(57)【要約】【課題】商用電源系統の電圧が大きく変動するような場合においても、少ない構成機器で発電機力率を高速且つ高精度に制御する自動力率調整装置を提供する。【解決手段】同期発電機と該発電機の電圧を調整する自動電圧調整器を備えた発電設備において、同期発電機出力の力率検出信号を出力する力率検出器と、同期発電機の力率設定信号を出力する力率設定器と、力率設定信号から力率検出信号を減じた力率偏差信号を出力する減算器と、力率偏差信号に基づいてＰＩＤ制御演算と自動電圧調整器へ電圧設定信号を出力するＰＩＤ制御演算器を備え、電圧設定信号を高速に変化させて同期発電機の力率を調整するので、商用電源系統の電圧が急激に大きく変動するような場合や力率一定制御と電圧一定制御を切り替える場合に、少ない構成機器で同期発電機の力率や電圧を高速且つ安全に調整できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期発電機と該同期発電機の電圧を調整する自動電圧調整器を備えた発電設備において、前記同期発電機出力の力率検出信号を出力する力率検出器と、前記同期発電機の力率設定信号を出力する力率設定器と、前記力率設定信号から前記力率検出信号を減じた力率偏差信号を出力する減算器と、前記力率偏差信号に基づいてＰＩＤ制御演算を行い、かつ前記自動電圧調整器へ電圧設定信号を出力するＰＩＤ制御演算器を備え、前記電圧設定信号を高速に変化させて前記同期発電機の力率を調整することを特徴とする同期発電機の自動力率調整装置。
【請求項２】
請求項１記載の同期発電機の自動力率調整装置において、一定の発電機電圧設定信号を出力する電圧設定器と、前記電圧設定信号と前記ＰＩＤ制御演算器の出力信号を切り換えて前記自動電圧調整器へ出力する信号切換器を備え、前記信号切換器は同期発電機が商用電源系統と並列運転中はＰＩＤ制御演算器の出力信号を出力し、それ以外の場合は前記電圧設定器の出力信号を出力することを特徴とする同期発電機の自動力率調整装置。
【請求項３】
請求項２記載の同期発電機の自動力率調整装置において、商用電源系統との並列運転が投入または解除された場合に、その直後の前記ＰＩＤ制御演算器の出力信号値及び前記電圧設定器の電圧設定値を保持し、前記ＰＩＤ制御演算器の出力信号値から前記電圧設定値を減じた偏差を時間と共に１００％から０％までランプ状に変化させて出力する偏差補正器と、前記電圧設定器が出力する電圧設定信号に前記偏差補正器の出力信号を加算する加算器と、前記ＰＩＤ制御演算器の出力信号から前記偏差補正器の出力信号を減じる減算器を備え、前記信号切換器は同期発電機が商用電源系統と並列運転中は前記減算器の出力信号を出力し、それ以外の場合は前記加算器の出力信号を出力することを特徴とする同期発電機の自動力率調整装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３記載のいずれかの同期発電機の自動力率調整装置において、前記自動電圧調整器へ出力する電圧設定信号の大きさを制限する制限器を備えることを特徴とする同期発電機の自動力率調整装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４記載のいずれかの同期発電機の自動力率調整装置において、前記自動電圧調整器へ出力する電圧設定信号の変化レートを制限するレート制限器を備えることを特徴とする同期発電機の自動力率調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電設備、例えば自家発電設備等に用いられる同期発電機の力率を所望の力率に調整する自動力率調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自家発電設備に用いられる従来の自動力率調整装置を図７を参照して説明する。
同図に示すように、自家発電設備は、同期発電機１と、自動電圧調整器２と、負荷４と、発電機遮断器５と、負荷遮断器７と、電圧検出器８と、電流検出器９と、力率検出器１０と、自動力率調整装置１１と、電圧設定器１２と、信号開閉器１３とから構成されている。３は商用電源系統、６は受電遮断器である。
【０００３】
同期発電機１が商用電源系統３と並列運転される場合、商用電源電圧の変動による発電機力率の低下が原因で発電機出力電流が過電流とならないように自動力率調整装置１１が設置されている。力率検出器１０は電圧検出器８と電流検出器９の検出値から発電機の力率を検出し、自動力率調整装置１１は内部で設定された力率設定値と力率検出値を比較し、発電機電圧の増減信号を出力する。電圧設定器１２は前記増減信号に基づいて自動電圧調整器２へ出力する電圧設定信号を増減する。自動電圧調整器２は前記電圧設定信号と内部に備える基準電圧設定値を加算し、加算した結果と発電機の電圧検出信号の偏差がゼロとなるように発電機の界磁電流を操作する。
【０００４】
以上の各構成要素の動作により、商用電源電圧が変動した場合でも、同期発電機１の力率が一定となるように発電機の界磁電流が調整される。
【０００５】
一方、受電遮断器６が遮断信号Ａによって遮断され、同期発電機１のみで負荷へ電力を供給する場合は、自動力率制御ではなく自動電圧制御に切り替えて運転するため、遮断信号Ａによって信号開閉器１３は開路され、発電機電圧は自動電圧調整器２の内部の基準電圧設定信号が示す電圧となるように制御される。なお、発電機遮断器５は発電機出力を遮断し、負荷遮断器７は負荷４を切り離すものである。
【０００６】
図７に示す自動力率調整装置は、一般に図８に示す制御ブロック図（非特許文献１）で表される。図８では、力率設定値ＰＦrefと力率検出値ＰＦの偏差を積分器にて積分し、その結果を自動電圧調整器の基準電圧Ｖgrefoに加算することで同期発電機の電圧設定値Ｖgrefを最終決定する演算フローを示しており、これは図７の自動力率調整動作のしくみを示している。また、図８には図７では明示していない不感帯が設けられているが、これは、積分器による制御では力率設定値に完全に一致しにくく、設定値を中心にしてハンチングを起こしてしまうため、それを避けるために設けられたものであり、一般に備えられる要素である。
【０００７】
なお、図７において、同期発電機１の代わりにブラシレス同期発電機が用いられる場合でも上記と同じ効果が得られる。
これまでに出願された自動力率調整装置に関する特許文献としては、以下のような特許文献１や特許文献２がある。
【特許文献１】実願昭５６−９６１６８号（実公昭６３−０３０１９８号公報）
【特許文献２】特願昭５３−１９２２７号（特公昭５４−１１１６５１号公報）
【非特許文献１】電気学会技術報告第５３６号「同期機励磁系の仕様と特性」の２３頁、３，１２図を引用
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記したような従来の自動力率制御方法は、積分制御に基づいているため、発電機の力率を力率設定値と完全に一致させようとすると、力率設定値付近でハンチングを引き起こす。そこで、不感帯要素を取り入れてハンチングを抑制するが、不感帯を設けると力率を所望の値に一致させられないという欠点が生じ、力率を精度よく制御できない。
【０００９】
また、積分制御は一般に応答が遅く、系統電圧が急激に変化した場合に発電機の電圧設定が遅れ、一時的に力率が悪化する恐れがある。
【００１０】
さらに、従来の自動力率調整装置は、自動電圧調整器の電圧設定値の増減信号しか出力しないため、同期発電機の力率一定制御と電圧一定制御の切り替えを自動力率調整装置の内部で行えない。従って、外部に信号開閉器１３のような機器を設ける必要があり、構成機器が増える欠点がある。
【００１１】
本発明は上記状況に対処するためになされたもので、その課題は商用電源系統の電圧が大きく変動するような場合においても、少ない構成機器で発電機力率を高速且つ高精度に制御する自動力率調整装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の発明は、同期発電機と該同期発電機の電圧を調整する自動電圧調整器を備えた発電設備において、前記同期発電機出力の力率検出信号を出力する力率検出器と、前記同期発電機の力率設定信号を出力する力率設定器と、前記力率設定信号から前記力率検出信号を減じた力率偏差信号を出力する減算器と、前記力率偏差信号に基づいてＰＩＤ制御演算を行い、かつ前記自動電圧調整器へ電圧設定信号を出力するＰＩＤ制御演算器を備え、前記電圧設定信号を高速に変化させて前記同期発電機の力率を調整することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の同期発電機の自動力率調整装置において、一定の発電機電圧設定信号を出力する電圧設定器と、前記電圧設定信号と前記ＰＩＤ制御演算器の出力信号を切り換えて前記自動電圧調整器へ出力する信号切換器を備え、前記信号切換器は同期発電機が商用電源系統と並列運転中はＰＩＤ制御演算器の出力信号を出力し、それ以外の場合は前記電圧設定器の出力信号を出力することを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項２記載の同期発電機の自動力率調整装置において、商用電源系統との並列運転が投入または解除された場合に、その直後の前記ＰＩＤ制御演算器の出力信号値及び前記電圧設定器の電圧設定値を保持し、前記ＰＩＤ制御演算器の出力信号値から前記電圧設定値を減じた偏差を時間と共に１００％から０％までランプ状に変化させて出力する偏差補正器と、前記電圧設定器が出力する電圧設定信号に前記偏差補正器の出力信号を加算する加算器と、前記ＰＩＤ制御演算器の出力信号から前記偏差補正器の出力信号を減じる減算器を備え、前記信号切換器は同期発電機が商用電源系統と並列運転中は前記減算器の出力信号を出力し、それ以外の場合は前記加算器の出力信号を出力することを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３記載のいずれかの同期発電機の自動力率調整装置において、前記自動電圧調整器へ出力する電圧設定信号の大きさを制限する制限器を備えることを特徴とする同期発電機の自動力率調整装置。
【００１６】
本発明の請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４記載のいずれかの同期発電機の自動力率調整装置において、前記自動電圧調整器へ出力する電圧設定信号の変化レートを制限するレート制限器を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、力率一定制御を行いながら商用電源系統と並列運転する同期発電機において、商用電源系統の電圧が急激に大きく変動するような場合や力率一定制御と電圧一定制御を切り替える場合に、少ない構成機器で同期発電機の力率や電圧を高速且つ安全に調整できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の自動力率調整装置が適用される自家発電設備の構成図である。
【００１９】
同図に示すように、本実施形態の自動力率調整装置が適用される自家発電設備は、同期発電機１と、自動電圧調整器２と、負荷４と、発電機遮断器５と、負荷遮断器７と、電圧検出器８と、電流検出器９と、力率検出器１０と、信号開閉器１３と、自動力率調整装置１４とから構成されている。なお、３は商用電源系統、６は受電遮断器である。また、自動力率調整装置１４は、力率設定器１５と減算器１６とＰＩＤ制御演算器１７から構成される。
【００２０】
次に、本実施形態の主要な構成要素の作用について説明する。
図１において、力率検出器１０は電圧検出器８と電流検出器９の検出値から同期発電機１の力率を検出し、減算器１６は力率設定器１５の出力信号から力率検出信号を減じた力率偏差信号を出力し、ＰＩＤ制御演算器１７は力率偏差信号に基づいてＰＩＤ制御演算を行い、その結果を自動電圧調整器２へ電圧設定信号として出力する。自動電圧調整器２は前記電圧設定信号と内部に備える基準電圧設定値を加算し、加算した結果と発電機の電圧検出信号の偏差がゼロとなるように発電機の界磁電流を操作する。
【００２１】
以上の各構成要素の動作により、商用電源電圧が変動した場合でも、それに応じて発電機の界磁電流が適切に制御されるため、同期発電機の力率は一定に制御される。
【００２２】
一方、受電遮断器６が遮断信号Ａによって遮断され、同期発電機１のみで負荷へ電力を供給する場合は、自動力率制御ではなく自動電圧制御に切り替えて運転するため、信号開閉器１３は遮断信号Ａによって開路され、発電機電圧は自動電圧調整器２の内部の基準電圧設定信号が示す電圧となるように制御される。なお、発電機遮断器５は発電機出力を遮断し、負荷遮断器７は負荷を切り離す作用をする。
【００２３】
上述したように、同期発電機を商用電源系統と並列運転中に商用電源電圧が急激に変動した場合でも、ＰＩＤ制御演算器が比例要素、微分要素によって速やかに自動電圧調整器２への電圧設定信号を変化させ、力率を高速に制御することが可能となる。また、同期発電機の力率を所望の力率設定値に精度よく制御することも可能となる。
【００２４】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態の自動力率調整装置が適用される自家発電設備の構成図である。
【００２５】
同図に示すように、本実施形態がすでに説明した図１第１実施形態の自動力率調整装置と異なる構成は、信号開閉器１３を備えず、自動力率調整装置１４の内部に信号切替器１８を備え、さらに同期発電機の電圧設定器１９を備える点であり、その他の構成機器は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００２６】
次に、本実施形態の主要な構成要素の作用について説明する。
同期発電機１，自動電圧調整器２，商用電源系統３，負荷４，発電機遮断器５，受電遮断器６，負荷遮断器７，電圧検出器８，電流検出器９，力率検出器１０，力率設定器１５，減算器１６，ＰＩＤ制御演算器１７の各構成要素の作用は、すでに説明した図１の第１実施形態における各構成要素と同じであるため、重複説明は省略する。
【００２７】
電圧設定器１９は同期発電機を電圧一定制御する場合の電圧設定信号を出力し、信号切替器１８は遮断信号Ａに従い、受電遮断器６が閉じている場合はＰＩＤ制御演算器１７の出力信号を出力し、それ以外の場合は電圧設定器１９の出力信号を出力する。
【００２８】
上述したように、同期発電機１の力率一定制御と電圧一定制御の切替を自動力率調整装置２の内部の信号切替器１８によって行えるため、図７の従来例が外部に備えていた信号開閉器１３のような構成要素を必要としない。また、電圧設定器１９を備えているため、自動電圧調整器内部の基準電圧設定値に拘わらず、所望の発電機電圧を自動力率調整装置２にて設定できるという利便性も併せ持っている。
【００２９】
（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態である自動力率調整装置の構成図である。
同図に示すように、本実施形態がすでに説明した図２の第２実施形態の自動力率調整装置と異なる構成は、偏差補正器２０と加算器２１と減算器２２を備える点であり、その他の構成要素は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００３０】
次に、本実施形態の主要な構成要素の作用について説明する。
図示しない同期発電機１，自動電圧調整器２，商用電源系統３，負荷４，発電機遮断器５，受電遮断器６，負荷遮断器７，電圧検出器８，電流検出器９，力率検出器１０の作用および図に示す力率設定器１５，減算器１６，ＰＩＤ制御演算器１７，電圧設定器１９の作用は、すでに説明した図２の第２実施形態の自動力率調整器における各構成要素と同じ作用であるため、重複説明は省略する。
【００３１】
偏差補正器２０は、ＰＩＤ制御演算器１７の出力信号と電圧設定器１９の電圧設定信号と受電遮断器６の遮断信号Ａを入力し、図４の処理フローに従って処理される。すなわち、
遮断器６が開路（ステップＳ１）または閉路（ステップＳ２）した場合にその時点のＰＩＤ制御演算器１７の出力値と電圧設定器１９の電圧設定値を保持し（ステップＳ３のＭ，Ｎ）、保持したＰＩＤ制御演算器の制御信号値Ｍから電圧設定信号値Ｎを減じた偏差Ｓ（ステップＳ４）を時間と共に１００％から０％までランプ状に変化させる処理を実行し、その結果の偏差補正信号Ｙを順次出力する（ステップＳ５乃至ステップＳ７）。
【００３２】
これに続いて加算器２１は、電圧設定信号と偏差補正信号Ｙを加算した信号を出力する。減算器２２は、ＰＩＤ制御演算器１７の出力信号から偏差補正信号Ｙを減算した信号を出力する。信号切替器１８は、遮断信号Ａに従って動作し、受電遮断器６が閉じている場合は減算器２２の出力信号を出力し、それ以外の場合は加算器２１の出力信号を出力（ステップＳ８とステップＳ９）し、Ｘ＞１か否かを判別し、Ｘ＞１であれば最初のステップ１へ戻り、Ｘ＞１でなければステップＳ６に戻り、上記したステップを繰り返す。
【００３３】
上述したように、発電機の力率一定制御から電圧一定制御への切替時に自動電圧調整器２への電圧設定信号を、偏差補正器２０によりＰＩＤ制御演算器１７の出力信号から電圧設定器１９の出力信号へ徐々に移行させることが可能となり、発電機電圧の過渡的な変動を抑制することができる。また逆に、発電機の電圧一定制御から力率一定制御への切替時に自動電圧調整器２への電圧設定信号を、電圧設定器１９の出力信号からＰＩＤ制御演算器１７の出力信号へ徐々に移行させることが可能となり、力率の過渡的な変動を抑制することができる。
【００３４】
（第４実施形態）
図５は、本発明の第４実施形態である自動力率調整装置の構成図である。
同図に示すように、本実施形態がすでに説明した図１の第１実施形態の自動力率調整装置と相違する構成は、自動力率調整装置１４の出力部に制限器２３を備える点であり、その他の構成要素は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００３５】
本実施形態の制限器２３は、自動力率調整器１４の出力信号の大きさを制限する作用をするので、特に力率偏差信号の変動が大きく、ＰＩＤ制御演算器１７の出力が大きく変化するような場合でも、自動電圧調整器２への電圧設定信号の変動幅を制限し、発電機出力が不安定になることを防ぐことが可能となる。
【００３６】
（第５実施形態）
図６は、本発明の第５実施形態である自動力率調整装置の構成図である。
同図に示すように、本実施形態がすでに説明した図５の第４実施形態の自動力率調整装置と相違する構成は、自動力率調整装置１４の出力部にレート制限器２４を備える点であり、その他の構成機器は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。
【００３７】
本実施形態のレート制限器２４は、自動力率調整装置１４の出力信号の変化レートを制限する作用をするので、特に力率偏差信号の変動が大きく、ＰＩＤ制御演算器１７の出力が急激に変化するような場合でも、自動電圧調整器２への電圧設定信号の変化レートを制限し、発電機出力が不安定になることを防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態の自動力率調整装置が適用される自家発電設備の構成図。
【図２】本発明の第２実施形態の自動力率調整装置が適用される自家発電設備の構成図。
【図３】本発明の第３実施形態である自動力率調整装置の構成図。
【図４】図３の偏差補正器の処理を示すフローチャート。
【図５】本発明の第４実施形態である自動力率調整装置の構成図。
【図６】本発明の第５実施形態である自動力率調整装置の構成図。
【図７】従来の自動力率調整装置が用いられた自家発電設備の構成図。
【図８】従来の自動力率調整装置における制御ブロック図。
【符号の説明】
【００３９】
１…同期発電機、２…自動電圧調整器、３…商用電源系統、４…負荷、５…発電機遮断器、６…受電遮断器、７…負荷遮断器、８…電圧検出器、９…電流検出器、１０…力率検出器、１１…自動力率調整装置、１２…電圧設定器、１３…信号開閉器、１４…自動力率調整装置、１５…力率設定器、１６…減算器、１７…ＰＩＤ制御演算器、１８…信号切替器、１９…電圧設定器、２０…偏差補正器、２１…加算器、２２…減算器、２３…制限器、２４…レート制限器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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