(57)【要約】【課題】ポンプ水車への水の逆流と電気ブレーキを利用することで、揚水運転から発電運転への切り換えを迅速に行える揚水発電装置を得ることを目的にする。【解決手段】解列閉鎖指令と界磁電流低下指令と電気ブレーキ動作指令と電気ブレーキ解除指令と発電運転指令を出力する制御装置１７を備えている。解列閉鎖指令により、発電電動機２を電力系統６から解列し、ポンプ水車１のガイドベーン１１を所定の開度まで閉鎖する。界磁電流低下指令により、界磁電流低下手段が発電電動機２の界磁電流を低下させる。電気ブレーキ動作指令により、電気ブレーキ用スイッチ７を閉じると共に、励磁装置９から所定の界磁電流を供給する。電気ブレーキ解除指令により、励磁装置９は界磁電流を停止する。発電運転指令により、発電電動機２を発電運転させる動作をガイドベーン１１及び主遮断器３及び励磁装置９が行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガイドベーンを有するポンプ水車と、このポンプ水車に連結された発電電動機と、この発電電動機を電力系統に接続する主遮断器と、前記発電電動機を励磁する励磁装置と、前記ガイドベーン及び前記主遮断器及び前記励磁装置を制御して揚水運転から発電運転に切り換える制御装置を備えた揚水発電装置であって、
前記制御装置は、前記主遮断器を開いて前記発電電動機を前記電力系統から解列し、かつ前記ガイドベーンを所定の開度まで閉鎖する解列閉鎖指令を出力し、
前記発電電動機の界磁電流を低下させる界磁電流低下手段に界磁電流低下指令を出力し、
前記発電電動機の残留電圧が所定の電圧以下になったことを検出した後に、前記発電電動機に電気ブレーキを作動させる電気ブレーキ用スイッチを閉じると共に、前記励磁装置から所定の界磁電流を供給する電気ブレーキ動作指令を出力し、
前記発電電動機の回転数が所定値以下に低下した後に、前記電気ブレーキ用スイッチを開くと共に、前記励磁装置の界磁電流を停止する電気ブレーキ解除指令を出力し、
前記電気ブレーキ解除指令が出された後に、前記発電電動機を発電運転させるための動作を行うように、前記ガイドベーン及び前記主遮断器及び前記励磁装置に発電運転指令を出力することを特徴とした揚水発電装置。
【請求項２】
前記界磁電流低下手段は、前記発電電動機の界磁巻線の界磁電流を放電する放電回路であり、
前記制御装置は、前記界磁電流を低下させる際に、前記界磁巻線と前記励磁装置とを接離する界磁遮断器を開き、前記放電回路を動作させることを特徴とした請求項１記載の揚水発電装置。
【請求項３】
前記界磁電流低下手段は、前記励磁装置であり、
前記制御装置は、前記界磁電流を低下させる際に、前記励磁装置のサイリスタ整流回路に前記界磁電流を急速に低下させるために逆向きの界磁電圧を発生させる点弧制御を行わせることを特徴とした請求項１記載の揚水発電装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記電気ブレーキを作動させる際に、前記電気ブレーキ用スイッチを閉じ、前記発電電動機の電機子巻線を短絡させることを特徴とした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の揚水発電装置。
【請求項５】
前記電気ブレーキ用スイッチは、遮断器であることを特徴とした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の揚水発電装置。
【請求項６】
ガイドベーンを有するポンプ水車と、このポンプ水車に連結された発電電動機と、この発電電動機を電力系統に接続する主遮断器と、前記発電電動機を励磁する励磁装置を備えた揚水発電装置を揚水運転から発電運転に切り換える際に、
前記主遮断器を開いて前記発電電動機を前記電力系統から解列し、かつ前記ガイドベーンを所定の開度まで閉鎖する解列閉鎖手順の後、前記発電電動機の界磁電流を低下させる界磁電流低下手順を行い、前記発電電動機の残留電圧が所定の電圧以下になったことを検出した後に、前記発電電動機に電気ブレーキを作動させる電気ブレーキ用スイッチを閉じると共に、前記励磁装置から所定の界磁電流を供給する電気ブレーキ手順を行い、前記発電電動機の回転数が所定値以下に低下した後に、前記電気ブレーキ用スイッチを開くと共に、前記電気ブレーキ手順の界磁電流を停止する電気ブレーキ解除手順を行った後に、前記揚水発電装置を発電運転に移行させるようにした揚水発電装置の制御方法。
【請求項７】
前記界磁電流低下手順は、前記発電電動機の界磁巻線と前記励磁装置とを接離する界磁遮断器を開き、前記界磁巻線の界磁電流を放電する放電回路に接続することを特徴とした請求項６記載の揚水発電装置の制御方法。
【請求項８】
前記界磁電流低下手順は、前記電力系統から解列された際の前記発電電動機の界磁電流を急速に低下させるために逆向きの界磁電圧を発生させるように前記励磁装置のサイリスタ整流回路に点弧制御を行わせることを特徴とした請求項６記載の揚水発電装置の制御方法。
【請求項９】
前記電気ブレーキ手順は、前記電気ブレーキ用スイッチを閉じ、前記発電電動機の電機子巻線を短絡させることを特徴とした請求項６乃至８のいずれか１項に記載の揚水発電装置の制御方法。
【請求項１０】
前記電気ブレーキ用スイッチは、遮断器であることを特徴とした請求項６乃至９のいずれか１項に記載の揚水発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、揚水発電装置に関し、特に揚水運転から発電運転への切り換え時間を短縮することができる揚水発電装置およびその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、揚水発電装置を揚水運転から発電運転への切り換え制御は、発電電動機を電力系統から解列し、更に入力弁及びガイドベーンを全閉にし、ポンプ水車及び発電電動機を停止状態にした後に発電運転に移行させていた。この方法では、発電電動機を電力系統から解列した後、ガイドベーンを全閉したまま回転速度の低下を待つので停止時間が長く、発電運転へ移行するまでに長時間を要していた。
【０００３】
揚水発電装置を揚水運転から発電運転への切り換え時間を短縮する方法として、特許文献１には、発電電動機を電力系統から解列すると共に、ガイドベーンの閉鎖を開始し、ガイドベーン開度が所定の開度に達したら、その開度を維持させたまま、発電運転へ移行させる例が示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−１１９３８１号公報（第２頁左下段６行から１１行、第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の切り換え時間の短縮方法では、ポンプ水車への水の逆流を利用しただけなので、ポンプ水車及び発電電動機を減速する時間が十分に短くすることができず揚水発電装置の揚水運転から発電運転への切り換えを更に短縮することは困難だった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ポンプ水車への水の逆流と電気ブレーキを利用することで、揚水運転から発電運転への切り換えを迅速に行える揚水発電装置を得ることを目的にする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る揚水発電装置は、解列閉鎖指令と界磁電流低下指令と電気ブレーキ動作指令と電気ブレーキ解除指令と発電運転指令を出力する制御装置を備えている。解列閉鎖指令により、発電電動機を電力系統から解列し、ポンプ水車のガイドベーンを所定の開度まで閉鎖する。界磁電流低下指令により、界磁電流低下手段が発電電動機の界磁電流を低下させる。電気ブレーキ動作指令により、電気ブレーキ用スイッチを閉じると共に、励磁装置から所定の界磁電流を供給する。電気ブレーキ解除指令により、励磁装置は界磁電流を停止する。発電運転指令により、発電電動機を発電運転させる動作をガイドベーン及び主遮断器及び励磁装置が行う。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る揚水発電装置は、ポンプ水車への水の逆流を利用すると共に、界磁電流低下手段に発電電動機の界磁電流を低下させ、並びに電気ブレーキを作用させて、発電電動機及びポンプ水車を減速したことにより、揚水運転から発電運転への切り換えを迅速に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における揚水発電装置の構成を示す図である。ポンプ水車１は発電電動機２に連結されている。発電電動機２は電機子巻線２ａと界磁巻線２ｂを備えている。電機子巻線２ａは、主遮断器３、相反転断路器４と主変圧器５を介して電力系統６に接続されている。界磁巻線２ｂが巻かれた回転子は、ポンプ水車１に連結される。
【００１０】
電機子巻線２ａは、電気ブレーキ用スイッチ７によって短絡されるようになっている。界磁巻線２ｂは、界磁遮断器８を介して励磁装置９が接続される。また、界磁巻線２ｂには、界磁電流低下手段である放電回路１０が接続される。放電回路１０は放電スイッチ１０ａと短絡抵抗１０ｂを有している。
【００１１】
ポンプ水車１はガイドベーン１１を有している。揚水発電装置の発電運転においては、ガイドベーン１１は、上部調整池（図示せず。）と接続された鉄管１２、入口弁１３と接続管１４を介してポンプ水車１の内部に流入する水量を調整する。ポンプ水車１から排出された水は、吸出管１５を通って下部調整池（図示せず。）に流れる。調速機１６はガイドベーン１１の開度を制御し、ポンプ水車１の回転速度を調整する。制御装置１７は、主遮断器３、相反転断路器４、電気ブレーキ用スイッチ７、界磁遮断器８、放電回路１０、調速機１６を制御して揚水運転及び発電運転を行う。
【００１２】
図２は図１の制御装置の構成を示す図である。制御装置１７は、情報受け取り手段１８で、運転員或いは遠隔操作所からの緊急指令や揚水発電装置の各種のセンサー等からの情報を受け取る。情報受け取り手段１８が受け取った指令は、処理手段１９によってメモリ２０を使って解読され、処理手段１９は、メモリ２０に記憶された処理手順に従って処理し、指令出力手段２１から各種指令が揚水発電装置の構成機器に出力される。処理手段１９、メモリ２０及び指令出力手段２１は、出力する指令に応じた当該指令手段を構成する。
【００１３】
図３は図１の励磁装置の構成を示す図である。励磁装置９は、サイリスタ整流回路２２と、点弧制御回路２４で構成される。点弧制御回路２４は、サイリスタ２３の制御端子ａ１乃至ａ６に接続（図示せず。）されている。点弧制御回路２４は、サイリスタ整流回路２２の各サイリスタ２３における導通及び非導通のタイミングである点弧角を制御する。制御装置１７の指令を端子Ｃｎｔから受け取り、点弧制御回路２４がサイリスタ２３の点弧角を制御して、三相交流端子Ｉｎ１から入力された三相交流を直流にしてＯｕｔ１端子及びＯｕｔ２端子から界磁電流を出力する。なお、Ｒ端子、Ｓ端子、Ｔ端子は三相交流のＲ相、Ｓ相、Ｔ相に対応した三相交流端子Ｉｎ１である。
【００１４】
次に揚水発電装置の動作について説明する。図４は実施の形態１の揚水発電装置における動作を説明する図である。揚水発電装置が揚水発電を行っていた際に、電力系統６に電力を供給していた大容量ベース負荷供給用発電機が、事故により電力系統６から突然解列された場合を考える。この事態が信号伝送等により、揚水発電装置が設置された発電所に伝わり、運転員或いは遠隔操作所から揚水運転から発電運転に切り換える緊急指令が発せられる。
【００１５】
（解列閉鎖手順）
制御装置１７は、この緊急指令を受けて、主遮断器３を開いて発電電動機２を電力系統６から解列し、ガイドベーン１１を所定の起動開度ｇｂ１まで閉鎖する解列閉鎖手順を実行するように、解列閉鎖指令手段によって解列閉鎖指令を出力する。主遮断器３は解列閉鎖指令を受けて時刻ｔ０で開となり、発電電動機２が電力系統６から解列され、発電電動機２の電力Ｐは入力がゼロとなる。調速機１６はガイドベーン１１の開度Ｇを制御し、ガイドベーン１１は開度Ｇが全開から起動開度ｇｂ１まで時刻ｔ１で閉鎖される。
【００１６】
このとき、入口弁１３は開度Ｉが開のままで、ガイドベーン１１は全閉しないことから、発電電動機２の入力が無くなっても、ポンプ水車１は揚水方向の回転を継続するので、水は揚水方向即ち下から上への動きをある時間継続する。しかしながら、ガイドベーン１１は開いていることから、水は短時間で上から下への方向に変化する。したがって、発電電動機２とポンプ水車１とで構成される主機の回転数Ｎは減速する。発電電動機２とポンプ水車１は回転軸が互いに連結され、同じ回転数で回転する。
【００１７】
（界磁電流低下手順）
制御装置１７は、主遮断器３を開いた後、ガイドベーン１１が起動開度ｇｂ１になる時刻ｔ１の間に、発電電動機２の界磁巻線２ｂを流れる界磁電流を低下させる界磁電流低下手順を実行するように、界磁電流低下指令手段によって界磁電流低下指令を出力する。界磁電流低下手段である界磁遮断器８及び放電回路１０は界磁電流低下指令を受ける。図４の操作ＦＣＢに示すように、界磁遮断器８は開となり、放電回路１０は放電スイッチ１０ａを閉じて、短絡抵抗１０ｂに接続する。したがって、界磁巻線２ｂを流れる界磁電流は、短絡抵抗１０ｂを介して放電され、低下する。これにより、電気ブレーキを作動させるまでの時間を短縮することができる。
【００１８】
主機の回転数Ｎが例えば揚水方向の例えば５０％程度に低下し、発電電動機２の残留電圧がほぼゼロになったときに電気ブレーキを作動させる。
【００１９】
（電気ブレーキ手順）
制御装置１７は、電圧検出器からの信号により発電電動機２の残留電圧がほぼゼロになったことを検出した後に、時刻ｔ７で電気ブレーキ用スイッチ７を閉じ、電気ブレーキ手順を実行するように、電気ブレーキ動作指令手段によって電気ブレーキ動作指令を出力する。図４の操作ＥＳＷに示すように、電気ブレーキ動作指令を受けて、断路器である電気ブレーキ用スイッチ７は閉となり、電機子巻線２ａは短絡される。図４の操作ＦＣＢに示すように、界磁遮断器８は、電気ブレーキ動作指令を受けて、閉となる。励磁装置９は、電気ブレーキ動作指令を受けて、点弧制御回路２４がサイリスタ整流回路２２の制御端子ａ１乃至ａ６を制御して、所定の界磁電流を界磁巻線２ｂに供給する。
【００２０】
発電電動機２が所定の界磁電流を流すことで、揚水方向に回転する回転エネルギーは、電機子巻線２ａで熱エネルギーとなって消費される。したがって、電気ブレーキを作動させることにより、発電電動機２の回転エネルギーの消費を早め、主機の回転数Ｎの減速時間を短縮させることができる。
【００２１】
主機の回転数Ｎは、電気ブレーキと水の上から下方向への流れによって、時刻ｔ２でゼロとなり、主機はそのまま逆回転する。
【００２２】
（電気ブレーキ解除手順）
制御装置１７は、回転数検出器からの信号により主機の回転数Ｎが約ゼロとなったことを検出した後に、電気ブレーキ用スイッチ７を開き、電気ブレーキ解除手順を実行するように、電気ブレーキ動作指令手段によって電気ブレーキ解除指令を出力する。電気ブレーキ解除指令を受けて、電気ブレーキ用スイッチ７は開となり、電機子巻線２ａは短絡回路から分離される。界磁遮断器８は、電気ブレーキ解除指令を受けて、開となる。励磁装置９は、電気ブレーキ解除指令を受けて、点弧制御回路２４がサイリスタ整流回路２２を停止して、界磁電流に整流する動作を停止する。
【００２３】
ガイドベーン１１は、開度Ｇが起動開度ｇｂ１になっているので、ポンプ水車１が発電方向の水流を受けて、主機は発電方向で定格回転数に向かって上昇していく。
【００２４】
（発電運転手順）
制御装置１７は、電気ブレーキ解除指令を出力した後に、ガイドベーン１１及び主遮断器３及び励磁装置９を発電運転させるように発電運転制御手段によって発電運転指令を夫々に出力する。
【００２５】
時刻ｔ３で、制御装置１７は、回転数検出器からの信号により主機の回転数Ｎが、例えば定格回転数の８０％に達したことを検出した後に、ガイドベーン１１を制御するように発電運転制御手段によって発電運転指令を調速機１６に出力する。
【００２６】
発電運転指令を受けて、調速機１６はガイドベーン１１の開度Ｇを制御し、ガイドベーン１１は開度Ｇが全開から無負荷開度ｇｂ２まで絞られ、調速機１６による速度制御運転に移行する。
【００２７】
制御装置１７は、回転数検出器からの信号により主機の回転数Ｎが、例えば９０％に達したことを検出した後に、界磁遮断器８を閉じ、励磁装置９に励磁制御を行うように、発電運転制御手段によって励磁制御指令を出力する。励磁装置９は、励磁制御指令を受けて、点弧制御回路２４がサイリスタ整流回路２２の制御端子ａ１乃至ａ６を制御して、界磁電流を供給する。その後、励磁装置９は、界磁電流を増大させ、発電電動機２の電圧を上昇させる。
【００２８】
制御装置１７は、電圧検出器からの信号により発電電動機２の出力電圧及び周波数が定格になったことを検出したときである時刻ｔ４に、並列操作を開始する。その後、制御装置１７は、電圧検出器からの信号により発電電動機２の出力電圧、周波数及び位相が電力系統６の電圧、周波数及び位相と合致したことを検出したときである時刻ｔ５に、主遮断器３を閉じ、発電電動機２を電力系統６に併入する。さらに、調速機１６にガイドベーン１１を急速に開かせる。そして時刻ｔ６で電力Ｐが発電定格出力になるように制御する。以後、制御装置１７は、発電運転を維持するように制御する。
【００２９】
以上のように、実施の形態１における揚水発電装置は、従来と異なりポンプ水車１への水の逆流を利用すると共に、界磁電流低下手段に発電電動機２の界磁電流を低下させ、並びに電気ブレーキを作用させて、発電電動機２及びポンプ水車１を減速したことにより、揚水運転から発電運転への切り換えを迅速に行うことができる。
【００３０】
なお、電気ブレーキ用スイッチ７として断路器を用いた場合で説明したが、遮断器を用いることで、更に電気ブレーキを作動させるまでの時間を短縮することができる。遮断器は負荷開閉する性能を有するために、発電電動機２の残留電圧がほぼゼロになることを待たずに電気ブレーキを開始することができる。したがって、電気ブレーキの開始時刻を早めることで、発電電動機２及びポンプ水車１を早く減速させ、揚水運転から発電運転への切り換えをさらに迅速に行うことができる。
【００３１】
一方、断路器は、負荷開閉する性能を有していないが、安価である。電気ブレーキ用スイッチ７として断路器を用いることで、揚水発電装置を低価格にできるメリットがある。
【００３２】
なお、電気ブレーキ解除指令を出力する場合に、主機の回転数Ｎがゼロとなったことを検出する例で説明したが、主機の回転数Ｎがゼロでなくても、ポンプ水車への水の逆流だけで、主機の回転数Ｎが短時間にゼロなる回転数Ｎであっても構わない。また、電気ブレーキ解除指令を出力する場合に、主機の回転数Ｎがゼロを超えて発電方向の回転になっても構わない。
【００３３】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２における揚水発電装置の構成を示す図である。実施の形態１とは、放電回路１０を用いることなく、励磁装置９の点弧角を制御する点弧制御によって界磁電流を低下させる点で異なる。
【００３４】
図６は、実施の形態２の揚水発電装置における動作を説明する図である。解列閉鎖手順は実施の形態１と同様であり、説明は省略する。
【００３５】
（界磁電流低下手順）
制御装置１７は、主遮断器３を開いた後、ガイドベーン１１が起動開度ｇｂ１になる時刻ｔ１の間に、発電電動機２の界磁巻線２ｂを流れる界磁電流を低下させる界磁電流低下手順を実行するように、界磁電流低下指令手段によって界磁電流低下指令を出力する。界磁電流低下手段でもある励磁装置９は、界磁電流低下指令を受ける。図６の操作ＦＣＢに示すように、界磁遮断器８は閉じたままである。
【００３６】
図６の操作ＳＣに示すように、励磁装置９は、界磁電流低下指令を受けて、期間Ａの揚水運転励磁操作から期間Ｂの界磁電流低下操作に切り換える。具体的には、点弧制御回路２４の出力電圧が負となるように、サイリスタ整流回路２２の制御端子ａ１乃至ａ６を制御して界磁電流を急速に低下させるようにする。励磁装置９は、界磁電流がゼロになった後に、点弧制御回路２４がサイリスタ整流回路２２の点弧制御を停止して、界磁電流の供給を停止する。
【００３７】
実施の形態２の揚水発電装置は、点弧制御によって界磁電流を急速に低下させることができるので、実施の形態１にくらべて迅速に電気ブレーキを作用させることができる。また、放電回路１０を削除できるメリットがある。
【００３８】
主機の回転数Ｎが例えば揚水方向の５０％程度に低下し、発電電動機２の残留電圧がほぼゼロになったときに、電気ブレーキを作動させる。以後の操作は実施の形態１と同様である。
【００３９】
以上のように、実施の形態２における揚水発電装置は、放電回路１０を用いることなく、励磁装置９の点弧制御によって、実施の形態１にくらべて界磁電流を同等以上に急速低下させることができる。したがって、実施の形態１にくらべて揚水運転から発電運転への切り換えを迅速に行うことができる。
【００４０】
なお、実施の形態１及び２で、電気ブレーキとして電機子巻線２ａが短絡される場合で説明したが、揚水発電装置を設置する揚水発電所の所内電力系統等に電気エネルギーを回収するようにした回生制動としても構わない。回生制動にすることで電気エネルギーが回収できるメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の実施の形態１における揚水発電装置の構成を示す図である。
【図２】図１の制御装置の構成を示す図である。
【図３】図１の励磁装置の構成を示す図である。
【図４】実施の形態１の揚水発電装置における動作を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態２における揚水発電装置の構成を示す図である。
【図６】実施の形態２の揚水発電装置における動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ポンプ水車、２  発電電動機、２ａ  電機子巻線、２ｂ  界磁巻線、３  主遮断器、６  電力系統、７  電気ブレーキ用スイッチ、９  励磁装置、１０  放電回路、１１  ガイドベーン、１７  制御装置、２２  サイリスタ整流回路。
【図１】
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【図２】
2009047087.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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