JP3588502B2 - 同期発電機の単独運転検出装置および発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、商用交流電力系統にたとえば自家用同期発電機を連系して運転し、その同期発電機から商用電力系統側に電力を逆潮流することができる同期発電機の単独運転検出装置および発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このように商用電力系統の変電所から配電線を経て需要家の自家用同期発電機が接続され、その同期発電機が商用電力系統に連系して運転され、同期発電機から電力を逆潮流している場合、変電所の送出し遮断器が開かれたときには、自家用同期発電機と配電線との間に介在されているスイッチが遮断されなければならない。もしも仮に、前記送出し遮断器が開かれたままであって、自家用同期発電機が運転を継続している状態では、電力会社作業者の安全確保の問題を生じ、また再び送出し遮断器が閉路されれば、電力潮流の非同期状態での付合わせの可能性が生じる。このように変電所の送出し遮断器が開かれたときには、自家用同期発電機が単独運転されていることを検出する必要があり、この検出結果によって、自家用同期発電機と配電線との間に介在されているスイッチを遮断する必要がある。
【０００３】
或る提案された技術では、同期発電機の出力電圧が一定値になるように界磁電流を調整する自動電圧調整器の出力にさらに、周期的に変動する動揺信号を与え、これによって界磁電流を周期的に変動させる。連系中では、同期発電機に比べて商用電力系統の容量は充分に大きいので、図１０に参照符Ｌ１で示されるように、同期発電機の出力周波数は、たとえば６０Ｈｚであって、一定に保たれたままとなっている。
【０００４】
変電所の送出し遮断器が開いて、同期発電機の単独運転状態となった時刻ｔ１以降では、その同期発電機の運転状況、すなわち負荷の大小の状況に応じて、図１０の参照符Ｌ２，Ｌ３で示されるように、周波数が変動し、その周波数の変動幅ΔＦ１，ΔＦ２で示されるように生じる。負荷が大きく、したがって同期発電機の発電電力が大きいときには、ラインＬ２で示されるようにその周波数変動幅ΔＦ１が大きく、また負荷が小さく、したがって同期発電機の発電電力が小さいときには、ラインＬ３で示されるように発電電圧の周波数の変動幅ΔＦ２が小さい。
【０００５】
この提案された技術では、その周波数の変動幅ΔＦ１，ΔＦ２を、予め定める一定の弁別レベルＡを設定して、連系状態であるか単独運転状態であるかを判断する構成としているので、負荷が小さいときには、周波数の変動範囲が弁別レベルＡ未満となっており、単独運転を検出することができない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、商用交流電力系統に連系されている同期発電機が単独運転状態になったかどうかを確実に検出することができるようにした同期発電機の単独運転検出装置および発電装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、商用交流電力系統に発生電力を逆潮流する同期発電機と、
この同期発電機の出力電圧が予め定める値になるように界磁電流を調整する自動電圧調整器とが備えられる発電装置に設けられる同期発電機の単独運転検出装置において、
予め定める周波数を有しかつ予め定めるピークツウピーク値Ｖｐｐを有し時間経過に伴って変化する動揺信号を発生して、自動電圧調整器に与え、自動電圧調整器によって動揺信号に対応して界磁電流を変化させる動揺信号発生手段と、
同期発電機の出力周波数を、予め定めるサンプリング周期で検出する手段と、
隣接する各回のサンプリング時の検出周波数ｆ _ｎ ，ｆ _ｎ＋１ の差の絶対値│ｆ _ｎ＋１ −ｆ _ｎ │を演算する第１演算手段と、
第１演算手段の出力に応答し、前記検出周波数の差の絶対値を、予め定める時間にわたって累積する第２演算手段と、
第２演算手段の出力に応答し、累積値が予め定める値以上であるとき、同期発電機の単独運転であると判断する手段とを特徴とする同期発電機の単独運転検出装置である。
また本発明は、商用交流電力系統に発生電力を逆潮流する同期発電機と、
この同期発電機の出力電圧が予め定める値になるように界磁電流を調整する自動電圧調整器とが備えられる発電装置に設けられる同期発電機の単独運転検出装置において、
予め定める周波数を有しかつ予め定めるピークツウピーク値Ｖｐｐを有し時間経過に伴って変化する動揺信号を発生して、自動電圧調整器に与え、自動電圧調整器によって動揺信号に対応して界磁電流を変化させる動揺信号発生手段と、
同期発電機の出力周波数を、予め定めるサンプリング周期で検出する手段と、
隣接する各回のサンプリング時の検出周波数ｆ _ｎ ，ｆ _ｎ＋１ の差の絶対値│ｆ _ｎ＋１ −ｆ _ｎ │を演算する第１演算手段と、
第１演算手段の出力に応答し、前記検出周波数の差の絶対値を、予め定める時間にわたって累積する第２演算手段と、
商用交流電力系統と同期発電機との間に介在されるスイッチと、
第２演算手段の出力に応答し、累積値が予め定める値以上であるとき、スイッチを遮断する手段とを含むことを特徴とする発電装置である。
【０００８】
【作用】
同期発電機は、原動機、たとえばガスタービンなどの内燃機関によって駆動されており、その内燃機関の燃料供給流量がたとえば一定に保たれており、商用交流電力系統のたとえば変電所の送出し遮断器が閉じている状態では、その同期発電機の出力、たとえば出力電圧の周波数の変動がごくわずかであり、または零である。したがって検出手段によって予め定めるサンプリング周期、たとえば２０ｍsec で同期発電機の出力電圧の出力周波数をサンプリングして検出し、こうして得られた各サンプリング時の隣接する各回の検出周波数ｆ_n，ｆ_n+1の差の絶対値│ｆ_n+1 −ｆ_n│を第１演算手段によって演算し、この差の絶対値を、予め定める時間、たとえば１sec にわたって累積して積分し、その累積値Ｆを予め定める値αと比較する。前述の変電所の送出し遮断器が閉じていて、商用交流電力系統と同期発電機とが連系している状態では、前記絶対値は小さく、したがって累積値は前記予め定める値α未満である。これによって同期発電機が連系状態であるものと判断することができる。
【０００９】
変電所の送出し遮断器が開放されて同期発電機の単独運転状態になると、本件発明者の実験によれば、同期発電機の出力、たとえば前述の出力電圧の出力周波数が短い周期で細かく変動することが確認された。
【００１０】
第１演算手段によって得られる検出周波数の差の絶対値の累積値が、このような単独運転時には、予め定める値α以上となり、これによって同期発電機の単独運転であることが判断される。
【００１１】
商用交流電力系統に連系される同期発電機の界磁電流を、その同期発電機の出力電圧が予め定める値になるように調整する自動電圧調整器が備えられており、さらに動揺信号発生手段から、予め定める周波数、たとえば１Ｈｚを有しかつ予め定めるピークツウピーク値Ｖｐｐを有し時間経過に伴って変化する振幅可変の動揺信号を発生して自動電圧調整器の出力とともに同期発電機の界磁電流を変化させる。商用交流電力系統のたとえば変電所の送出し遮断器が閉じている状態では、動揺信号によって同期発電機の発電電力のうち、無効電力が変動し、出力電圧はほぼ一定のままである。ところが変電所の送出し遮断器が開放されて同期発電機の単独運転状態になると、その同期発電機によって発電される電力のうち無効電力はほとんど変化せず、電圧が変動する。この電圧変動は、同期発電機から電力を供給している負荷の消費電力変動を生じ、結果的に、周波数変動が生じる。出力電圧の変動が周波数変動に影響を与える度合いは、負荷の大小に応じて変わる。負荷の同期発電機側から見たインピーダンスをＺとし、出力電圧をＶとするとき、同期発電機の出力電力Ｓは、
【００１２】
【数１】

【００１３】
で表される。この電力Ｓは、有効電力と無効電力とのベクトル和である。
【００１４】
このような無効電力動揺方式においてもまた、前述と同様に、同期発電機の出力電圧の出力周波数を予め定める短いサンプリング周期で検出して隣接する各回のサンプリング時の検出周波数の差の絶対値を予め定める時間にわたって累積し、その累積値が予め定める値以上であれば、同期発電機の単独運転であるものと判断することができる。こうして商用交流電力系統の変電所の送出し遮断器が開放した場合、同期発電機の負荷が小さいときにおいても、ガスタービンによって駆動される同期発電機が用いられるとき、同期発電機が複数台並列運転されるとき、および同期電動機が負荷として用いられるときなどにおいても、その比較的小さい周波数変動幅であっても、小さい弁別レベルで確実に検出することができ、こうして単独運転状態を確実に検出することができるようになる。
【００１５】
単独運転であることが検出されると、商用交流電力系統と同期発電機との間に介在されているスイッチを遮断し、これによって商用交流電力系統が回復したときに同期発電機との各出力の位相が非同期状態で接続されることが避けられる。
【００１６】
【実施例】
図１は、本発明の前提となる構成の全体の構成を示す電気回路図である。変電所を含む商用交流電力系統１からは、その変電所の送出し遮断器２を介して配電線３にたとえば６０Ｈｚまたは５０Ｈｚの商用交流電力が需要家４，５に供給される。需要家４では、たとえばコージェネレーションシステムを採用し、原動機６によって回転駆動される同期発電機７を備え、ライン８からスイッチ９，１０を介して配電線３に接続される。スイッチ１０よりも同期発電機７側には負荷１１が接続される。
【００１７】
同期発電機７からライン８に導出される出力電圧の周波数は、周波数検出手段３８によってサンプリングされて検出される。この周波数検出手段３８の具体的な構成は、図２に示されている。
【００１８】
ライン８に接続されるトランスＰＴからの出力電圧ｅは、抵抗Ｒ１を介してツェナダイオードＺＤに与えられ、これによってライン８１，８２間は一定の電圧Ｅとされる。ツェナダイオードＺＤの出力は、コンデンサＣｓに与えられ、さらにダイオードＤ１，Ｄ２によって整流され、コンデンサＣ０によって平滑され、そのコンデンサＣ０に並列の抵抗Ｒ０に与えられる。この抵抗Ｒ０の出力電圧ｅ０が、ライン８３から導出されて図１に示される第１演算回路８４に与えられる。
【００１９】
コンデンサＣｓに流入する交流の半周期毎の電荷量Ｑは、式２で示されるように一定値である。
【００２０】
Ｑ ＝ ２Ｅ・Ｃｓ …（２）
コンデンサＣｓから流れる電流ｉｓは、周波数ｆに比例し、式３が成立する。
【００２１】
ｉｓ ＝ ｆ・Ｑ ＝ ２ｆ・Ｃｓ・Ｅ …（３）
したがって出力電圧ｅ０は、式４で示されるとおりである。
【００２２】

こうして周波数検出手段３８の出力電圧ｅ０は、ライン８の周波数ｆに比例した値となって、常時、出力される。周波数検出方法はこのようなアナログ回路による他に、電圧波形のゼロクロス点をもとにデジタル計算を行う方法でもよい。
【００２３】
こうして周波数検出手段３８は、同期発電機７の出力電圧の周波数を表す電圧ｅ０を導出し、これを予め定めるサンプリング周期、たとえば２０ｍｓｅｃ 毎にサンプリングしてライン８３に導出する。
【００２４】
第１演算手段８４は、周波数検出手段３８の出力に応答し、隣接する各回のサンプリング時の検出周波数ｆ_n，ｆ_n+1の差の絶対値Ｆ _ｎ を演算して求める。
【００２５】
Ｆ_n ＝ │ｆ_n+1 −ｆ_n │ …（５）
第１演算手段８４からの前記検出周波数の差の絶対値Ｆを表す出力は、第２演算手段８５に与えられ、ここで、その値Ｆが、予め定める時間、たとえば１secにわたって累積して演算される。この累積値ＦＳは、式６で示される。
【００２６】
【数２】

【００２７】
第２演算手段８５からの累積値ＦＳを表す信号は、レベル弁別手段８６の一方の入力に与えられ、ここで、設定手段８７によって設定されている予め定めるαと比較される。
【００２８】
累積値ＦＳが、予め定める値αを超えるとき、
α ＜ ＦＳ …（７）
同期発電機７の単独運転であると判断して、スイッチ９および／または１０を遮断する。
【００２９】
図３は、同期発電機７からライン８に導出される出力電圧を示し、この出力電圧は、基本的には、商用周波数であって、周期Ｗ１はたとえば６０Ｈｚの周期に対応している。商用交流電力系統１の変電所から、閉路状態である送出し遮断器２を介して配電線３に電力が供給され、また同期発電機７から発生電力が逆潮流されることもある連系状態においては、同期発電機７の出力電圧は図３（１）に示されるとおりである。したがって周波数検出手段３８の出力電圧ｅ０は、図４（１）に示されるように、脈流成分は含まれておらず、一定値であって、たとえば５Ｖであってもよい。周波数検出手段３８によって検出される周波数は、前述のように２０ｍｓｅｃ のサンプリング周期で検出され、前述の累積値ＦＳは、予め定める値α未満の小さい値である。これによって同期発電機７が商用交流電力系統１と連系状態であることが判断され、レベル弁別手段８６はスイッチ９，１０を導通したままに保つ。
【００３０】
すなわち図５のステップａ１からステップａ２に移り、周波数検出手段３８によるサンプリング動作を行って、ステップａ３では、隣接する各回のサンプリング時の検出周波数の差の絶対値Ｆｎを演算して求める。ステップａ４では、前記値Ｆｎを累積してゆく。ステップａ５では、サンプリング周期２０ｍｓｅｃ が経過したかどうかが判断され、その時間が経過すると、次のステップａ６では、１ｓｅｃ が経過したかどうかが判断され、１ｓｅｃ が経過していなければステップａ２に移り、上述の動作を繰り返す。このようにして、サンプリング周期２０ｍｓｅｃ 毎に検出された値Ｆｎが、１ｓｅｃ にわたって累積されて、累積値ＦＳが求められる。ステップａ７では、１ｓｅｃ にわたる累積値ＦＳが、設定手段８７によって設定されている値αと比較され、累積値ＦＳが予め定められる値αを超えているとき、ステップａ８では、同期発電機７が連系運転状態であるものと判断し、そうでなければステップａ９において同期発電機７は単独運転であるものと判断する。
【００３１】
単独運転時においては、同期発電機７がライン８に導出される周波数出力は、図３（２）に示されるとおりであって、商用周波数の波形に、短い周期で細かく変動する脈流が目立つ波形となる。このような脈流成分は、原動機６の特性に起因するものと本件発明者は考えている。周波数検出手段３８の出力電圧波形は、図４（２）に示されるとおりであって、そのような周波数に対応した電圧成分が得られる。本件発明者の実験によれば、周波数検出手段３８は、ライン８の周波数が６１Ｈｚで５Ｖ、６０Ｈｚで２．５Ｖ、５９Ｈｚで０Ｖが得られる特性を有するとき、同期発電機７の単独運転時において、原動機６がガス燃料を用いる火花点火内燃機関またはディーゼル機関であるときには、第２演算手段８５から得られる１ｓｅｃ にわたる累積値ＦＳは３〜４Ｖであり、ガスタービンであるときには、累積値ＦＳは０．１Ｖであり、これに対して同期発電機７と商用交流電力系統１とが連系状態であるときには、累積値ＦＳは０．０２Ｖであった。このことから、同期発電機７が単独運転状態であるときと、商用交流電力系統１との連系状態であるときとを、レベル弁別手段８６によって正確にレベル弁別することができることが理解される。
【００３２】
図６は、本発明の一実施例の全体の構成を示す系統図である。この実施例は前述の構成に類似し、対応する部分には同一の参照符を付す。この実施例では同期発電機７に関連して自動電圧調整器１９が関連して設けられる。
【００３３】
図７は、同期発電機７の具体的な構成を示す電気回路図である。回転子１２は原動機６によって回転駆動され、固定子の電機子巻線１３は電力を供給するライン８に接続される。この同期発電機７の励磁機１４は、固定位置に設けられる界磁コイル１５を有し、回転子１２は、この界磁コイル１５に磁気結合する交流励磁機１６を備える。交流励磁機１６の出力は整流器１７によって直流化され、界磁巻線１８を励磁する。
【００３４】
励磁機１４の界磁コイル１５を駆動する電流、したがって界磁巻線１８の励磁電流を自動的に調整するために、自動電圧調整器１９が設けられる。この自動的電圧調整器１９には、同期発電機７からライン８に出力される電圧が変圧器２０によって変圧され、整流器２１によって直流化され、さらにライン２２を介して自動電圧調整器１９に与えられる。これによって自動電圧調整器１９は、ライン８の出力電圧が予め定める値になるようにするための自動電圧調整器１９は、励磁電力を界磁コイル１５に与え、こうして界磁巻線１８の界磁電流を調整する。変圧器２０および整流器２１は電圧検出回路２３を構成する。
【００３５】
図８は、動揺信号発生手段２４から導出される動揺信号の波形図である。この動揺信号は、予め定める周波数、たとえば１Ｈｚを有し、その振幅、したがってｐｅａｋ ｔｏ ｐｅａｋ値Ｖｐｐが、予め定める一定の値に定められる。図中、Ｔ＝１ｓｅｃである。
【００３６】
図９は、図６〜図８に示される実施例における周波数検出手段３８の出力電圧ｅ０を示す波形図である。スイッチ９，１０が導通されて同期発電機７が商用交流電力系統１と連系状態であるときには、図９（１）に示されるように、同期発電機７の出力周波数に対応した電圧ｅ０は一定のままであるのに対して、たとえば変電所などの送出し遮断器２が遮断されて同期発電機７の単独運転状態になると、図９（２）に示されるように、出力周波数に対応した電圧ｅ０には、短い周期で細かい脈流成分が含まれるようになる。図９（２）の参照符Ｔで示される周期は、動揺信号の周期であって、前述のようにたとえば１ｓｅｃ である。このような実施例においてもまた、周波数検出手段３８の出力電圧ｅ０を第１および第２演算手段において前述の実施例と同様に演算を行い、累積値ＦＳが、予め定める値αを超えたとき、単独運転であるものと判断されて、スイッチ９および／または１０が遮断される。その他の構成については前述の実施例と同様である。
【００３７】
原動機６は前述のように内燃機関であって、その燃料供給流量が一定に保たれ、たとえばガスエンジン、ガスタービンなどであってもよく、さらにその他、蒸気タービンなどであってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
同期発電機が商用交流電力系統の連系から外れて、単独運転状態になると、出力の周波数は、短い周期で細かく変動することが本件発明者の実験で確かめられており、このような出力周波数を、予め定めるサンプリング周期で検出して隣接する各回のサンプリング時の検出周波数の差の絶対値を予め定める時間にわたって累積し、その累積値が予め定める値以上であるとき、同期発電機の単独運転であると判断するようにすることによって、同期発電機がガスタービンなどによって駆動されるとき、複数の同期発電機が並列運転されるとき、および負荷として同期電動機が用いられるとき、さらには負荷が小さいときなどにおいても、単独運転状態における出力周波数の短い周期で細かく変動する現象は、商用交流電力系統の商用周波数との差異が明確に表れ、こうして単独運転が確実に検出されることになる。
【００３９】
本発明によれば、動揺信号発生手段からの動揺信号を、自動電圧調整器に与えて、同期発電機の界磁電流を変化して同期発電機の出力電圧が予め定める一定の値になるように制御する構成において、そのような動揺信号が存在していても、同期発電機の単独運転を確実に検出することができるという効果が達成される。
【００４０】
また、単独運転であることが検出されると、スイッチが遮断されて商用交流電力系統と同期発電機とが解列され、したがって商用交流電力系統が回復したときに同期発電機との各出力の位相が非同期状態で接続されることが避けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提となる構成の全体の構成を示す系統図である。
【図２】周波数検出手段３８の一部の電気的構成を示す電気回路図である。
【図３】同期発電機７からライン８に導出される出力電圧波形を示す図である。
【図４】図１における周波数検出手段３８からの出力周波数に対応した電圧ｅ０を示す波形図である。
【図５】図１〜図４に示される構成の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の一実施例の全体の構成を示す系統図である。
【図７】図６に示される同期発電機７およびそれに関連する構成を示す電気回路図である。
【図８】図６に示される動揺信号発生手段２４から出力される動揺信号の波形を示す波形図である。
【図９】図６〜図８に示される実施例における周波数検出手段３８の出力周波数に対応した電圧ｅ０の波形図である。
【図１０】先行技術における周波数の変動に時間経過を示す図である。
【符号の説明】
１ 商用交流電力系統
２ 変電所の送出し遮断器
３ 配電線
４，５ 需要家
６ 原動機
７ 同期発電機
８ ライン
９，１０ スイッチ
１１ 負荷
１２ 回転子
１３ 固定子の電機子巻線
１８ 界磁巻線
１９ 自動電圧調整器
２３ 電圧検出手段
２４ 動揺信号発生手段
３８ 周波数検出手段
８４ 第１演算手段
８５ 第２演算手段
８６ レベル弁別手段
８７ 弁別レベル設定手段

Claims (2)

1. 商用交流電力系統に発生電力を逆潮流する同期発電機と、
   この同期発電機の出力電圧が予め定める値になるように界磁電流を調整する自動電圧調整器とが備えられる発電装置に設けられる同期発電機の単独運転検出装置において、
   予め定める周波数を有しかつ予め定めるピークツウピーク値Ｖｐｐを有し時間経過に伴って変化する動揺信号を発生して、自動電圧調整器に与え、自動電圧調整器によって動揺信号に対応して界磁電流を変化させる動揺信号発生手段と、
   同期発電機の出力周波数を、予め定めるサンプリング周期で検出する手段と、
   隣接する各回のサンプリング時の検出周波数ｆ _ｎ ，ｆ _ｎ＋１ の差の絶対値│ｆ _ｎ＋１ −ｆ _ｎ │を演算する第１演算手段と、
   第１演算手段の出力に応答し、前記検出周波数の差の絶対値を、予め定める時間にわたって累積する第２演算手段と、
   第２演算手段の出力に応答し、累積値が予め定める値以上であるとき、同期発電機の単独運転であると判断する手段とを特徴とする同期発電機の単独運転検出装置。
2. 商用交流電力系統に発生電力を逆潮流する同期発電機と、
   この同期発電機の出力電圧が予め定める値になるように界磁電流を調整する自動電圧調整器とが備えられる発電装置に設けられる同期発電機の単独運転検出装置において、
   予め定める周波数を有しかつ予め定めるピークツウピーク値Ｖｐｐを有し時間経過に伴って変化する動揺信号を発生して、自動電圧調整器に与え、自動電圧調整器によって動揺信号に対応して界磁電流を変化させる動揺信号発生手段と、
   同期発電機の出力周波数を、予め定めるサンプリング周期で検出する手段と、
   隣接する各回のサンプリング時の検出周波数ｆ _ｎ ，ｆ _ｎ＋１ の差の絶対値│ｆ _ｎ＋１ −ｆ _ｎ │を演算する第１演算手段と、
   第１演算手段の出力に応答し、前記検出周波数の差の絶対値を、予め定める時間にわたって累積する第２演算手段と、
   商用交流電力系統と同期発電機との間に介在されるスイッチと、
   第２演算手段の出力に応答し、累積値が予め定める値以上であるとき、スイッチを遮断する手段とを含むことを特徴とする発電装置。

Images