JP3853426B2 - 交流励磁同期機の運転制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流励磁同期機の二次側に接続された励磁用変換器を制御し、その交流励磁同期機を可変速運転する交流励磁同期機の運転制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図13は例えば電気学会、電力技術研究会(昭和62年7月28日、於名古屋)、発表論文「可変揚水発電システムによる系統安定化効果のシミュレーション解析」、P26〜P29、または日本電気協会誌、昭和62年12月号「世界初の可変速発電システムについて」に示された従来の可変速揚水発電システムの回路図であり、図において、101は交流励磁同期機(可変速揚水機)の電機子(一次コイル)、102は交流励磁同期機の回転子(2次コイル)、103は回転子102のシャフト、104は励磁用変圧器、105は2次励磁装置(励磁用変換器)、106は回転子102の回転位置/回転数検出器、107は2次励磁装置105を制御する制御器、108は電機子101に接続された変流器、109は計器用変圧器、110は界磁遮断器、111は発電機遮断器である。
【0003】
次に動作について説明する。
交流励磁同期機を可変速で運転するには、この交流励磁同期機を2次励磁する方式が通常採用され、この交流励磁同期機の回転数が変わっても、系統周波数と一致するようにスベリ分だけ2次励磁により周波数を補正すれば、系統との並列運転が可能である。
【0004】
従って、電機子101が接続される系統の電圧、電流を計器用変圧器109および変流器108で検出し、これらと回転位置/回転数検出器106の出力とに基づいて、制御器107により2次励磁装置105を制御することで、上記並列運転が可能になる。
【0005】
一方、2次励磁装置としては、交流から直接に交流を作るサイクロコンバータ方式や交流から一度直流に変換し、さらに交流を作るコンバータとインバータからなる方式などが採用され、これらを用いて設定された電圧、回転数、電力になるように2次励磁装置105を制御器107により制御して、交流励磁同期機を揚水発電電動機として運転する。なお、上記の従来例に関連する先行技術として、例えば、特公平3−51910号公報、特公平4−47150号公報、特開昭62−77082号公報、特開昭64−74096号公報、特開平1−318596号公報に記載されたものがある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の交流励磁同期機の運転制御装置は以上のように構成されているので、制御器により指令電力になるように励磁用変換器を制御することになり、この励磁用変換器が長時間運転することができないスベリ零付近で運転する危険があった。また、図14に示すように、周波数fが上がれば発電電力Pを下げ、周波数fが下がれば発電電力Pを増加させるようなガバナフリー運転をすると、系統周波数により大幅に電力が変化して安定に運転ができなかったり、回転数や落差によって出力が定格値をオーバーするなどの課題があった。
【0007】
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、スベリ零付近での運転を防止できる交流励磁同期機の運転制御装置を得ることを目的とする。また、この発明は系統周波数が大幅に変化しても安定した運転が継続できる交流励磁同期機の運転制御装置を得ることを目的とする。
さらに、この発明は回転数、落差が変わっても常に出力が定格値をオーバーしない交流励磁同期機の運転制御装置を得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、交流励磁同期機の運用範囲を、発電運転の場合は定格回転より一定回転低い回転数以下とし、反対に揚水運転の場合は定格回転より一定回転高い回転数以上とする回転数演算手段を前記ガバナ装置に備えたものである。
【0009】
請求項2記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、指定運転出入力と落差または揚程で決まる最適回転数が禁止帯内であるか否かを判定する回転数演算手段をガバナ装置に備え、前記最適回転数が禁止帯内であれば禁止帯外とすべく、禁止帯外に制御する近い方の入出力になるように設定する入出力設定手段を励磁装置に備えたものである。
【0010】
請求項3記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、運転回転数が禁止帯以下の運転中に禁止帯内に入った場合は回転数を禁止帯下限に維持して運転し、演算指定回転数が禁止帯上限以上になったら禁止帯上限に回転数を移行させて運転を継続し、反対に禁止帯上限以上の運転中に禁止帯内に入った場合は回転数を禁止帯上限に維持して運転し、演算指定回転数が禁止帯下限以下になったら禁止帯下限以下に回転数を移行させて運転を継続する回転演算手段をガバナ装置に備えたものである。
【0011】
請求項4記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、発電運転時はガバナ装置で電力制御を、励磁装置で回転数制御を実施し、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記ガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、揚水運転時は前記ガバナ装置で回転数制御、前記励磁装置で電力制御を実施し、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記励磁装置でガバナフリー運転を実施する折線特性手段を備えたものである。
【0012】
請求項5記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、ガバナ装置で電力制御、励磁装置で回転数制御を実施する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記ガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、前記ガバナ装置で回転数制御、前記励磁装置で電力制御を実施する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記励磁装置でガバナフリー運転を実施する折線特性手段を備えたものである。
【0013】
請求項6記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、最高落差時にポンプ水車のガイドベーンの最大開度を制限して出力を定格内に抑えるに当たり、落差と運転中の回転数によってあらかじめ決められたアルゴリズムに従って関数演算して出力制限値を自動的に変更する出力制限手段を備えたものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は横軸を出力P0 (MW)、縦軸を回転数N0 (rpm)とした発電特性図であり、出力や落差のいかんに関係なく、回転数は常に定格回転数より一定回転低い回転以下で運転される特性であることを示す。
【0015】
図2は横軸を入力P0 (MW)、縦軸を回転数N0 (rpm)とした揚水特性図であり、出力や落差のいかんに関係なく、回転数は常に定格回転数より一定回転高い回転以上で運転される特性であることを示す。
【0016】
図3はこの発明の実施の形態1を示す交流励磁同期機の運転制御装置のブロック図であり、1は交流励磁同期機である可変速揚水機、2は可逆式ポンプ水車、3は発電機遮断機、4は二次励磁装置、5は入出力設定器、6は可逆式ポンプ水車2の水量を調整する弁(ガイドベーン)を駆動するガイドベーンサーボ、7は回転数を指令値に補正するガイドベーン制御回路、8は発電運転の場合は定格回転より一定回転低い回転数以下とし、反対に揚水運転の場合は定格回転より一定回転高い回転数以上とする回転数演算手段としての回転数演算回路、9はガイドベーン開度の指令値を演算するガイドベーン開度演算回路である。そして、図3では二次励磁装置4で励磁装置Aを構成し、ガイドベーンサーボ6、ガイドベーン制御回路7、回転数演算回路8、ガイドベーン開度演算回路9でガバナ装置Bを構成している。
【0017】
本実施の形態1では上記回転数演算回路8に、発電運転時には前記図1に示す特性が適用され、揚水運転時には前記図2に示す特性が適用されるようにしたものである。
【0018】
次に動作について説明する。
入出力設定器5の設定値P0 と実際の発電電力Pとの減算値を入力する二次励磁装置4によって、可変速揚水機1の入出力が制御される。一方、回転数は入出力設定器5の設定値P0 と落差Hとを入力する回転数演算回路8の出力値N0 に基づいて、発電運転時は図1の特性で運転され、揚水運転時は図2の特性で運転される。この結果、スベリ零付近の運転禁止帯での運転を避けることができる。
【0019】
実施の形態2.
図4は横軸を出力P0 (MW)、縦軸を回転数N0 (rpm)とした発電特性図であり、スベリ零付近には運転禁止帯が設けられ、定格回転より低回転のゾーン1と高回転のゾーン2に分かれている。
【0020】
図5は横軸を入力P0 (MW)、縦軸を回転数N0 (rpm)とした揚水特性図であり、発電特性と同様に運転禁止帯をはさんで定格回転より低回転のゾーン1と高回転のゾーン2に別れている。
【0021】
本実施の形態2では図3の回転数演算回路8に、発電運転時には前記図4に示す特性が適用され、揚水運転時には前記図5に示す特性が適用される。
【0022】
次に動作について説明する。
入出力設定器5の設定値P0 と実際の発電電力Pとの減算値を入力する二次励磁装置4によって可変速揚水機の入出力が制御される。一方、回転数は入出力設定器5の設定値P0 と落差Hとを入力する回転数演算回路8の出力値N0 により、発電運転時は図4の特性で運転され、揚水運転時は図5の特性で運転される。この運転時、運転回転数が運転禁止帯内の場合(例えば、運転回転数が基準回転数の±1%以内に入ったことにより判断)は、その運転回転数が基準回転数より上なら上側ゾーン2に、その運転回転数が基準回転数より下なら下側ゾーン1に設定する。この結果、スベリ零付近の運転禁止帯での運転を避けることができる。
【0023】
実施の形態3.
図6(a)は可変速揚水機の回転数の変化の一例を本実施の形態(実線)と従来例(点線)とを対比して示したものであり、図6(c)は同様の他の一例である。図6(b)は本実施の形態によっていかに禁止帯の運転を避けて運用しているかを履歴的に示した図であり、履歴特性によって前記図3の回転数演算回路8から回転数が指令される。
【0024】
次に動作について説明する。
入出力設定器5の設定値P0 と実際の発電電力Pとの減算値を入力する二次励磁装置4によって可変速揚水機の入出力が制御される。一方、入出力設定器5の設定値P0 と落差Hとを入力する回転数演算回路8は、上記図6(b)に示した履歴特性の運転を自動的にできるように構成する。この結果、スベリ零付近の運転禁止帯での運転を避けることができる。
【0025】
実施の形態4.
図7は発電運転時にはガバナで電力制御を実施し、励磁装置で回転数制御を実施する交流励磁同期機の運転制御装置のブロック図であり、図において、1は可変速揚水機、2は可逆式ポンプ水車、4は二次励磁装置、5は入出力設定器、6はガイドベーンサーボ、8は回転数演算回路、12は回転数制御回路、7はガイドベーン制御回路、10は実際の周波数fと発電電力Pを入力する折線特性回路であり、この折線特性回路10における発電運転時の折線特性図を図8に示す。そして、図7では二次励磁装置4、回転数演算回路8、回転数制御回路12で励磁装置Aを構成し、入出力設定器5、ガイドベーンサーボ6、ガイドベーン制御回路7、折線特性回路10でガバナ装置Bを構成している。
【0026】
次に動作について説明する。
図7においては、入出力設定器5の設定値および折線特性回路10の出力に従い、ガイドベーン制御回路7、ガイドベーンサーボ6によって可逆式ポンプ水車2を制御し、電力制御を実施する。
【0027】
一方、回転数は、入出力設定器5の設定値を回転数演算回路8に入力して最適回転数を演算し、回転数制御回路12、二次励磁装置4によって制御される。ここで折線特性回路10には図8の特性を持たせている。この結果、ガバナフリー運転は系統擾乱等により周波数が変動しても安定した運転を継続することができる。
【0028】
図9は揚水運転時にはガバナを回転数制御で実施し、励磁装置で電力制御を実施する交流励磁同期機の運転制御装置のブロック図であり、図において、1は可変速揚水機、2は可逆式ポンプ水車、4は二次励磁装置、5は入出力設定器、6はガイドベーンサーボ、9はガイドベーン開度演算回路、8は回転数演算回路、7はガイドベーン制御回路、10は折線特性回路であり、この折線特性回路10における揚水運転時の折線特性図を図10に示す。11は電力制御回路である。そして、図9では二次励磁装置4、入出力設定器5、折線特性回路10、電力制御回路11で励磁装置Aを構成し、ガイドベーンサーボ6、ガイドベーン開度演算回路9、回転数演算回路8、ガイドベーン制御回路7でガバナ装置Bを構成している。
【0029】
次に動作について説明する。
図9においては、入出力設定器5の設定値に従って、電力制御回路11、二次励磁装置4を制御し、電力制御を実施する。
【0030】
一方、回転数は入出力設定器5の信号を回転数演算回路8に入力して最適回転数を演算し、この演算値に従いガイドベーン制御回路7、ガイドベーンサーボ6によって制御される。ここで折線特性回路10には図10の特性を持たせている。この結果、ガバナフリー運転は系統擾乱等により周波数が変動しても安定した運転を継続することができる。
【0031】
実施の形態5.
実施の形態4では、発電運転時はガバナ装置で電力制御、励磁装置で回転数制御、一方、揚水運転時はガバナ装置で回転数制御、励磁装置で電力制御と決められていたが、ガバナ装置と励磁装置のいずれでも、選択によって電力制御できるようにすることもできる。
【0032】
実施の形態6.
図11は縦軸をガイドベーンの許容最大開度、横軸を落差とした出力制限特性図であり、図において、51は可変速運転の最大回転時、52は定格回転時、53は最低回転時の落差に応じたガイドベーンの許容最大開度を示している。
図12は実回転数によって、図11に示した出力制限特性を実現する一例を示しており、落差より回転数51,52,53のガイドベーンの許容最大開度を比例補間で求めていることを示している。
【0033】
次に動作について説明する。
従来の定速機の場合は回転数が一定であったので、特性も図11,12の回転数NN の一定のみで良かったが、可変速揚水機では回転数によって図11,12の特性を持たせるため、出力制限値も変わる。そこで、前記図11,12の特性に従って、その時の運転回転数と落差を入力するガイドベーン開度演算回路9で予め決められたアルゴリズムに従って関数演算して、ガイドベーン開度演算回路9の出力を自動的に制限するようにしたもので、出力を常に定格内に抑えることができる。
【0034】
【発明の効果】
以上のように、請求項1記載の発明によれば、あらかじめスベリ零付近の運転にならないように、発電運転時と揚水運転時で運転指令回転数範囲をスベリ零付近から夫々異なる方向に遠ざけるように構成したので、励磁用変換器が長時間運転することができないスベリ零付近で運転する危険を防止できる効果がある。
【0035】
請求項2記載の発明によれば、スベリ零付近の禁止帯内に入れば、禁止帯外になるように入出力を設定するように構成したので、スベリ零付近で運転する危険を防止できる効果がある。
【0036】
請求項3記載の発明によれば、スベリ零付近の禁止帯内に入れば、禁止帯外になるように回転数を設定するように構成したので、スベリ零付近で運転する危険を防止できる効果がある。
【0037】
請求項4記載の発明によれば、発電運転時はガバナフリー信号に折線特性を持たせてガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、揚水運転時はガバナフリー信号に折線特性を持たせて励磁装置でガバナフリー運転を実施するように構成したので、ガバナフリー運転時に系統動揺が発生して周波数が大幅に変動しても安定した運転を継続することができる効果がある。
【0038】
請求項5記載の発明によれば、ガバナ装置で電力制御する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせてガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、励磁装置で電力制御する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて励磁装置でガバナフリー運転を実施するように構成したので、周波数が大幅に変化しても安定した運転を継続することができる効果がある。
【0039】
請求項6記載の発明によれば、最高落差時にポンプ水車のガイドベーンの最大開度を制限し、出力を定格内に抑えるに当たり、落差と運転中の回転数によってあらかじめ決められたアルゴリズムに従って関数演算して出力制限値を自動的に変更するように構成したので、回転数と落差が変化しても出力を常に定格内に抑える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における発電電力−回転数特性図である。
【図2】 この発明の実施の形態1における揚水入力−回転数特性図である。
【図3】 この発明の実施の形態1における交流励磁同期機の運転制御装置を示すブロック図である。
【図4】 この発明の実施の形態2における発電電力−回転数特性図である。
【図5】 この発明の実施の形態2における揚水入力−回転数特性図である。
【図6】 この発明の実施の形態3における制御動作説明図である。
【図7】 この発明の実施の形態4、実施の形態5における交流励磁同期機の運転制御装置を示す発電運転時のブロック図である。
【図8】 この発電運転時の折線特性図である。
【図9】 この発明の実施の形態4、実施の形態5における交流励磁同期機の運転制御装置を示す揚水運転時のブロック図である。
【図10】 この揚水運転時の折線特性図である。
【図11】 この発明の実施の形態6における出力制限特性図である。
【図12】 この発明の実施の形態6における実回転数と落差からガイドベーンの最大許容開度を算出するアルゴリズム図である。
【図13】 従来の交流励磁同期機の運転制御装置を示すブロック図である。
【図14】 ガバナフリー運転の説明図である。
【符号の説明】
A 励磁装置、B ガバナ装置、8 回転数演算回路(回転数演算手段)、9ガイドベーン開度演算回路。
Claims (6)
- 励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、前記交流励磁同期機の運用範囲を、発電運転の場合は定格回転より一定回転低い回転数以下とし、反対に揚水運転の場合は定格回転より一定回転高い回転数以上とする回転数演算手段を前記ガバナ装置に備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
- 励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、指定運転出入力と落差または揚程で決まる最適回転数が禁止帯内であるか否かを判定する回転数演算手段を前記ガバナ装置に備え、前記最適回転数が禁止帯内であれば禁止帯外とすべく、禁止帯外に制御する近い方の入出力になるように設定する入出力設定手段を前記励磁装置に備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
- 励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、運転回転数が禁止帯以下の運転中に禁止帯内に入った場合は回転数を禁止帯下限に維持して運転し、演算指定回転数が禁止帯上限以上になったら禁止帯上限に回転数を移行させて運転を継続し、反対に禁止帯上限以上の運転中に禁止帯内に入った場合は回転数を禁止帯上限に維持して運転し、演算指定回転数が禁止帯下限以下になったら禁止帯下限以下に回転数を移行させて運転を継続する回転演算手段を前記ガバナ装置に備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
- 励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、発電運転時は前記ガバナ装置で電力制御を、前記励磁装置で回転数制御を実施し、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記ガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、揚水運転時は前記ガバナ装置で回転数制御、前記励磁装置で電力制御を実施し、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記励磁装置でガバナフリー運転を実施する折線特性手段を備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
- 励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、前記ガバナ装置で電力制御、前記励磁装置で回転数制御を実施する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記ガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、前記ガバナ装置で回転数制御、前記励磁装置で電力制御を実施する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記励磁装置でガバナフリー運転を実施する折線特性手段を備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
- 励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、最高落差時にポンプ水車のガイドベーンの最大開度を制限して出力を定格内に抑えるに当たり、落差と運転中の回転数によってあらかじめ決められたアルゴリズムに従って関数演算して出力制限値を自動的に変更する出力制限手段を備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
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