WO2017109921A1 - 可変速揚水発電装置 - Google Patents

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吉田　正博
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日立三菱水力株式会社
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    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to a variable speed pumped storage power generator, and in particular, performs speed control on the pump turbine side in a power generation mode, and does not deviate from a predetermined variable speed range, and the output power monotonously follows and stabilizes according to a power output command.
  • the present invention relates to a variable speed pumped-storage power generation apparatus that enables continued operation.
  • the pump turbine is responsible for the rotational speed control according to the power and head
  • the generator motor is responsible for the power control that directly follows the generated power output command from the outside.
  • speed control depends on the pump turbine side flow rate control that is slow in response, so speed fluctuation and overshoot are inevitable. Therefore, in the conventional variable speed pumped storage power generator, when the slip frequency approaches the limit of the variable speed speed range, the power generation output correction command defined according to the rotational speed or the slip frequency is added to the generated power output command to adjust the variable speed speed. Protection controls, such as methods to prevent exceeding the range limits, are applied.
  • Patent Document 1 A method for adding the power generation output correction command to prevent the variable speed range limit from being exceeded is described in Patent Document 1 below.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of the variable speed pumped storage power generator described in Patent Document 1.
  • 1 is a generator motor.
  • the generator motor 1 is driven to rotate by a pump turbine 2 directly connected to the rotor, and the generator motor 1 is rotated by a secondary excitation control device 3 having a frequency converter in the secondary winding 1b of the generator motor 1.
  • An AC exciting current adjusted to a predetermined frequency according to the speed N is supplied, and variable speed operation is performed so that AC power having a frequency equal to that of the AC system 4 is output from the primary winding 1a of the generator motor 1.
  • the turbine characteristic function generator 5 receives a power generation output command Po and a water level detection signal H given from the outside, and generates an optimum rotation speed command Na and an optimum guide blade opening degree Ya for operating at the highest efficiency.
  • Reference numeral 16 denotes a rotation speed control device.
  • the rotation speed control device 16 compares the optimum rotation speed command Na with the actual rotation speed N detected by the rotation speed detector 6 and outputs a guide blade opening correction signal ⁇ Y.
  • the optimum guide blade opening degree Ya from the water turbine characteristic generating function generator 5 is urged by the adder 21 together with the guide blade opening correction signal ⁇ Y and inputted to the guide blade driving device 10, and the guide blade driving device 10 is guided to the guide blade. 11 is controlled.
  • the slip phase detector 7 detects a slip phase Sp that is equal to the difference between the secondary side rotational phase of the generator motor 1 expressed in terms of the electrical phase and the potential phase of the AC system 4. This Sp is input to the secondary excitation control device 3. Further, the rotational speed N detected by the rotational speed detector 6 is input to the power generation output command correction device 25A.
  • the power generation output command correction device 25A When the rotational speed N is between the set values Nklg and Nkug, the power generation output command correction device 25A maintains its output signal at zero, and when the rotational speed N becomes lower than the set value Nklg, the output signal is reduced. On the other hand, when the rotational speed N becomes higher than the set value Nkug, the output signal is increased in proportion to the increase of the rotational speed N.
  • This operation is called speed protection control.
  • the output signal of the power generation output command correction device 25A is input to a transient characteristic adjustment unit 25B that adjusts the response and stability of the speed protection control system that is performed via the secondary excitation control device 3.
  • FIG. 3 shows a first-order lag element as an example of the transient characteristic adjustment unit 25B.
  • S represents a Laplace operator.
  • Reference numeral 26 denotes an adder that generates the generator motor output command Pg by adding the output ⁇ P1 of the transient characteristic adjusting unit 25B and the power generation output command Po given
  • the generator motor output command Pg and the slip phase Sp of the slip phase detector 7 are input to the secondary excitation control device 3.
  • the secondary excitation control device 3 supplies AC excitation to the secondary winding 1b of the generator motor 1 so that the output detection signal P of the generator motor 1 detected by the active power detector 9 is equal to the generator motor output command Pg. Control the current.
  • variable speed pumped storage power generator described in Patent Document 1 having such a configuration, it is possible to greatly reduce the overshoot in the reverse direction of the transient rotational speed with respect to the sudden increase / decrease of the power generation output command Po. .
  • the output signal of the power generation output command correcting device is in the opposite direction to the increase / decrease of the power generation output command Po, the output of the power generation output command correcting device is in response to the change in the power generation output command Po during the speed protection control operation.
  • the problem of sudden changes in the opposite direction and disturbances to the power system side could occur frequently, especially during low heads and simultaneous operation of multiple units.
  • the control circuit in the rotational speed control device that outputs the guide vane opening correction signal ⁇ Y by comparing the deviation between the rotational speed N and the optimum rotational speed command Na according to the change in the power generation output command Po has normal PID control.
  • the power generation output command Po continues to increase or decrease in the integral control element of the I element, the speed deviation decrease or increase command is accumulated, and the change in the power generation output command Po decreases or Even after reaching zero, the guide blade opening correction signal ⁇ Y is continuously output.
  • the guide blade opening Y is controlled to be too small or too large with respect to the optimum guide blade opening Ya, an overshoot occurs in the rotational speed N, and there is a possibility that the variable speed speed range limit is approached.
  • the power generation output suddenly changed due to the speed protection control.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a variable speed pumped storage power generation device capable of preventing disturbance to the power system side.
  • the present invention provides a variable-speed generator-motor that includes a frequency converter and whose primary side is synchronously connected to a commercial power system even though the rotor rotates at a variable speed.
  • a pump turbine is directly connected to the rotor of the variable speed generator motor and is driven in the power generation mode and driven in the pumping mode. In the power generation mode, the rotational speed of the rotor and the rotational speed command are provided.
  • the speed control command calculated by the rotational speed control device equipped with the proportional control element, integral control element and differential control element is given to the pump turbine side which is the prime mover to perform speed control, while the power output command is variable speed
  • a variable-speed pumped-storage power generator for controlling electric power by giving to a generator motor, wherein a difference between a commercial power system frequency and a frequency corresponding to a rotation speed of the rotor in the power generation mode.
  • a limit is applied by multiplying the maximum change rate of the power output command by a value in the range of 1 to zero according to the deviation amount of the slip frequency from the normal operation range, and the slip frequency is In a range below the predetermined value from the lower limit value and a range above the predetermined value from the upper limit value, the maximum change rate of the power output command is multiplied by zero to perform control.
  • variable speed pumped storage power generator according to the present invention has an effect of preventing the generation output from disturbing the power system.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a variable speed pumped storage power generator according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the rotation speed control device.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a conventional variable speed pumped storage power generation apparatus.
  • variable speed pumped storage power generator according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a variable speed pumped storage power generator according to the present invention.
  • the same reference numerals as those in FIG. 3 used for explaining the conventional example indicate the same or corresponding parts.
  • the description of the parts denoted by the same reference numerals as those in FIG. 3 is omitted.
  • the variable speed pumped storage power generation apparatus 100 shown in FIG. 1 replaces the rotation speed control device 16 of the variable speed pumped storage power generation apparatus shown in FIG. 3 with a rotation speed control device 161, and further generates a generator motor output command Pg.
  • the power generation output command correction device 25A, the transient characteristic adjustment unit 25B, and the adder 26 are converted into a converter 30, a power output command value change rate limiter 31, a multiplier 32, a subtractor 33, a positive / negative sign determiner 34, a multiplier 35, and
  • the configuration is replaced with an integrator 36.
  • the output f N of the converter 30 that calculates the synchronous frequency equivalent of the generator motor 1 that is a variable speed generator motor from the actual rotation speed N detected by the rotation speed detector 6 and the AC system 4 is input to the power output command value change rate limiter 31.
  • the power output command value change rate limiter 31 has an upper limit value ( ⁇ f 1 ) and a lower limit value ( ⁇ ) that define a difference f ⁇ f N between f N corresponding to the synchronous frequency of the generator motor 1 and the frequency f of the AC system 4. In a normal operation range that is a range between ⁇ f 2 ), 1.0 (a constant value) is output as an output signal on the assumption that no change rate limit is provided for the power output command value.
  • the power output command value change rate limiter 31 outputs an output when the difference f ⁇ f N is in the range between the upper limit values ⁇ f 1 and ⁇ f 3 and in the range between the lower limit values ⁇ f 2 and ⁇ f 4. As a signal, a value between 1.0 and 0.0 proportional to the increase / decrease of the difference f ⁇ f N is output. Furthermore, when the difference f ⁇ f N exceeds ⁇ f 3 and the difference f ⁇ f N falls below ⁇ f 4 , the power output command value change rate limiter 31 outputs 0.0 (constant) as the output signal. Value).
  • each value of ⁇ f 1 , ⁇ f 3 , ⁇ f 2, and ⁇ f 4 is subjected to secondary excitation control so that the rotational speed N does not exceed the variable speed speed range limit of the variable speed pumped storage power generation apparatus 100. It is assumed that ⁇ f 1 ⁇ f 3 and ⁇ f 4 ⁇ f 2 within the limit generation frequency range of the device 3.
  • the multiplier 32 multiplies the output of the power output command value change rate limiter 31 by the maximum change rate PR of the power output command and outputs a power output command value change rate.
  • the subtracter 33 subtracts the generator motor output command Pg from the power generation output command Po given from the outside, and outputs the required change amount Po-Pg of the generator motor output command.
  • the positive / negative sign determiner 34 receives the required change amount Po-Pg of the generator motor output command, which is the output of the subtractor 33, and outputs 1.0 or -1.0 depending on the positive / negative of Po-Pg.
  • the positive / negative sign determiner 34 may be provided with a dead zone that outputs 0.0 when the value of Po ⁇ Pg is close to zero or less than a predetermined positive / negative value.
  • the multiplier 35 multiplies the power output command value change rate, which is the output of the multiplier 32, by the positive / negative sign determination value of the required change amount of the generator motor output command, which is the output of the positive / negative sign determiner 34. An increase / decrease rate is generated and output.
  • the integrator 36 integrates the power output command value increase / decrease change rate which is the output of the multiplier 35 to generate a generator motor output command Pg and outputs it.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the rotation speed control device 161.
  • the rotation speed control device 161 includes a subtracter 40, multipliers 41 and 42, an integration control element 43, a differentiation control element 44, an adder 47, upper limit value limiting functions 60 and 61, a multiplier 62, and lower limit value limiting functions 70 and 71.
  • a multiplier 72 is provided.
  • the integration control element 43 includes a subtractor 48, an integration control function 49, a minimum value selection function 51, and a maximum value selection function 52.
  • the differentiation control element 44 includes an incomplete differentiation function 45 and a multiplier 46.
  • the subtracter 40 receives the optimum rotational speed command Na output from the water turbine characteristic function generator 5 and the actual rotational speed N of the generator motor rotor detected by the rotational speed detector 6, and from the optimum rotational speed command Na.
  • the rotational speed N is subtracted and the rotational speed command deviation Na-N of the generator motor rotor is output.
  • the multiplier 41 multiplies the rotational speed deviation Na ⁇ N of the generator motor rotor, which is the output of the subtractor 40, by the inverse of the synchronous rotational speed N0 of the generator motor rotor with respect to the rated frequency of the AC system 4, and Output dimensionless rotation speed deviation value (Na-N) / N0.
  • the multiplier 42 is a proportional control function of the proportional control element of the rotational speed control device 161, and outputs a signal obtained by multiplying the dimensionless rotational speed deviation value (Na ⁇ N) / N0 of the generator motor rotor by the proportional gain Kp. To do.
  • the subtractor 48 subtracts the output value of the subtractor 50 from the dimensionless rotational speed deviation value (Na ⁇ N) / N0 of the generator motor rotor,
  • An integration control function 49 multiplies the output value of the subtracter 48 by an integration gain Ki and integrates the output value.
  • the minimum value selection function 51 compares the output value of the integral control function 49 with the output value of the multiplier 62 and outputs the minimum value side as the limit value of the upper limit value of the integral control element output runaway prevention circuit.
  • the maximum value selection function 52 compares the output value of the minimum value selection function 51 with the output value of the multiplier 72 and outputs the maximum value side as the limit value of the lower limit value of the integral control element output runaway prevention circuit.
  • the differential control element 44 is a differential control element of the rotational speed control device 161, and multiplies the output value of the incomplete differential function 45 into which the dimensionless rotational speed deviation value (Na ⁇ N) / N 0 of the generator motor rotor is input by the multiplier 46.
  • the value multiplied by the differential gain Kd is output.
  • the adder 47 adds the output value of the multiplier 42, the output value of the integration control element 43, and the output value of the differentiation control element 44, and the addition result is a guide vane opening correction signal ⁇ Y that is the output of the rotation speed control device 161. Output as.
  • the subtracter 50 in the integration control element 43 subtracts the output value of the maximum value selection function 52 from the output value of the integration control function 49 and outputs the subtraction result to the subtracter 48.
  • the upper limit value limiting function 60 is an example of an upper limit value limiting function determined in correspondence with the optimum guide blade opening degree Ya of the conventional integral control element output runaway prevention circuit. From 1.0 to 1.0, a value from 1.0 to 0.0 is output.
  • the upper limit value limiting function 61 is an example of an upper limit value limiting function determined in correspondence with the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 that is the output of the multiplier 41.
  • the upper limit value limiting function 61 generates a positive guide blade opening correction signal ⁇ Y output value based on the output of the accumulated amount in the integral control element of the rotational speed control device 161 in a state where the rotational speed N exceeds the optimum rotational speed command Na.
  • the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 is 0.0 or less
  • the value b is output, and the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 is changed from 0.0 to n.
  • the value from b to 1.0 is proportionally outputted, and when the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 is n 3 or more, 1.0 is outputted.
  • the output value b when the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 is 0 or less is selected within the range of 0.01 to 0.5.
  • the multiplier 62 outputs an upper limit for the output value from the upper limit value limiting function 60 and the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 determined in correspondence with the optimum guide blade opening degree Ya of the integral control element output runaway prevention circuit.
  • the output value from the value limiting function 61 is multiplied and output.
  • the lower limit value limiting function 70 is an example of a lower limit value limiting function determined in correspondence with the optimum guide blade opening degree Ya of the conventional integral control element output runaway prevention circuit. From 1.0 to 1.0, a value from 0.0 to -1.0 is output.
  • the lower limit value limiting function 71 is an example of a lower limit value limiting function defined corresponding to the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 that is the output of the multiplier 41.
  • This lower limit value limiting function 71 is an integral control of the rotational speed control device 161 within a range where the rotational speed N is less than the optimal rotational speed command Na or within a certain range close to zero even when the rotational speed N exceeds the optimal rotational speed command Na.
  • the value a is set when the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 is ⁇ n 2 or more.
  • the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 When the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 is in the range of ⁇ n 2 to ⁇ n 1 , a value from a to 1.0 is proportionally output, and the dimensionless rotational speed deviation ( When Na ⁇ N) / N0 is ⁇ n 1 or less, 1.0 is output.
  • the output value a when the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0 is 0 or less is selected within the range of 0.01 to 0.5. Since the optimum rotational speed command range of the power generation mode of the variable speed pump turbine is often limited to the lower part of the variable speed range, the dimensionless rotational speed deviations ⁇ n 1 and ⁇ n 2 are (Na ⁇ N0). ) / N0 ⁇ n 1 ⁇ n 2 ⁇ 0.0.
  • the multiplier 72 outputs a lower limit for the output value from the lower limit value limiting function 70 determined corresponding to the optimum guide blade opening degree Ya of the integral control element output runaway prevention circuit and the dimensionless rotational speed deviation (Na ⁇ N) / N0.
  • the output value from the value limiting function 71 is multiplied and output.
  • variable speed pumped storage power generation apparatus 100 sets the maximum change rate of the power output command to a constant value of 1.0 when the slip frequency is within the normal operation range, and the slip frequency is set to the normal operation. If the lower limit value of the range is below a specified value or if the slip frequency exceeds the upper limit value of the normal operating range, the maximum change rate of the power output command is set to a constant value of 0, and the slip frequency is within the normal operating range.
  • the power output command value change rate limiter 31 is provided to apply a limit by multiplying the maximum change rate of the power output command by a value in the range of 1 to 0 according to the deviation amount fromThereby, it is possible to prevent the power generation output from changing suddenly. That is, it is possible to realize a variable speed pumped storage power generator that can prevent disturbance on the power system side.

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Abstract

本発明は、周波数変換器を備えロータが可変速度で回転するにもかかわらず１次側は商用電力系統に同期接続される可変速発電電動機、可変速発電電動機のロータに直結され発電モードにあってはこれを駆動し揚水モードにあってはこれに駆動されるポンプ水車を備えた可変速揚水発電装置であって、すべり周波数が通常運転範囲内にある場合は電力出力指令の最大変化レートを一定とし、すべり周波数が通常運転範囲の下限値から所定値以内下回る範囲内および通常運転範囲の上限値から所定値以内上回る範囲内においては電力出力指令の最大変化レートに１からゼロの範囲の値を乗じ、すべり周波数が下限値から所定値以上下回る範囲および上限値から所定値以上上回る範囲においては電力出力指令の最大変化レートにゼロを乗じて制限を加える。

Description

可変速揚水発電装置
　本発明は、可変速揚水発電装置に係り、特に発電モードにおいてポンプ水車側で速度制御を行ない、所定の可変速速度範囲を逸脱することなく、かつ電力出力指令に従い出力電力が単調に追従し安定した運転を継続可能にする可変速揚水発電装置に関するものである。
　可変速揚水発電装置の発電モードに対して、ポンプ水車側で電力や落差に応じた回転速度制御を担当し、発電電動機側で外部からの発電電力出力指令に電力を直接追従させる電力制御を担当させる方式においては、急速でかつ発電電力出力指令に近い電力応答が得られる反面、速度制御が応答の遅いポンプ水車側流量制御に依存するため、速度の動揺やオーバーシュートが避けられない。そのため、従来の可変速揚水発電装置では、すべり周波数が可変速速度範囲限界に近づいた場合には発電電力出力指令に回転速度又はすべり周波数に従い定義された発電出力修正指令を加算して可変速速度範囲限界の超過を防止する方法等の保護制御が適用されている。
　この発電出力修正指令を加算して可変速速度範囲限界の超過を防止する方法は、下記の特許文献１に記載されている。
　図３は、特許文献１に記載された可変速揚水発電装置の構成図である。図３において、１は発電電動機である。発電電動機１は、回転子に直結されたポンプ水車２によって回転駆動されると共に、発電電動機１の２次巻き線１ｂには周波数変換器を備えた２次励磁制御装置３により発電電動機１の回転速度Ｎに応じて所定の周波数に調整された交流励磁電流が供給され、発電電動機１の１次巻き線１ａから交流系統４と等しい周波数の交流電力が出力されるように可変速運転を行う。
　また、５は水車特性関数発生器である。水車特性関数発生器５は、外部から与えられる発電出力指令Ｐｏと水位検出信号Ｈを入力して、最高効率で運転するための最適回転速度指令Ｎａと最適案内羽根開度Ｙａを発生する。１６は回転速度制御装置である。回転速度制御装置１６は、最適回転速度指令Ｎａと回転速度検出器６で検出される実際の回転速度Ｎを比較して案内羽根開度補正信号ΔＹを出力する。水車特性発生関数発生器５からの最適案内羽根開度Ｙａは前記案内羽根開度補正信号ΔＹと共に加算器２１に付勢されて案内羽根駆動装置１０に入力され、案内羽根駆動装置１０が案内羽根１１を制御する。
　また、７はすべり位相検出器である。すべり位相検出器７は、前記交流系統４の電位位相と電気角であらわした前記発電電動機１の２次側回転位相の差に等しいすべり位相Ｓｐを検出する。このＳｐは２次励磁制御装置３に入力される。また、回転速度検出器６で検出された回転速度Ｎを発電出力指令修正装置２５Ａに入力する。
　発電出力指令修正装置２５Ａは、回転速度Ｎが設定値ＮklgとＮkugの間にある時はその出力信号はゼロを保ち、回転速度Ｎが設定値Ｎklgよりも低くなると出力信号を回転速度Ｎの低下に比例して減少させ、一方、回転速度Ｎが設定値Ｎkugよりも高くなると出力信号を回転速度Ｎの上昇に比例して増加させる。この動作は速度保護制御と呼ばれる。発電出力指令修正装置２５Ａの出力信号は、２次励磁制御装置３を介して行う速度保護制御系の応答性や安定性を調整する過渡特性調整部２５Ｂに入力される。図３では、過渡特性調整部２５Ｂの一例として一次遅れ要素を示している。尚、Ｓはラプラス演算子を示す。２６は過渡特性調整部２５Ｂの出力ΔＰ１と外部から与えられる発電出力指令Ｐｏを加算して発電電動機出力指令Ｐｇを作る加算器である。
　前記発電電動機出力指令Ｐｇと前記すべり位相検出器７のすべり位相Ｓｐは２次励磁制御装置３に入力される。２次励磁制御装置３は、有効電力検出器９によって検出される発電電動機１の出力検出信号Ｐが発電電動機出力指令Ｐｇに等しくなるように発電電動機１の２次巻線１ｂに供給する交流励磁電流を制御する。
　この様な構成を有する特許文献１に記載の可変速揚水発電装置によれば、発電出力指令Ｐｏの急増減に対する過渡的な回転速度の逆方向のオーバーシュートを大幅に低減させることが可能である。
特許第３１４４４５１号公報
　しかしながら、前記発電出力指令修正装置の出力信号は、発電出力指令Ｐｏの増減とは逆方向であるので、速度保護制御の動作時には発電出力指令修正装置の出力が発電出力指令Ｐｏの変化に対して逆方向に急変し、電力系統側へ擾乱を与えるという問題が、特に、低落差かつ複数台同時運転時において頻発する可能性があった。
　また、発電出力指令Ｐｏの変化に伴う回転速度Ｎと最適回転速度指令Ｎａとの偏差を比較して案内羽根開度補正信号ΔＹを出力する回転速度制御装置内の制御回路には通常ＰＩＤ制御が適用されており、Ｉ要素の積分制御要素に発電出力指令Ｐｏの増加又は減少が連続した場合には、速度偏差の減少又は増加指令が蓄積された状態となり、発電出力指令Ｐｏの変化が減少又は零となった後にも、案内羽根開度補正信号ΔＹが継続して出力される。その結果、案内羽根開度Ｙが最適案内羽根開度Ｙａに対して過小又は過大に制御されて回転速度Ｎにオーバーシュートが発生し、可変速速度範囲限界に近づく可能性があり、この場合にも速度保護制御が動作して発電出力が急変する可能性があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力系統側へ擾乱を与えるのを防止可能な可変速揚水発電装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、周波数変換器を備えロータが可変速度で回転するにもかかわらず１次側が商用電力系統に同期接続される可変速発電電動機、該可変速発電電動機のロータに直結され発電モードにあってはこれを駆動し揚水モードにあってはこれに駆動されるポンプ水車を備え、前記発電モードでは前記ロータの回転速度と回転速度指令の偏差に基づき比例制御要素、積分制御要素及び微分制御要素を備えた回転速度制御装置により算出された速度制御指令を原動機であるポンプ水車側に与えて速度制御を行う一方、電力出力指令を可変速発電電動機に与えて電力制御を行う可変速揚水発電装置であって、前記発電モードで商用電力系統周波数と前記ロータの回転速度に対応した周波数との差であるすべり周波数が通常運転範囲内にある場合は電力出力指令の最大変化レートを一定とし、前記すべり周波数が前記通常運転範囲の下限値から所定値以内下回る範囲内および前記通常運転範囲の上限値から所定値以内上回る範囲内においては前記すべり周波数の前記通常運転範囲からの逸脱量に応じて前記電力出力指令の最大変化レートに１からゼロの範囲の値を乗じて制限を加え、前記すべり周波数が前記下限値から前記所定値以上下回る範囲および前記上限値から前記所定値以上上回る範囲においては前記電力出力指令の最大変化レートにゼロを乗じて制限を加える制御を実施することを特徴とする。
　本発明にかかる可変速揚水発電装置は、発電出力が電力系統側へ擾乱を与えるのを防止できるという効果を奏する。
図１は、本発明にかかる可変速揚水発電装置の構成例を示す図である。 図２は、回転速度制御装置の構成例を示す図である。 図３は、従来の可変速揚水発電装置の構成図である。
　以下に、本発明にかかる可変速揚水発電装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
　図１は、本発明にかかる可変速揚水発電装置の構成例を示す図である。図１において、従来例を説明するのに用いた前記図３と同一符号は同一部分又は相当部分を示す。図３と同一符号が付された部分については説明を省略する。
　図１に示した可変速揚水発電装置１００は、図３に示した可変速揚水発電装置の回転速度制御装置１６を回転速度制御装置１６１に置き換え、さらに、発電電動機出力指令Ｐｇを生成するための発電出力指令修正装置２５Ａ、過渡特性調整部２５Ｂおよび加算器２６を、換算器３０、電力出力指令値変化レート制限器３１、乗算器３２、減算器３３、正負号判定器３４、乗算器３５および積分器３６に置き換えた構成となっている。
　可変速揚水発電装置１００においては、回転速度検出器６で検出される実際の回転速度Ｎから可変速発電電動機である発電電動機１の同期周波数相当を算出する換算器３０の出力ｆNと交流系統４の周波数ｆとを電力出力指令値変化レート制限器３１に入力する。電力出力指令値変化レート制限器３１は、発電電動機１の同期周波数相当のｆNと交流系統４の周波数ｆとの差ｆ－ｆNが定められた上限値（Δｆ1）と下限値（－Δｆ2）の間の範囲である通常運転範囲においては電力出力指令値に変化レート制限を設けないものとして出力信号として１．０（一定値）を出力する。また、電力出力指令値変化レート制限器３１は、差ｆ－ｆNが上限値Δｆ1からΔｆ3の間の範囲の場合及び下限値－Δｆ2から－Δｆ4の間の範囲の場合、出力信号として、差ｆ－ｆNの増減に比例した１．０から０．０の間の値を出力する。更に、電力出力指令値変化レート制限器３１は、差ｆ－ｆNがΔｆ3を上回っている場合および差ｆ－ｆNが－Δｆ4を下回っている場合、出力信号として０．０（一定値）を出力する。ここで、Δｆ1、Δｆ3、－Δｆ2および－Δｆ4の各値は、回転速度Ｎが可変速揚水発電装置１００の可変速速度範囲限界を超過することが無いように、２次励磁制御装置３の限界発生周波数範囲内で、Δｆ1＜Δｆ3、－Δｆ4＜－Δｆ2となるよう定めるものとする。
　乗算器３２は、電力出力指令値変化レート制限器３１の出力に前記電力出力指令の最大変化レートＰＲを乗じて電力出力指令値変化レートを出力する。
　減算器３３は、外部から与えられる発電出力指令Ｐｏから発電電動機出力指令Ｐｇを減算し、発電電動機出力指令の要変化量Ｐｏ－Ｐｇを出力する。
　正負号判定器３４は、上記減算器３３の出力である発電電動機出力指令の要変化量Ｐｏ－Ｐｇが入力され、Ｐｏ－Ｐｇの正負に応じて１．０又は－１．０を出力する。尚、正負号判定器３４は、Ｐｏ－Ｐｇの値の零近傍で正負の所定値以下に対して０．０を出力する不感帯を設けても構わない。
　乗算器３５は、上記乗算器３２の出力である電力出力指令値変化レートに前記正負号判定器３４の出力である発電電動機出力指令の要変化量の正負号判定値を乗じて電力出力指令値増減変化レートを生成し、これを出力する。
　積分器３６は、前記乗算器３５の出力である電力出力指令値増減変化レートを積分して発電電動機出力指令Ｐｇを生成し、これを出力する。
　図２は、回転速度制御装置１６１の構成例を示す図である。
　回転速度制御装置１６１は、減算器４０、乗算器４１，４２、積分制御要素４３、微分制御要素４４、加算器４７、上限値制限関数６０，６１、乗算器６２、下限値制限関数７０，７１、乗算器７２を備える。また、積分制御要素４３は、減算器４８、積分制御関数４９、最小値選択関数５１および最大値選択関数５２を備える。微分制御要素４４は、不完全微分関数４５および乗算器４６を備える。
　減算器４０には、水車特性関数発生器５から出力された最適回転速度指令Ｎａおよび回転速度検出器６で検出された実際の発電電動機ロータの回転速度Ｎが入力され、最適回転速度指令Ｎａから回転速度Ｎを減算し、発電電動機ロータの回転速度指令偏差Ｎａ－Ｎを出力する。
　乗算器４１は、減算器４０の出力である発電電動機ロータの回転速度偏差Ｎａ－Ｎに、交流系統４の定格周波数に対する発電電動機ロータの同期回転速度Ｎ０の逆数を乗算して、発電電動機ロータの無次元回転速度偏差値(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０を出力する。
　乗算器４２は、回転速度制御装置１６１の比例制御要素の比例制御関数であり、発電電動機ロータの無次元回転速度偏差値(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０に対して比例ゲインＫｐを乗じた信号を出力する。回転速度制御装置１６１の積分制御要素である積分制御要素４３では、減算器４８が、発電電動機ロータの無次元回転速度偏差値(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０から減算器５０の出力値を減算し、減算器４８の出力値に対して積分制御関数４９が積分ゲインＫｉを乗じて積分する。更に、最小値選択関数５１が、積分制御関数４９の出力値と乗算器６２の出力値を比較し積分制御要素出力暴走防止回路の上限値の制限値として最小値側を出力する。最大値選択関数５２は、最小値選択関数５１の出力値と乗算器７２の出力値を比較し積分制御要素出力暴走防止回路の下限値の制限値として最大値側を出力する。微分制御要素４４は、回転速度制御装置１６１の微分制御要素であり、発電電動機ロータの無次元回転速度偏差値(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０を入力した不完全微分関数４５の出力値に乗算器４６で微分ゲインＫｄを乗じた値を出力する。加算器４７は、乗算器４２の出力値、積分制御要素４３の出力値及び微分制御要素４４の出力値を加算し、加算結果を回転速度制御装置１６１の出力である案内羽根開度補正信号ΔＹとして出力する。
　尚、積分制御要素４３内の減算器５０では、積分制御関数４９の出力値から最大値選択関数５２の出力値を減算し、減算結果を減算器４８へ出力する。
　次に、本発明に係る積分制御要素の積分制御要素出力暴走防止回路の上限値制限関数及び下限値制限関数について説明する。
　上限値制限関数６０は従来の積分制御要素出力暴走防止回路の最適案内羽根開度Ｙａに対応して定められた上限値制限関数の一例であり、最適案内羽根開度Ｙａの入力値０．０から１．０に対して、１．０から０．０の値を出力する。
　上限値制限関数６１は乗算器４１の出力である無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０に対応して定められた上限値制限関数の一例である。この上限値制限関数６１は、回転速度Ｎが最適回転速度指令Ｎａを上回る状態での回転速度制御装置１６１の積分制御要素での蓄積分の出力によりプラスの案内羽根開度補正信号ΔＹ出力値を制限するために、無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０が０．０以下の場合には値ｂを出力し、無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０が０．０からｎ3の範囲の場合にはｂから１．０までの値を比例して出力し、無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０がｎ3以上の場合には１．０を出力する。ここで、無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０が０以下の場合の出力値ｂとしては、０．０１から０．５の範囲内で選定されるものとする。
　乗算器６２は、積分制御要素出力暴走防止回路の最適案内羽根開度Ｙａに対応して定められた上限値制限関数６０からの出力値と無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０に対する上限値制限関数６１からの出力値とを乗算して出力する。
　下限値制限関数７０は従来の積分制御要素出力暴走防止回路の最適案内羽根開度Ｙａに対応して定められた下限値制限関数の一例であり、最適案内羽根開度Ｙａの入力値０．０から１．０に対して、０．０から－１．０の値を出力する。
　下限値制限関数７１は乗算器４１の出力である無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０に対応して定められた下限値制限関数の一例である。この下限値制限関数７１は、回転速度Ｎが最適回転速度指令Ｎａを下回る範囲又は回転速度Ｎが最適回転速度指令Ｎａを上回る状態でも零に近い一定範囲内での回転速度制御装置１６１の積分制御要素４３での蓄積分の出力によりマイナスの案内羽根開度補正信号ΔＹ出力値を制限するために、無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０が－ｎ2以上の場合には値ａを出力し、無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０が－ｎ2から－ｎ1の範囲の場合にはａから１．０までの値を比例して出力し、無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０が－ｎ1以下の場合には１．０を出力する。ここで、無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０が０以下の場合の出力値ａとしては、０．０１から０．５の範囲内で選定されるものとする。尚、可変速ポンプ水車の発電モードの最適回転速度指令範囲は可変速範囲の下の方に限定されることが多いので、無次元回転速度偏差－ｎ1及び－ｎ2は、(Ｎａ－Ｎ０)／Ｎ０＜－ｎ1＜－ｎ2＜０．０の範囲で選定されるものとする。
　乗算器７２は、積分制御要素出力暴走防止回路の最適案内羽根開度Ｙａに対応して定められた下限値制限関数７０からの出力値と無次元回転速度偏差(Ｎａ－Ｎ)／Ｎ０に対する下限値制限関数７１からの出力値とを乗算して出力する。
　以上のように、本実施例にかかる可変速揚水発電装置１００は、すべり周波数が通常運転範囲内にある場合は電力出力指令の最大変化レートを１．０の一定値とし、すべり周波数が通常運転範囲の下限値を所定値以上下回る場合、および、すべり周波数が通常運転範囲の上限値を所定値以上上回る場合は、電力出力指令の最大変化レートを０の一定値とし、すべり周波数が通常運転範囲付近、すなわち、すべり周波数の通常運転範囲の下限からの逸脱量が所定値以内の場合、および、すべり周波数の通常運転範囲の上限からの逸脱量が所定値以内の場合、すべり周波数の通常運転範囲からの逸脱量に応じて電力出力指令の最大変化レートに１から０の範囲の値を乗じて制限を加える電力出力指令値変化レート制限器３１を備えることとした。これにより、発電出力が急変するのを防止することができる。すなわち、電力系統側へ擾乱を与えるのを防止可能な可変速揚水発電装置を実現できる。
　１　発電電動機、２　ポンプ水車、３　２次励磁制御装置、４　交流系統、５　水車特性関数発生器、６　回転速度検出器、７　すべり位相検出器、９　有効電力検出器、１０　案内羽根駆動装置、１１　案内羽根、１２　受電変圧器、１６　回転速度制御装置、２１，２６，４７　加算器、３０　換算器、３１　電力出力指令値変化レート制限器、３２，３５，４１，４２，４６，６２，７２　乗算器、３３，４０，４８，５０　減算器、３４　正負号判定器、３６　積分器、４３　積分制御要素、４４　微分制御要素、４５　不完全微分関数、４９　積分制御関数、５１　最小値選択関数、５２　最大値選択関数、６０，６１　上限値制限関数、７０，７１　下限値制限関数。

Claims (3)

  1. 　周波数変換器を備えロータが可変速度で回転するにもかかわらず１次側が商用電力系統に同期接続される可変速発電電動機、該可変速発電電動機のロータに直結され発電モードにあってはこれを駆動し揚水モードにあってはこれに駆動されるポンプ水車を備え、前記発電モードでは前記ロータの回転速度と回転速度指令の偏差に基づき比例制御要素、積分制御要素及び微分制御要素を備えた回転速度制御装置により算出された速度制御指令を原動機であるポンプ水車側に与えて速度制御を行う一方、電力出力指令を発電電動機に与えて電力制御を行う可変速揚水発電装置であって、
    　前記発電モードで商用電力系統周波数と前記ロータの回転速度に対応した周波数との差であるすべり周波数が通常運転範囲内にある場合は電力出力指令の最大変化レートを一定とし、前記すべり周波数が前記通常運転範囲の下限値から所定値以内下回る範囲内および前記通常運転範囲の上限値から所定値以内上回る範囲内においては前記すべり周波数の前記通常運転範囲からの逸脱量に応じて前記電力出力指令の最大変化レートに１からゼロの範囲の値を乗じて制限を加え、前記すべり周波数が前記下限値から前記所定値以上下回る範囲および前記上限値から前記所定値以上上回る範囲においては前記電力出力指令の最大変化レートにゼロを乗じて制限を加える制御を実施することを特徴とする可変速揚水発電装置。
  2. 　前記回転速度制御装置の積分制御要素に設けられた積分制御要素出力暴走防止回路の最適案内羽根開度に対応して定められた上限値制限関数および下限値制限関数の各々に対して、最適回転速度指令と回転速度との偏差により１以下で一定値までの範囲で変化する回転速度偏差に対応して定められた上限値制限関数又は下限値制限関数を乗じて、電力出力指令値変化レートが急減した場合に積分制御関数内蓄積分の出力による速度制御指令の出力を制限することを特徴とする請求項１に記載の可変速揚水発電装置。
  3. 　前記上限値制限関数における前記一定値を前記回転速度が前記最適回転速度指令を上回る範囲で０．０１から０．５の範囲から選択し、前記下限値制限関数における前記一定値を前記回転速度が前記最適回転速度指令を下回る範囲又は前記回転速度が前記最適回転速度指令を上回る状態でも零に近い一定範囲内で０．０１から０．５の範囲から選択することを特徴とする請求項２に記載の可変速揚水発電装置。
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