JP2695813B2 - 可変速水力機械の運転制御装置 - Google Patents

可変速水力機械の運転制御装置

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JP2695813B2
JP2695813B2 JP63019333A JP1933388A JP2695813B2 JP 2695813 B2 JP2695813 B2 JP 2695813B2 JP 63019333 A JP63019333 A JP 63019333A JP 1933388 A JP1933388 A JP 1933388A JP 2695813 B2 JP2695813 B2 JP 2695813B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明はガイドベーンを有する水車またはポンプ水車
等の可変速水力機械の運転制御方法に関する。
(従来の技術) 水力発電所に設置された水車またはポンプ水車などの
水力機械において、水車運転時の軸出力は落差一定のも
とでは、ガイドベーンの開度によって定まるので、水車
またはポンプ水車と発電機または発電電動機を備えた水
力発電設備において出力を変化させる場合には、発電機
または発電電動機の出力目標値に応じたガイドベーン開
度となるようにガイドベーンを開閉制御するのが通例で
ある。
第3図は本発明が適用される水力発電所の概略構成を
示すもので、上池10から水圧鉄管11で導かれた水のエネ
ルギーは水車またはポンプ水車12により機械エネルギー
に変換されて巻線形の誘導発電機または誘導発電電動機
13を駆動し、発生したエネルギーは電力として電力系統
(図示せず)へ供給される。水車またはポンプ水車12に
よりエネルギーを吸収された後の水は廃棄水として下池
14へ排水される。
水車またはポンプ水車12には、ガイドベーン(図示せ
ず)が設けられており、その開度を変えることにより、
水圧鉄管11を経て水車またはポンプ水車12に供給される
水の流量Qは調節される。
第4図は、従来から使用されている可変速制御水力機
械の出力制御装置の一例を示すもので、出力目標値P*
と発電機出力PGは出力制御装置15に入力され、それら
の偏差に応じたガイドベーン開度目標値a*を出力す
る。ガイドベーン制御装置16はガイドベーン開度目標値
a*に合せてガイドベーン開度aを設定する。このガイ
ドベーン開度aによってガイドベーン17は開度を制御さ
れ、水車またはポンプ水車12に流入する流量を調節し、
その軸出力Ptを調節し、発電機または発電電動機13の出
力PGを変化させる。
一方、発電機または発電電動機13には、回転速度を制
御するサイクロコンバータ等の回転速度制御装置18が接
続されており、発電機または発電電動機13の回転速度は
最適回転速度設定器19により、出力目標値P*と静落差
Hstによって算出された最高効率運転回転速度目標値N
*に制御される。従って、発電機出力PGは水車または
ポンプ水車12の軸出力Ptと、回転速度Nの変化による回
転部の慣性エネルギの放出、吸収分の和とによって定ま
る値になっている。
このようにして出力を変化させた場合の出力制御例を
第5図に示す。この図は横軸に時間Tをとり、縦軸に発
電機出力PG、ガイドベーン開度a、水車の有効落差H
e、水車流量Q、回転速度Nの変化の様子を示したもの
であり、発電機出力PGの図における実線PGは実際の発
電機出力を示し、破線は出力目標値P*を示している。
第5図からも分るように、発電機出力が変化し始めた
点Aの直後で、実際の出力PGは出力目標値P*から大
きく離れ、しかも出力を下げるのが目標であるにも拘ら
ず、一旦上昇してから下降する現象が見られる。この現
象は水車またはポンプ水車に接続されている水圧鉄管11
内の水撃が原因で発生するものである。
すなわち、前述した構成の水力発電設備において、ガ
イドベーンの開度を変えることによって水の流量を変化
させた場合には、水圧鉄管11の水撃作用により、その末
端部に設置された水車またはポンプ水車12の入口部の水
圧が変動する。この時の水車またはポンプ水車12の入口
水圧をHとすると、この入口水圧Hは水撃の基本式から
次のように表すことができる。
H=C・dQ/dt+Ho …(1) ここで、Qは水圧鉄管11を流れる水の流量、Hoは流量
Qが変化する前の水車またはポンプ水車12の入口水圧を
示し、Cは水圧鉄管11の流さ、断面積、水の密度などで
決まる負の定数である。
すなわち、水の流量Qの変化率dQ/dtに応じて入口水
圧Hが定まり、流量Qが減少する場合には、入口水圧H
は変化前の水圧Hoより高くなる。
従って第5図の特性を考慮し、発電機出力PGを減少
させようとしてガイドベーン開度aを閉じはじめると、
流量Qが減少し、その結果、前述の水圧鉄管内に水撃現
象が発生して水車の入口水圧が上昇するため、水車の有
効落差Heも上昇する。
水車の軸出力Ptは水の流量Qと水車の有効落差Heとの
積にほぼ比例するため、上記の水撃作用による水車の有
効落差Heの上昇分が大きい場合には、水車の軸出力が一
旦上昇し、発電機出力PGも上昇する結果、上述した現
象が発生する訳である。
ここで、第5図に示すように出力目標値P*として下
げ方向命令を出した場合、出力目標値P*が減少してゆ
くと、一般の水力機械の効率特性では、最適回転速度設
定器19で設定される最高効率運転回転速度目標値N*が
減少するため、回転速度Nは減少方向に制御され、回転
部の慣性エネルギによって有効落差Heの上昇分による発
電機出力PGの上昇分を吸収することができず、発電機
出力PGが増加する方向に回転速度Nが制御される。
(発明が解決しようとする課題) このように従来の出力制御方式では、電力系統からの
要求に対し、発電機または発電電動機の出力が一旦逆の
応答をすることになるため、系統に対して電力動揺や周
波数変動を及ぼす等、電力系統の運用上、問題があっ
た。
そこで、本発明は系統からの出力要求に対して追従性
が良く、安定して出力を制御できる可変速水力機械の運
転制御装置を提供することを目的とするものである。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 本発明は、水量を調節するガイドベーンを有する水車
またはポンプ水車等の水力機械と、この水力機械に結合
された可変速の発電機または発電電動機と、この発電機
または発電電動機の回転速度を制御する回転速度制御装
置とを有する可変速水力機械の運転制御装置において、
前記水力機械に作用する入口水圧または有効落差を検出
する入口水圧または有効落差検出器と、前記入口水圧ま
たは有効落差検出器から入力される入口水圧または有効
落差の一定時間ごとの変動値を算出し、この変動値の時
間積分値を求める落差変動検出器と、前記落差変動検出
器から出力される変動値の時間積分値に比例した信号を
速度補正値として前記回転速度制御装置に入力する回転
回転速度補正制御装置とを備えたことを特徴としてい
る。
(作用) 上述のように本発明によれば、電力系統からの出力目
標値P*の変化に応じて水力機械のガイドベーンを開閉
操作させる際に、水力機械に作用する入口水圧または有
効落差Heの変動を検出し、この変動値の時間積分値に比
例した信号を速度補正値として発電機または発電電動機
の回転速度を補正するようにしているので、ガイドベー
ン開閉時の水圧鉄管の水撃作用による落差変動によって
起こる発電機または発電電動器の出力の変動分を、回転
部分の回転エネルギーとして吸収あるいは放出すること
ができ、このため発電出力が出力目標に対して逆方向に
一旦振れる等の過渡減少を抑制できるとともに、電力系
統からの出力要求に対して安定な追従が可能となる。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第1図は本発明を適用した出力制御システムの構成例
を示すもので、水圧鉄管11により導かれた水はガイドベ
ーン17を通り、水車またはポンプ水車12を回転させる。
これによって発生した水車またはポンプ水車の軸出力Pt
は、可変連発電機13により電気的出力PGに変換され、
電気エネルギーとして電力系統(図示せず)へ供給され
る。
系統からの電力要求に基づいて出力目標値P*が与え
られると、出力制御装置15によって実際の発電機出力P
Gと比較され、ガイドベーンの開度目標値a*が算出さ
れる。この値はガイドベーン制御装置16に入力されてガ
イドベーン開度aを設定する。これによって水車または
ポンプ水車12に流入する水の流量Qは調節され、水車ま
たはポンプ水車12の軸出力Ptは出力目標値P*に対応し
た値に制御される。
一方、最適回転速度設定器19は出力目標値P*と静落
差Hstによって算出される最高効率運転回転速度目標値
N*を出力している。
また、水車またはポンプ水車12に作用する入口水圧H
または有効落差Heは入口水圧検出器または有効落差検出
器21によって検出され、落差変動検出器22に入力され
る。この落差変動検出器は、ガイドベーン17が閉じ始め
る前から一定時間ごとに入口水圧Hまたは有効落差Heの
変動値ΔHを算出し、その時間積分値ΣΔHを回転速度
補正制御装置20に向けて出力している。
この回転速度補正制御装置20は、入口水圧Hまたは有
効落差Heの変動値ΔHの時間積分値ΣΔHに比例した信
号を速度補正値Ncとして出力する。
従って、回転速度制御装置18は、最適回転速度設定器
19の回転速度目標値N*に速度補正値Ncを加算し、補正
した後の最適回転速度(N*+Nc)によって制御される
ことになる。
即ち、例えば出力減少指令として、出力目標値P*が
与えられたとすると、出力制御装置15はこの出力目標値
P*と、実際の発電機または発電電動機13の出力PGと
を比較し、ガイドベーンの開度目標値a*を閉口制御指
令としてガイドベーン制御装置16に出力する。これによ
ってガイドベーン17は閉じ始める。
ガイドベーン17が閉じ始めると、流量Qが減少し、そ
の結果、水圧鉄管11内に水撃現象が発生して水車または
ポンプ水車に作用する有効落差Heが上昇する。
落差変動検出器22は、第2図に示すようにガイドベー
ン17が閉じ始める前から、予め設定された時間区間T1〜
T2,T2〜T3,T3〜T4…の各時間区間内に生じた入口水圧H
または有効落差Heの変動値ΔHを算出した上、これらの
変動値の時間積分値ΣΔHを回転速度補正制御回路20に
向けて出力する。
ガイドベーン17が閉じる方向にある場合、第2図に示
すように、落差変動値ΔHの時間積分値ΣΔHは正の値
をとるので、回転速度補正制御回路20は落差変動値ΔH
の時間積分値ΣΔHに比例する大きさの正の速度補正値
Ncを出力する。
回転速度制御装置18には、最適回転速度設定器19から
の回転速度目標値N*に、正の速度補正値Ncを加算した
信号が入力されるので、回転速度制御装置18は発電機ま
たは発電電動機13の回転速度Nを上昇させる。従って、
水撃作用により上昇する水車またはポンプ水車12の軸出
力Ptに回転部の慣性エネルギーを吸収させることになる
ので、出力目標値P*の減少指令に対して発電機出力P
Gが一旦大きく上昇するようなことはなくなり、出力目
標値P*によく追従し、安定な出力制御が可能となる。
なお、上述した実施例は出力目標値P*が減少する場
合について述べたが、出力目表値P*に出力増加指令が
きた場合も同様にして出力制御が行なえる。
すなわち、出力目標値P*が増加した場合、出力制御
装置15は、この出力目標値P*と実際の発電機出力PG
とを比較し、ガイドベーン17を開口する方向の目標値a
*を指令する。この開口指令a*が入力されると、ガイ
ドベーン制御装置16よりガイドベーンは17は開口する。
この例では、水圧鉄管11内での流量Qが増すため、水
撃現象が起り、水車またはポンプ水車に作用する有効落
差Heが減少する。
この場合も、ガイドベーンが開き始める前から水車ま
たはポンプ水車12の入口水圧Hまたは有効落差Heを入口
水圧検出器または有効落差検出器21によって検出する。
また、落差変動検出器22は、予め設定された設定区間T1
〜T2,T2〜T3…の各時間区間内に生じた入口水圧Hまた
は有効落差Heの変動値ΔHを算出した上、これらの変動
値の時間積分値ΣΔHを回転速度補正制御装置20に向け
て出力する。
また、ガイドベーン12は開方向であるので、第2図の
場合とは反対に、落差変動値ΔHの積分値ΣΔHは負の
値をとり、回転速度補正制御装置20は負の回転速度補正
値Ncを設定する。
従って、回転速度制御装置18には回転速度目標値N*
に負の速度補正値Ncを加算した補正後の信号が入力され
ることになり、発電機または発電電動機13は回転速度N
を低下させる方向に制御される。その結果、水撃現象に
よって減少する水車またはポンプ水車の軸出力Ptに、回
転部から放出される慣性エネルギーが加算され、出力目
標値P*の減少指令に対して発電機出力PGは一旦減少
することなく、追従性よく、また安定した出力制御が可
能となる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば発電運転時の出
力制御が極めて安定し、水力発電設備を追従性良く制御
できる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明を実施するための制御装置のブロック
図、第2図はその作動を示すグラフ、第3図は本発明が
適用される水力発電所の概略図、第4図は従来の可変速
水力機械の運転制御装置のブロック図、第5図はその作
動を示すグラフである。 10……上池、11……水圧鉄管、12……水車またはポンプ
水車、13……可変速発電電動機、14……下池、15……出
力制御装置、16……ガイドベーン制御装置、17……ガイ
ドベーン、18……回転速度制御装置、19……最適回転速
度設定器、20……回転速度補正制御装置、21……入口水
圧検出器または有効落差検出器、22……落差変動検出
器。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水量を調節するガイドベーンを有する水車
    またはポンプ水車等の水力機械と、この水力機械に結合
    された可変速の発電機または発電電動機と、この発電機
    または発電電動機の回転速度を制御する回転速度制御装
    置とを有する可変速水力機械の運転制御装置において、 前記水力機械に作用する入口水圧または有効落差を検出
    する入口水圧または有効落差検出器と、 前記入口水圧または有効落差検出器から入力される入口
    水圧または有効落差の一定時間ごとの変動値を算出し、
    この変動値の時間積分値を求める落差変動検出器と、 前記落差変動検出器から出力される変動値の時間積分値
    に比例した信号を速度補正値として前記回転速度制御装
    置に入力する回転速度補正制御装置とを備えたことを特
    徴とする可変速水力機械の運転制御装置。
JP63019333A 1988-01-29 1988-01-29 可変速水力機械の運転制御装置 Expired - Lifetime JP2695813B2 (ja)

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