段 4に入力され、 その信号に同期して 逆導通型半導体スィッチのゲートが制御される。
第 2図は、 実施例のシミュレーショ ン回路図を示すものであり、 ゲ一 卜の制御手段 4は省略してある。 図において、 三相同期発電機の出力電 圧は無負荷時で 2 0 0 Vであり、同期インピ一ダンスは 15.5mH(0.5p.u.) である。 また ME R Sのコンデンサの静電容量は 250 F、 交流負荷 3の 抵抗分は 10Ω (lp,u.)、 リアクタンス分は 22mHである。
第 3図及び第 4図は第 2図の回路のコンピュータによるシミュレーシ ョ ン結果を示す図である。 無負荷で待機している三相同期発電機と力率 0. 7の誘導負荷を想定 した電力負荷を考える。 発電機は次過渡リアクタンス （sub- transient reactance) を 0.5p.u.として、 負荷電力がゼロの状態から開始し 0.1 秒後に 1 p. u.が接続された場合を M E R Sの有り （第 3図 ) / Mし (第
4図） で比較し、 本発明の効果を示す。
第 3図はパイパス · スィッチをオフにして M E R S 2 を経由して負荷 に電力を供給した場合のシミュレ一ショ ン結果を示している
M E R Sの制御位相は進み 1 5度に固定したままである 。 電流が無い 初期 （開始から 0.1秒後までの間を指す） は、 過渡リァクタンスの背後電 圧がそのままであるから、線間電圧は 200 V r m s (実効値）が出ている。 負荷が接続される 0.1秒後から電流が流れ電圧が一時的に下がるが、自動 的にコンデンサに電圧が発生して、 進みのリアクタンス電圧になり、 電 圧降下が補償されるのが分かる。 負荷が接続された後も、 線間電圧は 200 V r m s を維持している。
第 4図は、 M E R Sを使用しない場合、 すなわち、 バイパス · スイツ チが短絡され、 三相同期発電機から直接負荷に電力が供給される場合の シミュレーショ ン結果を示している。 Q .1秒後に負荷が接続されると、 線 間電圧は 143 V r m s に落ち込んで、無負荷時より約 30%も低下している。 これでは他の電力機器の正常な運転は困難となり、 例えば、 水銀灯は立 ち消 してしまう。
負荷の急変はスィッチを入れた直後に多いので、 スイツチ投入時はパ ィパス • スィッチをォフにして M E R Sに接続して電圧降下を補償し、 の場合以外はパイパス • ス ッチをオンにして M E R Sを短絡し、 M
E R Sの負担と損失を軽くすることが好ましい。 すなわち 、 パィパス · スィ Vチを開放 （オフ ) してから 、 負荷 起動すれば経済的な起動補償 装置となり うる。 なお バィパス • スっ ッチ 5のオン Zォフ制御はマ二 ュアルで行ってもよいが、 図示しない手段によって負荷電圧を監視し、 その出力に基づいて制御手段 4によって制御を行うようにしてもよい。 発明の効果
同期発電機の電圧を、 進みリアクタンス電圧が自動的に発生する M E R Sの性質を利用して、 安定に維持することができる。 従来は、 ェンジ ン発電機の場合、 起動時に電圧が下がるために、 起動できる誘導電動機 の定格は低く抑えられていたが、 本発明によりエンジン発電機の過渡出 力を増大させることができるため、 そのような制約はなくなる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 交流負荷 （ 3 ) に接続される三相同期発電機 （ 1 ) の内部リ アクタ ンス電圧降下を補償するための発電機電圧安定化システムにおいて、 前 記交流負荷 （ 3 ) と三相同期発電機 （ 1 ) との間に、 4個の逆導通型半 導体スィ ッチにて構成されるブリ ッジ回路と、 該ブリ ッジ回路の直流端 子間に接続され、電流遮断時の磁気エネルギーを蓄積するコンデンサと、 前記各逆導通型半導体スィ ッチのゲ一 トに制御信号を与えて、 前記各逆 導通型半導体スィッチのオンノオフ制御を行う制御手段 （ 4 ) とを備え た磁気エネルギー回生スィ ッチ （ 2 ) が各相に直列にそれぞれ挿入され るとともに、
前記制御手段 （ 4 ) は、 前記三相同期発電機 （ 1 ) の出力電圧の位相 に同期して、 前記逆導通型半導体スィ ツチのうち対角線上に位置するべ ァを同時にオンノオフさせ、 かつ 2組のペアが同時にオンすることのな いように前記制御信号を制御することにより、 前記交流負荷 （ 3 ) が急 増したときに、 進みのリ アクタンス電圧を発生させて、 発電機内部リ ア クタンス電圧降下を補償する ことを特徴とする発電機電圧安定化システ ム。 2 前記各ブリ ッジ回路の交流端子間にパイパス · スイ ッチ （ 5 ) を接 続し、 前記三相同期発電機 （ 1 ) の起動時及び前記交流負荷 （ 3 ) の急 変時のみ前記パイパス · スィ ッチをすベてオフにして、 前記磁気エネル ギー回生スィ ッチ （ 2 ) による発電機内部リ アクタンス電圧降下補償を 行い、 それ以外の時は前記バイパス · スィ ッチ （ 5 ) をすベてオンにし て前記三相同期発電機 （ 1 ) を前記交流負荷 （ 3 ) に直接接続するよう にしたことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の発電機電圧安定化シ ステム。
3 前記バイパス 'スィ ッチ（ 5 )のオン Zオフ制御を前記制御手段（ 4 ) によって行う ことを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の発電機電圧安 定化システム。
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