JPH086679B2

JPH086679B2 - 可変速運転水力発電設備の制御方法

Info

Publication number: JPH086679B2
Application number: JP62071184A
Authority: JP
Inventors: 懐夫杉下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-03-25
Filing date: 1987-03-25
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPS63239377A

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および発電機を備え
た水力発電設備において、負荷変動に対して迅速に、し
かも水路系に悪影響を与えることなく対応できる可変速
運転水力発電設備の制御方法に関する。

水力発電所においては、電力系統の安定化調整のた
め、発電所の出力を出力指令に基づいて変動させる、い
わゆるAFC運転が行なわれることがある。

このAFC運転は、同期発電機とそれに直結されて一定
回転速度で回転される水車とからなる水力発電設備にお
いては、水車のガイドベーンを指令所からの出力指令に
基づいて開閉させることにより行なわれてきた。

すなわち、第７図に示すように、AFC運転指令が入力
された状態で、負荷が同図（ａ）のように変動幅ΔＰ、
変動周期ｆで変動すると、それに対応してガイドベーン
開度が同図（ｂ）のように変化する。

しかしながら、このような運転制御方法では、ガイド
ベーンの開閉スピードが速い場合には、水車流量の変化
に伴う水撃作用により水路系にサージングが発生し、水
車の入口側に連なる水圧鉄管の水圧が第７図（ｃ）に示
すように大幅に変動し、破損する危険性が高まる。この
ため、同図（ｄ）のように一定回転速度で運転される水
力発電設備においては、目標出力が高速で変化する場
合、AFC運転を実施することは不可能であった。

一方、最近は同期発電機に替えて巻線型誘導発電機を
採用した可変速運転水力発電設備が多用されるようにな
ってきた。この可変速運転水力発電設備においては、巻
線型誘導発電機の励磁量を調整することにより、ガイド
ベーン開度を調整することなしに発電機出力を高速で変
化させることができる。従って、この可変速運転水力発
電設備ではガイドベーン開度が変化しないところから、
前述の水撃作用による管路系のサージングの問題は発生
せず、高速AFC運転が可能となる。

しかしながら、このような可変速運転水力発電設備に
おいても、巻線型誘導発電機の励磁量調整だけで高速AF
C運転を行なおうとすると、次に述べるような問題が発
生する。

すなわち、第８図（ａ）に示すように、時刻t₀にて目
標発電機出力Ｐ^＊がP₀ ^＊からP₁ ^＊へステップ状に変化し
た場合を例にとって水車および発電機の応答を説明する
と、励磁量の調整は瞬間的に行なわれるため、同図
（ｂ）に示すように、発電機出力Pgは直ちに目標発電機
出力Ｐ^＊と一致するように変化する。

その結果、発電機トルクMgと水車トルクMtは、第８図
（ｅ）に示すように時刻t₀以降は発電機トルクMg＞水車トルクMt となるため、水車の回転速度Ｎは同図（ｄ）に示すよう
に、N_oから次第に低下する。

可変速運転水力発電設備においては、水車回転速度Ｎ
が変化した場合、発電機の出力周波数が系統の周波数に
合致するようサイリスタコンバータで制御するが、この
サイリスタコンバータで変換できる周波数はサイリスタ
の容量によって上限と下限を規制されるため、それらの
規制値を越えるような大きな出力変動に対しては、巻線
型誘導発電機の励磁量の制御だけでは対応することがで
きない。

すなわち、第８図（ｄ）に示すように水車回転速度Ｎ
がNoより次第に低下し、時刻t₁にて回転速度N₁を通過
し、サイリスタにて変換できる下限回転速度に近ずく
と、それを条件としてガイドベーンに開口指令が発せら
れ、同図（ｃ）に示すように、ガイドベーン開度ａはa₀
から開口する。これにより水車トルクMtは急激に上昇
し、時刻t₂では水車トルクMt＞発電機トルクMg となるので、水車回転速度Ｎは上昇に転じ、やがて新た
な回転速度N₁にて安定することになる。

しかしながら、その間、ガイドベーン開度はa₀からa₁
まで変化するので、可変速運転できる水車といえども、
急激な出力変化の要求に対しては、従来の回転速度一定
の水車におけると同様に管路系の問題が生じ、追従する
ことができない。

次に、上述の応答過程を第９図に示す水車の特性曲線
上で見てみる。同図において、点X₀,Xm,X₁を結ぶ太い実
線は時刻t₀からt₁を経てt₂に至る水車の運動点軌跡を示
すもので、曲線a₁,a₂,a₃,a₄はガイドベーン開度a₁,a₂,a
₃,a₄の各時点における水車回転速度Ｎと水車出力Ptの関
係を示している。

同図中、鎖線η₁,η₂,η₃,η_４は等効率曲線であり、
また、曲線Lopt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。

第８図において説明したように、時刻t₀からt₁までは
ガイドベーン開度一定で、水車回転速度Ｎが低下する。
水車回転速度Ｎの低下により、第９図に示すように水車
出力Ptも増加するが、これは第８図における水車トルク
Mtの増加に対応している。また、第８図の時刻t₁で水車
回転速度ＮがＮ＜N₁となる運転点は、第９図の点Xmに相
当している。

第９図において、可変速運転可能な水車では、水車出
力Ptとガイドベーン開度a₁〜a₄に応じて運転点が曲線Lo
pt上にくるように水車回転速度Ｎを調整すれば、常に最
高効率で水車を運転することができるが、第８図に示し
たように目標発電機出力Ｐ^＊の急激な変化に対して単に
巻線型誘導発電機の励磁量を変えて発電機出力を調整す
る制御方法では、第９図に示したように、運転点が最高
効率曲線からずれてしまう。

また、特開昭59−72998号公報に示すように、目標発
電機出力Ｐ^＊に対してガイドベーン開度と水車回転速度
Ｎの両方を変化させることにより運転点が常に最高効率
曲線Lopt上にくるように制御する方法も知られている
が、その場合には、発電機の励磁量の調整をいかに迅速
に行なっても、ガイドベーン開度が変化するまで水車出
力Ptが変化しないため、目標発電機出力Ｐ^＊に対する発
電機出力の追従性はガイドベーン開度の変化速度に依存
することとなる。従って、この方法においても、従来の
一定回転速度運転の水車におけると同様に急激な出力変
化要求に対して管路系にサーシング等の問題が発生す
る。

（発明が解決しようとする問題点）以上述べたように、発電機出力を時間と共に変化させ
るAFC運転において、一定回転速度で運転される水車
は、管路系の水撃作用を考慮して急激なガイドベーン開
度の変化が制限されるため、目標出力の変化スピードの
速いAFC運転には追従できない。

一方、可変速運転ができる水車では、巻線型誘導発電
機の励磁量を調整すれば水車のガイドベーン開度を変え
なくても、発電機出力を高速で変化させることができる
ため、高速AFC運転が可能となる。しかしながら、可変
速運転できる発電機においても、可変速運転可能な回転
速度の幅はサイリスタコンバータの容量で制限されるた
め、余り大きな幅の目標出力の変動に対しては、回転速
度の変化が運転可能範囲から外れるため励磁量の変化だ
けでは、目標出力の変化に対応できなくなる。このよう
な場合はガイドベーン開度を変えて出力調整することが
必要となるため、従来の一定回転速度で運転される水車
と同様、高速AFC運転には対応できなくなる。

また、可変速運転できる水車においては、目標出力に
対してガイドベーン開度と、水車回転速度の両者を変化
させ、その時の出力に対して最も効率がよくなるような
運転点を選択して運転することができるが、前述したよ
うに目標出力の変化に対して単に励磁量を変えるだけで
は、運転点は最高効率点から外れてしまう。

一方、水車回転速度とガイドベーン開度の両者を制御
すれば目標出力がどのように変化しても、運転点をガイ
ドベーン開度における最高効率点にセットすることがで
きるが、この場合、出力の変化スピードはガイドベーン
の変化スピードと同等となるため、やはり前述の一定回
転速度で運転される水車と同様に高速AFC運転には対応
できなくなる。

（発明の目的）本発明は背景技術における上述のごとき欠点を除去す
べくなされたもので、可変速運転する水車および発電機
と、その制御装置とを備え、与えられた落差および目標
出力に対してガイドベーン開度と水車回転速度の両者を
調整し、水車効率が最も高くなるような運転状態で水車
を運転できる可変速運転水力発電設備において、高速で
発電機出力を変化させる高速AFC運転を可能にする運転
制御方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明の可変速運転水力発電設備の制御方法は、水車
と、この水車に連結されてそ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機と、そ
の制御装置とからなる可変速運転水力発電設備におい
て、目標発電機出力Ｐ^＊、またはこのＰ^＊と実際の発電
機出力Pgとの差ΔＰ^＊をフィルタ回路で低速成分と高速
成分に分け、低速成分により水車のガイドベーンを制御
し、高速成分により可変速発電機の回転速度の制御を行
なうことを特徴とする。

（作用）上述のように構成した本発明の可変速運転水力発電設
備の制御方法によれば、ゆっくりした目標発電機出力Ｐ
^＊の変化に対しては、従来の可変速装置のない水車と同
様に、低速運転指令Psによりガイドベーン開度を変える
ことによって発電機出力を調整することができる。一
方、高速の目標発電機出力Ｐ^＊に対しては低速運転指令
Psは変化しないため、高速運転指令Pfにより発電機の回
転速度を変えることによって、発電機出力を調整するこ
とができる。この場合はガイドベーンはほとんど動かな
いため、目標発電機出力Ｐ^＊がどのように高速で変化し
ても管路系の水撃現象等は誘起されない。

（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図において、発電機１は巻線型誘導発電機であ
り、水車ランナ２と直結されている。水車は可動式のガ
イドベーン３を有しており、水車ランナ２に流れ込む流
量を調整することができる。可変速装置４はその入力が
零になるように発電機１の励磁量を調整し、その出力ま
たは回転速度を制御する。

AFC運転においては、目標発電機出力Ｐ^＊をフィルタ
回路５に入力し、高速成分を除去した低速運転指令Psを
得る。一方、目標発電機出力Ｐ^＊とPsの差より高速運転
指令P_f（＝Ｐ^＊−Ps）を得る。

開度設定器６はその時の水車の運転落差Ｈと低速運転
指令Psより最適なガイドベーン開度ａ^＊を求める。この
ガイドベーン開度ａ^＊を入力されたガイドベーン制御器
７は水車のガイドベーン３の開度ａがａ^＊と一致するよ
うにガイドベーン３を制御する。

一方、高速運転指令器８は高速運転指令P_fの値に基づ
き可変速信号ΔＰを出力する（ΔＰ＝Pf）。可変速装置
４は、このΔＰにより発電機の励磁量を変える。また高
効率運転指令器９はガイドベーン開度ａと水車の落差Ｈ
より水車効率が最も高くなる回転速度Ｎ^＊を算定する。
前記した可変速装置４にはこのＮ^＊と実際の水車の回転
速度Ｎとの差ΔＮも入力されており、ΔＮの値に応じて
も発電機の励磁量が調整される。

こうした構成の可変速運転水力発電設備において、目
標発電機出力Ｐ^＊が時刻t₀でP₀ ^＊からP₁ ^＊に変化した場
合の本発明の一実施例の応答を第２図に示す。

時刻t₀で目標発電機Ｐ^＊が同図（ａ）のようにステッ
プ状に変化すると、フィルタ回路の出力である低速運転
指令Psは同図（ｄ）の実線のようにゆっくりと変化す
る。

このため、目標発電機出力Ｐ^＊と低速運転指令Psの差
である高速運転指令Pfは同図（ｄ）の鎖線のように時刻
t₀で瞬間的に立ち上がる。この値がΔＰとして可変速装
置４の入力となるため、発電機１の励磁量は瞬時に変化
し、発電機出力Pgはほぼ目標値Ｐ^＊と一致する。但し、
このとき発電機１のトルクはMgは同図（ｆ）の実線のよ
うに急激に増加し、水車の発生トルクMtを上回るため、
水車の回転速度Ｎは同図（ｅ）の実線のように低下す
る。

一方、この時水車のガイドベーン３は低速運転指令Ps
によって制御されているため、同図（ｃ）に示されるよ
うに、徐々に開口し始める。このため水車の発生トルク
Mtも時間と共に増加し、時刻t₁では発電機トルクMgを上
回るようになる。このため、時刻t₁以降では水車の回転
速度Ｎは一転して増加方向に変化する。そして時刻t₂で
低速運転指令Psは目標発電機出力Ｐ^＊と同等の値にな
る。

この間、高効率運転指令器９はガイドベーン開度ａと
水車の運転落差Ｈより最適（目標）水車回転速度Ｎ^＊を
算定する。このＮ^＊は第２図（ｅ）の鎖線のように変化
するため、可変速装置４には回転速度上げ指令が入力さ
れることになり、高速運転指令Pfが小さくなる時刻t₁以
降では、回転速度を上昇するような励磁量の調整が行な
われ、最終的には時刻t₂で水車の回転速度は新しい目標
回転速度N₁と一致する。

以上の制御過程における水車運転点の変化を第３図に
示す。曲線a₁〜a₄、η_１〜η_４の定義は前述の第９図と
同様である。運転点X₀は時刻t₀における運転点に相当す
る。時刻t₁で回転速度Ｎが最低となる運転点は点Xmであ
り、時刻t₂における最終的な運転点はX₁である。

このように本発明の運転制御方法によれば、目標出力
の急激な変化に素早く対応できるのみでなく、最終的に
は水車の運転点を最も効率が高くなる運転点（曲線Lopt
上）に持っていくことができる。

第４図および第５図は上記の本発明の実施例が、ゆっ
くりした目標出力の変化と、急激な目標出力の変化に対
してどのように応答するか示したものである。図中の線
が表わす変数は第２図と同様である。

第４図はゆっくりした目標出力Ｐ^＊の変化に対する応
答を示すもので、この場合は同図（ａ）のようにＰ^＊の
変化がゆっくりしているため、低速運転指令Psは目標発
電機出力Ｐ^＊とほぼ一致している。従って高速運転指令
Pfは同図（ｃ）の鎖線で示すようにほとんど零となり、
第１図の高速運転指令器８の出力ΔＰもほぼ零となる。

このため、発電機１の励磁量の調整は目標回転速度Ｎ
^＊と実際の回転速度Ｎの差ΔＮを零にするように制御さ
れる。その結果、回転速度Ｎは第４図（ｅ）のようにご
く僅か変化し、水車の運転点は第３図の曲線Loptで示さ
れる高効率帯にくる。一方、ガイドベーン開度ａは同図
（ｃ）の低速運転指令Psに基いて制御され、これにより
発電機出力Pgも同図（ｂ）のように変化する。

第５図は急速な目標出力Ｐ^＊の変化に対する応答を示
すものである。

この場合、第５図（ａ）に示すようにＰ^＊の変化が大
きく、かつ速いため、フィルター回路の出力である低速
運転指令Psは同図（ｃ）の実線で示されるようにＰ^＊に
比較して著しく減衰した信号になる。このためＰ^＊とPs
の差である高速運転指令Pfが同図（ｃ）の実線のように
Psより大きくなる。

その結果、可変装置４は高速運転指令Pfに基づき制御
されるため発電機出力Pgは第５図（ｂ）のように目標出
力Ｐ^＊とほぼ一致し、水車の回転速度Ｎは発電機トルク
Mgと水車トルクMtの差により同図（ｅ）のように変化す
ることになる。

一方、ガイドベーン開度ａは低速運転指令Psに基づき
制御されるため、同図（ｄ）のようにわずかに変化する
だけである。このため管路系の圧力変動、サージング等
は問題とならない。

このように本発明の制御方法によれば、ゆっくりした
AFC運転の要求に対してはガイドベーン開度と回転速度
の両者を調整することにより高効率運転が実行され、ま
た高速のAFC運転の要求に対しては回転速度のみを調整
するようにしたので、即応性のある運転が可能となる。

（他の実施例）第１図に示した本発明の実施例では発電機出力Pgはフ
ィードバックされていなかったが、この発電機出力Pgを
正確に目標値Ｐ^＊に合せるため、Pgをフィードバックし
た実施例を第６図に示す。

符号１〜９は第１図と同様であるが、第１図の場合と
異なり、目標出力Ｐ^＊と発電機出力Pgの差ΔＰ^＊が、フ
ィルタ回路５と同一の特性を持つフィルタ回路10に入力
される。ここでΔＰ^＊は低速運転指令ΔPsと高速運転指
令ΔPfに分けられる。ΔPsは開度差設定器11に入力さ
れ、開度差信号Δａに変換される。開度設定器６は第１
図の実施例と同様の機能を持ち、落差Ｈと低速運転信号
Psより必要な開度ａ^＊を算定するが、その際Δａも考慮
してａ^＊を算定する。

以上の構成によれば低速な運転指令に対してはΔＰ^＊
とΔPsが一致するため、高速運転指令ΔPfは零になり、
水車の出力変化はガイドベーン開度の変化のみで行なわ
れる。一方、ΔPsが零のため、回転速度の変化は高効率
運転指令器９を通してのみ行なわれ、そのため、回転速
度はごく僅か変化するのみである。

一方、高速な運転指令に対しては高速運転指令ΔPfに
より、水車の回転速度が変化し、Pg＝Ｐ^＊になるように
制御される。フィルタ回路５、フィルタ回路10の作用で
Ps、ΔPsはほとんど変化しないため、ガイドベーン開度
ａもほとんど変化しない。

〔発明の効果〕このように、本発明によれば、高速AFC運転時におい
ても、与えられた落差および目標出力に対してガイドベ
ーン開度と回転速度を調整して水車効率が最も高くなる
ように制御する高効率運転が可能な運転制御方法が実現
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、第
２図はその動作を説明するグラフ、第３図は第２図に示
した本発明の実施例の動作を水車特性曲線上に示したグ
ラフ、第４図および第５図は上記実施例において、目標
発電機出力Ｐ^＊がゆっくりと変化した場合と、急激に変
化する場合の応答を説明するグラフ、第６図は本発明の
他の実施例の構成を示すブロック図、第７図は従来の一
定回転速度運転水車のAFC運転を説明するブロック図、
第８図と第９図は従来の可変速水車の運転制御方法を示
すグラフである。１……発電機、２……水車ランナ、３……ガイドベー
ン、４……可変速装置、５……フィルタ回路、６……開
度設定器、７……ガイドベーン制御器、８……高速運転
指令器、９……高効率運転指令器、10……フィルタ回
路、11……開度差設定器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水車と、この水車に連結されてその回転速
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
速型発電機と、その制御装置とからなる可変速運転水力
発電設備において、目標発電機出力Ｐ^＊、またはこのＰ
^＊と実際の発電機出力Pgとの差ΔＰ^＊をフィルタ回路で
低速成分と高速成分に分け、低速成分により水車のガイ
ドベーンを制御し、高速成分により可変速発電機の回転
速度の制御を行なうことを特徴とする可変速運転水力発
電設備の制御方法。
【請求項２】目標発電機出力Ｐ^＊をフィルタ回路で低速
成分Psと高速成分Pfに分け、低速成分Psとその時の水車
の運転落差により、必要なガイドベーン開度ａ^＊を算定
し、このａ^＊に基づき水車のガイドベーンを制御すると
共に、高速成分Pfにより、このPfが零となるように可変
速発電機の回転速度を制御することを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の可変速運転水力発電設備の制御方
法。
【請求項３】目標発電機出力Ｐ^＊と実際の発電機出力Pg
との差ΔＰ^＊を算定し、このΔＰ^＊をフィルタ回路で低
速成分ΔPsと高速成分ΔPfに分け、ΔPfにより、このΔ
Pfが零となるように可変速発電機の回転速度を制御する
と共に、その時の水車の運転落差Ｈと目標発電機出力Ｐ
^＊および低速成分ΔPsの三者に基づき必要な水車のガイ
ドベーン開度ａ^＊を算定し、このａ^＊に基づき水車のガ
イドベーン開度を制御することを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の可変速運転水力発電設備の制御方法。