JP4839992B2

JP4839992B2 - ディジタル式水力発電制御装置

Info

Publication number: JP4839992B2
Application number: JP2006189935A
Authority: JP
Inventors: 利則星野; 恵美子大関
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-07-11
Also published as: JP2008022598A

Description

本発明は、ディジタル式水力発電制御装置に係り、特に調速制御におけるガバナフリー運転と定出力運転の制御モード切り替え方式に関する。

図２はディジタル式水力発電制御装置の要部構成を示す。水車１と発電機２に対して、発電機２の出力電圧は電圧制御系３による励磁電流制御で行い、発電機２の発電電力および周波数は水車１の調速制御で行う。

調速制御系は、負荷調整器（６５Ｒ）４に発電機出力指令を得、周波数偏差検出部５による周波数偏差の調整分と、ガバナフリー補償調定部（Ｄｌｏｏｐ）６による調定率を発電機出力指令に加減算してその調整を行い、これをＰＩＤ制御部７の出力制御指令とする。ＰＩＤ制御部７は出力制御指令の比例積分微分（ＰＩＤ）演算を行い、負荷制限設定器（７７Ｅ）８により設定される上限値に制限したガイドベーン開度指令を得る。サーボモータ制御部９はカイドベーン開度指令とその実開度の比較によってガイドベーン開度制御を行う。

これら励磁制御系（３）と調速制御系（４〜８）は、それぞれコンピュータを使用したディジタル処理で行われる。また、励磁制御系と調速制御系を統括した発電制御は、中央指令センタの監視制御机１０とディジタル処理装置１１で行われ、発電機の回転数や出力電圧、負荷要求を監視情報として取得し、これら監視信号と指令員の操作を基にした各種の制御指令を生成する。この制御指令は、励磁制御指令、負荷調整器４の出力指令、ガバナフリー補償調定部（Ｄｌｏｏｐ）６の調定率設定、負荷制限設定器８の設定等になる。

図３と図４は、上記の調速制御系におけるガバナフリー運転と定出力運転の制御モード切り替えを行う場合の発電電力Ｐ−周波数Ｈｚ特性を示し、以下のようになる。

（１）ガバナフリー運転時
ガバナフリー運転時は、負荷調整器（６５Ｒ）４の上げ・下げで有効電力を調整する。このとき、負荷制限設定器（７７Ｅ）８は上限値である１００％になっている。この状態で、運転モードを定出力に切り替えるには、監視制御机１０側で手動にて負荷制限設定器（７７Ｅ）８の設定値を図３中のＥ１以下にする。また、切り替え後は、負荷調整器（６５Ｒ）４を上限値まで手動にて操作する（図３中のＲ１の位置）。

（２）定出力運転時
定出力運転時は、負荷制限設定器（７７Ｅ）８の上げ・下げで有効電力を調整する。このとき負荷調整器（６５Ｒ）４の出力は上限値となっている。この状態で運転モードをガバナフリー運転に切り替えるには手動にて負荷調整器（６５Ｒ）４を図４中のＲ２以下にする。又、切り替え後は負荷制限設定器（７７Ｅ）８を上限値まで手動にて操作する（図４中のＥ２の位置）。

このように、ガバナフリー運転と定出力運転の制御モード切り替えは、ＰＩＤ制御部７には積分項の変更機能がないため、各調整器（６５Ｒ，７７Ｅ）を監視制御机１０側で手動にて増減させ、周波数および電力の調整を切り替え可能な位置まで調整していた。そのため、制御モードの切り替えは手動調整の仕方によっては発電機の出力電力や周波数を大きく変動させてしまう問題があった。

ここで、水車発電機の調速制御において、水車発電の特有の特性により制御系が過渡的に安定しない現象を呈するための対策として、例えば、ガバナフリー調定率分による補償入力に遅れを持たせるものがある（例えば、特許文献１参照）。この手法を、ガバナフリー運転と定出力運転の制御モード切り替え制御に利用し、負荷調整器（６５Ｒ）４、負荷制限設定器（７７Ｅ）８などの出力に遅れ要素を付加することで、発電電力や周波数の過渡的な変動を抑制することが考えられる。
特開２００３−３２４９９３号公報

前記のように、ガバナフリー運転と定出力運転の制御モード切り替えにおける電力変動および周波数変動の抑制対策として、特許文献１のように、負荷調整や負荷制限に遅れ要素を付加する場合、遅れ要素の的確な設定・変更が難しくなる。

特に、制御モード切り替え処理をディジタル処理で行う場合、入力条件の変更に瞬時に応答するアナログ回路構成のＰＩＤ制御に比べて、ディジタル処理では各部（４〜８）の演算を１つのコンピュータで順次実行していくため、処理手順の違いによる各部の制御遅れを考慮した遅れ要素の設定・変更が必要となり、これら設定・変更が難しくなる。

本発明の目的は、ディジタル式調速制御系によるガバナフリー運転と定出力運転の制御モード切り替えに、電力変動および周波数変動の抑制を確実、容易にした水力発電制御装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、制御モード切り替え時に、負荷調整器（６５Ｒ）の出力と負荷制限設定器（７７Ｅ）の設定値およびＰＩＤ制御部の積分項を切り替え直前の値に強制する制御モード切り替え処理手段を設けたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）ディジタル式調速制御系は、負荷調整器（６５Ｒ）に発電機出力指令を得、この出力指令に周波数偏差の調整分と、ガバナフリー調定率分を加減算して、ＰＩＤ制御部の出力制御指令とし、ＰＩＤ制御部の出力は負荷制限設定器（７７Ｅ）により設定される上限値に制限して水車のガイドベーン開度指令を得るディジタル式水力発電制御装置において、
前記調速制御系によるガバナフリー運転から定出力運転への制御モード切り替えは、前記負荷調整器（６５Ｒ）の出力を上限値に設定し、次いで前記負荷制限設定器（７７Ｅ）の出力値を前記ＰＩＤ制御部の出力をそのまま上限リミッタとして設定し、
前記調速制御系による定出力運転からガバナフリー運転への制御モード切り替えは、前記ＰＩＤ制御部の積分項の値を前記負荷制限設定器（７７Ｅ）の出力値に設定し、前記周波数偏差の調整分とガバナフリー補償調定率を加算した値を前記負荷調整器（６５Ｒ）の出力として設定する、
制御モード切り替え処理手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、制御モード切り替え時に、負荷調整器（６５Ｒ）の出力と負荷制限設定器（７７Ｅ）の設定値およびＰＩＤ制御部の積分項を切り替え直前の値に強制する制御モード切り替え処理手段を設けたため、電力変動および周波数変動の抑制を確実、容易にした制御モード切り替えができる。

図１は、本発明の実施形態を示す制御モード切り替え処理フローであり、図２における調速制御系の各部（４〜８）の演算をディジタル処理で行うコンピュータに制御モード切り替え処理部（ソフトウェア構成）１２を設ける。

（１）通常運転時
制御モード切り替え処理部１２は、制御モード切り替えなしの通常運転時の場合（ステップＳ１）、現在のガバナフリー運転、または定出力運転での制御モードを格納しておく（Ｓ２）。

このとき、各部（４〜８）の演算手順は、負荷調整器（６５Ｒ）４の演算→周波数偏差検出部５の演算→ガバナフリー補償調定部（Ｄｌｏｏｐ）６の演算→これらの演算結果の加減算→負荷制限設定器（７７Ｅ）８の演算→ＰＩＤ制御部７の演算となっている。

（２）ガバナフリー運転から定出力運転への制御モード切り替え
制御モード切り替え処理部１２は、切り替え指令ありを判定し（Ｓ１）、ガバナフリー運転から定出力運転への制御モード切り替えの場合（Ｓ３）、負荷調整器（６５Ｒ）４の出力を上限値に設定し（Ｓ４）、次いで負荷制限設定器（７７Ｅ）８の出力値を現在のＰＩＤ制御部７の出力をそのまま上限リミッタとして設定し（Ｓ５）、この後に周波数偏差検出部５の演算指令（Ｓ６）、さらにガバナフリー補償調定部（Ｄｌｏｏｐ）６の演算指令を発生する（Ｓ７）。

したがって、演算手順は通常運転時と異なり、６５Ｒ→７７Ｅ→Ｎ検出→Ｄｌｏｏｐ演算→加減算→ＰＩＤ演算となる。

このように、負荷調整器（６５Ｒ）４の出力を上限値にし、次いで負荷制限設定器（７７Ｅ）８の出力値を現在のＰＩＤ制御部７の出力をそのまま上限リミッタとして設定することにより、ＰＩＤ制御部７の出力が急変することなく、定出力運転に瞬時に切り替えることができ、電力変動および周波数変動の抑制を確実、容易にする。

（３）定出力運転からガバナフリー運転への制御モード切り替え
制御モード切り替え処理部１２は、切り替え指令ありを判定し（Ｓ１）、定出力運転からガバナフリー運転への制御モード切り替えの場合（Ｓ３）、ＰＩＤ制御部７の積分項の値を負荷制限設定器（７７Ｅ）８の出力値（最大値、通常は１００％）に設定し（Ｓ８）、この後に周波数偏差検出部５の演算指令（Ｓ９）、さらにガバナフリー補償調定部（Ｄｌｏｏｐ）６の演算指令を発生し（Ｓ１０）、最後に周波数偏差の調整分とガバナフリー補償調定率を加算した値を負荷調整器（６５Ｒ）４の出力として設定する（Ｓ１１）。

このように、ＰＩＤ制御部７の積分項の値を負荷制限設定器（７７Ｅ）８の出力値に設定し、周波数偏差の調整分とガバナフリー補償調定率を加算した値を負荷調整器（６５Ｒ）４の出力として設定することにより、ＰＩＤ制御部７の入力および出力が急変することなく、ガバナフリー運転に瞬時に切り替えることができ、電力変動および周波数変動の抑制を確実、容易にする。

なお、負荷調整器（６５Ｒ）４の設定は、周波数偏差の調整分とガバナフリー補償調定率を加算したものとするが、ガバナフリー補償調定率は折れ線調定率で近似するなど、適宜設計変更することができる。

本発明の実施形態を示す制御モード切り替え処理フロー。ディジタル式水力発電制御装置の要部構成図。ガバナフリー運転時の発電電力−周波数特性例。定出力運転時の発電電力−周波数特性例。

符号の説明

１水車
２発電機
３電圧制御系
４負荷調整器（６５Ｒ）
５周波数偏差検出部
６ガバナフリー補償調定部（Ｄｌｏｏｐ）
７ＰＩＤ制御部
８負荷制限設定器（７７Ｅ）
９サーボモータ制御部
１０監視制御机
１１ディジタル処理装置
１２制御モード切り替え処理部

Claims

ディジタル式調速制御系は、負荷調整器（６５Ｒ）に発電機出力指令を得、この出力指令に周波数偏差の調整分と、ガバナフリー調定率分を加減算して、ＰＩＤ制御部の出力制御指令とし、ＰＩＤ制御部の出力は負荷制限設定器（７７Ｅ）により設定される上限値に制限して水車のガイドベーン開度指令を得るディジタル式水力発電制御装置において、
前記調速制御系によるガバナフリー運転から定出力運転への制御モード切り替えは、前記負荷調整器（６５Ｒ）の出力を上限値に設定し、次いで前記負荷制限設定器（７７Ｅ）の出力値を前記ＰＩＤ制御部の出力をそのまま上限リミッタとして設定し、
前記調速制御系による定出力運転からガバナフリー運転への制御モード切り替えは、前記ＰＩＤ制御部の積分項の値を前記負荷制限設定器（７７Ｅ）の出力値に設定し、前記周波数偏差の調整分とガバナフリー補償調定率を加算した値を前記負荷調整器（６５Ｒ）の出力として設定する、
制御モード切り替え処理手段を備えたことを特徴とするディジタル式水力発電制御装置。