JPH05244800A - 可変速揚水発電システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】発電出力の増加を図ることである。 【構成】可変速発電電動機とこれに機械的に接続されて
いるポンプ水車とを備えた可変速揚水発電システムの運
転方法に関する。揚水運転時、ポンプ水車２が与えられ
る条件に対して最高効率となるよう運転しているとき
に、最高速度Ｎ_maxにおける可変速発電電動機１０への
電気供給量が可変速発電電動機１０の同期回転速度Ｎ₀
における電力供給量より大きくなる場合、発電時の回転
速度を同期回転速度Ｎ₀よりも大きくして運転する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可変速発電電動機とこ
れに機械的に接続されているポンプ水車とを備えた可変
速揚水発電システムの運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、可変速発電電動機が開発され、揚
水発電所に設置されつつあり、既設同期発電電動機から
の改造、同期発電電動機のみのプラントへの増設も行わ
れている。ここで、図４を用いて、従来の可変速揚水発
電システムについて説明する。可変速揚水発電システム
は、可変速発電電動機１０とポンプ水車２とを有して構
成されている。可変速発電電動機１０は、固定子１と回
転子３と各種回路とを有している。固定子１の一次回路
７は、主変圧器４を介して電力系統と電気的に接続して
いる。また、回転子３は、ポンプ水車２と機械的に接続
しており、その二次回路８は、サイクロコンバータ５お
よび励磁変圧器９を介して、主変圧器４より発電電動機
本体側で、一次回路７と接続している。一次回路７より
供給される交流電力は、サイクロコンバータ５により、
任意の励磁周波数に変換され、コレクタリング１０から
回転子巻線に供給される。回転子の回転速度と、同期速
度が異なる場合、励磁周波数をそれらの差に相当する周
波数に合わせることで固定子側と回転子側の磁界の速度
が一致し、系統と同期した運転を行うことができる。

【０００３】同期発電電動機から可変速発電電動機への
改造、または可変速発電電動機を増設する場合、一般
に、同期発電電動機と接続しているポンプ水車と同一仕
様のポンプ水車を使用している。ポンプ水車の特性を図
５に示す。なお、同図中、横軸は揚程Ｈ、縦軸はポンプ
入力量Ｐ_pを示す。また、Ｎ₀は同期回転速度、Ｎ_maxは
可変速度範囲内における最高回転速度、Ｎ_minは可変速
度範囲内における最低回転速度である。一般に、一定回
転速度の下では、揚程Ｈが大きくなるとポンプ入力量Ｐ
_pは小さくなる。一方、揚程一定の下では、回転速度Ｎ
が大きくなると、回転速度の３乗に比例してポンプ入力
Ｐ_pは大きくなる。揚水発電所では、揚程Ｈはほぼ一定
であるため、揚水運転時には、ポンプ入力量Ｐ_pを増加
させるべく、同期回転速度Ｎ₀よりも大きな回転速度で
運転している。

【０００４】また、発電時には、図６に示すように、運
転可能な最低出力点Ａから運転を開始し、各種条件に応
じて、最少回転速度Ｎ_minから同期回転速度Ｎ₀よりも小
さい回転速度Ｎ₁の範囲で、水車効率が最高になるポイ
ントＢ，Ｃ間で運転している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
運転方法では、揚水時等におけるポンプ水車の効率に関
しては考慮しているものの、発電出力を高める配慮がな
されていない。本発明は、かかる点に着目してなされた
もので、発電出力を高めることができる可変速揚水発電
システムおよびその運転方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の可変速揚水発電システムの運転方法は、揚水運転時、
前記ポンプ水車が与えられる条件に対して最高効率とな
るよう運転しているときに、最高速度における前記可変
速発電電動機への電力供給量が該可変速発電電動機の同
期回転速度における電力供給量より大きくなる場合、発
電時の回転速度を前記同期回転速度よりも大きくして運
転することを特徴とするものである。さらに、前記ポン
プ水車の前記最高効率の入力水量を超える水量にて、該
ポンプ水車を運転することが好ましい。

【０００７】

【作用】例えば、改造または増設時のときのように、そ
の容量が大きな可変発電電動機を導入することができな
い場合などに、発電時に同期回転速度よりも大きい回転
速度で運転することにより、発電出力を増加させること
ができ、システムの能力の最大限を利用することができ
る。

【０００８】

【実施例】以下、本発明に係る一実施例について、図１
から図３を用いて説明する。図１に基づき、本実施例の
揚水発電システムの構成について説明する。このシステ
ムは、既設の同期発電電動機２０に可変速発電電動機１
０を増設したもので、可変速発電電動機１０と同期発電
電動機２０とは、同一の上池５１および下池５２を持
ち、同一の同期速度である。また、可変速発電電動機１
０と同期発電電動機２０とには、ポンプ水車２，２が接
続されている。ポンプ水車２，２には、ランナ、ケーシ
ング、スピードリング、ガイドベーン等を有して構成さ
れている。可変速発電電動機１０は、同期回転速度Ｎ₀
に対して、±７％の回転速度幅を有している。また、可
変速発電電動機１０に接続されているポンプ水車２は、
同期発電電動機２０に接続されているポンプ水車２より
も、約１．２倍の出力を出すことができる。これは、ポ
ンプ水車入力量が回転速度の３乗に比例するため、回転
速度幅の７％では、1.07³≒1.2となるためである。

【０００９】各発電電動機１０，２０の固定子１，２１
の一次回路７，２７は、それぞれ主変圧器４，４を介し
て電力系統と電気的に接続されている。可変速発電電動
機１０の回転子３の二次回路８は、サイクロコンバータ
５および励磁変圧器９を介して、主変圧器４より発電電
動機本体側で一次回路７と接続されている。また、同期
発電電動機２０の回転子２３の二次回路２８は、直流励
磁器２５を介して、主変圧器４より発電電動機本体側で
一次回路２７と接続されている。各発電電動機１０，２
０の回転子３，２３は、それぞれポンプ水車２，２と機
械的に接続されている。

【００１０】制御装置３０は、入力インターフェース回
路３１と、出力インターフェース回路３４と、各種演算
を行うＣＰＵ３３と、ＣＰＵ３３が行う演算のためのプ
ログラムやデータが書き込まれているメモリ３２とを有
している。このメモリ３２には、運転切替信号等の入力
により、可変速発電電動機１０の回転速度を変えるべ
く、サイクロコンバータ５に出力する制御信号を作成す
るためのプログラム、および各ポンプ水車２，２に流入
する流量を調整すべく、各ポンプ水車２，２のガイドベ
ーン駆動機構１２，２２に出力する制御信号を作成する
ためのプログラム等が書き込まれている。

【００１１】次に、本実施例の作用について説明する。
可変速発電電動機１０は、可変速度運転可能であるのみ
ではなく、同期回転速度Ｎ₀よりも回転速度が大きく、
かつ、すべりが負の場合には、その出力を一次回路７側
のみならず、回転子３の二次回路８側からも出力すると
いう特長がある。これを図２により説明する。すべりを
Ｓとすると、一次回路７がＰ₀の出力を出したとき、二
次回路８側は−ＳＰ₀の出力を出すこととなり、全体と
しては、（１＋｜Ｓ｜）Ｐ₀の出力を出すことになる。

【００１２】ところで、従来の可変速揚水発電システム
では、前述したように、揚水運転時には、ポンプ入力量
Ｐ_pを増加させるべく、同期回転速度Ｎ₀よりも大きな回
転速度で運転している（同期回転速度Ｎ₀を得るために
必要な供給電力量より多い電力を供給している）もの
の、発電運転時には、最少回転速度Ｎ_minから同期回転
速度Ｎ₀よりも小さい回転速度Ｎ₁の範囲で、ポンプ水車
効率が最高になるポイントＢ，Ｃ間で運転している。す
なわち、発電時には電気的および機械的な能力的に余裕
があるにもかかわらず、ポンプ水車の効率、発電効率を
考慮し、発電時には、同期回転速度Ｎ₀以下の回転速度
で運転している。

【００１３】そこで、本実施例では、図３に示すよう
に、発電時においても、回転速度Ｎ₁より大きい回転速
度である運転点Ｃ，Ｄ，Ｅ間で運転することにより、発
電出力の増加を図っている。なお、同図において、Ｐ₁
は同期発電電動機２０の電気出力、Ｐ₂は可変速発電電
動機１０の電気出力、Ｃは可変速発電電動機１０を同期
発電電動機２０と同じ出力になる最高効率運転点、Ｄは
最高効率最高回転速度運転点、Ｅは可変速発電電動機１
０が運転可能な最高出力点である。

【００１４】ここで重要な事は、前述したように、すべ
りがＳが発生するよう、回転速度を同期回転速度Ｎ₀以
上で運転をすると、回転子３の二次回路８側からも出力
し、発電量が増加するので、単に回転速度を大きくした
以上の電気出力の増加が望めることである。このため、
ポンプ水車２への入力量を増大させて、最高効率運転点
Ｃ，Ｄからズレた運転点Ｅで運転しても、電気出力の増
加を図っていくことができる。すなわち、回転速度およ
びポンプ水車２への入力量を増大させることにより、効
率は低下するものの、可変発電電動機１０の出力能力の
限界まで利用して、電気出力を増加させている。電気出
力の増加は、水車流量を増加し、ポンプ水車ランナに過
大な出力を課することになるが、ランナ形状の工夫によ
り本問題は解決できる。また、通常は短時間運転である
こと及び速度を変えて最も影響の少ない回転速度で運転
されることから、キャビテーション等の問題も小さい。
この回転速度の増減は、制御装置３０がサイクロコンバ
ータ５を制御することにより実施される。また、ポンプ
水車２への入力量の増減は、同じく制御装置３０がガイ
ドベーン駆動機構１２を制御することにより実施され
る。

【００１５】なお、揚水時には、従来技術と同様に、ポ
ンプ入力量Ｐ_pを増加させるべく、同期回転速度Ｎ₀より
も大きな回転速度で運転する。可変速発電電動機１０の
場合、一次回路７より供給される交流電力は、サイクロ
コンバータ５により任意の励磁周波数に変換され、コレ
クタリング６から回転子巻線に供給される。回転子３の
回転速度と、同期回転速度が異なる場合、励磁周波数を
それらの差に相当する周波数に合わせることで固定子１
側と回転子３側の磁界の速度が一致し、系統と同期した
運転を行うことができる。一方、同期発電電動機２０の
場合、一次回路２７より供給される交流電力は、直流励
磁器２５により直流に変換され、コレクタリング２６か
ら回転子巻線に供給される。

【００１６】以上のように、本実施例では、可変速揚水
発電システムの発電出力の増加を図ることができる。こ
れは、同期発電電動機を可変発電電動機に改造する場合
などに有効な方法であり、新設する場合には、大型の機
器を導入できるので、この場合にはメリットが少ない。
但し、プラント製造コストを削減するために、同期発電
電動機と同程度の比較的小型の機器を新設する場合に
は、本実施例に示す運転方法は、比較的小型の機器で高
出力を得ることができ有効である。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、発電時に同期回転速度
より大きい回転速度で運転することにより、発電出力の
増加を図ることができ、システムの能力を最大限に利用
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例の揚水発電システムのシ
ステム系統図である。

【図２】本発明に係る一実施例の可変速発電電動機の単
線結線図である。

【図３】本発明に係る一実施例の可変揚水発電システム
の発電時の運転特性を示すグラフである。

【図４】従来の可変発電システムのシステム系統図であ
る。

【図５】ポンプ水車の運転特性を示すグラフである。

【図６】従来の可変揚水発電システムの発電時の運転特
性を示すグラフである。

【符号の説明】

１，２１…固定子、２…ポンプ水車、３，２３…回転
子、４…主変圧器、５…サイクロコンバータ、６，２６
…コレクタリング、７，２７…一次回路、８，２８…二
次回路、９…励磁変圧器、１０…可変速発電電動機、１
２，２２…ガイドベーン駆動機構、２０…同期発電電動
機、２５…直流励磁器、３０…制御装置、３２…メモ
リ、３３…ＣＰＵ、５１…上池、５２…下池。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名倉 理 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 高橋 信弘 愛知県名古屋市東区東新町一番地 中部電 力株式会社内 (72)発明者 手塚 義文 愛知県名古屋市東区東新町一番地 中部電 力株式会社内 (72)発明者 田中 正和 愛知県名古屋市東区東新町一番地 中部電 力株式会社内 (72)発明者 村田 利雄 愛知県名古屋市東区東新町一番地 中部電 力株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可変速発電電動機とこれに機械的に接続さ
   れているポンプ水車とを備えた可変速揚水発電システム
   の運転方法において、 揚水運転時、前記ポンプ水車が与えられる条件に対して
   最高効率となるよう運転しているときに、最高速度にお
   ける前記可変速発電電動機への電力供給量が該可変速発
   電電動機の同期回転速度における電力供給量より大きく
   なる場合、発電時の回転速度を前記同期回転速度よりも
   大きくして運転することを特徴とする可変速揚水発電シ
   ステムの運転方法。
2. 【請求項２】前記ポンプ水車の前記最高効率の入力水量
   を超える水量にて、該ポンプ水車を運転することを特徴
   とする請求項１記載の可変速揚水発電システムの運転方
   法。