(57)【要約】【課題】水車発電機の自立運転を高速に安定的かつ経済的に行う。【解決手段】運転制御装置は、検出された自立運転負荷３の負荷値に基づいて水車１への水の流入量を調整する水車調速機４と、自立運転負荷３と並列に接続された負荷量可変の模擬負荷６と、模擬負荷６の負荷量を調整する模擬負荷補助調速機７とを備え、模擬負荷補助調速機７は、平常時には水車調速機４と協調して模擬負荷６の消費電力を中立位置に調整し、自立運転負荷３の負荷値の過渡時には、模擬負荷６の消費電力を中立位置から増方向または減方向に調整し、調整完了後は、水車調速機４の流入量調整速度と同期して、模擬負荷６の消費電力を中立位置に戻す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水が流入されることによって回転する水車と、
自立運転負荷に供給するための電力を前記水車の回転エネルギーを用いて発生させる水車発電機と、
前記自立運転負荷の負荷値を検出する負荷値検出部と、
前記負荷値検出部によって検出された前記自立運転負荷の負荷値に基づいて、前記水車への水の流入量を調整する水車調速機と、
前記自立運転負荷と並列に前記水車発電機に接続され、可変の負荷量を有する模擬負荷と、
前記模擬負荷の負荷量を調整する模擬負荷補助調速機と
を備え、
前記模擬負荷補助調速機は、
平常時には、前記模擬負荷の消費電力を中立位置に調整し、
前記自立運転負荷の前記負荷値の変動時には、前記負荷値の変動に応じて、前記模擬負荷の消費電力を前記中立位置から増方向または減方向に調整する、
運転制御装置。
【請求項２】
前記模擬負荷補助調速機は、前記自立運転負荷の前記負荷値の前記変動時に、
前記自立運転負荷の前記負荷値が減少した場合は、前記模擬負荷の消費電力を前記中立位置から増方向に調整し、
前記自立運転負荷の前記負荷値が増加した場合は、前記模擬負荷の消費電力を前記中立位置から減方向に調整する、
請求項１に記載の運転制御装置。
【請求項３】
前記模擬負荷は、前記自立運転負荷の想定される最大変動量の２倍の容量を有する、
請求項１または２に記載の運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、運転制御装置に関し、特に、発電を行うための水車の運転の制御を行う運転制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水車発電機を自立運転させる際の水車発電機の出力周波数を一定に保つための調速制御装置の開発が行われている。
【０００３】
図２は、従来の調速制御装置の構成を示した図である（例えば、特許文献１参照）。図２において、１０１は水車、１０２は水車発電機、１０３は調整弁である。図２に示すように、水車１０１には、水入力を調整するための調整弁１０３が設けられている。水車発電機１０２には、図示しない自立運転負荷が接続されている。図２に示す調速制御装置においては、水車１の回転速度の変動により、自立運転負荷の変動を検出し、検出された自立運転負荷の変動に応じて、調整弁１０３により、水車１０１への流入量を調整することで、水車発電機１０２の出力周波数の変動を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平５−５６１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、水力発電設備において自立運転を行うためには、次に記載の（ア）及び（イ）の２種類に分類される設備および方式が必要であった。
【０００６】
（ア）水力発電設備を構成する水路・水車調速機・水車および水車発電機の回転体慣性重量を適切に計画・製造する事により、水車発電機単体で、周波数安定性、つまり自立運転性能を確保しようとする方式。
【０００７】
（イ）水力発電設備内に、水車発電機設備以外に同設備の電気出力を安定的に供給しようとする自立運転負荷と、電気回路的に並列接続されて負荷量の調整可能な模擬負荷装置とを備え、この模擬負荷の消費電力を高速に調整する事で、周波数安定性、つまり自立運転性能を確保しようとする方式。
【０００８】
このうちの（ア）の方式が、図２に示す従来装置に相当する。しかしながら、（ア）の方式においては、自立運転負荷変動時の周波数安定性を確保するためには、水車の回転数上昇率、水路の水圧上昇率、および、調整弁の駆動系パワー等の品質を十分に確保する必要があるため、水力発電設備の設備規模が高価なものとなるという課題があった。
【０００９】
また、（イ）の方式は、図２の構成において、自立運転負荷に並列に接続された模擬負荷を追加したものである（例えば、特許文献１の第１図参照）。この模擬負荷の容量は、自立運転負荷の全容量と同一である。（イ）の方式においては、自立運転負荷の負荷量と模擬負荷の負荷量とを合計したものを、全体の負荷量として、制御を行う。従って、（イ）の方式においては、自立運転負荷の変動に備え、水車発電機１０２の出力を予め調整しておかねばならず、自立運転負荷の変動量を予め計画した上で、自立運転負荷変動発生前に模擬負荷消費電力を調整するという困難さがあった。さらに、模擬負荷の容量として、自立運転負荷の全容量と同等の容量が必要であるという課題があった。
【００１０】
また、（ア）の方式においても、（イ）の方式においても、水車への流入量の増減操作により水車発電機の出力周波数の制御を行っているが、水車への流入量の増減操作が水車発電機の発生電力変動に発現するまでは、設備仕様に起因する時間遅れ、および、水車水圧管路内の流水の加減速時間などにより、かなりの時間遅れが発生し、自立運転負荷の急激な変動に対しては、水車発電機の出力周波数の制御を迅速に対応させることができないという課題があった。
【００１１】
この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、自立運転負荷の容量よりも小さい容量の模擬負荷を用いながら、事前調整も不要で、自立運転負荷変動の過渡時にも迅速に対応し、水車発電機の出力周波数の制御を安定的かつ経済的に行う運転制御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】
【００１２】
この発明は、水が流入されることによって回転する水車と、自立運転負荷に供給するための電力を前記水車の回転エネルギーを用いて発生させる水車発電機と、前記自立運転負荷の負荷値を検出する負荷値検出部と、前記負荷値検出部によって検出された前記自立運転負荷の負荷値に基づいて、前記水車への水の流入量を調整する水車調速機と、前記自立運転負荷と並列に前記水車発電機に接続され、可変の負荷量を有する模擬負荷と、前記模擬負荷の負荷量を調整する模擬負荷補助調速機とを備え、前記模擬負荷補助調速機は、平常時には、前記模擬負荷の消費電力を中立位置に調整し、前記自立運転負荷の前記負荷値の変動時には、前記負荷値の変動に応じて、前記模擬負荷の消費電力を前記中立位置から増方向または減方向に調整する、運転制御装置である。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の運転制御装置によれば、前記模擬負荷補助調速機は、平常時には、前記水車調速機と協調して、前記模擬負荷の消費電力を中立位置に調整し、前記自立運転負荷の前記負荷値の過渡時には、前記模擬負荷の消費電力を前記中立位置から増方向または減方向に調整し、調整完了後は、前記水車調速機の流入量調整速度と同期して、前記模擬負荷の消費電力を前記中立位置に戻すようにしたので、予測困難な自立運転負荷の自立負荷変動に際しても安定的な自立運転が出来、自立運転負荷の全容量よりも小さい容量の模擬負荷を用いながら、事前調整も不要で、自立運転負荷変動の過渡時にも迅速に対応し、水車発電機の出力周波数の制御を安定的かつ経済的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る運転制御装置の構成を示したブロック図である。
【図２】従来の調速制御装置の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
この発明は、商用電力系統から切り離された系統で、水車発電機を自立運転負荷に接続して、自立運転負荷に対して水車発電機による電力供給を行う場合において、自立運転負荷の負荷変動に対して水車発電機の出力周波数を一定に安定して保つために水車発電機の周波数制御を行う運転制御装置に関する。この発明の運転制御装置においては、平常時の出力周波数の制御は水車調速機側で行い、過渡的な出力周波数の制御は模擬負荷補助調速機側で行う事で、事前予測困難な自立負荷変動に際しても安定的な自立運転を行う。以下、この発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る運転制御装置の構成を示した図である。図１において、１は水車、２は水車発電機、３は自立運転負荷、４は水車１への流入エネルギーを調整する水車調速機、５は水車発電機２の出力周波数すなわち水車１の回転速度を検出するための水車速度検出器、６は負荷量が調整可能な模擬負荷、７は水車調速機４と協調して模擬負荷６の消費電力を調整する模擬負荷補助調速機である。これらの構成要素について、以下に説明する。
【００１７】
水車１は、水車１への流入量の調整を行う調整弁（図示せず）が設けられ、水車調速機４により水の流入量が調整される。水車１は、水車１に水が流入されることによって回転し、この回転エネルギー（機械エネルギー）を水車発電機２に伝達する。
【００１８】
水車発電機２は、水車１から供給された回転エネルギーにより回転する。水車発電機２が回転すると電力が発生する。水車発電機２は、発生した電力を、自立運転負荷３および模擬負荷６に供給する。
【００１９】
自立運転負荷３は、水車発電機２に接続され、水車発電機２から供給される電力で駆動される。
【００２０】
水車調速機４は、水車速度検出器５で検出された水車１の回転速度に基づいて、水車１への水の流入量調整を行う。すなわち、水車調速機４は、水車発電機２を自立運転する際に、自立運転負荷３の負荷変動に応じ、水車発電機２の出力周波数を一定に安定して保つために、水車速度検出器５で検出された水車１の回転速度に基づいて、水車１への水の流入量を調整する。なお、このとき、水車調速機４は、例えば、水車１の回転速度とそれに対する水車１への水の目標流入量との対応関係を定めたルックアップテーブルを予め有しており、水車調速機４は、当該ルックアップテーブルに従って、水車１の回転速度に基づいて水車１への目標流入量を求めるようにすればよい。
【００２１】
水車速度検出器５は、水車発電機２の出力周波数、すなわち、水車１の回転速度を検出する。水車速度検出器５で検出された水車１の回転速度の変動から、自立運転負荷３の変動を検出することができる。従って、本実施の形態１では、水車速度検出器５は、自立運転負荷３の負荷値を検出する負荷値検出部を構成している。水車速度検出器５は、検出した回転速度を水車調速機４に出力する。
【００２２】
模擬負荷６は、自立運転負荷３と並列に、水車発電機２に対して接続されている。模擬負荷６は、可変の負荷量を有しており、負荷量の調整が可能である。模擬負荷６は、自立運転負荷３と同様に、水車発電機２から供給される電力で駆動される。模擬負荷６の容量は、自立運転負荷３の想定される最大変動量の２倍の容量を有する。自立運転負荷３の最大変動量は、設計者／ユーザ（顧客）等が過去の運用実績（日常運転における変動量の実績）などを基に予め決定し、その２倍の容量を有する負荷を模擬負荷６として設置する。上述した（イ）の方式の従来装置においては、模擬負荷の容量が、自立運転負荷３の容量と同一であったため、大容量の負荷を用意する必要があったが、本実施の形態１では、自立運転負荷３の最大変動量の２倍の容量で済むため、模擬負荷６の容量を大幅に小さくすることができ、その結果、模擬負荷６にかかる費用を抑えることができる。なお、ここで、最大変動量の２倍とする理由は、模擬負荷６は平常時には消費電力を中立位置としているため、当該中立位置を中心として、増方向に最大変動量だけ、減方向に最大変動量だけ、消費電力を変動させることができれば、十分であるためである。
【００２３】
模擬負荷補助調速機７は、水車調速機４と協調して、模擬負荷６の負荷量を調整する。具体的には、模擬負荷補助調速機７は、平常時には、水車調速機４を介して水車速度検出器５が検出した水車１の回転速度を得て、当該回転速度に基づいて、模擬負荷６の消費電力が中立位置相当となるように、模擬負荷６の負荷量を調整する。一方、自立運転負荷３の変動発生時には、模擬負荷補助調速機７は、自立運転負荷３の変動が発生した直後すなわち過渡時に、前記負荷値の変動に応じて、模擬負荷６の消費電力を中立位置相当より増方向または減方向に調整する。具体的には、自立運転負荷３が減少して、水車１の回転速度が予め設定された上限閾値を超えた場合には、当該回転速度の増加分に応じて、模擬負荷６の消費電力を中立位置相当より増方向に調整する。逆に、自立運転負荷３が増加して、水車１の回転速度が予め設定された下限閾値を下回った場合には、当該回転数の減少分に応じて、模擬負荷６の消費電力を中立位置相当より減方向に調整する。また、自立運転負荷３の変動の過渡時の経過後は、模擬負荷補助調速機７は、水車調速機４の流入量調整速度と同期して、過渡的に増または減となった模擬負荷６の消費電力を、平常時の中立位置相当の消費電力に復帰させる。
【００２４】
次に、実施の形態１に係る運転制御装置の動作について説明する。自立運転中、模擬負荷補助調速機７は、水車調速機４から、常時、水車発電機２の出力周波数、すなわち、水車速度検出器５が検出した水車１の回転速度を得て、平常時には、水車１の回転速度に基づいて、模擬負荷６の消費電力が中立位置相当となるように、模擬負荷６の負荷量を調整しておく。
【００２５】
また、水車調速機４は、水車速度検出器５で検出された水車１の回転速度に基づいて、水車１への水の流入量調整を行う。水車調速機４の制御方式の一例としては、水車調速機４は、水車速度検出器５で検出された水車１の回転速度に基づいて、水車１へ流入すべき流入量を示す目標流入量を計算する。そうして、水車調速機４は、目標流入量に基づき、水車１への流量を調整する調整弁の目標開度を計算する。具体的には、流入量を増加させる場合には、調整弁の開度を現在の値から開方向に変更した目標開度に設定し、逆に、流入量を減少させる場合には、調整弁の開度を現在の値から閉方向に変更した目標開度に設定する。こうして、水車調速機４は、調整弁の目標開度を設定して、調整弁の開度が目標開度になるように、調整弁を駆動制御する。
【００２６】
一方、自立運転負荷３の変動発生時には、水車発電機２の出力周波数の変動、すなわち、水車１の回転速度の変動が発生する。水車調速機４では、この水車１の回転速度の変動に対する水車１への流入量調整が行われる。流入量調整の方法は、平常時と同じである。しかしながら、水車１への流入量の増減操作が水車発電機２の発生電力変動に発現するまでには、設備仕様に起因する時間遅れおよび水車水圧管路内の流水の加減速時間などの要因により、かなりの時間遅れが必要となる。
【００２７】
従って、自立運転負荷３が急減した場合、水車１への水の流入量は直ちに変化しない。そのため、水車１は、急減した負荷量に見合うよりも大きな余分な水入力の供給を受け、この余分な水入力により、水車１の回転速度が上昇し始め、過渡的回転数上昇をきたす。
逆に、自立運転負荷３が急増した場合にも、水車１への水の流入量は直ちに変化しない。そのため、水車１は、急増した負荷量に見合うよりも小さい不足した水入力の供給を受け、この水入力の不足により、水車１の回転速度が下降し始め、過渡的回転数低下をきたす。
【００２８】
そのため、本実施の形態１においては、上述した過渡的回転数上昇および過渡的回転数低下の発生を抑えるために、模擬負荷補助調速機７が、自立運転負荷３の変動が発生した直後すなわち過渡時に、模擬負荷６の消費電力を中立位置相当より増または減方向に調整する。この調整は電気的に行うため、水車発電機２の発生電力の変動に先んじて周波数変動を抑制するように働き、結果として、出力調整が遅い水車発電機２であっても、高速に水車発電機２の周波数を制御する事が可能となる。なお、過渡時経過後は、模擬負荷補助調速機７は、過渡的に増または減となった模擬負荷６の消費電力を、水車調速機４の流入量の調整速度と協調して、平常時の中立位置相当の消費電力に復帰させる。すなわち、水車調速機４による水車１への流入量の増減操作により水車発電機２の発生電力変動を抑えられるようになるまでの過渡変動直後は、模擬負荷６の負荷調整により直ちに水車発電機２の周波数制御を行い、その後は、水車調速機４の流入量調整速度と同期した比較的ゆっくりした速度で模擬負荷６を中立位置に戻しつつ、水車調速機４の流入量の調整により水車発電機２の周波数制御を行う。従って、模擬負荷補助調速機７による過渡時の制御は、模擬負荷６が中立位置に戻った時点で、終了する。
【００２９】
このように、本実施の形態１においては、平常時の模擬負荷６の消費電力に中立位置を採用した上で、水車調速機４と協調して制御するようにしたため、自立運転負荷３の変動の増減のいずれの方向においても、過渡的には模擬負荷６の消費電力を調整する事で周波数制御可能であるため、突然の負荷増加に際しても予め模擬負荷６の消費電力を調整しておく必要は無い。さらに、模擬負荷６の容量は、自立運転負荷３の全容量相当では無く、自立運転負荷３の平常時想定最大変動量の２倍の容量で良いため、自立運転負荷３の変動の事前予測制御が不要な装置を経済的に低コストで構成する事ができる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態１においては、水車１への流入量の制御を行う水車調速機４に加えて、自立運転負荷３の想定される最大変動量の２倍の容量を持った模擬負荷６を平常時においては常時中立位置で運転するように制御するための模擬負荷補助調速機７を備えている。当該構成により、平常時の出力周波数の制御は水車調速機４側で行い、過渡的な出力周波数の制御は模擬負荷補助調速機７側で行う事で、事前予測困難な自立負荷変動に際しても安定的な自立運転を行うことが出来る。
【００３１】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、自立運転負荷３の負荷値の検出を行う負荷値検出部として、水車速度検出器５を用いる場合について述べたが、負荷値検出部は、これ以外の構成または方法でもよい。具体的には、例えば、以下の（１）〜（３）の構成または方法が考えられる。
【００３２】
（１）負荷値検出部を、水車発電機２の出力周波数を検出するための周波数検出器で構成する。すなわち、水車発電機２に対して周波数検出器を設けておき、当該周波数検出器により、水車発電機２の出力周波数を直接検出して、当該出力周波数から、自立運転負荷３の負荷変動を検出することができる。なお、このとき、水車調速機４は、検出された出力周波数に基づいて、水車１への目標流入量を算出する。算出方法としては、例えば、水車調速機４が、出力周波数と目標流入量との対応関係を定めたルックアップテーブルを予め用意しておき、当該ルックアップテーブルに従って、出力周波数に基づいて水車１の目標流入量を求めるようにすればよい。
【００３３】
（２）負荷値検出部を、自立運転負荷３の電流もしくは電力を検出するための電流計もしくは電力計で構成する。すなわち、電流計もしくは電力計を自立運転負荷３に対して設けておき、当該電流計もしくは電力計により自立運転負荷３の電流もしくは電力を検出して、当該検出値から、自立運転負荷３の負荷変動を検出することができる。なお、このとき、水車調速機４は、検出された出力周波数に基づいて、水車１への目標流入量を算出する。算出方法としては、例えば、水車調速機４が、電流もしくは電力の検出値と目標流入量との対応関係を定めたルックアップテーブルを予め用意しておき、当該ルックアップテーブルに従って、電流もしくは電力の検出値に基づいて水車１の目標流入量を求めるようにすればよい。
【００３４】
（３）自立運転負荷３の自立運転負荷パターンなどの消費電力設定値が予め決まっている場合においては、その消費電力設定値と実計測値との偏差を検出することによって、自立運転負荷３の負荷変動を検出する。すなわち、負荷値検出部を、自立運転負荷３の電流もしくは電力を検出するための電流計もしくは電力計で構成する。すなわち、電流計もしくは電力計を自立運転負荷３に対して設けておき、当該電流計もしくは電力計により自立運転負荷３の消費電力の実計測値を求める。そうして、消費電力設定値と実計測値との偏差を検出することによって、自立運転負荷３の負荷変動を検出することができる。なお、このとき、水車調速機４は、検出された上記偏差に基づいて、水車１への目標流入量を算出する。算出方法としては、例えば、水車調速機４が、上記偏差と目標流入量との対応関係を定めたルックアップテーブルを予め用意しておき、当該ルックアップテーブルに従って、偏差に基づいて水車１の目標流入量を求めるようにすればよい。
【００３５】
以上のように、自立運転負荷３の負荷変動は、上記（１）〜（３）のいずれの構成または方法を用いて検出してよく、その場合においても、実施の形態１と同等な効果を得る事が出来る。
【００３６】
実施の形態３．
上記の実施の形態１では、模擬負荷補助調速機７の制御方法として、連続的制御あるいは段階的制御のいずれにも特定していないが、いずれであっても効果の傾向は同じである。従って、水車発電機２の自立運転周波数に求める周波数変動範囲の仕様面に基づいて、連続的制御を適用するか、あるいは、段階的制御を適用するかを決める事で、必要な効果を得る事が出来る。
【００３７】
なお、連続的制御とは、模擬負荷補助調速機７が自立運転負荷３の変動が発生した直後すなわち過渡時に、模擬負荷６の消費電力を中立位置相当より増または減方向に調整するときに、模擬負荷６の消費電力を中立位置相当より連続的に増方向または減方向に調整することをいう。
【００３８】
一方、段階的制御とは、模擬負荷補助調速機７が自立運転負荷３の変動が発生した直後すなわち過渡時に、模擬負荷６の消費電力を中立位置相当より増または減方向に調整するときに、模擬負荷６の消費電力を、中立位置相当から、予め設定された電力量ずつ、ステップ状に増加させる、あるいは、ステップ状に減少させることをいう。
【００３９】
実施の形態４．
上記の実施の形態１では、単一の水車発電機２と単一の自立運転負荷３について述べたが、これらは複数であってもよい。すなわち、図１に示した水車発電機２を複数個設けてもよく、同様に、自立運転負荷３を複数個設けてもよい。なお、水車発電機２を複数個設ける場合は、それらの水車発電機２を並列接続する。一方、自立運転負荷３を複数個設ける場合については、それらの自立運転負荷３を並列接続で設けてもよく、直列接続で設けてもよい。このように、複数個の水車発電機２あるいは複数個の自立運転負荷３から構成される場合においても、模擬負荷補助調速機７の導入により、上記の実施の形態１と同等な効果を得る事が出来る。
【符号の説明】
【００４０】
１  水車、２  水車発電機、３  自立運転負荷、４  水車調速機、５  水車速度検出器、６  模擬負荷、７  模擬負荷補助調速機。
【図１】
2018011415.tif 000003
【図２】
2018011415.tif 000004