(57)【要約】【課題】  簡単な構成で、変動する負荷消費電力と水車への水動力の変化に対応し安定した発電動作を継続する水力発電システムを提供する。【解決手段】  送水管に設置された水車と、水車によって駆動される永久磁石式同期発電機と、永久磁石式同期発電機をインバータによって発電制御を行う発電コントローラと、発電した直流電力を交流電力に変換して自立負荷に供給する自立運転機能を持つ連系装置を備えた水力発電システムであって、発電コントローラが、インバータの直流出力電圧に目標値を設定し、直流出力電圧の目標値を維持するよう発電電力を制御するとともに、水車の特性に基づく発電制御を合わせて行うように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送水管に設置された水車と、該水車によって駆動される永久磁石式同期発電機と、該永久磁石式同期発電機をインバータによって発電制御を行う発電コントローラと、発電した直流電力を交流電力に変換して自立負荷に供給する自立運転機能を持つ連系装置を備えた水力発電システムであって、
前記発電コントローラが、前記インバータの直流出力電圧に目標値を設定し、該直流出力電圧の目標値を維持するよう発電電力を制御するとともに、前記水車の特性に基づく発電制御を合わせて行う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、
前記送水管へ発電用水を供給する上部貯水槽に水位計を設け、前記水位計の検出値によって発電出力を制限することにより、利用可能水量の変化に対して前記上部貯水槽の水位を保ち継続した発電を可能と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に記載の水力発電システムにおいて、
前記水車、前記永久磁石式同期発電機、前記インバータ、前記発電コントローラをそれぞれ複数有し、
各々の前記インバータで発電した直流電力を相互に接続して前記連系装置へ直流電力を供給し、
各々の前記発電コントローラの目標直流電圧値に差を設けることにより、複数の前記発電コントローラで前記自立負荷の消費電力の変動に対応して複数の前記水車の台数運転を行なうことを特徴とする水力発電システム。
【請求項４】
請求項３に記載の水力発電システムにおいて、
前記送水管へ発電用水を供給する上部貯水槽に水位計を設け、該水位計の検出値によって複数の前記発電コントローラがそれぞれ自律的に発電出力を制限することにより、利用可能水量の変化に対して前記上部貯水槽の水位を保ち継続した発電を可能と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２または請求項４に記載の水力発電システムにおいて、
前記上部貯水槽に設ける水位計の電源は前記水車による発電によって供給されることを特徴とする水力発電システム。
【請求項６】
請求項１に記載の水力発電システムにおいて、
該水力発電システムを構成するすべての機器の電源が前記水車の発電によって供給されることを特徴とする水力発電システム。
【請求項７】
請求項１に記載の水力発電システムにおいて、
該水力発電システムの起動にあたり、商用電源及び外部電源を必要とせず、前記水車への水動力の入力による前記永久磁石式同期発電機の誘起電圧のみで前記水力発電システムが起動することを特徴とする水力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の未利用エネルギーを回収する水力発電システムに係り、特に系統に接続せずに発電した電力を負荷へ供給する自立運転システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、未利用の水の位置エネルギーを水車と発電機で回収する水力発電システムにおいて、系統に接続せずに発電した電力を負荷へ供給する自立運転システムの場合、発電した電力と負荷で消費する電力とのバランスをとる必要がある。ここで、負荷の消費電力は変動する為、その対策が必要である。一方で、水車への水動力の入力も変化する為、その対策も必要となる。
【０００３】
水車への水動力の入力変化に対する水車の効率を最大化する背景技術として、特開２００４−３６４３５７号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、ポンプ逆転水車型発電設備において、電力量と回転数が予め設定された関係となるように、制御部がポンプ逆転水車の回転数を制御する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３６４３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、電力量と回転数の関係を用いて水車を最適制御する方法が提案されているが、自立運転システムにおける負荷の消費電力変動に関する対応については考慮されていない。
【０００６】
未利用の水の位置エネルギーを用いた自立運転システムでは、発電システムの出力となる負荷消費電力の変動、及び、発電システムへの入力となる水車の水動力変化の両方に対応し、かつ発電量と消費電力のバランスをとる制御が必要となる。
【０００７】
負荷の消費電力変動に対しては、発電電力を一定とした場合では、余剰電力を別途消費する手段を設け対応するか、または負荷の変動に合わせて水車への水動力を流量調整手段により直接制限する方法などが考えられる。しかし、この場合、水車への水動力を制限する電動制御弁や、余剰発電電力を消費するための余剰電力消費手段、またこれらの制御を実現するための流量検出手段や上位コントローラなどの機器、設備等が必要となり、装置が複雑になるという課題がある。
【０００８】
よって、本発明の目的は、系統に接続せずに発電した電力を負荷へ供給する自立運転システムを対象とし、水車による発電電力を変動する負荷の消費電力に合わせる制御と水車への水動力の変化にも対応する機能を実現しつつ、簡単な構成で、水車発電自立運転が可能な水力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記背景技術に鑑み、その一例を挙げるならば、送水管に設置された水車と、水車によって駆動される永久磁石式同期発電機と、永久磁石式同期発電機をインバータによって発電制御を行う発電コントローラと、発電した直流電力を交流電力に変換して自立負荷に供給する自立運転機能を持つ連系装置を備えた水力発電システムであって、発電コントローラが、インバータの直流出力電圧に目標値を設定し、直流出力電圧の目標値を維持するよう発電電力を制御するとともに、水車の特性に基づく発電制御を合わせて行うように構成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡単な構成で、変動する負荷消費電力と水車への水動力の変化に対応し安定した発電動作を継続する水力発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例1における水力発電システムの構成図である。
【図２】実施例1における発電コントローラの機能ブロック図である。
【図３】実施例1における水力発電システムの発電コントローラの発電制御特性を示す特性図である。
【図４】実施例２における複数台の水車で構成される水力発電システムの構成図である。
【図５】実施例２における水力発電システムの直流電圧と発電出力の関係を示す特性図である。
【図６】実施例２におけるタイムチャートである。
【図７】実施例３における水力発電システムの構成図である。
【図８】実施例３における水力発電システムの発電コントローラの発電制御特性を示す特性図である。
【図９】実施例４における複数水車による水力発電システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１に本実施例における水力発電システムの構成を示す。図１において、水車２に対して鉛直方向に高さのある場所に設置される上部貯水槽９に水力発電に利用する水量Ｑ０の利用可能水量１３が流入している。上部貯水槽９から送水管１を経て水車２へ水車利用水量Ｑｐ１４の水が送水されて発電に利用される。水車２はフライホイール１２と永久磁石式同期発電機３を駆動する。永久磁石式同期発電機３はインバータ４で発電コントローラ５により発電制御されることによって直流電力を発生し直流ケーブル部６で自立運転機能付パワーコンディショナー７へ電力を供給する。前記パワーコンディショナー７は直流電力を商用電源と同等の交流電力に変換して交流受電の自立負荷８へ電力を供給する。本水力発電システムは商用電源に接続しない自立運転システムとなっている。
【００１４】
一般に再生可能エネルギーとしての水力利用では発電に利用する水量が季節などの条件により変化する。このため、上部貯水槽９には水位を検出する水位計１１等によって貯水槽の水量が一定となるよう流量調整弁１０を用いて水車流量Ｑｐ１４が利用可能水量Ｑ０を超過して上部貯水槽９が空にならないよう流量Ｑｐ１４を調整している。
【００１５】
水車２に対する上部貯水槽９の位置高さは変わらないため、流量調整弁１０による水量Ｑｐの変化は水車２へ入力される水動力の変化となる。
【００１６】
この為、この自立運転システムにおいては、入力されるエネルギーと自立負荷で消費されるエネルギーがそれぞれ変化、変動する条件下で発電コントローラ５は発電量を消費電力量に常に合わせる制御を行う。具体的には発電コントローラ５に対し直流ケーブル部６の目標直流電圧Ｖ＊を設定し、発電コントローラ５は常にＶ＊を維持するようにインバータ４に対して発電電力を制御する。発電電力をＰＧ、自立負荷らによる消費電力をＰＬとすれば、ＰＧ＞ＰＬの時は直流電圧は上昇、ＰＧ＝ＰＬなら直流電圧維持、ＰＧ＜ＰＬになると直流電圧は低下する。よって発電コントローラ５は直流電圧をＶ＊と比較してＰＧを制御することにより、自立負荷によりＰＬが変動してもＶ＊を維持するようＰＧを制御することで発電電力ＰＧと消費電力のバランスを保つことが可能である。また発電コントローラ５によりこの制御を高速に実行することで自立負荷の消費電力の急減又は消滅に対しても、直流ケーブル部の直流電圧をＶ＊に維持できるため、発電電力ＰＧの余剰は発生しない。
【００１７】
例えば自立負荷を定格使用状態から全停止した場合は、定格発電量ＰＧｍａｘを瞬間的にＰＧ＝０とする必要がある。この場合、発電コントローラ５は直流電圧の急上昇を検知すると、直ちにインバータ４に対して発電量を０にする制御を行う。これにより水車２は無拘束となり回転数が上昇していく。最終的に水車２の回転数は無拘束回転数に到達するが、これにより送水管１の水車２による圧力損失が増加する為、水車利用水量ＱＰが減少する。Ｑ０に余裕がない場合などでは、発電量の減少によって水量ＱＰが減少することにより上部貯水槽９の水を利用せずに放流してしまう量を削減する効果がある。この動作では水車２の機械的な操作や送水管１の水動力を制御の対象とせずに瞬時に発電量ＰＧを制御することが可能であるため、余剰発電電力の消費手段を必要としない。尚、発電量の高速な制御によって水車２により送水管1に水撃が発生する場合は、フライホイール１２を設けることによって水車回転数の加速度を緩和して水撃の強度を削減することが可能である。
【００１８】
図２は、発電コントローラ５の機能ブロックを示した図である。図２において、発電コントローラ５は、永久磁石式同期発電機３によって発電される三相交流電力を、自立運転機能付パワーコンディショナー７へ供給可能な直流電力に変換する、インバータ４を制御する。このインバータ４の制御はマイクロプロセサである発電機制御マイコン５０により行われる。発電機制御マイコン５０は、永久磁石式同期発電機３の相電流値を検出する電流センサ５８から永久磁石式同期発電機３の相電流を検出する電流検出部５７と、位置・速度推定演算部５６と、インバータ４の出力電圧値を検出するＰＮ電圧検出部５５と、発電電力指令生成部５４と、電圧指令演算部５３と、ｄ／ｑ変換部５２と、ＰＷＭ制御パルス生成部５１を備えている。各構成は、一般的なインバータ制御で知られているので、その詳細な説明は省略する。インバータ４は、半導体スイッチング素子を有しており、永久磁石式同期発電機３によって発電される電力を、半導体スイッチング素子をオン／オフ制御することで、直流電力に変換するとともに、その直流電圧を制御し、自立運転機能付パワーコンディショナー７に供給可能な直流電力に変換する。発電機制御マイコン５０は、その半導体スイッチング素子をオン／オフ制御するためのＰＷＭ制御信号を生成し、インバータ４を制御する。
【００１９】
次に利用可能水量Ｑ０の変化による発電量の制御方法について説明する。図３に水車２の水車パワーカーブ２２に基づく発電コントローラ５の発電量制御特性を示す。図３において、横軸は水車２の回転数を、縦軸は水車が回転数に対して発生し得る動力すなわち発電量を示している。
【００２０】
発電コントローラ５は水車２の回転数に基づき水車から取り出し得る最大の動力すなわち発電量をインバータ４により永久磁石式同期発電機３から出力するよう制御している。
【００２１】
自立負荷の消費がない状態では、水車２は無拘束時の回転数Ｎ４で回転しており、直流ケーブル部６の直流電圧はＶ＊に発電コントローラ５により維持されている。
【００２２】
図１の利用可能水量Ｑ０が十分にあり、水車２が定格出力可能な水車流量ＱＰ１４が流せる場合は、自立負荷８の消費電力ＰＬを０から１００％まで増加していくと、水車の回転数はＮ４から定格発電時の回転数Ｎ３に移動し定格の１００％の発電出力Ｐ３を得ることができる。
【００２３】
次に利用可能水量Ｑ０が定格の７０％しかない場合は、自立負荷８の消費電力ＰＬを０から増加していくと、水車２の回転数はＮ４からＮ３を超えて減少していく。自立負荷８が７０％に到達すると図２の水車パワーカーブ２２上で回転数が７０％発電出力Ｐ２時の回転数Ｎ２となる点に移動する。このとき水動力と自立負荷８の消費電力ＰＬが釣り合う。自立運転システムなので原則として自立負荷８の消費電力ＰＬは水車２による発電電力ＰＧを超えることはできない。
【００２４】
ここで、さらに自立負荷８の消費電力ＰＬを増加させると直流ケーブル部の直流電圧はＶ＊から低下していき、最終的に水力発電システムの不足電圧検出レベルに達すると保護機能によってシステムはトリップ停止する。この対策としては、直流電圧がＶ＊から低下したらアラームを発報して自立負荷８の削減を促す等の方法がある。
【００２５】
利用可能水量Ｑ０が定格の７０％の状態のまま、自立負荷８の消費電力ＰＬを７０％から削減すれば、水車の回転数はＮ２から上昇していきＮ２からＮ４の間のどこかでバランスする。
【００２６】
利用可能水量が定格の３０％しかない場合は、図３の３０％発電時の回転数Ｎ１まで回転数が低下し取り出し得る最大の発電電力も定格の３０％の発電出力Ｐ１までとなる。
【００２７】
上記の制御方法により、利用可能水量が定格に満たない場合でも、水車２を失速停止させることなく、利用可能水量Ｑ０に合わせ水車２から取り出し得る最大の発電電力ＰＧまで自立負荷８に電力を供給することが可能となる。
【００２８】
なお、図３におけるＮ０は発電停止回転数である。また、商用電源がない場合等で水力発電システムを構成するすべての機器の電源を水車による発電電力によって供給する場合が考えられる。その場合、水車の回転のみで水力発電システムを完全な停止状態から起動させるブラックスタートの場合などは、水車の回転による誘起電圧のみで発電コントローラ他の制御電源を起動させる必要があり、最小水量時に水車によって駆動された永久磁石式同期発電機の誘起電圧でインバータの制御電源を起動させるのに必要な最低回転数がＮ０とＮ１の間に存在する。
【００２９】
以上のように、本実施例では、水力発電システムとして、水車発電機を制御する発電コントローラに直流電力出力部の直流電圧値に対する制御目標値を設定し、常に直流部の電圧を目標値に維持するよう水車の発電電力を制御する。また同時に変化する水車への水動力に合わせた水車の最適な発電電力特性に基づく制御を備える。
【００３０】
これにより、水車入り口の水量調節弁や余剰電力の消費手段、流量検出手段及び上位コントローラを設けずに、変動する負荷消費電力と水車への水動力の変化に対応し安定した発電動作を継続する水車の自立運転システムを提供することができる。なお、水車に限らず風車や蒸気タービンなどの発電システムへの適用も可能である。
【実施例２】
【００３１】
図４は、本実施例における複数台の水車で構成される水力発電システムの構成図である。図４において、図１と同じ機能を有する構成については同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００３２】
図４においては、一次側送水分岐管３１と二次側送水分岐管３２を用いて３台の水車１０１，２０１，３０１を並列運転にしたものとなっている。水車流量Ｑ０は分岐管によりＱ１，Ｑ２，Ｑ３に分流され、それぞれ水車により駆動された発電機で発電し直流電力ＰＧＥＮ１，ＰＧＥＮ２，ＰＧＥＮ３を出力する。それらは直流ケーブル部６で相互に接続されて自立運転機能付きパワーコンディショナー７へ入力し、交流受電の自立負荷が利用可能な商用電源相当の交流電力として出力している。発電コントローラには実施例１にて説明したものと同じ発電制御が搭載されている。また、本水力発電システムでは流量検出手段や３台の水車を台数制御する上位コントローラ等は設けておらず、商用電源に接続しない自立運転システムとなっている。
【００３３】
次に、上記複数台の水車の自律的台数制御の方法について述べる。図５は、本実施例における水力発電システムの直流電圧と発電出力の関係を示す特性図である。
【００３４】
ここで、図４の３台の発電コントローラにはそれぞれ異なる目標直流電圧を設定する。ＣＴＬ１にはＶ１、ＣＴＬ２にはＶ２、ＣＴＬ３にはＶ３とし、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３の関係とする。また、それぞれの発電コントローラには、共通の直流ケーブル部６の不足電圧保護レベルＶＬＶが設定されている。ＶＬＶはＶ３より低い値であり直流電圧がＶＬＶまで低下すると保護機能によりトリップして発電制御は停止する。
【００３５】
図５において、本水力発電システムは、自立運転システムのため、原則として発電電力は自立負荷の消費電力と同じになるよう制御されている。
【００３６】
自立負荷の消費電力が０の状態では、ＣＴＬ１の目標直流電圧が一番高い為、直流ケーブル部6の直流電圧はＶ１に維持され、それぞれの水車は無拘束回転数で待機している。尚、説明上各機器の自己消費に伴う微小な発電による回転数の低下は無視するものとする。
【００３７】
負荷の消費電力を０から増加していくと、水車１０１の定格出力となるＰＬ１までは、水車１０１のみが発電制御によりＰＧＥＮ１を出力する。直流電圧はＶ１に維持されるため、水車２０１、水車３０１はいずれも発電量０の無拘束回転のまま待機する。
【００３８】
無拘束回転数で待機する為、それぞれの水車の送水管２０６，３０６の圧力損失は高く維持されＱ２，Ｑ３はＱ１よりも低くなりＱ０は効率よく水車１０１へ供給される。
【００３９】
自立負荷の消費電力がＰＬ１を超えて増加していくと、水車１０１のＣＴＬ１のみでは発電量が不足し、直流ケーブル部６の直流電圧はＶ１を維持できなくなる。直流電圧がＶ２未満に低下すると、ＣＴＬ２が目標電圧Ｖ２を維持する為に発電動作を開始する。
【００４０】
同様にさらに自立負荷が増加すると直流電圧がＶ３まで低下するとともにＣＴＬ３も起動して３台の合計出力で自立負荷へ発電電力を供給する。
【００４１】
自立負荷の消費電力ＰＬＯＡＤが３台の定格発電能力を超える場合、または利用可能水量が制限されＱ０が不足する場合は、直流電圧がＶ３を下回って低下し、ＶＬＶに到達するとすべての発電コントローラは不足電圧保護機能によりトリップして発電動作を停止する。
【００４２】
これに対する対策は実施例１と同様、直流電圧がＶ３を下回った時にアラームを発報するなどして自立負荷の削減を促す等の方法がある。
【００４３】
自立負荷の停止などでＰＬＯＡＤが合計の発電電力ＰＧよりも少なくなると、各々の発電コントローラは直流電圧を自身の目標電圧になるよう発電動作を行うことにより、直流ケーブル部の直流電圧はそのときある状態で可能な上限まで昇圧される。
【００４４】
この動作により発電量に余裕のある場合は、順次目標直流電圧が低い水車から発電を停止していくので、必要最低限の水車のみ発電動作することとなり自律的な台数制御運転となる。
【００４５】
自律的な台数運転について図６を用いて詳細に説明する。図６では定格出力３ｋＷの水車３台による9ｋＷの自立運転システムを想定している。
【００４６】
図６において、横軸は時間経過を示し、縦軸は上から直流ケーブル部６の直流電圧ＶＤＣ、水車１０１による発電電力ＰＧＥＮ１、水車２０１による発電電力ＰＧＥＮ２、同じくＰＧＥＮ３、水車３台の合計水量Ｑ０による水動力ＰＷ、自立負荷の消費電力ＰＬＯＡＤの推移を示している。以下説明のため、各機器のエネルギー変換効率は１００％とし、状態遷移時の各部の過渡的な動作については詳細を省略する。また、本説明では、水力発電システムの定格９ｋＷに対し、ＰＷが５ｋＷしかない場合を想定している。
【００４７】
経過時間ｔ0までは自立負荷が未使用の待機状態である。全水車は無拘束で回転しており、ＶＤＣはＣＴＬ１の目標直流電圧Ｖ１に維持される。
【００４８】
ｔ１から自立負荷の使用を開始し、消費電力ＰＬＯＡＤが増加していく。ＣＴＬ１はＶＤＣをＶ１に維持するよう発電動作を開始し、ＰＧＥＮ１がＰＬＯＡＤに合わせて増加していく。ＰＬＯＡＤが水車定格の３ｋＷに到達するまでは、水車１０１のみが発電し、他の水車２０１，３０１は無拘束回転のままとなる。開始からｔ２までは、ＰＬＯＡＤ＝ＰＧＥＮ１となる。
【００４９】
ｔ２でＰＬＯＡＤが３ｋＷに達すると、ＣＴＬ１のみではＶＤＣをＶ１に維持することが出来なくなり、ＶＤＣがＶ２以下まで低下する。ＶＤＣの低下によりＣＴＬ２がＶＤＣをＶ２に維持するよう水車２０１による発電を開始する。水車２０１が発電動作を開始すると水車送水管２０６の圧力損失が低下する。
【００５０】
ｔ２からｔ３の間では、ＣＴＬ２が３ｋＷを超過する分を水車２０１で発電し、ＶＤＣをＶ２に維持するよう動作することにより、水車１０１の発電電力と合わせてＰＬＯＡＤとバランスした発電電力を供給することができる。
【００５１】
ｔ３からｔ４では自立負荷の消費電力が４．５ｋＷ一定の為、水車１０１と２０１の２台で発電し水車３０１は無拘束の待機状態を維持する。水量はＱ１＞Ｑ２＞Ｑ３となり、Ｑ０を効率よく発電運転中の水車へ配分する。
【００５２】
ｔ４からさらに自立負荷の消費電力ＰＬＯＡＤを増加してＰＷの５ｋＷに到達すると、水車システムへ入力されている水動力ＰＷ以上に発電することはできないためｔ５でＰＷを超えると急激にＶＤＣが低下する。
【００５３】
ＶＤＣがＶ３に達するとＣＴＬ３はＶ３を維持しようと水車３０１の発電動作を開始する。但し、ＰＷが５ｋＷしかないためＶ３を維持することはできずＶＤＣはさらに低下していく。
【００５４】
図６の例では、Ｖ３と本水力発電システムが不足電圧でトリップする電圧値ＶＬＶの間にＶＡＬを設けている。
【００５５】
ＰＷ以上にＰＬＯＡＤが増加するとＶＤＣは急激に低下していき、ＶＤＣがＶＡＬに達すると、自立負荷の消費電力ＰＬＯＡＤを削減するよう自立負荷に対してアラームを発報する。
【００５６】
ｔ６ではアラーム発報によりＰＬＯＡＤを削減した場合を示している。
【００５７】
ｔ７でＰＬＯＡＤがＰＷを下回り発電能力に余裕ができるとＣＴＬ１、ＣＴＬ２、ＣＴＬ３は常時それぞれ自身の目標直流電圧にＶＤＣを昇圧しようとしているので、ＶＤＣはＰＬＯＡＤの大きさによってＶ３からＶ2へと復帰していく。ＶＤＣがＶ３を超えるとＣＴＬ３は自身の目標電圧以上となるので発電動作を停止する。
【００５８】
ｔ８ではＰＬＯＡＤが４．５ｋＷであるためこれを発電する為には水車１０１と２０１の運転が必要である。よってＶＤＣはＶ２近くまで復帰しこれを維持する。
【００５９】
ｔ９からＰＬＯＡＤがさらに減少してｔ１０で３ｋＷに到達すると水車２０１による発電量は不要となるためＶＤＣはＶ１へ復帰する。
【００６０】
ｔ１０からｔ１１までは、ＶＤＣをＶ１に維持するようＣＴＬ１はＰＬＯＡＤに合わせて
発電量ＰＧＥＮ１を低下させていく。ｔ１２で自立負荷の消費がなくなりＰＬＯＡＤが０になると、ＣＴＬ１はＶＤＣをＶ１に維持するよう、ＰＧＥＮ１をほぼ０になるまで低下させて待機状態となる。
【００６１】
以上の動作により常に自立負荷の消費電力ＰＬＯＡＤに合わせた発電電力を供給するとともに、台数運転による水動力の効率的な配分を可能としている。
【００６２】
以上のように、本実施例では、複数台の水車を用いた水力発電システムの場合は、各々の発電コントローラに設定する目標直流電圧値に差を設けることにより、負荷の消費電力の変動に合わせた自律的な台数運転が可能となる。
【実施例３】
【００６３】
図７は、本実施例における水力発電システムの構成図である。図７において、図１と同じ機能を有する構成については同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００６４】
本実施例は、図７に示すように、上部貯水槽９の水位を検出する水位計１１の出力を発電コントローラ５へ入力し、上部貯水槽９の水位の変化を水車２の発電制御に反映させたものである。
【００６５】
通常、送水管１が満管状態を維持するよう利用可能水量Ｑ０の変化に対し、水位計１１等を用いて、貯水槽の水量が不足しないよう流量調整弁で水車流量ＱＰを調整している。
【００６６】
本実施例では、利用可能水量Ｑ０の変化に対して、流量調整弁１０による水量調整ではなく、水位計１１の出力を用いた発電コントローラ５よる水車の発電量制限によって、上部貯水槽９の水位を保ち水力発電システムの継続した運転を可能とするものである。
【００６７】
図８に、本実施例における水力発電システムの発電コントローラの発電制御特性を示す。発電コントローラ５は図８の水車パワーカーブ２２による発電制御を実施している。
【００６８】
ここで、図７に示す上部貯水槽９の水位が満水のＬＨであれば、図８の回転数に対する発電出力は１００％までとし、例えば水位が中間のＬＭまで下がった場合は、図８の出力を７０％に制限する、さらに水位が低下してＬＬに至った場合は３０％に制限するよう発電コントローラ５で制御する。
【００６９】
以下、図７と図８を用い具体的に説明する。図７の水位がＬＨにあり自立負荷８が定格の電力を消費しているとする。この場合、発電コントローラ５は図８の定格発電時の回転数Ｎ３で１００％出力となる定格発電時の水車出力Ｐ３の動作点で発電制御を行っている。ここで利用可能水量Ｑ０が減少して、Ｑ０＜ＱＰとなると上部貯水槽９の水位はＬＨから低下していく。水位がＬＭに達したことを水位計１１の出力で検知した発電コントローラ５は、発電出力を徐々に７０％まで制限する。
【００７０】
自立負荷の消費電力は１００％のままなので発電出力を制限していくと直ちに直流電圧ＶＤＣが低下する。ＶＤＣがアラームレベルＶＡＬに達すると自立負荷に対して消費電力の削減を促すアラームを発報する。これにより自立負荷の消費電力が７０％に制限されるものとする。
【００７１】
発電出力の制限により図８上の運転点は、当初１００％出力のＰ3、回転数Ｎ３から７０％出力となる水動力７０％相当時の水車出力Ｐ２となる、水動力の入力を変えずに出力のみが３０％削減されたことにより水車のトルクが減少し回転数がＮ３から上昇する。
【００７２】
水車２の回転数上昇で送水管1の圧力損失が増加することによって水車流量ＱＰが減少する。発電出力の制限によって水車流量ＱＰが減少する為、上部貯水槽９の水位低下を抑制する方向となる。Ｑ０＞ＱＰとなれば水位は回復する。７０％の出力制限でもＱ０＜ＱＰ場合はさらに水位が低下していき、水位ＬＬに達すると、発電コントローラによりさらに３０％まで出力を制限し、水位の回復を図る動作となる。
【００７３】
すなわち、図８において、２３が７０％出力制限時の７０％発電時の回転数Ｎ２以上でのパワーカーブ、２４が３０％出力制限時の３０％発電時の回転数Ｎ１以上でのパワーカーブとなる。
【００７４】
以上、出力制限を７０％と３０％の２段階の例を示したが、自立負荷が対応可能であれば水位計１１の出力に基づく無段階の出力制限としてもよい。また、水位計の電源は水車による発電によって供給されるよう構成してもよい。
【００７５】
上記の方法により、変化する利用可能水量Ｑ０に対して、自動的に上部貯水槽９の水位を保ちながら自立負荷へ連続して電力を供給することが可能となる。
【実施例４】
【００７６】
図９は、本実施例における複数水車による水力発電システムの構成図である。図９において、図７と同じ機能を有する構成については同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００７７】
図９において、上部貯水槽９の水位を検出する水位計１１の出力を２台の水車で構成された水力発電システムの発電コントローラ５へそれぞれ並列に入力し、上部貯水槽の水位の変化を２台の水車２の発電制御に反映させている。
【００７８】
複数水車で構成された自立運転システムにおいても各々の発電コントローラ５が、それぞれ図８に示した水車のパワーカーブに基づく制御を行い、その最大発電出力Ｐを水位計１１の出力によって制限することにより、利用可能水量Ｑ０の変化に対応し上部貯水槽の水位を保つ自立運転システムの制御が可能である。
【００７９】
また前述の実施例２と同様、各発電コントローラの目標直流電圧にＶ１＞Ｖ２となるよう差を設けることにより効率的な台数運転も同時に実現が可能である。
【００８０】
以上、実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１：送水管、６：直流ケーブル部、７：自立運転機能付パワーコンディショナー、８：交流受電の自立負荷、９：上部貯水槽、１０：流量調整弁、１１：水位計、１２：フライホイール、１３：利用可能水量、１４：水車流量、１５：水位計出力、２２：水車パワーカーブ、３１：一次側送水分岐管、３２：二次側送水分岐管、２，１０１，２０１，３０１：水車、３，１０２，２０２，３０２：永久磁石式同期発電機、４，１０３，２０３，３０３：インバータ、５，１０４，２０４，３０４：発電コントローラ、１０６，２０６，３０６：水車毎の送水管、５０：発電機制御マイコン
【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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