JP2015511108A - 揚水発電所用電気ユニットの動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、揚水発電所に関しており、殊に、回転式電気同期機械（２）および周波数変換器（３）を有する揚水発電所用電気ユニット（１）と、この電気ユニット（１）を動作させる方法に関する。本発明では、揚水発電所用電気ユニット（１）をタービン動作で始動する方法が提供される。この方法では、上記のタービンを運転するために周波数コンバータ（３）を使用して電気機械（２）の出力を直接、例えば上記の始動の後、送電網（６）に供給する。さらに本発明では、揚水発電所用電気ユニット（１）をポンプ動作で始動する方法が提供される。この方法では、ポンプ（５）を始動するために周波数コンバータ（３）を使用し、ポンプ（５）を直接、静止状態から始動し、また例えば注水されたポンプ（５）または水柱の負荷の下で始動する。さらに本発明では、揚水発電所用電気ユニット（１）を動作する方法が提供される。この方法では、電気機械（２）は、送電網（６）の周波数に同期化され、またポンプ（５）またはタービン（４）の動作状態とは独立して送電網（６）に同期して動作され、有効出力および無効出力を供給する。

Description

本発明は、揚水発電所に関し、殊に周波数コンバータおよび回転電気同期機械を有する、揚水発電所用の電気ユニットと、この電気ユニットの動作方法に関する。

従来の技術
例えば風力エネルギおよび太陽エネルギのような再生可能エネルギ源は、電力需要のますます大きく割合を賄うようになって来ている。これらのエネルギ源の動作時間は安定していない。したがってこれらのエネルギ源から直接かつ持続的に電力を需要家に供給することは保証されないのである。このためには、電力過剰と電力不足との迅速な交替を可能にし、その出力およびエネルギの流れの方向を迅速かつ連続して変更できるエネルギ蓄積器を使用しなければならないのである。

エネルギ蓄積器として、それぞれ所定のエネルギ量および適用例に殊に適している種々異なるシステムが利用可能である。約２０ＭＷｈまでの少ないエネルギ量に対しては、適用に応じて、有利には運動学的蓄積器（例えばフライホイール）、電気化学式蓄積器（バッテリ、レドックスフロー電池）または電磁式蓄積器（コンデンサ、スーパーコンデンサ、超伝導コイル）が使用される。数１００ＭＷｈまでの中間のエネルギ量に対しては、基本的に熱力学式蓄積器（圧縮空気式蓄積器、熱電蓄積器）が殊に適している。一般的に１００ＭＷｈを上回り、多くの場合には１ＧＷｈを上回る大きなエネルギ量に対しては揚水式蓄積器が使用される。

揚水式蓄積器または揚水発電所は、蓄積可能なエネルギが大きいことによって殊に関心が高い。ここでは余剰の電力により、このために設けられた自然のまたは人工的な第１の蓄積プールから、より高い位置に配置された第２の蓄積プールに水がポンピングされる。ここでは電気エネルギが、位置エネルギに変換されるのである。電力を再生するためには、タービンを介して、上記の高い位置に配置された蓄積プールから、上記の低い方の位置に配置された蓄積プールに水が戻される。このシステムに対しては、上記の変換プロセスにおける損失を最小化することが殊に重要である。

今日の揚水式蓄積器は、回転数可変の駆動器を有する。上記の機械の回転数と、商用電源周波数とをデカップリングすることにより、ポンプおよびタービン回転速度を調整して、これらが最適効率の付近で動作できるようにすることが可能である。さらにポンプ動作において回転数を変化させることにより、消費電力を自由に設定可能である。殊に回転数可変のシステムは、停止状態から出発して迅速に商用電源網に接続できるかまたはこれと同期することができる。

従来技術による揚水式蓄積器は、二重給電型非同期機械と、パワーエレクトロニクス式周波数変換器とを有しており、ポンプおよびタービンの回転数制御が可能である。これにより、第１にはポンプ出力が制御され、第２には必要に応じて設備の効率を増大させることができるのである。

上記のポンプまたはタービンの回転数制御を行うための１つの実施形態では、三相電流により、調整可能な周波数がステータに供給される同期機械を使用する。ここでは周波数変換部は、電圧中間回路または電流中間回路を介して互いに接続される整流器とインバータとの組み合わせによって形成される。

揚水発電所を動作させるため、殊にタービン動作で始動するため、ポンプ動作で始動するため、および、タービン動作からポンプ動作にまたはポンプ動作からタービン動作に切り換えるため、繁雑な方法が必要である。

タービン動作で始動させるため、例えば、まず蓄積プールからタービンに水をゆっくり供給してこれを始動させる。上記の機械のステータ電圧と上記の送電網とが同期しかつ位相が正しくなってはじめて、この機械は、送電網に出力を供給できるのである。

ポンプ動作で始動させるためには、例えば、まず上記のポンプの排水を行う。このためには付加的な補助装置を使用することが多い。従来技術では、負荷の下で上記のポンプを始動するために十分な回転トルクが得られないため、これは必要である。さらに、例えば回転数固定の同期発電機では、上記のポンプを付加的に、補助タービンまたはパワーエレクトロニクススタータのような補助駆動器によって始動させることが必要である。上記のポンプが動作してはじめて、上記の蓄積プールからポンプに水が入れられ、遮断機構が開放される。これは、さらに上記のポンプに格段に大きな負荷を与えることになる。なぜならば水を入れる際に上記のポンプに大きなパルスが伝搬し、これによってポンプ構成部分の疲労が大きくなるからである。

タービン動作からポンプ動作に、またはポンプ動作からタービン動作に動作モードを切り換えるためには、電気機械における回転磁界の向きを切り換えるため、例えば複数の極反転器を使用する。これらは、繁雑であり、作製および保守においてコストがかかる。

したがって揚水発電所の上記の動作には極めて大きなコストがかかりかつ時間もかかるのである。殊に揚水式蓄積器に重要であるのは、電力過剰と電力不足との間の切り換えに迅速に応答して動作モードを変更することである。

上記のことから出発して本発明が課題とするのは、揚水式発電状の動作を簡略化して、動作切り換えを一層迅速にできるようにすることである。

本発明の説明
上記の課題は、請求項１に記載した、タービン動作において始動させる方法と、請求項２に記載したポンプ動作において始動させる方法と、請求項３に記載した揚水発電所を動作させる方法と、請求項４に記載した揚水発電所用電気ユニットとによって解決される。別の有利な実施形態は、従属請求項から得られ、ここで請求項の引用は、有効な別の請求項の組み合わせを排除するものではない。

本発明では、揚水発電所用電気ユニットをタービン動作で始動する方法が提供される。この揚水発電所には、回転式電気同期機械および周波数コンバータが含まれており、上記の機械は、タービンおよびポンプまたは組み合わせ式のポンプタービンが接続可能である。さらに上記の機械は、周波数コンバータ介して送電網に接続可能である。上記の方法では、上記のタービンを始動するために周波数コンバータを使用し、また電気機械の出力を直接、例えば上記の始動後に上記の送電網に供給する。

さらに本発明では、揚水発電所用電気ユニットをポンプ動作で始動する方法が提供される。この揚水発電所には、回転式電気同期機械および周波数コンバータが含まれており、この機械は、タービンおよびポンプまたは組み合わせられたポンプタービンに接続可能である。さらに上記の機械は、周波数コンバータを介して送電網に接続可能である。この方法では、上記の周波数コンバータは上記のポンプを始動するために使用され、このポンプは、例えば注水されたポンプまたは水柱の負荷の下でおよび静止状態から直接始動される。

さらに本発明では揚水発電所用電気ユニットを動作させる方法が提供される。この揚水発電所には、回転式電気同期機械および周波数変換器が含まれており、この機械は、タービンおよびポンプまたは組み合わせられたポンプタービンに接続可能である。さらにこの機械は、周波数コンバータを介して送電網に接続可能である。この方法では、上記の電気機械は、ポンプまたはタービンの動作状態とは独立して、送電網と同期して動作されて有効出力および無効出力を供給する。

さらに本発明は、揚水発電所用電気ユニットに関する。この揚水発電所には、回転式電気同期機械および周波数コンバータが含まれており、この機械は、タービンおよびポンプまたは組み合わせられたポンプタービンに接続可能である。さらにこの機械は、周波数コンバータを介して送電網に接続可能である。

上記の電気ユニットの有利な実施形態では、上記の周波数コンバータは、少なくとも２つの電気接続可能な部材から構成されており、上記の機械の動作に依存してそれぞれ１つの部材が整流器として、別の１つの部材がインバータとして使用可能であり、上記の周波数コンバータは、電圧中間回路または電流中間回路を有する自励転流式コンバータとして構成されている。上記の機械の動作に依存してそれぞれ１つの部材が整流として、または別の１つの部材がインバータとして使用可能であり、機械側の部材は、インバータユニットＩＮＵと、また商用電源網側の部材はアクティブ整流ユニットＡＲＵとも称される。

本発明の別の特徴、詳細および利点は、請求項の文言ならびに図面に基づく実施例の説明から得られる。

図面に基づく有利な実施例を参照し、以下のテキストにより、本発明のさらなる詳細を詳しく説明する。

電気同期機械および周波数コンバータを有する電気ユニットの概略図である。

参照符号およびその意味は、参照符号一覧にまとめられている。一般的に同じ参照符号は同じ部分を表している。

例示的な実施形態の詳細な説明
図１には、回転式電気同期機械２および周波数コンバータ３を有する電気ユニット１が略示されている。機械２は、例えば、場所的な諸条件に起因して、また保護のために空洞に収容されている。この機械はさらにステータを有しており、このステータには、三相交流によって調整可能な周波数が供給される。

揚水発電所において周波数コンバータ３によって機械２を動作させることにより、動的特性の改善が可能になり、したがって始動時間、停止時間および切換時間を低減することができる。

本発明では、揚水発電所用電気ユニット１をタービン動作において始動する方法が提供される。この方法では、周波数コンバータ３がタービンの始動に使用され、電気機械２の出力は直接、例えば上記の始動の後、送電網６に供給される。

この際に同期化動作に達するまでの待ち時間は不要である。なぜならば機械側において形成される電圧の周波数とは無関係に商用電源網側において周波数コンバータ３を介して電圧がつねに同期しているからである。これにより、出力を上記の送電網６に直ちに供給することができる。従来技術の解決手段の場合のように、始動と動作との間で上記の機械を同期化するための休止時間は、始動中に発生しない。

さらに本発明では、揚水発電所用電気ユニット１をポンプ動作で始動させる方法が提供される。この方法では、上記のポンプ５を始動させるために周波数コンバータ３を使用し、ポンプ５が、例えば注水されたポンプまたは水柱の負荷の下において、および、静止状態からすぐに動作するようする。

周波数コンバータ３は、ポンプ５に十分なトルクを供給することができるため、事前にポンプ５の排水を行うことなく静止状態から直接を動作させることができる。ポンプ５は、遅延なしに直ちに動作して、この始動は大きなコストなく可能である。例えば、送電網６から受け取る出力は、ランプ状に増大することができ、同期化のために給電を中断する必要はない。

さらに本発明では揚水発電所用電気ユニット１を動作させるための方法が提供される。この方法では、電気機械２は、送電網６の周波数に同期化され、ポンプ５またはタービン４の動作状態には依存せずに送電網６と同期化して動作され、有効電力および無効電力を供給する。

上記の動作を始動および切り換えるための方法は、周波数コンバータ３を使用することにより、従来技術よりも格段に高速である。さらに電気ユニット１では、周波数コンバータ３と機械２との間に付加的なトランスは設けられておらず、これにより、従来技術にくらべてこの方法を付加的に加速させることができるのである。

例えばポンプタービンのようにポンプ５とタービン４とが組み合わされる場合、周波数コンバータ３は、機械２の回転磁界の回転方向を切り換えるために使用される。これにより、従来技術の極反転スイッチはもはや不要である。周波数コンバータ３によって保証されるのは、切換過程中に発電所がつねに送電網６に接続され、これに同期化されたままになることである。したがって、切換時間およびパワーグラジエントを制御することができる。ここでは回転領域全体にわたって機械２に給電して、回転数の反転が機械２の回転トルクを介してサポートされるようにする。さらに重力が上記の水柱を付加的に制動するため、ポンプタービンにおいて水柱が停止するはずである場合であっても、ポンプ動作とタービン動作との間の切り換えを極めて迅速に行うことができる。周波数コンバータ３は、ひいては機械２もこの過程に対して上記の商用電源網から切り離す必要はない。タービン動作からポンプ動作への切り換えに対し、上記の水柱は機械的に制動しなければならない。この際に周波数コンバータ３および機械２は送電網６に接続されたままである。

さらに衝撃のないスイッチングのため、周波数コンバータ３を介して送電網６と接続するために発電所変圧器の磁化を行うことができる。

周波数コンバータ３には、例えば２つの部材が含まれており、これらの部材は、上記の機械の動作モードに応じて、例えば、モータ動作または発電機動作においてインバータまたは整流器として使用可能である。回転数制御は、三相交流によって調整可能な周波数が供給されるステータを機械２が有することによって可能になる。周波数コンバータ３の上記の機械側の部材ないしはインバータユニットＩＮＵは、ポンプモードではインバータとして、またはタービンモードでは整流器として動作する。周波数コンバータ３の上記の商用電源網の部材ないしはアクティブ整流ユニットＡＲＵは、ポンプモードでは整流器として、またタービンモードではインバータとして動作する。

周波数変換は、整流器とインバータとの組み合わせによって行なわれ、これらは集中型または分散型の電圧中間回路または電流中間回路を介して互いに接続されている。この中間回路はさらに、例えば、電圧中間回路におけるコンデンサおよび電流中間回路におけるインダクタンスのようなエネルギ蓄積のための複数のユニットを有する。この中間回路は、上記の部材の間に設けられ、集中型または分散型に構成すること可能である。

自由に選択可能な回転数を有する上記の機械の動作は、大きな利点を有しており、殊に周波数コンバータおよび同期機械を有する実施形態では、確立され、信頼性が高く、かつ保守の容易な発電機技術を使用することができる。さらに、ポンプ５およびタービン４を互いに独立して、それらの最適な回転数領域において動作させることができる。同期機械２を使用することにより、殊に高出力時にも、例えば大きな落差に対して、高い回転数を実現することができる。さらに、動作的に到達可能な回転数領域は、連続してゼロから最大回転数まで到達し、ポンプ５およびタービン４の動作上の限界だけによって制限される。

殊に既存の発電機を交換することなく、比較的旧い設備を可変周波数動作に増強することができる。別の利点は、極めて迅速に商用電源網に結合できることと、正または負の無効電力を周波数コンバータ３において形成して、上記の発電機を有効出力だけで動作させられることであり、これによってこの発電機の構造が小型になる。

１ 電気ユニット、 ２ 機械、 ３ 周波数コンバータ、 ４ タービン、 ５ ポンプ、 ６ 送電網

Claims (4)

1. 揚水発電所用電気ユニット（１）を動作させる方法であって、
   前記電気ユニット（１）には、回転式電気同期機械（２）および周波数コンバータ（３）が含まれており、
   前記コンバータ（３）は前記機械（２）のステータに接続されており、
   前記機械（２）は、タービン（４）に接続されており、かつ、前記周波数コンバータ（３）を介して送電網（６）に接続されており、
   前記方法は、
   前記コンバータ（３）により、前記タービン（４）の全回転数領域において前記機械（２）の周波数を前記送電網（６）の周波数に連続的に変換して、前記送電網（６）において電流を形成することにより、静止状態から前記タービン（４）を始動するステップを有する、
   ことを特徴とする方法。
2. 揚水発電所用電気ユニット（１）を動作させる方法であって、
   前記電気ユニット（１）には、回転式電気同期機械（２）および周波数コンバータ（３）が含まれており、
   前記コンバータ（３）は前記機械（２）のステータに接続されており、
   前記機械（２）は、ポンプ（５）に接続されており、かつ、前記周波数変コンバータ（３）を介して送電網（６）に接続されており、
   前記方法は、
   前記コンバータ（３）により、前記ポンプ（５）の全回転数領域において前記送電網（６）の周波数を前記電気機械（２）の周波数に連続的に変換して、前記機械（２）のステータにおいて電流を形成することにより、静止状態から前記ポンプ（５）を始動するステップを有する、
   ことを特徴とする方法。
3. 揚水発電所用電気ユニット（１）をポンプ動作からタービン動作にまたはタービン動作からポンプ動作に切り換える方法において、
   前記電気ユニット（１）には、回転式電気同期機械（２）および周波数コンバータ（３）が含まれており、
   前記コンバータ（３）は前記機械（２）のステータに接続されており、
   前記機械（２）は、ポンプ（５）に接続されており、かつ、前記周波数コンバータ（３）を介して送電網（６）に接続されており、
   前記方法は、
   ａ． 前記コンバータ（３）により、前記ポンプ（５）またはタービン（６）の各動作状態において、前記機械（２）の回転数に依存して、前記送電網（６）の周波数で、前記電気機械（２）の周波数を常時変換することにより、前記ポンプ動作を前記タービン動作に切り換えるステップを有する、
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法において、
   前記ポンプ（５）および前記タービン（４）の複数の機能が、可逆のポンプタービンに統合されている、
   ことを特徴とする方法。

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