JP2018074640A - 水力発電システムおよび水力発電システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水力発電システムの自立運転時に、負荷や水量が変化した際に安定に運転を継続することができるようにする。【解決手段】水車２１と接続された発電機２４の出力電力を発電機制御用電力変換回路２６および系統連系用電力変換回路２８によって電力変換し、系統３４を解列して発電機２４の出力電力のみを自立運転負荷３１へ供給させる自立運転モードを有した水力発電システムにおいて、水車２１の速度−トルク特性から得られた最大出力を発生させるトルク値のデータを、水流を検出した水量毎にトルクリミット値としてトルクリミット保存手段５２に保存しておき、前記自立運転時に、前記検出水量に応じたトルクリミット値を前記保存手段５２から抽出し、該トルクリミット値を用いて、直流回路２７の電圧を一定に制御するためのトルク指令値に対してリミット処理を施す発電機制御用制御システム１００を設けた。【選択図】 図１

Description

本発明は、水力発電システムにおける自立運転時のトルクリミット動作に関する。

水力発電システムでは、発電機と対に原動機としての水車が接続され、原動機（水車）の機械エネルギーを発電機が電気エネルギーに変換している。図５に水力発電システムの構成例を示す。

図５において、２１は水流を受けて回転駆動する水車である。２２は、上位コントローラ３７からの指令により前記水流の水量を調整するガバナ（調速機）である。水車２１の回転軸はカップリング２３を介して発電機２４の軸に接続されている。

発電機２４は水車２１の回転駆動エネルギーを交流電力に変換し、その出力電力は発電機側開閉器２５を介して発電機制御用電力変換回路２６に入力される。発電機制御用電力変換回路２６は、入力された交流電力を直流に変換する回路であり、その直流回路２７の直流電力は系統連系用電力変換回路２８によって交流電力に変換される。

尚、発電機制御用電力変換回路２６は、例えば三相ブリッジ接続した半導体スイッチング素子を有した順電力変換回路で構成され、系統連系用電力変換回路２８は、例えば三相ブリッジ接続した半導体スイッチング素子を有した逆電力変換回路で構成されている。

系統連系用電力変換回路２８の交流側は、リアクトル、コンデンサ、抵抗を有したＬＣＲフィルタ２９および自立運転負荷側開閉器３０を介して自立運転負荷３１に接続されるとともに、ＬＣＲフィルタ２９、系統側開閉器３２および系統トランス３３を介して系統３４に接続されている。

系統側開閉器３２を開制御して系統３４を解列させる自立運転時は、系統３４から自立運転負荷３１への給電が行われず、発電機２４が発電した電力のみが自立運転負荷３１に給電される。このとき、発電機制御用電力変換回路２６では、後述する図７の制御回路からの制御指令によって、直流回路２７の電圧が一定になるように発電機２４の出力を制御する。

系統連系用電力変換回路２８では、自立運転負荷３１へ給電する出力電圧を制御する。これらの制御動作によって、自立運転動作時でも、自立運転負荷３１に安定した電力が給電される。

前記直流回路２７には、系統連系運転時の所内負荷（自立運転負荷３１）の急変時に直流回路の２７の電圧を安定させるためのダイナミックブレーキ用素子３５およびダイナミックブレーキ用抵抗３６が接続されている。

前記ガバナ２２に対する流量調整指令の発令、水力発電システムに対する運転指令の発令、水力発電システムからの故障情報の入力等は、上位コントローラ３７によって行われる。

尚、前記水車２１は、図６に示すように、水車が受ける水流の流量（水量）が一定の場合、回転速度によって出力が変化する特性を有している。図６は、ある一定水量における回転速度−出力（水車の機械出力）の特性カーブ（実線）、回転速度−トルク（水車に発生するトルク）の特性カーブ（破線）を示している。

また、前記水量が変化した場合も、前記回転速度−出力の特性カーブおよび回転速度−トルクの特性カーブが変化する（一例として、３種類の水量における回転速度−トルクの特性カーブ（破線）を図４に示す）。

自立運転時は、水車２１の出力エネルギーにより発電機２４が発電した電力のみが、発電機制御用電力変換回路２６、系統連系用電力変換回路２８等を介して自立運転負荷３１に給電されるため、自立運転時の水車２１の速度および、発電機２４の回生トルクは、水車２１を回す水量と自立運転負荷３１に依存したものとなる。

そのため、水車２１の水量および自立運転負荷３１の急変などが原因で、図６に示す低速度域で運転を行うことが考えられる。この領域では、図６に示すように水車が減速するほど、出力が低下していく。

発電機制御用電力変換回路２６はそれとは反し、発電量が減少したと判定して、発電量を増やすために、回生トルクをさらに増加させようと動作する。この動作で回生トルクが増加するため、水車２１はさらに減速し、出力も低下していく。

最終的に、水車２１がその水量で発生可能な最大トルクを上回る回生トルクを発電機２４が発生させてしまい、水車２１が水の流れとは逆方向に回転してしまい、運転の継続が困難になる。尚、発電機２４が回生トルクを上昇させる要因としては、発電機制御用電力変換回路２６が直流回路２７の電圧を一定に制御しようとするからである。

この問題を回避するための従来技術として、例えば図７の制御回路のように、発電機制御用電力変換回路２６のトルク指令値にリミットを設ける機能を持たせる技術がある。

図７は、図５の直流回路２７の直流電圧一定制御を行う、発電機制御用電力変換回路の制御回路の一例を示している。図７において４１は、発電機２４の速度より求めた発電機の位相に同期した直流電圧指令から、直流回路２７の電圧を検出した直流電圧検出値を差し引く減算器である。

４２は、減算器４１の偏差出力を零として直流電圧を一定とするトルク指令値を生成する直流電圧一定制御部である。

４３は、予め設定したトルクリミット設定値（固定値）によって、前記生成されたトルク指令値に対してリミット処理を施す（トルク指令値がトルクリミット設定値以下になるように制限する）トルクリミット処理部である。

４４は、前記リミット処理後のトルク指令値にトルク−電流変換係数を乗じて電流指令を出力する乗算器である。

４５は、前記出力された電流指令から電流制御用の制御指令を生成して発電機制御用電力変換回路２６に送出する電流制御部である。

図５の水力発電システムの自立運転時において、発電機制御用電力変換回路２６のトルク指令値に対するトルクリミット機能が無い場合か、または図７のトルクリミット設定値（固定値）が適正でない場合、例えば図８に示すフローに沿ってシステムの運転継続が困難になる。

図８において、まずステップＳ１では自立運転負荷３１が増加し、この増えた負荷に電力を供給するため水力発電システムの最大電力を超えると、水車２１は減速する（ステップＳ２）。

次にステップＳ３では、直流回路２７の電圧が低下するので、発電機制御用電力変換回路２６は発電機２４の回生トルクを増やすように動作し（ステップＳ４）、その回生トルクにより、さらに水車２１の速度が減速する（ステップＳ５）。

次にステップＳ６では水車２１の減速にしたがって出力が低下し、ステップＳ７において、より大きな回生トルクを発生させてしまい、その水量で水車２１が発生可能なトルクを超え、その結果水車２１が水の流れとは逆方向に回転してしまい、運転の継続が困難になる（ステップＳ８）。

また、他の水力発電システムのトルクリミット処理に関する先行技術としては例えば特許文献１がある。この特許文献１では、発電機の回生トルクリミットをシステムの最大電力と発電機の速度から演算している。

図９は、図７と同様に、発電機制御用電力変換回路２６のトルク指令値にリミットを設ける機能を持たせた制御回路のブロック図であり、図７と同一部分は同一符号をもって示している。

図９において、４６は、水車２１の回転数を検出した回転数ｎに、機械角への変換係数（２π／６０）を乗算する乗算器である。４７は、システムの最大電力（Ｐｍａｘ）を乗算器４６の出力（ｎ・（２π／６０））で除して、システムの最大電力に応じたトルクリミット設定値（固定値）を求める割算器である。

トルクリミット処理部４３は、割算器４７で求められたトルクリミット設定値（固定値）によって、直流電圧一定制御部４２で生成されたトルク指令値に対してリミット処理を施す（トルク指令値がトルクリミット設定値以下になるように制限する）。

上記構成により、トルクリミット値をシステムの最大出力と発電機の速度に応じて設定することができる。

特開２０１５−７０６３３号公報

図７のトルクリミット処理部４３におけるトルクリミット設定値は固定値である。また、図９（特許文献１）の割算器４７で求められるトルクリミット値は、システムの最大出力と発電機の速度のみによって設定される。

図７および図９（特許文献１）の制御回路では、共に水量を検出してのトルクリミットの設定は行わない。そのため、自立運転時に水量の変化が生じた際に、図６に示す低速度領域での運転が発生し、水車２１の意図しない方向への回転に起因して水力発電システムが不安定な運転状態（システムの非常停止を含む）となって、自立運転負荷３１に正常な給電を行えなくなってしまう恐れがある。

また特許文献１では、検出した発電機速度とシステムの最大出力からトルクリミットを演算する必要があり、トルクリミットの演算に要する処理時間の増加および複雑化が生じてしまう。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、水力発電システムの自立運転時に、負荷や水量が変化した際に安定に運転を継続することができる水力発電システムおよびその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の水力発電システムは、水流により回転駆動される水車と、軸によって前記水車と接続された発電機と、前記発電機の出力電力を直流電力に変換する発電機制御用電力変換回路と、前記発電機制御用電力変換回路の直流電力を交流電力に変換する系統連系用電力変換回路と、前記系統連系用電力変換回路の交流出力側に各々接続された負荷および系統と、を備え、前記系統連系用電力変換回路と系統の接続を絶って、系統連系用電力変換回路の交流電力を前記負荷に供給する自立運転機能を有した水力発電システムにおいて、
前記水車の速度−トルク特性から得られた最大出力を発生させるトルク値のデータが、前記水流を検出した水量毎にトルクリミット値として保存されたトルクリミットデータ保存部と、
前記発電機制御用電力変換回路を制御する発電機制御用制御システムと、を備え、
前記発電機制御用制御システムは、
前記発電機制御用電力変換回路および系統連系用電力変換回路を結ぶ直流回路の直流電圧を検出した直流電圧検出値が、前記発電機の速度から求めた発電機の位相に同期した直流電圧指令となるように一定制御するためのトルク指令値を生成するトルク指令生成部と、
前記自立運転動作時に、前記水流を検出した水量に対応するトルクリミット値を前記トルクリミットデータ保存部から抽出し、該抽出されたトルクリミット値を用いて、前記トルク指令生成部で生成されたトルク指令値にリミット処理を施すトルクリミット処理部と、
前記トルクリミット処理部によるリミット処理後のトルク指令値を電流指令値に変換して電流制御用の制御指令を生成する電流制御部と、を有し、
前記生成された制御指令によって前記発電機制御用電力変換回路を制御することを特徴としている。

また、請求項３に記載の水力発電システムの制御方法は、水流により回転駆動される水車と、軸によって前記水車と接続された発電機と、前記発電機の出力電力を直流電力に変換する発電機制御用電力変換回路と、前記発電機制御用電力変換回路の直流電力を交流電力に変換する系統連系用電力変換回路と、前記系統連系用電力変換回路の交流出力側に各々接続された負荷および系統と、を備え、前記系統連系用電力変換回路と系統の接続を絶って、系統連系用電力変換回路の交流電力を前記負荷に供給する自立運転機能を有した水力発電システムの制御方法であって、
トルクリミットデータ保存部が、前記水車の速度−トルク特性から得られた最大出力を発生させるトルク値のデータを、前記水流を検出した水量毎にトルクリミット値として保存するトルクリミットデータ保存ステップと、
前記発電機制御用電力変換回路を制御する発電機制御用制御システムのトルク指令生成部が、発電機制御用電力変換回路および系統連系用電力変換回路を結ぶ直流回路の直流電圧を検出した直流電圧検出値が、前記発電機の速度から求めた発電機の位相に同期した直流電圧指令となるように一定制御するためのトルク指令値を生成するトルク指令生成ステップと、
前記発電機制御用制御システムのトルクリミット処理部が、前記自立運転動作時に、前記水流を検出した水量に対応するトルクリミット値を前記トルクリミットデータ保存部から抽出し、該抽出されたトルクリミット値を用いて、前記トルク指令生成部で生成されたトルク指令値にリミット処理を施すトルクリミット処理ステップと、
前記発電機制御用制御システムの電流制御部が、前記トルクリミット処理部によるリミット処理後のトルク指令値を電流指令値に変換して電流制御用の制御指令を生成するステップと、を備え、
前記生成された制御指令によって前記発電機制御用電力変換回路を制御することを特徴としている。

上記構成によれば、水力発電システムの自立運転動作中は、水量に応じて、最大出力を発生させるトルク値データがトルクリミット値として決定され、このトルクリミット値によって、直流電圧を一定に制御するためのトルク指令値が制限される。

このため、自立運転時の負荷が増大して水力発電システムの発電可能な電力を上回った場合でも過大な回生トルクは発生せず、水力発電システムの最大電力で運転を継続することができる。また、水量毎のトルクリミット値はトルクリミットデータ保存部に保存されているため、トルクリミット値の演算に要する処理時間は短い。

また、請求項２に記載の水力発電システムは、請求項１において、前記負荷に接続された補助電源システムを備え、
前記発電機制御用制御システムは、
前記トルク指令生成部で生成されたトルク指令値が、自立運転動作時にトルクリミットデータ保存部から抽出されたトルクリミット値の近傍になったか否かを判定するリミット近傍判定部と、
前記リミット近傍判定部によって、前記トルク指令値がトルクリミット値の近傍になったと判定されたときに、前記補助電源システムの運転を開始させ、発電機制御用電力変換回路から系統連系用電力変換回路を介して負荷に供給される電力と、前記補助電源システムから負荷に供給される電力の合計電力が、前記発電機制御用電力変換回路から系統連系用電力変換回路を介して負荷に出力できる最大電力に基づいて設定した補助電源停止レベル以下であるか否かを判定し、前記合計電力が前記補助電源停止レベル以下であるときに、前記補助電源システムの運転を停止させる補助電源システム運転制御部と、を有していることを特徴とする。

また、請求項４に記載の水力発電システムの制御方法は、請求項３において、前記負荷に接続された補助電源システムを備え、
前記発電機制御用制御システムのリミット近傍判定部が、前記トルク指令生成部で生成されたトルク指令値が、自立運転動作時にトルクリミットデータ保存部から抽出されたトルクリミット値の近傍になったか否かを判定するリミット近傍判定ステップと、
前記発電機制御用制御システムの補助電源システム運転制御部が、前記リミット近傍判定部によって、前記トルク指令値がトルクリミット値の近傍になったと判定されたときに、前記補助電源システムの運転を開始させるステップと、
前記発電機制御用制御システムの補助電源システム運転制御部が、発電機制御用電力変換回路から系統連系用電力変換回路を介して負荷に供給される電力と、前記補助電源システムから負荷に供給される電力の合計電力が、前記発電機制御用電力変換回路から系統連系用電力変換回路を介して負荷に出力できる最大電力に基づいて設定した補助電源停止レベル以下であるか否かを判定するステップと、
前記発電機制御用制御システムの補助電源システム運転制御部が、前記合計電力が前記補助電源停止レベル以下であるときに、前記補助電源システムの運転を停止させるステップと、
を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、水力発電システムの発電量だけでは自立運転動作時の負荷への給電が不足する場合、補助電源システムを運転させて自立運転時の負荷への電力を確保することができる。この際、水力発電システムは最大電力で運転することができるため、補助電源システムの発電量は少なくて済む。

（１）請求項１〜４に記載の発明によれば、自立運転時の負荷が増大して水力発電システムの発電可能な電力を上回った場合でも過大な回生トルクは発生せず、水力発電システムの最大電力で運転を継続することができる。また、水量毎のトルクリミット値はトルクリミットデータ保存部に保存されているため、トルクリミット値の演算に要する処理時間は短い。
（２）請求項２、４に記載の発明によれば、水力発電システムの発電量だけでは自立運転動作時の負荷への給電が不足する場合、補助電源システムを運転させて自立運転時の負荷への電力を確保することができる。

これによって、自立運転動作時の負荷に安定した電力を供給することができる。

本発明の一実施形態例の全体構成図。 図１の要部構成図。 本発明の一実施形態例における自立運転動作時のフローチャート。 水車の回転速度−トルク特性カーブにおける、各水量の最大トルク値を示す説明図。 従来の水力発電システムの一例を示す全体構成図。 水車の回転速度−出力およびトルク特性カーブにおける、低速度域の出力低下を示す説明図。 図５のシステムの要部の一例を示す構成図。 従来の水力発電システムの自立運転時に水力発電システムの運転継続が困難になるまでの過程を示すフローチャート。 図５のシステムの要部の他の例を示す構成図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図１に本実施形態例の水力発電システムを示す。図１の水力発電システムの基本構成は図５と同様であり、図５と同一部分は同一符号をもって示している。図１では、図５のガバナ２２、カップリング２３、発電機側開閉器２５、ＬＣＲフィルタ２９、系統トランス３３、上位コントローラ３７は図示省略している。

尚、以降の説明では、簡略化のため、発電機２４、発電機制御用電力変換回路２６、系統連系用電力変換回路２８の発生損失は無視して説明する。

図１において、５１は水車２１に流れる水量を計測する水量検出手段である。５２は、水車２１の回転速度−トルク特性から得られた最大出力を発生させるトルク値のデータが、前記水量毎にトルクリミット値として保存されたトルクリミット保存手段（本発明のトルクリミットデータ保存部）である。

このトルクリミット保存手段５２に保存されるトルクリミット値は、水量毎の水力発電システムの最大出力を発生する際に生じる発電機２４の回生トルクであり、オフラインにおける水車２１の試験で水量毎の最大出力となるトルク値を予め計測しておき、そのトルク値を水量毎に保存しておくものである。

例えば図４では、３種類の水量における速度−トルクの特性線（破線）を各々表しているが、各水量における黒丸で示す最大トルク値がトルクリミット値として保存されるものである。

５３は、水量検出手段５１で検出された水量に応じたトルクリミット値を呼び出すトルクリミット呼び出し手段である。

５４は、水車２１（原動機）と軸で接続された発電機２４の回転速度を検出あるいは推定する速度検出手段である。

直流回路２７に接続されたダイナミックブレーキ用素子３５およびダイナミックブレーキ用抵抗３６によってダイナミックブレーキ回路５５を構成している。

５６は、系統連系用電力変換回路２８へ出力電圧制御指令を与える系統連系用制御システムである。

６０は、本水力発電システムとは別個に所内に設けられた補助電源システムであり、補助電源側開閉器６１を介して自立運転負荷（所内負荷）３１に接続されている。この補助電源システム６０は例えばインバータ装置を備え、交流電力を出力するものである。

１００は、トルクリミット呼び出し手段５３により呼び出されたトルクリミット値、速度検出手段５４からの発電機の速度検出信号、直流回路２７の電圧を図示省略の電圧検出器により検出した直流電圧検出信号等を入力とし、発電機制御用電力変換回路２６への制御指令、補助電源システム６０への運転指令、停止指令を各々生成して出力する発電機制御用制御システムである。

この発電機制御用制御システム１００は、直流回路２７の電圧を一定とする制御ブロックを有し、さらに、
前記トルクリミット呼び出し手段５３で呼び出された、水量に応じたトルクリミット値を前記制御ブロックのトルクリミット値として使用するための手段１０と、
前記制御ブロックのトルク指令が、前記呼び出されたトルクリミット値の近傍になったことを判定するための手段１１と、
前記手段１１の判定結果が正であるときに補助電源システム６０へ運転開始指令を送信するための手段１３と、
本水力発電システムおよび補助電源システム６０の合計発電電力が、本水力発電システムが発電可能な電力から導出した補助電源停止レベル以下の発電量であることを判定するための手段１４と、
前記手段１４の判定結果が正であるときに補助電源システム６０の運転を停止するための手段１５とを有しており、例えば図２のように構成されている。

図２において、図７、図９と同一部分は同一符号をもって示している。減算器４１では、速度検出手段５４より送られてきた発電機２４の速度検出信号に基づいて求めた、発電機２４の位相に同期した直流電圧指令から、直流回路２７の電圧を検出した直流電圧検出信号が差し引かれる。

直流電圧一定制御部４２では、減算器４１の偏差が零となるように直流電圧一定制御がなされ、トルク指令値が生成される。したがって本実施形態例では、減算器４１および直流電圧一定制御部４２により本発明のトルク指令生成部を構成している。

７１は、水量毎のトルクリミット値保存領域であり、前述した「トルクリミット呼び出し手段５３で呼び出された、計測した水量に応じたトルクリミット値を制御ブロックのトルクリミット値として使用するための手段１０」により構築されたデータ保存領域である。前記手段１０は、計測された水量に応じたトルクリミット値をトルクリミット値保存領域７１から抽出する。

７２は、トルクリミット値保存領域７１から抽出されたトルクリミット値によって、前記生成されたトルク指令値に対してリミット処理を施す（トルク指令値がトルクリミット値以下になるように制限する）トルクリミット処理部である。

したがって本実施形態例では、「トルクリミット呼び出し手段５３で呼び出された、計測した水量に応じたトルクリミット値を制御ブロックのトルクリミット値として使用するための手段１０」とトルクリミット処理部７２によって、本発明のトルクリミット処理部を構成している。

４４は、前記リミット処理後のトルク指令値にトルク−電流変換係数を乗じて電流指令を出力する乗算器である。

４５は、前記出力された電流指令から電流制御用の制御指令を生成して発電機制御用電力変換回路２６に送出する電流制御部である。

したがって本実施形態例では、乗算器４４および電流制御部４５によって、本発明の電流制御部を構成している。

７３はリミット近傍判定部であり、前述した「制御ブロックのトルク指令が、前記呼び出されたトルクリミット値（本実施形態例ではトルクリミット値保存領域７１から抽出されたトルクリミット値）の近傍になったことを判定するための手段１１」の機能を実行する。

７４は、リミット近傍判定部７３の判定結果および後述する補助電源停止レベルに基づいて、前述した手段１３、手段１４、手段１５の各機能を実行して、補助電源システム６０の運転開始、運転停止を制御する補助電源システム運転制御部である。

前記補助電源システム運転制御部７４の「手段１３」は、リミット近傍判定部７３の判定結果が正であるとき、すなわち前記トルク指令値（発電機２４の回生トルクに対応した値）がトルクリミット値近傍になったと判定された場合に、補助電源システム６０の運転を開始させる（補助電源システム６０に運転開始指令を出力する）。

前記補助電源システム運転制御部７４の「手段１４」は、水力発電システムの発電量、すなわち発電機制御用電力変換回路２６から直流回路２７、系統連系用電力変換回路２８および自立運転負荷側開閉器３０を介して自立運転負荷３１に供給される電力と、補助電源システム６０の発電量、すなわち補助電源システム６０から補助電源側開閉器６１を介して自立運転負荷２１に供給される電力の合計発電量が、発電機制御用電力変換回路２６から自立運転負荷３１に供給できる最大電力（水力発電システムのみで発電可能な最大電力量）に基づいて設定した補助電源停止レベル以下であるか否かを判定する。

前記補助電源システム運転制御部７４の「手段１５」は、前記手段１４の判定結果が正であるとき、すなわち前記合計発電量（合計電力）が補助電源停止レベル以下であると判定された場合に前記補助電源システム６０の運転を停止させる（補助電源システム６０に運転停止指令を出力する）。

尚、前記補助電源停止レベルは、各水量における水力発電システムの出力可能な最大電力に設定しておくものであり、この最大電力はオフラインにおける水力発電システムの試験での計測より求める。

さらに前記補助電源停止レベル以下であるか否かを判定する手段１４に、自立運転負荷３１の電力と水量を計測する機能を設ければ、水量より水力発電システムが出力可能な最大電力が分かるため、前記出力可能な最大電力の設定を行わなくても前記手段１４での判定が可能となる。

次に上記のように構成されたシステムの自立運転時の動作を図３に示すフローチャートとともに述べる。まず自立運転動作時は、系統側開閉器３２は開状態、自立運転負荷側開閉器３０および補助電源側開閉器６１は閉状態、補助電源システム６０は運転停止状態とされ、発電機２４の発電電力が発電機制御用電力変換回路２６、直流回路２７、系統連系用電力変換回路２８および自立運転負荷側開閉器３０を介して自立運転負荷３１に供給されている。

ステップＳ１１では、水量検出手段５１で検出された水量に応じて直流回路２７の直流電圧一定制御ブロックにおけるトルクリミット値が決定される（トルクリミット呼び出し手段５３により呼び出され、前記手段１０により構築されたトルクリミット値保存領域７１から、検出水量に応じたトルクリミット値が抽出される）。

自立運転負荷３１が増加していくとき、発電機制御用電力変換回路２６は発電機２４の回生トルクを増加させて自立運転負荷３１に給電する電力を増加させる必要がある。

自立運転負荷３１が水力発電システムの発電可能な電力を上回った場合には、図６に示す低速度域に入るような過大な回生トルクを発生させようとするが、トルクリミット処理部７２において上記トルクリミット値により、発電機２４の発電量は、水量に応じた水力発電システムの最大電力で発電する回生トルク値で制限される。

また、自立運転負荷３１が水力発電システムの最大電力を上回った場合においては、リミット処理後のトルク指令値はトルクリミット値保存領域７１から抽出されたトルクリミット値となる。これにより、トルクリミット値保存領域７１に保存されている水量毎のトルクリミット値が例えば図４の黒丸点の最大トルク値であれば、水車２１はこの黒丸点の位置の速度とトルクで運転される。

そのため、水力発電システムは、自立運転負荷３１が水力発電システムの最大電力を上回った場合においても、回生トルクが大となって水車２１が減速することなく、水力発電システムの最大電力で運転することが可能であり、且つ、発電機２４の過大な回生トルクにより原動機（水車２１）が水の流れとは逆に回転することを防止することができる。

また、自立運転負荷３１が大きくなり、水力発電システムの発電量だけでは自立運転負荷３１に給電する電力が不足する場合には、所内に本システム以外に設けた補助電源システム６０を運転させることで自立運転負荷３１への電力を確保する。

すなわち、リミット近傍判定部７３（手段１１）が行うリミット近傍判定処理（ステップＳ１２）において、直流電圧一定制御部４２から出力されるトルク指令値（発電機２４の回生トルクに対応した値）が、トルクリミット値保存領域７１から抽出したトルクリミット値の近傍になったと判定されたら（判定結果がＹＥＳ；正の場合）、ステップＳ１３において、補助電源システム運転制御部７４（手段１３）が補助電源システム６０に運転開始指令を出力する。

ステップＳ１２の判定結果がＮＯの場合は補助電源システム６０の運転待ち状態が継続される。

補助電源システム運転制御部７４（手段１４）は、ステップＳ１４において水力発電システムおよび補助電源システム６０の合計発電量が、補助電源システム停止レベル（水力発電システムのみで発電可能な最大電力量）以下の電力であるか否かの判定を行う。

水力発電システムおよび補助電源システム６０の並列運転中に自立運転負荷３１が減少し、ステップＳ１４の判定結果がＹＥＳ（正）となったら、水力発電システムのみで自立運転負荷３１へ電力供給がまかなえると判断し、ステップＳ１５において補助電源システム運転制御部７４（手段１５）が補助電源システム６０に運転停止指令を出力する。ステップＳ１４の判定結果がＮＯの場合は、水力発電システムおよび補助電源システム６０の並列運転が継続される。

以上のように本実施形態例によれば、水車（原動機）を回転させる水量を計測し、水量にあわせたトルクリミットを設定することにより、系統解列時における自立運転動作時に、自立運転負荷が水力発電システムの発電可能な電力を上回った場合においても、水車が逆回転することなく、且つ水力発電システムが発電可能な最大電力で運転することが可能である。

また、自立運転負荷が水力発電システムで発電可能な電力を上回る恐れがある場合に、補助電源システムを併用することによって、自立運転負荷に安定した電力を給電することができる。

これにより、水車の意図しない方向への回転による水力発電システムの非常停止（すなわち自立運転負荷への給電停止）を防止することができ、さらには水力発電システムが最大電力で運転することにより、補助電源システムでの発電量を少なくすることができる。

また、水量に応じたトルクリミット値を予め設定しておくため、特許文献１と比較して、トルクリミットの演算処理を容易に行える利点を持つ。

尚、図１では、水量検出手段５１、トルクリミット保存手段５２、トルクリミット呼び出し手段５３、速度検出手段５４を、発電機制御用制御システム１００の外部に設けているが、これに限らず前記手段５１〜５４の一部又は全部を発電機制御用制御システム１００内に設けるように構成しても良い。

２１…水車
２２…ガバナ
２３…カップリング
２４…発電機
２５…発電機側開閉器
２６…発電機制御用電力変換回路
２７…直流回路
２８…系統連系用電力変換回路
２９…ＬＣＲフィルタ
３０…自立運転負荷側開閉器
３１…自立運転負荷
３２…系統側開閉器
３３…系統トランス
３４…系統
３５…ダイナミックブレーキ用素子
３６…ダイナミックブレーキ用抵抗
３７…上位コントローラ
４１…減算器
４２…直流電圧一定制御部
４４…乗算器
４５…電流制御部
５１…水量検出手段
５２…トルクリミット保存手段
５３…トルクリミット呼び出し手段
５４…速度検出手段
５５…ダイナミックブレーキ回路
５６…系統連系用制御システム
６０…補助電源システム
６１…補助電源側開閉器
７１…トルクリミット値保存領域
７２…トルクリミット処理部
７３…リミット近傍判定部
７４…補助電源システム運転制御部
１００…発電機制御用制御システム

Claims (4)

1. 水流により回転駆動される水車と、軸によって前記水車と接続された発電機と、前記発電機の出力電力を直流電力に変換する発電機制御用電力変換回路と、前記発電機制御用電力変換回路の直流電力を交流電力に変換する系統連系用電力変換回路と、前記系統連系用電力変換回路の交流出力側に各々接続された負荷および系統と、を備え、前記系統連系用電力変換回路と系統の接続を絶って、系統連系用電力変換回路の交流電力を前記負荷に供給する自立運転機能を有した水力発電システムにおいて、
   前記水車の速度−トルク特性から得られた最大出力を発生させるトルク値のデータが、前記水流を検出した水量毎にトルクリミット値として保存されたトルクリミットデータ保存部と、
   前記発電機制御用電力変換回路を制御する発電機制御用制御システムと、を備え、
   前記発電機制御用制御システムは、
   前記発電機制御用電力変換回路および系統連系用電力変換回路を結ぶ直流回路の直流電圧を検出した直流電圧検出値が、前記発電機の速度から求めた発電機の位相に同期した直流電圧指令となるように一定制御するためのトルク指令値を生成するトルク指令生成部と、
   前記自立運転動作時に、前記水流を検出した水量に対応するトルクリミット値を前記トルクリミットデータ保存部から抽出し、該抽出されたトルクリミット値を用いて、前記トルク指令生成部で生成されたトルク指令値にリミット処理を施すトルクリミット処理部と、
   前記トルクリミット処理部によるリミット処理後のトルク指令値を電流指令値に変換して電流制御用の制御指令を生成する電流制御部と、を有し、
   前記生成された制御指令によって前記発電機制御用電力変換回路を制御することを特徴とする水力発電システム。
2. 前記負荷に接続された補助電源システムを備え、
   前記発電機制御用制御システムは、
   前記トルク指令生成部で生成されたトルク指令値が、自立運転動作時にトルクリミットデータ保存部から抽出されたトルクリミット値の近傍になったか否かを判定するリミット近傍判定部と、
   前記リミット近傍判定部によって、前記トルク指令値がトルクリミット値の近傍になったと判定されたときに、前記補助電源システムの運転を開始させ、発電機制御用電力変換回路から系統連系用電力変換回路を介して負荷に供給される電力と、前記補助電源システムから負荷に供給される電力の合計電力が、前記発電機制御用電力変換回路から系統連系用電力変換回路を介して負荷に出力できる最大電力に基づいて設定した補助電源停止レベル以下であるか否かを判定し、前記合計電力が前記補助電源停止レベル以下であるときに、前記補助電源システムの運転を停止させる補助電源システム運転制御部と、を有していることを特徴とする請求項１に記載の水力発電システム。
3. 水流により回転駆動される水車と、軸によって前記水車と接続された発電機と、前記発電機の出力電力を直流電力に変換する発電機制御用電力変換回路と、前記発電機制御用電力変換回路の直流電力を交流電力に変換する系統連系用電力変換回路と、前記系統連系用電力変換回路の交流出力側に各々接続された負荷および系統と、を備え、前記系統連系用電力変換回路と系統の接続を絶って、系統連系用電力変換回路の交流電力を前記負荷に供給する自立運転機能を有した水力発電システムの制御方法であって、
   トルクリミットデータ保存部が、前記水車の速度−トルク特性から得られた最大出力を発生させるトルク値のデータを、前記水流を検出した水量毎にトルクリミット値として保存するトルクリミットデータ保存ステップと、
   前記発電機制御用電力変換回路を制御する発電機制御用制御システムのトルク指令生成部が、発電機制御用電力変換回路および系統連系用電力変換回路を結ぶ直流回路の直流電圧を検出した直流電圧検出値が、前記発電機の速度から求めた発電機の位相に同期した直流電圧指令となるように一定制御するためのトルク指令値を生成するトルク指令生成ステップと、
   前記発電機制御用制御システムのトルクリミット処理部が、前記自立運転動作時に、前記水流を検出した水量に対応するトルクリミット値を前記トルクリミットデータ保存部から抽出し、該抽出されたトルクリミット値を用いて、前記トルク指令生成部で生成されたトルク指令値にリミット処理を施すトルクリミット処理ステップと、
   前記発電機制御用制御システムの電流制御部が、前記トルクリミット処理部によるリミット処理後のトルク指令値を電流指令値に変換して電流制御用の制御指令を生成するステップと、を備え、
   前記生成された制御指令によって前記発電機制御用電力変換回路を制御することを特徴とする水力発電システムの制御方法。
4. 前記負荷に接続された補助電源システムを備え、
   前記発電機制御用制御システムのリミット近傍判定部が、前記トルク指令生成部で生成されたトルク指令値が、自立運転動作時にトルクリミットデータ保存部から抽出されたトルクリミット値の近傍になったか否かを判定するリミット近傍判定ステップと、
   前記発電機制御用制御システムの補助電源システム運転制御部が、前記リミット近傍判定部によって、前記トルク指令値がトルクリミット値の近傍になったと判定されたときに、前記補助電源システムの運転を開始させるステップと、
   前記発電機制御用制御システムの補助電源システム運転制御部が、発電機制御用電力変換回路から系統連系用電力変換回路を介して負荷に供給される電力と、前記補助電源システムから負荷に供給される電力の合計電力が、前記発電機制御用電力変換回路から系統連系用電力変換回路を介して負荷に出力できる最大電力に基づいて設定した補助電源停止レベル以下であるか否かを判定するステップと、
   前記発電機制御用制御システムの補助電源システム運転制御部が、前記合計電力が前記補助電源停止レベル以下であるときに、前記補助電源システムの運転を停止させるステップと、
   を備えたことを特徴とする請求項３に記載の水力発電システムの制御方法。

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