JP2007068386A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水力発電装置において、簡単な構成でエネルギー変換効率を高くする。
【解決手段】回転数検出器２０により検出された水車１２の回転数とデータ記憶部２１に記憶されている水車１２の回転数と各回転数において水車１２の回転により生成可能な最大の電力の値との関係とを参照してバッテリー１６に充電すべき電力の値を導出し、除算器２３においてこの電力の値を電圧検出器１８により検出されたバッテリー１６の電圧の値で除して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に流れるべき電流の値を導出する。さらに、この電流の値と電流検出器１７により検出された電流の値との差が小さくなるように導通率決定部１４においてスイッチング素子３１の導通率を決定する。そして、決定された導通率に基づいてスイッチング素子駆動部２５よりスイッチング素子３１を駆動させてＤＣ−ＤＣコンバータ１５に流れる電流を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水車を回転させることにより発電を行う水力発電装置に関する。

水車を回転させることにより水車に接続された交流発電機を回転させて発電を行う水力発電装置においては、水車に当たる直前の水の速度と水車の回転速度（回転数）とが水車の構造などにより決まる一定の関係にある場合にエネルギー変換効率が最大となる。そして、このような水力発電装置において、エネルギー変換効率を最大にするために、水車に当たる直前の水の速度と水車の回転速度とを制御しているものがある。例えば、特許文献１に記載の水路式発電システム（水力発電装置）では、プロペラ型水車に流れ込む水の流量を一定にすることによってプロペラ型水車に当たる直前の水の速度を一定にするとともに、同期発電機（交流発電機）により生成される電圧の周波数を一定にすることによって同期発電機に接続されたプロペラ型水車の回転速度を一定にして発電を行っている。

特開２００２−３５４６９５号公報（図１）

しかしながら、特許文献１に記載の水路式発電システムでは、水車に流れ込む水の流量を直接制御する装置、同期発電機の回転数を直接制御する装置などを設ける必要があり、装置全体の構成が複雑になってしまう。

本発明の目的は、エネルギー変換効率が高く且つ構成が簡単な水力発電装置を提供することである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の水力発電装置は、水が流れる水路と、水路に設けられ、水路に流れる水によって回転する水車と、水車に接続され、水車が回転したときに交流電力を生成する交流発電機と、交流発電機が生成した交流電力から直流電力を生成する整流器と、両端が導通した導通状態と両端が導通しない非導通状態とを切り替えることが可能なスイッチング素子を有し、スイッチング素子が導通状態になっている時間の割合を示す導通率の制御により電流が調整されるように構成され、整流器により生成された直流電圧の値を変換する電力変換回路と、電力変換回路により電圧の値が変換された直流電力により充電されるバッテリーと、バッテリーの電圧の値を検出する電圧検出手段と、水車の回転数を検出する回転数検出手段と、スイッチング素子の導通率を制御する導通率制御手段とを備えている。導通率制御手段は、回転数検出手段が検出した回転数からバッテリーに充電すべき電力の値を導出する電力導出手段と、電力導出手段により導出された電力の値、及び、電圧検出手段により検出された電圧の値から、電力変換回路に流れるべき電流の目標値を導出する目標電流導出手段と、電力変換回路に目標値の電流が流れるようにスイッチング素子の導通率を決定する導通率決定手段と、導通率決定手段により決定されたスイッチング素子の導通率だけ、スイッチング素子が導通状態になるようにスイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動手段とを備えている。

水の速度と水車の回転速度とが水車の構造などにより決まる一定の関係にあると、エネルギー変換効率は最大になる。したがって、各々の水の速度に対して、水車の回転により生成可能な電力が最大になる水車の回転数が存在する。逆算すると、各水車の回転数において水車の回転により生成可能な電力の最大値が存在する。これによると、各々の水車の回転数において水車の回転により生成可能な電力の最大値がバッテリーに充電される電力の値よりも大きい場合には水車に加速トルクを発生させ、水車の回転により生成可能な電力の最大値がバッテリーに充電される直流電力の値よりも小さい場合には水車に減速トルクを発生させることができる。したがって、水車の回転数に対応させてバッテリーに充電すべき電力を変化させていくと、水の速度が変化した場合に充電電力を自動調整することができ、よりエネルギー変換効率が高くなるように水車の回転速度を制御することができる。また、このような水力発電装置においては、水車に流れ込む水の流量や水車の回転数を直接制御するための装置を設ける必要がなく構成が簡単になる。

また、本発明の水力発電装置においては、導通率制御手段が、水車の回転数とバッテリーに充電すべき電力の値との関係を記憶する電力記憶手段をさらに有し、電力導出手段が、回転数検出手段が検出した回転数、及び、電力記憶手段に記憶された水車の回転数と電力の値との関係からバッテリーに充電すべき電力の値を導出してもよい。これによると、水車の回転数からバッテリーに充電すべき電力の値を容易に導出することができる。

このとき、電力記憶手段に記憶されている電力の値が、各々の水車の回転数において水車の回転により生成可能な最大の電力の値であってもよい。これによると、さらにエネルギー変換効率が高くなるように水車の回転速度を制御することができる。

又は、このとき、電力記憶手段に記憶されている電力の値が、各々の水車の回転数において水車の回転により生成可能な最大の電力の値から水車の回転数に応じて発生する損失電力の値を減じた値であってもよい。これによると、損失電力を考慮しているため、さらにエネルギー変換効率が高くなるように水車の回転速度を制御することができる。

また、本発明の水力発電装置においては、導通率制御手段が、水車の回転数とバッテリーに充電すべき電力の値のトルクへの換算値との関係を記憶するトルク記憶手段をさらに有し、回転数検出手段が検出した回転数、及び、トルク記憶手段に記憶された水車の回転数とトルクの値との関係からバッテリーに充電すべき電力の値のトルクへの換算値を導出し、さらに、導出されたトルクの値に水車の回転数により決定される水車の角速度を乗ずることによってバッテリーに充電すべき電力の値を導出してもよい。これによると、回転数が変化したときのトルクの値の変化量は電力の値の変化量よりも小さいので、記憶手段の容量を小さくすることができる。

このとき、トルク記憶手段に記憶されているトルクの値が、各々の水車の回転数において水車の回転により生成可能な最大の電力の値のトルクへの換算値であってもよい。これによると、さらにエネルギー変換効率が高くなるように水車の回転速度を制御することができる。

又は、このとき、トルク記憶手段に記憶されているトルクの値が、各々の水車の回転数において水車の回転により生成可能な最大の電力の値から水車の回転数に応じて発生する損失電力の値を減じた値のトルクへの換算値であってもよい。これによると、損失トルクを考慮しているため、さらにエネルギー変換効率が高くなるように水車の回転速度を制御することができる。

また、本発明の水力発電装置においては、電力変換回路に流れる電流の値を検出する電流検出手段をさらに有し、導通率決定手段が、電流検出手段が検出した電流の値と目標電流導出手段が導出した電流の目標値との差が小さくなるように、スイッチング素子の導通率を決定してもよい。これによると、電力変換回路に流れる電流を確実に制御することができる。

また、本発明の水力発電装置においては、回転数検出手段が検出した回転数が第１基準値よりも大きいときに異常が発生したと判定し、回転数検出手段が検出した回転数が第１基準値以下のときに異常が発生していないと判定する異常判定手段と、交流発電機の回転を抑制する制動状態と交流発電装置の回転を抑制しない非制動状態とをとることが可能な制動装置とをさらに有し、制動装置が、予め制動状態をとっており、異常判定手段により異常が発生していないと判定されたときに制動状態から非制動状態に切り替わってもよい。これによると、異常判定手段により異常が発生していないと判定されるまで、制動装置が制動状態をとり、交流発電機の回転が抑制されるため、流量・水頭が定格よりも大きくなり、水のエネルギーが定格を超える場合であっても、水車や交流発電機の回転数が大きくなりすぎて、停止不能になったり、水車や交流発電機が損傷したりするのを防止することができる。

また、本発明の水力発電装置においては、異常判定手段により異常が発生したと判定されたときに、異常が発生したことを表示する異常表示手段をさらに有していてもよい。これによると、ユーザは異常が発生したことを容易に知ることができる。

また、本発明の水力発電装置においては、異常判定手段が、起動後、一定時間が経過したときに、異常が発生しているか否かを判定してもよい。これによると、水路に十分な水が流れ込む前の水車の回転数が十分に上がりきっていない状態で異常の判定を行うことがなく、異常が発生しているか否かを確実に判定することができる。

又は、異常判定手段が、回転検出手段が検出した回転数が第１基準値よりも小さい第２基準値よりも大きくなった後、一定時間が経過したときに異常が発生しているか否かを判定してもよい。これによると、水路に十分な水が流れ込む前の水車の回転数が十分に上がりきっていない状態で異常の判定を行うことがなく、異常が発生しているか否かを確実に判定することができる。

又は、異常判定手段が、ユーザにより指示されたときに、異常が発生しているか否かを判定してもよい。これによると、水路に十分な水が流れ込んだ後にユーザが指示を出すことにより、水路に十分な水が流れ込む前の水車の回転数が十分に上がりきっていない状態で異常の判定を行うことがなく、異常が発生しているか否かを確実に判定することができる。

また、本発明の水力発電装置においては、複数の制動装置を有し、複数の制動装置が予め制動状態をとっていてもよい。これによると、複数の制動装置により、交流発電機に大きな制動トルクを発生させることができる。

このとき、異常判定手段により異常が発生していないと判定されたときに、複数の制動装置が、１つずつ順に制動状態から非制動状態に切り替わってもよい。これによると、交流発電機に発生する制動トルクが徐々に小さくなるため、交流発電機を通常の発電にスムーズに移行させることができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の好適な第１の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明における実施の形態に係る水力発電装置の概略構成図である。図１に示すように、水力発電装置１００は、水路１１、水車１２、同期発電機１３、整流器１４、ＤＣ−ＤＣコンバータ（電力変換回路）１５、バッテリー１６、電流検出器１７、電圧検出器１８、導通率制御装置１９及び回転数検出器２０を有する。

水路１１には水が流れており、水路１１に流れる水によって水車１２が回転する。水車１２が回転すると、水車１２に接続された同期発電機（交流発電機）１３が回転する。同期発電機１３は、例えば三相同期発電機であり、水車１２とともに回転することによって三相交流電圧を整流器１４に出力する（交流電力を生成する）。整流器１４は、例えば三相全波整流ブリッジ回路であり、同期発電機１３により生成された三相交流電圧から１つの直流電圧を生成して（直流電力を生成して）ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１５は降圧型のもので、スイッチング素子３１、コンデンサ３２、３３、ダイオード３４及びコイル３５を有しており、整流器１４により生成された直流電圧の値を変換する。スイッチング素子３１は、例えばトランジスタのような半導体素子であり、両端が導通した導通状態と両端が導通しない非導通状態とをとることができ、後述するスイッチング素子駆動部２６により導通状態と非導通状態とが繰り返し切り替えられる。

スイッチング素子３１が非導通状態から導通状態に切り替わると、整流器１４において生成された直流電圧がコンデンサ３２によりそのリプルが取り除かれ、リプルが取り除かれた直流電圧によりスイッチング素子３１、コイル３５及びコンデンサ３３に直流電流が流れ、コンデンサ３３には直流電圧が印加される。電流が流れ始める際、コイル３１にはこの電流の流れを妨げる方向に誘導電圧が発生し、この誘導電圧は時間とともに小さくなっていくため、流れる電流は時間とともに大きくなり、コンデンサ３３に印加される電圧も時間とともに大きくなる。ただし、コンデンサ３３に印加される電圧の値はＤＣ−ＤＣコンバータ１５に入力される電圧の値以上にはならない。

ここでスイッチング素子３１を導通状態から非導通状態に切り替えると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に入力された電圧はコンデンサ３３、ダイオード３４及びコイル３５には印加されなくなるが、コイル３５において誘導電圧が発生し、ダイオード３４、コイル３５及びコンデンサ３３に電流が流れる。コイル３５において発生した誘導電圧は時間とともに小さくなっていくので、コンデンサ３３に印加される電圧は時間とともに小さくなる。したがって、スイッチング素子３１の導通状態と非導通状態とを切り替えるタイミングを変化させることによって、コンデンサ３３に印加される電圧の値を変化させることができる。つまり、スイッチング素子３１が導通状態になっている時間の割合を示す導通率を制御することにより、入力された直流電圧の値を変化させることができる。そして、コンデンサ３３に印加された電圧によりバッテリー１６が充電され、バッテリー１６により負荷１０１に電圧が印加される。

電流検出器１７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に流れる電流の値を検出する。電圧検出器１８はバッテリーの電圧の値を検出する。回転数検出器２０は、水車１２の回転数を検出する。電流検出器１７によって検出された電流の値、電圧検出器によって検出された電圧の値、及び、回転数検出器２０によって検出された回転数は、後述するように導通率制御装置１９によって参照される。

導通率制御装置１９は、マイクロコンピュータにより以下に説明するデータ記憶部２１、電力導出部２２、除算器２３、導通率決定部２４及びスイッチング素子駆動部２５の各機能を実装したものあり、スイッチング素子３１の導通率を制御する。

データ記憶部２１には、水車１２の回転数と各々の水車の回転数において水車１２の回転により生成することが可能な電力の最大値との関係のデータが記憶されている。この関係は、計算、シミュレーション、実験などにより求めることができ、図２に示すように、水車１２の回転により生成することが可能な電力の最大値は水車１２の回転数のおよそ３乗に比例することが知られている。なお、本実施の形態ではデータ記憶部２１が本発明に係る電力記憶手段に相当する。

電力導出部２２は、バッテリー１６に充電すべき電力の値を導出する。具体的には、データ記憶部２１に記憶されたデータを参照して、回転数検出器２０により検出された水車１２の回転数に対応する電力の値をバッテリー１６に充電すべき電力の値として導出する。

除算器２３は、電力導出部２２において導出した電力の値を、電圧検出器１８により検出した電圧の値で除することによってＤＣ−ＤＣコンバータ１５に流れるべき電流の目標値を導出する。つまり、除算器２３が本発明に係る目標電流導出手段に相当する。

導通率決定部２４は、電流検出器１７により検出されたＤＣ−ＤＣコンバータ１５に実際に流れる電流の値が、除算器２３により導出されたＤＣ−ＤＣコンバータ１５に流れるべき電流の目標値に近づくように、スイッチング素子３１の導通率を決定する。より詳細には、除算器２３により導出された電流の目標値から電流検出器１７により検出された電流の値を減じた値が正の場合にはスイッチング素子３１の導通率を増加させ、負の場合にはスイッチング素子３１の導通率を減少させる。そして、導通率決定部２４により決定された導通率だけスイッチング素子３１が導通状態となるように、スイッチング素子駆動部２５がスイッチング素子３１の導通状態と非導通状態とを繰り返し切り替える。

次に、水力発電装置１００の動作について説明する。水力発電装置１００においては、水路１１に水が流れると、水車１２が回転して同期発電機１３によって交流電力が生成される。そして、生成された交流電力は、前述のように整流器１４において直流電力に変換され、さらにＤＣ−ＤＣコンバータ１５においてその電圧の値が変換されて、この電力によってバッテリー１８が充電される。

このとき、バッテリー１６に充電されるべき電力の値は、前述のように回転数検出器２０により検出された水車１２の回転数と、データ記憶部２１に記憶されたデータとにより電力導出部２２において導出されている。さらに、バッテリー１６に充電される電力の値がこの導出された電力の値になるように、除算器２３によりＤＣ−ＤＣコンバータ１５に流れるべき電流の値が導出され、導出された電流の値と電流検出器１７により検出された電流の値とにより導通率決定部２４においてスイッチング素子３１の導通率が決定される。そして、スイッチング素子３１がこの導通率だけ導通状態になるように、スイッチング素子駆動部２５において、スイッチング素子３１の導通状態と非導通状態とが繰り返し切り替えられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に流れる電流の値が制御される。

ここで、バッテリー１６に充電される電力の値が、各時点の水車１２の回転数において水車１２の回転により生成することが可能な最大の電力の値よりも小さいときには、水路１１を流れる水により水車１２つまり同期発電機１３に与えられるエネルギーよりも、同期発電機１３からＤＣ−ＤＣコンバータ１５により取り出されるエネルギーの方が小さいことになる。したがって、水路１１に流れる水により水車１２に与えられたエネルギーのうち、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５により取り出されていない分により水車１２に加速トルクが発生し、水車１２の回転数は増加する。

一方、バッテリー１６に充電される電力の値が、各時点の水車１２の回転数において水車１２の回転により生成することが可能な最大の電力の値よりも大きいときには、水路１１を流れる水により水車１２つまり同期発電機１３に与えられるエネルギーよりも、同期発電機１３からＤＣ−ＤＣコンバータ１５により取り出されるエネルギーの方が大きいことになる。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５により取り出されるエネルギーのうち、水路１１に流れる水により水車１２に与えられるエネルギーでは足りない分が水車１２の回転エネルギーから補われる。つまり、水車１２には減速トルクが発生し、水車１２の回転数は減少する。

また、データ記憶部２１に記憶されている電力の値が、各々の水車１２の回転数において水車１２の回転により生成可能な最大の電力の値であるため、このような動作を繰り返し行うことにより、各時点の水車１２の回転数において水車１２の回転により生成することが可能な最大の電力の値と、バッテリー１６に充電される電力の値とが近づく。すなわち、水力発電装置１００において最大効率で発電が行われる。

以上に説明した実施の形態によると、各時点の水車１２の回転数において水車１２の回転により生成可能な電力の最大値がバッテリー１６に充電される電力の値よりも大きい場合には水車１２に加速トルクを発生させ、各時点の水車１２の回転数において水車１２の回転により生成可能な電力の最大値がバッテリー１６に充電される電力の値よりも小さい場合には水車１２に減速トルクを発生させることによって、エネルギー変換効率が高くなるように水車１２の回転速度を制御することができる。また、このような水力発電装置１００においては、水車１２に流れ込む水の流量や水車１２の回転数を直接制御するための装置を設ける必要がなく構成が簡単になる。

また、導通率決定部２４において、電流検出器１７により検出したＤＣ−ＤＣコンバータ１５に流れる電流の値が、電流検出器１７が検出した電流の値と電流導出部２２が導出した電流の目標値に近づくように、スイッチング素子３１の導通率を決定しているため、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に流れる電流の値を確実に制御することができる。つまり、バッテリー１６に充電される電力の値を確実に制御することができる。

次に、第１の実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。

データ記憶部２１に実施の形態の各々の水車１２の回転数において水車１２の回転により生成可能な最大の電力の値から水車１２の回転数に応じて生じる損失電力（同期発電機１３、整流器１４及びＤＣ−ＤＣコンバータ１５の各部で発生するものの合計）の値を減じた値が記憶されていてもよい。この場合、電力導出部２２によりバッテリー１６に充電されるべき電力の値が損失電力を考慮して決定されるため、エネルギー変換効率をさらに高くすることができる。なお、この損失電力は、理論的な計算、シミュレーション、実験などの方法により求められる。

また、データ記憶部２１に水車１２の回転数とバッテリー１６に充電すべき電力の値のトルクへの換算値との関係が記憶されていてもよい。ここで与えるトルクの値は、水車１２の回転により生成可能な最大の電力の値を水車１２の角速度（水車１２の回転数に２πを乗じた値）で除した値であり、図３に示すように、トルクの値は、水車１２の回転数のおよそ２乗に比例する。したがって、水車１２の回転数の変化による最大のトルクの値の変化は、水車１２の回転数の変化による最大の電力の値の変化よりも緩やかになる。これにより、データ記憶部２１のデータ容量を小さくすることができる。この場合には、電力導出部２２は回転数検出器２０により検出された水車１２の回転数とデータ記憶部２１に記憶されているデータとを参照してトルクの値を導出し、さらに、このトルクの値に水車１２の角速度を乗じることによって最大の電力の値を導出する。なお、この場合、データ記憶部２１は本発明に係るトルク記憶手段に相当する。また、データ記憶部２１には、水車１２の回転により生成可能な最大の電力の値のトルクへの換算値の代わりに、水車１２の回転により生成可能な最大の電力の値から水車の回転数に応じて発生する損失電力の値を減じた値のトルクへの換算値が記憶されていてもよい。

また、データ記憶部２１が設けられておらず、電力導出部２２が回転数検出部２２により検出された水車１２の回転数から計算などによって水車１２の回転により生成可能な最大の電力を導出できるように構成されていてもよい。

また、導通率決定部２４が除算器２３により導出されたＤＣ−ＤＣコンバータ１５に流れるべき電流の値から直接スイッチング素子３１の導通率を決定するように構成されていてもよい。

また、本実施の形態においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５として降圧型のものを用いたが昇圧型のものを用いてもよい。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５のかわりにアナログ電子回路により構成された充電回路を用いてもよい。

また、導通率制御装置１９は、マイクロコンピュータのほか、アナログ電子回路などによって導通率制御装置１９の各機能部を有するように構成されていてもよい。

［第２の実施の形態］
以下、本発明の好適な第２の実施の形態について説明する。

図４は、第２の実施の形態に係る水力発電装置２００の概略構成図である。図４に示すように、水力発電装置２００は、第１の実施の形態における水力発電装置１００（図１参照）の構成に加えて、異常判定部４１、短絡回路（制動装置）４２及び異常表示部４３を有する。

異常判定部４１は、回転数検出器２０により検出された水車１２の回転数により水路１１における流量、水頭に異常が発生しているか否かを判定する。具体的には、回転数検出器２０により検出された水車１２の回転数が第１基準値よりも大きいときに異常が発生していると判定し、第１基準値よりも小さいときに異常が発生していないと判定する。また、異常判定部４１は、ユーザにより判定を行うことを指示する指示信号が与えられたときにこのような判定を行う。ここで、第１基準値は、後述するように短絡回路４２により同期発電機１３に制動トルクを発生させた状態で、交流発電機１３を定格で動作させたときの水車１２の回転数よりも大きい値に設定されている。

短絡回路４２は、同期発電機１３の３つの出力端子を短絡させるための回路である。短絡回路４２により３つの出力端子が短絡される（制動状態）と、これら３つの出力端子間に電流が流れ、同期発電機にはその回転を抑制する制動トルクが発生する。一方、これら３つの出力端子が短絡されていないとき（非制動状態）には、制動トルクは発生しない。

異常表示部４３は、異常判定部４１において異常が発生したと判定されたときにそのことを表示する。これにより、ユーザは、水路１１における流量、水頭などに異常が発生したことを容易に知ることができる。

次に、水力発電装置２００の動作について、説明する。水力発電装置２００の起動前には、短絡回路４２により同期発電機１３の３つの出力端子は短絡されており、同期発電機１３には、制動トルクが発生している。

水力発電装置２００を起動させた後、水路１１に十分に水が流れ込んだ時点で、ユーザにより異常判定部４１に判定を行うことを指示する指示信号が与えられると、異常判定部４１は、回転数検出器２０が検出した回転数が第１基準値よりも大きいか否かを判定する。

回転検出器２０により検出された回転数が第１基準値以下であり、異常判定部４１により異常が発生していないと判定された場合、短絡回路４２による３つの出力端子の短絡が解除され、短絡回路４２により同期発電機１３に発生していた制動トルクがなくなる。その後、第１の実施の形態と同様、導通率制御手段１９によりＤＣ−ＤＣコンバータ１５のスイッチング素子３１の導通率が制御されることにより水車１２の回転数が制御される。

一方、回転検出器２０により検出された回転数が第１基準値よりも大きく、異常判定部４１により異常が発生したと判定された場合には、短絡回路４２は短絡されたままの状態が保持される。これにより、同期発電機１３には制動トルクが発生し続けるので、水車１２、同期発電機１３の回転数が大きくなりすぎて、停止不能になったり、水車１２、同期発電機１３などが破損したりしてしまうことが防止される。また、異常表示部４３に異常が発生したことが表示され、ユーザは、異常が発生していることを容易に知ることができる。

以上に説明した第２の実施の形態によると、予め、短絡回路４２の３つの出力端子が短絡されており、同期発電機１３に制動トルクが発生しているため、流量・水頭が定格よりも大きく、水のエネルギーが定格を超える場合であっても、水車１２や同期発電機１３の回転数が大きくなりすぎて停止不能になったり、水車１２や同期発電機１３が破損したりするのを防止することができる。

また、異常判定部４１により異常が発生したと判定されたときに異常表示部４３にそのことが表示されるため、ユーザは異常の発生を容易に知ることができる。

また、水路１１に十分な水が流れ込んだ後、ユーザにより指示信号が与えられたときに異常判定部４１により判定が行われるので、水路１１に十分な水が流れ込む前の水車１２の回転数が十分に上がりきっていない状態で異常の判定を行うことがなく、異常が発生しているか否かを確実に判定することができる。

次に、第２の実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。

一変形例では、図５に示すように、水力発電装置３００は、第２の実施の形態における水力発電装置２００（図４参照）の構成に加え、同期発電機１３に、ディスクブレーキやドラムブレーキのような機械式ブレーキ又は電磁ブレーキであり、同期発電機１３の回転を抑制するためのブレーキ（制動装置）５１が設けられている（変形例１）。この場合、第２の実施の形態と同様、予め短絡回路４２の３つの出力端子が短絡されているとともに、ブレーキ５１によっても同期発電機１３の回転が抑制されている。そして、異常判定部４１により異常が発生していないと判定されたときに、短絡回路４２の３つの出力端子の短絡が解除されるとともに、ブレーキ５１による同期発電機１３の回転の抑制も解除される。この場合、複数の制動装置が設けられていることにより、同期発電機１３により大きな制動トルクを発生させることができる。

あるいは、予め短絡回路４２により同期発電機１３の３つの出力端子が短絡されているとともにブレーキ５１により同期発電機１３の回転が抑制されており、異常判定部４１により異常が発生していないと判定されたときに、短絡回路４２による短絡の又はブレーキ５１による同期発電機１３の回転の抑制のうちいずれか一方を解除した後に、他方を解除してもよい（複数の制動装置を１つずつ制動状態から非制動状態に切り替えてもよい）。これによると、同期発電機１３に発生する制動トルクが徐々に小さくなるので、同期発電機１３を通常の発電動作にスムーズに移行させることができる。

前述の短絡回路４２、ブレーキ５１の代わりに、スイッチング素子３１を常に導通状態にし、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に大きな電流を流すことによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１５に接続された同期発電機１３に制動トルクが発生させて、同期発電機１３の回転を抑制してもよい。また、短絡回路４２においては、制動トルクの周波数特性を改善するために３つの出力端子を短絡した時の各端子間に抵抗等のインピーダンスが介在してもよい。

第２の実施の形態では、水路１１に十分に水が流れ込んだ後、ユーザの指示により、異常判定部４１により異常の判定を行ったが、水力発電装置２００を起動後、一定時間が経過したときに、異常判定部４１により異常が発生したか否かを判定してもよい。ここで、一定時間は、起動後、水路１１に十分な水が流れ込むのに必要な時間よりも長い時間に設定されている。この場合でも、水路１１に十分な水が流れ込む前の水車１２の回転数が十分に上がりきっていない状態で異常の判定を行うことがなく、異常が発生しているか否かを確実に判定することができる。

又は、回転数検出器２０が検出した回転数が第１基準値よりも小さい第２基準値よりも大きくなった後、一定時間が経過してから回転数検出部４１により異常が発生しているか否かを判定してもよい。ここで、第２基準値は、水路１１に十分に水が流れ込んだとみなすことができる程度の値に設定されている。この場合でも、水路１１に十分な水が流れ込む前の水車１２の回転数が十分に上がりきっていない状態で異常の判定を行うことがなく、異常が発生しているか否かを確実に判定することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る水力発電装置の概略構成図である。 図１のデータ記憶部に記憶されている水車の回転数と各回転数において水車の回転により生成可能な最大の電力との関係を示す図である。 図１のデータ記憶部に記憶されている水車の回転数と各回転数において水車の回転により生成可能な最大の電力の値のトルクへの換算値との関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る水力発電装置の概略構成図である。 変形例１の図４相当の概略構成図である。

符号の説明

１１ 水路
１２ 水車
１３ 同期発電機
１４ 整流器
１５ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１６ バッテリー
１７ 電流検出器
１８ 電圧検出器
１９ 導通率制御装置
２０ 回転数検出器
２１ データ記憶部
２２ 電力導出部
２３ 除算器
２４ 導通率決定部
２５ スイッチング素子制御回路
３１ スイッチング素子
４１ 異常判定部
４２ 短絡回路
４３ 異常表示部
１００ 水力発電装置
２００ 水力発電装置

Claims (15)

1. 水が流れる水路と、
   前記水路に設けられ、前記水路に流れる水によって回転する水車と、
   前記水車に接続され、前記水車が回転したときに交流電力を生成する交流発電機と、
   前記交流発電機が生成した交流電力から直流電力を生成する整流器と、
   両端が導通した導通状態と両端が導通しない非導通状態とを切り替えることが可能なスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子が前記導通状態になっている時間の割合を示す導通率の制御により電流が調整されるように構成され、前記整流器により生成された直流電圧の値を変換する電力変換回路と、
   前記電力変換回路により電圧の値が変換された直流電力により充電されるバッテリーと、
   前記バッテリーの電圧の値を検出する電圧検出手段と、
   前記水車の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記スイッチング素子の導通率を制御する導通率制御手段とを備え、
   前記導通率制御手段が、
   前記回転数検出手段が検出した回転数から前記バッテリーに充電すべき電力の値を導出する電力導出手段と、
   前記電力導出手段により導出された電力の値、及び、前記電圧検出手段により検出された電圧の値から、前記電力変換回路に流れるべき電流の目標値を導出する目標電流導出手段と、
   前記電力変換回路に前記目標値の電流が流れるように前記スイッチング素子の導通率を決定する導通率決定手段と、
   前記導通率決定手段により決定された前記スイッチング素子の導通率だけ、前記スイッチング素子が前記導通状態になるように前記スイッチング素子を駆動するスイッチング素子駆動手段とを備えていることを特徴とする水力発電装置。
2. 前記導通率制御手段が、前記水車の回転数と前記バッテリーに充電すべき電力の値との関係を記憶する電力記憶手段をさらに有し、
   前記電力導出手段が、前記回転数検出手段が検出した回転数、及び、前記電力記憶手段に記憶された前記水車の回転数と電力の値との関係から前記バッテリーに充電すべき電力の値を導出することを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記電力記憶手段に記憶されている電力の値が、各々の前記水車の回転数において前記水車の回転により生成可能な最大の電力の値であることを特徴とする請求項２に記載の水力発電装置。
4. 前記電力記憶手段に記憶されている電力の値が、各々の前記水車の回転数において前記水車の回転により生成可能な最大の電力の値から前記水車の回転数に応じて発生する損失電力の値を減じた値であることを特徴とする請求項２に記載の水力発電装置。
5. 前記導通率制御手段が、前記水車の回転数と前記バッテリーに充電すべき電力の値のトルクへの換算値との関係を記憶するトルク記憶手段をさらに有し、
   前記回転数検出手段が検出した回転数、及び、前記トルク記憶手段に記憶された前記水車の回転数とトルクの値との関係から前記バッテリーに充電すべき電力の値のトルクへの換算値を導出し、さらに、導出されたトルクの値に前記水車の回転数により決定される前記水車の角速度を乗ずることによって前記バッテリーに充電すべき電力の値を導出することを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
6. 前記トルク記憶手段に記憶されているトルクの値が、各々の前記水車の回転数において前記水車の回転により生成可能な最大の電力の値のトルクへの換算値であることを特徴とする請求項５に記載の水力発電装置。
7. 前記トルク記憶手段に記憶されているトルクの値が、各々の前記水車の回転数において前記水車の回転により生成可能な最大の電力の値から、前記水車の回転数に応じて発生する損失電力の値を減じた値のトルクへの換算値であることを特徴とする請求項５に記載の水力発電装置。
8. 前記電力変換回路に流れる電流の値を検出する電流検出手段をさらに有し、
   前記導通率決定手段が、
   前記電流検出手段が検出した電流の値と前記目標電流導出手段が導出した電流の目標値との差が小さくなるように、前記スイッチング素子の導通率を決定することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の水力発電装置。
9. 前記回転数検出手段が検出した回転数が第１基準値よりも大きいときに異常が発生したと判定し、前記回転数検出手段が検出した回転数が前記第１基準値以下のときに異常が発生していないと判定する異常判定手段と、
   前記交流発電機の回転を抑制する制動状態と前記交流発電装置の回転を抑制しない非制動状態とをとることが可能な制動装置とをさらに有し、
   前記制動装置が、予め前記制動状態をとっており、前記異常判定手段により異常が発生していないと判定されたときに前記制動状態から前記非制動状態に切り替わることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の水力発電装置。
10. 前記異常判定手段により異常が発生したと判定されたときに、異常が発生したことを表示する異常表示手段をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の水力発電装置。
11. 前記異常判定手段が、起動後、一定時間が経過したときに、異常が発生しているか否かを判定することを特徴とする請求項９又は１０に記載の水力発電装置。
12. 前記異常判定手段が、前記回転検出手段が検出した回転数が前記第１基準値よりも小さい第２基準値よりも大きくなった後、一定時間が経過したとき異常が発生しているか否かを判定することを特徴とする請求項９又は１０に記載の水力発電装置。
13. 前記異常判定手段が、ユーザにより指示されたときに、異常が発生しているか否かを判定することを特徴とする請求項９又は１０に記載の水力発電装置。
14. 複数の前記制動装置を有し、
    複数の前記制動装置が予め前記制動状態をとっていることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の水力発電装置。
15. 前記異常判定手段により異常が発生していないと判定されたときに、複数の前記制動装置が、１つずつ順に前記制動状態から前記非制動状態に切り替わることを特徴とする請求項１４に記載の水力発電装置。

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