JPH0570370B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、任意の回転数で運転可能な可変速発
電装置に係り、特に電力の安定供給に好適な可変
速揚水発電装置に関する。

〔従来の技術〕

揚水発電所は余剰電力を利用して揚水し、その
貯水を必要に応じて利用することにより、不足電
力を補う発電方式である。

一般に、発電機としては同期機を用いるのが普
通であるが、電力系統の変動に対してこれを補う
ためには、可変速度とするのが便利である。

しかし、従来の可変速揚水発電装置は、同期機
を使用しているため、揚水時に負荷の調整ができ
ないこと、および発電運転および揚水運転時に系
統より要求される発電力の変化並びに揚水時の揚
程等により、システムの効率が変化するという欠
点があつた。

このため、発電電力や揚程にかかわらず、発電
装置を最高効率で運転させるための研究が進んで
いる。この目的を達成するために、従来の同期機
により構成した揚水発電機に代えて、２次励磁制
御法を採用して巻線形誘導発電電動機を揚水発電
機とする考え方がある。この２次励磁制御法を採
用した誘導機にあつては可変速運転が可能である
ため、発電電力や揚程にかかわらず、発電装置を
最高効率で運転が可能である。

なお、大容量同期機を可変速運転する考え方に
ついては、「大容量同期電動機の可変速運転特性」
（昭和59年度電気学会全国大会論文集）がある。

一方、近年、電力系統は複雑化、大規模化して
おり、安定度的に厳しい状況になりつつあり、可
変速揚水発電装置を安定度の向上に機能させる必
要がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術は、前述の通り、系統安定度を向
上させる点について配慮がなされていなかつた。

本発明の目的は、系統安定性を向上しうる可変
速発電装置の制御方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、本発明は、同期
発電機からの発電電力を負荷に供給する電力系統
に可変速発電電動機を接続し、この可変速発電電
動機を前記系統負荷に応動させて運転する可変速
発電装置の運転制御方法において、前記同期発電
機の回転数を検出し、当該回転数の変化量に応じ
て前記可変速発電電動機の２次励磁電圧の位相角
を制御することを特徴とするものである。

〔作用〕

上記本発明によれば、制御対象とする同期機の
回転数を検出し、同期速度との差をとり、この値
に応じて２次励磁電圧の位相角を制御する。この
ようにすることにより、電力動揺により生じてい
る電力の超過分は可変速誘導発電電動機で吸収
し、不足分は可変速誘導発電電動機で補うように
制御することが可能となり、系統安定度を向上さ
せることができる。

〔実施例〕

次に、本発明に係る実施例を図面に基づいて説
明する。

可変速発電装置の概要 まず、巻線形誘導機を用いた可変速発電装置の
概要について述べる。第２図において、誘導機１
００は、三相１次巻線５_a，５_b，５_cを持つ固定
子１と、三相２次巻線６_a，６_b，６_cを持つ回転
子２とよりなる。

定格周波数を、すべりをｓとすると、回転子
２の速度は（１−ｓ）であり、回転子の２次巻
線６_a，６_b，６_cをすべりｓの周波数で励磁する
ことにより、回転子２の回転磁界はすべり零（同
期速度）で回転し、固定子１に回転磁界の速度と
同一になる。

２次巻線６_a，６_b，６_cの励磁制御は、制御部
５０が行う。制御部５０は指令値および制御信号
に従つた励磁電圧v₁，v₂，v₃を発生し、２次巻線
６_a，６_b，６_cに加える。その励磁電圧はそれぞ
れ次の(1)式で与えられる。

v₁＝Esin（2π・ｓ＋δ₀＋Δδ） v₂＝Esin（2π・ｓ＋δ₀＋Δδ−120°） v₃＝Esin（2π・ｓ＋δ₀＋Δδ−240°） ……(1) ここに、Ｅはすべりｓ、誘導機１００の運転状
態および系統状態で定まる電圧値、δ₀は誘導機１
００の運転状態で定まる位相角、Δδは外部から
与えられる電力指令および制御信号により制御さ
れる位相角である。

以上の構成とすることによつて、任意の回転数
で運転を行つても、常に電動子巻線（固定子１の
巻線５_a，５_b，５_c）には、系統周波数の電圧を
発生させることができる。すなわち、第２図の例
では、回転子２の回転磁界は、 （１−ｓ）＋・ｓ＝ ……(2) となり、すべりｓにかからず、定格周波数の回転
磁界が得られる。

以上の誘導機を揚水発電所の発電機として使用
する。この誘導機により系統動揺発生時の動揺を
抑制し、安定度を向上させることが発明の目的で
ある。

制御装置 次に、上記可変速揚水発電装置の運転制御方式
およびその制御を行うための制御装置について述
べる。

第１図に示すように、同期発電機G₁，G₂が送
電線L₁，L₂を介して接続されることにより電力
系統が構成されている。送電線L₁，L₂には他の
送電線L₃を介して誘導機１００が接続され、系
統負荷の変動に応じて誘導機１００から発電機と
して電力を供給し、あるいは電動機として吸収す
ることにより、系統の安定化が図られている。

誘導機１００の回転子２の回転子軸は水車１３
に直結され、水車１３によつて回転する。この水
車１３のガイド弁１２は弁開度設定器１４によつ
り制御をうける。誘導機１００の２次巻線６_a，
６_b，６_cには移相器２３_a，２３_b，２３_cによつて
励磁電力を供給する。

以上のガイド弁１２の制御および２次巻線６_a，
６_b，６_cの制御の２つの制御は、以下の方法によ
る。指令値算出部１５は、静落差（揚程）Ｈ、出
力値指令値（有効電力指令値）P₀とを取り込み、
効率を考慮したガバナ弁１２の開示指令値Ｖの算
出および速度指令値N₀の算出を行う。

すなわち、一般に、揚水発電機にはフランシス
水車が使用され、その水車出力と効率との関係は
第５図のように示される。第５図は、横軸に水車
出力、縦軸に効率をとり、回転数をパラメータと
して示したものである。P₁，P₂は水車出力を，
η₁，η₂は効率を、Y₁，Y₂は弁開度を示す。出力
P₁では、回転数N₁、弁開度Y₁で、出力P₂では、
回転数N₂、弁開度Y₂で、それぞれの出力におけ
る最高効率η₁，η₂となることを示している。この
ように、出力によつて効率の最高となる回転数は
異なつており、これらの最高効率の点で運転しよ
うとすることが前提となる。

第６図は、水車１３の回転数Ｎおよび揚程Ｈよ
り最高効率となるガイドベーン開度を求める最適
開度関数発生器の例であり、揚程Ｈをパラメータ
として水車１３の回転数Ｎから最適ガイドベーン
開度Ｙを求めるものである。なお、この第６図
は、揚程H₁＞揚程H₂の場合を示しており、揚程
H₁で運転中に回転数がN₁からN₂に変化した場合
には、弁開度はY₁からY₂に制御する必要がある
ことを示しており、指令値算出部１５ではこれら
の値を算出する。弁開度設定器１４は、指令値算
出部１５より、開度指令値Ｖを取り込み、所定の
時間遅れをもつて弁１２の開度調整を行う。

さて、本発明は系統の電力動揺を安定化させる
ために、同期発電機G₁自体の回転数変化をもつ
て電力動揺を検出し、その変化量に基づいて位相
角を制御するものであり、位相角算出部１６は次
の演算を行う。

すなわち、位相角算出部１６は、有効電力算出
部２１で算出した有効電力Ｐと、外部から与えら
れる有効電力指令値P₀と、速度指令値N₀と、誘
導機１００の検出速度Ｎとを取り込み、これらか
ら求まる位相角および回転数変化量算出部２５か
ら算出された回転数変化量ΔNを基に求めた位相
角の和Δδにより、２次巻線励磁電圧の位相角を
制御する。有効電力Ｐは、電流変成器１９、電圧
変性器２０により得られた電流、電圧を基に、有
効電力検出部２１が算出する。可変速機の検出速
度Ｎは、速度検出器１１が検出する。回転数変化
量ΔNは、第３図に示す回転数変化量算出部２５
によつて得ることができる。すなわち、回転数変
化量算出部２５では、同期機G₁に連結された速
度検出器２４からの検出値N_Sから定格回転数N_T
を演算部２５_aにおいて差し引き、回転数変化量
ΔNを得る。位相角算出部１６における位相角Δδ
の演算は、次式で与えられる。

Δδ＝k₁（Ｐ−P₀）dt＋k₁（Ｎ−N₀）dt＋K₁（Ｐ
−P₀）＋K₁（Ｎ−N₀）＋K₃・ΔN ……(3) ここで、k₁，k₂，K₁，K₂，K₃は定数である。
このようにして求められた位相角Δδは、次の励
磁量設定部１７に与えられる。

励磁量設定部１７は、検出速度Ｎおよび後述す
る位相角Δδ′および電圧調整部１８の出力Ｅとに
より、２次巻線の励磁量を設定する。この励磁量
設定部１７によつて位相角２３_a，２３_b，２３_c
の位相調整を行い、この移相した励磁量v₁，v₂，
v₃により２次巻線６_a，６_b，６_cの励磁制御を行
う。

すなわち、励磁量設定部１７は、 v₁＝Esin（2πst＋δ₀＋Δδ） v₂＝Esin（2πst＋δ₀＋Δδ−120°） v₃＝Esin（2πst＋δ₀＋Δδ−240°）……(4) の励磁量を算出し、励磁制御を行う。

ここで、δ₀は、本システムの運転状態で定まる
位相角、ｓはすべりとする。

以上の構成において、系統L₁，L₂に電力動揺
が生じた場合について説明する。発電機G₁の有
効電力が増大した場合、発電器G₁への入力が不
足するため回転数Nsが低下する。したがつて回
転数変化量算出器２５から出力される変化量ΔN
が低下する。その結果、(3)式からわかるように、
位相角算出部１６から出力される位相角Δδが小
さい値となり、励磁量設定部１７からの制御量
は、(4)式からわかるように、発電機G₁の出力を
減少させるような値となる。これとは逆に、発電
機G₁の出力が増大した場合には、２次励磁電圧
の位相角Δδ（(3)式）および励磁量（(4)式）が求め
られ、発電機G₁の出力を増大させる値で制御が
行われる。

以上の制御の結果、第４図に示すように、系統
の電力動揺が生じた場合（第４図ａ、可変速誘導
機１００はその電力動揺が相殺するよう作用し
（第４図ｂ）、系統の電力は安定する（第４図ｃ）。

以上の制御装置によれば、揚水運転中にも外部
からの指令信号に応じて誘導機１００の出力の調
整が可能となり、従来、全て不可能であつた
AFC等の電力系統制御が適用可能となる。その
上、電力系統の動揺抑制が可能となるため、効果
は極めて大きい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、制御対称となる同期機の回転
数を検出し、同期速度との差をとり、この値に応
じて２次励磁電圧の位相角を制御するものである
から、電力動揺により生じている電力の超過分は
可変速誘導電動機として吸収し、不足分は可変速
誘導発電機として補うよう制御することが可能と
なり、系統安定度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロツク図、第
２図は可変速発電装置の原理説明図、第３図は回
転数変化量算出部の例を示すブロツク図、第４図
は発明の作用を示す説明図、第５図は可変速機の
出力と効果の関係例を示す説明図、第６図は最適
ガイドベーン開度関数発生部の特性を示す説明図
である。 G₁，G₂……同期発電機、１００……可変速誘
導発電電動機、L₁〜L₃……送電線、６_a〜６_c……
可変速機２次巻線、２３_a〜２３_c……移相器、１
１，２４……速度検出器、１２……ガイド弁、１
３……水車、１４……弁開度設定部、１５……指
令値算出部、１６……位相角算出部、１７……励
磁量設定部、１８……電圧調整部、１９……電流
変成器、２０……電圧変成器、２１……有効電力
算出部、２５……回転数変化量算出部、２５_a…
…演算部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同期発電機からの発電電力を負荷に供給する
   電力系統に可変速発電電動機を接続し、この可変
   速発電電動機を前記系統負荷に応動させて運転す
   る可変速発電装置の運転制御方法において、 前記同期発電機の回転数を検出し、当該回数の
   変化量に応じて前記可変速発電電動機の２次励磁
   電圧の位相角を制御することを特徴とする可変速
   発電装置。