JPH0568959B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は可変速ポンプ水車発電電動機の制御装
置に係り、特に発電電動機として巻線形誘導機を
用い、その二次巻線を交流励磁することより可変
速制御する場合の制御装置に関する。

〔発明の背景〕

可変速揚水発電システムは、系統要求電力及び
静落差の値に応じて、揚水発電を行うポンプ水車
発電電動機の回転数を効率よく制御する（周波数
制御）ことを目的としてその開発がすすめられて
いる。大容量の可変速ポンプ水車発電電動機とし
ては、従来同期電動機が用いられ、これをサイリ
スタで制御するサイリスタモータがあつた（江
藤、伊藤他「大容量同期電動機の可変速運転特
性」、電気学会全国大会昭59、553参照）。一方、
最近巻線形の大容量誘導発電電動機を用いたもの
が開発されている。

第８図は巻線誘導発電電動機を２次励磁した方
式による可変速制御のトルク発生原理を電動機動
作を例として示すものである。固定子１内にはエ
アギヤツプ２を介して回転子３があり、この回転
子３の速度をω₂とする。今回転子速度ω₂が１次
電流により生成される回転磁界Φの速度ω₁より
遅い、すなわち同期速度以下ですべりＳ＝（ω₁−
ω₂）／ω₁が正（ω₁＞ω₂）であるとすると、２次
巻線には回転磁界Φの速度ω₁と回転子３の速度
ω₂と差速度の周波数をもちかつ図の小円で示し
た極性の誘起電圧４を生じ、これと同じ極性の電
流５が流れ、矢印の方向にトルクＴが発生する。
この時 ω₁−ω₂＝ω₁−（１−Ｓ）ω₁＝Sω₁＝2πS₁……(1) であるから、誘起電圧４の周波数、つまりすべり
周波数はS₁となる。次に、回転子３が同期速度
Ｓ＝０（ω₂＝ω₁）なる場合を考える。同期速度で
は、誘起電圧４が零となる為、このままでは２次
電流５が流れないのでトルクを発生しない。しか
し、サイクロコンバータを用いて２次励磁を加
え、第８図の電流５の極性と同一の電流を流すこ
とによりトルクＴを発生し、同期速度での運転が
可能となる。この時の励磁周波数は、Ｓ＝０より
S₁＝０であり、直流励磁となるが、これはサイ
クロコンバータの電流容量との関係で後述するよ
うな問題が生じる。次に同期状態において、２次
巻線に流す電流の量を第１図と同一極性方向に増
加すると同期速度ω₁以上の速度ω₂で回転子３が
回転することができる。そのときは誘起電圧４が
反転し、第９図のような極性となる。この時すべ
り周波数はＳ＜０だからS₁＜０となり、回転子
速度ω₂と反対方向に励磁周波数を持つ。すなわ
ち、系統周波数₁において、回転子の周波数は
（１−Ｓ）₁、例示すべり周波数はS₁となり、 ₁＝（１−Ｓ）₁＋S₁ ……(2) が成立している。このように同期速度以下及び同
期速度以上で２次励磁電圧を変えることにより、
誘導機の２次誘起電圧と２次巻線の励磁電圧の差
電圧で２次電流が流れトルクが発生し、可変速制
御が行える。

以上が、誘導機の電動機動作におけるトルク発
生原理である。誘導機を発電機動作させる場合に
は、サイクロコンバータを用い２次励磁を回転子
へ印加してトルクを発生させ、このトルクに逆ら
つて水力により回転子を回転させることで、電気
を発生させる。従つて、この発電機動作において
も、電動機動作のときと同様に、すべりＳが零付
近で直流励磁で問題が生じる。

ところで、２次励磁がすべりＳがほぼ０で直流
となつた時の問題点を説明する。サイクロコンバ
ータの交流側は三相交流であるとすると、サイク
ロコンバータを構成している１アームのサイリス
タに流れる電流は第１０図及び第１１図の斜線部
のようになる。第１０図はサイクロコンバータの
出力電流の周波数が或る程度大きい場合で、１ア
ームのサイリスタ平均オン電流I_AVは I_AV＝１／３×１／Ｔ∫^T/2 ₀√２I_GsinS
ω₀tdt＝0.15I_G……(3) となる。しかし、第１１図のように低周波になつ
た場合はほぼ直流とみなせ、この直流になつた場
合の平均オン電流I_AVdは、 I_AVd＝１／３×√２I_G＝0.47I_G ……(4) となる。この式(4)の電流を１アームに流せるだけ
の許容平均電流容量のサイリスタを用いてサイク
ロコンバータを構成すれば、前述のように２次励
起周波数、つまりすべり周波数が０でも運転が可
能であるが、これでは大容量の可変速揚水発電シ
ステムになるほどサイクロコンバータの設備容量
も膨大なものとなつてしまう。このため、サイク
ロコンバータの出力電流周波数、つまり誘導機の
すべり周波数に制約を設けて、過渡的に通過する
ことだげが許される周波数範囲（これを禁止帯と
呼んでいる）を設ける。この禁止帯では定常運転
は行われず、従つてサイクロコンバータは式(3)の
電流を流せるサイリスタで構成すればよいことに
なる。ところが、この禁止帯を考慮した誘導発電
電動機の運転方法は確立されていなかつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を
解決し、発電及び揚水時の各種自動周波数制御運
転において、サイクロコンバータを、安定にしか
も安全に運転できる可変速ポンプ水車発電電動機
の制御装置を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明は、発電時及び揚水時の自動周波数制御
運転において入力電圧の上げ、下げ指令に伴い速
度指令値が禁止帯を通過して定常運転に達する場
合、あるいは系統事故等により禁止帯に速度が達
した場合に、この禁止帯を誘導機がすみやかに脱
出するように誘導機の加速又は減速制御を行うこ
とを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の方法を用いた可変速ポンプ水
車発電電動機システムを示すもので、巻線形の誘
導発電電動機６の２次側はサイクロコンバータ７
により励磁される。可変速ポンプ水車８の回転
数、つまり誘導機６の回転数N_rは速度検出器１
４で検出され、誘導器６の２次誘起電圧は位置検
出器１５で検出される。電力系統１６の電力Ｐは
電力変換器１８により検出される。指令値演算部
１７は与えられた系統要求電力指令P₀（この指令
は、発電機動作では、例えば、出力電力を何MW
にせよという指令であり、電動機動作では、例え
ば、揚水のため余剰電力何MWを用いよという指
令となる。）と水位差の検出値Ｈとからポンプ水
車８が最高効率となる速度指令値N₀を算出し、
励磁量演算部９はこのN₀と速度検出器１４によ
り検出速度N_rとの偏差よりガバナ１９のガイド
ベン開度指令を出力し、また、電力変換器１８に
より検出した電力Ｐと系統要求電力指令P₀との
偏差より励磁量を算出し加算器１２を介して自動
移相器１３を制御する。

本発明の特徴とする加減速補償部１０は、速度
指令N₀が前述の禁止帯を通過して変化する場合
等に加速補償又は減速補償を与える演算部であ
り、その動作フローチヤートを第２図に示す。同
図に於て、ステツプ100では速度指令値N₀と速度
検出値N_rと水位差Ｈとをとり込む。今誘導機６
の可変速度範囲は、第３図に示したように水位差
の検出値、即ち静落差Ｈと系統電力Ｐに対して斜
線部のような範囲であり、サイクロコンバータ７
の容量制限から決められる禁止帯N₊〜N_-は同図
のように静落差Ｈとともに変化する。そこでステ
ツプ101では今入力した速度N_rが静落差Ｈに対応
した禁止帯の中にあるかどうかを判定し、禁止帯
内であれば静落差Ｈに応じた補償値を第４図に例
示したROMテーブル（加減速補償部１０内に格
納）より読み出す。またステツプ103では読込ん
だ速度指令N₀と検出速度N_rとを比較し、N₀＞N_r
の場合は加速補償、N₀＜N_rの場合は減速補償と
なるように補償値ΔSの符号を決める。そしてス
テツプ107で補償値ΔSを出力する。ステツプ101
で速度N_rが禁止帯外の場合は、ステツプ104で速
度指令値N₀が禁止帯を通過するかどうかを判定
し、もし通過するなら禁止帯外で与える補償値
ΔSを第５図に例示したROMテーブル（やはり補
償部１０に格納）より読み出し、ステツプ106で
ステツプ103と同様な符号の判定を行い、その御
補償ΔSをステツプ107で出力する。速度指令が禁
止帯を通過しない時はステツプ108でΔS＝０と
し、何の補償も行わない。こうして出力された補
償値ΔSは、第１図の加算器１２で励磁量演算部
９の出力に加算されて移相器１３へ印加される。

以上のような加減速補償部１０を備えた本発明
の実施例の動作は以下の通りである。今、例えば
第３図に示したように静落差H₁の状態で系統電
力をP_aからP_dへ上げる指令が与えられたとする。
この時加減速補償制御を行わない場合には、第６
図に示したように電力は直線abcdに沿つて時間
ｔとともに増加させることになる。ここで時間
t_adは、系統運用上から設定された電力変化時間
を示す。また時間t_bcは加速補償なしでの禁止帯
通過時間であり、禁止帯の通過に許される最大時
間をΔtとすると、t_bc＞Δtならばサイクロコンバ
ータの許容範囲をこえる。そこで速度N_rが禁止
帯内にある時は加速補償制御を行い、禁止帯の通
過時間をt_ef（＜Δt）とする。但し電力変化時間t_ad
を大きくはずれることは電力系統を乱すことにな
るため、禁止帯以外では減速補償を行う。従つて
時間ｔの経過につれて系統電力Ｐは第６図の折線
aefdの様に変化する。むろんこれらの加減速補償
量は、静落差Ｈの関数として第２図で説明したよ
うにROMからよみ出される。第７図は第６図に
対応するもので縦軸を速度Ｎであらわしている。
そして禁止帯内で加速、外で減速補償を行つてい
る様子を示している。

本実施例によれば、励磁用のサイクロコンバー
タの電力容量を特に大きく設定しなくても、静落
差に応じた加減速補償を行うことによつて運用に
おける電力変化時間とも一致する自動周波数制御
運転を安全に行え、系統事故等のため負荷の急変
が生じて速度が禁止帯内に達した場合も同様に安
定な運転とすることができる。なお、以上の実施
例は可変速ポンプ運転の場合として説明したが、
可変速発電運転においても有効に動作できる。但
しその場合は加減速補償をガバナのガイドベーン
開度指令の補償値とする安定性と制御性が向上す
る。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、加減速補償制
御を行うことにより、可変速ポンプ水車発電電動
機が大容量の場合でも、電力変換器の設備容量を
大形にすることなく、その容量に適合した範囲で
安定に電力系統を乱すことなく系統周波数号一定
制御運転が行えるので、経済性及び安全性の上か
ら大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は
加減速演算部の動作を示すフローチヤート、第３
図は可変速範囲の説明図、第４図及び第５図は静
落差対応の補償値を格納したROM特性の例を示
す図、第６図及び第７図は加減速補償の具体的な
説明図、第８図及び第９図は誘導機の動作説明
図、第１０図及び第１１図はサイリスタ平均電流
の説明図である。 ６……誘導発電電動機、７……サイクロコンバ
ータ、８……可変速ポンプ水車、９……励磁量演
算部、１０……加減速補償演算部、１２……加算
器、１３……移相器、１４……速度検出器、１８
……電力変換器、１９……ガバナ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 揚水発電のポンプ水車に連結され可変速ポン
   プ水車発電電動機として用いる巻線形の誘導機を
   励磁するサイクロコンバータと、前記誘導機の実
   回転速度を検出する速度検出器と、系統要素電力
   指令及び静落差から前記誘導機の速度指令値を算
   出する指令値演算部と、前記ポンプ水車のガバナ
   に与えるガイドベン開度指令を前記速度指令値及
   び前記実回転速度から算出すると共に実際の系統
   電力と前記系統要求電力指令との偏差から求めら
   れる励磁量を前記サイクロコンバータに与える励
   磁量演算部とを備える可変速ポンプ水車発電電動
   機の制御装置において、 前記サイクロコンバータの出力電流周波数のう
   ち該サイクロコンバータが前記誘導機を直流状態
   で励磁する周波数範囲を禁止帯とし、前記出力電
   流周波数に対応する前記誘導機の回転速度が前記
   禁止帯を通過する場合に、前記実回転速度が前記
   禁止帯内にあるときは静落差の関数として得られ
   る補償値であつて前記誘導機の回転速度を加速す
   る補償値を求め、前記実回転速度が前記禁止帯の
   外にあるときは静落差の関数として得られる補償
   値であつて前記誘導機の回転速度を減速する補償
   値を求め、求めた補償値を前記励磁量演算部が出
   力する励磁量に加算して前記サイクロコンバータ
   に与える加減速補償部 を設けたことを特徴とする可変速ポンプ水車発電
   電動機の制御装置。