JP2652033B2 - 可変速揚水発電システムの運転制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、巻線形誘導機により任意の回転数で運転で
きる可変速揚水発電システムの運転制御方法に係り、特
にAFC（自動周波数調整）運転の揚水運転時において最
適効率となるように安定に目標値に制御するに好適な運
転制御方法に関する。

〔従来の技術〕および〔発明が解決しようとする課題〕 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、及び、発電運転及び揚水運転時、系統によ
り要求される発電電力の変化ならびに揚水時の揚程等に
より、発電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の研究が進められてい
る。上記目的を達成するため、従来から揚水発電機とし
て用いられている同期機を２次励磁付の誘導機（すなわ
ち、巻線型誘導機）で運転する、いわゆる可変速発電シ
ステムの実現化のための研究が進められている。

ここで、可変速発電システムについて説明しておく。

第５図に、可変速発電システムの原理を示す。第５図
において、G₁は巻線形誘導機（以下、可変速機とい
う。）、１は固定子、２は回転子を示している。5a〜5c
は固定子１のa,b,c各相の巻線、6a〜6cは回転子２のa,
b,c各相の巻線を示す。定格周波数をｆ、すべりをｓと
すると、回転子２の速度はｆ（１−ｓ）であり、回転子
２の２次巻線6a〜6cをすべりｓの周波数で励磁すること
により、回転子２の回転磁界はすべりｓを零（周期速
度）で回転子、固定子１の回転磁界の速度と同一にな
る。回転子２の回転数を測定部７より測定し、この出力
からすべり周波数検出器３によりすべり周波数を検出
し、ついで周波数／電圧変換器４ですべり周波数に応じ
た電圧を発生させ、この電圧を２次巻線6a〜6cに与えて
励磁する。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２次巻線6a〜6c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５図の例
では、回転子２の回転磁界は、 ｆ（１−ｓ）＋ｆ・ｓ＝ｆ ……（１） となり、すべりｓにかかわらず、定格周波数の出力が得
られることとなる。

以上の可変速発電システムに関する文献として昭和59
年電気学会全国大会（昭和59年３月28〜30日開催）論文
No.553「大容量同期電動機の可変速運転特性」である
が、この文献には具体的な制御方式について何ら開示さ
れていない。

本発明は、可変速揚水発電システムにおいて、自動周
波数制御（以下、AFCという。）運転する場合に高効率
で、かつ、安定に目標電力値に制御しうる運転制御方法
を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は水車に連結され
た巻線形誘導機を系統負荷の変動に応動させて運転する
可変速揚水発電システムの運転制御方法において、揚水
運転時に前記誘導機の実際の入力電力値を検出し、該実
際の入力電力値と与えられる電力制御指令との偏差を低
減すべく前記誘導機の励磁電流の位相角を制御するとと
もに、前記水車に係る揚程をパラメータとして予め設定
された入力電力値とガバナ弁開度との相関に基づいて、
与えられる揚程指令と前記実際の入力電力値に対応する
ガバナ弁開度を求め、その求めたガバナ弁開度に前記水
車のガバナ弁を操作する一方、前記電力制御指令の変化
を遅延させることを特徴とする。

〔作用〕

可変速発電システムにおいて、任意の発電力をうる運
転条件は、揚程、回転数及びガバナの弁開度との関連に
より定まる。このうち可変速発電システムの効率は、誘
導機の回転数及びガバナの弁開度で定まる。このうち、
回転数は誘導機の入力と出力の差より定まるため、揚水
と入力が定まった時、最高効率となるようにガバナの弁
開度を制御することになる。一方、上記の回転数は、ポ
ンプ入力と誘導機出力との差で定まる。このため、誘導
機出力を指定値にあわせるように２次励磁電圧の位相角
を制御する必要がある。２次励磁付きの誘導機である巻
線形誘導機を用いた本発明に係る可変速発電システムで
は、常に最適効率となるように、２次励磁電圧の位相角
を制御すると共に、ガバナの弁開度を制御する。

ここで、揚水発電機には、一般にフランシス水車が使
用され、水車出力と効率との関係は、第３図のように示
される。第３図は、横軸に水車出力、縦軸に効率をと
り、回転数をパラメータとして示したものである。P₁,P
₂は水車出力を、η₁,η_２は効率を、N₁,N₂は回転数を、
Y₁,Y₂は弁開度を示す。出力P₁では回転数N₁、弁開度Y₁
で、出力P₂では回転数N₂、弁開度はY₂で、それぞれの出
力における最高効率η₁,η_２となることを示している。

また、電力制御指令は往々にしてステップ状に変化す
るため、これに応じて巻線形誘導機の励磁電流の位相角
がステップ状に変化して、巻線形誘導機の出力が大幅に
変化し、これにより回転数が不安定になることがある
が、本発明によれば電力制御指令の変化を遅延させてい
ることから、そのような不安定を抑えることができる。

このようにして、本発明によれば、最適効率を保持し
つつ、安定に目標電力に制御することができる。

〔実施例〕

次に、本発明の可変速揚水発電システムの運転制御方
法の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、可変速揚水発電システムの概要を第１図に示
す。このシステムは可変速機G₁が水車13により運転さ
れ、可変速機G₁の出力電力が送電線Ｌを介して電力系統
10に供給されるものである。

この第１図において、操作卓Ｔから与えられる揚程指
令Ｈ及び回転数検出器11からの回転数Ｎに基づき、ガバ
ナ弁12の最適弁開度Ｙを算出し、ガバナ弁12の開度制御
を行う。一方操作卓Ｔから与えられる電力制御指令P₀に
基づき、電圧変成器（PT）20及び電流変成器（CT）19に
より検出した値により有効電力算出部21にて有効電力を
求め、その有効電力と回転数Ｎを考慮して可変速機G₁の
励磁回路E_xに励磁電圧ｖを与えて制御を行う。つまり、
ある定まった揚水運点Ｆにおいて出力制御を行うように
したものである。

次に、上記第１図の可変速揚水発電システムをさらに
具体的にした例を第２図に示す。なお、第１図と重複す
る部分には同一の符号を用いる。第２図において、揚程
指令Ｈが与えられると、最適弁開度算出部25は、予め定
められた入力Ｐとガバナ弁開度Ｙとの特性（第４図）に
基づいて揚程指令Ｈをパラメータとして入力Ｐに見合っ
たガバナ弁開度Ｙを出力する。たとえば、第４図におい
て、入力P₁からP₂に変化した場合はガバナ弁開度をY₁か
らY₂とする。このガバナ弁開度Ｙはサーボ系14に与えら
れる。サーボ系14は入力されたガバナ弁開度Ｙに応じた
操作量をガバナ弁12に与えて調整する。このように、水
車13は揚程指令Ｈに応じて制御される。

一方、第２図において電力制御指令P₀が与えられる
と、この電力制御指令P₀は遅延回路15を介して位相角算
出部16に入力される。この遅延回路15は電力制御指令P₀
がステップ状に与えられるため、そのまま可変速機G₁の
２次巻線6a〜6cの励磁電圧ｖの制御に用いると可変速機
G₁の出力が大幅に変化してしまうことになるから、それ
を防止するために遅延させるものである。遅延回路15を
経た電力制御指令P₀は位相角算出部16に入力される。一
方、変成機19,20からの系統の電圧，電流により有効電
力Ｐが有効電圧算出部21で求められ、位相角算出部16入
力される。

位相角算出部16は、２次巻線6a〜6cに与える励磁電圧
ｖを算出するものである。すなわち、操作卓Ｔにより与
えられた指令により、２次巻線6a〜6cの各相の励磁量を
得るための関数のうち、位相角Δδを制御する。２次巻
線6a〜6cのa,b,c各相電圧をv_fa,v_fb,v_fcとすると、 と与えられる。ここで、Ｅはすべり及び可変速機の運転
状態で定まる電圧値、δ_０は可変速機の運転状態で定ま
る位相角、Δδは制御指令部の出力で制御される位相角
である。

上記（２）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Ｐの制御指令に
対しては、位相角Δδで制御すればよい。

このため、上記の構成において、２次巻線6a〜6cの位
相角（Δδ）を制御して、回転数Ｎ及び電力Ｐを目標値
にあわせると共に最適効率となるようにガバナ弁12の開
度を制御することが必要となる。このため、位相角を制
御するための情報として、有効電力Ｐを用いる。すなわ
ち、位相角Δδは、 Δδ＝∫k₁（Ｐ−P₀）dt＋k_1P（Ｐ−P₀） ……（３） とする。ここで、P₀は有効電力の目標値、Ｐは有効電力
の実際の値、k₁,k_1Pは定数である。このようにして求め
られた位相角Δδ_１値は励磁量設定器17に出力される。

励磁量設定器17は、回転数Ｎ（周波数ｆ）及び位相角
Δδを基にして２次巻線6a〜6cの励磁電圧v_a,v_b,v_bを求
めるものであり、その算出式（２）式は（２）式に示し
たとおりである。算出した励磁電圧v_a,v_b,v_bは位相器23
a,23b,23cを介して各巻線6a〜6cに与えられる。なお、1
8は励磁電圧を修正するためのフィードバック用調整部
を示している。

以上のように、揚程指令Ｈの下で最適弁開度となるよ
うに制御する一方、電力制御指令値P₀と実際の出力の偏
差により２次巻線6a〜6cの位相角Δδ値を算出し、適正
な電力値となるように制御するものである。

以上の実際例によれば、揚程及び実際の入力値よりガ
バナの弁開度を制御する機能及び電力の目標値と実際の
値との差により２次励磁電圧の位相角を制御する機能の
両者を備えており、揚水時のAFC運転において、安定に
目標値に制御できるため、安定度上の効果は極めて大き
い。

さらに、系統の変動負荷をまかなうために昼間は発
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、揚水運転時にも系統より定まる電力に対しても、効
率よく運転できるため、経済的効率は極めて大きい。

〔発明の効果〕

以上述べたごとく、本発明によれば、可変速発電シス
テムにおいて、AFC運転する場合に、高効率を維持しつ
つ、安定に目標電力値に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概要を示す系統図、第２図
はその具体例を示すブロック図、第３図は出力に対する
効率の変化を示す特性図、第４図は入力に対するガバナ
弁開度の変化を示す特性図、第５図は一般的な可変速発
電システムの原理を示すブロック図である。 E_x……励磁回路、G₁……可変速機、 Ｃ……制御指令部、Ｔ……操作端、１……固定子、 ２……回転子、３……すべり周波数検出部、 ４……周波数／電圧変換機、 5a〜5c……固定子a,b,cの相巻線、 6a〜6c……回転子a,b,cの相巻線、 ７……回転数測定部、10……電力系統、 11……回転数検出器、13……水車、 14……サーボ系、15……遅延回路、 16……２次巻線位相角算出部、 17……２次巻線励磁量設定部、 18……電圧調整部、19……電流変成器、 20……電圧変成器、21……有効電力算出部、 P₀……電力制御指令値、Ｎ……速度、 23a,23b,23c……移相部、 25……最適弁開度算出部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原口 英二 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 林 茂明 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−236393（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水車に連結された巻線形誘導機を系統負荷
   の変動に応動させて運転する可変速揚水発電システムの
   運転制御方法において、揚水運転時に前記誘導機の実際
   の入力電力値を検出し、該実際の入力電力値と与えられ
   る電力制御指令との偏差を低減すべく前記誘導機の励磁
   電流の位相角を制御するとともに、前記水車に係る揚程
   をパラメータとして予め設定された入力電力値とガバナ
   弁開度との相関に基づいて、与えられる揚程指令と前記
   実際の入力電力値に対応するガバナ弁開度を求め、その
   求めたガバナ弁開度に前記水車のガバナ弁を操作する一
   方、前記電力制御指令の変化を遅延させることを特徴と
   する可変速揚水発電システムの運転制御方法。