JP6488814B2

JP6488814B2 - 水力発電システムの運転切換装置

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Publication number: JP6488814B2
Application number: JP2015063553A
Authority: JP
Inventors: 淳也矢野; 昌司滝口
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: JP2016185005A

Description

本発明は、水力発電システムの運転切換装置に係わり、特に水力発電システムと交流系統との連系運転から自立運転へ切り換える切換装置に関するものである。

図１は、永久磁石同期発電機を用いた水力可変速の発電システムの単結線図を示したもので、この水力発電システムでは水車発電設備１、コンバータ装置６及び連系変圧器１７を介して交流系統１９に連系される。水車発電設備１は、ガバナ等からなる流量調節手段５、水車２、フライホイール４及び永久磁石同期発電機３を有し、これら水車２、フライホイール４及び永久磁石同期発電機３は図示省略された軸受けを介して連結されている。

コンバータ装置６は、発電機制御インバータ７、系統連系制御インバータ８および各インバータ７，８間の直流回路に接続された直流コンデンサ１３と、制動ユニット９と制動抵抗器１０を有して制御装置２２により制御される。また、１４はフィルタで、リアクトルＬ，コンデンサＣ，抵抗Ｒより構成されている。１１は発電機側の開閉器、１２は系統側に接続された開閉器、１５は系統連系点の電圧を検出する変圧器、１６は特定負荷、２０は系統母線側の開閉器、２１は自立運転中に交流系統の電圧を検出する手段として設けられた変圧器である。

１８は上位の制御部で、この制御部１８はコンバータ装置６に対して運転指令情報や系統母線側の開閉器２０の開閉情報及びコンバータ装置６からのステータス情報を出力する等の信号の授受を行うと共に、流量調節手段５を介して水車の流量を調節する。

コンバータ装置６は、通常、交流系統との連系運転を行っており、特定負荷１６の消費電力＞発電能力のときには交流系統１９から不足分の電力を補い、特定負荷１６の消費電力＜発電能力のときには余剰発電量を交流系統に供給している。このとき、発電機制御インバータ７は、永久磁石同期発電機３の速度又はトルクを制御する発電機速度（トルク）制御ＡＳＲと交流電流制御ＡＣＲを行い、系統連系制御インバータ８は直流電圧（直流コンデンサ１３の電圧）制御ＡＶＲと交流電流制御ＡＣＲを行う。

この連系運転では交流系統１９の正常時には水車発電設備１に対して出力最大点追従（以下、ＭＰＰＴという）制御で運転されている。連系運転中に交流系統１９に系統故障が発生すると、制御部１８は開閉器２０を開とし、コンバータ装置６は系統連系制御インバータ８の運転を停止して故障情報を上位の制御部１８に通知する。また、制御部１８は故障情報を基に水車２を停止させる。水車２が起動停止するまでの発電エネルギーは、制動ユニットに流して消費される。

水車発電設備１とコンバータ装置６の停止状態から自立運転に移行するためには、制御部１８からコンバータ装置６に対して運転方式切換指令が発しられ、この指令に基づいて自立運転への切換が行われる。
発電システムの自立運転方法としては、特許文献１や特許文献２が公知となっている。

特開平６−３３５１６９特開２０１４−１５８３７１

交流系統１９に故障が発生して連系運転から自立運転への切換時に、制御部１８からコンバータ装置６に対して運転方式切換指令が発せられると、コンバータ装置６側では手動操作が必要となっている。このとき、発電機制御インバータ７は、連系運転時の発電機と交流電流制御から直流電圧一定制御ＡＶＲに、また、系統連系制御インバータ８は直流電圧一定制御ＡＶＲと交流電流制御ＡＣＲから交流電圧一定制御ＡＶＲへと各制御モードを切替える。これにより、特定負荷１６に所望の交流出力電圧を供給する自立運転が実現する。

なお、自立運転中に交流系統１９が正常に復電した場合には、負荷に対する電力供給の信頼性を確保することとＭＰＰＴ制御による制御を早急に行う必要がある。ＭＰＰＴ制御は、水車２の効率特性曲線として、例えば開度１００％時の効率特性曲線を用いた場合、最大発電出力速度ｎo以上の速度範囲で負荷の増減に対応して流量調節手段５が調節されて永久磁石同期発電機３の出力が制御される。このため、ＭＰＰＴ制御が確立するまで時間を要し、自動的で短時間での切換制御が要望されている。

本発明が目的とするところは、連系運転から自立運転への切換を自動的に移行させる水力発電システムにおける切換装置を提供することにある。

本発明は、水車と連結された永久磁石同期発電機を、発電機制御インバータおよび系統連系制御インバータを有するコンバータ装置に接続し、コンバータ装置及び前記系統連系制御インバータの交流側に設けた開閉器及び系統連系用の開閉器を介して交流系統に接続し、コンバータ装置の上位の制御系として制御部を備えてコンバータ装置と制御部間での情報の授受を行い、且つ制御部により流量調節手段を調節して水車への流量を調節する水力発電システムであって、
水力発電システムの連系運転時には、発電機制御インバータを発電機制御に、系統連系制御インバータを直流電圧一定制御する機能と、水力発電システムの自立運転時には、発電機制御インバータを直流電圧一定制御に、系統連系制御インバータを出力電圧一定制御する機能とを備えた制御装置において、
前記コンバータ装置の直流回路に制動ユニットを介して制動抵抗を接続し、
前記制御装置は、前記交流系統における異常発生を検出する検出手段と、
前記検出手段による異常検出時に前記発電機制御インバータに対して直流電圧一定制御の自立運転モードに切換え、前記系統連系制御インバータに対してはゲートブロックすると共に、前記制動ユニットを介してコンバータ装置の直流回路に発生したエネルギーを制動抵抗により消費させる手段と、
自立運転への制御開始条件が成立したか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段による自立運転への制御開始条件成立時に前記系統連系制御インバータの交流側に設けた開閉器に対して閉路信号を出力し、前記系統連系制御インバータに対しては出力電圧一定制御に、前記発電機制御インバータに対しては直流電圧一定制御に運転モードを切換制御する手段と、
自立運転中に交流系統が復電したときに、前記系統連系制御インバータに対しては直流電圧一定制御に、前記発電機制御インバータに対しては発電機制御に運転モードを切換制御する手段とを備えることを特徴としたものである。

本発明の判断手段は、前記交流系統の復電時に投入される開閉器が開放され、水車速度が最大出力速度ｎ ₀ 以上であることを条件に自立運転の制御開始条件の成立信号を出力することを特徴としたものである。

また、本発明の制御装置は、自立運転開始時に前記系統連系制御インバータの出力電圧がランプ状に出力するよう出力電圧指令値にクッション特性を持たせたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、水力発電システムと交流系統との連系運転時に、交流系統で停電等の要因によって連系運転から自動的に自立運転への切換が可能となるものである。これにより、人手を介することなく短時間での切換制御が可能となるものである。

本発明の水力発電システムの構成図。連系運転から自立運転への切換時のフローチャート。連系運転から自立運転への切換時のタイミングチャート。水車特性図。他の実施例による連系運転から自立運転への切換時のタイミングチャート。制動ユニットの動作状態図。

本発明は、交流系統と連系運転される水力発電システムの制御装置において交流系統における異常発生を検出する検出手段を設け、制御装置は異常検出時に発電機制御インバータに対して直流電圧一定制御の自立運転モードに切換え、系統連系制御インバータに対してはゲートブロックすると共に、制動ユニットを介してコンバータ装置の直流回路に発生したエネルギーを制動抵抗により消費させる。また、自立運転への制御開始条件が成立したか否かを判断する判断手段を設け、自立運転への制御開始条件成立時に系統連系制御インバータの交流側に設けた開閉器を閉路し、系統連系制御インバータに対しては出力電圧一定制御に、発電機制御インバータに対しては直流電圧一定制御に運転モードを切換制御するものである。以下図に基づいて詳述する。

図２は、本発明による連系運転から自立運転への切換時のフローチャートを示し、図３は切換時のタイミングチャートを示したものである。
図１で示す水力発電システムと交流系統１９との連系運転中（Ｓ１）に、交流系統１９に異常が発生して特定負荷１６の端子電圧が時刻ｔ１で低下し、変圧器２１による電圧検出の低下を基に制御装置２２はステップＳ２で故障検出信号を発生し、系統連系制御インバータ８をゲートブロックし、開閉器１２を開放すると共に、上位の制御部１８により開閉器２０を開放（Ｓ３〜Ｓ５）する。

系統連系制御インバータ８がゲートブロックされたことにより直流コンデンサ１３の端子電圧が上昇する。制御装置２２は時刻ｔ１で制動ユニット９をオンしてコンバータ装置６の中間回路に発生したエネルギーを制動抵抗器１０に流して消費させる。

図６は制動ユニット９の動作状態を示したもので、コンバータ装置６の中間回路の直流電圧設定値に対し、電圧上昇したとき制動ユニット９がオン動作する電圧値とオフ動作する電圧値のレベルを予め設定し、設定した電圧間でオン・オフ動作を繰り返して制動抵抗器１０でエネルギーを消費するものである。これにより、制動ユニット９の制御回路を単純な回路でオン・オフ動作させ、中間回路の直流電圧の過電圧を防止し、コンバータ装置６が過電圧により停止するのを防止する。

また、制御装置２２は、ステップＳ６で発電機制御インバータ７に対する制御モードを自立運転モードとし、連系運転時の発電機制御モードから直流電圧一定制御に移行する。

Ｓ７では自立運転条件が成立したか否かが判断される。この判断要件としては系統母線用の開閉器２０は開放されているか、発電機速度がＭＰＰＴ制御に対応できる最大出力特性になっているか等が判断される。また、特定負荷１６の容量と永久磁石同期発電機３の発電能力との関係において、特定負荷１６の消費電力＞永久磁石同期発電機３の発電能力の場合と、特定負荷１６の消費電力＜永久磁石同期発電機３の発電能力と２つのモードが存在する。

モードが前者の場合には、系統連系制御インバータ８の運転後に発電能力不足となって停止する。Ｓ７では自立運転の開始条件とする水車速度が最大出力速度ｎ₀以上であるなどを判断してＳ８（時刻ｔ３）で開閉器１２に対する投入指令を出力する。時刻ｔ４では、制御装置２２はＳ９で系統連系制御インバータ８に対して出力電圧制御の自立運転モードでの制御を開始し、特定負荷１６に電力を供給する。

図４は水車の特性図で、水車２の効率特性曲線として、例えばガバナの開度１００％時の効率特性曲線を用いた場合を示したものである。自立運転時には、永久磁石同期発電機３の速度を最大発電出力速度ｎo以上の速度範囲内で運用し、最大発電出力速度ｎoと水車出力の発電エネルギーと特定負荷１６の消費エネルギーがバランスした速度ｎ１間で動作している。特定負荷１６が軽負荷の場合では発電機速度は水車の無拘束速度付近のｎ₁となり、この状態から発電機制御インバータ７を連系運転の最大出力速度ｎ₀の速度範囲で運転される。

なお、自立運転中に交流系統が復電すると、変圧器２１が系統母線側の開閉器２０の一次側と交流系統１９との間の電圧を復電信号として検出し制御装置２２に入力する。制御装置２２は、系統連系制御インバータ８に対しては直流電圧一定制御の連系制御モードへの切換の制御を行い、発電機制御インバータ７に対しては速度又はトルク制御への発電機制御モードへの切換制御を行うことで、自立運転から系統連系への切換制御が完了する。

したがって、この実施例によれば、連系運転から自立運転への切換が自動的に可能となり、これにより、人手を介することなく短時間での切換制御が出来るものである。

図５は第２の実施例における切換時のタイミングチャートを示したものである。図３で示す実施例では、時刻ｔ４からの自立運転時の永久磁石同期発電機３の出力電圧はステップ状に立ち上がり、特定負荷１６に定格電圧が印加されるよう構成されているため、水力発電システムに突入電流が流れる虞が生じる。この実施例では、制御装置２２での制御信号生成回路にクッション処理機能を設け、時刻ｔ４の自立運転開始時に系統連系制御インバータ８の交流出力電圧がランプ状となるよう出力電圧指令値に時刻ｔ５までのクッション特性をもたせものである。これにより、水力発電システムでの突入電流を防止したものである。他は実施例１と同様である。

１… 水車発電設備
３… 永久磁石同期発電機
６… コンバータ装置
７… 発電機制御インバータ
８… 系統連系制御インバータ
９… 制動ユニット
１０… 制動抵抗器
１… 水車発電設備
６… コンバータ装置
８… 系統連系制御インバータ
１５，２１… 変圧器
１２，２０… 開閉器
１８… 制御部
１９… 交流系統
２２… 制御装置

Claims

水車と連結された永久磁石同期発電機を、発電機制御インバータおよび系統連系制御インバータを有するコンバータ装置に接続し、コンバータ装置及び前記系統連系制御インバータの交流側に設けた開閉器及び系統連系用の開閉器を介して交流系統に接続し、コンバータ装置の上位の制御系として制御部を備えてコンバータ装置と制御部間での情報の授受を行い、且つ制御部により流量調節手段を調節して水車への流量を調節する水力発電システムであって、
水力発電システムの連系運転時には、発電機制御インバータを発電機制御に、系統連系制御インバータを直流電圧一定制御する機能と、水力発電システムの自立運転時には、発電機制御インバータを直流電圧一定制御に、系統連系制御インバータを出力電圧一定制御する機能とを備えた制御装置において、
前記コンバータ装置の直流回路に制動ユニットを介して制動抵抗を接続し、
前記制御装置は、前記交流系統における異常発生を検出する検出手段と、
前記検出手段による異常検出時に前記発電機制御インバータに対して直流電圧一定制御の自立運転モードに切換え、前記系統連系制御インバータに対してはゲートブロックすると共に、前記制動ユニットを介してコンバータ装置の直流回路に発生したエネルギーを制動抵抗により消費させる手段と、
自立運転への制御開始条件が成立したか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段による自立運転への制御開始条件成立時に前記系統連系制御インバータの交流側に設けた開閉器に対して閉路信号を出力し、前記系統連系制御インバータに対しては出力電圧一定制御に、前記発電機制御インバータに対しては直流電圧一定制御に運転モードを切換制御する手段と、
自立運転中に交流系統が復電したときに、前記系統連系制御インバータに対しては直流電圧一定制御に、前記発電機制御インバータに対しては発電機制御に運転モードを切換制御する手段とを備えることを特徴とした水力発電システムの運転切換装置。
前記判断手段は、前記交流系統の復電時に投入される開閉器が開放され、水車速度が最大出力速度ｎ ₀ 以上であることを条件に自立運転の制御開始条件の成立信号を出力することを特徴とした請求項１記載の水力発電システムの運転切換装置。
前記制御装置は、自立運転開始時に前記系統連系制御インバータの出力電圧がランプ状に出力するよう出力電圧指令値にクッション特性を持たせたことを特徴とした請求項１又は２記載の水力発電システムの運転切換装置。