(57)【要約】【課題】同期発電機の界磁電流の応答性を調整可能とする。【解決手段】同期発電機の励磁装置は、発電機界磁回路１６と、端子電圧検出値ｂを出力する端子電圧検出器と、界磁電流値ｈを出力する界磁電流検出器と、端子電圧設定値ａを設定する端子電圧設定器と、端子電圧設定値ａと端子電圧検出値ｂとの差に基づいて発電機界磁回路１６に印加されるべき界磁電圧を調整してＡＶＲ出力ｄを出力する自動電圧調整器３２と、界磁電流値ｈにＭ−１ゲイン処理を行うＭ−１ゲインブロック４３と、Ｍ−１ゲインブロック４３の出力ｅとＡＶＲ出力ｄとを加算する加算器４４と、加算器４４の出力ｆに１／Ｍゲイン処理を行う１／Ｍゲインブロック４２と、を有する。１／Ｍゲインブロック４２の出力ｇを発電機界磁回路１６に印加する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期発電機の電機子に端子電圧および負荷電流を発生させるための励磁装置であって、
発電機界磁巻線を備えた発電機界磁回路と、
前記端子電圧を検出して端子電圧検出値を出力する端子電圧検出器と、
前記発電機界磁巻線を流れる界磁電流を検出して界磁電流値を出力する界磁電流検出器と、
前記端子電圧の設定値を設定する端子電圧設定器と、
前記端子電圧の設定値と前記端子電圧検出値との差に基づいて、前記発電機界磁回路に印加されるべき界磁電圧を調整してＡＶＲ出力を出力する自動電圧調整器と、
前記界磁電流値にＭ−１ゲイン処理を行うＭ−１ゲインブロックと、
前記Ｍ−１ゲインブロックの出力と前記ＡＶＲ出力とを加算する加算器と、
前記加算器の出力に１／Ｍゲイン処理を行う１／Ｍゲインブロックと、
を有し、
前記１／Ｍゲインブロックの出力を前記発電機界磁回路に印加するように構成されていること、を特徴とする同期発電機の励磁装置。
【請求項２】
前記発電機界磁巻線は前記同期発電機の回転子の一部を構成し、
当該励磁装置は、
回転しないで交流を直流に変換して前記界磁電流を生成する整流回路と、
前記整流回路で得られた直流を前記発電機界磁巻線に送るブラシと、
を備えること、を特徴とする請求項１に記載の同期発電機の励磁装置。
【請求項３】
前記同期発電機は、電力系統に電力を供給する商用の大容量発電機を模擬する試験用の小容量発電機であって、
前記Ｍは１より大きいこと、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期発電機の励磁装置。
【請求項４】
前記同期発電機は、前記発電機界磁巻線に超電導体を用いた超電導発電機であって、
前記Ｍは１より小さいこと、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期発電機の励磁装置。
【請求項５】
電力を出力する電機子と、
前記電機子を励磁する励磁装置と、
を備えた同期発電機であって、
前記励磁装置は、
発電機界磁巻線を備えた発電機界磁回路と、
端子電圧を検出して端子電圧検出値を出力する端子電圧検出器と、
前記発電機界磁巻線を流れる界磁電流を検出して界磁電流値を出力する界磁電流検出器と、
前記端子電圧の設定値を設定する端子電圧設定器と、
前記端子電圧の設定値と前記端子電圧検出値との差に基づいて、前記発電機界磁回路に印加されるべき界磁電圧を調整してＡＶＲ出力を出力する自動電圧調整器と、
前記界磁電流値にＭ−１ゲイン処理を行うＭ−１ゲインブロックと、
前記Ｍ−１ゲインブロックの出力と前記ＡＶＲ出力とを加算する加算器と、
前記加算器の出力に１／Ｍゲイン処理を行う１／Ｍゲインブロックと、
を有し、
前記１／Ｍゲインブロックの出力を前記発電機界磁回路に印加するように構成されていること、を特徴とする同期発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、同期発電機およびその励磁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量同期発電機は、従来から電力用として広く用いられている。近年の単機大容量化はめざましく、たとえば、２極１，２００，０００ｋＶＡ、４極１，５００，０００ｋＶＡクラスの大容量タ−ビン発電機も国内外で実用化されている。発電機の単機大容量化とともに、系統との関係から、界磁電流を供給する励磁方式を含んだシステム全体としての応答性評価向上が望まれる。
【０００３】
一方で、発電機の単機大容量化とともに、系統との関係から、安定度に対する評価精度の向上が望まれる。しかしながら大容量発電機システムの短絡等の過渡現象を実際の電力系統により実証することは電力系統への影響が大きく、実際的には困難であり、解析での推定によることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１５９３８号公報
【特許文献２】特開平９−２６１９９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、同期発電機の界磁電流の変動時における応答性を任意に調整可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、同期発電機の励磁装置は、同期発電機の電機子に端子電圧および負荷電流を発生させるための励磁装置であって、発電機界磁巻線を備えた発電機界磁回路と、前記端子電圧を検出して端子電圧検出値を出力する端子電圧検出器と、前記発電機界磁巻線を流れる界磁電流を検出して界磁電流値を出力する界磁電流検出器と、前記端子電圧の設定値を設定する端子電圧設定器と、前記端子電圧の設定値と前記端子電圧検出値との差に基づいて、前記発電機界磁回路に印加されるべき界磁電圧を調整してＡＶＲ出力を出力する自動電圧調整器と、前記界磁電流値にＭ−１ゲイン処理を行うＭ−１ゲインブロックと、前記Ｍ−１ゲインブロックの出力と前記ＡＶＲ出力とを加算する加算器と、前記加算器の出力に１／Ｍゲイン処理を行う１／Ｍゲインブロックと、を有し、前記１／Ｍゲインブロックの出力を前記発電機界磁回路に印加するように構成されていること、を特徴とする。
【０００７】
また、実施形態によれば、同期発電機は、電力を出力する電機子と、前記電機子を励磁する励磁装置と、を備えた同期発電機であって、前記励磁装置は、発電機界磁巻線を備えた発電機界磁回路と、端子電圧を検出して端子電圧検出値を出力する端子電圧検出器と、前記発電機界磁巻線を流れる界磁電流を検出して界磁電流値を出力する界磁電流検出器と、前記端子電圧の設定値を設定する端子電圧設定器と、前記端子電圧の設定値と前記端子電圧検出値との差に基づいて、前記発電機界磁回路に印加されるべき界磁電圧を調整してＡＶＲ出力を出力する自動電圧調整器と、前記界磁電流値にＭ−１ゲイン処理を行うＭ−１ゲインブロックと、前記Ｍ−１ゲインブロックの出力と前記ＡＶＲ出力とを加算する加算器と、前記加算器の出力に１／Ｍゲイン処理を行う１／Ｍゲインブロックと、を有し、前記１／Ｍゲインブロックの出力を前記発電機界磁回路に印加するように構成されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、同期発電機の界磁電流の変動時における応答性を任意に調整可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る同期発電機の模式的配線図。
【図２】図１の同期発電機の自動電圧調整装置の内容を示す制御ブロック図。
【図３】図２の同期発電機の励磁装置の制御ブロック図。
【図４】図３のＩＶ部を等価変換した制御ブロック図。
【図５】図４の制御ブロック図をさらに等価変換した制御ブロック図。
【図６】本発明の一実施形態に係る同期発電機における突発短絡事象を模擬した際の界磁電流の時間変化の解析結果の一例を示すグラフ。
【図７】従来の同期発電機における突発短絡事象を模擬した際の界磁電流の時間変化の解析結果の一例を示すグラフ。
【図８】従来の同期発電機の模式的配線図。
【図９】図８の同期発電機の自動電圧調整装置の内容を示す制御ブロック図。
【図１０】図９の同期発電機の励磁装置の制御ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
はじめに、従来の同期発電機およびその励磁装置について、図８ないし図１０を用いて説明する。
【００１１】
図８は、従来の同期発電機の模式的配線図である。また、図９は、図８の同期発電機の自動電圧調整装置の内容を示す制御ブロック図である。さらに、図１０は、図９の同期発電機の励磁装置の制御ブロック図である。
【００１２】
図８に示すように、交流電力系統１０に対して、遮断器１１および主変圧器１２を介して、同期発電機１３の電機子１４が接続されている。電機子１４に発生する端子電圧、負荷電流が主変圧器１２および遮断器１１を介して、交流電力系統１０に供給されるように構成されている。電機子１４に界磁を提供するために励磁装置１５が配置されている。励磁装置１５は、発電機界磁回路１６と、同期発電機の交流出力から発電機界磁回路１６に直流を供給するための交直変換及び界磁制御用の整流回路１７と、整流回路１７に交流電流を供給するための励磁変圧器１８と、界磁電圧を調整する自動電圧調整装置１９とを備えている。
【００１３】
発電機界磁回路１６は、発電機界磁巻線２０と、ブラシ２１とを備えている。発電機界磁巻線２０は、回転子５０の一部を構成して回転する。整流回路１７は回転せずに静止し、発電機界磁巻線２０と整流回路１７とは摺動部を備えたブラシ２１を介して電気的に接続されている。電機子１４は回転せずに静止している。
【００１４】
電機子１４の端子電圧を測定するための計器用変圧器２２が設けられ、計器用変圧器２２の出力が自動電圧調整装置１９に入力され、自動電圧調整装置１９によって界磁電圧が調整されるように構成されている。
【００１５】
図９に示すように、自動電圧調整装置１９は、端子電圧検出器３０と、端子電圧設定器３１と、自動電圧調整器（ＡＶＲ）３２と、減算器３３とを有する。端子電圧検出器３０は計器用変圧器２２の出力に基づいて電機子１４の端子電圧を測定する。減算器３３は、端子電圧設定器３１の出力（端子電圧設定値）ａから端子電圧検出器３０の出力（端子電圧検出値）ｂを減算してその出力（差）ｃを自動電圧調整器３２に入力する。自動電圧調整器３２の出力（ＡＶＲ出力）ｄは発電機界磁回路１６に入力されて界磁電圧を調整する。
【００１６】
発電機界磁回路１６は一次遅れ要素と考えることができ、伝達関数で、１／（１＋Ｔｄｏ’・ｓ）と表すことができる。ここで、Ｔｄｏ’は同期発電機過渡時界磁時定数であり、ｓは複素数である。したがって、励磁装置１５の制御ブロック図は、図１０のように表すことができる。
【００１７】
商用の大容量発電機システムの短絡等の過渡現象を実際の電力系統により実証することは電力系統への影響が大きく、実際的には困難であり、解析での推定によることになる。ここで、解析の適切性確認が求められることから、数ｋＶＡ程度の試験用の発電機システム（以下系統模擬装置と称する）を用いるのが一般的である。しかしながら、大容量発電機システムと系統模擬装置では過渡現象を左右するリアクタンス・時定数に差がある場合がある。特に、時定数は数十倍の差があり、解析の適切性判断に大きな影響を及ぼす。この解決策として、自動電圧調整装置１９に遅延の進み・遅れ補償を付加し、励磁応答を遅くして等価的に界磁時定数を遅くする方法で界磁電圧の変化を調節することが考えられるが、電機子反作用で変化する界磁電流の応答を遅くすることはできない。
【００１８】
大容量発電機の挙動確認するための挙動模擬については、メーカーをはじめ、電力会社、研究機関などで、ソフトウエアによる解析や小形の系統模擬装置などを用いて行われている。その際の発電機の界磁制御回路は、大容量の発電機と同様に、図８ないし図１０に示すように、端子電圧設定器３１の出力（端子電圧設定値）ａと、端子電圧検出器３０の出力（端子電圧検出値）ｂとを比較し、自動電圧調整器３２により、発電機界磁回路１６を調整するような方式が主流である。
【００１９】
この小形の系統模擬装置を用いて、過渡時の発電機挙動などを確認することで、解析結果とは違った形で、実際の発電機に起こりうる問題点などの検証を行うことができ、それを視覚的に確認することができる。
【００２０】
しかしながら、この状態での小形の発電機を有する系統模擬装置では、実際の大容量発電機に起こりうる現象を正確に検証できるわけではない。その理由としては、実際に接続されている系統で発生する事故を同じように起こすわけにはいかないという問題と、もう一つ大きな違いとして、小容量発電機と実際に発電所に設置されている大容量発電機では、固有の定数が大幅に異なるという点にある。
【００２１】
具体的には、同期発電機過渡時界磁時定数Ｔｄｏ’の大きさが、大容量発電機に較べて、小容量発電機では桁違いに小さいという点である。たとえば、系統模擬装置に用いられる４極３ｋＶＡの小容量発電機のＴｄｏ’は約０．２２１秒であり、４極５８５，０００ｋＶＡの大容量発電機のＴｄｏ’は約８．５秒、４極１，３００，０００ｋＶＡの大容量発電機のＴｄｏ’は約６．９秒である。すなわち、時定数Ｔｄｏ’に約３０倍程度の差がありうることになる。
【００２２】
この同期発電機過渡時界磁時定数Ｔｄｏ’は、系統事故などの大外乱が発生し、復帰後に発電機が運転を続ける際に、発電機の界磁電流が落ち着くまでの時間を示したものである。したがって、時定数Ｔｄｏ’の値が小さいほど、揺動が収まるまでの時間が短くなる。
【００２３】
そのため、上記の状態で、小容量発電機を有する系統模擬装置での検証では、発電機の挙動として揺動が速く収まり、大容量発電機の挙動模擬を正確に行うことができないことから、界磁時定数を調整する必要がある。
【００２４】
この解決策として、図１０に示す回路において、自動電圧調整器３２と発電機界磁回路１６の間に、進み遅れ補償の制御ブロックを入れることで、等価的に界磁応答を遅らせる方法も考えられる。しかしながら、その方式では、界磁電圧の応答を遅らせて、結果として発電機の界磁応答を遅らせるだけなので、界磁電流の応答を模擬することはできない。
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図１ないし図７を用いて説明する。ここで、図８ないし図１０に示した各部と同一または類似の部分には共通の符号を付して説明し、重複説明は一部省略する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態に係る同期発電機の模式的配線図である。図２は、図１の同期発電機の自動電圧調整装置の内容を示す制御ブロック図である。図３は、図２の同期発電機の励磁装置の制御ブロック図である。図４は、図３のＩＶ部を等価変換した制御ブロック図である。図５は、図４の制御ブロック図をさらに等価変換した制御ブロック図である。
【００２７】
この実施形態では、図１に示すように、交流電力系統１０に対して、遮断器１１および主変圧器１２を介して、同期発電機１３の電機子１４が接続されている。電機子１４に界磁を提供するために励磁装置１５が配置されている。励磁装置１５は、発電機界磁回路１６と、発電機界磁回路１６に直流を供給する整流回路１７と、整流回路１７に交流電流を供給するための界磁変圧器１８と、界磁電圧を調整する自動電圧調整装置１９とを備えている。
【００２８】
発電機界磁回路１６は、発電機界磁巻線２０と、ブラシ２１とを備えている。発電機界磁巻線２０は、回転子５０の一部を構成して回転する。整流回路１７は回転せずに静止し、発電機界磁巻線２０と整流回路１７とは摺動部を備えたブラシ２１を介して電気的に接続されている。電機子１４は回転せずに静止している。
【００２９】
電機子１４の端子電圧を測定するための計器用変圧器２２が設けられ、計器用変圧器２２の出力が自動電圧調整装置１９に入力され、自動電圧調整装置１９によって界磁電圧が調整されるように構成されている。
【００３０】
この実施形態ではさらに、励磁装置１５は、発電機界磁回路１６に設けられた計器用変流器４０と、発電機界磁巻線２０を流れる界磁電流を計器用変流器４０によって検出する界磁電流検出器４１（図２）とを有する。また、自動電圧調整装置１９は、１／Ｍゲインブロック４２とＭ−１ゲインブロック４３と、加算器４４とを有する。ただし、Ｍは１より大きいものとする。
【００３１】
加算器４４は、自動電圧調整器３２の出力（ＡＶＲ出力）ｄとＭ−１ゲインブロック４３の出力ｅを入力として受ける。この場合、ポジティブフィードバックとなる。加算器４４で、加算した結果ｆは１／Ｍゲインブロック４２に入力される。１／Ｍゲインブロック４２の出力ｇは、発電機界磁回路１６に入力される。また、界磁電流検出器４１の出力（界磁電流値）ｈはＭ−１ゲインブロック４３に入力される。
【００３２】
なお、上記説明で、制御に用いられる電流値や電圧検出値は、たとえば定格値を１として無次元化して取り扱われるものであり、電流や電圧の単位によって表わされるものではない。
【００３３】
図５に示す等価回路と、従来技術の構成を示す図１０とを比べると、従来技術（図１０）における同期発電機過渡時界磁時定数Ｔｄｏ’が、本実施形態（図５）ではＭ・Ｔｄｏ’に置き換えられており、界磁時定数がＭ倍になっていることがわかる。
【００３４】
したがって、この実施形態によれば、倍率Ｍを適当に設定することにより、界磁時定数を任意に調整することができる。
【００３５】
この実施形態の効果を、突発短絡事象を模擬した際の発電機界磁電流の解析結果を用いて確認した結果を、図６および図７を参照して説明する。
【００３６】
図６は、本発明の一実施形態に係る同期発電機における突発短絡事象を模擬した際の界磁電流の時間変化の解析結果の一例を示すグラフである。図７は、従来の同期発電機における突発短絡事象を模擬した際の界磁電流の時間変化の解析結果の一例を示すグラフである。
【００３７】
図７に示す従来の自動電圧調整装置における界磁電流の応答に較べて、図６に示す本実施形態における自動電圧調整装置による突発短絡時の界磁電流の方が、応答が遅く、定常状態まで戻る時間が遅くなっていることがわかる。
【００３８】
したがって、本実施形態における励磁装置を、小容量発電機を有する系統模擬装置に組み込むことで、模擬を行いたい容量の発電機界磁時定数Ｔｄｏ’が分かっていれば、その挙動も模擬をすることが可能となる。
【００３９】
図５に示すように制御ブロック上、進み遅れ補償の制御ブロックによる界磁応答制御と同じになるが、このブロックで示しているのは、あくまでも自動電圧調整器（ＡＶＲ）３２からの影響のみである。
【００４０】
しかしながら、実際の同期発電機の挙動としては、制御要素である発電機界磁電流には、自動電圧調整器３２と無関係な系統からの電機子反作用効果による変動も加味しなければならない。本実施形態では、進み遅れ補償の制御ブロックによる界磁応答制御とは異なり、電機子反作用効果による変動を加味する界磁電流要素を制御に用いる。これにより、正確な挙動模擬を行うことが可能である。
【００４１】
上記実施形態の対象とした模擬設備は、実機を等価的に小さくしたものであるが、本実施形態の技術は、実際の発電所等で商用に用いられている発電機にも適用可能である。たとえば、発電機界磁巻線に超電導体を用いた超伝導発電機のように、界磁抵抗が小さく、界磁時定数が長くて困る際には、倍率Ｍを１未満にしてもよい。この場合はＭ−１が負となり、界磁電流がネガティブフィードバックされる。これにより、界磁時定数を短縮することができる。
【００４２】
以上、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。
【符号の説明】
【００４３】
１０…交流電力系統、  １１…遮断器、  １２…主変圧器、  １３…同期発電機、  １４…電機子、  １５…励磁装置、  １６…発電機界磁回路、  １７…整流回路、  １８…界磁変圧器、  １９…自動電圧調整装置、  ２０…発電機界磁巻線、  ２１…ブラシ、  ２２…計器用変圧器、  ３０…端子電圧検出器、  ３１…端子電圧設定器、  ３２…自動電圧調整器（ＡＶＲ）、  ３３…減算器、  ４０…計器用変流器、  ４１…界磁電流検出器、  ４２…１／Ｍゲインブロック、  ４３…Ｍ−１ゲインブロック、  ４４…加算器、  ５０…回転子
【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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【図９】
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【図１０】
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