JP7265653B2 - 可変速揚水システム - Google Patents

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Description

本発明は、可変速揚水システムに係り、特に揚水モードにおいて、電力入力指令に基づく回転速度指令通りの回転速度で電力入力指令と実際の電力入力とに差異が発生するような、例えば回転速度指令に対するポンプ水車性能換算誤差の影響、可変速揚水システムの機器経年劣化による損失増大、又は複数の可変速揚水システムが導水路および／または鉄管路および／または放水路を共有した状態で水路分岐部での各可変速揚水システムへの流量配分に不均等が発生しポンプ水車の要求する入力ＰＰに不均一が発生することにより各可変速揚水システムの電力入力ＰＭに差異が発生する等に伴い、実際の電力入力と電力入力指令との間に偏差が発生する場合に、電力入力指令に従い電力入力が電力入力指令に近い様に単調かつ速やかに追従する運転を可能にする可変速揚水システムに関するものである。
可変速揚水システムの揚水モードに対して、ポンプ水車側で電力指令や落差に応じた案内羽根開度制御を担当し、発電電動機側で外部からの揚水電力入力指令に基づく回転速度指令への加減速を含め電力を直接追従させる電力制御を担当させる方式においては、揚水電力入力指令変化に比較的追従性の良い電力応答が得られる反面、電力制御補正信号発生器が回転速度指令に回転速度を一致させる速度制御を実行するため、電力制御補正信号発生器内の積分制御要素内に電力入力指令に基づく回転速度と回転速度が一致するまでの状態で電力入力指令と電力入力との差に対応した制御値が蓄積され、一定入力指令運転での定常運転状態において電力入力指令と実際の電力入力に差異が発生することが避けられない。
従来の可変速揚水システムにおいては、揚水電力入力指令に基づく回転速度指令での運転で電力入力指令と実際の電力入力に差異が発生することは考慮されていなかったため、例えば回転速度指令に対するポンプ水車性能換算誤差の影響、可変速揚水システムの機器経年劣化による損失増大、又は複数の可変速揚水システムが導水路および／または鉄管路および／または放水路を共有した状態で水路分岐部での各可変速揚水システムへの流量配分に不均等が発生しポンプ水車の要求する入力ＰＰに不均一が発生することにより各可変速揚水システムの電力入力ＰＭに差異が発生する等に伴い、揚水電力入力指令に基づく回転速度指令での運転で電力入力指令と実際の電力入力との間に偏差が発生することは避けられない状態にあった。
この可変速揚水システムの揚水モードに対して、電力制御補正信号発生器が回転速度指令に回転速度を一致させる速度制御を実行させる方法が、下記の特許文献１に記載されている。
図３は、特許文献１に記載された可変速揚水システムの構成図である。図３において、１は電力系統である。２は発電電動機である。発電電動機２は、回転子に直結されたポンプ水車４を回転駆動する。発電電動機２には電力周波数変換器３により発電電動機２の回転速度Ｎに応じて所定の周波数に調整された交流励磁電流が供給され、発電電動機２は電力系統１と等しい周波数の交流電力が入力されて可変速運転を行う。
また、５は速度検出器である。速度検出器５はロータの回転速度Ｎを測定し速度信号を発信する。
１２は電力入力指令に対する回転速度関数発生器である。回転速度関数発生器１２は、電力入力指令ＰＯと静落差信号ＨＳＴにて設定された回転速度関数に基づき最適回転速度指令ＮＯＰＴを出力する。
１８は減算器である。減算器１８は回転速度関数発生器１２からの最適回転速度指令ＮＯＰＴと前記速度検出器５からの速度信号が示す回転速度Ｎとの差を速度偏差信号として出力する。
また、１３は案内羽根開度関数発生器である。案内羽根開度関数発生器１３は、電力入力指令ＰＯと静落差信号ＨＳＴにて設定された案内羽根開度関数に基づき案内羽根開度指令ＹＯＰＴを出力する。
９は案内羽根制御器である。案内羽根制御器９は、前記案内羽根開度関数発生器１３からの案内羽根開度指令ＹＯＰＴに従い前記ポンプ水車４の案内羽根開度を制御する。
また、１６は電力制御補正信号発生器である。電力制御補正信号発生器１６は、前記減算器１８からの速度偏差信号が入力され、後述の図４に示す可変速揚水システムの電力制御補正信号発生器１６の構成例を示す図で詳細を記述する機能により、電力制御補正信号εを出力する。
１９は加算器である。加算器１９は、前記電力制御補正信号発生器１６からの電力制御補正信号εと前記電力入力指令ＰＯとを加算して出力する。
また、６は電力検出器である。電力検出器６は、前記発電電動機２への前記電力系統１からの電力入力を測定し測定値ＰＭを出力する。以下、ＰＭは、電力入力と表記する。
２０は減算器である。減算器２０は、前記加算器１９の出力信号から電力検出器６からの電力入力ＰＭを減算して出力する。
また、７は電力制御器である。電力制御器７は、前記減算器２０の出力信号に従い前記電力周波数変換器３に前記発電電動機２の回転速度Ｎに応じた交流励磁電流の設定周波数指令が出力される。
図４は、図３で示された可変速揚水システムの電力制御補正信号発生器１６の構成例を示す図である。なお、便宜上、図３に記載の減算器１８を図４でも記載している。
電力制御補正信号発生器１６は、乗算器３０と、比例制御要素である乗算器３１と、積分制御要素３２と、微分制御要素３３と、加算器３４と、上下限値制限関数３５と、乗算器３６とを備える。
乗算器３０は、減算器１８から出力される速度偏差信号(ＮＯＰＴ－Ｎ)にゲイン１／Ｎ０を乗じ、定格回転速度Ｎ０当りで単位化された無次元回転速度偏差信号を出力する。
乗算器３１は、電力制御補正信号発生器１６の比例制御要素の比例制御関数であり、前記乗算器３０から出力される無次元回転速度偏差信号(ＮＯＰＴ－Ｎ)／Ｎ０に比例ゲインＫＰＮを乗じた信号を出力する。
積分制御要素３２は、前記乗算器３０から出力される無次元回転速度偏差信号(ＮＯＰＴ－Ｎ)／Ｎ０に積分ゲインＫＩＮを乗じて積分する。
微分制御要素３３は、前記乗算器３０から出力される無次元回転速度偏差信号(ＮＯＰＴ－Ｎ)／Ｎ０に微分ゲインＫＤＮを乗じ不完全微分した値を出力する。
加算器３４は、前記乗算器３１の出力値と、前記積分制御要素３２の出力値と、前記微分制御要素３３の出力値とを加算して出力する。
上下限値制限関数３５は、前記加算器３４の出力値を－１．０から１．０の範囲で所定の上下限値に制限した無次元電力制御補正信号値を出力する。
乗算器３６は、前記上下限値制限関数３５から出力される無次元電力制御補正信号に前記発電電動機２の最大電力入力ＰＭＡＸをゲインとして乗じ、電力制御補正信号発生器１６の出力値である電力制御補正信号εを出力する。
前記図３及び図４に示す様な構成を有する特許文献１に記載の可変速揚水システムによれば、特許文献１中第６頁第１５行から２０行に記載の通り、ＰＭ＝ＰＰ、また前記回転速度関数発生器１２の誤差を無視すればＰＯ＝ＰＰ＝ＰＭ＝ＰＯ＋εとなり、電力制御補正信号εは最終的にゼロにされる。以上より外部からの電力入力指令ＰＯに応じて実際の入力ＰＭを制御することができる。尚、特許文献１の前記記述においては、発電電動機２及び電力周波数変換器３他の発生損失をも無視しているので、ポンプが要求する入力ＰＰ＝電力入力ＰＭが成立している。
特許第２５５００８９号公報
しかしながら、前記回転速度関数発生器１２の誤差が、例えば、回転速度指令に対するポンプ水車性能換算誤差の影響、可変速揚水システムの機器経年劣化による損失増大、又は、複数の可変速揚水システムが導水路および／または鉄管路および／または放水路を共有した状態で水路分岐部での各可変速揚水システムへの流量配分に不均等が発生しポンプ水車の要求する入力ＰＰに不均一が発生することにより各可変速揚水システムの電力入力ＰＭに差異が発生する等に伴い発生した場合では、前記回転速度関数発生器１２からの最適回転速度指令ＮＯＰＴと前記速度検出器５からの速度信号が一致しＮＯＰＴ－Ｎ＝０となっても電力入力指令ＰＯ－電力入力ＰＭ＝ε≠０となり、電力制御補正信号ε相当の無次元電力制御補正信号値が前記電力制御補正信号発生器１６内の前記積分制御要素３２内に蓄積された状態が発生することになり、電力入力指令ＰＯ≠電力入力ＰＭの状態が継続して発生する可能性があった。
図５は、前記回転速度関数発生器１２の誤差が発生している状況での図３の可変速揚水システムに図４の電力制御補正信号発生器１６の構成例を適用した某可変速揚水システムでの入力指令変化時応答解析例を示す図である。図５は、電力入力指令ＰＯ／最大電力入力値ＰＭＡＸを凡そ０．７２→０．８１→０．９１→１．０と順次ステップ状に変化させた場合での電力入力指令ＰＯ／最大電力入力ＰＭＡＸ、電力入力ＰＭ／最大電力入力ＰＭＡＸ、最適回転速度指令ＮＯＰＴ／定格回転速度Ｎ０及び回転速度Ｎ／定格回転速度Ｎ０の解析結果を示す。
図５は、各ステップでの最適回転速度指令ＮＯＰＴ／定格回転速度Ｎ０と回転速度Ｎ／定格回転速度Ｎ０とがほぼ一致した状態を示しているが、電力入力指令ＰＯ／最大電力入力ＰＭＡＸと電力入力ＰＭ／最大電力入力ＰＭＡＸとは各ステップ共に若干の差異を示しており、前述の通り電力入力指令ＰＯ≠電力入力ＰＭの状態が継続して発生している。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力入力指令に基づく回転速度指令通りの回転速度で電力入力指令と実際の電力入力とに差異が発生するような状況において、電力入力指令に従い電力入力が電力入力指令に近い様に単調かつ速やかに追従する運転を可能にする可変速揚水システムを得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、周波数変換器を備えロータが可変速度で回転するにもかかわらず１次側が商用電力系統に同期接続される発電電動機、該発電電動機のロータに直結され発電モードにあってはこれを駆動し揚水モードにあってはこれに駆動されるポンプ水車を備え、前記揚水モードでは前記ロータの回転速度と電力入力指令に基づき算出された回転速度指令との偏差に基づき電力制御補正信号発生器により算出された電力制御補正信号に前記電力入力指令を加えた値から、実際の電力入力を差し引いた値を電力制御器に入力し、電力指令を前記発電電動機に与えて電力制御を行う可変速揚水システムであって、前記電力制御補正信号発生器は、揚水モードで電力入力指令と電力検出器により測定された実際の電力入力との差に基づく信号に一定ゲインを乗じた値を、前記偏差に基づく信号に加算して積分制御要素に入力し、前記積分制御要素の出力信号に基づき前記電力制御補正信号を生成する、ことを特徴とする。
本発明にかかる可変速揚水システムは、揚水モードにおいて電力入力指令と実際の電力入力に偏差が発生するのを防止できるという効果を奏する。
本発明にかかる可変速揚水システムの電力制御補正信号発生器の構成例を示す図 本発明にかかる可変速揚水システムの電力制御補正信号発生器を適用した場合のＰＯ／ＰＭＡＸ，ＰＭ／ＰＭＡＸ，ＮＯＰＴ／Ｎ０，Ｎ／Ｎ０解析結果例図 従来の可変速揚水システムの構成図 従来の可変速揚水システムの電力制御補正信号発生器の構成例を示す図 従来の可変速揚水システムの電力制御補正信号発生器を適用した場合のＰＯ／ＰＭＡＸ，ＰＭ／ＰＭＡＸ，ＮＯＰＴ／Ｎ０，Ｎ／Ｎ０解析結果例図
以下に、本発明にかかる可変速揚水システムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
本発明にかかる可変速揚水システムの全体構成は、図３に示した従来の可変速揚水システムと同様である。本発明にかかる可変速揚水システムは、従来の可変速揚水システムと比較して、電力制御補正信号発生器が異なる。すなわち、本発明にかかる可変速揚水システムは、図３に示す従来の可変速揚水システムの電力制御補正信号発生器１６を図１に示す電力制御補正信号発生器１６１に置き換えた構成である。そのため、以下では電力制御補正信号発生器１６１について説明する。
図１は、本発明にかかる可変速揚水システムの電力制御補正信号発生器１６１の構成例を示す図である。図１において、従来例を説明するのに用いた前記図３及び図４と同一符号は同一部分又は相当部分を示す。図３及び図４と同一符号が付された部分については説明を省略する。
図１に示した電力制御補正信号発生器１６１は、図４に示した従来の可変速揚水システムの電力制御補正信号発生器１６に対して積分制御要素３２の入力部に加算器４３を追加し、さらに、電力検出器６の出力である電力入力ＰＭと電力入力指令ＰＯとを減算器４０で減算して出力し、減算器４０の出力値を最大電力入力ＰＭＡＸで無次元化するため乗算器４１で１／ＰＭＡＸをゲインとして乗じて出力し、乗算器４１の出力値に対して乗算器４２で制御ゲインＫを乗じて出力し、加算器４３において、乗算器３０から出力される無次元回転速度偏差信号(ＮＯＰＴ－Ｎ)／Ｎ０と前記乗算器４２から出力される値とを加算した値を積分制御要素３２の入力とする構成となっている。
電力制御補正信号発生器１６１においては、前記減算器１８からの速度偏差信号である最適回転速度指令ＮＯＰＴと前記速度検出器５からの速度信号Ｎとの差がゼロとなり、前記乗算器３０の出力信号（ＮＯＰＴ－Ｎ）／Ｎ０がゼロとなっても、前記減算器４０の出力信号である電力入力指令ＰＯ－電力入力ＰＭがゼロでなければ、前記加算器４３で前記乗算器４２の出力（ＰＯ－ＰＭ）／ＰＭＡＸ×Ｋが前記乗算器３０の出力信号（ＮＯＰＴ－Ｎ）／Ｎ０に加算され前記積分制御要素３２に入力される。そのため、前記積分制御要素３２内の無次元電力制御補正信号値が（ＰＯ－ＰＭ）に比例した値で順次補正されることになり、電力制御補正信号発生器１６１の出力信号である電力制御補正信号εも（ＰＯ－ＰＭ）に比例した値で（ＰＯ－ＰＭ）がゼロに到達するまで順次補正される。さらに、前記乗算器４２からの出力（ＰＯ－ＰＭ）／ＰＭＡＸ×Ｋにより電力制御補正信号発生器１６１の出力信号である電力制御補正信号εが補正されることで回転速度Ｎが変化するので、前記減算器１８の出力信号である最適回転速度指令ＮＯＰＴ－回転速度Ｎも変化することになり、電力制御補正信号発生器１６１の比例制御要素である乗算器３１及び積分制御要素３２に入力されて電力制御補正信号εに影響を与えることになるが、前記減算器４０、乗算器４１及び乗算器４２を介した（ＰＯ－ＰＭ）／ＰＭＡＸ×Ｋによるフィードバックにより、定常的には電力入力指令ＰＯ－電力入力ＰＭがゼロとなるように制御されることになる。
図２は、図５で示した前記回転速度関数発生器１２の誤差が発生している状況での図３で示された可変速揚水システムに図４で示された電力制御補正信号発生器１６の構成例を適用した某可変速揚水システムでの入力指令変化時応答解析例と同一条件に対して、図４で示された電力制御補正信号発生器１６の代わりに図１で示された電力制御補正信号発生器１６１の構成例を適用した某可変速揚水システムでの入力指令変化時応答解析例である。図２でも、図５と同様に電力入力指令ＰＯ／最大電力入力値ＰＭＡＸを凡そ０．７２→０．８１→０．９１→１．０と順次ステップ状に変化させた場合での電力入力指令ＰＯ／最大電力入力ＰＭＡＸ、電力入力ＰＭ／最大電力入力ＰＭＡＸ、最適回転速度指令ＮＯＰＴ／定格回転速度Ｎ０及び回転速度Ｎ／定格回転速度Ｎ０の解析結果を示す。
図２は、各ステップでの最適回転速度指令ＮＯＰＴ／定格回転速度Ｎ０と回転速度Ｎ／定格回転速度Ｎ０が図５の状況と異なり若干の差異を示しているが、電力入力指令ＰＯ／最大電力入力値ＰＭＡＸと電力入力ＰＭ／最大電力入力値ＰＭＡＸとは各ステップ共にほぼ一致した状態を示しており、ほぼ電力入力指令ＰＯ＝電力入力ＰＭの状態が達成されている。
以上のように、本実施例にかかる電力制御補正信号発生器１６１は、電力入力指令ＰＯに基づく回転速度指令通りの回転速度で電力入力指令ＰＯと実際の電力入力ＰＭとに差異が発生するような場合に、前記電力入力指令ＰＯと前記電力検出器６により測定された実際の電力入力ＰＭとの差に基づく信号に一定ゲインを乗じた値を、前記電力制御補正信号発生器１６１の入力信号である前記最適回転速度指令ＮＯＰＴと前記ロータの回転速度Ｎとの差に基づく信号に加えて、電力制御補正信号発生器１６１内に設けられた積分制御要素３２に入力し、前記発電電動機２の実際の電力入力の電力入力指令に対する単調かつ速やかな追従制御を実施することにより、電力入力指令ＰＯ≠電力入力ＰＭの状態が継続発生するのを防止することができる。すなわち、通常状態としてほぼ電力入力指令ＰＯ＝電力入力ＰＭの状態が達成される。
１ 電力系統、２ 発電電動機、３ 電力周波数変換器、４ ポンプ水車、５ 速度検出器、６ 電力検出器、７ 電力制御器、９ 案内羽根制御器、１２ 回転速度関数発生器、１３ 案内羽根開度関数発生器、１６，１６１ 電力制御補正信号発生器、１８，２０，４０ 減算器、１９，３４，４３ 加算器、３０，３１，３６，４１，４２ 乗算器、３２ 積分制御要素、３３ 微分制御要素、３５ 上下限値制限関数。

Claims (1)

  1. 周波数変換器を備えロータが可変速度で回転するにもかかわらず１次側が商用電力系統に同期接続される発電電動機、該発電電動機のロータに直結され発電モードにあってはこれを駆動し揚水モードにあってはこれに駆動されるポンプ水車を備え、前記揚水モードでは前記ロータの回転速度と電力入力指令に基づき算出された回転速度指令との偏差に基づき電力制御補正信号発生器により算出された電力制御補正信号に前記電力入力指令を加えた値から、実際の電力入力を差し引いた値を電力制御器に入力し、電力指令を前記発電電動機に与えて電力制御を行う可変速揚水システムであって、
    前記電力制御補正信号発生器は、揚水モードで電力入力指令と電力検出器により測定された実際の電力入力との差に基づく信号に一定ゲインを乗じた値を、前記偏差に基づく信号に加算して積分制御要素に入力し、前記積分制御要素の出力信号に基づき前記電力制御補正信号を生成する、
    ことを特徴とする可変速揚水システム。
JP2021577746A 2020-02-10 2020-02-10 可変速揚水システム Active JP7265653B2 (ja)

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