JP2020090892A - 水力発電装置および発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】系統連係を中断せずにゴミ等の除去を行なうことができる水力発電装置を提供する。【解決手段】水力発電装置１００は、発電機３が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、中間ノードに出力するＡＣ／ＤＣ変換器４と、中間ノードの直流電圧を交流電圧に変換し、電力系統に逆潮流させる系統連係機器である系統連係インバータ１０と、中間ノードの直流電圧の変動を系統連係機器が逆潮流を維持可能な範囲に抑制する電圧維持装置５と、水車の回転に制動力を与える制動力発生部である除塵ブレーキ１２と、制御装置（ＣＰＵ７）とを備える。制御装置は、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御することによって、水車１の回転速度を変動させるかまたは水車１の回転を停止させる除塵運転を実行する。制御装置は、電圧維持装置５の電圧変動抑制能力に応じて定められた期間だけ除塵運転を実行する。【選択図】図３

Description

この発明は、水力発電装置および発電システムに関し、特に小型の水力発電装置の制御に関する。

水力発電装置は流水が持つ運動エネルギーを発電に利用する装置である。水力発電装置は、主な構成として、水の流れを受け回転する水車と、水車と連結され回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の出力および水車を制御する制御装置とを含む。発電機から取り出す最適な電力は流速により変化するため、制御装置は、流速あるいは水車の回転速度あるいは発電機発電電圧を計測し、発電機から取り出す最適な電力を決定し、発電機の電力量と最適値が一致するように発電機を制御する。

上流より発電機に漂着するゴミ、水草、枝、紐等は、水車に絡まり発電量の低下の要因となる。このため、水力発電では、ゴミ対策が重要である。たとえば、水車の上流にゴミを除去する装置を設置することが好ましい。

たとえば、水車設置場所より上流の水路に異物を除去する除塵設備を設置することが考えられる。しかしながら、小型で水路に手軽に設置可能な小水力発電装置では、大掛かりな除塵設備はコストアップの要因となるので使用することは難しい。このため、小水力発電装置には、たとえばくし型のフィルタなど簡易的な除塵機を設置することが考えられる。

このような簡易的な除塵機を設置した場合、多少のゴミや水草が水車に流れ込む場合がある。水車に流れ着いたゴミは、そのまま素通りするものもあれば、水車の水車翼（羽根）に引っかかるものもある。水車翼に引っかかったゴミは、水車翼の回転による水圧や遠心力、水流による水圧によって、水車翼に押し付けられた状態となり外れなくなる。水車に付着したゴミや水草が増えると発電力の低下を引き起こす。したがって、簡易的な除塵機は完全なゴミ対策とはならず、水車に付着したゴミの定期的な除去作業が必要となる。

特開２０１７−０８９６１２号公報（特許文献１）には、このような小電力水力発電装置のゴミ対策についての技術が開示されている。

特開２０１７−０８９６１２号公報

特開２０１７−０８９６１２号公報（特許文献１）に開示された水力発電装置には、水車の翼に付着したゴミを取り除くために除塵用電磁ブレーキが設置されており、定期的にその電磁ブレーキで翼の停止と回転とを繰り返す除塵ブレーキ制御を行っている。

このような水力発電装置を商用電源と系統連係することも検討されている。このような水力発電装置を商用電源と系統連係する場合、水車を系統連係インバータ（日本では「パワーコンディショナ」と呼ばれることがある）に接続して発電した電力を系統に逆潮流させる。系統連係インバータに水車を１台接続して発電した電力を逆潮流させる場合、定期的に除塵制御で発電機の回転を止めると、回転を止めた時に系統連係インバータの入力電圧が低下する。

系統連係インバータは、入力電力がある値よりも低下すると待機状態に移行するように設計されているため、除塵ブレーキを作動させると系統連係インバータが待機状態になる場合がある。系統連係インバータが一旦待機状態に移行すると、除塵制御が終了して入力電圧が回復しても系統に再接続するまでにしばらく時間を要するため、その間逆潮流をさせることができなくなり売電収入が減少する。また、それを定期的に繰り返すことは系統に悪影響を与える可能性がある。

この発明は、上記の課題を解決するためのものであって、その目的は、系統連係を中断せずにゴミ等の除去を行なうことができる水力発電装置を提供することである。

本開示は、水力発電装置に関する。水力発電装置は、水車と、水車の回転によって発電する発電機と、発電機が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、中間ノードに出力するＡＣ／ＤＣ変換器と、中間ノードの直流電圧を交流電圧に変換し、電力系統に逆潮流させる系統連係機器と、中間ノードの直流電圧の変動を系統連係機器が逆潮流を維持可能な範囲に抑制する電圧維持装置と、水車の回転に制動力を与える制動力発生部と、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御することによって、水車の回転速度を変動させるかまたは水車の回転を停止させる除塵運転を実行する制御装置とを備える。制御装置は、電圧維持装置の電圧変動抑制能力に応じて定められた期間だけ除塵運転を実行する。

好ましくは、電圧維持装置は、コンデンサまたは二次電池である。電圧変動抑制能力は、コンデンサまたは二次電池の容量によって定まる能力である。

好ましくは、系統連係機器は、系統連係インバータである。

好ましくは、電圧維持装置は、蓄電装置と、中間ノードと蓄電装置とを接続するスイッチとを含む。制御装置は、スイッチを閉状態としているときに、蓄電装置の充電状態がしきい値を超えるとスイッチを開状態にして待機状態に移行し、待機状態にあるときに、制動力を増減させる条件が成立すると、スイッチを閉状態に変更した後に除塵運転を実行する。
好ましくは、水車は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する。
好ましくは、水車は、垂直軸型の回転翼を有する。

本発明によれば、ゴミ等の除去を行なう場合に、水力発電装置の系統連係を中断せずに済み、売電量の減少を防ぐことができる。

本実施の形態の水力発電装置の概略構成を示すブロック図である。 除塵ブレーキの動作を説明するための波形図である。 除塵ブレーキと水車とを追加して示した水力発電装置の構成を示す図である。 図３の構成において水車に付着したゴミを除去する制御を説明するためのフローチャートである。 電圧維持装置としてコンデンサを採用した構成を示す図である。 コンデンサの効果を説明するための波形図である。 電圧維持装置として蓄電装置を採用した変形例の構成を示す図である。 図７に示す変形例の除塵運転時のスイッチの制御を説明するためのフローチャートである。 図７に示す変形例の非除塵運転時のスイッチの制御を説明するためのフローチャートである。 水平軸型のプロペラ式回転翼を有する水力発電装置を示す図である。 垂直軸型の回転翼を有する水力発電装置を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

図１は、本実施の形態の水力発電装置の概略構成を示すブロック図である。図１を参照して、水力発電装置１００は、水車に接続された発電機３と、発電機３が発電した交流電力を直流電力に変換して中間ノードＮＭに出力するＡＣ／ＤＣ変換器４と、中間ノードＮＭの電圧を維持する電圧維持装置５と、中間ノードＮＭと系統１１との間に接続された系統連係インバータ１０とを含む。電圧維持装置５としては、二次電池（バッテリー）またはコンデンサを使用することができるが、他の電圧を維持できる装置、たとえば発電装置などであっても良い。

図２は除塵ブレーキの動作を説明するための波形図である。除塵ブレーキは、水車に設置した電磁ブレーキを実行時間Ｔの間ＯＮ／ＯＦＦを繰り返して水車の回転を減速または停止する操作を行なう。このような電磁ブレーキをＯＮ／ＯＦＦさせる期間を何回か繰り返すことによって、水車の翼に引っかかったゴミ等が翼から外れて下流に流される。

図３は、除塵ブレーキと水車とを追加して示した水力発電装置の構成を示す図である。図３を参照して、本実施の形態に係る水力発電装置１００は、水車１と、発電機３と、回転速度検出器６と、除塵ブレーキ１２と、ＣＰＵ７と、ＡＣ／ＤＣ変換器４と、電圧維持装置５と、系統連係インバータ１０とを含む。

水車１は、流水の力で回転する。水車１には発電機３が連結されている。発電機３は、水車１の回転に伴い発電を行なう。発電機３は三相同期発電機であり、その出力は三相交流で出力される。発電機３の三相交流出力は、ＡＣ／ＤＣ変換器４によって直流に変換される。

なお、ここでは具体例として発電機３が三相同期発電機である場合について説明するが、発電機３の型式を限定するものではない。発電機３として、三相誘導発電機や直流発電機など、任意の型式の発電機を、発電機の型式に対応した制御装置と組合せて使用することができる。

除塵ブレーキ１２としては、運動エネルギーを摩擦により熱に変換する機械式ブレーキを使用することができる。たとえば、除塵ブレーキ１２として電磁ブレーキやディスクブレーキを使用することができる。

なお、本実施の形態では、除塵ブレーキ１２で発生させる制動力を増減させることによって、水車１の回転速度を増減または回転を停止させるが、発電機３の負荷を増減させて水車１の回転速度を増減させても良い。

図４は、図３の構成において水車に付着したゴミを除去する制御を説明するためのフローチャートである。図３、図４を参照して、ステップＳ１において、ＣＰＵ７は、除塵運転条件が成立したか否かを判断する。

除塵運転条件は、水車１にゴミが付着した可能性が高まった場合に成立する。たとえば、以下の条件（１）〜（４）のいずれか１つが成立した場合に、ＣＰＵ７は、除塵運転条件が成立したと判断する。なお、条件（１）〜（４）のうち、２つまたはそれ以上を組み合わせた条件が成立した場合に、ＣＰＵ７は、除塵運転条件が成立したと判断しても良い。

条件（１）：水力発電装置の発電量がしきい値よりも低下したこと。条件（２）：回転速度検出器６が検出した水車１の回転速度が低下して、しきい値を下回ったこと。条件（３）：水力発電装置の発電電圧がしきい値よりも低下したこと。条件（４）：前回の除塵運転条件成立時（または解除時）から所定の時間が経過したこと。

ステップＳ１において、除塵運転条件が成立しないと判断された場合（Ｓ１でＮＯ）、ＣＰＵ７は、ステップＳ９に処理を進める。この場合、制御は水力発電装置１００の発電制御のメインルーチンに戻される。

一方、ステップＳ１において、除塵運転条件が成立したと判断された場合（Ｓ１でＹＥＳ）、ＣＰＵ７は、ステップＳ２〜Ｓ８に示される除塵運転を実行する。

本実施の形態では、ＣＰＵ７は、除塵運転として除塵ブレーキ１２の制動力を増減させる。たとえば、ＣＰＵ７は、回転速度検出器６によって発電機３の回転速度の低下を検出した時、制動力が最大値とゼロとを繰り返すように除塵ブレーキ１２への指令信号を出力することによって、水車１の回転速度が増減を繰り返すようにする。

具体的には、ステップＳ２において、ＣＰＵ７は、内蔵するカウンタをクリアする。このカウンタは、繰返しの回数を計測するためのカウンタである。続いて、ステップＳ３において、ＣＰＵ７は、除塵ブレーキ１２が制動力を発生するように指令信号ＳＢを設定する（ブレーキＯＮ）。その後ステップＳ４において、ＣＰＵ７はブレーキＯＮ状態において設定時間（たとえば１〜１０秒）待つ。

次に、ステップＳ５において、ＣＰＵ７は、除塵ブレーキ１２が制動力を発生させないように指令信号ＳＢを設定する（ブレーキＯＦＦ）。その後ステップＳ６において、ＣＰＵ７はブレーキＯＦＦ状態において設定時間（たとえば１〜１０秒）待つ。

続いてＣＰＵ７は、ステップＳ７においてカウンタをインクリメントし、ステップＳ８において、カウンタのカウント値が上限値（増減繰返しの設定回数）に達したか否かを判断する。ステップＳ８において、カウント値がまだ上限値に達していなければ、ＣＰＵ７は処理をステップＳ３に戻し、再びブレーキをＯＮさせる。

一方、ステップＳ８において、カウント値が上限値に達した場合には、ステップＳ９に処理が進められ、１回あたりの除塵運転が終了する。

本実施の形態では、水力発電装置の水車１と連結した発電機３に除塵ブレーキ１２を設置し、除塵ブレーキ１２のオンとオフを繰り返す。これによって、発電機３の回転速度を変化させ、発電機３に連結した水車１の回転速度を変化させる。加速時に力を加えた後、減速時に水車１に付着した異物を浮き上がらせ、水流の力で下流に流すことにより、異物を取り除くことができる。したがって、異物が原因で低下した発電量を回復する効果がある。

図５は、電圧維持装置としてコンデンサを採用した構成を示す図である。図６は、コンデンサの効果を説明するための波形図である。図６には、上から除塵ブレーキのＯＮ／ＯＦＦ波形、発電機３の発電電圧、系統連係インバータ１０の入力電圧ＶＩＮＣ（コンデンサ５Ａ無しの場合）、系統連係インバータ１０の入力電圧ＶＩＮＣ（コンデンサ５Ａありの場合）の各波形が示されている。

コンデンサ５Ａは発電機３が発電した電力で充電される。コンデンサ５Ａの容量は、除塵ブレーキがＯＮして発電機３の発電電圧が低下している期間、系統連係インバータ１０の入力電圧ＶＩＮＣをしきい値Ｖｔｈ以上に維持することができる容量に設定する。逆を言えば、図３のＣＰＵ７は、コンデンサ５Ａの容量が入力電圧ＶＩＮＣをしきい値Ｖｔｈ以上に維持することができる時間以内の期間で除塵ブレーキを作動させる。

除塵ブレーキをＯＮすると発電機３の回転速度が低下するため発電機３の発電電圧が下がるので系統連係インバータ１０の入力電圧ＶＩＮＣも時刻ｔ１〜ｔ３に示すように低下する。コンデンサ５Ａが無い場合の比較波形に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３において系統連係インバータの入力電圧ＶＩＮＣが、系統連係インバータ１０の運転を維持する電圧しきい値Ｖｔｈを下回ると、系統連係インバータは待機状態になる。待機状態になると、入力電圧ＶＩＮＣが回復しても系統連係インバータは一定時間待機状態を維持する。その間系統に電力を逆潮流させないため売電量が減少する。それを回避するため、系統連係インバータ１０の入力側にコンデンサ５Ａを設置して、入力電圧ＶＩＮＣの低下を防ぐ。コンデンサ５Ａを設置し、除塵ブレーキを作動させる期間をコンデンサ５Ａの容量で定まる時間以内の期間に抑えることによって、入力電圧ＶＩＮＣが電圧しきい値Ｖｔｈより高い電圧範囲に維持される。

図７は、電圧維持装置として蓄電装置を採用した変形例の構成を示す図である。図７を参照して、電圧維持装置５Ｂは、蓄電装置２１と、蓄電装置２１の正極を中間ノードＮＭ＋に接続するスイッチ２２とを含む。蓄電装置２１としては、二次電池またはコンデンサを使用することができる。蓄電装置２１の負極は、中間ノードＮＭ−に直接接続されている。電圧維持装置５Ｂに蓄電装置を利用した場合。蓄電装置２１は除塵ブレーキ１２がＯＮしている間系統連係インバータ１０の入力電圧ＶＩＮＣを保つだけでよいので、容量が小さいものでよい。発電機３が発電していないときはスイッチ２２をＯＦＦして、蓄電装置２１が放電しないようにすることが好ましい。

図８は、図７に示す変形例の除塵運転時のスイッチの制御を説明するためのフローチャートである。

図８を参照して、ステップＳ１１において、除塵運転条件が成立した場合、ステップＳ１２〜Ｓ１４以下の処理が実行される一方で、除塵運転条件が成立していない場合、ステップＳ１２〜Ｓ１４の処理は実行されずステップＳ１５において制御はメインルーチンに戻される。

ステップＳ１２では、蓄電装置２１を接続するスイッチ２２がＯＮされ、ステップＳ１３において除塵運転が実行される。除塵運転が終了すると、スイッチ２２がＯＦＦされる。ステップＳ１３における除塵運転の実行時間Ｔは、蓄電装置２１の容量が入力電圧ＶＩＮＣをしきい値Ｖｔｈより高い範囲に維持できる時間に設定されている。したがって除塵運転を実行しても系統連係インバータ１０が待機状態に移行することが防止される。

図９は、図７に示す変形例の非除塵運転時のスイッチの制御を説明するためのフローチャートである。図９を参照して、まずステップＳ２１において除塵運転中で無い場合に、ステップＳ２２以降の処理が実行される。一方、除塵運転中の場合には、図８のフローチャートでスイッチ２２が制御されるので、図９のフローチャートにおいてはステップＳ２１からステップＳ２６に処理が進められる。

ステップＳ２２では、発電機３が発電中であるか否かが判断される。発電中でない場合にスイッチ２２を接続していると、蓄電装置２１が放電してしまうので、ステップＳ２５においてスイッチ２２がＯＦＦされる。

また、ステップＳ２３では、蓄電装置２１の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）が満充電判定しきい値よりも低い場合には、スイッチ２２がＯＮされて蓄電装置２１に充電が行なわれ、ＳＯＣが満充電判定しきい値以上である場合には、スイッチ２２がＯＦＦされて過充電が防止される。

なお、以上の実施の形態において、水車の形態は水平軸型であっても垂直軸型であっても良い。

図１０は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する水力発電装置を示す図である。図１０に示す水力発電装置は、水車１と、ギヤボックスと、発電機３とを含む。水車１は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有し、水流により回転する。発電機３はギヤボックスを介して、水車と連結されている。水車１が回転すると発電機３の回転軸も回転する。

図１１は、垂直軸型の回転翼を有する水力発電装置を示す図である。図１１に示す水力発電装置は、水車１Ａと、発電機３とを含む。水車１Ａは、垂直軸型の回転翼を有し、水流により回転する。発電機３は水車１Ａの回転軸と連結されている。水車１Ａが回転すると発電機３の回転軸も回転する。

最後に、本実施の形態について再び図面を参照して総括する。図１および図３に示す水力発電装置１００は、水車１と、水車１の回転によって発電する発電機３と、発電機３が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、中間ノードＮＭに出力するＡＣ／ＤＣ変換器４と、中間ノードＮＭの直流電圧を交流電圧に変換し、電力系統に逆潮流させる系統連係機器である系統連係インバータ１０と、中間ノードＮＭの直流電圧の変動を系統連係機器が逆潮流を維持可能な範囲に抑制する電圧維持装置５と、水車の回転に制動力を与える制動力発生部である除塵ブレーキ１２と、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御することによって、水車１の回転速度を変動させるかまたは水車１の回転を停止させる除塵運転を実行する制御装置（ＣＰＵ７）とを備える。制御装置は、電圧維持装置５の電圧変動抑制能力に応じて定められた期間だけ除塵運転を実行する。

好ましくは、電圧維持装置５は、コンデンサまたは二次電池である。電圧変動抑制能力は、コンデンサまたは二次電池の容量によって定まる能力である。

好ましくは、図７に示すように、電圧維持装置５の変形例である電圧維持装置５Ｂは、蓄電装置２１と、中間ノードと蓄電装置２１とを接続するスイッチ２２とを含む。図９に示すように、制御装置（ＣＰＵ７）は、スイッチ２２を閉状態としているときに、蓄電装置２１の充電状態ＳＯＣがしきい値を超えると（Ｓ２３でＮＯ）スイッチを開状態にして待機状態に移行し（Ｓ２５）、図８に示すように、待機状態にあるときに、制動力を増減させる条件が成立すると（Ｓ１１でＹＥＳ）、スイッチ２２を閉状態に変更した後に除塵運転を実行する（Ｓ１３）。
好ましくは、図１０に示すように、水車１は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する。
好ましくは、図１１に示すように、水車１Ａは、垂直軸型の回転翼を有する。

このような構成を有する水力発電装置１００において、系統連系機器に水車１または１Ａを接続して水車１または１Ａの発電電力を系統１１に逆潮流させ、水車１または１Ａの翼についたゴミなどを除去することを目的に定期的に除塵ブレーキ１２で水車１または１Ａに短時間制動を与える。電圧維持装置５または５Ｂを備えるので、除塵ブレーキによる制動力を与える期間でも系統連系機器が逆潮流を維持できる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 水車、３ 発電機、４ ＡＣ／ＤＣ変換器、５，５Ｂ 電圧維持装置、５Ａ コンデンサ、６ 回転速度検出器、１０ 系統連係インバータ、１１ 系統、１２ 除塵ブレーキ、２１ 蓄電装置、２２ スイッチ、１００ 水力発電装置。

Claims (6)

1. 水車と、
   前記水車の回転によって発電する発電機と、
   前記発電機が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、中間ノードに出力するＡＣ／ＤＣ変換器と、
   前記中間ノードの直流電圧を交流電圧に変換し、電力系統に逆潮流させる系統連係機器と、
   前記中間ノードの直流電圧の変動を前記系統連係機器が逆潮流を維持可能な範囲に抑制する電圧維持装置と、
   前記水車の回転に制動力を与える制動力発生部と、
   前記制動力が増減することを繰り返すように前記制動力発生部を制御することによって、前記水車の回転速度を変動させるかまたは前記水車の回転を停止させる除塵運転を実行する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記電圧維持装置の電圧変動抑制能力に応じて定められた期間だけ前記除塵運転を実行する、水力発電装置。
2. 前記電圧維持装置は、コンデンサまたは二次電池であり、前記電圧変動抑制能力は、前記コンデンサまたは前記二次電池の容量によって定まる能力である、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記系統連係機器は、系統連係インバータである、請求項１に記載の水力発電装置。
4. 前記電圧維持装置は、
   蓄電装置と、
   前記中間ノードと前記蓄電装置とを接続するスイッチとを含み、
   前記制御装置は、前記スイッチを閉状態としているときに、前記蓄電装置の充電状態がしきい値を超えると前記スイッチを開状態にして待機状態に移行し、前記待機状態にあるときに、制動力を増減させる条件が成立すると、前記スイッチを閉状態に変更した後に前記除塵運転を実行する、請求項１に記載の水力発電装置。
5. 前記水車は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する、請求項１に記載の水力発電装置。
6. 前記水車は、垂直軸型の回転翼を有する、請求項１に記載の水力発電装置。

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