(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に接続されている同期発電機の界磁回路の直流電圧の波高値を調整して同期発電機の主巻線側に発生する三相交流電圧の波高値を調節する励磁系制御装置と、前記同期発電機の機械的トルクを調節して同期発電機の発生出力を調整する調速系制御装置とを備えた同期発電機の制御装置であって、制御対象同期発電機と、この発電機に同期した他の同期発電機と、これらの同期発電機が接続された送電線、変圧器等の各種電力機器とからなる電力系統の数学モデルを線形マトリクスにより表現した線形マトリクス方程式を制御モデルとして持ち、制御対象同期発電機を複数の状態量によって制御する同期発電機の制御装置において、
電力系統内のある地点での故障により発生する電力動揺周波数のような電力系統が持つ特性を保持して、制御対象同期発電機を除く他の同期発電機群を各々付随する変圧器と共にグループ分けし、各グループを各々１台の同期発電機及び１台の変圧器からなる簡略的なモデルに置き換え、このモデルを使用して、制御対象同期発電機を除く他の同期発電機及び電力用機器の数を減少させた簡略的な数学モデルを構築し、この数学モデルに基づく線形マトリクス方程式を制御モデルとしたことを特徴とする同期発電機の制御装置。
【請求項２】
電力系統に接続されている同期発電機の界磁回路の直流電圧の波高値を調整して同期発電機の主巻線側に発生する三相交流電圧の波高値を調節する励磁系制御装置と、前記同期発電機の機械的トルクを調節して同期発電機の発生出力を調整する調速系制御装置とを備えた同期発電機の制御装置であって、制御対象同期発電機と、この発電機に同期した他の同期発電機と、これらの同期発電機が接続された送電線、変圧器等の各種電力機器とからなる電力系統の数学モデルを線形マトリクスにより表現した線形マトリクス方程式を制御モデルとして持ち、制御対象同期発電機を複数の状態量によって制御する同期発電機の制御装置において、
実際の電力系統を、制御対象同期発電機を含む制御対象発電機部分と、他の同期発電機及び電力機器を含む縮約対象系統とに分割すると共に、前記縮約対象系統の数学モデルに基づく線形マトリクスの固有値を求め、前記制御対象発電機部分と前記縮約対象系統との接続点における制御対象同期発電機の入出力特性から、前記固有値の固有振動数に対して感度の低いものを選定し、この固有値を削除して低次元化した新たな線形マトリクスにより表現してなる線形マトリクス方程式を制御モデルとしたことを特徴とする同期発電機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば火力発電所や原子力発電所、水力発電所等の発電プラントにおける同期発電機の制御装置に関し、特に、同期発電機の励磁系及び調速系の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、同期発電機の励磁系制御装置は、電力系統に接続された同期発電機の界磁回路の直流電圧波高値を調整し、発電機の主巻線側に発生する三相交流電圧の波高値を調節するものとして知られている。また、同期発電機の調速系制御装置は、同期発電機の機械的トルク（例えば、火力発電設備の場合には蒸気流量、水力発電設備の場合には導水管の水流量）を調節し、同期発電機の発生出力（電気的出力）を調節するものとして知られている。
そして、これらの励磁系制御装置及び調速系制御装置を統合して制御することが可能な、同期発電機の励磁・調速系制御装置が既に知られている。
【０００３】
上記励磁・調速系制御装置は、制御対象の同期発電機と、この発電機が接続されて同期運転している他の複数の同期発電機と各種電力機器（例えば送電線や変圧器等）とによって構成された電力系統全体の数学モデルを線形マトリクスで表現し、その線形マトリクス方程式を用いて制御装置の制御モデルを設計するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、実際の電力系統は多数の同期発電機や各種電力機器によって構成されるが、それらの数は膨大であり、例えば数百、数千といった数である。
このような実際の電力系統に、従来技術によって設計された励磁・調速系制御装置を適用すると、その数学モデルの次数は莫大になり、一般的な計算機によって計算できる範囲を大きく超えることになる。
また、同期発電機が接続された電力系統の規模によって数学モデルの次数が大きく変わるため、計算機に係る計算負荷の見積もりが不可能になる。
【０００５】
そこで本発明は、電力系統の数学モデルの次数を削減するとともに、この次数を電力系統の規模に関わりなく一定にして計算負荷の削減、安定化を可能にした同期発電機の励磁・調速系の制御装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、電力系統に接続されている同期発電機の界磁回路の直流電圧の波高値を調整して同期発電機の主巻線側に発生する三相交流電圧の波高値を調節する励磁系制御装置と、前記同期発電機の機械的トルクを調節して同期発電機の発生出力を調整する調速系制御装置とを備えた同期発電機の制御装置であって、制御対象同期発電機と、この発電機に同期した他の同期発電機と、これらの同期発電機が接続された送電線、変圧器等の各種電力機器とからなる電力系統の数学モデルを線形マトリクスにより表現した線形マトリクス方程式を制御モデルとして持ち、制御対象同期発電機を複数の状態量によって制御する同期発電機の制御装置において、
電力系統内のある地点での故障により発生する電力動揺周波数のような電力系統が持つ特性を保持して、制御対象同期発電機を除く他の同期発電機群を各々付随する変圧器と共にグループ分けし、各グループを各々１台の同期発電機及び１台の変圧器からなる簡略的なモデルに置き換え、このモデルを使用して、制御対象同期発電機を除く他の同期発電機及び電力用機器の数を減少させた簡略的な数学モデルを構築し、この数学モデルに基づく線形マトリクス方程式を制御モデルとしたものである。
上記のように構築された数学モデルは、実際の電力系統と比較して発電機数や各種電力機器数が削減されているため、この数学モデルに基づく線形マトリクスの次数は同期発電機数や各種電力機器数に比例することとなり、低次元化が可能になる。
【０００７】
また、請求項２記載の発明では、電力系統の数学モデルの次数を削減するため、実際の電力系統を、制御対象同期発電機を含む制御対象発電機部分とそれ以外の他の同期発電機及び電力機器からなる縮約対象系統とに分割する。そして、縮約対象系統を数学モデルで表現した線形マトリクスの固有値を計算し、縮約対象系統と制御対象発電機部分との接続点における、例えば制御対象同期発電機の端子電圧を入力として電機子電流を出力とした入出力特性に基づき、上記固有値の固有振動数から感度の低いものを選定し、これらの固有値を削除した新たな線形マトリクスを構築する。この新たな線形マトリクスは、実際の電力系統の数学モデルを線形マトリクスとして表現した場合に比べて、低次元のものとなる。
この線形マトリクスによって制御装置の制御モデルを設計することにより、大規模な電力系統に接続された同期発電機への適用に当たり、実際の系統規模に関わりなく、制御モデルの次数が一定に保たれ、いかなる系統に接続された同期発電機に対しても計算が可能になるとともに、計算負荷を同一にすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
一般に、電力系統の数学モデルは、システムが線形微分方程式で表される場合、数式１に示す状態方程式及び数式２に示す出力方程式（観測方程式）によって表すことができる。
【０００９】
【数１】
0003698234.tif 000002
【００１０】
【数２】
0003698234.tif 000003
【００１１】
これらの数式において、
Ａij，Ｃij：ｉ番目の発電機とｊ番目の発電機との関係を示す係数マトリクス、
Ａi，Ｂi： ｉ番目の発電機の係数マトリクス、
ｘ：状態変数、
ｕ：入力、
ｙ：出力、
である。
【００１２】
数式１、数式２によって示される数学モデルから、本発明に係る励磁・調速系制御装置の設計を行うに当たり、制御対象同期発電機の動特性を示す動特性方程式は一般に数式３、数式４によって表される。
【００１３】
【数３】
0003698234.tif 000004
【００１４】
【数４】
0003698234.tif 000005
【００１５】
仮に、実際の電力系統が、図１に示すように９台の同期発電機１〜９と９台の変圧器１１〜１９、及びこれらを接続する送電線２０によって構成されているものと考える。ここでは、同期発電機１が、励磁・調速系制御装置の適用発電所における制御対象同期発電機であると仮定する。
【００１６】
請求項１に記載した発明では、図１に示す電力系統の持つ特性を保持したまま、図２に示すように、制御対象同期発電機１を除いた電力系統内の他の発電機群を、各々付随する変圧器とともにグループＧＲ１，ＧＲ２，ＧＲ３に分割する。ここで、他の発電機群のグループ分けに当たっては、例えば、系統内のある地点で故障が発生した場合の動揺周波数等の系統特性に着目し、これを解析してその特性を保持したまま、全体の同期発電機及び付随する電力機器の数を削減するようにグループ分けを行う。
そして、図３に示すように、各グループＧＲ１，ＧＲ２，ＧＲ３にそれぞれ１台の同期発電機Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を割り当てる。なお、各グループＧＲ１，ＧＲ２，ＧＲ３内に複数の変圧器がある場合には、それらの変圧器も１台の変圧器に置き換える。すなわち、図３において、グループＧＲ１内の変圧器ＴＲ１は図１の変圧器１２〜１４に相当し、グループＧＲ２内の変圧器ＴＲ２は図１の変圧器１５〜１９に相当する。
【００１７】
これにより、実際の電力系統は、制御対象の同期発電機１以外に３台の同期発電機Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３及び３台の変圧器１１，ＴＲ１，ＴＲ２からなる簡略的なモデルに置き換えられる。
この図３の構成を前述の図１と比較すると、制御対象同期発電機１を除いた電力系統の構成は、同期発電機や変圧器等の電力機器の数が削減されている。ここで、先に示した数式３の右辺第３項と数式４の右辺第２項は、同期発電機の数によって次元が決定されるため、図３の電力系統モデルを使用することにより、励磁・調速系制御装置の設計に使用する電力系統の数学モデルを低次元化することができる。
【００１８】
次に、請求項２に記載した発明の実施形態を説明する。この発明では、図１の実際の電力系統を、図４に示すように制御対象の同期発電機１を含む制御対象発電機部分３１と、他の同期発電機２〜９、変圧器１１〜１９、送電線２０からなる縮約対象系統３２とに分割する。これらの分割された部分３１及び系統３２は、送電線２０を介して、連系点（制御対象発電機部分３１と縮約対象系統３２との接続点）の電圧及び電流によって連系されていると考えると、制御対象発電機部分３１の動特性方程式（状態方程式及び出力方程式）は数式５により、また、縮約対象系統３２に含まれる発電機の状態変数ベクトル及び連系点の電流は、数式６により表すことができる。
【００１９】
【数５】
0003698234.tif 000006
【００２０】
【数６】
0003698234.tif 000007
【００２１】
上記数式５及び数式６から、低次元化を行わない場合における制御対象同期発電機１の動特性を示す動特性方程式は、数式７に示すとおりである。
【００２２】
【数７】
0003698234.tif 000008
【００２３】
これらの数式において、
ｉT，ｖT：図４における制御対象発電機部分３１と縮約対象系統３２との接続点の電流、電圧、
ｘ1，ｙ1：図４における制御対象発電機部分３１の状態変数ベクトル及び出力変数ベクトル、
ｘ2：図４における縮約対象系統３２に含まれる同期発電機の状態変数ベクトル、
Ａ1，Ｂ1，Ｃ1，Ｅ，Ｆ：図４における制御対象発電機部分３１に関する定数行列、
Ａ2，Ｂ2，Ｃ2，Ｇ：図４における縮約対象系統３２に関する定数行列、
である。
【００２４】
次に、縮約対象系統３２を数学モデルで表現した場合の線形マトリクスの固有値を計算してマトリクスの持つ固有振動数を解析し、例えば、図４における制御対象発電機部分３１と縮約対象系統３２との接続点における電圧ｖTを入力として前記接続点における電流ｉTを出力とした場合の入出力特性から、固有値の固有振動数に対して感度が低い（影響が少ない）ものを選択し、これらの固有値を削除した新たな線形マトリクスを構築すると、前述の数式６に比べて次元の低い数式８が得られる。
【００２５】
【数８】
0003698234.tif 000009
【００２６】
なお、数式８において「＾（ハット）」を付したすべてのマトリクスは、数式６における「＾」を付していない同じアルファベットのマトリクスと比べて次元が低いものを示している。
従って、数式８におけるｉTを数式５に代入することにより、制御対象同期発電機１の動特性を示す動特性方程式は数式９のようになり、前述の数式７に比べて低次元化される。
【００２７】
【数９】
0003698234.tif 000010
【００２８】
【発明の効果】
以上のように請求項１または請求項記載の発明によれば、多数の同期発電機や各種電力機器を有する実際の電力系統の数学モデルを低次元化することにより、実際の電力系統に対して、系統の規模に関わりなく制御モデルの次数が一定に保たれ、いかなる系統に接続された同期発電機に対しても適用が可能になるとともに、計算機の負荷を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実際の電力系統の一例を示す系統構成図である。
【図２】系統内の他の同期発電機のグループ分けを説明するための図である。
【図３】他の同期発電機の数を削減した系統モデルを示す図である。
【図４】図１の電力系統を対象とした制御対象発電機部分及び縮約対象系統の説明図である。
【符号の説明】
１  制御対象同期発電機
２〜９  同期発電機
１１〜１９  変圧器
２０  送電線
３１  制御対象発電機部分
３２  縮約対象系統
ＧＲ１，ＧＲ２，ＧＲ３  グループ
ＴＲ１，ＴＲ２  変圧器
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３  同期発電機
【図１】
0003698234.tif 000011
【図２】
0003698234.tif 000012
【図３】
0003698234.tif 000013
【図４】
0003698234.tif 000014