JP2752075B2 - 水力機械の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はガイドベーンを有する水車またはポンプ水車
等の水力機械の制御装置に関する。

（従来の技術） 水力発電所に設置された水車またはポンプ水車などの
水力機械において、水車運転時の輸出力は落差一定のも
とでは、ガイドベーンの開度によって定まるので、水車
またはポンプ水車と発電機または発電電動機を備えた水
力発電設備において出力を変化させる場合には、発電機
または発電電動機の出力目標値に応じたガイドベーン開
度となるようにガイドベーンを開閉制御するのが通例で
ある。

また、複数台の水力機械を設置した水力発電所におい
ては、水路構築費用を低減させるため、上池から各水力
機械の近傍までを１本の共通水圧鉄管で導水し、その下
端から分岐管路を介して各水力機械に導水するよう構成
することが多い。

第４図はこのような水力発電所の概略構成を示すもの
で、上池10から、共通の１本の水圧鉄管11およびその下
端から分岐する複数本の分岐管路11a,11b,11cで導かれ
た水のエネルギーは水車またはポンプ水車12a,12b,12c
により機械エネルギーに変換され、それらに直結された
発電機または発電電動機（図示せず）を駆動し、発生し
たエネルギーは電力として電力系統（図示せず）へ供給
される。水車またはポンプ水車12a〜12cによりエネルギ
ーを吸収された後の水は、廃棄水として下池13へ排出さ
れる。

各水車またはポンプ水車にはガイドベーン（図示せ
ず）が設けられており、その開度を変えることにより、
水圧鉄管11を経て水車またはポンプ水車12a〜12cに供給
される水の流量Ｑは調節される。

第５図は従来から使用されている水力機械の出力制御
方法の一例を示すもので、各発電機または発電電動機の
発電機出力ＰGと出力目標値Ｐ＊との偏差ΔＰは出力制
御装置15に入力され、ガイドベーン開度目標値ａ＊を出
力する。ガイドベーン制御装置16はガイドベーン開度目
標値ａ＊に合せてガイドベーン開度ａを設定する。

これによってガイドベーンは開度を制御され、水車ま
たはポンプ水車12に流入する流量は調節され、従って、
軸出力Ptも調節され、発電機または発電電動機14の出力
ＰGを変化させる。

このようにして複数台の水車またはポンプ水車12を発
電運転し、出力を変化させた場合の制御例を第６図に示
す。この図は、横軸に時間Ｔをとり、縦軸に発電機出力
ＰG、ガイドベーン開度ａ、水車流量Ｑ、水車の有効落
差Heの変化の様子を示したものであり、発電機出力ＰG
の図における実線は実際の発電機出力PGを示し、破線は
出力目標値Ｐ＊を示している。

第６図からも分るように、発電機出力が変化し始めた
点Ａの直後で、実際の出力ＰGは出力目標値Ｐ＊から大
きく離れ、しかも出力を下げるのが目標であるにも拘わ
らず、一旦上昇してから下降する現象が見られる。この
現象は水車またはポンプ水車に接続されている水圧鉄管
11内の水撃が原因で発生するものである。

次に、その理由を説明する。

前述した構成の水力発電設備において、ガイドベーン
の開度を変えることによって、水の流量を変化させた場
合には、水圧鉄管11の水撃作用により、その末端部に、
分岐管路11a,11b,11cを介して設置された水車またはポ
ンプ水車12a,12b,12cの入口部の水圧が変動する。この
時の各水車またはポンプ水車12a〜12cの入口圧をＨとす
ると、この入口圧Ｈは水撃の基本式から次のように表す
ことができる。

Ｈ＝Ｃ・dQ/dt＋Ho ……（１） ここで、Ｑは水圧鉄管11を流れる水の流量、Hoは流量
Ｑが変化する前の水車またはポンプ水車12a〜12cの入口
水圧を示し、Ｃは水圧鉄管11の長さ、断面積、水の密度
などで決まる負の定数である。

それ故、水の流量Ｑの変化率dQ/dtに応じて水圧Ｈが
定まり、流量Ｑ減少する場合には水圧Ｈは変化前の水圧
Hoより高くなる。

従って、発電運転中に１台の水車またはポンプ水車12
が発電機または発電電動機14の発電機出力ＰGを減少さ
せようとしてガイドベーン開度ａを閉じはじめると、流
量Ｑが減少し、その結果、前述の水圧鉄管内の水撃現象
が発生して水車の入口圧が上昇するため、水車の有効落
差Heも上昇することになる。

水車の軸出力Ptは水の流量Ｑと水車の有効落差Heの積
にほぼ比例するため、上記の水撃作用による水車有効落
差Heの上昇分が大きい場合には、水車の軸出力が一旦上
昇し、発電機出力Ptも上昇する。すなわち、水の流量Ｑ
の時間変化率の絶対値|dQ/dt|が大きいと、前記の不具
合が生ずることになる訳である。

（発明が解決しようとする課題） このように従来の出力制御方法では、電力系統からの
要求に対し、発電機または発電電動機の出力が一旦逆の
応答をすることになるため、系統電力の運用上、問題と
なっていた。

そこで、本発明は系統からの出力要求に対して出力制
御する水力機械の台数の多少に拘らず、追従性が良く、
安定して出力を制御できる水力機械の制御装置を提供す
ることを目的とするものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、水量を調節するガイドベーンを有する水車
またはポンプ水車等の水力機械の複数台をそれぞれ分岐
管路を介して共通の水圧鉄管に接続し、これらの水力機
械に発電機または発電電動機を直結した水力発電設備に
おける水力機械の制御装置において、発電機出力と出力
目標値との偏差信号が入力されガイドベーン目標動作速
度値が出力される出力制御装置と、出力調整される水力
機械の発電運転台数の関数としてガイドベーンの動作速
度上限値が設定され、上記発電運転台数に対応するガイ
ドベーンの動作速度上限値を出力するガイドベーン動作
速度上限設定器と、上記出力制御装置から出力されたガ
イドベーン動作速度目標値とガイドベーン動作速度上限
設定器から出力されたガイドベーン動作速度上限値との
低値信号をガイドベーン制御装置に制御信号として出力
するガイドベーン動作速度低値優先回路とを有すること
を特徴とする。

（作用） 上述のように構成した本発明の装置によれば、出力制
御される水力機械の台数が多く、流量変化が大きい場合
にはガイドベーンの動作速度を小さく抑制し、その反対
に出力制御される水力機械の台数が少なく、流量変化が
小さい場合にはガイドベーンの動作速度を相対的に大き
い値まで許容することにより、水圧鉄管内の水撃作用の
誘発は抑圧される。従って、出力が出力目標と逆方向へ
一旦振れる等の過渡現象を抑制でき、出力の目標値への
追従性を改善できる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の制御装置の構成例を示す図で、第５
図におけると同一部分には同一の記号を付してある。

第１図と第５図とを対比すれば明らかなように本発明
において使用される制御システムは、出力制御装置15a
とガイドベーン制御装置16の間にガイドベーン動作速度
制限装置20を介挿したものである。このガイドベーン動
作速度制限装置20はガイドベーン動作速度上限値設定器
21と、ガイドベーン動作速度低値優先回路22とからな
る。

第１図において、系統からの要求である出力目標値Ｐ
＊が与えられると、実際の発電機出力ＰGとの偏差ΔＰ
が出力制御装置15aに入力され、ガイドベーン目標動作
速度信号Ａがガイドベーン動作速度低値優先回路22に向
けて出力される。

一方、ガイドベーン動作速度制限装置20のガイドベー
ン動作速度上限値設定器21には、１本の水圧鉄管を共有
している水車またはポンプ水車12a〜12cに連結されてい
る発電機または発電電動機の発電運転台数Ｍが入力され
ている。

このガイドベーン動作速度上限値設定器21は入力され
た発電機台数Ｍに対応して、ガイドベーン動作速度（単
位時間当りのガイドベーン変化幅をいう）の上限値Δa
limを出力する。

このガイドベーン動作速度上限値Δa limは、ガイド
ベーン動作速度低値優先回路22において出力制御装置15
aからのガイドベーン目標動作速度信号ａ＊と比較さ
れ、いずれか低い方の値がガイドベーン動作速度制御信
号ａ＊＊として導出される。このａ＊＊はガイドベーン
制御装置16に入力されてガイドベーン開度ａを出力す
る。その結果、水車またはポンプ水車12のガイドベーン
の開度が、予め設定された制限速度以下の速度で開閉
し、水車またはポンプ水車12の軸出力Ptひいては発電機
出力PGを変化させる。

上記において、ガイドベーン動作速度上限値設定器21
には、ガイドベーン動作速度上限値Δa limが出力制御
されている水車またはポンプ水車12の発電運転台数Ｍの
関数として予め設定されている。第２図はその特性例を
示すもので、横軸は出力制御される水車またはポンプ水
車12の発電運転台数Ｍを示し、縦軸はガイドベーン動作
速度上限値の絶対値｜Δa lim|を示す。

この図から明らかなように、出力制御する水車または
ポンプ水車12の発電運転台数Ｍが多い場合には｜Δa li
m|は小さく、反対に、発電運転台数Ｍが少ない場合には
｜Δa lim|は大きな値をとる。

次に、第１図と第３図を参照して前述した本発明の実
施例の作用を説明する。なお、第３図における線および
記号の定義は前述した図におけると同一である。

発電機出力ＰGが設定値ＰAより大きい範囲では、ガイ
ドベーン動作速度上限値Δa limが選択され、ガイドベ
ーンの動作速度は小さく抑制されるため、流量Ｑが急激
しなくなり、水撃現象が抑制される。これにより、発電
機出力ＰGが一旦上昇することもなく、出力目標値Ｐ＊
に良く追従するようになる。

また、出力制御する水車またはポンプ水車の発電運転
台数Ｍが少ない場合には、ガイドベーンの動作速度を速
くしても、それによる流量変化が少ないため、水撃作用
も小さく、発電機出力が逆方向に振れる現象も発生しな
い。従って、ガイドベーン動作速度上限値を大きく設定
でき、出力要求に対して追従性を低下させることなく、
短時間に制御することができる。ちなみに、運転台数が
少ない時にも、運転台数が多い時と同一のガイドベーン
動作速度上限値を用いると、出力要求Ｐ＊に対する実際
の出力ＰGの追従性が悪くなる。

このように本発明の実施例では、従来の出力制御装置
に、あらたにガイドベーン動作速度上限値設定器21とガ
イドベーン動作速度低値優先回路22を付加するだけなの
で、従来の出力制御装置を有する水力発電設備の改造に
も容易に適用できる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明は水力機械の発電運転台
数の関数としてガイドベーンの動作速度上限値を設定し
たガイドベーン動作速度上限設定器を設け、上記ガイド
ベーンの動作速度上限値とガイドベーン目標動作速度値
との低値信号をガイドベーン制御装置に制御信号として
出力する低値優先回路を設けたので、水車またはポンプ
水車の発電運転台数に対応してガイドベーン動作速度上
限値が規制され、水圧鉄管内に発生する水撃作用を小さ
くでき、発電運転時の出力制御を極めて安定化させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の水力機械の発電運転方法を実現するた
めの制御システムのブロック図、第２図は第１図のガイ
ドベーン動作速度上限値設定器に記憶された発電機運転
台数Ｍとガイドベーン動作速度上限値の絶対値｜Δa li
m|の関係を示すグラフ、第３図は第１図の実施例の作動
を示すグラフ、第４図は本発明が適用される水力発電所
の概略図、第５図は従来の水力発電所の制御ブロック
図、第６図はその作動を示すグラフである。 10……上池、11……水圧鉄管、11a〜11c……分岐管路、
12a〜12c……水車またはポンプ水車、13……下池、14…
…発電機または発電電動機、15……出力制御装置、16…
…ガイドベーン制御装置、20……ガイドベーン動作速度
制限装置、21……ガイドベーン動作速度上限値設定器、
22……ガイドベーン動作速度低値優先回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水量を調節するガイドベーンを有する水車
   またはポンプ水車等の水力機械の複数台をそれぞれ分岐
   管路を介して共通の水圧鉄管に接続し、これらの水力機
   械に発電機または発電電動機を直結した水力発電設備に
   おける水力機械の制御装置において、発電機出力と出力
   目標値との偏差信号が入力されガイドベーン目標動作速
   度値が出力される出力制御装置と、出力調整される水力
   機械の発電運転台数の関数としてガイドベーンの動作速
   度上限値が設定され、出力制御される水力機械の台数が
   多い場合にはガイドベーンの動作速度を小さく抑制し反
   対に出力制御される水力機械の台数が少ない場合にはガ
   イドベーンの動作速度を相対的に大きい値まで許容する
   ようなガイドベーン動作速度上限値を出力するガイドベ
   ーン動作速度上限設定器と、上記出力制御装置から出力
   されたガイドベーン動作速度目標値とガイドベーン動作
   速度上限設定器から出力されたガイドベーン動作速度上
   限値との低値信号をガイドベーン制御装置に制御信号と
   して出力するガイドベーン動作速度低値優先回路とを有
   することを特徴とする、水力機械の制御装置。