JP2550089B2 - 可変速揚水システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は可変速揚水システムに係り、特にポンプ入力
を可変しながら回転速度を安定に制御するようした可変
速揚水システムに関する。

〔従来の技術〕

従来の同期発電電動器を使用する揚水発電システムで
は、ポンプ水車の回転速度は発電運電でも揚水運転でも
同一の一定値に固定される。揚水運転時の運転特性の一
例を第７図に示す。本図は、可動案内羽根を有するポン
プの性能を示す線図で、101,101′は案内羽根開度をY₁,
Y₂の固定しポンプ回転速度をN₂を保持した場合の揚水量
Ｑと効率ηの関係曲線、102,102′は、上記に対応する
揚水量Ｑと全揚程Ｈの関係曲線である。本図より回転速
度及び案内羽根開度を固定すると各案内羽根開度での最
高効率点（図中a,b点）を離れ、激しい効率を落ち込み
が生じ振動キヤビ等の運転特性が悪化するため上記a,b
点を結ぶ包絡線（破線表示）の如く揚程Ｈに応じて案内
羽根開度を一義的に調整して運転していた。

この様な揚水発電システムの揚水運転時は、電力系統
から見れば全く自由度のない（調整の効かない）単純負
荷になり電力系統の電力需給バランスを改善する様な調
整は一切できなかった。

こういう従来技術の背景を踏まえて、ポンプ水車の回
転速度を可変にしポンプ運転時の自由度を増すための検
討や提案がなされつつある。例えば昭和59年電気学会全
国大会論文No.553「大容量同期電動機の可変速運転特
性」があるが、具体的に可変速揚水システムについては
触れられていない。

一方従来の可変速電動システムとしは、交流系統と電
動機の間に周波数変換器を設ける方法、巻線型誘導機の
１次側を電力系統に接続し２次側と電力系統との間に周
波数変換器を設ける方法等があり各々周波数変換器を制
御し電動機回転子に直結されたポンプを任意の回転速度
で運転しようとするものである。これらの周波数変換機
のうち電力系統と電動機の間に周波数変換器を設け可変
速揚水運転を実現しようとしたものの一例として特開昭
48−21045号がある。しかしながら本公知例には具体的
な制御システム構成については触れられていなかった。

また、これらの技術とは別にこれまでの可変速揚水シ
ステムでは達成できなかった電動器負荷の安定した可調
整運転を可能にし、AFC等の電力系系統制御に対応でき
る可変速揚水システムを、出願人は特開昭63−212774号
において既に開示した。この可変速揚水システムでは外
部より与えられる電力指令値に応じてポンプ水車の適正
回転速度指令値を発生する関数発生器を設け、この関数
発生器から与えられる適正回転速度指令値と回転速度検
出手段から与えられる実回転速度値との偏差が最小にな
るように周波数変換器の出力電力を制御する第１の周波
数変換器制御手段と、電力指令値と実際の電力状態の実
電力値との偏差が最小になるように周波数変換器の出力
電力を制御する第２の周波数変換制御手段とを備えたも
のである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、この可変速揚水システムにおいては所定の可
変速運転範囲の上限または下限付近で急に電力指令が変
化した場合、電動機が所定の可変速範囲を逸脱してしま
うという現象が発生してしまっていた。

本発明の目的は前述したこれらの技術の問題点を明ら
かにし、可変速揚水システムにおいて、電動機負荷の安
定した可調整運転を可能にしながら回転速度を安定に制
御するようにした可変速揚子システムを提供することに
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明では一次巻線また
は、二次巻線のいずれかを周波数変換機を介して電力系
統に接続したに可変速誘導電動機と、可変速誘導電動機
の回転軸に接続されたポンプ水車とを備えたことを特徴
とする可変速揚水システムにおいて、可変速誘導電動機
に入力される電力状態を検出す電力状態検出手段と、可
変速誘導電動機の実回転速度を検出する回転速度検出手
段と、外部より与えられる電力指令値に応じて前記ポン
プ水車の適正回転速度指令値を発生する関数発生器を設
け、関数発生器から与えられる適正回転速度指令値と回
転速度検出手段から与えられる実回転速度値との偏差が
最小になるように周波数変換器の出力電力を制御する第
１の周波数変換器制御手段と、電力指令値と電力状態検
出手段により与えられる実電力状態との偏差が最小にな
るように周波数変換器の出力電力を制御する第２の周波
数変換器制御手段と、回転速度検出手段から与えられる
実回転速度値が所定の回転数領域を逸脱しようとする場
合に、周波数変換器の出力電力を制御して実回転速度値
が所定の回転数領域に戻すように動作する第３の周波数
変換器制御手段とを設け、第1,第２及び第３の周波数変
換制御手段の応答速度を第３の周波数変換器制御手段、
第２の周波数変換器制御手段および第１の周波数変換器
制御手段の順に早くしたことを特徴としたものである。

〔作用〕

まず、本発明の可変速揚水システムにおける可変速電
動機の制御を行う回転速度制御用の第１の周波数変換器
制御手段と電力制御用の第２の周波数変換器制御手段と
の応答速度の比較について述べる。

可変速揚水システムにおいては、比較的遅いポンプ入
力の制御とは全く独立に電動電力を制御でき、さらに高
速の電力応答を実現できるという特長を活かすため、第
２の周波数変換器制御手段の応答速度を第１の周波数変
換器制御手段より高速にする必要がある。これは、後者
の応答速度を強くし過ぎると、前者の制御に過度に干渉
するになり、その結果、オーバーシュート等を伴って電
力応答波形が理想から離れてくるためである。

この意味では回転速度制御用の第１の周波数変換器制
御手段の応答速度を低くした方が良いことは事実である
が、他方、低くし過ぎると当然ながら速度制御精度が悪
くなってくる。さらに、所定の可変速範囲の上限または
下限付近で運転中で急に電力指令が変化した場合、第１
の周波数変換器制御手段の応答速度が低く過ぎると、回
転速度が前記所定の可変速範囲を逸脱してしまう可能性
がでてくる。この前記所定の可変速範囲を逸脱すると周
波数変換器は所定の機能失うので電動機はトリップせざ
るをえなくなる。

このため本発明の可変速揚水システムにおいては、第
１の周波数変換器制御手段、第２の周波数変換器制御手
段と共に第３の周波数変換器制御手段を備えたものであ
る。

この第３の周波数変換器制御手段は実回転速度を監視
しながら、これが所定の可変速範囲を逸脱しそうになな
った次に動作して所定の可変速範囲へと回転状態を押し
戻すものである。そして、この第３の周波数変換器制御
手段は第1,第２の周波数変換器制御手段と同様に周波数
変換器の電力出力を変化させて電動機に制御するが、こ
れらの周波数変換器制御手段に優先して動作するように
する。具体的には第２の周波数変換器制御手段の応答速
度より速い応答速度で電動器を動作させるようにして、
電動機の回転状態が所定の可変速範囲を逸脱しそうにな
ることを防ぐように動作するようにしたものである。

〔実施例〕

第１図は最近考えられている可変速揚水システムの例
を示しており（尚、電力制御の為の交流励磁回路につい
ての詳細は本発明に直接関係しないので図示していな
い。）外部からの電力指令Poとその時の総落差H_ST（ポ
ンプの上下貯水槽の単純な水位差を示す。これに対し実
揚程Ｈは総落差H_STと該揚水系統の水路損失を加算した
ものと定義される。該揚水系統の立地条件により運動時
の水位変動（H_ST変動）がない場合は、このH_STを省略し
てもよい。以下入力信号として定義するH_STは同様であ
る。）を入力としてその時の適正回転速度N_OPTを演算す
る回転速度回数発生器12からの出力信号N_OPTと実際の回
転速度Ｎを比較する比較器18と電力制御補正信号発生器
16,電力制御器7,電力周波数変換器3,電動器2,慣性モー
メントGD²よりなる第１の周波数変換器制御手段の制御
ループを負帰還回路に構成する。

尚GD²は電動機とポンプが有する慣性モーメントの作
用を示すためのブロックで別の装置がある訳ではない。
又N_OPTとＮの偏差をゼロにするために電力制御補正信号
発生器16には積分要素が含まれる。電力制御補正信号発
生器16の出力である補正信号εは電力指令Poと加算され
この合成信号Po＋εと実際の電動機出力P_Mが比較され
る。

電力制御器7,電力変換器3,発電電動機２及び実際の電
動器出力P_Mの復元回路よりなる第２の周波数変換器制御
手段の電力制御ループは負帰回路に構成され電力制御器
７には（P_O＋ε）とP_Mの偏差をゼロにするため積分要素
が含まれる。負荷指令P_Oと総落差H_STを入力としてその
時の適正案内羽根開度Y_OPTを演算する案内羽根開度関数
発生器13とその出力信号Y_OPTと実際の案内羽根開度Ｙを
比較する比較器21と案内羽根制御器９で実際の案内羽根
開度Ｙの復元より成る制御ループを負帰還回路に構成
し、案内羽根制御器９に含まれる積分要素によりY_OPTと
Ｙの偏差がゼロとなるように案内羽根が制御される。か
くして前記回転速度制御回路によりＮ＝N_OPT、前記電力
制御回路によりP_M＝P_O＋ε、前記案内羽根制御回路によ
りＹ＝Y_OPTとすることができる。ここでポンプが要求す
る入力P_Pと実際の電動機への入力P_Mの偏差は電動機及び
ポンプの慣性モーメント（GD²）に入力される。ところ
で慣性モーメントは一種の積分要求と見なせる。

又前述の通り電力制御補正信号発生器16,電力制御器
7,電力周波数変換器3,電動機2,GD²と実際の回転数Ｎの
復元より成る回転速度制御回路は負帰還回路に構成され
ているのでPMとP_Pの偏差がゼロとなるように制御され
る。即ちP_M＝P_P、また前記関数発生器の誤差を無視すれ
ばY_OPT＝P_O相当、であるのでP_Pは元々P_O相当に、即ちP_P
＝P_Oに制御されている筈である。以上纏めるとP_O＝P_P＝
P_M＝P_O＋εとなり、電力補正信号εは最終的にはゼロに
される。以上より外部からの電力指令P_Oに応じて実際の
入力P_Mを制御することができる。

第１図の例に対する上記説明をグラフに示したのが第
９図である。時点t₀で駆動出力指令P_Oがステップ状に立
上がれらた場合の応答を示す。まず電動機出力P_Mは僅か
の遅れをもってグラフｇの如く立上がる。又案内羽根開
度回数発生器の出力Y_OPTや回転速度関数発生器N_OPTの出
力は関数発生器が個有に持っている時定数や特別に与え
た追加時定数によって各々グラフb,cの如く応答する。
グラフｂのY_OPTに対する実際の案内羽根開度Ｙの応答は
比較的速くｄの様になる。尚Ｙの応答に直線部分がある
のは案内羽根が案内羽根サーボモーターの開速度制限
（これは案内羽根用配圧弁のストローク制限等で与え
る）によって制限を受けている場合を示す。ポンプの回
転速度Ｎはグラフｇの電動機出力P_Mとグラフｅのポンプ
入力P_Pの差によって加速されグラフｆの様に上昇し最終
的にＮ＝N_OPTに達した時点で上昇が止む。尚そのポンプ
入力P_Pは第６図の如く、案内羽根開度Ｙの上昇と回転速
度Ｎの上昇の両方による増分が加算されグラフｅの如く
増大する。グラフｆでは回転速度Ｎの動きはゆっくり乍
ら安定であるが、これは電力補正信号発信器16に充分な
ダンピング作用を与えたためである。これは例えば電力
補正信号圧心器16を比例要素と積分要素の並列回路で構
成し、それらのゲインを適切に選ぶことによって達成で
きる。

第２図は上記第１図の制御回路により巻線形誘導機２
を可変速電動機として用いた最近考えられている可変速
揚水システムの構成を示す一例である。図中同一番号は
同一品で示す。巻線形誘導機２の１次側が電力系統１に
接続されて２次側が電力変換器３に接続され誘導機２の
入力は、電力変換器３による交流励磁電流の位相や電圧
制御により制御される。実際の入力P_Mは電力検出器６に
より検出された比較器20へ又実際の回転速度Ｎは回転速
度検出器５により検出された比較器18へ各々入力され
る。

第３図は、第１図の制御回路による別の例を示す構成
図で可変側電動機として同期機10を用い、系統１と同期
機10との間に電力変換器17を用いた場合である。この電
力変換器への位相指令との突合せのため位相検出器11を
設けている。

第４図は第１図等の案内羽根開度関数発生器13の一
例、第５図は同じく回転速関数発生器12の一例を示すも
ので各々負荷指令P_Oと実揚程Ｈにより各々の指令値が演
算される。尚図中のａ〜ｆ点及びａ′〜ｆ′点は第６図
に示すポンプ特性図の各点に対応している。第６図は、
第７図のポンプ特性図を基に作成したもので図中103,10
3′,103″は第７図の如く回転速度一定の下で求めた揚
水料Ｑに対する実揚程Ｈ曲線102,102′の包絡特性（点
線）を他のいくつかの回転速度でも求めてこれら包絡曲
線を回転速度をパラメーターにしてまとめて描いたもの
である。図中104,104′104″はその図103,103′,103″
の特性より揚水量Ｑに対するポンプ負荷P_Pを示したもの
である。これよりポンプ固有特性により制約される包絡
線運転を維持しながらその次の運転条件に対応する最適
運転点が上記２種の関数発生器に与えられること及び、
実際の回転速度Ｎと案内羽根開度Ｙは該関数発生器出力
であるN_OPT,Y_OPT合致するように各々制御することが必
要であることが分る。尚第４図，第５図の横軸は説明を
簡単にするために実用程Ｈ（第６図のタテ軸）とした
が、この例は総落差H_SHを信号として用いている。その
場合は、第６図の一点鎖線で示す様に総落差から揚水量
Ｑの関係となる水路損失を引いて実揚程の線とした曲線
により適正点を定義すればよく、ｆ点で示す様になる。
また第７図に一点鎖線で示す曲線は、案内羽根開度をY₂
に固定した場合に回転速度をN₂からN₃に変えたときの特
性曲線を示し最適効率点であるａ相当の運転点が最高効
率のままｃ点に移る様子を示している。この様に全包絡
線上の運転点をいくつかの回転速度の下で求めてプロッ
トしたのが第６図の局104,104′,104″である。尚第４
図においてY₃＞Y₂＞Y₁の関係があり、入力がH₁,P₃の時
のｅ点相当のY_OPTはY₂とY₃の補間で求める。又同様に第
５図においてはN₃＞N₂＞N₁の関係があり入力に応じてN
_OPTを演算する。例えば入力がH₁′,P₂′の場合N_OPTはN₂
とN₃の補間で求める。

第10図は、第２図の変形例である。この場合は案内羽
根開度関数発生器８への入力を回転速度信号N_OPTとして
いる。

これは回転速度関数発生器12が電力指令P_O相当の適正
回転速度指令N_OPTを支えること即ちP_OとN_OPTには一定の
関数関係が成立しているため案内羽根開度関数発生器８
の関数を工夫すればY_OPT＝ｆ（P_o,H）の代りにY_OPT＝
ｆ′（P_OPT,H）となり入力のP_Oの代りにN_OPTを使えるこ
とが解る。

更に第11図は第10図の変形で上述の第2B図の説明に加
えて回転速度制御回路（N_OPT→電力制御補正信号発生器
16→電力制御器７→電力周波数変換器３→Ｎ）により実
際のＮ＝N_OPTに制御されていることを考慮すれば容易に
第10図の案内羽根開度関数発生器８の入力N_OPT図代りに
Ｎの使ってもその精度は余り変らないことが理解でき
る。

そして第８図は本発明の一実施例を示したものであり
第１図の装置構成に対して特に適正回転速度制御ループ
に、回転速度が定格値（例えばすべりゼロ相当の回転速
度）の上側へθ_１以上外れたり、下側へθ_２以上外れた
ら、外れ度合に投じて信号を発生する不動帯22及び蹴り
返しゲイン設定器23及び加算器24を追加し、電力指令P_O
の入力回路上に一種の遅れ要素25を追加した例である。

不動帯22,蹴り返しゲイン設定器23、及び加算器24に
より第３の周波数変換器制御手段である前述の回転速度
蹴り返し制御部分を構成する。

ゲインK_Nは1.0より断然大きい値に設定しておくので
回転速度が定格値より上へθ_１又は下へθ_２外れると大
きな蹴り返し信号が加算器24を経て比較器18に与えられ
る。

この結果、回転速度が所定の可変バンドを外れないよ
うに蹴る返すことができる。

尚、一種の遅れ要素25は前述の回転速度蹴り返し制御
が作動している時には電力指令P_Oがいかに急速に変動さ
れても、それが加算器19で入力される段階では補正信号
ε上に現れる蹴り返し制御信号の変化速度に比して低速
変動になるように修正して結果的に回転速度蹴り返し制
御が優先されるように駄目押しを図ったものである。

尚、回転速度の可変バンドは電力変換器の容量やポン
プの運転特性、特に高落差時の逆流現象発生領域と離れ
等によって決るものである。

さて上述の可変速揚水システムにおいて、案内羽根開
度適正化制御の応答速度はポンプの上下流水路の水撃現
象を考慮して決められるべきであり、勝手に速くできな
い。

これに対し駆動出力制御は電動機の制御系が許す限り
高速応答にしてほしいという電力系統側からの要求があ
り、これを考慮すると応答速度比較は駆動出力制御＞案
内羽根開度適正化制御が妥当で望ましい。

尚、第８図において駆動出力制御系はP_O→遅れ要素25
→加算器19→比較器20→電力制御器７→電力周波数変換
器３→電動機２→P_M→20で構成され、案内羽根開度適正
化制御系はP_O→遅れ要素25→案内羽根開度関数発生器13
→Y_OPT→比較器21→案内羽根制御９→Ｙ→で構成され
る。

又ポンプの回転速度は電動機の駆動出力とポンプの案
内羽根開度適正化制御に応じて決るポンプ入力の差から
変動を生ずるものであるためこれら要因よりも充分低い
応答速度でシステムの安定性確保を主眼にして制御され
るべきである。

以上を総合すると各種の構成制御の応答速度比較は回
転速度蹴り返し制御＞駆動出力制御＞案内羽根開度適正
化制御＞回転速度制御の関係にすることが望ましい。

尚、第８図において回転速度制御系はP_O→遅れ要素25
→回転速度関数発生器12→N_OPT→比較器18→電力制御補
正信号発生器16→ε→加算器19→比較器20→電力制御器
７→電力周波数変換器３→電動機２→P_M→GD²→Ｎ→加
算器24→比較器18で構成され回転速度蹴り返し制御系は
Ｎ→不動帯22→蹴り返しゲイン設定器23→加算器24→比
較器18→電力制御補正信号発生器16→ε→19→比較器20
→電極制御器７→電力周波数変換器３→電動力２→P_M→
GD²→Ｎで構成される。

尚、第８図では回転速度蹴り返し回路の出力を回転速
度制御回路に合成して入力しているが電力指令P_Oを直接
補正するように入力してもその効果は変らない。

又第１図，第２図，第2A図，第2B図，第３図及び第８
図では発電動機G/Mの制御は第２の周波数変換器制御手
段である電力制御を主体にし、電力指令を与え、実際の
電動機出力P_Mがこれを追従するように構成し電力指令に
回転速度適正化制御信号εを補正信号の形で合成させて
いるが、この変形で第１の周波数変換器制御手段である
回転速度制御を主体にし、適正回転速度指令N_OPTを与え
これに実際に回転速度Ｎを追従させるように構成し、適
正回転速度指令N_OPTに電力指令P_Oと実電動機出力P_Mの差
をゼロならしめるように作用する補正信号を合成させる
実施例も考えられる。もちろんこの場合も本発明の応答
速度比較は適用できる。

尚上述において応答速度は一般に線形の制御系に使用
されている時定数（あるステップ入力に対し、出力が相
当目標値の63％に達する時間）で管理してもよく、案内
羽根開閉速度制限等非線形要素の影響も考慮して目標値
の上／下の所定のバンド内に落ち着くまでの時間等で管
理してもよい。

〔発明の効果〕

本発明の可変速揚水システムにおいては、外部からの
電力指令に応じて高速に電動機出力を可変に制御するこ
とを可能にすると共に、回転速度が所定の可変速範囲か
ら逸脱することを防ぐことができるようになるという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は最近考えられている可変速揚水システムの制御
回路図、第２図は第１図による誘導電動機を用いた場合
の変形例、第３図は第２図において同期機と系統の間に
電力変換器を設けた場合の装置構成例、第４図は案内羽
根開度関数発生器の一例、第５図は回転速度関数発生の
一例、第６図は第４図，第５図を導出する可変速ポンプ
特性図、第７図はポンプ特性図、第８図は本発明の一実
施例、第９図は第１図の変形例を示すグラフ、第10図は
実際の回転速度Ｎの代りに適正回転速度指令信号N_OPTを
入力とした場合の一実施例、第11図は第２図において案
内羽根開度関数発生器の入力を実際の回転速度とした場
合の変形例である。 １……電力系統、２……電動機、3,17……電力周波数変
換機、４……ポンプ水車、５……速度検出器、６……電
力検出器、７……電力制御器、６……速度入力による案
内羽根開度関数発生器、９……案内羽根制御器、10……
同期機、11……位相検出器、12……回転速度関数発生
器、13……Ｐ指令入力による案内羽根開度関数発生器、
16……電力制御補正信号発生器、18,20,21……比較器、
19,24……加算器、22……不動帯、23……蹴り返しゲイ
ン設定器、25……一種の遅れ要素。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中川 博人 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 大野 泰照 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (56)参考文献 特開 昭48−21045（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−212774（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一次巻線または、二次巻線のいずれかを周
   波数変換器を介して電力系統に接続した可変速誘導電動
   機と、該可変誘導電動機の回転軸に接続されたポンプ水
   車とを備えた可変速揚水システムにおいて、前記可変誘
   導電動機に入力される電力状態を検出する電力状態検出
   手段と、前記可変誘導電動機の実回転速度を検出する回
   転速度検出手段と、外部より与えられる電力指令値に応
   じて前記ポンプ水車の適正回転速度指令値を発生する関
   数発生器を設け、該関数発生器から与えられる適正回転
   速度指令値と前記回転速度検出手段から与えられる実回
   転速度値との偏差が最小になるように前記周波数変換器
   の出力電力を制御する第１の周波数変換器制御手段と、
   前記電力指令値と前記電力状態検出手段により与えられ
   る実電力状態との偏差が最小になるように前記周波数変
   換器の出力電力を制御する第２の周波数変換器制御手段
   と、前記回転速度検出手段から与えられる実回転速度値
   が所定の回転数領域を逸脱しようとする場合に、前記周
   波数変換器の出力電力を制御して実回転速度値が前記所
   定の回転数領域に戻るように動作する第３の周波数変換
   器制御手段とを設け、前記第1,第２及び第３の周波数変
   換器制御手段の応答速度を第３の周波数変換器制御手
   段，第２の周波数変換器制御手段および第１の周波数変
   換器制御手段の順に早くしたことを特徴とする可変速揚
   水システム。