JP2014027744A - マイクロ水車用発電機主回路およびマイクロ水車発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】無駄なエネルギー損失を発生させることなく、複数台のマイクロ水車発電機を容易に電気的に接続可能なマイクロ水車用発電機主回路およびマイクロ水車発電設備を提供する。
【解決手段】マイクロ水車用発電機主回路２０Ａは、マイクロ水車発電機２ａ，２ｂと送電線８との間に設置され、マイクロ水車発電機２ａ，２ｂを電気的に接続する回路であって、各マイクロ水車発電機２ａ，２ｂが発生させた交流を直流に変換する交流直流変換器２１ａ，２１ｂと、各交流直流変換器２１ａ，２１ｂが変換して得た直流をまとめる直流リンク回路２３と、直流リンク回路２３がまとめた各交流直流変換器２１ａ，２１ｂの出力を所定周波数の交流に変換する直流交流変換器２２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ水車を用いて行なう発電技術に係り、特に、発電する電圧の周波数が変動する複数台の発電機を電気的に容易に接続可能なマイクロ水車用発電機主回路およびマイクロ水車発電設備に関する。

マイクロ水車発電機は、一般に水車側に速度調整機能を有していないことが多いため、主回路側で水車発電機周波数を所定の値に制御する必要がある。水車発電機周波数を所定の値に制御する手段を備えるマイクロ水車発電設備としては、例えば、特開平５−１６８２９８号公報（特許文献１）に記載されるように、コンバータ／インバータを備えたマイクロ水車発電設備が提案されている。

特開平５−１６８２９８号公報

マイクロ水車発電設備は、ダムや大規模な水源を必要とせず、小さな水源で発電できることもあり、例えば、山間地、中小河川、農業用水路、上下水道施設、工場、ビル施設等幅広い場所で発電することができる。一方で、マイクロ水車発電機の発電出力は、数ｋＷから数百ｋＷ程度と小さいことから、１台のマイクロ水車発電機だけでは十分な発電量を確保することは困難である。

このような事情から、例えば、工場内に設置されるマイクロ水車発電設備では、工場内に複数ある水路に複数台のマイクロ水車発電機が設置される場合がある。また、工場等の施設では、施設内における発電量管理の容易化や設備削減の観点から各マイクロ水車発電機を電気的に接続してひとつにまとめるのが一般的である。

しかしながら、従来のマイクロ水車発電設備ではマイクロ水車発電機として一般に同期発電機が適用されるため、同時に運転する複数台のマイクロ水車発電機を電気的に接続するためには同期発電機を並行運転する必要が生じる。従って、各マイクロ水車発電機の起電力の大きさ、位相および周波数での制約が生じ、水車側に速度調整機能を有していないことが一般的なマイクロ水車発電機を複数台電気的に接続することは必ずしも容易ではない。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、無駄なエネルギー損失を発生させることなく、複数台のマイクロ水車発電機を容易に電気的に接続可能なマイクロ水車用発電機主回路およびマイクロ水車発電設備を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るマイクロ水車用発電機主回路は、上述した課題を解決するため、複数台のマイクロ水車発電機と電力を送電する送電線との間に設置され、前記複数台のマイクロ水車発電機を電気的に接続する回路であって、前記マイクロ水車発電機の各々が発生させた交流を直流に変換する前記マイクロ水車発電機と同数の交流直流変換器と、前記交流直流変換器の各々が変換して得た直流をまとめる直流リンク回路と、前記直流リンク回路がまとめた各交流直流変換器の出力を所定周波数の交流に変換する直流交流変換器とを備えることを特徴とする。
本発明の実施形態に係るマイクロ水車発電設備は、上述した課題を解決するため、前記マイクロ水車用発電機主回路を具備することを特徴とする。

本発明によれば、無駄なエネルギー損失を発生させることなく、複数台のマイクロ水車発電機を容易に電気的に接続することができる。

本発明の実施形態に係るマイクロ水車発電設備の構成を示す概略図。 本発明の実施形態に係るマイクロ水車発電設備の第１の変形例に係る構成図。 本発明の実施形態に係るマイクロ水車発電設備の第２の変形例に係る構成図。

以下、本発明の実施形態に係るマイクロ水車用発電機主回路、当該発電機主回路を備えたマイクロ水車用発電設備およびマイクロ水車用発電設備設置方法について添付の図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係るマイクロ水車発電設備の一例であるマイクロ水車発電設備５０Ａの構成を示す概略図である。

マイクロ水車発電設備５０Ａは、例えば、工場の異なる排水系統等の水源に設置されるマイクロ水車１（１ａ，１ｂ）を回転させることで発電を行なう同期発電機等の発電機（マイクロ水車発電機）２（２ａ，２ｂ）と、本発明の実施形態に係るマイクロ水車用発電機主回路の一例であって、例えば、２台等の複数台の発電機２ａ，２ｂを電気的に接続するマイクロ水車用発電機主回路２０Ａとを具備する。

マイクロ水車用発電機主回路２０Ａは、各発電機２ａ，２ｂの出力（交流）をそれぞれ直流に変換する交流直流変換器（コンバータ）２１ａ，２１ｂと、複数の直流をまとめる直流リンク回路２３と、この直流リンク回路２３がまとめた各交流直流変換器２１ａ，２１ｂの出力（直流）を所定の周波数の交流に変換する直流交流変換器（インバータ）２２とを備える。なお、変換する周波数は、送電線８を介して接続される電力系統側で要求される周波数に応じて決定される。

マイクロ水車用発電機主回路２０Ａは、電力ロスを極力低減する観点から、各交流直流変換器２１ａ，２１ｂと直流交流変換器２２とを集中配置して構成される。すなわち、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａは、交流電力を送電する電路よりも電力ロスが大きい直流電力を送電する電路の長さを極力短くなるように配置することによって、電力ロスの極小化を図っている。

また、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａにおいて、直流交流変換器２２は、設備数の低減の観点から、例えば１台等、直流リンク回路２３を介して接続される交流直流変換器２１ａ，２１ｂの台数よりも少ない台数で設置される。直流交流変換器２２の容量は、直流リンク回路２３を介して接続される交流直流変換器２１ａ，２１ｂの総容量や、事後的な増設の有無等を考慮して適切に決定される。

マイクロ水車発電設備５０Ａの発電系統では、例えば、発電機２（２ａ，２ｂ）が発電機遮断器５（５ａ，５ｂ）を介してマイクロ水車用発電機主回路２０Ａと接続され、系統遮断器６および主要変圧器７を介してマイクロ水車用発電機主回路２０Ａと送電線８が接続される。発電機２ａ，２ｂで発電した電力は、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａでまとめられ、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａを介して送電線８側へ送電される。

また、発電機２（２ａ，２ｂ）を励磁するための構成として、例えば、励磁変圧器９（９ａ，９ｂ）、界磁開閉器１０（１０ａ，１０ｂ）および電圧調整装置１１（１１ａ，１１ｂ）が系統遮断器６とマイクロ水車用発電機主回路２０Ａの直流交流変換器２２との間に接続される。

より詳細には、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａと系統遮断器６との間に励磁変圧器９ａ，９ｂが、それぞれ並列に接続されており、励磁変圧器９ａは発電機２ａと接続され発電機２ａの電圧を調整する電圧調整装置１１ａと界磁開閉器１０ａを介して接続される。また、励磁変圧器９ｂは発電機２ｂと接続され発電機２ｂの電圧を調整する電圧調整装置１１ｂと界磁開閉器１０ｂを介して接続される。

なお、励磁変圧器９、界磁開閉器１０および電圧調整装置１１は、発電機２が永久磁石を内蔵する自励可能な同期発電機の場合には不要となる。

続いて、上述のように構成されるマイクロ水車用発電機主回路２０Ａおよびマイクロ水車発電設備５０Ａの作用および効果について説明する。

例えば、工場等に設置されるマイクロ水車発電設備５０Ａでは、マイクロ水車１ａ，１ｂが回転することによって、マイクロ水車１ａ，１ｂとそれぞれ接続される発電機２ａ，２ｂは水車側で設定された任意の速度で回転する。発電機２ａ，２ｂでは、それぞれ、マイクロ水車１ａ，１ｂの回転速度に比例した周波数の電力が発生する。

各同期発電機２ａ，２ｂで発生した交流電力は、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａの各交流直流変換器２１ａ，２１ｂによって直流電力に変換され、各交流直流変換器２１ａ，２１ｂと直流リンク回路２３を介して接続される直流交流変換器２２によって一定の周波数をもつ交流電力に変換される。マイクロ水車用発電機主回路２０Ａは、直流交流変換器２２と接続される系統遮断器６および主要変圧器７を介して得られた交流電力を送電線８に供給する。

上述のように構成されるマイクロ水車用発電機主回路２０Ａおよびマイクロ水車発電設備５０Ａによれば、各交流直流変換器２１が起電力、位相または周波数が異なる交流を直流に変換し、各交流直流変換器２１を接続する直流リンク回路２３の出力を直流交流変換器２２によって所望の周波数の交流に変換するため、抵抗器を用いた速度調整装置を使用することなく起電力や周波数等の条件が異なる複数の発電機２を並行して運転することができるので、抵抗器によるエネルギー損失等の無駄なエネルギー損失を発生させることなく、容易に複数のマイクロ水車発電機２を電気的に接続することができる。

また、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａおよびマイクロ水車発電設備５０Ａによれば、複数の発電機２でそれぞれ得られる異なる条件の交流電力を所望の周波数に変換して送電線８へ供給することができるので、マイクロ水車発電設備５０Ａから送電線８へ送る電力の周波数を一定に保つことができる。

次に、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａおよびマイクロ水車発電設備５０Ａの変形例について説明する。

図２および図３は、本発明の実施形態に係るマイクロ水車発電設備の一例であるマイクロ水車用発電設備５０Ａの第１の変形例および第２の変形例に係るマイクロ水車用発電設備５０Ｂおよびマイクロ水車用発電設備５０Ｃの構成を示す概略図である。

マイクロ水車用発電設備５０Ｂは、マイクロ水車用発電設備５０Ａに対して、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａがマイクロ水車用発電機主回路２０Ｂである点で相違し、その他の点では実質的に相違しない。

マイクロ水車用発電機主回路２０Ｂは、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａに対して、接続される充電装置（バッテリー）２６に交流直流変換器２１ａ，２１ｂの各々が変換して得た直流電力を充電する状態または充電装置２６に蓄電した直流電力を放電する状態とを切り替える充電放電切替装置２５と、交流直流変換器２１ａ，２１ｂの各々が変換して得た直流電力の充電および蓄電した直流電力を放電する充電装置２６とをさらに備えて構成される。

マイクロ水車用発電機主回路２０Ｂでは、充電放電切替装置２５を介して充電装置２６が直流リンク回路２３に接続される。充電放電切替装置２５は、現在の発電機２での発電状況や発電機２が接続される電力系統での電力使用状況等に応じて充電装置２６に充電するか充電装置２６から放電するかを切り替える。

このように構成されるマイクロ水車用発電機主回路２０Ｂおよびマイクロ水車発電設備５０Ｂによれば、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａおよびマイクロ水車発電設備５０Ａが奏する効果に加えて、現在の発電機２での発電状況や発電機２が接続される電力系統での電力使用状況等に応じて充電装置２６に充電するか充電装置２６から放電するかを切り替えることができるため、発電機２で得られる電力をよりフレキシブルに利用することができる。

一方、マイクロ水車用発電設備５０Ｃは、マイクロ水車用発電設備５０Ａに対して、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａに接続される発電機が、マイクロ水車１の動力に基づいて水力発電を行なう発電機２ａ，２ｂの他に、発電機２ａ，２ｂの発電方式（水力発電）とは異なる発電方式によって発電する発電機が含まれている点で相違し、その他の点では実質的に相違しない。

例えば、図３に示されるマイクロ水車用発電設備５０Ｃでは、当該マイクロ水車用発電設備５０Ｃに適用されるマイクロ水車用発電機主回路２０Ａにおいて、発電機２ａが発生させた交流を直流に変換する交流直流変換器２１ａ、発電機２ｂが発生させた交流を直流に変換する交流直流変換器２１ｂ、および、水力発電とは異なる発電方式の一例である風力発電によって発電する風力発電機１５が発生させた交流を直流に変換する交流直流変換器２１ｃの出力が直流リンク回路２３によってまとめられ、直流交流変換器２２によって所定周波数を持つ１つの交流に変換される。

このように構成されるマイクロ水車用発電設備５０Ｃに適用されるマイクロ水車用発電機主回路２０Ａによれば、各交流直流変換器２１が起電力、位相または周波数等の条件が異なる交流を直流に変換し、各交流直流変換器２１を接続する直流リンク回路２３の出力を直流交流変換器２２によって所望の周波数の交流に変換するため、マイクロ水車１の動力に基づいて水力発電を行なう発電機２と、例えば、風力発電機１５等の発電機２とは異なる発電方式によって発電する発電機とを容易に電気的に接続することができる。

また、マイクロ水車用発電設備５０Ｃによれば、マイクロ水車発電設備５０Ａが奏する効果に加えて、マイクロ水車１による水力発電と他の発電方式とを組み合わせた発電設備を容易に構築することができるので、多種多様な発電方式を組み合わせて発電量の変動が小さい発電設備を構築することができる。

以上、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａ，２０Ｂおよびマイクロ水車用発電設備５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃによれば、無駄なエネルギー損失を発生させることなく、複数台のマイクロ水車発電機を容易に電気的に接続することができる。

また、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａ，２０Ｂによれば、水力発電を行なう発電機２と、例えば、風力発電機１５等の水力発電とは異なる発電方式によって発電する発電機とを容易に電気的に接続することができる。

さらに、マイクロ水車用発電機主回路２０Ｂおよびマイクロ水車用発電設備５０Ｂによれば、マイクロ水車用発電機主回路２０Ａおよびマイクロ水車発電設備５０Ａが奏する効果に加えて、現在の発電機２での発電状況や発電機２が接続される電力系統での電力使用状況等に応じて充電装置２６に充電するか充電装置２６から放電するかを切り替えることができるため、発電機２で得られる電力をよりフレキシブルに利用することができる。

さらにまた、マイクロ水車用発電設備５０Ｃによれば、マイクロ水車発電設備５０Ａが奏する効果に加えて、マイクロ水車１による水力発電と他の発電方式とを組み合わせた発電設備を容易に構築することができるので、多種多様な発電方式を組み合わせて発電量の変動が小さい発電設備を構築することができる。

なお、図１−３に示されるマイクロ水車用発電機主回路２０Ａ，２０Ｂおよびマイクロ水車発電設備５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃでは、全ての交流直流変換器２１に、発電機２、風力発電機１５および充電放電切替装置２５のいずれかひとつが設置されているが、発電機２、風力発電機１５および充電放電切替装置２５の事後的な増設を考慮して予備の交流直流変換器２１をさらに備えるマイクロ水車用発電機主回路およびマイクロ水車発電設備を構築しても良い。

また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することが可能であり、例えば、図３に示されるマイクロ水車用発電設備５０Ｃに対して、充電放電切替装置２５および充電装置２６をさらに備えるマイクロ水車用発電設備を構築する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１（１ａ，１ｂ）…マイクロ水車、２（２ａ，２ｂ）…（マイクロ水車）発電機、５（５ａ，５ｂ）…発電機遮断器、６…系統遮断器、７…主要変圧器、８…送電線、９（９ａ，９ｂ）…励磁変圧器、１０（１０ａ，１０ｂ）…界磁開閉器、１１（１１ａ，１１ｂ）…電圧調整装置、１５…風力発電機、２０Ａ，２０Ｂ…マイクロ水車用発電機主回路、２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）…交流直流変換器（コンバータ）、２２…直流交流変換器（インバータ）、２３…直流リンク回路、２５…充電放電切替装置、２６…充電装置（バッテリー）、５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ…マイクロ水車発電設備。

Claims (6)

1. 複数台のマイクロ水車発電機と電力を送電する送電線との間に設置され、前記複数台のマイクロ水車発電機を電気的に接続する回路であって、
   前記マイクロ水車発電機の各々が発生させた交流を直流に変換する前記マイクロ水車発電機と同数の交流直流変換器と、
   前記交流直流変換器の各々が変換して得た直流をまとめる直流リンク回路と、
   前記直流リンク回路がまとめた各交流直流変換器の出力を所定周波数の交流に変換する直流交流変換器とを備えることを特徴とするマイクロ水車用発電機主回路。
2. 前記交流直流変換器は、少なくとも３台であり、そのうちの１台は水力発電とは異なる発電方式で発電する発電機が接続されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ水車用発電機主回路。
3. 前記交流直流変換器の各々と前記直流交流変換器とは、集中配置されることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ水車用発電機主回路。
4. 前記直流交流変換器の設置数は、前記交流直流変換器の設置数未満であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のマイクロ水車用発電機主回路。
5. 前記交流直流変換器の各々が変換して得た直流電力の充電および蓄電した直流電力を放電する充電装置と、
   前記充電装置と前記直流リンク回路との間に設置され、前記充電装置の充電および放電を切り替える充電放電切替装置とをさらに備えることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のマイクロ水車用発電機主回路。
6. 前記複数台のマイクロ水車発電機と、
   前記複数台のマイクロ水車発電機と前記送電線とを接続するマイクロ水車用発電機主回路とを具備し、
   前記マイクロ水車用発電機主回路は、請求項１から５の何れか１項に記載のマイクロ水車用発電機主回路であることを特徴とするマイクロ水車発電設備。

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