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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024083107
(43)【公開日】2024-06-20
(54)【発明の名称】発電機器システム
(51)【国際特許分類】
H02P 9/00 20060101AFI20240613BHJP
【ＦＩ】
H02P9/00 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022197435
(22)【出願日】2022-12-09
(71)【出願人】
【識別番号】000173809
【氏名又は名称】一般財団法人電力中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100101236
【弁理士】
【氏名又は名称】栗原 浩之
(74)【代理人】
【識別番号】100166914
【弁理士】
【氏名又は名称】山▲崎▼ 雄一郎
(72)【発明者】
【氏名】青木 廉
(72)【発明者】
【氏名】菊間 俊明
【テーマコード（参考）】
5H590
【Ｆターム（参考）】
5H590AA11
5H590CA12
5H590CC10
5H590CC24
5H590CE01
5H590DD43
5H590EA07
5H590EB14
5H590EB22
5H590FA06
5H590FA08
5H590FB07
5H590GA02
5H590GA04
5H590GA06
5H590HA02
5H590HA04
5H590HA06
5H590HA27
(57)【要約】
【課題】電力系統における需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制し、系統の周波数維持に寄与する。
【解決手段】可変速発電機１２において、同期機として振舞わせる同期機モードを開発し、（長周期の）需要変動時以外は可変速発電機を同期機モードとして運転しておくことで、従来の可変速発電機よりも、電力系統１における需給インバランスが発生した直後（例えば、電源脱落が生じた直後）の系統の周波数変化率を抑制する。
【選択図】 図１
【解決手段】可変速発電機１２において、同期機として振舞わせる同期機モードを開発し、（長周期の）需要変動時以外は可変速発電機を同期機モードとして運転しておくことで、従来の可変速発電機よりも、電力系統１における需給インバランスが発生した直後（例えば、電源脱落が生じた直後）の系統の周波数変化率を抑制する。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力系統に接続されて電力を供給する可変速発電機を有し、
前記可変速発電機は、
励磁用変換器の励磁周波数を系統周波数に合わせて変動させる可変速機モードと、励磁周波数を固定して磁極を固定する同期機モードの両方を実現でき、
前記同期機モード、もしくは、前記可変速機モードのいずれかを選択して前記励磁用変換器の励磁周波数を確定する選択制御手段を備えた
ことを特徴とする発電機器システム。
前記可変速発電機は、
励磁用変換器の励磁周波数を系統周波数に合わせて変動させる可変速機モードと、励磁周波数を固定して磁極を固定する同期機モードの両方を実現でき、
前記同期機モード、もしくは、前記可変速機モードのいずれかを選択して前記励磁用変換器の励磁周波数を確定する選択制御手段を備えた
ことを特徴とする発電機器システム。
【請求項2】
請求項１に記載の発電機器システムにおいて、
前記可変速機モードは、
第１励磁電圧導出手段及び第１ＤＱ軸周波数導出手段を有し、系統周波数に応じて励磁周波数を変動させ、
前記同期機モードは、
励磁電圧を導出する第２励磁電圧導出手段及び第２ＤＱ軸周波数導出手段を有し、励磁周波数を所定の周波数に固定し、
励磁電圧導出手段については、前記第１励磁電圧導出手段及び前記第２励磁電圧導出手段が直列状態に接続され、
ＤＱ軸周波数導出手段については、前記第１ＤＱ軸周波数導出手段及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段が直列状態に接続され、
前記選択制御手段は、
前記第１励磁電圧導出手段及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段、または、前記第２励磁電圧導出手段及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段により決定される励磁周波数のいずれかを、前記励磁用変換器の励磁周波数とする選択を保持信号のＯＮ・ＯＦＦにより行い、前記可変速機モード、もしくは、前記同期機モードを切り換え可能である
ことを特徴とする発電機器システム。
前記可変速機モードは、
第１励磁電圧導出手段及び第１ＤＱ軸周波数導出手段を有し、系統周波数に応じて励磁周波数を変動させ、
前記同期機モードは、
励磁電圧を導出する第２励磁電圧導出手段及び第２ＤＱ軸周波数導出手段を有し、励磁周波数を所定の周波数に固定し、
励磁電圧導出手段については、前記第１励磁電圧導出手段及び前記第２励磁電圧導出手段が直列状態に接続され、
ＤＱ軸周波数導出手段については、前記第１ＤＱ軸周波数導出手段及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段が直列状態に接続され、
前記選択制御手段は、
前記第１励磁電圧導出手段及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段、または、前記第２励磁電圧導出手段及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段により決定される励磁周波数のいずれかを、前記励磁用変換器の励磁周波数とする選択を保持信号のＯＮ・ＯＦＦにより行い、前記可変速機モード、もしくは、前記同期機モードを切り換え可能である
ことを特徴とする発電機器システム。
【請求項3】
請求項２に記載の発電機器システムにおいて、
前記第１励磁電圧導出手段は、
前記可変速発電機の固定子の端子電圧を指令値に追従させるようにする端子電圧制御機能と、前記可変速発電機の有効電力を指令値に追従させるようにする有効電力制御機能から前記可変速発電機の励磁電流の指令値を決定し、励磁電流を指令値に追従させるように励磁電圧の指令値を第１の指令値として設定する励磁電圧制御機能を有し、
前記第１ＤＱ軸周波数導出手段は、
系統周波数および前記可変速発電機の回転速度に基づいてＤＱ軸周波数の指令値を設定するＤＱ軸周波数制御機能を有し、
前記第２励磁電圧導出手段は、
前記可変速発電機の励磁電圧の第１の指令値の絶対値を導出する絶対値導出機能と、位相を導出する位相導出機能を有し、
前記位相導出機能に関しては、保持信号に基づいて入力信号を保持する第１保持回路を有し、前記絶対値導出機能、前記位相導出機能での導出結果に基づき、励磁電圧の指令値を第２の指令値として設定する励磁電圧制御機能を有し、
前記第２ＤＱ軸周波数導出手段は第２保持回路を有し、
前記第２保持回路の保持信号に基づいてＤＱ軸周波数の指令値を保持するＤＱ軸周波数制御機能を有する
ことを特徴とする発電機器システム。
前記第１励磁電圧導出手段は、
前記可変速発電機の固定子の端子電圧を指令値に追従させるようにする端子電圧制御機能と、前記可変速発電機の有効電力を指令値に追従させるようにする有効電力制御機能から前記可変速発電機の励磁電流の指令値を決定し、励磁電流を指令値に追従させるように励磁電圧の指令値を第１の指令値として設定する励磁電圧制御機能を有し、
前記第１ＤＱ軸周波数導出手段は、
系統周波数および前記可変速発電機の回転速度に基づいてＤＱ軸周波数の指令値を設定するＤＱ軸周波数制御機能を有し、
前記第２励磁電圧導出手段は、
前記可変速発電機の励磁電圧の第１の指令値の絶対値を導出する絶対値導出機能と、位相を導出する位相導出機能を有し、
前記位相導出機能に関しては、保持信号に基づいて入力信号を保持する第１保持回路を有し、前記絶対値導出機能、前記位相導出機能での導出結果に基づき、励磁電圧の指令値を第２の指令値として設定する励磁電圧制御機能を有し、
前記第２ＤＱ軸周波数導出手段は第２保持回路を有し、
前記第２保持回路の保持信号に基づいてＤＱ軸周波数の指令値を保持するＤＱ軸周波数制御機能を有する
ことを特徴とする発電機器システム。
【請求項4】
請求項１に記載の発電機器システムにおいて、
前記可変速機モードは、
第１励磁電圧導出手段及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段を有し、系統周波数に応じて励磁周波数を変動させ、
前記同期機モードは、
励磁電圧を導出する第２励磁電圧導出手段及び第２ＤＱ軸周波数導出手段を有し、励磁周波数を所定の周波数に固定し、
励磁電圧導出手段については、前記第１励磁電圧導出手段及び前記第２励磁電圧導出手段が並列状態に接続され、
ＤＱ軸周波数導出手段については、前記第１ＤＱ軸周波数導出手段及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段が並列状態に接続され、
前記選択制御手段は、前記第１励磁電圧導出手段及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段、または、前記第２励磁電圧導出手段及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段により決定される励磁周波数のいずれかを、前記励磁用変換器の励磁周波数とする選択を保持信号のＯＮ・ＯＦＦにより行い、前記可変速機モード、もしくは、前記同期機モードを切り換え可能である
ことを特徴とする発電機器システム。
前記可変速機モードは、
第１励磁電圧導出手段及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段を有し、系統周波数に応じて励磁周波数を変動させ、
前記同期機モードは、
励磁電圧を導出する第２励磁電圧導出手段及び第２ＤＱ軸周波数導出手段を有し、励磁周波数を所定の周波数に固定し、
励磁電圧導出手段については、前記第１励磁電圧導出手段及び前記第２励磁電圧導出手段が並列状態に接続され、
ＤＱ軸周波数導出手段については、前記第１ＤＱ軸周波数導出手段及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段が並列状態に接続され、
前記選択制御手段は、前記第１励磁電圧導出手段及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段、または、前記第２励磁電圧導出手段及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段により決定される励磁周波数のいずれかを、前記励磁用変換器の励磁周波数とする選択を保持信号のＯＮ・ＯＦＦにより行い、前記可変速機モード、もしくは、前記同期機モードを切り換え可能である
ことを特徴とする発電機器システム。
【請求項5】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電機器システムにおいて、
前記可変速発電機は、
基本の運転モードとして前記同期機モードで運用され、前記電力系統の長期の需給変動が生じた際に前記可変速機モードに切り換えて長期の需給変動を吸収するように運用される機能を有し、
前記同期機モードを基本モードとして運転し、前記同期機モードでの運転頻度を高くすることで、前記電力系統における電源脱落等の需給インバランスが生じた際の、需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制するようにした
ことを特徴とする発電機器システム。
前記可変速発電機は、
基本の運転モードとして前記同期機モードで運用され、前記電力系統の長期の需給変動が生じた際に前記可変速機モードに切り換えて長期の需給変動を吸収するように運用される機能を有し、
前記同期機モードを基本モードとして運転し、前記同期機モードでの運転頻度を高くすることで、前記電力系統における電源脱落等の需給インバランスが生じた際の、需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制するようにした
ことを特徴とする発電機器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、超同期セルビウス方式を採用する可変速発電機（例えば、可変速揚水発電機）を有する発電機器システムに関し、電力系統における需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制し、系統の周波数維持に寄与することができるようにしたものである。即ち、需給インバランス発生直後の系統の周波数変化率抑制に資する可変速発電機の制御方式に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、可変速発電機の励磁用変換器では、励磁周波数を系統周波数と可変速発電機の回転子の回転速度の差に調整し、可変速発電機の磁極の回転速度を系統周波数に合わせることができるようにしている（例えば、特許文献１）。特許文献１に示された従来の技術では、可変速発電機の回転子の回転速度を系統周波数とは異なる状態で運転することができ、有効電力を調整することができる。
【0003】
電力系統において需給インバランスが生じた場合、需給インバランス発生直後の周波数の変化率（周波数変化率）が大きくなり、電力系統の周波数安定性が損なわれる虞がある。これを防ぐためには、需給インバランス発生から短時間で有効電力を高速に増減可能な電源（周波数低下時は有効電力を増加させ、周波数上昇時は有効電力を減少させることができる電源）、即ち、系統の周波数変化率を抑制し、短時間で周波数を安定させることができる電源が必要である。
【0004】
磁極が固定されている同期発電機（例えば、火力発電機）では、需給インバランス発生直後の系統の周波数変化率を抑制しやすいが、従来の技術の可変速発電機の場合、同期発電機と比べて抑制効果は限定的であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００３－１９９３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、電力系統における需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制し、系統の周波数維持に寄与することができる可変速の発電機器（可変速発電機）を有する発電機器システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の発電機器システムは、電力系統に接続されて電力を供給する可変速発電機を有し、前記可変速発電機は、励磁用変換器の励磁周波数を系統周波数に合わせて変動させる可変速機モードと、励磁周波数を固定して磁極を固定する同期機モードの両方を実現でき、前記同期機モード、もしくは、前記可変速機モードのいずれかを選択して前記励磁用変換器の励磁周波数を確定する選択制御手段を備えたことを特徴とする。
【0008】
請求項１に係る本発明では、励磁周波数の制御方法を切り換えることで、可変速機モードと同期機モードを切り換えることが可能になっている。基本の運転モードを同期機モードとし、可変速発電機を磁極が固定される同期機モードにより運転することで、電源脱落等（大規模電源脱落等）の需給インバランスが発生した場合に、従来の可変速発電機よりも需給インバランス発生直後の系統の周波数変化率を抑制することができる。
【0009】
一方で、平常時の需給変動（長周期）を吸収する場合、可変速機モードに切り換え、発電機の有効電力や回転速度を所定の値に変更することで、従来の可変速発電機と同様に平常時の需給変動を吸収することができる。
【0010】
このため、電力系統における需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制し、かつ、平常時の需給変動を吸収することが可能になるため、系統の周波数維持に寄与することが可能になる。
【0011】
そして、請求項２に係る本発明の発電機器システムは、請求項１に記載の発電機器システムにおいて、
前記可変速機モードは、
第１励磁電圧導出手段（２１）及び第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）を有し、系統周波数に応じて励磁周波数を変動させ、
前記同期機モードは、
励磁電圧を導出する第２励磁電圧導出手段（２２）及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）を有し、励磁周波数を所定の周波数に固定し、
励磁電圧導出手段については、前記第１励磁電圧導出手段（２１）及び前記第２励磁電圧導出手段（２２）が直列状態に接続され、
ＤＱ軸周波数導出手段については、前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）が直列状態に接続され、
前記選択制御手段は、
前記第１励磁電圧導出手段（２１）及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）、または、前記第２励磁電圧導出手段（２２）及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）により決定される前記励磁周波数のいずれかを、前記励磁用変換器の励磁周波数とする選択を保持信号のＯＮ・ＯＦＦにより行い、前記可変速機モード（保持信号ＯＦＦ時）、もしくは、前記同期機モード（保持信号ＯＮ時）を切り換え可能であることを特徴とする。
前記可変速機モードは、
第１励磁電圧導出手段（２１）及び第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）を有し、系統周波数に応じて励磁周波数を変動させ、
前記同期機モードは、
励磁電圧を導出する第２励磁電圧導出手段（２２）及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）を有し、励磁周波数を所定の周波数に固定し、
励磁電圧導出手段については、前記第１励磁電圧導出手段（２１）及び前記第２励磁電圧導出手段（２２）が直列状態に接続され、
ＤＱ軸周波数導出手段については、前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）が直列状態に接続され、
前記選択制御手段は、
前記第１励磁電圧導出手段（２１）及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）、または、前記第２励磁電圧導出手段（２２）及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）により決定される前記励磁周波数のいずれかを、前記励磁用変換器の励磁周波数とする選択を保持信号のＯＮ・ＯＦＦにより行い、前記可変速機モード（保持信号ＯＦＦ時）、もしくは、前記同期機モード（保持信号ＯＮ時）を切り換え可能であることを特徴とする。
【0012】
請求項２に係る本発明では、励磁電圧導出手段とＤＱ軸周波数導出手段が、それぞれが直列状態に接続された回路を構築し、選択制御手段（保持信号のＯＮ・ＯＦＦ）によって、系統周波数に応じて励磁周波数を変動させるための可変速機モード（保持信号ＯＦＦ時）、励磁周波数を所定の周波数に固定するための同期機モード（保持信号ＯＮ時）を選択し、励磁用変換器の励磁周波数を決定する。
【0013】
また、請求項３に係る本発明の発電機器システムは、
請求項２に記載の発電機器システムにおいて、
前記第１励磁電圧導出手段（２１）は、
前記可変速発電機の固定子の端子電圧を指令値に追従させるようにする端子電圧制御機能と、前記可変速発電機の有効電力を指令値に追従させるようにする有効電力制御機能から前記可変速発電機の励磁電流の指令値を決定し、励磁電流を指令値に追従させるように励磁電圧の指令値を第１の指令値として設定する励磁電圧制御機能を有し、
前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）は、
系統周波数および前記可変速発電機の回転速度に基づいてＤＱ軸周波数の指令値を設定するＤＱ軸周波数制御機能を有し、
前記第２励磁電圧導出手段（２２）は、
前記可変速発電機の励磁電圧の第１の指令値の絶対値を導出する絶対値導出機能と、位相を導出する位相導出機能を有し、
前記位相導出機能に関しては、保持信号に基づいて入力信号を保持する第１保持回路を有し、前記絶対値導出機能、前記位相導出機能での導出結果に基づき、励磁電圧の指令値を第２の指令値として設定する励磁電圧制御機能を有し、
前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）は第２保持回路を有し、
前記第２保持回路の保持信号に基づいてＤＱ軸周波数の指令値を保持するＤＱ軸周波数制御機能を有することを特徴とする。
請求項２に記載の発電機器システムにおいて、
前記第１励磁電圧導出手段（２１）は、
前記可変速発電機の固定子の端子電圧を指令値に追従させるようにする端子電圧制御機能と、前記可変速発電機の有効電力を指令値に追従させるようにする有効電力制御機能から前記可変速発電機の励磁電流の指令値を決定し、励磁電流を指令値に追従させるように励磁電圧の指令値を第１の指令値として設定する励磁電圧制御機能を有し、
前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）は、
系統周波数および前記可変速発電機の回転速度に基づいてＤＱ軸周波数の指令値を設定するＤＱ軸周波数制御機能を有し、
前記第２励磁電圧導出手段（２２）は、
前記可変速発電機の励磁電圧の第１の指令値の絶対値を導出する絶対値導出機能と、位相を導出する位相導出機能を有し、
前記位相導出機能に関しては、保持信号に基づいて入力信号を保持する第１保持回路を有し、前記絶対値導出機能、前記位相導出機能での導出結果に基づき、励磁電圧の指令値を第２の指令値として設定する励磁電圧制御機能を有し、
前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）は第２保持回路を有し、
前記第２保持回路の保持信号に基づいてＤＱ軸周波数の指令値を保持するＤＱ軸周波数制御機能を有することを特徴とする。
【0014】
請求項３に係る本発明では、選択制御手段による選択は保持信号のＯＮ・ＯＦＦにより行い、保持信号ＯＦＦの場合は、第１励磁電圧導出手段（２１）および第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）により決定される励磁周波数が選択され、発電機が可変速機モードとして運転される。保持信号ＯＮの場合は、第１保持回路および第２保持回路の出力が保持され、第２励磁電圧導出手段（２２）及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（第２保持回路３５）により決定される励磁周波数が選択されて、発電機が同期機モードとして運転される。
【0015】
また、請求項４に係る本発明の発電機器システムは、
請求項１に記載の発電機器システムにおいて、
前記可変速機モードは、
第１励磁電圧導出手段（２１）及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）を有し、系統周波数に応じて励磁周波数を変動させ、
前記同期機モードは、
励磁電圧を導出する第２励磁電圧導出手段（２２）及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）を有し、励磁周波数を所定の周波数に固定し、
励磁電圧導出手段については、前記第１励磁電圧導出手段（２１）及び前記第２励磁電圧導出手段（２２）が並列状態に接続され、
ＤＱ軸周波数導出手段については、前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）が並列状態に接続され、
前記選択制御手段は、前記第１励磁電圧導出手段（２１）及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）、または、前記第２励磁電圧導出手段（２２）及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（第２保持回路３５）により決定される励磁周波数のいずれかを、前記励磁用変換器の励磁周波数とする選択を保持信号のＯＮ・ＯＦＦにより行い、前記可変速機モード（保持信号ＯＦＦ時）、もしくは、前記同期機モード（保持信号ＯＮ時）を切り換え可能であることを特徴とする。
請求項１に記載の発電機器システムにおいて、
前記可変速機モードは、
第１励磁電圧導出手段（２１）及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）を有し、系統周波数に応じて励磁周波数を変動させ、
前記同期機モードは、
励磁電圧を導出する第２励磁電圧導出手段（２２）及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）を有し、励磁周波数を所定の周波数に固定し、
励磁電圧導出手段については、前記第１励磁電圧導出手段（２１）及び前記第２励磁電圧導出手段（２２）が並列状態に接続され、
ＤＱ軸周波数導出手段については、前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（３５）が並列状態に接続され、
前記選択制御手段は、前記第１励磁電圧導出手段（２１）及び前記第１ＤＱ軸周波数導出手段（２９）、または、前記第２励磁電圧導出手段（２２）及び前記第２ＤＱ軸周波数導出手段（第２保持回路３５）により決定される励磁周波数のいずれかを、前記励磁用変換器の励磁周波数とする選択を保持信号のＯＮ・ＯＦＦにより行い、前記可変速機モード（保持信号ＯＦＦ時）、もしくは、前記同期機モード（保持信号ＯＮ時）を切り換え可能であることを特徴とする。
【0016】
請求項４に係る本発明では、励磁電圧導出手段とＤＱ軸周波数導出手段が、それぞれが並列状態に接続された回路を構築し、選択制御手段（保持信号のＯＮ・ＯＦＦ）によって、系統周波数に応じて励磁周波数を変動させるための可変速機モード（保持信号ＯＦＦ時）、励磁周波数を所定の周波数に固定するための同期機モード（保持信号ＯＮ時）を選択し、励磁用変換器の励磁周波数を決定する。
【0017】
また、請求項５に係る本発明の発電機器システムは、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電機器システムにおいて、
前記可変速発電機は、
基本の運転モードとして前記同期機モードで運用され、前記電力系統の長期の需給変動が生じた際に前記可変速機モードに切り換えて長期の需給変動を吸収するように運用される機能を有し、
前記同期機モードを基本モードとして運転し、前記同期機モードでの運転頻度を高くすることで、前記電力系統における電源脱落等の需給インバランスが生じた際の、需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制するようにしたことを特徴とする。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電機器システムにおいて、
前記可変速発電機は、
基本の運転モードとして前記同期機モードで運用され、前記電力系統の長期の需給変動が生じた際に前記可変速機モードに切り換えて長期の需給変動を吸収するように運用される機能を有し、
前記同期機モードを基本モードとして運転し、前記同期機モードでの運転頻度を高くすることで、前記電力系統における電源脱落等の需給インバランスが生じた際の、需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制するようにしたことを特徴とする。
【0018】
即ち、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電機器システムにおいて、前記可変速発電機は、基本の運転モードとして前記同期機モードで運用され、前記電力系統の長期の需給変動が生じた際に前記可変速機モードに切り換えて長期の需給変動を吸収するように運用される機能を有し、前記電力系統における電源脱落等の需給インバランスが生じた際に、前記同期機モードでの運転の頻度が高くなっているようにしたことを特徴とする。
【0019】
請求項５に係る本発明では、可変速発電機の運転は同期機モードでの振る舞いがベースとされ、同期機モードでの運転の頻度を高くする。一方で、電力系統の長期の需給変動が生じた時には可変速機モードで運転し、長期の需給変動を吸収する。これにより、電源脱落等（大規模電源脱落等）の需給インバランスが発生した場合には、同期機モードにより一般的な（従来の）可変速発電機よりも需給インバランス発生直後の系統の周波数変化率を抑制することが可能となり、電力系統の長期の需給変動が生じた際には可変速機モードにより一般的な（従来の）可変速発電機と同様に長期の需給変動を吸収することができる。このため、電力系統における需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制し、かつ、常時の需要変動を吸収することが可能となり、系統の周波数維持に寄与することが可能になる。
【発明の効果】
【0020】
本発明の発電機器システムは、可変速発電機を有する発電機器システムにおいて、電力系統における需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制し、系統の周波数維持に寄与することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の一実施例に係る発電機器システムの全体構成を説明する概略図である。
【図2】励磁用変換器の回路構成図である。
【図3】運転モードのタイムチャートである。
【図4】有効電力の経時変化を説明するグラフである。
【図5】系統周波数の経時変化を説明するグラフである。
【図6】他の実施例に係る励磁用変換器の回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
本発明の発電機器システムにおける発電機は、励磁用変換器の励磁周波数を系統周波数に合わせて変動させる可変速機モードと、励磁周波数を固定して磁極を固定する同期機モードとを有している。
【0023】
そして、常時の需給変動（長周期）を吸収する場合を除き、同期機モードとして運転する。
【0024】
基本の運転モードを同期機モードとし、可変速発電機を磁極が固定される同期機モードとして運転することで、電力系統における電源脱落等（大規模電源脱落等）の需給インバランスが発生した場合に、一般的な（従来の）可変速発電機よりも需給インバランス発生直後の系統の周波数変化率を抑制することができる。このため、需給インバランスが発生した直後の発電機器システム１１の周波数安定化効果を高めることができる。
【0025】
以下、図面に基づいて本発明の一実施例に係る発電機器システムの具体例を説明する。
【0026】
図１には本発明の一実施例に係る発電機器システムの全体を概念的に説明する概略構成、図２には励磁用変換手段の制御状況を具体的に説明する回路構成を示してある。また、図３には運転モードのタイムチャートを示してあり、図３（ａ）は電力系統の長期の需給変動（長周期）の経時変化、図３（ｂ）は発電機に対する有効電力指令値の経時変化、図３（ｃ）は発電機の実際の有効電力値の経時変化、図３（ｄ）は発電機の回転速度の経時変化である。
【0027】
【0028】
図１に基づいて発電機器システムの全体の構成を説明する。
【0029】
図に示すように、電力系統１には、例えば、風力発電設備２、太陽光発電設備３、火力発電設備４が接続されている。そして、電力系統１には、本発明の実施例に係る発電機器システム１１が接続されている。電力系統１の需要に対し、風力発電設備２、太陽光発電設備３、火力発電設備４、発電機器システム１１からの電力が供給されるようになっている。
【0030】
発電機器システム１１は、二重給電誘導機である可変速発電機１２を有し、可変速発電機１２は、一次巻線が電力系統１に接続されている。可変速発電機１２の二次巻線には、例えば、スリップリングを介して励磁用変換器１３によって二次電流が供給される。励磁用変換器１３が二次電流を供給することで、可変速発電機１２は電力系統１の周波数に同期した運転を行うことができる。
【0031】
励磁用変換器１３は、可変速発電機１２に対する励磁周波数を系統周波数に合わせて変動させる可変速機モード（手段１４）と、励磁周波数を固定させる同期機モード（手段１５）とを有している。そして、同期機モード、もしくは、可変速機モードのいずれかを選択して可変速発電機１２の励磁周波数を選択する選択制御手段１６（後述する保持信号出力手段の出力信号をＯＮ・ＯＦＦに切換える手段）を備えている。
【0032】
選択制御手段１６は、同期機モード、もしくは、可変速機モードのいずれかを切り換える手段であるので、可変速機モード（手段１４）を有する可変速発電機１２で、同期機モードを基本とした運転をすることができる。また、電力系統１の長期の需給変動（長周期）により、可変速発電機１２の有効電力や回転速度を変更したい時には、可変速機モードに切り換えることができる。
【0033】
可変速発電機１２は、励磁周波数を固定して磁極を固定する同期機モードが基本のモードとなるようにしているので、電力系統１における電源脱落等（大規模電源脱落等）の需給インバランスが発生した際（例えば、火力発電設備４や風力発電設備２の電源脱落が生じた際）には、需給インバランス発生直後の系統の周波数変化率が抑制される。
【0034】
このため、電力系統１における需給インバランス発生直後の発電機器システム１１の周波数変化率を抑制し、電力系統１の周波数維持に寄与することが可能になる。
【0035】
図２に基づいて励磁用変換器１３の制御状況を具体的に説明する。
【0036】
可変速機モード（手段１４）は励磁用変換器１３の励磁周波数を電力系統１の周波数に合わせて変動させる第１励磁電圧導出手段２１および第１ＤＱ軸周波数導出手段２９を有している。これらは、電力系統１の周波数（系統周波数）に応じて励磁周波数を変動させる。また、同期機モードの手段１５は、励磁用変換器１３の励磁周波数を固定して磁極を固定する第２励磁電圧導出手段２２及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（後述する第２保持回路３５）を有している。これらは、励磁周波数を所定の周波数に固定する。
【0037】
選択制御手段１６は、第１励磁電圧導出手段２１及び第１ＤＱ軸周波数導出手段２９で導出された励磁周波数、第２励磁電圧導出手段２２及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（第２保持回路３５）で導出された励磁周波数のいずれかを可変速発電機１２に対する励磁周波数とする回路を有している。
【0038】
そして、第１励磁電圧導出手段２１及び第１ＤＱ軸周波数導出手段２９の出力、第２励磁電圧導出手段２２及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（第２保持回路３５）の出力のいずれかを座標変換機能２５の入力信号とする選択を行い、可変速発電機１２の運転を、可変速機モード、もしくは、同期機モードとする選択手段（保持信号出力手段２３）を有している。
【0039】
保持信号出力手段２３からの信号がＯＦＦ状態の場合、第２励磁電圧導出手段２２及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（第２保持回路３５）の出力は、第１励磁電圧導出手段２１及び第１ＤＱ軸周波数導出手段２９の出力と等しくなるため、座標変換機能２５の入力信号は第１励磁電圧導出手段２１及び第１ＤＱ軸周波数導出手段２９の出力となる。
【0040】
保持信号出力手段２３からの信号をＯＮ状態にすることにより、可変速発電機１２の運転が同期機モードとされ、保持信号出力手段２３からの信号をＯＦＦ状態にすることにより、可変速発電機１２の運転が可変速機モードにされる。
【0041】
励磁用変換器１３は、第１励磁電圧導出手段２１及び第２励磁電圧導出手段２２が直列状態に接続され、ＤＱ軸周波数導出手段についても第１ＤＱ軸周波数導出手段２９及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（第２保持回路３５）が直列に接続された回路で構築され、保持信号出力手段２３から出力される信号のＯＮ・ＯＦＦにより第１励磁電圧導出手段２１及び第１ＤＱ軸周波数導出手段２９、もしくは、第２励磁電圧導出手段２２及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（第２保持回路３５）により励磁周波数が計算され、可変速発電機１２に対する励磁周波数が決定される（可変速機モード、同期機モードが選択される）。
【0042】
第１励磁電圧導出手段２１及び第１ＤＱ軸周波数導出手段２９、第２励磁電圧導出手段２２及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（第２保持回路３５）を具体的に説明する。
【0043】
第１励磁電圧導出手段２１は、可変速発電機１２の固定子の端子電圧（実値）を指令値に追従させるようにする端子電圧制御機能２６を有している。端子電圧制御機能２６は、可変速発電機１２の端子電圧が一定状態になるように制御するもので、端子電圧制御機能２６では、可変速発電機１２の固定子の端子電圧を指令値に追従させるように、Ｄ軸励磁電流指令値が決定される。
【0044】
また、第１励磁電圧導出手段２１は、可変速発電機１２の有効電力（実値）を指令値に追従させるようにする有効電力制御機能２７を有している。有効電力制御機能２７は、可変速発電機１２の有効電力が一定になるように制御するもので、有効電力制御機能２７では、可変速発電機１２の有効電力を指令値に追従させるようにＱ軸励磁電流指令値が決定される。
【0045】
端子電圧制御機能２６で決定されたＤ軸励磁電流指令値、及び、有効電力制御機能２７で決定されたＱ軸励磁電流指令値は、励磁電圧制御機能２８に送られる。励磁電圧制御機能２８は、可変速発電機１２のＤ軸励磁電流値、Ｑ軸励磁電流値をＤ軸励磁電流指令値、Ｑ軸励磁電流指令値に追従させるようにＤ軸励磁指令電圧値（指令値１：Ｄ軸指令値１）、及び、Ｑ軸励磁指令電圧値（指令値１：Ｑ軸指令値１）が設定される。
【0046】
また、第１ＤＱ軸周波数導出手段２９は、電力系統の系統周波数、可変速発電機１２の回転速度に基づいてＤＱ軸周波数を設定するＤＱ軸周波数制御機能を有している。第１ＤＱ軸周波数導出手段２９（ＤＱ軸周波数制御機能）では、電力系統の系統周波数と可変速発電機１２の回転速度（回転数）に基づいてＤＱ軸周波数（系統周波数-回転数）が演算される。
【0047】
第１励磁電圧導出手段２１及び第１ＤＱ軸周波数導出手段２９で求められたＤ軸指令値１、Ｑ軸指令値１、及び、ＤＱ軸周波数は、同期機モードの手段１５に送られる。
【0048】
同期機モードの手段１５の第２励磁電圧導出手段２２は、可変速発電機１２の励磁電圧の絶対値を導出する絶対値導出機能３１を有し、絶対値導出機能３１には、Ｄ軸指令値１、Ｑ軸指令値１、及び、可変速発電機１２の端子電圧の指令値が入力される。絶対値導出機能３１では、Ｄ軸指令値１、Ｑ軸指令値１、及び、可変速発電機１２の端子電圧の指令値に基づいて励磁電圧の絶対値（指令値）が設定される。
【0049】
そして、絶対値導出機能３１には、保持信号出力手段２３からの信号（ＯＮ・ＯＦＦ）が入力され、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＦＦの場合（可変速機モードの場合）、Ｄ軸指令値１、Ｑ軸指令値１により励磁電圧の絶対値（指令値）が求められる。保持信号出力手段２３の出力信号がＯＮの場合（同期機モードの場合）、可変速発電機１２の端子電圧を指令値に追従させるように励磁電圧の絶対値（指令値）が決定される。
【0050】
また、第２励磁電圧導出手段２２は、可変速発電機１２の励磁電圧位相を導出する位相導出機能３２を有し、位相導出機能３２には、Ｄ軸指令値１、Ｑ軸指令値１が入力される。位相導出機能３２ではＤ軸指令値１、Ｑ軸指令値１に基づいて励磁電圧位相の指令値（指令値）が設定される。
【0051】
位相導出機能３２で設定された励磁電圧位相の指令値は、第１保持回路３３に送られ、第１保持回路３３には、保持信号出力手段２３からの信号（ＯＮ・ＯＦＦ）が入力される。第１保持回路３３では、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＦＦの場合（可変速機モードの場合）、第１保持回路３３の入力である励磁電圧位相の指令値を出力するが、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＮの場合（同期機モードの場合）、第１保持回路３３の入力である励磁電圧位相の指令値が保持される。
【0052】
絶対値導出機能３１で求められた励磁電圧の絶対値（指令値）、第１保持回路３３で求められた励磁電圧位相（指令値）は、励磁電圧導出機能であるＤＱ成分導出機能３４に入力される。ＤＱ成分導出機能３４では、絶対値導出機能３１で求められた励磁電圧の絶対値、及び、第１保持回路３３で求められた励磁電圧位相に基づいて、励磁電圧の第２の指令値であるＤ軸指令値２、Ｑ軸指令値２が設定される。
【0053】
尚、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＦＦの場合、Ｄ軸指令値２およびＱ軸指令値２の値は、Ｄ軸指令値１およびＱ軸指令値１と等しくなり、第１励磁電圧導出手段と第２励磁電圧導出手段の出力が等しくなる。
【0054】
一方、第１ＤＱ軸周波数導出手段２９（ＤＱ軸周波数制御機能）で演算されたＤＱ軸周波数は第２保持回路３５（第２ＤＱ軸周波数導出手段：確定回路）に送られ、第２保持回路３５には、保持信号出力手段２３からの信号（ＯＮ・ＯＦＦ）が入力される。第２保持回路３５では、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＦＦの場合（可変速機モードの場合）、第２保持回路３５の入力であるＤＱ軸周波数を出力し、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＮの場合（同期機モードの場合）、第２保持回路３５の入力であるＤＱ軸周波数が保持される。
【0055】
ＤＱ成分導出機能３４で設定されたＤ軸指令値２、Ｑ軸指令値２、及び、第２保持回路３５で保持されたＤＱ軸周波数の指令値は座標変換機能２５に送られ、座標変換機能２５では、Ｄ軸指令値２、Ｑ軸指令値２、及び、ＤＱ軸周波数の指令値に基づいて可変速発電機１２の励磁電圧が生成される。即ち、可変速発電機１２の三相（ａ相、ｂ相、ｃ相）の励磁電圧が生成される。
【0056】
上記構成の励磁用変換器１３の回路では、保持信号出力手段２３のＯＮ・ＯＦＦにより（選択手段により）、第１の指令値であるＤ軸指令値１、Ｑ軸指令値１及びＤＱ軸周波数に基づいて可変速発電機１２の励磁電圧が生成される可変速機モードと（保持信号出力手段２３の出力信号がＯＦＦの場合、第２励磁電圧導出手段および第２ＤＱ軸周波数導出手段の出力は、第１励磁電圧導出手段および第１ＤＱ軸周波数導出手段の出力と等しくなる）、Ｄ軸指令値２、Ｑ軸指令値２及び第２保持回路３５（第２ＤＱ軸周波数導出手段）の出力に基づいて、可変速発電機１２の励磁電圧が生成される同期機モードとが切り換えられる。
【0057】
前述したように、可変速発電機１２で、保持信号出力手段２３のＯＮ・ＯＦＦにより（選択手段により）、同期機モードと可変速機モードが選択されるようになっている。そして、本実施例では、保持信号出力手段２３の出力信号をＯＮにして、可変速発電機１２を同期機として振舞わせる同期機モードを基本のモードとしている。
【0058】
電力系統１（図１参照）の需給変動（長周期）により、可変速発電機１２の有効電力や回転速度を変更したい時にだけ、保持信号出力手段２３の出力信号をＯＦＦにして可変速機モードに切り換える。
【0059】
図３に基づいて保持信号出力手段２３のＯＮ・ＯＦＦの状態と、運転の状況との経時変化を説明する。
【0060】
図に示すように、時刻Ｔ１までの間、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間、時刻Ｔ４以降は保持信号出力手段２３の出力信号をＯＮにして、可変速発電機１２を同期機モードとして振舞わせている。
【0061】
時刻Ｔ１で、図３（ａ）に示すように電力系統１の需要（長周期）が増加した場合、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＦＦにされて可変速発電機１２の運転が可変速機モードに切り換えられる。図３（ｂ）に示すように、時刻Ｔ１で可変速発電機１２に対する有効電力指令値が増加され、図３（ｃ）に示すように、時刻Ｔ１で可変速発電機１２の実際の有効電力が変化を開始する。そして、図３（ｄ）に示すように、時刻Ｔ２では可変速発電機１２の有効電力及び回転速度が所定の値に達する。
【0062】
時刻Ｔ１から短時間で可変速発電機１２の回転速度が所定の回転速度に達し、可変速発電機１２の回転速度及び有効電力が所定の値に達した時刻Ｔ２で、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＮにされ、可変速発電機１２が同期機モードとして振舞う運転に切り換わる。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの長い時間では保持信号出力手段２３の出力信号がＯＮに維持され、可変速発電機１２が同期機モードとして振舞う状態が継続される。
【0063】
同期機モードが長期にわたり継続され、時刻Ｔ３で、電力系統１の需要（長周期）が再び増加した場合（減少した場合もある）、時刻Ｔ３で保持信号出力手段２３の出力信号がＯＦＦにされて可変速発電機１２の運転が可変速機モードに切り換えられ、有効電力指令値が増加されて実際の有効電力値が高くなり、可変速発電機１２の回転速度が所定の回転速度に達する。可変速発電機１２の回転速度及び有効電力が所定値に達した後、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＮにされ、可変速発電機１２は同期機モードとして振舞う状態が継続される。
【0064】
このため、可変速発電機１２は同期機モードでの振る舞いが基本とされ、需給変動（長周期）が生じた時（時刻Ｔ１、Ｔ３）には変動に応じて可変速機モードで運転し、要求された有効電力及び回転速度になった時には（需給変動が吸収された時には）すぐに同期機モードに切り換えて同期機の振る舞いで運転が行われるようになっている。
【0065】
可変速発電機１２の運転は、同期機モードでの振る舞いが基本とされている。
【0066】
可変速発電機１２の運転は、同期機モードでの振る舞いが基本とされているため、電力系統における電源脱落等（大規模電源脱落等）の需給インバランスが発生した際、例えば、風力発電設備２（図１参照）や火力発電設備４（図１参照）の電源脱落が生じた時は、可変速発電機１２は磁極が固定された同期機モードで運転されている可能性が高い。このため、電源脱落等（大規模電源脱落等）の需給インバランスが発生した直後に、系統の周波数が急激に低下することを抑制することができる。
【0067】
即ち、電力系統１における電源脱落等（大規模電源脱落等）の需給インバランスが発生した時刻ｔ１、時刻ｔ２、時刻ｔ３、時刻ｔ４では、可変速発電機１２は、磁極が固定された同期機モードでの振る舞いにより運転されている。
【0068】
このため、図４に示すように、電源脱落等（大規模電源脱落等）の需給インバランスが発生した直後である、時刻ｔ１、時刻ｔ２、時刻ｔ３、時刻ｔ４の直後は可変速発電機１２の有効電力が従来制御（図４中点線）に比べて大きくなり（図４中実線）、図５に示すように、系統の周波数は従来制御（図５中点線）に対して周波数変化が緩和される（図５中実線）。
【0069】
従って、電源脱落等（大規模電源脱落等）の需給インバランス発生直後の周波数変化率が抑制され、電力系統の周波数維持に寄与することが可能になる。
【0070】
図６に基づいて励磁用変換器の他の実施例を説明する。
【0071】
【0072】
図６に示した励磁用変換器５１の制御は、第１励磁電圧導出手段２１及び第２励磁電圧導出手段２２が並列状態に接続される。ＤＱ軸周波数導出手段についても、第１ＤＱ軸周波数導出手段２９（ＤＱ軸周波数制御機能）及び第２ＤＱ軸周波数導出手段（第２保持回路３５）が並列状態に接続される。そして、可変速機モードの手段１４、同期機モードの手段１５のそれぞれに、座標変換機能２５が備えられている。
【0073】
可変速機モードの手段１４の座標変換機能２５では、Ｄ軸指令値１、Ｑ軸指令値１及びＤＱ軸周波数が入力され、同期機モードの手段１５の座標変換機能２５では、Ｄ軸指令値２、Ｑ軸指令値２及び第２保持回路３５（第２ＤＱ軸周波数導出手段）の出力が入力される。いずれの座標変換機能２５の出力は切換え回路５２に送られる。
【0074】
切換え回路５２には保持信号出力手段２３の出力信号が送られ、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＮの場合、同期機モードの手段１５の座標変換機能２５で導出された三相（ａ相、ｂ相、ｃ相）の励磁電圧が可変速発電機１２に送られるように切り換えられ、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＦＦの場合、可変速機モードの手段１４の座標変換機能２５で導出された三相（ａ相、ｂ相、ｃ相）の励磁電圧が可変速発電機１２に送られるように切り換えられる。
【0075】
これにより、図２で示した回路と同様に、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＮの場合、同期機モードにより可変速発電機１２の運転が実施され、保持信号出力手段２３の出力信号がＯＦＦの場合、可変速機モードにより可変速発電機１２の運転が実施される。
【0076】
上述した発電機器システムは、可変速発電機１２を有する発電機器システムにおいて、電源脱落等（大規模電源脱落等）の需給インバランス発生直後の周波数変化率を抑制し、系統の周波数維持に寄与することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【0077】
本発明は、超同期セルビウス方式を採用する可変速発電機（例えば、可変速揚水発電機）を有する発電機器システムの産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【0078】
１ 電力系統
２ 風力発電設備
３ 太陽光発電設備
４ 火力発電設備
１１ 発電機器システム
１２ 可変速発電機
１３、５１ 励磁用変換器
１４ 可変速機モードの手段（可変速機モードの制御方法）
１５ 同期機モードの手段（同期機モードの制御方法）
１６ 選択制御手段
２１ 第１励磁電圧導出手段
２２ 第２励磁電圧導出手段
２３ 保持信号出力手段
２５ 座標変換機能
２６ 端子電圧制御機能
２７ 有効電力制御機能
２８ 励磁電圧制御機能
２９ 第１ＤＱ軸周波数導出手段（ＤＱ軸周波数導出機能）
３１ 絶対値導出機能
３２ 位相導出機能
３３ 第１保持回路
３４ ＤＱ成分導出機能
３５ 第２保持回路（第２ＤＱ軸周波数導出手段）
５２ 切換え回路
２ 風力発電設備
３ 太陽光発電設備
４ 火力発電設備
１１ 発電機器システム
１２ 可変速発電機
１３、５１ 励磁用変換器
１４ 可変速機モードの手段（可変速機モードの制御方法）
１５ 同期機モードの手段（同期機モードの制御方法）
１６ 選択制御手段
２１ 第１励磁電圧導出手段
２２ 第２励磁電圧導出手段
２３ 保持信号出力手段
２５ 座標変換機能
２６ 端子電圧制御機能
２７ 有効電力制御機能
２８ 励磁電圧制御機能
２９ 第１ＤＱ軸周波数導出手段（ＤＱ軸周波数導出機能）
３１ 絶対値導出機能
３２ 位相導出機能
３３ 第１保持回路
３４ ＤＱ成分導出機能
３５ 第２保持回路（第２ＤＱ軸周波数導出手段）
５２ 切換え回路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】