JP2585233B2 - 可変速水車発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は可変速水車発電装置にかかり、特に回転速度
制御を案内弁の開度制御によって行う可変速水車発電装
置に関する。

〔従来の技術〕

従来より回転電気機械の速度制御を行う主要目的の１
つはポンプ水車などのターボ機械の負荷に応じて回転速
度を制御してターボ機械の最高効率での運転を実現する
事であつた。水車発電用水車を可変速運転する方法は２
種に大別できる。

第一は、交流系統と発電機の間に周波数変換器を設け
る方法である。特開昭48−21045号では任意の回転速度
で発電機を運転しても交流系統に電力を供給可能とし、
水車の案内弁開閉により回転速度を調整して水車の最高
効率点での運転を実現する方法が提案されている。

第二は、巻線型誘導機の１次側を交流系統に接続し２
次側と交流系統の間に周波数変換器を設ける方法であ
る。この方法は巻線型誘導機の１次側を交流系統に接続
し２次側と交流系統の間に周波数変換器を設けて発電機
出力に応じて回転速度を制御する方法の典型的な応用例
として従来より知られ、電気工学ハンドブツク（電気学
会発行，昭和42年版）などにも記載されている。この種
の可変速水車発電装置の制御装置として例えば特開昭52
−46428号、特願昭57−18290号、特開昭55−56499号な
どが提案されている。

上記２種の可変速水車発電装置に共通する課題は水車
出力と発電機出力をどの様に制御して回転速度を制御す
るかである。具体的には水車運転条件を示す少なくとも
外部からの発電出力指令信号P_oを含む信号から演算する
最適回転速度指令値N_aと回転速度検出値Ｎを比較した速
度偏差信号（N_a−Ｎ）をどの様に水車と発電機の出力制
御に用いるかが課題となる。何故ならば、水車と発電機
を機械的に接続したもので回転速度を調整する場合、水
路系の流体運動エネルギーは機械系の回転運動エネルギ
ーよりも小さく、発電機の損失は殆ど無視出来るのが一
般的であり、水車出力と発電機出力の差が殆ど回転運動
エネルギーの増加減分となるからである。ここに外部か
ら発電出力指令P_oとは水車を発電機、周波数変換装置な
どの可変速発電装置を構成する機器の電圧、電流、周波
数、位相、回転速度などの測定信号から演算される発電
出力指令以外の発電出力指令を意味する。具体的には中
央給電指令所など発電装置の外部からの発電出力指令を
意味する。

可変速水車発電装置の制御装置で巻線型誘導機の１次
側を交流系統に接続し２次側と交流系統の間に周波数変
換器を設ける方法のうち、特願昭60−80176号では、発
電機励磁制御装置によつて発電機出力を制御し、回転速
度制御は速度偏差信号（N_a−Ｎ）を用いて案内弁開度制
御を行なうことによつて実現することが提案されてい
る。

以下、この構成を第８図，第９図および第10図によつ
て説明する。

１は誘導機でその回転子に直結された水車２によつて
回転駆動されると共に誘導機１の２次巻線1bには周波数
変換器を備えた２次励磁制御装置３により誘導機１に回
転速度に応じて所定の位相に調整された交流励磁電流が
供給され、誘導機１の１次巻線1aからは交流系統４と等
しい周波数の交流電力が出力される様に可変速運動が行
なわれる。５は水車特性関数発生器で、外部から与えら
れる発電出力指令P_oと水位検出信号Ｈを入力して最高効
率で運転する為の最適回転速度指令N_aと最適案内弁開度
指令Y_aを発生する。７はスリツプ位相検出器で前記交流
系統４の電圧位相と電気角で表わした前記誘導機２次側
回転位相の差に等しいスリツプ位相S_pを検出する。スリ
ツプ位相検出器７の一構成例を説明する。スリツプ位相
検出器の回転子は誘導機１の１次巻線1aと並列に接続さ
れた３相巻線が設けられ、スリツプ位相検出器７の固定
子側には電気角でπ/2だけ異なる位置にホールコンバー
タがそれぞれ１個設けられていて誘導機１の２次側から
見た交流系統４の電圧位相が一致した信号が該ホールコ
ンバータより検出され、スリツプ位相S_pに変換される。
外部からの発電出力指令信号P_oは、そのまま誘導機出力
指令PGとなり、この誘導機出力指令PGと前記スリツプ位
相検出器７のスリツプ位相信号S_pは２次励磁制御装置３
に入力され、有効電力検出器９で検出される誘導機１の
出力検出信号Ｐが誘導機出力指令PGに等しくなる様に誘
導機１の２次側巻線1bに供給する交流励磁電流を制御す
る。具体的には特公昭57−60645号で提案されている制
御方法などが適用できる。15は回転速度指令演算器で外
部からの発電出力指令P_oと外部から水位信号Ｈに応じて
最適回転数指令N_aを発生する。水位変動の少ない発電装
置の場合は水位信号Ｈを入力せずに発電出力指令P_oのみ
から最適回転数指令N_aを発生しても良い。16は回転速度
制御装置で最適回転指令N_aと回転速度検出器６で検出さ
れる回転速度信号Ｎを比較して案内弁開度指令Y_aを発生
する。第９図は回転速度制御装置16の一実施例を示す。
17は比較器で回転速度偏差ΔＮを出力する。この回転速
度偏差ΔＮは18の比較要素K1と19の積分要素（K2/S）に
入力され、これらの出力は加算器20により案内弁開度指
令Y_aとして案内弁駆動装置10に入力される。一方、外部
からの発電出力指令P_oは前記回転速度指令演算器15に入
力されると共に２次励磁制御装置３への発電出力指令と
して入力される。

この様に構成された本実施例の制御装置において、い
ま時点t0で例えば発電出力Ｐをステップ状に上昇させよ
うとして発電出力指令P_oを第10図（ａ）に示すようにス
テツプ状に上昇させると誘導機１の発電出力Ｐは第10図
（ｇ）に示すように発電出力指令P_oの変化に追従して上
昇する。一方、案内弁開度指令Y_aは最適回転速度指令N_a
が第10図（ｃ）に示すようにステツプ状に上昇するため
に比例要素18の出力変化により第10図（ｂ）のようにス
テツプ状に変化する。しかしながら案内弁11の開度Ｙの
応答は前述の発電出力指令P_oに対する誘導機出力Ｐの応
答速度よりも遅い。このため誘導機出力Ｐよりも水車出
力PTの方が小さくなり回転速度Ｎは発電出力指令P_oの急
変後一時的に減速され、その後時点t1で発電出力Ｐと水
車出力PTが等しくなり回転速度Ｎは極小となる。なお時
点t1では速度偏差ΔＮは正なので案内弁開度指令Y_aは積
分要素19により上昇を続ける。案内弁開度Ｙは上昇を続
け、時点t2で回転速度Ｎは最適回転速度指令N_aと等しく
なり、案内弁開度Y_aは極大となる。その後、案内弁開度
Ｙと回転速度Ｎは減衰振動しながら回転速度Ｎは最適回
転速度指令N_aに整定する。第３図の時点t3とt5で水車出
力PTと発電出力Ｐは等しく、時点t4では回転速度Ｎと最
適回転速度指令N_aが等しい。

以上により発電出力指令P_oの変化に対して案内弁11の
応答よりも速く発電出力Ｐを追従させ、回転速度Ｎを最
適回転速度指令N_aに整定させる事が可能である。これは
発電出力指令P_oの変化に対して発電出力Ｐを追従させる
為に最初に回転運動エネルギーを用い、誘導機１の出力
Ｐを発電出力指令P_oに保つ一方で最適回転速度指令N_aに
回転速度Ｎを調整するのに必要な回転運動エネルギーは
案内弁11を制御して供給する事で実現したものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来の制御装置は、案内弁開度指令の決定を
回転速度指令と回転速度検出信号とのみで行なわれてい
る。従つて、制御対象となる水車の機械系のトルクから
回転数に至る伝達特性は、２つの時間積分要素、すなわ
ち、水車・発電機の慣性および水管中の水の慣性によつ
て決まる２次系としての特性を持ち、この系に対し積分
を含むフイードバツク制御を付加することが、系の安定
を損う要因となることが推察できる。

この点を確認するため、発電機出力指令を、ある値の
まわりに正弦状に変動させた時の回転速度および水車圧
力の変動分の応答を第５図および第６図に示す。第５図
は、閉ループ伝達関数の固有角周波数をほぼ一定に保つ
て第２図における積分ゲインK2を変化させたときの応答
を示す。また第６図は同様に減衰定数をほぼ一定に保つ
て固有周波数を変化させたときの応答を示す。両図の振
幅比は各変量を装置の定格値で正規化した上で、発電機
出力指令との比をとつている。ただし、回転速度指令値
は発電機出力指令に対して変動していない。従つて、回
転速度は理想的には振幅が零となるべきものである。

両図から分かるように、特に積分ゲインK2を大きくし
たとき、共振現象が顕著となる。実際、更に積分ゲイン
K2を大きくした場合、系は不安定となる。また共振を抑
えるために積分ゲインK2を小さくした場合、低周波域に
おいて回転速度変動が大きくなる傾向にあり、回転速度
制御系の追従性が悪化していることが見てとれる。これ
は比例ゲインK1が小さいことによる定常誤差に対応す
る。

共振周波数で発電機トルク指令の変動に対し、実際の
出力，回転数，水車圧力および流量が、どのように変動
するかを第７図に示す。この周波数では回転速度がトル
ク指令に対して符号が反転しており、トルクと回転速度
の積として与えられる実出力の応答は零に近くなつてし
まう。一方、水車圧力と流量は大きく変動し、その結
果、機械トルクが変動し、回転速度の変動を招いてい
る。エネルギーの流れに着目すれば、水車・発電機回転
部の運動エネルギーと、駆動媒体つまり水のエネルギー
との間で往復があるだけで電気側と機械側の間の変換は
殆んどなされていない。このような機械側の共振で問題
となるのは、定常状態では加わらない高い水圧が水車水
管に発生すること、また回転数が大幅に変動し得るこ
と、更に共振周波数が低く実際に発電機出力指令がその
付近の周波数で変動してしまうことである。これは、特
に発電機出力指令を変化させることによつて、系統周波
数を調整する場合、実発電出力が応答しないという問題
となる。

本発明の目的は回転速度制御を案内弁の開度制御によ
って行う可変速水車発電装置において、回転速度が不安
定になることを防止することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、一次巻線，二次巻線を有
し、かつ水量が案内弁で調整される水車により回転駆動
される巻線型誘導機と、この巻線型誘導機の二次巻線を
交流励磁する二次励磁制御装置と、発電出力指令信号お
よび巻線型誘導機の発電出力信号を入力して、二次励磁
制御装置の交流励磁出力を発電出力指令信号に追従させ
るように調整する二次励磁調整手段と、発電出力指令信
号および巻線型誘導機の回転速度信号を入力して、案内
弁に対し供給水量を制御する案内弁開度指令信号を出力
する回転速度制御手段とを備えた可変速水車発電装置に
おいて、水車にかかる水圧を検出する圧力検出器を備
え、回転速度制御手段はこの圧力検出器からの信号を入
力して、案内弁開度指令信号を補正するようにしたもの
である。

〔作用〕

本発明の可変速水車発電装置によれば、水管内の水は
重力および水車圧力によって加速されるから、流量の微
分量が水車圧力に相当することになるため、案内弁開度
指令に圧力信号をフィードバックすることによって回転
が不安定になる機械系にダンピング要素が働くようにな
り、回転速度を安定に保つことが可能になる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面によつて説明する。

第１図は制御装置のブロツク図で、第８図との同等物
には同一符号をつけ、ここでは相違する部分について説
明する。

水車２の圧力を検知する水車圧力検知装置８は、その
出力である水車圧力検知信号H_Tを回転速度制御装置16に
加えるよう構成されており、その他の構成は前述した第
８図と同一である。

第２図（ａ）は回転速度制御装置の構成を示してい
る。回転速度指令N_aと、回転速度検知信号Ｎとの比較を
行ない、その偏差ΔＮに対し比例および積分演算を施し
たものと、水位信号Ｈと水車圧力信号H_Tとを比較器23に
て比較し、その偏差ΔＨに比例要素21で比例演算を施し
たものを付勢し、案内弁開度指令信号Y_aを出力する。こ
こで圧力偏差ΔＨは水車流量が一定の時に零となるよう
に、水位信号Ｈと水車圧力信号H_Tのレベルを調整するこ
とにより、過渡状態でのみ補正信号が動作するように構
成できる。

また第２図（ｂ）のように、水圧信号H_Tを低域濾波器
24を介して圧力偏差ΔＨを演算することもできる。これ
により案内弁11で生ずる水圧脈動等、水路系の共振周波
数より高い周波数の成分を除去することができる。

第３図は、上述の回転速度制御装置16について正弦波
的発電機出力指令信号変化に対する発電機出力、回転速
度および水車圧力の周波数応答を示している。この比較
のため、第４図に水車圧力を帰還しない従来例について
同一スケールで示しており、回転速度偏差に対する比例
・積分ゲインは第３図，第４図とも同一である。

これら両図を比較してみると、水車圧力のフイードバ
ツクを行なう本実施例では実出力の落込みが減少し、機
械側の顕著な共振現象も消失しており、回転速度および
流量に第４図に見られるようなピークはない。また流量
に注目すると、振幅比が１付近である周波数領域で高周
波側に延び、かつ高周波側に向つてなだらかに振幅比が
減少してゆく、この事実は、水路内の水の運動エネルギ
ーが回転エネルギーに変換される、すなわち回転数が変
動することなく電気エネルギーに変換される周波数領域
が広がつたことを意味し、ステツプ入力に対しても回転
速度にオーバシユートを起こすことなく速やかに機械系
が応答することがわかる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、水車の水圧を検
出する圧力検出器と、この圧力検出器からの信号を入力
して案内弁開度を補正するようにしたので、水路系と水
車の慣性との間で生ずる共振現象を減衰させることがで
きるので、発電出力指令変動時の水車圧力，回転速度が
不安定になることを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による可変速水車発電装置の
制御装置の一実施例を示すブロツク図、第２図（ａ），
（ｂ）は第１図の要部のブロツク図、第３図は第１図に
よる発電機出力指令に対する周波数応答特性図、第４図
は従来の発電出力指令に対する周波数応答特性図、第５
図および第６図は従来の案内弁制御系の積分ゲインを変
化させたときおよび閉ループ特性の固有周波数を変化さ
せたときの発電機出力指令に対する周波数応答特性図、
第７図は従来のトルク指令変動に対する回転速度等の特
性図、第８図は従来の可変速水車発電装置の制御装置の
ブロツク図、第９図は第８図の要部を示すブロツク図、
第10図は第８図による発電機出力指令のステツプ変化に
対する各信号波形図である。 １……誘導機、２……水車、３……２次励磁制御装置、
４……交流系統、５……水車特性関数発生器、６……回
転速度検出器、７……スリツプ位相検出器、８……水車
圧力検知装置、９……有効電力検出器、10……案内弁駆
動装置、11……案内弁、12……受電変圧器、13……周波
数検出器、14……周波数制御装置、15……回転速度指令
演算器、16……回転速度制御装置、17,23……比較器、1
8,21……比例要素、19……積分要素、20,22……加算
器、24……低域濾波器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑原 尚夫 日立市幸町３丁目１番１号 株式会社日 立製作所日立工場内 (72)発明者 原口 英二 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 中川 博人 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60−90991（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一次巻線，二次巻線を有し、かつ水量が案
   内弁で調整される水車により回転駆動される巻線型誘導
   機と、該巻線型誘導機の二次巻線を交流励磁する二次励
   磁制御装置と、発電出力指令信号および前記巻線型誘導
   機の発電出力信号を入力して、前記二次励磁制御装置の
   交流励磁出力を前記発電出力指令信号に追従させるよう
   に調整する二次励磁調整手段と、前記発電出力指令信号
   および前記巻線型誘導機の回転速度信号を入力して、前
   記案内弁に対し供給水量を制御する案内弁開度指令信号
   を出力する回転速度制御手段とを備えた可変速水車発電
   装置において、前記水車にかかる水圧を検出する圧力検
   出器を備え、前記回転速度制御手段は前記圧力検出器か
   らの信号を入力して、前記案内弁開度指令信号を補正す
   ることを特徴とする可変速水車発電装置。