WO2011092733A1 - 可変速揚水発電装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

交流励磁同期機を同期特性運転モードとして揚水始動を行い、その後交流励磁同期機をすべり運転モードとして揚水運転に切替え移行する可変速揚水発電装置の制御装置において、 交流励磁同期機の同期特性運転モードでは同期励磁位相信号を、交流励磁同期機のすべり運転モードではすべり位相信号を用いて運転すると共に、揚水始動段階において、目標周波数信号から得た発信器出力演算器の同期励磁位相信号を、交流系統の電圧位相と交流励磁同期機の回転子電機角との差から得たすべり位相信号に近い値に修正して運転する。

Description

可変速揚水発電装置の制御装置

　本発明は交流励磁同期機を用いた可変速揚水発電装置の制御装置に係り、特に揚水始動運転から揚水運転に切り替えるときの操作を迅速に行なうことのできる可変速揚水発電装置の制御装置に関するものである。

　交流励磁同期機を揚水発電システムに応用した可変速揚水発電装置は、従来の同期機に比べて高速・高精度の出力制御ができるようになった。

　この可変速揚水発電装置は、電機子巻線が交流励磁される発電電動機と、発電電動機の電機子巻線軸と同軸で直結されたポンプ水車とを備え、発電電動機を発電機とし、ポンプ水車を水車とすることで発電運転を行い、発電電動機を電動機とし、ポンプ水車をポンプとすることで揚水運転を行なう。

　かつ、発電運転、揚水運転においては、発電電動機の電機子巻線の交流二次励磁を適宜調整し、いわゆるすべり運転を実施することで、それぞれの運転態様に適した回転数での運転が可能となるために高効率の運転を実現できる。

　さらに、発電運転と揚水運転の間で適宜迅速な切替が行なえるために、電力系統の安定運転に大きく貢献できる。例えば、電力系統に電力不足を発生した場合に、揚水運転を取りやめて発電運転に切り替えれば、運転容量の２倍の電力を調整できることになる。これは電力余剰となった場合に、発電運転を取りやめて揚水運転に切り替える場合にも達成できる効果である。

　この運転モードの切替えを迅速に行なえることが、電力系統の安定運転に大きく貢献できることになる。この切替えのうち、発電から揚水への切替段階つまり、発電停止・揚水始動段階においては、交流励磁同期機を同期機特性運転とすることが適している。このため、可変速揚水発電装置に同期機特性運転モードを設け、安全かつ操作可能な発電停止・及び揚水始動を実現している。

　このように、揚水始動段階においては同期機特性運転とし、その後の揚水運転においては、すべり運転を実施することが望ましく、このためには特許文献１に提案されているように、揚水始動から揚水運転への移行時に、同期機特性運転からすべり運転へ移行する際、位相が連続となるように調整動作を行なう必要がある。これにより、切替時に、システムが不安定となることを避けられる。

特許第３０５０９３６号（特開平５―２８４７９８号）

　一般に、揚水始動時の同期機特性運転における位相誤差と、揚水運転時のすべり運転における位相誤差とは相違する。この位相誤差の大きさによっては可変速揚水発電装置の運転を不安定にするため、特許文献１では、揚水始動完了後などに同期機特性運転モードからすべり運転モードへ切り替える場合は、励磁電流指令演算装置に入力するｑ軸電流成分Ｉｑを調整することで切替前後の位相が連続となるようにしている。

　しかし、揚水始動完了後などにｑ軸電流成分Ｉｑを調整するこの操作には時間を要するため、同期機特性運転モードからすべり運転モードへの移行がスムーズに行なえない。

　本発明の目的は、このモード切替えをより短時間で実行することによって、可変速揚水発電システムの運用性を向上することである。

　本発明においては、一次巻線が交流系統に接続され、その回転軸がポンプ水車に直結されるとともに二次巻線が周波数変換装置により励磁される交流励磁同期機と、自動有効電力制御装置の与えるｑ軸電流成分指令Ｉｑと、自動電圧制御装置により決定されるｄ軸電流成分指令Ｉｄを得、位相信号と合成して周波数変換装置に対する励磁電流指令値を求める励磁電流指令演算装置と、交流系統の電圧位相と交流励磁同期機の回転子電機角との差としてすべり位相信号を求めるすべり位相演算器と、目標周波数信号から同期励磁位相信号を得る発信器出力演算器と、交流励磁同期機のすべり運転モードにおいて、すべり位相演算器のすべり位相信号を位相信号として励磁電流指令演算装置に与え、交流励磁同期機の同期特性運転モードにおいて、発信器出力演算器の同期励磁位相信号を位相信号として励磁電流指令演算装置に与える出力演算器とから構成される可変速揚水発電装置の制御装置において、交流励磁同期機を同期特性運転モードとして揚水始動を行い、その後交流励磁同期機をすべり運転モードとして揚水運転に切替え移行する場合に、揚水始動段階において、発信器出力演算器の同期励磁位相信号をすべり位相信号に近い値に修正する修正部を備える。

　また修正部は、すべり位相信号と同期励磁位相信号の差信号の逆三角関数として位相誤差を求め、これに同期特性運転モードにあるときに１以下の値を乗算して三角関数を求め、同期励磁位相信号の位相シフト演算を行なうのがよい。

　可変速揚水発電装置において、同期機特性運転からすべり運転への切替えが短時間かつスムーズに行なえるようになるため、可変速揚水発電装置の運用性が向上する。

本発明における位相誤差補正方法の一実施例を示すブロック図である。 本発明による交流励磁発電動動装置の実施例が適用された揚水発電システムのブロック図である。

　以下、本発明による可変速揚水発電装置について、図を用いて詳細に説明する。

　まず、可変速揚水発電置とその制御系の構成について図２を用いて説明する。

　可変速揚水発電置の主回路構成から説明する。主回路は、大きく交流励磁同期機５と、ポンプ水車４と、周波数変換装置６から構成される。交流励磁同期機５は、一次巻線が同期遮断器２、主要変圧器３を介して交流系統１に接続され、その回転軸はポンプ水車４に直結されている。また、交流励磁同期機５の二次巻線である電機子巻線は、その回転軸上に巻かれると共に周波数変換装置６により励磁される。周波数変換装置６としては、３組の１２相非循環電流方式サイクロコンバータ８と、励磁用変圧器７からなり、励磁用変圧器７は、主要変圧器３と、同期遮断器２の接続点に接続されて電力供給を受ける。

　次に、制御系であるが最終操作端としては、サイクロコンバータの点弧位相を制御して電機子巻線の励磁量を制御する。励磁量は、自動有効電力制御装置１５（ＡＰＲ）と、自動電圧制御装置１６（ＡＶＲ）により決定される。自動有効電力制御装置１５（ＡＰＲ）は、有効電力目標値と出力センサ２８で検出した交流系統１の有効電力を比較演算し、その出力を用いてＩｑ制御器２２を介して、ｑ軸電流成分指令Ｉｑを得る。自動電圧制御装置１６（ＡＶＲ）は、電圧目標値と出力センサ２８で検出した交流系統１の電圧を比較演算し、ｄ軸電流成分指令Ｉｄを得る。

　電流指令（Ｉｑ、Ｉｄ）は、励磁電流指令演算装置２７に与えられ、すべり位相検出器１２からのすべり位相信号θｓと合成して、サイクロコンバータ８の各相の励磁電流指令値となる。励磁電流制御装置２３は、励磁電流検出値と励磁電流指令値が一致するように自動パルス移相器２４に点弧角指令を出力する構成となっている。

　ここで、励磁電流指令演算装置２７について、より詳細に説明すると、これはすべり位相検出器１２からのすべり位相信号θｓと共に回転する３相交流電流指令の振幅と位相を互いに直交する２軸の電流指令（Ｉｑ、Ｉｄ）により調整している。このように、本システムでは基準となるすべり位相信号θｓから交流励磁電流指令値を作っている。

　すべり位相検出器１２は、すべり位相信号θｓ算出のために、２組の検出系統を備える。１組の検出系統は、交流系統１の電圧位相θｖを検出するための電圧変成器９と系統電圧正相演算器１１であり、他の検出系統は交流励磁同期機５の回転子電機角θｒを検出するレゾルバ装置１０と回転位相正相演算器２６である。すべり位相演算器１３は、電圧位相θｖと回転子電機角θｒの差としてすべり位相θｓ（＝θｖ―θｒ）を求め、すべり位相θｓとともに一定振幅で正弦波状に変化する位相信号を演算する。なお、系統電圧正相演算器１１と回転位相正相演算器２６は、外部デイジタル入力「揚水／発電」によって回転方向切替え演算を行なう。

　図２のすべり位相演算器１３からの出力ラインには２本の斜め線が記載されているが、これは３相交流信号を意味しており、この内容はすべり位相信号θｓである。すべり位相演算器１３には、すべり周波数演算器１４、位相補償量演算器１７、位相補償演算器１８も記載されているが、これらは本発明には直接関与しないのでここでの説明を省略するが、要するにすべり位相演算器１３のすべり位相信号θｓが出力演算器１９に導かれている。図２では出力演算器１９に導かれたすべり位相信号θｓに記号１１２を付している。

　他方、発信器出力演算器２０から出力演算器１９に向かう出力ラインにも２本の斜め線が記載されているが、これは３相交流信号を意味しており、この内容は同期励磁位相信号１１１である。

　このように、出力演算器１９には２組の位相信号が入力されており、交流励磁同期機をすべり運転するときには、すべり位相信号１１２を選択し、同期特性運転をするときには同期励磁位相信号１１１を選択して、励磁電流指令演算装置２７における励磁基準位相としている。なお、すべり位相信号１１２は可変位相の信号であり、同期励磁位相信号１１１は固定位相の信号であることは言うまでもない。

　本発明においては、揚水始動段階から揚水運転への円滑な切替えを意図しているが、揚水始動段階では同期特性運転をするために同期励磁位相信号１１１を選択し、その後揚水運転ではすべり運転をするためにすべり位相信号１１２に切替えることになる。然しながら、同期励磁位相信号１１１は、すべり位相信号１１２とは一般には等しくない。このための位相合わせ調整を、特許文献１ではすべり運転モードに移行した後でＩｑ制御器２２で行っていたために、安定までに時間がかかるという問題があった。

　本発明では、揚水始動段階の同期特性運転中に、同期励磁位相信号１１１をすべり位相信号１１２に近づける操作を行なうことにより、その後揚水運転に入ったときにはすべり位相信号１１２に近いところからスタートさせることにより安定移行させるというものである。本発明の上記の操作は、同期励磁位相信号１１１を作成する発信器出力演算器２０において実施される。

　図２は、発信器出力演算器２０とその周辺回路を記載した本発明の実施例図である。発信器出力演算器２０には、図１の状態切替論理２５から目標周波数信号１１０が与えられ、同期励磁用発信器１０８、位相シフト演算部１０９を介して同期励磁位相信号１１１とされる。このようにして求められた同期励磁位相信号１１１は、固定位相の信号である。なお、位相シフト演算部１０９からの同期励磁位相信号１１１は、位相補償量演算部１７、位相補償演算部１８にて修正されるが、この部分の機能は本発明には直接関与しないので説明を省略する。

　位相シフト演算部１０９の他入力部分が、本発明に関わる部分であり、この信号により同期励磁用発信器１０８の出力を修正する。この修正は、位相誤差演算部１０１の出力に応じて実施される。位相誤差演算部１０１には、すべり位相信号１１２と同期励磁位相信号１１１が与えられ、すべり位相信号１１２を基準とする位相信号の差信号２９が導かれる。さらに逆三角関数演算部１０２において、位相信号の逆三角関数が求められ、大きさで表される位相誤差信号とされる。大きさで表された位相誤差信号には、乗算器１０４で適宜の係数が乗じられ、三角関数演算部１０７において再度位相信号に復元される。位相シフト演算部１０９では、同期励磁用発信器１０８の与える基準位相が、三角関数演算部１０７の与える修正位相の分だけ、位相シフトが行なわれる。

　本発明では、乗算器１０４のゲインをゲイン切替器１０３で切り替える。すべり運転モードの場合のゲインは「１」とされるが、同期機特性運転モードでは「１」より小さい値の「ＫＤ」とされる。

　以上のように構成された本発明回路では、概略以下のように機能する。まず、揚水始動段階では、同期機特性運転を行なうためにゲイン切替器１０３は「１」より小さい値の「ＫＤ」として、例えば０．１を位相誤差信号２９に乗算する。この結果、目標周波数信号１１０で決定された同期励磁位相信号１１１は、０．１相当分だけ位相信号がシフトして、すべり位相信号１１２に近い値に修正されて、位相誤差演算部１０１に帰還される。更にこのときの位相誤差信号２９に０．１が乗算されて、同期励磁位相信号１１１は、０．１相当分だけ位相信号がシフトして、すべり位相信号１１２に近い値に修正される。以降この繰り返しにより、出力演算器１９に与えられる同期励磁位相信号１１１は、すべり位相信号１１２に近づいていく。

　なお、同期励磁位相信号１１１とすべり位相信号１１２はある程度近づけば十分であり、この結果、揚水運転モードに移行したときには位相誤差が小さい状態であるので安定に速やかに切替えが実施できることになる。また、ゲインＫＤの大きさにもよるが、この修正動作は揚水始動段階の比較的短い期間で完了し、この結果交流励磁同期機５は、すべり位相信号１１２に近い、固定位相の同期励磁位相信号１１１で運転継続されることになる。

　以上のゲイン操作の説明は、同期特性運転モード３１を行なっているときのものであったが、図１の回路においてすべり運転モード３０では、ゲイン切替器１０３はゲイン「１」を乗算器１０４の位相誤差２９に与える。この結果、位相シフト演算１０９では、位相誤差２９がそのまま補正されることになり、同期励磁位相信号１１１としてはすべり位相信号１１１が出力されたと同じ形となる。このようにして、すべり運転モードから同期機特性運転モードへの位相連続の切替のための待機が実現される。

　本発明によれば、揚水始動から揚水運転への切替が安定に早く行なえるので、可変速揚水発電装置として広く利用することができる。

１　交流系統
２　同期遮断器
３　主要変圧器
４　ポンプ水車
５　交流励磁同機器
６　周波数変換装置
７　励磁用変圧器
８　半導体電力変換器（サイクロコンバータ）
９　電圧変成器
１０　レゾルバ装置
１１　系統電圧正相演算器
１２　すべり位相検出器
１３　すべり位相演算器
１４　すべり周波数演算器
１５　自動有効電力制御装置（ＡＰＲ）
１６　自動電圧制御装置（ＡＶＲ）
１７　位相補償量演算器
１８　位相補償演算器
１９　出力演算器
２０　発振器出力演算器
２１　Ｉｑ調整演算機
２２　Ｉｑ制御器
２３　励磁電流制御装置
２４　自動パルス移相器（ＡＰＰＳ）
２５　状態切替論理部
２６　回転位相正相演算器
２７　励磁電流指令演算装置
２８　出力センサ
２９　位相誤差
３０　すべり運転モード
３１　同期機特性運転モード
１０１　位相誤差演算部
１０２　逆三角関数演算部
１０３　ゲイン切替器
１０７　三角関数演算部
１０８　同期励磁用発振器
１０９　位相シフト演算部
１１１　同期励磁位相信号
１１２　すべり位相信号

Claims (2)

1. 　一次巻線が交流系統に接続され、その回転軸がポンプ水車に直結されるとともに二次巻線が周波数変換装置により励磁される交流励磁同期機と、自動有効電力制御装置の与えるｑ軸電流成分指令Iｑと、自動電圧制御装置により決定されるｄ軸電流成分指令Iｄを得、
   位相信号と合成して前記周波数変換装置に対する励磁電流指令値を求める励磁電流指令演算装置と、前記交流系統の電圧位相と前記交流励磁同期機の回転子電機角との差としてすべり位相信号を求めるすべり位相演算器と、目標周波数信号から同期励磁位相信号を得る発信器出力演算器と、前記交流励磁同期機のすべり運転モードにおいて、前記すべり位相演算器のすべり位相信号を前記位相信号として前記励磁電流指令演算装置に与え、前記交流励磁同期機の同期特性運転モードにおいて、前記発信器出力演算器の同期励磁位相信号を前記位相信号として前記励磁電流指令演算装置に与える出力演算器とから構成される可変速揚水発電装置の制御装置において、
   前記交流励磁同期機を同期特性運転モードとして揚水始動を行い、その後前記交流励磁同期機をすべり運転モードとして揚水運転に切替え移行する場合に、揚水始動段階において、前記発信器出力演算器の同期励磁位相信号を前記すべり位相信号に近い値に修正する修正部を備えることを特徴とする可変速揚水発電装置の制御装置。
2. 　請求項１記載の可変速揚水発電装置の制御装置において、
   前記修正部は、前記すべり位相信号と前記同期励磁位相信号の差信号の逆三角関数として位相誤差を求め、これに同期特性運転モードにあるときに１以下の値を乗算して三角関数を求め、前記同期励磁位相信号の位相シフト演算を行なうことを特徴とする可変速揚水発電装置の制御装置。

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