JP6246753B2 - 可変速運転制御装置および水力発電システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、可変速運転制御装置および水力発電システムに関する。

中小水力発電所は、流れ込み式の発電所が多く、その場合、河川の流量により出力が変動するが、河川の流量が大幅に低下すると、水車のランナ出口には強い旋回をもった流れが起こり、キャビテーションが生じる。これにより、管内で大きな振動・騒音が発生し、安定した運転が困難となる。そのため、一般には、運転できる最低流量を決め、それ以下になると発電設備の運転を停止するようにしている。また、水車の部分負荷運転中に発生する振動を抑える技術として、水車の吸出し管に取り付けられるフィンの配置を工夫したものが知られている（例えば、特許文献１）。

特開平１１−２８０６３４号公報

河川の流量が最低流量未満になった場合、その時の河川水は発電に使用せずにそのまま放流しているため、エネルギーを無駄に損失していることになる。しかし、河川の流量が少ないときでもランナの回転速度を下げることができれば、旋回を弱くして振動・騒音を抑えることができ、安定した運転を行うことが可能となる。

しかしながら、発電機が系統に直接繋がっていると回転速度は一定での運転となってしまうため、回転速度を変えることはできない。

本発明が解決しようとする課題は、河川等の流量が一定未満の場合でも回転速度を下げて安定した運転を行うことができる可変速運転制御装置および水力発電システムを提供することにある。

実施形態によれば、電力系統に主回路を通じて連系される発電機と、前記発電機に直結された水車とを有する水力発電システムの可変速運転制御装置であって、前記主回路から分岐して設けられ、前記発電機の出力周波数と前記電力系統の系統周波数との間の周波数変換を行う周波数変換器を備えた分岐回路と、水の流量が通常運転における最低流量未満となった場合に、前記発電機が前記分岐回路を通じて前記電力系統に連系されるように連系の経路を切り替える制御を行うとともに、前記周波数変換器を操作することにより前記発電機および前記水車の回転速度を低下させる制御を行う制御手段とを具備することを特徴とする、水力発電システムの可変速運転制御装置が提供される。

本発明によれば、河川等の流量が一定未満の場合でも回転速度を下げて安定した運転を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る水力発電システムの概略構成を示す図。 制御装置の機能構成を示すブロック図。 制御装置による動作の一例を示すフローチャート。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る水力発電システムの概略構成を示す図である。

図１に示される水力発電システムは、遮断機１および主変圧器２を含む主回路１１を通じて電力系統Ｐに連系される発電機３と、この発電機３に直結された水車４とを有する。

この水力発電システムには、更に、主回路１１から分岐点Ｄ１，Ｄ２にて分岐する分岐回路１２が設けられている。分岐回路１２は、遮断器１を迂回する回路として、発電機３の出力周波数と電力系統Ｐの系統周波数との間の周波数変換を行う周波数変換器５と、この周波数変換器５と直列に接続される遮断機６とを有する。

上記分岐回路１２は、通常運用時とは別に、例えば通常運転における最低流量未満の運転を行う時だけに使用するために設けられた特別な回路である。分岐回路１２に含まれる周波数変換器５は、その容量を最低流量未満の運転を実現するために必要な容量に限定したものであり、発電機３に比して容量が小さく小型なものである。この周波数変換器５は、発電機３側の周波数を変化させることにより発電機３および水車４の回転速度（もしくは回転数、周波数）を変化させることが可能である。

また、この水力発電システムには、該システムの動作を司る制御装置７が設けられる。制御装置７は、状況に応じて遮断器１，６を開閉させたり、遮断器６が閉の状態のときに周波数変換器５の発電機３側の周波数を変化させることにより発電機３および水車４の回転速度（もしくは回転数、周波数）を変化させたりすることができる。例えば、制御装置７は、水の流量（例えば河川の流量あるいは水車４に流入する水の流量）が一定未満になると、発電機３が分岐回路１２を通じて電力系統Ｐに連系されるように遮断器１および遮断器６を操作する（遮断器１を閉から開に切り替え、遮断器６を開から閉に切り替える）ことにより連系の経路を切り替える制御を行うとともに、周波数変換器５を操作する（周波数変換器５の発電機３側の周波数を通常の周波数（例えば５０Ｈｚ）から徐々に低下させる）ことにより発電機３および水車４の回転速度を徐々に低下させ、目標の回転速度に至るまで低下させる制御を行う機能を有する。

また、制御装置７は、流量が通常の状態に戻ってきたら、周波数変換器５を操作する（周波数変換器５の発電機３側の周波数を通常の周波数（例えば５０Ｈｚ）へ向けて徐々に増加させる）ことにより水車４および発電機３の回転速度を通常の回転速度まで戻す制御を行うとともに、発電機３が分岐回路１２を通じずに主回路１１を通じて電力系統Ｐに連系されるように遮断器１および遮断器６を操作する（遮断器６を閉から開に切り替え、遮断器１を開から閉に切り替える）ことにより連系の経路を切り替える制御を行う機能を有する。

なお、図１の例では、分岐回路１２における開閉設備の一例として遮断機６を採用しているが、遮断機６の代わりに、遮断機６と同様な機能を実現するスイッチ、例えば半導体スイッチを採用してもよい。半導体スイッチを採用することにより、機械的なスイッチでは実現できない優れた高速性を実現することができる。

また、主回路１１の遮断機１と分岐点Ｄ２との間には、主回路１１が使用されるときに流れる電流と電圧とをそれぞれ検出する計器用変流器（ＣＴ）２１と計器用変圧器（ＰＴ）２２とが設けられている。これらの検出結果は制御装置７へ送られる。同様に、分岐回路１２の周波数変換器５と分岐点Ｄ２との間には、主回路１１が使用されるときに流れる電流と電圧とをそれぞれ検出する計器用変流器（ＣＴ）３１と計器用変圧器（ＰＴ）３２とが設けられている。これらの検出結果は制御装置７へ送られる。

制御装置７は、主回路１１側の計器用変流器２１および計器用変圧器２２で検出された電流値および電圧値を取得して、これらから発電機３の出力を演算したり、分岐回路１２側の計器用変流器３１および計器用変圧器３２で検出された電流および電圧の情報を取得して、これらから発電機３の周波数変換後の出力を演算したり、水の流量（例えば河川の流量あるいは水車４に流入する水の流量）の情報を取得したり、水位（例えば、ダムなどの貯水の水位）の情報を取得し、水位から落差（例えば、取水位と放水位との高低差）を演算したりすることができる。取得した情報あるいは演算などにより求めた情報は、発電機３を電力系統Ｐに連系させる経路の切り替えの要否判定に使用される。

本実施形態に係る可変速運転制御装置は、少なくとも上述した分岐回路１２および制御装置７により構成できる。

図２は、制御装置７の機能構成を示すブロック図である。

制御装置７は、各種の機能として、情報取得部４１、演算部４２、判定部４３、切替制御部４４、回転速度制御部４５、および記憶部４６を備えている。

情報取得部４１は、主回路１１側の計器用変流器２１および計器用変圧器２２で検出された電流値および電圧値の取得、分岐回路１２側の計器用変流器３１および計器用変圧器３２で検出された電流および電圧の取得、流量および水位の情報の取得を行う機能である。

演算部４２は、テーブル（対応表）、関数、もしくは演算式を用いて、検出された電流値および電圧値から発電機３の出力を求めたり、検出された水位から演算により落差を求めたり、検出された流量から、キャビテーションが生じにくい適切な水車４および発電機３の回転速度（もしくは回転数、周波数）を求めたりする機能である。

判定部４３は、流量、落差、あるいは出力と該当する閾値とを比較して、連系の経路を切り替えるか否かを判定する機能である。

切替制御部４４は、判定部４３での判定結果に応じて、連系の経路を切り替える制御を行う機能である。

回転速度制御部４５は、周波数変換器５の操作を通じて、水車４および発電機３を、流量に応じた適切な回転速度で回転させる制御を行う機能である。

記憶部４６は、演算部４２が使用するテーブル（対応表）、関数、もしくは演算式を記憶するメモリ機能である。ここには、例えば、流量と当該流量に対応する適切な回転速度（もしくは回転数、周波数）との対応関係を示すテーブルが記憶されている。これにより、例えば最低流量未満のある流量から、当該流量に適した適切な回転速度（もしくは回転数、周波数）を導き出せる。同様に、落差と当該落差に対応する適切な回転速度（もしくは回転数、周波数）との対応関係を示すテーブルや、出力と当該出力に対応する適切な回転速度（もしくは回転数、周波数）との対応関係を示すテーブルも記憶される。

制御装置７は、上述した各種の機能を用いて、例えば以下のことを選択的に実施することができる。

（「流量」に応じた切り替え制御）
例えば、制御装置７は、流量を示す情報を取得し、当該流量が所定値を下回ったと判定したときに、発電機３が分岐回路１２を通じて電力系統Ｐに連系されるように連系の経路を切り替える制御を行うことができる。

（「落差」に応じた切り替え制御）
また、制御装置７は、水位を示す情報を取得し、この水位から演算により落差を求め、当該落差が所定値を下回ったときに、発電機３が分岐回路１２を通じて電力系統Ｐに連系されるように連系の経路を切り替える制御を行うことができる。

（「出力」に応じた切り替え制御）
制御装置７は、取得した主回路１１側の電圧および電流から、演算部４２により発電機３の出力を求め、当該出力が所定値を下回ったときに、発電機３が分岐回路１２を通じて電力系統Ｐに連系されるように連系の経路を切り替える制御を行うことができる。

また、制御装置７は、分岐回路１２を使用した場合の発電機３の出力と、分岐回路１２を使用せずに主回路１１を使用した場合の発電機３の出力とをそれぞれ求め、値が大きい方の出力が所定値を下回ったときに、発電機３が分岐回路１２を通じて電力系統Ｐに連系されるように連系の経路を切り替える制御を行うことができる。

なお、図１に例示した周波数変換器５は、発電機３に比して容量が小さいものであるが、最低流量未満の運転を実現するために必要な容量を確保しつつ、更なる周波数変換器５の小容量化を図ることも可能である。その場合、例えば、周波数変換器５の両側もしくは片側に、比較的小型の変圧器を直列に接続することで実現できる。

次に、図３のフローチャートを参照して、制御装置７による動作の一例を説明する。

ここでは、「流量」に応じた切り替え制御を行う場合の例を挙げる。

いま、水力発電システムは、通常運転が行われており、主回路１１側の遮断器１は閉の状態にあり、分岐回路１２側の遮断器６は開の状態にあるものとする。

制御装置７は、水の流量（例えば河川の流量あるいは水車４に流入する水の流量）の情報を取得しながら流量の状態を監視し（ステップＳ１１）、流量が所定値を下回ったか否かを定期的に判定する（ステップＳ１２）。流量が所定値を下回らなければ（ステップＳ１２のＮＯ）、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。

もし、流量が所定値を下回った場合は（ステップＳ１２のＹＥＳ）、制御装置７は、遮断器１および遮断器６を操作して、発電機３が分岐回路１２を通じて電力系統Ｐに連系されるようにする。すなわち、最初に遮断器１を閉から開に切り替え（ステップＳ１３）、その後に遮断器６を開から閉に切り替える（ステップＳ１４）。その後、制御装置７は、周波数変換器５を操作して、発電機３および水車４の回転速度を目標の回転速度まで低下させる（ステップＳ１５）。この場合、周波数変換器５の発電機３側の周波数を通常の周波数（例えば５０Ｈｚ）から徐々に低下させることにより、発電機３および水車４の回転速度を徐々に低下させ、目標の回転速度に至るまで低下させる。

これにより、河川などの流量が一定未満の状態においても、回転速度を下げてキャビテーションが生じにくい安定した運転が行われる。

制御装置７は、引き続き、水の流量の情報を取得しながら流量の状態を監視し（ステップＳ２１）、流量が所定値を上回ったか否かを定期的に判定する（ステップＳ２２）。流量が所定値を上回らなければ（ステップＳ２２のＮＯ）、ステップＳ２１からの処理を繰り返す。

もし、流量が所定値を上回った場合は（ステップＳ２２のＹＥＳ）、制御装置７は、周波数変換器５を操作して、発電機３および水車４の回転速度を通常の回転速度まで徐々に戻す（ステップＳ２３）。この場合、周波数変換器５の発電機３側の周波数を通常の周波数（例えば５０Ｈｚ）へ向けて徐々に増加させることにより、水車４および発電機３の回転速度を徐々に上昇させ、通常の回転速度に至るまで上昇させる（ステップＳ２３）。通常の回転速度に戻ったら、制御装置７は、遮断器１および遮断器６を操作して、発電機３が分岐回路１２を介さずに主回路１１を通じて電力系統Ｐに連系されるようにする。すなわち、最初に遮断器６を閉から開に切り替え（ステップＳ２４）、その後に遮断器１を開から閉に切り替える（ステップＳ２５）。

これにより、通常の運転状態に戻る。この後は、ステップＳ１１からの処理を繰り返すことになる。

このように、本実施形態によれば、通常運転時においては周波数変換器による不要な損失を発生させず、また、最低流量未満の運転時においても必要最低限の変換器容量の変換器を用いているので大きな損失を発生させず、かつ、キャビテーションが生じにくい安定した運転を行うことができる。

以上詳述したように、実施形態によれば、河川等の流量が一定未満の場合でも回転速度を下げて安定した運転を行うことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，６…遮断器、２…主変圧器、３…発電機、４…水車、５…周波数変換器、７…制御装置、１１…主回路、１２…分岐回路、２１，３１…計器用変流器（ＣＴ）、２２，３２…計器用変圧器（ＰＴ）、Ｐ…電力系統。

Claims (9)

1. 電力系統に主回路を通じて連系される発電機と、前記発電機に直結された水車とを有する水力発電システムの可変速運転制御装置であって、
   前記主回路から分岐して設けられ、前記発電機の出力周波数と前記電力系統の系統周波数との間の周波数変換を行う周波数変換器を備えた分岐回路と、
   水の流量が通常運転における最低流量未満となった場合に、前記発電機が前記分岐回路を通じて前記電力系統に連系されるように連系の経路を切り替える制御を行うとともに、前記周波数変換器を操作することにより前記発電機および前記水車の回転速度を低下させる制御を行う制御手段とを具備することを特徴とする、水力発電システムの可変速運転制御装置。
2. 前記主回路は、第１の遮断器を有し、
   前記分岐回路は、前記周波数変換器と直列に接続される第２の遮断器を有し、
   前記制御手段は、水の流量が一定未満の場合に、前記第１の遮断器を閉の状態から開の状態に切り替え、前記第２の遮断器を開の状態から閉の状態に切り替える
   ことを特徴とする、請求項１に記載の水力発電システムの可変速運転制御装置。
3. 前記主回路は、遮断器を有し、
   前記分岐回路は、前記周波数変換器と直列に接続される半導体スイッチを備え、
   前記制御手段は、水の流量が一定未満になると、前記遮断器を閉の状態から開の状態に切り替え、前記半導体スイッチを開の状態から閉の状態に切り替える
   ことを特徴とする、請求項１に記載の水力発電システムの可変速運転制御装置。
4. 前記制御手段は、水の流量を示す情報を取得し、当該流量が所定値を下回ったときに、前記発電機が前記分岐回路を通じて前記電力系統に連系されるように連系の経路を切り替える制御を行うことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水力発電システムの可変速運転制御装置。
5. 電力系統に主回路を通じて連系される発電機と、前記発電機に直結された水車とを有する水力発電システムの可変速運転制御装置であって、
   前記主回路から分岐して設けられ、前記発電機の出力周波数と前記電力系統の系統周波数との間の周波数変換を行う周波数変換器を備えた分岐回路と、
   貯水の水位を示す情報を取得し、この水位から演算により落差を求め、当該落差が通常運転における最低落差未満となった場合に、前記発電機が前記分岐回路を通じて前記電力系統に連系されるように連系の経路を切り替える制御を行うとともに、前記周波数変換器を操作することにより前記発電機および前記水車の回転速度を低下させる制御を行う制御手段とを具備することを特徴とする、水力発電システムの可変速運転制御装置。
6. 電力系統に主回路を通じて連系される発電機と、前記発電機に直結された水車とを有する水力発電システムの可変速運転制御装置であって、
   前記主回路から分岐して設けられ、前記発電機の出力周波数と前記電力系統の系統周波数との間の周波数変換を行う周波数変換器を備えた分岐回路と、
   前記発電機の出力を求め、当該出力が通常運転における最低出力未満となった場合に、前記発電機が前記分岐回路を通じて前記電力系統に連系されるように連系の経路を切り替える制御を行うとともに、前記周波数変換器を操作することにより前記発電機および前記水車の回転速度を低下させる制御を行う制御手段とを具備することを特徴とする、水力発電システムの可変速運転制御装置。
7. 電力系統に主回路を通じて連系される発電機と、前記発電機に直結された水車とを有する水力発電システムの可変速運転制御装置であって、
   前記主回路から分岐して設けられ、前記発電機の出力周波数と前記電力系統の系統周波数との間の周波数変換を行う周波数変換器を備えた分岐回路と、
   前記分岐回路を使用した場合の前記発電機の出力と、前記分岐回路を使用せずに前記主回路を使用した場合の前記発電機の出力とをそれぞれ求め、値が大きい方の出力が所定値を下回ったときに、前記発電機が前記分岐回路を通じて前記電力系統に連系されるように連系の経路を切り替える制御を行うとともに、前記周波数変換器を操作することにより前記発電機および前記水車の回転速度を低下させる制御を行う制御手段とを具備することを特徴とする、水力発電システムの可変速運転制御装置。
8. 前記周波数変換器は前記発電機に比して容量が小さいものであることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の水力発電システムの可変速運転制御装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の可変速運転制御装置を備えたことを特徴とする水力発電システム。