KR102338118B1 - 수력 발전 계통 연계 시스템 - Google Patents

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KR102338118B1
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가부시키가이샤 히다치 산키시스템
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Abstract

상위 컨트롤러 등을 마련하지 않고, 변화되는 수동력에 대응하여 자율적으로 대수 제어 운전을 행하는 복수의 수차 발전기로 구성된 수력 발전 계통 연계 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 목적을 달성하기 위하여, 수도관에 설치된 수차와, 수차에 의하여 구동되는 영구 자석식 동기 발전기와, 영구 자석식 동기 발전기를 인버터에 의하여 발전 제어하는 발전 컨트롤러로 이루어지는 구성을 복수 이용하여, 각 인버터에 의해 발전한 직류 전력을 상호 간에 접속한 후, 계통 연계 장치를 통하여 계통으로 역조류하는 수력 발전 계통 연계 시스템에 있어서, 각각의 발전 컨트롤러가 각각의 수차의 특성에 기초하는 발전 제어를 독립적으로 행함과 함께, 각각에 발전의 개시 회전수 및 정지 회전수를, 다른 수차와는 상이하도록 설정함으로써, 수도관의 수량 변화에 대응하여 자율적으로 대수 운전을 행하도록 구성한다.

Description

수력 발전 계통 연계 시스템
본 발명은, 물의 미이용 에너지를 회수하는 수력 발전 시스템에 관한 것이며, 특히 발전한 전력을 계통으로 연계하는 수력 발전 계통 연계 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 미이용된 물의 위상 에너지를 수차와 발전기에서 회수하는 수력 발전 시스템에서 계통에 접속하여 발전한 전력을 계통으로 역조류 매전하는 계통 연계 시스템에서는, 발전에 이용할 수 있는 수동력(水動力)을 가능한 한 효율적으로 전력으로 변환할 필요가 있다.
한편, 재생 가능 에너지로서의 미이용된 물은 수량이 계절이나 시간대 등에 따라 변화되는 경우가 많다. 이 때문에, 설치하는 장소에서 얻어지는 최대의 수량에 맞추어 수차의 선정을 행하는데, 소규모 수력 발전 시스템에서는, 펌프 역전 수차로 대표되는 고정익의 수차가 일반적이다. 즉, 가변 피치 기구나 가이드 베인 등 수량 변화에 대응하는 기계적인 기능이 없기 때문에, 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 수동력의 변화에 맞추어, 수차에 의하여 구동되는 발전기의 발전 능력을 가변함으로써, 수차의 능력을 최대로 끌어내는 방법이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2004-364357호 공보
특허문헌 1은, 1대의 수차에 의하여 넓은 유량 범위, 유효 낙차 범위에서의 고효율의 수력 발전을 실현하고 있지만, 1대의 수차로는, 크게 변화되는 수량에 대하여 높은 변환 효율을 유지하는 것에는 한계가 있다. 이 때문에, 수량의 변화를 고려한 후, 복수의 수차를 설치하고, 유량 검출 장치와 상위 컨트롤러에 의하여, 수량에 맞추어 운전하는 대수(臺數)를 전환하는 운전 제어 방법을 생각할 수 있지만, 어떠한 식으로 복수의 수차를 제어함으로써 시스템으로서 효율이 좋은지에 대하여 특허문헌 1은 고려하고 있지 않다.
본 발명의 목적은, 계통에 접속하여 발전한 전력을 역조류하는 복수 수차에 의한 계통 연계 발전 시스템을 대상으로 하여, 수차 발전에 이용 가능한 수동력의 변화에 대하여, 개개의 수차의 특성을 고려한 수차 발전 제어를 행함과 함께, 유량 검출 장치 및 검출한 유량에 따라 최적의 운전 대수를 제어하는 상위 컨트롤러 등을 삭감한 최소의 기기 구성으로 대수 제어 운전을 가능하게 하는 복수 수차에 의한 소규모 수력 발전 계통 연계 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명은, 상기 배경기술 및 과제를 감안하여 그 일례를 들자면, 수도관에 설치된 수차와, 수차에 의하여 구동되는 영구 자석식 동기 발전기와, 영구 자석식 동기 발전기를 인버터에 의하여 발전 제어하는 발전 컨트롤러로 이루어지는 구성을 복수 이용하여, 각 인버터에 의해 발전한 직류 전력을 상호 간에 접속한 후, 계통 연계 장치를 통하여 계통으로 역조류하는 수력 발전 계통 연계 시스템에 있어서, 각각의 발전 컨트롤러가 각각의 수차의 특성에 기초하는 발전 제어를 독립적으로 행함과 함께, 각각에 발전의 개시 회전수 및 정지 회전수를, 다른 수차와는 상이하도록 설정함으로써, 수도관의 수량 변화에 대응하여 자율적으로 대수 운전을 행하도록 구성한다.
본 발명에 의하면, 간단한 구성으로 수차에 대한 수동력의 변화에 대응하여 수차 특성에 기초하는 최적의 수차 제어를 행함과 함께, 복수 수차의 자율적인 대수 운전 제어에 의한 수력 발전 계통 연계 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예 1에 있어서의 복수의 수차로 구성되는 수력 발전 계통 연계 시스템의 구성도이다.
도 2는 실시예 1에 있어서의 발전 컨트롤러의 기능 블록도이다.
도 3은 실시예 1에 있어서의 발전 컨트롤러의 발전 제어 특성을 나타내는 특성도이다.
도 4는 실시예 1에 있어서의 수동력의 변화와 수차의 자율적 대수 운전 제어를 나타내는 타임 차트이다.
도 5는 실시예 1에 있어서의 계통 이상 발생 시의 수차의 자율적 대수 운전 제어를 나타내는 타임 차트이다.
도 6은 실시예 2에 있어서의 복수 수차에 의한 수력 발전 계통 연계 시스템의 구성도이다.
도 7은 실시예 2에 있어서의 발전 컨트롤러의 발전 제어 특성을 나타내는 특성도이다.
도 8은 실시예 2에 있어서의 수위 변동 시의 자율적 대수 운전 제어를 나타내는 타임 차트이다.
이하, 본 발명의 실시예를, 도면을 이용하여 설명한다.
실시예 1
도 1은, 본 실시예에 있어서의 수력 발전 계통 연계 시스템의 구성이다. 도 1에 있어서, 수차(101, 201, 301)에 대하여 연직 방향으로 높이가 있는 장소에 설치되는 상부 저수조(9)에, 수력 발전에 이용하는 이용 가능 수량 Q0(13)의 물이 유입되어 있다. 상부 저수조(9)로부터 수도관(도수관, 송수관, 배수관 등을 포함함)(1)을 거쳐 수차 유량 Qp(14)는 1차측 수도 분기관(31)에 의하여 Q1, Q2, Q3로 배분되어, 각각 수차마다의 수도관(106, 206, 306)으로 3대의 수차(101, 201, 301)에 공급된다. 그것에 의하여 수차(101, 201, 301)로 수차 유량 Qp(14)의 물이 송수되어 발전에 이용되며, 2차측 수도 분기관(32)을 통하여 배수된다.
수차(101)는 플라이휠(107)과 영구 자석식 동기 발전기(102)를 구동한다. 영구 자석식 동기 발전기(102)는, 인버터(103)에 의해 발전 컨트롤러(104)에 의하여 발전 제어됨으로써 직류 전력을 발생시키고, 직류 케이블부(6)에서 계통 연계 파워 컨디셔너(7)로 전력을 공급한다. 계통 연계 파워 컨디셔너(7)는, 직류 전력을, 상용 전원에 동기한 교류 전력으로 변환하여, 계통(8)으로 전력을 역조류하는 계통 연계 장치이다. 각 발전 컨트롤러(104, 204, 304)에는 목표 직류 전압 VDC *가 설정되어 있으며, 직류 케이블부(6)의 직류 전압 VDC를 VDC *로 하도록, 도 3에 나타내는 수차의 특성(22)에 기초하는 발전 제어를 행하고 있다.
한편, 직류 케이블부(6)의 전압 VDC는, 계통 연계 파워 컨디셔너(7)에 의한 역조류의 전력량에 따라 정해지기 때문에, 계통 연계 시스템의 경우, VDC는 계통 연계 파워 컨디셔너(7)에 의하여 제어되고 있다. 결과로서, 직류 케이블부(6)의 직류 전압값은 계통 연계 파워 컨디셔너(7)의 직류 전압 제어값 VDC로 된다. 따라서 본 발전 시스템에서는, 하기 관계가 성립될 때 발전 상태로 된다.
VDC *>VDC
또한 수차(201, 301)에 대해서도 마찬가지로, 수차(201, 301)는 각각 플라이휠(207, 307)과 영구 자석식 동기 발전기(202, 302)를 구동한다.
일반적으로 재생 가능 에너지로서의 수력 이용에서는, 발전에 이용하는 수량이 계절 등의 조건에 따라 변화된다. 이 때문에 상부 저수조(9)에는, 수위를 검출하는 수위계(11) 등에 의하여 저수조의 수위를 확인하여, 수위가 일정해지도록 유량 조정 밸브(10)를 이용하여, 수차 유량 Qp(14)가 이용 가능 수량 Q0을 초과하여 저수조가 비지 않도록 수차 유량 Qp(14)를 조정하고 있다. 또한 수위계의 전원은, 수차에 의한 발전에 의하여 공급되고 있다.
수차(101, 201, 301)에 대한 상부 저수조(9) 위치의 높이는 변화되지 않기 때문에, 유량 조정 밸브(10)에 의한 수량 Qp의 변화는, 수차에 입력되는 수동력의 변화로 된다. 이 때문에, 재생 가능 에너지를 이용한 계통 연계 시스템에 있어서는, 입력되는 에너지가 변화, 변동되는 조건 하에서 발전 컨트롤러(104, 204, 304)에 의하여 항시 최대의 발전량을 수차로부터 얻도록 제어를 행한다. 구체적으로는, 발전 컨트롤러(104, 204, 304)가 수차 파워 커브(22)에 기초하여 발전기로부터 취출하는 발전 전력을, 수차에 입력되는 에너지에 맞추어 최적화되도록 인버터(103, 203, 303)에 대하여 발전 전력을 제어한다.
각 수차에 대한 수량 Q1, Q2, Q3은, 각 수차의 발전량에 따라 상기 수도관의 압력 손실이 변화되기 때문에 배분도 상이하다.
일반적으로 수차의 회전수가 높아지면 압력 손실은 증가하고, 수차의 에너지 변환 효율이 최대로 되는 정격 운전 시에 압력 손실은 최소로 된다. 이 때문에, 수차 발전에서는 발전 제어에 따라 압력 손실이 변화된다.
발전 컨트롤러(104, 204, 304)는 각각, 자신의 수차 파워 커브에 기초하는 발전 제어를 행한다.
도 2는, 발전 컨트롤러의 기능 블록을 도시한 도면이다. 도 2에 있어서는 발전 컨트롤러(104)에 대해서만 기재하고 있지만, 발전 컨트롤러(204, 304)에 대해서도 마찬가지의 구성이므로 그 기재는 생략하고 있다. 도 2에 있어서 발전 컨트롤러(104)는, 영구 자석식 동기 발전기(102)에 의하여 발전되는 3상 교류 전력을, 계통 연계 파워 컨디셔너(7)에 공급 가능한 직류 전력으로 변환하는 인버터(103)를 제어한다. 이 인버터(103)의 제어는, 마이크로프로세서인 발전기 제어 마이크로컴퓨터(50)에 의하여 행해진다. 발전기 제어 마이크로컴퓨터(50)는, 영구 자석식 동기 발전기(102)의 상전류값을 검출하는 전류 센서(58)로부터 영구 자석식 동기 발전기(102)의 상전류를 검출하는 전류 검출부(57)와, 위치·속도 추정 연산부(56)와, 인버터(4)의 출력 전압값을 검출하는 PN 전압 검출부(55)와, 발전 전력 명령 생성부(54)와, 전압 명령 연산부(53)와, d/q 변환부(52)와, PWM 제어 펄스 생성부(51)를 구비하고 있다. 각 구성은 일반적인 인버터 제어에서 알려져 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다. 인버터(103)는 반도체 스위칭 소자를 갖고 있으며, 영구 자석식 동기 발전기(102)에 의하여 발전되는 전력을, 반도체 스위칭 소자를 온/오프 제어함으로써 직류로 변환함과 함께, 그 직류 전압을 제어하여 계통 연계 파워 컨디셔너(7)에 공급 가능한 직류 전력으로 변환한다. 발전기 제어 마이크로컴퓨터(50)는, 그 반도체 스위칭 소자를 온/오프 제어하기 위한 PWM 제어 신호를 생성하여 인버터(103)를 제어한다.
도 3에, 각 발전 컨트롤러에 탑재되어 있는 수차 파워 커브와, 발전 개시 및 발전 정지의 각 설정 회전수를 나타낸다. 도 3에 있어서, 본 시스템의 최대 수량 시의 수차 무구속 회전수를 NMAX라 한다. 또한 설명을 위하여 3대의 수차는 동일한 성능으로 하고 정격 출력을 3㎾로 한다.
도 3에 있어서, 발전 컨트롤러가 발전을 개시하여 발전량을 증가시켜 가면, 수차의 동작점은 무구속의 회전수로부터 수차 파워 커브(22) 상을 우측으로부터 좌측으로 이동해 간다.
수차에 대한 수동력이 수차마다의 정격 발전 출력 P0인 경우에는, 회전수가 정격 발전 회전수 N0에서 100%의 발전 출력 3㎾가 얻어진다.
수동력이 수차 1대당 2㎾밖에 되지 않는 경우에는, 동작점은 N0을 초과하여 좌측으로 이동하여, 회전수가 N32, 출력이 P32의 출력 66.6%, 2㎾ 상당으로 된 시점에서 균형을 이룬다. 발전 컨트롤러는 수동력의 증감에 맞추어 동작점을, 수차의 파워 커브(22) 상을 이동시킴으로써, 항시 수차의 최적 동작점을 유지하면서 발전을 계속하는 제어를 행한다.
본 실시예에서는, 3대의 수차에 의한 병렬 운전 시에 최적의 운전 대수로 되도록 각각의 발전 컨트롤러에 발전 개시 및 발전 정지 회전수를 설정한다.
발전 컨트롤러(104, 204, 304)에는, 각각 도 3에 나타내는 발전 개시 회전수와 발전 정지 회전수를, 각각 하기에 나타내는 조건을 만족시키도록 상이한 값으로 설정한다.
N10: 수차(101)의 발전 정지 회전수
수차(101)의 발전 가능한 최저 출력을 P10이라 하면, 도 3의 수차 파워 커브(22)로부터 P10 시의 수차(101)의 발전 정지 회전수 N10을 구한다.
N1S: 수차(101)의 발전 개시 회전수
본 수차의 정격 회전수 N0 이상, 및 최저 발전 가능 수량 시에 있어서의 수차 3대의 무구속 회전 수치 미만으로 되는 값으로 한다.
N21: 수차(201)의 발전 정지 회전수
수차 2대로 운전 중에 1대를 정지하고 1대 운전으로 전환하는 출력인 수차(201)의 발전 정지 출력을 P21이라 하면,
P21=100(n-1)/n=50.0%, n=2
3㎾의 50%로 되는 1대당 1.5㎾에서 2대를 1대로 하면, 1대에서 3㎾의 100% 정격 운전으로 된다. 도 3의 수차 파워 커브(22)로부터 P21 시의 회전수 N21을 구하여 발전 컨트롤러(204)에 설정한다.
N2S: 수차(201)의 발전 개시 회전수
N1S 이상, 및 수동력이 수차 1대의 정격 이상 2대의 정격 미만일 때의 수차 3대의 무구속 회전수의 값.
N32: 수차(301)의 발전 정지 회전수
수차 3대로 운전 중에 1대를 정지하고 2대 운전으로 전환하는 출력인 수차(301)의 발전 정지 출력을 P32라 하면,
P32=100(n-1)/n=66.6%, n=3
3㎾의 66.6%로 되는 1대당 약 2㎾에서 3대를 2대로 하면, 2대에서 약 3㎾의 100% 정격 운전으로 된다. 도 3의 수차 파워 커브(22)로부터 P32 시의 회전수 N32를 구하여 발전 컨트롤러(304)에 설정한다.
N3S: 수차 3호기의 발전 개시 회전수
N2S 이상이고, 또한 수동력이 수차 2대의 정격 이상 3대의 정격 미만일 때의 수차 3대의 무구속 회전수의 값.
상기와 같이 각 발전 컨트롤러의 발전 개시 및 정지 회전수를 설정함으로써, 수동력의 변화에 따라 자율적으로 대수 운전으로 된다.
또한 실제의 적용에 있어서는 대수의 제한은 특별히 없으며, 또한 수차의 출력, 특성이 각각 상이하더라도 대수 전환 전후의 발전 출력을 고려하면 되어서, 마찬가지의 사고 방식으로 실시가 가능하다.
또한 상용 전원 및 외부 전원이 없는 경우 등에, 시스템을 구성하는 모든 기기의 전원을 수차에 의한 발전 전력에 의하여 공급하는 경우를 생각할 수 있다. 그 경우, 수차의 회전만으로 발전 시스템을 완전한 정지 상태로부터 기동시키는 블랙 스타트의 경우 등에는, 수차의 회전에 의한 유기 전압만으로 발전 컨트롤러 외의 제어 전원을 기동시킬 필요가 있으며, 최소 수량 시에 수차에 의하여 구동된 영구 자석식 동기 발전기의 유기 전압에서 인버터의 제어 전원을 기동시키는 데에 필요한 최저 회전수가 설정된다. 또한 수량이 적은 조건 하에서 블랙 스타트를 행하는 경우에는, 복수 대의 수차 각각의 무구속 회전수가 부족하여 제어 전원의 기동이 불가능할 가능성이 있다. 이 경우에는, 1대의 수차 이외의 수도관의 송수를 수동 지수 밸브로 멈춤으로써, 기동용의 1대의 수차의 무구속 회전수를 높일 수 있다. 본 실시예의 복수의 수차로 구성되는 수력 발전 계통 연계 시스템에서는 직류부가 서로 접속되어 있으므로, 송수가 없는 수차의 제어 전원도 동시에 기동된다. 모든 수차의 제어 전원이 기동된 후에 상기한 지수 밸브를 엶으로써 발전 시스템을 가동하는 것이 가능하다.
도 4에, 본 실시예에 있어서의 수동력의 변화에 대한 3대의 수차 발전의 상태 천이를 나타낸다. 도 4에 있어서, 횡축은 경과 시간, 종축은 위에서부터 각 수차의 회전수와 발전 출력, 및 합계 수동력 PIN과 합계 발전 출력 PLOAD를 나타낸다. 발전 개시 전의 상태로서, 상부 저수조(9)는 충분한 물이 있고 유량 조정 밸브(10)가 닫혀 있는 것으로 한다.
시간 t0에 상부 저수조의 유량 조정 밸브를 열어 완전 개방으로 한다. 3대의 수차에 수동력이 입력되어 3대 모두 무구속 회전수 NMAX까지 회전수가 상승한다.
t1에 계통 연계 파워 컨디셔너가 계통 연계를 개시하여 발전 전력의 역조류를 개시하면, 각 발전 컨트롤러는 발전기의 발전량을 증가시킨다. 이것에 의하여 수차에 토크가 걸려 회전수가 저하되어 간다.
t2에 각 수차가 정격 출력 P0의 3㎾로 되어 회전수는 N0, 수차 3대의 합계 출력이 9㎾로 된다.
t3으로부터 유량 조정 밸브를 조작하여 t4에 수동력을 6㎾까지 좁혀나간다.
1차측 수도 분기관(31)에 의하여 수차 3대에 등분으로 배수되기 때문에, 각 수차는, 각각 도 3의 수차 파워 커브(22) 상의 동작점이 이동하여 출력을 저하시킴과 함께 회전수가 N32까지 저하되어 간다.
t4에 3대의 수차의 회전수가 N32에 도달하면, 발전 컨트롤러(304)는 수차(301)의 발전 정지 회전수로 되기 때문에, 발전을 정지하여 수차(301)를 무구속으로 한다.
t4 내지 t5의 기간에 수차(301)가 무구속으로 되어 회전수가 상승한다. 이것에 의하여 수도관(306)의 압력 손실이 증가하기 때문에, 수동력은 운전 중인 2대의 수차에 효율적으로 배분된다. 수차(301)의 발전량이 0으로 됨과 함께, 운전 중인 2대의 발전 출력 및 회전수가 상승한다.
t5 내지 t6에는 합계 수동력이 6㎾에 대하여 수차 2대로 발전 운전을 계속한다.
t6 내지 t7에는 유량 조정 밸브로 유량을 더 좁혀나가 합계 수동력 PIN을 3㎾까지 감소시켜 간다. 2대의 수차는 PIN의 저하에 맞추어, 수차 파워 커브에 기초하여 출력을 좁혀나감과 함께 회전수가 저하되어 간다. 2대의 수차의 회전수가 N21에 도달하면, 수차(201)의 발전 컨트롤러(204)는 발전을 정지하여 수차(201)를 무구속으로 한다.
t7 내지 t8의 기간에 수차(201)가 무구속으로 되어 회전수가 상승한다. 이것에 의하여 수도관(206)의 압력 손실이 증가하기 때문에, 수동력은 운전 중인 1대의 수차에 효율적으로 배분된다. 수차(201)의 발전량이 0으로 됨과 함께, 운전 중인 1대의 발전 출력 및 회전수가 상승한다. 수차(201과 301)는 모두 무구속이므로 동일한 회전수까지 회전수가 상승한다.
t8 내지 t9에는 합계 수동력 3㎾에 대하여 수차 1대로 발전 운전을 계속한다.
t9에 다시 상부 저수조의 유량 조정 밸브를 열어 가면, 수차에 대한 수동력 PIN이 상승한다.
t9 내지 t10 동안에는, PIN이 증가하여 수차(101)의 정격 3㎾를 초과하더라도, 이미 수차(101)는 정격 출력 P0에서 이 이상 발전량을 증가시킬 수 없기 때문에, 회전수가 N0을 초과하여 상승해 간다. 동시에 무구속으로 되어 있는 수차(201과 301)의 회전수도 상승해 간다.
t10에 무구속의 수차 2대의 회전수가 N2S에 도달하면, 수차(201)의 발전 컨트롤러(204)는 발전 개시 주파수로 되므로 수차(201)의 발전 동작을 개시한다.
t10 내지 t11에 수차(201)의 발전량이 증가함과 함께, 수차(201)의 수차 회전수가 저하되면 수도관(206)의 압력 손실도 저하되어 Q2가 증가한다. 이것에 의하여 다른 수차의 회전수는 저하되어 간다. 또한 t10의 시점에 PIN은 3㎾를 초과해 있으므로, 수차(101과 201)의 회전수는 저하되더라도 P21 이상으로 된다.
t11에 수차(201)의 발전량이 상승하면, t11 내지 t12 동안, 2대의 합계 발전량 PLOAD는 PIN에 추종하여 증가해 간다.
이상의 동작에 의하여, PIN의 증감에 맞추어 3대의 수차는 자율적으로 대수 제어 운전으로 되어서, 수차의 효율점을 유지하면서 운전을 계속할 수 있다.
다음으로, 발전 운전 개시 시의 수동력이 정격의 50%밖에 되지 않으며, 그 후 정격까지 증가하는 경우와, 계통 이상 등에 의하여 계통 연계 파워 컨디셔너가 역조류를 순시에 정지하고, 그 후 재개한 경우의 동작에 대하여 도 5에서 설명한다.
도 5에 있어서, t0에 상부 저수조의 유량 조정 밸브를 50%까지 열어 가서 수차에 수동력을 입력한다. 3대의 수차는 발전 동작 전의 무구속 상태이기 때문에 동시에 회전수가 상승해 간다. 수동력이 50% 밖에 되지 않기 때문에 무구속의 회전수는 N2S를 초과 N3S 미만까지 상승한다.
t1에 계통 연계 파워 컨디셔너가 역조류를 개시하면, 수차의 회전수가 N1S, N2S를 초과해 있으므로 발전 컨트롤러(104와 204)는 발전 동작을 개시한다. 수차(301)는 회전수가 N3S에 도달해 있지 않으므로, 발전 컨트롤러(304)는 발전을 개시하지 않는다.
t1 내지 t2에 수차(101과 201)의 발전량이 증가해 감과 함께 수차의 회전수도 저하되어 간다. 이때 수차(301)는 발전량이 없어서, 수차는 무구속 회전수인 채로 된다.
t2 내지 t3 동안에는 PIN이 50%인 4.5㎾를 유지하고 있으며, 수차(101과 201)는 모두 75% 상당으로 되는 2.25㎾의 발전량을 유지한다.
t3 내지 t4에 다시 유량 조정 밸브에 의하여 PIN을 4.5㎾로부터 6.0㎾까지 증가시키면, 수차(101과 201)는 동시에 발전 출력을 증가시켜 가서 정격 P0의 100% 상당 3㎾에 도달하고, t4 내지 t5 동안 PIN에 맞추어 이 상태를 유지한다.
t5로부터 다시 유량 조정 밸브를 조작하여 PIN을 정격인 9㎾까지 증가시켜 간다.
t5의 시점에 수차(101과 201)는 정격 출력으로 되어 있기 때문에 이 이상 발전량을 증가시킬 수 없다. 이 때문에, 발전 운전 중인 2대의 수차는 정격 회전수인 N0을 초과하여 회전수가 상승해 간다. 동시에 무구속 상태의 수차(301)의 회전수도 상승하여, t6에 N3S에 도달하면 발전 컨트롤러(304)가 발전 동작을 개시한다.
t6 내지 t7에 수차(301)의 발전량이 증가함과 함께 수차 회전수가 저하되면 수도관(306)의 압력 손실도 저하되어 Q3이 증가한다. 이것에 의하여, 다른 운전 중인 수차의 회전수도 저하되어 간다. 또한 t7의 시점에 PIN은 6㎾를 초과해 있으므로, 3대의 수차의 회전수는 저하되더라도 P32 이상으로 된다.
t7 내지 t8에는, 3대의 수차는 PIN에 맞추어 동시에 발전 출력을 증가시켜 가서, t8로부터 t9까지 PIN이 정격인 9㎾를 유지하고, 3대의 수차의 발전 출력 PLOAD도 정격을 유지한다.
t9의 시점에 계통에 이상이 발생하여, 계통 연계 파워 컨디셔너(7)가 보호 동작에 의하여 역조류를 정지하면, 순간적으로 PLOAD가 정격인 9㎾로부터 0㎾로 된다.
수차 발전 운전 중에 계통 연계 파워 컨디셔너(7)가 역조류를 정지하면, 도 1의 직류 케이블부(6)의 전압 VDC가 급상승한다. 직류 케이블부(6)에 접속되는 발전 컨트롤러는, 각각 직류 전압 VDC를 목표 전압으로 유지하도록 제어하고 있기 때문에, 전압의 급상승을 저지하도록 순시에 발전량을 좁혀나가는 동작을 행한다. 이것에 의하여 3대의 수차는 모두 무구속으로 되고 회전수는 NMAX까지 상승한다.
계통 연계 파워 컨디셔너(7)가 역조류를 재개하는 t10까지의 동안에는, 각 발전 컨트롤러가 각각 직류 케이블부의 전압을 목표 전압으로 유지하도록 제어하기 때문에 전압값은 목표 전압값으로 되지만, 역조류가 정지되어 있기 때문에 PLOAD는 0으로 되고 각 수차의 발전도 거의 0인 대기 상태로 된다.
t10에 계통 이상의 복귀에 의하여 계통 연계 파워 컨디셔너(7)가 역조류를 재개하면, PIN이 정격에서 입력되고 있고 직류 전압도 목표 전압으로 유지되어 있기 때문에, 곧 발전 전력을 회복하는 것이 가능하다.
또한 각 수차가 NMAX에서 연속 운전할 수 없는 경우에는, 당해 수차의 수동력을 삭감하거나 또는 잉여 전력을 소비하는 수단을 별도로 마련하는 등 필요한 대책을 실시하면 된다.
상기 동작에 의하여, 수차 발전 중의 계통 이상 발생에 대응함과 함께, 단시간에 발전량의 복귀 동작을 가능하게 하고 있다.
또한 재해 등으로 계통 전원을 상실한 경우에는, 계통 연계 파워 컨디셔너의 자립 운전 기능을 사용하여, 이용 가능 수량의 변화에 대하여 저수조의 수위를 유지하여 자립 부하로 계속해서 전력을 공급할 수 있다.
이상과 같이 본 실시예에 의하면, 수차 발전에 이용 가능한 유량 검출 장치나 검출한 유량에 기초하여 최적의 수차의 운전 대수를 제어하는 상위 컨트롤러를 마련하지 않고, 수차에 대한 수동력의 변화에 대응하여 수차의 특성에 기초하는 최적의 수차 제어를 행함과 함께, 복수 수차의 자율적인 대수 운전 제어에 의한 수력 발전 계통 연계 시스템을 제공할 수 있다.
실시예 2
도 6은, 본 실시예에 있어서의 복수 수차에 의한 수력 발전 계통 연계 시스템의 구성도이다. 도 6에 있어서, 도 1과 동일한 기능의 구성은 동일한 부호를 붙여서 그 설명은 생략한다.
본 실시예에서는, 이용 가능 수량 Q0의 변화에 따른 상부 저수조의 수위 조정에 유량 조정 밸브(10)를 이용하지 않고, 수위계(11)의 수위계 출력(15)에 기초하는 수차의 발전 제어만으로 수위를 유지하도록 발전 제어를 행한다. 즉, 도 6에 있어서, 3대의 발전 컨트롤러(104, 204, 304)에는 상부 저수조(9)의 수위계(11)의 수위계 출력(15)이 입력되어 있으며, 수위계 출력(15)의 값에 의하여 각각 발전 출력의 제한을 행한다.
이하, 수위에 따라 3단계로 출력 제한하는 간이적인 제어에 대하여, 도 7, 도 8을 이용하여 구체적인 동작을 설명한다.
또한 유량의 조정을 행하지 않기 때문에, 3대의 수차에 대한 수동력 PIN은 상시 일정한 것으로서, 이하 설명한다. 엄밀하게는 저수조의 수위 변화에 따라 낙차가 바뀌기 때문에 수동력도 변화되지만, 본 실시예에서의 설명상 영향은 무시할 수 있기 때문에 낙차는 불변으로 하고 있다. 또한 수위가 LH 이상, 및 LH로부터 LM까지의 동안에는 출력 제한은 없다. 수위가 LL 이상 LM 이하인 동안에는 70%로 출력을 제한하고, LL 이하로 되면 발전 출력을 30%로 더 제한하는 것으로 설명한다.
도 7은, 본 실시예에 있어서의 발전 컨트롤러의 발전 제어 특성을 나타내는 특성도이다. 도 7에 있어서, N0은 발전 정지 회전수, N1은 30% 발전 시의 회전수, N2는 70% 발전 시의 회전수, N3은 정격 발전 시의 회전수, N4는 수차 무구속 시의 회전수, P1은 수동력 30% 상당 시의 수차 출력, P2는 수동력 70% 상당 시의 수차 출력, P0은 정격 발전 시의 수차 출력, 22는 수차 파워 커브, 23은 70% 출력 제한 시의 회전수 N2 이상에서의 파워 커브, 24는 30% 출력 제한 시의 회전수 N1 이상에서의 파워 커브이다.
또한 도 8은, 본 실시예에 있어서의 수위 변동 시의 자율적 대수 운전 제어를 나타내는 타임 차트이다. 설명상, 발전 운전의 개시 전에는 상부 저수조(9)의 수위는 LH 이상이어서, 유량 조정 밸브(10)가 닫혀 있는 것으로 한다.
도 8에 있어서, 시간 t0에 상부 저수조(9)의 유량 조정 밸브(10)를 열어 완전 개방으로 한다. 3대의 수차에 수동력이 입력되어 수동력 PIN이 정격인 9㎾로 되면, 3대 모두 무구속 회전수 NMAX까지 회전수가 상승한다.
t1에 계통 연계 파워 컨디셔너(7)가 계통 연계를 개시하여 발전 전력의 역조류를 개시하면, 각 발전 컨트롤러는 발전기의 발전량을 증가시킨다. 이것에 의하여 수차에 토크가 걸려 회전수가 저하되어 간다.
t2에 각 수차는 정격 출력 P0인 3㎾로 되어 회전수는 N0, 수차 3대의 합계 출력 PLOAD는 9㎾로 된다. 수위 WL은, 유량 조정 밸브(10)가 완전 개방 상태에서 수차에 의한 발전이 개시됨과 함께 저하되어 간다.
t3에 수위가 저수조의 수위 레벨 LM 이하로 되면, 3대의 발전 컨트롤러는 발전 출력을 70%로 제한한다. 이것에 의하여 3대의 수차 발전 출력의 합계 출력 PLOAD는 곧 6.3㎾로 된다. 이때 수동력의 입력은 제한되어 있지 않으므로, 3대의 수차는 회전수가 N0으로부터 Na로 상승한다. 3대의 수차의 회전수가 Na로 상승한 것에 의하여, 각각의 수차마다의 수도관의 압력 손실이 상승하여 수량 QP가 감소한다. 이용 가능 수량 Q0이 불변이면, QP의 감소는 상부 저수조의 수위의 저하를 억제하는 방향으로 된다.
도 8에서는, t3 내지 t5 동안에도 계속해서 수위의 저하가 발생하고 있는 상태를 나타낸다. 수위의 저하가 계속되어 t5에 저수조의 수위 레벨 WL이 LL에 도달하면, 3대의 발전 컨트롤러는 발전 출력을 30%로 더 제한한다. 이것에 의하여 3대의 수차 발전 출력의 합계 출력 PLOAD는 곧 2.7㎾로 된다. 이때도 수동력의 입력은 제한되지 않으므로, 3대의 수차는 회전수가 Na로부터 Nb로 상승한다. 3대의 수차의 회전수가 Nb로 상승한 것에 의하여, 각각의 수차마다의 수도관의 압력 손실은 더 상승하고 수량 QP는 감소한다. 이용 가능 수량 Q0이 불변이면, QP의 감소는 상부 저수조의 수위의 저하를 더 억제하는 방향으로 된다.
수차 유량 QP가 현 상황인 것에 의하여, 저수조의 수위 WL의 저하가 억제되어 t7에 LL 이상으로 복귀하면, 발전 컨트롤러는 발전량의 제한을 30%로부터 70%로 되돌린다. 발전량 PLOAD의 증가에 수반하여 수차에 토크가 걸리기 때문에 수차의 회전수는 Nb로부터 Na로 되돌아간다.
이 이후, 이용 가능 수량 Q0이 증가하여 저수조의 수위가 LM으로 되돌아가면, 모든 발전 컨트롤러는 발전량의 제한을 해제하여 정격의 100% 발전 상태로 되돌아간다.
이상과 같이 상부 저수조의 수위 저하에 맞추어 각 수차의 발전량을 제한함으로써, 수차 회전수를 의식적으로 높여 수차마다의 수도관의 압력 손실을 증가시킬 수 있다. 수차마다의 수도관의 압력 손실을 증가시켜 수차 유량을 제한함으로써 저수조의 수위 복귀를 도모할 수 있다.
상부 저수조의 수위는, 이용 가능 수량 Q0과 수차 유량 QP의 관계에서 정해지는 점에서, 상기 제어에 의하여 이용 가능 수량 Q0의 변화에 대응한 수차 유량의 자동 제어가 가능해진다. 즉, 이용 가능 수량 Q0이 변화되는 상황 하에 있어서도, 유량 조정 밸브를 이용하는 일 없이 수차 발전 시스템의 연속된 계통 연계 운전이 가능하다.
또한 본 실시예에서는 설명의 단순화를 위하여 수위에 따라 3단계의 제어로 하였지만, 실제의 실시에 있어서는 수위계의 분해능에 맞춘 제어도 가능하다.
또한 각 수차는 각각의 발전 컨트롤러에 의하여 독립 분산적으로 제어되기 때문에, 수차 대수는 3대에 한정되지 않으며 1대 내지 N대까지 대응 가능하고, 또한 복수 수차로 발전 운전 중이더라도 개별로 수차의 운전 정지가 가능하여 보수 점검 등의 대응이 가능하다.
이상, 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어 본 발명은 실시예에서 설명한 수차에 한정되지 않으며, 풍차나 증기 터빈 등 복수의 발전기를 이용한 발전 시스템에 대한 적용도 가능하다.
또한 반드시, 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한 어느 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 추가하는 것도 가능하다. 또한 각 실시예의 구성의 일부에 대하여, 다른 구성의 추가, 삭제, 치환을 하는 것도 가능하다.
1: 수도관
6: 직류 케이블부
7: 계통 연계 파워 컨디셔너
8: 계통
9: 상부 저수조
10: 유량 조정 밸브
11: 수위계
107, 207, 307: 플라이휠
13: 이용 가능 수량 Q0
14: 수차 유량 Qp
15: 수위계 출력
22: 수차 파워 커브
31: 1차측 수도 분기관
32: 2차측 수도 분기관
101, 201, 301: 수차
102, 202, 302: 영구 자석식 동기 발전기
103, 203, 303: 인버터
104, 204, 304: 발전 컨트롤러
106, 206, 306: 수차마다의 수도관
50: 발전기 제어 마이크로컴퓨터

Claims (10)

  1. 수도관에 설치된 수차와, 해당 수차에 의하여 구동되는 영구 자석식 동기 발전기와, 해당 영구 자석식 동기 발전기를 인버터에 의하여 발전 제어하는 발전 컨트롤러로 이루어지는 구성을 복수 이용하여, 각 인버터에 의해 발전한 직류 전력을 상호 간에 접속한 후, 계통 연계 장치를 통하여 계통으로 역조류하는 수력 발전 계통 연계 시스템에 있어서,
    각각의 상기 발전 컨트롤러가 각각의 수차의 특성에 기초하는 발전 제어를 독립적으로 행함과 함께, 각각에 발전의 개시 회전수 및 정지 회전수를, 다른 수차와는 상이하도록 설정함으로써, 상위 컨트롤러를 마련하지 않고 수도관의 수량 변화에 대응하여 자율적으로 대수(臺數) 운전을 행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 계통 연계 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수도관에 발전 용수를 공급하는 상부 저수조에 수위계를 마련하고,
    해당 수위계의 검출값에 기초하여 유량 조정 밸브에 의하여 상기 수도관의 유량을 조정함으로써, 이용 가능 수량의 변화에 대하여 상기 상부 저수조의 수위를 유지하여 계속된 발전을 가능하게 함과 함께, 상기 수도관의 수량 변화에 대응하여 자율적으로 대수 운전을 행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 계통 연계 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수도관에 발전 용수를 공급하는 상부 저수조에 수위계를 마련하고,
    각각의 상기 발전 컨트롤러가 상기 수위계의 검출값에 기초하여 최대 발전 출력을 제한함으로써 수차의 회전수를 상승시키고, 이것에 의한 압력 손실의 증가를 이용하여 상기 수도관의 유량을 조정함으로써, 이용 가능 수량의 변화에 대하여 상기 상부 저수조의 수위를 유지하여 계속된 발전을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 계통 연계 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 수위계의 전원은 상기 수차에 의한 발전에 의하여 공급되는 것을 특징으로 하는 수력 발전 계통 연계 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    해당 수력 발전 계통 연계 시스템을 구성하는 모든 기기의 전원이 상기 수차의 발전에 의해서만 공급되는 것을 특징으로 하는 수력 발전 계통 연계 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    해당 수력 발전 계통 연계 시스템의 기동에 있어서 상용 전원 및 외부 전원을 필요로 하지 않고, 수차에 대한 수동력(水動力)의 입력에 의한 상기 영구 자석식 동기 발전기의 유기 전압만으로 기동되는 것을 특징으로 하는 수력 발전 계통 연계 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 계통의 전원을 상실한 경우에는, 상기 계통 연계 장치의 자립 운전 기능을 사용하여, 이용 가능 수량의 변화에 대하여 자립 부하로 계속해서 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 계통 연계 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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