JPH03159600A - 同期機の励磁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は同期並人準備操作を敏速にできかつ並人後の無
効電流を小さく抑制できる同期機の励磁装置に関する。

（従来の技術） 電力系統に接続して運転される同期発電機（以下、発電
機という）では、その電力系統への接続（以下、系統並
人という）操作は重要な制御項目となる。

第３図に、そのような発電システムの構或を示し、従来
技術を説明する。但し，本発明と直接的な関係の無い原
動機やその制御システム等は図示を省略している。

発電機１は、励磁装置２により励磁されて電圧を発生す
る。その電圧は主変圧器３で昇圧され遮断器４を介して
電力系統５に出力される。励磁装置２は計器用電圧変戒
器６で検出した発電機１の電圧と、電圧設定器７で設定
した目ａｔ圧との偏差を検出する加算回路８Ａと、その
偏差を演算増幅する演算増幅器８Ｂとで構成される自動
電圧調整装置８と、その電力を励磁電力として充分な電
力に増幅する電力増幅器９とで構戊されている。この励
磁装置２の自動電圧調整動作で、発電機１の電圧は電圧
設定器７で設定した目標電圧に制御される。

発電機１を解列状態（遮断器４開の状態）から系統並人
するには、発電機１及び電力系統５に擾乱を与えること
黒く系統並人するため、同期並人するのが一般的である
。同期並人とは、開放された遮断器４の両端の電圧が次
の三つの条件（以下、同期条件と呼ぶ）を満足した状態
で遮断器Ａを閉じることである。

条件１：　理想的には電圧差が無いことであるが、実際
には電圧差が許容範囲内にあること条件２：　理想的に
は位相差が無いことであるが、実際には位相差が許容範
囲内にあること条件３：　理想的には周波数差が無いこ
とであるが、実際には周波数差が許容範囲内にあること
上記同期条件を満足しない状態で遮断器を閉しる（系統
並人）と，その不満足の程度により、発電機ｌには大き
む電流（有効電流及び無効電流）が流れ、発電機１（そ
れに機械的に結合された原動機も含む）や電力系統５に
擾乱を与えることとなる。

その擾乱が太きいと発電機■にとっては寿命を縮めるこ
ととなり、また電力系統５では電圧変動や周波数変動が
発生する。非常に悪い条件で系統並人すると、一回で発
電機に損傷を与えることもあり得る。一般的には，その
ような悪い条件では系統並人できないように保護システ
ムが構戊されている。

ここで、同期条件を満足させるための制御又は操作を並
入準備操作と呼ぶこととし，その具体的な並入準備操作
について説明する。

条件１を満足させる並入準備操作は、励磁装置２の電圧
設定器７を調整して発電機１側の電圧を系統５の電圧に
あわせることである。

条件２、３を満足させる並人準？ａ操作は、発電機ｌを
酩動する原動機（図示せず）のυ１＃装置の設定器を調
整して発電機側の周波数と位相を系統側のそれらにあわ
せることである。

（発明が解決しようとする課題） ところで、従来より、この同期並人に要する時間の短縮
が要求されている．同期並人に要する時間の多くは、並
入準ｆ１操作に要する時間であり、その短縮には満足さ
せる同期条件を緩めることが効果的である。しかし、こ
の満足させる同期条件を緩めることは，発電機にとって
は系統並人のたびに、より大きな擾乱を与えることであ
り好ましいところではない。特に近年、原子力発電所の
増加に伴いその経済性等の点から原子力発電所をベース
ロードに連続運転とし，煩繁な起動停止に向いている水
力発電のみならず、従来はベースロード用に連続運転機
として使用されていた火力発電所でも煩繁な起動停止が
行われるようになり，同期並人に要する時間の短縮がク
ローズアップされてきている。

発電機Ｉの起動停止が煩繁になってくると、系統並入時
の擾乱の問題のみならず遮断器４を開いて発電機１を電
力系統５から切り離す解列時の電流も、遮断器４の寿命
の観点から注目されるようになってきた。従来より、解
列前の制御又は操作で電流を減少させてから解列するこ
とが行われていたが、その要求がよりクローズアップさ
れてきている。

ここで，比較的大きな電圧差のみが存在し、位相と周波
数はほぼ理想状態での系統並人時の現象を概略の数値を
用いて説明する。

同期機の系統並人時等の現象を説明するための等価回路
を第４図に示す。検討対象の発電機端子Ｇｔから電力系
統（実際には、多数の発電機や負荷が接続されている）
を見るとそれは等価的に一つの電圧源とりアクタンスと
で表現でき、一般的にその電圧源を無限大母線Ｉｎｆと
称し、そのリアクタンスを外部リアクタンスＸｅと称し
ている。この図において、破線部が発電機ｌの等価回路
で，　ｅｉでその内部誘起電圧、Ｘｉでそれに対応する
内部リアクタンスを表わし、ｅ１で遮断器４の系統側の
電圧を表わす。

遮断器４が開かれた状態では、ｅｉ＝ｅｔ−であり、ｅ
ｌ＝ｅｎである。この状態のｅｔとｅｌの電圧差をΔｅ
（ｅｔ−ｅｌ＝ｅｔ−ｅｎ）とし、この電圧差Δｅのあ
るままで（但し、位相差は無いと仮定する）、系統並人
（遮断器４を閉じる）すると、工＝Δｅ／　（Ｘｉ＋Ｘ
ｅ）なる電流が流れる。そして、位相差は無いと仮定し
ているのでこの電流１は全て無効分である。

ところで、実際には非常に複雑な同期機の現象をこのよ
うな簡単な等価回路で表現する場合には，内部誘起電圧
ｅｉと内部リアクタンスｘ１とは一定のものではなく過
渡状態と定常状態とで異なるもので考えなければならな
い。過渡状態の初朋には、内部リアクタンスＸｉは直軸
初期過渡リアクタンスｒＸｄ’Ｊを、内部誘起電圧ｅｉ
はＸｄ”背後電圧「ｅ′１を使用すれば良く，定常状態
では内部リアクタンスＸｉは直軸同期リアクタンスｒＸ
ｄＪを、内部誘起電圧ｅ１は等価界磁電圧ｒＥｆｉＪを
使用すれば良いことが知られている。

Ｘｄ”＝０．２５ｐｕ，　Ｘｄ＝１．５ｐｕ，　Ｘｅ＝
０．１５ｐｕ，Δｅ：０．０５ｐｕと仮定して系統並人
後の電流（熊効分）を計算すると下記のようになる。こ
こでｐｕはｐｏ！ｌｌｅｒ　ｕｎｉｔの略で定格を１と
したときの割合を表わしている。

系統並人直後は、 ■：Δｅ／（Ｘｉ＋Ｘｅ）＝０．０５／（０．２５＋０
．１５）＝０．１２５ｐｕ定常状態では、 ■＝Δｅ／　（Ｘｉ＋Ｘｅ）＝０．０５／　（１．５＋
０．１５）＝０．０３ｐｕとなる。

この定常状態の電流は大きくないが、これは自動電圧調
整装置８を使用しない場合である。自動電圧調整装置８
を使用しているとそれは系統並人後もｅｔを系統並入前
の値に引戻すように動作する。

従って、その場合の定常状態の電流は，Ｉ＝（ｅｔ−ｅ
ｎ）／Ｘｅ＝Δｅ／Ｘｅ＝０．０５／０．１５＝０．３
３３ρＵとなる。

最近の高速応の励磁装置（自動電圧調整装置を含む）で
は、１秒以内で電圧を設定値に制御でき定常値になる。

従って，電流も系統並人後、１秒程度でこのような電流
に達する。その電流が無効分であるとはいえ、このよう
な大きな電流を系統並人後１秒程度で流すことは好まし
いことではない。

逆に、他の条件も実際には理想状態ではないことを考え
る゛と電流差による無効電流も極力抑制することが望ま
れる。

そこで本発明は、発電機の同期並人における電圧差の条
件を機器に支障のない範囲で緩和し並入準備操作に要す
る時間の短縮を図るとともにその結果増加する発電機の
無効電流を抑制すること，および、発電機の解列操作に
際し、有効電流を減少させる制御又は操作に伴い無効電
流を自動的に減少させることができる同期機の励磁装置
を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は，励磁装置に発電機の有効電流により無効電流
による電圧垂下率を自動的に変更する垂下率補償装置を
付加するものであり、その垂下率の変更は、有効電流の
大きいときには垂下率を小さくし、有効電流の小さな時
には垂下率を大きくするものである。

（作　用） 垂下率補償装置は、無効電流により自動電圧調整装置の
目標電圧を変化させるものである。その垂下率（無効電
流に対する電圧変化の割合）を有効電流により自動的に
変更することで、有効電流の小さな並人後初期において
は、かなり大きな電圧差を持って並入しても、その結果
大きな無効電流が流れようとするとそれで発電機の電圧
が補正され無効電流が抑＄１１される。そして、有効電
流が増加してくると垂下率は小さく変更され、発電機は
一定電圧に運転される。

また、解列操作の際には有効電流を減少させる制御又は
操作を行えば、それにより有効電流が減少することで垂
下率が大きくなり、この大きな垂下率で無効電流も自動
的に減少される。

（実施例） 第１図に本発明の一実施例の構或を示す。第ｌ図におい
て、前述の第３図と同一の構戊要素については同一符号
を付しその説明は省略する。第１図の構戒で第３図と異
なる点は，励磁装置２の内部構成として、計器用電流変
戊器１０及び垂下率補償装ｉｌｌが追加されている点で
ある。

計器用電流変戊器１０は、垂下率補償装置１１に必要な
発電機電流を入力するために設けたものである。垂下率
補償装置１１の出力信号Ｉｑｘは自動電圧調整装置８の
加算回路８Ａに入力して電圧設定器７を調整するのと等
価な効果を与えるようにしている。

その加算の極性は、遅れ無効電流のとき、電圧設定を下
げるのと等しくなる極性にしている。

焦効電流変換器１１Ａは、計器用電仄変戊器６と計器電
流変成器ＩＯとから入力される発電機Ｉの電圧イａ号と
電流｛１ｊ号とから無効電流に比例した信シフＩ９を得
るものである。

有効電流変換器１１Ｂは、計器用電圧変或器６と計器用
電流変成器１０とから入力される発′？ｒ！．機ｌの電
圧信号とｆｆｉ流Ｉｎ号とから有効電流に比例した信号
Ｉｐを得るものである。

潰算回路１１Ｃは，設定器１１Ｃ１と加算回路１　１Ｃ
２と極性判断回路１１Ｃ３で構威され、次式にて表わす
信号Ｉｐｋを出力するものである。

■ρｋ二Ｋ１−Ｉｐ　（但し、Ｉｐｋ）０　　時のみ出
力）　・・・（１）（Ｋｌは設定器１１Ｃ１の設定値） 設定器１１Ｃ１で設定値Ｋｌを設定し，この設定値Ｋ１
と信号Ｉｐが加算回路１１ｃ２に図示の極性で入力して
いるので、加算回路１１Ｃ２の出力信号は（Ｋｌ−Ｉｐ
）となる。信号（Ｋｌ−Ｉｐ）が，極性判別回路１１Ｃ
３に入力され、ここで（Ｋｌ−Ｉｐ）〉Ｏ場合のみが出
力されるので、その出力信号■ρｋは上記の通りとなる
。

清算回路１１０は，乗算器１１Ｄ１と係数設定器１１Ｄ
２とで構或され、信号Ｉｑと信号Ｉｐｋとを入力し、こ
れらを乗算回路＋１０１で乗算して、さらに係数設定蕗
１１０２で設定した係数Ｋ２を掛けた信５Ｉｑｘを出力
する。これにより、垂下率補償装置１１からは次式で表
わす補正信号Ｉｑｘが出力されることになる。

ＩＣＩＸ：Ｋ２　Ｘ　Ｉｐｋ　Ｘ　Ｔｑ　　　　　　　
　　　　　−　（２）垂下率補償装置１】から出力され
る補正信号Ｉｑｘの自動電圧調整装置８への加算極性は
、前述した通りであり、遅れ無効電流が流れると発電機
Ｉの目標電圧設定が下げられる結果、発電機電圧が下げ
られる。進み無効電流の場合は逆向きになり発電機電圧
が上げられる。

補正信号Ｉｑｘの大きさは前記式（１）、（２）で与え
られるので、有効電流の小さい場合には，僅かの無効電
流の変化で発電機電圧は大きく変更される。

しかし、有効電流が大きくなると無効電流の変化による
発電機電圧の変化は小さくなる。そして、有効電流信号
ｒｐが設定値Ｋ１より大きくなると、もはや信号■ρｋ
は無くなり（Ｉｐｋ＝０）、信号Ｉ９が存在しても補正
信号Ｉｑｘも無くなり（■ｑｘ：０）、無効電流による
発電機電圧の変更は行われなくなる。

このようにして，無効電流により発電機電圧が自動的に
補正されると共に，垂下率（補正作用の程度）が有効電
流により自動的に変更される。このときの様子を第２図
に示す．同図において、横軸は無効電流であり、縦軸は
垂下率補償装置で補正された等価的な発電機電圧設定値
である。

前記「従来技術」では、差電圧が存在する状態で系統並
人したときに大きな無効電流が流れるのは、自動電圧調
整装置８が発電機電圧を並入前の値（＝設定値）に制御
するためであることを説明した。

この実施例の構或によれば、無効電流により発電機電圧
が補正されるので，無効電流が抑制されることとなる。

例えば、前に仮定したと同じ条件を考えると、本実施例
の垂下率補償装１ｇｌｌの特性はＩｑｘ　（ρｕ）＝Ｘ
ｔ×Ｉｑ（ｐｕ）と表現できる。但し、Ｋｔ＝（Ｋｌ−
Ｉｐ）　ＸＫ２ＸＫｅｆであり，Ｋｅｆは関連する全て
の機器の変換係数を総合した変換係数である。

定常状態のｅｎとｅｔの差電圧はΔｅ−Ｋｔ　Ｘ　Ｉｑ
となり、これをＸｅで除したものが１９である。よって
次の方程式が成立する。

（Δｅ−Ｋｔ　Ｘ　ＩＱ）／Ｘｅ＝Ｉｑ　　　　　　　
　　　　−＝　（３）これを解くと．　■ｑ＝Δｅ／　
（Ｘｅ＋Ｋｔ）となる。これにＸｅ＝０．１５とＫｔ＝
０．１５（調整できる）を代入するとＩｑ＝Ｏ．ｌ６７
（ρＵ）となり、本実施例の垂下率補償装置１ｌを使用
しない場合の半分に無効電流を抑制できる。

また、Ｋｔを更に大きくすれば更に抑制効果を上げるこ
とができる。

そして、有効電流の増加でこのＫｔを減少させている（
Ｉｐ＞ＫｌでＫｔ＝Ｏになる）ので電圧の維持が重要な
高負荷状態での電圧維持能力も失われることは無い。

また、解列操作においても有効電力を減少させる制御ま
たは操作を行えば、有効電力の減少で垂下率が大きくな
り、電圧設定器７の特別な制御または操作によることな
く無効電流が減少できる。

なお、上記実施例では、無効電流にて電圧設定を補正す
る構或としたが、これを無効電力によるものとしてもそ
の効果はほぼ同じである。また、前記実施例では垂下率
を有効電流にて変化させる構成としたが、有効電力によ
るものとしてもその効果はほぼ同しである。

また、前記実施例の垂下率補償装置１１は垂下率変化を
直線的に行っているが、有効電力の小さい時１こ垂下率
を大きくし、有効電力が大きくなれば垂下率を小さくす
るものであれば良く、必ずしも直線的にする必要は無い
。

また、以上の実施例ではアナログ電子回路で構戊した例
について示したが本発明は，アナログ電子回路に限定さ
れるものではなく、マイクロプロセッサーを使用したデ
イジタル制御装置等で実施できることは明白である。

また、有効電力または有効電流、無効電力または無効電
流の検出は、それらを直接検出する検出器を設けること
なく、他の信号から演算により算出しても本発明の趣旨
が変わるものではない。

また、以上の説明では，全て同期発電機について実施し
た例で説明したが、同期並人を採用した同期電動機にも
本発明が適用できることは明白である。

［発明の効果］ 以上に説明したように本発明によれば，同期機の電力系
統への同期並人の際に、電圧差が大きくても並人後の焦
効電流を抑制できるので、並列準備操作時間を短縮する
ことができる。一方、同じ電圧差で同期並人する場合に
は、並人後の無効電流をより小さく抑制できる。

また、同期機の解列操作においても、有効電流を減少さ
せる操作または制御を行うことで無効電流も自動的に減
少させることができる。

この結果、より小さい擾乱でより速く系統並人したいと
いう要求と多頻度の起動停止に対する遮断器の延命化の
ための遮１１’ｉ電流の減少要求の両方を実現できると
いう格別の作用効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示す同期機励磁装置の構成
図、第２図は第１図における無効電流と等価的な発電機
の電圧設定との関係図、第３図は従来技術を説明するた
めの発電システムの構成図，第４図は系統並人時の無効
電流概算のための等価回路図である。 １ｌ・・・垂下率補償装置．　ＩＩＡ・・・無効電流変
換器、１１Ｂ・・・有効電流変換器、ＩＩＧ、１１０・
・・演算回路、１１ＣＩ・・・設定器、１１Ｃ２・・・
加算回路、１１Ｃ３・・・極性判断回路、１１０１・・
・乗算器、１１Ｄ２・・・係数設定器。 １ 第 １ 図 レー 一」 第 ２ 図 等価電圧設定 無効電流（Ｉｑ） １ 第 ３ 図 第 ４ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 同期機の端子電圧を目標値に制御する自動電圧調整装置
   を具備した同期機の励磁装置において、同期機の有効電
   力または有効電流を検出する第１検出手段と、 同期機の無効電力または無効電流を検出する第２検出手
   段と、 この第２検出手段により検出した無効電力または無効電
   流により、自動電圧調整装置の目標値の設定を補正する
   補正信号を出力する補正手段と、この補正手段から出力
   される補正信号の大きさを前記第１検出手段の出力に応
   じて変化させる手段とを備えていることを特徴とする同
   期機の励磁装置。