富士時報 Vol.74 No.5 2001 揚水発電電動機用始動装置 大隈 謙二（おおくま けんじ） 森山 琴也（もりやま きんや） 篠原 博（しのはら ひろし） まえがき （2 ） 光間接点弧方式の採用により，素子ごとの故障判別お よび BOD（Break Over Diode）による過電圧保護が可 インド・マハラシュトラ州灌漑（かんがい）局（GOMID） 能である。 向けガトガール（Ghatghar）発電所は，139 ＭＷフランシ （3） シリーズ化されたサイリスタ素子で構成されているた ス形ポンプ水車・発電電動機 2 台が設置される地下式揚水 め，素子選択に自由度があり，より小型，経済的に設計 発電所である。揚水発電所においてはポンプ運転時，系統 にじょう乱を与えないようスムーズな始動を行うために始 可能である。 （4 ） 64 ビット RISC（Reduced Instruction Set Computer） と DSP（Digital Signal Processor）により高速制御シ 動装置が設けられている。 揚水発電電動機の始動には幾つかの方式があるが，近年 次に記す利点により，国内・海外を問わずサイリスタ始動 方式が採用されている。 ステムを実現している。 （5） ソフトウェアの設計に EDA（Electronic Design Au- tomation）ツールを採用し，設計，机上シミュレーショ （1） １台の装置で複数の主機を切り換えて始動することが でき，経済的である。 ン，実制御装置試験まで人を介在させず，高信頼性，経 済性を追求している。 （2 ） 直結電動機始動方式に比べて軸長が短く，軸系の臨界 速度が高くなるため，軸振れ・振動の面からの制約が少 （6 ） RAS（Reliability, Availability, Serviceability）機能を 充実させている。 なくなり，特に高速機において発電電動機の経済設計を 定格と仕様 図ることができる。 （3） 主機運転中は直結電動機と異なり，主機から切り離さ れているため損失が少ない。 発電電動機およびサイリスタ始動装置それぞれの定格と 仕様を表１，表２に示す。 （4 ） 装置が静止形であり，保守が容易になる。 （5） 主機停止過程時に回生制動が行えるため，始動・停止 構成機器 の頻度が高い揚水発電所において機械ブレーキの寿命が 長くなる。 しかしながらこのサイリスタ始動装置は構成機器が多く， かつ各機器の寸法も大きいため，地下式発電所の土木工事 主回路構成を図１に示す。構成は始動装置１台で２台の 発電電動機に対して切り換えて使用できる方式としている。 費を増大させる要因となることから，装置の小型化が望ま れている。富士電機では過去に揚水発電電動機用としてサ 表１ 発電電動機の定格と仕様 イリスタ始動装置を南アフリカ・パルミエット発電所に納 入しているが，本稿にて紹介する揚水発電電動機用始動装 置は，最新の技術を採用し，据付け面積を従来装置と比較 し76％に縮小することができ，土木費の削減に寄与してい る。本装置の製作にあたっては，設計・製作段階での品質 確保に努め，最終性能確認のために各構成機器を組み合わ せ，工場での総合性能試験を実施している。 富士電機製始動装置の主な特徴は次のとおりである。 （1） 7 kV サイリスタ素子を使用している。 型 式 立軸三相同期発電電動機 台 数 2台 最 大 出 力 電 力 周 波 発電機：147 MVA，電動機：150 MW 圧 13.8 kV 率 発電機：0.9，電動機：1.0 数 50 Hz 回 転 速 度 500 r/min はずみ車効果 1,600 t-m2 大隈 謙二 森山 琴也 篠原 博 水力発電プラントのエンジニアリ パワーエレクトロニクス製品の開 パワーエレクトロニクス，大容量 ングに従事。現在，富士・フォイ 発・設計に従事。現在，変電シス ト ハ イ ド ロ（ 株 ）技 術 部 マ ネ ー テム製作所パワエレ部。 ジャー。 電力変換装置の開発に従事。現在， （株） 富士電機総合研究所パワーエ レクトロニクス研究所。電気学会 会員。 283（25） 富士時報 揚水発電電動機用始動装置 Vol.74 No.5 2001 図２ 変換装置の外観 表２ サイリスタ始動装置の定格と仕様 出 8.5 MW 力 直 流 電 圧 14.08 kV 直 流 電 流 605 A 周 波 50 Hz 数 交 流 電 圧 13.8 kV 交 流 電 流 494 A 時 間 定 格 30分 加速/減速時間 240/150秒 冷 却 方 式 純水水冷却 変換装置構成 三相純ブリッジ 9S1P6A 素 子 仕 様 7 kV 1.3 kA 光間接点弧方式 AM189412 図３ バルブユニットの外観 図１ 主回路構成 No.2 主変圧器 No.1 主変圧器 No.1 励磁用変圧器 切換断路器 No.2 励磁用変圧器 切換断路器 断路器 GM用 遮断器 GM用 遮断器 AC リアクトル PT 遮断器 始動用 変圧器 CT 順変換装置 DC リアク トル 逆変換装置 CT 遮断器 励磁装置 切換 断路器 ︵制 D御 D・ C保 お護 バよ装 ルび置 ブサ 監イ 視リ 装ス 置タ ︶ 磁極位置 検出器 図４ 変換装置の内部構成 AC リアク トル PT 断路器 切換 断路器 相切換 断路器 GM1 AM189409 励磁装置 系統側 DC リアクタ 発電電動機側 相切換 断路器 磁極位置 検出器 GM1 GM：発電電動機 バルブ ユニット 9S1P バルブ ユニット 9S1P バルブ ユニット 9S1P バルブ ユニット 9S1P DC バルブタワー バルブタワー リアクタ バルブタワー バルブタワー 順変換装置 逆変換装置 ３.１ 変換装置 順変換装置と逆変換装置は，それぞれ 7 kV サイリスタ 素子で 9S1P6A からなる三相純ブリッジで構成される（外 リスタを一つのバルブユニット（図３）とし，図４のよう 観を 図 ２ に示す）。揚水発電所向け用途としては設置ス に変換装置内を二つのバルブタワーの構成とすることが可 ペースを最小化することが命題となるが，今回は高耐圧サ 能となった。このことにより，当社従来型と比ベて設置面 イリスタの採用により装置の小型化を達成している。また， 積で76％，体積で60％の小型化を達成した。 信頼性の確保と故障発生時の迅速な対応も要求されるため， サイリスタの点弧方式には保護および監視機能に優れた光 間接方式を採用した。 ３.１.１ サイリスタ サイリスタには 7 kV，1.3 kA の高耐圧サイリスタを採 用し，１アームあたり９直列とした。さらに９直列のサイ 284（26） 高耐圧サイリスタの点弧方式には，光間接方式と光直接 方式があるが，次の特徴により光間接方式を採用した。 （1） 点弧・保護装置をサイリスタごとにその直近に置いて いるため，サイリスタの保護・監視性能に優れる。 （2 ） 制御装置からの光信号を低エネルギーとすることで， 経済性・信頼性に優れる。 富士時報 揚水発電電動機用始動装置 Vol.74 No.5 2001 （3） 揚水発電用途に適した 1.5 kA 級のシリーズ化された 監視装置で判別することにより，バルブを表３に示す四つ の状態に分類して監視することが可能である。この情報に 高耐圧サイリスタが選定可能である。 より，万一の故障発生時には故障箇所の特定が容易になる ３.１.２ 点弧・保護装置 点弧・保護装置の外観を図５に示す。この回路の主機能 は，低圧側制御装置からの光信号を受けてパルスを整形・ 発生するものであるが，サイリスタ直近に置かれることで， ため，迅速な対応が可能である。 （3） 逆電圧期間中のパルス発生抑制 逆電圧期間中のサイリスタに点弧パルスが加わると，サ 以下の優れた保護・監視機能を持つことが可能となってい イリスタの漏れ電流が増加し，直列素子間の電圧分担が不 。 る（図６参照） 平衡となる。本点弧・保護装置では，サイリスタへの印加 （1） 過電圧保護回路 電圧を監視し，逆電圧期間中はパルスを発生させない機能 サイリスタの過電圧を検出して，BOD による自己点弧 パルスを発生し，自らサイリスタを点弧させることで過電 を持つため，電圧分担が不平衡となることがない。 ３.１.３ 自己点弧時の回路動作 前項で述べた本変換装置の特徴である自己点弧について， 圧から保護する。 回路解析による設計手法を試験結果と合わせて述べる。 （2 ） 返送信号による状態監視 サイリスタへの点弧パルスから直接光信号を発生させ， 自己点弧時の動作で最も厳しい条件として，アーム内の 低圧側の故障監視装置に返送する。返送される信号は正規 １素子だけ点弧できず，他のサイリスタがすべて点弧した 点弧パルスと自己点弧パルスの２種類となる。これを故障 となる。設計条件 場合を考える。そのときの回路は図７ （a） としては，①非点弧サイリスタの電圧上昇率がサイリスタ の許容値を超えないこと，②自己点弧時のサイリスタ電圧 図５ 点弧・保護装置の外観 が許容値を超えないよう，自己点弧パルス発生までの遅れ 時間を考慮して過電圧検出レベルを設定すること，の２点 となる。 ②の過電圧検出レベル（VBOD）については，サイリスタ の許容電圧上昇率（dVThp /dt）とパルス発生遅れ時間（td） により， VBOD = dVThp /dt×td＋VP から容易に求めることができる（ここで，VP は定常時の サイリスタ最高電圧） 。 ①の電圧上昇率については，さらに詳細な解析が必要と なる。 一般的に高圧の変換装置の過渡現象では，寄生容量（Ctt） が無視できない存在であるが，この場合においても Ctt か 図６ 点弧・保護装置の機能ブロック図 らの突入電流がサイリスタの電圧上昇率を決める主要因と A 素子電圧 検出 パルス幅 増幅， 整形 波形整形 なる。この突入電流の抑制はアノードリアクトルによって なされる。よって電圧上昇率を許容値以下とするためには， 自己点弧 （BOD） 点弧信号 最適なアノードリアクトルのインダクタンスを選定するこ G とが重要となる。以下にこの解析手法を述べる。 K 返送信号 図７ （b） の回路を近似的に図７ のように置き換えると， （a） 次の回路方程式となる。 点弧電源 監視 図７ 自己点弧時の回路モデル 点弧電源，制御電源 B 電源 補助 U 電源 V Lt K2 Lt La 2・E 2 C tt ThN −1 Rb ThN Cb 表３ 返送信号の種類とバルブの状態 （a）自己点弧時の回路 2・E 2 i1 i2 C tt i 1＋ i 2 La Rb V ThN Cb （b）自己点弧時の解析モデル 自己点弧パルス 返送信号 有 無 有 自己点弧 正常 無 点弧系故障 素子故障 正規点弧パルス 2・E 2：電源電圧最高値 L t：電源インダクタンス C tt：線間寄生容量 L a：アノードリアクトル R b：スナバ抵抗 C b：スナバコンデンサ VThN：非点弧サイリスタ電圧 285（27） 富士時報 揚水発電電動機用始動装置 Vol.74 No.5 2001 図８ 自己点弧時の解析結果と実測波形 同様に空心乾式タイプを採用した。 7,000 20 ①サイリスタ電圧計算値 ３.３.１ 制御装置の特徴 16 5,000 14 ②サイリスタ電圧実測値 12 4,000 10 3,000 8 2,000 6 ③ゲート電流波形 ゲート電流（A） サイリスタ電圧（V） ３.３ 制御装置 18 6,000 4 1,000 0 2 0 1 2 3 4 5 時間（ s） 6 7 8 0 制御装置としては，①演算の高速化，②多様なプラント 仕様への対応，③ソフトウェア開発の効率向上，④ RAS 機能の充実などの理由により，主に電力や一般産業向け大 容量変換装置用に適用することを目的とした自社製の標準 制御装置を使用している。この制御装置は次に記す特徴を 持っている。 （1） 最新のマイクロエレクトロニクス技術の導入 統括制御用 64 ビット RISC プロセッサと変換器制御用 32 ビット DSP の２種類の浮動小数点演算プロセッサを使 用している。これらのプロセッサは並列動作し，入出力モ di1 di2 1 dt = 2 E2 b i1＋i2 ） （Lt＋La） ＋La ＋R（ ＋ （ i1＋i2 ） dt dt Cb di1 1 Lt − dt Ctt i2dt = 2 E2 このとき，非点弧サイリスタ（ThN）の電圧上昇率は次 式で求められる。 ジュールの共有化やバックアップも可能である。 （2 ） 機能の集約とフレキシビリティの共存 アナログ入出力（AIO） ，ディジタル入出力（DIO） ，パ ルス分配など各モジュールごとにハードウェアを完結し， モジュール内の結合度を高めている。モジュール相互間は 高速シリアル伝送によって結合し，物理的にも論理的にも dVThN d 1 R（ s i1＋i2 ） = ＋ （ i1＋i2 ） dt dt Cs 自由に配置可能としている。また，変換器制御の要（かな これらを数値解析することにより，最適なアノードリア 対応できるように，専用プロセッサと FPGA（Field Pro- クトルの定数選定を行った。 特に解析の有効性を保つためには，寄生容量を正確に把 め）であるパルス分配部分は，多様なゲートパルス生成に grammable Gate Array）で構成している。 （3） ソフトウェア開発の自動化 〈注１〉 握することが必要である。また，解析結果からアノードリ 制御 CAD として広く使用されている MATLAB /Simu 〈注２〉 アクトルを選定するときには，その周波数特性を考慮した link で設計・シミュレーション検証を行ったプログラムか うえで選定しなければならない。 ら，制御装置内プロセッサ用の実行コードを自動作成する 図８に解析結果を試験時の実際の波形と合わせて示す。 EDA 環境を整備した。この EDA 環境により，シミュ 解析条件であるサイリスタの点弧以前（ゲート電流発生以 レーションから実行コードまで首尾一貫性を保ち，ソフト 前）までは両者のよい一致が見られ，解析の有効性が確認 ウェアの信頼性・視認性を高めるとともに，制御機能の追 された。 加・削減などの仕様変更に対応できるようにしている。 （4 ） RAS 機能の充実 ３.２ 付属装置 システムの稼動率を高める機能を一般に RAS 機能と称 変換装置側での短絡事故時の短絡電流抑制のために AC する。この制御装置ではハードウェアの自己診断機能によ リアクトルを設置する。本始動装置においては保守面で優 り電源投入時および運転中の診断が可能である。またプロ れた空心乾式タイプのリアクトルを採用した。リアクトル セッサ間の相互監視を行っているため，故障したプロセッ はアルミニウムの巻線をコンクリート状の樹脂で強固に固 サに代わり，システムの安全停止や一部機能を停止させた め，上下に張った放射状のアルミニウム製スパイダで強度 うえでの縮退運転も可能である。またアナログ信号・ディ を確保する構造をとっている。 リアクトルは三相分をがいしで３段積みにしてキュービ ジタル信号・ゲートパルス信号の変化を１ s の分解能で 記録でき，異常現象発生前後の情報を用いた故障解析を容 クルに収納するため，設計段階で特に温度上昇について留 易にしている。 意するとともに，工場で温度試験を実施し性能を確認した。 ３.３.２ ハードウェア構成 始動用変圧器は電源と変換器との間を絶縁するために設 始動装置用制御装置は，順変換装置と逆変換装置の制御 ける。始動変圧器のインピーダンスも短絡電流抑制に寄与 を極力分離独立させるために 図 ９ に示す構成とした。各 するため，電源側のリアクトルの値は変圧器のインピーダ ンスも考慮して決定する。 順変換器，逆変換器の間にはＰ側，Ｎ側に直流リアクト ボードは次の役割を分担する。 （1） 順変換装置用コントローラボード RISC プロセッサと DSP で構成される。RISC プロセッ ルを設置している。これは変換器出力電流リプルの平滑お よび変換器の転流失敗時においても過電流継電器が動作し 〈注１〉MATLAB：米国 The MathWorks Inc.の登録商標 ないよう過電流を抑制する効果を持つ。ＡＣリアクトルと 〈注２〉Simulink：米国 The MathWorks Inc.の登録商標 286（28） 富士時報 揚水発電電動機用始動装置 Vol.74 No.5 2001 図９ ハードウェアの構成 逆変換器用コントローラボード 順変換器用コントローラボード RISC DSP_Ti DSP_Ti FPGA コモンメモリ 拡張ボード CPU FPGA コモンメモリ コモンメモリ FPGA ローダ RAM RAM FPGA DSP_A RAM RAM FPGA DSP_A FPGA FPGA バルブ監視装置へ 順変換器用 パルス分配 ボード FPGA 逆変換器用 パルス分配 ボード FPGA DSP_A DSP_A FPGA FPGA FPGA FPGA DIO ボード AIO ボード1 FPGA AIO ボード2 FPGA A/D 順変換器用パルス 逆変換器用パルス FPGA D/A 故障検出 （ハード ウェア） リレ−信号 位置検出 信号選択 ボード A/D D/A 故障検出 （ハード ウェア） 順変換器側電圧信号 順変換器側電流信号 逆変換器側電流信号 PC 1号正転用位置検出器信号 1号逆転用位置検出器信号 2号正転用位置検出器信号 2号逆転用位置検出器信号 選択 信号 サは全体シーケンスを，DSP は順変換装置の制御・保護 を担当して，電流制御，揃速（せんそく）運転時の速度制 制御方式 御などを実行する。 （2 ） 逆変換装置用コントローラボード DSP で構成され，逆変換装置のパルス分配制御と保護を 担当する。 （3） AIO ボード 順変換装置と逆変換装置の制御・保護のためのアナログ 信号インタフェースとして機能し，各部の電圧・電流信号 や位置検出信号を入力する。 （4 ） DIO ボード 起動・停止信号や運転モード選択信号などのシーケンス 信号を入力する。また過電流，過負荷，転流失敗など内部 で演算検出する故障信号を出力する。 （5） パルス分配ボード 順変換装置と逆変換装置のゲートパルスを演算し，光信 号として出力する。 （6 ） 位置検出器選択ユニット 発電電動機は水車回転方向とポンプ回転方向用の回転子 磁極位置検出器を備えている。本ユニットは選択される 号機とその回転方向に適した位置検出信号を選択する。 ４.１ 制御の概要 ４.１.１ 始動（裁断制御） （1） 始動装置に対し始動指令が与えられると，発電電動 機の界磁巻線に一定の励磁電流が供給される。 （2 ） 始動装置の DDC（制御装置）から順変換装置のサイ リスタにゲート信号が与えられ直流電流が供給される。 （3） 回転子磁極位置検出器の信号により，逆変換装置サ イリスタの通電相を決定し，三相交流電流を供給する ことにより始動トルクが発生する。 （4 ） 始動初期は発電電動機の誘起電圧が低いため，サイ リスタが転流できない。そこで順変換装置側で強制的 に電流を絞り，逆変換装置のサイリスタをオフさせる。 その後に再び逆変換装置のサイリスタの通電相を切り 換えた後，直流電流を立ち上げ，裁断制御を行う。こ の裁断制御はサイリスタの転流に必要な誘起電圧が得 られる回転速度（10 ％程度）まで行われる。 ４.１.２ 加速（回転機転流制御） （1） 裁断制御により回転速度が上昇し，発電電動機の誘 起電圧がサイリスタの転流に必要な値に達すると逆変 換装置は回転子磁極位置検出器の信号により順次転流 し，発電電動機を加速させていく。 （2 ） この期間は逆変換装置の制御角を，ほぼ一定に制御 287（29） 富士時報 揚水発電電動機用始動装置 Vol.74 No.5 2001 図１０ モデル試験結果 裁断 加速 揃速 系統運転 減速 裁断 100% 速度指令値 0 100% 速度実際値 0 直 流 電 圧 0 並列完了 直 流 電 流 0 系 統 電 流 0 同 期 投 入 ON OFF 2s/div ビート電圧 0 する。また順変換装置の制御角を加速に伴い小さくする ネルギーは電力として電源側に回生されるため回転速度は ことにより直流電流値を一定に保つ。 低下し，数％の速度に降下すると機械ブレーキが動作する。 ４.１.３ 揃速制御，並列 （1） 発電電動機の回転速度がほぼ同期速度に達すると，揃 速制御に移行する。系統周波数と発電電動機周波数との ４.２ モデル試験結果 工場でのモデル試験時のオシログラムを図１０に示す。 偏差に応じて，順変換装置により発電電動機の回転速度 を制御し，また自動電圧調整装置により系統電圧と発電 あとがき 電動機電圧との偏差に応じて界磁電流を制御し，周波数， 電圧を一致させる。 （2 ） 周波数，電圧が一致し，同期投入条件が成立すると， 順変換器のゲートシフトを行い，直流電流をゼロにする とともに順変換装置，逆変換装置のゲートをブロックす る。 （3） 同時に発電機遮断器を閉路し，始動装置の電源側，駆 本稿では，ガトガール揚水発電所向け始動装置の概要を 紹介した。ここで紹介した技術は今後の揚水発電技術に大 いに寄与するものと確信する。 終わりに，本発電所向け機器の計画・製作にあたり，関 係各位から有益なご指導とご協力を賜ったことに対し深く 感謝の意を表する次第である。 動機側遮断器を開路する。 ４.１.４ 回生制動制御 加速時と同様に順変換装置の制御角を制御することによ り電力回生制御ができるため発電電動機停止時の制動装置 として使用できる。 始動装置に減速指令が与えられると発電電動機の回転エ 288（30） 参考文献 （1） 奥野貴之ほか．大容量発電電動機及びサイリスタ始動装置 （パルミエット揚水発電所向け）．富士時報．vol. 60，no.5， 1987，p.378- 383． ＊本誌に記載されている会社名および製品名は，それぞれの会社が所有する 商標または登録商標である場合があります。