JP3504508B2 - 可変速揚水発電システムの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、発電運転時にお
けるポンプ水車の回転数を最適値に制御する可変速揚水
発電システムの制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１４は例えば特公平６−８１５５４号
公報に示された従来の可変速揚水発電システムの制御装
置を示す構成図であり、図において、１は発電電動機の
電力指令値とポンプ水車の有効落差からガイドベーンの
開度指令値を演算する開度指令値演算部、２は発電電動
機の電力指令値とポンプ水車の有効落差からポンプ水車
の回転数指令値を演算する回転数指令値演算部、３は回
転数指令値演算部２により演算された回転数指令値とポ
ンプ水車の実回転数の偏差を求める減算器、４は回転数
指令値と実回転数の偏差を解消する制御信号を生成する
回転数制御器、５は回転数制御器４により生成された制
御信号を開度指令値演算部１により演算された開度指令
値に加算する加算器である。

【０００３】６はポンプ水車の実回転数と同期速度（電
力系統の周波数に同期した回転数）の回転数偏差を求
め、その回転数偏差が可変速幅の範囲内にある場合には
零値を出力する一方、その回転数偏差が可変速幅の範囲
を逸脱している場合には、予め設定された補正値を出力
する不動帯要素、７は発電電動機の電力指令値と出力電
力の電力偏差を演算するとともに、その電力偏差と不動
帯要素６の出力を加算し、その加算結果を発電電動機の
励磁制御系に出力する加減算器である。

【０００４】次に動作について説明する。まず、開度指
令値演算部１は、発電電動機の電力指令値と、ガイドベ
ーンの開度指令値との対応関係を示すデータテーブルを
記憶しているので（ただし、ポンプ水車の有効落差が異
なると、電力指令値と開度指令値の対応関係が変化する
ので、ポンプ水車の有効落差に応じて複数のデータテー
ブルを記憶している）、電力指令値とポンプ水車の有効
落差を入力すると、その有効落差に対応するデータテー
ブルを選択し、そのデータテーブルを参照して電力指令
値からガイドベーンの開度指令値を算出する（図１５を
参照）。

【０００５】ここで、例えば、有効落差が４００ｍの場
合には、有効落差が４００ｍのデータテーブルを選択す
るが、有効落差が４００ｍのデータテーブルがなく、有
効落差が３９０ｍのデータテーブルと、有効落差が４１
０ｍのデータテーブルがある場合には、２個のデータテ
ーブルからそれぞれ電力指令値に応じた開度指令値を算
出し、２個の開度指令値の有効落差による比例配分から
最終的に開度指令値を算出する。

【０００６】また、回転数指令値演算部２は、発電電動
機の電力指令値と、ポンプ水車の回転数指令値との対応
関係を示すデータテーブルを記憶しているので（ただ
し、ポンプ水車の有効落差が異なると、電力指令値と回
転数指令値の対応関係が変化するので、ポンプ水車の有
効落差に応じて複数のデータテーブルを記憶してい
る）、電力指令値とポンプ水車の有効落差を入力する
と、その有効落差に対応するデータテーブルを選択し、
そのデータテーブルを参照して電力指令値からポンプ水
車の回転数指令値を算出する（図１６を参照）。なお、
データテーブルの選択方法等については、開度指令値を
算出する場合と同様である。

【０００７】そして、減算器３は、回転数指令値演算部
２がポンプ水車の回転数指令値を算出すると、ポンプ水
車の回転数指令値から実回転数を減算して、両者の偏差
を求め、その偏差を回転数制御器４に出力する。そし
て、回転数制御器４は、減算器３から回転数指令値と実
回転数の偏差を受けると、実回転数を回転数指令値に一
致させるため、その偏差を入力信号とするＰＩＤ演算等
を実行し、その偏差を解消する制御信号を生成する。

【０００８】そして、加算器５は、回転数制御器４が制
御信号を生成すると、その制御信号を開度指令値演算部
１により演算されたガイドベーンの開度指令値に加算す
る。これにより、ポンプ水車のサーボ制御系が加算器５
の加算結果に基づいて、ガイドベーンの開度を制御する
結果、ポンプ水車に供給される流量が調整され、ポンプ
水車の回転数が回転数指令値に一致する。

【０００９】一方、不動帯要素６は、ポンプ水車の回転
数偏差（ポンプ水車の実回転数と同期速度の偏差）が可
変速幅の範囲を逸脱した場合には（回転数偏差＞可変速
幅の上限値、または、回転数偏差＜可変速幅の下限
値）、その回転数偏差を速やかに可変速幅の範囲内に収
める必要があるため、ポンプ水車の実回転数と同期速度
の回転数偏差を求める。そして、不動帯要素６は、ポン
プ水車の回転数偏差が可変速幅の範囲内にある場合には
零値を出力するが、その回転数偏差が可変速幅の範囲を
逸脱している場合には、予め設定された補正値を出力す
る。

【００１０】そして、加減算器７は、発電電動機の電力
指令値から出力電力を減算して電力偏差を求めると、そ
の電力偏差と不動帯要素６の出力（零値又は補正値）を
加算し、その加算結果を発電電動機の励磁制御系に出力
する。これにより、発電電動機の励磁制御系が加減算器
７の加算結果に基づいて、発電電動機の出力電力を制御
する結果、ポンプ水車が発電電動機に与える機械エネル
ギーと発電電動機の発生する電気エネルギーとのバラン
スが調整され、ポンプ水車の回転数が調整される。

【００１１】例えば、ポンプ水車の実回転数が上昇し
て、ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の上限値を上回
ると、加減算器７が予め設定された正の補正値を電力偏
差に加算するため、発電電動機の出力電力が増加し、そ
の結果、発電電動機に与えられる機械エネルギーが、一
時的に、出力する電気エネルギーより小さくなり、発電
電動機に結合されているポンプ水車の回転数が減少す
る。

【００１２】一方、ポンプ水車の実回転数が低下して、
ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の下限値を下回る
と、加減算器７が予め設定された負の補正値を電力偏差
に加算するため、発電電動機の出力電力が減少し、その
結果、発電電動機に与えられる機械エネルギーが、一時
的に、出力する電気エネルギーより大きくなり、発電電
動機に結合されているポンプ水車の回転数が上昇する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来の可変速揚水発電
システムの制御装置は以上のように構成されているの
で、ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱し
ても、その回転数偏差を可変速幅の範囲内に収めること
ができるが、その回転数偏差が可変速幅の範囲内に戻る
と、直ちに電力偏差に対する補正値の加算を中止するた
め（不動帯要素６が零値を出力する為）、発電電動機の
出力電力にハンチングが発生する場合があるなどの課題
があった。

【００１４】この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、ポンプ水車の回転数偏差が可変速
幅の範囲を逸脱しても、発電電動機の出力電力のハンチ
ングを招くことなく、速やかにポンプ水車の回転数偏差
を可変速幅の範囲内に収めることができる可変速揚水発
電システムの制御装置を得ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る可変速揚
水発電システムの制御装置は、回転数偏差演算手段によ
り演算された回転数偏差が可変速幅の範囲内にある場合
には、電力偏差演算手段により演算された電力偏差を発
電電動機の励磁制御系に出力する一方、その回転数偏差
が可変速幅の範囲を逸脱している場合には、生成手段に
より生成された制御信号を発電電動機の励磁制御系に出
力するようにしたものである。

【００１６】この発明に係る可変速揚水発電システムの
制御装置は、回転数偏差演算手段により演算された回転
数偏差が可変速幅の範囲内にある場合には、電力偏差演
算手段により演算された電力偏差を発電電動機の励磁制
御系に出力する一方、その回転数偏差が可変速幅の範囲
を逸脱している場合には、ポンプ水車の実回転数が同期
速度より速ければ、生成手段により生成された制御信号
と電力偏差のうち、値が大きい方を発電電動機の励磁制
御系に出力し、ポンプ水車の実回転数が同期速度より遅
ければ、値が小さい方を発電電動機の励磁制御系に出力
するようにしたものである。

【００１７】この発明に係る可変速揚水発電システムの
制御装置は、ポンプ水車の実回転数が同期速度より速け
れば、生成手段により生成された制御信号と電力偏差演
算手段により演算された電力偏差のうち、値が大きい方
を発電電動機の励磁制御系に出力し、ポンプ水車の実回
転数が同期速度より遅ければ、値が小さい方を発電電動
機の励磁制御系に出力するようにしたものである。

【００１８】この発明に係る可変速揚水発電システムの
制御装置は、逸脱量又は差分を位相補償器に入力して、
制御信号を生成するようにしたものである。

【００１９】この発明に係る可変速揚水発電システムの
制御装置は、逸脱量又は差分の絶対値に対応する定数を
逸脱量又は差分に乗算して、制御信号を生成するように
したものである。

【００２０】この発明に係る可変速揚水発電システムの
制御装置は、逸脱量又は差分の絶対値に対応する定数を
逸脱量又は差分に乗算し、その乗算結果を位相補償器に
入力して、制御信号を生成するようにしたものである。

【００２１】この発明に係る可変速揚水発電システムの
制御装置は、可変速幅に対応する回転数指令値の許容範
囲が設定され、回転数指令値演算手段により演算された
回転数指令値が許容範囲内にある場合には、その回転数
指令値を出力する一方、その回転数指令値が許容範囲を
逸脱している場合には、その許容範囲の限界値を出力す
る制限手段と、電力指令値が変更された場合又は外乱が
発生した場合、所定時間が経過するまでの間、可変速幅
に対応する回転数指令値の許容範囲を縮小する縮小手段
とを設けたものである。

【００２２】この発明に係る可変速揚水発電システムの
制御装置は、差分に対応する電力偏差の許容範囲が設定
され、電力偏差演算手段により演算された電力偏差が許
容範囲内にある場合には、その電力偏差を発電電動機の
励磁制御系に出力する一方、その電力偏差が許容範囲を
逸脱している場合には、その許容範囲の限界値を発電電
動機の励磁制御系に出力する制限手段と、電力指令値が
変更された場合又は外乱が発生した場合、所定時間が経
過するまでの間、差分に対応する電力偏差の許容範囲を
縮小する縮小手段とを設けたものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態１． 図１はこの発明の実施の形態１による可変速揚水発電シ
ステムの制御装置を示す構成図であり、図において、１
１は発電電動機の電力指令値とポンプ水車の有効落差か
らガイドベーンの開度指令値を演算する開度指令値演算
部（開度指令値演算手段）、１２は発電電動機の電力指
令値とポンプ水車の有効落差からポンプ水車の回転数指
令値を演算する回転数指令値演算部（回転数指令値演算
手段）、１３は回転数指令値演算部１２により演算され
た回転数指令値とポンプ水車の実回転数の偏差を求める
減算器（生成手段）、１４は回転数指令値と実回転数の
偏差を解消する制御信号を生成する回転数制御器（生成
手段）、１５は回転数制御器１４により生成された制御
信号を開度指令値演算部１１により演算された開度指令
値に加算する加算器（加算手段）である。

【００２４】１６は発電電動機の電力指令値から出力電
力を減算して、発電電動機の電力偏差を演算する減算器
（電力偏差演算手段）、１７はポンプ水車の実回転数か
ら同期速度（電力系統の周波数に同期した回転数）を減
算して、ポンプ水車の回転数偏差を演算する減算器（回
転数偏差演算手段）である。

【００２５】１８は減算器１７により演算された回転数
偏差から可変速幅の上限値（限界値）を減算して、上限
値に対する逸脱量を演算する減算器（生成手段）、１９
は減算器１８により演算された逸脱量に比例定数を乗算
して、その逸脱量に見合う制御信号を生成する乗算器
（生成手段）、２０は減算器１７により演算された回転
数偏差から可変速幅の下限値（限界値）を減算して、下
限値に対する逸脱量を演算する減算器（生成手段）、２
１は減算器２０により演算された逸脱量に比例定数を乗
算して、その逸脱量に見合う制御信号を生成する乗算器
（生成手段）である。

【００２６】２２は減算器１７により演算された回転数
偏差が可変速幅の範囲内にある場合には、減算器１６に
より演算された電力偏差を発電電動機の励磁制御系に出
力する一方、その回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱し
ている場合には、乗算器１９又は乗算器２１により生成
された制御信号を発電電動機の励磁制御系に出力する出
力回路（出力手段）である。

【００２７】次に動作について説明する。まず、開度指
令値演算部１１は、発電電動機の電力指令値と、ガイド
ベーンの開度指令値との対応関係を示すデータテーブル
を記憶しているので（ただし、ポンプ水車の有効落差が
異なると、電力指令値と開度指令値の対応関係が変化す
るので、ポンプ水車の有効落差に応じて複数のデータテ
ーブルを記憶している）、電力指令値とポンプ水車の有
効落差を入力すると、その有効落差に対応するデータテ
ーブルを選択し、そのデータテーブルを参照して電力指
令値からガイドベーンの開度指令値を算出する（図１５
を参照）。

【００２８】ここで、例えば、有効落差が４００ｍの場
合には、有効落差が４００ｍのデータテーブルを選択す
るが、有効落差が４００ｍのデータテーブルがなく、有
効落差が３９０ｍのデータテーブルと、有効落差が４１
０ｍのデータテーブルがある場合には、２個のデータテ
ーブルからそれぞれ電力指令値に応じた開度指令値を算
出し、２個の開度指令値の有効落差による比例配分から
最終的に開度指令値を算出する。

【００２９】また、回転数指令値演算部１２は、発電電
動機の電力指令値と、ポンプ水車の回転数指令値との対
応関係を示すデータテーブルを記憶しているので（ただ
し、ポンプ水車の有効落差が異なると、電力指令値と回
転数指令値の対応関係が変化するので、ポンプ水車の有
効落差に応じて複数のデータテーブルを記憶してい
る）、電力指令値とポンプ水車の有効落差を入力する
と、その有効落差に対応するデータテーブルを選択し、
そのデータテーブルを参照して電力指令値からポンプ水
車の回転数指令値を算出する（図１６を参照）。なお、
データテーブルの選択方法等については、開度指令値演
算部１１が開度指令値を算出する場合と同様である。

【００３０】そして、減算器１３は、回転数指令値演算
部１２がポンプ水車の回転数指令値を算出すると、ポン
プ水車の回転数指令値から実回転数を減算して、両者の
偏差を求め、その偏差を回転数制御器１４に出力する。
そして、回転数制御器１４は、減算器１３から回転数指
令値と実回転数の偏差を受けると、実回転数を回転数指
令値に一致させるため、その偏差を入力信号とするＰＩ
Ｄ演算等を実行し、その偏差を解消する制御信号を生成
する。

【００３１】そして、加算器１５は、回転数制御器１４
が制御信号を生成すると、その制御信号を開度指令値演
算部１１により演算されたガイドベーンの開度指令値に
加算する。これにより、ポンプ水車のサーボ制御系が加
算器１５の加算結果に基づいて、ガイドベーンの開度を
制御する結果、ポンプ水車に供給される流量が調整さ
れ、ポンプ水車の回転数が回転数指令値に一致する。

【００３２】一方、ポンプ水車の回転数偏差（ポンプ水
車の実回転数と同期速度の偏差）が可変速幅の範囲を逸
脱した場合には（回転数偏差＞可変速幅の上限値、また
は、回転数偏差＜可変速幅の下限値）、その回転数偏差
を速やかに可変速幅の範囲内に収める必要があるため、
まず、減算器１７がポンプ水車の実回転数から同期速度
を減算して、ポンプ水車の回転数偏差を求める。

【００３３】そして、減算器１８は、減算器１７がポン
プ水車の回転数偏差を求めると、その回転数偏差から可
変速幅の上限値を減算して、上限値に対する逸脱量を演
算する。そして、乗算器１９は、減算器１８が上限値に
対する逸脱量を演算すると、その逸脱量に比例定数を乗
算して、その逸脱量に見合う制御信号を生成する。

【００３４】同様に、減算器２０は、減算器１７がポン
プ水車の回転数偏差を求めると、その回転数偏差から可
変速幅の下限値を減算して、下限値に対する逸脱量を演
算する。そして、乗算器２１は、減算器２０が下限値に
対する逸脱量を演算すると、その逸脱量に比例定数を乗
算して、その逸脱量に見合う制御信号を生成する。

【００３５】このようにして、乗算器１９，２１が逸脱
量に見合う制御信号を生成すると、出力回路２２は、減
算器１７により演算された回転数偏差が可変速幅の範囲
内にある場合には、減算器１６により演算された電力偏
差を発電電動機の励磁制御系に出力する。しかし、その
回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱している場合には、
乗算器１９又は乗算器２１により生成された制御信号を
発電電動機の励磁制御系に出力する。

【００３６】これにより、発電電動機の励磁制御系が制
御信号に基づいて、発電電動機の出力電力を制御して、
ポンプ水車の回転数を調整するが、例えば、ポンプ水車
の実回転数が上昇して、ポンプ水車の回転数偏差が可変
速幅の上限値を上回ると、上限値に対する逸脱量に見合
う制御信号（乗算器１９により生成された制御信号）を
発電電動機の励磁制御系に出力するため、発電電動機の
出力電力が増加し、その結果、発電電動機に与えられる
機械エネルギーが、一時的に、出力する電気エネルギー
より小さくなり、発電電動機に結合されているポンプ水
車の回転数が減少する。

【００３７】一方、ポンプ水車の実回転数が低下して、
ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の下限値を下回る
と、下限値に対する逸脱量に見合う制御信号（乗算器２
１により生成された制御信号）を発電電動機の励磁制御
系に出力するため、発電電動機の出力電力が減少し、そ
の結果、発電電動機に与えられる機械エネルギーが、一
時的に、出力する電気エネルギーより大きくなり、発電
電動機に結合されているポンプ水車の回転数が上昇す
る。

【００３８】なお、発電電動機の励磁制御系は応答が早
く、電力指令値に対する出力電力の追従性が高いため、
通常、電力指令値と出力電力の電力偏差は略零になる。
そのため、ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の範囲内
にある場合、通常、略零値を励磁制御系に出力すること
になるが、ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の範囲を
逸脱する場合、従来のように、予め設定された補正値を
電力偏差に加算して励磁制御系に出力するのではなく、
逸脱量に見合う制御信号を励磁制御系に出力するので
（逸脱量が零値に近い場合には、略零値の制御信号を出
力する）、励磁制御系に出力する信号の連続性が確保さ
れる。

【００３９】以上で明らかなように、この実施の形態１
によれば、減算器１７により演算された回転数偏差が可
変速幅の範囲内にある場合には、減算器１６により演算
された電力偏差を発電電動機の励磁制御系に出力する一
方、その回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱している場
合には、乗算器１９，２１により生成された制御信号を
発電電動機の励磁制御系に出力するように構成したの
で、励磁制御系に出力する信号が不連続にならず、その
結果、ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱
しても、発電電動機の出力電力のハンチングを招くこと
なく、速やかにポンプ水車の回転数偏差を可変速幅の範
囲内に収めることができる効果を奏する。

【００４０】実施の形態２． 図２はこの発明の実施の形態２による可変速揚水発電シ
ステムの制御装置を示す構成図であり、図において、図
１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省
略する。２３は減算器１７により演算された回転数偏差
が可変速幅の範囲内にある場合には、減算器１６により
演算された電力偏差を発電電動機の励磁制御系に出力す
る一方、その回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱してい
る場合には、ポンプ水車の実回転数が同期速度より速け
れば、乗算器１９により生成された制御信号と電力偏差
のうち、値が大きい方を発電電動機の励磁制御系に出力
し、ポンプ水車の実回転数が同期速度より遅ければ、乗
算器２１により生成された制御信号と電力偏差のうち、
値が小さい方を発電電動機の励磁制御系に出力する出力
回路（出力手段）である。

【００４１】次に動作について説明する。上記実施の形
態１では、回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱している
場合、乗算器１９又は乗算器２１により生成された制御
信号を発電電動機の励磁制御系に出力するものについて
示したが、出力回路２３が乗算器１９又は乗算器２１に
より生成された制御信号と電力偏差を比較して、制御信
号又は電力偏差の何れか一方を発電電動機の励磁制御系
に出力するようにしてもよい。

【００４２】例えば、ポンプ水車の実回転数が上昇し
て、ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の上限値を上回
ると、上限値に対する逸脱量に見合う制御信号（乗算器
１９により生成された制御信号）と減算器１６により演
算された電力偏差を比較する。そして、制御信号が電力
偏差より大きい場合には、その制御信号を発電電動機の
励磁制御系に出力する。逆に、電力偏差が制御信号より
大きい場合には、その電力偏差を発電電動機の励磁制御
系に出力する。

【００４３】一方、ポンプ水車の実回転数が低下して、
ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の下限値を下回る
と、下限値に対する逸脱量に見合う制御信号（乗算器２
１により生成された制御信号）と減算器１６により演算
された電力偏差を比較する。そして、制御信号が電力偏
差より小さい場合には、その制御信号を発電電動機の励
磁制御系に出力する。逆に、電力偏差が制御信号より小
さい場合には、その電力偏差を発電電動機の励磁制御系
に出力する。

【００４４】これにより、上記実施の形態１と同様の効
果を奏することができるが、回転数偏差が可変速幅の範
囲を逸脱している場合、制御信号と電力偏差を比較し
て、何れか一方を出力する分、上記実施の形態１よりも
出力電力の調整幅が大きくなり、より早くポンプ水車の
回転数偏差を可変速幅の範囲内に収めることができる効
果を奏する。

【００４５】実施の形態３． 図３はこの発明の実施の形態３による可変速揚水発電シ
ステムの制御装置を示す構成図であり、図において、図
１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省
略する。２４はポンプ水車の実回転数が同期速度より速
ければ、乗算器１９により生成された制御信号と電力偏
差のうち、値が大きい方を発電電動機の励磁制御系に出
力し、ポンプ水車の実回転数が同期速度より遅ければ、
乗算器２１により生成された制御信号と電力偏差のう
ち、値が小さい方を発電電動機の励磁制御系に出力する
出力回路（出力手段）である。

【００４６】次に動作について説明する。上記実施の形
態２では、回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱している
場合に限り、乗算器１９又は乗算器２１により生成され
た制御信号と電力偏差を比較して、制御信号又は電力偏
差の何れか一方を発電電動機の励磁制御系に出力するも
のについて示したが、回転数偏差が可変速幅の範囲内に
ある場合も、乗算器１９又は乗算器２１により生成され
た制御信号と電力偏差を比較して、制御信号又は電力偏
差の何れか一方を発電電動機の励磁制御系に出力するよ
うにしてもよい。

【００４７】例えば、ポンプ水車の実回転数が同期速度
より上昇して、減算器１７の出力である回転数偏差が正
値になると、上限値に対する差分に見合う制御信号（乗
算器１９により生成された制御信号）と減算器１６によ
り演算された電力偏差を比較する。そして、制御信号が
電力偏差より大きい場合には、その制御信号を発電電動
機の励磁制御系に出力する。逆に、電力偏差が制御信号
より大きい場合には、その電力偏差を発電電動機の励磁
制御系に出力する。

【００４８】一方、ポンプ水車の実回転数が同期速度よ
り低下して、減算器１７の出力である回転数偏差が負値
になると、下限値に対する差分に見合う制御信号（乗算
器２１により生成された制御信号）と減算器１６により
演算された電力偏差を比較する。そして、制御信号が電
力偏差より小さい場合には、その制御信号を発電電動機
の励磁制御系に出力する。逆に、電力偏差が制御信号よ
り小さい場合には、その電力偏差を発電電動機の励磁制
御系に出力する。これにより、上記実施の形態２と同様
の効果を奏することができるが、回転数偏差が可変速幅
の範囲を逸脱する前から、制御信号と電力偏差を比較し
て、何れか一方を出力する分、ポンプ水車の回転数偏差
が可変速幅の範囲から逸脱するのを未然に防止する効果
も奏する。

【００４９】実施の形態４． 上記実施の形態２，３では、乗算器１９，２１が逸脱量
又は差分に比例定数を乗算して、その逸脱量又は差分に
見合う制御信号を生成するものについて示したが、図４
及び図５に示すように、例えば、比例要素，積分要素及
び微分要素から構成される位相補償器（生成手段）２
５，２６が逸脱量又は差分に見合う制御信号を生成する
ようにしてもよい。これにより、ポンプ水車の回転数偏
差が可変速幅の範囲を大きく逸脱することなく、ほぼ一
定の状態に維持されるとともに、仮に、可変速幅の範囲
を逸脱しても、速やかに可変速幅の範囲内に引き戻され
る効果を奏する。

【００５０】実施の形態５． 上記実施の形態２，３では、乗算器１９，２１が逸脱量
又は差分に比例定数を乗算して、その逸脱量又は差分に
見合う制御信号を生成するものについて示したが、図６
及び図７に示すように、逸脱量又は差分の絶対値が小さ
い間は、小さい定数を逸脱量又は差分に乗算し、逸脱量
又は差分の絶対値が大きくなると、大きな定数を逸脱量
又は差分に乗算する乗算器（生成手段）２７，２８を設
けるようにしてもよい（図８を参照）。

【００５１】これにより、ポンプ水車の回転数指令値と
実回転数の誤差が大きくなって、逸脱量又は差分の絶対
値が大きくなる程、乗算器２７，２８の増幅率が大きく
なるため、回転数偏差が可変速幅の範囲を大きく逸脱し
ても、速やかに可変速幅の範囲内に引き戻すことができ
る効果を奏する。なお、図８では、乗算器２７，２８の
増幅率を２段階に設定しているが、逸脱量又は差分の絶
対値に応じて、更に、詳細に増幅率を設定してもよいこ
とは言うまでもない。

【００５２】実施の形態６． 上記実施の形態４では、乗算器１９，２１の代わりに位
相補償器２５，２６を設置するものについて示したが、
図９及び図１０に示すように、乗算器１９，２１の代わ
りに、逸脱量又は差分の絶対値が大きくなる程、増幅率
が大きくなる乗算器２７，２８を設置し、乗算器２７，
２８の後段に位相補償器２５，２６を設置するようにし
てもよい。これにより、ポンプ水車の回転数偏差が可変
速幅の範囲を大きく逸脱することなく、ほぼ一定の状態
に維持されるとともに、仮に、可変速幅の範囲を逸脱し
ても、速やかに可変速幅の範囲内に引き戻される効果を
奏する。

【００５３】実施の形態７． 図１１はこの発明の実施の形態７による可変速揚水発電
システムの制御装置を示す構成図であり、図において、
図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を
省略する。３１は開度指令値演算部１１と同様の開度指
令値演算部であり、開度指令値演算手段を構成する。３
２は回転数指令値演算部１２と同様の回転数指令値演算
部であり、回転数指令値演算手段を構成する。３３は可
変速幅に対応する回転数指令値の許容範囲が設定され、
回転数指令値演算部３２により演算された回転数指令値
が許容範囲内にある場合には、その回転数指令値を出力
する一方、その回転数指令値が許容範囲を逸脱している
場合には、その許容範囲の限界値（上限値又は下限値）
を出力するリミッタ（制限手段）である。

【００５４】３４は減算器１３と同様の減算器であり、
生成手段を構成する。３５は回転数制御器１４と同様の
回転数制御器であり、生成手段を構成する。３６は加算
器１５と同様の加算器であり、加算手段を構成する。３
７は電力指令値が変更された場合又は外乱が発生した場
合、可変速幅に対応する回転数指令値の許容範囲を縮小
する上下限値算出器（縮小手段）である。

【００５５】次に動作について説明する。開度指令値演
算部３１や回転数指令値演算部３２等の動作は、上記実
施の形態１における開度指令値演算部１１や回転数指令
値演算部１２等の動作と同様であるため説明を省略し、
ここでは、リミッタ３３と上下限値算出器３７の動作に
ついてのみ説明する。

【００５６】まず、可変速揚水発電システムの制御装置
に対して、電力指令値が変更されたり、外乱が発生する
状況（例えば、水撃破と呼ばれる圧力波が発生する状
況）では、ポンプ水車の回転数が大きく変動するため、
回転数が変動しても可変速幅の範囲を逸脱しないように
する必要がある。

【００５７】そこで、この実施の形態７では、上下限値
算出器３７が、電力指令値の変更や外乱の発生を検知す
ると、例えば、電力指令値の変更後、所定時間が経過す
るまでの間、リミッタ３３に設定している回転数指令値
の許容範囲を下記に示すように縮小する。即ち、電力指
令値の変更や外乱の発生がない通常時に、上限値を“１
０５”，下限値を“９５”のように設定している場合に
は、上限値を“１０３”，下限値を“９７”のように縮
小する。

【００５８】これにより、リミッタ３３では、回転数指
令値演算部３２により演算された回転数指令値が例えば
“１００”であれば、許容範囲の縮小に拘わらず、その
回転数指令値を減算器３４に出力することになるが、回
転数指令値演算部３２により演算された回転数指令値が
例えば“１０４”であれば、許容範囲の縮小後は、その
回転数指令値を減算器３４に出力せず、縮小後の上限値
である“１０３”を減算器３４に出力することになる。
したがって、電力指令値の変更や外乱が発生すると、許
容される回転数指令値の幅が狭められるため、回転数が
変動しても可変速幅の範囲内に収められ、その結果、ポ
ンプ水車の回転数の可変速幅の範囲からの逸脱を効果的
に抑制することができる効果を奏する。

【００５９】実施の形態８． 図１２はこの発明の実施の形態８による可変速揚水発電
システムの制御装置を示す構成図であり、図において、
図１１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明
を省略する。３８は可変速幅の限界値と回転数偏差の差
分に対応する電力偏差の許容範囲が設定され、減算器１
６により演算された電力偏差が許容範囲内にある場合に
は、その電力偏差を発電電動機の励磁制御系に出力する
一方、その電力偏差が許容範囲を逸脱している場合に
は、その許容範囲の限界値（上限値又は下限値）を発電
電動機の励磁制御系に出力するリミッタ（制限手段）、
３９は電力指令値が変更された場合又は外乱が発生した
場合、差分に対応する電力偏差の許容範囲を縮小する上
下限値算出器（縮小手段）である。

【００６０】次に動作について説明する。まず、可変速
揚水発電システムの制御装置に対して、電力指令値が変
更されたり、外乱が発生する状況（例えば、水撃破と呼
ばれる圧力波が発生する状況）では、ポンプ水車の回転
数が大きく変動するため、回転数変動の抑制力を高める
必要がある。

【００６１】そこで、この実施の形態８では、上下限値
算出器３９が、電力指令値の変更や外乱の発生を検知す
ると、例えば、電力指令値の変更後、所定時間が経過す
るまでの間、リミッタ３８に設定している電力偏差の許
容範囲を下記に示すように縮小する。

【００６２】即ち、電力指令値の変更や外乱の発生がな
い通常時には、上限値を“＋∞”，下限値を“−∞”の
ように設定し、電力偏差をそのままリミッタ３８から出
力させるが、電力偏差の変更等には、例えば、ポンプ水
車の実回転数と同期速度の差分が零（ポンプ水車の実回
転数と同期速度が一致）のとき、上限値を“１”、下限
値を“−１”とし、ポンプ水車の実回転数と同期速度の
差分が可変速幅の限界値に一致するとき、上限値、下限
値をそれぞれ“０”とし、ポンプ水車の実回転数と同期
速度の差分に応じて連続的に上限値、下限値を変更させ
る。また、万一、可変速幅の範囲を逸脱したときは、可
変速幅の上限値から逸脱した場合には、その逸脱量に応
じて、上述の変化率に従い、上限値、下限値を一致させ
て正方向に連続して大きくしていく。可変速幅の下限値
から逸脱した場合には、同様に、上限値、下限値を一致
させて負方向に連続して大きくしていく。

【００６３】これにより、電力指令値が変更されたり、
外乱が発生したりした場合、ポンプ水車の実回転数と同
期速度の差分が可変速幅の限界値に近づく程、電力偏差
が小さくなり、出力電力の変化が緩やかになるため、応
答の遅いポンプ水車の機械エネルギーとのバランスがと
れ、回転数の変化も緩やかになり、可変速幅の範囲から
の逸脱を未然に防止する効果を奏する。また、万一、可
変速幅の範囲を逸脱しても、可変速幅の上限値から逸脱
した場合には出力電力を増加させ、可変速幅の下限値か
ら逸脱した場合には出力電力を減少させることにより、
速やかに可変速幅の範囲内に引き戻す効果を奏する。

【００６４】実施の形態９． 図１３はこの発明の実施の形態９による可変速揚水発電
システムの制御装置を示す構成図であり、図において、
図１２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明
を省略する。４０はポンプ水車の実回転数と可変速幅の
限界値の差分を求め、その差分に応じて増幅率を設定す
るゲイン算出器（設定手段）、４１は電力指令値の変更
や外乱が発生していない間は減算器１６により演算され
た電力偏差を発電電動機の励磁制御系に出力する一方、
電力指令値が変更された場合又は外乱が発生した場合に
は、ゲイン算出器４０により設定された増幅率で電力偏
差を増幅し、その増幅結果を発電電動機の励磁制御系に
出力する増幅器（出力手段）である。

【００６５】次に動作について説明する。上記実施の形
態８では、電力指令値の変更や外乱が発生すると、電力
偏差の許容範囲を縮小するものについて示したが、電力
指令値の変更や外乱が発生すると、実回転数と限界値の
差分に応じて増幅率を設定するようにしてもよい。

【００６６】即ち、ゲイン算出器４０は、電力指令値の
変更や外乱が発生していない間は、増幅器４１の増幅率
を“１”に固定するが、電力指令値の変更や外乱の発生
を検知すると、ポンプ水車の実回転数を可変速幅の限界
値と比較して、両者の差分を求め、その差分に応じて連
続的に増幅率を設定する（その差分が小さい程、小さな
増幅率に設定する）。

【００６７】そして、増幅器４１は、電力指令値の変更
や外乱が発生していない間は、増幅率が“１”に固定さ
れているため、減算器１６により演算された電力偏差を
そのまま発電電動機の励磁制御系に出力するが、電力指
令値の変更や外乱が発生するとゲイン算出器４０により
設定された増幅率で電力偏差を増幅し、その増幅結果を
発電電動機の励磁制御系に出力する。

【００６８】これにより、回転数偏差が小さくなるにし
たがって電力偏差が小さくなるため、出力電力の変化が
緩やかになり、応答の遅いポンプ水車の機械エネルギー
とのバランスが取れ、回転数の変化も緩やかになる。そ
の結果、可変速幅の範囲から逸脱する可能性が減少す
る。なお、万一、回転数偏差が可変速幅の範囲から逸脱
しても、逸脱量が大きい程、大きな増幅率に設定するの
で、可変速幅の範囲を大きく逸脱しても、速やかに可変
速幅の範囲内に引き戻すことができる。

【００６９】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、回転
数偏差演算手段により演算された回転数偏差が可変速幅
の範囲内にある場合には、電力偏差演算手段により演算
された電力偏差を発電電動機の励磁制御系に出力する一
方、その回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱している場
合には、生成手段により生成された制御信号を発電電動
機の励磁制御系に出力するように構成したので、励磁制
御系に出力する信号が不連続にならず、その結果、ポン
プ水車の回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱しても、発
電電動機の出力電力のハンチングを招くことなく、速や
かにポンプ水車の回転数偏差を可変速幅の範囲内に収め
ることができる効果がある。

【００７０】この発明によれば、回転数偏差演算手段に
より演算された回転数偏差が可変速幅の範囲内にある場
合には、電力偏差演算手段により演算された電力偏差を
発電電動機の励磁制御系に出力する一方、その回転数偏
差が可変速幅の範囲を逸脱している場合には、ポンプ水
車の実回転数が同期速度より速ければ、生成手段により
生成された制御信号と電力偏差のうち、値が大きい方を
発電電動機の励磁制御系に出力し、ポンプ水車の実回転
数が同期速度より遅ければ、値が小さい方を発電電動機
の励磁制御系に出力するように構成したので、励磁制御
系に出力する信号が不連続にならず、その結果、ポンプ
水車の回転数偏差が可変速幅の範囲を逸脱しても、発電
電動機の出力電力のハンチングを招くことなく、速やか
にポンプ水車の回転数偏差を可変速幅の範囲内に収める
ことができる効果がある。

【００７１】この発明によれば、ポンプ水車の実回転数
が同期速度より速ければ、生成手段により生成された制
御信号と電力偏差演算手段により演算された電力偏差の
うち、値が大きい方を発電電動機の励磁制御系に出力
し、ポンプ水車の実回転数が同期速度より遅ければ、値
が小さい方を発電電動機の励磁制御系に出力するように
構成したので、励磁制御系に出力する信号が不連続にな
らず、その結果、ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の
範囲を逸脱しても、発電電動機の出力電力のハンチング
を招くことなく、速やかにポンプ水車の回転数偏差を可
変速幅の範囲内に収めることができる効果があり、か
つ、可変速幅の範囲から逸脱するのを未然に防止する効
果もある。

【００７２】この発明によれば、逸脱量又は差分を位相
補償器に入力して、制御信号を生成するように構成した
ので、ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の範囲を大き
く逸脱することなく、ほぼ一定の状態に維持することが
できるとともに、仮に、可変速幅の範囲を逸脱しても、
速やかに可変速幅の範囲内に引き戻すことができる効果
がある。

【００７３】この発明によれば、逸脱量又は差分の絶対
値に対応する定数を逸脱量又は差分に乗算して、制御信
号を生成するように構成したので、回転数偏差が可変速
幅の範囲を大きく逸脱しても、速やかに可変速幅の範囲
内に引き戻すことができる効果がある。

【００７４】この発明によれば、逸脱量又は差分の絶対
値に対応する定数を逸脱量又は差分に乗算し、その乗算
結果を位相補償器に入力して、制御信号を生成するよう
に構成したので、ポンプ水車の回転数偏差が可変速幅の
範囲を大きく逸脱することなく、ほぼ一定の状態に維持
することができるとともに、仮に、可変速幅の範囲を逸
脱しても、速やかに可変速幅の範囲内に引き戻すことが
できる効果がある。

【００７５】この発明によれば、可変速幅に対応する回
転数指令値の許容範囲が設定され、回転数指令値演算手
段により演算された回転数指令値が許容範囲内にある場
合には、その回転数指令値を出力する一方、その回転数
指令値が許容範囲を逸脱している場合には、その許容範
囲の限界値を出力する制限手段と、電力指令値が変更さ
れた場合又は外乱が発生した場合、所定時間が経過する
までの間、可変速幅に対応する回転数指令値の許容範囲
を縮小する縮小手段とを設けるように構成したので、電
力指令値の変更や、外乱の発生が生じると、許容される
回転数指令値の幅が狭められる結果、回転数が変動して
も可変速幅の範囲から逸脱しないようにすることができ
る効果がある。

【００７６】この発明によれば、差分に対応する電力偏
差の許容範囲が設定され、電力偏差演算手段により演算
された電力偏差が許容範囲内にある場合には、その電力
偏差を発電電動機の励磁制御系に出力する一方、その電
力偏差が許容範囲を逸脱している場合には、その許容範
囲の限界値を発電電動機の励磁制御系に出力する制限手
段と、電力指令値が変更された場合又は外乱が発生した
場合、所定時間が経過するまでの間、差分に対応する電
力偏差の許容範囲を縮小する縮小手段とを設けるように
構成したので、電力指令値の変更や、外乱の発生が生じ
ると、ポンプ水車の実回転数と同期速度の差分が可変速
幅の限界値に近づく程、回転数の変化が緩やかになり、
可変速幅の範囲からの逸脱を未然に防止することができ
るとともに、万一逸脱しても、速やかに可変速幅の範囲
内に引き戻すことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による可変速揚水発
電システムの制御装置を示す構成図である。

【図２】 この発明の実施の形態２による可変速揚水発
電システムの制御装置を示す構成図である。

【図３】 この発明の実施の形態３による可変速揚水発
電システムの制御装置を示す構成図である。

【図４】 この発明の実施の形態４による可変速揚水発
電システムの制御装置を示す構成図である。

【図５】 この発明の実施の形態４による可変速揚水発
電システムの制御装置を示す構成図である。

【図６】 この発明の実施の形態５による可変速揚水発
電システムの制御装置を示す構成図である。

【図７】 この発明の実施の形態５による可変速揚水発
電システムの制御装置を示す構成図である。

【図８】 乗算器２７，２８の入出力関係を示す特性図
である。

【図９】 この発明の実施の形態６による可変速揚水発
電システムの制御装置を示す構成図である。

【図１０】 この発明の実施の形態６による可変速揚水
発電システムの制御装置を示す構成図である。

【図１１】 この発明の実施の形態７による可変速揚水
発電システムの制御装置を示す構成図である。

【図１２】 この発明の実施の形態８による可変速揚水
発電システムの制御装置を示す構成図である。

【図１３】 この発明の実施の形態９による可変速揚水
発電システムの制御装置を示す構成図である。

【図１４】 従来の可変速揚水発電システムの制御装置
を示す構成図である。

【図１５】 電力指令値と開度指令値の対応関係を示す
説明図である。

【図１６】 電力指令値と回転数指令値の対応関係を示
す説明図である。

【符号の説明】

１１，３１ 開度指令値演算部（開度指令値演算手
段）、１２，３２ 回転数指令値演算部（回転数指令値
演算手段）、１３，１８，２０，３４ 減算器（生成手
段）、１４，３５ 回転数制御器（生成手段）、１５，
３６ 加算器（加算手段）、１６ 減算器（電力偏差演
算手段）、１７ 減算器（回転数偏差演算手段）、１
９，２１，２７，２８ 乗算器（生成手段）、２２，２
３，２４ 出力回路（出力手段）、２５，２６ 位相補
償器（生成手段）、３３，３８ リミッタ（制限手
段）、３７，３９ 上下限値算出器（縮小手段）、４０
ゲイン算出器（設定手段）、４１ 増幅器（出力手
段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−233596（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−19298（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−98538（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−43598（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 9/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発電電動機の電力指令値と出力電力の電
   力偏差を演算する電力偏差演算手段と、ポンプ水車の実
   回転数と同期速度の回転数偏差を演算する回転数偏差演
   算手段と、上記回転数偏差演算手段により演算された回
   転数偏差を可変速幅の限界値と比較して、その限界値に
   対する逸脱量を演算し、その逸脱量に見合う制御信号を
   生成する生成手段と、上記回転数偏差演算手段により演
   算された回転数偏差が可変速幅の範囲内にある場合に
   は、上記電力偏差演算手段により演算された電力偏差を
   発電電動機の励磁制御系に出力する一方、その回転数偏
   差が可変速幅の範囲を逸脱している場合には、上記生成
   手段により生成された制御信号を発電電動機の励磁制御
   系に出力する出力手段とを備えた可変速揚水発電システ
   ムの制御装置。
2. 【請求項２】 発電電動機の電力指令値と出力電力の電
   力偏差を演算する電力偏差演算手段と、ポンプ水車の実
   回転数と同期速度の回転数偏差を演算する回転数偏差演
   算手段と、上記回転数偏差演算手段により演算された回
   転数偏差を可変速幅の限界値と比較して、その限界値に
   対する逸脱量を演算し、その逸脱量に見合う制御信号を
   生成する生成手段と、上記回転数偏差演算手段により演
   算された回転数偏差が可変速幅の範囲内にある場合に
   は、上記電力偏差演算手段により演算された電力偏差を
   発電電動機の励磁制御系に出力する一方、その回転数偏
   差が可変速幅の範囲を逸脱している場合には、ポンプ水
   車の実回転数が同期速度より速ければ、上記生成手段に
   より生成された制御信号と当該電力偏差のうち、値が大
   きい方を発電電動機の励磁制御系に出力し、ポンプ水車
   の実回転数が同期速度より遅ければ、値が小さい方を発
   電電動機の励磁制御系に出力する出力手段とを備えた可
   変速揚水発電システムの制御装置。
3. 【請求項３】 発電電動機の電力指令値と出力電力の電
   力偏差を演算する電力偏差演算手段と、ポンプ水車の実
   回転数と同期速度の回転数偏差を演算する回転数偏差演
   算手段と、上記回転数偏差演算手段により演算された回
   転数偏差を可変速幅の限界値と比較して、その限界値に
   対する差分を演算し、その差分に見合う制御信号を生成
   する生成手段と、ポンプ水車の実回転数が同期速度より
   速ければ、上記生成手段により生成された制御信号と上
   記電力偏差演算手段により演算された電力偏差のうち、
   値が大きい方を発電電動機の励磁制御系に出力し、ポン
   プ水車の実回転数が同期速度より遅ければ、値が小さい
   方を発電電動機の励磁制御系に出力する出力手段とを備
   えた可変速揚水発電システムの制御装置。
4. 【請求項４】 生成手段は、逸脱量又は差分を位相補償
   器に入力して、制御信号を生成することを特徴とする請
   求項２または請求項３記載の可変速揚水発電システムの
   制御装置。
5. 【請求項５】 生成手段は、逸脱量又は差分の絶対値に
   対応する定数を当該逸脱量又は差分に乗算して、制御信
   号を生成することを特徴とする請求項２または請求項３
   記載の可変速揚水発電システムの制御装置。
6. 【請求項６】 生成手段は、逸脱量又は差分の絶対値に
   対応する定数を当該逸脱量又は差分に乗算し、その乗算
   結果を位相補償器に入力して、制御信号を生成すること
   を特徴とする請求項２または請求項３記載の可変速揚水
   発電システムの制御装置。
7. 【請求項７】 発電電動機の電力指令値とポンプ水車の
   有効落差からガイドベーンの開度指令値を演算する開度
   指令値演算手段と、電力指令値とポンプ水車の有効落差
   からポンプ水車の回転数指令値を演算する回転数指令値
   演算手段と、可変速幅に対応する回転数指令値の許容範
   囲が設定され、上記回転数指令値演算手段により演算さ
   れた回転数指令値が許容範囲内にある場合には、その回
   転数指令値を出力する一方、その回転数指令値が許容範
   囲を逸脱している場合には、その許容範囲の限界値を出
   力する制限手段と、上記制限手段から出力される回転数
   指令値又は限界値とポンプ水車の実回転数の偏差を求
   め、その偏差を解消する制御信号を生成する生成手段
   と、上記生成手段により生成された制御信号を上記開度
   指令値演算手段により演算された開度指令値に加算し
   て、その加算結果をポンプ水車のサーボ制御系に出力す
   る加算手段と、電力指令値が変更された場合又は外乱が
   発生した場合、所定時間が経過するまでの間、可変速幅
   に対応する回転数指令値の許容範囲を縮小する縮小手段
   とを備えた可変速揚水発電システムの制御装置。
8. 【請求項８】 発電電動機の電力指令値と出力電力の電
   力偏差を演算する電力偏差演算手段と、ポンプ水車の実
   回転数と同期速度の回転数偏差を演算する回転数偏差演
   算手段と、上記回転数偏差演算手段により演算された回
   転数偏差を可変速幅の限界値と比較して、その限界値に
   対する差分を演算し、その差分に対応する電力偏差の許
   容範囲が設定され、上記電力偏差演算手段により演算さ
   れた電力偏差が許容範囲内にある場合には、その電力偏
   差を発電電動機の励磁制御系に出力する一方、その電力
   偏差が許容範囲を逸脱している場合には、その許容範囲
   の限界値を発電電動機の励磁制御系に出力する制限手段
   と、電力指令値が変更された場合又は外乱が発生した場
   合、所定時間が経過するまでの間、その差分に対応する
   電力偏差の許容範囲を縮小する縮小手段とを備えた可変
   速揚水発電システムの制御装置。