(57)【要約】  本発明は、周波数変換器を備えロータが可変速度で回転するにもかかわらず１次側は商用電力系統に同期接続される可変速発電電動機、可変速発電電動機のロータに直結され発電モードにあってはこれを駆動し揚水モードにあってはこれに駆動されるポンプ水車を備えた可変速揚水発電装置であって、すべり周波数が通常運転範囲内にある場合は電力出力指令の最大変化レートを一定とし、すべり周波数が通常運転範囲の下限値から所定値以内下回る範囲内および通常運転範囲の上限値から所定値以内上回る範囲内においては電力出力指令の最大変化レートに１からゼロの範囲の値を乗じ、すべり周波数が下限値から所定値以上下回る範囲および上限値から所定値以上上回る範囲においては電力出力指令の最大変化レートにゼロを乗じて制限を加える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変換器を備えロータが可変速度で回転するにもかかわらず１次側が商用電力系統に同期接続される可変速発電電動機、該可変速発電電動機のロータに直結され発電モードにあってはこれを駆動し揚水モードにあってはこれに駆動されるポンプ水車を備え、前記発電モードでは前記ロータの回転速度と回転速度指令の偏差に基づき比例制御要素、積分制御要素及び微分制御要素を備えた回転速度制御装置により算出された速度制御指令を原動機であるポンプ水車側に与えて速度制御を行う一方、電力出力指令を発電電動機に与えて電力制御を行う可変速揚水発電装置であって、
前記発電モードで商用電力系統周波数と前記ロータの回転速度に対応した周波数との差であるすべり周波数が通常運転範囲内にある場合は電力出力指令の最大変化レートを一定とし、前記すべり周波数が前記通常運転範囲の下限値から所定値以内下回る範囲内および前記通常運転範囲の上限値から所定値以内上回る範囲内においては前記すべり周波数の前記通常運転範囲からの逸脱量に応じて前記電力出力指令の最大変化レートに１からゼロの範囲の値を乗じて制限を加え、前記すべり周波数が前記下限値から前記所定値以上下回る範囲および前記上限値から前記所定値以上上回る範囲においては前記電力出力指令の最大変化レートにゼロを乗じて制限を加える制御を実施することを特徴とする可変速揚水発電装置。
【請求項２】
前記回転速度制御装置の積分制御要素に設けられた積分制御要素出力暴走防止回路の最適案内羽根開度に対応して定められた上限値制限関数および下限値制限関数の各々に対して、最適回転速度指令と回転速度との偏差により１以下で一定値までの範囲で変化する回転速度偏差に対応して定められた上限値制限関数又は下限値制限関数を乗じて、電力出力指令値変化レートが急減した場合に積分制御関数内蓄積分の出力による速度制御指令の出力を制限することを特徴とする請求項１に記載の可変速揚水発電装置。
【請求項３】
前記上限値制限関数における前記一定値を前記回転速度が前記最適回転速度指令を上回る範囲で０．０１から０．５の範囲から選択し、前記下限値制限関数における前記一定値を前記回転速度が前記最適回転速度指令を下回る範囲又は前記回転速度が前記最適回転速度指令を上回る状態でも零に近い一定範囲内で０．０１から０．５の範囲から選択することを特徴とする請求項２に記載の可変速揚水発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変速揚水発電装置に係り、特に発電モードにおいてポンプ水車側で速度制御を行ない、所定の可変速速度範囲を逸脱することなく、かつ電力出力指令に従い出力電力が単調に追従し安定した運転を継続可能にする可変速揚水発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可変速揚水発電装置の発電モードに対して、ポンプ水車側で電力や落差に応じた回転速度制御を担当し、発電電動機側で外部からの発電電力出力指令に電力を直接追従させる電力制御を担当させる方式においては、急速でかつ発電電力出力指令に近い電力応答が得られる反面、速度制御が応答の遅いポンプ水車側流量制御に依存するため、速度の動揺やオーバーシュートが避けられない。そのため、従来の可変速揚水発電装置では、すべり周波数が可変速速度範囲限界に近づいた場合には発電電力出力指令に回転速度又はすべり周波数に従い定義された発電出力修正指令を加算して可変速速度範囲限界の超過を防止する方法等の保護制御が適用されている。【０００３】
この発電出力修正指令を加算して可変速速度範囲限界の超過を防止する方法は、下記の特許文献１に記載されている。【０００４】
図３は、特許文献１に記載された可変速揚水発電装置の構成図である。図３において、１は発電電動機である。発電電動機１は、回転子に直結されたポンプ水車２によって回転駆動されると共に、発電電動機１の２次巻き線１ｂには周波数変換器を備えた２次励磁制御装置３により発電電動機１の回転速度Ｎに応じて所定の周波数に調整された交流励磁電流が供給され、発電電動機１の１次巻き線１ａから交流系統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を行う。【０００５】
また、５は水車特性関数発生器である。水車特性関数発生器５は、外部から与えられる発電出力指令Ｐｏと水位検出信号Ｈを入力して、最高効率で運転するための最適回転速度指令Ｎａと最適案内羽根開度Ｙａを発生する。１６は回転速度制御装置である。回転速度制御装置１６は、最適回転速度指令Ｎａと回転速度検出器６で検出される実際の回転速度Ｎを比較して案内羽根開度補正信号ΔＹを出力する。水車特性発生関数発生器５からの最適案内羽根開度Ｙａは前記案内羽根開度補正信号ΔＹと共に加算器２１に付勢されて案内羽根駆動装置１０に入力され、案内羽根駆動装置１０が案内羽根１１を制御する。【０００６】
また、７はすべり位相検出器である。すべり位相検出器７は、前記交流系統４の電位位相と電気角であらわした前記発電電動機１の２次側回転位相の差に等しいすべり位相Ｓｐを検出する。このＳｐは２次励磁制御装置３に入力される。また、回転速度検出器６で検出された回転速度Ｎを発電出力指令修正装置２５Ａに入力する。【０００７】
発電出力指令修正装置２５Ａは、回転速度Ｎが設定値ＮklgとＮkugの間にある時はその出力信号はゼロを保ち、回転速度Ｎが設定値Ｎklgよりも低くなると出力信号を回転速度Ｎの低下に比例して減少させ、一方、回転速度Ｎが設定値Ｎkugよりも高くなると出力信号を回転速度Ｎの上昇に比例して増加させる。この動作は速度保護制御と呼ばれる。発電出力指令修正装置２５Ａの出力信号は、２次励磁制御装置３を介して行う速度保護制御系の応答性や安定性を調整する過渡特性調整部２５Ｂに入力される。図３では、過渡特性調整部２５Ｂの一例として一次遅れ要素を示している。尚、Ｓはラプラス演算子を示す。２６は過渡特性調整部２５Ｂの出力ΔＰ１と外部から与えられる発電出力指令Ｐｏを加算して発電電動機出力指令Ｐｇを作る加算器である。【０００８】
前記発電電動機出力指令Ｐｇと前記すべり位相検出器７のすべり位相Ｓｐは２次励磁制御装置３に入力される。２次励磁制御装置３は、有効電力検出器９によって検出される発電電動機１の出力検出信号Ｐが発電電動機出力指令Ｐｇに等しくなるように発電電動機１の２次巻線１ｂに供給する交流励磁電流を制御する。【０００９】
この様な構成を有する特許文献１に記載の可変速揚水発電装置によれば、発電出力指令Ｐｏの急増減に対する過渡的な回転速度の逆方向のオーバーシュートを大幅に低減させることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３１４４４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記発電出力指令修正装置の出力信号は、発電出力指令Ｐｏの増減とは逆方向であるので、速度保護制御の動作時には発電出力指令修正装置の出力が発電出力指令Ｐｏの変化に対して逆方向に急変し、電力系統側へ擾乱を与えるという問題が、特に、低落差かつ複数台同時運転時において頻発する可能性があった。【００１２】
また、発電出力指令Ｐｏの変化に伴う回転速度Ｎと最適回転速度指令Ｎａとの偏差を比較して案内羽根開度補正信号ΔＹを出力する回転速度制御装置内の制御回路には通常ＰＩＤ制御が適用されており、Ｉ要素の積分制御要素に発電出力指令Ｐｏの増加又は減少が連続した場合には、速度偏差の減少又は増加指令が蓄積された状態となり、発電出力指令Ｐｏの変化が減少又は零となった後にも、案内羽根開度補正信号ΔＹが継続して出力される。その結果、案内羽根開度Ｙが最適案内羽根開度Ｙａに対して過小又は過大に制御されて回転速度Ｎにオーバーシュートが発生し、可変速速度範囲限界に近づく可能性があり、この場合にも速度保護制御が動作して発電出力が急変する可能性があった。【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力系統側へ擾乱を与えるのを防止可能な可変速揚水発電装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、周波数変換器を備えロータが可変速度で回転するにもかかわらず１次側が商用電力系統に同期接続される可変速発電電動機、該可変速発電電動機のロータに直結され発電モードにあってはこれを駆動し揚水モードにあってはこれに駆動されるポンプ水車を備え、前記発電モードでは前記ロータの回転速度と回転速度指令の偏差に基づき比例制御要素、積分制御要素及び微分制御要素を備えた回転速度制御装置により算出された速度制御指令を原動機であるポンプ水車側に与えて速度制御を行う一方、電力出力指令を可変速発電電動機に与えて電力制御を行う可変速揚水発電装置であって、前記発電モードで商用電力系統周波数と前記ロータの回転速度に対応した周波数との差であるすべり周波数が通常運転範囲内にある場合は電力出力指令の最大変化レートを一定とし、前記すべり周波数が前記通常運転範囲の下限値から所定値以内下回る範囲内および前記通常運転範囲の上限値から所定値以内上回る範囲内においては前記すべり周波数の前記通常運転範囲からの逸脱量に応じて前記電力出力指令の最大変化レートに１からゼロの範囲の値を乗じて制限を加え、前記すべり周波数が前記下限値から前記所定値以上下回る範囲および前記上限値から前記所定値以上上回る範囲においては前記電力出力指令の最大変化レートにゼロを乗じて制限を加える制御を実施することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる可変速揚水発電装置は、発電出力が電力系統側へ擾乱を与えるのを防止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明にかかる可変速揚水発電装置の構成例を示す図である。
【図２】図２は、回転速度制御装置の構成例を示す図である。
【図３】図３は、従来の可変速揚水発電装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明にかかる可変速揚水発電装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明にかかる可変速揚水発電装置の構成例を示す図である。図１において、従来例を説明するのに用いた前記図３と同一符号は同一部分又は相当部分を示す。図３と同一符号が付された部分については説明を省略する。【００１９】
図１に示した可変速揚水発電装置１００は、図３に示した可変速揚水発電装置の回転速度制御装置１６を回転速度制御装置１６１に置き換え、さらに、発電電動機出力指令Ｐｇを生成するための発電出力指令修正装置２５Ａ、過渡特性調整部２５Ｂおよび加算器２６を、換算器３０、電力出力指令値変化レート制限器３１、乗算器３２、減算器３３、正負号判定器３４、乗算器３５および積分器３６に置き換えた構成となっている。【００２０】
可変速揚水発電装置１００においては、回転速度検出器６で検出される実際の回転速度Ｎから可変速発電電動機である発電電動機１の同期周波数相当を算出する換算器３０の出力ｆNと交流系統４の周波数ｆとを電力出力指令値変化レート制限器３１に入力する。電力出力指令値変化レート制限器３１は、発電電動機１の同期周波数相当のｆNと交流系統４の周波数ｆとの差ｆ−ｆNが定められた上限値（Δｆ1）と下限値（−Δｆ2）の間の範囲である通常運転範囲においては電力出力指令値に変化レート制限を設けないものとして出力信号として１．０（一定値）を出力する。また、電力出力指令値変化レート制限器３１は、差ｆ−ｆNが上限値Δｆ1からΔｆ3の間の範囲の場合及び下限値−Δｆ2から−Δｆ4の間の範囲の場合、出力信号として、差ｆ−ｆNの増減に比例した１．０から０．０の間の値を出力する。更に、電力出力指令値変化レート制限器３１は、差ｆ−ｆNがΔｆ3を上回っている場合および差ｆ−ｆNが−Δｆ4を下回っている場合、出力信号として０．０（一定値）を出力する。ここで、Δｆ1、Δｆ3、−Δｆ2および−Δｆ4の各値は、回転速度Ｎが可変速揚水発電装置１００の可変速速度範囲限界を超過することが無いように、２次励磁制御装置３の限界発生周波数範囲内で、Δｆ1＜Δｆ3、−Δｆ4＜−Δｆ2となるよう定めるものとする。【００２１】
乗算器３２は、電力出力指令値変化レート制限器３１の出力に前記電力出力指令の最大変化レートＰＲを乗じて電力出力指令値変化レートを出力する。【００２２】
減算器３３は、外部から与えられる発電出力指令Ｐｏから発電電動機出力指令Ｐｇを減算し、発電電動機出力指令の要変化量Ｐｏ−Ｐｇを出力する。【００２３】
正負号判定器３４は、上記減算器３３の出力である発電電動機出力指令の要変化量Ｐｏ−Ｐｇが入力され、Ｐｏ−Ｐｇの正負に応じて１．０又は−１．０を出力する。尚、正負号判定器３４は、Ｐｏ−Ｐｇの値の零近傍で正負の所定値以下に対して０．０を出力する不感帯を設けても構わない。【００２４】
乗算器３５は、上記乗算器３２の出力である電力出力指令値変化レートに前記正負号判定器３４の出力である発電電動機出力指令の要変化量の正負号判定値を乗じて電力出力指令値増減変化レートを生成し、これを出力する。【００２５】
積分器３６は、前記乗算器３５の出力である電力出力指令値増減変化レートを積分して発電電動機出力指令Ｐｇを生成し、これを出力する。【００２６】
図２は、回転速度制御装置１６１の構成例を示す図である。【００２７】
回転速度制御装置１６１は、減算器４０、乗算器４１，４２、積分制御要素４３、微分制御要素４４、加算器４７、上限値制限関数６０，６１、乗算器６２、下限値制限関数７０，７１、乗算器７２を備える。また、積分制御要素４３は、減算器４８、積分制御関数４９、最小値選択関数５１および最大値選択関数５２を備える。微分制御要素４４は、不完全微分関数４５および乗算器４６を備える。【００２８】
減算器４０には、水車特性関数発生器５から出力された最適回転速度指令Ｎａおよび回転速度検出器６で検出された実際の発電電動機ロータの回転速度Ｎが入力され、最適回転速度指令Ｎａから回転速度Ｎを減算し、発電電動機ロータの回転速度指令偏差Ｎａ−Ｎを出力する。【００２９】
乗算器４１は、減算器４０の出力である発電電動機ロータの回転速度偏差Ｎａ−Ｎに、交流系統４の定格周波数に対する発電電動機ロータの同期回転速度Ｎ０の逆数を乗算して、発電電動機ロータの無次元回転速度偏差値(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０を出力する。【００３０】
乗算器４２は、回転速度制御装置１６１の比例制御要素の比例制御関数であり、発電電動機ロータの無次元回転速度偏差値(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０に対して比例ゲインＫｐを乗じた信号を出力する。回転速度制御装置１６１の積分制御要素である積分制御要素４３では、減算器４８が、発電電動機ロータの無次元回転速度偏差値(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０から減算器５０の出力値を減算し、減算器４８の出力値に対して積分制御関数４９が積分ゲインＫｉを乗じて積分する。更に、最小値選択関数５１が、積分制御関数４９の出力値と乗算器６２の出力値を比較し積分制御要素出力暴走防止回路の上限値の制限値として最小値側を出力する。最大値選択関数５２は、最小値選択関数５１の出力値と乗算器７２の出力値を比較し積分制御要素出力暴走防止回路の下限値の制限値として最大値側を出力する。微分制御要素４４は、回転速度制御装置１６１の微分制御要素であり、発電電動機ロータの無次元回転速度偏差値(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０を入力した不完全微分関数４５の出力値に乗算器４６で微分ゲインＫｄを乗じた値を出力する。加算器４７は、乗算器４２の出力値、積分制御要素４３の出力値及び微分制御要素４４の出力値を加算し、加算結果を回転速度制御装置１６１の出力である案内羽根開度補正信号ΔＹとして出力する。【００３１】
尚、積分制御要素４３内の減算器５０では、積分制御関数４９の出力値から最大値選択関数５２の出力値を減算し、減算結果を減算器４８へ出力する。【００３２】
次に、本発明に係る積分制御要素の積分制御要素出力暴走防止回路の上限値制限関数及び下限値制限関数について説明する。【００３３】
上限値制限関数６０は従来の積分制御要素出力暴走防止回路の最適案内羽根開度Ｙａに対応して定められた上限値制限関数の一例であり、最適案内羽根開度Ｙａの入力値０．０から１．０に対して、１．０から０．０の値を出力する。【００３４】
上限値制限関数６１は乗算器４１の出力である無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０に対応して定められた上限値制限関数の一例である。この上限値制限関数６１は、回転速度Ｎが最適回転速度指令Ｎａを上回る状態での回転速度制御装置１６１の積分制御要素での蓄積分の出力によりプラスの案内羽根開度補正信号ΔＹ出力値を制限するために、無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０が０．０以下の場合には値ｂを出力し、無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０が０．０からｎ3の範囲の場合にはｂから１．０までの値を比例して出力し、無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０がｎ3以上の場合には１．０を出力する。ここで、無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０が０以下の場合の出力値ｂとしては、０．０１から０．５の範囲内で選定されるものとする。【００３５】
乗算器６２は、積分制御要素出力暴走防止回路の最適案内羽根開度Ｙａに対応して定められた上限値制限関数６０からの出力値と無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０に対する上限値制限関数６１からの出力値とを乗算して出力する。【００３６】
下限値制限関数７０は従来の積分制御要素出力暴走防止回路の最適案内羽根開度Ｙａに対応して定められた下限値制限関数の一例であり、最適案内羽根開度Ｙａの入力値０．０から１．０に対して、０．０から−１．０の値を出力する。【００３７】
下限値制限関数７１は乗算器４１の出力である無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０に対応して定められた下限値制限関数の一例である。この下限値制限関数７１は、回転速度Ｎが最適回転速度指令Ｎａを下回る範囲又は回転速度Ｎが最適回転速度指令Ｎａを上回る状態でも零に近い一定範囲内での回転速度制御装置１６１の積分制御要素４３での蓄積分の出力によりマイナスの案内羽根開度補正信号ΔＹ出力値を制限するために、無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０が−ｎ2以上の場合には値ａを出力し、無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０が−ｎ2から−ｎ1の範囲の場合にはａから１．０までの値を比例して出力し、無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０が−ｎ1以下の場合には１．０を出力する。ここで、無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０が０以下の場合の出力値ａとしては、０．０１から０．５の範囲内で選定されるものとする。尚、可変速ポンプ水車の発電モードの最適回転速度指令範囲は可変速範囲の下の方に限定されることが多いので、無次元回転速度偏差−ｎ1及び−ｎ2は、(Ｎａ−Ｎ０)／Ｎ０＜−ｎ1＜−ｎ2＜０．０の範囲で選定されるものとする。【００３８】
乗算器７２は、積分制御要素出力暴走防止回路の最適案内羽根開度Ｙａに対応して定められた下限値制限関数７０からの出力値と無次元回転速度偏差(Ｎａ−Ｎ)／Ｎ０に対する下限値制限関数７１からの出力値とを乗算して出力する。【００３９】
以上のように、本実施例にかかる可変速揚水発電装置１００は、すべり周波数が通常運転範囲内にある場合は電力出力指令の最大変化レートを１．０の一定値とし、すべり周波数が通常運転範囲の下限値を所定値以上下回る場合、および、すべり周波数が通常運転範囲の上限値を所定値以上上回る場合は、電力出力指令の最大変化レートを０の一定値とし、すべり周波数が通常運転範囲付近、すなわち、すべり周波数の通常運転範囲の下限からの逸脱量が所定値以内の場合、および、すべり周波数の通常運転範囲の上限からの逸脱量が所定値以内の場合、すべり周波数の通常運転範囲からの逸脱量に応じて電力出力指令の最大変化レートに１から０の範囲の値を乗じて制限を加える電力出力指令値変化レート制限器３１を備えることとした。これにより、発電出力が急変するのを防止することができる。すなわち、電力系統側へ擾乱を与えるのを防止可能な可変速揚水発電装置を実現できる。
【符号の説明】
【００４０】
１  発電電動機、２  ポンプ水車、３  ２次励磁制御装置、４  交流系統、５  水車特性関数発生器、６  回転速度検出器、７  すべり位相検出器、９  有効電力検出器、１０  案内羽根駆動装置、１１  案内羽根、１２  受電変圧器、１６  回転速度制御装置、２１，２６，４７  加算器、３０  換算器、３１  電力出力指令値変化レート制限器、３２，３５，４１，４２，４６，６２，７２  乗算器、３３，４０，４８，５０  減算器、３４  正負号判定器、３６  積分器、４３  積分制御要素、４４  微分制御要素、４５  不完全微分関数、４９  積分制御関数、５１  最小値選択関数、５２  最大値選択関数、６０，６１  上限値制限関数、７０，７１  下限値制限関数。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
2017109921.tif 000006
2017109921.tif 000007
2017109921.tif 000008
2017109921.tif 000009