JP2001178195A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変速発電装置において、装置構成を簡略化
し、かつ系統故障発生時の運転継続、高調波量の抑制を
可能にする、高精度な発電装置を提供する。 【解決手段】 本発明は、原動機１２と、原動機１２か
らの回転エネルギーを電力に変換する第１の発電機２１
と、第１の発電機２１の出力電力を電力変換する電力変
換装置３１と、電力変換装置３１の出力電力を回転エネ
ルギーに変換する電動機２２と、電動機２２からの回転
エネルギーを電力に変換する第２の発電機２３と、電力
変換装置３１の出力電力を所定の値になるよう制御する
制御手段５１とを備え、この制御手段５１が電動機２２
及び第２の発電機２３の回転速度を所定の回転速度と
し、第２の発電機２３の出力周波数を系統周波数と同値
となるよう制御することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原動機の回転エネ
ルギーを電力に変換する発電装置に係り、特に原動機を
可変速度運転する発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】原動機を可変速度で運転する発電装置の
例として、可変速揚水発電システムがある。定速揚水発
電システムの場合には、発電電動機に同期発電機を用い
ており、原動機すなわち水車の回転速度は一定である
が、可変速揚水発電システムでは、水車の回転速度を任
意に変えることができる。そのため、落差及び水車出力
に応じて、水車の回転速度を最も効率のよい回転速度に
調整することができるので、水車効率を向上させ、シス
テム出力を増加できる利点がある。一般に、可変速揚水
発電システムでは、発電電動機に二重給電交流機を用
い、二重給電交流機の二次巻線に電力変換装置を接続し
た二次励磁制御方式が用いられている。この電力変換装
置で二重給電交流機の二次電流を制御することにより、
二重給電交流機の可変回転速度運転を実現している。

【０００３】図１１は、可変速揚水発電システムの一例
を示したものである。このシステムでは、二重給電交流
機７０の二次巻線７２に流れる二次電流を電力変換装置
３１により制御して、二重給電交流機７０の可変速度運
転を行う。二重給電交流機７０の一次巻線７１は、主要
変圧器４１を介して電力系統４２に接続され、電力変換
装置３１は、電力変換装置用変圧器８１、主要変圧器４
１を介して電力系統４２に接続される。

【０００４】このような電力系統４２に一線地絡故障等
の系統故障が発生すると、二重給電交流機７０の一次巻
線７１に故障電流が流れ、これにより二次巻線７２に過
電圧が発生する。過電圧が発生すると、過電圧検出器６
２が過電圧を検出し、過電圧抑制回路６３に短絡指令を
出力する。この短絡指令が過電圧抑制回路６３に入力さ
れると、同回路内のサイリスタ６４が点弧され、二次巻
線７２を線間短絡して過電圧を抑制し、二次巻線７２及
び電力変換装置３１を過電圧から保護する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな可変速揚水発電システムにおいては、安定な運転を
継続するためには二重給電交流機７０と電力系統４２と
が同期していなければならない。二重給電交流機７０の
回転子を可変速度で運転し、かつ、電力系統４２と同期
を保つためには、二重給電交流機７０の回転子の位相を
位相検出器７５により正確に検出し、二重給電交流機７
０の二次巻線７２に流れる二次電流を高速かつ高精度に
制御しなければならない。そのために、回転子の位相を
正確に検出する検出器７５及び複雑な高速制御を行う二
次電流制御装置６０が必要であった。

【０００６】また、電力系統４２に一線地絡故障等の系
統故障が発生すると二次巻線７２に過電圧が発生する。
この過電圧から二次巻線７２及び電力変換装置３１を保
護し、損傷を防ぐためには、過電圧を検出し二次巻線７
２を線間短絡する過電圧抑制装置が必要であった。

【０００７】また、過電圧検出器６２が過電圧を検出す
ると、過電圧抑制回路６３のサイリスタ６４が点弧さ
れ、二次巻線７２を線間短絡することにより過電圧を抑
制し、二次巻線７２及び電力変換装置３１を過電圧から
保護する。しかし、サイリスタ６４が点弧すると、二重
給電交流機７０の二次電流及び電力変換装置３１の出力
電流がサイリスタ６４に流れ、電力変換装置３１が二次
電流制御を行うことができなくなる。そのため、電力変
換装置３１は運転を停止し、二重給電交流機７０は電力
系統４２と同期を保つことができなくなるので、系統故
障が除去されても運転を継続することができないという
問題もあった。

【０００８】また、電力変換装置３１から発生する高調
波が、電力変換装置用変圧器８１及び二重給電交流機７
０を通過して電力系統４２へ流出するため、電力系統４
２の電圧波形及び電流波形を歪ませるという問題もあっ
た。

【０００９】本発明は、上記事情を鑑みてなされたもの
であり、装置構成を簡略化し、かつ性能を維持・向上さ
せることができる可変速発電装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に係る発明によれば、流体の圧力エネルギー
または速度エネルギーを回転エネルギーに変換する原動
機と、この原動機により変換された回転エネルギーを電
力に変換する第１の発電機と、この第１の発電機の出力
電力を電力変換する電力変換装置と、この電力変換装置
の出力電力を回転エネルギーに変換する電動機と、この
電動機により変換された回転エネルギーを電力に変換す
る第２の発電機と、電力変換装置の出力電力を所定の値
になるよう制御する制御手段とを備え、この制御手段が
電動機及び第２の発電機の回転速度を所定の回転速度と
し、第２の発電機の出力周波数を系統周波数と同値とな
るよう制御することを特徴とする。

【００１１】また、請求項２記載に係る発明によれば、
請求項１記載の発電装置において、流体が水で原動機が
水車であることを特徴とする。

【００１２】また、請求項３記載に係る発明によれば、
請求項２記載の発電装置において、原動機の回転速度を
測定する回転速度測定手段と、この回転速度測定手段に
より検出した回転速度とあらかじめ設定した回転速度範
囲とを比較する回転速度比較手段とを備え、この回転速
度比較手段が原動機の回転速度をあらかじめ設定した回
転速度範囲から逸脱しないように制御することを特徴と
する。

【００１３】また、請求項４記載に係る発明によれば、
請求項３記載の発電装置において、水の流量を調節する
流量調節手段と、水位または水圧から水の落差を測定す
る落差測定手段と、発電装置への出力指令値を出力する
出力指令手段と、落差測定手段により測定された落差と
出力指令値とから流量調節手段の開度指令値を求める開
度指令値算出手段と、落差測定手段により測定された落
差と出力指令値及び出力値のいずれか一方とから原動機
の効率が最高となる回転速度指令値算出手段と、流量調
節手段の開度を開度指令値に応じて調節する開度調節手
段と、原動機の回転速度を回転速度指令値に応じて制御
する回転速度制御手段とを備えたことを特徴とする。

【００１４】また、請求項５記載に係る発明によれば、
請求項４記載の発電装置において、第１の発電機の出力
を測定する第１発電機出力測定手段と、発電装置への出
力指令値に基づいて第１の発電機への出力指令値を求め
る第１発電機出力指令値算出手段と、この第１の発電機
への出力指令値と第１発電機出力測定手段により測定さ
れた第１の発電機の出力を比較する第１発電機出力比較
手段とを備えたことを特徴とする。

【００１５】また、請求項６記載に係る発明によれば、
請求項４記載の発電装置において、電力変換装置の出力
を測定する電力測定手段と、発電装置への出力指令値に
基づいて電力変換装置への出力指令値を求める電力出力
指令値算出手段と、この電力出力指令値算出手段により
算出された電力変換装置への出力指令値と電力測定手段
により測定された電力変換装置の出力を比較する電力比
較手段とを備えたことを特徴とする。

【００１６】また、請求項７記載に係る発明によれば、
請求項４記載の発電装置において、第２の発電機の出力
を測定する第２発電機出力測定手段と、この第２発電機
出力測定手段により測定された第２の発電機の出力と発
電装置への出力指令値とを比較する第２発電機出力比較
手段とを備えたことを特徴とする。

【００１７】また、請求項８記載に係る発明によれば、
請求項３記載の発電装置において、水の流量を調節する
流量調節手段と、水位または水圧から水の落差を測定す
る落差測定手段と、発電装置への出力指令値を出力する
出力指令手段と、落差測定手段により測定された落差と
出力指令値とから流量調節手段の開度指令値を求める開
度指令値算出手段と、流量調節手段の開度を測定する開
度測定手段と、落差と流量調節手段の開度とから原動機
の効率が最高となる回転速度指令値を求める回転速度指
令値算出手段と、流量調節手段の開度を開度指令値に応
じて調節する開度調節手段と、原動機の回転速度を回転
速度指令値に応じて制御する手段とを備えたことを特徴
とする。

【００１８】また、請求項９記載に係る発明によれば、
請求項３記載の発電装置において、水位または水圧から
水の落差を測定する落差測定手段と、水の流量指令値を
出力する流量指令手段と、水の流量を測定する流量測定
手段と、落差と水の流量指令値及び水の流量測定値のい
ずれか一方とから原動機の効率が最高となる回転速度指
令値を求める回転速度指令値算出手段と、水の流量を水
の流量指令値に応じて調節する流量加減手段と、原動機
の回転速度を回転速度指令値に応じて制御する回転速度
制御手段とを備えたことを特徴とする。

【００１９】また、請求項１０記載に係る発明によれ
ば、請求項１記載の発電装置において、原動機と第１の
発電機が動力伝達手段を介して接続されていることを特
徴とする。

【００２０】また、請求項１１記載に係る発明によれ
ば、請求項１記載の発電装置において、電動機の固定子
及び回転子と第２の発電機の固定子及び回転子とが共用
化された一体型の電動発電機であることを特徴とする。
また、請求項１２記載に係る発明によれば、請求項２記
載の発電装置において、原動機である水車の回転部と固
定部との隙間から水が漏れないようにするための封水機
構と、スラスト荷重を支えるためのスラスト軸受を設け
たことを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。

【００２２】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る
発電装置の概略構成図であり、水力発電設備に適用した
例を示すものである。水車１２は第１の発電機２１の回
転軸と直結され、電力変換装置３１、電動機２２、第２
の発電機２３、主要変圧器４１、電力系統４２へと順に
接続されている。また、制御装置５１は、電力変換装置
３１と、第２の発電機２３と主要変圧器４１の間に設け
られた周波数測定器４３に接続され、電力変換装置３１
のインバータ３３の出力周波数を制御する構成となって
いる。

【００２３】次に、本実施の形態の発電装置の動作につ
いて説明する。

【００２４】水車１２の回転速度は、落差、水の流量及
び第１の発電機２１の出力に応じて変動する。第１の発
電機２１は、水車１２の回転速度に応じて周波数が変動
する交流電力を電力変換装置３１へ出力する。電力変換
装置３１内では、まず、コンバータ３２で入力された交
流電力を直流電力に変換し、その後、インバータ３３
で、その直流電力を所定の周波数の交流電力に変換す
る。そして、この交流電力は電動機２２へ出力され、電
動機２２が回転を始める。電動機２２が回転することに
よって第２の発電機２３から出力される電力は、主要変
圧器４１を経て電力系統４２へ供給される。ここで、電
動機２２の回転速度は、インバータ３３の出力周波数に
よって決まる。電動機２２と第２の発電機２３が直結さ
れていることから、第２の発電機２３の出力周波数につ
いても電動機２２の回転速度、すなわちインバータ３３
の出力周波数で決まる。そして、制御装置５１は、第２
の発電機２３が電力系統４２と同期を保って運転できる
ように、周波数測定器４３で測定された測定値をもとに
インバータ３３の出力周波数を制御し、電動機２２の回
転速度を制御する。

【００２５】以上のように、第２の発電機２３は、水車
１２の回転速度の影響を受けることなく、電力系統４２
と同期を保って安定な運転を継続することができる。す
なわち、水車１２の回転速度は任意の回転速度でよく、
調速機等を用いる必要もない。また、第２の発電機２３
は、電力変換装置３１と電気的に接続されていないの
で、系統故障等により第２の発電機２３に過電圧、過電
流が発生しても、電力変換装置３１がその過電圧、過電
流の影響を受けることはない。そのため、系統故障発生
時にも電力変換装置３１の運転継続が可能であり、発電
装置も運転を継続することができる。さらに、電力系統
４２は電力変換装置３１と電気的に接続されていないの
で、電力変換装置３１に発生する高調波が電力系統４２
へ流出することを防止できる。

【００２６】なお、本実施の形態では、水力発電設備に
適用した例について説明したが、その他の例として、風
力発電設備に適用することもできる。その場合、原動機
として、水車の代わりに風車を用いればよく、水力発電
の場合と同様の構成で、同様の作用効果を得ることがで
きる。

【００２７】図２は、本発明の第２の実施の形態に係る
発電装置の概略構成図である。なお、図１に示す構成と
同一または相当部分には、同一符号を付してその説明は
省略する。図２に示す構成が図１に示す構成と異なる点
は、制御装置５１の代わりに制御装置５３が設けられて
いる点、第１の発電機２１の回転軸に回転速度測定器４
９が直結され、回転速度測定器４９の出力が制御装置５
３に入力されている点である。ここで、回転速度測定器
４９は、水車１２の回転速度を検出するものである。ま
た、制御装置５３には、水車に有害な振動、騒音及びキ
ャビテーションが発生しないよう回転速度範囲があらか
じめ設定されており、回転速度測定器４９により検出さ
れた回転速度とあらかじめ設定されている回転速度とを
比較する機能が組込まれている。

【００２８】次に、本実施の形態の発電装置の動作につ
いて説明する。

【００２９】水車１２の回転速度は、落差、水の流量及
び第１の発電機２１の出力に応じて変動する。したがっ
て、水車１２の回転速度を上昇させるには、第１の発電
機２１の出力、すなわち、電力変換装置３１への入力を
減らせばよく、逆に、水車１２の回転速度を下降させる
には、第１の発電機２１の出力、すなわち、電力変換装
置３１への入力を増やせば良い。そこで、回転速度測定
器４９により検出された水車１２の回転速度を制御装置
５３に入力し、あらかじめ設定された回転速度範囲と比
較する。水車１２の回転速度が下降し、あらかじめ設定
した回転速度範囲を下回りそうな場合には、制御装置５
３から電力変換装置３１へ電力変換装置３１の入力を減
らすよう制御信号を出力する。逆に、水車１２の回転速
度が上昇し、あらかじめ設定した回転速度範囲を上回り
そうな場合には、制御装置５３から電力変換装置３１へ
電力変換装置３１の入力を増やすよう制御信号を出力す
る。

【００３０】このようにして、制御装置５３は回転速度
測定器４９により検出された回転速度とあらかじめ設定
された回転速度範囲とを比較し、水車１２の回転速度が
許容範囲内におさまるように電力変換装置３１の入出力
を制御する。

【００３１】以上のように、水車１２を水車に有害な振
動、騒音及びキャビテーションが発生しないような回転
速度範囲内で運転することができるので、発電装置の寿
命や保守の周期を延ばすことができる。

【００３２】図３は、本発明の第３の実施の形態に係る
発電装置の概略構成図である。なお、図２に示す構成と
同一または相当部分には、同一符号を付してその説明は
省略する。図３に示す構成が図２に示す構成と異なる点
は、制御装置５３の代わりに制御装置５４が設けられて
いる点、落差を測定するための水位計１８が設けられ水
位計１８の出力信号が制御装置５４に入力されている
点、発電装置への出力指令値を出力する出力指令装置１
９が設けられ出力指令装置１９の出力信号が制御装置５
４に入力されている点、水車１２に流量調節弁１３が設
けられ制御装置５４の出力信号が流量調整弁１３に入力
されている点である。ここで、制御装置５４には落差と
発電装置への出力指令値に応じて流量調節弁１３を適正
開度に制御する機能、及び水車１２の回転速度を水車効
率が最高となる回転速度に制御する機能が組込まれてい
る。

【００３３】次に、本実施の形態の発電装置の動作につ
いて説明する。

【００３４】まず、落差を測定する水位計１８からの出
力信号と、発電装置への出力指令値を出力する出力指令
装置１９からの出力信号が制御装置５４に入力される。
制御装置５４では、落差と発電装置への出力指令値とか
ら、流量調節弁１３の適正な開度及び水車１２の水車効
率が最高となる回転速度を演算により求める。そして、
この演算結果に基づいて、流量調節弁１３の開度及び水
車１２の回転速度を制御する制御信号を、流量調節弁１
３、電力変換装置３１へそれぞれ出力する。水車１２の
回転速度は、第２の実施の形態と同様に、制御装置５４
からの制御信号に基づいて第１の発電機２１から電力変
換装置３１への入力を制御することによって実現でき
る。

【００３５】以上のように、水車１２を水車効率が最高
となる回転速度で運転することができるので、従来の定
速度運転の発電装置に比べて発電電力量が増大し、水力
エネルギーの有効活用を図ることができる。

【００３６】なお、本実施の形態では、水車効率が最高
となる水車の回転速度を求めるのに、落差と発電装置へ
の出力指令値から求める例を示したが、発電装置への出
力指令値の代わりに発電装置の出力値を用いてもよい。

【００３７】図４は、本発明の第４の実施の形態に係る
発電装置の概略構成図である。なお、図３に示す構成と
同一または相当部分には、同一符号を付してその説明は
省略する。図４に示す構成が図３に示す構成と異なる点
は、制御装置５４の代わりに制御装置５５が設けられて
いる点、第１の発電機２１の出力を測定する測定器４５
が設けられ測定器４５の出力信号が制御装置５５に入力
されている点である。ここで、制御装置５５には、制御
装置５４の機能に加え、出力指令装置１９の出力信号に
基づいて第１の発電機２１への出力指令値を求める機能
と、この出力指令値と第１の発電機２１の出力を比較
し、第１の発電機２１の出力が出力指令値通りになるよ
うに流量調節弁１３の開度を制御する機能が組み込まれ
ている。

【００３８】次に、本実施の形態の発電装置の動作につ
いて説明する。

【００３９】まず、制御装置５５は、第３の実施の形態
の場合と同様にして、水位計１８と出力指令装置１９か
らの出力信号に基づいて流量調節弁１３の開度、水車１
２の回転速度を制御する。さらに、制御装置５５は出力
指令装置１９の出力信号に基づいて第１の発電機２１へ
の出力指令値を求め、測定器４５により測定された第１
の発電機２１の出力値と比較する。そして、第１の発電
機２１の出力値が第１の発電機２１への出力指令値と同
じになるように流量調節弁１３の開度を制御する。

【００４０】以上のように、第１の発電機２１への出力
指令値と第１の発電機２１の出力値とを比較して、流量
調節弁１３の開度調整を行うので、発電装置への出力指
令値と発電装置出力の偏差を第３の実施の形態に係る発
電装置よりもさらに小さくすることができる。

【００４１】図５は、本発明の第５の実施の形態に係る
発電装置の概略構成図である。なお、図３に示す構成と
同一または相当部分には、同一符号を付してその説明は
省略する。図５に示す構成が図３に示す構成と異なる点
は、制御装置５４の代わりに制御装置５６が設けられて
いる点、電力変換装置３１の出力を測定する測定器４６
が設けられ測定器４６の出力信号が制御装置５６に入力
されている点である。ここで、制御装置５６には、制御
装置５４の機能に加え、出力指令装置１９の出力信号に
基づいて電力変換装置３１への出力指令値を求める機能
と、この出力指令値と電力変換装置３１の出力を比較
し、電力変換装置３１の出力が出力指令値通りになるよ
うに流量調節弁１３の開度を制御する機能が組み込まれ
ている。

【００４２】次に、本実施の形態の発電装置の動作につ
いて説明する。

【００４３】まず、制御装置５６は、第３の実施の形態
の場合と同様にして、水位計１８と出力指令装置１９か
らの出力信号に基づいて流量調節弁１３の開度、水車１
２の回転速度を制御する。さらに、制御装置５６は出力
指令装置１９の出力信号に基づいて電力変換装置３１へ
の出力指令値を求め、測定器４６により測定された電力
変換装置３１の出力値と比較する。そして、電力変換装
置３１の出力値が電力変換装置３１への出力指令値と同
じになるように流量調節弁１３の開度を制御する。

【００４４】以上のように、電力変換装置３１への出力
指令値と電力変換装置３１の出力値とを比較して、流量
調節弁１３の開度調整を行うので、発電装置への出力指
令値と発電装置出力の偏差を第３の実施の形態に係る発
電装置よりもさらに小さくすることができる。

【００４５】図６は、本発明の第６の実施の形態に係る
発電装置の概略構成図である。なお、図３に示す構成と
同一または相当部分には、同一符号を付してその説明は
省略する。図６に示す構成が図３に示す構成と異なる点
は、制御装置５４の代わりに制御装置５７が設けられて
いる点、第２の発電機２３の出力を測定する測定器４７
が設けられ測定器４７の出力信号が制御装置５７に入力
されている点である。ここで、制御装置５７には、制御
装置５４の機能に加え、出力指令装置１９の出力信号に
基づいて第２の発電機２３への出力指令値を求める機能
と、この出力指令値と第２の発電機２３の出力を比較
し、第２の発電機２３の出力が出力指令値通りになるよ
うに流量調節弁１３の開度を制御する機能が組み込まれ
ている。

【００４６】次に、本実施の形態の発電装置の動作につ
いて説明する。

【００４７】まず、制御装置５７は、第３の実施の形態
の場合と同様にして、水位計１８と出力指令装置１９か
らの出力信号に基づいて流量調節弁１３の開度、水車１
２の回転速度を制御する。さらに、制御装置５７は出力
指令装置１９の出力信号に基づいて第２の発電機２３へ
の出力指令値を求め、測定器４７により測定された第２
の発電機２３の出力値と比較する。そして、第２の発電
機２３の出力値が第２の発電機２３への出力指令値と同
じになるように流量調節弁１３の開度を制御する。

【００４８】以上のように、第２の発電機２３への出力
指令値と第２の発電機２３の出力値とを比較して、流量
調節弁１３の開度調整を行うので、発電装置への出力指
令値と発電装置出力の偏差を第３の実施の形態に係る発
電装置よりもさらに小さくすることができる。

【００４９】図７は、本発明の第７の実施の形態に係る
発電装置の概略構成図である。なお、図２に示す構成と
同一または相当部分には、同一符号を付してその説明は
省略する。図７に示す構成が図２に示す構成と異なる点
は、制御装置５３の代わりに制御装置５８が設けられて
いる点、落差を測定するための水位計１８が設けられ水
位計１８の出力信号が制御装置５８に入力されている
点、発電装置への出力指令値を出力する出力指令装置１
９が設けられ出力指令装置１９の出力信号が制御装置５
８に入力されている点、水車１２に流量調節弁１３が設
けられ制御装置５８の出力信号が流量調整弁１３に入力
されている点、流量調節弁１３の開度を測定する開度計
１５が設けられ開度計１５の出力信号が制御装置５８に
入力されている点である。ここで、制御装置５８には落
差と発電装置への出力指令値に応じて流量調節弁１３を
適正開度に制御する機能、及び落差と流量調節弁１３の
開度に応じて水車１２の回転速度を水車効率が最高とな
る回転速度に制御する機能が組込まれている。

【００５０】次に、本実施の形態の発電装置の動作につ
いて説明する。

【００５１】まず、制御装置５８は、第３の実施の形態
の場合と同様にして、水位計１８と出力指令装置１９の
出力信号から流量調節弁１３の適正開度を演算し、その
演算結果に基づいて流量調節弁１３の開度を制御する。
次に、水位計１８と開度計１５の出力信号から水車１２
の水車効率が最高となる回転速度を演算し、その演算結
果に基づいて水車１２の回転速度を制御する。

【００５２】以上のように、水車１２を水車効率が最高
となる回転速度で運転することができるので、第３の実
施の形態に係る発電装置と同様の作用効果を得ることが
できる。

【００５３】図８は、本発明の第７の実施の形態に係る
発電装置の概略構成図である。なお、図２に示す構成と
同一または相当部分には、同一符号を付してその説明は
省略する。図８に示す構成が図２に示す構成と異なる点
は、制御装置５３の代わりに制御装置５９が設けられて
いる点、落差を測定するための水位計１８が設けられ水
位計１８の出力信号が制御装置５８に入力されている
点、発電装置への流量指令値を出力する流量指令装置２
０が設けられ流量指令装置２０の出力信号が制御装置５
９に入力されている点、水車１２に流量調節弁１３が設
けられ制御装置５９の出力信号が流量調整弁１３に入力
されている点、及び流量を測定する流量計１６が設けら
れ流量計１６の出力信号が制御装置５９に入力されてい
る点である。ここで、制御装置５９には落差と発電装置
への流量指令値に応じて流量調節弁１３の開度を制御す
る機能、及び落差と流量に応じて水車１２の回転速度を
水車効率が最高となる回転速度に制御する機能が組込ま
れている。

【００５４】次に、本実施の形態の発電装置の動作につ
いて説明する。

【００５５】まず、制御装置５９は、流量計１６により
測定された流量測定値と流量指令装置２０から出力され
る流量指令値とを比較し、流量測定値が流量指令値と同
じになるように流量調節弁１３の開度を調節する。次
に、水位計１８の出力信号と流量指令値とから水車１２
の水車効率が最高となる回転速度を演算し、その演算結
果に基づいて水車１２の回転速度を制御する。

【００５６】以上のように、水車１２を水車効率が最高
となる回転速度で運転することができるので、第３の実
施の形態に係る発電装置と同様の作用効果を得ることが
できる。

【００５７】なお、本実施の形態では、水車効率が最高
となる水車の回転速度を求めるのに、落差と流量指令値
から求める例を示したが、流量指令値の代わりに流量計
１６から得られる流量測定値を用いてもよい。

【００５８】図９は、本発明の第９の実施の形態に係る
発電装置の概略構成図である。なお、図１に示す構成と
同一または相当部分には、同一符号を付してその説明は
省略する。図９に示す構成が図１に示す構成と異なる点
は、第１の発電機２１と水車１２とが動力伝達手段であ
る変速装置１７を介して接続されている点である。ここ
で、変速装置１７は、水車１２の回転速度を第１の発電
機２１に適した回転速度に変速する機能を有するもので
ある。例えば、水車１２の回転速度が第１の発電機２１
に適した回転速度よりも遅い場合には、変速装置１７に
増速機を用い、水車１２の回転速度が第１の発電機２１
に適した回転速度よりも速い場合には、変速装置１７に
減速機を用いる。

【００５９】水力発電所は、地点毎に落差、流量が異な
るので、出力が同一であっても、水車１２の適正な回転
速度範囲が地点毎に異なる。水車出力が同一であれば、
低落差、大流量になるほど水車の回転速度が遅くなり、
高落差、小流量になるほど回転速度が速くなる傾向があ
る。水車と発電機とが直結されていると、水車の回転速
度範囲に応じて、地点毎に発電機の設計を変えなければ
ならない。また、発電機の設計が変わることに伴い、電
力変換装置の設計も変えなければならない。しかし、変
速装置を設け、水車の回転速度範囲を発電機に適した回
転速度範囲に変速すれば、発電機の回転速度範囲を地点
毎に変える必要がなくなる。従って、地点が異なっても
同一設計の発電機を用いることができ、さらに、発電機
設計が同一であれば、電力変換装置も同一設計のものを
用いることができる。

【００６０】以上のように、水車１２の回転速度を変速
装置１７により変速することによって、水車１２の回転
速度範囲に関係なく発電機の回転速度範囲を決めること
ができるので、多数の地点に同一設計の発電機を適用す
ることができ、さらに、同一設計の電力変換装置を適用
することができる。また、水車１２の回転速度を増速す
ることにより第１の発電機２１の小型化が可能となり、
逆に減速することにより第１の発電機２１の材料強度を
低減することができる。

【００６１】図１０は、本発明の第１０の実施の形態に
係る発電装置の概略構成図である。なお、図１に示す構
成と同一または相当部分には、同一符号を付してその説
明は省略する。図１０に示す構成が図１に示す構成と異
なる点は、電動機２２と第２の発電機２３の代わりに、
電動発電機２５が設けられている点である。ここで、電
動発電機２５は電動機と発電機の固定子巻線が同一の固
定子鉄心に巻かれ、電動機と発電機の回転子巻線が同一
の回転子鉄心に巻かれ、一体型の構造となっている。

【００６２】以上のように、電動機と発電機の固定子及
び回転子が共用化されているため、電動機と発電機を別
々に設ける場合に比べて、発電装置の設置スペースが小
さくなり、発電所の建屋を縮小化することが可能とな
る。さらに、電動機と発電機を接続するカップリングが
必要ないので、発電装置の信頼性を向上させることもで
きる。

【００６３】上記実施の形態はいずれも、水力発電設備
に適用した例について説明したが、実際には、原動機で
ある水車に封水機構、発電機にスラスト荷重を支えるた
めのスラスト軸受を設ける。封水機構は、水車の回転部
と固定部の隙間から蓄電装置に水が漏れないようにする
ために用い、またスラスト軸受は、水圧によって水車に
加わるスラスト荷重を支えるために用いる。

【００６４】また、上記実施の形態はいずれも、電力変
換装置の出力周波数を制御することによって電動機の回
転速度を制御する例について説明した。電力変換装置の
出力周波数を制御する場合には、電動機に誘導機、同期
機のどちらを適用してもよい。電動機に誘導機を用いる
場合には、電力変換装置の出力電圧を制御することによ
って電動機の回転速度を制御することもできる。また、
電力変換装置の出力を直流として、この直流電圧を制御
するようにすれば、電動機に直流電動機を用いることも
できる。そして、これらいずれの方法を採用しても、第
１の発電機及び第２の発電機には、誘導機、同期機のど
ちらを適用しても同様の作用効果を得ることができる。

【００６５】さらに、上記実施の形態はいずれも、コン
バータとインバータとが１組になった電力変換装置を用
いたが、サイクロコンバータや回転式の電力変換機を用
いることもできる。また、第１の発電機に直流発電機を
用いれば、コンバータを省略することができる。

【００６６】

【発明の効果】請求項１または請求項２に係る発明によ
れば、原動機の回転速度の影響を受けることなく、発電
装置の安定な運転を継続することができる。すなわち、
原動機及び第１の発電機は任意の回転速度で運転すれば
よく、調速機、第１の発電機の二次電流制御装置、及び
回転子の位相検出器を省略することができる。また、系
統故障等により第２の発電機に過電圧、過電流が発生し
ても、電力変換装置はその影響を受けず、運転を継続す
ることができる。これより、過電圧抑制装置を省略する
ことができ、さらに、電力変換装置に発生する高調波が
電力系統へ流出することを防止することができる。

【００６７】請求項３に係る発明によれば、水車を水車
に有害な振動、騒音及びキャビテーションが発生しない
よう適切な回転速度範囲内で運転することができるの
で、発電装置の寿命や保守の周期を延ばすことができ
る。

【００６８】請求項４または請求項８または請求項９に
係る発明によれば、水車を水車効率が最高となる回転速
度で運転することができるので、従来の定速度運転の発
電装置に比べて発電電力量が増大し、水力エネルギーの
有効活用を図ることができる。

【００６９】請求項５ないし７に係る発明によれば、発
電機または電力変換装置の出力指令値と出力値を比較し
て、流量調節弁の開度調整を行うので、発電装置の出力
指令値と出力値の偏差をより小さくすることができる。

【００７０】請求項１０に係る発明によれば、原動機の
回転速度に関係なく、第１の発電機を適切な回転速度範
囲で回転させることができるので、多数の地点に同一設
計の発電機を適用し、さらに、同一設計の電力変換装置
を適用することができる。また、水車の回転速度を増速
することにより第１の発電機の小型化が可能となり、逆
に減速することにより第１の発電機の材料強度を低減す
ることができる。

【００７１】請求項１１に係る発明によれば、電動機と
発電機の固定子及び回転子が共用化されているため、発
電装置を小型化することができる。さらに、電動機と発
電機を接続するカップリングが必要ないので、発電装置
の信頼性を向上させることもできる。

【００７２】請求項１２に係る発明によれば、封水機構
により水車の水漏れを防止し、スラスト軸受によりスラ
スト荷重を支えることが出来るので、発電装置を安全に
運転することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る発電装置の第１の実施の形態の概
略構成図

【図２】本発明に係る発電装置の第２の実施の形態の概
略構成図

【図３】本発明に係る発電装置の第３の実施の形態の概
略構成図

【図４】本発明に係る発電装置の第４の実施の形態の概
略構成図

【図５】本発明に係る発電装置の第５の実施の形態の概
略構成図

【図６】本発明に係る発電装置の第６の実施の形態の概
略構成図

【図７】本発明に係る発電装置の第７の実施の形態の概
略構成図

【図８】本発明に係る発電装置の第８の実施の形態の概
略構成図

【図９】本発明に係る発電装置の第９の実施の形態の概
略構成図

【図１０】本発明に係る発電装置の第１０の実施の形態
の概略構成図

【図１１】従来の発電装置の概略構成図

【符号の説明】

１２…水車、１３…流量調節弁、１５…開度計、１６…
流量計、１７…変速装置、１８…水位計、１９…出力指
令装置、２０…流量指令装置、２１…第１の発電機、２
２…電動機、２３…第２の発電機、２５…電動発電機、
３１…電力変換装置、３２…コンバータ、３３…インバ
ータ、４１…主要変圧器、４２…電力系統、４３…周波
数測定器、４５…電力測定器、４６…電力測定器、４７
…電力測定器、４９…回転速度測定器、５１…制御装
置、５３…制御装置、５４…制御装置、５５…制御装
置、５６…制御装置、５７…制御装置、５８…制御装
置、５９…制御装置、６１…二次電流制御装置、６２…
過電圧検出器、６３…過電圧抑制回路、６４…サイリス
タ、７０…二重給電交流機、７１…一次巻線、７２…二
次巻線、７５…位相検出器、８１…電力変換装置用変圧
器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H074 BB09 BB19 CC36 5H590 AA01 AA02 AA03 AA17 CA11 CA14 CC01 CC18 CC24 CD03 CE01 CE04 EB07 EB11 EB14 EB21 FA01 FA05 FA08 FC27 GA06 GA10 HA06 HA09 HA22 HA27

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の圧力エネルギーまたは速度エネル
   ギーを回転エネルギーに変換する原動機と、この原動機
   により変換された回転エネルギーを電力に変換する第１
   の発電機と、この第１の発電機の出力電力を電力変換す
   る電力変換装置と、この電力変換装置の出力電力を回転
   エネルギーに変換する電動機と、この電動機により変換
   された回転エネルギーを電力に変換する第２の発電機
   と、前記電力変換装置の出力電力を所定の値になるよう
   制御する制御手段とを備え、この制御手段が前記電動機
   及び前記第２の発電機の回転速度を所定の回転速度と
   し、前記第２の発電機の出力周波数を系統周波数と同値
   となるよう制御することを特徴とする発電装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の発電装置において、流体
   が水で原動機が水車であることを特徴とする発電装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の発電装置において、前記
   原動機の回転速度を測定する回転速度測定手段と、この
   回転速度測定手段により検出した回転速度とあらかじめ
   設定した回転速度範囲とを比較する回転速度比較手段と
   を備え、この回転速度比較手段が前記原動機の回転速度
   を前記あらかじめ設定した回転速度範囲から逸脱しない
   ように制御することを特徴とする発電装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の発電装置において、水の
   流量を調節する流量調節手段と、水位または水圧から水
   の落差を測定する落差測定手段と、前記発電装置への出
   力指令値を出力する出力指令手段と、前記落差測定手段
   により測定された落差と前記出力指令値とから前記流量
   調節手段の開度指令値を求める開度指令値算出手段と、
   前記落差測定手段により測定された落差と前記出力指令
   値及び出力値のいずれか一方とから前記原動機の効率が
   最高となる回転速度指令値算出手段と、前記流量調節手
   段の開度を前記開度指令値に応じて調節する開度調節手
   段と、前記原動機の回転速度を前記回転速度指令値に応
   じて制御する回転速度制御手段とを備えたことを特徴と
   する発電装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の発電装置において、第１
   の発電機の出力を測定する第１発電機出力測定手段と、
   前記発電装置への出力指令値に基づいて前記第１の発電
   機への出力指令値を求める第１発電機出力指令値算出手
   段と、この第１の発電機への出力指令値と前記第１発電
   機出力測定手段により測定された第１の発電機の出力を
   比較する第１発電機出力比較手段とを備えたことを特徴
   とする発電装置。
6. 【請求項６】 請求項４記載の発電装置において、電力
   変換装置の出力を測定する電力測定手段と、前記発電装
   置への出力指令値に基づいて前記電力変換装置への出力
   指令値を求める電力出力指令値算出手段と、この電力出
   力指令値算出手段により算出された電力変換装置への出
   力指令値と前記電力測定手段により測定された電力変換
   装置の出力を比較する電力比較手段とを備えたことを特
   徴とする発電装置。
7. 【請求項７】 請求項４記載の発電装置において、第２
   の発電機の出力を測定する第２発電機出力測定手段と、
   この第２発電機出力測定手段により測定された第２の発
   電機の出力と前記発電装置への出力指令値とを比較する
   第２発電機出力比較手段とを備えたことを特徴とする発
   電装置。
8. 【請求項８】 請求項３記載の発電装置において、水の
   流量を調節する流量調節手段と、水位または水圧から水
   の落差を測定する落差測定手段と、前記発電装置への出
   力指令値を出力する出力指令手段と、前記落差測定手段
   により測定された落差と前記出力指令値とから前記流量
   調節手段の開度指令値を求める開度指令値算出手段と、
   前記流量調節手段の開度を測定する開度測定手段と、前
   記落差と前記流量調節手段の開度とから前記原動機の効
   率が最高となる回転速度指令値を求める回転速度指令値
   算出手段と、前記流量調節手段の開度を前記開度指令値
   に応じて調節する開度調節手段と、前記原動機の回転速
   度を前記回転速度指令値に応じて制御する手段とを備え
   たことを特徴とする発電装置。
9. 【請求項９】 請求項３記載の発電装置において、水位
   または水圧から水の落差を測定する落差測定手段と、水
   の流量指令値を出力する流量指令手段と、水の流量を測
   定する流量測定手段と、前記落差と前記水の流量指令値
   及び水の流量測定値のいずれか一方とから前記原動機の
   効率が最高となる回転速度指令値を求める回転速度指令
   値算出手段と、水の流量を前記水の流量指令値に応じて
   調節する流量加減手段と、前記原動機の回転速度を前記
   回転速度指令値に応じて制御する回転速度制御手段とを
   備えたことを特徴とする発電装置。
10. 【請求項10】 請求項１記載の発電装置において、原動
    機と第１の発電機が動力伝達手段を介して接続されてい
    ることを特徴とする発電装置。
11. 【請求項11】 請求項１記載の発電装置において、電動
    機の固定子及び回転子と第２の発電機の固定子及び回転
    子とが共用化された一体型の電動発電機であることを特
    徴とする発電装置。
12. 【請求項12】 請求項２記載の発電装置において、原動
    機である水車の回転部と固定部との隙間から水が漏れな
    いようにするための封水機構と、スラスト荷重を支える
    ためのスラスト軸受を設けたことを特徴とする発電装
    置。