JP4538210B2 - 水車発電機の自動運転保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、水の位置エネルギーを利用して作動する水車発電機（同期式）の自動運転保護装置に関する。

従来から、水の位置エネルギーを利用して水車を運転し、水車の発生するトルクで発電機を運転して、発電した電力を、負荷に供給するシステムが使用されている。これらの一例として、特許文献１（外輪駆動式水車発電機）がある。これらの従来技術においては、自動運転化及びこれの保護運転が課題となっていた。そこで、本発明は、有効落差検出による自動運転化及び無拘束運転時の発電機固定子巻線への誘起電圧印加防止、力行運転防止に係わる保護装置を提供することにある。

特開平５−１０２４５号公報

発電機は、無拘束運転であれ通常運転であれ、水車が運転されるとこれに伴って回転駆動される。特に同期発電機の場合、これによる誘起電圧がインバータ内平滑コンデンサにチャージされる。未使用時には電源を切って停止状態にしていても、水車に水が落下してくると前述したように誘起電圧がインバータ内平滑コンデンサにチャージされる。この電圧が印加された関連回路でネジの緩みなどが生じる等の不測の事態が生じた場合には、これらの電子部品が発火類焼する故障モードが存在する。又、発電電力の供給先がインバータの直流端子を通して、他のインバータ等の直流端子の場合、水車への水量、落差が減ると発電電力も低下し、他インバータから電力が発電機を制御しているインバータへ流入し、力行運転となる。通常は回生運転で発電機であるが、この状態では力行運転で発電機がモータとなる。発電機や水車（逆回転）に悪影響を及ぼす恐れがある。本発明は、以上の課題を解決することである。

上記の誘起電圧が印加して電子部品が発火類焼する故障モードに対して、発電機とインバータ間に開閉手段を設け、運転の停止中にはこれを開放してインバータに誘起電圧が印加されないようにする。次に、上記の力行運転となる課題について、インバータが有している力行運転検出手段により、これが力行運転をしていることを検出したとき前記発電機とインバータ間の開閉手段を開いて運転を停止するようにする。

本発明によれば次の効果がある。

水車発電機が無拘束運転しても、これによる誘起電圧がインバータに印加されることがなくなる。従って、例えば、これに関する電子部品が発火類焼する心配がなくなる。

また、水車発電機の発電電力が低下しても、力行運転をしていることを検出して前記発電機とインバータ間の開閉手段を開いて運転を停止するのでこれによる悪影響を解消することができる。

以下、本発明の４実施形態を図１〜図２により次に説明する。最良の形態は実施例１と２又は実施例３又は４を組み合わせたもの。

図１はシステム系統及び回路図である。Ｔは、水の位置エネルギーによって運転する配管１に設けられた水車、Ｇは該水車の発生するトルクで運転し発電する発電機、ＰＳ１、ＰＳ２はそれぞれ水車入口及び出口の圧力を検出する圧力センサである。両圧力センサによって水車入口及び出口の圧力差を求める。即ち両圧力センサによって有効落差検出手段５を構成する。ＰＧ１、ＰＧ２は前述の圧力センサ対応に設けそこの圧力を測定するための圧力計、Ｒ、Ｓは電源（商用）、例えば単相２００Ｖ、１００Ｖである。ＩＮＶ１００はインバータ（コントローラ）であり前記発電機Ｇの端子Ｕ，Ｖ，Ｗとを開閉手段５２を介して接続する。発電電力は、インバータＩＮＶ１００内フライホイルダイオードＤを通して回生制御を掛けられて、取り込まれＰ，Ｎ間に直流電力１０として蓄えられる（コンデンサＣに溜まる。例えば発電機の発生電圧がＡＣ２００Ｖであれば、インバータＰ，Ｎ間電圧（直流電圧）は２８０Ｖとなる。）。

また、Ｐ，Ｎ間電圧を検出して、ここの電圧が２８０Ｖを下回るごとに図示していないが回転数指令生成器８（ＰＷＭ処理）によりインバータ周波数を下げ電力変換器９でスイッチングすれば回生制御がかかり、Ｐ，Ｎ間電圧が上がる。前述の圧力センサＰＳ１、ＰＳ２の検出値はそれぞれ有効落差検出手段５を介して図示していないメモリ部に記憶保存される。又、始動有効落差及び、停止有効落差は図示していないがデジタルオペレータによりキー入力されて図示していないメモリ部に予め記憶保存される。

更に、発電機の電流は、電力変換器９の２次側に設けている電流センサＣＴ、及び電流，回転数検出手段１１により検出される。加えてここで、発電機の回転数をも検出する。ここで検出した回転数ｆは回転数指令生成器８に出力され、有効落差検出手段５からの出力によって予め決定されている水車発電機の回転数を回転数指令生成器８に出力される。

前記発電機Ｇで発生した電力はインバータＩＮＶの直流端子Ｐ，Ｎより、負荷（インバータ）又は系統連系装置６に直流送電される。実施例１はこの６が負荷（インバータ）である。前述した開閉手段５２は、インバータ出力回路手段１３を介して出力され駆動されるリレー５２ｘによって開閉制御される。

図２は前述した水車発電機を運転した場合の運転特性図であり、横軸に水車の水量Ｑ、縦軸に水車の有効落差、及び発電機の発電電力を示している。曲線Ａは、水車の水量と有効落差との関係を示し、曲線Ｂは発電電力を示している。同図に示すＨＯＮは始動有効落差、ＨＯＦＦは停止有効落差であり、それぞれ曲線図Ａ上のＯ１、Ｏ２点上にある。これは始動、停止ポイントを有効落差で見たもので、水量で見るとＦＯＮが始動水量（ＨＯＮに対応）、ＦＯＦＦが停止水量である。これらは前述のように始動、停止用のパラメータとしてデジタルオペレータにて設定され、前述したメモリに保存されている。水量が流れていないときは、有効落差は０である。このように構成したものにおいて、水車に流れる水量が増加し、検出した落差が始動有効落差以上になったら前述した出力回路手段１３に開閉手段５２を閉じる信号を出力して、これを閉じ、インバータを運転して有効落差に応じた回転数を回転数指令生成器８より出力する。これによって発電機で発電した電力がインバータに流れ、直流電力１０として負荷（インバータ）６へ供給される。

次に、水車に流れる水量が減少し、検出した落差が停止有効落差以下になったら、前述した出力回路手段１３に開閉手段５２を開く信号を出力して、これを開放し、発電機からの電力を断つとともにインバータを停止する。このような構成で始動停止の自動運転が可能となり、開閉器５２を設けたことにより課題で述べた電子部品の発火類焼の心配を解消することができる。

本実施例では、座標変換器１２により（図１中に記載）ｑ軸電流を検出して力行運転になったことを検知して停止させるようにしたものである(座標変換器１２に関する機能の他は、実施例１での説明と同様である)。即ち、水車に流れる水量が増加し、検出した落差が始動有効落差以上になったら、前述した出力回路手段１３に開閉手段５２を閉じる信号を出力して、これを閉じ、インバータを運転して有効落差に応じた回転数を回転数指令生成器８より出力する。これによって発電機で発電した電力がインバータに流れ、直流電力１０として負荷（インバータ）６へ供給される。

次に、水車に流れる水量が減少し、検出した落差が停止有効落差以下になるか又は、座標変換器１２によりｑ軸電流を検出して力行運転になったことを検知したら、前述した出力回路手段１３に開閉手段５２を開く信号を出力して、これを開放し、発電機からの電力を断つとともにインバータを停止する。このような構成で始動停止の自動運転が可能となり、開閉器５２を設けたことにより課題で述べた電子部品の発火類焼の心配を解消することができる上に、力行運転になったことを検知して課題で述べたこれによる悪影響を解消することができる。

本実施例では、実施例１に対して、６を負荷（インバータ）から系統連系装置としたもので、動作及び効果は実施例１と同じである。

本実施例では、実施例２に対して、６を負荷（インバータ）から系統連系装置としたもので、動作及び効果は実施例２と同じである。

風力発電や太陽光発電にも利用可能である。

図１はシステム系統及び回路図である。 図２は水車．発電機の運転特性図

符号の説明

Ｔ…水車、ＰＳ１，ＰＳ２…圧力センサ、５…有効落差検出手段、Ｇ…発電機、１００…インバータ、２００…制御装置、５２…開閉手段、１２…力行運転検知用座標変換機、６…負荷又は系統連系装置、Ａ…流量−有効落差カーブ、Ｂ…発電電力カーブ、ＨＯＮ…始動有効落差、ＨＯＦＦ…停止有効落差。

Claims (4)

1. 水の位置エネルギーで回転する水車と、
   該水車の回転により駆動する発電機と、
   該発電機の出力を制御するインバータとを備えた水力発電装置において、
   前記発電機と前記インバータとの接続を遮断する開閉手段と、
   前記水車の入口及び出口にそれぞれ設けられた圧力センサにより前記水車の有効落差を検出する有効落差検出手段と、
   該有効落差検出手段により検出された有効落差が第１の設定値以下になった場合に、前記開閉手段が開いて前記発電機と前記インバータとの接続を遮断すると共に、前記インバータを停止し、
   前記有効落差検出手段により検出された有効落差が前記第１の設定値よりも大きい第２の設定値以上になった場合に、前記開閉手段が閉じて前記発電機と前記インバータとを接続すると共に、前記インバータは前記発電機の出力制御を行うことを特徴とする水力発電装置。
2. 請求項１に記載の水力発電装置において、
   前記インバータが力行運転となっていることを検出した場合に前記開閉手段が開いて前記発電機と前記インバータとの接続を遮断すると共に、前記インバータを停止することを特徴とする水力発電装置。
3. 水の位置エネルギーで回転する水車と該水車の回転により駆動する発電機とを備えた水力発電装置の制御方法において、
   前記水車の入口及び出口にそれぞれ設けられた圧力センサにより検出された有効落差が第１の設定値以下になった場合に、前記発電機と該発電機の出力を制御するインバータとの接続を遮断すると共に、前記インバータを停止し、
   前記水車の有効落差が前記第１の設定値よりも大きい第２の設定値以上になった場合に、前記発電機と前記インバータとを接続すると共に、前記インバータにより前記発電機の出力制御を行うことを特徴とする水力発電装置の制御方法。
4. 請求項３に記載の水力発電装置の制御方法において、
   前記インバータが力行運転となっていることを検出した場合に前記発電機と前記インバータとの接続を遮断すると共に、前記インバータを停止することを特徴とする水力発電装置の制御方法。

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