JP2001132610A

JP2001132610A - ポンプ水車

Info

Publication number: JP2001132610A
Application number: JP31806299A
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: 1999-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2001-05-18
Anticipated expiration: 2019-11-09
Also published as: JP4223645B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ポンプ水車の運転点がＳ字特性内にある時で
も、充分にＳ字特性の影響を緩和でき、ガバナーの安定
性を向上させることが可能なポンプ水車を提供する。【解決手段】発電電動機に結合されたランナーと、この
ランナー部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が所定回転速度を保つように前
記水量調整手段を制御するガバナーとを備え、前記ラン
ナーの回転方向を換えることにより揚水，発電の両モー
ドで運転可能に形成されているポンプ水車において、前
記ガバナーの演算部を、発電モード時で、かつ発電電動
機の発電電力が突然遮断された負荷遮断時に、少なくと
も全負荷遮断時の最初の回転速度上昇から第１のピーク
を経て下降に転じた後の最初の回転速度下降曲線の前半
に、閉動作中の前記水量調整手段が一時的に開動作に転
じ、前記最初の回転速度下降が定格回転速度より１／３
（第１ピーク値−定格回転速度）以上高い回転速度で止
み再上昇に転じるように形成した。

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，すなわ
ち同一のランナーを使って、回転方向を変えて、ポンプ
と水車両方の運転を可能にしたポンプ水車およびその制
御方法に係わり、特に水車運転領域においてＳ字特性を
有する高落差ポンプ水車に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、ポンプ水車のランナー，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
を得るために、充分な遠心ポンプ作用を発揮するように
設計されるのが普通である。しかしながら、この設計
が、ポンプ水車の水車運転に悪影響を与える場合があ
る。特に後述するＳ字特性と呼ばれる特性が現れ、これ
を完全に回避するのは難しいと考えられている。

【０００３】この種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わされる。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
の特性曲線で表わされるのが普通である。

【０００４】なお、これら２種類の特性曲線を総称して
一般には完全特性と呼んでいる。ところで上記流量特性
曲線は、水車運転領域において、回転数Ｎ１の値の増加
に伴って流量Ｑ１の値が減少する第１の部分と、回転数
Ｎ１の値の減少に伴って流量Ｑ１の値が減少する第２の
部分とを有する。説明の便宜上、ここでは、前記第２の
部分を、Ｓ字特性部分と称する。さらに、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。

【０００５】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）は、単位落差当り回転
数（Ｎ１）の減少に伴い減少する。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、流量Ｑ１と回転
数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。

【０００６】水車運転領域においてＳ字特性を有するポ
ンプ水車の特性が、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示さ
れている。図９（Ａ）において、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９（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。この回転数Ｎ１，流量Ｑ１
およびトルクＴ１は図中の式により表現される。なお、
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している。

【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′はさら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、ここでは、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９（Ａ）と同様に、図９（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】この図９（Ｂ）は、図９（Ａ）と密接な関
係がある。例えば、図９（Ａ）の曲線３上のＱ１＝Ｑ１
ｘ，Ｎ１＝Ｎ１ｘを満たす点ｘは、図９（Ｂ）の曲線
３′上の点ｘ′に対応している。点ｘ′は、Ｔ１＝Ｔ１
ｘ′，Ｎ１＝Ｎ１ｘ′（＝Ｎ１ｘ）を満たす点である。
同様に、図９（Ａ）における点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，
ｆ，ｈ，ｉおよびｊは、それぞれ図９（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、この特性曲線１と１′を参照しなが
らポンプ水車の水車運転（発電モード運転）について説
明する。上述したように特性曲線１と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。

【００１３】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。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。この様子をもう少し詳しく
説明すると、図１０のようになる。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。

【００１４】この有効落差Ｈの増加は、さらにＮ１の減
少をもたらし、Ｎ１の減少は、さらに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。

【００１５】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、やがては、Ｓ字特性部分をＱ１の増加方向、すなわ
ち点ｈを少し過ぎた点から点ａへとたどることになる。
Ｓ字特性部分を逆方向にたどるのもやはり正帰還制御回
路と同様の様式で行われる。なお、図１１は、この振れ
戻し作用を説明するものである。

【００１６】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。

【００１７】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にしたがっ
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。

【００１８】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９（Ｂ）に示
されているように、Ｔ１の値が減少する。ここで再び図
９（Ａ）に示される特性曲線１上の点ａとｈは、図９
（Ｂ）に示される特性曲線１′上の点ａ′とｈ′にそれ
ぞれ対応することに注意しなければならない。

【００１９】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。さら
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がさら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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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１２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。

【００２３】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Ｎ
１の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。

【００２４】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１２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
Ｈｐｘ１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、Ｈｐ波形の上下を逆にしたようになり、２波目
のピークＨｄｙ１はＨｄｙより下がる。なお、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。

【００２５】したがって、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５
４−４０９４６号公報の図５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。

【００２６】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１３
に示されている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。

【００２７】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る。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
ク゛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もある。

【００２８】図１４、図１５、図１６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ことになる。

【００２９】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Ｈ
ｐｘ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１７参照）、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ない。換言すれば、Ｈ
ｐｘ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１７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１４、図１５、図１６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。

【００３０】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５３−１４
３８４２号公報では添付の図１９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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】上述した問題点を考えると特開昭５３−１
４３８４２号公報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、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
性能を発揮できるとは思えない。

【００３４】なお、従来のポンプ水車では、通常の有負
荷運転では電力系統に連繋されていて安定性に不安がな
いため、ガバナーは安定性より応答速度を重点にしてゲ
インを高めに設定し、他方、負荷遮断後は当該ポンプ水
車が単独で無負荷運転を継続する必要があるため安定性
を重視し、ゲインを低めに設定するようにしている。

【００３５】しかしながら、この無負荷運転用の設定は
過渡的に通過するＳ字特性を考慮したものではなく、Ｓ
字特性を抜けた後の言わばＮ１の値の増加に伴ってＱ１
の値が減少する前記第１の部分においてはじめて安定性
が確保できる程度の設定であった。正帰還作用が働くＳ
字特性内の運転に対しては到底安定性が確保できない設
定になっていた。なお、負荷遮断時ガバナーの演算部を
応答速度を比較的高めに設定する有負荷運転用ゲインか
ら無負荷運転用ゲインへの切換は回転速度が定格回転速
度より充分高い所定値以上になったこと、または遮断器
が開いた等の条件で自動的に行われていた。

【００３６】

【発明が解決しようとする課題】以上説明してきたよう
に、このように構成されているポンプ水車では、ポンプ
水車の運転点が前述したＳ字特性内にある時には、この
Ｓ字特性の影響を受けてポンプ水車の運転に悪影響を及
ぼす嫌いがあり、前述のように従来においては、そのＳ
字特性の影響の回避に種々の策が試みられたが、性能安
定，かつ安価にしてこの影響を充分に回避することは難
しかった。

【００３７】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、ポンプ水車の運転点がＳ字特性内
にある時でも、性能安定，かつ安価にして充分にＳ字特
性の影響を緩和でき、ガバナーの安定性を向上させるこ
とが可能なこの種のポンプ水車を提供することにある。

【００３８】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、発電
電動機に結合されたランナーと、このランナー部を通過
する水量を調整する水量調整手段と、前記ランナーの回
転速度が所定回転速度を保つように前記水量調整手段を
制御するガバナーとを備え、前記ランナーの回転方向を
換えることにより揚水，発電の両モードで運転可能に形
成されているポンプ水車において、前記ガバナーの演算
部を、発電モード時で、かつ発電電動機の発電電力が突
然遮断された負荷遮断時に、少なくとも全負荷遮断時の
最初の回転速度上昇から第１のピークを経て下降に転じ
た後の最初の回転速度下降曲線の前半に、閉動作中の前
記水量調整手段が一時的に開動作に転じ、前記最初の回
転速度下降が定格回転速度より１／３（第１ピーク値−
定格回転速度）以上高い回転速度で止み再上昇に転じる
ように形成し所期の目的を達成するようにしたものであ
る。

【００３９】また、この場合、前記負荷遮断後ポンプ水
車が最終的に無負荷運転で落ち着く前に、前記ガバナー
の演算部の設定値をより応答速度が上がる方向に自動切
換するようにしたものである。また、前記負荷遮断後前
記水量調整手段が所定の開度以下まで閉鎖したことを条
件に前記ガバナーの演算部設定値を自動切換するように
したものである。また、前記負荷遮断後回転速度が所定
値以下に低下したことを条件に前記ガバナーの演算部設
定値を自動切換するようにしたものである。また、前記
ガバナーの応答速度が、通常の有負荷運転、無負荷定常
運転、負荷遮断直後の最初の回転速度降下中の順になる
ように前記ガバナーの設定値を自動切換するようにした
ものである。

【００４０】また、前記ガバナーの設定値切換をバンプ
レスで行うようにしたものである。また、前記ガバナー
が、往きの回路に比例、積分、微分演算要素を備えたＰ
ＩＤガバナーであり、かつその積分ゲインだけを切換す
るようにしたものである。また、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一の所定値以上にあ
る間は、前記水量調整手段の閉鎖速度を比較的高い第二
の所定値以下に制限し、前記水量調整手段の開度が前記
第一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、少なくとも
負荷遮断直後で前記水量調整手段の開度が前記第一の所
定値以下に閉鎖するまでは、閉動作中の前記水量調整手
段の一時的開動作が開始されないように前記ガバナーの
演算部を調整したものである。

【００４１】また、前記負荷遮断後回転速度が前記第１
のピーク値を経て下降に転じた後に前記水量調整手段の
一時的開動作を始め、その後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継続するように前記ガ
バナーの演算部を調整するようにしたものである。ま
た、前記水量調整手段の一時的な開動作が始まる時点
が、負荷遮断直後の回転速度上昇が止む時点より僅かに
早くなるように前記ガバナーの演算部を調整するように
したものである。

【００４２】また、前記水量調整手段の一時的な開動作
が始まる時点が、負荷遮断直後の回転速度上昇が止む時
点より僅かに早くなり、かつ、前記水量調整手段の前記
一時的開動作がその後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継続するように前記ガバナー
の演算部を調整したものである。また、前記回転速度が
定格回転速度より高い所定値を超えたことを条件に前記
ガバナーの演算部を有負荷運転用の応答速度優先設定か
ら大幅に安定性を改善したＳ字特性対応設定に自動的に
切換するようにしたものである。

【００４３】また、本発明は、ランナーと、このランナ
ーのトルクを発電電動機に伝える主軸と、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を備え、前記
ランナーの回転方向を切換えることによって揚水，発電
の両モードで運転可能にしたポンプ水車に関し、発電モ
ードにおいて前記ランナーの回転速度を検出しながら前
記ランナーの回転速度が定常的には所定値に落ち着くよ
うに前記水量調整手段を制御するように構成したガバナ
ーを備え、前記発電電動機の定格電力が遮断される全負
荷時において、最初の回転速度上昇から第１のピークを
経て下降に転じる回転変動曲線の、前記第１のピークの
直前または最初の回転速度下降曲線の前半において、閉
動作中の前記水量調整手段が一時的に開動作に転じるよ
うにし、結果的に前記最初の回転速度上昇開始から前記
第１のピークに達するまでの所要時間に対し、前記第１
のピークから（定格回転速度＋速度調定率）相当の回転
速度まで低下する所要時間が２倍以上になるように前記
ガバナーの演算部を調整設定（これをＳ字特性対応設定
と呼ぶ）するようにしたものである。

【００４４】すなわちこのように形成されたポンプ水
車，また制御方法であると、ポンプ水車の運転点がＳ字
特性内にある時でも、充分にＳ字特性の影響を緩和する
ことができるのである。すなわち、全負荷遮断時の最初
の回転速度上昇から第１のピークを経て下降に転じた後
の最初の回転速度下降曲線の前半というのは、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とき
である。この時にガバナーによって閉動作中の前記水量
調整手段が一時的に開動作に転じる程度までＰＩＤガバ
ナーであればガバナーのゲイン、特に積分ゲインや比例
ゲインを下げるべきである。そのようにすれば、微分要
素の作用で、最初の回転速度下降曲線の前半に前記水量
調整手段（すなわち、案内羽根）の一時的開動作が開始
されるようになる。復元回路に不完全微分要素を有する
いわゆるダンピング型ガバナーの場合には、ダンピング
ゲインを大きくし、時定数を長くすることが上記の積分
ゲインや比例ゲインの下げに相当する。

【００４５】なお、前記積分ゲインや比例ゲインの下げ
が不足すると前記案内羽根の一時的開動作が遅れて最初
の回転速度下降曲線の後半に現れるようになる。しか
し、これでは効果が低下するばかりか反って有害になる
場合がある。なぜならこの段階ではポンプ水車の運転点
はＳ字特性を流量減少方向に辿り終えて逆に流量増加方
向に辿り始めるからである。この段階で案内羽根を開け
ると逆にＳ字特性を動的に強める結果になるからであ
る。しかも、前記の案内羽根の一時的開動作の幅が充分
大きくて前記Ｓ字特性対応制御の効果が充分現れる必要
があるが、これを判断する基準は結果的に前記最初の回
転速度下降が定格回転速度より１／３（第１ピーク値−
定格回転速度）以上高い回転速度で止み再上昇に転じる
か否かである。ポンプ水車特性によって多少の差はある
が効果が現れるおおよその目安として考えてよい。例え
ば、後述の本発明の実施例の場合（ＰＩＤガバナーを採
用）には、無負荷定常運転時のＫｐ＝０．５、Ｋｉ＝
０．１、Ｋｄ＝３．４５、他方、Ｓ字特性対応制御時の
Ｋｐ＝０．５、Ｋｉ＝０．０２、Ｋｄ＝３．４５であ
る。前記ガバナーの演算部設定変更は負荷遮断の際に適
切な条件によって自動的に行われるようにすべきであ
る。

【００４６】前記Ｓ字特性対応制御では、ＰＩＤ等のゲ
イン調整だけ説明したが、この他にガバナーの目標回転
速度を設定する速度調整の設定を一時的に上げ補正する
制御などと組み合わせればより効果的である。

【００４７】負荷遮断後ポンプ水車がＳ字特性を抜けて
最終的に無負荷運転で落ち着く前に、前記ガバナーの演
算部をそれまでのＳ字特性対応設定に比べてより応答速
度を改善する設定（無負荷定常運転用設定と呼ぶ）に自
動修正しておくべきである。なぜならば、回転速度の降
下が緩慢になり過ぎて、いつまでもポンプ水車および発
電電動機を高い回転速度にさらす結果になること、この
ように負荷遮断後の回転速度復帰が遅い機械は運用上都
合が悪いことおよびこのポンプ水車を再度電力系統に並
列する場合に応答が遅すぎるという問題があるためであ
る。

【００４８】なお、前記Ｓ字特性対応設定から無負荷定
常運転用の設定に自動切換する条件の第１例は、負荷遮
断後前記水量調整手段が所定の開度以下に閉鎖したこと
の確認である。前記Ｓ字特性対応設定から無負荷定常運
転用の設定に自動切換する条件のもう一つの例は負荷遮
断後回転速度が所定値以下に低下したことの確認であ
る。ガバナーは、通常の有負荷運転では、安定性は電力
系統に委ねてもよいので、速応性重視で設定し、負荷遮
断後のＳ字特性対応のためには安定性が特別に強化され
るように設定し、Ｓ字特性を抜けた後はできるだけ速や
かに無負荷定常運転用の中間設定にするべきである。し
たがって、ガバナーの応答速度指標では、通常の有負荷
運転、無負荷定常運転、負荷遮断直後のＳ字特性対応時
の順になるように３種類の設定を用意し、これらを自動
切換すればよい。

【００４９】なお、前記ガバナーの設定値切換はバンプ
レスで行われるようにするべきである。特にＳ字特性対
応制御中に案内羽根がジャンプすると管路を共有する複
数台のポンプ水車の場合には異常な水撃相互干渉を生ず
る可能性がある。

【００５０】上記バンプレス切換の一例を挙げると、前
記ガバナーが往きの回路に比例、積分、微分演算要素を
備えたＰＩＤガバナーの場合、積分ゲインだけを切換す
る設計にすればよい。

【００５１】前記ガバナは前記水量調整手段（案内羽
根）の開度に応じて前記案内羽根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
案内羽根の開度が第一の所定値以上にある間は、前記案
内羽根の閉鎖速度を比較的高い第二の所定値以下に制限
し、前記案内羽根の開度が前記第一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、少なくとも負荷遮断直後
で前記案内羽根の開度が前記第一の所定値以下に閉鎖す
るまでは、閉動作中の前記案内羽根の一時的開動作が開
始されないように前記ガバナーの演算部を調整するべき
である。この理由は、運転点がＳ字特性に入るまではで
きるだけ速やかに案内羽根を閉鎖し、これから辿ること
になるＳ字特性をできるだけ小さくしておく必要がある
からである。また、これに反すると負荷遮断後の回転速
度の第１ピークを余計に上げる結果になるからである。

【００５２】なお、ポンプ水車の運転点がＳ字特性を辿
り下り終える時点はポンプ水車特性によって多少の差が
あるが、概略では、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である。したがって、前記案内羽根
の一時的開動作は回転速度が第１ピークを経て降下を始
めてから、回転速度降下曲線が上に凸から下に凸に移る
変極点付近まで継続するのがよい。前記ガバナーの演算
部はこれを規準に設定するとよい。

【００５３】なお、前記案内羽根の一時的開動作は回転
速度が前記第１ピークに達する時点より若干早めに開始
した方が効果的な場合がある。この段階では前記回転速
度の第１ピークをほとんど上げることがないこと、逆に
前記一時的開動作のタイミングが遅れた場合にはＳ字特
性対応制御性能が急激に低下するためである。

【００５４】結局、前記案内羽根の一時的な開動作は、
負荷遮断直後の回転速度上昇が止む時点（第１ピーク）
より僅かに早くなし、かつ、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継続するように前記ガ
バナーの演算部を調整するのが合理的である。

【００５５】なお、負荷遮断後、前記ガバナーの演算部
をＳ字特性対応設定に切換するのは負荷遮断が行われた
ことを的確に検出する条件であればよい。その意味では
当プラントだけの遮断器接点では不十分である。そこで
回転速度が定格回転速度より充分高い所定値（通常の有
負荷運転では起こり得ないほど充分高い値）を超えたこ
とを条件にすればよい。

【００５６】また本発明の結果として、負荷遮断時の上
流側水圧上昇の低減→上流側水路およびポンプ水車自身
の設計水圧の低減→コスト低減、負荷遮断時の下流側水
圧低下幅の低減→ポンプ水車据付高さの改善→土木コス
トの低減、複数台ポンプ水車が上流／下流管路を共有す
る場合の有害な水撃相互干渉の解消、ポンプ水車の水ス
ラストの軽減→スラストメタルの設計合理化、ポンプ水
車自身の負荷遮断時の運転安定化等を一挙に達成するこ
とが可能となるのである。

【００５７】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図３には、ポンプ水車のガバナ
がブロック線図で示されている。１は水車１００の回転
速度Ｎを検出する速度検出部、Ｘｎは速度検出信号、２
は回転速度の基準値を設定する速度調整部、ｘ０は速度
調整部２の設定値、３は加算部、Ｘσは速度調定率設定
部からの復元信号、Ｘεは加算部３の出力信号ですぐ下
流のＰＩＤ演算回路の入力信号、４ａは発電電動機が大
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）、４ｂは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）が示されている。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。

【００５８】５ａは通常の発電運転時の積分演算要素
（Ｉ要素）、５ｂ１は負荷遮断直後で後述の２０ａ，２
０ｂ案内羽根開度検出器が動作していない時に使用する
積分演算要素（Ｉ要素）を示し、５ｂ２は負荷遮断直後
で後述の２０ａ，２０ｂ案内羽根開度検出器が動作した
後に使用する積分演算要素（Ｉ要素）を示し、積分ゲイ
ンＫｉａ＞積分ゲインＫｉｂ２＞積分ゲインＫｉｂ１と
なっている。

【００５９】なお、１９ａ、１９ｂは発電電動機が負荷
遮断されたことを検出する接点で（例えば回転速度が定
格値より高い所定値を超える等の条件で検出）負荷遮断
された時、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。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換するためであ
る。また、２０ａ、２０ｂは案内羽根が所定の開度以下
まで閉鎖されたことを検出する接点で、案内羽根が所定
開度以下になっ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。

【００６０】６は微分演算要素（Ｄ要素）を示し、Ｚｄ
はその出力信号である。Ｚｐは比例演算要素の出力信
号、Ｚｉは積分演算要素の出力信号である。微分演算要
素６のゲインはＫｄは可調整であるが、時定数Ｔ１は
０．１秒程度の小さな値で固定される。

【００６１】７は加算部が示されている。ＺはＺｐ比例
演算要素の出力信号、Ｚｉ積分演算要素の出力信号、Ｚ
ｄ微分演算要素の出力信号を総合した案内羽根開度指令
を示し、Ｙは実際の案内羽根開度が示されている。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、Ｚ案内羽根開度指令を増幅して水
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、Ｚ案内羽根開度指令と実際の案内羽根
開度Ｙの偏差を示している。Ｙｘｘｘは上流からのガバ
ナー本来の制御信号のいかんを問わず急停止指令が与え
られた時に案内羽根を急閉鎖することができるほど絶対
値が充分大きい割り込み信号で通常はゼロである。

【００６２】２１は、Ｙε１とＹｘｘｘを加算してＹε
２を出力する加算器である。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．Ｃ
ｙに制限するためのものである。すなわち、Ｙε３は偏
差信号Ｙε２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、１１は加算部を示し、この加算部１１
に出力調整部１３から所望の案内羽根開度設定信号Ｙａ
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＝Ｙａ
となりその段階で落ち着く。

【００６３】１２は速度調定率設定部で上記の係数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般には一度
決めたら変更されないものである。１４は水路系を含む
水車を示している。Ｌは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、ＲＬは電力系統側から
与えられる負荷電力、ＰｇはＬとＲＬを総合した発電機
負荷が示されている。したがって、１７ｂは電力系統か
らの負荷特性を示している。１７ａは水車１００の自己
制御性で、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。したがって、
ＲＴは回転速度変化に伴う自己制御性による水車出力の
ロスを示している。かくして水車からみればＰｇだけで
なくＲＴ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
＋ＲＴとみなすことができる。かくして（Ｐｔ−ＬΣ）
が回転部慣性効果１６の入力となり、回転部慣性効果１
６の出力が回転速度Ｎとなる。なお、負荷遮断後はＰｇ
はＬに等しくなる。

【００６４】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
前の状態が示されている。すなわち、Ｎの定格値（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。

【００６５】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％負荷運転中が示されている。
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。

【００６６】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。

【００６７】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。した
がって、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。

【００６８】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θ１ａ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θＬをＹ＞
Ｙａの範囲では比較的大きいｔａｎ（θ１ａ）／Ｃｙ
に、Ｙ＜Ｙａ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｜θ
１ａ｜＞｜θ２｜＞｜θ１ｂ｜となるような一定値θ２
に設定する。

【００６９】ここで本発明のポイントである積分ゲイン
Ｋｉｂ１、Ｋｉｂ２、比例ゲインＫｐｂ、微分ゲインＫ
ｄの設定方法について説明する。負荷遮断後の定常状
態、すなわち、負荷遮断後案内羽根が所定開度以下まで
閉まり、Ｓ字特性対応制御がほぼ必要なくなる段階にな
れば、従来の無負荷定常時と同様の設定方法でよい。例
えば、ポンプ水車上下流水路の管路時定数Ｔｗ＝ΣＬ
ｉ．Ｖｉ／（ｇ．Ｈ）と回転部慣性効果の時定数Ｔｍ＝
０．００２７４ＧＤ²Ｎ０²／Ｋｗに応じてＫｐｂ，Ｋｉ
ｂ２を決めればよい。例えば、Ｋｐｂ＝０．３Ｔｍ／Ｔ
ｗ、Ｋｉｂ２＝０．２５Ｋｐ／Ｔｗ、Ｋｄ＝０．３Ｋ
ｐ．Ｔｗのように決めればよい。すなわち、Ｓ字特性を
考慮せずにＴｗとＴｍベースで決めればよい。但し、Ｌ
ｉは各管路の長さ（ｍ）、Ｖｉは各管路内の流速（ｍ／
ｓｅｃ）、ｇは重力の加速度（ｍ／ｓｅｃ²）、Ｈは有
効落差（ｍ）、回転部慣性定数ＧＤ²（ｔｏｎ−ｍ²）、
Ｎ０は定格回転速度（ｒｐｍ）、Ｋｗは定格出力（ｋ
ｗ）。しかし、Ｓ字特性対応制御のためには、すなわ
ち、最初の回転速度下降曲線の前半において、閉動作中
の前記水量調整手段が一時的に開動作に転じるように、
かつ、結果的に前記最初の回転速度下降が定格回転速度
より１／３（第１ピーク値−定格回転速度）以上高い回
転速度で止み再上昇に転じるようにするために、安定性
を格段に上げる必要がある。特にＫｉｂ１ゲインを格段
に小さくする必要がある。

【００７０】図１、図２、図４は５００ｍ級ポンプ水車
に本発明の設定方法を適用した例であるが、この場合に
は、Ｋｄ＝３．４５、Ｋｐｂ＝０．５、Ｋｉｂ１＝０．
０２、Ｋｉｂ２＝０．１とした。この場合、Ｋｐは負荷
遮断後の切換は行わずＫｐｂ一本にしたので（図３参
照）、ＫｐｂをＳ字特性対応制御の方も考慮して通常設
定より小さくし、約１／５とした。Ｓ字特性対応制御か
ら無負荷定常運転への切換時ＫｐｂもＫｉｂ１→Ｋｐｂ
２と一緒に切換する案もあるがここではバンプが出ない
よう切換対象を積分要素に限定している。

【００７１】かくして図１のように、案内羽根が閉鎖中
に狙い通りのＳ字特性対応制御を行っている。この結
果、流量は逆流することなくスムースに無負荷流量へと
収斂してゆく。水撃Ｈｐの第２波Ｈｐｙもほとんど消滅
している。図２はこの時のポンプ水車のＮ１−Ｑ１軌跡
である。この図から運転点がＳ字特性を流量減少方向に
辿る時は案内羽根が開かれ、逆に流量増加方向に辿る時
は案内羽根が閉められている様子が確認でき、Ｓ字特有
の加振作用がかなり抑制されていることも推察できる。

【００７２】図４はこの時のガバナーの応答、すなわ
ち、ＰＩＤ要素の出力応答が示されている。案内羽根開
度検出器２０ａ，２０ｂは、この場合には、負荷遮断後
２０秒の時点の案内羽根開度で動作している。このため
Ｚｉ曲線が負荷遮断後２０秒の時点で大きく折れてい
る。

【００７３】なお、図５はＫｐｂ、Ｋｉｂ２のゲインを
無負荷通常運転用の設定に近づけた場合にどういう問題
が起きるかを説明する図である。この場合には、Ｋｄ＝
３．４５、Ｋｐｂ＝１．０、Ｋｉｂ１＝Ｋｉｂ２＝０．
１とした場合でそれでもＫｉｂ１＝Ｋｉｂ２は通常の無
負荷定常運転時の約１／３、Ｋｐｂは約１／２にしてい
る。このようにガバナーのゲインが充分小さくなってい
ない中途半端な設定では案内羽根の開動作が最初の回転
速度降下曲線の後半に現れ、Ｓ字特性の制振どころか逆
に加振を助長する結果になっている。このようにＳ字特
性対応制御の設定は規準がないと難しいが本発明の規準
によれば簡単に的確に設定ができる。

【００７４】なお、無負荷定常運転になってもＳ字特性
対応制御設定のまま放置してもよいが前述から推察でき
るように、ガバナーの応答速度が鈍くなり過ぎること、
および負荷遮断後の回転速度の降下が大幅に遅れる欠点
がある。

【００７５】図６，図７，図８は、図１，図２のように
本発明の規準で設定した、管路を共有する３台のポンプ
水車の時間差負荷遮断の解析結果である。図１４、図１
５、図１６の従来技術と対比すると効果は明白である。
すなわち、異常な水撃干渉による水車下流側水圧のスパ
イクが全く発生しない。上流側水圧の様相も極めておだ
やかである。

【００７６】なお、上述の図１，２，３では、Ｓ字特性
対応制御をガバナーのＰＩゲインの切換だけで行ってい
るが、タイムリーに速度調整部２の設定値Ｘｏを上げ補
正する等の制御も組合せより効果的にすることも可能で
ある。

【００７７】以上説明してきたようにこのようなポンプ
水車であると、Ｓ字特性による異常な流量変動幅を大幅
に圧縮できることから、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することができ、したがっ
て、スラスト軸受の設計合理化が可能になる。また、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、各号機は互いに自由に運転できるよう
になる。

【００７８】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、本発明はガバナーの設定方法を
工夫するだけで簡単に、かつ的確に達成することができ
る。

【００７９】また、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
くことから、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。したがって、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
水車上流側管路およ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。

【００８０】また、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。

【００８１】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、ポンプ水車の運転点がＳ字特性内にある時でも、性
能安定，かつ安価にして充分にＳ字特性の影響を緩和す
ることができ、ガバナーの安定性を向上させることが可
能なこの種のポンプ水車を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のポンプ水車の負荷遮断時の時間応答グ
ラフである。

【図２】本発明の水車ポンプの負荷遮断時の運転点軌跡
図である。

【図３】本発明の一実施例を示すブロック線図である。

【図４】本発明の図１の実施例の各部の応答グラフであ
る。

【図５】本発明の別の実施例で好ましくない設定の例を
示す図である。

【図６】本発明水車ポンプの時間差負荷遮断の解析結果
を示す図である。

【図７】本発明水車ポンプの時間差負荷遮断の解析結果
を示す図である。

【図８】本発明水車ポンプの時間差負荷遮断の解析結果
を示す図である。

【図９】ポンプ水車の一般的な特性図である。

【図１０】ポンプ水車の動作フローチャートである。

【図１１】ポンプ水車の動作フローチャートである。

【図１２】案内羽根の閉鎖パターンの説明図である。

【図１３】複数のポンプ水車を有する発電所の例図であ
る。

【図１４】従来のポンプ水車の負荷遮断時の応答グラフ
である。

【図１５】従来のポンプ水車の負荷遮断時の応答グラフ
である。

【図１６】従来のポンプ水車の負荷遮断時の応答グラフ
である。

【図１７】従来のポンプ水車の負荷遮断時の応答グラフ
である。

【図１８】従来のポンプ水車の負荷遮断時の応答グラフ
である。

【図１９】従来のポンプ水車のＳ字特性対応制御の例図
である。

【図２０】従来のポンプ水車のガバナー動作特性図であ
る。

【図２１】従来の案内羽根の速度制限の説明図である。

【符号の説明】

１…回転速度検出器、２…速度調整部、３…加算器、４
ａ…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）、４ｂ…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）、５ａ…
通常の発電運転時の積分演算要素（Ｉ要素）、５ｂ１…
案内羽根開度検出器が動作していない時に使用する積分
演算要素（Ｉ要素）、５ｂ２…負荷遮断直後で案内羽根
開度検出器が動作した後に使用する積分演算要素（Ｉ要
素）、６…微分演算要素（Ｄ要素）、７…加算部、８…
加算部、９…リミッター、１０…油圧サーボモーター、
１３…出力調整部、１４…水路系を含む水車、１６…回
転部慣性効果、１７ｂ…電力系統からの負荷特性、１９
ａ，１９ｂ…発電電動機が負荷遮断されたことを検出す
る接点、２０ａ，２０ｂ…案内羽根が所定の開度以下ま
で閉鎖されたことを検出する接点。

───────────────────────────────────────────────────── 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） 3H073 AA12 BB10 CC12 CD03 CE09 CE26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発電電動機に結合されたランナーと、該
ランナー部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が所定回転速度を保つように前
記水量調整手段を制御するガバナーとを備え、前記ラン
ナーの回転方向を換えることにより揚水，発電の両モー
ドで運転可能に形成されているポンプ水車において、前記ガバナーの演算部を、発電モード時で、かつ発電電
動機の発電電力が突然遮断された負荷遮断時に、少なく
とも全負荷遮断時の最初の回転速度上昇から第１のピー
クを経て下降に転じた後の最初の回転速度下降曲線の前
半に、閉動作中の前記水量調整手段が一時的に開動作に
転じ、前記最初の回転速度下降が定格回転速度より１／
３（第１ピーク値−定格回転速度）以上高い回転速度で
止み再上昇に転じるように形成したことを特徴とするポ
ンプ水車。
【請求項２】前記負荷遮断後ポンプ水車が最終的に無
負荷運転で落ち着く前に、前記ガバナーの演算部の設定
値をより応答速度が上がる方向に自動切換するようにし
た請求項１記載のポンプ水車。
【請求項３】前記負荷遮断後前記水量調整手段が所定
の開度以下まで閉鎖したことを条件に前記ガバナーの演
算部設定値を自動切換するようにした請求項２記載のポ
ンプ水車。
【請求項４】前記負荷遮断後回転速度が所定値以下に
低下したことを条件に前記ガバナーの演算部設定値を自
動切換するようにした請求項２記載のポンプ水車。
【請求項５】前記ガバナーの応答速度が、通常の有負
荷運転、無負荷定常運転、負荷遮断直後の最初の回転速
度降下中の順になるように前記ガバナーの設定値を自動
切換するようにした請求項１記載のポンプ水車。
【請求項６】前記ガバナーの設定値切換がバンプレス
で行われるようにした請求項２記載のポンプ水車。
【請求項７】前記ガバナーが、往きの回路に比例、積
分、微分演算要素を備えたＰＩＤガバナーであり、かつ
その積分ゲインだけを切換するようにした請求項２記載
のポンプ水車。
【請求項８】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
整手段の開度が第一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二の所定値以下に制
限し、前記水量調整手段の開度が前記第一の所定値以下
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、少なくとも負荷遮断直後で前
記水量調整手段の開度が前記第一の所定値以下に閉鎖す
るまでは、閉動作中の前記水量調整手段の一時的開動作
が開始されないように前記ガバナーの演算部を調整した
請求項１記載のポンプ水車。
【請求項９】前記負荷遮断後回転速度が前記第１のピ
ーク値を経て下降に転じた後に前記水量調整手段の一時
的開動作を始め、その後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継続するように前記ガバナ
ーの演算部を調整した請求項１記載のポンプ水車。
【請求項１０】前記水量調整手段の一時的な開動作が
始まる時点が、負荷遮断直後の回転速度上昇が止む時点
より僅かに早くなるように前記ガバナーの演算部を調整
した請求項１記載のポンプ水車。
【請求項１１】前記水量調整手段の一時的な開動作が
始まる時点が、負荷遮断直後の回転速度上昇が止む時点
より僅かに早くなり、かつ、前記水量調整手段の前記一
時的開動作がその後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継続するように前記ガバナーの
演算部を調整した請求項１記載のポンプ水車。
【請求項１２】前記回転速度が定格回転速度より高い
所定値を超えたことを条件に前記ガバナーの演算部を有
負荷運転用の応答速度優先設定から大幅に安定性を改善
したＳ字特性対応設定に自動的に切換するようにした請
求項１記載のポンプ水車。
【請求項１３】ランナーと、前記ランナーのトルクを
発電電動機に伝える主軸と、前記ランナーを通過する水
量を調整する水量調整手段を備え、前記ランナーの回転
方向を切換えることによって揚水、発電の両モードで運
転可能にしたポンプ水車において、前記発電モード時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定常的には所定値に落ち着くよう
に前記水量調整手段を制御するように構成したガバナー
を備え、前記発電電動機の発電電力が突然遮断される負
荷遮断時に、少なくとも全負荷遮断時の最初の回転速度
上昇から第１のピークを経て下降に転じた後の最初の回
転速度下降曲線の前半において、閉動作中の前記水量調
整手段が一時的に開動作に転じるようにし、結果的に前
記最初の回転速度下降が定格回転速度より１／３（第１
ピーク値−定格回転速度）以上高い回転速度で止み再上
昇に転じるように前記ガバナーの演算部を調整設定（こ
れをＳ字特性対応設定と呼ぶ）したことを特徴とするポ
ンプ水車。
【請求項１４】ランナーと、該ランナーのトルクを発
電電動機に伝える主軸と、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を備え、前記ランナーの回転
方向を切換えることによって揚水，発電の両モードで運
転可能にしたポンプ水車に関し、発電モードにおいて前
記ランナーの回転速度を検出しながら前記ランナーの回
転速度が定常的には所定値に落ち着くように前記水量調
整手段を制御するように構成したガバナーを備え、前記
発電電動機の定格電力が遮断される全負荷時において、
最初の回転速度上昇から第１のピークを経て下降に転じ
る回転変動曲線の、前記第１のピークの直前または最初
の回転速度下降曲線の前半において、閉動作中の前記水
量調整手段が一時的に開動作に転じるようにし、結果的
に前記最初の回転速度上昇開始から前記第１のピークに
達するまでの所要時間に対し、前記第１のピークから
（定格回転速度＋速度調定率）相当の回転速度まで低下
する所要時間が２倍以上になるように前記ガバナーの演
算部を調整設定（これをＳ字特性対応設定と呼ぶ）した
ポンプ水車。