(57)【要約】【課題】揚水停止時に電力系統への影響を与えない揚水停止方法を提供する。【解決手段】同一の電力系統に接続された発電機および発電電動機と、前記発電機に直結された水車と、前記発電電動機に直結されたポンプ水車を備える揚水発電システムの揚水停止方法において、前記ポンプ水車の揚水停止時に、当該ポンプ水車のガイドベーン全閉での締切り入力に相当する発電機出力を前記発電機により発生させ、前記ポンプ水車への入力と前記発電機出力が等しくなった時に当該発電機および発電電動機を同時に前記電力系統から切り離すことによって、電力系統には電力動揺を招かないようにしたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の電力系統に接続された発電機および発電電動機と、前記発電機に直結された水車と、前記発電電動機に直結されたポンプ水車を備える揚水発電システムの揚水停止方法において、前記ポンプ水車の揚水停止時に、当該ポンプ水車のガイドベーン全閉での締切り入力に相当する発電機出力を前記発電機により発生させ、前記ポンプ水車への入力と前記発電機出力が等しくなった時に当該発電機および発電電動機を同時に前記電力系統から切り離すことを特徴とする揚水停止方法。
【請求項２】
請求項１に記載の揚水停止方法において、発電機および発電電動機を電力系統から切り離すに先立って、前記発電機および発電電動機を電気的に接続することを特徴とする揚水停止方法。
【請求項３】
電力系統と、前記電力系統に第１の開閉器を介して電気的に接続されポンプ水車が直結された発電電動機と、前記電力系統に第２の開閉器を介して電気的に接続され水車が直結された発電機とを有する揚水発電システムの揚水停止装置において、前記ポンプ水車の揚水停止時に、当該ポンプ水車のガイドベーン全閉での締切り入力に相当する発電機出力を発生するように前記発電機に対して起動指令を出力するとともに、前記ポンプ水車への入力が前記発電機出力と等しくなったときに前記第１の開閉器および前記第２の開閉器を開く指令を同時に出力する制御装置を備えることを特徴とする揚水停止装置。
【請求項４】
請求項３に記載の揚水停止装置において、発電電動機と発電機を第３の開閉器を介して電気的に接続する同期母線を更に備え、制御装置は第１の開閉器および第２の開閉器を開く指令を出力するに先立って、第３の開閉器を閉じる指令を出力することを特徴とする揚水停止装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揚水発電所の揚水中の水車またはポンプ水車とそれに直結した発電機または発電電動機あるいは同期発電機または同期発電電動機を停止して揚水を停止する揚水発電システムの揚水停止装置および揚水停止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ポンプ水車とそれに直結する同期発電電動機を揚水始動、あるいは停止するときに、可変速発電電動機を用いて電力負荷の急変を抑制する方法が知られている。（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１１８２７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、揚水発電所に必ずしも可変速発電電動機が設けられるとは限らず、同期発電電動機のみを有する揚水発電所においては上記の方法は使用できない。特に揚水停止時には、揚水始動時に比べて大きな軸入力変化が発生するため、電力系統に対して影響を与える虞がある。
【０００５】
揚水中のポンプ水車を系統から解列するときは、そのガイドベーンを全閉にしたときの入力、すなわち締め切り入力に相当する電気的負荷を遮断することになる。この締め切り入力は揚水時最大軸入力のほぼ１／３である。揚水発電所の揚水発電機器の単機容量が大きくなると、揚水運転モードでの始動、停止時に軸入力変化が大きくなる傾向にあり、特に揚水停止過程で系統から解列するときも、それに応じて大きくなり、電力系統への影響が憂慮されている。
【０００６】
本発明は、上記状況に対処するためになされたもので、その課題は揚水停止時に電力系統への影響を殆ど与えない揚水発電システムの揚水停止装置および揚水停止方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、同一の電力系統に接続された発電機および発電電動機と、前記発電機に直結された水車と、前記発電電動機に直結されたポンプ水車を備える揚水発電システムの揚水停止方法において、前記ポンプ水車の揚水停止時に、当該ポンプ水車のガイドベーン全閉での締切り入力に相当する発電機出力を前記発電機により発生させ、前記ポンプ水車への入力と前記発電機出力が等しくなった時に当該発電機および発電電動機を同時に前記電力系統から切り離すことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の揚水停止方法において、発電機および発電電動機を電力系統から切り離すに先立って、前記発電機および発電電動機を電気的に接続することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、電力系統と、前記電力系統に第１の開閉器を介して電気的に接続されポンプ水車が直結された発電電動機と、前記電力系統に第２の開閉器を介して電気的に接続され水車が直結された発電機とを有する揚水発電システムの揚水停止装置において、前記ポンプ水車の揚水停止時に、当該ポンプ水車のガイドベーン全閉での締切り入力に相当する発電機出力を発生するように前記発電機に対して起動指令を出力するとともに、前記ポンプ水車への入力が前記発電機出力と等しくなったときに前記第１の開閉器および前記第２の開閉器を開く指令を同時に出力する制御装置を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の揚水停止装置において、発電電動機と発電機を第３の開閉器を介して電気的に接続する同期母線を更に備え、制御装置は第１の開閉器および第２の開閉器を開く指令を出力するに先立って、第３の開閉器を閉じる指令を出力することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施形態（請求項１対応）の系統構成図である。
図に示すように、同期発電機３とこの同期発電機３に直結する水車４は開閉装置２１，２２を介して電力系統１に接続されている。また、同期発電電動機６とこの同期発電電動機６に直結するポンプ水車７は開閉装置２４，２５を介して電力系統１に接続されている。さらに開閉装置２３を有する同期母線５が開閉装置２１，２２の中間点と開閉装置２４，２５の中間点に接続されている。なお、ここでは開閉装置２１〜２５の各責務は言及しない。
【００１２】
次に、本実施形態の作用を図２ないし図４を参照して説明する。
図２は本発明を適用しないときの、揚水停止指令の対象となったポンプ水車の揚水停止特性図である。
【００１３】
図において、ｔ１〜ｔ３は各イベントの時刻を示し、ｔ１は揚水停止指令、ｔ２はポンプ水車ガイドベーン全閉ならびに揚水解列（実際には締切運転近辺の運転を極力短時間にするため、全閉前に解列することもある）、ｔ３は揚水完全停止のタイミングをそれぞれ示す。また、ＰＰはポンプ水車の軸入力で電力系統に対してはマイナスの出力になるので−ＰＰとする。−ＰＰｔ１は揚水停止指令時ｔ１の軸入力、ΔＰＰは揚水解列時ｔ２の遮断入力、Ｎは回転速度、ＮＳは同期速度（定格回転速度）、ＧＶＯはポンプ水車のガイドベーン開度、そしてＧＶＯｔ１は揚水解列時のポンプ水車のガイドベーン開度である。
この特性図から明らかなように、ΔＰＰが電力系統に動揺を与える原因となるため、この変化分の入力を緩和もしくは補償する手段が必要になる。
【００１４】
本発明によるΔＰＰの補償方法を図３を参照して説明する。
図３は本発明の第１実施形態における遮断入力ΔＰＰ（図２参照）を補償できることを説明するための特性図であり、上の３本の特性曲線は揚水中のポンプ水車の特性曲線、下の３本の特性曲線はΔＰＰを補償するための発電機と水車の特性曲線である。
【００１５】
図において、ｔ１は揚水停止予告、ｔ２は発電機始動、ｔ３は揚水停止指令、ｔ４はポンプ水車ガイドベーン全閉ならびに水車ガイドベーン閉操作開始、ｔ５は停止・解列のタイミングをそれぞれ示す。ＰＰはポンプ水車軸入力、ＮＰはポンプ水車回転速度、ＮＰＳはポンプ水車回転定格速度、ＧＶＯＰはポンプ水車ガイドベーン開度、ＰＧは発電機出力、ＮＧは発電機回転速度、ＮＧＳは発電機回転定格速度、ＧＶＯＧは水車ガイドベーン開度である。
【００１６】
例えばｔ１にて揚水停止予告があると、ｔ２で水車のガイドベーンを開き、定格速度ＮＧＳになったとき発電機を並入して無負荷で待機させる。ｔ３にて揚水停止指令が出ると、ポンプ水車は直ちにポンプ水車ガイドベーン閉操作に入り、ポンプ水車ガイドベーン開度ＧＶＯＰが小さくなる。なお、このときのポンプ水車の軸入力ＰＰの変化はさほど大きくないので、電力系統に影響を与えない。
【００１７】
従来、ｔ４のタイミングでΔＰＰに相当する軸入力を遮断していたが、本発明ではこれに見合う発電機出力ΔＰＧで補償できるよう水車ガイドベーン開度をＧＶＯＧｔ４まで開く。そのタイミングで電力系統から発電電動機と発電機を切り離し、両機を電気的に接続する同期母線をそのまま活かしΔＰＧを発生させ、ΔＰＰとして消費させる。
【００１８】
一方、水車のガイドベーンは同期外れを来たさない速度で閉鎖モードに至らしめる。停止するｔ５のタイミングまで、発電電動機と発電機には独立した励磁電源により両機は同期を保ち、ｔ５で励磁を切り、解列する。
【００１９】
図４は図３で説明した操作手順と図１の開閉装置２１〜２５の開閉手順を関連づけたものである。各開閉装置はそれぞれの遮断もしくは開閉等の責務を有しているものとする。
【００２０】
即ち、本実施形態においては、図１に示したポンプ水車７と同期発電電動機６の停止に際し水車４を起動し、同期発電機３によって発電機出力ΔＰＧを発生させる。そして発電機出力ΔＰＧを遮断入力ΔＰＰと等しくするとともに、同期母線５を用いて同期発電機３と同期発電電動機６を電気的に接続してから両者を系統１から切り離す。
【００２１】
電力系統１から見ると、同期発電機３からの出力ΔＰＧと同期発電電動機６への入力ΔＰＰがこのとき同時に遮断されることとなるが、ΔＰＧとΔＰＰの大きさは同じであるため電力系統１自体には何らの影響も発生しない。
【００２２】
電力系統１から切り離された同期発電機３と同期発電電動機６は電気的に接続されているため、同期発電機３の出力ΔＰＧが入力ΔＰＰとして同期発電電動機６へ入力されることとなるため、水車４を通常の停止操作によって停止させることでポンプ水車７と同期発電電動機６を安全に停止させることができる。
【００２３】
なお、本実施形態を示す図１においては、同期発電機３と同期発電電動機６とを同期母線により接続するものを示したが、同期発電機３は発電を行なう機能を有していさえすればよいため、同期発電電動機、可変速発電機、あるいは可変速発電電動機のいずれとしてもよく、また同期発電電動機６を可変速発電電動機としても本実施形態に係る方法を採用できる。更に、図４に示した各開閉器２１〜２５の開閉制御と、同期発電機３および同期発電電動機６の運転制御をシーケンス制御する制御装置を設けることで、上述した揚水停止方法の自動化も可能である。
【００２４】
図５は本発明の第２実施形態（請求項２対応）の系統構成図である。
図に示すように、本実施形態が図１の第１実施形態と相違する構成は、図１の構成にさらに同期発電電動機６２とこの同期発電電動機６２と直結するポンプ水車７２を、開閉装置２７，２８を介して電力系統１に接続すると共に、開閉装置２６を有する同期母線５２を開閉装置２７，２８の中間点と開閉装置２１，２２の中間点とを接続した点であり、その他の構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００２５】
第２実施形態の作用も第１実施形態と同様である。即ち図３に示すように、揚水解列時遮断入力ΔＰＰをこれに見合う同期発電機出力ΔＰＧで補償できるように水車ガイドベーン開度ＧＶＯＧをＧＶＯＧｔ４まで開き、そのタイミングで電力系統から同期発電電動機と同期発電機を切り離し、両機を電気的に接続する同期母線をそのまま活かしΔＰＧを発生させ、ΔＰＰとして消費させる。したがって、ポンプ水車の揚水停止操作を電力系統に影響を与えずに実現できる。
【００２６】
図６は本発明の第３実施形態の構成図である。
図に示すように、本実施形態が図１の第１実施形態と相違する構成は、中間に開閉装置２３を有する同期母線５を省略し、これに伴い開閉装置２２，２５を省略した点にある。なお、その他の構成は同一であるので、同一部分には同一符号を付して重複説明は省略する。即ち本実施形態は、図１に示した同期母線５を用いずにポンプ水車６の停止を行なうものである。
【００２７】
図７は図６の本発明の第３実施形態における遮断入力ΔＰＰを補償できることを説明するための特性図であり、上の３本の特性曲線は発電電動機と揚水中のポンプ水車の特性曲線、下の３本の特性曲線はΔＰＰを補償するための発電機と水車の特性曲線を示す図である。
【００２８】
図において、ｔ１は揚水停止予告、ｔ２は発電機始動、ｔ３は揚水停止指令、ｔ４はポンプ水車ガイドベーン全閉ならびに水車ガイドベーン閉操作開始、ｔ５は停止のタイミングをそれぞれ示す。ＰＰはポンプ水車軸入力，ＮＰはポンプ水車回転速度、ＮＰＳはポンプ水車回転定格速度、ＧＶＯＰはポンプ水車ガイドベーン開度である。またＰＧは発電機出力、ＮＧは発電機回転速度、ＮＧＳは発電機回転定格速度、そしてＧＶＯＧは水車ガイドベーン開度である。
【００２９】
例えば、ｔ１にて揚水停止予告があると、ｔ２で水車のガイドベーンを開き、定格速度ＮＧＳになったとき（図の「並列」時）に発電機を並入し無負荷で待機させる。ｔ３にて揚水停止指令が出ると、ポンプ水車は直ちにポンプ水車ガイドベーン閉操作に入り、ポンプ水車ガイドベーン開度ＧＶＯＰが小さくなる。なお、このときのポンプ水車の軸入力ＰＰの変化はさほど大きくないので、電力系統に影響を与えない。
【００３０】
そして本実施形態においても、ｔ４のタイミングでΔＰＰに相当するポンプ水車軸入力を遮断するにあたり、水車ガイドベーン開度ＧＶＯＧをＧＶＯＧｔ４まで大きくしΔＰＰに見合う発電機出力ΔＰＧを発生させて、ΔＰＧによりポンプ水車軸入力ΔＰＰを補償する。
【００３１】
そして、ポンプ水車が解列開度に達し、且つ水車の発電機出力がΔＰＧとなった時点で、両機を電力系統から切り離してポンプ水車および水車を解列する。この時点で電力系統１から見ると、図６における同期発電機３からの出力ΔＰＧと同期発電電動機６への入力ΔＰＰがこのとき同時に遮断されることとなるが、ΔＰＧとΔＰＰの大きさは同じであるため電力系統１自体には何らの影響も発生しない。
【００３２】
解列されて系統から切り離された図６におけるポンプ水車７と同期発電電動機６、および入力補償のために用いた水車４と同期発電機３については、それぞれ入力遮断、また負荷遮断が起きたのと同じ状態となるため、それぞれの図示しないガバナにより制御されて停止する。なお、図７においては、これら両機の停止時刻を同時のｔ５としてあるが、以上述べたようにこの段階ではポンプ水車、水車ともそれぞれ入力遮断、負荷遮断の状況での停止となるため、必ずしも同時刻に停止するとは限らないことは言うまでもない。
【００３３】
図８は、図６の第３実施形態の開閉装置２１，２４の開閉の様子と、図７の特性曲線とを関連付けたものである。各開閉装置はそれぞれの遮断もしくは開閉等の責務を有しているものとする。
【００３４】
即ち、本実施形態においては、図６に示したポンプ水車７と同期発電電動機６の停止に際し水車４を起動し、同期発電機３によって発電機出力ΔＰＧを発生させる。そして発電機出力ΔＰＧが遮断入力ΔＰＰと等しくなった時点で、両者を電力系統１から切り離す。
【００３５】
このとき上述したように、電力系統１から見ると、同期発電機３からの出力ΔＰＧと同期発電電動機６への入力ΔＰＰがこのとき同時に遮断されることとなるが、ΔＰＧとΔＰＰの大きさは同じであるため電力系統１自体には何らの影響も発生しない。
【００３６】
また、電力系統１から切り離された同期発電機３と同期発電電動機６にとっては、それぞれ負荷遮断、入力遮断が起きたことに相当するため、水車４を負荷遮断時の停止操作によって停止させ、ポンプ水車７を入力遮断時の停止操作によって停止させることでポンプ水車７と同期発電電動機６を安全に停止させることができる。
【００３７】
なお、第１実施形態と同様に、本実施形態を示す図６においても、同期発電機３は発電を行なう機能を有していさえすればよいため、同期発電電動機、可変速発電機、あるいは可変速発電電動機のいずれとしてもよく、また同期発電電動機６を可変速発電電動機としても本実施形態に係る方法を採用できる。更に、図４に示した各開閉器２１，２４の開閉制御と、同期発電機３および同期発電電動機６の運転制御をシーケンス制御する制御装置を設けることで、上述した揚水停止方法の自動化も可能である。
【００３８】
また本実施形態の方法を用いて、図９に示す第４実施形態の系統構成図のように、さらにもう一台の発電電動機６２とこの発電電動機６２と直結するポンプ水車７２を開閉装置２７を介して電力系統１に接続するなどしても、電力系統１に影響を与えずにポンプ水車７１，７２を安全に停止させることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、揚水中のポンプ水車の停止操作が、電力系統に殆ど影響を与えずに実現できるので、揚水発電機器の建設計画においては積極的にスケールメリットが狙えるのみならず、既存の揚水発電所への適用によって、より安定した電力系統の運用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の系統構成図。
【図２】本発明を適用しないときの、揚水停止指令の対象となったポンプ水車の揚水停止特性図。
【図３】本発明の第１実施形態によりΔＰＰを補償できることを説明するための特性図。
【図４】図１の開閉装置の開閉手順を示す図。
【図５】本発明の第２実施形態の系統構成図。
【図６】本発明の第３実施形態の系統構成図。
【図７】本発明の第３実施形態によりΔＰＰを補償できることを説明するための特性図。
【図８】図６の開閉装置の開閉手順を示す図。
【図９】本発明の第４実施形態の系統構成図。
【符号の説明】
１…電力系統、２１〜２８…開閉装置、３…同期発電機、３ａ…発電機、４…水車、５，５１，５２…同期母線、６，６１，６２…同期発電電動機、７，７１，７２…ポンプ水車。
【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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