JPH0634632B2 - 可変速揚水発電システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、発電電動機の回転子巻線を誘導機のすべりに
相当する交流で励磁する可変速揚水発電システムの運転
制御方式に関するものである。

〔従来の技術〕

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、発電運転時に、系統より要求される
発電力が変化すること、ならびに揚水運転時に揚程が作
用すること等により、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。そ
の研究の動向は、従来、直流励磁による同期機であつた
揚水発電機を、回転子巻線を３相巻線とし、それを誘導
機のすべりに相当する交流で励磁し、同期速度以外の回
転数で運転する、いわゆる、可変速揚水発電システムを
採用する方向に進んでいる。このような可変速発電シス
テムを採用することにより、発電力，揚程にかかわら
ず、システムを最高効率で運転することが可能となる。
そこで、この可変速発電システムを実現するための研究
が種々進められている。この可変速発電システムについ
ては、既に、昭和５９年電気学会全国大会論文No.５５
３「大容量同期電動機の可変速運転特性」において紹介
されているものの、具体的な制御方式については、何等
ふれられていなかつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、発電のＡＦＣ運転時に、同期速度附
近を通過する恐れがあるにも、かかわらず、この点をす
みやかに通過させるための対策が何等とられていなかつ
た。

本発明は、上記欠点を補い、揚水及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、発電のＡＦＣ運転時にすみやかに同期速度附近を通
過する方式を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は任意の発電力をうる運転条件が、有効落差，回
転数及びガイドベーンの開度との関連より定まること、
この運転条件のうち、本システムの効率が回転数で定ま
ること、上記の回転数が、水車入力と発電機出力との差
で定まること、という知見に基づき、発電機出力を指令
値にあわせるよう内部位相角を制御すると共に、回転数
が同期速度附近にある場合には、あらかじめ定めてある
制御量によりガイドベーン開度を制御することにより、
すみやかに同期速度附近を通過すると共に、安定に運転
を継続することにより、上記目的を達成しようとするも
のである。

〔作用〕

第２図は、可変速揚水発電システムの概念を示す図であ
り、一次，二次側共，３相巻線からなる。

同図において、１は固定子、２は回転子である。５ａ〜
５ｃは固定子のａ，ｂ，ｃ相巻線、６ａ〜６ｃは回転子
の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。発電発生部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の励磁には、サイクロコ
ンバータの採用されることがある。この場合に、サイク
ロコンバータの容量は、すべり雰附近の電流（サイクロ
コンバータの出力電流としてはほぼ直流）と通過時間で
定まる。このうち、電流の大きさは、運転条件で定まる
ため、容量の低減には、通過時間を短縮する必要があ
る。容量の低減を計る一方法として、すべりが一定範囲
内では、運転時間を規定することが考えられる。この範
囲を禁止帯と呼ぶ。この範囲が狭まく、かつ、サイクロ
コンバータの容量を低減できる方式がシステム上からは
望ましい。

このため、発電におけるＡＦＣ運転時にすべり雰附近を
短時間で通過できる方式を提供しようとするのが、本発
明である。

〔実施例〕

第３図は、この可変速発電システムの基本的な考え方を
示すブロツク図であり、可変速機が系統に接続されて運
転している場合を示してある。

１０は電力系統であり、１及び２は、第２図と同一の固
定子及び回転子を示したものである。静落差Ｈ及び出力
指令Ｐ_０が指令値算出回路１５に与えられると、指令値
算出回路１５は、効率を考慮したガイドベーンの開度指
令値Ｈ_ｖ及び速度指令値Ｎ_０を算出する。１４は調速機
の弁開度設定器であり、この開度設定器１４は指令値算
出回路１５よりの開度指令値Ｈ_ｖを時間遅れさせて調速
機の開度１２を定めものである。１３は水車特性部であ
り、水車特性部１３は、静落差Ｈ、弁開度設定部１４か
らの調速機の開度、及び速度発電機１１からの回転数Ｎ
で定まる。この水車特性部１３の水車特性により、可変
速機の回転子２は回転することになる。１９は電流変成
器を２０は電圧変成器を示すものであり、これら電流変
成器１９及び電圧変成器２０からの出力を有効電力導出
部２１に取り込み、該有効電力導出部２１は該出力をも
とに、有効電力を算出する。１１６は２次巻線の位相角
算出部であり、該位相角算出部１１６は、有効電力導出
部２１からの出力，指令値算出回路１５からの出力指令
Ｐ_０及び速度指令値Ｎ_０、並びに速度発電機１１からの
速度Ｎを取り込み、これらにより、２次巻線の位相角を
算出する。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で
ある。２３ａ〜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である。
２２ａ〜２２ｃは、移相部２３ａ〜２３ｃで移相した励
磁量により、ａ，ｂ，ｃ相を励磁する励磁巻線である。

このように、出力指令値に対して、ガイドベーンの開
度，速度の目標値が求められ、これらの値より２次巻線
の位相角を算出して制御を行う必要があり、位相角算出
部１１６の処理方式及び安定な制御方式は検討されてい
るが、また、確立されておらず、特に発電運転時のすべ
り雰附近の通過方式を確立する必要がある。そこで、本
発明では、第１図に示すような構成をして上記制御方式
の具体化を図つたものである。

第１図は、本発明の実施例を示すブロツク図であり、可
変速度が系統に接続，運転している場合を示してある。

第１図に示す実施例が第３図に示す構成と異なるところ
は、位相角算出部１１６を、指令値算出回路１５からの
目標回転数Ｎ_０と速度発電機１１からの実際の回転数Ｎ
との差を求める比較部２４と、該比較部２４で求めた出
力を取り込み、例えば、 ∫ｋ_２（Ｎ−Ｎ_０）ｄｔ＋Ｋ_２（Ｎ−Ｎ_０） の計算をする位相角制御量算出部２５と、有効電力導出
部２１からの出力と出力指令値Ｐ_０の差とを算出する比
較部２６と、該比較部２６で算出された出力を取り込
み、例えば、 −∫ｋ_１（Ｐ−Ｐ_０）ｄｔ＋Ｋ_１（Ｐ−Ｐ_０） の計算をする位相角制御量算出部２７と、該位相角制御
量計算部２５，２７の出力を加算する加算部２８と、該
加算部２８からの出力により、位相角Δδを算出する位
相角算出部１６と回転数Ｎ、禁止帯の上，下限値Ｎ_１，
Ｎ_２及び目標回転数Ｎ_０よりガイドベーン開度を制御す
るガイドベーン制御部２９及び該制御部の出力と指令値
算出回路１５の出力とを加える加算部３０より構成した
点にある。尚、位相角算出部１６からの出力が設定部１
７に供給される。

ガイドベーン制御部２９の詳細は、第６図に示す。すな
わち、ブロツク２９ａ，２９ｂにより、回転数Ｎが禁止
帯内か否かの判定を行い、禁止帯外では、ブロツク２９
ｆで係数ｃを零とし、禁止帯内では、ブロツク２９ｃ
で、目標回転数Ｎ_０が、定格回転数Ｎ_Ｌ以下か否かの判
定を行い、定格以下では、ブロツク２９ｄで係数ｃをあ
らかじめ定めてある定数Ｋに指令値算出回路１５で算出
されたガイドベーン開度Ｈ_ｖを垂じ、逆符号とする。目
標回転数Ｎ_０が定格Ｎ_Ｌ以上では、ブロツク２９ｅで定
数Ｋにガイドベーン開度Ｈ_ｖを乗じたものを係数ｃとす
る。加算部３０では、ガイドベーン制御部２９の出力ｃ
と指令値算出回路１５の出力Ｈ_ｖを加える。本発明によ
れば、回転速度指令が増加して定格回転速度と下限回転
速度の間に達したときは関数発生器からガイドベーン制
御手段に与えられるガイドベーンの開度指令が減少方向
に修正されるために、機械トルクが増加せず、結果的に
実回転数は禁止帯の下限速度から上昇しない。他方、回
転速度指令がさらに増加して定格回転速度と上限回転速
度の間に達したときは関数発生器からガイドベーン制御
手段に与えられるガイドベーンの開度指令が増加方向に
修正されるために、機械トルクが増加し、実回転数は禁
止帯の下限速度から一気に上昇して上限速度以上に達す
る。

なお、この説明から明らかなように、回転速度指令が減
少して定格回転速度と上限回転速度の間に達したときは
関数発生器からガイドベーン制御手段に与えられるガイ
ドベーンの開度指令が増加方向に修正されるために、機
械トルクが減少せず、結果的に実回転数は禁止帯の上限
速度から低下しない。他方、回転速度指令がさらに低下
して定格回転速度と下限回転速度の間に達したときは関
数発生器からガイドベーン制御手段に与えられるガイド
ベーンの開度指令が減少方向に修正されるために、機械
トルクが減少し、実回転数は禁止帯の上限速度から一気
に低下して下限速度以下に達する。

このようにして、出力指令値に対して、ガバナの開度指
令値，速度指令が与えられ、実際の回転数Ｎと目標値Ｎ
_０との差及び実際の出力Ｐの目標値Ｐ_０との差により、
２次巻線の励磁電圧の位相角Δδを算出し、この値によ
り、励磁量を制御することにより安定に制御できる。

以下、本発明の一実施例を適用した具体例について第４
図を参照しながら説明する。

第４図は、発電電動機の回転子巻線を３相巻線とし、誘
導機のすべり相当する交流で励磁を行い、任意の回転数
で運転できる、いわゆる可変速発電システムにおける揚
水発電機Ｇ_１が送電線Ｌを介して、係統１０に接続、運
転しているシステム例を示す系統図である。

図において、送電線Ｌには、電圧変成器２０、電流変成
器１９が設置されている。

一般に揚水発電機Ｇ_１には、フランシス水車が使用さ
れ、水車出力と効率との関係は、第５図のように示され
る。同図に横軸に水車出力、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。Ｐ_１，Ｐ_２は水
車出力をη_１，η_２は効率を、Ｎ_１，Ｎ_２は回転数を示
す。出力Ｐ_１では回転数Ｎ_１で、出力Ｐ_２では回転数Ｎ
_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、出力によつて、効率が最高となる回転数は
異なつており、本発明はこれらの最高効率の点で運転し
ようとするものである。

第４図において、可変発電システムは、操作端Ｔより、
発電力の指令（又は目標値）Ｐ_０が与えられると、発電
機Ｇ_１の特性、水の落差を考慮した上で、高効率の運転
ができるように、発電機Ｇ_１の回転数Ｎ_０、水車のガイ
ドベーンの開度Ｈ_ｖが制御指令部Ｃにおいて求められ、
これらの値（Ｎ_０，Ｈ_ｖ）にあうような運転がなされる
ことになる。ここで、制御指令部Ｃは、上記各要素１
４，１６〜１８，２４〜３０により構成されている。こ
のような状態で、発電機出力の低下指令が操作端Ｔによ
り与えられると、あらかじめ制御指令部Ｃに与えられて
いる手法により、発電機出力Ｐと水の落差とに基づい
て、発電機の効率ηが最高となるように、回転数Ｎ_０及
びガイドベーンの開度Ｈ_ｖが求められ、これら（Ｎ_０，
Ｈ_ｖ）が目標値となるよう２次交流励磁の位相角Δδが
制御され、効率のよい運転が行えることになる。

一方、発電機Ｇ_１の回転数の定格よりのずれは、制御指
令部Ｃより励磁回路Ｅ_ｘの情報として与えられ、その情
報としてすべり周波数を用いることにより前述したよう
に、定格周波数の出力が得られることになる。

次に、すべり周波数で励磁する２次励磁の具体例につい
て説明する。第１図に示すように、３相の２次励磁巻線
に与えられる信号は次の（２）式のようにあらわされ
る。

すなわち、第４図の操作端Ｔより与えられた指令Ｐ_０に
より、ａ〜ｃ相の励磁量をうるための関数のうちの位相
角Δδは位相角算出部１１６において求められる。この
位相角算出部１１６で求められた位相角Δδが設定部１
７に与えられると、ａ〜ｃ相電圧Ｖ_fa，Ｖ_fb，Ｖ_fcは、 で求められる。ここで、Ｅ及びδ_０はすべり及び可変速
機の運転状態で定まる電圧及び位相角、Δδは制御指令
部Ｃの出力で制御される位相角とする。

上式を用いて、制御を行う場合に、無効電力の制御指令
に対しては電圧Ｅで、有効電力の制御指令に対しては位
相角Δδで制御すればよい。

本発明は、上記第（２）式において、ＡＦＣ運転時に有
効電力を安定に目標値に制御するものである。

このため、上記の構成において、励磁回路Ｅxの位相角
（Δδ）を制御して、回転数Ｎ及び電力Ｐを目標値にあ
わせなければならない。そこで、位相角Δδを動かすた
めの情報としては、有効電力Ｐと回転数Ｎとを用いれば
よいことが理解できる。

したがつて、本発明の実施例は、位相角算出部１１６を
第１図に示すように構成し、下記第（３）式を実現する
ものである。

すなわち、位相角Δδは、 δ＝∫ｋＫ_１（Ｐ−Ｐ_０）ｄｔ＋Ｋ_１（Ｐ−Ｐ_０） ＋∫ｋ_２（Ｎ−Ｎ_０）ｄｔ＋Ｋ_２（Ｎ−Ｎ_０）…(3) の如く算出される。ここで、Ｐ_０は有効電力の目標値
（電力制御指令値）Ｎ_０は回転数の目標値、Ｐは有効電
力の実際の値、Ｎは回転数の実際の値ｋ_１，Ｋ_１，ｋ_２
及びＫ_２は定数である。

さらに、第１図を参照して上記第（３）式の算出過程を
説明する。

実回転数Ｎと目標値Ｎ_０との差（Ｎ−Ｎ_０）が比較部２
４で算出される。ここで算出された出力（Ｎ−Ｎ_０）が
位相角制御量算出部２５に供給され、該算出部２５にお
いて、 ∫ｋ_２（Ｎ−Ｎ_０）ｄｔ＋Ｋ_２（Ｎ−Ｎ_０） が算出される。

一方、有効電力の実際値Ｐと目標値Ｐ_０との差（Ｐ−Ｐ
_０）が比較部２６で算出される。該比較部２６で算出さ
れた出力（Ｐ−Ｐ_０）が位相角制御量算出部２７に供給
され、該算出部２７で −∫ｋ_１（Ｐ−Ｐ_０）ｄｔ＋Ｋ_１（Ｐ−Ｐ_０） が算出される。

上記算出部２５，２７からの出力が加算部２８で加算さ
れ ｛Ｋ_１（Ｐ−Ｐ_０）−∫ｋ_１（Ｐ−Ｐ_０）ｄｔ ＋∫ｋ_２（Ｎ−Ｎ_０）ｄｔ＋Ｋ_２（Ｎ−Ｎ_０） となる。このように算出された値は設定部１７に与えら
れ、設定部１７で第（２）式の計算がなされることにな
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、発電のＡＦＣ運転時にすべり零附近で
は、目標回転数と実際の回転数の差により、ガイドベー
ン開度の制御を行い、揚水発電機の入力と出力の間に故
意にアンバランスを作り、短時間ですべり零附近を通過
であるため、本システムの励磁装置であるサイクロコン
バータの容量を大幅に低減することができ、経済上の効
果は極めて大きい。さらに、本発明によれば、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で揚水運転時に系統より定ま
る電力に対しても、効率よく運転きる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の可変速揚水発電システムの実施例を
示す運転制御方式のブロツク図、第２図は第１図の可変
速揚水発電システムの原理概要を示す説明図、第３図は
第１図の可変速揚水発電システムの制御系統の概要を示
すブロツク図、第４図は第１図の実施例が適用された可
変速発電システムの具体的構成例を示すブロツク図、第
５図は第４図の出力と効率の関係を示す線図、第６図は
第４図のガイドベーン制御部の詳細説明図である。 Ｇ_１……可変速揚水発電システムの発電機、１……固定
子、２……回転子。

───────────────────────────────────────────────────── 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】一次巻線を電力系統に接続し、二次巻線を
   交流励磁する発電電動機と、前記発電電動機に接続され
   た水車と、前記水車の流量を調節するガイドベーンと、
   前記発電電動機の実回転数を検出する速度発電機とを備
   え、前記発電電動機に対する発電出力目標値及び静落差
   とから前記発電電動機の二次巻線の励磁量と前記ガイド
   ベーンの開度とを制御する可変速揚水発電システムにお
   いて、 前記電力系統の有効電力を検出する有効電力導出部と、 前記発電出力目標値及び前記静落差とを入力して前記発
   電電動機の目標回転数と前記ガイドベーンの開度指令と
   を出力する指令値算出回路と、 前記有効電力導出部からの出力と、前記発電出力目標
   値、前記速度発電機からの実回転数及び前記発電電動機
   の目標回転数を入力し、前記発電電動機の二次巻線の励
   磁電圧の位相角を算出する位相角算出部と、 前記位相角、及び前記速度発電機からの実回転数を用い
   て前記発電電動機の二次巻線の励磁量を設定する設定部
   と、 前記発電電動機の定格回転数を上限回転数以下でありか
   つ下限回転数以上の範囲の禁止帯内に有し、前記実回転
   数と前記指令値算出回路からの目標回転数とを入力し
   て、前記実回転数が前記禁止帯外にあれば前記ガイドベ
   ーンの開度指令の修正信号は出力せず、前記実回転数が
   禁止帯内にあって、前記目標回転数が前記定格回転数と
   前記下限回転数との間にあるときは前記ガイドベーンの
   開度指令を減少方向に修正する修正信号を出力し、また
   前記実回転数が禁止帯内にあって、前記目標回転数が前
   記定格回転数と前記上限回転数の間にあるときは前記ガ
   イドベーンの開度指令を増加方向に修正する修正信号を
   出力するガイドベーン制御部と、 前記指令値算出回路からの開度指令と前記ガイドベーン
   制御部からの前記修正信号とから前記ガイドベーンの開
   度を調節する弁開度設定器と、 を設けたことを特徴とする可変速揚水発電システム。