(57)【要約】【課題】  二重給電交流機の一次電流を迅速にゼロクロスさせることを可能にする。【解決手段】  実施形態によれば、二重給電交流機の制御装置は、二重給電交流機１の二次側の電流を計測する二次電流計測手段ＣＴ５Ａと、前記二次電流計測手段ＣＴ５Ａにより計測された二次電流の直流成分または低周波成分を計測する直流成分計測手段６と、前記直流成分計測手段６により計測された直流成分または低周波成分に応じて電力変換制御手段３に直流通電指令または低周波通電指令の信号を発生する直流指令値発生手段７と、前記直流指令値発生手段７の信号を出力または停止する切替え手段８とを備え、前記切替え手段８は、所定の条件が成立したときに前記直流指令値発生手段７の信号を前記電力変換制御手段３に出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次巻線が開閉手段を介して電気回路に接続される二重給電交流機と、前記二重給電交流機の二次巻線に可変周波数の電流を供給する電力変換手段と、前記電力変換手段の電圧もしくは電流を制御する電力変換制御手段と、を有する発電システムに適用される二重給電交流機の制御装置であって、
前記二重給電交流機の二次側の電流を計測する二次電流計測手段と、
前記二次電流計測手段により計測された二次電流の直流成分または低周波成分を計測する直流成分計測手段と、
前記直流成分計測手段により計測された直流成分または低周波成分に応じて前記電力変換制御手段に直流通電指令または低周波通電指令の信号を発生する直流指令値発生手段と、
前記直流指令値発生手段の信号を出力または停止する切替え手段と
を備え、
前記切替え手段は、所定の条件が成立したときに前記直流指令値発生手段の信号を前記電力変換制御手段に出力することを特徴とする二重給電交流機の制御装置。
【請求項２】
前記二重給電交流機の二次側に過電圧が発生した際に二次側の電気回路の各相を短絡する短絡手段と、
前記短絡手段が動作もしくは復帰したことを検出する短絡動作／復帰判定手段と
を更に備え、
前記切替え手段は、前記短絡動作／復帰判定手段が前記短絡手段の短絡動作を検出した後に復帰を検出したときに、前記直流指令値発生手段の信号を前記電力変換制御手段に出力することを特徴とする請求項１に記載の二重給電交流機の制御装置。
【請求項３】
前記直流成分計測手段は、前記二次電流計測手段により計測される二次電流の各相の一定期間の移動平均を算出する処理を繰り返す移動平均演算手段を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の二重給電交流機の制御装置。
【請求項４】
前記直流成分計測手段は、前記移動平均演算手段により算出される各相の移動平均の情報に極性の情報を含めて出力する極性判別手段を含むことを特徴とする請求項３に記載の二重給電交流機の制御装置。
【請求項５】
前記直流成分計測手段は、前記二次電流計測手段により計測された二次電流の直流成分のみまたは低周波成分のみを通過させるローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の二重給電交流機の制御装置。
【請求項６】
一次巻線が開閉手段を介して電気回路に接続される二重給電交流機と、前記二重給電交流機の二次巻線に可変周波数の電流を供給する電力変換手段と、前記電力変換手段の電圧もしくは電流を制御する電力変換制御手段と、を有する発電システムに適用される二重給電交流機の制御方法であって、
二次電流計測手段により、前記二重給電交流機の二次側の電流を計測し、
直流成分計測手段により、前記二次電流計測手段により計測された二次電流の直流成分または低周波成分を計測し、
直流指令値発生手段により、前記直流成分計測手段により計測された直流成分または低周波成分に応じて前記電力変換制御手段に直流通電指令または低周波通電指令の信号を発生し、
切替え手段により、所定の条件が成立したときに前記直流指令値発生手段の信号を前記電力変換制御手段に出力する
ことを特徴とする二重給電交流機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、二重給電交流機の制御装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一次側が主要変圧器を介して電力系統に接続され、二次側が周波数変換器（交流励磁装置）に接続された二重給電交流機において、電力系統もしくは電気回路で、短絡や地絡等の電気故障が発生した場合、二重給電交流機の一次側の電圧低下、直流成分重畳、過電流等の過渡現象が発生し、二次側に過電圧が生じる。このとき、二重給電交流機の一次側では、直流成分の重畳により、遮断器開放時に一次電流がゼロクロスしない零ミスと呼ばれる現象が起こることがある。零ミスの問題を解決するための技術はいくつか提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第２８１６０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
零ミスが生じると、遮断器が電流を遮断することができず、遮断器が損傷するばかりか、電気故障の除去ができず、電力系統の運転を継続できなくなったり、主要変圧器や二重給電交流機等を損傷したりする可能性がある。そのため、零ミスが生じないように、迅速に二重給電交流機の一次電流をゼロクロスさせることが求められる。
【０００５】
零ミスの問題を解決するための技術はいくつか提案されているが、電気故障発生後、迅速に二重給電交流機の一次電流をゼロクロスさせる有効な手法は提案されていない。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、二重給電交流機の一次電流を迅速にゼロクロスさせることを可能にする二重給電交流機の制御装置および制御方法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】
【０００７】
実施形態によれば、一次巻線が開閉手段を介して電気回路に接続される二重給電交流機と、二重給電交流機の二次巻線に可変周波数の電流を供給する電力変換手段と、電力変換手段の電圧もしくは電流を制御する電力変換制御手段と、を有する発電システムに適用される二重給電交流機の制御装置が提供される。二重給電交流機の制御装置は、前記二重給電交流機の二次側の電流を計測する二次電流計測手段と、前記二次電流計測手段により計測された二次電流の直流成分または低周波成分を計測する直流成分計測手段と、前記直流成分計測手段により計測された直流成分または低周波成分に応じて前記電力変換制御手段に直流通電指令または低周波通電指令の信号を発生する直流指令値発生手段と、前記直流指令値発生手段の信号を出力または停止する切替え手段とを備え、前記切替え手段は、所定の条件が成立したときに前記直流指令値発生手段の信号を前記電力変換制御手段に出力する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、二重給電交流機の一次電流を迅速にゼロクロスさせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図。
【図２】図１中の直流成分計測機能６の回路構成の一例を示す図。
【図３】第２の実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
＜第１の実施形態＞
最初に、第１の実施形態について説明する。  
（構成）
図１は、第１の実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図である。
【００１２】
図１に示す発電システムは、例えば揚水発電所に設置される可変速揚水発電システムであり、電力系統Ｓに電気的に接続される。
【００１３】
発電システムは、基本的な構成要素として、例えばポンプ水車１０１に連結される発電電動機である二重給電交流機１（以下、「発電電動機１」と称す。）、コンバータ２Ａおよびインバータ２Ｂを有する電力変換器２、主要変圧器１０２、系統側遮断器１０３、並列用遮断器１０４、励磁用変圧器１０５、励磁用遮断器１０６、調速機１０７、サーボモータ１０８、角度検出器ＫＡ、計器用変成器ＶＴ、変流器ＣＴ、ＣＴ５Ａ、系統故障検出機能ＤＴなどの機器類を備えている。
【００１４】
また、発電システムは、コンバータ制御部３Ａおよびインバータ制御部３Ｂを有する電力変換制御部３、無効電力制御部１１１、有効電力制御部１１２、発電電動機電圧制御部１１３、通常運転時インバータ電圧指令値演算部１１４、調速機制御部１１５、コンバータ電圧指令値演算部１１６、発電電動機一次電流交流化制御演算部１２０、演算部Ａ１、Ａ２などの各種の制御機能を備えている。
【００１５】
演算部Ａ１は、発電電動機１の一次側の主要変圧器１０２と並列用遮断器１０４との間の電気回路に設置された計器用変成器ＶＴを通じて検出される電圧と、発電電動機１の一次側の主要変圧器１０２と並列用遮断器１０４との間の電気回路に設置された変流器ＣＴを通じて検出される電流とに基づき、有効電力、無効電力を演算する機能である。
【００１６】
演算部Ａ２は、発電電動機１の一次側の主要変圧器１０２と並列用遮断器１０４との間の電気回路に設置された計器用変成器ＶＴを通じて検出される電圧と、励磁用遮断器１０６の下流に設置された変流器ＣＴを通じて検出される電流とに基づき、有効電力、無効電力を演算する機能である。
【００１７】
無効電力制御部１１１は、入力部Ｔ１より入力される無効電力指令値と演算部Ａ１により演算される無効電力との差に基づき、発電システムから電力系統に供給する無効電力の制御目標値を演算して出力する機能である。
【００１８】
有効電力制御部１１２は、演算部Ａ１により演算される有効電力、入力部Ｔ２より入力される有効電力指令値、入力部Ｔ３より入力される落差測定値、および、サーボモータ１０８からのガイドベーン開度帰還信号に基づき、有効電力、回転速度、およびガイドベーンＧの開度の各制御目標値を演算する機能である。
【００１９】
発電電動機電圧制御部１１３は、発電電動機１の一次側の並列用遮断器１０４と発電電動機１との間の電気回路に設置された計器用変成器ＶＴを通じて検出される電圧に基づき、無効電力制御部１１１からの無効電力の制御目標値または入力部Ｔ４より入力される電圧増減指令に従って、発電電動機電圧の制御目標値を演算して出力する機能である。
【００２０】
通常運転時インバータ電圧指令値演算部１１４は、発電電動機１の一次側の主要変圧器１０２と並列用遮断器１０４との間の電気回路に設置された計器用変成器ＶＴを通じて検出される電圧に基づき、周波数を演算して出力するとともに、有効電力制御部１１２により演算される回転速度の制御目標値、角度検出器ＫＡから出力される発電電動機１の角度信号、および発電電動機１の二次側の電気回路に設置された変流器ＣＴ５Ａにより検出される電流に基づき、発電電動機電圧制御部１１３からの発電電動機電圧の制御目標値に従って、インバータ制御部３Ｂおよびインバータ２Ｂを通じて発電電動機１の二次電流を制御し、発電電動機１の電圧、有効電力および回転速度を制御する機能である。
【００２１】
通常運転時インバータ電圧指令値演算部１１４は、発電電動機１の一次側の主要変圧器１０２と並列用遮断器１０４との間の電気回路に設置された計器用変成器ＶＴを通じて検出される電圧から周波数を演算して演算結果を調速機制御部１１５へ出力する周波数演算機能ａと、角度検出器ＫＡから出力される発電電動機１の角度信号を入力する角度信号入力機能ｂと、その角度信号から角速度を演算する角速度演算機能ｃと、有効電力制御部１１２からの制御信号（回転速度・ガイドベーン開度の目標値）と角速度との差分を演算して出力する演算機能ｄと、その差分に応じたすべり周波数制御信号を生成するすべり周波数制御機能ｅと、発電電動機１の二次側の電気回路に設置された変流器ＣＴ５Ａにより検出される電流に基づきリセット制御信号を生成するリセット制御機能ｆ（但し、本実施形態では使用しない。）と、変流器ＣＴ５Ａにより検出される電流の三相二相変換を行う三相二相変換機能ｇと、すべり周波数制御信号またはリセット制御信号と三相二相変換後の信号との差分を演算して出力する演算機能ｈと、発電電動機電圧制御部１１３からの制御信号（発電電動機電圧の制御目標値）と三相二相変換後の信号との差分を演算して出力する演算機能ｊと、演算機能ｈの演算結果に応じた制御信号を出力する制御機能ｋと、演算機能ｊの演算結果に応じた制御信号を出力する制御機能ｍと、制御機能ｋからの制御信号および制御機能ｍからの制御信号を入力して二相三相変換を行う二相三相変換機能ｎと、二相三相変換後の制御信号に応じたインバータ電圧指令値を演算してインバータ制御部３Ｂへ出力するインバータ電圧指令値演算機能ｐとを含む。
【００２２】
調速機制御部１１５は、通常運転時インバータ電圧指令値演算部１１４の周波数演算機能ａにより演算される周波数、およびサーボモータ１０８からのガイドベーン開度帰還信号に基づき、有効電力制御部１１２からの信号（有効電力の制御目標値およびガイドベーンＧの開度の制御目標値）に従って、調速機１０７を通じてサーボモータ１０８を制御し、ガイドベーンＧの開度を制御する機能である。
【００２３】
コンバータ電圧指令値演算部１１６は、演算部Ａ２により演算される無効電力、直流電圧検出機能２Ｃからの直流電圧信号、および励磁用変圧器１０５の下流に設置された変流器ＣＴを通じて検出される電流に基づき、コンバータ電圧指令値を演算してコンバータ制御部３Ａに送ることにより、コンバータ２Ａの無効電力および直流電圧を制御するする機能である。
【００２４】
電力変換制御部３は、コンバータ制御部３Ａおよびインバータ制御部３Ｂを備えている。コンバータ制御部３Ａは、コンバータ電圧指令値演算部１１６から出力されるコンバータ電圧指令値に従って電力変換器２のコンバータ２Ａを制御する機能である。インバータ制御部３Ｂは、通常運転時インバータ電圧指令値演算部１１４から出力されるインバータ電圧指令値に従ってインバータ２Ｂを制御する機能である。
【００２５】
発電電動機一次電流交流化制御演算部１２０は、短絡検出機能（電気故障検出手段）４、直流成分計測機能６、直流指令値発生機能７、および切替え機能８Ｂを備えている。
【００２６】
短絡検出機能（電気故障検出手段）４は、電力系統Ｓに接続される電気回路もしくは発電電動機１の一次側の電気的諸量（例えば電流または電圧など）を計測し、電力系統Ｓ及び／又は当該電気回路の電気故障を検出する。
【００２７】
直流成分計測機能６は、変流器ＣＴ５Ａにより計測された二次電流の直流成分または低周波成分（発電電動機１のすべり周波数成分またはすべり周波数に近い周波数成分）を計測する。
【００２８】
直流指令値発生機能７は、直流成分計測機能６により計測された直流成分または低周波成分に応じて電力変換制御部３に直流通電指令または低周波通電指令の信号を発生する。
【００２９】
切替え機能８Ｂは、直流指令値発生機能７の信号を出力または停止する。この切替え機能８Ｂは、所定の条件が成立したとき、例えば短絡検出機能（電気故障検出手段）４が発電電動機１の一次側の電気回路の短絡などの故障を検出したときに、直流指令値発生機能７の信号を電力変換制御部３に出力する。
【００３０】
ここで、直流成分計測機能６の回路構成の一例を図２に示す。図２に示される直流成分計測機能６は、変流器ＣＴ５Ａにより計測される二次電流の各相の一定期間の移動平均を算出する処理を繰り返す移動平均演算部６Ａと、移動平均演算部６Ａにより算出される各相の移動平均の情報に極性の情報を含めて出力する極性判別部６Ｂとを備えている。
【００３１】
なお、直流指令値発生機能７の回路構成は、図２の例に限定されるものではない。例えば、移動平均演算部６Ａおよび極性判別部６Ｂの代わりに、変流器ＣＴ５Ａにより計測された二次電流の直流成分のみまたは低周波成分のみを通過させるローパスフィルタを採用してもよい。
【００３２】
（作用）
例えば、電力系統で短絡故障や地絡故障が発生すると、発電電動機１の一次電圧が低下し、過電流が流れるとともに、主要変圧器１０２、発電電動機１の一次および二次に過渡直流成分が重畳する。
【００３３】
系統故障検出機能ＤＴは、系統故障を検出し、遮断器１０３に開指令を出す。短絡検出機能４は、発電電動機一次電圧低下を検出し、切替え機能８Ｂに入指令を出力する。直流成分計測機能６は、発電電動機二次電流に含まれる直流成分を計測し、直流指令値発生機能７に直流成分計測値を出力する。直流指令値発生機能７は、直流成分計測値に応じて発電電動機二次電流の直流化に適した各相のインバータ制御指令を演算し、インバータ制御部３に出力する。インバータ２Ｂは、インバータ制御部３からの指令に応じて各相のスイッチング素子を入切し、発電電動機二次巻線に直流または低周波電流を流す。
【００３４】
（効果）
本実施形態によれば、発電電動機二次電流に含まれる直流成分を計測し、直流成分計測値に応じて、インバータ電圧制御指令値を演算し、発電電動機二次巻線の直流または低周波電流を制御するので、迅速に主要変圧器および発電電動機１の一次電流および二次電流を零クロスさせ、零ミスを防ぐことができる。
【００３５】
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。  
（構成）
図３は、第２の実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図である。なお、第１の実施形態（図１）と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３６】
第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、二次側の電気回路の各相に短絡器９および変流器ＣＴ５Ｂを設け、さらに、発電電動機一次電流交流化制御演算部１２０の代わりに発電電動機一次電流交流化制御演算部１２０’を設けた点である。発電電動機一次電流交流化制御演算部１２０’は、前述の短絡検出機能（電気故障検出手段）４を備える代わりに、短絡器動作／復帰判定機能１０を備えている。また、通常運転時インバータ電圧指令値演算部１１４には、さらに、切替え機能８Ｃ、８Ｄが備えられる。
【００３７】
短絡器９は、発電電動機１の二次側に過電圧が発生した際に二次側の電気回路（三相交流回路）の相間を短絡させる機能を有する。
【００３８】
短絡器動作／復帰判定機能１０は、短絡器９が動作していること（短絡し、短絡器９に電流が流れていること）、もしくは、復帰したこと（電気的に開路し、短絡器９に電流が流れていないこと）を検出する機能である。
【００３９】
切替え機能８は、短絡動作／復帰判定機能１０が短絡器９の短絡動作を検出した後に復帰を検出したときに、直流指令値発生機能７の信号を電力変換制御部３に出力する。
【００４０】
（作用）
例えば、電力系統で短絡故障や地絡故障が発生すると、発電電動機１の一次電圧が低下し、過電流が流れるとともに、主要変圧器、発電電動機１の一次および二次に過渡直流成分が重畳する。また、発電電動機一次側の過渡現象、過渡直流成分により、発電電動機二次側に過電圧が発生する。
【００４１】
系統故障検出機能ＤＴは、系統故障を検出し、遮断器１０３に開指令を出す。短絡器９は、発電電動機二次側に過電圧が発生すると、二次側の電気回路を短絡し、発電電動機１および電力変換器２を過電圧から保護する。短絡器９が動作中は、発電電動機二次電流は、短絡器９に流れるため、発電電動機二次電流を制御することができない。そのため、短絡器９が動作した後、インバータ制御部３Ｂは、通常運転時インバータ電圧指令値演算部１１４の制御指令値に従い、短絡器９の電流をインバータ２Ｂに移行させ、短絡器９の電流をゼロに絞り、短絡器９を復帰させる。短絡器９が復帰すると、インバータ２Ｂにより、発電電動機二次電流の制御が可能になる。
【００４２】
短絡器動作/復帰判定機能１０は、直流電圧検出機能２Ｃからの直流電圧信号を入力し、短絡器９の動作を判定する。また、変流器ＣＴ５Ｂからの電流を計測し、短絡器９の復帰を判定する。短絡器動作前および短絡器動作中は、切替え機能８Ａが「入」、切替え機能８Ｂが「切」の状態であり、また、切替え機能８Ｃのすべり周波数制御信号側が「入」、リセット制御信号側が「切」、切替え機能８Ｄが「入」の状態である。短絡器動作/復帰判定機能１０は、短絡器が動作した後に復帰したと判定すると、切替え機能８Ａおよび切替え機能８Ｂに切替え指令を出し、切替え機能８Ａを「切」、切替え機能８Ｂを「入」の状態にし、また、切替え機能８Ｃのリセット制御信号側を「入」、すべり周波数制御信号側を「切」、切替え機能８Ｄを「切」の状態にする。
【００４３】
直流成分計測機能６は、発電電動機二次電流に含まれる直流成分を計測し、直流指令値発生機能７に直流成分計測値を出力する。直流指令値発生機能７は、直流成分計測値に応じて発電電動機二次電流の直流化に適したインバータ制御指令を演算し、インバータ制御部３に出力する。インバータ２Ｂは、インバータ制御部３からの指令値に応じて各相のスイッチング素子を入切し、発電電動機二次巻線に直流または低周波電流を流す。
【００４４】
（効果）
本実施形態によれば、発電電動機二次電流に含まれる直流成分を計測し、直流成分計測値に応じて、短絡器９が復帰した直後に、インバータ制御指令を演算し、発電電動機二次巻線の直流または低周波電流を制御するので、迅速に主要変圧器および発電電動機１の一次電流および二次電流を零クロスさせ、零ミスを防ぐことができる。
【００４５】
以上詳述したように、各実施形態によれば、二重給電交流機の一次電流を迅速にゼロクロスさせることが可能となる。
【００４６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４７】
上述の例では、検出量、計測量、制御量が電流または電圧の例について説明したが、電流の代わりに電圧、磁束等の電気的諸量を用いても良いし、電圧の代わりに電流、磁束等の電気的諸量を用いても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１…二重給電交流機、２…電力変換器、２Ａ…コンバータ、２Ｂ…インバータ、３…電力変換制御部、２Ｃ…直流電圧検出機能、３Ａ…コンバータ制御部、３Ｂ…インバータ制御部、４…並列用遮断器、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ…切替え機能、１０１…ポンプ水車、１０２…主要変圧器、１０３…系統側遮断器、１０５…励磁用変圧器、１０６…励磁用遮断器、１０７…調速機、１０８…サーボモータ、１１１…無効電力制御部、１１２…有効電力制御部、１１３…発電電動機電圧制御部、１１４…通常運転時インバータ電圧指令値演算部、１１５…調速機制御部、１１６…コンバータ電圧指令値演算部、１２０，１２０’…発電電動機一次電流交流化制御演算部、ＫＡ…角度検出器、ＰＴ…計器用変成器、ＣＴ、ＣＴ５Ａ、ＣＴ５Ｂ…変流器、ＤＴ…系統故障検出機能、Ｇ…ガイドベーン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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