JP2011140901A - 可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変速揚水発電プラントの発電システムにおいて、発電機負荷の急激な変化や流量の大幅な変化時に、可変速幅を逸脱した回転速度の過度変動を抑制する。
【解決手段】発電システム制御装置に第１の微分器５と第２の微分器６とで構成される微分回路が備えられ、ガイドベーン開度指令値Ｇの変化に応じて第１の微分器５が微分、出力し、この出力を受信する第２の微分器６は前記出力を微分して微分回路の出力とし、この出力にガイドベーン開度指令値Ｇを加えてガイドベーン制御指令値Ｈとし、この指令値Ｈからガイドベーン実開度に減算したガイドベーン制御信号Ｌと回転速度制御信号Ｆとを第２の加算器８で加算してサーボ制御系信号Ｓを生成し、負荷急変時の発電機回転速度の過度変動を抑制する。
【選択図】図１

Description

この発明は可変速揚水発電プラントにおける発電システムの制御装置に関するものであり、特に発電負荷調整時における初期段階での回転速度の反転を防止、抑制する制御装置に係るものである。

従来の制御装置および後述するこの発明をより理解し易くするために、まず可変速揚水発電プラントの構成と動作について説明する。
図１０に公知の可変速揚水発電プラント５０の上部貯水池５１、上部サージタンク５２、ポンプ水車および発電電動機５３、下部サージタンク５４、下部貯水池５５の配置を示す。この可変速揚水発電プラント５０の発電運転時には、ポンプ水車および発電電動機５３は水車および発電機として動作し、上部貯水池５１から下部貯水池５５に導水管内を水が流れることにより、ポンプ水車５３の入力となるエネルギが与えられ、このポンプ水車入力は発電電動機５３に伝えられて出力電力に変換される。ポンプ水車の入力−発電電動機の出力がポンプ水車および発電電動機５３の加減速エネルギになる。つまり、上記入力−出力の差が正の場合には加速エネルギとなり、ポンプ水車および発電電動機５３は加速されて回転速度が増加する。一方、入力−出力の差が負の場合には減速されて回転速度は減少する。

発電電動機５３の出力は励磁装置によって瞬時に制御される。しかしポンプ水車５３の入力は機械系であるガイドベーン制御系（サーボ制御系）で制御されるため、発電電動機５３の出力に比べてポンプ水車５３の入力の応答は遅れる。このため出力電力、回転速度のいずれかを励磁制御系、いずれかをガイドベーン制御系で制御するかにもよるが、出力電力または回転速度の反転現象が発生する。

ポンプ水車５３の入力は、流入する水量を早く制御することにより早く増減させることができる。ポンプ水車５３への水量はガイドベーンの開度により増減し制御される。従って発電電動機５３の出力を増加させるにはガイドベーンを開き、減少させるにはガイドベーンを閉じる制御を行う。
しかし、発電電動機５３の出力を増加させる場合、ガイドベーンを開くと有効落差が減少するため、ポンプ水車流量の変化率と有効落差の変化率により、ポンプ水車入力を増加させるつもりがかえって減少させるという現象、つまり反転現象が起こる可能性がある。
また、発電電動機５３の出力を減少させる場合、ガイドベーンを閉じると有効落差が増加するため、ポンプ水車流量の変化率と有効落差の変化率により、ポンプ水車入力を減少させるつもりがかえって増加させるという反転現象が起こる可能性がある。

次に上記反転現象を防止、抑制するための制御装置としてガイドベーンを早く動作させ、有効落差にかかわらずポンプ水車流量を早く増減させる従来例を説明する。
特許第３７８３８３８号公報に、回転数最適関数、ガイドベーン開度最適関数、回転数制御器、微分器、加算器を備え、例えば出力電力増の電力指令値の場合、ガイドベーン開度最適関数はガイドベーンを開く方向のガイドベーン開度指令値を出力し、また回転数最適関数は回転数を増加させるような回転数指令値を出力する。
回転数制御は、回転数指令値からポンプ水車の実回転数を差し引いた回転数偏差をもとに回転数制御信号を出力する。上記ガイドベーン開度指令値を微分器によって微分し、ガイドベーン開度指令値に加算器で加算することによって反転現象を防止抑制することが示されている。

特許第３７８３８３８号公報（図２）

しかしながら、上記の特許文献１に示された技術は、比較的緩やかな出力電力指令値の変化には十分な効果を発揮するが、出力電力指令値の急激な変化に対しては制御量が十分でない。特に近年、発電機の急激でかつ微妙な出力調整が要求されてくるのに伴い、上記特許文献１による技術では対応しきれない場合があることが判った。
またさらに、上部貯水池からの同一の導水管に並設された２台の可変速揚水発電電動機が設けられているプラントの場合、２台の発電電動機の出力を同時に変化させようとすると、１台の発電電動機設置の場合よりも流量の変化が大きくなるので、上記特許文献１に示された技術では、可変速幅を逸脱してしまう可能性があり、このような状態発生時に対応するために、可変速揚水発電電動機の発電運転での目標回転速度を高くすることで、可変速幅を逸脱しないような対策がとられている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、電力指令値の急変や大きな流量変化等の負荷調整時における可変速揚水発電電動機の回転速度の過度変動を抑制し、安定した運転が可能となり、かつ励磁容量のマージンを減少させ経済性の向上した可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置を提供することを目的とする。

この発明に係る可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置は、電力指令値およびポンプ水車の有効落差に基づいて、回転速度指令値を演算する回転速度最適関数と、回転速度指令値とポンプ水車の実回転速度との差を演算して回転速度偏差を出力する第１の減算器と、回転速度偏差に基づいて回転速度制御信号を生成する回転速度制御器と、電力指令値およびポンプ水車の有効落差に基づいてガイドベーン開度指令値を演算するガイドベーン最適関数と、微分回路と、微分回路の出力とガイドベーン開度指令値とを加算してガイドベーン制御指令値を生成する第１の加算器と、ガイドベーン制御指令値からガイドベーン実開度を減算してガイドベーン制御信号を生成する第２の減算器と、回転速度制御信号とガイドベーン制御信号とを加算してサーボ制御系信号を生成する第２の加算器とを備え、微分回路には、第１の微分器と第２の微分器とが設けられており、第１の微分器は、ガイドベーン開度指令値の変化に応じてこのガイドベーン開度指令値を微分、出力し、第１の微分器の出力を受信する第２の微分器は、前記出力を微分して微分回路の出力とするものである。

この発明は、上記のような構成を備えているので、大きな流量変化時や急激な発電機出力調整時において、可変速発電電動機の回転速度の過度変動を抑制し、回転速度の反転を防止することが可能となるとともに、発電電動機の励磁容量のマージンを減少させて経済性の向上した発電システムを提供可能とする秀れた効果がある。

実施の形態１による発電システム制御装置を示すブロック図である。 実施の形態１による出力調整時の回転速度の変化を説明する図である。 実施の形態２による発電システム制御装置を示すブロック図である。 実施の形態２による出力調整時の回転速度の変化を説明する図である。 実施の形態３による発電システム制御装置を示すブロック図である。 実施の形態３による出力調整時の回転速度の変化を説明する図である。 実施の形態４による発電システム制御装置を示すブロック図である。 実施の形態４による出力調整時の回転速度の変化を説明する図である。 実施の形態５による出力調整時の回転速度の変化を説明する図である。 可変速揚水発電プラントの構成を示す図である。

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による発電システム制御装置１００のブロック図である。以下、構成の動作について説明する。図１において、可変速発電電動機の出力を指令する電力指令値Ａは、回転速度最適関数１およびポンプ水車のガイドベーン開度最適関数２に入力される。またポンプ水車の有効落差Ｃも前記回転速度最適関数１およびガイドベーン開度最適関数２に入力される。前記回転速度最適関数１は、電力指令値Ａおよびポンプ水車の有効落差Ｃに基づいて最適な回転速度指令値Ｄを出力する。減算器３は最適な回転速度指令値Ｄとポンプ水車の実回転速度Ｂとの差を演算し、回転速度偏差Ｅを出力し、この出力を入力する回転速度制御器４は回転速度制御信号Ｆを生成する。一方、電力指令値Ａおよびポンプ水車の有効落差Ｃを入力するガイドベーン開度最適関数２は、最適なガイドベーン開度指令値Ｇを出力する。前記最適なガイドベーン開度指令値Ｇを入力する第１の微分器５は、前記ガイドベーン開度指令値Ｇの変化に応じて微分値ｄＧ_１を出力する。
第２の微分器６は前記第１の微分器５の出力するｄＧ_１の微分値ｄＧ_２を出力する。第１の加算器７は前記ガイドベーン開度指令値Ｇと、前記第２の微分器６の出力ｄＧ_２とを加算してガイドベーン制御指令値Ｈを生成する。ここで前記第１の微分器５と第２の微分器６とで微分回路を構成する。第２の減算器１１は前記ガイドベーン制御指令値Ｈからガイドベーン実開度Ｋを減算して、ガイドベーン制御信号Ｌを生成する。第２の加算器８は前記回転速度制御信号Ｆとガイドベーン制御信号Ｌとを加算してサーボ制御系信号Ｓを生成しサーボ制御系に出力する。ポンプ水車のガイドベーンは前記サーボ制御系信号Ｓによって開閉制御され、その結果、発電電動機の出力が調整される。

次に、この実施の形態１の特徴とする第１の微分器５と第２の微分器６で構成される微分回路が、発電負荷である電力指令値Ａが急激に変化する場合に、ポンプ水車、可変速発電電動機の安定した回転速度制御を可能とする動作を図２によって説明する。なお、図２（ａ）〜図２（ｅ）は（Ｉ）電力指令値増の場合を、図２（ａ１）〜図２（ｅ１）は（ＩＩ）電力指令値減の場合を示し、以下は、（Ｉ）の電力指令値Ａが増の場合について述べる。図２（ａ）において電力指令値ＡがＰａからＰｂに増加すると、この信号を入力するガイドベーン開度最適関数２はポンプ水車の有効落差Ｃに基づいて最適なガイドベーン開度指令値Ｇを演算し、図２（ｂ）に示すように、ガイドベーンの開度目標値であるガイドベーン開度指令値ＧをＧＶａからＧＶｂに増加させる。第１の微分器５は図２（ｃ）に示すように前記ガイドベーン開度指令値Ｇの変化すなわち、ＧＶａ−ＧＶｂに応じた微分値ｄＧ_１を出力する。第２の微分器６は図２（ｄ）に示すように、前記第１の微分器５の微分出力ｄＧ_１の微分値ｄＧ_２を出力する。
図２（ｅ）は、前記第２の微分器６の出力であって微分回路の出力に相当する微分出力ｄＧ_２と、前述したガイドベーン開度指令値Ｇとを加算することで、制御目標値として大きくなったガイドベーン制御指令値Ｈが作成され、このガイドベーン制御指令値Ｈからガイドベーン実開度Ｋを減算したガイドベーン制御信号Ｌは、従来技術として一般によく知られている先行制御より大きな制御偏差を電力指令値Ａの変化開始時に持つことになる。このガイドベーン制御信号Ｌに前述した回転速度制御信号Ｆを加算したサーボ制御系信号Ｓによって、ポンプ水車のガイドベーンが開閉制御され、それによって可変速発電電動機の回転速度が制御されることを示している。
上記大きな制御偏差を持つガイドベーン制御信号Ｌによってガイドベーンが従来に比較してより速い速度で開かれるので水量が増加し、回転速度の低下を抑制できる。つまり、従来例では可変速幅±４％を逸脱した＋６〜７％の変動幅であったものが、この実施の形態１では＋３％に収まって変動幅を少なくしている。
この図２（ｅ）に関して、（Ｉ）電力指令値増の場合について、以下詳しく説明する。

可変速発電電動機は負荷一定で運転中は、すべりがプラスでかつ、負荷増制御（電力指令値増）により過度的に回転速度が低下しても可変速幅を、例えば±４％の範囲を逸脱しない範囲において、効率のよい回転速度、例えば５８２ｒ／ｍｉｎで運転されている。ここで上記可変速幅は、ポンプ水車の型式やその体格によって定まるものであって、この実施の形態１を含め後述する実施の形態２〜５も±４％としている。また可変速幅のプラス方向とは、例えば６００ｒ／ｍｉｎに対して＋４％の５７６ｒ／ｍｉｎの回転速度を示し、マイナス方向とは、−４％の６２４ｒ／ｍｉｎを示すように定義されている。
従来は可変速発電電動機１台の負荷増（増レートとして、一般的な０〜１００％／６０秒）の場合、前述した従来例である特許文献１の技術を適用することで、可変速幅内の運転となるよう制御されていた。
しかし、最近のニーズである同一導水管に２台の可変速発電電動機５３が設置されて２台同時に負荷増させるケースや、あるいは増レートを速くする例えば０〜１００％／４０秒とするケースには、先の特許文献１の技術では可変速幅を逸脱してしまい、図２（ｅ）に示すように６〜７％まで回転速度が低下することが判明した。このように可変速幅を逸脱する場合、可変速幅内に回転速度が戻るまで、発電電動機が運転を継続できるように励磁容量にマージンが必要である。
しかし、この実施の形態１による第１の微分器５の出力ｄＧ_１を第２の微分器６が微分してｄＧ_２を出力し、この微分回路の出力ｄＧ_２を用いたことで制御目標値として大きくなったガイドベーン制御信号Ｌに回転制御信号Ｆとを加算したサーボ制御系信号Ｓで回転制御制御を行う構成を採用しているので、回転速度の低下が＋３％に収まる。つまり前述の如く急な出力変化時や流量変化時等においても可変速幅±４％の範囲内で回転速度の低下を抑制可能となり、可変速発電電動機の励磁容量のマージンを少なくさせる励磁装置の小型化がはかれる。

次に電力指令値Ａが減の場合、つまり（ＩＩ）電力指令値減の図２（ａ１）〜図２（ｅ１）の場合について説明する。なお図２（ａ１）〜図２（ｅ１）は、前述した（Ｉ）電力指令値増の図２（ａ）〜図２（ｅ）にそれぞれ対応するものである。図２（ａ１）〜図２（ｅ１）に示すように、前述した（Ｉ）電力指令値増の場合とは逆方向の値とはなるが、各動作は同様である。
すなわち、図２（ａ１）において電力指令値ＡがＰｂからＰａに減少すると、図２（ｂ１）に示すようにガイドベーン開度指令値ＧをＧＶｂからＧＶａに減少させる。第１の微分器５は図２（ｃ１）に示すようにＧＶｂ−ＧＶａの変化に応じた微分値ｄＧ_１を出力する。図２（ｄ１）に示すように第２の微分器６は前記ｄＧ_１の微分値ｄＧ_２を出力する。図２（ｅ１）は前記ｄＧ_２とガイドベーン開度指令値Ｇとを加算したガイドベーン制御指令値Ｈからガイドベーン実開度Ｋを減算したガイドベーン制御信号Ｌと、前記回転速度制御信号Ｆとを加算したサーボ制御系信号Ｓによってガイドベーンが開閉制御され、可変速発電電動機の回転速度を減少させることを示している。
次に、図２（ｅ１）について詳述する。
負荷減の場合、可変速発電電動機を負荷一定で運転中は、前述した負荷増の場合と同じくすべりがプラスで可変速幅を逸脱しない範囲で効率の良い回転速度で運転されている。図２（ｅ１）に示すように負荷減（電力指令値減）においては、過度的に回転速度が上昇するが、回転速度はすべりがプラス状態で運転されているので、従来例である特許文献１の技術でも、可変速幅を逸脱するまでには裕度があるが、逸脱する場合もまれに存在する。
しかしながら、前述の如くこの実施の形態１の微分回路の出力ｄＧ_２を用いたガイドベーン制御信号で制御を行う構成であるので、同一導水管に可変速発電電動機が２台設置され同時に負荷減させるケースや、減レートを速くするケースには、この図２（ｅ１）に示すように可変速幅±４％の範囲内に回転速度の上昇が従来に比較してより抑制される効果がある。

以上のように、この実施の形態１では、第１の微分器５の出力を第２の微分器６がさらに微分した出力信号を用いる制御を採用した構成を備えているので、同一導水管に２台設置された可変速発電電動機を同時に負荷増減させるケースや、増減レートを速くするケースにおいても、ポンプ水車型式、体格によって定まる可変速幅内に納まるよう回転速度が制御され、可変速発電電動機の回転速度の過度変動が抑制された安定運転が可能で、かつ励磁容量のマージンの少ないコスト低減した発電システムの制御装置となる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２を図３、図４に基づいて説明する。
図３に示すようにこの実施の形態２は、前述した実施の形態１の図１の第２の微分器６に接続され信号Ｊを出力する可変リミッタ９と、この可変リミッタ９の可変範囲を制御する励磁制御手段１０とを追加して設けたものであり、それ以外は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。なおここで、第１の微分器５、第２の微分器６および可変リミッタ９によって微分回路が構成される。この可変リミッタ９を設けるのは、例えば前述した実施の形態１の図２（ｄ）において、電力指令値Ａの増指令終了時に第２の微分器６の出力ｄＧ_２が負となることによってガイドベーン開度が変動し、回転速度が変化することを改善するためである。
勿論、この場合における回転速度の変化は前記実施の形態１の図２（ｅ）、図２（ｅ１）で説明したように、可変速幅内での変化であって、前記実施の形態１の作用、効果を損なうものではない。すなわちこの実施の形態２は前記実施の形態１をさらに改善したものである。図３に示す可変リミッタ９は第２の微分器６の出力ｄＧ_２を制御するものであり、励磁制御手段１０によって可変範囲が設定される。この実施の形態２では、可変リミッタ９の可変範囲を例えばガイドベーン開度指令値Ｇの変化が正の場合は、上限を第２の微分器６の出力ｄＧ_２に制限を加えない値とし、下限を零または零に近い値とする。一方ガイドベーン開度指令値Ｇの変化が零または零に近い値の場合には、上・下限を零または零に近い値とする。また、ガイドベーン開度指令値Ｇの変化が負の場合には、上限を零または零に近い値とする。このことにより電力指令値Ａの変化、つまり負荷調整中以外の不要な回転速度変動を抑制した制御装置１００が提供できる。なお電力指令値Ａが一定もしくは変化速度が遅いために、第２の微分器６の出力ｄＧ_２が零または小さい場合には、励磁制御手段１０は可変リミッタ９の上・下限を零または零に近い値となるよう制御、設定する。

この実施の形態２による動作を図４に示す。
図４に示すように、（Ｉ）電力指令値増の場合、（ＩＩ）電力指令値減の場合共に、図４（ａ）、図４（ａ１）〜図４（ｄ）、図４（ｄ１）までは前述した図２と同様であるので説明を省略する。実施の形態１と同様にまず（Ｉ）電力指令値増の場合について説明する。図４（ｅ）において、可変リミッタ９はガイドベーン開度指令値Ｇの変化が零または零に近い値の時刻ｔ１〜ｔ２の間Ｔ１は、可変リミッタ９の上・下限を零または零に近い値に設定されており、その間の出力はない。ガイドベーン開度指令値Ｇの変化が正の時刻ｔ２〜ｔ３の間Ｔ２は、可変リミッタ９の下限を零または零に近い値に設定し、上限は制限されてないので図４（ｅ）の負方向の出力が無くなる。そして、ガイドベーン開度指令値Ｇの変化が零または零に近い値のｔ３以降Ｔ１は、可変リミッタ９の上・下限を零または零に近い値に設定されているので可変リミッタ９の出力はない。このように励磁制御手段１０によって可変リミッタ９は可変範囲の上・下限が設定されて、ガイドベーン開度指令値Ｇの変化に従って信号Ｊを出力することにより回転速度の低下を＋３％とすることができる。すなわち、図４（ｆ）に示すように可変速幅±４％の範囲内に回転速度の低下を抑制することができるとともに、第２の微分器６の出力ｄＧ_２の負の出力が無くなるのでガイドベーン開度の変動を抑制し、回転速度の変動を改善できる。

なお、図４における（ＩＩ）電力指令値減の図４（ａ１）〜図４（ｆ１）は、前述した（Ｉ）電力指令値増の図４（ａ）〜図４（ｆ）にそれぞれ対応するものであり、前述した（Ｉ）電力指令値増の場合とは逆方向の値とはなるが、各ステップにおける動作は同様であるので説明を省略する。
但し、図４（ｅ１）が図４（ｅ）と逆方向となる理由はガイドベーン開度指令値Ｇが負の時刻ｔ２〜ｔ３の間Ｔ２は、前述したように可変リミッタ９の上限を零または零に近い値としているからである。そして、図４（ｆ１）に示すように、電力指令値減の場合であっても、可変速幅±４％の範囲内に回転速度の上昇を抑制することができ、かつｄＧ_２の正の出力が無くなるので、ガイドベーン開度の変動を抑制し、回転速度が変化することが改善される。

このようにこの実施の形態２では、第１の微分器５と第２の微分器６に前記第２の微分器６につながる可変リミッタ９で微分回路が構成され、前記可変リミッタ９が励磁制御手段１０によって可変範囲を制御されるとともに、前記第２の微分器６の出力値を制御して微分回路の出力としているので、前述した実施の形態１の場合よりもガイドベーン開度の変動を抑制し、回転速度の変動を改善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を図５、図６に基づいて説明する。
前記実施の形態２では、図３に示したようにガイドベーン開度指令値Ｇを第１、第２の微分器５、６と可変リミッタ９とで構成される微分回路の出力Ｊを用いて電力指令値Ａの変化終了時の回転速度変動を抑制する制御装置１００について述べたが、この実施の形態３は実施の形態２の図３で示したガイドベーン開度最適関数２に接続されている微分回路の第１、第２の微分器および可変リミッタに替わって、図５に示すように電力指令値Ａに接続される第１、第２の微分器５ａ、６ａ、可変リミッタ９ａよりなる微分回路の構成を採用したものであり、以下に説明する事項以外は実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

図５に示す励磁制御手段１０は電力指令値Ａの変化、すなわちその時刻における電力指令値Ａと、１周期前の電力指令値Ａとの差を求め、この差が正ならば可変リミッタ９ａの下限を零または零に近い値に、差が負ならば可変リミッタ９ａの上限を零または零に近い値に、差に変化なしまたは微少であれば可変リミッタ９ａの上・下限を零または零に近い値に設定する。そして、可変リミッタ９ａの出力Ｍとガイドベーン開度最適関数２の出力Ｇを、第１の加算器７で加算したガイドベーン制御指令値Ｈからガイドベーン実開度Ｋを第２の減算器１１で減算して生成されたガイドベーン制御信号Ｌを、第２の加算器８に出力し、第２の加算器８は実施の形態１、２と同様に前記ガイドベーン制御信号Ｌと回転速度制御信号Ｆを加算し、サーボ制御系信号Ｓを出力する。

この実施の形態３による動作を図６に示す。なお、以下の説明は、（Ｉ）電力指令値Ａ増の場合について述べる。
図６（ａ）において、電力指令値ＡがＰａからＰｂに増加すると、図６（ｂ）でガイドベーン開度指令値ＧをＧＶａからＧＶｂに増加させる。図６（ｃ）で第１の微分器５ａはその時刻における電力指令値Ａの変化分に応じた出力ｄＡ_１を出力する。第２の微分器６ａは図６（ｄ）に示すように前記第１の微分器５ａの出力ｄＡ_１の微分値ｄＡ_２を出力する。図６（ｅ）において、可変リミッタ９ａは励磁制御手段１０によって求められた電力指令値の変化分、すなわちその時刻における電力指令値Ａと１周期前、またはそれ以前の過去の周期の電力指令値Ａとの差から零または零に近い値の時刻ｔ１〜ｔ２の間Ｔ１は、上・下限を零または零に近い値に設定されているので可変リミッタ９ａの出力はない。電力指令値Ａの差が正の時刻ｔ２〜ｔ３の間Ｔ２は、下限を零または零に近い値に設定されているので、可変リミッタ９ａの出力Ｋは正方向のみとなる。そして電力指令値Ａの変化が零または零に近い値の時刻ｔ３以降Ｔ１は、上・下限を零または零に近い値に設定されているので、可変リミッタ９ａの出力はない。このように励磁制御手段１０によって、その時刻における電力指令値Ａと１周期前の電力指令値Ａの差を求めるとともに、その差に応じて電力指令値の変化に対応した上・下限のリミットを設定し、その時刻における電力指令値Ａの変化に応じて第１、第２の微分器５ａ、６ａで微分し、かつ可変リミッタ９ａによって前記第２の微分器６ａの出力を制御しているので、図６（ｆ）に示すように可変速幅±４％の範囲内に回転速度の低下を抑制することができるとともに、第２の微分器６の出力ｄＡ_２の負の出力が無くなるので、ガイドベーン開度の変動を抑制し回転速度が変化することが改善される。

なお図６における（ＩＩ）電力指令値減の図６（ａ１）〜図６（ｆ１）は、前述した（Ｉ）電力指令増の図６（ａ）〜図６（ｆ）にそれぞれ対応するものであり、前述した（Ｉ）電力指令値増の場合とは逆方向の値とはなるが、各ステップの動作は同様であるので説明を省略する。
但し、図６（ｅ１）が図６（ｅ）と逆となる理由は、電力指令値Ａが負の時刻ｔ２〜ｔ３の間Ｔ２は、前述したように可変リミッタ９の上限を零または零に近い値としているからである。そして図６（ｆ１）に示すように電力指令値減の場合であっても、可変速幅±４％の範囲内に回転速度の上昇を抑制することができるとともに、第２の微分器６の出力ｄＡ_２の正の出力が無くなるので、ガイドベーン開度の変動を抑制し回転速度が変化することが改善される。

実施の形態４．
次に実施の形態４を図７、図８に基づいて説明する。
この実施の形態４は、前述した実施の形態２の図３の微分回路構成と、実施の形態３の図５の微分回路構成の双方を備えた制御装置１００としたもので、図７にその構成を示す。この実施の形態４は、図７から判るようにガイドベーン開度指令値Ｇを第１の微分器５と第２の微分器６の第１の可変リミッタ９によって構成される第１の微分回路において、前記第２の微分器６の出力ｄＧ_２を第１の可変リミッタ９によって制御された出力Ｊと、電力指令値Ａの変化分を第３の微分器５ａと、第４の微分器６ａと第２の可変リミッタ９ａで構成される第２の微分回路において、前記第４の微分器６ａの出力ｄＡ_２を第２の可変リミッタ９ａによって制御された出力Ｍとが、つまり前記出力ＪとＭとが第１の加算器７で加算される構成である。
それ以外は前述した実施の形態２ならびに実施の形態３と同様であるので、説明を省略する。

この実施の形態４による動作を図８に示す。
図８（ａ）〜図８（ｅ）および図８（ａ１）〜図８（ｅ１）は前述した実施の形態２の図４（ａ）〜図４（ｅ）および図４（ａ１）〜図４（ｅ１）と同様の動作であり、図８（ｆ）〜図８（ｈ）および図８（ｆ１）〜図８（ｈ１）は実施の形態３の図６（ｃ）〜図６（ｅ）および図６（ｃ１）〜図６（ｅ１）と同様の動作であるので、説明を省略する。
（Ｉ）電力指令値増の場合について説明すると、図８（ｉ）に示すようにガイドベーン開度指令値Ｇの変化に応じた微分値ｄＧ_１を第１の可変リミッタ９によって制御した出力Ｊと、電力指令値Ａの変化に応じた微分値ｄＡ_２を第２の可変リミッタ９ａによって制御した出力Ｍとを加算したガイドベーン開度指令値Ｈとしているので、リミッタの出力和が増大し、この信号Ｈからガイドベーン実開度Ｋを減算したガイドベーン制御信号Ｌと、前述した回転速度制御信号Ｆとを加算したサーボ制御系信号Ｓでもって、ガイドベーンが制御されるので、ガイドベーンの追従性が高まり、電力指令値の急激な変化に対しても、図８（ｊ）に示すように回転速度の低下を前述した実施の形態２よりさらに改善する効果がある。

なお、図８における（ＩＩ）電力指令値減を示す図８（ａ１）〜図８（ｊ１）は、前述した（Ｉ）電力指令値増の場合とは逆方向の値とはなるが、図８（ａ）〜図８（ｈ）と図８（ａ１）〜図８（ｈ１）の各ステップの動作は同様であり、かつ前述した実施の形態２および実施の形態３においても述べているので説明を省略する。
そして、図８（ｉ１）に示すように第１のリミッタ出力Ｊと第２のリミッタ出力Ｍとを加算しているのでリミッタ出力和が増大し、ガイドベーン追従性が高まり、電力指令値の急激な変化に対しても、図８（ｊ１）に示すように回転速度の上昇を前述した実施の形態２よりさらに改善する効果がある。

実施の形態５．
次に実施の形態５について説明する。
この実施の形態５の構成は前記実施の形態４で示した図７と同一の構成である。しかしながら、実施の形態４で示した第１の微分回路を構成する第１、第２の微分器５、６と第２の微分回路を構成する第３、第４の微分器５ａ、６ａによる微分制御方式は同等のものであった。この実施の形態５では第１の微分回路の第２の微分器６と、第２の微分回路の第４の微分器６ａの制御方式を異なる方式を採用している。
つまり、図７に示すガイドベーン開度指令値Ｇの微分を行う第１の微分回路の第２の微分器６は、回路ゲインを大きくすることによる微分出力Ｊを鋭く、すなわち微分出力を高くしたものであり、電力指令値Ａの変化分を微分する第２の微分回路の第４の微分器６ａの回路時定数を大きくして微分出力Ｍを長く、すなわち微分出力を長くしたものである。これによりガイドベーン制御量を増大させることが可能となり、回転速度の低下や上昇をより抑制することができる。

この実施の形態５による動作を図９に示す。
なお、以下の説明は（Ｉ）電力指令値Ａが増の場合について述べる。図９（ａ）で電力指令値ＡがＰａからＰｂに増加すると、図９（ｂ）でガイドベーン開度指令値ＧをＧＶａからＧＶｂに増加させる。図９（ｃ）で第１の微分回路の第１の微分器５はｄＧ_１を出力し、図９（ｄ）で第２の微分器６は微分効果を高くした出力ｄＧ_２を出力する。図９（ｅ）で第１の可変リミッタ９は電力指令値Ａが正の時刻ｔ２〜ｔ３の間（Ｔ２の間）のみ正のリミッタ出力Ｊを出力する。この図９（ｅ）から判るように前述した実施の形態４より鋭い形状の正のリミッタ出力Ｊが出力されている。
一方、図９（ｆ）で第２の微分回路の第３の微分器５ａは微力値ｄＡ_１を出力し、図９（ｇ）で第４の微分器６ａは微分効果を長くした出力ｄＡ_２を出力する。図９（ｈ）で第２の可変リミッタ９ａは電力指令値Ａの差が正の時刻ｔ２〜ｔ３の間（Ｔ２の間）のみ正のリミッタ出力Ｍを出力する。この図９（ｈ）から判るように前述した実施の形態４より長い形状の正のリミッタ出力Ｍが出力されている。図９（ｉ）で上記リミッタ出力ＪとＭが加算されて、ガイドベーン開度指令値Ｈとし微分効果の高くかつ長くガイドベーン制御量を増大させたものが得られる。この図９（ｉ）の信号Ｈからガイドベーン実開度Ｋを減算したガイドベーン制御信号Ｌと回転速度制御信号Ｆとを加算したサーボ制御系信号Ｓでもってガイドベーンが制御されるので、電力指令値の変化が大きく、かつ長時間継続する場合においても、図９（ｊ）に示すように可変速幅内における回転速度の低下をより改善することができる。

なお、図９における（ＩＩ）電力指令値減を示す図９（ａ１）〜図９（ｊ１）は前述した（Ｉ）電力指令値増の場合とは、逆方向の値とはなるが、図９（ａ）〜図９（ｈ）と図９（ａ１）〜図９（ｈ１）の各動作は同様であるので説明を省略する。
そして図９（ｉ１）に示すように、第１のリミッタ負の出力Ｊと第２のリミッタ負の出力Ｍとを加算しているので、負のリミッタ出力和が高く、かつ長くなり、ガイドベーン制御量を増大させたものが得られ、図９（ｊ１）に示すように可変速幅内における回転速度の上昇をより改善することができる。

なお上記は、第１の微分回路がガイドベーン開度指令値Ｇの変化分の微分を、第２の微分回路が電力指令値Ａの変化分を微分する機能を持たせていたが、これに限定されず第１の微分回路が電力指令値Ａの変化分の微分を、第２の微分回路がガイドベーン開度指令値Ｇの変化分の微分する機能を持たせても同様の効果を得ることができる。

この発明は、可変速揚水発電プラントの発電システムの制御装置に利用可能である。

１ 回転速度最適関数、２ ガイドベーン開度最適関数、３ 第１の減算器、
４ 回転速度制御器、５ 第１の微分器、５ａ 第３の微分器、６ 第２の微分器、
６ａ 第４の微分器、７ 第１の加算器、８ 第２の加算器、
９ 可変リミッタ（第１の可変リミッタ）、９ａ 第２の可変リミッタ、
１０ 励磁制御手段、１１ 第２の減算器、１００ 発電システム制御装置、
Ａ 電力指令値、Ｂ ポンプ水車の実回転速度、Ｃ ポンプ水車の有効落差、
Ｄ 回転速度指令値、Ｆ 回転速度制御信号、Ｇ ガイドベーン開度指令値、
Ｈ ガイドベーン制御指令値、Ｋ ガイドベーン実開度、
ｄＡ_１，ｄＡ_２，ｄＧ_１，ｄＧ_２ 微分器出力、Ｌ ガイドベーン制御信号、
Ｊ，Ｍ リミッタ出力。

Claims (6)

1. 電力指令値およびポンプ水車の有効落差に基づいて、回転速度指令値を演算する回転速度最適関数と、前記回転速度指令値とポンプ水車の実回転速度との差を演算して回転速度偏差を出力する第１の減算器と、前記回転速度偏差に基づいて回転速度制御信号を生成する回転速度制御器と、前記電力指令値およびポンプ水車の有効落差に基づいてガイドベーン開度指令値を演算するガイドベーン最適関数と、微分回路と、前記微分回路の出力と前記ガイドベーン開度指令値とを加算してガイドベーン制御指令値を生成する第１の加算器と、前記ガイドベーン制御指令値からガイドベーン実開度を減算してガイドベーン制御信号を生成する第２の減算器と、前記回転速度制御信号と前記ガイドベーン制御信号とを加算してサーボ制御系信号を生成する第２の加算器とを備えた可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置であって、前記微分回路には、第１の微分器と第２の微分器とが設けられており、前記第１の微分器は、前記ガイドベーン開度指令値の変化に応じてこのガイドベーン開度指令値を微分、出力し、前記第１の微分器の出力を受信する前記第２の微分器は、前記出力を微分して前記微分回路の出力とすることを特徴とする可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置。
2. 電力指令値およびポンプ水車の有効落差に基づいて、回転速度指令値を演算する回転速度最適関数と、前記回転速度指令値とポンプ水車の実回転速度との差を演算して回転速度偏差を出力する第１の減算器と、前記回転速度偏差に基づいて回転速度制御信号を生成する回転速度制御器と、前記電力指令値およびポンプ水車の有効落差に基づいてガイドベーン開度指令値を演算するガイドベーン最適関数と、微分回路と、前記微分回路の出力と前記ガイドベーン開度指令値とを加算してガイドベーン制御指令値を生成する第１の加算器と、前記ガイドベーン制御指令値からガイドベーン実開度を減算してガイドベーン制御信号を生成する第２の減算器と、前記回転速度制御信号と前記ガイドベーン制御信号とを加算してサーボ制御系信号を生成する第２の加算器とを備えた可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置であって、前記微分回路には、第１の微分器と第２の微分器および可変リミッタが設けられており、前記可変リミッタの可変範囲は、励磁制御手段によってその時刻における電力指令値と、過去の電力指令値との差に基づいて制御されるものであり、前記第１の微分器は、前記その時刻における電力指令値の変化に応じてこの電力指令値を微分、出力し、前記第１の微分器の出力を受信する前記第２の微分器は、前記出力を微分、出力し、前記第２の微分器の出力値を受信する前記可変リミッタは、前記出力値を制御して前記微分回路の出力とすることを特徴とする可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置。
3. 電力指令値およびポンプ水車の有効落差に基づいて、回転速度指令値を演算する回転速度最適関数と、前記回転速度指令値とポンプ水車の実回転速度との差を演算して回転速度偏差を出力する第１の減算器と、前記回転速度偏差に基づいて回転速度制御信号を生成する回転速度制御器と、前記電力指令値およびポンプ水車の有効落差に基づいてガイドベーン開度指令値を演算するガイドベーン最適関数と、第１の微分回路および第２の微分回路と、前記第１の微分回路と第２の微分回路の出力と前記ガイドベーン開度指令値とを加算してガイドベーン制御指令値を生成する第１の加算器と、前記ガイドベーン制御指令値からガイドベーン実開度を減算してガイドベーン制御信号を生成する第２の減算器と、前記回転速度制御信号と前記ガイドベーン制御信号とを加算してサーボ制御系信号を生成する第２の加算器とを備えた可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置であって、前記第１の微分回路には、第１の微分器と第２の微分器および第１の可変リミッタが設けられており、前記第１の可変リミッタは励磁制御手段によって可変範囲が制御されるものであり、前記第１の微分器は、前記ガイドベーン開度指令値の変化に応じてこのガイドベーン開度指令値を微分、出力し、前記第１の微分器の出力を受信する前記第２の微分器は、前記出力を微分、出力し、前記第２の微分器の出力値を受信する前記第１の可変リミッタは、前記出力値を制御して前記第１の微分回路の出力とするものであり、前記第２の微分回路には、第３の微分器と第４の微分器および第２の可変リミッタが設けられており、前記第２の可変リミッタの可変範囲は、励磁制御手段によってその時刻における電力指令値と、過去の電力指令値との差に基づいて制御されるものであり、前記第３の微分器は、前記その時刻における電力指令値の変化に応じてこの電力指令値を微分、出力し、前記第３の微分器の出力を受信する前記第４の微分器は、前記出力を微分、出力し、前記第４の微分器の出力値を受信する前記第２の可変リミッタは、前記出力値を制御して前記第２の微分回路の出力とすることを特徴とする可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置。
4. 前記微分回路には、前記第１の微分器と前記第２の微分器および可変リミッタが設けられており、前記可変リミッタは励磁制御手段によって可変範囲が制御されるものであり、前記第１の微分器は、前記ガイドベーン開度指令値の変化に応じてこのガイドベーン開度指令値を微分、出力し、前記第１の微分器の出力を受信する前記第２の微分器は、前記出力を微分、出力し、前記第２の微分器の出力値を受信する前記可変リミッタは、前記出力値を制御して前記微分回路の出力とすることを特徴とする請求項１に記載の可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置。
5. 前記第１の微分回路の第２の微分器は、回路ゲインを大きくして微分出力値を高めるとともに、前記第２の微分回路の第４の微分器は、回路時定数を大きくして微分出力値を長くすることを特徴とする請求項３に記載の可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置。
6. 前記第１の微分回路の第２の微分器は、回路時定数を大きくして微分出力値を長くするとともに、前記第２の微分回路の第４の微分器は、回路ゲインを大きくして微分出力値を高めることを特徴とする請求項３に記載の可変速揚水発電プラントの発電システム制御装置。

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