特許 6371021 可変速揚水発電システムおよび可変速揚水発電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6371021

(24)【登録日】2018年7月20日

(45)【発行日】2018年8月8日

(54)【発明の名称】可変速揚水発電システムおよび可変速揚水発電方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/30 20060101AFI20180730BHJP

   H02P 9/04 20060101ALI20180730BHJP

   H02H 9/04 20060101ALI20180730BHJP

   H02P 101/10 20150101ALN20180730BHJP

   H02P 103/10 20150101ALN20180730BHJP

【ＦＩ】

   H02P9/30 L

   H02P9/04 A

   H02H9/04 B

   H02P101:10

   H02P103:10

【請求項の数】7

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2018-16518(P2018-16518)

(22)【出願日】2018年2月1日

【審査請求日】2018年3月8日

(31)【優先権主張番号】特願2017-60074(P2017-60074)

(32)【優先日】2017年3月24日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100189913

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜飼 健

(72)【発明者】

【氏名】石月 照之

(72)【発明者】

【氏名】影山 隆久

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 隆太

(72)【発明者】

【氏名】森 淳二

【審査官】 尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１７８１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−１１１７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−６７３９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ９／００− ９／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高圧側が電力系統に接続される変圧器の低圧側の電源に固定子巻線を接続した二重給電可変速発電電動機の回転子巻線と交流励磁装置との間の三相回路もしくは交流励磁装置内の直流リンク回路に接続され、これらのいずれかの回路に過電圧が発生したときに当該回路を抵抗を介して短絡させる過電圧抑制装置を備えた可変速揚水発電システムにおいて、
前記変圧器の高圧側回路の電圧を検出する高圧側回路電圧検出手段と、前記回転子巻線と交流励磁装置との間に接続され前記三相回路を三相短絡することが可能な抵抗無しの短絡器と、前記高圧側回路電圧検出手段の出力電圧が予め定めた値よりも小さくなることを条件に前記短絡器を三相短絡させる制御手段と
を有する可変速揚水発電システム。

【請求項2】

高圧側が電力系統に接続される変圧器の低圧側の電源に固定子巻線を接続した二重給電可変速発電電動機の回転子巻線と交流励磁装置との間の三相回路もしくは交流励磁装置内の直流リンク回路に接続され、これらのいずれかの回路に過電圧が発生したときに当該回路を抵抗を介して短絡させる過電圧抑制装置を備えた可変速揚水発電システムにおいて、
前記変圧器の低圧側回路の電圧を検出する低圧側回路電圧検出手段と、前記回転子巻線と交流励磁装置との間に接続され前記三相回路を三相短絡することが可能な抵抗無しの短絡器と、前記低圧側回路電圧検出手段の出力電圧が予め定めた値よりも小さくなることを条件に前記短絡器を三相短絡させる制御手段と
を有する可変速揚水発電システム。

【請求項3】

高圧側が電力系統に接続される変圧器の低圧側の電源に固定子巻線を接続した二重給電可変速発電電動機の回転子巻線と交流励磁装置との間の三相回路もしくは交流励磁装置内の直流リンク回路に接続され、これらのいずれかの回路に過電圧が発生したときに当該回路を抵抗を介して短絡させる過電圧抑制装置を備えた可変速揚水発電システムにおいて、
前記変圧器の高圧側回路の電圧を検出する高圧側回路電圧検出手段と、前記変圧器の低圧側回路の電圧を検出する低圧側回路電圧検出手段と、前記回転子巻線と交流励磁装置との間に接続され前記三相回路を三相短絡することが可能な抵抗無しの短絡器と、前記高圧側回路電圧検出手段の出力電圧と前記低圧側回路電圧検出手段の出力電圧の少なくともいずれか一方が各々に予め定めた値よりも小さくなることを条件に前記短絡器を三相短絡させる制御手段と
を有する可変速揚水発電システム。

【請求項4】

高圧側が電力系統に接続される変圧器の低圧側の電源に固定子巻線を接続した二重給電可変速発電電動機の回転子巻線と交流励磁装置との間の三相回路もしくは交流励磁装置内の直流リンク回路に接続され、これらのいずれかの回路に過電圧が発生したときに当該回路を抵抗を介して短絡させる過電圧抑制装置を備えた可変速揚水発電システムにおいて、
前記回転子巻線の電流を検出する回転子巻線電流検出手段と、前記回転子巻線と交流励磁装置との間に接続され前記三相回路を三相短絡することが可能な抵抗無し短絡器と、前記回転子巻線電流検出手段で検出した電流が予め規定した電流値以下でないことを条件に前記短絡器を三相短絡させる制御手段と
を有する可変速揚水発電システム。

【請求項5】

高圧側が電力系統に接続される変圧器の低圧側の電源に固定子巻線を接続した二重給電可変速発電電動機の回転子巻線と交流励磁装置との間の三相回路もしくは交流励磁装置内の直流リンク回路に接続され、これらのいずれかの回路に過電圧が発生したときに当該回路を抵抗を介して短絡させる過電圧抑制装置を備えた可変速揚水発電システムにおいて、
前記固定子巻線側回路の電流を検出する固定子巻線側回路電流検出手段と、前記回転子巻線と交流励磁装置との間に接続され前記三相回路を三相短絡することが可能な抵抗無し短絡器と、前記固定子巻線側回路電流検出手段で検出した電流が予め規定した電流値以下でないことを条件に前記短絡器を三相短絡させる制御手段と
を有する可変速揚水発電システム。

【請求項6】

高圧側が電力系統に接続される変圧器の低圧側の電源に固定子巻線を接続した二重給電可変速発電電動機の回転子巻線と交流励磁装置との間の三相回路もしくは交流励磁装置内の直流リンク回路に接続され、これらのいずれかの回路に過電圧が発生したときに当該回路を抵抗を介して短絡させる過電圧抑制装置を備えた可変速揚水発電システムにおいて、
前記回転子巻線と交流励磁装置との間に接続され前記三相回路を三相短絡することが可能な抵抗無しの短絡器と、所定の保護リレーの動作がないことを条件に前記短絡器を三相短絡させる制御手段と
を有する可変速揚水発電システム。

【請求項7】

高圧側が電力系統に接続される変圧器の低圧側の電源に固定子巻線を接続した二重給電可変速発電電動機の回転子巻線と交流励磁装置との間の三相回路もしくは交流励磁装置内の直流リンク回路に接続され、これらのいずれかの回路に過電圧が発生したときに当該回路を抵抗を介して短絡させる過電圧抑制装置を備えた可変速揚水発電システムに適用される可変速揚水発電方法であって、
前記回転子巻線と前記交流励磁装置との間に接続され前記三相回路を三相短絡することが可能な抵抗無しの短絡器を設け、
高圧側回路電圧検出手段により前記変圧器の高圧側回路の電圧を検出し、検出される電圧が予め定めた値よりも小さくなることを条件に、制御手段により前記短絡器を三相短絡させる
ことを含む可変速揚水発電方法。

【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および可変速揚水発電方法に関する。

【背景技術】

【0002】

二重給電交流機を用いた可変速揚水発電システムでは、電力系統故障時等に発生する二次回路の過電圧を抑制し、発電電動機、変換器等主回路機器を過電圧から保護するため、たとえば、ＩＧＢＴのような自励式素子と抵抗の直列回路によるもの（チョッパ、クリッパ等と呼称される）と、より大きな故障電流発生時に対応するためにサイリスタのような大容量半導体素子による大電流短時間定格の短絡器を用いた過電圧抑制装置を装備している。これらの装置は、発電電動機二次側回路において過電圧を検出して過電圧抑制装置を動作させることにより当該回路の過電圧を抑制し、当該回路に接続する機器を過電圧から保護している。

【0003】

当該システムにおいて、至近端の電力系統故障の発生等により前記短絡器を用いた過電圧抑制装置が動作した場合、動作後一定の条件が成立した場合に過電圧抑制装置の短絡器を構成するサイリスタに二次励磁装置のインバータの直流電圧が逆電圧として印加されるようにインバータのスイッチング素子を操作することによって、サイリスタに流れる電流をゼロにして強制的に当該サイリスタをオフにして過電圧抑制装置の短絡状態を早期に解除し、二次励磁装置の運転を再開し可変速揚水発電システムを停止させることなく高速に系統復帰させる機能が実現されている（例えば特許文献１参照）。以降、当該機能を行う制御を過電圧抑制装置のリセット制御と呼ぶ。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３２８６０４９号公報（段落［００２６］〜［００２７］、図１等）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年の可変速揚水発電システムの単機容量の大型化と連係点至近端での系統故障時の当該システムの系統との連係運転継続の要求を満たすためには従来以上にすばやいリセット制御の実施を行い変換器による運転を再開することが必要なため、二次回路に流入する事故電流を早期に減衰させる目的でサイリスタ短絡器に電流減衰を目的とした抵抗器を直列に接続した過電圧抑制装置が提案されている。

【0006】

しかし、この場合、抵抗付きの過電圧抑制装置（ＩＧＢＴ等自励式半導体素子と抵抗の直列接続によりなる直流リンク回路に設けたチョッパ、発電電動機二次回路に設けた抵抗器付三相サイリスタ短絡器あるいは発電電動機二次回路の三相回路に整流器を介してＩＧＢＴ等自励式半導体素子と抵抗器の直列接続により三相回路の過電圧を抑制するクリッパなどを含む）の動作によりその抵抗によって二次回路の故障電流を急速に減衰させるが、それと共に一次回路に誘起する交流電流分を急速に減衰させるため、系統故障の発生タイミングにより一次側故障電流の直流分が大きいときは遮断器開放時に直流分が交流分よりも大きくなる場合があり、電流がゼロ点を通過できず系統側の遮断器や並列用の遮断器が直流遮断を起こし損傷する可能性がある。

【0007】

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、系統故障時の可変速揚水発電システムの系統連係運転継続性を確保すると共に、遮断器の直流遮断を防止する安全な可変速揚水発電システムおよび可変速揚水発電方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態によれば、高圧側が電力系統に接続される変圧器の低圧側の電源に固定子巻線を接続した二重給電可変速発電電動機の回転子巻線と交流励磁装置との間の三相回路もしくは交流励磁装置内の直流リンク回路に接続され、これらのいずれかの回路に過電圧が発生したときに当該回路を抵抗を介して短絡させる過電圧抑制装置を備えた可変速揚水発電システムにおいて、前記変圧器の高圧側回路の電圧を検出する高圧側回路電圧検出手段と、前記回転子巻線と交流励磁装置との間に接続され前記三相回路を三相短絡することが可能な抵抗無しの短絡器と、前記高圧側回路電圧検出手段の出力電圧が予め定めた値よりも小さくなることを条件に前記短絡器を三相短絡させる制御手段とを有する可変速揚水発電システムが提供される。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、系統故障時の可変速揚水発電システムの連係運転継続性を確保すると共に、遮断器の直流遮断を防止する安全な可変速揚水発電システムおよび可変速揚水発電方法を提供することができ、直流遮断防止のために変換器容量を大きくする必要が無いことから、当該運転継続性の確保に必要な適正な変換器の容量の可変速揚水発電システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態に係る可変速揚水発電システムを含む電力システム全体の構成を示す図。

【図2】同実施形態に係る可変速揚水発電システムの直流遮断防止装置に関わる機能構成を中心に示す構成図。

【図3】図２中の直流遮断回避制御装置の内部構成の一例を示す図。

【図4】故障発生時に発電電動機一次回路の遮断器が直流遮断する場合の電流波形例を示す図。

【図5】故障発生時に実施形態による直流遮断防止手段を適用した場合の遮断器が遮断する発電電動機一次回路の電流波形例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

【0012】

（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。

【0013】

図１は、第１の実施形態に係る可変速揚水発電システムを含む電力システム全体の構成を示す図である。

【0014】

図１に示すように、発電所及び発電所開閉設備Ｐには、電力系統Ｓに接続される発電所高圧開閉設備１００と、この発電所高圧開閉設備１００に電力ケーブルＣ及び主要変圧器Ｍを介して接続される可変速揚水発電システム２００とが備えられる。その主要変圧器Ｍの低圧側は発電所の所内回路に相当する。なお、主要変圧器Ｍは可変速揚水発電システムの一部として構成されていてもよい。

【0015】

発電所高圧開閉設備１００は、電力系統Ｓ側の例えば１号送電線及び２号送電線に繋がる電線をそれぞれ開路／閉路する複数の遮断器１０１及び１０２を備えると共に、主要変圧器Ｍの高圧側の電力ケーブルＣに繋がる電線を開路／閉路する遮断器１０３を備え、更に、主要変圧器Ｍの高圧側回路の電圧を検出する高圧側回路電圧検出手段１０４を備えている。

【0016】

可変速揚水発電システムは、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コンバータ３Ａ及びインバータ３Ｂを含む自励式の二次励磁装置３（「交流励磁装置３」あるいは「自励式変換器３」と呼ぶ場合がある）、この二次励磁装置３が出力する交流電圧、電流、周波数、位相の制御を行うと共に開閉設備５Ａ及び５Ｂなどの開閉制御などを行う制御装置４、可変速発電電動機２の固定子巻線側に接続される系統連系用の並列用遮断器５Ａ及び相反転遮路器５Ｂ、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／ブレーキ用断路器６、二次励磁装置３が使用する交流電源を生成する励磁用変圧器７、励磁用変圧器７へ供給する交流電力を遮断するための励磁用遮断器８、可変速発電電動機２の固定子巻線側の一次回路の電圧を測定するための一次回路電圧検出手段（計器用変圧器）９、可変速発電電動機２の回転子巻線側の二次回路に流れる電流を測定する二次回路電流検出手段１０、可変速発電電動機２の回転子巻線側の二次回路の電圧もしくは二次励磁装置３の直流リンク電圧を測定する二次回路電圧検出手段１１、可変速発電電動機２の回転子巻線側の二次回路における三相短絡電流を測定する電流検出手段１２、サイリスタのような大容量半導体素子と抵抗器による大電流短時間定格の抵抗付き短絡器を用いた交流側過電圧抑制装置１３、ＩＧＢＴなどの自励式半導体素子と抵抗器を用いたチョッパと呼ぶ直流側過電圧抑制装置１４などを備えている。

【0017】

図２は、本実施形態に係る可変速揚水発電システムの直流遮断防止装置に関わる機能構成を中心に示す構成図である。なお、図１と共通する要素には、同一の符号を付している。

【0018】

交流側過電圧抑制装置１３は、可変速発電電動機２の二次巻線の相間にそれぞれ接続されるサイリスタ１３１と線間に挿入される抵抗器１３２と当該サイリスタ１３１の電流を検出する電流検出手段１２からなる抵抗付き短絡器を構成する。交流側過電圧抑制装置１３には、発電電動機の二次側交流回路の線間電圧Ｖ_２または自励式変換器３の直流リンク回路の電圧Ｖ_Ｄが予め定めた値を超えた場合に、制御装置４から各サイリスタ１３１の点弧を制御するゲート信号が与えられる。

【0019】

一方、直流側過電圧抑制装置１４は、直流リンク回路の電圧Ｖ_Ｄが予め定めた値を超えた場合に制御装置４からＩＧＢＴ等の自励素子を点弧させるＯＮゲート信号が与えられ、当該動作により電圧Ｖ_Ｄが予め定めた値以下になったときにＯＦＦゲート信号が与えられる。

【0020】

交流側過電圧抑制装置１３と直流側過電圧抑制装置１４を共に設ける場合は、直流側過電圧抑制装置１４のほうが低い設定値で動作し、系統故障の位置が発電所から遠い場合や故障様相が単相地絡故障のように故障電流が比較的小さい場合には直流側過電圧抑制装置１４により変換器３が運転可能な電圧範囲に電圧上昇を抑制し変換器３による発電電動機の通常の運転を継続させる。交流側過電圧抑制装置１３の設定値は、直流側過電圧抑制装置１４が動作してもさらに電圧が上がる場合に交流側過電圧抑制装置１３が動作するように設定する。

【0021】

例えば通常運転中に電力系統で至近端の三相短絡故障等が発生し、直流側過電圧抑制装置１４の動作だけでは電圧上昇を抑えられず、可変速発電電動機２の二次側交流回路の３相の線間電圧Ｖ_２または直流リンク回路の電圧Ｖ_Ｄが交流側過電圧抑制装置１３に予め定めた値を超えた場合を考える。この場合、制御装置４は、通常運転のために供給している通常運転ゲート信号の供給を停止し、交流側過電圧抑制装置１３にＯＮゲート信号を与え、各サイリスタ１３１による三相短絡器を動作させる。
交流側過電圧抑制装置１３が動作した場合、サイリスタ１３１による三相短絡器の回路に設けた抵抗器１３２の効果で事故電流を速やかに減衰させ、電流検出手段１２により検出した三相短絡器への電流がインバータ３Ｂの動作可能電流以下になったときに制御装置４からのリセット制御に基づき（制御装置４から供給されるリセット運転ゲート信号に基づき）インバータ３Ｂからサイリスタ１３１に逆電圧を印加して強制的に三相短絡器をオフし、変換器３による発電電動機の通常運転を再開する。その際、制御装置４は、リセット制御を実施した場合に半導体素子を含む三相短絡器等の回路を損傷させるおそれのある電流が流れることを未然に防止する観点から、例えば主要変圧器Ｍの低圧側回路の各相の電圧（以下、「電圧Ｖ_Ｌ」）が予め定めた値以下でないことを条件に、交流側過電圧抑制装置１３のリセット制御を実施する場合がある。
これにより、至近端での系統故障のような故障電流が大きい故障が発生したときでも発電電動機を保護停止することなく運転継続することができる。

【0022】

しかし、上記のように、交流側過電圧抑制装置１３の短絡器の回路に抵抗器１３２を付けたため、可変速発電電動機２の二次回路の時定数が小さくなり系統故障時の発電電動機一次回路の交流成分の減衰が非常に早くなるため、系統故障の発生タイミングによっては過渡直流分が大きくなり、系統側の遮断器１０１、１０２、又は１０３や発電所内の並列用遮断器５Ａが事故電流を遮断するときに故障電流がゼロ点を通過せず遮断失敗し当該遮断器を損傷することがある。

【0023】

そこで、直流遮断防止装置１５は、可変速発電電動機２の二次巻線の相間にそれぞれ接続されるサイリスタ１５１−１により抵抗なしで三相短絡する短絡器１５１と、主要変圧器Ｍの高圧側回路の電圧Ｖ_Ｓを検出する高圧側回路電圧検出手段１０４および主要変圧器Ｍの低圧側回路の電圧Ｖ_Ｌを検出する低圧側回路電圧検出手段９（前述した一次回路電圧検出手段９に相当）と、直流遮断回避制御装置（制御手段）１５３とを有する。なお、直流遮断回避制御装置１５３は、直流遮断防止装置１５の中に備えるのではなく、代わりに制御装置４の中に備えるように構成してもよい。

【0024】

図２中の直流遮断防止装置１５の直流遮断回避制御装置１５３の内部構成の一例を図３に示す。

【0025】

直流遮断回避制御装置１５３は、高圧側回路電圧検出手段１０４により得た主要変圧器高圧側の三相電圧を入力し、演算部１５３−１にて電圧ベクトルを求め、その大きさを閾値処理回路１５３−２に出力する。閾値処理回路１５３−２では、たとえば系統運転継続性の仕様として要求される電圧値がある場合その値を当該電圧の閾値Ｖ_S０として設定し、電圧ベクトルの大きさがそれより小さいときには直流遮断防止装置１５の短絡器１５１の動作を指示する信号（例えば「１」の値の信号）を出力する。

【0026】

この例では更に低圧側回路電圧検出手段９により得た主要変圧器Ｍの低圧側回路の三相電圧を入力し、演算部１５３−３にて電圧ベクトルを求め、その大きさを閾値処理回路１５３−４に出力する。閾値処理回路１５３−４では、たとえば系統運転継続性の仕様として要求される主要変圧器Ｍの高圧側回路の電圧値に相当する低圧側回路の電圧値を閾値Ｖ_Ｌ０として設定し、電圧ベクトルの大きさがそれより小さいときには直流遮断防止装置１５の短絡器１５１の動作を指示する信号（例えば「１」の値の信号）を出力する。

【0027】

ＯＲ回路１５３−５では、上記の２つの出力の少なくとも一方が「１」であれば直流遮断回避制御装置１５３から直流遮断防止装置１５の短絡器１５１にＯＮゲート信号を出力し、サイリスタを導通状態にさせ発電電動機二次回路を抵抗なしで短絡させる。この動作は遮断器１０３や５Ａが事故電流を遮断する動作よりはるかに早く、過電圧抑制装置１３、１４の動作とほぼ同時に動作することができる。

【0028】

この動作は過電圧抑制装置１３，１４にある線間の抵抗を電流がバイパスすることになるため、発電電動機二次回路の時定数の低下を防止し、一次回路の事故電流が遮断器１０３あるいは５Ａの開放時に電流ゼロ点を通過するに足る交流分を確保することで直流遮断を回避できる。

【0029】

ここで、閾値処理回路１５３−２，１５３−４の各々の閾値を運転継続を要求される電圧値またはそれより下の値に設定することにより、系統故障時の運転継続性を抵抗付き短絡器からなる過電圧抑制装置１３と１４により確保しつつ、運転継続の要求がない故障電流の大きな故障に対しては抵抗無しの短絡器１５１からなる直流遮断防止装置１５を動作させ遮断器の直流遮断を回避して安全に可変速揚水発電システムを停止させることができる。これにより変換器３を運転継続に必要な適正な容量に確保することができる。

【0030】

なお、直流遮断防止装置１５の短絡器のＯＮゲート信号は、並列用遮断器５Ａが解列したことで回路１５３−６によりリセットさせ次の運転に備えることができる。

【0031】

また、直流遮断防止装置１５の抵抗なしの短絡器１５１は、抵抗器なしの場合だけでなく、前記短絡器が動作したときの発電電動機一次回路の直流時定数が二次回路の直流時定数より小さくなる抵抗値を有する場合を含む。また、前記短絡器の回路構成は線間に小さな抵抗器を介する構成であれば、Δ結線に組んでも、Ｙに組んでも良い。

【0032】

次に、図４と図５を参照して、主要変圧器Ｍの低圧側回路の三相短絡事故時における電流波形とその効果について、従来技術と本実施形態とを対比させて説明する。

【0033】

図４は、主要変圧器Ｍの低圧側回路の三相短絡事故発生時に従来技術の構成により発電電動機一次回路の遮断器が直流遮断する場合の発電電動機一次回路の電流波形の例を示す図である。一方、図５は、同事故発生時に本実施形態による直流遮断防止装置を適用した場合の発電電動機一次回路の電流波形の例を示す図である。

【0034】

各電流波形図には、事故発生時の発電電動機一次回路の電流を構成するａ相電流、ｂ相電流、およびｃ相電流が示されている。なお、縦軸は発電電動機一次回路の電流を表し、横軸は時間を表す。

【0035】

図４の例では、事故発生後、発電電動機一次回路の電流は交流分の減衰量が大きく、例えば５サイクルの並列用遮断器遮断タイミングではすでに交流分の殆どが減衰してしまっている。残りの過渡直流分電流は、発電電動機一次回路の電流がゼロ点を通らないため、遮断に失敗する。

【0036】

ここでａ相電流に着目すると、ａ相分の電流が定格電流ピーク値よりもはるかに大きく、ゼロ点を通過することがなく、安全に遮断することができず、もし遮断した場合には直流遮断となり、遮断器を損傷させてしまう。ｂ相電流、ｃ相電流についても同じことが言える。

【0037】

例えば、並列用遮断器５Ａが１００［ｍｓ］の時点で開路する仕様となっている場合、その時点までに各相の電流はゼロ点を通過することがない。さらに、系統故障の場合に系統側の遮断器が事故後３サイクル（６０［ｍｓ］）以内で開路する仕様となっている場合、その時点までに各相の電流はゼロ点を通過することもない。電流がゼロ点を交差するようにしないと、直流遮断が生じ、遮断器を損傷する恐れがあるが、図４の例では、こうした問題に対処できない。

【0038】

一方、図５の例では、事故発生後、発電電動機一次回路の電流は交流分の減衰量が小さく、例えば５サイクルの並列用遮断器遮断タイミングでも交流分は殆ど減衰していない。直流遮断防止装置１５の作用により、電流が過電圧抑制装置１３，１４にある線間の抵抗をバイパスすることになるため、発電電動機二次回路の時定数が長くなり、交流分の減衰が遅くなるからである。この結果、交流分の減衰が遅くなるため、交流分を直流分よりも大きく保つことができる。これにより、発電電動機一次回路の電流は、ａ相電流、ｂ相電流、およびｃ相電流のすべてがゼロ点を確実に通ることができ、直流遮断を回避でき、遮断を成功させることができる。

【0039】

上述したように例えば系統故障のときに系統側の遮断器が事故後３サイクル（６０［ｍｓ］）以内で開路する仕様となっている場合でも、図５の例ではその時点までに各相の電流が複数回ゼロ点を通過するので、遮断器を損傷することなく安全に遮断を行える。

【0040】

なお、上述した実施形態では、直流遮断回避制御装置１５３が、高圧側回路電圧検出手段１０４の出力電圧と低圧側回路電圧検出手段９の出力電圧の少なくともいずれか一方が各々に予め定めた値よりも小さくなることを条件に、短絡器１５１を三相短絡させる場合について例示したが、この例に限定されるものではない。

【0041】

例えば、低圧側回路電圧検出手段９を用いることなく、高圧側回路電圧検出手段１０４の出力電圧が予め定めた値よりも小さくなることを条件に、短絡器１５１を三相短絡させるように構成してもよい。また、高圧側回路電圧検出手段１０４を用いることなく、低圧側回路電圧検出手段９の出力電圧が予め定めた値よりも小さくなることを条件に、短絡器１５１を三相短絡させるように構成してもよい。

【0042】

また、短絡器１５１を三相短絡させる条件が成立するか否かの判定に、高圧側回路電圧検出手段１０４の出力電圧や低圧側回路電圧検出手段９の出力電圧を用いるのではなく、代わりに、可変速発電電動機２の回転子巻線の電流を用いるように構成してもよい。あるいは固定子巻線側回路の電流を用いるように構成してもよい。その場合は、例えば、当該回転子巻線の電流を検出する回転子巻線電流検出手段あるいは固定子巻線側回路の電流を検出する固定子巻線側回路電流検出手段を設けておき、この回転子巻線電流検出手段あるいは固定子巻線側回路電流検出手段で検出した電流が各々に予め規定した電流値以下でないことを条件に、短絡器１５１を三相短絡させるように構成すればよい。

【0043】

また、短絡器１５１を三相短絡させる条件が成立するか否かの判定に、高圧側回路電圧検出手段１０４の出力電圧や低圧側回路電圧検出手段９の出力電圧を用いるのではなく、代わりに、故障発生箇所を示す情報もしくは信号を用いるようにしてもよい。その場合は、例えば、所定の保護リレーの動作がないことを条件に、短絡器１５１を三相短絡させるように構成すればよい。

【0044】

以上詳述したように、実施形態によれば、系統故障時の可変速揚水発電システムの連係運転継続性を確保すると共に、遮断器の直流遮断を防止する安全な可変速揚水発電システムおよび可変速揚水発電方法を提供することができる。

【0045】

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】

【0046】

１…ポンプ水車、２…可変速発電電動機、３…二次励磁装置（交流励磁装置、自励式変換器）、３Ａ…コンバータ、３Ｂ…インバータ、４…制御装置、５Ａ…並列用遮断器、５Ｂ…相反転遮路器、６…始動／ブレーキ用断路器、７…励磁用変圧器、８…励磁用遮断器、９…低圧側回路電圧検出手段、１０…二次回路電流検出手段、１１…二次回路電圧検出手段、１２…電流検出手段、１３…交流側過電圧抑制装置、１４…直流側過電圧抑制装置、１５…直流遮断防止装置、１００…発電所高圧開閉設備、１０１〜１０３…遮断器、１０４…高圧側回路電圧検出手段、１５３…直流遮断回避制御装置、２００…可変速揚水発電システム、Ｃ…電力ケーブル、Ｍ…主要変圧器、Ｐ…発電所開閉設備、Ｓ…電力系統。

【要約】

【課題】 系統故障時の可変速揚水発電システムの系統連係運転継続性を確保すると共に、遮断器の直流遮断を防止する安全な可変速揚水発電システムを提供する。
【解決手段】高圧側が電力系統に接続される変圧器の低圧側の電源に固定子巻線を接続した二重給電可変速発電電動機の回転子巻線と交流励磁装置との間の三相回路もしくは交流励磁装置内の直流リンク回路に接続され、これらのいずれかの回路に過電圧が発生したときに当該回路を抵抗を介して短絡させる過電圧抑制装置を備えた可変速揚水発電システムにおいて、前記変圧器の高圧側回路の電圧を検出する高圧側回路電圧検出手段と、前記回転子巻線と前記交流励磁装置との間に接続され前記三相回路を三相短絡することが可能な抵抗無しの短絡器と、前記高圧側回路電圧検出手段の出力電圧が予め定めた値よりも小さくなることを条件に前記短絡器を三相短絡させる制御手段とを備える。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】