JPH07245872A - 可変速発電電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 主変圧器の高圧側の電圧に基づいて事故復帰
を検出することにより、事故点除去と同時に交流化動作
のリセットを行なうことで系統へ不要な電流を流すこと
を防止し、励磁システムの早期復旧を可能とする。 【構成】 発電電動機の２次側に交流励磁電流を供給す
る電力変換器２と、発電時には発電電動機を駆動し揚水
時には発電電動機により駆動される水車ポンプ４と、電
力変換器３を制御する制御装置55と、主変圧器７Ｍの高
圧側で検出された出力と設定値との比較を行ない検出さ
れた出力が設定値より大きい場合には信号を出力するレ
ベル比較器ＣＰと、系統事故などで電力変換器の機能が
停止した場合に１次巻線に交流分を発生させる直流を２
次巻線に供給する直流電源10から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可変速発電電動機に係
り、電力系統にて故障が発生した時の発電電動機の一次
側に流れる故障電流の交流化動作において、発電電動機
の２次巻線を直流励磁することによる発電電動機の内部
電圧と系統電圧との位相のずれから生じる遮断器解放後
の発電電動機の端子電圧の回復遅れ時に交流化を速やか
に停止させ、遮断器解放後の交流化動作による系統保護
システムに与える影響を防止する可変速発電電動機に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、可変速発電電動機の一つとし
て、例えば可変速揚水発電システムが用いられている。
以下に、従来の可変速発電電動機の構成を図４の構成図
を参照して説明する。

【０００３】本システムは、回転子１に三相交流励磁電
流を供給される構成の可変速発電電動機（以下、発電電
動機と言う。）、発電電動機の２次側（２次巻線）に可
変交流励磁電流を供給する電力変換器３と、発電時には
発電電動機を駆動し、揚水時には発電電動機により駆動
される水車ポンプ４と、電力変換器３を制御する制御装
置５から構成される。

【０００４】発電電動機の１次側（１次巻線）は、遮断
器６、主変圧器７Ｍを介して系統２に接続されている。
電力変換器３は、制御装置５からの２次電流の位相・波
高値を制御する２次電流指令信号により電流変換を行こ
ない、主変圧器７Ｍの低圧側と接続された変換器変圧器
８を介して降圧された電圧から、所定の交流電流を発電
電動機の２次側（２次巻線）へ制御装置５から指令され
た電流を出力する。

【０００５】制御装置５は、発電電動機の回転子１の回
転位相ωと系統Ａの系統周波数ｆに基づき回転子１の回
転磁界が系統周波数ｆに同期するように電力変換器３か
ら出力される出力電流、すなわち発電電動機の２次巻線
に供給される２次電流の位相を制御する。図示していな
い検出器により検出された回転子の回転磁界の速度に基
づき、系統周波数ｆと回転子１のすべりｓを求め、回転
子１の速度はｆ（１−ｓ）であり、回転子１の２次巻線
をすべりｓに相当する周波数の交流励磁電流を供給し位
相を系統周波数ｆの位相に対して一定の位相差を保つこ
とで回転子１により発生する回転磁界はすべり零（同期
速度）で回転し、固定子２の回転磁界の速度と同一にな
る。

【０００６】以上のように、本システムは、回転子１の
速度を同期速度に拘束されることなく効率が最高となる
回転数運転できるため、高効率発電運転や揚水時の電力
調整が可能となり夜間電力の調整に大いに貢献すること
ができる。

【０００７】以上のようなシステムにおいて、発電電動
機が接続されている系統Ａに三相地絡故障や三相短絡故
障が発生した場合、発電電動機に故障電流が流れること
で過渡的に２次巻線に直流電流が誘起され過電圧が生じ
る。この過電圧による電力変換器３に有する変換器素子
の破壊を防止するため２次巻線に接続された図示してい
ない過電圧保護装置を動作させ２次巻線側の回路を短絡
させ過電圧を防止する。 また、電力変換器３に入力さ
れる電圧も急激に降下するため機能を一次停止すること
になる。電力変換器３の機能停止にともない、２次巻線
への励磁電流の供給も停止するので、発電電動機の１次
巻線に流れる故障電流に含まれる交流分が小さくなり零
クロスしなくなるため故障電流を遮断する遮断器６が直
流遮断を起こす恐れがある。

【０００８】１次側の遮断器６は直流遮断ができないた
め、故障電流の交流分が減少する現象を防止するため電
力変換器３の機能が停止した場合は、スイッチ９で直流
電源10を選択し、この直流電源10から２次巻線を直接励
磁し故障電流の交流分を確保している。なお、三相巻線
が施されている回転子巻線１のうちＵ，Ｖ，Ｗ相の端子
に直流電源10のＰ，Ｎ極をどのように接続するかは、予
め特定している。

【０００９】以上のように系統故障時、一時電力変換器
が機能停止した時に１次故障電流の交流分が減少して遮
断器動作時に直流しゃ断とならないよう電力変換器を直
流電源に切替て交流分を確保することを交流化動作と称
している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のような系統故障
時に２次巻線を直流励磁する故障時交流化を行なった場
合、次のような不具合があった。系統故障時電力変換器
３が停止したとき、２次巻線に直流電流を流すことによ
り１次側の故障電流を交流化することができるが、回転
子１があるすべりをもって回転しているので系統Ａの位
相は必ずしも一致せず、ずれてしまい、この直流励磁電
流により生じる発電電動機の出力電圧位相が時間ととも
に変動してしまう。

【００１１】故障地点が２回線ラインの一方で起きた場
合は故障ラインの遮断器が開放されるとただちに電圧が
回復しなければならないが、以上のような故障時交流化
を行なった場合、タイミングによっては前記位相のずれ
が大きくなり発電電動機の出力が系統電圧を抑制する方
向に作用するので、発電電動機の出力電圧の回復が遅い
場合が出てくる。故障時交流化は系統故障発生後、電力
変換器３が停止したことで動作し、事故点が遮断器６に
より除去され、系統電圧が回復したことで停止するよう
に制御され、交流化動作停止後、電力変換器３を再動作
させて通常運転に復帰する。

【００１２】従来の制御装置では系統電圧の回復を発電
電動機端子電圧を検出して電圧レベルが定格に近い値ま
で復帰した時点でスイッチ９を開放し故障時交流化を解
除し、電力変換器３を再動作するように制御している。

【００１３】前述したように遮断器６が開放する時点で
の位相のずれが大きいと、発電電動機端子電圧は定格ま
では回復せず、位相差が小さくなるまで待たねばならな
い。よって、系統故障時交流化の停止が遅れ従って故障
点が除去されたにもかかわらず交流化動作が継続するの
で発電電動機から不要な電流を流すことになる。このこ
とは発電電動機の近傍の系統保護リレ―に対して誤動作
を起こさせる恐れがあった。一方、発電電動機と水車／
ポンプ４に於いては系統故障中、水車／ポンプ４の機械
入力と発電電動機の電気出力の間で不均衡が生じ、差分
のエネルギ―により発電電動機および水車／ポンプ４が
加速され、速度制御範囲から逸脱する恐れがあり、加速
期間を短くするために系統故障が復旧した後、速やかに
発電電動機が通常運転に復旧することが必要とされてい
た。

【００１４】本発明は、系統にて三相地絡又は三相短絡
が生じたとき、電力変換器３の停止に伴って生ずる恐れ
のある直流遮断の回避の手段である交流化動作におい
て、発電電動機の２次巻線を直流励磁することによる発
電電動機１の１次電流の系統との位相のずれから生ずる
遮断器開放後の系統電圧の回復遅れを短くし、交流化を
速やかに停止させ、遮断器開放後の交流化動作による系
統保護システムに与える影響を防止することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、［請求項１］記載発明は、１次巻線が遮断器と変圧
器を介し電力系統に接続され、２次巻線が交流励磁され
る発電電動機と、前記変圧器の低圧側を介して降圧され
た信号に基づいて所定の演算処理を施し前記２次巻線を
交流励磁を行なう電力変換器と、発電電動機の回転子の
回転位相と電力系統の系統周波数に基づき回転子の回転
磁界が系統周波数に同期するように前記電力変換器から
出力する励磁電流を制御する制御装置と、系統事故発生
時に前記制御装置により機能停止された前記電力変換器
の代わりに前記２次巻線に直流を供給する直流電源とを
有する可変速発電電動機において、系統事故発生時に機
能停止された前記電力変換器のかわりに前記直流電源に
て前記２次巻線に直流を供給した場合、前記遮断器が開
放された後、前記変圧器の高圧側で検出される検出出力
と予め設定された設定値との比較を行ない検出出力が設
定値以上になった場合に前記２次巻線への前記直流電源
からの供給を停止させることを特徴とする。

【００１６】［請求項２］記載発明は、前記遮断器が開
放された後、前記変圧器の高圧側で検出される検出電圧
と予め定められた設定電圧との比較を行ない、検出電圧
が設定電圧以上になった場合に前記２次巻線への前記直
流電源からの供給を停止させることを特徴とする。

【００１７】［請求項３］記載発明は、［請求項２］ま
たは［請求項３］記載発明において前記開放手段により
前記遮断器が開放された後、前記変圧器の高圧側で検出
される検出出力と予め設定された設定値との比較を行な
い検出出力が設定値以上になった場合に前記２次巻線へ
の前記直流電源からの供給が停止された後、電力変換器
を再動作させることを特徴とする。

【００１８】

【作用】［請求項１］，［請求項２］，［請求項３］記
載発明によれば、系統事故が遮断機開放により除去され
ると系統電圧が回復した時、系統電圧が回復したことを
検出するのに発電電動機の出力端でなく、主変圧器の高
圧側（系統側）で電圧を検出するほうが主変圧器の内部
インピ−ダンスによる電圧降下がないため、正確に系統
側の電圧を検出することができ、この検出出力と予め設
定された設定値を比較することで交流化動作をリセット
できるので、系統に対して不要な電流を流すことを防止
できる。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例を図を参照して以下説明す
る。図１は、本実施例の可変速発電電動機の構成図を示
すものである。本システムは、回転子１に三相交流励磁
電流を供給される構成の可変速発電電動機（以下、発電
電動機１と言う。）、発電電動機の２次側（２次巻線）
に可変交流励磁電流を供給する電力変換器３と、発電時
には発電電動機を駆動し、揚水時には発電電動機により
駆動される水車／ポンプ４と、電力変換器３を制御する
制御装置55から構成される。

【００２０】発電電動機の１次側（１次巻線）は、主変
圧器７Ｍを介して系統Ａに接続されている。電力変換器
３は、主変圧器７Ｍの低圧側と接続された変換器変圧器
５を介して降圧された信号を入力し、所定の演算処理を
施し発電電動機の２次側（２次巻線）に出力する。ま
た、逆に可変周波数の電力を商用周波数の電力に変換し
て、系統Ａに回生し、双方向の電力変換を行なう。

【００２１】レベル比較器ＣＰは、主変圧器７Ｍの高圧
側（系統に接続される側）に設けられた電圧検出器Ｓで
検出された出力と予め設定された設定値との比較を行な
い、検出された出力が設定値より大きい場合に信号を出
力する。

【００２２】通常、設定値は系統が正常電圧であると判
定できる値である。例えば、定格電圧の約85％〜90％。
直流電源10は、系統事故などで電力変換器３の機能が停
止した場合に１次巻線に交流分を発生させ、２次巻線に
発生する電流がゼロ点を切るような直流を供給する。

【００２３】通常、故障電流は故障発生直後はゼロクロ
スしないが直流分が徐々に減衰するので遮断器が動作す
る時間までにはゼロクロスするようになる。ところが、
可変速機の場合は過電圧保護装置が動作するとき変換器
が停止するので励磁電流がなくなり、一次側の交流分が
小さくなるのでゼロクロスしにくくなる。

【００２４】図２は、系統事故発生時の故障電流の動作
を示す減衰特性図である。図２の（Ａ）は、定速機の場
合の故障電流の減衰状態を示すものである。時刻ｔ１に
系統事故が発生すると、電流は過渡的に上がり時間と共
に減衰しゼロ点を切り、時刻ｔ２に遮断器を解放する。
図中の点線は、過渡直流分を示すものである。

【００２５】図２の（Ｂ）は、従来の可変速機の場合の
故障電流の減衰状態を示すものである。時刻ｔ１に系統
事故が発生すると、図３の（Ａ）と同様に電流は過渡的
に上がり時間と共に減衰するが、１次側の交流分が小さ
いため時刻ｔ２でゼロ点通過しない。

【００２６】時刻ｔ２で遮断すると直流遮断を起こす。
図２（Ｃ）は、本実施例の可変速機の場合の故障電流の
減衰状態を示すものである。時刻ｔ１に系統事故が発生
すると、図３の（Ｂ）と同様に電流は過渡的に上がり時
間と共に減衰するが、交流化動作を行なうことで交流分
の振幅が大きくなりゼロ点通過するようになるので、遮
断器が開放動作をおこなう前に交流化動作をおこなう。

【００２７】制御装置55は、発電電動機の回転子１の回
転位相ωと系統Ａの系統周波数ｆに基づき回転子１の回
転磁界が１次側系統周波数ｆ１に同期するように電力変
換器３から出力される出力電流、すなわち発電電動機の
２次巻線に供給される２次電流の位相を制御する。図示
していない検出器により検出された回転子１の回転磁界
の速度に基づき、系統周波数ｆと回転子１のすべりｓを
求め、回転子１の速度はｆ（１−ｓ）であり、回転子１
の２次巻線をすべりｓに相当する周波数の交流励磁電流
を供給し位相を合わせることで回転子１により発生する
回転磁界はすべり零（同期速度）で回転し、固定子１の
回転磁界の速度と同一になる。

【００２８】また、レベル比較器ＣＰから信号が出力さ
れると、電力変換器３の機能を停止させ、直流電源10か
らスイッチ９を介して２次巻線に直流電流を供給し、交
流化動作を行ない発電電動機の１次側の交流分を確保す
る。

【００２９】以上の構成により、系統事故が発生した場
合、レベル比較器ＣＰの信号により制御装置55は電力変
換器３の機能停止を行なうとともに、直流電源10から２
次巻線に励磁電流を供給させる。遮断器６解放により事
故点が送電線回路から除去されると、２回線送電線の場
合、系統電圧が復旧する。

【００３０】遮断器６解放時の発電電動機の内部起電圧
と発電電動機の出力端電圧と主変圧器の高圧側電圧と系
統電圧の状態を、図３の電圧分布図（Ａ），電圧ベクト
ル図（Ｂ）とを用いて説明する。

【００３１】故障点の回線の遮断器６が開放すると健全
である側の回線の電圧が回復する。そのときの電圧分布
は図３の（Ａ）のようになる。すなわち、発電電動機の
内部一定電圧ＶＧと系統電圧ＶＬが発電機内部インピ―
ダンスＺＧと主変圧器７Ｍのインピ―ダンスＺＴと送電
線のインピ―ダンスＺＬを介して接続される。従って、
発電電動機の内部一定電圧ＶＧと系統電圧ＶＬの電圧差
はこれらのインピ―ダンスの比で分圧される。主変圧器
７Ｍのインピ―ダンスＺＴは送電線のインピ―ダンスＺ
Ｌに比べて大きいので主変圧器７Ｍの高圧側の電圧Ｖ２
は主変圧器７Ｍの低圧側Ｖ１に比べて系統電圧ＶＬによ
り近い値を示す。よって系統電圧信号を主変圧器７Ｍの
高圧側からとればより速く系統電圧の回復を検出するこ
とができる。

【００３２】すなわち、発電電動機内部一定電圧ＶＧと
系統電圧Ｖ２との電圧位相θが大きくずれていた場合、
発電電動機出力端Ｖ１は定格より非常に低い値となる。
主変圧器７Ｍの高圧側の電圧Ｖ２は系統側であるため、
電圧位相差θの影響を大きく受けず定格に近い値を得る
ことができる。従って、電圧検出器Ｓの出力レベルをレ
ベル比較器ＣＰで検出し、この信号で交流化動作をリセ
ットする。

【００３３】以上により、従来は交流化動作をリセット
するには発電電動機と系統の電圧位相差が小さくなるま
で待つ必要があったが、本実施例によれば事故点除去と
同時に交流化動作をリセットできるので系統に対して不
要な電流を流すことを防止できるとともに、励磁装置で
ある電力変換器の通常運転への復旧を早めることがで
き、系統故障時の機械入力と電気入力の不均衡による水
車／ポンプの過速度化を抑制することができる。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、主変圧器の高圧側の電
圧に基づいて系統事故復帰を検出することにより、系統
上の事故点の除去と同時に交流化動作のリセットを行な
うことで系統へ不要な電流を流すことを防止し、励磁シ
ステムの速やかな復旧を可能とする可変速発電電動機を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の可変速発電電動機の構成図。

【図２】系統事故発生時の１次側電流の減衰特性図。

【図３】本実施例の遮断器解放時の電圧分布図、電圧ベ
クトル図。

【図４】従来の可変速発電電動機の構成図。

【符号の説明】

１…回転子、２…固定子、３…電力変換装置、４…水車
／ポンプ、５，55…制御装置、６…遮断器、７…主変圧
器、８…変換器変圧器、９…スイッチ、10…直流電源、
Ａ…系統、Ｓ…電圧検出器、ＣＰ…比較器、ＶＧ…発電
電動機内部電圧、Ｖ１…発電電動機端子電圧、Ｖ２…主
変圧器高圧側電圧、ＶＬ…系統電圧、ＺＬ…発電電動機
内部インピ―ダンス、ＺＴ…主変圧器インピ―ダンス、
ＺＬ…系統インピ―ダンス、θ…電圧位相差。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １次巻線が遮断器と変圧器を介し電力系
   統に接続され、２次巻線が交流励磁される発電電動機
   と、前記変圧器の低圧側を介して降圧された信号に基づ
   いて所定の演算処理を施し前記２次巻線を交流励磁を行
   なう電力変換器と、発電電動機の回転子の回転位相と電
   力系統の系統周波数に基づき回転子の回転磁界が系統周
   波数に同期するように前記電力変換器から出力する励磁
   電流を制御する制御装置と、系統事故発生時に前記制御
   装置により機能停止された前記電力変換器の代わりに前
   記２次巻線に直流を供給する直流電源とを有する可変速
   発電電動機において、 系統事故発生時に機能停止された前記電力変換器のかわ
   りに前記直流電源にて前記２次巻線に直流を供給した場
   合、前記遮断器が開放された後、前記変圧器の高圧側で
   検出される検出出力と予め設定された設定値との比較を
   行ない検出出力が設定値以上になった場合に前記２次巻
   線への前記直流電源からの供給を停止させることを特徴
   とする可変速発電電動機。
2. 【請求項２】 前記遮断器が開放された後、前記変圧器
   の高圧側で検出される検出電圧と予め設定された設定電
   圧との比較を行ない、検出電圧が設定電圧以上になった
   場合に前記２次巻線への前記直流電源からの供給を停止
   させることを特徴とする請求項１記載の可変速発電電動
   機。
3. 【請求項３】 前記開放手段により前記遮断器が開放さ
   れた後、前記変圧器の高圧側で検出される検出出力と予
   め設定された設定値との比較を行ない検出出力が設定値
   以上になった場合に前記２次巻線への前記直流電源から
   の供給が停止された後、電力変換器を再動作させること
   を特徴とする請求項２または請求項３記載の可変速発電
   電動機。