JP2988163B2 - 水調運転制御装置 - Google Patents
水調運転制御装置Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
Description
た水力発電所において、ヘッドタンクの水位を制御する
水調運転制御装置に関する。
クの水位の制御方式として、水車のガイドべーン開度を
操作量とし、ヘッドタンクの水位を制御量とするフィー
ドバック制御をPID制御によって行っているが、その
PIDパラメータは通常、固定されたものである。な
お、複数の発電所が直列に配置されている場合には、各
発電所ごとに個別に制御装置が設けられてPID制御を
行っている。
に直列にタンクが配置された系では、水系に流れる水量
の変化による水位変動の伝達特性の時定数が、水量その
ものにより変化するという非線形特性を持つ。これを示
すため、まず、この水系におけるタンクの水位と流量と
の関係を示す基本的な特性式を数式1に示す。なお、図
8において、TK1は上流側ヘッドタンク、TK2は上流
側サージタンク、TK3は下流側ヘッドタンク、TK4は
下流側サージタンク、TKnはn番目のタンク、GV1は
上流側水力発電所のガイドベーン、GV2は下流側水力
発電所のガイドベーンである。
クiの流量(流入水量)、Hiはタンクiの水位、Aiは
タンクiの表面積を示す。更に、管路に流れる流量は、
以下のベルヌーイの方程式より導かれる。
iは管路i内での流速、kは管路の摩擦係数、Liは管路
iの管長、gは重力加速度を示す。ここで、AiVi=Q
iとおき、この式をラプラス変換してある基準のQiの値
Q i0の近傍でテーラー展開すると、数式3を得る。な
お、数式3におけるk′は単位断面積あたりの摩擦係数
であり、数式4によって表される。この数式4におい
て、Dは管径、fは粗度係数である。
て、図8における上流側ヘッドタンクTK1の水位H
1(s)と下流側ヘッドタンクTK3の水位H3(s)を示す
と、数式5、数式6となる。
数式12に示すとおりであり、数式6における各値は数
式13ないし数式18に示すとおりである。
の基準流量、D2はQ2に相当する管路の管径、L2は同
じく管路長であり、前記数式13、数式14において、
Q40はQ4の基準流量、D4はQ4に相当する管路の管
径、L4は同じく管路長である。数式5、数式7、数式
8から、上流側ヘッドタンクTK1の水位H1に対する上
流側発電所のガイドべーンGV1に流れる水量Q3、ある
いは、上流側ヘッドタンクTK1に流入する水量Q1から
の伝達特性は、上流側ヘッドタンクTK1からサージタ
ンクTK2に流れる水量Q20によって変わることがわか
る。また、数式6、数式13、数式14から、下流側ヘ
ッドタンクTK3の水位H3に対する下流側発電所のガイ
ドベーンGV2に流れる水量Q5、あるいは、上流側発電
所のガイドベーンGV1に流れる水量Q3からの伝達特性
は、下流側ヘッドタンクTK3からサージタンクTK4に
流れる水量Q40によって変わることがわかる。
場合、従来の単一なPID制御では、安定性を確保した
うえで良好な制御結果を得ることは難しいという問題が
あり、特に、水車の運転状態の変化に起因する制御対象
の水系の性質変化や取水口からの流入量変化等が生じた
場合に速応性のある応答が困難であり、ヘッドタンクの
水位の安定した制御が不可能であった。本発明は上記問
題点を解決するためになされたものであり、その目的と
するところは、水位の種々の変動要因に対して速応性、
安定性に優れた水調運転制御装置を提供することにあ
る。
め、第1の発明は、直列に配置された複数の水力発電所
における水車のガイドベーン開度を操作量とし、ヘッド
タンクの水位を制御量とする水調運転制御装置におい
て、ガイドベーン開度に応じて水位制御の制御パラメー
タ及び設定水位を可変にする手段と、上流側発電所にお
けるガイドベーン開度の操作信号を下流側発電所にフィ
ードフォワード補償する際の補償要素特性を下流側発電
所のガイドベーン開度により可変とする手段とを備えた
ものである。
力発電所における水車のガイドベーン開度を操作量と
し、ヘッドタンクの水位を制御量とする水調運転制御装
置において、ガイドベーン開度に応じて水位制御の比例
ゲインを可変にする手段と、ガイドベーン開度に比例す
る値により設定水位を補正する手段と、上流側発電所に
おけるガイドべーン開度の操作信号自体を下流側発電所
にフィードフォワード信号として与える手段を備えたも
のである。
パラメータであるPIDパラメータの値をガイドベーン
開度により可変として、制御装置に、数式19により表
される可変形PID特性を持たせる。
積分時定数TI、微分時定数TDを操作量であるガイドベ
ーン開度φの関数とする。
タンクの水位への伝達特性は、ヘッドタンクからサージ
タンクに流れる水量によって変わるので、それに応じて
制御パラメータを可変にするが、ここでは、ヘッドタン
クからサージタンクに流れる流量そのものではなく、操
作量であるガイドベーン開度で代用する。なぜならば、
水系が平衡していれば、ヘッドタンクからサージタンク
へ流入する水量とサージタンクから流出する水量とは等
しくなるからである。
る最適なPIDパラメータの値が特定できるので、ガイ
ドベーン開度が変るにつれて、その値となるような関係
式をきめる。前記数式5、数式6から、流量が増加する
につれて伝達特性の時定数が増す関係にあるので、それ
に見合う関数を決めることとする。
流側のガイドベーン開度操作信号をフィードフォワード
信号として下流側のガイドベーン操作信号に加えること
とした。前記数式6から、下流側ヘッドタンクの水位H
3は、上流側発電所のガイドベーンに流れる水量Q3と下
流側発電所のガイドベーンに流れる水量Q5から影響を
受ける。従って、従来のように下流側のガイドベーンだ
けにより制御するのではなく、上流側のガイドベーンに
よる影響を考慮して制御を行わせる。そのために、上流
側のガイドベーン開度の操作信号を下流側のガイドベー
ン開度の操作信号に加える。
数をQ5からH3への伝達関数により除したものにマイナ
スの符号を付けたもの(=F(s))を補償要素として上
流側のガイドベーン開度の操作信号u1に乗じ、下流側
のガイドベーン開度の操作信号u2′に加える。上記補
償要素F(s)を数式20により示すが、その特性は前述
のように非線形特性を持つので、下流側のガイドベーン
開度φ2に応じて、その伝達関数の時定数を変化させ
る。これにより、上流側の流量の変動による下流側への
影響を抑えることができる。ここで、F(s)は微分要素
を含むので、その実現性に応じて次数を制限する。具体
的には数式20のうち、第1項の1を使うことを基本と
し、計測データからの微分信号の抽出の難易度に合わせ
て第2項、第3項までを用いると良い。
までも考慮して補償要素F(s)を下流側のガイドベーン
開度に応じて可変とする場合が第1の発明に相当し、数
式20のうち第1項の1のみを用いてF(s)=1とし、
上流側のガイドベーン開度の操作信号u1自体をそのま
ま下流側のガイドベーン開度の操作信号u2′に加えて
真の操作信号u2を得る場合が第2の発明に相当する。
なお、下流側の真のガイドベーン開度の操作信号u2は
数式21によって表される。
し数式24を条件とする。また、これらの式において、
一部は前述したものと重複するが、Q40はQ4の初期流
量、Q40constは基準流量、D4は管径、L4は管路長、
fは粗度係数、Aiはタンク表面積である。
とくヘッドタンクの設定水位Sviをガイドベーン開度
φiによって可変にする。なお、hiは関数を示す。ま
た、第2の発明では、設定水位Sviを基準水位Svi′
に対しガイドベーン開度φiに比例する値により補正し
た値とする。
を構成することにより、安定化を図ることになる。つま
り、管路の抵抗が存在しないと仮定すれば、水位と流量
の関係式は前記数式1により積分要素で示されるので、
これに比例フィードバックを施すことにより一次遅れ要
素として安定化を図り、タンクの直列配置によって発生
する振動現象が減衰するように作用させる。
る。図1及び図2は第1の発明の実施例を示すもので、
図1は上流側の水力発電所の水調運転制御装置を含めた
系全体の制御ブロック線図、図2は下流側の水力発電所
の水調運転制御装置を含めた系全体の制御ブロック線図
である。これらの図に示すように、各制御系は、水車2
02,204、ガイドベーン201,203等からなる
操作機構部200A,200B、ガイドベーン201,
203を制御するガバナ等の水調運転制御部100A,
100B、更に、ヘッドタンク、サージタンク、導水路
等からなる水系301,302の制御対象部分から構成
されている。
は、可変形設定水位補償器101、加算器102、PI
D補償器103から構成され、また、図2の下流側の水
調運転制御部100Bは、可変形設定水位補償器10
4、加算器105、PID補償器106、フィードフォ
ワード補償要素107及び加算器108から構成されて
いる。なお、図1及び図2において、Sv1′,Sv2′
は上流側ヘッドタンク、下流側ヘッドタンクの基準水
位、Sv1,Sv2は設定水位、u1は上流側ガイドベー
ン開度の操作信号、u2,u2′は下流側ガイドベーン開
度の操作信号、φ1,φ2はガイドベーン開度、y1,y2
は上流側ヘッドタンク、下流側ヘッドタンクの水位(実
際値)である。
A,100Bの特徴は、操作量に相当するガイドベーン
開度φ1,φ2に応じて、PID補償器103,106の
PIDパラメータ(水位制御の制御パラメータ)及びヘ
ッドタンクの設定水位Sv1,Sv2を可変にした点であ
る。また、図2の下流側発電所の水調運転制御装置で
は、上記の他に、PID補償器106から出力されたガ
イドベーン開度の操作信号(下流側操作信号)u2′に
フィードフォワード補償要素107を介した上流側操作
信号u1を加えて真の下流側操作信号u2を得るように
し、上記補償要素107の特性を下流側発電所のガイド
ベーン開度φ2により可変とした点も特徴としている。
転制御装置の動作について説明する。まず、フィードバ
ック信号に相当するヘッドタンクの水位y1を検出し、
設定水位Sv1との差をとる。制御の目的は設定水位S
v1と実際の水位y1との偏差を零にすることなので、加
算器102によりこの偏差を求めて比例ゲイン、積分
器、微分器からなるPID補償器103に与える。そし
て、PID補償器103の出力信号を水車202のガイ
ドベーン開度の操作信号u1とする。
水量の変化が生じるため、制御対象である水系301の
特性が変動する。そこで、その変化に対応させるため
に、PID補償器103の制御パラメータをガイドベー
ン開度φ1の量に応じて変化させている。更に、設定水
位Sv1をガイドベーン開度φ1の量に応じて可変にする
ことにより、水位の振動に対する減衰性を高めている。
装置の動作については、基本的に図1の上流側発電所の
制御装置と同じであるが、PID補償器106から出力
されるガイドベーン開度の操作信号u2′に対し、上流
側のガイドベーン開度の操作信号u1に下流側ガイドベ
ーン開度φ2に応じて可変とした補償要素F(s)を乗じ
たものを加えて、真の下流側操作信号u2を生成する手
段が付加されている。これにより、上流側ガイドベーン
による水量の影響を考慮した制御を行うことができる。
を参照しつつ説明する。ここで、図3は上流側水力発電
所の水調運転制御装置を含めた系全体の制御ブロック線
図、図4は下流側水力発電所の水調運転制御装置を含め
た系全体の制御ブロック線図である。各制御系は、水車
206,208、ガイドベーン205,207等からな
る操作機構部200C,200D、ガイドベーン20
5,207を制御するガバナ等の水調運転制御部100
C,100D、更に、ヘッドタンク、サージタンク、導
水路等からなる水系303,304の制御対象部分から
構成されている。
は、加算器109,110、PI補償器111、可変形
比例ゲイン設定器112、可変形設定水位補正器113
から構成され、また、図4の下流側の水調運転制御部1
00Dは、加算器114,115,118、PI補償器
116、可変形比例ゲイン設定器117、可変形設定水
位補正器119から構成されている。
は、各種の雑音が計測信号に混入するために微分信号を
抽出することが難しいことと、複雑な制御系では制御系
を構成する要素のパラメータを調整するのが難しいこと
が挙げられる。第2の発明はこれらの点に鑑みてなされ
たものである。
び図4の下流側の水調運転制御装置の動作を説明する。
まず、フィードバック信号に相当するヘッドタンクの水
位y1,y2を検出し、加算器110,115により設定
水位Sv1,Sv2との偏差を求める。前記同様に制御の
目的は設定水位Sv1,Sv2と実際の水位y1,y2と偏
差を零にすることなので、これらの偏差を比例ゲイン及
び積分器からなるPI補償器111,116に与える。
そして、PI補償器111,116の出力信号を水車の
ガイドベーン開度の操作信号u1,u2とする。
によって水量の変化が生じるため、制御対象である水系
303,304の特性が変動する。そこで、その変化に
対応させるために可変形比例ゲイン設定器112,11
7を設け、PI補償器111,116の比例ゲインの値
をガイドベーン開度φ1,φ2の量によって変化させるこ
ととした。ここでは、前記数式19に基づき、上流側の
PI補償器111に対しては数式26により、また、下
流側のPI補償器116に対しては数式27により可変
形PI特性を実現する。
9を設けたことにより、設定水位Sv1,Sv2を基準水
位Sv1′,Sv2′の値に対して、ガイドベーン開度φ
1,φ2の値に比例した値により補正したものとする。こ
こでは、数式25に基づき、上流側の水位については数
式28により、また、下流側の水位については数式29
により設定水位を補正する。
らのフィードフォワード信号(上流側ガイドベーン開度
の操作信号)の取り込み方法は、前記数式20の補償要
素F(s)を次の数式30のように構成する。つまり、数
式20の第1項のみを用いて、上流側の操作信号u1そ
のものをフィードフォワード信号とする。
は第2の発明の実施例により制御を行った場合のシミュ
レーション結果であり、図7は従来技術によるシミュレ
ーション結果である。シミュレーションの内容として
は、図8の水系において、取水口からの流入量が図5に
示すような変動を生じた場合における上流側発電所のヘ
ッドタンク水位(図6及び図7の(a))、及び、下流
側発電所のヘッドタンクの水位(図6及び図7の
(b))の制御応答を計算した。図6及び図7から、本
発明では上流側、下流側の両ヘッドタンク共に、可変形
の水位設定要素により、減少した水量に見合った水位に
短時間で収束している。一方、従来技術では水位が安定
せず、タンクの水位が最低レベルまで下がってしまうこ
とが明らかである。
パラメータをガイドベーン開度により可変とし、上流側
のガイドベーン開度操作信号をフィードフォワード信号
として下流側のガイドベーン操作信号に加えると共に、
ヘッドタンクの設定水位をガイドベーン開度によって可
変とし、あるいは基準水位に対しガイドベーン開度に比
例する値により補正するものである。
て制御対象である水系に性質変化が生じた場合にも、こ
れに応じて制御装置の状態を変化させることにより、安
定かつ速応性のある制御を行うことができる。また、発
電所が直列に配置されている場合には、上流側の操作信
号を下流側にフィードフォワード信号として与えている
ために、下流側のヘッドタンクの水位の変動を許容範囲
内に抑えることができ、迅速かつ安定した水位制御が可
能になる。特に、第2の発明によれば、実際の制御装置
において問題となる微分信号の取得とパラメータ調整の
複雑さを回避することも可能である。
ック線図である。
ック線図である。
ック線図である。
ック線図である。
を示す図である。
示す図である。
である。
る。
御部 101,104 可変形設定水位補償器 102,105,108,109,110,114,1
15,118 加算器 103,106 PID補償器 107 フィードフォワード補償要素 111,116 PI補償器 112,117 可変形比例ゲイン設定器 113,119 可変形設定水位補正器 200A,200B,200C,200D 操作機構部 201,203,205,207 ガイドベーン 202,204,206,208 水車 301,302,303,304 水系
Claims (2)
- 【請求項1】 直列に配置された複数の水力発電所にお
ける水車のガイドベーン開度を操作量とし、ヘッドタン
クの水位を制御量とする水調運転制御装置において、 ガイドベーン開度に応じて水位制御の制御パラメータ及
び設定水位を可変にする手段と、上流側発電所における
ガイドベーン開度の操作信号を下流側発電所にフィード
フォワード補償する際の補償要素特性を下流側発電所の
ガイドベーン開度により可変とする手段とを備えたこと
を特徴とする水調運転制御装置。 - 【請求項2】 直列に配置された複数の水力発電所にお
ける水車のガイドベーン開度を操作量とし、ヘッドタン
クの水位を制御量とする水調運転制御装置において、 ガイドベーン開度に応じて水位制御の比例ゲインを可変
にする手段と、ガイドベーン開度に比例する値により設
定水位を補正する手段と、上流側発電所におけるガイド
ベーン開度の操作信号自体を下流側発電所にフィードフ
ォワード信号として与える手段とを備えたことを特徴と
する水調運転制御装置。
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