JP2010229962A

JP2010229962A - 水車またはポンプ水車用調速制御装置

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Publication number: JP2010229962A
Application number: JP2009081095A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Sannomiya; 靖典三宮
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-14

Abstract

【課題】水車またはポンプ水車用調速制御装置において、発電機の負荷遮断後、ガイドベーン閉鎖特性の適正化と、軸系の回転速度および導入鉄管の水圧変動の安定性を確保する。
【解決手段】出力増減指令１による指令値と、軸回転速度１９とガイドベーン９の開度の検出値との偏差を演算する制御入力演算器３の演算値を入力するＰＩＤコントローラ４と、フィードフォワード制御要素２２を設け、発電機１８の負荷遮断信号を受信するフィードフォワード制御要素２２によって、予め設定されたガイドベーン閉鎖特性の関数でトラッキング演算するようＰＩＤコントローラのＩ（積分）演算要素６が制御され、その演算結果と、Ｐ（比例）５、Ｄ（微分）６演算要素の結果和でガイドベーン開度を制御する調速制御装置２。
【選択図】図１

Description

この発明は水力発電所等における水車またはポンプ水車用調速制御装置に関するものである。

図８は、例えば特許文献１に記載されるような、従来の水力発電所の調速制御装置を説明するブロック図である。図において、出力増減指令１は中央給電所、制御所、配電盤等からの自動調整機能または運転員操作、発電機電力変動等による指令である。調速制御装置２は水車またはポンプ水車の回転速度または出力トルクを制御する。その直接の制御対象は、固定翼のフランシス水車またはポンプ水車の場合、ガイドベーン（ＧＶ）９である。この調速制御装置２の諸機能は、マイクロプロセッサによるソフトウエアまたは演算増幅器によるアナログ回路により実現される。制御入力偏差演算器３は出力増減指令１により定まる設定値と、水車またはポンプ水車側からのフィードバック信号である回転速度１９（ｎ）およびガイドベーン９の開度（垂下率ゲイン２１による通常０．０６倍以下の垂下率ゲインを乗ずる）とを加算して求められる制御入力偏差ΔＧＯＶを出力し、定常状態である安定時にはこの値はゼロである。

調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４は、いずれも制御入力偏差ΔＧＯＶを入力とする、Ｐ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７により構成される。ＰＩＤコントローラ４の出力、即ち調速制御装置２の出力（ＧＯＶ）は上記Ｐ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の総和である。調速装置機械系であるアクチュエータ８は、調速制御装置２の出力を受け、ガイドベーン９の開度（Ｙ）を決定する。

水車またはポンプ水車１０は、その流量およびトルク特性により、ガイドベーン９の開度とフィードバック量である水車、発電機系の回転速度１９と水路系の有効落差１６（Ｈｅ）により、水車の流量１１（Ｑ）および出力トルク１７（Ｔ_Ｌ）を決定する。水路系は水車を通過する流量１１により、サージタンク１２の水位１４（Ｈｓ）が決まり、水位１４より水車下流側圧力１５と、損失水頭１３（流量１１の関数）の２項を引き去った差が有効落差１６となる。発電機１８と水車１０には慣性モーメントＧＤ^２があり、与えられた水車トルク１７と発生する電力２０（Ｗ）との差、系統周波数条件等により、水車と発電機が結合された軸系は加減速され、回転速度１９が決まる。

次に、動作を説明する。出力増減指令１が調速制御装置２に与えられると、外乱入力または制御指令による制御入力偏差ΔＧＯＶが制御入力演算器３で計算される。ガイドベーン９の開度に垂下率ゲイン２１を乗じている理由は、フィードバック量である回転速度１９が変動した際、ガイドベーン９の開度を適切な値に制御することにより、速度、開度の乱調状態が発生することを防止する目的である。即ち、回転速度が僅かに上昇した際は、ガイドベーン９を閉操作して安定させ、一方、回転速度が僅かに下降した際には、ガイドベーン９を開操作して安定に導く。

この制御入力偏差ΔＧＯＶは、同じく調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４に導かれ、コントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能が実施される。このうち、Ｐ（比例）演算要素５は、制御入力偏差ΔＧＯＶに比例する演算である。Ｉ（積分）演算要素６は、制御入力偏差ΔＧＯＶを時々刻々積分する演算である。また、Ｄ（微分）演算要素７は、制御入力偏差ΔＧＯＶに対し不完全微分演算を行う。このうちＰ（比例）演算要素５とＤ（微分）演算要素７の結果は安定時（定常状態時）ゼロとなるが、Ｉ（積分）演算要素６それ自体は、定常状態時も有限値を持ち、調速制御装置２の制御対象であり、マイナーフィードバック量であるガイドベーン９の開度とキャンセルすることにより、定常状態において、調速制御装置２からアクチュエータ８への制御出力がゼロとなる。

この制御系において、水車またはポンプ水車１０と発電機１８の軸系の回転速度１９が安定時から変化した場合には、制御入力偏差ΔＧＯＶがそれまでの定常状態であるゼロ値から変化する。それにより、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能は演算処理を行い、出力処理を開始する。制御入力偏差ΔＧＯＶに対するＰ（比例）演算要素５とＤ（微分）演算要素７の各機能の出力値は、回転速度１９が定格値に戻り、制御入力偏差ΔＧＯＶをゼロに戻す方向に、ガイドベーン開度９の値を制御する。

水車またはポンプ水車１０は、ガイドベーン９の開度と有効落差１６と、水車１０および発電機１８の回転速度１９により、流量１１と水車トルク１７を生じる。流量１１は、サージタンク１２の水位１４を変化させ、損失水頭１３と水車下流側圧力１５との差により、水車有効落差１６を生じ、水車１０にフィードバックされる。水車またはポンプ水車１０の出力トルク１７は、発電機１８を介して回転速度１９と実電力２０を生じ、回転速度１９は水車またはポンプ水車１０に、実電力２０は自動負荷調整（ＡＬＲ）、自動周波数調整（ＡＦＣ）等の自動調整機能に対して各々フィードバックされる。水車流量１１は出力増減指令１に正の相関関係をもって変化するが、その際に水車またはポンプ水車１０の出力トルクは遅れを生じ、これにより発電機１８の電力２０も遅れを生じる。

発電機１８が電力系統１０１に接続されていない状態、換言すれば同期遮断器１０２が開状態となっている無負荷の状態では、ガイドベーン９の開度の僅かな変化により、水車またはポンプ水車１０の発生する水車トルク１７の変動分が回転速度１９の変動に大きく影響するため、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のゲイン設定値は小さくする必要がある。無負荷状態ではガイドベーン９の開度が小さく（一般的に５〜２０％）、安定状態を得るために、この開度フィードバック値とキャンセルするＩ（積分）演算要素６の積分値は、ＰＩＤ制御の特質上、最終安定を確保する目的で設定されるため、その変動を抑制する必要があることから、Ｉ（積分）演算要素６のゲインは低い値に設定する必要がある。

その一方で、発電機１８が電力系統１０１に接続された状態、換言すれば同期遮断器１０２が閉状態となっている負荷時の状態では、発電機１８は系統からの同期化力を得て、系統周波数に対応した同期速度付近で回転しているため、ガイドベーン９の開度を増減（開閉）させたことによる水車またはポンプ水車１０の発生する水車トルク１７の変動分は、回転速度１９ではなく、実電力２０の増減に寄与する。この負荷時の状態では、調速制御装置２は、中央給電所、制御所、配電盤等からの自動調整機能または運転員操作、発電機電力変動等による出力増減指令１に対して速やかに応動する必要があり、ガイドベーン９の開閉速度を速くする必要があるため、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のゲイン設定値は無負荷時に比較して、一般に大きくする必要がある。負荷状態では出力増減指令１による運転側からの要求による、ガイドベーン９の開度の変化が大きく（一般的に５〜２０％の無負荷開度から当該発電所認可出力の８０〜９０％）、指令１に対する負荷増減の応答性を確保するため、ガイドベーン９の開度フィードバック値とキャンセルするＩ（積分）演算要素６のゲインは、無負荷状態とは異なり、高い値に設定する必要がある。

上述の無負荷時と負荷時の違いは、回路的には発電機１８が電力系統１０１に接続されていない状態または接続された状態の違い、換言すれば同期遮断器１０２が開または閉となっている状態である。調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４内の、Ｐ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のゲインの大小の切換も、上記、同期遮断器１０２が開または閉となっている状態と一致して実施されている。

調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４中の特にＩ（積分）演算要素６は、制御入力偏差ΔＧＯＶの時々刻々の積分結果であり、制御上必ず遅れが発生する。また、ＰＩＤ制御の特質上、Ｉ（積分）演算要素６の積分値と、制御対象であるガイドベーン９の開度のフィードバック値をキャンセルすることにより、調速制御装置２の出力がゼロとなり、安定状態に到らしめる制御方法を採用している。この方法を採用することによる弊害として、外乱または制御指令が印加され、システムとしてその外乱または制御指令に即応して追随しなければならないときに、このＩ（積分）演算要素６の値が即変化せず、その結果、プラントの負荷増減の応答性能に限界が発生し、場合によっては目的とする制御性能が得られず、外乱または所望と逆方向の応答が発生するという問題点があった。上記外乱または逆応答の問題点が発生する顕著な例として、以下の２点が挙げられる。

第１点目は発電所内における負荷遮断状態である。発電機１８が電力系統１０１に接続された状態、換言すれば同期遮断器１０２が閉となっている状態で、発電機１８は系統からの同期化力を得て、系統周波数に対応した同期速度付近で回転し、ガイドベーン９の開度が比較的大きい値となり、水車またはポンプ水車１０の出力トルク１７が発電機１８を介して実電力２０を生じ、実電力２０が系統１０１側に送出されている。この運転中の際、人為的（試験操作）または図示されない保護装置等、何らかの原因により、同期遮断器１０２が開となった際には、発電機１８はもはや系統１０１からの同期化力は得られず、また、電力を系統１０１側に送出できないため、水車またはポンプ水車１０のガイドベーン９の開度から定まる出力トルク１７により、水車１０と発電機１８の軸系は慣性モーメントＧＤ^２の効果により急激に加速される方向となる。従って速やかにガイドベーン９を閉鎖する操作を行なわない限り、水車１０と発電機１８の軸系の回転速度１９は、無拘束速度と称する最大にして定格の２倍以上の値に到達することもある。

このような負荷遮断時には、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４中の制御入力偏差ΔＧＯＶは大きな絶対値を伴う負の値となる。この制御入力偏差ΔＧＯＶは、同じく調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４に導かれ、コントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能が実施される。このうち、Ｐ（比例）演算要素５は、負荷遮断前の同期遮断器１０２が閉の際は、安定時（定常状態時）であればゼロである。このＰ（比例）演算要素５は、制御入力偏差ΔＧＯＶに比例する演算であるので、負荷遮断時に同期遮断器１０２が開となった際は、前述の通り回転速度１９の急激な上昇に伴って、大きな絶対値を伴う負の値である制御入力偏差ΔＧＯＶを受け、ガイドベーン９を閉とさせて、上昇した回転速度１９を定格に戻す方向の閉側指令信号成分を発生させる。

また、Ｉ（積分）演算要素６は、負荷遮断前の同期遮断器１０２が閉の際は、安定時（定常状態時）であればガイドベーン９の開度とキャンセル状態にあり、発電機１８が電力系統１０１に送出する電力値２０が大きい場合は、ガイドベーン９の開度もＩ（積分）演算要素６の値も正側の大きな値となる。一方、負荷遮断時に同期遮断器１０２が開となった際は、前述の通り回転速度１９の急激な上昇に伴って、大きな絶対値を伴う負の値である制御入力偏差ΔＧＯＶを受け、Ｉ（積分）演算要素６は遮断前の正値から減衰する。

さらに、Ｄ（微分）演算要素７は、Ｐ（比例）演算要素５と同様、負荷遮断前の同期遮断器１０２が閉の際は、安定時（定常状態時）であればゼロである。一方、負荷遮断時に同期遮断器１０２が開となった際は、前述の通り回転速度１９の急激な上昇に伴って、大きな絶対値を伴う負の値である制御入力偏差ΔＧＯＶを受け、Ｄ（微分）演算要素７は不完全微分演算により、ガイドベーン９を閉とさせ、上昇した回転速度１９を定格に戻す方向の閉側指令信号成分を発生させる。Ｐ（比例）演算要素５とＤ（微分）演算要素７の異なる点は、前者が大きな絶対値を伴う負の値である制御入力偏差ΔＧＯＶを受け、比例演算にてガイドベーン９を閉とさせる信号成分を送出するが、後者は不完全微分演算のため、回転速度１９の値そのものではなく、その変化率にガイドベーン９を閉とさせる信号成分が依存する点である。従って、回転速度１９の値が定常値（定格回転速度）より大きい場合でも、その変化率が飽和している場合は、Ｄ（微分）演算要素７から発信されるガイドベーン９を閉とさせる信号成分の効果は弱くなる。これら、Ｐ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各要素の様子を図９に示す。

さて、前述した通り、同期遮断器１０２開の無負荷状態では、ガイドベーン９の開度の僅かな変化により、水車またはポンプ水車１０の発生する水車トルク１７の変動分が回転速度１９の変動に大きく影響するため、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のゲイン設定値は小さくする必要がある。無負荷状態ではガイドベーン９の開度が小さく（一般的に５〜２０％）、安定状態を得るために、この開度フィードバック値とキャンセルするＩ（積分）演算要素６の積分値の変動を抑制する必要があることから、特に、Ｉ（積分）演算要素６のゲインは低い値に設定する必要がある。これは換言すると、Ｐ（比例）演算要素５とＤ（微分）演算要素７の結果は安定時（定常状態時）ゼロとなるので、無負荷状態でも、それらのゲイン設定につき、制約条件は小さいが、一方で、Ｉ（積分）演算要素６のゲインはＰＩＤ制御の特質上、最終安定を確保する目的で設定されるため、Ｉ（積分）演算要素６の演算値の変動を抑制する必要があることから、Ｉ（積分）演算要素６のゲインは制約が多く、低い値に設定する必要があることを意味している。

このため、負荷遮断直後には、回転速度１９の急激な上昇に伴って、大きな絶対値を伴う負の値である制御入力偏差ΔＧＯＶが発生し、それを受けたＰ（比例）演算要素５、Ｄ（微分）演算要素７の各機能の効果により、ガイドベーン９は閉鎖し、回転速度１９も一旦最大（この最大値と定格回転速度の比を速度変動率と呼称する）に達した後、徐々に下降し始める。一方、水車またはポンプ水車１０のガイドベーン９を閉鎖したことにより、水車流量１１は急激に閉塞され、水車上流側の鉄管１１１の水圧（水車上流側圧力１２１）は過渡的に上昇する。これら速度変動率と鉄管１１１の最大水圧はトレードオフの関係がある。即ち、ガイドベーン９の閉鎖を速くすれば、水車１０と発電機１８の軸系の速度変動率は抑制される一方で、当該最大水圧が上昇し、鉄管の肉厚等に考慮を払う必要がある。また、逆に、ガイドベーン９の閉鎖を遅くすれば、当該最大水圧の上昇は抑制される代わりに、水車１０と発電機１８の軸系の速度変動率は増加し、回転系、特に発電機１８の強度設計に考慮を払う必要が生じる。

水力発電所基本設計の過程で、これらガイドベーン９の閉鎖速度と水車１０と発電機１８の軸系の速度変動率、および水車上流側サージタンクの鉄管水圧の関係は数値計算にて確認・チェックされ、最適なガイドベーン９の閉鎖特性が決定される。この閉鎖特性をガイドベーン閉鎖モードと称している。なお、実際のプラントでは、このガイドベーン閉鎖モード実現のため、換言すると、ガイドベーン９の閉鎖が高速過剰にて、鉄管水圧が異常上昇しない様に、アクチュエータ８側にて操作油圧流量を最適に規定するための絞りが設定されている。また、何らかの制御的異常にて、回転速度１９上昇に見合ったガイドベーン９の閉鎖速度が得られず、水車１０と発電機１８の軸系の回転速度１９が尚も上昇を継続する場合は、図示されない保護装置にて、水車を停止させる制御操作が実施される。

上記では、マクロ的にこれらガイドベーン９の閉鎖速度と水車１０と発電機１８の軸系の速度変動率、および水車上流側の鉄管水圧の関係を記したが、負荷遮断時において、プラントの運転状態によっては、規定のガイドベーン閉鎖モードが実現されず、ガイドベーン９の閉鎖速度が変則的に変化し、顕著な場合は階段状に閉鎖したり、開度が振動的になることがある。その変則的なガイドベーン９の開度変化は、水車流量１１の変化に直接的に作用するため、水車上流側鉄管１１１の水圧の異常な変動を誘起する結果に結び付き、また、出力トルク１７の変化にも直接的に作用するために、慣性モーメントＧＤ^２を含む水車１０と発電機１８の軸系の回転速度１９を不安定にさせる結果に至る。

そして、ＰＩＤコントローラ４の比例、積分、微分、各要素機能のゲイン設定のうち、上記の不適切な現象に最も効果を及ぼし易い要素は、Ｉ（積分）演算要素６であって、ＰＩＤ制御の特質上、最終安定を確保する目的から、特に無負荷時は、そのゲインを低い値に抑制させる必要があることため、負荷遮断後、時間経過して、回転速度１９が下降を開始し、Ｐ（比例）演算要素５、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のガイドベーン９の閉鎖への効果が減衰しつつある段階に達しても、Ｉ（積分）演算要素６の減衰が遅れ、その値の変化量が少ないため、ガイドベーン閉鎖モードが実現されず、十分なガイドベーン９の閉鎖への効果が持続できず、階段状閉鎖や、振動的開度変化の如くの、ガイドベーン９の変則的閉鎖に至るものである。この、主にＩ（積分）演算要素６が原因となるガイドベーン９の変則的閉鎖と水車上流側鉄管の水圧異常変動誘起の問題は、過去古くから調速制御装置２が解決すべき重要な問題の１点であった。

第２の問題は、系統遠方端での負荷遮断（遠方負荷遮断）である。水力発電所の立地条件は山間の急峻な地域に在ることが多く、中間変電所や電力需要地域まで、遠距離の送電線にて電力流通を行なっているケースが多い。特に大規模水力発電所やポンプ水車の設置されている揚水発電所については、超高圧・遠距離の送電線にて接続されるケースが大半である。このため、送電線への落雷等で、発電所から遠方の変電所・開閉所（図示せず）にて保護継電器動作等により、遮断器が開放される事象が度々発生する。この場合も、発電所内の負荷遮断状態と同様、発電機１８はもはや系統１０１からの同期化力は得られず、また、電力を系統１０１側に送出できないため、水車またはポンプ水車１０のガイドベーン９の開度から定まる出力トルク１７により、水車１０と発電機１８の軸系は慣性モーメントＧＤ^２の効果により急激に加速される方向となることは、第１の問題点と同様である。ただし、この場合は自発電所の同期遮断器１０２の開放ではないため、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４中の制御入力偏差ΔＧＯＶにより演算を施す、Ｐ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のゲインは負荷状態の大きい設定値が継続することになる。

従って、自発電所の負荷遮断における、同期遮断器１０２の開放による第１の問題点の場合と比較して、このような負荷遮断時には、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４中の、制御入力偏差ΔＧＯＶ（同様に大きな絶対値を伴う負の値）に対する、同じく調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４内の、Ｐ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能が同様に演算を実施するものの、各ゲインが負荷状態の大きい設定値を継続しているため、ガイドベーン９を閉とさせる効果が大きくなる。

Ｉ（積分）演算要素６についても、負荷運転中の安定時（定常状態時）であればガイドベーン９の開度とキャンセル状態にあり、発電機１８が電力系統１０１に送出する電力値２０が大きい場合は、ガイドベーン９の開度も、Ｉ（積分）演算要素６の値も正側の大きな値となっているが、この遠方遮断の場合は、Ｉ（積分）演算要素６のゲインが大きいため、回転速度１９の急激な上昇に伴う大きな絶対値を伴う負の値である制御入力偏差ΔＧＯＶを受けることにより、Ｉ（積分）演算要素６は、第１の問題点である自発電所の負荷遮断における、同期遮断器１０２の開放による第１の問題点の場合と比較して、急速に減衰し、その値の変化量が大きくなる。これら各要素・機能の効果により、ガイドベーン９は閉鎖し、回転速度１９も一旦最大（この最大値と定格回転速度の比を速度変動率と呼称する）に達した後、徐々に下降し始める。

この第２の問題点の遠方遮断の場合は、自発電所の同期遮断器１０２の開閉により、負荷時または無負荷時の状態変化の認識が行なえないため、上述の通り、Ｐ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のゲインは負荷状態の大きい設定値が継続することになる。Ｐ（比例）演算要素５とＤ（微分）演算要素７の結果は安定時（定常状態時）ゼロとなるので、負荷状態の、比較的大きいゲイン設定のままでも弊害は少ないが、Ｉ（積分）演算要素６の場合は、負荷状態の比較的大きいゲイン設定のままでは、無負荷状態到達時の、ガイドベーン９の開度が小さく（一般的に５〜２０％）、安定状態を得ることが不可能となる。これは、Ｉ（積分）演算要素６のゲインが大きいために、ＰＩＤ制御の特質の、最終安定の確保が困難となり、Ｉ（積分）演算要素６の積分値とキャンセルすべき、ガイドベーン９の開度フィードバック値も安定しないためである。この状態を図１０に示す。

このように第２の問題点（遠方遮断）では、第１の問題点（自発電所の負荷遮断）の場合より、ガイドベーン９の開度がさらに不安定な状態となり、ガイドベーン閉鎖モードが実現できず、ガイドベーン９の開度が振動的になることが多い。その変則的なガイドベーン９の開度変化は、水車流量１１の変化に直接的に作用するため、水車上流側鉄管１１１の水圧の異常な変動を誘起する結果に結び付き、また、出力トルク１７の変化にも直接的に作用するために、慣性モーメントＧＤ^２を含む水車１０と発電機１８の軸系の回転速度１９を不安定にさせる結果に至る。この場合は、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４中にて自発電所のように負荷遮断状態が認識できないためであって、Ｉ（積分）演算要素６のゲインが大きい状態を継続していることに原因があるものであり、これも過去古くから調速制御装置２が解決すべき重要な問題の１点であった。

上記に対処する調速制御装置に関する技術として、例えば以下の特許文献２〜７に示すものがあった。ただし、これらはいずれも下記に示す理由により、十分な改善をもたらす迄には至らなかった。

特許文献２：水車またはポンプ水車１０用の調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４中のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能をバイパスして増幅値を出力する発明であるが、効果としては、Ｐ（比例）演算要素５のゲインの増強であり、上記発明が解決しようとする課題にて示したようなＩ（積分）演算要素６の処理に関する問題点が解決できていない。

特許文献３：水車またはポンプ水車用１０の調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４中のＩ（積分）演算要素６を異なるゲインを設定した２ブロック有して条件によって切換える方法であるが、かかる条件判別によりゲインを切換える方法は公知の手法であって、上記従来技術の説明にて記述されている通り、今回提起した発明が解決しようとする課題に適用するには限界があり、根本的な解決には至らない。

特許文献４：水車またはポンプ水車１０用の調速制御装置２を対象としたものではないが、目標値と制御量との間に偏差が生じた際に、別の操作量を加算する方式であって、基本的に上記特許文献１の効果と同様であり、上記発明が解決しようとする課題にて示したような、Ｉ（積分）演算要素６の処理に関する問題点が解決できていない。

特許文献５：水車またはポンプ水車１０用の調速制御装置２を対象としたものではないが、目標値に対する制御量の変動が発生した際にその変動を最適に抑制する特性状態へと等価的・フィードバック的に修正する補償演算手段を備えている。本方法を水車またはポンプ水車１０用の調速制御装置２に適用する場合は、最適制御ブロック・定数設定のための新たな解析手段を必要とする他、フィードバック的な手法であるため、上記発明が解決しようとする課題にて示したような、ガイドベーン９の開度変化が、水車流量１１の変化や出力トルク１７の変化に直接的に作用する系では、補償手段に起因する時間的遅れが無視できないため、適正な効果が期待できない。

特許文献６：水車またはポンプ水車１０用の調速制御装置２を対象としているが、水車またはポンプ水車１０の起動・同期・並列制御時の効果を意図したものであって、上記課題にて示したような、Ｉ（積分）演算要素６に関する問題点の解決とは別の手段である。また着目した制御要素がＤ（微分）演算要素７である。

特許文献７：水車またはポンプ水車１０用の調速制御装置２を対象としており、上記課題と同様、Ｉ（積分）演算要素６の処理に関する問題点にも言及している。ただしこの技術による方式は、基本的に、Ｉ（積分）演算要素６とガイドベーン９の開度の間に偏差が発生した際に補正項を適用して作用させる方式であり、効果が現れるまでの時間遅れが発生することは否定できず、また具体的な関数の提示も不完全であった。

特開２０００−１６１１９４号公報特開平１０−１２２１１９号公報特開昭５９−００８００８号公報特開平１０−１２４１０４号公報特開昭６２−００９４０４号公報特開２００４−１２４８６２号公報特開２０００−１６１１９４号公報

以上説明したように従来の調速制御装置は、例えば自発電所内の同期遮断器開による発電機負荷遮断後の回転速度が下降開始し、ＰＩＤコントローラのＰ（比例）演算要素、Ｄ（微分）演算要素によるガイドベーン閉鎖効果が減衰しつつある段階に達しても、Ｉ（積分）演算要素の減衰が遅れ、その値の変化量が少ないためガイドベーン閉鎖モードが実現されず、ガイドベーンの変則的閉鎖と水車上流鉄管の水圧異常変動誘起等の第１の問題点があった。また電力系統遠方端での落雷等による負荷遮断が発生した場合には、前記発電機の負荷遮断の場合よりさらにガイドベーンの開度が不安定な状態となり、ガイドベーン閉鎖モードが実現できず、開度が振動的となるという第２の問題点があった。

この発明は上記のような第１、第２の課題を解決するためになされたものである。

この発明は、外部からの出力増減指令値を受け、水車またはポンプ水車と軸結合された発電機の軸回転速度とガイドベーン開度を制御する水車またはポンプ水車用の調速制御装置であって、
出力増減指令値と、軸回転速度及びガイドベーン開度の検出値との偏差を演算する制御入力偏差演算器と、制御入力偏差演算器の演算結果が入力されて、そのＰ（比例）演算要素、Ｉ（積分）演算要素、Ｄ（微分）演算要素の演算結果の総和を出力するＰＩＤコントローラと、所定の条件が成立する場合に与えられたガイドベーンの閉鎖特性の関数にしたがってガイドベーン開度が変化するように制御されるような、Ｉ（積分）演算要素への信号を演算して、演算した信号をＩ（積分）演算要素に入力するフィードフォワード制御要素とを備えている。

この発明に係る水車またはポンプ水車用の調速制御装置は、外部からの出力増減指令値と、水車またはポンプ水車と軸結合された発電機の軸回転速度及びガイドベーン開度の検出値との偏差を演算する制御入力偏差演算器と、制御入力偏差演算器の演算結果が入力されて、そのＰ（比例）演算要素、Ｉ（積分）演算要素、Ｄ（微分）演算要素の演算結果の総和を出力するＰＩＤコントローラと、所定の条件が成立する場合に与えられたガイドベーンの閉鎖特性の関数にしたがってガイドベーン開度が変化するように制御されるような、Ｉ（積分）演算要素への信号を演算して、演算した信号をＩ（積分）演算要素に入力するフィードフォワード制御要素とを備えたものなので、ガイドベーンが段階的に閉鎖したり開度が振動したりすることを防止でき、水車またはポンプ水車の上流鉄管の異常な水圧上昇を防止でき、さらに水車またはポンプ水車と発電機の軸系の回転速度を安定にさせるという効果がある。

この発明の実施の形態１に係る水車またはポンプ水車用調速制御装置を示すブロック図である。この発明の各実施例が適用される水力発電所の概念を示す図である。この発明の実施の形態１に係る調速制御装置の動作を示す説明図である。この発明の実施の形態２に係る水車またはポンプ水車用調速制御装置を示すブロック図である。この発明の実施の形態２に係る調速制御装置の動作を示す説明図である。この発明の実施の形態３に係る水車またはポンプ水車用調速制御装置を示すブロック図である。この発明の実施の形態４に係る水車またはポンプ水車用調速制御装置を示すブロック図である。従来技術による水車またはポンプ水車用調速制御装置を示すブロック図である。従来技術による調速制御装置の動作を示す説明図である。従来技術による調速制御装置の動作を示す説明図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、この実施の形態１による水車またはポンプ水車用の調速制御に関する全体機器を示すブロック図であり、図２に水力発電所の概念図を示す。図１において、出力増減指令１は、図示省略した中央給電所、制御所、配電盤等からの自動調整機能または運転員の操作、発電機電力変動等による指令である。調速制御装置２は水車またはポンプ水車（以降、代表して水車と記載する）の回転速度または出力トルクを制御するものであり、その制御対象は、固定翼のフランシス水車またはポンプ水車の場合、ガイドベーン（ＧＶ）９である。この調速制御装置２の機能は、マイクロプロセッサによるソフトウエアまたは演算増幅器によるアナログ回路により実現される。制御入力偏差演算器３は出力増減指令１により定まる設定値と、水車１０からのフィードバック信号である回転速度１９（ｎ）およびガイドベーン９の開度（垂下率ゲイン２１による通常０．０６倍以下の垂下率ゲインを乗ずる）とを加算して求められる制御入力偏差ΔＧＯＶを出力するが、定常状態である安定時にはこの値はゼロである。

調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４は、前記制御入力偏差ΔＧＯＶをいずれも入力する、Ｐ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７により構成される。ＰＩＤコントローラ４の出力、即ち調速制御装置２の出力（ＧＯＶ）は上記のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の和である。調速装置機械系であるアクチュエータ８は、調速制御装置２の出力を受け、ガイドベーン９の開度（Ｙ）を決定する。また、ガイドベーン９を予め設定された閉鎖特性の関数にてトラッキングさせるフィードフォワード制御要素２２が前記ＰＩＤコントローラ４内に設けられている。

水車１０の流量およびトルク特性により、ガイドベーン９の開度とフィードバック量である水車、発電機系の回転速度１９と水路系の有効落差１６（Ｈｅ）により、水車の流量１１（Ｑ）および出力トルク１７（Ｔ_Ｌ）を決定する。水路系は水車１０を通過する流量１１により、サージタンク１２の水位１４（Ｈｓ）が決まり、水位１４より水車１０の下流側圧力１５と、損失水頭１３（流量１１の関数）の２項を引き去った差が有効落差１６となる。発電機１８と水車１０には慣性モーメントＧＤ^２があり、与えられた水車トルク１７と発生する電力２０（Ｗ）との差、系統周波数条件等により、水車１０と発電機１８が結合された軸系は加減速され、回転速度１９が決まる。
なお、ガイドベーン９を予め設定された閉鎖特性の関数にてトラッキングさせるとは、ガイドベーン９の開度が予め設定された閉鎖特性の関数にしたがってガイドベーン開度が変化するように制御されることを意味する。そのために、フィードフォワード制御要素２２は、予め設定された閉鎖特性の関数にしたがってガイドベーン開度が変化するような制御信号をＰＩＤコントローラ４が出力するような、Ｉ（積分）要素の入力信号を演算するものである。

次に、動作を説明する。ガイドベーン９の閉鎖特性の関数にてトラッキングさせるフィードフォワード制御要素２２は、負荷遮断状態でない定常時あるいは外乱が小さい場合はロックされ、不動作状態のため、作用しない。以下、［００４５］〜［００５１］の記述は従来技術と同様であるが本実施の形態１を理解し易くするため再度記載する。

出力増減指令１が調速制御装置２に与えられると、外乱入力または制御指令による制御入力偏差演算器３により偏差ΔＧＯＶが計算される。ここにおいて、ガイドベーン９の開度に垂下率ゲイン２１を乗じている理由は、フィードバック量である回転速度１９が変動した際、ガイドベーン９の開度を適切な値に制御することにより、速度、開度の乱調状態が発生することを防止するためである。即ち、回転速度が僅かに上昇した際は、ガイドベーン９を閉操作して安定させ、一方、回転速度が僅かに下降した際には、ガイドベーン９を開操作して安定に導く。

この制御入力偏差演算器３の出力するΔＧＯＶは、同じく調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４に導かれ、コントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能が実施される。このうち、Ｐ（比例）演算要素５は、前記制御入力偏差ΔＧＯＶに比例する演算である。Ｉ（積分）演算要素６は、制御入力偏差ΔＧＯＶを時々刻々積分する演算である。また、Ｄ（微分）演算要素７は、制御入力偏差ΔＧＯＶに対し不完全微分演算を行う。このうちＰ（比例）演算要素５とＤ（微分）演算要素７の結果は安定時（定常状態時）ゼロとなるが、Ｉ（積分）演算要素６それ自体は、定常状態時も有限値を持ち、調速制御装置２の制御対象であり、マイナーフィードバック量であるガイドベーン９の開度とキャンセルすることにより、定常状態において、調速制御装置２からアクチュエータ８への制御出力がゼロとなる。

この制御系において、水車１０と発電機１８の軸系の回転速度１９が安定時から変化した場合を考えると、制御入力偏差ΔＧＯＶがそれまでの定常状態であるゼロ値から変化する。それにより、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能は演算処理を行い、出力処理を開始する。制御入力偏差ΔＧＯＶに対するＰ（比例）演算要素５とＤ（微分）演算要素７の各機能の出力値は、回転速度１９が定格値に戻り、制御入力偏差ΔＧＯＶをゼロに戻す方向に、ガイドベーン開度９の値を制御する。

水車１０は、ガイドベーン９の開度と有効落差１６と、水車１０および発電機１８の回転速度１９により、流量１１と水車トルク１７を生じる。流量１１は、サージタンク１２の水位１４を変化させ、損失水頭１３と水車下流側圧力１５との差により、水車有効落差１６を生じ、水車１０にフィードバックされる。水車１０の出力トルク１７は、発電機１８を介して回転速度１９と実電力２０を生じ、回転速度１９は水車１０に、実電力２０は自動負荷調整（ＡＬＲ）、自動周波数調整（ＡＦＣ）等の自動調整機能に対して各々フィードバックされる。水車流量１１は出力増減指令１に正の相関関係をもって変化するが、その際に水車１０の出力トルクは遅れを生じ、これにより発電機１８の電力２０も遅れを生じる。

発電機１８が電力系統１０１に接続されていない状態、換言すれば自発電所の負荷遮断を行う同期遮断器１０２が開状態となっている無負荷の状態では、ガイドベーン９の開度の僅かな変化により、水車１０の発生する出力トルク１７の変動分が回転速度１９の変動に大きく影響するため、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のゲイン設定値は小さくする必要がある。無負荷状態ではガイドベーン９の開度が小さく（一般的に５〜２０％）、安定状態を得るために、この開度フィードバック値とキャンセルするＩ（積分）演算要素６の積分値は、ＰＩＤ制御の特質上、最終安定を確保する目的で設定されるため、その変動を抑制する必要があることから、Ｉ（積分）演算要素６のゲインは低い値に設定する必要がある。

その一方で、発電機１８が電力系統１０１に接続された状態、換言すれば同期遮断器１０２が閉状態となっている負荷時の状態では、発電機１８は系統からの同期化力を得て、系統周波数に対応した同期速度付近で回転しているため、ガイドベーン９の開度を増減（開閉）させたことによる水車１０の発生する水車トルク１７の変動分は、回転速度１９ではなく、実電力２０の増減に寄与する。この負荷時の状態では、調速制御装置２は、図示省略した中央給電所、制御所、配電盤等からの自動調整機能または運転員操作、発電機電力変動等による出力増減指令１に対して速やかに応動する必要があり、ガイドベーン９の開閉速度を速くする必要があるため、調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のゲイン設定値は無負荷時に比較して、一般に大きくする必要がある。負荷状態では出力増減指令１による運転側からの要求による、ガイドベーン９の開度の変化が大きく（一般的に５〜２０％の無負荷開度から当該発電所認可出力の８０〜９０％）、指令１に対する負荷増減の応答性を確保するため、ガイドベーン９の開度フィードバック値とキャンセルするＩ（積分）演算要素６のゲインは、無負荷状態とは異なり、高い値に設定する必要がある。

次にこの実施の形態１によるガイドベーン９の閉鎖特性の関数にてトラッキングさせるフィードフォワード制御要素２２を設けたことによる、負荷遮断時の動作について説明する。まず、第一に、自発電所内における負荷遮断状態について説明する。

従来の装置では、負荷遮断時において、プラントの運転状態によっては、規定のガイドベーン閉鎖モードが実現されず、ガイドベーン９の閉鎖速度が変則的に変化し、顕著な場合は階段状に閉鎖したり、開度が振動的になることがある。その変則的なガイドベーン９の開度変化は、水車流量１１の変化に直接的に作用するため、水車上流側鉄管１１１の水圧の異常な変動を誘起する結果に結び付き、また、出力トルク１７の変化にも直接的に作用するために、慣性モーメントＧＤ^２を含む水車１０と発電機１８の軸系の回転速度１９を不安定にさせる結果に至る。

そして、ＰＩＤコントローラ４内のＰ（比例）演算要素５、Ｉ（積分）演算要素６、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のゲイン設定のうち、上記の不適切な現象に最も効果を及ぼし易い要素は、Ｉ（積分）演算要素６であって、ＰＩＤ制御の特質上、最終安定を確保する目的から、特に無負荷時は、そのゲインを低い値に抑制させる必要があるため、負荷遮断後、時間経過して、回転速度１９が下降を開始し、Ｐ（比例）演算要素５、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のガイドベーン９の閉鎖への効果が減衰しつつある段階に達しても、Ｉ（積分）演算要素６の減衰が遅れ、その値の変化量が少ないため、ガイドベーン閉鎖モードが実現されず、十分なガイドベーン９の閉鎖への効果が持続できず、階段状閉鎖や、振動的開度変化の如くの、ガイドベーン９の変則的閉鎖に至るものである。

この実施の形態１では、ガイドベーン９の閉鎖特性の関数にてトラッキングさせるフィードフォワード制御要素２２を設けているため、自発電所負荷遮断の条件（自発電所内設置の同期遮断器１０２が閉状態から開状態に変化したことにより、発電機１８が電力系統１０１から隔離された信号を検出）を検出し、定常状態あるいは外乱の小さい状態（これらの場合は調速制御装置２内の制御入力偏差ΔＧＯＶがゼロまたは正負いずれかの絶対値がある閾値より小さいと定義できる）ではロックされ不動作状態にあったフィードフォワード制御要素２２をオンさせる。

このフィードフォワード制御要素２２をオンさせた操作により、図３に示すとおり従来は負荷遮断直後には、回転速度１９の急激な上昇に伴って、大きな絶対値を伴う負の値である制御入力偏差ΔＧＯＶが発生し、それを受けたＰ（比例）演算要素５、Ｄ（微分）演算要素７の各機能の効果により、ガイドベーン９は閉鎖し、回転速度１９も一旦最大（この最大値と定格回転速度の比を速度変動率と呼称する）に達した後、徐々に下降し始め、Ｐ（比例）演算要素５、Ｄ（微分）演算要素７の各機能のガイドベーン９の閉鎖への効果が減衰しつつある段階に達しても、Ｉ（積分）演算要素６の減衰が遅れ、その値の変化量が少ないという従来の課題は以下のようにして、解決される。

即ち、Ｉ（積分）演算要素６はＰＩＤコントローラ４内でガイドベーン９の開度フィードバック値とキャンセルすることに着目し、Ｉ（積分）演算要素６の演算結果がガイドベーン９の規定の閉鎖モードと一致するように、フィードフォワード制御要素２２では、ガイドベーン９の規定の閉鎖モードを微分した値を求め、この微分した値からΔＧＯＶを引いたものをＩ（積分）演算要素６への追加の制御操作量とする。すると、Ｉ（積分）演算要素６の減衰が遅れ、その値の変化量が少ないという欠点は克服される。図３にフィードフォワード制御要素２２を、負荷遮断時にオンさせたことによる、Ｉ（積分）演算要素６の値の変化を示す。なお、この実施の形態１によるフィードフォワード制御要素２２は、Ｉ（積分）演算要素６にのみ作用するため、従来装置でも問題の無かった、Ｐ（比例）演算要素５、Ｄ（微分）演算要素７の各機能の、負荷遮断時のガイドベーン９への閉鎖指令効果は、同様に確保される。

従って、フィードフォワード制御要素２２により予め設定されたガイドベーン閉鎖モードでＩ（積分）演算要素が制御されるので従来現象である、規定のガイドベーン閉鎖モードが実現されず、ガイドベーン９の閉鎖速度が変則的に変化し、顕著な場合は階段状に閉鎖したり、開度が振動的になることにより、その９の開度変化が、水車流量１１の変化に直接的に作用して、水車上流側鉄管１１１の水圧の異常な変動を誘起する結果に結び付き、また、出力トルク１７の変化にも直接的に作用して、慣性モーメントＧＤ^２を含む水車１０と発電機１８の軸系の回転速度１９を不安定にさせる結果に至る、との課題は解決することが出来る。

実施の形態２．
次に実施の形態２につき、図４により説明する。
調速制御装置２内の入力制御偏差演算器３の出力値ΔＧＯＶが、安定時または外乱小の状態か否かを閾値にて判別する閾値判別要素２３がフィードフォワード制御要素２２の前段に設けられている以外は、図１と同様である。この閾値判別要素２３もマイクロプロセッサによるソフトウエアまたは演算増幅器によるアナログ回路により実現される。

次に動作について説明する。
前記実施の形態１では、発電所内での負荷遮断状態に対応した場合についてを説明したが、この実施の形態２では遠方負荷遮断に対応した場合に関するものである。前述した通り、遠方負荷遮断の場合は、自発電所の同期遮断器１０２の開閉状態の変化を伴うわけではないが、発電機１８が電力系統から隔離されることにより、水車１０と発電機１８を結合する軸系の回転速度１９が上昇する。従って、調速制御装置２内の入力制御偏差演算器３がこの回転速度１９の上昇を検出して、負の方向に定常時とみなされる閾値を超えて変動したことを、閾値判別要素２３により検出し、その閾値外検出条件オンにて、フィードフォワード制御要素２２をオンさせ、ガイドベーン９の規定の閉鎖モードと強制的にトラッキングにて、Ｉ（積分）演算要素６の値を一致させる制御操作を前記実施の形態１に追加したものである。この実施の形態２の効果を図５に示す。

このようにこの実施の形態２は、調速制御装置２内の入力制御偏差演算器３が回転速度１９の上昇を検出して、負の方向に定常時とみなされる閾値を超えて変動したことを、閾値判別要素２３により検出し、その閾値外検出条件オンにて、定常状態あるいは外乱の小さい状態ではロックされ不動作状態であった、フィードフォワード制御要素２２をオンさせ活かす状態としたため、Ｉ（積分）演算要素６のみに作用してその減衰を速め、Ｐ（比例）演算要素５、Ｄ（微分）演算要素７の各機能はフィードバック的な制御を保つため、規定のガイドベーン閉鎖モードが実現され、ガイドベーン９の閉鎖速度が規則的に変化し、そのガイドべーン９の開度変化が、水車流量１１の変化に直接的に作用して、水車上流側鉄管１１１の水圧の異常な変動を誘起することなく、また、出力トルク１７の変化にも直接的に作用して、慣性モーメントＧＤ^２を含む水車１０と発電機１８の軸系の回転速度１９を安定にさせることができるという効果がある。

実施の形態３．
次に実施の形態３につき、図６により説明する。
この図６は、前述した実施の形態１の図１のフィードフォワード制御要素２２の前段に最適ガイドベーン閉鎖モード計算要素２４を設けたものである。一般に、ガイドベーン閉鎖モードは、水力発電所基本設計の過程で、これらガイドベーン９の閉鎖速度と水車１０と発電機１８の軸系の速度変動率、および水車上流側サージタンクの鉄管水圧の関係は数値計算にて確認・チェックされ、最適なガイドベーン９の閉鎖特性として決定されるが、この計算値は、水車全負荷時に対する１ケースのみである。なぜなら、このトレードオフの関係となる軸系の速度変動率、及び水車上流側サージタンクの鉄管水圧は、水車への効果として、全負荷遮断を行なった場合が最も過酷となるからであり、鉄管の肉厚および発電機１８の強度設計に考慮を払うケースは全負荷遮断時にて必要かつ十分であるからである。

しかし、実プラント運転時の負荷遮断状態は、様々な初期運転状態にて発生する。この個々の初期運転状態に対応する負荷遮断の際の最適なガイドベーン閉鎖モードは、１通りでなく、初期運転時のガイドベーン開度９や有効落差１６によって変化する。

実施の形態３は、フィードフォワード制御要素２２に反映すべきガイドベーン閉鎖モードに対して、その時々刻々の運転状態、換言すると運転時のガイドベーン開度９や有効落差１６を入力して運転状態を確認し、その運転状態にあったガイドベーン閉鎖モードを個別に計算する最適ガイドベーン閉鎖モード計算要素２４を追加したものである。負荷遮断後の調速制御装置２内のＰＩＤコントローラ４には、特に制御入力偏差演算器３の出力するΔＧＯＶの確認と、それを受けるＰ（比例）演算要素５、Ｄ（微分）演算要素７の各機能の実現に高速性が要求されるため、個々の運転負荷条件に対応する、ガイドベーン閉鎖モードの個別計算は、負荷遮断前に事前に行なわれ、負荷遮断前にはフィードフォワード制御要素２２に転送される。

実施の形態３の場合も実施の形態１と同様に、自発電所負荷遮断の条件（同期遮断器１０２の閉状態から開状態への変化）を認識して、ガイドベーン９の負荷状態をもとに計算された閉鎖モードと強制的にトラッキングにて、Ｉ（積分）演算要素６の値を一致させる制御操作を添加するので、従来の、Ｉ（積分）演算要素６の減衰が遅れ、その値の変化量が少ないという欠点は克服される。このトラッキング動作は実施例１の図３と同様に作用するので、以降の説明を省略する。

実施の形態３では、実施の形態１と同様に、自発電所負荷遮断の条件（同期遮断器１０２の閉状態から開状態への変化）を認識して、フィードフォワード制御要素２２を活かし、それと強制的にトラッキングして、Ｉ（積分）演算要素６の値を一致させる制御操作を添加するに加えて、フィードフォワード制御要素２２に反映すべきガイドベーン閉鎖モードに対して、その時々刻々の運転状態、換言すると運転時のガイドベーン開度９や有効落差１６を入力して運転状態を確認し、その運転状態にあったガイドベーン閉鎖モードを個別に計算する最適ガイドベーン閉鎖モード計算要素２４を追加したので、さらにきめの細かい制御が実現可能となる。

実施の形態４．
次に実施の形態４を、図７により説明する。
実施の形態４は、前述した実施の形態２の図４のフィードフォワード制御要素２２の前段に最適ガイドベーン閉鎖モード計算要素２４を設け、そして、それを遠方負荷遮断時に対応させるものである。

次に実施の形態４の動作について説明する。
上記実施の形態３は、ガイドベーン９の負荷状態をもとに計算された閉鎖モードと強制的にトラッキングにて、Ｉ（積分）演算要素６の値を一致させる制御操作を添加して、発電所内での負荷遮断状態に対応するものであったが、この実施の形態４は遠方負荷遮断時の対応に関するものである。前述した通り、遠方負荷遮断の場合は、自発電所の同期遮断器１０２の開閉状態の変化を伴うわけではないが、発電機１８が電力系統から隔離されることにより、水車１０と発電機１８を結合する軸系の回転速度１９が上昇する。従って、調速制御装置２内の入力制御偏差演算器３がこの回転速度１９の上昇を検出して、負の方向に定常時とみなされる閾値を超えて変動したことを、閾値判別要素２３により検出し、その閾値外検出条件オンにて、フィードフォワード制御要素２２をオンさせ、ガイドベーン９の所期負荷状態をもとに最適ガイドベーン閉鎖モード計算ブロック２４にて計算された閉鎖モードと強制的にトラッキングにて、Ｉ（積分）演算要素６の値を一致させる制御操作を添加すれば、実施の形態３と同様の改善効果を得ることができる。このトラッキング動作は実施の形態２の図５と同様に作用するので、以降の説明を省略する。

このようにこの実施の形態４では、実施の形態２の調速制御装置２内の入力制御偏差演算器３が回転速度１９の上昇を検出して、負の方向に定常時とみなされるの閾値を超えて変動したことを、ブロック２３により検出し、その閾値外検出条件オンにて、フィードフォワード制御要素２２を活かし、それと強制的にトラッキングにて、Ｉ（積分）演算要素６の値を一致させる制御操作を添加するに加えて、フィードフォワード制御要素２２に反映すべきガイドベーン閉鎖モードに対して、その時々刻々の運転状態、換言すると運転時のガイドベーン開度９や有効落差１６を入力して運転状態を確認し、その運転状態にあったガイドベーン閉鎖モードを個別に計算する最適ガイドベーン閉鎖モード計算要素２４を追加したので、さらにきめの細かい制御が実現可能となる。

この発明は、水力発電所における水車またはポンプ水車用の調速制御に利用できる。

１出力増減指令、２調速制御装置、３制御入力偏差演算要素、
４ＰＩＤコントローラ、５Ｐ（比例）演算要素、６Ｉ（積分）演算要素、
７Ｄ（微分）演算要素、９ガイドベーン、１０水車またはポンプ水車、
１８発電機、２２フィードフォワード制御要素、２３閾値判別要素、
２４最適ガイドベーン閉鎖モード計算要素。

Claims

外部からの出力増減指令値を受け、水車またはポンプ水車と軸結合された発電機の軸回転速度とガイドベーン開度を制御する水車またはポンプ水車用の調速制御装置であって、
前記出力増減指令値と、前記軸回転速度及びガイドベーン開度の検出値との偏差を演算する制御入力偏差演算器と、前記制御入力偏差演算器の演算結果が入力されて、そのＰ（比例）演算要素、Ｉ（積分）演算要素、Ｄ（微分）演算要素の演算結果の総和を出力するＰＩＤコントローラと、所定の条件が成立する場合に与えられたガイドベーンの閉鎖特性の関数にしたがってガイドベーン開度が変化するように制御されるような、前記Ｉ（積分）演算要素への信号を演算して、演算した信号を前記Ｉ（積分）演算要素に入力するフィードフォワード制御要素とを備えた水車またはポンプ水車用の調速制御装置。
前記ガイドベーンの閉鎖特性が予め設定されていることを特徴とする請求項１に記載の水車またはポンプ水車用の調速制御装置。
時々刻々と変化するガイドベーン開度と有効落差のデータが入力されて、その時点における最適ガイドベーン閉鎖モードを演算する最適ガイドベーン閉鎖モードを演算する最適ガイドベーン閉鎖モード演算要素を備え、
前記フィードフォワード制御要素が、前記最適ガイドベーン閉鎖モード演算要素から出力される最適ガイドベーン閉鎖モードを前記ガイドベーンの閉鎖特性の関数として演算することを特徴とする請求項１に記載の水車またはポンプ水車用の調速制御装置。
前記フィードフォワード制御要素が前記発電機の負荷遮断信号を入力され、
前記所定の条件が、前記負荷遮断信号が発生している場合であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水車またはポンプ水車用の調速制御装置。
前記軸回転速度が所定の閾値を超えるかどうか検出すると、前記フィードフォワード制御要素に検出信号を出力する閾値判別要素を備え、
前記所定の条件が、前記閾値判別要素が検出信号を出力している場合であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水車またはポンプ水車用の調速制御装置。