(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変速発電電動機の固定子側に接続される系統連系用の遮断器と、前記可変速発電電動機の固定子巻線端を三相短絡するための断路器とを備えた可変速揚水発電システムにおいて二次励磁装置から前記可変速発電電動機の二次巻線に駆動電力を供給することにより前記可変速発電電動機を停止状態から始動させる制御を行う制御装置であって、
前記遮断器を開路、前記断路器を閉路することにより前記可変速発電電動機を誘導電動機とし、自己始動制御モードで前記可変速発電電動機を加速昇速させ、前記可変速発電電動機の回転速度が所定値に達したら、自己始動制御モードから二次励磁制御モードへの切り替えを行い、このとき前記可変速発電電動機の回転速度が可変速運転範囲の下限速度よりも低い状態で、前記断路器を開路し、前記可変速発電電動機の端子電圧が電力系統電圧と同期するように前記二次励磁装置を制御し、同期確認後、前記遮断器を閉路し、前記可変速発電電動機が電力系統と並入するように制御する制御部を有することを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の制御装置において、昇速が完了するときの回転速度は、前記可変速運転範囲の下限速度よりも低く、かつ、前記可変速発電電動機の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が前記二次励磁装置の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなる速度以上であることを特徴とする制御装置。
【請求項３】
可変速発電電動機の固定子側に接続される系統連系用の遮断器と、前記可変速発電電動機の固定子巻線端を三相短絡するための断路器とを備えた可変速揚水発電システムにおいて二次励磁装置から前記可変速発電電動機の二次巻線に駆動電力を供給することにより前記可変速発電電動機を停止状態から始動させる制御を行う制御装置であって、
前記遮断器を開路、前記断路器を閉路することにより前記可変速発電電動機を誘導電動機とし、自己始動制御モードで前記可変速発電電動機を加速昇速させ、前記二次励磁装置の出力周波数が所定値に達したら、自己始動制御モードから二次励磁制御モードへの切り替えを行い、このとき前記二次励磁装置の出力周波数が、可変速運転範囲の下限速度を達成する出力周波数よりも低い状態で、前記断路器を開路し、前記可変速発電電動機の端子電圧が電力系統電圧と同期するように前記二次励磁装置を制御し、同期確認後、前記遮断器を閉路し、前記可変速発電電動機が電力系統と並入するように制御する制御部を有することを特徴とする制御装置。
【請求項４】
可変速発電電動機の固定子側に接続される系統連系用の遮断器と、前記可変速発電電動機の固定子巻線端を三相短絡するための断路器とを備えた可変速揚水発電システムにおいて二次励磁装置から前記可変速発電電動機の二次巻線に駆動電力を供給することにより前記可変速発電電動機を停止状態から始動させる制御を行う制御装置であって、
前記遮断器を開路、前記断路器を閉路することにより前記可変速発電電動機を誘導電動機とし、自己始動制御モードで前記可変速発電電動機を加速昇速させ、前記可変速発電電動機の回転速度と系統の基準周波数とから求まる前記二次励磁装置のすべり周波数が所定値に達したら、自己始動制御モードから二次励磁制御モードへの切り替えを行い、このとき前記可変速発電電動機に対する前記二次励磁装置のすべり周波数が可変速運転範囲の最大すべり周波数を超える状態で、前記断路器を開路し、前記可変速発電電動機の端子電圧が電力系統電圧と同期するように前記二次励磁装置を制御し、同期確認後、前記遮断器を閉路し、前記可変速発電電動機が電力系統と並入するように制御する制御部を有することを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項４記載の制御装置において、昇速が完了するときの前記二次励磁装置のすべり周波数は、前記可変速運転範囲の最大すべり周波数よりも高く、かつ、前記可変速発電電動機の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が前記二次励磁装置の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなるすべり周波数以下であることを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の制御装置を備えたことを特徴とする可変速揚水発電システム。
【請求項７】
可変速発電電動機の固定子側に接続される系統連系用の遮断器と、前記可変速発電電動機の固定子巻線端を三相短絡するための断路器とを備えた可変速揚水発電システムにおいて二次励磁装置から前記可変速発電電動機の二次巻線に駆動電力を供給することにより前記可変速発電電動機を停止状態から始動させる可変速発電電動機始動方法であって、
制御装置により、前記遮断器を開路、前記断路器を閉路することにより前記可変速発電電動機を誘導電動機とし、自己始動制御モードで前記可変速発電電動機を加速昇速させ、前記可変速発電電動機の回転速度が所定値に達したら、自己始動制御モードから二次励磁制御モードへの切り替えを行い、このとき前記可変速発電電動機の回転速度が可変速運転範囲の下限速度よりも低い状態で、前記可変速発電電動機が電力系統と並入するように制御することを特徴とする可変速発電電動機始動方法。
【請求項８】
請求項１、３、４のいずれか１項に記載の制御装置において、系統並入時には前記二次励磁装置の出力電圧に余裕があり、前記制御部は、系統並入時の前記二次励磁装置の出力電圧又は電流の余力を用いて、系統並入時のすべりを大きくし、前記可変速運転範囲の最低速度よりも低い速度で系統並入することを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、可変速揚水発電システム等における可変速発電電動機の始動を制御する制御装置および可変速発電電動機始動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量揚水発電所の発電電動機の始動装置としては、一般に、半導体素子からなる周波数変換器を用いた静止形始動装置を用いて、停止状態から定格回転速度まで加速し、系統電圧と発電電動機端子電圧の同期を取った後、並列用遮断器により系統並入し、ポンプ運転を開始する方式が採用されている。このような静止形始動装置としては、サイリスタ始動装置が知られている。この種の始動装置は、出力２０ＭＷ程度の大きなものであり、その費用、設置スペースの低減が求められている。
【０００３】
一方で、近年の地球温暖化対策を背景に、可変速揚水発電所に二重給電交流機（以下、「可変速発電電動機」と呼ぶ。）を適用するケースが増加している。可変速揚水発電所に、大容量の可変速発電電動機を適用する場合、その励磁装置に２０ＭＷを超える出力を持つ周波数変換器（以下、「二次励磁装置」と呼ぶ。）を用いる場合があり、可変速揚水発電所によっては、上記サイリスタ始動装置を別途設置することなく、この「二次励磁装置」を始動装置として用い、可変速発電電動機の二次巻線から可変周波数の駆動電力を発電電動機に注入し、停止状態から同期速度近傍まで加速する方式（以下、「自己始動方式（二次側）」と呼ぶ）を採用している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「電力系統用パワーエレクトロニクス設備の現状と設計・保守基準」、電気協同研究、平成１３年、第５７巻、第２号、３８−４０頁
【非特許文献２】「可変速揚水発電システム4,000kWモデルによる検証試験」、東芝レビュー、１９８８年、第４３巻、第１２号、４．１項、３頁右欄
【非特許文献３】「沖縄やんばる海水揚水発電所の可変速揚水発電システム運転開始」、東芝レビュー、１９９９年、第５４巻、第１２号、３．２項、５５頁右欄
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
「自己始動方式（二次側）」において、系統と同期並入する速度は、いわゆる可変速運転範囲の最低速度以上を目標としている。
【０００６】
ところが、近年の可変速揚水発電所はその高落差大容量化に伴い、その選定される可変速運転範囲が従来の±５〜７％程度から、±４％程度へと小さくなってきている。そのため、励磁装置として用いられる周波数変換器に求められる出力周波数範囲、出力電圧範囲も可変速運転範囲に比例して小さくなり、その結果、従来実施してきたとおりに可変速発電電動機の二次巻線に二次励磁装置を接続し、始動装置として用いて駆動電力を供給しても、出力電圧が低いため、可変速運転範囲の下限速度までも昇速することができなくなってきている。
【０００７】
このような問題に対し、冒頭に記載したような（１）サイリスタ始動装置を別途設置する方式（サイリスタ始動方式）のほか、（２）大電流の分岐回路母線、断路器等を設け、始動時に主回路切替を行い発電電動機の一次巻線側から必要な駆動電力を注入する方式（自己始動方式（一次側））、（３）始動時のみ用いる昇圧変圧器、及び分岐回路母線、断路器等を二次巻線側に設け、始動時の二次電圧を昇圧し、二次巻線側から必要な駆動電力を注入する方式（自己始動方式（二次側昇圧変圧器付））の適用が考えられるが、これらのいずれの場合も、大きな装置・機器を別途設置するため、機器費用が増大し、発電所のレイアウト設計を複雑にするとともに、建屋の大型化や土木費用の増大を招くことになる。
【０００８】
発明が解決しようとする課題は、可変速揚水発電システムにおいて可変速発電電動機を二次励磁装置により始動するに際し、可変速運転範囲の下限速度まで昇速できなくても、装置の大型化や費用の増大を招くことなく、可変速発電電動機を始動することを可能とする制御装置および可変速発電電動機始動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態の制御装置は、可変速発電電動機の固定子側に接続される系統連系用の遮断器と、前記可変速発電電動機の固定子巻線端を三相短絡するための断路器とを備えた可変速揚水発電システムにおいて二次励磁装置から前記可変速発電電動機の二次巻線に駆動電力を供給することにより前記可変速発電電動機を停止状態から始動させる制御を行う制御装置であって、前記遮断器を開路、前記断路器を閉路することにより前記可変速発電電動機を誘導電動機とし、自己始動制御モードで前記可変速発電電動機を加速昇速させ、前記可変速発電電動機の回転速度が所定値に達したら、自己始動制御モードから二次励磁制御モードへの切り替えを行い、このとき前記可変速発電電動機の回転速度が可変速運転範囲の下限速度よりも低い状態で、前記断路器を開路し、前記可変速発電電動機の端子電圧が電力系統電圧と同期するように前記二次励磁装置を制御し、同期確認後、前記遮断器を閉路し、前記可変速発電電動機が電力系統と並入するように制御する制御部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、可変速揚水発電システムにおいて可変速発電電動機を二次励磁装置により始動するに際し、可変速運転範囲の下限速度まで昇速できなくても、機器の大型化や費用の増大を招くことなく、可変速発電電動機を始動することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る可変速揚水発電システムの基本構成を示すブロック図。
【図２】可変速運転範囲を示す説明図。
【図３】可変速発電電動機２が電力系統に連系し揚水運転中にある状態を表す等価回路図。
【図４】図３中に示される各種の電流・電圧のベクトルを示す概念図。
【図５】既設可変速揚水発電システムの現地試験で測定した揚水始動時の二次励磁装置出力電圧の波形図。
【図６】第１の実施形態における二次励磁装置用制御部４Ａの一構成例を示す図。
【図７】制御装置４による動作の一例を示すフローチャート。
【図８】第２の実施形態における二次励磁装置用制御部４Ａの一構成例を示す図。
【図９】同実施形態における二次励磁装置用制御部４Ａの別の構成例を示す図。
【図１０】同実施形態における二次励磁装置用制御部４Ａの更なる別の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
最初に、第１の実施形態について説明する。
【００１４】
図１は、第１の実施形態に係る可変速揚水発電システムの基本構成を示すブロック図である。
【００１５】
可変速揚水発電システムは、主な要素として、ポンプ水車１、二重給電交流機で実現される可変速発電電動機２、この可変速発電電動機２の二次巻線に接続し可変周波数の交流を印加する周波数変換器で実現される二次励磁装置３、この二次励磁装置３が出力する交流電圧、電流、周波数、位相の制御を行う二次励磁装置用制御部４Ａと開閉設備５，６の開閉制御や水面押下装置１３の駆動制御などを行う主回路用制御部４Ｂとから成る制御装置４、可変速発電電動機２の固定子側に接続される系統連系用の並列用遮断器５、可変速発電電動機２の固定子巻線端を三相短絡するための始動用断路器６、二次励磁装置３用の電源変圧器としての励磁用変圧器７、電力系統に遮断器を介して接続される主要変圧器８、系統側の電圧の測定のための計器用変圧器９、可変速発電電動機２の端子電圧の測定のための計器用変圧器１０、可変速発電電動機２の回転子の回転数もしくは回転速度（以下、「速度」と略称する場合がある。）を検出するための速度検出器１１、可変速発電電動機２の回転子の位相を検出するための位相検出器１２、揚水始動の際の水面押下を行う水面押下装置１３などを備えている。
【００１６】
前述の制御装置４は、二次励磁装置３から可変速発電電動機２の二次巻線に駆動電力を供給することにより可変速発電電動機２を停止状態から始動させるための制御を行う機能を有する。特に本実施形態においては、制御装置４は、可変速発電電動機２の回転速度が可変速運転範囲の下限速度よりも低い状態で、二次励磁装置３からの駆動電力による昇速を完了させて可変速発電電動機２が電力系統と並入するように制御する機能を有する。より具体的には、昇速を完了させ系統並入させるときの速度は、可変速運転範囲の下限速度よりも低く、かつ、可変速発電電動機２の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が二次励磁装置３の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなる速度以上となるようにする。
【００１７】
このような制御を採用する理由について、従来技術と対比させながら以下に説明する。
【００１８】
一般に、可変速揚水発電システムにおいては、図２に示すように、そのプラントの最高揚程（落差）Ｈｐｍａｘ、最低揚程（落差）Ｈｐｍｉｎの範囲内、ポンプ水車のポンプ運転特性、水車運転特性から要求される最大入力（出力）Ｐｍａｘ、最低入力（出力）の範囲で、かつ周波数変換器の連続定格としての最大出力電圧、最大出力電流値以内になるように決定した回転速度範囲（例えば、Ｎ＝Ｎ０±５％）の上下限速度範囲内で、可変速運転範囲Ｒを決定する。したがって、この範囲内のすべての領域で安定な連続運転（定常運転）ができる。
【００１９】
しかし、前述のように、従来は定格回転速度に対して±５〜７％程度あった可変速運転範囲が、近年の高速大容量ポンプ水車を用いた可変速揚水システムにおいては、±４％程度に小さくなる傾向にあり、その一方で、ポンプ水車の高速化により回転体の反抗トルクが増大するため、上記の従来技術の手法では、可変速運転範囲の下限速度以上で系統並入ができる速度まで、二次励磁装置を用いて誘導電動機とした２の可変速発電電動機を加速昇速することができなくなってきている。
【００２０】
そこで、可変速運転範囲の下限速度よりも低い速度での系統並入が可能かどうかを、数式、図３〜図５を参照しながら検証する。
【００２１】
図３は、可変速発電電動機２が電力系統に連系し揚水運転中にある状態を表す等価回路を示し、図４は、図３中に示される各種の電流・電圧のベクトルを示している。また、下記の数式は、二次電流・二次電圧の関係式を示している。
【数１】
0005713788.tif 000002
【００２２】
ここで注意すべきことは、可変速発電電動機２の昇速を完了し、系統並入するその時は、一次巻線側電圧は同期をとり、負荷電流が流れないように制御すれば、図３の等価回路上のＩ１を理論上ゼロにすることができるということである。
【００２３】
したがって、可変速運転範囲の下限速度近傍で昇速完了し同期並入するときに必要な二次励磁装置３の出力電流・出力電圧は、系統に並列した後の運転状態から算出した可変速運転範囲の下限速度でのポンプ運転に必要な二次励磁装置の出力電流・出力電圧よりも小さいことがわかる。
【００２４】
この現象は、上記理論だけでなく、実際の可変速揚水システムの現地試験結果からも確認することができる。
【００２５】
出願人が製造した既設可変速揚水発電システムの現地試験で測定した揚水始動時の二次励磁装置出力電圧（インバータ出力電圧（Ｒ）（Ｓ）（Ｔ））の波形を図５に示す。これによれば、系統並入時の二次励磁装置出力電圧Ｖａが、加速昇速完了し、系統並入した後の電圧Ｖｂよりはるかに小さく、系統並入時には二次励磁装置出力電圧に余裕があることがわかる。
【００２６】
そこで、本実施形態では、系統並入時の二次励磁装置３の出力電圧・電流の上記余力を用いて、系統並入時のすべり大きくし、可変速運転範囲の最低速度よりも低い速度で系統並入するようにする。すなわち、可変速発電電動機２の二次電圧の大きさはそのすべりの大きさに比例するという特性を利用する。具体的には、昇速制御を完了し系統並入させる制御切替の設定値を、可変速運転範囲の下限値よりも低い値とすることで、可変速運転範囲の下限速度よりも低い速度での系統並入を行い、その系統並入を行った後は、系統から電気エネルギーを受けとって系統並入後の連続運転領域の速度範囲である可変速運転範囲の下限速度以上まで加速昇速し、揚水運転に移行できるようにする。
【００２７】
図６に、第１の実施形態における二次励磁装置用制御部４Ａの一構成例を示す。
【００２８】
図６に示される二次励磁装置用制御部４Ａは、自己始動制御部２１、二次励磁制御部２２、比較部２３、およびスイッチＳＷ１，ＳＷ２を備えている。
【００２９】
スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、比較部２３からの信号がオフのときに、それぞれ、閉，開の状態にあり、自己始動制御部２１と二次励磁制御部２２のうち、自己始動制御部２１から出力される信号を二次励磁装置３へ供給する。一方、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、比較部２３からの信号がオンになると、それぞれ、開，閉の状態に切り替わり、自己始動制御部２１と二次励磁制御部２２のうち、二次励磁制御部２２から出力される信号を二次励磁装置３へ供給するようになる。
【００３０】
自己始動制御部２１は、二次励磁装置３を始動装置として可変速発電電動機２（およびポンプ水車１）を始動させるための制御モード（以下、「自己始動制御モード」と称す。）を実行する機能であり、スイッチＳＷ１が閉の状態のときにその制御信号が二次励磁装置３へ送られる。この制御信号は、二次励磁装置（周波数変換器）３の出力周波数を０Ｈｚから系統周波数近傍まで漸増させる。
【００３１】
二次励磁制御部２２は、二次励磁装置３を通じて可変速発電電動機２の系統並入時および並入後の可変速運転の制御を行うための制御モード（以下、「二次励磁制御モード」と称す。）を実行する機能であり、スイッチＳＷ２が閉の状態となったときにその制御信号が二次励磁装置３へ送られる。
【００３２】
二次励磁装置用制御部４Ａには、あらかじめ定められたモード切替速度設定値Ｎｃが記憶部などに保持されている。なお、この設定値は二次励磁装置用制御部４Ａの外側から取り込まれるように構成してもよい。モード切替速度設定値Ｎｃは、可変速発電電動機２の回転子の速度Ｎがいかなる値になったら制御モードを自己始動制御モードから二次励磁制御モードへ切り替えるかを定めたものである。すなわち、二次励磁装置３からの駆動電力による昇速を完了させて可変速発電電動機２を系統並入させるときの可変速発電電動機２の回転子の速度を定めたものである。
【００３３】
比較部２３は、速度検出器１１で検出される速度Ｎとモード切替速度設定値Ｎｃとを比較し、速度Ｎがモード切替速度設定値Ｎｃに達しない間は、出力信号をオフの状態にしている。その間、スイッチＳＷ１は閉、スイッチＳＷ２は開の状態にあり、自己始動制御部２１からの制御信号が二次励磁装置３へ送られ、自己始動制御モードが実行されている。一方、比較部２３は、速度Ｎがモード切替速度設定値Ｎｃに達したら（速度Ｎがモード切替速度設定値Ｎｃ以上となったら）、出力信号をオンの状態にする。これにより、スイッチＳＷ１は開、スイッチＳＷ２は閉の状態となり、二次励磁制御部２２からの制御信号が二次励磁装置３へ送られ、二次励磁制御モードが実行される。
【００３４】
特に、モード切替速度設定値Ｎｃは、前述したように可変速運転範囲の下限速度よりも低く、かつ、可変速発電電動機２の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が二次励磁装置３の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなる速度以上となるように設定する。
【００３５】
例えば、系統周波数が５０Ｈｚ、可変速運転範囲が４２８．６［ｒｐｍ］±５％の場合、従来であればモード切替速度設定値Ｎｃを４２８．６×０．９５＝４０７．１７［ｒｐｍ］以上の値としていたところを、本実施形態ではモード切替速度設定値Ｎｃを４０７．１７［ｒｐｍ］未満の値とし、かつ、可変速発電電動機２の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が二次励磁装置３の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなる速度が、例えば、４２８．６［ｒｐｍ］−１０％である場合（即ち、４２８．６［ｒｐｍ］×０．９＝３８５．７４［ｒｐｍ］である場合）、本実施形態ではモード切替速度設定値Ｎｃを３８５．７４［ｒｐｍ］以上の値とする。例えば、モード切替速度設定値Ｎｃを３８５．７４［ｒｐｍ］に設定した場合には、始動処理を開始してから最短時間で自己始動制御モードから二次励磁制御モードへの切替を行うことができるため、より一層低い回転速度での系統並入が可能となり、始動時間をより一層短縮化することが可能となる。
【００３６】
次に、図７を参照して、制御装置４による動作の一例を説明する。
【００３７】
可変速発電電動機２（およびポンプ水車１）が停止している状態において、制御装置４は、始動操作に応じて可変速発電電動機２（およびポンプ水車１）の始動を開始する（ステップＳ１）。この始動において、制御装置４は、主回路用制御部４Ｂにより、並列用遮断器５を開路、始動用断路器６を閉路することにより、可変速発電電動機２を誘導電動機とし、また、二次励磁装置用制御部４Ａにより、自己始動制御モードを実行することにより、二次励磁装置３を可変周波数・可変電圧を出力する駆動装置として動作させ、その交流出力をほぼ０Ｈｚから系統周波数近傍まで変化させることにより、可変速発電電動機２を加速昇速させる（ステップＳ２）。
【００３８】
制御装置４は、可変速発電電動機２の速度Ｎとモード切替速度設定値Ｎｃとを比較し（ステップＳ３）、速度Ｎがモード切替速度設定値Ｎｃに達したら（Ｎ≧Ｎｃが成立したら）、制御モードを自己始動制御モードから二次励磁制御モードへ切り替える（ステップＳ４）。すなわち、制御装置４は、可変速発電電動機２の速度Ｎが可変速運転範囲の下限速度よりも低い状態で、二次励磁装置用制御部４Ａにより、始動用断路器６を開路した後、二次励磁装置用制御部４Ａにより、計器用変圧器１０で測定される可変速発電電動機２の端子電圧が計器用変圧器９で測定される電力系統電圧と同期するように二次励磁装置３の交流出力電圧、電流、周波数および位相を制御し、同期確認後、二次励磁装置用制御部４Ａにより、並列用遮断器５を閉路し、系統並入させる（ステップＳ５）。
【００３９】
系統連系後、制御装置４は、二次励磁装置用制御部４Ａにより、二次励磁装置３と電力系統からの駆動電力で可変速発電電動機２を加速して可変速運転範囲まで昇速させ、主回路用制御部４Ｂにより、水面押下装置１３を操作し、ポンプ水車１を用いた揚水運転を開始する（ステップＳ６）。
【００４０】
第１の実施形態によれば、昇速を完了させて系統並入するときの速度を、可変速運転範囲の下限速度よりも低く、かつ、可変速発電電動機２の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が二次励磁装置３の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなる速度以上となるようにしているため、可変速運転範囲の下限速度まで昇速できなくても、装置の大型化や費用の増大を招くことなく、可変速発電電動機を始動することが可能となる。
【００４１】
また、可変速揚水システムの可変速運転範囲の下限速度よりも低い速度で系統並入することができるため、可変速発電電動機２、ポンプ水車１の反抗トルクが小さくなる。被駆動機である可変速発電電動機２、ポンプ水車１の反抗トルクは主に、定数項と回転速度の２乗に比例する要因と３乗に比例する要因からなるため、低い回転速度で系統並入できる場合、始動装置に要求される始動トルクの減少効果は大きいものになる。
【００４２】
また、二次励磁装置３を始動装置として使用するときに必要なトルク出力が小さくなるため、高速大容量機のように、可変速運転範囲が小さく、主機の反抗トルクに比較して二次励磁装置の出力トルクが可変速運転範囲の下限速度まで加速するには不足する場合でも、始動装置として使用し、系統並入ができるようになる。
【００４３】
また、別置きの静止形始動装置や、始動用変圧器などが不要となることにより、機器コストとともに、その大きな設置スペースが削減可能となり、特に近年の地下発電所おいてその土木掘削費用の低減効果は絶大である。また、残土の地上での処理も少なく済み、地球環境への貢献も大きい。
【００４４】
さらに、より低回転速度で系統並入できるため、始動時間の短縮が可能となる。
【００４５】
前述の説明からわかるように、本実施形態は、実運転の速度範囲まで始動させてきた従来の発想と一線を画し、可変速揚水発電システムおいて二次励磁装置を始動装置として運用した実績からの発見をもとに、従来の設計手法を用いたままで、二次励磁装置を始動装置として用いる限界を拡大することができるものである。
【００４６】
従来の設計手法を踏襲し、始動装置と励磁装置を別々に検討していては解決し得なかった課題を、可変速揚水発電システム特有の機能である二次励磁装置を用いて系統並入後も加速できるという特性と、系統並入時は負荷電流をほぼゼロに制御できる特性上系統並入の速度を可変速運転範囲の下限速度よりも低い速度にすることができることとを有機的に結び付けた新しい着想により解決し得たものである。
【００４７】
（第１の実施形態の変形例）
前述の第１の実施形態は、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施するようにしてもよい。例えば、第１の実施形態においては、可変速発電電動機２の回転速度に着眼し、この回転速度が可変速運転範囲の下限速度よりも低い状態で、二次励磁装置３からの駆動電力による昇速を完了させて可変速発電電動機２が電力系統と並入するように制御する場合について例示したが、このような制御のみに限定する必要はない。
【００４８】
可変速発電電動機２の回転速度に着眼する代わりに、例えば、二次励磁装置（周波数変換器）３の出力周波数に着眼し、この二次励磁装置３の出力周波数が、可変速運転範囲の下限速度相当の出力周波数（可変速運転範囲の下限速度を達成する出力周波数）よりも低い状態で、二次励磁装置３からの駆動電力による昇速を完了させて可変速発電電動機２が電力系統と並入するように制御するものとして実現してもよい。
【００４９】
この場合、より具体的には、二次励磁装置３の出力周波数は、可変速運転範囲の下限速度相当の出力周波数よりも低く、かつ、可変速発電電動機２の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が二次励磁装置３の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなる速度相当の出力周波数以上となるようにする。
【００５０】
また、前述のモード切替速度設定値Ｎｃの代わりに、二次励磁装置３の出力周波数がいかなる値になったら制御モードを自己始動制御モードから二次励磁制御モードへ切り替えるかを定めたモード切替出力周波数設定値を採用する。このモード切替出力周波数設定値は、前述したように可変速運転範囲の下限速度相当の出力周波数よりも低く、かつ、可変速発電電動機２の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が二次励磁装置３の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなる速度相当の出力周波数以上となるように設定する。そして、二次励磁装置３の出力周波数とモード切替出力周波数設定値とを比較し、二次励磁装置３の出力周波数がモード切替出力周波数設定値に達したら（二次励磁装置３の出力周波数がモード切替出力周波数設定値以上となったら）、制御モードを自己始動制御モードから二次励磁制御モードへ切り替えるようにすればよい。
【００５１】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。以下では、前述の第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００５２】
第２の実施形態に係る可変速揚水発電システムの基本構成は、第１の実施形態で使用した図１に示されるものと同様である。第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、制御装置４、特に二次励磁装置用制御部４Ａの構成・動作にある。
【００５３】
第１の実施形態では可変速発電電動機２の速度に基づいて制御モードの切替を行うのに対し、第２の実施形態では可変速発電電動機２に対する二次励磁装置３のすべり周波数に基づいて制御モードの切替を行う。
【００５４】
すなわち、第２の実施形態による制御装置４は、すべり周波数が可変速運転範囲の最大すべり周波数を超える状態で、二次励磁装置３からの駆動電力による昇速を完了させて可変速発電電動機２が電力系統と並入するように制御する機能を有する。より具体的には、昇速を完了させ系統並入させるときのすべり周波数は、可変速運転範囲の最大すべり周波数よりも高く、かつ、可変速発電電動機２の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が二次励磁装置３の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなるすべり周波数以下となるようにする。
【００５５】
図８に、第２の実施形態における二次励磁装置用制御部４Ａの一構成例を示す。なお、図６と共通する要素には同一の符号を付している。
【００５６】
図８に示される二次励磁装置用制御部４Ａは、自己始動制御部２１、二次励磁制御部２２、Ｎ／ｆ変換部３１、ｆ／ｆｓ変換部３２、比較部３３、およびスイッチＳＷ１，ＳＷ２を備えている。
【００５７】
自己始動制御部２１、二次励磁制御部２２、およびスイッチＳＷ１，ＳＷ２については、すでに説明した通りである。
【００５８】
二次励磁装置用制御部４Ａには、あらかじめ定められた基準周波数設定値ｆ０およびモード切替すべり周波数設定値ｆｃが記憶部などに保持されている。なお、これらの設定値は二次励磁装置用制御部４Ａの外側から取り込まれるように構成してもよい。基準周波数設定値ｆ０は、系統の基準周波数を定めたものである。モード切替すべり周波数設定値ｆｃは、すべり周波数ｆｓがいかなる値になったら制御モードを自己始動制御モードから二次励磁制御モードへ切り替えるかを定めたものである。すなわち、二次励磁装置３からの駆動電力による昇速を完了させて可変速発電電動機２を系統並入させるときのすべり周波数を定めたものである。
【００５９】
Ｎ／ｆ変換部３１は、演算式「ｆ＝（１２０×Ｐ）／Ｎ」（Ｐ：ポール数）」を用いて、速度検出器１１で検出される速度Ｎから周波数ｆを算出し、これを出力する。
【００６０】
ｆ／ｆｓ変換部３２は、演算式「ｆｓ＝ｆ０−ｆ」を用いて、変換部３１から出力された周波数ｆと基準周波数設定値ｆ０とから、すべり周波数ｆｓを算出し、これを出力する。
【００６１】
比較部３３は、ｆ／ｆｓ変換部３２から出力されたすべり周波数ｆｓとモード切替すべり周波数設定値ｆｃとを比較し、すべり周波数ｆｓがモード切替すべり周波数設定値ｆｃに達しない間は、出力信号をオフの状態にしている。その間、スイッチＳＷ１は閉、スイッチＳＷ２は開の状態にあり、自己始動制御部２１からの制御信号が二次励磁装置３へ送られ、自己始動制御モードが実行されている。一方、比較部２３は、すべり周波数ｆｓがモード切替すべり周波数設定値ｆｃに達したら（すべり周波数ｆｓがモード切替すべり周波数設定値ｆｃ以下となったら）、出力信号をオンの状態にする。これにより、スイッチＳＷ１は開、スイッチＳＷ２は閉の状態となり、二次励磁制御部２２からの制御信号が二次励磁装置３へ送られ、二次励磁制御モードが実行される。
【００６２】
特に、モード切替すべり周波数設定値ｆｃは、前述したように可変速運転範囲の最大すべり周波数よりも高く、かつ、可変速発電電動機２の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が二次励磁装置３の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなるすべり周波数以下となるように設定する。
【００６３】
（変形例１）
図９に、第２の実施形態における二次励磁装置用制御部４Ａの別の構成例を示す。なお、図８と共通する要素には同一の符号を付している。
【００６４】
図９に示される二次励磁装置用制御部４Ａは、自己始動制御部２１、二次励磁制御部２２、Ｎ／ｆ変換部３１、ｆ／ｆｓ変換部３２、比較部３３、Ｖ／ｆ０変換部４１およびスイッチＳＷ１，ＳＷ２を備えている。
【００６５】
自己始動制御部２１、二次励磁制御部２２、Ｎ／ｆ変換部３１、ｆ／ｆｓ変換部３２、比較部３３、およびスイッチＳＷ１，ＳＷ２については、すでに説明した通りである。
【００６６】
Ｖ／ｆ０変換部４１は、計器用変圧器９で測定される系統電圧Ｖから基準周波数設定値ｆ０を取得し、これを出力する。出力された基準周波数設定値ｆ０は、ｆ／ｆｓ変換部３２に供給される。
【００６７】
（変形例２）
図１０に、第２の実施形態における二次励磁装置用制御部４Ａの更なる別の構成例を示す。なお、図８と共通する要素には同一の符号を付している。
【００６８】
図１０に示される二次励磁装置用制御部４Ａは、自己始動制御部２１、二次励磁制御部２２、Ｎ／ｓ変換部５１、ｓ／ｆｓ変換部５２、比較部３３、およびスイッチＳＷ１，ＳＷ２を備えている。
【００６９】
自己始動制御部２１、二次励磁制御部２２、比較部３３、およびスイッチＳＷ１，ＳＷ２については、すでに説明した通りである。
【００７０】
二次励磁装置用制御部４Ａには、前述の基準周波数設定値ｆ０およびモード切替すべり周波数設定値ｆｃのほか、あらかじめ定められた基準速度設定値Ｎ０も記憶部などに保持されている。基準速度設定値Ｎ０は、可変速発電電動機２の基準速度を定めたものである。
【００７１】
Ｎ／ｓ変換部５１は、演算式「ｓ＝（Ｎ０−Ｎ）／Ｎ０」を用いて、速度検出器１１で検出される速度Ｎと基準速度設定値Ｎ０とからすべりｓを算出し、これを出力する。
【００７２】
ｓ／ｆｓ変換部５２は、演算式「ｆｓ＝ｓ×ｆ０」を用いて、Ｎ／ｓ変換部５１から出力されたすべりｓと基準周波数設定値ｆ０とから、すべり周波数ｆｓを算出し、これを出力する。
【００７３】
なお、第２の実施形態に係る制御装置４の動作は、図７に示したものと類似したものとなる。ステップＳ３〜Ｓ４以外の各ステップは、第１の実施形態の場合と同様となるため、その説明を省略する。
【００７４】
ステップＳ３において、制御装置４は、すべり周波数ｆｓとモード切替すべり周波数設定値ｆｃとを比較し、すべり周波数ｆｓがモード切替すべり周波数設定値ｆｃに達したら（ｆｓ≦ｆｃが成立したら）、制御モードを自己始動制御モードから二次励磁制御モードへ切り替える（ステップＳ４）。
【００７５】
第２の実施形態によれば、昇速を完了させ系統並入させるときのすべり周波数を、可変速運転範囲の最大すべり周波数よりも高く、かつ、可変速発電電動機２の無負荷運転状態での二次電圧、二次電流のいずれか一方が二次励磁装置３の最大出力電圧または最大出力電流と等しくなるすべり周波数以下となるようにしているため、可変速運転範囲の下限速度まで昇速できなくても、装置の大型化や費用の増大を招くことなく、可変速発電電動機を始動することが可能となる。
【００７６】
そのほか、第１の実施形態で説明した種々な効果と同様な効果が得られる。
【００７７】
以上詳述したように、上記実施形態によれば、可変速揚水発電システムにおいて可変速発電電動機を二次励磁装置により始動するに際し、可変速運転範囲の下限速度まで昇速できなくても、装置の大型化や費用の増大を招くことなく、可変速発電電動機を始動することを可能とする制御装置および可変速発電電動機始動方法を提供することが可能となる。
【００７８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７９】
１…ポンプ水車、２…可変速発電電動機、３…二次励磁装置、４…制御装置、４Ａ…二次励磁装置用制御部、４Ｂ…主回路用制御部、５…並列用遮断器、６…始動用断路器、７…励磁用変圧器、８…主要変圧器、９…計器用変圧器、１０…計器用変圧器、１１…速度検出器、１２…位相検出器、１３…水面押下装置。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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