JP2001132609A

JP2001132609A - ポンプ水車

Info

Publication number: JP2001132609A
Application number: JP30850399A
Authority: JP
Inventors: Hisao Kuwabara; 尚夫桑原; Kei Katayama; 慶片山; Hiroto Nakagawa; 博人中川; Haruki Hagiwara; 春樹萩原
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 1999-10-29
Publication date: 2001-05-18
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: JP4078003B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明はポンプ水車に関し、特に負荷遮断を行
う際になるべく安定した制御を行うことを可能にする。【解決手段】負荷遮断を行う際に、ポンプ水車のガバナ
ーによる閉鎖制御が進行中にもかかわらず一時的に水量
調整手段を開動作させる補正制御を行うようにした。【効果】負荷遮断時の余計な流量変動を抑制することが
可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はポンプ水車に係り、
特に負荷遮断時動作を安定させるようにしたポンプ水車
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、ポンプ水車、特に高揚程ポン
プ水車のランナーは、ポンプ運転時に高揚程を得る為
に、充分なる遠心ポンプ作用を発揮するべく設計され
る。

【０００３】しかしながら、この設計が、ポンプ水車の
水車運転には悪影響を与える。特に後述のＳ字特性と呼
ばれる特性が現れるが、これを完全に回避するのは難し
いと考えられている。ポンプ水車の流量特性は、一般
に、案内羽根開度をパラメータにして単位落差当り回転
数（Ｎ１＝Ｎ／√Ｈ）と単位落差当り流量（Ｑ１＝Ｎ／
√Ｈ）との関係を示す一群の特性曲線で表す。他方、ポ
ンプ水車のトルク特性は、案内羽根開度をパラメータに
して単位落差当り回転数（Ｎ１＝Ｎ／√Ｈ）と単位落差
当りトルク（Ｔ１＝Ｔ／Ｈ）との関係を示す一群の特性
曲線で表す。なお、これら２種類の特性曲線を総称して
完全特性と呼ぶ。ところで上記流量特性曲線は、水車運
転領域において、Ｎ１の値の増加に伴ってＱ１の値が減
少する第１の部分と、Ｎ１の値の減少に伴ってＱ１の値
が減少する第２の部分とを有する。説明の便宜上、本明
細書においては、前記第２の部分を、Ｓ字特性部分と称
する。更に、Ｓ字特性部分におけるポンプ水車の特性
を、以後、Ｓ字特性と称する。Ｓ字特性部分における水
車運転にあっては、単位落差当りトルク（Ｔ１）もま
た、単位落差当り回転数（Ｎ１）の減少に伴い、減少す
る。

【０００４】ポンプ水車の水車モードの通常運転は、上
記第１の部分において行われる。しかしながら、負荷し
ゃ断により、単位落差当りの回転数（Ｎ１）が急激に大
きく増加する場合は、ポンプ水車は、Ｓ字特性部分にお
いて運転されることになる。Ｓ字特性部分における運転
が開始されると、ポンプ水車の運転点はＳ字特性部分を
一端から他端へとたどりつつ、まず単位落差当りの流量
（Ｑ１）と単位落差当りの回転数（Ｎ１）は減少する。
その後、今度は振子が振返すようにＳ字特性部分を逆方
向にたどりつつ、Ｑ１とＮ１は増加する。Ｓ字特性部分
におけるこの往復運動は、案内羽根開度を閉めない限り
いつまでも継続する。この間、単位落差当りのトルク
（Ｔ１）も、減少と増加をくり返す。

【０００５】水車運転領域においてＳ字特性を有するポ
ンプ水車の特性を、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示
す。図６（Ａ）においては、ポンプ水車の特性が、案内
羽根開度をパラメーターにとり、単位落差当りの回転数
（Ｎ１）と単位落差当りの流量（Ｑ１）との関係として
示されている。一方、図６（Ｂ）においては、ポンプ水
車の特性が、同じパラメーターにより、単位落差当りの
回転数（Ｎ１）と単位落差当りのトルク（Ｔ１）との関
係として示されている。Ｎ１，Ｑ１およびＴ１は次の式
により表現される。

【０００６】上記において、符号Ｎ，Ｑ，ＨおよびＴ
は、それぞれ、ポンプ水車の回転数，流量，有効落差お
よびトルクを示す。

【０００７】特性曲線１および１′は、所定の比較的大
きな案内羽根開度の下で得られる。特性曲線２および
２′は、それよりも小さな案内羽根開度の下で得られ
る。特性曲線３および３′は更にそれよりも小さい案内
羽根開度の下で得られる。

【０００８】特性曲線１のａ−ｄ−ｈ部分においては、
Ｑ１の値は、Ｎ１の減少に伴い減少する。上述の様に、
この曲線部分ａ−ｄ−ｈを、本明細書においては、Ｓ字
特性部分と称する。同様に、曲線部分ｂ−ｅ−ｉは、特
性曲線２のＳ字特性部分であり、曲線部分ｃ−ｆ−ｊ
は、特性曲線３のＳ字特性部分である。一見して明らか
なように、特性曲線１のＳ字特性部分ａ−ｄ−ｈは、特
性曲線２のＳ字特性部分ｂ−ｅ−ｉより長く、特性曲線
２のＳ字特性部分ｂ−ｅ−ｉは、特性曲線３のＳ字特性
部分ｃ−ｆ−ｊよりも長い。このことは、案内羽根開度
が小さくなるとＳ字特性部分の長さが短くなることを意
味する。

【０００９】図６（Ａ）におけると同様に、図６（Ｂ）
においても、曲線部分ａ′−ｄ′−ｈ′，ｂ′−ｅ′−
ｉ′およびｃ′−ｆ′−ｊ′は、それぞれ特性曲線
１′，２′および３′のＳ字特性部分である。

【００１０】図６（Ｂ）は、図６（Ａ）と密接な関係が
ある。例えば、図６（Ａ）の曲線３上のＱ１＝Ｑ１ｘ，
Ｎ１＝Ｎ１ｘを満たす点ｘは、図６（Ｂ）の曲線３′上
の点ｘ′に対応している。点ｘ′は、Ｔ１＝Ｔ１ｘ′，
Ｎ１＝Ｎ１ｘ′（＝Ｎ１ｘ）を満たす点である。同様
に、図６（Ａ）における点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，
ｈ，ｉおよびｊはそれぞれ図６（Ｂ）における点ａ′，
ｂ′，ｃ′，ｄ′，ｅ′，ｆ′，ｈ′，ｉ′およびｊ′
に対応している。

【００１１】曲線ｎｒは、無負荷流量曲線である。曲線
１，２，３と曲線ｎｒとの交点α，β，γは、それぞ
れ、曲線１′，２′，３′と直線Ｔ１＝０との交点
α′，β′，γ′に対応している。

【００１２】次に、特性曲線１と１′を参照しながらポ
ンプ水車の水車運転（発電運転）について説明を行う。
上述したように特性曲線１を１′に対応する特性は、案
内羽根開度を比較的大きな値にした時に得られる。通常
は、ポンプ水車の水車運転は、特性曲線１の上部、すな
わち、Ｓ字特性部分ａ−ｄ−ｈより上部の曲線部分にお
いて行われる。しかしながら、もし例えばポンプ水車に
加わっている負荷が突然失われた場合は、ポンプ水車の
回転数（Ｎ）が急激に増加するので、Ｎ１の値も急激に
増加する。こうして、ポンプ水車は、Ｓ字特性部分にお
いて運転され始まる。運転点が一旦Ｓ字特性部分に入る
と、ポンプ水車の回転数（Ｎ）の低下によりＮ１の値が
低下すると、Ｑ１の値が低下し、ポンプ水車流量（Ｑ）
が減少する。この様子を詳しく説明すると図７になる。
なお、Ｈの値、すなわちポンプ水車入口とポンプ水車出
口との水頭差は、流量Ｑの減少に伴って上昇する。この
ようにして一旦Ｎ１の値が減少すると、流量Ｑが減少
し、流量Ｑの減少は、ポンプ水車の有効落差Ｈの増加を
もたらす。この有効落差Ｈの増加は、更にＮ１の減少を
もたらし、Ｎ１の減少は、更にＱ１の減少をもたらす。
このようにして、一旦Ｓ字特性部分における運転が始ま
ると、Ｑ１とＮ１は、Ｓ字特性部分をＱ１減少方向、す
なわち点ａから点ｄの方向にたどりつつ、加速度的に、
減少する。もちろん、この間に管路摩擦等の減衰作用も
働くのでＱの減少の進展にも自ずと抑制が作用すること
は言うまでもない。とにかく、Ｑ１とＮ１は、正帰還制
御回路におけると同様に、加速度的に、減少する傾向が
ある。

【００１３】ポンプ水車の運転点がＳ字特性部分を点ａ
から点ｈまでたどり終えると、上記の現象は、負帰還制
御回路におけると同様に次第に緩和され、その後、反転
し、やがてＳ字特性部分をＱ１増加方向、すなわち点ｈ
を少し過ぎた点から点ａへたどることになる。Ｓ字特性
部分を逆方向にたどるのも矢張り正帰還制御回路と同様
の様式で行われる。図８はこの振れ戻し作用を説明する
ものである。

【００１４】負荷遮断後、ポンプ水車の案内羽根を閉鎖
せずに放置した場合には、ポンプ水車の運転点は当該案
内羽根に相当するＳ字特性曲線上を、上記のように往復
運動する。このようにポンプ水車特性任せの運転は有害
で、場合によっては危険である。なぜならば、ポンプ水
車流量は増減を繰り返し、水力発電所各水路系に激しい
水撃が繰り返し発生するからである。

【００１５】Ｓ字特性部分における運転に伴うこのよう
な悪影響は、Ｓ字特性部分の長さが短くなければ減少す
る。例えば、もし案内羽根開度を小さくして、より短い
Ｓ字特性部分ｂ−ｅ−ｉを有する特性曲線２に従ってポ
ンプ水車を運転するならば、Ｓ字特性に伴う悪影響は軽
減される。

【００１６】Ｓ字特性部分におけるポンプ水車の運転
は、ポンプ水車のトルクＴにも悪影響を与える。Ｓ字特
性部分においてＮ１の値が減少すると、図６（Ｂ）に示
すように、Ｔ１の値が減少する。ここで再び図６（Ａ）
に示される特性曲線１上の点ａとｈは、図６（Ｂ）に示
される特性曲線１′上の点ａ′とｄ′にそれぞれ対応す
ることに注意しなければならない。

【００１７】有効落差Ｈが一定であると仮定すれば、Ｔ
１減少は、ポンプ水車トルクＴの減少を意味する。更
に、ポンプ水車トルクＴの減少が、ポンプ水車回転数Ｎ
の減少をもたらすことは明白である。ポンプ水車回転数
Ｎが減少すると、それに対応してＮ１が減少し、次にＴ
１が更に減少することになる。現実にはこの間に前記し
たように有効落差Ｈが増加しているのでこの加速傾向は
益々強まる。このようにして、ポンプ水車は、特性曲線
１を、Ｑ１減少方向にたどる間、同時に特性曲線１′を
点ａ′から点ｈ′へとたどっていることになる。そのた
どり方は、正帰還制御回路の場合と同様である。その
後、Ｓ字特性部分をたどる方向が逆転すると、特性曲線
１′は点ｈ′から点ａ′の方向へと、たどることにな
る。明らかに、上述したようなトルク変動は、不利益で
ある。

【００１８】負荷遮断後ポンプ水車の運転点がＳ字特性
を辿り下っている時に案内羽根を速く閉めるのは危険で
ある。Ｎ１の低下を助長する作用が働くためである。

【００１９】このため従来から、水車運転モードにおい
ては、案内羽根の所定開度、例えば８０％より下では、
案内羽根の閉鎖速度の上限制限を、案内羽根８０％以上
の時の閉鎖速度上限制限より下げて設定している。この
結果、負荷遮断時には、運転点がＳ字特性に入る直前
に、案内羽根の閉鎖速度が急速閉鎖から緩慢閉鎖に移行
し、閉鎖パターンでみればここで腰折が入る。図９で説
明すると、例えば、案内羽根開度が１００％近くにあっ
て負荷遮断（時刻ｔｏ）が起きた場合を考えると、案内
羽根は最初比較的速く閉まり、案内開度が予め設定され
た開度Ｙａに達した時点ｔａで閉鎖速度制限がより小さ
い値に切り換えられる。したがってポンプ水車回転速度
が最大値を超えて降下に転じたころから始まる運転点の
Ｓ字特性突入と流量減少方向への辿り下りが進行中に
は、案内羽根閉鎖速度は比較的遅い速度に制限され、前
述のようなＮ１低下による過度の正帰還現象助長が抑え
られ過度の水撃は防止できる。

【００２０】ところで、この案内羽根開度に応じた閉鎖
速度切換に依存する従来の負荷遮断時の案内羽根閉鎖パ
ターンと水撃、特に上池側管路水圧Ｈｐの上昇の関係に
ついては図９のような関係になることが知られている。
すなわち、案内羽根閉鎖速度を急速から緩慢閉鎖に切り
り換える条件となる案内羽根開度Ｙａを上げると、上池
側管路水圧Ｈｐの１波目のピーク値Ｈpxは下がってＨpx
1 となるが、２波目のピーク値Ｈpyは上がってＨpy1 と
なる。下池側管路水圧Ｈｄの波形は図示してないが、Ｈ
ｐ波形の上下を逆にしたようになり、２波目のピークＨ
dy1 はＨdyより下がる。尚、案内羽根の急速閉鎖部の速
度制限を変えた場合もＨｐ波形は変わる。すなわち、よ
り緩慢な勾配に制限すれば、１波目のピーク値Ｈpxは下
がり、２波目のピーク値Ｈpyは上がる。最も典型的な例
は、急速閉鎖速度が腰折点以下の緩慢閉鎖速度と同じに
なった場合である。

【００２１】従って、この案内羽根閉鎖パターンの腰折
だけに依存する従来技術においては例えば特開昭54−40
946 号の第５図のように、負荷遮断直後の案内羽根急閉
鎖中の上池側管路水圧のピーク値Ｈpxと回転速度が降下
に転じた後にＳ字特性によって現れる上池側管路水圧の
ピーク値Ｈpyが略等しくなるように案内羽根閉鎖パター
ンを決めていた。具体的には、腰折開度Ｙａの値やＹ＞
Ｙａにおける案内羽根急閉鎖速度制限およびＹ＜Ｙａに
おける案内羽根緩閉鎖速度制限を調整していた。

【００２２】しかし、案内羽根閉鎖パターンの腰折だけ
に依存する従来技術では問題があることが解っている。
例えば、Ｓ字特性を有する複数台のポンプ水車が図１０
のように各ポンプ水車の上流側または下流側または両側
を共有する場合には、水撃の相互干渉によって上流側水
圧が異常上昇したり、下流側水圧が異常低下することが
あることが知られている。当該の複数台のポンプ水車が
同一仕様の場合を仮定すると、同時負荷遮断された時に
発生する上流側水圧の最高値より、相次いで負荷遮断さ
れる時間差遮断時に発生する上流側水圧の最高値の方が
高くなる問題や、同時負荷遮断された時に発生する下流
側水圧の最低値より、相次いで負荷遮断される時間差負
荷遮断時に発生する下流側水圧の最低値の方が低くな
り、場合によっては水柱分離が発生するという問題があ
った。しかもこれらの異常水撃現象がＳ字特性を辿り下
る微妙なタイミングに関係しているため最悪になる時間
差等の条件を事前に特定しにくいという問題があった。
図１１（Ａ），図１１（Ｂ),図１１（Ｃ）は時間差負荷
遮断時のこの種の相互干渉の難しさを説明する例図であ
る。この場合には３台のポンプ水車が上下流水路を共有
する場合で、１号機が２０秒の時点で全負荷遮断されて
からＴd1秒後に２号機が全負荷遮断され、さらにこれよ
り遅いＴd2秒後に３号機が全負荷遮断される。結果的に
１号機の下流側水圧が３３.６秒の時点、すなわち、負
荷遮断後１３.６秒の時点で急降下している。このよう
にこの種の相互干渉による下流側水圧低下は突然スパイ
ク状に発生する。それでもポンプ水車の下流側管路に水
柱分離が発生しないようにするためにはポンプ水車の据
付高さを充分低くして下池との水位差を充分な値に確保
する必要があり、ポンプ水車用の掘削量が増大し、土木
コストが異常にアップする。なお、この場合には、各号
機が単独で全負荷遮断された場合に、回転速度が降下に
転じた後にＳ字特性によって現れる上池側管路水圧のピ
ーク値Ｈpyに比べて案内羽根急閉鎖中の上池側管路水圧
のピーク値Ｈpxが充分高くなるように案内羽根閉鎖パタ
ーンを設定しているので（図１２（Ａ）参照）、相互干
渉による異常水撃が上流側にはあまり顕著には現れてい
ない。換言すれば、ＨpxをＨpyに対して充分高くし、上
池側管路の設計水圧を充分高くできた場合で、上流側の
建設コストの高騰を覚悟した設計である。もちろん、上
流側の建設コスト低減を狙うためにはＨpxの低下が必要
で、その場合には、上池側管路の水撃の相互干渉問題に
直面する。さらに、図１２（Ａ）のような案内羽根閉鎖
パターンを採用して、たとえ上池側管路の水撃の相互干
渉による異常上昇問題を回避したとしても、図１１
（Ａ），図１１（Ｂ），図１１（Ｃ）のように下流側管
路の相互干渉によるスパイク問題は依然として残る。

【００２３】このように、高落差ポンプ水車の場合には
上下流水路や据付高さ等の土木設計を決める上でＳ字特
性が大きな問題になるとの認識から従来もＳ字特性対応
制御の提案がなされている。例えば、特開昭53−143842
号では添付の第１８図のように負荷遮断後ポンプ水車の
運転点がＳ字特性を流量減少方向に辿っている時に一時
的に案内羽根を開き、運転点がＳ字特性を逆に流量増加
方向に辿り始めた時か流量が略ゼロになった時点で案内
羽根を急閉鎖する案が提案されている。しかし、この案
では、負荷遮断後回転速度が一旦上昇した後降下に転じ
るが、この回転速度降下がガバナーの設定で決まる所定
回転速度付近まで一気に進むようにしている。そのため
に案内羽根開度Ｙ＜Ｙａで案内羽根閉鎖速度制限を緩閉
鎖に移行させる腰折を使わず一時開きした後の案内羽根
閉鎖を負荷遮断直後の急閉鎖と同一レートで一気に閉め
ている。これではＳ字特性対応制御が故障した場合を考
えると危険である。また、一時開きした後の案内羽根再
閉鎖開始の時点を流量が減少から増加に転じる時点また
は流量が略ゼロになる点としているが、ポンプ水車の過
渡状態において信頼性の高い流量検出をすることは難し
い。たとえ信頼性の高い流量検出ができたとしても案内
羽根の動作を急に反転させることは難しく案内羽根が開
き過ぎになることは容易に推定できる。特に運転点がＳ
字特性を流量減少方向に辿り終えて流量増加方向辿りに
移った後も案内羽根開操作を続けると逆にＳ字特性を助
長する結果になる。上述した問題点を考えると特開昭53
−143842号が複数台のポンプ水車が同一管路を共有する
場合、特に自分の運転状態だけでなく該他号機からの水
撃干渉で流量が複雑に変動する場合にも安定した性能を
発揮できない。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、従来のポ
ンプ水車では困難であった負荷遮断時の動作を安定させ
たポンプ水車を提示することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明ではランナーと、該ランナーに接続された発
電電動機と、前記ランナーを通過する水量を調整する水
量調整手段と、前記ランナーの回転速度を検出し前記ラ
ンナーの回転速度が所定値になるように前記水量調整手
段を制御するガバナーを備えたポンプ水車において、発
電モードの負荷遮断直後に回転速度が急上昇しピークに
達した後下降に転ずる際に、前記回転速度低下の段階で
前記ガバナーによる前記水量調整手段の制御に割り込み
を掛けて前記ガバナーによる閉鎖制御の進行中に一時的
に前記水量調整手段を開動作させる補正制御手段を備
え、全負荷遮断の場合に低下中の回転速度を一時的に反
転上昇せしめ、負荷遮断後の回転速度の低下が前記ピー
ク値からガバナーの設定で決まる所定値付近まで一気に
進むことがないように前記補正制御を調整したことを特
徴とするものである。

【００２６】次に、遅くとも回転速度が上昇に転じたら
前記補正制御を止め実質的に前記水量調整手段が前記ガ
バナーによる制御に戻るようにすることである。

【００２７】次に、前記補正制御による前記水量調整手
段の一時的開動作は、負荷遮断後回転速度が下降に転じ
た後に開始し、その後回転速度曲線が上に凸から下に凸
に移る点付近まで継続することである。

【００２８】次に、前記補正制御による前記水量調整手
段の一時的開動作は、負荷遮断後回転速度が下降を始め
る直前から開始し、その後回転速度が下降に転じ回転速
度曲線が上に凸から下に凸に移る点付近まで継続するこ
とである。

【００２９】次に、全負荷遮断後の１回目の回転速度低
下は定格回転速度（またはガバナー本来の目標回転速
度）と前記ピーク値の差の１／３以上定格回転速度より
上で止み反転するように前記補正制御を調整することで
ある。

【００３０】次に、全負荷遮断後回転速度がガバナーに
よる所定値（ガバナー本来の目標回転速度）に落ち着く
までに、補正制御による回転速度の途中反転上昇が複数
回行われるように前記補正制御を調整することである。

【００３１】次に、前記ガバナは前記水量調整手段の開
度に応じて前記水量調整手段の閉鎖速度を制限する閉鎖
速度制限手段を備え、前記閉鎖速度制限手段が前記水量
調整手段の開度が第１の所定値以上にある間は、前記水
量調整手段の閉鎖速度を比較的高い第２の所定値以下に
制限し、前記水量調整手段の開度が前記第１の所定値以
下になった後は閉鎖速度を比較的低い第３の所定値以下
に制限するように構成されている場合、前記水量調整手
段の開度が前記第１の所定値以上にある時は、前記補正
制御は動作させないようにすることである。

【００３２】次に、回転速度が負荷遮断後の最初の下り
から前記補正制御によって最初の反転を迎え（この時の
回転速度を第１の凹値と呼ぶ）再上昇を始め、やがてこ
の再上昇も止み再び下降に転ずるが（この時の回転速度
を第２の凸値と呼ぶ）前記第２の凸値は前記ピーク値
（または第１の凸値と呼ぶ）より低くなるように前記補
正制御を調整することである。

【００３３】次に、回転速度が前記第２の凸値を経てか
ら再度下降するが、やがて下降が止み三度目の上昇に転
ずるが（この時の回転速度を第２の凹値と呼ぶ）前記第
２の凹値は前記第１の凹値より低くなるように前記補正
制御を調整することである。次に、前記ガバナーが、回
転速度検出部と、目標回転速度設定部と、少なくとも前
記目標回転速度設定部からの目標回転速度指令と前記回
転速度検出部からの実際の回転速度信号の偏差信号（こ
れを速度偏差信号と呼ぶ）を入力して前記水量調整手段
に対する開度指令信号を出力する演算部と、前記演算部
の出力に応じて前記水量調整手段を操作する増幅部を備
えた前記ポンプ水車に関し、少なくとも回転速度信号を
入力して前記ガバナーの前記演算部出力に開方向補正を
行う形で補正制御を行うように構成した前記補正制御手
段を備えることである。

【００３４】次に、回転速度が第４の所定値以上になっ
た時だけ回転速度信号を通す第１の演算器と、前記第１
の演算器からの出力信号を入力として受けて該入力が上
昇中にはこれに比較的高速に応答して上昇し、該入力が
下降に転じた後は比較的低速に応答してゆっくり下降す
る信号（ターゲット信号と呼ぶ）を出力する第２の演算
器と、前記ターゲット信号から前記第１の演算器からの
出力信号を引いた差を求める比較器と、前記比較器の出
力信号のプラス側に制限を与える第１の制限要素と、前
記第１の制限要素からの出力信号を不完全微分演算する
微分演算要素と、前記微分要素の出力のマイナス側は通
さず、プラス側には所定の値で制限を掛ける第２の制限
要素を備えるように構成した前記補正制御手段を備える
ことである。

【００３５】次に、前記第４の所定値を前記発電電動機
が電力系統に接続されている通常運転中に起こりうる回
転速度の最大値より充分高く設定することである。

【００３６】次に、前記第１の演算器からの出力信号が
上昇中には比較的短い時定数の一次遅れ応答をする一
方、下降に転じた後は下降に転じる前の出力を起点とし
比較的長い時定数の減衰カーブ状に減衰応答する前記第
２の演算器を備えることである。

【００３７】次に、前記補正制御手段の出力を出すタイ
ミングは刻刻の回転速度変化から演算して決めるもの
の、該出力の値は作動からリセットまでの個々の作動サ
イクルの中では略一定値を保持するように構成した前記
補正制御手段を備えることである。

【００３８】次に、前記補正制御手段は、回転速度が定
常時の目標値より高い第５の所定値以上の時に限って作
動させ、以下の時は除外するようにすることである。

【００３９】次に発電モードで運転中のポンプ水車を非
常停止する場合、少なくとも非常停止過程の初期の段階
では回転速度ガバナー、前記補正制御のいずれも作動可
能な状態に維持し、その後、前記水量調整手段を全閉
し、ポンプ水車の回転を止める操作をするようにするこ
とである。

【００４０】さらに、発電モードで運転中のポンプ水車
を非常停止する場合、非常停止過程の初期の段階では回
転速度ガバナー、前記補正制御のいずれも作動可能な状
態に維持し、Ｓ字特性による有害な影響を減衰させてか
ら、前記水量調整手段を全閉し、ポンプ水車の回転を止
める操作をすることである。

【００４１】また、上記課題を達成するために、本発明
ではランナーと、該ランナーに接続された発電電動機
と、前記ランナーを通過する水量を調整する水量調整手
段と、前記ランナーの回転速度を検出し前記ランナーの
回転速度が所定値になるように前記水量調整手段を制御
するガバナーを備えたポンプ水車において、前記水量調
整手段により前記ランナーを通過する水量を停止させる
場合に、前記水量調整手段を閉動作後に開動作させる一
連の動きを、複数回繰り返すことを特徴とするものであ
る。

【００４２】また、本発明は水量調整手段を閉動作後に
開動作させる一連の動きを、複数回繰り返す時に、繰り
返す度に閉動作の程度を大きくするものである。

【００４３】ポンプ水車においては、負荷遮断と同時に
発電出力はゼロになるが、水車出力はすぐにはゼロにな
らないため回転が上昇してしまう、すなわち、この出力
差による余剰エネルギーを一時的に回転部の慣性効果に
溜め込むことは当然の結果で意図した通りである。しか
し、従来技術によれば、回転速度が下降に転じた後回転
速度が定格回転速度付近まで一気に低下している。これ
は溜め込んだエネルギーをすぐに吐き出すことを意味す
る。しかし、この回転部の慣性エネルギーの一気の吐き
出しが実は大問題であることが判明した。この一気の回
転部エネルギーの吐き出しの裏では回転部に代わって同
エネルギーを一気に受け取るものがあるためである。そ
れは実はポンプ水車上下流の水柱で、吐き出されたエネ
ルギーはこの長大な水柱が異常に速く減速され、さらに
は逆にポンプ流れさえ引き起こすために使用されるため
である。負荷遮断後に落ち着く先の目標流量は無負荷流
量であるので、本来ならば負荷遮断前の出力相当流量か
ら無負荷流量へスムースに移行してほしいところであ
る。しかし、実際には負荷遮断前の出力相当流量から無
負荷流量をはるかに通り過ぎて一時的にポンプ領域まで
突っ込む。当然ながら、このような異常な水柱の加速は
反動を招く。すなわち、今度はポンプ流れから無負荷流
量を大きく超えて過大な水車流量を招く。この時は水柱
のエネルギーを回転部慣性効果が受け取る番で回転速度
が再び上昇する。このように、従来技術によれば、過大
な余剰エネルギーが回転部慣性効果と水柱の間を行った
り来たりし、この間にポンプ水車流量を過大に振らせて
ポンプ水車上下流水路に過大な水撃をもたらす。図１２
（Ｂ）は図１２（Ａ）のような従来技術による負荷遮断
を行った場合のポンプ水車の運転点軌跡の例を示す。と
ころで問題の発端である負荷遮断後最初の回転速度の一
気低下は回転速度を制御するガバナーが求めたものであ
る。ガバナーの立場で考えれば当然の要求なのである。
すなわち、Ｓ字特性を有するポンプ水車にとっては、負
荷遮断時にガバナーだけの要求に合わせて制御すること
は流量制御，水撃制御の観点では誠に合理的でないこと
になる。このような考えから本発明では負荷遮断後回転
速度が降下中にガバナーに対して補正制御を掛けて閉鎖
中の案内羽根を一時的に開きＳ字特性によるN1低下を緩
和または阻止するようにする。そして結果的に、少なく
とも過大な流量低下オーバシュートが起きない様にす
る。

【００４４】なお、回転速度が上昇に転じたら案内羽根
を開く補正制御は止めるべきである。回転速度が上昇に
転じた時は運転点がＳ字特性を流量増加方向に辿ってい
る時であるので、N1を上げるとＳ字特性を逆に助長して
しまうからである。

【００４５】回転速度降下曲線が上に凸から下に凸に移
る変極点付近までＳ字特性の流量減少方向辿りが続き、
そこから反転して流量増加方向辿りに移るので、前記補
正制御による前記水量調整手段の一時的開動作は、この
変極点付近まで継続するべきである。

【００４６】なお、前記補正制御による前記水量調整手
段の一時的開動作は、回転速度が下降を始めてから開始
するより、直前から開始した方が遅れがないのでより効
果的である。なお、この場合でも回転速度の最初のピー
ク値はほとんど変わらない。Ｓ字特性を有するポンプ水
車の場合にはこのピーク値はその時の水量調整手段、す
なわち、案内羽根の開度のＳ字特性開始位置（Ｎ１）に
依存し、しかも案内羽根開度によるこのＮ１の変化が極
めて僅かなためである。

【００４７】次に、前記補正制御の効果が少なすぎると
負荷遮断後１回目の流量低下幅が大きくなり過ぎて逆流
を許してしまう。本特許の発明者の解析経験によれば１
回目の回転速度降下幅は、最初の速度上昇幅（ΔＮ）の
約２／３以下に制限するべきである。すなわち、最初の
回転速度低下は目安として定格回転速度（またはガバナ
ー本来の目標回転速度）＋約（１／３）ΔＮで止まるよ
うに前記補正制御を調整するべきである。

【００４８】全負荷遮断後回転速度がガバナーによる所
定値(ガバナー本来の目標回転速度)に落ち着くまでに、
補正制御による回転速度の途中反転上昇を１回で済ませ
ることができれば最も好ましいが、複数回行われるよう
に前記補正制御を調整すると回転部慣性効果に溜まった
エネルギーがよりゆるやかに開放されていくので好まし
い場合もある。

【００４９】前記ガバナが前記水量調整手段の開度に応
じて前記水量調整手段の閉鎖速度を制限する閉鎖速度制
限手段を備え、前記閉鎖速度制限手段が前記水量調整手
段の開度が第１の所定値以上にある間は、前記水量調整
手段の閉鎖速度を比較的高い第２の所定値以下に制限
し、前記水量調整手段の開度が前記第１の所定値以下に
なった後は閉鎖速度を比較的低い第３の所定値以下に制
限するように構成されている場合、すなわち、腰折機能
を備えている場合には、前記補正制御が万一故障しても
腰折機能による保護は確保されるようにするべきであ
る。この意味で前記水量調整手段の開度が前記第１の所
定値以上にある時は、前記補正制御は動作させないよう
にするべきである。

【００５０】回転速度が負荷遮断後の最初の下りから最
初の反転を迎え（この時の回転速度を第１の凹値と呼
ぶ）再上昇を始め、やがてこの再上昇も止み再び下降に
転ずるが（この時の回転速度を第２の凸値と呼ぶ）前記
第２の凸値は前記ピーク値（または第１の凸値と呼ぶ）
より低くなるようにして回転部慣性効果に溜まったエネ
ルギーが徐々に開放されているように前記補正制御を調
整するべきある。

【００５１】回転速度が前記第２の凸値を経てから再度
下降するが、やがて下降が止み三度目の上昇に転ずるが
（この時の回転速度を第２の凹値と呼ぶ）前記第２の凹
値は前記第１の凹値より低くなるように前記補正制御を
調整するのは上記と同様の理由である。

【００５２】負荷遮断後のポンプ水車の過渡現象特にＳ
字特性内挙動を観察するのには回転速度が最も好まし
い。現象をよく写すだけでなく、ノイズも少なく変動カ
ーブが滑らかで安定しているからである。従って、前記
補正制御手段は少なくとも回転速度信号を入力して前記
ガバナーの前記演算部出力に開方向補正を行う構成にす
るべきである。

【００５３】前記補正制御は発電電動機が電力系統に接
続されていて回転速度変動が小さい通常運転では必要が
ない。従って、前記補正制御への入力は回転速度が第４
の所定値以上になった時だけ与えるようにする。また、
負荷遮断後の回転速度降下を徐々に進行させるという本
発明の主旨より、負荷遮断の時点で個々の負荷遮断に応
じた回転速度降下モデル曲線を認識し、これと実際の回
転速度を比較しながら制御するのが望ましい。前記第２
の演算器はこの回転速度降下モデル曲線を作るものであ
る。回転速度降下モデル曲線と実際の回転速度の差だけ
を見て前記補正制御を動作させたのでは一般にタイミン
グが遅れる。そこで微分演算も必要になる。なお、不完
全微分は定常時はゼロに戻る特性があるので補正信号作
りには便利である。このような配慮から補正制御手段を
設計する。具体的には、回転速度が第４の所定値以上に
なった時だけ回転速度信号を通す第１の演算器と、前記
第１の演算器からの出力信号を入力として受けて該入力
が上昇中にはこれに比較的高速に応答して上昇し、該入
力が下降に転じた後は比較的低速に応答してゆっくり下
降する信号（ターゲット信号と呼ぶ）を出力する第２の
演算器と、前記ターゲット信号から前記第１の演算器か
らの出力信号を引いた差を求める比較器と、前記比較器
の出力信号のプラス側に制限を与える第１の制限要素
と、前記第１の制限要素からの出力信号を不完全微分演
算する微分演算要素と、前記微分要素の出力のマイナス
側は通さず、プラス側には所定の値で制限を掛ける第２
の制限要素を備えるようにする。

【００５４】前記補正制御手段は負荷遮断時に限って動
作するようにするため、前記第４の所定値を前記発電電
動機が電力系統に接続されている通常運転中に起こりう
る回転速度の最大値より充分高くするべきである。

【００５５】前記第１の演算器からの出力信号が上昇中
には回転速度上昇カーブをす速く追従させる必要がある
ので前記第２の演算器には比較的短い時定数の一次遅れ
応答をさせ、下降に転じた後は回転速度が徐々に降下す
るモデル曲線を得るために前記第２の演算器には比較的
長い時定数の応答をさせる。

【００５６】前記補正制御が動作し、前記補正制御とガ
バナーの制御が同時に作用している時には両制御が有害
な干渉する可能性があることを注意するべきである。こ
の場合には前記補正制御は必要最小限に止めてガバナー
の制御を主体にさせるために前記補正制御の出力波形は
台形状するか、ガバナーの動作を妨げない程度にゆっく
り変化させるのが好ましい。

【００５７】前記補正制御手段は、もっぱら回転速度を
上げる方向に作用するので場合によっては、ガバナーに
よる回転速度復帰作用と対立し、妥協が計られる結果、
回転速度が完全に所定値へ復帰できないケースも出てく
る。これを防止するためには前記補正制御が動作できる
回転速度に制限を与えるとよい。回転速度が定常時の目
標値より高い第５の所定値以上の時に限って前記補正制
御を作動させる理由はここにある。

【００５８】発電モードで運転中のポンプ水車を非常停
止する場合、即遮断器を開いて発電電動機等電気側機器
を保護することは必要であるが、従来のようにガバナー
制御を実質的に殺して前記水量調整手段の急閉鎖を即実
行するべきではない。本発明のＳ字特性対応制御が活か
されず、本発明の大きな効果を失うことになるからであ
る。従って、少なくとも回転速度上昇を伴い、Ｓ字特性
内運転を強いられる非常停止過程の初期の段階では回転
速度ガバナー、前記補正制御のいずれも作動可能な状態
に維持し、Ｓ字特性の影響を抑えてから、前記水量調整
手段を全閉し、ポンプ水車の回転を止める操作をするべ
きである。

【００５９】Ｓ字特性による有害な影響が充分減衰して
から、前記水量調整手段を全閉し、ポンプ水車の回転を
止める操作をするのが望ましい。

【００６０】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面を用い
て説明する。図３は本発明の一実施例のポンプ水車のガ
バナーのプロック線図である。このブロック図には水車
１００の回転速度Ｎを検出する速度検出部１，速度検出
信号Ｘｎ，回転速度の基準値を設定する速度調整部２，
速度調整部２からの設定値Ｘ０，加算部３，速度調定率
設定部からの復元信号Ｘσ，加算部３の出力信号Ｘε，
補正制御回路２００からは補正制御信号Ｘ２００が出力
され、Ｘ２０ＡはＸεを補正制御信号Ｘ２００で補正し
た信号ですぐ下流のＰＩＤ演算回路の入力信号となる。
発電電動機が大電力系統に接続される通常の発電運転時
の比例演算要素（Ｐ要素）４ａ、また、負荷遮断後の無
負荷運転時に使用する比例演算要素（Ｐ要素）４ｂを示
す。なお、前者の比例演算要素のゲインＫpa＞後者の比
例演算要素のゲインＫpbとなっている。通常の発電運転
時の積分演算要素（Ｉ要素）５ａ，負荷遮断後の無負荷
運転時に使用する積分演算要素（Ｉ要素）５ｂを示し、
前者の積分ゲインＫia＞後者の積分ゲインＫibとなって
いる。なお、図示してない発電電動機の遮断器の開閉を
直接または間接的に検出する接点１９ａ，１９ｂは遮断
器が開いた時、同時にスイング動作して下側接点を開き
上側接点を閉じる。接点１９ａ，１９ｂが各２個ある理
由は比例演算要素，積分演算要素共に同時に切り換えす
るためである。

【００６１】微分演算要素６(Ｄ要素)からは出力信号Ｚ
ｄが出力される。また、接点１９ｂからは比例演算要素
の出力信号Ｚｐ，積分演算要素の出力信号Ｚｉが出力さ
れる。

【００６２】そして、これらの信号は加算部で加算され
る。ＺはＺｐ比例演算要素の出力信号、積分演算要素の
出力信号Ｚｉ，微分演算要素の出力信号Ｚｄを総合した
ものが案内羽根開度指令Ｚを示している。実際の案内羽
根開度は信号Ｙで示される。加算部８，リミッター９，
油圧サーボモーター１０は一種の油圧増幅器になってお
り、伝達関数ではリミッター付一次遅れ要素を構成し、
案内羽根開度指令Ｚを増幅して水量制御手段である案内
羽根を直接操作するに充分なストロークと操作力をもつ
案内羽根開度Ｙに変換するものである。Ｙε１は案内羽
根開度指令Ｚと実際の案内羽根開度Ｙの偏差を示し、リ
ミッター９のθＲは案内羽根の開速度をθＲ．Ｃｙに、
θＬは閉速度をθｌ．Ｃｙに制限するためのものであ
る。すなわち、Ｙε２は偏差信号Ｙε１を上記開閉速度
制限を考慮して制限した信号である。なお、加算部１１
には出力調整部１３から所望の案内羽根開度設定信号Ｙ
ａが与えられる。もし実際の案内羽根開度ＹがＹａに達
していない場合には、すなわち、Ｙ＜Ｙａの場合にはそ
の差がゼロになるまでガバナーのＰＩＤ演算部に開信号
σ（Ｙａ−Ｙ）が送り続けられるので、やがてはＹ＝Ｙ
ａとなりその段階で落ち着く。速度調定率設定部１２は
上記の係数σを設定する部分である。換言するとσは速
度検出信号Ｘｎの変化に対する案内羽根開度Ｙの変化の
割合を決めるゲインで、一般には電力系統の中での当該
プラントの役割、すなわち、負荷分担の割合を考慮して
一度決めたら変更されないものである。また水路系を含
む水車１４の要素が組み込まれている。水車軸に直結さ
れた発電機に与えられる当該発電所の負荷電力Ｌ，電力
系統側から与えられる負荷電力ＲＬ，信号ＰｇはＬとＲ
Ｌを総合した発電機負荷を示す。そして、電力系統から
の負荷特性１７ｂが組み込まれ、水車１００の自己制御
性１７ａは具体的には回転速度上昇に伴い増加する機械
損や効率低下等を総合した特性部である。従って、信号
ＲＴは回転速度変化に伴う自己制御性による水車出力の
ロスを示す。かくして水車からみればＰｇだけでなくＲ
Ｔも一種の負荷のようにみなすことができる。すなわ
ち、水車の出力Ｐｔを消費する総合負荷ＬΣ＝Ｐｇ＋Ｒ
Ｔとみなすことができる。よって信号（Ｐｔ−ＬΣ）が
回転部慣性効果部１６の入力となり、回転部慣性効果部
１６出力が回転速度Ｎとなる。なお、負荷遮断後は信号
Ｐｇは信号Ｌに等しくなる。

【００６３】ここで、速度調整部２，出力調整部１３，
速度調定率設定部１２の作用を図２０(Ａ)，図２０(Ｂ)
により説明する。なお、ここで無負荷時の案内羽根開度
は０.２(ｐｕ）と仮定する。図２０(Ａ)の右下がりの実
線はこのプラントが電力系統に接続される直前の状態を
示す。すなわち、定格値Ｎ（同期速度）ラインとこの実
線の交点が案内羽根開度を示すが、丁度無負荷開度０.
２になっている。なお、水車を起動する前はこの実線
はこれより低い位置に設定される。例えば図２０(Ａ)の
点線の位置に設定される。このように図２０(Ａ)の実線
より下側でこの実線を上下に平行移動させるのが、速度
調整部２である。この実線を上下に平行移動した時無負
荷開度０.２線上の交点が上下に動くことから速度調整
部の名が付いている。他方、このプラントが電力系統に
接続された後の動きについて図２０(Ｂ)により説明す
る。この場合は、実線と定格速度との交点はＹ＝１.０
になっている。すなわち、１００％負荷運転中を示す。
図２０(Ａ)の並列時の実線位置は図２０(Ｂ)では点線の
位置になる。このように実線を平行移動させて案内羽根
開度を調整するのが出力調整部１３である。出力調整部
１３は、実線を水平方向に平行移動させるものである
が、無限大電力系統に連繋された状態では、回転速度は
事実上１.０に固定されるので、実線の水平方向移動に
伴うＮ＝１.０線上の交点は左右に動くことから、この
名が付けられている。図２０(Ｂ)の実線の設定では、定
常時はＮ＝１.０，Ｙ＝１.０で運転されるが、今、仮に
電力系統の周波数が３％上昇しＮ＝１.０３になったと
すると、Ｙは０.２になる。電力系統周波数の上昇幅が
１.５％であれば、Ｙ＝０.６に閉め込まれる。このよう
に周波数変化幅と案内羽根閉め込み幅の間に比例関係を
与えているのが、速度調定率設計部１２である。速度調
定率設計部１２のゲインを大きくすれば、図２０(Ｂ)の
実線の右下がり勾配はよりきつくなり、周波数変化に対
する案内羽根開度応答幅のゲインが下がってくる。従っ
て、図２０(Ｂ)の実線の設定で定格回転速度で（Ｎ＝
１.０で)全負荷（１００％負荷）運転中に負荷遮断が起
きれば、ガバナーは回転速度Ｎを最終的には定格値より
速度調定率分だけ高い１.０３に落ち着かせるように作
動する。

【００６４】図２１(Ａ)はポンプ水車の案内羽根閉鎖速
度制限を示す典型的な例図である。ポンプ水車の場合に
は、従来より案内羽根開度Ｙ＞Ｙａの範囲では勾配がθ
1aより大きくならないよう、Ｙ＜Ｙａの範囲では勾配が
θ1aよりさらに小さいθ1bより大きくならないよう速度
制限を与える。すなわち、図３の要素９のθＬをＹ＞Ｙ
ａの範囲では比較的大きいtan(θ1a）／Ｃｙに、Ｙ＜Ｙ
ａの範囲では比較的小さいtan(θ1b）／Ｃｙに設定す
る。他方、案内羽根の開動作については、閉動作のよう
にＳ字特性の影響を受けないので、例えば図２１(Ｂ)の
ように案内羽根開度に関係なく｜θ1a｜＞｜θ２｜＞｜
θ1b｜となるような一定値θ２に設定する。

【００６５】図３の本発明のガバナーにある補正制御手
段２００の具体例を図４に示す。

【００６６】Ｘｎ速度検出信号を入力として受けて、補
正制御手段の出力Ｙ２００を発生させ、加算器２０９，
積分器２１０を備える。なお、負荷遮断開始時点の積分
器210の初期値は定格回転速度相当の１.０である。か
くして、加算器２０９の出力Ｘ２０９はＸｎを不完全微
分した値になるので、ｘ２０９によってｄＮ／ｄｔが正
か負か（回転速度が上昇中か、下降中か）判別できる。
回路２１１はｘ２０９が正の時１.０を出力し、負の時
０を出力するスイッチである。２０１は（Ｘｎ＞所定値
Ｘc1）を満たすＸｎだけを通す不動帯要素である。な
お、Ｘc1は定格回転速度相当のＸｎ＝１.０より充分大
きい値で、発電電動機が電力系統に連繋される通常運転
では到達できず、負荷遮断時に限って到達できる値に設
定する。例えば、１.０４〜１.０５に設定する。加算器
２０２を介してリレー要素２０３でスイッチ２１１の出
力Ｘ２１１が正の場合には加算器２０２の出力Ｘ２０２
を出力し、負の場合にはゼロを出力する。積分器２０４
はリレー要素２０３の出力Ｘ２０３を入力とする。かく
して、信号Ｘ２０１に対する信号Ｘ２０４の応答は、回
転速度が上昇中には時定数１／Ｋｃ１でゲイン１の一次
遅れ応答となり、回転速度降下中には全く変化せず、回
転速度が降下に転ずる直前の値を保持する。また回路２
０５は加算器である。リレー要素２０６はスイッチ２１
１の出力Ｘ２１１が負の場合には加算器２０６の出力Ｘ
２０６を出力し、正の場合にはゼロを出力する。積分器
２０７はリレー要素２０６の出力Ｘ２０６を入力とす
る。かくして、信号Ｘ２０４に対する信号Ｘ２０５の応
答は、回転速度下降中は信号Ｘ２０４を指数関数的にゆ
っくり減少せしめる時定数１／Ｋｃ３でゲイン１の不完
全微分形応答となる。他方、回転速度上昇中には信号Ｘ
２０４は上昇し、信号Ｘ２０７は回転速度上昇に転じる
直前の値で保持されるので信号Ｘ２０５は上昇する。す
なわち、信号Ｘ２０５は回転速度上昇中は一緒に上昇
し、下降に転じたら指数関数的にゆっくり降下するよう
にした負荷遮断時の回転速度変化のモデル曲線に相当す
る。比較器２０８は信号Ｘ２０５によるモデル曲線と信
号Ｘ２０１からの実際の回転速度曲線を比較する。飽和
要素２１２は信号Ｘ２０８に対して−Ｋｃ５以下と＋Ｋ
ｃ４以上で飽和させるものである。加算器２１３，比例
要素２１４，積分要素２１５は時定数１／（Ｋｃ６．Ｋ
ｃ７）、ゲインＫｃ６の不完全微分を構成する。すなわ
ち、負荷遮断時の回転速度変化のモデル曲線と実際の曲
線が開きつつある時には信号Ｘ２１４を発生する。一次
遅れ要素２１６は信号Ｘ２１４を受けて、これに丸みを
与え信号Ｘ２１６として出力するものである。飽和要素
２１７は、入力信号Ｘ２１６がゼロ以下の時は通さず、
Ｋｃ１０以上の時はＫｃ１０で制限する要素である。な
お、「ゼロ以下は通さず」は負荷遮断時の案内羽根開度
補正はプラス側だけであるためである。なお、本発明者
の研究によれば、プラス側の補正も必要最小限に抑え
て、できるだけ本来のガバナー制御に委ねる方が無用な
干渉も起こさず好ましいことが判っている。従って、プ
ラス側の補正も飽和させている。回路２１８はＸｎ＞Ｘ
ｃ２の時に１を出力し、Ｘｎ＜Ｘｃ２の時０を出力する
スイッチである。回路２１９はスイッチ２１８の出力が
１の時、すなわち、Ｘｎ＞Ｘｃ２の時のみ信号Ｘ２１７
を取り込んで案内羽根開度補正を行い、Ｘｎ＜Ｘｃ２と
なればゼロを取り込んで案内羽根開度補正を止める一種
のリレーである。案内羽根開度補正制御は案内羽根を開
く方向だけに作用させるものであるので、場合によって
はガバナーによる案内羽根閉鎖が途中で滞り回転速度の
降下が途中で滞る可能性がある。スイッチ２１８とリレ
ー２１９はこの途中の滞りを防ぐための回路である。

【００６７】図３及び図４を採用したあるポンプ水車の
負荷遮断時の時間応答を図１に示す。Ｙは案内羽根開
度、Ｎは回転速度、Ｑは流量、Ｈｐは水車入口水圧、Ｈ
ｄは水車出口水圧を示す。案内羽根は回転速度降下中に
開く補正制御が働いており、最初の回転速度低下におい
ても、ガバナーの設定で決まる所定値すなわち（定格回
転速度＋速度調定率）まで回転速度が一気に降下するこ
とはない。また流量も一時的逆流（ポンプ流れ）を生ず
ることなくスムースに無負荷流量に向かって減衰してい
く。図２はＮ１対Ｑ１の完全特性上でこのポンプ水車の
負荷遮断時の運転点軌跡がどのようになるかを示す図で
ある。この軌跡でも流量が無負荷運転流量の前後に大き
く振れるＳ字特性特有の加振作用の影響がかなり抑制さ
れていることが解る。従来技術の場合の典型例である図
１２（Ｂ）と比べればその差は歴然である。なお、上記
の図１，図２の応答を引き出す図４の案内羽根補正制御
回路の各部の挙動を示すのが図５（Ａ）から図５（Ｆ）
である。また図５（Ｇ）はこの時のＰＩＤガバナの各演
算要素の出力を示す。すなわち、最終的な案内羽根開度
指令は図５（Ｇ）の各演算要素出力に図５（Ｆ）の補正
制御信号Ｙ２００を加えたものとなる。

【００６８】なお、図３には図示してないが、非常停止
の場合には、回転速度上昇によるＳ字特性内運転がほぼ
収束した段階で、Ｙε１を無条件に−θＬ以下に保持し
案内羽根を急閉する。Ｓ字特性内運転がほぼ収束した段
階とは、具体的には、回転速度が所定値以下に下がった
ことで判定するか、案内羽根が所定値以下に閉まったこ
とで判定してもよい。

【００６９】図１７は上述したポンプ水車のガバナー制
御を用いた場合の装置構成を示す一例であり、例えば特
開平３−70874号に示されたものである。

【００７０】巻線形誘導機２ａの１次側が電力系統１に
接続されて、２次側が電力変換器３に接続され誘導機２
ａの入力は、この電力変換器３により交流励磁電流の位
相指令に応じて増減されるシステムとなっている。実際
の入力Ｐ_Mは電力検出器６により検出され加算器２０
へ、また、実際の回転速度Ｎは、回転速度検出器５によ
り検出され、加算器１８へ各々入力される構成となって
いる。

【００７１】図１８は図１７と同様にポンプ水車のガバ
ナー制御を用いた場合の装置構成を示す一例である。

【００７２】発電電動機として同期機１０を用い、系統
１と同期機１０との間に電力変換器１７を用いた場合で
ある。この電力変換器１７への位相指令との突合せのた
め位相検出器１１を設けている。

【００７３】また、上記図１７，図１８以外にも通常の
一倍の同期機を用いたシステムに本発明が適用できるこ
とは言うまでもない。

【００７４】以上に説明した実施例は一例に過ぎず、本
発明はこれに限定されるものではない。

【００７５】本発明の効果は上記から明らかである。す
なわち、ポンプ水車の負荷遮断に過大な流量変動を伴う
ことなくスムースに無負荷流量に収斂していく。このた
め水車の上流側水圧上昇幅を、特に第２ピークＨpyを低
くし、場合によってはほとんど消去することが可能であ
る。従って、第１ピークＨpxはいかなる条件でも第２ピ
ークＨpyより低くしないようにとの従来主流になってい
る調整方法を踏襲しても、第１ピークＨpxを大幅に下げ
ることが可能になる。このため水車上流側管路及びポン
プ水車自体の設計水圧を大幅に下げることが可能であ
る。水車の下流側管路についてもＳ字特性に起因する水
圧低下幅を大幅に縮小可能である。特に、下流管路を複
数のポンプ水車が共有する場合の号機間相互干渉による
異常スパイクを解消することができる。このため同じ下
池水位の下でポンプ水車の据付高さを高くすることが可
能になり、特に地下発電所の場合土木掘削ボリュームを
少なくすることが可能である。Ｓ字特性による異常な流
量変動幅を大幅に圧縮できるため、ポンプ水車が受ける
過渡的な水スラスト変動を大幅に低減できる可能性があ
る。従って、スラスト軸受の設計合理化が可能になる。
ポンプ水車の上流側または下流側管路を共有する複数台
のポンプ水車においては、従来、異常水撃干渉の対策と
して各号機に運転制限を与えている場合もあったが、こ
れが必要なくなり、各号機はお互いに自由に運転できる
ようになる。さらには、負荷遮断時の余計な流量変動を
抑制できるので振動，騒音等が軽減されポンプ水車自身
の運転状態が改善され寿命の延長が可能になる。異常の
効果は全てが揚水発電所コスト低減に貢献することは言
うまでもない。しかも、本発明はガバナーに簡単な補正
制御回路を付加するだけで達成できる。特に演算部のプ
ログラムを外部から入力可能なマイクロプロセッサ型ガ
バナーの場合には単に演算プログラムだけの修正で本発
明を実施することが可能になる。

【００７６】

【発明の効果】本発明では負荷遮断時の上流側水圧上昇
を低減することが可能になり、これにより上流側水路及
びポンプ水車自身の対水圧設計のコストを低減すること
が可能になる。特に負荷遮断時の下流側水圧低下幅が低
減するので従来と比較してポンプ水車据付高さをなるべ
く浅い位置に設置することが可能になるので発電所建設
時の土木コストを少なくすることが可能になる。

【００７７】また、上流側、または下流側の管路が複数
のポンプ水車で共有されている場合でも、有害な水撃相
互干渉を少なくすることが可能になるので、上流側また
は下流側の管路の設計を耐水圧を低くしたものにできる
ので管路のコストを低減できる。

【００７８】また、負荷遮断時の水スラストを軽減でき
るのでスラストメタルの設計を合理化することが実現で
きる。

【００７９】そして、ポンプ水車自身の負荷遮断時の運
転安定化を達成することを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の負荷遮断時のグラフ。

【図２】本発明の負荷遮断時のグラフ。

【図３】本発明の一実施例のブロック線図。

【図４】本発明の詳細なブロック線図。

【図５（Ａ）】本発明の回路各部の動作グラフ。

【図５（Ｂ）】本発明の回路各部の動作グラフ。

【図５（Ｃ）】本発明の回路各部の動作グラフ。

【図５（Ｄ）】本発明の回路各部の動作グラフ。

【図５（Ｅ）】本発明の回路各部の動作グラフ。

【図５（Ｆ）】本発明の回路各部の動作グラフ。

【図５（Ｇ）】本発明の回路各部の動作グラフ。

【図６（Ａ）】ポンプ水車の特性グラフ。

【図６（Ｂ）】ポンプ水車の特性グラフ。

【図７】ポンプ水車の動作フローチャート。

【図８】ポンプ水車の動作フローチャート。

【図９】従来の案内羽根の動作グラフ。

【図１０】ポンプ水車発電所の構成図。

【図１１（Ａ）】従来のポンプ水車の動作図。

【図１１（Ｂ）】従来のポンプ水車の動作図。

【図１１（Ｃ）】従来のポンプ水車の動作図。

【図１２（Ａ）】従来のポンプ水車の動作図。

【図１２（Ｂ）】従来のポンプ水車の動作図。

【図１３】従来のポンプ水車の動作図。

【図１４】本発明の一実施例のブロック図。

【図１５（Ａ）】本発明の作用を示したグラフ。

【図１５（Ｂ）】本発明の作用を示したグラフ。

【図１６（Ａ）】本発明の案内羽根閉鎖速度を示したグ
ラフ。

【図１６（Ｂ）】本発明の案内羽根閉鎖速度を示したグ
ラフ。

【符号の説明】

１０…油圧サーボモータ、１２…速度調定率設定部、１
３…出力調整部、１６…回転部慣性効果部、１００…水
車、２００…補正制御回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者片山慶茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所火力・水力事業部内 (72)発明者中川博人大阪府大阪市北区中之島三丁目３番22号関西電力株式会社内 (72)発明者萩原春樹大阪府大阪市北区中之島三丁目３番22号関西電力株式会社内Ｆターム(参考） 3H072 AA17 AA21 BB15 BB19 BB28 BB33 CC10 3H073 AA12 CC12 CD03 CE09 5H590 AA23 BB17 CA12 CC01 CC10 CE01 EA05 EA07 EB21 FA01 FA06 FA08 FC25 GA01 GA06 GA10 HA06 HA26 HA27 JA08 JA12 JA13 JA14 JB16 JB18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ランナーと、該ランナーに接続された発電電動機と、前記ランナーを通過する水量を調整する水量調整手段
と、前記ランナーの回転速度を検出し前記ランナーの回転速
度が所定値になるように前記水量調整手段を制御するガ
バナーを備えたポンプ水車において、発電モードの負荷遮断直後に回転速度が急上昇しピーク
に達した後下降に転ずる際に、前記回転速度低下の段階
で前記ガバナーによる前記水量調整手段の制御に割り込
みを掛けて前記ガバナーによる閉鎖制御の進行中に一時
的に前記水量調整手段を開動作させる補正制御手段を備
え、全負荷遮断の場合に低下中の回転速度を一時的に反
転上昇せしめ、負荷遮断後の回転速度の低下が前記ピー
ク値からガバナーの設定で決まる所定値付近まで一気に
進むことがないように前記補正制御を調整したことを特
徴とするポンプ水車。
【請求項２】遅くとも回転速度が上昇に転じたら前記補
正制御を止め実質的に前記水量調整手段が前記ガバナー
による制御に戻るようにした請求項１のポンプ水車。
【請求項３】前記補正制御による前記水量調整手段の一
時的開動作は、負荷遮断後回転速度が下降に転じた後に
開始し、その後回転速度曲線が上に凸から下に凸に移る
点付近まで継続するようにした請求項１のポンプ水車。
【請求項４】前記補正制御による前記水量調整手段の一
時的開動作は、負荷遮断後回転速度が下降を始める直前
から開始し、その後回転速度が下降に転じ回転速度曲線
が上に凸から下に凸に移る点付近まで継続するようにし
た請求項１のポンプ水車。
【請求項５】全負荷遮断後の１回目の回転速度低下は定
格回転速度（またはガバナー本来の目標回転速度）と前
記ピーク値の差の１／３以上定格回転速度より上で止み
反転するように前記補正制御を調整した請求項１のポン
プ水車。
【請求項６】全負荷遮断後回転速度がガバナーによる所
定値(ガバナー本来の目標回転速度)に落ち着くまでに、
補正制御による回転速度の途中反転上昇が複数回行われ
るように前記補正制御を調整した請求項２のポンプ水
車。
【請求項７】前記ガバナは前記水量調整手段の開度に応
じて前記水量調整手段の閉鎖速度を制限する閉鎖速度制
限手段を備え、前記閉鎖速度制限手段が前記水量調整手
段の開度が第１の所定値以上にある間は、前記水量調整
手段の閉鎖速度を比較的高い第２の所定値以下に制限
し、前記水量調整手段の開度が前記第１の所定値以下に
なった後は閉鎖速度を比較的低い第３の所定値以下に制
限するように構成されている場合、前記水量調整手段の
開度が前記第１の所定値以上ある時は、前記補正制御は
動作させないようにした請求項４のポンプ水車。
【請求項８】回転速度が負荷遮断後の最初の下りから前
記補正制御によって最初の反転を迎え（この時の回転速
度を第１の凹値と呼ぶ）再上昇を始め、やがてこの再上
昇も止み再び下降に転ずるが（この時の回転速度を第２
の凸値と呼ぶ）前記第２の凸値は前記ピーク値（または
第１の凸値と呼ぶ）より低くなるように前記補正制御を
調整した請求項５のポンプ水車。
【請求項９】回転速度が前記第２の凸値を経てから再度
下降するが、やがて下降が止み三度目の上昇に転ずるが
（この時の回転速度を第２の凹値と呼ぶ）前記第２の凹
値は前記第１の凹値より低くなるように前記補正制御を
調整した請求項５のポンプ水車。
【請求項１０】前記ガバナーが、回転速度検出部と、目
標回転速度設定部と、少なくとも前記目標回転速度設定
部からの目標回転速度指令と前記回転速度検出部からの
実際の回転速度信号の偏差信号（これを速度偏差信号と
呼ぶ）を入力して前記水量調整手段に対する開度指令信
号を出力する演算部と、前記演算部の出力に応じて前記
水量調整手段を操作する増幅部を備えた前記ポンプ水車
に関し、少なくとも回転速度信号を入力して前記ガバナ
ーの前記演算部出力に開方向補正を行う形で補正制御を
行うように構成した前記補正制御手段を備えた請求項１
のポンプ水車。
【請求項１１】回転速度が第４の所定値以上になった時
だけ回転速度信号を通す第１の演算器と、前記第１の演
算器からの出力信号を入力として受けて該入力が上昇中
にはこれに比較的高速に応答して上昇し、該入力が下降
に転じた後は比較的低速に応答してゆっくり下降する信
号（ターゲット信号と呼ぶ）を出力する第２の演算器
と、前記ターゲット信号から前記第１の演算器からの出
力信号を引いた差を求める比較器と、前記比較器の出力
信号のプラス側に制限を与える第１の制限要素と、前記
第１の制限要素からの出力信号を不完全微分演算する微
分演算要素と、前記微分要素の出力のマイナス側は通さ
ず、プラス側には所定の値で制限を掛ける第２の制限要
素を備えるように構成した前記補正制御手段を備えた請
求項１０のポンプ水車。
【請求項１２】前記第４の所定値を前記発電電動機が電
力系統に接続されている通常運転中に起こりうる回転速
度の最大値より充分高く設定した請求項１１のポンプ水
車。
【請求項１３】前記第１の演算器からの出力信号が上昇
中には比較的短い時定数の一次遅れ応答をする一方、下
降に転じた後は下降に転じる前の出力を起点とし比較的
長い時定数の減衰カーブ状に減衰応答する前記第２の演
算器を備えた請求項１１のポンプ水車。
【請求項１４】前記補正制御手段の出力を出すタイミン
グは刻刻の回転速度変化から演算して決めるものの、該
出力の値は作動からリセットまでの個々の作動サイクル
の中では略一定値を保持するように構成した前記補正制
御手段を備えた請求項１１のポンプ水車。
【請求項１５】前記補正制御手段は、回転速度が定常時
の目標値より高い第５の所定値以上の時に限って作動さ
せ、以下の時は除外するようにした請求項１０のポンプ
水車。
【請求項１６】発電モードで運転中のポンプ水車を非常
停止する場合、少なくとも非常停止過程の初期の段階で
は回転速度ガバナー、前記補正制御のいずれも作動可能
な状態に維持し、その後、前記水量調整手段を全閉し、
ポンプ水車の回転を止める操作をするようにした請求項
１のポンプ水車。
【請求項１７】発電モードで運転中のポンプ水車を非常
停止する場合、非常停止過程の初期の段階では回転速度
ガバナー、前記補正制御のいずれも作動可能な状態に維
持し、Ｓ字特性による有害な影響を減衰させてから、前
記水量調整手段を全閉し、ポンプ水車の回転を止める操
作をするようにした請求項１のポンプ水車。
【請求項１８】ランナーと、該ランナーに接続された発電電動機と、前記ランナーを通過する水量を調整する水量調整手段
と、前記ランナーの回転速度を検出し前記ランナーの回転速
度が所定値になるように前記水量調整手段を制御するガ
バナーを備えたポンプ水車において、前記水量調整手段により前記ランナーを通過する水量を
停止させる場合に、前記水量調整手段を閉動作後に開動
作させる一連の動きを、複数回繰り返すことを特徴とし
たポンプ水車。
【請求項１９】前記水量調整手段を閉動作後に開動作さ
せる一連の動きを、複数回繰り返す時に、繰り返す度に
閉動作の程度を大きくすることを特徴としたポンプ水
車。