(57)【要約】【課題】負荷系統の電圧を安定させることができる水車発電機の制御装置及びその方法を提供することを課題とする。【解決手段】水量を調整することで負荷系統の負荷に応じた有効電力で発電する水車発電機の制御装置であって、負荷系統における現実の負荷を特定する負荷特定部と、現実の負荷に対応する無効電力を算出する無効電力算出部と、算出された無効電力と水車発電機によって発電される有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機の発電機出力を決定する発電機出力決定部とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水量を調整することで負荷系統の負荷に応じた有効電力で発電する水車発電機の制御装置であって、負荷系統における現実の負荷を特定する負荷特定部と、現実の負荷に対応する無効電力を算出する無効電力算出部と、算出された無効電力と水車発電機によって発電される有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機の発電機出力を決定する発電機出力決定部とを備える水車発電機の制御装置。
【請求項２】
水車発電機により発電される発電機出力が決定された値以下となるように、発電に用いられる水量を制御する制御部を備える請求項１に記載の水車発電機の制御装置。
【請求項３】
制御部は、決定された発電機出力以下となるように、水車発電機のガイドベーンの開度を制御する請求項２に記載の水車発電機の制御装置。
【請求項４】
水車発電機は、複数の発電機が接続された系統の受電端に設けられ、発電機出力決定部は、負荷系統の負荷に対応する無効電力と有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機によって出力可能な有効電力を決定する請求項１〜３の何れか１項に記載の水車発電機の制御装置。
【請求項５】
水量を調整することで負荷系統の負荷に応じて発電する水車発電機の制御方法であって、負荷系統における現実の負荷を特定するステップと、現実の負荷に対応する無効電力を算出するステップと、算出された無効電力と有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機の発電機出力を決定するステップとを備える水車発電機の制御方法。
【請求項６】
水車発電機により発電される発電機出力が決定された値以下となるように、水車発電機により発電に用いられる水量を制御するステップを備える請求項５に記載の水車発電機の制御方法。
【請求項７】
発電に用いられる水量を制御するステップは、決定された発電機出力以下となるように、水車発電機のガイドベーンの開度を制御するステップである、請求項６に記載の水車発電機の制御方法。
【請求項８】
水車発電機は、複数の発電機が接続された系統の受電端に設けられ、水車発電機の発電機出力を決定するステップは、負荷系統の負荷に対応する無効電力と有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機によって出力可能な有効電力を決定する、請求項５〜７の何れか１項に記載の水車発電機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車発電機の発電機出力を制御する水車発電機の制御装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力システムでは、負荷系統の正常な運転を保障するとともに、過電圧による寿命低下や絶縁破壊から電力系統設備を保護するために、発電機の電圧を定格電圧に保つ必要があった。
【０００３】
この発電機の電圧は、他の発電機の電圧に対して送電線路の抵抗（成分）及びリアクタンス（成分）による電圧降下の影響によって低下する。また、送電線路のリアクタンスには、インダクタンス（成分）と対地静電容量（成分）とが含まれる。
【０００４】
負荷系統にも、送電線路と同様に、抵抗（成分）と、インダクタンス（成分）と、対地静電容量（成分）とが含まれている。発電機は、これらの送電線路及び負荷系統のインダクタンス及び対地静電容量による無効電力損失に見合う無効電力を送電線路及び負荷系統に供給することにより、当該発電機の電圧は、他の発電機の電圧と同様に保たれる。
【０００５】
無効電力の供給に過不足が生じると、発電機の電圧が大きく変動する。特に発電機が負担する負荷が無負荷又は軽負荷の場合、当該発電機の電圧は、他の発電機の電圧より上昇し、過電圧の原因となりやすい（フェランチ効果）。
【０００６】
このような事象による発電機電圧の適正な範囲の逸脱を防止するため、発電機には、電力系統の状態や潮流に応じた無効電力の出力が求められる。一方、発電機には、安全に運転できる出力の許容範囲（運転可能領域）が決められており、この運転可能領域内に発電機の出力が収まるように制御される。
【０００７】
このような制御をする制御装置として、無効電力を調整する発電量制御装置が知られている（例えば、特開２０１３−１５３５９８号公報参照）。
【０００８】
この種の発電量制御装置は、発電機から出力される有効電力を特定する有効電力特定部と、発電機出力限界の出力量と特定された有効電力との差を出力可能な最大の無効電力として決定する無効電力決定部と、決定された最大の無効電力に合わせて発電機の出力を調整制御する制御部とを備えている。この種の発電量制御装置では、特定された有効電力と無効電力との和が発電機出力限界になるように、制御部が発電機を調整して最大となる無効電力を出力させるので、有効電力に関係なく、発電機が最大限供給可能な無効電力を供給することができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−１５３５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、この種の発電量制御装置では、負荷系統で消費される有効電力が増加すると、有効電力が調整されることで発電機によって供給可能な無効電力は低下する。すると、無効電力の低下により、負荷系統に必要な無効電力を確保できないことがありえる。その結果、発電機に接続される負荷系統の電圧が基準より高くまたは低くなり、負荷系統の電圧を安定化させることができない場合があった。
【００１１】
そこで、本発明は、負荷系統の電圧を安定させることができる水車発電機の制御装置及びその方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、水量を調整することで負荷系統の負荷に応じた有効電力で発電する水車発電機の制御装置であって、負荷系統における現実の負荷を特定する負荷特定部と、現実の負荷に対応する無効電力を算出する無効電力算出部と、算出された無効電力と水車発電機によって発電される有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機の発電機出力を決定する発電機出力決定部とを備える。
【００１３】
このような構成において、前提として、水車発電機は、発電に用いられる水量の調整により、負荷系統の負荷に対応する有効電力で発電する。ここで、負荷系統の電圧の安定化に必要な無効電力を特定するために、負荷特定部は、負荷系統における現実の負荷を特定する。無効電力算出部は、特定された負荷に対応する無効電力を算出する。そして、この無効電力を確保すべく、発電機出力決定部は、この無効電力と有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機の発電機出力を決定する。これにより、水車発電機は、負荷系統に対応する無効電力を確保して、負荷系統の電圧を安定化することができる。また、水車発電機が発電機出力限界を超える発電機出力で発電してしまうことを防止できる。
【００１４】
また、水車発電機の制御装置の一態様として、水車発電機により発電される発電機出力が決定された値以下となるように、発電に用いられる水量を制御する制御部をさらに備えてもよい。
【００１５】
このような構成において、制御部は、水車発電機により発電される発電機出力が、発電機出力決定部により決定された値以下となるように発電に用いられる水量を制御するので、発電機出力限界を超える発電を防止することができ、水車発電機の停止を防止することができる。
【００１６】
この場合、制御部は、決定された発電機出力以下となるように、水車発電機のガイドベーンの開度を制御してもよい。
【００１７】
このような構成において、ガイドベーンの開度が変化すると、その開度によって、水車発電機により発電に用いられる水量が変化する。そこで、制御部は、ガイドベーンの開度を変化させることで、決定された発電機出力以下となるようにすることができる。
【００１８】
また、水車発電機の制御装置の他態様として、水車発電機は、複数の発電機が接続された系統の受電端に設けられ、発電機出力決定部は、負荷系統の負荷に対応する無効電力と有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機によって出力可能な有効電力を決定してもよい。
【００１９】
水車発電機は、複数の発電機が接続された系統の受電端であり、有効電力が不足したとしても、他の発電機から有効電力を負荷系統に供給することが可能になっている。そこで、発電機出力決定部は、負荷系統の負荷に対応する無効電力と有効電力との和が発電機出力限界を超えないように、水車発電機によって出力される有効電力の最大値を決定する。これにより、負荷系統に供給される有効電力が発電機出力限界を超える発電を防止できる。
【００２０】
また、本発明に係る水車発電機の制御方法は、水量を調整することで負荷系統の負荷に応じて発電する水車発電機の制御方法であって、負荷系統における現実の負荷を特定するステップと、現実の負荷に対応する無効電力を算出するステップと、算出された無効電力と有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機の発電機出力を決定するステップとを備える。
【００２１】
このような構成において、前提として、水車発電機は、発電に用いられる水量の調整により、負荷系統の負荷に対応する有効電力で発電する。ここで、負荷系統の電圧の安定化に必要な無効電力を特定するために、現実の負荷を特定するステップは、負荷系統における現実の負荷を特定する。無効電力を算出するステップは、特定された負荷に対応する無効電力を算出する。そして、この無効電力を確保すべく、発電機出力を決定するステップは、この無効電力と有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機の発電機出力を決定する。これにより、水車発電機が発電機出力限界を超える発電により発電機が停止することを防止できる。そして、水車発電機は、負荷系統に対応する無効電力を確保しているので、フェランチ効果の発生を防止でき、負荷系統の電圧を安定化することができる。
【００２２】
また、水車発電機の制御方法の一態様として、水車発電機により発電される発電機出力が決定された値以下となるように、水車発電機により発電に用いられる水量を制御するステップをさらに備える。
【００２３】
このような構成において、発電に用いられる水量を制御するステップは、発電機出力決定部により決定された値以下となるように水車発電機により発電に用いられる水量を制御するので、水車発電機の発電機出力限界を超える発電を防ぎ、水車発電機の停止を防止する。
【００２４】
この場合、発電に用いられる水量を制御するステップは、決定された発電機出力以下となるように、水車発電機のガイドベーンの開度を制御するステップであってもよい。
【００２５】
このような構成において、ガイドベーンの開度が変化すると、その開度によって、水車発電機により発電に用いられる水量が変化する。そこで、発電に用いられる水量を制御するステップは、ガイドベーンの開度を変化させることで決定された発電機出力以下となるようにすることができる。
【００２６】
また、水車発電機の制御方法の他態様として、水車発電機は、複数の発電機が接続された系統の受電端に設けられ、水車発電機の発電機出力を決定するステップは、負荷系統の負荷に対応する無効電力と有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機によって出力可能な有効電力を決定してもよい。
【００２７】
このような構成において、水車発電機は、複数の発電機が接続された系統の受電端であり、有効電力が不足したとしても、他の発電機から有効電力を負荷系統に供給することが可能になっている。そこで、水車発電機の発電機出力を決定するステップは、負荷系統の負荷に対応する無効電力と有効電力との和が発電機出力限界を超えないように、水車発電機によって出力される有効電力の最大値を決定する。これにより、負荷系統に供給される有効電力が発電機出力決定部によって決定された最大値を超える場合であっても、水車発電機が有効電力の最大値を超える発電をすることが防止される。したがって、発電機出力限界を超えて水車発電機が発電することを防ぎ、水車発電機が停止することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、水車発電機周辺の概略図である。
【図２】図２は、本発明に係る水車発電機の制御装置の構成を説明するブロック図である。
【図３】図３は、発電機出力限界曲線である。
【図４】図４は、水車発電機の制御方法の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明に係る水車発電機の制御装置及びその方法の一実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、本実施形態では、図１に示すように、貯水池１００から給水管１０５、水槽１１０、及び水圧管１１５を介して供給された水を発電に用いる水車発電機２００を一例として説明する。そして、制御装置１は、図２に示すように、水車発電機２００と、水車発電機２００に繋がる負荷系統３００とに接続されている。また、本実施形態に係る水車発電機の制御装置１及びその方法は、水車発電機２００の図示しないガイドベーンの開度を制御することで水車発電機２００の発電機出力を変更するものとして説明される。さらには、水車発電機２００は、本実施形態に係る水車発電機の制御装置１とは独立し、水槽１１０の水量に合わせて図示しないガイドベーンの開度を変更する水調運転装置２に接続されているものとする。
【００３０】
本実施形態において、水車発電機の制御装置１は、水車発電機２００を制御して、送電線路及び負荷系統３００のインダクタンス及び対地静電容量による無効電力損失に見合う無効電力を送電線路及び負荷系統３００に供給させることにより、フェランチ効果を防止し、負荷系統３００の電圧を安定化するものである。
【００３１】
図２に示すように、本実施形態に係る水車発電機の制御装置１は、水量を調整することで負荷系統３００の負荷に対応する発電機出力で発電する水車発電機の制御装置１であって、負荷系統３００における現実の負荷を特定する負荷特定部１０と、現実の負荷に対応する無効電力を算出する無効電力算出部２０と、算出された無効電力と水車発電機２００によって発電される有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機２００の発電機出力を決定する発電機出力決定部３０とを備える。また、本実施形態に係る水車発電機の制御装置１は、水車発電機２００により発電される発電機出力が決定された値以下となるように、水車発電機２００により発電に用いられる水量を制御する制御部４０を備える。そして、本実施形態に係る水車発電機の制御装置１は、水車発電機２００によって出力される有効電力を測定する有効電力測定部５０と、水車発電機２００によって出力される無効電力を測定する無効電力測定部６０とを備える。
【００３２】
負荷特定部１０は、水車発電機２００に繋がっている負荷系統３００の現実の負荷を特定する。負荷特定部１０は、例えば、夜間であれば昼間よりも低い現実の負荷を特定する。負荷特定部１０は、特定した負荷系統３００の現実の負荷を無効電力算出部２０に送る。
【００３３】
無効電力算出部２０は、負荷特定部１０から送られた現実の負荷に基づいて、負荷系統３００の電圧の安定化に必要な無効電力を算出する。具体的には、例えば、図３に示すように、無効電力算出部２０は、夜間等、負荷系統３００の負荷が低い程、進み側の無効電力を算出する。一方、無効電力算出部２０は、負荷系統３００の負荷が高いほど、遅れ側の無効電力を算出する。図３では、中央に示される三角形のうち、Ｙ軸に平行な辺の長さを無効電力として示している。また、図３では、算出する無効電力を遅れ２段、遅れ１段、０、及び進相として４段階で示している。無効電力算出部２０は、算出した無効電力を発電機出力決定部３０に送る。
【００３４】
発電機出力決定部３０は、無効電力算出部２０によって算出された無効電力を受信すると、図３に示す発電機出力限界曲線に基づいて、算出された無効電力と有効電力との和が発電機出力限界曲線を超えないように発電機の発電機出力を決定する。例えば、発電機出力決定部３０は、無効電力算出部２０によって算出された無効電力に合わせて、算出された無効電力と有効電力との和が発電機出力限界を超えないように水車発電機２００の発電機出力を決定する。換言すると、発電機出力決定部３０は、算出された無効電力に対応する発電機出力限界に達するまでの有効電力を、水車発電機２００によって出力可能な有効電力として決定する。発電機出力決定部３０は、決定した発電機出力を制御部４０に送る。
【００３５】
ここで、発電機出力限界は、界磁巻線の温度限界（図３においてＡ−Ｂ線）、電機子巻線の温度限界（図３においてＢ−Ｃ線）、及び電機子鉄心端部の温度限界（図３においてＣ−Ｄ線）により決定される。そして、図３のＸ軸、Ｙ軸、Ａ−Ｂ線、Ｂ−Ｃ線、及びＣ−Ｄ線で囲まれる領域内に、図３における三角形Ｆ１の頂点ｆ１が存在すれば、発電機出力限界内で水車発電機２００が発電できることを示している。なお、図３において、０−ｆ１の長さは、水車発電機２００が供給すべき皮相電力を示し、ｆ１−ｆ２の長さは、水車発電機２００が供給すべき無効電力を示し、０−ｆ２の長さは、水車発電機２００が最大限供給可能な有効電力を示す。図３における三角形Ｆ１において、発電機出力決定部３０は、決定した発電機出力を制御部４０に送る。
【００３６】
制御部４０は、発電機出力決定部３０から送られた値に基づいて、水車発電機２００の発電機出力を実際に制御する。制御部４０は、水車発電機２００の図示しないガイドベーンの開度を変更することで、水車発電機２００の発電機出力を実際に制御する。制御部４０は、有効電力測定部５０で測定された有効電力と、無効電力測定部６０で測定された無効電力との和が、発電機出力限界を超えないように水車発電機２００の発電力を制御する。例えば、制御部４０は、図３に示す三角形Ｆ１の０−ｆ１の長さを水車発電機２００の皮相電力の最大として水車発電機２００の図示しないガイドベーンの開度を変更する。これにより、制御部４０は、水車発電機２００の発電機出力が図３の三角形Ｆ２のｆ１’のように、発電機出力限界を超えてしまうことを防止できる。これにより、水車発電機２００が停止してしまうことを防止することができる。
【００３７】
有効電力測定部５０は、制御部４０によって実際に制御されている水車発電機２００が出力する有効電力を測定する。有効電力測定部５０は、測定した有効電力を制御部４０に送る。
【００３８】
無効電力測定部６０は、制御部４０によって実際に制御されている水車発電機２００が出力する無効電力を測定する。無効電力測定部６０は、測定した無効電力を制御部４０に送る。
【００３９】
本実施形態に関する水車発電機の制御装置１の構成は以上であり、次に、本実施形態における水車発電機２００の制御方法の流れを図４のフローチャートを用いて説明する。
【００４０】
まず、負荷特定部１０は、負荷系統３００を参照して、負荷系統３００の負荷を特定する（ステップＳ１０）。負荷特定部１０は、特定した負荷を無効電力算出部２０に送る。
【００４１】
無効電力算出部２０は、負荷特定部１０で特定された負荷に対応する無効電力を算出する（ステップＳ２０）。具体的には、無効電力算出部２０は、負荷特定部１０で特定された負荷に基づいて、進み側又は遅れ側となる無効電力を算出する。無効電力算出部２０は、算出した無効電力を発電機出力決定部３０に送る。
【００４２】
発電機出力決定部３０は、無効電力算出部２０で算出された無効電力に基づいて、発電機出力限界を超えないように、水車発電機２００が出力できる最大の有効電力を決定する。そして、発電機出力決定部３０は、無効電力と算出された有効電力との和が発電機出力限界を超えないように水車発電機２００の発電機出力を決定する（ステップＳ３０）。発電機出力決定部３０は、決定した水車発電機２００の発電機出力を制御部４０に送る。
【００４３】
制御部４０は、発電機出力決定部３０において決定された水車発電機２００の値に基づいて、水車発電機２００の発電機出力を制御する（ステップＳ４０）。具体的には、制御部４０は、発電機出力決定部３０において決定された水車発電機２００の発電機出力を超えないように、有効電力を調整して水車発電機２００を制御する。
【００４４】
水槽１１０の水位が大きくなり、水量調整運転が図示しないガイドベーンの開度を大きくしようと制御するときには、水車発電機２００から出力される有効電力と無効電力との和である発電機出力が、発電機出力限界を超えてしまう可能性がある。水車発電機２００から出力される発電機出力が発電機出力限界を超えないように制御するために、制御部４０は、水車発電機２００から出力される有効電力及び無効電力を有効電力測定部５０及び無効電力測定部６０で測定された有効電力及び無効電力を用いて監視し、現実の発電機出力が設定された値を超えるか否かを判断する（ステップＳ５０）。
【００４５】
水車発電機２００の現実の発電機出力が設定された値を超えない場合（ステップＳ５０  ＮＯ）、制御部４０は、続けて監視を継続する。一方、水車発電機２００の現実の発電機出力が設定された値を超える場合（ステップＳ５０  ＹＥＳ）、制御部４０は、水車発電機２００の発電機出力が設定された値を超えないように、図示しないガイドベーンの開度が設定された値を超えないように水車発電機２００の発電機出力を制御する（ステップＳ６０）。
【００４６】
尚、本発明は、上記内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更し得ることは勿論のことである。
【００４７】
例えば、本実施形態に係る水車発電機の制御装置１において、発電機出力決定部３０は、水車発電機２００の発電機出力を決定するとしたが、水車発電機２００が出力可能な有効電力の最大値を決定するようにしてもよい。具体的には、水車発電機２００が複数の発電機が接続された系統の受電端に設けられ、発電機出力決定部３０は、負荷系統３００の負荷に対応する無効電力と有効電力との和が発電機出力限界以下になるように水車発電機２００によって出力可能な有効電力を決定してもよい。これにより、制御部４０は、負荷系統に対応する無効電力を低下させず、有効電力を調整することで水車発電機２００の発電機出力が発電機出力限界以下となるように水車発電機２００を制御するので、水車発電機２００の停止を防止することができ、負荷系統の電圧を安定化することができる。
【００４８】
また、本実施形態に係る水車発電機の制御装置１において、制御部４０が水車発電機２００の図示しないガイドベーンの開度を制御する例で説明したが、水車発電機２００に供給される水量を制御することで、水車発電機２００の発電機出力を制御するようにしてもよい。
【００４９】
また、本実施形態に係る水車発電機の制御装置１において、水車発電機２００は、受電端に設けられる水車発電機２００であってよい。そして、制御部４０が水車発電機２００の発電機出力を制御することで、送電端に設けられる発電機の電圧と受電端に設けられる水車発電機２００の電圧とを安定化してもよい。
【００５０】
また、本実施形態に係る水車発電機の制御装置１において、制御部４０を設けず、作業者からの入力に応じて水車発電機２００のガイドベーンの開度を制御するような形態も考えられる。
【符号の説明】
【００５１】
１…制御装置、１０…負荷特定部、１００…貯水池、１０５…給水管、１１０…水槽、１１５…水圧管、２…水調運転装置、２０…無効電力算出部、２００…水車発電機、３０…発電機出力決定部、３００…負荷系統、４０…制御部、５０…有効電力測定部、６０…無効電力測定部、Ｆ１，Ｆ２…三角形、ｆ１，ｆ２，ｆ´１，ｆ´２…頂点
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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