JPS63239377A - 可変速運転水力発電設備の制御方法 - 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−にの利用分野） 本発明は可変速運転が可能な水車および発電機を備えた
水力発電設備において、負荷変動に対して迅速に、しか
も水路系に悪影響を与えることなく対応できる可変速運
転水力発電設備の制御方法に関する。

水力発電所においては、電力系統の安定化調整のため、
発電所の出力を出力指令に基づいて変動させる、いわゆ
るＡＦＣ運転が行なわれることがある。

このＡＦＣ運転は、同期発電機とそれに直結されて一定
回転速度で運転される水車とからなる水力発電設備にお
いては、水車のガイドベーンを指令所からの出力指令に
基づいて開閉させることにより行なわれてきた。

すなわち、第７図に示すように、ＡＦＣ運転指令が入力
された状態で、負荷が同図−（ａ）のように変動幅ΔＰ
１変動周期ｆで変動すると、それに対応してガイドベー
ン開度が同図（ｂ）のように変化する。

しかしながら、このような運転制御方法では、ガイドベ
ーンの開閉スピードが速い場合には、水車流量の変化に
伴う水撃作用により水路系にサージングが発生し、水車
の入口側に連なる水圧鉄管の水圧が第７図（ｃ）に示す
ように大幅に変動し、破損する危険性が高まる。このた
め、同図（ｄ）のように一定回転速度で運転される水力
発電設備においては、目標出力が高速で変化する場合、
ＡＦＣ運転を実施することは不可能であった。

一方、最近は同期発電機に替えて巻線型誘導発電機を採
用した可変速運転水力発電設備が多用されるようになっ
てきた。この可変速運転水力発電設備においては、巻線
型誘導発電機の励磁量を調整することにより、ガイドベ
ーン開度を調整することなしに発電機出力を高速で変化
させることができる。従って、この可変速運転水力発電
設備ではガイドベーン開度が変化しないところから、前
述の水撃作用による管路系のサージングの問題は発生せ
ず、高速ＡＦＣ運転が可能となる。

しかしながら、このような可変速運転水力発電設備にお
いても、巻線型誘導発電機の励磁量調整だけで高速ＡＦ
Ｃ運転を行なおうとすると、次に述べるような問題が発
生する。

すなわち、第８図（ａ）に示すように、時刻Ｌ　にて目
標発電機出力Ｐ＊がＰ　＊からＰ　本ヘステツプ状に変
化した場合を例にとって水車および発電機の応答を説明
すると、励磁量の調整は瞬間的に行なわれるため、同図
（ｂ）に示すように、発電機出力Ｐｇは直ちに目標発電
機出力Ｐ＊と一致するように変化する。

その結果、発電機トルクＭｇと水車トルクＭｔは、第８
図（ｅ）に示すように時刻１０以降は発電機トルクＭ　
ｇ　＞水車トルクＭｔとなるため、水車の回転速度Ｎは
同図（ｄ）に示すように、Ｎ　から次第に低下する。

ｉＪ変速運転水力発電設備においては、水車回転速度Ｎ
が変化した場合、発電機の出力周波数が系統の周波数に
合致するようサイリスクコンバータで制御するが、この
サイリスクコンバータで変換できる周波数はサイリスク
の容量によって上限と上限を規制されるため、それらの
規制値を越えるような大きな出力変動に対しては、巻線
型誘導発電機の励磁量の制御だけでは対応することがで
きない。

すなわち、第８図（ｄ）に示すように水車回転速度Ｎが
ＮＯより次第に低下し、時刻ｔ１にて回転速度Ｎ１を通
過し、サイリスタにて変換できる下限回転速度に近ずく
と、それを条件としてガイドベーンに開口指令が発せら
れ、同図（Ｃ）に示すように、ガイドベーン開度ａはａ
ｏから開口する。これにより水車トルクＭｔは急激に上
昇し、時刻ｔ２では 水車トルクＭｔ＞発電機トルクＭｇ となるので、水車回転速度Ｎは上昇に転じ、やがて新た
な回転速度Ｎ１にて安定することになる。

しかしながら、その間、ガイドベーン開度はａＯからａ
ｌまで変化するので、可変速運転できる水車といえども
、急激な出力変化の要求に対しては、従来の回転速度一
定の水車におけると同様に管路系の問題が生じ、追従す
ることができない。

次に、上述の応答過程を第９図に示す水車の特性曲線」
二で見てみる。同図において、点Ｘｏ。

Ｘｍ、　Ｘ　　を結ぶ太い実線は時刻１０から１１を経
てｔ２に至る水車の運動点軌跡を示すもので、曲線ａ　
ｔ　、　　ａ　２　、　　ａ　ａ　＊　　８４はガイド
ベーン開度ａｌ、ａ２．ａ３．ａ４の各時点における水
車回転速度Ｎと水車出力ＰＬの関係を示している。

同図中、鎖線η１．η２．η３．η４は等効率曲線であ
り、また、曲線Ｌ　ｏｐｔは各ガイドベーン開度におけ
る最高効率点を結んだものである。

第８図において説明したように、時刻１０からｔｌまで
はガイドベーン開度一定で、水車回転速度Ｎが低下する
。水車回転速度Ｎの低下により、第９図に示すように水
車出力ｐｔも増加するが、これは第８図における水車ト
ルクＭｔの増加に対応している。また、第８−図の時刻
ｔ１で水車回転速度ＮがＮ＜Ｎ１となる運転点は、第９
図の点Ｘｍに相当している。

第９図において、可変速運転可能な水車では、水車出力
ｐｔとガイドベーン開度ａ１〜ａ４に応じて運転点が曲
線Ｌ　ｏｐｔ上にくるように水車回転速度Ｎを調整すれ
ば、常に最高効率で水車を運転することができるが、第
８図に示したように目標発電機出力Ｐ＊の急激な変化に
対して単に巻線型誘導発電機の励磁量を変えて発電機出
力を調整する制御方法では、第９図に示したように、運
転点が最高効率曲線からずれてしまう。

また、特開昭５９−７２９９８号公報に示すように、目
標発電機出力２本に対してガイドベーン開度と水車回転
速度Ｎの両方を変化させることにより運転点が常に最高
効率曲線Ｌｏｐｔｌ：にくるように制御する方法も知ら
れているが、その場合には、発電機の励磁量の調整をい
かに迅速に行なっても、ガイドベーン開度が変化するま
で水車出力ｐｔが変化しないため、目標発電機出力Ｐ＊
に対する発電機出力の追従性はガイドベーン開度の変化
速度に依存することとなる。従って、この方法において
も、従来の一定回転速度運転の水車におけると同様に急
激な出力変化要求に対して管路系にサージング等の問題
が発生する。

（発明が解決しようとする問題点） 以上述べたように、発電機出力を時間と共に変化させる
ＡＦＣ運転において、一定ｕ転速度で運転される水車は
、管路系の水撃作用を考慮して急激なガイドベーン開度
の変化が制限されるため、目標出力の変化スピードの速
いＡＦＣ運転には追従できない。

一方、可変速運転ができる水車では、巻線型誘導発電機
の励磁量を調整すれば水車のガイドベーン開度を変えな
くても、発電機出力を高速で変化させることができるた
め、高速ＡＦＣ運転が可能となる。しかしながら、可変
速運転できる発電機においても、可変速運転可能な回転
速度の幅はサイリスクコンバータの容量で制限されるた
め、余り大きな幅の目標出力の変動に対しては、回転速
度の変化が運転可能範囲から外れるため励磁量の変化だ
けでは、目標出力の変化に対応できなくなる。このよう
な場合はガイドベーン開度を変えて出力調整することが
必要となるため、従来の一定回転速度で運転される水車
と同様、高速ＡＦＣ運転には対応できなくなる。

また、可変速運転できる水車においては、目標出力に対
してガイドベーン開度と、水車回転速度の両者を変化さ
せ、その時の出力に対して最も効率がよくなるような運
転点を選択して運転することができるが、前述したよう
に目標出力の変化に対して単に励磁量を変えるだけでは
、運転点は最高効率点から外れてしまう。

一方、水車回転速度とガイドベーン開度の両者を制御す
れば目標出力がどのように変化しても、運転点をガイド
ベーン開度における最高効率点にセットすることができ
るが、この場合、出力の変化スピードはガイドベーンの
変化スピードと同等となるため、やはり前述の一定回転
速度で運転される水車と同様に高速ＡＦＣ運転には対応
できなくなる。

（発明の目的） 本発明は背景技術における上述のごとき欠点を除去すべ
くなされたもので、可変速運転する水車および発電機と
、その制御装置とを備え、与えられた落・差および目標
出力に対してガイドベーン開度と水虫回転速度の両者を
調整し、水車効率が最も高くなるような運転状態で水車
を運転できる可変速運転水力発電設備において、高速で
発電機出力を変化させる高速ＡＦＣ運転を可能にする運
転制御方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明の可変速運転水力発電設備の制御方法は、水車と
、この水車に連結されてその回転速度を予め定められた
範囲内で任意の値に設定できる可変速型発電機と、その
制御装置とからなる可変速運転水力発電設備において、
目標発電機出力Ｐ＊、またはこのＰ＊と実際の発電機出
力Ｐｇとの差６２京をフィルタ回路で低速成分と高速成
分に分け、低速成分により水車のガイドベーンを制御し
、高速成分により可変速発電機の回転速度の制御を行な
うことを特徴とする。

（作　用） 」−述のように構成した本発明の可変速運転水力発電設
備の制御方法によれば、ゆっくりした目標発電機出力Ｐ
＊の変化に対しては、従来の可変速装置のない水車と同
様に、低速運転指令Ｐｓによりガイドベーン開度を変え
ることによって発電機出力を２ｇＭすることができる。

一方、高速の目標発電機出力２本に対しては低速運転指
令Ｐｓは変化しないため、高速運転指令Ｐｆにより発電
機の回転速度を食えることによって、発電機出力を調整
することができる。この場合はガイドベーンはほとんど
動かないため、目標発電機出力２本がどのように高速で
変化しても管路系の水撃現象等は誘起されない。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図において、発電機１は巻線型誘導発電機であり、
水車ランナ２と直結されている。水車は可動式のガイド
ベーン３を有しており、水車ランナ２に流れ込む流量を
調整することができる。可嚢−速装置４はその入力が零
になるように発電機１の励磁量を調整し、その出力また
は回転速度を制御する。

ＡＦＣ運転においては、目標発電機出力２本をフィルタ
回路５に人力し、高速成分を除去した低速運転指令Ｐｓ
を得る。一方、目標発電機出力零 Ｐ　とＰｓの差より高速運転指令Ｐ　　（−Ｐ”−「 Ｐｓ）を得る。

開度設定器６はその時の水車の運転落差Ｈと低速運転指
令Ｐｓより最適なガイドベーン開度ａ本を求める。この
ガイドベーン開度　ａ＊を入力されたガイドベーン制御
器７は水車のガイドベーン３の開度ａが８本と一致する
ようにガイドベーン３を制御する。

一方、高速運転指令器８は高速運転指令ＰＣの値に基づ
き可変速信号ΔＰを出力する（Δｐ−Ｐｆ）。可変速装
置４は、このΔＰにより発電機の励磁量を変える。また
高効率運転指令器９はガイドベーン開度ａと水車の落差
Ｈより水車効率が最も高くなる回転速度Ｎ１を算定する
。前記した可変速装置４にはこの８本と実際の水車の回
転速度Ｎとの差ΔＮも入力されており、ΔＮの値に応じ
ても発電機の励磁量が調整される。

こうした構成の可変速運転水力発電設備においを第２図
に示す。

時刻ｔ　で目標発電機Ｐ＊が同図（ａ）のようにステッ
プ状に変化すると、フィルタ回路の出力である低速運転
指令Ｐｓは同図（ｄ）の実線のようにゆっくりと変化す
る。

このため、目標発電機出力Ｐ１と低速運転指令Ｐｓのダ
である高速運転指令Ｐｆは同図（ｄ）の鎖線のように時
刻ｔ。で瞬間的に立ち上がる。この値がΔＰとして可変
速装置４の入力となるため、発電機１の励磁量は瞬時に
変化し、発電機出力Ｐｇはほぼ目標値Ｐ＊と一致する。

但し、このとき発電機１のトルクはＭｇは同図（ｆ）の
実線のように急激に増加し、水車の発生トルクＭｔを上
回るため、水車の回転速度Ｎは同図（ｅ）の実線のよう
に低下する。

一方、この時水車のガイドベーン３は低速運転指令Ｐｓ
によって制御されているため、同図（ｃ）に示されるよ
うに、徐々に開口し始める。このため水車の発生トルク
Ｍｔも時間と共に増加し、時刻ｔ１では発電機トルクＭ
ｇを上回るようになる。

このため、時刻ｔ１以降では水車の回転速度Ｎは一転し
て増加方向に変化する。そして時刻ｔ２で低速運転指令
Ｐｓは目標発電機出力Ｐ＊と同等の値になる。

この間、高効率運転指令器９はガイドベーン開度ａと水
車の運転落差Ｈより最適（目標）水車回転速度Ｎ＊を算
定する。このＮ本は第２図（ｅ）の鎖線のように変化す
るため、可変連装！４には回転速度上げ指令が入力され
ることになり、高速運転指令Ｐｆが小さくなる時刻ｔ１
以降では、回転速度を上昇するような励磁量の調整が行
なわれ、最終的には時刻ｔ２で水車の回転速度は新しい
目標回転速度Ｎ１と一致する。

以上の制御過程における水車運転点の変化を第３図に示
す。曲線ａ　１−ａ　４、η１〜η４の定義は前述の第
９図と同様である。運転点Ｘ。は時刻ｔ　における運転
点に相当する。時刻ｔ１で回転速度Ｎが最低となる運転
点は点Ｘｍであり、時刻【　における最終的な運転点は
Ｘｌである。

このように本発明の運転制御方法によれば、目標出力の
急激な変化に素早く対応できるのみでな（、最終的には
水車の運転点を最も効率が高くなる運転点（曲線Ｌ　ｏ
ｐｔ上）に持っていくことができる。

第４図および第５図は上記の本発明の実施例が、ゆっく
りした目標出力の変化と、急激な目標出力の変化に対し
てどのように応答するか示したものである。図中の線が
表わす変数は第２図と同様である。

第４図はゆっくりした５標出力Ｐ＊の変化に対する応答
を示すもので、この場合は同図（ａ）のように２本の変
化がゆっくりし５ているため、低速運転指令Ｐｓは目標
発電機出力Ｐ＊とほぼ一致している。従って高速運転指
令Ｐｆは同図（ｃ）の鎖線で示すようにほとんど零とな
り、第１図の高速運転指令器８の出力ΔＰもほぼ零とな
る。

このため、発電機１の励磁量の調整は目標回転速度Ｎ＊
と実際の回転速度Ｎの差ΔＮを零にするように制御され
る。その結果、回転速度Ｎは第４図（ｅ）のようにごく
僅か変化し、水車の運転点は第３図の曲１ｉ１Ｌｏｐｔ
で示される高効率帯にくる。

一方、ガイドベーン開度ａは同図（ｃ）の低速運転指令
Ｐｓに基いて制御され、これにより発電機出力Ｐｇも同
図（ｂ）のように変化する。

第５図は急速な目標出力２本の変化に対する応答を示す
ものである。

この場合、第５図（ａ）に示すように２本の変化が大き
く、かつ速いため、フィルター回路の出力である低速運
転指令Ｐｓは同図（ｃ）の実線で示されるようにＰ零に
比較して著しく減衰した信号になる。このためＰ＊とＰ
ｓの差である高速運転指令Ｐｆが同図（ｃ）の実線のよ
うにＰｓより大きくなる。

その結果、可変装置４は高速運転指令Ｐｆに基づき制御
されるため発電機出力Ｐｇは第５図（ｂ）のように目標
出力Ｐ＊とほぼ一致し、水車の回転速度Ｎは発電機トル
クＭｇと水車トルクＭｔの差により同図（ｅ）゛のよう
に変化することになる。

一方、ガイドベーン開度ａは低速運転指令Ｐｓに基づき
制御されるため、同図（ｄ）のようにわずかに変化する
だけである。このため管路系の圧力変動、サージング等
は問題とならない。

このように本発明の制御方法によれば、ゆっくりしたＡ
ＦＣ運転の要求に対してはガイドベーン開度と回転速度
の両者を調整することにより高効率運転が実行され、ま
た高速のＡＦＣ運転の要求に対しては回転速度のみを調
整するようにしたので、即応性のある運転が可能となる
。

（他の実施例） 第１図に示した本発明の実施例では発電機出力Ｐｇはフ
ィードバックされていなかったが、この発電機出力Ｐｇ
を正確に目標値Ｐ＊に合せるため、Ｐｇをフィードバッ
クした実施例を第６図に示す。

符号１〜９は第１図と同様であるが、第１図の場合と異
なり、目標出力Ｐ＊と発電機出力Ｐｇの差６２本が、フ
ィルタ回路５と同一の特性を持つフィルタ回路１０に人
力される。ここで６２本は低速運転指令△Ｐｓと高速運
転指令ΔＰｆに分けられる。ΔＰｓは開度差設定器１１
に入力され、開度差（λ号Δａに変換される。開度設定
″ａ６は第１図の実施例と同様の機能を持ち、落差Ｈと
低速運転信号Ｐｓより必要な開度ａ＊を算定するが、そ
の際Δａも考慮して８本を算定する。

以」二の構成によれば低速な運転指令に対しては６Ｐ＊
とΔＰｓが一致するため、高速運転指令ΔＰｆは零にな
り、水車の出力変化はガイドベーン開度の変化のみで行
なわれる。一方、ΔＰｓが零のため、回転速度の変化は
高効率運転指令器９を通してのみ行なわれ、そのため、
回転速度はごく僅か変化するのみである。

一方、高速な運転指令に対しては高速運転指令ΔＰｆに
より、水中の回転速度が変化し、Ｐｇ−２本になるよう
に制御される。フィルタ回路５、フィルタ回路１０の作
用でＰＳ％ΔＰｓはほとんど変化しないため、ガイドベ
ーン開度ａもほとんど変化しない。

〔発明の効果〕

このように、本発明によれば、高速ＡＦＣ運転時におい
ても、与えられた落差および目標出力に対してガイドベ
ーン開度と回転速度を調整して水虫効率が最も高くなる
ように制御する高効率運転が可能な運転制御方法が実現
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示ブロック図、第２
図はその動作を説明するグラフ、第３図は第２図に示し
た本発明の実施例の動作を水車特性曲線にに示したグラ
フ、第４図および第５図はに一実施例において、目標発
電機出力２京がゆっくりと変化した場合と、急激に変化
する場合の応答を説明するグラフ、第６図は本発明の他
の実施例の構成を示すブロック図、第７図は従来の一定
回転速度運転水車のＡＦＣ運転を説明するブロック図、
第８図と第９図は従来の可変速水車の運転制御方法を示
すグラフである。 １・・・発電機、２・・・水車ランナ、３・・・ガイド
ベーン、４・・・可変速装置、５・・・フィルタ回路、
６・・・開度設定器、７・・・ガイドベーン制御器、８
・・・高速運転指令器、９・・・高効率運転指令器、１
０・・・フィルタ回路、１１・・・開度差設定器。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第１図 −回垢遠ｐＪＮ 第３図 第４図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水車と、この水車に連結されてその回転速度を予め
   定められた範囲内で任意の値に設定できる可変速型発電
   機と、その制御装置とからなる可変速運転水力発電設備
   において、目標発電機出力Ｐ＾＊、またはこのＰ＾＊と
   実際の発電機出力Ｐｇとの差ΔＰ＾＊をフィルタ回路で
   低速成分と高速成分に分け、低速成分により水車のガイ
   ドベーンを制御し、高速成分により可変速発電機の回転
   速度の制御を行なうことを特徴とする可変速運転水力発
   電設備の制御方法。 ２、目標発電機出力Ｐ＾＊をフィルタ回路で低速成分Ｐ
   ｓと高速成分Ｐｆに分け、低速成分Ｐｓとその時の水車
   の運転落差より、必要なガイドベーン開度ａ＾＊を算定
   し、このａ＾＊に基づき水車のガイドベーンを制御する
   と共に、高速成分Ｐｆにより、このＰｆが零となるよう
   に可変速発電機の回転速度を制御することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の可変速運転水力発電設備の
   制御方法。 ３、目標発電機出力Ｐ＾＊と実際の発電機出力Ｐｇとの
   差ΔＰ＾＊を算定し、このΔＰ＾＊をフィルタ回路で低
   速成分ΔＰｓと高速成分ΔＰｆに分け、ΔＰｆにより、
   このΔＰｆが零となるように可変速発電機の回転速度を
   制御すると共に、その時の水車の運転落差Ｈと目標発電
   機出力Ｐ＾＊および低速成分ΔＰｓの三者に基づき必要
   な水車のガイドベーン開度ａ＾＊を算定し、このａ＾＊
   に基づき水車のガイドベーン開度を制御することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の可変速運転水力発電
   設備の制御方法。