JP2005240655A

JP2005240655A - 水力発電所の運転制御装置および運転制御方法

Info

Publication number: JP2005240655A
Application number: JP2004050853A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Yoshida; 辰郎吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】予め計算により要求する運転効率向上値以上の効率向上が得られる運転パターンを用意し、この運転パターンを組み込むことで精度ある高効率運転を行うことができる水力発電所の運転制御装置を提供することである。
【解決手段】複数台の水車発電機を運転する際に水力発電所全体の総合出力指令値および水車の運転落差に応じて予め高効率運転範囲を定め、その高効率運転範囲内では各々の水車発電機を駆動するそれぞれの水車の効率が所定効率以上の運転になるような複数の運転パターンを運転パターン記憶部２８に予め記憶し、演算処理部２６は、上池水位と下池水位とから求めた運転落差と水力発電所全体の総合出力指令値とを入力し、その運転落差および総合出力指令値に対応する運転パターンを運転パターン記憶部２８から選択しその、選択した運転パターンに従って各々の水車発電機の出力指令値を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数台の水車発電機を有する水力発電所の運転制御を行う水力発電所の運転制御装置および運転制御方法に関する。

複数台の水車発電機を有する水力発電所では、水力発電所への総合出力指令値に基づいて複数台の水車発電機のうちの何台かを運転して総合出力指令値に見合う電力を出力するようにしている。

図６は複数台の水車発電機を有した水力発電所１１の概略全体構成図である。上流の上池１２からの水は、水圧鉄管１３を通り分岐管１４ａ、１４ｂ、１４ｃで分岐されて複数台の水車１５ａ、１５ｂ、１５ｃに導かれ放水管１６ａ、１６ｂ、１６ｃを介して下池１７に放流される。

図７は、複数台の水車発電機を有した水力発電所１１での運転制御装置１８を含む制御システム構成図である。図７では制御システムのうち１台の水車１５および水車発電機１９の周囲の構成部分を示している。運転制御装置１８は上池１２に設置された上池水位検出器２０で検出された上池水位、下池１７に設置された下池水位検出器２１で検出された下池水位、水車発電機１９を駆動する水車１５への流量を制御するガイドベーン２２のガイドベーン開度、及び水車発電機１９の出力信号を入力し、水力発電所の総合出力が総合出力指令値になるように各々の水車のガイドベーン開度を調整制御する。

図８は従来の水力発電所の運転制御装置１８のブロック構成図である。運転制御装置１８は、上池水位検出器２０で検出された上池水位を上池水位記憶部２３に更新記憶するとともに、下池水位検出器２１で検出された下池水位を下池水位記憶部２４に更新記憶する。また、外部から入力される発電所全体の総合出力指令値を総合出力指令値記憶部２５に更新記憶する。これらの上池水位記憶部２３、下池水位記憶部２４、総合出力指令値記憶部２５は、外部よりの信号が更新される度に記憶値も変更される。

上池水位記憶部２３、下池水位記憶部２４、総合出力指令値記憶部２５の信号は、演算処理部２６に入力され、水車発電機１９の運転台数に応じて、複数台の水車発電機１９に負荷配分を実施する。例えば、３台の水車が同じ定格の水車である場合には総合出力指令値を均等配分する均等配分処理したり、あるいは各水車特性に応じてある出力を得るのに必要とする最小流量を演算し、その最小流量に相当する出力を各々の水車に割り当てる。この演算結果は出力指令出力部２７に記憶され、各水車発電機１９へ出力指令として出力される。

複数台のそれぞれの水車の流量を軸とする発電所の等効率曲線を予め記憶しておき、流入量に対する等効率曲線上の最高効率点を求めて、その最高効率点に対する流量をそれぞれの水車に配分し、複数台の水車が設置された水力発電所を高効率で制御するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平３−２１３６７１号公報（第１図、第２図）

しかし、従来の運転制御装置では、運転台数の均等配分方式で負荷配分を実施しているので、実際に運転制御をしている運転状態が計画した高効率運転どおりに運転されていない場合がある。また、水車特性に応じて高効率演算を常時演算する場合には、演算処理部に負担がかかり、また、出力指令には常時演算誤差による誤差分の変動が生じていた。

本発明の目的は、予め計算により要求する運転効率向上値以上の効率向上が得られる運転パターンを用意し、この運転パターンを組み込むことで精度ある高効率運転を行うことができる水力発電所の運転制御装置および運転制御方法を提供することである。

本発明の水力発電所の運転制御装置は、複数台の水車発電機を運転する際に水力発電所全体の総合出力指令値および水車の運転落差に応じて予め高効率運転範囲を定めその高効率運転範囲内では各々の水車発電機を駆動するそれぞれの水車の効率が所定効率以上の運転になるような複数の運転パターンを記憶する運転パターン記憶部と、上池水位と下池水位とから求めた運転落差と水力発電所全体の総合出力指令値とを入力しその運転落差および総合出力指令値に対応する運転パターンを前記運転パターン記憶部から選択しその選択した運転パターンに従って各々の水車発電機の出力指令値を出力する演算処理部とを備えたことを特徴とする。

また、上記の構成に、各々の水車発電機の出力指令値に基づいて損失水頭を算出する損失水頭演算部を追加して設け、損失水頭演算部で算出した損失水頭により運転落差を補正し、補正した運転落差および水力発電所の総合出力指令値に基づいて運転パターンを選択するようにしてもよい。さらに、上池水位と下池水位とを入力するための入力装置を追加して設け、入力装置から入力された上池水位と下池水位とから運転落差を求め、その運転落差および水力発電所の総合出力指令値に基づいて運転パターンを選択するようにしてもよい。上池水位検出器や下池水位検出器が故障して上池水位や下池水位が入力できなくなったときに有効である。

本発明の水力発電所の運転制御方法は、複数台の水車発電機を運転する際に水力発電所全体の総合出力指令値および水車の運転落差に応じて予め高効率運転範囲を定め、その高効率運転範囲内では各々の水車発電機を駆動するそれぞれの水車の効率が所定効率以上の運転になるような複数の運転パターンを用意し、上池水位検出器で検出された上池水位と下池水位検出器で検出された下池水位とから運転落差を求め、各々の水車発電機の出力指令値に基づいて損失水頭を算出し、算出した損失水頭により前記運転落差を補正し、補正した運転落差および水力発電所の総合出力指令値に基づいて運転パターンを選択することを特徴とする。また、各々の水車発電機の出力指令値に基づいて損失水頭を算出し、算出した損失水頭により前記運転落差を補正するようにしてもよい。

本発明によれば、複数台の水車発電機の高効率運転が可能となる運転パターンをそれぞれの水車特性の組合せから前もって計算し、この計算した結果から作成した運転パターンに基づいて各々の水車発電機は運転制御されるので、所定の効率の運転範囲で運転することが可能となり、発電所全体の運転効率を高くしかつ精度よく運転制御できる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係わる水力発電所の運転制御装置のブロック構成図である。本発明の水力発電所の運転制御装置は、図７に示す複数台の水車発電機を有した水力発電所１１の制御システムに適用される。運転制御装置１８は、上池１２に設置された上池水位検出器２０で検出された上池水位、下池１７に設置された下池水位検出器２１で検出された下池水位、水車発電機１９を駆動する水車１５への流量を制御するガイドベーン２２のガイドベーン開度、及び水車発電機１９の出力信号を入力し、水力発電所の総合出力が総合出力指令値になるように各々の水車のガイドベーン開度を調整制御する。

すなわち、図１に示すように、水力発電所の上池水位検出器２０で検出された上池水位は、運転制御装置１８の上池水位記憶部２３に入力され更新記憶される。同様に、下池水位検出器２１で検出された下池水位は下池水位記憶部２４に入力され更新記憶される。

また、外部から入力される発電所全体の総合出力指令値は総合出力指令値記憶部２５に入力され更新記憶される。上池水位記憶部２３の上池水位、下池水位記憶部２４の下池水位、総合出力指令値記憶部２５の総合出力指令値は、演算処理部２６に入力される。

運転パターン記憶部２８には、各々の水車発電機を駆動するそれぞれの水車の効率が最高効率運転になるように水力発電所全体の総合出力指令値および水車の運転落差に応じて作成された複数の運転パターンが予め記憶されている。

演算処理部２６は、上池水位記憶部２３の上池水位と下池水位記憶部２４の下池水位とから運転落差を求め、求めた運転落差と水力発電所全体の総合出力指令値とから、その運転落差および総合出力指令値に対応する運転パターンを運転パターン記憶部２８から選択する。そして、選択した運転パターンに従って各々の水車発電機の出力指令値を出力指令出力部２７に出力する。また、表示装置２９が設けられており、運転パターン記憶部２８に予め記憶された運転パターンや演算処理部２６で選択した運転パターンでの運転状況を表示できるようになっている。

図２は、本発明の第１の実施の形態における運転パターンでの高効率運転範囲の表示画面の一例を示す平面図である。図２では３台の水車発電機を有する水力発電所で、落差がＨ１〜Ｈｎの範囲で変動し、水力発電所への総合出力指令値（発電所総合出力）Ｐが０〜Ｐｎの範囲で変動する場合を示している。

運転範囲Ａは１台の水車発電機が運転される範囲であり、運転範囲Ｂは２台の水車発電機が運転される範囲、運転範囲Ｃは３台の水車発電機が運転される範囲である。２台の運転範囲Ｂおよび３台の運転範囲Ｃには、高効率運転範囲Ｂ１、Ｃ１が予め定められており、落差Ｈおよび総合出力指令値Ｐがこの高効率運転範囲Ｂ１、Ｃ１内であるときは、２台の水車発電機または３台の水車発電機のそれぞれの水車の効率が所定効率以上の運転になるような複数の運転パターンが予め記憶されている。そして、落差Ｈおよび総合出力指令値Ｐが高効率運転範囲Ｂ１、Ｃ１内となるときは、そのときの落差Ｈおよび総合出力指令値Ｐに対して、各々の水車発電機を駆動するそれぞれの水車の効率が所定効率以上の運転になるように運転制御される。

図３は、図２の落差Ｈｉであるときに総合出力指令値Ｐが変化した場合の運転パターンの一例の説明図である。すなわち、落差Ｈｉにおける運転パターンは、総合出力指令値ＰがＰ１１より小さいときは１台目の水車発電機で運転する。Ｐ１は１台目の水車発電機の出力であり、総合出力指令値Ｐに従って１台目水車発電機出力Ｐ１は増加していく。総合出力指令値ＰがＰ１１となると２台の水車発電機が運転開始される。

この場合、１台目水車発電機出力Ｐ１と２台目水車発電機出力Ｐ２との和が総合出力指令値Ｐ（Ｐ＝Ｐ１１）となるように運転される。図３では１台目水車発電機出力Ｐ１を総合出力指令値Ｐ（Ｐ＝Ｐ１１）の半分とし、２台目水車発電機出力Ｐ２を同じく総合出力指令値Ｐ（Ｐ＝Ｐ１１）の半分とした場合を示している。そして、１台目水車発電機出力Ｐ１と２台目水車発電機出力Ｐ２とはそれぞれ総合出力指令値Ｐの半分を負担しつつ増加し、総合出力指令値ＰがＰｂ１となり高効率運転範囲Ｂ１に入ると、１台目水車発電機の水車の運転効率と２台目水車発電機の水車の運転効率との総合効率が所定効率以上の運転となるように、予め定められた運転パターンでそれぞれ運転される。図３では１台目水車発電機出力Ｐ１を２台目水車発電機出力Ｐ２より大きくした運転パターンを示している。そして、総合出力指令値ＰがＰｂ２となり高効率運転範囲Ｂ１から外れると、１台目水車発電機出力Ｐ１と２台目水車発電機出力Ｐ２との和が総合出力指令値Ｐとなるように運転される。

１台目水車発電機出力Ｐ１と２台目水車発電機出力Ｐ２との和は、総合出力指令値Ｐに従って増加していく。総合出力指令値ＰがＰ２１となると３台の水車発電機が運転開始される。１台目水車発電機出力Ｐ１、２台目水車発電機出力Ｐ２、３台目水車発電機出力Ｐ３との和が総合出力指令値Ｐ（Ｐ＝Ｐ２１）となるように運転される。

図３では、１台目水車発電機出力Ｐ１、２台目水車発電機出力Ｐ２、３台目水車発電機出力Ｐ３のそれぞれが総合出力指令値Ｐ（Ｐ＝Ｐ２１）の１／３を負担して出力する場合を示している。この場合、総合出力指令値ＰがＰ２１のときに高効率運転範囲Ｃ１の境界値Ｐｃ１となり高効率運転範囲Ｃ１に入るので、１台目水車発電機の水車の運転効率、２台目水車発電機の水車の運転効率、３台目水車発電機の水車の運転効率との総合効率が所定効率以上の運転となるように、予め定められた運転パターンでそれぞれ運転される。図３では、１台目水車発電機出力Ｐ１と２台目水車発電機出力Ｐ２とは同じ運転パターンであり、３台目水車発電機出力Ｐ３はそれより小さい運転パターンとなる場合を示している。

そして、総合出力指令値ＰがＰｃ２となり高効率運転範囲Ｃ１から外れると、１台目水車発電機出力Ｐ１、２台目水車発電機出力Ｐ２、３台目水車発電機出力Ｐ３の和が総合出力指令値Ｐとなるように運転される。

このように、複数台の水車発電機を運転する際に、水力発電所全体の総合出力指令値Ｐおよび水車の運転落差Ｈに応じて予め高効率運転範囲Ｂ１、Ｃ１を定めその高効率運転範囲Ｂ１、Ｃ１内では、各々の水車発電機を駆動するそれぞれの水車の効率が所定効率以上の運転になるような運転パターンで運転制御される。表示装置２９には、図２や図３に示した高効率運転範囲Ｂ１、Ｃ１や落差Ｈｉに応じた運転パターンが表示される。これにより、運転員は、運転制御が正常に行われていることを確認しながら安全な運転継続が可能となる。

第１の実施の形態によれば、これら上池水位と下池水位とにより運転落差を算出し、算出された落差Ｈおよび入力した発電所全体の総合出力指令値Ｐに従い、高効率運転範囲に入ったときは、予め記憶されている所定効率以上の運転になる運転パターンを選択し、選択したその運転パターンで各水車発電機への負荷配分値に従い制御するので、発電所全体を高効率で運転することができる。

図４は本発明の第２の実施の形態に係わる水力発電所の運転制御装置のブロック構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、各々の水車発電機の出力指令値に基づいて損失水頭を算出する損失水頭演算部３０を追加して設け、損失水頭演算部３０で算出した損失水頭により運転落差を補正するようにしたものである。図１と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。

図４において、演算処理部２６には上池水位と下池水位とが入力され、上池水位と下池水位とから運転落差が算出される。このとき、各水車発電機の出力指令に見合った流量を算出し、これに応じた損失水頭分を損失水頭演算部３０で演算し、算出した運転落差を補正する。そして、補正された落差および発電所全体の総合出力指令値に従い、高効率運転範囲に入ったときに予め記憶されている所定効率以上の運転になる運転パターンを選択し、選択したその運転パターンで各水車発電機に出力指令を出力する。

第２の実施の形態によれば、損失水頭分により補正された落差で運転パターンを選択し、その選択した運転パターンで水車発電機を制御するので、より適正に水力発電所を運転制御することができる。

図５は本発明の第３の実施の形態に係わる水力発電所の運転制御装置のブロック構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、上池水位と下池水位とを入力するための入力装置３１を追加して設け、入力装置３１から入力された上池水位と下池水位とから運転落差を求め、その運転落差および水力発電所の総合出力指令値に基づいて運転パターンを選択できるようにしたものである。図１と同一要素には、同一符号を付し重複する説明は省略する。

図５において、運転中に上池水位検出器２０で検出された上池水位、あるいは下池水位検出器２１で検出された下池水位が何らかの故障で入力されなくなったとき、入力装置３１より、運転員が別途入手した上池水位や下池水位のデータを入力する。これにより、上池水位検出器２０や下池水位検出器２１が故障した場合であっても、演算処理部２６は運転制御の処理を継続できる。また、上池水位検出器２０の検出信号や下池水位検出器２１からの検出信号に切り換えて、入力装置３１から上池水位や下池水位のデータを演算処理部２６に入力するようにすることも可能である。

第３の実施の形態によれば、上池水位検出器２０や下池水位検出器２１が故障した場合であっても高効率運転を継続できる。また、運転員による運転制御の介入が可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係わる水力発電所の運転制御装置のブロック構成図。本発明の第１の実施の形態における運転パターンでの高効率運転範囲の表示画面の一例を示す平面図。図２の落差Ｈｉであるときに総合出力指令値Ｐが変化した場合の運転パターンの一例の説明図。本発明の第２の実施の形態に係わる水力発電所の運転制御装置のブロック構成図。本発明の第３の実施の形態に係わる水力発電所の運転制御装置のブロック構成図。複数台の水車発電機を有した水力発電所の概略全体構成図。複数台の水車発電機を有した水力発電所での運転制御装置を含む制御システム構成図。従来の水力発電所の運転制御装置のブロック構成図。

符号の説明

１１…水力発電所、１２…上池、１３…水圧鉄管、１４…分岐管、１５…水車、１６…放水管、１７…下池、１８…運転制御装置、１９…水車発電機、２０…上池水位検出器、２１…下池水位検出器、２２…ガイドベーン、２３…上池水位記憶部、２４…下池水位記憶部、２５…総合出力指令値記憶部、２６…演算処理部、２７…出力指令出力部、２８…運転パターン記憶部、２９…表示装置、３０…損失水頭演算部、３１…入力装置

Claims

複数台の水車発電機を有する水力発電所の出力を制御する水力発電所の運転制御装置において、複数台の水車発電機を運転する際に水力発電所全体の総合出力指令値および水車の運転落差に応じて予め高効率運転範囲を定めその高効率運転範囲内では各々の水車発電機を駆動するそれぞれの水車の効率が所定効率以上の運転になるような複数の運転パターンを記憶する運転パターン記憶部と、上池水位と下池水位とから求めた運転落差と水力発電所全体の総合出力指令値とを入力しその運転落差および総合出力指令値に対応する運転パターンを前記運転パターン記憶部から選択しその選択した運転パターンに従って各々の水車発電機の出力指令値を出力する演算処理部とを備えたことを特徴とする水力発電所の運転制御装置。
各々の水車発電機の出力指令値に基づいて損失水頭を算出する損失水頭演算部を備え、前記演算処理部は、前記損失水頭演算部で算出した損失水頭により前記運転落差を補正し、補正した運転落差および水力発電所の総合出力指令値に基づいて運転パターンを選択することを特徴とする請求項１記載の水力発電所の運転制御装置。
前記上池水位と下池水位とを入力するための入力装置を備え、前記演算処理部は、前記入力装置から入力された上池水位と下池水位とから運転落差を求め、その運転落差および水力発電所の総合出力指令値に基づいて運転パターンを選択することを特徴とする請求項１または２記載の水力発電所の運転制御装置。
複数台の水車発電機を有する水力発電所の出力を制御する水力発電所の運転制御方法において、複数台の水車発電機を運転する際に水力発電所全体の総合出力指令値および水車の運転落差に応じて予め高効率運転範囲を定め、その高効率運転範囲内では各々の水車発電機を駆動するそれぞれの水車の効率が所定効率以上の運転になるような複数の運転パターンを用意し、上池水位検出器で検出された上池水位と下池水位検出器で検出された下池水位とから運転落差を求め、求めた運転落差と水力発電所全体の総合出力指令値とを入力し、その運転落差および総合出力指令値に対応する運転パターンを予め用意した運転パターンから選択し、その選択した運転パターンに従って各々の水車発電機の出力指令値を出力することを特徴とする水力発電所の運転制御方法。
複数台の水車発電機を有する水力発電所の出力を制御する水力発電所の運転制御方法において、複数台の水車発電機を運転する際に水力発電所全体の総合出力指令値および水車の運転落差に応じて予め高効率運転範囲を定め、その高効率運転範囲内では各々の水車発電機を駆動するそれぞれの水車の効率が所定効率以上の運転になるような複数の運転パターンを用意し、上池水位検出器で検出された上池水位と下池水位検出器で検出された下池水位とから運転落差を求め、各々の水車発電機の出力指令値に基づいて損失水頭を算出し、算出した損失水頭により前記運転落差を補正し、補正した運転落差および水力発電所の総合出力指令値に基づいて運転パターンを選択することを特徴とする請求項４記載の水力発電所の運転制御方法。