(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力発電所における発電機駆動システムであって、
前記水源から水路を経由して流入する水を貯留する水槽と、
前記水路から水槽に流入する水量を計測して水量データを出力する水量計測手段と、
前記水槽の水位を計測する水位計測手段と、
前記水槽から圧力配管を通過した水の落下エネルギにより水車を回転させて発電する水力発電機と、
前記圧力配管と前記水車の間の水路にバルブを設け、前記バルブを開閉することにより前記水槽から落下する水量を調節する水量調節手段と、
前記水力発電機の出力が比例的に変化する特性を有する発電機出力設定区間を複数用意し、前記水量計測手段により計測した水量データに基づいて、前記発電機出力設定区間の中から一つの発電機出力設定区間を選択し、選択された発電機出力設定区間で設定された発電機出力になるように前記水量調節手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記発電機出力設定区間を上位の発電機出力設定区間に切り替えたとき、切り替えた発電機出力設定区間が最上位の場合で、且つ前記水位計測手段により計測された水位が前記目標上限水位を超えたときは、前記水量調節手段により前記バルブを絞って前記水力発電機が定格運転するように制御することを特徴とする発電機駆動システム。
【請求項２】
前記各発電機出力設定区間は、前記水槽の所定の水位を目標下限水位とし、該目標下限水位から所定の量上昇した水位を目標上限水位とし、前記目標下限水位と前記目標上限水位との間を前記水力発電機の出力が比例的に上昇する特性を持たせたものであり、前記水力発電機の定格出力までの区間を前記各発電機出力設定区間により分割配置したことを特徴とする請求項１に記載の発電機駆動システム。
【請求項３】
前記制御手段は、１つの発電機出力設定区間を選択した場合、前記水位計測手段により計測された水位が前記目標上限水位を超えた場合、該発電機出力設定区間を上位の発電機出力設定区間に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の発電機駆動システム。
【請求項４】
前記制御手段は、１つの発電機出力設定区間を選択した場合、前記水位計測手段により計測された水位が前記目標下限水位を超えた場合、該発電機出力設定区間を下位の発電機出力設定区間に切り替えることを特徴とする請求項２に記載の発電機駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機駆動システムに関し、渇水期においても水槽に貯留した水を発電に有効に使用するための駆動技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
流れ込み水位調整式発電所では、渇水期に水源から流入してくる水量が減少した場合に、垂下特性曲線（水槽の水位と発電機出力が比例する特性）により水槽の水位を見かけ上低く設定して、水槽から発電機に流れ込む量を抑えて発電機出力を下げる操作を行っている。それにより、渇水期の少ない水をできるだけ長く使用して発電できるようにしている。しかし、この方式では、渇水期に発電機出力を低下させなければならず、渇水期の発電需要に対応できない。また、水槽の水位に発電出力が左右されるため、安定した発電出力を供給できないといった問題がある。
特許文献１には、水槽への水の流入が少ない渇水期においても、高水位で運転することができる水力発電所の水槽水位制御装置について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１４４６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている従来技術は、発電機の出力が低下した場合に、一段高い基準水位に切り替えて発電機の目標出力値を減少させ、或いは、発電機の出力が上限値に達した場合に、一段低い基準水位に切り替えて発電機の目標出力値を増加させるものであり、基本的に従来の流れ込み水位調整式発電所のように、水槽の水位に発電出力が左右されるため、安定した発電出力を供給できないといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、目標下限水位を水槽の所定の水位（高水位）に設定して、その水位を下回らないように流入する水量を監視し、流入水量に基づいて１つの発電機出力設定区間を選択して、その範囲内で発電機出力を制御することにより、渇水時でも高水位を維持して安定した発電機出力を供給することができる発電機駆動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、水力発電所における発電機駆動システムであって、前記水源から水路を経由して流入する水を貯留する水槽と、前記水路から水槽に流入する水量を計測して水量データを出力する水量計測手段と、前記水槽の水位を計測する水位計測手段と、前記水槽から圧力配管を通過した水の落下エネルギにより水車を回転させて発電する水力発電機と、前記圧力配管と前記水車の間の水路にバルブを設け、前記バルブを開閉することにより前記水槽から落下する水量を調節する水量調節手段と、前記水力発電機の出力が比例的に変化する特性を有する発電機出力設定区間を複数用意し、前記水量計測手段により計測した水量データに基づいて、前記発電機出力設定区間の中から一つの発電機出力設定区間を選択し、選択された発電機出力設定区間で設定された発電機出力になるように前記水量調節手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記発電機出力設定区間を上位の発電機出力設定区間に切り替えたとき、切り替えた発電機出力設定区間が最上位の場合で、且つ前記水位計測手段により計測された水位が前記目標上限水位を超えたときは、前記水量調節手段により前記バルブを絞って前記水力発電機が定格運転するように制御することを特徴とする。
発電機出力設定区間は所定の数の区間が存在する。例えば、台風等で流入水量が大幅に増加した場合は、発電機出力設定区間が最上位の場合で、且つ水位が目標上限水位を超える可能性がある。そのような時は、更に上位の区間に切り替えることができないので、水量調節手段によりバルブを制御（全開）して水力発電機を定格運転する。これにより、最上位での目標上限水位を大幅に超える可能性を減らすことができる。
【０００６】
請求項２は、前記各発電機出力設定区間は、前記水槽の所定の水位を目標下限水位とし、該目標下限水位から所定の量上昇した水位を目標上限水位とし、前記目標下限水位と前記目標上限水位との間を前記水力発電機の出力が比例的に上昇する特性を持たせたものであり、前記水力発電機の定格出力までの区間を前記各発電機出力設定区間により分割配置したことを特徴とする。
各発電機出力設定区間は、水槽の所定の水位を目標下限水位とし、この目標下限水位から所定の量上昇した水位を目標上限水位とし、目標下限水位と目標上限水位との間を水力発電機の出力が比例的に上昇する特性を持たせた。そして、これらの区間で発電機出力を等分に分割して、流入水量に応じて１つの区間を選択して、その区間内で発電機出力を制御する。これにより、流入水量に応じてきめ細かく発電出力を調整することができる。
【０００７】
請求項３は、前記制御手段は、１つの発電機出力設定区間を選択した場合、前記水位計測手段により計測された水位が前記目標上限水位を超えた場合、該発電機出力設定区間を上位の発電機出力設定区間に切り替えることを特徴とする。
複数の発電機出力設定区間は、発電機出力の低い方を低位として順次発電機出力が高くなる方を高位として設定する。従って、選択された発電機出力設定区間内で、取水水量（発電機側に流出する水量）より流入水量（水源から水槽に流入する水量）が多くなると水位が目標上限水位を超える可能性がある。そのような場合には、更に上位の発電機出力設定区間に移行するように切り替える。これにより、各区間での流入水量と取水水量のバランスを平均化することができる。
【０００８】
請求項４は、前記制御手段は、１つの発電機出力設定区間を選択した場合、前記水位計測手段により計測された水位が前記目標下限水位を超えた場合、該発電機出力設定区間を下位の発電機出力設定区間に切り替えることを特徴とする。
選択された発電機出力設定区間内で、取水水量より流入水量が少なくなると水位が目標下限水位を超える可能性がある。そのような場合には、更に下位の発電機出力設定区間に移行するように切り替える。これにより、各区間での流入水量と取水水量のバランスを平均化することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水槽に常に所定の水位以上を維持して貯留しておき、この水位以上で、且つ水力発電機の出力が比例的に変化する特性を有する発電機出力設定区間を複数用意し、水源から流入する水量に応じて複数の発電機出力設定区間の１つを選択して、この選択された発電機出力設定区間で設定された発電機出力になるように水量調節手段を制御するので、渇水時でも高水位を維持して安定した発電機出力を供給することができる。
また、発電機出力設定区間で発電機出力を等分に分割して、流入水量に応じて１つの区間を選択して、その区間内で発電機出力を制御するので、流入水量に応じてきめ細かく発電出力を調整することができる。
また、選択された発電機出力設定区間内で、取水水量より流入水量が多くなり水位が目標上限水位を超える場合には、更に上位の発電機出力設定区間に移行するように切り替えるので、各区間での流入水量と取水水量のバランスを平均化することができる。
また、選択された発電機出力設定区間内で、取水水量より流入水量が少なくなり水位が目標下限水位を超える場合には、更に下位の発電機出力設定区間に移行するように切り替えるので、各区間での流入水量と取水水量のバランスを平均化することができる。
また、流入水量が大幅に増加した場合は、発電機出力設定区間が最上位の場合で、且つ水位が目標上限水位を超える時は、水量調節手段によりバルブを制御（全開）して水力発電機を定格運転するので、最上位での目標上限水位を大幅に超える可能性を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る発電機駆動システムの模式図である。
【図２】本発明の水槽の水位と発電機出力の関係を示す図である。
【図３】区間テーブルの一例を示す図である。
【図４】図１の発電機駆動システムの動作を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る発電機駆動システムの模式図である。この発電機駆動システム１００は、水力発電所における発電機駆動システムであって、河川（水源）１から水路２を介して流入する水量を計測する水量センサ（水量計測手段）３と、水路２から流入する水を貯留する水槽４と、水槽４の水位を計測する水位センサ（水位計測手段）５と、水槽４内の水の落下エネルギにより水車９を回転させて発電する水力発電機（以下、単に発電機と呼ぶ）１０と、水槽４から圧力鉄管７を介して落下する水量を調節するバルブ（水量調節手段）８と、発電機１０の出力が比例的に変化する特性を有する発電機出力設定区間（以下、単に区間と呼ぶ）を複数用意し、水量センサ３により計測した水量データに基づいて、複数の区間の中から一つの区間を選択し、選択された区間で設定された発電機出力になるようにバルブ８を開平制御する制御部（制御手段）６と、を備えて構成されている。尚、制御部６には、流入水量（ｔ／ｓｅｃ）、区間、及び水槽４の水位と発電機出力の関係から各区間における発電機出力を算出する式とを対応付けて記憶した区間テーブル１１を備えている。
【００１３】
次に本実施形態に係る発電機駆動システム１００の概略動作について説明する。河川１は渇水期以外は、水路２を介して水槽４に水を貯留する。本実施形態では、水槽４には目標下限水位（ＨＬ）と目標上限水位（ＨＨ）を設定し、その水位は水位センサ５により監視されている。そして、渇水期に備えて必ず目標下限水位以上の水位が水槽４に貯留されるように、制御部６はバルブ８を制御する。
その条件下で、制御部６は水位センサにより水槽４の水位が目標下限水位以上であることを確認して、バルブ８を開放して水車９を回転させる。次に、制御部６は水量センサ３により水路から流入する水量を計測する。水量の計測方法は、例えば、水路２の管径が解っていれば、水路２の水位から断面積を計算して計測することができる。制御部６は水量が分かると、区間テーブルに記憶されているデータに基づいて発電機出力をどの区間で実施するかを決定する。そして、選択した区間の垂下特性に基づいて発電機出力を制御する（詳細は後述する）。尚、区間を越える水量が発生した場合は、上位の区間に切り替えて実行される。
即ち、本実施形態の特徴は、水槽４に常に所定の水位（ＨＬ）以上を維持して貯留しておき、この水位以上で、且つ発電機１０の出力が比例的に変化する特性を有する区間を複数用意し、河川１から流入する水量に応じて複数の区間の１つを選択して、この選択された区間で設定された発電機出力になるようにバルブ８を制御する点である。これにより、渇水時でも高水位を維持して安定した発電機出力を供給することができる。
【００１４】
図２は本発明の水槽の水位と発電機出力の関係を示す図である。本発明では、各区間Ａ〜Ｄは、水槽４の所定の水位を目標下限水位（ＨＬ）とし、目標下限水位（ＨＬ）から所定の量上昇した水位を目標上限水位（ＨＨ）とし、目標下限水位（ＨＬ）と目標上限水位（ＨＨ）との間を水力発電機の出力が比例的に上昇する特性（本実施形態では直線）を持たせたものであり、横軸の発電機１０の出力（Ｐ）を４つの区間Ａ〜Ｄにより分割した。
ここで、従来との比較のために、従来の垂下特性曲線２４を同一面に示す。例えば、制御部６が水量センサのデータから流入水量が１３（ｔ／ｓｅｃ）であると判断すると、図３の区間テーブルから区間Ｃを選択する。区間Ｃは発電機出力がＰｃ〜Ｐｄの間であるので、特性曲線２２に基づいて発電機出力をＰｃ〜Ｐｄの間で制御する。即ち、区間Ｃでは、発電機出力が高いレベルであるので、バルブ８をかなり開放して水槽４の水を取水する必要がある。逆に言うと、取水水量をカバーできる流入水量があるということである。
また、本実施形態での目標下限水位（ＨＬ）は、従来の垂下特性曲線とＱ点で交差し、その時の発電機出力Ｐｈに相当することがわかる。即ち、常に発電機１０には、発電機出力Ｐｈに相当する落差を維持することができる。
各区間は、水槽４の所定の水位を目標下限水位（ＨＬ）とし、この目標下限水位（ＨＬ）から所定の量上昇した水位を目標上限水位（ＨＨ）とし、目標下限水位（ＨＬ）と目標上限水位（ＨＨ）との間を発電機１０の出力が比例的に上昇する特性を持たせた。そして、これらの区間で発電機出力を等分に分割して、流入水量に応じて１つの区間を選択して、その区間内で発電機出力を制御する。これにより、流入水量に応じてきめ細かく発電出力を調整することができる。
【００１５】
図３は区間テーブルの一例を示す図である。区間テーブルには、少なくとも流量センサ３により測定された流量（ｔ／ｓｅｃ）、区間、発電機出力式を対応させて記憶したものであり、水量センサのデータに基づいてルックアップ形式に区間を選択することができる。また、各区間には、発電機１０の出力を水槽４の水位を水位センサ５で監視しながら演算する式が記憶されている。例えば、目標下限水位（ＨＬ）のときの発電機出力（Ｐ）がＰｈであるとすると、各区間での最低発電機出力はＰｈとなるため、特性曲線が直線で、その勾配がａであると仮定すると、特性曲線は「ａ×Ｐ」で表されるので、区間Ａでは「ａ×Ｐａ＋Ｐｈ」、区間Ｂでは「ａ×Ｐｂ＋Ｐｈ」、区間Ｃでは「ａ×Ｐｃ＋Ｐｈ」、区間Ｄでは「ａ×Ｐｄ＋Ｐｈ」と表せる。尚、本実施形態では、各区間の発電機出力式を１次関数としているが、それに限定されるものではない。
【００１６】
図４は図１の発電機駆動システムの動作を説明するフローチャートである。まず、制御部６は水位センサ５により水槽４の水位が目標下限水位以上か否かをチェックする（Ｓ１）。もし、目標下限水位以下の場合（Ｓ１でＮＯ）バルブ８を閉じて水槽４の水位が目標下限水位以上になるようにする。水槽４の水位が目標下限水位以上になると（Ｓ１でＹＥＳ）、バルブ８を開放して（Ｓ２）水車９に放水する。それと同時に制御部６は、水量センサ３により水槽４への流入水量を計測して（Ｓ３）、区間テーブル１１を参照して流入水量に対応した区間を選択する（Ｓ４）。
例えば、流入水量が１３（ｔ／ｓｅｃ）であれば、区間Ｃを選択して、その区間の垂下特性２２により発電機出力を制御する（Ｓ５）。また、制御部６は区間Ｃの垂下特性２２で制御しながら、水位センサの値を監視して、水槽４の水位が目標上限水位以上になったか否かを監視する（Ｓ６）。即ち、水槽に流入する水量を計測したときは流入水量が１３（ｔ／ｓｅｃ）であったが、流入水量は時々刻々変化するので、流入水量が増加した場合は、水槽４の水位は上昇してくる。
また、逆に流入水量が減少した場合は、水槽４の水位は低下してくる。ステップＳ６で水位が目標上限水位以上の場合（Ｓ６でＹＥＳ）、区間を上位（この場合は区間Ｄ）の区間に切り替える（Ｓ７）。そして、区間を切り替えた結果、最上位区間でなければ（Ｓ８でＮＯ）、ステップＳ５に戻って、その区間の垂下特性２２により発電機出力を制御する。
【００１７】
一方、ステップＳ６で水槽４の水位が目標上限水位でない場合（Ｓ６でＮＯ）、次に、水槽４の水位が目標下限水位以下か否かをチェックする（Ｓ１３）。目標下限水位以下でなければ、ステップＳ５に戻ってその区間の垂下特性２２により発電機出力を制御する。ここで流入水量が減少した場合は、水槽４の水位は低下して、目標下限水位以下になると（Ｓ１３でＹＥＳ）、区間を下位の区間（ここでは区間Ｂ）に切り替える（Ｓ１４）。
ここで、区間を切り替えた結果、最下位区間でなければ（Ｓ１５でＮＯ）、ステップＳ１８に進み、最下位区間であれば（Ｓ１５でＹＥＳ）、水槽４の水位が目標下限水位以下か否かをチェックして（Ｓ１８）、目標下限水位以下でなければ（Ｓ１８でＮＯ）ステップＳ５に進み、その区間の垂下特性２２により発電機出力を制御する。目標下限水位以下であれば（Ｓ１８でＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んでバルブ８を閉じて、下限水位以下にならないように制御する。
【００１８】
一方、ステップＳ８で区間を切り替えた結果、最上位区間の場合（Ｓ８でＹＥＳ）、これ以上の区間がないため、水槽４の水位が目標上限水位以上か否かをチェックする（Ｓ９）。目標上限水位を超えていなければ（Ｓ９でＮＯ）、次に水槽４の水位が目標下限水位以下か否かをチェックする（Ｓ１６）。目標下限水位以下でなければ（Ｓ１６でＮＯ）、最上位区間の垂下特性で発電機出力を制御して（Ｓ１７）、ステップＳ９に戻る。
ステップＳ１６で目標下限水位以下であれば（Ｓ１６でＹＥＳ）、区間を下位の区間（ここでは区間Ｃ）に切り替えて（Ｓ１９）ステップＳ５に戻って、その区間の垂下特性２２により発電機出力を制御する。また、ステップＳ９で目標上限水位以上になった場合は（Ｓ９でＹＥＳ）、バルブ８を全開して（Ｓ１０）、発電機１０を定格運転する（Ｓ１１）。
【００１９】
即ち、複数の区間は、発電機出力の低い方を低位として順次発電機出力が高くなる方を高位として設定する。従って、選択された区間内で、取水水量（発電機側に流出する水量）より流入水量（水源から水槽に流入する水量）が多くなると水位が目標上限水位を超える可能性がある。そのような場合には、更に上位の区間に移行するように切り替える。これにより、各区間での流入水量と取水水量のバランスを平均化することができる。
また、選択された区間内で、取水水量より流入水量が少なくなると水位が目標下限水位を超える可能性がある。そのような場合には、更に下位の区間に移行するように切り替える。これにより、各区間での流入水量と取水水量のバランスを平均化することができる。
また、区間は所定の数の区間が存在する。例えば、台風等で流入水量が大幅に増加した場合は、区間が最上位の場合で、且つ水位が目標上限水位を超える可能性がある。そのような時は、更に上位の区間に切り替えることができないので、バルブ８によりバルブを制御（全開）して発電機１０を定格運転する。これにより、最上位での目標上限水位を大幅に超える可能性を減らすことができる。
【符号の説明】
【００２０】
１  河川、２  水路、３  水量センサ、４  水槽、５  水位センサ、６  制御部、７  圧力鉄管、８  バルブ、９  水車、１０  発電機、１１  区間テーブル、２０  区間Ａの垂下特性、２１  区間Ｂの垂下特性、２２  区間Ｃの垂下特性、２３  区間Ｄの垂下特性、２４  従来の垂下特性曲線、１００  発電機駆動システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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