JPS62110499A - 可変速揚水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、同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テ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２回転数を目標値にあうように制御すると共に
１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。

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、Ｑ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ｆ
、すベリをＳとすると、回転子２の速度はｆ（１−ｓ）
であり１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
ベリ零（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
はすベリ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１回転子の回転磁界は、 ｆ（１−ｓ）＋ｆ　ｓ＝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９本発明であ
る。

第３図は、この可変速発電システムの基本的な考えを示
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Ｐ０　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Ｈｖ及び速度指令値Ｎ、
ｌ　　を算出する。１４は調速機の弁開度設定器であり
、指令値算出回路１５で算出された開度指令値Ｈｖは開
度設定器１４の時間遅れを経て、調速機の弁開度１３を
制御する。１２は水車部であり、水車特性は、静落差Ｈ
５調速機の弁開度１３で定まる。

この水車部１２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。及び速度指令値Ｎ。、並
びに速度発電機入１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相を用いるために
移相する移相部である。２２ａ〜２２ｃは、移相部２３
ａ〜２３ｃで移相した励磁量により、ａ、ｂ、Ｑ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１１６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
方式の具体化を計ったものである。

第１図は、本発明の実施例を示すブロック図であり、可
変速機が系統に接続、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１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。に−次遅れ関数３０を介した出力Ｎ０′
　と速度発電機１１からの回転数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、ｒｋ２（Ｎ−Ｎ、’）ｄｔ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Ｐと出
力指令値Ｐ０の差を算出する比較部２６と、該比較部２
６で算出された出力を比例関数２９を介して取り込み、
例えばに、（Ｐ　−Ｐ、）の計算をする位相自制ｇ４量
算出部２７と、該位相制御量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とから構成した点に
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
。との差及び実際の出力Ｐと目標値Ｐ。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４システムにおける揚水
発電機Ｇ１が送電線りを介して系統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Ｇ０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□　　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Ｐ１では回転数Ｎ工で、出力Ｐ２では回転
数Ｎ２で、それぞれの出力における最高効率η０．η２
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
１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工の特性、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工
の回転数Ｎ０、水車のガバナ弁の開度Ｈｖが制御指令部
Ｃにおいて求められ、これらの値（Ｎｏ、　）Ｉｖ）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１３，１４．１６〜１８．２４〜
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、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Ｈｖが求めら
れ、これら（Ｎ、。

Ｈ，）が目標値となるよう、２次交流励磁の位相角Ａδ
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Ｇ０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Ｅｘ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−ｃ相の励磁量をうるための関数のうちの位
相角Ａδ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Ａδが設定部
１７に与えられると、ａ−ｃ相の励磁電圧ｖｒａｗ　ｖ
ｔｈｅ　Ｖｔａ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、Ａδ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、無効電圧の制御指令に
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
効電圧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Ｅ。

の位相角（Ａδ）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、前記有効電力
Ｐと回転数Ｎとを用いればよいことが理解できる。

〔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をもとにした簡単な操作で
２次励磁電圧の位相角を制御でき、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・・・
すベリ検出部、４・・・電圧発生部、５ａ〜５ｃ・・・
固定子のａ　”　Ｑ相巻線、６ａ〜６ｃ・・・回転子の
ａ　”−’　Ｑ相巻線、７・・・回転数測定部、１０・
・・系統、１１・・・速度発電機。 １２・・・水車特性部、１３・・・弁開度、１４・・・
調速機の弁開度設定器、１５・・・指令値算出回路、１
６・・・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５，２２ａ〜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、２９２１　　　　茅１９ ／ｆ　　　　　ＩＩ 第２０ 茅３図 つｌ Ｈｒ０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、電力系統に接続され、２次励磁付の誘導機を任意の
   回転数で運転する可変速揚水発電システムにおいて、外
   部より与えられる電力指令値をもとに、目標回転数及び
   ガバナ弁開度を設定する機能を備え、任意の運転状態に
   おける実回転数及び前記目標回転数を第１の伝達関数を
   介した出力ならびに前記電力制御指令値より発電機出力
   を差し引き、第２の伝達関数を介した出力より算出した
   位相角を用いて、２次励磁回路の交流励磁の位相角を制
   御することを特徴とした可変速揚水発電システムの運転
   制御方式。