JPH08322155A - 系統安定化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 通常電力系統で起こり得る広い範囲の周波数
に対して、適切なダンピングを得ることができ、しかも
高周波で予測されるノイズに強い系統安定化装置を提供
することにある。 【構成】 パルス発生部６は、電力動揺を抑制する方向
の界磁磁束変化を与える正パルス７ａ及びその正パルス
７ａによる界磁磁束変化を打ち消す方向の反転パルス７
ｂを一対とした補助信号を出力する。パルスタイミング
発生部５は、パルス発生タイミングを判定し、そのパル
ス発生タイミングでパルス発生部６から正パルス７ａ及
び反転パルス７ｂを発生させるように制御する。これに
より、正パルス７ａで電力動揺を抑え、正パルス７ａに
続いて出力された反転パルス７ｂで正パルス７ｂによる
磁束変化の遅れを打ち消す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、同期発電機の端子電圧
が目標値になるように励磁量を調節する自動電圧調整装
置に電圧調整信号を補助信号として入力するための系統
安定化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、同期発電機の励磁制御装置は同
期発電機の端子電圧を目標電圧に一定に保つための自動
電圧調整器（ＡＶＲ）と、その目標電圧を調整すること
により発電機運転の安定化を図る系統安定化装置（ＰＳ
Ｓ）から構成される。図５は、同期発電機１の励磁制御
装置を示すブロック図である。

【０００３】同期発電機１の端子電圧は自動電圧調整装
置２に入力され、同期発電機１の端子電圧がその目標電
圧になるように励磁機４に指令を出して、同期発電機の
界磁回路の界磁巻線４ａに流れる界磁電流を制御する。
系統安定化装置３は同期発電機１に加わる外乱によって
生じる相差角動揺に対する制動力を高めるようにしたも
ので、有効電力の変化分ΔＰ、同期発電機角速度の変化
分Δω又は系統側周波数の変化分Δｆ等の安定化信号を
検出演算し、自動電圧調整装置２の電圧調整信号の補助
信号として入力している。

【０００４】すなわち、系統安定化装置３は、これらの
安定化信号をリセットフィルタ、進み遅れ回路、又は帯
域除去フィルタを通し、ノイズを落とし、電圧の定常偏
差を無くし、更に位相を修正して適当な電圧調整信号に
加工して出力するように構成されている。

【０００５】系統安定化装置３の中で特に多く用いられ
ているのは、有効電力の変化分ΔＰを用いるタイプのも
の（以下、ΔＰ−ＰＳＳという。）である。このタイプ
は高周波ノイズに強いことと、位相補償をあまり必要と
しないことから、関数の設定が他のタイプと比較して容
易であるからである。

【０００６】一般に、系統安定化装置３の動作は、適当
なタイミングで界磁回路の界磁の強さを変化させること
により、同期発電機１の電力動揺を抑えることである。
界磁の強さを変化させるタイミングは、界磁により発生
する同期発電機１内部のトルクが角速度変化分Δωの位
相で変化するように調整する。これにより、系統安定化
装置３は同期発電機１の回転数フィードバックを行うこ
ととなり、振動を効果的に抑制することができる。

【０００７】ここで、系統安定化装置３の出力信号であ
る電圧目標値の補助信号を、自動電圧調整装置２に入力
してから同期発電機１内部のトルクが変化するまでに
は、系統の状態や同期発電機１の回路過渡時定数に依存
する遅れが存在する。通常１Ｈｚ程度の振動に対しては
各９０度程度の位相遅れがある。このために、ΔＰ−Ｐ
ＳＳでは予め角速度変化分Δωに対して位相が９０度進
んでいる有効電力変化分ΔＰを用い、位相補償を最小限
にしている。

【０００８】すなわち、系統安定化装置３は、角速度変
化分Δωと同期した位相で同期発電機１の界磁を変化さ
せると、最も効率的に電力の動揺を抑えることが出来
る。一方、系統安定化装置３の出力から界磁の強さまで
には、界磁回路の遅れのために位相が約９０度遅れる。
したがって、系統安定化装置３としては、界磁回路の遅
れを補償するために、角速度変化分Δωより９０度進ん
だ信号として、有効電力変化分ΔＰを用いるΔＰ−ＰＳ
Ｓを採用している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
有効電力Ｐの変化分ΔＰを用いるΔＰ−ＰＳＳでは、角
速度変化分Δωに対して位相が９０度進んだ位相補償に
よって設計点として選んだ周波数においては、適当なタ
イミングで系統安定化装置の出力信号が生成されるもの
の、周波数が設計点からずれれば最適な位相からずれて
しまう。また、ΔＰ−ＰＳＳは同期発電機１の出力変化
に代表される低周波の外乱に弱い。通常、このΔＰ−Ｐ
ＳＳは、１Ｈｚ程度の電力動揺をダンピングするように
位相が調整されているので、０．３Ｈｚ以下のゆっくり
した電力動揺を有効に押さえることは難しい。逆に、
０．３Ｈｚ以下のゆっくりした電力動揺をダンピングす
るように調整すると、１Ｈｚ程度のよく表れる電力動揺
をダンピングすることが困難になる。

【００１０】このように、動揺周期が０．３Ｈｚ程度と
遅くなると、界磁回路の遅れは位相で見るともっと小さ
くなり、ΔＰ−ＰＳＳでは位相が進み過ぎることになる
ので、むしろ、安定化信号として角速度変化分Δωを用
いる系統安定化装置（以下、Δω−ＰＳＳという。）の
方が適切となる。Δω−ＰＳＳは位相補償により０．３
Ｈｚのゆっくりした動揺から１Ｈｚの動揺まで有効にダ
ンピングするよう調整することが出来るからである。

【００１１】しかし、この角速度変化分Δωを用いるΔ
ω−ＰＳＳに必要な位相補償は、進み補償であることか
ら、１Ｈｚ以上で過渡ゲインが大きくなり、この結果、
高周波ノイズに弱い。この結果、２Ｈｚ程度の比較的周
波数の短い動揺を有効にダンピングするのが難しいとい
う課題がある。また、周波数変化分Δｆを用いる系統安
定化装置Δｆ−ＰＳＳについても、Δω−ＰＳＳとほぼ
同じ傾向を持ち、同じような課題を持つ。

【００１２】本発明の目的は、０．２Ｈｚ程度のゆっく
りした周期から３Ｈｚ程度の早い周期までの、通常電力
系統で起こり得る広い範囲の周波数に対して、適切なダ
ンピングを得ることができ、しかも、高周波で予測され
るノイズに強い系統安定化装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、電力
動揺を抑制する方向の界磁磁束変化を与える正パルス及
びその正パルスによる界磁磁束変化を打ち消す方向の反
転パルスを補助信号として出力するパルス発生部と、正
パルス及び反転パルスのパルス発生タイミングを判定し
そのパルス発生タイミングでパルス発生部から正パルス
及び反転パルスを発生させるように制御するパルスタイ
ミング発生部とを備えている。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１におけるパル
スタイミング発生部でのパルス発生タイミングの判定
は、同期発電機の制動トルクと同相な成分を増加させる
タイミングを補助信号の発生タイミングと判定するよう
にしたものである。

【００１５】請求項３の発明は、請求項２における同期
発電機の制動トルクと同相な成分を増加させるタイミン
グを、同期発電機の回転数に基づいて判定するようにし
たものである。

【００１６】請求項４の発明は、請求項２における同期
発電機の制動トルクと同相な成分を増加させるタイミン
グを、同期発電機の有効電力に基づいて判定するように
したものである。

【００１７】請求項５の発明は、請求項２における同期
発電機の制動トルクと同相な成分を増加させるタイミン
グを、同期発電機の相差角に基づいて判定するようにし
たものである。

【００１８】請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５
におけるパルス発生部で発生する正パルス又は反転パル
スのパルス幅又はパルス高さを調整可能としたものであ
る。

【００１９】請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６
におけるパルス発生部で発生する正パルス又は反転パル
スは、所定の関数により生成された波としたものであ
る。

【００２０】請求項８の発明は、請求項７における所定
の関数により生成された波は、方形波又は正弦波とした
ものである。

【００２１】

【作用】請求項１の発明では、パルス発生部は、電力動
揺を抑制する方向の界磁磁束変化を与える正パルス及び
その正パルスによる界磁磁束変化を打ち消す方向の反転
パルスを一対とした補助信号を出力する。パルスタイミ
ング発生部は、パルス発生部での正パルス及び反転パル
スのパルス発生タイミングを判定する。そして、そのパ
ルス発生タイミングでパルス発生部から正パルス及び反
転パルスを発生させるように制御する。これにより、正
パルスで電力動揺を抑え、正パルスに続いて出力された
反転パルスで正パルスによる磁束変化の遅れを打ち消
す。従って、位相ずれの原因となっている界磁電圧指令
の出力から同期発電機内部トルクが変化するまでの遅れ
をなくすことができる。

【００２２】請求項２の発明では、請求項１におけるパ
ルスタイミング発生部でのパルス発生タイミングの判定
は、同期発電機の制動トルクと同相な成分を増加させる
タイミングを補助信号の発生タイミングと判定する。こ
れにより、電力動揺に対する制動力が増す。

【００２３】請求項３の発明では、請求項２における同
期発電機の制動トルクと同相な成分を増加させるタイミ
ングは、同期発電機の回転数に基づいて判定する。これ
により、角速度変化分と同期した位相で同期発電機の界
磁を変化させ、最も効率的に電力の動揺を抑える。

【００２４】請求項４の発明では、請求項２における同
期発電機の制動トルクと同相な成分を増加させるタイミ
ングは、角速度変化分より９０度進んだ信号である同期
発電機の有効電力に基づいて判定する。これにより、角
速度変化分とほぼ同期した位相で同期発電機の界磁を変
化させ、効率的に電力の動揺を抑える。

【００２５】請求項５の発明では、請求項２における同
期発電機の制動トルクと同相な成分を増加させるタイミ
ングは、同期発電機の有効電力と等価な同期発電機の相
差角に基づいて判定する。これにより、角速度変化分と
ほぼ同期した位相で同期発電機の界磁を変化させ、効率
的に電力の動揺を抑える。

【００２６】請求項６の発明では、請求項１乃至請求項
５におけるパルス発生部で発生する正パルス又は反転パ
ルスのパルス幅又はパルス高さを、適宜調整する。これ
により、電力動揺抑制のための補助信号を適切に設定す
る。

【００２７】請求項７の発明では、請求項１乃至請求項
６におけるパルス発生部は、所定の関数により生成され
た波を正パルス又は反転パルスとして出力する。これに
より、電力動揺抑制のための補助信号を適切に設定す
る。

【００２８】請求項８の発明では、請求項７における所
定の関数により生成された波を、方形波又は正弦波とす
る。これにより、電力動揺抑制のための補助信号を適切
に設定する。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は、
本発明の実施例のブロック構成図である。本発明の系統
安定化装置３は、自動電圧調整装置２への電圧調整信号
の補助信号を発生するためのパルス発生部６と、このパ
ルス発生部６でのパルス発生のタイミングを制御するパ
ルスタイミング発生部５とを有している。

【００３０】パルス発生部６は、電力動揺を抑制する方
向の界磁磁束変化を与える正パルス７ａと、この正パル
ス７ａによる界磁磁束変化を打ち消す方向の反転パルス
７ｂとを一対とした補助信号を発生するものである。こ
の補助信号は、この実施例では有効電力変化分ΔＰに基
づいて算出される。この補助信号の正パルス７ａは、電
力動揺を抑制するための信号であり、正パルス７ａに続
いて出力される反転パルス７ｂは正パルス７ａによる磁
束変化の遅れを打ち消すための信号である。これによっ
て、位相ずれの原因となっている界磁電圧指令の出力か
ら同期発電機１の内部トルクが変化するまでの遅れをな
くすようにする。

【００３１】次に、パルスタイミング発生部６は、有効
電力変化分ΔＰまたは角速度変化分Δωを用いてパルス
信号の発生タイミングを判定するものであり、パルス発
生部５での一対の正パルス７ａ及び反転パルス７ｂから
なる補助信号の発生タイミングを判定する。そして、そ
のパルス発生タイミングでパルス発生部６から一対の正
パルス７ａ及び反転パルス７ｂの補助信号を発生させる
ように制御する。パルス発生部６からの一対の正パルス
７ａ及び反転パルス７ｂの補助信号は、加算器２ａに入
力される。つまり、自動電圧調整装置３での電圧調整演
算において、同期発電機１の電圧調整信号に加算される
ことになる。

【００３２】次に、本発明の系統安定化装置３のパルス
発生部６から、実際に出力される補助信号のパルス信号
を図２に示す。補助信号のパルス出力は正パルス７ａと
反転パルス７ｂの一対の系列となる。正パルス７ａから
反転パルス７ｂへ切り替わるタイミングは、ほぼ角速度
変化分Δωの絶対値が最大値に達した時点としている。
これは、角速度変化分Δωと同期した位相で同期発電機
１の界磁を変化させると、最も効率的に電力の動揺を抑
えることが出来るからである。従って、本発明では同期
発電機１の制動トルクと同相な成分に補助信号であるパ
ルスを印加するようにしている。また、パルスタイミン
グ発生部５では、角速度変化分Δωの絶対値が最大値に
達した時点で正パルス７ａから反転パルス７ｂへ切り替
わるように、それぞれのパルスの幅が決められ、また、
パルスの高さも決められる。

【００３３】この系統安定化装置３の動作を図３のフロ
ーチャートを用いて詳細に説明する。この実施例では、
パルスタイミング発生部５でのパルス発生タイミングの
検出は、有効電力Ｐを用いて検出している場合を示して
いる。まず、有効電力信号Ｐを検出し（Ｓ１）、リセッ
トフィルタを通してその有効電力変化分ΔＰを取り出す
（Ｓ２）。そして、各々の制御周期ごとにパルス発生部
６がパルス出力を発生中か否かを判定し（Ｓ３）、パル
ス発生部６がパルス出力を発生中でないなら、有効電力
変化分ΔＰの大きさを判断する（Ｓ４）。この実施例で
は出力すべきパルス信号の大きさは、有効電力変化分Δ
Ｐの絶対値｜ΔＰ｜の最大値ΔＰｍａｘに比例させてい
る。すなわち、出力すべきパルス信号の高さａは、ａ＝
ｋΔＰｍａｘとする。そのために、有効電力変化分の絶
対値｜ΔＰ｜がその最大値ΔＰｍａｘになると、ΔＰｍ
ａｘ＝｜ΔＰ｜として保存し（Ｓ５）、後述のステップ
Ｓ８でのパルス信号の高さａを求める際に使用する。こ
の状態ではまだパルス出力はしない（Ｓ６）。

【００３４】ステップＳ４での判定で、有効電力変化分
の絶対値｜ΔＰ｜がその最大値ΔＰｍａｘでないとき
は、パルス信号の発生タイミングかどうかを判定する。
これは有効電力変化分の絶対値｜ΔＰ｜が減少してき
て、｜ΔＰ｜＝αΔＰｍａｘより小さくなった時点で、
すなわち｜ΔＰ｜＜αΔＰｍａｘとなった時点をパルス
発生タイミングとしている（Ｓ７）。これにより、有効
電力変化分ΔＰの絶対値｜ΔＰ｜が減少していくとき
に、正パルス７ａが出るので、適切に調節することによ
りほぼ角速度変化分Δωの絶対値｜Δω｜が最大値に達
した時点で正パルス７ａと反転パルス７ｂとを切替るこ
とができる。

【００３５】次に、｜ΔＰ｜＜αΔＰｍａｘとなりパル
ス発生タイミングを捕らえると、パルス信号発生中をセ
ットすると共にパルスタイマーをｔｘ＝２ｔｐにセット
し、さらに、パルス信号の高さａを算出する（Ｓ８）。
パルス信号の高さａはａ＝ｋΔＰｍａｘ・（符号）で求
められる。

【００３６】この実施例ではパルス信号の発生時間を一
定に保つために、パルス信号の発生後、その発生時刻か
らの経過時間をカウントする。つまり、一定時間ｔｐの
間（Ｓ９）は正パルス７ａを出力する（Ｓ１０）。続い
て同じく一定時間ｔｐの間（Ｓ１１）は反転パルス７ｂ
を出力する（Ｓ１２）。従って、パルスタイマーｔｘと
しては時間２ｔｐがセットされることになる。そして、
反転パルス７ｂを出力後、系統安定化装置３の出力をリ
セットして（Ｓ１３）、一定の制御周期τ後（Ｓ１４）
に再度上記動作を繰り返す。

【００３７】このような系統安定化装置３で、三相３線
オープン後に再閉路したときの電力動揺を抑制したとき
の応答波形のを図４に示す。点線は角速度変化分Δωを
示し、実線は有効電力変化分ΔＰを示す。パルス信号の
系統安定化装置３の補助信号Ｓｐにより、界磁電流Ｉｆ
が三角波状に変化し、電力動揺を有効に抑制している。
反転パルス７ｂがあるので、本来大きな遅れをもって追
従する界磁電流Ｉｆが、正負のパルスにほとんど遅れな
く追従していることが分かる。

【００３８】以上の実施例では、有効電力変化分ΔＰを
用いてパルス発生タイミングを検出したが、同期発電機
１の回転数により角速度変化分Δωを検出するようにし
ても良いし、同期発電機１の相差角や、発電機回転数を
積分して相差角に相当する信号を用いてもよい。角速度
変化分Δωを用いることにより、有効電力ΔＰには乗り
やすい非線形制御による波形歪を平滑化することができ
る。

【００３９】また、この実施例ではパルス幅は一定とし
たが、有効電力変化分ΔＰのゼロクロスや角速度変化変
化分Δωの最大値を検出してタイミングを取ることもで
きる。このような方法によれば、波形に合わせてタイミ
ングを取ることができるので、系統条件の変化に強い系
統安定化装置を構成することができる。

【００４０】また、パルス発生部６で発生する正パルス
７ａ及び反転パルス７ｂのパルス幅やパルス高さａを、
電力動揺の特性に合わせて適宜調整することも可能であ
る。また、正パルス７ａ及び反転パルス７ｂを電力動揺
の特性に合わせて所定の関数により生成された波として
出力するようにしても良い。この場合、方形波又は正弦
波としても良い。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電力動揺
を抑えるために出力した正パルスに続いて、その影響が
遅れて来るのを打ち消すための反転パルスを出力する。
これにより、位相ずれの原因となっている界磁電圧指令
から同期発電機内部トルクが変化するまでの遅れをなく
すので、界磁の遅れをほとんど考慮する必要がなくな
る。従って、常に角速度変化分Δωの位相で界磁を変化
させることができるようになり、広い周波数帯域の電力
動揺を抑制できる系統安定化装置を得ることができる。
これにより、動揺周波数によらずダンピングに最適なタ
イミングで界磁磁束を制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の系統安定化装置のブロック構成図。

【図２】本発明の系統安定化装置による補助信号の説明
図。

【図３】本発明の系統安定化装置の動作を示すフローチ
ャート。

【図４】本発明の系統安定化装置の動作特性を示す特性
図。

【図５】同期発電機の励磁制御装置の説明図。

【符号の説明】

１ 同期発電機 ２ 自動電圧調整装置 ２ａ 加算器 ３ 系統安定化装置 ４ 励磁装置 ４ａ 界磁巻線 ５ パルスタイミング発生部 ６ パルス発生部 ７ａ 正パルス ７ｂ 反転パルス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高木 康夫 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 ▲榊▼ 吉孝 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 平山 開一郎 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中工場内 (72)発明者 大明 準治 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同期発電機の端子電圧が目標値になるよ
   うに励磁量を調節する自動電圧調整装置に前記同期発電
   機に発生する電力動揺の減衰を早めるための電圧調整信
   号を補助信号として入力し、前記同期発電機に界磁磁束
   変化を与え安定度を向上させるようにした系統安定化装
   置において、前記電力動揺を抑制する方向の界磁磁束変
   化を与える正パルス及び前記正パルスによる界磁磁束変
   化を打ち消す方向の反転パルスを前記補助信号として出
   力するパルス発生部と、前記正パルス及び前記反転パル
   スのパルス発生タイミングを判定しそのパルス発生タイ
   ミングで前記パルス発生部から前記正パルス及び前記反
   転パルスを発生させるように制御するパルスタイミング
   発生部とを備えたことを特徴とする系統安定化装置。
2. 【請求項２】 前記パルスタイミング発生部での前記パ
   ルス発生タイミングの判定は、前記同期発電機の制動ト
   ルクと同相な成分を増加させるタイミングを前記補助信
   号の発生タイミングと判定するようにしたことを特徴と
   する請求項１に記載の系統安定化装置。
3. 【請求項３】 前記同期発電機の制動トルクと同相な成
   分を増加させるタイミングは、前記同期発電機の回転数
   に基づいて判定するようにしたことを特徴とする請求項
   ２に記載の系統安定化装置。
4. 【請求項４】 前記同期発電機の制動トルクと同相な成
   分を増加させるタイミングは、前記同期発電機の有効電
   力に基づいて判定するようにしたことを特徴とする請求
   項２に記載の系統安定化装置。
5. 【請求項５】 前記同期発電機の制動トルクと同相な成
   分を増加させるタイミングは、前記同期発電機の相差角
   に基づいて判定するようにしたことを特徴とする請求項
   ２に記載の系統安定化装置。
6. 【請求項６】 前記パルス発生部で発生する前記正パル
   ス又は前記反転パルスのパルス幅又はパルス高さを調整
   可能としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５に記
   載の系統安定化装置。
7. 【請求項７】 前記パルス発生部で発生する前記正パル
   ス又は前記反転パルスは、所定の関数により生成された
   波であることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載
   の系統安定化装置。
8. 【請求項８】 所定の関数により生成された波は、方形
   波又は正弦波であることを特徴とする請求項７に記載の
   系統安定化装置。