JPS62236393A - 可変速発電システムの運転制御装置 - 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
標値に制御する時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１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。このような可変速度システムをことにより、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１５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Ｎα５５３「大容駄同期電動機の
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、ＡＦＣＭ転時に安定に目標
値に制御できる可変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、任意の発電力をつる運転条件が、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、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２次動磁電圧の内
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、ｓｌ　
　　　具体的には、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
回転子のａ、ｂ、ａ相巻線である。また、定格周波数を
ｆ、すベリをＳとすると１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ですベリ周波数を検出し、そ
の検出した信号を電圧発生部４に供給する。ｆｆｉ圧発
圧部生部４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、回転子の回転磁界は、 ！　（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Ｐｏ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、効率と考慮したがバナ弁の開度指令値
Ｈｖ及び速度指令領海を算出する。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よりの開度指命値ＨＶを時間遅れさせて調速機の弁
開度１３を制御するものである。１２は水車部であり。

水車特性は、静落差Ｈ１調速機の弁開度１３で定まる。

この水車特性部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２ｏが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Ｐａ及び
速度指令値Ｎα、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、１
８は励磁量の電圧値を制御する電圧調整部である。２３
ａ〜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１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、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、位相角算出部１１６を、指令値算出回路１５からの
目標回転数ＮＯに一次遅れ関数３０を介した出力Ｎｏ’
　と速度発運機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、例えばに２（Ｎ−Ｎｏ’）ｄｔの計算をする位相
角制御量算出部２５と１位相角算出部１６から構成した
点及び。

有効電力導出部２１からの出力と出力指令値Ｐ。

に−次遅れ関数３１を介した出力Ｐｏの差を算出する比
較部２６と、該比較部２６で算出された出力を不完全微
分関数２９を介して取り込み、例えばｋ　（Ｐｏ　　Ｐ
ａ’　）の計算をする演算部２９を介し、この出力を合
成部３２でガバナの弁開度目標値に加算して制御してい
る点にある。

べ　”ゝ、（、’２＋’Ｒ（’！″８１゛１°”６　ｏ
　Ｂ’＋”ｔ；ａ：ｚｓ１７′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
ｏ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し。

実際の出力と目標値Ｐａとの差により、ガバナの弁開度
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
電機Ｇｌ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１回転
数をパラメータとして示したものである。Ｐｔ、ｐｍは
水車出力を、ηｌ、η２は効率を、Ｎｚ、Ｎｚは回転数
を示す。出力Ｐ１では回転数Ｎｓで、出力ｐｚでは回転
数Ｎ２で、それぞれの出力における最高効率ηｌ、η２
となる。こを示している。

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）
Ｐａが与えられると、発電機Ｇ１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Ｇ１
の回転数Ｎｏ、水車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（Ｎ　ｏ　、　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１３，１４．１６〜１８．
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Ｎｏ及びガバナの弁開度Ｈｖが
求められ、これら（Ｎ　ｏ　ＩＨｖ）が目標値となるよ
う、２次交流励磁の位相角Δδ及びガバナの弁開度が制
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Ｅｘの情報として与えられ、
その情報としてすベリ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％式％ すなわち、第４図の操作端Ｔより与えられた指令Ｐａ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相の励磁電圧Ｖ　ｔ　ａ　、
　Ｖ　ｔ　ｂ　、　Ｖ　ｘ　ｃ　＊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、δ０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ｒ′′　
　　　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Ｅχの位相角
（Δδ）を制御して、回転数Ｎ及び電力Ｐを目標イ直に
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、前記回転数Ｎ、ガバナの弁開度の
制御には有効電力を用いればよいことが理解できる。

これまでの説明は、電力をもとに２次動磁世圧の位相角
を制御するための第３の伝達関数として不完全微分を用
いた場合について説明したが、不完全微分は、第６図に
示すように、電力の制御量にゲインのみを乗する。

乗算部３２及び−次遅れのブロック３３及び、ブロック
３２の出力及び３３の出力の差をとる差演算部３４、及
び差演算部３４の出力にゲインを乗する乗算部３５によ
り、同様の効果のだしうろことは当然である。次に他の
実施例について説明する。

第７図が第１図と異なるところは、不完全微分関数２９
の出力を目標回転数Ｎｏの出力を一次遅れ関数３０を介
した出力Ｎ　ｏ　’　　と加算している点にある。この
ような構成としても安定に制御できることはいうまでも
ない。

第８図が第１図と異なるところは、不完全微分関数２９
の出力を落差Ｈと加算し、指令値算出回路の入力とした
点にある。このような構成としても安定に制御できるこ
とはいうまでもない。

〔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をもと
にした簡単な操作で２次励磁電圧の位相角を、電力の目
標値と実際の値との差により、ガバナの弁開度あるいは
指令値算出回路の落差あるいは回転数の目標値を制御で
き１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。

（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ｔ１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２３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
システムの具体的閘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、第６〜８図は本願の応用例
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、■・・・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　
”　Ｑ相巻線、７・・・回転数ａ＋ｑ定部、１０・・・
系統、１１・・・速度発電機、１：し・・水車特性部、
１４・・・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次巻線励磁数設定部、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、２９・・・不完全微分回路、３０．３１
・・・−次遅れ回路、３２．３５・・・乗算部、３３・
・・−次遅れ関数部、３４・・・差演算部、１１６・・
・位相角算出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、落差、電力制御指令値を入力として、システムを効
   率よく運転するためのガバナ弁開度及び回転数を算出す
   る関数発生器を備えた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、前記シ
   ステムの出力と前記電力制御指令値との差により、前記
   関数発生器の入力又は出力のいずれかを修正することを
   特徴とした可変速揚水発電システムの運転制御方式。