(57)【要約】【課題】一次側が交流電力系統３に接続され、二次側が電力変換回路４により励磁されて、一次側の有効、無効電力を制御することで発電電動機１を可変速運転する可変速発電電動機システムにおいて、発電電動機１の速度が電力系統３の同期速度付近に滞在することを抑制して、発電電動機二次側の電力変換回路４内の素子破壊を防止する。【解決手段】発電電動機１の二次側周波数ｆ２を検出し、二次側周波数ｆ２が零付近となる所定の範囲を外れるように、一次側の有効電力の指令値を補正演算し、該有効電力を補正された指令値で制御するように電力変換回路４を運転する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次側が交流電力系統に接続され、二次側が電力変換装置により励磁される発電電動機と、該発電電動機の一次側の有効電力、無効電力をそれぞれ検出する手段と、該検出された有効電力、無効電力が各指令値と一致するように上記電力変換装置を制御する有効電力制御手段、無効電力制御手段とを備えて上記発電電動機を可変速運転する可変速発電電動機システムにおいて、上記電力変換装置の熱的耐量に対する限界状態を、該電力変換装置から上記発電電動機の二次側に供給される電圧、電流の周波数によって検出し、該二次側周波数に応じて上記有効電力の指令値を補正演算して上記一次側の有効電力を制御することを特徴とする可変速発電電動機システム。
【請求項２】
上記有効電力制御手段の前段に上記電力指令値を補正演算する電力指令修正手段を備え、検出された上記二次側周波数が零付近である所定の範囲内であるとき、上記二次側周波数が上記所定の範囲を外れるように上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算することを特徴とする請求項１記載の可変速発電電動機システム。
【請求項３】
検出された上記二次側周波数の符号を変化させない方向に、上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算することを特徴とする請求項２記載の可変速発電電動機システム。
【請求項４】
検出された上記二次側周波数の変化率の極性を変化させない方向に、上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算することを特徴とする請求項２記載の可変速発電電動機システム。
【請求項５】
上記電力指令修正手段にリミッタ回路を設け、補正演算された上記電力指令値が所定の電力範囲を超えるとき、該電力指令値に上記補正演算と逆方向の再補正を行って、上記所定の電力範囲内であって、しかも上記二次側周波数が上記所定の範囲を外れるような電力指令値を演算させることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の可変速発電電動機システム。
【請求項６】
検出された上記二次側周波数が上記零付近である所定の範囲内に所定の時間連続して滞在したことを検出して、上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の可変速発電電動機システム。
【請求項７】
上記二次周波数の検出値が上記電力指令値の補正演算により上記零付近である所定の範囲を外れ、該所定の範囲を外れた状態を所定の時間継続したことを検出して上記電力指令修正手段による上記電力指令値の補正演算を解除することを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の可変速発電電動機システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一次側が電力系統に接続され二次側が電力変換器に接続された可変速発電電動機を制御する可変速発電電動機システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
交流励磁発電電動機は、一次側（固定子側）が変圧器を介して交流電力系統に接続され、二次側（回転子側）には電力変換器が接続され、この電力変換器から発電電動機に可変周波数の電力を供給することにより、発電電動機は回転子を交流電力系統とは違う周波数で運転することができる。このため、高速に電力を供給、吸収することができ、交流電力系統の周波数調整、安定化に貢献できる。
図７は、例えば、「巻線形誘導機の有効・無効電力制御方式」、平成元年電気学会産業応用部門全国大会予稿集、ｐｐ．４４３−４４６、１９８９に開示されている従来の可変速発電電動機システムの例を示す構成図である。
図において、１は発電電動機、２は変圧器、３は交流電力系統、４は電流制御型電力変換回路、５は電流検出器、６は電圧検出器、７は電力検出器、９は有効電力制御器、１０は無効電力制御器である。
【０００３】
図に示すように、交流電力系統３の有効電力と無効電力とは、電流検出器５と電圧検出器６によって検出される交流電力系統３の電流電圧から電力検出器７により演算される。三相の交流電力系統３について、その電流をＩｓａ、Ｉｓｂ、Ｉｓｃ、電圧をＶｓａ、Ｖｓｂ、Ｖｓｃとすれば、有効電力Ｐ、無効電力Ｑは例えば次のように演算される。
Ｐ＝Ｖｓａ・Ｉｓａ＋Ｖｓｂ・Ｉｓｂ＋Ｖｓｃ・Ｉｓｃ
Ｑ＝｛（Ｖｓｂ−Ｖｓｃ）Ｉｓａ＋（Ｖｓｃ−Ｖｓａ）Ｉｓｂ＋（Ｖｓａ−Ｖｓｂ）Ｉｓｃ｝／√３
有効電力制御器９、無効電力制御器１０では、検出された電力Ｐ、Ｑと電力指令値Ｐｒｅｆ、Ｑｒｅｆとに応じて二次電流指令値Ｉ２Ｐｒｅｆ、Ｉ２Ｑｒｅｆを出力し、電力Ｐ、Ｑが指令値Ｐｒｅｆ、Ｑｒｅｆに一致するように動作する。
発電電動機１に二次電流が流れると一次側に誘起電圧が発生して、その結果一次電流が流れる。このとき二次電流の大きさと位相を調節すると一次側に誘起される電圧の大きさと位相が変化する。誘起電圧の大きさを変えるように二次電流を調節すれば無効電力を調節でき、誘起電圧の位相を変えるように二次電流を調節すれば有効電力が調節できる。
【０００４】
ところで、発電電動機１の一次電圧の大きさをＶ１、有効、無効電力をＰ１、Ｑ１とすれば、
Ｐ１≒Ｖ１・Ｉ２Ｐ
Ｑ１≒Ｖ１（Ｉ２Ｑ−Ｉ２ｍ）
の関係が成り立つような直交する二次電流成分Ｉ２Ｐ、Ｉ２Ｑを選択できることが知られている。ここで、Ｉ２ｍは発電電動機１の一次側に電流が流れていない状態で、誘起電圧が系統電圧と一致するときの二次電流成分である。
このように選択された二次電流成分において、Ｉ２Ｑを変えると誘起電圧の大きさが変化し、無効電力が調節できる。また、Ｉ２ＰはＩ２Ｑに直交しているので、Ｉ２Ｐを変えると誘起電圧の位相が変化し、有効電力を調節できる。発電電動機１の電力Ｐ１、Ｑ１と交流電力系統の電力Ｐ、Ｑの二次電流に対する変化は同じであるから、有効電力制御器９、無効電力制御器１０によりそれぞれ出力された二次電流指令値Ｉ２Ｐｒｅｆ、Ｉ２Ｑｒｅｆに応じて二次電流が制御されると、系統電力Ｐ、Ｑがその指令値Ｐｒｅｆ、Ｑｒｅｆに一致するように動作する。
【０００５】
次に、電流制御型電力変換回路４の動作について、以下に説明する。
電流制御型電力変換回路４は、例えばサイクロコンバータやインバータとコンバータとの組み合わせのように、交流電力を周波数の異なる交流電力に変換する電力変換回路とその電流が電流指令に一致するように動作する制御回路とで構成され、発電電動機１の二次電流が指令値に一致するように発電電動機１に印加する電圧を調節する。なお、電流制御型電力変換回路４の動作及び二次周波数の大きさに係る詳細な説明は、上述した公知例「巻線形誘導機の有効・無効電力制御方式」またはＢ．Ｋ．Ｂｏｓｅ著（秦泉寺、内藤訳）、「パワーエレクトロニクス＆ＡＣドライブ」昭和６２年９月１５日発行等に記載されている。
【０００６】
このような電力変換回路４は電力半導体素子のスイッチング動作を利用しているため、その出力には本来必要とする周波数以外の高調波成分を含有している。発電電動機１の二次側に印加された高調波成分は、一次側にも流出して発電電力の高調波成分となる。このため、電力変換回路４は、高調波成分が十分小さくなるよう構成されるものであり、その構成例を図８に示す。
図８は、例えば「大容量ＧＴＯ変換器の可変速揚水二次励磁装置への適用」、電気学会研究会資料ＳＰＣ−９３−４０、ｐｐ９９〜１０７に記載された、交流励磁発電電動機に適用されたダイオードクランプ形３レベル電力変換回路を示す構成図で、直流から交流へ変換する部分の回路を示すものである。図において、４０１ａ〜４０１ｌはＧＴＯサイリスタ、４０２ａ〜４０２ｒはダイオード、４０３ａ、４０３ｂはコンデンサ、４０４ａ〜４０４ｃは三相交流端子、４０５ａは直流高圧側端子、４０５ｃは直流低圧側端子、４０５ｂは直流中性点である。
この電力変換回路４内の電力半導体素子である各ＧＴＯサイリスタ４０１ａ〜４０１ｌを、パルス幅変調などによりオン・オフ制御して、交流出力を得て発電電動機１の二次側に供給する。この場合、電圧、電流の極性が交互に変化するため、電力半導体に流れる電流が分散される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の可変速発電電動機システムでは、発電電動機１の二次側へ供給する電圧、電流の周波数ｆ２は、一次側、即ち交流電力系統３の周波数ｆ１と発電電動機の回転子周波数ｆｒ＝ＰＰ・Ｎ／６０（ここでＰＰは発電電動機の極対数、Ｎは１分あたりの回転数）との差であり、即ち
ｆ２＝ｆ１−ｆｒ
で表される。交流電力系統３の周波数ｆ１はほぼ一定であるから、回転子が、系統周波数ｆ１と同期する同期速度から離れるに従い二次周波数ｆ２は大きくなるが、回転子が系統周波数ｆ１とほぼ同期している場合（ｆ１＝ｆｒ）、二次周波数ｆ２は、ほぼ０となる。即ち、通常、交流を出力する電力変換回路４から直流の電圧電流を発電電動機１の二次側に供給することになる。
【０００８】
電力変換回路４が直流の電圧電流を供給する場合について以下に説明する。
例えば、パルス幅変調により、交流端子４０４ａが正の電圧、電流を供給する場合、ＧＴＯサイリスタ４０１ａ、４０１ｂの組み合わせとＧＴＯサイリスタ４０１ｂ、４０１ｃの組み合わせとを交互にオンさせる動作を繰り返し、電流を直流側から交流側へ流す。ＧＴＯサイリスタ４０１ａ、４０１ｂをオンさせると、電流は直流高圧側端子４０５ａからＧＴＯサイリスタ４０１ａ、４０１ｂを介して交流端子４０４ａへ流れ、ＧＴＯサイリスタ４０１ｂ、４０１ｃをオンさせると、電流は直流中性点４０５ｂからダイオード４０２ｍとＧＴＯサイリスタ４０１ｂとを介して交流端子４０４ａへ流れる。従って、この場合ＧＴＯサイリスタ４０１ｂには常に電流が流れる状態となる。
【０００９】
従来の可変速発電電動機システムは以上のように構成されているので、発電電動機１の速度が電力系統３の同期速度付近に滞在すると、電力変換回路４の出力が直流となり、それに伴い上記のように電力変換回路４の一部の電力半導体素子に電流が集中する。このため、電力半導体素子が加熱により劣化したり、破壊されることがあった。
【００１０】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、発電電動機の速度が電力系統の同期速度付近に滞在することを抑制して、発電電動機二次側の電力変換装置内の素子破壊を防止できる可変速発電電動機システムを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る請求項１記載の可変速発電電動機システムは、一次側が交流電力系統に接続され、二次側が電力変換装置により励磁される発電電動機と、該発電電動機の一次側の有効電力、無効電力をそれぞれ検出する手段と、該検出された有効電力、無効電力が各指令値と一致するように上記電力変換装置を制御する有効電力制御手段、無効電力制御手段とを備えて上記発電電動機を可変速運転するシステムであって、上記電力変換装置の熱的耐量に対する限界状態を、該電力変換装置から上記発電電動機の二次側に供給される電圧、電流の周波数によって検出し、該二次側周波数に応じて上記有効電力の指令値を補正演算して上記一次側の有効電力を制御するものである。
【００１２】
またこの発明に係る請求項２記載の可変速発電電動機システムは、請求項１において、上記有効電力制御手段の前段に上記電力指令値を補正演算する電力指令修正手段を備え、検出された上記二次側周波数が零付近である所定の範囲内であるとき、上記二次側周波数が上記所定の範囲を外れるように上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算するものである。
【００１３】
またこの発明に係る請求項３記載の可変速発電電動機システムは、請求項２ににおいて、検出された上記二次側周波数の符号を変化させない方向に、上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算するものである。
【００１４】
またこの発明に係る請求項４記載の可変速発電電動機システムは、請求項２ににおいて、検出された上記二次側周波数の変化率の極性を変化させない方向に、上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算するものである。
【００１５】
またこの発明に係る請求項５記載の可変速発電電動機システムは、請求項２〜４のいずれかにおいて、上記電力指令修正手段にリミッタ回路を設け、補正演算された上記電力指令値が所定の電力範囲を超えるとき、該電力指令値に上記補正演算と逆方向の再補正を行うことにより、上記所定の電力範囲内であって、しかも上記二次側周波数が上記所定の範囲を外れるような電力指令値を演算させるものである。
【００１６】
またこの発明に係る請求項６記載の可変速発電電動機システムは、請求項２〜５のいずれかにおいて、検出された上記二次側周波数が上記零付近である所定の範囲内に所定の時間連続して滞在したことを検出して、上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算するものである。
【００１７】
またこの発明に係る請求項７記載の可変速発電電動機システムは、請求項２〜６のいずれかにおいて、上記二次周波数の検出値が上記電力指令値の補正演算により上記零付近である所定の範囲を外れ、該所定の範囲を外れた状態を所定の時間継続したことを検出して上記電力指令修正手段による上記電力指令値の補正演算を解除するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による可変速発電電動機システムの例を示す構成図である。
図において、１は発電電動機、２は変圧器、３は交流電力系統、４は電流制御型電力変換回路、５は電流検出器、６は電圧検出器、７は電力検出器、８は速度検出器、９は有効電力制御器、１０は無効電力制御器、１１は二次周波数検出器、１２は電力指令修正器である。
【００１９】
次に、動作について説明する。
二次周波数検出器１１では、速度検出器８で検出した回転子の速度Ｎ（Ｎは１分あたりの回転数）と、電圧検出器６で検出された交流電力系統３の電圧とが入力され、二次周波数ｆ２を出力する。この二次周波数ｆ２と有効電力指令値Ｐｒｅｆとは電力指令修正器１２に入力され、電力指令修正器１２は、有効電力制御器９の指令値となる修正指令値Ｐｒｅｆａを出力する。また、無効電力指令値Ｑｒｅｆは、そのまま無効電力制御器１０に入力される。
交流電力系統３の有効電力と無効電力とは、電流検出器５と電圧検出器６によって検出される交流電力系統３の電流電圧から電力検出器７により演算される。有効電力制御器９、無効電力制御器１０では、検出された電力Ｐ、Ｑと、入力された修正指令値Ｐｒｅｆａ、無効電力指令値Ｑｒｅｆとに応じて、直交する二次電流成分Ｉ２Ｐ、Ｉ２Ｑに対する二次電流指令値Ｉ２Ｐｒｅｆ、Ｉ２Ｑｒｅｆを出力し、電力Ｐ、Ｑが入力された各指令値Ｐｒｅｆａ、Ｑｒｅｆに一致するように動作する。なお、直交する二次電流成分Ｉ２Ｐ、Ｉ２Ｑ、およびそれによる有効電力、無効電力の制御については、上述した従来のものと同様である。
【００２０】
また、図２は、発電電動機１の二次側（回転子側）の周波数を検出する二次周波数検出器１１の詳細な構成を示す構成図である。図において１１１は周波数検出器、１１２はゲイン手段、１１３は減算器である。
このような二次周波数検出器１１では、まず電圧検出器６で検出された交流電力系統３の電圧Ｖが入力され、周波数検出器１１１が交流系統３の周波数ｆ１を検出する。さらに速度検出器８で検出した回転子の速度Ｎにゲイン１１２を掛けて周波数ｆｒを得る。Ｎが例えば１分あたりの回転数の場合、ＰＰを発電電動機１の極対数とすればゲイン１１２は（ＰＰ／６０）である。そして、減算器１１３により、系統周波数ｆ１から回転子周波数ｆｒを減算してて二次周波数ｆ２を得る。
【００２１】
さらに、図３は、有効電力の指令値を修正する電力指令修正器１２の詳細な構成を示す構成図である。図において１２１は存在関数発生器、１２２はインバータ、１２３ａ、１２３ｂはリセット付き積分器、１２４ａ、１２４ｂはヒステリシス比較器、１２５はフリップフロップ、１２６ａ、１２６ｂはホールド回路、１２７は修正量演算回路、１２８は乗算回路、１２９は加算回路である。
このような電力指令修正器１２の詳細な動作を説明する。
電力指令修正器１２では、二次周波数検出器１１の出力である二次周波数ｆ２が入力されると、存在関数発生器１２１は二次周波数ｆ２が零付近（例えｆ２が±Δｆ２の範囲内）のときに”１”を、それ以外では”０”を出力する。この存在関数発生器１２１の出力を、リセット付き積分器１２３ｂの入力およびその積分器のリセット信号とする。リセット信号は論理反転形であり、存在関数発生器１２１の出力が０のときにリセット状態で、１のときはリセット解除となる。即ち、リセット付き積分器１２３ｂは、存在関数発生器１２１の出力が０のときにはリセットされて０を出力し、１のときはリセットが解除されて入力１を積分する。ヒステリシス比較器１２４ｂでは、リセット付き積分器１２３ｂの出力を入力として、所定値Ｔｋと比較し、リセット付き積分器１２３ｂの出力がＴｋよりも大きい場合には１を出力する。
【００２２】
電力指令修正器１２に入力された二次周波数ｆ２が零付近にあると、リセット付き積分器１２３ｂの入力は１であり、ヒステリシス比較器１２４ｂは二次周波数ｆ２が零付近にＴｋ期間滞在したときに１を出力する。
リセット付き積分器１２３ａおよびヒステリシス比較器１２４ａもほぼ同様の動作であるが、リセット付き積分器１２３ａの入力はインバータ１２２で論理反転しているので、ヒステリシス比較器１２４ａの出力は二次周波数ｆ２が零付近から離れてからＴｏｆｆ期間後に１となる。２つのヒステリシス比較器１２４ａ、１２４ｂの出力はそれぞれフリップフロップ１２５のリセット（Ｒ）とセット（Ｓ）に入力される。
従って、フリップフロップ１２５の出力は、二次周波数ｆ２が零付近に連続して滞在する期間がＴｋを越えると１にセットされ、その後零付近から離れ、その離れた状態の継続期間がＴｏｆｆを越えると０にリセットされる。
ところで、電力変換器４を構成する電力半導体素子は、通電期間が継続することにより徐々に加熱され、ある期間を経過して熱的耐量を超えると破損する。このため、二次周波数ｆ２が零付近になっても、電力変換器４が熱的に耐えうる期間を予め実績データなどから求め、その期間をＴｋ期間として設定する。ヒステリシス比較器１２４ｂは二次周波数ｆ２が零付近にＴｋ期間滞在したときに１を出力するため、電力変換器４の熱的耐量に対する限界状態が検出される。また、限界状態まで加熱された電力変換器４が冷却されるのに要する時間をＴｏｆｆ期間として設定しておく。ヒステリシス比較器１２４ａの出力は二次周波数ｆ２が零付近から離れてからＴｏｆｆ期間後に１となるため、電力変換器４が冷却されたことが検出される。
【００２３】
ホールド回路１２６ａは、フリップフロップ１２５の出力が０から１に変化する立ち上がりエッジをトリガとして出力をホールドし、１から０に変化する立ち下がりエッジでホールドを解除する。すなわち、二次周波数ｆ２が零付近にＴｋ期間滞在してヒステリシス比較器１２４ｂが１を出力すると、フリップフロップの出力が０から１に変化し、ホールド回路１２６ａがその時点における二次周波数ｆ２の値ｆ２ｋを保持し出力する。
そして、修正量演算回路１２７は、保持された二次周波数の値ｆ２ｋに応じて、有効電力の修正量を演算する。
ここで、発電電動機１は、一次側の有効電力が増大するように制御することで減速し、有効電力を低減するように制御することで加速する。上述したように、二次周波数ｆ２は、系統周波数ｆ１から回転子周波数ｆｒを減算したもの（ｆ２＝ｆ１−ｆｒ）であり、系統周波数ｆ１はほぼ一定である。このため、二次周波数ｆ２が零付近のとき、発電電動機１を加速あるいは減速することで回転子周波数ｆｒを変化させると、二次周波数ｆ２は零付近の所定の範囲（±Δｆ２）から外れる。
この場合、修正量演算回路１２７は、発電電動機１が加速するように、即ち、有効電力が低減するように有効電力の指令値に対する修正量を演算し、これにより、二次周波数ｆ２が−Δｆ２よりも小さくなるようにする。
【００２４】
修正量演算回路１２７における修正量の演算、および有効電力制御器９の指令値となる修正指令値Ｐｒｅｆａを出力する動作について以下に説明する。
修正量演算回路１２７では、ホールド回路１２６ａからの出力ｆ２ｋを入力として、有効電力指令値の修正量ΔＰを以下の式で演算して出力する。
ΔＰ＝−ΔＰｍａｘ｛（ｆ２ｋ／Δｆ２）＋１｝／２
ここで、ΔＰｍａｘの値は、予め設定された修正量の上限である。ｆ２ｋ＝−Δｆ２のときは、回転速度は同期速度よりも大きく（ｆｒ＞ｆ１）、ΔＰ＝０となり修正量は零である。ｆ２ｋ＝＋Δｆ２のときは、回転速度が同期速度よりも小さく（ｆｒ＜ｆ１）、ΔＰ＝−ΔＰｍａｘとなり、有効電力を低減することにより発電電動機１を加速して、二次周波数ｆ２を−Δｆ２よりも小さくなるようにする。ｆ２ｋが±Δｆ２の範囲にあるときは、修正量は−ΔＰｍａｘ〜０の範囲を出力して、ｆ２ｋが−Δｆ２から離れているほど修正量ΔＰを負に大きくして、発電電動機１を加速する。発電電動機１の加速はそのトルクに比例するので、上記のような二次周波数の一次式で与えられる修正量ΔＰにより、ほぼ同じ期間で二次周波数ｆ２を−Δｆ２よりも小さくなるように、即ち零付近である±Δｆ２の範囲外にすることができる。
【００２５】
修正量演算回路１２７の出力はフリップフロップ１２５の出力と乗算器１２８でかけ算される。乗算器１２８は、二次周波数ｆ２が零付近にＴｋ期間連続して滞在したときには修正量演算回路１２７の出力を、零付近を離れてＴｏｆｆ期間経ると零を加算器１２９へ出力する。有効電力指令値Ｐｒｅｆはホールド回路１２６ｂに入力され、フリップフロップ１２５の出力が０から１へ変化したとき指令値Ｐｒｅｆを保持し、１から０へ変化したときに保持を解除する。従って、乗算器１２８が修正量演算回路１２７の出力を出力しているときは、指令値Ｐｒｅｆをホールド回路１２６ｂでホールドし、加算器１２９にて、その指令値Ｐｒｅｆに修正量ΔＰを加算して修正指令値Ｐｒｅｆａを出力する。そして、フリップフロップ１２５の出力が１から０に変化すると、指令値Ｐｒｅｆのホールドを解除するとともに乗算器１２８の出力も零となる。
【００２６】
このように、電力指令修正器１２によって、二次周波数ｆ２が零付近にある場合に有効電力の指令値を修正した修正指令値Ｐｒｅｆａを出力して、この修正指令値Ｐｒｅｆａに応じて発電電動機１の有効電力を制御するため、二次周波数ｆ２が零付近である±Δｆ２の範囲を外れ、所定期間Ｔｏｆｆ経過後には通常の動作に復帰する。このように有効電力の指令を修正することは、本来の所望の制御とは異なる状態を作るものであるが、二次周波数ｆ２を零付近から外すために必要な修正量は悪影響を及ぼさない程度の僅かなものであり、また、継続した制御の中の過渡的な一時の状態であるため問題ない。
【００２７】
以上の動作により、二次周波数ｆ２が零付近に所定の時間を超えて連続して滞在することが回避でき、電力変換回路４から直流の電圧電流が発電電動機１の二次側に供給されることが抑制できる。このため、電力変換回路４の特定の電力半導体素子に電流が集中して素子の劣化や破壊を招くことが防止できる。
また、二次周波数ｆ２が零付近に連続して滞在可能な時間（Ｔｋ）を設定しているため、電力変換回路４が熱的な耐量を超えることなく運転できる間は、極力通常運転を継続し、発電電動機１の能力を効率よく用いることができる。
さらに、二次周波数ｆ２が零付近に滞在して有効電力指令を修正することで零付近から離れた後、所定の時間（Ｔｏｆｆ）経過後に通常運転に戻すことにしたため、電力変換回路４内の加熱された電力半導体素子が十分に放熱して冷めた状態になってから通常運転に戻すことができ、電力変換回路４が信頼性良く運転できる。
【００２８】
以上のように、この実施の形態では、電力変換回路４の熱的な耐量を、二次周波数ｆ２の範囲（±Δｆ２）とその継続期間（Ｔｋ）とで設定し、二次周波数ｆ２を観測することで電力変換回路４の熱的耐量を検出して、これに応じて有効電力の指令値を修正した。これにより、電力変換回路４を常に熱的耐量を超えないように運転することができ、電力変換回路４内の熱的破壊を防止でき、発電電動機システムの信頼性が向上する。
【００２９】
なお、この実施の形態では、修正量演算回路１２７において、発電電動機１が加速するように有効電力指令値の修正量を演算したが、発電電動機１が減速するように、即ち二次周波数ｆ２が＋Δｆ２よりも大きくなるように、有効電力指令値の修正量を演算しても同様の効果がある。
また、修正量の演算は上述した演算式に限るものではなく、一次式以外の高次式や非線形式でも良い。
さらに、二次周波数検出器１１、有効電力修正器１２、有効電力制御器９、無効電力制御器１０はマイクロプロセッサによるソフトウェアでも実現することができる。
【００３０】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による可変速発電電動機システムにおける電力指令修正器１２を示す構成図である。
この実施の形態では、電力指令修正器１２内の修正量演算回路１２７ａにおいて、有効電力指令値の修正量ΔＰを、二次周波数ｆ２の符号に応じて演算する。
図に示すように、修正量演算回路１２７ａでは、ホールド回路１２６ａからの出力ｆ２ｋを入力として、有効電力指令値の修正量ΔＰを以下の式で演算して出力する。
ΔＰ＝−ΔＰｍａｘ｛（ｆ２ｋ／Δｆ２）−ｓｉｇｎ（ｆ２ｋ）｝／２
ここで、ΔＰｍａｘの値は、予め設定された修正量の上限である。
【００３１】
ｆ２ｋ＝±Δｆ２のときは、ΔＰ＝０であり修正量は零である。
ｆ２ｋが０〜＋Δｆ２のときは、回転速度が同期速度よりも小さく（ｆｒ＜ｆ１）、ΔＰ＝−ΔＰｍａｘ｛（ｆ２ｋ／Δｆ２）−１｝／２となり、加算器１２９で電力指令Ｐｒｅｆに正の修正量ΔＰが加算されて発電電動機１は減速する方向に制御される。即ち、零付近の二次周波数ｆ２が正の時、二次周波数ｆ２が＋Δｆ２よりも大きくなるように制御される。
逆に、ｆ２ｋが−Δｆ２〜０のときは、回転速度が同期速度よりも大きく（ｆｒ＞ｆ１）、ΔＰ＝−ΔＰｍａｘ｛（ｆ２ｋ／Δｆ２）＋１｝／２となり、加算器１２９で電力指令Ｐｒｅｆに負の修正量ΔＰが加算されて発電電動機１は加速する方向に制御される。即ち、零付近の二次周波数ｆ２が負の時、二次周波数ｆ２が−Δｆ２よりも小さくなるように制御される。
ｆ２ｋ＝０のときは、ｓｉｇｎ（ｆ２ｋ）を１あるいは−１とすることで、修正量ΔＰの演算式を同様に適用でき、発電電動機１は減速あるいは加速するように制御されて二次周波数ｆ２を±Δｆ２の範囲外にすることができる。
【００３２】
この実施の形態では、上記のように、有効電力指令値の修正量ΔＰを、二次周波数ｆ２の符号を変化させない方向に演算するため、上記実施の形態１と同様の効果を得ると共に、二次周波数ｆ２が零付近の運転を回避する場合に速度変化が小さい方向に制御され、少ない修正量で動作する。
【００３３】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３による可変速発電電動機システムにおける電力指令修正器１２を示す構成図である。
この実施の形態では、電力指令修正器１２内の修正量演算回路１２７ｂにおいて、有効電力指令値の修正量ΔＰを、二次周波数ｆ２の変化率の符号に応じて演算する。
図に示すように、変化率演算回路１３０は二次周波数ｆ２の時間に対する変化率を演算する。ホールド回路１２６ｃはホールド回路１２６ａと同様の動作であるが、入力が変化率演算回路１３０の出力であり、ホールド回路１２６ａがｆ２ｋを出力するタイミングで、ｆ２ｋの変化率ｄｆ２ｋを出力する。修正量演算回路１２７ｂでは、ホールド回路１２６ａからの出力ｆ２ｋと、ホールド回路１２６ｃからの出力ｄｆ２ｋとを入力として、ｄｆ２ｋの符号ｓｉｇｎ（ｄｆ２ｋ）に応じて有効電力指令値の修正量ΔＰを以下の式で演算して出力する。
ΔＰ＝−ΔＰｍａｘ｛（ｆ２ｋ／Δｆ２）−ｓｉｇｎ（ｄｆ２ｋ）｝／２
ここで、ΔＰｍａｘの値は、予め設定された修正量の上限である。
【００３４】
ｆ２ｋの変化率ｄｆ２ｋが正の場合は、二次周波数ｆ２が正方向に＋Δｆ２よりも大きくなるように制御される。即ち、加算器１２９で電力指令Ｐｒｅｆに正の修正量ΔＰが加算されて発電電動機１は減速する方向に制御される。
ｆ２ｋの変化率ｄｆ２ｋが負の場合は、二次周波数ｆ２が負方向に−Δｆ２よりも小さくなるように制御される。即ち、加算器１２９で電力指令Ｐｒｅｆに負の修正量ΔＰが加算されて発電電動機１は加速する方向に制御される。
この場合も、変化率ｄｆ２ｋが０のときは、ｓｉｇｎ（ｄｆ２ｋ）を１あるいは−１とすることで、修正量ΔＰの演算式を同様に適用でき、発電電動機１は減速あるいは加速するように制御されて二次周波数ｆ２を±Δｆ２の範囲外にすることができる。
【００３５】
この実施の形態では、上記のように、有効電力指令値の修正量ΔＰを、二次周波数ｆ２の変化率の符号を変化させない方向に演算するため、上記実施の形態１と同様の効果を得ると共に、二次周波数ｆ２が零付近の運転を回避する場合に、二次周波数ｆ２が変化する方向へ制御し、移行すべき動作点の方向へ回避することができ、制御がスムーズに行える。
なお、この実施の形態では、二次周波数ｆ２の変化率に応じて移行する方向を決めているが、電力系統においては一次周波数ｆ１がほぼ一定であり、回転速度の変化率に応じて制御しても同様の効果がある。
【００３６】
実施の形態４．
図６は、この発明の実施の形態３による可変速発電電動機システムにおける電力指令修正器１２を示す構成図である。
この実施の形態では、上記実施の形態２で示した様に、修正量演算回路１２７ａにて演算された修正量ΔＰを用いて有効電力指令を修正した後、リミッタ１３１により、指令値を発電電動機１の出力可能範囲であるＰｍｉｎ〜Ｐｍａｘに制限して、修正指令値Ｐｒｅｆａを出力する。
図に示すように、減算器１３２は、リミッタ１３１の前後の信号の差を演算し、その出力が零のときはリミッタ１３１の入力がＰｍｉｎ〜Ｐｍａｘの範囲にあり、比較演算器１３３はその入力が零のときには零を出力し、ゲイン１３４出力も０となる。このとき、修正量演算回路１２７ａの出力により修正された電力指令を修正指令値Ｐｒｅｆａとして出力する。
リミッタ１３１の入力がＰｍａｘを越えていると、減算器１３２は正の値を出力し、比較演算回路１３３は１を出力する。リミッタ１３１の入力がＰｍｉｎ未満のときは減算器１３２は負の値を出力し、比較演算回路１３３は−１を出力する。比較演算回路１３３の出力にはゲイン１３４でΔＰｍａｘ倍（ΔＰｍａｘ＜（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ））されて減算器１３５でリミッタ１３１の出力から差し引かれる。すなわち、修正量演算回路１２７ａの出力により修正された電力指令が、Ｐｍａｘを越えた場合にはΔＰｍａｘが減算され、Ｐｍｉｎ未満の場合はΔＰｍａｘが加算されて、修正指令値Ｐｒｅｆａが出力される。
【００３７】
修正量演算回路１２７ａでは二次周波数ｆ２のホールド値ｆ２ｋの符号に応じて、該符号を変化させない方向に修正量が演算されているが、減算器１３５で±ΔＰｍａｘが減算されると、先の修正と逆方向の修正となり、ｆ２ｋの符号が変化する方向に再度修正することになる。これにより、修正指令値Ｐｒｅｆａを常に発電電動機１の出力可能範囲（Ｐｍｉｎ〜Ｐｍａｘ）内で演算することができ、制御の信頼性が向上し、二次周波数ｆ２を±Δｆ２の範囲外に確実に移行させることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のようにこの発明に係る請求項１記載の可変速発電電動機システムは、一次側が交流電力系統に接続され、二次側が電力変換装置により励磁される発電電動機と、該発電電動機の一次側の有効電力、無効電力をそれぞれ検出する手段と、該検出された有効電力、無効電力が各指令値と一致するように上記電力変換装置を制御する有効電力制御手段、無効電力制御手段とを備えて上記発電電動機を可変速運転するシステムであって、上記電力変換装置の熱的耐量に対する限界状態を、該電力変換装置から上記発電電動機の二次側に供給される電圧、電流の周波数によって検出し、該二次側周波数に応じて上記有効電力の指令値を補正演算して上記一次側の有効電力を制御するため、電力変換装置を常に熱的耐量を超えないように運転することが可能になり、電力変換装置内の素子の熱的破壊を防止でき、発電電動機システムの信頼性が向上する。
【００３９】
またこの発明に係る請求項２記載の可変速発電電動機システムは、請求項１において、上記有効電力制御手段の前段に上記電力指令値を補正演算する電力指令修正手段を備え、検出された上記二次側周波数が零付近である所定の範囲内であるとき、上記二次側周波数が上記所定の範囲を外れるように上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算するため、電力変換装置から直流の電圧電流が発電電動機の二次側に供給されることが抑制でき、電力変換装置内の素子の熱的破壊を防止でき、発電電動機システムの信頼性が向上する。
【００４０】
またこの発明に係る請求項３記載の可変速発電電動機システムは、請求項２ににおいて、検出された上記二次側周波数の符号を変化させない方向に、上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算するため、該補正演算のための修正量が小さく、電力変換装置内の素子の熱的破壊を容易で確実に防止でき、発電電動機システムの信頼性が向上する。
【００４１】
またこの発明に係る請求項４記載の可変速発電電動機システムは、請求項２ににおいて、検出された上記二次側周波数の変化率の極性を変化させない方向に、上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算するため、二次周波数が変化する方向へ移行させて零付近を外れるようにするため、スムーズな制御を継続でき、電力変換装置内の素子の熱的破壊を容易で確実に防止でき、発電電動機システムの信頼性が向上する。
【００４２】
またこの発明に係る請求項５記載の可変速発電電動機システムは、請求項２〜４のいずれかにおいて、上記電力指令修正手段にリミッタ回路を設け、補正演算された上記電力指令値が所定の電力範囲を超えるとき、該電力指令値に上記補正演算と逆方向の再補正を行うことにより、上記所定の電力範囲内であって、しかも上記二次側周波数が上記所定の範囲を外れるような電力指令値を演算させるため、電力指令値を常に上記電力範囲内で補正演算することができ、制御の信頼性が向上し、二次周波数を零付近を外れるように確実に移行させることができて、電力変換装置内の素子の熱的破壊を確実に防止できる。
【００４３】
またこの発明に係る請求項６記載の可変速発電電動機システムは、請求項２〜５のいずれかにおいて、検出された上記二次側周波数が上記零付近である所定の範囲内に所定の時間連続して滞在したことを検出して、上記電力指令修正手段にて上記電力指令値を補正演算するため、極力通常運転を継続し、発電電動機の能力を効率よく用いることができる。
【００４４】
またこの発明に係る請求項７記載の可変速発電電動機システムは、請求項２〜６のいずれかにおいて、上記二次周波数の検出値が上記電力指令値の補正演算により上記零付近である所定の範囲を外れ、該所定の範囲を外れた状態を所定の時間継続したことを検出して上記電力指令修正手段による上記電力指令値の補正演算を解除するため、電力変換装置内の素子が十分に放熱する時間が確保でき、発電電動機システムの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による可変速発電電動機システムの構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による可変速発電電動機システムにおける二次周波数検出器の詳細構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１による可変速発電電動機システムにおける電力指令修正器の詳細構成図である。
【図４】この発明の実施の形態２による可変速発電電動機システムにおける電力指令修正器の詳細構成図である。
【図５】この発明の実施の形態３による可変速発電電動機システムにおける電力指令修正器の詳細構成図である。
【図６】この発明の実施の形態４による可変速発電電動機システムにおける電力指令修正器の詳細構成図である。
【図７】従来の可変速発電電動機システムの構成図である。
【図８】従来の可変速発電電動機システムにおける電力変換回路の構成図である。
【符号の説明】
１　可変速発電電動機、３　電力系統、４　電力変換回路、７　電力検出器、９　有効電力制御器、１０　無効電力制御器、１１　周波数検出器、
１２　電力指令修正器、Ｐ　有効電力、Ｑ　無効電力、
Ｐｒｅｆ　有効電力指令値、Ｐｒｅｆａ　修正指令値。
【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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