JPS6281999A - 可変速揚水発電システムの運転制御方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、巻線形誘導機により任意の回転数で運転でき
る可変速揚水発電システムの運転制御方法に係り、特に
揚水運転時におけるガバナフリー運転時に安定に系統周
波数を制御するために好適な運転制御方法に関する。

〔発明の背景〕

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、及び、発電運転及び揚水運転時に、系統より
要求される発電電力の変化ならびに揚水時の揚程等によ
り、発電システムの効率が変化するという欠点があった
。

このため、発電電力、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の研究が進められている。

上記目的を達成するため、従来から揚水発電機として用
いられている同期機を２次励磁付の誘導機（すなわち、
巻線形誘導機）で運転する、いわゆる可変速発電システ
ムの実現化のための研究が進められている。

ここで、可変速発電システムについて説明しておく。

第１１図に、可変速発電システムの原理を示す。

第１１図において、Ｇ１は巻線形誘導機（以下。

可変速機という、）、１は固定子、２は回転子を示して
いる。５ａ〜５ｃは固定子１のａ、ｂ、ｃ各相の巻線、
６ａ〜６ｃは回転子２のａ、ｂ、ａ各相の巻線を示す。

定格周波数をｆ、すベリをＳとすると１回転子２の速度
はｆ　（１−ｓ）であり。

回転子２の２次巻線６ａ〜６ｃをすベリＳの周波数で励
磁することにより、回転子２の回転磁界はすべりＳを零
（周期速度）で回転し、固定子１の回転磁界の速度と同
一になる。回転子２の回転数を測定部７より測定し、こ
の出力からすべり周波数検出器３によりすべり周波数を
検出し、次いで周波数／電圧変換器４ですべり周波数に
応じた電圧を発生させ、この電圧を２次巻線６８〜６Ｃ
に与えて励磁する。このようにすることにより、任意の
回転数で運転を行っても、常に１次巻線５８〜５ｃ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１１図の例では、回転子２の回転磁界は。

ｆ　（１−ｓ）　＋ｆ　ｓ＝ｆ　　　　　　−（１）と
なり、すべりＳにかかわらず、定格周波数の出力が得ら
れることとなる。

以上の可変速発電システムに関する文献として昭和５９
年電気学会全国大会（昭和５９年３月２８〜３０日開催
）論文Ｎα５５３「大容量同期電動機の可変速運転特性
」があるが、この文献には具体的な制御方式について何
ら開示されていない。

〔発明の目的〕

本発明は、可変速揚水発電システムにおいて、揚水運転
下でのガバナフリー運転時に系統周波数を安定に制御し
うる運転制御方式を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために１本発明は、巻線形誘導機を
系統負荷の変動に応動させて運転する可変速揚水発電シ
ステムの運転制御方法において、ガバナ制御による揚水
運転時に系統周波数の目標　　　−値と実際の系統周波
数との偏差を電力制御指令値に変換し、この変換された
電力制御指令値に基づいて前記誘導機の回転数を制御す
ることを特徴とするものである。

このようにすることにより、電力の需要と供給のアンバ
ランス分を可変速機に吸収又は補償できるため、系統周
波数の低下又は上昇を防止でき、安定な電力の供給を確
保できる。

〔発明の実施例〕

次に、本発明の可変速揚水発電システムの運転制御方法
の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、可変速揚水発電システムの概要を第７図に示す。

このシステムは可変速機Ｇ１が水車１３により運転され
、可変速機Ｇ工の出力電力が送電線りを介して電力系統
１０に供給されるものである。

すなわち、操作卓Ｔから与えられる揚程指令Ｈ及び回転
数検出器１１からの回転数Ｎに基づき、ガバナ弁１２の
最適弁開度Ｙを算出し、ガバナ弁１２の開度制御を行う
。一方、操作卓Ｔから与えられる電力制御指令Ｐ。に基
づき、電圧変成器（ＰＴ）２０及び電流変成器（ＣＴ）
１９により検出した値により有効電力算出部２１にて有
効電力を求め、その有効電力と回転数Ｎを考慮して可変
速機Ｇ１の励磁回路Ｅｘに励磁電圧Ｖを与えて制御を行
う、つまり、ある定まった揚水運転下において出力制御
を行うようにしたものである。

次に、上記第７図の可変速揚水発電システムをさらに具
体的にした例を第８図に示す。なお、第７図と重複する
部分には同一の符号を用いる。揚水運転制御系において
、揚程指令Ｈが与えられると、最適弁開度算出部２５は
、予め定められた回転数Ｎとガバナ弁開度Ｙとの特性（
第９図）に基づいて揚程指令Ｈとパラメータとして回転
数Ｎに見合ったガバナ弁開度Ｙを出力する。このガバナ
弁開度Ｙはサーボ系１４に与えられる。サーボ系１４は
入力されたガバナ弁開度Ｙに応じた操作量をガバナ弁１
２に与えて調整する。このように、水車１３は揚程指令
Ｈに応じて出力するよう制御される。

一方、このような揚水運転時における制御系の動作は次
の通りである。いま、電力制御指令Ｐ。

が与えられると、この電力制御指令Ｐｌ、は遅延回路１
５を介して位相角算出部１６に入力される。

遅延回路１５は電力制御指令Ｐ０がステップ状に与えら
れるため、そのまま可変速機Ｇ１の２次巻線６８〜６ｃ
の励磁電圧Ｖの制御に用いると可変速機Ｇ□の出力が大
幅に変化してしまうことになるから、それを防止するた
めに遅延させるものである。遅延回路１５を経た電力制
御指令Ｐ０は位相角算出部１６に入力される。一方、変
成器１９゜２０からの系統の電圧、電流により有効電力
が有効電圧算出部２１が求められ、位相角算出部１６に
入力される。

位相角算出部１６は、２次巻線６８〜６Ｃに与える励磁
電圧Ｖを算出するものである。すなわち。

操作卓Ｔにより与えられた指令により、２次巻線６ａ〜
６ｃの各相の励磁量を得るための関数のうち、位相角Ａ
δを制御する。２次巻線６ａ〜６ｃのａ、ｂ、ａ各相電
圧をＶ　１．　、　Ｖ　ｆｋ　、　Ｖ　、、とすると、 と与えられる。ここで、Ｅはすべりおよび可変速機の運
転状態で定まる電圧値、δ。は可変速機の運転状態で定
まる位相角、Ａδは制御指令部の出力で制御される位相
角である、 上記（２）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１位相角Ａδで制御すればよい。

このため、上記の構成において、２次巻線６８〜６ｃの
位相角（Ａδ）を制御して、回転数Ｎ及び電力Ｐを目標
値にあわせると共に最適効率となるようにガバナ弁１２
の開度を制御することが必要となる。このため１位相角
を制御するための情報として、有効電力を用いる。すな
わち１位相角Ａδは、 Ａδ＝ｆｋ工（Ｐ　　Ｐａ）ｄｔ＋　ｋよＰ（Ｐ　　Ｐ
Ｏ）・・・（３）とする。ここで、Ｐｏは有効電力の目
標値、Ｐは有効電力の実際の値、ｋｌ、に１．は定数で
ある。

このようにして求められた位相角Δδ、は励磁量設定器
１７に出力される。

励磁量設定器１７は１回転数Ｎ（周波数ｆ）および位相
角Ａδを基にして２次巻線６ａ〜６ｃの励磁電圧ｖ、、
ｖ、、ｖ、を求めるものであり。

その算出式は（２）式に示した通りである。算出した励
６Ｊｉ電圧Ｖ、、Ｖｈ　＊　Ｖａは位相器２３ａ。

２３ｂ、２３ｃを介して各巻線６ａ〜６ｃに与えられる
。なお、１８は励磁電圧を修正するためのフィードバッ
ク用調整部を示している。

以上のように、揚程指令Ｈの下で最適弁開度となるよう
に制御する一方、電力制御指令値Ｐ０　と実際の出力と
の偏差により２次巻線６８〜６ｃの位相角Ａδを算出し
、適正な電力値となるように制御するものである。

ここで、系統周波数の変動に対して応動するいわゆる「
ガバナフリー機能」を考慮する必要がある。つまり、系
統負荷が増大すると発電システムと系統負荷間の需要と
供給のバランスがくずれ、系統周波数が大幅に変化して
しまうことになる。

例えば、第１１図にガバナフリー機能を有さない可変速
揚水発電システムのシミュレーション結果を示すが、こ
の第１１図からもわかるように、可変速機Ｇ１のすべり
周波数の曲線ｆ１は一定であるが、可変速機以外の発電
機（従来の同期機）について周波数は曲線ｆｌｌのよう
に基準周波数ｆ０に対し時間の経過とともに低下する。

そこで、第１図に示すように、操作卓Ｔと制御回路Ｃと
の間に本発明に係る電力制御指令変換装置Ｃ工を介在さ
せ、系統周波数ｆ、、と基準周波数（目標周波数）　ｆ
、どの偏差を電力制御指令ｐ　ａｔと操作卓Ｔから与え
られる電力制御指令値Ｐ０　とを加え合わせて当該発電
システムの結合的な電力制御指令Ｐ０゜として制御回路
Ｃに与えるようにする。

以下、電力制御指令変換装置Ｃ１について述べる。

第２図において、ブロック４０は検出部の伝達関数を示
すものであり、実際の系統周波数ｆＬはブロック４０の
伝達関数を介して得られ、この出力と基準周波数ｆ０の
差が演算部４１で求められる。この出力が、比例制御部
４３及び積分制御部４４により制御され、演算部４６で
加算され、ＰＩ制御を行う。この出力にフィードバック
制御部４５を設け、この出力と演算部４１の出力の差を
演算部４２でとることにより、この系のオフセット量を
零にすることができる６次いで、演算部４６の出力Ｐ。

と電力制御指令Ｐ０とを演算部４８で加算する。このよ
うにして得た演算部４８の出力Ｐ。、を第７図の出力指
令値Ｐ。とじて使用する。

なお、実際の系統周波数ｊ、、は、第１図に示すように
、電圧変成器ＰＴの出力電圧から周波数リレーあるいは
周波数カウンタ等の周波数検出器Ｆを用いて検出する。

ところで、揚水発電機には、一般にフランシス水車が使
用され、水車出力と効率との関係は、第３図のように示
される。第３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□　
ｐ２は水車出力を。

η１．η２を効率を−Ｎ１．　ＮＺは回転数を、Ｙｏ。

Ｙ２は弁開度を示す。出力Ｐ□では回転数Ｎ□、弁開度
Ｙ□で、出力Ｐ２では回転数Ｎ２．弁開度Ｙ２で、それ
ぞれの出力における最高効率η１゜η２　となることを
示している。このように、出力によって′、効率が最高
となる回転数は異なっており、ガバナフリー運転時にお
いても、これらの最高効率の点で運転しようとすること
が肝要である。

このように、第８図の遅延回路１５に系統周波数ｊＬと
基準周波数ｆ。どの偏差を零とする電力制御指令ｐＨ１
を含む指令Ｐ６．が与えられるため。

遅延回路１５以降の位相角算出部１６、励磁量設定部１
７を経由して可変速機Ｇ１の２次巻線６ａ〜６ｃに与え
られる励磁電圧Ｖ、、Ｖ、、Ｖ。は、系統周波数の変動
分を吸収あるいは補償する値に修正され、常に系統周波
数を安定化させることができることとなる。

次に１以上の可変速揚水発電システムを複数の発電シス
テムにより形成されるネットワーク中に設けた例につい
て説明する。第４図に４台の発電機０１〜Ｇ４により形
成されたネットワークを示す。

４台の発電機のうちＧ、に本発明を適用した可変速機、
０１〜Ｇ４には従来からある同期機を用いたものとする
。各発電機Ｇ工〜Ｇ、は送電線Ｌｌ　Ω２゜変圧器ＴＰ
ｉ〜Ｔ□を介して結合されている。Ｌ工。

Ｌ２は負荷を示す。

ここで、負荷がＬ４のみで運転されている場合を考える
。この場合には各発電機０１〜Ｇ、による発電電力と負
荷の要求する電力とのバランスがとれていて、別設過負
荷でもないとする。このときは系統周波数ｆ、の変動も
ない。

いま、スイッチＳＷが投入されて負荷Ｌ１が増加し、系
統負荷が増大したとする。すると、従来の場合は系統周
波数ｆ、が低下することになるが、本発明の場合は、先
に述べたように可変速機Ｇ工は系統周波数ｆ、の低下分
に相当する基準周波数！、どの偏差を補償すべく２次巻
線６８〜６ｃの励磁電圧が制御されるため、不足分を可
変速機Ｇ□が補償することとなり、過渡的な低下があっ
てもやがて系統周波数ｆ、は基準周波数ｆ０　に戻され
、安定することとなる。ただし、実際には可変速機Ｇ１
の補償能力（ガバナフリー容量）には限度があり、当該
可変速機Ｇ１の容量を越える負荷をかけることは非現実
的である。この場合の対策として第６図に示すように、
加算演算器４６と４８の間に当該可変速機Ｇ工の容量に
合わせたリミッタ４７を介在させ、所定値以上の補償を
制限すればよい。したがって、１台の可変速機Ｇ１で補
い切れない分は新たに他の可変速機を設置するという考
えをと、ればよい。

以上の運転をシミュレーシｉンで行った場合の効果を第
５図に示す、この第５図かられかるように、同期機の場
合の基準周波数ＪＩ、に対し、負荷増加分を可変速機Ｇ
工で補うために可変速機Ｇ□のすべり周波数ｆ、は時間
の経過とともに低下する。一方、可変速機Ｇ、以外の同
期機６２〜Ｇ４の周波数ｆ、はわずかに低下するが時間
の経過とともに基準周波数ｆ８に順次接近して大幅な変
動を制御しつる。

さらに、系統の変動負荷をまかなうために昼間は発電、
夜間は揚水として運転する揚水発電システムにおいて、
揚水運転時に系統より定まる電力に対しても、効率よく
運転できる。

〔発明の効果〕

以上述べたごとく、本発明によれば、系統周波と目標゛
（基準）周波数をもとに、周波数偏差を算出し、この値
を電力制御指令値に交換して、電力制御量を周波数偏差
に応じて制御するガバナフリー運転において、系統負荷
の増大又は減少に対し。

系統周波数を一定に維持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
本発明の主要部分を示すブロック図、第３図は発電出力
と効率との関係を示す特性図、第４図は本発明をネット
ワークに組み込んだ例を示す系統図、第５図は本発明の
シミュレーション結果を示す特性図、第６図は他の実施
例を示すブロック図、第７図は従来の可変速揚水発電シ
ステムのブロック図、第８図は従来の可変速揚水発電シ
ステムの詳細を示すブロック図、第９図は回転数に対す
るガバナ弁開度の特性を示す特性図、第１０図は従来の
シミュレーション結果を示す特性図、第１１図は可変速
発電システムの原理を示すブロック図である。 Ｅｘ・・・励磁回路、Ｇ１・・・可変速機、６２〜Ｇ、
・・・送電線、Ｃ・・・制御指令部、Ｔ・・・操作端、
１・・・固定子。 ２・・・回転子、３・・・すベリ周波数検出部、４・・
・周波数／電圧変換器、５ａ〜５Ｃ・・・固定子のａ、
ｂ。 Ｃ相巻線、６ａ〜６ｃ・・・回転子のａ、ｂ、ａ相巻線
、７・・・回転数測定部、１０・・・電力系統、１′１
・・・回転数検出器、１３・・・水車、１４・・・サー
ボ系、１５・・・遅延回路、１６・・・２次巻線位相角
算出部、１７・・・２次巻線励磁量設定部、１８・・・
電圧調整部。 １９・・・電流変成器、２０・・・電圧変成器、２１・
・・有効電力算出部、ｐｏ、　ｐｏ工１ＰＯａ・・・電
力制御指令値、Ｎ−・・速度、２３　ａ　、　２３　ｂ
　、　２３　ｃ　−移相部、２５・・・最適弁開度算出
部、４０・・・検出部伝達関数。 ４１．４２，４６．４８・・・演算部、４３・・・比例
制御部、４４・・・積分制御部、４５・・・フィードバ
ック制御部、４７・・・リミッタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、巻線形誘導機を系統負荷の変動に応動させて運転す
   る可変速揚水発電システムの運転制御方法において、ガ
   バナ制御による揚水運転時に系統周波数の目標値と実際
   の系統周波数との偏差を電力制御指令値に変換し、この
   変換された電力制御指令値に基づいて前記誘導機の回転
   数を制御することを特徴とする可変速揚水発電システム
   の運転制御方法。