WO2025234039A1 - 交流励磁発電電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

交流励磁発電電動機の制御装置は、交流励磁発電電動機の電機子巻線位相と回転子位相とを突き合わせたすべり励磁位相を出力する位相差演算器（２０２）と、同期励磁周波数の周波数指令値として同期励磁位相を出力する２相可変周波数発振器（２０９）と、励磁選択信号に応じてすべり励磁位相または同期励磁位相を選択して出力する出力切替器（２０１ａ、２０１ｂ）と、同期励磁位相選択時には横軸電流指令をすべり励磁位相から同期励磁位相への切替時の横軸電流指令値に保持する指令値発生器と、すべり励磁位相のすべり周波数を演算するすべり周波数演算器（２０３）と、を備え、同期励磁周波数とすべり周波数との突き合わせ結果を入力して位相補正値を演算する安定化利得（２１２）を設け、位相補正値を同期励磁位相に付勢する。

Description

交流励磁発電電動機の制御装置

　本発明は、２軸の励磁電流を制御する電力変換器を用いた交流励磁発電電動機の制御装置に関する。

　特に、水力発電設備・揚水発電設備・風力発電設備などの電力系統の安定運用を目的に可変速化する発電電動機の入出力と回転速度調整機能の安定性と応答性を両立するのに好適な交流励磁発電電動機の制御装置に関する。

　また、電力変換器の出力周波数で定まる回転速度指令に対して同期化力で発電電動機を拘束できる特性を活かし、電動駆動二輪車・四輪車あるいは電動駆動・制動鉄道車両の加速・減速性能と再粘着性能を両立するのに好適な交流励磁発電電動機の制御装置に関する。

　励磁電流制御された電力変換器を用いた交流励磁発電電動機は、電力変換器の容量を発電電動機の固定子容量よりも小さくでき、同期速度周辺の回転速度範囲内で高速トルク制御あるいは有効電力制御を実現できる。このため、従来の固定速度発電電動機と比べてポンプ水車システムや風力発電システムなどのターボ機械を、より広い運転出力と回転速度範囲で最高効率運転できる利点がある。

　交流励磁発電電動機を、電機子巻線と交流系統との間に電力変換器を接続するフルコンバータ方式可変速発電電動機と比較したとき、電力変換器の容量を小さくできる点が交流励磁発電電動機の利点である。

　交流励磁発電電動機の場合、回転速度範囲は電力変換器の容量で制限される。一方のフルコンバータ方式可変速発電電動機の場合、回転速度範囲はターボ機械の特性で制限される。このため、費用対効果で決定する回転速度範囲は交流励磁発電電動機の方が狭くなる。

　一方、外乱による回転速度変動は、直結するターボ機械や交流系統の特性で決まり、交流励磁発電電動機あるいはフルコンバータ方式可変速発電電動機の選択による影響は軽微である。

　いずれの方式を選択する場合も、運用上の回転速度範囲は外乱による回転速度変動分だけ狭くする必要がある。

　この結果、外乱による回転速度幅変動を考慮した回転速度範囲を、考慮しない場合の回転速度範囲で除した縮小率を比較すると、交流励磁発電電動機の方がフルコンバータ方式可変速発電電動機より小さくなり、電力変換器の容量を小さくできるという交流励磁発電電動機の利点を阻害する欠点があった。

　特許文献１には、この欠点に対応するために、回転子から見た固定子電圧あるいは有効磁束の位相に同期したすべり周波数基準で制御するすべり励磁を第１手段として通常動作に使い、すべり励磁から切り替え時点のすべり周波数を励磁周波数に固定する同期励磁を第２手段とし、同期励磁時は同期化力で回転速度を切替え時点の速度に拘束する方法が開示されている。

　特許文献２には、特許文献１の技術を応用し、同期励磁への切替後の運転条件に応じて横軸電流を調整し、同期励磁への切り替え後の出力変動が大きい場合にも同期励磁を継続することによって揚水始動時の回転速度を保持する方法が開示されている。

　特許文献３には、同期速度を中心とする回転速度設定範囲を逸脱した時にすべり励磁時の有効電力指令を補正する方法が開示されている。

　特許文献４には、すべり励磁を用いた交流励磁発電電動機を発電設備に適用するのに好適な制御装置の基本構成が開示されている。

　特許文献５には、すべり励磁を用いた交流励磁発電電動機を揚水設備に適用するのに好適な制御装置の基本構成が開示されている。

　特許文献６には、可変速運転への切替に好適な固定速同期発電機の原動機制御装置が開示されている。

特許第２９４７８３１号公報 特開２０１０－９３９８５号公報 特開平１－２３１６９８号公報 特許第２５５５４０７号公報 特開平６－１０３０２３号公報 国際公開第２０２３／１３９７３４号

　交流励磁発電電動機を同期励磁運転する場合、直結するターボ機械や交流電力系統からの外乱によって回転速度が変動すると回転速度が振動し始め、その振幅が時間と共に拡大することが分かった。このために同期励磁の継続時間が制約されるという第１の課題がある。

　また、交流励磁発電電動機を同期励磁運転する場合、直結するターボ機械のトルク変動が予測できない場合にも適用可能な横軸電流指令の調整方法がなく、調相運転、自励運転、揚水始動などターボ機械のトルク変動が予測可能な運転パターンを除く一般の運転条件変動に対応できないという第２の課題がある。

　また、水力や風力タービンなどのターボ機械に直結した交流励磁発電電動機を使って同期励磁で発電運転する場合、同期励磁運転中に回転速度を運転条件に応じた目標値に調整できないため、同期励磁からすべり励磁に戻す必要があり、同期励磁に切り替えてもすべり励磁の欠点を解消できないという第３の課題がある。

　また、ポンプやファンなどのターボ機械に直結した交流励磁発電電動機を使って同期励磁で電動運転する場合、同期励磁運転中に回転速度を運転条件に応じた目標値に調整できないため、同期励磁からすべり励磁に戻す必要があり、同期励磁に切り替えてもすべり励磁の欠点を解消できないという第４の課題がある。

　第１の課題を解決するために、同期励磁周波数とすべり周波数の突き合わせ結果を入力して位相補正値を演算し、この位相補正値を同期励磁位相に付勢することによって同期励磁時の回転速度振動にダンピングを与え、振幅を減衰させて安定化することができる。

　第２の課題を解決するために、同期励磁位相とすべり周波数位相の突き合わせ結果を入力し、その絶対値と符号に応じて横軸電流指令補正値を演算し、この横軸電流指令補正値をすべり励磁から同期励磁への切替時の横軸電流指令値に保持した横軸電流指令値に付勢することによって出力や回転速度を変えても安定に同期励磁を継続することができる。

　第３の課題を解決するために、速度指令に対応するすべり周波数を遅れ要素を介して同期励磁周波数指令とし、出力指令に応じてターボ機械の案内羽根開度あるいはピッチ角指令値の補正値を演算し、同期励磁時は横軸電流指令値を演算する速度調整器の入力側にこの補正値を付勢し、すべり励磁時は横軸電流指令値を演算する速度調整器の出力側にこの補正値を付勢することによって同期励磁を継続使用できるようになり、すべり励磁と同期励磁を任意に選択することによって交流励磁発電電動機を最適運用することができる。

　第４の課題を解決するために、速度指令に対応するすべり周波数を遅れ要素を介して同期励磁周波数指令とし、入力電力指令と入力電力値の突き合わせ結果を入力とする位相進み要素を含んだ制御演算器を設け、この制御演算器の出力を同期励磁時は同期励磁周波数指令に付勢し、すべり励磁時は横軸電流指令値を演算する速度調整器の入力側に付勢することによって同期励磁を継続使用できるようになり、すべり励磁と同期励磁を任意に選択することによって交流励磁発電電動機を最適運用することができる。

　第１の課題を解決することにより、すべり励磁時の回転速度を設定範囲に抑えるための電力変動を小さくする効果がある。この結果、交流電力系統への動揺を抑制する効果がある。

　また、同期励磁時の回転速度変動が小さくなるためにターボ機械の案内羽根開度あるいはピッチ角の累積変動量を逓減する効果がある。この結果、案内羽根開度あるいはピッチ角の駆動装置の摩耗を軽減して長寿命化する効果がある。

　第２の課題を解決することにより、回転速度範囲の上下限付近では同期励磁を常用してターボ機械からの外乱による速度変動を抑制することができる。これにより、これまで回転速度変動幅を除外してきた運用上の速度範囲を拡大し、発電運転時の部分負荷効率を高める効果がある。揚水運転時の入力幅を広げることによって交流系統の周波数調整能力を高める効果がある。

　第３の課題を解決することにより、発電運転時に同期励磁を常用することができ、ターボ機械の案内羽根開度あるいはピッチ角の変動速度を抑制することができる。これによりターボ機械の案内羽根開度あるいはピッチ角駆動装置の容量を低減する効果がある。また、水理系への水圧変動を抑制するので、ターボ機械や鉄管の劣化を抑える効果がある。

　第４の課題を解決することにより、揚水運転時に同期励磁を常用することができる。揚水始動時の回転速度を揺動なしに指令値に追従させることによって始動時間を短縮できる。これにより、再生エネルギー発電量の急激な増加を揚水入力で補償する効果がある。

　以上の装置構成と制御方法によって、所期の目的を達成することができる。

図１は、従来の交流励磁発電電動装置の構成図である。 図２は、従来の発電時のプラント制御装置の構成図である。 図３は、従来の励磁位相演算器の構成図である。 図４は、従来の横軸電流指令演算器の構成図である。 図５は、すべり励磁と同期励磁の座標系を示す図である。 図６は、従来の同期励磁周波数演算器の構成図である。 図７は、従来の状態遷移図である。 図８は、従来の可変速揚水運転時のプラント制御装置の構成図である。 図９は、従来の固定速発電装置のプラント制御装置の構成図である。 図１０は、従来の発電すべり励磁時の有効電力ランプ応答波形図である。 図１１は、従来の可変速発電同期励磁時の有効電力ランプ応答動作波形図である。 図１２は、実施例１の励磁位相演算器の構成図である。 図１３は、実施例１の発電時の有効電力ランプ応答波形図である。 図１４は、実施例１の発電時の有効電力ランプ応答波形図である。 図１５は、実施例２の横軸電流指令演算器の構成図である。 図１６は、実施例２の横軸電流指令演算器の不感帯付きリミッタの構成図である。 図１７は、実施例２の発電時の有効電力ランプ応答波形図である。 図１８は、実施例２の発電時の有効電力ランプ応答波形図である。 図１９は、実施例３の発電時のプラント制御装置の構成図である。 図２０は、実施例３の同期励磁周波数演算器の構成図である。 図２１は、実施例３の状態遷移図である。 図２２は、実施例３の発電時の有効電力ランプ応答波形図である。 図２３は、実施例４の揚水時のプラント制御装置の構成図である。 図２４は、実施例５の揚水始動時の波形図である。

　以下に、本発明にかかる交流励磁発電電動機の制御装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

　図１は、特許文献１から５に開示された交流励磁発電電動装置の構成図である。

　交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の電機子巻線端子１ａは、交流電力系統（ＰＳ）２と主要変圧器（ＭＴＲ）３と同期遮断器（ＣＢ）４を介して接続される。

　交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の回転子巻線は、スリップリング１ｂを介して半導体電力変換器（ＡＣＥｘ）５の低周波出力側と接続される。

　半導体電力変換器（ＡＣＥｘ）５の交流周波数入力側は、同期遮断器（ＣＢ）４と主要変圧器（ＭＴＲ）３間から励磁遮断器（ＥｘＣＢ）６と励磁変圧器（ＥｘＴＲ）７を介して分岐接続される。

　ターボ機械（ＷＴ）８は交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の回転軸に機械的に接続される。

　ターボ機械（ＷＴ）８には回転羽根の周囲に配置した固定羽根９を備える。ガバナ（ＧＯＶ）１０は、プラント制御装置１１からの開度指令ＧＶＯｒｆに従って固定羽根９（以下、本発明では案内羽根と称す）のガバナ開度（ＧＶＯ）を調整し、開度信号ＧＶＯをプラント制御装置１１に帰還する。

　プラント起動時は、計器用変圧器１２からの電圧信号Ｖｓ、計器用変圧器１３からの電圧信号Ｖｇを同期検定器（Ｓｙｎ）１４に入力して並入前の電圧振幅と位相差を確認し、プラント制御装置１１からの併入指令（Ｓｙｎｒｆ）に応じて同期遮断器（ＣＢ）４を投入して並列運転を開始する。

　並列運転時は計器用変圧器１２からのシステム電圧信号（Ｖｓ）と計器用変流器１５からのシステム電流信号（Ｉｓ）を出力・電圧位相演算器１０７に入力し、交流電力系統の正相電圧位相（ｔｈ＿ｖ）、プラントの有効電力出力（Ｐｆｂ）および無効電力出力（Ｑｆｂ）を計測演算してプラント制御装置１１に出力する。計器用変圧器１３からの発電電動機電圧信号（Ｖｇ）を電圧振幅演算器１９に入力し、発電機正相電圧（Ｖｆｂ）を計測演算してプラント制御装置１１に出力する。

　励磁電流変流器１６は、直流電流を計測可能なホール素子などで構成され、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の回転子電流（Ｉｒｕ、Ｉｒｖ、Ｉｒｗ）をプラント制御装置１１に出力する。

　回転速度計測機（ＳＳ）１７は歯車と固定子側に設けた空隙検出器で検出するパルスカウンタで回転速度信号（Ｎｆｂ）を計測し、プラント制御装置１１に出力する。

　以下、本出願では回転子電流（Ｉｒｕ、Ｉｒｖ、Ｉｒｗ）が直流となる同期速度を「回転速度信号（Ｎｆｂ＝１００［％］）」と定義する。

　位相計測用回転機としてレゾルバ回転機（Ｒｅｓ）１８を用いる。図１では、レゾルバ回転機（Ｒｅｓ）１８は固定子側と回転子側に交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１と同じ極数の２相巻線を備える。回転位相演算器１０８からの２相発振器出力を変調入力として固定子巻線を励磁し、スリップリング１ｂを介して回転子巻線の２相電圧信号を復調出力として回転位相演算器１０８に出力する。回転位相演算器１０８は回転位相（ｔｈ＿ｒｔ）をプラント制御装置１１に出力する。

　図１は、ターボ機械としてフランシスポンプ水車を用いた例を示す。ターボ機械の出力調整手段として回転羽根のピッチ角を調節するカプラン水車あるいは風力タービンを用いる場合、ガバナ開度（ＧＶＯ）を回転羽根ピッチ角に読み替えることで、図１の説明は有効である。

　以下、重複を避けるために本発明ではターボ機械（ＷＴ）８としてフランシスポンプ水車を例に説明するが、本発明の適用範囲がフランシスポンプ水車に限定されるものではない。

　図２は、特許文献１、特許文献３、特許文献４に開示された可変速発電運転時のプラント制御装置１１の構成を示す図である。

　最適ＧＶＯ関数発生器１０１は水車特性からプラント有効電力指令（Ｐｒｆ）に応じたガバナ開度信号（Ｙｏｐｔ）を出力し、遅れ回路１０２を介してガバナ開度補正指令（ＧＶＯ＿ａｄｄ）を出力する。

　以下、本発明では簡単のため、有効落差あるいは静落差信号の最適ＧＶＯ関数発生器１０１への入力を省略する。

　最適速度関数発生器１０３はプラント有効電力指令（Ｐｒｆ）に応じた最適速度信号（Ｎｏｐｔ）を出力し、遅れ回路１０４を介して回転速度指令（Ｎｒｆ）を出力する。回転速度指令（Ｎｒｆ）と回転速度信号（Ｎｆｂ）を突き合わせて速度調整器（ＡＳＲ）１０５に入力し、速度調整器（ＡＳＲ）１０５の出力をガバナ開度補正指令（ＧＶＯ＿ａｄｄ）に付勢してガバナ開度指令（ＧＶＯｒｆ）を出力する。

　以下、本発明では簡単のため、有効落差あるいは静落差信号の最適速度関数発生器１０３への入力を省略する。

　自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０６は電圧指令（Ｖｒｆ）と電圧振幅演算器１９からの発電機正相電圧（Ｖｆｂ）の突き合わせ結果を入力し、直軸電流指令（Ｉｄｒｆ）を出力する。

　出力・電圧位相演算器１０７は、交流電力系統の正相電圧位相（ｔｈ＿ｖ）の２相信号ｃｏｓ（ｔｈ＿ｖ）とｓｉｎ（ｔｈ＿ｖ）を出力する。また、プラント有効電力出力（Ｐｆｂ）を出力する。

　回転位相演算器１０８は、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の電気角で表した回転位相（ｔｈ＿ｒｔ）の２相信号ｃｏｓ（ｔｈ＿ｒｔ）とｓｉｎ（ｔｈ＿ｒｔ）を出力する。

　励磁位相演算器１０９は、２相の正相電圧位相信号ｃｏｓ（ｔｈ＿ｖ）とｓｉｎ（ｔｈ＿ｖ）、２相の回転位相信号ｃｏｓ（ｔｈ＿ｒｔ）とｓｉｎ（ｔｈ＿ｒｔ）、同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）を入力し、励磁位相（ｂｅｔａ）の励磁位相信号ｃｏｓ（ｂｅｔａ）とｓｉｎ（ｂｅｔａ）を出力する。また、同期励磁位相とすべり励磁位相を突き合わせた位相差（ｄｌｔ）の正弦関数ｓｉｎ（ｄｌｔ）を出力する。また、すべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）の計測演算結果を出力する。

　同期励磁周波数演算器１１０はすべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）と励磁選択信号（ＡｏｒＳ）を入力し、励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）と同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）を出力する。

　状態遷移制御器１１１は同期励磁周波数演算器１１０から励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）を入力し、横軸電流指令演算器１１３から同期励磁からすべり励磁への移行完了応答（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）を入力し、励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）と励磁選択信号（ＡｏｒＳ）をトグル出力する。以下、本発明では励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）と励磁選択信号（ＡｏｒＳ）は、いずれもすべり励磁時はレベルＨ、同期励磁時はレベルＬとする。

　以下、状態遷移制御器１１１から励磁位相演算器１０９、同期励磁周波数演算器１１０および横軸電流指令演算器１１３への励磁選択信号（ＡｏｒＳ）線は煩雑さを避けるために省略する。

　３相２相変換器１１２は、励磁位相（ｂｅｔａ）によって励磁電流変流器１６からの３相回転子電流（Ｉｒｕ、Ｉｒｖ、Ｉｒｗ）を２相回転子電流（Ｉｒｄ、Ｉｒｑ）に変換出力する。３相２相変換器１１２により定常運転状態では２相回転子電流（Ｉｒｄ、Ｉｒｑ）は直流となる。３相２相変換器１１２の演算式を数式（１）に示す。

　横軸電流指令演算器１１３は、励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）、有効電力指令（Ｐｒｆ）、有効電力出力（Ｐｆｂ）、同期励磁位相とすべり励磁位相の突合せ位相（ｄｌｔ）を入力し、同期励磁からすべり励磁への移行完了応答（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）と横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）を出力する。

　横軸電流調整器（ｑ＿ＡＣＲ）１１４は横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）と横軸電流（Ｉｒｑ）の突合せ結果を入力し、横軸電圧指令（αｑ）を２相３相変換器１１６に出力する。

　直軸電流調整器（ｄ＿ＡＣＲ）１１５は直軸電流指令（Ｉｄｒｆ）と直軸電流（Ｉｒｄ）の突合せ結果を入力し、直軸電圧指令（αｄ）を２相３相変換器１１６に出力する。

　２相３相変換器１１６は、直軸電圧指令（αｄ）と横軸電圧指令（αｑ）を入力し、半導体電力変換器（ＡＣＥｘ）５への３相電圧指令（αｕ、αｖ、αｗ）を出力する。２相３相変換器１１６の演算式を数式（２）に示す。

　図３は、特許文献１と特許文献３などに開示された励磁位相演算器１０９を示す図である。

　出力切替器２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃは、すべり励磁時は端子ａ側入力を、同期励磁時は端子ｓ側入力を選択出力する。

　位相差演算器（ＰＤＦ）２０２、２０４、２１０は、２組の２相信号を入力して２相の位相差信号を出力する。第１組の端子（ａ，ｂ）の位相から第２組の端子（ｃ，ｄ）の位相を減算した位相差の２相信号を第３組の端子（ｅ，ｆ）から出力する。

　位相差演算器（ＰＤＦ）２０２はすべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）の２相信号を出力する。すべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）と正相電圧位相（ｔｈ＿ｖ）、回転位相（ｔｈｒｔ）の関係は（ｔｈ＿ｓｅｉｎ＝ｔｈ＿ｖ－ｔｈ＿ｒｔ）となる。

　すべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）の２相信号を分岐して、位相差演算器（ＰＤＦ）２０４の第１組の端子（ａ，ｂ）に入力し、遅れ回路２０５を介して位相差演算器（ＰＤＦ）２０４の第２組の端子（ｃ，ｄ）に入力する。

　遅れ回路２０５は２組のＮｆ個直列接続した遅延要素２０６ａからなる。遅延要素２０６ａは演算周期ΔＴだけ遅延出力する。

　遅れ回路２０５はＮｆ×ΔＴ［秒］前のすべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ＿ｏｌｄ）の２相信号を出力する。

　位相差演算器（ＰＤＦ）２０４は第３組の端子（ｅ，ｆ）からすべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）のＮｆ×ΔＴ秒間の位相変化（ｔｈ＿ｄｆ）の２相信号を出力する。

　位相変化（ｔｈ＿ｄｆ）とすべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）、Ｎｆ×ΔＴ［秒］前のすべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ＿ｏｌｄ）、位相変化（ｔｈ＿ｄｆ）の関係は「ｔｈ＿ｄｆ＝ｔｈ＿ｓｅｉｎ－ｔｈ＿ｓｅｉｎ＿ｏｌｄ」となる。

　位相変化（ｔｈ＿ｄｆ）の２相信号を逆正弦関数演算器２０７に入力し、利得［１／（２πＮｆΔＴ）］２０８を介してすべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）を出力する。

　２相可変周波数発振器（ＶＣＯ）２０９は、同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）をａ端子から入力し、基準位相信号をｂ端子から入力し、端子（ｃ，ｄ）から同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）の２相信号を出力する。

　２相可変周波数発振器（ＶＣＯ）２０９は励磁選択信号（ＡｏｒＳ）を入力して選択動作する。

　２相可変周波数発振器（ＶＣＯ）２０９は同期励磁周波数演算器１１０からの同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）の２相信号を出力する。

　すべり励磁時は、切替器２０１ｃはａ端子入力からすべり励磁位相信号ｓｉｎ（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）を選択出力し、２相可変周波数発振器（ＶＣＯ）２０９のｂ端子への基準位相信号をすべり励磁位相信号ｓｉｎ（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）として演算周期毎に更新する。また、２相可変周波数発振器（ＶＣＯ）２０９のａ端子から入力する同期励磁周波数指令（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）はすべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）を追従している。このようにして、２相可変周波数発振器（ＶＣＯ）２０９の端子（ｃ，ｄ）からの同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）の２相信号はすべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）を追従出力する。

　同期励磁時は、切替器２０１ｃはｓ端子から遅延要素２０６ｂによって、すべり励磁から同期励磁への切替時のすべり励磁位相信号ｓｉｎ（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）が固定保持される。この結果、２相可変周波数発振器（ＶＣＯ）２０９の端子（ｃ，ｄ）からの同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）の２相信号は、演算周期毎に（２π×Ｆｓ＿ｓｏｌｎ×ΔＴ）だけ位相を進めて更新出力することによって同期励磁周波数演算器１１０からの同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）に追従して２相信号を出力する。

　すべり励磁位相信号ｃｏｓ（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）とｓｉｎ（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）あるいは同期励磁位相信号ｃｏｓ（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）とｓｉｎ（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）は出力切替器２０１ａと２０１ｂにより励磁基準位相信号ｃｏｓ（ｔｈ＿ｂｅｔａ）とｓｉｎ（ｔｈ＿ｂｅｔａ）として選択出力される。

　図４は、特許文献１および特許文献３などに開示された横軸電流指令演算器１１３を示す図である。

　有効電力調整器３０１のワンショット切替器３０２は常時Ｒ端子側を選択出力し、同期励磁からすべり励磁に移動する時の１演算周期だけＯｎｅＳｈｏｔ側を選択出力する。

　以下、ワンショット切替器３０２がＲ端子側を選択出力する場合について有効電力調整器３０１の動作を説明する。

　すべり励磁時は、プラント有効電力指令（Ｐｒｆ）とプラント有効電力出力（Ｐｆｂ）とを突き合わせし、比例利得（Ｃｐ）３０３に入力する。比例利得（Ｃｐ）３０３の出力を分岐して積分利得３０４、加算器３０５ａ、遅延要素２０６ｃからなる積分器に入力し、加算器３０５ｂで比例積分制御器を構成する。図４の例では比例積分制御器の制限器３０６ａと３０６ｂを設けている。制限器３０６ｂの出力を切替器３０７ａと３０７ｂのａ端子入力を介して横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）を出力する。

　同期励磁時は、出力切替器３０７ａと３０７ｂのｓ端子が選択され、遅延要素２０６ｄによって同期励磁が選択される直前の出力切替器３０７ａ出力（Ｉｑｒｆ＿０）が保持される。これにより、すべり励磁から同期励磁に移る時の出力切替器３０７ａ出力の急変を抑える。

　出力切替器３０７ａ出力は出力切替器３０７ｃのｓ端子を介して出力される横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ）を付勢し、出力切替器３０７ｂのｓ端子を介して横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）を出力する。

　横軸電流補正演算器３１７の論理積３１６で励磁選択信号（ＡｏｒＳ）がレベルＬの同期励磁中に励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）がレベルＨのすべり励磁が選択されると、論理和３１５を介してフリップフロップ３０９の出力をセットし、同期励磁からすべり励磁への移行中信号（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）がレベルＨとなる。

　不感帯付きリミッタ３１０はｘ端子から同期励磁位相とすべり励磁位相を突き合わせた位相差（ｄｌｔ）を入力し、その絶対値が閾値（ｅｐ）を超えると論理和３１５と論理積３１６を介してフリップフロップ３０９の出力をセットし、同期励磁からすべり励磁への移行中信号（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）がレベルＨとなる。

　同期励磁位相とすべり励磁位相を突き合わせた位相差（ｄｌｔ）の絶対値が閾値（ｅｐ）を下回ると不感帯付きリミッタ３１０は０を出力し、絶対値出力３１２、入力が正の時にレベルＬを出力する比較器３１３、遅延要素２０６ｇ、論理積３１４を介してフリップフロップ３０９のリセット入力を付勢し、同期励磁からすべり励磁への移行中信号（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）がレベルＬとなる。

　不感帯付きリミッタ３１０は、同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）が正方向の閾値（＋ｅｐ）を超えると負の固定出力（－ΔＩ）を、負方向に閾値（－ｅｐ）を超えると正の固定出力（＋ΔＩ）を、絶対値が閾値（ｅｐ）以下の場合は０を、選択出力する。

　不感帯付きリミッタ３１０の出力が負の固定出力（－ΔＩ）の場合、横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ）は加算器３１１と遅延要素２０６ｆによって演算周期毎に（－ΔＩ）だけ減算出力され、正の固定出力（＋ΔＩ）の場合は加算出力される。

　図４の例では制限器３０６ｃを設け、出力絶対値を制限して出力切替器３０７のｓ端子を経由して横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ）として横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）に付勢される。

　図４は、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）の符号は発電・電動方向共に有効電力あるいはトルク出力が増加すると正方向に絶対値が増加するように定義された場合を示す。

　位相差（ｄｌｔ）の符号はすべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）に対する同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）の進み位相を正と定義した場合を示す。

　図５に、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１のすべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）と同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）の関係を示すベクトル図を示す。

　水平軸はすべり位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）の直軸（ｄ軸）を、直軸（ｄ軸）に対して９０度進みの垂直軸（ｑ軸）は、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の回転子から見た固定子正相電圧位相に同期し、正のすべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）で反時計方向に回転する場合を説明する。

　以下、簡単のために横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）と横軸電流（Ｉｑ）、直軸電流指令（Ｉｄｒｆ）と直軸電流（Ｉｄ）が一致すると仮定する。この仮定は、図５の電流指令値変化が横軸電流調整器（ｑ＿ＡＣＲ）１１４と直軸電流調整器（ｄ＿ＡＣＲ）１１５の応答周波数に対して十分に低い周波数で絶対値変化の小さい場合を考えるため、妥当な仮定である。

　すべり励磁の場合、電流（Ｉｄ，Ｉｑ）の場合はＡ点に相当する。同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）で同期励磁する場合、励磁電流指令がすべり励磁時と同じ（Ｉｄ，Ｉｑ）でも、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１に作用する励磁電流はＡ点から位相差（ｄｌｔ）だけ進んだＢ点に回転移動し、実効電流は（ｄ０，ｑ０）となる。

　ここで、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）がΔＩｑｒｆだけ減少するとＢ点からＣ点に移動し、横軸電流はｑ０からｑ１に減少する。

　直軸電流指令（Ｉｄｒｆ）がΔＩｄｒｆだけ増加するとＢ点からＤ点に移動し、直軸電流はｄ０からｄ１に増加する。

　横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）と直軸電流指令（Ｉｄｒｆ）を同時に変化させる場合、Ｂ点からＥ点に移動する。

　今、横軸電流指令をΔＩｑｒｆだけステップ的に減少すると実際の横軸電流も横軸電流調整器（ｑ＿ＡＣＲ）の応答速度でｑ０からｑ１に減少する。

　以下、発電モードの場合を説明する。発電モードではターボ機械（ＷＴ）８が加速トルクを、発電機が減速トルクを発生する。

　横軸電流Ｉｑの変化に対してターボ機械（ＷＴ）８の応答は十分に遅く、出力トルクが一定と見なせる場合、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の減速トルクは横軸電流の減少で減少し、回転位相はわずかに進み、同期化力によってターボ機械（ＷＴ）８の加速トルクとの平衡位相で整定する。この結果、同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）は減少する。

　次に電動モードの場合を説明する。ポンプ水車の場合、実際には回転方向が逆となり、図５のベクトル回転方向も逆転する。ここでは、「発電時と同じく反時計方向に回転する」として説明を簡素化する。

　電動モードでは電動機が加速トルクを、ターボ機械（ＷＴ）８がポンプ動作で減速トルクを発生する。

　横軸電流Ｉｑの変化に対してターボ機械（ＷＴ）８の応答は十分に遅く、負荷トルクが一定と見なせる場合、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の加速トルクは横軸電流の減少で減少し、回転位相はわずかに遅れ、同期化力によってターボ機械（ＷＴ）８の減速トルクとの平衡位相で整定する。この結果、同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）は減少する。

　以上のように、横軸電流指令の時間変化率が制限値以内であれば、横軸電流指令を逓増・逓減することによって同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）を一致させる方向に調整することができる。これにより、急激なトルク変化をさせずに同期励磁からすべり励磁に切り替えることができる。

　以上の作用を用いて同期励磁からすべり励磁に切り替える方法を図４に戻って説明する。

　同期励磁運転中（ＡｏｒＳがレベルＬ）にすべり励磁が選択され、励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）がレベルＨになったとき、同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）がすべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）に対して進み方向でｓｉｎ（ｄｌｔ）が閾値（＋ｅｐ）を超える場合、横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ）は０から負方向に逓減し、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の減速トルクを下げ、回転位相（ｔｈ＿ｒｔ）が進んで位相差（ｄｌｔ）が０方向に下がり、すべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）と同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）が一致する方向に変化して閾値（ｅｐ）を下回り、不感帯付きリミッタ３１０の出力は０になる。

　一方、同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）が遅れ方向でｓｉｎ（ｄｌｔ）が閾値（－ｅｐ）を超える場合、横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ）は０から正方向に逓増し、すべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）と同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）は一致する方向に変化し、不感帯付きリミッタ３１０の出力は０になる。

　以上の横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ）の調整によって位相差（ｄｌｔ）の絶対値は徐々に下がる。そして位相差（ｄｌｔ）の絶対値が閾値（ｅｐ）以下になると、不感帯付きリミッタ３１０の出力を分岐して絶対値出力３１２、入力が正の時にレベルＬを出力する比較器３１３、遅延要素２０６ｇ、論理積回路３１４を介してフリップフロップ３０９のリセット入力を付勢する。

　フリップフロップ３０９の出力は同期励磁からすべり励磁への移行中信号（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）として外部出力する。

　同期励磁からすべり励磁への移行中信号（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）の立ち下がりを検出すると、出力切替器３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃは、出力をｓ端子入力からａ端子入力に切替る。

　同期励磁からすべり励磁への切替時の１演算周期に限り、ワンショット切替器３０２は補正信号（Ｉｑ＿ｂｕｍｐ）を選択出力する。補正信号（Ｉｑ＿ｂｕｍｐ）は、遅延要素２０６ｅで保持された同期励磁時の横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）と比例利得（Ｃｐ）３０３出力の突き合わせ結果で、補正信号（Ｉｑ＿ｂｕｍｐ）を加算器３０５ａで付勢することによって有効電力調整器３０１の積分出力の急変を抑制し、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）の急変を抑制し、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の出力急変を抑制する効果がある。

　閾値（ｅｐ）が小さいほど同期励磁からすべり励磁への移行時の交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の出力動揺を抑えられる一方、移行中信号（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）がレベルＨの移行期間が長くなる。電気角で１度が閾値（ｅｐ）の設定目安となる。

　固定出力設定値（ΔＩ）が大きいほど移行期間は短くて済む一方、移行時の交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の出力動揺リスクが高くなる。固定出力設定値（ΔＩ）は、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の短絡比が小さいほど小さく、回転部の慣性時定数が短いほど小さく、水力発電設備の場合は水理系の時定数が長いほど小さくする必要がある。

　図６は、同期励磁周波数演算器１１０を示す図である。

　すべり励磁が選択された時、出力切替器４０１はａ端子入力を選択し、同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）はすべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）を出力する。

　不感帯・ヒステリシス付きリミッタ４０２は、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の回転速度が下がってすべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）が閾値（Ｆｓ＿１）を超えると負の固定出力（－ΔＦ）を出力し、閾値（Ｆｓ＿２）を下回ると０出力に戻る。また、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の回転速度が上がってすべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）が閾値（－Ｆｓ＿１）を負方向に超えると正の固定出力（＋ΔＦ）を出力し、閾値（－Ｆｓ＿２）を上回ると０出力に戻る。

　不感帯・ヒステリシス付きリミッタ４０２が０以外を選択出力すると、絶対値出力４０３によって比較器４０４の出力はレベルＨからレベルＬに変化し、励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）がレベルＬとなり、すべり励磁から同期励磁への切り替え要求を状態遷移制御器１１１へ出力する。

　状態遷移制御器１１１からの励磁選択信号（ＡｏｒＳ）がレベルＬとなると同期励磁に移行し、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）を保持する。

　励磁選択信号（ＡｏｒＳ）出力がレベルＨからレベルＬに切り替わる１演算周期に限り、ワンショット切替器４０５はすべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）を選択出力し、出力切替器４０１はＯｎｅ＿Ｓｈｏｔ端子を選択出力し、その後はＲ端子を選択して遅延要素２０６ｈによって移行時のすべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）を保持する。

　同期励磁が選択された時点で不感帯・ヒステリシス付きリミッタ４０２は正側（＋ΔＦ）あるいは負側（－ΔＦ）固定値を出力する。このため、加算器４０７と遅延要素２０６ｉにより同期励磁周波数補正（Ｆｓ＿ａｄ）は同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）の絶対値を下げる方向に演算周期毎に逓増あるいは低減する。同期励磁周波数補正（Ｆｓ＿ａｄ）は加算器４０９によりワンショット切替器４０５の出力に付勢する。

　同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）の絶対値逓減とともに、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の同期化力によって回転速度は同期速度に近づき、すべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）の絶対値は閾値（Ｆｓ＿２）を下回る。この時点で状態遷移制御器１１１に出力する励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）がレベルＨに変わり、状態遷移制御器１１１は励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）をレベルＨ出力し、横軸電流指令演算器１１３は同期励磁からすべり励磁への移行完了応答（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）はレベルＨを出力し、すべり励磁への移行を開始し、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）を逓増あるいは逓減させ同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）の絶対値が０に近づく。位相差（ｄｌｔ）の絶対値が閾値（ｅｐ）を下回ると同期励磁からすべり励磁への移行完了応答（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）はレベルＬを出力し、すべり励磁を開始する。

　図７は、以上説明した状態遷移制御器１１１の動作を示す状態遷移図である。

　運転状態は、３つの状態を遷移する。これら３つの状態を区分する状態変数は励磁選択（ＡｏｒＳ）と同期励磁選択（ＳＷｓ）の２種類ある。

　励磁選択（ＡｏｒＳ）は、すべり励磁（レベルＨ）と同期励磁（レベルＬ）の２値選択である。

　同期励磁選択（ＳＷｓ）は、同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）の逓減（レベル１）、位相差（ｄｌｔ）の閾値（ｅｐ）までの逓減（レベル０）の２値選択である。

　図７のＩｑｒｆｄは横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）の前回出力値を示す。

　状態遷移の状態制御信号は、励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）、同期励磁からすべり励磁への移行完了応答（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）がある。状態遷移制御器１１１は、上記の状態変数と状態制御信号で状態遷移を制御する。

　図８は、特許文献１と特許文献５などに開示された可変速揚水運転時のプラント制御装置１１の構成を示す図である。

　前の図１から図８の番号と同じ番号と記号は、それぞれ同じ部品と信号を示すので重複を避けるために説明を省略する。

　最適ＧＶＯ関数発生器７０１はポンプ特性から上位有効電力指令（Ｐｒｆ＿０）に応じた最適ガバナ開度信号（Ｙｏｐｔ）を出力し、ガバナ開度指令（ＧＶＯｒｆ）として出力する。

　以下、本発明では簡単のため、有効揚程あるいは静揚程信号の最適ＧＶＯ関数発生器７０１への入力を省略する。

　最適速度関数発生器７０２はポンプ特性から上位有効電力指令（Ｐｒｆ＿０）に応じた最適速度信号（Ｎｏｐｔ）を出力し、遅れ回路７０３を介して回転速度指令（Ｎｒｆ）を出力する。

　以下、本発明では簡単のため、有効揚程あるいは静揚程信号の最適速度関数発生器７０２への入力を省略する。

　回転速度指令（Ｎｒｆ）と回転速度信号（Ｎｆｂ）を突き合わせて速度調整器（ＡＳＲ）７０４に入力し、速度調整器（ＡＳＲ）７０４の出力を有効電力補正（Ｐｒｆ＿ａｄ）として上位有効電力指令（Ｐｒｆ＿０）に付勢し、付勢出力を有効電力指令（Ｐｒｆ）として横軸電流指令演算器１１３に入力する。

　以上の構成により、速度調整器７０４の出力を横軸電流指令演算器１１３内部にある有効電力調整器３０１の入力側への指令に付勢するため、回転速度逸脱を防止しながら内側の有効電力調整器３０１が高速に有効電力（Ｐｆｂ）を制御する効果がある。

　図９は、特許文献６などに開示された同期発電機による固定速発電装置のプラント制御装置１１の構成を示す図である。

　同期励磁は励磁電流が交流で可変周波数である点は直流励磁の同期発電機と異なるが、同期化力で回転速度を調整する点は直流励磁の同期発電機と同一である。

　ここでは、最適ＧＶＯ関数発生器１０１を図２の最適ＧＶＯ関数発生器１０１と共通化して同期速度時の関数のみ使用した場合の構成を示す。

　前の図１から図８の番号と同じ番号と同じ記号は、それぞれ同じ部品と信号を示すので、重複を避けるために説明を省略する。

　最適ＧＶＯ関数発生器１０１からの最適ガバナ開度信号（Ｙｏｐｔ）は加減算器８０２、リミッタ８０３と時定数Ｔｙの積分器８０１からなる１次遅れ回路により、開度指令Ｙｄの時間変化率が制限値以下の場合は時定数Ｔｙの一次遅れ特性で遅延する。水車（ＷＴ）の応答限界を超える時間変化率以下に抑制するようリミッタ８０８が動作する。開度指令Ｙｄとガバナ開度（ＧＶＯを）突き合わせて垂下率利得８０５に入力し、その出力を回転速度指令補正（Ｎ＿ａｄ）として一定値の同期速度指令（Ｎ＿０）に加減算器８０６で付勢して回転速度信号（Ｎｆｂ）と突き合わせし、速度調整器（ＡＳＲ）１０５に入力する。

　実際のプラント運用では、上位制御系からの出力指令（Ｐｒｆ）が電力単位の絶対値で与えられる場合よりも単位上げ・下げ指令が間欠パルス的に与えられ、出力指令（Ｐｒｆ）と発電出力（Ｐｆｂ）との突合せは上位制御系によることが多い。ここでは、上記の上位制御系動作をリミッタ８０７と積分器８０８で模擬し、出力上げ下げ指令の累積値を案内羽根指令補正Ｙｒｆ＿ａｄで表す。

　図１０は、図１から図７に示す装置を適用し、プラントの可変速幅４［％］で設計された可変速揚水発電システムにおいて、発電出力３０［％］の定常運転状態から時刻ｔ１＝０［秒］で出力指令（Ｐｒｆ）が３秒間で１０［％］ランプ上昇（所謂３０秒レートで上昇）し、時刻ｔ２＝３［秒］後は出力指令（Ｐｒｆ）を４０％一定に保持する場合の過渡現象を示す。

　上記の場合、発電出力（Ｐｆｂ）の変化範囲が定格出力に対して低いため、フランシスポンプ水車の効率を高めるために最適速度関数１０３の回転速度指令（Ｎｒｆ）は最低速度９６［％］付近となる。

　図１０は、図２のプラント制御装置１１を用い、設定値（Ｆｓ＿１）を４．６７［％］）から１桁大きな値に仮設定し、すべり励磁のみを使った場合の過渡応答を示す。

　フランシスポンプ水車（ターボ機械（ＷＴ）８）の出力（Ｐｔ）の上昇に先行して交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の出力（Ｐｆｂ）が上昇するため、水車出力（Ｐｔ）からの出力供給不足分は回転部分のフライホイールエネルギーで補填して交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の出力（Ｐｆｂ）に変換する。この為に回転速度（Ｎｆｂ）が低下、すべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）が上昇し始める。時刻ｔ３＝２．８［秒］ですべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）が本来の設定値（Ｆｓ＿１＝４．６７［％］、Ｎｆｂ＝９５．３３［％］）に達する。

　本来の設定値（Ｆｓ＿１）であれば励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）がレベルＬとなり、同期励磁に切り替わる。

　図１０の場合は仮設定のためにすべり励磁を継続し、時刻ｔ４＝３．４［秒］ですべり周波数は（Ｆｓ＿１＝４．９２［％］）に達し、設定変化範囲４［％］の１．２３倍にとなるが、半導体電力変換器（ＡＣＥｘ）に持たせた運転能力に余裕を持たせているためにすべり励磁のまま運転継続している。

　実際のプラント運用では水理系の落差、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の発電機正相電圧振幅（Ｖｆｂ）や無効電力出力（Ｑｆｂ）などの変動要素が複合している。これらに対応するため、すべり周波数の設定値（Ｆｓ＿１）に過大な余裕を確保することができない。従って、回転速度低下の防止策が必要となる。

　すべり励磁を継続する場合は別の課題もある。有効電力応答を優先するために回転速度動揺が大きくなり、その結果としてガバナ開度（ＧＶＯ）の変動が大きくなる。

　図１０に示す「累積ＧＶＯ摺動比」は、ガバナ開度ＧＶＯの累積摺動角度をランプ応答開始前と開始後のガバナ開度の変化幅で単位化した値の％表示である。累積ＧＶＯ摺動比はガバナ（ＧＯＶ）１０の機械摩耗指標となる。

　図１０の場合、累積ＧＶＯ摺動比は２５０％であり、これは最小摺動開度の２．５倍摺動していることを示す。

　特許文献３には、すべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）が設定範囲を超えたときに、超過分に応じて出力補正指令を出力指令（Ｐｒｆ）に付勢する方法が開示されている。

　しかし、上記で説明した水理系の落差、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の発電機正相電圧振幅（Ｖｆｂ）や無効電力出力（Ｑｆｂ）などの変動要素に応じて適切な出力指令補正の比例利得を調整するのが困難であり、すべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）の逸脱幅と出力（Ｐｆｂ）の動揺抑制の両立が困難であることが分かった。

　出力補正指令を付勢する代わりに、同期励磁に切り替えし、切り替え後は図６の同期励磁周波数演算器１１０で同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）を調整する方法は、斯界の専門家であれば容易に想定できる代替案と見なせる。この代替案は特許文献３の出力補正指令と違って「利得調整が不要である」という特長がある。しかしながら、この代替案には図１１に示す課題がある。

　図１１は、図１０と同じ条件で、設定値（Ｆｓ＿１）を本来の値（４．６７［％］）に戻し、特許文献１の有効電力補正指令に変え、すべり励磁から同期励磁に切替、同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）を逓減して設定範囲に戻す場合を示す図である。

　時刻ｔ３＝２．８［秒］までは図１０と同じなので重複を避けるために説明を省略する。

　時刻ｔ３＝２．８［秒］ですべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）が設定値（Ｆｓ＿１）を超え、励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）がレベルＬとなり同期励磁に切り替わる。

　時刻ｔ３＝２．８［秒］では不感帯・ヒステリシス付きリミッタ４０２は負の固定値（－ΔＦ）を出力し、同期励磁周波数補正（Ｆｓ＿ａｄ）で同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）を逓減させる。

　時刻ｔ４＝３．２［秒］で回転速度信号（Ｎｆｂ）は最小値９５．２５［％］（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ＝２．８５［Ｈｚ］相当）まで下がる。

　時刻ｔ５＝７．８［ｓ］ですべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）が設定値（Ｆｓ＿２＝３．８３［％］）に達し、同期励磁からすべり励磁への励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）がレベルＨとなる。

　時刻ｔ５＝７．８［ｓ］では同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）は正値で閾値（ｅｐ）を超えているため、不感帯・ヒステリシス付きリミッタ３０１は負の固定値（－ΔI）を出力し、横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ）により横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）が逓減する。

　図５で説明した交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の同期化力によって同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）が逓減する。

　時刻ｔ６＝８．１［ｓ］で位相差（ｄｌｔ）は閾値（ｅｐｓ）以下となり、同期励磁からすべり励磁への移行完了応答（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）出力をレベルＨに切り替える。

　時刻ｔ６＝８．１［ｓ］以降は、状態遷移制御器１１１からの励磁選択信号（ＡｏｒＳ）がレベルＨとなり、すべり励磁に戻る。図１１の例では、ｔ７＝１７．５［秒］で回転速度信号（Ｎｆｂ）は指令値に近づき安定する。

　以上の従来技術によって、すべり励磁運転時に回転速度がプラントの可変速幅を超えたときに同期励磁に切り替えて同期励磁周波数を調整し、可変速幅範囲内に戻し、すべり励磁運転に切り替えることができる。

　しかし、同期励磁運転期間中の回転速度は、その移動平均値は意図通り可変速幅に戻るものの、大きく振動している。

　振動の振幅よりも深刻な問題は、同期励磁位相とすべり励磁位相の（ｄｌｔ）の振動は時間と共に増大し、負のダンピング係数を持った不安定振動という点である。プラントの安定性を確保するため、安定化する必要がある。

　また、累積ＧＶＯ摺動比は４００［％］となり、図１０と比べて６割増える。この結果、ガバナ（ＧＯＶ）１０が構成する案内羽根駆動系の摩耗による寿命が短くなる可能性が高まる。また、油圧サーボモータで駆動する場合の圧油タンク容量など、ガバナ（ＧＯＶ）１０の設備容量増大を招く問題がある。これらの課題を解決する手段として本発明の請求項１が有効である。

　図１２は本発明の請求項１を用いた励磁位相演算器２００を示す図である。図３の励磁位相演算器１０９と同じ番号を付した部品は同じ部品を示すので重複を避けるため説明を省略する。

　減算器２１１で同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）とすべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）を突き合わせ、安定化利得（Ｋｄ）２１２を介して同期励磁の安定化位相補正（ｔｈ＿ｄ）を出力する。

　図１２の例ではリミッタ２１３を設け、過大な安定化位相補正（ｔｈ＿ｄ）による脱調を防止する効果がある。

　三角関数波発生器２１４は２相信号［ｃｏｓ（ｔｈ＿ｄ）、ｓｉｎ（ｔｈｅ＿ｄ）］を出力し、位相加算器（ＰＡＤ）２１５に入力し、同期励磁位相信号（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）に安定化位相補正（ｔｈ＿ｄ）を付勢した２相信号を出力する。

　ここで、位相加算器（ＰＡＤ）２１５は、２組の２相信号を入力して２相の位相和信号を出力する。第１組の端子（ａ，ｂ）の位相に第２組の端子（ｃ，ｄ）の位相を加算した位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ＋ｔｈ＿ｄ）の２相信号を第３組の端子（ｅ，ｆ）から出力する。

　図１３は実施例１（本発明の請求項１）の動作を示す。

　図１３では図１２の安定化利得（Ｋｄ）２１２を活性化し、その他は前の図１１と同じ条件での動作を示す。

　出力指令（Ｐｒｆ）を発電出力３０［％］から３０秒レートで４０［％］までランプ上昇し、上昇後は出力指令（Ｐｒｆ）を４０％一定に保持する場合の過渡現象を示す。

　以下、図１１と対比して説明する。

　時刻ｔ３＝２．８［秒］までは図１１と同じなので重複を避けるために説明を省略する。

　時刻ｔ３＝２．８［秒］で同期励磁からすべり励磁への励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）がレベルＬとなり同期励磁に切り替わる。

　時刻ｔ４＝３．２［秒］で回転速度信号（Ｎｆｂ）は最小値９５．３［％］（Ｆｓ＿ｓｅｉｌ＝２．８２［Ｈｚ］相当）まで下がる。この最小値は図１１と殆ど同じであり安定化利得（Ｋｄ）２１２の効果は認められない。しかし、その後の振動は１周期で８０％減衰している。

　図１１と同じく時刻ｔ５＝７．８［秒］で励磁選択信号（ＡｏｒＳ）がレベルＨとなる。

　時刻ｔ６＝８．１［ｓ］で位相差（ｄｌｔ）は閾値（ｅｐｓ）以下となり、同期励磁からすべり励磁への移行完了応答（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）出力をレベルＨに切り替える。

　図１３では、ｔ＝１７．５［ｓ］で回転速度信号（Ｎｆｂ）は指令値に近づき安定する。

　以上のとおり、請求項１の来技術によって、すべり励磁運転時に回転速度がプラントの可変速幅を超えたときに同期励磁に切り替えて同期励磁周波数を調整し、回転速度の動揺を急速に減衰させながら可変速幅範囲内に戻し、すべり励磁運転に切り替えることができる。

　累積ＧＶＯ摺動比は２００［％］となり安定化利得（Ｋｄ）２１２を不活性化した図１１の４００［％］に比べて５割減、すべり励磁のみの図１０に比べて２割減である。

　以上のとおり、安定化利得（Ｋｄ）には安定化効果のほか、設備の長寿命化の効果がある。ただし、安定化利得（Ｋｄ）には以下のような制約条件がある。

　安定化利得（Ｋｄ）２１２の単位は入力の単位［ｒａｄ／ｓ］と出力の単位［ｒａｄ］の関係から時間となる。

　しかし、安定化利得（Ｋｄ）２１２の動作は一般の時定数とは逆である。すなわち、安定化利得（Ｋｄ）が大きいほど応答が早く、振動減衰効果が高まる。

　同時に、これは、図１４で時刻ｔ２から時刻ｔ６までの安定化位相補正（ｔｈ＿ｄ）波形の振動から見て取れるように、入力信号（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ－Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）は計測ノイズの影響を受けやすい。このため、安定化利得（Ｋｄ）の設定範囲には応答不安定による上限がある。

　特にすべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）は計測ノイズや外乱の影響を受けやすいため、計測回路には時定数Ｔｆの遅れ回路を加える必要がある。

　すべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）はターボ機械（ＷＴ）８の固定羽根・回転羽根の枚数によるトルク脈動、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の巻線スロット数による脈動の他、高調波電流によるトルク脈動の影響を受ける。

　以上より、回転位相計測回路に加えるフィルタ時定数Ｔｆｍは経験的に２０［ｍｓ］以上に設定する必要がある。フィルタ時定数Ｔｆｍの値は、一般に交流電力系統（ＰＳ）２の１周期の約６０％（１０～１２［ｍｓ］）に調整できる系統側の正相電圧位相計測回路の時定数Ｔｆｖ設定値に比べて長い。結果的として、すべり周波数計測回路の時定数Ｔｆは回転位相側の時定数Ｔｆｍで決まる。

　計測ノイズを抑制して時定数Ｔｆを最小値で実現する場合でも安定化利得（Ｋｄ）２１２は［７５ｄｅｇ／Ｈｚ］が目安になる。この値を時間表記するとＫｄ＝０．２１［ｓ］となる。

　以上のとおり、すべり周波数計測のノイズやトルク脈動から時定数Ｔｆの上限値が決まり、ダンピング効果から下限値が決まる。選択可能範囲は交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の短絡比にも多少は影響を受けるが、実用的な選択範囲は０．１＜Ｋｄ＜０．２５［秒］となる。

　実施例１（請求項１）の技術は同期励磁の安定性に寄与するが、同期励磁の長時間運転時への配慮がなされていない。このため、同期励磁への切替後の運転時間が長くなると出力指令（Ｐｒｆ）の変化幅が図１１の１０％よりも大きくなる場合が生じる。

　出力指令（Ｐｒｆ）の変化幅が大きくなるにつれて同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）の変化幅も大きくなる。図５のベクトル図から推定できるように、位相差（ｄｌｔ）が大きくなると同期励磁の直軸（ｄ＿ｓｏｌｎ）と実際の直軸（ｄ）の位相差（ｄｌｔ）が大きくなる。このため、２軸の電流制御間の相互干渉が顕在化する。位相差（ｄｌｔ）が４５度を超えて９０度に近づくと同期励磁で制御する直軸電流指令（Ｉｄｒｆ）は、実際には横軸電流（Ｉｑｒｆ）に近い作用する。設計時の意図とは異なる動作を開始し、プラント制御が予測不能となる問題点がある。

　以下、この問題点を図１４の動作で説明する。

　図１４は、実施例１（請求項１）の技術を適用し、前の図１０、図１１および図１３と同じくプラントの可変速幅４［％］で設計された可変速揚水発電システムにおいて、発電出力１０［％］の定常運転状態から時刻ｔ０＝－３［秒］で同期励磁に切替、時刻ｔ１＝０［秒］で出力指令（Ｐｒｆ）がランプ上昇を開始し、９秒間で３０［％］ランプ上昇（所謂３０秒レートで上昇）し、出力指令（Ｐｒｆ）が４０％に達する時刻ｔ２＝９［秒］以降は出力指令（Ｐｒｆ）を一定に保持する場合の過渡現象を示す。

　図１４では、時刻ｔ０＝－３［秒］ですべり励磁から同期励磁に切り替える。同期励磁周波数演算器１１０のワンショット切替器４０５の動作により移行時の同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）は急変しない。このため、有効電力出力（Ｐｆｂ）も急変せずにすべり励磁から同期励磁へ移行する。

　同期励磁移行後は、フランシスポンプ水車（ターボ機械（ＷＴ）８）のプラント制御は図９の従来の同期発電機による固定速発電プラントのプラント制御装置に切り替わる。

　時刻ｔ１＝０［秒］で出力指令（Ｐｒｆ）が上昇開始するとガバナ開度（ＧＶＯ）を開いて水車出力（Ｐｔ）が上昇すると同化力によって交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の出力が支配的な交流励磁プラントの有効電力出力（Ｐｆｂ）も上昇する。回転速度信号（Ｎｆｂ）が一定なので有効電力出力（Ｐｆｂ）に比例して横軸電流（Ｉｑ）も上昇する。しかし、同期励磁の場合は横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）を保持するために同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）が大きくなる。この結果、横軸電流（Ｉｑ）と横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）の偏差が拡大し、位相差（ｄｌｔ）も大きくなる。

　出力指令（Ｐｒｆ）が４０％に達する時刻ｔ２＝９［秒］では位相差（ｄｌｔ）が－３０度に、時刻ｔ３＝１２［秒］では－３２度に広がる。更に出力変化幅が３０％より大きくなるにつれて位相差（ｄｌｔ）も大きくなり、直軸電流指令（Ｉｄｒｆ）が横軸電流（Ｉｑｆ）に及ぼす影響が増大し、意図した２軸電流制御を継続できなくなる。これらの課題を解決する手段として本発明の請求項２が有効である。

　図１５は、本発明の請求項２を用いた横軸電流指令演算器３００を示す図である。図４の横軸電流指令演算器１１３と同じ番号を付した部品は同じ部品を示す。図４の横軸電流指令演算器１１３と同じ番号の部品については、重複を避けるため説明を省略する。

　第２の横軸電流補正演算器３１９の不感帯付きリミッタ３２０は、ｘ端子から同期励磁位相とすべり励磁位相を突き合わせた位相差（ｄｌｔ）を分岐入力し、入力値が正方向の閾値（＋ｅｐ＿１）を超えると負の固定出力（－ΔＩ２）を、負方向に閾値（－ｅｐ＿１）を超えると正の固定出力（＋ΔＩ２）を出力する。

　不感帯付きリミッタ３２０の出力が負の固定出力（－ΔＩ２）時に入力が正の閾値（＋ｅｐ＿２）を下回ると０を出力する。

　不感帯付きリミッタ３２０の出力が正の固定出力（＋ΔＩ２）時に入力が負の閾値（－ｅｐ＿２）を上回ると０を出力する。

　不感帯付きリミッタ３２０の出力が負の固定出力（－ΔＩ２）の場合、第２の横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ２）は加算器３２１とリセット制御付き遅延要素３２２によって演算周期毎に（－ΔＩ２）だけ減算出力され、正の固定出力（＋ΔＩ２）の場合は加算出力される。

　不感帯付きリミッタ３１０の出力が０の場合、第２の横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ２）は前回値が保持される。

　リセット制御付き遅延要素３２２は、すべり励磁が選択されて励磁選択信号（ＡｏｒＳ）がレベルＨになると保持値を０にリセットする。

　図１５の例ではリミッタ３２３を設け、出力絶対値を制限して出力切替器３２４の第２端子を経由して横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ２）として横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）に付勢される。

　出力切替器３２４は、同期励磁からすべり励磁への移行中信号（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）がレベルＨの時は第１端子を選択出力し、レベルＬの時は第２端子を選択出力する。

　図１５では、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）と位相差（ｄｌｔ）の符号は、図４と同じ定義の場合を示す。

　同期励磁が選択され、同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）がすべり励磁（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）に対して進み方向でｓｉｎ（ｄｌｔ）が閾値（＋ｅｐ＿１）を超える場合、横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ２）は０から負方向に逓減し、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１のトルクを下げ、位相差（ｄｌｔ）が０方向に下がり、すべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）と同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）が一致する方向に変化して閾値（ｅｐ＿１）を下回り、不感帯付きリミッタ３２０の出力は０になる。

　一方、同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）がすべり励磁（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）に対して遅れ方向でｓｉｎ（ｄｌｔ）が閾値（－ｅｐ＿１）を超える場合、横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ２）は０から正方向に逓増し、すべり励磁位相（ｔｈ＿ｓｅｉｎ）と同期励磁位相（ｔｈ＿ｓｏｌｎ）は一致する方向に変化し、不感帯付きリミッタ３２０の出力は０になるように閾値を設定する。

　通常の運用では、閾値（ｅｐ＿２）の設定値は閾値（ｅｐ）より大きく設定する。ただし、閾値（ｅｐ＿２）が小さいほど同期励磁からすべり励磁への移行期間を短くする効果がある。

　固定出力設定値（ΔＩ２）は、固定出力設定値（ΔＩ）よりも小さく設定することによって第２の横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ２）の増減による交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の出力動揺を抑えることができる。

　ただし、固定出力設定値（ΔＩ２）の下限がある。下限値は出力指令（Ｐｒｆ）の変化率の上限で決まる。

　固定出力設定値（ΔＩ２）が下限を下回ると横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）の変化が出力指令（Ｐｒｆ）に対応する横軸電流（Ｉｑ）の変化に追従できず、位相差（ｄｌｔ）の絶対値を下げることができず、意図した機能を実現できない。

　ヒステリシス特性を決定する閾値（ｅｐ＿１－ｅｐ＿２）が大きいほど不感帯付きリミッタ３２０の出力切り替え回数が減り、出力動揺回数を低減する効果がある。

　一方で、ヒステリシス特性を決定する閾値（ｅｐ＿１－ｅｐ＿２）が小さいほど不感帯付きリミッタ３２０の出力切り替えに伴う出力幅が減り、同期励磁でもすべり励磁に近いなめらかな出力を実現する効果がある。

　発電運転の場合には閾値設定に当たっては別の要素が制約条件となる。

　固定出力設定値（ΔＩ２）と閾値（ｅｐ＿１－ｅｐ＿２）の比が大きいほど応答特性は図１６に示す不感帯付きリミッタ３２５に近づく。

　図１６の構成では、位相差（ｄｌｔ）の絶対値が閾値（ｅｐ＿１）と閾値（ｅｐ＿２）の場合、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）は比例利得を持つ事実上の第２速度調整器として動作する。

　従って、ターボ機械（ＷＴ）８への開度指令ＧＶＯｒｆを調整する速度調整器１０５との協調と競合回避が必要となる。

　具体的には、運転条件に応じて非線形特性の著しい水車特性から演算する第２の速度調整として運用可能な利得範囲内に刻々と調整する必要がある。

　図５で説明したように、「横軸電流指令補正（Ｉｑ＿ａｄ）によって位相差（ｄｌｔ）を調整する機能」の前提条件は、「ターボ機械（ＷＴ）８の出力トルクが一定」である。従って、ターボ機械側の応答特性よりも十分に早く、理想的には１桁早く設定する必要がある。

　もう一方で、「横軸電流指令補正（Ｉｑ＿ａｄ）によって位相差（ｄｌｔ）を調整する機能」の前提条件は、「電流指令（Ｉｑｒｆ，Ｉｄｒｆ）」が電流値（Ｉｑ，Ｉｒ）と一致」である。より正確には「「電流指令（Ｉｑｒｆ，Ｉｄｒｆ）」と電流値（Ｉｑ，Ｉｒ）の一致を前提とした電圧指令（Ｖｆｒ）と発電機正相電圧振幅（Ｖｆｂ）の一致」が前提条件となる。

　従って、自動電圧調整器（ＡＶＲ）１０６、横軸電流調整器（ｑ＿ＡＣＲ）１１４、直軸電流調整器（ｄ＿ＡＣＲ）１１５の応答特性よりも十分に遅く、理想的には１桁遅く設定する必要がある。

　電動運転の場合、特にターボ機械をポンプとして使用する場合、通常の運転条件ではターボ機械のトルクはガバナ開度（ＧＶＯ）を変えても殆ど変わらないため開度指令（ＧＶＯｒｆ）を調整する速度調整器は不要である。従って発電運転時のような調停も不要である。

　以上より、特に電動運転時は、後の図２４の実施例に示すように図１６の不感帯付きリミッタ３２５が実用的な選択肢となる。

　図１７は、実施例２（本発明の請求項２）の動作を示す図である。

　前の図１４との相違は横軸電流指令演算器１１３を横軸電流指令演算器３００に交換したのみで、その他の構成および動作条件は同一である。以下、重複を避けるために図１４と同じ動作部分の説明は省略する。

　時刻ｔ１＝０［秒］で出力指令（Ｐｒｆ）が上昇開始すると同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）が負方向に大きくなる。

　時刻ｔ３＝２．９［秒］では位相差（ｄｌｔ）が閾値（ｅｐ＿１＝６度）を超え、横軸電流指令演算器３００によって横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）が逓増開始する。

　横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）が逓増を開始しても回転体の慣性モーメント効果によって位相差（ｄｌｔ）は低下しつづけ、時刻ｔ４＝６．０［秒］で最小値（ｄｌｔ＝－８．７［度］）となった後で増加、絶対値は減少に転じる。

　時刻ｔ５＝８．２［秒］で位相差（ｄｌｔ）の絶対値が閾値（ｅｐ＿２＝４度）を下回り、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）は保持され、位相差（ｄｌｔ）は再び負方向に転じる。

　時刻ｔ６＝８．８［秒］で位相差（ｄｌｔ）が再び閾値（ｅｐ＿１＝６度）を超え、軸電流指令（Ｉｑｒｆ）が逓増再開する。

　時刻ｔ２＝９．０［秒］で出力指令（Ｐｒｆ）が４０％に達した後、出力指令（Ｐｒｆ）は保持される。

　時刻ｔ７＝１１．２［秒］で位相差（ｄｌｔ）が閾値（ｅｐ＿２＝４度）を下回り、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）は保持される。

　時刻ｔ８＝１２．５［秒］で定常状態に戻っている時の位相差（ｄｌｔ）は、図１４の場合の整定値は－３２度あったが、－３．７度まで９割低減した値に整定している。

　一方で、回転速度（Ｎｆｂ）や出力（Ｐｆｂ）の波形は図１４から殆ど変化が認められない。これより、「その他の特性に影響を及ぼさずに位相差（ｄｌｔ）を調整する」という意図に沿った動作になっていることがわかる。

　以上の通り、実施例２（請求項２の技術）によって、同期励磁運転が長時間継続し、出力指令（Ｐｒｆ）が大きく変動する場合も位相差（ｄｌｔ）を閾値（ｅｐ＿１）以下に調整できるので安定に２軸の電流制御を継続する効果がある。

　また、位相差（ｄｌｔ）を閾値（ｅｐ＿２）以下に調整してあるので、横軸電流補正演算器３１７による位相差（ｄｌｔ）調整期間が短くて済み、迅速に同期励磁からすべり励磁に移行する効果がある。

　実施例１（請求項１の技術）は同期励磁運転の安定性に寄与する。実施例２（請求項２の技術）により同期励磁時の出力指令（Ｐｒｆ）あるいは水車出力（Ｐｔ）の大きな変化への対応が可能となる。しかし、出力変化と同時に同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）を調整して最適回転速度（Ｎｏｐｔ）に調整する機能がないために問題が発生する。

　図１８は、請求項１の技術を適用し、前の図１０および図１１と同じくプラントの可変速幅４［％］で設計された可変速揚水発電システムにおいて、すべり励磁で発電出力３０［％］の定常運転状態から時刻ｔ１＝０［秒］で出力指令（Ｐｒｆ）がランプ上昇を開始、２１秒間で７０［％］ランプ上昇（所謂３０秒レートで上昇）、出力指令（Ｐｒｆ）が１００％に達する時刻ｔ２＝２１［秒］以降は出力指令（Ｐｒｆ）を一定に保持する場合の過渡現象を示す。

　ランプ上昇期間中に最適速度信号（Ｎｏｐｔ）は可変速範囲の下限速度９６［％］から９９．３［％］まで上昇する。

　時刻ｔ３＝２．８［秒］ですべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）が設定値（Ｆｓ＿１）を超え、同期励磁に切り替わり、不感帯・ヒステリシス付きリミッタ４０２は負の固定出力（－ΔＦ）を出力し、同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）が逓減開始、回転速度信号（Ｎｆｂ）を上昇させる。

　時刻ｔ４＝７．８［秒］ですべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）が設定値（Ｆｓ＿２）に戻り、位相差（ｄｌｔ）が閾値（－ｅｐ）を超え、同期励磁からすべり励磁への移行完了応答（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）出力がレベルＨになる。

　時刻ｔ４＝７．８［秒］以降は横軸電流補正（Ｉｑ＿ａｄ）により横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）が逓減し、位相差（ｄｌｔ）を増加させる。

　時刻ｔ５＝８．２［秒］で位相差（ｄｌｔ）が閾値（－ｅｐ）を超え、すべり励磁に戻る。

　時刻ｔ３から時刻ｔ５までの動作を、２回目は時刻ｔ６＝１１．０［秒］から時刻ｔ７＝１６．８［秒］まで、３回目は時刻ｔ８＝１９．３［秒］から時刻ｔ９＝２５．０［秒］まで繰り返す。

　時刻ｔ３から時刻ｔ９までの期間に出力（Ｐｆｂ）は振れ幅１０％で脈動しながらも出力指令（Ｐｒｆ）に追従している。

　一方、回転速度信号（Ｎｆｂ）は回転速度指令（Ｎｒｆ）が９６［％］から９７．８［％］に上昇しているにも関わらず、時刻ｔ１＝０［秒］の９６［％］以下の速度範囲で振れ幅７％で振動している。

　出力（Ｐｆｂ）が出力指令（Ｐｒｆ）に追従して１００％になるのは時刻ｔ１０＝２５．５［秒］で、出力指令（Ｐｒｆ）が１００％に到達する時刻ｔ２＝２１［秒］から４．５［秒］遅れとなる。

　結果的に、すべり励磁の長所である出力（Ｐｆｂ）の出力指令（Ｐｒｆ）への追従性が発揮されているとは言えない。

　一方で、すべり励磁の欠点であるガバナ開度ＧＶＯの累積摺動距離は３７０％になる。この値は図１０と同レベルである。

　同期励磁期間は出力上昇期間（時刻ｔ１から時刻ｔ１０）の７５％となり、すべり励磁期間は２５％に過ぎない。

　「すべり励磁期間の占める割合が２５％まで下がるとすべり励磁の長所は消える、一方ですべり励磁の欠点はそのまま残る」といえる。

　以上より、出力指令（Ｐｒｆ）と回転速度指令（Ｎｏｐｔ）が共に変化し、特に出力変化幅が大きいときは、「同期励磁を改良し、すべり励磁と切替ずに一貫して使う方法を採用すべきである」という新たな課題が生まれる。この課題を解決する手段として発電運転時は請求項３が、揚水運転時は請求項４が有効である。

　図１９は、本発明の請求項３の発電運転時プラント制御装置の実施例の構成を示す図である。

　前の図２、図９、図１２、図１５と同じ番号は同じ部品を示すので重複を避けるため説明を省略する。

　ガバナ開度信号（Ｙｏｐｔ）は最適ＧＶＯ関数発生器１０１から出力される。案内羽根指令補正Ｙｒｆ＿ａｄは上位制御系からの出力上げ下げ指令の累積結果である。実効ガバナ開度指令（Ｙｒｆ＿ａｃｔ）はガバナ開度信号（Ｙｏｐｔ）と案内羽根指令補正Ｙｒｆ＿ａｄとを加算器１１７で付勢した結果である。実効ガバナ開度指令（Ｙｒｆ＿ａｃｔ）を遅れ回路１２４に入力し、その出力をガバナ開度補正指令（ＧＶＯ＿ａｄｄ）とする。

　すべり励磁時は、ガバナ開度補正指令（ＧＶＯ＿ａｄｄ）は出力切替器１２０ｂのａ端子を経由して加算器１２８によって速度調整器１０５の出力に付勢し、開度指令ＧＶＯｒｆとして出力する。

　同期励磁時は、ガバナ開度補正指令（ＧＶＯ＿ａｄｄ）をガバナ開度（ＧＶＯ）と減算器１２３で突合せし、垂下率利得８０５に入力する。

　垂下率利得８０５の出力を出力切替器１２０ｃのｓ端子を経由して回転速度指令（Ｎｒｆ）に付勢する。

　以上の構成により、すべり励磁時はガバナ開度補正指令（ＧＶＯ＿ａｄｄ）を速度調整器１０５の出力に付勢し、同期励磁時はガバナ開度補正指令（ＧＶＯ＿ａｄｄ）を速度調整器１０５の入力である回転速度指令（Ｎｒｆ）に付勢する。

　遅れ回路１２４は出力切替器１２０ａによってすべり励磁と同期励磁時の位相遅れ特性を切り替える。

　すべり励磁時は、減算器１１８と時定数Ｔｙの積分器によって図２の遅れ回路１０２と同じく時定数Ｔｙの一次遅れ特性となる。

　同期励磁時は、リミッタ１１９によってガバナ開度補正指令（ＧＶＯ＿ａｄｄ）の時間変化率の制限機能が追加される。

　遅れ回路１２４の特性を切り替えることにより、すべり励磁時は特長である出力応答速度を活かし、同期励磁時は水理系の遅れや回転運動系の遅れによる出力応答制約以下にガバナ開度補正指令（ＧＶＯ＿ａｄｄ）の変化率を抑制することによって安定性を確保する効果がある。

　最適速度関数１０３からの最適速度信号（Ｎｏｐｔ）は、遅れ回路１２２を介して回転速度指令（Ｎｒｆ）を出力する。

　遅れ回路１２２は出力切替器１２０ｄによってすべり励磁と同期励磁時の位相遅れ特性を切り替える。

　図１９の例では、すべり励磁時は時定数Ｔｎ＿ａの、同期励磁時は時定数Ｔｎ＿ｓの一次遅れ特性としている。時定数Ｔｎ＿ｓは時定数Ｔｎ＿ａよりも長く設定し、同期励磁時の回転速度指令（Ｎｒｆ）の変化率をすべり励磁時よりも低い値に抑制する。

　固定速同期機と同様、同期励磁時のトルクは内部相差角で決まる。急激な回転速度変化指令によって内部相差角が急変すると脱調する。回転速度指令（Ｎｒｆ）の変化率は、回転運動系の慣性時定数で制約される。従って、遅れ回路１２２により同期励磁時の回転速度指令（Ｎｒｆ）の変化率を抑制することによって安定性を確保する効果がある。

　回転速度指令（Ｎｒｆ）を単位変換倍率（ＮｔｏＦ）１２５で電気角表示の回転周波数指令に変換し、減算器１２６で交流電力系統（ＰＳ）の周波数（Ｆ０）と突き合わせて同期励磁周波数指令（Ｆｓ＿ｏｐｔ）を同期励磁周波数演算器４００に入力する。

　以上の構成により、ターボ機械（ＷＴ）８と交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の機器仕様で決まる同期励磁時の出力応答および回転速度応答の制約以下に時間変化率を抑制された同期励磁周波数指令（Ｆｓ＿ｏｐｔ）を同期励磁周波数演算器４００に入力し、安定かつ制約範囲内で高速な出力応答および回転速度応答を実現することができる。

　図２０は、実施例３の技術による同期励磁周波数演算器４００を示す図である。前の図６と同じ番号は同じ部品を示すので重複を避けるため説明を省略する。

　ワンショット切替器４１０は励磁選択信号（ＡｏｒＳ）出力がすべり励磁（レベルＨ）から同期励磁（レベルＬ）に切り替わる１演算周期に限りＯｎｅ＿Ｓｈｏｔ端子側のすべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）を選択出力する。その他はＲ端子を選択して遅延要素２０６ｊの出力を選択出力する。

　以下、ワンショット切替器４１０がＲ端子を選択出力する時の動作を説明する。

　リミッタ４０８への入力が制限値以下の場合、リミッタ４０８の出力は入力に等しい。従って、減算器４０６、利得（ΔＴ／Ｔｎ）４０７、リミッタ４０８、加算器４０９と遅延要素２０６ｊの出力信号（Ｆｓ＿ｒｆ２）は、同期励磁周波数指令（Ｆｓ＿ｏｐｔ）を入力とする時定数Ｔｎの一次遅れ信号となる。

　リミッタ４０８への入力が制限値を超える場合、信号（Ｆｓ＿ｒｆ２）はリミッタ制限値で定まる時間変化率で同期励磁周波数指令（Ｆｓ＿ｏｐｔ）に追従する。

　次に、ワンショット切替器４１０がすべり励磁（レベルＨ）から同期励磁（レベルＬ）に切り替わる１演算周期の動作を説明する。

　ワンショット切替器４１０がＯｎｅ＿Ｓｈｏｔ端子を介してすべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）を選択出力すると、出力信号（Ｆｓ＿ｒｆ２）はすべり励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）にステップ変化する。

　出力切替器４１１は、励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）が同期励磁（レベルＬ）の時はＳ１側入力を選択し、その他の場合はＳ２側を選択出力する。

　以上の構成により、不感帯・ヒステリシス付きリミッタ４０２が０以外を出力する場合、同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）は０に向かって逓減する出力信号（Ｆｓ＿ｒｆ１）を選択出力することによってすべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）を運転範囲内に戻す作用を実現する。

　不感帯・ヒステリシス付きリミッタ４０２が０を出力する場合、すべり励磁から同期励磁への切替時はワンショット切替器４１０によって同期励磁周波数は切替時のすべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）に切り替わるため、交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の出力を急変させずに同期励磁運転を開始する効果がある。

　同期励磁への切替後は、同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）はリミッタ４０８の設定値以下の時間変化率で同期励磁周波数指令（Ｆｓ＿ｏｐｔ）に追従する。

　これにより、同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）の急激な変化による不安定現象を発生させることなく、すべり周波数（Ｆｓ＿ｓｅｉｎ）を同期励磁周波数指令（Ｆｓ＿ｏｐｔ）に調整することができる。この結果、回転速度信号を回転速度指令（Ｎｒｆ）に調整する効果がある。

　図２１は、状態遷移制御器１２７の動作を示す状態遷移図である。

　運転状態は、「警報または停止」モードを除いて５つの状態を遷移する。これら５つの状態を区分する状態変数は励磁選択（ＡｏｒＳ）と同期励磁選択（ＳＷｓ）の２種類ある。

　励磁選択（ＡｏｒＳ）は、すべり励磁（レベルＨ）と同期励磁（レベルＬ）の２値選択である。

　同期励磁選択（ＳＷｓ）は、同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）絶対値の閾値（Ｆｓ＿２）までの逓減（レベル１）、位相差（ｄｌｔ）絶対値の閾値（ｅｐ＿２）までの逓減（レベル２）、位相差（ｄｌｔ）絶対値の閾値（ｅｐ）までの逓減（レベル０）の３値選択である。

　状態遷移の状態制御信号には、励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ）、第２の励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ２）、同期励磁からすべり励磁への移行完了応答（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）の３種類がある。状態遷移制御器１２７は、上記の状態変数と状態制御信号で状態遷移を制御する。

　図２２は、図１９、図２０および図２１の実施例３（請求項３の技術）の動作を示す図である。前の図１８と同じくプラントの可変速幅４［％］で設計された可変速揚水発電システムにおいて、時刻ｔ０＝－４［秒］ですべり励磁から同期励磁に切替、発電出力３０［％］の定常運転状態から時刻ｔ１＝０［秒］で出力指令（Ｐｒｆ）がランプ上昇を開始、２１秒間で７０［％］ランプ上昇（所謂３０秒レートで上昇）、出力指令（Ｐｒｆ）が１００％に達する時刻ｔ２＝２１［秒］以降は出力指令（Ｐｒｆ）を一定に保持する場合の過渡現象を示す。以上のとおり、図１８との差違は出力指令（Ｐｒｆ）のランプ上昇期間中にすべり励磁と同期励磁間で切替せず、同期励磁のまま運転する点に限られる。

　ここで、不感帯・ヒステリシス付きリミッタ３２０の位相差（ｄｌｔ）閾値は図１７と同じく（ｅｐ＿１＝６［度］、ｅｐ＿２＝４［度］）としている。

　時刻ｔ１＝０［秒］で出力指令（Ｐｒｆ）が上昇開始すると、同期励磁位相とすべり励磁位相の位相差（ｄｌｔ）が負方向に大きくなる。

　時刻ｔ３＝４．４［秒］で位相差（ｄｌｔ）が閾値（ｅｐ＿１＝－６度）を超え、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）が逓増開始する。

　時刻ｔ４＝７．０［秒］で位相差（ｄｌｔ）が閾値（ｅｐ＿２＝－４度）に戻り、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）が保持される。

　時刻ｔ３から時刻ｔ４までの切替動作を第１回目とし、同じ動作を時刻ｔ５＝２４．８［秒］までの期間で７回繰り返し、発電出力（Ｐｆｂ）を出力指令（Ｐｒｆ）に追従して１００［％］まで上昇させる。

　出力指令（Ｐｒｆ）上昇期間中の出力（Ｐｆｂ）は振れ幅５［％］以下に抑えられており、すべり励磁を用いた図１８の振れ幅１０［％］の５割減である。

　出力（Ｐｆｂ）の応答は、立ち上がりはすべり励磁が出力指令（Ｐｒｆ）に見かけ上遅れなく（実際には０．１［秒］以下）追従しているのに対し、ランプ指令に対して約３［秒］の遅れがある。この遅れ時間は、水理系の慣性時定数を主要因に決まる値である。

　しかしながら、出力指令（Ｐｒｆ）に追従して１００［％］に追従する時刻ｔ５と図１８の時刻ｔ１０とを比較すると、すべり励磁時と殆ど変わらない。

　以上より、出力指令（Ｐｒｆ）の変化幅が大きい場合は、言い換えると、可変速発電システムの交流電力系統（ＰＳ）２への安定化を重視して出力指令の変動を従来の固定速発電システムよりも大きく設定する場合について発電出力（Ｐｆｂ）の応答を比較すると、これまで優位と考えられたすべり励磁よりも本発明の同期励磁の方が優れていると言える。

　一方、同期励磁の特徴である「回転速度信号（Ｎｆｂ）が指令（Ｎｒｆ）に追従する」という特徴は保持され、回転速度信号（Ｎｆｂ）の振動は認められない。

　この結果、累積ＧＶＯ摺動比は、図１８の３７０［％］から２７０［％］に３割低減しており、ガバナ（ＧＯＶ）１０が構成する案内羽根駆動装置の摩耗を軽減して長寿命化する効果がある。また、案内羽根駆動装置の容量を低減する効果がある。

　図１８の場合、出力指令（Ｐｒｆ）が増加し始める時刻ｔ１から時刻ｔ３までの２．８［秒］間に有効落差は７．５［％］変化し、時間変化率は２．６７［％／秒］である。最低有効落差時は８．８［％］低下している。

　図２２の場合、出力指令（Ｐｒｆ）が増加し始める時刻ｔ１から時刻ｔ３までの４．４［秒］間に有効落差は５．１［％］変化し、時間変化率は１．１６［％／秒］である。最低有効落差時は６．９［％］低下している。

　以上より、すべり励磁と比べ、本発明の同期励磁の場合は有効落差の時間変化率は５割以上低減し、有効落差の最大変動は２割低減し、水理系を構成する鉄管への負担が軽減する効果がある。また、鉄管への圧力変動が制約条件となる出力指令（Ｐｒｆ）の変化率を高め、交流電力系統（ＰＳ）の安定化への貢献度を高める効果がある。

　尚、図１７と図２２では上位系動作を模擬したリミッタ８０７と積分器８０８で補正指令（Ｙｒｆ＿ａｄ）を不活性にした場合を示している。

　このため、図２２の出力（Ｐｆｂ）整定値は出力指令（Ｐｒｆ）の整定値１００［％］に到達していない。逆に図１７では出力（Ｐｆｂ）整定値は出力指令（Ｐｒｆ）の整定値４０［％］を超えている。

　これらの偏差の原因は最適ＧＶＯ関数発生器１０１と垂加率利得８０５にある。

　前者はターボ機械（ＷＴ）８のモデルと実機の特性差、特に現地プラントの運転台数などの変動要因で計測あるいは推定値に誤差の発生しやすい有効落差の偏差が原因であり避けられない。

　後者は、従来の固定速同期機を使う場合と同様、入力変数と出力変数には選択の余地があるものの、垂加率利得そのものは安定性確保上必須である。

　これらの偏差は、多くのプラントでは上位系からの出力上げ・下げ指令で整定値に補正するため問題にならない。

　図２３は、実施例４（請求項４）で可変速揚水運転時のプラント制御装置１１の構成を示す図である。

　前の図２、図８の番号と同じ番号と記号は、それぞれ同じ部品と信号を示すので重複を避けるために説明を省略する。

　出力切替器７０７ａと７０７ｂは励磁選択（ＡｏｒＳ）に応じて選択出力する。同期励磁時はｓ端子をすべり励磁時はａ端子を選択する。

　第２の有効電力調整器７０５は、上位有効電力指令（Ｐｒｆ＿０）と揚水入力（Ｐｆｂ）を突き合わせて比例項７０５ａ、積分項７０５ｂに加えて微分項７０５ｃを備えたＰＩＤ制御器構成である。

　同期励磁時は出力切替器７０７ａを介して第２の有効電力調整器７０５の出力を速度指令補正（Ｎｒｆ＿ａｄ）として回転速度指令（Ｎｒｆ）に付勢する。

　すべり励磁時は出力切替器７０７ａが０出力を選択して第２の有効電力調整器７０５を不活性化し、回転速度指令（Ｎｒｆ）を速度調整器（ＡＳＲ）７０４に入力し、速度調整器（ＡＳＲ）１０５の出力を有効電力補正（Ｐｒｆ＿ａｄ）として上位有効電力指令（Ｐｒｆ＿０）に付勢し、有効電力指令（Ｐｒｆ）として横軸電流指令演算器３００に入力する。

　回転速度指令（Ｎｒｆ）を分岐して単位変換倍率（ＮｔｏＦ）７０８で電気角表示の回転周波数に変換し、減算器１２６で交流電力系統（ＰＳ）の周波数（Ｆ０）と突き合わせて同期励磁周波数指令（Ｆｓ＿ｏｐｔ）を同期励磁周波数演算器４００に入力する。

　以上の構成により、同期励磁時は第２の有効電力調整器７０５の出力を同期励磁指令（Ｆｓ＿ｏｐｔ）に付勢することによって揚水入力（Ｐｆｂ）を上位有効電力指令（Ｐｒｆ＿０）に調整する効果がある。

　すべり励磁時は、第２の有効電力調整器７０５の影響を受けずに図８のプラント制御と同じ制御性能を実現する効果がある。

　図２４は、本発明の請求項１および請求項２の技術を電動モードに適用した時の動作を示す図である。

　図２４では、プラントの可変速幅５［％］で設計された可変速揚水発電システムにおいて、揚水始動時の動作を示す。

　時刻ｔ１＝１５［秒］では、それまでは交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）１の電機子巻線端子１ａに接続したサイリスタ電源からなる始動装置を解列し、時刻ｔ２＝１８［秒］で励磁開始、発電機正相電圧（Ｖｆｂ）を定格値に調整する。

　時刻ｔ３＝２２［秒］で併入後はすべり励磁を開始する。

　時刻ｔ４＝４５［秒］で同期励磁に切り替え、同時に同期励磁周波数（Ｆｓ＿ｓｏｌｎ）を保持し、横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）を事前に逓増している。

　時刻ｔ５＝５２．５［秒］で横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）保持に切り替える。時刻ｔ６＝８９［秒］でポンプの回転羽根に水が触れないように圧縮空気による水面を押し下げ状態を解除する。水面押し下げ解除で空転からポンプ動作を開始、有効電力入力（Ｐｆｂ）が約１０％から２０％に急増する。

　時刻ｔ７＝１２０［秒］でガバナ開度（ＧＶＯ）を開き始めると有効電力入力（Ｐｆｂ）が増加し、位相差（ｄｌｔ）が負方向に増え、時刻ｔ８＝１２４［秒］で閾値（ｅｐ＿２）を超える。

　時刻ｔ８＝１２４［秒］以降は横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）が増加し、時刻ｔ９＝２００［秒］でガバナ開度（ＧＶＯ）は目標値に到達、その後はガバナ開度（ＧＶＯ）を保持する。

　時刻ｔ１０＝２３０［秒］で第２の励磁選択指令（ＡｏｒＳ＿ｒｆ２）がレベルＨとなり、位相差（ｄｌｔ）目標値を閾値（－ｅｐ）として横軸電流指令（Ｉｑｒｆ）の逓増を開始する。

　時刻ｔ１１＝２４０［秒］で位相差（ｄｌｔ）が閾値（－ｅｐ）を超え、同期励磁からすべり励磁への移行完了応答（ＳｔｏＡ＿ａｃｋ）がレベルＬとなり、すべり励磁を開始する。

　以上のとおり、揚水始動中に同期励磁することによって回転速度信号（Ｎｆｂ）を一定に保ちながら有効電力入力（Ｐｆｂ）を０［％］から８５［％］まで安定に入力調整する効果がある。

　１　交流励磁発電電動機（ＡＳＧ）
　１ａ　電機子巻線端子
　１ｂ　スリップリング
　２　交流電力系統（ＰＳ）
　３　主要変圧器（ＭＴＲ）
　４　同期遮断器（ＣＢ）
　５　半導体電力変換器（ＡＣＥｘ）
　６　励磁遮断器（ＥｘＣＢ）
　７　励磁変圧器（ＥｘＴＲ）
　８　ターボ機械（ＷＴ）
　９　案内羽根
　１０　ガバナ（ＧＯＶ）
　１１　プラント制御装置
　１２、１３　計器用変圧器
　１４　同期検定器（Ｓｙｎ）
　１５　計器用変流器
　１６　励磁電流変流器
　１７　回転速度計測機（ＳＳ）
　１８　レゾルバ回転機（Ｒｅｓ）
　１９　電圧振幅演算器
　１０１、７０１　最適ＧＶＯ関数発生器
　１０２、１０４、１２４、１２２、２０５　遅れ回路
　１０３、７０２　最適速度関数発生器
　１０５、７０４　速度調整器（ＡＳＲ）
　１０６　自動電圧調整器（ＡＶＲ）
　１０７　出力・電圧位相演算器
　１０８　回転位相演算器
　１０９、２００　励磁位相演算器
　１１０、４００　同期励磁周波数演算器
　１１２　３相２相変換器
　１１３、３００　横軸電流指令演算器
　１１４　横軸電流調整器（ｑ＿ＡＣＲ）
　１１５　直軸電流調整器（ｄ＿ＡＣＲ）
　１１６　２相３相変換器
　１２３、１１８、１２６、４０６、８０２　減算器
　１２５　単位変換倍率（ＮｔｏＦ）
　２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、３２４、１２０ａ、１２０ｄ、３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃ、４０１、１２０ｄ、４１１、７０７ａ、７０７ｂ　出力切替器
　２０２、２０４　位相差演算器（ＰＤＦ）
　２０３　すべり周波数演算器
　２０６、２０６ｃ、２０６ｄ、２０６ｇ、２０６ｆ、２０６ｉ、２０６ｊ、３２２　遅延要素
　２０７　逆正弦関数演算器
　２０８　利得［１／（２πＮｆΔＴ）］
　２０９　２相可変周波数発振器（ＶＣＯ）
　２１２　安定化利得
　２１５　位相加算器（ＰＡＤ）
　３０１　有効電力調整器
　３０２、４１０　ワンショット切替器
　３０３　比例利得（Ｃｐ）
　３０４　積分利得
　３０５ａ、３０５ｂ、３１１、４０７、４０９、８０６、３２１、１２４、１２８　加算器
　３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、８０３、８０７、３２３、１１９、４０８　リミッタ
　３０９　フリップフロップ
　３１０、３２５　不感帯付きリミッタ
　３１２、４０３　絶対値出力
　３１３、４０４　比較器
　３１４、３１６　論理積
　３１５　論理和
　３１７、３１９　横軸電流補正演算器
　３２０、４０２、３０１、３２０　不感帯・ヒステリシス付きリミッタ
　３２２　リセット制御付き遅延要素
　４０７　利得（ΔＴ／Ｔｎ）
　７０５　第２の有効電量調整器
　７０５ａ　比例項
　７０５ｂ　積分項
　７０５ｃ　微分項
　８０１、８０８　積分器
　８０５　垂加率利得

Claims (4)

1. 　交流励磁発電電動機の電機子巻線が交流電力系統に接続され、前記交流励磁発電電動機の回転子巻線と前記交流電力系統との間に半導体電力変換器が接続され、電圧あるいは無効電力を調整する直軸電流調整器で半導体電力変換器の前記回転子巻線側の直軸電流を直軸電流指令に調整し、トルクあるいは有効電力を調整する横軸電流調整器で前記半導体電力変換器の前記回転子巻線側の横軸電流を横軸電流指令に調整する前記交流励磁発電電動機の制御装置であって、
   　前記交流励磁発電電動機の電機子巻線位相と回転子位相とを突き合わせたすべり励磁位相を出力する位相差演算器と、
   　同期励磁周波数の周波数指令値として同期励磁位相を出力する可変周波数発振器と、
   　励磁選択信号に応じて前記すべり励磁位相または前記同期励磁位相を選択して励磁基準位相として出力する出力切替器と、
   　前記同期励磁位相選択時には前記横軸電流指令を前記すべり励磁位相から前記同期励磁位相への切替時の横軸電流指令値に保持する指令値発生器と、
   　前記すべり励磁位相のすべり周波数を演算するすべり周波数演算器と、を備え、
   　前記同期励磁周波数と前記すべり周波数との突き合わせ結果を入力して位相補正値を演算する安定化利得を設け、この位相補正値を前記同期励磁位相に付勢する、
   　ことを特徴とする交流励磁発電電動機の制御装置。
2. 　同期励磁位相とすべり周波数位相の突き合わせ結果を入力して横軸電流指令補正値を演算し、この横軸電流指令補正値を前記横軸電流指令値に付勢する、
   　ことを特徴とする請求項１に記載の交流励磁発電電動機の制御装置。
3. 　前記交流励磁発電電動機を発電機とし、前記交流励磁発電電動機の回転軸に直結あるいは歯車接続したターボ機械を原動機とし、前記ターボ機械は案内羽根開度あるいは回転羽根のピッチ角相当のガバナ開度を調整して前記ターボ機械の出力を調整するガバナを備え、
   　前記交流励磁発電電動機の制御装置は、
   　有効電力指令に応じた最適ガバナ開度信号を出力する最適ＧＶＯ関数発生器と、
   　前記最適ガバナ開度信号に基づいてガバナ開度補正指令を出力する遅れ回路と、
   　前記有効電力指令に応じた最適速度信号を出力する最適速度関数発生器と、
   　前記最適速度信号に基づいて回転速度指令を出力する遅れ回路と、
   　を備え、
   　前記回転速度指令と前記交流励磁発電電動機の回転速度信号とを突き合わせて速度調整器に入力し、この速度調整器の出力を前記ガバナ開度補正指令に付勢して前記ガバナへのガバナ開度指令として出力し、
   　前記回転速度指令に相当するすべり周波数を遅れ回路を介して同期励磁周波数指令として出力し、
   　前記励磁選択信号で同期励磁位相を選択時は前記ガバナ開度補正指令を垂下率利得に入力してこの垂下率利得の出力を前記速度調整器の入力側に付勢し、
   　前記励磁選択信号で前記すべり励磁位相を選択時は前記ガバナ開度補正指令を前記速度調整器の出力側に付勢する、
   　ことを特徴とする請求項１または２に記載の交流励磁発電電動機の制御装置。
4. 　前記交流励磁発電電動機を電動機とし、前記交流励磁発電電動機の回転軸に直結あるいは歯車接続したターボ機械を負荷機とし、前記ターボ機械の案内羽根開度あるいは回転羽根のピッチ角相当のガバナ開度を調整してターボ機械の効率調整するガバナを備え、
   　前記交流励磁発電電動機の制御装置は、
   　上位有効電力指令に応じた最適速度信号を出力する最適速度関数発生器と、
   　前記最適速度信号に基づいて回転速度指令を出力する遅れ回路と、
   　前記回転速度指令と前記交流励磁発電電動機の回転速度信号とを突き合わせて速度調整器に入力し、この速度調整器の出力を有効電力補正として前記上位有効電力指令に付勢して有効電力指令とし、有効電力入力と突き合わせて前記横軸電流指令を出力する有効電力調整器と、
   　前記上位有効電力指令、最適速度信号あるいは前記回転速度信号に応じた最適ガバナ開度信号を出力する最適ＧＶＯ関数発生器と、
   　を備え、
   　前記最適ガバナ開度信号を前記ガバナへのガバナ開度指令として出力し、
   　前記上位有効電力指令と有効電力入力とを突き合わせ入力して速度指令補正を出力する第２の有効電力調整器を設け、
   　前記励磁選択信号で同期励磁位相を選択時は前記有効電力補正を０に消勢し、前記交流励磁発電電動機の回転速度指令に前記速度指令補正を付勢して修正速度指令とし、この修正速度指令に相当するすべり周波数を遅れ回路を介して同期励磁周波数指令とし、
   　前記励磁選択信号で前記すべり励磁位相を選択時は前記速度指令補正を０に消勢し、前記回転速度指令と回転速度信号とを突き合わせて前記速度調整器への入力とする、
   　ことを特徴とする請求項１または２に記載の交流励磁発電電動機の制御装置。