JPH01300070A - 可変速制御水力機械の出力制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明（よ水車またはポンプ水車等の水力機械の運転制
御方法に係わり、特に可変速運転可能な水力機械の発電
運転時出力制御方法に関する。

（従来の技術） 水車やポンプ水車等の水力機械においては、水車運転時
の軸出力は、落差一定のもとでは、ガイドベーンの開度
によって定まるので、水車またはポンプ水車と発電機ま
たは発電電動機を備えた水力発電設備において出力を変
化させる場合には、発電機または発電電動機の出力目標
値に応じた羽根開度となるようにガイドベーンを制御す
るのが通例である。

第６図は、水力発電設備の概略構成を示すもので、上池
１から水圧鉄管２で導かれた水のエネルギーは水車また
はポンプ水車３により機械工ネルギーに変換されて発電
機または発電電動機４を駆動し、電気エネルギーとして
、電力系統（図示せず）へ供給される。水車またはポン
プ水車３によりエネルギーを吸収された後の水は下池５
へ排水される。

水車またはポンプ水車３にはガイドベーン（図示せず）
が設けられており、その開度を変えることにより水圧鉄
管２を経て水車またはポンプ水車３に供給される水の流
ｆｆ１Ｑは調節される。

第７図は従来から使用されている可変速制御水力機械の
出力制御方法の例を示すもので、出力目標値Ｐ＊と、発
電機または発電電動機３の実際の出力ＰＧは出力制御装
置６に入力される。この出力制御装置は出力目標値Ｐ＊
と発電機または発電電動機３の出力ＰＧとの偏差に応じ
てガイドベーン制御装置７に向けてガイドベーンの開度
目標値８本を出力する。

ガイドベーン制御装置７はガイドベーン開度目標値ａｉ
Ｉに合わせてガイドベーン３Ｇの開度ａを設定する。こ
れによって、前記したように、水車またはポンプ水車３
に流入する流量を調節し、水車またはポンス水車３の軸
出力ｐｔを調節している。

一方、発電機または発電電動機４には回転速度制御装置
８が接続されており、これから出力される回転速度Ｎは
最適回転速度設定器９で出力目標値Ｐ＊と静落差Ｈｓｔ
によって算出される最高効率運転回転速度目標値Ｎ本に
追従制御されている。

発電機出力ＰＧは水車またはポンプ水車３の軸出力ｐｔ
と回転速度Ｎの変化による回転部分の慣性エネルギーの
放出、吸収分の和によって定まる値となっている。

このようなｉ＝Ｊ変速制御水力機械の出力制御方法によ
って発電機または発電電動機の出力を低下させた場合の
出力制御例を第８図に示す。この図は横軸に時間Ｔをと
り、縦軸に、発電機出力ＰＣ。

ガイドベーン開度ａ１水車の有効落差Ｈｅ、水車の流量
Ｑ１および回転速度Ｎのそれぞれの変化の様子を示した
ものであり、発電機出力ＰＣの図における実線は実際の
発電機出力ＰＧを示し、破線は出力目標値Ｐ＊を示して
いる。

第８図から分るように、出力の変化し始めた点Ａの直後
で、実際の出力ＰＧは発電機出力Ｐ＊から大きく離れ、
しかも出力を下げることが目標であるにもかかわらず、
−旦上昇してから下降する現象が見られる。この現象は
水車またはポンプ水車等に接続されている水圧鉄管内の
水撃が原因で発生するものである。

その理由を第６図を参照して説明すると、前述の構成の
水力発電設備において、ガイドベーンの開度を変えるこ
とにより水の流量を変化させた場合には、水圧鉄管２の
水撃作用により、その末端部即ち水車またはポンプ水車
３の入口部の水圧が変動する。この時の水車またはポン
プ水車３の入口圧をＨとすると、これは水撃の基本式か
ら次のように表すことができる。

Ｈ−Ｃ−ｄＱ／ｄ　ｔ　＋ＨＯ・・・・・・・・・（１
）但し、Ｑ　：水圧鉄管を流れる水の流量ＨＯ：流ｊｉ
ｉＱが変化する前の水車またはポンプ水車の人口水圧 Ｃ：水圧鉄管の長さ、断面積、水の 密度等によって定まる負の定数 すなわち、水圧鉄管を流れる水の流！Ｑの変化率ｄＱ／
ｄｔに応じて水圧Ｈが定まり、流量Ｑが減少する場合に
は、水圧Ｈは変化前の水圧ＨＯよりも高くなることを示
している。

したがって、第８図の特性を考慮し、発電機出力ＰＣを
減少させようとしてガイドベーンを閉じはじめると流量
Ｑが減少し、その結果、水圧鉄管内の水撃作用により水
車の入口圧が上昇し、水車の有効落差Ｈｅも上昇するこ
とになる。

ここで、水車の軸出力ｐｔは水車の流ｆｆ１Ｑと水車の
有効落差Ｈｅとの積にほぼ比例するため、上述の水撃作
用による水車の有効落差Ｈｅの上昇分が大きい場合には
、水車の軸出力が一旦上昇し、実際の発電機出力ＰＧも
上昇する結果、前述の現象が発生する訳である。

また、第８図に示したように、出力目標値Ｐ＊が減少す
ると、一般の水車の効率特性では最適回転速度設定器９
で算出される最適効率運転回転速度Ｎ＊が減少するため
、水車の回転速度Ｎは減少方向へと制御されるので、回
転部の慣性エネルギーによって水車のａ効落差Ｈｅの上
昇分による出力ＰＧの上昇分を吸収することができず、
出力ＰＧが増加する方向に回転速度Ｎが制御されること
になる。

（発明が解決しようとする課題） このように従来の出力制御方式では、系統からの出力要
求に対して出力ＰＧが一旦逆の応答することになるため
、系統に対して電力動揺や電力周波数変動を及ぼす等、
電力系統運用上問題があった。

本発明は従来の技術における上述の如き欠点を除去すべ
くなされたもので、系統からの出力要求に対して追従性
が良く、安定した出力制御が可能な可変速制御水力機械
の発電運転時出力制御方法を提供することを目的とする
ものである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上述の目的を達成するため、本発明はカイトベーン等の
流量調整装置を有する水車またはポンプ水車等の水力機
械と、この水力機械に直結された可変速運転可能な発電
機または発電電動機と、その回転速度を制御する回転速
度制御装置を具備した可変速制御水力発電設備の発電運
転において、流量調整装置により発電機または発電電動
機の出力を制御する際に、水車またはポンプ水車の流量
を検出し、その変化率または微分値に負の利得を乗じた
値をもって前記発電機または発電電動機の速度制御指令
を補正することを特徴とする。

（作　用） 本発明は発電機または発電電動機の出力調整時に、上述
のように回転速度を制御することにより出力調整に伴う
有効落差の変動に起因する発電機または発電電動機の出
力変動を抑制するものである。

即ち、出力調整時に伴う有効落差の変動は流量Ｑの変化
率または微分値ｄＱ／ｄｔに“−１“を乗じた値に比例
するため、流ｍＱの変化率または微分値に負の利得を乗
じた値で発電機または発電電動機の回転速度を補正する
ことは、を効落差の変動に応じて回転速度を補正するこ
とと等価である。

従って、このように回転速度を制御すれば、出力１７８
整に伴うガイドベーン開閉時の水圧鉄管の水撃作用によ
る落差変動に起因して生ずる発電機または発電電動機の
出力の変動分を水車またはポンプ水車および発電機また
は発電電動機の回転部の回転エネルギーとして吸収ある
いは放出することによって、出力目標値に対して発電機
または発電電動機の出力が制御しようとする方向とは逆
方向に振れる等の現象を抑制できるようになる。

これにより系統からの出力要求に対して追従性が良く、
しかも安定した出力制御が可能な可変速制御水力機械の
発電運転時出力制御方法を得ることができる。

（実施例） 次に、本発明の実施例を第１図ないし第５図を参照しな
がら説明する。なお、これらの図では、第６図ないし第
８図におけると同一部分には同じ符号を付しである。

第１図は本発明方法を適用した可変速水力発電設備の出
力制御システムの構成例を示すもので、第７図のシステ
ムに流量検出器１０、流量変化検出器１１、回転速度補
正制御装置１２が付加されている。

このような構成のシステムにおいて、水圧鉄管２で導か
れた水のエネルギーは水車またはポンプ水車３によって
機械エネルギーに変換され、発電機または発電電動機４
を駆動し、電気エネルギーとして電力系統（図示せず）
へ供給される。

水車またはポンプ水車３にはガイドベーン３Ｇが設けら
れており、その開度を変えることによって水車またはポ
ンプ水車３の流量は調節される。

ここで、系統からの要求に基づいて出力目標値Ｐ＊が与
えられると、この出力目標値Ｐ＊は出力制御装置６にお
いて実際の発電機または発電電動機の出力ＰＧと比較さ
れ、それらの偏差に応じた値のガイドベーン開度目標値
ａ＊がガイドベーン制御装置７に向゛けて出力される。

ガイドベーン制御装置７はガイドベーン開度目標値ａ＊
に追従してガイドベーン３Ｇの開度ａを設定する。これ
によってガイドベーン３Ｇは開度を制御され、水車また
はポンプ水車３に流入する水の流量を調節し、その軸出
力ｐｔを調節する。

一方、発電機または発電電動機４には回転速度制御装置
８が接続されており、それから出力される回転速度Ｎは
、最適回転速度設定器９で出力目標値Ｐ＊と静落差Ｈｓ
ｔによって算出される最高効率運転回転速度目標値Ｎ＊
に、回転速度補正制御装置１２からの回転速度補正値Ｎ
Ｃを加算した値とされている。また、発電機または発電
電動機出力ＰＣは水車またはポンプ水車３の軸出力Ｐｔ
と回転速度Ｎの変化による回転部の慣性エネルギーの放
出、吸収分の和によって定まる値になっている。

ここで、出力減少指令として出力目標値Ｐ＊が与えられ
たとすると、出力制御装置６はこの出力目標値Ｐ＊と、
実際の発電機または発電電動機の出力ＰＧとを比較し、
ガイドベーン３Ｇの開度目標値ａ＊を閉口制御指令とし
てガイドベーン制御装置７に向けて出力する。ガイドベ
ーン制御装置７はガイドベーンの開度目標値ａ＊に追従
してガイドベーン３Ｇを閉じ始める。

ガイドベーン３Ｇが閉じ始めると、流量が減少し、その
結果、水圧鉄管２内では流量が減るために水撃作用が発
生し、水車またはポンプ水車３に作用する有効落差が増
加するので、出力減少指令が出ているにもかかわらず、
水車またはポンプ水車３の軸出力Ｐｔが上昇する。

この時、ガイドベーンが閉じ始める前から閉じ始めた後
まで、水車またはポンプ水車３に供給される流量Ｑを、
例えば、超音波流量計等の流量検出器１０で検出して流
量変化検出器１１へ送る。

この流量変化検出器では、流量Ｑの変化率あるいは微分
値ｄＱ／ｄｔを算出した上、この変化率あるいは微分値
ｄＱ／ｄｔに比例した信号を回転速度補正制御装置１２
に向けて出力する。

第２図は、上述した本発明の実施例の作用を示す。この
図に示すように、出力目標値Ｐ＊に応じてガイドベーン
３Ｇは閉じる方向であるので、流ｍＱの変化率あるいは
微分値ｄＱ／ｄｔは負の値をとる。

そこで、第１図の回転速度補正制御装置１２では、この
流量の変化率あるいは微分値ｄＱ／ｄｔに比例した信号
に負の利得を乗じて正の回転速度補正値ＮＣを設定する
。この回転速度ＮＯを回転速度目標値Ｎ＊に加算した値
を回転速度制御装置８へ送る。回転速度制御装置８は、
回転速度目標値Ｎ＊よりＮ０分だけ高い値に回転速度Ｎ
を制御する。

したがって、回転速度を上昇させると、前記した水撃作
用によって増加する水車またはポンプ水車３の軸出力ｐ
ｔの一部が回転部の慣性エネルギーとして吸収される。

以上のような方法で回転速度を上昇させることにより、
第８図に示した従来方法に見られる発電機出力ＰＣが出
力目標値Ｐ＊に対して逆に上昇する余剰分のエネルギー
（水車またはポンプ水車の軸出力）を回転部の慣性エネ
ルギーとして吸収させるため、出力目標値Ｐ＊の減少指
令に対して発電機出力ＰＣが一旦上昇することもなくな
り、第２図に示したように出力目標値Ｐ＊に追従よく制
御され、安定した出力制御が可能である。

なお、以上は出力目標値Ｐ＊が出力減少指令として与え
られた場合の出力制御方法について述べたが、出力目標
値Ｐ＊に出力増加指令が与えられ場合も同様にして制御
が可能である。

即ち、出力目標値Ｐ＊が増加した場合、出力制御装置６
はガイドベーン制御装置７に向けて、ガイドベーンを開
口する方向の目標値８本を指令する。このガイドベーン
開口指令ａ＊を受けてガイドベーン制御装置７によりガ
イドベーン３Ｇは開口する。この時、水圧鉄管内では流
量が増加するため、水撃作用が発生して有効落差が減少
する。

この有効落差の減少により、出力増加指令が出ているに
もかかわらず、水車またはポンプ水車の軸出力ｐｔは減
少する。

一方、回転速度補正制御装置１２は、流ｊｌＱの変化率
あるいは微分値であるｄＱ／ｄｔ（この場合、正の値を
とる）に負の利得を乗じた負の回転速度補正値−ＮＣを
出力し、この補正値が回転速度目障値Ｎ＊に加算され、
回転速度制御装置８へ出力されることによって回転速度
は減速制御される。これによって水車またはポンプ水車
の軸出力の減少分を回転部の慣性エネルギーの放出とい
う形で補うため、出力目標値Ｐ＊に対する発電機出力Ｐ
Ｇの追従性は良くなり、安定した出力制御が可能となる
。

なお、本発明の出力制御方法を、第３図に示すように、
１本の水圧鉄管２から導水管２ａ、　　２ｂ。

２ｃが分岐して複数台の水車またはポンプ水車３ａ、３
ｂ、３ｃを運転する水力発電所に適用する場合には、水
車またはポンプ水車側々の流量を検出して発電機または
発電電動機の速度制御指令を補正するのが望ましい。こ
の場合、出力変化指令の出力目標値Ｐ＊に対して同時に
制御する運転台数が多い場合は、流量の変化率ｄＱ／ｄ
ｔが大きいので前記した水圧鉄管の水撃現象による有効
落差の変動が大きく、一方、出力目標値Ｐ＊に対して同
時に制御する運転台数が少ない場合には、流量の変化率
ｄＱ／ｄｔが少ないので前記の水撃現象による有効落と
の変化が小さくなることを考慮して、第４図に示すよう
に、運転台数判定器１３により運転台数を判定し、回転
速度補正制御装置１２ａ、１２ｂ、１２ｃにおいて、流
量の変化率あるいは微分値に乗じる負の利得の絶対値を
、運転台数が多い場合には大きくし、運転台数が少ない
場合には小さくすることにより、出力目標値Ｐ＊に対し
て同時に制御する。

このようにすれば、運転台数が変わっても、発電機また
は発電電動機の出力の追従性が最適となるように出力制
御を行うことが可能である。

次に、本発明の更に他の実施例を説明する。第５図に示
すような分岐水路を白゛する水力発電設備が全台運転さ
れる場合、共通管路部である水圧鉄管２を流れる水のｍ
ＨＱＴは次のように表わすことができる。

ＱＴ　−Ｑｌ　＋Ｑ２　＋Ｑ３　　　　　　　・・・（
２）但し、Ｑｌ　、　Ｑ２　、　Ｑ３：導水管２ａ、　
　２ｂ。

２Ｃを通って運転されている号機にそ れぞれ流れる水の流量 但し、Ｑｌ　、　Ｑ２　、　Ｑ３：導水管２ａ、２ｂ。

２Ｃを通って運転されている号機にそ れぞれ流れる水の流量 そこで、この実施例では、前述の共通管路部である水圧
鉄管２を流れる流量ＱＴを全流量検出器１４で検出し、
全流量変化検出器１５へ送る。この全流量変化検出器で
は全流量の変化率あるいは微分値ｄＱＴ／ｄｔを算出し
た上、回転速度補正制御装置１２へ向けて出力する。回
転速度補正制御装置１２では、この出力を受けて前述の
全流量変化率あるいは微分値ｄＱＴ／ｄｔに応じた負の
利得を乗じて、運転されている号機の回転速度制御装置
８ａ〜８ｃへ補正回転速度を出力する。

これにより上記実施例と同様、出力目標値Ｐ＊に対して
同時に制御する運転台数が変わっても発電機出力の追従
性が最適となるように出力制御を行う事が可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の出力制御方法によれば、
系統からの出力要求に対して追従性が良く、系統に対し
て電力動揺や電力周波数変動を及ぼすこともなく、極め
て安定した出力制御が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法による出力制御システムの実施例
を示すブロック図、第２図は第１図のシステムにより出
力制御した場合の各部波形を示すグラフ、第３図は本発
明が適用される水力発電設備の他の構成例を示す説明図
、第４図と第５図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す
ブロック図、第６図は水力発電設備の構成例を示す説明
図、第７図は従来の出力制御システムの構成例を示すブ
ロック図、第８図は従来の出力制御方法により出力制御
した場合の各部波形を示すグラフである。 １・・・上池、２・・・水圧鉄管、２ａ、２ｂ、２ｃ・
・・導水管、３，３ａ、３ｂ、３ｃ・・・水車またはポ
ンブ水車、４，４ａ、４ｂ、４ｃ・・・発電機または発
電電動機、５・・・下池、６・・・出力制御装置、７・
・・ガイドベーン制御装置、８，８ａ、８ｂ、８ｃ・・
・回転速度制御装置、９・・・最適回転速度設定器、１
０・・・流量検出器、１１・・・流量変化検出器、１２
．１２ａ、１２ｂ、１２ｃｍ・・回転速度補正制御装置
、１３・・・運転台数判定器、１４・・・全流量検出器
、１７・・・全流量変化検出器。 出願人代理人　　　佐　藤　　−雄 鳥１図 尾３図 晃４図 −≦に ｄ會 違５図 烏６図 嶌７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ガイドベーン等の流量調整装置を有する水車またはポ
   ンプ水車等の水力機械と、この水力機械に直結された可
   変速運転可能な発電機または発電電動機と、その回転速
   度を制御する回転速度制御装置を具備することにより、
   可変速運転が可能な可変速制御水力発電設備において、
   出力変化指令を受けた場合、ガイドベーンの開閉制御に
   より発電機または発電電動機の出力を制御する際に、水
   車またはポンプ水車の流量を検出し、その変化率あるい
   は微分値に負の利得を乗じた値をもって発電機または発
   電電動機の速度制御指令を補正することにより、出力調
   整に伴う有効落差の変動に起因して生ずる発電機または
   発電電動機の出力変動を抑制するように回転速度を制御
   することを特徴とする可変速水力機械の発電運転時出力
   制御方法。