JP2018050452A - 水力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】水路に設けられる電気機器に接続される無停電源装置を省略する、あるいは小型化できる水力発電システムを提供する。
【解決手段】水力発電システムには、電力系統（5）から、水路（1）に設けられる所定の電気機器（15,16,17,18）へ電力を供給する通常動作と、発電機（G）で発電した電力を電気機器（15,16,17,18）へ供給する自立動作とを行うように電力供給回路（C）を制御する制御部（20）が設けられる。制御部（20）は、電力系統（5）の停電時に自立動作を実行させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、水力発電システムに関するものである。

従来より、水路（管路）を流れる流体（例えば水）によって発電を行う水力発電システムがある。例えば特許文献１に開示の水力発電システムは、管路に水車（流体機械）が接続される。流体によって水車が回転駆動されると、水車に接続される発電機が駆動される。発電機の出力電力は例えば逆潮流によって電力系統に供給される。

特開２０１４−２１４７１０号公報

ところで、水力発電システムの水路には、電動弁や流量計等の電気機器が設けられることがある。水路に設けられる電気機器は、その供給先へ所望の流量の流体を供給するために重要である。このため、電気機器へ電力を供給する電力系統が停電したときの対策として、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply)等の無停電電源装置を導入することが考えられる。しかし、この場合には、装置の複雑化・コストの増大を招くという問題がある。

本発明は、前記の問題に着目してなされたものであり、水路に設けられる電気機器に接続される無停電源装置を省略する、あるいは小型化できる水力発電システムを提供することである。

第１の態様は、水力発電システムを対象とし、流体が流れる水路（1）に接続される流体機械（W）と、前記流体機械（W）によって駆動される発電機（G）と、前記発電機（G）で発電した電力を電力系統（5）に供給する電力供給回路（C）と、前記電力系統（5）から、前記水路（1）に設けられる所定の電気機器（15,16,17,18）へ電力を供給する通常動作と、前記発電機（G）で発電した電力を前記電気機器（15,16,17,18）へ供給する自立動作とを行うように前記電力供給回路（C）を制御する制御部（20）とを備え、前記制御部（20）は、前記電力系統（5）の停電時に前記自立動作を実行させることを特徴とする。

この構成では、流体によって流体機械（W）が作動すると、この流体機械（W）によって発電機（G）が駆動される。発電機（G）の発電電力（出力電力）は、電力供給回路（C）を介して電力系統（5）へ供給（逆潮流）される。

制御部（20）は、電力系統（5）が正常であるときに通常動作が行われ、電力系統（5）が停電であるときに自立動作を行うように電力供給回路（C）を制御する。通常動作では、電力系統（5）から水路（1）に設けられる所定の電気機器（15,16,17,18）へ電力が供給される。

自立動作では、発電機（G）の発電電力が電力供給回路（C）を介して電気機器（15,16,17,18）へ直に供給される。従って、電力系統（5）が停電したとしても、水路（1）の電気機器（15,16,17,18）を継続して作動させることができる。

第２の態様は、第１の態様において、前記制御部（20）は、前記自立動作において、前記発電機（G）の出力電力を低下させる。

この構成では、自立動作において、制御部（20）が発電機（G）の出力電力を低下させる。このため、電力系統（5）の停電時において、発電機（G）の出力電力が過剰になることを回避できる。

第３の態様は、第２の態様において、前記制御部（20）は、前記自立動作において、前記発電機（G）の出力電力が低下するように前記発電機（G）を制御する。

この構成では、自立動作において、発電機（G）の出力電力が低下するように発電機（G）が制御される。発電機（G）の制御の応答性は比較的早いため、発電機（G）の出力電力を速やかに低減でき、発電機（G）の出力電力が過剰になることを速やかに回避できる。

第４の態様は、第２の態様において、前記水路（1）には、電動弁（15）が前記電気機器として接続され、前記制御部（20）は、前記自立動作において、前記発電機（G）の出力電力が低下するように前記電動弁（15）の開度を小さくする。

この構成では、自立動作において、電動弁（15）の開度を小さくする。この結果、流体の物理量である流体機械（W）の有効落差（H）が低減し、発電機（G）の出力電力が低下する。このように発電機（G）の出力電力を低下させると、例えば流体機械（W）の運転点がキャビテーション領域（流体が蒸発して微細な気泡が発生してしまうような運転状態）に至ることを確実に回避できる。また、この際、電動弁（15）には発電機（G）からの出力電力が供給されるため、電力系統（5）が停電したとしても、電動弁（15）の開度を確実に小さくできる。

第５の態様は、第２の態様において、前記水路（1）には、電動弁（15）が前記電気機器として接続され、前記制御部（20）は、前記自立動作において、前記発電機（G）の出力電力が低下するように前記発電機（G）及び前記電動弁（15）の開度を制御する。

この構成では、前記発電機（G）及び前記電動弁（15）の開度を制御することで、発電機（G）の出力電力が低下する。発電機（G）及び電動弁（15）のうち、発電機（G）の制御だけで発電機（G）の出力電力を低下させると、流体機械（W）の運転点がキャビテーション領域に至る可能性がある。一方、発電機（G）及び電動弁（15）のうち、電動弁（15）だけで発電機（G）の出力電力を低下させると、電力系統（5）の停電時において発電機（G）の出力電力が一時的に過剰になる可能性がある。電動弁（15）は機械的に開度が調節されるため、電動弁（15）の応答性は、発電機（G）の応答性よりも一般的に遅いからである。

これに対し、本態様の自立動作では、発電機（G）及び電動弁（15）の双方を制御するため、応答性が比較的速い発電機（G）の制御により発電機（G）の出力電力が過剰になることを速やかに回避できるとともに、応答性が比較的遅い電動弁（15）の制御によってキャビテーションの発生を確実に回避できる。

第６の態様は、第２乃至第５のいずれか１つの態様において、前記水路（1）には、前記電気機器としての電動弁（16）が接続され、前記水路（1）の流体の流量を取得する流量取得部（17,18）を備え、前記制御部（20）は、前記電力系統（5）の停電時に前記流量取得部（17,18）で取得した流量に基づいて前記電動弁（16）の開度を制御する。

この構成では、電力系統（5）が停電し自立動作が行われると、発電機（G）の出力電力が電動弁（16）に供給される。制御部（20）は、流量取得部（17,18）で取得した流量に基づいて電動弁（16）を制御する。このため、電力系統（5）が停電した後にも、所望とする流量の流体を水路（1）の下流側へ供給できる。

第７の態様は、第６の態様において、前記水路（1）は、前記流体機械（W）をバイパスするとともに前記電動弁（16）が接続される迂回路（13）を有し、前記制御部（20）は、前記電力系統（5）の停電時に前記水路（1）を流出する流体の総流量が目標流量に近づくように前記電動弁（16）の開度を制御する。

この構成では、水路（1）に流体機械（W）をバイパスする迂回路（13）が設けられる。電力系統（5）が停電した後には、水路（1）を流出する流体の総流量が目標流量に近づくように電動弁（16）の開度が制御される。この結果、発電機（G）の出力電力を低下させることに起因して流体機械（W）側を流れる流体の流量が減少したとしても、迂回路（13）の流体の流量を増大させ、目標流量を確保できる。

第８の態様は、第１乃至第７のいずれか１つの態様において、前記電力供給回路（C）には、前記電力系統（5）の停電時に前記発電機（G）で発電した電力を消費する抵抗器（40）が接続される。

この構成では、電力系統（5）が停電し自立動作が行われる際に、発電機（G）の発電電力が余剰になったとしても、余剰の電力を抵抗器（40）で消費できる。発電機（G）の発電電力は、水路（1）の電気機器（15,16,17,18）によって消費されるため、抵抗器（40）の抵抗容量は比較的小さくなる。

第１の態様によれば、電力系統（5）が停電した際、発電機（G）の発電電力を電気機器（15,16,17,18）へ直に供給する自立動作を行うため、無停電電源装置を省略ないし小型化しつつ、電気機器（15,16,17,18）へ安定して電力を供給できる。従って、水力発電システムの低コスト化を図ることができる。

第２の態様によれば、電力系統（5）の停電時において、発電機（G）の出力電力が過剰になることを回避できるため、例えば発電電力を消費するための抵抗器（回生抵抗器）の容量を低減できる。

第３の態様によれば、自立動作において発電機（G）を制御するため、発電機（G）の発電電力を速やかに低減できる。

第４の態様によれば、自立動作において、電動弁（15）の開度を小さくするため、流体機械（W）の運転点がキャビテーション領域に至るのを回避しつつ、発電機（G）の出力電力を確実に低下できる。この際、無停電電源装置を省略しつつ、電動弁（15）の開度を小さくできる。

第５の態様によれば、自立動作において、発電機（G）と電動弁（15）との双方を制御するため、流体機械（W）の運転点がキャビテーション領域に至るのを回避しつつ、発電機（G）の出力電力を速やかに低下できる。

第６の態様によれば、電力系統（5）が停電した後も、所望とする流量の流体を水路（1）の下流側へ供給できる。特に第７の態様によれば、流体機械（W）側を流れる流体の流量が変化したとしても、迂回路（13）の電動弁（16）の開度を調節することで、総流量を目標流量に維持できる。

第８の態様によれば、電力供給回路（C）での過電圧を確実に回避できる。また、抵抗器（40）の抵抗容量は比較的小さくて済むため、抵抗器（40）の小型化を図ることができる。

図１は、実施形態１の水力発電システムの管路系を含む全体の概略構成図である。 図２は、水力発電システムの電力系統図であり、通常動作の状態を表している。 図３は、水力発電システムの特性マップを表したグラフである。 図４は、水力発電システムの特性マップにおいて、通常動作及び自立動作での運転点の変化を表したものである。 図５は、水力発電システムにおける自立動作のフローチャートである。 図６は、水力発電システムの電力系統図であり、自立動作の状態を表している。 図７は、実施形態２の水力発電システムの図２に相当する図である。 図８は、実施形態３の水力発電システムの図１に相当する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１の水力発電システム（10）を含む管路（1）の全体概略構成を示す。この管路（1）は、落差を有して流体が流れるものであり、本発明の水路の一例である。本実施形態では、上水道（4）の一部である。この上水道（4）には、貯留槽（2）と受水槽（3）とが設けられており、本実施形態の管路（1）は、貯留槽（2）と、該貯留槽（2）の下流に設けられた受水槽（3）とを繋ぐ配管経路の途中に配置されている。

〈水力発電システム（10）〉
図１に示すように、水力発電システム（10）は、水車（W）と発電機（G）とを備えている。また、図２は、水力発電システム（10）の電力系統図であり、水力発電システム（10）は、発電機コントローラ（20）、系統連系インバータ（30）、及び回生抵抗器（40）を備えている。水力発電システム（10）では、発電した電力を電力系統（5）に供給している。この例では、電力系統（5）は、いわゆる商用電源であり、水力発電システム（10）では、電力系統（5）への電力供給（いわゆる逆潮流）によって、いわゆる売電を行っている。発電機（G）から電力系統（5）までの電気回路が、電力供給回路（C）を構成している。

−水車（W）−
水車（W）は、管路（1）の途中に配置されており、本発明の水力機械の一例である。この例では、水車（W）は、羽根車、及びケーシングを備えている（何れも図示は省略）。羽根車には、渦巻きポンプに備えるインペラが流用されている。この羽根車の中心部には、回転軸（19）が固定されている。そして、水車（W）は、ケーシングに形成された流体流入口（図示を省略）からの水流によりインペラが圧力を受けて回転して、回転軸（19）を回転させるようになっている。なお、水車（W）に流入した流体は、ケーシングに形成された流体排出口（図示を省略）から排出される。

−発電機（G）−
発電機（G）は、水車（W）の回転軸（19）に連結されて回転駆動され、発電を行う。この例では、発電機（G）は、永久磁石埋込型のロータと、コイルを有したステータとを備えている（何れも図示は省略）。

−配管系統−
水力発電システム（10）の管路（1）（配管系統）には、流入管（11）、流出管（14）、第１分岐管（12）、及び第２分岐管（13）が接続されている。本実施形態の管路（1）は、金属管（例えばダクタイル鋳鉄管）によって構成されている。流入管（11）の流入端には貯留槽（2）が接続される。流出管（14）の流出端には受水槽（3）が接続される。流入管（11）と流出管（14）との間には、第１分岐管（12）及び第２分岐管（13）が互いに並列に接続される。第１分岐管（12）は、水車（W）を駆動する水が流れる水車側の流路を構成する。第２分岐管（13）は、水車（W）をバイパスする迂回路を構成する。

第１分岐管（12）には、上流から下流に向かって順に、第１流量計（17）、第１電動弁（15）、及び水車（W）が接続される。第２分岐管（13）には、上流から下流に向かって順に、第２流量計（18）及び第２電動弁（16）が接続される。

第１流量計（17）及び第２流量計（18）は、電気によって作動するように構成される。第１流量計（17）は、水車（W）を流れる水の流量を検出し、検出信号を出力する。第２流量計（18）は、第２分岐管（13）を流れる水の流量を検出し、検出信号を出力する。つまり、第１流量計（17）及び第２流量計（18）は、水路（1）の流体の流量を取得するための流量取得部を構成する。本実施形態の第１流量計（17）及び第２流量計（18）は、例えば電器によって駆動される電気機器を構成している。

第１電動弁（15）及び第２電動弁（16）は、電動モータによって弁体を駆動することで流体の物理量（例えば流量、圧力、有効落差）を制御する。第１電動弁（15）は、水車（W）のメンテナンス等において閉状態となり、停止状態の水車（W）での水の通過を禁止する。第１電動弁（15）は、水力発電システム（10）の運転中において、所定開度（例えば固定値）で開放される。第２電動弁（16）は、第２分岐管（13）を流れる流体の物理量（例えば流量、圧力、有効落差）を制御する。

なお、第１流量計（17）の検出値と、第２流量計（18）の検出値との和が、管路（1）から流出する前記流体の総流量（QT）である。

−発電機コントローラ（20）−
発電機コントローラ（20）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）、直流電圧検出部（22）、流量検出部（23）、流量指令決定部（24）、流量制御部（25）、及び弁制御部（26）を備えている。この発電機コントローラ（20）は、系統連系インバータ（30）とともに、流体の物理量（ここでは管路（1）の総流量（QT））を所望の値に維持しつつ、電力系統（5）に供給する電力を制御する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）は、複数のスイッチング素子を備え、発電機（G）によって発電された電力（交流電力）をスイッチングして直流電力に変換する。ＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）の出力は、平滑コンデンサ（図示を省略）によって平滑化され、系統連系インバータ（30）に出力される。

直流電圧検出部（22）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）の出力電圧を検出する。直流電圧検出部（22）による検出値（直流電圧（Vdc））は、流量指令決定部（24）に送信される。流量検出部（23）は、第１流量計（17）及び第２流量計（18）の検出値を読み取り、周期的、或いは流量制御部（25）の要求に応じて、該検出値を流量制御部（25）に送信する。

流量指令決定部（24）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのプログラムが格納されたメモリディバイスとを用いて構成されている。流量指令決定部（24）は、電力の目標値と、総流量（QT）の目標値である目標総流量（QT*）とから、水車（W）の流量（Q1）の目標値である流量指令値（Q1*）を決定する。この際、電力の目標値は、通常は、例えば後述の定格出力であるが、その目標値は、後に詳述するように、直流電圧検出部（22）の検出値に応じて変更される。流量指令値（Q1*）の生成には、例えば、予め前記プログラム内に定義した、関数、或いは、後述の特性マップ（M）を用いることが考えられる。

流量制御部（25）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのプログラムが格納されたメモリディバイスとを用いて構成されている。このマイクロコンピュータやメモリディバイスは、流量指令決定部（24）を構成するものと共用してもよいし、別個に設けてもよい。この流量制御部（25）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）におけるスイッチングを制御することによって、発電機（G）の発電電力を制御する。具体的には、流量制御部（25）は、流量指令値（Q1*）と現在の流量（Q1）との差に応じて、フィードバック制御を行うことによって、発電機（G）の発電電力（出力電圧）を制御している。

また、流量制御部（25）は、管路（1）における総流量（QT）の制御も行う。この例では、流量制御部（25）は、管路（1）の総流量（QT）の目標値（以下、目標総流量（QT*））と、現在の流量（Q1）との差が第２分岐管（13）に流れるように第２電動弁（16）の開度を制御する。

弁制御部（26）は、詳細は後述する自立動作において、第１電動弁（15）の開度を小さくする制御を行う。

発電コントローラ（20）は、電力系統（5）が停電状態であるときにも動作可能に構成される。

−系統連系インバータ（30）−
系統連系インバータ（30）は、インバータ部（31）、停電検出部（32）、及びスイッチ制御部（33）を備えている。

インバータ部（31）は、複数のスイッチング素子を備え、発電機コントローラ（20）からの直流電力を受けて、該直流電力をスイッチングすることによって交流電力に変換する。インバータ部（31）が生成した交流電力は、電力系統（5）に供給（逆潮流）される。また、インバータ部（31）が生成した交流電力は、補助回路（50）にも供給可能となっている。なお、インバータ部（31）は、前記スイッチングを制御することによって、電力系統（5）に逆潮流させる電力を制御する。

停電検出部（32）は、インバータ部（31）と電力系統（5）の間の電圧値を計測することで、電力系統（5）が停電状態であるか否かを検出する。

スイッチ制御部（33）は、停電検出部（32）で検出した電力系統（5）の状態（正常状態又は停電状態）に応じて、詳細は後述する３つのスイッチ部（41,42,43）の状態を切り換える。

系統連系インバータ（30）は、電力系統（5）が停電状態であるときにも動作可能に構成される。

−回生抵抗器（40）−
回生抵抗器（40）は、電力供給回路（C）における発電機コントローラ（20）（厳密にはＡＣ／ＤＣコンバータ部（21））と系統連系インバータ（30）との間に接続される。回生抵抗器（40）は、発電機（G）の余剰の発電電力を消費する抵抗器を構成する。具体的に、回生抵抗器（40）は、商用電源（5）が停電状態になったときに、発電機（G）の出力電力の一部を消費する。

−補助回路（50）−
電力供給回路（C）及び電力系統（5）には、補助回路（50）が接続される。補助回路（50）は、インバータ部（31）に接続する第１回路（発電機側回路）（51）と、電力系統（5）に接続する第２回路（系統電力側回路）（52）と、第１回路（51）及び第２回路（52）と接続可能な第３回路（補助電力供給回路）（53）とを有している。第３回路（53）の出力側は複数に分岐し、管路（1）に接続される電気機器に接続される。具体的に、第３回路（53）は、第１電動弁（15）、第２電動弁（16）、第１流量計（17）、及び第２流量計（18）に接続している。

−第１スイッチ部（41）、第２スイッチ部（42）、及び第３スイッチ部（43）−
電力供給回路（C）には、第１スイッチ部（41）と第２スイッチ部（42）とが接続される。第１スイッチ部（41）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）と発電機コントローラ（20）の間の経路と、回生抵抗器（40）との間の接点をＯＮ／ＯＦＦさせる。第２スイッチ部（42）は、インバータ部（31）と電力系統（5）との間に接続され、これらの接点をＯＮ／ＯＦＦさせる。

補助回路（50）には、第３スイッチ部（43）が接続される。第３スイッチ部（43）は、第１回路（51）、第２回路（52）、及び第３回路（53）の間に接続される。第３スイッチ部（43）は、第２回路（52）と第３回路（53）とを繋ぐ状態（第１状態）と、第１回路（51）と第３回路（53）とを繋ぐ状態（第２状態）とに切り換わる。

上述したスイッチ制御部（33）は、電力系統（5）からの信号に基づいて、第１スイッチ部（41）、第２スイッチ部（42）、及び第３スイッチ部（43）の状態をそれぞれ切り換えるように構成される。電力系統（5）が正常状態である場合、スイッチ制御部（33）は、第１スイッチ部（41）をＯＦＦ状態に、第２スイッチ部（42）をＯＮ状態に、第３スイッチ部（43）を第１状態とする。電力系統（5）が停電状態である場合、スイッチ制御部（33）は、第２スイッチ部（42）をＯＦＦ状態に、第３スイッチ部（43）を第２状態にする。また、電力系統（5）が停電状態である場合、スイッチ制御部（33）は、第１スイッチ部（41）のＯＮ／ＯＦＦのスイッチングを所定のデューティー比で繰り返す。

これらのスイッチ部（41,42,43）は、電力系統（5）が停電状態になったときに動作可能に構成される。

〈水力発電システムの運転動作〉
水力発電システム（10）の運転動作について図１〜図６を参照しながら説明する。水力発電システム（10）の運転では、電力系統（5）の状態に応じて通常動作と自立動作とが実行される。

通常動作は、電力系統（5）が正常状態であるときに実行される。通常動作では、発電機（G）が定格出力となるように発電機（G）が制御される。発電機（G）で発電された電力は電力系統（5）に供給される。ここで、定格出力とは、水力発電システム（10）が発揮できる発電機（G）の最大電力の出力である。

自立動作は、電力系統（5）が停電状態であるときに実行される。自立動作では、発電機（G）の出力電力が定格出力よりも低い所定値になるように、出力電力が低下される。発電機（G）で発電された電力は、補助回路（50）を介して管路（1）の各電気機器（15,16,17,18）へ供給される。自立動作の発電機（G）の出力電力は、管路（1）に設けられる電気機器（15,16,17,18）の消費電力に基づいて決定される（詳細は後述する）。

−各パラメータの関係について−
各動作の詳細を説明する前に、水力発電システム（10）の運転パラメータの関係について図３のグラフを参照しながら詳細に説明する。図３のグラフ（特性マップ（M）ともいう）は、縦軸を管路（1）の有効落差（H）、横軸を管路（1）から流出する流量（すなわち総流量（QT））としている。ここで、有効落差（H）は、貯留槽（2）の液面から受水槽（3）の液面までの間の総落差（Ho）から、貯留槽（2）の水が管路（1）を経て受水槽（3）に至るまでの管路抵抗に相当する落差を減じたものである。

有効落差（H）と総流量（QT）との関係は、図３に示す流動抵抗特性線（システムロスカーブ（S）ともいう）で表すことができる。システムロスカーブ（S）は、総流量（QT）＝０のときの有効落差（H）が総落差（Ho）であり、総流量（QT）の増大に応じて有効落差（H）が二次曲線的に減少する特性を持つ。システムロスカーブ（S）の曲率は、図１の管路（1）に固有の値を持つ。

水力発電システム（10）を含む管路（1）における総流量（QT）とその際の有効落差（H）とは、システムロスカーブ（S）上の点に対応する。例えば第２電動弁（16）を全閉状態にして、水車（W）にのみ水を流したとすると、水車（W）における流量（Q1）が、水力発電システム（10）を含む管路（1）の総流量（QT）であり、その際の水車（W）の流量（Q1）と有効落差（H）に対応する点がシステムロスカーブ（S）上にある。換言すると、第２電動弁（16）が全閉状態であるときの水車（W）の運転点は、システムロスカーブ（S）上にある。

また、水車（W）と第２分岐管（13）の両方に流体（水）を流したとすれば、水車（W）における流量（Q1）と第２分岐管（13）における流量（Q2）との合計値が、水力発電システム（10）を含む管路（1）の総流量（QT）であり、総流量（QT）とその際の有効落差（H）がシステムロスカーブ（S）上の点に対応する。

図３の特性マップ（M）においては、水車（W）における流量（Q1）と有効落差（H）とに相関する特性として、発電機（G）のトルク値（T）、発電機（G）の回転速度（回転数）（N）、発電機（G）の発電電力（P）を表している。

特性マップ（M）では、発電機（G）のトルク値（T）が０の曲線（無拘束速度曲線（T=0）という）と、発電機（G）の回転速度（N）が０の曲線（動作限界曲線（N=0）という）との間に、水車（W）が水流により回転可能な領域（水車領域ないし運転可能領域という）が形成される。無拘束速度曲線よりも左側の領域は、水車ブレーキ領域（力行領域）である。

水車領域において、複数の等トルク曲線は無拘束速度曲線（T=0）に沿い、マップ上、流量（Q1）の増大に応じてトルク値（T）も増大する。また、複数の等回転速度曲線は動作限界曲線（N=0）に沿い、有効落差（H）が大きくなるほど回転数も上昇する。更に、破線で示した等発電電力曲線は下に凸な曲線であって、有効落差（H）及び流量（Q1）の増大に応じて発電電力（P）も増大する。この複数の等発電電力曲線の頂点を結ぶ曲線（E）は、発電機（G）が、最大発電電力を得る最大発電電力曲線（E）である。

以上のような特性マップ（M）の各パラメータの関係は、テーブル（数表）や、プログラム内の数式（関数）という形でメモリディバイスに格納可能である。即ち、特性マップ（M）に表すことができる各パラメータを用いることで、他のパラメータを求めることが可能である。

−通常動作−
水力発電システム（10）の通常動作では、図２に示すように、第１スイッチ部（41）がＯＦＦ状態に、第２スイッチ部（42）がＯＮ状態に、第３スイッチ部（43）が第１状態になる。従って、通常動作では、発電機（G）で発電された電力が、ＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）及びインバータ部（31）を介して電力系統（5）に供給される。また、通常動作では、電力系統（5）の電力が、補助回路（50）を介して第１電動弁（15）、第２電動弁（16）、第１流量計（17）、及び第２流量計（18）に供給される。また、通常動作では、回生抵抗器（40）が機能しない。

通常動作では、第１電動弁（15）が所定の固定開度で開放される。そして、発電機（G）の発電電力が目標値（定格出力）となるように、流量制御部（25）がＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）におけるスイッチングを制御しつつ、管路（1）の総流量（QT）が目標総流量（QT*）となるように、第２電動弁（16）の開度を制御する。

詳しくは、本実施形態では、第１電動弁（15）の開度を固定値とした状態において、流量制御部（25）は、例えばフィードバック制御によって、水車（W）の流量（Q1）が流量指令値（Q1*）となるようにＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）のスイッチングを制御して、発電機（G）の出力を目標の発電電力に収束させる。

この発電状態で、目標総流量（QT*）と、現在の総流量（QT）とに差異がある場合には、流量制御部（25）は、第２電動弁（16）の開度を調整する。このとき、流量制御部（25）は、流量検出部（23）から送信された、第２流量計（18）の検出値と、流量（Q2）の目標値（目標総流量（QT*）と流量（Q1）の差）とを比較しながら、第２電動弁（16）の開度調整を行う。この開度調整には、例えばフィードバック制御を利用することができる。なお、目標総流量（QT*）の設定には、特に限定はない。一例として、目標総流量（QT*）を、上水道（4）の管理者から要求される総流量に設定することが考えられる。この目標総流量（QT*）は、固定値であってもよいし、例えば時間帯によって変更されるものであってもよい。

また、上述した水車（W）の流量（Q1）の流量指令値（Q1*）は、例えば次のように決定できる。図４の例では、管路（1）の総流量（QT）の目標総流量（QT*）が流量（Qa）に設定されている。このとき、水車（W）の流量指令値（Q1*）は、管路（1）のシステムロスカーブ（S）及び発電電力（W）の関係を含む特性マップ（M）ないし、この特性マップ（M）に相当する関係式により求めることができる。具体的には、例えば目標総流量（QT*）である流量（Qa）と、予め求めた管路（1）に固有のシステムロスカーブ（S）とから、水車（W）の有効落差（Ha）を求めることができる。この水車（W）の有効落差（Ha）と、最大発電電力曲線（E）との交点が、発電機（G）で定格出力を得るための水車（W）の運転点ｂである。従って、この運転点ｂに対応する水車（W）の流量（Q1=Qb）が、定格出力を得るための水車（W）の流量指令値（Q1*）となる。

−自立動作−
次いで、電力系統（5）が停電状態であるときに実行される自立動作について図４〜図６を参照しながら説明する。

図５のフローチャートに示すように、通常動作において停電検出部（32）が電力系統（5）の停電を検出したとする（ステップ（S1））。すると、スイッチ制御部（33）は、第１スイッチ部（41）、第２スイッチ部（42）、及び第３スイッチ部（43）の状態を切り換える。具体的に、自立動作では、第２スイッチ部（42）がＯＦＦ状態に、第３スイッチ部（43）が第２状態になる。また、第１スイッチ部（41）は、所定のデューティー比でスイッチングが繰り返される。このデューティー比は、管路（1）の電気機器（15,16,17,18）の消費電力に応じて変更される。

以上により、自立動作では、発電機（G）で発電された電力がＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）、インバータ部（31）、及び補助回路（50）へ供給される。補助回路（50）へ送られた発電電力は、第１電動弁（15）、第２電動弁（16）、第１流量計（17）、及び第２流量計（18）にそれぞれ供給される。同時に、発電機（G）の発電電力は、回生抵抗器（40）へ適宜供給される。これにより、発電機コントローラ（20）の電圧の過剰な上昇を確実に抑制できる。

自立動作が開始されると、まず、発電機（G）の発電電力を強制的に所定値まで低下させる制御（発電機制御）が行われる。この発電機制御では、図４に示すように、発電機（G）の発電電力の目標値が、定格出力よりも低い電力値（Pc）に変更される。

流量指令決定部（24）は、例えば総落差（Ho）と現在の運転点ｂを通る曲線Ｒと、発電電力の目標値に対応する等発電電力曲線（Pc）との交点から、発電機（G）の発電電力を電力値（Pc）とするための水車（W）の運転点ｃを求め、ひいてはこの運転点ｃに対応する流量指令値（Q1=Qc）を求める。ここで、曲線Ｒは、運転点ｂにおいて電動弁（15）が所定の開度（例えば１００％）で開放される状態における有効落差（H）と水車（W）を通過する流量（Q1）との関係を表した流動抵抗特性線ということができる。従って、運転点ｂから運転点ｃに移動するように発電機（G）を制御することで、電動弁（15）の開度を一定に維持しながら、発電電力を電力値（Pc）に遷移させることができる。

流量制御部（25）は、例えばフィードバック制御によって、水車（W）の流量（Q1）が流量指令値（Qc）となるようにＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）のスイッチングを制御して、発電機（G）の出力を目標の電力値（Pc）に収束させる。

このような発電機（G）の出力を低下させる制御は、次に述べる電動弁制御よりも応答性が早いため、発電機（G）の出力を速やかに目標の電力値（Pc）に低下させることができる。従って、電力系統（5）が停電した後、発電機（G）の出力を瞬時に低減できるため、電力供給回路（C）での電圧上昇を確実に回避でき、回生抵抗器（40）の抵抗容量も低減できる。

発電機制御により、発電機（G）の出力が目標の電力値（Pc）に至ると、ステップ（S4）に移行し電動弁制御が実行される。電動弁制御では、弁制御部（26）によって、第１電動弁（15）の開度を徐々に小さくする動作が行われる。具体的に、例えば運転点ｃにおいて第１電動弁（15）の開度が１００％であったとすると、この開度を７５％、５０％、３０％と徐々に小さくする。この結果、水車の有効落差（H）も徐々に小さくなり、水車（W）の運転点がｄ点、ｅ点、ｆ点の順に移動する。

この電動弁制御においては、発電機（G）の発電電力を目標とする電力値（Pc）に維持するように、流量制御部（25）が水車（W）の流量（Q1）を微調整する。この際、発電機（G）の発電電力は、例えば直流電圧検出部（22）による検出値（直流電圧（Vdc））から適宜求めることができる。

以上のように、発電機制御及び電動弁制御を行うことで、発電機（G）の発電電力を目標の電力値（Pc）に維持しつつ、水車（W）の運転点を最大発電電力曲線（E）に近づけることができる。例えば水車（W）の運転点がｃ点にある場合、水車（W）の運転点は定格の運転点（例えば運転点ｂ）から遠いところにある。このため、仮に自立動作において、水車（W）の運転点をｃ点に維持すると、水車（W）の運転が不安定領域で継続されることとなり、例えばキャビテーションの発生を招くという不具合が生じる。

これに対し、上述した電動弁制御により、水車（W）の有効落差（H）を低下させると、水車（W）の運転点が最大発電電力曲線（E）に近づくため、水車（W）を安定領域において運転させることができる。これにより、キャビテーションの発生を抑制できるとともに、自立動作における発電効率も向上できる。従って、電動弁制御では、自立動作における最終的な水車（W）の運転点が、目標の電力値（Pc）を満たし、且つ最大発電電力曲線（E）上に位置するように、電動弁（15）の開度を絞るのが好ましい。

電動弁制御の開始時には、発電機（G）の発電電力が既に目標の電力値（Pc）に至っているため、第１電動弁（15）に所望とする発電電力を確実に供給できる。従って、第１電動弁（15）の開度を確実に低減できる。

発電機制御及び電動弁制御においては、第２電動弁（16）の開度を一定の開度で固定するのがよい。これにより、発電機制御及び電動弁制御における、制御パラメータが少なくなり、制御処理の簡素化を図ることができる。

一方、発電機制御及び電動弁制御が終了した後には、通常動作と同様にして、総流量（QT）が目標流量（QT*）になるように、第２電動弁（16）が制御される（ステップ（S5））。この際、第２電動弁（16）、第１流量計（17）、及び第２流量計（18）には、発電機（G）からの発電電力が供給されている。このため、電力系統（5）が停電している状態であっても、管路（1）の下流側へ目標流量（QT*）の水を継続して供給できる。

その後、電力系統（5）の停電が復帰すると（ステップ（S6））、各スイッチ部（41,42,43）が元の状態に戻り通常動作が再開される。

〈本実施形態の効果〉
以上のように、本実施形態では、電力系統（5）が停電状態になると、発電機（G）で発電した電力を管路（1）の各電気機器（15,16,17,18）へ供給する自立動作が行われる。このため、例えばＵＰＳ等の無停電電源装置を導入せずとも、これらの電気機器（15,16,17,18）を継続して作動させることができる。

自立動作では、発電機（G）の発電電力が必要最小限に抑えられるため、電力供給回路（C）の過電圧を抑制できる。また、回生抵抗器（40）を設けることで、余剰の電力を確実に消費できる。

自立動作では、まず、発電機（G）を制御して発電電力を低下させる発電機制御が行われる。このため、電力系統（5）の停電後、速やかに発電機（G）の発電電力を低下でき、回生抵抗器（40）の抵抗容量を低減できる。

発電機制御の後、第１電動弁（15）の開度を小さくする電動弁制御を行うことで、水車（W）の運転点を不安定な領域から安定な領域へと移行できる。この結果、キャビテーションの発生を回避できるとともに、発電効率も向上できる。この際、第１電動弁（15）は、発電機（G）の発電電力によって確実に作動できる。また、発電機制御と電動弁制御を併用することで、応答性が比較的速い発電機制御によって、発電機（G）の出力電力が過剰になることを速やかに回避できるとともに、応答性が比較的遅い電動弁制御によって、キャビテーションの発生を確実に回避できる。

自立動作では、発電機（G）の発電電力を抑制しつつ、自己の発電電力によって各電気機器（15,16,17,18）を継続して作動できる。従って、電力系統（5）の停電時においても、所望とする流量の水を管路（1）の下流側へ供給できる。

〈発明の実施形態２〉
図７に示す実施形態２の水力発電システム（10）では、実施形態１において補助回路（50）に非常用負荷（54）が接続されている。非常用負荷（54）は、例えば電力系統（5）の停電時において点灯する非常灯で構成される。

実施形態２において、電力系統（5）が停電状態になると、実施形態１と同様にして発電電力が各電気機器（15,16,17,18）へ供給される。同時に、発電電力の一部は補助回路（50）を介して非常用負荷（54）にも供給される。これにより、電力系統（5）の停電時において、ＵＰＳ等の無停電電源装置を用いずとも、非常用負荷（54）を確実に作動できる。

なお、実施形態２の自立動作における発電機（G）の目標の電力値（例えばPc）は、管路（1）の電気機器（15,16,17,18）の消費電力の瞬時合計値に、非常用負荷（54）の消費電力を加えた値に設定される。また、回生抵抗器（40）の抵抗容量も、実施形態１の抵抗容量に非常用負荷（54）の消費電力を加えた値に相当する。

〈発明の実施形態３〉
図８に示す実施形態３に係る水力発電システム（10）は、管路（1）に２つの分岐管（12,13）が設けられていない。そして、１本の管路（1）には、上流から下流に向かって順に、第１流量計（17）、第１電動弁（15）、及び水車（W）が直列に接続されている。

この例においても、電力系統（5）が停電した場合に、発電機（G）の発電電力を第１流量計（17）及び第１電動弁（15）に供給できる。これにより、電力系統（5）の停電後においても、ある流量に調節した水を管路（1）の下流側に供給できる。

〈その他の実施形態〉
上記実施形態の流量取得部（17,18）は、流量計で構成される。しかし、流量取得部（17,18）は、上述した特性マップ（M）を含み、該特性マップ（M）により各流量を推定するように構成されてもよい
水力発電システム（10）は、管路（1）に限らず、開水路や、閉水路（例えば管路）と開水路が混在する水路にも設置できる。一例としては、農業用水路に水力発電システム（10）を設置することが考えられる。

また、水車（W）に供給する流体は水には限定されない。例えば、ビルなどの空気調和装置に用いられるブラインを流体として利用することも考えられる。

また、水力発電システム（10）の設置場所は上水道（4）には限定されない。

上記実施形態では、自立動作において、発電機（G）及び第１電動弁（15）の開度を制御することで発電機（G）の発電電力を低下させている。しかしながら、自立動作において、発電機（G）を制御せず、電気機器である第１電動弁（15）の開度を小さくする制御だけで発電機（G）の発電電力を低下させてもよい。また、第１電動弁（15）の開度を制御せず、発電機（G）の制御だけで発電機（G）の発電電力を小さくしてもよい。自立動作では、発電機（G）の発電電力が必要最小限に抑えられるため、電力供給回路（C）の過電圧を抑制できる。これらの構成においても、実施形態と同様の回生抵抗器（40）を設けるのが好ましい。この場合、回生抵抗器（40）の応答性は、発電機（G）の応答性や第１電動弁（15）の応答性よりも速くするのがよい。

特に、第１電動弁（15）の開度を小さくして発電機（G）の発電電力を小さくする場合、第１電動弁（15）の応答が遅れ、発電機コントローラ（20）の電圧の過剰な上昇を招くおそれがある。これに対し、回生抵抗器（40）の応答性は第１電動弁（15）の応答性よりも一般的に速いため、発電機コントローラ（20）の電圧の過剰な上昇を速やかに抑制できる。しかも、電動弁制御によって発電機（G）の発電電力が必要最小限に抑えられるため、この回生抵抗器（40）の容量も低減できる。

本発明は、水力発電システムとして有用である。

１ 管路（水路）
５ 電力系統
１３ 第２分岐管（迂回路）
１５ 第１電動弁
１６ 第２電動弁
１７ 第１流量計（流量取得部）
１８ 第２流量計（流量取得部）
２０ 発電機コントローラ（制御部）
４０ 回生抵抗器（抵抗器）

Claims (8)

1. 流体が流れる水路（1）に接続される流体機械（W）と、
   前記流体機械（W）によって駆動される発電機（G）と、
   前記発電機（G）で発電した電力を電力系統（5）に供給する電力供給回路（C）と、
   前記電力系統（5）から、前記水路（1）に設けられる所定の電気機器（15,16,17,18）へ電力を供給する通常動作と、前記発電機（G）で発電した電力を前記電気機器（15,16,17,18）へ供給する自立動作とを行うように前記電力供給回路（C）を制御する制御部（20）と
   を備え、
   前記制御部（20）は、前記電力系統（5）の停電時に前記自立動作を実行させることを特徴とする水力発電システム。
2. 請求項１において、
   前記制御部（20）は、前記自立動作において、前記発電機（G）の出力電力を低下させる
   ことを特徴とする水力発電システム。
3. 請求項２において、
   前記制御部（20）は、前記自立動作において、前記発電機（G）の出力電力が低下するように前記発電機（G）を制御する
   ことを特徴とする水力発電システム。
4. 請求項２において、
   前記水路（1）には、電動弁（15）が前記電気機器として接続され、
   前記制御部（20）は、前記自立動作において、前記発電機（G）の出力電力が低下するように前記電動弁（15）の開度を小さくする
   ことを特徴とする水力発電システム。
5. 請求項２において、
   前記水路（1）には、電動弁（15）が前記電気機器として接続され、
   前記制御部（20）は、前記自立動作において、前記発電機（G）の出力電力が低下するように前記発電機（G）及び前記電動弁（15）の開度を制御する
   ことを特徴とする水力発電システム。
6. 請求項２乃至５のいずれか１つにおいて、
   前記水路（1）には、前記電気機器としての電動弁（16）が接続され、
   前記水路（1）の流体の流量を取得する流量取得部（17,18）を備え、
   前記制御部（20）は、前記電力系統（5）の停電時に前記流量取得部（17,18）で取得した流量に基づいて前記電動弁（16）の開度を制御する
   ことを特徴とする水力発電システム。
7. 請求項６において、
   前記水路（1）は、前記流体機械（W）をバイパスするとともに前記電動弁（16）が接続される迂回路（13）を有し、
   前記制御部（20）は、前記電力系統（5）の停電時に前記水路（1）を流出する流体の総流量が目標流量に近づくように前記電動弁（16）の開度を制御する
   ことを特徴とする水力発電システム。
8. 請求項１乃至７のいずれか１つにおいて、
   前記電力供給回路（C）には、前記電力系統（5）の停電時に前記発電機（G）で発電した電力を消費する抵抗器（40）が接続される
   ことを特徴とする水力発電システム。

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