(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、
前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、
前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、
前記回転数制御信号を前記電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器と、
前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出するガイドベーン開度最適関数と、
過渡変化時に、前記ガイドベーン開度指令値から所定の値を差し引いてサーボ制御系へ出力する減算手段とを備え、
前記減算手段は、前記ガイドベーン開度指令値を微分する微分器と、前記微分器からの微分値について絶対値を求める絶対値関数と、前記ガイドベーン開度指令値から前記絶対値を差し引く第２の減算器とを有する
ことを特徴とする可変速揚水発電システムの制御装置。
【請求項２】
電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、
前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、
前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、
前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出してサーボ制御系へ出力するガイドベーン開度最適関数と、
過渡変化時に、前記電力指令値に所定の値を足し合せる加算手段と、
前記回転数制御信号を前記所定の値を足し合せた電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器とを備え、
前記加算手段は、前記ガイドベーン開度指令値を微分する微分器と、前記微分器からの微分値について絶対値を求める絶対値関数と、前記電力指令値に前記絶対値を足し合せる第２の加算器とを有する
ことを特徴とする可変速揚水発電システムの制御装置。
【請求項３】
電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、
前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、
前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、
前記回転数制御信号を前記電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器と、
前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出するガイドベーン開度最適関数と、
過渡変化時に、回転数増加時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ポンプ水車の実回転数の変化率より小さくなるように、回転数減少時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ポンプ水車の実回転数の変化率より大きくなるように、前記ガイドベーン開度指令値に所定の値を加算してサーボ制御系へ出力する加算手段とを備え、
前記加算手段は、前記ポンプ水車の実回転数を微分する第１の微分器と、前記第１の微分器からの微分値が負のときは０を出力し、正のときは１を出力する関数１と、前記第１の微分器からの微分値が正のときは０を出力し、負のときは１を出力する関数２と、前記ポンプ水車の実回転数を微分して実回転数の変化率を計算する第２の微分器と、前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度を微分して実ガイドベーン開度の変化率を計算する第３の微分器と、前記実回転数の変化率に１．０未満の値を掛ける第１のゲインと、前記第１のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第２の減算器と、前記実回転数の変化率に１．０を越える値を掛ける第２のゲインと、前記第２のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第３の減算器と、前記関数１からの出力と前記第２の減算器からの出力を掛け合わせる第１の乗算器と、前記関数２からの出力と前記第３の減算器からの出力を掛け合わせる第２の乗算器と、前記第１及び第２の乗算器の出力を加算する第２の加算器と、前記ガイドベーン開度指令値に前記第２の加算器の出力値を加算する第３の加算器とを有する
ことを特徴とする可変速揚水発電システムの制御装置。
【請求項４】
電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、
前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、
前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、
前記回転数制御信号を前記電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器と、
前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出するガイドベーン開度最適関数と、
過渡変化時に、回転数増加時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ガイドベーン開度指令値の変化率より小さくなるように、回転数減少時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ガイドベーン開度指令値の変化率より大きくなるように、前記ガイドベーン開度指令値に所定の値を加算してサーボ制御系へ出力する加算手段とを備え、
前記加算手段は、前記回転数指令値を微分する第１の微分器と、前記第１の微分器からの微分値が負のときは０を出力し、正のときは１を出力する関数１と、前記第１の微分器からの微分値が正のときは０を出力し、負のときは１を出力する関数２と、前記ガイドベーン開度指令値を微分してガイドベーン開度指令値の変化率を計算する第２の微分器と、前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度を微分して実ガイドベーン開度の変化率を計算する第３の微分器と、前記ガイドベーン開度指令値の変化率に１．０未満の値を掛ける第１のゲインと、前記第１のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第２の減算器と、前記ガイドベーン開度指令値の変化率に１．０を越える値を掛ける第２のゲインと、前記第２のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第３の減算器と、前記関数１からの出力と前記第２の減算器からの出力を掛け合わせる第１の乗算器と、前記関数２からの出力と前記第３の減算器からの出力を掛け合わせる第２の乗算器と、前記第１及び第２の乗算器の出力を加算する第２の加算器と、前記ガイドベーン開度指令値に前記第２の加算器の出力値を加算する第３の加算器とを有する
ことを特徴とする可変速揚水発電システムの制御装置。
【請求項５】
前記ガイドベーン開度指令値、及び前記回転数指令値の変化方向が異なる場合には、前記ガイドベーン開度指令値を固定する固定手段
をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の可変速揚水発電システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、流量を回転数に見合った適正な値以下にし、ポンプ水車が逆流点に突入せず、安定した運転を可能とする可変速揚水発電システムの制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可変速揚水発電システムの制御装置について図面を参照しながら説明する。図７は、例えば特開昭６１−２４７２９８号公報に示された従来の可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【０００３】
図７において、６１は指令値算出器、６２及び６３は減算要素、６４は加算要素である。
【０００４】
つぎに、従来の可変速揚水発電システムの制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【０００５】
図７に示すように、出力電力及び回転数は励磁制御系で、ガイドベーンはガイドベーン開度指令値によりサーボ制御系で制御される。
【０００６】
外部より電力指令値が与えられた際、該電力指令値に対し予め定められている目標回転数と誘導機の実際の回転数との差、上記電力指令値と上記誘導機の出力あるいは入力との差にもとづき誘導機２次巻線に対する交流励磁電圧の位相を制御する。
【０００７】
しかしながら、従来の可変速揚水発電システムの制御装置では、ガイドベーンの開閉速度、回転数の増減速度に差がつくような構成要素がないため、逆流点に突入する可能性がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の可変速揚水発電システムの制御装置では、ガイドベーンの開閉、回転数の増減の速度差により、ポンプ水車が逆流点に突入する可能性があるという問題点があった。
【０００９】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、逆流点への突入を防止でき、安定した運転を行うことができる可変速揚水発電システムの制御装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る可変速揚水発電システムの制御装置は、電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、前記回転数制御信号を前記電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器と、前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出するガイドベーン開度最適関数と、過渡変化時に、前記ガイドベーン開度指令値から所定の値を差し引いてサーボ制御系へ出力する減算手段とを備え、前記減算手段は、前記ガイドベーン開度指令値を微分する微分器と、前記微分器からの微分値について絶対値を求める絶対値関数と、前記ガイドベーン開度指令値から前記絶対値を差し引く第２の減算器とを有するものである。
【００１１】
この発明の請求項２に係る可変速揚水発電システムの制御装置は、電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出してサーボ制御系へ出力するガイドベーン開度最適関数と、過渡変化時に、前記電力指令値に所定の値を足し合せる加算手段と、前記回転数制御信号を前記所定の値を足し合せた電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器とを備え、前記加算手段は、前記ガイドベーン開度指令値を微分する微分器と、前記微分器からの微分値について絶対値を求める絶対値関数と、前記電力指令値に前記絶対値を足し合せる第２の加算器とを有するものである。
【００１２】
この発明の請求項３に係る可変速揚水発電システムの制御装置は、電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、前記回転数制御信号を前記電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器と、前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出するガイドベーン開度最適関数と、過渡変化時に、回転数増加時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ポンプ水車の実回転数の変化率より小さくなるように、回転数減少時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ポンプ水車の実回転数の変化率より大きくなるように、前記ガイドベーン開度指令値に所定の値を加算してサーボ制御系へ出力する加算手段とを備え、前記加算手段は、前記ポンプ水車の実回転数を微分する第１の微分器と、前記第１の微分器からの微分値が負のときは０を出力し、正のときは１を出力する関数１と、前記第１の微分器からの微分値が正のときは０を出力し、負のときは１を出力する関数２と、前記ポンプ水車の実回転数を微分して実回転数の変化率を計算する第２の微分器と、前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度を微分して実ガイドベーン開度の変化率を計算する第３の微分器と、前記実回転数の変化率に１．０未満の値を掛ける第１のゲインと、前記第１のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第２の減算器と、前記実回転数の変化率に１．０を越える値を掛ける第２のゲインと、前記第２のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第３の減算器と、前記関数１からの出力と前記第２の減算器からの出力を掛け合わせる第１の乗算器と、前記関数２からの出力と前記第３の減算器からの出力を掛け合わせる第２の乗算器と、前記第１及び第２の乗算器の出力を加算する第２の加算器と、前記ガイドベーン開度指令値に前記第２の加算器の出力値を加算する第３の加算器とを有するものである。
【００１３】
この発明の請求項４に係る可変速揚水発電システムの制御装置は、電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、前記回転数制御信号を前記電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器と、前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出するガイドベーン開度最適関数と、過渡変化時に、回転数増加時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ガイドベーン開度指令値の変化率より小さくなるように、回転数減少時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ガイドベーン開度指令値の変化率より大きくなるように、前記ガイドベーン開度指令値に所定の値を加算してサーボ制御系へ出力する加算手段とを備え、前記加算手段は、前記回転数指令値を微分する第１の微分器と、前記第１の微分器からの微分値が負のときは０を出力し、正のときは１を出力する関数１と、前記第１の微分器からの微分値が正のときは０を出力し、負のときは１を出力する関数２と、前記ガイドベーン開度指令値を微分してガイドベーン開度指令値の変化率を計算する第２の微分器と、前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度を微分して実ガイドベーン開度の変化率を計算する第３の微分器と、前記ガイドベーン開度指令値の変化率に１．０未満の値を掛ける第１のゲインと、前記第１のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第２の減算器と、前記ガイドベーン開度指令値の変化率に１．０を越える値を掛ける第２のゲインと、前記第２のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第３の減算器と、前記関数１からの出力と前記第２の減算器からの出力を掛け合わせる第１の乗算器と、前記関数２からの出力と前記第３の減算器からの出力を掛け合わせる第２の乗算器と、前記第１及び第２の乗算器の出力を加算する第２の加算器と、前記ガイドベーン開度指令値に前記第２の加算器の出力値を加算する第３の加算器とを有するものである。
【００１４】
この発明の請求項５に係る可変速揚水発電システムの制御装置は、前記ガイドベーン開度指令値、及び前記回転数指令値の変化方向が異なる場合には、前記ガイドベーン開度指令値を固定する固定手段をさらに備えたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
まず、可変速揚水発電プラントについて図面を参照しながら説明する。図１は、可変速揚水発電プラントの構成を示す図である。
【００１６】
図１において、１は上部貯水池、２は上部サージタンク、３はポンプ水車−発電電動機、４は下部サージタンク、５は下部貯水池である。
【００１７】
本発明は揚水運転時の制御装置に関するものなので、揚水運転時の動作についてのみ説明する。
【００１８】
ポンプ水車−発電電動機３は、ポンプ、及び電動機として動作し、発電電動機は、電力が加えられることにより回転し、この電動機によりポンプ水車が駆動され、水が下部貯水池５から上部貯水池１に汲み上げられる。
【００１９】
ここで、同一水路系内にある２台のポンプ水車のうち、１台に運転変動、例えば入力遮断が生じた場合、その入力遮断するポンプ水車のガイドベーンが最速で閉じていくため、上部貯水池１側の水圧が減少する。
【００２０】
この水圧の変動が水路を通じてもう１台のポンプ水車に影響を及ぼし、このポンプ水車の実揚程が減少する。そのため、通常の電力指令値が変化する場合のように、電力指令値が増加すれば回転数指令値、ガイドベーン開度指令値も増加し、逆に電力指令値が減少すれば回転数指令値、ガイドベーン開度指令値の減少する、というように回転数指令値とガイドベーン開度指令値が同じ方向に変化するのではなく、回転数指令値は減少するのに対してガイドベーン開度指令値は増加し、回転数指令値とガイドベーン開度指令値が逆方向に変化するため、逆流点に突入する可能性がある。
【００２１】
次に、この逆流点について説明する。揚水運転時、入力電力と揚程によってポンプ水車の回転数は一義的に決まる。また、ポンプ水車流量は、ガイドベーンの開度制御により制御される。ポンプ水車の実回転数がガイドベーン開度に対応するポンプ水車流量相当の水を汲み上げられるだけの回転数になっていなければ、ポンプ水車内で水が乱流になり、騒音、振動が大きくなって、場合によってはポンプ水車が破損することがある。このような現象が生じる領域に入る点を逆流点と呼ぶ。
【００２２】
そこで、逆流点に突入しないようにするため、ポンプ水車流量を、その時点での回転数で汲み上げられる水相当の流量以下になるようにガイドベーン開度を制御する必要がある。
【００２３】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る可変速揚水発電システムの制御装置について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２４】
図２において、６はガイドベーン開度最適関数、７は回転数最適関数、８は減算器、９は回転数制御器、１０は加算器、１１は減算器、１２は微分器、１３は絶対値関数、１４は減算器である。なお、減算手段は、例えば微分器１２〜減算器１４から構成されている。
【００２５】
つぎに、この実施の形態１に係る可変速揚水発電システムの制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
例えば、入力電力増となるような電力指令値が入力された場合について、この制御装置の挙動を説明する。
【００２７】
この制御装置の場合、励磁制御系で入力電力が増加するように制御される。また、入力電力増となるような電力指令値の場合、ガイドベーン開度最適関数６からの出力であるガイドベーン開度指令値は、ガイドベーンが開く方向の指令値となり、回転数最適関数７からの出力である回転数指令値も回転数が増加する方向の指令値となる。
【００２８】
回転数は、回転数指令値からポンプ水車の実回転数を差し引いた回転数偏差をもとに回転数制御器９で回転数制御信号が作られ、電力指令値に足し合わされ、励磁制御系で制御される。
【００２９】
また、ガイドベーン開度指令値は、サーボ制御系（ガイドベーン制御系）に入力され、指令値通りの開度となるように制御される。この場合、回転数の上昇の割合とガイドベーンが開く速度によっては、逆流点に突入する可能性がある。同様に、入力電力減となるような電力指令値の場合も、逆流点に突入する可能性がある。
【００３０】
そこで、ガイドベーン開度最適関数６からの出力であるガイドベーン開度指令値を微分器１２によって微分し、この微分値について絶対値関数１３によって求めた絶対値を、減算器１４によって常にガイドベーン開度指令値から差し引くようにした。
【００３１】
これにより、入力電力増の場合、サーボ制御系に与えられる減算器１４からの出力は、ガイドベーン開度最適関数６からの出力であるガイドベーン開度指令値よりも小さくなり、回転数の増加速度に比べてガイドベーンが開く速度が遅くなり、ポンプ水車の流量が回転数に見合った適正な値以下になる。
【００３２】
また、入力電力減の場合、サーボ制御系に与えられる減算器１４からの出力は、ガイドベーン開度最適関数６からの出力であるガイドベーン開度指令値よりも小さくなり、回転数の減少速度に比べてガイドベーンが閉じる速度が早くなり、ポンプ水車の流量が回転数に見合った適正な値以下になる。これにより、ポンプ水車は逆流点に突入することなく、運転可能である。
【００３３】
本実施の形態１では、ガイドベーン開度指令値を微分したものの絶対値をガイドベーン開度指令値から差し引くようにしたが、電力指令値を微分したものの絶対値をガイドベーン開度指令値から差し引くようにしても良いし、回転数指令値を微分したものの絶対値をガイドベーン開度指令値から差し引くようにしても良い。また、差し引く対象をガイドベーン開度指令値としたが、ガイドベーン開度指令値から実ガイドベーン開度指令値を差し引いたガイドベーン開度偏差から差し引くようにしても良い。
【００３４】
すなわち、この実施の形態１は、一次巻線が電力系統に接続され、二次巻線が交流励磁される発電電動機と、この発電電動機の二次側と直結し、発電電動機により駆動され、その流量はガイドベーンの開閉により制御されるポンプ水車とからなる可変速揚水発電システムの、電力指令値とポンプ水車の実揚程より算出される最適な回転数指令値と、電力指令値と実揚程より算出されるガイドベーン開度指令値と、電力指令値とにより制御される制御装置において、過渡変化時にガイドベーン開度指令値から所定の値を差し引くようにし、過渡変化時にはポンプ水車の流量を常に回転数に見合ったポンプ水車の流量より小さくするようにしたものである。
【００３５】
過渡変化時に、ガイドベーン開度指令値から所定の値を差し引くことにより、ポンプ水車の流量が回転数に見合った適正な値以下になるため、ポンプ水車が逆流点に突入することなく、運転することが可能となる。
【００３６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る可変速揚水発電システムの制御装置について図面を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係る可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【００３７】
図３において、１５は加算器である。なお、ガイドベーン開度最適関数６〜絶対値関数１３は、上記実施の形態１と同様である。また、加算手段は、例えば微分器１２、絶対値関数１３、及び加算器１５から構成されている。
【００３８】
つぎに、この実施の形態２に係る可変速揚水発電システムの制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００３９】
ガイドベーン開度最適関数６からの出力であるガイドベーン開度指令値を微分器１２によって微分し、この微分値について絶対値関数１３によって求めた絶対値を、加算器１５によって常に電力指令値に足し合わせるようにした。
【００４０】
これにより、入力電力増の場合、電力指令値は見かけ上増えたことになり、入力電力が増えるため、回転数も早く増加する。つまり、ガイドベーンの開く速度に比べて回転数の増加速度が速くなり、ガイドベーン開度により与えられるポンプ水車の流量は回転数に見合った適正な値以下になる。
【００４１】
また、入力電力減の場合、電力指令値は見かけ上増えたことになり、入力電力の減少が遅くなるため、回転数の減少も遅くなる。つまり、ガイドベーンの閉じる速度に比べて回転数の減少速度が遅くなり、ガイドベーン開度により与えられるポンプ水車の流量は回転数に見合った適正な値以下になる。これにより、ポンプ水車は逆流点に突入することなく、運転可能である。
【００４２】
本実施の形態２では、ガイドベーン開度指令値を微分したものの絶対値を電力指令値に足し合わせるようにしたが、電力指令値を微分したものの絶対値を電力指令値に足し合わせるようにしても良いし、回転数指令値を微分したものの絶対値を電力指令値に足し合わせるようにしても良い。また、足し合わせる対象を電力指令値としたが、電力指令値から入力電力を差し引いた電力偏差に足し合わせるようにしても良い。
【００４３】
すなわち、この実施の形態２は、一次巻線が電力系統に接続され、二次巻線が交流励磁される発電電動機と、この発電電動機の二次側と直結し、発電電動機により駆動され、その流量はガイドベーンの開閉により制御されるポンプ水車とからなる可変速揚水発電システムの、電力指令値とポンプ水車の実揚程より算出される最適な回転数指令値と、電力指令値と実揚程より算出されるガイドベーン開度指令値と、電力指令値とにより制御される制御装置において、過渡変化時に電力指令値に所定の値を足し合わせるようにし、過渡変化時には回転数を常にポンプ水車の流量に見合った回転数より大きくするようにしたものである。
【００４４】
過渡変化時に、電力指令値に所定の値を足し合わせることにより、回転数がポンプ水車の流量に見合った適正な値以上になるため、ポンプ水車が逆流点に突入することなく、運転することが可能となる。
【００４５】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る可変速揚水発電システムの制御装置について図面を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態３に係る可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【００４６】
図４において、１６は加算器、１７は微分器、１８は関数１、１９は関数２、２０は微分器、２１はゲイン、２２は減算器、２３は変化率制御器、２４は乗算器、２５は加算器、２６は微分器、２７はゲイン、２８は減算器、２９は変化率制御器、３０は乗算器である。なお、ガイドベーン開度最適関数６〜減算器１１は、上記実施の形態１と同様である。また、加算手段は、例えば加算器１６〜乗算器３０から構成されている。
【００４７】
つぎに、この実施の形態３に係る可変速揚水発電システムの制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００４８】
入力電力増加時は実ガイドベーン開度の変化率が実回転数の変化率より小さくなるように制御し、入力電力減少時は実ガイドベーン開度の変化率が実回転数の変化率より大きくなるように制御することにより、入力電力変化時にはポンプ水車の流量を常に回転数に見合った値より小さくなり、逆流点に突入することなく、運転することが可能となる。
【００４９】
まず、変化方向の判断方法を説明する。ポンプ水車の実回転数を微分器１７により微分する。その微分値が正のときは実回転数が増加する方向（入力電力が増加する方向）に変化中で、負のときは実回転数が減少する方向（入力電力が減少する方向）に変化中である。
【００５０】
そこで、関数１（１８）は、０以下の値が入力されると０を出力し、０を越える値が入力されると１を出力する関数、また、関数２（１９）は、０以上の値が入力されると０を出力し、０未満の値が入力されると１を出力する関数とする。
【００５１】
すると、実回転数が増加する方向（入力電力が増加する方向）の場合は、関数１（１８）は１、関数２（１９）は０が出力され、実回転数が減少する方向（入力電力が減少する方向）の場合には、関数１（１８）は０、関数２（１９）は１が出力され、変化方向が判断される。
【００５２】
次に、変化率制御の方法を説明する。実回転数は、微分器２０により微分され、実回転数の変化率が計算される。また、実ガイドベーン開度は、微分器２６により微分され、実ガイドベーン開度の変化率が計算される。
【００５３】
ゲイン２１は、１．０未満の値とし、実回転数の変化率に１．０未満の値を掛けたものと実ガイドベーン開度の変化率を減算器２２で比較し、その偏差を変化率制御器２３に入力し、その出力をガイドベーン開度指令値に足し合わせることにより、実ガイドベーン開度の変化率が実回転数の変化率より小さくなるように制御する。
【００５４】
ゲイン２７は、１．０を越える値とし、実回転数の変化率に１．０を越える値を掛けたものと実ガイドベーン開度の変化率を減算器２８で比較し、その偏差を変化率制御器２９に入力し、その出力をガイドベーン開度指令値に足し合わせることにより、実ガイドベーン開度の変化率が実回転数の変化率より大きくなるように制御する。
【００５５】
ここで、関数１（１８）からの出力が乗算器２４により変化率制御器２３からの出力に掛け合わされ、関数２（１９）からの出力が乗算器３０により変化率制御器２９からの出力に掛け合わされるので、実回転数が増加する方向に変化中は実ガイドベーン開度の変化率が実回転数の変化率より小さくなるように制御され、実回転数が減少する方向に変化中は実ガイドベーン開度の変化率が実回転数の変化率より大きくなるように制御されるので、入力電力変化時にはポンプ水車の流量は常に回転数に見合った値より小さくなり、逆流点に突入することなく、運転することが可能となる。
【００５６】
この場合、ポンプ水車の回転数の変化率に対し、回転数が増加方向に変化するときにはガイドベーン開度の変化率が小さくなるように制御し、回転数が減少方向に変化するときはガイドベーン開度の変化率が大きくなるように制御するため、上記実施の形態１で説明したような、例えば同一水路系内の１台のポンプ水車が入力遮断し、その影響を受けてガイドベーン開度指令値と回転数指令値の変化方向が逆になるような場合でも、逆流点に突入することなく、運転することが可能となる。
【００５７】
本実施の形態３では、実回転数の微分値で変化方向を判断したが、電力指令値の微分値で変化方向を判断しても良いし、ガイドベーン開度指令値の微分値で判断しても良いし、回転数指令値の微分値で判断しても良い。
【００５８】
すなわち、この実施の形態３は、一次巻線が電力系統に接続され、二次巻線が交流励磁される発電電動機と、この発電電動機の二次側と直結し、発電電動機により駆動され、その流量はガイドベーンの開閉により制御されるポンプ水車とからなる可変速揚水発電システムの、電力指令値とポンプ水車の実揚程より算出される最適な回転数指令値と、電力指令値と実揚程より算出されるガイドベーン開度指令値と、電力指令値とにより制御される制御装置において、回転数増加時は実ガイドベーン開度の変化率が実回転数の変化率より小さくなるように制御し、回転数減少時は実ガイドベーン開度の変化率が実回転数の変化率より大きくなるように制御し、過渡変化時にはポンプ水車の流量を常に回転数に見合ったポンプ水車の流量より小さくするようにしたものである。
【００５９】
回転数増加時には実ガイドベーン開度の変化率が実回転数の変化率より小さくなるように制御し、回転数減少時は実ガイドベーン開度の変化率が実回転数の変化率より大きくなるように制御することにより、過渡変化時にポンプ水車の流量が回転数に見合った適正な値以下になるため、ポンプ水車が逆流点に突入することなく、運転することが可能となる。
【００６０】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る可変速揚水発電システムの制御装置について図面を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態４に係る可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【００６１】
図５において、３１は加算器、３２は微分器、３３は関数１、３４は関数２、３５は微分器、３６はゲイン、３７は減算器、３８は変化率制御器、３９は乗算器、４０は加算器、４１は微分器、４２はゲイン、４３は減算器、４４は変化率制御器、４５は乗算器である。なお、ガイドベーン開度最適関数６〜減算器１１は、上記実施の形態１と同様である。また、加算手段は、例えば加算器３１〜乗算器４５から構成されている。
【００６２】
つぎに、この実施の形態４に係る可変速揚水発電システムの制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００６３】
入力電力増加時は実ガイドベーン開度の変化率がガイドベーン開度指令値の変化率より小さくなるように制御し、入力電力減少時は実ガイドベーン開度の変化率がガイドベーン開度指令値の変化率より大きくなるように制御することにより、入力電力変化時にはポンプ水車の流量が常に回転数に見合った値より小さくなり、逆流点に突入することなく、運転することが可能となる。
【００６４】
まず、変化方向の判断方法を説明する。回転数指令値を微分器３２により微分する。その微分値が正のときは回転数指令値が増加する方向（入力電力が増加する方向）に変化中で、負のときには回転数指令値が減少する方向（入力電力が減少する方向）に変化中である。
【００６５】
そこで、関数１（３３）は、０以下の値が入力されると０を出力し、０を越える値が入力されると１を出力する関数、関数２（３４）は０以上の値が入力されると０を出力し、０未満の値が入力されると１を出力する関数とする。
【００６６】
すると、入力電力が増加する方向の場合は関数１（３３）は１、関数２（３４）は０が出力され、入力電力が減少する方向の場合は関数１（３３）は０、関数２（３４）は１が出力され、変化方向が判断される。
【００６７】
次に、変化率制御の方法を説明する。ガイドベーン開度指令値は微分器３５により微分され、ガイドベーン開度指令値の変化率が計算される。また、実ガイドベーン開度は微分器４１により微分され、実ガイドベーン開度の変化率が計算される。
【００６８】
ゲイン３６は、１．０未満の値とし、ガイドベーン開度指令値の変化率に１．０未満の値を掛けたものと実ガイドベーン開度の変化率を減算器３７で比較し、その偏差を変化率制御器３８に入力し、その出力をガイドベーン開度指令値に足し合わせることにより、実ガイドベーン開度の変化率がガイドベーン開度指令値の変化率より小さくなるように制御する。
【００６９】
ゲイン４２は、１．０を越える値とし、ガイドベーン開度指令値の変化率に１．０を越える値を掛けたものと実ガイドベーン開度の変化率を減算器４３で比較し、その偏差を変化率制御器４４に入力し、その出力をガイドベーン開度指令値に足し合わせることにより、実ガイドベーン開度の変化率がガイドベーン開度指令値の変化率より大きくなるように制御する。
【００７０】
ここで、関数１（３３）からの出力が乗算器３９により変化率制御器３８からの出力に掛け合わされ、関数２（３４）からの出力が乗算器４５により変化率制御器４４からの出力に掛け合わされるので、入力電力が増加する方向に変化中は実ガイドベーン開度の変化率がガイドベーン開度指令値の変化率より小さくなるように制御され、入力電力が減少する方向に変化中は実ガイドベーン開度の変化率がガイドベーン開度指令値の変化率より大きくなるように制御されるので、入力電力変化時にはポンプ水車の流量は常に回転数に見合った値より小さくなり、逆流点に突入することなく、運転することが可能となる。
【００７１】
本実施の形態４では、回転数指令値の微分値で変化方向を判断したが、電力指令値の微分値で変化方向を判断しても良いし、実回転数の微分値で判断しても良いし、ガイドベーン開度指令値の微分値で判断しても良い。
【００７２】
すなわち、この実施の形態４は、一次巻線が電力系統に接続され、二次巻線が交流励磁される発電電動機と、この発電電動機の二次側と直結し、発電電動機により駆動され、その流量はガイドベーンの開閉により制御されるポンプ水車とからなる可変速揚水発電システムの、電力指令値とポンプ水車の実揚程より算出される最適な回転数指令値と、電力指令値と実揚程より算出されるガイドベーン開度指令値と、電力指令値とにより制御される制御装置において、回転数増加時は実ガイドベーン開度の変化率がガイドベーン開度指令値の変化率より小さくなるように制御し、回転数減少時は実ガイドベーン開度の変化率がガイドベーン開度指令値の変化率より大きくなるように制御し、過渡変化時にはポンプ水車の流量を常に回転数に見合ったポンプ水車の流量より小さくするようにしたものである。
【００７３】
回転数増加時には実ガイドベーン開度の変化率がガイドベーン開度指令値の変化率より小さくなるように制御し、回転数減少時は実ガイドベーン開度の変化率がガイドベーン開度指令値の変化率より大きくなるように制御することにより、過渡変化時にポンプ水車の流量が回転数に見合った適正な値以下になるため、ポンプ水車が逆流点に突入することなく、運転することが可能となる。
【００７４】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る可変速揚水発電システムの制御装置について図面を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態５に係る可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【００７５】
図６において、４６は一次遅れ関数、４７及び４８は微分器、４９は乗算器、５０は比較器、５１はセレクタである。なお、ガイドベーン開度最適関数６〜減算器１１、並びに加算器１６〜乗算器３０は、上記実施の形態３と同様である。また、固定手段は、例えば一次遅れ関数４６〜セレクタ５１から構成されている。
【００７６】
つぎに、この実施の形態５に係る可変速揚水発電システムの制御装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００７７】
上記実施の形態１で説明したように、例えば同一水路系内の他号機が入力遮断などをした場合には、ガイドベーン開度指令値と回転数指令値の変化方向が異なり、回転数指令値が減少するのに対してガイドベーン開度指令値が増加する場合、ガイドベーンはガイドベーン開度指令値につられて開く方向に制御されると、逆流点に突入してしまう可能性がある。
【００７８】
そこで、ガイドベーン開度最適関数６の下流側に一次遅れ関数４６を設けた。そして、ガイドベーン開度指令値を微分器４７で微分した値と、回転数指令値を微分器４８で微分した値を乗算器４９で掛け合わせた。掛け合わせた値は、ガイドベーン開度指令値と回転数指令値の変化方向が逆の場合に負となるため、比較器５０により、この掛け合わせた値が０．０未満のときは１、０．０以上のときは０が出力されるようにした。
【００７９】
そして、セレクタ５１に０が入力されれば小さな時定数である設定値１が、１が入力されればかなり大きな時定数である設定値２が選択され、出力される。この出力値を一次遅れ関数４６の時定数として設定することにより、通常の運転時、定常時には小さな時定数でガイドベーン開度指令値はほぼガイドベーン開度最適関数６からの出力値のままとなり、ガイドベーン開度指令値と回転数指令値の変化方向が逆のときには大きな時定数となり、ガイドベーン開度指令値があまり変化しない。
【００８０】
これにより、ガイドベーン開度指令値と回転数指令値の変化方向が逆のとき、ガイドベーン開度は指令値につられることなく、回転数指令値が減少するときは早く閉じる方向に制御され、逆流点に突入することなく、安定して運転可能となる。
【００８１】
なお、この実施の形態５は、上記実施の形態３に適用したものであるが、上記実施の形態１、２、４に適用した場合も同様の効果が得られる。
【００８２】
すなわち、この実施の形態５は、上記実施の形態１〜４の可変速揚水発電システムの制御装置において、ガイドベーン開度指令値と回転数指令値の変化方向が異なる場合には、ガイドベーン開度指令値を固定するようにしたものである。
【００８３】
回転数指令値が減少するのに対し、ガイドベーン開度指令値が増加する場合、ガイドベーンが指令値通りに制御されればガイドベーンが開き、ポンプ水車の流量が回転数に見合った適正な値以上になり、逆流点に突入する可能性がある。そこで、このような場合にガイドベーン開度指令値を固定することにより、実回転数が減少する際にガイドベーンが指令値につられることなく、一定、もしくは閉じる方向に動作するため、ポンプ水車が逆流点に突入することなく、運転することが可能となる。
【００８４】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る可変速揚水発電システムの制御装置は、以上説明したとおり、電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、前記回転数制御信号を前記電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器と、前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出するガイドベーン開度最適関数と、過渡変化時に、前記ガイドベーン開度指令値から所定の値を差し引いてサーボ制御系へ出力する減算手段とを備え、前記減算手段は、前記ガイドベーン開度指令値を微分する微分器と、前記微分器からの微分値について絶対値を求める絶対値関数と、前記ガイドベーン開度指令値から前記絶対値を差し引く第２の減算器とを有するので、ポンプ水車の流量が回転数に見合った適正な値以下になるため、ポンプ水車が逆流点に突入することなく、運転することが可能となるという効果を奏する。
【００８５】
この発明の請求項２に係る可変速揚水発電システムの制御装置は、以上説明したとおり、電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出してサーボ制御系へ出力するガイドベーン開度最適関数と、過渡変化時に、前記電力指令値に所定の値を足し合せる加算手段と、前記回転数制御信号を前記所定の値を足し合せた電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器とを備え、前記加算手段は、前記ガイドベーン開度指令値を微分する微分器と、前記微分器からの微分値について絶対値を求める絶対値関数と、前記電力指令値に前記絶対値を足し合せる第２の加算器とを有するので、ポンプ水車の流量が回転数に見合った適正な値以下になるため、ポンプ水車が逆流点に突入することなく、運転することが可能となるという効果を奏する。
【００８６】
この発明の請求項３に係る可変速揚水発電システムの制御装置は、以上説明したとおり、電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、前記回転数制御信号を前記電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器と、前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出するガイドベーン開度最適関数と、過渡変化時に、回転数増加時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ポンプ水車の実回転数の変化率より小さくなるように、回転数減少時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ポンプ水車の実回転数の変化率より大きくなるように、前記ガイドベーン開度指令値に所定の値を加算してサーボ制御系へ出力する加算手段とを備え、前記加算手段は、前記ポンプ水車の実回転数を微分する第１の微分器と、前記第１の微分器からの微分値が負のときは０を出力し、正のときは１を出力する関数１と、前記第１の微分器からの微分値が正のときは０を出力し、負のときは１を出力する関数２と、前記ポンプ水車の実回転数を微分して実回転数の変化率を計算する第２の微分器と、前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度を微分して実ガイドベーン開度の変化率を計算する第３の微分器と、前記実回転数の変化率に１．０未満の値を掛ける第１のゲインと、前記第１のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第２の減算器と、前記実回転数の変化率に１．０を越える値を掛ける第２のゲインと、前記第２のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第３の減算器と、前記関数１からの出力と前記第２の減算器からの出力を掛け合わせる第１の乗算器と、前記関数２からの出力と前記第３の減算器からの出力を掛け合わせる第２の乗算器と、前記第１及び第２の乗算器の出力を加算する第２の加算器と、前記ガイドベーン開度指令値に前記第２の加算器の出力値を加算する第３の加算器とを有するので、ポンプ水車の流量が回転数に見合った適正な値以下になるため、ポンプ水車が逆流点に突入することなく、運転することが可能となるという効果を奏する。
【００８７】
この発明の請求項４に係る可変速揚水発電システムの制御装置は、以上説明したとおり、電力指令値及びポンプ水車の実揚程に基いて最適な回転数指令値を算出する回転数最適関数と、前記回転数指令値から前記ポンプ水車の実回転数を差し引いて回転数偏差を出力する減算器と、前記回転数偏差に基いて回転数制御信号を生成する回転数制御器と、前記回転数制御信号を前記電力指令値に加算して励磁制御系へ出力する加算器と、前記電力指令値及び前記ポンプ水車の実揚程に基いて最適なガイドベーン開度指令値を算出するガイドベーン開度最適関数と、過渡変化時に、回転数増加時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ガイドベーン開度指令値の変化率より小さくなるように、回転数減少時は前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度の変化率が前記ガイドベーン開度指令値の変化率より大きくなるように、前記ガイドベーン開度指令値に所定の値を加算してサーボ制御系へ出力する加算手段とを備え、前記加算手段は、前記回転数指令値を微分する第１の微分器と、前記第１の微分器からの微分値が負のときは０を出力し、正のときは１を出力する関数１と、前記第１の微分器からの微分値が正のときは０を出力し、負のときは１を出力する関数２と、前記ガイドベーン開度指令値を微分してガイドベーン開度指令値の変化率を計算する第２の微分器と、前記ポンプ水車の実ガイドベーン開度を微分して実ガイドベーン開度の変化率を計算する第３の微分器と、前記ガイドベーン開度指令値の変化率に１．０未満の値を掛ける第１のゲインと、前記第１のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第２の減算器と、前記ガイドベーン開度指令値の変化率に１．０を越える値を掛ける第２のゲインと、前記第２のゲインの出力から前記実ガイドベーン開度の変化率を減算する第３の減算器と、前記関数１からの出力と前記第２の減算器からの出力を掛け合わせる第１の乗算器と、前記関数２からの出力と前記第３の減算器からの出力を掛け合わせる第２の乗算器と、前記第１及び第２の乗算器の出力を加算する第２の加算器と、前記ガイドベーン開度指令値に前記第２の加算器の出力値を加算する第３の加算器とを有するので、ポンプ水車の流量が回転数に見合った適正な値以下になるため、ポンプ水車が逆流点に突入することなく、運転することが可能となるという効果を奏する。
【００８８】
この発明の請求項５に係る可変速揚水発電システムの制御装置は、以上説明したとおり、前記ガイドベーン開度指令値、及び前記回転数指令値の変化方向が異なる場合には、前記ガイドベーン開度指令値を固定する固定手段をさらに備えたので、実回転数が減少する際にガイドベーンが指令値につられることなく、一定、もしくは閉じる方向に動作するため、ポンプ水車が逆流点に突入することなく、運転することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の各実施の形態に係る可変速揚水発電プラントの構成を示す図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【図３】  この発明の実施の形態２に係る可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【図４】  この発明の実施の形態３に係る可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【図５】  この発明の実施の形態４に係る可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【図６】  この発明の実施の形態５に係る可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【図７】  従来の可変速揚水発電システムの制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  上部貯水池、２  上部サージタンク、３  ポンプ水車−発電電動機、４  下部サージタンク、５  下部貯水池、６  ガイドベーン開度最適関数、７  回転数最適関数、８  減算器、９  回転数制御器、１０  加算器、１１  減算器、１２  微分器、１３  絶対値関数、１４  減算器、１５  加算器、１６  加算器、３０  乗算器、３１  加算器、４５  乗算器、４６  一次遅れ関数、５１  セレクタ。
【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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