(57)【要約】【課題】より安定した電力系統を実現可能な揚水発電システムを提供すること。【解決手段】本発明は、可逆式ポンプ水車３と、可逆式ポンプ水車３のランナー軸に直結された同期電動発電機２と、交流から直流および直流から交流への可逆変換が可能な第１の電力変換部１１および第２の電力変換部１２を有するとともに、電力系統に接続された第１の電力変換部１１と同期電動発電機２に接続された第２の電力変換部１２の間に設置された蓄電池１３を有して構成された周波数変換器１と、可逆式ポンプ水車３のガイドベーン３２の開度を調整する調速機５と、第１の電力変換部１１、第２の電力変換部１２および調速機５を制御する制御装置４と、を備え、制御装置４は、外部からの無効電力指令および有効電力指令に従って第１の電力変換部１１を制御する第１の周波数変換器制御部４１、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可逆式ポンプ水車と、
前記可逆式ポンプ水車のランナー軸に直結された同期電動発電機と、
交流から直流および直流から交流への可逆変換が可能な第１の電力変換部および第２の電力変換部を有するとともに、電力系統に接続された当該第１の電力変換部と前記同期電動発電機に接続された当該第２の電力変換部の間に設置された蓄電池を有して構成された周波数変換器と、
前記可逆式ポンプ水車のガイドベーンの開度を調整する調速機と、
前記第１の電力変換部、前記第２の電力変換部および前記調速機を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
外部からの無効電力指令および有効電力指令に従って前記第１の電力変換部を制御する第１の周波数変換器制御部、
を備えることを特徴とする揚水発電システム。
【請求項２】
前記制御装置は、
発電運転時には前記調速機に対して前記回転子の回転速度を指示し、指示した回転速度となるように前記ガイドベーンの開度を調整させ、揚水運転時には前記調速機に対して前記ガイドベーンの開度を指示し、指示した開度となるように前記ガイドベーンの開度を調整させる調速機制御部、
をさらに備え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】
前記制御装置は、
前記蓄電池の電圧が一定値を維持するよう前記第２の電力変換装置を制御する第２の周波数変換器制御部、
をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の揚水発電システム。
【請求項４】
前記同期電動発電機の回転子巻線に供給する直流電流を生成する整流器と、
前記固定子巻線と前記第２の電力変換部との間における交流電圧が一定値を維持するように前記整流器を制御する整流器制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載の揚水発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揚水発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
揚水発電システムは、上池と下池を水路でつなぎ、上池から下池に流れる水がポンプ水車を回転させることによりこのポンプ水車に接続されている発電電動機の回転子を回転させ電力消費量が多い昼間などに発電を行う。また、電力消費量が少ない夜間など発電する必要が無い状態において、系統から電力供給を受けて発電電動機を駆動させることによりポンプ水車を回転させ、下池の水を上池に揚水する。このように揚水発電システムは一種のエネルギー貯蔵装置として活用されている。
【０００３】
発電運転時には、電力系統の状態に応じて、例えば、需要家における消費電力が多い状態では発電量を増加させ、消費電力が少ない状態では発電量を減少させる。発電量は、ポンプ水車に流れる水量を調整するガイドベーンの開度を制御することにより調整する。一方、揚水運転時には、効率的に揚水できるように、上池の水位と下池の水位の差に応じてガイドベーンの開度を制御する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１６６４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、揚水発電システムにおける従来の揚水運転では、効率的に揚水するよう、上池と下池の水位差に基づいてガイドベーンの開度を制御しており、電力系統の状態は考慮していなかった。すなわち、揚水運転時には需給調整が不可能であり電力系統の安定化実現に寄与していなかった。しかしながら、より安定した電力系統の実現のためには、揚水運転時においても電力系統の状態を考慮した動作を行い、需給調整に貢献できることが望ましい。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より安定した電力系統を実現可能な揚水発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、可逆式ポンプ水車と、前記可逆式ポンプ水車のランナー軸に直結された同期電動発電機と、交流から直流および直流から交流への可逆変換が可能な第１の電力変換部および第２の電力変換部を有するとともに、電力系統に接続された当該第１の電力変換部と前記同期電動発電機に接続された当該第２の電力変換部の間に設置された蓄電池を有して構成された周波数変換器と、前記可逆式ポンプ水車のガイドベーンの開度を調整する調速機と、前記第１の電力変換部、前記第２の電力変換部および前記調速機を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、外部からの無効電力指令および有効電力指令に従って前記第１の電力変換部を制御する第１の周波数変換器制御部、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる揚水発電システムは、負荷変動に対する追従性を高めることができ、電力系統の安定度を従来よりも高めることができるとともに、揚水運転時においても電力系統の需給調整に貢献することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、揚水発電システムの概要を示す図である。
【図２】図２は、本発明にかかる揚水発電システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかる揚水発電システムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
（実施の形態）
図１は、揚水発電システムの概要図である。図示したように、揚水発電システムは、上池と下池を水路で繋ぎ、その途中に発電所を設け、上池から下池へ放水することにより発電所内のポンプ水車およびこれに接続された発電機を回して発電する（発電運転）。また、発電機を電動機として利用し、これを駆動させることで、発電運転時の逆方向にポンプ水車を回して下池の水を上池へ揚水する（揚水運転）。
【００１２】
図２は、本発明にかかる揚水発電システムの構成例を示す図である。図示したように、本実施の形態の揚水発電システムは、主要な構成要素として、周波数変換器１、同期電動発電機２、可逆式ポンプ水車３、制御装置４、調速機５および演算装置６を備えている。
【００１３】
周波数変換器１は、発電運転時には同期電動発電機２によって発電された交流電圧を入力として、その周波数が電力系統側の周波数と一致するように変換する。また、揚水運転時には電力系統から電力の供給を受けて同期電動発電機２を電動機として動作させるための駆動電力を生成する。周波数変換器１は、主要変圧器側に設置された第１の電力変換部１１と、同期電動発電機２側に設置された第２の電力変換部１２と、第１の電力変換部１１と第２の電力変換部１２との間に設置された蓄電池１３とにより構成されている。第２の電力変換部１２は同期電動発電機２の固定子巻線に接続されている。
【００１４】
同期電動発電機２は、その回転子が可逆式ポンプ水車３のランナー軸に直結されており、発電運転時には可逆式ポンプ水車３が水力により回転し、これに伴って回転子が回転して発電を行う。揚水運転時には周波数変換器１から駆動電力が印加されて電動機として動作し、可逆式ポンプ水車３を回転させて揚水を行う。同期電動発電機２は、回転子の回転速度を検出する回転速度検出器２１を含んでいる。
【００１５】
同期電動発電機２の回転子巻線に供給される直流電流は、所内系統から供給された交流電力を整流する整流器２２により生成される。この整流器２２には、整流器２２に対する制御信号であるゲート信号を生成する整流器制御部としてのＡＶＲ（Automatic  Voltage  Regulator：自動電圧制御装置）２３が接続されている。
【００１６】
可逆式ポンプ水車３は、ケーシング３１、ランナー３３およびこれらの間に配置されたガイドベーン３２を備える。ケーシング３１は上池につながっており、発電運転時にはガイドベーン３２を介してランナー３３側に水が流れる。揚水運転時には逆方向に水が流れる。ガイドベーン３２の開度を変更すると、これに伴ってケーシング３１からランナー３３側へ、または逆方向へ流れる水の量が変化する。すなわち、ガイドベーン３２の開度を調整することにより、発電運転時には発電量を、また、揚水運転時には揚水量を調整できる。ただし、揚水運転時には、損失を最小限に抑えるため、同期電動発電機２の動作状態に応じた最適な開度となるようにガイドベーン３２は調整される。
【００１７】
制御装置４は、周波数変換器１および調速機５を制御する機器であり、外部から入力される無効電力指令、有効電力指令、上池水位および下池水位などの各情報に基づいて、周波数変換器１内の第１の電力変換部１１および第２の電力変換部１２を制御するためのゲート信号と、調速機５に対する指令信号（最適回転速度指令，最適ガイドベーン開度指令）とを生成する。第１の電力変換部１１に対するゲート信号は第１の周波数変換器制御部４１が無効電力指令、有効電力指令および演算装置６からの入力情報（周波数変換器１の電力系統側における電圧、周波数変換器１の電力系統側における電圧および電流から算出される有効電力および無効電力）に基づいて生成する。なお、蓄電池１３の両端電圧は計器用変圧器７３が検出する。第２の電力変換部１２に対するゲート信号は第２の周波数変換器制御部４２が蓄電池１３の両端電圧および周波数変換器１の同期電動発電機２側における電圧に基づいて生成する。なお、周波数変換器１の同期電動発電機２側における電圧は計器用変圧器７４が検出する。調速機５に対する指令信号は調速機制御部４３が有効電力指令、上池水位および下池水位に基づいて生成する。
【００１８】
第１の周波数変換器制御部４１は、比較器４１１および４１２と、ＡＱＲ（Automatic  Q  Regulator：自動無効電力制御装置）４１３と、ＡＰＲ（Automatic  P  Regulator：自動有効電力制御装置）４１４と、演算器４１５および４１６と、ＡＣＲ（Automatic  Current  Regulator：自動電流制御装置）４１７とを備えている。比較器４１１は、外部から入力される無効電力指令値と演算装置６から入力される実無効電力とを比較し、これら２つの入力の差（偏差）を算出する。比較器４１２は、外部から入力される有効電力指令値と演算装置６から入力される実有効電力とを比較し、これら２つの入力の差（偏差）を算出する。ＡＱＲ４１３は、比較器４１１から入力された無効電力の偏差に基づいて、無効電力の調整量を決定する。決定した調整量はベクトルで表現され、演算器４１５へ出力される。ＡＰＲ４１４は、比較器４１２から入力された有効電力の偏差に基づいて、有効電力の調整量を決定する。決定した調整量はベクトルで表現され、演算器４１５へ出力される。演算器４１５は、入力された無効電力の調整量と有効電力の調整量を加算し、演算器４１６は、演算器４１５における加算結果に対して、さらに、演算装置６から入力される実電圧を加算する。ＡＣＲ４１７は、演算器４１６における加算結果に基づいて、第１の電力変換部１１に対するゲート信号を生成する。
【００１９】
第２の周波数変換器制御部４２は、ＡＶＲ４２１、ＡＣＲ４２２および演算器４２３を備えている。ＡＶＲ４２１は、蓄電池１３の両端電圧の目標値を保持しており、計器用変圧器７３が検出した電圧（実蓄電池電圧）と目標値の差を算出する。演算器４２３は、ＡＶＲ４２１による算出結果と計器用変圧器７４が検出した電圧（実発電電動機電圧）を加算し、ＡＣＲ４２２は演算器４２３における加算結果に基づいて、第２の電力変換部１２に対するゲート信号を生成する。
【００２０】
なお、図２に示した第１の周波数変換器制御部４１および第２の周波数変換器制御部４２の構成は一例であり、後述する発電運転時の動作および揚水運転時の動作が実現可能であればどのような構成としても良い。
【００２１】
調速機５は、発電運転時には可逆式ポンプ水車３のガイドベーン３２の開度を制御することにより、同期電動発電機２の回転速度（回転子の回転速度）を調整する。揚水運転時には可逆式ポンプ水車３のガイドベーン３２の開度を制御することにより、揚水量を調整する。調速機５は、制御装置４の調速機制御部４３から最適回転速度指令値が入力されたときは、同期電動発電機２の回転速度検出器２１で検出される実回転速度が最適回転速度指令値に一致するよう、ガイドベーン３２の開度を調整する。また、制御装置４の調速機制御部４３から最適ガイドベーン開度指令値が入力されたときは、可逆式ポンプ水車３からフィードバックされる実ガイドベーン開度が最適ガイドベーン開度指令値に一致するよう、ガイドベーン３２の開度を調整する。
【００２２】
調速機５は、比較器５１および５２と、スイッチ５３と、ＡＳＲ（Automatic  Speed  Regulator：自動回転速度制御装置）５４とを備えている。比較器５１は、調速機制御部４３から入力される最適回転速度指令と回転速度検出器２１から入力される実回転速度とを比較し、これら２つの入力の差（偏差）を算出する。比較器５２は、調速機制御部４３から入力される最適ガイドベーン開度指令と可逆式ポンプ水車３から入力される実ガイドベーン開度とを比較し、これら２つの入力の差（偏差）を算出する。スイッチ５３は、比較器５１で算出された偏差と比較器５２で算出された偏差の一方を選択してＡＳＲ５４へ出力する。より詳細には、発電運転時には比較器５１で算出された偏差を選択出力し、揚水運転時には比較器５２で算出された偏差を選択出力する。運転モードが発電と揚水のどちらなのかは、例えば、制御装置４に入力される有効電力指令値の極性を監視して判断する。ＡＳＲ５４は、スイッチ５３から受け取った偏差に基づいてガイドベーン３２の開度を制御する。なお、図２の調速機５の構成は一例であり、後述する発電運転時の動作および揚水運転時の動作が実現可能であればどのような構成としても良い。
【００２３】
演算装置６は、周波数変換器１の電力系統側における電圧および電流、すなわち、計器用変圧器７１が検出した電圧値および計器用変流器７２が検出した電流値に基づいて、有効電力および無効電力を算出する。算出結果は制御装置４の第１の周波数変換器制御部４１へ出力される。なお、計器用変圧器７１が検出した電圧値も第１の周波数変換器制御部４１へ出力される。
【００２４】
次に、揚水発電システムの動作について、発電運転時の動作と揚水運転時の動作とに分けて説明する。
【００２５】
＜発電運転時の動作＞
発電運転を行う場合、制御装置４に入力される有効電力指令はその値が正（＋）となる。制御装置４において、調速機制御部４３は、極性が正の有効電力指令値が入力されると、発電運転を行うと判断し、有効電力指令値、上池水位および下池水位の３つの入力値に基づいて、これらの入力値に対応する最適回転速度指令値を調速機５に対して出力する。ここで、最適回転速度指令値は、可逆式ポンプ水車３の水力学特性等により上記３つの入力値から一意に導き出されるものであるが、その決定方法については特に規定しない。例えば、３つの入力値と出力値（最適回転速度指令値）の対応テーブルを予め作成して調速機制御部４３が保持しておき、保持している対応テーブルに従って最適回転速度指令値を決定するようにしても良い。なお、発電運転時には最適ガイドベーン開度指令は出力されない。
【００２６】
調速機５は、最適回転速度指令値が入力されると、これを同期電動発電機２の回転速度検出器２１から入力される実回転速度と比較し、実回転速度が指令値（最適回転速度指令値）と一致するように、すなわち、これら２つの入力値の差分（偏差）がゼロとなるように、ガイドベーン３２の開度を変更する。例えば、実回転速度が指令値よりも小さい場合は開度を大きくするようガイドベーン３２に指示を出してランナー３３に流入する水の量を増加させる。逆に、実回転速度が指令値よりも大きい場合は開度を小さくするようガイドベーン３２に指示を出してランナー３３に流入する水の量を減少させる。
【００２７】
第１の周波数変換器制御部４１は、極性が正の有効電力指令値が入力されると、演算装置６で算出される有効電力および無効電力がそれぞれ有効電力指令値および無効電力指令値と一致するように、第１の電力変換部１１を制御する（ゲート信号を生成する）。電力系統側の第１の電力変換部１１を制御して所望の電力を生成することにより、負荷が変動した場合の追従性を高めることができる。
【００２８】
このとき、第２の周波数変換器制御部４２は、計器用変圧器７３および７４のそれぞれにおける電圧検出値に基づいて、計器用変圧器７３における電圧検出値（すなわち、蓄電池１３の端子電圧）が、予め決定しておいた一定の値となるよう、第２の電力変換部１２を制御するようにしてもよい。有効電力指令値の極性が正の場合は発電運転を実行し、電力系統側に電力を供給するように第１の電力変換部１１が動作するため、蓄電池１３の端子電圧は低下する（蓄電池１３に蓄えられたエネルギーが消費される）。そのため、第２の周波数変換器制御部４２は、蓄電池１３に対して充電を行うよう第２の電力変換部１２を制御する。蓄電池１３の端子電圧が常に一定の値となるように制御した場合、第１の電力変換部１１への入力電圧も一定となり、第１の周波数変換器制御部４１による第１の電力変換部１１の制御動作が簡単になる。その結果、有効電力指令値および無効電力指令値に対する追従性能がさらに向上し、電力系統の安定化に繋がる。
【００２９】
また、同期電動発電機２の固定器巻線に供給する直流電流を生成する整流器２２に対するゲート信号を生成するＡＶＲ２３においては、計器用変圧器７４における電圧検出値（同期電動発電機２の出力側電圧）を監視し、この電圧検出値に基づいて、例えば、計器用変圧器７４における電圧検出値（実効値）が一定となるように、整流器２２に対するゲート信号を生成する。計器用変圧器７４における電圧検出値が一定となるように制御した場合には、第２の電力変換部１２への入力電圧も一定となり、第２の周波数変換器制御部４２による第２の電力変換部１２の制御動作が容易になる。
【００３０】
＜揚水運転時の動作＞
揚水運転を行う場合、制御装置４に入力される有効電力指令はその値が負（−）となる。制御装置４において、調速機制御部４３は、極性が負の有効電力指令値が入力されると、揚水運転を行うと判断し、有効電力指令値、上池水位および下池水位の３つの入力値に基づいて、これらの入力値に対応する最適ガイドベーン開度指令値を調速機５に対して出力する。ここで、最適ガイドベーン開度指令値は、可逆式ポンプ水車３の水力学特性等により上記３つの入力値から一意に導き出されるものであるが、その決定方法については特に規定しない。例えば、３つの入力値と出力値（最適ガイドベーン開度指令値）の対応テーブルを予め作成して調速機制御部４３が保持しておき、保持している対応テーブルに従って最適ガイドベーン開度指令値を決定するようにしても良い。なお、揚水運転時には最適回転速度指令は出力されない。
【００３１】
調速機５は、最適ガイドベーン開度指令値が入力されると、これを可逆式ポンプ水車３のガイドベーン３２に取り付けられたセンサ（図示せず）などからフィードバックされる実ガイドベーン開度と比較し、実ガイドベーン開度が指令値（最適ガイドベーン開度指令値）と一致するように、すなわち、これら２つの入力値の差分（偏差）がゼロとなるように、ガイドベーン３２の開度を変更する。例えば、実ガイドベーン開度が指令値よりも小さい場合は開度を大きくするようガイドベーン３２に指示を出す。逆に、実ガイドベーン開度が指令値よりも大きい場合は開度を小さくするようガイドベーン３２に指示を出す。
【００３２】
第１の周波数変換器制御部４１は、極性が負の有効電力指令値が入力されると、演算装置６で算出される有効電力および無効電力がそれぞれ有効電力指令値および無効電力指令値と一致するように、第１の電力変換部１１を制御する（ゲート信号を生成する）。電力系統側の第１の電力変換部１１を制御して電力系統からの電力を消費することにより、揚水運転時においても電力系統の需給調整（電力系統の安定化）に参加することができる。
【００３３】
このとき、第２の周波数変換器制御部４２は、計器用変圧器７３および７４のそれぞれにおける電圧検出値に基づいて、計器用変圧器７３における電圧検出値（すなわち、蓄電池１３の端子電圧）が、予め決定しておいた一定の値となるよう、第２の電力変換部１２を制御するようにしてもよい。有効電力指令値の極性が負の場合は揚水運転を実行し、電力系統側から電力供給を受けるように（電力を消費するように）第１の電力変換部１１が動作するため、蓄電池１３の端子電圧は上昇する（蓄電池１３にエネルギーが蓄積される）。そのため、第２の周波数変換器制御部４２は、蓄電池１３に蓄積されたエネルギーを消費するよう、すなわち、同期電動発電機２の駆動電力を生成するよう第２の電力変換部１２を制御する。蓄電池１３の端子電圧が常に一定の値となるように制御した場合、第１の電力変換部１１は電力系統から継続的に電力を取り込むことが可能となり、有効電力指令値および無効電力指令値に追従した電力消費（電力系統からの電力の取り込み）ができる。よって、揚水運転時においても電力系統の安定化に寄与できる。蓄電池１３の端子電圧は、発電運転時と同じ値（一定値）となるように制御してもよいし、発電運転時とは異なる一定値となるように制御してもよい。例えば、発電運転時には電力系統側に電力を供給するので蓄電池１３の電圧が高めの値で一定となるようにして蓄電池１３に蓄積されるエネルギー量（電荷量）を増やし、揚水運転時には電力系統側から電力を受け取るので蓄電池１３の電圧が低めの値で一定となるようにして蓄電池１３に蓄積されるエネルギー量を少なくしてもよい。
【００３４】
また、同期電動発電機２の固定器巻線に供給する直流電流を生成する整流器２２に対するゲート信号を生成するＡＶＲ２３においては、計器用変圧器７４における電圧検出値（同期電動発電機２の入力側電圧）を監視し、この電圧検出値に基づいて、例えば、計器用変圧器７４における電圧検出値（実効値）が一定となるように、整流器２２に対するゲート信号を生成する。
【００３５】
以上のように、本実施の形態の揚水発電システムにおいては、周波数変換器が備えている２つの電力変換部（第１の電力変換部、第２の電力変換部）のうち、電力系統側の第１の電力変換部が、無効電力指令および有効電力指令に従い、発電運転時には電力系統へ供給する電力量を調整し、揚水運転時には電力系統から供給を受ける電力量を調整することとした。これにより、負荷変動（電力系統の電圧変動）に対する追従性を高めることができ、電力系統の安定度を従来よりも高めることができる。揚水運転時においても電力系統の需給調整（電力系統の安定化）に貢献することができる。
【００３６】
また、２つの電力変換部の間に設置されている蓄電池の電圧が一定となるように、第２の電力変換部が電力変換動作を実施することとしたので、第１の電力変換部による電力変換動作の制御が簡単化され、有効電力および無効電力の指令値に対する追従性が向上する。すなわち、電力系統の安定度をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  周波数変換器
２  同期電動発電機
３  可逆式ポンプ水車
４  制御装置
５  調速機
６  演算装置
１１  第１の電力変換部
１２  第２の電力変換部
１３  蓄電池
２１  回転速度検出器
２２  整流器
２３，４２１  ＡＶＲ
３１  ケーシング
３２  ガイドベーン
３３  ランナー
４１  第１の周波数変換器制御部
４２  第２の周波数変換器制御部
４３  調速機制御部
５１，５２，４１１，４１２  比較器
５３  スイッチ
５４  ＡＳＲ
７１，７３，７４  計器用変圧器
７２  計器用変流器
４１３  ＡＱＲ
４１４  ＡＰＲ
４１５，４１６，４２３  演算器
４１７，４２２  ＡＣＲ
【図１】
2015012636.tif 000003
【図２】
2015012636.tif 000004