JP5587837B2

JP5587837B2 - 可変速発電電動機の運転制御装置および運転制御方法

Info

Publication number: JP5587837B2
Application number: JP2011149678A
Authority: JP
Inventors: 哲也菅原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: WO2013005503A1; AR087078A1; JP2013017343A

Description

本発明は、可変速発電電動機の運転制御装置および運転制御方法に係り、特に一次周波数制御方式を採用した可変速発電電動機の運転制御装置および運転制御方法に関する。

可変速発電電動機としては、可変速揚水発電所に適用された二次励磁制御方式のものが広く知られている。これは例えば特許文献１のように構成されている。

二次励磁制御方式の可変速発電電動機では、発電電動機に誘導機を用いている。また、発電電動機の一次巻線（固定子巻線）と二次巻線（回転子巻線）の間に周波数変換器を設置し、二次巻線を可変周波数で交流励磁する。なお、二次巻線側の回転軸はポンプ水車に直結されている。

係る構成により、二次励磁制御方式の可変速発電電動機では、誘導機のすべり周波数を可変に制御できるので、固定の電力系統側周波数に対して主に効率で定まる最適な回転数での運転が可能となる。また、可変速揚水発電所は、夜間の余剰電力を利用して揚水運転を行い、電力需要の高い昼間に発電運転を行うことができ、高い電力調整能力を備える。

これらのことから、可変速揚水発電所の設置が望まれる。特に既存の水力発電所を可変速揚水発電所に改造する形での適用が望まれる。この場合に、周波数変換器を新設するだけでは実現できず、発電電動機も新設する必要がある。既存の水力発電所の発電機は同期機なので、これを誘導機に変更するために、発電電動機の新設が避けられない。

これに対し、一次周波数御方式の可変速揚水発電所とすることが、非特許文献１で知られている。一次周波数制御方式の可変速発電電動機では、発電電動機に同期機を用いている。また、発電電動機の一次巻線（固定子巻線）と電力系統の間に周波数変換器を設置する。なお、二次巻線側の回転軸はポンプ水車に直結されている。

係る構成により、一次周波数制御方式の可変速発電電動機では、同期機の出側周波数は、ポンプ水車の回転数で定まり（同期の意味）、周波数変換器の電力系統側の周波数を一定の系統周波数に制御できる。この場合にも、固定の電力系統側周波数に対して主に効率で定まる最適な回転数での運転が可能となる。

この一次周波数制御方式の可変速発電電動機によれば、既存の水力発電所を可変速揚水発電所に改造する場合に、周波数変換器を新設するだけで実現できる。

特開平３−１０７３９８号公報

第８回電力技術研究セミナー可変速揚水発電の技術開発動向と系統運用から見た必要性と適用事例、今後の課題平成５年９月２１日株式会社ジャテックインターナショナル

可変速揚水発電システムの運転制御に関し、二次励磁制御方式のものであれば特許文献１以外にも多くのものが知られている。然しながら、本発明が適用対象とする一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムの運転制御ということになると、余り知られていない。あるいは類似主回路構成のものとして、電力変換装置を備えて回転機を駆動するものは多くあるが、ポンプ水車に回転軸直結する形式のものではない。

非特許文献１は、数少ない一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムの運転制御方式の一例を開示したものであり、ここでは以下のように制御することを提案している。

まず、発電過程においては、発電所制御装置からの有効電力上げ下げ指令をもとに一次周波数変換器を制御することで有効電力を調整し、水車出力は規定の回転速度に一致させるように制御している。

また停止過程においては有効電力を低下させるため一次周波数変換器出力を減らすと同時に、負荷制限器出力によって水車ガイドベーン開度を絞り水車出力を低下させ、電力系統から解列している。

非特許文献１では、水車の機械出力の制御系統と、発電電動機の電気出力を制御するための一次周波数変換器出力の制御系統は、各々独立した制御系統とされている。このため、電気と機械の制御系の協調が取られていないと、特に停止過程においてガイドベーンは回転速度制御装置が出力する開度指令に依らず一方的に負荷制限器により絞り込まれることとなる。この結果、速度制御が効かず、有効電力と水車出力の相互の出力偏差から水車の回転速度は安定せずに変動する。

先に述べたように、可変速揚水発電所は、夜間の余剰電力を利用して揚水運転を行い、電力需要の高い昼間に発電運転を行う。この運転モード変更の都度停止操作を行うことになるが、このときに速度変動が生じると停止操作が長引き、また速度変動によるポンプ水車の機械的磨耗の影響を大きく受けることになる。また、非特許文献１では、停止時に限らず、電気と機械の制御系の協調が取られていないと有効電力指令値が変化する度に回転速度が大きく変動し、機械的磨耗の影響を通常より強く受けることになる。

以上のことから本発明においては、一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムにおいて、有効電力指令値が変化した際に発生する水車速度変化を少なくし、水車の機械的磨耗を低減しメンテナンス周期を延ばすことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では発電電動機とポンプ水車が機械的に結合され、発電電動機の固定子巻線が周波数変換装置を介して電力系統に接続された可変速発電電動機の運転制御装置において、発電電動機の有効電力をその目標値とするための有効電力制御信号により周波数変換装置を制御する有効電力制御装置と、有効電力の目標値とポンプ水車の有効落差からポンプ水車出力補正信号を得、ポンプ水車の回転速度をその目標値とするための速度制御信号とポンプ水車出力補正信号の和信号をポンプ水車の制御信号とする回転速度制御装置とを備える。

また、可変速発電電動機の停止指令がされたときに、有効電力制御装置においては有効電力目標値を低減し、かつ回転速度制御装置においては速度制御信号を除外して、ポンプ水車の制御信号をポンプ水車出力補正信号で定める。

また、発電電動機の有効電力目標値を、電力系統の周波数制御信号から決定して有効電力制御装置に与える発電機制御装置、電力系統の周波数制御信号から決定した有効電力目整標値と検出した有効電力の差電力を求め、差電力が大きいほど大きな補正信号を、ポンプ水車出力補正信号を求めるための有効電力の目標値に加える有効電力設定値補正回路を備える。

上記目的を達成するために、本発明では発電電動機とポンプ水車が機械的に結合され、発電電動機の固定子巻線が周波数変換装置を介して電力系統に接続された可変速発電電動機の運転制御方法において、発電過程では、周波数変換装置により発電電動機の有効電力をその目標値に制御し、ポンプ水車を発電電動機の有効電力の目標値に追従して制御する

また、発電過程では、発電電動機の有効電力の目標値に追従して制御する信号に、ポンプ水車の回転速度をその目標値とするための速度制御信号を加味する。

また、停止過程では、ポンプ水車を発電電動機の有効電力の目標値に追従して制御し、ポンプ水車の回転速度をその目標値とするための速度制御信号を加味しない。

また、発電電動機の有効電力目標値を、電力系統の周波数制御信号から決定し、電力系統の周波数制御信号から決定した有効電力目標値と検出した有効電力の差電力が大きいほど大きな補正を、ポンプ水車の追従制御に与える。

本発明によれば、一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムにおいて、有効電力指令値の変動による水車の回転数変化を抑え、機械的磨耗を低減しメンテナンス周期を延ばすことが出来る。

有効電力制御装置ＣＰと回転速度制御装置ＣＳの具体的な回路構成を示す図。一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムの構成を示す図。周波数制御信号による修正を加味した本発明の実施例を示す図。

本発明の一実施例を、図を用いて詳細に説明する。

図２は、一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムの構成を示している。このシステムで用いられる発電電動機Ｇ／Ｍは同期機であり、その回転軸がポンプ水車Ｐ／Ｗに接続されている。但し、図示の例では発電モードでの構成として、水車Ｗと発電機Ｇでの組み合わせ事例を示している。なお、ポンプ水車Ｐ／Ｗは、例えばガイドベーンを備えており、この開度を調整することで流入する推量を調整する。

一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムでは、可変速運転を実現するために発電機Ｇ／Ｍと電力系統Ｌとの間に、周波数変換器ＦＣを設けている。周波数変換器ＦＣにより、電力系統Ｌ側の周波数ｆＬを一定（５０または６０Ｈｚ）に保持したまま、発電電動機Ｇ／Ｍ側周波数ｆＧ（従って、回転速度Ｓ）を任意の値に制御することで、可変速運転を可能としている。周波数変換器ＦＣは、一度交流を直流に変換してから再度周波数の相違する交流に変換する直流型、あるいは直流に変換しない交流型のいずれでも実現可能であるが、ここでは直流型の周波数変換器ＦＣを図示している。なお、周波数変換器ＦＣは、遮断器ＣＢを介して電力系統に接続されている。

一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムの主回路は概ね以上のように構成されているが、この制御のために有効電力Ｐを、有効電力検出器Ｐｄで検出する。なお、ＣＴ，ＰＴは、電流と、電圧の検出器である。また、図示していないがポンプ水車Ｐ／Ｗの回転速度Ｓが検出されている。

そのうえで、有効電力制御装置ＣＰにおいて、検出した有効電力を目標有効電力に制御するに必要な周波数変換器ＦＣの変換器電流指令ＩＰを決定して、周波数変換器制御装置ＣＣに与える。他方、回転速度制御装置ＣＳにおいて、検出した回転速度Ｓを目標回転速度に制御するに必要な水車出力制御指令ＳＰを決定して、ポンプ水車Ｐ／Ｗのガイドベーン開度を調整する。

図２の構成により、同期発電機Ｇ／Ｍで発電された電力は、一次周波数変換器ＦＣ、遮断器ＣＢを介して電力系統Ｌへ接続される。上記した通り一次周波数制御方式の発電電動機Ｇ／Ｍは同期発電機Ｇ／Ｍであり、二次励磁方式の可変速用発電電動機用いた場合の様に電力系統と同期した運転は不可能であるため、一次周波数変換器ＦＣで発電機Ｇ／Ｍと電力系統Ｌの異なる周波数の電力を連係し、さらに有効電力の出力制御を行うことになる。このとき変換器出力制御装置ＣＣでは、周波数変換器ＦＣの出力電流を調整する事によるシステム端有効電力制御が行われ、一次周波数変換器ＦＣでは有効電力が最適な状態になる様に変換される。

図１は、有効電力制御装置ＣＰと回転速度制御装置ＣＳの具体的な回路構成を示している。まず、有効電力制御装置ＣＰについて説明する。

有効電力制御装置ＣＰは、その上位装置である例えば発電所制御装置１００から、有効電力の目標信号Ｐ１を入手する。目標信号Ｐ１は、上げ指令と下げ指令の形式で受け、有効電力設定器１０１において、アナログまたはディジタルの数値信号に変換出力する。またシステム端有効電力検出器Ｐｄでは、実際に電力系統Ｌと接続される部分の有効電力実測値Ｐ２を検出し、出力する。この有効電力設定器１０１の値Ｐ１からシステム端有効電力検出器Ｐｄの値Ｐ２を差し引いた結果（ΔＰ）をもとに、有効電力調節器１０３で有効電力を指令値まで変化させるための調節演算を行う。

有効電力調節器１０３の調節結果は、周波数変換器ＦＣの変換器電流指令ＩＰとして変換器出力制御装置ＣＣに与えられ、一次周波数変換器ＦＣに流れる直流電流が制御される結果として、有効電力値は制御され電力系統に接続される。ここで変化した有効電力値はシステム端有効電力検出器Ｐｄへ与えられ、何度もループしながら指令値になるまで制御が行われる。

このように、一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムでは、電機側の周波数変換器ＦＣにおいて有効電力制御が実行される。他方において、機械側は回転速度制御装置ＣＳによりポンプ水車Ｐ／Ｗが制御される。回転速度制御装置ＣＳにおけるポンプ水車出力制御は、発電過程と、停止過程に分かれているので、まず発電過程について説明する。

発電過程では、発電所制御装置１００からの回転速度指令値Ｓ１からポンプ水車Ｐ／Ｗの回転速度Ｓ２を差し引いた値をもとに回転速度調節器１０６が回転速度制御を行っている。また、回転速度制御装置ＣＳには、有効電力設定器１０１の出力Ｐ１と有効落差Ｈが取り込まれており、水車出力補正演算部１０８において、補正指令値を得ている。回転速度調節器１０６の値と水車出力補正演算装置１０８の値の和として、ガイドベーンの開度指令ＧＶ１が求められ、実際のガイドベーン開度ＧＶ２の値を引いた差が、ポンプ水車Ｐ／Ｗに与えられ、制御を行う。

一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムが通常の発電過程において運転される場合には、有効電力設定器１０１が与える有効電力目標Ｐ１に従って周波数変換器が制御され、また有効電力目標Ｐ１は回転速度制御装置ＣＳにも送られてポンプ水車Ｐ／Ｗを制御している。従ってこのシステムは、発電過程においては長周期的には機械側と電機側は有効電力目標Ｐ１に従って平衡しており、短周期的には回転速度制御系により一定回転速度に維持され、安定化している。

次に図１装置の停止過程の動作について説明する。この場合、発電所制御装置１００からの有効電力下げ指令が連続的に出力されることで、周波数変換器ＦＣの変換器電流指令ＩＰは急激に電流ゼロに絞り込まれる。電機側の係る操作は遅滞なく実行できるが、機械側では慣性による遅れを生じる。この状態では、可変速揚水発電システムの機械側の入力と電機側の出力が不平衡となることに起因して回転速度が変動し、従って停止時の機械的磨耗が懸念される。

本発明では、この状態では回転速度調節器１０６による回転速度の帰還制御を停止する。具体的には、停止指令を受けて切替スイッチ１０７を０％出力側に切替えてしまう。これにより、機械側の回転速度調節器１０６が回転速度を上昇させ、或いは低下させることの繰り返し振動が発生するのを防止し、停止時の機械的磨耗を低減させる。

しかしこのままでは、機械側が無制御となってしまうので、有効電力設定器１０１と有効落差の値Ｈをもとに水車出力補正演算装置１０８が水車の回転数変化を抑えるような補正指令値を出す。これがガイドベーン開度指令ＧＶ１となり、そこから実際のガイドベーン開度ＧＶ２の値を引いた差を水車に与え制御を行う。

つまり、本発明の一次周波数制御方式の可変速揚水発電システムの機械側停止過程操作では、速度調節器１０６による制御を排除し、電気側からの有効電力設定値に追従した形のガイドベーン開度操作を実行する。これにより、過渡的な回転速度の変動を押さえ、電機側出力と機械側入力を有効電力設定値に応じて平衡制御させる。

この点に関し、特許文献１の二次励磁制御方式の可変速揚水発電システムでは、この停止過程の場面において、負荷制限器で水車出力絞り込みを実施し、水車出力低下に追従させる形で電気出力を絞り込む方法を行っている。つまり、機械側の負荷制限器を主体に制御し、電機側を負荷制限器に追従させている。この場合、負荷制限器に何らかの障害が発生するとシステム端出力の絞り込みが実施出来ない事が考えられる。

本発明では、有効電力指令に応じて水車出力を追従させる形にする事で、負荷制限器によらずシステム端出力の絞り込みが可能となり、停止過程のみならず発電運転時においても水車出力をシステム端出力に見合った出力に制御することが可能となり、電気出力、機械出力のアンバランスから生じる回転変動を少なくする事が出来る。

図１に記載した本発明の一実施例に、更に水車の回転速度変化を抑えるための手段を追加した一応用例を図３に示す。この実施例が、図１の構成と相違する点は２つある。第１点は、有効電力設定器１０１に与えられる発電所制御装置１００からの有効電力の上げ、下げ指令が電力系統の自動周波数制御信号ＡＦＣ指令に依存して与えられた点である。第２点は、有効電力設定値補正回路３００が追加設置され、この出力が有効電力設定器１０１の出力に加算された点である。

有効電力設定値補正回路３００では、発電所制御装置１００からの、ＡＦＣ指令から作成された有効電力数値指令Ｐ３と、有効電力検出値Ｐ２の差ΔＰを比較器３０２においてΔＰ設定値と比較する。比較の結果、ΔＰが設定値以内であればΔＰを有効電力設定器１０１の出力Ｐ１に加算して水車出力補正演算部１０８に印加する。ΔＰが設定値以上であればΔＰを増幅器３０１で増幅してから有効電力設定器１０１の出力Ｐ１に加算して水車出力補正演算部１０８に印加する。

要するに、負荷変動による周波数偏差を検出して発電電動機に指令を与えるＡＦＣ指令である有効電力数値指令の値と、システム端有効電力検出器Ｐｄで検出した有効電力との差であるΔＰを有効電力設定器１０１の値に加算し、水車出力補正演算装置１０８でポンプ水車Ｐ／Ｗの回転速度変化を抑えるような補正指令値を出す。特に、偏差ΔＰが大きく発生するときには、水車の回転速度変化を抑えるような大きな補正指令値を出す。

これにより、通常の発電過程においてＡＦＣ指令に即した運転が行える。つまり、電機側と機械側が安定して運転している状態で、電力系統からのＡＦＣ指令が与えられた際に初動のポンプ水車Ｐ／Ｗの回転速度制御を素早く行う事ができ、回転速度変化を抑えられる。またΔＰの値がもしΔＰ設定値より大きい場合は、その信号を増幅器３０１により増幅し、水車出力補正演算装置１０８へ入力する。この増幅器３０１使用の判断は比較器３０２がΔＰとΔＰ設定値を比較する事で行い、その結果をもとに増幅信号切替器３０３を切り替える。

これにより大きな有効電力数値指令の変化が有った際に増幅器３０２で増幅した信号を有効電力設定器１０１の値と加算する事になり、水車出力補正演算装置１０８から水車Ｐ／Ｗに与えられる補正指令値がより大きなくなり水車の回転速度制御を効率的に行えるようになり回転速度変化を抑えられる。

以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

101:有効電力設定器 Pd:システム端有効電力検出器 CP:有効電力制御装置CC:変換器出力制御装置 FC:一次周波数変換器 CS:回転速度調節器 106:回転速度調節器 107:信号切替器 108:水車出力補正演算装置 P/W:ポンプ水車 G/M:同期発電電動機 CB:遮断器 301:増幅器 302:比較器 303:切替器

Claims

発電電動機とポンプ水車が機械的に結合され、発電電動機の固定子巻線が周波数変換装置を介して電力系統に接続された可変速発電電動機の運転制御装置において、
発電電動機の有効電力をその目標値とするための有効電力制御信号により前記周波数変換装置を制御する有効電力制御装置と、前記有効電力の目標値とポンプ水車の有効落差からポンプ水車出力補正信号を得、ポンプ水車の回転速度をその目標値とするための速度制御信号と前記ポンプ水車出力補正信号の和信号をポンプ水車の制御信号とする回転速度制御装置とを備える可変速発電電動機の運転制御装置。
請求項1記載の可変速発電電動機の運転制御装置において、
可変速発電電動機の停止指令がされたときに、有効電力制御装置においては有効電力目標値を低減し、かつ回転速度制御装置においては速度制御信号を除外して、ポンプ水車の制御信号をポンプ水車出力補正信号で定めることを特徴とする可変速発電電動機の運転制御装置。
請求項1または請求項2記載の可変速発電電動機の運転制御装置において、
前記発電電動機の有効電力目標値を、電力系統の周波数制御信号から決定して前記有効電力制御装置に与える発電機制御装置、電力系統の周波数制御信号から決定した前記有効電力目標値と検出した有効電力の差電力を求め、該差電力が大きいほど大きな補正信号を、前記ポンプ水車出力補正信号を求めるための前記有効電力の目標値に加える有効電力設定値補正回路を備えることを特徴とする可変速発電電動機の運転制御装置。
発電電動機とポンプ水車が機械的に結合され、発電電動機の固定子巻線が周波数変換装置を介して電力系統に接続された可変速発電電動機の運転制御方法において、
発電過程では、前記周波数変換装置により発電電動機の有効電力をその目標値に制御し、前記ポンプ水車を前記発電電動機の有効電力の目標値に追従して制御することを特徴とする可変速発電電動機の運転制御方法。
請求項4記載の可変速発電電動機の運転制御方法において、
発電過程では、前記発電電動機の有効電力の目標値に追従して制御する信号に、前記ポンプ水車の回転速度をその目標値とするための速度制御信号を加味することを特徴とする可変速発電電動機の運転制御方法。
請求項5記載の可変速発電電動機の運転制御方法において、
停止過程では、前記ポンプ水車を前記発電電動機の有効電力の目標値に追従して制御し、前記ポンプ水車の回転速度をその目標値とするための速度制御信号を加味しないことを特徴とする可変速発電電動機の運転制御方法。
請求項4乃至請求項6のいずれかに記載の可変速発電電動機の運転制御方法において、
前記発電電動機の有効電力目標値を、電力系統の周波数制御信号から決定し、電力系統の周波数制御信号から決定した前記有効電力目標値と検出した有効電力の差電力が大きいほど大きな補正を、前記ポンプ水車の追従制御に与えることを特徴とする可変速発電電動機の運転制御方法。