JPH0634631B2 - 可変速揚水発電システム - Google Patents

可変速揚水発電システム

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JPH0634631B2
JPH0634631B2 JP61078130A JP7813086A JPH0634631B2 JP H0634631 B2 JPH0634631 B2 JP H0634631B2 JP 61078130 A JP61078130 A JP 61078130A JP 7813086 A JP7813086 A JP 7813086A JP H0634631 B2 JPH0634631 B2 JP H0634631B2
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英二 原口
博人 中川
哈夫 野原
益雄 後藤
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Kansai Denryoku KK
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Hitachi Ltd
Kansai Denryoku KK
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、二次励磁付の誘導機により任意の回転数で運
転できる可変速揚水発電システムに係り、特に中央給電
指令所からの負荷要求指令(AFC)に従って、揚水の
AFC運転を行うのに好適な可変速揚水発電システムに
関する。
〔発明の背景〕
同期機を用いた従来の揚水発電システムは、一定回転数
であるために揚水時に負荷の調整ができないこと、及
び、発電運転及び揚水運転時に、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等により、システムの
効率が変化するという欠点があった。
このため、同期機に代えて誘導機を採用し、その二次巻
線を交流励磁する可変速揚水発電システムを構成し、最
高効率となる回転数で運転させるための研究が進められ
ている。このようなシステムに関しては、昭和59年度
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」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。
〔発明の目的〕
本発明は、可変速揚水発電システムにおいて、AFC信
号に従って揚水運転するに好適な可変速揚水発電システ
ムを提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明においては、電力の指令値と実際の値との差を用
いて、二次巻線を交流励磁するときの位相角を制御する
と共に、出力指令値をガイドベーン開度の制御に用い、
出力指令値と揚程をもとに、あらかじめ定めてある最適
ガイドベーン開度となるように制御し、かつ速度偏差に
より電力指令値を修正する。
〔発明の実施例〕
第3図は本発明システムの全体構成を示しており、可変
速発電電動機G1の一次巻線が送電線Lを介して電力系統
10に接続されている。可変速発電電動機G1の二次巻線
は交流電源Exにより交流励磁され、G1の回転軸にはポン
プ水車が機械的に接続されている。
このシステムは、揚水運転時に発電電動機を電動機,ポ
ンプ水車をポンプとして運転し、また発電運転時に発電
電動機を発電機,ポンプ水車を水車として運転するが、
特徴的なことは回転数が可変とされつつ、周波数は系統
のそれに合致すべく運用されることであり、この結果と
して効率の良い運転を可能としている。
このシステムの操作端は、ポンプ水車に流入し又は排出
される水量を制御するガイドベーンVと、発電電動機G1
の二次巻線の交流励磁量を制御する周波数変換装置(図
示せず)であり、これらを協調して制御する必要があ
る。
ところで、一般の発電機としては同期機が使用されてお
り、その電気出力を可変に定めることが可能であり、電
力系統全体を安定に運用する中央給電指令所からの指令
により可変にかつ連続的に制御できる。これに対し、電
動機は同期機又は誘導機のいずれであっても機械出力を
可変にかつ連続的に制御することができない。
第3図の本発明の可変速発電電動機は発電/電動いずれ
の場合もこれを可能とすべく、中央給電指令所からのA
FC(Automatic Frequency Control)信号を操作卓Tに
受け、制御指令部Cにおいて前述の操作量(水量,交流
励磁量)を適切に制御する。なお、同図において、C
T,PT,Pは夫々制御指令部Cでの演算制御に必要な
電力系統の電流,電圧,電力の各検出器である。
次に、可変速揚水発電システムの主要な構成要素である
ポンプ水車について説明すると、一般にフランシス水車
が使用される。そして水車出力と効率との関係は、第4
図のように示される。同図は、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、n1,n2は効率を、N1,N2は回転
数を、Y1,Y2は開度ガイドベーン開度を示す。出力P1
は回転数N1、ガイドベーンY1で、出力P2では回転数N2
ガイドベーン開度Y2で、それぞれの出力における最高効
率n1,n2となることを示している。このように、出力に
よって、効率が最高となる回転数,ガイドベーン開度は
異なっている。
第3図において、可変速揚水発電機G1は、操作卓Tよ
り、電動機に要求される電力の指令P0が与えられると、
電動機の特性,揚程Hを考慮した上で、高効率の運転が
できるよう、出力指令値P0,揚程Hより、水車のガイド
ベーンVの開度が制御指令部Cにおいて求められ、これ
らの値にあうような運転ができるよう制御する必要があ
る。このような状態で電動機出力の変更指令が与えられ
ると、揚程,出力指令値より、電動機の効率が最高とな
るよう、ガイドベーン開度を求め、回転数制御を行う。
更に、可変速揚水発電システムの主要な構成要素である
発電電動機について説明すると、この概要を第1図に示
している。
同図において、1が固定子を、2が回転子を示してお
り、5a〜5cは固定子のa,b,c相巻線を、6a〜
6cは回転子のa,b,c相巻線を示す。この可変速発
電電動機は二次側の巻線を交流励磁することにより、任
意の回転数を定めることができ、この関係は定格周波数
をf、すべりをsとすると、回転子の速度はf(1−
s)として表わすことができる。7は回転子の回転数を
測定する測定部を示し、この出力により、3ですべり周
波数を検出し、4ですべり周波数に応じた電圧を発生さ
せ、二次巻線を励磁する。このようにすることにより、
任意の回転数で運転を行っても、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1図の例では、回転子の回転磁界は、 f(1−s)+fs=f …(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。
本発明の可変速揚水発電システムは、上記のような特性
を有する機器を用いてシステム構成したものであり、第
2図に制御指令部Cの具体的な全体構成を示している。
この図において、10は電力系統を、1,2は第1図と
同一の固定子及び回転子を示している。制御指令部Cに
は揚程H(別途実測される)及び出力指令P0(操作卓T
を介して中央給電指令所から与えられるAFC信号)が
与えられ、このうち出力指令P0は遅延回路15を介して
位相角算出部16へ与えられる。他方、揚程H及び出力
指令値P0を用いてあらかじめ与えられている第4図の関
数に従って、最適開度算出部25で最適ガイドベーン開
度が求められ、この出力がサーボ系14に与えられ、時
間遅れをもってガイドベーン13の開度として与えられ
る。12はポンプ水車である。
11は速度発電機を示し、この出力により、速度が検出
される。19は、電流変成器を、20は電圧変成器を示
し、有効電力導出部21で電流変成器19及び電圧変成
器20の出力をもとに、有効電力を算出する。16は二
次巻線の位相角算出部であり、21の出力及び遅延回路
15の時間遅れを持った出力指令P0により位相角が算出
される。17は、二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、設定部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
(これが前述の周波数変換装置に相当する)である。2
2a,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、電力制御指令値と実際の出力との差より、二
次巻線の位相角を算出して制御を行う。
ここで、本発明においては、関数発生器15は、効率を
最適とする回転数も出力しており、この出力と前述の速
度発電機11で検出された実回転数の差がスピードガバ
ナ24で求められ、この出力を出力指令信号P0に加算部
25で加算する。
この理由は、出力指令信号P0によりガイドベーン13の
開度を調整して機械的トルクを制御し、またP0により二
次励磁量を調整して電気的トルクを制御したとしても、
これら両トルクが過渡的に不一致となり、この結果回転
速度が大きく変動することがあるために、これを修正す
るものである。
より具体的には、例えば揚水運転時に機械的トルクが電
気的トルクよりも大きいときには、回転数が低下してし
まうが、回転数偏差をもって電気的トルクの過大を抑え
ることにより、回転数の低下が抑止できる。
スピードガバナ24は、第5図に示すように、最適回転
数No.と実回転数Nの偏差を求める減算部31,比例回
路32,積分回路33,微分回路34,加算回路35か
ら成り、いわゆる比例積分微分回路を構成する。
このように、本発明システムでは、AFC信号に基づい
て、揚水運転をするに最適なガイドベーン開度を与え、
他方において交流励磁制御を行う。
ここで二次巻線の交流励磁における上記制御の物理的意
味について更に詳細に説明すると、3相の二次励磁巻線
a,b,c相の励磁量は二次励磁回路のa,b,c相電
圧をVfa,Vfb,Vfc、とすると、 Vfa=E・Sin(2πf・s+δ0+Δδ) Vfb=E・sin(2πf・s+δ0+Δδ−120゜) Vfc=E・sin(2πf・s +δ0+Δδ−240゜) …(2) と与えられる。ここで、E:すべり及び可変速機の運転
状態で定まる電圧値、δ0:可変速機の運転状態で定ま
る位相角、Δδ:制御指令部の出力で制御される位相角
である。
上式を用いて制御を行う場合に、中央給電指令所からの
AFC信号に含まれる無効電力の制御指令に対しては電
圧Eを調整し、同じく有効電力の制御指令に対しては、
位相角Δδを制御すればよい。
このため、第2図の装置においては有効電力指令と実際
の有効電力とから、所定の有効電力を得るための位相角
を二次巻線位相角算出部16で求める。具体的には位相
角を制御するための情報として、有効電力を用いる。す
なわち、位相角Δδは、 Δδ=∫k1(P−P0)dt+k1p(P−P0) …(3) とする。これは、いわゆる比例積分調整器を構成して、
Δδを最小とするものである。ここで、P0:有効電力の
目標値、P:有逆電力の実際の値、k1,k1p:定数であ
る。
一方、ポンプ入力はガイドベーン開度を調整することに
より制御する。すなわち、第2図に示すように、揚程及
び出力指令値についての関数(第5図)をもとに、あら
かじめ与えてある最適開度となるように、ガイドベーン
開度を制御する。
〔発明の効果〕
本発明によれば、揚程及び出力指令値よりガイドベーン
開度を制御する機能及び電力の目標値と実際の値との差
により二次励磁電圧の位相角を制御する機能の両者を備
えており、揚水時のAFC運転において、安定に目標値
に制御できるため、安定度上の効果は極めて大きい。
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定まる電圧に対しても効率よく運
転できるため経済的効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は可変速揚水発電システムの原理概要図、第2図
は可変速揚水発電システムの制御概要図、第3図は本発
明の実施例を示す図、第4図は可変速機の出力と効率の
関係例を示す図であり、第5図は最適弁開度算出部を示
す図である。 11……速度発電機、12……ポンプ水車、13……ガ
イドベーン、14……サーボ系、15……遅延回路、1
6……二次巻線位相角算出部、17……二次巻線励磁量
設定部、18……電圧調整部、19……電流変成器、2
0……電圧変成器、21……有効電力導出部、22a,
22b,22c……二次励磁のa,b,c相巻線、P0
…出力指令値、N……速度、23a,23b,23c…
…移相部、25……最適開度算出部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 益雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−152399(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一次巻線1を電給系統に接続し、二次巻線
    2を交流励磁すると共に、該二次巻線側に水量を調整す
    るガイドベーン13を備えるポンプ水車12を設け、揚
    水運転を行う可変速揚水発電システムにおいて、 揚程と中央給電指令所からの出力指令を入力して予め与
    えられている関数に従って前記ガイドベーンの最適開度
    指令信号、及び前記ポンプ水車の効率を最適とする目標
    回転速度を出力する関数発生器15,該関数発生器のガ
    イドベーンの最適開度指令信号に応じてガイドベーン1
    3の開度を制御する手段14,前記出力指令と実際の電
    気出力との偏差に応じて前記二次巻線の交流励磁を制御
    する手段16,17,23,前記ポンプ水車12の回転
    速度を検出する手段11,該手段により検出された回転
    速度と前記関数発生器15からの目標回転速度との偏差
    を求める手段24,該手段によって求められた偏差によ
    って前記出力指令を修正する手段25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。
JP61078130A 1986-04-07 1986-04-07 可変速揚水発電システム Expired - Lifetime JPH0634631B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS62152399A (ja) * 1985-12-25 1987-07-07 Fuji Electric Co Ltd 可変速水車発電機の運転方法

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