JP4753840B2

JP4753840B2 - 水力発電装置の起動方法および制御装置

Info

Publication number: JP4753840B2
Application number: JP2006303715A
Authority: JP
Inventors: 裕二佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: JP2008121449A

Description

この発明は、水力発電設備の起動時の放流制限を回避し、幅広い落差での運転を可能とする水力発電装置の起動方法および制御装置に関するものである。

従来の水力発電装置においては、起動時の放流制限を回避する手段としては、電力系統に並列直後は、無負荷流量となるような運転を行い、徐々に流量を増やす制御をしている。（特許文献1参照）

特開平９−３２９０７６号公報（図１，２及びその説明）

水車起動時に放流量制限を行う水力発電装置（設備）は、起動直後の河川の急激な水位上昇を防ぐ目的で放流開始から例えば10分単位で放流量を増やす運転を実施する。従来の放流制限は、起動直後の10分間の放流量が無負荷流量（無負荷時に定格回転数を維持するのに必要な水車への供給水流量）以上かつ放流制限以下となる水量で運転できる落差としていたため、無負荷流量以下での運転はしていなかった。そのため、発電装置の下流に維持放流しなければならない（下流のダムや河川においても最低限の水量を維持しなければならない）ときは、運転可能な範囲外の落差の場合、発電装置以外の放流弁から放流し、発電に利用しないまま水を無駄に下流へ流していたという問題点があった。

この発明は、前述のような実情に鑑みてなされたもので、無負荷流量が放流制限量を超える低落差の場合でも発電装置の起動運転に利用しながら放流できるようにすることを目的とするものである。

この発明に係る水力発電装置の起動方法は、ガイドベーンの開度に応じた水が供給される水車の回転によって発電機が回転する水力発電装置において、無負荷で前記発電機の定格回転数で運転するのに必要な前記水車への供給水の無負荷流量よりも前記水車から放流される放流水の起動初期放流制限量が少ない場合に前記発電機を電力系統に並列後にガイドベーンを閉じる方向に調節して前記水車からの前記放流水を前記起動初期放流制限量以下とすると共に、前記起動初期放流制限量の起動初期放流制限期間に前記発電機をモータリング運転して前記発電機の定格回転数を維持し、前記起動初期放流制限期間後の放流制限量の増加に伴って前記水車からの前記放流水が増加放流制限量を超えない範囲でガイドベーンを開く方向に調節しながら起動する水力発電装置の起動方法である。

また、この発明に係る水力発電装置の制御装置は、水車からの実放流量を出力する放流量出力手段、この放流量出力手段から出力される実放流量と起動初期放流制限量とを比較する流量比較手段、前記水車から回転駆動される発電機の電力系統への並列を確認する並列確認手段、起動から起動初期放流制限期間に対応する出力を出す時間対応出力手段、及び前記比較手段の出力と前記並列確認手段の出力と前記時間対応出力手段の出力とから、前記実放流量が前記起動初期放流制限量より大きく前記並列が確認され前記起動初期放流制限期間内である場合には前記水車の水車ランナへの流量を調節するために開度を調節可能なガイドベーンの閉指令を出力すると共に前記発電機のモータリング運転の指令を出すモータリング運転可否判定手段を備えたものである。

この発明は、ガイドベーンの開度に応じた水が供給される水車の回転によって発電機が回転する水力発電装置において、無負荷で前記発電機の定格回転数で運転するのに必要な前記水車への供給水の無負荷流量よりも前記水車から放流される放流水の起動初期放流制限量が少ない場合に前記発電機を電力系統に並列後にガイドベーンを閉じる方向に調節して前記水車からの前記放流水を前記起動初期放流制限量以下とすると共に、前記起動初期放流制限量の起動初期放流制限期間に前記発電機をモータリング運転して前記発電機の定格回転数を維持し、前記起動初期放流制限期間後の放流制限量の増加に伴って前記水車からの前記放流水が増加放流制限量を超えない範囲でガイドベーンを開く方向に調節しながら起動する水力発電装置の起動方法であるので、無負荷流量が放流制限量を超える低落差の場合でも下流側の河川やダムなどの放流制限に抵触することなく発電装置の起動運転に利用しながら放流できる効果がある。

また、この発明は、水車からの実放流量を出力する放流量出力手段、この放流量出力手段から出力される実放流量と起動初期放流制限量とを比較する流量比較手段、前記水車から回転駆動される発電機の電力系統への並列を確認する並列確認手段、起動から起動初期放流制限期間に対応する出力を出す時間対応出力手段、及び前記比較手段の出力と前記並列確認手段の出力と前記時間対応出力手段の出力とから、前記実放流量が前記起動初期放流制限量より大きく前記並列が確認され前記起動初期放流制限期間内である場合には前記水車の水車ランナへの流量を調節するために開度を調節可能なガイドベーンの閉指令を出力すると共に前記発電機のモータリング運転の指令を出すモータリング運転可否判定手段を備えた水力発電装置の制御装置であるので、無負荷流量が放流制限量を超える低落差の場合でも下流側の河川やダムなどの放流制限に抵触することなく発電装置の起動運転に利用しながら放流できる水力発電装置の制御装置を実現できる。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を図１〜図４により説明する。図１は水力発電装置の制御装置におけるモータリング制御ロジックの事例を示すブロック図、図２は落差と無負荷流量との関係の事例を示す線図、図３は起動時の時間経過と流量変化とモータリング運転との関係の事例を示す図、図４はモータリング運転時の潮流を表す図である。

図１において、発電装置の制御装置８は、並列確認回路等の並列確認手段１と、起動確認回路等の起動確認手段２と、タイマ等の時間対応出力手段３と、放流量出力手段４と、放流制限設定手段５と、比較器等の流量比較手段６と、ＡＮＤ論理要素等のモータリング運転可否判定手段７とを有している。

前記放流量出力手段４の出力は、実際に放流されている流量信号である。
前記放流制限設定手段５の出力は、起動から例えば10分間の放流制限値である。
前記流量比較手段６は、前記放流量出力手段４の出力である実放流量と、前記放流制限設定手段５の出力である放流制限量とを比較する。
前記並列確認手段１は、並列用遮断器（図４における遮断器１０）が投入されたこと、つまり発電機（図４における発電機１１）が電力系統に並列（並入ともいう）されたことを確認する。
前記起動確認手段２は、放流を開始し起動開始したことを確認する。
前記時間対応出力手段３は、放流開始が確認されてから例えば10分以内であることを確認し放流開始が確認されてから例えば10分以内であることを出力する。
前記モータリング運転可否判定手段７は、前記並列確認手段１の出力と流量比較手段６の出力と時間対応出力手段３の出力とを入力してモータリング運転可否を判定し、モータリング運転可の場合は、水車ランナへの流量を調節するために開度を調節可能なガイドベーン（図示省略）へのガイドベーン閉指令７GVを出力する。

次に動作について説明する。
放流量出力手段４の出力である水車からの実放流量Ａと、放流制限設定手段５の出力である起動から例えば10分間の放流制限量Ｂとを、流量比較手段６で比較し、流量比較手段６での比較結果、実放流量Ａが放流制限量Ｂより大きい場合（Ａ＞Ｂの場合）、且つ並列確認手段１により並列用遮断器（図４の遮断器１０）の投入が確認された旨の出力が並列確認手段１から出され、しかも起動確認手段２により、放流開始が確認されてから10分以内である旨の出力が出せれておれば、つまりこれら３つの条件が成立していることをモータリング運転可否判定手段７が判定すれば、モータリング運転可否判定手段７は、つまり制御装置８は水車ランナへの流量を調節するために開度を調節可能なガイドベーン（図示省略）へのガイドベーン閉指令７GVを出力する。これを起動時の時間経過と流量変化とモータリング運転との関係で事例として表すと図３のようになる。この図３に示されているように、起動後は、並列するまでは無負荷流量で運転し、並列後に放流制限量以下に流量を制限する。この後、起動後例えば10分が経過し、流量制限値が大きくなるので、流量を増やす制御が行われている。

上記、図１に示すロジックを設けることで並列後に実放流量Ａを放流制限量Ｂ以下に制御が可能となり、並列時の無負荷流量以下の流量でのモータリング運転を実現する。図２に示すように、落差が低いほど無負荷流量は多くなるため、起動から10分間のみモータリング運転を行うことで低落差での運転が可能となる。これにより、下流側への維持放流を行う場合でも、発電運転を行うことが可能となり、これまで無駄に放流していた水を発電エネルギーに変えることができるメリットがある。

前述の水力発電装置の起動制御を換言すると、ガイドベーンの開度に応じた水が供給される水車の回転によって発電機が回転する水力発電装置において、無負荷で前記発電機の定格回転数で運転するのに必要な前記水車への供給水の無負荷流量よりも前記水車から放流される放流水の起動初期放流制限量が少ない場合に前記発電機を電力系統に並列後にガイドベーンを閉じる方向に調節して前記水車からの前記放流水を前記起動初期放流制限量以下とすると共に、前記起動初期放流制限量の起動初期放流制限期間に前記発電機をモータリング運転して前記発電機の定格回転数を維持し、前記起動初期放流制限期間後の放流制限量の増加に伴って前記水車からの前記放流水が増加放流制限量を超えない範囲でガイドベーンを開く方向に調節しながら起動する水力発電装置の起動方法である。

また、異なる観点で換言すると、水車ランナへの流量を調節するために開度を調節可能なガイドベーンを備えた水車に発電機が直結された水力発電装置における発電運転をするためにガイドベーンを全閉から開き、定格回転速度になるまでガイドベーンを開いた後、前記発電機を電力系統に接続するための遮断器を閉じる水力発電装置の起動方法において、前記発電機の前記電力系統への接続後に、ガイドベーンを閉じる方向に調節して前記水車からの放流水を前記起動初期放流制限量以下とすると共に、前記起動初期放流制限量の起動初期放流制限期間に前記発電機をモータリング運転して前記発電機の定格回転数を維持し、前記起動初期放流制限期間後の放流制限量の増加に伴って前記水車からの前記放流水が増加放流制限量を超えない範囲でガイドベーンを開く方向に調節しながら起動する水力発電装置の起動方法である。

更に別の観点で換言すると、水車からの実放流量を出力する放流量出力手段、この放流量出力手段から出力される実放流量と起動初期放流制限量とを比較する流量比較手段、前記水車から回転駆動される発電機の電力系統への並列を確認する並列確認手段、起動から起動初期放流制限期間に対応する出力を出す時間対応出力手段、及び前記比較手段の出力と前記並列確認手段の出力と前記時間対応出力手段の出力とから、前記実放流量が前記起動初期放流制限量より大きく前記並列が確認され前記起動初期放流制限期間内である場合には前記水車の水車ランナへの流量を調節するために開度を調節可能なガイドベーンの閉指令を出力すると共に前記発電機のモータリング運転の指令を出すモータリング運転可否判定手段を備えた水力発電装置の制御装置である。

なお、図１に示す起動制御ロジックは、Ｈ／Ｗで構成することも、Ｓ／Ｗで構成することも可能である。

また、起動途中で発電機１１をモータリング運転する時間が放流制限時間程度の短時間であれば、モータリング運転による水車への影響（振動の増大、キャビテーションの発生等）は無視できる。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２を、水力発電装置の制御装置におけるモータリング運転時の無効電力制御ロジックの事例をブロック図で例示してある図５によって説明する。

図５に示してあるように、前記制御装置８は、モータリング運転確認手段１５と、目標無効電力設定手段１６と、無効電力変換器１７の出力を受けて実無効電力を出力する実無効電力出力手段１８と、無効電力比較手段１９と、発電機（図４の発電機１１）の励磁回路の電圧を制御するＡＶＲへの電圧上げ指令（励磁を強める指令）20U、電圧下げ指令（励磁を弱める指令）20Lを出力する無効電力制御判定手段２０とを有している。

前記モータリング運転確認手段１５は、発電機（図４の発電機１１）をモータリング運転中であることを確認し、モータリング運転中である旨の出力を出す。
前記目標無効電力設定手段１６は、モータリング運転中に電力系統側から前記発電機に供給される電力（図４の潮流１２）の無効電力が0Varに向けて制御されるように設定する手段であり、設定無効電力（0Var）Ｃを出力する。
前記実無効電力出力手段１８は、トランスデューサ等の無効電力変換器１７の出力を受けて実無効電力Ｄを出力する。
前記無効電力比較手段１９は、前記設定無効電力（0Var）Ｃと前記実無効電力Ｄとを入力し、Ｃ＞Ｄの場合はＣ＞Ｄであることを出力し、Ｃ＜Ｄの場合はＣ＜Ｄであることを出力する。
前記無効電力制御判定手段２０は、前記モータリング運転確認手段１５の出力と前記無効電力比較手段１９の出力とを入力し、モータリング運転中であり、しかも前記無効電力比較手段１９の出力がＣ＞Ｄの場合は、電圧上げ指令（励磁を強める指令）20Uを、発電機励磁回路の電圧を制御するＡＶＲへ与える。また、前記無効電力制御判定手段２０は、モータリング運転中であり、しかも前記無効電力比較手段１９の出力がＣ＜Ｄの場合は、電圧下げ指令（励磁を弱める指令）20Lを、発電機励磁回路の電圧を制御するＡＶＲへ与える。

前述の実施の形態１では、モータリング運転させる制御について述べたが、モータリング運転することで、図４に示すように、電力系統から発電機１１に向かって電力を引き込むことになるため、電流及び電力は矢印１２の向きとなる。このとき、無効電力については、０にすることが望ましい。モータリング運転でない通常運転時、無効電力を目標値とする無効電力制御を行う発電設備においては、無効電力制御用に無効電力変換器１７があり、無効電力を制御装置８に取り込んでいるため、これを利用し、前期モータリング運転確認手段１５によるモータリング運転検出が成立しているときには、前記目標無効電力設定手段１６による無効電力目標値を0Varとするロジックを設けてあるので、モータリング運転中の無効電力を０に向けてに制御でき、系統の力率改善に寄与できる。

実施の形態３．
以下、この発明の実施の形態２を、水力発電装置の制御装置におけるモータリング運転時の無効電力制御ロジックの事例をブロック図で例示してある図６によって説明する。
前述の実施の形態２では、通常運転時、無効電力を目標値に制御する発電設備におけるモータリング運転中の無効電力０制御の事例について述べたが、本実施の形態３では、通常運転において、力率を目標値に制御する発電設備におけるモータリング運転中の無効電力制御の事例について述べる。

力率制御を行うための力率変換器は、低負荷領域では、誤差が大きく制御として使用できないため、本実施の形態３の水力発電装置の起動方法および制御装置では、図６に例示するように、力率を目標値に制御する力率目標(PF)設定手段34を利用する。
即ち、本実施の形態３の水力発電装置の起動方法および制御装置は、図６に示してあるように、有効電力変換器(トランスジューサTD等)30の出力を入力する実有効電力(Ｐ)出力手段33と、力率目標(PF)設定手段34と、無効電力変換器(トランスジューサTD等)31の出力を入力する実無効電力(Ｑ)出力手段35と、前記実有効電力(Ｐ)出力手段33の出力Ｅと前記力率目標(PF)設定手段34の出力Ｆとから図示算式で無効電力目標値Ｈ38を演算する演算手段36と、モータリング運転中であればモータリング運転中の出力を出すモータリング運転確認手段37と、無効電力を強制的に０Varに設定するための出力Ｊを発生する０Var設定手段39と、前記演算手段36の出力Ｈと前記０Var設定手段39の出力Ｊと前記モータリング運転確認手段37の出力Ｇとを入力し前記モータリング運転確認手段37の出力Ｇの状態に応じて前記演算手段36の出力Ｈと前記０Var設定手段39の出力Ｊとを切り替えて両出力Ｈ，Ｊの何れか一を選択的に出力する切替選択手段40と、この切替選択手段40の出力Ｋと前記実無効電力(Ｑ)出力手段35の出力Ｌとを入力し両出力Ｋ，Ｌの大小比較をする比較判定手段41とを有し、この比較判定手段41での比較判定結果に応じて電圧上げ指令20Uあるいは電圧下げ指令20Lを出力するように構成されている。

図６の事例では、モータリング運転確認手段37の出力１（モータリング運転の条件成立）のとき、切替選択手段40の出力ＫはＪである（即ち、入力した０Var設定手段39の出力をそのまま出力する）。
モータリング運転確認手段37の出力０（モータリング運転の条件不成立）のとき、切替選択手段40の出力ＫはＨである（即ち、入力した無効電力目標値Ｈ38をそのまま出力する）。
これにより、モータリング運転中37の条件が成立したときは、無効電力目標値を強制的に０Var設定手段39の0Varに固定することで、該固定された0Varと実無効電力(Ｑ)出力手段35の出力Ｌとの比較が可能となり、実無効電力(Ｑ)を0Varに制御するようにしたので、力率制御する発電所において、モータリング運転中のような低負荷状態でも無効電力が0Varに制御可能となった。また、通常運転時の力率制御も実有効電力及び無効電力から制御しているため、力率変換器が通常運転時の制御に不要となり、コストが抑えられる。

実施の形態４．
以下、実施の形態４を図7及び図８によって説明する。図７は水力発電装置の制御装置におけるモータリング制御ロジックの事例を示すブロック図、図８は図７の制御装置におけるモータリング制御ロジックの必要性を説明するための発電設備下流側の構成事例を含めた概略断面図である。なお、図７において図１と同一又は相当部分には図１と同一符号を付してあり、以下の本実施の形態４の説明は、前述の実施の形態１と異なる点を主に説明し、他の説明は割愛する。

前述の実施の形態１では、発電設備が系統に並列したときの無負荷流量が起動から例えば10分間の放流制限量を超える場合に、ガイドベーンを閉方向に制御し、流量を抑え、モータリング運転させる制御方法について述べたが、図８に示すように発電運転する水が水車52から放水路53を通って、下流河川50に放流される場合、下流河川は、ダム51に流れ込むケースがあり、ダム51の水位が高いとき、放水路レベルまで水位が達していれば、起動直後に放流制限以上の流量で運転してもダムの面積が大きいため、急激な水位上昇は発生しない。このようなときには、図７に示すように下流側水位54をレベル判定器55により、急激な水位上昇が発生するレベル以下である場合のみ放流制限量以下になるようにガイドベーンを閉方向に制御するようにしたものであり、河川側の制限による運転を最小に留めることができ、発電設備としての運用制約が少なくなり、電力系統の要求に応じた発電を行うことができる。

この発明の実施の形態１を示す図で、水力発電装置の制御装置におけるモータリング制御ロジックの事例をブロック図で例示してある。この発明の実施の形態１を示す図で、落差と無負荷流量との関係の事例を示す線図である。この発明の実施の形態１を示す図で、起動時の時間経過と流量変化とモータリング運転との関係の事例を示す図である。この発明の実施の形態１を示す図で、モータリング運転時の潮流を表す図である。この発明の実施の形態２を示す図で、水力発電装置の制御装置におけるモータリング運転時の無効電力制御ロジックの事例をブロック図で例示してある。この発明の実施の形態３を示す図で、水力発電装置の制御装置におけるモータリング運転時の無効電力制御ロジックの事例をブロック図で例示してある。この発明の実施の形態４を示す図で、水力発電装置の制御装置におけるモータリング制御ロジックの事例をブロック図で例示してある。この発明の実施の形態４を示す図で、図７の制御装置におけるモータリング制御ロジックの必要性を説明するための発電設備下流側の構成事例を含めた概略断面図である。

符号の説明

１並列確認手段、
２起動確認手段、
３時間対応出力手段、
４放流量出力手段、
５放流制限量、
６流量比較手段、
７モータリング運転可否判定手段、
８制御装置、
１１発電機、
１６目標無効電力設定手段、
１７，３１無効電力変換器、
５５レベル判定。

Claims

ガイドベーンの開度に応じた水が供給される水車の回転によって発電機が回転する水力発電装置において、無負荷で前記発電機の定格回転数で運転するのに必要な前記水車への供給水の無負荷流量よりも前記水車から放流される放流水の起動初期放流制限量が少ない場合に前記発電機を電力系統に並列後にガイドベーンを閉じる方向に調節して前記水車からの前記放流水を前記起動初期放流制限量以下とすると共に、前記起動初期放流制限量の起動初期放流制限期間に前記発電機をモータリング運転して前記発電機の定格回転数を維持し、前記起動初期放流制限期間後の放流制限量の増加に伴って前記水車からの前記放流水が増加放流制限量を超えない範囲でガイドベーンを開く方向に調節しながら起動する水力発電装置の起動方法。
水車ランナへの流量を調節するために開度を調節可能なガイドベーンを備えた水車に発電機が直結された水力発電装置における発電運転をするためにガイドベーンを全閉から開き、定格回転速度になるまでガイドベーンを開いた後、前記発電機を電力系統に接続するための遮断器を閉じる水力発電装置の起動方法において、前記発電機の前記電力系統への接続後に、ガイドベーンを閉じる方向に調節して前記水車からの放流水を起動初期放流制限量以下とすると共に、前記起動初期放流制限量の起動初期放流制限期間に前記発電機をモータリング運転して前記発電機の定格回転数を維持し、前記起動初期放流制限期間後の放流制限量の増加に伴って前記水車からの前記放流水が増加放流制限量を超えない範囲でガイドベーンを開く方向に調節しながら起動する水力発電装置の起動方法。
請求項１または請求項２に記載の水力発電装置の起動方法において、前記モータリング運転を行っている場合は電力系統側から前記発電機に供給される電力の無効電力が0Varに向けて制御されることを特徴とする水力発電装置の起動方法。
請求項３に記載の水力発電装置の起動方法において、無効電力変換器によって力率が制御され、電力系統側から前記発電機に供給される電力の無効電力が0Varに向けて制御されることを特徴とする水力発電装置の起動方法。
請求項１または請求項２に記載の水力発電装置の起動方法において、被放流側の水位を検出し、無負荷で前記発電機の定格回転数で運転するのに必要な前記水車への供給水の無負荷流量で放流しても前記被放流側の水位の上昇率が一定値以下となることが検出されると、前記発電機のモータリング運転を行うことなく定格回転数を維持しながら起動することを特徴とする水力発電装置の起動方法。
水車からの実放流量を出力する放流量出力手段、
この放流量出力手段から出力される実放流量と起動初期放流制限量とを比較する流量比較手段、
前記水車から回転駆動される発電機の電力系統への並列を確認する並列確認手段、起動から起動初期放流制限期間に対応する出力を出す時間対応出力手段、及び
前記比較手段の出力と前記並列確認手段の出力と前記時間対応出力手段の出力とから、前記実放流量が前記起動初期放流制限量より大きく前記並列が確認され前記起動初期放流制限期間内である場合には前記水車の水車ランナへの流量を調節するために開度を調節可能なガイドベーンの閉指令を出力すると共に前記発電機のモータリング運転の指令を出すモータリング運転可否判定手段を備えた水力発電装置の制御装置。