(57)【要約】      （修正有）【課題】発電装置に備えられる単独運転検出装置の整定値および電圧揺動信号の大きさについて、事前に最適な値を知得することのできる発電装置のシミュレーション方法およびプログラムを提供する。【解決手段】電力系統と並列運転しながら負荷へ電力を供給する発電機を駆動する調速機および原動機をシミュレーションする軸トルク出力算出ステップＳ１と、発電機の端子電圧を算出する端子電圧算出ステップＳ２と、発電機の界磁電流を算出する界磁電流算出ステップＳ３と、発電機の電機子巻線電流および発電機の軸トルクを算出する電機子電流・軸トルク算出ステップＳ４と、発電機と原動機の回転速度を算出する回転速度算出ステップＳ５と、前記電圧揺動信号を前記界磁電流算出ステップＳ３における電圧指令に加算する電圧揺動信号加算ステップＳ６とを備えている構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統と並列運転しながら負荷へ電力を供給する発電機を駆動する原動機の回転速度指令と原動機の回転速度及び速度調停率に基づいて調速機および原動機をシミュレーションし、原動機の軸トルク出力を算出する軸トルク出力算出ステップと、発電機の界磁巻線電流と回転速度と電機子巻線電流に基づいて発電機をシミュレーションし、発電機の端子電圧を算出する端子電圧算出ステップと、発電機の端子電圧と電圧指令と電圧垂下率に基づいて自動電圧調整器をシミュレーションし、発電機の界磁電流を算出する界磁電流算出ステップと、発電機と送電線のインピーダンスおよび遮断器を介して接続された電力系統および発電機に接続された負荷から発電機の電機子巻線電流および発電機の軸トルクを算出する電機子電流・軸トルク算出ステップと、前記軸トルク出力算出ステップにおいて求められた原動機の軸トルク出力と前記電機子電流・軸トルク算出ステップにおいて求められた発電機の軸トルクと原動機と発電機の慣性定数に基づいて同軸上にある発電機と原動機の回転をシミュレーションし、発電機と原動機の回転速度を算出する回転速度算出ステップと、前記端子電圧算出ステップにおいて求められた発電機端子電圧を入力し、その周波数変化率に基づいて発電機電圧を揺動させる電圧揺動信号を生成する単独運転検出装置をシミュレーションし、前記電圧揺動信号を前記界磁電流算出ステップにおける電圧指令に加算する電圧揺動信号加算ステップとを備えていることを特徴とする発電装置のシミュレーション方法。
【請求項２】
請求項１記載の軸トルク出力算出ステップ、端子電圧算出ステップ、界磁電流算出ステップ、電機子電流・軸トルク算出ステップ、回転速度算出ステップおよび電圧揺動信号加算ステップを備え、コンピュータによって実行可能であることを特徴とする発電装置のシミュレーションプログラム。
【請求項３】
前記軸トルク出力算出ステップ、前記端子電圧算出ステップ、前記界磁電流算出ステップ、前記電機子電流・軸トルク算出ステップ、前記回転速度算出ステップおよび前記電圧揺動信号加算ステップにおいて算出される量を時系列で表示装置に表示させる表示ステップを備えていることを特徴とする請求項２記載の発電装置のシミュレーションプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に備えられる単独運転検出装置を最適に設定するための発電装置のシミュレーション方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力系統に連系される発電装置には、その発電装置が単独運転状態にあるか否かを検出する単独運転検出装置を備えることが多い。図７に単独運転検出装置を備えた発電装置の一例を示す。同図において、１は同期発電機またはブラシレス同期発電機、２は調速機、３は原動機、４は電力系統、５は負荷、６，７は遮断器、８は自動電圧調整器、９は単独運転検出装置を示す。
【０００３】
発電装置が電力系統４と連系して運転中に電力系統４の事故等によって発電装置が系統と切り離されて単独運転状態となった場合、そのまま単独運転が継続すると電力系統４との接続を再閉路する場合に非同期投入となったり、保守員が感電する可能性がある。そこで、単独運転となったことを自動で検知して発電装置を電力系統４から切り離す単独運転検出装置９が設置される。
【０００４】
発電機１は原動機３によって駆動されると共に自動電圧調整器８から界磁電流を供給され、商用周波数の電圧・電流を出力する。原動機３の回転速度は調速機２によって制御される。調速機２はドループ特性を備え、原動機３の回転速度が回転速度指令と一致するように原動機３に供給される燃料の量を調節する。自動電圧調整器８は発電機１の端子電圧Ｖｇを検出し、発電機電圧指令と一致するように界磁電流を調節する。自動電圧調整器８はまた、発電機電流量Ｉｇに基づいて発電機電圧指令を垂下させる特性を備える。自動電圧調整器８はさらに補助電圧指令を外部から入力し、補助電圧指令を前記発電機電圧指令に加算することにより、最終的な発電機電圧指令を生成する。
【０００５】
単独運転検出装置９は例えば発電機の端子電圧Ｖｇから周波数を検出し、周波数の変化率の極性と大きさに基づいて電圧揺動信号ΔＶを自動電圧調整器８へ補助電圧指令として出力する。また、周波数の変化率が設定した範囲を超えると遮断器７へ解列指令を出力する。
【０００６】
単独運転検出装置９の電圧揺動信号により発電機電圧を変化させることによって発電機有効電力が変化し、有効電力に応じて原動機制御の垂下特性が変化するため、発電機電圧の周波数変動が生じる。電力系統４と連系中は発電機電圧の周波数変動は抑えられるが、電力系統４が事故などにより解列された場合、発電機電圧の周波数変動は大きくなる。単独運転検出装置９は周波数変動の大きさによって発電機１が単独運転状態になったことを検知し、発電装置を電力系統４から切り離す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
単独運転検出装置には、発電機が単独運転であることを判断するための周波数変動の大きさ（整定値と呼ぶ）と電圧揺動信号の大きさをあらかじめ設定しておく必要がある。整定値は単独運転発生後、所定の時間以内に発電機を電力系統から解列可能なものにしなければならない。また、電圧揺動信号の大きさは、発電機の運転が不安定とならないように決定する必要がある。しかしながら、自動電圧調整器の電圧指令に電圧揺動信号を与えた結果、発電機の運転の安定性にどの程度影響があるか、また、実際に単独運転状態となった場合に、単独運転開始から単独運転検出装置が発電機を電力系統から解列するまでの時間がどのくらいであるかは、調速機や自動電圧調整器の動的な制御特性や、電力系統との間の送電線インピーダンスや負荷の状態に依存し、机上計算で算出するのは困難である。
【０００８】
本発明は上記状況に対処するためになされたもので、発電装置に備えられる単独運転検出装置の整定値および電圧揺動信号の大きさについて、事前に最適な値を知得することのできる発電装置のシミュレーション方法およびプログラ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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の発電装置のシミュレーション方法は、電力系統と並列運転しながら負荷へ電力を供給する発電機を駆動する原動機の回転速度指令と原動機の回転速度及び速度調停率に基づいて調速機および原動機をシミュレーションし、原動機の軸トルク出力を算出する軸トルク出力算出ステップと、発電機の界磁巻線電流と回転速度と電機子巻線電流に基づいて発電機をシミュレーションし、発電機の端子電圧を算出する端子電圧算出ステップと、発電機の端子電圧と電圧指令と電圧垂下率に基づいて自動電圧調整器をシミュレーションし、発電機の界磁電流を算出する界磁電流算出ステップと、発電機と送電線のインピーダンスおよび遮断器を介して接続された電力系統および発電機に接続された負荷から発電機の電機子巻線電流および発電機の軸トルクを算出する電機子電流・軸トルク算出ステップと、前記軸トルク出力算出ステップにおいて求められた原動機の軸トルク出力と前記電機子電流・軸トルク算出ステップにおいて求められた発電機の軸トルクと原動機と発電機の慣性定数に基づいて同軸上にある発電機と原動機の回転をシミュレーションし、発電機と原動機の回転速度を算出する回転速度算出ステップと、前記端子電圧算出ステップにおいて求められた発電機端子電圧を入力し、その周波数変化率に基づいて発電機電圧を揺動させる電圧揺動信号を生成する単独運転検出装置をシミュレーションし、前記電圧揺動信号を前記界磁電流算出ステップにおける電圧指令に加算する電圧揺動信号加算ステップとを備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の発電装置のシミュレーションプログラムは、前記軸トルク出力算出ステップ、前記端子電圧算出ステップ、前記界磁電流算出ステップ、前記電機子電流・軸トルク算出ステップ、回転速度算出ステップおよび電圧揺動信号加算ステップを備え、コンピュータによって実行可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電装置に備えられる単独運転検出装置の整定値および電圧揺動信号の大きさについて、事前に最適な値を知得することのできる発電装置のシミュレーション方法およびプログラムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。  
本実施の形態の発電装置のシミュレーション方法を図１に示す。電力系統と並列運転しながら負荷へ電力を供給する発電機を駆動する原動機の回転速度指令と原動機の回転速度及び速度調停率に基づいて調速機および原動機をシミュレーションし、原動機の軸トルク出力を算出する軸トルク出力算出ステップＳ１と、発電機の界磁巻線電流と回転速度と電機子巻線電流に基づいて発電機をシミュレーションし、発電機の端子電圧を算出する端子電圧算出ステップＳ２と、発電機の端子電圧と電圧指令と電圧垂下率に基づいて自動電圧調整器をシミュレーションし、発電機の界磁電流を算出する界磁電流算出ステップＳ３と、発電機と送電線のインピーダンスおよび遮断器を介して接続された電力系統および発電機に接続された負荷から発電機の電機子巻線電流および発電機の軸トルクを算出する電機子電流・軸トルク算出ステップＳ４と、前記軸トルク出力算出ステップＳ１において求められた原動機の軸トルク出力と前記電機子電流・軸トルク算出ステップＳ４において求められた発電機の軸トルクと原動機と発電機の慣性定数に基づいて同軸上にある発電機と原動機の回転をシミュレーションし、発電機と原動機の回転速度を算出する回転速度算出ステップＳ５と、前記端子電圧算出ステップＳ２において求められた発電機端子電圧を入力し、その周波数変化率に基づいて発電機電圧を揺動させる電圧揺動信号を生成する単独運転検出装置をシミュレーションし、前記電圧揺動信号を前記界磁電流算出ステップＳ３における電圧指令に加算する電圧揺動信号加算ステップＳ６とを備えている。各ステップＳ１〜Ｓ６はそれぞれの演算結果を表示する表示ステップを備えていてもよい。
【００１３】
図２は調速機と原動機のモデルの構成を示すブロック図である。同図において、１０は加減算器、１１は積分器、１２はドループ特性関数要素、１３は進み遅れ制御演算器、１４はリミッタを示す。
【００１４】
ドループ特性関数要素１２は軸トルク量を示す積分器１１の出力信号に比例した信号を出力する。加減算器１０は回転速度指令ω*から回転速度検出信号ωとドループ特性関数要素１２の出力信号を減算して出力する。積分器１１はゲインＫ１を乗じながら加減算器１０の出力信号を積分演算して出力する。進み遅れ制御演算器１３は積分器１１の出力信号を進み遅れ制御演算して出力する。リミッタ１４は原動機の軸トルク出力のリミット値で入力信号を制限して出力する。リミッタ１４の出力は、原動機の軸トルク出力を示す。なお、調速機と原動機のモデルは上記に示したものに限らない。
【００１５】
発電機の電磁気的挙動は一般に下記数式（１），（２）に示すＰａｒｋの式により算出できることが知られている。数式（１），（２）において、界磁巻線電流と回転速度と電機子巻線電流を与えると発電機端子電圧が算出される。なお、発電機のモデルは上記に示したものに限らない。
【数１】
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【数２】
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【００１６】
図３は自動電圧調整器をシミュレーションするブロック図である。同図において、２０は加減算器、２１は電圧垂下特性関数要素、２２はＰＩＤ制御演算器、２３はリミッタを示す。
【００１７】
電圧垂下特性関数要素２１は発電機電機子電流量Ｉｇに比例した量の電圧垂下量を出力する。加減算器２０は電圧指令Ｖｇ*から発電機電圧Ｖｇと電圧垂下特性関数要素２１の出力信号を減算すると共に後述する単独運転検出装置モデルからの電圧揺動信号ΔＶを加算して出力する。ＰＩＤ制御演算器２２は加減算器２０の出力する信号をＰＩＤ制御演算して出力する。リミッタ２３はＰＩＤ制御演算器の出力信号を自動電圧調整器が出力可能な界磁電圧範囲に制限して出力する。１次遅れ要素２４は発電機の界磁巻線をシミュレーションするモデルで、リミッタ２３の出力する界磁電圧Ｖｅｆよりも１次遅れ応答で界磁巻線電流Ｉｅｆが変化する。なお、自動電圧調整器のモデルは上記に示したものに限らない。
【００１８】
図４は、発電機モデルの出力電圧と送電線のインピーダンス及び遮断器を介して連系している電力系統電圧とから負荷のインピーダンスに印加される電圧を算出し、該電圧と負荷インピーダンスより発電機の電機子巻線に流れる電流を算出するモデルを示す。また、発電機の電機子巻線電流が算出されると発電機の軸トルクＴｇも算出される。なお、系統および負荷、発電機軸トルクのモデルは上記に示したものに限らない。
【００１９】
図５は、図２で算出される原動機の軸トルクＴｔと、図４で算出される発電機軸トルクＴｇから原動機および発電機の回転速度ωをシミュレーションするブロック図を示す。同図において、４０は減算器、４１は単位慣性定数Ｍ０の逆数によるゲイン、４２は積分器を示す。なお、回転速度シミュレーションのモデルは上記に示したものに限らない。
【００２０】
図６は単独運転検出装置をシミュレーションするブロック図を示す。図５で算出した回転速度ωより発電機出力電圧の周波数を検出し、該周波数の変化率に基づいて自動電圧調整器へ電圧揺動信号ΔＶを出力する揺動指令演算要素５０と、周波数の変化率があらかじめ定めた条件を満たしたときに単独運転検出信号を出力する判定器５１から成る。
【００２１】
以上のような演算をプログラムしてコンピュータ上で実行することにより、電力系統と連系運転中に単独運転検出装置による電圧揺動作用が発電機の安定運転に与える影響の度合いと、電力系統と切り離されてから単独運転検出装置が単独運転検出信号を発するまでの時間を算出することができる。また、図６に示した揺動指令演算要素５０および判定器５１の入出力特性を様々な特性として試行することによって、安定な電圧揺動作用および要求される単独運転検出時間を得ることができる。
【００２２】
以上説明したように本実施の形態によれば、自動電圧調整器、調速機、単独運転検出装置を備えた発電装置の挙動を動的に算出することができ、単独運転検出装置の最適な設定を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態の発電装置のシミュレーション方法の流れを示す図。
【図２】本発明の実施の形態の発電装置のシミュレーション方法において用いる調速機と原動機のモデルを示すブロック図。
【図３】本発明の実施の形態の発電装置のシミュレーション方法において用いる自動電圧調整器のモデルを示すブロック図。
【図４】本発明の実施の形態の発電装置のシミュレーション方法において用いる電力系統および負荷モデルを示す回路図。
【図５】本発明の実施の形態の発電装置のシミュレーション方法において用いる回転速度演算ブロック図。
【図６】本発明の実施の形態の発電装置のシミュレーション方法において用いる単独運転検出装置モデルを示すブロック図。
【図７】単独運転検出装置を備えた発電装置を示す回路図。
【符号の説明】
【００２４】
１…発電機、２…調速機、３…原動機、４…電力系統、５…負荷、６，７…遮断器、８…自動電圧調整器、９…単独運転検出装置、１０…加減算器、１１…積分器、１２…ドループ特性関数要素、１３…進み遅れ制御演算器、１４…リミッタ、２０…加減算器、２１…電圧垂下特性関数要素、２２…ＰＩＤ制御演算器、２３…リミッタ、２４…１次遅れ要素、４０…減算器、４１…単位慣性定数の逆数のゲイン、４２…積分器、５０…揺動指令演算要素、５１…判定器。
【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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