CN114268106A - 同步机的励磁控制装置及励磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步机的励磁控制装置及励磁控制方法，其能够从电力系统的发电侧从根本上应对电压维持能力不足及其变动的课题。同步机的励磁控制装置控制与电力系统连接的同步机的励磁，其具备补偿电路，该补偿电路根据励磁电流或励磁电流等价物的大小可变地调整励磁控制系统的控制常数，励磁控制系统对同步机的励磁绕组中流动的电流进行操作。

Description

同步机的励磁控制装置及励磁控制方法

技术领域

本发明涉及同步机的励磁控制装置及励磁控制方法，特别涉及适合在不具备电力系统电压调整功能的可再生能源增大的状况下进行电力系统电压调整的同步机的励磁控制装置及励磁控制方法。

背景技术

电力系统的电压调整主要通过发电站中的发电机的励磁控制以及在变电站中设置的调相设备的控制来维持。关于这一点，在现有的发电站中，具备电力系统电压调整功能的火力发电站、原子能发电站以及水力发电站(以下称为现有型发电)是主流，但近年来不具备电力系统电压调整功能的可再生能源所占的比例增大。其结果是，从整个电力系统来看，存在电压调整能力不足的倾向。

由此，提出了考虑了太阳能发电、风力发电等可再生能源的电力系统运用，例如在专利文献1中，其目的在于提供一种电力系统电压无功功率监视控制装置，即使发生可再生能源的输出因天气而随着时间经过变动的情况、电源结构或系统结构被变更的情况等，也能够维持电力系统的电压与无功功率的平衡，并且能够提高经济性，提出了以下一种电力系统电压无功功率监视控制装置，其对能够调整电力系统的电压、无功功率的单独装置赋予发送数据，电力系统电压无功功率监视控制装置使用表示电力系统稳定性的1个以上的指标来求出1个以上的目标值制约，根据目标值制约得到关于目标值的信息，将包含关于目标值的信息的发送数据提供给单独装置，由单独装置调整该设置部位的电压、无功功率”。

另外，专利文献2的目的在于提供一种无功功率控制系统，在使用AQR 控制(基于自动无功功率调整装置AQR(Automatic Reactive Power Regulator) 的控制)来控制无功功率的情况下，不会成为进相无功功率，并且能够使无功功率控制的PF(功率因数)为1.0，其中，上述AQR控制是通过进相电容器的接通/断开控制进行的控制，对比文件2中提出了一种无功功率控制系统，其与商用电源进行系统互连并且具备分散电源，通过使用了进相电容器的 AQR控制来控制来自商用电源的受电点的无功功率，其具备：检测部，检测 AQR控制前的受电点的无功功率即第一无功功率；AQR，根据第一无功功率的值来判断是否需要AQR控制，并且进行AQR控制；以及AVR，在AQR的 AQR控制之前，进行将第一无功功率的值修正为在AQR控制中能够抵消的值的无功功率的AVR控制。

认为可再生能源增大的倾向在将来会进一步扩大，也有预测在2050年可再生能源所占的比例占50％。

并且，该比例不只是简单地变高，还大幅变动。例如，在1天当中，在进行太阳能发电的白天，包含风力发电在内的可再生能源所占的比例变高，但在不进行太阳能发电的夜间，以风力发电为主的可再生能源所占的比例相对变低。另外，这样的比率变动不仅在1天中变动，还根据月、季节或地域而变动。

预想将来这样的电力系统的结构比例的变化对于电力系统的电压维持会带来一些障碍。例如，若将部分现有型发电站从电力系统断开，则电力系统的电压降低，不容易使其恢复。这是因为在电力系统中，总体上电压维持能力降低。并且，作为其对策，设想增强电压维持能力(增强现有型发电站的发电容量(发电机台数)、调相设备的容量(调相设备的台数))，但即使根据在1天当中变动的最严酷状况的比例来追加设备在费用方面也不是上策。

与此相对，专利文献1监视整个电力系统来控制地域性的单独的问题部位，但对于整个电力系统的电压维持能力不足及其变动的课题，没有从根本上解决。另外，专利文献2的使用调相设备的方式对于电压维持能力不足及其变动的课题也并非有效，并且该方式下的应对需要具备设想了最严酷状况的设备容量，无法避免价格变高。

专利文献1：日本特开2016-208654号公报

专利文献2：日本特开2008-182789号公报

发明内容

根据以上内容，在本发明中提供一种能够从电力系统的发电侧从根本上应对电压维持能力不足及其变动的问题的同步机的励磁控制装置以及励磁控制方法。

根据以上内容，在本发明中，同步机的励磁控制装置对与电力系统连接的同步机的励磁进行控制，其具备补偿电路，该补偿电路根据励磁电流或励磁电流等价物的大小可变地调整对同步机的励磁绕组中流动的电流进行操作的励磁控制系统的控制常数。

另外，在本发明中，同步机的励磁控制方法对与电力系统连接的同步机的励磁进行控制，根据励磁电流或励磁电流等价物的大小可变地调整对同步机的励磁绕组中流动的电流进行操作的励磁控制系统的控制常数。

根据本发明，能够提供一种能够从电力系统的发电侧从根本上应对电压维持能力不足及其变动的问题的同步机的更稳定更迅速的励磁控制装置以及励磁控制方法。

附图说明

图1表示一般的电力系统和系统稳定化控制系统的结构例。

图2表示设为开路端子时的发电机G的等效电路。

图3表示励磁电流If、电动势E以及同步电抗Xs的关系。

图4表示从发电机至作为消耗地的负载为止的等效电路。

图5表示时间常数τ、电动势E和端子电压V的响应特性。

图6汇集了有助于电力系统电压维持的励磁控制装置5内的励磁控制系统的例子。

图7表示本发明实施例1的发电机的励磁控制装置的结构例。

图8a表示输电电压控制励磁装置PSVR的整体结构。

图8b表示在由输电电压控制励磁装置PSVR、自动电压调整器AVR进行的控制时系统电压降低的情况下的输电电压与发电机端子电压以及无功功率的关系。

图9表示一般的输电电压控制励磁装置PSVR的结构例。

图10表示自动无功功率调整装置AQR的具体结构例。

图11表示励磁电流If与功率因数PF的关系。

图12表示自动功率因数调整装置APFR的具体结构例。

图13表示系统稳定化装置PSS的具体结构例。

图14是作为比例积分控制中的补偿例子表示了发电机的励磁控制装置的结构例。

具体实施方式

以下，对本发明的实施例进行说明。

为了解决上述课题，在本发明中，着眼于旋转式同步机的励磁控制。一般而言，为了调整电力系统的电压，具有控制变电站的调相设备(分路绕组、功率电容器、静止型无功功率补偿装置、同步调相机)的方法以及控制发电站的同步发电机的方法，本发明适用于包含双方的同步机(同步调相机、同步发电机)的励磁控制。在实施例的说明中，以同步发电机(以下简称为发电机)为例进行说明。以下说明本发明的发明人对于现有型发电站的旋转式发电机的励磁控制的见解。

首先，图1表示一般的电力系统和控制系统的结构例。在该图中，电力系统1中互联了许多发电站。这些发电站是风力发电站2A、太阳能发电站2B 等不具备电压调整功能的用于提供可再生能源的发电站，此外是火力发电厂、水力发电站、原子能发电站等具有电压调整功能的现有型发电站2C(2C1、 2C2、……、2Cn)。对整个电力系统进行控制的中央供电指令站3为了进行与整个电力系统的负载10对应的发电，具备将减法器21中检测出的电力系统频率f与恒定频率f0之间的差值作为输入来生成输出指令值D(D1、D2、……、 Dn)的控制功能50，并对现有型发电站2C进行指令。

现有型发电站2C内的控制装置4通过蒸汽调节阀CV来控制从蒸汽发生器B向机械连接的涡轮机T和发电机G的蒸汽输入。另外，将输出指令值D 作为目标值，将转速检测器51取得的转速、功率检测器52求出的发电输出作为反馈值来进行控制。功率检测器52根据由电压变换器PT1取得的发电机G 的端子电压Vg以及由变流器CT1取得的发电机G的端子电流Ig来求出发电输出。将发电机G的电力输出经由变压器Tr、输电线11、12…1n提供给电力系统1。另外，作为控制装置4的控制对象，以锅炉和蒸汽轮机为控制对象进行了说明，但控制对象也可以是燃气轮机联合循环GTCC等。

另外，现有型发电站2C内的励磁控制装置5将同步发电机G的二次绕组作为励磁线圈6，利用晶闸管8将交流电源7直流化，利用作为励磁控制装置5的主要控制功能的自动电压调整器AVR(Automatic Voltage Regulator)来控制向励磁线圈6赋予的直流励磁电流If，由此将发电机端子电压Vg调整为设定电压Vg0。

励磁控制装置5以自动电压调整器AVR作为主要控制功能，构成了根据上位控制系统的指令实质上修正自动电压调整器AVR的目标值的串联控制系统。所谓上位控制系统，在图1的例子中是指输电电压控制励磁装置PSVR (Power System Voltage Regulator)、电力系统稳定化装置PSS(Power System Stabilizer)、自动无功功率调整装置AQR、自动功率因数调整装置APFR (Automatic Power Factor Regulator)等控制系统，它们的指令实质上修正作为下位控制系统的自动电压调整器AVR的目标值。作为修正方法具有：直接移动自动电压调整器AVR的电压目标设定器90R来修正目标值的方式、以及对电压偏差进行加减运算的方式。在图1中，示出了在加法器24中对电压偏差进行加减运算的方式，但也可以通过变更目标值的方式来实现。在自动电压调整器AVR中，通过电压变换器PT1检测作为同步机的发电机G的端子电压 Vg，通过减法器21求出与电压目标设定器90R所设定的设定电压Vg0的差值，经由具有比例运算功能的调节器(AVR运算部)22调整晶闸管8，调整向励磁线圈6赋予的励磁电流If。关于其他控制系统，参照附图在后面详细叙述。作为向其他控制系统的信号输入，具有来自电压变换器PT1的发电机G 的端子电压Vg、来自电压变换器PT2的母线电压Vh、来自变流器CT2的发电机G的端子电流Ig。

图2表示设为开路端子时的发电机G的等效电路。由此，发电机G可通过发电机内部的内部感应电动势E(有时也称为感应电压)、同步电抗Xs＝jωLs 和电阻R的串联电路来表示，在外部能够测定的值是发电机电流Ig和发电机端子电压Vg。因此，内部感应电动势E作为根据同步电抗Xs＝jωLs、电阻R、发电机电流Ig以及发电机端子电压Vg得到的推定值来求出。ω＝2πf，f为频率。

图3表示横轴的励磁电流If、纵轴的电动势E以及同步电抗Xs的关系，总之，相对于励磁电流If的增加，电动势E显示出饱和特性，同步电抗Xs显示出降低倾向。

图4表示从发电机到作为消耗地的负载的等效电路，发电机内的电感为 L1，电阻为R1，负载侧的电感为L2，电阻为R2。根据图4的等效电路，如式(1)那样，能够求出表示系统电压V相对于发电机的电动势E的跟随速度的时间常数(τ)。

τ[sec]＝(L1+L2)/(R1+R2)‥‥‥(1)

图5针对时间常数τ大的情况和小的情况，表示了电动势E和端子电压 Vg的响应特性。在此，如左上所示，表示了在时刻0.1使电动势E从75％增大到100％时的瞬时值和有效值，该条件在右上的时间常数τ大的情况下也相同。为了区别瞬时值和有效值，用粗线表示有效值，用细线表示瞬时值。对于该变化，端子电压Vg在时间常数τ小的情况下，如左下所示，系统电压V对于发电机的电动势E的响应变快(立即达到最终值)。另一方面，当时间常数大时，如右下所示，响应变慢，难以达到最终值。即，系统电压V对于发电机的电动势E的响应速度不是恒定的，根据励磁电流If而变化。

在此，电压维持功能的控制增益(Ka等)为固定值。在实际的控制装置的设计中，设想代表性的控制状态(电路的时间常数)来决定这些比例增益。

根据以上所述，在今后可再生能源的比例增加的情况下，为了维持电力系统的电压，发电机的励磁电流、同步电抗、发电机的响应时间常数大幅变化，这与控制设计中的前提有很大不同，可能无法适当地进行控制。

基于以上的见解，在本发明中使参与电压维持的励磁控制系统的控制常数根据发电机的励磁电流的大小而变化。并且，使励磁控制系统的控制常数根据发电机的励磁电流等价物而变化。在此，励磁电流等价物例如是指发电机功率因数、发电机无功功率。

另外，在此，控制常数是指比例控制中的比例增益Ka，积分控制中的积分增益Ki、积分时间常数Ti。在以后的实施例的说明中，主要说明对比例增益Ka进行变更的事例，关于包括积分时间常数Ti(积分增益Ki＝1/积分时间常数Ti)在内进行变更的事例，在图14的实施例7中进行说明。

返回图1，在本发明中，着眼于该图所示的现有型发电站的旋转式发电机中的励磁控制装置5。励磁控制装置5是以自动电压调整器AVR为主要控制系统的多个控制系统的集合体，在图1中，示出了包含输电电压控制励磁装置PSVR、电力系统稳定化装置PSS、自动无功功率调整装置AQR、自动功率因数调整装置APFR等控制系统而构成励磁控制装置5的事例。对于各控制系统的输入以及处理内容分别进行详细说明，但是其输出构成为最终经由自动电压调整器AVR的控制系统来控制发电机的励磁电流。

图6汇总了有助于维持电力系统的电压的励磁控制装置5内的各控制系统的例子。在此，从控制量、操作量、控制目的等观点对励磁控制系统进行整理。根据该图，这些控制量根据其控制目的而各种各样，与此相对，操作量直接控制发电机励磁电流，或者经由自动电压调整器AVR间接地控制发电机励磁电流。

[实施例1]

本发明根据发电机的励磁电流或其等价物的大小使励磁控制系统的控制常数(例如，比例控制中的比例增益Ka、积分控制中的积分增益Ki、积分时间常数Ti)变化，在以后的实施例1至实施例6中，对于使比例控制中的比例增益Ka变化的情况进行说明，在实施例7中汇总说明使积分控制中的积分增益Ki、积分时间常数Ti变化的情况。

实施例1是作为具体的调整对象而参与到自动电压调整器AVR的事例。图7是本发明实施例1的发电机的励磁控制装置的结构例。图7的自动电压调整器AVR通过电压变换器PT1检测作为同步机的发电机G的端子电压Vg，通过减法器21求出与电压目标设定器90R设定的设定电压Vg0之间的差值，经由具有比例运算功能的调节器(AVR运算部)22调整晶闸管8，从而调整向励磁线圈6赋予的励磁电流If。调节器(AVR运算部)22可以具备AVR控制系统内的超前延迟补偿电路。

自动电压调整器AVR被设置在同步机G的励磁控制装置5内，具有以下等目的：通过在稳定运转时将同步机G的电压保持为恒定的功能，在负载变化时在维持电压并调整无功功率的基础上提高动态稳定度，并且通过在电压骤变时迅速恢复电压的功能，抑制切断负载时的电压上升，提高过渡稳定度。为了该目的，自动电压调整器AVR需要减小综合电压变动率(控制偏差)，具有足够的即时响应度，并且作为控制系统足够稳定(具有足够的增益余量和相位余量)。

在本发明中，使自动电压调整器AVR内的具有比例运算功能的调节器22 的比例增益Ka根据发电机的励磁电流If的大小而变化。因此，补偿电路20 例如构成为以变流器CTf检测出的励磁电流If作为输入的函数发生器，可变地调整调节器22的比例增益Ka。此时的函数为式(2)。

Ka[A/V]＝f(If)……(2)

使其特性为当励磁电流If变大时，调节器22的比例增益Ka变小。该函数的特性预先通过模拟来决定，或者通过试验来决定。并且，可以通过学习控制来决定函数。在学习控制中，控制装置或控制系统本身存储控制方案与该控制方案的执行结果之间的关系，基于该关系改善控制方案。在无法完全掌握控制对象的特性、周边环境条件，无法预先设计适当的控制方案时使用。在具有学习功能的情况下，具有不仅能够立即适应过去经历的状况或与其接近的状况，还能够逐渐适应未经历的新状况的能力。这样确定的该函数一般为折线型。

本发明中的发电机更一般地是指同步机，在该概念中也包含同步调相机。同步调相机将同步电动机在无负载状态下与电力系统连接，当使同步调相机的励磁为过励磁而运转时，作为从线路取得超前电流的电容器发挥作用，当使同步调相机的励磁为不足励磁而运转时，作为从线路取得滞后电流的线圈发挥作用。同步调相机以如下方式使用：在电力系统过负载时，线路的负载功率因数向延迟方向降低，因此通过使同步调相机过励磁来改善负载功率因数从而改善线路的压降，另外，在电力系统为轻负载，线路的充电电流大时，线路的负载功率因数向超前方向降低，因此通过使同步调相机为不足励磁来改善负载功率因数从而抑制线路的电压上升。同步调相机具备自动电压调整器AVR来进行电压恒定控制，因此能够直接应用与在本发明的实施例1中叙述的补偿控制相同的补偿控制。

根据本发明的实施例1，即使在该系统内的可再生能源的比例增加，电力系统的电压大幅变动，发电机的励磁电流变化，发电机-自动电压调整器AVR 系统的控制特性发生了变化的情况下，自动电压调整器AVR的调节器的增益 Ka也自动地变更为最佳值，因此能够稳定且迅速地将电力系统的电压控制为本来的值。即，能够提高鲁棒性。

[实施例2]

实施例2是作为具体的调整对象而参与到输电电压控制励磁装置PSVR的事例。在图1的励磁控制装置5内，示出了将输电电压控制励磁装置PSVR的输出以与自动电压调整器AVR的电压偏差相加的形式进行输入的结构例。

在此，所谓输电电压控制励磁装置PSVR是根据设置在图1的变压器Tr 二次侧的电压变换器PT2求出的输电线送出母线电压Vh与其基准电压Vh0 之间的偏差来控制发电机的励磁电流If，将输电线送出母线电压Vh维持在基准值Vh0。输电线送出母线电压意味着向电力系统的母线电压。简而言之，自动电压调整器AVR将发电机端子电压Vg控制为恒定，与此相对，输电电压控制励磁装置PSVR能够将母线电压Vh控制为恒定。

使用图8a与图8b对输电电压控制励磁装置PSVR的原理进行说明。图 8a将发电机与电力系统的关系表示为单机对无限大系统模型。另外，图8b表示在实线所示的输电电压控制励磁装置PSVR的控制与单点划线所示的自动电压调整器AVR的控制时，系统电压降低时的输电电压(该图上段)与发电机端子电压(该图中段)及无功功率(该图下段)的关系。

由此，在平时的系统电压运转范围内，两个控制都成为大致相同的运转状态，在系统电压降低时，通过输电电压控制励磁装置PSVR对输电电压进行恒定控制，因此进行使发电机电压自动上升升压变压器的电抗下降量来使无功功率增大的控制。

与此相对，在自动电压调整器AVR的控制中，将发电机端子电压控制为恒定，因此较少产生无功功率，输电电压与输电电压降成比例地降低。结果，输电电压控制励磁装置PSVR的目的在于，产生较多的斜线部分的无功功率来提高输电电压，并保持为恒定，由此能够缓和系统电压的降低，提高系统整体的电压稳定性。

图9表示一般的输电电压控制励磁装置PSVR的结构例。在该电路结构例中，输电电压控制励磁装置PSVR例如由以下各部构成：电压检测基准电压设定部31，其在减法器21中对母线电压Vh的检测值与电压目标设定器90H所设定的该设定电压Vh0之间的差进行无功电流修正；无功功率分配部32，其对求出的差电压乘以增益KH来特别地对升压变压器Tr部分中的电压下降量进行补偿；超前延迟的相位补偿电路部33；输出限制器34，其限制由减法器21求出的相位补偿电路部33的输出与发电机端子电压Vg之间的差值。输电电压控制励磁装置PSVR的输出在自动电压调整器AVR内的加法器24中与发电机端子电压偏差信号相加，在自动电压调整器AVR内的调节器22中进行调整后经由晶闸管8来控制励磁电流。

根据该电路结构，输电电压控制励磁装置PSVR的输出经由自动电压调整器AVR内的调节器22而到达励磁控制。在本发明中，根据发电机的励磁电流的大小，使励磁控制系统的控制增益对应于发电机的励磁电流的大小而变化，为了实现该变化，只要通过图7的补偿电路20将从输电电压控制励磁装置 PSVR经由自动电压调整器AVR内的调节器22到达励磁控制的一系列的励磁控制系统中的任意一励磁控制系统的调节器的比例增益Ka设定为可变即可。即，只要将与输电电压控制励磁系统相关的开环传递函数中的调节器的比例增益Ka设定为可变即可。在图9中，将自动电压调整器AVR内的调节器22的比例增益Ka设定为可变。

具体而言，控制系统内的能够可变地变更控制增益的部位之一是与图7 同样地变更自动电压调整器AVR内的调节器22的增益，另一方法是可变地调整输电电压控制励磁装置PSVR内的调节器的控制增益。本发明可以是任意一种，这可以说是以下说明的其他控制系统的情况。

但是，在变更自动电压调整器AVR内的调节器22的增益的情况和变更单独的控制系统内的调节器的控制增益的情况下，由于作为补偿电路20应该具备的特性不同，因此应该适当地设定合适的函数。另外，在将单独的控制系统的控制增益保持原样时，无论在哪个控制的情况下都将自动电压调整器AVR 内的调节器22的增益公用地变更时，根据控制系统也有可能未必使控制增益最优化，因此，认为不得不允许成为以某种程度平均化的效果。

使用输电电压控制励磁装置PSVR来控制电力系统的电压的原委如下所述。首先，检测母线电压Vh并取入到输电电压控制励磁装置PSVR中，将其处理结果反映到自动电压调整器AVR的设定电压中，通过自动电压调整器 AVR确定电磁电流，变更发电机的端子电压，经由变压器输电线反映到电力系统的电压Vh中。

在该控制中，当电力系统的电压降低时，输电电压控制励磁装置PSVR以提高自动电压调整器AVR的设定电压的方式发挥作用，由此，励磁电流如图 3所示那样增加，并且与此同时，同步电感根据励磁电流而变化，发电机的响应特性从最佳状态变化为非最佳状态。对于这一点，在本发明中，根据励磁电流的大小使控制增益可变，其结果是响应性得到改善。

[实施例3]

实施例3是作为具体的调整对象参与到自动无功功率调整装置AQR的事例。自动无功功率调整装置AQR自动控制励磁电流，使得发电机的无功功率的输出成为有功功率的输出的函数给出的基准值。以降低输电损失以及使无功功率潮流适当化为目的，有时在接近需求端且无功功率调整效果大的火力发电站或扬水式发电站中采用该方式。

示出了在图1的励磁控制装置5内具备自动无功功率调整装置AQR的结构例。并且，图10表示自动无功功率调整装置AQR的具体结构例。根据图 10，在无功功率检测部25中根据发电机端子电压Vg和负载电流Ig计算无功功率，由减法器21求出与无功功率设定部26给出的设定无功功率之间的差值ΔQ，将该差值例如在积分电路16中进行积分来作为设定电压，将该设定电压反映到自动电压调整器AVR的设定电压中。

实施例3中的比例增益Ka的可变调整能够与实施例1、2同样地按照励磁电流的大小进行变更，但在构成自动无功功率调整装置AQR时，能够代替励磁电流而使用无功功率。即，无功功率是能够替代励磁电流的要素，能够定位为励磁电流的等价物。

能够采用无功功率来作为励磁电流等价物的理由如下。首先，无功功率Q 可根据有功功率P和功率因数PF通过式(3)来求出。

另外，在此，功率因数PF能够根据位于该电路内的电阻R和线圈的电感 L通过(4)式来求出。

另一方面，如图3那样，发电机的同步电感Ls根据励磁电流If而变化。图11是横轴表示励磁电流If，纵轴表示功率因数PF的图。以功率因数1为界，以领先功率因数(PFleading)和落后功率因数(PF lagging)表示对称特性。这意味着若励磁电流If变化则功率因数也变化，因此能够代替励磁电流If而使用功率因数。同样地，若励磁电流If变化则功率因数也变化，无功功率Q 也变化，因此意味着能够使用无功功率Q来代替励磁电流If。这样，功率因数PF和无功功率Q能够定位为励磁电流If的等价物。

在图10的自动无功功率调整装置AQR中具备将无功功率Q作为输入来给出适当的控制增益的补偿电路20Q，由此可变地调整励磁控制系统内的控制增益。补偿电路20Q在作为励磁电流等价物的无功功率Q的大小大时，降低上述励磁控制系统的调节器的控制增益。在该情况下，在励磁控制系统内的哪个部位使控制增益可变是能够适当采用的事项。在图10中，将自动电压调整器AVR内的调节器22的比例增益Ka设为可变。

[实施例4]

实施例4是作为具体的调整对象参与到自动功率因数调整装置APFR的事例。自动功率因数调整装置APFR是自动调整励磁电流以使发电机功率因数恒定的装置。当在小容量的发电机中产生了为了将发电机电压保持为恒定所需的无功功率时，发电机有时成为过电流，因此通常大多设置该自动功率因数调整装置。

示出了在图1的励磁控制装置5内具备自动功率因数调整装置APFR的结构例。并且，图12示出了自动功率因数调整装置APFR的具体结构例。根据图12，自动功率因数调整装置APFR为以下的控制结构：通过有功功率检测器42检测发电机G的有功功率，通过功率因数运算器43求出功率因数PF，通过运算器44进行目标功率因数与测量出的功率因数之间的差值所对应的处理，将该处理结果反映到自动电压调整器AVR的电压偏差中。在反映到电压偏差中时，具有变更电压目标设定器90R的设定电压的方法和将处理结果与电压偏差相加的方法，本发明可以是其中任意一种方法。这一点在其他控制系统中也相同。

如在实施例3中说明的那样，功率因数PF是励磁电流If的等价物，因此图12的自动功率因数调整装置APFR具备以功率因数PF为输入来给出适当的控制增益的补偿电路20PF，由此可变地调整励磁控制系统内的控制增益。在作为励磁电流等价物的功率因数PF的大小大时，补偿电路20PF降低上述励磁控制系统的调节器的控制增益。在图12中，将自动电压调整器AVR内的调节器22的比例增益Ka设定为可变。在该情况下，在励磁控制系统内的哪个部位使控制增益可变是能够适当采用的事项。

[实施例5]

实施例5是作为具体的调整对象参与到系统稳定化装置PSS的事例。系统稳定化装置PSS对发生事故时的发电机端子的电压变动进行及时响应，急速地增加励磁电流，由此能够提高发电机内部感应电压来使同步化能力增大，使稳定度提高。由此，能够显著改善在稳定度上尤其成为问题的领先功率因数运转时的动态稳定度。然而，在采用高速高增益的自动电压调整器AVR时，虽然同步化能力增大，但另一方面，具有减弱制动力的特性，根据系统结构或运转状态，有可能发生由自动电压调整器AVR引起的二次摇摆。作为其对策，检测发电机的转速、输出的变化量，向自动电压调整器AVR输入稳定化信号，使制动力增加。

示出了在图1的励磁控制装置5内具备系统稳定化装置PSS的结构例。并且，图13表示系统稳定化装置PSS的具体结构例。根据图13，根据由频率检测部111检测出的电力系统频率f和由功率计算部112检测出的有功功率P，在运算器(功率变动计算部)113中求出系统稳定化信号，使用该系统稳定化信号来修正自动电压调整器AVR的设定电压。

在该系统中，通过设置与实施例1同样的补偿电路20，能够实现本发明的初始目的。在图13中，将自动电压调整器AVR内的调节器22的比例增益 Ka设定为可变。

[实施例6]

在实施例6中提出了根据发电机系统侧的运转状态来对实施例1至实施例 5中说明的控制增益调整进行变更。

在此，运转状态是指启动时、通常输出运转时、停止时等的区别，例如在这些运转状态下即使励磁电流相同，也要使控制增益成为适合各个运转状态值。这是式(2)所示的调节器22的比例增益Ka应用了针对每个运转状态而不同的比例增益的情况。

根据实施例6，能够基于根据运转状态而进行了适当化的控制增益进行运转。

[实施例7]

在实施例1至实施例6中，说明了使控制常数中的比例控制的比例增益变化的事例。还可以通过使积分控制中的控制常数即积分增益Ki、积分时间常数Ti(积分增益Ki＝1/积分时间常数Ti)变化来得到与实施例1至实施例6 同等的效果。

在实施例7中，关于使积分控制中的控制常数即积分增益Ki、积分时间常数Ti变化的情况，以自动电压调整器AVR为代表例进行说明。图7所例示的自动电压调整器AVR的AVR运算部22进行比例积分控制，在图14中表示了具体的控制电路结构。图14的AVR运算部22具备：比例运算部53，其对电压偏差信号ΔV进行比例运算；以及积分运算部54，其对电压偏差信号ΔV 进行积分运算，输入电压偏差信号ΔV，输出比例运算部53的运算结果与积分运算部54的运算结果之和。

根据图14，通过减法器21求出由电压转换器PT1检测出的发电机端子电压Vg与设定电压Vg0的偏差(电压偏差ΔV)，在AVR运算部22内的比例运算部53和积分运算部54中分别求出电压偏差ΔV的比例运算结果和积分运算结果，通过由加法器24将这些运算结果相加而得到的比例积分信号来控制晶闸管，从而控制励磁电流。

在将比例增益设为Ka，将积分时间常数设为Ti时，能够用式(5)表示 AVR运算部22中的运算。

AVR运算部22输出＝Ka×ΔV+(1/Ti)∫ΔVdt (5)

此时，作为补偿电路20具备比例增益Ka用补偿电路20P和积分时间常数Ti用补偿电路20I，将各自的补偿Ka、Ti反映到比例运算部53和积分运算部54。由于积分增益Ki＝1/积分时间常数Ti的关系，因此变更积分时间常数 Ti与变更积分增益Ki等价。但是，在图14中为了通过积分时间常数Ti进行补偿，积分时间常数Ti用补偿电路20I的特性处于直流励磁电流越大则积分时间常数Ti越大的关系。

总之，本发明根据直流励磁电流来变更控制装置中的控制常数，如果此时的调节器进行比例控制，则变更比例增益Ka，如果调节器进行积分控制则变更积分增益Ki或1/积分时间常数Ti即可。另外，如果调节器进行比例积分控制，则可以变更比例侧、积分侧中的一方，也可以变更双方。只要反映整个控制系统中的个别状况来决定即可。

通过上述实施例1至实施例7，对构成同步机的励磁控制装置的情况进行了说明，但这也能够作为同步机的励磁控制方法来掌握发明。此时，本发明是同步机的励磁控制方法，对与电力系统连接的同步机的励磁进行控制，根据励磁电流或励磁电流等价物的大小可变地调整用于对同步机的励磁绕组中流动的电流进行操作的励磁控制系统的控制常数。

附图标记的说明

1：电力系统

2A：风力发电站

2B：太阳能发电站

2C1～2Cn：现有型电站

3：中央供电指令站

4：控制装置

5：励磁控制装置

6：励磁绕组

7：交流电源:

8：晶闸管

10：整个电力系统的负载

11、……、11n：输电线

20、20Q、20PF：补偿电路

21：减法器

22：AVR运算部

24：加法器

25：无功功率检测部

26：有功功率检测部

31：电压检测基准电压设定部

32：无功功率分配部

33：相位补偿电路部

34：输出限制器

42：有功功率检测器

43：功率因数运算器

44：运算器

50：控制功能

51：转速检测器

52：功率检测器

90R、90H：电压目标设定器

111：频率检测器

112：功率计算器

113：运算器

f：电力系统频率

f0：恒定频率

τ：时间常数

D1、D2、…Dn：输出指令值

T：涡轮

G：发电机

B：蒸汽发生器

CV：蒸汽调节阀

CT1、CT2、CTf：变流器

Tr：变压器

If：直流励磁电流

Ig：发电机端子电流

Vg：发电机端子电压

Vg0：设定电压

Vh：母线电压

Vh0：基准电压

Q：无功功率

AVR：自动电压调整器

PSVR：输电电压控制励磁装置

PSS：电力系统稳定化装置

PT1、PT2：电压变换器

AQR：自动无功功率调整装置

APFR：自动功率因数调整装置。

Claims (10)

1.一种同步机的励磁控制装置，其对与电力系统连接的同步机的励磁进行控制，其特征在于，

所述励磁控制装置具备补偿电路，该补偿电路根据励磁电流或励磁电流等价物的大小可变地调整励磁控制系统的调节器的控制常数，所述励磁控制系统对所述同步机的励磁绕组中流动的电流进行操作。

2.根据权利要求1所述的同步机的励磁控制装置，其特征在于，

所述同步机的励磁控制系统是根据同步机的端子电压偏差来操作在所述同步机的励磁绕组中流动的电流的自动电压调节器AVR，

所述励磁控制装置具备根据励磁电流的大小可变地调整自动电压调节器AVR的励磁控制系统的调节器的控制常数的所述补偿电路。

3.根据权利要求2所述的同步机的励磁控制装置，其特征在于，

所述同步机的励磁控制系统是根据同步机的母线电压偏差来调整所述自动电压调整器AVR的所述端子电压偏差的输电电压控制励磁装置PSVR，

所述励磁控制装置具备根据励磁电流的大小可变地调整从所述输电电压控制励磁装置PSVR到所述自动电压调整器AVR的励磁控制系统的调节器的控制常数的所述补偿电路。

4.根据权利要求2所述的同步机的励磁控制装置，其特征在于，

所述同步机的励磁控制系统是根据同步机的无功功率偏差来调整所述自动电压调整器AVR的所述端子电压偏差的自动无功功率调整装置AQR，

所述励磁控制装置具备根据作为励磁电流等价物的无功功率的大小可变地调整从所述自动无功功率调整装置AQR到所述自动电压调整器AVR的励磁控制系统的调节器的控制常数的所述补偿电路。

5.根据权利要求2所述的同步机的励磁控制装置，其特征在于，

所述同步机的励磁控制系统是为了使同步机的功率因数恒定而调整所述自动电压调节器AVR的所述端子电压偏差的自动功率因数调整装置APFR，

所述励磁控制装置具备根据作为励磁电流等价物的所述功率因数来可变地调整从所述自动功率因数调整装置APFR至所述自动电压调整器AVR的励磁控制系统的调节器的控制常数的所述补偿电路。

6.根据权利要求2所述的同步机的励磁控制装置，其特征在于，

所述同步机的励磁控制系统是根据电力稳定化信号来调整所述自动电压调整器AVR的所述端子电压偏差的系统稳定化装置PSS，其中，所述电力稳定化信号根据同步机的功率和电力系统频率来求出，

所述励磁控制装置具备根据励磁电流可变地调整从所述系统稳定化装置PSS到所述自动电压调整器AVR的励磁控制系统的调节器的控制常数的所述补偿电路。

7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的同步机的励磁控制装置，其特征在于，

所述补偿电路在励磁电流或励磁电流等价物的大小大时，降低所述励磁控制系统的调节器的控制常数。

8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的同步机的励磁控制装置，其特征在于，

所述补偿电路根据发电机系统侧的运转状态使控制常数的调整可变。

9.根据权利要求1～8中的任意一项所述的同步机的励磁控制装置，其特征在于，

所述控制常数中包含比例控制中的比例增益、积分控制中的积分增益以及积分时间常数中的至少1个。

10.一种同步机的励磁控制方法，对与电力系统连接的同步机的励磁进行控制，其特征在于，

根据励磁电流或励磁电流等价物的大小可变地调整励磁控制系统的控制常数，所述励磁控制系统对所述同步机的励磁绕组中流动的电流进行操作。

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