JPS62255584A - 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〕 本発明は可変速水車発電装置に係り特に発電機に誘導電
動機が用いられ、この誘導発電機の同期速度付近での発
電出力範囲を、最小の周波数変換器容量で運転可能とす
るのに好適な可変速水車発電装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来一般に採用されているこの種可変速水車発電装置は
、たとえば特開昭５９−７２９９８号に記載されている
ようなものが知られている。すなわち第５ＶＡにも概略
図で示すように、−１二次巻線を備えた巻線形の誘導発
電機１があり、この誘導発電機は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ともに、誘導発電機
ｌの二次巻線１ｂには、サイクロコンバータ（周波数変
換器）３により誘導発電機の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、誘導発電機１
の一次巻線１ａからは電力系統４と等しい周波数の交流
電力が出力されるように可変速運転が行われる。５は水
車特性関数発生器で、回転速度検出器６で検出された回
転速度信号Ｎ、外部から与えられる発電出力指令Ｐｏお
よび水位検出信号Ｈが入力され、最高効率で運転するた
めの最適回転速度指令Ｎａｏと最適案内弁開度指令Ｙａ
ｏを発生する。７はスリップ位相検出用誘導機で、その
回転子が誘導発電機１に直結されるとともに、一次巻線
７ａが誘導発電機１の出力側に接続され、又二次巻、１
７ｂからスリップ位相信号ＳＰを出力するように形成さ
れている。このスリップ信号Ｓｐと前記最適回転速度指
令Ｎａｏはサイクロコンバータ３に与えられ、前述もし
たように、誘導発電機１の二次巻線ｌｂに供給される交
流励磁電流の位相等を制御する。一方最適案内弁開度指
令Ｙａｏは。

案内弁駆動装置８に与えられて、水車出力ＰＴが最適値
になるように案内弁９の開度を制御する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような発電装置において、誘導発電機１を同期速度
付近で運転する場合のことを考えてみると、サイクロコ
ンバータ３の、電流極性変更の間隔が長いために、電流
は逆並列の変換器より成るサイクロコンバータ３の片側
のみを流れることになり、結果的にサイクロコンバータ
３の出力電流容量は大幅に低下することになる。このよ
うな。

サイクロコンバータ容量の低下を生ずる回転速度範囲は
、サイクロコンバータ出力禁止帯と呼ばれ、当然のこと
ながら、出力禁止ｇｍで設計されたサイクロコンバータ
の容量は、出力禁止帯有で設計されたものに比べ大幅に
大きくなる。

従って、従来技術をベースにすると、サイクロコンバー
タを出力禁止帯有で設計し、サイクロコンバータの容量
を小さな容量のものとし、その領域の発電出力範囲を犠
牲にするか、あるいは逆に、全ての発電出力範囲を運転
可能として出力禁止帯熱の大きな容量のサイクロコンバ
ータを用いるしかない。

したがって出力禁止帯熱で、小さな容量のサイクロコン
バータを用いることのできるこの種発電装置が要望され
ている。

本発明はこれにかんがみなされたもので、その目的とす
るところは、出力禁止帯熱であっても最小のサイクロコ
ンバータ容量で実現できるこの種可変速水車発電装置を
提供するにある。

（問題点を解決するための手段） すなわち、本発明は、同一落差・同一出力を水車運転条
件として定めた時に、微小の効率低下を許容すれば回転
速度をある程度自由に設定できるところに着目したもの
である。すなわち、第３図を用いて説明すると、この第
３図はある落差Ｈの場合の出力−回転数特性を、案内弁
開度をパラメータにして示したもので１本来なら水車を
最高効率点で運転点とするため、落差Ｈ１出力ＰＩを与
えると最適回転速度が点ＡのＮｓに定まるが、回転数の
ずれに対する水車効率の低下は僅かであるので、同期速
度付近のサイクロコンバータ出力禁止帯（回転速度Ｎ、
１１〜Ｎ　ｓａｗの範囲）を避けて、例えば運転点Ａ′
にスライドさせて設定してもさして問題は生じないとい
うことである。

〔作用〕

このことより本発明は、誘導発電機の一次側に、発電出
力を検出する発電出力検出器を設け、又二次側、前記発
電出力検出器の出力信号と前記発電出力指令信号との偏
差に応じて二次巻線の励磁電流を制御する電力制御装置
と、前記発電圧力指令を直接又は間接に入力して最適回
転速度指令を出力する水車特性関数発生器と、前記ａ過
回転速度指令が前述の禁止帯に入って場合には該最適回
転速度指令を禁止帯下限かこれより僅かに小さい回転速
度指令に霞き換えるか逆に該最適回転速度指令を禁止帯
上限かこれより僅かに大きい回転速度指令に置き換える
かする回転速度指令修正要素と前記修正回転速度指令及
び前記回転速度検出値の偏差を入力としてこの偏差を零
とするような補正信号を出力する修正演算器とを設ける
ようになし、かつ回転速度検出器６によって検出される
実際の回転速度が上昇し乍ら即ち下から禁止帯に入り込
もうとする場合禁止帯下限附近で即ち禁止帯突入直前又
は直後に前記案内弁駆動装置の開度指令を減少修正せし
め水車出力を一時的に低減せしめ回転速度を禁止帯の外
へと蹴り戻すように作用し逆に実際の回転速度が下降し
乍ら上から禁止帯に入り込もうとする場合禁止帯上限附
近で即ち禁止帯突入直前又は直後に前記案内弁開度指令
を増大修正せしめ水車出力を一時的に増大せしめ回転速
度を禁止帯の外へと蹴り戻すように作用する禁止帯ロリ
返し回路を備えたものである。

〔実施例〕

以下図示した実施例に基づいて本発明の詳細な説明する
。

第１図は、本発明の一実施例に係る発電装置のブロック
図である。なお、第１図中、第５図と同一符号は同一物
または相当物を示し説明は省略する。水車特性関数発生
器５には従来同様発電出力指令Ｐｏと水位検出信号Ｈが
入力され、出力側に最適回転速度指令Ｎａｏと最適案内
弁開度指令Ｙａ。

が発生する。このとき１発電出力指令ＰＯが上げ指令で
、発電出力を上げた後の最適回転速度指令がＮ１となっ
てサイクロコンバータ出力禁止帯内にある場合、水車特
性関数発生器の後部に設けられた履歴関数発生器１９の
出力は、第４図に示すようにサイクロコンバータ出力禁
止帯下限の回転速度に等しい回転速度指令Ｎａ（＝Ｎ□
ｎ）となる。

尚回転速度指令値Ｎａｏが下降してきて上から禁止帯に
入る場合には第４図のようにＮａＯがＮ□。

まで下るまで回転速度指令ＮａはＮ１１ａｘのまま保持
される。

この回転速度指令Ｎａは、回転速度検出器６で検出され
た実際の回転速度信号Ｎと、比較器１０で比較され、そ
の偏差ΔＮ　（＝Ｎ龜　Ｎ）が演算器１１に入力される
。演算器１１は比例要素に１、積分要素Ｋｘ／Ｓ、微分
要素ＫａＳ　および加算器１２からなり、前記偏差ΔＮ
がある限りこれを零にするように、最適案内弁開度指令
Ｙａｏを補正する補正信号ΔＣを出力する。この補正信
号ΔＣは加算器１３で最適案内弁開度指令Ｙａｏ及び後
述の禁止ＩＦ蹴り返し要素の出力Ｐｔ　と合成され、加
算器１３からの出力、すなわち補正された案内弁開度指
令（Ｙａｏ＋ΔＣ−Ｐｔ、）が案内弁駆動装置８に入力
される。尚説明を簡単にするため２０禁止帯蹴り返し要
素の説明は後で述べることとし当面出力Ｐｓはゼロと考
えて以下説明を進める。案内弁駆動装置ｉｔ８は加算器
１４と積分要素に４／Ｓからなり、その出力が加算器１
４に負帰還されている。また、前記発電出力指令Ｐｏは
比較器１５にも入力され、他方の入力である発電出力検
出器１６で検出された実際の発電出力信号ｐａと比較さ
れて、その偏差ΔＰ（＝Ｐ’０−ＰＧ）が電力制御装置
ｍ１７に入力される。電力制御装置１７は、比例要素に
δ、積分要素Ｋａ／Ｓおよび加算器１８からなり、その
出力がサイクロコンバータ３に入力される。

このように構成された本実施例の制御装置において、第
２図の時点ｔｏで例えば発電出力Ｐａを回転速度がサイ
クロコンバータ禁止帯に入るような領域にステップ状に
上昇させようとして１発電出力指令Ｐａを第２図（ａ）
に示すようにステップ状に上昇させると、誘導発電機１
の発電出力Ｐａは、第２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。すなわち、電力
制御装置１７に含まれる積分要素Ｋｅ／Ｓと、電力制御
装置１７、サイクロコンバータ３、誘導発電機１１発発
電出力指令１６および比較ｖ！１５によって構成される
負帰還回路により、偏差ΔＰ（＝Ｐｏ　　Ｐａ）は次第
に減少して、定常時にＰｃ＝Ｐｏとなる。一方、前記案
内弁開度指令Ｙ＆に対しての案内弁９の開度Ｙ応答性は
、前述の発電出力指令Ｐｏに対しての発電出力Ｐａの応
答性よりも遅い、このため、発電出力Ｐａよりも水車出
力ＰＴの方が小さくなり、第２図（ｆ）に示すように、
回転速度Ｎは発電出力指令Ｐｏの急変後、一時的に減速
され、その後時点ｔ１で第２図（ｄ）に示すように１発
電出力Ｐｃと水車出力ＰＴがほぼ等しくなるので、回転
速度Ｎの低下は止む、なお１時点ｔ１では実際の回転速
度Ｎの方が１回転速度指令Ｎ８よりも低く、偏差ΔＮ（
＝Ｎａ　　Ｎ）が正で、演算器１１から出力される補正
信号ΔＣは正であるから、この補正信号ΔＣで補正され
た案内弁開度指令（Ｙａｏ＋ΔＣ）は、最適案内弁開度
指令Ｙａｏよりも大となり、やがて水車出力ＰＴは発電
出力Ｐａよりも大となる。従って、回転速度Ｎは増大し
て、回転速度指令Ｎａに近づくとともに、補正信号ΔＣ
も雰に近づき、最終的に案内弁開度Ｙは最適案内弁開度
指令Ｙａｏと一致し、回転速度Ｎは回転速度指令Ｎａと
等しくなる。すなわち、演算器１１に含まれる積分要素
Ｋｚ／Ｓと、加′ｒ１．器１２、加算器１３、案内弁駆
動装′ｃ１８、案内弁９、水車２、誘導発電機１、回転
速度検出器６および比較器１０によって構成される負帰
還回路により、偏差ΔＮ　（＝　Ｎ　ａ　　Ｎ　）は次
第に減少して定常時にＮ　”　Ｎ　ａとなる。また、定
常時、偏差ΔＹ　（−Ｙａｏ−Ｙ）　＝　Ｏ、すなわち
Ｙａｏ＝Ｙは次のようにして達成される。（イ）水車特
性関数発生器５から出力される最適案内弁開度指令Ｙａ
ｏは当然のことであるが発電出力指令Ｐａに相当するも
のである。（ロ）前記したように、定常時Ｐｃ＝Ｐｏと
なる。（ハ）水車２のランナ、発電機１の回転子等の総
ての回転部の慣性効果は水車出力Ｐｔと発電出力Ｐａの
差によって加速されたり。

減速されたりするもので、一種の積分要素とみることが
でき、しかも前記したように演算器１１、加算器１３、
案内弁駆動装置８、案内弁１９、水車２、発電機１、回
転速度検出器６および比較器１０によって負帰還回路が
構成されているので。

定常時にはＰ丁＝Ｐｏとなる。（ニ）案内弁開度Ｙは水
車出力Ｐ丁に相当するものである１以上（イ）〜（ニ）
を総合すれば、偏差ΔＹ　（＝Ｙａｏ　　Ｙ）＝０、す
なわちＹａｏ＝Ｙとなる。

また反対に１発電出力指令を下げる時に最適回転速度指
令Ｎａｏがサイクロコンバータ出力禁止帯内となった場
合には、履歴関数発生器１９の出力は、サイクロコンバ
ータ出力禁止帯上限回転速度に等しい回転速度指令Ｎａ
（＝Ｎ−ロ）となる。

前述のように最終的には水車の回転速度Ｎは履歴関数発
生器によって修正された回転速度指令Ｎ＆と等しくなり
禁止帯から外れるが過渡的には第２図（ｆ）の斜線部の
ように一時的に禁止帯に入り込んでしまう。

本発明の目的の１つはこの一時的な入り込みを最小限に
止め、かつす早く脱出せしめるようにすることにある。

更に第８図のように発電出力指令Ｐｏが増加し、これに
伴って最適回転速度指令Ｎａｏが禁止帯の下から上へ横
切るような場合や発電出力指令Ｐｏが減少し、これに伴
って最適回転速度指令Ｎ＆Ｏが禁止帯の上から下へ横切
るような場合に回転速度Ｎの禁止帯通過時間を短縮する
ことにある。

通過時間を短かくできれば前述のサイクロコンバータの
逆並列変換器の片側使用の時間を短かくできるので放熱
量を制限できサイクロコンバータの容量縮小化が計れる
。

第７図は本発明の要件となる禁止帯蹴り返し回路の説明
図である。

まず最適回転速度指令Ｎａｏが第８図（イ）のように禁
止帯の下から上へ横断設定された場合を考える。

Ｎａｏの上昇に伴って実際の回転速度Ｎも上昇するがＮ
が第７図の禁止帯下限即ちＮ１ｎに達すると禁止帯蹴り
返し回路２０の出力Ｐｔ　が出始□め図の様にＮが禁止
帯に深入りすればする種出力Ｐｔを増大せしめる。

尚Ｐ【の最大値Ｐｐｍ口は速度指令の禁止帯横断設定が
可能な限り本きくするが一般には定格出力の２０〜３０
％程度に抑えるのがよい。

Ｐｔが増大すると案内羽根開度指令Ｙ　＆　＝　Ｙ　ａ
。

＋ΔＣ−Ｐ　ｔ　が減少し水車出力ＰＴが減少する。

このことは回転速度Ｎの上昇の勢いが禁止帯下限のＮ、
、ｎ附近で大きく腰を折られブレーキを掛けられること
を意味する。

それでも尚速度上昇が止まずＮがＮ　ｗａ　ｉ　ｎ＋ε
に至ると、今まで出していた禁止帯蹴り返し要素の出力
Ｐｔはゼロにされる。

かくてＰＴもその分急減する。

この結果金遣の水車出力Ｐ↑とほとんどバランスしして
いた発電機出力ＰＧとの間に急にＰｔｍａｘ分のプラス
偏差が生じ、回転速ＷｉＮは急上昇を始め一気に禁止帯
を横切り新しい（禁止帯より上の）最適回転速度へと追
従する。

上述の如く禁止帯蹴り返し要素によって回転速度Ｎの上
昇はＮ　ｍｔｎ””’Ｎａ１ａ＋　Ｅの間で抑制されＮ
ａ＋ｎ＋ｔ　　以上になったとたんに加速される。

逆に最適回転速度指令Ｎａｏが第８図の（ロ）の様に禁
止帯の上から下へ横断設定された場合はＮｍａｘ〜Ｎｌ
翼−εの間で回転速度Ｎの下降に抑制が与えられＮＩＩ
ローＣを超えたとたんに加速され一気に禁止帯を走り抜
は新しい（禁止帯より下の）最適回転速度へと追従する
。

尚禁止帯蹴り返し要素２ｏは第７図の様なＮ→Ｐ＋関数
発生器と回転速度Ｎが上昇中か下降中かを判別するため
の回路（例えば時定数の小下い不完全微分回路）より構
成される。

尚第７図は禁止＊蹴り返し回路の１例で前述の如く回転
速度Ｎが禁止帯に入ろうとした時その入口で押し返しを
計るための水車出力指令修正を行いどうしても押し返し
ができなかった時は急に押し返しを止めて禁止帯のす速
い通過を促すタイプのものであれば何でもよい。

第６図は第４図の履歴関数発生器１９の代案で最適回転
速度指令；Ｎａｏを入力とし禁止帯を避けた回転速度指
令Ｎ＆を出力する別の速度指令関数発生器の柄図である
。

入力ＮがＮ１ｆｉ〜Ｎｃの間は出力Ｎ＆はＮｌｌＩｎに
し入力ＮがＮ　ｃ　””　Ｎ　ｍ　ａ　ｘの間は出力Ｎ
ａはＮ　、、、にする。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば、サイクロコンバ
ータ容量は、発電機回転速度が同期速度付近のサイクロ
コンバータ出力禁止帯を設けた条件で設定でき、しかも
１発電出力範囲は、サイクロコンバータ出力禁止帯が無
い場合と同じであるので、最大の発電出力範囲を最小の
サイクロコンバータ容量で実現できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の一実施例に係る可変速水車発電装置
のブロック図、第２図（、）〜（ｇ）は、同発電装置の
各部における信号の波形図、第３図は、水車出力と回転
数および案内弁開度との関係例を示す図、第４図は、履
歴関数発生器の入出力の関係例を示す図、第５図は、従
来の可変速水車発電装置の一例を示すブロック図、第６
図は第４図の履歴関数発生器の代りに使用する速度指令
関数発生器の柄図、第７図は禁止帯蹴り返し要素の作用
説明図、第８図は禁止帯を横断して最適回転速度指令の
設定変更をした柄図である。 １・・・巻線形の誘導発電機、２・・・水車、３・・・
サイタロコンバータ、４・・・電力系統、５・・・水車
特性関数発生器、６・・・回転速度検出器、７・・・ス
リップ位相検出用誘導機、８・・・案内弁駆動装置、９
・・・案内弁、１ｏ・・・比較器、１１・・・演算器、
１３・・・加算器、１５・・・比較器、１６・・・発電
出力検出器、１７・・・電力制御装置、１９・・・履歴
関数発生器、２０・・・禁止帯ａり返り要素。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、一次巻線及び二次巻線を備え、一次巻線が電力系統
   に接続された誘導発電機と、該誘導発電機を駆動する水
   車と、該水車に供給される水量を調整する案内弁と、該
   案内弁の開度を制御駆動する案内弁駆動装置と、前記誘
   導発電機の回転速度を検出する回転速度検出器とを備え
   、前記回転速度検出器の回転速度信号及び発電出力指令
   信号を入力とし誘導発電機の二次巻線に与える交流励磁
   電流量及び前記案内弁の開度を制御することにより誘導
   発電機が最適回転速度で回転しつつ、一次巻線に電力系
   統と同一の周波数の交流電力が発生するように形成され
   た可変速水車発電装置において、前記誘導発電機の一次
   側に、発電出力を検出する発電出力検出器を設け、又二
   次側に、前記発電出力検出器の出力信号と前記発電出力
   指令信号との偏差に応じて二次巻線の励磁電流を制御す
   る電力制御装置と、前記発電出力指令を入力して最適回
   転速度指令を出力する水車特性関数発生器と、前記最適
   回転速度指令を入力とし実際の速度設定指令としては該
   誘導電動機のすべりが過小にならないような値に修正す
   る回転速度指令修正器と前記修正回転速度指令及び前記
   回転速度検出値の偏差を入力してこの偏差を零とするよ
   うな補正信号を出力する修正演算器と回転速度が定格値
   に近づき該誘導電動機のすべりが所定値以下になつたら
   回転速度を蹴り戻しすべりを該所定値以上に保持するよ
   う前記発電出力指令に修正を加える禁止帯蹴り返し要素
   を備え該禁止帯蹴り返し要素の出力を案内弁駆動装置の
   １つの入力として与えるように構成した可変速水車発電
   装置。