(57)【要約】      （修正有）【課題】従来のサイリスター型励磁システムやＧａｔｅ  Ｔｕｒｕ  Ｏｆｆ  Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒや（ＧＴＯ）及びＩｎｓｕｌｔｏｒ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ（ＩＧＢＴ）を用いた励磁システムが有している短所、つまり、高利得を有している停止型励磁システムで発生する発電機の軸振動現象、及び短方向性電流導通能力を有しているシステムで発生する過電圧現象を予防する停止型励磁システムを提供する。【解決手段】従来の方式と異なって、発電機出力端の変化が励磁システムに伝達されることを防止し、励磁型ＤＣ電圧を一定に維持する昇圧用チョッパーと、４相した動作が可能なＤＣチョッパーとを有することによって、低励磁時に励磁システムに印加される過電圧を除去し、発電機が同期脱調を起こさない設備を有することを特徴とする。【選択図】      図２
2004153988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機出力電圧を降圧する励磁システム用降圧変圧器と、該励磁システム用降圧変圧器の２次側電圧を整流する３相ダイオードブリッジと、トランジスタ及び抵抗で構成されＤＣ電圧を一定に維持するための昇圧用チョッパーと、複数のトランジスタ及びダイオードで構成され発電機の回転子にＤＣ電力を供給するＤＣチョッパーと、前記昇圧用チョッパーを制御する昇圧用チョッパー制御器と、前記ＤＣチョッパーを制御するＤＣチョッパー制御器と、を備え、
前記発電機出力電圧の変化が励磁システムに伝達されることを防止し、低励磁時に前記励磁システムに印加される過電圧を除去して発電機が同期脱調を起こさないようにしたことを特徴とする停止型励磁システム。
【請求項２】
前記昇圧用チョッパーとＤＣチョッパーとの間に逆流防止用ダイオード及びＤＣコンデンサを備え、前記ＤＣチョッパーにフリーホイーリング・ダイオードを用いることにより、正方向及び逆方向の電流導通を可能としたことを特徴とする請求項１に記載の停止型励磁システム。
【請求項３】
発電機出力電圧を降圧する励磁システム用降圧変圧器と、複数のスイッチング素子により構成される３相コンバータと、複数のトランジスタ及びダイオードで構成され発電機の回転子にＤＣ電力を供給するＤＣチョッパーと、前記３相コンバータを制御する３相コンバータ制御器と、前記ＤＣチョッパーを制御するＤＣチョッパー制御器と、を備え、
前記３相コンバータは、前記複数のスイッチング素子が均等にスイッチングサージや劣化を担当する特性を有することを特徴とする停止型励磁システム。
【請求項４】
前記昇圧用チョッパー制御器は、基準となるＤＣ電圧値を発生するＤＣ電圧指令値と、前記３相ダイオードブリッジから出力される実際のＤＣ電圧値を検出するＤＣ電圧検出部と、位相と大きさを変調するＰＩ制御器と、基準三角波を発生する三角波発生器と、前記ＰＩ制御器の信号と前記三角波発生器の信号を比較してＯＮ／ＯＦＦ信号を発生する比較器と、前記ＤＣ電圧検出部の出力信号を維持する信号維持器と、アンドゲートと、を備え、
前記比較器の出力信号と前記信号維持器の出力信号とを前記アンドゲートにより合成して前記昇圧用チョッパーをＰＷＭ方式でスイッチングするように制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の停止型励磁システム。
【請求項５】
前記ＤＣチョッパー制御器は、基準となるＤＣ電流値を発生するＤＣ電流指令値と、前記３相ダイオードブリッジから出力される実際のＤＣ電流値を検出するＤＣ電流検出部と、位相と大きさを変調するＰＩ制御器と、基準三角波を発生する三角波発生器と、前記ＰＩ制御器の信号と前記三角波発生器の信号を比較してＯＮ／ＯＦＦ信号を発生する比較器と、前記ＤＣ電圧検出部の出力信号を維持する信号維持器と、アンドゲートと、を備え、
前記比較器の出力信号と前記信号維持器の出力信号とを前記アンドゲートにより合成して前記ＤＣチョッパーをＰＷＭ方式でスイッチングするように制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の停止型励磁システム。
【請求項６】
前記信号維持器は、過電圧がシステムに印加された場合に、前記アンドゲートのゲーティング信号をオフ動作となるように維持することを特徴とする請求項４又は５に記載の停止型励磁システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機軸振動及び低励磁時の過電圧を除去する機能を有する停止型励磁システムに関し、特に、孤立された系統や弱い系統における励磁システムの割合が高い分野で活用できるように、従来の発電機軸電動及び低励磁時に発生する過度現象を抑制する機能を有する停止型励磁システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来では、大容量の電力を作る技術が発達していなかったので、発電機の励磁電源を作るために小容量の発電機を使っていた。しかし、半導体素子に関する技術が発達するにつれて、図１のように小容量発電機の代わりに、サイリスターを用いて発電機出力端から電力を受電し発電機の励磁電源を供給する方式が用いられるようになった。
この方式は、発電機を利用しないので、速応性に優れており、制御領域が広いという長所を有している。しかし、発電機出力端の電圧が低下した場合には、励磁システムの電源が下降し、これに対応して、サイリスターの位相を調整して発電機の出力端を増加させると、再び発電機の出力は増加する。これに再びサイリスターの位相を調整して発電機の出力端を下げる作用を繰り返すと、発電機の出力電圧は振動するようになる。
この際、励磁制御器の動作特性は、電流制限器やシステム自体の非線形特性を有しており、発電機出力電圧の振動が発電機−ターバンシステムの機械的な共振周波数と一致する場合には、発電機出力電圧が次第に大きくなる共振現象が発生するようになる。結局、このような現象は、発電機−タービン軸を損なう可能性があるため、発電機の出力電圧が励磁システムの制御特性に影響を及ぼさないようにするのが非常に重要といえる。
【０００３】
図１は、従来のサイリスターを用いた発電機電圧制御システムを説明するための全体構成図として、図１ａは、従来のサイリスターを用いた停止型励磁システムの構成図であり、図１ｂは、サイリスターを用いた回転型励磁システムの構成図である。図１ａの場合は、発電機１４の出力端から励磁用降圧変圧器１１を経て、サイリスターコンバータ１２を用いることによって、電流を発電機１４の回転子（界磁）に供給するシステムである。前記コンバータ１２内には、６個のサイリスター（Ａ−Ｃ，Ａ’−Ｃ’）があり、これもコントローラ１３からのゲート信号によって制御されている。
図１ｂにおいて、ＰＭＧ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１５により、ＡＣ電力を発生させ、発生されたＡＣ電力をサイリスターコンバータ１６を通じてＤＣ電力に変換し、ＤＣ電流を補助発電機（励磁型発電機）１８の界磁に供給することによって、補助発電機１８の電圧を制御する。そして、補助発電機１８の出力は、ダイオードブリッジ１７を通じて主発電機１４の界磁にＤＣ電流を供給することによって、主発電機１４の電圧を制御する構造である。
図１に示すサイリスター型励磁システムは、サイリスターの特性上、一方の方向にだけ電流を導通させる能力を有しているので、発電機電圧を下げるために励磁電流を下げる場合には、不連続電流により過電圧が誘起され、この過電圧は励磁システムを損傷させる。この際、励磁電流を逆方向に導通させる方法が確立できれば、励磁システムに印加される過電圧は解決できる。
【０００４】
一方、従来のサイリスターを用いた停止型励磁システムは、図１ａに示すように、発電機１４の出力端から励磁電圧を入力されサイリスターブリッジを構成しているサイリスターの点弧角を制御することによって、同期発電機の界磁に供給される励磁電流を制御し、同期発電機の端子電圧を一定値に維持する。
このような停止型励磁システムは、設備が簡単で、整備・補修が容易という長所があるが、励磁交流電源が同期発電機の端子から供給されるため、同期発電機端子電圧の変化が励磁システムの特性に直接的な影響を及ぼす。発電機の出力端に直接的に励磁システムが接続されることによって発生する問題は様々であるが、その中で１つは、発電機の端子電圧が減少するに従って励磁システムの入力が減少し、これに励磁システムは、発電機の出力を強化させるために、再び発電機の出力を高める動作を行う。
このような動作は、究極的に発電機出力電圧の共振（振動）を誘発し、このような現象は、停止型励磁システムのように速応性の良いシステムや高利得を有するシステムにおいてよく発生する。例えば、このような現象が、発電機の機械的な共振周波数と一致する場合には、発電機−タービンシステムの軸を損傷させてしまう原因となるため、発電機−タービンシステムの軸振動を考慮した制御器の設計、および発電機−タービンシステムの軸振動周波数を除去する系統安定化装置（ＰＳＳ：Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ）を励磁システムに挿入することが必要である。しかし、このような方法は、非常に困難であり、発電機システムの軸振動周波数が固定された一つではなく、多数であるため、実際に全てを満たすことは難しい。
【０００５】
一方、サイリスターを用いた励磁システムは、一方の方向にだけ電流を導通させる能力を有しているので、コンデンサバンクが存在する系統や受電端電圧が送電端電圧より高くなるフェランチ効果を有しているシステムにおいては、発電機の端子電圧を継続的に下げて行くと、発電機の回転子に印加される電圧が不連続となるか、或いは電流が零となる場合が発生する。このとき、発電機の回転子は、高いインダクタンスを有しているので、電流の不連続による瞬間的な過電圧（Ｖ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔ）がサイリスターの両端に印加され、これによって発電機励磁システムは損傷する。これを防ぐために、逆方向抵抗（Ｒｅｖｅｒｓｅ  Ｒｅｓｉｓｔｏｒ）やクローバ（Ｃｒｏｗｂａｒ）回路を内蔵するが、過電圧の大きさ及び持続期間がシステムの特性ごとに異なるため、これを調整することも容易ではない。このとき、電流が一方の方向だけでなく、両方向に導通できれば、システムへの過電圧は無くなり、電流が零となることによって発生する同期脱調現象も或る程度防止及び延期することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のサイリスター型励磁システムやＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ  Ｏｆｆ  Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）及びＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）を用いた励磁システムが有している短所、つまり、高利得を有している停止型励磁システムで発生する発電機の軸振動現象、及び短方向性電流導通能力を有しているシステムで発生する過電圧現象を予防する停止型励磁システムを提供することを目的とする。また他の目的は、発電所で同期発電所の端子電圧を制御する同期発電機停止型励磁システムの新たな方式で、発電機出力端の故障や異常現象時に、発電機が必要とする励磁電流を迅速に供給するために、高利得を使用し、速応性の良い励磁システムを使用する停止型励磁システムで発生する軸振動現象と、ＨＶＤＣ（Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）端子に接続された場合やフェランチ効果を誘発する長距離線路における低励磁現象時に発生するシステムの過電圧現象を解決する停止型励磁システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明の請求項１は、発電機出力電圧を降圧する励磁システム用降圧変圧器と、該励磁システム用降圧変圧器の２次側電圧を整流する３相ダイオードブリッジと、トランジスタ及び抵抗で構成されＤＣ電圧を一定に維持するための昇圧用チョッパーと、複数のトランジスタ及びダイオードで構成され発電機の回転子にＤＣ電力を供給するＤＣチョッパーと、前記昇圧用チョッパーを制御する昇圧用チョッパー制御器と、前記ＤＣチョッパーを制御するＤＣチョッパー制御器と、を備え、前記発電機出力電圧の変化が励磁システムに伝達されることを防止し、低励磁時に前記励磁システムに印加される過電圧を除去して発電機が同期脱調を起こさないようにしたことを特徴とする。
請求項２は、前記昇圧用チョッパーとＤＣチョッパーとの間に逆流防止用ダイオード及びＤＣコンデンサを備え、前記ＤＣチョッパーにフリーホイーリング・ダイオードを用いることにより、正方向及び逆方向の電流導通を可能としたことを特徴とする。
請求項３は、発電機出力電圧を降圧する励磁システム用降圧変圧器と、複数のスイッチング素子により構成される３相コンバータと、複数のトランジスタ及びダイオードで構成され発電機の回転子にＤＣ電力を供給するＤＣチョッパーと、前記３相コンバータを制御する３相コンバータ制御器と、前記ＤＣチョッパーを制御するＤＣチョッパー制御器と、を備え、前記３相コンバータは、前記複数のスイッチング素子が均等にスイッチングサージや劣化を担当する特性を有することを特徴とする。
【０００８】
請求項４は、前記昇圧用チョッパー制御器は、基準となるＤＣ電圧値を発生するＤＣ電圧指令値と、前記３相ダイオードブリッジから出力される実際のＤＣ電圧値を検出するＤＣ電圧検出部と、位相と大きさを変調するＰＩ制御器と、基準三角波を発生する三角波発生器と、前記ＰＩ制御器の信号と前記三角波発生器の信号を比較してＯＮ／ＯＦＦ信号を発生する比較器と、前記ＤＣ電圧検出部の出力信号を維持する信号維持器と、アンドゲートと、を備え、前記比較器の出力信号と前記信号維持器の出力信号とを前記アンドゲートにより合成して前記昇圧用チョッパーをＰＷＭ方式でスイッチングするように制御することを特徴とする。請求項５は、前記ＤＣチョッパー制御器は、基準となるＤＣ電流値を発生するＤＣ電流指令値と、前記３相ダイオードブリッジから出力される実際のＤＣ電流値を検出するＤＣ電流検出部と、位相と大きさを変調するＰＩ制御器と、基準三角波を発生する三角波発生器と、前記ＰＩ制御器の信号と前記三角波発生器の信号を比較してＯＮ／ＯＦＦ信号を発生する比較器と、前記ＤＣ電圧検出部の出力信号を維持する信号維持器と、アンドゲートと、を備え、前記比較器の出力信号と前記信号維持器の出力信号とを前記アンドゲートにより合成して前記ＤＣチョッパーをＰＷＭ方式でスイッチングするように制御することを特徴とする。
請求項６は、前記信号維持器は、過電圧がシステムに印加された場合に、前記アンドゲートのゲーティング信号をオフ動作となるように維持することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図２ａは、本発明の実施例に係る発電機励磁システムの構成を示す図面で、図１ａに示す停止型励磁システムと類似する構造であるが、図１ａと異なって発電機出力端の変化が励磁システムに伝達されることを防止し、励磁型ＤＣ電圧を一定に維持する昇圧用チョッパーと、４相した動作が可能なＤＣチョッパーとを有することによって、低励磁時に励磁システムに印加される過電圧を除去し、発電機が同期脱調を起こさない設備を有することを特徴とする。
図２ｂは、図２ａと少し異なる構造であるが、ＡＣ／ＤＣコンバータ自体が昇圧機能を有しているので、機能面において図２ａと同様の構造である。
本発明による発電機軸振動及び低励磁時の過電圧を除去する機能を有する停止型励磁システムは、図２に示すように、初期励磁設備、励磁システム用降圧変圧器３９、３相ダイオードブリッジ３１、ＤＣ電圧を一定に維持するための昇圧用チョッパー３２及び発電機の回転子にＤＣ電力を供給するＤＣチョッパー３４で構成され、前記昇圧用チョッパー３２を制御するための昇圧制御器３７、及びＤＣチョッパー３４を制御するためのＤＣチョッパー制御器３７’で構成される。また、励磁用コンデンサ３３には、バッテリ３８が接続され、昇圧用チョッパー３２はトランジスタおよび抵抗で構成される。
【００１０】
図２ａを説明すると、まず、発電機出力端の電力は、降圧用励磁変圧機３９を通じて励磁システムに供給される。このとき、励磁変圧器３９を通じて印加された３相交流電圧は、ダイオードブリッジ３１を通じてＤＣ電圧に変換され、励磁用コンデンサ３３に充電される。このときコンデンサ３３の電圧が系統事故や他の理由によって揺れるときには、昇圧用チョッパー３２をスイッチングすることによってＤＣ電圧を一定に維持する。前記昇圧用チョッパー３２をオンする場合には、ダイオードブリッジ３１の出力端が、瞬間的な短絡現象を起こすため、瞬間的に印加され、昇圧用チョッパー３２がオフする場合には、ＤＣ電圧端に瞬間的にＶ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔ動作により過電圧が誘起される。
このように誘起された過電圧は、逆流防止用ダイオード３６を通じてＤＣコンデンサ３３に充電され、このような昇圧用チョッパー３２の動作は、コンデンサ３３のＤＣ電圧を一定に維持させる。そして、多数のダイオードとトランジスタとからなるＤＣチョッパー３４は、コンデンサ３３の一定のＤＣ電圧を発電機の回転子に印加するする役割を果たし、ＤＣチョッパー３４は、フリーホイーリング（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌｉｎｇ）ダイオード３５により正方向及び逆方向の電流導通が可能となる。
昇圧用チョッパー３２により制御されるコンデンサ３３のＤＣ電圧は、発電機出力端から影響を受けない動作をするようにするもので、発電機の出力端が軸振動や他の動作によって振動する場合に、ＤＣ電圧が共振することを防止する。なお、ＤＣチョッパー３４は、逆方向及び正方向への電流導通を可能とするので、従来のサイリスターのみが存在する場合に発生する不連続電流の導通時における瞬間的なサージ過電圧を予防できる。
図２ｂは、図２ａとは少し異なる形態の励磁システムで、図２ａに示す昇圧用チョッパー３２とダイオードブリッジ３１とを３相コンバータ３１’にて合成した形態であり、図２ａと機能面においては等しい。しかし、図２ａとは異なって６個のスイッチング素子が均等にスイッチングサージや劣化を担当するという特性を有している。
【００１１】
図３は、図２に示す昇圧用チョッパーの制御器３７を詳細に示すもので、従来のチョッパー制御器の形態と類似する。つまり、ＤＣ電圧を一定に制御し、かつ昇圧用チョッパーのオン／オフ動作が可能であるため、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式でスイッチングされる。
前記昇圧用チョッパー制御器は、ＤＣ電圧指令値４０、実際のＤＣ電圧検出部４４、ＰＩ制御器４１、三角波発生器４３、比較器４２、信号維持器４５及びアンドゲート４６で構成される。まず、昇圧用ＤＣ電圧制御器は、ＤＣ電圧指令値４０と実際のＤＣ電圧との差を、昇圧用ＤＣ電圧制御器の誤差信号で発生させ、この信号を、ＰＩ制御器４１を通じて位相及び大きさを変造した後で、三角波発生器４３と比較してオン／オフ信号を発生させる。そして、発生されたオン／オフ信号は、信号維持器４５の出力及びアンドゲート４６にて合成して昇圧用チョッパーのトランジスタやＧＴＯ或いはＩＧＢＴ駆動部を点弧する。ここで、信号維持器４５の役割は、実際のＤＣ電圧を検出して機器を損なう可能性のある過電圧がシステムに印加された場合に、アンドゲート４６のゲーティング信号をオフ動作となるように維持することであり、一般的にフリップフロップで構成し、ラッチと呼ぶ。
【００１２】
図４は、図２に示すＤＣチョッパー制御器のブロック図で、従来の一般的な４相したＤＣチョッパー制御器の形態と同様である。つまり、ＤＣ電流を一定に制御し、かつＤＣチョッパのオン／オフ動作が可能であるため、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式でスイッチングされる。
前記ＤＣチョッパー制御器は、ＤＣ電流指令値５１、実際のＤＣ電流検出部５４、ＰＩ制御器５３、三角波発生器５５、比較器５６、信号維持器５７及びアンドゲート５８で構成される。まず、ＤＣチョッパー制御器は、ＤＣ電流指令値５１と実際のＤＣ電流との差をＤＣチョッパー制御器の誤差信号で発生させ、この信号を、ＰＩ制御器５３を通じて位相や大きさを変調した後で、三角波発生器５５と比較してオン／オフ信号を発生させる。そして、発生されたオン／オフ信号は、信号維持器５７の出力及びアンドゲート５８にて合成してＤＣチョッパートランジスタやＧＴＯ或るいはＩＧＢＴ駆動部を点弧する。
【００１３】
ここで、信号維持器５７の役割は、実際のＤＣ電流を検出して器機を損なう可能性のある過電圧がシステムに印加された場合に、アンドゲート５８のゲーティング信号をオフ動作となるように維持することであり、一般的にフリップフロップで構成し、ラッチと呼ぶ。このＤＣチョッパー制御器が、図３の昇圧用チョッパー制御器と異なる点は、指令値が電圧でなく電流という点の他にも、ＤＣチョッパーが、４個の半導体素子を駆動しなければならないので、４個のパルスを必要とする点である。しかし、ＤＣチョッパーは、アップ素子とダウン素子を交互にゲーティングしなければならないので、実際的に二つの相反するオン／オフ信号のみを必要とする。従って、ＤＣチョッパー制御器の出力は、正方向に電圧を印加する信号５９と、逆方向に電圧を印加する信号６０とを作る両方向性ゲーティング回路を必要とする。
従って、本発明の停止型励磁システムは、正常運転状態では一般的な停止型励磁システムと同様の動作特性を有するが、系統の異常現象によって共振周波数が励磁システムに印加されたときに、系統の共振現象を悪化させる従来の励磁システムの欠点を除去でき、系統にコンデンサ成分が多くなって励磁システムが低励磁で動作する場合に、電流不連続により励磁システムに過電圧が誘発される従来の励磁システムの短所を解決できる。
【００１４】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、発電所で同期発電所の端子電圧を制御する同期発電機停止型励磁システムの新たな方式で、発電機出力端の故障や異常現象時に、発電機が必要とする励磁電流を迅速に供給するために、高利得を使用し、速応性の良い励磁システムを使用する停止型励磁システムで発生する軸振動現象と、ＨＶＤＣ（Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）端子に接続された場合やフェランチ効果を誘発する長距離線路における低励磁現象時に発生するシステムの過電圧を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のサイリスターを用いた発電機電圧制御システムを説明するための全体構成図である。
【図２】本発明の実施例に係る発電機励磁システムの構成図である。
【図３】図２に示す昇圧用制御器のブロック図である。
【図４】図２に示すＤＣチョッパーの制御器のブロック図である。
【符号の説明】
３１：ダイオードブリッジ
３２：昇圧用チョッパー
３３：コンデンサ
３４：ＤＣチョッパー
３５：ダイオード
３６：ダイオード
３７、３７’：制御器
３８：バッテリ
３９：降圧変圧器
【図１】
2004153988.tif 000003
【図２】
2004153988.tif 000004
【図３】
2004153988.tif 000005
【図４】
2004153988.tif 000006