JPH0295777A - 可変速水力機械の運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、可変速運転が可能な水車やポンプ水車などの
水力機械の運転制御方法に関する。

（従来の技術） 水力発電所においては、電力系統の安定化調整のため、
発電所の入・出力を電力系統からの指令に基づいて変化
させる、いわゆるＡＦＣ運転方式が採用されることが多
い。

従来、同期発電電動機によって一定回転速度で運転され
る水力機械においては、発電方向運転のみが行われ、ガ
イドベーンの開閉により発電機出力を調整するようにし
ていた。

この場合、流二の急激な変化に伴う管路系への水撃作用
を避けるためガイドベーンの開閉速度は遅く設定されて
いた。

一方、最近は巻線型誘導発電電動機を用い、その励磁量
を変えることによって可変速運転を行えるようにした可
変速水力機械か多用されるようになっできた。

このような水力機械においては、主機の回転速度を変化
させたり、主機の回転速度と連動してガイドベーンの開
度を変化させることによって発電電動機の入・出力を調
整することができる。

この場合、水力機械は水車方向、揚水方向ともにＡＦＣ
運転が可能であり、高速で発電電動機の入・出力を変化
させることができる。

ここで、第５図ないし第７図を参照して揚水方向ＡＦＣ
運転時の可変速水力機械の時間的変化の状態を説明する
。

入力変動周波数ｆか高速の場合を第５図、中速の場合を
第６図、低速の場合を第７図に示す。

まず、入力変動周波数ｆが高い場合には、発電電動機の
入力Ｐは、第５図に示すように、発電電動機の励磁金が
瞬間的に変化するため、１］漂電動機入力信号Ｐ＊にほ
ぼ合致して変化する。しかしながら、主機の回転速度Ｎ
はそのはずみ車効果の影響で、発電電動機の軸入力の急
激な変化には追従できず、殆ど変化しない。揚水運転の
場合、回転速度Ｎが変化しなければ、揚水量Ｑは殆ど変
わらないため、揚水量変化に伴う水撃作用によるポンプ
出口側鉄管の圧力Ｈの変動は小さい。

一方、人力変動周波数ｆが低い場合には、第７図のよう
に、主機の回転速度Ｎも発電機人力Ｐに追従して変化し
、揚水ｍＱも変化する。しがし、下式に示すように水撃
作用による圧力の変化△Ｈは周波数ｆに比例するため、
ゆっくりとした揚水量Ｑの変化△Ｑでは管路への水撃作
用は問題とならない。

ΔＨＣ＝：△Ｑ−ｆ　　−・−−−−川　（１）これに
対して入力変動周波数ｆか中速の場合、即ち主機の回転
速度Ｎか追従する範囲内においである程度短い周期で目
標電動機入力信号Ｐ＊が変化する場合には、第６図に示
すように、揚水Ｑ　Ｑが変動するため、水撃作用でポン
プ出口側鉄管の圧力Ｈが大きく変動したり、管路系にサ
ージングが誘発されるおそれがある。

特に、ポンプ出口側圧力Ｈの変動の周期、つまりは目標
電動機人力信号Ｐ＊の変動周期１／ｆが管路系の時定数
に近づいたり一致すると、振動や騒音か増大し、ついに
は管路か破損に至る恐れもある。

次に、発電方向ＡＦＣ運転をしている場合を例にとって
、流ｍＱと回転速度Ｎの関係を第８図を２照して、水車
性能曲線上で説明する。図中の曲線ａｌ−ａ４は各々ガ
イドベーン開度がａ１〜ａ４の時の水車の回転速度Ｎと
流量Ｑの関係を示すグラフである。点線η１〜η４はお
のおの等効率曲線であり、曲線Ｉｏｐｔは各ガイドベー
ン開度における最高効率点を結んだものである。

主機の回転速度Ｎの変化のみでＡＦＣ運転時を行う場合
、ガイドベーンは開度を固定されているため、第８図中
のガイドベーン開度一定曲線は、例えばａ３の曲線上を
移動する。この場合には急激な流量変化は発生しないた
め、管路系への水撃も殆ど発生しない。しかし発電電動
機の出力調整幅は小さい。

そこで、主機の回転速度Ｎと、ガイドベーン開度ａとを
連動させて変化させることによって、発電電動機の出力
調整幅を大きくし、しかも常に高い効率で運転できるよ
うに制御する方法か考えられる。この場合、主機の回転
速度Ｎとガイドベーン開度ａが追従する周期１／ｆの範
囲内においては、第８図中の曲線Ｉｏｐｔ上を変化し、
流量も大きく変化する。

しかしながら、後者のような制御を行っている水力機械
では、前述の揚水方向ＡＦＣ運転時と同様に、流量の変
化に伴う水撃の発生、および出力変動周期と管路系の時
定数の一致により振動、騒音が著しく増大する。

この場合もポンプ水車の回転速度の変化に伴い流量変化
が発生するので、揚水運転の場合と同様の現象が発生す
る。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように、揚水方向および発電方向のＡＦＣ運
転時における入力（出力）変動周波数ｆが中速の場合は
、発電電動機の入力（出力）Ｐの変動にともなって主機
の回転速度が変化し、揚水量（流量）Ｑも変化する。

この揚水ｆｆ１（流ｆｆ１）Ｑの変化に伴う水撃作用で
管路系にサージングを誘発したり、ポンプ出口側鉄管の
圧力Ｈが大きく変動し、振動や騒音が増大する。特に、
入力（出力）変動周波数ｆが管路系の時定数に近付いた
り、一致したりすると、振動や騒音が急激に増大し、管
路や主機に損傷を与えるおそれがあった。

本発明は従来技術における上述のごとき欠点を解決すべ
くなされたもので、前述したＡＦＣ運転時における揚水
量（流ｆｆ１）Ｑの急激な変化に伴う水７作用を抑制し
、安全で安定なＡＦＣ運転が可能な可変速水力機械の運
転制御方法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） 本発明の可変速水力機械の運転制御方法は、水車または
ポンプ水車の回転速度を、予め定められた範囲内で任意
の値に設定できる可変速型発電電動機と、この可変速型
発電電動機を制御する可変速制御装置とを備えた可変速
制御水力機械において、目標発電機出力（入力）信号Ｐ
＊を、それに含まれる特定（１）域の周波数成分を減衰
させるフィルタ回路に入力し、前記目標発電機出力（入
力）信号Ｐ＊から前記特定帯域の周波数成分を減衰させ
た補正信号Ｐ＊＊により前記可変速制御装置を制御する
ことを特徴とするものである。

（作　用） 上述のように、本発明の可変速水力機械の運転制御方法
においては、発電電動機の目標電動機入力（または出力
）Ｐ＊の変動周波数ｆが、水圧管路系に対して水撃作用
による水圧上昇を発生させるおそれのある特定帯域の周
波数成分を有している場合、この周波数成分の信号をフ
ィルタ回路によって除去または低減させた後、可変速制
御装置に入力させるため、実際に発電電動機の軸入力ま
たは出力Ｐの調整範囲は大幅に狭くなる。

そのため、主機の回転速度Ｎは変化しないか、変化する
にしても少ない変化量に抑えられ、揚水量または流量Ｑ
の変動も抑えられる。その結果、揚水量または流量Ｑの
変化に伴う管路系への水撃作用は抑制される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明方法の実施例を示すもので、目標電動機
人力（または出力）信号Ｐ＊はフィルタ回路１に入力さ
れ、このフィルタ回路１から、実際の制御に使用される
目標電動機入力（または出力）補正信号Ｐ＊＊か可変速
制御装置２に向けて出力される。

可変速制御装置２は上記補正信号Ｐ＊＊を受けると、こ
れに基づき、必要に応じてガイドベーン３の開度を調節
するとともに、主機の回転速度Ｎを制御して発電電動機
４の軸入力（出力）Ｐを変化させる。

フィルタ回路１は、第２図に示すように目標電動機人力
（出力）信号Ｐ＊の変動周波数ｆがｆ１〜ｆ２の間は、
目標電動機人力（出力）信号Ｐ＊の変動幅ΔＰ＊が小さ
くなるようにゲインが低下する帯域特性を有している。

なお、このフィルタ回路１の周波数帯域ｆ１ｆ２と、そ
の間におけるゲインの大きさは、主機の回転速度Ｎやガ
イドベーン３の追従性、管路の時定数および水撃の強さ
と管路の強度等を考慮して決定される。

この様な構成の可変速制御水力機械において、ＡＦＣ運
転を実施した場合の時間的変化の様子を第３図に示す。

目標電動機入力（出力）信号Ｐ＊の変動周波数〔が第２
図に示すｆ−５ｆｌ、ｆ≧ｆ２の場合は、フィルタ回路
１のゲインはほぼ１．０であるからｐ＊−ｐ＊＊となり
、従ってＰ＊の変動幅ΔＰ＊と、フィルタ回路１からの
補正信号Ｐ＊＊の変動幅ΔＰ＊＊とは同一である。

一方、Ｐ＊の変動周波数ｆかｆｌ＜ｆ＜ｆ２の場合には
、フィルタ回路１のゲインが低下するので、Ｐ＊の変動
幅ΔＰ＊に対して、△Ｐ＊＊が第３図のように大幅に小
さくなる。

即ち、目標電動機入力（出力）信号Ｐ＊の変動周波数ｆ
がｆｌ＜ｆ＜ｆ２の場合には、実際の制御に使用される
フィルタ回路１からの出力Ｐ＊＊の変動幅ΔＰ＊＊が小
さくなるため、主機の回転速度Ｎの変化量は少なくなり
、揚水量（流Ｑ）Ｑも太き（変化することはない。

このように、揚水ｍ　（ｆｉｆｆｌ）　Ｑの変化に伴う
水撃作用が抑制されるので、ポンプ出口側の鉄管の圧力
Ｈの変動も小さく抑えられ、振動や騒音が小さく、しか
も安全で安定なＡＦＣ運転が可能となる。

第４図は、揚水運転時におけるポンプの出口側鉄管の圧
力変化の相対値（△Ｈ／Ｈ）の様子を示すもので、横軸
は、目標電動機入力信号の変動周波数ｆに、管路の時定
数Ｔｗを乗じたｆ−Ｔｗて目盛っである。

同図中のα１〜α５は、回転体の時定数を水路系の時定
数で除したもので、 α１くα２くα３くα４くα５・・・・・・（２）の関
係になっている。

なお、上述した管路の時定数Ｔｗは下式にて算定される
ものである。

Ｔｗ−ＬＱ／ｇＡＨ・・・・・・・・・・・・・・・　
（３）但し、 Ｌ：管路の総長 Ａ：管路の平均断面積 Ｑ：流量 Ｈ：有効落差 ｇ：重力の加速度 第４図から明らかなように、 ０．２≦ｆ−Ｔｗ≦４．０・・・・・・・・・・・・（
４）の限られた範囲において、圧力変化（△Ｈ／Ｈ）は
急激に大きくなる。

従って、管路系の強度を加味すると、（４）式の範囲内
で、フィルタ回路により、目標軸入力の変動ΔＰ＊の振
幅を零または小さくした制御信号Ｐ＊＊によって可変速
制御装置を制御することによって、安全なＡＦＣ運転が
できる。

〔発明の効果〕

上述のように本発明の方法においては、水圧管路に大き
な水撃作用を発生させる軸入力（出力）変動周波数Ｃの
範囲内において、目標電動機入力（出力）信号Ｐ＊の変
動幅を零または低減させるようにしたので、揚水ｆｉｔ
（流量）Ｑの変動量力曳少なくなり、これに伴う管路系
への水撃作用を抑制できる。

従って、どのような目標電動機入力（出力）信号Ｐ＊の
周波数ｆにおいても、振動や騒音力く小さく、安全て安
定したＡＦＣ運転時が可能な可変速制御水力機械の運転
制御方法が得られる。

第　１　図

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法において使用される可変速水力機械
を例示する主要部の概略構成図、第２図は本発明におい
て使用されるフィルタ回路の帯域特性を示すグラフ、第
３図および第４図は本発明方法の作動を説明するグラフ
、第５図ないし第８図はそれぞれ従来方法の作動を説明
するグラフ図である。 １・・・フィルタ回路、２・・・可変速制御装置、３・
・・ガイドベーン、４・・・発電電動機。 出願人代理人　　　佐　藤　−雄 第　２　図 周返枚 圧力・変動Ｑ１片文Ｉ値（△Ｈ／Ｈ） ４＝ 工

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 水車またはポンプ水車の回転速度を予め定められた範囲
   内で任意の値に設定できる可変速型発電電動機と、この
   可変速型発電電動機を制御する可変速制御装置とを備え
   た可変速制御水力機械において、目標発電機出力（入力
   ）信号Ｐ＊をそれに含まれる特定帯域の周波数成分を減
   衰させるフィルタ回路に入力し、前記目標発電機出力（
   入力）信号Ｐ＊から前記特定帯域の周波数成分を減衰さ
   せた補正信号Ｐ＊＊により前記可変速制御装置を制御す
   ることを特徴とする可変速水力機械の運転制御方法。