JPS62293996A - 可変速揚水発電系統の制御方法および制御装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔発明の利用分野〕 本発明は、可変速揚水発電系統の制御方法および制御装
置、特に発電および揚水時に高効率運転を可能とする可
変速揚水発電系統の制御方法および制御装置に関する。

〔発明の背景〕

電源系統の総合運転効率を高めるシステムの一つとして
、揚水発電が各所で用いられているが、従来の揚水発電
システムにおいては、揚水時に負荷の調整ができないこ
と、発電および揚水の運転時に発電電力や揚程の値等に
よってシステムの効率が変化するという欠点がちシ、近
時は従来の同期機を用いる揚水発電機に代シ、二次励磁
量の誘導機を用いる、いわゆる可変速揚水発電システム
が盛んに用いられるようになった。このシステムなされ
ているが、最適運転を定める方法や具体的な制御方式等
については明らかにされていない嫌いがあった。

なお、例えば昭和５９年電気学会全国大会論文＆５５３
には、この種システムに関するものが示されている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、可変速揚水発電において、高効率で運
転可能な可変速揚水発電系統の制御方法および制御装置
を提供するにある。

〔発明の概要〕 本発明の可変速揚水発電系統の制御方法は、水車に発電
電動機を連結し、この発電電動機には二次励磁を変化し
て可変速運転を行なう誘導機を用い、揚水時にはポンプ
−電動機運転とし、発電時には水車−発電機運転として
揚水および発電系統を構成し、前記水車の回転速度を調
整する調速弁の開度と、前記誘導機の回転数を可変制御
して運転する可変速揚水発電系統の制御方法において、
発電機の出力指令値を与えて調速弁の開度指令値と発電
機の速度指令値を求め、前記調速弁の開度指令値により
調速弁の開度を制御し、前記発電機の速度指令値と実際
の速度との差、および前記発電機の出力指令値と実際の
発電機出力との差を求め、これらの差により発電機二次
巻線の制御位相角？算出し、算出された位相角により発
電機の二次励磁量を制御することを特徴とし、本発明の
可変速揚水発電系統の制御装置は、水車と水車調速機と
水車に連結して駆動する二次励磁付誘導機とを主機とし
、前記調速機の調速弁の開度を制御する弁開度設定器と
、前記水車の回転速度を検出する速度発電機と、前記誘
導機の二次励磁位相を制御する位相角算出部と、前記二
次励磁の励磁ｔを定める励磁量設定部と、前記誘導機の
出力電力を算出する有効電力導出部とを有し、前記誘導
機を可変速制御する可変速湯水発電系統の制御装置にお
いて、前記調速機の弁開度指令値と、前記誘導機の速度
指令値とを算出する指令値算出回路が設けてあることを
特徴とする。

すな・わち本発明は、揚水および発電の運転時に、揚程
あるいは落差と電力指令値とに基づき、最適運転を可能
とする調速機の弁開度および発電機の回転数を求め、高
効率運転が得られるようにして目的の達成を計ったもの
である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について図に基づき説明するが
、まず第５図？用い、可変速発電系統とＡＦＣ制御（自
動周波数制御）の概要について説明する。

図は三相誘導発電機（以下、誘導発電機と称す）のとＡ
ＦＣ制御回路の説明図で、この発電機は二次（回転子）
の励磁量を変化することにより可変速が得られる。１は
電力系統、２は誘導発電機で、固定子２８．回転子３を
有する。２ａ、２ｂ。

２Ｃはそれぞれ固定子２３の巻線、３ａ、３ｂ。

３Ｃはそれぞれ回転子３の励磁巻線を示す。回転子３は
水車軸に連結されており、回転数測定部４により回転数
が検出される。５はすペシ周波数検出部、６はすベシ周
波数の検出信号を励磁電圧に変換する電圧発生部である
。

図において定格周波数をｆ、すべりｆｔｓとすると１回
転子３の回転速度はｆ（１−ｓ）で与えられ、回転子３
の励磁巻線３ａｔ　　３ｂｔ　　３ｃｅすべりＳの周波
畔で励磁することにより、回転子３で発生する回転磁界
はすペシ零（同期速度）となり、固定子２Ｓの回転磁界
の速度と同一になる。すべりＳの周波数は回転数測定部
４の出力？すベシ周波数検出部５に入力し、ことで定格
周波数と比較して検出される。電圧発生部６はすベシ周
波数の検出部５の信号を入力し、すべ９周波数に応じた
励磁電圧を発生して回転子３の励磁巻線（二次巻線）３
ａ、３ｂ、３ｃを励磁する。このように回転子３の励磁
巻線をすぺｌ）ｓの周波数で励磁することにより、任意
の回転数で運転する場合でも固定子（電機子）２８の巻
線２ａ、２ｂ、２Ｃには常に系統周波数の電圧を発生さ
せることができる。

すなわち回転子３０回転磁界は ｆ　（ｌ−ｓ）−）−ｆ　−ｓ＝ｆ　　　　　・・・・
・・（１）となるから、誘導発電機２の出力にはすぺ）
にかかわらず定格周波数の出力が得られることになる。

以上が誘導発電機２を用いた可変速発電系統とＡＦＣ運
転の概要であるが、本発明のこの実施例における発電系
統は水車特性を考慮し、揚程、落差および電力指令値な
どに基づき、調速弁の開閉制御および発電機の最高効率
における回転数制御などを行ない、揚水１発電時におけ
る最適運転を行なうためのものでちゃ、以下第１〜４図
により説明する。

第１図は本発明の可変揚水発電系統の制御装置の一実施
例の基本ブロック図を示す。

図において、１は電力系統で、１ａは送電系統を示す。

２は誘導発電機で２６および３はそれぞれ固定子および
回転子を示す、　３ａ、　　３ｂ、　　３ｃは回転子３
のａ、　　ｂ、　　ｃ各相の励磁巻線を示す。

７は水車部を示し、８は水車部７の調速機で、弁開度調
整機構を有する。９は速度発電機である。

水車部７の特性は静落差■（および調速機８の弁開度で
水車特性が定められ、その特性に基づき誘導発電機２の
回転子３が回；伝する。１０は指令値算出回路で、静落
差Ｈおよび発電機出力指令値Ｐ。

が与えられると、運転効率を考慮して調速機８の調速弁
の開度指令値Ｈｖおよび速度指令値Ｎｏ　ｋ算出する。

１１は弁開度設定器で、指令値算出回路１０の開度指令
により動作し、調速弁開度指令値１（Ｙ？時間遅れ要素
を介して調速機８に与え、調速弁開度を制御する。１２
は電流変成器、１３は電圧変成器である。１４は有効電
力導出部で、電流変成器１２および電圧変成器１３から
Ｏ１ｌ！流。

電圧を入力し、有効電力ｌｒ：算出する。１５は位相角
算出部で、速度発電機９による速度Ｎ、指令値算出回路
１０から得られる発電機出力指令値Ｐ。

と速度指令値Ｎｏおよび有効電力導出部１４の出力を入
力し、これらの諸ｔをもとに誘導発電機２の回転子３の
励磁巻線３ａ、３ｂ、３ｃの制御位相角ｆ！：算出する
。１６　ａ、　　１６　ｂ、　　ｌ　６　ｃは励磁巻線
３ａ、３ｂ、３ｃに加えられる電圧の移相回路である。

１７は励磁量設定部で、励磁巻線３ａ。

３ｂ、３ｃに印加する励磁量の大きさ？設定し、移相回
路１６　ａ、　　１６　ｂ、　　１６　ｃ２通して励磁
巻線３ａ、３ｂ、３Ｃに与える。１８は電圧調整部で、
電圧変成器１３の出力電圧を入力し、励磁量設定部１７
の励磁量の電圧値を制御するものである。

この実施例の可変速揚水発電系統の制御方法および制御
装置においては、誘導発電機２に要求される発電機出力
指令値または目標値Ｐａと静落差Ｈが与えられると、指
令値算出回路ｌＯはこれらの値を算出して最適な誘導発
電機２の回転数ＮＯＩ調速機８の調速弁開度Ｈｖを出力
する。位相角算出回路１５はこの出力の回転数Ｎｏと速
度発電機９の出力による実際の回転数Ｎとを比較し、ま
た有効電力導出部１４による実際の出力Ｐと目標値Ｐａ
の差を比較して誘導発電機２の二次励磁巻線３ａ、３ｂ
、３ｃに入力する励磁信号の位相角Δδを算出し、これ
に対応する出力信号を励磁量設定部１７に送る。励磁量
設定部１７はこの出力に応じて適切な励磁量を定め、移
相回路１６ａ。

”１　’６　ｂ、　　１６　Ｃを通して誘導発電機２の
二次励磁を制御するととになる。一方調速弁開度出力Ｈ
ｖは弁開度設定器１１に送られて弁開度信号に変換され
、この信号が時間遅れ要素を介して調速機８に送られ、
調速弁の開度を調整することになる。

ここで調速弁開度Ｈｖおよび発電機回転数Ｎｏは次のよ
うにして求められる。

第２図は水車が最高効率となる水車回転数Ｎと調速弁開
度Ｙの組み合せおよび発電機出力指令値Ｐｏと揚程Ｈと
の関係？示す説明図である。図において横軸は発電機出
力指令値ＰＣ１ｂ樅１！ＩＩは揚程Ｈを示す。

図に示すように、例えば発電機出力指令値Ｐ。

がそれぞれＰｉ、Ｐ、であるとき、水車回転数Ｎと調速
弁開度Ｙの組み合せはｓ　Ｎｔ　ｇ　ＹｌおよびＮｚ、
Ｙ＊となる。すなわち発電機出力指令値Ｐ６と揚程Ｈが
与えられ九場合、第２図を用いてそれぞれに対応する調
速弁開度Ｙと回転数Ｎを得ることができる。

このようにして第１図に示す実施例においては、揚程Ｈ
１発電機出力指令値Ｐｏが与えられると、調速弁開度の
目標値ＨＶ％発電機回転数の目標値Ｎ０が算出され、こ
の目標値を基にして発電機の二次励磁が制御されること
になる。

上記のように第２図に示す特性を用い、指令値算出回路
１０により回転数Ｎと調速弁開度Ｙが求められるが、次
に回転数Ｎと発電機効率および水車出力の関係を求める
。

ここで第１図の要部をとシ出し第３図に示す。

図のＣは制御指令部で、第１図における指令算出回路１
０、弁開度設定器１１、位相角算出部１５、励磁量設定
部１７、電圧調整部１８をまとめて表わしたものであシ
、Ｔは操作端、Ｅｘは励磁回路を示す。

操作端Ｔよシ誘導発電＠２の出力指令値Ｐ０が与えられ
ると、調速弁開度Ｙ２回転数Ｎが求まる。。

が、この場合、発電機効率と回転数Ｎの関係を求めると
第４図に示すようになる。

第４図は水車出力と発電機効率および回転数の関係を示
すもので、水車にはフランシス水車を用いている。横軸
に水車出力Ｐｗ、縦軸に発電機効率１分とシ、回転数Ｎ
をパラメータとして示す。

図よシ出力Ｐ１においては回転数Ｎｓの場合に最高効率
η凰を示し、出力ＰＩにおいては回転数Ｎ２において最
高効率η２が得られることを示す。図に示すように水車
出力Ｐｗによって効率ηが最高となる回転数Ｎは異なる
が、本実施例においては第１図に示す指令値算出回路１
０における回転数指令値Ｎｏとして、第４図に示す回転
数Ｎを算出することにより、発電機を常に最高効率で運
転することができる。

次に誘導発電機２０回転子３に対する二次励磁は、すべ
り周波数を用いて励磁することによυ。

誘導発電機２の出力に定格周波数の出力電圧が発生する
が、この場合二次励磁巻線３ａ、３ｂ。

３Ｃに与えられる励磁電圧は次のようにして与えられる
。すなわち励磁巻線３ａ、３ｂ、３ｃに与えられる電圧
の位相角Δａは電力指令値Ｐ・が与えられると、位相角
算出部１５で求められ、この位相角算出部１５で求めら
れた位相角Δδに対応する信号が励磁量設定部１７に入
力され、ここで励磁巻線３ａ、３ｂ、３ｃに対する励磁
電圧ｖｆ、。

Ｖｔｂｇ’／Ｉ’ａ　　が定められる。この励磁電圧は
それぞれ ・・・・・・（２） で与えられる。ここにＥはすべりおよび可変速誘導機の
運転状態で定まる電圧値、δ０は可変速誘導機の運転状
態で定まる位相角、Δδは位相角算出部１５で定まる位
相角である。

（２）式を用いて誘導発￥を機２の二次励磁制御を行な
う場合、無効電力の制御に対しては電圧Ｅ（ｆ−用いて
制御し、有効電力の制御に対しては位相角Δδを用いて
制御すればよいことになる。

第１図に示す実施例は（２）式においてＡＦＣ運転時に
有効電力を安定に制御するものである。

以上のように本実施例を用いることにより、第３図に示
す操作端Ｔより発電機出力指令値Ｐｏおよび水車の静落
差Ｈが与えられると、予め制御指令部Ｃが有する算出手
法により、発電機の効率を最高とするような水車調速機
の調速弁開度Ｈｖおよび発電機ぼ転数Ｎｏが求まシ、こ
れらを目標値として調速弁開度設定値および発電機二次
励磁量を制御し、最適な調速弁開度および回転数を定め
、さらにＡＦＣ制御を行なうことにより、運転効率が高
く安定な可変湯水発電系統の制御方法および制御装置ｔ
を得ることができ、電力系統における経済的効果が極め
て大きい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高効率で運転が可能な可変速揚水発電
系統の制御方法および制御装置を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

３ｇ１図は本発明の可変速揚水発電系統の制御装置の一
実施例のブロック図、Ｗ、２図は出力指令値。 揚程、水車回転数および調速弁開度の関係を示す説明図
、第３図は第１図の要部ブロック図、第４図は水車出力
１発電機効率および水車回転数の関係を示す説明図、第
５図は可変速発電系統の概要図である。 ｌ・・・電力系統、２・・・誘導発電機、７・・・水車
部、８・・・調速機、９・・・速度発電機、１０・・・
指令値算出回路、１１・・・弁開度設定器、１４・・・
有効電力算出部、１５・・・位相角算出部、１６・・・
移相回路、１７・・・励磁量設定部、１８・・・電圧調
整部。 第２　囚 茅４−　目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水車に発電電動機を連結し、該発電電動機には二次
   励磁を変化して可変速運転を行なう誘導機を用い、揚水
   時にはポンプ−電動機運転とし、発電時には水車−発電
   機運転として揚水および発電系統を構成し、前記水車の
   回転速度を調整する調速弁の開度と、前記誘導機の回転
   数を可変制御して運転する、可変速揚水発電系統の制御
   方法において、発電機の出力指令値を与えて調速弁の開
   度指令値と発電機の速度指令値を求め、前記調速弁の開
   度指令値により調速弁の開度を制御し、前記発電機の速
   度指令値と実際の速度との差、および前記発電機の出力
   指令値と実際の発電機出力との差を求め、これらの差に
   より発電機二次巻線の制御位相角を算出し、算出された
   位相角により発電機の二次励磁量を制御することを特徴
   とする可変速揚水発電系統の制御方法。 ２、水車と水車調速機と水車に連結して駆動する二次励
   磁付誘導機とを主機とし、前記調速機の調速弁の開度を
   制御する弁開度設定器と、前記水車の回転速度を検出す
   る速度発電機と、前記誘導機の二次励磁位相を制御する
   位相角算出部と、前記二次励磁の励磁量を定める励磁量
   設定部と、前記誘導機の出力電力を算出する有効電力導
   出部とを有し、前記誘導機を可変速制御する可変速揚水
   発電系統の制御装置において、前記調速機の弁開度指令
   値と、前記誘導機の速度指令値とを算出する指令値算出
   回路が設けてあることを特徴とする可変速揚水発電系統
   の制御装置。