JPS61247299A - 可変速発電システムの運転制御方式 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、２次励磁付の誘導機を任意の回転数で運転す
る可変速発電システムの運転制御方式に係り、特に発電
及び揚水の自動周波数制御（ＡＦＣ）運転時に安定に目
標値に制御するに好適な可変速発電システムの運転制御
方式に関するものである。

〔発明の背景〕

従来の揚水発電システムは、揚水時に負荷の調整ができ
ないことと、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は揚程が作用す
ること等により、システムの効率が変化するという欠点
があった。

このため、発電力、揚程にかかわらず、上記システムを
最高効率で運転されるための研究が進められている。そ
の研究の動向は従来同期機であった揚水発電機を２次励
磁付の誘導機とし、周期速度以外の回転数で運転する。

いわゆる可変速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１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、＆　５５３［大容量同期電動機の
可変速運転特性」において、樗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った
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、発電及び揚水の各種運転状態において
高効率で運転できると共に、ＡＦＣ運転時に安定した目
標値に制御できる可変速発電シスシムの運転制御方式を
提供することにある。

（発明の概要〕 本発明は、任意の発電力をうる運転条件が、有効落差１
回転数及びガバナのペン開度との関連より定まること、
この運転条件のうち１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、回転数を目標値に
あうように制御すると共に、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ことにより上記目的を達
成しようとするものである。

本発明の可変速発電システムの運転制御方式は、具体的
には、電力の目標値と実際の電力値との差、及び回転数
の目標値と実際の回転数との差により、前記位相角を操
作し、電力制御指令値より定まる発電力及び回転数で運
転を行おうとするものである。

〔発明の実施例〕

第２図は、可変速発電システムの概要を示す図であり、
−次、二次側共、３相巻線からなる。

６ｃは回転？＜’Ｆｌ　ｂ　ｔ　Ｑ相巻線である。また
、定格周波数をｆ、すべりをＳとすると、回転子２の速
度はｆ（１−ｓ）であり、回転子２の励磁巻線をすベリ
Ｓの周波数で励磁することにより１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
すベリ検出部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２図の構
成では、回転子の回転磁界は、 ！（１−ｓ）＋ｆｓ＝ｆ　　　　　　　　・＝（１）と
なり、すベリにかかわらず、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、揚水及び発電
におけるＡＦＣ運転時に任意の回転数で安定に目標値に
制御できる方式を提供しようとするものが、本発明であ
る。

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

１０は電力系統であり、１及び２は、第１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、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、効率を考慮したガバナ弁の開度指令値
Ｈ，及び速度指令値Ｎ６　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，を時間遅れさせて調速機
の開度を定めるものである。１３は水車特性部であり、
水車特性部１３は、静落差Ｈ１弁開度設定器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１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
＠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、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、Ｑ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、ガバナの開度、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るが、位相角算出部１
１６の処理方式及び安定な制御方式は確立されておらず
、これらを確立する必要がある。そこで１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
図ったものである。

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

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Ｎ６　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１例え出力指令値Ｐ０　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１例えば／に
□（Ｐ−Ｐ０）ｄｔの計算をする相差角制御量算出部２
７と、該位相角制御量算出部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４δを算出する位相角算出部１６とから構成した点に
ある。尚１位相角算出部１６からの出力が設定部１７に
供給される。

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、速度指令値が与えられ、実際の回転数Ｎと目標値Ｎ
０　との差及び実際の出力Ｐと目標値Ｐ０　との差によ
り、２次巻線の位相角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的な構成例につ
いて第４図を参照しながら説明する。

第４図は、２次励磁付の誘導機により任意の回転数で運
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４ＩｌＩＧ工が送電、ＩｉＬを介して系統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、送電線りには、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Ｇ１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。Ｐエ　ｐ２は水
車出力を、η１．η２は効率を、Ｎ工、Ｎ２は回転数を
示す、出力Ｐ、では回転数Ｎ１で、出力Ｐ２では回転数
Ｎ、で、それぞれの出力における最高効率’７ｔｔ　η
２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は
異なっており、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、可変速発電システムは、操作端Ｔより
、発電機Ｇ１に要求される発電力の指令（又は目標値）
Ｐｏが与えられると、発電機Ｇ。

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１発電機Ｇ１の回転数Ｎ６．水車のガバナ弁の
開度Ｈ７が制御指令部Ｃにおいて求められ、これらの値
（Ｎ　Ｉ、−Ｈｖ　）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１３，１
４．１６〜１８．２４〜２８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１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、及びガバ
ナの弁開度Ｈ７が求められ、これら（Ｎｏ。

Ｈ，）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われることになる。

一方、発電機Ｇ１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Ｅ８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、すベリ周波数で励磁する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）式のようにあられされる
。

すなわち、第４図の操作端Ｔより与えられた指令Ｐ０′
により、ａ−Ｇ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
１７に与えられると。

ａ　’７　ｃ相の励磁電圧Ｖｆ、、　Ｖｆｂ、　Ｖｌ、
は。

で求められる。ここで、Ｅはすベリ及び可変速機の運転
状態で定まる電圧値、δ。は可変速機の運転状態で定ま
る位相角、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Ａδで制御すればよいのである。

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
（／３δ）を制御して１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。

したがって１本発明の実施例は、位相算出部１１６を第
１図に示すように構成し、上記第（３）式を実現するも
のである。

すなわち１位相角Δδは、 Ａδ＝−Ｊｋｌ（ｐ−ｐ。Ｍｔ＋　ｆ　ｋｇ（Ｎ−Ｎ０
）ｄｔ・・・（３）の如く算出される。ここで、Ｐｏは
有効電力の目標値（電力制御指令値）、Ｎｏ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。

ｋｌ及びに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Ｎ０　との差（Ｎ　−ＮＯ）が比較
部２４で算出される。ここで算出された出力（Ｎ　−Ｎ
ｌｌ　）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、　／　ｋ２（ＮＮ０）ｄ　ｔが算出さ
れる。

一方、有効電力の実際値Ｐと目標値Ｐｌ、との差（ｐ−
ｐａ）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−ｐ０）が位相角制御量算出部２７に供
給され、該算出部２７で−ｆｋ、（Ｐ−ｐ０）ｄ　ｔ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
れる（−ｆ　ｋ、（ｐ−ｐ、Ｍｔ＋ｆ　ｋ、（Ｎ−Ｎ０
）ｄｔ）　。

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。

上記実施例では、第（３）式の計算をして位相角Δδを
求めているものであるが、第２の実施例として、上記第
（４）式を計算させるもの、また第３の実施例として、
第（５）式の如き計算をさせるようにしてもよいもので
ある。

Δδ＝　−ｋ、（Ｐ　−Ｐ０）＋　ｋ、（Ｎ　−Ｎ０）
　　・・・（４）Ａδ＝−）ｋ、（Ｐ−Ｐ０）ｄｔ＋／
に、（Ｎ−Ｎ０）ｄｔ−に１（Ｐ−ＰＩｌ）＋に、（Ｎ
−Ｎｏ）　　・・・（５）ここで、Ｋ１．　Ｋ、は定数
である。

かかる第２．第３の実施例によっても第１実施例と同様
の作用効果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、速度の目標値と実際の値との差及び電
力の目標値と実際の値との差により簡単な操作で位相角
を制御でき、発電運転及び揚水運転時のＡＦＣ運転に安
定に目標値に制御できるようにしたので、安定度上の効
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
、効率よく運転できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図は可
変速揚水発電システムの原理概要を示す図、第３図は可
変速揚水発電システムの制御系統の概要を示すブロック
図、第４図は本発明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ック図、第５図は出力
と効率の関係を示す線図である。 Ｅｘ・・・励磁回路、Ｇ１・・・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、５８〜５ｃ・・・
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・・・速度発電機、１３・・・水車特性部、１
４・・・調速機の弁開度設定器、１５・・・指令値算出
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、２３ａ〜２３ｃ・・・移相部。 ２４．２６・・・比較部、２５．２７・・・位相角制御
量算出部、２８・・・加算部、１１６・・・位相角算出
部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電力系統に接続され、２次励磁付の誘導発電機を任
   意の回転数で運転する可変速発電システムにおいて、外
   部より与えられる電力制御指令値を基に目標回転数及び
   ガバナ弁開度を設定する機能を備え、ある運転状態にお
   ける実回転数及び目標回転数ならびに当該運転状態にお
   ける発電機出力及び電力制御指令値を基に位相角を求め
   、当該位相角を用いて２次励磁回路の交流励磁の位相を
   制御することを特徴とした可変速発電システムの運転制
   御方式。 ２、特許請求の範囲第１項において、位相角Δδは下式
   によつて求めることを特徴とする可変速発電システムの
   運転制御方式。 ▲数式、化学式、表等があります▼ ただし、Ｐは発電機出力、Ｐ＿０は電力制御指令値、Ｎ
   は実回転数、Ｎ＿０は目標回転数、ｋ＿１、ｋ＿２は定
   数である。 ３、特許請求の範囲第１項において、位相角Δδは下式
   によつて求めることを特徴とする可変速発電システムの
   運転制御方式。 Δδ＝−ｋ＿１（Ｐ−Ｐ＿０）＋ｋ＿２（Ｎ−Ｎ＿０）
   ただし、Ｐは発電機出力、Ｐ＿０は電力制御指令値、Ｎ
   は実回転数、Ｎ＿０は目標回転数、ｋ＿１、ｋ＿２は定
   数である。 ４、特許請求の範囲第１項において、位相角Δδは下式
   によつて求めることを特徴とする可変速発電システムの
   運転制御方式。 ▲数式、化学式、表等があります▼ ただし、Ｐは発電機出力、Ｐ＿０は電力制御指令値、Ｎ
   は実回転数、Ｎ＿０は目標回転数、ｋ＿１、ｋ＿２、Ｋ
   ＿１、Ｋ＿２は定数である。