JP4533690B2

JP4533690B2 - 水力発電用ガバナとそれを備えた水力発電用調速制御装置、水力発電プラント

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Publication number: JP4533690B2
Application number: JP2004209438A
Authority: JP
Inventors: 一徳岩渕; 康夫高木; 淳二森; 哲哉野口
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: JP2006029215A

Description

本発明は、ＰＩＤ演算部等の制御演算部を備えた水力発電用ガバナとそれを備えた水力発電用調速制御装置、水力発電プラントに関するものであり、特に、制御パラメータの切替を行うことなく安定運転を実現するための技術に関するものである。

一般に、水力発電用ガバナには、制御演算部として、比例・積分・微分演算要素からなるＰＩＤ演算部を持つＰＩＤガバナが広く採用されている。このＰＩＤガバナにおいては、実周波数の周波数設定値からの偏差（周波数偏差）と、実出力、出力指令値、ガイドベーン開度から得る偏差（出力偏差）とを速度垂下率の割合で加算した制御偏差信号がＰＩＤ演算部に入力される。ＰＩＤ演算部では、制御偏差信号に基づきガイドベーンの開度指令値を演算する。この指令値にしたがって、ガバナ機械部であるアクチュエータにより水車流量の調節を担うガイドベーンを駆動することで、水車に供給される水の流量を調整し、これにより水車発電機の出力および周波数が制御されている。

ここで、ＰＩＤ演算部の制御パラメータは、通常、発電機の負荷追従性や周波数の安定を優先して、系統に発電機が連系された状態における最適値に調整されている。系統連系時は、１台の発電機出力が変化しても、周波数はほとんど影響を受けない。この理由は、系統の容量が発電機のそれと比べてはるかに大きいので、発電機の出力変化による擾乱は、系統にとってはごく小さいからである。

その結果、発電機の出力が変化しても、あまり大きな系統周波数変化にはつながらない。この関係から、ＰＩＤ制御パラメータは、系統の安定性を気にすることなく、発電機の安定性を主に考慮して調整すればよい。そのため、積分要素および比例要素に比較的大きなゲインをもつ制御パラメータとして高速負荷追従性を重視した設定とすることが多い。

一方、発電機が系統から切り離された発電機単独系では、上記の系統連系時とは逆に、発電機の出力変化が周波数に大きく影響して安定性を失いやすくなる。このために、系統連系時の制御パラメータでは、発電機は安定せず、運用が困難となる。

そこで、従来は、単独運転への移行を検出し、単独運転移行の検出時に制御パラメータを切り替える技術が存在している（例えば、特許文献１参照）。また、そのような単独運転移行の検出方法としては、回転速度制御系の制御ループ上の状態量に基づいて連繋運転から単独運転に移行したことを検出する等の方法が存在している（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−１８１５４７公報特開２００１−１５３０２３公報

ところで、上述した単独運転移行機能を備えたＰＩＤガバナにおいては、系統連系状態であるか単独運転状態であるかを検出して、制御パラメータを切り替えていた。このために、中間的な、小規模な系統が連系された状態、例えば、事故に起因して１機１負荷と呼ばれる、１台の発電機とそれに見合う小規模な負荷が存在するような場合、ＰＩＤガバナのパラメータは連系状態に保たれることが多く、この場合、比例要素および積分要素に過大なゲインをもつ制御パラメータとなるので、制御が不安定になることが課題であった。このとき、比例要素が１Ｈｚ前後で働く励磁制御系と干渉して安定性を悪化させることも問題となる。

また、１機１負荷において、単独運転と判断した場合には、極端に小さな制御パラメータになる。したがって、周波数制御や出力制御が働かず、負荷に正常に電力を送り続けるのが困難であった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高速負荷追従を実現しつつ、事故に起因して１機１負荷となったときにも安定した制御運転を実現可能な水力発電用ガバナとそれを備えた水力発電用調速制御装置、水力発電プラントを提供することである。

本発明は、上記のような目的を達成するために、Ｐ要素の遅れ演算を行う遅れフィルタを備えたことにより、運転移行時に、制御パラメータの切替等を行うことなく１つの制御パラメータで安定した制御運転を実現できるようにしたものである。

すなわち、本発明の水力発電用ガバナは、実周波数の周波数設定値からの周波数偏差と、実出力、出力指令値、ガイドベーン開度から得られる出力偏差から生成された制御偏差信号に基づきガイドベーンの開度指令値を演算する制御演算部を備え、系統連系運転、単独運転又は１機１負荷運転に運用される水力発電用ガバナにおいて、制御演算部に次のような特徴を有するものである。すなわち、制御演算部は、比例演算を行うＰ要素と、このＰ要素により得られる値またはＰ要素に入出力される値の遅れ演算を行うＰ要素用遅れフィルタを備えている。このＰ要素用遅れフィルタは、前記系統連系運転におけるゲインを保持したまま、前記単独運転時又は１機１負荷運転時におけるゲインを小さくするように、前記Ｐ要素の周波数重みの時定数を設定するものである。

また、本発明の水力発電プラントは、水車と、この水車に連結されて発電を行う発電機と、前記水車に供給される水の流量を調整するガイドベーンと、系統連系運転、単独運転又は１機１負荷運転に運用される水力発電用ガバナとを備えた水力発電プラントにおいて、水力発電用ガバナに次のような特徴を有するものである。すなわち、水力発電用ガバナは、実周波数の周波数設定値からの周波数偏差と、実出力、出力指令値、ガイドベーン開度から得られる出力偏差とを、予め設定された割合で加算して制御偏差信号を生成する偏差信号生成部と、得られた制御偏差信号に基づきガイドベーンの開度指令値を演算するＰＩＤ制御部と、この開度指令値に基づきガイドベーンを駆動するガバナ機械部とを有する。そして、ＰＩＤ制御部は、比例演算を行うＰ要素と、このＰ要素により得られる値またはＰ要素に入出力される値の遅れ演算を行うＰ要素用遅れフィルタと、積分演算を行うＩ要素と、微分演算を行うＤ要素を備えている。このＰ要素用遅れフィルタは、前記系統連系運転におけるゲインを保持したまま、前記単独運転時又は１機１負荷運転時におけるゲインを小さくするように、前記Ｐ要素の周波数重みの時定数を設定するものである。

このような特徴を有する本発明によれば、遅れフィルタを持つ周波数重み付きのＰ要素により、系統連系運転、単独運転、および例えば事故に起因して移行する１機１負荷運転など、異なる運転状態間の移行時に、制御パラメータの切替等を行うことなく１つの制御パラメータで安定した制御運転を実現できる。また、Ｐ要素が発電機の励磁制御系と干渉しないので、安定した単独運用が可能となる。

本発明によれば、高速負荷追従を実現しつつ、１機１負荷となったときにも安定した制御運転を実現可能な水力発電用ガバナとそれを備えた水力発電用調速制御装置、水力発電プラントを提供することができる。

以下には、本発明を適用した複数の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。

［第１の実施形態］
［構成］
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る水力発電用調速制御装置を示す構成図である。この図１の水力発電用調速制御装置は、大別して、偏差信号生成部１０、ＰＩＤ演算部２０、アクチュエータ３０、等から構成されている。ここで、ＰＩＤ演算部２０は、水力発電用ガバナの制御演算部であり、アクチュエータ３０はガバナの機械部である。各部の詳細は次の通りである。

偏差信号生成部１０は、周波数設定器１１、周波数比較器１２、出力指令制御器１３、出力比較器１４、ＡＰＣ制御器１５、積分器１６、開度比較器１７、速度垂下率乗算器１８、偏差加算器１９、を備えており、周波数偏差と出力偏差とを、予め設定された速度垂下率で加算して制御偏差信号を生成する部分である。ここで、周波数比較器１２は、水車発電機の実周波数と、周波数設定器１１から出力された周波数設定値とを比較し、実周波数の周波数設定値からの周波数偏差を求める。

また、出力指令制御器１３から開度比較器１７までの各部１３〜１７は、水車発電機の実出力、出力指令値、ガイドベーン開度から出力偏差を求める部分である。すなわち、出力比較器１４は、水車発電機の実出力と、出力指令制御器１３から出力された出力指令値とを比較し、実出力の出力指令値からの偏差を求める。この偏差に対して、ＡＰＣ制御器１５によりＡＰＣ制御（自動電力制御）を行い、積分器１６により積分演算を行った後、得られた値を開度比較器１７によりガイドベーン開度と比較して、水車発電機の出力偏差を求める。

速度垂下率乗算器１８は、開度比較器１７により得られる出力偏差を、予め設定された速度垂下率で乗算する。偏差加算器１９は、周波数比較器１２により得られる周波数偏差に対して、速度垂下率で乗算された出力偏差を加算して制御偏差信号を得る。

ＰＩＤ演算部２０は、比例演算を行う周波数重み付きのＰ要素２１、積分演算を行うＩ要素２２、不完全微分の微分演算を行うＤ要素２３、これらの要素２１〜２３からの各出力を加算する出力加算器２４、を備えている。

ここで、周波数重み付きのＰ要素２１は、本発明に従い、このＰ要素２１により得られる値の遅れ演算を行う遅れフィルタ（Ｐ要素用遅れフィルタ）が含まれた要素である。図１中では、一例として、遅れフィルタがＰ要素２１に含まれる場合を示しており、この場合に、ＰＩＤ演算部２０の出力は、Ｐ要素２１、Ｉ要素２２、Ｄ要素２３の各出力を加算したものとなる。なお、Ｐ要素用遅れフィルタの構成はこれに限定されるものではなく、変形例として、Ｐ要素２１とは別に遅れフィルタを設けてもよい。

例えば、Ｐ要素２１の出力を入力とするＰ要素用遅れフィルタを設けることが考えられる。この場合には、ＰＩＤ演算部２０の出力は、遅れフィルタの出力を、Ｉ要素２２、Ｄ要素２３の出力に加算したものとなる。また、ＰＩＤ演算部２０の入力にＰ要素用遅れフィルタを設けてもよい。この場合、Ｐ要素２１は、Ｐ要素用遅れフィルタの出力を入力とすることになる。

［作用］
以上のように構成された本実施形態によれば、ＰＩＤ演算部２０の制御パラメータを１つ設定するだけで、系統連系時に問題となる比較的ゆっくりした応答特性と、１機１負荷系などで問題となる比較的速い振動モードの両方を適切に制御できる。以下には、この作用について説明する。

図２は、従来の典型的なＰＩＤガバナにおける、周波数偏差からガイドベーン開度までの周波数応答特性を示すボード線図であり、上段はそのゲインを、下段はその位相を示す。この図２において、系統連系運転時の応答特性を決めるのは、５０秒から２００秒程度の時定数の周波数を含む領域Ａにおけるガバナのゲインの大きさである。ここでのゲインは、通常、Ｉ要素とＰ要素が分担しており、この領域Ａを重視した従来のＰＩＤガバナの調整は、通常の遅れフィルタのないＰＩＤ演算だけで十分である。

一方、１機１負荷運転時や単独運転時において安定した制御運転を実現するためには、数秒から２０秒程度の時定数の周波数を含む図２の領域Ｂの位相とゲインが重要である。単独運転用ＰＩＤガバナでは、一般にこの領域のゲインを小さくすることで安定化しているが、小規模の負荷があり電力供給を意図する場合には、負荷追従性が低いため、電力品質に問題を生じることがある。そこで、この領域における負荷追従性や周波数制御性能を確保するためには、位相の遅れを小さく保ちつつ、ゲインを付加する工夫が必要である。さらに考慮しなければならない条件として、１秒周期の周波数近傍では、発電機の励磁制御である電力安定化制御の作用があり、これとの干渉は必ず避けなければならない。

これに対して、本実施形態においては、Ｐ要素２１の遅れフィルタを用いて、１秒程度の時定数の周波数では大きなゲインにならないように、Ｐ要素２１の周波数重みの時定数Ｔ_Pを調節することができる。この場合、時定数Ｔ_Pは、３秒から０．５秒の間と設定することが適当である。図２に示す領域Ｂの位相遅れは、Ｄ要素２３のパラメータｋ_Dを調整してＤ要素２３による位相進み特性を有効に利用することにより、改善することができる。

さらに、図３に示すように、２次以上の遅れフィルタ（Ｄ要素用遅れフィルタ）を含むＤ要素２５を使用してその周波数重みの時定数Ｔ_Fを調整することにより、Ｄ要素２５と発電機の励磁制御系との干渉を有効に防ぐことができる。この図３は、本実施形態の変形例に係る水力発電用調速制御装置を示す構成図である。

図４は、本実施形態および変形例の水力発電用調速制御装置におけるＰ要素、Ｄ要素（図３）の遅れフィルタの効果を示すゲイン特性図である。この図４に示すように、Ｐ要素、Ｄ要素に遅れフィルタを付加することにより、これらの要素のゲインを適切に調整することができる。

なお、本実施形態において、遅れフィルタの周波数特性の設定は、図５に示すような閉ループのボード線図を用いて容易に行うことができる。ここで、図５は、水力発電用ガバナから、ガイドベーン、水車・水路、水車発電機までの特性を含む閉ループのボード線図の一例を示す図である。このような閉ループのボード線図を描くことで、ゲイン余裕ｇおよび位相余裕θから閉ループの安定性を確認しながら、遅れフィルタの時定数Ｔ_PおよびＴ_Fの選定を柔軟に行うことができる。

［効果］
本実施形態によれば、遅れフィルタを持つ周波数重み付きのＰ要素により、系統連系運転、単独運転、および１機１負荷運転などの異なる運転状態間の移行時に、制御パラメータの切替等を行うことなく１つの制御パラメータで安定した制御運転を実現できる。また、周波数重み付きのＰ要素２１は、発電機の励磁制御系と干渉しないので、１機１負荷運転時や単独運転時に問題となる領域Ｂ（図２）の周波数帯域での安定性を確保することができる。

［第２の実施形態］
［構成］
図６は、本発明を適用した第２の実施形態に係る水力発電用調速制御装置を示す構成図である。この図６の水力発電用調速制御装置は、水力発電用ガバナの制御演算部として、第１の実施形態のＰＩＤ演算部２０に代えて、ＬＱＧ（Linear Quadratic Gaussian）制御理論で設計されたＬＱＧ演算部４０を使用したものであり、このＬＱＧ演算部４０に、周波数重み付きのＰ要素２１を設置したものである。

このＬＱＧ演算部４０は、ＬＱＧ制御理論に従い、基本的に、Ｉ要素２２と、水力発電特有のサージタンク内の水位変化を観測してその状態を推定する状態推定器（オブザーバ）４１と、この状態推定器４１からの信号を用いて水位の揺れを抑制する行列演算を行う状態フィードバック器４２、を備えている。

そして、この構成に、第１の実施形態におけるＰＩＤ演算部２０と同様の、周波数重み付きのＰ要素２１を加え、各出力を出力加算器２４で加算するようにしたものである。視点を変えれば、このＬＱＧ演算部４０は、第１の実施形態のＰＩＤ演算部２０におけるＤ要素２３を、状態推定器４１と状態フィードバック器４２に置き換えたものとみなすことができる。

［作用］
本実施形態のＬＱＧ演算部４０において、状態推定器４１と状態フィードバック器４２は、水位変化に対して変化速度に比例するフィードバックをかけて水位変化を抑制するものであり、ＰＩＤ演算部２０のＤ要素２３による微分演算を高度化した作用を得ることができる。

［効果］
本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、さらに、小系統連系時にも、安定性と並んで、高い周波数制御性や負荷追従性を確保することができる。

［他の実施形態］
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で他にも多種多様な変形例が実施可能である。すなわち、偏差信号生成部や、ガバナの制御演算部、ガバナ機械部等の具体的な構成は自由に選択可能である。さらに、偏差信号生成部や制御演算部に使用する各構成要素は、固定的な構造を有する機器により構成可能であるが、ハードウェアとソフトウェアを組み合わせた仮想的な機器として構成することも可能である。

本発明を適用した第１の実施形態に係る水力発電用調速制御装置を示す構成図。従来の典型的なＰＩＤガバナにおける、周波数偏差からガイドベーン開度までの周波数応答特性を示すボード線図。図１に示す実施形態の変形例に係る水力発電用ガバナを示す構成図。図１および図３に示す水力発電用調速制御装置におけるＰ要素、Ｄ要素の遅れフィルタの効果を示すゲイン特性図。本発明において遅れフィルタの周波数特性の設定に使用する閉ループのボード線図の一例を示す図。本発明を適用した第２の実施形態に係る水力発電用調速制御装置を示す構成図。

符号の説明

１０…偏差信号生成部
１１…周波数設定器
１２…周波数比較器
１３…出力指令制御器
１４…出力比較器
１５…ＡＰＣ制御器
１６…積分器
１７…開度比較器
１８…速度垂下率乗算器
１９…偏差加算器
２０…ＰＩＤ演算部
２１…Ｐ要素
２２…Ｉ要素
２３，２５…Ｄ要素
２４…出力加算器
３０…アクチュエータ
４０…ＬＱＧ演算部
４１…状態推定器
４２…状態フィードバック器

Claims

実周波数の周波数設定値からの周波数偏差と、実出力、出力指令値、ガイドベーン開度から得られる出力偏差から生成された制御偏差信号に基づきガイドベーンの開度指令値を演算する制御演算部を備え、系統連系運転、単独運転又は１機１負荷運転に運用される水力発電用ガバナにおいて、
前記制御演算部は、比例演算を行うＰ要素と、このＰ要素により得られる値またはＰ要素に入出力される値の遅れ演算を行うＰ要素用遅れフィルタを備え、
前記Ｐ要素用遅れフィルタは、前記系統連系運転に適したゲインを保持したまま、前記単独運転時又は１機１負荷運転時に適したゲインを小さくするように、前記Ｐ要素の周波数重みの時定数を設定する
ことを特徴とする水力発電用ガバナ。
前記制御演算部は、前記Ｐ要素に加えて、積分演算を行うＩ要素と、微分演算を行うＤ要素を有することを特徴とする請求項１に記載の水力発電用ガバナ。
前記Ｐ要素用遅れフィルタは、１次遅れであり、かつ、時定数が３秒から０．５秒の間であることを特徴とする請求項２に記載の水力発電用ガバナ。
前記Ｄ要素に対して２次以上の遅れ演算を行うＤ要素用遅れフィルタを備えたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の水力発電用ガバナ。
前記制御演算部は、積分演算を行うＤ要素と行列演算を行う行列演算要素を有することを特徴とする請求項１に記載の水力発電用ガバナ。
前記行列演算要素は、水力発電特有の水位変化の状態を推定する状態推定部と、この状態推定部によって推定された水位変化を抑制するためのフィードバック値を行列演算により求める状態フィードバック部から構成されていることを特徴とする請求項５に記載の水力発電用ガバナ。
前記Ｐ要素用遅れフィルタは前記Ｐ要素に含まれることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の水力発電用ガバナ。
前記Ｐ要素用遅れフィルタは、前記Ｐ要素の出力を入力として遅れ演算を行うように構成されており、
前記制御演算部の出力は、前記Ｐ要素用遅れフィルタの出力を、Ｐ要素以外の要素の出力に加算したものであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の水力発電用ガバナ。
前記Ｐ要素用遅れフィルタは、前記制御演算部の入力に遅れ演算を行うように構成されており、
前記Ｐ要素は、前記Ｐ要素用遅れフィルタの出力を入力とするように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の水力発電用ガバナ。
前記遅れフィルタの周波数特性は、閉ループのボード線図を用いて設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の水力発電用ガバナ。
実周波数の周波数設定値からの周波数偏差と、実出力、出力指令値、ガイドベーン開度から得られる出力偏差とを、予め設定された割合で加算して制御偏差信号を生成する偏差信号生成部と、得られた制御偏差信号に基づきガイドベーンの開度を制御する水力発電用ガバナを備えた水力発電用調速制御装置において、
前記水力発電用ガバナは、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の水力発電用ガバナであることを特徴とする水力発電用調速制御装置。
水車と、この水車に連結されて発電を行う発電機と、前記水車に供給される水の流量を調整するガイドベーンと、系統連系運転、単独運転および１機１負荷運転に運用される水力発電用ガバナとを備えた水力発電プラントにおいて、
前記水力発電用ガバナは、実周波数の周波数設定値からの周波数偏差と、実出力、出力指令値、ガイドベーン開度から得られる出力偏差とを、予め設定された割合で加算して制御偏差信号を生成する偏差信号生成部と、得られた制御偏差信号に基づき前記ガイドベーンの開度指令値を演算するＰＩＤ制御部と、この開度指令値に基づき前記ガイドベーンを駆動するガバナ機械部とを有し、
前記ＰＩＤ制御部は、比例演算を行うＰ要素と、このＰ要素により得られる値またはＰ要素に入出力される値の遅れ演算を行うＰ要素用遅れフィルタと、積分演算を行うＩ要素と、微分演算を行うＤ要素を有し、
前記Ｐ要素用遅れフィルタは、前記系統連系運転におけるゲインを保持したまま、前記単独運転時又は１機１負荷運転時におけるゲインを小さくするように、前記Ｐ要素の周波数重みの時定数を設定する
ことを特徴とする水力発電プラント。