JPS63178797A - 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２
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　／　Ｊ　Ｈ
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４図のように示される。

すなわち、第４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
、運用される出力幅か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が検討され始めてきて
いる（例えば“特開昭５７−１１３９７１号”）。

第５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５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ＰＯ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、上記出力要求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
Ｏと静落差Ｈ８Ｔ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ＡＩ？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Ｎｌ、
ガイドベーン開度Ａｌ、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Ｈ８Ｔが一定の時には、関数発生部７の
入出力特性は大略ＮＲ＝ＫＩＰａ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Ｐａ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Ａ２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。

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
加が速く、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
までの遅れのため、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６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ができない
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、出力要求と静落差とに基づいて、速度基準およびガ
イドベーン開度基準を出力する関数発生部と、この関数
発生部からのガイドベーン開度基準と上記出力要求とに
基づいて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、」二部関数発生部からの速度基準に基
づいて速度指令を出力する出力応答補償部と、この出力
応答補償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） 」二連の可変速水車発電システムの制御装置においては
、ガイドベーン開度制御による出力制御と、可変周波数
電源からの励磁電力制御による速度制御とが同時に行な
われ、出力要求に応じて水車の効率の高い速度で発電機
出力を得る制御が実現される。さらに、ガイドベーン開
度制御で追従しきれない速い変化をする出力要求に対し
ては、速度基準を一時的に変化させることにより発電機
出力を追従できるようにすることができる。

（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５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Ｐｏと静落差Ｈ８Ｔとに基づいて、速
度基準ＮＲ＋およびガイドベーン開度基準ＡＲ＋を出力
する関数発生部９と、この関数発生部９からのガイドベ
ーン開度基準ＡＲ＋と上記出力要求ＰＯとに基づいてガ
イドベーン開度指令ＡＲ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、上記関数発生部９からの速度基
準ＮＲ＋に基づいて速度指令ＮＲを出力する出力応答補
償部８と、この出力応答補償部８からの速度指令ＮＲに
応じた速度Ｎ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ＰＤとの偏差を検出
する加減器５１と、比例積分制御器５２と、この比例積
分制御器５２からの出力と。

上記関数発生部９からのガイドベーン開度基準ＡＲ１と
を加算する加減機５３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。さらに、関数発生部
９は出力要求ＰＯに対し、静落差か与えられた場合の効
率が最大になる速度とガイドベーン開度とを水車特性か
ら求めるものである。さらにまた、出力応答補償部８は
出力の応答が良くなるように、出力要求ＰＯが変化した
時に一時的に速度指令ＮＲを速度基準ＮＲ１からずらせ
るもので、その特性の決め方については後述する。

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、第２図を用いて述べる。なお第
２図は、第１図における制御系全体の動作特性をブロッ
ク的に示したものである。

いま第２図において、ｃｐ　　（Ｓ）は出力制御部５の
比例積分制御器５２の特性であり、比例ゲインをＫｐ、
積分時定数をＴｐとすると、となる。また、ＧＴ（Ｓ）
はガイドベーン開度指令ＡＲに対する水車出力ＰＭの応
答を示すもので、ガイドベーン制御装置４の遅れ時定数
をＴｖ、水路時定数をＴｗとすると、通常Ｔｖ＜＜Ｔｗ
であるので、 となる。さらに、Ｋ１は関数発生部９のガイドベーン開
度対速度特性を運転点近傍で線形近似した値である。Ｔ
は水車１．誘導発電機２の慣性時定数、ＫＮは速度制御
部６の比例制御器６２の比例ゲインを示し、ＫＮ）１で
ある。

一方、Ｇｃ　　（Ｓ）は出力応答補償部８の特性を示す
ものであるが、その特性は次のように決められる。すな
わち、いま出力要求ＰＯに対する出力Ｐの望ましい応答
をＰ＝Ｇｘ　　（Ｓ）Ｐａとし、Ｇｃ　　（Ｓ）のうち
応答改善項をＧｃ’（Ｓ）としてまずＧｃ’（Ｓ）を求
めると、 であり、ＫＮ）１であることから、 １　＋Ｇｐ（Ｓ）　　・ＧＴ（Ｓ） となる。従って、 ＝　１２− 望ましい応答として出力Ｐが出力要求ＰＯに追従するも
のとし、Ｇｘ　　（Ｓ）−１とすると、Ｋ１−Ｔ會Ｓ Ｔｙ となる。ところで、水車１の高効率運転を行なうために
はＧｃ　　（Ｓ）は１であることが望ましい訳であるの
で、ガイドベーン開度制御による出力制御系が追従でき
る出力要求ＰＯの遅い変化に対してはＧｅ（Ｓ）−１と
し、ガイドベーン開度制御による出力制御系が追従でき
ない出力要求ＰＯの速い変化に対してはＧｃ　　（Ｓ）
’＝Ｇａ’　（Ｓ）となるように、次式のようにＧｃ　
　（Ｓ）を決める。但し、Ｔｐは出力制御系の積分時定
数であり、出力制御系の応答の目安として用いることが
できる。

ｌ＋ＴＰ−８ 通常Ｔ　ｐ　＞　Ｔ　ｗ　／　２であることから、次式
とするようにしてもよい。

以上より、通常の出力制御はＧｃ（Ｓ）＝１となり、Ｇ
Ｔ（Ｓ）’：１として −１４＝ （１）、（２）式より、通常は出力速度が出力要求ＰＯ
に追従して制御されることがわかる。

一方、出力制御系が追従できない速い変化に対しては、 ＝　１５− として、 ・・・（４） ＝　１６　＝ （３）、（４）式より、速い速度変化に対しては速度Ｎ
は効率上の目標速度Ｋｌ　ｐｏからずれるものの、出力
Ｐが出力要求Ｐｏに追従して制御されることがわかる。

本実施例による制御装置の応答例を示すと第３図のよう
になる。第３図から、同じ出力要求ＰＯ変化に対し、前
述した第６図と比べて速度Ｎの安定度が向上し、しかも
出力Ｐの初期の応答も良くなることがわかる。

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、ガイドベーン開度制御による
出力制御と、可変周波数電源からの励磁電力制御による
速度制御とが同時に行なわれ、出力要求に応じて水車の
効率の高い速度で発電機出力を得る制御が実現され、さ
らにガイドベーン開度制御で追従しきれない速い変化を
する出力要求に対しては、速度基準を一時的に変化させ
ることにより発電機出力を追従することができる。

これにより、従来の定速水車発電システムの出力応答に
見られた水路系の影響による出力変化初期の逆応答、す
なわち出力を増（または減）しようとすると一時的に出
力が減（または増）する現象が無くなる。しかも、出力
要求に応じて効率の高い運転点、すなわちその時の静落
差でその出力を発電するのに最も効率の高くなる速度と
ガイドベーン開度に速やかに到達して、極めて効率の良
い発電運転を行なうことが可能となるという効果が得ら
れるものである。

尚、本発明は上述した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。

上記実施例では、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。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、出力要求と静落差
とに基づいて、速度基準およびガイドベーン開度基準を
出力する関数発生部と、この関数発生部からのガイドベ
ーン開度基準と上記出力要求とに基づいてガイドベーン
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
関数発生部からの速度基準に基づいて速度指令を出力す
る出力応答補償部と、この出力応答補償部からの速度指
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３図は
同実施例における応答特性を示す図、第４図は水車の特
性を示す図、第５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６図は第５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、５
２・・・比例積分制御器、５３・・・加減器、６・・・
速度制御部、６１・・加減器、６２・・・比例制御器、
７・・・関数発生部、８・・・出力応答補償部、９・・
・関数発生部、ＰＯ・・・出力要求、Ｐ・・・出力、Ａ
Ｒ・・・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、ＡＲ＋・・・ガイドベーン
開度基準、ＮＲ＋・・・速度指令。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第４図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、出力要求と静落差とに基づいて、速度
   基準およびガイドベーン開度基準を出力する関数発生部
   と、この関数発生部からのガイドベーン開度基準と前記
   出力要求とに基づいて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、前記関数発生部からの速
   度基準に基づいて速度指令を出力する出力応答補償部と
   、この出力応答補償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。