[发明专利]变速扬水发电装置

说明书

本发明涉及变速扬水发电装置，具体地说，涉及按照设定的输出指令、连续稳定地进行扬水的变速扬水发电装置。

所谓变速扬水发电装置，其结构如USP（美国专利）4481455号公告所述，电动发电机的一次绕组通过由断路器及主变压器构成的主回路与电力系统相连接;安装在与原动机/负载直接连接的电动发电机的转子上的二次绕组，通过由变频装置及激磁变压器构成的激磁回路，与上述的电力系统相连接。该装置的最大优点是能使原动机/负载的速度不受交流系统的频率的影响。将其用于变速扬水发电站时，将水轮机/泵作为原动机/负载直接连接在电动发电机的二次绕组上。运转发电时，用水轮机驱动电动发电机（发电机）转子，将其一次绕组中感应产生的电力输送到电力系统。电动（扬水）运转时，利用来自电力系统的电力驱动电动发电机，将其作为电动机使用，利用与二次绕组直接连接的泵进行扬水。这时，电力系统的频率虽然是一定的，比如是60赫兹，但水轮机/泵的转速不受其影响，能独立地任意选择，因此可以选择使用能使水轮机或泵的运转效率达到最大的转速。

上文所说的可任意选择转速的意思是，在电力系统的频率f₁与跟速度N对应的频率f（＝ (P×N)/120 ，式中P为线圈的极数）之间存在着差频f₂，即（1）式成立;

f₂＝f₁-f＝f₁- (P×N)/120 （1）

（1）式中的差频f₂系指二次绕组中的频率，一方面保持电力系统的频率f₁一定，另一方面可以设定能使泵或水轮机的效率达到最大的N的值。为了满足关系式（1），可以进行调整的主要的操作端有两处，其一是水轮机/泵的水道上的入口阀或导向叶片的开度，其二是构成变频装置的可控硅的触发角。这些操作端可通过由该变速扬水发电站的运转目的等决定的设定信号进行适当的控制。

在USP中，虽然没有说明变速扬水站的具体控制方法，但在例如日本特开昭60-90991号（美国申请序号664436号）中，主要公布了水轮机运转时的如下控制方法。在此众所周知的事例中，把输出指令和水轮机的落差作为输入信号，由函数发生器导出最佳速度指令和阀门的最佳开度指令，将与前一种指令相对应的水轮机的实际速度反馈后，通过变频装置的触发角，控制水轮机的转速;将与后一种指令相对应的水轮机导向叶片的实际开度反馈后，控制水轮机导向叶片的开度。另外，还有这样的作用，如检测出电力系统的频率变化或电功率变化后，修正上述的指令，从而导致修正导向叶片开度的结果。该控制装置始终是作为水轮机运转时使用的装置，而且在此控制过程中，所输入的输出指令信号只不过是用来作为辅助信号使用，以便导出所要求的速度信号和所要求的导向叶片开度信号。即就其结构而言，不是直接与实际的发电输出功率对比。因此从（发电机）输出控制的观点看，构成开环控制系统、驱动速度控制系统和导向叶片开度控制系统，其结果是使发电机输出功率的大小固定。以转速控制为主，以发电输出控制为辅的控制系统，从发电机输出控制的观点看，响应速度慢，而且尚未提出解决当转速控制和发电输出控制等加在同一个发电机上时，如何解决数个控制系统之间相互影响的方 法。即使夜间电力系统的负载变小，大部分负载不能使发电机进行最小连续发电运转，因此，这时由无频率调整能力的原子能发电站或大容量的火力发电站供电，其它部分则由发电成本低的水力发电站或一部分火力发电站负担，总之，为了利用经济的电力系统，在系统负载变小的夜间，由于使发电成本高的火力发电站停止运转或进行非低负载运转的中间负载运转，因此夜间的输出功率及频率的调整能力不足。例如，假定在补偿夜间的电力不足时，为了增加低负载运转中的火力发电站的输出功率，最快也要几分钟-十几分钟的时间，起不到紧急控制的作用。特别是当对应于负载的变化来调整供电量及调整电力系统的频率的调整功能（即所谓AFC功能……频率自动控制）不足。可是，若将扬水发电站建成变速式的，则会有如下效果，一定不管是进行水轮机运转或扬水运转中的哪一种运转，都能进行高效率运转，二是在扬水状态（从而将电动发电机作为电动机运转）时，也具有AFC功能。这就是变速扬水发电的令人感兴趣的销售要点。然而，众所周知的控制方法只不过是以控制电动机的输出来控制转速为大前提，尽量使AFC功能在夜间扬水时能充分地起作用，但不够具体化，达不到所期望的确保其响应的迅速性和稳定性的程度。

由上所述，本发明的目的是提供一种在进行扬水运转时能充分地发挥AFC功能的，能对电动机单独进行驱动输出控制和转速控制而又无矛盾的适用的变速扬水发电装置。