JP3890209B2

JP3890209B2 - Method and apparatus for inputting rotational speed in governor

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Publication number: JP3890209B2
Application number: JP2001233495A
Authority: JP
Inventors: 玲子服部; 和夫高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: JP2003042051A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電所における水車発電機の調速機に係り、特に調速機における回転速度入力方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水力発電所の発電機出力は電力系統に接続され、並列に接続された発電機は互いに同期していなければならない。従って水車発電機の起動後は電力系統の周波数に同期させる操作が必要となる。そして、電力系統への接続後は、並列に接続されている他の発電機と同期させる必要がある。これらの目的のために調速機が設置されている。
【０００３】
図６は水力発電所の速度制御系統の構成例を示している。水車発電機３１の出力３３と負荷３２の信号との偏差３４は、水車発電機の回転速度の変化となって現れる。偏差がなければ現状の回転数を保持する。水車発電機の回転速度に比例した信号を出力する回転速度検出装置３５によって検出された水車発電機の回転速度信号１は、調速機３６に取り込まれる。速度制御演算部１２では、水車発電機の回転速度信号１と目標速度設定部３７の信号および速度垂下率出力信号３８により偏差を演算した後、制御目標値演算部３９にて制御目標値４０が演算される。
【０００４】
一方、サーボモータ４７のストロークはサーボモータ実開度信号４６として調速機３６に取り込まれる。演算された制御目標値４０とサーボモータ実開度信号４６との偏差４１を演算し、増幅部４２を経て制御指令値４３として配圧弁４４へ出力される。配圧弁４４からの出力信号４５はサーボモータ４７を駆動する。サーボモータ４７の動作によって、ガイドベーンの開度が制御され、水車への水の流入量を制御し、水車発電機３１の出力３３を制御する。したがって、水車発電機の回転速度信号１は水車発電機３１の出力３３へ影響を及ぼす。
【０００５】
回転速度信号検出装置３５は通常水車発電機３１に取り付けられているため、水車発電機３１の軸振れや振動は、水車発電機の回転速度信号１に影響を及ぼす。
【０００６】
ここで、軸振れ周波数は、水車発電機の回転速度よりも高いので、水車発電機３１の軸振れあるいは振動があると、水車発電機の回転速度信号１に高周波の雑音が重畳される。したがって、回転速度検出装置３５からは、あたかも水車発電機が高い周波数の刻動を伴った回転速度で運転されているように回転速度信号１が出力される。
【０００７】
調速機３６は前記水車発電機の回転速度信号１に忠実に応答するので、制御目標値演算部３９も雑音に応答した演算結果を出力することとなり、サーボモータ４７はハンチング現象を引き起こし、調速機３６はもちろん、水車発電機３１及びその他周辺機器の寿命を縮めることにもつながる。
【０００８】
また、回転速度検出装置３５の故障等何らかの理由により水車発電機の回転速度信号１が喪失した場合、調速機３６は水車発電機３１の回転速度が極端に低下し出力が不足した状態と判断し、水車発電機の回転速度を増加させ出力３３を増加するためにサーボモータ４７を急激に開動作させることになる。このように従来は、回転速度信号の刻動、あるいは速度信号の喪失についての対応策がない調速機が使用されていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、水車発電機の回転速度信号に雑音が重畳される可能性について配慮されていないため、調速機が雑音に応答してしまい、機器の破損に至ることもあるし、機器の寿命を縮める等の問題がある。また系統への並列接続前後では次のような問題がある。
【００１０】
電力系統並列前；水車発電機回転速度１が無拘束速度まで上昇し、水車，発電機を破損する危険性がある。
【００１１】
電力系統並列後；急激に水車発電機出力３３が増加し、発電機は過電流により発電機焼損に至る危険性がある。
【００１２】
上記の場合、調速機制御システムは油圧制御の例であるが、これらの問題は電動サーボモータを採用する制御システムでも同様である。
【００１３】
更に、回転速度検出装置３５から調速機３６へ入力される水車発電機の回転速度信号１に電気的雑音が侵入した場合にも同様の現象を引き起こす。したがって水車発電機の回転速度信号への雑音の侵入を防止するためには、水車発電機の回転部および固定部の剛性を増加させ、機械部の固有振動数を大幅に増加させる対策が必要である。また、電気的には雑音の侵入を完全に防止することの出来る配線のシールド化、配線敷設ルートの検討が必要になるが、いずれも多大な費用と時間が必要となる問題がある。
【００１４】
本発明では水車発電機の回転速度信号に着目し，雑音を含んだ速度信号であっても水車発電機及び補機に影響を与えない、安定した制御を低コストで実現，提供すること、また、回転速度信号喪失時に水車，発電機に損傷を与えないように保護することにある。本発明はこのような場合の、調速機における回転速度入力方法および装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、以下の手段によって解決することができる。
水車発電機の回転速度を検出し、前記回転速度信号に含まれる水車発電機の軸振動に伴う高周波信号に応じて複数の雑音除去回路の中から予め定められている一つの出力信号を選択し、前記選択された信号を入力信号とするかあるいは回転速度信号を直接入力信号とするかを前記水車発電機の運転条件に応じて選択し、選択された信号を前記調速機の回転速度信号として入力することにより解決することができる。
【００１６】
また、前記雑音除去回路は複数の一次遅れ要素により構成し、前記一次遅れ要素のうち一つの出力信号を前記回転速度信号として選択し、選択された信号を前記調速機に入力すること。また、前記一次遅れ要素の後段に前記遅れ要素の補償要素として一次進み要素を設け、前記進み要素の出力信号を前記回転速度信号とすること。また、前記回転速度信号の喪失を検出した時直前の回転速度信号を保持して回転速度信号とし、予め定めた時間経過しても前記回転速度信号が得られないとき前記回転速度信号を所定の固定値とし、前記水車発電機の停止制御に移行すること、により解決することができる。
【００１７】
水力発電機の回転速度を制御する調速機において、前記水車発電機の回転速度検出手段による回転速度信号を入力信号とする複数の雑音除去回路と、前記回転速度信号に含まれる高周波成分の大きさに応じて選択される前記雑音除去回路の出力信号を入力信号とするかあるいは前記回転速度信号を直接調速機への入力信号とするかを前記水車発電機の運転条件応じて選択する選択切換手段とを備え、前記選択切換えられた信号を前記調速機の入力信号とする回転速度入力装置、により解決することができる。
【００１８】
また、前記回転速度信号の喪失を検出する手段と、前記手段により回転速度信号の喪失が検出されたとき直前の回転速度信号を保持する手段と、前記回転速度信号の喪失が検出された時点からの経過時間をカウントするタイマーと、前記タイマーにより所定の時間が経過したとき回転速度信号を予め定めた設定値に切換る切換手段と、を備えた回転速度入力装置により解決することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
水車発電機の通常運転時における回転速度変化周期は、一般的に数十秒程度である。一方、水車発電機の軸振れ，振動に起因する雑音は数十Ｈｚと高い周波数である。本発明は、このような雑音信号が重畳された回転信号に対して雑音除去回路を設け、その出力信号を回転速度信号とする。雑音除去回路として、ここでは一次遅れ要素を使用する。一次遅れ要素はブレークポイント以上の周波数になると、入力に対し２０ｄｂ／ｄｅｃにてゲインが低下する。したがって、周波数応答特性のブレークポイントが数Ｈｚとなるような時定数を持つ一次遅れ要素を付加することにより、水車発電機の軸振れや振動に起因する雑音をほとんどカットした状態で回転速度信号を取り込むことができるから、調速機は実際の水車発電機の回転速度に対してのみ制御し、安定した制御を実現することができる。
【００２０】
一方、一次遅れ要素の位相特性は、ブレークポイント以前から遅れが発生するので、例えばペルトン水車の系統並列時のニードル制御や、俊敏な応答が要求される場合は、一次遅れ要素を使用することで運転に弊害が出る可能性がある。これらに対しては、一次遅れ要素の使用／除外を選択できる速度信号選択手段を設ければ、運転に応じて要求される応答特性を選択することができる。さらに、一次遅れ要素の後段に一次進み要素を設け、一次遅れ要素の位相遅れを補償すれば、運転に要求される応答特性での制御が可能になる。水車発電機に要求される運転状態に応じて、回転速度信号を直接調速機に入力することを含め、一次遅れ要素の出力信号を選択使用する。
【００２１】
上記の一次遅れ要素に加え、もう一つ遅れ時間が比較的大きい第二の一次遅れ要素を付加することで、水車発電機を保護することができる。前述の如く、調速機は水車発電機に取り付けられた回転速度信号検出装置により検出された回転速度信号により制御しているが、回転速度信号が何らかの要因により欠落することがある。この場合、調速機はサーボモータへ案内羽根開度もっと開けるように指令を出すため、水車発電機の回転が必要以上に上昇し、水車発電機を破損にいたらしめる怖れがある。
【００２２】
第二の一次遅れ要素は、ある時定数を持って回転速度信号に追従している。従って、第二の一次遅れ要素の出力信号は、回転速度信号喪失等突然入力信号が喪失しても、即座に出力信号が無くなることはない。調速機に入力される回転速度信号１を常時監視し、回転速度信号が喪失した場合、調速機の制御目標演算部への回転速度信号出力をこの第二の一次遅れ要素からの出力に切替ると同時に、第二の一次遅れ要素の出力を自己保持することで、あたかも回転速度信号が変動しない状態とすることができる。サーボモータによる開度は現状値を保持することができ、水車発電機の出力変動を抑えることができる。
【００２３】
回転速度信号には、第一の一次遅れ要素の設置目的に述べたように雑音を含んでいる可能性がある。雑音は復帰可能な偶発的現象であるので、雑音に応答して第二の一次遅れ要素の出力に切替らないように確認タイマーを設置することで復帰可能な偶発的現象であるかどうか、即ち水車発電機を保護動作させる必要がある重大な故障かどうかを判断するものとする。
【００２４】
確認タイマーによる時間を経過してもなお回転速度信号の喪失が続いている場合は復帰不可能な回転速度信号喪失と判断する。これによって、水車発電機を安全な方向に緩やかに（場合によっては即座に）保護動作させる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。ここでは雑音除去回路として一次遅れ要素を用いた場合である。図１は水車発電機に取り付けられた回転速度信号検出装置３５にて検出された回転速度信号１は、第一の一次遅れ要素２に取り込まれる。第一の一次遅れ要素２はブレークポイントが数ＨｚとなるようにゲインＫ１にて時定数を設定する。一次遅れ要素は、ブレークポイント以上の周波数の入力に対して２０ｄｂ／ｄｅｃにてゲインが低下するので、回転速度信号１に含まれる水車発電機の軸振れ，振動等に起因する数十Ｈｚ程度の雑音に対しては、ゲインを小さくして出力するため、第一の一次遅れ要素２の出力信号１３は、高周波の雑音を殆どカットした状態の回転速度信号となる。
【００２６】
これにより雑音の少ない回転速度信号を速度制御演算部１２に入力できることとなり、安定した制御ができる。なお、この第一の一次遅れ要素２の代わりに高周波の雑音を除去する回路（低域アクティブフィルタ等）を使用しても同様の効果が得られる。
【００２７】
第一の一次遅れ要素２は時定数を持っているため、出力１３は時間遅れがある。従って、俊敏な応答性が要求される場合においては、回転速度信号１を直接速度制御演算部１２へ入力する必要がある。したがって、切換部６にて回転速度信号１と第一の一次遅れ要素２からの出力１３を切替る。回転速度信号１と第一の一次遅れ要素２からの出力信号１３との切換は、回転速度信号選択手段５によってなされる。
【００２８】
回転速度信号選択手段５は運転の目的に応じて設定する。例えば、電力系統並列前には俊敏な動きとし、電力系統並列後には安定した動きとしたい場合には、この回転速度信号選択手段５を並列用遮断機のＯＮ／ＯＦＦ信号を用いればよい。
【００２９】
また、図５の如く第一の一次遅れ要素２の後段にＫ３にて位相進みを設定できる一次進み要素２１を配備すれば、出力１３の時間遅れを解消することができる。
【００３０】
一方，回転速度信号１は回転速度信号喪失検出部４へ入力され、回転速度信号が喪失したことを検出すると、その出力信号１６が出力されタイマー９に入力する。
【００３１】
出力１６は回転速度信号１に含まれる雑音によっても出力される可能性があるため、タイマー９により予め設定した時間回転速度信号喪失状態が継続した場合には、確実に回転速度信号が喪失したものとし、出力１９ｄを出力する。第二の一次遅れ要素３はゲインＫ２にて時定数を設定しておく。
【００３２】
常時は第二の一次遅れ要素３からの出力１４は、そのまま出力信号１８として出力されているが、回転速度信号喪失時点で、回転速度信号喪失検出４からの出力信号１９ｂにより出力信号１８を自己保持する。また、同時に切換部８にて、切換部６からの出力信号１５から信号１８への切換えをおこなう。それは信号１９ｂによる自己保持により安定し一定の信号となっている出力１８を確認し、切換部８の出力信号は１７として信号１８を出力する。
【００３３】
速度制御演算部１２には自己保持信号１７が入力されるから、急激な速度変化を与えないことになる。これにより、サーボモータ開度の急変を防止することができる。また、回転速度信号喪失がある一定時間継続した場合は、これ以上制御を継続することは不可能なので、出力信号１９ｄにより出力信号２０は設定値１１の信号に切換え、速度制御演算部１２に固定値が入力され、水車発電機を安全な方向に保護動作させる。
【００３４】
次に、本発明の他の実施例について説明する。図１において５０はマイコン（μ−ｃｏｍ）などによって構成することができる。例えば図２の（Ａ）に示すように、回転速度信号１を取りこみ、その信号の処理、判断をおこない切換え制御信号（１９ａ〜１９ｄ）を出力し、切換制御をおこなうことができる。また図２の（Ｂ）は、図１の２において、複数の一次遅れ要素を設けた場合である。一次遅れ要素２ｂは図１の２と同じであるが、これを基準に２ａあるいは２ｃを含め一時遅れ要素を３個備え，軸振動などに伴う高周波成分の大きさに応じて切換制御をおこなうことができる。
【００３５】
信号１３ａ〜１３ｃを予め定められた条件によって選択する。俊敏な応答が要求される場合であっても、回転速度信号を直接速度制御演算部に入力するよりも、例えば信号１３ａを選択した方が安定した制御ができることがある。それは一次遅れ要素２ａの設定にもよるが、俊敏な応答が要求される場合であっても、回転速度信号を直接入力できるのは、実態として高周波成分が小さい場合に限られる。
【００３６】
図３はその処理フローの例を示している。ステップ１０２で回転速度信号１を取り込む。そしてステップ１０４では俊敏応答が要求されているかどうかを判断し、俊敏応答が要求されているときはステップ１１２で一次遅れ要素を経由することなく回転速度信号１の選択をおこなう。また俊敏応答の程度あるいは高周波成分の大きさによっては、信号１３ａを選択する。またステップ１０６に示したように系統への接続前は一般的に俊敏応答が要求されるので、ステップ１１２により回転速度信号は信号１あるいは１３ａが選択される。回転速度信号に高周波が重畳されていないような場合、すなわち軸振動などが比較的少ない場合は回転速度信号１を選択し、高周波成分が多少含まれているような場合は、信号１３ａを選択する。
【００３７】
また、ステップ１０８では回転速度信号の分析を行い、あらかじめ定められた高周波ｆ１〜ｆ３（ｆ１＜ｆ２＜ｆ３）の回転速度信号に占める割合、Ｆ１〜Ｆ３を求める。そしてステップ１１０では予め定めた条件により、信号を選択する。例えばＦ１あるいはＦ２よりもＦ３が大きいときは比較的高い周波数の信号が多く含まれているので信号１３ａを選択する。また比較的低い周波数の信号が多く含まれている場合は、Ｆ２あるいはＦ３よりもＦ１が大きい場合であり、信号１３ｃを選択する。このようにすれば、高周波成分の大小により、複数設けられた一次遅れ要素の中から最適な一次遅れ要素を選択することができる。
【００３８】
選択切替信号１９ａは前記のような信号の選択ができる。これらの信号選択は、図１の速度信号選択条件５に対応する。信号１を選択した場合、高周波の影響が予想されるような場合は、信号１３ａを選択する。これらの選択論理は予め決めておけばよい。また一次遅れ要素２ａのゲインを０．３Ｋ１などに設定する、などＫ１を基準にいろんな設定が考えられ、機器の状況に応じて定めることができる。
【００３９】
また、図４は図１の速度信号喪失検出４に対応する処理フローを示している。ステップ１２０では回転速度信号が取りこまれているかどうかをチェックする。例えば単位時間当たりに予め定められたパルス数が取りこまれているかどうかなどをチェックする。そして入力されるべきパルス数がなくなったか、あるいは極端に減少した場合、回転速度信号の喪失と判断する。そしてステップ１２２でタイマー回路を起動する。一方で，一次遅れ要素７を自己保持に切替る信号１９ｂを出力し、ステップ１２４ではその自己保持を確認し、切換信号１９ｃを出力する。これは図１の切換部８の切換信号となる。
【００４０】
またタイマーが始動してから所定時間が経過した場合（回転速度信号の喪失時間が所定時間継続）は、何らかの原因により回転速度信号が途絶えたと判断し、切換部１０への切換１９ｄを出力する。切換信号１９ｄは信号１７から設定値１１の値に切換ることになる。すなわち信号２０は予め定めた固定値（擬似信号）を速度制御演算部１２に与える。ステップ１２７は回転速度信号１の喪失が瞬時的なものであってタイマー９の所定時間経過前に復帰したかどうかを判断し、復帰した場合はタイマー９のリセット、あるいは自己保持信号１８を解除する。
【００４１】
また図５は一次遅れ回路に対する進み補償回路２１を設けた例である。図２でいえば、２ｂの後段に設けることになる。補償回路は図２の（Ｂ）でいえば、２ｂ、２ｃの後段に設けられることが多い。一時遅れ要素２ａは、進み回路で補償するまでもないような一次遅れ要素であって、特に補償回路を設けない場合が多い。
【００４２】
以上、説明したように、本発明は回転速度信号に含まれる軸振動等に起因する高周波成分の大きさに応じて常に最適な一次遅れ要素を選択することにある。したがって、調速機回転速度信号として速度制御演算部に入力される信号は調速機の制御系に擾乱を与えることなく、安定した速度制御を行なうことができる。また回転速度信号が喪失した場合も、自己保持回路によってそのときの回転信号を保持して速度制御演算部に入力し、速度制御をおこなうので弁開度を急激に変化させることもない。また所定時間経過後は固定設定値を速度信号として速度制御演算部１２に与えた後、水車発電機の停止動作など保護制御に移行するので、調速機の制御に悪影響を与えることがない。
【００４３】
本発明が解決する問題は、水車発電機の振動に起因して発生するものであり、根本的には各部の剛性をあげる必要がある。しかし、多大な費用がかかる。一方、本現象を放置すると安定した負荷供給が不可能であると共に機器の寿命を縮めることにもなる。本発明は調速機に機能を追加するだけで安定した負荷運転制御をおこなうおとが可能となるため、コスト低減効果も期待できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、回転速度信号に重畳されている高周波信号の大きさに応じて選択された高周波雑音信号除去回路を経由した信号に基づいて調速機の制御をおこなうので、水車発電機の剛性不足による回転速度信号の多少の乱れにも安定した制御をおこなうことができる。また、水車発電機の剛性改善などが不要であるため全体としてのコスト低減も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例で、回転速度信号取り込み部、切換え部のブロック構成図である。
【図２】本発明の他の実施例で、マイコンで切換制御を行なう場合のブロック図である。
【図３】図２におけるマイコン処理フロー図を示している。
【図４】図２におけるマイコン処理のうち、回転速度信号喪失そしてタイマー処理のフロー図である。
【図５】進み補償回路を用いた例を示す図である。
【図６】従来における一般的な水力発電所の制御ブロック図である。
【符号の説明】
１；回転速度信号２；第一の一次遅れ要素３；第二の一次遅れ要素４；回転速度信号喪失検出５；回転速度信号選択条件６；切換部７；切換部
８；切換部９；タイマー１０；切換部１１；設定値１２；速度制御演算部１３；出力１４；出力１５；出力１６；出力１７；出力１８；出力１９；出力２０；出力２１；一次進み要素３１；水車発電機３２；負荷３３；水車発電機出力３４；回転速度３５；回転速度信号検出装置
３６；調速機３７；目標速度３８；垂下率出力３９；制御目標値演算部
４０；制御目標値４１；偏差４２；増幅部４３；制御指令値４４；配圧弁４５；出力４６；実際の開度４７；サーボモータ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a speed governor for a water turbine generator in a hydroelectric power plant, and more particularly to a rotational speed input method and apparatus for the speed governor.
[0002]
[Prior art]
The generator output of the hydroelectric power plant is connected to the power system, and the generators connected in parallel must be synchronized with each other. Therefore, after starting the turbine generator, an operation to synchronize with the frequency of the power system is required. And after connection to an electric power grid | system, it is necessary to synchronize with the other generator connected in parallel. A speed governor is installed for these purposes.
[0003]
FIG. 6 shows a configuration example of the speed control system of the hydroelectric power plant. A deviation 34 between the output 33 of the turbine generator 31 and the signal of the load 32 appears as a change in the rotational speed of the turbine generator. If there is no deviation, the current rotational speed is maintained. The rotation speed signal 1 of the turbine generator detected by the rotation speed detector 35 that outputs a signal proportional to the rotation speed of the turbine generator is taken into the governor 36. The speed control calculation unit 12 calculates a deviation from the rotation speed signal 1 of the turbine generator, the signal of the target speed setting unit 37, and the speed droop rate output signal 38, and then the control target value calculation unit 39 sets the control target value 40. Calculated.
[0004]
On the other hand, the stroke of the servo motor 47 is taken into the speed governor 36 as the servo motor actual opening signal 46. A deviation 41 between the calculated control target value 40 and the servomotor actual opening signal 46 is calculated, and is output to the pressure distribution valve 44 as a control command value 43 through the amplifier 42. An output signal 45 from the pressure distribution valve 44 drives a servo motor 47. The opening of the guide vane is controlled by the operation of the servo motor 47, the amount of water flowing into the turbine is controlled, and the output 33 of the turbine generator 31 is controlled. Accordingly, the rotational speed signal 1 of the turbine generator affects the output 33 of the turbine generator 31.
[0005]
Since the rotational speed signal detection device 35 is normally attached to the turbine generator 31, the shaft runout or vibration of the turbine generator 31 affects the rotational speed signal 1 of the turbine generator.
[0006]
Here, since the shaft vibration frequency is higher than the rotational speed of the water turbine generator, if there is shaft vibration or vibration of the water turbine generator 31, high frequency noise is superimposed on the rotational speed signal 1 of the water turbine generator. Therefore, the rotational speed detection device 35 outputs the rotational speed signal 1 as if the water turbine generator is operated at a rotational speed accompanied by a high-frequency tick.
[0007]
Since the speed governor 36 responds faithfully to the rotational speed signal 1 of the water turbine generator, the control target value calculation unit 39 also outputs a calculation result in response to noise, and the servo motor 47 causes a hunting phenomenon, thereby adjusting the speed. Not only the speed machine 36 but also the life of the water turbine generator 31 and other peripheral devices can be shortened.
[0008]
If the turbine generator rotation speed signal 1 is lost for some reason, such as a malfunction of the rotation speed detector 35, the speed governor 36 determines that the rotation speed of the turbine generator 31 is extremely low and the output is insufficient. Then, in order to increase the rotation speed of the turbine generator and increase the output 33, the servo motor 47 is suddenly opened. Thus, conventionally, a speed governor that does not have countermeasures for the rotation of the rotational speed signal or the loss of the speed signal has been used.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The above prior art does not consider the possibility of noise being superimposed on the rotation speed signal of the turbine generator, so the speed governor responds to the noise, which may result in damage to the equipment. There are problems such as shortening the service life. There are also the following problems before and after parallel connection to the grid.
[0010]
Before paralleling the power system: There is a risk that the turbine generator rotational speed 1 increases to an unrestrained speed and the turbine and generator are damaged.
[0011]
After paralleling the power system; the turbine generator output 33 suddenly increases, and there is a risk that the generator will burn the generator due to overcurrent.
[0012]
In the above case, the governor control system is an example of hydraulic control, but these problems are the same in a control system that employs an electric servo motor.
[0013]
Furthermore, the same phenomenon occurs when electrical noise enters the rotational speed signal 1 of the water turbine generator input from the rotational speed detection device 35 to the governor 36. Therefore, in order to prevent the intrusion of noise into the rotation speed signal of the turbine generator, measures to increase the rigidity of the rotating part and the fixed part of the turbine generator and greatly increase the natural frequency of the machine part are necessary. is there. In addition, it is necessary to consider the wiring shielding and wiring laying route that can completely prevent the intrusion of noise. However, there are problems that both require a lot of cost and time.
[0014]
The present invention pays attention to the rotational speed signal of the turbine generator, and realizes and provides stable control at low cost without affecting the turbine generator and auxiliary equipment even if the speed signal includes noise. This is to protect the turbine and generator from damage when the rotational speed signal is lost. It is an object of the present invention to provide a rotational speed input method and apparatus in a speed governor in such a case.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The above problem can be solved by the following means.
The rotational speed of the water turbine generator is detected, and a predetermined output signal is selected from a plurality of noise elimination circuits according to the high frequency signal accompanying the shaft vibration of the water turbine generator included in the rotational speed signal. Selecting whether the selected signal is an input signal or a rotation speed signal as a direct input signal according to the operation condition of the water turbine generator, and the selected signal is a rotation speed signal of the governor It can be solved by inputting as.
[0016]
The noise removal circuit is composed of a plurality of first-order lag elements, one output signal of the first-order lag elements is selected as the rotation speed signal, and the selected signal is input to the governor. Further, a primary advance element is provided as a compensation element for the delay element after the primary delay element, and an output signal of the advance element is used as the rotational speed signal. When the loss of the rotation speed signal is detected, the rotation speed signal immediately before is detected and used as a rotation speed signal. When the rotation speed signal is not obtained even after a predetermined time has elapsed, the rotation speed signal is set to a predetermined value. This can be solved by setting a fixed value and shifting to the stop control of the water turbine generator.
[0017]
In a speed governor for controlling the rotational speed of a hydroelectric generator, a plurality of noise removal circuits having a rotational speed signal by a rotational speed detection means of the turbine generator as an input signal, and a magnitude of a high-frequency component included in the rotational speed signal A selection for selecting whether the output signal of the noise removal circuit selected according to the input signal is an input signal or whether the rotational speed signal is directly input to the governor according to the operation condition of the turbine generator It is possible to solve the problem by a rotation speed input device that includes a switching means and that uses the selected and switched signal as an input signal of the governor.
[0018]
Further, the means for detecting the loss of the rotation speed signal, the means for holding the rotation speed signal immediately before the loss of the rotation speed signal is detected by the means, and the time point when the loss of the rotation speed signal is detected. This can be solved by a rotational speed input device that includes a timer that counts the elapsed time and switching means that switches the rotational speed signal to a preset value when a predetermined time has elapsed by the timer.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The rotation speed change period during normal operation of the turbine generator is generally about several tens of seconds. On the other hand, the shaft vibration of the water turbine generator and the noise caused by the vibration are as high as tens of Hz. In the present invention, a noise removal circuit is provided for the rotation signal on which such a noise signal is superimposed, and the output signal is used as a rotation speed signal. Here, a first-order lag element is used as the noise removal circuit. When the frequency of the first-order lag element is equal to or higher than the break point, the gain decreases at 20 db / dec with respect to the input. Therefore, by adding a first-order lag element with a time constant such that the break point of the frequency response characteristic is several Hz, the rotational speed signal can be output with almost no noise caused by shaft vibration or vibration of the turbine generator. Since the speed governor can control only the actual rotational speed of the water turbine generator, stable control can be realized.
[0020]
On the other hand, the phase characteristics of the first-order lag element are delayed before the breakpoint.For example, when controlling the needle when the system is parallel to a Pelton turbine, or when an agile response is required, use the first-order lag element. It may be harmful to driving. For these, if a speed signal selection means capable of selecting use / exclusion of the first-order lag element is provided, it is possible to select a response characteristic required in accordance with the operation. Furthermore, if a primary advance element is provided after the primary delay element and the phase delay of the primary delay element is compensated, control with response characteristics required for operation becomes possible. The output signal of the first-order lag element is selectively used, including inputting the rotational speed signal directly to the governor, depending on the operating condition required for the turbine generator.
[0021]
In addition to the first-order lag element described above, the turbine generator can be protected by adding another second-order lag element having a relatively large delay time. As described above, the speed governor is controlled by the rotational speed signal detected by the rotational speed signal detection device attached to the water turbine generator, but the rotational speed signal may be lost due to some factor. In this case, since the speed governor issues a command to the servo motor to open the guide blade opening more, there is a fear that the rotation of the water turbine generator will rise more than necessary, causing the water turbine generator to be damaged.
[0022]
The second primary delay element follows the rotational speed signal with a certain time constant. Accordingly, the output signal of the second first-order lag element does not immediately disappear even if the input signal is suddenly lost such as the loss of the rotation speed signal. The rotational speed signal 1 input to the governor is constantly monitored, and when the rotational speed signal is lost, the rotational speed signal output to the control target calculation unit of the governor is output from the second primary delay element. Simultaneously with the switching, the output of the second first-order lag element is self-maintained so that the rotational speed signal does not fluctuate. The opening degree by the servo motor can maintain the current value, and the output fluctuation of the turbine generator can be suppressed.
[0023]
The rotational speed signal may contain noise as described in the purpose of installing the first first-order lag element. Since noise is a recoverable incident phenomenon, whether or not it is a recoverable incident phenomenon by setting a confirmation timer so as not to switch to the output of the second primary delay element in response to the noise, that is, It shall be determined whether there is a serious failure that requires the turbine generator to be protected.
[0024]
If the rotation speed signal continues to be lost even after the confirmation timer has elapsed, it is determined that the rotation speed signal cannot be recovered. As a result, the water turbine generator is protected in a safe direction gently (in some cases, immediately).
[0025]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In this case, a first-order lag element is used as the noise removal circuit. In FIG. 1, the rotational speed signal 1 detected by the rotational speed signal detector 35 attached to the water turbine generator is taken into the first primary delay element 2. The first primary delay element 2 sets a time constant with a gain K1 so that the break point is several Hz. The first-order lag element has a gain that decreases at 20 db / dec with respect to the input of the frequency above the breakpoint, so it is about several tens of Hz due to shaft vibration, vibration, etc. Since noise is output with a reduced gain, the output signal 13 of the first primary delay element 2 is a rotational speed signal in a state in which high-frequency noise is almost cut.
[0026]
As a result, a rotational speed signal with less noise can be input to the speed control calculation unit 12 and stable control can be performed. The same effect can be obtained by using a circuit (such as a low-pass active filter) that removes high-frequency noise instead of the first primary delay element 2.
[0027]
Since the first primary delay element 2 has a time constant, the output 13 has a time delay. Therefore, when agile responsiveness is required, it is necessary to input the rotational speed signal 1 directly to the speed control calculation unit 12. Therefore, the switching unit 6 switches the rotation speed signal 1 and the output 13 from the first primary delay element 2. Switching between the rotational speed signal 1 and the output signal 13 from the first primary delay element 2 is performed by the rotational speed signal selection means 5.
[0028]
The rotation speed signal selection means 5 is set according to the purpose of operation. For example, when it is desired to make an agile movement before paralleling the power system and to make a stable movement after paralleling the power system, the rotation speed signal selection means 5 may use an ON / OFF signal of a parallel breaker.
[0029]
In addition, if the primary advance element 21 that can set the phase advance at K3 is provided downstream of the first primary delay element 2 as shown in FIG. 5, the time delay of the output 13 can be eliminated.
[0030]
On the other hand, the rotational speed signal 1 is input to the rotational speed signal loss detection unit 4. When it is detected that the rotational speed signal is lost, the output signal 16 is output and input to the timer 9.
[0031]
Since the output 16 may also be output due to noise included in the rotation speed signal 1, if the rotation speed signal loss state set in advance by the timer 9 continues, the rotation speed signal is surely lost. And output 19d. For the second primary delay element 3, a time constant is set by the gain K2.
[0032]
Normally, the output 14 from the second primary delay element 3 is output as an output signal 18 as it is, but when the rotational speed signal is lost, the output signal 18 is self-generated by the output signal 19b from the rotational speed signal loss detection 4. Hold. At the same time, the switching unit 8 switches the output signal 15 from the switching unit 6 to the signal 18. It confirms the output 18 which is a stable and constant signal due to self-holding by the signal 19b, and the signal 18 is output as 17 as the output signal of the switching unit 8.
[0033]
Since the self-holding signal 17 is input to the speed control calculation unit 12, a rapid speed change is not given. Thereby, a sudden change in the servo motor opening can be prevented. Further, if the rotation speed signal is lost for a certain period of time, it is impossible to continue the control any more. Therefore, the output signal 20 is switched to the signal of the set value 11 by the output signal 19d and fixed to the speed control calculation unit 12. The value is input, and the water turbine generator is protected in a safe direction.
[0034]
Next, another embodiment of the present invention will be described. In FIG. 1, 50 can be constituted by a microcomputer (μ-com) or the like. For example, as shown in FIG. 2A, the rotation speed signal 1 is taken in, the signal is processed and judged, and a switching control signal (19a to 19d) is output to perform switching control. FIG. 2B shows a case where a plurality of first-order lag elements are provided in FIG. The first-order lag element 2b is the same as 2 in FIG. 1, but on the basis of this, three temporary delay elements including 2a or 2c are provided, and switching control is performed according to the magnitude of the high-frequency component accompanying shaft vibration or the like. Can do.
[0035]
The signals 13a to 13c are selected according to a predetermined condition. Even when an agile response is required, stable control may be achieved by selecting the signal 13a, for example, rather than inputting the rotation speed signal directly to the speed control calculation unit. Although it depends on the setting of the first-order lag element 2a, even if an agile response is required, the rotational speed signal can be directly input only when the high-frequency component is small.
[0036]
FIG. 3 shows an example of the processing flow. In step 102, the rotational speed signal 1 is captured. In step 104, it is determined whether an agility response is requested. If an agility response is requested, the rotation speed signal 1 is selected in step 112 without going through a first-order lag element. Further, the signal 13a is selected depending on the level of the agile response or the magnitude of the high frequency component. In addition, as shown in step 106, since an agile response is generally required before connection to the system, signal 1 or 13a is selected as the rotation speed signal in step 112. When the high frequency is not superimposed on the rotational speed signal, that is, when the shaft vibration is relatively small, the rotational speed signal 1 is selected, and when the high frequency component is included to some extent, the signal 13a is selected. .
[0037]
In step 108, the rotational speed signal is analyzed to determine the ratios F1 to F3 of the predetermined high frequencies f1 to f3 (f1 <f2 <f3) in the rotational speed signal. In step 110, a signal is selected according to a predetermined condition. For example, when F3 is larger than F1 or F2, since a relatively high frequency signal is included, the signal 13a is selected. Further, when many signals having a relatively low frequency are included, F1 is larger than F2 or F3, and the signal 13c is selected. In this way, an optimal first-order lag element can be selected from a plurality of provided first-order lag elements depending on the magnitude of the high-frequency component.
[0038]
The selection switching signal 19a can be selected as described above. These signal selections correspond to the speed signal selection condition 5 in FIG. When signal 1 is selected, signal 13a is selected when the influence of high frequency is expected. These selection logics may be determined in advance. Various settings such as setting the gain of the first-order lag element 2a to 0.3K1, etc. are conceivable based on K1, and can be determined according to the status of the device.
[0039]
FIG. 4 shows a processing flow corresponding to the speed signal loss detection 4 of FIG. In step 120, it is checked whether or not the rotational speed signal is captured. For example, it is checked whether a predetermined number of pulses are taken in per unit time. If the number of pulses to be input is lost or extremely decreased, it is determined that the rotation speed signal is lost. In step 122, the timer circuit is activated. On the other hand, a signal 19b for switching the first-order lag element 7 to self-holding is output. In step 124, the self-holding is confirmed, and a switching signal 19c is output. This becomes a switching signal of the switching unit 8 in FIG.
[0040]
If a predetermined time has elapsed since the timer was started (rotation speed signal lost time continues for a predetermined time), it is determined that the rotation speed signal has been interrupted for some reason, and a switch 19d to the switching unit 10 is output. The switching signal 19d is switched from the signal 17 to the set value 11. That is, the signal 20 gives a predetermined fixed value (pseudo signal) to the speed control calculation unit 12. In step 127, it is determined whether or not the loss of the rotation speed signal 1 is instantaneous and the timer 9 is restored before a predetermined time has elapsed, and if it is restored, the timer 9 is reset or the self-holding signal 18 is canceled. .
[0041]
FIG. 5 shows an example in which a lead compensation circuit 21 for the first-order lag circuit is provided. In FIG. 2, it is provided in the subsequent stage of 2b. In FIG. 2B, the compensation circuit is often provided at the subsequent stage of 2b and 2c. The temporary delay element 2a is a first-order delay element that does not need to be compensated by the advance circuit, and in many cases, no compensation circuit is provided.
[0042]
As described above, the present invention is to always select the optimal first-order lag element according to the magnitude of the high-frequency component caused by the shaft vibration or the like included in the rotation speed signal. Therefore, the signal input to the speed control calculation unit as the governor rotation speed signal can perform stable speed control without disturbing the control system of the governor. Even when the rotation speed signal is lost, the rotation signal at that time is held by the self-holding circuit and input to the speed control calculation unit to perform speed control, so that the valve opening is not changed abruptly. Further, after the predetermined time has elapsed, the fixed set value is given as a speed signal to the speed control calculation unit 12 and then the control shifts to protection control such as a stop operation of the water turbine generator, so that the control of the governor is not adversely affected.
[0043]
The problem to be solved by the present invention is caused by vibration of the water turbine generator, and it is necessary to fundamentally increase the rigidity of each part. However, it is very expensive. On the other hand, if this phenomenon is left unattended, stable load supply is impossible and the life of the device is shortened. Since the present invention makes it possible to perform stable load operation control only by adding a function to the governor, a cost reduction effect can also be expected.
[0044]
【The invention's effect】
Since the present invention controls the governor based on the signal that has passed through the high-frequency noise signal removal circuit selected according to the magnitude of the high-frequency signal superimposed on the rotational speed signal, the rigidity of the water turbine generator is insufficient. Stable control can be performed even if there is a slight disturbance in the rotational speed signal. Moreover, since it is not necessary to improve the rigidity of the water turbine generator, a reduction in the overall cost can be expected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a rotation speed signal capturing unit and a switching unit in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram when switching control is performed by a microcomputer in another embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a microcomputer processing flow chart in FIG. 2;
4 is a flowchart of rotation speed signal loss and timer processing in the microcomputer processing in FIG. 2. FIG.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example using a lead compensation circuit.
FIG. 6 is a control block diagram of a conventional general hydroelectric power plant.
[Explanation of symbols]
1; rotational speed signal 2; first primary delay element 3; second primary delay element 4; rotational speed signal loss detection 5; rotational speed signal selection condition 6; switching unit 7; switching unit 8; switching unit 9; 10; switching unit 11; set value 12; speed control calculation unit 13; output 14; output 15; output 16; output 17; output 18; output 19; Load 33; turbine generator output 34; rotational speed 35; rotational speed signal detector 36; governor 37; target speed 38; droop rate output 39; control target value calculation unit 40; control target value 41; deviation 42; Part 43; control command value 44; pressure distribution valve 45; output 46; actual opening 47; servo motor.

Claims

It has a servo motor that operates and controls the guide vane opening to adjust the amount of water flowing into the turbine, and detects the turbine generator's rotational speed in the governor of the hydroelectric power station that controls the rotational speed of the turbine generator. And selecting a predetermined output signal from a plurality of noise elimination circuits according to a high frequency signal accompanying shaft vibration of the turbine generator included in the rotational speed signal, and inputting the selected signal. Whether to use a signal or a rotation speed signal as a direct input signal is selected according to the operation condition of the water turbine generator, and the selected signal is input as a rotation speed signal of the governor. A rotational speed input method for a governor.

2. The noise removal circuit according to claim 1, wherein the noise removal circuit includes a plurality of first-order lag elements, selects one output signal of the first-order lag elements as the rotation speed signal, and inputs the selected signal to the governor. A rotational speed input method for a speed governor.

The rotational speed input in the governor according to claim 2, wherein a primary advance element is provided as a compensation element for the delay element after the primary delay element, and an output signal of the advance element is used as the rotational speed signal. Method.

2. The rotation speed signal according to claim 1, wherein when the loss of the rotation speed signal is detected, the rotation speed signal immediately before being held is used as a rotation speed signal, and the rotation speed signal cannot be obtained even after a predetermined time has elapsed. Is set to a predetermined fixed value, and the process proceeds to stop control of the turbine generator.

A servo motor that controls the opening degree of the guide vane that adjusts the amount of water flowing into the water turbine, a rotational speed detection means of the water turbine generator, and a target speed setting unit, and controls the rotational speed of the hydraulic power generator A plurality of noise removal circuits having a rotation speed signal from the rotation speed detection means of the water turbine generator as an input signal, and the noise removal circuit selected according to the magnitude of the high frequency component included in the rotation speed signal Selection switching means for selecting according to the operation conditions of the turbine generator whether to use the output signal of the turbine as an input signal or the rotational speed signal as an input signal directly to the governor. A rotational speed input device in a speed governor, wherein a signal is an input signal of the speed governor.

6. The means for detecting the loss of the rotation speed signal, the means for holding the rotation speed signal immediately before the loss of the rotation speed signal is detected by the means, and the loss of the rotation speed signal are detected. And a switching means for switching the rotation speed signal to a predetermined set value when a predetermined time has elapsed by the timer, and the rotation in the governor Speed input device.

6. The rotational speed input in the governor according to claim 5, wherein the plurality of noise elimination circuits are configured with a first-order lag element, and a compensation circuit for compensating for a delay is provided at a subsequent stage of the first-order lag element. apparatus.