[0001] 本
申请以日本
专利申请2017-060074(申请日：2017年3月24)以及日本专利申请2018-016518(申请日：2018年2月1日)为
基础，享受该申请的优先权。本申请通过参照该申请而包含该申请的全部内容。
技术领域
[0002] 本
发明的实施方式涉及可变速抽水发电系统以及可变速抽水发电方法。
背景技术
[0003] 在使用了双重馈电式交流
电机的可变速抽水发电系统中，为了抑制电
力系统故障时等产生的次级
电路的过
电压，保护发电
电动机、转换器等主电路设备不受过电压影响，例如装备有过电压抑制装置，该过电压抑制装置使用基于IGBT那样的自激式元件与
电阻的
串联电路的装置(也被称作斩波器、
限幅器等)、以及为了应对更大的
故障电流产生时而基于晶闸管那样的大容量
半导体元件的大电流短时间额定值的
短路器。这些装置在发电电动机次级侧电路中检测过电压，使过电压抑制装置动作，由此抑制该电路的过电压，保护与该电路连接的设备不受过电压影响。
[0004] 在该系统中，在由于最近端的电力系统故障的产生等而使用了上述短路器的过电压抑制装置动作的情况下，在动作后一定的条件成立的情况下，对逆变器的
开关元件进行操作以便对过电压抑制装置的构成短路器的晶闸管施加次级励磁装置的逆变器的直流电压作为反向电压，由此实现如下功能：将在晶闸管流动的电流设为零而强制性地将该晶闸管设为断开，尽早解除过电压抑制装置的短路状态，再次开始次级励磁装置的运转，无需使可变速抽水发电系统停止而快速地使系统恢复。以下，将进行该功能的控制称作过电压抑制装置的复位控制。
[0005] 为了满足近年来的可变速抽水发电系统的单机容量的大型化以及在配合点最近端处的系统故障时的与该系统的系统的配合运转持续的要求，需要实施比以往更迅速的复位控制而再次开始转换器的运转，因此，提出了以使流入次级电路的事故电流尽早衰减为目的而在晶闸管短路器串联连接以电流衰减为目的的
电阻器的过电压抑制装置。
[0006] 但是，在该情况下，根据带电阻的过电压抑制装置(包含设置于通过IGBT等自激式半导体元件与电阻的串联连接而构成的直流链路电路的斩波器、设置于发电电动机次级电路的带电阻器的三相晶闸管短路器或者在发电电动机次级电路的三相电路上经由
整流器而串联连接IGBT等自激式半导体元件和电阻器由此来抑制三相电路的过电压的限幅器等)的动作，通过其电阻使次级电路的故障电流急速地衰减，但与此同时由于使在初级电路感应的交流电流量急速地衰减，因此当由于系统故障的产生时刻而初级侧故障电流的
直流分量大时，存在
断路器打开时直流分量比
交流分量大的情况，有可能电流无法通过零点而系统侧的断路器、并联用的断路器产生直流断路而发生损伤。
发明内容
[0007] 本发明要解决的课题在于提供一种确保系统故障时的可变速抽水发电系统的系统配合运转持续性，并且防止断路器的直流断路的、安全的可变速抽水发电系统以及可变速抽水发电方法。
[0008] 根据实施方式，提供一种可变速抽水发电系统，具备过电压抑制装置，该过电压抑制装置与在双重馈电式可变速发电电动机的
转子绕组与交流励磁装置之间的三相电路或者交流励磁装置内的直流链路电路连接，当在上述三相电路以及上述直流链路电路中的任一个电路中产生过电压时，经由电阻使该电路短路，上述双重馈电式可变速发电电动机的
定子绕组与
变压器的低压侧的电源连接，上述变压器的高压侧与电力系统连接，其中，上述可变速抽水发电系统具有：高压侧电路电压检测单元，对上述变压器的高压侧电路的电压进行检测；不带电阻的短路器，被连接在上述转子绕组与上述交流励磁装置之间，能够将上述三相电路三相短路；以及控制单元，将上述高压侧电路电压检测单元的
输出电压小于预先确定的值作为条件，使上述短路器进行三相短路。
附图说明
[0009] 图1是示出包括一实施方式所涉及的可变速抽水发电系统的电力系统整体结构的图。
[0010] 图2是以与该实施方式所涉及的可变速抽水发电系统的直流断路防止装置相关的功能结构为中心而示出的结构图。
[0011] 图3是示出图2中的直流断路避免控制装置的内部构成的一例的图。
[0012] 图4是示出当产生故障时发电电动机初级电路的断路器进行直流断路的情况下的电流
波形例的图。
[0013] 图5是示出当产生故障时应用了实施方式的直流断路防止单元的情况下的断路器断路的发电电动机初级电路的电流波形例的图。
具体实施方式
[0014] 以下，参照附图对实施方式进行说明。
[0015] (第1实施方式)
[0016] 最初，对第1实施方式进行说明。
[0017] 图1是示出包括第1实施方式所涉及的可变速抽水发电系统的电力系统整体结构的图。
[0018] 如图1所示，在
发电厂以及发电厂开闭设备P中具备与电力系统S连接的发电厂高压开闭设备100、以及与该发电厂高压开闭设备100经由电力
电缆C以及主要变压器M连接的可变速抽水发电系统200。该主要变压器M的低压侧相当于发电厂的厂内电路。另外，主要变压器M也可以构成为可变速抽水发电系统的一部分。
[0019] 发电厂高压开闭设备100具备将与电力系统S侧的例如1号输电线以及2号输电线相连的电线分别开路/闭路的多个断路器101以及102，并且，具备将与主要变压器M的高压侧的电力电缆C相连的电线开路/闭路的断路器103，还具备对主要变压器M的高压侧电路的电压进行检测的高压侧电路电压检测单元104。
[0020] 可变速抽水发电系统具备：水
泵水轮机1；通过双重馈电式交流电机实现的可变速发电电动机2；与该可变速发电电动机2的次级绕组连接且包含由施加可变
频率的交流的频率转换器实现的转换器3A以及逆变器3B的自激式的次级励磁装置3(有时称作“交流励磁装置3”或者“自激式转换器3”)；进行该次级励磁装置3所输出的交流电压、电流、频率、
相位的控制并进行开闭设备5A和5B等的开闭控制等的控制装置4；与可变速发电电动机2的定子绕组侧连接的系统配合用的并联用断路器5A以及反相断路器5B；用于将可变速发电电动机2的定子绕组端进行三相短路的起动/
制动用断路器6；生成次级励磁装置3所使用的交流电源的励磁用变压器7；用于将朝励磁用变压器7供给的交流电力断开的励磁用断路器8；用于测定可变速发电电动机2的定子绕组侧的初级电路的电压的初级电路电压检测单元(仪表用变压器)9；测定在可变速发电电动机2的转子绕组侧的次级电路中流动的电流的次级电路电流检测单元10；测定可变速发电电动机2的转子绕组侧的次级电路的电压或者次级励磁装置3的直流链路电压的次级电路电压检测单元11；测定可变速发电电动机2的转子绕组侧的次级电路中的三相短路电流的电流检测单元12；使用了基于晶闸管那样的大容量半导体元件与电阻器的大电流短时间额定值的带电阻的短路器的交流侧过电压抑制装置13；以及使用了IGBT等的自激式半导体元件与电阻器的、被称作斩波器的直流侧过电压抑制装置14等等。
[0021] 图2是以与本实施方式所涉及的可变速抽水发电系统的直流断路防止装置相关的功能结构为中心示出的结构图。另外，对与图1共通的要素标注相同的标号。
[0022] 交流侧过电压抑制装置13构成带电阻的短路器，该带电阻的短路器包括分别连接在可变速发电电动机2的次级绕组的相间的晶闸管131、插入到线间的电阻器132、以及对该晶闸管131的电流进行检测的电流检测单元12。在发电电动机的次级侧交流电路的线间电压V2或者自激式转换器3的直流链路电路的电压VD超过预先确定的值的情况下，从控制装置4向交流侧过电压抑制装置13赋予控制各晶闸管131的触发的栅极
信号。
[0023] 另一方面，在直流链路电路的电压VD超过预先确定的值的情况下，从控制装置4向直流侧过电压抑制装置14赋予使IGBT等的自激元件触发的接通(ON)栅极信号，当通过该动作而电压VD变为预先确定的值以下时向直流侧过电压抑制装置14赋予断开(OFF)栅极信号。
[0024] 在同时设置交流侧过电压抑制装置13与直流侧过电压抑制装置14的情况下，直流侧过电压抑制装置14以低的设定值动作，在系统故障的
位置距离发电厂远的情况下、或者故障形态如单相接地故障那样故障电流比较小的情况下，通过直流侧过电压抑制装置14将电压上升抑制在转换器3能够运转的电压范围，并使基于转换器3的发电电动机的通常的运转持续。交流侧过电压抑制装置13的设定值设定为：在即使直流侧过电压抑制装置14动作电压也还上升的情况下，交流侧过电压抑制装置13进行动作。
[0025] 例如考虑以下情况：在通常运转中在电力系统产生最近端的三相短路故障等，仅靠直流侧过电压抑制装置14的动作无法抑制电压上升，可变速发电电动机2的次级侧交流电路的3相的线间电压V2或者直流链路电路的电压VD超过在交流侧过电压抑制装置13中预先确定的值。在该情况下，控制装置4停止为了通常运转而供给的通常运转栅极信号的供给，并向交流侧过电压抑制装置13提供接通栅极信号，使基于各晶闸管131的三相短路器动作。
[0026] 在交流侧过电压抑制装置13动作了的情况下，因设置于基于晶闸管131的三相短路器的电路的电阻器132的效果而使事故电流讯速地衰减，当由电流检测单元12检测出的、向三相短路器的电流变为逆变器3B的可动作的电流以下时，基于来自控制装置4的复位控制(基于从控制装置4供给的复位运转栅极信号)，从逆变器3B向晶闸管131施加反向电压而强制地断开三相短路器，并再次开始基于转换器3的发电电动机的通常运转。此时，从防止在控制装置4实施了复位控制的情况下流过有可能使包含半导体元件的三相短路器等电路损伤的电流于未然的观点出发，例如存在以下情况：以主要变压器M的低压侧电路的各相的电压(以下，称为“电压VL”)不是预先确定的值以下为条件来实施交流侧过电压抑制装置13的复位控制。
[0027] 由此，即使发生了如在最近端的系统故障那样的、故障电流大的故障时，能够不停止对发电电动机的保护而持续运转。
[0028] 但是，如上所述，由于在交流侧过电压抑制装置13的短路器的电路中带有电阻器132，因此可变速发电电动机2的次级电路的时间常数变小，系统故障时的发电电动机初级电路的交流分量的衰减变得非常快，因此根据系统故障的产生时刻而瞬态直流分量变大，有时当系统侧的断路器101、102或者103、发电厂内的并联用断路器5A断开事故电流时故障电流不通过零点而断路失败，对该断路器造成损伤。
[0029] 因此，直流断路防止装置15具有：利用分别连接在可变速发电电动机2的次级绕组的相间的晶闸管151-1而没有电阻地进行三相短路的短路器151；对主要变压器M的高压侧电路的电压VS进行检测的高压侧电路电压检测单元104以及对主要变压器M的低压侧电路的电压VL进行检测的低压侧电路电压检测单元9(相当于前述的初级电路电压检测单元9)；以及直流断路避免控制装置(控制单元)153。另外，直流断路避免控制装置153也可以构成为不设置于直流断路防止装置15中，而取而代之设置于控制装置4中。
[0030] 在图3中示出图2中的直流断路防止装置15的直流断路避免控制装置153的内部构成的一例。
[0031] 直流断路避免控制装置153输入由高压侧电路电压检测单元104获得的主要变压器高压侧的
三相电压，利用运算部153-1求出电压矢量，并将其大小输出至
阈值处理电路153-2。在阈值处理电路153-2中，例如在存在作为系统运转持续性的规格而被要求的电压值的情况下，将其值设定为该电压的阈值VS0，当电压矢量的大小较之小时输出指示直流断路防止装置15的短路器151的动作的信号(例如“1”的值的信号)。
[0032] 在该例子中还输入由低压侧电路电压检测单元9获得的主要变压器M的低压侧电路的三相电压，利用运算部153-3求出电压矢量，并将其大小输出至阈值处理电路153-4。在阈值处理电路153-4中，例如将与作为系统运转持续性的规格而被要求的与主要变压器M的高压侧电路的电压值相当的低压侧电路的电压值设定为阈值VL0，当电压矢量的大小较之小时，输出指示直流断路防止装置15的短路器151的动作的信号(例如“1”的值的信号)。
[0033] 在或(OR)电路153-5中，如果上述两个输出中的至少一方为“1”，则从直流断路避免控制装置153向直流断路防止装置15的短路器151输出接通栅极信号，使晶闸管处于导通状态，使发电电动机次级电路没有电阻地短路。该动作能够比断路器103、5A将事故电流断路的动作明显早地动作，且与过电压抑制装置13、14的动作几乎同时地进行动作。
[0034] 该动作使电流绕过处于过电压抑制装置13、14的线间的电阻，因此，防止发电电动机次级电路的时间常数降低，确保当断路器103或者5A的打开时初级电路的事故电流足够通过电流零点的交流分量，由此能够避免直流断路。
[0035] 此处，通过将阈值处理电路153-2、153-4各自的阈值设定为要求运转持续的电压值或者该电压值以下的值，来利用由带电阻的短路器构成的过电压抑制装置13与14确保系统故障时的运转持续性，并且，针对没有运转持续的要求的故障电流大的故障，使由不带电阻的短路器151构成的直流断路防止装置15动作，避免断路器的直流断路，能够使可变速抽水发电系统安全地停止。由此，能够将转换器3确保为运转持续所需的适当的容量。
[0036] 另外，通过并联用断路器5A解列，来利用电路153-6使直流断路防止装置15的短路器的接通栅极信号复位，从而能够准备下一次的运转。
[0037] 此外，直流断路防止装置15的不带电阻的短路器151不仅包括不带电阻器的情况，而且包括具有上述短路器动作时的发电电动机初级电路的直流时间常数小于次级电路的直流时间常数的电阻值的情况。此外，上述短路器的电路构成只要是在线间夹设小的电阻器的结构，便可以组装成三
角形接线，也可以组装成Y形接线。
[0038] 接着，参照图4与图5，对比
现有技术与本实施方式，对主要变压器M的低压侧电路的三相短路事故时的电流波形及其效果进行说明。
[0039] 图4是示出当主要变压器M的低压侧电路的三相短路事故发生时通过现有技术的结构而发电电动机初级电路的断路器直流断路的情况下的发电电动机初级电路的电流波形的例子的图。另一方面，图5是示出当相同事故发生时应用本实施方式的直流断路防止装置的情况下的发电电动机初级电路的电流波形的例子的图。
[0040] 在各电流波形图中示出构成事故发生时的发电电动机初级电路的电流的a相电流、b相电流以及c相电流。另外，纵轴表示发电电动机初级电路的电流，横轴表示时间。
[0041] 在图4的例子中，在事故发生后，发电电动机初级电路的电流的交流分量的衰减量大，例如在5个周期的并联用断路器断路时刻交流分量几乎全部衰减。剩余的瞬态直流分量电流由于发电电动机初级电路的电流不通过零点，所以断路失败。
[0042] 此处，当着眼于a相电流时，a相的电流远大于额定电流峰值，不会通过零点，无法安全地断路，如果在断路的情况下成为直流断路，则会使断路器损伤。对于b相电流、c相电流也可以说是同样的。
[0043] 例如，在并联用断路器5A为在100[ms]的时刻开路的规格的情况下，在该时刻之前各相的电流不通过零点。并且，在系统故障的情况下，系统侧的断路器为在事故后在3个周围(60[ms])以内开路的规格的情况下，在该时刻之前各相的电流也不通过零点。如果电流不在零点交叉，则产生直流断路，有可能损伤断路器，但在图4的例子中，无法应对这样的问题。
[0044] 另一方面，在图5的例子中，在事故发生后，发电电动机初级电路的电流的交流分量的衰减量小，例如在5个周期的并联用断路器断路时刻交流分量也几乎不衰减。这是因为在直流断路防止装置15的作用下，电流绕过处于过电压抑制装置13、14的线间的电阻，因此，发电电动机次级电路的时间常数变长，交流分量的衰减变慢。其结果是，由于交流分量的衰减变慢，因此能够保持交流分量比直流分量大。由此，发电电动机初级电路的电流的a相电流、b相电流以及c相电流全部都能够可靠地通过零点，能够避免直流断路，能够成功断路。
[0045] 在如上所述例如在系统故障时，即便系统侧的断路器为在事故后3个周期(60[ms])以内开路的规格的情况下，在图5的例子中，在该时刻之前各相的电流也多次通过零点，因此不会损伤断路器而安全地进行断路。
[0046] 另外，在上述的实施方式中，例示了直流断路避免控制装置153将高压侧电路电压检测单元104的输出电压与低压侧电路电压检测单元9的输出电压中的至少任意一方分别小于预先确定的值作为条件，使短路器151进行三相短路的情况，但并不限定于该例子。
[0047] 例如，也可以构成为，不使用低压侧电路电压检测单元9，而将高压侧电路电压检测单元104的输出电压小于预先确定的值作为条件，使短路器151进行三相短路。此外，也可以构成为，不使用高压侧电路电压检测单元104，而将低压侧电路电压检测单元9的输出电压小于预先确定的值作为条件，使短路器151进行三相短路。
[0048] 此外，也可以构成为，在使短路器151进行三相短路的条件是否成立的判定中，不使用高压侧电路电压检测单元104的输出电压、低压侧电路电压检测单元9的输出电压，取而代之使用可变速发电电动机2的转子绕组的电流。或者也可以构成为使用定子绕组侧电路的电流。在该情况下，例如只要如以下那样构成即可：设置检测该转子绕组的电流的转子绕组电流检测单元或者检测定子绕组侧电路的电流的定子绕组侧电路电流检测单元，将由该转子绕组电流检测单元或者定子绕组侧电路电流检测单元检测到的电流分别不在预先规定的电流值以下作为条件，使短路器151进行三相短路。
[0049] 此外，在使短路器151进行三相短路的条件是否成立的判定中，也可以不使用高压侧电路电压检测单元104的输出电压、低压侧电路电压检测单元9的输出电压，取而代之使用表示故障产生位置的信息或者信号。在该情况下，例如只要如以下那样构成即可：将没有规定的保护继电器的动作作为条件，使短路器151进行三相短路。
[0050] 如以上详细叙述的那样，根据实施方式，能够提供确保系统故障时的可变速抽水发电系统的配合运转持续性，并且防止断路器的直流断路的、安全的可变速抽水发电系统以及可变速抽水发电方法。
[0051] 对本发明的几个实施方式进行了说明，这些实施方式作为例子而示出，并不意味着对发明的范围进行限定。这些新的实施方式能够以其他的各种方式加以实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其
变形包含于发明的范围及主旨中，并且包含于技术方案所记载的发明和与其等同的范围中。
