(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯水槽と、基端部が該貯水槽に連結された水流路と、該水流路に設けられた水車と、基端部が前記水車よりも上流側の水流路に連結されたバイパス路と、該バイパス路に設けられた放流弁と、前記貯水槽の水位を検出する水位検出器と、該水位検出器が検出した前記貯水槽の水位に基づいて前記水車を駆動制御する水車駆動制御手段と、前記水位検出器が検出した前記貯水槽の水位が所定水位以上となったときに該水位に基づいて前記放流弁を駆動制御すると共に前記水車の流水量としてのガイドベーン開度が常時入力されている放流弁駆動制御手段とを具え、
前記水車の異常発生時には、前記水車駆動制御手段が前記水車の駆動を停止する一方、前記放流弁駆動制御手段は、常時入力されているガイドベーン開度を基に異常発生時の前記水車の流水量を求め、前記放流弁の流水量が異常発生時における前記水車の流水量と同量となるまで前記放流弁の開度を増加させることを特徴とする水力発電設備。
【請求項２】
請求項１記載の水力発電設備において、
前記放流弁駆動制御手段は、前記水車の異常発生時には、前記放流弁の流水量が異常発生時における前記水車の流水量と同量となるまで前記放流弁の開度を増加させ、前記水車の駆動が完全に停止した後に、前記貯水槽の水位に基づいて前記放流弁を駆動制御することを特徴とする水力発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貯水槽からの水流路に設けられた水車に対して、水流路からのバイパス路に設けられた放流弁を制御する水力発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な水力発電所では、河川やダムから導水路を介して貯水槽が設けられ、この貯水槽に連結された水流路に発電用の水車が設けられている。そして、この貯水槽には水流路と並列に余水路が設けられ、水車の故障停止時に貯水槽の水を余水路から流すことで、貯水槽からの流水量を一定に維持し、貯水槽から水が溢れることを防止している。
【０００３】
ところが、水流路と並列に余水路を設けることは土木建設コストが増加することから、余水路の代わりに水流路から分岐したバイパス路を設けてここに放流弁を設け、水車の故障時には、この放流弁を開放してバイパス路から水を流すことで、貯水槽からの流水量を一定に維持するようにしている。このような水力発電設備としては、例えば、特開昭５３−５１３４６号公報や特開昭５４−１６０９３６号公報に開示されたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の水力発電設備にあっては、水車の流水量を減少する一方、放流弁を開放してバイパス路からの流水量を増加させ、水車（水流路）の流水量と放流弁（バイパス路）の流水量とを合わせた流水量、つまり、貯水槽からの流水量を一定に維持している。ところが、このように水車の流水量と放流弁の流水量とを合わせた貯水槽からの流水量を一定に維持するためには、水車と放流弁との流水量をそれぞれ計測して両者の開度を制御しなければならず、水車と放流弁の開度制御が複雑となり、水車の故障時などに早急に水車を停止することができないという問題がある。また、水車（水流路）の流水量は貯水槽の水位や要求発電量等に応じて変動するものであり、水車の流水量を減少しながら放流弁の流水量を増加して合わせた流水量を一定に維持することは困難である。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するものであって、水車の異常発生時には水車及び放流弁を適正に制御して安定した運転制御を可能とした水力発電設備を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明の水力発電設備は、貯水槽と、基端部が該貯水槽に連結された水流路と、該水流路に設けられた水車と、基端部が前記水車よりも上流側の水流路に連結されたバイパス路と、該バイパス路に設けられた放流弁と、前記貯水槽の水位を検出する水位検出器と、該水位検出器が検出した前記貯水槽の水位に基づいて前記水車を駆動制御する水車駆動制御手段と、前記水位検出器が検出した前記貯水槽の水位が所定水位以上となったときに該水位に基づいて前記放流弁を駆動制御すると共に前記水車の流水量としてのガイドベーン開度が常時入力されている放流弁駆動制御手段とを具え、
前記水車の異常発生時には、前記水車駆動制御手段が前記水車の駆動を停止する一方、前記放流弁駆動制御手段は、常時入力されているガイドベーン開度を基に異常発生時の前記水車の流水量を求め、前記放流弁の流水量が異常発生時における前記水車の流水量と同量となるまで前記放流弁の開度を増加させることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の水力発電設備では、前記放流弁駆動制御手段は、前記水車の異常発生時には、前記放流弁の流水量が異常発生時における前記水車の流水量と同量となるまで前記放流弁の開度を増加させ、前記水車の駆動が完全に停止した後に、前記貯水槽の水位に基づいて前記放流弁を駆動制御することを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１０】
図１に本発明の一実施形態に係る水力発電設備を表す概略、図２及び図３に貯水槽の水位に対するガイドベーン及び放流弁の開度を表すグラフ、図４に水力発電設備の運転モードに応じた水車及び放流弁の制御内容を表す表、図５に水力発電設備における水車及び放流弁の制御ブロックを示す。
【００１１】
本実施形態の水力発電設備において、図１に示すように、河川やダム１１から導水路１２を介して貯水槽１３が設けられており、この導水路１２には駆動装置１４によって開閉駆動可能な取水ゲート１５が設けられている。そして、貯水槽１３には水流路１６の基端部が連結されており、この水流路１６の下流側には発電用の水車１７が設けられている。また、この水流路１６には水車１７をバイパスするバイパス路１８が設けられており、このバイパス路１８に放流弁１９が設けられている。
【００１２】
水車１７は図示しないガイドベーン駆動用サーボモータ２１を有し、水車駆動制御部２２によりこのガイドベーン駆動用サーボモータ２１を駆動してガイドベーン開度を変更し、流水量を調整することができる。一方、放流弁１９は放流弁駆動用サーボモータ２３を有し、放流弁駆動制御部２４により放流弁駆動用サーボモータ２３を駆動して放流弁開度を変更し、流水量を調整することができる。また、水車１７には実際のガイドベーン開度を検出するガイドベーン開度センサ２５が設けられ、水車駆動制御部２２の制御部２２ａにフィードバックし、制御部２２ａは駆動部２２ｂに制御指令値を出力し、駆動部２２ｂがガイドベーン駆動用サーボモータ２１に制御信号を出力する。一方、放流弁１９には実際の放流弁開度を検出する放流弁開度センサ２６が設けられ、放流弁駆動制御部２４の制御部２４ａにフィードバックし、制御部２４ａは駆動部２４ｂに制御指令値を出力し、駆動部２４ｂが放流弁駆動用サーボモータ２３に制御信号を出力する。この場合、ガイドベーン開度センサ２５は実際のガイドベーン開度を放流弁駆動制御部２４の制御部２４ａにも出力し、放流弁開度センサ２６は実際の放流弁開度を水車駆動制御部２２の制御部２２ａにも出力している。
【００１３】
また、貯水槽１３には水位を検出するための水位検出器として、圧力式水位計２７及びフロート式水位計２８が設けられており、各水位計２７，２８の出力は変換器２９，３０を介して水車駆動制御部２２の制御部２２ａに貯水槽１３の水位として入力し、更に放流弁駆動制御部２４の制御部２４ａに入力する。この場合、貯水槽１３の水位検出精度の安全性を確保するために、２つの水位計２７，２８を設け、高出力（高水位）側の信号を適用している。
【００１４】
更に、この水力発電設備では、信頼性及び安全性を確保するために、水車１７側の電源設備と放流弁１９側の電源設備とがそれぞれ独立して設けられている。即ち、主電源部３１には水車用バッテリ３２と放流弁用バッテリ３３とが接続され、各バッテリ３２，３３は水車駆動制御部２２の駆動部２２ｂ及び放流弁駆動制御部２４の駆動部２４ｂにそれぞれ接続されている。また、各バッテリ３２，３３は共通電源部３４を介して変換器２９，３０及び取水ゲート１５の駆動装置１４にそれぞれ接続されている。なお、各バッテリ３２，３３は放流弁駆動制御部２４の制御部２４ａにも接続されている。
【００１５】
このような本実施形態の水力発電設備では、河川やダム１１から導水路１２を通して貯水槽１３に流れ込む最大流水量は決まっており、その最大流水量となるように駆動装置１４により取水ゲート１５を開閉する。しかし、天候等によりダム１１の貯水量が変わることから、貯水槽１３の水位や要求発電量等に応じて取水ゲート１５を開閉量を調整する。なお、水力発電設備の内部事故や外部事故の発生時などの異常事態には、取水ゲート１５を強制閉止するようにしている。また、豪雨などによる貯水槽１３の水位の異常上昇時等には、取水ゲート１５を半開あるいは強制閉止するようにしている。
【００１６】
また、水車１７及び放流弁１９は水車駆動制御部２２及び放流弁駆動制御部２４によって駆動制御されるが、水車駆動制御部２２及び放流弁駆動制御部２４は、通常、貯水槽１３の水位に応じて水車１７及び放流弁１９を駆動制御する。即ち、放流弁１９にその開度が無段階調整可能な放流弁を適用した場合、図２に示すように、貯水槽１３の水位が所定の最低水位ＬＷＬ以下のときは、水車１７のガイドベーン及び放流弁１９の開度は０％とし、水車１７による発電は行わない。そして、貯水槽１３の水位が上昇してこの最低水位ＬＷＬを越えて水車駆動開始水位ＷＬ１以上になると、水車１７のガイドベーンを開放し始め、標準水位ＮＷＬまでの間でガイドベーン開度０〜１００％を調整し、貯水槽１３の水位を所定水位に維持しながら水車１７ではそのガイドベーン開度に応じた発電を行う。
【００１７】
一方、貯水槽１３の水位が更に上昇して標準水位ＮＷＬを越えて放流弁駆動開始水位ＷＬ２以上になると、放流弁１９を開放し始め、最高水位ＨＷＬまでの間で放流弁開度０〜１００％を調整し、貯水槽１３の水位を所定水位に維持しながら水車１７では１００％の発電を行う。そして、貯水槽１３の水位が上昇して最大水位ＨＷＬを越えて異常水位ＷＬ３以上になると、取水ゲート１５を強制的に閉止して貯水槽１３の水位を所定水位に維持する。
【００１８】
このように貯水槽１３の水位に応じて水車１７のガイドベーン開度及び放流弁１９の開度を調整することで、貯水槽１３の水位を所定水位に維持しながら、水車１７の駆動により発電を行う。但し、この貯水槽１３の水位に応じた水車１７及び放流弁１９の駆動制御は基本的なものであり、後述するが、発電設備への要求発電量に応じて適宜変更される。
【００１９】
なお、放流弁１９にその開度を段階調整する放流弁を適用した場合には、図３に示すように、貯水槽１３の水位が標準水位ＮＷＬを越えて、放流弁駆動開始水位ＷＬ２−１以上になると放流弁１９の開度を５０％とし、放流弁全開水位ＷＬ２−２以上になると放流弁１９の開度を１００％とし、貯水槽１３の水位を所定水位に維持しながら水車１７で発電を行う。
【００２０】
ここで、本実施形態の水力発電設備の各運転モードに応じた水車１７、放流弁１９、取水ゲート１５等の駆動制御について、図４の運転モード表及び図５のブロック線図を用いて説明する。なお、図４の運転モード表にて、○は制御信号の入力、×は制御信号の入力なしという意味である。
【００２１】
まず、図４に示すように、水力発電設備の通常運転モードの始動時、負荷増減時、普通停止時では、水車１７は貯水槽１３の水位及び要求発電量に応じた制御モードであり、放流弁１９は貯水槽１３の水位に応じた制御モードで運転される。即ち、図５に示すように、水車駆動制御部２２にて、予め設定された水車設定回転速度ｎ0 と図示しないセンサにより検出された実際の水車回転速度ｎとの偏差Δｎが演算器４１にて算出される一方、水力発電設備の要求発電量に応じて設定された負荷設定値が補正演算器４２でその作動遅れ分が補正され、速度垂下率を乗じたものを両者が加算器４３で加算されて指令値設定部４４に入力される。この指令値設定部４４では要求発電量に必要な水車１７の基準ガイドベーン開度ＧS を求めて指令値演算器４５に出力する。一方、水車開度演算器４６では、貯水槽１３の水位Ｈに基づいて予め設定されたマップ（図２のグラフ）から水車１７の適正ガイドベーン開度Ｇ0 を求め、補正演算器４７でその作動遅れ分が補正されて指令値演算器４５に出力する。
【００２２】
この指令値演算器４５では、基準ガイドベーン開度ＧS と適正ガイドベーン開度Ｇ0 とフィードバック制御値とに基づいて制御指令値Ｇ1 を求め、速度リミッタ４８を通ってガイドベーン作動速度が設定され、補正演算器４９でその作動遅れ分が補正され、ガイドベーン駆動用サーボモータ２１に制御信号Ｇが出力される。駆動用サーボモータ２１は制御信号Ｇに応じて駆動し、水車１７のガイドベーン開度を調整する。
【００２３】
一方、放流弁駆動制御部２４にて、放流弁開度演算器５１では、貯水槽１３の水位Ｈに基づいて予め設定されたマップ（図２のグラフ）から放流弁１９の適正放流弁開度Ｖ0 を求め、スイッチ５２を介して演算器５３で適正放流弁開度Ｖ0 とフィードバック制御値とに基づいて制御指令値Ｖ1 を求め、速度リミッタ５４を通って放流弁作動速度が決まり、補正演算器５５でその作動遅れ分が補正され、放流弁駆動用サーボモータ２３に制御信号Ｖが出力される。駆動用サーボモータ２３は制御信号Ｖに応じて駆動し、放流弁１９の開度を調整する。
【００２４】
次に、図４に示すように、水力発電設備内で事故が発生した内部事故運転停止モードでは、水車１７は貯水槽１３の水位及び要求発電量に応じた制御モードからガイドベーンを強制的に閉止するモードに切り換わると共に、放流弁１９は貯水槽１３の水位に応じた制御モードから放流弁１９を強制的に開放するモードに切り換わり、水車１７の完全停止後に水位制御モードで運転される。また、同時に、取水ゲート１５も閉じる。
【００２５】
即ち、図５に示すように、水車駆動制御部２２にて、指令値設定部４４に非常停止信号Ａが入力されると、この指令値設定部４４では要求発電量に関係なくガイドベーン全閉信号ＧE を指令値演算器４５に出力し、この指令値演算器４５では、適正ガイドベーン開度Ｇ0 等に拘らずガイドベーン全閉信号ＧE を出力し、速度リミッタ４８及び補正演算器４９を介してガイドベーン駆動用サーボモータ２１にガイドベーン全閉信号ＧE を制御信号Ｇとして出力する。駆動用サーボモータ２１は制御信号Ｇ（ガイドベーン全閉信号ＧE ）に応じて駆動し、ガイドベーンを閉じて水車１７を直ちに停止する。
【００２６】
一方、放流弁駆動制御部２４にて、非常停止信号Ａがスイッチ５６に入力するとタイマ５７が作動して通電し、非常停止信号Ａがスイッチ５２に入力する。すると、放流弁開度演算器５１からの放流弁１９の適正放流弁開度Ｖ0 の入力が停止する。一方、スイッチ５８で保持された適正ガイドベーン開度Ｇ0 が演算器５９を介して放流弁同期開度演算器６０に入力し、予め設定されたＧ−Ｖシンクロマップに基づいて適正ガイドベーン開度Ｇ0 に応じた適正放流弁開度Ｖ0 が求められてスイッチ５２に入力し、演算器５３、速度リミッタ５４、補正演算器５５を介して放流弁駆動用サーボモータ２３に制御信号Ｖが出力される。駆動用サーボモータ２３は制御信号Ｖに応じて駆動し、放流弁１９の開度を適正ガイドベーン開度Ｇ0 に応じた開度に調整する。
【００２７】
その後、所定時間経過して放流弁１９の開度が内部事故発生時の適正ガイドベーン開度Ｇ0 （制御信号Ｇ）になると共に、水車１７のガイドベーン開度が０、つまり、水車が停止すると、タイマ５７が停止して断線し、放流弁開度演算器５１からの放流弁１９の適正放流弁開度Ｖ0 がスイッチ５２に入力し、貯水槽１３の水位に基づく水位制御に移行する。また、放流弁１９の開放制御及び水車１７の停止制御に伴って取水ゲート１５を閉じる。なお、放流弁駆動制御部２４に非常停止信号Ａが入力しても放流弁１９が何らかの影響により開放しないときには、取水ゲート１５を閉止を待って水車１７を停止する。
【００２８】
また、図４に示すように、水力発電設備の外部で事故が発生した外部事故モードでは、水車１７は貯水槽１３の水位に応じた制御モードからガイドベーンを閉止するモードに切り換わると共に、放流弁１９は貯水槽１３の水位に応じた制御モードから放流弁１９を強制的に開放するモードに切り換わって運転される。
【００２９】
即ち、水力発電設備の外部事故が発生すると、実際の水車回転速度ｎが異常上昇するため、水車駆動制御部２２では水車設定回転速度ｎ0 とこの水車回転速度ｎとの偏差Δｎが大きくなり、指令値設定部４４で外部事故と判断する。一方、放流弁駆動制御部２４にて、負荷遮断検出器６１が水車回転速度ｎが異常上昇を検出すると、リミッタ６２を介して非常停止信号Ａがスイッチ５６に入力する。すると前述の内部事故と同様に、予め設定されたＧ−Ｖシンクロマップに基づいて適正ガイドベーン開度Ｇ0 に応じた適正放流弁開度Ｖ0 を求め、放流弁駆動用サーボモータ２３に制御信号Ｖを出力して放流弁１９の開度を適正ガイドベーン開度Ｇ0 に応じた開度に調整する。
【００３０】
その後、所定時間経過すると放流弁１９は貯水槽１３の水位に応じて開度を制御する水位制御モードに切り換わり、外部事故の修復を待って水車１７が待機状態となるが、一定時間経過しても送電系統が復旧しない場合は、送電線等の永久事故と判断して取水ゲート１５を閉止する。
【００３１】
なお、外部事故が復旧し、待機状態の水車１７を駆動する場合、放流弁１９の実際の開度（制御信号Ｖ）は放流弁開度センサ２６が検出して水車駆動制御部２２の制御部２２ａに入力しているので、放流弁１９を閉止すると共に、水車駆動制御部２２はガイドベーンの開度を放流弁１９の放水量に応じた適正なガイドベーン開度Ｇ0 に開放する。
【００３２】
そして、図４に示すように、水力発電設備における水車駆動制御部２２側の電源（水車用バッテリ３２）が故障して電力が供給されなくなると、水車１７は水位制御モードから重錘によりガイドベーンを強制的に閉止する一方、放流弁１９は水位制御モードから強制的に開放するモードに切り換わり、水車１７の完全停止後に水位制御モードで運転される。また、同時に取水ゲート１５も閉じる。
【００３３】
即ち、図５に示すように、水車駆動制御部２２に水車電源断信号が入力すると、図示しない電磁弁が消勢され、切り離されていた重錘がガイドベーン駆動用サーボモータ２１と連結してガイドベーンを緩やかに閉止する。一方、放流弁駆動制御部２４のスイッチ５６に水車電源断信号が入力すると、前述の内部事故と同様に、予め設定されたＧ−Ｖシンクロマップに基づいて適正ガイドベーン開度Ｇ0 に応じた適正放流弁開度Ｖ0 を求め、放流弁駆動用サーボモータ２３に制御信号Ｖを出力して放流弁１９の開度を適正ガイドベーン開度Ｇ0 に応じた開度に調整する。その後、所定時間経過すると放流弁１９は貯水槽１３の水位に応じて開度を制御する水位制御モードに切り換わり、取水ゲート１５も閉じられると放流弁１９も閉止する。
【００３４】
一方、図４に示すように、水力発電設備における放流弁駆動制御部２４側の電源（放流弁用バッテリ３３）が故障して電力が供給されなくなると、水車１７は水位制御モードで閉止する一方、放流弁１９は水位制御モードから重錘により強制的に開放する。また、同時に取水ゲート１５も閉じる。
【００３５】
即ち、図５に示すように、水車駆動制御部２２に放流弁電源断信号が入力すると、スイッチ６３の接点が切り換わり、放流弁補助制御部５０により重錘が放流弁１９と連結して緩やかに開放する。一方、水車１７は貯水槽１３の水位に応じて開度を制御する水位制御モードで、取水ゲート１５の閉止により閉止する。
【００３６】
また、図４及び図５に示すように、水車１７を手動停止する場合には、放流弁１９は水位制御モードのまま運転される。
【００３７】
更に、図４及び図５に示すように、豪雨などによる貯水槽１３の水位が異常上昇した場合、水車１７は貯水槽１３の水位及び要求発電量に応じた制御モードで、放流弁１９は貯水槽１３の水位に応じた制御モードのまま運転し、取水ゲート１５を閉止する。
【００３８】
このように本実施形態の水力発電設備にあっては、水車１７を水車駆動制御部２２によりガイドベーン開度を変更して流水量を調整する一方、放流弁１９を放流弁駆動制御部２４により放流弁開度を変更して流水量を調整するようにし、各駆動制御部２２，２４にはガイドベーン開度及び放流弁開度が常時入力されるようにし、水車１７の内部事故等の異常発生時には、水車１７のガイドベーンを閉止して水車１７の駆動を停止する一方、放流弁１９の開度を異常発生時における水車１７のガイドベーン開度（流水量）に対応する開度とし、水車１７が完全に停止した後には貯水槽１３の水位に基づいて放流弁開度を駆動制御するようにしている。
【００３９】
従って、異常発生時の水車１７と放流弁１９の開度制御が容易となり、水車１７のガイドベーン開度に拘らず、貯水槽１３の水位を制御しながら水車１７を早急に停止することで十分な安全性を確保できる。
【００４０】
なお、上述の実施形態では、水力発電設備内で事故が発生した内部事故運転停止モードにて、水車１７を強制停止する一方、放流弁１９を事故発生時のガイドベーン開度に応じた放流弁開度に調整するようにしている。この場合、水車１７と放流弁１９が全開（開度１００％）のときにその流水量を同量として説明したが、相違する場合には流水量が同量となるように水車１７のガイドベーン開度と放流弁１９の開度を調整すればよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の水力発電設備によれば、貯水槽の水位に基づいて水車を駆動制御可能とすると共に、貯水槽の水位が所定水位以上となったときにこの水位に基づいて放流弁を駆動制御可能とし、且つ、水車の異常発生時には、水車の駆動を停止する一方、水車の流水量としてのガイドベーン開度を常時把握し、水車の異常発生時に放流弁の流水量が異常発生時における水車の流水量と同量となるまで放流弁の開度を増加させるようにしたので、異常発生時の水車と放流弁の開度制御が容易となり、水車の開度に拘らずこの水車を容易且つ早急に停止することで十分な安全性を確保することができ、その結果、水車の異常発生時に水車及び放流弁を適正に制御して安定した運転制御を可能とすることができる。
【００４３】
請求項２の発明の水力発電設備によれば、放流弁の流水量が異常発生時における水車の流水量と同じ流水量となって水車が完全に停止した後に、貯水槽の水位に基づいて放流弁を駆動制御するようにしたので、水車が停止しても放流弁を適正に駆動制御することで貯水槽の水位を所定水位に確実に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る水力発電設備を表す概略図である。
【図２】貯水槽の水位に対するガイドベーン（水車）及び開度を無段階調整可能な放流弁の開度を表すグラフである。
【図３】貯水槽の水位に対するガイドベーン（水車）及び開度を段階調整可能な放流弁の開度を表すグラフである。
【図４】水力発電設備の運転モードに応じた水車及び放流弁の制御内容を表す表である。
【図５】水力発電設備における水車及び放流弁の制御ブロック図である。
【符号の説明】
１３  貯水槽
１５  取水ゲート
１６  流水路
１７  水車
１８  バイパス路
１９  放流弁
２２  水車駆動制御部
２４  放流弁駆動制御部
２５  ガイドベーン開度センサ
２６  放流弁開度センサ
２７  圧力式水位計
２８  フロート式水位計
【図１】
0004274743.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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