JPS63100276A - 可変速水車発電装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は最適回転速度制御を案内弁開度制御によって行
なう可変速水車発電装置の制御装置に関する。

〔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
であった。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塁を設ける
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、電気工学ハンドブック（電気学像発
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５
５−５６４９９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ＰＧを含む信号から演算する
最適回転速度指令値Ｎａと回転速度検出値Ｎを比較した
速度偏差信号（ＮＩＬ−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Ｐｏ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
１発電機励磁制御装置によって発電機出力を制御し、回
転速度制御は速度偏差信号（Ｎｌｌ−Ｎ）を用いて案内
弁開度制御を行なうことによっ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図によっ
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によって回
転駆動されると共に誘導機１の２次巻線ｌｂ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転が
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Ｐｏ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−と最適案内
弁開度指令Ｙａを発生する。７はスリップ位相検出器で
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ップ位相ＳＰを検出
する。スリップ位相検出器７の一構成例を説明する。ス
リッ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、スリップ位相検
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、スリップ位相Ｓ
ｐに変換される。外部からの発電出力指令信号Ｐｏ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と前記スリップ位相検出器７のスリップ位相信号
Ｓｐは２次励磁制御袋１ｆｆ３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１
ｂ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Ｐｏと外部から水位信号Ｈに応じて最適回転
数指令Ｎ＆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ＰＯのみから
最適回転数指令Ｎ＆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Ｎａと回転速度検出塁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、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の比較要素に１と１９の積分
要素（Ｋ２／Ｓ）に入力され、これらの出力は加算器２
０により案内弁開度指令Ｙａ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Ｐｏ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ｔｏで例えば発電出力Ｐをティップ状に上昇させよ
うとして発電出力指令ＰＯを第１０図（ａ）に示すよう
にステッ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Ｐａの変化に追
従して上昇する。一方、案内弁開度指令Ｙａは最適回転
速度指令Ｎａが第１０図（ｏ）に示すようにステップ状
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）のようにステップ状に変化する。

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ＰＧ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Ｐａ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Ｙａ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Ｎ１と等
しくなり、案内弁開度Ｙ１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Ｎ１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
１時点ｔ４では回転速度Ｎと最適回転速度指令Ｎａが等
しい。

以上より発電出力指令Ｐｏ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Ｎ１に整定させる事が可能である。これは発
電出力指令ＰＯ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Ｐｏ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信号償号とのみで行なわれている
。従って、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木管中の水の慣性によって
決まる２次系としての特性を持ち、この系に対し積分を
含むフィードバッ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って
第２図における積分ゲインに２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っ
て固有周波数を変化させたときの応答を示す０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っている。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、従っ
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、特に積分ゲインに２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
に２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に２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。

これは比例ゲインに１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９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
ってしまう、一方、水車圧力と流量は大きく変動し、そ
の結果１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
木管に発生すること、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って、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、上述した機械側での共振現象を防止し
た可変速水車発電装置の制御装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、回転速度制御系における案内弁開度制御装置
の入力として１回転速度検知信号に水車圧力検知信号を
追加し、回転速度偏差の比例・積分演算を行なった出力
に、上記水車圧力検知信号に適当な係数を乗じた量を加
算した案内弁開度指令したことを特徴とする。

（作用〕 上述の如き構成によれば、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をフ
ィードバックすることによって共振する機械系にダンピ
ング要素を追加したことになり、機械系の共振を抑制す
る効果がある。

（実施例〕 以下本発明の実施例を図面によって説明する。

第１図は制御装置のブロック図で、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Ｈｔを回転速度制御系
！！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１
回転速度指令Ｎ１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Ｈｔ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Ｙａ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Ｈｔ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ＨＴ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［ｔ１６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１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、水車圧力のフィードバッ
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、かつ高周波側に向ってなだらかに振幅比が減
少してゆく、この事実は、水路内の水の運転エネルギー
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
広がったことを意味し、ステップ入力に対しても回転速
度にオーバシュ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は、水車の水圧を検出する圧
力検出器とこの圧力検出器の圧力信号を入力で案内弁開
度指令の補正信号を演算する圧力制御装置と、補正信号
を案内弁駆動装置への案内弁開度指令信号に付勢する装
置とを設けたため。

水路系と水車の慣性との間で生ずる共振現象に減衰効果
を与えることができるので、発電出力指令変動時の水車
圧力や回転速度変動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ック図、第２図（ａ）、
（ｂ）は第１図の要部のブロック図、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
ブロック図、第９図は第８図の要部を示すブロック図、
第１０図は第８図による発電機出力指令のステップ変化
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・・・スリップ位相検出
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、１
２・・・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
、１８．２１・・・比例要素、１９・・・積分要素、２
０．２２・・・加算器、２４゛′″″″″′１°　　　
　　　　　・、ｉ’：：、＝、；っ代理人　弁理士　小
川勝男　、−−〜 ！・　誘Ｓ臓 第２囲（久） 芋２　目Ｃｂ） ＃３　固 茅５　口 茅　≦　固 ＃７　口 茅８固 琴９　固 茅／θ口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、交流系統に１次側が接続された誘導機と、この誘導
   機の２次側に接続され外部からの発電出力指令信号に応
   じて前記交流系統と同一周波数の交流電力を前記誘導機
   に発生させる２次励磁制御装置と、前記誘導機を回転駆
   動する水車とこの水車に供給される水量を調整する案内
   弁とこの案内弁の開度を案内弁開度指令信号に応じて制
   御する案内弁駆動装置と、前記誘導機の回転速度を検出
   する回転速度検出器と、外部からの発電出力指令信号を
   少なくとも含む水車運転条件を示す信号を入力して最適
   回転速度指令を演算する回転速度指令演算器と、この最
   適回転速度指令信号と前記回転速度検出器の回転速度検
   出信号を比較して前記案内弁駆動装置への案内弁開度指
   令信号を制御する回転速度制御装置を有する可変速水車
   発電装置において、前記水車の水圧を検出する圧力検出
   器と、この圧力検出器の出力信号を入力して補正信号を
   演算する圧力制御装置と、この補正信号を前記案内弁駆
   動装置への案内弁開度指令信号に付勢する装置とを設け
   たことを特徴とする可変速水車発電装置の制御装置。