JPS6038560B2 - 水力発電所の出力制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は揚水式発電所又は貯水量の少ない発電所のよ
うな有効落差の変動する発電所の出力制御装置に関する
。

最近の水力発電所は余剰電力を利用して下部ダムの水を
上部ダムに汲み上げておき、ピーク負荷時に上部ダムの
水で発電する揚水式のものが主流を占めている。

このような揚水式発電所は経済性の点から大容量高落差
化の傾向にあり、その機能系統を第１図及び第２図に示
す。第１図は発電機の機能を示し、第２図は揚水時の機
能を示している。しかして、水力発電所の主機の運転は
効率上、基準落差による定格出力での運転が望ましいが
、揚水式発電所においては発電運転中に上部ダムの水位
が下がり、下部ダムの水位が上がるので、運転中、常に
有効落差が変化することになる。

さらに、大容量機になれば系統運用面からＡＦＣ運転、
ＡＬＲ運転等の如く任意の出力を要求さ．れるので、必
ずしも基準落差による定格出力運転とはならない。した
がって、効率の低い運転とならざるを得ない。しかるに
、低効率運転においては特に水車のランナーから出る水
の旋回成分によってドラフトチューブ内の強制渦の形状
が不安定なものとなり、激しい音を発生したり水車本体
ばかりでなく発電所全体を振動させたりすることになる
。以下、これらについて詳述する。

ドラフトチューブの横断面を示す第３図において、今、
水車が定格回転速度Ｎ（ｒｐｍ）、落差日（ｍ）、流量
Ｑ（め／Ｓ）水車効率ｑｘのもとに出力Ｐｋｗ（＝９．
斑ｘ・Ｑ・Ｈ）を出しているものとする。このとき、図
の設計断面の翼形を例にとり、ランナベーン出口部分の
流れの様子を第４図の速度三角形について考える。第４
図において、Ｕはランナの周速度でその部分の直径Ｄ２
及び回転速度Ｎから大きさが定まる。

なお、その方向は周速の方向を示している。Ｗは回転し
ているランナ出口部分に対する水流の相対速度を表わし
、その方向は羽根の出口部分に沿っており、その大きさ
はメリディアン速度Ｖｍから定められる。メリディアン
速度Ｖｍは第３図で考えると、ガイドべ−ンを出た水流
が主軸中心まわりに旋回成分を持たないと仮定した時の
流速を示す。すなわち、メリディアン速度Ｖｍは流量Ｑ
をその部分の面積Ａで割った値である。次にＶはランナ
出口における水の実質速度を示す。動いているランナの
速度がＵ、このランナに対する水の相対速度がＷである
から、水の絶対速度（静止部分に対する速度）ＶはＵ、
Ｗで形成される平行四辺形の対角線として表わされる。
しかして、回転速度Ｎ、落差日などを変えないで流量Ｑ
をＱ′、Ｑ″と増加させればそれぞれに対応する相対速
度及びランナを出る水流の絶対速度はＷ′、Ｖ′及びＷ
″、Ｖ″のようになる。

ここで絶対速度の周方向成分はＶＵ、Ｖｕ′、ＶＵ″と
変わる。これが流れの旋回成分（周方向速度の成分）で
あり、流量が少ないときはランナの回転と同方向に、流
量が過大のときはランナと逆方向の旋回成分を持つ。す
なわち、固定羽根の水車では回転速度Ｎ及び落差日が一
定の運転をする限りにおいては、ある流量Ｑｗにおいて
のみランナから出る流れの旋回成分が無くなり、一般の
流量（負荷）においては常に正逆いずれかの旋回成分を
持つ。次に、落差の変動に伴なう旋回流発生の機構につ
いて考える。この場合、水車の運転状態が回転速度Ｎ、
落差日、流量Ｑの状態でランナ出口の旋回流がないとし
、その時のガイドベーン関度をａとする。今、落差日が
変化したＨ′となったが、回転速度Ｎ、ガイドベーン開
度のこは変化がないとすると、水車流量ＱはＱ：Ｃ松由
からＱ′：ｃノ偽Ｈ′に変わる。

そうすると、ランナべ−ンに流れる流量が変化するので
、ランナ出口部分の水流の速度Ｗも変わる。つまり第４
図から明らかなように、流量Ｑの時には旋回部分がない
のであるから、流量Ｑ′（羊Ｑ）の時は当然旋回成分を
もつようになる。この場合、ガイドベーン関度８を変え
て流量がＱになるようにしてやれば、その流量Ｑにおい
ては旋回部分を持たない流れを得ることができる。当然
のことながらＨ＞Ｈ′ならばひく８′であり、ＨくＨ′
ならば０＞ひ′となる。ここにおいて、旋回流の存在は
水車効率を著し〈低下させ、任意の落差ごとに固有の流
量においてのびランナ出口部分の旋回流が無くなるが、
ランナの入口側ではその時も常にランナベーンと水流と
が衝突を起しており、ある落差においてのみ無衝突流入
が可能である。この状態が水車の最高効率運転となる。
次に、ドラフトチューブ内の旋回流と水車の振動につい
て説明する。

ランナを出た旋回流はやがて自由渦となる。ここに、自
由渦とはドラフトチューブ中心からの距離をＲ、周速成
分をＶＵとするとＲ・Ｖリ＝一定の運動をするものをい
う。半径方向の周速成分の勾配器桃る限界を超えて大き
くなると、それ以内の距離Ｒの部分ではもはや自由渦で
はなくなり、全体が一体となった回転運動（強制渦）を
する。この強制渦の部分は一般に上武（ランナに近い部
分）ほど角速度が大きく、従って圧力が低くなって下方
から上方への逆流が起ることも珍らしくはない。吸出高
さが大きくてこの部分の圧力レベルが低い場合には水の
蒸気が発生し、容易に空所が発生する。こうした強制渦
の挙動（形状）は第３図のように安定したものではなく
、絶えず動きまわり空所の発生消滅の繰返し‘こ際して
激しい音を発生したり、水車のみならず発電所全体を振
動させたり電力動揺を生じたりする。しかして、振動エ
ネルギーの大きさは一般に旋回エネルギーの大きさに比
例する。

したがって、第４図から分るように過負荷あるいは軽負
荷になるほど流れの旋回成分ＶＵが大きくなり、振動騒
音が激しくなる。ただし、ある流量以下になると旋回成
分は増大しても流量が低下することによるエネルギーの
減少のため、その程度は次第にやわらぐ。以上のことか
ら機械部分の寿命の短縮、主機の軸振れの問題、蓬家全
体の構造上の問題や電力動揺の原因にもなる。

故に、特に低落差、低負荷運転ではその時の落差に応じ
て出来るだけ振動の少ない範囲での運転とするように運
転保守上注意が必要となる。従来、以上述べた不都合を
除去するために水車のブレードに加速度検出型の振動セ
ンサを取付け、その検出信号をスリップリングを介して
静止側に導き、振動検出出力が所定値を超えたら警報を
発したり運転停止としたり、さらには振動検出出力に応
じてガイドベーン関度を調整したりすることも提案され
ている。

しかし、この方式では振動を可動部に取付けた振動セン
サによって直接検出するので、振動センサの取扱いや保
守、なちびに可動部から静止側への信号伝達のための部
村の取扱いや保守が大変であり、しかも信頼性の点で問
題がある。以上のように、発電機の運転を振動の大きい
出力帯で継続することは極力避けなければならない。

したがって、この発明の目的は発電機の運転が振動の大
きい出力帯で行われる状態となったときは、その出力帯
での運転をすみやかに脱するようにした水力発電所の出
力制御装置を得ることにある。

この目的を達成するため、本発明においては有効落差に
基づいて振動ゾーンに対応する運転禁止帯を算出し、こ
の運転禁止帯での発電機の運転となった場合に、その運
転禁止帯に入る以前の出力増減指令に基づいて運転禁止
帯から脱するようにする。

すなわち、運転禁止帯に入る以前の出力増減指令が出力
増加指令であるときはガイドベーン開度を開方向制御し
て発電機出力が運転禁止帯の上限をこえるようにし、逆
に運転禁止帯に入る以前の出力増減指令が出力減少指令
であるときはガイドベーンを閉方向に制御して発電機出
力が運転禁止帯の下限未満になるようにする。以下、本
発明の一実施例を説明する。

第５図は水車におけるガイドベーン関度ひと発電機出力
Ｐとの関係を示すものであって、最小落差ＨＨｍｉｎと
最大落差Ｈｍａｘとの間で変動し得る落差日をパラメー
タとし、その運転範囲内で振動ゾーンＢと非振動ゾーン
Ａ，Ｃが存在することを表わしている。振動ゾーンＢは
振動の特に激しい領域であって、これは水車の特性によ
って定まるものであり、この領域では運転禁止帯となり
、非振動ゾーンＡ，Ｃが運転許容帯となる。図からも分
かるように、振動ゾーン（出力幅もしくはガイドベーン
関度幅）は落差日によって変化する。たとえば落差がＨ
ｍａｘのときの振動ゾーンはガイドべ−ン関度幅（開度
８，くりくり２）で示され、落差がＨｍｉｎのときの振
動ゾーンはガイドべ−ン関度幅（０３＜ひくａ４）で示
される。第６図は本発明の出力制御装置のガイドベーン
制御手段の制御シーケンスを示す図であり、Ｋ，は出力
増加用のＩＪレー、Ｋ３は出力減少用のＩＪレー、Ｋ３
は出力減少指令記憶用のＩＪレー、Ｋ４は出力減少指令
記憶用のＩＪレー、Ｋ５は運転許容帯の出力増加の操作
用のりレー、Ｋ６は運転禁止帯の出力増加操作用のりレ
ー、Ｋ７は運転許容帯の出力減少操作用のＩＪレー、Ｋ
８は運転禁止帯の出力減少操作用のＩＪレーである。

なお、出力増加指令及び出力減少指令は手動操作又はＡ
ＦＣ、ＡＬＲ等から接点ＰＢ及びＰＢ２に与えられ、Ｐ
Ｘは接点ＫＰ，〜ＫＰ４を有する運転禁止帯検出手段、
Ｍは水車出力設定器用のモータである。このような構成
において・発電機に出力増加指令が入力されると接点Ｐ
Ｂ，がオンしてリレーＫ，が付勢される。

そうすると、このＩＪレーＫ，の接点Ｋ，Ａがオンする
ことによりリレーＫ３が動作し、接点Ｋ３Ａを介して自
己保持する。いま発電機出力Ｐが第５図の領域Ｃの×に
ある場合には運転禁止帯検出手段ＰＸは不動作であるの
で、リレー接点Ｋ．ＢがオンすることによりリレーＫ５
が付勢される。かくして、リレー接点＆Ａがオンするこ
とによってモータＭが駆動されガイドベーンが開方向に
制御される。そして、発電機出力Ｐがガイドベーン開度
８の増加に伴なつて増加し、領域ＣからＢに入ると運転
禁止帯検出手段ＰＸの接点ＫＰ２がオンする。

そうすると、リレーＫ３は自己保持されているので接点
Ｋ３Ｃがオンしており、リレーＫが付勢される。つまり
、この場合、仮に接点ＰＢＩがオフすなわち出力増加指
令がなくなったとしても、発電機出力Ｐが領域Ａになる
まで、すなわち運転禁止帯の上限をこえるまでモータＭ
は増加方向に制御される。また、運転禁止帯Ｂを脱して
出力増加指令夕がストップした後に落差変化によって再
び運転禁止帯に入った場合はリレーＫ６が動作し、モー
タＭは増加制御され常に運転禁止帯を避ける運転となる
。一方、発電機に出力減少指令が入力されると穣０点Ｐ
＆がオンしてリレーＫ２が付勢され、このリレ−Ｋ２の
接点Ｋ２Ａがオンすることによりリレ−Ｋ４が動作し、
接点ＫＡを介して自己保持する。

発電機出力Ｐが第５図の領域Ａにある場合には運転禁止
帯検出手段ＰＸは不動作であるので、リレー暖」点Ｋ２
ＢがオンすることによりリレーＫ７が付勢される。かく
して、リレー接点Ｋ７が付勢される。かくして、リレー
接点Ｋ？ＡがオンすることによってモータＭが減少制御
される。発電機出力Ｐが領域ＡからＢに入って来ると運
転禁止帯検出手段ＰＸの接点ＫＰ４がオンする。

一方リレーＫが付勢され接点Ｋ４Ｃがオンしているので
、リレーＫ８が付勢される。つまり、この場合、仮に接
点ＰＢがオフすなわち出力減少指令がなくなったとして
も、発電機出力Ｐが領域Ｃになるまで、すなわち運転禁
止帯の下限未満となるまでモータＭは減少制御される。
また、出力減少指令がストップした後に落差変化によっ
て再び運転禁止帯に入ると、リレ−均が動作し、モータ
Ｍは減少制御され常に運転禁止帯を避ける運転となる。
自己保持状態となったりし−Ｋ３，＆のリセットは、出
力増加指令記憶用のＩＪレーＫ３の場合は出力減少指令
によりリレーＫ２を介して動作するりレーＫの接点Ｋ４
Ｂが開くことにより、また、出力減少指令記憶用のりレ
ーＫ４の場合は出力増加指令によりリレーＫ，を介して
動作するりレーＫ３の接点Ｋ３Ｂが開くことにより行わ
れる。

図示はしていないが、主機（水車、発電機）運転用リレ
ーのメーク接点を各リレーＫＣ，Ｋの励磁回路に直列に
挿入しておけば、主機の停止操作に運動してリレーＫ３
，Ｋ４のリセットを行わせることができる。次に運転禁
止帯検出手段ＰＸの接点ＫＰ，〜ＫＰ４を制御するりし
−ＲＹの制御系を第７図に示し説明する。

ＰＴ，は上部調整ダム水位検出用のフロート（図示せず
）に連動して上部ダム水位に比例した負電圧を出力する
ポテンショメータ、ＰＬは下部調整ダム水位検出用のフ
ロート（図示せず）に連動して下部ダム水位に比例した
正電圧を出力するポテンショメータである。この種の水
位検出装置は発電所の種々の表示装置や制御装置などの
ために本来設けられるものを兼用することができる。ま
た、１は入力抵抗Ｒ，及びＲ２、演算増幅器ＯＰ，及び
帰還抵抗Ｒ３で成る加算増幅器であり、その出力ＶＩは
上部ダムの水位と下部ダムの水位との差に相当する有効
落差に比例した電圧を示す。さらに、２及び３はそれぞ
れ関数発生器であり、第５図に示す振動ゾーンに対応す
る運転禁止帯の下限及び上限に相当する入出力特性を有
する。すなわち、いま落差がＨｏであるとする。関数発
生器２は落差凡に比例した電圧Ｖ，を入力されると、出
力電圧Ｖ２はその落差比に対し運転禁止帯下限のガイド
ベーン関度８５ に比例した電圧となり、関数発生器３
の出力電圧Ｖ３は落差比に対し、運転禁止帯上限８６の
ガイドベーンに比例した電圧となる。ポテンショメータ
ＰＴ３はガイドベーンに運動し０て動作し、ガイドべ−
ン閥度のこ比例した信号Ｖ４を出力する。

この信号Ｖ４はそれぞれ比較器４及び５の負入力端子に
入力され、信号Ｖ２及びＶ３・と比較される。しかして
、比較器４はＶ２−Ｖ４＜０、つまりガイドベーンが運
転禁止帯下限０５以タ上に開いている場合に論理信号「
１」を出力し、比較器５はＶ３−Ｖ４＞０、つまりガイ
ドベーンが運転禁止帯上限８６ まで開いていない場合
に論理信号ｒｌ」を出力する。ナンド回路６は比較器４
及び５の出力が共に「１」となった時に論理「０」を出
力し、これによってリレーＲＹを付勢する。かくして、
関数発生器２，３以下リレーＲＹに至る回路部分は有効
落差に応じて定まる運転禁止帯を演算する運転禁止帯演
算回路を構成する。

以上のようにこの発明によれば、揚水発電所において有
効落差に応じて変動する運転禁止帯を演算する運転禁止
帯検出手段を設けるごとによって低効率領域の振動発生
の大きい出力帯を自動的に避ける運転が可能となるので
、運転員が常に落差と出力とを監視する必要もなく、特
に無人発電所においては安全確実なる出力制御装置を提
供することができる。特に、この発明の装置は、振動セ
ンサを水車可動部に取付けたりするものとは異なり、信
号伝達ないし保守が容易であり、信頼性を向上させるこ
とができるという実益がある。

なお、揚水発電所ばかりでなく、落差の変動する発電所
においても適用可能である。また水車ガイドベーン開度
と水車出力、発電機出力、さらには発電機出力電流の間
には互いに相関関係があるので、上記実施例におけるガ
イドベーン開度の代りにそれと相関関係を有する発電機
出力などの他の物理量を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は揚水式発電所の概略機能を示す説明
図、第３図及び第４図はその動作の例を説明するための
説明図、第５図はガイドベーン関度と発電機出力の関係
を示す特性図、第６図及び第７図はこの発明を適用した
回路例を示す回路図である。 Ｋ，〜Ｋ８・・・リレー、ＰＸ・・・運転禁止帯検出手
段、Ｍ，．．モータ、ＰＴ，〜ＰＴ３・・・ポテンシヨ
メータ、１・・・加算増幅器、２，３…関数発生器、４
，５・・・比較器、６・・・ナンド回路。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発電機の出力増減指令があつたときその時の有効落
   差に基づいてガイドベーンを開閉制御し前記発電機の出
   力を増減するようにした水力発電所の出力制御装置にお
   いて、前記有効落差に基づいて前記発電機出力の運転禁
   止帯を求める運転禁止帯検出手段と、前記発電機出力が
   前記運転禁止帯に入つた場合、前記運転禁止帯に入る以
   前の出力増減指令が出力増加指令であるときは前記発電
   機出力が前記運転禁止帯の上限をこえるように、前記運
   転禁止帯に入る以前の出力増減指令が出力減少指令であ
   るときは前記発電機出力が前記運転禁止帯の下限未満と
   なるようにそれぞれ前記ガイドベーンを開閉制御するガ
   イドベーン制御手段とからなる水力発電所の出力制御装
   置。