(57)【要約】【課題】            導水・送水・配水管路網において管路を流れる水の流量、圧力を任意の値に制御しつつ、余剰圧力で得られる発電電力を最大とすることができる余剰圧力利用マイクロ水力発電方法および装置を提供する。【解決手段】        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。【選択図】          図１
2006022745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導水・送水・配水管路網において管路を流れる水の流量もしくは圧力を制御量とし、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、水力発電装置の上流側に設置した入口弁の開度制御と水力発電装置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の下流側管路における水の制御量を目標値に制御することを特徴とする余剰圧力利用マイクロ水力発電方法。
【請求項２】
入口弁の開度制御により水力発電装置の下流側管路における水の制御量を目標値にフィードバック制御しつつ、水力発電装置の水車回転数制御を行うものであって、水力発電装置の水車回転数制御に際し、異なる水車回転数毎に存在する有効落差と水車流量との相関を示す水車特性と、各水車特性毎に相対して存在する発電特性とにおいて、入口弁の開度制御に伴って変化する水の制御量の現在値において発電電力を最大とするのに必要な水車回転数を選択し、選択した水車回転数で水車を回転させることを特徴とする請求項１に記載の余剰圧力利用マイクロ水力発電方法。
【請求項３】
水力発電装置の水車回転数制御に際し、複数の特定水車回転数の水車特性と当該水車特性に相対する発電特性に基づいて水車回転数を選択するものであり、近接する水車回転数の水車特性の相互間において、双方の水車特性にそれぞれ相対する発電特性での発電電力が同等となる水車流量を変更点として求め、この変更点を全ての特定水車回転数の水車特性において求めて各変更点間を制御区間に設定し、入口弁の開度制御に伴って変化する水の流量現在値を検出し、流量現在値が属する制御区間の水車回転数を選択し、選択した水車回転数で水車を回転させることを特徴とする請求項２に記載の余剰圧力利用マイクロ水力発電方法。
【請求項４】
水力発電装置の水車回転数制御に際し、複数の特定水車回転数の水車特性と当該水車特性に相対する発電特性に基づいて水車回転数を選択するものであり、近接する水車回転数の水車特性の相互間において、双方の水車特性にそれぞれ相対する発電特性での発電電力が同等となる有効落差を変更点として求め、この変更点を全ての特定水車回転数の水車特性において求めて各変更点間を制御区間に設定し、入口弁の開度制御に伴って変化する水力発電装置の一次側の圧力と二次側の圧力との差圧である有効落差現在値を検出し、この有効落差現在値の属する制御区間の回転数であって有効落差現在値において発電電力が最大となる水車回転数を選択し、選択した水車回転数で水車を回転させることを特徴とする請求項２に記載の余剰圧力利用マイクロ水力発電方法。
【請求項５】
入口弁の開度制御により水力発電装置の下流側管路における水の制御量を目標値にフィードバック制御しつつ、水力発電装置の水車回転数制御を行うものであって、水力発電装置の水車回転数制御に際し、複数の特定水車回転数の水車特性と当該水車特性に相対する発電特性に基づいて、水車流量と最大発電電力となる回転数の関係、または水車有効落差と最大発電電力となる回転数の関係のいずれかを示す関数を求め、該関数を用いて、入口弁の開度制御に伴って変化する水の制御量の現在値において発電電力を最大とするのに必要な水車回転数を選択し、選択した水車回転数で水車を回転させることを特徴とする請求項２に記載の余剰圧力利用マイクロ水力発電方法。
【請求項６】
導水・送水・配水管路網の管路に介装する入口弁と、入口弁の下流の管路に介装する水力発電装置と、入口弁の開度を制御して制御量をなす管路を流れる水の流量もしくは圧力を目標値に制御する開度制御手段と、制御量の現在値を指標として水力発電装置の水車回転数を制御する水車回転数制御手段とを備え、開度制御手段は、入口弁の開度制御により水力発電装置の下流側管路における水の制御量を目標値にフィードバック制御し、水車回転数制御手段は、異なる水車回転数毎に存在する有効落差と水車流量との相関を示す水車特性と、各水車特性毎に相対して存在する発電特性とにおいて、制御量の現在値において発電電力を最大とするのに必要な水車回転数を選択することを特徴とする余剰圧力利用マイクロ水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、余剰圧力利用マイクロ水力発電方法および装置に関し、上水道の導水・送水・配水管路網の減圧設備等において余剰圧力を利用して発電を行うとともに、管路の流量、もしくは圧力を制御量として目標値に制御する技術に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、図１７に示すように、上水道システム１においてはダム等の貯水池２から導水管３によって原水を浄水場４に導いており、浄水場４では減圧弁５で減圧して原水を着水井６に導入し、浄水過程７で原水を浄化している。浄水場４の浄水は送水ポンプ８で送水管路網９の各配水場１０に圧送し、配水場１０では減圧弁１１で減圧して浄水を配水槽１２に導入し、配水槽１２に貯留した浄水を配水管１３にて下流の需要家に供給している。
【０００３】
このように、従来の上水道システム１では、要所において減圧弁５やあるいはオリフィス等によって適切な圧力にまで減圧しているが、この減圧による余剰圧力は有効に利用されていない。このため、導水・送水・配水管路網における減圧による余剰圧力を利用した水力発電の導入が検討されている。
【０００４】
ところで、特許文献１には、固定案内羽根水車を有する水力発電装置において、発電効率を考慮した上で、流量の調整範囲を広げることが可能な運転制御装置が開示されている。これは流量調整弁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を備えるものであり、流量調整弁を所定開度に調整する指令信号と共に、水車変速装置に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開度回転数調整器から出力し、流量調整弁の開度と水車回転数の組合せ関数による制御を行うものである。
【特許文献１】特開２００２−３５４８９５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１においては、図１８に示すように、水車の回転数Ｎをそれぞれ一定に保った場合の流量Ｑと有効落差Ｈとの関係を示した流量−有効落差特性曲線のグラフにおいて、水車の回転数Ｎと流量調整弁の開度を適正に調整し得る流量Ｑとにおいて発電効率の高い定格運転点を実現している。
【０００６】
この場合に、図１８上のＡ点での運転はＢ点での運転に比べて有効落差も大きく、効率も良いので、発電電力も当然に高くなる。しかし、これは水車のＮｓ（比速度）が高い場合であって、図１９に示すように、Ｎｓが低い場合にはＡ点での運転は効率の良い運転が可能であるが、Ｂ点に比べて有効落差が小さいので、発電電力の点において必ずしも最良の運転とはならない。
【０００７】
また、導水・送水・配水管路網においては、管路を流れる水の流量もしくは圧力を連続的に制御することを優先する必要がある。しかし、特許文献１に開示するように、開度回転数調整器によって、流量調整弁を所定開度に調整する制御と水車変速装置に固定案内羽根水車の回転数を所定値に調整する制御とを連係させて制御開始時に弁開度と水車回転数の目標値を一度に定めて制御を行う技術では、水力発電設備の上流側の貯水池の水位の変動や、上流側の圧送ポンプの吐出圧の変動など、水力発電設備（流量調整弁を含む）の一次側の条件が変動した場合、流量調整弁の弁開度と流量とが一義的に定まらないので、管路を流れる水の流量、圧力を適切に制御することが難しい。
【０００８】
本発明は上記した課題を解決するものであり、導水・送水・配水管路網において流量、圧力を任意の値に制御しつつ、余剰圧力で得られる発電電力を最大とすることができる余剰圧力利用マイクロ水力発電方法および装置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】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明の余剰圧力利用マイクロ水力発電方法は、導水・送水・配水管路網において管路を流れる水の流量もしくは圧力を制御量とし、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、水力発電装置の上流側に設置した入口弁の開度制御と水力発電装置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の下流側管路における水の制御量を目標値に制御するものである。
【００１０】
請求項２に記載の本発明の余剰圧力利用マイクロ水力発電方法は、入口弁の開度制御により水力発電装置の下流側管路における水の制御量を目標値にフィードバック制御しつつ、水力発電装置の水車回転数制御を行うものであって、水力発電装置の水車回転数制御に際し、異なる水車回転数毎に存在する有効落差と水車流量との相関を示す水車特性と、各水車特性毎に相対して存在する発電特性とにおいて、入口弁の開度制御に伴って変化する水の制御量の現在値において発電電力を最大とするのに必要な水車回転数を選択し、選択した水車回転数で水車を回転させるものである。
【００１１】
請求項３に記載の本発明の余剰圧力利用マイクロ水力発電方法は、水力発電装置の水車回転数制御に際し、複数の特定水車回転数の水車特性と当該水車特性に相対する発電特性に基づいて水車回転数を選択するものであり、近接する水車回転数の水車特性の相互間において、双方の水車特性にそれぞれ相対する発電特性での発電電力が同等となる水車流量を変更点として求め、この変更点を全ての特定水車回転数の水車特性において求めて各変更点間を制御区間に設定し、入口弁の開度制御に伴って変化する水の流量現在値を検出し、流量現在値が属する制御区間の水車回転数を選択し、選択した水車回転数で水車を回転させるものである。
【００１２】
請求項４に記載の本発明の余剰圧力利用マイクロ水力発電方法は、水力発電装置の水車回転数制御に際し、複数の特定水車回転数の水車特性と当該水車特性に相対する発電特性に基づいて水車回転数を選択するものであり、近接する水車回転数の水車特性の相互間において、双方の水車特性にそれぞれ相対する発電特性での発電電力が同等となる有効落差を変更点として求め、この変更点を全ての特定水車回転数の水車特性において求めて各変更点間を制御区間に設定し、入口弁の開度制御に伴って変化する水力発電装置の一次側の圧力と二次側の圧力との差圧である有効落差現在値を検出し、この有効落差現在値の属する制御区間の回転数であって有効落差現在値において発電電力が最大となる水車回転数を選択し、選択した水車回転数で水車を回転させるものである。
【００１３】
請求項５に記載の本発明の余剰圧力利用マイクロ水力発電方法は、入口弁の開度制御により水力発電装置の下流側管路における水の制御量を目標値にフィードバック制御しつつ、水力発電装置の水車回転数制御を行うものであって、水力発電装置の水車回転数制御に際し、複数の特定水車回転数の水車特性と当該水車特性に相対する発電特性に基づいて、水車流量と最大発電電力となる回転数の関係、または水車有効落差と最大発電電力となる回転数の関係のいずれかを示す関数を求め、該関数を用いて、入口弁の開度制御に伴って変化する水の制御量の現在値において発電電力を最大とするのに必要な水車回転数を選択し、選択した水車回転数で水車を回転させるものである。
【００１４】
請求項６に記載の本発明の余剰圧力利用マイクロ水力発電装置は、導水・送水・配水管路網の管路に介装する入口弁と、入口弁の下流の管路に介装する水力発電装置と、入口弁の開度を制御して制御量をなす流量もしくは圧力を目標値に制御する開度制御手段と、制御量の現在値を指標として水力発電装置の水車回転数を制御する水車回転数制御手段とを備え、開度制御手段は、入口弁の開度制御により水力発電装置の下流側管路における水の制御量を目標値にフィードバック制御し、水車回転数制御手段は、異なる水車回転数毎に存在する有効落差と水車流量との相関を示す水車特性と、各水車特性毎に相対して存在する発電特性とにおいて、制御量の現在値において発電電力を最大とするのに必要な水車回転数を選択するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水力発電装置の上流側に設置した入口弁の開度制御と水力発電装置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の下流側管路における水の制御量を目標値に制御することで、導水・送水・配水管路網において管路を流れる水の流量、圧力を任意の値に制御しつつ、余剰圧力で得られる発電電力を最大とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、落差を利用する場合を示すものであり、導水・送水・配水管路網２１において上流の配水槽２２と下流の配水槽２３との間の管路２４に水力発電装置２５を介装している。水力発電装置２５の上流側には流量計２６および水車入口弁２７を設け、水車入口弁２７と水力発電装置２５の間に一次圧力計２８を設け、水力発電装置２５の下流に二次圧力計２９を設けている。水力発電装置２５は回生インバータ３０を介して電力系統３１に連係している。回生インバータ３０は水力発電装置２５の後述する水車の水車回転数を制御するとともに、水力発電装置２５で発生する電力の周波数を電力系統３１に同調させるものである。
【００１７】
また、本発明は図２に示すように、ポンプ５１によってポンプ圧送する構成にも適用できる。本実施の形態では図１に示す構成において説明する。
図３に示すように、制御装置（ＰＣ）３２は、流量計２６、一次圧力計２８、二次圧力計２９に接続し、水車入口弁２７の開度制御、および回生インバータ３０を介した水力発電装置２５の水車回転数制御とを個別に独立して行う。
【００１８】
また、本発明は図４に示すように、水力発電装置をもたない既存の導水・送水・配水システムに水力発電装置を追加設置する場合などは、既存の導水・送水・配水システムの制御装置３２とは別途に水力発電装置２５の制御装置５２を設ける構成とすることも可能である。こうすることで既存の制御システムを有効利用して経済的にマイクロ水力発電装置を設置することができる。本実施の形態では図３に示す構成において説明する。
【００１９】
図５〜図６に示すように、水力発電装置２５は、ケーシング４１の吸込口４２と吐出口４３の間において、発電機４４および水車ランナ４５を配置し、発電機４４と水車ランナ４５とをシャフト４６によって一体に連結しており、水車ランナ４５の上流側にガイドベーン４７を設けている。
【００２０】
以下、上記した構成における作用を説明する。上流の配水槽２２から管路２４へ流れる配水は、上流の配水槽２２の水位が一定である場合に所定の落差で流下し、流量計２６、水車入口弁２７を通って水力発電装置２５に流入し、下流の配水槽２３に流れ込む。
【００２１】
水力発電装置２５では、吸込口４２からケーシング４１に流入した配水がガイドベーン４７に案内されて水車ランナ４５に作用し、水車ランナ４５が回転することでシャフト４６を介して発電機４４が一体に同期回転する。発電機４４で発電した電力は回生インバータ３０を通して電力系統３１へ送電する。
【００２２】
制御装置３２は、別途に遠隔操作等によって与える目標値に制御量である管路を流れる水の流量もしくは圧力を一致させるために、流量計２６、一次圧力計２８、二次圧力計２９の計測値を指標にして、水車入口弁２７の開度制御、および回生インバータ３０を介した水力発電装置２５の水車回転数制御とを個別に独立して行って水力発電装置２５の下流側管路における水の制御量を目標値に制御する。
【００２３】
この制御に関し、流量を制御する例について以下に詳説する。本明細書におけるＮｓ（比速度）は以下の定義によるものである。
Ｎｓ＝Ｎ・Ｑ０．５／Ｈ０．７５  Ｎ：回転速度（ｍｉｎ−１）、Ｑ：流量（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｈ：有効落差（ｍ）
図７は、水力発電装置２５の水車ランナ４５のＮｓ（比速度）が低い場合（Ｎｓ＜４００）における水車特性曲線を示すものである。水車特性曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ水車回転数が定格回転数Ｎの１００％、９０％、８０％である時の有効落差Ｈと水車通過流量Ｑとの相関を示している。発電特性線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は各水車特性曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に相対しており、各水車回転数における水車通過流量Ｑの変化に伴う発電電力（ｋＷ）の変化を示している。
【００２４】
予め、近接する水車回転数の水車特性曲線の相互間において、双方の水車特性曲線にそれぞれ相対する発電特性線での発電電力が同等となる水車通過流量を変更点として求める。例えば水車特性曲線Ｌ１とＬ２においては、発電特性線Ｍ１とＭ２が交差する点の水車通過流量Ｑ２が変更点である。
【００２５】
同様にして、この変更点を全ての水車回転数の水車特性曲線において求める。本実施の形態では水車特性曲線Ｌ２とＬ３において、発電特性線Ｍ２とＭ３が交差する点の水車通過流量Ｑ３を求める。また、本実施の形態では便宜的に水車特性曲線Ｌ３を最も低い水車回転数として水車特性曲線Ｌ３の下端に相当する水車通過流量Ｑ４を最後の変更点とし、水車特性曲線Ｌ１の定格運転における設計点に相当する水車通過流量Ｑ１を最初の変更点として説明する。
【００２６】
そして、求めた各変更点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の間を制御区間Ｑ１−Ｑ２、Ｑ２−Ｑ３、Ｑ３−Ｑ４に設定する。
流量の制御に際して水車入口弁２７を全閉した状態から運転を開始する場合には、例えば図１０に示すように、制御装置３２は水力発電装置２５に水車起動を指示し（Ｓ１）、水車入口弁２７に入口弁開指令を出し（Ｓ２）、水力発電装置２５の初期運転制御を開始する（Ｓ３）。
【００２７】
水車入口弁２７は入口弁開指令を受けると弁開度を除々に増加させる。各弁開度における有効落差と流量との関係（管路抵抗曲線）を図１１のＴ１、Ｔ２、Ｔ３として示す。この間の初期運転制御おいて水力発電装置２５は発電を行わずに水車回転数を増加させ、水車回転数が定格水車回転数の８０％に達するまで初期運転を継続する（Ｓ４）。そして、水車回転数が定格水車回転数の８０％に達し、水車入口弁２７の弁開度が弁特性曲線Ｔ３に示す弁開度に達した時点で、水車特性曲線Ｌ３と弁特性曲線Ｔ３との交点に相当する有効落差と流量において初期運転制御を停止するとともに、通常運転制御を開始する（Ｓ５）。
【００２８】
通常運転において制御装置３２は、流量計２６の測定値を指標として水車入口弁２７の開度制御を行って流量を流量目標値にフィードバック制御しつつ、開度制御とは別途に水車回転数制御を行い、図７において一点鎖線で示す軌跡に沿った水車特性曲線に基づいて水車回転数を制御する。
【００２９】
制御装置３２は水車入口弁２７の開度制御に伴って変化する水の流量現在値を流量計２６で検出し、流量現在値が属する制御区間の水車回転数を選択し、選択した水車回転数で水車を回転させる。
【００３０】
例えば流量現在値が制御区間Ｑ１−Ｑ２に属する場合には１００％Ｎの水車回転数を選択し、流量現在値が制御区間Ｑ２−Ｑ３に属する場合には９０％Ｎの水車回転数を選択し、流量現在値が制御区間Ｑ３−Ｑ４に属する場合には８０％Ｎの水車回転数を選択する。この選択によって水車回転数が、流量現在値の変化に追従して流量現在値において発電電力を最大とするのに必要なものとなる。
【００３１】
制御装置３２は選択した水車回転数、例えば９０％Ｎの水車回転数で水車ランナ４５が回転するように、回生インバータ３０に回転速度指令を与え、回生インバータ３０は水車ランナ４５および発電機４４を９０％Ｎで回転させる。
【００３２】
上述の制御によって、流量を流量目標値に制御するとともに、流量目標値において発電電力が最大となる。
例えば流量目標値がＱ２からＱ３の間である場合に、水車ランナ４５が１００％Ｎの水車回転数で回転すると発電電力は、水車ランナ４５が９０％Ｎの水車回転数で回転する場合よりも低くなる。したがって、流量目標値がＱ２からＱ３の間である場合には水車ランナ４５を９０％Ｎの水車回転数で回転させることで流量目標値において発電電力を最大にできる。
【００３３】
図８は、水力発電装置２５の水車ランナ４５のＮｓ（比速度）が高い場合（Ｎｓ＞４００）における水車特性曲線を示すものである。この場合にも先の実施の形態と同様にして、変更点を全ての水車回転数の水車特性曲線において求め、求めた各変更点Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の間を制御区間Ｑ１−Ｑ２、Ｑ２−Ｑ３、Ｑ３−Ｑ４に設定する。
【００３４】
そして、流量の制御において、制御装置３２は水車入口弁２７の開度制御を行い、流量計２６の測定値を指標として水の流量を目標流量値にフィードバック制御しつつ、開度制御とは別途に水車回転数制御を行う。水車回転数制御では水の流量の流量目標値が属する制御区間に相対する特定水車特性の水車回転数を選択し、選択した水車回転数で水車ランナ４５が回転するように、回生インバータ３０で水車ランナ４５および発電機４４を回転させる。
【００３５】
図９は、水力発電装置２５の水車ランナ４５のＮｓ（比速度）がＮｓ＝４００である水車特性曲線を示すものである。この場合には水車特性曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３がほぼ重なるようになるが、同様に制御できる。
【００３６】
次に、圧力を制御する例について以下に詳説する。図１２は、水力発電装置２５の水車ランナ４５のＮｓ（比速度）が高い場合（Ｎｓ＞４００）における水車特性曲線を示すものである。水車特性曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ水車回転数が定格回転数Ｎの１００％、９０％、８０％である時の有効落差Ｈと水車通過流量Ｑとの相関を示している。発電特性線Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は各水車特性曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に相対しており、各水車回転数における水車通過流量Ｑの変化に伴う発電電力（ｋＷ）の変化を示している。
【００３７】
予め、近接する水車回転数の水車特性曲線の相互間において、双方の水車特性曲線にそれぞれ相対する発電特性線での発電電力が同等となる水車通過流量を求める。例えば水車特性曲線Ｌ１とＬ２においては、発電特性線Ｍ１とＭ２が交差する点の水車通過流量Ｑ２である。
【００３８】
同様にして、全ての水車回転数の水車特性曲線において発電電力が同等となる水車通過流量を求める。本実施の形態では水車特性曲線Ｌ２とＬ３において、発電特性線Ｍ２とＭ３が交差する点の水車通過流量Ｑ３を求める。また、本実施の形態では便宜的に水車特性曲線Ｌ３を最も低い水車回転数として水車特性曲線Ｌ３の下端に相当する水車通過流量Ｑ４を最後の水車通過流量値とし、水車特性曲線Ｌ１の定格運転における設計点に相当する水車通過流量Ｑ１を最初の水車通過流量値として説明する。
【００３９】
そして、求めた各水車通過流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４に対応する水車特性曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３上の点における有効落差を変更点Ｈ１、Ｈ２、Ｈ２’、Ｈ３、Ｈ３’、Ｈ４として求め、変更点Ｈ１とＨ２の間、Ｈ２’とＨ３の間、Ｈ３’とＨ４の間を制御区間Ｈ１−Ｈ２、Ｈ２’−Ｈ３、Ｈ３’−Ｈ４に設定する。
【００４０】
図１３は、水力発電装置２５の水車ランナ４５のＮｓ（比速度）が低い場合（Ｎｓ＜４００）における水車特性曲線を示すものである。この場合にも先のものと同様にして、変更点を全ての水車回転数の水車特性曲線において求め、制御区間を設定する。本実施の形態では図１２に示すものにおいて説明する。
【００４１】
制御装置３２は、図１２において一点鎖線で示す軌跡に沿った水車特性曲線に基づいて水車回転数を制御する。
圧力の制御に際して制御装置３２は、水車入口弁２７の開閉制御によって水力発電装置２５の二次圧力を圧力目標値にフィードバック制御する。つまり、図１４に示すように、二次圧設定値Ａを入力し（Ｓ１１）、二次圧力計２９で測定する二次圧現在値Ｂを入力し（Ｓ１２）、双方の値を比較して偏差（Ａ−Ｂ）を求める（Ｓ１３）。そして、偏差がプラスである場合には水車入口弁２７を開操作して流量を増加させて二次圧力を圧力目標値に近づけ（Ｓ１４）、偏差がマイナスである場合には水車入口弁２７を閉操作して流量を減少させて二次圧力を圧力目標値に近づけ（Ｓ１５）、二次圧力計２９で測定する（Ｓ１６）二次圧現在値が圧力目標値に達するまで上述の操作を行う。
【００４２】
この間に制御装置３２は水車回転数制御を別途に行う。例えば、制御装置３２は一次圧力計２８で測定する一次圧力と二次圧力計２９で測定する二次圧力との差、つまり有効落差の現在値Ｈを求める。
【００４３】
次に、図１５に示すように、現在の水車回転数を確認し（Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３）、各水車回転数の制御区間に有効落差現在値Ｈが属するか否かを判定し（Ｓ２４、Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８、Ｓ２９）、停止を含む水車回転数の選択を行う（Ｓ３０、Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４、Ｓ３５）。
【００４４】
例えば、現在９０％で回転中に、水車入口弁２７の開閉制御によって水力発電装置２５の二次圧現在値が変化し、有効落差現在値ＨがＨ２’＜Ｈ＜Ｈ１に上昇する場合には、制御装置３２はＳ２２で回転数が９０％であることを確認し、Ｓ２５およびＳ２８で有効落差現在値Ｈが水車回転数９０％Ｎの制御区間に相当しないことを確認し、結果として水車回転数１００％を選択し、有効落差現在値Ｈにおいて発電電力を最大とするのに必要な水車回転数となる。
【００４５】
制御装置３２は選択した水車回転数、例えば１００％Ｎの水車回転数で水車ランナ４５が回転するように、回生インバータ３０に回転速度指令を与え、回生インバータ３０は水車ランナ４５および発電機４４を１００％Ｎで回転させる。
【００４６】
圧力を制御する場合においても管路に流量計が設けられていれば、制御装置３２による水車回転数制御は、流量計２６の測定値に基づいて行うことも可能である。この場合には流量によって制御区間を設定する。水の圧力の制御に際して制御装置３２が水車入口弁２７の開閉制御によって水力発電装置２５の二次圧力を圧力目標値にフィードバック制御すると、この圧力制御によって水の流量が変化する。制御装置３２は流量計２６で測定する流量現在値に応じて水車回転数を制御する。
【００４７】
図１６に示すように、現在の水車回転数を確認し（Ｓ４１、Ｓ４２、Ｓ４３）、各水車回転数の制御区間に流量現在値Ｑが属するか否かを判定し（Ｓ４４、Ｓ４５、Ｓ４６、Ｓ４７、Ｓ４８、Ｓ４９）、停止を含む水車回転数の選択を行う（Ｓ５０、Ｓ５１、Ｓ５２、Ｓ５３、Ｓ５４、Ｓ５５）。
【００４８】
例えば、現在９０％で回転中に、水車入口弁２７の開閉制御によって水力発電装置２５の有効落差が変化し、流量現在値ＱがＱ２＜Ｑ＜Ｑ１に上昇する場合には、制御装置３２はＳ４２で回転数が９０％であることを確認し、Ｓ４５およびＳ４８で流量現在値Ｑが水車回転数９０％Ｎの制御区間に相当しないことを確認し、結果として水車回転数１００％を選択し、流量現在値Ｑにおいて発電電力を最大とするのに必要な水車回転数となる。制御装置３２は選択した水車回転数、例えば１００％Ｎの水車回転数で水車ランナ４５が回転するように、回生インバータ３０に回転速度指令を与え、回生インバータ３０は水車ランナ４５および発電機４４を１００％Ｎで回転させる。
【００４９】
前述の制御についての説明では、３本の水車特性曲線を用いた例を示したが、用いる曲線の数はこれに限定されるものではない。
また複数の水車特性曲線と発電特性曲線から水車流量と最大発電電力となる回転数との関係、または水車有効落差と最大発電電力となる回転数との関係を示す関数を求め、水車回転数の制御を行うこともできる。
【００５０】
具体的な関数の求め方の例としては、図７において、
８０％Ｎの代表点として（Ｑ３＋Ｑ４）／２、
９０％Ｎの代表点として（Ｑ３＋Ｑ２）／２、
１００％Ｎの代表点として（Ｑ２＋Ｑ１）／２を選定し、
代表点（Ｑ３＋Ｑ４）／２から代表点（Ｑ２＋Ｑ１）／２の区間におけるＱとＮの近似式を最小二乗法等で求め、それ以外のＱ４から代表点（Ｑ３＋Ｑ４）／２の区間は８０％Ｎとし、代表点（Ｑ２＋Ｑ１）／２からＱ１の区間は１００％Ｎとする近似式を、求める関数とする方法がある。
【００５１】
また、図７において、８０％Ｎの代表点をＱ４、９０％Ｎの代表点をＱ３、１００％Ｎの代表点をＱ２とし、Ｑ４からＱ２におけるＱとＮの関係の近似式を最小二乗法で求め、それ以外のＱ２からＱ１の区間は１００％Ｎとしても良い。
【００５２】
このように、関数としては上記のような近似式を用いれば良く、その近似式を求めるための代表点の選び方、および近似式を求めるのに使用する水車特性曲線の数は、制御の精度や目的を考慮して任意に選定すればよい。また、有効落差Ｈと水車回転数Ｎの関係を示す関数も同様に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態において落差を利用する配水システムを示す模式図
【図２】本発明の実施の形態においてポンプ圧送を利用する配水システムを示す模式図
【図３】本発明の実施の形態において一つの制御装置による構成を示すブロック図
【図４】本発明の実施の形態において二つの制御装置による構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態における落差を利用する導水・送水・配水管路網を示す断面図
【図６】本発明の実施の形態における水力発電装置を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態におけるＮｓ＜４００の場合の水車特性曲線および発電特性線を示すグラフ図
【図８】本発明の実施の形態におけるＮｓ＞４００の場合の水車特性曲線および発電特性線を示すグラフ図
【図９】本発明の実施の形態におけるＮｓ＝４００の場合の水車特性曲線および発電特性線を示すグラフ図
【図１０】本発明の実施の形態におけるスタート手順を示すフローチャート図
【図１１】本発明の実施の形態における初期運転制御を説明するための水車特性曲線を示すグラフ図
【図１２】本発明の実施の形態におけるＮｓ＞４００の場合の水車特性曲線および発電特性線を示すグラフ図
【図１３】本発明の実施の形態におけるＮｓ＜４００の場合の水車特性曲線および発電特性線を示すグラフ図
【図１４】本発明の実施の形態における水車入口弁操作による圧力制御を説明するためのフローチャート図
【図１５】本発明の実施の形態における有効落差を指標とする水車回転数制御を説明するためのフローチャート図
【図１６】本発明の実施の形態における流量を指標とする水車回転数制御を説明するためのフローチャート図
【図１７】従来の導水・送水・配水管路網を示す模式図
【図１８】従来の発電装置におけるＮｓが高い水車特性曲線を示すグラフ図
【図１９】従来の発電装置におけるＮｓが低い水車特性曲線を示すグラフ図
【符号の説明】
【００５４】
２１    導水・送水・配水管路網
２２、２３  配水槽
２４    管路
２５    水力発電装置
２６    流量計
２７    水車入口弁
２８    一次圧力計
２９    二次圧力計
３０    回生インバータ
３１    電力系統
３２    制御装置（ＰＣ）
４１    ケーシング
４２    吸込口
４３    吐出口
４４    発電機
４５    水車ランナ
４６    シャフト
４７    ガイドベーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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