(57)【要約】      （修正有）【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の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。【選択図】図１
2018071100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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。
【発明の詳細な説明】
【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シ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、山河の小河川や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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２２７４５号公報
【特許文献２】特開２００２−３５４８９５号公報
【発明の概要】
【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】
【図１】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。
【図２】出力と水車回転数の関係を示す図である。
【図３】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。
【図４】水量変化ごとの回転数と出力との関係を示す図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】回転数−発電出力特性の一例を示す図である。
【図１２】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１３】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、取水槽の水位制御又は水車入口の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を水流で充填し、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を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】
【数１】
2018071100.tif 000003
【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】
【数２】
2018071100.tif 000004
【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】
【数３】
2018071100.tif 000005
【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】
【数４】
2018071100.tif 000006
【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】
【数５】
2018071100.tif 000007
【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、バイパス水路の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。
【符号の説明】
【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
【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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