JP3913487B2

JP3913487B2 - Hydropower station speed control device and speed control method for hydropower station

Info

Publication number: JP3913487B2
Application number: JP2001081244A
Authority: JP
Inventors: 尚之羽田; 一徳岩渕; 康夫高木; 一典戸田; 懷夫杉下
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: JP2002276527A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電所の水車発電機の出力制御および回転速度制御を行う水力発電所調速制御装置と水力発電所の調速制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水力発電所の発電出力制御および周波数制御を行う調速制御装置は、発電所の出力を制御する出力指令装置と、水車発電機の調速制御を行う調速機制御装置とを中核として構成される。
【０００３】
図６はこのような水力発電所調速制御装置の構成を示す図である。出力指令装置２が各発電機に対する出力指令値を設定する。出力指令装置２によって設定された発電機に対する出力指令値は制御偏差出力器３にて制御偏差信号に変換され、調速機制御装置４に伝送される。
【０００４】
調速機制御装置４では、制御偏差出力器３から伝送された制御偏差信号と、水車発電機７から検出された回転速度信号ＤＷとを用いて制御出力信号を生成する。この調速機制御装置４の制御出力に従って調速機アクチュエータ５は水車流量を調整するガイドベーン６を開閉する。この水車流量の調整によって水車に発生するトルクが変化し、水車発電機７の出力制御および水車の調速制御が行われる。
【０００５】
ここで、調速機制御装置４の調速制御器４１には一般にＰＩＤ制御器が用いられており、このＰＩＤ制御器の制御特性を調整することで、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性および回転速度偏差の補償特性を変更することが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の水力発電所調速制御装置において、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性が向上するように調速制御器４１の特性を選択すると、制御偏差出力器３、調速機制御装置４、調速機アクチュエータ５および発電機出力のフィードバックとで構成される閉ループシステムの安定性や減衰特性が劣化しやすいという問題がある。特に小規模系統となるような場合には安定性を失いやすい。
【０００７】
また、制御偏差出力器３から調速機制御装置４への制御偏差信号の伝送系には遅れ特性３２が含まれることがあり、この遅れ特性３２による制御偏差信号の伝達遅延が生じると、調速制御器４１の調整だけでは発電機出力指令値に対する発電機出力の十分な追従特性が得られない場合がある。
【０００８】
さらに水力発電所では、負荷変動時など水路流量が変化する場合に、水流の慣性により水路で水流変動が持続する現象（サージング）が発生する。特に高落差・大容量の水力発電所では各水路における水流の慣性が大きい。そこでサージタンクを設置することによって、サージングによる水路内の圧力変動を低減することが行われているが、出力指令値によっては、水路流量変動とサージタンク水位変化とで共振が生じ、かえってサージングが拡大するという弊害がある。
【０００９】
また、このような水路固有の特性により発生するサージング現象の低減、あるいは水車流量を調整するガイドベーン開度に対して発電機出力が逆応答することの緩和を目的として、水力発電所調速制御装置では、調速制御器４１のゲインを下げる、あるいは制御偏差出力器３から調速機制御装置４への制御偏差信号の伝達を制限するなどの措置が採られることがある。しかし、このような措置を講じた場合、発電機出力指令に対する発電所出力の追従特性が悪化する。
【００１０】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、発電機出力指令値に対する発電所出力の追従特性に優れた水力発電所調速制御装置および調速制御方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の水力発電所調速制御装置は、発電機の出力指令値を設定する出力指令装置と、発電所にて、前記出力指令装置より出力された出力指令値と発電機の出力値とに基づき調速機の制御偏差信号を出力する制御偏差出力器と、この制御偏差出力器より出力された制御偏差信号と発電機の回転速度信号とに基づき調速機アクチュエータへの制御出力を演算する調速制御器とを備える水力発電所調速制御装置において、前記出力指令装置によって設定された発電機の出力指令値を前記調速制御器の制御出力に加算するフィードフォワード手段と、水路に設置した圧力センサおよび／または流量センサの検出値及び前記制御偏差出力器より出力された前記制御偏差信号に基づいて前記水路のモデルを用いてサージングタンク水位変動とその変化率を推定するソフトウェアセンサと、前記水路のサージングが所望の減衰を示すように前記水路の２次形式評価に基づく最適化手法、Ｈ２制御理論に基づく最適化手法またはＨ∞制御理論に基づく最適化手法により設計され、前記ソフトウェアセンサにより推定された前記サージタンク水位変動とその変化率の推定値を基に加算値を生成して出力する多変数制御器と、前記調速制御器より出力される前記制御出力と前記フィードフォワード手段より出力される前記出力指令値と前記多変数制御器より出力される前記加算値とを加算し、この加算結果を前記調速機アクチュエータへの制御出力とする加算器とを具備することを特徴とする。
【００１２】
第１の発明によれば、水流のサージングを効果的に抑制できるとともに、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性に優れた水力発電所調速制御装置を提供することができる。
【００１３】
第２の発明の水力発電所調速制御装置は、周波数偏差補償量を加算して発電機の出力指令値を設定する出力指令装置と、発電所にて、前記出力指令装置より出力された周波数偏差補償された出力指令値と発電機の出力値とに基づき調速機の制御偏差信号を出力する制御偏差出力器と、この制御偏差出力器より出力された制御偏差信号と発電機の回転速度信号とに基づき調速機アクチュエータへの制御出力を演算する調速制御器とを備える水力発電所調速制御装置において、前記出力指令装置によって設定された周波数偏差補償量の加算前の出力指令値を前記調速制御器の制御出力に加算するフィードフォワード手段と、水路に設置した圧力センサおよび／または流量センサの検出値及び前記制御偏差出力器より出力された前記制御偏差信号に基づいて前記水路のモデルを用いてサージングタンク水位変動とその変化率を推定するソフトウェアセンサと、前記水路のサージングが所望の減衰を示すように前記水路の２次形式評価に基づく最適化手法、Ｈ２制御理論に基づく最適化手法またはＨ∞制御理論に基づく最適化手法により設計され、前記ソフトウェアセンサにより推定された前記サージタンク水位変動とその変化率の推定値を基に加算値を生成して出力する多変数制御器と、前記調速制御器より出力される前記制御出力と前記フィードフォワード手段より出力される前記出力指令値と前記多変数制御器より出力される前記加算値とを加算し、この加算結果を前記調速機アクチュエータへの制御出力とする加算器とを具備することを特徴とする。
【００１４】
この第２の発明によれば、周波数偏差補償の影響を受けることなく安定した状態で発電機出力の追従特性を改善することができる。
【００１５】
また、第３の発明は、第１の発明または第２の発明の水力発電所調速制御装置に、出力指令装置から調速制御器に入力される出力指令値のフィードフォワード信号から水路固有の水圧サージング周波数帯域の信号を除去するための帯域除去手段を付加したものである。
【００１６】
この発明によれば、サージングを拡大することなく発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性の改善をはかることができる。
【００１７】
さらに、第４の発明は、第１の発明または第２の発明の水力発電所調速制御装置に、出力指令装置から調速制御器に入力される出力指令値のフィードフォワード信号から定常値信号を除去するための定常値信号除去手段を付加したものである。
【００１８】
この発明によれば、発電機出力指令値の定常値を除く変化のみの信号が調速機制御装置に伝達されることで、出力指令装置から調速機制御装置への出力指令値のフィードフォワード信号を遮断した場合において水力発電所の運転に与える影響を最小限にとどめることができる。
【００１９】
また、第５の発明は、第１の発明または第２の発明の水力発電所調速制御装置に、出力指令装置から調速制御器に入力される出力指令値のフィードフォワード信号の急変成分を緩和する急変緩和手段を付加したものである。
【００２０】
この発明によれば、発電機出力指令に対する発電所出力の逆応答を招くことなく、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性の改善をはかることができる。
【００２５】
また、上記目的を達成するために、第６の発明の水力発電所の調速制御方法は、発電所にて、出力指令装置によって設定された出力指令値と発電機の出力値とに基づき制御偏差出力器にて調速機の制御偏差信号を生成するプロセスと、前記制御偏差出力器より出力された制御偏差信号と発電機の回転速度信号とに基づき、調速制御器にて調速機アクチュエータへの制御出力を演算するプロセスとを有する水力発電所の調速制御方法において、前記出力指令装置によって設定された発電機の出力指令値を前記調速制御器の制御出力にフィードフォワードにより加算するプロセスと、ソフトウェアセンサにより、水路に設置した圧力センサおよび／または流量センサの検出値及び前記制御偏差出力器より出力された前記制御偏差信号に基づいて前記水路のモデルを用いてサージングタンク水位変動とその変化率を推定するプロセスと、前記水路のサージングが所望の減衰を示すように前記水路の２次形式評価に基づく最適化手法、Ｈ２制御理論に基づく最適化手法またはＨ∞制御理論に基づく最適化手法により設計された多変数制御器により、前記ソフトウェアセンサにより推定された前記サージタンク水位変動とその変化率の推定値を基に加算値を生成して出力するプロセスと、前記調速制御器より出力される前記制御出力と前記フィードフォワードにより加算するプロセスにより加算される前記出力指令値と前記多変数制御器より出力される前記加算値とを加算器により加算し、この加算結果を前記調速機アクチュエータへの制御出力とするプロセスとを有することを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、水流のサージングを効果的に抑制できるとともに、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性に優れた調速制御方法を提供することができる。
【００２７】
さらに、第７の発明の水力発電所の調速制御方法は、出力指令装置にて周波数偏差補償量を加算して発電機の出力指令値を設定するプロセスと、発電所にて、前記出力指令装置より出力された周波数偏差補償された出力指令値と発電機の出力値とに基づき制御偏差出力器にて調速機の制御偏差信号を生成するプロセスと、前記制御偏差出力器より出力された制御偏差信号と発電機の回転速度信号とに基づき、調速制御器にて調速機アクチュエータへの制御出力を演算するプロセスとを有する水力発電所の調速制御方法において、前記出力指令装置によって設定された周波数偏差補償量の加算前の出力指令値を前記調速制御器の制御出力にフィードフォワードにより加算するプロセスと、ソフトウェアセンサにより、水路に設置した圧力センサおよび／または流量センサの検出値及び前記制御偏差出力器より出力された前記制御偏差信号に基づいて前記水路のモデルを用いてサージングタンク水位変動とその変化率を推定するプロセスと、前記水路のサージングが所望の減衰を示すように前記水路の２次形式評価に基づく最適化手法、Ｈ２制御理論に基づく最適化手法またはＨ∞制御理論に基づく最適化手法により設計された多変数制御器により、前記ソフトウェアセンサにより推定された前記サージタンク水位変動とその変化率の推定値を基に加算値を生成して出力するプロセスと、前記調速制御器より出力される前記制御出力と前記フィードフォワードにより加算するプロセスにより加算される前記出力指令値と前記多変数制御器より出力される前記加算値とを加算器により加算し、この加算結果を前記調速機アクチュエータへの制御出力とするプロセスとを有することを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、周波数偏差補償の影響を受けることなく安定した状態で発電機出力の追従特性を改善することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３０】
図１に、本発明に対して参考とされる実施形態である水力発電所調速制御装置の構成を示す。
【００３１】
同図において、制御偏差出力器３は、出力指令装置２から出力された発電機出力指令値と発電機出力値Ｐとから調速機制御装置４に対する制御偏差信号を生成する加算器３１を備える。また、出力指令装置２から出力された発電機出力指令値は、調速機制御装置４にフィードフォワード信号ＦＦとして送られるようになっている。
【００３２】
調速機制御装置４は、制御偏差出力器３より出力された制御偏差信号と水車発電機７の回転速度信号ＤＷとを加算器４０にて加算した信号から調速機アクチュエータ５への制御出力信号を生成するＰＩＤ制御器からなる調速制御器４１と、この調速制御器４１により生成された制御出力信号と制御偏差出力器３から伝達された発電機出力指令値のフィードフォワード信号ＦＦとを加算する加算器４２を備える。加算器４２の加算結果は調速機制御装置４の制御出力として調速機アクチュエータ５に出力される。
【００３３】
調速機アクチュエータ５は、この調速機制御装置４の制御出力に従って水車流量を調整するガイドベーン６を開閉する。このガイドベーン６の開閉による水車流量の調整により水車発電機７の水車に発生するトルクが変化し、水車発電機７の出力制御および水車の調速制御が行われるようになっている。
【００３４】
次に、この実施形態の水力発電所調速制御装置の動作を説明する。
【００３５】
図１において、制御偏差出力器３では、出力指令装置２から出力された電機出力指令値と発電機出力Ｐとの差分から調速機制御装置４に対する制御偏差信号が生成され、この制御偏差信号が調速機制御装置４に伝達される。
【００３６】
調速機制御装置４では、制御偏差信号と水車発電機７の回転速度信号ＤＷとから調速機アクチュエータ５への制御出力信号が生成されるわけであるが、ここで、制御出力信号には出力指令装置２で生成された発電機出力指令値のフィードフォワード信号ＦＦが加算器４２で加算され、その加算結果が調速機アクチュエータ５へ出力される。すなわち、発電機出力指令値の変化をフィードフォワードにより調速機制御装置４の制御出力に反映させることによって、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性を向上させている。
【００３７】
フィードフォワード信号ＦＦの伝送路にはフィルタ４３が介在している。このフィルタ４３には、たとえば、水路のサージングを励起しないようにする水路サージング帯域の信号を遮断する帯域遮断フィルタ、定常値信号を除去するフィルタ、発電機出力指令値の変化の立ち上がりを緩やかにして、発電機出力の逆応答を緩和するローパスフィルタなどが用いられる。もちろん、これらのフィルタは複数組み合わせて使用してよい。
【００３８】
以上のように、本実施形態によれば、発電機出力指令値の変化をフィードフォワードにより調速機制御装置４の制御出力に反映させることによって、制御偏差出力器３、調速機制御装置４、調速機アクチュエータ５、および発電機出力値Ｐのフィードバックで構成される閉ループシステムの特性を変えることなく、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性を改善することができる。
【００３９】
さらに、発電機出力指令値のフィードフォワード信号ＦＦは、制御偏差出力器３から調速機制御装置４への、遅れ特性（伝達特性）３２を含んだ制御偏差信号伝送系を通ることなく調速機制御装置４に伝達されるので、この点からも発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性を向上させることができる。
【００４０】
また、本実施形態においては、発電機出力指令値のフィードフォワード信号ＦＦからフィルタ４３で水路サージング帯域の信号を除去することによって、サージングを低減することができ、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性を向上させることができる。
【００４１】
さらに、本実施形態においては、フィードフォワード伝送路に介挿されるフィルタ４３の選択によって、発電機出力指令値のフィードフォワード信号ＦＦから定常値信号を除去することができるとともに、同様にフィルタ４３の選択によって、発電機出力指令値の変化の立ち上がりを緩やかして発電機出力指令値に対する発電機出力の逆応答を緩和することができるため、追従特性の改善による弊害を防ぐことができる。
【００４２】
また、本実施形態の水力発電所調速制御装置は、既存の制御システムへの新たな要素・機能の追加だけで、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性を改善することが可能であるという利点を有する。
【００４３】
なお、本実施形態では、調速制御器４１より出力された制御出力信号と発電機出力指令値のフィードフォワード信号ＦＦとを加算したものを調速機制御装置４の制御出力として調速機アクチュエータ５に出力するように構成したが、図２に示すように、調速制御器４１の入力信号に発電機出力指令値のフィードフォワード信号ＦＦを加算することによっても同様の機能を実現できる。
【００４４】
次に、本発明に対して参考とされる実施形態について説明する。
【００４５】
図３は本発明に対して参考とされる実施形態である水力発電所調速制御装置の構成を示す図である。同図に示すように、この水力発電所調速制御装置は、出力指令装置２に、周波数偏差補償前の発電所出力指令値を各発電所に配分する第２の出力指令値配分処理部２４を備える。この第２の出力指令値配分処理部２４によって配分された周波数偏差未補償の発電所出力指令値は調速制御器４１の制御出力にフィードフォワード信号ＦＦとして加算される。あるいは、調速制御器４１の入力信号に加算される。
【００４６】
本実施形態の水力発電所調速制御装置によれば、周波数偏差補償の影響を受けることなく安定した状態で発電機出力の追従特性を改善することができる。
【００４７】
次に、本発明に係る実施形態について説明する。
【００４８】
図４は本発明に係る実施形態である水力発電所調速制御装置の構成を示す図である。同図に示すように、この水力発電所調速制御装置の調速機制御装置４には、水路のモデルを用いてサージタンク水位変動とその変化率を推定するソフトウェアセンサ４４と、多変数制御器４５とが設けられている。多変数制御器４５は、水位変動値の２乗積分を含む２次形式評価関数を最小化するように設計された最適レギュレータ、あるいはＨ２制御理論もしくはＨ∞制御理論に基づく最適化の手法を用いて設計されたものである。
【００４９】
ソフトウェアセンサ４４には、制御偏差とともに、水路に設置された圧力センサおよび／または流量センサの計測信号ＳＮが入力される。これによりサージング現象の可観測性が向上し、ソフトウェアセンサ４４による水路のサージング現象の推定精度が向上する。
【００５０】
多変数制御器４５は、水流のサージングが所望の減衰を示すよう上記最適化法により設計されたもので、ソフトウェアセンサ４４により得られたサージタンク水位変動とその変化率の推定結果から、調速制御器４１の出力である調速機アクチュエータ５に対する制御出力への最適な加算値を生成する。
【００５１】
以上のアドバンスト制御を調速制御器４１に付加することによりサージタンクの水位変動の抑制を図ることができる。
【００５２】
なお、本実施形態においても、発電機出力指令値が調速制御器４１の制御出力に加算されるので、万が一調速制御器４１および多変数制御器４５により望ましい追従特性が得られなくても、発電機出力指令値を調速制御器４１の出力に加算して出力追従性を改善することができる。
【００５３】
多変数制御器４５の設計に水位変動値の２乗積分を含む２次形式評価関数を最小化する手法を用いる場合、多変数制御器４５は以下のように構成される。
はじめに式(1) 、(2)の形式で制御対象を記述する。
【００５４】
x(t) = Ax(t) + Bu(t) …(1)
y(t) = Cx(t) …(2)
ここで、x(t) は制御対象の状態変数であり、その状態の１つにサージタンク水位変化が含まれている。u(t) は制御器からの制御信号であり、y(t) は制御偏差信号および圧力センサ測定信号である。
【００５５】
ソフトウェアセンサ４４は次式で構成される。圧力センサ測定信号を用いてソフトウェアセンサの性能を保持する。
【数１】

【００５６】
一方、式(1) の状態方程式に対し式(4) の２次形式評価関数を用いて、最適な制御入力を得る制御器を求める。このとき多変数制御器４５の制御信号u(t) は式(5) で得られる。正定行列S は式(6) の方程式から得られる。
【数２】

【００５７】
次に、本発明に対して参考とされる実施形態について説明する。
【００５８】
図５は本発明に対して参考とされる実施形態である水力発電所調速制御装置の構成を示す図である。
【００５９】
同図に示すように、この水力発電所調速制御装置の調速機制御装置４には、水路のモデルを用いてサージタンク水位変動とその変化率を推定するソフトウェアセンサ４４と、多変数制御器４７とが設けられている。
【００６０】
ここで、多変数制御器４７は、出力指令装置２の出力指令値が所望の追従性を示しかつ水流のサージングが所望の減衰を示すように、水位変動値の２乗積分を含む２次形式評価関数を最小化するように設計された最適レギュレータ、あるいはＨ２制御理論もしくはＨ∞制御理論に基づく最適化の手法により設計されたものであり、ソフトウェアセンサ４４により得られたサージタンク水位変動とその変化率の推定結果から、調速機アクチュエータ５への最適な制御出力を生成する。
【００６１】
これにより、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性に優れた水力発電所調速制御装置を従来のＰＩＤ制御器を用いずに実現することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水流のサージングを効果的に抑制できるとともに、発電機出力指令値に対する発電機出力の追従特性に優れた水力発電所調速制御装置および調速制御方法を提供することができる。
【００６３】
また、本発明によれば、周波数偏差補償の影響を受けることなく安定して発電機出力の追従特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に対して参考とされる実施形態である水力発電所調速制御装置の構成を示す図である。
【図２】本発明に対して参考とされる実施形態である水力発電所調速制御装置の変形例を示す図である。
【図３】本発明に対して参考とされる実施形態である水力発電所調速制御装置の構成を示す図である。
【図４】本発明に係る実施形態である水力発電所調速制御装置の構成を示す図である。
【図５】本発明に対して参考とされる実施形態である水力発電所調速制御装置の構成を示す図である。
【図６】従来の水力発電所調速制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・給電指令所２・・・・出力指令装置３・・・・制御偏差出力器４・・・・調速機制御装置５・・・・調速機アクチュエータ６・・・・ガイドベーン７・・・・水車発電機２０・・・・指令値処理部２１・・・・周波数偏差補償演算部２２・・・・加算器２３・・・・出力指令値配分処理部２４・・・・出力指令値配分処理部３１・・・・演算部３２・・・・遅れ特性４０・・・・加算器４１・・・・調速制御器４２・・・・加算器４３・・・・フィルタ４４・・・・ソフトウェアセンサ４５，４７・・・・多変数制御器ＤＷ・・・・発電機の回転速度信号ＦＦ・・・・発電機出力指令値のフィードフォワード信号Ｐ・・・・発電機出力ＳＮ・・・・計測信号。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydropower station speed control device that performs output control and rotational speed control of a hydroelectric generator of a hydropower station, and a speed control method of the hydropower station.
[0002]
[Prior art]
Generally, a speed control device that performs power generation output control and frequency control of a hydroelectric power plant has an output command device that controls the output of the power plant and a speed governor control device that performs speed control of the turbine generator as the core. Composed.
[0003]
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of such a hydropower station speed control device. The output command device 2 sets an output command value for each generator. The output command value for the generator set by the output command device 2 is converted into a control deviation signal by the control deviation output device 3 and transmitted to the governor control device 4.
[0004]
The governor control device 4 generates a control output signal using the control deviation signal transmitted from the control deviation output device 3 and the rotational speed signal DW detected from the water turbine generator 7. The governor actuator 5 opens and closes the guide vane 6 that adjusts the flow rate of the water turbine according to the control output of the governor control device 4. The torque generated in the turbine is changed by adjusting the turbine flow rate, and output control of the turbine generator 7 and speed control of the turbine are performed.
[0005]
Here, a PID controller is generally used as the speed governing controller 41 of the speed governor control device 4. By adjusting the control characteristics of the PID controller, the generator output relative to the generator output command value is adjusted. It is possible to change the following characteristic and the compensation characteristic for the rotational speed deviation.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this conventional hydropower station speed control device, when the characteristics of the speed control controller 41 are selected so that the follow-up characteristics of the generator output with respect to the generator output command value are improved, the control deviation output device 3, the speed control There is a problem that the stability and the damping characteristic of the closed loop system constituted by the machine control device 4, the governor actuator 5, and the feedback of the generator output are likely to deteriorate. In particular, in the case of a small-scale system, stability is easily lost.
[0007]
In addition, the transmission system of the control deviation signal from the control deviation output device 3 to the governor control device 4 may include a delay characteristic 32. When a delay in transmission of the control deviation signal due to the delay characteristic 32 occurs, the control deviation signal 32 is adjusted. Only the adjustment of the speed controller 41 may not provide sufficient follow-up characteristics of the generator output with respect to the generator output command value.
[0008]
Furthermore, in a hydroelectric power plant, when the flow rate of the channel changes, such as when the load changes, a phenomenon (surging) in which the water flow variation continues in the channel due to the inertia of the water flow occurs. Especially in high head / high capacity hydropower plants, the water flow inertia in each channel is large. Therefore, by installing a surge tank, the pressure fluctuation in the water channel due to surging is reduced, but depending on the output command value, resonance occurs between the water flow rate fluctuation and the surge tank water level change. There is a harmful effect of expanding.
[0009]
Hydropower plant governing control is also aimed at reducing the surging phenomenon caused by such characteristics unique to waterways or mitigating the reverse response of the generator output to the guide vane opening that adjusts the turbine flow rate. In the apparatus, measures such as lowering the gain of the speed control controller 41 or limiting the transmission of the control deviation signal from the control deviation output device 3 to the speed governor control device 4 may be taken. However, when such measures are taken, the follow-up characteristics of the power plant output with respect to the generator output command are deteriorated.
[0010]
The present invention has been made to solve such a problem, and the object of the present invention is to provide a hydraulic power plant speed control device and speed control with excellent power plant output tracking characteristics with respect to a generator output command value. It is to provide a method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a hydraulic power plant governing control device according to a first invention includes an output command device for setting an output command value of a generator, and an output output from the output command device at the power plant. A control deviation output device that outputs a control deviation signal of the governor based on the command value and the output value of the generator, and an adjustment based on the control deviation signal output from the control deviation output device and the rotation speed signal of the generator. In a hydraulic power plant speed control device including a speed control controller that calculates a control output to a speed gear actuator, an output command value of the generator set by the output command device is used as a control output of the speed control controller. Based on the feed forward means to add, the detected value of the pressure sensor and / or the flow sensor installed in the water channel, and the control deviation signal output from the control deviation output device, a surge is generated using the water channel model. A software sensor that estimates the Gtank water level fluctuation and its rate of change, and an optimization method based on a quadratic form evaluation of the water channel, an optimization method based on H2 control theory, or H∞ so that the surging of the water channel exhibits a desired attenuation A multivariable controller that generates and outputs an added value based on an estimated value of the surge tank water level fluctuation and its rate of change, which is designed by an optimization method based on a control theory and estimated by the software sensor, and the speed control adding said sum value output from the output command value output the control output that is output from the controller and from said feedforward means and the multivariable controller, the addition result to the governor actuator And an adder serving as a control output.
[0012]
According to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a hydropower station speed control device that can effectively suppress surging of water flow and has excellent follow-up characteristics of a generator output with respect to a generator output command value.
[0013]
The hydroelectric power plant speed control device of the second invention includes an output command device that sets an output command value of the generator by adding a frequency deviation compensation amount, and a frequency output from the output command device at the power plant. A control deviation output device that outputs a control deviation signal of the governor based on the output command value compensated for deviation and the output value of the generator, the control deviation signal output from the control deviation output device, and the rotational speed of the generator Output control value before addition of the frequency deviation compensation amount set by the output command device, in the hydraulic power plant speed control device including a speed control controller that calculates a control output to the speed governor actuator based on the signal To the control output of the speed controller, the detected value of the pressure sensor and / or the flow sensor installed in the water channel, and the control deviation signal output from the control deviation output device. And a software sensor for estimating the surging tank water level fluctuation and its rate of change using the model of the water channel, and an optimization method based on the secondary form evaluation of the water channel so that the surging of the water channel exhibits a desired attenuation, H2 Designed by an optimization method based on the control theory or an optimization method based on the H∞ control theory, generates and outputs an addition value based on the estimated value of the surge tank water level fluctuation and its rate of change estimated by the software sensor The multi-variable controller, the control output output from the speed controller, the output command value output from the feedforward means and the addition value output from the multi-variable controller , And an adder that outputs the addition result as a control output to the governor actuator.
[0014]
According to the second aspect of the invention, the follow-up characteristic of the generator output can be improved in a stable state without being affected by the frequency deviation compensation.
[0015]
Further, the third aspect of the invention relates to the hydropower station speed control device of the first or second aspect of the invention from the feedforward signal of the output command value input from the output command device to the speed control controller. Band removal means for removing a signal in the hydraulic pressure surging frequency band is added.
[0016]
According to the present invention, it is possible to improve the follow-up characteristic of the generator output with respect to the generator output command value without increasing surging.
[0017]
Further, according to a fourth aspect of the present invention, there is provided a hydraulic power plant speed control device according to the first or second aspect of the invention, wherein a steady-state signal is output from a feedforward signal of an output command value input from the output command device to the speed control controller. Is added with a steady value signal removing means.
[0018]
According to the present invention, the signal of only the change except the steady value of the generator output command value is transmitted to the governor control device, so that the output command value is fed forward from the output command device to the governor control device. When the signal is cut off, the influence on the operation of the hydroelectric power plant can be minimized.
[0019]
In addition, the fifth aspect of the invention provides the hydraulic power plant speed control device of the first or second invention with a sudden change component of the feedforward signal of the output command value input from the output command device to the speed control controller. A sudden change mitigation means to mitigate is added.
[0020]
According to the present invention, it is possible to improve the follow-up characteristic of the generator output with respect to the generator output command value without causing a reverse response of the power plant output with respect to the generator output command.
[0025]
In order to achieve the above object, the speed control method for the hydroelectric power plant according to the sixth aspect of the invention is based on the output command value set by the output command device and the output value of the generator at the power plant. Based on the process of generating the control deviation signal of the governor with the deviation output device, the control deviation signal output from the control deviation output device and the rotation speed signal of the generator, the governor with the governor controller And a process for calculating a control output to the actuator, wherein the output command value of the generator set by the output command device is added to the control output of the speed control controller by feedforward Based on the detected value of the pressure sensor and / or the flow sensor installed in the water channel and the control deviation signal output from the control deviation output device by the software sensor. The process of estimating the surging tank water level fluctuation and its rate of change using the waterway model, the optimization method based on the quadratic form evaluation of the waterway, and the H2 control theory so that the surging of the waterway shows the desired attenuation Generates an added value based on the estimated value of the surge tank water level fluctuation and its rate of change estimated by the software sensor using a multivariable controller designed by an optimization technique based on H∞ control theory or an optimization technique based on H∞ control theory and processes and outputs, and the addition value outputted from the multivariable controller and the output command value to be added by the process of adding by the feed forward and the control output that is output from the governor controller A process of adding by an adder and using the addition result as a control output to the governor actuator.
[0026]
According to the present invention, it is possible to provide a speed control method that can effectively suppress the surging of the water flow and is excellent in the follow-up characteristic of the generator output with respect to the generator output command value.
[0027]
Furthermore, the speed control method for a hydroelectric power plant according to a seventh aspect of the present invention is a process for setting an output command value of a generator by adding a frequency deviation compensation amount by an output command device, and the output command at the power plant. A process for generating a control deviation signal of a governor by a control deviation output device based on an output command value compensated for frequency deviation output from the device and an output value of the generator, and output from the control deviation output device In a speed control method for a hydroelectric power plant having a process for calculating a control output to a speed governor actuator by a speed control controller based on a control deviation signal and a generator rotational speed signal, the output command device A pressure sensor installed in the water channel by a process of adding the output command value before addition of the set frequency deviation compensation amount to the control output of the speed controller by feedforward, and a software sensor And / or a process of estimating a surging tank water level fluctuation and its rate of change using a model of the water channel based on a detected value of a flow rate sensor and the control deviation signal output from the control deviation output device, and surging of the water channel The multi-variable controller designed by the optimization method based on the quadratic form evaluation of the water channel, the optimization method based on the H2 control theory, or the optimization method based on the H∞ control theory so as to indicate the desired attenuation, A process for generating and outputting an addition value based on the estimated value of the surge tank water level fluctuation and its rate of change estimated by a software sensor, and adding the control output and the feedforward output from the speed controller The output command value added by the process to be added and the addition value output from the multivariable controller are added by an adder. Characterized by having a process of the addition result as the control output to the governor actuator.
[0028]
According to the present invention, the follow-up characteristic of the generator output can be improved in a stable state without being affected by the frequency deviation compensation.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
1 shows a configuration of a hydroelectric power plant governor controller which is an embodiment which is a reference for the present invention.
[0031]
In the figure, the control deviation output device 3 includes an adder 31 that generates a control deviation signal for the governor control device 4 from the generator output command value and the generator output value P output from the output command device 2. . Further, the generator output command value output from the output command device 2 is sent to the governor control device 4 as a feedforward signal FF.
[0032]
The governor control device 4 outputs a control output to the governor actuator 5 from a signal obtained by adding the control deviation signal output from the control deviation output device 3 and the rotational speed signal DW of the water turbine generator 7 by the adder 40. A speed control controller 41 comprising a PID controller for generating a signal, a control output signal generated by the speed control controller 41, a feedforward signal FF of a generator output command value transmitted from the control deviation output device 3, and Is added. The addition result of the adder 42 is output to the governor actuator 5 as a control output of the governor control device 4.
[0033]
The governor actuator 5 opens and closes a guide vane 6 that adjusts the flow rate of the turbine according to the control output of the governor control device 4. The torque generated in the water turbine of the water turbine generator 7 is changed by adjusting the flow rate of the water turbine by opening and closing the guide vanes 6, and the output control of the water turbine generator 7 and the speed control of the water turbine are performed.
[0034]
Next, the operation of the hydropower station speed control device of this embodiment will be described.
[0035]
In FIG. 1, the control deviation output device 3 generates a control deviation signal for the governor control device 4 from the difference between the electric machine output command value output from the output command device 2 and the generator output P, and this control deviation signal Is transmitted to the governor control device 4.
[0036]
In the governor control device 4, a control output signal to the governor actuator 5 is generated from the control deviation signal and the rotational speed signal DW of the turbine generator 7. Here, the control output signal includes The feed forward signal FF of the generator output command value generated by the output command device 2 is added by the adder 42, and the addition result is output to the governor actuator 5. In other words, the follow-up characteristics of the generator output with respect to the generator output command value are improved by reflecting the change of the generator output command value in the control output of the governor control device 4 by feedforward.
[0037]
A filter 43 is interposed in the transmission path of the feedforward signal FF. The filter 43 includes, for example, a band cutoff filter that blocks a signal in the channel surging band that prevents excitation of the surging of the water channel, a filter that removes a steady value signal, and a moderate rise in the change in the generator output command value. A low-pass filter that relaxes the inverse response of the generator output is used. Of course, these filters may be used in combination.
[0038]
As described above, according to the present embodiment, the control deviation output device 3 and the governor controller 4 are reflected by reflecting the change in the generator output command value in the control output of the governor controller 4 by feedforward. The tracking characteristics of the generator output with respect to the generator output command value can be improved without changing the characteristics of the closed loop system constituted by the governor actuator 5 and the feedback of the generator output value P.
[0039]
Furthermore, the feedforward signal FF of the generator output command value is regulated without passing through the control deviation signal transmission system including the delay characteristic (transfer characteristic) 32 from the control deviation output device 3 to the governor controller 4. Since it is transmitted to the machine control device 4, the follow-up characteristic of the generator output with respect to the generator output command value can be improved also from this point.
[0040]
Moreover, in this embodiment, surging can be reduced by removing the signal of a water channel surging zone with the filter 43 from the feedforward signal FF of the generator output command value, and the generator output with respect to the generator output command value can be reduced. The following characteristic can be improved.
[0041]
Furthermore, in the present embodiment, by selecting the filter 43 inserted in the feedforward transmission path, the steady value signal can be removed from the feedforward signal FF of the generator output command value, and the filter 43 is similarly selected. Thus, since the rise of the change in the generator output command value can be moderated and the reverse response of the generator output to the generator output command value can be relaxed, adverse effects due to the improvement of the follow-up characteristics can be prevented.
[0042]
In addition, the hydropower plant speed control device of the present embodiment can improve the follow-up characteristics of the generator output with respect to the generator output command value only by adding new elements and functions to the existing control system. Has the advantage of being.
[0043]
In the present embodiment, the governor actuator is obtained by adding the control output signal output from the governor controller 41 and the feedforward signal FF of the generator output command value as the control output of the governor controller 4. However, the same function can also be realized by adding the feedforward signal FF of the generator output command value to the input signal of the speed controller 41 as shown in FIG.
[0044]
Next, an embodiment referred to the present invention will be described.
[0045]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a hydroelectric power plant speed control device that is an embodiment referred to the present invention . As shown in the figure, this hydroelectric power plant speed control device includes a second output command value distribution processing unit 24 that distributes to the output command device 2 power plant output command values before frequency deviation compensation to each power plant. Is provided. The frequency output uncompensated power plant output command value distributed by the second output command value distribution processing unit 24 is added to the control output of the speed controller 41 as a feedforward signal FF. Alternatively, it is added to the input signal of the speed controller 41.
[0046]
According to the hydropower station speed control device of the present embodiment, the follow-up characteristic of the generator output can be improved in a stable state without being affected by the frequency deviation compensation.
[0047]
Next, an embodiment according to the present invention will be described.
[0048]
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the hydroelectric power plant speed control device according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, the speed governor control device 4 of the hydropower station speed control device includes a software sensor 44 for estimating the surge tank water level fluctuation and its rate of change using a water channel model, and multivariable control. A container 45 is provided. The multivariable controller 45 uses an optimal regulator designed to minimize a quadratic evaluation function including a square integral of a water level fluctuation value, or an optimization method based on H2 control theory or H∞ control theory. Designed.
[0049]
The software sensor 44 receives a control signal and a measurement signal SN of a pressure sensor and / or a flow sensor installed in the water channel. As a result, the observability of the surging phenomenon is improved, and the accuracy of estimating the surging phenomenon of the water channel by the software sensor 44 is improved.
[0050]
The multi-variable controller 45 is designed by the above optimization method so that the surging of the water flow shows a desired attenuation. An optimal addition value to the control output for the governor actuator 5 that is the output of the controller 41 is generated.
[0051]
By adding the above advanced control to the speed controller 41, it is possible to suppress fluctuations in the water level of the surge tank.
[0052]
Also in this embodiment, since the generator output command value is added to the control output of the speed controller 41, even if a desired tracking characteristic cannot be obtained by the speed controller 41 and the multivariable controller 45, The output followability can be improved by adding the generator output command value to the output of the speed controller 41.
[0053]
When the method of minimizing the quadratic evaluation function including the square integral of the water level fluctuation value is used for designing the multivariable controller 45, the multivariable controller 45 is configured as follows.
First, the controlled object is described in the form of equations (1) and (2).
[0054]
x (t) = Ax (t) + Bu (t)… (1)
y (t) = Cx (t)… (2)
Here, x (t) is a state variable to be controlled, and one of the states includes a surge tank water level change. u (t) is a control signal from the controller, and y (t) is a control deviation signal and a pressure sensor measurement signal.
[0055]
The software sensor 44 is configured by the following equation. Software sensor performance is maintained using pressure sensor measurement signals.
[Expression 1]

[0056]
On the other hand, a controller that obtains an optimal control input is obtained by using the quadratic evaluation function of equation (4) for the state equation of equation (1). At this time, the control signal u (t) of the multivariable controller 45 is obtained by the equation (5). The positive definite matrix S is obtained from the equation (6).
[Expression 2]

[0057]
Next, an embodiment referred to the present invention will be described.
[0058]
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a hydroelectric power plant speed control device that is an embodiment referred to the present invention .
[0059]
As shown in the figure, the speed governor control device 4 of the hydropower station speed control device includes a software sensor 44 for estimating the surge tank water level fluctuation and its rate of change using a water channel model, and multivariable control. A device 47 is provided.
[0060]
Here, the multi-variable controller 47 includes a quadratic form including a square integral of the water level fluctuation value so that the output command value of the output command device 2 exhibits the desired followability and the surging of the water flow indicates the desired attenuation. The optimum regulator designed to minimize the evaluation function, or the optimization method based on the H2 control theory or the H∞ control theory, and the surge tank water level fluctuation obtained by the software sensor 44 and its An optimal control output to the governor actuator 5 is generated from the change rate estimation result.
[0061]
Thereby, it is possible to realize a hydraulic power plant speed control device that is excellent in the follow-up characteristic of the generator output with respect to the generator output command value without using a conventional PID controller.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the hydropower station speed control device and the speed control method can effectively suppress the surging of the water flow and have excellent tracking characteristics of the generator output with respect to the generator output command value. Can be provided.
[0063]
Further, according to the present invention, the follow-up characteristic of the generator output can be stably improved without being affected by the frequency deviation compensation.
[Brief description of the drawings]
1 is a diagram showing a configuration of a hydroelectric power plant governor controller which is an embodiment which is a reference for the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a modified example of the hydroelectric power plant speed control device which is an embodiment referred to the present invention .
3 is a diagram showing a configuration of a hydroelectric power plant governor controller which is an embodiment which is a reference for the present invention.
Is a diagram showing a configuration of a hydroelectric power plant governor controller is implementation form engagement Ru in the present invention; FIG.
5 is a diagram showing a configuration of a hydroelectric power plant governor controller which is an embodiment which is a reference for the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional hydropower station speed control device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electric power supply command center 2 ... Output command device 3 ... Control deviation output device 4 ... Speed governor control device 5 ... Speed governor actuator 6 ... Guide Vane 7 ··· Water Turbine Generator 20 ··· Command Value Processing Unit 21 ··· Frequency Deviation Compensation Operation Unit 22 · · · Adder 23 ··· Output Command Value Distribution Processing Unit 24 ···・ Output command value distribution processing unit 31... Operation unit 32... Delay characteristic 40... Adder 41. 44 ... Software sensor 45, 47 ... Multi-variable controller DW ... Generator rotation speed signal FF ... Generator output command value feedforward signal P ... Generator Output SN ... Measurement signal.

Claims

An output command device for setting the output command value of the generator;
At the power plant, a control deviation output device that outputs a control deviation signal of the governor based on the output command value output from the output command device and the output value of the generator, and output from the control deviation output device In a hydropower plant speed control device comprising a speed control controller that calculates a control output to a speed governor actuator based on a control deviation signal and a generator rotational speed signal,
Feedforward means for adding the output command value of the generator set by the output command device to the control output of the speed governor;
Software for estimating the surging tank water level fluctuation and its rate of change using the model of the water channel based on the detected value of the pressure sensor and / or flow sensor installed in the water channel and the control deviation signal output from the control deviation output device A sensor,
The software sensor is designed by an optimization method based on a quadratic evaluation of the water channel, an optimization method based on an H2 control theory, or an optimization method based on an H∞ control theory so that the surging of the water channel exhibits a desired attenuation. A multi-variable controller that generates and outputs an added value based on the estimated value of the surge tank water level fluctuation and its rate of change estimated by
The control output output from the speed control controller, the output command value output from the feedforward means, and the addition value output from the multivariable controller are added, and the addition result is added to the speed control. A hydropower station speed control device comprising: an adder for controlling output to a mechanical actuator.

An output command device that sets the output command value of the generator by adding the frequency deviation compensation amount; and
A control deviation output device that outputs a control deviation signal of the governor based on the output command value compensated for the frequency deviation output from the output command device and the output value of the generator at the power plant, and this control deviation output In a hydropower plant speed control device comprising a speed control controller that calculates a control output to a speed governor actuator based on a control deviation signal output from the generator and a rotational speed signal of the generator,
Feedforward means for adding the output command value before addition of the frequency deviation compensation amount set by the output command device to the control output of the speed controller;
Software for estimating the surging tank water level fluctuation and its rate of change using the model of the water channel based on the detected value of the pressure sensor and / or flow sensor installed in the water channel and the control deviation signal output from the control deviation output device A sensor,
The software sensor is designed by an optimization method based on a quadratic evaluation of the water channel, an optimization method based on an H2 control theory, or an optimization method based on an H∞ control theory so that the surging of the water channel exhibits a desired attenuation. A multi-variable controller that generates and outputs an added value based on the estimated value of the surge tank water level fluctuation and its rate of change estimated by
The control output output from the speed control controller, the output command value output from the feedforward means, and the addition value output from the multivariable controller are added, and the addition result is added to the speed control. A hydropower station speed control device comprising: an adder for controlling output to a mechanical actuator.

In the hydroelectric power plant governing control device according to claim 1 or 2,
Hydroelectric power generation, further comprising: band removing means for removing a signal in a water pressure surging frequency band specific to a water channel from a feedforward signal of an output command value input from the output command device to the speed controller. The speed control device.

In the hydroelectric power plant governing control device according to claim 1 or 2,
Hydraulic power plant speed control characterized by further comprising steady value signal removal means for removing a steady value signal from a feedforward signal of an output command value input to the speed control controller from the output command device apparatus.

In the hydroelectric power plant governing control device according to claim 1 or 2,
The hydroelectric power plant speed control device, further comprising a sudden change mitigation means for mitigating a sudden change component of a feedforward signal of an output command value input from the output command device to the speed control controller.

At the power plant, a process for generating a control deviation signal of the governor at the control deviation output device based on the output command value set by the output command device and the output value of the generator, and output from the control deviation output device In a speed control method for a hydroelectric power plant having a process for calculating a control output to a speed governor actuator by a speed control controller based on the control deviation signal and the rotational speed signal of the generator,
A process of adding the output command value of the generator set by the output command device to the control output of the governing controller by feedforward;
The surging tank water level fluctuation and its rate of change using the model of the water channel based on the detected value of the pressure sensor and / or the flow rate sensor installed in the water channel and the control deviation signal output from the control deviation output device by the software sensor The process of estimating
Multivariable control designed by an optimization method based on the quadratic form evaluation of the water channel, an optimization method based on the H2 control theory, or an optimization method based on the H∞ control theory so that the surging of the water channel exhibits a desired attenuation A process of generating and outputting an addition value based on the estimated value of the fluctuation level of the surge tank and the rate of change thereof estimated by the software sensor,
The control output output from the speed controller and the output command value added by the process of adding by feedforward and the addition value output from the multivariable controller are added by an adder , A speed control method for a hydroelectric power plant, comprising: a process of making an addition result a control output to the speed governor actuator.

A process for setting the generator output command value by adding the frequency deviation compensation amount in the output command device;
A process for generating a control deviation signal of a governor at a control deviation output device based on an output command value compensated for frequency deviation and an output value of a generator output from the output command device at a power plant, and Control of hydraulic power plant having a process for calculating a control output to the governor actuator by the governor based on the control deviation signal output from the control error output device and the rotational speed signal of the generator In the method
A process of adding the output command value before the addition of the frequency deviation compensation amount set by the output command device to the control output of the speed controller by feedforward;
The surging tank water level fluctuation and its rate of change using the model of the water channel based on the detected value of the pressure sensor and / or the flow rate sensor installed in the water channel and the control deviation signal output from the control deviation output device by the software sensor The process of estimating
Multivariable control designed by an optimization method based on the quadratic form evaluation of the water channel, an optimization method based on the H2 control theory, or an optimization method based on the H∞ control theory so that the surging of the water channel exhibits a desired attenuation A process of generating and outputting an addition value based on the estimated value of the fluctuation level of the surge tank and the rate of change thereof estimated by the software sensor,
The control output output from the speed controller and the output command value added by the process of adding by feedforward and the addition value output from the multivariable controller are added by an adder , A speed control method for a hydroelectric power plant, comprising: a process of making an addition result a control output to the speed governor actuator.