JPH109117A

JPH109117A - 可変速水力プラント

Info

Publication number: JPH109117A
Application number: JP8164104A
Authority: JP
Inventors: Hisao Kuwabara; 尚夫桑原; Masatoshi Akaho; 正敏赤穂; Masakazu Kobayashi; 雅一小林; Toshiharu Nishibayashi; 寿治西林
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1996-06-25
Filing date: 1996-06-25
Publication date: 1998-01-13
Anticipated expiration: 2016-06-25
Also published as: JP3834356B2

Abstract

(57)【要約】【課題】サージタンクの固有周期加振を前提にしたサー
ジタンク設計の無駄を排除し、経済設計を可能にする。【解決手段】上池側または下池側水路にサージタンクを
有し、外部より与えられる電力指令に応答して電力出力
又は電力入力の調整を行うと供に、誘導機を任意の回転
状態でで運転される可変速水力プラントにおいて、サー
ジタンク水位を検出する水位検出器と、水位検出器の検
出信号に応答してサージタンクの水位変動を抑制制御す
る信号を出力する水位変動制御演算手段と、外部より与
えられる電力入出力指令信号と水位変動制御演算手段か
らの出力信号を入力して、誘導機の回転状態を変化させ
る制御信号を出力する入力切換手段とを備える。【効果】サージタンク固有周期加振を前提にした無用な
ＡＦＣ制御抑制、制限等を排除し、可変速機特有の高性
能ＡＦＣ、高速ガバナフリー機能を存分に発揮させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は運転状態に応じて任
意の回転速度で運転しながら周波数は電力系統周波数と
同期して運転される可変速発電又は可変速揚水プラント
に関し、特に上池側又は下池側水路にサージタンクを有
する可変速水力プラントに関する。

【０００２】

【従来の技術】可変速水力プラントはフライホイール効
果を利用して従来の水力プラントより格段に速い高速電
力制御ができる。このため、電力系統の質の向上のた
め、可変速プラントには従来より高ゲインの自動周波数
制御（ＡＦＣ）及びガバナフリー制御が期待されてい
る。

【０００３】しかし、従来のサージタンクを有するプラ
ントの場合には次のような問題があった。すなわち、一
般に、ＡＦＣ制御ループの固有振動周期がサージタンク
の固有波周期に近く、サージタンク水位が異常加振され
振幅が異常拡大し、オーバーフロー等の問題を起こす可
能性があった。

【０００４】このことは、別な意味ではこの制約のため
可変速プラントのＡＦＣ制御ゲインを十分上げることに
ついて、従来は制約があった。

【０００５】そこで従来では、上げ下げ繰り返し状のＡ
ＦＣ制御によってサージタンクが共振した場合を想定し
て、それでも問題が生じないように、サージタンクを高
めにしたり又はサージタンク断面積を上下限水位近くで
急拡大させたりサージタンク構造を工夫していた。しか
し、このようなサージタンク側対策費は極めて高額にな
っていた。

【０００６】特に上池側または下池側水路にサージタン
クを有し、かつ該サージタンク側水路が分岐され他の可
変速水力機械と該サージタンク側水路を共有している場
合には、上記問題は一層深刻になる。なぜなら複数の可
変速水力機械が一斉にＡＦＣ制御を行った場合には、上
記共振問題が一層深刻になるためである。

【０００７】さらに従来の同期機を使った揚水発電プラ
ントでは夜間の揚水運転で事実上入力制御はできなかっ
た。案内羽根開度を変えてもポンプ入力はほとんど変化
せず、実質的に回転速度以外に調整手段がないためであ
る。しかし、可変速機が登場し、揚水モードでも電力系
統のＡＦＣ制御，ガバナフリー制御へ貢献ができること
になった。従って、揚水モードでもサージタンク共振が
発生する可能性が出てきた。

【０００８】また、従来の同期機でもサージタンク水位
変動異常拡大の可能性はあった。例えば、複数の揚水機
が一定の時間差をおいて起動され、その時間差が比較的
短く（この間にサージタンク水位変動が十分減衰しない
程）かつサージタンクの固有波周期の整数倍であった場
合である。この場合は後続起動機がサージタンク水位変
動を加速する関係になるからである。この対策としては
サージタンク容量増大の他、該時間差を十分大きくす
る、サージタンク水位変動を助長しないようなタイミン
グで起動する等の方法があった。しかし、後の２つの案
は電力系統の電力需給対応に制約をかけることに他なら
ず使い勝手の悪いプラントになってしまう。

【０００９】よって、従来の技術では上述の時間差揚水
起動対策のようにサージタンクとの妥協を求めた操作ノ
ウハウはあったが、これを積極的に制御しようという発
想はなかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明では上述のよう
なサージタンクを備えた可変速水力プラントにおいて、
サージタンクを必要最小限の経済設計にし土木費軽減を
計った場合でも安定して制御できることを目的とし、ま
た、サージタンク水位が所定の範囲内にある間は制約な
しに存分にＡＦＣ制御やガバナフリー制御を行って、可
変速機の特長を最大限に発揮させる。

【００１１】可変速水力機械は定速水力機械に比較して
運転範囲が広く、より広範囲にAFC制御が可能で、また
より高速の制御が可能であるので、より効果的なＡＦＣ
制御，ガバナフリー制御が期待でき、これらの機能をサ
ージタンクを有する場合でもこの特長も存分に発揮させ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
めに上池側または下池側水路にサージタンクを有し、外
部より与えられる電力指令に応答して出力又は入力を調
整しながら、運転状態に応じた適正回転速度で運転され
る可変速水力プラントにおいて、サージタンク水位を検
出する水位検出器を備え、この水位検出器の検出信号に
応答してサージタンクの水位変動を抑制制御する信号を
出力する制御演算器を備え、外部より与えられる通常運
転用の指令（電力指令）と制御演算器の出力信号を完全
に選択切換えしまたは実質的に一方が他方に優先するよ
うに切換えして入力する入力切換回路を備えたようにし
たものである。

【００１３】このように、本発明では可変速機を使って
積極的にサージタンク水位変動抑制制御を行う。特にサ
ージタンク水位を監視しながら必要に応じて的確にサー
ジタンク水位変動抑制制御を行う。この場合、通常のＡ
ＦＣ等の制御からサージタンク水位抑制制御、又はその
逆のモード切換えが必要であるが、完全に一方をOFFし
他方をＯＮする切換方法と一方のゲインを大きく、他方
のゲインを小さくする方法と、一方の時定数を短く、他
方を長くする等の方法で実質的に切換えするやり方もあ
る。

【００１４】サージタンク側の水路を分岐して複数台の
水力プラントが設置される場合、特に複数台の可変速水
力プラントが設置される場合には、その可変速プラント
の内の少なくとも１台にサージタンク水位変動抑制制御
機能を具備させる。

【００１５】これにより、サージタンクのサイズは必要
最小限に抑えることが可能になる。すなわち、サージタ
ンクは固有周波数加振を前提にした不経済な設計を行わ
ないようにすることが可能になる。

【００１６】そして、サージタンク水位制御を具備しな
い他号機が発生する水位変動をサージタンク水位変動制
御手段を備えた可変速機によって抑制制御する。言い換
えれば、サージタンクの安全弁機能の一部分を高速に応
答できて広範囲運転ができる可変速機に担わせて、サー
ジタンク自身の経済設計を実現する。

【００１７】サージタンク水位が所定値以上／以下にな
ったり、変動幅が所定値以上になったら、サージタンク
水位制御を効かせてサージタンク水位変動抑制を優先さ
せる。これにより、この保護が確保されているので、通
常は、ＡＦＣ等の通常運転機能を優先させ可変速の特長
を最大限に発揮させることが可能になる。

【００１８】また、可変速水力機械の応答は定速機のそ
れに比し高速で、かつ広範囲の出力／入力調整ができる
ので、定速機より効果的なサージタンク水位制御が可能
である。

【００１９】ところで、サージタンク水位変動抑制の具
体策として下記のように種々考えられる：（イ）先ず、サージタンク水位変動の向き，水位自身，
水位変動速度等を考慮して該サージタンク水位変動が抑
制される方向に当該可変速プラントの案内羽根開度及び
回転速度を制御するＰＩＤ等のpassive 制御回路を設け
る。

【００２０】（ロ）サージタンク水位変動の向き，水位
自身，水位変動速度等を考慮して該サージタンク水位変
動とは逆符号のサージング抑制波が生ずるように当該可
変速プラントの案内羽根開度及び回転速度を制御するac
tive制御回路を設ける。

【００２１】（ハ）上述のようなサージタンク水位変動
抑制は通常は除外又は実質的に除外しておいて必要時だ
け自動的に作動させるようにする。具体的にはサージタ
ンク水位が所定値以上になったり、変動幅が所定値以上
になった場合等が考えられる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図３は本発明が対象とするサージ
タンクを有する可変速水力プラントの例を示す。

【００２３】水力プラント１０３Ａ，１０３Ｂは共に可
変速水力機械、特に可変速揚水発電プラントとして以下
の実施例を説明するが、基本的に管路を共有している水
力プラントのうちの１つが可変速タイプなら本発明の目
的を達成できる。定常状態ではこれらのプラントに作用
する有効落差（発電モード）または揚程(揚水モード)は
上池水位ＥＬ１と下池水位ＥＬ２の差で決まる。しかし
過渡的には水圧鉄管１０５の流量と導水路１０７の流量
に差が生ずるためサージタンク１０６の水位ＥＬ３は上
下に変動する。

【００２４】例えば、可変速揚水発電プラント１０３
Ａ，１０３Ｂが揚水運転中に同一のＡＦＣ制御指令によ
ってサージタンク固有周期で入力増減を繰り返した場
合、サージタンク水位ＥＬ３の変動幅は拡大し、ついに
はサージタンク頂上水位ＥＬＡを超えてオーバーフロー
するようになる。しかし、可変速機１０３Ａに水位制御
機能を備えることによりオーバーフローは発生しなくな
る。この機能は図４に示すサージタンク水位がＥＬＡよ
り低いＥＬＸに達した時点で水位制御が動作し、可変速
機１０３ＡはＡＦＣ制御優先からサージタンク水位制御
優先に切換わり、回転速度が自動的に低下し、揚水流量
が減少する。この結果、サージタンク水位変動は図４の
ように減衰するようになる。

【００２５】図１はサージタンク水位制御機能を有する
可変速水力プラントの第一の実施例で以下この具体例に
つき説明する。

【００２６】サージタンク水位検出器３１によって検出
された水位検出信号３２を入力とする異常水位判定器３
３は上述した水位ＥＬＸを超えた水位に相当する信号を
出力する。尚、水位がＥＬＸを超えた時点でサージタン
ク水位変動抑制制御ＯＮ指令器３５が動作し、制御信号
選択回路４８が優先すべき制御選択を行う。すなわち、
この時点でサージタンク水位制御優先モードに切換わ
る。サージタンク水位変動抑制制御回路４６で異常水位
信号３４すなわち、水位ＥＬＸを超えた水位信号に応答
してサージタンク水位制御信号４７を出力する。かくし
て制御信号選択回路４８によって合成電力指令２９は実
質的に通常運転用電力指令４９からサージタンク水位制
御信号４７に切換わる。そして、合成電力指令２９は電
力指令下限設定器３０を経て最終的な可変速揚水発電指
令となる。このようにして最終的に可変速機に入力され
る可変速機電力指令２１が決まる。

【００２７】装置１〜装置２３は公知の可変速揚水プラ
ントの構成を示し、特開昭63−212774号（可変速揚水装
置の制御装置）等で開示されたものと同等である。

【００２８】この実施例では一次側巻線４，二次側巻線
５を有する巻線形誘導機を可変速電動機として用いた場
合の装置構成を示す一例である。巻線形誘導機の一次側
巻線４が電力系統１に接続されて二次側巻線５が交流励
磁装置７に接続され誘導機の入力は、この交流励磁装置
７により可変速機電力指令２１に応じて増減される。ま
た誘導機の回転状態は速度検出器１７により検出され加
算器１９，２０へ入力される。

【００２９】図２は図１の実施例のサージタンク水位変
動抑制制御回路４６の具体例と、制御信号選択回路４８
の具体例を示したものである。水位調定率回路４３は異
常水位信号３４とサージタンク水位制御信号４２の間に
定位性を持たせるための復元回路である。

【００３０】サージタンク水位制御信号４２が水位調定
率回路４３を考慮した異常水位信号３４相当の目標値に
達するまでは積分演算回路３９が積分動作を継続する。
比例演算回路３８は入力である異常水位信号３４に対す
る出力のサージタンク水位制御信号４２の応答遅れを少
なくするための回路である。装置２４〜装置２８で構成
される制御信号選択回路は一次遅れ要素になっており積
分動作をする電力指令応答速度調整部２６は積分要素に
なっており、しかもそのゲインがサージタンク水位制御
ＯＮ信号４５が来た場合に自動的に小さくなるようにな
っている。この結果、通常運転用電力指令４９に対する
応答速度調整済電力指令２７の応答時定数が大幅に長く
なって応答速度調整済電力指令２７は事実上現状維持と
なる。このようにして合成電力指令は事実上サージタン
ク水位制御信号４２によって左右され、この可変速揚水
機はサージタンク制御モードにおかれるようになる。

【００３１】

【発明の効果】サージタンクの固有周期加振を前提にし
たサージタンク設計の無駄を排除し、経済的な設計を可
能にする。

【００３２】同時に、サージタンク固有周期加振を前提
にした無用なＡＦＣ制御抑制，制限等を排除し、可変速
機特有の高性能ＡＦＣ、高速ガバナフリー機能を存分に
発揮させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】サージタンク水位制御機能を有する可変速水力
プラントの第一例。

【図２】サージタンク水位制御機能を有する可変速水力
プラントの第二例。

【図３】サージタンクを有する可変速水力プラントの
例。

【図４】サージタンク水位制御の動作説明図。

【符号の説明】

１…電力系統、２，１０３…ポンプ水車、３…主軸、４
…一次側巻線、５…二次側巻線、６…可変速機の一次
側、７…交流励磁装置、８…案内羽根開度制御装置、９
…復元、１０，１４，１９，２０，２４，２８，３６…
加算器、１１…加算器１０の出力、１２…実電力検出信
号、１３，２９…合成電力指令、１５…加算器１４の出
力、１６…二次巻線の交流励磁、１７…速度検出器、１
８…回転速度指令関数発生器、２１…可変速機電力指
令、２２…適正回転速度指令、２３…実際の回転速度、
２５，３７…偏差信号、２６…電力指令応答速度調整
部、２７…応答速度調整済電力指令、３０…電力指令下
限設定器、３１…サージタンク水位検出器、３２…同上
検出信号、３３…異常水位判定器、３４…異常水位信
号、３５…サージタンク水位変動抑制制御ＯＮ指令器、
３８…比例演算回路、３９…積分演算回路、４０…比例
演算回路出力、４１…積分演算回路出力、４２，４７…
サージタンク水位制御信号、４３…水位調定率回路、４
４…水位調停率回路出力、４５…サージタンク水位制御
ＯＮ信号、４６…サージタンク水位変動抑制制御回路、
４８…制御信号選択回路、４９…通常運転用電力指令、
１０１…下池、１０２…放水路、１０４…水圧鉄管分岐
管、１０５…水圧鉄管、１０６…サージタンク、１０７
…導水路、１０８…上池、ＥＬ１…上池水位、ＥＬ２…
下池水位、ＥＬ３…サージタンク水位、ＥＬＡ…サージ
タンク頂上水位。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林雅一東京都中央区銀座六丁目15番１号電源開発株式会社内 (72)発明者西林寿治東京都中央区銀座六丁目15番１号電源開発株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上池側または下池側水路にサージタンクを
有し、外部より与えられる電力指令に応答して出力又は
入力を調整しながら、運転状態に応じた適正回転速度で
運転される可変速水力プラントにおいて、前記サージタンク水位を検出する水位検出器を備え、該
水位検出器の検出信号に応答して前記サージタンクの水
位変動を抑制制御する信号を出力する制御演算器を備
え、外部より与えられる通常運転用の指令（電力指令）
と該制御演算器の出力信号を完全に選択切換えしまたは
実質的に一方が他方に優先するように切換えして入力す
る入力切換回路を備えた可変速水力プラント。
【請求項２】上池側または下池側水路にサージタンクを
有し、外部より与えられるＡＦＣ（系統周波数制御）を
含む電力指令に応答して出力又は入力を調整しながら、
運転状態に応じた適正回転速度で運転される可変速水力
プラントにおいて、前記サージタンク水位を検出する水位検出器を備え、該
水位検出器の検出信号に応答して前記サージタンクの水
位変動を抑制制御する信号を出力する制御演算器を備
え、外部より与えられる通常運転用の指令（電力指令）
と該制御演算器の出力信号を完全に選択切換えしまたは
実質的に一方が他方に優先するように切換えして入力す
る入力切換回路を備えた可変速水力プラント。
【請求項３】上池側または下池側水路にサージタンクを
有し、外部より与えられる電力指令に応答して入力を調
整しながら、運転状態に応じた適正回転速度で運転され
る可変速揚水プラントにおいて、前記サージタンク水位
を検出する水位検出器を備え、該水位検出器の検出信号
に応答して該サージタンクの水位変動を抑制制御する信
号を出力する制御演算器を備え、外部より与えられる通
常運転用の指令（電力指令）と該制御演算器の出力信号
を完全に選択切換えしまたは実質的に一方が他方に優先
するように切換えして入力する入力切換回路を備えた可
変速揚水プラント。
【請求項４】上池側または下池側水路にサージタンクを
有し、かつ該サージタンク側水路が分岐され他の水力プ
ラントと該サージタンク側水路を共有する少なくとも１
台の可変速水力プラントにおいて、外部より与えられる
電力指令に応答して出力又は入力を調整しながら、運転
状態に応じた適正回転速度で運転され、前記サージタン
ク水位を検出する水位検出器を備え、該水位検出器の検
出信号に応答して前記サージタンクの水位変動を抑制制
御する信号を出力する制御演算器を備え、外部より与え
られる通常運転用の指令（電力指令）と該制御演算器の
出力信号を完全又は実質切換えして入力する入力切換回
路を備えるようにした可変速水力プラント。
【請求項５】上池側または下池側水路にサージタンクを
有し、かつ該サージタンク側水路が分岐され他の水力プ
ラントと該サージタンク側水路を共有する少なくとも１
台の可変速水力プラントにおいて、外部より与えられるＡＦＣ（系統周波数制御）を含む電
力指令に応答して出力又は入力を調整しながら、運転状
態に応じた適正回転速度で運転され、前記サージタンク
水位を検出する水位検出器を備え、前記水位検出器の検
出信号に応答して前記サージタンクの水位変動を抑制制
御する信号を出力する制御演算器を備え、外部より与え
られる電力指令と前記制御演算器の出力信号を完全又は
実質切換えして入力する入力切換回路を備えるようにし
た可変速水力プラント。
【請求項６】上池側または下池側水路にサージタンクを
有し、かつ該サージタンク側水路が分岐され他の水力プ
ラントと該サージタンク側水路を共有する少なくとも１
台の可変速水力プラントにおいて、外部より与えられる電力指令に応答して電力入力を調整
しながら、運転状態に応じた適正回転速度で運転され、
前記サージタンク水位を検出する水位検出器を備え、該
水位検出器の検出信号に応答して該サージタンクの水位
変動を抑制制御する信号を出力する制御演算器を備え、
外部より与えられる通常運転用の指令（電力指令）と該
制御演算器の出力信号を完全又は実質切換えして入力す
る入力切換回路を備えるようにした可変速水力プラン
ト。
【請求項７】請求項１においてサージタンク水位が所定
値以上又は以下になった場合にサージタンク水位変動抑
制制御が動作するようにした可変速水力プラント。
【請求項８】請求項２においてサージタンク水位が所定
値以上又は以下になった場合にサージタンク水位変動抑
制制御が動作するようにした可変速水力プラント。
【請求項９】請求項３においてサージタンク水位が所定
値以上又は以下になった場合にサージタンク水位変動抑
制制御が動作するようにした可変速揚水プラント。
【請求項１０】請求項１においてサージタンクの水位変
動が所定値以上になった場合にサージタンク水位変動抑
制制御が動作するようにした可変速水力プラント。
【請求項１１】請求項２においてサージタンクの水位変
動が所定値以上になった場合にサージタンク水位変動抑
制制御が動作するようにした可変速水力プラント。
【請求項１２】請求項３においてサージタンクの水位変
動が所定値以上になった場合にサージタンク水位変動抑
制制御が動作するようにした可変速揚水プラント。
【請求項１３】上池側または下池側水路にサージタンク
を有し、外部より与えられる電力指令に応答して電力出
力又は電力入力の調整を行うと共に、誘導機を任意の回
転状態で運転される可変速水力プラントにおいて、前記サージタンク水位を検出する水位検出器と、該水位
検出器の検出信号に応答して前記サージタンクの水位変
動を抑制制御する信号を出力する水位変動制御演算手段
と、外部より与えられる電力入出力指令信号と前記水位変動
制御演算手段からの出力信号を入力して、前記誘導機の
回転状態を変化させる制御信号を出力する入力切換手段
とを備えた可変速水力プラント。
【請求項１４】前記請求項第１３項の可変速水力プラン
トにおいて、前記入力切換手段は前記電力入出力指令信号または前記
水位変動制御演算手段からの出力信号を切換えて、前記
誘導機の回転状態を変化させる制御信号として出力する
ことを特徴とする可変速水力プラント。
【請求項１５】前記請求項第１３項の可変速水力プラン
トにおいて、前記入力切換手段は入力した前記電力入出力指令信号ま
たは前記水位変動制御演算手段からの出力信号を、一方
が他方に優先するように前記誘導機の回転状態を変化さ
せる制御信号として出力することを特徴とする可変速水
力プラント。
【請求項１６】前記請求項第１３項の可変速水力プラン
トにおいて、前記外部より与えられる電力指令としてＡＦＣ（系統周
波数制御）制御信号を入力することを特徴とする可変速
水力プラント。
【請求項１７】前記請求項第１３項の可変速水力プラン
トにおいて、前記サージタンク側水路が分岐され他の水力プラントと
該サージタンク側水路を共有していることを特徴とする
可変速水力プラント。
【請求項１８】請求項１３においてサージタンク水位が
所定値以上又は以下になった場合にサージタンク水位変
動抑制制御が動作するようにした可変速水力プラント。
【請求項１９】請求項１４においてサージタンク水位が
所定値以上又は以下になった場合にサージタンク水位変
動抑制制御が動作するようにした可変速水力プラント。
【請求項２０】請求項１５においてサージタンク水位が
所定値以上又は以下になった場合にサージタンク水位変
動抑制制御が動作するようにした可変速揚水プラント。
【請求項２１】請求項１３においてサージタンクの水位
変動が所定値以上になった場合にサージタンク水位変動
抑制制御が動作するようにした可変速水力プラント。
【請求項２２】請求項１４においてサージタンクの水位
変動が所定値以上になった場合にサージタンク水位変動
抑制制御が動作するようにした可変速水力プラント。
【請求項２３】請求項１５においてサージタンクの水位
変動が所定値以上になった場合にサージタンク水位変動
抑制制御が動作するようにした可変速揚水プラント。