JP4079311B2 - 水力発電所調速制御装置 - Google Patents
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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周波数制御及び発電出力制御を行なう調速制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水力発電所の周波数制御及び発電出力制御を行なう調速制御装置は、発電所の出力を制御する出力指令制御系と、水車発電機の調速制御を行なう調速制御系を中核として構成されている。
【０００３】
図６はこのような調速制御装置を示す構成図である。出力指令制御系１では、出力指令設定部１０の指令値、ガバナフリー補償値ＧＣ及び発電機出力ＰＧから発電機出力偏差を得、調速制御系２に伝達する。調速制御系２では、出力指令制御系１からの発電機出力偏差、ガイドベーン開度ＧＶ及びガバナフリー偏差信号ＧＥから調速制御器２３で制御出力を得る。
【０００４】
この調速制御系２からの制御出力に従って、調速機機械系３は水車流量を調整するガイドベーン開度ＧＶを動かす水車流量の調整により水車に発生するトルクが変化し、水車発電機の周波数制御及び出力制御が行なわれる。ここで、ガバナフリー補償機能は、周波数偏差ＤＦとガバナフリー補償調停率１１から求めるガバナフリー補償値ＧＣを、出力指令設定部１０からの指令値に加算する機能である。
【０００５】
ガバナフリー補償調停率１１は、周波数偏差ＤＦがステップ変化した場合に発電機出力指令ＲＰ２が定常状態でステップ前の値と近い値となるように選定される。一方、ガバナフリー機能は、水車発電機の周波数偏差ＤＦをガバナフリー偏差信号ＧＥとしてフィードバックし周波数制御を行なう機能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示した水力発電所調速制御装置において、水力発電に特有の特性により過渡的に制御系が安定しないことがある。水力発電では、水車出力を調整するガイドベーン開度ＧＶの動作に対して水車発電機の周波数や発電機出力が逆応答することがある。
【０００７】
例えば、水車出力を増加させようとガイドベーン開度ＧＶを開方向に短時間に高速操作したとき、水流は管路の上方から供給されるため即座には水車流量は増加せず、一方で水車のケーシングでの水圧の低下により出力は一旦低下することがある。特に、小規模系統となったときには周波数の変動も大きくなる傾向にあり、制御系の不安定化が起こりやすくなる。
【０００８】
又、ガバナフリー補償機能は、周波数偏差ＤＦに起因した発電機出力ＰＧの変化で発電機出力指令ＲＰ２が動かないように補償するための機能であるが、周波数の変化から発電機出力の応答の間には遅れ特性が含まれるため、ガバナフリー補償値の応答と発電機出力の応答の速さには差異があり、発電機出力指令値ＲＰ２が過渡的に振動的な値となることがあるなどの課題がある。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、水力発電に特有の特性により制御系が過渡的に安定しない現象を回避し、安定性に優れた水力発電所調速制御装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、水力発電に特有の特性を考慮してガバナフリー補償機能及びガバナフリー機能を設定することで、安定性に優れた水力発電所調速制御装置を提供することである。
【００１１】
［請求項１］に係る発明は、水車発電機の周波数偏差を検出しその偏差に応じたガバナフリー補償値を発電出力指令値に加算するガバナフリー補償機能を備えた出力指令制御系と、前記出力指令制御系からの発電機出力指令に対して前記周波数偏差に応じた値をガバナフリー偏差信号として与えて水力発電機の周波数制御を行なう調速制御系とを備えた水力発電所調速制御装置において、
前記出力指令制御系でのガバナフリー補償値信号は第１の遅れフィルタを経由させることにより、前記出力指令制御系内の出力設定値と加算すると共に、
前記調速制御系でのガバナフリー偏差信号は第２の遅れフィルタを経由させることにより、前記出力指令制御系からの発電機出力指令と減算するようにした。
【００１２】
［請求項２］に係る発明は、請求項１において、装置内に設置する前記第２の遅れフィルタ特性は、２次以上の遅れ特性を持つように設定するようにした。
【００１３】
［請求項３］に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の水力発電所調速制御装置において、装置内に設置する遅れフィルタ特性は、水車特性及び調速機特性を含む動特性モデルを用いて周波数偏差から発電機出力までの周波数伝達特性として設定するようにした。
【００１４】
［請求項４］に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の水力発電所調速制御装置において、装置内に設置する遅れフィルタ特性は、水車特性及び調速機特性を含む動特性モデルを用いた計算機シミュレーションによって調整するようにした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における水力発電所調速制御装置の発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、図１，図２において図６に示したものと同一の要素には同一の符号を使用する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態による水力発電所調速制御装置の構成例を示している。図１において、ガバナフリー補償機能に遅れフィルタ５１、ガバナフリー機能に遅れフィルタ５２を設けている。ここに２つのフィルタの伝達特性をそれぞれ次式のように設定する。なお、ｓはラプラス演算子とする。これらの遅れフィルタ特性は、離散化の変換を行なってソフトウェアとして実装することもできる。
【００１９】
【数１】
【００２０】
ここで、遅れフィルタの時定数Ｔ１，Ｔ２は次のように設定する。周波数偏差から発電機出力の応答が近似的に１次遅れであるとみなし、Ｔ１はその遅れ時定数として設定する。周波数偏差がステップ変化したときの発電機出力の応答が図３（ａ）の実線のようであると確認されたとき、波線に示す１次遅れで近似して、この近似１次遅れの時定数をＴ１の値として設定する。
【００２１】
上記の遅れフィルタ特性に対して、水車特性及び調速機特性を含む動特性モデルを用いた計算機シミュレーションにより遅れフィルタの特性を調整することもできる。周波数偏差がステップ変化したときの発電機出力指令ＲＰ２が、図３（ｂ）の実線のように過渡的に変化する応答から、遅れフィルタ５１の導入で波線のようにほとんど変化しないようになるとき、ガバナフリー補償機能が目的どおりの出力特性で機能することがいえる。
【００２２】
一方、鉄管管路時定数Ｔｗは管路長さ、流速、落差により決まるが、Ｔ２は、このＴｗを用いてＴ２＝Ｔｗとして初期設定する。ガイドベーン開度ＧＶから水車出力までの水車モデルを次式のように簡略化して表現することがあるが、この簡略モデルを用いた計算機シミュレーションにより遅れフィルタ５２の特性を、逆応答を低減するよう調整することができる。図４は周波数偏差がステップ変化した場合の発電機出力を模擬した図であるが、遅れフィルタ５２を導入すると実線が波線のようになり、逆応答特性が低減される。
【００２３】
【数２】
これら２つの遅れフィルタは対象とする時定数はＴ１＞Ｔ２であり、両者は数十倍異なるため互いの影響は小さい。
【００２４】
そのため同時に用いることができ、又、別々に調整することが可能である。この構成では、ガバナフリー補償機能が過渡的にも安定するように調整が可能となり、一方で調速機の応答に対して周波数や発電機出力が逆応答する現象を低減することが可能となる。
【００２５】
本実施の形態によれば、水力発電システムの周波数変化に対する発電機出力の応答特性に合わせてガバナフリー補償の出力特性を調整することが可能であり、安定性に優れたガバナフリー補償機能を有する水力発電所調速制御装置を提供できる。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図２は第２の実施の形態による水力発電所調速制御装置の構成例を示している。図２において、ガバナフリー機能に補償フィルタ５３を設けている。ここに補償フィルタの伝達特性を次式のように位相遅れ進みフィルタとして設定する。
【数３】
【００２７】
調速制御器２３，調速機機械系３，水車発電機４，補償フィルタ５３で構成される一巡伝達関数のボード線図を描き、閉ループの安定性，応答の速さ，ゲイン余裕Ａや位相余裕θを考慮してＴ３，Ｔ４を調整することで、ガバナフリー機能の安定性に優れた調速制御が実現できる。又、実施の形態１に記載のガバナフリー補償機能の遅れフィルタ５２と併用することができる。
【００２８】
本実施の形態によれば、水力発電システムに特有の逆応答特性を低減する特性をガバナフリー機能に含めることが可能であり、安定性に優れたガバナフリー機能を有し、又、水力発電システムのガバナフリー機能を閉ループ特性に合わせて調整することが可能であるので、安定性に優れたガバナフリー機能を有する水力発電所調速制御装置が提供できる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、発明によれば水力発電システムの周波数変化に対する発電機出力の応答特性に合わせてガバナフリー補償の出力特性を調整することが可能であり、安定性に優れたガバナフリー補償機能を有する水力発電所調速制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水力発電所調速制御装置の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明に係る水力発電所調速制御装置の第２の実施の形態を示す構成図。
【図３】本発明に係る水力発電所調速制御装置の第１の実施の形態において、システムの応答を模擬した図。
【図４】本発明に係る水力発電所調速制御装置の第１の実施の形態において、逆応答を模擬した図。
【図５】本発明に係る水力発電所調速制御装置の第２の実施の形態において、ボード線図を模擬した図。
【図６】従来の水力発電所調速制御装置の構成図。
【符号の説明】
１ 出力指令制御系
２ 調速制御系
３ 調速機機械系
４ 水車発電機
１０ 出力指令設定部
１１ ガバナフリー補償調停率
２１ 積分特性
２２ ガバナ調停率
２３ 調速制御器
５１，５２ 遅れフィルタ
５３ 補償フィルタ
【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周波数制御及び発電出力制御を行なう調速制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水力発電所の周波数制御及び発電出力制御を行なう調速制御装置は、発電所の出力を制御する出力指令制御系と、水車発電機の調速制御を行なう調速制御系を中核として構成されている。
【０００３】
図６はこのような調速制御装置を示す構成図である。出力指令制御系１では、出力指令設定部１０の指令値、ガバナフリー補償値ＧＣ及び発電機出力ＰＧから発電機出力偏差を得、調速制御系２に伝達する。調速制御系２では、出力指令制御系１からの発電機出力偏差、ガイドベーン開度ＧＶ及びガバナフリー偏差信号ＧＥから調速制御器２３で制御出力を得る。
【０００４】
この調速制御系２からの制御出力に従って、調速機機械系３は水車流量を調整するガイドベーン開度ＧＶを動かす水車流量の調整により水車に発生するトルクが変化し、水車発電機の周波数制御及び出力制御が行なわれる。ここで、ガバナフリー補償機能は、周波数偏差ＤＦとガバナフリー補償調停率１１から求めるガバナフリー補償値ＧＣを、出力指令設定部１０からの指令値に加算する機能である。
【０００５】
ガバナフリー補償調停率１１は、周波数偏差ＤＦがステップ変化した場合に発電機出力指令ＲＰ２が定常状態でステップ前の値と近い値となるように選定される。一方、ガバナフリー機能は、水車発電機の周波数偏差ＤＦをガバナフリー偏差信号ＧＥとしてフィードバックし周波数制御を行なう機能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示した水力発電所調速制御装置において、水力発電に特有の特性により過渡的に制御系が安定しないことがある。水力発電では、水車出力を調整するガイドベーン開度ＧＶの動作に対して水車発電機の周波数や発電機出力が逆応答することがある。
【０００７】
例えば、水車出力を増加させようとガイドベーン開度ＧＶを開方向に短時間に高速操作したとき、水流は管路の上方から供給されるため即座には水車流量は増加せず、一方で水車のケーシングでの水圧の低下により出力は一旦低下することがある。特に、小規模系統となったときには周波数の変動も大きくなる傾向にあり、制御系の不安定化が起こりやすくなる。
【０００８】
又、ガバナフリー補償機能は、周波数偏差ＤＦに起因した発電機出力ＰＧの変化で発電機出力指令ＲＰ２が動かないように補償するための機能であるが、周波数の変化から発電機出力の応答の間には遅れ特性が含まれるため、ガバナフリー補償値の応答と発電機出力の応答の速さには差異があり、発電機出力指令値ＲＰ２が過渡的に振動的な値となることがあるなどの課題がある。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、水力発電に特有の特性により制御系が過渡的に安定しない現象を回避し、安定性に優れた水力発電所調速制御装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、水力発電に特有の特性を考慮してガバナフリー補償機能及びガバナフリー機能を設定することで、安定性に優れた水力発電所調速制御装置を提供することである。
【００１１】
［請求項１］に係る発明は、水車発電機の周波数偏差を検出しその偏差に応じたガバナフリー補償値を発電出力指令値に加算するガバナフリー補償機能を備えた出力指令制御系と、前記出力指令制御系からの発電機出力指令に対して前記周波数偏差に応じた値をガバナフリー偏差信号として与えて水力発電機の周波数制御を行なう調速制御系とを備えた水力発電所調速制御装置において、
前記出力指令制御系でのガバナフリー補償値信号は第１の遅れフィルタを経由させることにより、前記出力指令制御系内の出力設定値と加算すると共に、
前記調速制御系でのガバナフリー偏差信号は第２の遅れフィルタを経由させることにより、前記出力指令制御系からの発電機出力指令と減算するようにした。
【００１２】
［請求項２］に係る発明は、請求項１において、装置内に設置する前記第２の遅れフィルタ特性は、２次以上の遅れ特性を持つように設定するようにした。
【００１３】
［請求項３］に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の水力発電所調速制御装置において、装置内に設置する遅れフィルタ特性は、水車特性及び調速機特性を含む動特性モデルを用いて周波数偏差から発電機出力までの周波数伝達特性として設定するようにした。
【００１４】
［請求項４］に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の水力発電所調速制御装置において、装置内に設置する遅れフィルタ特性は、水車特性及び調速機特性を含む動特性モデルを用いた計算機シミュレーションによって調整するようにした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における水力発電所調速制御装置の発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、図１，図２において図６に示したものと同一の要素には同一の符号を使用する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態による水力発電所調速制御装置の構成例を示している。図１において、ガバナフリー補償機能に遅れフィルタ５１、ガバナフリー機能に遅れフィルタ５２を設けている。ここに２つのフィルタの伝達特性をそれぞれ次式のように設定する。なお、ｓはラプラス演算子とする。これらの遅れフィルタ特性は、離散化の変換を行なってソフトウェアとして実装することもできる。
【００１９】
【数１】
ここで、遅れフィルタの時定数Ｔ１，Ｔ２は次のように設定する。周波数偏差から発電機出力の応答が近似的に１次遅れであるとみなし、Ｔ１はその遅れ時定数として設定する。周波数偏差がステップ変化したときの発電機出力の応答が図３（ａ）の実線のようであると確認されたとき、波線に示す１次遅れで近似して、この近似１次遅れの時定数をＴ１の値として設定する。
【００２１】
上記の遅れフィルタ特性に対して、水車特性及び調速機特性を含む動特性モデルを用いた計算機シミュレーションにより遅れフィルタの特性を調整することもできる。周波数偏差がステップ変化したときの発電機出力指令ＲＰ２が、図３（ｂ）の実線のように過渡的に変化する応答から、遅れフィルタ５１の導入で波線のようにほとんど変化しないようになるとき、ガバナフリー補償機能が目的どおりの出力特性で機能することがいえる。
【００２２】
一方、鉄管管路時定数Ｔｗは管路長さ、流速、落差により決まるが、Ｔ２は、このＴｗを用いてＴ２＝Ｔｗとして初期設定する。ガイドベーン開度ＧＶから水車出力までの水車モデルを次式のように簡略化して表現することがあるが、この簡略モデルを用いた計算機シミュレーションにより遅れフィルタ５２の特性を、逆応答を低減するよう調整することができる。図４は周波数偏差がステップ変化した場合の発電機出力を模擬した図であるが、遅れフィルタ５２を導入すると実線が波線のようになり、逆応答特性が低減される。
【００２３】
【数２】
【００２４】
そのため同時に用いることができ、又、別々に調整することが可能である。この構成では、ガバナフリー補償機能が過渡的にも安定するように調整が可能となり、一方で調速機の応答に対して周波数や発電機出力が逆応答する現象を低減することが可能となる。
【００２５】
本実施の形態によれば、水力発電システムの周波数変化に対する発電機出力の応答特性に合わせてガバナフリー補償の出力特性を調整することが可能であり、安定性に優れたガバナフリー補償機能を有する水力発電所調速制御装置を提供できる。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図２は第２の実施の形態による水力発電所調速制御装置の構成例を示している。図２において、ガバナフリー機能に補償フィルタ５３を設けている。ここに補償フィルタの伝達特性を次式のように位相遅れ進みフィルタとして設定する。
【数３】
調速制御器２３，調速機機械系３，水車発電機４，補償フィルタ５３で構成される一巡伝達関数のボード線図を描き、閉ループの安定性，応答の速さ，ゲイン余裕Ａや位相余裕θを考慮してＴ３，Ｔ４を調整することで、ガバナフリー機能の安定性に優れた調速制御が実現できる。又、実施の形態１に記載のガバナフリー補償機能の遅れフィルタ５２と併用することができる。
【００２８】
本実施の形態によれば、水力発電システムに特有の逆応答特性を低減する特性をガバナフリー機能に含めることが可能であり、安定性に優れたガバナフリー機能を有し、又、水力発電システムのガバナフリー機能を閉ループ特性に合わせて調整することが可能であるので、安定性に優れたガバナフリー機能を有する水力発電所調速制御装置が提供できる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、発明によれば水力発電システムの周波数変化に対する発電機出力の応答特性に合わせてガバナフリー補償の出力特性を調整することが可能であり、安定性に優れたガバナフリー補償機能を有する水力発電所調速制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水力発電所調速制御装置の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明に係る水力発電所調速制御装置の第２の実施の形態を示す構成図。
【図３】本発明に係る水力発電所調速制御装置の第１の実施の形態において、システムの応答を模擬した図。
【図４】本発明に係る水力発電所調速制御装置の第１の実施の形態において、逆応答を模擬した図。
【図５】本発明に係る水力発電所調速制御装置の第２の実施の形態において、ボード線図を模擬した図。
【図６】従来の水力発電所調速制御装置の構成図。
【符号の説明】
１ 出力指令制御系
２ 調速制御系
３ 調速機機械系
４ 水車発電機
１０ 出力指令設定部
１１ ガバナフリー補償調停率
２１ 積分特性
２２ ガバナ調停率
２３ 調速制御器
５１，５２ 遅れフィルタ
５３ 補償フィルタ
Claims (4)
- 水車発電機の周波数偏差を検出しその偏差に応じたガバナフリー補償値を発電出力指令値に加算するガバナフリー補償機能を備えた出力指令制御系と、前記出力指令制御系からの発電機出力指令に対して前記周波数偏差に応じた値をガバナフリー偏差信号として与えて水力発電機の周波数制御を行なう調速制御系とを備えた水力発電所調速制御装置において、
前記出力指令制御系でのガバナフリー補償値信号は第１の遅れフィルタを経由させることにより、前記出力指令制御系内の出力設定値と加算すると共に、
前記調速制御系でのガバナフリー偏差信号は第２の遅れフィルタを経由させることにより、前記出力指令制御系からの発電機出力指令と減算することを特徴とする水力発電所調速制御装置。 - 請求項１記載の水力発電所調速制御装置において、装置内に設置する前記第２の遅れフィルタ特性は、２次以上の遅れ特性を持つように設定することを特徴とする水力発電所調速制御装置。
- 請求項１又は請求項２記載の水力発電所調速制御装置において、装置内に設置する遅れフィルタ特性は、水車特性及び調速機特性を含む動特性モデルを用いて周波数偏差から発電機出力までの周波数伝達特性として設定することを特徴とする水力発電所調速制御装置。
- 請求項１又は請求項２記載の水力発電所調速制御装置において、装置内に設置する遅れフィルタ特性は、水車特性及び調速機特性を含む動特性モデルを用いた計算機シミュレーションによって調整することを特徴とする水力発電所調速制御装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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- 2002-05-07 JP JP2002131357A patent/JP4079311B2/ja not_active Expired - Fee Related
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