JPH0636679B2 - 可変速揚水発電システムの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、２次励磁付の同期機を任意の回転数で運転す
る可変速揚水発電システムの制御装置に係り、特に系統
事故等により１次側に大きなじよう乱の入つた場合に
も、端子電圧の変動を抑制するに好適な可変速揚水発電
システムの制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の揚水発電システムは、揚水時に負荷の調整ができ
ないこと、発電運転時に、系統より要求される発電力が
変化すること、ならびに揚水運転時には揚程が変化する
こと等の理由により、システムの効率が変化するという
欠点があつた。

このため、発電力、揚程にかかわらず、上記システムを
最高効率で運転させるため研究が進められている。その
研究の動向は、従来直流励磁の同期機であつた揚水発電
機を低周波で励磁する同期機とし、同期速度以外の回転
数で運転する、いわゆる可変速発電システムを採用する
方向に進んでいる。このような可変速発電システムを採
用することにより、発電力，揚程にかかわらず、システ
ムを最高効率で運転することが可能となる。そこで、こ
の可変速発電システムを実現するための研究が種々進め
られており、特開昭61−98187 号「運転制御方式」等の
文献があるが、これは系統事故時に２時励磁（回転子）
電流が発電子反作用により影響をうけ、端子電圧，有効
電力が大きく変動することが判つた。これを対策するこ
とまで配慮されていなかつた。

第２図は可変速揚水発電システムの励磁制御に、従来か
ら用いられている定電流制御の概要を示したものであ
り、１は可変速機の固定子、２は回転子、２２ａ〜２２
ｃは回転子のａ〜ｃ相巻線を、２３ａ〜２３ｃは定電流
制御部を示す。同図において、電圧変成器２０により可
変速機の端子電圧を取り込み、１７の２次巻線励磁量設
定部、１８の励磁量調整部により、、運転状態にあつた
励磁電流の基準量が設定される。この出力及び電流変成
器２４ａ〜２４ｃによつて得られる可変速機の回転子電
流が比較部２６ａ〜２６Ｃで比較され、この出力に定電
流制御系のゲインが乗ぜられ、回転子電流は基準量で定
められた電流に制御される。

このような励磁制御を行つたシステムを用いて、第３図
に示すような可変速機Ｇ_１が送電線Ｌを介して系統Ａに
接続、運転している場合に、送電線Ｌの地点Ｆで事故が
起つた場合には、可変速機固定子側の電流の変化が電機
子反作用により回転子側電流にあらわれる。このため、
回転子側電流は大きく変化し、定電流制御系の基準量と
回転子電流との差は大きくなり、事故除去後も端子電圧
及び有効電力は著しく変動する。このように系統事故時
に端子電圧及び有効電力の変動を抑制することまで配慮
されていなかつた。

ここで、電流変成器ＣＴ_１，電圧変成器ＰＴ_１，有効電
力算出部Ｐ，，励磁制御部Ｅｃ、制御指令部Ｃ，操作端
Ｔ，励磁装置Ｅｘ，ガバナ弁１３等は可変速システムの
運転に必要な機能を持つものであり、後で詳しくのべ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように、上記従来技術では、系統事故時に２次励磁
（回転子）電流が電機子反作用により影響をうけること
まで配慮された制御装置となつておらず、事故時に電機
子反作用の影響をうけない制御装置を確立する必要があ
つた。

本願は、上記欠点を補い、揚水及び発電の各種運転状態
で、高効率で運転する可変速揚水発電システムにおい
て、系統事故時に励磁回路のうけるじよう乱を小さく
し、端子電圧の変動を抑制可能な可変速揚水発電システ
ムの制御装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、任意の発電力をうる運転条件が、有効落差，
回転数及びガバナのベン開度との関連より定まること、
この運転条件のうち、本システムの効率が回転数で定ま
ること、上記の回転数が、水車入力と発電機出力との差
で定まること等の知見に基づき、回転数を目標値にあう
ように制御すると共に、発電機出力を指令値にあわせる
ように内部位相角を制御すると共に、測定により求めた
磁束鎖交数と基準としてあらかじめ与えてある値（磁束
鎖交数）との差をとり、この値にゲインを乗じたものを
２次励磁電圧として与えることにより、系統事故時の励
磁系のうけるじよう乱を小さくするように制御すること
により、上記目的を達成しようとするものである。

〔作用〕

第４図は、可変速発電システムの概要を示すものであ
り、一次、二次側共、３相巻線からなる。

同図で、１が固定子を、２が回転子を示す。５ａ〜５ｃ
は固定子のａ，ｂ，ｃ相巻線を、６ａ〜６ｃは、回転子
のａ，ｂ，ｃ相巻線を示す。更に、定格周波数を，す
べりをＳとすると、回転子の速度は（１−Ｓ）であ
り、回転子の励磁巻線をすべりＳの周波数で励磁するこ
とにより、回転子の回転磁界はすべり零（同期速度）で
回転し、固定子の回転磁界速度と同一になる。７は回転
子の回転数を測定する測定部を示し、この出力により、
３ですべり周波数を検出し、４ですべり周波数に応じた
電圧を発生させ、２次巻線を励磁することを示してい
る。このようにすることにより、任意の回転数で運転を
行つても、常に電機子巻線には、系統周波数の電圧を発
生させることができる。すなわち、第４図の例では、回
転子の回転磁界は、 （１−Ｓ）＋・Ｓ＝ …(1) となり、すべりにかかわらず、定格周波数の出力の得ら
れることになる。

このような方式において、第５図に示すように、２次励
磁電圧の制御を磁束鎖交数の測定値_ada ，_adb ，
_adc と、あらかじめ運転条件により定めてある量
_ada0，_adb0，_adc0との差を比較部２９ａ〜２９ｃ
でとり、この値にゲインＫを乗じたものを２次励磁電圧
として用いて励磁を行うことにより、系統事故時にも励
磁系にじよう乱を与えることなく、安定な制御を行うこ
とができる。磁束鎖交数の測定法については後述する。
ここで、１，２，１７，１８，２０，２２ａ〜２２ｃは
第２図と同様、固定子，回転子，制御量設定部（励磁量
設定部），励磁量調整部，電圧変成器、回転子のａ〜ｃ
相巻線を示す。

〔実施例〕 第１図は、本システムの具体例を示すものであり、可変
速機が系統に接続，運転している場合を示してある。Ｓ
は電力系統、１，２は第５図と同一の固定子及び回転子
を示している。静落差Ｈ及び出力指令Ｐ_０が与えられる
と、１５の指令値算出回路で、効率を考慮したガバナ弁
の開度指令値及び速度指令値が算出される。１４は調速
機の弁開度設定器であり、指令値算出回路１５からの開
度指令値が開度設定器１４により時間遅れをもつて調速
機の弁開度１３となる。１２は水車部であり、この特性
は、静落差Ｈ，調速機の弁開度１３及び回転数Ｎで定ま
る。この水車特性により得られる入力より可変速機の回
転子１は回転する。１１は速度発電機を示し、この出力
により、速度Ｎが検出される。１９は電流変成器を、２
０は電流変成器を示し、２１で、電流変成器１９及び電
流変成器２０の出力をもとに、有効電力を算出する。

１６は、２次巻線の位相角算出部であり、有効電力算出
部２１の出力Ｐ，出力指令値Ｐ_０，速度指令値Ｎ_０，速
度Ｎにより算出する。１７は、２次回路の励磁量を設定
する設定部であり、１８は励磁量の絶対値を制御する励
磁量調整部を示す。

２３ａ〜２３ｃは、１７で設定した励磁量をもとに、
ａ，ｂ，ｃ相の励磁量を作る部分である。２２ａ〜２２
ｃは、励磁量作成部２３ａ〜２３ｃで算出した励磁量に
よりａ，ｂ，ｃ相を励磁する励磁巻線である。ＳＣはサ
ーチコイル、ＩＣは積分回路を示し、積分回路ＩＣの出
力である磁束鎖交数を２次巻線励磁量設定部１７に導入
する。

ここで用いる磁束鎖交数の測定は、例えば、第６図に示
すように、回転子Ｒ_０の表面にサーチコイルＳＣを設
け、このコイルＳＣに誘起される電圧を積分回路ＩＣに
より積分して、固定子巻線と回転子巻線間の共通磁束
_adを求め、この値をもとに、各相の共通磁束を求め、こ
の値とあらかじめ運転状態に応じて定めた基準量との差
をとり、この値にゲインを乗じ、この値を励磁電圧とし
て制御しようとするものである。

すなわち、ここで求めた磁束_adを移相して、各相量に
変換し、磁束_ada ，_adb ，_adc を得る。これと同
時に、運転条件を考慮して各相磁束の基準量_ada0，
_adb0，_adc0を第１図に示す２次巻線励磁量設定部１７
で作成し、第５図に示すように、これらの磁束の測定値
と基準量との差を比較部２９ａ〜ｃで求め、この値にゲ
インを乗じて、励磁電圧を得て、この電圧を回転子巻線
２２ａ〜２２ｃに印加する。

尚、第６図の回転子Ｒ_０に設けたサーチコイルＳＣの出
力はスリツプリングを介して取りだせばよい。

ここで、固定子巻線と回転子巻線間の共通磁束_adには
次式が成立する。_ad ＝ｘ_ad（−ｉ_ｄ＋ｉ_fd） …(2) 但し、ｘ_ad：相互リアクタンス、Ｉ_ｄ：固定子ｄ軸電
流、ｉ_fd：回転子ｄ軸電流とする。

（２）式より明らかなように、_adは、回転子ｄ軸電流
の中の固定子電流の影響を相殺しているため、系統側事
故により、回転子側に生ずる固定子側の影響はあらわれ
ない。このため、系統側に事故が生じた場合でも、電機
子反作用により生ずる励磁束のじよう乱を抑制できる。

以下、本発明の一実施例を第３図により具体的に説明す
る。

第３図は、２次を低周波の交流で励磁する同期機を任意
の回転数で運転する、いわゆる可変速揚水発電システム
Ｇ_１が、送電線Ｌを介して、系統Ｓに接続、運転してい
る例を示すものである。送電線Ｌには、電圧変成器ＰＴ
_１，電流変成器ＣＴ_１が設置されている。

一般に、揚水発電機には、フランシス水車が使用され、
水車出力と効率の関係は、第７図のように示される。同
図は、横軸に水車出力、縦軸に効率をとり、回転数をパ
ラメータとして示したものである。Ｐ_１，Ｐ_２は水車出
力を、η_１，η_２は効率を、Ｎ_１，Ｎ_２は回転数を示
す。出力Ｐ_１では回転数Ｎ_１で、出力Ｐ_２では回転数Ｎ
_２で、それぞれの出力における最高効率η_１，η_２とな
ることを示している。このように、出力によつて、効率
が最高となる回転数は異なつており、これらの最高効率
の点で運転しようとするのが本システムの特徴である。

第３図において、可変速揚水発電システムＧ_１は、操作
端Ｔより、本システムに要求される発電力の制御指令が
与えられると、発電機の特性、水の落差を考慮した上
で、高効率の運転ができるよう、発電機の回転数、水車
のガバナ弁Ｖの開度が制御指令部Ｃにおいて求められ、
これらの値にあうような運転ができるよう制御されてい
る。このような状態で、発電機出力の低下指令が与えら
れると、あらかじめ与えてある手法により、発電機出
力、落差をもとに、発電機の効率が最高となるよう、回
転数，弁開度を制御し、効率のよい運転を行うことにな
る。

一方、発電機回転数の定格よりのずれは、励磁回路Ｅｘ
の情報として、すべり周波数を励磁制御部Ｅｃより与え
ることにより、前述のように、定格周波数の出力の得ら
れることになる。

次に２次励磁の具体例について説明する。第１図に示す
ように、３相の２次励磁巻線は、次のようにあらわされ
る。すなわち、第３図の操作端Ｔより与えられた指令に
より、ａ，ｂ，ｃ相の励磁量をうるための関数のうちの
位相角Δδを求める。ａ，ｂ，ｃ相の励磁電圧をｖ_fa，
ｖ_fb，ｖ_fcとすると、 と表わされる。ここで、Ｅ：すべり及び可変速機の運転
状態で定まる電圧値、δ_０：可変速機の運転状態で定ま
る位相角、Δδ：制御指令部の出力を制御される位相角
とする。上式を用いて、制御を行う場合に、無効電力の
制御指令に対しては、電圧Ｅで、有効電力の制御指令に
対しては、位相角Δδで制御すればよい。

このようにすることにより、系統側の事故の影響をうけ
ることなく、回転子巻線を励磁でき、このため、端子電
圧の変動を制御でき、その上、定常時のＡＦＣ（自動周
波数制御）、ＡＱＲ（自動無効電力制御）等の運転に関
しては、高速に応動できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、可変速揚水発電システムにおいて、系
統事故時の端子電圧の変動を抑制できるため、実用上の
効果は極めて大きい。

更に、電力の変動分を補給又は消費するため、昼間は発
電、夜間は揚水として運転する揚水発電システムにおい
ては、系統より要求される種々の電力に対して、効率よ
く運転できるため、経済的効果も大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による可変速揚水発電システムの一実施
例を示す図、第２図は従来の定電流制御系の概要を示す
図、第３図は本発明を適用する可変速揚水発電システム
の制御概要を示す図、第４図は可変速揚水発電システム
の原理概要を示す図、第５図は本発明の概要を示す図、
第６図は磁束鎖交数の測定法を示す図、第７図は出力と
効率の関係を示す図である。 Ｅｘ……励磁装置、Ｇ_１……可変速発電システム、Ｌ…
…送電線、Ｓ……系統、Ｃ……制御指令部、Ｔ……操作
端、１……固定子、２……回転子、３……すべり検出
部、４……電圧発生部、５ａ〜５ｃ……固定子のａ，
ｂ，ｃ相巻線、６ａ〜６ｃ……回転子のａ，ｂ，ｃ相巻
線、７……回転数測定部、１１……速度発電機、１２…
…水車部、１３……弁開度、１４……調速機の弁開度設
定器、１５……指令値算出回路、１６……２次巻線位相
角算出部、１７……２次巻線励磁量設定部、１８……励
磁量調整部、１９……電流変成器、２０……電圧変成
器、２１……有効電力算出部、２２ａ〜２２ｃ……２次
励磁のａ，ｂ，ｃ相巻線、Ｐ_０……出力指令値、Ｎ_０…
…速度指令値、Ｎ……速度、２３ａ〜２３ｃ……定電流
制御部、２４ａ〜２４ｃ……電流変成器、２５ａ〜２５
ｃ……定電流制御部のゲイン、２６ａ〜２６ｃ……比較
部、２７……電圧変成器、２８……電流変成器、ＳＴ…
…固定子、Ｒ_０……回転子、Ｋ……ゲイン、ＳＣ……サ
ーチコイル、ＩＣ……積分回路、_ａｄ……電機子巻線
と回転子巻線間の共通磁束、２９ａ〜２９ｃ……比較
部、Ｅｃ……励磁制御部。

フロントページの続き (72)発明者 原口 英二 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 (72)発明者 中川 博人 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電力系統に接続される３相固定子巻線と交
   流励磁される３相回転子巻線とを有し、水車に駆動され
   て前記電力系統に電力を供給する可変速発電機と、 前記固定子巻線と前記回転子巻線間で生ずる誘起電圧を
   測定する前記回転子に設けたサーチコイルと、 前記誘起電圧を積分して共通磁束を出力する積分回路
   と、 前記積分回路から出力された前記共通磁束と、前記可変
   速発電機の運転条件から求めた前記回転子の磁束基準量
   とについて、それぞれ移相変換して前記回転子の各相毎
   に出力する２次巻線励磁量設定部と、 出力された前記共通磁束と前記磁束基準量との差を各相
   毎に求め、前記差を増幅して各前記回転子に出力する定
   電流制御部と、 を備え、前記可変速発電機から前記電力系統と同一の周
   波数が前記水車の回転速度と独立して出力されるよう制
   御することを特徴とする可変速揚水発電システムの制御
   装置。