JP2016185006A - 水力発電システムにおける切換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水力発電システムによるＭＰＰＴ制御は、水車の効率特性曲線を用いて最大発電出力速度以上の速度範囲で発電機出力が制御されるため、ＭＰＰＴ制御が確立するまで時間を要している。
【解決手段】コンバータ装置の制御装置は、交流系統の母線電圧検出の複電時にＰＬＬ制御部で自立位相信号と母線電圧との位相同期化制御を行い、ＰＬＬ制御成立時の信号で自立運転から系統連系運転への切換前の有効・無効電流値を記憶部に記憶し、記憶された有効・無効電流値に基づいて系統連系制御インバータを電流制御しながら系統連系するよう構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水力発電システムにおける切換装置に係わり、特に水力発電システムの自立運転から系統への連系運転の切換装置に関するものである。

図１は、永久磁石同期発電機を用いた小水力可変速発電システムの単結線図を示したもので、この小水力可変速発電システムでは水車発電設備１、コンバータ装置６及び連系変圧器１７を介して交流系統１９に連系される。図１において、２は水車、３は永久磁石同期発電機、４はフライホイールで、これらは図示省略された軸受けを介して連結されている。５は流量調節手段で、ここではガバナが用いられている。なお、フライホイール４は必須の構成要件ではなく、むしろフライホイール４を有していないシステムが一般的である。

コンバータ装置６は、発電機制御インバータ７、系統連系制御インバータ８および各インバータ７，８間の直流回路に接続された直流コンデンサ１３と、チョッパ部９と制動抵抗器１０からなる制動ユニットを有している。また、１４はフィルタで、リアクトルＬ，コンデンサＣ，抵抗Ｒより構成されている。１２は発電機側に接続された開閉器、２０は系統側に接続された開閉器、１６は特定負荷、１５は系統連系点の電圧を検出する変圧器である。１８は上位の制御部で、この制御部１８はコンバータ装置６に対して運転指令を出力する等の信号の授受を行うと共に、流量調節手段５を介して水車の流量を調節する。

コンバータ装置６は、通常、電力系統と連系運転を行っている。このとき、発電機制御インバータ７は、永久磁石同期発電機３の速度又はトルクを制御する発電機速度（トルク）制御ＡＳＲと交流電流制御ＡＣＲを行い、系統連系制御インバータ８は直流電圧（直流コンデンサ１３の電圧）制御ＡＶＲと交流電流制御ＡＣＲを行う。この連系運転では交流系統１９の正常時には水車発電設備１に対して出力最大点追従（以下、ＭＰＰＴという）制御で運転されている。連系運転中に交流系統１９に系統故障が発生すると、開閉器２０を開とし、コンバータ装置６は系統連系制御インバータ８の運転を停止して故障情報を上位の制御部１８に通知する。制御部１８は故障情報を基に水車２を停止させる。水車２が起動停止するまでの発電エネルギーは、制動ユニットに流して消費される。

水車発電設備１とコンバータ装置６の停止状態から自立運転に移行するためには、制御部１８からコンバータ装置６に対しして運転方式切換指令が発しられ、この指令に基づいて自立運転への切換が行われる。
発電システムの自立運転方法としては、特許文献１や特許文献２が公知となっている。

特開平６−３３５１６９ 特開２０１４−１５８３７１

自立運転への切換時に、制御部１８からコンバータ装置６に対して運転方式切換指令が発しられると、コンバータ装置６側では手動操作が必要となっている。このとき、発電機制御インバータ７は、連系運転時の発電機と交流電流制御から直流電圧一定制御ＡＶＲに、また、系統連系制御インバータ８は直流電圧一定制御ＡＶＲと交流電流制御ＡＣＲから交流電圧一定制御ＡＶＲへと各制御モードを切替える。これにより、特定負荷１６に所望の交流出力電圧を供給し、自立運転を実現する。この自立運転時における水車発電設備１と特定負荷１６の負荷条件の関係は、水車発電設備１の発電電力≧特定負荷１６の消費電力となっている。

また、自立運転中に交流系統１９が正常に複電した場合には、負荷に対する電力供給の信頼性を確保することとＭＰＰＴ制御による制御を早急に行う必要がある。ＭＰＰＴ制御は、水車２の効率特性曲線として、例えば開度１００％時の効率特性曲線を用いて最大発電出力速度ｎo以上の速度範囲で負荷の増減に対応して流量調節手段５が調節されて永久磁石同期発電機３の出力が制御される。このため、ＭＰＰＴ制御が確立するまで時間を要し、短時間での切換制御が要望されている。

本発明が目的とするところは、自立運転から交流系統との連系運転、ＭＰＰＴ制御に至る過程を素早く移行させるための水力発電システムにおける切換装置を提供することにある。

本発明は、水車と連結された永久磁石同期発電機を、発電機制御インバータおよび系統連系制御インバータを有するコンバータ装置に接続し、コンバータ装置及び開閉器を介して交流系統に接続し、コンバータ装置の上位の制御系として制御部を備えてコンバータ装置と制御部間にて情報の授受を行う水力発電システムであって、水力発電システムの自立運転時は、系統連系制御インバータを出力電圧一定制御とし、交流系統への連系運転時には直流電圧一定制御とする機能を備えた制御装置において、
前記制御装置は、前記系統連系制御インバータに対し、自立運転から系統連系運転への切換時に、切換前の有効・無効電流値に基づいて電流制御し、前記開閉器の投入後に直流電圧一定制御するよう構成したことを特徴としたものである。

また、本発明の制御装置は、交流系統の複電後から系統連系するまで時間を所定時間遅延させる手段を備えたことを特徴としたものである。

さらに、本発明の制御装置は、交流系統の母線電圧検出の複電時にＰＬＬ制御部で自立位相信号と母線電圧との位相同期化制御を行い、ＰＬＬ制御成立時の信号で自立運転から系統連系運転への切換前の有効・無効電流値を記憶部に記憶し、記憶された有効・無効電流値に基づいて系統連系制御インバータを電流制御しながら系統連系することを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、特定負荷が軽負荷の場合では発電機速度は水車の無拘束速度付近となり、この状態から発電機制御インバータを連系運転の最大出力速度で運転する自立運転モードから発電機制御モード（速度制御又はトルク制御）に切り換えると同時に、ＭＰＰＴ制御に入る。これによって、連系運転への無瞬断で安定的な切り換えと交流系統への余剰電力の供給が可能となるものである。

本発明の実施形態を示す水力発電システムの構成図。 本発明の制御装置の構成図。 自立運転から系統連系運転への切換時のフローチャート。 自立運転から系統連系運転への切換時のタイミングチャート。 水車の特性図。 自立運転から系統連系運転への切換時の部分的なフローチャート。

本発明は、水力発電システムのコンバータ装置の制御装置において、水力発電システムの自立運転から系統連系運転への切換時に、切換直前の有効・無効電流値を記憶し、記憶されたに有効・無効電流値に基づいて系統連系制御インバータを電流制御し、系統連系用の開閉器の投入後に直流電圧一定制御するよう構成したもので、以下図に基づいて詳述する。

図１において、コンバータ装置６の制御装置２２は、発電機制御インバータ７及び系統連系制御インバータ８に対する制御信号を生成する制御装置で、変圧器２１によって検出された系統母線点の電圧と、変圧器１５により検出された系統連系点の電圧が入力される。

また、特定負荷１６と交流系統１９との間に系統母線側の開閉器２０が接続され、この開閉器２０はコンバータ装置６のステータス情報により制御部１８を介して開閉操作が行われる。変圧器２１は自立運転中に交流系統の複電を確認（検出）するための手段として設けたもので、系統母線側の開閉器２０の一次側と交流系統１９との間の電圧を検出する。

図２は、制御装置２２の概略機能図で、図面上部の単結線は各電流・電圧の検出位置を示したものである。減算部３１では系統電圧設定と系統電圧検出値との差分が算出されて交流電圧制御部３２に入力されて制御電圧指令を演算する。演算された制御電圧指令は、第１の制御モード切換手段３３を介して電圧指令生成部３４に入力されて最終的な電圧指令を演算し、その電圧指令をＰＷＭ信号生成部３５に入力してキャリア周波数に基づいてゲート信号を生成する。制御モード切換手段３３は自立運転モードと連系運転モードとの切換手段として動作する。

減算部４１には直流電圧設定値と無効電力設定値が入力され、各設定値と直流電圧検出値及び無効電力検出値との差分が求められて演算部４２に入力される。演算部４２では、交流電圧一定制御若しくは無効電力制御のための演算を行い、その出力はリミッタ回路４３及び第２の制御モード切換手段４４の端子ａを介して減算部４５に入力され、出力電流検出値との差分が得られる。この差分は電流制御部４６に入力されて制御電圧指令が算出され、算出値は第１の制御モード切換手段３３の端子ｂに出力される。

記憶部６０には、後述するように自立運転→連系運転切換時における切換前の有効・無効電流値が記憶されて第２の制御モード切換手段４４の端子ｂに出力される。制御モード切換手段４４は、通常の連系運転モードでは端子ａ側に接続されており、連系制御モード（電流制御）時に端子ｂ側へと切り換わる。

５１はＰＬＬ制御部で、自立運転用の制御位相生成部で生成された自立位相信号と母線電圧検出を入力して母線電圧との位相の同期化制御が行われる。自立運転中に交流系統１９が複電し、母線電圧検出がＰＬＬ制御部５１に入力すると系統連系制御インバータ８の自立運転を継続しながら自走発振の自立位相と母線電圧との位相の同期化制御が行われる。

位相同期化が完了すると、切換条件成立信号を第３の制御モード切換手段５３の端子ａを介して位相信号として電圧指令生成部３４に出力する。これと同時に、ＰＬＬ制御部５１は記憶部６０にモード切換指令を出力し、記憶部６０に対して現在の、すなわち、自立運転→連系運転切換時の有効・無効電流値の保存指令を出力する。

５２は系統電圧検出値を入力して連系運転用の位相を生成する制御位相生成部で、生成された位相信号は第３の制御モード切換手段５３の端子ｂに出力される。制御モード切換手段５３は、自立運転モード時には端子ａ側に接続され、連系運転モード時に端子ｂ側に接続される。

図３は、制御装置２２における自立運転から系統連系への切換時のフローチャート、図４は自立運転から系統連系への切換時のタイミングチャートを示したものである。

図４で示すように、自立運転時に発電機制御インバータ７は直流電圧一定制御により直流中間電圧を一定に制御すると共に、水量変動に伴う発電機出力変動と負荷電力を同じにするための周波数制御も行っている。系統連系制御インバータ８は出力電圧一定制御で動作している。自立運転から系統連系への切換えは以下のように動作する。

ステップＳ１の自立運転中において、時刻ｔ１で交流系統１９の複電が確認（Ｓ２）されると、Ｓ３でＰＬＬ制御部５１による位相制御が開始される。ステップＳ４では時刻ｔ２で自立運転位相のＰＬＬ制御が完了すると、Ｓ５で系統連系制御インバータ８用の切換前の有効・無効電流値の記憶部６０への保存指令が出力される。

ステップＳ６では、保存された切換前の有効・無効電流値により時刻ｔ２〜ｔ４間で出力電圧制御から電流制御への連系制御モードへの切換制御を行い、保存された有効・無効電流による一定制御で系統連系制御インバータ８を動作させる。また、同時のＳ７で、上位の制御部１８を介して開閉器２０の投入指令が出力される。ただし、この開閉器２０への投入指令は、所定の時間経過後などを含む電流制御が安定してから発生するようにしてもよい。時刻ｔ３となり、開閉器２０の投入が完了すると、例えば開閉器２０の補助接点によるアンサー信号が時刻ｔ４で発せられる。

一方、第１の制御モード切換手段３３は、時刻ｔ２から端子ｂの連系制御モードに切り換わっており、また、第２の制御モード切換手段４４も端子ｂへの連系制御モードに切り換えられ、時刻ｔ２の直前に保存された有効・無効電流の定電流制御を開始する。時刻ｔ４でのアンサー信号によって第２の制御モード切換手段４４は端子ａ側に切り換わることで電流制御モードが終了する。Ｓ９では系統連系制御インバータ８に対しては直流電圧一定制御への連系制御モード切換の制御を行い、発電機制御インバータ７に対しては速度又はトルク制御への連系制御モード切換の制御（Ｓ１０で）を行うことで、自立運転から系統連系への切換制御が完了する。

図５は水車の特性図で、水車２の効率特性曲線として、例えばガバナの開度１００％時の効率特性曲線を用いた場合を示したものである。自立運転時には、永久磁石同期発電機３の速度を最大発電出力速度ｎo以上の速度範囲内で運用し、水車出力の発電エネルギーと特定負荷１６の消費エネルギーがバランスした速度で動作している。なお、速度ｎ１は図４で示す時刻ｔ４近辺に相当し、速度ｎoが時刻ｔ５に相当する。

図５で示すように、特定負荷１６が軽負荷の場合では発電機速度は水車の無拘束速度付近のｎ１となり、この状態から発電機制御インバータ７を連系運転の最大出力速度で運転する自立運転モードから発電機制御モード（速度制御又はトルク制御）に切り換えると同時に、ＭＰＰＴ制御に入る。これによって、連系運転への無瞬断で安定的な切り換えと交流系統１９への余剰電力の供給が可能となるものである。

図６は第２の実施例を示したもので、この実施例は、系統が複電しても一定時間は系統への連系を禁止する時間の遅延手段を設けたものである。遅延手段としては、例えばＰＬＬ制御部５１で自立運転用の位相と母線電圧との位相同期化制御において所定時間の遅延手段を設けてもよく、開閉器２０の投入に対する遅延手段を設ける等種々の手段が考えられる。

系統複電後、一定の時間は系統への連系を禁止することは、系統連系規定によって規定されている。そこで、図６で示すように、ステップＳ３でのＰＬＬ制御部５１による自立運転用位相制御の開始後に、判断のためのステップＳ１１を設け、系統複電から一定時間（系統連系規定では１５０〜３００秒）は切換条件信号を出力しないようにしている。すなわち、ＰＬＬ制御部５１による自立運転用位相制御が例え完了しても遅延手段によってその信号を保持し、系統複電からの一定時間経過後に自立運転用の位相制御信号を出力するよう構成したものである。他は図３のフローチャートと同様である。

この実施例によれば、第１の実施例で生じる効果の他に、系統連系規定に対応した切換装置が実現できるものである。

１… 水車発電設備
６… コンバータ装置
８… 系統連系制御インバータ
３１，４１、４５…減算部
３２… 交流電圧制御部
３４… 電圧指令生成部
４２… 演算部
４６…交流電流制御部
５１… ＰＬＬ制御部
５２… 制御位相生成部
３３、４４、５３… 第１、第２、第３の制御モード切換手段

Claims (3)

1. 水車と連結された永久磁石同期発電機を、発電機制御インバータおよび系統連系制御インバータを有するコンバータ装置に接続し、コンバータ装置及び開閉器を介して交流系統に接続し、コンバータ装置の上位の制御系として制御部を備えてコンバータ装置と制御部間にて情報の授受を行う水力発電システムであって、水力発電システムの自立運転時は、系統連系制御インバータを出力電圧一定制御とし、交流系統への連系運転時には直流電圧一定制御とする機能を備えた制御装置において、
   前記制御装置は、前記系統連系制御インバータに対し、自立運転から系統連系運転への切換時に、切換前の有効・無効電流値に基づいて電流制御し、前記開閉器の投入後に直流電圧一定制御するよう構成したことを特徴とした水力発電システムにおける切換装置。
2. 前記制御装置は、交流系統の複電後から系統連系するまで時間を所定時間遅延させる手段を備えたことを特徴とした請求項１記載の水力発電システムにおける切換装置。
3. 前記制御装置は、交流系統の母線電圧検出の複電時にＰＬＬ制御部で自立位相信号と母線電圧との位相同期化制御を行い、ＰＬＬ制御成立時の信号で自立運転から系統連系運転への切換前の有効・無効電流値を記憶部に記憶し、記憶された有効・無効電流値に基づいて系統連系制御インバータを電流制御しながら系統連系することを特徴とした請求項１又は２記載の水力発電システムにおける切換装置。
   

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