発電機のフライホイール効果とタービン調速機システムの安定性

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現代の大型水力発電機は慣性定数が小さく、タービン調速機システムの安定性に関する問題に直面する可能性があります。これはタービン水の挙動によるもので、制御装置が作動すると、その慣性により圧力パイプにウォーター ハンマーが発生します。これは通常、水力加速時定数によって特徴付けられます。単独運転では、システム全体の周波数がタービン調速機によって決定される場合、ウォーター ハンマーが速度制御に影響を及ぼし、不安定性がハンチングまたは周波数の変動として現れます。大規模システムとの相互接続運転では、周波数は基本的に調速機によって一定に保持されます。その後、ウォーター ハンマーはシステムに供給される電力に影響を及ぼし、安定性の問題は電力が閉ループで制御される場合、つまり周波数調整に参加する水力発電機の場合にのみ発生します。

水車調速機の安定性は、水塊の水力加速時定数による機械的加速時定数と調速機のゲインの比に大きく影響されます。この比が低下すると不安定化を招き、調速機ゲインの低下が必要となり、周波数の安定化に悪影響を及ぼします。したがって、水力発電ユニットの回転部には最小限のフライホイール効果が必要ですが、これは通常、発電機にのみ設けられています。代替手段として、圧力逃し弁やサージタンクなどを設置することで機械的加速時定数を低減することも可能ですが、一般的に非常に高価です。水力発電ユニットの速度調整能力に関する経験的な基準は、ユニットが単独で運転している定格負荷全体を遮断した際に発生する可能性のあるユニットの速度上昇に基づくことができます。大規模な相互接続システムで運転され、システム周波数を調整する必要がある発電ユニットの場合、上記で計算した速度上昇率は45%を超えないと考えられました。小規模なシステムの場合は、より小さな速度上昇率を設ける必要があります（第4章参照）。

取水口からデハール発電所までの縦断図
（出典：著者論文 - 第2回世界会議、国際水資源協会、1979年）デハール発電所では、取水口、圧力トンネル、差圧サージタンク、水圧管路からなる調整池と発電ユニットを接続する水圧水システムが示されている。水圧管路の最大圧力上昇を35%に制限すると、調速機を閉弁させた場合のユニットの最大速度上昇は約45%と推定される。
発電機回転部の通常のフライホイール効果（温度上昇のみを考慮した場合）を考慮した場合、定格落差282m（925フィート）で9.1秒の運転時間を達成しました。運転開始第1段階では、速度上昇は43%以下でした。したがって、通常のフライホイール効果はシステムの周波数調整に十分であると判断しました。

発電機パラメータと電気的安定性
安定性に関係する発電機パラメータは、フライホイール効果、過渡リアクタンス、短絡比である。デハールのような420kV超高圧システムの開発初期段階では、システムの弱さ、短絡レベルの低さ、進相力率での運転、送電口の設置費用の節約、発電機のサイズとパラメータの固定といった理由から、安定性の問題が深刻になりがちである。デハール超高圧システムのネットワークアナライザ（過渡リアクタンスの後ろの定電圧を使用）による予備的な過渡安定性研究でも、限界的な安定性しか得られないことが示された。デハール発電所の設計初期段階では、通常の発電機を設計する際には、
特性と安定性の要件を満たすために、特に励磁システムをはじめとする他の関連要因のパラメータを最適化することは、経済的に安価な代替手段となるだろう。英国システムの研究においても、発電機パラメータの変更が安定余裕に与える影響は比較的小さいことが示された。したがって、付録に示されている通常の発電機パラメータが発電機に指定された。実施された詳細な安定性研究は以下に示すとおりである。

ライン充電容量と電圧安定性
遠隔地に設置された水力発電機は、長い無負荷EHV線路を充電するために使用され、その充電kVAが発電機の線路充電容量を超える場合、発電機が自己励起し、制御不能な電圧上昇を引き起こす可能性があります。自己励起の条件はxc < xdです。ここで、xcは容量性負荷リアクタンス、xdは同期直軸リアクタンスです。420 kV無負荷線路1本（E2 / xc）をパニパット（受電端）まで充電するために必要な容量は、定格電圧で約150 MVARでした。第2段階で同等の長さの2本目の420 kV線路が設置される場合、定格電圧で両方の無負荷線路を同時に充電するために必要な線路充電容量は約300 MVARになります。

機器の供給業者から通知された、デハール発電機の定格電圧で利用可能なライン充電容量は次のとおりです。
（i）70パーセント定格MVA、つまり121.8MVARのライン充電は、10パーセントの最小正励起で可能です。
(ii) 定格 MVA の最大 87 パーセント、つまり 139 MVAR のライン充電容量が、最小 1 パーセントの正励起で可能です。
(iii)BSSによれば、定格MVARの最大100パーセント、すなわち173.8ライン充電容量は約5パーセントの負励起で得られ、10パーセントの負励起で得られる最大ライン充電容量は定格MVAの110パーセント（191MVAR）です。
(iv) 回線充電容量をさらに増加させるには、マシンのサイズを大きくするしかありません。 (ii) と (iii) の場合、励磁を手動で制御することは不可能なので、速断型自動電圧調整器の連続動作に全面的に依存する必要があります。回線充電容量を増やす目的でマシンのサイズを大きくすることは、経済的に実現可能でもなく、望ましいことでもありません。したがって、動作の第 1 段階の動作条件を考慮し、発電機に負の励磁を提供することで、発電機の定格電圧で 191 MVAR の回線充電容量を提供することが決定されました。電圧不安定性を引き起こす重要な動作条件は、受信端での負荷の切断によっても発生する可能性があります。この現象は、発電機の速度上昇によってさらに悪影響を受けるマシンへの容量性負荷によって発生します。自己励起と電圧不安定性が発生する可能性があるのは、次の場合です。

Xc ≤ n2 (Xq + XT)
ここで、Xcは容量性負荷リアクタンス、Xqは横軸同期リアクタンス、nは負荷遮断時に発生する最大相対過速度です。デハール発電機におけるこの状態は、実施された詳細な調査に基づき、受電端に恒久的に接続した400kV超高圧分路リアクトル（75MVA）を設置することで回避することが提案されました。

ダンパー巻線
制動巻線の主な機能は、容量性負荷による線間故障時に過大な過電圧を防止し、機器への過電圧ストレスを軽減することです。遠隔地や長距離の相互接続送電線を考慮し、制動巻線は完全接続されており、直軸リアクタンスと直交軸リアクタンスの比Xnq/Xndは1.2を超えないことが規定されています。

発電機特性と励磁システム
通常特性の発電機が選定され、予備調査では限界安定性しか示されなかったため、安定余裕度を向上させ、機器配置を全体的に最も経済的なものにするために、高速静止励磁装置を使用することが決定されました。静止励磁装置の最適な特性を決定するための詳細な調査が行われ、第10章で考察されています。

地震に関する考慮事項
デハール発電所は地震帯に位置しています。デハールの水力発電機の設計においては、機器メーカーと協議の上、現地の地震および地質条件、そしてインド政府がユネスコの支援を受けて設置したコイナ地震専門家委員会の報告書を考慮し、以下の規定が提案されました。

機械的強度
デハール発電機は、機械の中心に作用するデハールで予想される垂直方向と水平方向の両方向の最大地震加速度に安全に耐えられるように設計される必要があります。

固有振動数
機械の固有振動数は、磁気周波数100Hz（発電機周波数の2倍）から十分に離れた（高く）状態に維持する必要があります。この固有振動数は地震の周波数から十分に離れており、地震の卓越振動数と回転システムの危険速度に対して十分な余裕があるかどうかを確認します。

発電機ステーターサポート
発電機ステーターと下部スラスト・ガイドベアリングの基礎は、複数のソールプレートで構成されています。ソールプレートは、通常の垂直方向に加えて、横方向にも基礎ボルトによって基礎に固定されます。

ガイドベアリング設計
ガイドベアリングはセグメント型とし、ガイドベアリング部分は地震力に耐えられるよう強化する。さらにメーカーは、上部ブラケットを鋼製桁でバレル（発電機筐体）と横方向に固定することを推奨した。これは、コンクリート製バレルの補強も必要になることを意味する。

発電機の振動検出
地震による振動が規定値を超えた場合に停止と警報を発令するため、タービンおよび発電機に振動検出器または偏心計を設置することが推奨されます。この装置は、タービンに影響を及ぼす油圧条件によるユニットの異常振動の検出にも使用できます。

水星の接触
水銀接点を使用している場合、地震による激しい揺れにより、ユニットのシャットダウンを開始する誤作動が発生する可能性があります。これは、耐振型水銀スイッチを指定するか、必要に応じてタイミングリレーを追加することで回避できます。

結論
（１）デハール発電所では、送電網の規模とそれがシステムの予備容量に与える影響を考慮して大型ユニットを採用することにより、設備と構造のコストを大幅に削減することができました。
（２）回転子リム打ち抜き加工用の高張力鋼の開発により、大型高速水力発電機でも傘型構造を採用することが可能となり、発電機のコストが低減した。
（３）詳細な検討を行った上で自然高力率発電機を調達することで、さらなるコスト削減が実現しました。
（４）デハールの周波数調整所における発電機回転部の通常のフライホイール効果は、大規模な相互接続システムであるため、タービン調速機システムの安定性には十分であると考えられた。
（５）超高圧ネットワークに給電する遠隔地の発電機の電気的安定性を確保するための特殊なパラメータは、高速応答の静的励磁システムによって満たすことができます。
（6）高速動作の静止励磁システムは必要な安定余裕を確保できる。しかしながら、このようなシステムでは、故障後の安定性を確保するために安定化フィードバック信号が必要となる。詳細な検討を行う必要がある。
（７）長いEHV線路によって系統に接続された遠隔地の発電機の自己励起および電圧不安定性は、負励起に頼って機械の線路充電容量を増やすか、または恒久的に接続されたEHVシャントリアクトルを使用することによって防止することができる。
（８）発電機とその基礎の設計において、少ない費用で地震力に対する安全策を講じることができる。

デハール発電機の主なパラメータ
短絡比 = 1.06
過渡リアクタンス直接軸 = 0.2
フライホイール効果 = 39.5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd が 1.2 以下