JPS63213499A - 可変速揚水発電システムの運転制御方式 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、２次励磁付の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方式に係り、特に発電
及び揚水の自動周波数制御（Ａ　Ｆ　Ｃ）運転時に安定
に目標値に制御するのに好適な可変速発電システムの運
転制御方式に関するものである。

〔発明の背景〕

従来の揚水発電システムは、揚水時に負荷の調整ができ
ないことと、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、揚程にかかわらず、上記システムを
最高効率で運転されるため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とと゛によ
り、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Ｎ　ｏ　５５３「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
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、発電及び揚水の各種運転状態において
高効率で運転できると共に、ＡＦＣ運転時に安定した目
標値に制御できる可変速発電システムの運転制御方式を
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、任意の発電力をうる運転条件が有効落差、回
転数及びガバナのペン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、発電機出力との
差で定まること、という知見に基づき１回転数を目標値
にあうように制御すると共に、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ことにより上記目的を
達成しようとするものである。

本発明の可変速発電システムの運転制御方式は、具体的
には、電力の目標値と実際の電力値との差、及び回転数
の目標値と実際の回転数との差により、前記位相角を操
作し、電力制御指令値より定まる発電力及び回転数で運
転を行おうとするものである。

〔発明の実施例〕

第２図は、可変速発電システムの概要を示す図であり、
−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、ｃ相巻線、６ａ〜６ｃは
回転子ａ、ｂ、ｃ相巻線である。また、定格周波数をｆ
、すベリをＳとすると、回転子２の速度はｆ　（１−８
）であり１回転子２め励磁巻線をすべり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
すべり零（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からの出力をすベリ検出部３
に取り込み、この検出部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　　　　　−（１）と
なり、すべりにかかわらず、定格周波数の出力が得られ
ることとなる。

このような可変速発電システムにおいて、揚水及び発電
におけるＡＦＣ運転時に任意の回転数で安定に目標値に
制御できる方式を提供しようとするものが本発明である
。

市３図は、この可変速発電システムの基本的２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。

１ｏは電力系統であり、１及び２は、第１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、効率を考慮したガバ
ナ弁の開度指令値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、指令値算出回路１
５よりの開度指令値Ｈｖは開度設定器１４の時間遅れを
経て調速機の弁開度１３を制御するものである。１２は
水車部であり、水車特性は、静落差Ｈ１調速機の弁開度
１３で定まるにの水車特性部１２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１１６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。１７は、２次回路の励磁量を設定する設
定部であり、１８は励磁量の電正値を制御する電圧調整
部である。２３ａ〜２３ｃは、設定部１７で設定した励
磁量をａ、ｂ、Ｑ相に用いるために移相する移相部であ
る。２２ａ〜２２ｃは、移相部２３ａ〜２３ｃで移相し
た励磁量により、ａ、ｂ、ｃ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、ガバナの開度、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るが、
位相角算出部１１６の処理方式及び安定な制御方式は確
立されておらず、これら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。

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１位相角算出部１１６を、指令値算出回路１５からの
目標回転数ＮＯに一次遅れ関数３０を介した出力Ｎｏ’
　と速度発電機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
、例えばに２（Ｎ−Ｎｏ’）ｄｔの計算をする位相角制
御装置算出部２５と、有効電力遵出部２１からの出力と
出力指令値Ｐａに一次遅れ関数３１を介した出力Ｐｏ’
の差とを算出する比較部２６と、該比較部２６で算出さ
れた出力を不完全微分関数２９を介して取り込み、例え
ばに１（Ｐ−Ｐｏ’　）の計算をする位相角制御量算出
部２７と、該位相角制御量算出部２５．２７の出力を加
算する加算部２８と、該加算部２８からの出力より、位
相角Δδを算出する位相角算出部１６とから構成した点
にある。尚、位相角算出部１６からの出力が設定部１７
に供給される。

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、速度指令値が与えられ、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Ｐａ　との差により
、２次巻線の位相角Δδを算出し、この値により励磁量
を制御することによす安定に制御できる。

以下、本発明の一実施例を適用した具体的な構成例につ
いて第４図を参照しながら説明する。

第４図は、２次励磁付の誘導機により任意の回転数で運
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。同図は横軸に水車出力、縦軸に効率をとり、回転数
をパラメータとして示したものである。Ｐｚ、Ｐｚは水
車出力を、η１．η２は効率を、Ｎｔ＊　Ｎｚは回転数
を示す、出力Ｐ１では回転数Ｎ１で、出力ＰＺでは回転
数ＮＺで、それぞれの出力における最高効率ηｌ、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、本発明はこれか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、可変速発電システムは、操作端Ｔより
、発電機Ｇｌに要求される発電力の指令（又は目標値）
Ｐａ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、発電機Ｇ１
の回転数ＮＯ１水車のガバナ弁の開度Ｈ，が制御指令部
Ｃにおいて決められ、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１３，１４．１６〜１８．２４〜２８
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、発電機の効率ηが
最高となるように回転数Ｎｏ及びガバナの弁開度Ｈｖが
求められ、これら（ＮＯ９ＨＶ　）が目標値となるよう
、２次交流励磁の位相角Δδが制御され、効率のよい運
転が行われることになる。

一方、発電機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、すベリ周波数で励磁する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％式％ すなわち、第４図の操作端Ｔより与えられた指令Ｐｏに
より、ａ””Ｑ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相の励磁電圧Ｖ　＊　ａ　、　Ｖ　ｘ　ｂ　、　
Ｖ　ｔ　ｅとは。

Ｖｚａ＝＝　Ｅｓ１ｎ（２πｆｓｔ＋δ０＋Δδ）Ｖ１
＝　Ｅｓ１ｎ（２πｆｓｔ＋δ０＋Δδ−１２０°）−
（２）Ｖ＊ｃ　＝　Ｅ　５ｉｎ（２πｆｓｔ＋δ０＋Δ
δ−２４０°）で求められる。ここで、Ｅはすべり及び
可変速機の運転状態で定まる電圧値、δ０は可変速機の
運転状態で定まる位相角、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は、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で制御すればよいのである。

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、回転数Ｎ及び電力Ｐを目標値にあ
わせなければならい。そこで、位相角Δδを動かすため
の情報としては、前記有効電力Ｐと回転数Ｎとを用いれ
ばよいことを理解できる。

これまでの説明は、電力をもとに２次励磁電圧の位相角
を制御するための第３の伝達関数として不完全微分を用
いた場合について説明したが、不完全微分は、第６図に
示すように、電力の制御量にゲインのみを生ずる。

乗算部３２及び−次遅れのブロック３３及び、フロック
３２の出力及び３３の出力の差をとる差演算部３４、及
び差演算部３４の出力にゲインを乗する乗算部３５によ
り、同様の効果のだしうろことは当然である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、速度の目標値と実際の値との差及び電
力の目標値と実際の値との差をもとにした簡単な操作で
２次励磁電圧の位相角を制御でき。

発電運転及び揚水運転時のＡＦＣ運転に安定に目標値に
制御できるようにしたので安定度上の効果は極めて大き
い。

さらに１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発電シ
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図は本発明の実施例を示すブロツロ図、第２図は可
変速揚水発電システムの原理概要を示す図、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図は本願の応用例を示す
図である。 Ｅｘ・・・励磁回路、Ｏｒ・・・可変速発電システムの
発電機、Ｌ・・・送電線、Ｃ・・・制御指令部、Ｔ・・
・操作端、１・・・固定子、２・・・回転子、３・・・
すベリ検出部、４・・・電圧発生部、５８〜５ｃ・・・
固定子のａ−ｃ相巻線、６ａ〜６ｂ・・・回転子のａ−
ｃ相巻線、７・・・回転数測定部、１０・・・系統、１
１・・・速度発電機。 １３水箪特性部、１４・・・調速機の弁開度設定器、１
５・・・指令値算出回路、１６・・・２次巻線位相角算
出部、１７・・・２次巻線励磁量算呂部、１８・・・電
圧調整部、１９・・・電流変成器、２０・・・電圧変成
器、２１・・・有効電力導出部、２２ａ〜２２ｃ・・・
２次励磁のａ−ｃ相巻線、２３ａ〜２３ｃ・・・移相部
、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、２９・・・不完全微分回路、３１．３１・・・−
次遅れ回路、３２．３５・・・乗算部、３３・・・−次
遅れ関数部、３４・・・差演算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、電力系統に接続され、２次励磁付の誘導機を任意の
   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基に目標回転数及び
   ガバナ弁開度を設定する機能を備え、ある運転状態にお
   ける実回転数及び前記目標回転数を第１の伝数関数を介
   した出力ならびに当該運転状態における発電機出力及び
   前記電力制御指令値に第２の伝達関達を介して得た出力
   より発電機出力を差し引き、第３の伝達関数を介した出
   力より算出した位相角を用いて、２次励磁回路の交流励
   磁の位相角を制御することを特徴とした可変速揚水発電
   システムの運転制御方式。