JP7475048B2

JP7475048B2 - 誘導発電機の系統並列方法及び装置

Info

Publication number: JP7475048B2
Application number: JP2020206798A
Authority: JP
Inventors: 勉近藤
Original assignee: 株式会社電巧社
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2024-04-26
Anticipated expiration: 2040-12-14
Also published as: JP2022094022A

Description

本発明は、誘導発電機の系統並列方法及び装置に関するものであり、より詳細には、誘導発電機を系統に並列する際、突入電流の発生を極力抑制することで、大容量の発電プラントへの適用を可能にする誘導発電機の系統並列方法及び装置に関するものである。

様々なエネルギー(化石燃料や再生可能エネルギー)を電力に変換する装置として、回転形発電機が使用されている。そのうち主に使用されているのは、同期発電機、誘導発電機、永久磁石発電機であり、とりわけ前二者が多く使用されている。同期発電機は、回転子と固定子それぞれに電磁石を装備し、ファラデーの法則により回転力を電気に変換するタイプのものであり、誘導発電機は固定子に電磁石を配備し、回転子は非磁性金属のかご形回転子とし、非磁性金属表面に発生する渦電流の磁力と固定子磁力の交差により発電を行うタイプのものである。

誘導発電機は、シンプルな構造であって付帯設備が不要のため、経済性が高いという利点がある反面、系統並列時に過大な突入電流が流れ、系統に対して電圧変動などの擾乱を与えるという欠点があることが知られている。そこで、誘導発電機を系統並列するに際しては、突入電流を抑制するための手段を配備することが必要となる。

突入電流を抑制するための第１の手段が、ソフトスタータを経由させる方法である。その場合、サイリスタによる位相制御によって突入電流を抑制させ、電流が充分減少するのを見計らい、短絡用Ｃｔｔでソフトスタータをバイパスさせた後、駆動装置の回転速度を上げて、同期速度以上とすることで発電を開始し、系統に逆潮流させる。その場合、一般的に、突入電流を定格電流の１５０％近辺～５００％近辺までの領域で変更できるようになっているので、現地での設定変更・調整も可能となる。但し、ソフトスタータの利用の場合、サイリスタなどの半導体素子は高電圧化や大容量化に難があり、交流低電圧の６００Ｖ以下、発電出力として５００ｋＷ程度以下が主たる対象となり、適用に制限が伴う。

突入電流抑制の第２の手段が、限流リアクトルを経由させる方法である。その場合、鉄心に導体を巻き付けた、高リアクタンスで短時間定格の限流リアクトルによって突入電流を抑制し、電流が充分減少するのを見計らい、短絡用Ｃｔｔで限流リアクトルをバイパスさせた後、駆動装置の回転速度を上げて、同期速度以上とすることで発電を開始し、系統に逆潮流させる。限流リアクトルは高電圧化や大容量化が容易であるので、広い範囲で利用されているが、制限電流の調整ができないので、設計時に電力会社の系統インピーダンスや、フリッカ抑制指示値をもとに綿密な計画が必要となり、都度設計を要する。また、系統条件の変化があると、再設計、交換が必要となる場合もある。

なお、誘導発電機を系統並列する際の突入電流抑制手段を開示する先行技術文献として、実開昭５７－１９２７３５号公報（特許文献１）及び特開２００２－２３３１９２号公報（特許文献２）がある。特許文献１の考案は、誘導発電機に、励磁電流を上回る進相電流をコンデンサによって与え、積極的に自己励磁現象を生ぜしめ、自立的な発電を行わせるというものであるが、この方法の場合は、大容量の進相コンデンサと可飽和リアクトルが必要となり、構造が複雑となってコスト高となるという問題がある。また、特許文献２の発明も、進相コンデンサによる自己励磁現象を利用した自立発電を実現することを眼目とするもので、特許文献１の考案の場合と同様の問題がある。

実開昭５７－１９２７３５号公報特開２００２－２３３１９２号公報

上述したように、誘導発電機は、同期発電機に比べ低コストで周辺機器も簡易ではあるが、発電機を系統に並列するときに過大な突入電流が流れ、電気的揺動を引き起こすことから、その適用は、主に数百ｋＷ以下の小容量発電プラントに限られ、その適用条件として、突入電流の抑制のために、コストのかかる限流リアクトルやソフトスタータが必須とされる。また、ソフトスタータの場合は電圧適用範囲に制限が伴い、限流リアクトルの場合は、系統条件の変化に伴って再設計、交換が必要となる場合があるといった問題があった。更に、従来提案されている誘導発電機を系統並列する際の突入電流抑制手段の場合も、構造が複雑となり、コスト上の問題があった。

本発明は、かかる従来技術における諸問題を解決するためになされたもので、限流リアクトルやソフトスタータ等のコストのかかる機器を用いることなく、単に駆動系のみの制御で、突入電流を最小限に抑えて系統並列を実現でき、誘導発電機の適用範囲を、大容量の発電プラントにまで拡げることができる誘導発電機系統並列方法及び装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、突入電流の低減を図りながら誘導発電機の系統並列を行うための誘導発電機系統並列装置であって、
前記誘導発電機系統並列装置は、前記誘導発電機と連系用開閉器との間に組み込まれ、回転計から送られてくる前記誘導発電機の回転数を取込んで周波数変換する周波数変換部と、
電力系統から系統周波数を取込む系統周波数取込み部と、
前記周波数変換部から供給される回転数周波数と前記系統周波数取込み部から供給される系統周波数との差を求める比較部と、
前記比較部により求められた周波数の差が設定値以下となるよう、調整弁を制御して発電機駆動装置の回転数を制御する調整弁制御部と、
予め設定されて記憶された漸進時間基準値に、開閉器操作電源電圧の定格値からの変動、周囲温度の影響による差異及び開閉器の経年による動作時間の変動履歴の学習に基づいて補正を施した漸進時間決定値を自動演算する漸進時間演算部と、
同期投入信号を前記連系用開閉器に送信する同期タイミング計算部とを含み、
前記同期タイミング計算部から前記連系用開閉器への前記同期投入信号の送信は、前記漸進時間演算部において求められた前記漸進時間決定値をもとにしたタイミングで行われ、前記系統周波数に近似した回転周波数で連系することで、誘導発電機の過大な突入電流を低減することを特徴とする誘導発電機系統並列装置である。

一実施形態においては、前記調整弁の制御は、開度制御又は回転数に応じたフィードバック制御である。

一実施形態においては、更に、非常停止信号及び内部回路異常信号を発する警報部を含み、また、必要に応じ、低容量の進相コンデンサ設備が付加される。

本発明は、上記のとおりのものであり、限流リアクトルやソフトスタータ等のコストのかかる機器を用いることなく、単に駆動系のみ制御するという、シンプルでさしてコストのかからない方法で、突入電流を最小限に抑えてスムーズな系統並列を実現でき、誘導発電機の適用範囲を、大容量の発電プラントにまで拡げることができる効果がある。

本発明に係る誘導発電機系統並列装置の全体構成図である。本発明に係る誘導発電機系統並列方法の流れを示すフロー図である。回転速度－電流、トルク特性曲線を示す図である。本発明に係る誘導発電機系統並列装置の原理を説明するための等価回路図である。

本発明を実施するための形態について、添付図面に依拠して説明する。本発明に係る誘導発電機系統並列装置２１は、図１に示されるように、誘導発電機１と連系用開閉器２との間に組み込まれて、系統並列時機を制御するための装置である。

並列装置２１は、回転計３から送られてくる誘導発電機１の回転数を取込んで周波数変換する周波数変換部２２と、電力系統から系統周波数を取込む系統周波数取込み部２３と、周波数変換部２２から供給される回転数周波数と系統周波数取込み部２３から供給される系統周波数との差Δｆを求める比較部２４と、比較部２４により求められた周波数の差Δｆが設定値以下となるよう、調整弁４の開度を調整する等により発電機駆動装置５の回転数を制御する調整弁制御部２５を含む。

更に並列装置２１は、予め設定されて記憶された漸進時間基準値に、開閉器操作電源電圧の定格値からの変動、周囲温度の影響による差異及び開閉器の経年などによる動作時間の変動履歴等の学習に基づいて補正を施した漸進時間決定値を自動演算する漸進時間演算部２６と、漸進時間演算部２６において演算された漸進時間決定値をもとにしたタイミングで、同期投入信号を、同期投入信号送信部２８を介して連系用開閉器２の動作コイルに与える同期タイミング計算部２７を含んで構成される。

図１において符号７は、後述するように、皮相電流を抑える必要がある場合にオプションとして配備される、低容量の進相コンデンサ設備７である。この進相コンデンサ設備７は情報伝達の要素であって、本発明の必須条件ではない。符号８は電気状況表示・測定機器であり、系統周波数取込み部２３に周波数情報を伝達するという役目を果たす。また、符号９は主遮断器で、連係動作異常時等において、回路遮断機能を果たす。

本発明に係る誘導発電機の系統並列方法は、突入電流の低減を図りながら誘導発電機の系統並列を行うための方法であって、
系統並列準備段階で、前記誘導発電機の回転数を、系統周波数から求められる同期回転数に予測演算を含めながら調整し、突入を抑える最適条件の近傍で並列を行うことを特徴とする。以下に、上記構成の並列装置２１を用いて実施する、本発明に係る誘導発電機系統並列方法につき、図２に示すフロー図を参照しつつ、ステップごとに説明する。

回転始動ステップ(Ｓ１１)
誘導発電機１の系統並列に際しては、先ず、連系用開閉器２を開放したまま誘導発電機１を、エネルギー源６で回転する駆動装置５によって回転始動し、フリーランさせる。

回転数の周波数変換ステップ(Ｓ１２)
次いで、回転計３から送られてくる誘導発電機１の回転数を、並列装置２１内の周波数変換部２２により取込み、周波数変換する処理を行う。回転数を周波数変換するための計算式を下に示す。
Ｈ_ＺＧ＝（ｎ×Ｐ）／１２０（但し、ｎ：回転数，Ｐ：極数）

周波数差演算ステップ(Ｓ１３)
上記のようにして周波数変換された回転数の周波数Ｈ_ＺＧと、系統周波数取込み部２３により取込まれた系統周波数が比較部２４に送られ、両周波数の差Δｆが求められる。

発電機駆動系の回転数制御ステップ(Ｓ１４)
このステップにおいては、比較部２４において求められた、周波数変換された回転数の周波数Ｈ_ＺＧと系統周波数との差Δｆが、予めΔｆ設定部２９において設定されたΔｆ設定値(一例として差分０～１．０Ｈｚ、０．１Ｈｚ刻みなど)を下回るように調整弁４の開度等の調整を行なうことで、発電機駆動装置５の回転数の制御が行なわれる。この調整弁４の開度等の調整による発電機駆動装置５の回転数制御は、調整弁制御部２５により行われる。調整弁４の制御としては、開度制御のほか、回転数に応じたフィードバック制御も可能である。

並列動作実行ステップ(Ｓ１５)
このステップにおいては、連系用開閉器２の動作時間を想定した漸進時間を加味しながら、並列動作が実行される。その場合、調整弁４によって回転を安定させ、補間計算でΔｆ設定値内に収斂する見通しが得られたら、上述したようにして漸進時間演算部２６において演算された漸進時間決定値をもとにしたタイミングで、同期投入信号が、同期タイミング計算部２７から同期投入信号送信部２８を介して連系用開閉器２の動作コイルに送られることで、誘導発電機１の系統並列が実行されて、逆潮が開始される。なお、系統並列の実行時点において、回転計３の回転数から求められる発電周波数と電源周波数は一致する筈なので、投入が成功したと判断される。

本発明に係る方法及び装置においては、このように系統並列準備段階で、誘導発電機１の回転数を、電源周波数から求められる同期回転数に予測演算を含めながら調整し、突入を抑える最適条件の近傍で並列を行うことを実現することにより、誘導発電機１の欠点とされる、並列時突入電流を抑制する。

上記のとおり、誘導発電機１の最大の欠点は、系統並列時に過大な突入電流が流れ、系統に対して電圧変動などの擾乱を与えるという点にある。この点について、図３の回転速度－電流、トルク特性曲線を参照しつつ説明する。

図３に示すグラフの横軸は回転速度で、０％が停止状態。１００％が理論上の同期回転速度（回転機の極数と系統周波数によって決まる値）である。速度の逆数として滑りｓという概念もあり、同図に付記している。速度０の時の電流倍率は、この事例では６５０％にもなっている。実使用上、回転速度０で系統に並列すると、誘導機はモータとなって、エネルギー媒体の水流や蒸気の噴射に対し、逆方向に回ろうとするので、点線で表示したトルクがピーク近傍になるまで並列させず、フリーラン状態で駆動させる。ピークの停動トルク点を超える近傍で並列させると、反力もなく、以降、スムーズに回転数を上昇させることができる。この付近での電流倍率は、この事例では４５０％程度と未だ高いので、系統に擾乱を与える。

そこで本発明においては、同期回転速度の９８％（滑り２％、５０Ｈｚ周波数差換算１Ｈｚ、６０Ｈｚ周波数差換算１．２Ｈｚ)程度から１００％（滑り０％、周波数差換算０％)の任意の設定値になるまで系統に接続せず、設定値に達したところで接続する。そのようにすれば、回転機定格電流（１００％のライン）、発電機定格電流（－１００％のライン）を下回ることは明らかである。設定値を速度１００％（滑り０％）に近づけていけば、更に突入電流は低減できる。

その原理を、図４に示すＴ形等価回路に基づいて説明する。誘導発電機１に流れる電流は、一部励磁リアクタンスや鉄損抵抗に流れるが、ほとんどは二次側に流れ、誘導機の機械的負荷を等価的に電気抵抗へと置換したｒ_２に供給される。実二次抵抗はｒ_２／ｓと滑りに半比例して変動し、滑りが１の時に最小となり、滑りが小さくなると増加する。滑り０となると実二次抵抗は無限大となる。つまり、同期速度ではＸ_ＭとＲ_ｈに流れる無負荷電流しか流れないことになる。

同期発電機の同期投入には、系統の電圧、位相、周波数を合わせるという３条件が必要であるが、誘導発電機1の場合は系統周波数を合わせるだけで足りる。漸進時間中に何らかの外乱があって、Δｆが設定値内に収まらないことが予想される場合は、本並列装置２１の警報部３１から非常停止信号が発出され、主遮断器９をトリップさせる。タイミングによっては、一時的に突入電流が流れ、電圧変動を来すおそれがあるが、短時間の内に除去されることになる。

更に並列装置２１には、単／往選択スイッチ３２が用意される。通常は、「単」を選択することにより、発電機回転増速中に並列させるが、「往」を選択すると、減速過程でも並列動作が可能となる。内部回路に異常がある場合は、警報部３１から異常信号が発せられ、連系用開閉器２が開放される。また、自動／手動選択スイッチ３３が用意される。手動は、並列装置２１の単独試験用で、通常の系統並列の際は、基本的に自動が選択される。なお、本並列装置２１は、ソフトスタータや限流リアクトルを使用している連系設備に併用しても問題はない。

本並列装置２１によれば、定格電流を下回る領域まで突入電流を抑制できるが、配電線亘長が長い場合など、大幅に電流を抑える必要がある場合も想定される。同期点で投入した場合でも、誘導発電機１の無負荷電流が流れるが、電力としては僅かでも、低力率であるので、皮相電流は意外と多い値となる。これを抑える必要がある場合は、低容量の進相コンデンサ設備７を付加することで、改善が可能である。

本発明に係る誘導発電機系統並列方法及び並列装置は上記のとおりのものであって、誘導発電機の突入電流を効果的に抑制することができるので、本発明に係る方法及び装置が採用されれば、同期発電機を使用してきた数千ｋＷレベルの領域でも、誘導発電機の適用可能性が増大し、それにより発電システムコストの低下が期待できるものであり、その産業上の利用可能性は大である。

１誘導発電機
２連系用開閉器
３回転計
４調整弁
５発電機駆動装置
７進相コンデンサ設備
８電気状況表示・測定機器
９主遮断機
２１並列装置
２２周波数変換部
２３系統周波数取込み部
２４比較部
２５調整弁制御部
２６漸進時間演算部
２７同期タイミング計算部
２８同期投入信号送信部
２９設定部
３０漸進基準値設定部
３１警報部
３２単／往選択スイッチ
３３自動／手動設定スイッチ

Claims

突入電流の低減を図りながら誘導発電機の系統並列を行うための誘導発電機系統並列装置であって、
前記誘導発電機系統並列装置は、前記誘導発電機と連系用開閉器との間に組み込まれ、回転計から送られてくる前記誘導発電機の回転数を取込んで周波数変換する周波数変換部と、
電力系統から系統周波数を取込む系統周波数取込み部と、
前記周波数変換部から供給される回転数周波数と前記系統周波数取込み部から供給される系統周波数との差を求める比較部と、
前記比較部により求められた周波数の差が設定値以下となるよう、調整弁を制御して発電機駆動装置の回転数を制御する調整弁制御部と、
予め設定されて記憶された漸進時間基準値に、開閉器操作電源電圧の定格値からの変動、周囲温度の影響による差異及び開閉器の経年による動作時間の変動履歴の学習に基づいて補正を施した漸進時間決定値を自動演算する漸進時間演算部と、
同期投入信号を前記連系用開閉器に送信する同期タイミング計算部とを含み、
前記同期タイミング計算部から前記連系用開閉器への前記同期投入信号の送信は、前記漸進時間演算部において求められた前記漸進時間決定値をもとにしたタイミングで行われ、前記系統周波数に近似した回転周波数で連系することで、誘導発電機の過大な突入電流を低減することを特徴とする誘導発電機系統並列装置。
前記調整弁の制御は、開度制御又は回転数に応じたフィードバック制御である、請求項１に記載の誘導発電機系統並列装置。
更に、非常停止信号及び内部回路異常信号を発する警報部を含む、請求項１に記載の誘導発電機系統並列装置。
低容量の進相コンデンサ設備が付加される、請求項１乃至３のいずれかに記載の誘導発電機系統並列装置。