JP2005295651A - 水力発電調速制御装置及び制御方法並びに制御用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 水力発電の高速な負荷追従性を可能としつつ、負荷急増時の出力逆応答を回避可能な水力発電調速制御装置及び制御方法並びに制御用プログラムを提供する。
【解決手段】 調速制御装置１は、回転速度設定部１１、レギュレータ１２、積分器１３、調定率演算部１４、遅れフィルタ１５、減算器１ａ〜１ｃ及び加算器１ｄを備える。減算器１ｂを、出力指令制御装置２からの発電出力指令信号２１と水車発電機４からの実発電出力信号２２との差により、出力偏差信号２３を演算する手段とする。遅れフィルタ１５を、出力偏差信号２３を入力として遅延を生じさせる一次遅れフィルタとする。遅れフィルタ１５の時定数を、高速な負荷追従を可能とするように、数秒程度に設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水車発電機の発電出力制御及び発電周波数制御を行うための制御技術に係り、特に、負荷追従の調速制御を行う水力発電調速制御装置及び制御方法並びに制御用プログラムに関する。

一般に、水力発電所において水車発電機の発電出力制御及び発電周波数制御を担う水力発電調速制御装置は、発電所の発電出力を制御する出力指令制御装置と、水車発電機の１機ごとの調速制御を行う調速制御装置とを中核として構成されている。

このような水力発電調速制御装置の一例を、図７に従って説明する。すなわち、出力指令制御装置２は、発電所に課せられたＡＦＣ（自動周波数制御）及びＤＰＣ（基準出力制御）の負荷指令に応じて、各発電機に発電出力指令を配分し、これに従った発電出力指令信号２１を、調速制御装置１に出力する。この発電出力指令信号２１と、水車発電機４から入力された実発電出力信号２２との差を取り、出力偏差信号２３として、積分器１３（時定数Ｔ）に伝送する。この出力偏差信号２３は、パルス信号に変換されて積分器１３に伝送されることもある。

そして、積分器１３が出力偏差信号２３の積分演算により得た出力制御信号２４と、調速機アクチュエータ３からのガイドベーン開度信号３１との差を取り、これに速度調定率演算部１４によって速度調定率（速度垂下率）を乗じることにより、出力制御偏差信号２５を得る。一方、水車発電機４からの実回転速度信号１９と、あらかじめ回転速度設定部１１に設定された回転速度信号との差を、回転速度偏差信号２０として、出力制御偏差信号２５に加算する。これにより得られる制御偏差信号２６に基づいて、レギュレータ１２が、制御信号を調速機アクチュエータ３に出力する。

調速機アクチュエータ３が、レギュレータ１２からの制御信号に従ってガイドベーンを動かし、水車を通過する流水エネルギーを調節することによって、水車発電機４の発電出力制御および回転速度制御（周波数制御）が実現される。なお、レギュレータ１２による制御方式には、比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）および微分要素（Ｄ）に分けて制御するＰＩＤ制御方式や、フィードバックダンピング回路による制御方式等がある。

また、特許文献１には、ガイドベーンを制御するための開度制御信号と、あらかじめ設定されている値の負荷制限指令信号のうち、低い方の値を選択してこれを開度指令信号とし、所定のバイアス信号の加算及び開度フィードバック信号の減算を行って補正して出力する水力発電調速制御装置において、経年変化によってバイアスが変化しても、自動的にこれを補正する水力発電調速制御装置が提案されている。
実用新案登録第２５９２０６０号公報

ところで、従来の水力発電調速制御装置において、レギュレータが行う発電出力制御は、積分器の出力である出力制御信号に基づいて行われる。しかし、この積分器に、例えば負荷急増時におけるステップ状の信号入力があると、積分演算により急激に傾きが変化する出力制御信号が出力される。一方、水力発電では、水流がもつ慣性のため、特に長大水路系を有する大容量発電所においては、ガイドベーンの急激な変化に対して発電出力が逆応答することが知られている。

調速制御装置には、ＤＰＣ変化に高速に追従する性能が望まれるが、その一方で、ここに述べた発電出力の逆応答による安定性の低下が懸念されるため、大規模な水力発電調速制御装置では、積分器の時定数Ｔとして、例えば、６０秒以上の長い時定数が設定されている。従って、このように長い時定数をもつ積分器の介在により、水力発電の負荷追従性は制限されたものになっている。

本発明は、上記のような従来技術の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、水力発電の高速な負荷追従性を可能としつつ、負荷急増時の出力逆応答を回避できる水力発電調速制御装置及び制御方法並びに制御用プログラムを提供するものである。

上記のような目的を達するため、本発明は、水車発電機を含む発電所の発電出力を制御する出力指令制御装置と、前記出力指令制御装置からの発電出力指令信号に基づいて、水車発電機の調速制御を行う調速制御装置とを備えた水力発電調速制御装置において、前記調速制御装置は、前記発電出力指令信号及び前記水車発電機からの実発電出力信号に基づいて、出力偏差信号を求める出力偏差信号演算部と、前記出力偏差信号の積分演算を行うことにより出力制御信号を得る積分器と、前記出力偏差信号演算部と前記積分器との間に設けられた遅れフィルタと、を具備することを特徴とする。

以上のような本発明では、積分器に遅れフィルタを具備して出力制御信号の微分を滑らかなものとすることによって、負荷急増時の発電出力の逆応答を回避して安定性を保持しつつ、積分器の時定数を小さくすることにより、高速な負荷追従性を追及することが可能となる。

以上のような本発明によれば、水力発電の高速な負荷追従性を可能としつつ、負荷急増時の出力逆応答を回避可能な水力発電調速制御装置及び制御方法並びに制御用プログラムを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（実施形態）について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、各請求項及び以下の各実施形態で示されたような手順で調速制御を行う制御方法としても把握できるとともに、かかる手順でコンピュータを動作させるコンピュータプログラム及びこれを記録した記録媒体として把握することもできる。

［第１の実施形態］
［概要］
まず、本実施形態の概要を説明する。なお、本実施形態を構成する各要素は、所定のプログラムにより制御されるコンピュータ若しくは専用の回路によって実現でき、そのためのハードウェア及びプログラムの態様は種々考えられる。そこで、本実施形態の各要素を機能ごとにブロック化して、仮想的に図示したブロック図（図１及び図２）を参照して説明する。すなわち、本実施形態は、調速制御装置１、出力指令制御装置２を備えており、調速制御装置１からの信号に基づいて、調速機アクチュエータ３がガイドベーンを動かし、水車を通過する流水エネルギーを制御することによって、水車発電機４の発電出力および回転速度を制御するものであり、従来の積分器に遅れフィルタ１５若しくは遅れフィルタ１６，１７を付加したものである。

［構成］
より具体的には、調速制御装置１は、回転速度設定部１１、レギュレータ１２、積分器１３、速度調定率演算部１４、遅れフィルタ１５、減算器１ａ〜１ｃ及び加算器１ｄを備えている。回転速度設定部１１は、水車発電機４に対する回転速度信号を設定し、出力する手段である。減算器１ａは、回転速度設定部１１からの回転速度信号と水車発電機４からの実回転速度信号１９との差により、回転速度偏差信号２０を演算する手段である。

減算器１ｂは、出力指令制御装置２からの発電出力指令信号２１と水車発電機４からの実発電出力信号２２との差により、出力偏差信号２３を演算する手段（出力偏差信号演算部）である。遅れフィルタ１５は、出力偏差信号２３を入力として遅延を生じさせるフィルタであり、以下の式（１）に示すような一次遅れフィルタである。ここで、遅れフィルタ１５の時定数Ｔ_１は、高速な負荷追従を可能とするように、数秒程度に設定するのが適当である。なお、ｓはラプラス演算子である。

積分器１３（時定数Ｔ）は、遅れフィルタ１５から出力される出力偏差信号２３の積分演算によって、出力制御信号２４を求める手段である。減算器１ｃは、出力制御信号２４と、調速機アクチュエータ３からのガイドベーン開度信号３１との差を演算する手段である。速度調定率演算部１４は、減算器１ｃの演算結果に速度調定率（速度垂下率）を乗じた出力制御偏差信号２５を演算する手段である。加算器１ｄは、回転速度偏差信号２０と出力制御偏差信号２５とを加算する手段である。レギュレータ１２は、加算器１ｄにおける演算結果に基づいて、調速機アクチュエータ３に制御信号を出力する手段である。

なお、図２に示すように、遅れフィルタ１５を、速度調定率を乗じた出力制御偏差信号２５を入力とするように設けてもよい。さらに、遅れフィルタ１６を、発電出力指令信号２１を入力とするように設けてもよい。この遅れフィルタ１６は、以下の式（２）に示すように、上記の式（１）と同様の一次遅れフィルタであるが、その時定数Ｔ_２は、数秒から数十秒に設定するのが適当である。

［作用］
以上のような本実施形態の処理手順を、図３のフローチャートに沿って説明する。すなわち、出力指令制御装置２は、発電出力指令信号２１を調速制御装置１に出力し、減算器１ｂが、水車発電機４から入力された実発電出力信号２２との差を取ることにより、出力偏差信号２３を算出する（ステップ３０１）。この出力偏差信号２３が、遅れフィルタ１５を介して遅延され（ステップ３０２）、積分器１３に伝送される。積分器１３は、出力偏差信号２３の積分演算によって出力制御信号２４を得る（ステップ３０３）。そして、出力制御信号２４に対して、減算器１ｃが調速機アクチュエータ３からのガイドベーン開度信号３１との差を求め、速度調定率演算部１４が速度調定率を乗じることにより、出力制御偏差信号２５を得る（ステップ３０４）。

一方、減算器１ａによって、回転速度設定部１１に設定された回転速度指令信号と、水車発電機４からの実回転速度信号１９との差による回転速度偏差信号２０が求められ、加算器１ｄによって、上記の出力制御偏差信号２５と加算されることにより、制御偏差信号２６が得られる（ステップ３０５）。この制御偏差信号２６に基づいて、レギュレータ１２が調速機アクチュエータ３の制御信号を出力するので（ステップ３０６）、水車発電機４に対するの発電出力制御及び回転速度制御（周波数制御）が実現する。

［効果］
以上のような本実施形態によれば、従来よりある積分器１３に遅れフィルタ１５，１６を具備して、出力制御信号の微分を滑らかなものとすることによって、負荷急増時の発電出力の逆応答を回避して安定性を保持するとともに、積分器１３の時定数を小さくして高速な負荷追従性を追求することが可能となる。

より具体的な効果を示す例として、時刻ｔ_０の時点で、調速制御装置１に発電出力目標値１［ｐｕ］のステップ状の発電出力指令信号２１が伝達された場合の計算結果の例を、図４及び図５に示す。これは、本実施形態による調速制御装置と従来の調速制御装置との出力制御信号２４（図４）及び実発電出力信号２２（図５）の応答との比較である。

すなわち、これらの比較例から明らかな通り、本実施形態の調速制御装置の出力制御信号２４の応答は、時刻ｔ_０付近の発電出力の立ち上がりは滑らかであるため、発電出力の逆応答を確実に回避できる。一方、実発電出力信号２２に注目すると、本実施形態の調速制御装置は、逆応答を確実に回避しながら、従来の調速制御装置より若干速く目標値に到達している。このとき、オーバシュートも増えていない。このように、本実施形態では、従来技術と比べて、負荷急増時の逆応答を回避して安定性を保持しつつ、積分器１３の時定数を小さくすることにより、高速な負荷追従性を追求できることが実証されている。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態を、図６のブロック図を参照して説明する。本実施形態は、発電出力指令信号２１を入力とする遅れフィルタ１６と、実発電出力信号２２を入力とする遅れフィルタ１７とを設け、さらに、これらの遅れフィルタ１６，１７の出力から求める出力偏差信号２３を入力とする遅れフィルタ１５を設けたものであり、その他の構成は、図１に示した第１の実施形態と同様である。

ここで、負荷急増時の発電出力指令信号２１に対する発電出力応答の規範モデルを、離散分母多項式Ａ_Ｍ（ｚ^−１)で設定したとき、上記のフィルタの特性を次の式（３）〜（５）に基づく計算により定める。なお、ｚはｚ変換演算子であり、Ａ_０(ｚ^−１)は安定多項式である。

ただし、Ｒ(ｚ^−１)、Ｓ(ｚ^−１)は次のＤｉｏｐｈａｎｔｉｎｅ方程式（６）を解いて求める。

ここでＡ(ｚ^−１)、Ｂ（ｚ^−１）は、それぞれ出力偏差信号２３から実発電出力信号２２までの伝達特性を示す分母多項式及び分子多項式である。

このとき、発電出力指令信号２１から発電出力信号２２までの伝達関数は以下の式７で与えられ、理想的には発電出力応答特性が規範モデルの分母多項式Ａ_Ｍ（ｚ^−１）を用いて示される。

以上のように、本実施形態によれば、規範モデルの応答を与える遅れフィルタ１５，１６，１７を設定することによって、望ましい発電出力の負荷追従応答を示す水力発電調速制御装置を構成することができる。

［他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、図１に示した実施形態においては、積分器１３を、遅れフィルタ１５の出力を入力とするように構成しているが、積分器１３の出力を入力とするように、遅れフィルタ１５を設けてもよい。また、図２に示した実施形態においても、積分器１３の出力を入力とするように、遅れフィルタ１５を設けてもよいし、速度調定率を乗じる前の信号に、遅れフィルタ１５を設けてもよい。さらに、図２に示した遅れフィルタ１６を、出力指令制御装置２に設けてもよい。

また、本発明が適用される水車発電機、調速機、発電所の出力指令制御装置等は、特定のものには限定されず、上述の制御に適したものであれば、現在又は将来において利用可能なあらゆるものを適用可能である。さらに、本発明を、水力発電所の遠隔監視、遠隔制御システムの一部として構成することも自由であり、その場合には、有線若しくは無線のあらゆる通信ネットワークを利用可能である。

本発明の水力発電調速制御装置の第１の実施形態を示すブロック図である。 本発明の水力発電調速制御装置の第１の実施形態の他の一例を示すブロック図である。 図１の実施形態の処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態と従来技術における応答（出力制御信号）の比較例を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態と従来技術における応答（発電出力信号）の比較例を示す説明図である。 本発明の水力発電調速制御装置の第２の実施形態を示すブロック図である。 従来の水力発電調速制御装置の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１…調速制御装置
１ａ〜１ｃ…減算器
１ｄ…加算器
２…出力指令制御装置
３…調速機アクチュエータ
４…水車発電機
１１…回転速度設定部
１２…レギュレータ
１３…積分器
１４…速度調定率演算部
１５〜１７…遅れフィルタ
１９…実回転速度信号
２０…回転速度偏差信号
２１…発電出力指令信号
２２…実発電出力信号
２３…出力偏差信号
２４…出力制御信号
２５…出力制御偏差信号
２６…制御偏差信号
３１…ガイドベーン開度信号

Claims (8)

1. 水車発電機を含む発電所の発電出力を制御する出力指令制御装置と、前記出力指令制御装置からの発電出力指令信号に基づいて、水車発電機の調速制御を行う調速制御装置とを備えた水力発電調速制御装置において、
   前記調速制御装置は、前記発電出力指令信号及び前記水車発電機からの実発電出力信号に基づいて、出力偏差信号を求める出力偏差信号演算部と、
   前記出力偏差信号の積分演算を行うことにより出力制御信号を得る積分器と、
   前記出力偏差信号演算部と前記積分器との間に設けられた遅れフィルタと、
   を具備することを特徴とする水力発電調速制御装置。
2. 水車発電機を含む発電所の発電出力を制御する出力指令制御装置と、前記出力指令制御装置からの発電出力指令信号に基づいて、水車発電機の調速制御を行う調速制御装置とを備えた水力発電調速制御装置において、
   前記調速制御装置は、前記発電出力指令信号及び前記水車発電機からの実発電出力信号に基づいて、出力偏差信号を求める出力偏差信号演算部と、
   前記出力偏差信号の積分演算を行うことにより出力制御信号を得る積分器と、
   前記出力制御信号に速度調定率を乗じる速度調定率演算部と、
   前記速度調定率演算部の入力側若しくは出力側に設けられた遅れフィルタと、
   を具備することを特徴とする水力発電調速制御装置。
3. 水車発電機を含む発電所の発電出力を制御する出力指令制御装置と、前記出力指令制御装置からの発電出力指令信号に基づいて、水車発電機の調速制御を行う調速制御装置とを備えた水力発電調速制御装置において、
   前記調速制御装置は、前記発電出力指令信号及び前記水車発電機からの実発電出力信号に基づいて、出力偏差信号を求める出力偏差信号演算部と、
   前記出力偏差信号の積分演算を行うことにより出力制御信号を得る積分器と、
   前記出力制御信号に速度調定率を乗じる速度調定率演算部と、
   前記出力偏差信号演算部の入力側に設けられた遅れフィルタと、
   を具備することを特徴とする水力発電調速制御装置。
4. 前記遅れフィルタが、一次遅れフィルタであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水力発電調速制御装置。
5. 水車発電機を含む発電所の発電出力を制御する出力指令制御装置と、前記出力指令制御装置からの発電出力指令信号に基づいて、水車発電機の調速制御を行う調速制御装置とを備えた水力発電調速制御装置において、
   前記調速制御装置は、前記発電出力指令信号及び前記水車発電機からの実発電出力信号に基づいて、出力偏差信号を求める出力偏差信号演算部と、
   前記出力偏差信号の積分演算を行うことにより出力制御信号を得る積分器と、
   前記出力偏差信号演算部と前記積分器との間に設けられた第１の遅れフィルタと、
   前記出力偏差信号演算部の入力側に設けられ、前記発電出力指令信号を入力とする第２の遅れフィルタ及び前記実発電出力信号を入力とする第３の遅れフィルタと、
   を具備することを特徴とする水力発電調速制御装置。
6. 水車発電機に対する発電出力指令信号と前記水車発電機からの実発電出力信号とに基づいて出力偏差信号を求め、前記出力偏差信号に積分演算を行うことにより、前記水車発電機に対する出力制御信号を得る水力発電調速制御方法において、
   前記発電出力指令信号及び前記出力偏差信号の少なくとも一方に、遅れフィルタによる遅延を生じさせることを特徴とする水力発電調速制御方法。
7. 負荷追従応答の規範となる規範モデルを指定し、
   前記遅れフィルタの特性を、前記規範モデルに基づいて演算により設定することを特徴とする請求項６記載の水力発電調速制御方法。
8. コンピュータを制御することにより、水車発電機に対する発電出力指令信号を入力させ、前記水車発電機からの実発電出力信号を入力させ、前記発電出力指令信号及び実発電出力信号との差に基づいて出力偏差信号を算出させ、前記出力偏差信号に積分演算を行うことにより、前記水車発電機に対する出力制御信号を算出させる水力発電調速制御用プログラムにおいて、
   前記コンピュータを制御することにより、
   前記発電出力指令信号及び前記出力偏差信号の少なくとも一方に、遅れフィルタによる遅延を生じさせることを特徴とする水力発電調速制御用プログラム。

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