(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ水車に結合されて発電運転モードまたは揚水運転モードに切り替えて運転する可変速同期発電電動機であって、
励磁電流を変化させることにより、可変速同期発電電動機が出力する電力が指令値に一致するように、かつ回転数が上限値と下限値の間に入るように制御する制御装置を備え、
発電運転モードにおいて、前記下限値を可変速同期発電電動機が出力する有効電力により変化させ、有効電力が小さい場合に有効電力が大きい場合よりも前記下限値を小さくすることを特徴とする可変速同期発電電動機。
【請求項２】
発電運転モードにおいて、前記下限値を可変速同期発電電動機が出力する無効電力により変化させ、無効電力が小さい場合に無効電力が大きい場合よりも前記下限値を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の可変速同期発電電動機。
【請求項３】
発電運転モードにおいて、前記下限値を可変速同期発電電動機が出力する電力の力率により変化させ、力率が大きい場合に力率が小さい場合よりも前記下限値を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の可変速同期発電電動機。
【請求項４】
発電運転モードにおいて、前記下限値を励磁電流により変化させ、励磁電流が小さい場合に励磁電流が大きい場合よりも前記下限値を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の可変速同期発電電動機。
【請求項５】
前記制御装置が前記回転数を目標値と一致するように制御するものであり、
発電運転モードにおいて、前記目標値を前記下限値よりも所定値だけ大きくすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の可変速同期発電電動機。
【請求項６】
揚水運転モードにおいて、前記下限値を可変速同期発電電動機に入力される有効電力により変化させ、有効電力が小さい場合に有効電力が大きい場合よりも前記下限値を小さくすることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の可変速同期発電電動機。
【請求項７】
揚水運転モードにおいて、前記下限値を可変速同期発電電動機に入力される無効電力により変化させ、無効電力が小さい場合に無効電力が大きい場合よりも前記下限値を小さくすることを特徴とする請求項６に記載の可変速同期発電電動機。
【請求項８】
揚水運転モードにおいて、前記下限値を可変速同期発電電動機に入力される電力の力率により変化させ、力率が大きい場合に力率が小さい場合よりも前記下限値を小さくすることを特徴とする請求項６に記載の可変速同期発電電動機。
【請求項９】
揚水運転モードにおいて、前記下限値を励磁電流により変化させ、励磁電流が小さい場合に励磁電流が大きい場合よりも前記下限値を小さくすることを特徴とする請求項６に記載の可変速同期発電電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固定子側が電力系統に、回転子側が可変周波数の電力変換器に接続され、かつポンプ水車に結合され、発電運転モード或いは揚水運転モードに切り替えて運転される可変速同期発電電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の可変速同期発電電動機は、一般的には同期速度を中心に、その上下一定の速度、即ち、可変速幅で運転できるようになっている。
又、例えば特許文献１に示すように、可変速同期発電電動機を用いた可変速揚水発電システムにおいては、揚水運転と発電運転それぞれに最適な可変速幅を設定することが行われているが、可変速幅はあらゆる発電出力または揚水入力に対して設定された値に固定されており、運転状態に関係なく常に一定で運用されている。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−２４０８２９号公報（第４頁、第２図〜第5図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、ポンプ水車のポンプ運転時の入力はガイドベーンの開度を変えても殆ど変わらず、回転数のほぼ２．５〜３乗に比例して変化することはよく知られている。
可変速揚水発電システムは揚水運転時にもＡＦＣ運転を実現するために導入されるので、それに適用される可変速同期発電電動機の可変速幅は、揚水運転時のＡＦＣ容量から決まってくる。
例えば、同期速度にて３００ＭＷのポンプ入力を必要とし、その入力は回転数の３乗に比例するポンプ水車を想定し、その可変速幅を同期速度の上下１０％に設定すれば、３００ＭＷ×（１．１３−０．９３）＝３９９．３ＭＷ−２１８．７ＭＷ＝１８０．６ＭＷのＡＦＣ容量が確保できることになる。
可変速同期発電電動機を定格速度の±１０％で運転するには、可変周波数電力変換器は定格周波数の±１０％の周波数（滑り周波数と呼ばれる）の電圧を可変速同期発電電動機の回転子巻線に印加することが必要になる。５０Ｈｚ系統であれば±５Ｈｚの周波数の励磁電圧を出せなければならない。
このことから、可変周波数電力変換器の所要最大出力電圧は、３９９．３ＭＷの揚水運転するのに必要な励磁電流に回転子巻線のインピーダンスを乗じた電圧となる。何故ならば、励磁電流の大きさは３９９．３ＭＷ入力のときに最大となり、回転子インピーダンスは印加される周波数にほぼ比例するので＋５Ｈｚの時に最大となるからである。
最小ポンプ入力２１８．７ＭＷの運転時の回転数は−５％になるので、回転子の励磁周波数も負の最大になり回転子巻線のインピーダンスも最大になるが、励磁電流が少なく可変周波数電力変換器の出力電圧も少なくて済むので、励磁装置の所要最大出力電圧を決定する要因にはならない。
【０００５】
一般に、可変速同期発電電動機の回転速度は、所要のＡＦＣ容量を確保するために採用した可変速幅の範囲内で運転されている。即ち、可変速幅はポンプ水車の水車出力に関係なく水車出力の全域において同期速度に対して上下一定の可変速幅の値に固定されている。
従って、ポンプ水車の水車効率はポンプ水車性能特性から、回転速度が低いほど高いことがわかっているので出来るだけ低い回転速度で運転するのが好ましいのはわかっているが、回転速度は可変速幅の下限により制限されているので可変速幅の下限の速度に固定して運転するケースが多い。
一方、ポンプ水車の水車出力即ち可変速同期発電電動機の電気出力が低い場合には、励磁電流の大きさが小さくて済むので、励磁電圧には余裕があり、更に回転数を下げて励磁電圧を大きく出来る。即ち、出力が低い場合には回転速度は更に下げることが可能である。
【０００６】
これに注目し、発電運転時においてその出力が小さい場合には可変速幅の下限を下げて運転すればより水車効率の高い運転が出来るというメリットがある。
揚水運転時においても、同様に低揚水入力運転の場合即ち回転数が低い場合には可変速幅の下限を小さく出来るので、更に小さな揚水入力での運転が可能になる。言い換えればＡＦＣ容量を更に大きく出来るメリットも生じる。
よって、ポンプ水車の水車出力の全域に亘って一定の可変速幅で運転するということは、水車出力の低い領域での効率向上の機会を逸していると言えるし、揚水運転時の場合にはＡＦＣ量の拡大の機会を逸していると言える。
言い換えれば、可変速同期発電電動機による可変速揚水発電システムには、水車運転時又は揚水運転時の低回転速度領域の発電効率や揚水ＡＦＣ量を改善できるという課題があった。
【０００７】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、可変速揚水発電システムに用いられ、発電運転時の低回転速度領域における可変速幅を拡大して効率を向上した運転ができる可変速同期発電電動機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、ポンプ水車に結合されて発電運転モードまたは揚水運転モードに切り替えて運転する可変速同期発電電動機であって、励磁電流を変化させることにより、可変速同期発電電動機が出力する電力が指令値に一致するように、かつ回転数が上限値と下限値の間に入るように制御する制御装置を備え、発電運転モードにおいて、前記下限値を可変速同期発電電動機が出力する有効電力により変化させ、有効電力が小さい場合に有効電力が大きい場合よりも前記下限値を小さくするものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、ポンプ水車に結合されて発電運転モードまたは揚水運転モードに切り替えて運転する可変速同期発電電動機であって、励磁電流を変化させることにより、可変速同期発電電動機が出力する電力が指令値に一致するように、かつ回転数が上限値と下限値の間に入るように制御する制御装置を備え、発電運転モードにおいて、前記下限値を可変速同期発電電動機が出力する有効電力により変化させ、有効電力が小さい場合に有効電力が大きい場合よりも前記下限値を小さくするものなので、可変速同期発電電動機が出力する有効電力によらず回転数の下限値を一定とする場合よりも高効率運転をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。
図１において、可変速同期発電電動機１は、その回転子をポンプ水車２によって駆動され、その固定子巻線は発電機母線３及び主変圧器４を通じて電力系統５に接続されている。交流励磁装置６は励磁変圧器７を経由して発電機母線３から給電され、系統周波数と回転数の差に相当する周波数を持った交流励磁電流を可変速同期発電電動機１の回転子巻線に供給する。電力変換器８は発電機母線３に接続された計器用変成器９の２次側信号から可変速同期発電電動機１の出力を検出する。電力制御回路１０は電力変換器８で検出された出力が電力指令値設定器１１の信号に合致するような制御信号を発生し交流励磁装置６に与えその出力で可変速同期発電電動機１の出力を調整する。可変速同期発電電動機１の出力はその回転数を下げてエネルギーの放出、或いはその回転数を上昇させ系統からのエネルギーを吸収することにより瞬時に調整できる。これが可変速同期発電電動機の最大の特徴である。
【００１１】
可変速同期発電電動機１が調整した電力に相当する出力をポンプ水車２が調整すれば、回転数は電力調整前の値に回復する。一般にポンプ水車２の出力制御は水路系、機械系の遅れがあるので、可変速同期発電電動機１の出力制御よりは遅れる。回転数設定器１２は発電運転において各出力に対して最高効率となるような回転数を最適回転数として設定するものであり、電力指令値の値に応じた最適回転数指令値を出力し、実回転数検出器２０からの実回転数との偏差信号を速度制御回路１３に与える。速度制御回路１３はサーボモータ１４及びガイドベーン開度検出器１５によりポンプ水車２のガイドベーン開度を調整してその回転数が最適回転数になるように制御する。尚、最適回転数は出力が大きい領域では落差に応じて多少変化するので落差検出器１６から落差信号を回転数設定器１２に与え最適回転数を落差によって補正する。ポンプ水車２の水車効率は回転数の他にガイドベーン開度、落差にも左右される。ガイドベーン開度設定器１７は、電力指令値が大きいほどガイドベーン開度を大きくし、落差検出器１６からの落差信号が高いほどガイドベーン開度大きくすると水車効率の良い運転が出来る。ガイドベーン開度設定器１７からのガイドベーン開度信号にガイドベーン開度検出器１５で検出したガイドベーン開度が一致するようにサーボモータ１４を制御してポンプ水車２のガイドベーン開度を最適な値に制御する。
電力制御回路１０には系統周波数検出器１８で検出した系統周波数と基準周波数設定器１９からの基準周波数を取り込み、電力指令値と実電力の偏差に速度垂下率特性を付加した制御信号を交流励磁装置６に与え、可変速同期発電電動機１が電力系統５の状態に適した出力を自動的に出せるような構成にしてある。
【００１２】
次に動作について説明する。可変速揚水発電用ポンプ水車２の水車効率は回転数が低いほど良好である。従って、最適回転数の設定は従来から図１の回転数設定器１２に示す様に可変速同期発電電動機１の可変速幅の下限に設定されている。
図１の回転数設定器１２を、具体例として同期速度600rpm、可変速幅±4%、出力300MWの可変速同期発電電動機１の最適回転数について図２により説明する。
最適回転数は従来から図２のＡに示すように電力指令値に無関係に可変速幅の下限である576rpm一定に設定されている。一方、図１の交流励磁装置６の性能の一つに許容最大出力電圧があり、可変速同期発電電動機１の可変速幅はこの電圧によって決まっていると言える。
【００１３】
諸量の関係は以下の通りとなる
Vex≦Vr・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式１
但し、
Vr：交流励磁装置６の定格出力電圧
Vex：励磁電圧
Vex=If・(Rf＋ｊ・２・π・fex・Lf)・・・・・・・・・・・・・・・式２
但し、
If：励磁電流＝励磁装置の出力電流（A）
Rf：可変速同期発電電動機１の回転子巻線の抵抗（Ω）
Lf：可変速同期発電電動機１の回転子巻線のインダクタンス（H）
fex：励磁電流の周波数（滑り周波数とも言う）（Hz）
fex＝ｆs-f0・N/Ns・・・・・・・・・・・・・・・・・式３
但し、
fs：系統周波数（Hz）
fo：系統の基準周波数(50Hz  又は  60Hz)
Ns：可変速同期発電電動機１の同期速度（rpm）
N：可変速同期発電電動機１の回転速度（rpm）
【００１４】
交流励磁装置６の出力電圧を一定値に固定していても、可変速同期発電電動機１の出力が小さい場合には励磁電流Ifが少なくてすむので、式２から滑り周波数fexを大きく出来ることがわかる。例えば可変速同期発電電動機１の出力０の時に可変速幅下限4%を6.5%まで拡大できるとして、励磁電流Ifの大きさはほぼ出力に比例すると考えると、下記Ｂのような新最適回転数カーブを得ることが出来る。
Ｂ：N1＝15×Pref(pu)＋561（rpm）
この新最適回転数Ｂで運転できるようにして部分負荷時の発電効率を向上することが出来る。例えば、定格３００ＭＷの揚水発電機の場合に、１年間で１０００ＭＷＨ規模の発電量の増加が見込める。
【００１５】
以上のようにこの発明の実施の形態１によれば、ポンプ水車２に結合されて発電運転モードまたは揚水運転モードに切り替えて運転する可変速同期発電電動機であって、励磁電流を変化させることにより、可変速同期発電電動機１が出力する電力が指令値に一致するように、かつ回転数が上限値と下限値の間に入るように制御する制御装置（電力制御回路１０）を備え、発電運転モードにおいて、前記下限値を可変速同期発電電動機が出力する有効電力により変化させ、有効電力が小さい場合に有効電力が大きい場合よりも前記下限値を小さくするようにしたので、可変速同期発電電動機が出力する有効電力によらず回転数の下限値を一定とする場合よりも高効率運転をすることができる。
【００１６】
実施の形態２．
上記実施の形態１では電力指令値により最適回転数を設定する場合を述べたが、可変速同期発電電動機１が定格無効電力を送電している場合を前提としている。
実施の形態２においては、図３に示すように無効電力検出器２１を設け、無効電力が定格以下で少ない場合には励磁電流も少なくて済むので、その分可変速幅を更に拡大するように補正し部分負荷時の発電効率を向上する制御方式を提供する。
図4にその動作例を示す。実施の形態１にて説明した新最適回転数"N＝15 × Pref(pu) +561(rpm)"を、実無効電力Qact(mvar), 定格無効電力Qrate(mvar)を使って補正することにより、新最適回転数N2(rpm)を次式で決定するものとする。
新最適回転数  N2(rpm)＝15 × Pref(pu)＋561(rpm)−k × (Qrate−Qact)
ただし、ｋは定数とする。
Qact＝Qrateの場合には図４に示すカーブCとなって実施の形態１のカーブBと同じになる。
カーブC：N2(rpm)＝15 × Pref(pu)＋561(rpm)
Qact＝0場合には図４に示すカーブDとなり、回転数指令値が"k × Qrate"だけ小さくなるのでより高効率運転が出来る。
カーブD：N2(rpm)＝15 × Pref(pu)＋561(rpm) −k × Qrate
【００１７】
実施の形態３．
上記実施の形態１では電力指令値により最適回転数を設定する場合を述べたが、可変速同期発電電動機１が定格力率で送電している場合を前提としている。
実施の形態３においては、図５に示すように力率検出器２２を設け、力率が１に近い場合には励磁電流も少なくて済むので、その分可変速幅を更に拡大するように補正し部分負荷時の発電効率を向上する制御方式を提供する。
図６にその動作例を示す。実施の形態１にて説明した新最適回転数"N＝15 × Pref(pu) +561(rpm)"を  実力率Pfact(％), 定格力率Pfrate(％)を使って補正することにより、新最適回転数N3(rpm)を次式で決定するものとする。
新最適回転数  N3(rpm)＝15 × Pref(pu)＋561(rpm)−k × (Pfact−Pfrate)  
ただし、ｋは定数とする。また、Pfactは、Pfrate（％）＜Pfact(%)＜100(%)となる様に運転されるものとする。
Pfact＝Pfrateの場合には、図６に示すカーブEとなって実施の形態１のカーブBと同じになる。
カーブE： N3(rpm)＝15 × Pref(pu)＋561(rpm)  
Pfact＝100(%)の場合には、図６に示すカーブFとなり、回転数指令値が"k×(100−Pfrate)"だけ小さくなるのでより高効率運転が出来る。
カーブF：N3(rpm)＝15 × Pref(pu)＋561(rpm) −k × (100−Pfrate)
【００１８】
実施の形態４．
上記実施の形態１では電力指令値により最適回転数を設定する場合を述べたが、実施の形態４においては、図７に示すように、励磁電流検出器２３を設け、系統周波数及び励磁電流を基に最適回転数を設定して部分負荷時の発電効率を向上する制御方式を提供する。
発電運転中の回転数は前記式１、式２、式３から、機器の定数及び運転時の励磁電流及び系統周波数から制限されていることが解る。式２に式３を代入すると式４のとおりとなる。
Vex=If・(Rf＋ｊ・２・π・（ｆs-f0・N/Ns）・Lf) ・・・・・・・・・・式４
通常は系統周波数は基準周波数とほぼ同じなので、fs＝f０＝1pu＝60Hz  or  50Hzとし、Rfは小さいので無視すると式4は式５の通りとなる。
Vex=If・（２・π・f０・（Ns-N）/Ns）・Lf・・・・・・・・・・式５
式５をNについて解くと式６になる。
N＝Ns−Ns・Vex/（2πf０Lf）)・1/If ・・・・・・式６
式６において、Vexを定格値に固定すると式７の通りとなる。
N＝K1-K2/If・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式７
但し、K1＝Ns  K2＝Ns・Vex/（2πf０Lf）
仮に、If=0.1（pu）の時に回転数が561rpmでIf=1.0(pu)の時に576rpmとすると式７は式８のようになる。
N=577.67-1.67/If・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式８
式８は図８の新最適回転数Ｇ
Ｇ：N4＝577.67-1.67/If（rpm）
のようになる。
【００１９】
実施の形態５．
上記実施の形態１では電力指令値により最適回転数を設定する場合を述べたが、これは発電出力の全域において効率が良くなる運転方式を目指している。従って、発電運転中の実回転数は可変速幅の下限にて運転しているので、電力増指令を受けた場合には図１の電力制御回路１０は直ぐに回転数を下げて回転エネルギーを放出することにより電気出力を出そうと働くが、電力制御回路１０の中の可変速幅逸脱防止機能により、図２に示す新最適回転数Ｂ以下にはならないように電力増指令が補正される。その結果、電力は速度制御回路１３、サーボモータ１４、ポンプ水車２、水路系、及びガバナの特性により比較的ゆっくりした応答速度で増加することになる。
言い換えれば、可変速機の最大の特長である回転エネルギーの活用が制限され電力制御の応答速度が犠牲になっている。
実施の形態５では、発電運転の効率を少し犠牲にして電力制御の応答速度を向上する制御方式を提供する。具体的には図９にて説明する。図２で設定された新最適回転数Ｂを＋αだけ補正して下記の最新最適回転数Ｈを設ける。
Ｈ：N5＝15×Pref(pu)＋561（rpm）＋α
従って、発電運転中の実回転数は最新最適回転数Ｈになるように制御され、新最適回転数Ｂ以下にはならないように制限される。言い換えれば、新最適回転数Ｂは可変速幅下限回転数となる。
【００２０】
先ず、この実施の形態５の方式を適用しない場合について図９を基に説明する。
今、図９において時刻T0にて電力指令値P0をP1に増加すると、実回転数は図２の新最適回転数Ｂになるように制御されており、回転数はこのカーブ以下には下げられないので、実電力は図１に示す速度制御回路１３、サーボモータ１４、ポンプ水車２、及び水路系の比較的ゆっくりした応答速度で図９の実電力１に示すようにP0からP1へゆっくりと増加することになる。実回転数は電力指令値が瞬時に増加するので最適回転数指令値も瞬時にNoからN1に上昇するが実回転数は可変速幅の下限の状態にあるので、更に下げることは出来ず、P1のときの最適回転数N1に向かって図９に示す実回転数１のように増加する。この回転数の増加速度は水路系及びガバナ系の応答速度で決まり、従来の同期機を使った発電運転の場合の動きと同じである。
【００２１】
次に、実施の形態５の方式を適用した場合について図９を基に説明する。
今、図９において時刻T0にて電力指令値P0をP1に増加すると、可変速同期発電電動機１は回転エネルギーを瞬時に系統に放出するので実回転数はN2から実回転数２の様に新可変速幅下限回転数を下回らない範囲で一旦低下しP1に対応する最適回転数N3に増加する。従って、実電力は実電力２の様に瞬時に増加する。これはあらかじめ最新最適回転数Ｈを新最適回転数Ｂ即ち可変速幅下限回転数をよりも＋αだけ上方に設定してあったから可能になったものである。このような応答速度の高い電力制御方式は電力系統５の安定化に貢献できる。
【００２２】
実施の形態６．
上記実施の形態２では電力指令値により最適回転数を設定し、無効電力が定格以下で少ない場合には励磁電流も少なくて済むので、無効電力の量に応じて可変速幅を更に拡大するように補正し部分負荷時の発電効率を向上する制御方式を提供する場合を述べたが、これは発電出力の全域において効率が良くなる運転方式を目指している。
従って、発電運転中の回転数はその時々の無効電力の大きさによって、図４の新最適回転数Ｃ、又は、新最適回転数Ｄ、或いはその中間などの許される最下限の最適回転数で運転しているので、電力増指令を受けた場合には図３の電力制御回路１０は直ぐに回転数を下げて回転エネルギーを放出することにより電気出力を出そうと働くが、電力制御回路１０の中の可変速幅逸脱防止機能により、図３に示す最適回転数以下にはならないように電力増指令が補正される。その結果、電力は速度制御回路１３、サーボモータ１４、ポンプ水車２、水路系、及び、ガバナの特性による比較的ゆっくりした応答速度で増加することになる。
言い換えれば、可変速機の最大の特長である回転エネルギーの活用が制限され電力制御の応答速度が犠牲になっている。
【００２３】
実施の形態６では、発電運転の効率を少し犠牲にして電力制御の応答速度を向上する制御方式を提供する。具体的には図１０にて説明する。下記のように、実施の形態２で設定された新最適回転数Ｃを＋αだけ補正して最新最適回転数Ｉを設け、新最適回転数Ｄを＋αだけ補正して最新最適回転数Ｊ設ける。
Ｉ：N6＝15×Pref(pu)+561（rpm）- k×(Q(rate)-Q(mvar)) ＋α
但し、Q(mvar)= Q(rate)の場合  k：係数
Ｊ：N6＝15×Pref(pu)+561（rpm）- k×(Q(rate)-Q(mvar)) ＋α
但し、Q(mvar)=0の場合
従って、発電運転中の実回転数はその時々の無効電力の量に応じて最新最適回転数Ｉ、又は最新最適回転数Ｊ、或いはその中間になるように制御され、新最適回転数Ｃ又はＤ或いはその中間以下にはならないように制限される。
言い換えれば、新最適回転数Ｃ又はＤ或いはその中間が可変速幅下限回転数となる。
【００２４】
先ず、この実施の形態６の方式を適用せず、例えば無効電力が０の場合について図１０を基に説明する。
今、図１０において時刻T0にて電力指令値P0をP1に増加すると、もし、図４の様に実回転数が新最適回転数Ｃになるように制御されている場合には、回転数はこのカーブ以下には下げられないので、実電力は図３に示す速度制御回路１３、サーボモータ１４、ポンプ水車２、及び水路系の比較的ゆっくりした応答速度で図１０の実電力１に示すようにP0からP1へゆっくりと増加することになる。実回転数は電力指令値が瞬時に増加するので最適回転数指令値も瞬時に上昇するが実回転数は可変速幅の下限の状態にあるので、更に下げることは出来ず、P1のときの最適回転数N1に向かって図１０に示す実回転数１のように増加する。この回転数の増加速度は水路系及びガバナ系の応答速度できまり、従来の同期機を使った発電運転の場合の動きと同じである。
【００２５】
次に、実施の形態６の方式を適用し、例えば無効電力が０の場合について図１０を基に説明する。
今、図１０において時刻T0にて電力指令値P0をP1に増加すると、可変速同期発電電動機１は回転エネルギーを瞬時に系統に放出するので実回転数はN2から実回転数２の様に一旦低下しP1に対応する最適回転数N3に増加する。従って実電力は実電力２の様に瞬時に増加する。これはあらかじめ最新最適回転数Ｊを新最適回転数Ｄ即ち可変速幅下限回転数よりも＋αだけ上方に設定してあったから可能になったものである。このような応答速度の高い電力制御方式は電力系統５の安定化に貢献できる。
【００２６】
実施の形態７．
上記実施の形態３では電力指令値により最適回転数を設定し、力率が１の場合には無効電力も少なく励磁電流も少なくて済むので、力率の大きさに応じて可変速幅を更に拡大するように補正し部分負荷時の発電効率を向上する制御方式を提供する場合を述べたが、これは発電出力の全域において効率が良くなる運転方式を目指している。
従って、発電運転中の回転数はその時々の力率の大きさによって、図６の新最適回転数Ｅ、又は、新最適回転数Ｆ、或いはその中間などの許される最下限の最適回転数で運転しているので、電力増指令を受けた場合には図５の電力制御回路１０は直ぐに回転数を下げて回転エネルギーを放出することにより電気出力を出そうと働くが、電力制御回路１０の中の可変速幅逸脱防止機能により、図６に示す最適回転数以下にはならないように電力増指令が補正される。その結果、電力は速度制御回路１３、サーボモータ１４、ポンプ水車２、水路系、及び、ガバナの特性による比較的ゆっくりした応答速度で増加することになる。
言い換えれば、可変速機の最大の特長である回転エネルギーの活用が制限され電力制御の応答速度が犠牲になっている。
【００２７】
実施の形態７では、発電運転の効率を少し犠牲にして電力制御の応答速度を向上する制御方式を提供する。具体的には図１１にて説明する。下記のように、実施の形態３で設定された新最適回転数Ｅを＋αだけ補正して最新最適回転数Ｋを設け、新最適回転数Ｆを＋αだけ補正して最新最適回転数Ｌ設ける。
Ｋ：N7＝15×Pref(pu)+561（rpm）- k×Pf＋α
但しPf=Pf(rate)の場合  k：係数
Ｌ：N7＝15×Pref(pu)+561（rpm）- k×Pf+α
但しPf=1の場合  k：係数
従って、発電運転中の実回転数はその時々の力率の大きさに応じて最新最適回転数Ｋ、又は最新最適回転数Ｌ、或いはその中間になるように制御され、新最適回転数Ｅ又はＦ或いはその中間以下にはならないように制限される。
言い換えれば、新最適回転数Ｅ又はＦ或いはその中間が可変速幅下限回転数となる。
【００２８】
先ず、この実施の形態７の方式を適用せず、例えば力率が１の場合について図１１を基に説明する。
今、図１１において時刻T0にて電力指令値P0をP1に増加すると、もし、図６の様に実回転数が新最適回転数Ｆになるように制御されている場合には、回転数はこのカーブ以下には下げられないので、実電力は図５に示す速度制御回路１３、サーボモータ１４、ポンプ水車２、及び水路系の比較的ゆっくりした応答速度で図１１の実電力１に示すようにP0からP1へゆっくりと増加することになる。実回転数は電力指令値が瞬時に増加するので最適回転数指令値も瞬時に上昇するが実回転数は可変速幅の下限の状態にあるので、更に下げることは出来ず、P1のときの最適回転数N1に向かって図１１に示す実回転数１のように増加する。この回転数の増加速度は水路系及びガバナ系の応答速度できまり、従来の同期機を使った発電運転の場合の動きと同じである。
【００２９】
次に、実施の形態７の方式を適用し、例えば無効電力が０の場合について図１１を基に説明する。
今、図１１において時刻T0にて電力指令値P0をP1に増加すると、可変速同期発電電動機１は回転エネルギーを瞬時に系統に放出するので実回転数はN2から実回転数２の様に一旦低下しP1に対応する最適回転数N3に増加する。従って実電力は実電力２の様に瞬時に増加する。これはあらかじめ最新最適回転数Ｌを新最適回転数Ｆ即ち可変速幅下限回転数よりも＋αだけ上方に設定してあったから可能になったものである。このような応答速度の高い電力制御方式は電力系統５の安定化に貢献できる。
【００３０】
実施の形態８．
上記実施の形態４では電力指令値により最適回転数を設定し、励磁電流の大きさに応じて可変速幅を更に拡大するように補正し部分負荷時の発電効率を向上する制御方式を提供する場合を述べたが、これは発電出力の全域において効率が良くなる運転方式を目指している。
従って、発電運転中の実回転数は可変速幅の下限にて運転しているので、電力増指令を受けた場合には図７の電力制御回路１０は直ぐに回転数を下げて回転エネルギーを放出することにより電気出力を出そうと働くが、電力制御回路１０の中の可変速幅逸脱防止機能により、図８に示す新最適回転数Ｇ以下にはならないように電力増指令が補正される。その結果、電力は速度制御回路１３、サーボモータ１４、ポンプ水車２、水路系、及びガバナの特性により比較的ゆっくりした応答速度で増加することになる。
言い換えれば、可変速機の最大の特長である回転エネルギーの活用が制限され電力制御の応答速度が犠牲になっている。
実施の形態８では、発電運転の効率を少し犠牲にして電力制御の応答速度を向上する制御方式提供する。具体的には図１２にて説明する。実施の形態４で設定された新最適回転数Ｇを＋αだけ補正して下記の最新最適回転数Ｍを設ける。
Ｍ：N8＝577.67-1.67/If（rpm）＋α
従って、発電運転中の実回転数は最新最適回転数Ｍになるように制御され、新最適回転数Ｇ以下にはならないように制限される。言い換えれば、新最適回転数Ｇは可変速幅下限回転数となる。
【００３１】
先ず、この実施の形態８の方式を適用しない場合について図１２を基に説明する。
今、図１２において時刻T0にて電力指令値P0をP1に増加すると、実回転数は図８の新最適回転数Ｇになるように制御されており、回転数はこのカーブ以下には下げられないので、実電力は図７に示す速度制御回路１３、サーボモータ１４、ポンプ水車２、及び  水路系の比較的ゆっくりした応答速度で図１２の実電力１に示すようにP0からP1へゆっくりと増加することになる。実回転数は電力指令値が瞬時に増加するので最適回転数指令値も瞬時にNoからN1に上昇するが実回転数は可変速幅の下限の状態にあるので、更に下げることは出来ず、P1のときの最適回転数N1に向かって図１２に示す実回転数１のように増加する。この回転数の増加速度は水路系及びガバナ系の応答速度できまり、従来の同期機を使った発電運転の場合の動きと同じである。
【００３２】
次に、実施の形態８の方式を適用した場合について図１２を基に説明する。
今、図１２において時刻T0にて電力指令値P0をP1に増加すると、可変速同期発電電動機１は回転エネルギーを瞬時に系統に放出するので実回転数はN2から実回転数２の様に新可変速幅下限回転数を下回らない範囲で一旦低下しP1に対応する最適回転数N3に増加する。従って実電力は実電力２の様に瞬時に増加する。これはあらかじめ最新最適回転数Ｍを新最適回転数Ｇ即ち可変速幅下限回転数をよりも＋αだけ上方に設定してあったから可能になったものである。このような応答速度の高い電力制御方式は電力系統５の安定化に貢献できる。
【００３３】
実施の形態９．
上記実施の形態１は可変速同期発電電動機１による可変速揚水発電システムの発電運転時の低回転速度領域における可変速幅を拡大して部分負荷効率を向上した運転ができる制御方法を得ることを目的としている。
しかし、実施の形態９は、揚水運転時の低入力領域、即ち、低回転速度領域において可変速幅を拡大してＡＦＣ容量の拡大，揚水始動時の加速回転数の上限を下げることによる始動装置の容量低下、揚水停止時の解列回転数を下げ遮断電力を低下し接点の劣化の低減に貢献する可変速同期発電電動機の制御方式を得ることを目的としている。
【００３４】
以下、この発明の実施の形態９を図１３に基づいて説明する。
図１３において可変速同期発電電動機１は、回転子でポンプ水車２を駆動し、その固定子巻線は発電機母線３及び主変圧器４を通じて電力系統５に接続されている。交流励磁装置６は励磁変圧器７を経由して発電機母線３から給電され、系統低周波と回転数の差に相当する周波数を持った交流励磁電流を可変速同期発電電動機１の回転子巻線に供給する。電力変換器８は、発電機母線３に接続された計器用変成器９の２次側信号から可変速同期発電電動機１の入力を検出する。電力制御回路１０は、電力変換器８で検出された出力が電力指令値設定器１１の信号に合致するような制御信号を発生し交流励磁装置６に与えその出力で可変速同期発電電動機１の入力を調整する。可変速同期発電電動機１の入力はその回転数を下げてエネルギーの放出、或いはその回転数を上昇させ系統からのエネルギーを吸収することにより瞬時に調整できる。これが可変速同期発電電動機の最大の特徴である。
【００３５】
一般にポンプ水車２の揚水時に必要な入力は回転数のほぼ3乗に比例して変化する。電力指令値設定器１１に従って可変速同期発電電動機１が系統から電力を得てそれを軸出力にしてポンプ水車２に加えると、その入力に対応した回転数で揚水運転が行われる。又、ポンプ水車２の最適な回転数は揚程によって変化するので、回転数設定器１２によって入力と揚程に対応した最適回転数を設定し、実回転数２０が最適回転数から外れると回転数制御回路２４が補正制御信号を電力制御回路１０に与え交流励磁装置６、可変速同期発電電動機１を通じて入力電力を調整する。ガイドベーン開度設定器１７は、電力指令値に対して最高効率になるようなガイドベーン開度を設定するものであり、揚程によって最適ガイドベーン開度が異なるので揚程設定器２５によって最適ガイドベーン開度を補正する。ガイドベーン開度設定器１７からの最適ガイドベーン開度信号は、サーボモータ１４とガイドベーン開度検出器１５によりポンプ水車２のガイドベーン開度を最適値に制御する。
電力制御回路１０には系統周波数検出器１８で検出した系統周波数と基準周波数設定器１９からの基準周波数を取り込み、電力指令値と実電力の偏差に速度垂下率特性を付加した制御信号を交流励磁装置６に与え可変速同期発電電動機１が電力系統５の状態に適した入力を自動的に取り込むような構成にしてある。例えば安定した揚水運転中に、系統の負荷変動により系統周波数が下がれば、可変速同期発電電動機１は入力を自動的に減じて系統周波数の回復に寄与するように構成されている。
【００３６】
次に動作について図１４をもとに説明する。図１４に示す可変速同期発電電動機１を用いた可変速揚水発電システムの揚水運転に対する概略仕様は同期速度600rpm、可変速幅±４％＝±24rpm、最大入力330MW、最低入力230MWとし、従ってＡＦＣ容量が100MWと想定している。ポンプ入力は一般に概略回転数の3乗に比例するので両者の関係は図１４の揚水最適回転数の様になる。
通常の運転は図１４において給電指令所から電力指令値設定器１１を介して電力指令値が与えられると、電力変換器８からの実入力信号との偏差がなくなるように電力制御回路１０が交流励磁装置６を制御して、入力が指令値になるようになされる。尚、設計誤差を含む何等かの原因により回転数が揚水最低回転数を外れると回転数制御回路２４が電力制御指令を補正して最適回転数から外れないように運転される。
通常、給電指令所からの電力指令値は系統の状況を判断して与えられるが、図１４の揚水最適回転数が可変速幅の上下限を超えないように与えられる。しかし、揚程の変動などにより回転数が可変速幅の上下限を逸脱しそうになると、図１３の電力制御回路１０の中に備えている可変速幅逸脱防止機能が働き逸脱を未然に防止するように運転される。
【００３７】
揚水運転に必要な励磁電圧Vexは式２に示すように励磁電流とその運転時の回転子のインピーダンスの積に比例する。最大入力時には最大の励磁電流が必要であり、その時の回転子周波数（滑り周波数とも言う）も最大になるので回転子インピーダンスが最大になる。従って、この時の励磁電圧が最大であり、交流励磁装置６の定格電圧Vrを決定している。
可変速幅は一般に図１４に示す様に揚水入力の如何に関わらず、交流励磁装置６の定格電圧Vrを超えない一定の回転子周波数即ち回転数によって決められている。
図１４から、運転点P1においては、回転数が可変速幅の下限で回転子周波数は最大になるが、揚水入力が小さいので励磁電流は運転点P2よりも少ないことがわかる。
従って、揚水入力指令値が低い領域では、例えば図１４における新可変速幅下限カーブＢの運転点P3のように可変速幅を拡大しても交流励磁装置６の定格電圧の範囲内で運転できる。
【００３８】
このような運転が出来るようにすると以下に示す３つの改善ができる。
１．揚水ＡＦＣ幅の下限側入力が拡大することにより、ＡＦＣ容量が増加するので系統の安定化に貢献できる。
２．サイリスタ始動装置による揚水始動を行う場合には加速すべき回転数を低く出来るのでサイリスタ始動装置の容量を削減できる。
３．揚水停止時、回転数を下げることにより入力を絞れるので、並列用遮断器の遮断電流が小さくなり接点の寿命を延長するのに貢献できる。
【００３９】
実施の形態１０．
上記実施の形態９では電力指令値により可変速幅下限カーブを設定する場合を述べたが、可変速同期発電電動機１が定格無効電力を運転している場合を前提としている。
実施の形態１０においては、図１５に示すように無効電力検出器２６を設け、無効電力が定格以下で少ない場合には励磁電流も少なくて済むので、その分可変速幅下限を更に拡大するように補正し、低入力時の最小回転数を拡大する制御方式を提供する。
図１６にその具体例を示す。実無効電力Qactが定格無効電力Qrateの場合には、新可変速幅下限カーブＣのようになり、実施の形態９の場合における新可変速幅下限カーブＢと変わらないが、実無効電力Qactが定格以下の場合にはその差に比例して新最適回転数を下方に補正し、実無効電力Qactが０の場合には新可変速幅下限カーブＤのように補正して低入力時の最小回転数を拡大する。
【００４０】
実施の形態１１．
上記実施の形態９では電力指令値により可変速幅下限を設定する場合を述べたが、可変速同期発電電動機１が定格力率で運転している場合を前提としている。
実施の形態１１においては、図１７に示すように力率検出器２７を設け、力率が１に近い場合には励磁電流も少なくて済むので、その分可変速幅を更に拡大するように補正し部分負荷時の発電効率を向上する制御方式を提供するものである。
図１８にその具体例を示す。実力率Pfactが定格力率Pfrateの場合には、新可変速幅下限カーブＥのようになり、実施の形態９の場合における可変速幅下限カーブＢと変わらないが、実力率Pfactが１に近い場合には定格力率との差応じて可変速幅下限カーブを下方に補正し、実力率Pfactが１の場合には新可変速幅下限カーブＦのように補正して低入力時の最小回転数を拡大する。
【００４１】
実施の形態１２．
上記実施の形態９では電力指令値により可変速幅下限カーブを設定する場合を述べたが、実施の形態１２においては、図１９に示すように、励磁電流検出器２８を設け系統周波数及び励磁電流を基に可変速幅下限カーブを設定して低入力時の最小回転数を拡大する制御方式を提供する。
揚水運転中の回転数は前記式１、式２、式３から、機器の定数及び運転時の励磁電流及び系統周波数から制限されていることが解る。発電運転の場合での実施の形態４と同様に式を変形して、式８を得る。式８は図２０の新可変速下限カーブＧのようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の実施の形態１を示す制御ブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１の動作例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２を示す制御ブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態２の動作例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態３を示す制御ブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態３の動作例を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態４を示す制御ブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態４の動作例を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態５を示す動作説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態６を示す動作説明図である。
【図１１】この発明の実施の形態７を示す動作説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態８を示す動作説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態９を示す制御ブロック図である。
【図１４】この発明の実施の形態９の動作例を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態１０を示す制御ブロック図である。
【図１６】この発明の実施の形態１０の動作例を示す図である。
【図１７】この発明の実施の形態１１を示す制御ブロック図である。
【図１８】この発明の実施の形態１１の動作例を示す図である。
【図１９】この発明の実施の形態１２を示す制御ブロック図である。
【図２０】この発明の実施の形態１２の動作例を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１：可変速同期発電電動機
２：ポンプ水車
３：発電機母線
４：主変圧器
５：電力系統
６：交流励磁装置
７：励磁変圧器
８：電力変換器
９：計器用変成器
１０：電力制御回路
１１：電力指令値設定器
１２：回転数設定器
１３：速度制御回路
１４：サーボモータ
１５：ガイドベーン開度検出器
１６：落差検出器
１７：ガイドベーン開度設定器
１８：系統周波数検出器
１９：基準周波数設定器
２０：実回転数検出器
２１：無効電力検出器
２２：力率検出器
２３：励磁電流検出器
２４：回転数制御回路
２５：揚程設定器
２６：無効電力検出器
２７：力率検出器
２８：励磁電流検出器
【図１】
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【図２】
0004480777.tif 000003
【図３】
0004480777.tif 000004
【図４】
0004480777.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004480777.tif 000007
【図７】
0004480777.tif 000008
【図８】
0004480777.tif 000009
【図９】
0004480777.tif 000010
【図１０】
0004480777.tif 000011
【図１１】
0004480777.tif 000012
【図１２】
0004480777.tif 000013
【図１３】
0004480777.tif 000014
【図１４】
0004480777.tif 000015
【図１５】
0004480777.tif 000016
【図１６】
0004480777.tif 000017
【図１７】
0004480777.tif 000018
【図１８】
0004480777.tif 000019
【図１９】
0004480777.tif 000020
【図２０】
0004480777.tif 000021