JPH0768938B2

JPH0768938B2 - 可変速発電システム

Info

Publication number: JPH0768938B2
Application number: JP63098349A
Authority: JP
Inventors: 保弘八坂; 義夫古川; 理名倉; 伸作白田; 英三北; 博人中川; 泰照大野
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1988-04-22
Publication date: 1995-07-26
Anticipated expiration: 2010-07-26
Also published as: JPH01271669A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、交流励磁型可変速発電機を用いた可変速発電
システムに係り、特に、水車を原動機とした発電システ
ムに好適な可変速発電システムの制御方式に関する。

〔従来の技術〕

水車システム、特にポンプ水車を用いた揚水発電システ
ムなどでは、それらが接続される電力系統の周波数とは
独立に、その水車を可変速運転するのが望ましい場合が
あり、このことは、最近のパワーエレクトロニクス及び
制御技術の発展により、種々の可変速発電システム、特
に水車を原動機とした発電システム、或いはポンプ水車
を用いた可変速揚水発電システムの実現という形で具体
化されるようになつてきている。

ところで、この種の従来技術としては、例えば、「日立
評論」のVol.68（1986）p.653〜658に開示されている可
変速発電システムがあり、以下、この従来技術について
説明すると、この従来技術は、第４図に示すように、交
流電力系統に接続された交流励磁形の可変速発電機１を
備え、この可変速発電機１が、これに直結された水車３
を原動機として駆動され、交流電力系統に電力を供給す
るようになつている。

可変速発電機１は、電力系統から変圧器５とサナクロコ
ンバータ７を介して供給される、電力系統とは独立した
周波数の３相交流電流I₂により励磁されるようになつて
おり、これにより可変速発電機として機能するようにな
つている。なお、この励磁電流I₂はコレクタリング６を
介して可変速発電機１の回転子に供給されるようになつ
ている。

可変速発電機１には、さらに位相検出器２が直結されて
おり、これにより電力系統の電圧位相に対する可変速発
電機１の回転子位相の差が検出されるようになつてい
る。なお、このときの電力系統の電圧位相は、電圧検出
器４により検出され、位相検出器２に入力されるように
なつている。

サイクロコンバータ７は電流指令発生器９により制御さ
れ、これにより所定の交流励磁電流I₂が可変速発電機１
に供給されることになるが、このため、電流指令発生器
は９は、位相検出器２から入力される位相差データと、
ｄ軸成分電流指令発生器13からのｄ軸電流指令値ID^＊、
それにｑ軸電流指令発生器15から与えられるｑ軸電流指
令値Iq^＊とにより電流指令値I₂ ^＊を演算し、それをサイ
クロコンバータ７に入力するようになつている。

一方、これと並行して、原動機側の水車３は、水車回転
速度調整信号発生器22の信号をもとに、調速器19、サー
ボ系18を介してガイドベーン17を制御することにより、
所定の回転速度Ｎに速度制御されることになる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、このような可変速発電システムでは、可変速
発電機１の回転速度の制御は、水車３のガイドベーン17
で行なわれるようになつており、このため、回転速度変
動に対する抑制効果は、あまり期待できない。

その理由は、そもそも、このシステムでは、可変速運転
を目的としているためであり、従つて、回転速度変動に
より可変速発電機１の回転子の位相が変化しても、それ
は位相検出器２の出力により励磁電流I₂の変化となつて
表われ、自動的に回転速度変動に追従し、この結果、回
転速度変動に対する制動力はほとんど発生しないからで
ある。

一方、このような水車発電システムでは、部分負荷時
に、水車に振動、いわゆるセントラル・ホワール振動を
生じ易いが、このとき、可変速発電システムでは、上記
したように、回転速度変動に対する制動力が奇態できな
いため、このホワール振動が起ると、これが水圧脈動を
惹起し、水車トルクの脈動となり、この結果、第７図に
示すように、さらに回転速度変動を増長させ、最終的に
水圧鉄管や水車の破壊につながる虞れを生じる。なお、
この第７図で、ΔＨは水圧変動を、そしてＮは回転速度
をそれぞれ表わす。

しかして、上記従来技術では、このようなセントラル・
ホワール振動に対する配慮が特にされておらず、運転性
に問題があつた。

他方、この振動の問題については、可変速発電機の有効
電力の制御による対処も考えられるが、この場合には、
制御系でのゲインの制限から、充分な応答が得られず、
このような周期の短い振動の抑制は困難であり、かえつ
て電力の脈動を生じるなどの弊害が現われる場合を生じ
るという問題があつた。

請求項１に記載の発明の目的は、負荷の状態にかかわら
ず、常に安定した回転速度のの維持が可能で、可変速運
転の利点が充分に活用できるようにした可変速発電シス
テムを提供することである。

また、請求項２に記載の発明の目的は、請求項１に記載
の発明にサイクロコンバータを適用することにより、更
にコストや制御安定性の面での改善が図れるようにした
可変速発電システムを提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

請求項１の記載の発明の目的は、可変速発電システムに
おいて、不安定振動発生の虞れのある部分負荷領域で
は、可変速発電機の交流励磁電流の周波数を一定に保持
させるように制御することにより達成される。

請求項２に記載の発明の目的は、可変速発電システムに
おいて、不安定振動発生の虞れのある部分負荷領域で
は、可変速発電機の交流励磁電流の周波数を一定に保持
させるようにエネルギーするようにしたものにおいて、
交流励磁電流を発生させるためにサイクルコンバータを
用いることにより達成される。

〔作用〕

請求項１の発明によれば、可変速発電気の交流励磁電流
の周波数が一定に保たれる領域があり、このときには、
可変速発電機は同期機として動作することになり、この
ときの電力系統の周波数と交流励磁電流の周波数との差
によって定まる回転速度で定速運転されることになる。
そして、この結果、回転子の回転位相変化、すなわち回
転速度変動に対して、通常の同期機と同じ同期化トルク
を発生し、大きな制動力が現われ、セントラル・ホワー
ル振動などによる不安定振動を充分に抑える作用が得ら
れる。

また、請求項２の発明によれば、交流励磁電流がサイク
ロコンバータによって供給されるので、更にコスト面や
制御安定性の面で有利になる。

〔実施例〕

以下、本発明による化変速発電システムについて、図示
の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、図において、23は交流系
統、１は交流系統23に接続された可変速発電機、２は位
相検出器で、交流系統23の電流圧位相と可変速発電機１
の電気角で表わした回転角との差に等しいすべり位相を
検出する。位相検出器２の回転子は可変速発電機１の回
転軸に連結されており、更に回転子側には可変速発電機
１の１次巻線と並列に接続された３相巻線が設けられて
いる。一方、位相検出器の固定子側には電気角でπ/2だ
け位相の異なる位置にホールコンバータがそれぞれ１個
設けられていて、可変速発電機１の２次側から見た交流
系統23の電圧と位相が一致した信号cosθとこれよりπ/
2の位相差をもつ信号sinθが該ホールコンバータより検
出される。

11は周波数発生器、そして12は切換器であり、位相検出
器２からの信号cosθ,sinθと、周波数発生器11で発生
されている一定周波数信号cosω_ot,sinω_otとが切換器1
2を介して電流指令発生器９に入力される。従つて、こ
の電流指令発生器９には、信号cosθとsinθ、および信
号cosω_ot,sinω_otの双方から選択された一方の信号が
供給されるようになつている。

13はｄ軸成分電流指令発生器で、交流系統23における電
圧実効値の検出値Ｖと、外部で、オペレータによつて設
定された無効電圧設定値V_oとの偏差に基いてｄ軸成分指
令値Id^＊を発生する。なお、このｄ軸成分電流指令値Id
^＊とは可変速発電機１の２次電流のうちで、１次側から
みて交流系統23の電圧位相と電気角でπ/2だけ位相を異
にする成分（以下、ｄ軸成分と略す）に対する指令値の
ことで、定常状態では直流値となるものである。ところ
で、この２軸成分電流指令発生器13としては、例えば、
可変速発電機１の無効電力出力と、それに対する設定値
との偏差に応じて上記指令値Id^＊を発生するものとして
もよい。

15はｑ軸成分電流指令発生器で、交流系統23の出力検出
値Ｐと外部からオペレータよつて設定された有効電旅設
定値P_oの偏差からｑ軸成分電流指令値I_q ^＊を発生する。
なお、このｑ軸成分電流指令値はIq^＊とは、可変速発電
機１の２次電流のうち、１次側から見て交流系統23の電
圧位相に等しい成分（以下ｑ軸成分と略す。）に対する
指令値のことで、定常状態では直流値を示すものであ
る。しかして、このｑ軸成分電流指令発生器15として
は、例えば可変速発電機１のトルク、回転数、もしくは
交流系統23の周波数の設定値と出力検出値Ｐとの偏差に
応じて前期指令値I_q ^＊を発生するものとしてもよい。

14は切換器、16は一定ｑ軸成分発生器であり、切換器14
は、ｑ軸成分電流指令発生器15の出力信号と、一定ｑ軸
成分発生器16の出力信号のうちの一方を選択し、ｑ軸成
分電流指令値I_q ^＊として取り出す働きをする。

上記した電流指令発生器９は、切換器12で選択された位
相検出器２からの信号cosθ,sinθ又は周波数発生器11
からの信号cosω_ot,sinω_otのいずれかの信号を用い、
切換器14で選択されたｑ軸成分電流指令発生器15又は一
定ｑ軸成分発生器16のいずれかによる信号出力I_q ^＊とｄ
軸成分電流指令発生器13の出力I_d ^＊から可変速発電機１
の２次側各相電流指令値I_a ^＊,I_b ^＊,I_c ^＊を演算式（１）
により演算する。但しＫは定数である。

第２図に、電流指令発生器９の詳細回路構成例をＫ＝１
の場倍について示す。この構成例では、掛算器8a〜8dと
増幅器25a〜25jを用いて２次電流指令値I_a ^＊,I_b ^＊,I_c ^＊
を演算するようになつている。

サイクロコンバータ７は交流系統23から受電変圧器５を
介して交流電力を受け、可変速発電機１の２次側２の各
相の交流励磁電流I₂が、電流指令発生器９から与えられ
る電流指令値I_a ^＊,I_b ^＊,I_c ^＊に追従したものとなるよう
に制御される。

なお、このサイクロコンバータ７は、交流励磁手段を構
成しているものであり、従って、電力系統からの一定の
周波数の電力を任意の周波数の電力に変換することがで
きるなら、例えばインバータ装置など任意の交流励励磁
手段を用いてもよい。

しかして、サイクロコンバータを用いることにより、更
にコスト面や制御安定性の面で有利にすることができ
る。

第３図はサイクロコンバータ７の詳細を、その１相分に
ついて示したもので、この第３図において、26は可変速
発電機１の２次電流検出器、27は指令値I_a ^＊と検出値I
_Maを比較して移送器28に三相分相の所要位相でサイリス
タ点弧パルスの発生を指令する電流制御装置、29および
32は各々正接続側サイリスタ変換器30および逆接続側サ
イリスタ変換器31のサイリスタゲートを付勢するゲート
パルスを通過させるゲート、33は２次電流の極性切替指
令発生器であつて、電流指令値の正又は負に従つて極性
切替指令信号PN（正接続側への通電指令のとき信号レベ
ルは１、負接続側のときは０とする）を発生する。

35は零電流検出器であつて、検出電流が零とみなされて
いるときの出力レベルは“0"、電流が流れているとみな
されているときの出力レベルは“1"となる出力信号ZDを
発生する。

従つて、このサイクロコンバータ７により、電流指令値
I_a ^＊,I_b ^＊,I_c ^＊に対応した交流励磁電流が可変速発電機
１に供給されることになる。

一方、水車３を含む電動機側について説明すると、20は
切換器、21は交流系統23へ供給されている電力Ｐと、外
部から与えられている電力指令P_oとの偏差に基いて、調
速器19に与えるべき信号を発生するための水車出力調整
信号発生器、22は水車３の実回転速度Ｎと、外部から与
えられている回転速度指令N_oとの偏差に基いて調速器19
に与えるべき信号を発生するための水車速度調整信号発
生器である。

従つて、水車３は、切換器20の状態により、水車出力調
整信号発生器21、又は水車速度調整信号発生器22のいず
れかの信号により、サーボ系18を介してガイドベーン17
の開度が操作されることにより運転制御されることにな
る。

次に、この実施例全体の動作について説明する。

本発明では、この実施例における切換器12,14,20の切換
えを、負荷の状態に応じて行なうところに特徴がある。

すなわち、この第１図の実施例では、これらの切換器1
2,14,20の切換え操作についての具体的な構成について
は、記載を省略してあるが、図示してなに制御装置を含
み、負荷に応じて自動的に切換えが行なわれるようにな
つているものであり、以下、まず、これら切換器の切換
えのタイミングについて説明する。

一般に水車の効率ηは、水位Ｈ、水車出力Ｐが決まる
と、第５図のように、回転速度Ｎに対して最も効率の良
い点がある。例えば、この第５図では、水位H₁、水車出
力P₁に対しては回転数N₁、水位H₂、水車出力P₂に対して
は回転数N₂のようになる。なお、このように、最高効率
点を選んで運転できるのが可変速発電システムの一つの
利点である。

ところで、この場合での出力Ｐと、最高効率回転速度Ｎ
を図にすると、第６図のようになる。しかして、このよ
うなシステムでは、サイクロコンバータの容量から、す
べり周波数に限界があり、他方、回転速度には最高回転
速度N_xと最低回転速度N_mがあるため、この第６図に示す
ように、部分負荷運転に際しては、最低回転速度N_mでの
定速運転が望ましい。

そこで、第１図の実施例では、第６図の運転点Ａにおけ
る定格負荷近傍では、各切換器12,14,20を図示の状態に
保ち、これにより本来の可変速運転を行なうようになつ
ている。すなわち、このときには、第４図の従来例と同
じく、位相検出器２の検出信号により運転される。

しかして、この状態で部分負荷指令がきたときには、Ｂ
点の最低速度となつたことを確認し、切換器12,14,20を
切換える。この切換時の動作を以下に説明する。なお、
ここでは、例として、cosθ成分のみについて説明す
る。

まず、位相検出器２の信号は第11図の〔cosθ〕として
表わすような波形であり、周波数発生器11は、時刻t₁の
時点で位相検出器２の信号と同期させて再スタートする
ものとする。第11図の〔cos（ω_ot）〕はその信号を示
している。なお〔sinω_ot〕も、時刻t₁に合わせて、位
相差90゜で再スタートする。

そこで、この時刻t₁に同期して切換器12,14,20を同時に
切換えるのである。

このとき、電流指令発生器９、（１）式のように、演算
による変換を行なうだけであるから、これらの信号I
d^＊,Iq^＊,cosθ,sinθは時刻t₁では変化せず、従つて、
可変速発電機１の出力も変化せず、交流系統にじよう乱
を与えることはない。

この状態を、さらに第９図により説明すると、このとき
可変速発電機１の磁極配置は変わつていない。従つて、
系統側（固定子側）の電流は固定子側コイル90により仮
想磁極93を生じ、この仮想磁極93は系統周波数に一致す
る回転速度で回転している。また、回転子側では、回転
子コイル91に流れる電流により仮想磁極94を生じ、この
仮想磁極94は、回転子からみて励磁周波数（ω_ｏ）に対
応する回転速度で回転しており、結果的に停止状態から
みると系統周波数に一致する回転速度で回転しているこ
とになり、これにより、磁力線92が常に一定配置で回転
し、回転子から固定子にエネルギーを送つている状態に
なつている。

このとき、従来の可変速発電システムの場合には、回転
速度のじよう乱が起こると自動的に位相検出器２の位相
が追随するため、自動的に仮想磁極94が系統に合わせて
調節されてしまうため、回転速度のじよう乱をおさえる
ことは困難である。

しかるに、この実施例では、このときには周波数発生器
11の周波数が一定のため、あたかも仮想磁極94が回転子
に固定されたように振舞いをし、回転速度のじよう乱を
抑えてしまう。

これを、さらに詳しく説明すると、仮想磁極94は、通常
の同期機と同等と考えてよいから、内部相差角θ_ｐに対
して、電気出力Ｐ、すなわち発電機のトルクは第10図の
ようになる。そこで、いま、Ｃ点で運転していたもの
が、Ｄ点に移つたとすると、これを戻そうという力が自
動的に働き、一定速度で運転される。この場合の戻す力
は非常に大きい。

従つて、この実施例によれば、第８図に示すように、部
分負荷時で回転速度Ｎのふらつきはなくなり、セントラ
ル・ホワールによる振動を無視できる程度にまで小さく
抑えることができるのである。

なお、本実施例にいおいては、部分負荷時では、全く同
期機と同様の特性をもつので、このときには、従来の水
車発電機と同様、調速器19は水車出力調整信号発生器２
信号によりコントロールされる。

また、このときまでの指令値Iq^＊は、高いレベルに設定
されすぎると高圧制御の妨害にもなるので、第12図に示
すように、切換え時の値I_ql ^＊から、待期時の値I_qo ^＊に
下げるようになつている。そして、この下げるスピード
は、ｄ軸成分電流指令発生器13の応答速度より充分遅く
とり、最終的には、となるようにし、指令値Id^＊の方はId₁ ^＊からId^＊に変
化させる。

次に、第６図において、Ｃ点の運転点から、Ａ点の負荷
に対応する指令がきた場合には、Ｂ点を通過するところ
で切換えを行う。切換えを行うときは、第13図に示すよ
うに、指令値Iq^＊をIqo^＊から徐々に上昇させ、位相検
出器２の信号が周波数発生器11の信号と一致した時点の
時刻t₂で、切換器12,14,20を再切換えする。なお、この
ときでも、励磁状態は全く前と同じであり、系統にじよ
う乱を与えることはない。

このように、本実施例によれば、セントラル・ホワール
等の不安定励動の生じやすい部分負荷領域では、同期機
なみの制動効果をもたせることができるため、不安定振
動現象を問題ないレベルまで抑えることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、原動機の不安定振動領域における運動
において、同期トルクなみの強い制動力をもたせること
ができるので、不安定振動を小さく抑制することがで
き、可変速発電システムの運転性向上が得られ、適用範
囲を広げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による可変速発電システムの一実施例を
示すブロツク図、第２図は上記実施例における電流指令
発生器の詳細を示すブロツク図、第３図は同じく実施例
におけるサイクロコンバータの１相分の詳細を示すブロ
ツク図、第４図は可変速発電システムの従来例を示すブ
ロツク図、第５図は水車効率の説明図、第６図はシステ
ムの運転点を示す説明図、第７図は従来のシステムの振
動の説明図、第８図は本発明の一実施例の振動の説明
図、第９図は可変速発電機の磁極の説明図、第10図は同
期化トルクの説明図、第11図は切換え時の説明図、第12
図は切換後の指令値の説明図、第13図は再切換え時の説
明図である。１……可変速発電機、２……位相検出器、３……水車、
７……サイクロコンバータ、９……電流指令発生器、11
……周波数発生器、12,14,20……切換器、13……ｄ軸成
分電流指令発生器、15……ｑ軸成分電流指令発生器、16
……一定ｑ軸成分発生器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者名倉理茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者白田伸作茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者北英三大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者中川博人大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者大野泰照大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電力系統に接続された交流励磁型可変
速発電機と、この可変速発電機の回転子回転位置と上記
交流電力系統の電圧との位相差を検出する位相検出器と
を備え、この位相差検出器の出力信号により上記交流励
磁型可変速発電機に対する交流励磁を行なう方式の可変
速発電システムにおいて、所定の一定周波数の信号を発
生する周波数指令信号発生手段と、該周波数指令信号発
生手段の出力と上記位相検出器の出力信号の一方を任意
に選択して出力する切換手段と、該切換手段の出力によ
り上記可変速発電機に対する交流励磁電力を発生する交
流励磁手段とを設け、上記可変速発電機の負荷領域に応
じて上記切換手段を切換制御するように構成したことを
特徴とする可変速発電システム。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、上記交流
励磁手段が上記交流電力系統から給電されるサイクロコ
ンバータを含み、このサイクロコンバータの変換電力容
量の上限値で定まる上記可変速発電機の運転可能回転数
に応じて、上記切換手段の切換制御が行なわれるように
構成されていることを特徴とする可変速発電システム。