(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナーと、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、前記ランナーの回転速度検出手段と、前記回転速度検出手段からの回転速度信号を入力して、前記ランナー回転速度が与えられた指令値に収斂するように前記水量調整手段への制御信号を演算する演算部を備えた回転速度制御手段を備え、前記ランナーの回転方向を切換えることによって揚水，発電の両モードで運転可能なポンプ水車において、
前記ポンプ水車の発電モードの起動時に、落差が所定落差より小さく、定格回転速度付近で回転速度上昇に伴う流量減少勾配、｜∂Ｑ／∂Ｎ｜または｜∂Ｑ１／∂Ｎ１｜または相当の状態量、が急激に立ち上がる場合、前記ランナーの回転速度を定格回転速度まで昇速する過程で、前記ランナーの回転速度が前記定格回転速度付近の所定回転速度まで上昇した段階で、前記演算部のゲインを前記所定回転速度に上昇する前のゲインよりも低いゲインに切換えるとともに、一時的に所定回転速度を保持して運転し、一旦、回転速度を安定させてから、ほぼ無負荷流量曲線に沿って、前記定格回転数に到達するように前記水量調整手段を制御することを特徴とするポンプ水車。
【請求項２】
請求項１において、前記演算部は、比例演算要素，積分演算要素及び微分演算要素を有し、前記ゲインの切換えは、前記積分演算要素のゲインを切換えるようにしたことを特徴とするポンプ水車。
【請求項３】
請求項１において、前記所定回転速度は、定格回転速度よりも低い回転速度であることを特徴とするポンプ水車。
【請求項４】
請求項１において、前記所定回転速度は、定格回転速度よりも高い回転速度である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】
ランナーの回転方向を変えて、ポンプ，水車両方の運転を可能にしたポンプ水車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポンプ水車はポンプ及び水車両方の運転が可能であり、一般に、ポンプ運転を優先させ、高揚程が得られるように設計される。一方、ポンプ運転を優先させるがために、水車運転に悪影響を残す。すなわち、Ｓ字特性と呼ばれる流量特性である。特に、高揚程に適したポンプ水車の場合は顕著である。
【０００３】
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＝Ｑ／√Ｈ）との関係を示す一群の特性曲線で表され、水車運転領域において、Ｎ１の値の増加に伴ってＱ１の値が減少する部分（第１の部分）と、Ｎ１の値の減少に伴ってＱ１の値が減少する部分（第２の部分）とを有する。前記第１の部分は、さらに、Ｎ１の値の増加に伴ってＱ１の値が比較的ゆるやかに減少する部分（第１の部分の緩変部分）と、Ｎ１の値の増加に伴ってＱ１の値が比較的急激に減少する部分（第１の部分の急変部分）に分けられる。第１の部分の急変部分及び第２の部分が、Ｓ字特性部分である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ポンプ水車の発電モードにおいては、一般的に、通常運転は、第１の部分の緩変部分において行われる。しかしながら、起動時には、Ｓ字特性分に接近せざるを得なくなる。同じ有効落差の下でも、すなわち、同じＮ１の下でも水車出力が小さくなればなるほどＳ字特性部分に接近する。ポンプ水車を発電モードで起動する場合には、流量を少なくともゼロから無負荷相当流量まで増加させる必要があり、運転点が過渡的にＳ字特性に深く入り込むのである。
【０００５】
この現象を更に詳細に説明する。発電モードで起動する時は、水車には同期発電機が接続されているので、電力系統に並列するための回転速度（定格回転速度Ｎ0 ）まで立ち上げることとなる。発電機負荷（水車出力）＝０のままで、回転速度をゼロから定格のＮ0 まで上げる必要があるが、このことは、Ｎ１−Ｔ１特性上で考えれば、運転点を、停止中の原点（Ｎ１＝０，Ｔ１＝０）から、Ｔ１＝０の水平線とＮ１＝Ｎ0 ／√Ｈの垂直線の交点まで左側に移動させることになる。Ｔ１＝０の水平線とＮ１＝Ｎ0 ／√Ｈの垂直線の交点まで左側に移動させたときに、回転速度を電力系統周波数に同期させる必要があるが、運転点が、流量特性曲線の第１の部分の緩変部分から外れて、第１の部分の急変部分に位置するのである。従って、起動時には、運転点がＳ字特性部分に突入または異常接近することになる。
【０００６】
設計落差が高くなるにつれて、ポンプ水車が偏平形状となる傾向は大きく、Ｓ字特性がＮ１の低い側へ移動してくる傾向は避けられない。高落差ポンプ水車の最低落差では、この傾向は顕著になる。
【０００７】
Ｓ字特性に異常接近または入り込んでいる場合には、水撃の動揺の影響が大きく、同期が困難となる。すなわち、この点付近では∂Ｑ１／∂Ｎ１の勾配が急激に立ってくるので、回転速度に対する流量変化が速過ぎて水撃が過敏に反応する。そのため、回転速度が定格値付近まで上昇しても、それから、動揺を繰り返し、発電機をスムースに同期できないという問題が発生する。同期できなければ、発電プラントとして使えないことになるので、その損害は甚大である。
【０００８】
本発明は水車起動時の回転速度の安定性を改善し、同期可能な落差範囲を拡大できるポンプ水車を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、ランナーと、ランナーを通過する水量を調整する水量調整手段と、ランナーの回転速度検出手段と、回転速度検出手段からの回転速度信号を入力して、ランナー回転速度が与えられた指令値に収斂するように水量調整手段への制御信号を演算する演算部を備えた回転速度制御手段を備え、ランナーの回転方向を切換えることによって揚水，発電の両モードで運転可能なポンプ水車において、ポンプ水車の発電モードの起動時に、落差が所定落差より小さく、定格回転速度付近で回転速度上昇に伴う流量減少勾配、｜∂Ｑ／∂Ｎ｜または｜∂Ｑ１／∂Ｎ１｜または相当の状態量、が急激に立ち上がる場合、ランナーの回転速度を定格回転速度まで昇速する過程で、ランナーの回転速度が定格回転速度付近の所定回転速度まで上昇した段階で、演算部のゲインを所定回転速度に上昇する前のゲインよりも低いゲインに切換えるとともに、一時的に所定回転速度を保持して運転し、一旦、回転速度を安定させてから、ほぼ無負荷流量曲線に沿って、定格回転数に到達するように水量調整手段を制御するように構成した。
【００１９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の概念を説明する。なお、実施例は、概念を説明した後、詳細に説明する。一般的に、ポンプ水車、特に高揚程ポンプ水車の場合、ランナーは、ポンプ運転時に高揚程を得るために、充分なる遠心ポンプ作用を発揮するように設計される。
【００２０】
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。ここで、まず、Ｓ字特性を説明する。すなわち、Ｓ字特性と呼ばれる特性が大なり小なり現れ、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＝Ｑ／√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。
【００２１】
なお、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。ところで、前記第１の部分の中にも、Ｎ１の値の増加に伴ってＱ１の値が比較的ゆるやかに減少する部分（これを第１の部分の緩変部分と呼ぶ）と、Ｎ１の値の増加に伴ってＱ１の値が比較的急激に減少する部分（これを第１の部分の急変部分と呼ぶ）がある。本明細書においては、説明の便宜上、前記第２の部分と、前記第１の部分の急変部分をまとめてＳ字特性部分と称する。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流量Ｑ１と同様に、単位落差当り回転数（Ｎ１）の増加に伴い、減少する第１の部分と、Ｎ１の減少に伴い減少する第２の部分がある。
【００２２】
ポンプ水車の発電モードの通常運転は、上記第１の部分の緩変部分において行われる。しかしながら、同じ有効落差の下でも、すなわち、同じＮ１の下でも水車出力が小さくなればなるほどＳ字特性部分が通常運転のＮ１範囲に接近してくる。従って、最低有効落差で無負荷運転する場合には、運転するＮ１が最大になるのに対して、Ｓ字特性部分が最も通常運転のＮ１範囲に接近するので、運転点がＳ字特性部分に入り込み上記第１の部分の急変部分に位置するケースが少なくない。特にポンプ水車を発電モードで起動する場合には、流量を少なくともゼロから無負荷相当流量まで増加させる必要があり、水撃が伴うので、運転点が過渡的にＳ字特性に深く入り込む可能性が出てくる。
【００２３】
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１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示す。図１４（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１４（Ｂ）においては、ポンプ水車の特性が、同じパラメータにより、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
特性曲線１の第２の部分、すなわち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。同様に、曲線部分ｂ−ｅ−ｉは、特性曲線２の第２の部分で、Ｎ１の減少に伴いＱ１が減少する部分である。さらに、曲線部分ｃ−ｆ−ｊは、特性曲線３の第２の部分で、同様に、Ｎ１の減少に伴いＱ１が減少する部分である。一見して明らかなように、特性曲線１の第２の部分ａ−ｄ−ｈは、特性曲線２の第２の部分ｂ−ｅ−ｉより長く、特性曲線２の第２の部分ｂ−ｅ−ｉは、特性曲線３の第２の部分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。
【００２７】
図１４（Ａ）におけると同様に、図１４（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′の第２の部分である。
【００２８】
図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）と密接な関係がある。例えば、図１４（Ａ）の曲線３上のＱ１＝Ｑ１ｘ，Ｎ１＝Ｎ１ｘを満たす点ｘは、図１４（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１４（Ａ）における点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｈ，ｉおよびｊはそれぞれ図１４（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。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。
【００２９】
発電モードで起動する時を考えると、発電機負荷（水車出力）＝０のままで、回転速度をゼロから定格のＮ0 まで上げる必要があるが、このことは、上述のＮ１−Ｔ１特性上で考えれば、運転点を、停止中の原点（Ｎ１＝０，Ｔ１＝０）から、Ｔ１＝０の水平線とＮ１＝Ｎ0 ／√Ｈの垂直線の交点まで左側に移動させることに他ならない。例えば、ＮがＮ0 まで上昇した時点で、Ｔ１＝０線とその時のＨの下で求まるＮ１＝Ｎ0 ／√Ｈの線の交点がα′点とβ′点の中間に来る場合には、案内羽根開度を１と２の中間まで開く必要がある。他方、上述の水車起動をＮ１−Ｑ１特性上で観察すると、運転点は起点（Ｎ１＝０，Ｑ１＝０）からＮｒ線上のα点とβ点の中間点まで移動することになる。すなわち、Ｑ１は０からα点のＱ１とβ点のＱ１の中間値まで増大させ、流量Ｑも相当量まで増やす必要がある。ところで、この水車に直結される発電機が同期発電機の場合には、電力系統に並列するための回転速度、すなわち、定格回転速度Ｎ0 は変らないが、Ｎ１は落差次第で大きくなったり、小さくなったりする。
【００３０】
すなわち、最低落差の場合には、最大Ｎ１の下で、回転速度を電力系統周波数に同期させる必要があるが、この場合には、運転点が、もはや、流量特性曲線の第１の部分の緩変部分から外れて、第１の部分の急変部分に位置するようになる。ところで、設計落差が高くなるにつれて、ポンプ水車の形状は偏平にせざるをえないので、Ｓ字特性がＮ１の低い側へ移動してくる傾向は避けられない。従って、高落差ポンプ水車の最低落差における起動時には、運転点がＳ字特性部分に突入または異常接近することになる。
【００３１】
その結果、回転速度が定格値付近まで上昇しても、それから、動揺を繰り返し、発電機をスムースに同期できないという問題が発生する。同期できなければ、発電プラントとして使えないことになるので、その損害は甚大である。
【００３２】
図８は典型的な発電モード起動を行った場合のポンプ水車の運転点軌跡を示す。なお、Ｙ２は無負荷の時回転速度が丁度定格回転速度まで上昇するような案内羽根開度の下で得られるＮ１対Ｑ１特性、すなわち、無負荷開度における特性曲線で、Ｙ１は無負荷開度より若干小さい案内羽根開度の下で得られるＮ１対Ｑ１特性、Ｙ３は無負荷開度より若干大きい案内羽根開度の下で得られるＮ１対Ｑ１特性である。起動前の運転点は▲１▼でここではＮ１＝０，Ｑ１＝０である。ガバナに起動指令を与えて、ガバナからの案内羽根開度指令信号の上限制限を行う負荷制限装置を開いていくと案内羽根は開き始める。しかし、まだ水車は回転を始めないので、ポンプ水車の運転点は図８の▲１▼から▲２▼に向かって移動する。運転点が▲２▼に至り、回転速度が上昇を開始する。その後、回転速度はガバナの制御の下で上昇を続ける。この段階ではポンプ水車の運転点は▲２▼から▲３▼に向かって移動していく。より詳しく説明すると、Ｎ１が定格回転速度相当のＮ１Ｐに達する直前から（すなわち、Ｎ１Ｐより僅かに低いＮ１から）、当ポンプ水車の実際の回転速度と電力系統の周波数相当の同期速度を比較しながら、パルス信号を発しガバナの速度調整装置を制御する揃速装置が投入される。このため、この時点以後は与えられた速度調整値に回転速度を合わせようとして制御するガバナ自身と、速度調整値を同期速度に合わせようと制御する揃速装置の二重の制御によって回転速度の同期が計られる。
【００３３】
しかしながら、図８のように低落差での起動時に▲３▼点がＳ字特性に異常接近または入り込んでいる場合には、同期できない可能性がある。その理由は、運転点の▲３▼点への接近がガバナ任せになっていて水撃の動揺を的確に抑える手段がないためである。
【００３４】
この▲３▼点付近では∂Ｑ１／∂Ｎ１の勾配が急激に立ってくるので、ガバナを調整して回転速度をいかにゆっくり同期速度に近づけたとしても流量でみれば変化が速過ぎて水撃が過敏に反応する可能性があるためである。
【００３５】
回転速度ガバナが制御する対象の機械はポンプ水車および発電機であるが、本発明者は、初期条件の近傍での微小変化を想定するならば、この制御対象を充分な精度で図２のように線形模擬できることを解明した。なお、ｙは制御対象にとっては入力である案内羽根開度（ｐ.ｕ.）、ｐｔは水車出力（ｐ.ｕ.）、ｎは制御対象にとっては出力となる回転速度（ｐ.ｕ.）である。また、Ｔｍは水車および発電機の慣性効果の時定数(sec）でＩ(２π／６０)2Ｎ02／Ｐ0に相当し、Ｔｗは水車の上下流水路の時定数(sec）でΣ（Ｌｉ.Ｖｉ）／（ｇ.Ｈ）に相当する。ここで、Ｉは慣性二次モーメント、Ｐ0 は水車の定格出力、Ｌｉは各管路の長さ、Ｖｉは定格出力時の各管路内の流速、ｇは重力の加速度、Ｓはラプラス演算子である。また、α，β，γ，ε，δはそれぞれ図２に付記したように定義される。ここで、Ψは水車効率を示す。また、添字のｒは定格値を示し、添字の“０”はこの線形化模擬を行う点の初期値を示す。
【００３６】
本発明者はさらに次の点を発見した。すなわち、運転点がＮ１対Ｑ１特性曲線の第１の部分の緩変部分にある時は、それがＳ字特性に近いところでも、α，β，γいずれも正の値になり、ガバナによる回転速度制御系の安定性が特に損なわれることはないが、Ｎ１が僅かに大きい第１の部分の急変部分においては、βの符号が急に負に転換し、ガバナによる回転速度制御系の安定性が急に悪化するという傾向があるという点である。具体例で示すと、図６の運転点（３Ａ）ではβは正であるが、運転点（３）ではβが負になる。この傾向を踏まえれば、Ｎ１が高くなったら、すなわち、Ｎが高くなったら、ガバナの安定性がより向上する方向に調整して、上述のポンプ水車特性の悪化を補償するべきである。
【００３７】
さらに、図６の傾向を踏まえれば、まだβの符号が反転しないＮ１＝Ｎ１Ｑ付近（すなわち、運転点（３Ａ）付近）までＮ１が上昇した段階で一旦回転速度を安定させ、水撃等の過渡現象が略落ち着くのを待ち、その後は運転点▲３▼に至るまで、有害な水撃を発生させない程度に充分ゆるやかに回転速度（すなわちＮ１）を上げていくのが合理的である。そうすれば、運転点▲３▼で比較的スムースに電力系統の周波数に同期させることができる筈である。
【００３８】
さらに、運転点（３Ａ）から運転点▲３▼までの操作は、ガバナの速度調整装置をゆっくりと上げていくことで達成できる。回転速度が同期速度に近くなると、途中から、揃速装置が投入され、速度調整装置が揃速装置による同期制御モードに入るがその場合でも揃速装置の操作が上記の配慮によって充分ゆっくり行われるように揃速装置を調整しておくべきである。
【００３９】
発電モード起動時に同期が行われる運転点がＳ字特性に異常接近するのは、一般に極低落差の時に限られる。従って、回転速度が定格値付近まで上昇したところで行うガバナの安定性強化切換は、所定の落差以下を条件に活かすようにすればよい。
【００４０】
さらに、ガバナの演算部がＰＩＤ形の場合には、積分演算要素のゲインだけを切換するようにすれば、切換時のｂｕｍｐ現象を回避できる。比例演算要素のゲインの場合は切換時若干のｂｕｍｐが伴うが一般には許容可能なレベルである。
【００４１】
さらに、前述の図６の運転点（３Ａ）のようにＳ字特性に近いものの、βの符号が正のまま留まっている領域は、回転速度上昇に伴う流量減少勾配、｜∂Ｑ／∂Ｎ｜または｜∂Ｑ１／∂Ｎ１｜または相当の状態量が急激に立ち上がる直前である。このため、前記第１の指令値をこの近辺に設定すれば合理的である。
【００４２】
さらに、上述の定格回転速度近辺におけるガバナの安定性強化案と昇速過程で前記第１の指令値にて一旦安定させ、その後ゆっくり上げる案を組み合わせればより効果的な低落差起動対策が可能である。
【００４３】
さらに、図７のように回転速度を上げながら運転点を▲２▼から定格速度より高い運転点（３Ｂ）まで移動させ、ここで一旦ホールドしても、上述のように定格回転速度近辺においてガバナの安定性を強化する案を採用しておけば、ここで一旦安定させることは可能である。その上で、回転速度を充分ゆっくり下げながら準静的に運転点を（３Ｂ）から▲３▼に移行させ、ここでスムースに同期させることは可能である。この場合にも、同期直前の流量制御をガバナ任せにしないで済む。すなわち、流量の調整速度が可調整になるので運転点▲３▼への軟着陸が可能になるところが優れている。
【００４４】
さらに、運転点（３Ｂ）で水撃は一旦収まるので、運転点を（３Ｂ）から▲３▼に移行させる段階では、有害な水撃の振れが起きないようガバナの速度調整の下げ速度を充分に抑える。このようにすれば、スムースに同期が可能となるはずである。この場合、当機の回転速度を系統周波数に同期させるためガバナの速度調整装置を制御する揃速装置は運転点が▲２▼から（３Ｂ）に移動する昇速過程では活かさず、運転点が（３Ｂ）から▲３▼に移動する降速過程で活かすようにする。もちろん、その場合にも、結果的にガバナの速度調整装置の下げ速度が過大にならないよう、必要に応じて制限を掛けるべきである。
【００４５】
本発明の実施例説明に入る前に、図８のような例によるポンプ水車の発電モード起動につき、シミュレーション解析例を紹介する。
【００４６】
図９は同シミュレーション解析から得られたチャートの一つで、Ｎ，Ｙ，Ｑ，Ｐｔの時間応答グラフである。この場合には、ガバナの速度調整装置は、図５の実線または点線のように、起動操作に先立って定格回転速度相当の１.０(p.u.）に設定し、案内羽根開度制限装置も起動操作に先立って無負荷開度(約０.２８）より若干高い所定値(０.４）に設定した。また、ポンプ水車は案内羽根開度が０.２９(ｐ.ｕ.）まで開いた時点で回転を開始するとした。なお、ガバナのＫｐ，Ｋｉ，Ｋｄゲインはそれぞれ、１.０７，０.０７４３，０.９２４ とした。なお、Ｔｗ＝２.８８(sec），Ｔｍ＝１０.３(sec）である。この結果、Ｎは比較的スムースに定格回転速度に収斂しているように見えるが、流量は大きくオーバーシュートし、その後もかなり大きく動揺しており、かなりの水撃を伴って、同期が懸念されるほどの動揺が起きていると考えられる。すなわち、このシミュレーション解析では、ポンプ水車の特性曲線は水撃動揺が起きても変動しないと仮定している等、実際より条件を甘く仮定している部分があるためである。図１０はこのシミュレーション解析から得られた別のチャートでモデル水車に換算したＮ１対Ｑ１平面上の運転点軌跡を示す。このグラフによれば、Ｎが定格回転速度近辺になると回転速度制御系の安定性が極端に低下し、Ｎ１はほとんど変化しなくても、Ｑ１が大きく動揺する様子がよく解る。図１１は図１０を補足するものでモデル水車に換算したＮ１，Ｑ１及びＮ１の各々の応答時間を示す図である。
【００４７】
次に、装置構成を説明する。図１は本発明の一実施例のポンプ水車のブロック図である。１は水車の回転速度Ｎを検出する速度検出部、Ｘｎは前記速度検出部からの速度検出信号、２は回転速度の基準値を設定する速度調整部、Ｘ０は速度調整部２からの設定値を示す。３は速度調整部設定値Ｘ０と前記速度検出信号Ｘｎの差、すなわち、速度偏差信号Ｘ０−Ｘｎと速度調定率設定部からの復元信号Ｘσを突き合わせる加算器である。この結果得られる制御偏差信号Ｘεが回転速度制御手段の主たる演算部を構成するＰＩＤ演算回路に入力される。
【００４８】
発電モード起動の前半、すなわち、停止から回転速度が第１の指令値まで上昇するまでの間は、比較的速いガバナ応答が得られるように比較的高いゲインに設定した比例演算要素（Ｐ要素）４ａを使い、回転速度が第１の指令値を超えれば、安定性が強化されるように比較的低いゲインに設定した比例演算要素(Ｐ要素)４ｂを使う。このゲイン切換を行うのが接点１９ａ，１９ｂで、これらは一種の速度リレーの接点である。当然ながら、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。同様に、停止から回転速度が第１の指令値まで上昇するまでの間に使用する積分演算要素（Ｉ要素）５ａと回転速度が第１の指令値を超えたことを条件に使用する積分演算要素（Ｉ要素）５ｂの切換も接点１９ａ，１９ｂで行われる。なお、前者の積分ゲインＫｉａ＞後者の積分ゲインＫｉｂである。なお、接点１９ａ，１９ｂは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。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り換えするためである。
【００４９】
微分演算要素６(Ｄ要素)からは出力信号Ｚｄが出力される。また、接点１９ｂ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が出力される。
【００５０】
そして、これらの３つの出力信号は加算部７で加算され、その出力Ｚが回転速度制御手段の主演算部が求める案内羽根開度指令を示している。２３はLow Value Gate、すなわち、低値選択回路で、２つの入力ＺとＧＬを比べて小さい方の信号を最終の案内羽根開度指令Ｚｚとして出力する。ところで、２２は案内羽根開度制限装置または負荷制限装置と呼ばれるものでＧＬは同装置で設定される案内羽根開度の上限制限値である。すなわち、ガバナの主演算部からいかに大きな案内羽根開度指令Ｚｚが出されても２２のＬＶＧの出力はＧＬに制限されたままなので、上述のような名称が付けられている。
【００５１】
他方、実際の案内羽根開度は信号Ｙで示される。加算部８，リミッター９，油圧サーボモーター１０は一種の油圧増幅部になっている。かくして、加算部８，リミッター９，油圧サーボモーター１０はリミッター付一次遅れ要素を構成し、最終の案内羽根開度指令Ｚｚ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に変換する増幅器である。Ｙε１は最終の案内羽根開度指令Ｚｚと実際の案内羽根開度Ｙの偏差を示す。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。Ｙε２は偏差信号Ｙε１を上記開閉速度制限を考慮して制限した信号である。上記のＹε１，Ｙε２、リミッター９はブロック線図のイメージで説明したが、具体的な製品イメージでは、Ｙε１は変位制限が与えらる前の配圧弁プランジャーの変位、Ｙε２は変位制限を受けた後の配圧弁プランジャーの変位と考えてもよい。
【００５２】
なお、加算部１１には出力調整部１３から所望出力相当の案内羽根開度設定信号Ｙａが与えられる。なお、Ｙａは発電モード起動の際であれば、無負荷開度相当信号になる。もし実際の案内羽根開度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１４は水路系を含む水車と発電機を総合した対象機を示す。
【００５３】
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１２（Ａ），図１２（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(ｐ.ｕ.）と仮定する。図１２（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、定格値Ｎ（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１２（Ａ）の点線の位置に設定される。このように図１２（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１２（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１２（Ａ）の並列時の実線位置は図１２（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１２（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、速度調定率設計部１２である。速度調定率設計部１２のゲインを大きくすれば、図１２（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。
【００５４】
図６は本発明を使ったポンプ水車の発電モード起動時の運転点軌跡を示す。起動前の運転点は▲１▼で座標は(Ｎ１＝０，Ｑ１＝０)である。この段階で、ガバナの速度調整装置を定格回転速度相当のＮ１＝Ｎ１Ｐよりかなり低い(例えば０.９５Ｎ１Ｐ）Ｎ１＝Ｎ１Ｑ相当の第１の指令値に設定する。具体的には図３の実線または点線のように設定する。その上で２２案内羽根開度制限装置の開度を徐々に開けていく。この段階では、ガバナ自身の案内羽根開度指令Ｚは、図１２（ａ）のように案内羽根を全開、すなわち、１.０(ｐ.ｕ.）にしようとしているので、２２案内羽根開度制限装置の設定値ＧＬ（０から無負荷開度より大きい起動開度、例えば、０.４ まで開操作中）の方がはるかに小さい。従って、最終の案内羽根開度指令ＺｚとしてはＧＬがそのまま出力される。かくして、２２案内羽根開度制限装置の開度が充分開き、水車の発生トルクがランナ他回転部の静摩擦トルクを上回った段階で回転速度の上昇が始まる。この時のポンプ水車の運転点が▲２▼である。なお、２２案内羽根開度制限装置の設定値ＧＬは起動のための所定の開度(例えば０.４）に達したら、その後は、当機が無事電力系統に接続され本来の発電運転が始まるまで、その開度のまま保持される。かくして、当機の運転点は回転速度の上昇に伴って、図６の▲２▼からＮ１＝Ｎ１Ｑの（３Ａ）へと移動する。なお、Ｎ１がＮ１Ｑ近辺にある時は、Ｓ字特性の影響が小さく、∂Ｑ１／∂Ｎ１，∂Ｔ１／∂Ｎ１等の勾配も未だなだらかで、上述の線形化模擬モデルの係数βはまだ正のままである。従って、ここでは、ガバナによる回転速度制御は極めて安定で、起動操作を速く行い、運転点を▲１▼から（３Ａ）まで比較的短時間で移動させてきたとしても、この（３Ａ）点において一旦回転速度を安定させ、水撃を静めるのは難しいことではない。まして、運転点が（３Ａ）に至る前に、速度リレー１９の接点を使って、Ｋｐａ→Ｋｐｂ、Ｋｉａ→Ｋｉｂへとガバナゲインを安定側に切換しておけばより効果的である。
【００５５】
そしてその上で、ガバナの速度調整装置の設定を図３の後半のように、Ｎ１＝Ｎ１Ｑ相当からＮ１＝Ｎ１Ｐ相当へと極めてゆるやかに（または準静的に）引き上げていく。特に運転点（３Ａ）で一旦静めた水撃が再発生しないよう、充分ゆるやかに操作する必要がある。この場合には、運転点は点（３Ａ）から点▲３▼まで図６のように、ＮＲ線（無拘束速度線）に沿って徐々に移動することになる。
【００５６】
この最後の昇速段階で、２５揃速装置が投入され、電力系統周波数と比較しながらの自動回転速度調整（ガバナの速度調整装置経由で行われる）が開始される場合には、上述の準静的移行の主旨に反しないよう応答速度を充分抑えておく必要がある。
【００５７】
図１４は上述のような本発明の実施例によるポンプ水車の起動時のシミュレーション解析例で図９の技術に対応するものである。この場合、１００秒の時点までは回転速度の目標値を０.９５(ｐ.ｕ.) に設定し、一旦過渡応答を安定化させ、１００秒の時点から４０秒かけて回転速度の目標値を０.９５(ｐ.ｕ.) から１.０(ｐ.ｕ.) に上げている。なお、回転速度が０.９４(ｐ.ｕ.) 以上になったらガバナゲインＫｐを１.０７→０.５０３、Ｋｉを０.０７４３→０.０３７２にそれぞれ自動切換えするようにしている。図１４，図１５（Ａ）から明らかなように１００秒の時点までに起動後の過渡応答は完全に落ち着き１００秒以降のＮ上昇は狙い通り準静的に行われている。なお、図１４の例では起動時の目標回転速度を１.０(ｐ.ｕ.) から０.９５(ｐ.ｕ.) に下げているため、本来ならば、負荷制限の設定値も０.４(ｐ.ｕ.) より下げるべきであるが、図９と同等の起動時の過渡現象をあえて起こさせるため０.４(ｐ.ｕ.) のままとした。
【００５８】
図７は本発明の別の実施例である。この場合には、速度調整装置を図４のように調整し、運転点Ｎ１を▲２▼点のゼロから定格回転速度相当のＮ１Ｐを超えて（３Ａ）点のＮ１Ｒまで一気に上げる。そして、（３Ｂ）点において、一旦ホールドし、Ｎが充分安定化し、水撃が充分静まるのを待つ。なお、この▲２▼から（３Ｂ）への運転点移動の際、特に後半において、Ｓ字特性による流量減少、すなわち、∂Ｑ１／∂Ｎ１の勾配の立ち上がりによる流量減少を、案内羽根の開操作による流量増加、すなわち、（∂Ｑ１／∂Ｙ）ΔＹによる流量増加で相殺するように工夫すると（３Ｂ）点での安定化が早まる。このための速度調整装置の制御案の一例を図１２に示す。なお、この昇速の過程で、回転速度が定格値に近くなったら、速度リレー１９の接点を使って、ガバナゲインをＫｐａ→Ｋｐｂ，Ｋｉａ→Ｋｉｂとそれぞれ自動切換し、回転速度制御系の安定性を増すようにしている。
【００５９】
その後は、図４の後半のような速度調整装置の準静的下げ操作によって、点（３Ｂ）で得られた安定状態をほとんど保持したままゆっくりと点▲３▼へ運転点を移行させる。この場合は、回転速度をゆっくりと下げながら同期するので、揃速装置はこの点（３Ｂ）から点▲３▼への移行の後半で投入することになる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、水車起動時の回転速度の安定性の改善が可能となる。詳細には、ポンプ水車の低落差起動時の回転速度制御をより安定でより確実なものとすること、さらに、それによって、ポンプ水車の運転範囲を低落差側に広げることを可能となる。さらに、それによって、ポンプ水車のポンプ性能と水車性能の両立をより容易にし、ポンプ水車の高効率化を可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポンプ水車の回転速度制御系全体のブロック線図。
【図２】本発明者が提案しているポンプ水車の線形模擬モデル。
【図３】本発明によるポンプ水車起動時の速度調整装置の操作例１。
【図４】本発明によるポンプ水車起動時の速度調整装置の操作例２。
【図５】ポンプ水車の例の起動時の速度調整装置の操作方法を示す図。
【図６】本発明のポンプ水車の起動方法を示す運転点軌跡の例１。
【図７】本発明のポンプ水車の起動方法を示す運転点軌跡の例２。
【図８】ポンプ水車の例の起動方法を示す運転点軌跡。
【図９】一例によるポンプ水車起動時の挙動図（低落差の場合）。
【図１０】図９の技術によるポンプ水車起動時の模型水車換算平面上の運転点軌跡図。
【図１１】図９の技術によるポンプ水車起動時の模型水車換算変数個々の応答を示す図。
【図１２】ガバナの速度調整，速度調定率の機能を説明する図。
【図１３】本発明によるポンプ水車起動時の速度調整装置の操作例３。
【図１４】ポンプ水車の特性図。
【図１５】本発明によるポンプ水車の起動時の挙動図（低落差の場合）。
【図１６】図１４におけるポンプ水車の起動時の模型水車換算平面上の運転点軌跡図。
【図１７】図１４におけるポンプ水車起動時の模型水車換算変数個々の応答を示す図。
【符号の説明】
１…速度検出器、２…速度調速器、３…加算器、１０…油圧サーボメータ、
１３…出力調整部、１４…発電機、１９…ＰＩＤ演算回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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