(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、前記交流励磁同期機の運用範囲を、発電運転の場合は定格回転より一定回転低い回転数以下とし、反対に揚水運転の場合は定格回転より一定回転高い回転数以上とする回転数演算手段を前記ガバナ装置に備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
【請求項２】
励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、指定運転出入力と落差または揚程で決まる最適回転数が禁止帯内であるか否かを判定する回転数演算手段を前記ガバナ装置に備え、前記最適回転数が禁止帯内であれば禁止帯外とすべく、禁止帯外に制御する近い方の入出力になるように設定する入出力設定手段を前記励磁装置に備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
【請求項３】
励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、運転回転数が禁止帯以下の運転中に禁止帯内に入った場合は回転数を禁止帯下限に維持して運転し、演算指定回転数が禁止帯上限以上になったら禁止帯上限に回転数を移行させて運転を継続し、反対に禁止帯上限以上の運転中に禁止帯内に入った場合は回転数を禁止帯上限に維持して運転し、演算指定回転数が禁止帯下限以下になったら禁止帯下限以下に回転数を移行させて運転を継続する回転演算手段を前記ガバナ装置に備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
【請求項４】
励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、発電運転時は前記ガバナ装置で電力制御を、前記励磁装置で回転数制御を実施し、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記ガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、揚水運転時は前記ガバナ装置で回転数制御、前記励磁装置で電力制御を実施し、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記励磁装置でガバナフリー運転を実施する折線特性手段を備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
【請求項５】
励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、前記ガバナ装置で電力制御、前記励磁装置で回転数制御を実施する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記ガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、前記ガバナ装置で回転数制御、前記励磁装置で電力制御を実施する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記励磁装置でガバナフリー運転を実施する折線特性手段を備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
【請求項６】
励磁装置とガバナ装置とを有する交流励磁同期機の運転制御装置において、最高落差時にポンプ水車のガイドベーンの最大開度を制限して出力を定格内に抑えるに当たり、落差と運転中の回転数によってあらかじめ決められたアルゴリズムに従って関数演算して出力制限値を自動的に変更する出力制限手段を備えたことを特徴とする交流励磁同期機の運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流励磁同期機の二次側に接続された励磁用変換器を制御し、その交流励磁同期機を可変速運転する交流励磁同期機の運転制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は例えば電気学会、電力技術研究会（昭和６２年７月２８日、於名古屋）、発表論文「可変揚水発電システムによる系統安定化効果のシミュレーション解析」、Ｐ２６〜Ｐ２９、または日本電気協会誌、昭和６２年１２月号「世界初の可変速発電システムについて」に示された従来の可変速揚水発電システムの回路図であり、図において、１０１は交流励磁同期機（可変速揚水機）の電機子（一次コイル）、１０２は交流励磁同期機の回転子（２次コイル）、１０３は回転子１０２のシャフト、１０４は励磁用変圧器、１０５は２次励磁装置（励磁用変換器）、１０６は回転子１０２の回転位置／回転数検出器、１０７は２次励磁装置１０５を制御する制御器、１０８は電機子１０１に接続された変流器、１０９は計器用変圧器、１１０は界磁遮断器、１１１は発電機遮断器である。
【０００３】
次に動作について説明する。
交流励磁同期機を可変速で運転するには、この交流励磁同期機を２次励磁する方式が通常採用され、この交流励磁同期機の回転数が変わっても、系統周波数と一致するようにスベリ分だけ２次励磁により周波数を補正すれば、系統との並列運転が可能である。
【０００４】
従って、電機子１０１が接続される系統の電圧、電流を計器用変圧器１０９および変流器１０８で検出し、これらと回転位置／回転数検出器１０６の出力とに基づいて、制御器１０７により２次励磁装置１０５を制御することで、上記並列運転が可能になる。
【０００５】
一方、２次励磁装置としては、交流から直接に交流を作るサイクロコンバータ方式や交流から一度直流に変換し、さらに交流を作るコンバータとインバータからなる方式などが採用され、これらを用いて設定された電圧、回転数、電力になるように２次励磁装置１０５を制御器１０７により制御して、交流励磁同期機を揚水発電電動機として運転する。なお、上記の従来例に関連する先行技術として、例えば、特公平３−５１９１０号公報、特公平４−４７１５０号公報、特開昭６２−７７０８２号公報、特開昭６４−７４０９６号公報、特開平１−３１８５９６号公報に記載されたものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の交流励磁同期機の運転制御装置は以上のように構成されているので、制御器により指令電力になるように励磁用変換器を制御することになり、この励磁用変換器が長時間運転することができないスベリ零付近で運転する危険があった。また、図１４に示すように、周波数ｆが上がれば発電電力Ｐを下げ、周波数ｆが下がれば発電電力Ｐを増加させるようなガバナフリー運転をすると、系統周波数により大幅に電力が変化して安定に運転ができなかったり、回転数や落差によって出力が定格値をオーバーするなどの課題があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、スベリ零付近での運転を防止できる交流励磁同期機の運転制御装置を得ることを目的とする。また、この発明は系統周波数が大幅に変化しても安定した運転が継続できる交流励磁同期機の運転制御装置を得ることを目的とする。
さらに、この発明は回転数、落差が変わっても常に出力が定格値をオーバーしない交流励磁同期機の運転制御装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、交流励磁同期機の運用範囲を、発電運転の場合は定格回転より一定回転低い回転数以下とし、反対に揚水運転の場合は定格回転より一定回転高い回転数以上とする回転数演算手段を前記ガバナ装置に備えたものである。
【０００９】
請求項２記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、指定運転出入力と落差または揚程で決まる最適回転数が禁止帯内であるか否かを判定する回転数演算手段をガバナ装置に備え、前記最適回転数が禁止帯内であれば禁止帯外とすべく、禁止帯外に制御する近い方の入出力になるように設定する入出力設定手段を励磁装置に備えたものである。
【００１０】
請求項３記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、運転回転数が禁止帯以下の運転中に禁止帯内に入った場合は回転数を禁止帯下限に維持して運転し、演算指定回転数が禁止帯上限以上になったら禁止帯上限に回転数を移行させて運転を継続し、反対に禁止帯上限以上の運転中に禁止帯内に入った場合は回転数を禁止帯上限に維持して運転し、演算指定回転数が禁止帯下限以下になったら禁止帯下限以下に回転数を移行させて運転を継続する回転演算手段をガバナ装置に備えたものである。
【００１１】
請求項４記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、発電運転時はガバナ装置で電力制御を、励磁装置で回転数制御を実施し、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記ガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、揚水運転時は前記ガバナ装置で回転数制御、前記励磁装置で電力制御を実施し、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記励磁装置でガバナフリー運転を実施する折線特性手段を備えたものである。
【００１２】
請求項５記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、ガバナ装置で電力制御、励磁装置で回転数制御を実施する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記ガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、前記ガバナ装置で回転数制御、前記励磁装置で電力制御を実施する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて前記励磁装置でガバナフリー運転を実施する折線特性手段を備えたものである。
【００１３】
請求項６記載の発明に係る交流励磁同期機の運転制御装置は、最高落差時にポンプ水車のガイドベーンの最大開度を制限して出力を定格内に抑えるに当たり、落差と運転中の回転数によってあらかじめ決められたアルゴリズムに従って関数演算して出力制限値を自動的に変更する出力制限手段を備えたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は横軸を出力Ｐ0 （ＭＷ）、縦軸を回転数Ｎ0 （ｒｐｍ）とした発電特性図であり、出力や落差のいかんに関係なく、回転数は常に定格回転数より一定回転低い回転以下で運転される特性であることを示す。
【００１５】
図２は横軸を入力Ｐ0 （ＭＷ）、縦軸を回転数Ｎ0 （ｒｐｍ）とした揚水特性図であり、出力や落差のいかんに関係なく、回転数は常に定格回転数より一定回転高い回転以上で運転される特性であることを示す。
【００１６】
図３はこの発明の実施の形態１を示す交流励磁同期機の運転制御装置のブロック図であり、１は交流励磁同期機である可変速揚水機、２は可逆式ポンプ水車、３は発電機遮断機、４は二次励磁装置、５は入出力設定器、６は可逆式ポンプ水車２の水量を調整する弁（ガイドベーン）を駆動するガイドベーンサーボ、７は回転数を指令値に補正するガイドベーン制御回路、８は発電運転の場合は定格回転より一定回転低い回転数以下とし、反対に揚水運転の場合は定格回転より一定回転高い回転数以上とする回転数演算手段としての回転数演算回路、９はガイドベーン開度の指令値を演算するガイドベーン開度演算回路である。そして、図３では二次励磁装置４で励磁装置Ａを構成し、ガイドベーンサーボ６、ガイドベーン制御回路７、回転数演算回路８、ガイドベーン開度演算回路９でガバナ装置Ｂを構成している。
【００１７】
本実施の形態１では上記回転数演算回路８に、発電運転時には前記図１に示す特性が適用され、揚水運転時には前記図２に示す特性が適用されるようにしたものである。
【００１８】
次に動作について説明する。
入出力設定器５の設定値Ｐ0 と実際の発電電力Ｐとの減算値を入力する二次励磁装置４によって、可変速揚水機１の入出力が制御される。一方、回転数は入出力設定器５の設定値Ｐ0 と落差Ｈとを入力する回転数演算回路８の出力値Ｎ0 に基づいて、発電運転時は図１の特性で運転され、揚水運転時は図２の特性で運転される。この結果、スベリ零付近の運転禁止帯での運転を避けることができる。
【００１９】
実施の形態２．
図４は横軸を出力Ｐ0 （ＭＷ）、縦軸を回転数Ｎ0 （ｒｐｍ）とした発電特性図であり、スベリ零付近には運転禁止帯が設けられ、定格回転より低回転のゾーン１と高回転のゾーン２に分かれている。
【００２０】
図５は横軸を入力Ｐ0 （ＭＷ）、縦軸を回転数Ｎ0 （ｒｐｍ）とした揚水特性図であり、発電特性と同様に運転禁止帯をはさんで定格回転より低回転のゾーン１と高回転のゾーン２に別れている。
【００２１】
本実施の形態２では図３の回転数演算回路８に、発電運転時には前記図４に示す特性が適用され、揚水運転時には前記図５に示す特性が適用される。
【００２２】
次に動作について説明する。
入出力設定器５の設定値Ｐ0 と実際の発電電力Ｐとの減算値を入力する二次励磁装置４によって可変速揚水機の入出力が制御される。一方、回転数は入出力設定器５の設定値Ｐ0 と落差Ｈとを入力する回転数演算回路８の出力値Ｎ0 により、発電運転時は図４の特性で運転され、揚水運転時は図５の特性で運転される。この運転時、運転回転数が運転禁止帯内の場合（例えば、運転回転数が基準回転数の±１％以内に入ったことにより判断）は、その運転回転数が基準回転数より上なら上側ゾーン２に、その運転回転数が基準回転数より下なら下側ゾーン１に設定する。この結果、スベリ零付近の運転禁止帯での運転を避けることができる。
【００２３】
実施の形態３．
図６（ａ）は可変速揚水機の回転数の変化の一例を本実施の形態（実線）と従来例（点線）とを対比して示したものであり、図６（ｃ）は同様の他の一例である。図６（ｂ）は本実施の形態によっていかに禁止帯の運転を避けて運用しているかを履歴的に示した図であり、履歴特性によって前記図３の回転数演算回路８から回転数が指令される。
【００２４】
次に動作について説明する。
入出力設定器５の設定値Ｐ0 と実際の発電電力Ｐとの減算値を入力する二次励磁装置４によって可変速揚水機の入出力が制御される。一方、入出力設定器５の設定値Ｐ0 と落差Ｈとを入力する回転数演算回路８は、上記図６（ｂ）に示した履歴特性の運転を自動的にできるように構成する。この結果、スベリ零付近の運転禁止帯での運転を避けることができる。
【００２５】
実施の形態４．
図７は発電運転時にはガバナで電力制御を実施し、励磁装置で回転数制御を実施する交流励磁同期機の運転制御装置のブロック図であり、図において、１は可変速揚水機、２は可逆式ポンプ水車、４は二次励磁装置、５は入出力設定器、６はガイドベーンサーボ、８は回転数演算回路、１２は回転数制御回路、７はガイドベーン制御回路、１０は実際の周波数ｆと発電電力Ｐを入力する折線特性回路であり、この折線特性回路１０における発電運転時の折線特性図を図８に示す。そして、図７では二次励磁装置４、回転数演算回路８、回転数制御回路１２で励磁装置Ａを構成し、入出力設定器５、ガイドベーンサーボ６、ガイドベーン制御回路７、折線特性回路１０でガバナ装置Ｂを構成している。
【００２６】
次に動作について説明する。
図７においては、入出力設定器５の設定値および折線特性回路１０の出力に従い、ガイドベーン制御回路７、ガイドベーンサーボ６によって可逆式ポンプ水車２を制御し、電力制御を実施する。
【００２７】
一方、回転数は、入出力設定器５の設定値を回転数演算回路８に入力して最適回転数を演算し、回転数制御回路１２、二次励磁装置４によって制御される。ここで折線特性回路１０には図８の特性を持たせている。この結果、ガバナフリー運転は系統擾乱等により周波数が変動しても安定した運転を継続することができる。
【００２８】
図９は揚水運転時にはガバナを回転数制御で実施し、励磁装置で電力制御を実施する交流励磁同期機の運転制御装置のブロック図であり、図において、１は可変速揚水機、２は可逆式ポンプ水車、４は二次励磁装置、５は入出力設定器、６はガイドベーンサーボ、９はガイドベーン開度演算回路、８は回転数演算回路、７はガイドベーン制御回路、１０は折線特性回路であり、この折線特性回路１０における揚水運転時の折線特性図を図１０に示す。１１は電力制御回路である。そして、図９では二次励磁装置４、入出力設定器５、折線特性回路１０、電力制御回路１１で励磁装置Ａを構成し、ガイドベーンサーボ６、ガイドベーン開度演算回路９、回転数演算回路８、ガイドベーン制御回路７でガバナ装置Ｂを構成している。
【００２９】
次に動作について説明する。
図９においては、入出力設定器５の設定値に従って、電力制御回路１１、二次励磁装置４を制御し、電力制御を実施する。
【００３０】
一方、回転数は入出力設定器５の信号を回転数演算回路８に入力して最適回転数を演算し、この演算値に従いガイドベーン制御回路７、ガイドベーンサーボ６によって制御される。ここで折線特性回路１０には図１０の特性を持たせている。この結果、ガバナフリー運転は系統擾乱等により周波数が変動しても安定した運転を継続することができる。
【００３１】
実施の形態５．
実施の形態４では、発電運転時はガバナ装置で電力制御、励磁装置で回転数制御、一方、揚水運転時はガバナ装置で回転数制御、励磁装置で電力制御と決められていたが、ガバナ装置と励磁装置のいずれでも、選択によって電力制御できるようにすることもできる。
【００３２】
実施の形態６．
図１１は縦軸をガイドベーンの許容最大開度、横軸を落差とした出力制限特性図であり、図において、５１は可変速運転の最大回転時、５２は定格回転時、５３は最低回転時の落差に応じたガイドベーンの許容最大開度を示している。
図１２は実回転数によって、図１１に示した出力制限特性を実現する一例を示しており、落差より回転数５１，５２，５３のガイドベーンの許容最大開度を比例補間で求めていることを示している。
【００３３】
次に動作について説明する。
従来の定速機の場合は回転数が一定であったので、特性も図１１，１２の回転数ＮN の一定のみで良かったが、可変速揚水機では回転数によって図１１，１２の特性を持たせるため、出力制限値も変わる。そこで、前記図１１，１２の特性に従って、その時の運転回転数と落差を入力するガイドベーン開度演算回路９で予め決められたアルゴリズムに従って関数演算して、ガイドベーン開度演算回路９の出力を自動的に制限するようにしたもので、出力を常に定格内に抑えることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明によれば、あらかじめスベリ零付近の運転にならないように、発電運転時と揚水運転時で運転指令回転数範囲をスベリ零付近から夫々異なる方向に遠ざけるように構成したので、励磁用変換器が長時間運転することができないスベリ零付近で運転する危険を防止できる効果がある。
【００３５】
請求項２記載の発明によれば、スベリ零付近の禁止帯内に入れば、禁止帯外になるように入出力を設定するように構成したので、スベリ零付近で運転する危険を防止できる効果がある。
【００３６】
請求項３記載の発明によれば、スベリ零付近の禁止帯内に入れば、禁止帯外になるように回転数を設定するように構成したので、スベリ零付近で運転する危険を防止できる効果がある。
【００３７】
請求項４記載の発明によれば、発電運転時はガバナフリー信号に折線特性を持たせてガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、揚水運転時はガバナフリー信号に折線特性を持たせて励磁装置でガバナフリー運転を実施するように構成したので、ガバナフリー運転時に系統動揺が発生して周波数が大幅に変動しても安定した運転を継続することができる効果がある。
【００３８】
請求項５記載の発明によれば、ガバナ装置で電力制御する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせてガバナ装置でガバナフリー運転を実施し、励磁装置で電力制御する場合は、ガバナフリー信号に折線特性を持たせて励磁装置でガバナフリー運転を実施するように構成したので、周波数が大幅に変化しても安定した運転を継続することができる効果がある。
【００３９】
請求項６記載の発明によれば、最高落差時にポンプ水車のガイドベーンの最大開度を制限し、出力を定格内に抑えるに当たり、落差と運転中の回転数によってあらかじめ決められたアルゴリズムに従って関数演算して出力制限値を自動的に変更するように構成したので、回転数と落差が変化しても出力を常に定格内に抑えることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１における発電電力−回転数特性図である。
【図２】  この発明の実施の形態１における揚水入力−回転数特性図である。
【図３】  この発明の実施の形態１における交流励磁同期機の運転制御装置を示すブロック図である。
【図４】  この発明の実施の形態２における発電電力−回転数特性図である。
【図５】  この発明の実施の形態２における揚水入力−回転数特性図である。
【図６】  この発明の実施の形態３における制御動作説明図である。
【図７】  この発明の実施の形態４、実施の形態５における交流励磁同期機の運転制御装置を示す発電運転時のブロック図である。
【図８】  この発電運転時の折線特性図である。
【図９】  この発明の実施の形態４、実施の形態５における交流励磁同期機の運転制御装置を示す揚水運転時のブロック図である。
【図１０】  この揚水運転時の折線特性図である。
【図１１】  この発明の実施の形態６における出力制限特性図である。
【図１２】  この発明の実施の形態６における実回転数と落差からガイドベーンの最大許容開度を算出するアルゴリズム図である。
【図１３】  従来の交流励磁同期機の運転制御装置を示すブロック図である。
【図１４】  ガバナフリー運転の説明図である。
【符号の説明】
Ａ  励磁装置、Ｂ  ガバナ装置、８  回転数演算回路（回転数演算手段）、９ガイドベーン開度演算回路。
【図１】
0003853426.tif 000002
【図２】
0003853426.tif 000003
【図３】
0003853426.tif 000004
【図４】
0003853426.tif 000005
【図５】
0003853426.tif 000006
【図６】
0003853426.tif 000007
【図７】
0003853426.tif 000008
【図８】
0003853426.tif 000009
【図９】
0003853426.tif 000010
【図１０】
0003853426.tif 000011
【図１１】
0003853426.tif 000012
【図１２】
0003853426.tif 000013
【図１３】
0003853426.tif 000014
【図１４】
0003853426.tif 000015