JPS63178795A - 可変速水車発電システムの制御装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はガイドベーンを備えた水車またはポンプ水車と
、この水車またはポンプ水車に直結された発電機または
発電電動機と、この発電機または発電電動機に励磁電力
を印加する可変周波数電源とから構成される可変速水車
発電システムの速度と出力を、ガイドベーンの開度と９
発電機または発電電動機の励磁電力とにより制御する制
御装置の改良に関するものである。

（従来の技術） 水車の効率ηは、単位速度ｎ（但し、単位速度は速度Ｎ
を落差で規準化された速度で、ｎ　＝　Ｎ　／　、、ｆ
′Ｔである）と、ガイドベーン開度ａとにより変化し、
一般的に第７図のように示される。

すなわち、第７図から明らかなように従来の水車ではＮ
が一定で運転されるので、落差変動の大きい発電所とか
、運用される出力幅が大きくガードベーン開度変化幅が
大きい発電所においては、効率の悪い運転を行なうこと
が余儀無くされている。

このことから、落差、出力によらず高効率運転を行なう
ために、落差、出力に応じて水車の速度を変化させるよ
うにした可変速水車発電システムか検討され始めてきて
いる（例えば“特開昭５７−１１３９７１号″）。

第８図は、この種の可変速水車発電システムの一例を示
したものである。第８図において、ガイドベーンＩＡを
備えた水車１に直結された誘導発電機２の二次巻線に、
可変周波数電源３の出力を励磁電力として印加すること
により、誘導発電機２の一次巻線に系統と同期した電力
を発生させる構成としている。−力制御装置は、出力要
求Ｐ。

から可変周波数電源３の出力指令ＥＲを発生する出力制
御部５と、」１記出力要求Ｐｏと静落差Ｈ８Ｔとから、
最大効率となる速度指令ＮＲを出力する関数発生部７と
、この関数発生部７からの速度指令ＮＲに基づいてガイ
ドベーン開度指令ＡＲを出力する速度制御部６と、この
速度制御部６からのガイドベーン開度指令ＡＲに応じた
開度となるようにガイドベーン開度Ａを制御するガイド
ベーン制御装置４とから構成されている。

以上の構成によると、ガイドベーン開度Ａは出力要求Ｐ
。と静落差Ｈ３Ｔとにより決まる速度指令ＮＲを実現す
るガイドベーン開度指令ＡＲに制御され、また誘導発電
機２の励磁電力Ｅは出力要求Ｐｏを実現する可変周波数
電源３の出力指令ＥＲに制御され、効率の良い運転を行
なうことが可能となる。

しかしながら、上述したような可変速水車発電システム
の制御装置においては過渡特性が悪いという不都合があ
る。−例として、静落差ＨＳＴ、出力Ｐ１．速度Ｎ１．
ガイドベーン開度Ａ１＋励磁電力Ｅ１である第１の運転
点から、静落差ＨＳＴ。

出力Ｐ１＋ΔＰ、速度Ｎ１＋ΔＮ、ガイドベーン開度Ａ
１＋ΔＡ、励磁電力Ｅ１＋ΔＥである第２の運転点へ変
化させる場合の過渡特性について説明する。なお説明を
簡単にするため静落差は変化しないものとしている。

すなわち静落差Ｈ９Ｔが一定の時には、関数発生部７の
入出力特性は大略ＮＲ−ＫＩＰｏである。

ここで、Ｋ１は静落差により決まる正の定数である。従
って、第１の運転点から第２の運転点へ変化させるため
に出力要求Ｐ。をＰｌからΔＰ増やすと、速度指令ＮＲ
もＮ１からΔＮ増え、出力指令ＥＲもＥｌからΔＥ増え
る。この結果、ガイドベーン開度Ａ１発電機励磁電力Ｅ
ともに増え始める。また、ガイドベーン開度Ａの変化ｄ
Ａと、水車出力ＰＭの変化ｄＰＭとの関係は、周知の如
く次式のような伝達関数で表わされる。

ｄＰＭ　　　　１−Ｔｗ−８ 但し、Ｔｗは水路断面積、水路長で決まる水路定数で、
通常０．６〜２．０秒程度である。一方、発電機励磁電
力Ｅの変化から発電機出力Ｐの遅れは数ミリ秒程度であ
るので、水車出力ＰＭの増加に比べて出力要求Ｐ１の増
加か速く、速度Ｎは逆に下がってしまう。また、ガイド
ベーン開度Ａの変化ｄＡから水車出力ＰＭの変化ｄＰＭ
まての遅れのため、速度制御部６の特性は安定性が悪く
応答性も悪いものとなる。このため、第９図に示すよう
に速度Ｎの整定か遅く、第２の運転点への到達には時間
がかかることになる。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように、従来の可変速水車発電システムの制御装
置においては、可変速水車発電システムの速度と出力を
、出力要求に追従して制御する場合の安定性、応答性が
悪く、システムの運転を効率良く行なうことかできない
という問題があった。

そこで本発明では、可変速水車発電システムの速度と出
力を出力要求に追従して安定にかつ迅速に制御し、常に
効率の良い運転を行なうことが可能な信頼性の高い可変
速水車発電システムの制御装置を提供することを目的と
するものである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明では、ガイドベーン
を備えた水車またはポンプ水車と、この水車またはポン
プ水車に直結された発電機または発電電動機と、この発
電機または発電電動機に励磁電力を印加する可変周波数
電源とから構成される可変速水車発電システムの速度と
出力を、上記ガイドベーンの開度と、上記発電機または
発電電動機の励磁電力とにより制御する制御装置におい
て、出力要求に応じたガイドベーン開度指令を出力する
出力制御部と、この出力制御部からのガイドベーン開度
指令に応じた開度となるようにガイドベーン開度を制御
するガイドベーン制御装置と、上記出力要求、または出
力制御部からのガイドベーン開度指令、またはガイドベ
ーン開度のうちのいずれかと、静落差とに基づいて速度
指令を出力する関数発生部と、この関数発生部からの速
度指令に応じた速度となるように上記可変周波数電源へ
出力指令を出力する速度制御部とを備えて構成するよう
にしたことを特徴とする。

（作用） 上述の可変速水車発電システムの制御装置においては、
出力制御がガイドベーン開度制御によって行なわれ、ま
た速度制御は可変周波数電源がらの励磁電力制御によっ
て行なわれる。ずなゎちガイドベーン開度制御によって
水車出力を制御することは、水路系の影響を受けるため
高速な制御が難しいことから、制御対象として比較的簡
単な制御対象である出力を制御し、制御が難しくまた制
御範囲に制限のある速度制御を制御遅れの小さい可変周
波数電源を介した励磁電力制御によって行なうことによ
り、安定でしかも高速な制御が実現されることになる。

（実施例） 以下、本発明を図面に示す一実施例を参照して説明する
。

第１図は、本発明による制御装置を適用した可変速水車
発電システムの構成例を示すもので、第８図と同一要素
名には同一符号を付して示している。第１図において、
ガイドベーンＩＡを備えた水車１と、この水車１に直結
された誘導発電機２と、この誘導発電機２の二次巻線に
励磁電力を印加する可変周波数電源３とから構成される
可変速水車発電システムに対して、その速度と出力を制
御するための制御装置は次のものから構成している。す
なわち、出力要求Ｐ。に応じたガイドベーン開度指令Ａ
Ｒを出力する出力制御部５と、この出力制御部５からの
ガイドベーン開度指令ＡＲに応じた開度となるようにガ
イドベーン開度Ａを制御するガイドベーン制御装置４と
、」１記出力要求Ｐｏと静落差Ｈ８Ｔとに基づいて最適
速度を求め速度指令ＮＲを出力する関数発生部７と、こ
の関数発生部７からの速度指令ＮＲに応じた速度となる
ように、上記可変周波数電源３へ出力指令ＥＲを出力す
る速度制御部６とを備えて構成するようにしている。

ここで、出力制御部５は図示しない出力検出器により検
出された発電機出力Ｐと、出力要求Ｐ。

との偏差を検出する加減器５１と、比例積分制御器５２
とから構成し、また速度制御部６は図示しない速度検出
器により検出された速度Ｎと、上述の速度指令ＮＲとの
偏差ΔＮを検出する加減器６１と、比例制御器６２とか
ら構成している。

次に、かかる如く構成した可変速水車発電システムの制
御装置の作用について述べる。

いま、出力制御部５の比例積分制御器５２の伝達関数を
Ｋｐ　＋　１　／Ｔｐ　Ｓ、ガイドベーン制御装置４の
伝達関数を１／１＋ＴｖＳとすると、出力要求ＰＯ＋　
出力Ｐから水車出力ＰＭまでの伝達関数Ｇｐ　　（Ｓ）
は（１）式にて表わされる。但し、Ｔｖ（Ｔｗである。

１＋−Ｔｗ　　φ　Ｓ Ｔｐ　ｅ　Ｓ　（１＋−Ｔｖ　−８） ・・・（１） 関数発生部７の入出力特性を運転点近傍で線形近似して
、関数発生部７の伝達関数をに２とする。

比例制御器６２の比例ゲインをＫＮ、可変周波数電源３
の伝達関数を１／１＋ＴｅＳ、誘導発電機２の励磁電力
から出力までの伝達関数を１／１＋ＴＧＳとすると、Ｎ
Ｒ，Ｎから出力Ｐまでの伝達関数ＧＮ　　（Ｓ）は（２
）式にて表わされる。但し、ＴＧ、Ｔｃ　（Ｔｖである
。

・・・（２） 水車１と誘導発電機２の慣性時定数をＴとすると、以」
二より全体の制御系は第２図（ａ）のように表わされる
。第２図（ａ）より、速度制御系と出力制御系が干渉す
る要因であり、かつＴという大きい時定数を持つループ
ΔＮ−Ｐ−４ＰＭＥ−Ｎが存在することがわかる。そし
て、このループの一巡伝達関数はＫＮ／Ｔｓであるので
、ＫＮを大きくすることにより時定数の小さい積分とす
ることができる。従って、出力制御Ｇｐ　　（Ｓ）に比
べて十分速い応答をするループとなり、速度Ｎ、出力Ｐ
はＰ。の変化に対して（３）、（４）式のように夫々表
わされる。

Ｐ　＝　ＰＭ−ＰＭＥ−ＰＨ−Ｔ　Ｓ　　−Ｎ・・・（
４） 上述の（３）式より、Ｎは時定数Ｔ／ＫＮの小さな遅れ
でＰｏに追従することが明らかであり、また（４）式よ
りＰは従来の定速水車発電システムの応答（第１項）に
、速度Ｎを加減速する電力（第２項）が追加されること
がわかる。これにより、先に示した第１の運転点から第
２の運転点への変化は第２図（ｂ）のようになり、前述
した第一　　１３　− ９図と比べて応答性が著しく改善されていることがわか
る。なお、以上では静落差が一定として説明したが、静
落差の変化は出力要求変化に比べて著しく緩やかである
ので、静落差が変化しても全く同様である。

上述したように、本実施例構成の可変速水車発電システ
ムの制御装置においては、出力制御がガイドベーン開度
制御によって行なわれ、また速度制御が可変周波数電源
３からの励磁電力制御によって行なわれ、出力要求Ｐ。

に追従して速度Ｎと出力Ｐが速やかに変化するので、常
に効率の良いシステム運転を行なうことが可能となると
いう効果が得られることは明らかである。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第３図は、本発明による他の実施例による制御装置を適
用した可変速水車発電システムの構成例を示すもので、
第１図と同一部分には同一符号を付してその説明を省略
し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。すなわち
第３図においては、関数発生部９がガイドベーン開度指
令ＡＲと静画差Ｈ８Ｔとから最適速度を求め、かつ速度
変化を水車出力の応答に近付けるためＫＩＴ程度の遅れ
を通して速度指令ＮＲを出力するようにしている点が第
１図と異なるものである。

第３図の実施例においては、ガイドベーン開度指令ＡＲ
より速度指令ＮＲが遅れて変化するので、速度指令ＮＲ
は出力制御系の応答の影響を受ける。

また、速度Ｎが出力要求Ｐｏに追従するのが遅れる反面
、出力Ｐの追従性か改善される。従って本実施例では、
出力要求Ｐ。に対する速度Ｎと出力Ｐの追従性が接近す
るので、変化過程での効率低下も防止することができ、
また出力Ｐの追従性が向上するという効果が得られるも
のである。第４図は、本実施例による場合の応答例を示
すものであり、第４図から前述の第２図（ｂ）に比べて
速度Ｎと出力Ｐの追従性が接近し、また出力Ｐの応答性
が改善されていることがわかる。

次に、第５図は本発明によるその他の実施例による制御
装置を適用した可変速水車発電システムの構成例を示す
もので、第３図と同一部分には同一　１５　＝ 一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分
についてのみ述べる。すなわち第５図においては、第３
図に加減器８１と積分器８２とを付加して、他の出力要
求（高速応答出力要求）Ｐｌから作成した補正信号と、
前述の関数発生部９からの出力との和を速度指令ＮＲと
するようにしたものである。ここで、出力要求Ｐ１は電
力系統の需給バランスを保つための高速応答出力要求信
号であり、例えば高速ＡＦＣ信号あるいは周波数偏差を
用いる。

第５図の実施例において、出力要求Ｐ１に対する出力Ｐ
の伝達関数は（５）式にて表わされる。

但し、Ｔ２は積分器８２の時定数である。

・・・（５） 出力要求Ｐ。を一定に保ち、高速応答出力要求Ｐ１を正
弦波状に変化させた時の速度Ｎ、出力Ｐ。

水車出力ＰＭの応答例を第６図に示す。すなわち＝　１
６一 本実施例は、一般に高速ＡＦＣ信号あるいは周波数偏差
は累積値零で短周期の信号であることから、速度Ｎを一
時的に変化させても出力Ｐが高速ＡＦＣ信号あるいは周
波数偏差に高速に追従することは電力系統の需給バラン
ス上好都合であり、可変速水車発電システムの特徴を十
分に活かした制御方式であると言える。

尚、本発明は上述した各実施例に限定されるものではな
く、次のようにしても実施することができるものである
。

（ａ）上記第３図および第５図の各実施例では、関数発
生部７として、出力制御部５からのガイドベーン開度指
令ＡＲと静落差Ｈ８Ｔとに基づいて速度指令ＮＲを出力
する場合を述べたが、これに限らず関数発生部７として
、ガイドベーン開度Ａと静落差Ｈ３Ｔとに基づいて速度
指令ＮＲを出力するようにしても、前述と同様の作用効
果が得られるものである。

（ｂ）上記各実施例では、水車およびこれに直結された
誘導発電機で構成される可変速水車発電システムに本発
明を適用した場合を述べたが、これに限らずポンプ水車
およびこれに直結された発電電動機で構成される可変速
水車発電システムについても、同様に本発明を適用する
ことができるものである。

その他、本発明はその要旨を変更しない範囲で、種々に
変形して実施することができるものである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、出力要求に応じた
ガイドベーン開度指令を出力する出力制御部と、この出
力制御部からのガイドベーン開度指令に応じた開度とな
るようにガイドベーン開度を制御するガイドベーン制御
装置と、」１記出力要求、または出力制御部からのガイ
ドベーン開度指令、またはガイドベーン開度のうちのい
ずれかと、静落差とに基づいて速度指令を出力する関数
発生部と、この関数発生部からの速度指令に応じた速度
となるように」１記可変周波数電源へ出力指令を出力す
る速度制御部とを備えて構成するようにしたので、可変
速水車発電システムの速度と出力を出力要求に追従して
安定にかつ迅速に制御し。

常に効率の良い運転を行なうことが可能な極めて信頼性
の高い可変速水車発電システムの制御装置が提供できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による制御装置を適用した可変速水車発
電システムの一実施例を示す構成図、第２図（ａ）は同
実施例における制御系全体の特性を示すブロック図、第
２図（ｂ）は同実施例における応答特性を示す図、第３
図は本発明による制御装置を適用した可変速水車発電シ
ステムの他の実施例を示す構成図、第４図は同実施例に
おける応答特性を示す図、第５図は本発明による制御装
置を適用した可変速水車発電システムの他の実施例を示
す構成図、第６図は同実施例における応答特性を示す図
、第７図は水車の特性を示す図、第８図は従来の可変速
水車発電システムの一例を示す構成図、第９図は第８図
における応答特性を示す図である。 １・・・水車、ＩＡ・・・ガイドベーン、２・・・誘導
発電機、３・・・可変周波数電源、４・・・ガイドベー
ン制御装置、５・・・出力制御部、５１・・・加減器、
５２・・・比例積分制御器、６・・・速度制御部、６１
・・加減器、６２・・・比例制御器、７・・・関数発生
部、８１・・・加減器、８２・・・積分器、９・・・関
数発生部、Ｐｏ、、・出力要求、Ｐ・・・出力、Ｐｌ・
・・高速応答出力要求、ＡＲ・・・ガイドベーン開度指
令、Ａ・・・ガイドベーン開度、Ｈ８Ｔ・・・静落差、
ＮＲ・・速度指令、Ｎ・速度、ＥＲ・・・可変周波数電
源出力指令、Ｅ・・・誘導発電機２の励磁電力、ＰＭ・
・・水車出力、ＰＭＥ・・・水車加減速電力、ΔＮ・・
・速度偏差。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガイドベーンを備えた水車またはポンプ水車と、
   この水車またはポンプ水車に直結された発電機または発
   電電動機と、この発電機または発電電動機に励磁電力を
   印加する可変周波数電源とから構成される可変速水車発
   電システムの速度と出力を、前記ガイドベーンの開度と
   、前記発電機または発電電動機の励磁電力とにより制御
   する制御装置において、出力要求に応じたガイドベーン
   開度指令を出力する出力制御部と、この出力制御部から
   のガイドベーン開度指令に応じた開度となるようにガイ
   ドベーン開度を制御するガイドベーン制御装置と、前記
   出力要求、または出力制御部からのガイドベーン開度指
   令、またはガイドベーン開度のうちのいずれかと、静落
   差とに基づいて速度指令を出力する関数発生部と、この
   関数発生部からの速度指令に応じた速度となるように前
   記可変周波数電源へ出力指令を出力する速度制御部とを
   備えて構成するようにしたことを特徴とする可変速水車
   発電システムの制御装置。
2. （２）速度制御部としては、関数発生部からの出力に他
   の出力補正信号を加算した速度指令に応じた速度となる
   ように可変周波数電源へ出力指令を出力するものである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の可変
   速水車発電システムの制御装置。
3. （３）他の出力補正信号としては、高速ＡＦＣ信号を用
   いるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第（２
   ）項記載の可変速水車発電システムの制御装置。
4. （４）他の出力補正信号としては、周波数偏差を用いる
   ようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第（２）項
   記載の可変速水車発電システムの制御装置。