(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上池側または下池側水路にサージタンクを有する可変速水力プラントにおいて、
通常運転用電力指令に応答して出力又は入力を調整しながら、運転状態に応じた適正回転速度でポンプ水車が運転される可変速水力プラントであって、
前記サージタンク水位を検出する水位検出器と、該水位検出器の検出信号に応答して前記サージタンクの水位変動を抑制制御する信号を出力するサージング水位変動抑制制御回路と、前記ポンプ水車が揚水モード運転時、サージング水位変動抑制制御ＯＮ指令器の動作に基づき、通常運転用電力指令から該サージング水位変動抑制制御回路の出力信号によりサージタンク水位制御優先モードに切換える制御信号選択回路とを備え、該制御信号選択回路により切換えた信号を可変速機電力指令として可変速機に入力し、前記ポンプ水車の回転速度を調整することを特徴とする可変速水力プラント。
【請求項２】
上池側または下池側水路にサージタンクを有する可変速揚水プラントにおいて、
通常運転用電力指令に応答して入力を調整しながら、運転状態に応じた適正回転速度でポンプを駆動する可変速電動機が運転される可変速揚水プラントであって、
前記サージタンク水位を検出する水位検出器と、該水位検出器の検出信号に応答して前記サージタンクの水位変動を抑制制御する信号を出力するサージング水位変動抑制制御回路と、サージング水位変動抑制制御ＯＮ指令器の動作に基づき、通常運転用電力指令から該サージング水位変動抑制制御回路の出力信号によりサージタンク水位制御優先モードに切換える制御信号選択回路とを備え、該制御信号選択回路により切換えた信号を電力指令として前記可変速電動機に入力し、前記ポンプの回転速度を調整することを特徴とする可変速揚水プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は運転状態に応じて任意の回転速度で運転しながら周波数は電力系統周波数と同期して運転される可変速発電又は可変速揚水プラントに関し、特に上池側又は下池側水路にサージタンクを有する可変速水力プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
可変速水力プラントはフライホイール効果を利用して従来の水力プラントより格段に速い高速電力制御ができる。このため、電力系統の質の向上のため、可変速プラントには従来より高ゲインの自動周波数制御（ＡＦＣ）及びガバナフリー制御が期待されている。
【０００３】
しかし、従来のサージタンクを有するプラントの場合には次のような問題があった。すなわち、一般に、ＡＦＣ制御ループの固有振動周期がサージタンクの固有波周期に近く、サージタンク水位が異常加振され振幅が異常拡大し、オーバーフロー等の問題を起こす可能性があった。
【０００４】
このことは、別な意味ではこの制約のため可変速プラントのＡＦＣ制御ゲインを十分上げることについて、従来は制約があった。
【０００５】
そこで従来では、上げ下げ繰り返し状のＡＦＣ制御によってサージタンクが共振した場合を想定して、それでも問題が生じないように、サージタンクを高めにしたり又はサージタンク断面積を上下限水位近くで急拡大させたりサージタンク構造を工夫していた。しかし、このようなサージタンク側対策費は極めて高額になっていた。
【０００６】
特に上池側または下池側水路にサージタンクを有し、かつ該サージタンク側水路が分岐され他の可変速水力機械と該サージタンク側水路を共有している場合には、上記問題は一層深刻になる。なぜなら複数の可変速水力機械が一斉にＡＦＣ制御を行った場合には、上記共振問題が一層深刻になるためである。
【０００７】
さらに従来の同期機を使った揚水発電プラントでは夜間の揚水運転で事実上入力制御はできなかった。案内羽根開度を変えてもポンプ入力はほとんど変化せず、実質的に回転速度以外に調整手段がないためである。しかし、可変速機が登場し、揚水モードでも電力系統のＡＦＣ制御，ガバナフリー制御へ貢献ができることになった。従って、揚水モードでもサージタンク共振が発生する可能性が出てきた。
【０００８】
また、従来の同期機でもサージタンク水位変動異常拡大の可能性はあった。例えば、複数の揚水機が一定の時間差をおいて起動され、その時間差が比較的短く（この間にサージタンク水位変動が十分減衰しない程）かつサージタンクの固有波周期の整数倍であった場合である。この場合は後続起動機がサージタンク水位変動を加速する関係になるからである。この対策としてはサージタンク容量増大の他、該時間差を十分大きくする、サージタンク水位変動を助長しないようなタイミングで起動する等の方法があった。しかし、後の２つの案は電力系統の電力需給対応に制約をかけることに他ならず使い勝手の悪いプラントになってしまう。
【０００９】
よって、従来の技術では上述の時間差揚水起動対策のようにサージタンクとの妥協を求めた操作ノウハウはあったが、これを積極的に制御しようという発想はなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では上述のようなサージタンクを備えた可変速水力プラントにおいて、サージタンクを必要最小限の経済設計にし土木費軽減を計った場合でも安定して制御できることを目的とし、また、サージタンク水位が所定の範囲内にある間は制約なしに存分にＡＦＣ制御やガバナフリー制御を行って、可変速機の特長を最大限に発揮させる。
【００１１】
可変速水力機械は定速水力機械に比較して運転範囲が広く、より広範囲にAFC 制御が可能で、またより高速の制御が可能であるので、より効果的なＡＦＣ制御，ガバナフリー制御が期待でき、これらの機能をサージタンクを有する場合でもこの特長も存分に発揮させる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成させるために上池側または下池側水路にサージタンクを有し、外部より与えられる電力指令に応答して出力又は入力を調整しながら、運転状態に応じた適正回転速度で運転される可変速水力プラントにおいて、サージタンク水位を検出する水位検出器を備え、この水位検出器の検出信号に応答してサージタンクの水位変動を抑制制御する信号を出力する制御演算器を備え、外部より与えられる通常運転用の指令（電力指令）と制御演算器の出力信号を完全に選択切換えしまたは実質的に一方が他方に優先するように切換えして入力する入力切換回路を備えたようにしたものである。
【００１３】
このように、本発明では可変速機を使って積極的にサージタンク水位変動抑制制御を行う。特にサージタンク水位を監視しながら必要に応じて的確にサージタンク水位変動抑制制御を行う。この場合、通常のＡＦＣ等の制御からサージタンク水位抑制制御、又はその逆のモード切換えが必要であるが、完全に一方をOFF し他方をＯＮする切換方法と一方のゲインを大きく、他方のゲインを小さくする方法と、一方の時定数を短く、他方を長くする等の方法で実質的に切換えするやり方もある。
【００１４】
サージタンク側の水路を分岐して複数台の水力プラントが設置される場合、特に複数台の可変速水力プラントが設置される場合には、その可変速プラントの内の少なくとも１台にサージタンク水位変動抑制制御機能を具備させる。
【００１５】
これにより、サージタンクのサイズは必要最小限に抑えることが可能になる。すなわち、サージタンクは固有周波数加振を前提にした不経済な設計を行わないようにすることが可能になる。
【００１６】
そして、サージタンク水位制御を具備しない他号機が発生する水位変動をサージタンク水位変動制御手段を備えた可変速機によって抑制制御する。言い換えれば、サージタンクの安全弁機能の一部分を高速に応答できて広範囲運転ができる可変速機に担わせて、サージタンク自身の経済設計を実現する。
【００１７】
サージタンク水位が所定値以上／以下になったり、変動幅が所定値以上になったら、サージタンク水位制御を効かせてサージタンク水位変動抑制を優先させる。これにより、この保護が確保されているので、通常は、ＡＦＣ等の通常運転機能を優先させ可変速の特長を最大限に発揮させることが可能になる。
【００１８】
また、可変速水力機械の応答は定速機のそれに比し高速で、かつ広範囲の出力／入力調整ができるので、定速機より効果的なサージタンク水位制御が可能である。
【００１９】
ところで、サージタンク水位変動抑制の具体策として下記のように種々考えられる：
（イ）先ず、サージタンク水位変動の向き，水位自身，水位変動速度等を考慮して該サージタンク水位変動が抑制される方向に当該可変速プラントの案内羽根開度及び回転速度を制御するＰＩＤ等のpassive 制御回路を設ける。
【００２０】
（ロ）サージタンク水位変動の向き，水位自身，水位変動速度等を考慮して該サージタンク水位変動とは逆符号のサージング抑制波が生ずるように当該可変速プラントの案内羽根開度及び回転速度を制御するactive制御回路を設ける。
【００２１】
（ハ）上述のようなサージタンク水位変動抑制は通常は除外又は実質的に除外しておいて必要時だけ自動的に作動させるようにする。具体的にはサージタンク水位が所定値以上になったり、変動幅が所定値以上になった場合等が考えられる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図３は本発明が対象とするサージタンクを有する可変速水力プラントの例を示す。
【００２３】
水力プラント１０３Ａ，１０３Ｂは共に可変速水力機械、特に可変速揚水発電プラントとして以下の実施例を説明するが、基本的に管路を共有している水力プラントのうちの１つが可変速タイプなら本発明の目的を達成できる。定常状態ではこれらのプラントに作用する有効落差（発電モード）または揚程(揚水モード)は上池水位ＥＬ１と下池水位ＥＬ２の差で決まる。しかし過渡的には水圧鉄管 １０５の流量と導水路１０７の流量に差が生ずるためサージタンク１０６の水位ＥＬ３は上下に変動する。
【００２４】
例えば、可変速揚水発電プラント１０３Ａ，１０３Ｂが揚水運転中に同一の  ＡＦＣ制御指令によってサージタンク固有周期で入力増減を繰り返した場合、サージタンク水位ＥＬ３の変動幅は拡大し、ついにはサージタンク頂上水位ＥＬＡを超えてオーバーフローするようになる。しかし、可変速機１０３Ａに水位制御機能を備えることによりオーバーフローは発生しなくなる。この機能は図４に示すサージタンク水位がＥＬＡより低いＥＬＸに達した時点で水位制御が動作し、可変速機１０３ＡはＡＦＣ制御優先からサージタンク水位制御優先に切換わり、回転速度が自動的に低下し、揚水流量が減少する。この結果、サージタンク水位変動は図４のように減衰するようになる。
【００２５】
図１はサージタンク水位制御機能を有する可変速水力プラントの第一の実施例で以下この具体例につき説明する。
【００２６】
サージタンク水位検出器３１によって検出された水位検出信号３２を入力とする異常水位判定器３３は上述した水位ＥＬＸを超えた水位に相当する信号を出力する。尚、水位がＥＬＸを超えた時点でサージタンク水位変動抑制制御ＯＮ指令器３５が動作し、制御信号選択回路４８が優先すべき制御選択を行う。すなわち、この時点でサージタンク水位制御優先モードに切換わる。サージタンク水位変動抑制制御回路４６で異常水位信号３４すなわち、水位ＥＬＸを超えた水位信号に応答してサージタンク水位制御信号４７を出力する。かくして制御信号選択回路４８によって合成電力指令２９は実質的に通常運転用電力指令４９からサージタンク水位制御信号４７に切換わる。そして、合成電力指令２９は電力指令下限設定器３０を経て最終的な可変速揚水発電指令となる。このようにして最終的に可変速機に入力される可変速機電力指令２１が決まる。
【００２７】
装置１〜装置２３は公知の可変速揚水プラントの構成を示し、特開昭63−
212774号（可変速揚水装置の制御装置）等で開示されたものと同等である。
【００２８】
この実施例では一次側巻線４，二次側巻線５を有する巻線形誘導機を可変速電動機として用いた場合の装置構成を示す一例である。巻線形誘導機の一次側巻線４が電力系統１に接続されて二次側巻線５が交流励磁装置７に接続され誘導機の入力は、この交流励磁装置７により可変速機電力指令２１に応じて増減される。また誘導機の回転状態は速度検出器１７により検出され加算器１９，２０へ入力される。
【００２９】
図２は図１の実施例のサージタンク水位変動抑制制御回路４６の具体例と、制御信号選択回路４８の具体例を示したものである。水位調定率回路４３は異常水位信号３４とサージタンク水位制御信号４２の間に定位性を持たせるための復元回路である。
【００３０】
サージタンク水位制御信号４２が水位調定率回路４３を考慮した異常水位信号３４相当の目標値に達するまでは積分演算回路３９が積分動作を継続する。比例演算回路３８は入力である異常水位信号３４に対する出力のサージタンク水位制御信号４２の応答遅れを少なくするための回路である。装置２４〜装置２８で構成される制御信号選択回路は一次遅れ要素になっており積分動作をする電力指令応答速度調整部２６は積分要素になっており、しかもそのゲインがサージタンク水位制御ＯＮ信号４５が来た場合に自動的に小さくなるようになっている。この結果、通常運転用電力指令４９に対する応答速度調整済電力指令２７の応答時定数が大幅に長くなって応答速度調整済電力指令２７は事実上現状維持となる。このようにして合成電力指令は事実上サージタンク水位制御信号４２によって左右され、この可変速揚水機はサージタンク制御モードにおかれるようになる。
【００３１】
【発明の効果】
サージタンクの固有周期加振を前提にしたサージタンク設計の無駄を排除し、経済的な設計を可能にする。
【００３２】
同時に、サージタンク固有周期加振を前提にした無用なＡＦＣ制御抑制，制限等を排除し、可変速機特有の高性能ＡＦＣ、高速ガバナフリー機能を存分に発揮させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サージタンク水位制御機能を有する可変速水力プラントの第一例。
【図２】サージタンク水位制御機能を有する可変速水力プラントの第二例。
【図３】サージタンクを有する可変速水力プラントの例。
【図４】サージタンク水位制御の動作説明図。
【符号の説明】
１…電力系統、２，１０３…ポンプ水車、３…主軸、４…一次側巻線、５…二次側巻線、６…可変速機の一次側、７…交流励磁装置、８…案内羽根開度制御装置、９…復元、１０，１４，１９，２０，２４，２８，３６…加算器、１１…加算器１０の出力、１２…実電力検出信号、１３，２９…合成電力指令、１５…加算器１４の出力、１６…二次巻線の交流励磁、１７…速度検出器、１８…回転速度指令関数発生器、２１…可変速機電力指令、２２…適正回転速度指令、２３…実際の回転速度、２５，３７…偏差信号、２６…電力指令応答速度調整部、２７…応答速度調整済電力指令、３０…電力指令下限設定器、３１…サージタンク水位検出器、３２…同上検出信号、３３…異常水位判定器、３４…異常水位信号、３５…サージタンク水位変動抑制制御ＯＮ指令器、３８…比例演算回路、３９…積分演算回路、４０…比例演算回路出力、４１…積分演算回路出力、４２，４７…サージタンク水位制御信号、４３…水位調定率回路、４４…水位調停率回路出力、４５…サージタンク水位制御ＯＮ信号、４６…サージタンク水位変動抑制制御回路、４８…制御信号選択回路、４９…通常運転用電力指令、１０１…下池、１０２…放水路、１０４…水圧鉄管分岐管、１０５…水圧鉄管、１０６…サージタンク、１０７…導水路、１０８…上池、ＥＬ１…上池水位、ＥＬ２…下池水位、ＥＬ３…サージタンク水位、ＥＬＡ…サージタンク頂上水位。
【図１】
0003834356.tif 000002
【図２】
0003834356.tif 000003
【図３】
0003834356.tif 000004
【図４】
0003834356.tif 000005