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技術 水力発電システム、水力発電方法及び水力発電プログラム

出願人 株式会社中山鉄工所
発明者 木内陽一相森冨男瀬崎忠北川典慎渡邊美信
出願日 2016年10月26日 (3年8ヶ月経過) 出願番号 2016-209358
公開日 2018年5月10日 (2年1ヶ月経過) 公開番号 2018-071100
状態 未査定
技術分野 水力発電,土壌排水,かんがい溝
主要キーワード 開度調整器 拘束運転 回転数調整器 最大出力回転数 等価半径 水量情報 最高出力点 余剰圧力
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (14)

課題

水量を測定することなく、水量の変化を検知することで出力電力が最適となる水車回転数を制御する水力発電システムを提供する。

解決手段

閉管水路13を流れる流水により水車12を回転して発電する水力発電システム1において、源流10の水位変化又は取水口11からの取水による水圧変化を検出する水圧センサ15と、検出した取水の変化に応じて、水車12のガイドベーン14の開度を調整して制御する開度指令制御部と、調整された開度に応じて、水車12の回転数を制御する回転数指令制御部とを備え、開度指令制御部が、回転数指令制御部が回転数を制御する処理中は、調整された開度を保持する指令を出力すると共に、回転数を制御する処理が終了したら開度の保持を解除する指令を出力する。

概要

背景

水力発電を行うにあたって、利用できる水量を把握するのは非常に重要である。ダムに貯められた水や上水処理ステムで管理されている水は、その水量を水量計などで正確に把握した上で、余剰となる水を使って付随的に発電することが行われている。一方、山河の小河川湧水を利用したような小規模な発電システムでは、水量が天候等の自然環境に依存し、また、農業用水の一部を使用するような小規模な発電システムでは、農業利用のために水量調整されているが、その水量の情報を得るのが困難となっている。処理排水を利用した発電システムの場合、使用・処理工程にて使用水量が決定されるが、水量の情報が必ずしも得られるものではない。

上記に関する技術として、例えば特許文献1、2に示す技術が開示されている。特許文献1に示す技術は、導水送水配水管路網21において管路24を流れる水の流量もしくは圧力を制御量とし、管路の途中に介装した水力発電装置25の水車回転数を操作して制御量を制御するとともに、制御に伴う余剰圧力を利用して水力発電を行う発電方法であって、水力発電装置25の上流側に設置した水車入口弁27の開度制御と水力発電装置25の水車回転数制御とをそれぞれ独立して行って水力発電装置25の下流側管路における配水の制御量を目標値に制御するものである。

また、特許文献2に示す技術は、流量調整弁(2)による流量の調整に応じて、固定案内羽根水車回転数を変化させる水車変速装置(9)を備えるようにし、さらに、流量調整弁(2)を所定開度に調整する指令信号と共に、前記水車変速装置(9)に前記固定案内羽根水車の回転数を所定値に調整する指令信号を出力する開度回転数調整器(10)を備えるようにしたものである。

概要

水量を測定することなく、水量の変化を検知することで出力電力が最適となる水車の回転数を制御する水力発電システムを提供する。閉管水路13を流れる流水により水車12を回転して発電する水力発電システム1において、源流10の水位変化又は取水口11からの取水による水圧変化を検出する水圧センサ15と、検出した取水の変化に応じて、水車12のガイドベーン14の開度を調整して制御する開度指令制御部と、調整された開度に応じて、水車12の回転数を制御する回転数指令制御部とを備え、開度指令制御部が、回転数指令制御部が回転数を制御する処理中は、調整された開度を保持する指令を出力すると共に、回転数を制御する処理が終了したら開度の保持を解除する指令を出力する。

目的

本発明は、出力特性未知の水車であっても、水量計を用いて水量を測定することなく、水量の変化を検知することで出力電力が最適となる水車の回転数を制御する水力発電システム等を提供する

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

閉管水路を流れる流水により水車を回転して発電する水力発電システムにおいて、源流の水位変化又は取水口からの取水による水圧変化を検出する取水変化検出手段と、検出した前記取水の変化に応じて、前記水車の流量調整器開度を調整して制御する開度制御手段と、調整された前記開度に応じて、前記水車の回転数を制御する回転数制御手段とを備え、前記開度制御手段が、前記回転数制御手段が前記回転数を制御する処理中は、調整された前記開度を保持すると共に、前記回転数を制御する処理が終了したら前記開度の保持を解除することを特徴とする水力発電システム。

請求項2

請求項1に記載の水力発電システムにおいて、前記回転数制御手段が、前記開度制御手段が前記開度を制御する処理中は、制御された前記回転数を保持すると共に、前記開度制御手段が前記開度を制御する処理が終了したら前記回転数の保持を解除することを特徴とする水力発電システム。

請求項3

請求項1又は2に記載の水力発電システムにおいて、前記回転数制御手段が、水量に応じた水車の回転数に対する出力のピークを求めて、出力が当該ピークとなる回転数に制御することを特徴とする水力発電システム。

請求項4

請求項1ないし3のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、前記取水の変化、前記流量調整器の開度、前記水車の回転数及び発電した出力値を、それぞれ関連付けて記憶するパラメータ記憶手段を備え、前記回転数制御手段が、前記パラメータ記憶手段に記憶された情報に基づいて得られる前記開度の変化に対する前記回転数の最適値を求め、当該最適値に基づいて前記回転数を制御することを特徴とする水力発電システム。

請求項5

請求項1ないし4のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、前記回転数制御手段が、前記回転数を制御している処理中に、前記取水変化検出手段にて所定の値以上の前記取水の変化を検出した場合には、前記回転数を直前の値に戻す処理を行い、前記回転数が直前の値に戻った状態で前記開度制御手段が前記開度を調整して制御することを特徴とする水力発電システム。

請求項6

閉管水路を流れる流水により水車を回転して発電する水力発電方法において、コンピュータが、源流の水位変化又は取水口からの取水による水圧変化を検出する取水変化検出ステップと、検出した前記取水の変化に応じて、前記水車の流量調整器の開度を調整して制御する開度制御ステップと、調整された前記開度に応じて、前記水車の回転数を制御する回転数制御ステップとを実行し、前記開度制御ステップが、前記回転数制御ステップにて前記回転数を制御する処理中は、調整された前記開度を保持すると共に、前記回転数を制御する処理が終了したら前記開度の保持を解除することを特徴とする水力発電方法。

請求項7

閉管水路を流れる流水により水車を回転して発電するようにコンピュータを機能させる水力発電プログラムにおいて、源流の水位変化又は取水口からの取水による水圧変化を検出する取水変化検出手段、検出した前記取水量の変化に応じて、前記水車の流量調整器の開度を調整して制御する開度制御手段、調整された前記開度に応じて、前記水車の回転数を制御する回転数制御手段としてコンピュータを機能させ、前記開度制御手段が、前記回転数制御手段が前記回転数を制御する処理中は、調整された前記開度を保持すると共に、前記回転数を制御する処理が終了したら前記開度の保持を解除することを特徴とする水力発電プログラム。

技術分野

0001

本発明は、水車を回転して発電する水力発電システムに関し、特に、閉管水路を流れる流水により水車を回転して発電する水力発電システム等に関する。

背景技術

0002

水力発電を行うにあたって、利用できる水量を把握するのは非常に重要である。ダムに貯められた水や上水処理ステムで管理されている水は、その水量を水量計などで正確に把握した上で、余剰となる水を使って付随的に発電することが行われている。一方、山河の小河川湧水を利用したような小規模な発電システムでは、水量が天候等の自然環境に依存し、また、農業用水の一部を使用するような小規模な発電システムでは、農業利用のために水量調整されているが、その水量の情報を得るのが困難となっている。処理排水を利用した発電システムの場合、使用・処理工程にて使用水量が決定されるが、水量の情報が必ずしも得られるものではない。

0003

上記に関する技術として、例えば特許文献1、2に示す技術が開示されている。特許文献1に示す技術は、導水送水配水管路網21において管路24を流れる水の流量もしくは圧力を制御量とし、管路の途中に介装した水力発電装置25の水車回転数を操作して制御量を制御するとともに、制御に伴う余剰圧力を利用して水力発電を行う発電方法であって、水力発電装置25の上流側に設置した水車入口弁27の開度制御と水力発電装置25の水車回転数制御とをそれぞれ独立して行って水力発電装置25の下流側管路における配水の制御量を目標値に制御するものである。

0004

また、特許文献2に示す技術は、流量調整弁(2)による流量の調整に応じて、固定案内羽根水車の回転数を変化させる水車変速装置(9)を備えるようにし、さらに、流量調整弁(2)を所定開度に調整する指令信号と共に、前記水車変速装置(9)に前記固定案内羽根水車の回転数を所定値に調整する指令信号を出力する開度回転数調整器(10)を備えるようにしたものである。

先行技術

0005

特開2006−22745号公報
特開2002−354895号公報

発明が解決しようとする課題

0006

上記特許文献1、2に示す技術は、水利目的による水量制御されている発電設備であり、例えば、水量計等を用いて常時水量が監視されていることを前提としている。しかしながら、水量を把握するための水量計は非常に高価である場合が多く、大型の施設においては設置可能であるものの、例えば小水力発電システムのような小規模な発電システムでは、高価な水量計を設置することが経済的に極めて困難であるり、このような小規模な発電システムにおいては、特許文献1、2に示すような技術は適用することができない。また、上記に示したような水量情報を得ることの困難性について、特許文献1、2に示す技術で解決できるものでもない。加えて、閉管水路によっては、水量により圧損が大きく違うこともあり、実水路特性と水車特性を合わせた上で、各水量における最大出力発電となる水車回転数は不明な場合もある。

0007

また、特許文献1、2に示す技術は、いずれも水車の各水量における特性が予め把握されていることを前提とし、水量と回転数のパターンを元に適正な回転数を選定しているものである。しかしながら、小規模な水力発電システムでは、定格水量、ガイドベーン等の流量調整器の定格開度における最大出力となる回転数は、事前設計や従来の実績データから把握されているものの、各水量範囲(全水量範囲)の水量に対する最大出力となる回転数の情報は予め取得することが困難であるため、上記のような水量が変化する条件化での未知の水車における最大出力となる適正な回転数を得ることが求められており、特許文献1、2に示す技術では、このような課題を解決することは不可能である。

0008

本発明は、出力特性が未知の水車であっても、水量計を用いて水量を測定することなく、水量の変化を検知することで出力電力が最適となる水車の回転数を制御する水力発電システム等を提供する。

課題を解決するための手段

0009

本発明に係る水力発電システムは、閉管水路を流れる流水により水車を回転して発電する水力発電システムにおいて、源流の水位変化又は取水口からの取水による水圧変化を検出する取水変化検出手段と、検出した前記取水の変化に応じて、前記水車への流量調整器の開度を調整して制御する開度制御手段と、調整された前記開度に応じて、前記水車の回転数を制御する回転数制御手段とを備え、前記開度制御手段が、前記回転数制御手段が前記回転数を制御する処理中は、調整された前記開度を保持すると共に、前記回転数を制御する処理が終了したら前記開度の保持を解除するものである。

0010

このように、本発明に係る水力発電システムにおいては、閉管水路を流れる流水により水車を回転して発電する水力発電システムにおいて、源流の水位や取水口からの取水による水圧変化を検出し、検出した前記取水の変化に応じて、前記水車への流量調整器の開度を調整し、調整された前記開度に応じて、前記水車の回転数を制御し、前記回転数を制御する処理中は、調整された前記開度を保持すると共に、前記回転数を制御する処理が終了したら前記開度の保持を解除するため、水量計を用いて水量を把握しなくても開度と回転数とを適正に制御することが可能となる。すなわち、所望の回転数を探査している間はガイドベーンの開度が保持されることで、水量による回転数への影響を除した状態で回転数を適正に制御することが可能になるという効果を奏する。

0011

本発明に係る水力発電システムは、前記回転数制御手段が、前記開度制御手段が前記開度を制御する処理中は、制御された前記回転数を保持すると共に、前記開度制御手段が前記開度を制御する処理が終了したら前記回転数の保持を解除するものである。

0012

このように、本発明に係る水力発電システムにおいては、開度を制御する処理中は、制御された回転数を保持すると共に、前記開度を制御する処理が終了したら前記回転数の保持を解除するため、適正な開度に制御している間は回転数が保持されることで、回転数による水量への影響を除した状態で開度を適正に制御することが可能になるという効果を奏する。

0013

本発明に係る水力発電システムは、前記回転数制御手段が、水量に応じた水車の回転数に対する出力のピークを求めて、出力が当該ピークとなる回転数に制御するものである。

0014

このように、本発明に係る水力発電システムにおいては、回転数制御手段が、水量に応じた水車の回転数に対する出力のピークを求めて、出力が当該ピークとなる回転数に制御するため、出力が最大となるような回転数に調整することができ、発電効率を向上させることができるという効果を奏する。例えば、ピーク検出の処理は、具体的には発電機インバータにより水車の回転速度を微少に変化させてその時の出力を測定し、そのときの水量、そのときの開度における出力を山登り探索法により検索して制御するようにしてもよい。

0015

本発明に係る水力発電システムは、前記取水の変化、前記流量調整器の開度、前記水車の回転数及び発電した出力値を、それぞれ関連付けて記憶するパラメータ記憶手段を備え、前記回転数制御手段が、前記パラメータ記憶手段に記憶された情報に基づいて得られる前記開度の変化に対する前記回転数の最適値を求め、当該最適値に基づいて前記回転数を制御するものである。

0016

このように、本発明に係る水力発電システムにおいては、前記取水の変化、前記流量調整器の開度、前記水車の回転数及び発電した出力値をそれぞれ関連付けて記憶し、記憶された情報に基づいて得られる前記開度の変化に対する前記回転数の最適値を求め、当該最適値に基づいて前記回転数を制御するため、開度に応じた最大出力となる回転数を学習的に探査することが可能となり、処理を簡略化すると共に瞬時に最大出力を得ることができ、効率を上げることができるという効果を奏する。

0017

本発明に係る水力発電システムは、前記回転数制御手段が、前記回転数を制御している処理中に、前記取水変化検出手段にて所定の値以上の前記取水の変化を検出した場合には、前記回転数を直前の値に戻す処理を行い、前記回転数が直前の値に戻った状態で前記開度制御手段が前記開度を調整して制御するものである。

0018

このように、本発明に係る水力発電システムにおいては、回転数を制御している処理中に、所定の値以上の前記取水の変化を検出した場合には、前記回転数を直前の値に戻す処理を行い、前記回転数が直前の値に戻った状態で前記開度を調整して制御するため、極めて大きな取水量の変化があった場合であっても、開度を調整して取水量の制御を優先し、取水量が安定してから回転数の制御を行うことで、取水量の大きな変化により水路や他の設備に影響がないように運用することができるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0019

第1の実施形態に係る水力発電システムのシステム構成図である。
出力と水車回転数の関係を示す図である。
第1の実施形態に係る水力発電システムの演算制御部の構成を示す機能ブロック図である。
水量変化ごとの回転数と出力との関係を示す図である。
第1の実施形態に係る水力発電システムにおいて初期起動から通常制御を行うまでの処理を示す第1のフローチャートである。
第1の実施形態に係る水力発電システムにおいて初期起動から通常制御を行うまでの処理を示す第2のフローチャートである。
第1の実施形態に係る水力発電システムにおいて通常制御から発電を停止するまでの処理を示す第1のフローチャートである。
第1の実施形態に係る水力発電システムにおいて通常制御から発電を停止するまでの処理を示す第2のフローチャートである。
取水から発電までの回転数に対する出力の推移の一例を示す図である。
取水から止水までの経過時間に対する出力の推移の一例を示す図である。
回転数−発電出力特性の一例を示す図である。
回転数−発電出力特性で複数の極値がある場合の制御処理を示すフローチャートである。
開度変化に対する出力特性を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

0020

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

0021

(本発明の第1の実施形態)
本実施形態に係る水力発電システムについて、図1ないし図9を用いて説明する。水量が変わる閉管水路の発電においては、取水量の変化への対応として、水圧制御部の開度調整により、取水槽水位制御又は水車入口水圧計による水圧一定制御を行い、水量が少ない場合であっても閉管水路内水流充填し、空気、気泡等の混入を排し、有効落差水圧を確保する必要がある。

0022

従来の水力発電システムは、固定回転数発電での運転を多くの場合採用されているが、低水量では低発電効率となったり、発電水量範囲が制限して使用されている。また、このようなことから、水車回転数を変化させる可変速方式の水車も採用されているが、流量調整器の開度による圧損、水量による配管ロス、水車速度により水流を引っ張ったり抵抗となったりすることによる取水口の水位に影響により、最大発電出力となる最適な速度を得れないために、従来は人手や水量計による測定に基づく回転数の調整が行われているが、人手や水量計は非常にコストが掛かってしまう。

0023

本実施形態においては、コストが掛かりにくい水圧センサを用いて水圧変化を測定し、その水圧変化に応じてガイドベーンやニードル等の流量調整器の開度を調整すると共に、そのときの水圧に最適な水車回転数を求めて制御することで、極めて高効率な水力発電を実現することが可能となる。

0024

図1は、本実施形態に係る水力発電システムのシステム構成図である。本実施形態に係る水力発電システム1は、閉水路方式により水力発電を行うものであり、源流10から水利目的に応じた取水量の水を取水する取水口11と、取水口11の水を下流側に設置されている水車12に流水する閉管水路13と、水車12に配設されるガイドベーン14の圧力を測定する水圧センサ15と、この水圧センサ15で測定された水圧に応じてガイドベーン14の開度を調整する開度調整器16と、水車12の回転を電力に変換する発電機17と、発電機17で発生した交流電力直流電力に変換する発電機インバータ18と、発電機インバータ18で変換された直流電力を出力用の交流電力に変換する逆変換装置19と、ガイドベーン14の開度や発電機インバータ18の周波数(すなわち水車12の回転数)を最適値に制御するための演算を行う演算制御部20とを備える。

0025

ここで、水力発電システム1の出力と水車回転数との関係について説明する。水車12に流れ込む水力を全て水車駆動に変えると最大出力発電となる。水車周速度と水車周辺の水流速度が同速である場合には力の伝達はなく、この状態を無拘束運転という。水車周速度が水力を最も受ける速度より遅くなると、上流の水位を押し上げる方向に作用し、水車回転数を速くして無拘束運転に近づけると、水力から受ける力が減じ、水位を下げる方向に作用する。この間に最大出力の伝達となる水車回転数が存在する。本実施形態においては、この特性を利用して山登り探索法(極値探索法)により出力のピークとなる水車回転数を求める。水流流速Vは、水圧Hより次式で決定される。

0026

0027

α1は水管、水流、水車形状等より決まる係数(0<α1<1.0)である。水車等価半径をRとすると、水流流速Vによって水車周速が決定され、水車回転数nは次のようになる(図2を参照)。

0028

0029

α2は流速に対する速度伝達係数(0<α2<1.0)である。この回転は無拘束であり、最大出力回転数/無拘束回転数比をα3とすると、力を受け止めて且つ出力が最大となる回転数n_Pmaxは、以下のようになる。

0030

0031

α3は、0<α3<1.0である。また、前述のように、α1、α2、α3、Rは、水車、水力(水圧,水量)、水路により決定される固有値である。α=α1・α2・α3・1/(2πR)とすると、

0032

0033

である。ここで、ガイドベーン14の作動圧損をHε、水車回転数の圧力をHT、閉管水路の圧損をHLとし、定格回転数、開度全開として水圧Hを置き換えると、

0034

0035

となり、各水量における発電出力が最大となる回転数には、水圧と水量が関わる。また、各水量において、最大発電出力となる回転数は同一ではあり得ないとともに設置状況、それぞれの設備・機器の固有値により影響され、設計時など事前に決定することはできない。

0036

本実施形態に係る水力発電システムにおいては、水圧制御を開始し、開度調整器16が「開」の方へ調整された場合には「水量増」と判定し、「閉」の方へ調整された場合には「水量減」と判定する。そして、水圧制御を一旦停止した状態で、「水量増」の場合には水車回転数を「微増速」とし、「水量減」の場合には水車回転数を「微減速」とし、この処理を繰り返して出力が最大となる水車回転数を探査する。出力が最大となる水車回転数が探査されると、この回転数を維持した状態で水圧制御を再度開始し、次の水量変化に対応できるように待機する。水量が変化した場合は、上記と同様の処理を行って出力が最大となるように制御する。

0037

図3は、演算制御部20の構成を示す機能ブロック図である。演算制御部20は、水圧センサ15で測定された水圧に基づいて、ガイドベーン14の適正な開度を演算すると共に、発電機インバータ18の周波数及び出力に基づいて、水車12の適正な回転数を演算する演算部21と、演算部21が演算した結果に基づいて、ガイドベーン14の開度の制御指令や、開度保持の制御指令を行う開度指令制御部22と、演算部21が演算した結果に基づいて、発電機インバータ18の周波数を調整して水車12の回転数の制御指令を行う回転数指令制御部23と、演算部21が演算した結果を蓄積する演算結果データベース24とを備える。

0038

演算部制御部20は、上述したように、水圧センサ15で測定された水圧に基づいたガイドベーン14の開度の適正値の演算と、それぞれの開度における適正な水車12の回転数の演算を行い、演算結果に基づいたガイドベーン14と発電機インバータ18との制御を行う。このとき、水圧制御の演算を行う際は水車12の回転数を保持し、水車12の回転数制御の演算を行う際はガイドベーン14の開度が保持される。

0039

図4は、水量変化ごとの回転数と出力との関係を示すグラフである。水車回転数nに対する出力は、水量(Q1<Q2<Q3<Q4)ごとに図4に示すような一又は複数の極値を持った山なりのグラフを示す特徴を有する。増水時(Q1→Q2への増水時)には、増水後の水量Q2における極値となる出力を回転数nを変化させながら探索する。減水時(Q4→Q3への減水時)には、減水後の水量Q3における極値となる出力を回転数nを変化させながら探索する。

0040

次に、本実施形態に係る水力発電システムの動作について、図5ないし図8を用いて説明する。図5は、本実施形態に係る水力発電システムにおいて初期起動から通常制御を行うまでの処理を示す第1のフローチャート、図6は、本実施形態に係る水力発電システムにおいて初期起動から通常制御を行うまでの処理を示す第2のフローチャート、図7は、本実施形態に係る水力発電システムにおいて通常制御から発電を停止するまでの処理を示す第1のフローチャート、図8は、本実施形態に係る水力発電システムにおいて通常制御から発電を停止するまでの処理を示す第2のフローチャートである。

0041

なお、図5及び図6に示す初期起動から通常制御までの処理については、人手又は自動で水車12の定格水量における最大出力となる回転数以下の回転数となるような水量(以下、少水量という)に制御できる状態であることが望ましい。

0042

図5及び図6において、まず、開度調整器16、逆変換装置19、発電機インバータ18が待機状態となっている(S1)。このとき、開度ε=0である。この状態で少水量での取水が開始される(S2)。開度調整器16にて水圧一定制御を開始し、所定の水圧(水位)にて閉管水路13内を充填する(S3)。閉管水路13内に水が充填されると、開度調整器16により水圧に適合した開度で水車12に少水量を流水して無拘束運転に移行する(S4)。このとき、発電機が過電圧、過速度にならない範囲に取水量を制御する。発電機インバータ18により無拘束運転を保持した状態で水車の回転速度制御運転を行う(S5)。このとき、無拘束運転であることから発電出力は0の状態である。

0043

開度調整器16で開度を一時保持し(S6)、回転数指令を−ΔnS1変化させて発電を開始する(S7)。水圧変化ΔHが、予め設定された所定の値より大きいかどうかを判定し(S8)、所定の値より大きい場合は、水圧変化が極めて大きく危険な状態も想定されるため、一旦回転数を前回の値に戻して水圧制御を復活し、水圧を安定させる処理を行う(S9)。水圧が安定すると、再びステップS6の処理に戻る。なお、ステップS6から再度同様の処理を繰り返して行う際には、回転数指令はΔnS1の値を前回よりも小さい値で変化することが望ましい。

0044

ステップS8で、水圧変化ΔHが所定の値以下である場合は、前回の発電出力と今回の発電出力とを比較し(S10)、発電出力が増加した場合は、ステップS7に戻って再び回転数を−ΔnS1変化させる。発電出力が増加している間はこれらの処理を繰り返して行う。ステップS10で発電出力が減少した場合は、減少する一回前の回転数の値に戻して(S11)、少水量における最大出力の回転数として決定する(S12)。ここまでは、初期起動において、少水量で取水された場合の処理である。

0045

以降、通常制御に向けて取水量ΔQが増加される(S13)。開度調整器16を一時保持し(S14)、出力値が所定値よりも大きいかどうかを判定する(S15)。この所定値は、少水量における最大出力値であり、設備として規定される最低水量で可能と想定される発電出力に相当する。出力値が所定値よりも大きい場合は、回転数指令を−Δn変更し、一回前の回転数の値に戻して(S20)、初期起動を完了する(S21)。出力値が所定値以下の場合は、回転数指令を+ΔnS2変化させる(S16)。水圧変化ΔHが、予め設定された所定の値より大きいかどうかを判定し(S17)、所定の値より大きい場合は、一旦回転数を前回の値に戻して水圧制御を復活し、水圧を安定させる処理を行う(S18)。水圧が安定すると、再びステップS14の処理に戻る。なお、ステップS14から再度同様の処理を繰り返して行う際には、回転数指令はΔnS2の値を前回よりも小さい値で変化することが望ましい。

0046

ステップS17で、水圧変化ΔHが所定の値以下である場合は、前回の発電出力と今回の発電出力とを比較し(S19)、発電出力が増加した場合は、ステップS13に戻って更なる増水を行うと共に、+ΔnS2変化させて最大出力となる回転数を繰り返し探査する。ステップS18で発電出力が減少した場合は、減少する一回前の回転数の値に戻して(S20)、初期起動を完了する(S21)。ここまでの処理が完了した時点で、通常制御(通常の水力発電動作)に移行する。

0047

次に、通常制御の処理について説明する。図7及び図8において、まず、通常制御運転を開始し、同時に水圧制御が開始される(S1)。何かしらの要因(例えば、水利用目的の違いや自然環境の変化が要因)で取水量が変化し、その変化を水圧として検知する(S2)。水圧制御により開度調整器16が開度εを調整し(S3)、開度の変化Δεが0より大きいかどうかを判定する(S4)。

0048

Δεが0より大きい場合は、一旦開度εを保持する(S5)。水圧の変化から水量ΔQ>0(水量が増加した)と判断し、回転数指令を+Δn変化させる(S6)。ここで、水圧変化ΔHが、予め設定された所定の値より小さいかどうかを判定し(S7)、所定の値以上である場合は、一旦回転数を前回の値に戻し(S8)、回転数変化Δnを微小減にし(S9)、再度水圧制御を行って(S10)、水圧を安定させる(S11)。水圧が安定したら、再度ステップS5の処理に戻って、上記処理を繰り返して行う。

0049

ステップS7で、水圧変化ΔHが所定の値より小さい場合は、前回の発電出力と今回の発電出力とを比較し(S12)、発電出力が増加した場合は、ステップS5に戻って上記処理を繰り返して行う。ステップS12で発電出力が減少した場合は、減少する一回前の回転数の値に戻して(S13)、その値を現在の水量に対する最高出力点であると推定する(S14)。出力が最大になった時点で保持していた開度εを解除する(S15)。このとき、上記で求めた回転数は保持される。

0050

一方、ステップS4において、Δεが0以下である場合は、一旦開度εを保持する(S16)。水圧の変化から水量ΔQ≦0(水量が減少した)と判断し、回転数指令を−Δn変化させる(S17)。ここで、水圧変化ΔHが、予め設定された所定の値より小さいかどうかを判定し(S18)、所定の値以上である場合は、上述したステップS8からステップS11までの処理を行う。

0051

ステップS18で、水圧変化ΔHが所定の値より小さい場合は、前回の発電出力と今回の発電出力とを比較し(S19)、発電出力が増加した場合は、ステップS16に戻って上記処理を繰り返して行う。ステップS19で発電出力が減少した場合は、減少する一回前の回転数の値に戻して(S20)、その値を現在の水量に対する最高出力点であると推定する(S14)。出力が最大になった時点で保持していた開度εを解除する(S15)。このとき、上記で求めた回転数は保持される。

0052

出力が最大となる回転数で保持されると、水力発電システム1を停止するかどうかを判定する(S21)。停止しない場合は、ステップS2の処理に戻って、水力発電システム1が常時最大出力となるように上記の処理が繰り返して行われる。停止する場合は、取水を停止し、減水に合わせて回転数の減速・停止を行う(S22)。停止後、開度調整器16、発電機インバータ18及び逆変換装置19を待機状態にして(S18)、発電を停止する。

0053

上記の一連の処理における出力の推移について、図9及び図10を用いて詳細に説明する。図9は、取水から発電までの回転数に対する出力の推移の一例を示す図であり、図10は、取水から止水までの経過時間に対する出力の推移の一例を示す図である。

0054

図9において、取水開始から少量取水が行われる。上記にも示したように、このときは無拘束運転であるため出力は0となる(1)。次に、回転数を下げて減速させることで発電を開始し、少水量における最大出力点が探査される(2)。次第に取水量が増水され、それに応じて出力が最大となる回転数が得られ、取水量が安定した段階で通常制御に移行する(3)。通常制御において、増水が検知されると(4)、水量が増すことで出力が大きくなり、それに伴って増水後の最大出力となる回転数が得られる(5)。次に、減水が検知されると、水量が減ることで出力が小さくなり(6)、それに伴って減水後の最大出力となる回転数が得られる(7)。以降、通常制御が可能な範囲で増水を減水等の水量変化に応じて、常時出力が最大となる回転数が探査され、発電効率を格段に向上させることが可能となる。

0055

図10においても、図9の(1)〜(7)の推移に連動しており、経過時間に対して図9の場合と同様に出力が推移する。そして、最終的にシステムを停止する場合は、減水を行い(8)、回転数の制御を停止して、最終的に止水される(9)。

0056

このように、図5ないし図8のような一連の処理を行うことで、図9及び図10に示すような出力の推移を辿って、発電効率を向上させることが可能となる。

0057

なお、上記においては、水圧センサ15による水圧の変化に応じて開度調整を行うことを示したが、水圧センサ15の代わりに、源流10内に水位計を備え、水位変化に基づいて開度調整を行うようにしてもよい。

0058

また、上記においては、流量調整器としてガイドベーン14を備える構成としたが、クロスフロー水車フランシス水車ではガイドベーン、ペルトン水車ではニードル等でよく、加えて、取水弁入口弁にて、流量制御をしている場合にも同様に適用可能である。また、バイパス水路吐水弁による流量調整の場合には、開度方向の判断が逆になるが、同等の制御が適用可能である。

0059

さらに、上記においては一つの極値を有するもののみを示しているが、水車の特性や環境によっては、図11に示すように極値が複数存在する場合もある。図11(B)に示すように、極値が複数ある場合は、上記の山登り探索法では最大値を求められない可能性がある。そのため、所定の水量に係る開度において、回転数と発電出力の動作特性を示すデータを収集し、発電出力が最大値となる回転数を把握して制御を行う。以下に、回転数−発電出力特性で複数の極値がある場合の制御処理について具体的に説明する。

0060

図12は、回転数−発電出力特性で複数の極値がある場合の制御処理を示すフローチャートである。図12の処理は、上記で説明した水力発電システムをある程度動作し、情報が収集された状態で実施されることが望ましい。

0061

図12において、通常制御の処理が開始されると(S1)、山登り探索法により求められる開度、回転数、出力(極値)のデータが演算結果データベース24に格納される(S2)。現在の開度と略同一(例えば、±2.5%程度の相違は同一と見なす)の開度について、演算結果データベース24にデータがあるかどうかを判定し(S3)、既に演算結果データベース24にデータがある場合は、現在演算で求めた最大出力における回転数と、その格納されているデータの回転数とが略同一(例えば、±2.5%程度の相違は同一と見なす)であれば(S4)、得られた極値が最大出力であると判断する(S5)。現在演算で求めた最大出力における回転数と、格納されているデータの回転数とが略同一でなければ(S4)、水車の特定として複数の極性を有すると判断する(S6)。判断結果は、システムの使用者に対して出力される(S7)。

0062

ステップS3で、演算結果データベース24にデータがない場合は、現在の開度における最大出力となる回転数を適正値として稼働しつつ、得られた結果を演算結果データベース24に格納する(S8)。以降は、通常制御の処理中において上記処理を繰り返して行う。

0063

なお、複数の極値がある場合において、以下のような演算を行うようにしてもよい。例えば、現在の開度と略同一開度のデータが、既に演算結果データベース24に格納されている場合は、この格納されている以前のデータが、回転数を上げながら山登り探索法で最大出力を求めたのか、又は回転数を下げながら山登り探索法で最大出力を求めたのかの情報を取得し、併せて、現在の回転数が、回転数を上げながら山登り探索法で最大出力を求めたのか、又は回転数を下げながら山登り探索法で最大出力を求めたのかの情報を取得する。

0064

以前のデータと逆方向の山登り探索法で略同一の最大出力が得られた場合には、その開度における極値は1つであると判断し、その値を最大値として特定する。以前のデータと逆方向の山登り探索法で異なる最大出力が得られた場合には、その開度における極値は複数あると判断し、値が大きい方を最大値として特定する。一方、以前のデータと同方向の山登り探索法で略同一の最大出力が得られた場合には、極値が1つであるか複数であるかは不明であるため、その値を仮の最大値として特定する。以前のデータと同方向の山登り探索法で異なる最大出力が得られた場合には、極値が複数であると判断し、値が大きい方を仮の最大値として特定する。このような処理を繰り返して全範囲のデータを収集し、収集後は山登り探索法を行うことなく、開度に応じた回転数に制御することが可能となる。

0065

また、現在の開度と略同一開度のデータが、演算結果データベース24に格納されていない場合は、以下のような判定処理を行うことも可能である。例えば、現在の開度が演算結果データベース24に格納されている以前のデータのいずれのデータよりも大きい又は小さい、すなわち、現在の開度がこれまでの処理の中で最大値又は最小値である場合には、現在の処理が次第に水量を増水又は減水している安定処理であると判断できるため、得られた最大出力を最大値として特定する。そうでない場合は、水流が不安定であるか、水車特性に極値が複数ある可能性があるため、アラートを出力する。

0066

このように、水車の使用環境によっては、水車の特性を得ることが極めて困難である場合もあり、そのような場合であっても、上記処理を行うことである程度水車の特性が明確となり、効果的に最大出力を得ることが可能となる。

0067

さらに、本実施形態に係る水力発電システムは、必要に応じて自己学習を行うことでシステムの管理を自動化することが可能となる。取水開始から取水増水、通常取水、水量増減、減水止水の各動作における開度調整器16の開度、水圧、水車回転数、発電出力の情報を収集して演算結果データベース24に格納し、これらの情報から水車やシステムの特性を求める。

0068

自動化する場合に、まず取水開始から通常制御に移行するまでの工程をルーチン化する。取水開始から通常制御へ移行するまでの作業工程のパターンが判明すると、取水開始後の少水量での取水、少水量から通常制御までの増水量を規定し、それに対応したΣ(−Δn)及びΣ(+Δn)により、1回の操作のみで通常制御に迅速に移行する。すなわち、自動化しない場合は、上述したように、取水開始後から通常制御に移行するまで、複数回の±Δnを変化しながら最大出力値をチェックする処理を行う必要があるのに対して、ルーチン化することで、減水時には一括減速、増水時には一括増速が可能となり、一回の制御で最大出力となる水車回転数の減速や増速が可能となる。このとき、取水量を調整する取水弁の開度を自動調整することで、一連の工程を完全自動化することが可能となる。

0069

また、最高出力点の探査を繰り返し、水圧に応じた開度、回転数、出力変化のデータが全領域に亘り収集されると、任意の水量変化に応じて開度が変化した場合に、近似演算により直接最高出力点となる回転数に移行することが可能となり、処理を簡潔に行うとともに、最大発電出力回転数へ短時間に移行することができる。全水量域において、開度と最大出力が一意性を持ち、その回転数が既知になれば、開度−出力特性は図13のようになる。発電出力の極値が複数ある水量において、極値間を回転数安定して移行できる場合は、より高い極値を選定することも可能となる。

0070

1水力発電システム
10 源流
11取水口
12水車
13閉管水路
14ガイドベーン
15水圧センサ
16開度調整器
17発電機
18発電機インバータ
19逆変換装置
20演算制御部
21演算部
22開度指令制御部
23回転数指令制御部
24演算結果データベース

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