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技術 水力発電システム

出願人 オリジン電気株式会社
発明者 源島康広
出願日 2014年7月31日 (6年4ヶ月経過) 出願番号 2014-155727
公開日 2016年3月10日 (4年9ヶ月経過) 公開番号 2016-034179
状態 特許登録済
技術分野 発電機の制御
主要キーワード 水量変動 発電機毎 開水路 所内負荷 水力発電システム 発電機効率 水車出力 落差工
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この項目の情報は公開日時点(2016年3月10日)のものです。
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図面 (8)

課題

水車に供給される水量変動に対し、発電機効率をほぼ一定にできる水車発電システムを提供することである。

解決手段

1台の水車11に複数台発電機12−1〜12−4を設け、複数台の発電機12−1〜12−4毎に電力変換装置16−1〜16−4を設け、制御装置22は、水車11に供給される水量変動に伴う水車出力の大きさに応じて、起動する発電機12の台数を選択し、起動した発電機12の電力変換装置13に対し、選択した発電機12で発生した交流電力を一旦直流電力に変換し、さらに交流電力に変換して電力系統に出力するように制御する。

概要

背景

再生可能エネルギーの利用として小規模水力発電システムが注目されている。例えば、開水路には、水の勢いを低減する構造物として落差工急流工が設けられている。また、開水路の水勢を抑制する構造物としてがある。

開水路の落差工や急流工、さらに堰は、水の勢いを低減するものであるから、そのような落差工や急流工、堰に水車を設置して発電機を回転させると、水の勢いを低減できるだけでなく発電にも寄与できる。

このような水力発電システムでは、通常、水車及び発電機は1台である。図6は、従来の水力発電システムの一例の構成図である。水車11は発電機12を駆動し、発電機12で発電された交流電力電力変換装置13に入力される。電力変換装置13では、発電機12で発生した交流電力をコンバータ14で一旦直流電力に変換し、さらに、DC/DCコンバータ15で所定の直流電圧に変換し、さらにインバータ16で交流電力に変換して、遮断器17を介して電力系統18に出力する。また、DC/DCコンバータ15で所定の直流電圧に変換された直流電力の一部は必要に応じて蓄電器19に蓄電され、インバータ16で変換された交流電力の一部は必要に応じて遮断器20を介して所内負荷21に供給される。

ここで、水力発電システムとして、発電機の発電状態に応じて装置の始動を安全に行うと共に、余剰電力を安全に消費することができるようにしたものがある(特許文献1参照)。この水力発電システムは、水車、発電機、並びに、水車及び発電機に連携する電力制御装置をそれぞれ複数台備え、各発電機で発生した交流電力が直流電力に変換されてから合算するので、発電機ごと電圧値周波数を細かく調整する必要がなく、複数の発電機で発生した電力を容易に合算できるというものである。

概要

水車に供給される水量変動に対し、発電機効率をほぼ一定にできる水車発電システムを提供することである。1台の水車11に複数台の発電機12−1〜12−4を設け、複数台の発電機12−1〜12−4毎に電力変換装置16−1〜16−4を設け、制御装置22は、水車11に供給される水量変動に伴う水車出力の大きさに応じて、起動する発電機12の台数を選択し、起動した発電機12の電力変換装置13に対し、選択した発電機12で発生した交流電力を一旦直流電力に変換し、さらに交流電力に変換して電力系統に出力するように制御する。

目的

本発明の目的は、水車に供給される水量変動に対し、発電機効率をほぼ一定にできる水車発電システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

1台の水車により駆動される複数台発電機と、前記複数台の発電機毎に設けられ前記発電機で発生した交流電力を一旦直流電力に変換しさらに交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換装置と、前記水車に供給される水量変動に伴う水車出力の大きさに応じて起動する発電機の台数を選択し、起動した発電機の前記電力変換装置を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする水力発電システム

請求項2

前記複数台の発電機の台数をn台とし、水車の定格出力をMとしたとき、前記制御装置は、前記水車出力の大きさがM・{(n−1)/n}以上のときは、前記複数台の発電機のすべてのn台の発電機を起動し、前記水車出力がM・{(i−1)/n}以上で、M・(i/n)以下のとき(i=1、2、3…<n)は、i台の発電機を起動することを特徴とする請求項1記載の水力発電システム。

技術分野

0001

本発明は、小規模水力発電システムであるマイクロ水力発電システムに好適な水力発電システムに関する。

背景技術

0002

再生可能エネルギーの利用として小規模な水力発電システムが注目されている。例えば、開水路には、水の勢いを低減する構造物として落差工急流工が設けられている。また、開水路の水勢を抑制する構造物としてがある。

0003

開水路の落差工や急流工、さらに堰は、水の勢いを低減するものであるから、そのような落差工や急流工、堰に水車を設置して発電機を回転させると、水の勢いを低減できるだけでなく発電にも寄与できる。

0004

このような水力発電システムでは、通常、水車及び発電機は1台である。図6は、従来の水力発電システムの一例の構成図である。水車11は発電機12を駆動し、発電機12で発電された交流電力電力変換装置13に入力される。電力変換装置13では、発電機12で発生した交流電力をコンバータ14で一旦直流電力に変換し、さらに、DC/DCコンバータ15で所定の直流電圧に変換し、さらにインバータ16で交流電力に変換して、遮断器17を介して電力系統18に出力する。また、DC/DCコンバータ15で所定の直流電圧に変換された直流電力の一部は必要に応じて蓄電器19に蓄電され、インバータ16で変換された交流電力の一部は必要に応じて遮断器20を介して所内負荷21に供給される。

0005

ここで、水力発電システムとして、発電機の発電状態に応じて装置の始動を安全に行うと共に、余剰電力を安全に消費することができるようにしたものがある(特許文献1参照)。この水力発電システムは、水車、発電機、並びに、水車及び発電機に連携する電力制御装置をそれぞれ複数台備え、各発電機で発生した交流電力が直流電力に変換されてから合算するので、発電機ごと電圧値周波数を細かく調整する必要がなく、複数の発電機で発生した電力を容易に合算できるというものである。

先行技術

0006

特開2014−3848号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかし、従来の水力発電システムでは、水量が変動した際に発電機の出力電力が変動し、発電機効率が一定とならず変化してしまう。発電機の定格出力で発電機効率を最適に設定した場合、小水量のときは発電機の出力電力が低下するので発電機効率が低下してしまう。

0008

図7は、1台の発電機の発電機効率の一例を示すグラフである。この一例では、発電機の定格出力(100%)で発電効率が100%になるように発電機効率を設定しており、発電機の出力電力が定格の75%まで低下しても発電効率はほぼ100%を維持するが、発電機の出力電力が定格の25%まで低下すると発電効率はa1(約75)%まで低下し、発電機の出力電力が定格の10%まで低下すると発電効率はa2(約38)%まで低下する。このように、水車に供給される水量が少なくなると発電機の出力電力が低下し、発電機効率も低下してしまう。

0009

特許文献1のものは、複数台の発電機を有するものであり、それぞれの発電機の発電量と、水力発電システムに接続されている負荷で消費される電力量との比較結果に基づいて、負荷の消費電力に対して発電量が多い場合には、任意の発電機をモータとして運転させ、発熱体抵抗体別途備えることなく電力の消費のバランスを保って安定化することができるが、発電機はそれぞれ別の水車で駆動されるものであるので、システムが複雑化しコスト高となる。また、水車の供給される水量が少水量となった場合についての考慮がない。

0010

本発明の目的は、水車に供給される水量変動に対し、発電機効率をほぼ一定にできる水車発電システムを提供することである。

課題を解決するための手段

0011

請求項1の発明に係る水力発電システムは、1台の水車により駆動される複数台の発電機と、前記複数台の発電機毎に設けられ前記発電機で発生した交流電力を一旦直流電力に変換しさらに交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換装置と、前記水車に供給される水量変動に伴う水車出力の大きさに応じて起動する発電機の台数を選択し、起動した発電機の前記電力変換装置を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

0012

請求項2の発明に係る水力発電システムは、請求項1の発明において、前記複数台の発電機の台数をn台とし、水車の定格出力をMとしたとき、前記制御装置は、前記水車出力の大きさがM・{(n−1)/n}以上のときは、前記複数台の発電機のすべてのn台の発電機を起動し、前記水車出力がM・{(i−1)/n}以上で、M・(i/n)以下のとき(i=1、2、3…<n)は、i台の発電機を起動することを特徴とする。

発明の効果

0013

本発明によれば、1台の水車により駆動される複数台の発電機を設け、水車に供給される水量変動に伴う水車出力の大きさに応じて起動する発電機の台数を選択し、起動した発電機を制御するので、水車に供給される水量変動に対し全体としての発電機効率をほぼ一定にできる。

図面の簡単な説明

0014

本発明の実施形態に係る水力発電システムの構成図。
4台の発電機のうちの1台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフ。
4台の発電機のうちの2台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフ。
4台の発電機のうちの3台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフ。
4台の発電機のうちの4台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフ。
従来の水力発電システムの一例の構成図。
1台の発電機の発電機効率の一例を示すグラフ。

実施例

0015

以下、本発明の実施形態を説明する。図1は本発明の実施形態を説明する。図1は本発明の実施形態に係る水力発電システムの構成図である。図1に示すように、1台の水車11に複数の発電機12が設けられている。図1では4台の発電機12−1〜12−4を設けた場合を示している。4台の発電機12−1〜12−4は1台の水車11で駆動されるように取り付けられ、4台の発電機12−1〜12−4の各々の出力電力の合計が水力発電システム全体としての出力電力となる。以下の説明では、各々の4台の発電機12−1〜12−4は、従来の1台の発電機12と同じ発電機効率の特性を有し、定格出力の1/4の定格出力を有するものとして説明する。

0016

各々の発電機12−1〜12−4には、それぞれ電力変換装置13−1〜13−4が設けられている。電力変換装置13−1〜13−4は、各々の発電機12−1〜12−4で発生した交流電力をコンバータ14−1〜14−4で一旦直流電力に変換し、さらに、DC/DCコンバータ15−1〜15−4で所定の直流電圧に変換し、さらにインバータ16−1〜16−4で交流電力に変換して、遮断器17を介して電力系統18に出力する。また、DC/DCコンバータ15〜15−4で所定の直流電圧に変換された直流電力の一部は必要に応じて蓄電器19に蓄電され、インバータ16で変換された交流電力の一部は必要に応じて遮断器20を介して所内負荷21に供給される。

0017

制御装置22は、水量検出器23で検出された水車11に供給される水量を入力し、水車11に供給される水量変動に伴う水車出力を演算する。なお、水量検出器23に代えて水車11の回転数を検出する回転数検出器を用いるようにしてもよい。水車11に供給される水量は水車11の回転数変化として現れ水車出力に相当するからである。

0018

そして、水車出力の大きさに応じて起動する発電機12の台数を演算し、起動する発電機12を選択して、選択した発電機12のスイッチ24を閉じる。例えば、水車出力の大きさが大きく、起動する発電機12の台数が4台と演算されたときは、4台すべての発電機12−1〜12−4を選択し、スイッチ24−1〜24−4をすべて閉じる。また、起動する発電機の台数が2台であると演算したときは、4台の発電機12−1〜12−4のうち2台を選択して、その発電機12に対応するスイッチ14を閉じる。起動すべき発電機12の台数が3台以下のとき、どの発電機12を選択するかは、発電機12の起動時間が均等になるように、あるいは、起動回数が均等になるように選択する。

0019

また、制御装置22は、選択し起動した発電機12の電力変換装置13を制御する。すなわち、電力変換装置13のコンバータ14を制御し、発電機12で得られた交流電力を直流電力に変換する。また、電力変換装置13のDC/DCコンバータ15を制御し、コンバータ14で得られた直流電力を所定の直流電圧の直流電力に変換する。所定の直流電圧は、例えば、蓄電器19の公称電圧(直流電圧)の直流電圧である。さらに、電力変換装置13のインバータ16を制御し、DC/DCコンバータ15で得られた直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。

0020

図2は4台の発電機のうちの1台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフである。図2では運転した発電機を第1発電機とし、第1発電機効率及び総合効率を示している。総合効率は4台の発電機のうち運転した発電機の効率を総合した効率である。1台のみの発電機の場合は第1発電機効率と同じ特性となる。

0021

本発明の実施形態では、4台の発電機12−1〜12−4の各々の出力電力の合計が水力発電システム全体としての出力電力となるようにしているので、各々の4台の発電機12−1〜12−4は、水力発電システム全体の定格出力の1/4の定格出力を有する。

0022

すなわち、4台の発電機のうちの1台の発電機は水力発電システム全体の定格出力の1/4の定格出力を有するので、図2に示すように、水力発電システム全体の25%の出力電力を得るには、1台の発電機を定格運転することになる。この場合、第1発電機効率のグラフに示すように、運転した発電機の第1発電機効率は100%である。なお、第1発電機は、その出力電力が定格の75%までは、第1発電機効率をほぼ100%に維持した運転を継続できる。第1発電機の出力電力が定格の75%は、水力発電システム全体の定格出力の18.75%であるので、水力発電システム全体の定格出力の18.75%までは発電機効率を100%に維持できる。

0023

図3は4台の発電機のうちの2台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフである。図3では運転した2台の発電機を第1発電機、第2発電機としている。各々の発電機は水力発電システム全体の定格出力の1/4の定格出力を有するので、図3に示すように、水力発電システム全体の50%の出力電力を得るには、2台の発電機を定格運転することになる。この場合、第1発電機効率、第2発電効率のグラフに示すように、運転した発電機の第1発電機効率、第2発電機効率は共に100%である。なお、第1発電機、第2発電機は、その出力電力が定格の75%までは、第1発電機効率、第2発電機効率をほぼ100%に維持した運転を継続できる。第1発電機、第2発電機の出力電力がそれぞれ定格の75%のときは、総合効率のグラフに示すように、2台運転時の定格出力の37.5%であり、水力発電システム全体の定格出力の18.75%であるので、2台運転の場合にも、水力発電システム全体の定格出力の18.75%までは発電機効率を100%に維持できる。

0024

図4は4台の発電機のうちの3台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフである。図4では運転した3台の発電機を第1発電機、第2発電機、第3発電機としている。各々の発電機は水力発電システム全体の定格出力の1/4の定格出力を有するので、図4に示すように、水力発電システム全体の75%の出力電力を得るには、3台の発電機を定格運転することになる。この場合、第1発電機効率、第2発電効率、第3発電効率のグラフに示すように、運転した発電機の第1発電機効率、第2発電機効率、第3発電機効率は共に100%である。

0025

なお、第1発電機、第2発電機、第3発電機は、その出力電力が定格の75%までは、第1発電機効率、第2発電機効率、第3発電機効率をほぼ100%に維持した運転を継続できる。第1発電機、第2発電機、第3発電機の出力電力がそれぞれ定格の75%のときは、総合効率のグラフに示すように、3台運転時の定格出力の25%であり、水力発電システム全体の定格出力の18.75%であるので、3台運転の場合にも、水力発電システム全体の定格出力の18.75%までは発電機効率を100%に維持できる。

0026

図5は4台の発電機のうちの4台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフである。図5では運転した4台の発電機を第1発電機、第2発電機、第3発電機、第4発電機としている。各々の発電機は水力発電システム全体の定格出力の1/4の定格出力を有するので、図5に示すように、水力発電システム全体の100%の出力電力を得るには、4台の発電機を定格運転することになる。この場合、第1発電機効率、第2発電効率、第3発電効率、第4発電効率のグラフに示すように、運転した発電機の第1発電機効率、第2発電機効率、第3発電機効率、第4発電機効率は共に100%である。

0027

なお、第1発電機、第2発電機、第3発電機、第4発電機は、その出力電力が定格の75%までは、第1発電機効率、第2発電機効率、第3発電機効率、第4発電機効率をほぼ100%に維持した運転を継続できる。第1発電機、第2発電機、第3発電機、第4発電機の出力電力がそれぞれ定格の75%のときは、総合効率のグラフに示すように、4台運転時の定格出力の18.75%である。すなわち、水力発電システム全体の定格出力の18.75%までは発電機効率を100%に維持できる。

0028

ここで、図5の総合効率と従来の図7の発電機効率とを比較すると、本発明の実施形態では、水力発電システム全体の定格出力の18.75%まで発電機効率を100%に維持できる。一方、従来では、発電機効率を100%に維持できるのは、水力発電システム全体の定格出力の75%までである。従って、本発明の実施形態では、発電機効率を100%に維持できる範囲が広がり、水車に供給される水量変動があっても全体としての発電機効率をほぼ一定にできる。

0029

以上の説明では、各々の4台の発電機12−1〜12−4は、従来の1台の発電機12と同等の発電機効率の特性を有し、定格出力の1/4の定格出力を有するものとして説明したが、4台の発電機12−1〜12−4の発電機効率の特性が異なる場合、4台の発電機12−1〜12−4の定格出力が異なる場合であっても、各々の発電機12−1〜12−4の発電機効率を100%に維持できる範囲を広げることができる。

0030

また、4台の発電機12−1〜12−4の場合について説明したが、n台の発電機の場合も同様に適用できる。発電機の台数をn台とした場合には、水車の定格出力をMとしたとき、制御装置22は、水車出力の大きさがM・{(n−1)/n}以上のときはn台の発電機をすべて起動し、水車出力がM・{(i−1)/n}以上で、M・(i/n)以下のとき(i=1、2、3…<n)は、i台の発電機を起動する。

0031

水車の定格出力Mは、水量が豊富であり定格水量が確保できるときの水車出力であり、水量が定格水量より少ないときは、水量に合わせて起動する発電機の台数を選択する。これにより、水車に供給される水量変動があっても、起動した発電機の発電機効率を100%に維持でき、全体としての発電機効率をほぼ一定にできる。

0032

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

0033

11…水車、12…発電機、13…電力変換装置、14…コンバータ、15…DC/DCコンバータ、16…インバータ、17…遮断器、18…電力系統、19…蓄電器、20…遮断器、21…所内負荷、22…制御装置、23…水量検出器、24…スイッチ

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