JPS62291476A - 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】 ３、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速度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、特に揚水運転開始時のポンプ入
力急増対策に関する。

〔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かない単純負荷になり
、電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の方法について触れ
た公知例は全くなかった。

ところで揚水開始時、案内弁開放に伴うポンプ入力増加
の割合がスムースではなく案内弁開動作開始直後に急激
に立ち上る。

この急激な入力変化に適切に対応できないと回転速度が
大きく低下し、あるいは可変速許容バンドを外れたり、
かといってサイクロコンバーターの励磁制御をこの様な
揚水起動時のみに生ずる急激な入力変化にも対応できる
よう設計しようとすると駆動電動機やサイクロコンバー
ター等の電流他の定格値が上がり不経済な設計になる。

本発明は、上述の背景の下で開発されたもので可変速バ
ンド内で確実に揚水起動ができ、かつサイクロコンバー
ターや駆動電動機の経済設計を可能にする可変速揚水シ
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〕

本願は外部より与えられる駆動出力指令信号と実際の駆
動出力を比較して、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１の制御装置と、少くとも駆動出力
指令を直接又は間接的に入力して最適回転速度指令を与
える最適回転速度設定器と該最適回転速度指令と実際の
回転速度との偏差を導出してこれをゼロならしめるよう
に制御する第２の制御装置と、少くとも該駆動出力指令
信号を直接又は間接に入力して最適ガイドベーン開度指
令を与える最適ガイドベーン開度設定器と該最適ガイド
ベーン開度指令と実際のガイドベーン開度との偏差を導
出してこれをゼロならしめるように制御する第３の制御
装置を備え、ポンプ起動時案内弁を開き実揚水を開始す
る前に回転速度を予め高い値に設定しておき案内弁開放
中に本来の運転条件より定まる最適回転速度へと低下し
乍ら落ち着くように制御される回転電気機械と電力変換
装置から構成される。

〔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　−５ｃは固定子のａ、ｂ、Ｑ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１回転子の励磁巻線をすベリ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（同期速度）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
はすベリがあるにもがかわらず、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瀾整可能にし
、かつ揚水開始時の急激なポンプ入力増加にも確実に追
従できる経済設計の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、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
子を示ている。電動機出力指令ＰＯＥが与えられると、
電動機出方指令ＰＯＥは位相角算出部１６へ与えられる
。３０は電動機出力指令ＰＯＥ！とその時の揚程Ｈを入
力として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Ｎ　Ｏ
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より出方された回転速度偏差信号は３２はＰ
ＩＤ演算回路を備えた（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）ガイドベーン開度補正信
号回路に入る。

他方３３は電動機出方指令ＰＯＥ及び揚程信号Ｈを入力
として最適のガイドベーン開度信号Ｙ　ＯＰＴを出力す
る最適ガイドベーン開度関数発生器である。３３より出
力されるｙｏｐｔと３２のガイドベーン開度補正信号回
路より出方されるガイドベーン開度補正信号ΔＹＮの合
成信号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ｌ’ｏＩ！とＨを入力として最適ガイドベーン開度Ｙ
　ＯＰＴを出力する最適ガイドベーン開度関数発生器の
柄図である。尚Ｙδ＞Ｙｚ＞Ｙｚの関係があり図の様に
入力がＨ１、Ｐ　Ｏ！！１の時はＹ　ｏｐｔは、Ｙｚと
Ｙ８の補間で求める。第５図はＰｏ２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
器の柄図である。尚Ｎ　ｓ＞　Ｎ　２＞　Ｎ　１の関係
があり図の様に入力がＨｌ、　Ｐｏｅｔの時はＮ０ＦＴ
はＮ２とＮｓの補間で求める６ 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Ｐ！！に差があればこの差Ｐε
−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６回転速度Ｎが上昇すれば、加算器３１．
ガイドベーン開度補正信号回路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ＰＭも増加
してＰＨ−Ｐに＝０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、２０は電
圧変成器を示し、２１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Ｐｏ
Ｅ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２３　
ａ　＝　ｅであり、１８は励磁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。２２ａ、２２ｂ、２２ａは、移相部２３ａ
〜２３ｃで移相した励磁量でａ９　ｂｊＣ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。

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＊　Ｐｌｅ　Ｐ２はポンプ
入力を、η１＋　　’７２は効率を、Ｎｕ、Ｎｚは回転
速度を、Ｙｚ、Ｙｚは弁開度を示す、入力Ｐ１では回転
速度Ｎｌ、弁開度Ｙ１で、入力Ｐ２では回転速度ＮＺ、
弁開度Ｙ２で、それぞれの入力における最高効率η１．
η２となることを示している。このように出方によって
、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実施例の主旨
である。ところで電動機の入力は交流励磁電流の位相を
調整したり振幅を調整して制御される。

前述では、最適ガイドベーン関数発生器３２や最適回転
速度関数発生器３０は各々揚程Ｈと出力指令ＰＯＥを入
力しているが、他方で位相角算出部１６等により、実際
の電動機出力Ｐはｐｏｐと同じになるよう絶えず制御さ
れているので、ＰＯＥの代りにＰを入力してもその効果
は実質的に変らない。

ところで以上は本格的に揚水開始した後の運転状態の説
明であるが、このような運転状態に入る前、即ち案内弁
を開く前に公知技術になる誘導電動機の定速運転制御法
等によって図５の運転点Ｑに相当する最適回転速度Ｎｏ
　　（ＮｚとＮ８の補間で求めた）より高い例えばＮ４
にしておけば、揚水立ち上げ過程でＮ　ａ　−Ｎ　ｏの
速度降下余裕があることになり、電動機及びポンプの回
転部の慣性モーメントに蓄積されたエネルギーを有効に
吐き出させることができる。

換言すれば電動機及びサイクロコンバーター等の電流等
の定格をその分下げることができシステムの経済設計が
可能になる。

更に前述では最適回転速度制御をポンプ側に掛けた例を
対象にしているが、電動機側に掛は即ち電動機を（Ｎ−
ＮＯＰＴ）をゼロにならしめるような制御信号と（電動
機出力Ｐｇ−電動機出力指令ＰＯＥ）をゼロならしめる
ような制御信号を合成した信号で電動機を制御する方式
にも本発明は応用できる。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば所定のスリップ以下の可変速バ
ンド内で確実に揚水起動ができ、かつ駆動電動機やサイ
クロコンバーターの経済設計が可能になる。

【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図は最適ガイドベーン
開度関数発生器の柄図、第５図は最適回転速度関数発生
器の柄図である。 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
、Ｑ相巻線、１０・・・系統、１１・・・速度検出器、
１４・・・サーボ系、１５・・・遅延回路、１６・・・
２次巻線位相角算出部、１７・・・２次巻線励磁量設定
部、１８・・・電圧調整部、１９・・・電流変成器、２
０・・・電圧変成器、２１　・・・有効電力導出部、２
２ａ、２２ｂ、２２ｃ・・・２次励磁のａ、ｂ、ｃ相巻
線、Ｐｏｐ・・・出力指令値、Ｎ−・・回転速度、２３
　ａ　、　２３　ｂ　、　２３　ｃ　−移相部、Ｎ　Ｏ
ＰＴ・・・最適回転速度信号、Ｙ　ａｐｔ・・・最適ガ
イドベーン開度信号、３０・・・最適回転速度関数発生
器、３１・・・加算部、３２・・・ガイドベーン開度補
正信号回路、３３・・・最適ガイドベーン開度関数発生
器、３４・・・加算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、外部より与えられる駆動出力指令信号と実際の駆動
   出力を比較して、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１の制御装置と、少くとも駆動出力指
   令を直接又は間接的に入力して最適回転速度指令を与え
   る最適回転速度設定器と該最適回転速度指令と実際の回
   転速度との偏差を導出してこれをゼロならしめるように
   制御する第２の制御装置と、少くとも該駆動出力指令信
   号を直接又は間接に入力して最適ガイドベーン開度指令
   を与える最適ガイドベーン開度設定器と該最適ガイドベ
   ーン開度指令と実際のガイドベーン開度との偏差を導出
   してこれをゼロならしめるように制御する第３の制御装
   置を備え、ポンプ起動時案内弁を開き実揚水を開始する
   前に回転速度を予め高い値に設定しておき案内弁開放中
   に本来の運転条件より定まる最適回転速度へと低下し乍
   ら落ち着くように制御される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ポンプの可変速揚水シ
   ステム。