JP5490503B2 - 同期発電機の調速制御装置及び調速制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、同期発電機の電力系統への同期並入に際して、制御遅れおよびそれに起因する弊害を生じない同期発電機の調速制御装置および調速制御方法に関する。

原動機に連結された同期発電機を電力系統に同期並入（以下、単に並入という。）するには、同期発電機出力の電圧、周波数および位相がそれぞれ電力系統のそれらと略合致しているという同期並列許可条件を満足する必要がある。同期発電機を設置する発電プラントでは、通常、自動同期装置が設置されており、同期発電機の発電出力の電圧、周波数及び位相をそれぞれ監視するとともに、予め設定された整定値の範囲内にあるか否かにより前記同期並列許可条件の具備不備を判定している。この自動同期装置には、自動電圧平衡調整器（６０）、速度調整装置（１５）および同期検出装置（２５）が内蔵されている。なお、前記のように自動同期装置内の制御機器には、その機器名称とともに制御機器番号を括弧内に入れて併記している（以下同様）。

図２は、従来の同期発電機の電力系統への並入制御システムにおける周波数制御（調速制御）の概略を示すブロック図である。この図に示すシステムでは、原動機２に連結された同期発電機４の出力側は、遮断器８を介して電力系統６に接続されており、また電力系統６は計器用変圧器１０を介して前記の自動電圧平衡調整器（６０）１３、速度調整装置（１５）１４および同期検出装置（２５）１５を内蔵する自動同期装置１２に接続されている。

図２に示す従来の並入制御システムでは、以下に示すように調速制御が行われる。電力系統６から計器用変圧器１０を経た系統周波数信号は、自動同期装置１２内の速度調整装置（１５）１４に入力される。一方、原動機２の回転速度（周波数）の測定信号（不図示）もまた自動同期装置内の速度調整装置（１５）１４に入力される。速度調整装置（１５）１４では、入力された系統周波数信号と発電機回転信号との間の偏差が検出される。偏差が所定の整定値の範囲内にある場合には、その他の同期並列許可条件（電圧および位相）を満たすことで、自動同期装置１２から遮断器８に対して投入動作信号が発せられる。

他方、所定の整定値の範囲外であり偏差が検出された場合には、その偏差量に応じた回転速度変更指令が速度調整装置（１５）１４から速度／負荷設定器（６５Ｆ／６５Ｐ）１６に送られる。速度／負荷設定器（６５Ｆ／６５Ｐ）では速度設定値が変更され、調速装置１８では当該変更後の速度設定値に合致させるように、原動機制御操作部２０に操作量信号を発する。この操作量信号の入力を受けた原動機制御操作部２０では当該信号に応じてアクチュエータなどを動作させ、結果として原動機の回転速度が制御される。このような一連のステップは、偏差がなくなるまで連続して行われる。

このように、原動機（同期発電機）の調速制御では、目標値に対して現在値に偏差が発生した場合、その偏差を打ち消すように制御するネガティブフィードバック制御方式が採用される。そして、調速装置１８における不図示の調節部（図２、符号３４参照）では、通常、ＰＩＤ制御が用いられ、各制御動作に必要とされるパラメータが外部から変更できるようになっている。

特開平９−２１５３９４号公報 特開２００３−１３４８９７号公報

しかし、前記のような従来の調速制御では、自動同期装置が制御系に介在し、当該装置に入力された発電機の回転数測定信号および系統周波数信号を比較、判定し、その結果を調速機に出力していたために、制御遅れが発生するという問題があった。この制御遅れは、例えば火力発電所の発電機の並入に際して蒸気量のロスが増加し、また水力発電所における発電機の並入に際しては、有効利用されずに消費される水量が増加するという問題があった。特に、後者の水力発電所の場合、水車（回転体）の慣性力が大きい、あるいは水管の亘長が長いために発生する、速度変動に対する水量調整制御の追従性が悪さなどといった原因に起因して生じる制御遅れをさらに助長することにもなりかねない。

そこで、本発明は、前記課題を解決し、同期発電機の調速制御において、制御遅れによる燃料または水量のロスを生じさせないで同期発電機を電力系統に並入可能な同期発電機の調速制御装置および調速制御方法を提供することを目的とする。

前記目的は、本発明の一局面によれば、原動機と、これに連結された同期発電機と、電力系統に設けられ、当該同期発電機の電力系統への並入時に投入される遮断器と、速度／負荷設定器と、調速装置と、原動機制御操作部とを備え、前記速度／負荷設定器は、前記遮断器の投入、遮断と連動して開閉動作可能で、かつ前記遮断器が投入状態か遮断状態かによって前記電力系統からの系統周波数信号と前記速度／負荷設定器からの目標値信号とを切換え可能な切換スイッチを有し、前記調速装置は、前記切換スイッチにより、前記遮断器が遮断状態にあるときには、前記電力系統から直接、目標値として系統周波数の入力を受け、前記遮断器が投入状態にあるときには、目標値として、前記速度／負荷設定器からの目標値信号の入力を受け、当該目標値に前記原動機の回転速度を一致させるように前記原動機制御操作部への操作量信号を送出するように構成されたことを特徴とする同期発電機の調速制御装置によって達成される。

また、前記目的は、本発明の別の局面によれば、原動機と、これに連結された同期発電機と、その電力系統への並入運転時に投入される遮断器と、当該遮断器の投入、遮断と連動して開閉動作可能な切換スイッチを有する速度／負荷設定器と、調速装置と、原動機制御操作部とを備えた同期発電機の調速制御装置における調速制御方法であって、前記切換スイッチにより、前記遮断器が遮断状態にあるときには、前記電力系統から直接、系統周波数を、また前記遮断器が投入状態にあるときには、前記速度／負荷設定器からの目標値信号を目標値として前記調速装置に入力し、該調速装置では前記目標値に前記原動機の回転速度を一致させるように前記原動機制御操作部への制御動作信号を送出するようにしたことを特徴とする調速制御方法によって達成される。

本発明の調速制御装置は、自動同期装置における速度制御装置を介さずに直接、系統周波数信号を目標値として調速機に導入して調速制御に用いることとしたので、従来技術のような制御遅れが生じず、結果として発電機の電力系統への並入までの間の蒸気量や水量のロスを低減することができる。

本発明の同期発電機の調速制御装置の一例を示す構成図である。 従来の同期発電機の調速制御の一例を示す構成図である。

以下、添付の図１を参照して、本発明の同期発電機の調速制御装置の実施形態について詳細に説明する。図１は、図２に示す従来例を改良して得られた本発明の同期発電機の調速制御装置の一例を示す構成図を示している。この図において、２は原動機、４は同期発電機、６は同期発電機を並入しようとする系統母線、８は発電機遮断器、１０は系統電圧をそれに比例する小勢力の電圧信号（周波数信号）に変成する計器用変圧器、２２は周波数、電圧変換器（以下、Ｆ／Ｖ変換器という。）、２４は切換スイッチ、１６は速度／負荷設定器、１６ａは速度／負荷設定部、１８は調速機、２０は原動機制御操作部、３０は回転検出器である。なお、図１では、本発明に直接関係しない各部や接続線については図示を省略するが、必要な場合には以下で説明することとする。また、図１において図２と同一または共通の各部については、同一の符号で示している。また、図１において、回転検出器３０は、同期発電機４に設置されているように図示しているが、原動機２または同期発電機４のいずれかに設置されてその回転速度を検出するものとする。

図１に示すように、本発明の同期発電機の調速制御装置が、従来例を示す図２と大きく相違するのは、以下の２点である。
（１）同期発電機４が電力系統６に並入されていない状態で、自動同期装置１２を介さずに直接、系統周波数信号を調速機１８に導入し、原動機の調速制御における目標値とした点。
（２）切換スイッチ２４を用い、同期発電機４が電力系統６に並入されているか否かにより調速制御の目標値を変更するようにした点。

系統周波数信号は、電力系統６の系統電圧が計器用変圧器１０において系統周波数を備えた小勢力の電圧信号に変成され、さらにＦ／Ｖ変換器２２において入力されることで、系統周波数に相当する電圧信号（電流信号）に変換されたものである。ここで、Ｆ／Ｖ変換器２２としては、所定の周波数を有する電圧信号を当該周波数に応じた直流電圧出力または直流電流出力に変換する機能を備えた従来公知の機器を用いることができる。出力を直流電流信号にするか直流電圧信号にするかは、当該信号が送られる機器に入力可能な信号の種類によって適宜決定できるが、本実施形態においては直流電圧信号で出力されるものとする。

本発明における調速装置１８としては、従来公知のものを使用できる。調速装置１８は、通常、速度検出部３１、速度調定率設定部３２、偏差検出部３３、調節部３４、原動機制御信号処理部３６を少なくとも含む構成とされる。速度検出部３１は、原動機２または同期発電機４に設けられた回転検出器３０からの出力信号を実際の回転速度に比例する電気信号（本実施形態では直流電圧信号とする。系統周波数信号の種類に合致させるようにするのがよい。）に変換して偏差検出部３３に出力する機能を備えている。また、偏差検出部３３は、加減算回路であり、速度検出部３１からの出力信号と、入力される系統周波数信号との大きさを比較するとともに、さらに速度調定率設定部３２からの出力信号の大きさをも減算して偏差を求める機能を備えている。なお、速度調定率とは、例えば原動機が水力発電におけるタービン水車の場合には、電力系統への並入時に負荷の分担を決定する重要な定数であり、設定部３２では、原動機制御操作部２０からの出力信号に基づいて速度調定率が設定されている。

調節部３４は、原動機２の回転速度の制御を目標値である系統周波数信号とこれからの出力信号とを比較することで行うフィードバック制御、特にはＰＩＤ制御を行う機能を備えている。ＰＩＤ制御動作のためのパラメータは適宜設定可能であり、通常は該パラメータはあらかじめ設定しておく。また、原動機制御信号処理部３６は、原動機制御操作部２０に出力する制御動作信号の増幅などを行うように構成されている。なお、調節部３４の原動機制御信号処理部３６に至る出力経路には、必要に応じてさらに信号選択器などの機器を設けることができる。

速度／負荷設定器（６５Ｆ／６５Ｐ）１６は、図１に示すように、その本来の機能を果たす速度／負荷設定部１６ａと切換スイッチ２４とを備えている。速度／負荷設定部１６ａは、電力系統６から系統周波数の入力を受け（不図示）、これにさらに予め設定された周波数差に相当する分を加減算して目標値信号として出力するものである。また、切換スイッチ２４は、ａ接点スイッチ部２４ａとｂ接点スイッチ部２４ｂとを有しており、これら各部がそれぞれ発電機遮断器８の投入、遮断と連動して開閉動作するうように構成されている。電力系統に並入後には、前記目標値信号が切換スイッチ２４のａ接点スイッチ部２４ａを介して速度／負荷設定器（６５Ｆ／６５Ｐ）１６から調速装置１８に送出される。なお、本実施形態においては、速度／負荷設定器１６が切換スイッチ２４を備える構成としているが、両者は別体の機器として構成することもできる。

次に、本発明の同期発電機の調速制御装置の作用について説明する。電力系統６に同期発電機４を並入していない状態では、遮断器８は未投入で開放状態にあり、これに連動して切換スイッチのｂ接点スイッチ部２４ｂは閉じた状態、ａ接点スイッチ部２４ａは開いた状態とされている（図１参照）。電力系統６から計器用変圧器１０を介して系統周波数を有する小勢力の交流電圧信号に変成された周波数信号は、Ｆ／Ｖ変換器２２により系統周波数信号として直流電圧信号に変換され、ｂ接点スイッチ部２４ｂを経て調速装置１８内に送られる。

一方、同期発電機４の回転速度は、これに配置された回転検出器３０によって検出され、この検出器から当該回転速度に比例する回転速度信号が調速装置１８に向けて出力される。回転速度信号は、調速装置１８内の速度検出部３１において原動機の実際の回転速度に相当する直流電圧信号に変換され、偏差検出部３３に出力される。偏差検出部３３では、系統周波数信号と原動機の実回転速度に相当する信号と、速度調定率設定器３２の出力信号との間で加減算が行われ、これらの信号間の偏差が検出される。この偏差は、偏差検出器３３から偏差信号として出力され、調節部３４に送られる。

調節部３４では、この偏差信号の入力を受けて、予め設定されたＰＩＤ制御パラメータやその他の設定値に基づいて制御演算され、当該偏差をなくすように操作量信号が原動機制御信号処理部３６に向けて出力される。原動機制御信号処理部３６では、この操作量信号を原動機制御操作部２０に送出するに当たり、当該信号に適宜増幅などの処理が施される。

原動機制御操作部２０では、操作量信号の入力を受け、その大きさに応じてアクチュエータなどの動作機器を動作させる。例えば、通常の水力、火力、原子力などの発電プラントでは、このような動作機器は、水管や蒸気管に設けられた制御弁に連結されており、操作量信号の大きさに応じて動作機器を動作させることで、制御弁がその分開閉操作され、流水量や蒸気流量を増減することができる。その結果、タービン水車や蒸気タービンなどの原動機２、ひいてはこれに連結された同期発電機４の回転速度が制御されることになる。

前記の一連の制御動作が連続して行われることで、原動機２の回転速度は系統周波数についての整定値の範囲内に落ち着き、系統周波数に略合致する。

同期発電機４の発電出力の周波数が所定の整定値の範囲に入って系統周波数と略合致し、電圧および位相に関する同期並列条件も満たされた場合、自動同期装置１２は遮断器８に対して投入司令信号を発する。この指令信号により、遮断器８が投入され、電力系統６に同期発電機４が並入されると、切り替えスイッチ２４ではｂ接点スイッチ部２４ｂが開き、ａ接点スイッチ部２４ａが閉じる。これにより、以降は、速度／負荷設定器１６から出力される目標値信号と原動機入力（流量制御弁の開度信号など）との間に偏差がなくなるように、原動機２の調速制御が行われることになる。

なお、本発明における原動機としては、例えば、水力発電プラントにおけるタービン水車、火力発電プラントや原子力発電プラントにおける蒸気タービンなどのほか、エンジン発電機におけるエンジンなどが挙げられる。

以上説明したように、本発明の同期発電機の調速制御装置及び調速制御方法によれば、従来のように自動同期装置を介さずに直接、系統周波数信号を調速装置に入力し、原動機の回転速度信号と比較判定するようにしたので、従来のような制御遅れが生じず、結果として発電プラントにおける流水量や蒸気流量などのロスを大幅に低減できる。

また、本発明の同期発電機の調速制御装置は、同期発電機が電力系統に並入されているか否かで、切換スイッチにより当該同期発電機の調速制御の目標値を系統周波数と既設の速度／負荷設定器からの出力とを切換え、電力系統への並入運転時には、従来の揃速制御を実施することができる。このように、従来の調速制御装置の一部を改良するだけで本発明を実施できるので、改造費用も安価に抑えることができる。

本発明の同期発電機の調速制御装置および調速制御方法は、火力発電所、水力発電所、原子力発電所または各種自家用発電装置などにおいて電力系統に同期並列しなければならない同期発電機の調速制御に適用可能である。

２ 原動機
4 同期発電機
６ 系統母線
８ 遮断器
１０ 計器用変圧器
２２ 周波数、電圧変換器（Ｆ／Ｖ変換器）
２４ 切換スイッチ
１６ 速度／負荷設定器
１８ 調速機
２０ 原動機制御操作部
３０ 回転検出器
３１ 速度検出部
３３、３５ 偏差演算部
３４ 調節部
３６ 原動機制御信号処理部

Claims (2)

1. 原動機と、これに連結された同期発電機と、電力系統に設けられ、当該同期発電機の電力系統への並入時に投入される遮断器と、速度／負荷設定器と、調速装置と、原動機制御操作部とを備え、
   前記速度／負荷設定器は、前記遮断器の投入、遮断と連動して開閉動作可能で、かつ前記遮断器が投入状態か遮断状態かによって前記電力系統からの系統周波数信号と前記速度／負荷設定器からの目標値信号とを切換え可能な切換スイッチを有し、
   前記調速装置は、
   前記切換スイッチにより、前記遮断器が遮断状態にあるときには、前記電力系統から直接、目標値として系統周波数の入力を受け、
   前記遮断器が投入状態にあるときには、目標値として、前記速度／負荷設定器からの目標値信号の入力を受け、
   当該目標値に前記原動機の回転速度を一致させるように前記原動機制御操作部への操作量信号を送出するように構成されたことを特徴とする同期発電機の調速制御装置。
2. 原動機と、これに連結された同期発電機と、その電力系統への並入運転時に投入される遮断器と、当該遮断器の投入、遮断と連動して開閉動作可能な切換スイッチを有する速度／負荷設定器と、調速装置と、原動機制御操作部とを備えた同期発電機の調速制御装置における調速制御方法であって、
   前記切換スイッチにより、前記遮断器が遮断状態にあるときには、前記電力系統から直接、系統周波数を、また前記遮断器が投入状態にあるときには、前記速度／負荷設定器からの目標値信号を目標値として前記調速装置に入力し、該調速装置では前記目標値に前記原動機の回転速度を一致させるように前記原動機制御操作部への制御動作信号を送出するようにしたことを特徴とする調速制御方法。
   

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