JP3819519B2 - 水車の制御方法および制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上水槽または上池を有している水力発電所の水車制御装置に係わり、特に流入水量の制御演算に水位信号を使用する水位調整運転や水位差応動運転等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に、上水槽を有する水力発電所の概略の構成を示す。容量が数万ｋｗ以下の小さな水力発電所では、上流の河川から取水した水を一旦上水槽１に貯め、水圧鉄管２を通して発電機４と直結した水車３に導き、上水槽１からのオーバフローや水位の過剰低下を防止するために、制御装置８は水位を一定に保つように水車の負荷を取る水位調整運転を行っている。すなわち、水位検出器７からの上水槽１の水位と開度検出器６からの開度を基に、サーボモータ５を制御してガイドベーンまたはナンナブレード（図示なし）の開度を調整し、上水槽１の水位を所定範囲に維持するように負荷を取る。
【０００３】
水位調整運転では、上水槽１に流入する水量Ｑ１と発電に使用する水量Ｑ２の間が、常に（１）式の関係となるように制御する。
【０００４】
【数１】
Ｑ１＝Ｑ２ …（１）
また、上池と下池を有し、かつ落差変化幅の大きな水力発電所では、両池の落差を一定範囲に保つ水位差応動運転が行われる。すなわち、落差に応じてガイドベーン及びランナブレードの開度を調整し、発電効率の高い負荷を取る。
【０００５】
なお、特開平３−１７９１７１号には、ランナベーン及びガイドベーンをコンバータで制御する場合に、コンバータ電源喪失時にランナベーンを開方向に、ガイドベーンを閉方向に動作させ、水車を安全に停止させる水車の制御方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水位調整運転では、上水槽の水位信号に対する保護がなされていない。水位の調整範囲は上水槽の測水範囲の数分の１に設定されているので、水位信号が喪失すると通常の数倍の指令が発行されることになる。
【０００７】
すなわち、水位信号の喪失時には数倍の閉鎖信号が発行され、ガイドベーンサーボモータ５が急閉動作となる。この結果、ガイドベーンから水車３に流入する流量Ｑ２が急激に絞られ、式（１）の流量の関係がＱ１＞Ｑ２となって水位が上昇し、やがて上水槽１がオーバーフローし、余水路から無駄に捨てられる。
【０００８】
その状態から水位信号が正常に復帰すると、今度は通常の数倍の開信号が発行され、ガイドベーンサーボモータ５が急開動作となり、ガイドベーンから水車３に流入する流量Ｑ２が急激に増大し（Ｑ１＜Ｑ２）、最悪の場合には上水槽１の水位の過剰低下による水圧鉄管２への空気の水込みなどを生じる恐れがある。
【０００９】
水位差応動運転の場合も同様で、上池または下池からの水位信号が喪失した場合、水位差信号の過大な変動によってサーボモータが動揺し、またガイドベーン等の開度の適切な制御が困難になり、落差に適応した効率よく安定な運転が損なわれる。
【００１０】
なお、上記引用例の水車制御方法においては、通常の速度一定制御における負荷調整のため、水位信号の喪失に対する考慮はなく、またコンバータ電源喪失に際しての対応は水車を安全に停止せるベーン開度の調整に止まっている。
【００１１】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点に鑑み、水位調整運転や水位差応動運転における水位信号の喪失に対応して、運転を安全かつ安定に継続できる水車制御方法及び装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、水車の上流側の貯水位が測水範囲内の一定範囲となるように、水車に流入する水量を制御する水位調整運転において、前記上流側の水位検出信号が喪失したときに前回の検出値を保持し、前記水量を前回値に固定したまま運転を継続することにより達成される。
【００１３】
または、水車の上流側の貯水位と下流側の貯水位の水位差が一定範囲となるように、水車に流入する水量を制御する水位差応動運転において、前記上流側または下流側の水位検出信号が喪失したときに前回の検出値を保持し、前記水量を前回値に固定したまま運転を継続することにより達成される。
【００１４】
本発明の方法を適用する水車の制御装置は、水力発電所の水車の上流側の貯水位または上流側及び下流側の貯水位を検出する水位検出器と、水車に流入する水量を調整する流入量調整部と、該流入量調整部を駆動するサーボモータと、該サーボモータに制御信号を与える制御演算部を備え、さらに前記制御演算部は、前記水位検出信号または上流側と下流側の水位差信号とそれらの目標値との偏差に応じて前記制御信号を生成する制御指令出力手段と、前記水位検出信号の前回値の保持手段を具備し、前記水位検出信号が喪失した場合に前記制御信号の演算に前回値を使用することを特徴とする。
【００１５】
なお、前記流入量調整部はガイドベーン（案内羽根）および／またはナンナブレード（ランナベーン）で、前記サーボモータによってその開度を調整される。
【００１６】
本発明によれば、上水槽または上／下池からの水位信号の喪失を検出し、前回の水位信号を保持することにより、水位調整制御装置またはランナベーン開度制御装置へ印加される水位信号の急激な変化を抑制し、サーボモータの動揺を防ぎ、発電所の安定した運転を継続できる。特に、水位調整運転においては上水槽のオーバーフローや水圧鉄管の空気吸い込みを防止でき、水位差応動運転では効率のよい安定した運転を継続できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にしたがって詳細に説明する。実施形態１は水位調整運転、実施形態２は水位差応動運転への適用例である。
【００１８】
〔実施形態１〕
図１は、水位調整運転を行う水車制御装置の構成を示す。水車制御装置は、水位調整制御部１０と、サーボモータ駆動装置１０６及び案内羽根サーボモータ１０７で構成している。水位調整制御部１０は、水位保持回路１０１を経由した水位検出器７からの水位検出信号と、予め設定されている基準水位信号により、加算点１０３ａで水位偏差信号を生成する。この水位偏差信号と目標水位信号により、加算点１０３ｂで水位指令信号を生成する。目標水位信号は、案内羽根サーボモータ１０７からのサーボ位置信号と、予め設定されている案内羽根の基準開度により、加算点３ｅで生成された開度偏差信号を、さらに水位垂下率１０９を介して生成する。
【００１９】
水位指令信号は、水位調整比例要素１０４および水位調整積分要素１０５に入力される。水位調整比例要素１０４および水位調整積分要素１０５の出力は、加算点１０３ｃで加算され、案内羽根サーボ位置指令信号を生成する。案内羽根サーボ位置指令信号は、加算点３ｄでサーボ位置信号と加算され、案内羽根サーボモータ駆動装置１０６に伝達される。
【００２０】
案内羽根サーボモータ駆動装置１０６は案内羽根位置指令信号に応じて、サーボモータ１０７が油圧式の場合は圧油を、電動式の場合は駆動電流を供給し、案内羽根サーボモータ１０７を規定位置まで駆動する。案内羽根サーボモータ１０７はガイドリング及びリンク機構により連結している案内羽根（図示なし）を開閉し、ランナに流れ込む水量を調整して上水槽１の水位を一定範囲内に保つよう制御する。
【００２１】
図２に、水位保持回路の一実施例を示す。水位保持回路１０１は、水位信号断検出回路１２１、切替回路１２２、１次遅れ回路１２３及び加算点１２４から構成している。通常は切替回路１２２がＯＦＦ側位置となり、上水槽１の水位検出信号は加算点１２４の＋側に入力される。加算点１２４の−側には１次遅れ回路１２３の出力が入力され、それらの偏差が１次遅れ回路１２３の入力となる。
【００２２】
１次遅れ回路１２３は、上水槽１の水位調整制御時定数に対し、十分小さい時定数Ｔｓをもつ積分回路で構成されている。したがって、加算点１２４からの偏差に応じた現在の水位信号を、時定数Ｔｓ後に加算点１０３ａに出力する。
【００２３】
一方、上水槽１の水位検出信号が喪失したとき、水位信号断検出回路１２１が信号断を検出すると、切替回路１２２をＯＮ側に切り替える。この結果、加算点１２４の入力は両方ともに１次遅れ回路１２３の出力となって偏差が０となり、１次遅れ回路１２３の出力は前回の水位信号を保持する。
【００２４】
さらに、水位検出信号が断状態から復帰したときは、切替回路１２２が再びＯＦＦ側に接続し、加算点１２３は現在水位と保持水位の偏差を出力するので、現在水位が数倍にも急変することがない。また、１次遅れ回路１２３の時定数Ｔｓにより、変化は穏やかになる。
【００２５】
本実施形態によれば、上水槽の水位信号が喪失した場合は案内羽根の急閉を抑制して上水槽のオーバーフローを防止し、喪失状態から復帰した場合は案内羽根急開を抑制して上水槽水位の異常低下を防止する。これによって、水の有効利用を確保でき、また水圧鉄管への空気の吸い込みなど、水車主機および水車制御に悪影響を及ぼす要因を排除することができるので、水力発電所の安定した運転が継続できる。
【００２６】
〔実施形態２〕
図３は、水位差応動運転を行う水車制御装置の構成を示す。水車３が発電のために水車運転をしている場合は、上部貯水池１ａの水は水車３に流入し、案内羽根やランナブレードを経て下部貯水池１ｂに貯められる。一方、水車３が揚水のためにポンプ運転をしている場合は、下部貯水池１ｂの水が汲み上げられて上部貯水池１ａに貯められる。水位差応動運転は水車３の発電運転時に行われる。
【００２７】
上部貯水池１ａの水位検出器７ａ、下部貯水池１ｂの水位検出器７ｂにより検出された水位検出信号は、それぞれ上池水位保持回路２０１ａ、下池水位保持回路２０１ｂを経て、加算点２０２で水位差信号を生成する。水位保持回路２０１ａ，２０１ｂは、実施形態１の水位保持回路１０１と同様に構成される。さらに、この水位差信号と目標水位差信号により、加算点２０３で水位差指令信号を生成する。目標水位差信号は、案内羽根サーボモータ２０７からのサーボ位置信号に基づいて目標水位差演算器２０８により生成する。
【００２８】
案内羽根開度指令演算器２０４は水位差指令信号を入力されると、水位差調整比例要素および水位差調整積分要素で演算し、案内羽根サーボ位置指令信号を出力する。案内羽根サーボ位置指令信号は、加算点２０５でサーボ位置信号と加算され、その偏差を案内羽根サーボモータ駆動装置２０６に伝達する。駆動装置２０６は案内羽根サーボ位置指令の偏差を０にする位置まで案内羽根サーボモータ２０７を駆動する。案内羽根サーボモータ２０７はガイドリング及びリンク機構により連結している案内羽根を開閉し、ランナに流れ込む流量を調整して上部貯水池１０１ａと下部貯水池１０１ｂの水位差を所定範囲に保つよう制御する。
【００２９】
上記した構成によれば、上部貯水池１ａ／部貯水池１ｂの水位検出器７ａ／７ｂからの水位検出信号が喪失したとき、前回サンプリングした水位信号を保持するので、水位検出信号の過大な変動を生じることがない。また、喪失状態から復帰した場合にも、保持している水位検出信号と現在値との偏差となるので、変化は穏やかになる。
【００３０】
本実施形態によれば、水位信号喪失時および水位信号喪失後の水位信号復帰した際に、案内羽根開度制御部に急激な水位信号を与えることがない。従って、サーボモータの動揺を抑え、水力発電所の安定した水位差応動運転が継続できる。
【００３１】
上記実施形態１，２では、案内羽根の開度を調整して水車の流量を調整する実施例を示したが、これに限定されるものではない。同様に、水位信号を使用してランナブレードの開度を調整、あるいは案内羽根とランナブレードの両方を調整するようにしてもよい。ランナブレードの開度調整は、例えば図１（図３）で、案内羽根サーボモータ１０７（２０７）のサーボ位置信号である案内羽根開度信号を、ランナブレード設定器に入力してランナブレード開度指令を生成し、この開度指令とランナブレードサーボモータからのサーボ位置信号との偏差を、ランナブレードサーボモータ駆動装置に伝達する。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、水位調整運転あるいは水位差応動運転を行っている水力発電所において、水位検出信号が喪失した場合に、その前回値を保持して案内羽根やランナブレードの開度を調整するので、水位信号の急激な変化によるサーボモータの動揺を抑え、安全かつ安定に運転を継続できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１（水位調整運転）による水車制御装置の構成図。
【図２】水位保持回路の１実施例を示す構成図。
【図３】本発明の実施形態２（水位差応動運転）による水車制御装置の構成図。
【図４】水力発電所システムの概略を示す構成図。
【符号の説明】
１…上水槽、２…水圧鉄管、３…水車、４…発電機、５…サーボモータ、７…水位検出器、８…制御装置、１０…水位調整制御部、１０１…水位保持回路、１０３ａ〜１０３ｅ…加算器、１０４…水位比例調整要素、１０５…水位積分調整要素、１０６…サーボモータ駆動装置、１０７…案内羽根サーボモータ、１２１…水位信号断検出器、１２２…切替回路、１２３…１次遅れ回路、２０１ａ…上池水位保持回路、２０１ｂ…下池水位保持回路、２０２，２０３…加算器、２０４…案内羽根開度指令演算器、２０６…サーボモータ駆動装置、２０７…案内羽根サーボモータ。

Claims (1)

1. 水力発電所の水車の上流側の貯水位または上流側及び下流側の貯水位を検出する水位検出器と、水車に流入する水量を調整する流入量調整部と、該流入量調整部を駆動するサーボモータと、該サーボモータに制御信号を与える制御演算部を有する水車の制御装置において、
   前記制御演算部は、前記上流側の貯水位の水位検出信号または前記上流側及び下流側の貯水位の水位検出信号に基く水位差信号とそれらの目標値との偏差に応じて前記制御信号を生成する制御指令出力手段と、前記上流側の貯水位の水位検出信号または前記上流側及び下流側の貯水位の水位検出信号の前回値を保持する保持手段を具備し、
   前記保持手段は、前記水位検出信号の喪失を検出する手段と、今回の水位検出信号と前記保持手段の前回の出力信号との偏差を入力し、一定時間後に今回の水位検出信号と等価の出力信号を出力する１次遅れ回路と、通常は前記水位検出信号を前記１次遅れ回路に与え、前記水位検出信号の喪失時には前記偏差を０とするように切り替える手段を設け、
   前記上流側の貯水位の水位検出信号または前記上流側及び下流側の貯水位の水位検出信号が喪失した場合に前記制御信号の演算に前回値を使用することを特徴とする水車の制御装置。

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