JP2012255419A - 水車の速度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御回路の簡素化を図り、また、出力調節部の信号を速度垂下率による影響を受けることなく、水車の速度制御を行うことにある。
【解決手段】発電機51に連結された水車50の回転速度と速度設定値との差信号に基づいて水車に入る流水の水口開度を調節するサーボ機構10を駆動して水車の回転速度を制御する速度制御装置において、サーボ機構10を駆動する差信号に基づく速度制御系として、無負荷運転時及び単独負荷運転時に前記差信号を比例要素25及び水車の水口開度に応じて時定数が可変する１次要素を有する演算部26にそれぞれ入力してその出力信号の加算信号をサーボ機構に入力する第１の速度制御系と、電力系統52との並列運転時に出力調節部19からの信号と前記差信号との加算信号をサーボ機構に入力する第２の速度制御系と、発電機51を電力系統52に連系する遮断器12の状態を判別し、遮断時には第１の速度制御系に、投入時には第２の速度制御系に切替える判別器32とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機に連結された水車の回転速度と規定速度との偏差値によって水車に流入する水口開度を制御して回転速度を規定速度に制御する水車の速度制御装置に関する。

従来、発電機に連結された水車の回転速度を制御する速度制御装置としては、種々提案されているが、いずれも設定値から水車の回転速度と速度垂下率を減じた偏差値をＰＩＤ演算部に取込んでＰＩＤ演算を実行し、その出力値により水車のガイドベーン開度を制御するようにしたものである（例えば、特許文献１〜４）。

ところで、電力系統との連系や解離を考慮した水車の速度制御装置としては、図３に示すような回路構成のものが採用されている。

図３において、５０は発電機５１に連結された水車であり、水車５０は水口開度Ｙ（例えばガイドベーン開度）の制御により回転速度が制御され、また発電機５１は遮断器１２を介して電力系統５２に連系されている。

一方、水車５０の速度制御系は、次のような構成となっている。

上記水車５０と発電機５１とを連結する回転軸に取付けられた回転速度検出器１により検出された速度検出信号Ｎと速度調節部（６５Ｆ）２により設定値が調節された信号Ｎｏとを加算部３により加算してその偏差信号を加算部４に加える。この加算部４では、偏差信号と速度垂下率設定器１８を通して入力される水車５０の水口開度Ｙを制御するサーボ機構１０の水口開度に応じた位置信号とを加算し、その偏差信号を微分要素（Kd.Td.S/(1+Td.S)）１７に与えると共に、遮断器１２が遮断しているときは接点５を介して第１の比例要素（kp1）１３及び第１の積分要素（１／（Ti1.S））１５、また、遮断器１２が投入しているときは接点６を介して第２の比例要素（kp2）１４及び第２の積分要素（１／（Ti2.S））１６にそれぞれ与える。

いま、遮断器１２が遮断され、水車５０により発電機５１が無負荷運転しているときは第１の比例要素１３、第１の積分要素１５及び微分要素１７の出力信号を加算部７で加算し、この加算信号と油圧などによる強力なサーボ機構１０により制御される水車５０の水口開度Ｙの位置信号とを加算部８で加算し、その偏差信号９をサーボ機構１０に与えて、水車５０の水口開度を変えることにより発電機５１の回転数が変化する。

なお、速度調節部２は、発電機５１の無負荷運転時に回転速度を上げ下げして速度調節を行うためのものである。

上記の場合は遮断器１２が遮断されていて発電機５１が電力系統に並列されていない無負荷運転時のガバナの調速機能であるが、遮断器１２が投入され、発電機５１が電力系統に並列すると、系統容量が大きいので、発電機５１の回転速度は電力系統の周波数変化に比例して僅かに変化するだけである。

そして、発電機５１の出力を変えるには、水車５０の水口開度を変える比例要素と積分要素のゲインを大きくしなければならない。

そこで、遮断器１２を投入し、発電機５１が電力系統に並列されると、接点５が開き、接点６が閉じるので、加算部４からの偏差信号は微分要素１７に与えられると共に、第１の比例要素１３から第２の比例要素１４に、第１の積分要素１５から第２の積分要素１６に切替えられてそれぞれ与えられ、そのゲイン値を大きな値に変えている。

ここで、出力調節部（６５Ｐ）１９は、遮断器１２が投入されると閉じる接点１１により接続されて有効になり、水車５０の水口開度を変えることにより発電機５１の出力を上下させるものであり、この出力調節部（６５Ｐ）１９の出力は加算部２０により水車５０の水口開度Ｙを制御するサーボ機構１０の水口開度に対応する位置信号と加算されて速度垂下率設定器１８に与えられる。

特開平１０−１２２１１９号公報 特開昭６１−０９３２７６号公報 特開昭６１−０９３２７７号公報 特開２０００−３１０１７７号公報

このように水車の運転パターンの種類は、（１）無負荷運転、（２）電力系統に並列運転、（３）単独小容量負荷における運転の３パターンがあり、現在、電力系統の負荷容量は大きいので、上記（３）の運転はほとんど無いが、上記（１），（２）の運転パターンによって運転を行うには制御定数を変えなければならない。

このため、その制御系として次のような課題がある。

（１）２種類の設定数値が決められた比例要素と積分要素を設けて、これらを遮断器１２の入切によって切替えるようにしているため、制御回路が煩雑である。

（２）出力調節部（６５Ｐ）１９の出力信号は加算部２０により水口開度Ｙに対応するサーボ機構１０の位置信号に加算して速度垂下率装置１８に与えているので、出力調節部（６５Ｐ）１９の出力信号には速度垂下率の僅かな値（０．０３〜０．０６）が掛けられ、速度偏差と同じ程度の僅かな信号になるので、比例積分要素を通過させるためには、この比例積分要素の設定値を速度垂下率値の逆数倍程度の大きな値にする必要がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、無負荷運転時のみ比例要素と積分要素を用いて従来同様の負荷時、無負荷時の制御を行えるようにすることで、制御回路の簡素化を図り、また、出力調節部の信号を速度垂下率による影響を受けることなく、水車の速度制御を行うことができる水車の速度制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、発電機に連結された水車の回転速度と速度設定値との差信号に基づいて水車に入る流水の水口開度又はガイドベーン開度を調節するサーボ機構を駆動して水車の回転速度を制御する速度制御装置において、前記サーボ機構を駆動する前記差信号に基づく速度制御系として、無負荷運転時及び単独負荷運転時に前記差信号を比例要素及び水車の水口開度又はガイドベーン開度に応じて時定数が可変する１次要素を有する演算部にそれぞれ入力してその出力信号の加算信号を前記サーボ機構に入力する第１の速度制御系と、電力系統との並列運転時に出力調節部からの信号と前記差信号との加算信号を前記サーボ機構に入力する第２の速度制御系と、前記発電機を電力系統に連系する遮断器の状態を判別し、遮断時には前記第１の速度制御系に、投入時には前記第２の速度制御系に切替える判別器とを備える。

本発明によれば、無負荷運転時のみ比例要素と１次要素を有する演算部を用いて従来同様の負荷時、無負荷時の制御を行えるので、制御回路の簡素化を図り、また、出力調節部の信号を速度垂下率による影響を受けることなく、水車の速度制御を行うことができる。

本発明による水車の速度制御装置の第１の実施形態を示す回路構成図。 本発明による水車の速度制御装置の第２の実施形態を示す回路構成図。 従来の水車の速度制御装置を示す回路構成図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明による水車の速度制御装置の第１の実施形態を示す回路構成図である。

なお、図３と同一構成部品には同一符号を付して示す。

図１において、５０は発電機５１に連結された水車であり、この水車５０は水口開度Ｙ（又は、ガイドベーン開度）の調節により回転速度が制御され、また、発電機５１は遮断器１２を介して電力系統５２に連系されている。

本実施形態では、水車５０の速度制御系として、次のような構成とするものである。

上記水車５０と発電機５１とを連結する回転軸に取付けられた回転速度検出器１により検出される速度検出信号Ｎと速度調節部（６５Ｆ）２により設定値が調節される信号Ｎｏとが加算部２１により加算され、その差信号は詳細を後述するスイッチ２２を介して比例要素（KP）２５と演算部２６にそれぞれ加えられる。

上記演算部２６は、水車の水口開度に応じて時定数が可変する１次要素（1/(Ksn+Tb.S)）を有し、この１次要素（1/(Ksn+Tb.S)）は、分母の定数Ksnと１次遅れの時定数Tbにより構成されている。

これら比例要素２５及び演算部２６の出力信号は、加算部２７により加算され、その加算信号は加算部２８に与えられる。

これら速度調節部（６５Ｆ）２よりスイッチ２２を通して比例要素２５、演算部２６および加算部２７、２８に至る信号経路は第１の速度制御系を構成している。

また、上記加算部２１で加算された速度検出信号Ｎと速度調節部２からの信号Ｎｏとの差信号は、詳細を後述するスイッチ２３を介して加算部３１に与えられ、この加算部３１に詳細を後述するスイッチ２４を介して入力される出力調節部（６５Ｐ）１９からの信号と加算されて加算部２８に与えられる。

これら出力調節部１９よりスイッチ２４を通して入力される信号と、スイッチ２３を通して入力される速度検出信号Ｎと速度設定信号Ｎｏとの差信号とを加算する加算部３１、この加算部３１より加算部２８に至る信号経路は第２の速度制御系を構成している。

そして、この加算部２８では、前述した加算部２７の加算信号と加算部３１の加算信号とを加算し、その加算信号を加算部２９に与えてサーボ機構１０により制御される水口開度の位置信号との差信号３０を作り、この差信号３０を油圧などの強力なサーボ機構１０に与えて、水車５０の水口開度を調節する。

一方、３２は遮断器１２が投入又は遮断されたことを判別してスイッチ２２〜２４に切替指令を出力する判別器で、この判別器３２は遮断器１２が投入されている場合はスイッチ２２を開、スイッチ２３,２４を閉とし、また遮断器１２が遮断されている場合はスイッチ２２を閉、スイッチ２３,２４を開とし、さらに大容量の電力系統に並列運転しているとき遮断器１２が急に遮断された場合にはサーボ機構１０により調節される水車５０の水口開度が起動開度以下（無負荷開度付近まで水口が閉鎖）になったことを条件にスイッチ２２を開から閉、スイッチ２３，２４を閉から開に切替える機能を有している。

次に上記のように構成された水車の速度制御装置の作用について説明する。

水車の運転パターンとしては、（１）無負荷運転、（２）電力系統と並列運転、（３）単独小容量負荷における運転の３種類がある。

まず、無負荷運転時の作用について述べる。

無負荷運転時には、遮断器１２が開路した状態にあり、判別器３２からの指令によりスイッチ２２〜２４は図示状態のようにスイッチ２２は閉路、スイッチ２３,２４は開路している。

このとき、速度制御系としては第１の速度制御系が機能し、速度調節部（６５Ｆ）２により設定された速度設定信号Ｎｏと回転速度検出器１により検出された速度検出信号Ｎとの差信号が比例要素(Kp)２５と演算部２６にそれぞれ入力される。

すると、演算部２６では１次要素を構成する速度垂下率に相当する定数Ksnと水車の水口開度に応じて可変される時定数Tbを有する積分要素から求められる信号と比例要素２５より得られる信号が加算部２７により加算される。

そして、この加算部２７で加算された信号は加算部２８を経て加算部２９に入力され、この加算部２９でサーボ機構１０により制御される水口開度の位置信号との差の信号を作り、この信号をサーボ機構１０に与えて、水口開度を変えることで水車の回転速度を制御して無負荷運転している。演算部２６における１次要素の定数Ksnと時定数Tbの値を可変にしたことが本実施形態の特徴である。水車の運転パターンによって、特に無負荷開度運転では安定度が必要になり、定数Ksnに大きい値を与えることによって必要な安定度が得られる。この定数Ksnの値は従来の速度垂下率値に該当するが、無負荷開度以下では、その値の範囲を超えて、例えば0.06〜0.15という値に設定することが可能である。ところが負荷開度が大きいところでは安定度は十分であり、周波数変動が少ない方が良いので、定数Ksnの値は小さい方が良いことになる。特に運転パターンの小容量の単独系統運転に参入する水車は限られた周波数変動内で、与えられたできるだけ大きい負荷の変動に対処する制御動作が望まれるので、定数Ksnの値はできるだけ小さい値にする必要がある。無負荷開度以上では開度が大きくなれば小さな値に従来の速度垂下率（0.03〜0.06）の範囲内で変えることが、周波数変動値に寄与する。

そこで、無負荷運転ではサーボ機構１０の位置信号を水口開度として取り出し、１次要素の定数Ksnの値を水口開度Ｙの関数として与えている。

次に単独小容量負荷における運転時の作用について述べる。

単独小容量負荷における運転の場合の速度制御系も、無負荷運転時の場合と同様であり、特に単独小容量負荷運転において、時定数Tbの値を水口開度によって変えると、良い応答性が得られることがシミュレーションの結果分かった。

そこで、単独小容量運転ではサーボ機構１０の位置信号を水口開度として取出し、１次要素の時定数Tbの値を水口開度Ｙの関数として与えている。

次に電力系統との並列運転時の作用について述べる。

遮断器１２の投入により発電機５１が電力系統に並列されると、電力系統の容量が大きいので、発電機５１の回転速度は電力系統の周波数変化に比例して僅かに変化するだけである。

この状態から発電機５１の出力を変えるには、比例要素を値の大きい方に切替える必要があるため、判別器３２では遮断器１２が投入されたことを条件に切替指令を出してスイッチ２２を開路、スイッチ２３,２４を閉路して第１の速度制御系から第２の速度制御系に切替えている。

この第２の速度制御系では、出力調節器（６５Ｐ）１９からの信号と、速度調節器（６５Ｆ）２からの信号Ｎｏと回転速度検出器１により検出された速度検出信号Ｎとの差信号とが加算部３１にて加算され、その加算信号は加算部２８を経て加算部２９にてサーボ機構１０により制御される水口開度の位置信号との差の信号を作り、この信号をサーボ機構１０に与えて、水口開度を変えることで発電機の出力が制御される。

一方、発電機５１が大容量の電力系統５２と並列運転しているとき、何らかの理由により遮断器１２の遮断により発電機５１が電力系統５２から切離されると水車５０の水口開度を急閉鎖しなければならないが、遮断器１２に連動させてスイッチ２２を閉じ、スイッチ２３，２４を開いて速度制御系を第２の速度制御系から第１の速度制御系に変えてしまうと、この比例要素２５の値が緩慢な値のため水車５０の水口開度が急閉鎖しなくなり、水車５０の回転速度の上昇値が制限値を超えてしまう。この場合、水口開閉速度の制限値はサーボ機構の中の配圧弁ストッパにより行われるのは従来と同様である。

そこで、判別器３２では、サーボ機構１０により制御される水車５０の水口開度が起動開度以下（無負荷開度付近まで水口が閉鎖）になったことを条件にスイッチ２２を開から閉、スイッチ２３，２４を閉から開に切替えることにより、水車５０の水口開度を所定の閉鎖速度で閉鎖することが可能となり、水車の回転速度の制限値を超える上昇を抑えることができる。

このように本発明の第１の実施形態では、発電機５１を運転する水車５０の回転速度を検出して速度設定値との差信号によって水車に入る流水の水口開度（又はガイドベーン開度）を可変するサーボ機構１０を制御する速度制御系として、無負荷運転時及び単独小容量負荷運転時に水車の回転速度と速度設定値との差信号を比例要素（Kp）２５及び水車の水口開度に応じて時定数が可変する１次要素（1/(Ksn+Tb.S)）を有する演算部２６に入力してその出力信号の加算信号をサーボ機構１０に入力する第１の速度制御系と、電力系統との並列運転時に出力調節部からの信号と水車の回転速度と速度設定値との差信号との加算信号をサーボ機構１０に入力する第２の速度制御系と、発電機５１を電力系統５２に連系する遮断器１２の投入又は遮断を判別して第１の速度制御系と第２の速度制御系のいずかに切替える判別器とを備えたものである。

したがって、無負荷運転時及び単独小容量負荷運転時のみ比例要素と積分要素を用いて従来同様の負荷時、無負荷時の制御を行えるので、制御回路の簡素化を図ることができる。

また、演算部２６に有する１次要素（1/(Ksn+Tb.S)）を構成する分母の定数（(Ksn)の値を従来のガバナの速度垂下率に近い値0.03〜0.05にすることによって、開度対速度の定常値の速度垂下率を変化させることができ、また、速度垂下率を考慮しなくても良い場合にこの定数（(Ksn)の値を０にすることにより、１次要素を従来の積分要素と同じ要素にすることができる。

さらに、演算部２６に有する１次要素（1/(Ksn+Tb.S)）の時定数Tbの値は水車の水口開度に応じて可変するようにしているので、良い応答特性が得られる。一例として無負荷開度（Ｙ＝0.15pu）においてはTb＝4秒の場合が良いが、定格負荷開度（Ｙ＝1pu）ではTb＝10秒の場合が良い負荷ステップ応答の計算結果を示している。

また、発電機５１が大容量の電力系統と並列運転しているとき、何らかの理由により遮断器１２の遮断により発電機５１が電力系統から切離されても、判別器３２によりサーボ機構１０により制御される水車５０の水口開度が起動開度以下（無負荷開度付近まで水口が閉鎖）になったことを条件にスイッチ２２を開から閉、スイッチ２３，２４を閉から開に切替えて第２の速度制御系から第１の速度制御系に遅らせて移行させることにより、水車５０の水口開度を所定の閉鎖速度で閉鎖することが可能となり、水車の回転速度の制限値を超える上昇を抑えることができる。

図２は、本発明による水車の速度制御装置の第２及び第３の実施形態を示す回路構成図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。

第１の実施形態では、演算部２６に有する１次要素（1/(Ksn+Tb.S)）を構成する分母の定数（(Ksn)の値を従来のガバナの速度垂下率に近い値0.03〜0.05にすることによって、特に無負荷開度以下では大きい値に変化させるように設定し、開度対速度の定常値の速度垂下率を変化させるようにしたが、単独負荷運転のとき速度変化を大きくしたいとき、負荷に対する周波数変化が大きいと応答性が悪くなる。

そこで、第２の実施形態では、サーボ機構１０の位置信号を水車５０に入る流水の水口開度として速度垂下率設定器(Ksd)３３に入力し、この速度垂下率設定器(Ksd)３３より出力される水口開度に応じた信号を加算部３４に与えて加算部２１より入力される水車５０の回転速度検出信号と速度設定値との差信号とを加算し、その加算信号をスイッチ２２の閉路時には比例要素２５及び演算部２６に、スイッチ２３の閉路時には加算部３１にそれぞれ与えるようにしたものである。この場合、速度垂下率設定器(Ksd)３３では速度垂下率の値が0.1〜0.08で変化する。

また、第１の実施形態では、比例要素Kpのゲインについては言及しなかったが、この比例要素Kpのゲインが大きいと単独負荷運転のとき回転速度が不安定になる場合がある。

そこで、第２の実施形態では、第１の速度制御系に微分要素（Kd.Tb.S/(1+Tb.S)）３５を設け、比例要素(Kp)２５と演算部２６にそれぞれ入力される速度設定信号Ｎｏと速度検出信号Ｎとの差信号を微分要素（Kd.Tb.S/(1+Tb.S)）３５に与え、これら比例要素２５、演算部２６及び微分要素３５の出力を加算部２７にて加算するようにしたものである。

このような構成とすれば、比例要素Kpのゲインが大きくても、回転速度の安定化を図りながら単独負荷運転を行うことができる。

１…回転速度検出器、２…速度調節部（６５Ｆ）、１０…サーボ機構、１２…遮断器、１９…出力調節部（６５Ｐ）、２２，２３，２４…スイッチ、２５…比例要素、２６…演算部、２１，２７〜３１，３４…加算部、３０…差信号、３２…判別器、３３…速度垂下率設定器(Ksd)、３５…微分要素、５０…水車、５１…発電機、５２…電力系統。

Claims (5)

1. 発電機に連結された水車の回転速度と速度設定値との差信号に基づいて水車に入る流水の水口開度又はガイドベーン開度を調節するサーボ機構を駆動して水車の回転速度を制御する速度制御装置において、
   前記サーボ機構を駆動する前記差信号に基づく速度制御系として、無負荷運転時及び単独負荷運転時に前記差信号を比例要素及び水車の水口開度又はガイドベーン開度に応じて時定数が可変する１次要素を有する演算部にそれぞれ入力してその出力信号の加算信号を前記サーボ機構に入力する第１の速度制御系と、電力系統との並列運転時に出力調節部からの信号と前記差信号との加算信号を前記サーボ機構に入力する第２の速度制御系と、前記発電機を電力系統に連系する遮断器の状態を判別し、遮断時には前記第１の速度制御系に、投入時には前記第２の速度制御系に切替える判別器とを備えたことを特徴とする水車の速度制御装置。
2. 請求項１記載の水車の速度制御装置において、
   前記判別器は、前記遮断器が投入状態から遮断されたときは前記サーボ機構により調節される水車の水口開度又はガイドベーン開度が起動開度以下（無負荷開度付近まで水口が閉鎖）になったことを条件に第２の速度制御系から第１の速度制御系に切替えるようにしたことを特徴とする水車の速度制御装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の水車の速度制御装置において、
   前記サーボ機構のサーボ位置信号を入力して水車に入る流水の水口開度又はガイドベーン開度に応じて変化する速度垂下率を出力する速度垂下率設定器を設け、この速度垂下率設定器より出力される速度垂下率を水車の回転速度検出信号と速度設定値との差信号に加算するようにしたことを特徴とする水車の速度制御装置。
4. 請求項１又は請求項２記載の水車の速度制御装置において、
   第１の速度制御系に速度設定信号と速度検出信号との差信号が入力される微分要素を設け、この微分要素の出力を前記比例要素及び前記演算部の出力に加算することを特徴とする水車の速度制御装置。
5. 請求項３記載の水車の速度制御装置において、
   前記水車の回転速度検出信号と速度設定値との差信号に前記速度垂下率設定器より出力される速度垂下率が加算された信号が入力される微分要素を設け、この微分要素の出力を前記比例要素及び前記演算部の出力に加算することを特徴とする水車の速度制御装置。

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