(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナーと、前記ランナーと接続された発電電動機と、前記ランナーを通過する水量を調整する水量調整手段と、前記発電電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、前記回転速度検出部からの回転速度信号に応じて前記水量調整手段を制御するガバナーとを備えたポンプ水車において、
前記ガバナーは、負荷遮断の際に前記水量調整手段を閉鎖する閉鎖手段と、回転速度の上昇ピークを経て下降する段階で前記水量調整手段を一時的に開動作させる開動作手段からなるＳ字特性対応制御手段を含み、
非常停止信号に応じて負荷を遮断する負荷遮断手段と、前記非常停止信号に応じて前記Ｓ字特性対応制御手段による制御をロックさせて前記水量調整手段を全閉まで閉め切る急閉鎖指令を前記ガバナーに与える急閉鎖指令印加手段とを備え、
前記急閉鎖指令印加手段は、前記Ｓ字特性対応制御手段における前記開動作手段による前記水量調整手段の前記一時的な開動作をさせた後で前記ガバナーに急閉鎖指令を与えることを特徴とするポンプ水車。
【請求項２】
請求項１のポンプ水車において、前記急閉鎖指令印加手段は、回転速度が第１の前記上昇ピークを経て下降し再上昇が始まる状態において、前記ガバナーに急閉鎖指令を与えることを特徴とするポンプ水車。
【請求項３】
請求項２のポンプ水車において、前記ガバナーは前記第１の上昇ピークを経て再上昇が始まる回転速度が定格回転速度より高い回転速度となるようにしたことを特徴とするポンプ水車。
【請求項４】
請求項３のポンプ水車において、前記ガバナーは前記第１の上昇ピークを経て再上昇が始まる回転速度が、定格回転速度＋１／３（負荷遮断後の回転速度のピーク値−定格回転速度）より高い回転速度となるようにしたことを特徴とするポンプ水車。
【請求項５】
請求項１のポンプ水車において、前記発電電動機が電力系統に連繋された通常運転中においても、非常停止開始直後の過渡状態においても、同一のガバナーで対応することを特徴とするポンプ水車。
【請求項６】
請求項１のポンプ水車において、非常停止開始直後の過渡時には、電力系統に連繋された通常運転中とは別のガバナーを使用するようにし、該２つのガバナーを切り換えるための切換装置を備えたことを特徴とするポンプ水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポンプ水車およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ポンプ水車、特に高揚程ポンプ水車のランナーは、ポンプ運転時に高揚程を得る為に、充分なる遠心ポンプ作用を発揮するべく設計される。
【０００３】
しかしながら、この設計が、ポンプ水車の水車運転には悪影響を与える。特に後述のＳ字特性と呼ばれる特性が現れるが、これを完全に回避するのは難しいと考えられている。ポンプ水車の流量特性は、一般に、案内羽根開度をパラメータにして単位落差当り回転数（Ｎ１＝Ｎ／√Ｈ）と単位落差当り流量（Ｑ１＝Ｑ１／√Ｈ）との関係を示す一群の特性曲線で表す。他方、ポンプ水車のトルク特性は、案内羽根開度をパラメータにして単位落差当り回転数（Ｎ１＝Ｎ／√Ｈ）と単位落差当りトルク（Ｔ１＝Ｔ／Ｈ）との関係を示す一群の特性曲線で表す。なお、これら２種類の特性曲線を総称して完全特性と呼ぶ。ところで上記流量特性曲線は、水車運転領域において、Ｎ１の値の増加に伴ってＱ１の値が減少する第１の部分と、Ｎ１の値の減少に伴ってＱ１の値が減少する第２の部分とを有する。説明の便宜上、本明細書においては、前記第２の部分を、Ｓ字特性部分と称する。更に、Ｓ字特性部分におけるポンプ水車の特性を、以後、Ｓ字特性と称する。Ｓ字特性部分における水車運転にあっては、単位落差当りトルク（Ｔ１）もまた、単位落差当り回転数（Ｎ１）の減少に伴い、減少する。
【０００４】
ポンプ水車の水車モードの通常運転は、上記第１の部分において行われる。しかしながら、負荷しゃ断により、単位落差当りの回転数（Ｎ１）が急激に大きく増加する場合は、ポンプ水車は、Ｓ字特性部分において運転されることになる。Ｓ字特性部分における運転が開始されると、ポンプ水車の運転点はＳ字特性部分を一端から他端へと辿りつつ、まず単位落差当りの流量（Ｑ１）と単位落差当りの回転数（Ｎ１）は減少する。その後、今度は振子が振返すようにＳ字特性部分を逆方向に辿りつつ、Ｑ１とＮ１は増加する。Ｓ字特性部分におけるこの往復運動は、案内羽根開度を閉めない限りいつまでも継続する。この間、単位落差当りのトルク（Ｔ１）も、減少と増加をくり返す。
【０００５】
水車運転領域においてＳ字特性を有するポンプ水車の特性を、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示す。図４（Ａ）においては、ポンプ水車の特性が、案内羽根開度をパラメーターにとり、単位落差当りの回転数（Ｎ１）と単位落差当りの流量（Ｑ１）との関係として示されている。一方、図４（Ｂ）においては、ポンプ水車の特性が、同じパラメーターにより、単位落差当りの回転数（Ｎ１）と単位落差当りのトルク（Ｔ１）との関係として示されている。Ｎ１，Ｑ１およびＴ１は次の式により表現される。
【０００６】
上記において、符号Ｎ，Ｑ，ＨおよびＴは、それぞれ、ポンプ水車の回転数，流量，有効落差およびトルクを示す。
【０００７】
特性曲線１および１′は、所定の比較的大きな案内羽根開度の下で得られる。特性曲線２および２′は、それよりも小さな案内羽根開度の下で得られる。特性曲線３および３′は更にそれよりも小さい案内羽根開度の下で得られる。
【０００８】
特性曲線１のａ−ｄ−ｈ部分においては、Ｑ１の値は、Ｎ１の減少に伴い減少する。上述の様に、この曲線部分ａ−ｄ−ｈを、本明細書においては、Ｓ字特性部分と称する。同様に、曲線部分ｂ−ｅ−ｉは、特性曲線２のＳ字特性部分であり、曲線部分ｃ−ｆ−ｊは、特性曲線３のＳ字特性部分である。一見して明らかなように、特性曲線１のＳ字特性部分ａ−ｄ−ｈは、特性曲線２のＳ字特性部分ｂ−ｅ−ｉより長く、特性曲線２のＳ字特性部分ｂ−ｅ−ｉは、特性曲線３のＳ字特性部分ｃ−ｆ−ｊよりも長い。このことは、案内羽根開度が小さくなるとＳ字特性部分の長さが短くなることを意味する。
【０００９】
図４（Ａ）におけると同様に、図４（Ｂ）においても、曲線部分ａ′−ｄ′−ｈ′，ｂ′−ｅ′−ｉ′およびｃ′−ｆ′−ｊ′は、それぞれ特性曲線１′，２′および３′のＳ字特性部分である。
【００１０】
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）と密接な関係がある。例えば、図４（Ａ）の曲線３上のＱ１＝Ｑ１ｘ，Ｎ１＝Ｎ１ｘを満たす点ｘは、図４（Ｂ）の曲線３′上の点ｘ′に対応している。点ｘ′は、Ｔ１＝Ｔ１ｘ′，Ｎ１＝Ｎ１ｘ′（＝Ｎ１ｘ）を満たす点である。同様に、図４（Ａ）における点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｈ，ｉおよびｊはそれぞれ図４（Ｂ）における点ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′，ｅ′，ｆ′，ｈ′，ｉ′およびｊ′に対応している。
【００１１】
曲線ｎｒは、無負荷流量曲線である。曲線１，２，３と曲線ｎｒとの交点α，β，γは、それぞれ、曲線１′，２′，３′と直線Ｔ１＝０との交点α′，β′，γ′に対応している。
【００１２】
次に、特性曲線１と１′を参照しながらポンプ水車の水車運転（発電運転）について説明を行う。上述したように特性曲線１を１′に対応する特性は、案内羽根開度を比較的大きな値にした時に得られる。通常は、ポンプ水車の水車運転は、特性曲線１の上部、すなわち、Ｓ字特性部分ａ−ｄ−ｈより上部の曲線部分において行われる。しかしながら、もし例えばポンプ水車に加わっている負荷が突然失われた場合は、ポンプ水車の回転数（Ｎ）が急激に増加するので、Ｎ１の値も急激に増加する。こうして、ポンプ水車は、Ｓ字特性部分において運転され始まる。運転点が一旦Ｓ字特性部分に入ると、ポンプ水車の回転数（Ｎ）の低下によりＮ１の値が低下すると、Ｑ１の値が低下し、ポンプ水車流量（Ｑ）が減少する。一旦Ｎ１の値が減少すると、流量Ｑが減少し、流量Ｑの減少は、ポンプ水車の有効落差Ｈの増加をもたらす。この有効落差Ｈの増加は、更にＮ１の減少をもたらし、Ｎ１の減少は、更にＱ１の減少をもたらす。このようにして、一旦Ｓ字特性部分における運転が始まると、Ｑ１とＮ１は、Ｓ字特性部分をＱ１減少方向、すなわち点ａから点ｄの方向に辿りつつ、加速度的に、減少する。もちろん、この間に管路摩擦等の減衰作用も働くのでＱの減少の進展にも自ずと抑制が作用することは言うまでもない。とにかく、Ｑ１とＮ１は、正帰還制御回路におけると同様に、加速度的に、減少する傾向がある。
【００１３】
ポンプ水車の運転点がＳ字特性部分を点ａから点ｈまで辿り終えると、上記の現象は、負帰還制御回路と同様に次第に緩和され、その後、反転し、やがてＳ字特性部分をＱ１増加方向、すなわち点ｈを少し過ぎた点から点ａへ辿ることになる。Ｓ字特性部分を逆方向に辿るのも矢張り正帰還制御回路と同様の様式で行われる。
【００１４】
負荷遮断後、ポンプ水車の案内羽根を閉鎖せずに放置した場合には、ポンプ水車の運転点は当該案内羽根に相当するＳ字特性曲線上を、上記のように往復運動する。このようにポンプ水車特性任せの運転は有害で、場合によっては危険である。これは、ポンプ水車流量は増減を繰り返し、水力発電所各水路系に激しい水撃が繰り返し発生するからである。
【００１５】
Ｓ字特性部分における運転に伴うこのような悪影響は、Ｓ字特性部分の長さが短くなれば減少する。例えば、もし案内羽根開度を小さくして、より短いＳ字特性部分ｂ−ｅ−ｉを有する特性曲線２に従ってポンプ水車を運転するならば、Ｓ字特性に伴う悪影響は軽減される。
【００１６】
Ｓ字特性部分におけるポンプ水車の運転は、ポンプ水車のトルクＴにも悪影響を与える。Ｓ字特性部分においてＮ１の値が減少すると、図４（Ｂ）に示すように、Ｔ１の値が減少する。ここで再び図４（Ａ）に示される特性曲線１上の点ａとｈは、図４（Ｂ）に示される特性曲線１′上の点ａ′とｈ′にそれぞれ対応することに注意しなければならない。
【００１７】
有効落差Ｈが一定であると仮定すれば、Ｔ１減少は、ポンプ水車トルクＴの減少を意味する。更に、ポンプ水車トルクＴの減少が、ポンプ水車回転数Ｎの減少をもたらすことは明白である。ポンプ水車回転数Ｎが減少すると、それに対応してＮ１が減少し、次にＴ１が更に減少することになる。現実にはこの間に前記したように有効落差Ｈが増加しているのでこの加速傾向は益々強まる。このようにして、ポンプ水車は、特性曲線１を、Ｑ１減少方向に辿る間、同時に特性曲線１′を点ａ′から点ｈ′へと辿っていることになる。その辿り方は、正帰還制御回路の場合と同様である。その後、Ｓ字特性部分を辿る方向が逆転すると、特性曲線１′は点ｈ′から点ａ′の方向へと、辿ることになる。上述したようなトルク変動は、回避した方が良い。
【００１８】
また、負荷遮断後ポンプ水車の運転点がＳ字特性を辿り下っている時に案内羽根を速く閉めるのは危険である。Ｎ１の低下を助長する作用が働くためである。
更に、従来の技術として、水車運転モードにおいては、案内羽根の所定開度、例えば８０％より下では、案内羽根の閉鎖速度の上限制限を、案内羽根８０％以上の時の閉鎖速度上限制限より下げて設定している。この結果、負荷遮断時には、運転点がＳ字特性に入る直前に、案内羽根の閉鎖速度が急速閉鎖から緩慢閉鎖に移行し、閉鎖パターンでみればここで腰折が入る制御を行っていた。
【００２０】
しかし、案内羽根閉鎖パターンの腰折だけに依存する従来技術でも問題が存在していた。例えば、Ｓ字特性を有する複数台のポンプ水車が図５のように各ポンプ水車の上流側管路１０２または下流側管路１０６または両側の管路を共有する場合には、水撃の相互干渉によって上流側水圧が異常上昇したり、下流側水圧が異常低下することがあることが知られている。当該の複数台のポンプ水車が同一仕様の場合を仮定すると、同時負荷遮断された時に発生する上流側水圧の最高値より、相次いで負荷遮断される時間差遮断時に発生する上流側水圧の最高値の方が高くなる問題や、同時負荷遮断された時に発生する下流側水圧の最低値より、相次いで負荷遮断される時間差負荷遮断時に発生する下流側水圧の最低値の方が低くなり、場合によっては水柱分離が発生するという問題があった。しかもこれらの異常水撃現象がＳ字特性を辿り下る微妙なタイミングに関係しているため最悪になる時間差等の条件を事前に特定しにくいという問題があった。
【００２１】
そして高落差ポンプ水車の場合には上下流水路や据付高さ等の土木設計を決める上でＳ字特性が大きな問題になるとの認識から従来もＳ字特性対応制御の提案がなされている。例えば、特開昭53−143842号では負荷遮断後ポンプ水車の運転点がＳ字特性を流量減少方向に辿っている時に一時的に案内羽根を開き、運転点がＳ字特性を逆に流量増加方向に辿り始めた時か流量が略ゼロになった時点で案内羽根を急閉鎖する案が提案されている。しかし、この案では、負荷遮断後回転速度が一旦上昇した後降下に転じるが、この回転速度降下がガバナーの設定で決まる所定回転速度付近まで一気に進むようにしている。そのために案内羽根開度Ｙ＜Ｙａで案内羽根閉鎖速度制限を緩閉鎖に移行させる腰折を使わず一時開きした後の案内羽根閉鎖を負荷遮断直後の急閉鎖と同一レートで一気に閉めている。更に、一時開きした後の案内羽根再閉鎖開始の時点を流量が減少から増加に転じる時点または流量が略ゼロになる点としているが、ポンプ水車の過渡状態において信頼性の高い流量検出をすることは難しい。また、運転点がＳ字特性を流量減少方向に辿り終えて流量増加方向に辿り移った後も案内羽根開操作を続けると逆にＳ字特性を助長する結果になる。上述した問題点を考えると特開昭53−143842号が複数台のポンプ水車が同一管路を共有する場合、特に自分の運転状態だけでなく該他号機からの水撃干渉で流量が複雑に変動する場合には安定した制御は行えない。
【００２２】
なお、従来のポンプ水車では、通常の有負荷運転では電力系統に連繋されていて安定性に不安がないため、ガバナーは安定性より応答速度を重点にしてゲインを高めに設定し、他方、負荷遮断後は当該ポンプ水車が単独で無負荷運転を継続する必要があるため安定性を重視し、ゲインを低めに設定するようにしている。しかしながら、この無負荷運転用の設定は過渡的に通過するＳ字特性を考慮したものではなく、Ｓ字特性を抜けた後の言わばＮ１の値の増加に伴ってＱ１の値が減少する前記第１の部分においてはじめて安定性が確保できる程度の設定であった。正帰還作用が働くＳ字特性内の運転に対しては到底安定性が確保できない設定になっていた。なお、負荷遮断時ガバナーの演算部を応答速度を比較的高めに設定する有負荷運転用ゲインから無負荷運転用ゲインへの切換は回転速度が定格回転速度より充分高い所定値以上になったことまたは遮断器が開いた等の条件で自動的に行われていた。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、負荷遮断時だけでなく、負荷遮断を行う他に水量調整手段を速やかに全閉しポンプ水車を停止へ導く操作も含む非常停止の際にも効果的なポンプ水車およびその制御方法を提案することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ランナーと、ランナーと接続された発電電動機と、ランナーを通過する水量を調整する水量調整手段と、発電電動機の回転速度を検出する回転速度検出部と、回転速度検出部からの回転速度信号に応じて水量調整手段を制御するガバナーとを備えたポンプ水車において、ガバナーは、負荷遮断の際に前記水量調整手段を閉鎖する閉鎖手段と、回転速度の上昇ピークを経て下降する段階で前記水量調整手段を一時的に開動作させる開動作手段からなるＳ字特性対応制御手段を含み、さらに、非常停止信号に応じて負荷を遮断する負荷遮断手段と、非常停止信号に応じてＳ字特性対応制御手段による制御をロックさせて水量調整手段を全閉まで閉め切る急閉鎖指令をガバナーに与える急閉鎖指令印加手段とを備え、急閉鎖指令印加手段は、Ｓ字特性対応制御手段における開動作手段による水量調整手段の一時的な開動作をさせた後でガバナーに急閉鎖指令を与えるようにしたものである。
【００２５】
また、本発明のポンプ水車において、前記急閉鎖指令印加手段は、回転速度が第１の前記上昇ピークを経て下降し、再上昇が始まる状態において、前記ガバナーに急閉鎖指令を与えることを特徴とするものである。
【００２６】
また、本発明のポンプ水車において、前記ガバナーは第１のピークを経て再上昇が始まる回転速度が定格回転速度より高い回転速度となるようにしたことを特徴とするものである。
【００２７】
また、本発明のポンプ水車において、前記ガバナーは第１のピークを経て再上昇が始まる回転速度が、定格回転速度＋１／３（負荷遮断後の回転速度のピーク値−定格回転速度）より高い回転速度となるようにしたことを特徴とするものである。
【００３２】
次に、発電電動機が電力系統に連繋された通常の負荷運転中に使用するガバナーも、非常停止開始直後の過渡状態において使用するガバナーも、同一のガバナーとすることができる。すなわち、通常運転用ガバナーに前記Ｓ字特性対応制御機能を付加したガバナーを使い、必要に応じて前記Ｓ字特性対応制御機能をＯＮ／ＯＦＦさせて用いることができる。
【００３３】
次に、上述とは逆に、非常停止開始直後の過渡時には、通常運転用ガバナーはＯＦＦし、代わりに、前記Ｓ字特性対応制御が可能な専用ガバナーをＯＮする構成も採用することができる。
【００３５】
負荷遮断と同時に発電出力はゼロになるが、水車出力はすぐにはゼロにならないため回転が上昇してしまう、すなわち、この出力差による余剰エネルギーを一時的に回転部の慣性効果に溜め込んでしまう。しかし、従来技術によれば、回転速度が下降に転じた後回転速度が定格回転速度付近まで一気に低下している。これは溜め込んだエネルギーをすぐに吐き出すことを意味する。しかし、この回転部の慣性エネルギーの一気の吐き出しが悪い影響を及ぼしていた。この一気の回転部エネルギーの吐き出しの裏では回転部に代わって同エネルギーをポンプ水車上下流の水柱で、受け取ってしまっていた。吐き出されたエネルギーはこの長大な水柱が異常に速く減速され、さらには逆にポンプ流れさえ引き起こすために使用されてしまう。負荷遮断後に落ち着く先の目標流量は無負荷流量であるので、本来ならば負荷遮断前の出力相当流量から無負荷流量へスムースに移行すべきである。しかし、実際には負荷遮断前の出力相当流量から無負荷流量をはるかに通り過ぎて一時的にポンプ領域まで突っ込む。当然ながら、このような異常な水柱の加速は反動を招く。すなわち、今度はポンプ流れから無負荷流量を大きく超えて過大な水車流量を招く。この時は水柱のエネルギーを回転部慣性効果が受け取ってしまい回転速度が再び上昇する。このように、従来技術によれば、過大な余剰エネルギーが回転部慣性効果と水柱の間を行ったり来たりし、この間にポンプ水車流量を過大に振らせてポンプ水車上下流水路に過大な水撃をもたらす。
【００３６】
ところで問題の発端である負荷遮断後最初の回転速度の一気低下は回転速度を制御するガバナーが求めたものである。しかし、Ｓ字特性を有するポンプ水車にとっては、負荷遮断時にガバナーだけの要求に合わせて制御することは流量制御，水撃制御の観点から見れば誠に合理的でないことになる。このような考えから本発明では少なくとも全負荷遮断時においては、遮断直後、上昇した回転速度が第１のピークを経て下降する段階において、水量調整手段を一時的に開動作させ（これをＳ字特性対応制御と呼ぶ）、結果的に前記最初の回転速度低下が一気に定格回転付近まで進むことがないようにする。一例として、回転速度低下が［定格回転速度＋１／３（負荷遮断後の回転速度のピーク値−定格回転速度）］より高い回転速度で一旦止み再上昇に転じるようにする。このための具体策としては、ガバナーが認識する回転速度の目標値を定常時の目標値に比して、一時的に高くなるように補正する方法や、ガバナーの演算部ゲインを一時的に修正する方法や、ガバナー演算部の出力を直接補正する方法、またはそれらの組み合わせが考えられる。複数のガバナーを用意し、これらを切り換え使用する案も考えられる。前記のような一時的な補正制御の度合を調整することによって、少なくとも負荷遮断後初めの回転速度降下で回転速度が一気に定格回転付近まで進むことがないようにすることが実現できる。
【００３７】
そして、理想的には前記Ｓ字特性対応制御は、運転点が初めてＳ字特性領域に突入しＳ字特性を辿り下る時に作動させるのが効果的である。そのタイミングは負荷遮断後回転速度が上昇し、第１ピークを記録した後で、回転速度降下曲線が上に凸から下に凸に移行する変極点付近までの期間に相当する。もちろん、このタイミングは前後に若干のずれは許容される。
【００３８】
なお、Ｓ字特性対応制御の効果を測る指標として次の案も考えられる。すなわち、最初の回転速度上昇開始から前記第１のピークに達するまでの所要時間に対し、前記第１のピークから（定格回転速度＋速度調定率）相当の回転速度まで低下する所要時間が少なくとも２倍以上になるようにすることである。なお、Ｓ字特性対応制御の強さは水量調整手段の一時的な開補正幅の大小、および作動タイミングの適格さで決まる。
【００３９】
なお、上述では負荷遮断直後の回転速度変動の１波目だけでＳ字特性対応制御の設定レベルを議論したが、回転速度変動の２波目以降についても同様である。２波目以降についても、１波目に設定したと同じロジックで作動する（回転速度降下の度にＳ字特性対応制御が作動し水量調整手段を一時的に開動作させる）ようにすれば、Ｓ字特性の影響は波を重ねる毎に急速に減衰させることができる。
なお、遮断負荷が大きくなればなるほど過渡的な回転速度上昇幅が大きくなるので、Ｓ字特性の影響を最も強く受けるケースは全負荷遮断時である。このため上述のＳ字特性対応制御の設定方法は全負荷かそれに近い負荷における遮断を対象にして説明している。当然ながら遮断負荷が小さくなれば、Ｓ字特性対応制御の必要性も次第に低下してくることは言うまでもない。
【００４０】
他方、発電電動機や変圧器等電気側の保護装置が動作すると非常停止モードになるが、この場合は安全上、即刻の負荷遮断が必要である。すなわち、発電電動機の電力を即刻ゼロにし、少なくとも電気側の被害拡大を即刻止める必要があるからである。しかしながら、ポンプ水車側では、従来技術のように、前記急閉鎖指令を即刻入力し、水量調整手段も即刻急閉鎖するのには困難が供う。なぜならば、非常停止操作直後の十数秒に関しては、ポンプ水車は負荷遮断時と全く同様の状態にあるにも拘わらず、Ｓ字特性対応制御がロックされた状態になり、前述のＳ字特性による異常水撃現象がそのまま出てくるためである。このため、非常停止時は負荷遮断後、しばらくは前記急閉鎖指令をロックし、この間に、ガバナーには通常の負荷遮断時と同様に前記Ｓ字特性対応制御を実行させ、少なくとも最初の回転速度降下曲線に効果が現れるのを待ってから、または、そう予想できる時点になってから前記急閉鎖指令を入力し、それ以降は水量調整手段（案内羽根）をできるだけ速やかに閉鎖する。もちろん、これ以降は案内羽根開度に応じて閉鎖速度を切換する従来技術による閉鎖パターンを使うことも可能であり、また、上述したＳ字対応制御を採用することもできる。
【００４１】
なお、最初の回転速度降下曲線にＳ字特性対応制御の効果が現れることは、具体的には、最初の回転速度降下の途中で再上昇が始まることを意味し、最初の回転速度上昇開始から前記第１のピークに達するまでの所要時間に対し、前記第１のピークから（定格回転速度＋速度調定率）相当の回転速度まで低下する所要時間が２倍以上になることを意味する。このため、回転速度が前記第１のピークに達する時間の約２倍以上経過した時点で前記急閉鎖指令を入力することが効果的である。なお、非常停止の場合は、水量調整手段を全閉まで閉め切って、ポンプ水車を完全に停止させる。通常の負荷遮断の場合には水量調整手段を最終的に無負荷開度に落ち着かせここで継続運転するのでここが大きな相違点である。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
【００４４】
図３は本発明のポンプ水車のガバナーのブロック線図である。このブロック図において、水車１００の回転速度Ｎを検出する速度検出部１からは速度検出信号Ｘｎが出力する。速度調整部２は回転速度の基準値を設定する。速度調整部２からは設定値Ｘ０が出力する。加算部３には速度調定率設定部からの復元信号Ｘσが加わる。そして、加算部３からは出力信号Ｘεが出力する。補正制御回路200からは、補正制御信号Ｘ２００が出力する。信号Ｘ２０Ａは出力信号Ｘεを補正制御信号Ｘ２００で補正した信号ですぐ下流のＰＩＤ演算回路の入力信号となる。ＰＩＤ演算回路では発電電動機が大電力系統に接続される通常の発電運転時の比例演算要素（Ｐ要素）４ａ、負荷遮断後の無負荷運転時に使用する比例演算要素（Ｐ要素）４ｂを有する。なお、前者の比例演算要素のゲインＫｐａ＞後者の比例演算要素のゲインＫｐｂとなっている。また、通常の発電運転時の積分演算要素(Ｉ要素)５ａ、負荷遮断後の無負荷運転時に使用する積分演算要素(Ｉ要素)５ｂも有している。そして前者の積分ゲインＫｉａ＞後者の積分ゲインＫｉｂとなっている。なお、接点１９ａ，１９ｂは図示してない発電電動機の遮断器の開閉を直接または間接的に検出する接点で遮断器が開いた時、同時にスイング動作して下側接点を開き上側接点を閉じるようになっている。接点１９ａ，１９ｂが各２個ある理由は比例演算要素，積分演算要素共に同時に切換するためである。また、演算部には微分演算要素（Ｄ要素）６を有し、出力信号Ｚｄを出力する。また、比例演算要素からは出力信号Ｚｐが、積分演算要素からは出力信号Ｚｉが出力している。
【００４５】
加算部７からは比例演算要素の出力信号Ｚｐ，積分演算要素の出力信号Ｚｉ，微分演算要素の出力信号Ｚｄを総合した案内羽根開度指令Ｚを出力し、実際の案内羽根開度Ｙは加算部８に負帰還されている。リミッター９，油圧サーボモーター１０は一種の油圧増幅器になっており、伝達関数ではリミッター付一次遅れ要素を構成し、案内羽根開度指令Ｚを増幅して水量制御手段である案内羽根を直接操作するに充分なストロークと操作力をもつ案内羽根開度Ｙに変換するものである。また、信号Ｙε１は案内羽根開度指令Ｚと実際の案内羽根開度Ｙの偏差を示す。急閉鎖指令Ｙｘｘｘは非常停止の際に印加され、印加の時点は後述のように少なくとも最初の回転速度降下に対するＳ字特性対応制御の効果が現れる時点である。加算器２１では案内羽根開度指令Ｚと急閉鎖指令Ｙｘｘｘを加算し、偏差信号の修正信号Ｙε２を出力するものである。なお、急閉鎖指令Ｙｘｘｘの大きさは案内羽根開度指令Ｚの最大値より少なくともθＬ以上大きくしておく。リミッター９のθＲは案内羽根の開速度をθＲ．Ｃｙに、θＬは閉速度をθｌ．Ｃｙに制限するためのものである。すなわち、信号Ｙε３は偏差信号の修正信号Yε2を上記開閉速度制限を考慮して制限した信号となる。なお、加算部１１に出力調整部１３から所望の案内羽根開度設定信号Ｙａが与えられる。もし実際の案内羽根開度Ｙが信号Ｙａに達していない場合には、すなわち、Ｙ＜Ｙａの場合にはその差がゼロになるまでガバナーのＰＩＤ演算部に開信号σ（Ｙａ−Ｙ）が送り続けられるので、やがてはＹ＝Ｙａとなりその段階で落ち着く。速度調定率設定部１２は上記の係数σを設定する部分である。換言する係数とσは速度検出信号Ｘｎの変化に対する案内羽根開度Ｙの変化の割合を決めるゲインで、一般には電力系統の中での当該プラントの役割、すなわち、負荷分担の割合を考慮して一度決めたら変更されないものである。また、水路系を含む水車１４を有する。水車軸に直結された発電機に与えられる当該発電所の負荷電力Ｌ、電力系統側から与えられる負荷電力ＲＬより、総合された発電機負荷Ｐｇが求められる。従って、電力系統からの負荷特性１７ｂが示され、水車１００の自己制御性は１７ａで示され、具体的には回転速度上昇に伴い増加する機械損や効率低下等を総合した特性部である。従って、信号ＲＴは回転速度変化に伴う自己制御性による水車出力のロスを示す。かくして水車からみれば信号Ｐｇだけでなく信号ＲＴも一種の負荷のようにみなすことができる。すなわち、水車の出力Ｐｔを消費する総合負荷ＬΣ＝Ｐｇ＋ＲＴとみなすことができる。かくして（Ｐｔ−ＬΣ）が回転部慣性効果１６の入力となり、回転部慣性効果１６の出力が回転速度Ｎとなる。なお、負荷遮断後はＰｇはＬに等しくなる。
【００４６】
ここで、速度調整部２，出力調整部１３，速度調定率設定部１２の作用を図６（ａ），図６（ｂ）により説明する。なお、ここで無負荷時の案内羽根開度は０.２(ｐｕ）と仮定する。図６（ａ）の右下がりの実線はこのプラントが電力系統に接続される直前の状態を示す。すなわち、回転数Ｎの定格値（同期速度）ラインとこの実線の交点が案内羽根開度を示すが、丁度無負荷開度０.２ になっている。なお、水車を起動する前はこの実線はこれより低い位置に設定される。例えば図６（ａ）の点線の位置に設定される。このように図６（ａ）の実線より下側でこの実線を上下に平行移動させるのが、速度調整部２である。この実線を上下に平行移動した時無負荷開度０.２ 線上の交点が上下に動くことから速度調整部の名が付いている。他方、このプラントが電力系統に接続された後の動きについて図６（ｂ）により説明する。この場合は、実線と定格速度との交点はＹ＝１.０ になっている。すなわち、１００％負荷運転中を示す。図６（ａ）の並列時の実線位置は図６（ｂ）では点線の位置になる。このように実線を平行移動させて案内羽根開度を調整するのが出力調整部１３である。出力調整部１３は、実線を水平方向に平行移動させるものであるが、無限大電力系統に連繋された状態では、回転速度は事実上１.０ に固定されるので、実線の水平方向移動に伴うＮ＝１.０線上の交点は左右に動くことから、この名が付けられている。図６(ｂ）の実線の設定では、定常時はＮ＝１.０，Ｙ＝１.０で運転されるが、今、仮に電力系統の周波数が３％上昇しＮ＝１.０３になったとすると、Ｙは０.２になる。電力系統周波数の上昇幅が１.５％であれば、Ｙ＝０.６に閉め込まれる。このように周波数変化幅と案内羽根閉め込み幅の間に比例関係を与えているのが、速度調定率設定部１２である。速度調定率設定部１２のゲインを大きくすれば、図６（ｂ）の実線の右下がり勾配はよりきつくなり、周波数変化に対する案内羽根開度応答幅のゲインが下がってくる。従って、図６（ｂ）の実線の設定で定格回転速度で(Ｎ＝１.０で）全負荷（１００％負荷）運転中に負荷遮断が起きれば、ガバナーは回転速度Ｎを最終的には定格値より速度調定率分だけ高い１.０３ に落ち着かせるように作動する。
【００４７】
図７（ａ）はポンプ水車の案内羽根閉鎖速度制限を示す典型的な例図である。ポンプ水車の場合には、従来より案内羽根開度Ｙ＞Ｙａの範囲では勾配がθ１ａより大きくならないよう、Ｙ＜Ｙａの範囲では勾配がθ１ａよりさらに小さいθ１ｂより大きくならないよう速度制限を与える。すなわち、図３のリミッタのθＬをＹ＞Ｙａの範囲では比較的大きいtan(θ１ａ）／Ｃｙに、Ｙ＜Ｙａの範囲では比較的小さいtan(θ１ｂ）／Ｃｙに設定する。他方、案内羽根の開動作については、閉動作のようにＳ字特性の影響を受けないので、例えば図７（ｂ）のように案内羽根開度に関係なく｜θ１ａ｜＞｜θ２｜＞｜θ１ｂ｜となるような一定値θ２に設定する。
【００４８】
図３の本発明のガバナーにある補正制御回路２００は、例えば次のように設計する。非常停止指令を受けたら、負荷が即刻遮断されるので、回転速度は直ちに上昇を始める。そこで第一の設計ポイントとして、この最初の回転速度上昇に比較的速く追従して補正制御回路２００の出力Ｘ２００を上昇させることである。なお、この場合補正制御回路２００の追従ゲインを高くし過ぎると、（Ｘ２００＋Ｘ０）がＸｎに対して大きくなり過ぎて最速レートで走行する筈の案内羽根の閉鎖速度が低下することになるので、この影響が出ない程度のゲインに留めるべきである。第二の回路設計ポイントは、回転速度が下降に転じたら、上昇してきた出力Ｘ２００を今度は低下させることになるが、この時は回転速度上昇時と違って緩慢に低下させることである。換言するとこの段階では出力Ｘ２００を高めに維持して回転速度の低下勾配を引き戻しなだらかにする作用をさせる。そして、全負荷遮断時で言えば、回転速度が定格回転速度付近まで一気に低下するのを防止し、回転速度が［定格回転速度＋１／３（負荷遮断後の回転速度のピーク値−定格回転速度）］より高い回転速度で反転して再上昇に転じるようにする。このように、負荷遮断後の最初の回転速度下降時にＳ字特性の影響を的確に抑制すれば、その後、第２の回転速度上昇後の下降、第３の回転速度上昇後の下降時に同様のＳ字特性対応制御を行わなくても済む可能性もある。もちろんこれらの第２，第３ステージでも第１ステージと同様のロジックでＳ字特性対応制御を作動させてＳ字特性対応制御の効果をより確かなものとする方が望ましい。すなわち、第２，第３ステージでも第１ステージと同様に回転速度上昇時には出力Ｘ200を比較的速く上げ方向に追従せしめ、下降時には緩慢に低下させる。
【００４９】
上述の本発明を使ったポンプ水車の非常停止時の時間応答グラフを図１に示す。なお、同グラフ中のＱは流量、Ｙは案内羽根開度、Ｈｐは水車入口水圧、Ｎは回転速度、Ｈｄは水車出口水圧を示す。最初の回転速度降下時のＳ字特性対応制御が効果的に作用し、回転速度の一気の降下は回避され、流量Ｑの一時的逆転  (一時的ポンプ流れ)も発生せず、水撃の第２の山Ｈｐｙも完全に消滅している。
時間経過を追って詳細に見てみると次のようになる。発電電動機側の異常を検出する保護リレー等の動作によって非常停止指令が１０秒の時点で与えられる。すると発電電動機と電力系統を繋ぐ遮断器が即座に開かれる。この結果、回転速度Ｎが上昇を開始する。他方、案内羽根急閉鎖指令Ｙｘｘｘは直ぐには与えず、案内羽根は引き続きガバナーの制御下におく。かくしてガバナーは回転速度上昇に応答して案内羽根を急速に閉鎖する。なお、案内羽根には閉鎖速度制限があるので、所定の腰折開度までは比較的高速の閉鎖が行われるものの、該腰折開度以下になれば比較的低速の閉鎖に自動移行するようになっている。かくして、案内羽根の腰折開度までの高速閉鎖によってＨｐ水車入口水圧が急上昇し、第１ピークＨｐｘが現れる。案内羽根閉鎖速度の緩閉鎖への移行によって流量の減少速度が急低下するためである。この段階ではまだ回転速度Ｎは上昇を続けているが、やがてポンプ水車の運転点がＳ字特性に近づくため上昇速度が次第に低下し、回転速度の第１ピークができる。その後回転速度は低下に転ずるが、ポンプ水車の運転点はほぼこの時点からＳ字特性を流量減少方向に辿ることになるので、ほぼこの時点から補正制御信号Ｘ２００によって案内羽根の開動作が始まるように、補正制御回路２００を調整しておく。例えばこの時点までに(回転速度上昇中に)ガバナーが認識する回転速度の目標値を定常時の目標値に比して、一時的ながら充分高くなるように補正しておけばよい。かくして、閉鎖途中にあった案内羽根が開動作に転じる。なお、この補正制御が効く状態になれば、例えば、回転速度の低下勾配が急になり過ぎると、ガバナーの微分演算回路出力が増し、案内羽根開き制御を強めるので、回転速度低下勾配をより緩やかにする修正制御が働く。回転速度低下速度が充分ゆるやかになるが上昇に転じたら、ガバナーの微分演算回路は案内羽根開き制御作用を弱めまたは閉鎖制御作用に転じるので、案内羽根は徐々に閉鎖に戻るよう案内される。かくして、図２Ｎ１−Ｑ１平面での運転点軌跡のように、回転速度が第１ピーク後の最初の低下中にはポンプ水車の運転点軌跡のｄＱ１／ｄＮ１が正にはならずに負に変わる。結果的に、図１のように水車入口水圧Ｈｐの第２ピークＨｐｙは完全に消滅する。その後は上記の回転速度の目標の補正値を徐々に下げていき最終的にゼロにする。
【００５０】
そして、Ｓ字特性対応制御の主たる効果が確認できる時点例えばｔｘになってから、案内羽根急閉鎖指令Ｙｘｘｘが印加されていることを示している。指令Ｙｘｘｘが印加されると案内羽根は無条件にθＬ．Ｃｙ／秒の速度で急閉鎖される。なお、図１において案内羽根が全閉直前で腰折しているが、これは案内羽根サーボモーターの全閉端のクッション機構によるものである。もちろん、急閉鎖指令Ｙｘｘｘが印加された後は、これより上流側で入力されるＳ字特性対応制御は効力を失うが、それ以前に充分効果が発揮されているので問題にはならない。図２は図１のポンプ水車の非常停止時のＮ１−Ｑ１平面での運転点軌跡を示す。Ｓ字特性対応制御によって、最初の回転速度降下中にもＳ字特性領域にありながら動的には（Ｑ１／Ｎ１）＜０となり、従来技術とは明確な違いが確認できる。上記は、ガバナーの目標回転速度を補正する方式のＳ字特性対応制御を使用した例であるが、その代わりにガバナーの演算部ゲインを一時的に修正する方法や、ガバナー演算部の出力を直接補正する方法、またはそれらの組み合わせによっても、同様の作用，効果を出すことができる。すなわち、最終的に同様の案内羽根の一次開動作や回転速度の降下勾配の低減が達成できれば、手段を選ばなくてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の効果は上記から明らかである。すなわち、ポンプ水車の負荷遮断時にも非常停止時にも、過大な流量変動を伴うことなくスムースに無負荷流量に収斂していく。このため水車の上流側水圧上昇幅を、特に第２ピークＨｐｙを低くし、場合によってはほとんど消去することが可能である。従って、第１ピークＨpxはいかなる条件でも第２ピークＨｐｙより低くしないようにとの従来主流になっている調整方法を踏襲しても、第１ピークＨｐｘを大幅に下げることが可能になる。このため水車上流側管路及びポンプ水車自体の設計水圧を大幅に下げることが可能である。水車の下流側管路についてもＳ字特性に起因する水圧低下幅を大幅に縮小可能であり、特に上流管路を複数のポンプ水車が共有する場合における設計水圧を大幅に下げることが可能である。
【００５２】
また、下流管路を複数のポンプ水車が共有する場合の号機間相互干渉による異常スパイクを解消することが可能になる。このため同じ下池水位の下でポンプ水車の据付高さを高くすることが可能になり、特に地下発電所の場合土木掘削ボリュームを少なくすることが可能である。
【００５３】
また、Ｓ字特性による異常な流量変動幅を大幅に圧縮できるため、ポンプ水車が受ける過渡的な水スラスト変動を大幅に低減できる可能性がある。従って、スラスト軸受の設計合理化が可能になる。ポンプ水車の上流側または下流側管路を共有する複数台のポンプ水車においては、従来、異常水撃干渉の対策として各号機に運転制限を与えている場合もあったが、これが必要なくなり、各号機はお互いに自由に運転できるようになる。さらには、負荷遮断時や非常停止時の余計な流量変動を抑制できるので振動，騒音等が軽減されポンプ水車自身の運転状態が改善され寿命の延長が可能になる。以上の効果は全てが揚水発電所コスト低減に貢献することは言うまでもない。しかも、本発明はガバナーに簡単な補正制御回路を付加するだけで達成できる。特に演算部のプログラムを外部から入力可能なマイクロプロセッサー型ガバナーの場合には単に演算プログラムだけの修正で済む可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の非常停止時の応答グラフを示す。
【図２】本発明の一実施例の非常停止時の他の応答グラフ。
【図３】本発明の一実施例のポンプ水車のブロック線図。
【図４】ポンプ水車の特性グラフ。
【図５】複数のポンプ水車が管路を共有する発電所の例図。
【図６】ガバナーの定常状態の説明図。
【図７】ガバナーの案内羽根走行速度制限の説明図。
【符号の説明】
２…速度調整部、１００…水車、２００…補正制御回路。
【図１】
0004269449.tif 000002
【図２】
0004269449.tif 000003
【図３】
0004269449.tif 000004
【図４】
0004269449.tif 000005
【図５】
0004269449.tif 000006
【図６】
0004269449.tif 000007
【図７】
0004269449.tif 000008