出力と周波数について

質問

現在、ある施設で主任技術者をしております。
蒸気タービン発電機を系統連系し、売電もおこなっています。
しかし、私は発電機に関してあまり知識がなく人から聞かれても困ってしまう始末です。
そこで、どなたか、次の私の質問に答えていただけませんか。

１．電力会社側から需要家を見た場合、需要が発電より多くなった場合には、なぜ、発電機の周波数が下がるのでしょうか。逆に需要が発電より少なくなった場合には、なぜ、発電機の周波数が上がるのでしょうか。

２．１のような状態の時には、ガバナが、定格の回転数になるように蒸気量を調整すると理解しています。ガバナのに関する事項で、ガバナフリー運転という言葉を聞きますが、どういう運用か解りません。教えて下さい。

３．需要家から見た場合、需要家内に設置されている系統連系された発電機についてですが、無限大母線に接続されている状態なので、”周波数、電圧が支配されている”と聞いたことがありますが、これは、「相手側（電気事業者）の発電機の容量が大きすぎるため、需要家の発電機において仮に周波数や電圧の変動が起こっても、相手側に影響しない」ということでしょうか。もし、仮に需要家の発電機が莫大大きいものであった場合は、電圧、周波数の変動が、相手側（電気事業者）の系統に影響を与えるのでしょうか。

４．同じく需要家から見た場合、発電機において出力を出すために、蒸気タービンのガバナの設定を数％上げることになりますが、実際にはタービンの回転数は上がりません。これは、
「ガバナの設定を数％上げた時には蒸気量が増えるため、回転子が固定子に対して回転方向に進んでしまい、角度差ができ、この角度差のまま定格回転速度で回転し、この角度差をなくそうとする力（回転子と固定子が引き合う力）が出力となる」
という理解でよいでしょうか。

回答No.4

piricara · ベストアンサー

1.負荷が少なくなると、タービン出力が変化していない場合、回転速度が高くなって、周波数が上昇します。電圧も上昇します。負荷が多くなるとその逆で、周波数が低下します。

2.１の理由により、負荷の変動によって発電機の回転速度が変化するのですが、その変化をガバナー(速度調整装置)の機能を利用して周波数を一定とするように制御する運転をガバナーフリー運転と言います。なお、多くの場合、自所使用分の負荷変動が大きいときに行う運転で、電気事業者の系統の調整を行うには、それなりに大きな出力を持った発電機を必要とします。

3.発電機は系統によって支配されており、タービン出力が変化しても、回転速度が変化することは(まず)ありません。日本国内の電力会社の送電線はすべて連結されていますので、一需要家から見ると、無限母線に見えます。しかし、電力会社も複数の発電所や、変電所から成り立っており、それらの特性や、送電線経路により、特定の需要家が及ぼす影響が大きくなる場合もあります。大きな発電設備を持つ場合、当然電気事業者の設備に影響を与えます。接続されている変電所の入力が増減することになりますから、その分を他の発変電所と調整する必要が出てきます。

4.理論上の角度差は、電気的角度で±90度です。当然進み状態が発電している状態です。この角度を超えた場合脱調といいます。系統に接続されていない単独運転状態の場合は、回転速度も変化します。
単独運転状態において、ガバナーに調整を行わないで負荷を変化させた時の回転速度の変化の割合を速度調停率といい、この値の大小によって、系統に与える影響が異なります。

お礼

返事が遅くなり、申し訳ありません。
大変、参考になる意見をありがとうございました。

回答No.5

ytrewq

エネルギーから見た電力系統のイメージを例えると、多人数乗りの自転車で坂道を登っているような感じです。
全てのペダルはチェーンでつながれていて同じ回転をします。（系統連系）
それぞれの人（発電機）がスピード（周波数）を一定に保つように力を加減しながら漕いでいます。

1.この状態で、坂がきつくなったとき（需要増加）それぞれが漕ぐ力（個々の発電機出力）がそのままだと全体で漕ぐ力（供給）がそのままなので、スピードが落ちます。（重要＞供給）

2.ガバナフリー運転はそれぞれの人（発電機）がスピードメーター（周波数）を見ながら漕ぐ力（発電機出力）を調整している状態です。

3.4.ペダルの数が多い自転車（大きな系統）では一人くらいサボったり、一所懸命になってもスピード（周波数）はそれほど大きく変化しません。

回答No.3

bungosuidou

2.ガバナフリーの説明が下記URLにあります

ところで、定格出力はいかほどの発電機なのでしょうか？

参考URL：

http://www.jmam.co.jp/media/contents/try/ratc/ratc_106_01.html

回答No.2

ymmasayan

１．少し違うのですが、車を考えるとわかりやすいでしょう。
　アクセル一定(というよりエンジン出力一定)だと上り坂でスピードが落ち、
　下り坂でスピードが増す。
　スピード∝周波数
２．単独運転ならガバナーですが系統運転ではガバナー(速度検出)は無力です。
　出力電流で蒸気量を調整します。
３．自転車を２台つないで子供と小錦が乗ったとします。子供がいくら頑張っても力を抜いても小錦のペースですね。
　子供の影響はごくわずかです。
４．そういう理解をされてもいいと思います。ごく僅かに進めば発電機、
　ごく僅かに遅れれば同期電動機になるということになります。ごく僅か≒０ですね。

回答No.1

foobar

1. 需要側の電力が増えた場合、発電機出力が増えます。このとき、発電機を駆動するタービン出力が変わらなければ、発電機軸入力>タービン機械出力　になり、この差は、発電機＋タービンの慣性エネルギーから供給されます。(発電機+タービンの運動エネルギーの変化=タービン軸出力-発電機軸入力　という関係が有るため）。この結果、タービンの回転数(=発電機の回転数）が低下します。
逆に需要が減少したときには、発電機軸入力<タービン軸出力となって、発電機は加速され、周波数が上がります。

2.複数の発電機が有った場合に、それぞれの発電機をガバナで周波数調整しようとすると、それぞれのガバナの特性のばらつきで、発電機出力にアンバランスが出てしまいます。(高めの回転数になるようなガバナがついた発電機はパワーを出して、それ以外の発電機はパワーを絞り込んでしまう。）そこで、周波数調整する発電機は一台だけにして、それ以外の発電機は、発電機の出力電力が計画値になるようにタービンの制御をします。

3.無限大母線の場合には、どんなに電力変動を与えても、母線の周波数や電圧は影響を受けません。実際の系統では、大きな自家発電機で電力変動を与えると、系統の周波数や電圧に影響を与えます。（実はそれほど大きな発電機でなくても、周期的な電力変動を入れると、それなりの影響が出るのが観測できます）

4.手元のガバナ設定をあげると、設定値と実際の回転数の差が開くので、蒸気量を増やして、タービンの出力が上がります。が、周波数自体は系統の周波数で固定(厳密には若干上がるはずですが)されています。で、回転子の角度(同期機の負荷角だったかな)が進んで、同期発電機のパワーが増大し、タービン出力と発電機出力がつりあう所まで内部位相角が進みます。