JP5330082B2 - 同期発電機の励磁制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電力系統の安定度向上のために系統安定化装置を付加した同期発電機の励磁制御装置に係り、特に周波数応答特性の解析を行う機能を備えた同期発電機の励磁制御装置に関する。

通常、重要な電力系統に接続される発電機には、励磁制御装置に同期発電機の端子電圧を目標電圧に一定に保つための自動電圧調整器（以下、ＡＶＲという）と、その目標電圧を調整することにより発電機運転の安定化を図る系統安定化装置（ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ、以下、ＰＳＳという）とを設けるようにしている（例えば、特許文献１−４参照）。
そして、励磁制御装置の特にＰＳＳの周波数応答特性を測定するときには、別途構成された周波数アナライザを励磁制御装置に対して接続するようにしている。

図６は、周波数アナライザを励磁制御装置に接続して同期発電機の励磁制御装置の周波数応答特性を解析する従来技術の回路構成を示す図である。
図６において、１は同期発電機であり、１_−１は固定子、１_−２は界磁巻線である。そして、２は界磁巻線１_−２に励磁電流を供給するサイリスタ整流器である。

同期発電機１の固定子１_−１は、主変圧器３および遮断器４を介して電力系統５に接続され、電力系統５との並列運転を行うことが可能になっている。６は前記サイリスタ整流器２に電力を供給する自励用変圧器である。７および８はそれぞれ同期発電機の出力電圧および出力電流を検出する計器用変圧器および計器用変流器であり、それぞれが検出した電圧および電流は励磁制御装置９に入力される。

この励磁制御装置９は、計器用変圧器７および計器用変流器８から入力した端子電圧信号および電流信号に基づいて同期発電機１の出力電圧すなわち端子電圧が設定値に維持されるように界磁巻線１_−２の励磁量を制御するものであり、次に述べるような回路や装置を備えている。

すなわち、Ａ/Ｄ変換処理部および演算処理部を備え、入力した電圧および電流に基づいてディジタルデータの端子電圧信号ＶＧ、有効電力信号ＰＧおよび周波数信号ＦＧとして出力するアナログ入力変換器１０と、このアナログ入力変換器１０から出力されたディジタルデータのうち、有効電力信号ＰＧおよび周波数信号ＦＧを入力して系統安定化信号Ｐｅを演算するＰＳＳ１１と、ＡＶＲ電圧設定器１２によって設定された電圧目標値（９０Ｒ）と前記端子電圧信号ＶＧとの偏差を算出し、この偏差に系統安定化信号Ｐｅを補助入力として加算し、さらに、後述する周波数アナライザからの試験用信号Ｔｅを加算するように構成された加算器１３と、この加算器１３から出力される信号に応じて前記サイリスタ整流器２に点弧信号を与えるＡＶＲ１４と、端子電圧信号ＶＧの周波数特性を測定するための試験用アナログ入出力回路１５とを備えている。

なお、試験用アナログ入出力回路１５は、前記アナログ入力変換器１０から出力されたディジタルデータの端子電圧信号ＶＧをアナログデータに変換して外部に出力する出力部（ＡＯ）と、外部から入力した試験用アナログ信号をディジタルデータに変換する入力部（ＡＩ）を備えている。

１６は周波数アナライザであり、常時は試験用アナログ入出力回路１５とは切り離された状態になっており、端子電圧信号ＶＧの周波数を測定するときのみ、前記試験用アナログ入出力回路１５の出力部（ＡＯ）から出力されたアナログデータである端子電圧信号ＶＧを入力し、逆にアナログデータの試験用信号を試験用アナログ入出力回路１５の入力部（ＡＩ）に出力する。そして、この試験用アナログ入出力回路１５の入力部（ＡＩ）は、前記加算器１３に接続されている。

以下、従来の励磁制御装置９の機能について説明する。
ＡＶＲ１４は、ＡＶＲ電圧設定器１２の設定値（９０Ｒ）から端子電圧信号ＶＧを減算して偏差を算出し、この偏差にＰＳＳ１１の安定化信号Ｐｅを加算してサイリスタ整流器２の点弧位相角を調整し、同期発電機１の界磁巻線１_−２の励磁量を調整する。

ＰＳＳ１１は、同期発電機のＡＶＲ１４への補助入力として用いられ、励磁系によって発生する電気トルクが発電機の回転数変化と同相成分の制動トルクを含むように調整し、発電機間の動揺を減衰させるように機能する。なお、ＰＳＳ１１の入力信号には、発電機の有効電力偏差（ΔＰ）、回転数偏差（Δω）、周波数偏差（Δｆ）などがあるが、図６の例では、有効電力信号ＰＧにより有効電力偏差（ΔＰ）を、周波数信号ＦＧにより周波数偏差（Δｆ）をそれぞれ演算し、安定化信号Ｐｅを求めている。

次に、試験回路の概要を説明する。
周波数アナライザ１６は、アナログ入力変換装置１０から出力された端子電圧信号ＶＧを入力して白色ノイズ（ホワイトノイズ）等の試験用信号と比較することにより励磁制御装置９の周波数特性を測定する。そして、この励磁制御装置９の周波数特性に基づいてＰＳＳ１１のチューニングを行う。

特開平８−３２２１５５号公報 特開平９−９８６００号公報 特開平１０−０５２０９６号公報 特開２００３−３３０９７３号公報

上述した従来の技術には以下のような改善すべき課題がある。
すなわち、励磁制御装置９の周波数特性を測定する際、周波数アナライザ１６および試験用アナログ入出力回路１５間に流れる試験用信号はアナログ信号であるため、測定結果は介在する試験回路の誤差や遅延回路における周波数特性の影響を受けやすい。また、ＰＳＳ１１のチューニング作業は、同期発電機１が電力系統５と並列運転している状態で行う必要があるため、励磁制御装置９とは別個に製作された周波数アナライザ１６などの試験機材の調達、輸送および励磁制御装置９との接続には多くの費用と時間を必要としていた。

そこで、本発明は、従来技術における周波数アナライザなどの試験機材の調達、輸送および試験回路の構築を省略し、試験回路の誤差や遅延回路における周波数特性の影響を排除することのできる同期発電機の励磁制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、同期発電機の出力電圧および出力電流を入力して端子電圧信号、有効電力信号および周波数信号を演算する入力手段と、この入力手段により得られた信号のうち少なくとも有効電力信号を入力して系統安定化信号を算出する系統安定化装置と、電圧目標値と前記端子電圧信号との偏差に前記系統安定化信号を加算して得た偏差信号に基づいて同期発電機の励磁量を制御する自動電圧調整器と、を備えた同期発電機の励磁制御装置において、励磁制御装置の周波数応答特性を解析するための周波数に基づいた正弦波および余弦波からなる演算信号を出力するとともに、前記正弦波に所定のゲインを乗じて得た信号を前記自動電圧調整器に試験信号として出力する正弦波出力器と、同期発電機の運転中における端子電圧信号と、前記正弦波出力器から出力された演算信号とを入力して同期発電機の端子電圧信号の周波数特性を算出する周波数特性解析器とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、周波数アナライザなどの試験機材の調達、輸送および試験回路の構築を省略したので、試験回路の誤差や遅延回路による影響を受けない周波数特性を得ることができ、その得られた周波数特性によって系統安定化装置のチューニングを行うことのできる同期発電機の励磁制御装置を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る同期発電機の励磁制御装置の構成図。 本発明の実施形態１に係る正弦波出力器および周波数特性解析器の構成図。 本発明の実施形態２に係る同期発電機の励磁制御装置の構成図。 本発明の実施形態３に係る同期発電機の励磁制御装置の構成図。 本発明の実施形態４に係る正弦波出力器および周波数特性解析器の構成図。 周波数アナライザを励磁制御装置に接続した従来技術の構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）
図１に示す同期発電機の励磁制御装置の構成図において、従来技術の図６と共通する部分には同一符号を付けて重複する説明は適宜省略する。

本実施形態１が図６の従来技術と異なる主な点は、試験用アナログ入出力回路１５と周波数アナライザ１６を撤去し、代わりに周波数特性を測定するための試験用信号Ｔｅおよび演算用信号Ｏｐを発生する正弦波出力器１７と、この試験用信号Ｔｅおよび前記アナログ入力変換器（入力手段とも言う）１０から出力された同期発電機１の端子電圧信号ＶＧとを入力して周波数特性を計算する周波数特性解析器１８とを励磁制御装置９に内蔵し、さらにこの周波数特性解析器１８で解析された周波数特性のゲインｋおよび位相θを表示する出力器１９を励磁制御装置９の外部に着脱可能に設置するようにした点にある。なお、出力器１９を小型化することによって励磁制御装置９に内蔵するようにしてもよい。

前記正弦波出力器１７から出力される試験用信号Ｔｅは常時は入力されず、端子電圧信号の周波数特性を測定する場合にのみ、加算器１３に入力されるようになっている。そして、この加算器１３の電圧目標値（９０Ｒ）および各種入力信号の極性は、次のようになっている。すなわち、電圧目標値（９０Ｒ）は（＋）、端子電圧信号ＶＧは負帰還量とするために(−）、安定化信号Ｐｅは（＋）、試験用信号Ｔｅは（＋）である。

以下、図２を参照して正弦波出力器１７および周波数特性解析器１８の構成の概要並びに動作について説明する。
正弦波出力器１７は、周波数設定器２０にて発生した単一の周波数（ωt）を正弦波発生器(sin)２１に入力して正弦波（sinωt）を発生し、また、単一の周波数（ωt）を余弦波発生器（cos）２２に入力して余弦波（cosωt）を発生する。このうち、正弦波（sinωt）は、ゲイン調整器２３でゲインＧを調整されて試験用信号Ｔｅ(Ｇ・sinωt)として出力される。また、正弦波（sinωt）および余弦波（cosωt）は、演算用信号Ｏｐ(sinωt、cosωt)として出力される。因みに、前記周波数設定器２０で発生する周波数（ωt）は、例えば０．１［Ｈｚ］程度である。

周波数特性解析器１８は、前記正弦波出力器１７から出力された演算用信号Ｏｐ(sinωt、cosωt)を入力するとともに、前記アナログ入力変換器１０から出力された同期発電機１の端子電圧信号ＶＧ（ｋ・sinωt＋θ）を入力して以下のように周波数特性のゲインｋおよび位相θを算出するように構成されている。

この周波数特性解析器１８についてもう少し詳しく説明する。
周波数特性解析器１８は、ディジタルデータの演算用信号Ｏｐ(sinωt、cosωt)と、計器用変圧器７で検出されアナログ入力回路１０から出力されたディジタルデータの端子電圧信号ＶＧ（ｋ・sinωt＋θ）とを入力し、演算用信号Ｏｐ(sinωt、cosωt)に対する端子電圧信号ＶＧ（ｋ・sinωt＋θ）の実部を実部演算器２４で演算し、虚部を虚部演算器２５で演算する。そして、求めた実部と虚部をそれぞれゲイン演算器２６、位相演算器２７に入力し演算することによって、ゲイン演算器２６および位相演算器２７から周波数特性のゲインｋ、位相θを算出する。

なお、この周波数特性解析器１８は、周波数特性のゲインｋおよび位相θの値が収束するまで演算を行い、収束結果の平均化処理を行う。平均化処理は、予め設定した回数だけゲインｋおよび位相θを算出し、その平均値をとる。そして、正弦波出力器１７に設定された周波数帯について順次解析を繰り返すことにより、任意の周波数帯の周波数特性を計算することが可能となる。
この平均化処理によって求められた周波数特性のゲインｋおよび位相θを前述した出力器１９にて作業者に表示する。

次に、本実施形態１の作用について説明する。
（ｉ）周波数特性の非測定時
まず、加算器１３と正弦波出力器１７との接続状態を切り離して、加算器１３に正弦波出力器１７の試験用信号Ｔｅ(Ｇ・sinωt)が入力しない状態にする。

この状態は、励磁制御装置９の通常の運転状態であり、ＡＶＲ１４は、ＡＶＲ電圧設定器１２の設定値（９０Ｒ）から端子電圧信号ＶＧを減算して偏差を算出し、この偏差にＰＳＳ１１の安定化信号Ｐｅを加算してサイリスタ整流器２の点弧位相角を調整し、同期発電機１の界磁巻線１_−２の励磁量を調整する。

（ii）周波数特性の測定時
（ａ）ＰＳＳ１１と加算部１３との間の回路を切り離す。
ＰＳＳ１１と加算部１３との間の回路を切り離した状態すなわち、安定化信号Ｐｅを加算部１３に入力しない状態で、試験信号Ｔｅを加算部１３に入力する。

アナログ入力回路１０から出力されたディジタルデータの端子電圧信号ＶＧ（ｋ sinωt＋θ）を入力信号として周波数特性解析器１８に入力し、かつ、正弦波出力器１７から出力されたディジタルデータの演算用信号Ｏｐ(sinωt、cosωt)も入力する。

この結果、同期発電機１の運転中、加算器１３には電圧設定値（９０Ｒ）がプラス極性（＋）で入力され、端子電圧信号ＶＧ（ｋ・sinωt＋θ）はマイナス極性（−）で入力され、試験信号Ｔｅはプラス極性（＋）で入力されるので、ＡＶＲ１４はこれらの偏差１３ｅに応じて前記サイリスタ整流器２に点弧信号を与えて同期発電機１の界磁巻線１_−２を励磁し、同期発電機１の端子電圧信号ＶＧが電圧設定値（９０Ｒ）と等しくなるように制御する。

このとき、周波数特性解析器１８には、前述したように正弦波出力器１７から出力された演算用信号Ｏｐ(sinωt、cosωt)と、同期発電機１の端子電圧信号ＶＧ（ｋ・sinωt＋θ）とが入力されているので、図２で示したように実部演算器２４、虚部演算器２５でそれぞれ実部、虚部を演算し、さらに、実部と虚部をそれぞれゲイン演算器２６、位相演算器２７に入力してゲイン演算器２６および位相演算器２７から周波数特性としてのゲインｋ、位相θを算出し、出力器１９に表示している。

試験員は、このときのゲインｋおよび位相θを確認し、適切な位相となるようにＡＶＲ１４の位相補償回路の時定数例えば、遅れ時定数の調整を行う。
（ｂ）ＰＳＳ１１と加算部１３との間の回路を接続する。

上記（ａ）でＡＶＲ１４のパラメータの調整を終えた後に、今度は、ＰＳＳ１１の出力端子と加算器１３とを接続して、加算器１３にＰＳＳ１１から出力された安定化信号Ｐｅがプラス（＋）極性で入力される。加算器１３はこの入力条件で偏差１３ｅを演算する。

ＡＶＲ１４は、安定化信号Ｐｅが加算された状態での偏差１３ｅに応じて前記サイリスタ整流器２に点弧信号を与え、同期発電機１に電圧を発電させる。したがって、周波数特性解析器１８には、ＰＳＳ１１の安定化信号Ｐｅが加算器１３に加算された状態における同期発電機１の端子電圧信号ＶＧが入力される（フィードバックされる）。

周波数特性解析器１８は、この時点で入力された同期発電機１の端子電圧信号ＶＧと前記正弦波出力器１７からの試験用信号Ｔｅとから再び実部と虚部を演算し、これら実部および虚部から周波数特性としてのゲインｋ´、位相θ´を算出し、出力器１９に表示する。

試験員は、ＰＳＳ１１が接続されたときの周波数特性であるゲインｋ´、位相θ´を確認して、ＰＳＳ１１の設定値を調整する。つまり、効きが悪ければゲインを大きくしたり、ＰＳＳ１１の位相特性が電力動揺周波数に対してずれていれば位相補償回路の時定数を調整する。

なお、以上の説明では、正弦波出力器１７は演算用信号Ｏｐとして正弦波信号（sinωt）と、余弦波信号（cosωt）とを出力したが、正弦波出力器１７から演算用信号Ｏｐとして正弦波信号（sinωt）のみを出力し、周波数特性解析器１８側で入力した正弦波信号（sinωt）から余弦波信号（cosωt）を演算により生成するようにしてもよい。

以上述べたように、本実施形態１によれば、励磁制御装置９に正弦波出力器１７および周波数特性解析器１８を内蔵するように構成したので、従来技術のように励磁制御装置９とは別個に構成された周波数アナライザ１６などの試験機材を用意する必要がなく、また、従来技術における励磁制御装置９と周波数アナライザ１６とを接続する試験回路による誤差や遅延が無く、同期発電機１を運転している状態で励磁制御装置９の周波数特性を得ることができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２を図３に示す同期発電機の励磁制御装置の構成図を参照して説明する。
本実施形態２と前述の実施形態１（図１、図２）との主な相違点は、アナログ入力変換器１０から得られた端子電圧信号ＶＧあるいは有効電力信号ＰＧのいずれかの信号を選択して前記周波数特性解析器１８に出力する第１切替スイッチ３０を設けるように構成した点にあり、その他の構成および作用は実施形態１と同じである。

なお、有効電力信号ＰＧは、正弦波の電圧と電流に基づいて求められた電気量であることから、正弦波で表すことができる。したがって、本実施形態２の場合、図２の装置は、端子電圧信号ＶＧ（ｋ・sinωt＋θ）を有効電力信号ＰＧ（ｋ_２・sinωt＋θ_２）等に置換するだけでそのまま使用することができる。ここで、ｋ_２、θ_２はゲインおよび位相角である。

本実施形態２は、以上のように第１切替スイッチ３０により周波数特性解析器１８に端子電圧信号ＶＧあるいは有効電力信号ＰＧのいずれかの信号を選択して入力するようにしたので端子電圧信号ＶＧだけでなく、有効電力信号ＰＧの周波数特性を測定することができる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３を図４に示す同期発電機の励磁制御装置の構成図を参照して説明する。
本実施形態３と前述の実施形態１（図１、図２）との主な相違点は、正弦波出力器１７から出力された試験用信号Ｔｅの入力先を切替える第２切替スイッチ４０を設けることにより、試験用信号Ｔｅの入力先を前記加算器１３あるいは前記ＰＳＳ１１としたものであり、その他の構成は実施形態１と同じである。

本実施形態３は、以上のように正弦波出力器１７からの試験用信号Ｔｅを加算器１３だけではなく、ＰＳＳ１１にも入力することにより、ＰＳＳ１１をＡＶＲ１４に直列接続した場合の周波数特性を測定することができる。

（実施形態４）
本発明の実施形態４を図５に示す正弦波出力器および周波数特性解析器の構成図を参照して説明する。
本実施形態は、図２で示した正弦波出力器および周波数特性解析器の機能を高めたものであり、図５において、１７Ａは、試験用信号出力器として設定した周波数帯域における全ての周波数（ωt、・・・iωt、・・・nωt）を合成した信号を出力する正弦波出力器であり、１８Ａは試験用信号出力器１７Ａで設定した全ての周波数における周波数特性を同時に計算することを可能にした周波数特性解析器である。

正弦波出力器１７Ａは、基本周波数（ωt）の整数n倍の周波数（nωt）までの複数の周波数の正弦波(sinωt〜sin nωt：nは整数)を発生させ、その全ての正弦波を加算部（Σ）２８で合成して得た試験用信号Ｔｅ（Ｇ・sinωt＋・・・＋Ｇi・siniωt＋・・・＋Ｇn・sinnωt)と、演算用信号Ｏｐ(sinωt〜sin nωt、cosωt〜cos nωt)とを出力するように構成されている。因みに、前記周波数設定器２０の周波数（ωt）〜（nωt)は例えば、０．１〜１０［Ｈｚ］程度である。

また、周波数特性解析器１８Ａは、正弦波出力器１７Ａからの演算用信号Ｏｐ(sinωt〜sin nωt，cosωt〜cos nωt)を入力するとともに、前記アナログ入力変換器１０により出力された同期発電機１の端子電圧信号ＶＧ（Ｖout）を入力して、演算用信号(sinωt〜sin nωt、cosωt〜cos nωt)に対する入力信号（Ｖout）の実部を実部演算器２４₁、２４_i、…２４_nにて演算し、虚部を虚部演算器２５₁、２５_i、…２５_nにて演算する。
算出された実部と虚部とをそれぞれゲイン演算器２６₁、２６_i、…２６_n、位相演算器２７₁、２７_i、…２７_nに入力し、周波数特性のゲインｋおよび位相θを算出する。

本実施形態４によれば、正弦波出力器１７Ａおよび周波数特性解析器１８Ａからなる装置を前述した図１、図３あるいは図４の励磁制御装置９に適用した場合、一度に複数の試験用信号を得ることができるので、一度の試験で複数の周波数における周波数特性ｋ、θを測定することができ、点検効率が極めて良くなる。

１…同期発電機、１_−１…同期発電機固定子巻線、１_−２…同期発電機界磁巻線、２…サイリスタ整流器、３…主変圧器、４…遮断器、５…電力系統、６…励磁電源変圧器、７…計器用変圧器、８…計器用変流器、９…励磁制御装置、１０…アナログ入力変換器、１１…系統安定化装置（ＰＳＳ）、１２…電圧設定器、１３…加算器、１４…自動電圧調整器（ＡＶＲ）、１７…正弦波出力器、１８…周波数特性解析器、１９…出力器、２０…周波数設定器（ωt）、２１…正弦波出力器（sin）、２２…余弦波出力器（cos）、２３…ゲイン調整器、２４…実部演算器、２５…虚部演算器、２６…ゲイン演算器、２７…位相演算器、２８…加算部（Σ）、３０…第１切替スイッチ、４０…第２切替スイッチ。

Claims (8)

1. 同期発電機の出力電圧および出力電流を入力して端子電圧信号、有効電力信号および周波数信号を演算する入力手段と、この入力手段により得られた信号のうち少なくとも有効電力信号を入力して系統安定化信号を算出する系統安定化装置と、電圧目標値と前記端子電圧信号との偏差に前記系統安定化信号を加算して得た偏差信号に基づいて同期発電機の励磁量を制御する自動電圧調整器と、を備えた同期発電機の励磁制御装置において、
   励磁制御装置の周波数応答特性を解析するための周波数に基づいた正弦波および余弦波からなる演算信号を出力するとともに、前記正弦波に所定のゲインを乗じて得た信号を前記自動電圧調整器に試験信号として出力する正弦波出力器と、
   同期発電機の運転中における端子電圧信号と、前記正弦波出力器から出力された演算信号とを入力して同期発電機の端子電圧信号の周波数特性を算出する周波数特性解析器とを備えたことを特徴とする同期発電機の励磁制御装置。
2. 前記周波数特性解析器は、同期発電機の運転中における端子電圧信号と、前記正弦波出力器から出力された演算信号とを入力し、演算用信号に対する端子電圧信号の実部および虚部を算出する演算部と、この算出された実部および虚部を用いて周波数特性のゲインおよび位相を算出する演算部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の同期発電機の励磁制御装置。
3. 前記正弦波出力器は、単一周波数または複数周波数の正弦波を生成し出力することを特徴とする請求項１記載の同期発電機の励磁制御装置。
4. 前記正弦波出力器は、演算用信号として正弦波のみを出力するように構成され、前記周波数特性解析器は、入力した正弦波から余弦波を生成するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の同期発電機の励磁制御装置。
5. 前記周波数特性解析器は、前記端子電圧信号を入力する替わりに前記有効電力信号を入力して前記演算用信号に対する有効電力信号の周波数特性を算出するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の同期発電機の励磁制御装置。
6. 前記入力手段から出力された端子電圧信号または有効電力信号のいずれかを切り替えて前記周波数特性解析器に入力する第１切替スイッチを有することを特徴とする請求項５記載の同期発電機の励磁制御装置。
7. 前記正弦波出力器から出力される試験用信号を自動電圧調整器に入力する替わりに系統安定化装置に入力し、系統安定化装置を自動電圧調整装置に直列接続した状態での周波数特性を算出することを特徴とする請求項１記載の同期発電機の励磁制御装置。
8. 前記正弦波出力器からの出力される試験用信号を前記自動電圧調整器または系統安定化装置に切り替える第２切替スイッチを有することを特徴とする請求項７記載の同期発電機の励磁制御装置。

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