JP5797513B2 - 水力発電制御システムおよびその調速機制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、調速機制御装置における速度設定器および負荷設定器の双方の出力に基づいて水車のガイドベーンの開度を制御する水力発電制御システムおよびその調速機制御装置に関し、特に電力系統への並入時に発生する水車発電機のモータリング現象の抑制に関するものである。

水力発電制御システムによる水車発電機の回転速度および出力の制御は周知のように調速機制御装置により行われている。
調速機制御装置は周知のとおり、ガイドベーン開度を制御するアクチュエータに対して、水車またはポンプ水車の回転速度およびガイドベーン開度の各フィードバック信号を利用した制御量を出力して、水車発電機の回転速度および出力を制御する装置である。

従来の水力発電制御システムにおける調速機制御装置の負荷設定器（65P）は、図８に
示すように、その入力側には、負荷設定器（65P）の出力をゼロ「０」とするゼロ「０」
指令、負荷設定器（65P）の出力を上げる指令「上げ指令」、負荷設定器（65P）の出力を下げる指令「下げ指令」が、それぞれ直接与えられる。

従来の水力発電制御システムによる動作は、動作タイムチャートは図９に示すようになる。
この図９に示すように、従来の水力発電制御システムでは、電力系統への水車発電機の並入時に、電力系統から水車発電機へ電力が供給される所謂モータリング現象が発生する場合がある。
電力系統への水車発電機並入（電力系統と水車発電機とが並列接続）後は、中央給電所、制御所、配電盤、等からの自動調整機能または運転員による人為的操作による調速機制御装置の負荷設定器（65P）の出力である増減指令によって負荷が調整されるが、従来の制御システムでは、前記並入時の負荷設定器（65P）の出力は０から開始されてため、並入時の電力系統への水車発電機の同期投入時には、負荷設定器（65P）とガイドベーン開度には負の偏差が生じ、この時に揃速減指令が与えられて速度設定器（65F）が低い位置の場合には前記並入後の定格回転速度を維持するためのガイドベーン開度も不足して、即ち水車のトルクが不足して、前述の電力系統から水車発電機へ電力が供給される所謂モータリング現象が従来の水力発電制御システムでは発生する場合がある。

前述のようなモータリング現象を抑制する一つ方策として、発電機を電力系統に並入する時点で決める調速機制御装置の速度設定手段による発電機出力周波数設定値を、前記並入直後の一定時間、補正手段により補正して電力系統の周波数に一致させる調速方法がある。（特許文献１を参照）

特開平１１−４１９９１号公報（要約、図１及びその説明）

従来の制御システムでは、前記並入時の負荷設定器（65P）の出力は０から開始されて
ため、並入時の電力系統への水車発電機の同期投入時には、負荷設定器（65P）とガイド
ベーン開度には負の偏差が生じ、この時に同期のための揃速制御指令が与えられることか
ら、負荷設定器（65P）の出力が低い場合には前記並入後の定格回転速度を維持するため
のガイドベーン開度も不足して、即ち水車のトルクが不足して、前述の電力系統から水車発電機へ電力が供給される所謂モータリング現象が従来の制御システムでは発生する場合がある。
また、特許文献１のように、モータリング現象を抑制する一つ方策として、発電機を電力系統に並入する時点で決める調速機制御装置の速度設定手段による発電機出力周波数設定値を、前記並入直後の一定時間、補正手段により補正して電力系統の周波数に一致させる調速方法がある。
特許文献１の調速方法を使用しない従来の水力発電制御システムではモータリング現象が発生する場合があり、特許文献１では調速機制御装置の速度設定手段による発電機出力周波数設定値を、前記並入直後の一定時間、補正手段により補正するため、補正手段として、切り替えスイッチ、補正装置が使用される。
ここで、周波数設定値を補正するための切り替えスイッチ、補正装置を使用することなく、負荷設定器（65P）側で対策を講じてモータリング現象を確実に抑制することができ
るようにすることも必要である。

この発明は、前述のような実情に鑑みてなされたもので、負荷設定器側で対策を講じてモータリング現象を確実に抑制することが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制御システムは、調速機制御装置における速度設定器および負荷設定器の双方の出力に基づいて水車のガイドベーンの開度を制御する水力発電制御システムにおいて、前記負荷設定器の入力段に前記ガイドベーンの開度のフィードバック信号を取り込み、電力系統への水車発電機の並入時における前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーン開度相当とし、前記並入時における前記水車発電機のモータリング現象を抑制するものである。
また、この発明に係る調速機制御装置は、速度設定器および負荷設定器を備え、前記速度設定器および前記負荷設定器の双方の出力に基づいて水車のガイドベーンの開度を制御する調速機制御装置において、前記負荷設定器の入力段に前記ガイドベーンの開度のフィードバック信号を取り込み、電力系統への水車発電機の並入時における前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーン開度相当とし、前記並入時における前記水車発電機のモータリング現象を抑制するものである。

この発明は、調速機制御装置における速度設定器および負荷設定器の双方の出力に基づいて水車のガイドベーンの開度を制御する水力発電制御システムにおいて、前記負荷設定器の入力段に前記ガイドベーンの開度のフィードバック信号を取り込み、電力系統への水車発電機の並入時における前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーン開度相当とし、前記並入時における前記水車発電機のモータリング現象を抑制するので、負荷設定器側で対策を講じてモータリング現象を確実に抑制することができる効果がある。
また、この発明は、速度設定器および負荷設定器を備え、前記速度設定器および前記負荷設定器の双方の出力に基づいて水車のガイドベーンの開度を制御する調速機制御装置において、前記負荷設定器の入力段に前記ガイドベーンの開度のフィードバック信号を取り込み、電力系統への水車発電機の並入時における前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーン開度相当とし、前記並入時における前記水車発電機のモータリング現象を抑制するので、負荷設定器側で対策を講じてモータリング現象を確実に抑制することができる効果がある。

この発明の各実施例に共通の水力発電制御システムおよびその調速機制御装置の一例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、水力発電制御システムにおける調速機制御装置の負荷設定器（65P）の入力段に対するモータリング現象対策の一例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１を示す図で、図２の事例を使用した場合の水力発電制御システムによる動作タイムチャート示す図である。 この発明の実施の形態２を示す図で、水力発電制御システムにおける調速機制御装置の負荷設定器（65P）の入力段に対するモータリング現象対策の他の例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２を示す図で、図４の事例を使用した場合の水力発電制御システムによる動作タイムチャート示す図である。 この発明の実施の形態３を示す図で、水力発電制御システムにおける調速機制御装置の負荷設定器（65P）の入力段に対するモータリング現象対策の更に他の例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３を示す図で、図６の事例を使用した場合の水力発電制御システムによる動作タイムチャート示す図である。 従来の一般的な水力発電制御システムにおける調速機制御装置の負荷設定器（65P）の入力段を示すブロック図である。 従来の一般的な水力発電制御システムによる動作タイムチャート示す図である。

実施の形態１．
以下この発明の実施の形態１を図１〜図３により説明する。図１はこの発明の各実施例に共通の水力発電制御システムおよびその調速機制御装置の一例を示すブロック図、図２は水力発電制御システムにおける調速機制御装置の負荷設定器（65P）の入力段に対する
モータリング現象対策の一例を示すブロック図、図３は図２の事例を使用した場合の水力発電制御システムによる動作タイムチャート示す図である。

図１において、１は負荷設定器（65P）、２は速度設定器（65F）、２３は負荷制限器（７７）であり、中央給電所、制御所所、配電盤、等からの自動調整機能または運転員操作による出力増減指令、速度増減指令により、それぞれ設定変更可能な内部メモリに構成されている。３は水車またはポンプ水車の回転速度または出力トルクを制御する調速機制御装置であり、調速機制御装置３の諸機能は、マイクロプロセッサのソフトウェア、または演算増幅器によるアナログ回路により実現される。

図示のように、負荷設定器（65P）１の出力とガイドベーン開度との加算要素１ａによ
る偏差に速度垂下率を乗算要素１ｂにより乗算した値と、速度設定器（65F）２の出力と
回転速度信号との加算要素２ａによる偏差とを、加算要素２ｂのより加算した制御信号値は（Δ６５）２３と表記してあり、定常状態である安定時にはゼロ「０」である。制御信号値（Δ６５）２３は調速機制御装置３内のＰＩＤコントローラ４に入力される。

ＰＩＤコントローラ４は、それぞれ前記制御信号値（Δ６５）２３を入力とする比例演算要素（Ｐ）５、積分演算要素（Ｉ）６、微分演算要素（Ｄ）７により構成され、周知のＰＩＤ制御を行う。ＰＩＤコントローラ４の出力、即ち調速機制御装置３の出力は、前記比例演算要素（Ｐ）５の出力と積分演算要素（Ｉ）６の出力と微分演算要素（Ｄ）７のとの和であり、ガバナ制御出力（65C）２２となる。
ガバナ制御出力（65C）２２はガイドベーン９のアクチュエータ８を駆動させて、ガイ
ドベーン９の開度を決定する。

１０は非揚水方式の水力発電方式に使用される水車または可変速揚水発電方式で使用されるポンプ水車であり、当該水車１０に供給される水の流量および当該水車１０のトルク特性により、ガイドベーン９の開度と、水車１０の発電機系のフィードバック量である回転速度１９と水路系のフィードバック量である有効落差（Ｈｅ）１６により、水車１０に供給される水の流量（Ｑ）１１および水車の出力トルク（ＴＬ）１７が決定される。
水路系では、水車１０を通過する水の流量１１により、サージタンク１２の水位（Ｈｓ）１４が決まり、水位１４より水車下流側圧力１５と、損失水頭１３（流量１１の関数）の２項との差が有効落差１６となる。

発電機１８と水車１０には慣性モーメントＧＤ２があり、この慣性モーメントＧＤ２、供給された水のエネルギにより与えられた水車トルク１７と発電機１８が発生する電力２０（Ｗ）との差、系統周波数条件、等に基づいて、発電機、水車軸系は加減速制御され、回転速度１９が決定される。

次に主機起動から電力系統への発電機並入（電力系統に発電機の出力端を並列に投入）までの動作について説明する（図３も参照）。
水車またはポンプ水車１０の始動時には、中央給電所、制御所所、配電盤、等からの負荷制限器（77）２４からの増指令によって、ガイドベーン９を水車起動開度まで間欠的に開く。
なお、回転速度が定格回転速度の80％に達して、かつＰＩＤコントローラ４の出力が始めてゼロ「０」以下になった瞬間、ガバナ制御（ＰＩＤ制御）可能となる。
ガバナ制御と負荷制限（77）運転は低値選択マクロ２５により、低値を出力する。
ガバナ制御状態となると、ガイドベーン９は無負荷開度まで下がる。

電力系統に発電機１８を並入するために、中央給電所、制御所所、配電盤等からの自動調整機能または運転員操作による速度設定器（65F）２からの増減指令により、系統周波
数に近づけるように揃速を開始し、自動同期装置（図示省略）により発電機１８を電力系統に並列投入（並入）する。
並入後は負荷設定器（65P）１の増減操作が可能となり、中央給電所、制御所所、配電
盤等からの自動調整機能または運転員操作により、負荷設定器（65P）１を増減操作して
、負荷を調整する。

ここで、前述の課題「周波数設定値を補正するための切り替えスイッチ、補正装置を使用することなく、負荷設定器（65P）側で対策を講じてモータリング現象を確実に抑制す
ることができるようにすることも必要」を解決するための負荷設定器（65P）１側での対
策として、同期投入時に、図８、図９に示す従来方式における負荷設定器（65P）１とガ
イドベーン開度の負の偏差（負荷設定器（65P）１とガイドベーン開度との偏差、つまり
、負荷設定器（65P）１の出力とガイドベーン開度との加算要素１ａによる加算値、が負
の値）を、負とならないようにキャンセルする具体的な手段を本発明の実施の形態は提示する。

本実施の形態１におけるモータリング現象抑止対策としての負荷設定器（65P）１の制
御方式は図２に例示してあり、この図２に例示のように、定格回転速度の80％以上（95G
）３２かつ解列（52B）３１の条件で、レートリミッタ３３により、負荷設定器（65P）１の出力をガイドベーン９の開度に追従させる（図３参照）。これをノーロード（無負荷）時の負荷設定器（65P）３４とし、前述の並入時の負荷設定器（65P）１の開始値とする。
並入信号３６を条件に、中央給電所、制御所所、配電盤等からの自動調整機能または運転員操作により負荷設定器（65P）１の増減操作を可能とするのは従来の制御方式と同じ
である。なお、解列（52B）３１は、前記並入とは逆で、水車発電機１８を電力系統から
切り離した状態、つまり、並入されていない状態をいう。

図２、図３に例示する本実施の形態１により、同期投入時に、ガイドベーン９の開度相当となる。即ちガイドベーン９からのフィードバック信号であるガイドベーン開度と負荷負荷設定器（65P）１の出力との偏差が微小値となり、その結果、同期投入時に揃速減指
令が与えられて、速度設定器（65F）２が低い位置にいる場合でも、定格回転速度を維持
するためのガイドベーン開度を得ることができ、図３に例示のように、モータリング現象抑制を可能とすることができる。

本実施の形態１は、総じて、調速機制御装置における速度設定器および負荷設定器の双方の出力に基づいて水車のガイドベーンの開度を制御する水力発電制御システムにおいて、前記負荷設定器の入力段に前記ガイドベーンの開度のフィードバック信号を取り込み、電力系統への水車発電機の並入時における前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーン開度相当とし、前記並入時における前記水車発電機のモータリング現象を抑制する水力発電制御システムであり、
前記水車発電機の回転速度が定格回転速度の所定％以上かつ解列の条件下で、前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーンの開度に追従させる水力発電制御システムであり、
水車またはポンプ水車の回転速度または出力の制御を行う調速機制御装置において、系統並列時に負荷設定器である65Pの初期値をガイドベーン開度相当とすることで、系統並
列時のモータリングを抑制する制御方式であり、
速度設定器および負荷設定器を備え、前記速度設定器および前記負荷設定器の双方の出力に基づいて水車のガイドベーンの開度を制御する調速機制御装置において、前記負荷設定器の入力段に前記ガイドベーンの開度のフィードバック信号を取り込み、電力系統への水車発電機の並入時における前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーン開度相当とし、前記並入時における前記水車発電機のモータリング現象を抑制する調速機制御装置であり、
前記水車発電機の回転速度が定格回転速度の所定％以上かつ解列の条件下で、前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーンの開度に追従させる調速機制御装置である。

実施の形態２．
以下この発明の実施の形態２を図４および図５により説明する。図４は水力発電制御システムにおける調速機制御装置の負荷設定器（65P）１の入力段に対するモータリング現
象対策の他の例を示すブロック図、図５は図４の事例を使用した場合の水力発電制御システムによる動作タイムチャート示す図である。

前述の実施の形態１では定格回転速度の80％以上（95G）３２であり、かつ解列（52B）３１である条件で、負荷設定器（65P）の出力をレートリミッタ３３によりガイドベーン
９の開度に追従させる具体策を述べた。
ところで、この実施の形態１に例示の対策では、負荷設定器（65P）の出力がガイドベ
ーン９の開度に追従して近づいていくが、負荷設定器（65P）の変化に対して若干の時間
遅れで追従していく形となる。従って、同期投入のタイミングによっては負荷設定器（65P）の出力とガイドベーン開度とに微小の偏差が残っていた。

この改善として、本実施の形態２では、負荷設定器（65P）１の出力＝ガイドベーン開
度となった時点で、レートリミッタ３３による追従をやめ、それ以降は負荷設定器（65P
）１の出力＝ガイドベーン開度とするものである。そのために、本実施の形態２では、図４に例示するように、定格回転速度の80％以上（95G）３２かつ解列（52B）３１の条件で、レートリミッタ３３により、負荷設定器（65P）１の出力をガイドベーン９の開度に追従させるところまでは実施の形態１と同様であるが、レートリミッタ３３の後段にガイドベーン開度を設定値としたハイモニタ３７を設置する。そしてアナログスイッチ３８により、負荷設定器（65P）１の出力がガイドベーン開度となった条件で、ノーロード（無負荷）時の負荷設定器（65P）３４の出力＝ガイドベーン開度とする。

このような本実施の形態２の制御方式により、同期投入のタイミングによらず、負荷設定器（65P）１の出力とガイドベーン開度との偏差はゼロ「０」とすることができ、図５
に例示のように、モータリング現象が発生しない状態となる。

本実施の形態２は、総じて、前記負荷設定器の出力が前記ガイドベーンの開度に追いついた時点で、前記負荷設定器の出力＝前記ガイドベーンの開度とする水力発電制御システムであり、また、前記負荷設定器の出力が前記ガイドベーンの開度に追いついた時点で、前記負荷設定器の出力＝前記ガイドベーンの開度とする調速機制御装置である。

実施の形態３．
以下この発明の実施の形態３を図６および図７により説明する。図６は水力発電制御システムにおける調速機制御装置の負荷設定器（65P）１の入力段に対するモータリング現
象対策の更に他の例を示すブロック図、図７は図６の事例を使用した場合の水力発電制御システムによる動作タイムチャート示す図である。

前述の実施の形態２では負荷設定器（65P）１の出力をガイドベーン９の開度相当にす
ることで、並入時のモータリングを抑制する場合を例示した。
ところで、この実施の形態２の制御方式では、並入時にはモータリングを抑制できるが、負荷遮断等の解列時においても負荷設定器（65P）１の出力＝ガイドベーン開度となるため、負荷遮断等の解列時のガイドベーン９の閉方向の制御量が十分でないという課題がある。

この改善として、本実施の形態３では、この改善として負荷遮断（解列）後の一定時間は実施の形態２の制御方式を無効化するものである。そのために、本実施の形態３では、図６に例示するように、負荷遮断時は定格回転速度の80％以上（95G）３２と解列（52B）３１の条件が成立する。実施の形態２ではこの条件成立後すぐにレートリミッタ３３が動作して、負荷設定器（65P）１の出力がガイドベーン開度に追従していたが、本実施の形
態３では、オンディレイタイマー３９をレートリミッタ３３の前段に入れることで、タイマーの時限までは負荷設定器（65P）１の出力＝０とする。ここでオンディレイタイマー
３９のタイマー設定値は電協研で規定されているガイドベーン不動時間とする。即ち負荷遮断（解列）後、ガイドベーンが動き始めるまでは、負荷設定器（65P）１の出力＝０と
することで、負荷設定器（65P）１の出力とガイドベーン開度との偏差を最大とし、それ
によりガイドベーン９の閉側の制御量２２を最大とする制御方式である。

このような本実施の形態３の制御方式により、図７に例示のように、モータリング現象が発生しない状態となると共に、負荷遮断時（解列時）における発電機回転数の上昇が抑制される。

本実施の形態３は、総じて、並入状態からの負荷遮断時（系統解列時）においては、ガイドベーンが閉まり始めるまでの時間である不動時間の短縮のため、前述の実施の形態１における「電力系統への水車発電機の並入時における前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーン開度相当とする制御」および「前記水車発電機の回転速度が定格回転速度の所定％以上かつ解列の条件下で、前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーンの開度に追従させる制御」あるいは前述の本実施の形態２における「前記負荷設定器の出力が前記ガイドベーンの開度に追いついた時点で、前記負荷設定器の出力＝前記ガイドベーンの開度とする制御」を一定時間実行しない制御方式である。
また、前記並入状態から解列状態へ移行する場合、当該解列への移行から所定時間の間は前記負荷設定器の出力をゼロ相当にする水力発電制御システムであり、前記並入状態か
ら解列状態へ移行する場合、当該解列への移行から所定時間の間は前記負荷設定器の出力をゼロ相当にする調速機制御装置である。

なお、本発明において、用語「水車」は、非揚水方式の水力発電方式に使用される水車および可変速揚水発電方式で使用されるポンプ水車の双方を意味する。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略することができる。
なお、各図中、同一符合は同一または相当部分を示す。

１ 負荷設定器（65P）、
２ 速度設定器（65F）、
３ 調速機制御装置、
９ ガイドベーン、
１０ 水車、
１８ 水車発電機。

Claims (4)

1. 調速機制御装置における速度設定器および負荷設定器の双方の出力に基づいて水車のガイドベーンの開度を制御する水力発電制御システムにおいて、前記負荷設定器の入力段に前記ガイドベーンの開度のフィードバック信号を取り込み、電力系統への水車発電機の並入時における前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーン開度相当とし、前記並入時における前記水車発電機のモータリング現象を抑制するものであり、
   前記水車発電機の回転速度が定格回転速度の所定％以上かつ解列の条件下で、前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーンの開度に追従させ、
   前記負荷設定器の出力が前記ガイドベーンの開度に追いついた時点で、前記負荷設定器の出力＝前記ガイドベーンの開度とする
   ことを特徴とする水力発電制御システム。
2. 請求項１に記載の水力発電制御システムおいて、前記並入状態から解列状態へ移行する場合、当該解列への移行から所定時間の間は前記負荷設定器の出力をゼロ相当にすることを特徴とする水力発電制御システム。
3. 速度設定器および負荷設定器を備え、前記速度設定器および前記負荷設定器の双方の出力に基づいて水車のガイドベーンの開度を制御する調速機制御装置において、前記負荷設定器の入力段に前記ガイドベーンの開度のフィードバック信号を取り込み、電力系統への水車発電機の並入時における前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーン開度相当とし、前記並入時における前記水車発電機のモータリング現象を抑制するものであり、
   前記水車発電機の回転速度が定格回転速度の所定％以上かつ解列の条件下で、前記負荷設定器の出力を前記ガイドベーンの開度に追従させ、
   前記負荷設定器の出力が前記ガイドベーンの開度に追いついた時点で、前記負荷設定器の出力＝前記ガイドベーンの開度とする
   ことを特徴とする調速機制御装置。
4. 請求項３に記載の調速機制御装置において、前記並入状態から解列状態へ移行する場合、当該解列への移行から所定時間の間は前記負荷設定器の出力をゼロ相当にすることを特徴とする調速機制御装置。

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