タービンガバナシステムの発電機フライホイール効果と安定性

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最新の大型水力発電機は慣性定数が小さく、タービン制御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あり、その慣性のために、制御装置が操作されているときに圧力管内にウォーターハンマーが発生します。これは一般に、油圧加速時定数によって特徴付けられます。分離運転では、システム全体の周波数がタービンガバナによって決定されると、ウォーターハンマーが速度制御に影響を与え、不安定性がハンティングまたは周波数スイングとして表示されます。大規模なシステムとの相互接続操作の場合、周波数は基本的に後者によって一定に保たれます。次に、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与え、安定性の問題は、電力が閉ループで制御されている場合、つまり周波数調整に関与する水力発電機の場合にのみ発生します。

タービンガバナギアの安定性は、水塊の油圧加速時定数による機械的加速時定数の比率とガバナのゲインに大きく影響されます。上記の比率を下げると不安定化効果があり、ガバナゲインを下げる必要があり、周波数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品には最小限のフライホイール効果が必要であり、これは通常、発電機でのみ提供することができます。あるいは、圧力逃し弁やサージタンクなどを設けることで機械的加速時定数を短縮することもできますが、一般的には非常にコストがかかります。水力発電ユニットの速度調整能力の経験的基準は、独立して動作するユニットの定格負荷全体を拒否したとき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動作し、システム周波数を調整する必要があるパワーユニットの場合、上記で計算された速度上昇指数のパーセンテージは45％を超えないと見なされました。より小さなシステムの場合、より小さな速度上昇が提供されます（第4章を参照）。

取水口からデハール発電所までの縦断面
（出典：著者による論文–第2回世界会議、国際水資源協会1979）Dehar発電所については、バランス貯蔵と取水口、圧力トンネル、差動サージタンクおよび水圧管からなる動力装置を接続する水圧水システムが示されています。 。水圧管の最大圧力上昇を35％に制限すると、全負荷を拒否した場合のユニットの推定最大速度上昇は、ガバナが閉じた状態で約45％になりました。
発電機の回転部分の通常のフライホイール効果を伴う、定格水頭282 m（925フィート）での9.1秒の時間（つまり、温度上昇の考慮事項のみに固定）。運用の最初の段階では、速度の上昇は43％以下であることがわかりました。したがって、システムの周波数を調整するには、通常のフライホイール効果で十分であると考えられました。

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、および短絡率です。Deharのような420kVEHVシステムの開発の初期段階では、システムが弱く、短絡レベルが低く、主要な力率で動作し、送電口の提供とサイズの固定における経済性の必要性のために、安定性の問題が重大になりがちです。発電ユニットのパラメータ。Dehar EHV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背後にある定電圧を使用）での予備的な過渡安定性の研究でも、わずかな安定性しか得られないことが示されました。デハール発電所の設計の初期段階では、通常の発電機を指定することが考えられていました
特性と、特に励起システムのパラメータに関係する他の要因のパラメータを最適化することによって安定性の要件を達成することは、経済的に安価な代替手段となるでしょう。英国のシステムの研究でも、発電機のパラメーターを変更しても、安定マージンへの影響は比較的少ないことが示されました。したがって、付録に記載されている通常のジェネレーターパラメータがジェネレーターに指定されました。実施された詳細な安定性研究が与えられます

ライン充電容量と電圧安定性
充電kVAが機械のライン充電容量を超える長い無負荷のEHVラインを充電するために使用される遠隔地の水力発電機は、機械が自励し、電圧が制御不能に上昇する可能性があります。自己励起の条件は、xc

機器の供給者が示唆したDehar発電機から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％の定格MVA、つまり121.8 MVARのライン充電は、10％の最小正励起で可能です。
（ii）定格MVAの最大87％、つまり139 MVARライン充電容量は、1％の最小正励起で可能です。
（iii）定格MVARの最大100％、つまり、約5％の負の励起で173.8のライン充電容量が得られ、10％の負の励起で得られる最大ライン充電容量は定格MVA（191 MVAR）の110％です。 ）BSSによると。
（iv）ライン充電容量のさらなる増加は、機械のサイズを大きくすることによってのみ可能です。（ii）および（iii）の場合、励起を手動で制御することは不可能であり、即効性の自動電圧調整器の連続動作に完全に依存する必要があります。ライン充電容量を増やす目的で機械のサイズを大きくすることは、経済的に実現可能でも望ましくもありません。したがって、運転の第一段階での運転条件を考慮して、発電機に負の励起を提供することにより、発電機の定格電圧で191MVARのライン充電容量を提供することが決定されました。電圧の不安定性を引き起こす重大な動作状態は、受信側の負荷の切断によっても引き起こされ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機械の容量性負荷が原因で発生します。次の場合、自己励起および電圧の不安定性が発生する可能性があります。

Xc≤n2（Xq + XT）
ここで、Xcは容量性負荷リアクタンス、Xqは直交軸同期リアクタンス、nは負荷除去時に発生する最大相対オーバースピードです。Dehar発電機のこの状態は、実施された詳細な調査に従って、ラインの受信端に恒久的に接続された400 kV EHVシャントリアクター（75 MVA）を提供することによって回避することが提案されました。

ダンパー巻線
ダンパー巻線の主な機能は、容量性負荷によるライン間障害が発生した場合に過剰な過電圧を防止し、それによって機器への過電圧ストレスを軽減する能力です。遠隔地と相互接続された長い送電線を考慮して、1.2を超えない直交および直接軸リアクタンスXnq/Xndの比率で完全に接続されたダンパー巻線が指定されました。

発電機特性および励起システム
通常の特性を備えた発電機が指定され、予備調査では限界安定性のみが示されているため、高速静的励起装置を使用して安定性マージンを改善し、装置の全体的な最も経済的な配置を実現することが決定されました。静的励起装置の最適な特性を決定するために詳細な研究が行われ、第10章で説明されています。

地震に関する考慮事項
デハール発電所は地震帯に分類されます。デハールの水力発電機の設計に関する以下の規定は、機器の製造業者と協議し、現場の地震および地質条件と、ユネスコの支援を受けてインド政府によって構成されたコイナ地震専門家委員会の報告を考慮して提案されました。

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の最大地震加速度に安全に耐えるように設計されています。

固有振動数
機械の固有振動数は、100 Hzの磁気周波数（発電機の周波数の2倍）から十分に離して（高く）保たれます。この固有振動数は地震の周波数から遠く離れており、地震の主な周波数と回転系の危険速度に対して十分なマージンがあるかどうかがチェックされます。

発電機固定子のサポート
発電機の固定子と下部スラストおよびガイドベアリングの基礎は、いくつか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、基礎ボルトによって通常の垂直方向に加えて、横方向に基礎に結び付けられます。

ガイドベアリングの設計
セグメントタイプのガイドベアリングとガイドベアリング部品は、完全な地震力に耐えるように強化されています。製造業者はさらに、鋼桁を使用して上部ブラケットをバレル（発電機エンクロージャー）と横方向に結ぶことを推奨しました。これはまた、コンクリートバレルを強化する必要があることも意味します。

発電機の振動検出
地震による振動が所定の値を超えた場合にシャットダウンとアラームを開始するために、タービンと発電機に振動検出器または偏心計を設置することをお勧めします。この装置は、タービンに影響を与える油圧状態によるユニットの異常な振動の検出にも使用できます。

マーキュリーの連絡先
地震による激しい揺れは、水銀接点が使用されている場合、ユニットのシャットダウンを開始するための誤ったトリップを引き起こす可能性があります。これは、防振タイプの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）Dehar発電所の設備・構造物のコストは、グリッドのサイズとシステムの予備容量への影響を考慮して、大きなユニットサイズを採用することで大幅に節約された。
（2）ローターリムパンチング用の高張力鋼の開発により、大型高速水力発電機で可能となった傘型構造を採用することにより、発電機のコストを削減しました。
（3）詳細な調査を経て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につながった。
（4）Deharの周波数調整ステーションでの発電機の回転部分の通常のフライホイール効果は、相互接続されたシステムが大きいため、タービンガバナシステムの安定性には十分であると考えられました。
（5）電気的安定性を確保するためのEHVネットワークに給電する遠隔発電機の特別なパラメータは、高速応答静的励起システムによって満たすことができます。
（6）速効型静的励起システムは、必要な安定マージンを提供できます。ただし、このようなシステムでは、障害後の安定性を実現するためにフィードバック信号を安定させる必要があります。詳細な調査を実施する必要があります。
（7）長いEHVラインによってグリッドと相互接続されたリモート発電機の自励および電圧の不安定性は、負の励起に頼って機械のライン充電容量を増やすことによって、および/または恒久的に接続されたEHVシャントリアクターを使用することによって防ぐことができます。
（8）発電機とその基礎の設計に、少額の費用で地震力に対する保護を提供するための対策を講じることができます。

Deharジェネレーターの主なパラメーター
短絡率=1.06
過渡リアクタンス直接軸=0.2
フライホイール効果=39.5x 106 lb ft2
Xnq/Xndが=1.2以下