JPS63136999A - 可変速揚水発電システム - 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１発電々動機の回転子巻線を誘導機のすべりに
相当する交流で励磁する可変速揚水発電システムの運転
制御方式に係り、特に発電及び揚水運転時に同期速度附
近をすみやかに通過させるに、好適な方式に関するもの
である。

〔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でき
ないこと、および、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、直流励磁による同期機であった
揚水発電機を、回転子巻線を３相巻線とし、それを誘導
機のすべりに相当する交流で励磁し、同期速度以外の回
転数で運転する、いわゆる、可変速揚水発電システムを
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Ｎα５５３
「大容歇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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では１発電及び揚水のＡＦＣ！転時に、同
期速度附近を通過する恐れがあるにも、かかわらず、こ
の点をすみやかに通過させるための対策が何等とられて
いなかった。

本発明は、上記欠点を補い、揚水及び発電の各種運転状
態で、高効率で運転する可変速揚水発電システムにおい
て１発電及び揚水のＡＦＣ運転時にすみやかに同期速度
附近を通過する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〕 本発明は、任意の発電力をうる運転条件が、有効落差１
回転数及びガイドベーンの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１１１機出力
との差で定まること、という知見に基づき、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と共に、
回転数の目標値が同期速度附近にある場合には、あらか
じめ定めである制御量により目標回転数をずらし、この
値になるように制御することにより、すみやかに同期速
度附近を通過すると共に、安定に運転を継続することに
より、上記目的を達成しようとするものである。

〔作用〕

第２図は、可変速揚水発電システムの概念を示す図であ
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、ａ相巻線、６ａ〜６Ｃは
回転子のａ、ｂ、ｃ相巻線である。また。

定格周波数をｆ、すべりを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１回転子２により発生す
る回転磁界はすべ”Ｉ”Ｊ　（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。電圧発生部４は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。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。

ｆ　（１−ｓ）　＋ｆ　ｓ＝ｆ 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の励磁には、サイクロコ
ンバータの採用されることがある。この場合に、サイク
ロコンバータの容量は、すべり界附近の電流（サイクロ
コンバータ出力電流としてはぼぼ直流）と通過時間で定
まる。このうち、電流の大きさは、運転条件で定まるた
め、容量の低減には、通過時間を短縮する必要がある。

容量の低減を計る一方法として、すべりが一定範囲内で
は、運転時間を規定することが考えられる。この範囲を
禁止帯と呼ぶ、この範囲が狭く、かつ、サイクロコンバ
ータの容量を低減できる方式がシステム上からは望まし
い。

このため、揚水及び発電におけるＡＦＣ運転時にすべり
雰附近を短時間で通過できる方式を提供しようとするが
１本発明である。

〔実施例〕

第３図は、この可変速発電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２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、効率を考慮したガイドベーンの開度指
令値Ｈｖ及び速度指令値Ｎｏ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よりの開度指令値Ｈｖを時間遅れさせて調速
機の開度１２を定めるものである。１３は水車特性部で
あり、水車特性部１３は、静落差Ｈ１弁開度設定器１４
からの調速機の開度、及び速度発電機１１からの回転数
Ｎで定まる。この水車特性部１３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１１Ｇ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Ｐｏ及び速度指令値Ｎｏ、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６１７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。２３８〜２３ｃは、設定部１７で設定した励磁
量をａ、ｂ、ａ相に用いるために移相する移相部である
。２２ａ〜２２ｃは、移相部２３ｔ１〜２３ｃで移相し
た励磁量により、ｎｇｂｇＣ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、ガイドベーンの開度
、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り、位相角算出部
１１６の処理方式及び安定な制御方式は検討されている
が、また、確立されておらず、特にすべり界附近の通過
方式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図っ
たものである。

ｊ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１１Ｇを、指令値算出回路１５からの
目標回転数Ｎ。と速度発Ｔｌ！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１例えば、／　ｋｚ　（Ｎ　　Ｎｏ）
　ｄ　ｔ　＋に２（Ｎ−Ｎｏ）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からの出力と出力
指令値Ｐｏの差とを算出する比較部２６と、該比較部２
６で算出された出力を取り込み１例えば、−ｆ　ｋｌ（
Ｐ−Ｐａ）ｄ　ｔ＋　Ｋ＊　（Ｐ　−Ｐｏ）の計算をす
る位相角制御量算出部２７と、該位相角制御量計算部２
５．２７の出力を加算する加算部２８と、該加算部２８
からのＮ２より、目標回転数を制御する目標回転数制御
部２９より構成した点にある。

尚１位相角算出部１Ｇからの出力が設定部１７に供給さ
れる。

目標回転数制御部２９の詳細は、第６図に示す。

すなわち、ブロック２９ａにより、目標値が禁止帯内か
否かの判定を行い、禁止帯外では、目標値としては指令
値算出回路１５の出力をそのまま用いればよく、禁止帯
内では、目標回転数が禁止帯の上限（Ｎｚ）に近いか、
下限（Ｎ１）に近いかの判定をブロック２９ｂで行い、
下限（Ｎ１）に近い場合には、ブロック２９ｃで下限を
目標回転数とし、上限（Ｎ２）に近い場合には、ブロッ
ク２９ｄで、上限値を目標回転数とする。

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、開度指令が与えられ、実際の回転数Ｎと目標値Ｎ
ｏとの差及び実際の出力Ｐと目標値Ｐｏとの差により、
２次巻線の励Ｕ＆電圧の位相角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例について第４
図を参照しながら説明する。

第４図は、ＪＲ１電々動機の回転子巻線を３相巻線とし
、誘導機のすべりに相当する交流で励磁を行い、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Ｇｌ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
。同図に横軸に水車出力、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。Ｐｓ、Ｐｚは水車
出力をηｌ、η２は効率を、Ｎ１．Ｎｚは回転数を示す
６出力ＰＩでは回転数Ｎｌ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η１．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、可変発電システムは、操作端Ｔより１
発電機Ｇｌ要求されると発電力の指令（又は目標値）Ｐ
ｏが与えられると、発電機Ｇｌ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１発電機Ｇ１の
回転数Ｎｏ、水車のガイドベーンの開度Ｈｖが制御指令
Ｃにおいて求められ、これらの値（Ｎｏ、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１４．１６〜１８．２４〜３０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により与えられると、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ｆｆｉ＊の効率ηが最高となる
ように、回転数Ｎｏ及びガイドベーンの開度Ｈｖが求め
られ、これら（Ｎｏ　、Ｈｖ）が目標値となるように２
次交流励磁の位相角Δδが制御され、効率のよい運転が
行えることになる。

一方１発ｔｔｉ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−Ｔより与えられた指令Ｐｏに
より、ａ””ａ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
１７に与えられると、ａ−ｃ相電圧Ｖ　＊　ａ　ｙ　Ｖ
　ｔ　ｂ　、　Ｖ　ｘ　ｃは、で求められる。ここで、
Ｅ及びδ０はすべり及び可変速機の運転状態に定まる電
圧及び位相角、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。

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Ｅｘの位相角
（Δδ）を制御して１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、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。

したがって、本発明の実施例は、位相角算出部１１６を
第１図に示すように構成し、上記第（３）式を実現する
ものである。

すなわち、位相角Δδは、 Δδ＝　　ｆ　ｋｘ　（Ｐ−Ｐｏ）　ｄ　ｔ　＋に１　
（Ｐ　　ＰＯ）＋ｆ　ｋｚ　（Ｎ　　Ｎｏ）　ｄ　ｔ　
＋Ｋｚ　（Ｎ　　Ｎｏ）　−（３）の如く算出される。

ここで、ＰＧは有効電力の目標値（電力制御指令値）Ｎ
ｏは回転数の目標値。

Ｐは有効電力の実際の値、Ｎは回転数の実際の値Ｋｌｙ
　ｋｓ＠　Ｋｘ及びに２は定数である。

さらに第１図を参照して上記第（３）式の算出過程を説
明する。

実回転数Ｎと目標値Ｎｏとの差（Ｎ−Ｎｏ）が比較部２
４で算出される。ここで算出された出力（Ｎ−ＮＯ）が
位相角制御量算出部２５に供給され、該算出部２５にお
いて、／　ｋ　ｚ（Ｎ　−Ｎｏ）　ｄ　ｔ＋　Ｋｘ　（
Ｎ　　Ｎｏ）が算出される。

一方、有効電力の実際値Ｐと目標値Ｐｏとの差（Ｐ−Ｐ
ｏ）が比較部２６で算出される。該比較部２６で算出さ
れた出力（Ｐ−Ｐａ）が位相角制御量算出部２７に供給
され、該算出部２７で−ｆ　ｋｚ　（Ｐ−Ｐｏ）　ｄ　
ｔ　＋Ｋｎ　（Ｐ−Ｐｏ）が算出される。

上記算出部２５．２７からの出力が加算部２８で加算さ
れ（Ｋｚ（Ｐ−Ｐａ）　　／ｋｔ（Ｐ−Ｐｏ）ｄｔ十／
　ｋｇ　（Ｎ　　Ｎｏ）　ｄ　ｔ　＋Ｋｚ　（Ｎ　　Ｎ
ｏ）　）となる。このように算出された値は設定部１７
に与えられ、設定部１７で第（２）式の計算がなされる
ことになる。

〔発明の効果〕

本発明によれば１発電及び揚水のＡＦＣ運転時に目標回
転数がすべり零附近の場合には、目標回転数の変更を行
うため、短時間にすベリ零附近を通過できる。このため
、本システムの励磁装置であるサイクロコンバータの容
量を大幅に低減することができ、経済上の効果は極めて
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９！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、本発明の一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構成図、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線図、第６図は目標回転数
制御部の詳細図である。 １・・・固定子、２・・・回転子、３・・・すベリ検出
部、４・・・電圧発生部、７・・・回転数８Ｉす走部、
１０・・・系統、１１・・・速度発電機、１３・・・水
車特性部、１５・・・指令値算出回路、１８・・・電圧
調整部、１９・・・電流変成器、２０・・・電圧変成器
、２４．２６・・・比較部、２５．２７・・・位相角制
御量算出部、２８・・・加算部。 １１６・・・位相角算出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、電力系統に接続され、発電々動機の回転子巻線を誘
   導機のすべりに相当する交流で励磁を行い、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
   り与えられる電力制御指令値をもとに、目標回転数及び
   ガイドベーン開度を設定する機能を備え、当該運転状態
   における発電機出力及び電力制御値より求めた値にあら
   かじめ定めた定数を乗じて、回転子励磁電圧の位相角を
   求めて制御を行い、かつ、回転子の目標回転数があらか
   じめ定めた一定範囲内では、あらかじめ定めた値を目標
   回転数とすることを特徴とした可変速揚水発電システム
   の指令値算出方式。