JPS63140698A - 可変速揚水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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、２次励磁付の誘導機（すなわち、巻線形誘導
機）を任意の回転数で運転する可変速発電システムの運
転制御装置に係り、特に可変速運転範囲を逸脱した場合
に誘導機の運転を速やかに可変速運転範囲に引き戻し、
安定に運転を継続するに好適な制御装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

揚水発電システムは、電力系統における負荷の変動を補
うため、昼間は発電を行い、夜間にあっては揚水運転に
切換えてエネルギの蓄積を行うものとしてよく知られて
いる。

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、揚水にかかわらず、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。このような可変速発電システムを採用することに
より。

発電力、揚程にかかわらず、システムを最高効率可 で運転することが可能となる。そこで、この新変速発電
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Ｎｃｉ５５３「
大容量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、具体時な制御方式については、何等ふれ
らでいなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、ＡＦＣ（自動周波数制御）運転等の
場合に、制御過程および事故時に、過渡的に、電力の制
御指令値と実出力の間に大きな差が生じ、これに起因し
て急激な減速あるいは加速が生じ、著しい場合には回転
数が所定の可変速運転範囲を逸脱してしまい、運転の継
続ができなくなる可能性がある。

本発明は、上記欠点を補い、揚水および発電の各種運転
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、ＡＦＣ運転時に安定に目標値に制御しうる運転制
御装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

より定まること、この運転条件のうち１本システムの効
率が回転数で写まるごと、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、
発電機出力を指令値にあわせるよう制御すると共に、回
転数が可変速運転範囲を逸脱した場合にその回転数を本
来の運転範囲に引き戻すよう制御し、安定な運転の継続
を可能とし、上記目的を達成しようとするものである。

に接続された巻線形層導電動機を任意の回転数で運転す
る可変揚水発電システムの運転制御装置において、 前記誘導機の回転数が当該誘導機の可変速運転範囲を逸
脱した場合に、前記回転数を前記可変速運転範囲内に強
制的に引き戻す修正手段を備えたことを特徴とするもの
である。

〔作用〕

以上の本発明の構成によれば、誘導機の回転数が当該誘
導機の可変速運転範囲を逸脱した場合に、修正手段によ
り当該誘導機の回転数を強制的に前記可変速運転範囲内
に引き戻すため、系統負荷の変動があったとしても速や
かに正常運転に復帰されせることができ、安定に運転の
継続が可能である。

〔実施例〕

九 次に、本発明に係る実施例を図面に基づいて設明する。

可　速　電システムの 第３図に可変速発電システムの概要を示す、使用する誘
導機は巻線形のものであり、−次、二次側とも３相巻線
からなる。この第３図において、１は誘導機（以下、可
変速機という、）の固定子。

２は回転子である。５ａ〜５ｃは固定子１のａ。

ｂ、Ｃ相巻線、６ａ〜６ｃは回転子２のａ、ｂ。

Ｃ相巻線である。また、定格周波数をｆ、すベリを３と
すると、回転子２の速度はｆ　（１−ｓ）であり、回転
子２の励磁巻線をすベリ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。電圧発生部４はすべり周波
数ｆに応じた電圧を発生させ、２次巻ｍ（すなわち、回
転子２の巻線）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、常に回転子巻線２に
は、系統周波数と同じ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２の回転
磁界は、 ！　（１−ｓ　）＋　ｆ　ｓ　＝　ｆ　　　　　　　　
　　　・−・・＜１＞となり、すベリｆ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、揚水および発
電におけるＡＦＣ運転時に任意の回転数で運転中、過渡
的に可変速帯を逸脱しても、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である。

なお、可変速運転を行う場合の可変速機の許容運転範囲
（すなわち可変速帯）は、可変速揚水発電システムの規
模、特性（例えば、周波数範囲。

電圧範囲等）、耐圧、熱、システムの経済性などによっ
て決まり、一義的には決定することはできないが、上記
の要因を考慮して同期速度の±１０％程度が一応の目安
である。

＋　　４．１　／　　、の　１の 次に１本発明の第１の実施例を第１図により説明する。

第１図は、可変速機を電力系ａ１０に接続、運転してい
る場合を示している。

揚程Ｈおよび電動機出力指令電力制御指令Ｐ。

が与えられると、電動機出力指令Ｐｏは遅延回路１５を
介して位相角算出部１６へ与えられる。一方、揚程Ｈお
よび回転数Ｎに基づいて予め与えらこの出力がサーボ系
１４に与えられ、時間遅れもってガイドベーン開度が決
まる。

１２は水車特性部を示している。水車特性はサーボ系１
４の遅れを持った調速機の弁開度Ｙ及び回転数Ｎで定ま
る。この水車特性により、可変速機の回転子２が回転す
る。１１は速度検出器を、１９は電流変成器を、２０は
電圧変成台をそれぞ瓢 れ示している。そして有効電力算出部２１において、電
流変成器１９及び電圧変成器２０の出力に基づいて、有
効電力Ｐが算出される。１６は可変速機の２次励磁巻線
の位相角算出部を示している。

この位相角算出部１６では有効電力算出部２１の出力お
よび遅延回路１５の時間遅れをもった電力制御指令Ｐｏ
により位相角が算出される。１７は２次回路の励磁量を
設定する設定落である。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、ｃ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
励磁でａ、ｂ、Ｑ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Ｐｏと有効電力算出部２１からの
実際の出力値との差により、２次巻線２２ａ〜２２ｃの
位相角を算出して制御を行う。一方、揚程Ｈおよび回転
数Ｎよりガイドベーン開度Ｙが最適開度となるように制
御される。

以上の構成において１回転数Ｎが可変速運転範囲を逸脱
した場合には予め定めである制御量により電力制御指令
値Ｐａを補正することにより、急速に可変速運転範囲内
にひきもどされ可変速運転範囲内の運転が可能なように
する。

具体的には、回転数Ｎを不動帯回路３０に与える。不動
帯回路３０は、回転数Ｎが可変速運転範囲内にある場合
には、出力としての値を出力し。

可変速運転範囲以下および以上の回転数となった場合に
は予め与えである制御指令を出力する、加算部３１では
、不動帯回路３ｏの制御出力と電力制御指令値Ｐｏを加
える。

第２図に加算部３１の出力の具体例を示す。回転数Ｎが
上、下限の間にある場合には、従来通り加 の処理を行ない、下限以下では甲算部３１の出力Ｐ′は
、 Ｐ’　＝ｋ（Ｐ−Ｐａ）−ΔＰ　　　　　　　−＝　・
（２）とし、上限以上では、加算部３１の出力部Ｐ′は
、Ｐ’＝ｋ（Ｐ　　Ｐｏ）＋ΔＰ　　　　　　　・−−
−−−（３）とする。ΔＰは不動帯回路３０の出力であ
る。

位相角算出部１６では、加算部３１の出力および有効電
力算出部２１からの実出力をもとに位相角制御量を算出
し、励磁量設定器１７に出力する。

以上のように、本発研セ第１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。

応１１ 次に、本発明による制御装置を用いた可変速発電システ
ムに電力系統への適用例について説明する。

第４図は、上述の可変速発電システムＧ１を送電線りを
介して系統１０に接続し、運転している例を示すもので
ある。送電線りには、電圧変成器ＰＴｉ、電流変成器Ｃ
Ｔ　ｓが設置されている。

一般に、揚水発電機にはフランシス水車が使用される。

水車出力と効率との関係は、第４図のように示される。

第５図は、横軸に水車出力Ｐ、縦軸に効率ηをとり、回
転数Ｎをパラメータとして示したものである＠　Ｐｔ　
ｐＰｚは水車出力を、η工。

η２は効率を、Ｙｚ　、Ｙｉは弁開度を示す、出力Ｐｌ
では回転数Ｎｌ　、弁開度Ｙ１で、出力Ｐ２では回転数
Ｎｚ、弁開度Ｙ２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η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点に他の特徴があ
る。

第４図において、可変速揚水発電システムＧｘは、操作
端Ｔより、可変速機に電力の指令ＰＧが与えられると、
可変速機の特性、揚程Ｈを考慮した上で、高効率の運転
ができるよう、速度検出器１１より求められる可変速機
の回転数Ｎ、揚程Ｈより、水車のガバナ弁Ｖの開度が制
御指令部Ｃにおいて求められ、これらの値に適合する運
転ができるよう制御する必要がある。このような状態で
、可変速機出力の変更指令が与えられると、予め与えら
れている手法により、揚程Ｈ１回転数Ｎより、可変速機
の効率ηが最高となるよう、ガバナの弁開度Ｙを求め、
これらの値となるように回転数Ｎを制御し、効率ηのよ
い運転を行うことになる。

第６図は、回転数Ｎおよび揚程Ｈより最高効率ηＩＩＩ
ＩＸとなるガイドベーン開度を求める最高開度関数発生
器の特性図であり、揚程Ｈをパラメータとして、回転数
Ｎから最適ガイドベーン開度Ｙを求めるものである。尚
、この第６図は揚程Ｈｒ＞揚程Ｈ２の場合を示している
。また、この第６図は、揚程Ｈ１で運転中に回転数がＮ
１がらＮｚに変化した場合には、弁開度はＹｌからＹｚ
に制御する必要のあることを示している。

可変速機の出力の制御は、交流励磁電流の位相を調整し
て行う。同時に交流励磁電流の振幅を調整して出力電圧
を制御する構成としている。

工Ｉ立叉１璽 第７図に本発明の他の実施例を示す。基本的な構成は第
１図に示す実施例と同様であるので、同一の要素には同
一の符号を附してその詳細な説明は省略し、以下に異な
る部分について説明する。

異なる部分は、第１図の実施例が回転数検出器１１から
の信号を不動帯回路３０を介して加算部３１に帰還し、
電力指令値Ｐｏに修正を加えているのに対し、第７図の
実施例は回転数信号を位相角算出部１６に帰還させ、位
相角演算の手順に修正を加えて、可変速帯を逸脱した場
合に急速に当該可変帯に引き戻すよう位相角信号Δδを
励磁量設定器１７に与えるようにした点において異なる
。

具体的には、可変速機の回転数が可変速帯の下限値以上
の場合、または上限値以下の場合においては、従来と同
様に電力制御指令値Ｐｏと有効電力算出部２１からの実
出力値との差に基づいて算出し、下限値以下では電力制
御指令値Ｐａの極性符号を反転して位相角Δδの算出に
用い、上限値以下では、実出力を位相角Δδの算出に用
いる。

第８図は、第７図における位相角Δδの制御の具体例を
示したものであり１回転数Ｎおよび回転数の上限ＮｕＬ
および下限ＮＬｔ、をもとに、位相角Δδの算出に用い
る。

第８図は、第７図における位相角Δδの制御の具体例を
示したものであり１回転数Ｎおよび回転数の上限Ｎｕｔ
、および下限ＮＬＬをもとに、位相角Δδの算出手順を
制御する。

すなわち１回転数Ｎが下限以下か否かの判定をブロック
１００で行い、以下では、回転数が急速に上昇するよう
に、指令値のみでブロック１０１により位相角Δδを算
出しブロック１００の判定結果がＮしム以上ではブロッ
ク１０２で上限Ｎｕｂとの判定を行う６回転数Ｎが上限
Ｎｕ＋、以上では１回転数が急速に低下するように、ブ
ロック１０４で実電力Ｐより位相角Δδを算出し、ブロ
ック１０２の判定結果が上限Ｎｕｔ、以下では、ブロッ
ク１０３で電力制御指令値ＰＯおよび実電力Ｐをもとに
、位相角Δδを算出すればよい。

（腹涯 上述した第１図および第７図の実施例では、いずれも可
変速機の回転数が可変速運転範囲の限界を越えた場合に
は、電力制御指令値Ｐｏまたは位相角Δδをステップ状
に変化させる場合について述べた。しかし、本発明はこ
れに限られるものではなく、第９図に示すように、限界
値をこえた場合には、回転数と出力との間に一定の関係
を持たせて制御することもできる。この場合には、第８
図のブロック１０１，１０４における位相角Δδの演算
式を下限、上限についてそれぞれΔ　δ　＝ｋ（Ｐｏ）
・ｋｚ’（Ｎ−ＮＬＬ）　　　　　　　　−”１４）Δ
　δ　＝ｋ（Ｐ）・ｋ　ｚ／（Ｎ　−Ｎ　ｔ、ｔ、）　
　　　　　　　　　・・・・・・（５）とすればよい、
なお、ｋ！は定数である。第１図は不動帯回路３０につ
いても、同様の観点より関数を定めればよい。

ここで、可変速運転範囲以上の回転数に対する制御をど
のようにすればよいかは、事故時等に必要となる制御時
の電力の変化幅および可変速機の慣性等をもとに定めれ
ばよい。

〔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
応じて可変速機の出力が調整可能になり、従来、全く不
可能であったＡＦＣ等の電力系統制御が適用可能になる
。その上、所定の可変速運転範囲内で安定に可変速運転
が継続できる。

更に、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
り対応できるため、経済的効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示すブロック図、第２
図は不動帯回路の動作を示すフローチャート、第３図は
可変速発電システムの原理を示すブロック図、第４図は
本発明の制御装置の実際の応用例を示すブロック図、第
５図は出力電力と効率との関係を示す特性図、第６図は
可変速機の回転数とガバナ弁開度との関係を示す特性図
、第７図は本発明の他の実施例を示すブロック図、第８
図は他の実施例における修正手段としての位相角算出部
の演算アルゴリズムを示すフローチャート、第９図は変
形例を示す説明図である。 １・・・固定子、２・・・回転子、１０・・・電力系統
、１１・・・回転数検出器、１６・・・位相角算出部、
１７・・・励磁量設定部、２１・・・有効電力算出部、
３ｏ・・・不動帯回路、３１・・・加算部、Ｐａ・・・
電力制御指令、Ｈ・・・揚程、Ｎ・・・回転数、Ｙ・・
・ガバナ弁開度、Δδ・・・位相角信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電力制御指令値および揚程に基づいてガバナの弁開
   度を設定し、電力系統に接続された巻線形誘導電動機を
   任意の回転数で運転する可変速揚水発電システムの運転
   制御装置において、前記誘導機の回転数が当該誘導機の
   可変速運転範囲を逸脱した場合に、前記回転数を前記可
   変速運転範囲内に強制的に引き戻す修正手段を備えたこ
   とを特徴とする可変速揚水発電システムの運転制御装置
   。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記修
   正手段は、前記誘導機の回転数に応じて予め定められた
   制御量を出力する制御信号発生器と、この制御信号を前
   記電力指令値に加算する加算器とを備えて構成されるこ
   とを特徴とする可変揚水発電システムの運転制御装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記修
   正手段は、前記誘導機の実際の出力電力と前記電力指令
   値との差に相当する前記誘導機への励磁電流の位相角を
   算出するとともに、前記誘導機の回転数に基づいて前記
   可変速運転範囲を逸脱した場合に前記算出した位相角を
   修正する位相角算出部により構成したことを特徴とする
   可変揚水発電システムの運転制御装置。