JP2000308398A

JP2000308398A - 揚水発電装置

Info

Publication number: JP2000308398A
Application number: JP2000099446A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yokota; 浩横田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2000-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】電圧や位相を３相回路で比較して同期判定し
ていたため、不十分な条件で並入したり、装置が複雑か
つ大型化する等の課題があった【解決手段】交流励磁同期機Ｍの発生電圧を系統電圧
に同期して回転する直交座標に変換して該発生電圧の直
交座標成分が各々一致するように前記励磁用変換器を制
御する電圧制御回路６１，６２と、前記発生電圧の直交
座標成分の各々が論理積条件で一致した時に同期並入す
る同期検出装置６７とを具備したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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２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
（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３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３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４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２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４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５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５に
おいて、１３は計器用変流器、１４は計器用変圧器であ
る。図６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
回転数検出機（例えば、レゾルバ）７の位置信号や計器
用変流器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７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
置のブロック図であり、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、１
９はポンプ水車３の入出力制御サーボ、２０はガバナ、
２１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８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９は前記図７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９に
おいて、２３はＡＥＳＭ用しゃ断器、２４はＡＥＳＭ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、２９
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始動用しゃ断器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Ｅ
Ｘ６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、ＡＥＳＭ
用しゃ断器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７の揚水発電装置および図９
の始動装置に関連する従来例として、特開昭６０−２０
１０７８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課題を解決するた
めになされたもので、ＡＥＳＭを系統に並入する時、確
実に電圧、周波数、位相を一致させて並入する揚水発電
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】この発明に係る揚水発電
装置は、交流励磁同期機の発生電圧を系統電圧に同期し
て回転する直交座標に変換して該発生電圧の直交座標成
分が各々一致するように前記励磁用変換器を制御する電
圧制御回路と、前記発生電圧の直交座標成分の各々が論
理積条件で一致した時に同期並入する同期検出装置とを
具備したものである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１を示す可
変速揚水発電装置のブロック図である。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（以下、ＡＥＳＭと略称する）、１はそ
の巻線形誘導発電電動機の電機子、２はその巻線形誘導
発電電動機の回転子（２次コイル）、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）であり、インバータ
６ａ、コンバータ６ｂ、直流リンクコンデンサ６ｃとで
構成されている。

【００２８】５６はＡＥＳＭ用しゃ断器、５７は系統側
ＰＴ、５８はＥＸ用しゃ断器、５９はＥＸ回路用ＰＴ、
６０は初期充電回路、６１はＡＥＳＭを同期並入時の電
圧制御回路、６２はコンバータを系統に並入時の電圧制
御回路、６３，６４，６５は３相−２相（直交座標の
ｄ，ｑ軸）変換回路、６６は同期回路（ＰＬＬ）、６７
は同期検出装置であり、この同期検出装置６７は減算器
６７ａ−１〜６７ａ−４、零検出回路６７ｂ−１〜６７
ｂ−４、ＡＮＤゲート６７ｃ−１，６７ｃ−２により構
成されている。

【００２９】次に動作について説明する。ＡＥＳＭを起
動して系統に並入するときには、系統電圧とＡＥＳＭの
発電電圧の間に同期をとることが必要で、両者の間に次
の条件が満足されなければならないことは周知の通りで
ある。Ｉ．電圧の大きさが等しい II．周波数が等しい III.位相が等しい

【００３０】通常、直流励磁同期機の場合、自動並列装
置は自動同期装置、自動揃速装置、自動電圧平衡装置の
３つから構成されており、そのうち自動揃速装置はガバ
ナーモータを制御して、ＡＥＳＭの発電電圧の周波数を
系統電圧の周波数に一致させ、自動電圧平衡装置はＡＶ
Ｒの電圧設定器を制御して、系統電圧に同期機の発電電
圧を一致させる。このうち２つの動作により周波数と電
圧の大きさが接近したのち、自動同期装置が両電圧の位
相が一致する瞬時にしゃ断器を閉合させる。

【００３１】次に可変速揚水発電装置の場合について説
明する。ＥＸ６をインバータ６ａとコンバータ６ｂによ
り構成し、まず、インバータ６ａとコンバータ６ｂの中
間にある直流リンクコンデンサ６ｃを初期充電回路６０
により充電する。次いで、コンバータ６ｂのゲートをオ
ンして、コンバータの電圧制御回路６２をオンして、イ
ンバータ６ａをｄ，ｑ軸上で電圧平衡制御させ、ｄ，ｑ
軸上で電圧平衡を同期検出装置６７で確認の上、コンバ
ータ６ｂをＥＸ用しゃ断器５８により系統に並入する。

【００３２】次にＡＥＳＭの系統並入指令で、ＡＥＳＭ
が目標速度に達していれば、インバータ６ａの電圧制御
回路６１をオンし、ＡＥＳＭの発電電圧と系統電圧をイ
ンバータ制御でｄ，ｑ軸上で一致させ、ｄ，ｑ軸上で電
圧平衡を同期検出装置６７で確認し、ＡＥＳＭ用しゃ断
器５６を投入する。

【００３３】以下、２軸制御の詳細について説明する。
系統電圧Ｖｓを系統側ＰＴ５７で検出する。この系統電
圧Ｖｓに同期して回転する直交座標（ｄ，ｑ座標：ｄ，
ｑ座標では同じ速度で回転する。ベクトルは静止して見
える（直流値））に系統電圧Ｖｓ、ＰＴ１４で検出した
電圧Ｖ_A、系統側ＰＴ５７で検出した電圧Ｖ_Eを系統電
圧Ｖ_Sに同期（ＰｈａｓｅＬｏｃｋ）した同期回路
（ＰＬＬ：ＰｈａｓｅＬｏｃｈｅｄＬｏｏｐ）の出
力（ｓｉｎＵ、ｓｉｎＶ，ｓｉｎＷ，ｃｏｓＵ，ｃｏｓ
Ｖ，ｃｏｓＷ）を得て、これを３相−２相変換回路６
３，６４，６５に入力して座標変換を行い、ｄ，ｑ座標
上の直流量としてＶｓｄ，Ｖｓｑ，Ｖ_Aｄ，Ｖ_Aｑ，Ｖ
_Eｄ，Ｖ_Eｑを得る。

【００３４】これを同期検出装置６７に入力し「Ｖｓｄ
＝Ｖ_Eｄ，Ｖｓｑ＝Ｖ_Eｑ」，「Ｖｓｄ＝Ｖ_Aｄ，Ｖｓ
ｑ＝Ｖ_Aｑ」を検出し、一致した場合にＥＸ用しゃ断器
５８とＡＥＳＭ用しゃ断器５６を並入する。ｄ軸、ｑ
軸，それぞれの電圧成分が一致した場合、電圧値、位
相、周波数が一致しており、これを直流量として比較し
ているためにその精度は良い。

【００３５】以上のように、この発明の実施の形態１に
よれば、系統電圧に同期して回転する直交座標により、
交流励磁同期機の発生電圧を直交座標変換して、直交座
標上で電圧制御、同期検出を行なうようにしたことによ
り、同期並入を迅速、かつ、確実に行なうことができ
る。

【００３６】実施の形態２．上記実施の形態１ではＥＸ
６がインバータ６ａとコンバータ６ｂで構成された場合
の例で説明したが、ＡＥＳＭ用しゃ断器５６の投入の場
合であれば、ＥＸ６がサイクロコンバータであっても良
く、また、交流励磁用同期機の応用品例えば可変速調相
機、フライホイール付発電機でも同様の効果を奏する。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、系統
電圧に同期して回転する直交座標により、交流励磁同期
機の発生電圧を直交座標変換して、直交座標上で電圧制
御、同期検出を行なうように構成したので、同期並入を
迅速、かつ、確実に行なうことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１を示す揚水発電装置
のブロック図である。

【図２】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３】図２の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４】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５】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６】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７】従来の揚水発電装置のブロック図である。

【図８】励磁用交換器を電力制御した場合の応答特性
図である。

【図９】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】

６サイクロコンバータ（励磁用変換器）、６ａイン
バータ、６ｂコンバータ、６１，６２電圧制御回
路、６７同期検出装置、Ｍ交流励磁同期機。

Claims

【特許請求の範囲】

【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、前記交流励磁同期機の
発生電圧を系統電圧に同期して回転する直交座標に変換
して該発生電圧の直交座標成分が各々一致するように前
記励磁用変換器を制御する電圧制御回路と、前記発生電
圧の直交座標成分の各々が論理積条件で一致した時に同
期並入する同期検出装置とを具備したことを特徴とする
揚水発電装置。