CN113381561A - 水力发电系统 - Google Patents

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须原淳
横山贵裕
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Abstract

设置获取电力供需信息的电力信息获取部(32)，该电力供需信息包括电力系统(5)可接受的电力或与该电力相关的信息。设置获取流体信息的流体信息获取部(17、18)，该流体信息包括与从流路(1)流出的流体的物理量相关的信息。设置控制部(20、30)，其利用电力供需信息，将供往电力系统(5)的电力控制在电力系统(5)可接受的电力以下，并利用流体信息，对所述物理量、所述流路(1)及所述发电机(G)的发电电力中的至少一者进行控制，以使物理量达到期望值。

Description

水力发电系统
本发明专利申请是国际申请号为PCT/JP2017/032620，国际申请日为2017年09月11日，进入中国国家阶段的申请号为201780057649.9，名称为“水力发电系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种水力发电系统。
背景技术
一些水力发电系统利用在水路(例如管道)中流动的流体(例如水)进行发电。例如在专利文献1中公开的水力发电系统中，管道与水轮机(流体机械)相连。如果流体驱动水轮机旋转，与水轮机相连的发电机就会被驱动。发电机的输出电力例如因逆流(reversepower flow)而被供往电力系统(例如商用电源)。
专利文献1：日本公开专利公报特开2014－214710号公报
发明内容
－发明要解决的技术问题－
当要使所发出的电力逆流时，有时法律等会要求商用电源的电压落入规定范围内，在此情况下，为了不让商用电源的电压超出该范围，就需要对要逆流的电力进行控制。
然而，在水力发电系统中，有时必须让流体(例如水)不断流动(例如在上水道的管道上设置水力发电系统时)，如果仅仅是让水轮机停止运转就会发生问题。
本发明正是鉴于所述问题而提出的，其目的在于，做到：既能够将流体的物理量(例如总流量)维持在期望值，又能够对电力进行控制。
－用以解决技术问题的技术方案－
为了解决所述问题，第一方面涉及一种水力发电系统，所述水力发电系统包括流体机械W和发电机G，所述流体机械W布置在供流体流动的流路1中，所述发电机G由所述流体机械W驱动，其特征在于：所述水力发电系统还包括：控制部20、30，其对所述发电机G的发电电力进行控制，并将该发电机G发出的电力供往电力系统5；电力信息获取部32，其获取电力供需信息，该电力供需信息包括所述电力系统5可接受的电力或与该电力相关的信息；以及流体信息获取部17、18，其获取流体信息，该流体信息包括与从所述流路1流出的所述流体的物理量相关的信息，所述控制部20、30利用所述电力供需信息，将供往所述电力系统5的电力控制在所述电力系统5可接受的电力以下，并利用所述流体信息，对所述物理量、所述流路1及所述发电机G的发电电力中的至少一者进行控制，以使所述物理量达到期望值。
在该构成方式下，考虑到发电机G的电力和流体的物理量这两方面来对水力发电系统进行控制。
第二方面在第一方面的基础上，其特征在于：在所述流路1中，设有所述流体机械W的旁通路13，所述物理量包括所述流路1中的所述流体的总流量QT，所述控制部20、30通过对所述旁通路13中的所述流体的流量Q2进行控制，来使所述总流量QT接近规定的目标总流量QT*。
在该构成方式下，通过在对发电电力进行控制的同时对旁通路13的流量进行控制，从而将总流量QT控制在期望的目标总流量QT*。
第三方面在第一方面或第二方面的基础上，其特征在于：所述控制部20、30根据关于所述发电机G的可检测出的、且与所述流体机械W的流量Q1和有效水头H相关的特性，来推定所述流体机械W的所述流量Q1和所述有效水头(effective head)H，并且根据示出所述有效水头H与所述流路1的总流量QT的关系的流动阻力特性线S、及推定出的所述流量Q1和所述有效水头H，来推定所述总流量QT。
在该构成方式下，因为根据流动阻力特性线S来推定流量，所以能够进行不使用流量计的控制。
第四方面在第一到第三方面中的任一方面的基础上，其特征在于：所述流路1为管道，所述水力发电系统具有流量控制阀15，所述流量控制阀15与所述流体机械W串联，并对流入该流体机械W的所述流体的流量进行控制，所述物理量的值包括从所述流路1流出的所述流体的压力P2，所述控制部20、30通过对所述流量控制阀15的开度进行控制，来使所述压力P2接近规定的目标压力P*。
在该构成方式下，通过在对发电电力进行控制的同时对流量控制阀15进行控制，来将流体的压力P2控制在期望的目标压力P*。
第五方面在第一到第四方面中的任一方面的基础上，其特征在于：所述控制部20、30根据所述电力系统5的配电线的电压值Vac，来获取所述电力供需信息。
在该构成方式下，根据电压值Vac，来检测电力系统5可接受的电力。
第六方面在第一到第五方面中的任一方面的基础上，其特征在于：所述水力发电系统具有消耗所述发电电力的耗电部40，所述控制部20、30将所述发电电力的一部分或全部供往所述耗电部40，以使供往所述电力系统5的电力达到期望值。
在该构成方式下，通过用耗电部40对供往电力系统5的电力进行调节，就能够像后述的实施方式那样，在由发电机控制器20和系统互连逆变器(system interconnectioninverter)30构成控制部20、30的情况下，使系统互连逆变器30对电力的抑制与发电机控制器20对电力的抑制容易关联起来。
第七方面在第一到第六方面中的任一方面的基础上，其特征在于：所述控制部20、30对所述流体机械W的流量Q1进行控制，以使供往所述电力系统5的电力达到期望值。
在该构成方式下，通过对流体机械W的流量Q1进行控制，来调节供往电力系统5的电力。
第八方面在第四方面的基础上，其特征在于：所述控制部20、30对所述流量控制阀15的开度进行控制，并对所述发电电力进行控制，以使供往所述电力系统5的电力达到期望值。
在该构成方式下，对流量控制阀15的开度和供往电力系统5的电力进行协同控制。
－发明的效果－
根据第一方面，既能够将流体的物理量维持在期望值，又能够对供给的电力进行控制。
根据第二方面，既能够将流路中的流体的总流量维持在期望值，又能够对供给的电力进行控制。
根据第三方面，能够降低水力发电系统的成本。
根据第四方面，既能够将从流路流出的流体的压力维持在期望值，又能够对供给的电力进行控制。
根据第五方面，能够容易获取电力供需信息。
附图说明
图1示出包括第一实施方式的水力发电系统在内的管道的整体简要构成。
图2是水力发电系统的电力系统图。
图3是水力发电系统进行的控制的流程图。
图4是第一实施方式的变形例的水力发电系统进行的控制的流程图。
图5是第二实施方式的发电机控制器和系统互连逆变器的方框图。
图6是第二实施方式的水力发电系统进行的控制的流程图。
图7是示出流体系统的特性曲线的图。
图8示出包括第四实施方式的水力发电系统在内的管道的整体简要构成。
图9是第四实施方式的水力发电系统的电力系统图。
图10是用于说明第四实施方式的控制概念的特性曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。需要说明的是，下面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)
图1示出包括本发明的第一实施方式的水力发电系统10在内的管道1的整体简要构成。该管道1具有落差并供流体流动，其是本发明的流路之一例。在本实施方式中，管道1是上水道4的一部分。在该上水道4中，设有储水槽2和接水槽3，本实施方式的管道1布置为：将储水槽2与设在该储水槽2的下游的接水槽3连接起来。
〈水力发电系统10〉
如图1所示，水力发电系统10具有水轮机W和发电机G。图2是水力发电系统10的电力系统图，水力发电系统10具有发电机控制器20、系统互连逆变器30和再生电阻器40。在水力发电系统10中，将所发出的电力供往电力系统5。在该例中，电力系统5是所谓的商用电源，在水力发电系统10中，通过向商用电源5供给电力(所谓的逆流)，来进行所谓的卖电。
进行该卖电时，在水力发电系统10中，通常对发电机G进行控制以使发电机G达到额定输出，由此向电力系统5供给电力(称为一般运转)。在此，额定输出是在水力发电系统10中发电机G可以实现的最大电力输出。如后文详细说明的那样，在水力发电系统10中，对发电电力进行控制，以使电力系统5的配电线的交流电压值Vac落入预先规定好的电压限制范围Vr内。例如，当电力系统5的配电线的交流电压值Vac快要超过电压限制范围Vr的上限值时，则进行抑制向电力系统5所供给的电力的运转(后述的发电电力抑制运转)。而且，在水力发电系统10中，在进行一般运转和发电电力抑制运转这两种运转时，都将总流量QT控制在规定的目标总流量QT*。
－水轮机W－
水轮机W布置在管道1的中途，是本发明的水力机械之一例。在该例中，水轮机W具有叶轮和机壳(均省略图示)。将涡旋泵所具有的叶轮用作水轮机的叶轮。在该叶轮的中心部，固定有旋转轴19。在水轮机W中，从形成在机壳上的流体流入口(省略图示)流入的水流对叶轮施加压力，而使叶轮旋转，从而使旋转轴19旋转。需要说明的是，流入水轮机W后的流体从形成在机壳上的流体排出口(省略图示)排出。
－发电机G－
发电机G与水轮机W的旋转轴19连结，而使得发电机G被驱动着旋转，来进行发电。在该例中，发电机G具有永磁体埋入式转子和具有绕组的定子(均省略图示)。
－管道系统－
在该管道1中连接有流入管11、流出管14、第一支管12和第二支管13。本实施方式的管道1由金属管(例如球墨铸铁管)构成。流入管11的流入端与储水槽2相连。流出管14的流出端与接水槽3相连。第一支管12和第二支管13彼此并联连接在流入管11与流出管14之间。第一支管12构成供驱动水轮机W的水流动的水轮机侧流路。第二支管13构成绕过水轮机W的旁通路。
在第一支管12上，按照从上游朝向下游的顺序依次连接有第一流量计17、第一电动阀15和水轮机W(具体而言是水轮机W的流体流入口)。水轮机W的流体排出口与流出管14相连。在第二支管13上，按照从上游朝向下游的顺序依次连接有第二流量计18和第二电动阀16。
第一流量计17和第二流量计18构成为利用电进行工作。第一流量计17检测水轮机W中流动的水的流量，并输出检测信号。第二流量计18检测第二支管13中流动的水的流量，并输出检测信号。
第一电动阀15和第二电动阀16利用电动马达驱动阀体来对流体的流量进行控制。第一电动阀15在维修水轮机W时等处于关闭状态，禁止水通过处于停止状态的水轮机W。第一电动阀15在水力发电系统10运转时以规定开度(例如固定值)打开。第二电动阀16对第二支管13中流动的水的流量进行控制。
需要说明的是，第一流量计17的检测值与第二流量计18的检测值之和即为从管道1流出的所述流体的总流量QT。该总流量QT是本发明的“流体信息”之一例，其“包括与从流路流出的所述流体的物理量相关的信息”。由第一流量计17和第二流量计18构成本发明的流体信息获取部之一例。
－发电机控制器20－
发电机控制器20具有AC/DC转换器21、直流电压检测部22、流量检测部23、流量指令决定部24和流量控制部25。该发电机控制器20与系统互连逆变器30一起，将流体的物理量(此处为管道1的总流量QT)维持在期望值，并对供往电力系统5的电力进行控制。
AC/DC转换器21具有多个开关元件，对由发电机G发出的电力(交流电)进行切换而转换为直流电。该直流电被平滑电容器(省略图示)平滑化后，供往系统互连逆变器30。
直流电压检测部22检测AC/DC转换器21的输出电压。直流电压检测部22的检测值(直流电压Vdc)被发送至流量指令决定部24。流量检测部23读取第一流量计17和第二流量计18的检测值，并周期性地或根据流量控制部25的要求，将检测值发送至流量控制部25。
流量指令决定部24由微型计算机和存储装置构成，该存储装置中存储有指示该微型计算机执行动作的程序。流量指令决定部24根据电力的目标值和总流量QT的目标值即目标总流量QT*，来决定水轮机W的流量Q1的目标值即流量指令值Q1*。此时，电力的目标值一般为后述的额定输出，而在水力发电系统10中，该目标值会如后文详细说明的那样根据直流电压检测部22的检测值发生改变。可以想到例如用事先已在所述程序内定义好的、函数或后述的特性图表M来生成流量指令值Q1*。
流量控制部25由微型计算机和存储装置构成，该存储装置中存储有指示该微型计算机执行动作的程序。该微型计算机和存储装置既可以共用构成流量指令决定部24的微型计算机和存储装置，也可以另外设置。该流量控制部25通过对AC/DC转换器21的开关进行控制，来对发电机G的发电电力进行控制。具体而言，流量控制部25根据流量指令值Q1*与当前的流量Q1之差进行反馈控制，由此对发电机G的发电电力(输出电压)进行控制。
流量控制部25还对管道1的总流量QT进行控制。在该例中，流量控制部25对第二电动阀16的开度进行控制，以使流量为管道1的总流量QT的目标值(以下称为目标总流量QT*)与当前的流量Q1之差的流体在第二支管13中流动。
－系统互连逆变器30－
系统互连逆变器30具有逆变部31、交流电压检测部32和电压上升判断部33。
逆变部31具有多个开关元件，并接受来自发电机控制器20的直流电，通过对该直流电进行切换而转换为交流电。逆变部31生成的交流电供往(逆流到)电力系统5。需要说明的是，逆变部31通过对所述开关进行控制，来对要逆流到电力系统5的电力(电压)进行控制。
交流电压检测部32获取电力供需信息，该电力供需信息包括电力系统5可接受的电力或与该电力相关的信息。即，交流电压检测部32是本发明的电力信息获取部之一例。具体而言，交流电压检测部32检测电力系统5的配电线的电压值(交流电压值Vac)，将其作为电力供需信息。该交流电压值Vac被发送到电压上升判断部33。
电压上升判断部33对由交流电压检测部32检测出的交流电压值Vac与预先规定好的第一阈值Th1进行比较，并将比较结果输出到逆变部31。需要说明的是，作为第一阈值Th1之一例，可以想到在考虑到法律法规的前提下来决定该第一阈值。例如，就供给100V交流电的商用电源5而言，例如在有的法律中，不仅规定配电线的电压要维持在95V到107V这一范围内，而且要求当电压快要超过该范围的上限时抑制卖电方的电力供给(逆流)。在上述例子中，95V到107V相当于电压限制范围Vr，将第一阈值Th1设定为比电压限制范围Vr的上限值即107V略低的电压值即可。
〈对电力(交流电压)和流量的控制〉
在该水力发电系统10中，当运转时，第一电动阀15的开度是固定的。另一方面，第二电动阀16的开度受发电机控制器20控制而可变。在该水力发电系统10中，如果操作第二电动阀16，水轮机W的运转点就会变化，一旦水轮机W的运转点变化，第二支管13的流量Q2就会发生变化。于是，在水力发电系统10中，需要进行水轮机W和第二电动阀16的协同控制，即在同时考虑到发电电力(水轮机W的状态)和第二电动阀16的状态这两方面的前提下进行控制。
图3是示出在水力发电系统10中进行的电力控制和流量控制的流程图。在流程图所示的步骤S01中，流量控制部25对AC/DC转换器21的开关进行控制，以使发电机G的发电电力达到目标值，并且对第二电动阀16的开度进行控制，以使管道1的总流量QT达到目标总流量QT*。具体而言，在本实施方式中，在将第一电动阀15的开度设为固定值的状态下，流量控制部25例如通过反馈控制，对AC/DC转换器21的开关进行控制，以使水轮机W的流量Q1达到流量指令值Q1*。这样一来，发电机G的输出就收敛于目标发电电力。
在该发电状态下，当目标总流量QT*与当前的总流量QT存在差异时，流量控制部25就对第二电动阀16的开度进行调节。此时，流量控制部25边对从流量检测部23发送过来的第二流量计18的检测值与流量Q2的目标值(目标总流量QT*与流量Q1之差)进行比较，边对第二电动阀16的开度进行调节。能够利用例如反馈控制来进行该开度调节。需要说明的是，目标总流量QT*的设定没有被特别加以限定。可以想到的一例是，将目标总流量QT*设定为上水道4的管理者所要求的总流量。该目标总流量QT*既可以是固定值，也可以例如随时间段产生变动。
在步骤S02中，交流电压检测部32检测交流电压值Vac。也就是说，在本实施方式中，根据配电线的交流电压值Vac获取电力供需信息。在步骤S03中，电压上升判断部33对交流电压值Vac与第一阈值Th1进行比较。电压上升判断部33的比较结果输出到逆变部31。
当步骤S03的比较结果是交流电压值Vac大于第一阈值Th1时，逆变部31进行步骤S04的处理。在该步骤S04中，逆变部31对开关进行控制，使要逆流的电力(电压)下降，并打开与再生电阻器40相连的开关SW，由此使再生电阻器40将AC/DC转换器21输出的直流电的一部分或全部消耗掉(将该运转称为发电电力抑制运转)。即，再生电阻器40是本发明的耗电部之一例。
另一方面，在步骤S05中，直流电压检测部22检测AC/DC转换器21的直流电压Vdc。在步骤S06中，流量指令决定部24对直流电压Vdc与规定的第二阈值Th2进行比较。在步骤S04中，有时如果让要逆流的电力(电压)下降，则直流电压Vdc就会上升。当流量指令决定部24的比较结果是直流电压Vdc＞第二阈值Th2时，就进行步骤S07的处理。在步骤S07中，流量指令决定部24改变发电电力的目标值(减小目标值)，并根据改变后的发电电力的目标值，改变流量指令值Q1*(减小目标值)，由此指示流量控制部25进行发电电力抑制运转。
当步骤S07的处理结束后，发电机控制器20的处理移到步骤S01(此时可以认为步骤S01也是所述发电电力抑制运转的一环)。在该步骤S01中，如上所述，根据流量指令值Q1*对AC/DC转换器21的开关进行控制。
当从步骤S07的处理移到步骤S01的处理时，流量指令值Q1*得到改变，水轮机W的流量Q1下降。其结果是，发电机G的发电电力下降，配电线的电压落入电压限制范围Vr内。另一方面，流量控制部25对第二电动阀16的开度进行控制，管道1的总流量QT收敛于目标总流量QT*。也就是说，在本实施方式中，既能够将要逆流的电力(配电线的电压)控制在期望值，又能够将总流量QT维持在目标总流量QT*。
这样一来，对AC/DC转换器21的输出电力进行抑制后，关闭开关SW，让再生电阻器40停止耗电。需要说明的是，再生电阻器40在从逆变部31的电力抑制动作开始起到AC/DC转换器21的电力抑制动作开始为止的期间吸收电力，再生电阻器40的容量需要设定为该容量能保证吸收该期间的多余电力。
当步骤S03的比较结果是交流电压值Vac≤第一阈值Th1、或者步骤S06的比较结果是直流电压Vdc≤第二阈值Th2时，进行步骤S08的处理。在步骤S08中，当前正在进行所述发电电力抑制运转时，则关闭开关SW，让再生电阻器40停止耗电。并且，流量指令决定部24修正流量指令值Q1*，以使被抑制的电力复原。具体而言，流量指令决定部24使流量指令值Q1*恢复到原来的值(额定输出时的值)，以使发电机G达到额定输出。与此相应地，流量控制部25对AC/DC转换器21进行控制(步骤S01)。在逆变部31还根据发电机G的额定输出进行切换，而使得逆变部31进行额定输出(步骤S01)。这样一来，就会进行一般运转。
需要说明的是，在所述例子中，在步骤S04之后接着进行了步骤S05以后的处理，不过从步骤S02到步骤S04为止的处理(主要由系统互连逆变器30进行的处理)、和从步骤S05到步骤S07为止的处理(主要由发电机控制器20进行的处理)还可以同时进行。
〈本实施方式的效果〉
如上所述，利用本实施方式的水力发电系统10，既能够将流体的物理量(此处为总流量QT)维持在期望值，又能够对电力(配电线的电压)进行控制。
(第一实施方式的变形例)
在水力发电系统10中，对电力(交流电压)和流量的控制可以采用图4所示的流程。需要说明的是，在该变形例的水力发电系统10中，当运转时，第一电动阀15的开度也是固定的。并且，第二电动阀16的开度受发电机控制器20控制而可变。
在图4的流程图所示的步骤S01中，流量控制部25对AC/DC转换器21的开关进行控制，以使发电机G的发电电力达到目标值，并对第二电动阀16的开度进行控制，以使管道1的总流量QT达到目标总流量QT*。具体而言，在本实施方式中，在将第一电动阀15的开度设为固定值的状态下，流量控制部25例如通过反馈控制，对AC/DC转换器21的开关进行控制，以使水轮机W的流量Q1达到流量指令值Q1*。这样一来，发电机G的输出就收敛于目标发电电力。
在该发电状态下，当目标总流量QT*与当前的总流量QT存在差异时，流量控制部25就对第二电动阀16的开度进行调节。此时，流量控制部25边对从流量检测部23发送过来的第二流量计18的检测值与流量Q2的目标值(目标总流量QT*与流量Q1之差)进行比较，边对第二电动阀16的开度进行调节。能够利用例如反馈控制来进行该开度调节。需要说明的是，目标总流量QT*的设定没有被特别加以限定。可以想到的一例是，将目标总流量QT*设定为上水道4的管理者所要求的总流量。该目标总流量QT*既可以是固定值，也可以例如随时间段产生变动。
在步骤S02中，交流电压检测部32检测交流电压值Vac。也就是说，在本实施方式中，根据配电线的交流电压值Vac获取电力供需信息。在步骤S03中，电压上升判断部33对交流电压值Vac与第一阈值Th1进行比较。电压上升判断部33的比较结果输出到逆变部31。
当步骤S03的比较结果是交流电压值Vac大于第一阈值Th1时，逆变部31进行步骤S04的处理。在该步骤S04中，逆变部31对开关进行控制，使要逆流的电力(电压)下降(将该运转称为发电电力抑制运转)。
另一方面，在步骤S05中，直流电压检测部22检测AC/DC转换器21的直流电压Vdc。在步骤S06中，流量指令决定部24对直流电压Vdc与规定的第二阈值Th2进行比较。在步骤S04中，有时如果让要逆流的电力(电压)下降，则直流电压Vdc就会上升。当流量指令决定部24的比较结果是直流电压Vdc＞第二阈值Th2时，就进行步骤S07的处理。在本变形例的步骤S07中，打开与再生电阻器40相连的开关SW，由此使再生电阻器40将AC/DC转换器21输出的直流电的一部分或全部消耗掉。在步骤S07中，流量指令决定部24改变发电电力的目标值(减小目标值)，并根据改变后的发电电力的目标值，改变流量指令值Q1*(减小目标值)，由此指示流量控制部25进行发电电力抑制运转。
当步骤S07的处理结束后，发电机控制器20的处理移到步骤S01(此时可以认为步骤S01也是所述发电电力抑制运转的一环)。在该步骤S01中，如上所述，根据流量指令值Q1*对AC/DC转换器21的开关进行控制。
当从步骤S07的处理移到步骤S01的处理时，流量指令值Q1*得到改变，水轮机W的流量Q1下降。其结果是，发电机G的发电电力下降，配电线的电压落入电压限制范围Vr内。另一方面，流量控制部25对第二电动阀16的开度进行控制，管道1的总流量QT收敛于目标总流量QT*。也就是说，在本实施方式中，既能够将要逆流的电力(配电线的电压)控制在期望值，又能够将总流量QT维持在目标总流量QT*。
当步骤S06的比较结果是直流电压Vdc≤第二阈值Th2时，则进行步骤S08的处理。在步骤S08中，关闭开关SW，让再生电阻器40停止耗电。需要说明的是，再生电阻器40在直流电压Vdc＞第二阈值Th2的期间吸收电力，再生电阻器40的容量需要设定为该容量能保证吸收该期间的多余电力。
在步骤S08中，当前正在进行所述发电电力抑制运转时，流量指令决定部24就修正流量指令值Q1*，以使被抑制的电力复原。具体而言，流量指令决定部24使流量指令值Q1*恢复到原来的值(额定输出时的值)，以使发电机G达到额定输出。与此相应地，流量控制部25对AC/DC转换器21进行控制(步骤S01)。在逆变部31还根据发电机G的额定输出进行切换，而使得逆变部31进行额定输出(步骤S01)。这样一来，就会进行一般运转。
需要说明的是，当步骤S03的比较结果是交流电压值Vac≤第一阈值Th1时，则进行步骤S09的处理。在步骤S09中，当前系统互连逆变器30正在进行发电电力抑制运转时，则使系统互连逆变器30回到额定运转，然后移到步骤S05。
〈本变形例的效果〉
如上所述，在本变形例的水力发电系统10中，也是既能够将流体的物理量(此处为总流量QT)维持在期望值，又能够对电力(配电线的电压)进行控制。
(发明的第二实施方式)
在本发明的第二实施方式中，说明发电电力抑制运转的其他例子。在本实施方式中，发电机控制器20和系统互连逆变器30的构成与第一实施方式不同。在该例中，没有设置再生电阻器40和开关SW。下面，以与第一实施方式的不同点为中心来说明本实施方式。
〈发电机控制器20〉
图5示出本发明的第二实施方式的发电机控制器20和系统互连逆变器30的方框图。如图5所示，发电机控制器20具有AC/DC转换器21、流量检测部23、流量指令决定部24、流量控制部25、交流电压检测部32和电压上升判断部33。即，在第一实施方式中交流电压检测部32和电压上升判断部33设在系统互连逆变器30中，但在本实施方式中设在发电机控制器20中。
伴随该改变，在本实施方式中，电压上升判断部33的比较结果的发送目的地变为流量指令决定部24。该流量指令决定部24根据从电压上升判断部33发送来的比较结果，生成新的流量指令值Q1*。可以想到例如用事先已在所述程序内定义好的、函数或后述的特性图表M来生成流量指令值Q1*。需要说明的是，构成发电机控制器20的其他构成要素的功能与第一实施方式中相同。
〈系统互连逆变器30〉
如图5所示，系统互连逆变器30具有逆变部31。逆变部31的构成与第一实施方式中相同。
〈对电力(交流电压)和流量的控制〉
图6是示出在第二实施方式的水力发电系统10中进行的电力控制和流量控制的流程图。在该流程图所示的步骤S11中，流量控制部25对AC/DC转换器21的开关进行控制，以使发电机G的发电电力达到目标值，并对第二电动阀16的开度进行控制，以使管道1的总流量QT达到目标总流量QT*。即，该步骤S11的控制与第一实施方式的步骤S01相同。
在步骤S12中，交流电压检测部32检测交流电压值Vac。在本实施方式中，发电机控制器20检测交流电压值Vac。在步骤S13中，电压上升判断部33对交流电压值Vac与第一阈值Th1进行比较。电压上升判断部33的比较结果输出到流量指令决定部24。
当步骤S13的比较结果是交流电压值Vac大于第一阈值Th1时，则进行步骤S14的处理。在该步骤S14中，流量控制部25对AC/DC转换器21的开关进行控制，使要逆流的电力(电压)下降(将该运转称为发电电力抑制运转)。具体而言，在步骤S14中，流量指令决定部24根据交流电压值Vac与其目标值之差，生成新的流量指令值Q1*，并将其发送至流量控制部25。此处，流量指令值Q1*会减小。需要说明的是，可以采用与第一实施方式相同的方法生成流量指令值Q1*。
当步骤S14的处理结束后，发电机控制器20的处理移到步骤S11(此时可以认为步骤S11也是所述发电电力抑制运转的一环)。在该步骤S11中，如上所述，根据流量指令值Q1*对AC/DC转换器21的开关进行控制。当从步骤S14的处理移到步骤S11的处理时，流量指令值Q1*得到改变，水轮机W的扭矩值T、转速N发生变化，流量Q1下降。其结果是，发电机G的发电电力下降，配电线的电压落入电压限制范围Vr内。另一方面，流量控制部25对第二电动阀16的开度进行控制，管道1的总流量QT收敛于目标总流量QT*。也就是说，在本实施方式中，既能够将要逆流的电力(配电线的电压)控制在期望值，又能够将总流量QT维持在目标总流量QT*。
需要说明的是，当步骤S13的比较结果是交流电压值Vac≤第一阈值Th1时，则进行步骤S15的处理。步骤S15中进行的处理与第一实施方式的步骤S08相同，流量指令决定部24修正流量指令值Q1*，以使被抑制的电力复原。具体而言，流量指令决定部24使流量指令值Q1*恢复到原来的值(额定输出时的值)，以使发电机G达到额定输出。与此相应地，流量控制部25对AC/DC转换器21进行控制。在逆变部31还根据发电机G的额定输出进行切换，而使得逆变部31进行额定输出。
〈本实施方式的效果〉
如上所述，在本实施方式的水力发电系统10中，也是既能够将流体的物理量(此处为总流量QT)维持在期望值，又能够对电力(配电线的电压)进行控制。
而且，在本实施方式中，当需要抑制电力时，不用等逆变部31进行电力抑制，AC/DC转换器21的输出就会得到抑制，因此不需要设置再生电阻器40，而能够使水力发电系统10的构成紧凑。
(发明的第三实施方式)
在本发明的第三实施方式中，说明不使用第一流量计17和第二流量计18的控制例。为了进行该控制，在本实施方式中，在流量控制部25的存储装置中存储有特性曲线M(参照图7)。该特性曲线M是在纵轴为管道1的有效水头H、横轴为从管道1流出的流量(即总流量QT)的H－Q曲线上，记录在发电机G中可检测出的且与水轮机W的流量Q1和有效水头H相关的特性而得到的曲线。在该例中，与流量Q1和有效水头H相关的特性有发电机G的扭矩值T、转速N和发电电力P。更具体而言，本实施方式的特性曲线M是将多个等扭矩曲线和多个等转速曲线记录到H－Q曲线上而得到的，并以表(table)、程序内的公式(函数)的形式存储在构成流量控制部25的存储装置中。
在该特性曲线M中，不对发电机G施加负荷且扭矩值为零(T＝0)时的飞逸转速曲线(unrestrained speed curve)与零转速(N＝0)的等转速曲线(将N＝0时的等转速曲线命名为动作极限曲线)之间的区域是水轮机W因水流而旋转的水轮机区域(可运转区域)，在该水轮机区域，发电机G基本上被水轮机W驱动着旋转而进行运转。所述飞逸转速曲线左侧的区域是水轮机制动区域(动力运行区域)。
在所述水轮机区域，多条等扭矩曲线沿所述飞逸转速曲线(T＝0)延伸，在曲线上，扭矩值也随Q1增大而增大。多条等转速曲线沿零转速(N＝0)的等转速曲线延伸，有效水头H越大则转速越高。而且，虚线所示的等发电电力曲线是向下突出的曲线，随着有效水头H和流量Q1增大，发电电力也增大。连结上述多条等发电电力曲线的顶点而成的曲线E是发电机G得到最大发电电力时的最大发电电力曲线。在该H－Q曲线上记录发电机G的扭矩值T、转速N、发电电力P而得到的特性曲线M与水力发电系统10所连接的管道1无关，是水力发电系统10固有的特性曲线。
在特性曲线M上，记录实际运转中测量到的管道1的系统损耗曲线S。该系统损耗曲线也以表(table)、程序内的公式(函数)的形式存储在构成流量控制部25的存储装置中。
系统损耗曲线S是图1所示的管道1固有的流动阻力特性线，总流量QT＝0时的有效水头H是总水头Ho，具有有效水头H随总流量QT增大而呈二次曲线式减小的特性，其曲率具有图1中的管道1固有的值。包括水力发电系统10的管道1的总流量QT和此时的有效水头H与系统损耗曲线S上的点对应。例如，使第二电动阀16成为完全关闭状态，让水仅流入水轮机W，则水轮机W的流量即为包括水力发电系统10的管道1的总流量QT，此时的水轮机W的流量Q1和有效水头H所对应的点在系统损耗曲线S上。换言之，水轮机W的运转点在系统损耗曲线S上。
如果让流体(水)流入水轮机W和第二支管13这两者，则水轮机W的流量与第二支管13的流量的合计值即包括水力发电系统10的管道1的总流量QT，总流量QT和此时的有效水头H与系统损耗曲线S上的点对应，则水轮机W的运转点不在系统损耗曲线S上。
例如，如果知道发电机G的转速N和当前的扭矩值T，就能够利用特性曲线M得知水轮机W的运转点，由此能够得知水轮机W当前的流量Q1。这样一来，也就能够得知总流量QT、第二支管13的流量Q2。
具体见图7，当前的运转点是与当前的转速N对应的等转速曲线和与当前的扭矩值T对应的等扭矩曲线的交点。与该运转点对应的横轴刻度值即流量Q1a为水轮机W的流量Q1。求出经过运转点且与横轴平行的线和系统损耗曲线S的交点，与该交点对应的横轴刻度值即流量QTa为此时的总流量QT。QTa－Q1a即为此时的第二支管13的流量Q2。
只要定下目标发电电力，就能够利用特性曲线M决定水轮机W的运转点。这样一来，如上所述，就能够决定应流入水轮机W的流体的流量，从而能够将该值用作流量指令值Q1*。例如，经过与当前的总流量QT(设为流量QTa)对应的系统损耗曲线S上的点且与横轴平行的线和与目标发电电力对应的等发电电力线的交点即为目标运转点(参照图7)。如果目标运转点已定，则与该运转点对应的横轴刻度值即流量Q1a为用于得到目标发电电力的流量指令值Q1*。
需要说明的是，有效水头H与水轮机W前后的压力差成比例关系，因此在纵轴上取水轮机W前后的压力差(有效压力差)的系统损耗曲线等价于在纵轴上取有效水头H的系统损耗曲线S。即，可以使用在纵轴上取水轮机W前后的压力差且在横轴上取总流量QT的系统损耗曲线。
发电机G的特性曲线M上的运转点可以利用转速N与发电电力P的组合、扭矩值T与发电电力P的组合确定。也就是说，用于特性曲线M的发电机G的特性只要是与水轮机W的流量Q1和有效水头H相关的发电机G的特性且为可检测出的特性即可。
如果能够使水轮机W的流量Q1和有效水头H与发电机G的特性(可检测的特性)对应起来，则对于构成水力发电系统10的水轮机W和发电机G的类型并没有特别限定。例如，即使不能利用发电机G改变水轮机W的运转，也能够像本实施方式那样推定流量Q1和有效水头H。
〈本实施方式的效果〉
如果将本实施方式中说明的总流量QT等的推定技术应用到第一实施方式、第一实施方式的变形例或第二实施方式的水力发电系统10中，则不使用第一流量计17和第二流量计18，就能够得知水轮机W的流量Q1和第二支管13的流量Q2。即，在本实施方式中，能够进行不使用第一流量计17和第二流量计18的控制，从而能够省略第一流量计17和第二流量计18。即，在本实施方式中，能够降低水力发电系统10的成本。
(发明的第四实施方式)
在本发明的第四实施方式中，对水力发电系统10的例子进行说明，该水力发电系统10能够将由管道1供给的流体的压力(即流体的物理量，此处命名为供给压力)维持在期望值(目标压力P*)，并能够对要逆流的电力进行控制。本实施方式的水力发电系统10例如是作为替代设在上水道4上的减压阀的装置而设的，通过布置该水力发电系统10，就能够将未得到利用的流体能量作为电力回收起来。
图8示出包括本发明的第四实施方式的水力发电系统10的管道1的整体简要构成。如图8所示，本实施方式的管道1连接有流入管11、流出管14。流入管11的流入端与储水槽2相连。流出管14的流出端与接水槽3相连。
在流入管11上，按照从上游朝向下游的顺序依次连接有入口侧压力计50、第一电动阀15和水轮机W(具体而言是水轮机W的流体流入口)。也就是说，第一电动阀15与水轮机W串联。水轮机W的流体排出口与流出管14相连。在该流出管14的中途，连接有出口侧压力计51。入口侧压力计50检测供往水轮机W的流体的压力P1，出口侧压力计51检测从水轮机W流出的流体的压力P2。出口侧压力计51的检测值相当于所述供给压力。该出口侧压力计51的检测值(供给压力＝压力P2)是本发明的“流体信息”之一例，其“包括与从流路流出的所述流体的物理量相关的信息”。出口侧压力计51是本发明的流体信息获取部之一例。
第一电动阀15利用电动马达驱动阀体来对流体的流量进行控制。第一电动阀15的开度由后述的发电机控制器20控制。这样一来，流入水轮机W的流体的流量就得到控制。即，该第一电动阀15是本发明的流量控制阀之一例。
图9示出第四实施方式的水力发电系统10的电力系统图。如图9所示，该水力发电系统10具有发电机控制器20和系统互连逆变器30。系统互连逆变器30的构成与第一实施方式中相同，但发电机控制器20的构成与第一实施方式不同。具体而言，在本实施方式的发电机控制器20中，设有压力检测部26来替代第一实施方式的流量检测部23，并且设有压力控制部27来替代流量控制部25。
压力检测部26读取入口侧压力计50和出口侧压力计51的检测值，并周期性地或根据压力控制部27的要求，将检测值发送至压力控制部27。压力控制部27像后述那样对第一电动阀15的开度和AC/DC转换器21的开关进行协同控制，由此将供给压力维持在期望值，并对要逆流的电力进行控制。
在本实施方式的水力发电系统10中，也是当电力系统5的配电线的交流电压值Vac快要超过电压限制范围Vr的上限值时，则进行抑制向电力系统5所供给的电力的发电电力抑制运转。具体而言，在本实施方式中，也是当系统互连逆变器30的交流电压检测部32检测到的交流电压值Vac超过规定的第一阈值Th1时，就利用系统互连逆变器30对向电力系统5供给的电力进行抑制。如果利用系统互连逆变器30抑制电力的结果是直流电压Vdc超过规定的第二阈值Th2的话，则发电机控制器20也会进行发电电力抑制运转。为了判断该发电电力抑制运转必要与否，直流电压检测部22的检测值被发送至该压力控制部27。
〈对电力(交流电压)和压力的控制〉
－压力控制的概念－
图10示出用于说明本实施方式的控制的概念的特性曲线M。在水力发电系统10中，当抑制电力时，如果能够将水轮机W的有效水头H与第一电动阀15的有效水头Hv之和控制在固定值，就能够将所述供给压力维持在期望值，并能够对要逆流的电力进行控制。由图10可知，只要使水轮机W的运转点从当前的运转点向正下方移动即可。
然而，如上所述，系统损耗曲线S是类似二次曲线的曲线，就本实施方式的管道1而言，水轮机W的运转点在系统损耗曲线S上移动。因此，仅靠对AC/DC转换器21的开关进行控制，无法使水轮机W的有效水头H与第一电动阀15的有效水头Hv之和成为固定值。于是，在本实施方式中，还进一步对第一电动阀15的开度进行控制，由此使系统损耗曲线S本身像图10所示的那样发生变化。也就是说，在本实施方式中，通过对第一电动阀15的开度和AC/DC转换器21的开关进行协同控制，从而使运转点从当前的运转点向正下方移动。
具体而言，在本实施方式中，压力控制部27边监测出口侧压力计51的检测值(压力检测部26的输出)，边调节第一电动阀15的开度并对AC/DC转换器21的输出电力进行控制(协同控制)，以使检测值达到(或接近)目标压力P*。此处，压力控制部27在调节第一电动阀15的开度和对AC/DC转换器21的输出电力进行控制时，可以使用反馈控制。
需要说明的是，水轮机W的有效水头H例如可以利用上述特性曲线M求出。当要使水轮机W的有效水头H与第一电动阀15的有效水头Hv之和为固定值时，如果定下水轮机W的有效水头H，就能够决定第一电动阀15的有效水头Hv的目标值。第一电动阀15的有效水头Hv和第一电动阀15的开度是一对一的对应关系，因此如果能够定下有效水头Hv的目标值，就能够决定第一电动阀15的开度。
－控制动作－
在该水力发电系统10中，也是电压上升判断部33监测交流电压检测部32的检测值，如果交流电压值Vac超过第一阈值Th1，就利用系统互连逆变器30进行发电电力抑制运转。另一方面，压力控制部27监测直流电压检测部22的检测值，例如，当系统互连逆变器30进行发电电力抑制运转的结果是直流电压检测部22的检测值超过规定的第二阈值Th2时，就利用发电机控制器20进行发电电力抑制运转。
在发电机控制器20的发电电力抑制运转中，压力控制部27使水轮机W的有效水头H减小，由此使发电电力下降。这样一来，如果水轮机W的有效水头H改变，则水轮机W的有效水头H与第一电动阀15的有效水头Hv之和也会变化，因此压力控制部27对第一电动阀15的有效水头Hv的目标值进行改变。具体而言，边监测出口侧压力计51的检测值(压力检测部26的输出)，边调节第一电动阀15的开度以使检测值达到目标压力P*。这样一来，在管道1中，供给压力就会被维持在规定的目标压力P*。
需要说明的是，在本实施方式中，也是当进行发电电力抑制运转时，利用再生电阻器40消耗电力。打开与再生电阻器40相连的开关SW的时间既可以是像第一实施方式那样利用系统互连逆变器30进行电力抑制时，也可以是像第一实施方式的变形例那样利用发电机控制器20进行电力抑制时。
〈本实施方式的效果〉
如上所述，利用本实施方式的水力发电系统10，能够将流体的物理量(此处为供给压力)维持在期望值(目标压力P*)，并能够对电力(配电线的电压)进行控制。
需要说明的是，在本实施方式中，也可以像第二实施方式那样，将发电机控制器20和系统互连逆变器30构成为：在发电机控制器20检测交流电压值Vac来对电力进行控制。这样一来，就能够省略再生电阻器40。
(其他实施方式)
需要说明的是，水力发电系统10不仅能够设置在作为封闭流路之一例的管道1上，还能够设置在开放流路、混合有封闭流路(例如管道)和开放流路的流路上。可以想到的一个示例为在农业用水路上设置水力发电系统10。
此外，向水轮机W供给的流体不限于水。例如，还可以想到将大楼等的空调装置所使用的不冻液用作流体。
此外，作为流体的物理量而说明的流量和压力仅为示例。
此外，水力发电系统10的设置地点不限于上水道4。
此外，还可以将第一实施方式、第一实施方式的变形例、第二和第三实施方式中的任一构成(对总流量进行恒定控制的构成)与第四实施方式的构成(对供给压力进行恒定控制的构成)组合起来。
此外，可以从各种观点出发来决定向电力系统5供给的电力(要卖的电力)的大小。例如，当要卖的是全部“发电电力”时(当将发电电力全部供往电力系统时)，则对“发电电力”进行控制，以使“供往电力系统5的电力”＝“发电电力”＜“电力系统5可接受的电力”。
另一方面，当由自家消耗发电电力(以下将自家消耗掉的电力称为“自家消耗电力”)，并将剩余的电力(以下称为“剩余电力”)供往电力系统5时，则“剩余电力”＝“发电电力”－“自家消耗电力”，对“发电电力”进行控制，以使“向电力系统供给的电力”＝“剩余电力”＜“电力系统5可接受的电力”。此时，用于确定“自家消耗电力”的信息例如可以通过实际测量、根据过去的需求数据推测、用事先估计的最大自家消耗电力代替等方法得到。需要说明的是，当由自家消耗“发电电力”时，除了再生电阻器40以外，还能够将根据要求增加功耗的电气设备用作“耗电部”。
此外，当要将流体的物理量(例如管道1的总流量QT)控制在“期望值”时，该“期望值”可以是单一值(一个常数值)，也可以是例如像规定的阈值以下、规定的阈值以上、规定范围内的值那样具有幅度的值。
此外，除了电力系统5的配电线的电压值(交流电压值Vac)以外，还可以将电力系统5的配电线的电压频率、电力系统5的配电线的电压相位、电力系统5的配电线的功率因数、电力、来自电力公司的对逆流电力的抑制要求、与电力公司的合同中规定的发电电力上限值等用作“电力供需信息”。
－产业实用性－
本发明作为水力发电系统很有用。
－符号说明－
1 管道(流路)
5 商用电源(电力系统)
10 水力发电系统
13 第二支管(旁通路)
15 第一电动阀(流量控制阀)
17 第一流量计(流体信息获取部)
18 第二流量计(流体信息获取部)
20 发电机控制器(控制部)
30 系统互连逆变器(控制部)
32 交流电压检测部(电力信息获取部)
40 再生电阻器(耗电部)
G 发电机
W 水轮机(流体机械)

Claims (5)

1.一种水力发电系统，其特征在于，包括：
流体机械(W)，所述流体机械(W)布置在供流体流动的流路(1)中；
发电机(G)，所述发电机(G)由所述流体机械(W)驱动；
控制部(20、30)，所述控制部(20、30)进行所述发电机(G)的发电电力的控制，并且将所述发电机(G)发出的电力供给至电力系统(5)；
AC/DC转换部(21)，所述AC/DC转换部(21)将由所述发电机(G)发出的交流电力转换成直流电力；
逆变部(31)，所述逆变部(31)接受来自所述AC/DC转换部(21)的直流电力，将该直流电力转换成交流电力；以及
所述流体机械(W)的旁通路(13)，所述旁通路(13)设置于所述流路(1)，
所述控制部(20、30)对所述电力系统(5)的交流电压值(Vac)进行检测，
所述控制部(20、30)将所述交流电压值(Vac)与第一阈值(Th1)进行比较，
在所述交流电压值(Vac)大于所述第一阈值(Th1)的情况下，所述控制部(20、30)进行所述AC/DC转换部(21)中的开关的控制而使向所述电力系统(5)逆流的电力降低，并且控制所述旁通路(13)的流量以使所述流路(1)的总流量(QT)达到目标总流量(QT*)。
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(20、30)根据关于所述发电机(G)的可检测出的、且与所述流体机械(W)的流量(Q1)和有效水头(H)相关的特性，来推定所述流体机械(W)的所述流量(Q1)和所述有效水头(H)，并根据示出所述有效水头(H)与所述流路(1)的总流量(QT)之间关系的流动阻力特性线(S)、及推定出的所述流量(Q1)和所述有效水头(H)，来推定所述总流量(QT)。
3.根据权利要求1或2所述的水力发电系统，其特征在于：
所述流路(1)为管道，
所述水力发电系统具有流量控制阀(15)，所述流量控制阀(15)与所述流体机械(W)串联，并对流入该流体机械(W)的所述流体的流量进行控制，
所述控制部(20、30)通过对所述流量控制阀(15)的开度进行控制，来使从所述流路(1)流出的所述流体的压力(P2)接近规定的目标压力(P*)。
4.根据权利要求1到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(20、30)对所述流体机械(W)的流量(Q1)进行控制，以使供往所述电力系统(5)的电力达到期望值。
5.根据权利要求3所述的水力发电系统，其特征在于：
所述控制部(20、30)对所述流量控制阀(15)的开度进行控制，并对所述发电电力进行控制，以使供往所述电力系统(5)的电力达到期望值。
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