JP2013078195A - Control method for variable-speed synchronous power generator motor - Google Patents

Control method for variable-speed synchronous power generator motor Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control method capable of operation with improved efficiency by expanding a variable speed width in a low-rotating-speed area in power generating operation of a variable-speed pumped storage power generation system by a variable-speed synchronous power generator.SOLUTION: In a control method for variable-speed synchronous power generator motor that includes a variable-speed synchronous power generator motor 1 coupled to a pump turbine 2 and operated while switched between a power generating operation and a pumping operation mode, and performing control by varying an excitation current thereof so that electric power output from the variable-speed synchronous power generator motor matches an electric power command value and the rotating speed is between an upper-limit value and a lower-limit value, the lower-limit value is varied in the power generating operation mode with active power output by the variable-speed synchronous power generator motor to expand the variable-speed width so that the lower-limit value is made smaller when the active power is small than when the active power is large, and the expansion amount of the variable-speed width is adjusted corresponding to a decrease in rotating speed due to a flow rate variation under load increase control in the power generating operation mode.

Description

この発明は、ポンプ水車に結合され、発電運転モードまたは揚水運転モードに切り替えて運転される可変速同期発電電動機の制御方法に関するものである。   The present invention relates to a control method for a variable speed synchronous generator motor that is coupled to a pump turbine and is operated by switching to a power generation operation mode or a pumping operation mode.

従来の可変速同期発電電動機は、一般的には同期速度を中心に、その上下一定の速度、即ち、可変速幅で運転出来るようになっている。
又、例えば特許文献1に示すように発電運転での可変速幅下限を有効電力の量に応じて可変速幅拡大量を調整して運転出来る提案がなされている。
しかし、上記特許文献1における可変速幅拡大は負荷増制御における流量増加が考慮されていない。
Conventional variable speed synchronous generator motors can generally be operated at a constant speed, that is, a variable speed width, centered on the synchronous speed.
Further, for example, as shown in Patent Document 1, a proposal has been made that the variable speed width lower limit in the power generation operation can be operated by adjusting the variable speed width expansion amount according to the amount of active power.
However, the variable speed range expansion in Patent Document 1 does not take into account the increase in flow rate in load increase control.

特許第4480777号公報Japanese Patent No. 4480777

一般に、ポンプ水車のポンプ運転時の入力はガイドベーンの開度を変えても殆ど変わらず、回転数のほぼ2.5〜3乗に比例して変化することはよく知られている。
可変速揚水発電システムは揚水運転時にもAFC運転を実現するために導入されるので、それに適用される可変速同期発電電動機の可変速幅は、揚水運転時のAFC容量から決まってくる。
例えば、同期速度にて300MWのポンプ入力を必要とし、その入力は回転数の3乗に比例するポンプ水車を想定し、その可変速幅を同期速度の上下10%に設定すれば、300MW×(1.1−0.9)=399.3MW−218.7MW=180.6MWのAFC容量が確保出来ることになる。
可変速同期発電電動機を定格速度の±10%で運転するには、可変周波数電力変換器は定格周波数の±10%の周波数(滑り周波数と呼ばれる)の電圧を可変速同期発電電動機の回転子巻線に印加することが必要になる。50Hz系統であれば±5Hzの周波数の励磁電圧を出せなければならない。
In general, it is well known that the input during the pump operation of the pump turbine remains almost unchanged even when the opening degree of the guide vane is changed, and changes in proportion to approximately 2.5 to the third power of the rotational speed.
Since the variable speed pumped storage power generation system is introduced to realize the AFC operation even during the pumping operation, the variable speed width of the variable speed synchronous generator motor applied thereto is determined from the AFC capacity during the pumping operation.
For example, if a pump input of 300 MW is required at the synchronous speed, the input is assumed to be a pump turbine that is proportional to the cube of the rotation speed, and the variable speed width is set to 10% above and below the synchronous speed, 300 MW × ( 1.1 3 −0.9 3 ) = 399.3 MW-218.7 MW = 180.6 MW AFC capacity can be secured.
To operate a variable speed synchronous generator motor at ± 10% of the rated speed, the variable frequency power converter applies a voltage of ± 10% of the rated frequency (called slip frequency) to the rotor winding of the variable speed synchronous generator motor. It needs to be applied to the wire. If it is a 50 Hz system, it must be possible to produce an excitation voltage with a frequency of ± 5 Hz.

このことから、可変周波数電力変換器の所要最大出力電圧は、399.3MWの揚水運転するのに必要な励磁電流に回転子巻線のインピーダンスを乗じた電圧となる。何故ならば、励磁電流の大きさは399.3MW入力のときに最大となり、回転子インピーダンスは印加される周波数にほぼ比例するので+5Hzの時に最大となるからである。
最小ポンプ入力218.7MWの運転時の回転数は−5%になるので、回転子の励磁周波数も−の最大になり回転子巻線のインピーダンスも最大になるが、励磁電流が少なく可変周波数電力変換器の出力電圧も少なくて済むので、励磁装置の所要最大出力電圧を決定する要因にはならない。
From this, the required maximum output voltage of the variable frequency power converter is a voltage obtained by multiplying the exciting current necessary for the pumping operation of 399.3 MW by the impedance of the rotor winding. This is because the magnitude of the excitation current becomes maximum when the input is 399.3 MW, and the rotor impedance is almost proportional to the applied frequency, and thus becomes the maximum at +5 Hz.
Since the rotation speed during operation with the minimum pump input 218.7 MW is -5%, the excitation frequency of the rotor is also the maximum of-and the impedance of the rotor winding is the maximum, but the excitation current is small and the variable frequency power Since the output voltage of the converter is small, it does not become a factor for determining the required maximum output voltage of the exciter.

一般に、可変速同期発電電動機の回転速度は、所要のAFC容量を確保するために採用した可変速幅の範囲内で運転されている。即ち、可変速幅はポンプ水車の水車出力に関係なく水車出力の全域において同期速度に対して上下一定の可変速幅の値に固定されている。
従って、ポンプ水車の水車効率はポンプ水車性能特性から、回転速度が低いほど高いことがわかっているので出来るだけ低い回転速度で運転するのが好ましいのはわかっているが
、回転速度は可変速幅の下限により制限されているので可変速幅の下限の速度に固定して運転するケースが多い。
In general, the rotational speed of the variable speed synchronous generator motor is operated within the range of the variable speed range adopted to secure the required AFC capacity. That is, the variable speed range is fixed to a variable speed range that is constant up and down with respect to the synchronous speed over the entire range of the turbine output regardless of the turbine output of the pump turbine.
Therefore, it is known from the pump turbine performance characteristics that the turbine efficiency of the pump turbine is higher as the rotational speed is lower, so it is known that it is preferable to operate at a rotational speed as low as possible. In many cases, the vehicle is operated with the speed fixed at the lower limit of the variable speed range.

一方、ポンプ水車の水車出力即ち可変速同期発電電動機の電気出力が低い場合には、励磁電流の大きさが小さくて済むので、励磁電圧には余裕があり、更に回転数を下げて励磁電圧を大きく出来る。即ち、出力が低い場合には回転速度は更に下げることが可能である。
これに注目し、発電運転時においてその出力が小さい場合には可変速幅の下限を下げて運転すればより水車効率の高い運転が出来るというメリットがある。
揚水運転時においても、同様に低揚水入力運転の場合即ち回転数が低い場合には可変速幅の下限を大きく出来るので、更に小さな揚水入力での運転が可能になる。言い換えればAFC容量を更に大きく出来るメリットも生じる。
よって、ポンプ水車の水車出力の全域に亘って一定の可変速幅で運転するということは、水車出力の低い領域での効率向上の機会を逸していると言えるし、揚水運転時の場合にはAFC容量の拡大の機会を逸していると言える。
言い換えれば、可変速同期発電電動機による可変速揚水発電システムには、水車運転時又は揚水運転時の低回転速度領域の発電効率や揚水AFC容量を改善出来るという課題があった。
On the other hand, when the turbine output of the pump turbine, that is, the electrical output of the variable speed synchronous generator motor is low, the magnitude of the excitation current can be small, so there is a margin in the excitation voltage, and the excitation voltage is reduced by further reducing the rotational speed. Can be big. That is, when the output is low, the rotation speed can be further reduced.
Paying attention to this, when the output is small during power generation operation, there is an advantage that operation with higher turbine efficiency can be achieved by lowering the lower limit of the variable speed range.
Similarly, during the pumping operation, in the case of the low pumping input operation, that is, when the rotational speed is low, the lower limit of the variable speed range can be increased, so that it is possible to operate with a smaller pumping input. In other words, there is an advantage that the AFC capacity can be further increased.
Therefore, it can be said that operating at a constant variable speed range over the entire turbine output of the pump turbine misses the opportunity to improve efficiency in a region where the turbine output is low. It can be said that the opportunity to expand AFC capacity is missed.
In other words, the variable speed pumped storage power generation system using the variable speed synchronous generator motor has a problem that the power generation efficiency in the low rotation speed region and the pumped AFC capacity can be improved during the water turbine operation or the pump operation.

この課題を解決する案として特許文献1に示す提案がなされている。
特許文献1によれば、可変速同期発電電動機の回転数を制御する手段において、回転数の指令値を電力指令値に対応して変更出来るよう構成されているので、回転数の指令値を可変速幅の下限速度に固定するのではなく、電力指令値が低い時には、可変速幅の下限を超えて更に低い回転数指令値を出すことが出来る。
一般に可変速同期発電電動機の発電運転時の励磁電流は概略その出力に比例すると考えられるので、電力指令値に比例して回転数指令値を変更するようにすれば、出力の全域において自動的に高効率運転をすることが出来る。
As a proposal for solving this problem, a proposal shown in Patent Document 1 has been made.
According to Patent Document 1, the means for controlling the rotational speed of the variable speed synchronous generator motor is configured such that the rotational speed command value can be changed in accordance with the power command value. Rather than fixing the lower limit speed of the speed change range, when the power command value is low, a lower speed command value can be output exceeding the lower limit of the variable speed range.
In general, the excitation current during power generation operation of a variable speed synchronous generator motor is considered to be roughly proportional to its output, so if the rotational speed command value is changed in proportion to the power command value, it will automatically be output over the entire output range. High efficiency operation is possible.

しかしながら、一般的に発電所の発電電力は、電力需要に応じた電力指令値に基づいて、定期的に変化している。このため、電力増指令に対し、交流励磁装置で可変速同期発電電動機の実電力を制御するとき、実電力が一定に増加しても、図8に示すように水車の実電力増加に伴う流量変化は一定ではなく、中間から高負荷領域において、大きく変化する。
このため、中間から高負荷領域において、実電力に対応する流量を大きく変化させるためには水車の出力が追従する必要がある。
しかし、水車は機械系のため、追従が遅く、実電力に対応した流量を流すことができないため、水車出力が追従するまでの間、可変速同期発電電動機の回転エネルギーを放出することで実出力を維持し、回転数が低下するという事象があった。この結果、可変速幅の下限を過渡的に下回るという問題点があった。
However, generally, the generated power of the power plant is periodically changed based on a power command value corresponding to the power demand. Therefore, when the actual power of the variable speed synchronous generator motor is controlled by the AC exciter in response to the power increase command, even if the actual power increases constantly, the flow rate accompanying the increase in the actual power of the turbine as shown in FIG. The change is not constant and changes greatly in the middle to high load range.
For this reason, in order to change the flow rate corresponding to the actual power greatly in the middle to high load region, the output of the water turbine needs to follow.
However, since the turbine is a mechanical system, the follow-up is slow and the flow rate corresponding to the actual power cannot be flowed, so the actual output is obtained by releasing the rotational energy of the variable speed synchronous generator motor until the turbine output follows. There was an event that the rotation speed decreased. As a result, there was a problem that the lower limit of the variable speed range was transiently below.

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、可変速同期発電電動機の発電運転時の低回転速度領域における可変速幅を拡大して効率を向上した運転ができ、中間負荷から高負荷領域における回転数の低下による可変速幅下限からの逸脱を防止する制御方法を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be operated with improved efficiency by expanding the variable speed range in the low rotational speed region during the power generation operation of the variable speed synchronous generator motor. It is an object of the present invention to obtain a control method that prevents deviation from the lower limit of the variable speed width due to a decrease in the rotational speed in the load region.

この発明は、ポンプ水車に結合され発電運転モードまたは揚水運転モードに切り替えて運転される可変速同期発電電動機を含み、その励磁電流を変化させることにより、前記可変速同期発電電動機が出力する電力が電力指令値に一致するように、かつ回転数が上限値と下限値の間に入るように制御する可変速同期発電電動機の制御方法において、前記発電
運転モードでは、前記下限値を前記可変速同期発電電動機が出力する有効電力により変化させ、有効電力が小さい場合に有効電力が大きい場合よりも前記下限値を小さくするように可変速幅を拡大すると共に、前記発電運転モードにおける負荷増加制御における流量変動での回転速度低下に対応して前記可変速幅の拡大量を調整するようにしたものである。
The present invention includes a variable speed synchronous generator motor that is coupled to a pump turbine and is operated by switching to a power generation operation mode or a pumping operation mode, and by changing the excitation current, the electric power output from the variable speed synchronous generator motor is increased. In the control method of a variable speed synchronous generator motor that controls the rotational speed so as to coincide with an electric power command value and fall between an upper limit value and a lower limit value, the lower limit value is set to the variable speed synchronization in the power generation operation mode. The variable speed is increased by changing the active power output from the generator motor so that the lower limit value is smaller than when the active power is large when the active power is small, and the flow rate in the load increase control in the power generation operation mode The expansion amount of the variable speed range is adjusted in response to a decrease in rotational speed due to fluctuations.

この発明によれば、可変速同期発電電動機の回転数の指令値を電力指令及び流量変化に対応して変更出来るよう構成したので、回転数の指令値を可変速幅の下限速度に固定するのではなく、電力指令値が低い時には、可変速幅の下限を超えて更に低い回転数指令値を出すことが出来、中間負荷から高負荷領域を含む全域において可変速幅を逸脱することなく自動的に高効率運転をすることが出来る。   According to this invention, since the command value for the rotational speed of the variable speed synchronous generator motor can be changed in accordance with the power command and the flow rate change, the command value for the rotational speed is fixed to the lower limit speed of the variable speed width. Rather, when the power command value is low, a lower speed command value can be issued beyond the lower limit of the variable speed range, and automatically without deviating from the variable speed range from the intermediate load to the entire range including the high load range. Can be operated with high efficiency.

この発明の実施の形態1を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1の動作例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation example of Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2における水車出力と流量の関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the turbine output and flow volume in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2の動作例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation example of Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態3の動作例を説明図である。It is explanatory drawing of the operation example of Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4の動作例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation example of Embodiment 4 of this invention. 可変速同期発電電動機に対する電力指令値を増加させた時の水車流量の変化例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of a change of the turbine flow rate when increasing the electric power command value with respect to a variable speed synchronous generator motor.

実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1について説明する。
図1はこの発明の実施の形態1を示す制御ブロック図で、図1において、可変速同期発電電動機1は、その回転子をポンプ水車2によって駆動され、その固定子巻線は発電機母線3及び主変圧器4を通じて電力系統5に接続されている。
交流励磁装置6は励磁変圧器7を経由して発電機母線3から給電され、系統周波数と回転数の差に相当する周波数を持った交流励磁電流を可変速同期発電電動機1の回転子巻線に供給する。
電力変換器8は発電機母線3に接続された計器用変成器9の2次側信号から可変速同期発電電動機1の出力を検出する。
電力制御回路10は電力変換器8で検出された出力が電力指令値設定器11の信号に合致するような制御信号を発生し、その制御信号を交流励磁装置6に与えその出力で可変速同期発電電動機1の出力を調整する。
可変速同期発電電動機1の出力はその回転数を下げてエネルギーの放出、或いはその回転数を上昇させ系統からのエネルギーを吸収することにより瞬時に調整出来る。これが可変速同期発電電動機の最大の特徴である。
Embodiment 1 FIG.
Embodiment 1 of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a control block diagram showing Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, a variable speed synchronous generator motor 1 has its rotor driven by a pump turbine 2, and its stator winding is a generator bus 3. And connected to the power system 5 through the main transformer 4.
The AC exciter 6 is fed from the generator bus 3 via the excitation transformer 7, and AC excitation current having a frequency corresponding to the difference between the system frequency and the rotational speed is supplied to the rotor winding of the variable speed synchronous generator motor 1. To supply.
The power converter 8 detects the output of the variable speed synchronous generator motor 1 from the secondary side signal of the instrument transformer 9 connected to the generator bus 3.
The power control circuit 10 generates a control signal such that the output detected by the power converter 8 matches the signal of the power command value setter 11 and supplies the control signal to the AC exciter 6 to synchronize with the variable speed. The output of the generator motor 1 is adjusted.
The output of the variable speed synchronous generator motor 1 can be adjusted instantaneously by lowering its rotational speed to release energy, or increasing its rotational speed to absorb energy from the system. This is the greatest feature of the variable speed synchronous generator motor.

可変速同期発電電動機1が調整した電力に相当する出力をポンプ水車2が調整すれば回転数は電力調整前の値に回復する。
一般にポンプ水車の出力制御は水路系及び機械系の遅れがあるので、可変速同期発電電動機1の出力制御よりは遅れる。
回転数設定器12は発電運転において各出力に対して最高効率となるような回転数を最適回転数として設定するものであり、電力指令値設定器11の値に応じた最適回転数指令値を出力し、実回転数検出器20からの実回転数との偏差信号を速度制御回路13に与える。回転速度制御回路13はサーボモータ14及びガイドベーン検出器15によりポンプ水車2のガイドベーン開度を調整してその回転数が最適回転数になるように制御する。
尚、最適回転数は出力が大きい領域では落差に応じて多少変化するので落差検出器16から落差信号を回転数設定器12に与え最適回転数を落差によって補正する。
ポンプ水車1の水車効率は回転数の他にガイドベーン開度、落差にも左右される。
ガイドベーン開度設定器17は、電力指令値が大きいほどガイドベーン開度を大きくし、落差検出器16からの落差信号が高いほどガイドベーン開度を小さくすると水車効率の良い運転が出来る。
ガイドベーン開度設定器17からのガイドベーン開度信号にガイドベーン開度検出器15で検出したガイドベーン開度が一致するようにサーボモータ14を制御してポンプ水車2のガイドベーン開度を最適な値に制御する。
電力制御回路10には系統周波数検出器18で検出した系統周波数と基準周波数設定器19からの基準周波数を取り込み、電力指令値と実電力の偏差に速度垂下率特性を付加した制御信号を交流励磁装置6に与え、可変速同期発電電動機1が電力系統5の状態に適した出力を自動的に出せるような構成にしてある。
If the pump turbine 2 adjusts the output corresponding to the electric power adjusted by the variable speed synchronous generator motor 1, the rotational speed is restored to the value before the electric power adjustment.
Generally, the output control of the pump turbine is delayed from the output control of the variable speed synchronous generator motor 1 because there is a delay in the water channel system and the mechanical system.
The rotation speed setting device 12 sets a rotation speed that provides the highest efficiency for each output in the power generation operation as the optimal rotation speed, and sets an optimal rotation speed command value according to the value of the power command value setting device 11. And outputs a deviation signal from the actual rotational speed from the actual rotational speed detector 20 to the speed control circuit 13. The rotational speed control circuit 13 adjusts the guide vane opening degree of the pump turbine 2 by the servo motor 14 and the guide vane detector 15 and controls the rotational speed to be the optimum rotational speed.
Since the optimum rotational speed slightly changes in accordance with the head in a region where the output is large, a head signal is supplied from the head detector 16 to the speed setting device 12, and the optimum speed is corrected by the head.
The turbine efficiency of the pump turbine 1 depends not only on the rotational speed but also on the guide vane opening and the head.
The guide vane opening setting unit 17 increases the guide vane opening as the electric power command value is larger, and the guide vane opening is smaller as the head signal from the head detector 16 is higher.
The servo motor 14 is controlled so that the guide vane opening of the pump turbine 2 is adjusted so that the guide vane opening signal detected by the guide vane opening detector 15 matches the guide vane opening signal from the guide vane opening setting device 17. Control to the optimum value.
The power control circuit 10 takes in the system frequency detected by the system frequency detector 18 and the reference frequency from the reference frequency setter 19 and AC-excites a control signal in which a speed droop rate characteristic is added to the deviation between the power command value and the actual power. The variable speed synchronous generator motor 1 is provided to the device 6 so that the output suitable for the state of the power system 5 can be automatically output.

次に動作について説明する。
可変速揚水発電用ポンプ水車2の水車効率は回転数が低いほど良好である。従って、最適回転数の設定は従来から図1の回転数設定器12に示す様に可変速同期発電電動機1の可変速幅の下限に設定されている。
回転数設定器12を、具体例として同期速度600r/min、可変速幅±4%、出力300MWの可変
速同期発電電動機1の最適回転数について図4に拡大して詳しく説明する。
最適回転数は従来から図2のAに示すように電力指令値に無関係に可変速幅の下限である576r/min一定に設定されている。
一方、図1の交流励磁装置6の性能の一つに許容最大出力電圧があり、可変速同期発電電動機1の可変速幅はこの電圧によって決まっていると言える。
Next, the operation will be described.
The turbine efficiency of the pump turbine 2 for variable speed pumped storage power generation is better as the rotational speed is lower. Accordingly, the optimum rotational speed is conventionally set to the lower limit of the variable speed width of the variable speed synchronous generator motor 1 as shown in the rotational speed setting device 12 of FIG.
As a specific example, the rotation speed setting device 12 will be described in detail with reference to FIG. 4 by expanding the optimum rotation speed of the variable speed synchronous generator motor 1 having a synchronous speed of 600 r / min, a variable speed width of ± 4%, and an output of 300 MW.
Conventionally, as shown in FIG. 2A, the optimum rotational speed has been set constant at 576 r / min, which is the lower limit of the variable speed width, regardless of the power command value.
On the other hand, one of the performances of the AC exciter 6 in FIG. 1 is an allowable maximum output voltage, and it can be said that the variable speed width of the variable speed synchronous generator motor 1 is determined by this voltage.

諸量の関係は以下の通りとなる
Vex≦Vr・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式1
但し、
Vr:交流励磁装置6の定格出力電圧
Vex:励磁電圧
Vex=If・(Rf+j・2・π・fex・Lf)・・・・・・・・・・・・式2
但し
If:励磁電流=交流励磁装置6の出力電流(A)
Rf:可変速同期発電電動機1の回転子巻線の抵抗(Ω)
Lf:可変速同期発電電動機1の回転子巻線のインダクタンス(H)
fex:励磁電流Ifの周波数(滑り周波数とも言う)(Hz)
fex=fs-f0・N/Ns ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式3
但し、
fs:系統周波数(Hz)
fo:系統の基準周波数(50Hz 又は 60Hz)
Ns:可変速同期発電電動機1の同期速度(r/min)
N:可変速同期発電電動機1の回転速度(r/min)
The relationship between quantities is as follows:
Vex ≦ Vr ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Equation 1
However,
Vr: Rated output voltage of AC excitation device 6
Vex: Excitation voltage
Vex = If ・ (Rf + j ・ 2 ・ π ・ fex ・ Lf) ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ Equation 2
However,
If: Excitation current = Output current of AC excitation device 6 (A)
Rf: resistance of rotor winding of variable speed synchronous generator motor 1 (Ω)
Lf: Inductance of rotor winding of variable speed synchronous generator motor 1 (H)
fex: Frequency of excitation current If (also called slip frequency) (Hz)
fex = fs-f 0・ N / Ns ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 3
However,
fs: System frequency (Hz)
fo: System reference frequency (50 Hz or 60 Hz)
Ns: Synchronous speed of variable speed synchronous generator motor 1 (r / min)
N: Rotational speed of variable speed synchronous generator motor 1 (r / min)

交流励磁装置6の出力電圧を一定値に固定していても、可変速同期発電電動機1の出力が小さい場合には励磁電流が少なくてすむので、式2から滑り周波数fexを大きく出来る
ことがわかる。
例えば可変速同期発電電動機1の出力0の時に可変速幅下限4%を6.5%まで拡大出来るとして、励磁電流Ifの大きさはほぼ出力に比例すると考えると図2のBのような新最適回転数カーブを得ることが出来る。
B:N1=15×Pref(pu)+561(rpm)
Even if the output voltage of the AC excitation device 6 is fixed to a constant value, if the output of the variable speed synchronous generator motor 1 is small, the excitation current can be reduced, and it can be seen from Equation 2 that the slip frequency fex can be increased. .
For example, assuming that the variable speed width lower limit 4% can be expanded to 6.5% when the output of the variable speed synchronous generator motor 1 is 0, the new optimum rotation as shown in FIG. A number curve can be obtained.
B: N1 = 15 x Pref (pu) + 561 (rpm)

次に、中間負荷から高負荷領域における流量増加に対応した回転数低下を考える。
この場合、可変速幅から逸脱する回転数低下が例えばαr/minであるとすれば、中間負荷
から高負荷領域における最適回転数を、可変速同期発電電動機1の出力により求められた新最適回転数カーブBに、αr/min低下する負荷点で、図2に示すようにαr/minを加算した新最適回転数Cとして運転出来るように制御する。
このように制御すれば、回転数の指令値を可変速幅の下限速度に固定するのではなく、電力指令値が低い時には、可変速幅の下限を超えて更に低い回転数指令値を出すことが出来、部分負荷時の発電効率を向上させることが出来る。
一般に可変速同期発電電動機の発電運転時の励磁電流は概略その出力に比例すると考えられるので、電力指令値に比例して回転数指令値を変更し、中間負荷から高負荷領域では、流量変化を考慮するようにすれば、出力の全域において可変速幅を逸脱することなく自動的に高効率運転をすることが出来る。
Next, let us consider a decrease in the rotational speed corresponding to an increase in the flow rate from the intermediate load to the high load region.
In this case, if the decrease in the rotational speed deviating from the variable speed range is, for example, αr / min, the new optimal rotational speed obtained from the output of the variable speed synchronous generator motor 1 as the optimal rotational speed in the high load region from the intermediate load. Control is performed so that the engine can be operated as a new optimum rotational speed C obtained by adding αr / min as shown in FIG.
By controlling in this way, the rotational speed command value is not fixed to the lower limit speed of the variable speed range, but when the power command value is low, a lower rotational speed command value is issued beyond the lower limit of the variable speed range. It is possible to improve the power generation efficiency at partial load.
In general, the excitation current during power generation operation of a variable speed synchronous generator motor is considered to be roughly proportional to its output.Therefore, the rotational speed command value is changed in proportion to the power command value, and the flow rate change in the intermediate load to high load range. If this is taken into consideration, high-efficiency operation can be performed automatically without departing from the variable speed range over the entire output range.

以上のようにこの発明の実施の形態1によれば、ポンプ水車2に結合され発電運転モードまたは揚水運転モードに切り替えて運転される可変速同期発電電動機1を含み、その励磁電流を変化させることにより、可変速同期発電電動機が出力する電力が電力指令値に一致するように、かつ回転数が上限値と下限値の間に入るように制御する可変速同期発電電動機の制御方法において、発電運転モードでは、下限値を可変速同期発電電動機が出力する有効電力により変化させ、有効電力が小さい場合に有効電力が大きい場合よりも下限値を小さくするように可変速幅を拡大すると共に、発電運転モードにおける負荷増加制御における流量変動での回転速度低下に対応して可変速幅の拡大量を調整するようにしたもので、可変速同期発電電動機の発電運転時の低回転速度領域における可変速幅を拡大して効率を向上した運転ができ、中間負荷から高負荷領域における回転数の低下による可変速幅下限からの逸脱を防止することが出来る。   As described above, according to the first embodiment of the present invention, the variable speed synchronous generator motor 1 that is coupled to the pump turbine 2 and is operated by switching to the power generation operation mode or the pumping operation mode is included, and the excitation current is changed. In the control method of the variable speed synchronous generator motor, the power generation operation is controlled so that the electric power output from the variable speed synchronous generator motor matches the power command value and the rotation speed is between the upper limit value and the lower limit value. In the mode, the lower limit value is changed by the active power output by the variable speed synchronous generator motor, and when the active power is small, the variable speed range is expanded so that the lower limit value is smaller than when the active power is large, and power generation operation is performed. In this mode, the amount of expansion of the variable speed range is adjusted in response to a decrease in rotational speed due to flow rate fluctuations in load increase control in the mode. Expanding the variable speed width in the low speed range during operation can be operated with improved efficiency, it is possible to prevent the deviation from the variable speed width lower limit due to the decrease in rotational speed in the high load region from an intermediate load.

実施の形態2.
上記実施の形態1では電力指令値と流量変化を考慮して最適回転数を設定する場合を述べたが、流量変化は、有効落差が最低の場合、すなわち、流量変化が最大となる場合を前提としており、図3に示すように有効落差が大きくなれば、流量変化は小さくなるので、その分可変速幅を更に拡大するように補正し部分負荷時の発電効率を向上することが出来る。
図4に実施の形態2としての具体例を示す。
有効落差が最低有効落差の場合には、実施の形態1の場合の新最適回転数Cと変わらないが、有効落差が最低落差より高い場合にはその差に比例して新最適回転数Cを下方に補正した新最適回転数Dとするようにしたものである。
すなわち、この実施の形態2は、可変速同期発電電動機1の流量変動が有効落差に応じて変化することに対応して、可変速幅の拡大量を調整するようにしたものであり、部分負荷時の発電効率をより向上させることが出来る。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the case where the optimum rotational speed is set in consideration of the power command value and the flow rate change has been described. However, the flow rate change is premised on the case where the effective head is the lowest, that is, the flow rate change is the maximum. As shown in FIG. 3, if the effective head is increased, the flow rate change is reduced, and accordingly, the variable speed width is corrected so as to be further increased to improve the power generation efficiency at the partial load.
FIG. 4 shows a specific example as the second embodiment.
When the effective head is the lowest effective head, it is not different from the new optimum speed C in the first embodiment, but when the effective head is higher than the minimum head, the new optimum speed C is set in proportion to the difference. The new optimum rotational speed D corrected downward is used.
That is, in the second embodiment, the variable speed width expansion amount is adjusted in response to the flow rate fluctuation of the variable speed synchronous generator motor 1 changing according to the effective head, and the partial load The power generation efficiency at the time can be further improved.

実施の形態3.
上記実施の形態1では電力指令値と流量変化を考慮して最適回転数を設定する場合を述べたが、流量変化による過渡的な影響を受ける場合は、出力が増加中のみであり、可変速同期発電電動機1が一定出力で運転している場合には、流量変化の影響を考慮した最適回転数とする必要は必ずしも無い。
このため、図5に示すように出力増加中のみ流量変化を考慮した最適回転数Eとし、出力指令が一定になった後は、電力指令値のみによる最適回転数とすることで回転速度の下限を下げ、可変速幅を拡大するように補正するものである。
すなわち、この実施の形態3は、電力指令値が変動中の流量増加制御に対応して、出力増加中のみ、回転速度目標値を高くし、電力指令値が一定になった後は元に戻すようにした
ものであり、部分負荷時の発電効率をより向上させることが出来る。
Embodiment 3 FIG.
In the first embodiment, the case where the optimum rotational speed is set in consideration of the electric power command value and the flow rate change has been described. However, when it is transiently affected by the flow rate change, the output is only increasing and the variable speed is changed. When the synchronous generator motor 1 is operating at a constant output, it is not always necessary to set the optimum rotational speed in consideration of the influence of the flow rate change.
For this reason, as shown in FIG. 5, the optimum rotational speed E considering the flow rate change only while the output is increasing is set. Is corrected to increase the variable speed range.
That is, in the third embodiment, in response to the flow rate increase control in which the power command value is fluctuating, the rotation speed target value is increased only while the output is increasing, and is restored after the power command value becomes constant. Thus, the power generation efficiency at the time of partial load can be further improved.

実施の形態4.
上記実施の形態1では電力指令値と流量変化を考慮して最適回転数を設定する場合を述べたが、流量変化による過渡的な影響を受ける場合の回転速度の低下を抑制出来る手段として、図6に示すように、流量変化による回転速度の低下が問題となる中間負荷から高負荷領域における電力指令増加中は、交流励磁装置6にて回転速度を制御する切替回路21を設ける。
この切替回路21により、回転速度低下が問題となる区間Fは、図7に示すように交流励磁装置6にて電力制御を実施する回路に戻し、回転速度を最適回転数に追従させることが出来る。
この結果、中間負荷から高負荷領域における電力指令増加中は、有効電力の即応性が落ちるデメリットはあるものの、最適回転数を設定して部分負荷時の発電効率を向上することが出来る。
すなわち、この実施の形態4は、電力指令値が変動している間は励磁系で回転速度を制御し、電力指令値が一定の間は励磁系にて有効電力を制御するようにしたものであり、部分負荷時の発電効率をより向上させることが出来る。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
Embodiment 4 FIG.
In the first embodiment, the case where the optimum rotational speed is set in consideration of the electric power command value and the flow rate change has been described. As shown in FIG. 6, a switching circuit 21 is provided for controlling the rotational speed by the AC exciter 6 while the power command is increasing from an intermediate load to a high load region where a decrease in the rotational speed due to a flow rate change is a problem.
By this switching circuit 21, the section F in which a decrease in rotational speed is a problem can be returned to the circuit that performs power control by the AC exciter 6 as shown in FIG. 7 so that the rotational speed can follow the optimum rotational speed. .
As a result, while the power command is increasing from the intermediate load to the high load region, although there is a demerit that the responsiveness of the active power is reduced, the optimum rotational speed can be set to improve the power generation efficiency at the partial load.
That is, in the fourth embodiment, the rotational speed is controlled by the excitation system while the power command value varies, and the active power is controlled by the excitation system while the power command value is constant. Yes, the power generation efficiency during partial load can be further improved.
It should be noted that within the scope of the present invention, the embodiments can be freely combined, or the embodiments can be appropriately modified or omitted.

1:可変速同期発電電動機
2:ポンプ水車
3:発電機母線
4:主変圧器
5:電力系統
6:交流励磁装置
7:励磁変圧器
8:電力変換器
9:計器用変成器
10:電力制御回路
11:電力指令値設定器
12:回転数設定器
13:速度制御回路
14:サーボモータ
15:ガイドベーン開度検出器
16:落差検出器
17:ガイドベーン開度設定器
18:系統周波数検出器
19:基準周波数設定器
20:実回転数検出器
21:切替回路
1: Variable speed synchronous generator motor 2: Pump turbine 3: Generator bus 4: Main transformer 5: Power system 6: AC excitation device 7: Excitation transformer 8: Power converter 9: Instrument transformer 10: Power control Circuit 11: Electric power command value setting device 12: Speed setting device 13: Speed control circuit 14: Servo motor 15: Guide vane opening detector 16: Head detector 17: Guide vane opening setting device 18: System frequency detector 19: Reference frequency setting device 20: Actual rotational speed detector 21: Switching circuit

Claims (4)

ポンプ水車に結合され、発電運転モードまたは揚水運転モードに切り替えて運転される可変速同期発電電動機を含み、その励磁電流を変化させることにより、前記可変速同期発電電動機が出力する電力が電力指令値に一致するように、かつ回転数が上限値と下限値の間に入るように制御する可変速同期発電電動機の制御方法において、
前記発電運転モードでは、前記下限値を前記可変速同期発電電動機が出力する有効電力により変化させ、有効電力が小さい場合に有効電力が大きい場合よりも前記下限値を小さくするように可変速幅を拡大すると共に、
前記発電運転モードにおける負荷増加制御における流量変動での回転速度低下に対応して前記可変速幅の拡大量を調整するようにしたことを特徴とする可変速同期発電電動機の制御方法。
A variable speed synchronous generator motor coupled to a pump turbine and operated by switching to a power generation operation mode or a pumping operation mode is included, and by changing the excitation current, the power output from the variable speed synchronous generator motor is a power command value. In the control method of the variable speed synchronous generator motor that controls so that the rotational speed falls between the upper limit value and the lower limit value,
In the power generation operation mode, the lower limit value is changed by the active power output by the variable speed synchronous generator motor, and the variable speed width is set to be smaller when the active power is small than when the active power is large. As it expands,
A method for controlling a variable speed synchronous generator motor, wherein the amount of expansion of the variable speed width is adjusted in response to a decrease in rotational speed due to flow rate fluctuations in load increase control in the power generation operation mode.
前記可変速同期発電電動機の流量変動が有効落差に応じて変化することに対応して、前記可変速幅の拡大量を調整するようにしたことを特徴とする請求項1記載の可変速同期発電電動機の制御方法。   2. The variable speed synchronous power generation according to claim 1, wherein an amount of expansion of the variable speed width is adjusted in response to a change in flow rate of the variable speed synchronous generator motor according to an effective head. Electric motor control method. 前記電力指令値が変動中の流量増加制御に対応して、出力増加中のみ、回転速度目標値を高くし、前記電力指令値が一定になった後は元に戻すようにしたことを特徴とする請求項1記載の可変速同期発電電動機の制御方法。   Corresponding to the flow rate increase control when the power command value is fluctuating, the rotational speed target value is increased only while the output is increasing, and is returned to the original value after the power command value becomes constant. The method for controlling a variable speed synchronous generator motor according to claim 1. 前記電力指令値が変動している間は励磁系で回転速度を制御し、前記電力指令値が一定の間は励磁系にて有効電力を制御するようにしたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の可変速同期発電電動機の制御方法。   2. The rotation speed is controlled by an excitation system while the power command value fluctuates, and the active power is controlled by the excitation system while the power command value is constant. The control method of the variable speed synchronous generator motor as described in any one of 3.
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