CN110214227A - 水力发电系统 - Google Patents

Abstract

在水力发电系统中设置有：发电机(12)，其由水轮机(11)驱动；水头调节机构(21)，其对水轮机(11)的有效水头进行调节；以及控制部(40)，其协调地进行流量控制和水头调节控制，在该流量控制中，对所述发电机(12)进行控制，以使得水轮机(11)的流量接近于目标流量，在该水头调节控制中，利用所述水头调节机构(21)来调节该水轮机(11)的有效水头，以使得该水轮机(11)的有效水头落入第一范围内。

Description

水力发电系统

技术领域

本发明涉及一种水力发电系统。

背景技术

迄今为止，存在一种利用在流路中流动的流体(水)来进行发电的水力发电系统。

例如在专利文献1所公开的水力发电系统中设置有布置在流路中的水轮机、以及由水轮机驱动的发电机。当水在水轮机中流动时，该水轮机旋转，与水轮机连结的发电机被驱动。由此，利用发电机来发出电力。所发出的电力被向规定的电力系统供给。

专利文献1：日本公开专利公报特开2014-214710号公报

发明内容

－发明所要解决的技术问题－

在应用水力发电系统的流路中，有时对在流路中流动的流体的流量施加规定的限制。在这样的情况下，通过控制发电机的扭矩、转速，而能够使水轮机的流量接近于目标流量。另外，在这样的流路中，有时对水轮机的下游侧的压力施加规定的限制。在这样的情况下，通过控制发电机的扭矩、转速，而能够使水轮机的下游侧的压力接近于目标压力。

另一方面，在执行这样的流量控制、压力控制时，若水轮机的有效水头发生变动或者流量、压力的目标值被改变的话，则水轮机的运转点就会偏离适当的运转区域，可能产生气蚀或无法适当地控制发电机的不良情况。

本发明正是鉴于所述问题而完成的，提供一种水力发电系统，该水力发电系统能够在将水轮机的流量、水轮机的下游侧的流体的压力调节为目标值的同时，抑制水轮机的运转点偏离运转区域。

－用以解决技术问题的技术方案－

第一方面的发明涉及一种水力发电系统，其包括：水轮机11，其布置在供流体流动的流路5中；发电机12，其由所述水轮机11驱动；水头调节机构21，其对所述水轮机11的有效水头进行调节；以及控制部40，其协调地进行流量控制和水头调节控制，在该流量控制中，对所述发电机12进行控制，以使得所述水轮机11的流量接近于目标流量，在该水头调节控制中，利用所述水头调节机构21来调节该水轮机11的有效水头，以使得该水轮机11的有效水头落入第一范围内。

在该构成方式下，利用控制部40，协调地进行流量控制和水头调节控制。具体而言，在流量控制中对发电机12进行控制，以使得在水轮机11中流动的流体的流量接近于目标流量。这里，在进行这样的对发电机12的控制时，利用水头调节机构21来调节水轮机11的有效水头，以使得水轮机11的运转点在第一范围内。由此，即便水轮机11的运转点偏移适当的运转区域，也能够使该运转点迅速地向适当的运转区域返回。当调节水轮机11的有效水头时，水轮机11的流量也发生变化。但是，通过进行上述的流量控制，而使得水轮机11的流量收敛于目标流量。

第二方面的发明在第一方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在表示所述水轮机11的有效水头大于所述第一范围的上限值的条件成立时，进行作为所述水头调节控制的第一控制，在该第一控制中，利用所述水头调节机构21来减少所述水轮机11的有效水头。

在该构成方式下，当表示水轮机11的有效水头大于第一范围的上限值的条件成立时，就判断为水轮机11的运转点已到达所谓的气蚀区域，从而进行减少水轮机11的有效水头的第一控制。由此，能够使水轮机11的运转点从气蚀区域向适当运转区域返回。

第三方面的发明在第二方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在执行所述第一控制之后，当表示所述水轮机11的有效水头大于比所述第一范围的上限值小的规定阈值的条件成立时，利用所述水头调节机构21进一步减少所述水轮机11的有效水头。

在该构成方式下，当即便通过第一控制使水轮机11的运转点从气蚀区域到达第一范围内，而水轮机11的有效水头仍大于规定阈值的情况下，水轮机11的有效水头进一步减小。由此，能够可靠地使水轮机11的运转点从气蚀区域向适当运转区域返回。另外，能够避免水轮机11的运转点在气蚀区域与适当运转区域之间摆动。

第四方面的发明在第一方面至第三方面中任一方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在表示所述水轮机11的有效水头小于所述第一范围的下限值的条件成立时，进行作为所述水头调节控制的第二控制，在该第二控制中，利用所述水头调节机构21来增加所述水轮机11的有效水头。

在该构成方式下，当表示水轮机11的有效水头小于第一范围的下限值的条件成立时，就判断为水轮机11的运转点已到达所谓的动作极限曲线上，从而进行增加水轮机11的有效水头的第二控制。由此，能够可靠地使水轮机11的运转点从动作极限曲线向适当运转区域返回。这里所说的“动作极限曲线”是指，无法通过控制发电机12(控制扭矩值、转速)来调节水轮机11的流量的运转点的边界。

第五方面的发明在第四方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在执行所述第二控制之后，当表示所述水轮机11的有效水头小于比所述第一范围的下限值大的规定阈值的条件成立时，利用所述水头调节机构21进一步增加所述水轮机11的有效水头。

在该构成方式下，在即便通过第二控制而使水轮机11的运转点从动作极限曲线上到达第一范围内，水轮机11的有效水头仍小于规定阈值的情况下，水轮机11的有效水头进一步增大。由此，能够可靠地使水轮机11的运转点从动作极限曲线上向适当运转区域返回。另外，能够避免水轮机11的运转点在动作极限曲线与适当运转区域之间摆动。

第六方面的发明在第一方面至第五方面中任一方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在不同的时间执行所述流量控制和所述水头调节控制。

在该构成方式下，在不同的时间执行流量控制和水头调节控制。假设在同一时间执行上述两种控制时，水轮机11的运转点就会发生摆动，水轮机11的流量收敛于目标流量为止的时间、或水轮机11的运转点到达适当运转区域为止的时间就会变长。相对于此，通过在不同的时间执行流量控制和水头调节控制，就能够避免这样的摆动。

第七方面的发明在第一方面至第六方面中任一方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为协调地进行所述流量控制和发电电力控制，在该发电电力控制中，利用所述水头调节机构21来调节所述水轮机11的有效水头，以使得所述发电机12的发电电力接近于目标电力。

在该构成方式下，利用控制部40，协调地进行流量控制和发电电力控制。具体而言，在流量控制中对发电机12进行控制，以使得在水轮机11中流动的流体的流量接近于目标流量。通过该流量控制，而能够使水轮机11的流量接近于目标值。另外，在发电电力控制中，当利用水头调节机构21来调节有效水头时，能够对发电机12的发电电力进行调节。由此，能够使发电机12的发电电力接近于目标发电电力。这样，当调节水轮机11的有效水头时，水轮机11的流量也发生变化。但是，通过进行上述的流量控制，使得水轮机11的流量收敛于目标流量。

第八方面的发明在第七方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在不同的时间执行所述流量控制和所述发电电力控制。

在该构成方式下，在不同的时间执行流量控制和发电电力控制。假设在同一时间执行上述两种控制时，水轮机11的运转点就会发生摆动，水轮机11的流量收敛于目标流量为止的时间、或者发电机12的发电电力收敛于目标发电电力为止的时间就会变长。相对于此，通过在不同的时间执行流量控制和发电电力控制，就能够避免这样的摆动。

第九方面的发明在第七方面或第八方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在所述发电电力控制中，利用所述水头调节机构21来调节所述水轮机11的有效水头，以使得所述发电机12的发电电力接近于最大发电电力。

在该构成方式下，通过协调地进行流量控制和发电电力控制，而使得水轮机11的流量收敛于目标流量，并且，发电机12的发电电力收敛于最大发电电力。

第十方面的发明在第一方面至第九方面中任一方面的发明的基础上，其特征在于：所述水头调节机构21由阀21构成，该阀21与所述水轮机11串联地布置在所述流路5中。

在该构成方式下，通过调节作为水头调节机构的阀21的开度，从而调节水轮机11的有效水头。

第十一方面的发明涉及一种水力发电系统，其包括：水轮机11，其布置在供流体流动的流路5中；发电机12，其由所述水轮机11驱动；流量调节机构21，其对所述水轮机11的流量进行调节；以及控制部40，其协调地进行压力控制和流量调节控制，在该压力控制中，对所述发电机12进行控制，以使得所述水轮机11的下游侧的流体的压力接近于目标压力，在该流量调节控制中，利用所述流量调节机构21来调节该水轮机11的流量Q，以使得所述水轮机11的流量落入第二范围内。

在该构成方式下，协调地进行压力控制和流量调节控制。具体而言，在压力控制中对发电机12进行控制，以使得水轮机11的下游侧的流体的压力接近于目标压力。这里，在进行这样的对发电机12的控制时，利用流量调节机构21来调节水轮机11的流量，以使得水轮机11的运转点在第二范围内。由此，即便水轮机11的运转点偏离适当的运转区域，也能够使该运转点迅速地向适当的运转区域返回。当调节水轮机11的流量时，水轮机11的下游侧的流体的压力也发生变化。但是，通过进行上述的压力控制，而使得水轮机11的压力收敛于目标压力。

第十二方面的发明在第十一方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在表示所述水轮机11的流量小于所述第二范围的下限值的条件成立时，进行作为所述流量调节控制的第三控制，在该第三控制中，利用所述流量调节机构21来增加所述水轮机11的流量。

在该构成方式下，当表示水轮机11的有效水头小于第二范围的下限值的条件成立时，就判断为水轮机11的运转点已到达所谓的气蚀区域，从而进行增加水轮机11的流量的第三控制。由此，能够使水轮机11的运转点从气蚀区域向适当运转区域返回。

第十三方面的发明在第十二方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在执行所述第三控制之后，当表示所述水轮机11的流量小于比所述第二范围的下限值大的规定阈值的条件成立时，利用所述流量调节机构21进一步增加所述水轮机11的流量Q。

在该构成方式下，当即便通过第三控制而使水轮机11的运转点从气蚀区域到达第二范围内，水轮机11的流量仍小于规定阈值的情况下，水轮11的流量Q会进一步增大。由此，能够可靠地使水轮机11的运转点从气蚀区域向适当运转区域返回。另外，能够避免水轮机11的运转点在气蚀区域与适当运转区域之间摆动。

第十四方面的发明在第十一方面至第十三方面中任一方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在表示所述水轮机11的流量大于所述第二范围的上限值的条件成立时，进行作为所述流量调节控制的第四控制，在所述第四控制中，利用所述流量调节机构21来减少所述水轮机11的流量。

在该构成方式下，当表示水轮机11的流量大于第二范围的上限值的条件成立时，就判断为水轮机11的运转点已到达所谓的动作极限曲线上，从而进行减少水轮机11的流量的第四控制。由此，能够可靠地使水轮机11的运转点从动作极限曲线向适当运转区域返回。这里所说的“动作极限曲线”是指，无法通过控制发电机12(控制扭矩值、转速)来调节水轮机11的下游侧流体压力的运转点的边界。

第十五方面的发明在第十四方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为：在执行所述第四控制之后，当表示所述水轮机11的流量大于比所述第二范围的上限值小的规定阈值的条件成立时，利用所述流量调节机构21进一步减少所述水轮机11的流量Q。

在该构成方式下，当即便通过第四控制而使水轮机11的运转点从动作极限曲线上到达第二范围内，水轮机11的流量仍大于规定阈值的情况下，水轮机11的流量会进一步减小。由此，能够可靠地使水轮机11的运转点从动作极限曲线上向适当运转区域返回。另外，能够避免水轮机11的运转点在动作极限曲线与适当运转区域之间摆动。

第十六方面的发明在第十一方面至第十五方面中任一方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在不同的时间执行所述压力控制和所述流量调节控制。

在该构成方式下，在不同的时间执行压力控制和流量调节控制。假设在同一时间执行上述两种控制时，水轮机11的运转点就会发生摆动，水轮机11的下游侧的流体的压力收敛于目标压力为止的时间、或者水轮机11的运转点到达适当运转区域为止的时间就会变长。相对于此，通过在不同的时间执行压力控制和水头调节控制，就能够避免这样的摆动。

第十七方面的发明在第十一方面至第十六方面中任一方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为协调地进行所述压力控制和发电电力控制，在该发电电力控制中，利用所述流量调节机构21来调节所述水轮机11的流量，以使得所述发电机12的发电电力接近于目标电力。

在该构成方式下，利用控制部40，协调地进行压力控制和发电电力控制。具体而言，在压力控制中对发电机12进行控制，以使得水轮机11的下游侧的流体的压力接近于目标压力。通过该压力控制，而能够使流体的压力接近于目标值。另外，在发电电力控制中，当利用流量调节机构21来调节水轮机11的流量时，能够对发电机12的发电电力进行调节。由此，能够使发电机12的发电电力接近于目标发电电力。这样，当调节水轮机11的流量时，水轮机11的下游侧的流体的压力也发生变化。但是，通过进行上述的压力控制，而使得该流体的压力收敛于目标压力。

第十八方面的发明在第十七方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在不同的时间执行所述压力控制和所述发电电力控制。

在该构成方式下，在不同的时间执行压力控制和发电电力控制。假设在同一时间执行上述两种控制时，水轮机11的运转点就会发生摆动，水轮机11的下游侧的流体的压力收敛于目标压力为止的时间、或者发电机12的发电电力收敛于目标发电电力为止的时间就会变长。相对于此，通过在不同的时间执行压力控制和发电电力控制，就能够避免这样的摆动。

第十九方面的发明在第十七方面或第十八方面的发明的基础上，其特征在于：所述控制部40构成为在所述发电电力控制中，利用所述流量调节机构21来调节所述水轮机11的流量，以使得所述发电机12的发电电力接近于最大发电电力。

在该构成方式下，通过协调地进行压力控制和发电电力控制，而使得水轮机11的下游侧的流体的压力收敛于目标压力，并且发电机12的发电电力收敛于最大发电电力。

第二十方面的发明在第十一方面至第十九方面中任一方面的发明的基础上，其特征在于：所述流量调节机构21由阀21构成，该阀21与所述水轮机11串联地布置在所述流路5中。

在该构成方式下，通过调节作为流量调节机构的阀21的开度，从而调节水轮机11的有效水头。

－发明的效果－

根据第一方面的发明，协调地进行流量控制和水头调节控制，在该流量控制中，使水轮机11的流量接近于目标流量，在该水头调节控制中，对水轮机11的有效水头进行调节，以使得水轮机11的运转点向适当运转区域返回。因此，能够在将水轮机11的流量维持在目标流量的同时，抑制水轮机11的运转点偏离适当的运转区域。

根据第十一方面的发明，协调地进行压力控制和流量调节控制，在该压力控制中，使水轮机11的下游侧的流体的压力接近于目标压力，在该流量调节控制中，对水轮机11的流量进行调节，以使得水轮机11的运转点向适当运转区域返回。因此，能够在将水轮机11的下游侧的流体的压力维持在目标压力的同时，抑制水轮机11的运转点偏离适当的运转区域。

根据第二方面及第十二方面的发明，能够抑制水轮机11的运转点停留在气蚀区域。尤其根据第三方面及第十三方面的发明，能够抑制水轮机11的运转点在气蚀区域与适当运转区域之间摆动。

根据第四方面及第十四方面的发明，能够抑制水轮机11的运转点停留在动作极限曲线上。尤其根据第五方面及第十五方面的发明，能够抑制水轮机11的运转点在动作极限曲线上与适当运转区域之间摆动。

根据第六方面及第十六方面的发明，能够在避免水轮机11的运转点摆动的同时，使水轮机11的运转点可靠地向正常的适当运转区域返回。

根据第七方面的发明，能够使水轮机11的流量及发电机12的发电电力都接近于所期望的目标值。

根据第十七方面的发明，能够使水轮机11的下游侧的流体的压力及发电机12的发电电力都接近于所期望的目标值。

根据第八方面的发明，能够避免水轮机11的运转点摆动，能够提高流量控制及发电电力控制的收敛性。

根据第十八方面的发明，能够避免水轮机11的运转点摆动，能够提高压力控制及发电电力控制的收敛性。

根据第九方面及第十九方面的发明，能够利用发电机12得到最大的发电电力。

附图说明

图1是包括第一实施方式的水力发电系统的管道系统在内的整体结构简图。

图2是水力发电系统的电力系统图。

图3是表示水力发电系统的特性曲线的图。

图4是水力发电系统的运转动作的基本流程图。

图5是用于说明水轮机的运转点推移到气蚀区域的第一例的特性曲线图。

图6是用于说明水轮机的运转点推移到气蚀区域的第二例的特性曲线图。

图7是用于说明协调地进行第一控制和流量控制的动作的特性曲线图。

图8是用于说明水轮机的运转点推移到动作极限曲线上的例子的特性曲线图。

图9是用于说明协调地进行第二控制和流量控制的动作的特性曲线图。

图10是流量/发电电力协调控制的基本流程图。

图11是初次流量/发电电力协调控制的部分流程图。

图12是用于说明MPPT控制中的水轮机的运转点和推移情况的特性曲线图。

图13是用于说明MPPT控制中的发电电力和电动阀开度的推移情况的曲线图。

图14是用于说明第一实施方式的变形例所涉及的水力发电系统的第一控制极限曲线及第二控制极限曲线的特性曲线图。

图15是第一实施方式的变形例所涉及的水力发电系统的运转动作的基本流程图。

图16是第二实施方式的相当于图2的图。

图17是第二实施方式的运转动作的基本流程图。

图18是用于说明在第二实施方式中协调地进行第三控制和压力控制的动作的特性曲线图。

图19是用于说明在第二实施方式中协调地进行第四控制和压力控制的动作的特性曲线图。

图20是压力/发电电力协调控制的基本流程图。

图21是初次压力/发电电力协调控制的部分流程图。

图22是用于说明第二实施方式的变形例所涉及的水力发电系统的第三控制极限曲线及第四控制极限曲线的特性曲线图。

图23是第二实施方式的变形例所涉及的水力发电系统的运转动作的基本流程图。

图24是包括其他实施方式的水力发电系统的管道系统在内的整体结构简图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，以下的实施方式是本质上优选的示例，并没有对本发明、其应用对象或其用途的范围加以限制的意图。

《发明的第一实施方式》

如图1所示，本发明的第一实施方式所涉及的水力发电系统10例如应用于上水道1中。在上水道1中设置有储水槽2、设置于该储水槽2的下游侧的接水槽3、以及将储水槽2及接水槽3连接起来的管道5(流路)。管道5是具有落差并供水流动的水路。管道5具有水力发电系统10的水轮机11的上游侧的流入侧管6、以及该水轮机11的下游侧的流出侧管7。流入侧管6与储水槽2和水轮机11相连，流出侧管7与水轮机11和接水槽3相连。

如图1所示，本实施方式的水力发电系统10包括水轮机11、发电机12、电动阀21、流量计22、第一压力传感器23及第二压力传感器24。如图2所示，水力发电系统10包括发电机控制器40及系统互连逆变器30。

〈水轮机〉

水轮机11布置在管道5的中途。水轮机11包括机壳和收纳于该机壳中的叶轮(省略图示)。将涡旋泵所具有的叶轮用作水轮机的叶轮。在叶轮的中心部固定有旋转轴13。在水轮机11中，利用来自机壳的流体流入口的水流使叶轮旋转，旋转轴13随之被驱动着进行旋转。

〈发电机〉

发电机12与水轮机11的旋转轴13连结。当水轮机11的旋转轴13旋转时，就驱动发电机12进行发电。本实施方式的发电机12包括永磁体埋入式转子和具有绕组的定子(省略图示)。如图2所示，发电机12的发电电力经由AC/DC转换器41及系统互连逆变器30向电力系统8(商用电源)供给。

〈管道的其他器件〉

在流入侧管6上，按照从上游朝向下游的顺序依次连接有电动阀21、流量计22及第一压力传感器23。电动阀21通过由马达驱动阀体来对管道5的压力进行调节。即，电动阀21构成压力调节阀。当电动阀21的开度被调节时，水轮机11的有效水头H就会发生变化。即，电动阀21构成对水轮机11的有效水头H进行调节的水头调节机构。

流量计22检测在水轮机11中流动的水的流量Q。第一压力传感器23布置于水轮机11的流入部，检测向水轮机11流入的水的压力。在流出侧管7上连接有第二压力传感器24。第二压力传感器24布置于水轮机11的流出部，检测从水轮机11流出的水的压力。

<系统互连逆变器>

系统互连逆变器30包括构成逆变部的多个开关元件。向系统互连逆变器30输入来自发电机控制器40的直流电。通过打开、关闭多个开关元件，将直流电转换成交流电。系统互连逆变器30所生成的交流电向电力系统8供给(逆流)。

〈发电机控制器〉

如图2所示，发电机控制器40(控制部)包括AC/DC转换器41、发电机控制部50以及电动阀控制部60。

〈AC/DC转换器〉

AC/DC转换器41包括多个开关元件，对由发电机12发出的电力(交流电)进行切换而转换成直流电。AC/DC转换器41的输出通过平滑电容器(省略图示)平滑后，向系统互连逆变器30输出。

〈发电机控制部〉

在第一实施方式中，发电机控制部50进行使在水轮机11中流动的水的流量Q接近于目标流量的流量控制。这里，例如根据被供给来自管道5的水的供给对象的要求来决定该目标流量。向发电机控制器40输入与该目标流量相当的流量指令值Q*。

发电机控制部50是用微型计算机和存储装置构成的，该存储装置中存储有指示该微型计算机执行动作的程序。发电机控制部50包括流量控制器51、扭矩控制器52及PWM控制器53。

向流量控制器51输入由流量计22检测到的水的流量Q和作为目标流量的流量指令值Q*。这里，流量指令值Q*对应于上述的目标流量。流量控制器51算出用于使流量Q收敛于流量指令值Q*的扭矩指令值T*。

向扭矩控制器52输入成为发电机12的控制目标的扭矩指令值T*。扭矩控制器52按照扭矩指令值T*算出电压指令值。

PWM控制器53根据从扭矩控制器52输出的电压指令值，对AC/DC转换器41的开关元件进行PWM控制。由此，流量Q收敛于流量指令值Q*。

〈电动阀控制部〉

电动阀控制部60对电动阀21的开度进行控制。具体而言，电动阀控制部60进行水头调节控制，在该水头调节控制中，利用电动阀21来调节水轮机11的有效水头H，以使水轮机11的有效水头H落入第一范围内。在第一实施方式中，第一范围被设定成适当运转区域。这里，水头调节控制包括第一控制和第二控制。第一控制是用于使水轮机11的运转点从气蚀区域向适当运转区域返回的控制。具体而言，在第一控制中，在水轮机11的有效水头H大于第一范围的上限值(第一阈值Hoptmax1)的情况下，减小电动阀21的开度，以便减少有效水头H。第二控制是用于使水轮机11的运转点从动作极限曲线上向适当运转区域返回的控制。具体而言，在第二控制中，在水轮机11的有效水头H小于第一范围的下限值(第二阈值Hoptmin1)的情况下，增大电动阀21的开度，以便增加有效水头H。

另外，电动阀控制部60进行发电电力控制，在该发电电力控制中，利用电动阀21来调节水轮机11的有效水头H，以使得发电机12的发电电力接近于目标发电电力。在本实施方式的发电电力控制中，发电机12的最大发电电力成为目标发电电力。更详细而言，在本实施方式的发电电力控制中，利用所谓的MPPT控制(爬山法)来控制电动阀21的开度，以使得发电机12的发电电力接近最大发电电力。在下文中对这些控制动作详细进行叙述。

电动阀控制部60是用微型计算机和存储装置构成的，该存储装置中存储有指示该微型计算机执行动作的程序。电动阀控制部60包括MPPT控制部61、水头运算器62、水头判断部63及电动阀控制器64。

向MPPT控制部61输入发电机12的发电电力P。MPPT控制部61是用于进行MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制的控制部。MPPT控制部61根据发电电力P来判断是否要控制电动阀21的开度，并输出与该判断结果对应的指令值。

这里，例如由发电机12的电流值及电压值、AC/DC转换器41的输出电力、系统互连逆变器30的输出电力来求出发电机12的发电电力P。另外，例如也能够由用电力系统8侧的电力计检测到的瞬时电力值来获取发电电力P。进而，例如能够使用表示水轮机11的运转点与发电电力之间的关系的关系式、存储有它们之间的关系的数据(例如在下文中详细叙述的特性曲线图M)来求出发电电力P。

向水头运算器62输入由第一压力传感器23检测到的水轮机11的流入侧的水的压力(第一压力值)、以及由第二压力传感器24检测到的水轮机11的流出侧的水的压力(第二压力值)。水头运算器62根据这些压力值的差来求出水轮机11的有效水头H(参照图1)。

水头判断部63根据从水头运算器62输出的有效水头H、和流量Q，来判断是否要控制电动阀21，并输出与该判断结果对应的指令值。

电动阀控制器64根据从MPPT控制部61输出的指令值及从水头判断部63输出的指令值，来调节电动阀21的开度。

〈水力发电系统的运转参数〉

参照图3对水力发电系统10的运转参数及它们的关系详细进行说明。在图3所示的曲线图(也称为特性曲线图M)中，纵轴表示水轮机11的有效水头H，横轴表示在水轮机11中流动的流量Q。这里，水轮机11中的有效水头H是从储水槽2的液面至接水槽3的液面之间的总水头Ho中减去与储水槽2内的水经由管道5到达接水槽3为止的管道阻力相当的水头而得到的。

有效水头H与流量Q之间的关系能够由图3所示的流动阻力特性线(也称为系统损耗曲线S)表示。系统损耗曲线S具有如下特性：流量Q＝0时的有效水头H为总水头Ho，有效水头H随流量Q增大而相应地呈二次曲线式减少。系统损耗曲线S的曲率具有图1中的管道5固有的值。包括水力发电系统10在内的管道5中的流量Q和此时的有效水头H与系统损耗曲线S上的点对应。即，水轮机11的流量Q与有效水头H所对应的点(水轮机11的运转点)始终在系统损耗曲线S上。

在图3的特性曲线图M中，作为与水轮机11中的流量Q和有效水头H相关的特性，示出了发电机12的扭矩值T、发电机12的转速(旋转速度)N、发电机12的发电电力P。

在特性曲线图M中，在发电机12的扭矩值T为0的曲线(称为飞逸特性曲线(T＝0))与发电机12的转速N为0或规定的最低转速的曲线(称为动作极限曲线)之间，形成水轮机11能够因水流而旋转的区域(称为水轮机区域或可运转区域)。在图3中，比飞逸特性曲线靠左侧的区域是水轮机制动区域(动力运行区域)。

在水轮机区域中，多条等扭矩曲线沿着飞逸特性曲线延伸，在特性曲线图M上，扭矩值T也随流量Q增大而相应地增大。另外，多条等转速曲线沿着动作极限曲线延伸，有效水头H越大则转速N也越高。在系统损耗曲线S上，扭矩值T随流量Q减少而相应地减少。另外，在系统损耗曲线S上，转速N随流量Q增大而相应地减小。虚线所示的等发电电力曲线是向下凸出的曲线，发电电力P也随着有效水头H和流量Q增大而相应地增大。

以上那样的特性曲线图M中的各参数的关系能够以表(table)、程序内的公式(函数)这样的形式存储于存储装置中。因此，发电机控制器40能够通过利用由特性曲线图M表示的各参数的关系，来进行各种运算、控制。

－运转动作－

对水力发电系统10的运转动作进行说明。

〈基本流程〉

首先，参照图4对水力发电系统10的基本运转动作进行说明。在图4中，当水力发电系统10开始运转时，进行使水轮机11的流量Q接近于目标流量的流量控制(步骤St1)。即，在流量控制中，利用发电机控制部50，根据当前的流量Q和流量指令值Q*算出扭矩指令值T*。PWM控制器53根据扭矩控制器52算出的电压指令值对AC/DC转换器41的开关元件进行控制，由此使水轮机11或管道5的流量Q接近于流量指令值Q*。

接着，在步骤St2中，利用水头运算器62来检测水轮机11的有效水头H。在步骤St3中，对有效水头H与第一阈值Hoptmax1进行比较。这里，第一阈值Hoptmax1是用于判断水轮机11的运转点是否到达气蚀区域的判断值，是第一范围的上限值。在步骤St3中，在有效水头H大于第一阈值Hoptmax1的情况下，判断为水轮机11的运转点位于气蚀区域，并移向步骤St5，将电动阀21的开度减小规定开度(第一控制)。即，在第一控制中，降低了水轮机11的有效水头H。在步骤St3中，在有效水头H小于第一阈值Hoptmax1的情况下，移向步骤St4。

在步骤St4中，对有效水头H与第二阈值Hoptmin1进行比较。这里，第二阈值Hoptmin1是用于判断水轮机11是否到达动作极限曲线上的判断值，是第一范围的下限值。在步骤St4中，在有效水头H小于第二阈值Hoptmin1的情况下，判断为水轮机11的运转点到达动作极限曲线上，并移向步骤St6，将电动阀21的开度增大规定开度(第二控制)。即，在第二控制中，增大了水轮机11的有效水头H。在步骤St4中，在有效水头H大于第二阈值Hoptmin1的情况下，移向步骤St7，执行发电电力/流量协调控制。

需要说明的是，在步骤St5及St6中调节电动阀21的开度时，不进行流量控制，也不控制发电机12的扭矩值。即，步骤St1的流量控制是在对电动阀21的开度进行的调节结束之后才执行的。

〈第一控制〉

第一控制是用于防止在水轮机11内部产生气蚀的控制。边参照图5～图9，边对该气蚀所涉及的技术问题及用于解决该技术问题的控制进行详细的说明。

例如如图5所示，水轮机11的运转区域存在能产生气蚀的区域(称为气蚀区域)、和不产生气蚀而进行正常运转的区域(称为适当运转区域)。这里，气蚀是指：因流体在水轮机的内部加速，使得流体的压力下降至饱和蒸气压附近，从而产生大量气泡的现象(空洞现象)。伴随着气蚀的产生而产生大量气泡，之后在这些气泡溃灭时，便产生局部达几万气压这样的非常高的压力。其结果是，导致出现水轮机11的性能下降、水轮机11的表面受侵蚀、产生振动、噪音等不良现象。

在图5中，将气蚀区域与适当运转区域的边界设为气蚀边界。该气蚀边界能够由使用了临界气蚀系数的关系式导出。

图5示出通过上述的流量控制而使水轮机11的运转点到达气蚀区域的一例。即，在上述的流量控制中对发电机12进行控制，以使得水轮机11的流量Q接近规定的流量指令值Q*。例如在该流量指令值为图5中的Qa*的情况下，水轮机11的运转点就会收敛于a点。另一方面，假设管道5的目标流量变得更小，流量指令值从图5中的Qa*减小至Qb*。在该情况下，在系统损耗曲线S上移动的水轮机11的运转点便从图5中的a点向b点移动。由此，水轮机11的运转点就从适当运转区域到达气蚀区域。

另外，图6示出水轮机11的运转点到达气蚀区域的另一例。假设在上述的流量控制中水轮机11的流量Q收敛于流量指令值Q*。此时，在系统损耗曲线为图6中的S的情况下，水轮机11的运转点成为图6中的a点。当从该状态起，例如储水槽2的水位上升或接水槽3的水位下降时，管道5的总水头Ho从图6中的Ho向Ho’增大。其结果是，系统损耗曲线也从图6中的S朝着上方移向S’，水轮机11的运转点便从图6中的a点向c点移动。由此，水轮机11的运转点就从适当运转区域到达气蚀区域。

于是，在本实施方式中，为了防止这样的气蚀产生，而进行第一控制。具体而言，例如如图7所示，假设在系统损耗曲线为S1且流量指令值为Q*的状态下，水轮机11的运转点(d点)到达气蚀区域。在该情况下，在图4的步骤St2中检测的有效水头H成为图7中的H(d)。接着，在步骤St3中，对有效水头H(d)与第一阈值Hoptmax1的大小进行比较。这里，如图7所示，第一阈值Hoptmax1是对应于表示气蚀边界的曲线与流量指令值Q*的交点的有效水头，能够根据特性曲线图M、表示气蚀边界、流量及有效水头的关系的公式或表求出。即，第一阈值Hoptmax1是根据流量指令值Q*产生变化的变量。

在图7的例子中，当水轮机11的运转点位于d点时，有效水头H大于第一阈值Hoptmax1，因此，移向步骤St5。由此，电动阀控制部60将电动阀21的开度减小规定开度(第一控制)。当电动阀21的开度减小规定开度时，与管道5的阻力相当的水头变大，进而，水轮机11的有效水头H变小。另外，管道5或水轮机11的流量也随之变小。其结果是，水轮机11的运转点例如从d点向e点推移。

在步骤St5之后，移至步骤St1，再次执行流量控制。如上所述，由于电动阀21的开度变小，水轮机11的运转点到达e点，因而水轮机11的流量Q小于流量指令值Q*。但是，通过在第一控制之后进行流量控制，而使得水轮机11的运转点在系统损耗曲线S2上移动，水轮机11的流量Q再次收敛于流量指令值Q*。由此，水轮机11的运转点从图7中的e点向f点移动。

当再次移至步骤St3时，f点的水轮机11的有效水头H仍大于第一阈值Hoptmax1。因此，移至步骤St5，电动阀21的开度减小规定开度。其结果是，水轮机11的有效水头H及流量Q进一步变小，水轮机11的运转点到达g点。

当再次移至步骤St1而进行流量控制时，水轮机11的运转点在系统损耗曲线S3上移动，水轮机11的流量Q再次收敛于流量指令值Q*。由此，水轮机11的运转点从图7中的g点向h点移动。

当再次移至步骤St3时，g点的水轮机11的有效水头H小于第一阈值Hoptmax1。因此，不移至步骤St5，不进行第一控制。

如上所述，在本实施方式中，协调地执行第一控制和流量控制，在第一控制中，当表示水轮机11的运转点位于气蚀区域的条件(第一条件)成立时就减小电动阀21的开度(即，减少有效水头H)，在流量控制中，使水轮机11的流量Q接近于目标流量。由此，能够使水轮机11的运转点向适当运转区域返回，并且，能够使水轮机11的流量Q收敛于流量指令值Q*。另外，如图4、图7所示，在互不相同的时间交替地执行第一控制和流量控制。假设在同一时间执行第一控制和流量控制时，水轮机11的运转点发生摆动，无法使该运转点迅速地向适当运转区域且流量指令值Q*收敛。相对于此，在本实施方式中，使开始执行第一控制和流量控制的时间彼此错开，因此，水轮机11的运转点的控制性提高，能够使该运转点迅速地收敛于适当运转区域且流量指令值Q*。

需要说明的是，在第一控制中，将有效水头H大于第一阈值Hoptmax1作为判断水轮机11的运转点位于气蚀区域的第一条件，但也可以将其他判断方法作为第一条件。

〈第二控制〉

第二控制是用于避免水轮机11的运转点停留在动作极限曲线上的控制。边参照图8及图9，边对该动作极限曲线所涉及的技术问题及用于解决该技术问题的控制进行说明。

动作极限曲线是指：因发电机12的转速达到0或规定的最低转速而无法由发电机12将水轮机11的流量Q控制为流量指令值Q*的运转点的边界。因此，当水轮机11的运转点到达动作极限曲线时，之后，无法再持续执行流量控制。

例如图8是水轮机11的运转点到达动作极限曲线上的一例。假设在上述的流量控制中水轮机11的流量Q收敛于流量指令值Q*。此时，在系统损耗曲线为图8中的S的情况下，水轮机11的运转点成为图8中的a点。当从该状态起，例如储水槽2的水位下降或接水槽3的水位上升时，管道5的总水头Ho减少，该总水头从图8中的Ho向Ho’下降。其结果是，系统损耗曲线也从图8中的S朝着下方移向S’，水轮机11的运转点便欲从a点向c点移动。然而，当水轮机11的运转点随着水轮机11的有效水头H下降而到达动作极限曲线上(b点)时，便已无法将水轮机11的流量Q控制为流量指令值Q*。其结果是，在该例中，水轮机11的运转点在动作极限曲线上向左下方移动。其结果是，水轮机11的运转点不是从b点向c点移动，而是从b点向d点移动。

在该状态下，水轮机11的流量Q小于流量指令值Q*，因此，无法满足目标流量。另外，在水轮机11的运转点位于d点的情况下，无法进一步将水轮机11的流量向增大方向调节。因此，无法在该状态下通过流量控制使水轮机11的流量Q向流量指令值Q*收敛。于是，在本实施方式中，为了避免水轮机11的运转点停留在动作极限曲线上而进行第二控制。

具体而言，例如如图9所示，假设水轮机11的运转点到达动作极限曲线上的d点。在该情况下，在图4的步骤St2中检测的有效水头H成为图9中的H(d)。在步骤St3中，有效水头H(d)比第一阈值Hoptmax1低，因此移至步骤St4。在步骤St4中，对有效水头H(d)与第二阈值Hoptmin1的大小进行比较。这里，如图9所示，第二阈值(阈值)Hoptmin1是对应于动作极限曲线与流量指令值Q*的交点的有效水头，能够根据特性曲线图M、表示动作极限曲线、流量及有效水头的关系的公式或表求出。即，第二阈值Hoptmin1是根据流量指令值Q*产生变化的变量。

在图9的例子中，当水轮机11的运转点为d点时，有效水头H小于第二阈值Hoptmin1，因此，移至步骤St6。由此，电动阀控制部60将电动阀21的开度增大规定开度(第二控制)。当电动阀21的开度增大规定开度时，与管道5的阻力相当的水头变小，进而，水轮机11的有效水头H变大。另外，管道5或水轮机11的流量也随之变大。其结果是，水轮机11的运转点向比动作极限曲线靠上侧的适当运转区域返回(例如图9中的运转点e)。之后，当返回步骤St1而进行流量控制时，水轮机11的运转点在系统损耗曲线S2上移动，流量Q被调节为流量指令值Q*。由此，水轮机11的运转点向图9中的f点移动。f点的水轮机11的有效水头H大于第二阈值Hoptmin1，因此，之后不执行第二控制。

如上所述，在本实施方式中，协调地执行第二控制和流量控制，在第二控制中，当表示水轮机11的运转点位于动作极限曲线上的条件(第二条件)成立时就增大电动阀21的开度(即，增加有效水头H)，在流量控制中，使水轮机11的流量接近于目标流量。由此，能够使水轮机11的运转点向适当运转区域返回，并且能够使水轮机11的流量Q收敛于流量指令值Q*。另外，如图4及图9所示，在互不相同的时间交替地执行第二控制和流量控制。假设在同一时间执行第二控制和流量控制时，水轮机11的运转点发生摆动，无法使该运转点迅速地向适当运转区域且流量指令值Q*收敛。相对于此，在本实施方式中，使开始执行第二控制和流量控制的时间彼此错开，因此，水轮机11的运转点的控制性提高，能够使该运转点迅速地收敛于适当运转区域且流量指令值Q*。

需要说明的是，在第二控制中，将有效水头H小于第二阈值Hoptmin1作为判断水轮机11的运转点位于动作极限曲线上的第二条件，但也可以将其他判断方法作为第二条件。

〈发电电力/流量协调控制〉

在图4中，当判断为有效水头H位于第一阈值Hoptmax1与第二阈值Hoptmin1之间且水轮机11的运转点位于适当运转区域时，就移至步骤St7，进行发电电力/流量协调控制。参照图10～图13对该发电电力/流量协调控制进行说明。

如图10所示，发电电力/流量协调控制是协调地进行上述的流量控制和MPPT控制(发电电力控制)的控制。在图10的步骤St11中，进行是否为发电电力/流量协调控制的初次动作的判断。在判断为初次动作的情况下，移至B(图11中的步骤St21)。在步骤St21中，检测发电电力P及流量Q。发电电力P及流量Q的检测方法如上所述。接着，在步骤St22中，在电动阀21的开度为100％(全开)的情况下，将电动阀21的开度减小规定开度，在电动阀21的开度不为100％(全开)的情况下，增大电动阀21的开度。之后，再次向图4中的步骤St1返回。

在经过了B的动作之后，从步骤St11移至步骤St12，检测发电电力P及流量Q。

接着，在步骤St13～St16中，针对此次检测到的发电电力与其前一次检测到的发电电力之差ΔP、及此次的电动阀21的开度与其前一次的电动阀21的开度之差Δα的大小关系，分别进行判断。需要说明的是，在初次MPPT控制中，在图11的步骤St21中检测到的发电电力P及流量Q为前次的值，在图10的步骤St12中检测到的发电电力P及流量Q为此次的值。然后，根据这些结果，对电动阀21的开度进行调节，以使得发电电力P增大。

具体而言，在步骤St13中，在1)ΔP为0以上且Δα大于0的情况下、或者在2)ΔP小于0且Δα小于0的情况下，可判断为能够通过增大电动阀21的开度来增大发电电力P。因此，在该情况下，电动阀控制部60将电动阀21的开度增大规定开度α(步骤St15)。

另外，在步骤St14中，在3)ΔP为0以上且Δα小于0的情况下、或者在4)ΔP小于0且Δα大于0的情况下，可判断为能够通过减小电动阀21的开度来增大发电电力P。因此，在该情况下，电动阀控制部60将电动阀21的开度减小规定开度α(步骤St16)。

当如上所述的那样调节电动阀21的开度后，再次返回图4中的步骤St1，进行流量控制。当通过MPPT控制来调节电动阀21的开度后，水轮机11的流量发生变化。但是，能够通过该流量控制使水轮机11的流量Q迅速地收敛于流量指令值Q*。之后，再次检测发电电力P及流量Q(步骤St12)，然后，再次进行MPPT控制，调节电动阀21的开度。需要说明的是，在步骤St15及步骤St16中对电动阀21的开度进行的控制中，不进行流量控制，也不控制发电机12的扭矩值。即，步骤St1的流量控制是在对电动阀21的开度进行的调节结束之后才执行的。

在MPPT控制中，通过反复进行这样的步骤，使得发电电力P向最大发电电力收敛，并且水轮机11的流量Q向流量指令值Q*收敛。参照图12及图13对该动作进一步详细进行说明。

例如假设水轮机11的运转点位于a点。在该情况下，水轮机11的流量Q收敛于流量指令值Q*，但发电电力P未达到最大发电电力。当从这样的状态开始进行MPPT控制时，电动阀21的开度变大α。之后，当进行流量控制使得水轮机11的流量Q收敛于流量指令值Q*且水轮机11的运转点到达b点时，发电电力P就从图13中的Pa增大而向Pb变化。

在图12所示的运转点从a点到达b点的动作中，Δα＞0、ΔP≥0成立。因此，在下一次MPPT控制中，电动阀21的开度进一步变大α。之后，当进行流量控制时，水轮机11的运转点到达c点，发电电力P从图13中的Pb增大而向Pc变化。在图12所示的运转点从b点到达c点的动作中，Δα＞0、ΔP≥0成立。因此，在下一次MPPT控制中，电动阀21的开度进一步变大α。之后，当进行流量控制时，水轮机11的运转点到达d点，发电电力P从图13中的Pc减小而向Pd变化。

在图12所示的运转点从c点到达d点的动作中，α＞0、ΔP＜0成立。因此，在下一次MPPT控制中，电动阀21的开度变小α。之后，当进行流量控制时，水轮机11的运转点到达e点，发电电力P向与图13中的最大发电电力相当的点或区域收敛。

如上所述，在本实施方式的水力发电系统10中，协调地进行流量控制和MPPT控制。由此，能够使发电电力P收敛于最大发电电力，并且能够使水轮机11的流量Q收敛于流量指令值Q*。另外，如图10所示，在互不相同的时间交替地执行流量控制和MPPT控制。假设在同一时间执行流量控制和MPPT控制时，水轮机11的运转点发生摆动，无法使该水轮机11的运转点迅速地向成为最大发电电力的运转点或满足流量指令值Q*的运转点收敛。相对于此，在本实施方式中，使开始执行流量控制和MPPT控制的时间彼此错开，因此，水轮机11的运转点的控制性提高，能够使该运转点迅速地向满足最大发电电力及流量指令值Q*的运转点收敛。

－第一实施方式的效果－

在本第一实施方式中，协调地进行第一控制和流量控制，在第一控制中，当水轮机11的运转点位于气蚀区域时就减小电动阀21的开度。由此，能够在使水轮机11的流量Q收敛于目标流量的同时，可靠地防止在水轮机11的附近产生气蚀。

执行第一控制和流量控制的时间彼此错开。因此，能够避免水轮机11的运转点摆动，从而能够提高流量控制及第一控制的收敛性。

协调地进行第二控制和流量控制，在第二控制中，当水轮机11的运转点到达动作极限曲线上时就增大电动阀21的开度。由此，能够在使水轮机11的流量Q收敛于目标流量的同时，迅速地避免水轮机11的运转点停留在动作极限曲线上。

执行第二控制和流量控制的时间彼此错开。因此，能够避免水轮机11的运转点摆动，从而能够提高流量控制及第二控制的收敛性。

在第一实施方式中，进行协调流量控制和发电电力控制的发电电力/流量协调控制，该流量控制使在水轮机11中流动的水的流量Q接近于目标流量，该发电电力控制对电动阀21的开度进行调节，以使得发电机12的发电电力P接近于目标电力。因此，能够使水轮机11的流量Q和发电机12的发电电力P接近于所期望的目标值。

在发电电力控制中，进行使发电电力P接近于最大发电电力的MPPT控制。因此，能够提高发电机12的发电效率。

执行流量控制和MPPT控制的时间彼此错开。因此，能够避免水轮机11的运转点摆动，能够提高流量控制及MPPT控制的收敛性。

〈第一实施方式的变形例〉

第一实施方式的变形例的电动阀控制部60的结构与上述的第一实施方式不同。具体而言，在变形例与上述第一实施方式中，水轮机11的运转点位于气蚀区域时的动作、及水轮机11的运转点到达动作极限曲线上时的动作不同。以下，参照图14及图15，对与上述第一实施方式的不同之处进行说明。

如图14所示，在第一实施方式的变形例中，在适当运转区域中的气蚀边界的附近，规定了第一控制极限曲线。第一控制极限曲线是以沿着气蚀边界的方式与该气蚀边界相邻的曲线。另外，在第一实施方式的变形例中，在适当运转区域中的动作极限曲线的附近，规定了第二控制极限曲线。第二控制极限曲线是以沿着动作极限曲线的方式与该动作极限曲线相邻的曲线。

如图15所示，在第一实施方式的变形例中，当水力发电系统10开始运转时，与第一实施方式同样地进行流量控制，水轮机11的流量Q收敛于流量指令值Q*(步骤St31)。接着，检测有效水头H(步骤St32)，对有效水头H与第一阈值Hoptmax1进行比较。

在有效水头H大于第一阈值Hoptmax1的情况下，判断为水轮机11的运转点位于气蚀区域，进行减小电动阀21的开度的第一控制(步骤St34)。接着，再次检测有效水头H(步骤St37)，对有效水头H与第三阈值Hoptmax2进行比较(步骤St38)。这里，第三阈值Hoptmax2是比第一阈值Hoptmax1小了规定的有效水头量的规定阈值。第三阈值Hoptmax2是对应于图14所示的第一控制极限曲线与流量指令值Q*的交点的有效水头，能够根据特性曲线图M、表示第一控制极限曲线、流量及有效水头的关系的公式或表求出。即，第三阈值Hoptmax2是根据流量指令值Q*产生变化的变量。

在有效水头H大于第三阈值Hoptmax2的情况下，能够判断为水轮机11的运转点位于气蚀边界与第一控制极限曲线之间的规定区域(称为第一区域)。在该情况下，电动阀控制部60进一步减小电动阀21的开度(步骤St39)。上述步骤St37～St39的动作持续进行至有效水头H小于第三阈值Hoptmax2(即，水轮机11的运转点向比第一区域靠内侧移动)为止。另一方面，在水轮机11的运转点位于第一区域的期间，不进行水轮机11的流量控制。通过以上方式，当水轮机11的运转点移动至第一控制极限曲线与第二控制极限曲线之间时，与第一实施方式同样地进行发电电力/流量协调控制。

另外，在步骤St35中，在有效水头H小于第二阈值Hoptmin1的情况下，判断为水轮机11的运转点位于动作极限曲线上，进行增大电动阀21的开度的第二控制(步骤St36)。接着，再次检测有效水头H(步骤St37)，对有效水头H与第四阈值Hoptmin2进行比较(步骤St40)。这里，第四阈值Hoptmin2是比第二阈值Hoptmin1大了规定的有效水头量的规定阈值。第四阈值Hoptmin2是对应于图14所示的第二控制极限曲线与流量指令值Q*的交点的有效水头，能够根据特性曲线图M、表示第二控制极限曲线、流量及有效水头的关系的公式或表求出。即，第四阈值Hoptmin2是根据流量指令值Q*产生变化的变量。

在有效水头H小于第四阈值Hoptmin2的情况下，能够判断为水轮机11的运转点位于动作极限曲线与第二控制极限曲线之间的区域(称为第二区域)。在该情况下，电动阀控制部60进一步增大电动阀21的开度(步骤St41)。上述步骤St37、St40、St41的动作持续进行至有效水头H大于第四阈值Hoptmin2(即，水轮机11的运转点向比第二区域靠内侧移动)为止。另一方面，在水轮机11的运转点位于第二区域的期间，不进行水轮机11的流量控制。通过以上方式，当水轮机11的运转点推移至第一控制极限曲线与第二控制极限曲线之间时，与实施方式同样地进行发电电力/流量协调控制。

如上所述，在第一实施方式的变形例中，当水轮机11的运转点位于气蚀区域时，使水轮机11的运转点移动至比第一控制极限曲线靠内侧的位置，因此，能够可靠地防止气蚀产生。此时，当水轮机11的运转点位于第一区域时，仅进行对电动阀21的控制，不进行流量控制。因此，能够避免因流量控制而引起水轮机11的运转点发生摆动，能够迅速地消除产生气蚀的风险。

另外，在第一实施方式的变形例中，当水轮机11的运转点到达动作极限曲线上时，使水轮机11的运转点移动至比第二控制极限曲线靠内侧的位置，因此，能够可靠地防止水轮机11的运转点停留在动作极限曲线上。此时，当水轮机11的运转点位于第二区域时，仅进行对电动阀21的控制，不进行流量控制。因此，能够避免因流量控制而引起水轮机11的运转点发生摆动，能够使水轮机11的运转点迅速地离开动作极限曲线。

《发明的第二实施方式》

第二实施方式所涉及的水力发电系统10的控制部(发电机控制器40)的结构与上述第一实施方式不同。另外，第二实施方式的电动阀21构成用于调节水轮机11的流量Q的流量调节机构。

〈发电机控制部〉

在第二实施方式中，发电机控制部50进行使水轮机11的下游侧的水的压力p接近于目标压力的压力控制。这里，例如根据被供给来自管道5的水的供给对象的要求来决定该目标压力。向发电机控制器40输入与该目标压力相当的压力指令值p*。

具体而言，如图16所示，在第二实施方式的发电机控制部50中，设置有压力控制器54以取代第一实施方式的流量控制器51。向压力控制器54输入例如由第二压力传感器24检测到的水的压力p和作为目标压力的压力指令值p*。压力控制器54算出用于使压力p收敛于压力指令值p*的扭矩指令值T*。

向扭矩控制器52输入成为发电机12的控制目标的扭矩指令值T*。扭矩控制器52按照扭矩指令值T*算出电压指令值。

PWM控制器53根据从扭矩控制器52输出的电压指令值，对AC/DC转换器41的开关元件进行PWM控制。由此，压力p收敛于压力指令值p*。

〈电动阀控制部〉

电动阀控制部60对电动阀21的开度进行控制。具体而言，电动阀控制部60进行流量调节控制，在该流量调节控制中，利用电动阀21来调节水轮机11的流量Q，以使得水轮机11的流量Q落入第二范围内。在第二实施方式中，第二范围被设定成适当运转区域。这里，流量调节控制包括第三控制和第四控制。第三控制是用于使水轮机11的运转点从气蚀区域向适当运转区域返回的控制。具体而言，在第三控制中，在水轮机11的流量Q小于第二范围的下限值(第五阈值Qoptmin1)的情况下，增大电动阀21的开度，以便增加流量Q。第四控制是用于使水轮机11的运转点从动作极限曲线上向适当运转区域返回的控制。具体而言，在第四控制中，在水轮机11的流量Q大于第二范围的上限值(第六阈值Qoptmax1)的情况下，减小电动阀21的开度，以便减少流量Q。

另外，第二实施方式的电动阀控制部60进行发电电力控制，在该发电电力控制中，利用电动阀21来调节水轮机11的流量Q，以使得发电机12的发电电力接近于目标发电电力。

第二实施方式的电动阀控制部60具有流量判断部65，以取代第一实施方式的水头判断部63。流量判断部65根据从水头运算器62输出的有效水头H、和流量Q，判断是否要控制电动阀21，并输出与该判断结果对应的指令值。

〈基本流程〉

如图17所示，当水力发电系统10开始运转时，进行使水轮机11的下游侧的水的压力p接近于目标压力的压力控制(步骤St51)。即，在压力控制中，利用发电机控制部50，根据当前的压力p和压力指令值p*算出扭矩指令值T*。PWM控制器53根据扭矩控制器52算出的电压指令值来控制AC/DC转换器41的开关元件，由此水轮机11的下游侧的压力p接近于压力指令值p*。

接着，在步骤St52中，检测水轮机11的流量Q。在步骤St53中，对流量Q与第五阈值Qoptmin1进行比较。这里，第五阈值Qoptmin1是用于判断水轮机11的运转点是否到达气蚀区域的判断值，且是第二范围的下限值。更详细而言，如图18所示，第五阈值Qoptmin1是对应于表示气蚀边界的曲线与有效水头H*的交点的流量，能够根据特性曲线图M、表示气蚀边界、流量及有效水头的关系的公式或表求出，其中，该有效水头H*对应于压力指令值p*。即，第五阈值Qoptmin1是根据压力指令值p*产生变化的变量。

在步骤St53中，在流量Q小于第五阈值Qoptmin1的情况下，判断为水轮机11的运转点位于气蚀区域，并移至步骤St55，将电动阀21的开度增大规定开度(第三控制)。即，在第三控制中，水轮机11的流量Q增大。在步骤St53中，在流量Q大于第五阈值Qoptmin1的情况下，移至步骤St54。

在步骤St54中，对流量Q与第六阈值Qoptmax1进行比较。这里，第六阈值Qoptmax1是用于判断水轮机11是否到达动作极限曲线上的判断值，且是第二范围的上限值。这里，如图19所示，第六阈值Qoptmax1是对应于动作极限曲线与有效水头H*的交点的流量，能够根据特性曲线图M、表示动作极限曲线流量及有效水头的关系的公式或表求出，其中，该有效水头H*对应于压力指令值p*。即，第六阈值Qoptmax1是根据压力指令值p*产生变化的变量。

在步骤St54中，在流量Q大于第六阈值Qoptmax1的情况下，判断为水轮机11的运转点到达动作极限曲线上，并移至步骤St56，将电动阀21的开度减小规定开度(第四控制)。即，在第四控制中，水轮机11的流量Q降低。在步骤St54中，在流量Q小于第六阈值Qoptmax1的情况下，移至步骤St57，执行发电电力/压力协调控制。

需要说明的是，在步骤St55及St56中对电动阀21的开度进行调节时，不进行压力控制，也不控制发电机12的扭矩值。即，步骤St51的压力控制是在对电动阀21的开度进行的调节结束之后才执行的。

〈第三控制〉

参照图18，对第三控制的具体情况进一步详细地进行说明。

假设在上述的压力控制中，水轮机11的流量Q过度地变小，水轮机11的运转点到达气蚀区域。在该情况下，在图17的步骤St52中检测的流量Q便小于第五阈值Qoptmin1。因此，从步骤St53移至步骤St54，电动阀21的开度变大。由此，例如水轮机11的运转点从图18中的a点向b点移动。之后，通过压力控制来控制发电机12，以使得压力p接近于目标压力p*。其结果是，例如水轮机11的运转点从图18中的b点向c点移动。其结果是，水轮机11的有效水头H收敛于与目标压力p*对应的有效水头H*，并且水轮机11的运转点向适当运转区域返回。

〈第四控制〉

参照图19，对第四控制的具体情况进一步详细地进行说明。

假设在上述的压力控制中，水轮机11的流量Q过度地变大，水轮机11的运转点到达动作极限曲线上。例如在水轮机11的运转点位于图19中的d点的情况下，无法通过压力控制使水轮机11的有效水头H(压力p)进一步下降，因此，无法实现目标压力p*。

在该情况下，在图17的步骤St52中检测的流量Q大于第六阈值Qoptmax1。因此，从步骤St54移至步骤St56，电动阀21的开度变小。由此，例如水轮机11的运转点从图18中的d点向e点移动。之后，通过压力控制来控制发电机12，以使得压力p接近于目标压力p*。其结果是，例如水轮机11的运转点从图18中的e点向f点移动。其结果是，水轮机11的有效水头H收敛于与目标压力p*对应的有效水头H*，并且，水轮机11的运转点向适当运转区域返回。

〈发电电力/压力协调控制〉

在图17中，当判断为流量Q位于第五阈值Qoptmin1与第六阈值Qoptmax1之间且水轮机11的运转点位于适当运转区域时，就移至步骤St57，进行发电电力/压力协调控制。参照图17、图20、图21对该发电电力/压力协调控制进行说明。

如图17所示，发电电力/压力协调控制是协调地进行上述的压力控制和MPPT控制(发电电力控制)的控制。在图20的步骤St61中，进行是否为发电电力/压力协调控制的初次动作的判断。在判断为初次动作的情况下，移至D(图21中的步骤St71)。在步骤St71中，检测发电电力P及压力p。发电电力P及压力p的检测方法如上所述。接着，在步骤St72中，在电动阀21的开度为100％(全开)的情况下，将电动阀21的开度减小规定开度，在电动阀21的开度不为100％(全开)的情况下，增大电动阀21的开度。之后，再次向图17中的步骤St51返回。

在经过了D的动作之后，从步骤St61移至步骤St62，检测发电电力P及压力p。

接着，在步骤St63～St66中，针对此次检测到的发电电力与其前一次检测到的发电电力之差ΔP、及此次的电动阀21的开度与其前一次的电动阀21的开度之差Δα的大小关系，分别进行判断。需要说明的是，在初次MPPT控制中，在图21的步骤St71中检测到的发电电力P及压力p为前次的值，在图20的步骤St62中检测到的发电电力P及压力p为此次的值。然后，根据这些结果，对电动阀21的开度进行调节，以使得发电电力P增大。

具体而言，在步骤St63中，在1)ΔP为0以上且Δα大于0的情况下、或者在2)ΔP小于0且Δα小于0的情况下，可判断为能够通过增大电动阀21的开度来增大发电电力P。因此，在该情况下，电动阀控制部60将电动阀21的开度增大规定开度α(步骤St65)。

另外，在步骤St64中，在3)ΔP为0以上且Δα小于0的情况下、或者在4)ΔP小于0且Δα大于0的情况下，可判断为能够通过减小电动阀21的开度来增大发电电力P。因此，在该情况下，电动阀控制部60将电动阀21的开度减小规定开度α(步骤St66)。

当如上所述的那样调节电动阀21的开度后，再次返回图17中的步骤St51，进行压力控制。当通过MPPT控制来调节电动阀21的开度后，水轮机11的下游侧的压力p发生变化。但是，能够通过该压力控制使水轮机11的压力p迅速地收敛于压力指令值p*。之后，再次检测发电电力P及压力p(步骤St52)，然后，再次进行MPPT控制，调节电动阀21的开度。需要说明的是，在步骤St65及步骤St66中对电动阀21的开度进行的控制中，不进行压力控制，也不控制发电机12的扭矩值。即，步骤St51的压力控制是在对电动阀21的开度进行的调节结束之后才执行的。

在MPPT控制中，通过反复进行这样的步骤，使得发电电力P向最大发电电力收敛，并且水轮机11的压力p向压力指令值p*收敛。

－第二实施方式的效果－

在本第二实施方式中，协调地进行第三控制和压力控制，在第三控制中，当水轮机11的运转点位于气蚀区域时就增大电动阀21的开度。由此，能够在使水轮机11的压力p收敛于目标压力的同时，可靠地防止在水轮机11的附近产生气蚀。

执行第三控制和压力控制的时间彼此错开。因此，能够避免水轮机11的运转点摆动，从而能够提高压力控制及第三控制的收敛性。

协调地进行第四控制和压力控制，在第四控制中，当水轮机11的运转点到达动作极限曲线上时就增大电动阀21的开度。由此，能够在使水轮机11的压力p收敛于目标压力的同时，迅速地避免水轮机11的运转点停留在动作极限曲线上。

执行第四控制和压力控制的时间彼此错开。因此，能够避免水轮机11的运转点摆动，从而能够提高压力控制及第四控制的收敛性。

在第二实施方式中，进行协调压力控制和发电电力控制的发电电力/压力协调控制，该压力控制使水轮机11的下游侧的水的压力p接近于目标压力，该发电电力控制对电动阀21的开度进行调节，以使得发电机12的发电电力P接近于目标电力。因此，能够使水轮机11的下游侧的压力p和发电机12的发电电力P接近于所期望的目标值。

在发电电力控制中，进行使发电电力P接近于最大发电电力的MPPT控制。因此，能够提高发电机12的发电效率。

执行压力控制和MPPT控制的时间彼此错开。因此，能够避免水轮机11的运转点摆动，能够提高压力控制及MPPT控制的收敛性。

〈第二实施方式的变形例〉

在第二实施方式的变形例中，与上述第一实施方式的变形例同样地设置有两条控制极限曲线。

如图22所示，在第二实施方式的变形例中，在适当运转区域中的气蚀边界的附近，规定了第三控制极限曲线。第三控制极限曲线是以沿着气蚀边界的方式与该气蚀边界相邻的曲线。另外，在第二实施方式的变形例中，在适当运转区域中的动作极限曲线的附近，规定了第四控制极限曲线。第四控制极限曲线是以沿着动作极限曲线的方式与该动作极限曲线相邻的曲线。

如图23所示，在第二实施方式的变形例中，当水力发电系统10开始运转时，与第二实施方式同样地进行压力控制(步骤St81)。接着，检测流量Q(步骤St82)，对流量Q与第五阈值Qoptmin1进行比较。

在流量Q小于第五阈值Qoptmin1的情况下，判断为水轮机11的运转点位于气蚀区域，进行增大电动阀21的开度的第三控制(步骤St84)。接着，再次检测流量Q(步骤St87)，对流量Q与第七阈值Qoptmin2进行比较(步骤St88)。这里，第七阈值Qoptmin2是比第五阈值Qoptmin1大了规定的流量的规定阈值。第七阈值Qoptmin2是对应于图22所示的第三控制极限曲线与有效水头的交点的流量，能够根据特性曲线图M、表示第三控制极限曲线、流量及有效水头的关系的公式或表求出，其中，该有效水头对应于压力指令值p*。即，第七阈值Qoptmin2是根据压力指令值p*产生变化的变量。

在流量Q小于第七阈值Qoptmin2的情况下，能够判断为水轮机11的运转点位于气蚀边界与第三控制极限曲线之间的规定区域(称为第三区域)。在该情况下，电动阀控制部60进一步增大电动阀21的开度(步骤St89)。上述步骤St87～St89的动作持续进行至流量Q大于第七阈值Qoptmin2(即，水轮机11的运转点向比第三区域靠内侧移动)为止。另一方面，在水轮机11的运转点位于第三区域的期间，不进行水轮机11的压力控制。通过以上方式，当水轮机11的运转点移动至第三控制极限曲线与第四控制极限曲线之间时，与第二实施方式同样地进行发电电力/压力协调控制。

另外，在步骤St85中，在流量Q大于第六阈值Qoptmax1的情况下，判断为水轮机11的运转点位于动作极限曲线上，进行减小电动阀21的开度的第四控制(步骤St86)。接着，再次检测流量Q(步骤St87)，对流量Q与第八阈值Qoptmax2进行比较(步骤St90)。这里，第八阈值Qoptmax2是比第六阈值Hoptmax1小了规定的流量的规定阈值。第八阈值Qoptmax2是对应于图22所示的第四控制极限曲线与有效水头的交点的流量，能够根据特性曲线图M、表示第四控制极限曲线、流量及有效水头的关系的公式或表求出，其中，该有效水头对应于压力指令值p*。即，第八阈值Qoptmax2是根据压力指令值p*产生变化的变量。

在流量Q大于第八阈值Qoptmax2的情况下，能够判断为水轮机11的运转点位于动作极限曲线与第四控制极限曲线之间的区域(称为第四区域)。在该情况下，电动阀控制部60进一步减小电动阀21的开度(步骤St91)。上述步骤St87、St90、St91的动作持续进行至流量Q小于第八阈值Qoptmax2(即，水轮机11的运转点向比第四区域靠内侧移动)为止。另一方面，在水轮机11的运转点位于第四区域的期间，不进行水轮机11的压力控制。通过以上方式，当水轮机11的运转点推移至第三控制极限曲线与第四控制极限曲线之间时，与第二实施方式同样地进行发电电力/压力协调控制。

如上所述，在第二实施方式的变形例中，当水轮机11的运转点位于气蚀区域时，使水轮机11的运转点移动至比第三控制极限曲线靠内侧的位置，因此，能够可靠地防止气蚀产生。此时，当水轮机11的运转点位于第三区域时，仅进行对电动阀21的控制，不进行压力控制。因此，能够避免因压力控制而引起水轮机11的运转点发生摆动，能够迅速地消除产生气蚀的风险。

另外，在第二实施方式的变形例中，当水轮机11的运转点到达动作极限曲线上时，使水轮机11的运转点移动至比第四控制极限曲线靠内侧的位置，因此，能够可靠地防止水轮机11的运转点停留在动作极限曲线上。此时，当水轮机11的运转点位于第四区域时，仅进行对电动阀21的控制，不进行压力控制。因此，能够避免因压力控制而引起水轮机11的运转点发生摆动，能够使水轮机11的运转点迅速地离开动作极限曲线。

〈其他实施方式〉

如图24所示，在上述各实施方式的水力发电系统10中，也可以设置旁路回路15。旁路回路15以与水轮机11并联的方式与管道5连接。旁路回路15的始端例如与电动阀21的流入侧连接。旁路回路15的终端例如与水轮机11的下游侧连接。在旁路回路15中连接有作为电动阀的旁路阀16。在这样的结构中也假定进行使水轮机11的流量Q、水轮机11的下游侧的压力p接近于目标值的控制。在该情况下，能够应用上述各实施方式的控制。

上述第一实施方式的水头调节机构由电动阀21构成。但是，水头调节机构只要能够调节水轮机11的有效水头即可，可以为任意的结构。具体而言，作为水头调节机构，也可以使用水轮机。另外，也可以设置例如阻力不同的多条流路，使这些流路与管道5可切换地进行连通，由此来调节水轮机11的有效水头。

同样地，第二实施方式的流量调节机构只要能够调节水轮机11的流量即可，可以为任意的结构。具体而言，作为流量调节机构，也可以使用水轮机。另外，也可以设置例如阻力不同的多条流路，使这些流路与管道5可切换地进行连通，由此来调节水轮机11的流量。

在上述第一实施方式中，将第一范围设定成适当运转区域，但也可以设定成比适当运转区域窄的区域。具体而言，也可以在适当运转区域中的气蚀边界的附近，以沿着气蚀边界与该气蚀边界相邻的方式设定第一范围的上限值。通过像这样进行设定，而能够在水轮机11的运转点到达气蚀区域之前进行第一控制，因此，能够更加可靠地防止气蚀产生。

另外，也可以在适当运转区域中的动作极限曲线的附近，以沿着动作极限曲线与该动作极限曲线相邻的方式设定第一范围的下限值。通过像这样进行设定，而能够在水轮机11的运转点到达动作极限曲线之前进行第二控制，因此，能够更加可靠地防止到达动作极限曲线。在像这样设定了第一范围的情况下，第一控制极限曲线例如为沿着与第一范围的上限值对应的曲线且与该曲线相邻的曲线即可，第二控制极限曲线例如为沿着与第一范围的下限值对应的曲线且与该曲线相邻的曲线即可。

同样地，在上述第二实施方式中，将第二范围设定成适当运转区域，但也可以设定成比适当运转区域窄的区域。具体而言，也可以在适当运转区域中的气蚀边界的附近，以沿着气蚀边界与该气蚀边界相邻的方式设定第二范围的下限值。通过像这样进行设定，而能够在水轮机11的运转点到达气蚀区域之前进行第三控制，因此，能够更加可靠地防止气蚀产生。

另外，也可以在适当运转区域中的动作极限曲线的附近，以沿着动作极限曲线与该动作极限曲线相邻的方式设定第二范围的上限值。通过像这样进行设定，而能够在水轮机11的运转点到达动作极限曲线之前进行第四控制，因此，能够更加可靠地防止到达动作极限曲线。在像这样设定了第二范围的情况下，第三控制极限曲线例如为沿着与第二范围的下限值对应的曲线且与该曲线相邻的曲线即可，第四控制极限曲线例如为沿着与第二范围的上限值对应的曲线且与该曲线相邻的曲线即可。

在上述第一实施方式中，也可以构成为省略了发电电力/流量协调控制以及用于使水轮机11的运转点从动作极限曲线上返回的控制中的任一种控制或这两种控制。

在上述第二实施方式中，也可以构成为省略了发电电力/压力协调控制以及用于使水轮机11的运转点从动作极限曲线上返回的控制中的任一种控制或这两种控制。

在上述第一实施方式的发电电力/流量协调控制中，协调地进行使水轮机11的流量Q接近于目标流量的流量控制和使发电机12的发电电力接近于最大发电电力的发电电力控制。但是，在发电电力控制中，也可以不必将发电机12的目标发电电力设为最大发电电力。例如在电力系统8中，在存在要求抑制发电电力的抑制要求的情况下，有可能需要将发电机12的发电电力抑制到规定值以下。在该情况下，例如将发电机12的目标发电电力设定成满足该抑制要求的值。

在上述第二实施方式的发电电力/压力协调控制中，协调地进行使水轮机11的下游侧的压力p接近于目标压力的压力控制、和使发电机12的发电电力接近于最大发电电力的发电电力控制。但是，在发电电力控制中，也可以不必将发电机12的目标发电电力设为最大发电电力。例如在电力系统8中，在存在要求抑制发电电力的抑制要求的情况下，有可能需要将发电机12的发电电力抑制到规定值以下。在该情况下，例如将发电机12的目标发电电力设定成满足该抑制要求的值。

在上述第一实施方式的流量控制中，通过对发电机12的扭矩值进行控制来调节水轮机11的流量Q，但也能够例如通过控制发电机12的转速来调节水轮机11的流量Q。

在上述第二实施方式的压力控制中，通过控制发电机12的扭矩值来调节水轮机11的下游侧的压力p，但也能够例如通过控制发电机12的转速来调节水轮机11的下游侧的压力p。

也可以省略设置于管道5的流量计22，而使用图3的特性曲线图M来推断水轮机11的流量Q。具体而言，例如通过使用发电机12的扭矩值、转速等来推断水轮机11的运转点，从而能够求出与该运转点对应的水轮机11的流量Q。

在这样的使用特性曲线图M的无流量计的结构中，假设在水轮机11的运转点到达动作极限曲线上时，即便使用特性曲线图M也无法准确地确定水轮机11的运转点，从而无法准确地求出水轮机11的流量Q。相对于此，在上述实施方式中，能够使水轮机11的运转点迅速地返回适当运转区域，因此，能够使用特性曲线图M等来可靠地推断水轮机11的流量Q。

水力发电系统10不局限于设置在管道5上，还能够设置在开放水路、或混合有封闭水路(例如管道)和开放水路的流路中。可以想到的一个示例为在农业用水路中设置水力发电系统10。另外，水力发电系统10的设置场所也不局限于上水道1。

向水轮机11供给的流体不局限于水。例如，还可以想到将大楼等的空调装置中使用的不冻液用作流体。

－产业实用性－

本发明作为水力发电系统是有用的。

－符号说明－

5 管道(流路)

10 水力发电系统

11 水轮机

12 发电机

21 电动阀(水头调节机构、流量调节机构)

40 发电机控制器(控制部)

Claims (20)

1.一种水力发电系统，其特征在于：

所述水力发电系统包括：

水轮机(11)，其布置在供流体流动的流路(5)中；

发电机(12)，其由所述水轮机(11)驱动；

水头调节机构(21)，其对所述水轮机(11)的有效水头进行调节；以及

控制部(40)，其协调地进行流量控制和水头调节控制，在该流量控制中，对所述发电机(12)进行控制，以使得所述水轮机(11)的流量接近于目标流量，在该水头调节控制中，利用所述水头调节机构(21)来调节该水轮机(11)的有效水头，以使得该水轮机(11)的有效水头落入第一范围内。

2.根据权利要求1所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在表示所述水轮机(11)的有效水头大于所述第一范围的上限值的条件成立时，进行作为所述水头调节控制的第一控制，在该第一控制中，利用所述水头调节机构(21)来减少所述水轮机(11)的有效水头。

3.根据权利要求2所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在执行所述第一控制之后，当表示所述水轮机(11)的有效水头大于比所述第一范围的上限值小的规定阈值的条件成立时，利用所述水头调节机构(21)进一步减少所述水轮机(11)的有效水头。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在表示所述水轮机(11)的有效水头小于所述第一范围的下限值的条件成立时，进行作为所述水头调节控制的第二控制，在该第二控制中，利用所述水头调节机构(21)来增加所述水轮机(11)的有效水头。

5.根据权利要求4所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在执行所述第二控制之后，当表示所述水轮机(11)的有效水头小于比所述第一范围的下限值大的规定阈值的条件成立时，利用所述水头调节机构(21)进一步增加所述水轮机(11)的有效水头。

6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在不同的时间执行所述流量控制和所述水头调节控制。

7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：协调地进行所述流量控制和发电电力控制，在该发电电力控制中，利用所述水头调节机构(21)来调节所述水轮机(11)的有效水头，以使得所述发电机(12)的发电电力接近于目标电力。

8.根据权利要求7所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在不同的时间执行所述流量控制和所述发电电力控制。

9.根据权利要求7或8所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在所述发电电力控制中，利用所述水头调节机构(21)来调节所述水轮机(11)的有效水头，以使得所述发电机(12)的发电电力接近于最大发电电力。

10.根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的水力发电系统，其特征在于：

所述水头调节机构(21)由阀(21)构成，该阀(21)与所述水轮机(11)串联地布置在所述流路(5)中。

11.一种水力发电系统，其特征在于：

所述水力发电系统包括：

水轮机(11)，其布置在供流体流动的流路(5)中；

发电机(12)，其由所述水轮机(11)驱动；

流量调节机构(21)，其对所述水轮机(11)的流量进行调节；以及

控制部(40)，其协调地进行压力控制和流量调节控制，在该压力控制中，对所述发电机(12)进行控制，以使得所述水轮机(11)的下游侧的流体的压力接近于目标压力，在该流量调节控制中，利用所述流量调节机构(21)来调节该水轮机(11)的流量(Q)，以使得所述水轮机(11)的流量落入第二范围内。

12.根据权利要求11所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在表示所述水轮机(11)的流量小于所述第二范围的下限值的条件成立时，进行作为所述流量调节控制的第三控制，在该第三控制中，利用所述流量调节机构(21)来增加所述水轮机(11)的流量。

13.根据权利要求12所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在执行所述第三控制之后，当表示所述水轮机(11)的流量小于比所述第二范围的下限值大的规定阈值的条件成立时，利用所述流量调节机构(21)进一步增加所述水轮机(11)的流量(Q)。

14.根据权利要求11至13中任一项权利要求所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在表示所述水轮机(11)的流量大于所述第二范围的上限值的条件成立时，进行作为所述流量调节控制的第四控制，在所述第四控制中，利用所述流量调节机构(21)来减少所述水轮机(11)的流量。

15.根据权利要求14所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在执行所述第四控制之后，当表示所述水轮机(11)的流量大于比所述第二范围的上限值小的规定阈值的条件成立时，利用所述流量调节机构(21)进一步减少所述水轮机(11)的流量(Q)。

16.根据权利要求11至15中任一项权利要求所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在不同的时间执行所述压力控制和所述流量调节控制。

17.根据权利要求11至16中任一项权利要求所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：协调地进行所述压力控制和发电电力控制，在该发电电力控制中，利用所述流量调节机构(21)来调节所述水轮机(11)的流量，以使得所述发电机(12)的发电电力接近于目标电力。

18.根据权利要求17所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在不同的时间执行所述压力控制和所述发电电力控制。

19.根据权利要求17或18所述的水力发电系统，其特征在于：

所述控制部(40)构成为：在所述发电电力控制中，利用所述流量调节机构(21)来调节所述水轮机(11)的流量，以使得所述发电机(12)的发电电力接近于最大发电电力。

20.根据权利要求11至19中任一项权利要求所述的水力发电系统，其特征在于：

所述流量调节机构(21)由阀(21)构成，该阀(21)与所述水轮机(11)串联地布置在所述流路(5)中。