(57)【要約】【課題】フルコンバータ式揚水発電所の周波数変換装置において電力変換損失を低減すること。【解決手段】複数の揚水発電装置と、前記複数の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する複数の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、複数の揚水発電装置のうち第１の揚水発電装置が揚水運転を行う一方、第２の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、複数の周波数変換装置のうちの第１の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置の直流線路を複数の周波数変換装置のうちの第２の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、第１の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備える。【選択図】図１
2019154128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の揚水発電装置と、前記複数の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する複数の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、
前記複数の揚水発電装置のうち第１の揚水発電装置が揚水運転を行う一方、前記複数の揚水発電装置のうち第２の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記複数の周波数変換装置のうちの第１の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置の直流線路を前記複数の周波数変換装置のうちの第２の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、
前記第１の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、
を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記第１の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置は、
前記電力変換装置に出力するゲートパルス信号を停止することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
少なくとも３台の揚水発電装置と、前記少なくとも３台の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する第１と第２と第３以降の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、
前記少なくとも３台の揚水発電装置のうちの少なくとも１台の揚水発電装置が揚水運転を行うとともに他方の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記第１の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置の直流線路を前記第２の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、
前記第１の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、
前記第３以降の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、
を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項４】
前記第３以降の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置は、
前記揚水発電所の入出力電力に応じて前記電力変換器に出力するゲートパルス信号を停止することを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
【請求項５】
複数台の揚水発電装置と、前記複数台の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する第１、第２及び第３以降の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、
前記複数台の揚水発電装置のうちの少なくとも１台の揚水発電装置が揚水運転を行うとともに、他方の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記第１の周波数変換装置の直流線路と前記第２の周波数変換装置の直流線路を接続する接続部と、
前記第１の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、
前記第３以降の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、
を備えることを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関し、特に、複数台の揚水発電装置で構成されるフルコンバータ式揚水発電所の周波数変換装置を備える発電システムに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
フルコンバータ方式や二次励磁方式の可変速揚水発電は、揚水運転時の入力電力、及び発電電力を高速に調整可能であり、電力系統の周波数変動や電圧変動を抑制する系統安定化装置として用いられる。
【０００３】
また、揚水発電は、単機では揚水運転と発電運転の切替えを連続して行えないが、複数台の揚水発電装置で揚水運転と発電運転を組み合わせることによって、揚水発電所の入出力電力を連続的に調整することも可能である。このような運転方法（以下、揚水発電複合運転と称す）は、例えば特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許６０３９１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
フルコンバータ方式は、二次励磁方式に比べて、揚水発電複合運転時の電力調整範囲を広くとることができる一方、大容量の周波数変換装置を必要とするため、電力変換損失が大きいという課題が存在する。
【０００６】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、電力変換損失を低減可能なフルコンバータ式揚水発電所の周波数変換装置を備える発電システムを提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するため、本発明においては、複数の揚水発電装置と、前記複数の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する複数の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、前記複数の揚水発電装置のうち第１の揚水発電装置が揚水運転を行う一方、前記複数の揚水発電装置のうち第２の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記複数の周波数変換装置のうちの第１の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置の直流線路を前記複数の周波数変換装置のうちの第２の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、前記第１の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明においては、少なくとも３台の揚水発電装置と、前記少なくとも３台の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する第１と第２と第３以降の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、前記少なくとも３台の揚水発電装置のうちの少なくとも１台の揚水発電装置が揚水運転を行うとともに他方の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記第１の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置の直流線路を前記第２の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、前記第１の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、前記第３以降の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明においては、複数台の揚水発電装置と、前記複数台の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する第１、第２及び第３以降の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、前記複数台の揚水発電装置のうちの少なくとも１台の揚水発電装置が揚水運転を行うとともに、他方の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記第１の周波数変換装置の直流線路と前記第２の周波数変換装置の直流線路を接続する接続部と、前記第１の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、前記第３以降の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フルコンバータ式揚水発電所の周波数変換装置において電力変換損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所のシステム構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す電力変換装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】揚水発電複合運転時の入出力電力と電力変換損失の関係の一例を示す図である。
【図４】第２の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所のシステム構成の一例を示すブロック図である。
【図５】電力変換装置の縮退運転方法の概要を示す図である。
【図６】第２の実施の形態に係る電力変換装置においてゲートパルス信号を停止する方法の一例を示す図である。
【図７】第３の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所のシステム構成の一例を示す図である。
【図８】第３実施形態において周波数変換装置が３台以上で構成される場合の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面について、本発明の一実施の形態について詳述する。
【００１３】
（１）第１の実施の形態
図１は、第１の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所（以下、本実施の形態において「揚水発電所」と省略する）１Ａのシステム構成の一例を示す。揚水発電所１Ａは、複数（ここでは２台）の揚水発電装置ＰＧ１，ＰＧ２と、複数（ここでは２台）の揚水発電装置ＰＧ１，ＰＧ２をそれぞれ可変速駆動する周波数変換装置ＦＣ１，ＦＣ２を備えている。
【００１４】
揚水発電装置ＰＧ１，ＰＧ２は、発電電動機ＧＭ及び水車Ｔを備えている。発電電動機ＧＭの回転子には、水車Ｔが機械的に接続されている。発電電動機ＧＭは、発電運転時には水流によって得られる水車Ｔの回転エネルギーを交流電力に変換して固定子巻線から出力する。
【００１５】
揚水運転時には、周波数変換装置ＦＣ１から供給される交流電力を発電電動機ＧＭで回転エネルギーに変換して水車Ｔを回転させる。この水車Ｔは、水を上池へと汲み上げる。なお、図中の表記では、揚水発電装置ＰＧ１が発電運転を行い、揚水発電装置ＰＧ２が揚水運転を行った場合における揚水発電複合運転の状態を示しているが、それぞれの揚水発電装置の運転方法は逆であってもよい。揚水発電装置の入出力電力Ｐｇｍ１，Ｐｇｍ２は、周波数変換装置ＦＣ１，ＦＣ２の電力変換装置Ｃ１１，Ｃ２１によってそれぞれ所望の値に制御される。
【００１６】
第１の周波数変換装置ＦＣ１には、揚水発電装置側の電力変換装置Ｃ１１の直流線路を第２の周波数変換装置ＦＣ２の直流線路に切替えるための切替器ＳＷ１が設けられている。
【００１７】
直流ケーブルＬＮ１は、電力変換装置Ｃ１１の直流線路と第２の周波数変換装置ＦＣ２の直流線路とを接続するためのケーブルである。
【００１８】
通常時（揚水発電複合運転を行わない場合）には、電力変換装置Ｃ１１と電力変換装置Ｃ１２の直流線路を接続して直流ケーブルＬＮ１を切り離した状態で運転する。
【００１９】
一方、揚水発電複合運転を行う場合には、電力変換装置Ｃ１１の直流線路を第２の周波数変換装置ＦＣ２の直流線路に直流ケーブルＬＮ１を経由して切替え、直流線路から切り離された電力変換装置Ｃ１２を停止する。この電力変換装置Ｃ１２の具体的な停止方法については後述する。
【００２０】
図中の矢印は、揚水発電装置ＰＧ１が発電運転を行い、揚水発電装置ＰＧ２が揚水運転を行った場合において電力が流れる方向を表している。双方向の矢印は、揚水発電装置ＰＧ１の発電電力Ｐｇｍ１と揚水発電装置ＰＧ２の入力電力Ｐｇｍ２との大きさに応じて、電力の流れる方向が変わることを示している。
【００２１】
揚水発電所１Ａの入出力電力Ｐｓｙｓは、この場合、第２の周波数変換装置ＦＣ２の電力変換装置Ｃ２２と電力系統２との間で授受される。
【００２２】
図２は、電力変換装置Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２の構成例を示す。これら電力変換装置Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２は、電力変換器１０及び変換器コントローラ２０を備えている。
【００２３】
電力変換器１０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子、ダイオード及びコンデンサを備えている。電力変換器１０としては、図に示すようないわゆる２レベル方式の電力変換器の他にも、３レベル方式、５レベル方式またはマルチレベル方式の電力変換器を用いることができる。
【００２４】
電力変換器１０の入出力電力は、変換器コントローラ２０によって所望の値に制御される。変換器コントローラ２０からは、電力変換器１０の半導体スイッチング素子をオン／オフするゲートパルス信号ＧＳが出力される。
【００２５】
揚水発電装置１Ａ及び揚水発電所１Ａの入出力電力は、電力変換装置Ｃ１１，Ｃ２１と電力変換装置Ｃ２２の変換器コントローラ２０によって所望の値に制御される。
【００２６】
前述した直流線路から切り離された電力変換装置Ｃ１２は、変換器コントローラ２０から電力変換器１０に出力するゲートパルス信号ＧＳを停止する。
【００２７】
図３は、揚水発電複合運転時の入出力電力と周波数変換装置の電力変換損失の関係を示した図である。縦軸の入出力電力は、発電出力をプラス、揚水入力をマイナスとして表記している。各ハッチング部分は、揚水発電装置ＰＧ１（出力電力Ｐｇｍ１）の出力範囲、揚水発電装置ＰＧ２（入力電力Ｐｇｍ２）の入力範囲、揚水発電所１Ａ（入出力電力Ｐｓｙｓ）の入出力範囲を示している。
【００２８】
符号Ｐｇｍａｘは、揚水発電装置ＰＧ１の最大出力電力を示している一方、符号Ｐｇｍｉｎは、揚水発電装置ＰＧ１の最小出力電力を示している。一方、符号Ｐｍｍａｘは、揚水発電装置ＰＧ２の最大入力電力を示している一方、符号Ｐｍｍｉｎは、揚水発電装置ＰＧ２の最小入力電力を示している。
【００２９】
揚水発電所１Ａの入出力電力Ｐｓｙｓの最大出力電力は、揚水発電装置ＰＧ１の最大出力電力Ｐｇｍａｘと揚水発電装置ＰＧ２の最小入力電力Ｐｍｍｉｎの合成値から周波数変換装置ＦＣ１，ＦＣ２の電力変換損失Ｐｆｃｌｓを差し引いた値となる。
【００３０】
一方、揚水発電所１Ａの入出力電力Ｐｓｙｓの最大入力電力は、揚水発電装置ＰＧ２の最大入力電力Ｐｍｍａｘと揚水発電装置ＰＧ１の最小出力値Ｐｇｍｉｎの合成値に周波数変換装置ＦＣ１，ＦＣ２の電力変換損失Ｐｆｃｌｓを加算した値となる。
【００３１】
揚水発電所１Ａの入出力電力Ｐｓｙｓの最大値は、揚水発電装置ＰＧ１の発電電力Ｐｇｍ１と揚水発電装置ＰＧ２の入力電力Ｐｇｍ２とが互いに相殺されるため、揚水発電装置１台分の最大値Ｐｇｍａｘ，Ｐｍｍａｘ以下となる。
【００３２】
これにより、揚水発電複合運転時には、電力系統側の電力変換装置２台のうちの何れか（ここでは電力変換装置Ｃ１２）を停止し、残りの電力変換装置１台（ここでは電力変換装置Ｃ２２）で揚水発電所１Ａの入出力電力Ｐｓｙｓを入出力することができる。
【００３３】
このように本実施の揚水発電所１Ａにおいては、電力系統側の電力変換装置（２台中１台）を縮退運転することにより、揚水発電複合運転時に周波数変換装置ＦＣ１，ＦＣ２の電力変換損失Ｐｆｃｌｓを低減することが可能となる。
【００３４】
（２）第２の実施の形態
第２の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所は、第１の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については同一の符号を用いて説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
【００３５】
図４は、第２の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所（以下「揚水発電所」と省略する）１Ｂのシステム構成の一例を示す。揚水発電所１Ｂは、３台以上の揚水発電装置ＰＧ１，ＰＧ２，ＰＧ３などを備えているとともに、それぞれの揚水発電装置ＰＧ１，ＰＧ２，ＰＧ３などを可変速駆動する周波数変換装置ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３などを備えている。
【００３６】
本実施の形態に係る揚水発電所１Ｂは、第１実施形態との構成の違いとして、第２の周波数変換装置ＦＣ２の直流線路を第３の周波数変換装置ＦＣ３の直流線路に接続するための直流開閉器ＳＷ２、及び、直流ケーブルＬＮ２（図中では３台目以降は省略）が新たに設けられている。
【００３７】
電力変換装置Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２などは、第１実施形態に示した電力変換装置Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２（図２参照）と同様の構成である。
【００３８】
図５は、周波数変換装置が３台以上で構成される場合の電力変換装置の縮退運転方法の概要を示す。縦軸の入出力電力は、発電出力をプラス、揚水入力をマイナスとして表記している。図示の符号Ｐｓｙｓは、揚水発電所１Ｂの入出力電力を表している。符号Ｐｇ２２ｍａｘ及び符号Ｐｍ２２ｍａｘは、電力変換装置Ｃ２２が許容できる出力電力及び入力電力の最大値である。符号Ｐｇ３２ｍａｘ及び符号Ｐｍ３２ｍａｘは、電力変換装置Ｃ３２が許容できる出力電力及び入力電力の最大値である。
【００３９】
例えば、揚水発電所１Ｂの入出力電力Ｐｓｙｓが電力変換装置Ｃ２２の最大出力電力Ｐｇ２２ｍａｘと電力変換装置Ｃ３２の最大出力電力Ｐｇ３２ｍａｘ＋Ｐｇ２２ｍａｘの間である場合は、電力変換装置Ｃ２２と電力変換装置Ｃ３２の２台で運転し、それ以降の電力変換装置はゲートパルス信号ＧＳを停止して運転待機の状態とする。
【００４０】
揚水発電所１Ｂの入出力電力Ｐｓｙｓが電力変換装置Ｃ２２の最大出力電力Ｐｇ２２ｍａｘを下回った場合は、電力変換装置Ｃ２２の１台のみで運転し、電力変換装置Ｃ３２及びそれ以降の電力変換装置はゲートパルス信号ＧＳを停止して運転待機の状態とする。
【００４１】
なお、揚水発電所１Ｂの入出力電力Ｐｓｙｓが揚水入力（マイナス）となった場合についても同様の縮退運転の方法を用いる。
【００４２】
ここで、ゲートパルス停止方法の一例を、図６を用いて説明する。ゲートパルス信号ＧＳの生成には、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）を用いる。図（Ａ）に示すＰＷＭの変調波と搬送波（キャリア）との交点で、図６（Ｂ）に示すようにゲートパルス信号ＧＳが生成される。
【００４３】
電力変換装置３２は、図６（Ｃ）に示すように、揚水発電所１Ｂの入出力電力｜Ｐｓｙｓ｜が電力変換装置２２の最大出力電力Ｐｇ２２ｍａｘまたは最大入力電力｜Ｐｍ２２ｍａｘ｜を下回る期間においては、停止信号を用いてゲートパルス信号ＧＳを停止する。
【００４４】
以上のように本実施の形態によれば、揚水発電所１Ｂの周波数変換装置が３台以上で構成された場合においても、揚水発電所１Ｂの入出力電力に応じて電力系統側の電力変換器を運転待機の状態とする縮退運転を追加実施することにより、揚水発電複合運転時の周波数変換装置ＦＣ１などの電力変換損失を低減することができる。
【００４５】
（３）第３実施形態
第３の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所は、第１の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については同一の符号を用いて説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
【００４６】
図７は、第３の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所１Ｃのシステム構成の一例を示す図である。揚水発電所１Ｃは、２台以上の揚水発電装置ＰＧ１，ＰＧ２と、それぞれの揚水発電装置を可変速駆動する周波数変換装置ＦＣ１，ＦＣ２で構成される。
【００４７】
第１実施形態との構成の違いは、第１の周波数変換装置ＦＣ１の直流線路を第２の周波数変換装置ＦＣ２の直流線路に接続するための直流開閉器ＳＷ１の構造を２接点から１接点に変更したことである（図示の例では２台目以降は省略）。
【００４８】
電力変換装置Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２については、第１実施形態（図２）に示した電力変換装置と同様の構成を用いる。
【００４９】
通常時（揚水発電複合運転を行わない場合）は、直流開閉器ＳＷ１を開放して直流ケーブルＬＮ１を切り離した状態で運転する。揚水発電複合運転を行う際には、直流開閉器ＳＷ１を投入して第１の周波数変換装置ＦＣ１の直流線路と第２の周波数変換装置ＦＣ２の直流線路とを直流ケーブルＬＮ１を経由して接続し、電力変換装置Ｃ１２を停止する。電力変換装置Ｃ１２の具体的な停止方法については、第１実施形態における停止方法を用いる。
【００５０】
本実施形態では、２台構成の揚水発電所を一例として説明したが、もちろん図８に示すような３台以上で構成される揚水発電所１Ｄであっても前述した実施の形態と同様の効果を発揮することができる。
【００５１】
（４）その他の実施形態
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、複数台の揚水発電装置で構成されるフルコンバータ式揚水発電所の周波数変換装置に広く適用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ……揚水発電所、２……電力系統、ＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３……周波数変換装置、ＰＧ１，ＰＧ２，ＰＧ３……揚水発電装置、ＧＭ……発電電動機、Ｔ……水車、Ｐｇｍ１，Ｐｇｍ２……揚水発電装置の入出力電力、Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２……電力変換装置、ＳＷ１……切替器、ＳＷ２……直流開閉器、ＬＮ１、ＬＮ２……直流ケーブル、Ｐｓｙｓ……揚水発電所の入出力電力、１０……電力変換器、２０……変換器コントローラ、Ｐｇｍａｘ……揚水発電装置の最大出力電力、Ｐｇｍｉｎ……揚水発電装置の最小出力電力、Ｐｍｍａｘ……揚水発電装置の最大入力電力、Ｐｍｍｉｎ……揚水発電装置の最小入力電力、Ｐｆｃｌｓ……周波数変換装置の電力変換損失、Ｐｇ２２ｍａｘ……電力変換装置Ｃ２２の最大出力電力、Ｐｍ２２ｍａｘ……電力変換装置Ｃ２２の最大入力電力。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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