JP4631762B2 - 同期発電機用単独運転検出装置 - Google Patents

Description

本発明は系統に連系される同期発電機の単独運転を検出して系統から切り離す同期発電機用単独運転検出装置に関する。

従来、同期発電機用単独運転検出装置は、分散型電源を、逆潮流有りの条件下で高圧配電系統に連系する場合に、この分散型電源の単独運転を防止するために使用されている。
現在開発されている同期発電機用単独運転検出装置としては、例えば特許文献１に開示されているような無効電力変動方式のものがある。即ち、この無効電力変動方式の単独運転検出装置は、同期発電機の自動電圧調整回路（ＡＶＲ）の電圧設定値に対し、微少変動量発生器によって、一定周期の微少変動（ＡＶＲ電圧設定値変動量）を常時与えておくものである。このように構成することにより、この同期発電機には微少の電圧変動が発生することがあるが、系統との連系状態では同期化力によって周波数変化が抑制される。しかし、この同期発電機が単独運転に移行した時には、この同期発電機の端子電圧及び周波数に周期的な変動が発生することになる。そこで、周波数変動量演算部は、ＰＴにより検出する連系点電圧により、周波数変動量Δｆをディジタル演算等で検出するように構成し、この周波数変動量Δｆが所定の一定値を越えたことを判定部が判定した時に、この同期発電機が単独運転に移行したと判定し、この判定により、遮断器のトリップ指令を発生し、同期発電機を系統から切り離す。

また、その他の同期発電機用単独運転検出装置としては、例えば特許文献２に開示されているようなＱＣモード周波数シフト方式のものがある。即ち、このＱＣモード周波数シフト方式の単独運転検出装置は、同期発電機の周波数の変化率を検出し、周波数変化率が正の場合には同期発電機の電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負の場合には同期発電機の電圧を上げ方向に変化させるように、電圧動揺信号を自動電圧調整回路（ＡＶＲ）の電圧設定値に与えておくものである。このように構成することにより、この同期発電機は周波数変動を常時助長するように作用するが、系統との連系状態では同期化力によって周波数変化が抑制される。しかし、この同期発電機が単独運転に移行した時には、周波数変動が拡大することになる。そこで、周波数変動量演算部は、ＰＴにより検出する連系点電圧により、周波数変動量Δｆをディジタル演算等で検出するように構成し、この周波数変動量Δｆが所定の一定値を越えたことを判定部が判定した時に、この同期発電機が単独運転に移行したと判定し、この判定により、遮断器のトリップ指令を発生し、同期発電機を系統から切り離す。
特開平１１−４１８２０号公報 特開２００２−２８１６７４号公報

しかしながら、上記背景技術で述べた特許文献１に開示されている従来の同期発電機用単独運転検出装置にあっては、単独運転を短時間で検出するためにはＡＶＲ電圧設定値変動量を大きくすれば良いことが周知であるが、反面、このＡＶＲ電圧設定値の変動量により、系統連系時の電圧変動も大きくなり、結果的に電力品質の低下を招くと共に、他の制御機器などへの影響を与える恐れがあるという問題点があった。

この問題点は、発電機容量が大きい場合や、同期発電機が配電用変電所から遠方に連系される場合に一層大きくなる。即ち、このような場合、要求される単独運転検出時間を満たすように決められたＡＶＲ電圧設定値変動量に対して、系統連系時の電圧変動量がその許容値を上回ることがあるからである。

一方、特許文献２に開示されている従来の同期発電機用単独運転検出装置にあっては、特許文献１におけるＡＶＲ電圧設定値変動量のような常時変動を印加しないため、系統連系時において電圧変動を生じさせることは無い。しかしながら、特許文献２における同期発電機用単独運転検出装置は周波数変動を常時助長するように作用するため、単独運転発生時に生じる周波数変動だけでなく、系統連系中の周波数外乱（系統周波数の常時変動、力率用コンデンサの投入・開放、他の発電設備の並列・解列、等）をも助長し、同期発電機の安定性を低下させる。特に長亘長電線に連系する場合、同期発電機の安定運転に支障をきたす可能性があるという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、同期発電機の自動電圧調整回路（ＡＶＲ）の電圧設定値に対して一定周期の微少変動（ＡＶＲ電圧設定値変動量）を常時与えることなく単独運転検出が可能として、系統連系中の電力品質の低下、他の制御機器などへの影響を防ぐと共に、系統連系中の周波数外乱を助長することなく単独運転検出が可能として、系統連系中の同期発電機の安定性の低下を防ぎ、系統連系中の同期発電機の単独運転を自家発電設備側で確実に検出して保護することができる同期発電機用単独運転検出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る同期発電機用単独運転検出装置は、遮断器を介して系統電源と連系される同期発電機と共に設置される同期発電機用単独運転検出装置において、前記同期発電機の機械回転周波数または端子電圧周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出器で検出した周波数信号から周波数偏差信号を抽出する周波数変動量演算手段と、単独運転移行時に発生する前記同期発電機固有の動揺周波数成分である最高感度周波数を発振させるように前記周波数偏差信号の位相を調整したものを、制御信号として出力する位相調整手段と、前記制御信号の符号及び大きさを調整する制御量調整手段と、前記制御量調整手段から出力された制御信号の大きさを制限する制御信号制限手段と、前記制御信号制限手段から出力された制御信号を前記同期発電機の自動電圧調整回路の電圧指令値に補正信号として加算する手段と、連系点の周波数変動量が整定値を超えたときに前記同期発電機の単独運転として判定する手段と、を具備したことを特徴とする同期発電機用単独運転検出装置を提供するものである。

また、前記同期発電機用単独運転検出装置において、前記最高感度周波数は、Ｍを発電機慣性定数［ｓ］とし、δgovをガバナ調定率［％］とし、ＴMを原動機時定数［ｓ］とする時、（１）式であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明の同期発電機用単独運転検出装置によれば、系統へ流出する有効電力と無効電力とが共にゼロ近傍となるような環境、即ち、単独運転検出が最も困難な条件下においても、短時間で確実に同期発電機の単独運転の検出が可能であり、しかも系統連系中には不要な無効電力変動（電圧変動）を生じさせることもないので、系統連系中の電力品質の低下を防ぐと共に、他の制御機器に対して連鎖的な悪影響を与えることがなく、系統連系中の周波数外乱を助長することがないため、系統連系中の同期発電機の安定性が低下することがない同期発電機用単独運転検出装置を提供することができる効果がある。

以下、本発明の同期発電機用単独運転検出装置の最良の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る同期発電機用単独運転検出装置を含む電源系統の全体構成を示す構成図である。

図１に示す電源系統は、無限大電源、上位系、配電用変電所、開放点遮断器、特別高圧電線を経て分散型電源施設に至るものであり、この分散型電源施設には、主要な構成要素である同期発電機の他、本発明の実施形態に係る同期発電機用単独運転検出装置である単独運転検出装置１が設置されている。

単独運転検出装置１は、同期発電機の機械回転周波数（または端子電圧周波数）を検出する周波数検出器１１（周波数検出手段）と、機械回転周波数（または端子電圧周波数）から周波数偏差信号を抽出する周波数変動量演算部１２（周波数変動量演算手段）と、特定の固有周波数（後述する最高感度周波数）成分を発振させる位相調整部１３（位相調整手段）と、周波数偏差信号が所定値以上になったことを検出する周波数リレー１４（判定手段）と、出力する制御信号の符号（正負）と大きさとを決定する比例ゲイン１５（制御量調整手段）と、前記制御信号の大きさを制限する出力リミッタ１６（制御信号制限手段）と、周波数偏差信号が所定値以上となった状態の経過時間を計測するタイマー１７（判定手段）と、を備えて構成される。

以下、図１を参照し、単独運転検出装置１の各構成要素の動作を説明する。
周波数検出器１１は、同期発電機の機械回転周波数ｆ（または同期発電機の端子電圧周波数）を検出する。

周波数変動量演算部１２は、機械回転周波数ｆ（または同期発電機の端子電圧周波数）から周波数偏差信号Δｆを抽出する。
位相調整部１３は、周波数変動量演算部１２からの周波数偏差信号Δｆを入力し、特定の固有周波数（後述する最高感度周波数）成分を発振するように調整されており、比例ゲイン１５及び出力リミッタ１６を介して、周波数偏差信号Δｆから制御信号を生成する。

周波数リレー１４は、周波数偏差信号Δｆが所定の設定値を超えたことを検出する（なお、周波数リレー１４は、周波数検出器１１からの周波数ｆを入力信号とし、そこから周波数変動率ｄｆ／ｄｔを求め、この周波数変動率ｄｆ／ｄｔが所定の設定値を超えたことを検出するように構成することも可能である）。

比例ゲイン１５は、制御信号の符号（正負）及び大きさを調整して出力リミッタ１６に伝達する。
出力リミッタ１６は、制御信号の大きさを制限する。

なお、単独運転検出装置１から出力される前記制御信号は、前記同期発電機の自動電圧調整回路（ＡＶＲ）の電圧指令値に加算される。このように構成することにより、前記制御信号の内、特定の固有周波数（後述する最高感度周波数）成分は、前記同期発電機と単独運転検出装置１との間で正帰還されることになる。

タイマー１７は、周波数偏差信号Δｆが所定値以上に達した状態の経過時間を計測し、この経過時間が所定の設定時間以上に達した時に、単独運転検出遮断器トリップ信号を出力する（なお、タイマー１７は、周波数変動率ｄｆ／ｄｔに基づいて単独運転の検出・判定を行うように構成することも可能である）。

なお、この単独運転検出遮断器トリップ信号は、同期発電機の出力系統に介入する遮断器をトリップさせて、電路を開放させる機能を有する。
図２は、本発明の実施形態に係る同期発電機用単独運転検出装置の１例としての動作特性を示す制御ブロック図を示す。

以下、図２を参照して、本発明の実施形態に係る同期発電機用単独運転検出装置の動作特性を説明する。
単独運転移行時の周波数ｆは、或る固有の周波数で振動する（以下、この周波数を「最高感度周波数」と呼称する）。

Ｍを発電機慣性定数［ｓ］とし、δgovをガバナ調定率［％］とし、ＴMを原動機時定数［ｓ］とすると、最高感度周波数ｆs［Ｈｚ］は、（１）式で表せる。

単独運転の範囲内にある負荷と、同期発電機の出力とがほぼ釣り合った状態で、同期発電機が単独運転に移行した場合、連系点の電圧ｖ、周波数ｆは殆ど変化しないため、このままでは、周波数リレー１４は、単独運転に移行したことを検出できず、よって、単独運転が継続してしまう。

しかし、ここで、単独運転検出装置１は、単独運転移行時に発生する僅かな最高感度周波数の初期振動を周波数検出器１１により検出して、以上の構成要素により制御信号に変換し、前記同期発電機との間で正帰還させることにより、増幅効果を得て、発電機の単独運転を確実に検出することができる。

しかも、最高感度周波数以外の周波数帯域の入力信号は正帰還しないため、連系時の周波数変動（系統周波数の常時変動、力率改善用コンデンサの投入・開放、他の発電設備等の並列・解列、等）には応答せず、よって、連系中の無効電力（あるいは電圧）の過大変動を発生させることがなく、系統連系中の周波数外乱を助長することがなく、系統連系中の同期発電機の安定性が低下することがない同期発電機用単独運転検出装置を実現することができる。

図３は、図１に示した電源系統において、同期発電機が単独系統に移行した場合（開放点遮断器開放）の１例としての線形動作特性を表すブロック図を示す。
但し、同期発電機には制動巻線の効果、電機子抵抗、電機子鎖交磁束の微分、飽和を無視した過渡モデルを採用し、周波数リレー、遮断器等の保護装置、リミッタ等の非線形要素は無視している。

また、Ｍは慣性定数、Ｄは固有制動トルク係数、Ｔ'doはｄ軸開路過渡時定数、Ｗω(s)は単独運転検出装置１のブロック、ＧA(s)はＡＶＲブロック（励磁機も含む）、ＧGov(s) はガバナブロック、Δωは角周波数変動、ΔＶtは端子電圧変動、ΔＶrefは電圧設定値変動、ΔＥfdは界磁電圧変動、Δｅ’qは内部電圧変動、ΔＴe は電気トルク変動、ΔＴm は機械トルク変動、ｓはラプラス演算子を、それぞれ示している（図３に示す角周波数ωは、周波数ｆと同等と見做して構わない）。

なお、図３に示すＫ2 ，Ｋ3 ，Ｋ6は、それぞれ同期機特性定数であり、（２）式〜（７）式で求められる。

id0：電機子電流d軸成分
iq0：電機子電流q軸成分
ed0：端子電圧d軸成分
eq0：端子電圧q軸成分
xd：d軸同期リアクタンス
xd'：d軸過渡リアクタンス
xq：q軸同期リアクタンス
Eqo'：d軸磁束鎖交数に比例した電圧
ここで、Ｒl，Ｘlを、負荷のインピーダンスとすると、（５）式〜（７）式が得られる。

今、図３において、電力系統安定化機能を有する単独運転検出装置１を経由したΔωからΔＴeまでの伝達関数Ｇω(s)は、（８）式及び（９）式で表せる。なお、Ｗω(s)は単独運転検出装置１の伝達関数（補償関数）であり、ＧR(s)はＡＶＲ制御系を含む界磁回路の伝達関数（被補償関数）である。

図４は、図１に示した電源系統において、同期発電機が単独系統に移行した場合（開放点遮断器開放）の１例としての伝達関数特性を表すブロック図を示す。
同図は、単独運転検出装置１を経由したΔωからΔＴeまでの伝達関数ブロックＧω(s)を示しており、単独運転検出装置１を経由したΔωからΔTeまでの伝達関数において、対象とする最高感度周波数ｆs ［Ｈｚ］の位相が１８０［ｄｅｇ］（または−１８０［ｄｅｇ］）になるように単独運転検出装置１の位相調整部１３の制御ブロック定数を調整する。なお、比例ゲイン１５の比例ゲイン値、及び出力リミッタ部１６のリミッタ値は、最高感度周波数ｆs における制御効果、また他の周波数領域への影響を考慮して設定する。

この実施形態によれば、単独運転検出装置１は最高感度周波数ｆs に対して負の制動トルクを与えることになり、単独運転移行時に同期発電機に発生する最高感度周波数ｆs ［Ｈｚ］の電力動揺に対しては、固有周波数変動（最高感度周波数）成分のみを増大（発振）させる正帰還伝達関数を実現することで単独運転を検出することが可能となる。

図５は、図１に示した電源系統において、同期発電機用単独運転検出装置が無効の場合の単独運転移行時の周波数波形を示すグラフである。
図１に示した本発明の実施形態に係る同期発電機用単独運転検出装置（単独運転検出装置１）を含む電源系統の構成において、開放点潮流が概ね零になるように負荷を調整しておき、また、開放点の遮断器を無事故で開放したところ、その結果として、図５のグラフに示す周波数波形が得られた。

図６は、図１に示した電源系統において、同期発電機用単独運転検出装置が有効の場合の単独運転移行時の周波数波形を示すグラフである。
図１に示した本発明の実施形態に係る同期発電機用単独運転検出装置（単独運転検出装置１）を含む電源系統の構成において、単独運転検出装置１が有効の場合の単独運転移行時の周波数波形（図６）からは、図５に示す波形では単独運転移行後の周波数が単独運転検出不可能な微小変化で収束してしまっているのに対し、図６に示す周波数波形では単独運転移行後の周波数変化が増大しており、単独運転移行後の最高感度周波数ｆs の振動が単独運転検出装置１により、効果的に正帰還されていることを示している。このことから本実施形態に係る同期発電機用単独運転検出装置により、短時間で確実に単独運転検出が可能であることが分る。

本発明の実施形態に係る同期発電機用単独運転検出装置を含む電源系統の全体構成を示す構成図である。 本発明の実施形態に係る同期発電機用単独運転検出装置の１例としての動作特性を示す制御ブロック図を示す。 図１に示した電源系統において、同期発電機が単独系統に移行した場合（開放点遮断器開放）の１例としての線形動作特性を表すブロック図を示す。 図１に示した電源系統において、同期発電機が単独系統に移行した場合（開放点遮断器開放）の１例としての伝達関数特性を表すブロック図を示す。 図１に示した電源系統において、同期発電機用単独運転検出装置が無効の場合の単独運転移行時の周波数波形を示すグラフである。 図１に示した電源系統において、同期発電機用単独運転検出装置が有効の場合の単独運転移行時の周波数波形を示すグラフである。

符号の説明

１ 単独運転検出装置（本発明の同期発電機用単独運転検出装置）
１１ 周波数検出器
１２ 周波数変動量演算部
１３ 移送調整部
１４ 周波数リレー
１５ 比例ゲイン
１６ 出力リミッタ
１７ タイマー

Claims (2)

1. 遮断器を介して系統電源と連系される同期発電機と共に設置される同期発電機用単独運転検出装置において、
   前記同期発電機の機械回転周波数または端子電圧周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記周波数検出器で検出した周波数信号から周波数偏差信号を抽出する周波数変動量演算手段と、
   単独運転移行時に発生する前記同期発電機固有の動揺周波数成分であって、Ｍを発電機慣性定数［ｓ］とし、δgovをガバナ調定率［％］とし、ＴMを原動機時定数［ｓ］とする時、（１）式で求められる最高感度周波数を発振させるように前記周波数偏差信号の位相を調整したものを、制御信号として出力する位相調整手段と、
   前記制御信号の符号及び大きさを調整する制御量調整手段と、
   前記制御量調整手段から出力された制御信号の大きさを制限する制御信号制限手段と、
   前記制御信号制限手段から出力された制御信号を前記同期発電機の自動電圧調整回路の電圧指令値に補正信号として加算する手段と、
   連系点の周波数変動量が整定値を超えたときに前記同期発電機の単独運転として判定する手段と、
   を具備したことを特徴とする同期発電機用単独運転検出装置。
2. 遮断器を介して系統電源と連系される同期発電機と共に設置される同期発電機用単独運転検出装置において、
   前記同期発電機の機械回転周波数または端子電圧周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記周波数検出器で検出した周波数信号から周波数偏差信号を抽出する周波数変動量演算手段と、
   前記周波数偏差信号の位相を調整したものを、制御信号として出力する位相調整手段と、
   前記制御信号の符号及び大きさを調整する制御量調整手段と、
   前記制御量調整手段から出力された制御信号の大きさを制限する制御信号制限手段と、
   前記制御信号制限手段から出力された制御信号を前記同期発電機の自動電圧調整回路の電圧指令値に補正信号として加算する手段と、
   連系点の周波数変動量が整定値を超えたときに前記同期発電機の単独運転として判定する手段とを備え、
   前記位相調整手段を、前記同期発電機用単独運転検出装置を含む前記同期発電機の単独運転時における角周波数変動から電気トルク変動までの伝達関数において、単独運転移行時に発生する前記同期発電機固有の動揺周波数成分である最高感度周波数の位相が１８０［ｄｅｇ］または−１８０［ｄｅｇ］となるよう調整したこと、を特徴とする同期発電機用単独運転検出装置。