JPS62282169A

JPS62282169A - 可変速揚水装置

Info

Publication number: JPS62282169A
Application number: JP61099844A
Authority: JP
Inventors: Junichi Shiozaki; 塩崎　淳一; Hisao Kuwabara; 尚夫桑原; Akira Bando; 明阪東; Kenichi Ono; 健一小野; Akihiro Sakayori; 酒寄　彰廣; Ichiro Hitomi; 人見　一郎; Masahiro Minato; 湊　正博; Shigeaki Hayashi; 林　茂明
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 1986-04-30
Filing date: 1986-04-30
Publication date: 1987-12-08
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: US4743827A; CA1308459C; JP2585220B2

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】：３、発明の詳細な説明〔産業上の利用分野〕本発明は、回転電気機械と周波数変換装置とから成り、
交流系統に接続された。任意の回転数で運転できる可変
速揚水システムの運転制御方式に係り、特に揚水のガバ
ナフリー運転時に安定に制御するために好適な運転制御
方式に関する。

〔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出来
ない欠点があった。

第９図は、従来の直流励磁の同期機を用いた揚水′！Ａ
置の実施例を示す。以下本図を用いて従来例の説明を行
う。

ポンプ水車４を回転駆動する同期機２には位置検出器２
８及び回転速度検出器５が直結される。

周波数変換器制御袋ｆｖ１３５は、位置検出器２８の出
力信号に応じて電力変換装置３の出力周波数を制御する
一方、速度制御器６の出力信号により同期機の軸出力を
増減するよう電力変換装置３を制御する。

以下、停止状態から揚水始動を経て定常運転状態までの
動作について説明する。

停止時、開閉器６１及び６２は閉路、６３及び６４は開
路状態にあり、同期機２は電力変換器３により駆動され
るように回路が構成される。また、この時ポンプ水車は
水面押し下げの状態にあり、切替器１９は開路、１７は
閉路で、ガイドベーン開度指令Ｙ。は零である。

このあと、ポンプ回転速度指令Ｎ。は予め決められたパ
ターンに従って上昇し、その後一定速度運転にはいり、
開閉器６１，６２が開路、６３゜６４が閉路して同期並
入され、同期速度での定速運転にはいる。次に、水面押
下げ指令を解除して揚水プライミング水圧確認を条件に
ガイドベーン開度指令をＯからｙｓまで立ち上げ、これ
により揚水運転が開始される。ここに至って切替器１９
を閉路、１７を開路して、揚程Ｈに対する最高効率を与
えるＹｏにて揚水運転を行う。

ポンプ水車入力は、はぼ回転数で決まってしまうため、
系統からの入力電力を調整する機能はなし）。

このため、従来の同期機に替えて２次励磁付の誘導機で
運転する可変速システムとすることにより負荷調整を実
現する為の研究が進められている。

例えば昭和６０年電気関係学会関西支部連合大会論文「
可変速揚水発電システムの研究開発」などの論文では原
理については述べられているが具体的な制御方式につい
ては触れられていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記公知例では、揚水システムを可変速化することによ
り、揚水運転時にも有効電力調整が可能となる事実につ
いては述べられているが、具体的制御方法については触
れられていない。

本発明の目的は、可変速駆動装置によりポンプ水車を駆
動する可変速揚水発電システムにおいて、電動機負荷を
調整可能にし、ＡＦＣ運転等の電力系統制御に対応でき
る具体的運転制御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〕

上記目的は、（１）連部より与えられる、系統よりの入
力有効を力指令信号と、実際の有効電力検出信号とを比
較し、この差をゼロならしめるように電動機を制御する
制御装置と系統周波数の設定値と指令値とを比較し、こ
の差に応じて上記有効電力指令信号を補正する周波数制
御装置とを設け、（２）ポンプ特性関数発生器を（（＆
えて、揚程と、ポンプ水車の回転速度検出信号とから最
適ガイドベーン開度指令信号をガイドベーン駆動装置に
与えて最高効率となるようガイドベーン開度制御を行い
、（３）ポンプ水車の回転速度が予め設定した速度範囲
を超えた時、この速度範囲からの偏差に応じて上記有効
電力指令信号を調整することにより達成される。

〔作用〕

本発明は可変速駆動装置の定常運転時には系統への負荷
がポンプ回転数によって殆ど定まる事を利用する。即ち
可変速駆動装置を入力指令に対する偏差を○とする様に
制御しても×人力指令の上下限で定まるポンプ回転数範
囲内に運転Ｕ転数は収まるため、安定に運転することが
できるからである。

また、ポンプ水車の効率は回転数、揚程及びガイドベー
ン開度で定まる。このため、回転数及び揚程から、最高
効率となるようガイドベーン開度を制御することができ
る。

ポンプ水車の回転数は、電動機出力とポンプ出力との差
によるトルクで定まるが、過渡的には回転数が許される
可変速範囲を超える可能性がある６ボンブ水車の回転数
が予め設定された範囲を超えた時に限りその範囲からの
偏差に応じて電動機人力を？Ａ整すれば、可変速範囲か
らの逸脱を抑えることができ安定な運転を行うことがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

第１図は、特許請求範囲第１項に対応するもので、可変
速駆動装置の回転電気機械として同期機２を、また、同
期機と交流系統１の間に電力変換袋口３を置いた楊合の
実施例を示す。この例では第９図と異なり１Ｍｌ力変換
装ｈ！３は始動時であると否とを問わず常に同期機２に
接、続される。

ポンプ水車４を回転駆動する同期機２には位置検出器２
８が直結される。周波数変換器制御装置３５は、位置検
出器２８の出力信号に応じて電力変換装置３の出力周波
数を制御する一方、速度制御器６または電力制御器８の
出力信号により同期機の軸出力を増減するよう電力変換
装置３を制御する。電力制御器８からも制御される点が
第９図の従来例との差異である。

電力制御器８は、電力検出器７の出力である有効電力検
出信号と、後述の同波数制御器３４の出力ΔＰＥ０１に
よって補正された有効電力指令信号ＰＥｏｒの偏差をゼ
ロならしめるように動作する。

一方、速度制御器６は、加速パターン発生器３０の出力
である、ポンプ回転速度指令信号Ｎ。

と、ポンプに直結した速度検出器５の出力であるポンプ
回転速度検出信号Ｎとの偏差を零ならしめるよう動作す
る。

停止時、切替器１５は閉略状態、１６は開路状態にあり
、ポンプは回転速度Ｎが指令値Ｎｏに等しくなるように
速度制御される状態にある。この時ポンプ水車は水面押
し下げの状態にあり、ガイドベーン開度指令Ｙｏは零で
ある。

このあと、ポンプ回転速度指令Ｎｏは予め決められたパ
ターンに従って上昇し、その後一定速度運転に移る。こ
の状態で水面押し下げ指令を解除し、揚水プライミング
水圧確立ｌｉａ認を条件にガイドベーン開度指令をＯか
らｙｓまで立ち上げ、これにより揚水運転が開始され、
切替器１５を開路、１６を閉路してＡＦＣｍ＠にはいる
。

特許請求範囲第１項はＡＦＣＪ転に関わるもので、その
特徴は、系統周波数の偏差に対して有効電力が応動する
、いわゆるガバナフリー機能にある。

周波数検出器３３の出力である系統周波数検出信号％Ｌ
は、設定周波数ｆ、どの間で偏差をとられ、周波数制御
器３４によって、有効電力指令Ｐ　Ｅ　ｏに対する補正
信号ΔＰＥｏ＋どなる。

第２図は、周波数制御器３４の一実施例を示す。

周波数偏差（ｆｏ−ｆＬ）は、比例演算器４０と積分演
算器４１とによってＰＩ制御される。両者の出力の和を
フィードバック要素４３に通してＣｆ。

−ｊＬ）との差をとることにより、周波数偏差が○の時
はこの系の出力を０ならしめることができる。この系の
出力ΔＰＥｏｔを外部より与えられる有効電力指令ＰＥ
ｏに加算することにより、電力制御器８に対する指令値
ＰＥ０Ｉを作る構成としている。

このような構成とすることにより、負荷の増加分（減少
分）を、可変速機で補い、可変速機以外の同期機の回転
数、即ち周波・数の低下（上昇）を抑えて、周波数を一
定に保つことができる。

第３図は、他の一実施例を示す図である。

第３図の、第１図に対する相違点は、ポンプ回転速度検
出信号Ｎ及び揚程Ｈを入力とし、効率が最高となるガイ
ドベーン開度指令信号Ｙｏ　を発生するポンプ特性関数
発生器１０及び切替Ｈ”；ｔ　１．７　。

１９を設けた点である。

停止時は、切替器１９は開路、１７は閉路状１ふにあり
、全ての条件は第１図における停止時と同じである。こ
のあと、ＹＯがＹｓに達してＡＦＣ運転にはいる時点で
切替器１９が閉路、１７が開路して、ガイドベーン開度
指令信号Ｙ０はポンプ特性関数発生器１０の出力に切替
わる。

ポンプ特性関数発生器の動作につき以下説明を加える。

一般に、揚水発電機には、フランシス水車が使用され、
水車出力Ｐと効率ηとの関係は、第４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。Ｐｉ　、Ｐ２
は水車出力をη１．η２は効率を、Ｎ１．Ｎ２は回転数
を、Ｙｉ　、Ｙ２はガイドベーン開度を示す。出力Ｐ１
では回転数Ｎ＋、ガイドベーン開Ｊ！ｉＹｉで、出力Ｐ
２では回転数Ｎ　Ｚ　。

ガイドベーン開度Ｙ２で、それぞれの出力における最ｌ
ｒ石効率η五、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、これらの最高効率の点で運転しようとすることが
本願の主旨である。

第５図は、回転数及び揚程より最高効率となるガイドベ
ーン開度を求めるポンプ特性関数発生器の例で、揚程Ｈ
をパラメータとして、ポンプ回転数Ｎから最適ガイドベ
ーン開度Ｙｏ　を求めるものである６なお、この図で揚
程Ｈ＋＞揚程Ｈ２の場合である。この図で、Ｗ程Ｈ１で
運転中に回転数がＮ１からＮ２に変化した場合には、弁
開度はＹｌからＹ２に制御する必要のあることを示して
いる。

第３図に示す実施例ではガバナフリー運転も併せて行う
構成となっており、これにより、揚水時のガバナフリー
運転を、系統よりの人力電力の任意の値に対して、水車
の最高効率点で行うことができる。

第６図は、他の実施例を示す図である。本実施例は、ガ
バナフリー運転及び水車最高効率点での運転の機能を併
せて実施した例である。

以下、第３図との相違点を中心に第６図の実施例の動作
を説明する。第３図と共通の記号で表わされた要素は第
３図、第６図とも同一作用を成す要素である。

第６図では、第３図に対して、新たに、速度検出器５の
出力Ｎを入力とし、Ｎが可変速幅の中心からある範囲に
ある場合は出力が零で可変速幅の端近くで出力を生ずる
不動帯回路３６と、この出力を演算するトルク補正回路
３７．及びこの出力である有効電力指令補正信号ΔＰＥ
Ｏ２を有効電力指令ＰＥｏから減算する機能を備えたこ
とが特徴である。

有効電力指令ＰＥｏが一定で、系統周波数の偏差（ｆｏ
　％Ｌ）がＯであってポンプ回転速度Ｎが変化しない定
常状態では、有効電力指令ＰＥｏが、可変速幅の上下限
に対応する入力有効電力ＰＥの間にはいっていればポン
プは問題なく運転を継続することができる。しかし、有
効電力指令ＰＥ。

が変化したり、周波数が急変するなどした場合、過渡的
には必ずしも回転速度が可変速幅にはいる保証はない。

有効電力指令補正信号ΔｐＥｏｚは、このような過渡時
等に、ポンプ回転速度Ｎが可変速幅を逸脱することがな
いよう電動機トルクに補正を加えようとするものである
。即ち、ポンプが過速度側に可変速幅をはずれそうな場
合は電動機入力を減少させ、減速トルクを電動機トルク
に付勢し、逆に低速側に可変速幅をはずれそうな場合は
電動機入力を増加せしめて加速トルクを電動機トルクに
付勢する。しかも、可変速幅の端以外では不動帯回路３
６の出力は零であるから、有効電力ＰＥは指令信号ＰＥ
ｏに一致する（但しガバナフリーに対応する補正値ΔＰ
Ｅｏ１を除く）よう制御される。

また、このように速度制御系を、速度偏差を電力指令に
変換して、有効電力の制御ループに常に接続しているた
め、速度制御と電力制御の切替に伴うやっかいな処理が
不要で、システムの構成が簡゛単になる利点がある。

第７図は、不動帯回路３６の一実施例を示すブロック図
である。Ｎ　ｏ　１及びＮＯ２は、それぞれ可変速幅の
上下限を示すポンプ回転速度を、Ｎｉｌ及びＮＩ２は、
不動帯の上下限を示すポンプ回転速度である。このよう
に、可変速幅の上下限より狭い範囲に不！ＩｔｌＪ帯を
設定することによりポンプ回転数を可変速幅の中に入れ
ることができる。

第８図はトルク補正回路３７の一実施例を示すブロック
図である。不動帯回路３６の出力ΔＰＥ’ｏ＋は、比例
演算器５０と積分演算器５１とによってＰＩ副制御れる
。両者の出力の和をフィードバック要素５３に通して八
ＰＥ’０２どの差をとることにより、八ＰＥ’０２がＯ
の時はこの系の出力ΔＰＥＯ２をＯならしめることがで
きる。

〔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
じてポンプ駆動装置入力を調整可能となり、今まで全く
できなかったＡＦＣ等の電力系統制御が適用可能になる
。その上、所定の可変速幅の中で安定に可変速運転が継
続できる。

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１１において
、揚水運転時にも系統より求められる′ｅ力調整に対し
て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図は本発明の特許請求範囲第１項の実施例を示すブ
ロック図、第２図は第１図中の周波数制御器の一実施例
を示すブロック図、第３図は特許請求［四箇２項の実施
例を示すブロック図、第４図はフランシス水車の効率対
ポンプ出力特性の一例を示す特性曲線、第５図は第３図
中のポンプ特性関数発生器の入出力関係を示す特性曲線
、第６図は特許請求範囲第３項の実施例を示すブロック
図、第７図は不！Ｐ１１帯回路の実施例を示す特性曲線
。第８図はトルク補正回路の実施例を示すブロック図、第
９図は固定速機による揚水装置の実施例を示すブロック
図である。１・・・電力系統、２・・・同期機、３・・周波数変換
装置、４・・・ポンプ水車、５・・・速度検出器、６・
・・速度制御器、７・・・電力検出器、８・・・電力制
御器、９・・・ガイドベーン制御器、１０・・・ポンプ
特性関数発生器、１５．１６，１７，１９・・・切替器
、１８・・・ガイドベーン開度指令パターン発生器、２
８・・・位置検出器、３０・・加速パターン発生器、３
１・・電流検出器、３２・・・電圧検出器、３３・・周
波数検出器、３４・・・周波数制御器、３５・・・周波
数変換器制御装置、３６・・不動帯回路、３７・・・ト
ルク補正回路、４０．５０・・・比例演算器、４１．５
１・・・積分演算器、４２．５２・・・リミッタ、４３
．５３・・・フィードバック要素、６１，６２，６３．
６４・・・開閉器、ＰＥｏ・・・有効電力指令信号、Δ
ＰＥｏｔ＋　ΔＰＥＱ２・・有効電力指令補正信号、Ｐ
Ｅ・・・有効電力検出信号、！、・・・周波数設定値、
ｆＬ　・・周波数検出信号、１丁・・・揚程、Ｎ・・・
ポンプ回転速度検出信号、Ｎｏ・・ポンプ回転速度指令
信号、Ｙｏ・・ガイドベーン開度指令信号。

Claims

【特許請求の範囲】

１、回転電気機械と周波数変換装置とから成る交流系統
に接続された可変速駆動装置と、この可変速駆動装置に
より回転駆動されるポンプ水車と、このポンプ水車の回
転速度を検出する速度検出器と、交流系統から前記可変
速駆動装置に給電される有効電力を検出する電力検出器
とから成る可変速揚水装置において、前記電力検出器の
有効電力検出値と指令値との偏差が零となるように前記
周波数変換装置を制御する制御装置と、前記交流系統の
周波数を検出する周波数検出装置と、この周波数検出装
置の周波数検出信号と周波数設定値とを比較して前記有
効電力指令信号の修正信号を発生する周波数制御装置と
を設け、この有効電力指令信号の修正信号を外部からの
有効電力指令信号に加えて前記可変速駆動装置に入力す
る構成としたことを特徴とする可変速揚水装置。