可变速扬水发电系统的过电压保护装置的制作方法

本申请享受以日本专利申请2016－064441号(申请日：2016年3月28日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部的内容。

本发明的实施方式涉及可变速扬水发电系统的过电压保护装置。

背景技术：

在二次励磁式的可变速扬水发电系统的过电压保护装置中，在发电系统与电力系统连接(对应日语：連系する)的地点或者其极近端处的三相短路故障等事故电流较大的重大故障的情况下，通过使用次级电路中所设置的短路器对次级电路所感应的过大的电压进行短路来抑制该过电压。

可变速扬水发电系统的交流励磁装置(二次励磁装置)由频率变换器构成，在使该短路中持续动作时，可能由于短路电流而产生损坏，因此，在上述故障时将该二次励磁装置停止。

在上述次级电路的短路状态持续时，可变速扬水发电系统的发电电动机成为进行了二次短路的感应电机的构成，从系统接受励磁电源并且在与系统之间进行较大有效电力的给予和接受，因此，为了系统的稳定，需要早期对与系统连接的主电路断路器进行解列，使由于次级电路的短路持续而丧失励磁源的可变速扬水发电系统进行保护停止。

但是，在作为大电容的发电设备的可变速扬水发电系统中重要的课题是：即使在这样的极近端的重大事故中，也能够在事故通过系统断路器被去除后，不对其主电路断路器进行断路地持续运转。

作为解决这样的问题的手段提出一种可变速扬水发电系统的过电压保护装置，能够在利用系统断路器将系统事故去除后，通过作为二次励磁装置而使用的频率变换器将由次级电路的短路器造成的短路状态强制地解除，使由二次励磁装置造成的稳定的运转在早期再次开始，使主机的运转持续。

但是，在以往的方法中，由于用电流容量高的晶闸管构成短路器，因此，需要用二次励磁用变换器施加逆电压，强制地使短路器的电流为零，为了解除短路状态，必须等到在短路器中流动的包括过渡直流分量的较大的短路电流变成二次励磁用变换器的正常电流以下，还具有需要进行由更早解除短路器所造成的稳定的通常运转状态再次开始实施的情况。

另一方面，尽管在短路器中流动的包括该过渡直流分量的电流比二次励磁装置的正常电流大，但尝试以短时间电流容量以内作为条件用二次励磁用变换器施加逆电压，在早期解除短路器的短路状态时，该较大的短路电流流入二次励磁用变换器，使直流电压上升，使过电压保护装置的过电压保护功能再次动作，因此，为了在早期稳定地进行过电压保护装置的短路状态解除，需要设置使二次励磁装置的电流电容超过通常运转所需的电容的大电容的变换器。

对于仅以一年几次的频度进行动作的过电压保护装置，在安设面积的确保以及变换器的大电容化上花费数亿日元以上的费用，这使经济负担变大，并且可能在可变速扬水发电所进行导入时变成较大的阻碍。

由此，希望提出一种可变速扬水发电系统的过电压保护装置，即使在故障电流的影响较大的发电所连接点附近处的三相短路故障时，也能够通过高速解除次级电路的短路器的短路状态，使由交流励磁装置造成的稳定的运转再次开始，从而，在由系统断路器进行的事故去除成功进行后，不需要进行由并联用断路器造成的从系统进行的解列、主机的停止。

技术实现要素：

根据实施方式，提供一种可变速扬水发电系统的过电压保护装置，具备短路器，该短路器连接于绕组型感应电机的转子绕组与交流励磁装置之间的电路，在该电路产生过电压时使该电路短路，上述绕组型感应电机将定子绕组连接于变压器的低压侧的电源，上述变压器的高压侧连接于电力系统，在上述过电压保护装置中，具备控制装置，该控制装置进行以上述短路器的短路动作中的通电电流为预先规定的电流规定值以下并且上述短路器的短路动作的经过时间为预先规定的动作持续时间规定值以上的情况作为条件，强制地解除上述短路器的短路状态的控制

附图说明

图1是表示一实施方式涉及的包括过电压保护装置的可变速扬水发电系统的构成的一个例子的图。

图2是表示短路器的电路构成的一个例子的图。

图3是表示将过电压保护装置连续动作规定时间作为转差率的函数来作成的一个例子的图。

图4是表示将过电压保护装置连续动作规定时间作为有效电力的函数来作成的一个例子的图。

图5是表示过电压保护装置的动作的一个例子的时间图。

图6是表示过电压保护装置的动作的其他例子的时间图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施的方式进行说明。

图1是表示一实施方式涉及的包括过电压保护装置的可变速扬水发电系统的构成的一个例子的图。

如图1所示，本实施方式涉及的可变速扬水发电系统包括绕组型感应电机1、频率变换器4、控制装置5、短路器6、主变压器8、并联用断路器9a、励磁用变压器16以及电流检知器11。频率变换器4相当于绕组型感应电机1的交流励磁装置(二次励磁装置)，除了包括自激式的转换器2以及自激式的逆变器3之外，还包括直流链路电容器12、以及由电阻器13以及功率半导体元件14构成的斩波器15。在此，以自激式的频率变换器作为例子进行说明，但是还可以使用循环换流器等他激式的变换器。控制装置5进行控制频率变换器4的逆变器3、转换器2，在系统事故时在次级电路中产生了过电压时立即使短路器6短路的控制、以及在后述的条件成立后断开短路器6的控制，以便在可变速扬水发电系统的通常的运转中赋予与绕组型感应电机1的运转状态对应的二次励磁电流。控制装置5以及短路器6构成本实施方式涉及的可变速扬水发电系统的过电压保护装置(以下，具有称为“ovp”的情况)。过电压保护装置例如还可以由频率变换器4、短路器6、控制装置5以及电流检知器11构成，对于其控制还能够使用在可变速扬水发电系统中检测出的逆变器输出电流、次级电路电压、直流链路电压。

绕组型感应电机1的定子绕组端子(一次绕组端子)经由并联用断路器9a与主变压器8连接，绕组型感应电机1的定子绕组端子的电压通过主变压器8被升压至电力系统10的电压之后，经由系统断路器9与电力系统10连接。

另一方面，在绕组型感应电机1的转子绕组端子(二次绕组端子)连接有频率变换器4。该频率变换器4经由励磁用变压器16被连接于绕组型感应电机1的转子绕组端子与主变压器8之间的电路，引进三相交流电压。

在频率变换器4内，通过转换器2将三相交流电压转换成直流电压，维持有直流链路电容器12的直流电压。直流电压经由逆变器3被转换成转差率频率相当的频率的三相交流电压。另外，为了抑制二次绕组所感应的故障电流较小的系统事故时的直流链路电压上升，提高转换器2/逆变器3的运转持续能力，因此，频率变换器4具有由电阻器13和功率半导体元件14(例如gto，igbt)构成的斩波器15。

短路器6连接于绕组型感应电机1的转子绕组端子与频率变换器4之间的电路，在该电路或者直流链路电路中产生超过预先规定的值的过电压时，基于控制装置5的控制使该电路短路。具体地讲，该短路器6与将频率变换器4与绕组型感应电机1的转子绕组端子连结的励磁电源供给线的各线间电连接，例如如图2所示，使用晶闸管等他激元件被构成。另外，在图2的例子中，示出了在u相、v相、w相的各相间分别设置1个晶闸管的情况，但是并不限定于该例子。

控制装置5通过在各处设置的各种传感器，取得直流链路电容器12中的电压(电容器电压)或者次级电路电压的计测值、从频率变换器4流动的电流(变换器电流)的计测值、在短路器6中流动的电流的计测值。例如，在短路器6中流动的电流能够通过电流检知器11进行检知。控制装置5基于取得的各种计测值，对构成短路器6、转换器2/逆变器3的各元件进行驱动控制。另外，更具体地讲，如图2所示，电流检知器11还可以由检测在短路器6的各线间设置的晶闸管等短路开关中分别流动的电流的多个电流检知器11a、11b、11c构成。

尤其是，本实施方式的控制装置5进行如下控制：在对应电力系统10的事故(例如发电所极近端送电线中的短路事故)的发生而通过上述的传感器检测出绕组型感应电机1的二次侧电路的过电压的情况下，使短路器6短路，之后，以短路器6的短路动作中的通电电流为预先规定的电流规定值ith以下，并且，短路器6的短路动作的经过时间为预先规定的动作持续时间规定值tth以上为条件，通过频率变换器4对构成短路器6的晶闸管施加逆电压，由此，强制地解除短路器6的短路状态(以下，称为“特征1”)。

在此，上述的电流规定值ith在为不造成频率变换器4发生元件破损等障碍的电平时，设为超过频率变换器4的额定电流的值(以下，称为“特征2”)。这样，能够使短路器6的短路状态更早地解除。在这种情况下，电流规定值ith设为频率变换器4所具备的元件的最大断路电流以下的值(以下，称为“特征3”)，或者设为相对频率变换器4作为用于保证来自过电流的保护的电平而预先设定的过电流保护设定值以下的值(以下，称为“特征4”)。

另一方面，上述的动作持续时间规定值tth设为电力系统10的系统事故的去除所涉及的时间即事故去除时间以上(以下，称为“特征5”)。能够将此时的事故去除时间设为在系统保护继电器装置正在正常动作的情况下进行该系统事故的去除的系统断路器9进行解列且到事故去除为止的最长时间。通过这样，能够进行在可靠地进行事故的去除后使短路器6恢复的控制。在此，动作持续时间规定值tth还可以设为在电力系统10的系统事故的去除处理中最快完成去除的时间(最短事故去除时间)以上(以下，称为“特征6”)。例如实际进行到去除系统事故的保护继电器、断路器的开路动作的时间通常比上述最长时间早的情况较多，能够将tth设为其最短的事故去除时间。

进而，为了进一步缩短动作持续时间规定值tth，例如还考虑到该过电压保护装置实施过电压保护处理的动作时间(该过电压保护装置检测到二次侧电路的过电压后使短路器6短路所花费的时滞)，还可以将动作持续时间规定值tth设为从上述最短事故去除时间减去该过电压保护装置实施过电压保护处理的动作时间后得到时间以上(以下，称为“特征7”)。这样，能够在系统事故去除后更早地实施短路器6的短路动作后的短路状态的强制解除动作。更早地实施该强制解除动作是因为尽可能能够进行使用了频率变换器4后的稳定运转而快速地再次开始对于可变速扬水发电系统的稳定运转是优选的。

在增大电流规定值ith，缩短动作持续时间规定值tth时，即使通过频率变换器4暂时强制地解除短路器6的短路状态，也会有再次在次级电路、直流链路电压中产生过电压，短路器6再次进行作的情况。于是，控制装置5进行如下控制：在通过频率变换器4强制地解除短路器6的短路状态后，在预先规定的过电压保护装置再次动作规定时间tr以内该过电压保护装置的过电压保护功能再次动作的情况下，以短路器6的短路再次动作中的通电电流为电流规定值ith以下，并且，短路器6的短路再次动作的经过时间为被预先设定为比动作持续时间规定值tth短的时间后得到的再次动作持续时间规定值tth2以上为条件，强制地解除短路器6的短路状态(以下，称为“特征8”)。通过这样，即使在事故去除前过电压保护装置的过电压保护功能再次动作，也能够在频率变换器4或者短路器6的通电容量的范围内，重复实施短路器6的短路动作以及短路状态的强制解除动作。

另外，控制装置5在重复进行短路器6的短路动作以及短路状态的强制解除动作的情况下，在保证短路器6或者频率变换器4的通电容量的次数、通电时间或者元件温度以内来实施该重复的动作(以下，称为“特征9”)。通过这样，能够提前防止由于无限制的重复而产生装置故障。

另外，动作持续时间规定值tth还可以设为与电力系统10的系统事故中最快完成去除的事故的去除所花费的时间(最短事故去除时间)相比更短的时间(以下，称为“特征10”)。在这样的情况下，能够使动作持续时间规定值tth与系统断路器9进行解列且进行事故去除的时间相比更早。由于系统事故持续中而重复过电压保护装置的短路动作的可能性变高，但是，由于在频率变换器4或者短路器6的通电容量的范围内的运用，因此，能够不损坏机器地进行能力极限下的运转。

另外，控制装置5进行如下控制：以该过电压保护装置的动作持续时间为预先规定的过电压保护装置连续动作规定时间tc以上作为条件，使并联用断路器9a开路且使该可变速扬水发电系统从电力系统10分开的控制(以下，称为“特征11”)。通过这样，能够提前防止该可变速扬水发电系统中的装置故障等不良情况的产生。

在这种情况下，过电压保护装置连续动作规定时间tc设为例如保证短路器6的通电容量的动作持续时间ta，或者设为例如如频率、电压的系统保护继电器到达动作电平的时间那样保证该可变速扬水发电系统能够稳定地运转的动作持续时间tb，或者是设为这两者中任意较短的一方(以下，称为“特征12”)。另外，过电压保护装置连续动作规定时间tc还可以设为一定值，但是可替代地规定例如设为该可变速扬水发电系统的系统事故前的转差率(对应日语：すべり)、转差率频率或旋转速度的函数、或者设为该可变速扬水发电系统的系统事故前的有效电力的函数进行规定(以下，称为“特征13”)。

在此，用图3的曲线图来表示将过电压保护装置连续动作规定时间(ovp重置时间)tc作为该可变速扬水发电系统的系统事故前的转差率的函数进行表现的情况的例子。图3的曲线图是，以emtp等瞬时值解析的方式求出扬水运转中的系统的极近端处的系统事故时在次级电路中流动的电流，即使变成上述ith以下也能在频率变换器4中施加逆电压而强制地断开短路器6的情况下的最大时间作为转差率的函数而进行图示并求得的图。通过使用这样的函数，能够立刻判断出由短路器6的强制的断开所造成的可变速扬水发电系统的运转持续的成功与否，在不能运转持续的情况下，能够立刻使该可变速扬水发电系统从电力系统10分开，减少对系统的影响，能够进行系统的稳定运用。

进而，还可以在作为上述转差率、转差率频率或旋转速度的函数进行规定的过电压保护装置连续动作规定时间tc超过保证短路器6的通电容量的动作持续时间ta、保证该可变速扬水发电系统能够稳定地运转的动作持续时间tb中任意较短的一方的情况下，将此时的过电压保护装置连续动作规定时间tc设为上述动作持续时间ta、tb内的最短的时间(以下，称为“特征14”)。通过这样，能够更进一步正确地判断是否应通过并联用断路器9a使该可变速扬水发电系统从电力系统10分开。另外，在这样的情况下，能够具备如下功能：也就是说，在具有与设为转差率、转差率频率或旋转速度的函数、或者设为有效电力的函数进行规定的时间相比，过电压保护装置连续动作规定时间tc变短的范围的情况下，事先规定该转差率、或者转差率频率、旋转速度、或者有效电力的运转限制区域，排除该运转限制区域处的运转的功能(以下，称为“特征15”)，或者，在该运转限制区域处的运转中产生系统事故的情况下，不进行短路器6的强制的解除控制，使并联用断路器9a开路，立刻使可变速扬水发电系统从电力系统10分开的功能(以下，称为“特征16”)。

另外，用图4的曲线图来表示使过电压保护装置连续动作规定时间(ovp重置时间)tc作为该可变速扬水发电系统的系统事故前的运转输出(有效电力)的函数进行表现的情况下的例子。图4的曲线图是，以emtp等瞬时值解析的方式求出扬水运转中的系统的极近端处的系统事故时在次级电路中流动的电流，即使变成上述ith以下也能够在频率变换器4中施加逆电压而强制地断开短路器6的情况下的最大时间作为运转输出(有效电力)的函数进行图示并求出的图。通过使用这样的函数，即使在具有上述运转限制区域的情况下也能避免该运转限制区域处的运转，并且即使在万一通过该运转限制区域中产生事故的情况下，也能够不用等到短路器6的断开而瞬时地从系统解列可变速扬水发电系统而减少对系统的影响，能够进行系统的稳定运用。

随后，使用图5对这样构成的绕组型感应电机1的过电压保护装置的动作进行说明。图5的(a)表示控制装置5生成的各种信号的时间图，图5的(b)表示频率变换器4的直流链路电路的电压的波形，图5的(c)表示短路器6的通电电流(的大小)的波形。

如图5的(a)所示，在时刻t1电力系统10产生事故，绕组型感应电机1的一次侧绕组中流动有事故电流时，绕组型感应电机1的二次绕组也感应到该事故电流。该事故电流经由逆变器3对直流链路电容器12进行充电，在超过在轻微的系统事故中具有充分的电压抑制能力的斩波器15的能力时，如图5的(b)所示，频率变换器4的直流电压较大地上升。

如图5的(a)所示，控制装置5在频率变换器4的直流电压超过了规定值的定时(时刻t2)检测到过电压，通过ovp栅极信号使短路器6动作，同时地输出ovp动作持续请求信号，开始动作持续时间规定值tth(例如60ms)的计数。由此，在短路器6中如图5的(c)所示那样流动有通电电流，频率变换器4的直流电压如图5的(b)所示那样下降。

之后，通过系统保护继电器系统进行动作，从而，电力系统10内的系统断路器9开路，在时刻t0完成系统事故的去除时，系统电压恢复到额定电压附近，故障电流暂时变小，但是，在维持使短路器6短路的状态下，之后急速增加。

随后，控制装置5在经过如图5的(a)所示的动作持续时间规定值tth，并且，如图5的(c)所示的短路器6的短路动作中的通电电流成为预先规定的电流规定值ith以下的定时(时刻t3)，通过ovp重置控制信号发出再次启动频率变换器4的指令，进而通过电流检知器11观测在短路器6的各相中流动的电流，由此取得电流的极性的信息，通过适当地决定频率变换器4的进行点火(对应日语：点弧する)的分路，由此向抵消电流的方向施加直流电压，瞬时使正对短路器6通电的电流变成零，由此来实施短路器6的短路状态的解除，在时刻t4使短路器6的短路状态的解除完成。由此，如图5的(c)所示，变得在短路器6没有流动通电电流，如图5的(b)所示，频率变换器4的直流电压在瞬间下降后返回到正常的值。

在正常解除了短路状态的时间点使频率变换器4进行通常运转，从而，与事故前相同地从频率变换器4输出与转差率频率同等的频率的交流电压，在去除了事故点的时间点使该可变速扬水发电系统恢复成通常的运转状态。

上述的特征1～4表示与这样进行动作的过电压保护装置的ith的设定有关的特征，具有如下效果：进一步增大作为在以往技术中通常运转时的最大电流的设定值，由此，能够提高将短路器6从短路状态解除的能力。进而，上述的特征5～7表示与tth的设定有关的特征，具有如下效果：使短路器6从短路状态的解除更早，由此，能够提高使短路器从短路状态解除的能力。

随后，使用图6对重复实施短路器6的短路动作以及短路状态的强制解除动作的情况下的动作进行说明。图6的(a)表示控制装置5生成的各种信号的时间图，图6的(b)表示频率变换器4的直流链路电路的电压的波形，图6的(c)表示短路器6的通电电流(的大小)的波形。

图6的(a)所示的从时刻t1到t4的动作与图5的(a)相同。但是，再加上使ith更大，使tth更短，使得解除短路状态后的过渡直流分量的影响较大，在定时t4之后的处理中，在频率变换器4再次开始通常的运转后抑制不了直流电压的上升，如图6的(b)所示在时刻t5成为过电压，如图6的(c)所示，具有短路器6再次动作，通电电流再次流动的情况。即使在这种情况下，由于在二次电流中存在该系统频率的交流成分，因此，在下一个周期再次变成ith以下，在能够捕捉到该定时(时刻t6)时，再次通过变换器4对短路器6施加逆电压，强制地使通电电流为零，由此，在时刻t7解除短路状态，之后，能够以频率变换器4再次开始通常运转。

该短路器6的再次动作并不是由系统事故所造成的较大的故障电流所引起的动作，因此，无需为了再次开始运转而将与最初的动作相同的时间设为tth并且等待，应该在经过在短路器6的再次动作时因过电压或者过电流产生而暂时停止的频率变换器4的元件能够安全地再次开始运转的时间以上之后进行。

作为一个例子，将从t2到t3的最初的tth在考虑到系统断路器9的动作保证时间的情况下设为50ms，将第二次的从t5到t6的再次动作持续时间规定值tth2设为5ms。

该再次动作持续时间规定值tth2并不是在系统事故的情况下感应到的较大的故障电流通过事故去除、过渡直流分量的衰减而充分变小的时间，因此，充分考虑到在系统事故时在该时间中对短路器强制地进行短路解除时，再次产生过电压的情况。因此，采用该时间的期间应该对充分需要的期间加上限制。在上述一个例子中，将作为该期间的过电压保护装置再次动作规定时间tr设为根据需要对二次电流所含有的该系统频率成分的1个周期施加余量后得到的期间以下，设为30ms。在这种情况下，控制装置5在短路器6再次动作后，在经过比上述的动作持续时间规定值tth更短的时间即再次动作持续时间规定值tth2，并且，短路器6的短路动作中的通电电流成为预先规定的电流规定值以下的定时t6，发出再次启动频率变换器4的指令，进而，通过电流检知器11观测在短路器6的各相中流动的电流，由此取得电流的极性的信息，通过适当地决定频率变换器4进行点火的分路，由此向抵消电流的方向施加直流电压，瞬时使正对短路器6通电的电流为零，由此解除短路状态。

在正常解除短路状态的定时(时刻t7)使频率变换器4通常运转，从而，与事故前相同地从频率变换器4输出与转差率频率同等的频率的交流电压，在事故点被去除的时间点使该可变速扬水发电系统恢复成通常的运转状态。

上述的特征8、特征9表示如上述所示短路器6再次动作的情况下的控制的特征，如上述的特征1～7所示在早期进行短路器6的短路，由此，即使产生短路器6的再次动作，也能够再次在之后在系统频率的1个周期左右期间再次解除短路进行运转的持续，因此，能够选择使在包括该特征1～7的控制中使用的ith更大，使tth更短的情况。

另外，在上述再次动作多次连续产生时，由半导体元件构成的短路器6、变换器4的温度上升，可能会进行误动作、损坏，因此，如上述的特征9所示，还能够限制在能够保证这些通电容量的预先决定的时间内的重复次数、通电时间、或者元件温度以内。

根据上述的特征8、特征9，能够安全地实施过电压保护装置在容量以内的短路器6的动作以及解除的高速的重复，所以，即使在短路器6变成再次动作的可能性高的系统故障中，也能够在次级电路电流暂时低于ith时不进行短路器6的强制解除，提高能够更早地再次开始通常的运转的可能性。例如，在设为上述的特征10的情况时，不用在系统事故去除后限定系统故障产生时的动作持续时间规定值tth，更短地进行系统事故持续中的强制解除动作。

另外，在上述的动作中，控制装置5在根据短路器6的短路状态，对应相对电源电压的转差率在预先规定的时间以内不能进行短路解除的情况下检测出该情况，为了避免对电力系统10产生的不良影响，能够使并联用断路器9a开路，从电力系统10分开该可变速扬水发电系统。另外，控制装置5还能够将作为具有即使经过过电压保护装置连续动作规定时间tc也不能恢复的可能性的情况而预先设定的转差率的范围(运转范围)设为运转禁止地带来避免运转、或者以在规定时间内高速通过的方式进行控制。过电压保护装置连续动作规定时间tc在图5、图6中没有记载，但是，与该图的重置完成的定时相比上述tc更早的情况是上述的状态，在图3中示出了避免变成该运转状态、或者进行在规定时间内高速通过的控制的运转范围的一个例子。

这样，根据各种运转条件适当地决定运转方法，由此，无论从绕组型感应电机1的二次绕组、频率变换器4的保护的观点来看，还是从对电力系统10的不良影响的观点来看都能够安全地运转，进而，不会使短路状态变长，能够实现短时间内的恢复。这样的效果还能够从例如上述的特征11～16得出。

如以上详细说明的内容所示，根据上述的实施方式能够提供一种可变速扬水发电系统的过电压保护装置，即使在故障电流的影响较大的发电所连接点附近处的三相短路故障时，也能通过高速解除次级电路的短路器的短路状态，再次开始由交流励磁装置造成的稳定的运转，从而，在由系统断路器进行的事故去除成功后，无需进行由并联用断路器造成的从系统的解列、主机的停止。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并没有意图限定发明的范围。这些实施方式可以以其他各种方式进行实施，在不超出发明主旨的范围内，可进行各种省略、调换以及变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围和主旨内，同样，也包括在专利请求所记载的发明和与其等同的范围内。