JP5268871B2 - 水車発電装置 - Google Patents

Description

本発明は水車発電装置に関する。

従来から、水の位置エネルギーを利用して水車を運転し、水車の発生するトルクで発電機を運転して、発電した電力を、負荷に供給するシステムが使用されている。これらの参考例として、特開平５−１０２４５号（外輪駆動式水車発電機：特許文献１）がある。これらの参考技術においては、簡単操作による自動運化及び水車の水量、有効落差が変動した際の最適運転制御化が課題となっていた。

特開平５−１０２４５号公報

本発明は、簡単操作による自動運転化及び水車の水量、有効落差(水車前後の圧力差)が変動した際の運転制御を好適に実施可能な水車発電機の運転制御装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）
上記課題を解決するための本発明の一実施態様は、水の位置エネルギーで回転する水車と、水車の発生するトルクで運転する発電機とを備え、発電機によって発電された電力がインバータを介して負荷に供給される水車発電装置において、水車の有効落差を検出する有効落差検出手段と、予め有効落差に応じて発電機が最高効率となるインバータ周波数を記憶する記憶手段と、有効落差検出手段により検出された有効落差に応じた前記記憶手段に記憶されたインバータ周波数となるようにインバータを制御するインバータ制御手段とを備えた。

また上記した水車発電装置において、以下の態様であることが望ましい。
（１）有効落差検出手段は、水車の入口側に設けられた圧力センサと、水車の出口側に設けられた圧力センサとで構成されること。
（２）水車に流れる水の流量を検出する流量検出手段と、予め水の流量に応じて発電機が最高効率となるインバータ周波数を記憶する第２の記憶手段とを備え、インバータ制御手段は、流量検出手段により検出された流量に応じた第２の記憶手段に記憶されたインバータ周波数となるようにインバータを制御すること。
（３）インバータ制御手段は、有効落差検出手段が故障した場合に、流量検出手段により検出された流量に応じた第２の記憶手段に記憶されたインバータ周波数となるようにインバータを制御すること。
（４）有効落差、発電機の発電量を表示する表示手段を備えたこと。

上述によれば、簡単操作による自動運転化及び水車の水量、有効落差が変動し
た際の運転制御を好適に実施可能な水車発電機の運転制御が出来るようになるも
のである。

図１は、システム系統及び回路図である。 図２は、前述した水車．発電機を運転した場合の運転特性図である。 図３は、有効落差とインバータ周波数との関係を示した線図である。 図４は、有効落差とインバータ周波数との関係を示した線図である。 図５は、水量とインバータ周波数との関係を示す線図である。 図６は、制御装置、インバータの運転手順を示すフローチャートである。 図７は、制御装置、インバータの運転手順を示すフローチャートである。 図８は、制御装置、インバータの運転手順を示すフローチャートである。 図９は、別の実施例のシステム系統及び回路図である。

以下、本発明の実施例を図１〜図６により説明する。
図１はシステム系統及び回路図である。Ｔは、水の位置エネルギーによって運転する配管１に設けられた水車、Ｇは該水車の発生するトルクで運転し発電する発電機、ＰＳ１、ＰＳ２はそれぞれ水車入口及び出口の圧力を検出する圧力センサである。両圧力センサによって水車入口及び出口の圧力差を求める。即ち両圧力センサによって落差検出手段を構成する。ＰＧ１、ＰＧ２は前述の圧力センサ対応に設けそこの圧力を測定するための圧力計、ＦＭは配管１に備わり水車を流れる流量を検出するための流量検出手段、Ｓ１〜Ｓ５は保守用の仕切り弁である。又、ＡＶは停止時に配管内の水が落下してしまわないようにするための落水防止弁であり、目的によって機械式や電気式のものが選定される。Ｒ、Ｓ、Ｔは電源（商用）、ＥＬＢ１は漏電遮断器、ＩＮＶ１はインバータ（コントローラ）であり前記発電機Ｇとを端子Ｕ，Ｖ，Ｗを介して接続する。

発電電力は、インバータＩＮＶ１内フライホイルダイオウードとし回生制御を掛けられて、取り込まれＰ，Ｎ間に直流電力として蓄えられる（コンデンサＣに溜まる。例えば発電機の発生電圧がＡＣ２００Ｖであれば、インバータＰ，Ｎ間電圧（直流電圧）は２８０Ｖとなる。）。

また、Ｐ，Ｎ間電圧を検出して、ここの電圧が２８０Ｖを下回るごとに図示していないがＰＷＭ処理によりインバータ周波数を下げれば回生制動がかかり、Ｐ，Ｎ間電圧が上がる。ＲＣ，ＳＣは制御電源、ＳＷは自動、手動運転モード切替スイッチであり、その接点をａからｂに切り替えられａに合わせたときが自動運転、ｂに合わせたときが手動運転である。

ＡＸ１、ＡＸ２はリレー、ＡＶＲは安定化電源ユニット、ＣＵは、マイコンであり、中央演算処理ユニットＣＰＵ、メモリＭ、電源端子Ｅ、入出力インターフェースＩ／Ｏ−１〜Ｉ／Ｏ−４より構成される。前述の圧力センサＰＳ１、ＰＳ２及び流量検出手段の検出値はそれぞれＯ０、０１、Ｏ２端子を介して入出力インターフェースＩ／Ｏ−４より取り込まれメモリＭに保存される。ＤＯ１はデジタルオペレータであり、表示部ＨＹＯと操作部ＯＰ１で構成される。即ちこの操作部によって始動、停止有効落差、及び始動、停止流量などのパラメータを設定し、これが入出力インターフェースＩ／Ｏ−２より読み込まれメモリＭに保存される。

インバータＩＮＶ１は、端子Ａ，Ｃに信号が入ったとき（切替スッチＳＷが自動に選択されそのリレーＡＸ１の接点ＡＸ１Ｃがａ側に閉じ、マイコンＣＵの指令によって動作するリレーＡＸ２の接点ＡＸ２ａが閉じて短絡状態となる）に運転を開始し、マイコンＣＵから入出力インターフェースＩ／Ｏ−３を介してＯ−Ｌ端子に信号（アナログ信号）が入ったときその値に応じた周波数で運転する。

以上で構成された一点鎖線の枠内で示すのが制御装置ＣＴＬ１である。次に、発電電力を負荷に供給することを考える。ＣＴＬ２は負荷である揚水ポンプＰを駆動する電動機Ｍの運転用制御装置であり、インバータＩＮＶ２、漏電遮断器ＲＬＢ２で構成される。該インバータＩＮＶ２にはデジタルオペレータＤＯ２を備えている。又、両制御装置ＣＴＬ１、ＣＴＬ２間はケーブルＣＡで接続される。前記発電機Ｇで発生した電力はインバータＩＮＶ１の直流端子Ｐ，Ｎより、負荷側ＩＮＶ２の直流端子Ｐ，Ｎ間で直流送電される。図２は前述した水車．発電機を運転した場合の運転特性図であり、横軸に水車の水量Ｑ、縦軸に水車の有効落差、発電効率、及び発電機の発電電力を示している。曲線Ａは、水車の水量と有効落差との関係を示し、曲線Ｂは発電効率、曲線Ｃは発電電力を示している。例えば、水の位置エネルギーとして、水車に水量Ｑ０、有効落差Ｈ０を与えれば水車及び発電機はｆ０の周波数で運転し、Ｓ０の電力発電することを示している（点Ｏ０、Ｏ０参照）。勿論、この運転点が設計値であり、最高効率が得られる。

又、同図に示すＨＯＮは始動有効落差、ＨＯＦＦは停止有効落差であり、それぞれ曲線図Ａ上のＯ１、Ｏ２点上にある。これは始動、停止ポイントを有効落差で見たもので、水量で見るとＦＯＮが始動水量（ＨＯＮＮに対応）、ＦＯＦＦが停止水量である。これらは前述のように始動、停止用のパラメータとしデジタルオペレータにて設定され、マイコンＣＵのメモリに保存されている。落水防止弁を閉じているときは、水量が流れていないので有効落差は０である。

水車はインバータの周波数と同期をとって同一周波数で運転しているので、水車に流す水量が減ってくると当然有効落差も効率も低下してくる。水車を可能な限り最高効率点付近で運転させることは当然の要求である。

図３は、水車の水量を変動させたときの効率が最高点付近となるようにインバータ周波数を変化させ、有効落差とインバータ周波数との関係を求めて示した線図である。図１と同じ記号で示しているものは図１と同じ状態を表す。即ち、水量をＱ１とするとインバータ周波数をｆ１に変える（減ずる）と有効落差はＨ１（Ｏ１１）で、最高効率（Ｏ１３）が得られ、水量をＱ２とするとインバータ周波数をｆ２に変える（減ずる）と有効落差はＨ２（Ｏ１１）で、最高効率（Ｏ１４）が得られることが分かる。

それぞれの水量時に最高効率が得られるようにインバータ周波数に対する水量−有効落差曲線上の交点Ｏ０、Ｏ１５、Ｏ１６を結んだ線Ｘが最適値である。

図４は、図３で求めた関係を有効落差とインバータ周波数に関係付けて示したものである。同図は、有効落差を検出し、有効落差とインバータ周波数との関係からインバータ周波数を求め、この周波数でインバータを運転すれば良いことを示している。

図５は、図３で求めた関係を水量とインバータ周波数に関係付けて示したものである。同図は、水量を検出し、この水量とインバータ周波数との関係からインバータ周波数を求め、この周波数でインバータを運転すれば良いことを示している。

図６、図７は制御装置、インバータをどのように制御し運転するかの手順を示したフローチャートであり、マイコンＣＵのメモリにプログラムとして予め記憶されている。例えば図６はそのメイン処理部を、図７は割込み処理部を示している。以下、図１〜図７により詳細に説明する。

今、図１システム系統及び回路図において、落水防止弁ＡＶは閉じ、水車を流れる水量及び有効落差はゼロとする。又、漏電遮断器ＥＬＢ１、ＥＬＢ２は投入され、切替えスイッチＳＷは自動が選択され、リレーＡＸ１が付勢し、安定化電源ユニットＡＶＲかマイコンＣＵの電源端子Ｅへ電源が供給され初期設定が完了し運転準備が完了しているものとする（図６の５００ステップまで処理が進んでいる）。

さて、５０１ステップでは割込み処理を許可する命令を実行し、５０２ステップ以降の処理に備えている。そして、５０２ステップを実行するとパラメータ設定のための割込み処理（図７に示すラベルＰＡＲＡ）へジャンプする。

そして、６０１ステップにおいてデジタルオペレータＤＯ１で設定するパラメータとして、始動有効落差ＨＯＮ、停止有効落差ＨＯＦＦ、始動水量ＦＯＮ、停止水量ＨＯＦＦ等のデータを読み込み、ＣＵのメモリＭに格納する。

この後、６０３ステップでＲＥＴＩを実行して割込み処理より５０３ステップへ戻る。ここで、５０３ステップの処理を実行し、落差検出するための割込み処理（図７に示すラベルＲＡＫＵＳＡ）へジャンプする。

そして、前述と同様に６０４ステップで水車出入口に取り付けてある圧力センサの検出した信号（データ）を読み込み、メモリに格納する。更に、入り口圧力と出口圧力との圧力差（入口＞出口）、即ち、有効落差を求め、これもメモリに格納しておく。また。デジタルオペレータに表示する処理を行う。

この後、６０６ステップでＲＥＴＩを実行して割込み処理より５０４ステップに復帰する。ここで再度、流量を検出するための割込み処理（図７に示すラベルＲＹＵＲＹＯ）へジャンプする。そして、前述と同様に６０７ステップで流量を検出し、そのデータをメモリに格納し、又、デジタルオペレータに表示する処理を行う。

この後、６０９ステップでＲＥＴＩを実行して割込み処理より５０５ステップに復帰する。ここで、検出しメモリに格納してある落差と始動有効落差とを比較する。比較した結果、この有効落差が始動有効落差ＨＯＮ未満であれば、ＨＯＮ以上となるまでＭＡＩＮへ戻りこれ以降の処理を実行する。ＨＯＮ以下となったら次の５０６ステップへ進み、ここでインバーを初期速度で運転し発電を始める。

５０７ステップで図３に示すように有効落差よりインバータに指令するための周波数を求める。

５０８ステップでは、求めたインバータ周波数をインバータに指令する。このように水車発電機が最高効率点付近で運転することとなる（水車発電機が最高効率点付近で運転されるよう有効落差からインバータ周波数が関係ずけられている）。

次に、５０９ステップで検出しメモリに格納してある落差と停止有効落差ＨＯＦＦとを比較する。比較した結果、この有効落差が停止有効落差ＨＯＦＦを越えていれば、ＨＯＦＦ以下となるまで５１１（５０３ステップと同じ処理）、５１２（５０４ステップと同じ処理）ステップを実行して５０７ステップへジャンプする。そして、これ以降の処理を実行する。

ＨＯＦＦ以下となっている場合は、次の５１０ステップへ進みインバータを停止し発電を停止する処理を実行してＭＡＩＮへ戻る。

以下、上述した処理を繰り返し、自動運転を続けていく。以上の実施例は有効落差を検出して、これが始動有効落差以上の場合にはインバータを運転して発電を行い、これが停止有効落差以下の場合にはインバータを停止し、発電を停止する。あるいは、運転中は水車発電機が最高効率点付近で運転されるよう有効落からインバータ周波数が関係ずけられており、この関係に基づいてインバータ波数を制御するものである。

別の実施例として、有効落差に代えて水量とすることも可能である。具体的には、図６の５０５ステップの落差を水量とし、始動有効落差を始動水量に変更する。５０７ステップの図４の関係を図５の関係に代え、有効落差により周波数を求めるを水量により周波数を求める変更する。５０９ステップの落差を水量とし、停止有効落差を停止水量に変更する。

このようにすれば、水量を検出して、これが始動水量以上の場合にはインバータを運転して発電を行い、これが停止水量以下の場合にはインバータを停止し、発電を停止する。あるいは、運転中は水車発電機が最高効率点付近で運転されるよう水量からインバータ周波数が決定するよう関係づけられており、この関係に基づいてインバータ周波数を制御するものである。

このようにすれば簡単操作で自動運転ができ大変便利であり、人手が省ける効果がでる。さらに、作動の信頼性をあげるために、有効落差と水量を併用してもよい。即ち、図８フローチャートのようにすればよい。

このようにすれば、落差検出手段と流量検出手段の一方が壊れても運転が可能となり信頼性が向上する。又、詳細には図示していないが、水車の有効落差（水車前後の圧力差）及び水車に流入する水量を検出し制御装置で発電機において発電される電力量、電圧、電流を検出して表示部に水車流量、有効落差、発電機において発電される電力量、電圧、電流をそれぞれ表示する。これによって保守時に便利となる。

更に別実施例を図９により説明する。同図はシステム系統及び回路図であり図１と同じ記号で示すものは同じものであるから説明を省く。

図９は図１に対して、マイコンＣＵ、同マイコン、センサ用安定化電源を省略し、マイコンＣＵの代わりにインバータＩＮＶ１内マイコン（図示せず）を、ＡＶＲの代わりインバータＩＮＶ１内ＡＶＲ（図示せず）を使用したものである。圧力センサＰＳ１、ＰＳ２、流量センサＦＭとインバータＩＮＶ１（端子ｓ０、ｓ１、ｏ１、ｏ２、ｏ３）間をケーブルＣＡ２で結線している。又、前述した制御手順フローチャート図６、図７、図８がプログラムとしてインバータＩＮＶ１内マイコン（図示せず）に予め格納されている。動作については前述と同じなので説明を省く。このようにすれば、更に簡単で、小型軽量となり低コスト化が実現する。

以上に本発明の実施例を説明したが、上記実施例に限定されるものではなく、水車の運転状況等によって、制御の仕方、更なる構成等を適宜追加、変えるものであっても、本発明が実施可能であることは言うまでもないものである。また、発電機の始動、停止等に関する有効落差の検出は、その検出が可能であるならば、特に限定するものではない。

１、２…配管、Ｔ…水車、Ｇ…発電機、ＰＳ１、ＰＳ２…圧力センサ、ＰＧ１、ＰＧ２…圧力計、ＦＭ…流量検出手段、Ｒ、Ｓ、Ｔ…電源、ＩＮＶ１…インバータ、ＣＵ…マイコン、ＣＴＬ１…制御装置、ＩＮＶ２…インバータ。

Claims (5)

1. 水の位置エネルギーで回転する水車と、
   該水車の発生するトルクで運転する発電機とを備え、該発電機によって発電された電力がインバータを介して負荷に供給される水車発電装置において、
   前記水車の有効落差を検出する有効落差検出手段と、
   予め複数の異なる有効落差に対して、発電機が最高効率となるインバータ周波数をそれぞれ記憶する記憶手段と、
   該水車の水量を変動させたとき、発電の効率が最高点となるように、前記有効落差検出手段により検出された有効落差に応じた前記記憶手段に記憶されたインバータ周波数となるように前記インバータ周波数を変化させるインバータ制御手段とを備えたことを特徴とする水車発電装置。
2. 請求項１に記載の水車発電装置において、前記有効落差検出手段は、前記水車の入口側に設けられた圧力センサと、前記水車の出口側に設けられた圧力センサとで構成されることを特徴とする水車発電装置。
3. 請求項１に記載の水車発電装置において、
   前記水車に流れる水の流量を検出する流量検出手段と、
   予め水の流量に応じて発電機が最高効率となるインバータ周波数を記憶する第２の記憶手段とを備え、
   前記インバータ制御手段は、前記流量検出手段により検出された流量に応じた前記第２の記憶手段に記憶されたインバータ周波数となるように前記インバータを制御することを特徴とする水車発電装置。
4. 請求項３に記載の水車発電装置において、前記インバータ制御手段は、前記有効落差検出手段が故障した場合に、前記流量検出手段により検出された流量に応じた前記第２の記憶手段に記憶されたインバータ周波数となるように前記インバータを制御することを特徴とする水車発電装置。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の水車発電装置において、前記有効落差、前記発電機の発電量を表示する表示手段を備えたことを特徴とする水車発電装置。

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