JPS63178798A

JPS63178798A - 可変速水車発電システムの制御装置

Info

Publication number: JPS63178798A
Application number: JP62009291A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyuki Abe; 阿部　充幸; Tadahiro Yanagisawa; 柳沢　忠洋; Takahisa Kageyama; 隆久影山
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 1987-01-19
Filing date: 1987-01-19
Publication date: 1988-07-22
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPH0683594B2

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１
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／ＪＨ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５図
のように示される。

すなわち、第５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、落差変動の太きい発電所とか
、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が検討され始めてきて
いる（例えば“特開昭５７−１１３９７１号“）。

第６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６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、」１記出力要求ＰＯと静落差Ｈ３Ｔ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が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Ａｌ、励磁電力Ｅ１である第１の運転
点から、静落差ＨＳＴ。

出力Ｐｌ＋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＝ＫＩＰＤ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ＰＯ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Ａ８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、Ｔｖ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７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
イドベーン開度指令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出力応答補償関
数を乗じて出力する出力応答補償部と、」二部関数発生
部からの速度基準または上記出力応答補償部からの出力
と。

上記出力要求とに基づいて速度指令を出力する出力制御
部と、この出力制御部からの速度指令に応じた速度とな
るように」−配回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、
制御性の良い可変周波数電源からの励磁電力制御によっ
て速度制御および出力制御を行ない、ガイドベーン開度
制御は出力要求に対応する一定開度制御として応答性を
高めた制御を実現することにより、効率の高い点で運転
が行なわれしかも出力要求に対する出力の追従性も良く
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６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Ｐａ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指令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＋と、上記出力要求ＰＯと
に基づいて速度指令ＮＲを出力する出力制御部５と、こ
の出力制御部５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ＰＯ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からの出力を。

上記関数発生部９よりの速度基準ＮＲ＋から減算する加
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、静落差が
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。

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、Ｇｐ　　（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、出力要求ＰＯ変化に対する出力Ｐ、速度Ｎは、第
２図から明らかなように次式にて表わされる。

ＫＮ）＞　１．Ｔｐ　＞Ｔと設定するので、・・・（１
）同様にＴｐ））Ｔ、ＴｙとＴｐを設定するので、（１）、（２
）式より、出力Ｐ、速度Ｎは時定数ＫｐＴで目標値Ｐａ
　Ｋ＋　Ｐａに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、制御性の良い可変周波数電源
３からの励磁電力制御によって速度制御および出力制御
を行ない、ガイドベーン開度制御は出力要求ＰＯに対応
する一定開度制御として応答性を高めた制御を実現する
ことができる。

これにより、可変速水車発電システムに対し、出力要求
ＰＯ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。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

第４図は、本発明によるその他の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４図は
、前述した第１図における関数発生部９からの速度基準
ＮＲ１を入力とし、これに出力応答補償関数を乗じて出
力する出力応答補償部８を付加し、この出力応答補償部
８からの出力と、前記出力要求ＰＯとに基づいて出力制
御部５から速度指令ＮＲを出力するように構成したもの
である。ここで、出力応答補償部８の出力応答補償関数
の特性Ｇｃ　　（Ｓ）はであり、出力要求ＰＯの速い変
化に対する出力Ｐの追従性を改善するためのものである
。

かかる実施例において、前述した第２図のに１の代りに
に＋　Ｇｃ　　（Ｓ）と置くことにより、その特性がわ
かる。従って、特性は前述の（１）。

（２）式の代りに１次の（１）、（２）式にて表わされ
る。但し、出力要求ＰＯの速い変化に対してはと近似することができる。

′″　ＰＯ、・、（３）以上の（３）、（４）式より、出力要求Ｐｏの速い変化
に対しては速度Ｎは僅かに（最大で３Ｔｗ　ｐｏ　／２
Ｔ）ｐｏと逆方向に変化するが、出力Ｐは出力要求Ｐｏ
に略追従することがわかる。

なお、出力要求ＰＯの遅い変化に対してはＧｃ（Ｓ）　
！＝ｉｌとなるので、勿論前述した第１図の特性と同一
の特性となる。以上から明らかなように、発電運転の効
率を一時的に犠牲にしても、電力系統の需給バランス上
出力要求ＰＯに追従することを要求されるような場合に
は、第４図の実施例が望ましい応答を示すことになる。

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
。

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指令を
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出力応答補償関数を乗じて出、力す
る出力応答補償部と、上記関数発生部からの速度基準ま
たは上記出力応答補償部からの出力と、上記出力要求と
に基づいて速度指令を出力する出力制御部と、この出力
制御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か可能な極めて信
頼性の高−１８＝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５図は水車の特性を示す図、第
６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７図は第６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、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
、ＡＲ・・・ガイドベーン開度指令、Ａ・・・ガイドベ
ーン開度、Ｈ３Ｔ甲静落差、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、ＮＲ
１・・・速度基準。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦１６開１８Ｇ３−１７８７９８　（７）第５図第６図　　　　　　。矛［（７メ）＼）Ｍ □１

Claims

【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指令を出力する関数
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
準と前記出力要求とに基づいて速度指令を出力する出力
制御部と、この出力制御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）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指令を出力する関数
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
準に出力応答補償関数を乗じて出力する出力応答補償部
と、この出力応答補償部からの出力と前記出力要求とに
基づいて速度指令を出力する出力制御部と、この出力制
御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。