JP6835570B2 - 水車発電システム及び水車発電システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、水車発電システム及び水車発電システムの制御方法に関する。

ポンプ逆転水車を用いて電力を発生させるようにした水車発電システムが知られている。特許文献１には、水路を流れる水量の増減に伴って水車の回転数を調整するようにした水車発電システムが開示されている。特許文献２には、停電時に水車入口に発生する水撃圧を抑制するようにした水車発電システムが開示されている。

特開２００２−２５７０２６号公報 特開２０１３−２２３３２４号公報

しかしながら、特許文献１，２の水車発電システムは、低圧電力（例えば５０ｋＷ未満）を安定供給することについて、何も考慮されていない。

本発明は、低圧電力の安定供給が可能な水車発電システム及び水車発電システムの制御方法を提供することを課題とする。

本発明の第１態様は、主流路と、前記主流路に並列接続された副流路とを有する水路と、前記主流路に配置された水車と、前記水車によって駆動される発電機と、前記発電機の出力を直流に変換して直流電路に出力する発電側変換器と、前記直流電路に接続され、前記発電側変換器が出力した直流を交流に変換して交流電路に出力する系統側変換器と、前記系統側変換器が出力する電力を定められた設定電力に制限する出力制限手段と、前記直流電路に接続され、前記設定電力を超える余剰電力を消費するための抵抗器と、前記水路への水の流入を許容する開口面積を変更するための電動弁と、前記副流路に配置され、前記主流路及び前記副流路を含む前記水路全体に流れる水量を調整するための調整弁と、前記水路を流れる水量を計測するための流量計と、前記系統側変換器からの入力信号に基づいて前記電動弁を制御するとともに、前記流量計の検出結果に基づいて前記調整弁を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記系統側変換器からの入力信号が前記設定電力を超えていることを示す場合、前記電動弁の開口面積を減少させた後、前記流量計の検出結果が定められた目標流量よりも少ないことを示せば前記調整弁を開作動させる一方、前記流量計の検出結果が前記目標流量以上であることを示せば前記調整弁を閉作動させて、前記発電機からの出力を調整する、水車発電システムを提供する。

この水車発電システムによれば、出力制限手段によって系統側変換器が交流電路に出力する電力が設定電力に制限されるため、設定電力を超える電力供給を防止できる。また、設定電力を超える余剰電力は抵抗器によって消費されるため、出力制限を行うことに伴う直流電路の電圧上昇を抑制できる。よって、水車発電システムの非常停止、発電力抑制による年間の発電量が減少、及び水車の回転数変更を行うことなく、水車発電システムの連続運転が可能である。その結果、定められた電力を安定供給できる。

また、本態様では、電動弁を閉作動することで有効落差を減少できるため、発電機によって発生する電力を低減できる。よって、抵抗器によって電力を連続的に消費し続ける必要がないため、発電機盤に設置可能な小型の抵抗器を用いることができる。

さらに、本態様では、制御手段が流量計の検出結果に基づいて調整弁を制御することで、水車を配置した水路の流量を水車発電システムの目標流量に調整できる。

本態様では、前記直流電路の電圧が設定電圧よりも大きくなると、前記直流電路から前記抵抗器への通電を可能とする切換手段を備えることが好ましい。この態様によれば、設定電力よりも発電力が多い場合だけ抵抗器によって電力が消費されるため、発電力が設定電力以下の場合に発生させた電力が無駄に消費されることを防止できる。

本発明の第２の態様は、水路の主流路に配置した水車の回転による発電機の出力を、発電側変換器によって直流に変換して直流電路に出力し、系統側変換器によって前記直流電路から入力される直流を交流に変換しつつ、前記系統側変換器が交流電路に出力する電力を、出力制限手段によって定められた設定電力に制限し、前記直流電路に接続された抵抗器によって前記設定電力を超える余剰電力を消費する一方、前記系統側変換器からの入力信号が前記設定電力を超えていることを示す場合、前記水路に配置された電動弁の開口面積を減少させた後、前記水路に配置された流量計の検出結果が定められた目標流量よりも少ないことを示せば前記水路の副流路に配置された調整弁を開作動させる一方、前記流量計の検出結果が前記目標流量以上であることを示せば前記調整弁を閉作動させて、前記発電機からの出力を調整する、水車発電システムの制御方法を提供する。

本発明では、系統側変換器が交流電路に出力する電力が、出力制限手段によって設定電力に制限されるため、設定電力を超える電力供給を防止できる。また、設定電力を超える余剰電力は抵抗器によって消費されるため、電力の出力制限に伴う直流電路の電圧上昇を抑制できる。よって、定められた低圧電力を安定供給できる。

実施形態の水車発電システムの概略構成図。 水路の流量と発電力の関係の一例を示すタイムチャート。 水車発電システムの制御を示すフローチャート。 変形例の水車発電システムの概略構成図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１から図３は、本発明の実施形態に係る水車発電システム１０を示す。図１に示すように、水車発電システム１０は、ポンプ逆転水車（以下「水車」という。）１６、発電機１７、発電側変換器２０、及び系統側変換器２２を備える。水車１６の回転により発電機１７が発生させた電力は、発電側変換器２０を介して系統側変換器２２から交流電路２３に出力される。本実施形態では、発電力Ｐが定められた設定電力Ｐｄを超える場合に、これらの差である余剰電力Ｐｓを自己消費しつつ、発電力Ｐが設定電力Ｐｄになるように調整する。

水車発電システム１０は、定められた高度に設けられた水源（図示せず）と、この水源に接続された閉水路１２とを備える。水路１２には、並列に接続された主流路１３と副流路１４とが形成されている。主流路１３には、水源から流入した水によって回転する水車１６が配置されている。この水車１６としては、ガイドベーンが設けられていない簡素な構成の水車が用いられている。水車１６には、水車１６の回転によって電力を発生させる発電機１７が連結されている。発電機１７としては、例えば永久磁石式同期発電機が用いられる。

発電機１７の近傍には発電機盤１９が配置され、この発電機盤１９に発電側変換器２０と系統側変換器２２とが配置されている。発電側変換器２０は発電機１７に電気的に接続され、系統側変換器２２は直流電路２１によって発電側変換器２０に電気的に接続されている。発電側変換器２０は、発電機１７の出力を直流に変換して直流電路２１に出力する整流器である。系統側変換器２２は、発電側変換器２０が出力した直流を交流に再変換して交流電路２３に出力するインバータである。交流電路２３は、商用電力系統に接続するための系統連系である。

本実施形態の水車発電システム１０は、系統側変換器２２からの最大供給電力Ｐｍを規定電力Ｐｐ未満とする低圧発電設備である。発電設備に関する基準では、交流電路２３の電圧が低圧（基準電圧２１０Ｖ）の場合、系統側変換器２２から交流電路２３への供給電力Ｐｏを規定電力Ｐｐ（５０ｋＷ）未満にする必要がある。最大供給電力Ｐｍを設定電力Ｐｄ（例えば４９．９ｋＷ）に制限（Ｐｐ＞Ｐｄ＝Ｐｍ）するために、水車発電システム１０には、出力制限手段２５、抵抗器２６、電動弁２８、調整弁２９、流量計３０、及び制御手段３３が用いられている。

出力制限手段２５は、系統側変換器２２が出力する供給電力Ｐｏを設定電力Ｐｄに制限するものである。この出力制限手段２５としては、系統側変換器２２に内蔵され、交流電路２３に出力された電圧を計測し、電流を調整することで出力する供給電力Ｐｏを調整可能な計測ユニットが用いられている。

抵抗器２６は、設定電力Ｐｄを超える余剰電力Ｐｓを熱として消費する制動抵抗である。この抵抗器２６は、発電側変換器２０と系統側変換器２２との間の直流電路２１に電気的に接続されている。直流電路２１と抵抗器２６との間には切換手段２７が設けられている。抵抗器２６と切換手段２７とは発電機盤１９内に配置されている。

切換手段２７は、直流電路２１の電圧Ｖが設定電圧Ｖｃ１よりも大きくなると、直流電路２１から抵抗器２６への通電を可能とするものである。この切換手段２７は、直流電路２１の電圧Ｖを検出する電圧検出器と、スイッチング素子からなる常開の抵抗チョッパとを備える。例えば切換手段２７は、検出電圧Ｖが第１設定電圧Ｖｃ１（例えば７２０Ｖ）まで上昇すると抵抗チョッパを閉鎖し、検出電圧Ｖが第２設定電圧Ｖｃ２（例えば６８０Ｖ）まで低下すると抵抗チョッパを開放する。抵抗チョッパの閉鎖により直流電路２１から抵抗器２６への通電が可能になり、抵抗器２６で余剰電力Ｐｓを消費することで、直流電路２１の電圧Ｖの上昇を抑制する。

電動弁２８は、通水可能な開口面積を変更することで、水源から水路１２に流入する水の流量Ｑｉを調整するものである。この電動弁２８は、主流路１３と副流路１４の分岐部上流側の水路１２本体部分に配置されている。

調整弁２９は、水路１２全体に流れる水量を調整するもので、副流路１４に配置されている。この調整弁２９は、電動弁２８よりも全開状態の開口面積が小さい電動弁であり、開口面積を変更することで、水車１６の上流側の主流路１３の第１圧力と、水車１６の下流側の主流路１３の第２圧力とを平衡できる。これにより、電動弁２８を作動させることに伴う水路１２の流量変動を抑制できる。

流量計３０は、水路１２に流れる水量を検出するもので、電動弁２８の上流側に配置されている。

制御手段３３は、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）からなり、発電機盤１９とは別に設けられた制御盤３２に配置されている。制御手段３３は、系統側変換器２２、電動弁２８、調整弁２９、及び流量計３０に通信可能に接続されている。制御手段３３には、出力制限手段２５が計測した電圧Ｖから得られる本来の発電力Ｐに相当する第１信号が入力される。また、制御手段３３には、流量計３０が計測した水路１２への水の流量Ｑｉに相当する第２信号が入力される。

制御手段３３は、系統側変換器２２からの入力信号による発電力Ｐが設定電力Ｐｄを超えていることを示す場合、電動弁２８を閉作動（例えば開口率８０％）させる。一方、発電力Ｐが設定電力Ｐｄ以下であることを示す場合、電動弁２８を開作動させることで全開状態にする。また、制御手段３３は、流量計３０からの入力信号による流量Ｑｉが定められた目標流量Ｑｇよりも少ないことを示す場合、調整弁２９を開作動させる。一方、流量Ｑｉが目標流量Ｑｇ以上であることを示す場合、調整弁２９を閉作動させる。

この水車発電システム１０では、水車１６の効率と発電機１７の効率を一定とすれば、これらによる発電力Ｐは、水路１２を流れる水の流量Ｑと有効落差（水車１６が動力に変換できる水頭）Ｈに比例する（Ｐ∝ＱＨ）。よって、図２に破線で示すように、発電力（発電出力）Ｐは、流量Ｑと有効落差Ｈが変わることで変化する。例えば降雨により水源の水位が上がると、水路１２に流れ込む水の流量Ｑは増え、有効落差Ｈも大きくなるため、発電力Ｐは大きくなる。一方、干ばつにより水源の水位が下がると、水路１２に流れ込む水の流量Ｑは減り、有効落差Ｈも小さくなるため、発電力Ｐは小さくなる。

図２に実線で示すように、本実施形態では、出力制限手段２５によって系統側変換器２２からの供給電力（系統出力）Ｐｏを設定電力Ｐｄに制限している。そして、発電力Ｐが設定電力Ｐｄを超えると、余剰電力Ｐｓを抵抗器２６によって消費させる。但し、抵抗器２６で電力を消費させ続ける場合、定格時間が連続になっている大型の抵抗器を用いる必要があり、この様な抵抗器は防水対策を十分施した機盤を用いて屋外に設置する必要がある。よって、本実施形態では、電動弁２８の開口面積を調整することで、発電力Ｐを調整する。

電動弁２８を閉作動させると、破線で示す従来例（非作動の場合）と比べて、水路１２に流入する流量Ｑは少なくなり、有効落差Ｈも低くなる。ここで、水路１２での流量Ｑは、水路１２の断面積Ａと水の流速ｖによって得られるため（Ｑ＝Ａｖ）、発電力Ｐは、水路１２の断面積Ａと水の流速ｖと有効落差Ｈに比例することになる（Ｐ∝ＡｖＨ）。また、水の流速ｖと有効落差Ｈとは相関関係があるため（ｖ∝√Ｈ）、有効落差Ｈは、電動弁２８を閉作動（開口面積を減少）させると低くなる。

このように、電動弁２８を閉作動させ、有効落差Ｈと流量Ｑを低減させることで、発電機１７による発電力Ｐを低減できる。但し、電動弁２８による発電力Ｐの低減では、水路１２で流量変動が生じ、水路１２を流れる流量Ｑが目標流量Ｑｇよりも少なくなる。よって、流量計３０からの入力信号による流量Ｑｉに基づいて、水路１２全体に流れる流量Ｑが目標流量Ｑｇになるように、調整弁２９の開度を調整する。なお、流量Ｑが目標流量Ｑｇよりも少なくなっても、有効落差Ｈは定常時よりも大きいため、発電力Ｐは設定電力Ｐｄと同等になる。

次に、制御手段３３による発電抑制処理について、図３を参照して説明する。なお、図３中のｆは、発電抑制モードに設定されているか否かを示すフラグであり、１は設定状態、０は非設定状態であることを示す。

制御手段３３は、発電力Ｐが設定電力Ｐｄを超えるまで待機し、発電力Ｐが設定電力Ｐｄ以上になり（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、フラグｆが０である場合に（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、電動弁２８を閉作動させる（ステップＳ３）。その後、制御盤３２に設けられた電動弁２８の手動操作スイッチを無効化（操作禁止）し（ステップＳ４）、フラグｆを１とする（ステップＳ５）。

次に、流量計３０の検出結果から得られる流量Ｑ１が目標流量Ｑｇよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ６）。なお、この流量判断は、発電力Ｐが設定電力Ｐｄ以上になり、フラグｆが１である場合でも（ステップＳ２：Ｎｏ）、行われる。流量Ｑｉが目標流量Ｑｇよりも小さい場合、調整弁２９を定められた開口率（例えば５％）分だけ開作動させる（ステップＳ７）。流量Ｑｉが目標流量Ｑｇ以上である場合、調整弁２９が閉状態であれば（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、調整弁２９の開度は調整せず、調整弁２９が閉状態でなければ（ステップＳ８：Ｎｏ）、調整弁２９を定められた開口率（例えば５％）分だけ閉作動させる（ステップＳ９）。

発電力Ｐが設定電力Ｐｄ未満で（ステップＳ１：Ｎｏ）、フラグｆが１である場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、発電力Ｐが設定電力Ｐｄよりも低い制御解除電力Ｐｃ（例えば４９．０ｋＷ）以下になっているか判断する。そして、発電力Ｐが制御解除電力Ｐｃ以下の場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、流量Ｑ１が目標流量Ｑｇに戻り、有効落差Ｈも定常に戻ったと判断し、電動弁２８を開作動させる（ステップＳ１２）。その後、電動弁２８の手動操作スイッチの無効化を解除し（ステップＳ１３）、調整弁２９を全閉状態にし（ステップＳ１４）、フラグｆを０とする（ステップＳ１５）。

一方、発電力Ｐが設定電力Ｐｄを超えることなく、フラグｆが０である場合（ステップＳ１０：Ｎｏ）、電動弁２８の制御も調整弁２９の制御も行わない。また、フラグｆは１であるが、発電力Ｐが制御解除電力Ｐｃを超える場合にも（ステップＳ１１：Ｎｏ）、電動弁２８の制御も調整弁２９の制御も行わない。

以上のように、本実施形態の水車発電システム１０では、系統側変換器２２が交流電路２３に出力する供給電力Ｐｏは、出力制限手段２５によって設定電力Ｐｄに制限されるため、設定電力Ｐｄを超える電力供給を防止できる。また、設定電力Ｐｄを超える余剰電力Ｐｓは抵抗器２６によって消費されるため、出力制限に伴う直流電路２１の電圧上昇を抑制できる。また、設定電力Ｐｄよりも発電力Ｐが多い場合のみ、抵抗器２６によって電力が消費されるため、発電力Ｐが設定電力Ｐｄ以下の場合に、発生させた電力Ｐが無駄に消費されることを防止できる。

抵抗器２６によって余剰電力Ｐｓを消費しない従来例の場合、水車発電システムを非常停止し、作業者が手動で復旧しなければならない。よって、復旧までの時間は発電機会を失うため好ましくない。また、非常停止しないように、目標流量Ｑｇを低くする（余裕値を持たせる）と、年間の発電量が減少するため、好ましくない。さらに、発電機からの入力（水車の回転数）を変更すると、水車の仕様点が変わるため、好ましくない。よって、抵抗器２６で余剰電力Ｐｓを消費することで、この様な問題が生じることを防止し、水車発電システム１０の連続運転を可能としているため、規定電力Ｐｐ未満の低圧電力Ｐｏを安定供給できる。

また、発電力Ｐが設定電力Ｐｄを超えると、電動弁２８を閉作動することで有効落差Ｈを減少できるため、発電機１７が発生する電力Ｐを低減できる。よって、抵抗器２６によって余剰電力Ｐｓを連続的に消費し続ける必要がないため、発電機盤１９に設置可能な小型の抵抗器２６を用いることができる。よって、定格時間が連続の抵抗器を用いる必要がないため、別途設置スペースや機盤を製作する必要はなく、コストも低減できる。しかも、調整弁２９を作動させることで、水路１２の流量変動を抑制できるため、水車１６を配置した水路１２全体の流量Ｑを水車発電システムの目標流量Ｑｇに調整できる。

なお、本発明の水車発電システム１０は、前記実施形態の構成に限定されず、種々の変更が可能である。

例えば、図４に示すように、水路１２の副流路１４は、電動弁２８の上流側で分岐させてもよい。電動弁２８は、水車１６の下流側に配置してもよい。流量計３０も、水車１６の下流側に配置してもよい。また、２以上の電動弁２８と流量計３０を水路１２の所定位置に配置してもよい。切換手段２７は、電圧検出器を用いることなく、抵抗チョッパの代わりにリードスイッチを用い、発電力Ｐが設定電力Ｐｄを超えると制御手段３３によって閉鎖することで、直流電路２１から抵抗器２６へ通電を可能としてもよい。また、電動弁２８は、設定された開口率毎に、徐々に絞ったり徐々に開いたりしてもよい。

１０…水車発電システム
１２…水路
１３…主流路
１４…副流路
１６…水車
１７…発電機
１９…発電機盤
２０…発電側変換器
２１…直流電路
２２…系統側変換器
２３…交流電路
２５…出力制限手段
２６…抵抗器
２７…切換手段
２８…電動弁
２９…調整弁
３０…流量計
３２…制御盤
３３…制御手段

Claims (3)

1. 主流路と、前記主流路に並列接続された副流路とを有する水路と、
   前記主流路に配置された水車と、
   前記水車によって駆動される発電機と、
   前記発電機の出力を直流に変換して直流電路に出力する発電側変換器と、
   前記直流電路に接続され、前記発電側変換器が出力した直流を交流に変換して交流電路に出力する系統側変換器と、
   前記系統側変換器が出力する電力を定められた設定電力に制限する出力制限手段と、
   前記直流電路に接続され、前記設定電力を超える余剰電力を消費するための抵抗器と、
   前記水路への水の流入を許容する開口面積を変更するための電動弁と、
   前記副流路に配置され、前記主流路及び前記副流路を含む前記水路全体に流れる水量を調整するための調整弁と、
   前記水路を流れる水量を計測するための流量計と、
   前記系統側変換器からの入力信号に基づいて前記電動弁を制御するとともに、前記流量計の検出結果に基づいて前記調整弁を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記系統側変換器からの入力信号が前記設定電力を超えていることを示す場合、前記電動弁の開口面積を減少させた後、前記流量計の検出結果が定められた目標流量よりも少ないことを示せば前記調整弁を開作動させる一方、前記流量計の検出結果が前記目標流量以上であることを示せば前記調整弁を閉作動させて、前記発電機からの出力を調整する、水車発電システム。
2. 前記直流電路の電圧が設定電圧よりも大きくなると、前記直流電路から前記抵抗器への通電を可能とする切換手段を備える、請求項１に記載の水車発電システム。
3. 水路の主流路に配置した水車の回転による発電機の出力を、発電側変換器によって直流に変換して直流電路に出力し、
   系統側変換器によって前記直流電路から入力される直流を交流に変換しつつ、前記系統側変換器が交流電路に出力する電力を、出力制限手段によって定められた設定電力に制限し、
   前記直流電路に接続された抵抗器によって前記設定電力を超える余剰電力を消費する一方、
   前記系統側変換器からの入力信号が前記設定電力を超えていることを示す場合、前記水路に配置された電動弁の開口面積を減少させた後、
   前記水路に配置された流量計の検出結果が定められた目標流量よりも少ないことを示せば前記水路の副流路に配置された調整弁を開作動させる一方、前記流量計の検出結果が前記目標流量以上であることを示せば前記調整弁を閉作動させて、前記発電機からの出力を調整する、水車発電システムの制御方法。

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