JPH089983B2 - 可変速水力機械の制御装置 - Google Patents

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ポンプまたはポンプ水
車等の水力機械の制御装置に係わり、特に出力変動に対
して追従性を良好にした可変速水力機械の制御装置に関
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５図は本発明が適用される水力発電設備の概略構成
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
ーに変換されて発電機または発電電動機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６図は従来から使用されている出力制御方法の一例
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、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を調節している。

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可変速度制御装置18が接
続されており、回転速度は回転速度設定器19により出力
目標値Ｐ＊に応じた回転速度目標値Ｎ＊に制御される。

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をさせた場合の出力制御例
を第７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、回転速度目標値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
る実線は実際の発電機出力PGを示し、破線は出力目標値
Ｐ＊を示している。第７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
であるにもかかわらず、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
口圧をＨとすると、この入口圧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、流量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の長さ、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に応じて水圧Ｈ
が定まり、流量Ｑが減少する場合には水圧Ｈは変化前の
水圧Hoより高くなる。

従って、第７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の積
にほぼ比例するため、上記の水撃作用による水車有効落
差Heの上昇分が大きい場合には、水車の軸出力が一旦上
昇する。すなわち、水の流量Ｑの時間変化率の絶対値|d
Q/dt/|が大きいと、前記の不具合が生ずることになる。

上述のように、水の流量Ｑはガイドベーン開度ａによ
って調節される。すなわち、流量の変化率dQ/dtはガイ
ドベーンの開度変化率da/dtに応じて変化する。従っ
て、ガイドベーン開度ａの開度変化率da/dtが大きいと
きにはdQ/dtが大きくなり、水撃現象による入口水圧上
昇が大きくなる。その結果、水車の軸出力Ptが出力目標
値Ｐ＊に対して一時的に逆方向に変化する現象が表れる
ことになる。

一方、回転速度設定器19（第６図）では出力目標値Ｐ
＊に基づいて水車最高効率運転を実現するために、回転
速度目標値Ｎ＊を出力している。この最適回転速度Ｎ＊
と出力目標値Ｐ＊との間には第８図のように関係があ
る。すなわち、出力目標値Ｐ＊が大きい所では回転速度
目標値Ｎ＊も大きく、Ｐ＊が小さい所ではＮ＊も小さく
なる。

第７図に示したように、出力目標値Ｐ＊に下げ方向命
令を出した場合には、回転速度目標値Ｎ＊も下げ方向命
令となる。回転速度Ｎは、回転速度目標値Ｎ＊を入力さ
れた回転速度制御装置18によって回転速度目標値Ｎ＊に
近づくように制御されている。この結果、第７図に示し
たように回転速度Ｎは減速されていく。

上述のように、出力目標値Ｐ＊が減少していくと、水
圧鉄管の水撃により、水車軸出力Ptが一旦上昇し、しか
も回転速度Ｎは減少方向に制御されるので、回転部の慣
性エネルギーが放出されることになる。従って、出力目
標値Ｐ＊が減少方向であるにもかかわらず、発電機出給
PGが一旦逆に上昇するという減少が現れることになる。

このような不具合を解決する糸口として、例えば特公
昭52−40392号公報に見られるように、ガイドベーンの
開閉時に生起する水車制御系の不安定に対し、補償回路
を設けたものがある。

この技術は、補償回路を設けることにより、調速機の
時定数を小さな値にして制御特性を向上させたものでは
あるが、水車回転速度を一定の下で制御するがゆえに、
出力変動時の出力目標値に対し実出力は過渡的に乖離
し、以前として上述問題点は解決されていない。

（発明が解決しようとする問題） このように従来の技術では、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応答する
か、あるいは実出力が乖離するかして制御特性が向上し
ておらず、このため系統電力の運用上、問題になってい
た。

（発明の目的） 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、系統からの出力要求に対して追
従性を良好にして安定した出力を出せるようにした可変
速水力機械の制御装置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） 本発明にかかる可変速水力機械は、水量を調節するガ
イドベーンを備える水車またはポンプ水車等の水力機械
と、この水力機械に直結された可変速発電機または可変
速発電電動機（以下、可変速発電電動機等という。）と
を備えたものであって、可変速発電電動機等の実出力と
出力目標信号とを突合わせ、その偏差に基づいてガイド
ベーンの開度目標信号を作り出す出力制御装置と、この
出力制御装置からのガイドベーンの開度目標信号に基づ
いてガイドベーンに開度修正信号を与えるガイドベーン
制御装置とを備える一方、ガイドベーンから検出した開
度信号を微分し、その微分信号に負の利得を乗じて可変
速発電電動機等の速度補正信号を作り出す回転速度補正
制御回路と、この回転速度補正制御回路からの速度補正
信号に、出力目標信号に基づいて作り出された回転速度
目標信号を加算し、その加算信号を演算して可変速発電
電動機等に与え、その回転数を修正する回転速度制御装
置とを備えるとともに、回転速度制御装置からガイドベ
ーンに開閉指令があったときに生起する水圧鉄管の水撃
に対する軸出力の増減を、水力機械の回転体の慣性に吸
収放出せしめたものである。

また、上述した課題を解決するために、本発明にかか
る可変速水力機械の制御装置は、水量を調節するガイド
ベーンを備える水車またはポンプ水車等の水力機械と、
この水力機械に直結された可変速発電機または可変速発
電電動機（以下、可変速発電電動機等という。）とを備
えたものであって、可変速発電電動機等の実出力と出力
目標信号とを突合わせ、その偏差に基づいてガイドベー
ンの開度目標信号を作り出す出力制御装置と、この出力
制御装置からのガイドベーンの開度目標信号に基づいて
ガイドベーンに開度修正信号を与えるガイドベーン制御
装置とを備える一方、上記出力制御装置から分岐出力さ
れたガイドベーンの開度目標信号を微分し、その微分信
号に負の利得を乗じて可変速発電電動機等の速度補正信
号を作り出す回転速度補正制御回路と、この回転速度補
正制御回路からの速度補正信号に、出力目標信号に基づ
いて作り出された回転速度目標信号を加算し、その加算
信号を演算して可変速発電電動機等に与え、その回転数
を修正する回転速度制御装置とを備えるとともに、回転
速度制御装置からガイドベーンに開閉指令があったとき
に生起する水圧鉄管の水撃に対する軸出力の増減を、水
力機械の回転体の慣性に吸収放出せしめるものである。

（作用） 上述のように構成した発明にかかる可変速水力機械の
制御装置では、出力目標と実出力との偏差分に応じてガ
イドベーンの開度を修正する一方、ガイドベーン開度信
号を微分し、さらにその微分信号に負の利得を乗じて速
度補正信号を作り、作り出された速度補正信号を、出力
目標に見合う回転速度に加算し、その加算信号を演算し
て可変速発電機または可変速発電電動機の目標回転速度
として使用するとともに、ガイドベーンの開閉により水
圧鉄管の水撃作用に起因した落差変動によって起る出力
変動分は、水車回転体の慣性により吸収放出している。

したがって、可変速発電機または可変速発電電動機
は、出力目標に対して実出力が乖離することなく良好に
追従し、その出力も安定に供することができる。

（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図は本発明による制御方法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、可変速発電機13により電気的出力Ｐ
Gに変換される。

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ＰGと比較され、ガイドベーンの
開度目標値ａ＊が導出される。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を出力する。

一方、最適回転速度設定器19は出力目標値Ｐ＊に応じ
た回転速度目標値Ｎ＊を回転速度制御装置18に向けて出
力している。ガイドベーンの開度はガイドベーン開度検
出装置20によって検出され、回転速度補正制御回路21へ
入力されている。

ここで、出力目標値Ｐ＊として下げ命令が与えられた
とすると、出力制御装置15はガイドベーン開度目標値ａ
＊を減らす指令を出す。これによってガイドベーンは閉
鎖していく。

その結果、水圧鉄管11内の水量が減少し、水撃現象が
起り、水車またはポンプ水車にかかる有効落差が増すの
で、水車またはポンプ水車の軸出力Ptが上昇する。

このとき、ガイドベーン開度検出装置20は、ガイドベ
ーン開度ａを検出して回転速度補正制御回路21へ送る。
この回転速度補正制御回路ではガイドベーン開度ａの変
化率あるいは微分値を算出する。

次に、第１図と第２図を参照して前述した本発明の実
施例の作用を説明する。なお、線および記号の定義は前
述した図におけると同一である。

第２図は出力目標値Ｐ＊が下げ方向の場合を示すが、
この場合、ガイドベーンは閉鎖中なので、変化率あるい
は微分値は負の値をとる。そこで、回転速度補正制御回
路21では、この変化率あるいは微分値に負の利得を乗じ
て速度補正値Ncとする。この場合、速度補正値Ncを前記
回転速度目標値Ｎ＊に加えた値が回転速度制御装置18へ
送られる。

回転速度制御装置18は回転速度目標値Ｎ＊より速度補
正値Ncだけ高い回転速度に実回転数を制御する。回転速
度を上昇させると、水車軸出力Ptの一部が回転部の慣性
エネルギーとして吸収される。従って、第７図に示し
た、発電機出力ＰGが出力目標値Ｐ＊に対して逆に上昇
する余剰分のエネルギー（水車軸出力）を回転部の慣性
エネルギーとして吸収するように回転速度を上昇させれ
ば、出力目標値Ｐ＊の下げ指令に対して発電機ＰGが一
旦上昇するようなこともなくなり、第２図に示したよう
に出力目標値Ｐ＊に対して発電機出力ＰGの追従性が良
くなり、安定した出力制御が可能となる。

第３図に本発明の他の実施例を示す。この実施例にお
いて前述した実施例と異なるのは、ガイドベーン開度ａ
を検出する替わりにガイドベーン開度ａ＊を回転速度補
正制御回路21に送り、ガイドベーン開度ａ＊の変化率あ
るいは微分値を算出し、この値に負の利得を乗じた速度
補正値Ncを回転速度目標値Ｎ＊に加えて回転速度制御装
置18に送り回転速度Ｎを制御する。

この実施例では、出力目標値Ｐ＊が下がる場合には、
ガイドベーン開度ａ＊を減少するので、ａ＊の変化率ま
たは微分値は負になる。一方、ガイドベーン開度ａ＊も
ａ＊の減少にともなって閉鎖していくので、水圧鉄管11
内の流量減少によって起こる水撃現象により有効落差が
上昇し、水車またはポンプ水車の軸出力Ptが増加する
が、ガイドベーン開度目標値ａ＊の変化率または微分値
に負の利得を乗じた速度補正値Ncにより回転速度目標値
Ｎ＊を補正して回転速度を上昇させることによって、上
述の水車またはポンプ水車の軸出力Ptの増加分を回転部
の回転エネルギ（慣性エネルギ）として吸収する。

この方法によれば、第７図に示した、出力目標値Ｐ＊
の下げ命令時に発電機出力ＰGが逆方向に一旦振れる現
象もなくなり、出力目標値Ｐ＊に対する発電機出力ＰG
の追従性が良くなる。

なお、上述した実施例はいずれも出力目標値Ｐ＊が減
少する場合について述べたが、出力目標値Ｐ＊に上げ指
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
ガイドベーン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によりガイドベーン17は開口される。

このとき水圧鉄管内では流量が増すため水撃現象が起
り、有効落差が減少する。この有効落差減少により出口
増加指令が出ているのにもかかわらず水車またはポンプ
水車の軸出力は減少する。

一方、ガイドベーン開度ａまたはガイドベーン開度目
標値ａ＊の変化率または微分値（この場合、正となる）
に負の利得を生じた値Nc（この場合、負となる）を回転
速度目標値Ｎ＊に加えて、回転速度Ｎを減速する制御を
行うことにより水車またはポンプ水車の軸出力の減少分
を回転部分の慣性エネルギの放出という形で補う。これ
により出力目標値Ｐ＊に対する発電機出力ＰGの追従性
をよくし安定した出力制御が行なえる。

なお、上記実施例を、第４図に示すように、１本の水
圧鉄管11から複数本の導水管が分岐し、複数台の水車ま
たはポンプ水車12a,12bを運転する発電所に適用する場
合、出力目標値Ｐ＊に同時に制御される運転台数が多い
場合には流量変化dQ/dtが多いので、前記した水圧鉄管
の水撃現象による有効落差の変化が大きく、また目標出
力Ｐ＊に同時に制御する運転台数が少ない場合には流量
変化dQ/dtが少ないので、前記水撃現象による有効落差
の変化が小さいことを考慮して回転速度補正制御装置21
でガイドベーン開度の変化率に乗じた負利得の絶対値
を、運転台数が多い場合には大きく、運転台数が少ない
場合には小さくすることにより、運転台数がかわっても
出力目標値Ｐ＊に対する発電機出力ＰGの追従性が好適
になるように出力制御を行うことができる。

〔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好に制
御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の可変速水力機械の運転方法を実現する
ための制御ブロック図、第２図はその作動を示すグラ
フ、第３図は本発明の他の実施例を示す制御ブロック
図、第４図は本発明の更に他の実施例を示す分岐水路を
持つ発電所の系統図、第５図は従来方式による水力発電
所の概略図、第６図は従来の水力発電所の制御ブロック
図、第７図と第８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……回転速度設
定器、20……ガイドベーン開度検出装置、21……回転速
度制御回路。

Claims (2)

【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備える水車
   またはポンプ水車等の水力機械と、この水力機械に直結
   された可変速発電機または可変速発電電動機（以下、可
   変速発電電動機等という。）とを備えたものであって、
   可変速発電電動機等の実出力と出力目標信号とを突合わ
   せ、その偏差に基づいてガイドベーンの開度目標信号を
   作り出す出力制御装置と、この出力制御装置からのガイ
   ドベーンの開度目標信号に基づいてガイドベーンに開度
   修正信号を与えるガイドベーン制御装置とを備える一
   方、ガイドベーンから検出した開度信号を微分し、その
   微分信号に負の利得を乗じて可変速発電電動機等の速度
   補正信号を作り出す回転速度補正制御回路と、この回転
   速度補正制御回路からの速度補正信号に、出力目標信号
   に基づいて作り出された回転速度目標信号を加算し、そ
   の加算信号を演算して可変速発電電動機等に与え、その
   回転数を修正する回転速度制御装置とを備えるととも
   に、回転速度制御装置からガイドベーンに開閉指令があ
   ったときに生起する水圧鉄管の水撃に対する軸出力の増
   減を、水力機械の回転体の慣性に吸収放出せしめること
   を特徴とする可変速水力機械の制御装置。
2. 【請求項２】水量を調節するガイドベーンを備える水車
   またはポンプ水車等の水力機械と、この水力機械に直結
   された可変速発電機または可変速発電電動機（以下、可
   変速発電電動機等という。）とを備えたものであって、
   可変速発電電動機等の実出力と出力目標信号とを突合わ
   せ、その偏差に基づいてガイドベーンの開度目標信号を
   作り出す出力制御装置と、この出力制御装置からのガイ
   ドベーンの開度目標信号に基づいてガイドベーンに開度
   修正信号を与えるガイドベーン制御装置とを備える一
   方、上記出力制御装置から分岐出力されたガイドベーン
   の開度目標信号を微分し、その微分信号に負の利得を乗
   じて可変速発電電動機等の速度補正信号を作り出す回転
   速度補正制御回路と、この回転速度補正制御回路からの
   速度補正信号に、出力目標信号に基づいて作り出された
   回転速度目標信号を加算し、その加算信号を演算して可
   変速発電電動機等に与え、その回転数を修正する回転速
   度制御装置とを備えるとともに、回転速度制御装置から
   ガイドベーンに開閉指令があったときに生起する水圧鉄
   管の水撃に対する軸出力の増減を、水力機械の回転体の
   慣性に吸収放出せしめることを特徴とする可変速水力機
   械の制御装置。