(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力系統と、一次巻線及び二次巻線を有し、該一次巻線が前記交流電力系統に接続された原動機を持たない交流励磁型発電電動機と、前記交流電力系統から変圧器を介して給電され、その出力側が前記交流励磁型発電電動機の二次巻線に接続され可変周波数の交流電流を該交流励磁型発電電動機に給電する電力変換装置と、該電力変換装置に接続され該電力変換装置に電流指令信号を出力する電流制御器と、前記交流励磁型発電電動機の回転速度を検出する速度検出器と、前記交流電力系統と前記交流励磁型発電電動機との間でやり取りされる有効電力を検出する電力検出器とを備えた交流励磁型発電電動装置において、
前記電力検出器の検出した有効電力と有効電力指令値との偏差を低減するように前記電力変換装置を制御する第１の制御手段と、
前記速度検出器の検出した速度と速度指令値との偏差を低減するように前記電力変換装置を制御する第２の制御手段と、
前記第１の制御手段と前記第２の制御手段とを切り替えて前記電力変換装置に接続する切替手段と、
前記交流電力系統における異常を示す系統異常信号を検知するとともに、検知した系統異常信号の有無に応じて前記第１の制御手段と前記第２の制御手段とを選択するための選択信号を出力する系統異常検出手段とを備え、
前記系統異常検出手段は、通常時は、前記第２の制御手段を選択する選択信号を前記切替手段に出力し、前記系統異常信号を検知したときは、前記第１の制御手段を選択する選択信号を前記切替手段に出力した後、設定時間後に前記第２の制御手段を選択する選択信号に戻すことを特徴とする交流励磁型発電電動装置。
【請求項２】
請求項１記載の交流励磁型発電電動装置において、
前記第１の制御手段と前記第２の制御手段を、それぞれ、互いに利得の異なる２つの制御手段により構成し、
前記系統異常検出手段は、前記第１の制御手段と前記第２の制御手段の第１の利得の組合せと、第１の利得と組合せが異なる第２の利得の組合せとに分けて、通常時は、第１の利得の組合せを選択し、前記系統異常信号を検知したときは、前記第２の利得の組合せを選択した後、設定時間後に前記第１の利得の組合せに戻すことを特徴とする交流励磁型発電電動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流励磁型発電電動装置に係り、特に交流電力系統に異常が生じたときに、速やかに有効電力を放出または吸収し、交流電力系統の安定度を向上させるとともに、通常時は安定に運転を行う交流励磁型発電電動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、交流電力系統の負荷の急激な増減等の変動に対処するために、交流電力系統にフライホイール効果を有する同期機を接続し、そのフライホイールエネルギーを放出、吸収して負荷の増減を抑制する方法が知られている。このようなフライホイール効果を有する交流励磁型発電電動装置を用いて電力系統の安定度を向上させるための制御方式に関する従来例として、特開平４−３２５８３１号公報に開示された発明が存在する。
【０００３】
本従来例は、電力系統に接続された交流励磁式の可変速同期機（交流励磁型発電電動機）と、この可変速同期機の励磁電圧の周波数と絶対値と位相（可変速同期機の有効電力出力に対応）とを制御する励磁制御装置とを備えている。本従来例の励磁制御装置は、励磁電圧の絶対値と位相とを系統状態量または可変速同期機の運転状況に合わせて制御し、励磁電圧の周波数を可変速同期機のすべり周波数（系統電圧周波数から発電機回転周波数を減算したもの）に合わせて制御する。
【０００４】
本従来例においては、励磁電圧の絶対値は、可変速同期機の出力電圧または無効電力を検出して、その変動を抑えるように制御され、励磁電圧の位相は、可変速同期機または電力系統に接続された発電機の有効電力変動を抑えるように制御される。但し、上述したように、励磁電圧の周波数に関しては、可変速同期機を系統電圧の位相と同期させて運転するために、可変速同期機のすべり周波数となるように常に制御される。
【０００５】
本従来例によれば、交流電力系統の異常時の電力動揺等を検出し、可変速同期機の出力電圧、有効電力を高速に制御することにより、交流電力系統の安定を図ることができる。しかし、本従来例は、交流電力系統の異常時以外の通常の待機運転時の交流励磁型発電電動装置の運用方法、及び回転エネルギーの放出、吸収後の待機運転状態への移行方法については何ら開示するものではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
原動機を持たないフライホイール発電機の場合、系統安定化運転（電力の急放出、吸収時）以外の待機運転中の速度が可変速同期機の許容する可変速制御範囲内から逸脱すると、制御範囲内への回復が難しく、いかにして可変速範囲内から逸脱しないように速度制御するかが問題となる。
【０００７】
本発明は、原動機を持たないフライホイール発電機のように、回転子の回転速度の急変が許容でき、かつ原動機を持たないために待機運転時の回転速度制御が困難なシステムにおける交流電力系統の安定化性能の向上を目的とする。そのために、交流電力系統の異常時に有効電力を高速で吸収、放出でき、かつ交流励磁型発電電動機の待機運転時においては、回転子の回転速度が許容範囲内を逸脱することなく安定に運転できる交流励磁型発電電動装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の交流励磁型発電電動装置は、交流電力系統と、一次巻線及び二次巻線を有し、該一次巻線が前記交流電力系統に接続された原動機を持たない交流励磁型発電電動機と、前記交流電力系統から変圧器を介して給電され、その出力側が前記交流励磁型発電電動機の二次巻線に接続され可変周波数の交流電流を該交流励磁型発電電動機に給電する電力変換装置と、該電力変換装置に接続され該電力変換装置に電流指令信号を出力する電流制御器と、前記交流励磁型発電電動機の回転速度を検出する速度検出器と、前記交流電力系統と前記交流励磁型発電電動機との間でやり取りされる有効電力を検出する電力検出器とを備えた交流励磁型発電電動装置において、前記電力検出器の検出した有効電力と有効電力指令値との偏差を低減するように前記電力変換装置を制御する第１の制御手段と、前記速度検出器の検出した速度と速度指令値との偏差を低減するように前記電力変換装置を制御する第２の制御手段と、前記第１の制御手段と前記第２の制御手段とを切り替えて前記電力変換装置に接続する切替手段と、前記交流電力系統における異常を示す系統異常信号を検知するとともに、検知した系統異常信号の有無に応じて前記第１の制御手段と前記第２の制御手段とを選択するための選択信号を出力する系統異常検出手段とを備え、前記系統異常検出手段は、通常時は、前記第２の制御手段を選択する選択信号を前記切替手段に出力し、前記系統異常信号を検知したときは、前記第１の制御手段を選択する選択信号を前記切替手段に出力した後、設定時間後に前記第２の制御手段を選択する選択信号に戻すことを特徴とする。これにより、交流励磁型発電電動機の待機運転時には回転速度を制御する第２の制御手段により速度制御を行い、交流励磁型発電電動機の安定な運転を実現でき、交流電力系統に異常が発生した場合には、交流励磁型発電電動機の有効電力を制御する第１の制御手段により有効電力制御を行い、交流励磁型発電電動機から有効電力を急激に放出、吸収して交流電力系統の安定度を向上させることができる。
【０００９】
また、第１の制御手段と第２の制御手段を、それぞれ、互いに利得の異なる２つの制御手段により構成し、前記系統異常検出手段は、前記第１の制御手段と前記第２の制御手段の第１の利得の組合せと、第１の利得と組合せが異なる第２の利得の組合せとに分けて、通常時は、第１の利得の組合せを選択し、前記系統異常信号を検知したときは、前記第２の利得の組合せを選択した後、設定時間後に前記第１の利得の組合せに戻すようにすることができる。これにより、速度制御と電力制御との間の滑らかな切り替えを行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の全体構成を示すブロック図である。図において、交流電力系統１には、交流励磁型発電電動機２の固定子、変圧器４の一次側端子、電圧変成器１７及び電流変成器１８の一次側端子がそれぞれ並列接続されている。電圧変成器１７と電流変成器１８との二次側端子は電力検出器７の２個の入力端子にそれぞれ接続され、電力検出器７の２個の出力端子は、それぞれ減算器１９，２１のマイナス側入力端子に接続されて、検出した有効電力Ｐと電圧Ｖとをそれぞれ減算器１９，２１に入力する。減算器１９のプラス側入力端子には有効電力指令値Ｐ０が、減算器２１のプラス側入力端子には電圧設定値Ｖ０がそれぞれ外部から入力される。減算器１９の出力端子は、有効電力Ｐと有効電力指令値Ｐ０との偏差を低減するように交流励磁型発電電動機２の有効電力を調整する電力制御器８の入力端子に接続され、減算器２１の出力端子は、交流電力系統１の電圧設定値又は交流励磁型発電電動機２の無効電力指令値と検出値との偏差を低減するように調整する電圧（無効電力）制御器１３の入力端子に接続されている。
【００１１】
交流励磁型発電電動機２の軸２２には、回転子位相検出器１５と速度検出器５とが接続され、速度検出器５の出力端子はもう１個の減算器２０のマイナス側入力端子に接続されている。減算器２０のプラス側入力端子には回転速度指令値Ｎ０が外部から入力され、減算器２０の出力端子は、交流励磁型発電電動器２の回転子の回転速度Ｎと回転速度指令値Ｎ０との偏差を低減するように交流励磁型発電電動器２の回転子の回転速度Ｎを調整する速度制御器６の入力端子に接続されている。電力制御器８と速度制御器６の出力端子は、系統異常検出器１０から出力される選択信号により開閉制御される切替器１２，１１の一方の端子にそれぞれ接続され、切替器１２，１１の他方の端子は、交流励磁型発電電動機２の２次側各相の電流指令値Ｉａ＊，Ｉｂ＊，Ｉｃ＊を演算する電流制御器９の第１の入力端子に接続されてｑ軸成分電流Ｉｑ（交流励磁型発電電動機２の２次電流のうち１次側から見て交流電力系統１の電圧位相に等しい成分）を電流制御器９に入力する。電流制御器９の第２の入力端子は電圧制御器１３の出力端子に接続され、電圧制御器１３からｄ軸成分電流Ｉｄ（交流励磁型発電電動機２の２次電流のうち１次側から見て交流電力系統１の電圧位相とπ／２だけ位相の異なる成分）が電流制御器９に入力される。
【００１２】
回転子位相検出器１５の出力端子は、交流電力系統１の電圧位相と交流励磁型発電電動機２の電気角で表した回転角との差に等しいすべり位相を演算する位相検出器１６の第１の入力端子に接続され、回転子位相検出器１５で検出した回転角θｒが位相検出器１６に入力される。電圧変成器１７の二次側端子には電力検出器７と並列に系統電圧位相演算器１４の入力端子が接続されており、系統電圧位相演算器１４の出力端子は位相検出器１６の第２の入力端子に接続されて系統電圧位相演算器１４から位相検出器１６に電圧位相θｖが入力される。位相検出器１６の出力端子は電流制御器９の第３の入力端子に接続され、位相検出器１６の出力信号ｃｏｓθｓとｓｉｎθｓとが電流制御器９に入力される。
【００１３】
電流制御器９の第４の入力端子兼出力端子は、交流励磁電流の位相を変化させることにより交流励磁型発電電動機２の出力を増減させるサイクロコンバータなどの電力変換装置３の第１の出力端子兼入力端子に接続され、電流制御器９と電力変換装置３とは相互に信号のやり取りを行う。電力変換装置３の第２の入力端子は変圧器４の２次側端子に接続されている。電力変換装置３の第３の入力端子及び第２の出力端子はともに交流励磁型発電電動機２の回転子に接続され、交流励磁型発電電動機２の回転子の出力電流Ｉｍａ，Ｉｍｂ，Ｉｍｃを検出するとともに、交流励磁型発電電動機２の出力を増減させることができるように接続されている。
【００１４】
次の本実施の形態の動作を説明する。
まず、電力検出器７は、電圧変成器１７と電流変成器１８を介して入力される交流電力系統１の電圧Ｖと電流Ｉとに基づいて有効電力Ｐを検出する。電力検出器７で検出された有効電力Ｐは減算器１９のマイナス側入力端子に入力され、減算器１９のプラス側入力端子に外部から入力される有効電力指令値Ｐ０との差が演算される。減算器１９で演算された有効電力指令値Ｐ０と有効電力Ｐとの偏差は電力制御器８に入力され、電力制御器８では入力された偏差に基づき、この偏差を低減するようなｑ軸成分電流Ｉｑの指令値を電流制御器９に出力する。
【００１５】
一方、交流励磁型発電電動機２の回転子の回転速度Ｎが速度検出器５で検出され、減算器２０のマイナス側入力端子に入力される。減算器２０のプラス側入力端子には外部から回転速度指令値Ｎ０が入力され、この回転速度指令値Ｎ０と速度検出器５で検出された回転速度Ｎとの偏差が減算器２０により減算され、速度制御器６に入力される。速度制御器６では入力された偏差に基づき、この偏差を低減するようなｑ軸成分電流Ｉｑの指令値を電流制御器９に出力する。
【００１６】
交流励磁型発電電動機２の回転子の回転角θｒは、回転子位相検出器１５で検出され位相検出器１６に入力される。位相検出器１６には、電圧変成器１７により検出され系統電圧位相演算器１４により演算された交流電力系統１の電圧位相θｖも入力され、交流電力系統１の電圧位相θｖと交流励磁型発電電動機２の電気角で表した回転角θｒとの差に等しいすべり位相θｓ（θｓ＝θｖ−θｒ）が位相検出器１６により演算され、位相検出器１６からその余弦成分（ｃｏｓθｓ）と正弦成分（ｓｉｎθｓ）とが電流制御器９に出力される。
【００１７】
電力検出器７から出力された交流電力系統１の電圧Ｖは、減算器２１のマイナス側入力端子に入力され、減算器２１のプラス側入力端子に外部から入力される電圧設定値Ｖ０との差が演算される。減算器２１で演算された電圧設定値Ｖ０と交流電力系統１の電圧Ｖとの偏差は電圧制御器１３に入力され、電圧制御器１３では入力された偏差に基づき、この偏差を低減するようなｄ軸成分電流Ｉｄの指令値を電流制御器９に出力する。
【００１８】
電流制御器９では、位相制御器１６からの入力される余弦成分ｃｏｓθｓ，正弦成分ｓｉｎθｓと、速度制御器６又は電力制御器８から入力されるｑ軸成分電流Ｉｑの指令値と、電圧制御器１３から入力されるｄ軸成分電流Ｉｄの指令値とに基づき、次の演算式（１）に従って、交流励磁型発電電動機２の２次側各相の電流指令値Ｉａ＊，Ｉｂ＊，Ｉｃ＊を演算する。但し、演算式（１）においてＫは定数を表す。
【００１９】
【数１】
0003911598.tif 000002
【００２０】
電流制御器９は、上記演算により求めた電流指令値Ｉａ＊，Ｉｂ＊，Ｉｃ＊を電力変換装置３の検出した交流励磁型発電電動機２の回転子の出力電流Ｉｍａ，Ｉｍｂ，Ｉｍｃと比較し、両者の偏差が低減するように電力変換装置３を制御する。このように制御することにより、交流励磁型発電電動機２の出力電圧は常に系統電圧位相と同期し、ｑ軸成分電流Ｉｑの指令値により交流励磁型発電電動機２の有効電力出力を、ｄ軸成分電流Ｉｄの指令値により交流励磁型発電電動機２の発電機電圧又は無効電力を制御することができる。
【００２１】
交流励磁型発電電動機２が待機運転している状態では、切替器１１を閉路し、切替器１２を開路することにより、速度制御器６の出力信号により交流励磁型発電電動機２の位相制御を行い、速度検出器５で検出する回転速度Ｎと回転速度指令値Ｎ０との偏差を低減するように交流励磁型発電電動機２を制御し、交流励磁型発電電動機２の速度制御運転が行われる。
【００２２】
次に、系統事故、事故相除去、高速再閉路のような交流電力系統の異常が発生した場合には、系統異常検出器１０は、例えば事故相除去の際に遮断される遮断器接点信号などの系統異常信号を受けて切替器１１，１２の選択信号を出力する。この選択信号により、切替器１１が開路され、切替器１２が閉路される。これにより、電力制御器８の出力信号が電流制御器９に入力され、電力制御器８からの出力信号により交流励磁型発電電動機２の交流励磁電流の位相制御が行われる。この位相制御においては、電力検出器７で検出する交流電力系統１から供給される有効電力Ｐと外部から与えられる有効電力指令値Ｐ０との偏差を低減するように交流励磁型発電電動機２を制御し、交流励磁型発電電動機２の有効電力制御運転が行われる。このときの有効電力指令値Ｐ０は、交流電力系統１上の他の発電機の有効電力動揺を抑えるように与えられ、交流励磁型発電電動機２が有効電力指令値Ｐ０に対して高速に有効電力制御を行うことにより、他の発電機の有効電力動揺の抑制が可能となる。この場合、交流励磁型発電電動機２は有効電力を放出又は吸収するため、その回転子の回転速度が低下又は上昇する。
【００２３】
図２は、交流電力系統１に異常が発生した時の本実施の形態の交流励磁型発電電動装置の各部の動作を示すタイミングチャートである。図２（１）は事故相の系統異常信号の状態を示し、系統異常の発生した時刻ｔ０に事故相の遮断器が断となる。なお、事故相の遮断器は所定の時間、例えば１秒間、の後に自動的に回復する。
【００２４】
図２の（２）は、本実施の形態の系統異常検出器１０から出力される選択信号の状態を示し、系統異常の発生した時刻ｔ０にオンとなり、系統異常検出器１０内のタイマにより設定された所定の時間後（時刻ｔ１）にオフとなる。
【００２５】
図２の（３）及び（４）は、それぞれ、本実施の形態の切替器１１，１２の状態を示し、選択信号がオンの間、切替器１１はオフ状態、切替器１２はオン状態となる。この期間中は、本実施の形態の交流励磁型発電電動機２は有効電力制御となり、有効電力指令値Ｐ０に従った有効電力を交流電力系統１に放出、吸収する。この交流励磁型発電電動機２の有効電力の放出、吸収状態を図２の（５）に示す。図２の（５）の場合は、有効電力を吸収する場合を示しており、電力吸収に従い、図２の（６）に示すように、交流励磁型発電電動機２の回転速度Ｎは上昇する。
【００２６】
時刻ｔ１において選択信号がオフとなると、切替器１１はオン、切替器１２はオフに戻り、交流励磁型発電電動機２は速度制御に戻り、回転速度指令値Ｎ０に従って回転する。この時点では、交流励磁型電動機２の回転速度は回転速度指令値Ｎ０よりも高くなっているので、本実施の形態の交流励磁型発電電動装置の有効電力は発電方向（有効電力放出方向）に制御され、交流励磁型発電電動機２の回転速度が徐々に回転速度指令値Ｎ０まで減速され、待機運転状態に戻る。
【００２７】
図３は本発明の第２の実施の形態の交流励磁型発電電動装置の構成を示すブロック図である。図において、図１の第一の実施の形態の交流励磁型発電電送装置と同一の構成要素には同一の番号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
本実施の形態においては、利得の異なる２個ずつの速度制御器と電力制御器が設けられ、速度制御器と電力制御器のそれぞれ１個は常に電流制御器９に接続されているように構成したものである。すなわち、速度制御器として利得の異なる２個の速度制御器６−１，６−２が並列に設けられ、速度制御器６−１には切替器１１−１が、速度制御器６−２には切替器１１−２がそれぞれ接続されている。また、電力制御器として利得の異なる２個の電力制御器８−１，８−２が並列に設けられ、電力制御器８−１には切替器１２−１が、電力制御器８−２には切替器１２−２がそれぞれ接続されている。切替器１１−１，１１−２，１２−１，１２−２の他方の端子は電流制御器９の第１の入力端子に接続されている。
【００２９】
速度制御器６−１の利得は速度制御器６−２の利得より大きく、電力制御器８−１の利得は電力制御器８−２の利得より大きい。また、交流励磁型発電電動機２の待機運転時には切替器１１−１及び１２−２が閉路され、切替器１１−２及び１２−１が開路されている。すなわち、待機運転時には、速度制御器６−１からのｑ軸成分電流Ｉｑの指令値が電力制御器８−２のｑ軸成分電流Ｉｑの指令値よりも大きな割合で、かつ速度制御器６−１及び電力制御器８−２の双方からｑ軸成分電流Ｉｑの指令値が電流制御器９に入力される。したがって、定常運転時には、交流励磁型発電電動機２は速度制御の割合の方が有効電力制御の割合より大きくなり、回転速度指令値Ｎ０に従った有効電力を交流電力系統１に放出、吸収する。
【００３０】
交流電力系統の異常時に事故相の遮断器が切れると、系統異常検出器１０から選択信号が出力され、この選択信号により切替器１１−１と１２−２が開路され、切替器１１−２と１２−１が閉路される。したがって、選択信号出力中は、電力制御器８−１からのｑ軸成分電流Ｉｑの指令値が速度制御器６−２からのｑ軸成分電流Ｉｑの指令値よりも大きな割合で、かつ電力制御器８−１及び速度制御器６−２の双方からｑ軸成分電流Ｉｑの指令値が電流制御器９に入力される。すなわち、この期間中は交流励磁型発電電動機２は有効電力制御の割合の方が速度制御の割合より大きくなり、有効電力指令値Ｐ０に従った有効電力を交流電力系統１に放出、吸収する。
【００３１】
選択信号がオフとなると、再度、切替器１１−１及び１２−２が閉路され、切替器１１−２及び１２−１が開路される。これにより、交流励磁型発電電動機２は速度制御の割合の方が有効電力制御の割合より大きくなり、回転速度指令値Ｎ０に従った有効電力を交流電力系統１に放出、吸収する。交流電力系統の異常時に図２に示すように交流励磁型発電電動機２が有効電力を吸収するような場合には、交流励磁型発電電動機２の回転速度が定常運転時より上昇しているため、定常運転への復帰により、交流励磁型発電電動機２の有効電力は発電方向（有効電力放出方向）に制御され、除々に回転速度指令値Ｎ０まで減速され、待機運転に戻る。
【００３２】
【発明の効果】
本発明による交流励磁型発電電動装置においては、交流電力系統の異常時に他の発電機の電力動揺を抑えるように有効電力を制御し、有効電力の急激な放出、吸収を行えるので、極めて大きな交流電力系統の安定度の向上効果が得られる。さらに、待機運転時においては、交流励磁型発電電動機を速度制御することにより、安定に、かつ要求される回転速度で運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による交流励磁型発電電動装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の実施の形態の要部の交流電力系統の異常時の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明による交流励磁型発電電動装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  交流電力系統
２  交流励磁発電電動機
３  電力変換装置
４  変圧器
５  速度検出器
６，６−１，６−２  速度制御器
７  電力検出器
８，８−１，８−２  電力制御器
９  電流制御器
１０  系統異常検出器
１１，１１−１，１１−２，１２，１２−１，１２−２  切替器
１３  電圧制御器
１４  系統電圧位相演算器
１５  回転子位相検出器
１６  位相検出器
Ｐ０  有効電力指令値
Ｎ０  回転速度指令値
【図１】
0003911598.tif 000003
【図２】
0003911598.tif 000004
【図３】
0003911598.tif 000005