JP3915085B2 - 可変速揚水発電制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期回転数以外の任意の回転数によって運転可能な発電電動機と、その発電電動機と接続されるポンプ水車と組み合わせて運転する可変速揚水発電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水力発電所で用いられる発電電動機は、電力系統の周波数で決定される回転速度、即ち同期速度で運転する同期発電電動機を使用している。しかしながら、水力発電所では、静落差が変化するために一定な回転速度で運転することが水車にとって最高効率とならない。特に、揚水式発電所の場合は水車を逆回転してポンプとして使用するために水車としての最高効率点とポンプとしての最高効率点が異っているので、回転速度を変えて運転できる可変速揚水発電システムは最高効率点で運転が可能となる。更に、ポンプ運転（揚水運転）における回転速度の変化は系統からの入力調整が可能になる（回転速度の３乗に比例して負荷が変わる。）ために、深夜電力の調整能力向上に寄与できる可変速揚水発電システムが運用されるようになった。
可変速揚水発電は、２次交流励磁発電電動機を用いて同期回転速度に限定されずに、発電時には最高効率となる回転速度で運転し、揚水時には系統の負荷を調整する調整量に応じた回転速度で運転することができる。
発電時の発電量に相当する有効電力制御は、同期発電機では水車に流入する水量を調整して水車側のみで行っている。しかし、可変速揚水発電機は回転速度を変えることができるために瞬時に回転エネルギーを有効電力（電気量）に変換することができる。この制御は発電電動機の２次励磁量を調整することによって実現される。しかし、有効電力の平均値は水車に流入する水量（機械量）であり、有効電力指令に合うように水車の制御を行う必要がある。
水車には、起動時、故障発生による緊急停止時、あるいは、運転制限等の水車の運転状態に応じてガイドベーンの上限開度を制限する負荷制限装置がある。この負荷制限装置を作動させてガイドベーン開度を制限することにより、水量が変化し、機械出力が制限される。この場合、可変速発電では電気側の有効電力と機械側の出力に差が生じてしまい、安定な運転継続ができなくなる。この一対策は特開昭３−１０７３９８号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭３−１０７３９８号公報に開示されている一対策は、負荷制限装置が作動したことを外部より検出して有効電力指令を補正することにある。しかし、有効電力指令は、中央給電指令所からの指令に従って任意に増減され、急増急減する場合もある。特に、急増し、１００％出力の有効電力指令になった場合、水車制御は、ガイドベーンが開き、水量を一気に増加させるように制御する。この時、ガイドベーン開度が全開して負荷制限装置を作動させて制限を検出すると、電力指令補正回路が作動して電力指令を下げる。このために、上述した対策では、有効電力指令が下げられるので、目的とする発電機出力が取れない、という問題点があった。
【０００４】
本発明の課題は、可変速揚水発電システムに適用し、負荷の急増にいても有効電力の変動を抑制し、緊急停止において安定に出力低下できる可変速揚水発電制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、負荷制限操作指令と静落差信号を入力し、負荷制限操作指令信号に応じて変化レートを上下して有効電力指令上限値を演算し、前記演算された有効電力指令上限値と静落差信号から負荷制限信号（ガイドベーン開度の制限値）を演算する負荷制限指令回路と、当該有効電力指令上限値と前記外部からの有効電力指令を比較し、当該有効電力指令上限値が小さい場合、前記外部からの有効電力指令を当該有効電力指令上限値に制限する電力指令制限回路を備える。
ここで、負荷制限指令回路は、負荷制限操作指令信号に応じて変化レートを上下して有効電力指令上限値を演算するアナログメモリと、当該アナログメモリから出力する前記演算された有効電力指令上限値と静落差信号からガイドベーン開度を演算する回路と、当該ガイドベーン開度を補正するバイアスする回路を有する。
ここで、負荷制限指令回路は、緊急停止信号を入力して負荷制限操作指令信号に応じて変化レートを上下して有効電力指令上限値を演算するアナログメモリと、当該アナログメモリから出力する前記演算された有効電力指令上限値と静落差信号からガイドベーン開度を演算する回路と、当該ガイドベーン開度を補正するバイアスする回路と、緊急停止時にアナログメモリの変化レートを切り替える回路を有する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す可変速揚水発電制御装置のブロック図である。図１において、発電電動機１は回転子をポンプ水車２と直結し、発電電動機１の２次巻線（回転子巻線）は周波数変換器３（サイクロコンバータ、ＧＴＯインバータなど）により交流励磁する。発電電動機１の１次側（固定子巻線）は電力系統４に接続され、発電電動機１の発生電力Ｐｓを検出器６で検出する。発電電動機１の有効電力制御は、発電機出力制御装置５において有効電力指令Ｐｏｒと発生電力Ｐｓの偏差をとり、周波数変換器３を介して２次励磁量を制御することにより行う。水車制御は、有効電力指令Ｐｏｒと水車落差検出器９の静落差信号Ｈから最適速度関数器１０によって最適な回転速度指令Ｎｏを演算し、調速機７で発電電動機１の回転速度を検出する回転速度検出器１１の速度信号Ｎと最適な回転速度指令Ｎｏの偏差に基づいて速度制御回路１３によってガイドベーン開度を演算し、ガイドベーン（ＧＶＯ）８を制御する。一方、負荷制限指令回路１５は、外部からの負荷制限操作信号（上）（下）と静落差信号Ｈを入力して有効電力指令上限値Ｐｍａｘとガイドベーン負荷制限信号ＬＬ（ガイドベーン開度の制限値）を演算する。当該演算結果の有効電力指令上限値Ｐｍａｘと外部からの有効電力指令Ｐｏは電力指令制限回路１２に入力され、外部からの有効電力指令Ｐｏより有効電力上限値Ｐｍａｘが小さい場合、Ｐｍａｘを有効電力指令Ｐｏｒとして出力する（但し、Ｐｍａｘの方がＰｏより大きい場合はＰｏが有効電力指令Ｐｏｒとなる。）。水車側の調速機７では、速度制御回路１３のガイドベーン開度と負荷制限信号ＬＬによる開度を負荷制限装置１４に入力し、その小さい値にガイドベーン開度を制御する。
【０００７】
ここで、水車出力の負荷制限をするためには、負荷制限指令回路１５に外部から負荷制限操作（下）信号を印加して下げ指令を与える。負荷制限指令回路１５は有効電力指令上限値Ｐｍａｘと負荷制限信号ＬＬを演算する。発電電動機１の有効電力制御は、有効電力指令上限値Ｐｍａｘが外部からの有効電力指令値Ｐｏより小さくなると、有効電力指令ＰｏｒはＰｍａｘで制限され（Ｐｏｒ＝Ｐｍａｘとなる。）、出力制御装置５により発電機出力がＰｍａｘに制御される。水車制御は、有効電力指令上限値Ｐｍａｘと水車落差検出器９の静落差Ｈに対応したガイドベーン開度を演算し、これに水車側の速度制御を阻害しないようにバイアス（速度制御裕度を加算）を加算した負荷制限信号ＬＬを出力し、負荷制限装置１４を動かす。水車側の負荷制限は、前記バイアスの作用で速度制御を阻害しないように作用させていることより、安定な運転が継続できる。
また、故障が発生し、緊急停止の場合、負荷制限指令回路１５に外部から負荷制限操作（下）信号を印加して下げ指令を与えると、有効電力指令上限値Ｐｍａｘは０％に向かって絞られ、有効電力指令Ｐｏｒも０％に制限され、発電機出力を出力制御装置５によって０％に制御し、更に、ガイドベーン開度も負荷制限信号ＬＬにより負荷制限装置１４を介して急激にガイドベーン開度を閉鎖するように作用するので、過速度に到らず、機器損傷を生じない。また、この時、通常運転時の下げ変化レートと緊急停止時の変化レートを緊急停止に切り替えると、負荷の絞り込みが速くできるため、より安全に停止することができる。
【０００８】
図２に、定常運転中に水車出力の負荷制限が作動した場合のタイムチャートを示す。初期状態ｔ１として負荷制限指令１００％（負荷制限が掛かっていないのと同じ事）、外部からの有効電力指令Ｐｏ＝９０％において、負荷制限操作（下）信号を外部から印加して有効電力指令上限値Ｐｍａｘを６０％に制限する場合を示す。なお、速度制御を阻害しないバイアスとして２０％を設定している。時間ｔ２にて負荷制限操作（下）を開始（ＯＮ）し、時間ｔ３にて有効電力指令上限ＰｍａＸが９０％に到達すると、電力指令制限回路１２はＰｏ＞Ｐｍａｘを検出して制限機能が作動し、有効電力指令Ｐｏｒ＝Ｐｍａｘを出力する。以降、負荷制限操作（下）信号がＯＦＦする時間ｔ５までＰｏｒ＝Ｐｍａｘとして有効電力指令Ｐｏｒが低下する。一方、水車制御は、速度制御を阻害しないようにバイアス２０％があるため、負荷制限信号ＬＬは、Ｐｍａｘによる制限より遅れ、Ｐｍａｘ＝８０％となる時間ｔ４以降下がり始める。しかし、実際のガイドベーン８に対して制限する開度には到っていないので、発電機出力とガイドベーン開度は安定に制御される。時間ｔ５において負荷制限操作（下）を終了（ＯＦＦ）すると、Ｐｍａｘの下げがとまり、外部からの有効電力指令Ｐｏが時間ｔ５におけるＰｍａｘより小さくならなければ、有効電力指令Ｐｏは制限がかかった状態で現状維持運転となる。
【０００９】
図３に、故障発生時の緊急停止のタイムチャートを示す。初期状態は図２の時間ｔ１と同じとする。時間ｔ６で故障が発生し、緊急停止指令がＯＮすると、負荷制限操作（下）信号もＯＮし、有効電力指令上限値Ｐｍａｘを０％に向って低下させた場合（低下する変化レートを速くするように変える。）を示す。時間ｔ７で有効電力指令Ｐｏｒ＝Ｐｍａｘとなり、以降、時間ｔ９まで有効電力指令Ｐｏｒが０％になるまで低下し、これにより出力制御装置５は発電機出力を急激に絞り、０％に制御する。水車制御は、時間ｔ８より負荷制限信号ＬＬによりガイドベーン開度を締める方が速度制御１３による開度制御より速く、負荷制限指令回路１５の負荷制限信号ＬＬによりガイドベーン開度を閉するので、異常な速度上昇を発生させることなく、時間ｔ１０にてガイドベーン８を全閉し、水車を停止させることができる。
【００１０】
図４は、負荷制限指令回路１５の詳細な構成（１）を示す。図４において、負荷制限指令回路１５は、アナログメモリ（積分機能）および変化レート１５Ａ、負荷制限関数演算回路１５Ｂ、バイアス１５Ｃ、加算回路１５Ｄからなる。
負荷制限操作信号（上）（下）はアナログメモリ（積分機能）１５Ａに入力され、上げまたは下げ信号を入力すると、現在値に対して変化レートに応じて信号の上げ下げし、有効電力指令上限Ｐｍａｘを演算する。負荷制限関数演算回路１５Ｂは、Ｐｍａｘ信号と静落差信号Ｈから有効電力指令上限値Ｐｍａｘに相当するガイドベーン開度を演算する。ガイドベーン開度を当該演算結果で制限すると、速度制御の阻害となるため、速度制御により安定な運転ができるような裕度をもたせたバイアス１５Ｃを加算回路１５Ｄにより印加する。なお、このバイアス分を予め負荷制限演算回路１５Ｂの関数に組み込むことも可能である。また、バイアス分をゼロとすることも可能である。
【００１１】
図５は、負荷制限指令回路１５の詳細な構成（２）を示す。図４の構成（１）と異なる点は、図３に示す緊急停止の故障が発生した場合、緊急停止指令信号を入力して負荷制限操作（下）信号をＯＮするＯＲ論理回路１５Ｇを設け、また、アナログメモリ１５Ａの変化レートを通常時１５Ｆ（１）と緊急停止時１５Ｆ（２）とに切り替えるスイッチ１５Ｅを設けることにある。この場合、変化レート１５Ｆ（２）は変化レート１５Ｆ（１）に比し、変化レートが大きい。
【００１２】
なお、最近のディジタル制御技術を利用して調速機７の速度制御回路１３と負荷制限信号ＬＬの比較手段をディジタル化することにより、負荷制限装置１４のソフト化が可能であり、これにより装置の縮小が図られる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、可変速揚水発電の有効電力制御の特徴を生かした負荷制限を有効電力指令上限値Ｐｍａｘとすることによって、発電機出力と水車出力のアンバランスを発生させることなく、安定な運転継続が可能となる。
また、故障発生時においても、有効電力指令とガイドベーン開度の両方を制限できるため、水車の過速度を発生することがなく、機器の損傷を防止することができる。
また、負荷急増において、従来のように負荷制限機能が動作して負荷変動を発生させることがないので、目標の出力を速く発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す可変速揚水発電制御装置のブロック図
【図２】本発明の通常運転時におけるタイムチャート
【図３】本発明の故障発生時の緊急停止におけるタイムチャート
【図４】本発明の負荷制限指令回路の詳細な構成図（１）
【図５】本発明の負荷制限指令回路の詳細な構成図（２）
【符号の説明】
１…発電電動機、２…ポンプ水車、３…周波数変換器、４…電力系統、５…出力制御装置、６…電力検出器、７…調速機、８…ガイドベーン、９…落差検出器、１０…最適速度関数器、１１…回転速度検出器、１２…電力指令制限回路、１３…速度制御回路、１４…負荷制限装置、１５…負荷制限指令回路、１５Ａ…アナログメモリ、１５Ｂ…負荷制限関数演算回路、１５Ｃ…バイアス回路、１５Ｄ…加算回路、１５Ｅ…切替えスイッチ、１５Ｆ…アナログメモリの変化レート、１５Ｇ…ＯＲ論理回路

Claims (3)

1. １次側が電力系統に接続され、２次側が交流励磁される発電電動機と、外部からの電力指令に基づいて当該発電電動機の２次交流励磁量を変えて前記電力系統への電気出力を制御する出力制御装置と、前記発電電動機を回転させる水車と、当該水車に供給する水量を調整するガイドベーンと、当該ガイドベーンの開度を前記電力指令に応じて機械出力として調整する調速機と、当該ガイドベーン開度を制限する負荷制限装置を備えた可変速揚水発電制御装置において、
   負荷制限操作指令と静落差信号を入力し、負荷制限操作指令信号に応じて変化レートを上下して有効電力指令上限値を演算し、前記演算された有効電力指令上限値と前記静落差信号から負荷制限信号（ガイドベーン開度の制限値）を演算する負荷制限指令回路と、当該有効電力指令上限値と前記外部からの有効電力指令を比較し、当該有効電力指令上限値が小さい場合、前記外部からの有効電力指令を当該有効電力指令上限値に制限する電力指令制限回路を備えることを特徴とする可変速揚水発電制御装置。
2. 請求項１において、前記負荷制限指令回路は、負荷制限操作指令信号に応じて変化レートを上下して前記有効電力指令上限値を演算するアナログメモリと、当該アナログメモリから出力する前記演算された有効電力指令上限値と前記静落差信号からガイドベーン開度を演算する回路と、当該ガイドベーン開度を補正するバイアスする回路を有することを特徴とする可変速揚水発電制御装置。
3. 請求項１において、前記負荷制限指令回路は、緊急停止信号を入力して負荷制限操作指令信号に応じて変化レートを上下して前記有効電力指令上限値を演算するアナログメモリと、当該アナログメモリから出力する前記演算された有効電力指令上限値と前記静落差信号からガイドベーン開度を演算する回路と、当該ガイドベーン開度を補正するバイアスする回路と、緊急停止時に前記アナログメモリの変化レートを切り替える回路を有することを特徴とする可変速揚水発電制御装置。

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