JP6305756B2

JP6305756B2 - 揚水発電装置

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Publication number: JP6305756B2
Application number: JP2013266140A
Authority: JP
Inventors: 幸雄本川
Original assignee: Hitachi Mitsubishi Hydro Corp
Current assignee: Hitachi Mitsubishi Hydro Corp
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Filing date: 2013-12-24
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Description

本発明は、揚水発電装置に関する。

従来、揚水発電装置では、水面が大気に開放された２つの調整池（上部調整池および下部調整池）の地理的水位差によって発電運転および揚水運転を実施している。一方の調整池が地下に設置されるケースもあるが、この場合においても、地下空間において調整池の水面は大気に開放された構造となる。

揚水発電装置では、揚水運転により、下部調整池の水を上部調整池に汲み上げることで、揚水入力の電気エネルギーを水の位置エネルギーに変換して貯蔵する。このとき、揚水運転で水を汲み上げるために消費する電気エネルギーは、揚水発電装置で使用されるポンプ水車の特性から、上部調整池の水位と下部調整池の水位との間の水位差によって決定される。

Ｖ．Ｔｕｒｅｌ，Ｆ．Ｐｒｉｍｃ，Ｔ．Ｍａｃｈｉｎｏ著「ＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｖａｒｉａｂｌｅｓｐｅｅｄｕｎｉｔｉｎｔｈｅＡＶＣＥＰＳＰＰ」Ｈｙｄｒｏ２００８（上記ＡＶＣＥのＣの上部には＾の向きを上下反転させたものが付きます）

しかしながら、上記従来の技術によれば、揚水運転において、水を汲み上げるための電気エネルギーとして外部系統から入力される揚水入力の消費に必要な上部調整池の水位と下部調整池の水位との間の所望の水位差は、ポンプ水車の特性から求めることができるが、上部調整池の水位と下部調整池の水位との間の実際の水位差を所望の水位差に調整できない。また、外部系統から入力される揚水入力は一定ではなく変化することがある。そのため、揚水運転において、揚水入力を安定的に消費できない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、上部調整池の水位と下部調整池の水位との間の揚水運転時に作用する水位差を調整可能な揚水発電装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、上部調整池と前記上部調整池より地理的に低い位置にある下部調整池とを有し、２つの調整池およびポンプ水車を用いて揚水運転を行う揚水発電装置であって、一方の調整池の上部空間が密閉可能であって、当該上部空間の空気圧を調整可能な空気圧調整部と、前記一方の調整池の第１の水位を検出する第１の水位検出部と、前記一方の調整池の上部空間の空気圧を検出する空気圧検出部と、他方の調整池の第２の水位を検出する第２の水位検出部と、前記第１の水位検出部から前記第１の水位、前記空気圧検出部から前記空気圧、前記第２の水位検出部から前記第２の水位、および外部の系統から揚水運転時に使用する電気エネルギーとして入力される揚水入力の情報を取得し、前記第１の水位および前記空気圧の情報を用いて算出した水位を前記一方の調整池における調整池算出水位とし、前記第２の水位と前記調整池算出水位との間の水位差が、前記揚水入力に対して前記ポンプ水車の特性から得られる所望の水位差になるように、前記空気圧調整部を制御して前記空気圧を調整する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、上部調整池の水位と下部調整池の水位との間の揚水運転時に作用する水位差を調整できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１の揚水発電装置の構成例を示す図である。図２は、ポンプ水車における揚水時水位差と揚水入力の関係を示す図である。図３は、実施の形態２の揚水発電装置の構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる揚水発電装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態の揚水発電装置の構成例を示す図である。揚水発電装置１０は、ポンプ水車１と、発電動機２と、変圧器３と、制御部４と、下部調整池５と、上部調整池６と、通気抗７と、水位検出部１１と、空気圧検出部１２と、空気圧制御弁１３，１４と、空気圧調整部１５と、水位検出部２１と、を備える。

ポンプ水車１は、発電動機２と接続し、発電運転時には上部調整池６から落下する水で発電動機２を駆動し、揚水運転時には発電動機２によって駆動され下部調整池５の水を上部調整池６に汲み上げる。発電動機２は、発電運転時にはポンプ水車１の回転によって発電した電力を変圧器３および制御部４を介して図示しない外部の系統（以下、外部系統とする。）へ出力し、揚水運転時には制御部４および変圧器３を介して外部系統から入力した揚水入力Ｐでポンプ水車１を駆動する。変圧器３は、制御部４を介して、発電動機２と外部系統とを接続する。

制御部４は、下部調整池５の空気圧を制御して、揚水運転時にポンプ水車１に作用する水位差（揚程）であって、下部調整池５と上部調整池６との間で算出した水位差を制御する。なお、制御部４は、外部系統からの揚水入力Ｐを入力し、変圧器３へ出力する構成としているが、これに限定するものではない。制御部４では、揚水入力Ｐの情報が取得できればよいので、外部系統と変圧器３とを接続し、外部系統と変圧器３との間から分岐する形で揚水入力Ｐの情報を取得してもよい。

下部調整池５は、上部が密閉可能な空間において、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５の動作により、上部の空気層の空気圧の調整が可能な調整池である。下部調整池５は、上部調整池６よりも地理的に低い位置に設置されているものとする。上部調整池６は、水面の上部が大気に接する調整池である。上部調整池６は、下部調整池５よりも地理的に高い位置に設置されているものとする。通気抗７は、空気圧制御弁１３を介して、下部調整池５と地表の大気とを接続する。水位検出部１１は、下部調整池５に蓄えられている水の水位を検出する。空気圧検出部１２は、下部調整池５において上部の空気層の空気圧を検出する。空気圧制御弁１３は、下部調整池５と地表の大気との接続を制御する。空気圧制御弁１４は、下部調整池５と空気圧調整部１５との接続を制御する。空気圧調整部１５は、空気圧制御弁１４を介して下部調整池５内の空気層の空気圧を調整する。水位検出部２１は、上部調整池６に蓄えられている水の水位を検出する。

つづいて、揚水発電装置１０における揚水運転の動作について説明する。揚水運転をするため、揚水発電装置１０では、接続する外部系統から電力（揚水入力Ｐ）の供給を受ける。揚水発電装置１０は、制御部４、変圧器３を介して揚水入力Ｐを発電動機２へ供給する。発電動機２は、揚水入力Ｐによって電動機としてポンプ水車１を駆動し、下部調整池５から上部調整池６へ水を汲み上げる。これにより、揚水発電装置１０では、揚水入力Ｐの電気エネルギーを水の位置エネルギーに変換して貯蔵することができる。

ポンプ水車１の特性について説明する。図２は、ポンプ水車における揚水時水位差と揚水入力の関係を示す図である。ポンプ水車１は、揚水運転時、図２に示す最低から最高の範囲内の揚水時水位差Ｈにおいて、曲線で示される揚水入力Ｐの電気エネルギーを消費する。揚水発電装置１０においてポンプ水車１は、例えば、点Ａで示す揚水時水位差Ｈ_Aでは揚水入力Ｐ_Aを消費し、点Ｂで示す揚水時水位差Ｈ_Bでは揚水入力Ｐ_Bを消費する。

揚水運転は、需要者の電力消費が少ない時間帯（例えば、深夜など）に行われることが一般的である。このとき、揚水発電装置１０と接続する火力発電設備などの外部系統では、発電運転を完全に止めることはなく、発電運転により電力を供給し続ける。しかしながら、電力消費の少ない時間帯では、外部系統が発電する電力を需要者で消費しきれない。そのため、外部系統は、発電する電力のうち需要者で消費しきれない分の電力を、揚水発電装置１０へ揚水入力として出力する。揚水発電装置１０は、外部系統から入力した揚水入力を揚水運転で消費することで、外部系統および揚水発電装置１０を含む系統において安定した運転が可能となる。

ここで、揚水発電装置１０では、図２を用いて説明したように、ポンプ水車１の特性から、揚水時水位差Ｈと揚水入力Ｐの関係は一意に決定される。そのため、揚水発電装置１０では、例えば、揚水時水位差Ｈ_Bの場合、揚水入力Ｐとして揚水入力Ｐ_Aが入力されても、揚水入力Ｐ_Bの分の電気エネルギーしか消費できず、系統として安定した運転ができない。また、揚水発電装置１０では、揚水時水位差Ｈ_Aの場合、揚水入力Ｐとして揚水入力Ｐ_Bが入力されても、必要な揚水入力Ｐ_Aを得ることができず、運転効率が低下する。そのため、本実施の形態では、揚水発電装置１０において、上部調整池６と下部調整池５との間の揚水時水位差Ｈを、実際の揚水運転時にポンプ水車１に作用する水位差（揚程）として、水の移動を伴うことなく各調整池にかかる圧力の観点から調整する制御を行う。

図１に示す揚水発電装置１０において、上部調整池６の水位（海抜）をＷＬ_UD（ｍ）、下部調整池５の水位（海抜）をＷＬ_LD（ｍ）、下部調整池５に作用する空気圧をＰ_LD（ＭＰａ）とすると、揚水時水位差Ｈ（ｍ）は、次の式（１）のように表すことができる。

Ｈ＝ＷＬ_UD−（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD） …（１）

下部調整池５のように上部が密閉された空間では、制御部４は、下部調整池５の水位ＷＬ_LDおよび空気圧Ｐ_LDを用いて算出した調整池算出水位を（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD）のように表すことができる。下部調整池５では、制御部４の制御により、空気圧制御弁１３を閉じ、空気圧制御弁１４を開き、空気圧調整部１５が空気を圧縮、膨張することによって、空気圧Ｐ_LDの調整が可能である。また、下部調整池５では、空気圧制御弁１３を開くことで地表の大気圧と同等の空気圧にすることも可能である。

制御部４は、水位検出部２１から上部調整池６の水位ＷＬ_UDの情報を取得し、水位検出部１１から下部調整池５の水位ＷＬ_LDの情報を取得し、空気圧検出部１２から下部調整池５の空気圧Ｐ_LDの情報を取得し、外部系統から揚水入力Ｐの情報を取得する。制御部４は、揚水入力Ｐに対して揚水時水位差Ｈが図２に示す所望の水位差になるように、空気圧制御弁１３，１４の開閉および空気圧調整部１５での空気の圧縮、膨張を制御して、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する。なお、制御部４において、ポンプ水車１における図２に示す運転特性は既知であるとする。

例えば、揚水発電装置１０において、図２に示す点Ａの状態で揚水運転をしていた場合を想定する。この場合、揚水入力Ｐ_Aに対して揚水時水位差Ｈ_Aは所望の状態にあり、ポンプ水車１では高効率で揚水運転ができる。その後、ポンプ水車１が下部調整池５から上部調整池６へ水を汲み上げたことによって、上部調整池６の水位ＷＬ_UDが上がり、下部調整池５の水位ＷＬ_LDが下がって揚水時水位差Ｈが大きくなり、揚水時水位差Ｈ_Bに推移した場合、揚水発電装置１０では、揚水入力Ｐ_Aが入力されているにも係わらず、揚水入力Ｐ_Bの電気エネルギーしか消費できない。

そのため、揚水発電装置１０では、制御部４が、水位ＷＬ_UD、水位ＷＬ_LD、空気圧Ｐ_LD、揚水入力Ｐ_Aの情報を入力し、式（１）より算出される揚水時水位差Ｈが揚水時水位差Ｈ_Aになるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御して空気圧Ｐ_LDを調整する。具体的に、制御部４は、揚水時水位差Ｈが揚水時水位差Ｈ_Aから揚水時水位差Ｈ_Bに推移し、揚水入力Ｐ_Aから変動していない場合、空気圧Ｐ_LDが揚水運転開始時よりも大きくなるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御する。

これにより、揚水発電装置１０では、式（１）において、水位ＷＬ_UDの値が大きくなり、水位ＷＬ_LDの値が小さくなっても、空気圧Ｐ_LDを大きくすることで（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD）の値を大きくすることができる。水位ＷＬ_UDの値の増加分と（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD）の値の増加分が同程度であれば、式（１）より、これらの２つの値から求められる揚水時水位差Ｈの値を所望の範囲内に調整することが可能となる。その結果、揚水発電装置１０では、入力される揚水入力Ｐの大きさに対して揚水時水位差Ｈの値を、図２に示す所望の大きさに調整することができる。

なお、制御部４では、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する制御を常時行うことも可能であるが、一定時間毎に下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する制御を行い、調整制御を行わない時間帯を設けることも可能である。また、図２に示す運転特性において揚水入力Ｐに対する所望の揚水時水位差Ｈに許容範囲を設定することにより、制御部４は、揚水入力Ｐに対して揚水時水位差Ｈが許容範囲から外れた場合に下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する制御を行うことも可能である。これにより、揚水発電装置１０では、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDの調整制御に使用する電気エネルギー、例えば、空気圧調整部１５を動作させるための電気エネルギーの消費を低減することが可能となる。

また、揚水運転によって揚水時水位差Ｈが変動するために下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する場合について説明したが、これに限定するものではない。外部系統から入力される揚水入力Ｐも一定ではなく、変動することが想定される。そのため、揚水発電装置１０では、自装置内で揚水時水位差Ｈが変動していなくても、変動する揚水入力Ｐに対して図２に示す所望の揚水時水位差Ｈが得られるように、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する。具体的に、揚水発電装置１０では、制御部４は、揚水入力Ｐがこれまでよりも大きくなった場合には、揚水時水位差Ｈが小さくなるように、すなわち、揚水入力Ｐ変化前よりも下部調整池５の空気圧Ｐ_LDが大きくなるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御する。これとは反対に、揚水発電装置１０では、制御部４は、揚水入力Ｐがこれまでよりも小さくなった場合には、揚水時水位差Ｈが大きくなるように、すなわち、揚水入力Ｐ変化前よりも下部調整池５の空気圧Ｐ_LDが小さくなるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、揚水発電装置１０では、揚水運転において、制御部４が、上部調整池６の水位ＷＬ_UDの情報、下部調整池５の水位ＷＬ_LDの情報、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDの情報、揚水入力Ｐの情報を取得し、揚水入力Ｐに対して揚水時水位差Ｈが所望の水位差になるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御して下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整することとした。これにより、揚水発電装置１０では、揚水運転時において上部調整池６および下部調整池５の間で作用する水位差（揚程）を地理的位置よりも大きく、または小さくすることができ、揚水入力Ｐに対して、揚水時水位差Ｈの値を所望の状態に制御して最適な揚程にて揚水運転を行うことができる。また、揚水発電装置１０および揚水入力Ｐを出力する外部系統を含む系統において安定した運転が可能となる。

なお、本実施の形態では、揚水時水位差Ｈまたは揚水入力Ｐが変動した場合に、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する場合について説明したが、他の用途にも適用可能である。

図２に示すように、揚水発電装置１０において、使用するポンプ水車１によって揚水入力に対する所望の揚水時水位差の関係は一意に決定される。ここで、上部調整池６と下部調整池５が設置される位置は、揚水発電装置１０が建設される地理的条件によって決定される。そのため、地理的条件によっては、上部調整池６と下部調整池５の設置位置の海抜の差が大きく異なり、図２に示す揚水時水位差Ｈの最高の位置よりも大きくなってしまうことも想定される。このような場合、従来では、図２に示すポンプ水車１は使用できずに別型式のポンプ水車を使用することになり、安価で信頼性の高い設備を使用することができないケースがあった。または、多段式ポンプ水車を使用しなければならないケースがあった。

これに対して、本実施の形態では、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整することで、地理的な各調整池の位置を調整することなく、水位および空気圧から算出される揚水時水位差Ｈを小さくすることができる。これにより、実際には各調整池の地理的な水位差が大きい場合でも、揚水運転時に作用する水位差（揚程）を小さくすることができるため、水位差に応じて選択されるポンプ水車などの設備において、安価で信頼性の高い形式の設備を選択することが可能となる。

実施の形態２．
本実施の形態では、上部調整池の空気圧も調整可能な揚水発電装置について説明する。実施の形態１と異なる部分について説明する。

図３は、本実施の形態の揚水発電装置の構成例を示す図である。揚水発電装置１０ａは、ポンプ水車１と、発電動機２と、変圧器３と、制御部４ａと、下部調整池５と、上部調整池６ａと、通気抗７，８と、水位検出部１１と、空気圧検出部１２と、空気圧制御弁１３，１４と、空気圧調整部１５と、水位検出部２１と、空気圧検出部２２と、空気圧制御弁２３，２４と、空気圧調整部２５と、を備える。

制御部４ａは、下部調整池５および上部調整池６ａの空気圧を制御して、揚水運転時にポンプ水車１に作用する水位差（揚程）であって、下部調整池５と上部調整池６ａとの間で算出した水位差を制御する。上部調整池６ａは、上部が密閉可能な空間において、空気圧制御弁２３，２４および空気圧調整部２５の動作により、上部の空気層の空気圧の調整が可能な調整池である。上部調整池６ａは、下部調整池５よりも地理的に高い位置に設置されているものとする。通気抗８は、空気圧制御弁２３を介して、上部調整池６ａと地表の大気とを接続する。水位検出部２１は、上部調整池６ａに蓄えられている水の水位を検出する。空気圧検出部２２は、上部調整池６ａにおいて上部の空気層の空気圧を検出する。空気圧制御弁２３は、上部調整池６ａと地表の大気との接続を制御する。空気圧制御弁２４は、上部調整池６ａと空気圧調整部２５との接続を制御する。空気圧調整部２５は、空気圧制御弁２４を介して上部調整池６ａ内の空気層の空気圧を調整する。

つづいて、揚水発電装置１０ａにおける揚水運転の動作について説明する。実施の形態１では、揚水運転によって揚水時水位差Ｈが変動した場合、または、揚水入力Ｐが変動した場合に、制御部４が、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御して下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整した。本実施の形態では、さらに、上部調整池６ａの空気圧Ｐ_UDも調整する。

図３に示す揚水発電装置１０ａにおいて、上部調整池６ａの水位（海抜）をＷＬ_UD（ｍ）、上部調整池６ａに作用する空気圧をＰ_UD（ＭＰａ）、下部調整池５の水位（海抜）をＷＬ_LD（ｍ）、下部調整池５に作用する空気圧をＰ_LD（ＭＰａ）とすると、揚水時水位差Ｈ（ｍ）は、次の式（２）のように表すことができる。

Ｈ＝（ＷＬ_UD＋１０１．９７×Ｐ_UD）−（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD）
…（２）

上部調整池６ａのように上部が密閉された空間では、制御部４ａは、上部調整池６ａの水位ＷＬ_UDおよび空気圧Ｐ_UDを用いて算出した調整池算出水位を（ＷＬ_UD＋１０１．９７×Ｐ_UD）のように表すことができる。上部調整池６ａでは、制御部４ａの制御により、空気圧制御弁２３を閉じ、空気圧制御弁２４を開き、空気圧調整部２５が空気を圧縮、膨張することによって、空気圧Ｐ_UDの調整が可能である。また、上部調整池６ａでは、空気圧制御弁２３を開くことで地表の大気圧と同等の空気圧にすることも可能である。なお、制御部４ａにおける下部調整池５に対する空気圧Ｐ_LDの調整は制御部４と同様とする。

制御部４ａは、水位検出部２１から上部調整池６ａの水位ＷＬ_UDの情報を取得し、空気圧検出部２２から上部調整池６ａの空気圧Ｐ_UDの情報を取得し、水位検出部１１から下部調整池５の水位ＷＬ_LDの情報を取得し、空気圧検出部１２から下部調整池５の空気圧Ｐ_LDの情報を取得し、外部系統から揚水入力Ｐの情報を取得する。制御部４ａは、揚水入力Ｐに対して揚水時水位差Ｈが所望の水位差になるように、空気圧制御弁２３，２４の開閉および空気圧調整部２５での空気の圧縮、膨張を制御して上部調整池６ａの空気圧Ｐ_UDを調整し、また、空気圧制御弁１３，１４の開閉および空気圧調整部１５での空気の圧縮、膨張を制御して下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する。なお、制御部４ａにおいて、ポンプ水車１における図２に示す運転特性は既知であるとする。

例えば、揚水発電装置１０ａにおいて、図２に示す点Ａの状態で揚水運転をしていた場合を想定する。この場合、揚水入力Ｐ_Aに対して揚水時水位差Ｈ_Aは所望の状態にあり、ポンプ水車１では高効率で揚水運転ができる。その後、ポンプ水車１が下部調整池５から上部調整池６ａへ水を汲み上げたことによって、上部調整池６ａの水位ＷＬ_UDが上がり、下部調整池５の水位ＷＬ_LDが下がって揚水時水位差Ｈが大きくなり、揚水時水位差Ｈ_Bに推移した場合、揚水発電装置１０ａでは、揚水入力Ｐ_Aが入力されているにも係わらず、揚水入力Ｐ_Bの電気エネルギーしか消費できない。

そのため、揚水発電装置１０ａでは、制御部４ａが、水位ＷＬ_UD、空気圧Ｐ_UD、水位ＷＬ_LD、空気圧Ｐ_LD、揚水入力Ｐ_Aの情報を入力し、式（２）より算出される揚水時水位差Ｈが揚水時水位差Ｈ_Aになるように、空気圧制御弁２３，２４，空気圧調整部２５を制御して空気圧Ｐ_UDを調整し、空気圧制御弁１３，１４，空気圧調整部１５を制御して空気圧Ｐ_LDを調整する。具体的に、制御部４ａは、揚水時水位差Ｈが揚水時水位差Ｈ_Aから揚水時水位差Ｈ_Bに推移し、揚水入力Ｐ_Aから変動していない場合、空気圧Ｐ_UDが揚水運転開始時よりも小さくなるように、空気圧制御弁２３，２４、空気圧調整部２５を制御し、空気圧Ｐ_LDが揚水運転開始時よりも大きくなるように、空気圧制御弁１３，１４、空気圧調整部１５を制御する。

これにより、揚水発電装置１０ａでは、式（２）において、水位ＷＬ_UDの値が大きくなり、ＷＬ_LDの値が小さくなっても、空気圧Ｐ_UDを小さくし、空気圧Ｐ_LDを大きくすることで、（ＷＬ_UD＋１０１．９７×Ｐ_UD）の値の変化量と（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD）の値の変化量を同程度にすることができる。（ＷＬ_UD＋１０１．９７×Ｐ_UD）の値の変化量と（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD）の値の変化量が同程度であれば、式（２）より、これらの２つの値から求められる揚水時水位差Ｈの値を所望の範囲内に調整することが可能となる。その結果、揚水発電装置１０ａでは、入力される揚水入力Ｐの大きさに対して揚水時水位差Ｈの値を、図２に示す所望の大きさに調整することができる。

本実施の形態では、下部調整池５の空気圧に加えて上部調整池６ａの空気圧についても調整することで、揚水発電装置１０ａでは、１つの調整池の空気圧の調整だけではできなかった範囲の揚水時水位差Ｈについて制御することができる。また、揚水発電装置１０ａでは、２つの調整池の空気圧を調整することにより、１つの調整池の空気圧のみを調整する場合よりも迅速に所望の水位差に調整することが可能となる。

制御部４ａにおける各調整池の空気圧を調整する頻度は、実施の形態１の制御部４と同様にすることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、揚水発電装置１０ａでは、揚水運転において、制御部４ａが、上部調整池６ａの水位ＷＬ_UDの情報、上部調整池６ａの空気圧Ｐ_UDの情報、下部調整池５の水位ＷＬ_LDの情報、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDの情報、揚水入力Ｐの情報を取得し、揚水入力Ｐに対して揚水時水位差Ｈが所望の水位差になるように、空気圧制御弁２３，２４および空気圧調整部２５を制御して上部調整池６ａの空気圧Ｐ_UDを調整し、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御して下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整することとした。これにより、揚水発電装置１０ａでは、揚水入力Ｐに対して実施の形態１よりも広い範囲で揚水時水位差Ｈを調整でき、揚水時水位差Ｈの値を所望の状態に制御して最適な揚程にて揚水運転を行うことができる。

なお、実施の形態１と同様、揚水発電装置１０ａが建設される地理的条件によっては、上部調整池６ａと下部調整池５の地理的な設置位置の海抜の差が大きく異なり、図２に示す揚水時水位差Ｈの最高の位置よりも大きくなってしまう場合にも適用可能である。この場合においても、実施の形態１と比較して、より上部調整池６ａと下部調整池５の地理的な設置位置の海抜の差が大きい場合にも適用可能となる。

また、本実施の形態では上部調整池６ａと下部調整池５の２つの調整池の空気圧を調整したが、例えば、下部調整池５側の空気圧のみを調整することも可能である。この場合、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、１つの調整池の空気圧を調整する場合としては、下部調整池５に限定するものではなく、上部調整池６ａの空気圧のみを調整することも可能である。この場合においても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。このとき、制御部４ａでは、揚水運転により揚水時水位差Ｈが大きくなった場合、上部調整池６ａの上部の空気圧を揚水運転開始時よりも小さくなるように制御を行う。なお、上部調整池６ａの空気圧を調整する場合としては、実施の形態１のように、上部調整池６ａ側の１つの調整池のみを上部の空気層の空気圧の調整が可能な調整池とし、下部調整池５側では水面の上部が大気に接する構成にすることも可能である。

実施の形態３．
実施の形態１，２では揚水運転の動作について説明した。本実施の形態では、発電運転の動作について説明する。

一例として、図１に示す揚水発電装置１０を用いて説明する。揚水発電装置１０では、揚水運転の場合と同様に、ポンプ水車１において発電運転時に発電効率の高い所望の運転状態がある。所望の運転状態とは、上部調整池６から下部調整池５までの水位差（落差）によって決定される。揚水発電装置１０では、下部調整池５の空気圧を制御することにより、ポンプ水車１に作用する水位差（落差）を運転効率の高い任意の水位差に調整することによって、最適な運転状態で発電運転を行うことができる。なお、上部調整池６からポンプ水車１へ落下する水の発電流量は一定とする。

例えば、揚水発電装置１０では、ポンプ水車１において運転効率の高い水位差で発電運転をしていても、上部調整池６から下部調整池５へ水を落下させることで２つの調整池の間の水位差は小さくなる。この場合、揚水発電装置１０では、制御部４が、水位ＷＬ_UD、水位ＷＬ_LD、空気圧Ｐ_LDの情報を入力し、式（１）より算出される水位差がポンプ水車１において運転効率の高い任意の水位差になるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御して空気圧Ｐ_LDを調整する。具体的に、制御部４は、空気圧Ｐ_LDが発電運転開始時よりも小さくなるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御する。

揚水発電装置１０では、実施の形態１と同様、前述の式（１）により上部調整池６から下部調整池５までの水位差を算出可能である。これにより、揚水発電装置１０では、式（１）において、水位ＷＬ_UDの値が小さくなり、ＷＬ_LDの値が大きくなっても、空気圧Ｐ_LDを小さくすることで（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD）の値を小さくすることができる。水位ＷＬ_UDの値の減少分と（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD）の値の減少分が同程度であれば、式（１）より、これらの２つの値から求められる揚水時水位差Ｈの値を所望の範囲内に調整することが可能となる。その結果、揚水発電装置１０では、ポンプ水車１において運転効率の高い任意の水位差に調整でき、最適な運転状態で発電運転を行うことができる。

制御部４は、発電運転中は、空気圧Ｐ_LDが発電運転開始時よりも小さくなるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御する。これとは反対に、制御部４は、揚水運転中は、空気圧Ｐ_LDが揚水運転開始時よりも大きくなるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御する。

実施の形態１と同様、制御部４では、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する制御を常時行うことも可能であるが、一定時間毎に下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する制御を行い、調整制御を行わない時間帯を設けることも可能である。また、目標とする運転効率に対する任意の水位差に許容範囲を設定することにより、制御部４は、水位差が許容範囲から外れた場合に下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整する制御を行うことも可能である。これにより、揚水発電装置１０では、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDの調整制御に使用する電気エネルギー、例えば、空気圧調整部１５を動作させるための電気エネルギーの消費を低減することが可能となる。

なお、図１を用いて実施の形態の場合について説明したが、実施の形態２の揚水発電装置１０ａ（図３参照）にも適用可能である。

例えば、揚水発電装置１０ａでは、ポンプ水車１において運転効率の高い水位差で発電運転をしていても、上部調整池６ａから下部調整池５へ水を落下させることで２つの調整池の間の水位差は小さくなる。この場合、揚水発電装置１０ａでは、制御部４ａが、水位ＷＬ_UD、空気圧Ｐ_UD、水位ＷＬ_LD、空気圧Ｐ_LDの情報を入力し、式（２）より算出される水位差がポンプ水車１において運転効率の高い任意の水位差になるように、空気圧制御弁２３，２４および空気圧調整部２５を制御して空気圧Ｐ_UDを調整し、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御して空気圧Ｐ_LDを調整する。具体的に、制御部４ａは、空気圧Ｐ_UDが大きくなるように、空気圧制御弁２３，２４および空気圧調整部２５を制御し、空気圧Ｐ_LDが小さくなるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御する。

揚水発電装置１０ａでは、実施の形態２と同様、前述の式（２）より上部調整池６ａから下部調整池５までの水位を算出可能である。これにより、揚水発電装置１０ａでは、式（２）において、水位ＷＬ_UDの値が小さくなり、ＷＬ_LDの値が大きくなっても、空気圧Ｐ_UDを大きくし、空気圧Ｐ_LDを小さくすることで、（ＷＬ_UD＋１０１．９７×Ｐ_UD）の値の変化量と（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD）の値の変化量を同程度にすることができる。（ＷＬ_UD＋１０１．９７×Ｐ_UD）の値の変化量と（ＷＬ_LD＋１０１．９７×Ｐ_LD）の値の変化量が同程度であれば、式（２）より、これらの２つの値から求められる水位差の値を同程度に調整することが可能となる。その結果、揚水発電装置１０ａでは、ポンプ水車１において運転効率の高い任意の水位差に調整でき、最適な運転状態で発電運転を行うことができる。

制御部４ａにおける各調整池の空気圧を調整する頻度は、前述の制御部４と同様にすることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、揚水発電装置１０では、発電運転において、制御部４が、上部調整池６の水位ＷＬ_UDの情報、下部調整池５の水位ＷＬ_LDの情報、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDの情報を取得し、ポンプ水車１に作用する水位差（落差）が運転効率の高い所望の水位差になるように、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御して下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整することとした。これにより、揚水発電装置１０では、水位差の値を所望の状態に制御して最適な落差で発電運転を行うことができる。

また、揚水発電装置１０ａでは、発電運転において、制御部４ａが、上部調整池６ａの水位ＷＬ_UDの情報、上部調整池６ａの空気圧Ｐ_UDの情報、下部調整池５の水位ＷＬ_LDの情報、下部調整池５の空気圧Ｐ_LDの情報を取得し、ポンプ水車１に作用する水位差（落差）が運転効率の高い所望の水位差になるように、空気圧制御弁２３，２４および空気圧調整部２５を制御して上部調整池６ａの空気圧Ｐ_UDを調整し、空気圧制御弁１３，１４および空気圧調整部１５を制御して下部調整池５の空気圧Ｐ_LDを調整することとした。これにより、揚水発電装置１０ａでは、水位差の値を所望の状態に制御して最適な落差で発電運転を行うことができる。

以上のように、本発明にかかる揚水発電装置は、地理的水位条件の異なる２つの調整池を用いた揚水運転および発電運転に有用であり、特に、一方の調整池が密閉された地理的条件にある場合に適している。

１ポンプ水車、２発電動機、３変圧器、４，４ａ制御部、５下部調整池、６，６ａ上部調整池、７，８通気抗、１０，１０ａ揚水発電装置、１１，２１水位検出部、１２，２２空気圧検出部、１３，１４，２３，２４空気圧制御弁、１５，２５空気圧調整部。

Claims

上部調整池と前記上部調整池より地理的に低い位置にある下部調整池とを有し、２つの調整池およびポンプ水車を用いて揚水運転を行う揚水発電装置であって、
一方の調整池の上部空間が密閉可能であって、当該上部空間の空気圧を調整可能な空気圧調整部と、
前記一方の調整池の第１の水位を検出する第１の水位検出部と、
前記一方の調整池の上部空間の空気圧を検出する空気圧検出部と、
他方の調整池の第２の水位を検出する第２の水位検出部と、
前記第１の水位検出部から前記第１の水位、前記空気圧検出部から前記空気圧、前記第２の水位検出部から前記第２の水位、および外部の系統から揚水運転時に使用する電気エネルギーとして入力される揚水入力の情報を取得し、前記第１の水位および前記空気圧の情報を用いて算出した水位を前記一方の調整池における調整池算出水位とし、前記第２の水位と前記調整池算出水位との間の水位差が、前記揚水入力に対して前記ポンプ水車の特性から得られる所望の水位差になるように、前記空気圧調整部を制御して前記空気圧を調整する制御部と、
を備えることを特徴とする揚水発電装置。
前記制御部は、揚水入力の大きさが変化した場合、変化後の揚水入力に対して前記所望の水位差になるように、前記空気圧調整部を制御して前記空気圧を調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載の揚水発電装置。
前記制御部は、前記所望の水位差に対して許容範囲を設定し、前記第２の水位と前記調整池算出水位との間の水位差が前記許容範囲から外れた場合に、前記所望の水位差になるように、前記空気圧調整部を制御して前記空気圧を調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載の揚水発電装置。
前記制御部は、規定の時間間隔毎に、前記第２の水位と前記調整池算出水位との間の水位差が前記所望の水位差になるように、前記空気圧調整部を制御して前記空気圧を調整する、
ことを特徴とする請求項１に記載の揚水発電装置。
前記一方の調整池を下部調整池とし、前記他方の調整池を上部調整池とした場合、
前記制御部は、揚水運転によって前記上部調整池の水位と前記下部調整池の水位との間の水位差が揚水運転開始時よりも大きくなったときは、前記空気圧調整部を制御して前記下部調整池の上部空間の空気圧を揚水運転開始時よりも大きくする調整を行う、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の揚水発電装置。
前記一方の調整池を上部調整池とし、前記他方の調整池を下部調整池とした場合、
前記制御部は、揚水運転によって前記上部調整池の水位と前記下部調整池の水位との間の水位差が揚水運転開始時よりも大きくなったときは、前記空気圧調整部を制御して前記上部調整池の上部空間の空気圧を揚水運転開始時よりも小さくする調整を行う、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の揚水発電装置。
上部調整池と前記上部調整池より地理的に低い位置にある下部調整池とを有し、２つの調整池およびポンプ水車を用いて揚水運転を行う揚水発電装置であって、
前記上部調整池の上部空間が密閉可能であって、当該上部空間の空気圧を調整可能な上部空気圧調整部と、
前記上部調整池の第１の水位を検出する上部水位検出部と、
前記上部調整池の上部空間の第１の空気圧を検出する上部空気圧検出部と、
前記下部調整池の上部空間が密閉可能であって、当該上部空間の空気圧を調整可能な下部空気圧調整部と、
前記下部調整池の第２の水位を検出する下部水位検出部と、
前記下部調整池の上部空間の第２の空気圧を検出する下部空気圧検出部と、
前記上部水位検出部から前記第１の水位、前記上部空気圧検出部から前記第１の空気圧、前記下部水位検出部から前記第２の水位、前記下部空気圧検出部から前記第２の空気圧、および外部の系統から揚水運転時に使用する電気エネルギーとして入力される揚水入力の情報を取得し、前記第１の水位および前記第１の空気圧の情報を用いて算出した水位を前記上部調整池における上部調整池算出水位とし、前記第２の水位および前記第２の空気圧の情報を用いて算出した水位を前記下部調整池における下部調整池算出水位とし、前記上部調整池算出水位と前記下部調整池算出水位との間の水位差が、前記揚水入力に対して前記ポンプ水車の特性から得られる所望の水位差になるように、前記上部空気圧調整部を制御して前記第１の空気圧を調整し、前記下部空気圧調整部を制御して前記第２の空気圧を調整する制御部と、
を備えることを特徴とする揚水発電装置。
前記制御部は、揚水入力の大きさが変化した場合、変化後の揚水入力に対して前記所望の水位差になるように、前記上部空気圧調整部を制御して前記第１の空気圧を調整し、前記下部空気圧調整部を制御して前記第２の空気圧を調整する、
ことを特徴とする請求項７に記載の揚水発電装置。
前記制御部は、前記所望の水位差に対して許容範囲を設定し、前記上部調整池算出水位と前記下部調整池算出水位との間の水位差が前記許容範囲から外れた場合に、前記所望の水位差になるように、前記上部空気圧調整部を制御して前記第１の空気圧を調整し、前記下部空気圧調整部を制御して前記第２の空気圧を調整する、
ことを特徴とする請求項７に記載の揚水発電装置。
前記制御部は、規定の時間間隔毎に、前記上部調整池算出水位と前記下部調整池算出水位との間の水位差が前記所望の水位差になるように、前記上部空気圧調整部を制御して前記第１の空気圧を調整し、前記下部空気圧調整部を制御して前記第２の空気圧を調整する、
ことを特徴とする請求項７に記載の揚水発電装置。
前記制御部は、揚水運転によって前記上部調整池算出水位と前記下部調整池算出水位との間の水位差が揚水運転開始時よりも大きくなったときは、前記上部空気圧調整部を制御して前記第１の空気圧を揚水運転開始時よりも小さくする調整を行い、前記下部空気圧調整部を制御して前記第２の空気圧を揚水運転開始時よりも大きくする調整を行う、
ことを特徴とする請求項７から１０のいずれか１つに記載の揚水発電装置。
上部調整池と前記上部調整池より地理的に低い位置にある下部調整池とを有し、２つの調整池およびポンプ水車を用いて発電運転を行う揚水発電装置であって、
前記上部調整池の上部空間が密閉可能であって、当該上部空間の空気圧を調整可能な上部空気圧調整部と、
前記上部調整池の第１の水位を検出する上部水位検出部と、
前記上部調整池の上部空間の第１の空気圧を検出する上部空気圧検出部と、
前記下部調整池の上部空間が密閉可能であって、当該上部空間の空気圧を調整可能な下部空気圧調整部と、
前記下部調整池の第２の水位を検出する下部水位検出部と、
前記下部調整池の上部空間の第２の空気圧を検出する下部空気圧検出部と、
前記上部水位検出部から前記第１の水位、前記上部空気圧検出部から前記第１の空気圧、前記下部水位検出部から前記第２の水位、および前記下部空気圧検出部から前記第２の空気圧の情報を取得し、前記第１の水位および前記第１の空気圧の情報を用いて算出した水位を前記上部調整池における上部調整池算出水位とし、前記第２の水位および前記第２の空気圧の情報を用いて算出した水位を前記下部調整池における下部調整池算出水位とし、前記上部調整池算出水位と前記下部調整池算出水位との間の水位差が、前記ポンプ水車の発電特性から得られる所望の水位差になるように、前記上部空気圧調整部を制御して前記第１の空気圧を調整し、前記下部空気圧調整部を制御して前記第２の空気圧を調整する制御部と、
を備えることを特徴とする揚水発電装置。
前記制御部は、前記所望の水位差に対して許容範囲を設定し、前記上部調整池算出水位と前記下部調整池算出水位との間の水位差が前記許容範囲から外れた場合に、前記所望の水位差になるように、前記上部空気圧調整部を制御して前記第１の空気圧を調整し、前記下部空気圧調整部を制御して前記第２の空気圧を調整する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の揚水発電装置。
前記制御部は、規定の時間間隔毎に、前記上部調整池算出水位と前記下部調整池算出水位との間の水位差が前記所望の水位差になるように、前記上部空気圧調整部を制御して前記第１の空気圧を調整し、前記下部空気圧調整部を制御して前記第２の空気圧を調整する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の揚水発電装置。
前記制御部は、発電運転によって前記上部調整池算出水位と前記下部調整池算出水位との間の水位差が発電運転開始時よりも小さくなったときは、前記上部空気圧調整部を制御して前記第１の空気圧を発電運転開始時よりも大きくする調整を行い、前記下部空気圧調整部を制御して前記第２の空気圧を発電運転開始時よりも小さくする調整を行う、
ことを特徴とする請求項１２，１３または１４に記載の揚水発電装置。