JP2851490B2 - 揚水発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は例えばポンプ水車に交
流励磁同期機を接続した揚水発電装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の揚水発電装置としては、
次のようなものが知られている。

【０００３】（１）図４は例えば特開昭６２−７７０８
２号公報に示された可変速揚水発電装置の原理を説明す
るブロック図であり、図において、Ｍは巻線形誘導発電
電動機の２次側をスベリ周波数により２次励磁し、可変
速度で指定された電力にて運転される交流励磁同期機Ｍ
（以下、ＡＥＳＭと略称する）、１はその巻線形誘電発
電電動機の電機子、２はその誘電発電電動機の回転子
（２次コイル）、３は可逆式ポンプ水車、４はシャフ
ト、５はサイクロコンバータ用変圧器、６は励磁用変換
器としてのサイクロコンバータ（以下、ＥＸと略称す
る）、７は回転数検出器、８はサイクロコンバータの制
御器である。

【０００４】図５は上記可変速揚水発電装置の揚水方向
運転特性を示すもので、縦軸はポンプ入力を％表示、横
軸はポンプの揚程である。揚程の１００％は最高揚程
で、最低揚程が９０％の場合を示している。点Ｐ１〜Ｐ
４，Ｐ１３，Ｐ１４は特定のポイントを示しており、ラ
インＬ１２は最大ポンプ入力、Ｌ５は１００％ポンプ入
力、Ｌ６は安定なるポンプ運転の限界線、Ｌ７は最低揚
程におけるポンプ入力の最小しぼり込み値の限界、ライ
ンＬ８〜Ｌ１１は回転数を各々１０２，１００，９７．
５，９５％に変えた場合の運転特性曲線である。

【０００５】可変速機でない常に定格回転数（ｎ＝１０
０％）で運転される揚水発電装置の揚水方向運転特性
は、図５のラインＬ９に示す特性で揚程によって一義的
にポンプ入力が決められてしまうのに対し、上記可変速
揚水発電装置の場合は回転を定格の回転数より下げるこ
とにより、点Ｐ２〜Ｐ４を結ぶ範囲内でポンプ入力の調
整が可能であり、回転を定格回転数より上げることによ
り点Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ２，Ｐ３を結ぶ範囲内でポンプ
入力の調整が可能であり、合せてＰ１３，Ｐ２，Ｐ４，
Ｐ１４で囲まれた範囲が運転可能である。

【０００６】（２）図６は例えば平成３年電気学会全国
大会、第１１−５５，第１１−５６の「可変速揚水発電
システムの励磁装置保護方式」に示されたサイクロコン
バータ形可変速揚水発電装置のブロック図であり、前記
図４と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略す
る。図６において、９は周波数変換装置としてのサイク
ロコンバータであり、この入力側にそれぞれ並列に過電
圧抑制用サイリスタ１０、過電圧抑制アレスタ１１、過
電圧検出回路１２が接続されている。

【０００７】次に動作について説明する。ＡＥＳＭを可
変速で運転するには、ＡＥＳＭを２次励磁する方式が通
常採用される。回転数が変っても、系統周波数と一致す
るようにスベリ分だけ２次励磁により周波数を補正して
やれば、系統との並列運転が可能である。

【０００８】系統事故が発生すると、ＡＥＳＭの２次に
過電圧が発生することが知られており、過電圧検出回路
１２で過電圧を検出し、過電圧抑制用アレスタ１１を点
弧して過電圧を抑制していた。

【０００９】（３）図７は例えば特開平３−１１７３９
６号公報に示されたサイクロコンバータ形可変速揚水発
電装置の概要を示すブロックであり、前記図４と同一部
分には同一符号を付して重複説明を省略する。図７にお
いて、１３は計器用変流器、１４は計器用変圧器であ
る。図８は上記装置に適用する１２相非循環電流方式サ
イクロコンバータの回路図である。

【００１０】次に動作について説明する。まず、ＡＥＳ
Ｍを可変速で同期運転するには、該ＡＥＳＭの電機子１
を２次励磁する交流励磁方式が通常採用される。この励
磁方式は、例えば、図示のように、ＡＥＳＭの電機子１
の出力電圧をコンバータ用変圧器５で電圧変換した２次
電圧をＥＸ６に入力する。

【００１１】一般に同期発電機を並列運転するには、特
に両機の周波数，電圧の大きさ、及び位相の３要素が一
致していなければ並列投入と同時にじょう乱が発生する
ので、常に回転子２の回転数が高まっても系統周波数と
一致するように、スベリ分だけ２次励磁により周波数を
補正してやる必要がある。

【００１２】そこで、ＥＸ６の周波数変換機能として、
交流電源からサイリスタのスイッチ作用を利用して直接
に周波数の異る交流電力を得、これをＡＥＳＭの回転子
２に供給するサイクロコンバータ制御方式が使用され
る。

【００１３】前記ＥＸ６としてはＡＥＳＭの回転子２の
回転位置検出機（例えば、レゾルバ）７の位置信号や変
流器１３による発電機出力電流，及び計器用変圧器１４
による発電機出力電圧等を制御要素として入力したサイ
クロコンバータ制御器８によって制御し、最終的に設定
された電力及び最適回転数になるようにＡＥＳＭをシス
テム制御している。

【００１４】（４）図９は例えば電学誌、１０７巻３
号、昭６２，第２１０頁、図１２に示された揚水発電装
置のブロックであり、図において、Ｍは電機子１と回転
子２を有するＡＥＳＭ、３はＡＥＳＭに直結されたポン
プ水車、１５はサイクロコンバータ、１６は自動電流制
御回路、１７は負荷調整回路、１８は出力設定器、１９
はポンプ水車３の入出力制御サーボ、２０はガバナ、２
１は回転速度演算回路、２２は弁開度演算回路、Ｐ，
Ｎ，Ｈ，ＧＶＯは各々実際の発生電力、回転数、落差、
ガイドベーン開度である。各々のサフィックスの零は指
令値を示す。

【００１５】上記の構成において、図１０に示すごとく
設定された電力（６５Ｐ）になるように、出力設定器１
８、負荷調整回路１７、自動電流制御回路１６によりサ
イクロコンバータ１５を制御して電力をＰのごとく制御
し、最適回転数（Ｎ₀ ）になるように、出力設定器１
８、回転速度演算回路２１、ガバナ２０、弁開度演算回
路２２により入出力制御サーボ１９を制御して回転数Ｎ
でＡＥＳＭを運転する。

【００１６】（５）図１１は前記図９に示す可変速揚水
発電装置の始動装置を示すブロック図であり、図４と同
一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図１
１において、２３はＡＥＳＭ用しゃ断器、２４はＡＥＳ
Ｍの相切替断路器、２５は主変圧器、２６はＥＸ用しゃ
断器、２７は始動用しゃ断器、２８は始動用変圧器、２
９は始動変圧器用しゃ断器、３０はサイリスタ始動装置
である。

【００１７】次に上記始動装置の動作を説明する。相切
替断路器２４の揚水方向断路器（Ｐ側）を投入し、しゃ
断器２６，２９を投入しておき、始動指令によりまずポ
ンプ水車３の水面を押下げてからしゃ断器２７を投入
し、サイリスタ始動装置３０にて始動を開始する。サイ
リスタ始動装置３０にて昇速し、昇速中の励磁はＥＸ６
によりＤＣまたは低周波（スベリ３％以下）励磁とし、
同期速度近くまで加速したら始動用しゃ断器２７を解放
し、ＥＸ６を制御して揃速制御を行ない、発電機しゃ断
器２３で同期投入する。水面押下げ用空気排気後、プラ
イミング圧力を確立し、ガイドベーンを開けて揚水運転
に入る。なお、図９の揚水発電装置および図１１の始動
装置に関連する従来例として、特開昭６０−２０１０７
８号公報、特開平２−１１１３００号公報、特公平３−
５１９１０号公報等がある。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】従来の揚水発電装置は
以上のように構成されているので、それぞれ次のような
問題点があった。

【００１９】まず、前記（１）の揚水発電装置は、スベ
リ零（Ｓ＝０）即ち、定格回転数（ｎ＝１００％）付近
では、ＥＸ６の出力が非常に低周波で直流に近くなるた
め、３相の１アームに長く通電することにより、熱的に
ＥＸ６の容量を大きくしなければならず、不経済とな
る。

【００２０】前記（２）のサイクロコンバータ形可変速
揚水発電装置は、一度過電圧保護回路を動作させると、
復帰が困難となったり、復帰回路が複雑になったり、Ｅ
Ｘ６の出力側に過電圧保護装置を設ける必要があり、構
成も複雑なため装置スペースも大きく、不経済である。

【００２１】また、ＥＸ６は常に回転子２の回転数を検
出し、系統周波数や位相との差によるスベリ周波数でＡ
ＥＳＭを励磁しているため、系統並入指令が出たら、Ａ
ＥＳＭの発生電圧と系統電圧が一致すればすぐ並入して
いた。これは周波数と位相に常に一致しているものとし
て確認せず、従来の同期機と同じように電圧や位相を３
相回路で比較し、同期判定していたため、不十分な条件
で並入したり、装置が複雑になるなどの問題点があっ
た。

【００２２】前記（３）のサイクロコンバータ形可変速
揚水発電装置は、ＥＸ６の容量は変換器の使用素子の容
量によって制限を受け、大容量の変換器への適用が難し
く、ＡＥＳＭの容量を大きくできなかったり、変換器で
ＡＥＳＭを自己始動できない等の問題点があった。

【００２３】前記（４）の揚水発電装置は、入出力設定
器を操作した時、電力は出力設定器１８により電気的に
ＥＸ６により即応するが、ガイドベーン動作が機械的で
遅いために、一時的に回転速度が反対方向に応動する。
また早い制御が電力でフィードバックされているため、
電力が一定に保たれることからガバナ系ループの安定性
が悪くなり、回転速度が可変速範囲を逸脱するおそれも
あり、ＡＦＣ信号での応動に問題がある場合があった。

【００２４】前記（５）の揚水発電装置は、揚水始動時
にサイリスタ始動装置の設置を必要としたり、ＥＸ６で
ベクトル制御のみで自己始動する場合は該ＥＸの容量を
大きくしなければならず、不経済である。

【００２５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、経済的な揚水運転時の自動周波
数調整（以下、ＡＦＣと略称する）が可能な揚水発電装
置を得ることを目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る揚
水発電装置は、スベリ零付近の運転を避けるために一定
以下のスベリにならないように運転禁止帯を設け、指令
回転数がスベリ零付近の運転禁止帯に入ったら該運転禁
止帯の外側で運転するように指令回転数を修正する回転
修正装置と、前記運転禁止帯を通過中は励磁電流を絞る
電流絞り回路とを具備したものである。

【００２７】

【作用】請求項１の発明における揚水発電装置は、スベ
リ零付近の運転を禁止するように制御し、運転禁止帯を
通過中は励磁電流を絞り込む制御を行なうことにより、
容量が小さくても揚水運転中の自動周波数調整を可能と
する。

【００２８】

【実施例】実施例１． 以下、この発明の実施例を図について説明する。図１は
この発明の一実施例を示す可変速揚水発電装置のブロッ
ク図であり、図において、Ｍは巻線形誘導発電 電動機の
２次側をスベリ周波数により２次励磁し、可変速度で指
定された電力にて運転される交流励磁同期機Ｍ（以下、
ＡＥＳＭと略称する）、１はその巻線形誘電発電電動機
の電機子、２はその誘電発電電動機の回転子（２次コイ
ル）、３は可逆式ポンプ水車、４はシャフト、５はサイ
クロコンバータ用変圧器、６は励磁用変換器としてのサ
イクロコンバータ（以下、ＥＸと略称する）、７は回転
数検出器、８はインバータ制御回路（サイクロコンバー
タの制御器）である。

【００２９】上記ＥＸ６はインバータ６ａとコンバータ
６ｂとで構成され、インバータ制御回路８はψ検出回路
８ａ、３相−２相変換回路８ｂ、励磁系制御指令演算回
路８ｃ、ｑ軸制御回路８ｄ、ｄ軸制御回路８ｅ、電圧、
無効電力制御回路８ｆ、２相−３相変換回路８ｇ等で構
成されている。

【００３０】３１は電力設定器、３２は運転禁止帯のス
ベリ運転を避けるための回転指令回路、３３は運転禁止
帯を通過中は電流を絞り込む電流絞り回路、３４は回転
数修正装置としての最適回転数演算回路、３５はガバナ
系制御指令演算回路、３６はガバナ、３７は電力検出回
路である。

【００３１】次に上記実施例の動作を図２のポンプ水車
の特性曲線を参照しながら説明する。なお、図２におい
て、前記図５と同一部分には同一符号を付して重複説明
を省略する。

【００３２】図２において、ラインＬ１５，Ｌ１６で囲
まれた範囲が運転禁止帯（例えば±０．５Ｈｚ）であ
る。一例として揚程が９５％でＡＦＣ信号のポンプ入力
指令値が点Ｐ１７と同Ｐ１８の中間であれば、点Ｐ１８
の回転数になるように図１の回転指令回路３２で判定し
て、ガバナ系制御指令演算回路３５で回転数を制御し、
ポンプ入力指令値が点Ｐ１７と同１９の中間であれば、
点１９の回転数になるように動作する。更に運転禁止帯
を通過中であれば、電流を絞り込む回路３３で励磁電流
を絞り込むように制御する。このようにすることにより
容量が小さくても回転数調整が可能になる。

【００３３】図３で横軸がスベリ（Ｓ）、縦軸がＥＸ容
量である。Ｌ−１は理論的特性、Ｌ−２は実現上の特
性、Ｌ−３はスベリが大きい場合のＥＸ６の容量、Ｌ−
４は運転禁止帯スベリをラインＬ−８から同Ｌ−９の間
とした場合の理論上の容量、Ｌ−５はＬ−４に余裕を付
した実現上の容量、Ｌ−６は従来の理論的必要容量、Ｌ
−７は従来の実現上の容量を示している。

【００３４】即ちスベリ零は完全に直流となるため、３
相で次々に点弧して各相素子に均等に流れていた電流が
一相素子のみに連続して流れるため、理論的にはスベリ
が大きい場合、熱容量に対し３倍の容量を必要とし、実
現レベルでは更に余裕を付ける必要があるため、非常に
大容量とせざるを得ないが、本発明によれば容量Ｌ−５
で良いため、経済的な可変速揚水発電装置を提供するこ
とができる。

【００３５】実施例２． また上記実施例１では、ＥＸ６の制御を電力フィードバ
ックの場合について説明したが、回転数フィードバック
でも、電力フィードバックに回転数補正回路を付加して
も良く、回転数フィードバックに電力補正回路を付加し
ても良い。また、ＥＸ６がインバータ６ａとコンバータ
６ｂで構成された場合について説明したが、サイクロコ
ンバータの場合でも良く、更に可変速発電のみの場合で
も、可変速機の応用としての可変速調相機、フライホイ
ール付可変速発電機でも上記実施例と同様の効果を奏す
る。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、励磁用変換器のスベリ零付近の運転を避けるように
し、また、スベリ零付近を通過中は励磁電流を絞り込む
ように構成したので、励磁用変換器の容量が小さくても
揚水運転中の自動周波数調整を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】 請求項１の発明の一実施例を示す揚水発電装
置のブロック図である。

【図２】 図１の実施例装置によるポンプ水車の揚水運
転特性曲線図である。

【図３】 スベリ対励磁用変換器容量の特性曲線図であ
る。

【図４】 従来の揚水発電装置の原理を説明するブロッ
ク図である。

【図５】 従来装置によるポンプ水車の揚水運転特性曲
線図である。

【図６】 従来のサイクロコンバータ形可変速揚水発電
装置のブロック図である。

【図７】 従来の他のサイクロコンバータ形可変速揚水
発電装置のブロック図である。

【図８】 従来装置における１２相非循環電流方式サイ
クロコンバータの回路図である。

【図９】 従来の揚水発電装置のブロック図である。

【図１０】 励磁用変換器を電力制御した場合の応答特
性図である。

【図１１】 従来装置における始動装置のブロック図で
ある。

【符号の説明】

３ 可逆式ポンプ水車、６ 励磁用変換器、６ａ イン
バータ、６ｂ コンバータ、３３ 電流絞り回路、３４
最適回転数演算回路（回転数修正装置）、３５ ガバ
ナ系制御指令演算回路、Ｍ 交流励磁同期機。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可逆式ポンプ水車に直結された交流励磁
   同期機と、この交流励磁同期機の２次側電圧を制御して
   該交流励磁同期機の可変速運転を行なう励磁用変換器と
   を有する揚水発電装置において、指令回転数がスベリ零
   付近の運転禁止帯に入ったら、該運転禁止帯の外側で運
   転するように指令回転数を修正する回転数修正装置と、
   前記運転禁止帯を通過中は励磁電流を絞る電流絞り回路
   とを具備したことを特徴とする揚水発電装置。