JP3890209B2

JP3890209B2 - 調速機における回転速度入力方法および装置

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Publication number: JP3890209B2
Application number: JP2001233495A
Authority: JP
Inventors: 玲子服部; 和夫高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: JP2003042051A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電所における水車発電機の調速機に係り、特に調速機における回転速度入力方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水力発電所の発電機出力は電力系統に接続され、並列に接続された発電機は互いに同期していなければならない。従って水車発電機の起動後は電力系統の周波数に同期させる操作が必要となる。そして、電力系統への接続後は、並列に接続されている他の発電機と同期させる必要がある。これらの目的のために調速機が設置されている。
【０００３】
図６は水力発電所の速度制御系統の構成例を示している。水車発電機３１の出力３３と負荷３２の信号との偏差３４は、水車発電機の回転速度の変化となって現れる。偏差がなければ現状の回転数を保持する。水車発電機の回転速度に比例した信号を出力する回転速度検出装置３５によって検出された水車発電機の回転速度信号１は、調速機３６に取り込まれる。速度制御演算部１２では、水車発電機の回転速度信号１と目標速度設定部３７の信号および速度垂下率出力信号３８により偏差を演算した後、制御目標値演算部３９にて制御目標値４０が演算される。
【０００４】
一方、サーボモータ４７のストロークはサーボモータ実開度信号４６として調速機３６に取り込まれる。演算された制御目標値４０とサーボモータ実開度信号４６との偏差４１を演算し、増幅部４２を経て制御指令値４３として配圧弁４４へ出力される。配圧弁４４からの出力信号４５はサーボモータ４７を駆動する。サーボモータ４７の動作によって、ガイドベーンの開度が制御され、水車への水の流入量を制御し、水車発電機３１の出力３３を制御する。したがって、水車発電機の回転速度信号１は水車発電機３１の出力３３へ影響を及ぼす。
【０００５】
回転速度信号検出装置３５は通常水車発電機３１に取り付けられているため、水車発電機３１の軸振れや振動は、水車発電機の回転速度信号１に影響を及ぼす。
【０００６】
ここで、軸振れ周波数は、水車発電機の回転速度よりも高いので、水車発電機３１の軸振れあるいは振動があると、水車発電機の回転速度信号１に高周波の雑音が重畳される。したがって、回転速度検出装置３５からは、あたかも水車発電機が高い周波数の刻動を伴った回転速度で運転されているように回転速度信号１が出力される。
【０００７】
調速機３６は前記水車発電機の回転速度信号１に忠実に応答するので、制御目標値演算部３９も雑音に応答した演算結果を出力することとなり、サーボモータ４７はハンチング現象を引き起こし、調速機３６はもちろん、水車発電機３１及びその他周辺機器の寿命を縮めることにもつながる。
【０００８】
また、回転速度検出装置３５の故障等何らかの理由により水車発電機の回転速度信号１が喪失した場合、調速機３６は水車発電機３１の回転速度が極端に低下し出力が不足した状態と判断し、水車発電機の回転速度を増加させ出力３３を増加するためにサーボモータ４７を急激に開動作させることになる。このように従来は、回転速度信号の刻動、あるいは速度信号の喪失についての対応策がない調速機が使用されていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、水車発電機の回転速度信号に雑音が重畳される可能性について配慮されていないため、調速機が雑音に応答してしまい、機器の破損に至ることもあるし、機器の寿命を縮める等の問題がある。また系統への並列接続前後では次のような問題がある。
【００１０】
電力系統並列前；水車発電機回転速度１が無拘束速度まで上昇し、水車，発電機を破損する危険性がある。
【００１１】
電力系統並列後；急激に水車発電機出力３３が増加し、発電機は過電流により発電機焼損に至る危険性がある。
【００１２】
上記の場合、調速機制御システムは油圧制御の例であるが、これらの問題は電動サーボモータを採用する制御システムでも同様である。
【００１３】
更に、回転速度検出装置３５から調速機３６へ入力される水車発電機の回転速度信号１に電気的雑音が侵入した場合にも同様の現象を引き起こす。したがって水車発電機の回転速度信号への雑音の侵入を防止するためには、水車発電機の回転部および固定部の剛性を増加させ、機械部の固有振動数を大幅に増加させる対策が必要である。また、電気的には雑音の侵入を完全に防止することの出来る配線のシールド化、配線敷設ルートの検討が必要になるが、いずれも多大な費用と時間が必要となる問題がある。
【００１４】
本発明では水車発電機の回転速度信号に着目し，雑音を含んだ速度信号であっても水車発電機及び補機に影響を与えない、安定した制御を低コストで実現，提供すること、また、回転速度信号喪失時に水車，発電機に損傷を与えないように保護することにある。本発明はこのような場合の、調速機における回転速度入力方法および装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、以下の手段によって解決することができる。
水車発電機の回転速度を検出し、前記回転速度信号に含まれる水車発電機の軸振動に伴う高周波信号に応じて複数の雑音除去回路の中から予め定められている一つの出力信号を選択し、前記選択された信号を入力信号とするかあるいは回転速度信号を直接入力信号とするかを前記水車発電機の運転条件に応じて選択し、選択された信号を前記調速機の回転速度信号として入力することにより解決することができる。
【００１６】
また、前記雑音除去回路は複数の一次遅れ要素により構成し、前記一次遅れ要素のうち一つの出力信号を前記回転速度信号として選択し、選択された信号を前記調速機に入力すること。また、前記一次遅れ要素の後段に前記遅れ要素の補償要素として一次進み要素を設け、前記進み要素の出力信号を前記回転速度信号とすること。また、前記回転速度信号の喪失を検出した時直前の回転速度信号を保持して回転速度信号とし、予め定めた時間経過しても前記回転速度信号が得られないとき前記回転速度信号を所定の固定値とし、前記水車発電機の停止制御に移行すること、により解決することができる。
【００１７】
水力発電機の回転速度を制御する調速機において、前記水車発電機の回転速度検出手段による回転速度信号を入力信号とする複数の雑音除去回路と、前記回転速度信号に含まれる高周波成分の大きさに応じて選択される前記雑音除去回路の出力信号を入力信号とするかあるいは前記回転速度信号を直接調速機への入力信号とするかを前記水車発電機の運転条件応じて選択する選択切換手段とを備え、前記選択切換えられた信号を前記調速機の入力信号とする回転速度入力装置、により解決することができる。
【００１８】
また、前記回転速度信号の喪失を検出する手段と、前記手段により回転速度信号の喪失が検出されたとき直前の回転速度信号を保持する手段と、前記回転速度信号の喪失が検出された時点からの経過時間をカウントするタイマーと、前記タイマーにより所定の時間が経過したとき回転速度信号を予め定めた設定値に切換る切換手段と、を備えた回転速度入力装置により解決することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
水車発電機の通常運転時における回転速度変化周期は、一般的に数十秒程度である。一方、水車発電機の軸振れ，振動に起因する雑音は数十Ｈｚと高い周波数である。本発明は、このような雑音信号が重畳された回転信号に対して雑音除去回路を設け、その出力信号を回転速度信号とする。雑音除去回路として、ここでは一次遅れ要素を使用する。一次遅れ要素はブレークポイント以上の周波数になると、入力に対し２０ｄｂ／ｄｅｃにてゲインが低下する。したがって、周波数応答特性のブレークポイントが数Ｈｚとなるような時定数を持つ一次遅れ要素を付加することにより、水車発電機の軸振れや振動に起因する雑音をほとんどカットした状態で回転速度信号を取り込むことができるから、調速機は実際の水車発電機の回転速度に対してのみ制御し、安定した制御を実現することができる。
【００２０】
一方、一次遅れ要素の位相特性は、ブレークポイント以前から遅れが発生するので、例えばペルトン水車の系統並列時のニードル制御や、俊敏な応答が要求される場合は、一次遅れ要素を使用することで運転に弊害が出る可能性がある。これらに対しては、一次遅れ要素の使用／除外を選択できる速度信号選択手段を設ければ、運転に応じて要求される応答特性を選択することができる。さらに、一次遅れ要素の後段に一次進み要素を設け、一次遅れ要素の位相遅れを補償すれば、運転に要求される応答特性での制御が可能になる。水車発電機に要求される運転状態に応じて、回転速度信号を直接調速機に入力することを含め、一次遅れ要素の出力信号を選択使用する。
【００２１】
上記の一次遅れ要素に加え、もう一つ遅れ時間が比較的大きい第二の一次遅れ要素を付加することで、水車発電機を保護することができる。前述の如く、調速機は水車発電機に取り付けられた回転速度信号検出装置により検出された回転速度信号により制御しているが、回転速度信号が何らかの要因により欠落することがある。この場合、調速機はサーボモータへ案内羽根開度もっと開けるように指令を出すため、水車発電機の回転が必要以上に上昇し、水車発電機を破損にいたらしめる怖れがある。
【００２２】
第二の一次遅れ要素は、ある時定数を持って回転速度信号に追従している。従って、第二の一次遅れ要素の出力信号は、回転速度信号喪失等突然入力信号が喪失しても、即座に出力信号が無くなることはない。調速機に入力される回転速度信号１を常時監視し、回転速度信号が喪失した場合、調速機の制御目標演算部への回転速度信号出力をこの第二の一次遅れ要素からの出力に切替ると同時に、第二の一次遅れ要素の出力を自己保持することで、あたかも回転速度信号が変動しない状態とすることができる。サーボモータによる開度は現状値を保持することができ、水車発電機の出力変動を抑えることができる。
【００２３】
回転速度信号には、第一の一次遅れ要素の設置目的に述べたように雑音を含んでいる可能性がある。雑音は復帰可能な偶発的現象であるので、雑音に応答して第二の一次遅れ要素の出力に切替らないように確認タイマーを設置することで復帰可能な偶発的現象であるかどうか、即ち水車発電機を保護動作させる必要がある重大な故障かどうかを判断するものとする。
【００２４】
確認タイマーによる時間を経過してもなお回転速度信号の喪失が続いている場合は復帰不可能な回転速度信号喪失と判断する。これによって、水車発電機を安全な方向に緩やかに（場合によっては即座に）保護動作させる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。ここでは雑音除去回路として一次遅れ要素を用いた場合である。図１は水車発電機に取り付けられた回転速度信号検出装置３５にて検出された回転速度信号１は、第一の一次遅れ要素２に取り込まれる。第一の一次遅れ要素２はブレークポイントが数ＨｚとなるようにゲインＫ１にて時定数を設定する。一次遅れ要素は、ブレークポイント以上の周波数の入力に対して２０ｄｂ／ｄｅｃにてゲインが低下するので、回転速度信号１に含まれる水車発電機の軸振れ，振動等に起因する数十Ｈｚ程度の雑音に対しては、ゲインを小さくして出力するため、第一の一次遅れ要素２の出力信号１３は、高周波の雑音を殆どカットした状態の回転速度信号となる。
【００２６】
これにより雑音の少ない回転速度信号を速度制御演算部１２に入力できることとなり、安定した制御ができる。なお、この第一の一次遅れ要素２の代わりに高周波の雑音を除去する回路（低域アクティブフィルタ等）を使用しても同様の効果が得られる。
【００２７】
第一の一次遅れ要素２は時定数を持っているため、出力１３は時間遅れがある。従って、俊敏な応答性が要求される場合においては、回転速度信号１を直接速度制御演算部１２へ入力する必要がある。したがって、切換部６にて回転速度信号１と第一の一次遅れ要素２からの出力１３を切替る。回転速度信号１と第一の一次遅れ要素２からの出力信号１３との切換は、回転速度信号選択手段５によってなされる。
【００２８】
回転速度信号選択手段５は運転の目的に応じて設定する。例えば、電力系統並列前には俊敏な動きとし、電力系統並列後には安定した動きとしたい場合には、この回転速度信号選択手段５を並列用遮断機のＯＮ／ＯＦＦ信号を用いればよい。
【００２９】
また、図５の如く第一の一次遅れ要素２の後段にＫ３にて位相進みを設定できる一次進み要素２１を配備すれば、出力１３の時間遅れを解消することができる。
【００３０】
一方，回転速度信号１は回転速度信号喪失検出部４へ入力され、回転速度信号が喪失したことを検出すると、その出力信号１６が出力されタイマー９に入力する。
【００３１】
出力１６は回転速度信号１に含まれる雑音によっても出力される可能性があるため、タイマー９により予め設定した時間回転速度信号喪失状態が継続した場合には、確実に回転速度信号が喪失したものとし、出力１９ｄを出力する。第二の一次遅れ要素３はゲインＫ２にて時定数を設定しておく。
【００３２】
常時は第二の一次遅れ要素３からの出力１４は、そのまま出力信号１８として出力されているが、回転速度信号喪失時点で、回転速度信号喪失検出４からの出力信号１９ｂにより出力信号１８を自己保持する。また、同時に切換部８にて、切換部６からの出力信号１５から信号１８への切換えをおこなう。それは信号１９ｂによる自己保持により安定し一定の信号となっている出力１８を確認し、切換部８の出力信号は１７として信号１８を出力する。
【００３３】
速度制御演算部１２には自己保持信号１７が入力されるから、急激な速度変化を与えないことになる。これにより、サーボモータ開度の急変を防止することができる。また、回転速度信号喪失がある一定時間継続した場合は、これ以上制御を継続することは不可能なので、出力信号１９ｄにより出力信号２０は設定値１１の信号に切換え、速度制御演算部１２に固定値が入力され、水車発電機を安全な方向に保護動作させる。
【００３４】
次に、本発明の他の実施例について説明する。図１において５０はマイコン（μ−ｃｏｍ）などによって構成することができる。例えば図２の（Ａ）に示すように、回転速度信号１を取りこみ、その信号の処理、判断をおこない切換え制御信号（１９ａ〜１９ｄ）を出力し、切換制御をおこなうことができる。また図２の（Ｂ）は、図１の２において、複数の一次遅れ要素を設けた場合である。一次遅れ要素２ｂは図１の２と同じであるが、これを基準に２ａあるいは２ｃを含め一時遅れ要素を３個備え，軸振動などに伴う高周波成分の大きさに応じて切換制御をおこなうことができる。
【００３５】
信号１３ａ〜１３ｃを予め定められた条件によって選択する。俊敏な応答が要求される場合であっても、回転速度信号を直接速度制御演算部に入力するよりも、例えば信号１３ａを選択した方が安定した制御ができることがある。それは一次遅れ要素２ａの設定にもよるが、俊敏な応答が要求される場合であっても、回転速度信号を直接入力できるのは、実態として高周波成分が小さい場合に限られる。
【００３６】
図３はその処理フローの例を示している。ステップ１０２で回転速度信号１を取り込む。そしてステップ１０４では俊敏応答が要求されているかどうかを判断し、俊敏応答が要求されているときはステップ１１２で一次遅れ要素を経由することなく回転速度信号１の選択をおこなう。また俊敏応答の程度あるいは高周波成分の大きさによっては、信号１３ａを選択する。またステップ１０６に示したように系統への接続前は一般的に俊敏応答が要求されるので、ステップ１１２により回転速度信号は信号１あるいは１３ａが選択される。回転速度信号に高周波が重畳されていないような場合、すなわち軸振動などが比較的少ない場合は回転速度信号１を選択し、高周波成分が多少含まれているような場合は、信号１３ａを選択する。
【００３７】
また、ステップ１０８では回転速度信号の分析を行い、あらかじめ定められた高周波ｆ１〜ｆ３（ｆ１＜ｆ２＜ｆ３）の回転速度信号に占める割合、Ｆ１〜Ｆ３を求める。そしてステップ１１０では予め定めた条件により、信号を選択する。例えばＦ１あるいはＦ２よりもＦ３が大きいときは比較的高い周波数の信号が多く含まれているので信号１３ａを選択する。また比較的低い周波数の信号が多く含まれている場合は、Ｆ２あるいはＦ３よりもＦ１が大きい場合であり、信号１３ｃを選択する。このようにすれば、高周波成分の大小により、複数設けられた一次遅れ要素の中から最適な一次遅れ要素を選択することができる。
【００３８】
選択切替信号１９ａは前記のような信号の選択ができる。これらの信号選択は、図１の速度信号選択条件５に対応する。信号１を選択した場合、高周波の影響が予想されるような場合は、信号１３ａを選択する。これらの選択論理は予め決めておけばよい。また一次遅れ要素２ａのゲインを０．３Ｋ１などに設定する、などＫ１を基準にいろんな設定が考えられ、機器の状況に応じて定めることができる。
【００３９】
また、図４は図１の速度信号喪失検出４に対応する処理フローを示している。ステップ１２０では回転速度信号が取りこまれているかどうかをチェックする。例えば単位時間当たりに予め定められたパルス数が取りこまれているかどうかなどをチェックする。そして入力されるべきパルス数がなくなったか、あるいは極端に減少した場合、回転速度信号の喪失と判断する。そしてステップ１２２でタイマー回路を起動する。一方で，一次遅れ要素７を自己保持に切替る信号１９ｂを出力し、ステップ１２４ではその自己保持を確認し、切換信号１９ｃを出力する。これは図１の切換部８の切換信号となる。
【００４０】
またタイマーが始動してから所定時間が経過した場合（回転速度信号の喪失時間が所定時間継続）は、何らかの原因により回転速度信号が途絶えたと判断し、切換部１０への切換１９ｄを出力する。切換信号１９ｄは信号１７から設定値１１の値に切換ることになる。すなわち信号２０は予め定めた固定値（擬似信号）を速度制御演算部１２に与える。ステップ１２７は回転速度信号１の喪失が瞬時的なものであってタイマー９の所定時間経過前に復帰したかどうかを判断し、復帰した場合はタイマー９のリセット、あるいは自己保持信号１８を解除する。
【００４１】
また図５は一次遅れ回路に対する進み補償回路２１を設けた例である。図２でいえば、２ｂの後段に設けることになる。補償回路は図２の（Ｂ）でいえば、２ｂ、２ｃの後段に設けられることが多い。一時遅れ要素２ａは、進み回路で補償するまでもないような一次遅れ要素であって、特に補償回路を設けない場合が多い。
【００４２】
以上、説明したように、本発明は回転速度信号に含まれる軸振動等に起因する高周波成分の大きさに応じて常に最適な一次遅れ要素を選択することにある。したがって、調速機回転速度信号として速度制御演算部に入力される信号は調速機の制御系に擾乱を与えることなく、安定した速度制御を行なうことができる。また回転速度信号が喪失した場合も、自己保持回路によってそのときの回転信号を保持して速度制御演算部に入力し、速度制御をおこなうので弁開度を急激に変化させることもない。また所定時間経過後は固定設定値を速度信号として速度制御演算部１２に与えた後、水車発電機の停止動作など保護制御に移行するので、調速機の制御に悪影響を与えることがない。
【００４３】
本発明が解決する問題は、水車発電機の振動に起因して発生するものであり、根本的には各部の剛性をあげる必要がある。しかし、多大な費用がかかる。一方、本現象を放置すると安定した負荷供給が不可能であると共に機器の寿命を縮めることにもなる。本発明は調速機に機能を追加するだけで安定した負荷運転制御をおこなうおとが可能となるため、コスト低減効果も期待できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、回転速度信号に重畳されている高周波信号の大きさに応じて選択された高周波雑音信号除去回路を経由した信号に基づいて調速機の制御をおこなうので、水車発電機の剛性不足による回転速度信号の多少の乱れにも安定した制御をおこなうことができる。また、水車発電機の剛性改善などが不要であるため全体としてのコスト低減も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例で、回転速度信号取り込み部、切換え部のブロック構成図である。
【図２】本発明の他の実施例で、マイコンで切換制御を行なう場合のブロック図である。
【図３】図２におけるマイコン処理フロー図を示している。
【図４】図２におけるマイコン処理のうち、回転速度信号喪失そしてタイマー処理のフロー図である。
【図５】進み補償回路を用いた例を示す図である。
【図６】従来における一般的な水力発電所の制御ブロック図である。
【符号の説明】
１；回転速度信号２；第一の一次遅れ要素３；第二の一次遅れ要素４；回転速度信号喪失検出５；回転速度信号選択条件６；切換部７；切換部
８；切換部９；タイマー１０；切換部１１；設定値１２；速度制御演算部１３；出力１４；出力１５；出力１６；出力１７；出力１８；出力１９；出力２０；出力２１；一次進み要素３１；水車発電機３２；負荷３３；水車発電機出力３４；回転速度３５；回転速度信号検出装置
３６；調速機３７；目標速度３８；垂下率出力３９；制御目標値演算部
４０；制御目標値４１；偏差４２；増幅部４３；制御指令値４４；配圧弁４５；出力４６；実際の開度４７；サーボモータ。

Claims

水車に流入する水量を調整するための案内羽根開度を操作制御するサーボモータを有し、水車発電機の回転速度を制御する水力発電所の調速機において、水車発電機の回転速度を検出し、前記回転速度信号に含まれる水車発電機の軸振動に伴う高周波信号に応じて複数の雑音除去回路の中から予め定められている一つの出力信号を選択し、前記選択された信号を入力信号とするかあるいは回転速度信号を直接入力信号とするかを前記水車発電機の運転条件に応じて選択し、選択された信号を前記調速機の回転速度信号として入力することを特徴とする調速機における回転速度入力方法。
請求項１において、前記雑音除去回路は複数の一次遅れ要素により構成し、前記一次遅れ要素のうちの一つの出力信号を前記回転速度信号として選択し、選択された信号を前記調速機に入力することを特徴とする調速機における回転速度入力方法。
請求項２において、前記一次遅れ要素の後段に前記遅れ要素の補償要素として一次進み要素を設け、前記進み要素の出力信号を前記回転速度信号とすることを特徴とする調速機における回転速度入力方法。
請求項１において、前記回転速度信号の喪失を検出した時直前の回転速度信号を保持して回転速度信号とし、予め定めた時間経過しても前記回転速度信号が得られないとき前記回転速度信号を所定の固定値とし、前記水車発電機の停止制御に移行することを特徴とする調速機における回転速度入力方法。
水車に流入する水量を調整する案内羽根の開度を操作するサーボモータと、水車発電機の回転速度検出手段と、目標速度設定部とを有し、水力発電機の回転速度を制御する調速機において、前記水車発電機の回転速度検出手段による回転速度信号を入力信号とする複数の雑音除去回路と、前記回転速度信号に含まれる高周波成分の大きさに応じて選択される前記雑音除去回路の出力信号を入力信号とするかあるいは前記回転速度信号を直接調速機への入力信号とするかを前記水車発電機の運転条件応じて選択する選択切換手段とを備え、前記選択切換えられた信号を前記調速機の入力信号とすることを特徴とする調速機における回転速度入力装置。
請求項５において、前記回転速度信号の喪失を検出する手段と、前記手段により回転速度信号の喪失が検出されたとき直前の回転速度信号を保持する手段と、前記回転速度信号の喪失が検出された時点からの経過時間をカウントするタイマーと、前記タイマーにより所定の時間が経過したとき回転速度信号を予め定めた設定値に切換える切換手段と、を備えたことを特徴とする調速機における回転速度入力装置。
請求項５において、前記複数の雑音除去回路を一次遅れ要素で構成し、前記一次遅れ要素の後段に遅れを補償するための補償回路、を設けたことを特徴とする調速機における回転速度入力装置。