JPS63265595A - 可変速揚水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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、２次励磁付の同期機を任意の回転数で運転す
る可変速揚水発電システムの制御装置に係り、特に系統
事故等により１次側に大きなじよう乱の入った場合にも
、端子電圧の変動を抑制するに好適な可変速揚水発電シ
ステムの制御装置に関する。

（従来の技術〕 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、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変化する
こと等の理由により、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
最高効率で運転させるため研究が進められている。その
研究の動向は、従来直流励磁の同期機であった揚水発電
機を低周波で励磁する同期機とし、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
用することにより、発電力、揚程にかかわず、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ち
゛れでおり、特開昭６１−９８１８７号「運転制御方式
」等の文献があるが、これは系統事故時に２次励磁（自
転手）電流が電機子反作用により影響をうけ、端子電圧
、有力電力が大きく変動することが判った。これを対策
することまで配慮されていなかった。

第２図は可変速揚水発電システムの励磁制御に。

従来から用いられている定電流制御の概要を示したもの
であり、１は可変速機の固定子、２は回転子、２２ａ〜
２２ｃは回転子のａ　”　ｃ相巻線を。

２３ａ〜２３ｃは定電流制御部を示す、同図において、
電圧変成器２０により可変速機の端子電圧を取り込み、
１７の２次巻線励磁量設定部、１８の励磁量設定部によ
り１．運転状態にあった励磁電流の基準量が設定される
。この出力及び電流変成器２４ａ〜２４ｃによって得ら
れる可変速機の回転子電流が比較部２６ａ〜２６Ｃで比
較され。

この出力に定電流制御系のゲインが乗ぜられ、回転子電
流は基準量で定められた電流に制御される。

このような励磁制御を行ったシステムを用いて。

第３図に示すような可変速機Ｇｌ　が送電線りを介して
系統Ａに接続、運転している場合に、送電線りの地点Ｆ
で事故が起った場合には、可変速機固定子側の電流の変
化が電機子反作用により回転子側電流にあられれる。こ
のため、回転子側電流は大きく変化し、定電流制御系の
基準量と回転子電流との差は大きくなり、事故除去後も
端子電圧及び有効電力は著しく変動する。このように系
統事故時に端子電圧及び有効電力の変動を抑制すること
まで配慮されていなかった。

ここで、電流変成器ＣＴＩ、電圧変成器ＰＴｉ。

有効電力算出部ｐ　、、励磁制御部Ｅｃ　、制御指令部
Ｃ２操作端Ｔ、励磁装置ＥＸ　、ガバナ弁１３等は可変
速システムの運転に必要な機能を持つものであり、後で
詳しくのべる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように、上記従来技術では、系統事故時に２次励磁
（回転子）電流が電機子反作用により影響をうけること
まで配慮された制御装置となっておらず、事故時に電機
子反作用の影響をうけない制御装置を確立する必要があ
った。

本願は、上記欠点を補い、揚水及び発電の各種運転状態
で、高効率で運転する可変速揚水発電システムにおいて
、系統事故時に励磁回路のうけるしよう乱を小さくし、
端子電圧の変動を抑制可能な可変速揚水発電システムの
制御装置を提供することにある。

ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明は、任意の発電力をうる運転条件が、有効落差９
回転数及びガバナのベン開度との関連より定まること、
この運転条件のうち９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
で定まること等の知見に基づき、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
ように内部位相角を制御すると共に、測定により求めた
磁束鎖交数と基準としてあらかじめ与えである値（磁束
鎖交数）との差をとり、この値にゲインを乗じたものを
２次励磁電圧として与えることにより、系統事故時の励
磁系のうけるしよう乱を小さくするように制御すること
により、上記目的を達成しようとするものである。

〔作用〕

第４図は、可変速発電システムの概要を示すものであり
、−次、二次側共、３相巻線からなる。

同図で、１が固定子を、２が回転子を示す。

５　ａ　〜５　ｃは固定子のａ、ｂ、ａ相巻線を、６ａ
〜６ｏは１回転子のａ、ｂ、ｃ相巻線を示す、更に、定
格周波数をｆ、すべりをＳとすると、回転子の速度はｆ
　（１−８）であり、回転子の励磁巻線をすべりＳの周
波数で励磁することにより、回転子の回転磁界はすベリ
零（同期速度）で回転し、固定子の回転磁界速度と同一
になる。７は回転子の回転数を測定する測定部を示し、
この出力により、３ですべり周波数を検出し、４ですベ
リ周波数に応じた電圧を発生させ、２次巻線を励磁する
ことを示している。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４
図の例では、回転子の回転磁界は、 ！　（１−５）＋ｆ−８＝ｆ　　　　　　　・・・（１
）となり、すべりにかかわらず、定格周波数の出力の得
られることになる。

このような方式において、第５図に示すように、２次励
磁電圧の制御を磁束鎖交数の測定値９口ａ。

’ｌ”ａｄｂ　、　Ｐａａｃと、あらかじめ運転条件に
より定めである量＜Ｐｓａｇｏ　ｖ　’Ｉ”　ｍｍｂｏ
　＊　’ｌ’　ａ４ｃｏとの差を比較部２９ａ〜２９ｃ
でとり、この値にゲインＫを乗じたものを２次励磁電圧
として用いて励磁を行うことにより、系統事故時にも励
磁系にじよう乱を与えることなく、安定な制御を行うこ
とができる。

磁束鎖交数の測定法については後述する。ここで。

ｉｔ　２，１７．１Ｂ、２０．２２ａ〜２２ｃは第２図
と同様、固定子９回転子、制御量設定部、励磁量設定部
、電圧変成器、回転子のａ−Ｃ相巻線を示す。

〔実施例〕

第１図は１本システムの具体例を示すものであり、可変
速機が系統に接続１ａ転している場合を示しである。Ｓ
は電力系統、１，２は第５図と同一の固定子及び回転子
を示している。静落差Ｈ及Ｕ出力指令Ｐｏが与えられる
と、１５の指令値算出回路で、効率を考慮したガバナ弁
の開度指令値及び速度指令値が算出される。１４は調速
機の弁開度設定器であり、指令値算出回路１５からの開
度指令値が開度設定器１４により時間遅れをもって調速
機の弁開度１３となる。１２は水車部であり、この特性
は、静落差Ｈ２調速機の弁開度１３及び回転数Ｎで定ま
る。この水車特性により得られる入力より可変速機の回
転子１は回転する。

１１は速度発電機を示し、この出力により、速度Ｎが検
出される。１９は電流変成器を、２０は電圧変成器を示
し、２１で、電流変成器１９及び電圧変成器２０の出力
をもとに、有効電力を算出する。

１６は、２次巻線の位相角算出部であり、有効電力算出
部２１の出力Ｐ、出力指令値Ｐａ　、速度指令値Ｎｏ、
速度Ｎにより算出する。１７は、２次回路の励磁量を設
定する設定部であり、１８は励磁量の絶対値を制御する
励磁量調整部を示す。

２３ａ〜２３ｃは、１７で設定した励磁量をもとに、ａ
、ｂ、ａ相の励磁量を作る部分である。

２２ａ〜２２ｃは、励磁量作成部２３ａ〜２３ｃで算出
した励磁量によりａ、ｂ、Ｃ相を励磁する励磁巻線であ
る。ＳＣはサーチコイル、ＩＣは積分回路を示し、積分
回路ＩＣの出力である磁束鎖交数を２次巻線励磁量設定
部１７に導入する。

ここで用いる磁束鎖交数の測定は１例えば、第６図に示
すように、回転子ＲＯの表面にサーチコイルＳＣを設け
、このコイルＳＣに誘起される電圧を積分回路ＩＣによ
り積分して、固定子巻線と。

回転子巻線間の共通磁束＜Ｐａ−を求め、この値をもと
に、各相の共通磁束を求め、この値とあらかじめ運転状
態に応じて定めた基準量との差をとり、この値にゲイン
を乗じ、この値を励磁電圧として制御しようとするもの
である。

すなわち、ここで求めた磁束Ｐａｍを移相して、各相量
に変換し、磁束ψａ−暑ｙ　Ｆ　ａｓｈ　ｖ　’ｌ”暑
−Ｃを得る。これと同時に、運転条件を考慮して各相磁
束の基準量ψ、４皐０．ψａａｂｏ、　？ａｎｃｏを第
１図に示す２次巻線励磁量設定部１７で作成し、第５図
に示すように、これらの磁束の測定値と基準量との差を
比較部２９　ａ　”　ｃで求め、この値にゲインを乗じ
て、励磁電圧を得て、この電圧を回転子巻線２２ａ〜２
２ｃに印加する。

尚、第５ｖ７！Ｉの回転子Ｒｅに設けたサーチコイルＳ
Ｃの出力はスリップリングを介して取りだせばよい。

ここで、固定子巻線と回転子巻線間の共通磁束ψａ−に
は次式が成立する。

Ｆａｔ＝Ｘａ＊　（ｉａ＋ｉ□）　　　　　　・・・（
２）但しｏＸ＆４：相互リアクタンス、１ａ：固定子ｄ
軸電流＊１ｊｄ：回転子ｄ軸電流とする。

（２）式より明らかなように、Ｔ＆−は、回転子ｄ軸電
流の中の固定子電流の影響を相殺しているため、系統側
事故により、回転子側に生ずる固定子側の影響はあられ
れない、このため、系統側に事故が生じた場合でも、電
機子反作用により生ずる励磁束のしよう乱を抑制できる
。

以下、本発明の一実施例を第３図により具体的に説明す
る。

第３図は、２次を低周波の交流で励磁する同期機を任意
の回転数で運転する。いわゆる可変速揚水発電システム
Ｇ１が、送電線りを介して、系統Ｓに接続、運転してい
る例を示すものである。送電線りには、ｉｔｔ圧変成器
Ｐ　Ｔ　１　ｖ　’ａ流変成器ＣＴ　ｉが設置されてい
る。

一般に、揚水発電機には、フランシス水車が使用され、
水車出力と効率の関係は、第７図のよう率をとり１回転
数をパラメータとして示したものである＋＋　Ｐｔ　ｔ
　Ｐａは水車出力を、η工、η２は効率を、Ｎ１．Ｎｔ
は回転数を示す、出力Ｐ１では回転数Ｎ１で、出力Ｐｌ
では回転数Ｎｚで、それぞれの出力における最高効率η
！−９η２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、こ
れらの最高効率の点で運転しようとするのが本システム
の特徴である。

第３図において、可変速揚水発電システムＧｌは、操作
端Ｔより、本システムに要求される発電力の制御指令が
与えられると１発電機の特性、水の落差を考慮した上で
、高効率の運転ができるよう、発電機の回転数、水車の
ガバナ弁Ｖの開度が制御指令部Ｃにおいて求められ、こ
れらの値にあうような運転ができるよう制御されている
。このような状態で１発電機出力の低下指令が与えられ
ると、あらかじめ与えである手法により、発電機出力、
落差をもとに１発電機の効率が最高となるよう、回転数
、弁開度を制御し、効率のよい運転・　を行うことにな
る。

一方、発電機回転数の定格よりのずれは、励磁回路ＥＸ
の情報として、すベリ周波数を励磁制御部Ｅａより与え
ることにより、前述のように、定格周波数の出力の得ら
れることになる。

次に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次励磁巻線は、次のようにあられされ
る。すなわち、第３図の操作端Ｔより与えられた指令に
より、ａ、ｂ、ｃ相の励磁量をうるための関数のうちの
位相角Δδを求める。

ａ、ｂ、ｃ相の励磁電圧をＶｉａ、　Ｖｘｂｇ　Ｖｘｃ
とすると。

と表わされる。ここで、Ｅ：すべり及び可変速機の運転
状態で定まる電圧値、δ０　：可変速機の運転状態で定
まる位相角、Δδ：制御指令部の出力を制御される位相
角とする。上式を用いて、制御を行う場合に、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。

このようにすることにより、系統側の事故の影響をうけ
ることなく、回転子巻線を励磁でき、このため、端子電
圧の変動を抑制でき、その上、定常時のＡＦＣ（自動周
波数制御）、ＡＱＲ（自動無効電力制御）等の運転に関
しては、高速に応動できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、可変速揚水発電システムにおいて、系
統事故時の端子電圧の変動を抑制できるため、実用上の
効果は極めて大きい。

更に、電力の変動分を補給又は消費するため。

昼間は発電、夜間は揚水として運転する揚水発電システ
ムにおいては、系統より要求される種々の電力に対して
、効率よく運転できるため、経済的効果も大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による可変速揚水発電システムの一実施
例を示す図、第２図は従来の定電流制御系の概要を示す
図、第３図は本発明を適用する可変速揚水発電システム
の制御概要を示す図、第４図は可変速揚水発電システム
の原理概要を示す図、第５図は本発明の概要を示す図、
第６図は磁束鎖交数の測定法を示す図、第７図は出力と
効率の関係を示す図である。 Ｅｘ・・・励磁装置、Ｇ１・・・可変速発電システム、
Ｌ・・・送電線、Ｓ・・・系統、Ｃ・・・制御指令部、
Ｔ・・・操作端、１・・・固定子、２・・・回転子、３
・・・すべり検出部。 ４・・・電圧発生部、５８〜５ｃ・・・固定子のａ、ｂ
。 Ｃ相巻線、６ａ〜６Ｃ・・・回転子のａ、ｂ、Ｃ相巻線
、７・・・回転数測定部、１１・・・速度発電機、１２
・・・水車部、１３・・・弁開度、１４・・・調速機の
弁開度設定器、１５・・・指令値算出回路、１６・・・
２次巻線位相角算出部、１７・・・２次巻線励磁量設定
部、１８・・・励磁量調整部、１９・・・電流変成器、
２０・・・電圧変成器、２１・・・有効電力算出部、２
２ａ〜２２ｃ・・・２次励磁のａ、ｂ、Ｃ相巻線、Ｐｏ
・・・出力指令値、Ｎｏ・・・速度指令値、Ｎ・・・速
度、２３ａ〜２３ｃ・・・定電流制御部、２４ａ〜２４
０・・・電流変成器、２５ａ〜２５ｃ・・・定電流制御
部のゲイン２６ａ〜２６ｃ・・・比較部、２７・・・電
圧変成器、２８・・・電流変成器、ＳＴ・・・固定子、
Ｒｏ・・・回転子Ｋ・・・ゲイン、ＳＣ・・・サーチコ
イル、ＩＣ・・・積分回路、’ｌ”ａｔ・・・電機子巻
線と回転子巻線間の共通磁束２９ａ〜２９ｃ・・・比較
部、Ｅｃ・・・励磁制御部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流励磁の多相界磁巻線を有する同期機を任意の回
   転数で運転する可変速揚水発電システムにおいて、前記
   巻線の磁束鎖交数を検出し、該磁束鎖交数と基準値とを
   比較して励磁電圧を求め、該電圧に応じて当該同期機の
   励磁を行うことを特徴とする可変速揚水発電システムの
   制御装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記磁束鎖交数は
   、回転子表面に設けられたサーチコイルと誘起される電
   圧を積分することにより検出することを特徴とした可変
   速揚水発電システムの制御装置。