JPS6343599A - 可変速水車発電装置の制御装置 - 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〕 本発明は誘導機とその２次側に接続した２次励磁制御装
置を用いた可変速水車発電装置の制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の誘導機とその２次側に接続した２次励磁制御装置
全周いた可変速水車発電装置の制御装置として、例えば
特開昭５２−４６４２８号、特願昭５７−１８２９２０
号、特開昭５５−５６４９９号等が提案されている。

一般Ｋ、可変速水車発電装置に共通する課題は水車出力
と発１！機出力をどの様に制御して回転速度を制御する
かである。具体的には水車運転粂件を示す少なくとも外
部からの発電出力指令信号Ｐｏを含む信号から演算する
最適回転速度指令値Ｎ、と回転速度検出値Ｎを比較した
速度偏差信号（Ｎ、−Ｎ）をどの様に水車と発電機の出
力制御に用いるかが課題となる。何故ならば、水車と発
電機を機械的に接続したもので回転速度を調整する場合
、水路系の流体運動二不ルギーは機械系の口伝運動エネ
ルギーよシも小さく、発電機の損失は殆ど無視出来るの
が一般的であシ、水車出力と発電機出力の差が殆ど回転
運動エネルギーの増加減分となるからである。ここに外
部からの発電出力指令Ｐ０とは水車や発電機、周波数変
換装置などの可変速発震装置を構成する機器の電圧、電
流、周波数、位相、回転速度などの測定信号から演算さ
れる発電出力指令以外の発電出力指令を意味する。具体
的沈は中央給電指令所など発電装置の外部からの発電出
力指令を意味する。

可変速水車発電装置の制御装置で巻線型誘導機の１次側
を交流系統に接続し２次側と交流系統の間に周波数変換
器を設ける方法に関する提案として挙げた特開昭５５−
５６４９９号では駆動媒体の速度（水車であれば流水量
）、回転速度、発電機固定子出力の３種の測定信号を発
電機出力制御と水車出力制御に用いる構成を提案してい
る。しかしながら、どのように発電機出力と水車出力を
制御して回転速度を制御するのかについて具体的提案は
無い。また、外部力島らの発電出力指令Ｐａに対してど
のように発電機出力を応答させるのかについても具体的
提案は無い。

この種の可変速水車発電装置の制御装置にかかる提案と
して挙げた特開昭５２−４６４２８号、特願昭５７−１
８２９２０号では回転速度偏差信号を用すて発電機出力
の制御を行なう制御方式を提案している。これらの可変
速水車発電装置の制御装置の構成例を第５図に示す。第
５図において１はｉ４機でその回転子に直結された水車
２によって回転駆動されると共に誘導機１の２次巻線１
ｂには周波数変換器を備えた２次励磁制御装置３により
誘導機１の回転速度に応じて所定の位相に調整された交
流励磁電流が供給され、誘導機の１の１次巻線１ａから
は交流系統４と等しい周波数の交流電力が出力される様
に可変速運転が行なわれる。

５は水車特性関数発生器で、外部から与えられる発電出
力指令Ｐａ　と水位検出信号Ｈを入力して最高効率で運
転する為の最適回転速度指令Ｎ、と最適案内弁開度指令
Ｙ、を発生する。７はスリップ位相検出器で前記交流系
統４の電圧位相と電気角で表わした前記誘導機２次側回
転位相の差に等しいスリップ位相Ｓｐを検出する。８は
誘導機出力指令装置で前記水車特性関数発生器５からの
最適回転速度指令Ｎ、と回転速度、検出器６からの回転
速度検出信号Ｎを比較して誘導機出力指令ＰＧを発生す
る。この誘導機出力指令１３Ｇと前記スリップ位相検出
器７のスリップ位相旧号Ｓｐは２次励磁制御装置３に入
力され、有効電力検出器９で検出される誘導機１の出力
検出信号Ｐが誘導機出力指令ＰＧに等しくなる様に誘導
機１の２次側巻線１ｂに供給する交流励磁電流を制御す
る。具体的には特公昭５７−６０６４５号で提案されて
いる制御方法などが適用できる。１０は案内弁駆動装置
で水車特性関数発生器５からの最適案内弁開度指令Ｙ、
に応じて案内弁１工の開度を調整し、水車出力ＰＴを制
御する。この様な制御装置において、いま発電出力Ｐを
ステップ状に上昇させようとして発電出力指令Ｐｏを第
８図（ａ）に示すように変化させた場合、発電出力指令
Ｐｏのステップ状の上昇に伴って最適回転速度指令Ｎ、
と最適案内弁開度指令Ｙ、も第８図（ｂ）、　（Ｃ）に
示す如くステップ状に上昇し、案内弁１１の開度Ｙは案
内弁駆動装置工０により第８図（ｄ）に示す様に順次案
内弁開度指令Ｙ、に一致する様に制御され、この案内弁
の開度Ｙの変化′た伴って水車出力ＰＴも第８図（ｅ）
に示す様に変化して発電出力指令ＰｏＫ対応した値とな
る。一方、誘導機１の回転速度Ｎを第８図（ｆ）に示す
様に上昇させて最適回転速度指令Ｎ、に一致させるため
にはその上昇分に見合うだけの発電装置の回転系の運動
エネルギーを増加させる必要がある。この運動エネルギ
ー増加分は水車出力ＰＴを増すか発電出力Ｐを減らして
補うしか方法はない。しかし前記の如く最適案内弁開度
指令Ｙ、に応じて変化する案内弁１１の開度ＹＫよって
水車出力ＰＴは決められている為に水車出力Ｐ　Ｔは早
急には上昇しない。この為に前記運動エネルギー増加分
を発電出力Ｐを減らして回転系に供給する事になり第８
図（ωに示すように上昇させるべき発電出力Ｐが過渡的
に逆に低下してしまい電力系統の運用上問題が生じる。

この過渡的な発電出力Ｐの低下を防止する為には誘導機
出力指令装置８の内部で水車特性関数発生器５からの最
適回転速度指令Ｎ、を一次遅れ要素などの信号急変を抑
える装置に入力した上でこの装置の出力と回転速度検出
器ｉ゛からの回転速度検出信号Ｎを比較して誘導機出力
指令ＰＧを発生する方法が考えられる。この方法により
水車出力ＰＴの上昇分の一部を回転運動エネルギー上昇
分に供給し、残シを誘導機の１の出力Ｐの上昇分に憑り
分ける事が出来る。しかしながらこの方法でも水車出力
ＰＴの上昇よりも速く誘導機ｌの出力Ｐを上昇させる事
は出来ず、発電装置としての応答速度が案内弁駆動装置
１０の応答で抑えられてしまう欠点があった。この問題
は発電出力指令Ｐ。をステップ状に下げようとする場合
にも生じる。これらの問題は根本的には誘導機１の出力
のみを調整して回転速度Ｎを制御している為に生ずる問
題である。

また、基本的には発′ｒｌＬ機出力応答に対する水車の
出力応答の遅れは過渡的に回転部の運動エネルギーで吸
収させ、発電機出力を発電出力指令に応じて直接的に制
御する方式として、特願昭６０−２１０００４号が提案
されている。この制御方式を第６図によって説明する。

同図で第５図との同等物には同一符号をつけており、相
違する部分についてのみ説明する。

１５は回転速度指令演算器で外部からの発電出力指令Ｐ
ａと外部からの水位信号Ｈに応じて最適回転数指令ｌｑ
、を発生する。水位変動の少ない発′ｉＪ！装置の場合
は水位信号Ｈを入力せずに発電出力指令Ｐｏのみから最
適回転数指令Ｎ、を発生しても良い。１６は回転速度制
御装置で量適回転指令Ｎ、と回転速度検出器６で検出さ
れる回転速度信号Ｎを比較して案内弁開度指令Ｙ、を発
生する。

第７図は回転速度制御装置１６の一実施例を示す。

１７は比較器で回転速度偏差ΔＮを出力する。この回転
速度偏差ΔＮは１８の比較要素に１と１９の積分要素（
Ｋ２／Ｓ）に入力され、これらの出力は加算器２０によ
り案内弁開度指令Ｙ、として案内弁駆動装［１０に入力
される。一方、外部からの発電出力指令Ｐａは前記回転
速度指令演算器１５に入力されると共に２次励磁制御装
置３への発電出力指令として入力される。

この様に構成された本実流側の制御装置において、いま
時点１ｏで例えば発電出力Ｐをステップ状に上昇させ：
うとじて発電出力指令ＰＯを第９図（ａ）に示すように
ステップ状に上昇させると、誘導機１の発電出力Ｐは第
９図（ωに示すように発電出力Ｐｏの変化に追従して上
昇する。一方、案内弁開度指令Ｙ、は最適回転速度指令
Ｎ、が第９図（Ｃ）　Ｋ示すようにステップ状に上昇す
るために比例要素１８の出力変化によ）第９図（ｂ）の
ようにステップ状に変化する。しかしながら案内弁１１
の開度Ｙの応答は前述の発電出力指令ＰＱＫ対する誘導
機出力Ｐの応答速度よりも遅い。このため誘導機出力Ｐ
よりも水車出力ＦＴの方が小さくなり回転速度Ｎは発電
出力指令ＰＧの急窯後一時的に減ゝ迷され、その後時点
ｔ１で発電出力Ｐと水車出力ＦＴが等しくなシ回転速度
Ｎは１小となる。なお時点１１では速度偏差ΔＮは正な
ので案内弁開度指令Ｙ１は積分要素１９によシ上昇を続
ける。案内弁開度Ｙは上昇を続け、時点ｔ２で回転速度
Ｎは最適回転速度指令Ｎ、と等しく々シ、案内弁開度Ｙ
、は種火となる。その後、案内弁開度Ｙと回転速度Ｎは
減衰振動しながら回転速ＲＮは１ｋ２１１回転速度指令
Ｎ、に整定する。第９図の時点ｔ、とｔ５で水車出力Ｆ
Ｔと発電出力Ｐは等しく、時点ｔ４では回転速ｅＮと最
適回転速度指令Ｎ、が等しい。

以上よシ発電出力指令Ｐｏの変化に対して案内弁１１の
応答よシも速く発電出力Ｐを追従させ、回転速度Ｎを最
適回転速度Ｎ１に整定させる事がＩＪＴ能である。これ
は発電出力指令Ｐａ０Ｉ化に対して発電出力Ｐを追従さ
せる為に最初に回転運動エネルギーを用い、誘導機１の
出力Ｐを発電出力指令Ｐａに保つ一方で最適回転速度指
令Ｎ、に回転速度Ｎを調整するのに必要な回転運動エネ
ルギーは案内弁１１を制御して供給する事で実現したも
のである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来例では、系統から可変速揚水発電装置がし
ゃ断される。いわゆる負荷しゃ断時に無負荷有励磁運転
に移行する配慮が払われていす、２次励磁制御装置の自
励運転である無負荷有励磁運耘や発電所内の補助機器に
のみ給電する所内単独運転にｉ行しＫくい問題があった
。これらの問題は励磁制御でトルク制御しない従来の同
期機にはない問題である。

第１０図は第７図の方式で負荷しゃ断されたときの動作
乞示す。図ｃＰ　ｊ　Ｑで負荷しゃ断されると、発電出
力Ｐは零になる。このために回転速度Ｎは急上昇を始め
、回転速度制御装置１６によって案内弁１１を閉じるが
、回転速度Ｎはｔ１’ｌで上昇を続ける。・一方、出力
指令ｒｏＦｉ固定されたままであるから２次励磁制御装
置３の中の電流制御系によって出力される電流指令値は
出力を上昇させ令値と実際の電流の偏差が太きいために
電流制御系の出力指令が２次励磁制御装置３の出力電圧
最大値を越える現象が発生した。このため、正常な運転
ができずに、例えば２次励磁制御装置３に過電流が流れ
るという問題があった。

一方、第５図のように２次励磁制御装置３によって速度
制御を行なう場合、実際には発電機出力Ｐを制御できな
い状態で速度制御を行なうため、回転速度Ｎの上昇を押
えることができないという問題があった。

本発明の目的は、安定に無負荷有励磁運転や所内単独運
転に移行するための可変速水車発電装置の制御装置を提
供するにある。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 上記目的は、系統から可変速水車発電装置がしゃ断され
たことを検出する信号によって系統への出力指令を零に
切替える指令値切替装置を設けることによって達成され
る。

〔作用〕

この指令値切替装置は、系統から負荷しゃ断されると可
変速水車発電装置の出力が零にならざるを得ないので、
安定に平衡状態である無負荷有励磁運転および所内単独
運転に移行させることができる。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を図面によって説明する。

同図において第６図との同等物には同一符号を付し、こ
こでは第６図と異々る部分についてのみ説明する。

２１は指令値切替装置で１．負荷しゃ断を検出する信号
ＳＷによシ接点Ａと接点Ｂの間で接続が切替えられる。

信号ＳＷは、正常時にはレベルＯで切替装置２１の接点
人と接続された状態となっている。この間、回転速度指
令演算器１５と２次励磁制御装置３への指令信号は、外
部からの指令信号ＰＯとなる。一方、負荷しゃ断を検出
して信号ＳＷがレベル１になると、切替装置２１の接点
Ｂが接続された状態となる。この時、指令信号Ｐａは０
となる。

この構成で負荷しゃ断した時の動作を第２図に示す。図
中１０で負荷しゃ断されると発電出力Ｐは零になる。第
１０図と同じく回転速度Ｎは急上昇をはじめる。時間ｔ
３で負荷しゃ断されると、出力指令Ｐｏは指令値切替装
置２１が動作して零になる。これに伴い、２次励磁装置
３の内部の電流制御回路によ多出力される電流指令値は
出力を上昇させる方向に変化していたものが、今度は出
力を零にする方向に変化し、時間ｔ４で定常運転に整定
し、安定に無負荷有励磁運転もしくは所内単独運転に拶
ることができる。この実施例によれば無負荷有励磁運転
時の回転速度は出力指令Ｐ。

が零のときの回転速度指令値となる。この値は２次励磁
制御装置３の仕様で定まる最低回転速度となり１通常の
運転時の値よりも低い。これＫより誘導機１の機誠損を
減らし水車２の水量を低減する効果がある。

第３図は本発明の他の実施例を示している。

２２は指令値切替装置を示しており、本実施例では有効
電力出力指令Ｐｏの他に無効電力指令Ｑ。

も切替える構成としている。すなわち、この実施例では
２次励磁制御装置２３は系統への有効電力出力Ｐと無効
電力出力Ｑの検出器２４かもの検出値が指令値ＰＧ、Ｑ
Ｇに等しくなるよう忙制御するように構成している。指
令値切替装置２２は信号ＳＷがレベルＩＫ″なると、接
点Ａｒ　＊　Ａｘからそれぞれ接点Ｂ１．Ｂｚに切替わ
シ、指令Ｐ（１゜ＱｏはいずれもＯになる。

この実施例゛によれば、可変速水車発電装置によシ無効
電力制御している場合も安定に無負荷有励磁運転もしく
は所内単独運転に移ることができる。

第４図は池の実施例を示しており、電磁コイル２５は回
転速度検出器６の検出値Ｎの変化率（ｄＮ／ｄｔ）が設
定値以上のときに励磁される。また電磁コイル２７は限
時スイッチ２６が閉じると励磁されて手動復帰スイッチ
２８が閉路され、信号ＳＷがレベル０からレベル１に変
化する。一般に、負荷しゃ断を検出するためには、発電
所が接続される系統のしゃ断器の動作状態を発電所へ送
信するが、本実施例は、その送信信号ではなく、負荷し
ゃ断時に速度が急上昇することを利用して、これを回転
速度検出器６から得るようにしたため、外部からの信号
が無くても負荷しゃ断信号ＳＷを得る効果がある。勿論
、外部からの信号と第３図の実施例の出力の論理和を用
いることもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、指令値切替装置を設け、
この指令値切替装置によって、系統から可変速水車発電
装置がしゃ断された時に、系統への出力指令を零に切替
えることにより安定に無負荷有励磁運転および所内単独
運転に移行することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一％、流側による可変速水車発電装置
の制御装置のブロック図、第２図は第１図の動作特注図
、第３図および第４図は本発明のそれぞれ異なる他の実
施例による可変速水車発電装置の１１川御装置のブロッ
ク図および要部回路図、第５図、第６図および第７図は
従来の制御装置のブロック図、第８図、第９図および第
１０図は上記従来例だおける各動作特性図である。 １・・・誘導機、２・・・水車、３・・・２次励磁制御
装置。 ４・・・交流系統、６・・・回転速度検出器、１０・・
・案内弁駆動装置、１１・・・案内弁、１５・・・回転
速度指令演算器、１６・・・回転速度制御装置、２１・
・・指令切替器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流系統に１次側が接続された誘導機と、この誘導
   機の１次側と２次側の間に接続されて系統への有効電力
   出力指令を少なくとも含む外部からの出力指令信号に応
   じて前記交流系統と同一周波数の交流電力を前記誘導機
   に発生させる２次励磁制御装置と、前記誘導機を回転駆
   動する水車と、この水車に供給される水量を調整する案
   内弁と、この案内弁の開度を案内弁開度指令信号に応じ
   て制御する案内弁駆動装置と、前記誘導機の回転速度を
   検出する回転速度検出器と、外部からの有効電力出力指
   令信号を少なくとも含む水車運転条件を示す出力指令信
   号を入力して最適回転速度指令を演算する回転速度指令
   演算器と、この最適回転速度指令信号と前記回転速度検
   出器の回転速度検出信号を比較して前記案内弁駆動装置
   への案内弁開度指令信号を制御する回転速度制御装置と
   から成る可変速水車発電装置の制御装置において、前記
   交流系統から前記可変速水車発電装置がしや断されたこ
   とを検出する信号によつて、少なくとも前記有効電力出
   力指令を含む交流系統への出力指令を零に切替える指令
   値切替装置を設けたことを特徴とする可変速水車発電装
   置の制御装置。 ２、上記特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、前
   記交流系統から前記可変速水車発電装置がしや断された
   ことを検出する信号は、前記回転速度検出信号の上昇率
   が設定値を越えたとき動作する切替器を用いて得たこと
   を特徴とする可変速水車発電装置の制御装置。