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技術 発電システム

出願人 株式会社日立製作所
発明者 川添裕成伊藤智道菊池輝渡邊健太田中主税清藤康弘
出願日 2018年3月1日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2018-037008
公開日 2019年9月12日 (9ヶ月経過) 公開番号 2019-154128
状態 未査定
技術分野 発電機の制御
主要キーワード 運転待機 変換器コントローラ 複合運転 最小入力 揚水発電装置 レベル方式 最大入力電力 最小出力値
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年9月12日)のものです。
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図面 (9)

課題

ルコンバータ式揚水発電所周波数変換装置において電力変換損失を低減すること。

解決手段

複数の揚水発電装置と、前記複数の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する複数の周波数変換装置とを備える発電ステムにおいて、複数の揚水発電装置のうち第1の揚水発電装置が揚水運転を行う一方、第2の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、複数の周波数変換装置のうちの第1の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置直流線路を複数の周波数変換装置のうちの第2の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、第1の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備える。

概要

背景

ルコンバータ方式や二次励磁方式可変揚水発電は、揚水運転時の入力電力、及び発電電力高速に調整可能であり、電力系統周波数変動電圧変動を抑制する系統安定化装置として用いられる。

また、揚水発電は、単機では揚水運転と発電運転切替えを連続して行えないが、複数台揚水発電装置で揚水運転と発電運転を組み合わせることによって、揚水発電所入出力電力を連続的に調整することも可能である。このような運転方法(以下、揚水発電複合運転と称す)は、例えば特許文献1に記載されている。

概要

フルコンバータ式揚水発電所の周波数変換装置において電力変換損失を低減すること。複数の揚水発電装置と、前記複数の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する複数の周波数変換装置とを備える発電ステムにおいて、複数の揚水発電装置のうち第1の揚水発電装置が揚水運転を行う一方、第2の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、複数の周波数変換装置のうちの第1の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置直流線路を複数の周波数変換装置のうちの第2の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、第1の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備える。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

複数の揚水発電装置と、前記複数の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する複数の周波数変換装置とを備える発電ステムにおいて、前記複数の揚水発電装置のうち第1の揚水発電装置が揚水運転を行う一方、前記複数の揚水発電装置のうち第2の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記複数の周波数変換装置のうちの第1の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置直流線路を前記複数の周波数変換装置のうちの第2の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、前記第1の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備えることを特徴とする発電システム。

請求項2

前記第1の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置は、前記電力変換装置に出力するゲートパルス信号を停止することを特徴とする請求項1に記載の発電システム。

請求項3

少なくとも3台の揚水発電装置と、前記少なくとも3台の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する第1と第2と第3以降の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、前記少なくとも3台の揚水発電装置のうちの少なくとも1台の揚水発電装置が揚水運転を行うとともに他方の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記第1の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置の直流線路を前記第2の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、前記第1の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、前記第3以降の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備えることを特徴とする発電システム。

請求項4

前記第3以降の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置は、前記揚水発電所入出力電力に応じて前記電力変換器に出力するゲートパルス信号を停止することを特徴とする請求項3に記載の発電システム。

請求項5

複数台の揚水発電装置と、前記複数台の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する第1、第2及び第3以降の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、前記複数台の揚水発電装置のうちの少なくとも1台の揚水発電装置が揚水運転を行うとともに、他方の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記第1の周波数変換装置の直流線路と前記第2の周波数変換装置の直流線路を接続する接続部と、前記第1の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、前記第3以降の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備えることを特徴とする発電システム。

技術分野

0001

本発明は、発電ステムに関し、特に、複数台揚水発電装置で構成されるフルコンバータ式揚水発電所周波数変換装置を備える発電システムに適用して好適なものである。

背景技術

0002

フルコンバータ方式や二次励磁方式可変揚水発電は、揚水運転時の入力電力、及び発電電力高速に調整可能であり、電力系統周波数変動電圧変動を抑制する系統安定化装置として用いられる。

0003

また、揚水発電は、単機では揚水運転と発電運転切替えを連続して行えないが、複数台の揚水発電装置で揚水運転と発電運転を組み合わせることによって、揚水発電所の入出力電力を連続的に調整することも可能である。このような運転方法(以下、揚水発電複合運転と称す)は、例えば特許文献1に記載されている。

先行技術

0004

特許6039121号公報

発明が解決しようとする課題

0005

フルコンバータ方式は、二次励磁方式に比べて、揚水発電複合運転時の電力調整範囲を広くとることができる一方、大容量の周波数変換装置を必要とするため、電力変換損失が大きいという課題が存在する。

0006

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、電力変換損失を低減可能なフルコンバータ式揚水発電所の周波数変換装置を備える発電システムを提案しようとするものである。

課題を解決するための手段

0007

かかる課題を解決するため、本発明においては、複数の揚水発電装置と、前記複数の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する複数の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、前記複数の揚水発電装置のうち第1の揚水発電装置が揚水運転を行う一方、前記複数の揚水発電装置のうち第2の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記複数の周波数変換装置のうちの第1の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置直流線路を前記複数の周波数変換装置のうちの第2の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、前記第1の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備えることを特徴とする。

0008

また、本発明においては、少なくとも3台の揚水発電装置と、前記少なくとも3台の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する第1と第2と第3以降の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、前記少なくとも3台の揚水発電装置のうちの少なくとも1台の揚水発電装置が揚水運転を行うとともに他方の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記第1の周波数変換装置の揚水発電装置側の電力変換装置の直流線路を前記第2の周波数変換装置の直流線路に切替える切替部と、前記第1の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、前記第3以降の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備えることを特徴とする。

0009

また、本発明においては、複数台の揚水発電装置と、前記複数台の揚水発電装置をそれぞれ可変速駆動する第1、第2及び第3以降の周波数変換装置とを備える発電システムにおいて、前記複数台の揚水発電装置のうちの少なくとも1台の揚水発電装置が揚水運転を行うとともに、他方の揚水発電装置が発電運転を行う場合に、前記第1の周波数変換装置の直流線路と前記第2の周波数変換装置の直流線路を接続する接続部と、前記第1の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、前記第3以降の周波数変換装置の電力系統側の電力変換装置を停止する停止部と、を備えることを特徴とする。

発明の効果

0010

本発明によれば、フルコンバータ式揚水発電所の周波数変換装置において電力変換損失を低減することができる。

図面の簡単な説明

0011

第1の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所のシステム構成の一例を示すブロック図である。
図1に示す電力変換装置の構成例を示すブロック図である。
揚水発電複合運転時の入出力電力と電力変換損失の関係の一例を示す図である。
第2の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所のシステム構成の一例を示すブロック図である。
電力変換装置の縮退運転方法の概要を示す図である。
第2の実施の形態に係る電力変換装置においてゲートパルス信号を停止する方法の一例を示す図である。
第3の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所のシステム構成の一例を示す図である。
第3実施形態において周波数変換装置が3台以上で構成される場合の構成例を示すブロック図である。

実施例

0012

以下、図面について、本発明の一実施の形態について詳述する。

0013

(1)第1の実施の形態
図1は、第1の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所(以下、本実施の形態において「揚水発電所」と省略する)1Aのシステム構成の一例を示す。揚水発電所1Aは、複数(ここでは2台)の揚水発電装置PG1,PG2と、複数(ここでは2台)の揚水発電装置PG1,PG2をそれぞれ可変速駆動する周波数変換装置FC1,FC2を備えている。

0014

揚水発電装置PG1,PG2は、発電電動機GM及び水車Tを備えている。発電電動機GMの回転子には、水車Tが機械的に接続されている。発電電動機GMは、発電運転時には水流によって得られる水車Tの回転エネルギー交流電力に変換して固定子巻線から出力する。

0015

揚水運転時には、周波数変換装置FC1から供給される交流電力を発電電動機GMで回転エネルギーに変換して水車Tを回転させる。この水車Tは、水を上池へと汲み上げる。なお、図中の表記では、揚水発電装置PG1が発電運転を行い、揚水発電装置PG2が揚水運転を行った場合における揚水発電複合運転の状態を示しているが、それぞれの揚水発電装置の運転方法は逆であってもよい。揚水発電装置の入出力電力Pgm1,Pgm2は、周波数変換装置FC1,FC2の電力変換装置C11,C21によってそれぞれ所望の値に制御される。

0016

第1の周波数変換装置FC1には、揚水発電装置側の電力変換装置C11の直流線路を第2の周波数変換装置FC2の直流線路に切替えるための切替器SW1が設けられている。

0017

直流ケーブルLN1は、電力変換装置C11の直流線路と第2の周波数変換装置FC2の直流線路とを接続するためのケーブルである。

0018

通常時(揚水発電複合運転を行わない場合)には、電力変換装置C11と電力変換装置C12の直流線路を接続して直流ケーブルLN1を切り離した状態で運転する。

0019

一方、揚水発電複合運転を行う場合には、電力変換装置C11の直流線路を第2の周波数変換装置FC2の直流線路に直流ケーブルLN1を経由して切替え、直流線路から切り離された電力変換装置C12を停止する。この電力変換装置C12の具体的な停止方法については後述する。

0020

図中の矢印は、揚水発電装置PG1が発電運転を行い、揚水発電装置PG2が揚水運転を行った場合において電力が流れる方向を表している。双方向の矢印は、揚水発電装置PG1の発電電力Pgm1と揚水発電装置PG2の入力電力Pgm2との大きさに応じて、電力の流れる方向が変わることを示している。

0021

揚水発電所1Aの入出力電力Psysは、この場合、第2の周波数変換装置FC2の電力変換装置C22と電力系統2との間で授受される。

0022

図2は、電力変換装置C11,C12,C21,C22の構成例を示す。これら電力変換装置C11,C12,C21,C22は、電力変換器10及び変換器コントローラ20を備えている。

0023

電力変換器10は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体スイッチング素子ダイオード及びコンデンサを備えている。電力変換器10としては、図に示すようないわゆる2レベル方式の電力変換器の他にも、3レベル方式、5レベル方式またはマルチレベル方式の電力変換器を用いることができる。

0024

電力変換器10の入出力電力は、変換器コントローラ20によって所望の値に制御される。変換器コントローラ20からは、電力変換器10の半導体スイッチング素子をオンオフするゲートパルス信号GSが出力される。

0025

揚水発電装置1A及び揚水発電所1Aの入出力電力は、電力変換装置C11,C21と電力変換装置C22の変換器コントローラ20によって所望の値に制御される。

0026

前述した直流線路から切り離された電力変換装置C12は、変換器コントローラ20から電力変換器10に出力するゲートパルス信号GSを停止する。

0027

図3は、揚水発電複合運転時の入出力電力と周波数変換装置の電力変換損失の関係を示した図である。縦軸の入出力電力は、発電出力をプラス揚水入力をマイナスとして表記している。各ハッチング部分は、揚水発電装置PG1(出力電力Pgm1)の出力範囲、揚水発電装置PG2(入力電力Pgm2)の入力範囲、揚水発電所1A(入出力電力Psys)の入出力範囲を示している。

0028

符号Pgmaxは、揚水発電装置PG1の最大出力電力を示している一方、符号Pgminは、揚水発電装置PG1の最小出力電力を示している。一方、符号Pmmaxは、揚水発電装置PG2の最大入力電力を示している一方、符号Pmminは、揚水発電装置PG2の最小入力電力を示している。

0029

揚水発電所1Aの入出力電力Psysの最大出力電力は、揚水発電装置PG1の最大出力電力Pgmaxと揚水発電装置PG2の最小入力電力Pmminの合成値から周波数変換装置FC1,FC2の電力変換損失Pfclsを差し引いた値となる。

0030

一方、揚水発電所1Aの入出力電力Psysの最大入力電力は、揚水発電装置PG2の最大入力電力Pmmaxと揚水発電装置PG1の最小出力値Pgminの合成値に周波数変換装置FC1,FC2の電力変換損失Pfclsを加算した値となる。

0031

揚水発電所1Aの入出力電力Psysの最大値は、揚水発電装置PG1の発電電力Pgm1と揚水発電装置PG2の入力電力Pgm2とが互いに相殺されるため、揚水発電装置1台分の最大値Pgmax,Pmmax以下となる。

0032

これにより、揚水発電複合運転時には、電力系統側の電力変換装置2台のうちの何れか(ここでは電力変換装置C12)を停止し、残りの電力変換装置1台(ここでは電力変換装置C22)で揚水発電所1Aの入出力電力Psysを入出力することができる。

0033

このように本実施の揚水発電所1Aにおいては、電力系統側の電力変換装置(2台中1台)を縮退運転することにより、揚水発電複合運転時に周波数変換装置FC1,FC2の電力変換損失Pfclsを低減することが可能となる。

0034

(2)第2の実施の形態
第2の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所は、第1の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については同一の符号を用いて説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。

0035

図4は、第2の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所(以下「揚水発電所」と省略する)1Bのシステム構成の一例を示す。揚水発電所1Bは、3台以上の揚水発電装置PG1,PG2,PG3などを備えているとともに、それぞれの揚水発電装置PG1,PG2,PG3などを可変速駆動する周波数変換装置FC1,FC2,FC3などを備えている。

0036

本実施の形態に係る揚水発電所1Bは、第1実施形態との構成の違いとして、第2の周波数変換装置FC2の直流線路を第3の周波数変換装置FC3の直流線路に接続するための直流開閉器SW2、及び、直流ケーブルLN2(図中では3台目以降は省略)が新たに設けられている。

0037

電力変換装置C11,C12,C21,C22,C31,C32などは、第1実施形態に示した電力変換装置C11,C12,C21,C22(図2参照)と同様の構成である。

0038

図5は、周波数変換装置が3台以上で構成される場合の電力変換装置の縮退運転方法の概要を示す。縦軸の入出力電力は、発電出力をプラス、揚水入力をマイナスとして表記している。図示の符号Psysは、揚水発電所1Bの入出力電力を表している。符号Pg22max及び符号Pm22maxは、電力変換装置C22が許容できる出力電力及び入力電力の最大値である。符号Pg32max及び符号Pm32maxは、電力変換装置C32が許容できる出力電力及び入力電力の最大値である。

0039

例えば、揚水発電所1Bの入出力電力Psysが電力変換装置C22の最大出力電力Pg22maxと電力変換装置C32の最大出力電力Pg32max+Pg22maxの間である場合は、電力変換装置C22と電力変換装置C32の2台で運転し、それ以降の電力変換装置はゲートパルス信号GSを停止して運転待機の状態とする。

0040

揚水発電所1Bの入出力電力Psysが電力変換装置C22の最大出力電力Pg22maxを下回った場合は、電力変換装置C22の1台のみで運転し、電力変換装置C32及びそれ以降の電力変換装置はゲートパルス信号GSを停止して運転待機の状態とする。

0041

なお、揚水発電所1Bの入出力電力Psysが揚水入力(マイナス)となった場合についても同様の縮退運転の方法を用いる。

0042

ここで、ゲートパルス停止方法の一例を、図6を用いて説明する。ゲートパルス信号GSの生成には、例えば、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)を用いる。図(A)に示すPWMの変調波と搬送波キャリア)との交点で、図6(B)に示すようにゲートパルス信号GSが生成される。

0043

電力変換装置32は、図6(C)に示すように、揚水発電所1Bの入出力電力|Psys|が電力変換装置22の最大出力電力Pg22maxまたは最大入力電力|Pm22max|を下回る期間においては、停止信号を用いてゲートパルス信号GSを停止する。

0044

以上のように本実施の形態によれば、揚水発電所1Bの周波数変換装置が3台以上で構成された場合においても、揚水発電所1Bの入出力電力に応じて電力系統側の電力変換器を運転待機の状態とする縮退運転を追加実施することにより、揚水発電複合運転時の周波数変換装置FC1などの電力変換損失を低減することができる。

0045

(3)第3実施形態
第3の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所は、第1の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については同一の符号を用いて説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。

0046

図7は、第3の実施の形態に係るフルコンバータ式揚水発電所1Cのシステム構成の一例を示す図である。揚水発電所1Cは、2台以上の揚水発電装置PG1,PG2と、それぞれの揚水発電装置を可変速駆動する周波数変換装置FC1,FC2で構成される。

0047

第1実施形態との構成の違いは、第1の周波数変換装置FC1の直流線路を第2の周波数変換装置FC2の直流線路に接続するための直流開閉器SW1の構造を2接点から1接点に変更したことである(図示の例では2台目以降は省略)。

0048

電力変換装置C11,C12,C21,C22については、第1実施形態(図2)に示した電力変換装置と同様の構成を用いる。

0049

通常時(揚水発電複合運転を行わない場合)は、直流開閉器SW1を開放して直流ケーブルLN1を切り離した状態で運転する。揚水発電複合運転を行う際には、直流開閉器SW1を投入して第1の周波数変換装置FC1の直流線路と第2の周波数変換装置FC2の直流線路とを直流ケーブルLN1を経由して接続し、電力変換装置C12を停止する。電力変換装置C12の具体的な停止方法については、第1実施形態における停止方法を用いる。

0050

本実施形態では、2台構成の揚水発電所を一例として説明したが、もちろん図8に示すような3台以上で構成される揚水発電所1Dであっても前述した実施の形態と同様の効果を発揮することができる。

0051

(4)その他の実施形態
上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

0052

本発明は、複数台の揚水発電装置で構成されるフルコンバータ式揚水発電所の周波数変換装置に広く適用することができる。

0053

1A,1B,1C,1D……揚水発電所、2……電力系統、FC1,FC2,FC3……周波数変換装置、PG1,PG2,PG3……揚水発電装置、GM……発電電動機、T……水車、Pgm1,Pgm2……揚水発電装置の入出力電力、C11,C12,C21,C22,C31,C32……電力変換装置、SW1……切替器、SW2……直流開閉器、LN1、LN2……直流ケーブル、Psys……揚水発電所の入出力電力、10……電力変換器、20……変換器コントローラ、Pgmax……揚水発電装置の最大出力電力、Pgmin……揚水発電装置の最小出力電力、Pmmax……揚水発電装置の最大入力電力、Pmmin……揚水発電装置の最小入力電力、Pfcls……周波数変換装置の電力変換損失、Pg22max……電力変換装置C22の最大出力電力、Pm22max……電力変換装置C22の最大入力電力。

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