JP3812142B2 - 可変速発電システムの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は可変速発電システムの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、電力系統の周波数調整及び系統安定化のためにGTO変換器やサイクロコンバータで二次側を励磁される可変速揚水発電システム及び可変速フライホイールシステムなどが用いられている。これらのシステムでは発電所スペース、経済性などを考慮して発電電動機の励磁装置と始動装置とを兼用した自己始動方式が用いられている。可変速発電システムの発電電動機には巻線型誘導機もしくは交流励磁同期機が用いられている。このため、二次励磁装置は、システムが系統から切り離されて運転される自己始動から系統投入後のシステム運転まで安定した電流制御が必要となる。従来、この種の電流制御方式としては特開平2− 246797号公報及び文献「ACサーボシステムの理論と設計の実際(総合電子出版社、1995年5月8日出版)」に記載されているものが知られている。すなわち、二次励磁電流を回転座標軸のd,q軸成分に分解してそれらの相互干渉をなくすための非干渉方式が提案されている。しかし、この方式は非干渉制御の一般的な解析であり、発電電動機の固定子側漏れインダクタンスが自己始動及びシステム運転などに応じて大きく変化するものに対しては、制御が追従できず運転状態が不安定になるという問題がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、自己始動時及び系統へ並入した後のシステム運転時において安定な制御を可能とする可変速発電システムの制御装置を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明による可変速発電システムの制御装置は、回転子巻線電流を電流指令に合わせるように励磁用電力変換器にスイッチング指令を与え、可変速発電システムの複数の運転状態に応じて電流制御ゲインを切り替える。ここで、複数の運転状態とは、例えば可変速発電システムが系統に連系される系統並入運転状態及び系統から切り離される自己始動状態である。本発明によれば、運転状態に応じて電流制御ゲインを切り替えるので、可変速発電システムの安定な制御が可能になる。
【0005】
ここで、好ましくは、電流指令を、固定子巻線側の有効電力を有効電力指令に合わせるための電流指令とする。また、好ましくは、回転子巻線電流を、回転座標軸におけるd軸またはq軸電流とし、電流指令をd軸またはq軸電流指令とし、電流制御ゲインd軸またはq軸電流制御ゲインとしたり、さらに、このq軸電流を固定子巻線側の有効電力を有効電力指令に合わせるためのq軸電流指令としたりする。これらによれば、高速な電力制御ができる。
【0006】
また、本発明による可変速発電システムの制御装置は、交流発電電動機の固定子巻線電圧を電圧指令に合わせるように励磁用電力変換器にスッチング指令を与え、可変速発電システムの複数の運転状態に応じて電圧制御ゲインを切り替える。本構成によれば、上記構成と同様に安定な電力制御ができるとともに、安定な電圧制御が可能になる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、図1及び図2を用いて本発明の一実施例について説明する。図1に可変速揚水発電システムの構成図を示す。図1において、電力系統VOから主変圧器Mtr及び同期投入遮断器33を介して発電電動機36に接続し、一方、同期投入遮断器33は始動用遮断器34を介して短絡回路35に接続されている。また同じ主変圧器Mtrからさらに励磁用トランスEtrを介して励磁装置37を接続し、この励磁装置37により可変周波数の交流を発生して前記の発電電動機36の回転子巻線を交流励磁するものである。励磁装置37は交流を直流に変換する順変換器(コンバータ)38,順変換器38の出力電圧リプルを低減するためのコンデンサ39,コンデンサ39の直流をさらに所望の周波数の交流に変換する逆変換器(インバータ)40から構成される。なお、この励磁装置37はサイクロコンバータでも構成できる。
【0008】
励磁電流調節器32により逆変換器40を制御して可変周波数の交流を出力するが、この交流の位相を、固定子側に接続した固定周波数交流の電圧位相と発電電動機の回転位相から決定し、発電電動機の回転子側に流れる電流、すなわち励磁電流が所定の大きさと位相になるように励磁装置の出力電圧を制御する。励磁電流調整器32の制御としては発電電動機の誘起電圧を発生させるd軸方向の電流成分Idとこれに電気的に直交し、発電電動機の誘起電圧には無関係に有効電力のみが変化するq軸方向の電流成分Iqの2軸に励磁電流を分解して制御する。そしてこれらの軸方向は固定子側に接続した固定周波数の交流の電圧角周波数と発電電動機の回転角周波数から一意に決定できるので、電圧角周波数検出器28と回転角周波数検出器29の出力からすべり角周波数ωs*を励磁角周波数検出器30で演算し上記のd軸方向とq軸方向を決定することができる。スイッチ素子SW1は自己始動時のすべり角周波数指令△ωs*及び電圧角周波数検出器28の出力を切り替えるためのスイッチ回路である。
【0009】
励磁電流検出器31は、電流検出手段50によって検出される可変周波数の交流電流を励磁角周波数検出器30で演算されたωs*から励磁電流位相を演算し、その結果からd軸の電流成分(無効電流)Idとq軸の電流成分(有効電流)Iqを検出する。
【0010】
有効電力の制御を行うためには、前記q軸方向の電流を制御すればよいので有効電力調節器21はその制御出力としてq軸電流指令Iq*を出力する。また、交流電圧の制御を行うためには前記d軸方向の電流を制御すればよいので交流電圧調節器27はその制御出力としてd軸電流指令Id*を出力する。
【0011】
励磁電流調節器32では、励磁電流検出器31により検出したd軸方向の電流とq軸方向の電流がそれぞれ交流電圧調節器27,有効電力調節器21の出力に一致するように制御する。励磁電流調節器32の出力信号(変調波信号)はゲートパルス発生器41で搬送波信号と比較され、それによって得られたPWMパルス信号は逆変換器40にスイッチング指令(ゲート信号)を与える。一方、励磁電流調節器32には自己始動時用のd,q軸電流指令Ids*,Iqs*が入力されている。このように、自己始動時用に個別に電流指令を設けることにより、後述するように、制御ゲインの切り替えとともに、システムの運転状態に応じた安定した電流制御が可能になる。なお、有効電力調整器21にIqs*を出力する機能を持たせてもよい。
【0012】
交流電圧検出器26は電力系統VOの大きさを検出し、交流電圧調節器27はこの検出した交流電圧VLが電圧指令Vc*に一致するようにd軸電流指令Id*を調整して交流電圧を制御する。
【0013】
速度検出器25は発電電動機の回転速度を検出する。速度調節器23は前記速度検出器25で検出した発電電動機の回転速度が速度指令値Nc*に一致するように有効電力補正量△Pを調節する。スイッチ素子8は自己始動の別方式を構成するもので、速度調節器23の出力△Pを有効電力演算器22及びq軸電流指令Iqs*に切り替えるためのスイッチ回路である。有効電力演算器22は外部有効電力指令Pc*に有効電力補正量△Pを加算し内部有効電力指令値Ps*を出力する。
【0014】
有効電力調節器21は、電流検出手段51により検出される発電電動機から系統への出力電流及び電圧検出手段60により検出される発電電動機の出力電圧から、有効電力検出器24で検出したシステムの有効電力が内部有効電力指令値Ps*に一致するようにq軸電流指令Iq*を調整してシステムの有効電力を制御する。
【0015】
一方、順変換器38は順変換器の入力電流及び出力電圧をもとに直流電圧が一定となるように電圧調節器42で制御され、ゲートパルス発生回路43からスイッチング指令が与えられる。以上のようにして可変速揚水発電システムはシステムの有効電力を制御している。可変速発電システムとしての運転は同期投入遮断器33投入,始動用遮断器34開放,スイッチ素子SW1b側,d軸電流指令Ids*とq軸電流指令Iqs*は切り離し、実質的には両者とも“0”の条件で行われる。一方、自己始動は発電電動機の一次側を短絡するために同期投入用遮断器33開放し、始動用遮断器34投入して発電電動機36の一次側を短絡する。続いて、スイッチ素子SW1をa側に設定し、さらにd,q軸電流指令Ids*,Iqs*を与える(Id*とIq*は切り離す)ことにより発電電動機36をすべり周波数ωs*に応じて速度を上昇させる。
【0016】
ところで、本発明者の検討によれば、可変速揚水発電システムでは発電電動機36の一次側、すなわち固定子側は自己始動時、系統並入前の交流電圧制御時並びに系統並入後のシステム運転などの条件でインピーダンスが大きく変化する。図2に、発電電動機36の一相分の等価回路(抵抗分無視)を示す。同図より回転子側の漏れインダクタンスは一定値となるが、固定子側の漏れインダクタンスは自己始動に対し交流電圧制御では一般に約20%、またシステム運転時には約60%増加する。したがって、運転条件すなわち固定子側インピダンスすべての範囲を高速で、かつ安定な電流制御を行うためにはd,q軸電流の制御ゲインを切り替える必要がある。また、自己始動の別方式としてq軸電流指令Iq*の代わりに速度調節器23の出力△Pを加えても同様に速度を上昇させることができる。
【0017】
図3に、本発明による自己始動及びシステム運転を行う場合の励磁電流調節器32の一例の詳細図を示す。本例は非干渉制御方式を用い非干渉制御ゲインを切り替えるものである。スイッチ素子SW2,SW3は自己始動とシステム運転時のd,q軸電流指令Ids*,Iqs*とId*,Iq*を切り替えるためのスイッチ回路、d軸電流調節器1はd軸電流指令Id*またはIds*と無効電流Idとの偏差を演算し、d軸電圧指令ed1*を算出する。一方、q軸電流調節器2はq軸電流指令のIq*またはIqs*と前記有効電流Iqの偏差を演算し、q軸電圧指令eq1*算出する。また、非干渉制御回路10は掛算器3及び4,制御ゲインに相当する自己始動用漏れインダクタンス定数5a及び5bとシステム運転用漏れインダクタンス定数5b及び6b,スイッチ素子SW4及びSW5から構成されており、自己始動及びシステム運転時に応じてスイッチ回路を切り替え補償電圧ed2*及びeq2*を演算し、出力する。減算器7はd軸電流調節器1の出力ed1*とスイッチSW5の出力ed2*を減算しd軸電圧指令ed*を出力するための回路、また加算器8はq軸電流調整器2の出力eq1*とスイッチSW4の出力eq2*を加算し、q軸電圧指令eq*を出力するための回路である。2相/3相変換器9は基準位相信号に基づいてd,q軸電圧指令ed*及びeq*から三相の電圧指令eu*,ev*,ew*を出力する。
【0018】
上記の回路において自己始動時はスイッチ素子SW2〜SW5をa側に設定することにより、発電電動機36には所定のd,q軸電流Id,Iqが流れすべり周波数ωs*に応じて加速される。続いて発電電動機36の速度が同期速度近傍に達するとシステム運転にする。このためスイッチ素子SW2〜SW5をb側に設定することによりシステムはd,q軸電流指令Id*,Iq*に応じて動作する。この結果、非干渉制御ゲインを自己始動及びシステム運転時に応じて切り替えることにより安定な電流制御ができ、さらに信頼性が向上できる。
【0019】
以上のようにして、発電電動機の二次励磁電流を回転座標軸のd,q軸成分に分解して制御し、それぞれd,q軸成分の制御ゲインを自己始動及びシステム運転毎に設け、両者の運転に応じて制御ゲインを切り替えることにより自己始動からシステム運転まで安定した電流制御ができるので信頼性を向上できる。
【0020】
図4は本発明の他の実施例である。図1,図3と同一物には同じ番号を付しているので説明を省略する。図1,図3と異なる点はすべり角周波数演算器43,基準位相発生器44並びにスイッチ素子10を設けたところにある。すべり角周波数演算器43は速度調節器23の出力Iqs*とd軸電流指令Ids*からすべり角周波数ωs*(ωs*=1/T2・Iqs*/Ids*)を演算する。またスイッチ素子10は自己始動とシステム運転の切り替えのためのスイッチ回路、基準位相発生器44はすべり角周波数(ωss*またはωs*)から2相/3相変換器9の基準位相となるSINθ及びCOSθを発生する回路である。自己始動時にはスイッチ素子(SW2,SW3,SW10)をすべてa側に設定し、速度指令Nc*(ωc*)を与えることにより、回転周波数ωrに応じてすべり角周波数ωs*が演算され前述の場合と同様に速度を上昇させることができる。
【0021】
図5は本発明の他の実施例である。可変速発電システムでは交流電圧制御においても電流制御系と同様に、発電電動機固定子(一次)側の回路インピーダンスが開放時とシステム運転時で大きく変わる。このため、交流電圧調整器27の補償ゲインを切り替えることにより安定した交流電圧制御が可能になる。交流電圧調整器27aは系統並入前の補償ゲインを、また交流電圧調整器27bは系統並入後の補償ゲインがそれぞれ設定されスイッチ素子9により上記運転状態に応じて切り替える。この結果、発電電動機固定子(一次)側の開放状態からシステム運転まで安定かつ高応答の交流電圧制御ができるので信頼性が向上する。電流制御ゲインを変えない場合で負荷と電流制御系の伝達関数を条件に応じて考慮した電圧制御ゲインを設定すれば高速な電圧制御が可能である。
【0022】
AVRゲイン切り替えと同時にACRゲインを切り替えた場合も同様に最適な応答を得ることができる。
【0023】
図6は本発明の他の実施例である。前述の交流電圧制御が安定に行われない場合、発電電動機固定子(一次)の交流電圧が変動し有効電力制御系が不安定状態になる。このため、有効電力調整器21bの補償ゲインを交流電圧検出器26の出力VLに応じて切り替える。これにより、たとえ交流電圧制御系が不安定になっても有効電力制御が安定でしかも高応答の有効電力制御ができるので信頼性が向上する。電流制御ゲインを変えない場合でも負荷と電流制御系の伝達関数を条件に応じて考慮した有効電力制御ゲインを設定すれば高速な有効電力制御が可能である。
【0024】
図7は本発明の他の実施例における励磁電流調節器を示す。図3と同一物には同じ番号を付しているので説明を省略する。図3と異なる点はd,q軸電流の非干渉制御を非干渉制御ゲインを変えずに、その代わりにd軸電流調節器1及びq軸電流調節器2のゲインを変えていることである。積分定数11及び比例定数12,13はd軸電流の補償ゲイン、スイッチ素子SW6は比例定数12及び13を切り替えるためのスイッチ、加算器14はスイッチ素子SW6の出力及び積分定数11の出力を加算しed1*を出力するための回路である。同様に積分定数16及び比例定数17,18はq軸電流の補償ゲイン、スイッチ素子SW7は比例定数17及び18を切り替えるためのスイッチ、加算器19はスイッチ素子SW7の出力及び積分定数16の出力を加算しeq1*を出力するための回路である。本実施例は、非干渉制御ゲインを一定値(例えば、始動用インダクタンス定数)に設定し、負荷条件に応じて比例定数のゲインをスイッチ素子SW6,7で切り替えてもd,q軸電流の干渉を、抑制することができる。なお、システムの接続されている系統の状況に応じて切り替える手段を用いれば系統事故時(1回線/2回線)の変更に際しても最適な運用ができる。
【0025】
【発明の効果】
本発明によれば、自己始動やシステム運転などの運転条件によらない安定な制御が可能になるので、可変速発電電動機の最適な有効電力または交流電圧(または無効電力)制御が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例における可変速揚水発電システムの回路構成図。
【図2】運転条件によるインピーダンスの変化を説明するための詳細図。
【図3】本発明による励磁電流調節器の一例。
【図4】本発明の他の実施例。
【図5】本発明の他の実施例における交流電圧制御の回路構成図。
【図6】本発明の他の実施例における有効電力制御の回路構成図。
【図7】本発明の他の実施例における励磁電流調節器。
【符号の説明】
1…q軸電流調節器、2…d軸電流調節器、3,4…掛算器、5a〜5b…自己始動用漏れインダクタンス定数、6a〜6b…システム運転用漏れインダクタンス定数、7…減算器、8,14,19…加算器、9…2相/3相変換器、10…非干渉制御回路、11,16…積分定数、12,13,17,18…比例定数、SW1〜SW9…スイッチ素子、Mtr…主変圧器、Etr…励磁用変圧器、Pc*…有効電力指令値、Nc*…速度指令値、Vc*…電圧指令値、VL…系統電圧検出値、Id*…d軸電流指令値、Id…d軸電流検出値、Iq*…q軸電流指令値、Iq…q軸電流検出値、21…有効電力調節器、21b…有効電力調節器(補償ゲイン切り替え機能付)、22…有効電力演算器、23…速度調節器、24…有効電力検出器、25…速度検出器、26…交流電圧検出器、27…交流電圧調節器、27a…交流電圧調整器(系統並入前補償ゲイン)、27b…交流電圧調整器(系統並入後補償ゲイン)、28…電圧角周波数検出器、29…回転角周波数検出器、30…励磁角周波数検出器、31…励磁電流検出器、32…励磁電流調節器、33…同期投入遮断器、34…始動用遮断器、35…短絡回路、36…発電電動機、37…周波数変換装置、38…順変換器、39…コンデンサ、40…逆変換器、41,43…パルス発生回路、42…電圧調節器、43…すべり角周波数演算器、44…基準位相発生器。
Claims (11)
- 固定子巻線と回転子巻線とを有する交流発電電動機と、該回転子巻線に接続した励磁用電力変換器とを備える可変速発電システムの制御装置において、
該制御装置は、回転子巻線電流指令値に前記回転子巻線の電流検出値が一致するように前記励磁用電力変換器を動作させる電流制御手段を備え、
該電流制御手段は、前記可変速発電システムの自己始動時や系統並入時や系統解列時の運転状態に応じて、前記回転子巻線電流指令値と前記回転子巻線の電流検出値との差に対応する誤差量に適用する電流制御ゲインを切り替えることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。 - 請求項1において、前記制御装置の前記電流制御手段がd軸電流成分とq軸電流成分とを直流量として検出する手段を有し、
前記制御装置が、前記交流発電電動機の固定子側有効電力あるいは前記可変速発電システムが電力系統と授受する有効電力が指令値に一致するようにq軸電流成分指令値を決定するq軸電流制御手段と、
前記交流発電電動機の固定子側電圧が指令値に一致するようにd軸電流成分を決定する、若しくは前記可変速発電システムが電力系統と授受する無効電力が指令値に一致するようにd軸電流成分指令値を決定するd軸電流制御手段を備え、
前記制御装置が、前記d軸電流成分検出値と、前記q軸電流検出値とを前記d軸電流成分指令値と前記q軸電流成分指令値とに一致させるように動作することを特徴とする可変速発電システムの制御装置。 - 請求項1において、前記制御装置の前記電流制御手段がd軸電流成分とq軸電流成分とを直流量として検出する手段を有し、
前記自己始動時には、予め設定したq軸電流成分指令値と、予め設定したd軸電流成分指令値とに、前記d軸電流成分の検出値とq軸電流成分の検出値とを一致させるように動作することを特徴とする可変速発電システムの制御装置。 - 請求項1において、前記切り替える電流制御ゲインがq軸電流成分指令値とq軸電流成分検出値との誤差量に適用する第1の電流制御ゲインであることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
- 請求項1において、前記切り替える電流制御ゲインがd軸電流成分指令値とd軸電流成分検出値との誤差量に適用する第2の電流制御ゲインであることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
- 請求項1において、前記切り替える電流制御ゲインが、q軸電流成分指令値とq軸電流成分検出値との誤差量に適用する第1の電流制御ゲインと、
d軸電流成分指令値とd軸電流成分検出値との誤差量に適用する第2の電流制御ゲインとであることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。 - 請求項6において、前記制御装置が、前記d軸電流成分を調整するd軸成分電流調節手段と、前記q軸電流成分を調整するq軸成分電流調節手段と、前記d軸成分およびq軸成分の非干渉制御回路とを有し、前記切り替える電流制御ゲインが、前記第1の電流制御ゲインと第2の電流制御ゲイン、あるいは前記非干渉制御回路の制御ゲインである第3の電流制御ゲインであることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
- 請求項7において、前記d軸成分電流調節手段とq軸成分電流調節手段とが、積分定数と、複数の比例定数とを含み、該複数の比例定数を切り替えて前記第1の電流制御ゲイン と前記第2の電流制御ゲインとを切り替えることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
- 請求項7において、非干渉制御回路が、積分定数と、複数の比例定数とを含み、該複数の比例定数を切り替えて前記第3の電流制御ゲインを切り替えることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
- 請求項2において、前記交流発電電動機の固定子側電圧を指令値に一致するようにd軸電流成分指令値を決定するd軸電流制御手段は、互いに補償ゲインが異なる電圧調節手段を複数個備え、該複数個の電圧調整手段を前記自己始動時や系統並入時や系統解列時の運転状態に応じて切り替えることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
- 請求項2において、前記交流発電電動機の固定子側電圧が指令値に一致するようにd軸電流成分を決定する、若しくは前記可変速発電システムが電力系統と授受する無効電力が指令値に一致するようにd軸電流成分指令値を決定するd軸電流制御手段は、前記指令値と検出値との差に適用する補償ゲインを、前記固定子巻線側の電圧に応じて切り替えることを特徴とする可変速発電システムの制御装置。
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