(57)【要約】【課題】運転モードの切替え時であってもシステム有効電力を連続的に出力調整し、かつ、運転モードの切替え時間を短縮し得る揚水発電システムを提供する。【解決手段】電力系統に連系される複数の揚水発電装置と、複数の揚水発電装置に有効電力指令を送信する電力指令装置と、を備え、電力指令装置は、複数の揚水発電装置の各々の有効電力と、複数の揚水発電装置の各々の最低有効電力と、他のシステムとの需給バランスを司る中央制御装置から送信される、需給バランスで必要となるシステム有効電力を指定するためのシステム有効電力指令、および需給バランスで必要となるシステム有効電力に係る変化率と、に基づいて、複数の揚水発電装置のうちの稼動できる揚水発電装置が運転モードの切替えにより稼動できない一または複数の揚水発電装置の最低有効電力を補償できるように複数の揚水発電装置の有効電力指令を決定して送信するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に連系される複数の揚水発電装置と、
前記複数の揚水発電装置に有効電力指令を送信する電力指令装置と、を備え、
前記電力指令装置は、前記複数の揚水発電装置の各々の有効電力と、前記複数の揚水発電装置の各々の最低有効電力と、他のシステムとの需給バランスを司る中央制御装置から送信される、前記需給バランスで必要となるシステム有効電力を指定するためのシステム有効電力指令、および前記需給バランスで必要となるシステム有効電力に係る変化率と、に基づいて、前記複数の揚水発電装置のうちの稼動できる揚水発電装置が運転モードの切替えにより稼動できない一または複数の揚水発電装置の最低有効電力を補償できるように前記複数の揚水発電装置の有効電力指令を決定して送信する、
ことを特徴とする揚水発電システム。
【請求項２】
前記電力指令装置は、前記複数の揚水発電装置の各有効電力の総和がシステム有効電力となる前記複数の揚水発電装置の有効電力指令を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の揚水発電システム。
【請求項３】
前記電力指令装置は、前記複数の揚水発電装置の各有効電力の変化率の総和が前記需給バランスで必要となるシステム有効電力に係る変化率で一定となる前記複数の揚水発電装置の有効電力指令を決定する、
ことを特徴とする請求項２に記載の揚水発電システム。
【請求項４】
前記電力指令装置は、前記複数の揚水発電装置の有効電力の少なくとも１つが異なる値となるように前記複数の揚水発電装置の有効電力指令を決定する、
ことを特徴とする請求項２に記載の揚水発電システム。
【請求項５】
前記システム有効電力指令と前記複数の揚水発電装置の有効電力指令とが対応付けられた情報を格納する記憶装置を備え、
前記電力指令装置は、前記記憶装置から前記システム有効電力指令に対応する前記複数の揚水発電装置の有効電力指令を選択する、
ことを特徴とする請求項１に記載の揚水発電システム。
【請求項６】
前記電力指令装置は、前記電力系統の系統電圧を検出する電圧検出器により検出された検出値から算出される、前記複数の揚水発電装置の有効電力の変化によって発生する系統電圧の変動を打ち消すためのシステム無効電力指令に基づいて、前記複数の揚水発電装置の無効電力指令を決定して送信する、
ことを特徴とする請求項１に記載の揚水発電システム。
【請求項７】
前記システム無効電力指令と前記複数の揚水発電装置の無効電力指令とが対応付けられた情報を格納する記憶装置を備え、
前記電力指令装置は、前記記憶装置から前記システム無効電力指令に対応する前記複数の揚水発電装置の無効電力指令を選択する、
ことを特徴とする請求項６に記載の揚水発電システム。
【請求項８】
前記電力指令装置は、前記複数の揚水発電装置の各有効電力の変化率の総和と予め設定された変化率の許容値とを比較し、前記複数の揚水発電装置の各有効電力の変化率の総和が前記許容値の範囲外であると判定した場合、システム有効電力に段が生じると判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の揚水発電システム。
【請求項９】
前記電力指令装置は、前記複数の揚水発電装置の各有効電力の変化率の総和が前記許容値の範囲外であると判定した場合、システム有効電力に段が生じることを示す不連続検出信号を前記中央制御装置に送信する、
ことを特徴とする請求項８に記載の揚水発電システム。
【請求項１０】
電力系統に連系される複数の揚水発電装置に有効電力指令を送信する電力指令装置であって、
前記複数の揚水発電装置の各々の有効電力と、前記複数の揚水発電装置の各々の最低有効電力と、他のシステムとの需給バランスを司る中央制御装置から送信される、前記需給バランスで必要となるシステム有効電力を指定するためのシステム有効電力指令、および前記需給バランスで必要となるシステム有効電力に係る変化率と、を入力する入力部と、
前記入力部により入力された情報に基づいて、前記複数の揚水発電装置のうちの稼動できる揚水発電装置が運転モードの切替えにより稼動できない一または複数の揚水発電装置の最低有効電力を補償できるように前記複数の揚水発電装置の有効電力指令を決定する決定部と、
前記決定部により決定された有効電力指令を送信する出力部と、
を備えることを特徴とする電力指令装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は揚水発電システムおよび電力指令装置に関し、例えば複数の揚水発電装置が電力系統に連系する揚水発電システムおよび当該複数の揚水発電装置に有効電力指令を送信する電力指令装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
揚水発電装置は、水車が連結した発電電動機の上部と下部とに調整池（以下では、上池と下池と称す。）を設置し、下池から上池にくみ上げた水を、上池から下池に流すことで発電する発電装置である。より具体的には、揚水発電装置が連系する電力系統内の電力需要が多いときは、上池から下池への水の高低差および流量を利用して水車を回転させて運転する（以下では、発電運転と称す。）。一方、揚水発電装置が連系する電力系統内の電力需要の少ないときは、他の発電システムの発電電力を利用して発電電動機を逆回転させることで、下池から上池に水を汲み上げて運転する（以下では、揚水運転と称す。）。揚水発電装置は、装置の始動時間および停止時間が他の発電システムに比べて短く、需給バランスの調整能力に優れるという特長がある。
【０００３】
従来、揚水発電装置は、水車を一定の速度で運転させる固定速方式が主流であったが、近年、水車の高効率化、電力の入出力の調整範囲の拡大等を目的に、発電電動機の一次巻線または二次巻線と電力系統との間に周波数変換装置を接続し、揚水発電装置の出力に応じて水車の速度を可変速化する可変速方式が適用され始めている。
【０００４】
一方、揚水発電装置には、発電電動機の効率および水車の機械的な制約によって決まる最低有効電力がある。したがって、最低有効電力より小さな運転領域では、揚水発電装置における電力の入出力を調整することができない。また、発電運転から揚水運転、または揚水運転から発電運転に運転モードを切り替える場合、水車内の水を一度排水しなければならない。つまり、運転モードを切り替える際は、揚水発電装置を停止しなければならず、運転モードの切替えに時間を要するという問題がある。
【０００５】
この点、複数の揚水発電装置を備え、ある揚水発電装置を発電運転させて、他の揚水発電装置を揚水運転させ、装置の合計出力を調整することで、単機の最低有効電力以下の運転領域においても組合せ出力として連続的な電力の入出力の調整を実現し、揚水発電設備を停止させることなく、揚水運転と発電運転とを切り替える技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、揚水発電装置が停止時と始動時とに発生する有効電力の段（ステップ変化）を他の運転中の揚水発電装置が補償し、揚水発電装置が停止したとしてもシステムとして連続的な入出力調整を実現する技術が開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１７−１６３７４５号公報
【特許文献２】特開２００１−２７１７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の技術では、全ての揚水発電装置が定格発電運転または定格揚水運転している場合に、揚水発電装置の停止および始動が避けられないため、連続的な出力調整が実現できないという問題がある。なお、入出力の調整範囲を最大化するには、全揚水発電装置が定格発電運転したり、全揚水発電装置が定格揚水運転したりできなければならないが、特許文献１に記載の技術では、ある揚水発電装置が揚水運転を行っている際、他の揚水発電装置が発電運転を行っているので、入出力の調整範囲を最大化することができない。
【０００９】
また、運転モードの切替え時においては、運転モードの切替え時間の短縮が求められるが、特許文献１および特許文献２には、運転モードの切替え時間の短縮をするための技術が開示されていないので、運転モードの切替え時間を短縮する構成を実現することが困難となっている。
【００１０】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、運転モードの切替え時であってもシステム有効電力を連続的に出力調整し、かつ、運転モードの切替え時間を短縮し得る揚水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】
【００１１】
かかる課題を解決するため本発明においては、電力系統に連系される複数の揚水発電装置と、前記複数の揚水発電装置に有効電力指令を送信する電力指令装置と、を備え、前記電力指令装置は、前記複数の揚水発電装置の各々の有効電力と、前記複数の揚水発電装置の各々の最低有効電力と、他のシステムとの需給バランスを司る中央制御装置から送信される、前記需給バランスで必要となるシステム有効電力を指定するためのシステム有効電力指令、および前記需給バランスで必要となるシステム有効電力に係る変化率と、に基づいて、前記複数の揚水発電装置のうちの稼動できる揚水発電装置が運転モードの切替えにより稼動できない一または複数の揚水発電装置の最低有効電力を補償できるように前記複数の揚水発電装置の有効電力指令を決定して送信するようにした。
【００１２】
また本発明においては、電力系統に連系される複数の揚水発電装置に有効電力指令を送信する電力指令装置であって、前記複数の揚水発電装置の各々の有効電力と、前記複数の揚水発電装置の各々の最低有効電力と、他のシステムとの需給バランスを司る中央制御装置から送信される、前記需給バランスで必要となるシステム有効電力を指定するためのシステム有効電力指令、および前記需給バランスで必要となるシステム有効電力に係る変化率と、を入力する入力部と、前記入力部により入力された情報に基づいて、前記複数の揚水発電装置のうちの稼動できる揚水発電装置が運転モードの切替えにより稼動できない一または複数の揚水発電装置の最低有効電力を補償できるように前記複数の揚水発電装置の有効電力指令を決定する決定部と、前記有効電力指令により決定された有効電力指令を送信する出力部と、を設けるようにした。
【００１３】
上記構成によれば、例えば、稼動できる揚水発電装置が運転モードの切替えにより稼動できない揚水発電装置の最低有効電力を補償できるので、システム有効電力を連続して出力調整することができる。また、例えば、稼動できない複数の揚水発電装置の最低有効電力を補償できるので、揚水発電装置の運転モードを並行して切り替えることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、可用性の高い揚水発電システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施の形態による揚水発電システムに係る構成の一例を示す図である。
【図２】第１の実施の形態による電力指令装置の出力動作波形の一例を示す図である。
【図３】第１の実施の形態による電力指令装置の出力動作波形と不連続検出信号の動作波形との関係を示す図である。
【図４】第２の実施の形態による揚水発電システムに係る構成の一例を示す図である。
【図５】第２の実施の形態による電力指令装置の出力動作波形と無効電力の波形との関係を示す図である。
【図６】変形例による揚水発電システムに係る構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。
【００１７】
（１）第１の実施の形態
図１において、１は全体として第１の実施の形態による揚水発電システムを示す。揚水発電システム１は、複数の揚水発電装置１０と電力指令装置２０とを含んで構成される。揚水発電装置１０は、水車１１、発電電動機１２、開閉装置１３、および周波数変換装置１４を含んで構成され、電力系統１０１に連系している。なお、電力系統１０１には、揚水発電システム１のほかに、火力発電システム、再生可能エネルギー電源などの他の発電システム１０２が連系し、系統電圧が概ね一定になるように維持されている。
【００１８】
水車１１および発電電動機１２は、上池と下池との水の高低差および流量を利用して水車１１を回転させて発電電動機１２から電力を発生させる発電運転と、他の発電システム１０２の発電電力で、発電電動機１２をポンプ運転し、水車１１を逆回転させることで、下池から上池に水を汲み上げて運転する揚水運転とで運転する機能を有する。
【００１９】
開閉装置１３は、揚水発電装置１０の始動時、停止時に発電電動機１２、周波数変換装置１４、および電力系統１０１を電気的に接続したり、解列したりする機能を有する。
【００２０】
周波数変換装置１４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチング素子を適用した自励式の静止形交直変換装置が適用される。特に、発電電動機の一次巻線に周波数変換装置を接続するフルコンバータ方式は、二次巻線に周波数変換装置を接続する二次励磁方式に比べて、有効電力の入出力の調整範囲が広いという特長がある。図１では、発電電動機１２と電力系統１０１と間の有効電力の授受について、全て周波数変換装置１４を介して実施するフルコンバータ方式の揚水発電装置１０を示している。ただし、発電電動機１２を備えるフルコンバータ方式の揚水発電装置１０に限定するものではなく、図６に示すように発電電動機１５を備える二次励磁方式の揚水発電装置１０を採用してもよい。
【００２１】
電力指令装置２０は、中央制御装置１０３からの各種の指令等に基づいて、有効電力指令Ｐ１ｒｅｆ、Ｐ２ｒｅｆ、・・・、ＰＮｒｅｆ（以下では「有効電力指令Ｐｒｅｆ」と称する。）を決定（生成または選択）し、複数の揚水発電装置１０に有効電力指令Ｐｒｅｆを送信する。ここで、中央制御装置１０３は、各種のシステムを制御する装置であり、例えば、各システムにおける電力の需要と供給とのバランス（需給バランス）に応じて、揚水発電システム１を発電運転させるか、揚水運転させるかを決定する機能を有する。例えば、中央制御装置１０３は、需給バランスの確保に必要なシステム有効電力（複数の揚水発電装置１０の各有効電力の総和）を指定するためのシステム有効電力指令Ｐｓｒｅｆと、システム有効電力指令Ｐｓｒｅｆの変化率（システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆ）とを電力指令装置２０に送信する。なお、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆは、指定した時間（指定時間）において、現在のシステム有効電力から需給バランスの確保に必要なシステム有効電力にする必要があることを示す信号（情報）であり、需給バランスの確保に必要なシステム有効電力に係る変化率を意味する。
【００２２】
電力指令装置２０は、各揚水発電装置１０の有効電力Ｐ１、Ｐ２、・・・、ＰＮ（以下では「有効電力Ｐ」と称する。）と、各揚水発電装置１０が発電運転した場合の最低有効電力Ｐ１ｇｍｉｎ、Ｐ２ｇｍｉｎ、・・・、ＰＮｇｍｉｎ（以下では「最低有効電力Ｐｇｍｉｎ」と称する。）と、各揚水発電装置１０が揚水運転した場合の最低有効電力Ｐ１ｐｍｉｎ、Ｐ２ｐｍｉｎ、・・・、ＰＮｐｍｉｎ（以下では「最低有効電力Ｐｐｍｉｎ」と称する。）と、中央制御装置１０３から送信されるシステム有効電力指令Ｐｓｒｅｆおよびシステム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆとを入力として、それぞれの揚水発電装置１０の有効電力指令Ｐｒｅｆを決定し、各揚水発電装置１０に分配する機能を有する。
【００２３】
より具体的には、電力指令装置２０は、複数の揚水発電装置１０の各々の有効電力Ｐと、複数の揚水発電装置１０の各々の最低有効電力（例えば、最低有効電力Ｐｇｍｉｎ、最低有効電力Ｐｐｍｉｎ）、中央制御装置１０３から送信される、システム有効電力の情報を含むシステム有効電力指令Ｐｓｒｅｆ、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆ（システム有効電力の変化率）と、に基づいて、複数の揚水発電装置１０のうちの稼動できる揚水発電装置１０が運転モードの切替えにより稼動できない一または複数の揚水発電装置１０の最低有効電力を補償できるように複数の揚水発電装置１０の有効電力指令Ｐｒｅｆを決定して送信する。
【００２４】
揚水発電装置１０の周波数変換装置１４は、電力指令装置２０から有効電力指令Ｐｒｅｆを受信し、有効電力指令Ｐｒｅｆで指定された有効電力に追従するように発電電動機１２を可変速制御する。
【００２５】
また、電力指令装置２０は、複数の揚水発電装置１０の各有効電力Ｐの変化率の総和が所定の条件を満たす場合、複数の揚水発電装置１０の各有効電力Ｐの総和に段が生じることを示す不連続検出信号Ｓｄｉｓｃｏｎｔを中央制御装置１０３に送信する機能を備える。より具体的には、電力指令装置２０は、複数の揚水発電装置１０の各有効電力Ｐの変化率の総和と予め設定された変化率の許容値ΔＰｒｅｆｔｈとを比較し、複数の揚水発電装置１０の各有効電力Ｐの変化率の総和が許容値ΔＰｒｅｆｔｈの範囲外であると判定した場合、複数の揚水発電装置１０の各有効電力Ｐの総和に段が生じると判定する。また、電力指令装置２０は、複数の揚水発電装置１０の各有効電力Ｐの変化率の総和が許容値ΔＰｒｅｆｔｈの範囲外であると判定した場合、不連続検出信号Ｓｄｉｓｃｏｎｔを中央制御装置１０３に送信する。
【００２６】
次に、図２を参照して、電力指令装置２０の出力動作波形について説明する。
【００２７】
図２は、電力指令装置２０の出力動作波形の一例を示す図である。図２では、３台の揚水発電装置１０が発電運転から揚水運転に運転モードを切り替える際の各揚水発電装置１０の有効電力Ｐの波形と、揚水発電システム１の全有効電力Ｐｔｏｔａｌ（システム有効電力）の波形とを示している。ただし、揚水発電システム１は、発電運転から揚水運転に運転モードが切り替わる場合に限定されるものではなく、中央制御装置１０３からのシステム有効電力指令Ｐｓｒｅｆに応じて、揚水発電システム１のシステム有効電力を変更する場合であれば同様の効果を得られる。また、揚水発電装置１０は、台数が３台に限定されるものではなく、少なくとも２台以上の揚水発電装置１０を備えた揚水発電システムを構成しても同様の効果を得られる。
【００２８】
図２における縦軸は、有効電力であり、中央の零を基準に、上側は発電運転、下側は揚水運転を示している。横軸は、時間を示している。
【００２９】
揚水発電システム１は、全有効電力Ｐｔｏｔａｌで発電運転しており、全有効電力Ｐｔｏｔａｌは、（式１）で定義される。
Ｐｔｏｔａｌ＝Ｐ１＋Ｐ２＋・・・＋ＰＮ  ・・・  （式１）
【００３０】
ここでは、３台の揚水発電装置１０は、同じ装置容量（例えば同じ定格出力）であり、時刻ｔ０において、一定の有効電力Ｐ１’＝Ｐ２’＝Ｐ３’で運転しているケースを例に挙げて説明する。なお、３台の揚水発電装置１０は、同じ有効電力Ｐで運転しているが、これに限定されるものではなく、揚水発電装置１０が異なる有効電力Ｐで運転（異なる有効電力指令に基づいて動作）していてもよい。
【００３１】
時刻ｔ１にて、中央制御装置１０３からシステム有効電力指令Ｐｓｒｅｆ（揚水運転）と、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆとが電力指令装置２０に送信されたとする。この場合、電力指令装置２０は、時刻ｔ１において、各揚水発電装置１０の有効電力指令Ｐｒｅｆをシステム有効電力指令Ｐｓｒｅｆと各揚水発電装置１０の装置容量とに応じて（式２）で分配する。換言するならば、（式２）は、各揚水発電装置１０に求める有効電力の総和（全有効電力Ｐｔｏｔａｌ）が時刻ｔ１でのシステム有効電力となるように各揚水発電装置１０の装置容量に応じて各有効電力指令Ｐｒｅｆを決定することを意味する。
Ｐ１ｒｅｆ＋Ｐ２ｒｅｆ＋・・・＋ＰＮｒｅｆ＝Ｐｓｒｅｆ  ・・・  （式２）
【００３２】
例えば、電力指令装置２０は、（式２）を満たすように各揚水発電装置１０に求める有効電力Ｐを算出して有効電力指令Ｐｒｅｆを生成する構成であってもよいし、システム有効電力指令Ｐｓｒｅｆと有効電力指令Ｐｒｅｆとが対応付けられた情報（データベース化された情報）を格納（記憶）する記憶装置３０から、システム有効電力指令Ｐｒｅｆに対応する有効電力指令Ｐｒｅｆを選択する構成であってもよい。
【００３３】
また、決定（生成または選択）した有効電力指令Ｐｒｅｆについては、リアルタイムに揚水発電装置１０に送信する構成であってもよいし、指令パターン（各揚水発電装置１０の有効電力Ｐの波形）として揚水発電装置１０に送信する構成であってもよい。
【００３４】
ここで、システム有効電力の急変（例えば、運転モードの切替え中のシステム有効電力の段）を防止するには、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆを一定に保つことができればよい。したがって、電力指令装置２０は、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆが一定という制約にて、複数の揚水発電装置１０の有効電力指令Ｐｒｅｆの変化率（有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、ΔＰ２ｒｅｆ、・・・、ΔＰＮｒｅｆ（以下では「有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆ」と称する。））を制御してもよい。例えば、電力指令装置２０は、複数の揚水発電装置１０の各有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆの総和がシステム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆで一定となる複数の揚水発電装置１０の有効電力指令Ｐｒｅｆを決定する。より具体的には、（式３）が成り立つように有効電力指令Ｐｒｅｆを生成する。
ΔＰ１ｒｅｆ＋ΔＰ２ｒｅｆ＋・・・＋ΔＰＮｒｅｆ＝ΔＰｓｒｅｆ  （ΔＰｒｅｆ＝一定値）
・・・  （式３）
【００３５】
ここで、（式３）は、例えば運転モードの切替え中のある時刻において、各揚水発電装置１０の有効電力Ｐが変化した量（有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆ）の総和がシステム有効電力が変化した量（システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆ）で一定であることを示している。
【００３６】
付言するならば、３台の揚水発電装置１０は、同じ装置容量であり、同じ有効電力Ｐで運転しているので、（式３）は、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆが一定という制約に加えて、複数の揚水発電装置１０の有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、ΔＰ２ｒｅｆ、ΔＰ３ｒｅｆが全て同じ値であってはならないという制約も付加される。つまり、有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、ΔＰ２ｒｅｆ、ΔＰ３ｒｅｆは、少なくとも１つが異なる変化率となるように制御されなければならない。換言するならば、電力指令装置２０は、複数の揚水発電装置１０の有効電力Ｐの少なくとも１つが異なる値となるように複数の揚水発電装置１０の有効電力指令Ｐｒｅｆを決定する。その理由は、揚水発電装置１０の有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、ΔＰ２ｒｅｆ、ΔＰ３ｒｅｆが全て同じ値であると、全ての揚水発電装置１０が同じ瞬間に停止するので、（式３）を満たすことができなくなるからである。
【００３７】
ここで、揚水発電装置１０には、揚水発電装置１０が発電運転した場合の最低有効電力Ｐｇｍｉｎ、揚水発電装置１０が揚水運転した場合の最低有効電力ＰＰｍｉｎがある。これら最低有効電力は、運転効率、機械的な制約等によって決まる。そのため、ＰｇｍｉｎからＰＰｍｉｎまでの間の運転領域においては、揚水発電装置１０が単機である場合、有効電力Ｐを調整することができない。
【００３８】
さらに、運転モードの切替えが必要なシステム有効電力指令Ｐｓｒｅｆが中央制御装置１０３から与えられた場合、発電電動機１２は、水車１１内部の水を一旦排水するために一度停止し、排水後に発電電動機１２を再始動しなければならず、停止、再始動の瞬間で最低有効電力に起因するステップ変化が発生してしまう。しかしながら、揚水発電システム１では、電力指令装置２０は、（式３）が成立するように、有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆを制御するので、システム有効電力にステップ変化が発生しない。
【００３９】
図２の時刻ｔ１からｔ４までを参照し、揚水発電システム１における動作の例について説明する。
【００４０】
時刻ｔ１にて、中央制御装置１０３からシステム有効電力指令Ｐｓｒｅｆと、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆとが電力指令装置２０に送信されたとする。電力指令装置２０は、各々の揚水発電装置１０の有効電力指令Ｐ１ｒｅｆ、Ｐ２ｒｅｆ、Ｐ３ｒｅｆを（式２）で計算する。この際、電力指令装置２０は、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆ一定、つまり、（式３）が成立するような有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、ΔＰ２ｒｅｆ、ΔＰ３ｒｅｆを演算し、（式２）および（式３）を満たす有効電力指令Ｐ１ｒｅｆ、Ｐ２ｒｅｆ、Ｐ３ｒｅｆを各揚水発電装置１０に送信するようにしてもよい。
【００４１】
時刻ｔ２にて、まずＮｏ．３の揚水発電装置１０が最低有効電力Ｐ３ｇｍｉｎに達したとする。Ｎｏ．３の揚水発電装置１０は、Ｐ３ｇｍｉｎ以下の有効電力Ｐを出力できないので、以降の有効電力指令変化率ΔＰ３ｒｅｆは零となる。そのため、（式３）を成立させるために、電力指令装置２０は、Ｎｏ．１の揚水発電装置１０の有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、およびＮｏ．２の揚水発電装置１０の有効電力指令変化率ΔＰ２ｒｅｆを変更することでシステム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆを一定に保つ。そして、電力指令装置２０は、変更した有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、ΔＰ２ｒｅｆに基づいて有効電力指令Ｐ１ｒｅｆ、Ｐ２ｒｅｆを算出（（式２）および（式３）を満たす有効電力指令Ｐ１ｒｅｆ、Ｐ２ｒｅｆを決定）する。
【００４２】
時刻ｔ３にて、運転モードの切替えのためにＮｏ．３の揚水発電装置１０が停止する際、最低有効電力Ｐ３ｇｍｉｎによるステップ変化が発生する。時刻ｔ２の場合と同様に、Ｎｏ．１の揚水発電装置１０の有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、Ｎｏ．２の揚水発電装置１０の有効電力指令変化率ΔＰ２ｒｅｆを変更することでシステム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆを一定に保つ。以降のＮｏ．１およびＮｏ．２の揚水発電装置１０の停止時も、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の揚水発電装置１０の始動時も同様に有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、ΔＰ２ｒｅｆ、ΔＰ３ｒｅｆを変更しながら運転し、時刻ｔ４にて運転モードの切替えを完了する。
【００４３】
以上で説明したような機能を電力指令装置２０が備えることで、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆを保ったまま運転することができる。
【００４４】
なお、電力指令装置２０が各時刻において有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆを変更する例を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆと有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆとが対応付けられた情報（データベース化された情報）を格納する記憶装置３０から、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆに対応する有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆを選択するように電力指令装置２０を構成してもよい。
【００４５】
次に、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆを保ったまま運転することができない場合の電力指令装置２０の動作について説明する。
【００４６】
図３は、電力指令装置２０の出力動作波形と不連続検出信号Ｓｄｉｓｃｏｎｔの動作波形との関係を示す図である。
【００４７】
電力指令装置２０のシステム有効電力指令Ｐｓｒｅｆに対して、基本的には、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆを保ったまま運転することができる。ただし、中央制御装置１０３から電力指令装置２０に与えられるシステム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆが極端に大きい値であったり、最低有効電力ＰｇｍｉｎからＰｐｍｉｎの範囲が広すぎたりすると、システム有効電力指令Ｐｓｒｅｆが出されてから必要となるシステム有効電力にするまでの期間（本例ではｔ１からｔ４までの期間）に、有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆの総和がシステム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆで一定に保てなくなる可能性がある。そのため、電力指令装置２０は、有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆの総和を監視し、電力指令装置２０に設定した許容値ΔＰｒｅｆｔｈを超過する場合に、不連続検出信号Ｓｄｉｓｃｏｎｔを出力し、中央制御装置１０３に送信する。これにより、不連続な有効電力Ｐの発生、つまり、システム有効電力のステップ変化の発生を素早く中央制御装置１０３に伝達することができる。
【００４８】
図３を用いて、不連続検出信号Ｓｄｉｓｃｏｎｔの動作を説明する。図３の上図は、図２と同じように、３台の揚水発電装置１０が発電運転から揚水運転に運転モードが切り替わる際の各揚水発電装置１０の有効電力Ｐの波形と、揚水発電システム１の全有効電力（システム有効電力）の波形とを示している。また、図３の下図は、不連続検出信号Ｓｄｉｓｃｏｎｔの動作波形を示し、「０」が連続、「１」が不連続を示している。図３は、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆが極端に大きい条件を想定している。
【００４９】
時刻ｔ１にて、中央制御装置１０３からシステム有効電力指令Ｐｓｒｅｆと、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆとが電力指令装置２０に送信されたとする。まず、システム有効電力指令Ｐｓｒｅｆから、電力指令装置２０は、各々の揚水発電装置１０の有効電力指令Ｐｒｅｆ、Ｐ２ｒｅｆ、Ｐ３ｒｅｆを装置容量などに応じて（式２）で分配する。その後、時刻ｔ２まではシステム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆで一定となるように有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、ΔＰ２ｒｅｆ、ΔＰ３ｒｅｆを制御する。
【００５０】
時刻ｔ２にて、Ｎｏ．１の揚水発電装置１０が最低有効電力Ｐ１ｇｍｉｎに達している。しかしながら、その他の揚水発電装置１０は、停止中（有効電力が零）であり、自身は最低有効電力Ｐ１ｇｍｉｎとなっているため、（式３）を成立させることができない。換言するならば、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆを電力指令装置２０にて変更せざるを得ない。システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆの変更によって、許容値ΔＰｒｅｆｔｈを超過した場合、不連続検出信号Ｓｄｉｓｃｏｎｔを「０」から「１」に変更する。時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間は、不連続状態が続き、ｔ３以降は、有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆが（式３）を成立させることができるので、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆを元に戻し、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆが許容値ΔＰｒｅｆｔｈ以内となり、不連続検出信号Ｓｄｉｓｃｏｎｔを「１」から「０」に変更する。中央制御装置１０３は、Ｓｄｉｓｃｏｎｔを監視することでシステム有効電力のステップ変化の発生を検出し、他の発電システム１０２、調相設備などに電力補償指令を送信することが可能となる。このように、電力補償指令を送信することで、システム有効電力のステップ変化が生じたとしても、発電システム１０２等の他のシステムで補償でき、需給バランスを確保できるようになる。
【００５１】
上述した構成によれば、電力指令装置２０がシステム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆで一定となるような有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆを決定し、全ての揚水発電装置１０が並列動作で運転モードの切替えができるので、運転モードの切替え時間を短縮できる。また、全ての揚水発電装置１０が定格発電運転、または定格揚水運転している状態から運転モードの切替えができるので、複数台運転する揚水発電システム１の有効電力Ｐの入出力調整範囲を最大化できる。
【００５２】
本実施の形態によれば、複数台運転する揚水発電システムの入出力の調整範囲を最大化することが可能で、かつ、各々の揚水発電装置の有効電力指令の変化率を制御することで、並列で運転モード切り替えできるので、運転モードの切替え時間を短縮できる。
【００５３】
（２）第２の実施の形態
図４を参照して、本実施の形態の揚水発電システム２を説明する。本実施の形態では、第１の実施の形態と同じ構成または対応する構成については説明を適宜省略し、異なる構成について主に説明する。
【００５４】
図４は、揚水発電システム２に係る構成の一例を示す図である。揚水発電システム２が備える電力指令装置４０では、第１の実施の形態で示した入力信号に加え、揚水発電システム２が連系する電力系統１０１の系統電圧Ｖｇが入力される。系統電圧Ｖｇは、電圧検出器１０４にて検出される。また、電力指令装置４０では、第１の実施の形態で示した出力信号に加え、各々の揚水発電装置１０に与える無効電力指令Ｑ１ｒｅｆ、Ｑ２ｒｅｆ、・・・、ＱＮｒｅｆ（以下では「無効電力指令Ｑｒｅｆ」と称する。）が出力される。
【００５５】
次に、図５を参照して電力指令装置４０の出力動作波形について説明する。
【００５６】
図５は、電力指令装置４０の出力動作波形と無効電力Ｑの波形との関係を示す図である。
【００５７】
図５の上図は、３台の揚水発電装置１０が発電運転から揚水運転に運転モードが切り替わる際の各揚水発電装置１０の有効電力Ｐの波形と、揚水発電システム２の全有効電力の波形を示している。縦軸は、有効電力であり、中央の零を基準に、上側は発電運転を示し、下側は揚水運転を示している。横軸は時間を示している。
【００５８】
図５の下図は、３台の揚水発電装置１０が発電運転から揚水運転に運転モードが切り替わる際の各揚水発電装置１０内部の周波数変換装置１４が出力する無効電力Ｑの波形と、揚水発電システム２の全無効電力Ｑｔｏｔａｌ（システム無効電力）の波形を示している。縦軸は、無効電力であり、中央の零を基準に、上側は進み無効電力運転を示し、下側は遅れ無効電力運転を示している。横軸は時間を示している。
【００５９】
図５の時刻ｔ０からｔ２までの動作については第１の実施の形態と同じであるのでその説明を省略する。第１の実施の形態では、時刻ｔ２において、Ｎｏ．３の揚水発電装置１０が最低有効電力Ｐ３ｇｍｉｎに達した際、Ｎｏ．１の揚水発電装置１０の有効電力指令変化率ΔＰ１ｒｅｆ、Ｎｏ．２の揚水発電装置１０の有効電力指令変化率ΔＰ２ｒｅｆを変更することで、Ｎｏ．３の揚水発電装置１０の有効電力Ｐのステップ変化を補償するように動作した。一方、揚水発電システム２は、電力指令装置４０を備え、有効電力Ｐの補償機能に加えて無効電力Ｑの補償機能を備える。
【００６０】
有効電力Ｐの急変（例えばステップ変化）は、電力系統１０１の系統周波数、系統電圧Ｖｇの変動につながる。第１の実施の形態に示したように、システム有効電力指令変化率ΔＰｓｒｅｆで一定に制御しているが、短絡容量が小さな電力系統に揚水発電設備が連系する場合、有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆの小さな変化である場合でも、系統電圧Ｖｇの変動を引き起こしてしまい、系統安定度に悪影響を及ぼすおそれがある。そこで、電力指令装置４０は、揚水発電装置１０の停止、起動のタイミング、有効電力指令変化率ΔＰｒｅｆが急変するタイミングで、無効電力Ｑを出力するように、無効電力指令Ｑｒｅｆを周波数変換装置１４に送信する。
【００６１】
したがって、電力系統１０１の系統電圧Ｖｇを電圧検出器１０４で検出し、系統電圧Ｖｇの電圧変動を抑制する方向のシステム無効電力指令Ｑｓｒｅｆを揚水発電システム２が出力するように構成する。例えば、電力指令装置４０は、電力系統１０１の系統電圧Ｖｇを検出する電圧検出器１０４により検出された検出値から算出される、複数の揚水発電装置１０の有効電力Ｐの変化によって発生する系統電圧Ｖｇの変動を打ち消すためのシステム無効電力指令Ｑｓｒｅｆを生成する。
【００６２】
電力指令装置４０は、時刻ｔ２において、各々の揚水発電装置１０の無効電力指令Ｑｒｅｆを装置容量などに応じて（式４）で分配する。
Ｑｓｒｅｆ＝Ｑ１ｒｅｆ＋Ｑ２ｒｅｆ＋・・・＋ＱＮｒｅｆ  ・・・  （式４）
【００６３】
電力指令装置４０は、（式４）を満たすように無効電力指令Ｑｒｅｆを算出する構成であってもよいし、システム無効電力指令Ｑｓｒｅｆと、無効電力指令Ｑｒｅｆとが対応付けられた情報を格納する記憶装置３０から、システム無効電力指令Ｑｓｒｅｆに対応する無効電力指令Ｑｒｅｆを選択する構成であってもよい。
【００６４】
なお、揚水発電装置１０内の発電電動機１２が停止している場合、揚水発電装置１０から有効電力Ｐを入出力できないが、無効電力Ｑについては、発電電動機１２が停止したとしても、周波数変換装置１４が電力系統１０１に連系されていれば出力可能である。つまり、発電電動機１２の運転状態による無効電力出力の制約はない。
【００６５】
電力指令装置４０は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の揚水発電装置１０の有効電力の変化による系統電圧Ｖｇの変動を抑制するシステム無効電力指令Ｑｓｒｅｆを演算し、各々の揚水発電装置１０に無効電力指令Ｑｒｅｆを分配する。図５では、各々の揚水発電装置１０に与える無効電力指令Ｑｒｅｆは、Ｑ１ｒｅｆ≠Ｑ２ｒｅｆ≠Ｑ３ｒｅｆの関係であるが、これに限定されるものではなく、必要なシステム無効電力指令Ｑｓｒｅｆを満たすことができれば、どのようにシステム無効電力指令Ｑｓｒｅｆを分配してもよい。
【００６６】
本実施の形態では、フルコンバータ方式の発電電動機１２を備える揚水発電装置１０を例に挙げて説明したが、フルコンバータ方式の揚水発電装置１０に限定するものではなく、図６に示すような発電電動機１５を備える二次励磁方式の揚水発電装置１０を採用してもよい。
【００６７】
本実施の形態によれば、有効電力の補償機能に加えて、無効電力の補償機能も揚水発電システムに備わるので、揚水発電装置の有効電力の変化に起因する系統電圧の変動を防止でき、電力系統の安定化に寄与することができる。
【００６８】
（３）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、本発明を揚水発電システム１，２に適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、この他種々の揚水発電システム、揚水発電方法、電力指令装置に広く適用することができる。
【００６９】
上述した電力指令装置２０，４０は、計算機（コンピュータ）により実現することができる。例えば、電力指令装置２０，４０がノートパソコン、サーバ装置等である場合、図示は省略するＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、通信部などを含んで構成される。電力指令装置２０，４０の機能（有効電力指令、無効電力指令等の生成に係る情報を入力する入力部、入力部により入力された情報に基づいて有効電力指令、無効電力指令などを決定する決定部、決定部に決定された有効電力指令、無効電力指令等を送信する出力部など）は、例えば、ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムをＲＡＭに読み出して実行すること（ソフトウェア）により実現されてもよいし、専用の回路などのハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアとが組み合わされて実現されてもよい。また、電力指令装置２０，４０の機能の一部は、電力指令装置２０，４０と通信可能な他のコンピュータにより実現されてもよい。なお、通信部は、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）から構成され、中央制御装置１０３との通信時におけるプロトコル制御を行う。
【００７０】
上述の実施の形態においては、記憶装置３０が電力指令装置２０，４０の外部に設けられる構成を例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、記憶装置３０が電力指令装置２０，４０の内部に設けられてもよい。付言するならば、記憶装置３０は、揚水発電システム１，２に設けられないこともある。
【００７１】
また、上記の説明において各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
【００７２】
また上述した構成については、本発明の要旨を超えない範囲において、適宜に、変更したり、組み替えたり、組み合わせたり、省略したりしてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１……揚水発電システム、１０……揚水発電装置、１１……水車、１２……発電電動機、１３……開閉装置、１４……周波数変換装置、２０……電力指令装置、３０……記憶装置、１０１……電力系統、１０２……他の発電システム、１０３……中央制御装置。
【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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