JP6586828B2

JP6586828B2 - 水車加速抑制方法とその装置

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Publication number: JP6586828B2
Application number: JP2015175373A
Authority: JP
Inventors: 昌司滝口
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2019-10-09
Anticipated expiration: 2035-09-07
Also published as: JP2017055468A

Description

本発明は、水力発電システムにおいて、系統連系運用時に、系統の異常発生によって系統から水力発電システムを切り離したときと、自立運転時の発電電力が負荷消費電力より大きいときの水車加速抑制方法とその装置に関するものである。

水力発電システムは、水の流れるエネルギーを水車で受けてタービンを回転させ、回転するタービン軸と連結された発電機を回転させて発電し、発電した電力を電力変換装置を介して負荷および連系された系統に発電電力を供給している。また、水力発電システムには、上位の制御手段としてコントローラを備え、コントローラは、電力変換装置に対しての運転指令情報や系統母線側の開閉器に対する開閉情報、および電力変換装置からのステータス情報などの信号の授受を行うと共に、ガイドベーンを介して水車の流量を調節している。

系統に連系して運用する場合、連系された系統電源側で短絡事故や地絡事故などが発生した場合には、水力発電システムを系統電源から切り離し、系統連系電力変換装置は運転を停止させる。その際、発電機を停止させるために、水車への水の流入を無くすよう入口弁やガイドベーンを閉じていくが、水車への水の流入がなくなるまでには時間が掛かり、この間発電機は無負荷状態となるため加速して行き無拘束速度と言われる回転速度まで上昇する。

また、系統が異常である等の理由により、系統とは連系せず発電電力を負荷にのみ供給する自立運転で運用させる場合、発電機と発電電力と負荷の消費電力が一致するように運用する必要がある。図８は水車の出力特性図で、例えばガイドベーンの開度１００％時の水車の効率特性曲線を用いた場合を示したものである。通常、自立運転時には、水車の回転速度を永久磁石形同期発電機の発電出力が最大となるＮ₁以上の速度で運用し、発電量＞最大負荷となるようなシステム構成によりＮ₁〜Ｎ_mの速度範囲で運転されている。発電量＞負荷のパワーバランスでは、例えばＮ₂の速度から水車の回転速度が徐々に上昇してゆき、水車の出力特性上、発電機の出力が減少して負荷と釣り合う発電機出力になる回転数Ｎ₃となる。このため、負荷が０の場合には、無拘束速度Ｎ_mまで加速する。

図７は永久磁石形同期発電機を用いた水力発電システムの単結線図を示したもので、回転軸が水車に連結された永久磁石形同期発電機１の交流出力は、電力変換装置のコンバータ２で直流に変換され、さらにインバータ３により交流に逆変換される。通常は開閉器４を介して系統電源５に連系され、発電した電力は負荷６と系統電源５に供給されている。この際、コンバータ２では直流電圧制御を行い、インバータ３では発電機の速度またはトルクと系統の力率（無効電力）制御を行っている。系統電源５の事故時には、開閉器４が開放されて水力発電システムは系統電源５と解列し、コンバータ２、およびインバータ３は停止する。

図６は系統電源５から切り離した状態で、発電電力を負荷６に供給するために自立運転で運用する場合の単結線図である。自立運転時にはインバータ３からは負荷６に対して所望の電圧値、周波数の電圧が出力される。この際、コンバータ２では直流電圧一定制御を行い、インバータ３では交流電圧制御を行っている。

発電システムを系統連系の運用から解除するとき、およびその後の自立運転方法としては、特許文献１や特許文献２が公知となっている。

特許５４７００９１特開２０１４−３８４８

上述したように、水力発電システムにおいて、系統連系して運用している際に、系統異常が発生した場合や、自立運転時に電力を供給する負荷が小さい場合に、水車および発電機の速度が上昇し、最悪無拘束速度まで速度が上昇するようなことが頻繁に発生したり、無拘束速度で運転が継続されるような状態になると水車および水車の機械系にダメージを与える虞を有している。

本発明が目的とするところは、系統連系を解除したとき、または自立運転時に所定速度以上にならないよう抑制する水車加速抑制方法とその装置を提供することにある。

本発明の請求項１の水車加速抑制方法は、水車と連結された永久磁石形同期発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷及び電力系統に供給するよう構成された水力発電システムであって、水力発電システムの永久磁石形同期発電量＞負荷のパワーバランスによる運転時での水車の回転速度上昇を抑制する方法において、
前記電力変換装置の直流リンク部に、制御回路によりオン・オフ制御されるスイッチング素子を有する制動ユニット部を接続し、
前記制御回路は、永久磁石形同期発電機の発電機速度を検出し、検出された発電機速度が予め設定された前記制動ユニット部の動作速度設定と動作停止速度設定とそれぞれ比較し、
前記発電機速度が動作速度設定より高くなったときに前記制動ユニット部をオン動作してエネルギーを消費し、
前記発電機速度が動作速度設定より低くなったときに前記制動ユニット部をオフ動作するよう制御して水車の回転速度上昇を抑制することを特徴としたものである。

本発明の請求項２の水車加速抑制方法は、水車と連結された永久磁石形同期発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷及び電力系統に供給するよう構成された水力発電システムであって、水力発電システムの永久磁石形同期発電量＞負荷のパワーバランスによる運転時での水車の回転速度上昇を抑制する方法において、
前記電力変換装置の直流リンク部に、制御回路によりオン・オフ制御されるスイッチング素子を有する制動ユニット部を接続し、
前記永久磁石形同期発電機の発電機速度を検出し、検出された発電機速度と予め設定された直流電圧上昇開始速度との差分を演算するＰＩ演算部を設け、
ＰＩ演算部で演算された信号を前記コンバータのコンバータ制御部の直流電圧指令に加算し、前記発電機速度が直流電圧上昇開始速度に達したときから直流電圧指令を上昇させる制御をすると共に、
前記制御回路は、前記直流リンク部の直流電圧を検出し、この直流電圧検出と予め設定された前記制動ユニット部の動作電圧設定と動作停止電圧設定とそれぞれ比較し、
前記直流電圧検出が動作電圧設定より高くなったときに前記制動ユニット部をオン動作してエネルギーを消費し、
前記直流電圧検出が動作停止電圧設定より低くなったときに前記制動ユニット部をオフ動作するよう制御することを特徴としたものである。

本発明の請求項３の水車加速抑制方法は、水車と連結された永久磁石形同期発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷及び電力系統に供給するよう構成された水力発電システムであって、水力発電システムの系統連系運転中において、系統異常が発生した際にインバータを停止させて水力発電システム停止時の水車の回転速度上昇を抑制するものにおいて、
前記電力変換装置の直流リンク部に、制御回路によりオン・オフ制御されるスイッチング素子を有する制動ユニット部を接続し、
前記制御回路は、請求項１または請求項２に記載の方法により前記制動ユニット部を動作するよう制御することを特徴としたものである。

本発明の請求項４の水車加速抑制方法は、水車と連結された永久磁石形同期発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷及び電力系統に供給するよう構成された水力発電システムであって、水力発電システムの自立運転時での永久磁石形同期発電機の発電量＞負荷のパワーバランスによる運転時での水車の回転速度上昇を抑制するものにおいて、
前記電力変換装置の直流リンク部に、制御回路によりオン・オフ制御されるスイッチング素子を有する制動ユニット部を接続し、
前記制御回路は、計測された永久磁石形同期発電機の出力電力もしくは前記コンバータの出力電力を入力して予め設定された前記制動ユニット部の動作電力設定と動作停止電力設定とそれぞれ比較し、
前記計測された出力電力が動作電力設定より小さくなったときに前記制動ユニット部をオン動作してエネルギーを消費し、
前記出力電力が動作停止電力設定より大きくなったときに前記制動ユニット部をオフ動作するよう制御することを特徴としたものである。

本発明の請求項５は、水車と連結された永久磁石形同期発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷及び電力系統に供給するよう構成された水力発電システムであって、水力発電システムの自立運転時での永久磁石形同期発電量＞最大負荷のパワーバランスによる運転時での水車の回転速度上昇を抑制するものにおいて、
前記永久磁石形同期発電機の発電機速度を検出し、検出された発電機速度と予め設定された直流電圧上昇開始速度との差分を演算するＰＩ演算部を設け、
ＰＩ演算部での演算出力を前記コンバータのコンバータ制御部の直流電圧指令に加算し、前記発電機速度が直流電圧上昇開始速度に達したときから直流電圧指令を上昇させる制御をするようコンバータ制御部を構成すると共に、
前記電力変換装置の直流リンク部に、制御回路によりオン・オフ制御されるスイッチング素子を有する制動ユニット部を接続し、
前記制御回路は、直流リンク部の直流電圧を検出し、この直流電圧検出と予め設定された前記制動ユニット部の動作電圧設定と動作停止電圧設定を比較器によりそれぞれ比較し、
前記直流電圧検出が動作電圧設定より高くなったときに前記制動ユニット部をオン動作してエネルギーを消費し、
前記直流電圧検出が動作停止電圧設定より低くなったときに前記制動ユニット部をオフ動作するよう構成したことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、自立運転時の発電量＞最大負荷のパワーバランスによる運転時での永久磁石形同期発電機の速度上昇の抑制が可能となり、水車発電設備の機械系に与えるダメージの抑制を可能としたものである。

本発明の実施形態を示す自立運転時の制御装置の構成図。本発明の実施形態を示す系統連系運転時に系統異常が発生したときの制御装置の構成図。制動ユニット部の説明図で、（ａ）は制御回路図、（ｂ）は動作波形図。制動ユニット部の説明図で、（ａ）は制御回路図、（ｂ）は動作波形図。制動ユニット部の説明図で、（ａ）は制御回路図、（ｂ）は動作波形図。従来の自立運転時の制御装置の構成図。従来の系統運転時の制御装置の構成図。水車特性図。

本発明は、電力変換装置の直流リンク部に接続した制動ユニット部を制御することで、自立運転時の発電量＞負荷のパワーバランスによる運転時での永久磁石形同期発電機の速度上昇の抑制制御を行うものである。

図１は本発明の実施例を示す自立運転時の制御構成図で、図６と同一部分に同一符号を付している。すなわち、この実施例は、発電機の速度検出を入力して直流電圧指令を上昇させる直流電圧補正部３０と、電力変換装置の直流リンク部に接続された制動ユニット部４０を備えたものである。直流電圧補正部３０は、速度検出器により検出された永久磁石形同期発電機１の速度を入力して予め設定された直流電圧上昇開始の速度設定と加算部３１において加算され、その差分はＰＩ演算部３２に入力されて比例・積分演算が行われる。演算値は負の値が零にリミットされたリミッタ３３を介して加算部３４に入力されて直流電圧指令に加算される。

加算部３４での加算値はリミッタ３５を介してコンバータ制御部１０の直流電圧制御部１１に入力される。直流電圧制御部１１では、電力変換装置の直流電圧検出値との差分に基づくＰＩ演算を行い、その演算値はトルク指令となって電流指令変換部１２に入力されて電流指令が生成され電流制御部１４に出力される。

１５は三相の検出電流を、永久磁石形同期発電機１の回転子位置に基づいてｄｑ軸電流に変換する座標変換部、１６は電流制御部１４から入力されたｄｑ軸電流を三相に変換する座標変換部で、その変換信号はゲート制御部１７に出力されてゲート信号が生成され、コンバータ２のスイッチング素子をオン・オフ制御する。また、電圧飽和防止制御部１３では、電流制御部１４の出力信号と直流電圧検出値を入力して電圧飽和防止信号を生成し、電流指令変換部１２からの電流指令に加算して電流制御部１４にフィードバックされる。

発電量＞最大負荷のパワーバランスによる運転では、永久磁石形同期発電機１による余剰電力が回転エネルギーとして貯まるため、永久磁石形同期発電機１の速度が徐々に加速して行く。直流電圧補正部３０は、検出した速度信号が、例えば図６の速度N₃相当の速度に達したときＰＩ演算部３２の出力値を上昇させ、その出力値を加算部３４において直流電圧指令に加算する。これにより、コンバータ制御部１０はコンバータ２の出力電圧を上昇させるように制御する。制動ユニット部４０は、コンバータ２の出力電圧上昇に伴う余分なエネルギーを吸収するための制御が行なわれる。

図３は制動ユニット部４０の制御回路を示したものである。図３（ａ）で示す４１，４２は比較器で、比較器４１には電力変換装置の直流電圧検出値と制動ユニット部４０の動作電圧設定V₁が入力され、直流電圧検出値＞動作電圧設定V₁のときアンド回路４５、オア回路４６を通してスイッチング素子をオンし、抵抗４７によりエネルギーを消耗させる。

比較器４２には、直流電圧検出値と制動ユニット部４０の動作停止電圧設定V₂が入力され、直流電圧検出値＜動作停止電圧設定V₂になると制動ユニット部４０がオン状態、直流電圧検出値＜動作電圧設定V₁（ノット回路４３オン）を条件としてアンド回路４４がオンしてスイッチング素子をオフにする。これにより、制動ユニット部４０は、図３（ｂ）で示すように動作電圧設定V₁と動作停止電圧設定V₂間においてオン・オフ制御が行われて余剰エネルギーが消費され、永久磁石形同期発電機１の速度上昇が抑制される。

この実施例によれば、自立運転時の発電量＞最大負荷のパワーバランスによる運転時での水車の回転速度上昇の抑制が可能となり、水車発電設備の機械系に与えるダメージの抑制が可能となるものである。

図４は第２の実施例による制動ユニット部の制御回路を示したものである。図１及び図２で示す第１の実施例では、直流電圧補正部３０を設けて直流電圧指令を上昇させているが、第２の実施例では直流電圧補正部３０を用いることなく、制御系を安定にして発電機の速度上昇を抑制するものである。すなわち、図４（ａ）の比較器４１_-1には、速度検出器により検出された永久磁石形同期発電機１の速度検出と制動ユニット部４０の動作速度設定V₁₁を入力して比較し、発電機の速度検出＞動作速度設定V₁₁のときアンド回路４５_-1、オア回路４６_-1を通してスイッチング素子をオンし、抵抗４７によりエネルギーを消耗させる。

比較器４２_-1では、発電機の速度検出と制動ユニット部４０の動作停止速度設定V₁₂が比較され、速度検出＜動作停止速度設定V₁₂となると制動ユニット部４０がオン状態、速度検出＞動作停止速度設定V₁₂（ノット回路４３_-1オン）を条件としてアンド回路４４_-1がオンして制動ユニット部４０のスイッチング素子をオフにする。これにより、制動ユニット部４０は、図４（ｂ）で示すように動作電圧設定V₁₁と動作停止電圧設定V₁₂でオン・オフ制御が行われて余剰エネルギーが消費され、水車の回転速度上昇が抑制される。

この実施例によれば、直流電圧補正部を用いることなく自立運転時の発電量＞最大負荷のパワーバランスによる運転時での水車の回転速度上昇の抑制が可能となり、水車発電設備の機械系に与えるダメージの抑制が可能となるものである。

図５は第３の実施例による制動ユニット部４０の制御回路を示したものである。この実施例は、図８で示す特性で、水車の回転速度が上昇すると永久磁石形同期発電機１の出力電圧が小さくなることに基づくもので、永久磁石形同期発電機１の出力電力、またはコンバータ２の出力電力を計測し、その計測値を用いて制動ユニット部４０を制御するものである。

すなわち、比較器４１_-2では永久磁石形同期発電機１の出力電力、またはコンバータ２の出力電力の計測値と制動ユニット部４０の動作電力設定V₂₂とを比較し、計測値＜動作電力設定V₂₂となったときにアンド回路４５_-2、オア回路４６_-2を通してスイッチング素子をオンし、抵抗４７によりエネルギーを消耗させる。エネルギーを消耗させることで永久磁石形同期発電機１の出力電力を増加させる。

出力電力が増加して動作停止電力設定V₂₁となり、比較器４２_-2は計測値＞動作停止電力設定V₂₁になるとアンド回路４４_-2、オア回路４６_-2を通してスイッチング素子をオフしてブレーキの動作を停止する。

したがって、この実施例においても、実施例２と同様な効果を奏するものである。

１… 永久磁石形同期発電機
２… コンバータ
３… インバータ
１０… コンバータ制御部
２０… インバータ制御部
３０… 直流電圧補正部
３２… ＰＩ演算部
４０… 制動ユニット部

Claims

水車と連結された永久磁石形同期発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷及び電力系統に供給するよう構成された水力発電システムであって、水力発電システムの永久磁石形同期発電量＞負荷のパワーバランスによる運転時での水車の回転速度上昇を抑制する方法において、
前記電力変換装置の直流リンク部に、制御回路によりオン・オフ制御されるスイッチング素子を有する制動ユニット部を接続し、
前記永久磁石形同期発電機の発電機速度を検出し、検出された発電機速度と予め設定された直流電圧上昇開始速度との差分を演算するＰＩ演算部を設け、
ＰＩ演算部で演算された信号を前記コンバータのコンバータ制御部の直流電圧指令に加算し、前記発電機速度が直流電圧上昇開始速度に達したときから直流電圧指令を上昇させる制御をすると共に、
前記制御回路は、前記直流リンク部の直流電圧を検出し、この直流電圧検出と予め設定された前記制動ユニット部の動作電圧設定と動作停止電圧設定とそれぞれ比較し、
前記直流電圧検出が動作電圧設定より高くなったときに前記制動ユニット部をオン動作してエネルギーを消費し、
前記直流電圧検出が動作停止電圧設定より低くなったときに前記制動ユニット部をオフ動作するよう制御することを特徴とした水車加速抑制方法。
水車と連結された永久磁石形同期発電機の出力を、コンバータとインバータを有する電力変換装置を介して負荷及び電力系統に供給するよう構成された水力発電システムであって、水力発電システムの自立運転時での永久磁石形同期発電量＞最大負荷のパワーバランスによる運転時での水車の回転速度上昇を抑制するものにおいて、
前記永久磁石形同期発電機の発電機速度を検出し、検出された発電機速度と予め設定された直流電圧上昇開始速度との差分を演算するＰＩ演算部を設け、
ＰＩ演算部での演算出力を前記コンバータのコンバータ制御部の直流電圧指令に加算し、前記発電機速度が直流電圧上昇開始速度に達したときから直流電圧指令を上昇させる制御をするようコンバータ制御部を構成すると共に、
前記電力変換装置の直流リンク部に、制御回路によりオン・オフ制御されるスイッチング素子を有する制動ユニット部を接続し、
前記制御回路は、直流リンク部の直流電圧を検出し、この直流電圧検出と予め設定された前記制動ユニット部の動作電圧設定と動作停止電圧設定を比較器によりそれぞれ比較し、
前記直流電圧検出が動作電圧設定より高くなったときに前記制動ユニット部をオン動作してエネルギーを消費し、
前記直流電圧検出が動作停止電圧設定より低くなったときに前記制動ユニット部をオフ動作するよう構成したことを特徴とする水車加速抑制装置。