JPH0634628B2 - 可変速揚水発電システムの運転制御装置 - 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できる可変速揚水発電シ
ステムの運転制御装置に係り、特に、揚水ポンプを所定
の可変速範囲で確実に運転する制御装置に関する。

〔従来の技術〕

よく知られているように、揚水発電システムは昼間は水
力発電システムとして働き、夜間は余剰電力を利用して
揚水運転することによりエネルギを蓄積する発電システ
ムである。

従来の揚水発電システムは、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ならびに揚水時の揚程の変化
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、発電力，揚程にかかわらず、上記システムを
最高効率で運転させるための研究が進められている。上
記目的を達成するため、従来の同期機である揚水発電機
を２次励磁付の誘導機で運転する、いわゆる可変速発電
システムとすることにより、発電電力，揚程にかかわら
ず、システムの最高効率で運転が可能であるとの観点よ
り、これを実現するための研究が進められている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、このようなシステムに関しては、昭和５９年電
気学会全国大会論文No.５５３「大容量同期電動機の可
変速運転特性」等があるが、具体的な制御方式について
は、ふれられていない。このように、可変速揚水発電設
備は現在実用化されたものが無いが、実際に建設すると
きには、可変速運転可能な運転範囲が、主に発電電動機
１の二次巻線を交流励磁するサイクロコンバータの容量
で決定されるということを考慮する必要が有り、現状で
は定格回転数の一割以内での可変速運転をするのが経済
的と考えられる。可変速運転範囲が無限大でないことか
ら、具体的な運転の際の問題点としては、回転数が大き
く変動したときにこの運転範囲を逸脱することが考えら
れる。特に、回転数が急速に変動したときに対策につい
ては充分に考慮しておく必要が有る。

本発明は、上記欠点を補い、揚水および発電の各種運転
状態で、高効率で運転する可変速揚水発電システムにお
いて、ＡＦＣ（自動周波数制御）運転時に安定に目標値
に制御するための運転制御装置を提供することを目的と
する。

〔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、電力制御指令
値および実出力電力値に基づいて巻線形誘導機の２次励
磁巻線の励磁を制御することにより前記誘導機を任意の
回転数で運転する可変揚水発電システムにおいて、前記
誘導機の回転数の急変動を検出する変動検出要素と、そ
の変動検出要素の検出値が若干の変動の場合には応答せ
ず一定値以上のとき出力を生じる第１の不感帯要素と、
前記誘導機の回転数が目標値から一定値以上ずれたとき
出力を生じる第２の不感帯要素と、前記第１，第２の不
感帯要素の出力値の積を求める積分要素と、該積分要素
の積分値を補正信号として前記電力制御指令値に加算
し、回転数を所定の可変速幅運転範囲内に保持する加算
要素とを備えていることを特徴とするものである。

すなわち、任意の発電電力をうる運転条件は、有効落
差，回転数およびガイドベーン開度の相互の関連より定
まる。このうち、本システムの効率は回転数および弁開
度で定まる。このため、有効落差と回転数が定まつたと
き、最高効率となるように弁開度を制御することにな
る。一方、上記の回転数は水車入力と発電機（誘導機）
出力との差で定まる。このため、発電機出力を電力制御
指令値にあわせるように２次励磁電圧の位相角を制御す
る必要がある。したがつて、２次励磁付の誘導機を用い
る本システムでは、２次励磁電圧の位相角を制御すると
共に、ガイドベーン開度を制御することになる。

更に、過渡的に回転数が誘導機の可変速運転範囲を逸脱
するのを防止するため、回転数が所定の値を超え、か
つ、回転数の変化率が所定の値を超えた場合には電力制
御指令値に補正信号を印加し、回転数の可変速運転範囲
から逸脱することを防止する。

具体的には電力制御指令値と実際の誘導機の出力電力値
との差を用いて、前記位相角を制御すると共に、目標回
転数と実回転数との差、および有効落差が電力指令値を
もとに、あらかじめ定めてある最適ガイドベーン開度に
なるようにガイドベーン開度を制御し、電力制御指令値
および有効落差より定まる回転数および最適ガイドベー
ン開度で安定に運転することができる。

更に、過渡的には、回転数および回転数の変化率より得
た補正信号により、指令値を制御することにより、回転
数が、可変速運転範囲で逸脱することがない。

〔作用〕

上記本発明の構成によれば、変動検出要素により誘導機
の回転数の急変動が検出され、若干の変動には応答せず
一定の値以上になつたとき第１の不感帯要素から出力が
生じる。一方、誘導機の回転数が目標値から一定値以上
ずれた場合には第２の不感帯要素から出力が生じる。こ
れら２つの出力は積分要素において掛け合され、その積
分値は補正信号として加算要素において電力制御指令値
に加算される。その結果、電力制御指令値は実際の誘導
機の運転状態に応じてフイードバツク補正制御されるこ
とになる。

かくして、誘動機の回転数が過渡的に急変動しても一定
以上の場合は負荷変動に追従せず抑制される。一方で
は、回転数が目標値より大きく外れた場合には速やかに
可変速運転範囲に修正することができ、安定した運転が
可能となる。

〔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。

可変速発電システムの概要 第２図に、可変速発電システムの概要を示す。このシス
テムに用いられる誘導機は巻線形であり、一次，二次側
共、３相巻線からなる。

第２図において、１は固定子、２は回転子を示す。５ａ
〜５ｃは固定子のａ，ｂ，ｃ相巻線、６ａ〜６ｃは回転
子ａ，ｂ，ｃ相巻線である。また、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２の励磁巻線をすべりｓの周波数で励磁する
ことにより、回転子２により発生する回転磁界はすべり
零（同期速度）で回転し、固定子１の回転磁界の速度と
同一になる。７は回転子２の回転数を測定する測定部で
あり、この測定部７からの出力をすべり検出部３に取り
込み、この検出部３ですべり周波数を検出し、その検出
した信号を電圧発生部４に供給する。電圧発生部４はす
べり周波数に応じた電圧を発生させ、２次巻線を励磁す
る。このようにすることにより、任意の回転数で運転を
行つても、常に電機子巻線には、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図の構成では、
回転子の回転磁界は、 （１−ｓ）＋ｓ＝ …(1) となり、すべりにかかわらず、定格周波数の出力が得ら
れることになる。

このような可変速発電システムにおいて、本発明は揚水
および発電におけるＡＦＣ運転時に任意の回転数で安定
に目標値に制御できる制御装置を提供しようとするもの
である。

制御装置の具体例 第１図に、本発明の具体例を示す。可変速の誘導機が系
統に接続，運転している場合を示してある。１０は電力
系統を、１，２は第２図と同一の固定子および回転子を
示している。揚程Ｈおよび電力制御指令Ｐ_０が与えられ
ると、この電力制御指令Ｐ_０は遅延回路１５を介して位
相角算出部１６へ与えられる。一方、揚程Ｈおよび回転
数Ｎより予め与えられている関数に従つて、最適開度関
数発生器２５により最適のガイドベーン開度Ｙが求めら
れ、この出力がサーボ系１４に与えられ、時間遅れをも
つてガイドベーン開度が決まる。

１２は水車特性部であり、その特性はサーボ系１４の遅
れを持つたガイドベーン開度および回転数Ｎで定まる。
この水車特性に基づいて、誘導機の回転子２が回転す
る。１１は速度検出器を、１９は電流変成器を、２０は
電圧変成器を示し、その検出値は有効電力算出部２１で
有効電力Ｐが算出される。

１６は２次巻線２２ａ〜２２ｃの位相角算出部であり、
有効電力算出部２１の出力Ｐおよび遅延回路１５の時間
遅れをもつた電力制御指令Ｐ_０により位相角Δδが算出
される。１７は２次回路の励磁量を設定する設定部であ
り、１８は励磁量の電圧値を制御する電圧調整部を示
す。２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、１７で設定した励磁量
をａ，ｂ，ｃ相に用いるために移相する移相部である。
２２ａ，２２ｂ，２２ｃは移相部２３ａ〜２３ｃで移相
した励磁量でａ，ｂ，ｃ相を励磁する励磁巻線である。
このように、電力制御指令値Ｐ_０と実際の出力Ｐとの差
により、２次巻線の位相角Δδを算出して制御を行う。
一方、揚程Ｈおよび回転数Ｎよりガイドベーン開度Ｙが
最適開度となるように制御される。

その上、回転数Ｎの急激な変化に対しても、回転数Ｎお
よび回転数Ｎの微分回路３１と不動帯回路３０，３２，
積分回路３３で構成した補正回路の出力により、電力制
御指令値Ｐ_０を制御することにより、回転数Ｎを所定の
可変速幅運転範囲の中に確実し保持し、安定な運転がで
きるようにする。

具体的には、回転数Ｎを不動帯回路３０に与え、又、回
転数Ｎを微分回路３１に与え、微分回路３１の出力を不
感帯回路３２に与え、不感帯回路３０および３２の出力
を積分回路３３に与え、この出力を遅延回路１５の出力
に加算部３４で加える。これにより、誘導機の回転数Ｎ
に急変が生じても抑制される。一方、目標値から大きく
外れても速やかに可速運転範囲に引きもどすことができ
るので、系統周波数を安定に保ち、最適な運転制御が可
能となる。

実際への応用例 第３図に２次励磁巻線を有する巻線形誘導機により任意
の回転数で運転できる本発明に係る可変速発電システム
Ｇ_１を送電線Ｌを介して系統１０に接続されている例を
示すものである。送電線Ｌには、電圧変成器ＰＴ_１、電
流変成器ＣＴ_１が設置されている。

一般に、揚水発電機には、フランシス水車が使用され、
水車出力と効率ηとの関係は、第４図のように示され
る。第４図は、横軸に水車出力Ｐ、縦軸に効率ηをと
り、回転数Ｎをパラメータとして示したものである。Ｐ
_１，Ｐ_２は水車出力を、η_１，η_２は効率を、Ｙ_１，Ｙ
_２はベーン開度を示す。出力Ｐ_１では回転数Ｎ_１、ベー
ン開度Ｙ_１で、出力Ｐ_２では回転数Ｎ_２、弁開度Ｙ
_２で、それぞれの出力における最高効率η_１，η_２とな
ることを示している。このようにＰによつて、効率ηが
最高となる回転数Ｎ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本発明の前提をなす。

第３図において、可変速揚水発電システムＧ_１は、挿作
端Ｔから誘導機に電力制御指令Ｐ_０が与えられると、誘
導機の特性、揚程Ｈを考慮した上で高効率の運転ができ
るよう、速度検出器１１より求まる誘導機の回転数Ｎ、
揚程Ｈに基づいて水車のガイドベーンＶの開度Ｙが制御
指令部Ｃにおいて求められ、これらの値に合うような運
転ができるよう制御する必要がある。このような状態
で、誘導機出力の変更指令が与えられると、予め与えら
れている手法により、揚程Ｈ，回転数Ｎより、誘動機の
効率ηが最高となるよう、ガイドベーン開度Ｙを求め、
これらの値となるよう、回転数Ｎを制御し、効率のよい
運転を行うことになる。

第５図は、回転数Ｎおよび揚程Ｈから最高効率となるガ
イドベーン開度Ｙを求める最適開度関数発生器２５の特
性図である。すなわち、揚程Ｈをパラメータとして、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５図は、揚程Ｈ_１＞揚程Ｈ_２の場合を
示している。また、この図から、揚程Ｈ_１で運転中に回
転数がＮ_１からＮ_２に変化した場合には、弁開度はＹ₁
からＹ_２に制御する必要があることがわかる。

誘導機の出力は、交流励磁電流の位相を調整して制御す
る。同時に交流励磁電流の振幅を調整して出力電圧を制
御する構成としている。次に、以上のように構成された
本発明装置の作用について説明するが、その前に可変速
揚水発電電動装置の基本的特性について説明すると、
発電電動機１の電気入力（電気出力）は、その二次巻線
を交流励磁する電圧または電圧の位相差によつて変化す
る。ポンプ水車１２の回転数は、発電電動機１の電気
的トルクとポンプ水車の機械的トルクの差で決定され
る。回転数の積分はトルクに相当する。という関係が
有る。

また、実用上の問題としては、可変速運転可能な運転範
囲が、主に発電電動機１の二次巻線を交流励磁するサイ
クロコンバータの容量で決定されるという点が有り、通
常は定格回転数の一割以内とされることが多い。

このため、通常の運転状態では、水位又は揚程Ｈにより
ポンプ水車１２のガイドベーン開度が決定され、ポンプ
水車の機械的トルクが定まつている。また、出力要求Ｐ
_０に応じて発電電動機１の二次巻線を交流励磁する電圧
または電圧の位相差が決定され、発電電動機１の電気的
トルクが定まつている。そして、ポンプ水車１２の回転
数は、発電電動機１の電気的トルクとポンプ水車の機械
的トルクの差で決定される適宜の回転数とされている。

これに対し、何等かの原因で回転数に変動を生じた場
合、この変動がサイクロコンバータの容量で決定される
可変速運転範囲を逸脱するものであつてはならない。こ
のため、本発明では回転数が所定の値を越えていること
を不感帯要素３０で検出し、かつ回転数の変化率が所定
の範囲を越えていることを不感帯要素３２で検出する。
これら不感帯要素の出力を積分回路３３で積分した値の
単位は出力要求Ｐ_０に相当する電力又は出力である。従
つてこの値を出力要求Ｐ_０に加算して位相角、しいては
電気的トルクを調整することができる。前述のように、
回転速度は発電電動機１の電気的トルクとポンプ水車の
機械的トルクの差で決定されることから、電気的トルク
と機械的トルクの差が減少する方向に、前記積分回路３
３の積分値を出力要求Ｐ_０に加算することによつて、電
気的トルクと機械的トルクと差が小さくなり、回転数が
変化して運転可能範囲からの逸脱を阻止することが可能
である。なお、この発明は、回転数の変化が急速に発生
するときの対策であることから、不感帯要素３２を使用
する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、揚水運転中にも外部からの指令信号に
応じて誘導機出力を調整することが可能になり、従来、
全く不可能であつたＡＦＣ等の電力系統制御が適用可能
になる。その上、所定の可変速範囲内で安定に可変速運
転が継続できる。

更に、系統の変動負荷をまかなうために昼間は発電、夜
間は揚水として運転する揚水発電システムにおいて、揚
水運転時にも系統より求められる電力調整にも、効率よ
く対応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る可変速揚水発電システムの制御装
置の実施例を示すブロツク図、第２図は可変速揚水発電
システムの原理を示す概要図、第３図は本発明の実際へ
の応用例を示す系統図、第４図は可変速機の出力と効率
の関係例を示す説明図、第５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。 Ｅ_ｘ……励磁回路、Ｇ_１……可変速発電システムの発電
機、Ｌ……送電線、Ｃ……制御指令部、Ｔ……操作端、
１……固定子、２……回転子、３……すべり検出部、４
……電圧発生部、５ａ〜５ｃ……固定子のａ〜ｃ相巻
線、６ａ〜６ｃ……回転子のａ〜ｃ相巻線、７……回転
数測定部、１０……系統、１１……速度検出器、１２…
…水車特性部、１４……調速機の弁開度設定器、１５…
…遅延回路、１６……２次巻線位相角算出部、１７……
２次巻線励磁量算出部、１８……電圧調整部、１９……
電流変成器、２０……電圧変成器、２１……有効電力導
出部、２２ａ〜２２ｃ……２次励磁のａ〜ｃ相巻線、２
３ａ〜２３ｃ……移相部、２５……最適開度関数発生
器、３０，３２……不動帯回路、３１……微分回路、３
３……積分回路、３４……加算部、Ｖ……ガイドベー
ン、Ｐ……有効電力算出部、ＰＴ_１……電圧変成器、Ｃ
Ｔ_１……電流変成器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中川 博人 大阪府三島郡島本町百山１−１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電力制御指令値および実出力電力値に基づ
   いて巻線形誘導機の２次励磁巻線の励磁を制御すること
   により前記誘導機を任意の回転数で運転する可変速揚水
   発電システムにおいて、 前記誘導機の回転数の急変動を検出する変動検出要素
   と、該変動検出要素の検出値が若干の変動の場合には応
   答せず一定値以上のとき出力を生じる第１の不感帯要素
   と、前記誘導機の回転数が目標値から一定値以上ずれた
   とき出力を生じる第２の不感帯要素と、前記第１，第２
   の不感帯要素の出力値の積を求める積分要素と、該積分
   要素の積分値を補正信号として前記電力制御指令値に加
   算し、回転数を所定の可変速幅運転範囲内に保持する加
   算要素とを備えていることを特徴とする可変速揚水発電
   システムの運転制御装置。