JP3043707B2 - 揚水発電装置 - Google Patents

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４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５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５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６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６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７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７にお
いて、１３は計器用変流器、１４は計器用変圧器であ
る。図８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９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１０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１１は前記図９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１
１において、２３はＡＥＳＭ用しゃ断器、２４はＡＥＳ
Ｍ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、２
９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９の揚水発電装置および図１
１の始動装置に関連する従来例として、特開昭６０−２
０１０７８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
課題があった。

【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課題があった。

【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課題があった。

【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、簡潔な系統側事故と励磁用変換器
故障に対応できるようにした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、励磁用変換器を構成するインバータとコンバー
タの間の直流電圧過大検出回路と、過電流検出回路と、
系統異常検出回路と、これら２回路以上の検出信号に基
づいて異常を判断して、異常が発生したときは前記イン
バータの出力端子間に設けた直流リンクコンデンサ短絡
回路または／およびインバータ出力短絡回路を動作さ
せ、異常が一定時間継続していれば、交流励磁同期機を
トリップさせ、直流電圧および系統電圧が復帰すれば前
記交流励磁同期機を平常運転させるインバータ制御回路
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一形態を示すブ
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）、８は
インバータ制御器（インバータ制御回路）、３８は過電
流検出回路、３９はＡＥＳＭの２次電流検出用変流器、
４０は系統異常検出回路である。

【００２８】ＥＸ６はインバータ６ａ、コンバータ６
ｂ、直流リンクコンデンサ６ｃ、直流電圧過大検出回路
６ｄ、保護用ＧＴＯ（直流リンクコンデンサ短絡回路）
６ｅ、短絡抵抗（直流リンクコンデンサ短絡回路）６ｆ
で構成されており、図２は上記インバータ６ａを示す詳
細図である。

【００２９】次に本実施の形態の動作を図３のフローチ
ャート図について説明する。系統側で事故、例えば１線
短絡、２線地絡、短絡等が発生すると、ＡＥＳＭの２次
側に過電圧や過電流が発生する。また励磁用変換器回路
の故障によってもコンバータとインバータの中間直流電
圧が上昇することがある。

【００３０】これ等から、機器の損傷を防止するため、
系統異常検出回路４０で系統異常を、過電流検出回路３
８でインバータ出力電流過大を、直流電圧過大検出回路
６ｄで直流過電圧をそれぞれ検出し（ＳＴ６−１〜ＳＴ
６−３）、インバータ出力電流過大と直流過電圧の論理
和をＯＲゲート４１で得て、このＯＲゲート４１の出力
と系統電圧異常の論理積をＡＮＤゲート４２で得る。

【００３１】次いで、ＡＮＤゲート４２の出力でインバ
ータ６ａ、コンバータ６ｂをゲートＯＦＦ（ＳＴ６−
４）、インバータ出力を短絡（ＳＴ６−５）する。ま
た、ＡＮＤゲート４２の出力で保護用ＧＴＯ６ｅをＯＮ
（ＳＴ６−６）、直流電圧低下確認（ＳＴ６−７）、保
護用ＧＴＯ６ｅをＯＦＦ（ＳＴ６−８）とする。

【００３２】また、上記ＡＮＤゲート４２の出力でイン
バータ（逆）とし（ＳＴ６−９）、このＳＴ６−９の出
力とＯＲゲート４１の論理積を得るＡＮＤゲート４３の
出力でインバータ６ａ、コンバータ６ｂをＯＦＦとし
（ＳＴ６−１０）、ユニット・トリップを行なう（ＳＴ
６−１１）。

【００３３】一方、上記ＳＴ６−８の出力とＳＴ６−９
の出力の論理積を得るＡＮＤゲート４４の出力で、一定
時限後もＡＥＳＭ電圧が回復しない場合（ＳＴ６−１
２）、前記ＳＴ６−１１のユニット・トリップを行な
う。

【００３４】また、上記ＡＮＤゲート４４の出力とＳＴ
６−５の出力との論理積を得るＡＮＤゲート４５の出力
でインバータ６ａ、コンバータ６ｂをＯＮし（ＳＴ６−
１３）、平常運転へ復帰する（ＳＴ６−１４）。

【００３５】上記の動作過程において、保護用ＧＴＯ６
ｅを点弧して、短絡抵抗６ｆを通して直流リンクコンデ
ンサ６ｃを短絡すると共にインバータ出力を短絡する時
の２次電圧の位相により、例えば一瞬時には図５に点線
で示すごとく、ＡＥＳＭは順次に２次回路が短絡される
ため誘導機運転となり、過電圧を抑制する。

【００３６】この時、インバータ６ａのゲートもオフし
てインバータの運転も停止させる。送電線しゃ断器等の
動作で系統側の事故が除去されれば、インバータ制御回
路８にて、コンバータ６ｂをゲートオフし、その後イン
バータ６ａ、コンバータ６ｂを共に通常の点弧制御に復
帰させてＡＥＳＭの運転を継続するものである。

【００３７】以上のように、本実施の形態１によれば、
異常発生時、保護用ＧＴＯの点弧で励磁用変換器の直流
回路およびインバータ出力回路を短絡することにより、
系統事故時のＡＥＳＭの２次過電圧、過電流および励磁
用変換器回路の故障による過電圧、過電流による機器の
損傷を防止することができる。

【００３８】実施の形態２．上記実施の形態１では、２
次励磁用変換器の例として強制転流式ＧＴＯ形電圧イン
バータについて説明したが、インバータ、コンバータは
ＧＴＯ方式でなくても、ＡＥＳＭの応用品、例えば可変
速調相機、フライホイール付発電機や可変速周波数変換
器等でも上記実施の形態と同様の効果を奏する。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、励磁
用変換器を強制転流式多相電圧形インバータで構成し、
異常発生時、励磁用変換器の直流回路およびインバータ
出力回路を短絡するように構成したので、系統事故時に
も、励磁用変換器故障時にも対応できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態による揚水発電装置の
構成を示すブロック図である。

【図２】 図１に示す揚水発電装置における励磁用変換
器の構成を示す一部の詳細図である。

【図３】 図１に示す揚水発電装置の動作を説明するフ
ローチャートである。

【図４】 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５】 そ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６】 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７】 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８】 その従来装置における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９】 従来の揚水発電装置のブロック図である。

【図１０】 従来の揚水発電装置における励磁用交換器
を電力制御した場合の応答特性図である。

【図１１】 従来の揚水発電装置における始動装置のブ
ロック図である。

【符号の説明】

３ 可逆式ポンプ水車、６ 励磁用変換器、６ａ イン
バータ、６ｂ コンバータ、６ｄ 直流電圧過大検出回
路、６ｅ 保護用ＧＴＯ（直流リンクコンデンサ短絡回
路）、６ｆ 短絡抵抗（直流リンクコンデンサ短絡回
路）、８ インバータ制御器（インバータ制御回路）、
３８ 過電流検出回路、４０ 系統異常検出回路、Ｍ
交流励磁同期機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−70498（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−71499（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−270798（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−78598（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−256597（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−274697（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−146996（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−183222（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 9/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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、前記励磁用変換器を構
   成するインバータとコンバータ間の直流電圧過大検出回
   路と、過電流検出回路と、系統異常検出回路と、これ等
   ２回路以上の検出信号に基づいて異常を判断し、異常が
   発生しているときは前記インバータの出力端子間に設け
   た直流リンクコンデンサ短絡回路または／およびインバ
   ータ出力短絡回路を動作させ一定時間以上異常が継続し
   ていれば前記交流励磁同期機をトリップさせ、直流電圧
   および系統電圧が復帰していれば前記交流励磁同期機を
   平常運転させるインバータ制御回路とを具備したことを
   特徴とする揚水発電装置。