JP2000152698A

JP2000152698A - 可変速発電システムの運転制御方法

Info

Publication number: JP2000152698A
Application number: JP10322750A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Ota; 仁志太田; Taizo Nakamura; 泰造中村
Original assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp; Toshiba Engineering Sevice Corp
Current assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp; Toshiba Engineering Sevice Corp
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2000-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】可変速発電システムにおいて発電調相運転か
ら発電運転に移行させる際、過大な負トルクの変動を抑
制し安全確実なる制御を可能にする。【解決手段】可変速発電システムの発電調相運転から
発電運転に切換える時に、並列用遮断器４を解列し、周
波数変換器９をゲートブロックして二重給電交流機３の
固定子側の電圧を零にし、入口弁１４と排気弁１８とを
同時に開いて、排気完了となったときに、ハイドロター
ビン１のガイドベーン２を再起動制御させ、並列回転速
度になれば周波数変換器９をゲートデブロックして、二
重給電交流機３の固定子側の電圧を系統電源に同期させ
て再並列し発電運転に切換える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水力発電プラント
の可変速発電システムにおいて、発電調相運転から発電
運転に運転切換えを行う可変速発電システムの運転制御
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の水力発電プラントでは、従来の同
期機に代えて、回転子側に周波数変換器を接続した二重
給電交流機を用い、その可変速制御によって発電運転中
の効率向上や揚水運転中の自動周波数制御ＡＦＣや調相
運転中の適正回転速度の維持を目的とした可変速発電シ
ステムが知られている。

【０００３】図３は、そのような可変速発電システムの
主回路構成図である。ハイドロタービンである水車また
はポンプ水車１への水の流量はガイドベーン２により調
整される。二重給電交流機（巻線形誘導機）３は、回転
子側がポンプ水車１に機械的に直結されると共に固定子
側が並列用遮断器４を介して主要変圧器５から系統電源
６に接続可能に設けられている。また、この二重給電交
流機３の固定子側には、揚水運転時の始動用断路器７が
接続されている。一方、周波数変換器９はその入力側が
周波数変換器用遮断器８を介して、主要変圧器５から系
統電源６に接続され、系統電源６の周波数を所要周波数
に変換する。周波数変換器９の出力側は、二重給電交流
機３の回転子側に接続されている。制御装置１０は、ガ
イドベーン２、並列用遮断器４、周波数変換器９等に指
令を出力し、可変速発電システムの運転制御を行う。

【０００４】図４は、可変速発電システムの主要機械機
器構成を示したものである。二重給電交流機３の回転軸
３ａはポンプ水車軸１ａを介してランナ１１に固着され
ている。ランナ１１は、ランナ室１２内に回転可能に収
納されており、ランナ室１２は上カバー１２ａと下カバ
ー１２ｂとから構成され、ランナ室１２の外側には、環
状に配列したガイドベーン２を介して渦巻ケーシング１
３が配設されている。渦巻きケーシング１３は入口弁１
４を備えた水圧鉄管１５を介して貯水池（図示せず）に
接続されており、入口弁１４には渦巻きケーシング１３
内を充水するためのバイパス弁１６が並列に設けられて
いる。ランナ室１２の下カバー１２ｂの下端には、エル
ボ形の吸出管１７が連設されており、また上カバー１２
ａには排気弁１８を備えた排気管１９が接続されてい
る。

【０００５】このような構成の可変速発電システムに於
いて、発電調相運転を行う場合には、二重給電交流機３
を同期並列させたままで、入口弁１４を全閉し、次いで
ガイドベーン２を全閉した後、圧縮空気をランナ室１２
内に吹き込んで、その水位を吸出管１７内の規定水位Ａ
まで押し下げる。これによってランナ１１は空転で回転
している。またポンプ水車１の回転速度は周波数変換器
９によって、適正回転速度（可変速発電システムの可変
速調整範囲内でかつ空転損失を少なくなる適正回転速
度）に制御されており、二重給電交流機３に対する負ト
ルク（二重給電交流機３のマイナス出力）を低減させる
ようにしている。

【０００６】図５は、従来の運転制御方法での発電調相
運転から発電運転に移行させる制御ブロック図である。
図５に示すように、遠方制御所又は主配電盤から、発電
調相運転から発電運転への切換指令「Ｃ→Ｇ切換指令３
０」が到来すると、排気弁１８の開制御「排気弁開３
１」によりランナ室１２内の圧縮空気は排気され、同時
にバイパス弁１６の開制御「バイパス弁開３２」により
バイパス弁１６を全開させる。バイパス弁１６が全開す
れば入口弁１４の開制御「入口弁開３５」により入口弁
１４が開く。

【０００７】一方、排気弁１８の開制御「排気弁開３
１」によりランナ室１２の排気が完了「排気完了３３」
すると、排気弁１８の閉制御「排気弁閉３４」により排
気弁１８を閉じる。「入口弁開３５」により入口弁１４
が全開し「排気弁閉３４」により排気弁１８が全閉すれ
ば、ガイドベーンの開制御「ガイドベーン開３６」にて
ガイドベーン２が開き始める。この場合、ガイドベーン
２の開度が小さい間は、ポンプ水車１は負トルク領域
（二重給電交流機３のマイナス出力）「ポンプ水車負荷
トルク領域３７」を通過し、ガイドベーン２が十分に開
いた段階で正トルク領域（二重給電交流機３のプラス出
力）「ポンプ水車正トルク領域３８」に突入して「発電
運転３９」に至る。

【０００８】次に、図６は、発電調相運転から発電運転
に移行する場合の各プロセス量の変化特性を示すタイム
チャートである。（１）はランナ１１に作用するトルク
Ｔ、（２）はＧＭ（二重給電交流機３）の出力Ｐ、
（３）は回転速度Ｎ、（４）はガイドベーン開度ａ、
（５）は排気弁開度、（６）は入口弁開度、（７）はラ
ンナ室水位、（８）はランナ室水圧の変化の様子を示
す。

【０００９】従来の運転制御方法では、二重給電交流機
３を系統電源６に同期並列させ、適正回転速度を保った
状態のまま発電調相運転から発電運転に切換えるように
しているため、図６に示すように、ポンプ水車１はガイ
ドベーン開度ａが締切りから所定値に達するまでの間、
負トルク領域（二重給電交流機３のマイナス出力）で運
転することになる。

【００１０】図７および図８は、負トルク領域運転（二
重給電交流機３のマイナス出力）の説明図である。図７
は、ポンプ水車１の回転速度をＮ、運転落差をＨ、ラン
ナ１１に作用するトルクをＴとする時の単位落差トルク
Ｔ／Ｈと単位落差回転速度Ｎ／√Ｈとの関係を、ガイド
べーン開度ａ１〜ａ７をパラメータとして示したもので
ある。ここで、ガイドベーン開度ａ０は全閉状態を示
し、ａ０、ａ１、…ａ７はその順に開度が増加（ａ０＜
ａ１＜ａ２…＜ａ７）するものとする。

【００１１】図７から明らかなように、単位落差トルク
Ｔ／Ｈ特性曲線は無負荷（Ｔ＝０）の近傍において、単
位落差回転速度Ｎ／√Ｈが小さくなる方向へ急激に偏回
し、負トルク領域（二重給電交流機３のマイナス出力）
へ落ち込む。

【００１２】図８は、定格回転速度Ｎ０の基で、ガイド
ベーン開度ａが変化した場合におけるポンプ水車トルク
Ｔの変化の様子を示している。この図８からも明らかな
ように、従来の運転制御方法においては、発電調相運転
から発電運転に移行する際、ポンプ水車締切状態Ａ（ａ
＝０）からガイドベーン開度ａが増加する間に、過大な
負トルク領域（二重給電交流機３のマイナス出力）に落
ち込み、極底部Ｂから無負荷状態Ｃ（Ｔ＝０）を経た
後、正トルクの水車発電運転領域（二重給電交流機３の
プラス出力）に移行することになる。また、発電調相運
転の適正回転速度（ＮＣ）が定格回転速度Ｎ０よりも低
い場合も同じ現象となる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、発電調
相運転から発電運転に移行する際、ポンプ水車１は定格
回転速度Ｎ０以下でポンプ水車締切状態を通過するの
で、その間、過酷な水圧脈動を受けて大きな振動や騒音
を発生する。特に、ハイドロタービンがポンプ水車１の
場合には、揚水運転時のポンプ効率を高めるために、ラ
ンナ１１の翼形が水流に対するランナ１１の回転遠心作
用効果が大きくなるように設計されているため、ポンプ
水車締切運転や少流量運転時における締切圧力は高くな
っており、上述した水圧脈動は一層激しいものとなる。

【００１４】また、過大な負トルク領域（二重給電交流
機のマイナス出力）を通過して正トルク領域（二重給電
交流機のプラス出力）へ至る間、ランナ１１には著しい
トルク変動が生じるので、これに直結された二重給電交
流機３にも大きな衝撃力が加わる上、二重給電交流機３
が並列されている系統電源に動揺を与える等、機器や系
統電源に悪影響を及ぼすという不都合がある。

【００１５】本発明の目的は、前述の不都合を除去すべ
くなされたもので、可変速発電システムにおいて発電調
相運転から発電運転に移行させる際、過大な負トルクの
変動を抑制し安全確実なる制御を可能にする可変速発電
システムの運転制御方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係わる
可変速発電システムの運転方法は、水車またはポンプ水
車等のハイドロタービンと、前記ハイドロタービンの流
量を調整するガイドベーンと、回転子側が前記ハイドロ
タービンのランナーによって駆動されると共に固定子側
が系統電源に接続可能に設けられた二重給電交流機と、
この二重給電交流機の回転子側に接続され前記系統電源
周波数を所要周波数に変換する周波数変換器とを備えて
構成される可変速発電システムの運転制御方法におい
て、前記可変速発電システムの発電調相運転から発電運
転に切換える時に、先ず並列用遮断器を解列し、前記並
列用遮断器が解列した事を条件に前記周波数変換器をゲ
ートブロックし、入口弁と排気弁をほぼ同時に開らき、
その後前記入口弁の全開と排気完了とを条件に、前記ハ
イドロタービンのガイドベーンを再起動制御させ、ハイ
ドロタービンの回転速度が並列回転速度になれば前記周
波数変換器をゲートデブロックし、前記二重給電交流機
の固定子側の電圧を前記系統電源に同期させて再並列
し、発電運転に切換えるようにしたことを特徴とする。

【００１７】請求項１の発明に係わる可変速発電システ
ムの運転方法では、可変速発電システムの発電調相運転
から発電運転に切換える時に、並列用遮断器を解列し、
周波数変換器をゲートブロックして二重給電交流機の固
定子側の電圧を零にし、入口弁と排気弁とを同時に開い
て、入口弁が全開となり排気完了となったときに、ハイ
ドロタービンのガイドベーンを再起動制御させ、並列回
転速度になれば周波数変換器をゲートデブロックし、二
重給電交流機の固定子側の電圧を系統電源に同期させて
再並列し発電運転に切換える。

【００１８】請求項２の発明に係わる可変速発電システ
ムの運転方法は、水車またはポンプ水車等のハイドロタ
ービン、前記ハイドロタービンの流量を調整するガイド
ベーンと、回転子側が前記ハイドロタービンのランナー
によって駆動されると共に固定子側が系統電源に接続可
能に設けられた二重給電交流機と、この二重給電交流機
の回転子側に接続され前記系統電源周波数を所要周波数
に変換する周波数変換器とを備えて構成される可変速発
電システムの運転制御方法において、前記可変速発電シ
ステムの発電調相運転から発電運転に切換える時に、並
列用遮断器を解列し、前記並列用遮断器が解列したこと
を条件に前記周波数変換器をゲートブロックすると共に
排気弁を開らき、排気完了の後に入口弁を開いて、前記
入口弁が全開とする条件で前記ハイドロタービンのガイ
ドベーンを再起動制御させて、並列回転速度になれば前
記周波数変換器をゲートデブロックして、前記二重給電
交流機の固定子側の電圧を前記系統電源に同期させて再
並列し、発電運転に切換えるようにしたことを特徴とす
る。

【００１９】請求項２の発明に係わる可変速発電システ
ムの運転方法では、可変速発電システムの発電調相運転
から発電運転に切換える時に、並列用遮断器を解列し、
周波数変換器をゲートブロックし二重給電交流機の固定
子側の電圧を零にする。そして、排気弁を開き排気完了
を検出した後に、入口弁を開き入口弁が全開となったと
きにポンプ水車のガイドベーンを再起動制御させて、並
列回転速度になれば周波数変換器をゲートデブロック
し、二重給電交流機の固定子側の電圧を系統電源に同期
させて再並列し発電運転に切換える。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。図１は本発明の実施の形態に係わる可変速発電シ
ステムの運転制御方法の制御ブロック図である。本発明
の可変速発電システムでは、ハイドロタービンは、揚水
発電システムである場合にはポンプ水車を用い、通常の
水力発電システムである場合には水車を用いる。いずれ
の場合にも、ランナ室に圧縮空気を送り込んで発電調相
運転を行う。従って、発電調相運転から発電運転に切り
換える運転制御モードは必要となる。

【００２１】図１において、電力系統に同期並列して、
ハイドロタービン（ポンプ水車または水車）が適正回転
速度（ＮＣ）で発電調相運転しているとする。この状態
で、遠方制御所又は主配電盤からの発電調相運転から発
電運転への切換指令「Ｃ→Ｇ切換指令７０」が到来する
と、先ず並列用遮断器４のしゃ断制御「並列用ＣＢしゃ
断７１」を行うと同時に、排気弁１８の開制御「排気弁
開７２」とバイパス弁１６の開制御「バイパス弁開７
３」とを同時に行う。

【００２２】並列用遮断器４が開くと周波数変換器９が
ゲートブロック制御「周波数変換器ゲートブロック７
４」を行い、二重給電交流機３の固定子側の電圧を零に
する。排気弁１８が開くと吸出管１７の水位Ａが上昇を
開始する。また、排気弁１８が開くとタイマーがＯＮ動
作「タイマーＯＮ７５」が開始する。タイマーの時間は
ランナ室１２内の圧縮空気が排気完了する時間に設定さ
れる。タイマーが時間をカウントアップすると排気弁１
８の閉制御「排気弁閉７６」を行う。また、バイパス弁
１６が開くとケーシング１３が充水し、バイパス弁１６
が全開すると入口弁１４の開制御「入口弁開７７」を行
う。そして、並列用遮断器４が開き、排気弁１８が全閉
かつ入口弁１４が全開となると、そのことを条件にガイ
ドベーン２の開制御「ガイドベーン開７８」を行う。

【００２３】ここで、以上の説明では、ランナ室１２内
の圧縮空気が排気完了する条件を、タイマーの設定時間
で判定するようにしたが、ランナ室１２内に水位検出器
を設け、その水位検出器の検出水位により、ランナ室１
２内の圧縮空気が排気完了する条件を判定するようにし
ても良い。

【００２４】また、排気弁１８の開制御「排気弁開７
２」とバイパス弁１６の開制御「バイパス弁開７３」と
を同時に行うようにしたが、ランナ室１２内の圧縮空気
が排気完了し排気弁１８の閉制御「排気弁閉７６」を行
った後に、バイパス弁１６の開制御「バイパス弁開７
３」を行い、ケーシング１３を充水して入口弁１４の開
制御「入口弁開７７」を行うようにしても良い。

【００２５】ガイドベーン２の開制御「ガイドベーン開
７８」を行った後は、次いで「ガバナ再起動制御７９」
によりガイドベーン２の開度を制御する。これにより、
ランナ１１は加速されて回転速度が並列回転速度（Ｎ
Ｐ）「並列回転速度８０」になると、周波数変換器９の
ゲートデブロック制御「周波数変換器ゲートデブロック
８１」を行って、二重給電交流機３の固定子側の電圧を
立ち上げる。そして、系統電源６に「同期制御８２」さ
せて並列用遮断器４の投入制御「並列用ＣＢ投入８３」
を行い、「発電運転８４」への移行を完了する。なお、
発電運転中は発電出力による最適回転速度（ＮＲ）で運
転される。

【００２６】図２は、本発明の実施の形態における発電
調相運転から発電運転に移行する場合の各プロセス量の
変化特性を示すタイムチャートである。（１）はランナ
１１に作用するトルクＴ、（２）はＧＭ（二重給電交流
機３）の出力Ｐ、（３）はＧＭの固定子側の電圧Ｖ、
（４）は回転速度Ｎ、（５）はガイドベーン２の開度
ａ、（６）は並列用遮断器４、（７）はタイマー、
（８）は排気弁１８、（９）は入口弁１４、（１０）は
ランナ室１２の水位、（１１）はランナ室１２の水圧を
示す。

【００２７】本発明の実施の形態においては、可変速発
電システムを発電調相運転から発電運転へ移行させる
際、これを一旦系統電源６から解列してランナ１１の回
転速度を減速させるようにしたので、ランナ１１の遠心
力作用による水圧が低い状態になる。従って、ポンプ水
車１の水圧脈動は軽減され異常振動や騒音の発生を低減
できる。

【００２８】すなわち、図２に示すように、ポンプ水車
１の負トルク（二重給電交流機３のマイナス出力）の発
生を防止でき、これによる系統電源６へに及ぼす悪影響
を回避することができる。また、発電調相運転中の回転
速度が可変速調整範囲の下限近傍にあったとしても、二
重給電交流機３を解列して周波数変換器９をゲートブロ
ックしているので、周波数変換器９の可変速運転範囲を
逸脱することはない。

【００２９】このように、本発明の実施の形態では、適
正回転速度で調相運転を行っている可変速発電システム
あるいは可変速発電システムを発電運転に移行させる
際、それまで系統電源３に同期並列されていた二重給電
交流機３を一旦系統電源６から解列し、二重給電交流機
３を無励磁にし、並列回転速度になれば二重給電交流機
の固定子側の電圧を立ち上げて系統電源に同期させて再
並列し、発電運転に切換えるようにしているので、ポン
プ水車１の負トルク（二重給電交流機３のマイナス出
力）の発生を防止でき、これによる系統電源６へに及ぼ
す悪影響を回避することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、発
電調相運転から発電運転に移行させる際、ポンプ水車ま
たは水車の異常振動や騒音の発生を抑制でき、系統電源
に悪影響を及ぼすことなく、かつ周波数変換器を安全確
実に制御することができる。従って、可変速発電システ
ムの安全性及び信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係わる可変速発電システ
ムの運転制御方法を示す制御ブロック図。

【図２】本発明の実施の形態に係わる可変速発電システ
ムでの発電調相運転から発電運転に移行する場合の各プ
ロセス量の変化特性を示すタイムチャート。

【図３】従来の可変速発電システムの主回路の構成図。

【図４】従来の可変速発電システムの機械系主要機器の
構成図。

【図５】従来の可変速発電システムでの発電調相運転か
ら発電運転に移行させる制御ブロック図。

【図６】従来の可変速発電システムでの発電調相運転か
ら発電運転に移行する場合の各プロセス量の変化特性を
示すタイムチャート。

【図７】従来における負トルク領域運転での単位落差ト
ルクと単位落差回転速度との関係をガイドべーン開度を
パラメータとして示した特性図。

【図８】従来における負トルク領域運転での定格回転速
度の基でガイドベーン開度が変化した場合のポンプ水車
トルクの変化の特性図。

【符号の説明】

１ポンプ水車２ガイドベーン３二重給電交流機４並列用遮断器５主要変圧器６系統電源７始動用断路器８周波数変換器用遮断器９周波数変換器１０制御装置１１ランナ１２ランナ室１２ａ上カバー１２ｂ下カバー１３ケーシング１４入口弁１５水圧鉄管１６バイパス弁１７吸出管１８排気弁１９排気管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者太田仁志東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内 (72)発明者中村泰造神奈川県川崎市幸区堀川町66番２興和川崎西口ビル17階東芝エンジニアリングサービス株式会社内Ｆターム(参考） 3H073 AA02 AA12 BB09 BB13 BB23 CC07 CC12 CC19 CC26 CD02 CD18 CE09 CE15 CE24 5H590 AA01 AA06 CA11 CA12 CC10 CD05 CE01 DD44 EA07 EA10 EA14 EA17 EA20 EB02 EB07 EB15 EB20 FA01 FA05 FA08 GA02 HA02 HA22 HA25 HA27 JA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水車またはポンプ水車等のハイドロター
ビンと、前記ハイドロタービンの流量を調整するガイド
ベーンと、回転子側が前記ハイドロタービンのランナー
によって駆動されると共に固定子側が系統電源に接続可
能に設けられた二重給電交流機と、この二重給電交流機
の回転子側に接続され前記系統電源周波数を所要周波数
に変換する周波数変換器とを備えて構成される可変速発
電システムの運転制御方法において、前記可変速発電シ
ステムの発電調相運転から発電運転に切換える時に、先
ず並列用遮断器を解列し、前記並列用遮断器が解列した
事を条件に前記周波数変換器をゲートブロックし、入口
弁と排気弁をほぼ同時に開らき、その後前記入口弁の全
開と排気完了とを条件に、前記ハイドロタービンのガイ
ドベーンを再起動制御させ、ハイドロタービンの回転速
度が並列回転速度になれば前記周波数変換器をゲートデ
ブロックし、前記二重給電交流機の固定子側の電圧を前
記系統電源に同期させて再並列し、発電運転に切換える
ようにしたことを特徴とする可変速発電システムの運転
制御方法。
【請求項２】水車またはポンプ水車等のハイドロター
ビンと、前記ハイドロタービンの流量を調整するガイド
ベーンと、回転子側が前記ハイドロタービンのランナー
によって駆動されると共に固定子側が系統電源に接続可
能に設けられた二重給電交流機と、この二重給電交流機
の回転子側に接続され前記系統電源周波数を所要周波数
に変換する周波数変換器とを備えて構成される可変速発
電システムの運転制御方法において、前記可変速発電シ
ステムの発電調相運転から発電運転に切換える時に、並
列用遮断器を解列し、前記並列用遮断器が解列した事を
条件に前記周波数変換器をゲートブロックすると共に排
気弁を開らき、排気完了の後に入口弁を開いて、前記入
口弁が全開とする条件で前記ハイドロタービンのガイド
ベーンを再起動制御させて、並列回転速度になれば前記
周波数変換器をゲートデブロックして、前記二重給電交
流機の固定子側の電圧を前記系統電源に同期させて再並
列し、発電運転に切換えるようにしたことを特徴とする
可変速発電システムの運転制御方法。