WO2023053230A1

WO2023053230A1 - 発電装置

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Publication number: WO2023053230A1
Application number: PCT/JP2021/035728
Authority: WO
Inventors: 正博吉田
Original assignee: 日立三菱水力株式会社
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2023-04-06
Also published as: JPWO2023053230A1

Abstract

本発明にかかる発電装置は、一次励磁可変速揚水発電装置又は一次励磁可変速発電装置であって、部分負荷から最大出力に向かっての負荷急増時における回転速度の最大出力に対する回転速度指令値に対する低下率の増大によるポンプ水車又は水車の出力が、案内羽根開度が全開近傍において電力出力相当に対して不足し回転速度が低下する場合に、発電電動機出力指令又は発電機出力指令の増大を一定時間停止し、ポンプ水車又は水車の出力が電機側損失を含めた最大電力出力以上となるまで回転速度を増大させた後に発電電動機出力指令又は発電機出力指令の増大の停止を解除する。

Description

発電装置

　本発明は、可変速揚水発電装置又は可変速発電装置に係り、特に発電運転においてポンプ水車又は水車側で速度制御を行ない、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又は可変速発電装置として動作する発電装置に関するものである。

　可変速揚水発電装置又は可変速発電装置の発電運転に対して、ポンプ水車又は水車側で電力や落差に応じた回転速度制御を担当し、発電電動機又は発電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、可変速幅が通常１０％程度未満である二次励磁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、更にすべり周波数が通常運転範囲内にある場合は発電電動機出力指令又は発電機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発電電動機出力指令又は発電機出力指令の最大変化レートに１．０から０．０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発電電動機出力指令又は発電機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及び回転速度と最適回転速度指令との差の“０．０”との大小により案内羽根開度の最適案内羽根開度指令に対するオーバーシュート又はアンダーシュートを制限する制御が適用されている。

　この二次励磁可変速揚水発電装置の発電運転において、すべり周波数が通常運転範囲の上下限に近づいた場合に電力指令レートを制限する制御、及び回転速度と最適回転速度指令との差の“０．０”との大小により案内羽根開度の最適案内羽根開度指令に対するオーバーシュート又はアンダーシュートを制限する制御を適用する方法は、下記の特許文献１に記載されている。

　図４は、特許文献１に記載された二次励磁可変速揚水発電装置１００の構成図である。図４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の二次巻き線１ｂには周波数変換器を備えた二次励磁制御装置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の一次巻き線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、最適運転条件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の二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は二次励磁制御装置３に入力される。また、回転速度検出器６で検出される実際の回転速度Ｎから可変速電動発電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ｆ_N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ｆ_Nと交流系統４の周波数ｆとの差ｆ－ｆ_N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－ｆ_N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－ｆ_N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－ｆ_NがΔｆ₃を上回っている場合および差ｆ－ｆ_N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が二次励磁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、二次励磁制御装置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の出力に前記発電電動機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、前記乗算器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。

　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は二次励磁制御装置３に入力される。二次励磁制御装置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の二次巻き線１ｂに供給する交流励磁電流を制御する。

　図５は、回転速度制御装置１６の構成例を示す図である。

　回転速度制御装置１６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４８，５０、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Ｎo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)／Ｎoを出力する。

　乗算器４２は、回転速度制御装置１６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)／Ｎo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１６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)／Ｎo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１６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)／Ｎo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１６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、図５に示す積分制御要素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、二次励磁可変速揚水発電装置１００に関わ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)／Ｎo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１６の積分制御要素での蓄積分の出力による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)／Ｎo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)／Ｎo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)／Ｎo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)／Ｎoが０．０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)／Ｎo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)／Ｎo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１６の積分制御要素４３での蓄積分の出力による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)／Ｎo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)／Ｎo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)／Ｎo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)／Ｎoが－ｎ₂以上の場合の出力値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－Ｎo)／Ｎo＜－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)／Ｎo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、二次励磁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０．０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１．０から０．０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。

　このような構成を有する特許文献１に記載の二次励磁可変速揚水発電装置の制御技術を一次励磁可変速揚水発電装置又は一次励磁可変速発電装置の制御に適用することで、一次励磁可変速揚水発電装置又は一次励磁可変速発電装置の発電運転においても発電出力指令Ｐoの急増減に対する過渡的な回転速度の最適回転速度指令からの過大なオーバーシュート及びアンダーシュートを大幅に低減させることが可能である。尚、特許文献２は特許文献１のＵＳ出願特許であり、特許文献３は特許文献１のＥＰ出願特許である。特許文献４は二次励磁可変速揚水発電装置の可変速幅逸脱防止制御としての同期運転に関する文献である。

特許第６４４６５６９号公報米国特許第１０３２６３９３号明細書欧州特許第３３９６８４７号明細書特開平８－３１７６９７号公報

　しかしながら、二次励磁可変速揚水発電装置の可変速範囲は系統周波数に対応した定格回転速度に対して高々±１０％程度以下であり、発電電動機出力指令又は発電機出力指令の最大変化レートＰＲを大きくし系統電力需要変化への対応速度を早くしようとしても、水路系の発電出力変化に対応した流量変化時定数は一定であるため、回転速度変化による回転体の慣性エネルギの出し入れにより発電電動機出力指令又は発電機出力指令に追従するので、電力出力指令値変化レート制限器３１内の周波数差ｆ－ｆ_Nが上限側ｆ₁を上廻る回転速度の過剰低下又は、下限側－ｆ₂を下廻る様な回転速度の過剰増大に繰り返し至り、乗算器３２の電力出力指令値変化レート出力値が１．０から０．０の間で変化することになる。この結果、図６に示す二次励磁可変速揚水発電装置での発電出力（電力出力）０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．までの発電出力急増大の解析例に示される様に、発電出力増大途上の電力出力が約０．８８ｐｕ．以上において回転速度の低下による周波数差ｆ－ｆ_Nの過剰増大により発電電動機出力指令又は発電機出力指令の増大率が制限され、それに従い電力出力の増大も緩やかになっている。この効果により、発電電動機出力指令又は発電機出力指令の増大に単調に従い発電出力を増大させながら回転速度の過剰低下による可変速幅逸脱が防止出来ている。

　一方、図６の解析例と同一発電所に対して、系統周波数に対応した定格回転速度に対して－１００％付近から＋１０％程度以下の範囲の可変速幅を有する一次励磁可変速揚水発電装置を適用し、電力出力指令値変化レート制限器３１内の周波数差ｆ－ｆ_Nの設定値ｆ₁を一次励磁可変速揚水発電装置の可変速幅に従い系統周波数の６０％以上に大きくした場合についての解析結果例を図７に示す。図７では、電力出力指令と電力出力は完全に一致するので電力出力指令は表示していないが、回転速度は徐々に低下しているが発電出力０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．まで直線的に増大している。しかし、電力出力が１．０ｐｕ．に到達直後での水車出力の最大値は最大電力出力比で１．００６ｐｕ．と発電電動機及び周波数変換器他の電気側機器の損失分約０．０３ｐｕ．を賄えず不足しているため、その後更なる回転速度の低下が続くことでポンプ水車側の運転効率の低下による水車出力の減少を招き、大幅な回転速度の低下によるポンプ水車の大幅な出力不足で一層の回転速度の低下とポンプ水車の出力不足が発生し安定な発電運転が継続出来ない状況となる可能性がある。

　ここで図５及び図６で発電出力０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．まで発電出力を急増大させた解析としているのは、発電出力０．８ｐｕ．付近から１．０ｐｕ．まで発電出力を急増大させた場合での回転速度低下量が他の発電出力変化に比べて大きく最大であることによる。

　図７に示す解析例における電力出力が１．０ｐｕ．に到達後での回転速度低下を防止する手段の一例としては案内羽根の全開開度を増大させる方法が有る。図８は、図７に示す解析例と同一発電所で最大案内羽根開度を約７％大きくした場合での一次励磁可変速揚水発電装置において、電力出力指令の最大変化レートＰＲとして１．０ｐｕ．／６０秒で発電出力０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．まで急増大する場合の解析結果例である。図８に示した解析例では、電力出力が１．０ｐｕ．に到達直後での水車出力は電力出力より０．０３ｐｕ．以上大きく回転速度も電力出力１．０ｐｕ．での最適回転速度指令Ｎaである約０．９８ｐｕ．付近に増大している。しかし、本例では、図７に示した解析例での電力出力が１．０ｐｕ．に到達直後に負荷遮断した場合の図９に示す到達最大回転速度１．３２５ｐｕ．に対し、図８に示した解析例での電力出力が１．０ｐｕ．に到達直後に負荷遮断した場合の図１０に示す到達最大回転速度１．３４３ｐｕ．であり、到達最大回転速度が０．０１８ｐｕ．増大している。また、図８に示した解析例では図７に示した解析例に対して最大案内羽根開度を約７％大きくしており、無拘束速度も相応に大きくなるので発電電動機又は発電機ロータ強度への負荷が大きくなる。従って、図８に示した解析例では、既存の定速揚水発電装置又は定速発電装置の発電電動機又は発電機はそのままで一次側ステータに発生する励磁電力を周波数変換器を介して商用電力系統の所定周波数に変換するように改造した一次励磁可変速揚水発電装置又は一次励磁可変速発電装置では、発電電動機又は発電機ロータ強度の問題も含め最大案内羽根開度を大きくすることが困難となる可能性があり、このような場合では適用不可となる。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特許文献４に示される同期運転移行による保護制御が適用不可である一次励磁可変速揚水発電装置又は一次励磁可変速発電装置の広い可変速幅を有効に利用し、発電電動機出力指令又は発電機出力指令の最大変化レートＰＲに大きな値を適用しても無負荷から最大出力までの範囲内での電力出力指令の急増減に単調に追従可能な発電装置を得ることを目的とする。また、本発明は、二次励磁可変速揚水発電装置又は二次励磁可変速発電装置の可変速幅逸脱防止制御である同期運転移行の代用として適用することも可能である。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、二次側の直流励磁された突極形ロータが可変速度で回転し、一次側ステータが商用電力系統に周波数変換器を介して接続された可変速発電電動機又は可変速発電機と、該可変速発電電動機又は可変速発電機のロータに直結され発電運転にあってはこれを駆動し揚水運転にあってはこれに駆動されるポンプ水車とを備え、前記発電運転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又は可変速発電機に与えて電力制御を行う発電装置であって、前記可変速発電電動機又は可変速発電機を可変速運転し発電所での全落差での部分負荷から最大出力に向かっての負荷急増時における回転速度の最大出力に対する回転速度指令値に対する低下率の増大によるポンプ水車又は水車出力が、案内羽根開度が全開近傍において電力出力相当に対して不足し回転速度が低下する場合に、発電電動機出力指令の増大を一定時間停止し、ポンプ水車又は水車の出力が電機側損失を含めた最大電力出力以上となるまで回転速度を増大させた後に発電電動機出力指令の増大の停止を解除することを特徴とする。

　本発明にかかる発電装置は、発電電動機出力指令又は発電機出力指令の最大変化レートＰＲに大きな値を適用しても無負荷から最大出力までの範囲内での電力出力指令の急増減に追従可能な一次励磁可変速揚水発電装置および一次励磁可変速発電装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかる一次励磁可変速揚水発電装置の構成例を示す図である。図２は、一次励磁可変速揚水発電装置の電力出力指令制限関数の構成例を示す図である。図３は、図７に示す解析例と同一発電所に一次励磁可変速揚水発電装置を適用し、発電電動機出力指令の最大変化レートＰＲとして１．０ｐｕ．／６０秒で発電出力を０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．まで急増大させた場合に、案内羽根開度が０．９８ｐｕ．以上で回転速度が減速している場合には発電電動機出力指令Ｐgの増大を１５秒間停止し、回転速度を水車出力が電機側損失を含めた最大電力出力以上となるまで増大させた後に発電電動機出力指令の増大の停止を解除させた場合の解析結果例を示す図である。図４は、従来の二次励磁可変速揚水発電装置の構成図である。図５は、二次励磁可変速揚水発電装置の回転速度制御装置の構成例を示す図である。図６は、従来の二励磁可変速揚水発電装置において、発電電動機出力指令の最大変化レートＰＲとして１．０ｐｕ．／６０秒で発電出力を０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．まで急増大させた場合の解析結果例を示す図である。図７は、図６の解析例と同一発電所に一次励磁可変速揚水発電装置を適用し、発電電動機出力指令の最大変化レートＰＲとして１．０ｐｕ．／６０秒で発電出力を０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．まで急増大させた場合の解析結果例を示す図である。図８は、図７に示す解析例と同一発電所で最大案内羽根開度を約７％大きくした場合での一次励磁可変速揚水発電装置において、発電電動機出力指令の最大変化レートＰＲとして１．０ｐｕ．／６０秒で発電出力を０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．まで急増大させた場合の解析結果例を示す図である。図９は、図７と同じく発電電動機出力指令の最大変化レートＰＲとして１．０ｐｕ．／６０秒で発電出力を０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．まで急増大させた直後の解析開始後２１ｓに負荷遮断が発生した場合の解析結果例を示す図である。図１０は、図８と同じく図７に示す解析例と同一発電所で最大案内羽根開度を約７％大きくした場合での一次励磁可変速揚水発電装置において、発電電動機出力指令の最大変化レートＰＲとして１．０ｐｕ．／６０秒で発電出力を０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．まで急増大させた直後の解析開始後２１ｓに負荷遮断が発生した場合の解析結果例を示す図である。

　以下に、本発明にかかる発電装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。一例として、一次励磁可変速揚水発電装置について説明するが、実施例は一次励磁可変速発電装置に対しても適用可能である。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、実施例にかかる一次励磁可変速揚水発電装置の構成例を示す図である。この一次励磁可変速揚水発電装置が本発明にかかる発電装置である。図１において、従来例を説明するのに用いた前記図４と同一符号は同一部分又は相当部分を示す。図４と同一符号が付された部分については説明を省略する。但し、機能説明上必要と判断したものについては、再記載している。

　図１に示した一次励磁可変速揚水発電装置１０１は、発電電動機１の一次巻き線１ａの交流電力出力を周波数変換器８に入力し、商用電力系統の交流系統４の周波数に合わせて変換して出力する。また、電力制御装置１３は有効電力検出器９の出力及び乗算器９１からの出力である補正済発電電動機出力指令が入力され、それらに基づいたＤＣ励磁指令を出力し、ＤＣ励磁装置１７に入力して発電電動機１の二次巻き線１ｂにロータのＤＣ励磁電力を供給する。

　一次励磁可変速揚水発電装置１０１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を微分関数８０に入力し、微分関数８０は微分結果の回転速度変化係数を出力しＯＮ－ＯＦＦ信号発生器８１に入力する。ＯＮ－ＯＦＦ信号発生器８１は、回転速度変化係数が－０．１以下では１．０を出力し、回転速度変化係数が－０．１以上では０．０を出力する。また、案内羽根駆動装置１０の出力である案内羽根開度ＹがＯＮ－ＯＦＦ信号発生器８２に入力され、ＯＮ－ＯＦＦ信号発生器８２は、案内羽根開度Ｙが０．９８ｐｕ．未満では０．０を出力し、案内羽根開度Ｙが０．９８ｐｕ．以上では１．０を出力する。

　前記ＯＮ－ＯＦＦ信号発生器８１からの出力と前記ＯＮ－ＯＦＦ信号発生器８２からの出力は、乗算器８３に入力される。乗算器８３が出力する乗算結果は最大値選択関数８４及び図２に示す電力出力指令制限関数９０の出力値切換関数９４に入力される。

　最大値選択関数８４には前記乗算器８３の出力値及び後述の乗算器８７の出力値が入力される。最大値選択関数８４からの出力値は、乗算器８７、後述のタイマ８５及び後述の否定関数８８に入力される。詳細は後述するが、最大値選択関数８４は前記タイマ８５の設定時間の間乗算器８３の出力信号を自己保持するが、タイマ８５設定時間経過後も乗算器８３の出力値が１．０の場合は再度タイマ８５の設定時間の間乗算器８３の出力信号を自己保持することとなる。

　タイマ８５の通常出力値は０．０であり、前記最大値選択関数８４の出力値が１．０を継続した場合に設定時間後に１．０を出力する。タイマ８５の出力値は、タイマ８５のリセット端子と後述の否定関数８６とに入力される。

　否定関数８６は、タイマ８５からの入力値が１．０の場合は０．０に、入力値が０．０の場合は１．０に変換して出力する。否定関数８６の出力値は乗算器８７に入力される。

　乗算器８７は、前記最大値選択関数８４の出力値と前記否定関数８６の出力値が入力され、前記乗算器８３の出力が１．０となった場合に前記タイマ８５の設定時間の間、前記乗算器８３の出力が０．０となっても出力１．０を自己保持する。

　否定関数８８は、前記最大値選択関数８４の出力値が入力され、入力１．０は０．０に、入力０．０は１．０に変換して出力し、出力値は後述の乗算器８９に入力される。これより、否定関数８８の出力値は、案内羽根開度Ｙが０．９８ｐｕ．以上でかつ回転速度変化係数が－０．１以下となった後前記タイマ８５の設定時間の間は０．０となる、それ以外では１．０となる。

　乗算器８９は、前記否定関数８８の出力値と、乗算器３５の出力である電力出力指令値増減変化レートとが入力され、両者を乗算した結果を電力出力指令値増減変化レートとして出力する。出力された電力出力指令値増減変化レートは積分器３６に入力される。従って、乗算器８９の出力の電力出力指令値増減変化レートは、案内羽根開度Ｙが０．９８ｐｕ．以上でかつ回転速度変化係数が－０．１以下となった後前記タイマ８５の設定時間の間は０．０となり、それ以外では１．０となる。

　積分器３６は、乗算器８９から出力された上記の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し、後述の乗算器９１に入力する。従って、積分器３６の出力値である発電電動機出力指令Ｐgは、案内羽根開度Ｙが０．９８ｐｕ．以上でかつ回転速度変化係数が－０．１以下となった後前記タイマ８５の設定時間の間は増減が停止し、それ以外では外部から与えられる発電出力指令Ｐoが増減する場合には増減することとなる。

　乗算器９１は、前記積分器３６の出力値である発電電動機出力指令Ｐgと図２に示す後述の電力出力指令制限関数９０の出力値とが入力され、乗算結果を出力する。乗算器９１による乗算結果は電力制御装置１３に入力される。

　図２は、一次励磁可変速揚水発電装置１０１の電力出力指令制限関数９０の構成例を示す図である。

　図２に示した電力出力指令制限関数９０においては、回転速度検出器６で検出された回転速度Ｎと水車特性関数発生器５から出力される最適回転速度指令Ｎaを減算器９２に入力する。減算器９２での減算結果は回転速度の最適回転速度指令との偏差量で０．０から１．０に変化する変数発生器９３に入力される。変数発生器９３は、回転速度Ｎから最適回転速度指令Ｎaを減算した結果が－ΔＮ₁以上では１．０を出力し、－ΔＮ₁未満から－ΔＮ₂以上の間では１．０から０．０の間で変化する値を出力し、更に－ΔＮ₂以下では０．０の値を出力する。変数発生器９３の出力値は出力値切換関数９４に入力される。

　電力出力指令制限関数９０の出力値切換関数９４には、前記乗算器８３の出力信号と、前記回転速度の最適回転速度指令との偏差量で１．０から０．０に変化する変数発生器９３の出力信号と、更に定数１．０が入力される。電力出力指令制限関数９０の出力値切換関数９４の出力信号は、乗算器８３の出力信号の値で切り換えられ、乗算器８３の出力信号の値が１．０の時は変数発生器９３の出力信号が出力され、乗算器８３の出力信号の値が０．０の時は定数１．０が出力される。従って、案内羽根開度Ｙが０．９８ｐｕ．以上でかつ回転速度変化係数が－０．１以下では回転速度Ｎの最適回転速度指令Ｎaとの偏差量で１．０から０．０に変化する値が出力され、それ以外では定数１．０が出力される。つまり、電力出力指令制限関数９０は、前記乗算器８９の出力による発電電動機出力指令Ｐgの増減停止によっても回転速度低下の回復が困難な回転速度Ｎの最適回転速度指令Ｎaとの偏差量領域では、電力出力指令制限関数９０の回転速度Ｎの最適回転速度指令Ｎaとの偏差量で１．０から０．０に変化する値を発電電動機出力指令Ｐgに乗算し、発電機出力を低減して回転速度低下の回復を図るものである。

　図３は、図７に示す解析例と同一発電所に一次励磁可変速揚水発電装置を適用し、発電電動機出力指令の最大変化レートＰＲとして１．０ｐｕ．／６０秒で発電出力を０．８ｐｕ．から１．０ｐｕ．まで急増大させた場合に、案内羽根開度が０．９８ｐｕ．以上で回転速度が減速している場合には発電電動機出力指令Ｐgの増大をタイマ８５の設定時間である１５秒間停止し、回転速度を水車出力が電機側損失を含めた最大電力出力以上となるまで増大させた後に発電電動機出力指令の増大の停止を解除させた場合の解析結果例を示す図である。尚、図３においては、電力出力指令制限関数９０の出力値が１．０未満となるまでは、回転速度Ｎからの最適回転速度指令Ｎaの減算結果は小さくなっていない。

　以上のように、本実施例にかかる一次励磁可変速揚水発電装置１０１は、部分負荷から最大出力に向かっての負荷急増時における回転速度の最大出力に対する回転速度指令値に対する低下率の増大によるポンプ水車又は水車の出力が、案内羽根開度が全開近傍において最大電力出力相当に対して不足し回転速度が低下する場合に、発電電動機出力指令の増大を一定時間停止し、ポンプ水車又は水車の出力が電機側損失を含めた最大電力出力以上となるまで増大させた後に発電電動機出力指令の増大の停止を解除することを特徴とする。更に、本実施例にかかる一次励磁可変速揚水発電装置１０１には、電力出力指令制限関数９０が設置されており、これは回転速度の回転速度指令値に対する低下量が一定値を上回る場合には、発電電動機出力指令の増大を停止しても回転速度の低下が継続することとなるので回転速度の回転速度指令値に対する低下量が一定値以上で１．０から０．０に変化する係数を発生させ、それを案内羽根開度が全開近傍において回転速度が低下している状態で電力制御装置への発電電動機出力指令に乗じて入力することで電力出力を低減し、ポンプ水車又は水車の回転速度の低下量を低減することを特徴とする。又、図１に示された符号８０から９１を図４に示された二次励磁制御装置３の入力側に適用し、電力出力指令制限関数９０の回転速度の回転速度指令値に対する低下量による電力出力制限を二次励磁可変速揚水発電装置又は二次励磁可変速発電装置の可変速幅に合わせ調整することで、二次励磁可変速揚水発電装置又は二次励磁可変速発電装置において回転速度が一時的には許容可能な程度で可変速度範囲限界を超過した場合の可変速幅逸脱防止制御である同期運転移行の代用制御として適用出来る。

　１　発電電動機
　１ａ　発電電動機の一次巻き線
　１ｂ　発電電動機の二次巻き線
　２　ポンプ水車
　３　二次励磁制御装置
　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
　８　周波数変換器
　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
　１３　電力制御装置
　１４　一次周波数制御装置
　１６　回転速度制御装置
　１７　ＤＣ励磁装置
　２１，４７　加算器
　３０　換算器
　３１　電力出力指令値変化レート制限器
　３２，３５，４１，４２，４６，６２，７２，８３，８７，８９，９１　乗算器
　３３，４０，４８，５０，９２　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
　５２，８４　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
　８０　微分関数
　８１，８２　ＯＮ－ＯＦＦ信号発生器
　８５　タイマ
　８６，８８　否定関数
　９０　電力出力指令制限関数
　９３　変数発生器
　９４　出力値切換関数
　１００　二次励磁可変速揚水発電装置
　１０１　一次励磁可変速揚水発電装置

Claims

　可変速発電電動機又は可変速発電機と、該可変速発電電動機又は可変速発電機のロータに直結され発電運転にあってはこれを駆動し、揚水運転にあってはこれに駆動されるポンプ水車とを備え、前記発電運転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前記ポンプ水車又は水車側に与えて速度制御を行う一方、電力出力指令を前記可変速発電電動機又は前記可変速発電機に与えて電力制御を行う発電装置であって、
　前記可変速発電電動機又は可変速発電機を可変速運転し発電所での全落差での部分負荷から最大出力に向かっての負荷急増時における回転速度の最大出力に対する回転速度指令値に対する低下率の増大によるポンプ水車又は水車の出力が、案内羽根開度が全開近傍において電力出力相当に対して不足し回転速度が低下する場合に、発電電動機出力指令又は発電機出力指令の増大を一定時間停止し、ポンプ水車又は水車の出力が回転速度を水車出力が電機側損失を含めた最大電力出力以上となるまで増大させた後に発電電動機出力指令又は発電機出力指令の増大の停止を解除することを特徴とする発電装置。
　回転速度の回転速度指令値に対する低下量が一定値を上回る場合には、発電電動機出力指令又は発電機出力指令の増大を停止しても回転速度の低下が継続するので回転速度の回転速度指令値に対する低下量が一定値以上で１．０から０．０に変化する係数を発生させ、それを案内羽根開度が全開近傍において回転速度が低下している状態で電力制御装置への発電電動機出力指令又は発電機出力指令に乗じて入力することで電力出力を低減し、ポンプ水車又は水車の回転速度の低下量を低減することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。