JPS62255581A - 可変速揚水システム - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、所望の任意の回転数で運転できる回転電気機
械と電力変換装置とからなる電力系統に接続された可変
速揚水システムに係り、特に外部より与えられる負荷設
定指令に合せて出力を可変にした駆動電動機を含むシス
テムに関する。

〔従来の技術〕

従来の同期発電電動機を使用する揚水発電システムでは
、ポンプ水車の回転数は発電運転でも揚水運転でも同一
の一定値に固定される。従って発電運転の場合その時の
落差条件下で、所望の発電量を得ようとすれば一義的に
ポンプ水車のガイドベーン開度が決まり、従ってその時
の運転効率は水車の固有の特性で決まってしまう。そし
て、結果的には最高効率点から大きく離れた運転点で運
転せざるをえない場合がでてくる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

揚水運転の場合は、ガイドベーン開度が最適点（その時
の落差の下で最高の効率を与える開度）を離れると、ポ
ンプの固有特性のため効率の落ち込みが激しく事実上最
適点を離れることはできず自由度が全くない。

即ち、落差によって決まる一定開度運転によらざるを得
ない。

このことは、該揚水発電システムは、電力系統側から見
れば、揚水運転中は全く調整の効がない単純負荷になり
、ｆ！ｉ力系統の電力需給アンバランスを改善するよう
な調整は一切期待できないことになる。

こういう従来技術の背景を踏まえて、ポンプ水車の回転
数を可変にし、ポンプ／水車側の自由度を増すための検
討や提案がなされつつある。

例えば昭和５９年電気学会全国大会論文Ｎα５５３「大
容量同期電動機の可変速運転特性」がある。

但し乍ら揚水運転時の具体的な制御方法について触れた
公知例は全くなかった。

本発明は、上記欠点を補い、揚水運転中にも電動機負荷
を調整可能にし、ＡＦＣ等の電力系統制御に対応できる
可変速揚水システムを提供することにある。

〔問題点を解決するため°の手段〕

本願では１回転電気機械と電力変換装置からなる電力系
統に接続された可変速駆動装置と、それに駆動されるポ
ンプを含む可変速揚水システムを対象にしており、外部
より与えられる電動機出力指令信号と実際の電動機出力
の検出信号を突き合せ、この偏差をゼロならしめるよう
に、即ち実際の電動機出力を指令信号に合せるように励
磁制御をする励磁制御装置を備え、少なくとも該駆動出
力指令又は実際の駆動出力を入力して最適回転速度指令
を与える最適速度設定器と、これより出力される最適速
度設定指令と実際の回転速度との偏差を導出し、もし実
際の回転速度が該最適指令値より高ければ、ポンプ水車
のガイドベーン開度を上げ、逆に低ければガイドベーン
開度を下げるようにガイドベーン開度制御信号を発する
第２の制御装置を備え、該第２の制御装置の出力信号を
入力とし、最終的にガイドベーン開度を設定する第３の
制御装置より構成する。

〔実施例〕

第１図は、可変速駆動装置の一例として交流励磁同期機
を用いた場合の可変速揚水システムの原理説明図であり
、−次、二次側共、３相巻線からなる。

同図で、１が固定子を、２が回転子を示す。

５　ａ　〜５　ｃは固定子ａ、ｂ、ｃ相巻線を２２ａ〜
２２ｃは回転子のａ、ｂ、ｃを相巻線を示す、更に定格
周波数をｆ、すベリをＳとすると、回転子の速度はｆ（
１−ｓ）であり、回転子の励磁巻線をすべりＳの周波数
で励磁することにより、回転子の回転磁界はすベリ零（
周期速度）で回転し、固定子の回転磁界の速度と同一に
なる回転子の回転数を測定しすべり周波数を検出し、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
る制御器３を示している。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、常に電磁子巻線には、
系統周波数の電圧を発生させることができる。すなわち
、回転子の回転磁界は、！　（１−ｓ）　＋ｆ　ｓ＝ｆ
　　　　　　−（１）となり、回転子にはすべりがある
にもかがねらず、定格周波数の出力が得られることにな
る。この原理に基づき、揚水運転中にも外部からの指令
信号に応じて電動機出力を調整可能にした可変速揚水シ
ステムを提案しようとするのが本願の主旨である。

第２図は１本システムの具体例を示すものであり、可変
速機が系統に接続運転している場合を示しである。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。電動機出力指令ＰＯＥは与えられると
、電動機出力指令ＰＯＥは位相角算出部１６へ与えられ
る。３３は電動機出力指令ＰｏＥとその時の揚程Ｈを入
力とじそこの条件下で最適の回転速度（ＮＯＰＴ）　　
を出力する最適回転速度関数発生器である。３１はＮ０
ＰＴと実際の回転速度Ｎとの偏差を導出する加算部であ
る。

加算部３１より出力された回転速度偏差信号は３２のＰ
ＩＤ演算回典を備えた（一般的には少なくとも工要素を
備えた演算回路であればよい）ガイドベーン開度制御装
置に入力されこの出方がガイドベーンを操作する油圧サ
ーボ機構１４に与えられ、ポンプを通過する水量が調整
される。第４図はＰＯＥとＨを入力として最適回転速度
Ｎｏｐｔを出力する最適回転速度関数発生器の側口であ
る。

尚Ｎａ　＞Ｎ２　＞Ｎｔの関係があり図の様に入力がＨ
ｌ　、　ＰＯＥＩの時はＮｏｐｔはＮ２とＮ３の補間で
求める。

ところでポンプの負荷動力ＰＭは、その時の回転速度Ｎ
とガイドベーン開度Ｙ、揚程Ｈによって決まる。この負
荷動力ＰＭと電動機出力ＰＥに差があればこの差ＰＥ”
−ＰＭによってポンプ回転部およびポンプ軸に直結され
た電動機の回転子、主軸等の回転部は加速されたり減速
されたりする。

回転速度Ｎが上昇すれば、加算器３１．ガイドベーン間
度制御装誼３２を介してガイドベーン開度指令が大きく
なりポンプの負荷動力Ｐにも増加してＰＥ−ＰＭ＝Ｏに
なったところでＮの上昇は止む。１１は速度検出器を示
し１９は電流変成器を、２ｏは電圧変成器を示し、２゛
１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２次巻線の位相角算出部で
あり、２１の出力及び出力指令ＰＯＥにより位相角が算
出される。１７は、実際の回転速度Ｎを考慮して２次巻
線の励磁量を設定する設定部であり、１８は励′６ｊｉ
量の電圧値を制御する電圧調整部を示す。

２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、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。２２
ａ、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、２
次巻線の位相角を算出して制御を行う。

ここで第２図の１１．１７．２３ａ＝ｅは、第１図の３
，４に相当する。尚第２図の１８は、第１図には図示さ
れていないが、実際の電圧を検知し復元する復元機能で
ある。

本発明は、第２図のように、揚水運転時の最適システム
を確立しようとするものである。

揚水発電プラントには、フランシス形ポンプ水車が広く
使用されるが、フランシス形ポンプ水車のポンプ入力と
効率との関係は、第３図のように示される。同図は、横
軸にポンプ入力、縦軸に効率をとり、回転速度をパラメ
ータとして示したものであるｍ　ＰＩ　ｔ　Ｐｚはポン
プ入力を、η１゜η２は効率を、ＮＩ　ＨＮ２は回転速
度を、　Ｙｚ　。

Ｙｚは弁開度を示す。入力Ｐｓでは回転速度Ｎ　ｓ　。

弁開度Ｙｉで、Ｐｚでは回転速度ＮＺ、弁開度Ｙｚで、
それぞれの入力における最高効率η１゜η２とばること
を示している。このように出力によって、効率が最高と
なる回転速度は異なっており、これらの最高効率の点で
運転しようとする。ことが本麗の主旨である。

本発明ではガイドベーン開度そのものを制御していない
がポンプの負荷動力Ｐｎ　＝　ｆ　（Ｙ　＋　Ｎ＋Ｈ）
の関数関係（但しＹはガイドベーン開度、Ｎは回転速度
、Ｈは揚程）にあること、前述の第１の制御装置によっ
て定常的にはＰＭ＝Ｐｏｔ＝ｏとなること、Ｎは最適速
度設定器と第２の制御装置によって定常的にはＮ　ａｐ
ｔに合致させられることを総合するとＮは従属的に最適
値へと制御されることがわかる。

電動機の入力は交流励磁電流の位相を調整して制御する
。同時に交流励磁電流の振幅を調整して入力電圧を制御
する構成としている。

前述では最適回転速度関数発生器３３は、揚程Ｉ（と出
力指令ＰｏＥを入力しているが、他方で位相角算出部１
６等により、実際の電動機出力ＰはＰｏεと同じになる
よう絶えず制御されているので、Ｐｏｐの代りにＰを入
力してもその効果は実質的に変らない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、揚水運転中にも外部からの指令信号に
応じて電動機入力が調整可能になり今迄全くできなかっ
たＡＦＣ等の電力系統制御が適用可能になる。

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
時にも系統より求められる電力調整にも、効率よく対応
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２次励磁付可変速揚水発電システムの原理説明
図、第２図は本発明の２次励磁付可変速揚水発電システ
ムの一例、第３図は可変速揚水発電プラントの出力と効
率の関係例を示す図であり、第４図は最適回転速度関数
発生器の側口である。 １・・・固定子、２・・・回転子、３・・・すべり検出
部、４・・・電圧発生部、５ａ〜５ｃ・・・固定子のａ
、ｂ、ｃ相巻線、２２ａ〜２２ｃ・・・回転子のａ、ｂ
、ｃ相巻線、１０・・・系統、１１・・・速度検出器、
１４・・・サーボ系、１６・・・２次巻線位相角算出部
、１７・・・２次巻線励磁ｉ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、２２　ａ　、　２２　ｂ　
、　２２　ｃ　−２次励磁のａ。 ｂ、ｃ相巻線、ＰＯＥ・・・出力指令値、Ｎ・・・回転
速度、２３　ａ　、　２３　ｂ　、　２３　ｃ−移相部
、Ｎｏｐｔ　−最適回転速度信号、３３・・・最適回転
速度関数発生器。 ３１・・・加算部、３２・・・ガイドベーン開度制御装
置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外部より与えられる駆動出力指令信号と実際の駆動
   水力を比較して、この偏差をゼロならしめるように駆動
   出力を制御する第一の制御装置と、 少なくとも該駆動出力指令又は実際の駆動出力を入力と
   して最適回転速度検出指令を与える最適速度設定器とこ
   れが出力する最適速度設定指令と実際の回転速度との偏
   差を導出し、もし実際の回転速度が該最適指令値より高
   ければポンプ水車のガイドベーン開度を上げ、逆に低け
   ればガイドベーン開度を下げるようなガイドベーン開度
   制御信号を発する第２の制御装置、該第２の制御装置の
   出力信号を入力としガイドベーン開度を設定する第３の
   制御装置を備えた回転電気機械を電力変換装置とからな
   る電力系統に接続されたポンプの可変速揚水システム。