JP2018135799A

JP2018135799A - 水力発電システム

Info

Publication number: JP2018135799A
Application number: JP2017030734A
Authority: JP
Inventors: 水谷　政敏; Masatoshi Mizutani; 政敏水谷; 伊藤　隆志; Takashi Ito; 隆志伊藤
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2018-08-30

Abstract

【課題】過負荷時や電力供給系の故障時に発電機と電力供給系とを切り離して水車をフリー回転にすることで水車にかかるスラスト力を小さくすることが出来、必要とする羽根の機械的強度を下げることが出来て、コストを下げる事が出来る水力発電システムを提供する。
【解決手段】水車１と、発電機３と、この発電機３の負荷を調整して水車１の回転数を制御する負荷調整装置４とを備える。発電機３および負荷調整装置４の異常を検出する異常検出手段１７と、異常が検出されると発電機３と負荷調整装置４との接続を切り離すことで発電機３を無負荷にする接続切り離し手段２０を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、水力発電システムに関し、過負荷時や電力供給系の故障時に水車に作用するスラスト力を調整することで、羽根車の機械的強度を小さくする技術に係る。

水力発電装置では、水車の主軸に接続された発電機の負荷を負荷調整装置が流速に応じて変化させて発電機のトルクを調整し、水車の回転数を制御している。流速が大きくなって水車の出力が発電機の定格出力を超える場合、発電機の過電流を防ぐため、電気式ブレーキや機械式ブレーキで水車を失速または停止させている。

特開２０００−１９９４７３号公報

上記従来の構成では、水車を失速または停止させるため、流体から羽根にかかる抗力が大きくなり、水車にかかるスラスト力が大きくなる。そのため、羽根やシャフトなどの機械的強度を大きくする必要がある。機械的強度を増すため羽根の厚さを厚くすると、羽根のコストが高くなる問題点がある。
また、電気式ブレーキとして発電機を短絡して水車を失速させる場合、大きい短絡電流が流れるため発電機が加熱され、発電機のコイルが損傷したり磁石が減磁したりする場合がある。それを防ぐため水車の定格より大きい発電機を使用する方法もあるが、発電機のコストが高くなる問題点がある。
流速が速いときに機械式ブレーキで水車を停止させる場合、大きいトルクが必要となるため機械式ブレーキの容量が大きくなりコストが高くなる問題点がある。

この発明は、上記課題を解消するものであり、過負荷時や電力供給系の故障時に発電機と電力供給系とを切り離して水車をフリー回転にすることで水車にかかるスラスト力を小さくすることが出来、必要とする羽根やシャフトなどの機械的強度を下げる事が出来て、コストを下げる事が出来る水力発電システムを提供することを目的とする。

この発明の水力発電システムは、水のエネルギーを回転エネルギーに変換する水車１と、この水車１の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機３と、この発電機３の負荷を調整して前記水車１の回転数を制御する負荷調整装置４とを備え、
前記発電機３および前記負荷調整装置４の異常を検出する異常検出手段１７と、異常が検出されると前記発電機３と前記負荷調整装置４との接続を切り離すことで前記発電機３を無負荷にする接続切り離し手段２０とを備えることを特徴とする。

上記構成によると、接続切り離し手段２０は、流速が速くなって発電電力が、例えば定格電力を超える場合、発電機３と負荷調整装置４とをスイッチ５で切り離して水車１をフリー回転にする。これにより、水車１にかかるスラスト力が小さくなるため、水車１の必要とする羽根やシャフトなどの機械的強度を抑えることができ、そのためコスト低下を図ることができる。また、定格電力より大きい発電機３を搭載する必要がなくなるので、発電機３のコストを抑えることができる。また、機械式ブレーキ１０として高トルクを発生させることができるものを必要としないため、機械式ブレーキ１０のコストを小さくすることが出来る。

この発明において、前記接続切り離し手段２０は、前記発電機３の出力端子と前記負荷調整装置４の電力入力端子との間に介在した電気式のスイッチまたは機械式のスイッチ５を有していても良い。
これらのスイッチ５を用いることで、前記接続切り離し手段２０の構成が簡単になる。

この発明において、前記接続切り離し手段２０の接続切り離し後に再接続する時に、前記水車１の回転を低下させる再接続時回転低下手段２１を備えていても良い。
水車１がフリー回転をしていると発電機３の回転数が高いため発電電圧が高いので、そのまま負荷調整装置４に接続すると過大入力電圧のために負荷調整装置４が故障する可能性がある。そのため、水車１の回転数を落として発電機３の発電電圧を低下させてから負荷調整装置４に再接続するとよい。

この構成の場合に、前記再接続時回転低下手段２１が、前記水車１を制動する電気式または機械式のブレーキ８，１０と、再接続の指令手段２２からの指令に従って前記ブレーキ８，１０を制動動作させ、前記水車１の回転数が所定の閾値以下になると制動動作を解除させるブレーキ制御手段１９とでなる構成であっても良い。
これにより適切にブレーキ８，１０を制御して再接続が行える。

この発明の水力発電システムは、水のエネルギーを回転エネルギーに変換する水車と、この水車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、この発電機の負荷を調整して前記水車の回転数を制御する負荷調整装置とを備えた水力発電システムにおいて、前記発電機および前記負荷調整装置の異常を検出する異常検出手段と、異常が検出されると前記発電機と前記負荷調整装置との接続を切り離すことで前記発電機を無負荷にする接続切り離し手段とを備えるため、過負荷時や電力供給系の故障時に発電機と電力供給系とを切り離して水車をフリー回転にすることで水車にかかるスラスト力を小さくすることが出来、必要とする羽根やシャフトなどの機械的強度を下げることが出来て、コストを下げる事が出来る。

この発明の一実施形態に係る水力発電システムの概念構成のブロック図である。その負荷調整装置に内蔵するスイッチの回路図である。

この発明の一実施形態を図面と共に説明する。図１に示す水力発電装置は、水平軸型（プロペラ型）水力発電装置の例である。水の運動エネルギーにより水車１が回転し、水車の主軸２が発電機３を駆動する。発電機３は、永久磁石を使用した三相同期発電機であり、主軸２にカップリング等で締結されている。必要に応じて主軸２と発電機３の間に増速機（図示せず）を設ける。

発電機３に負荷を接続して出力をとると、水車１に発電機３からトルクがかかり、水車１の回転が制動される。負荷を重くすると水車の回転数は遅くなり、負荷を軽くすると水車の回転数は速くなる。発電機１の負荷として負荷調整装置４が接続され、負荷調整装置４に、発電電力を使用する負荷１２が接続される。

負荷調整装置４は、流速に応じて発電機３のトルクを増減させ水車１が最適な回転数で回転するように制御する。負荷制御装置４は、インバータ、AC/DCコンバータ、パワーコンディショナなどが使用される。水車の回転数の制御には、発電機の回転数と発電機の出力電流などのテーブルを使用するテーブルマップ制御や最大電力点追随制御（MPPT）などが使用される。発電機３の回転数は、発電機３の発電電圧の周波数から求めてもよいし、水車１の回転数を外部に設置した回転センサ（図示せず）で検出して求めてもよい。また、水車１に流入させる水路１３に設けられた流速計測手段１４により水流の流速を計測し、流速と発電機の回転数のテーブルを使用して制御してもよい。コンピュータ式の制御装置１５の負荷制御手段１６が、発電機の回転数や流速の大きさに応じて発電機の出力電流や出力電力を変化させて発電機の負荷を調整し、水車１の回転数を制御する。負荷調整装置の負荷は、蓄電装置や電力を消費する機器、発電した電力を系統に発電した電力を逆潮流させる系統連系機器などである。

発電機３と負荷調整装置４の間にはスイッチ５が設けられている。このスイッチ５は、リレーや電磁接触器などの機械的スイッチ、またはトライアックなどの半導体素子で構成される電気的スイッチである。このスイッチ５と、このスイッチ５の開閉の制御を行う切り離し制御部１８とで、接続切り離し手段２０が構成される。前記負荷調整装置４の外部にスイッチ５を設けずに、図２に示すように負荷調整装置４の内部に、サイリスタ６およびダイオード７で構成される整流回路で電気的なスイッチ５′を構成してもよい。

異常検出手段１６は、前記流速計測手段１４で検出される流速、および負荷調整装置４の故障を検出する故障検出手段（図示せず）の出力信号を監視し、流速が速くなって発電電力が発電機３の定格電力を超える流速になったときや、負荷調整装置４の故障などで水車１の制御が出来なくなったときに、異常と判定する。この異常の判定に応答して、切り離し制御部１８が上記スイッチ５を切り離すことで発電機３の外部端子を開放し、水車１をフリー回転させる。異常検出手段１６は流速の監視の代わりに、発電機３で発電される電力を、電力計、電圧計、電流計等により発電電力監視し、定格電力などの設定値を超えると異常であるとの判定を行うようにしても良い。また、制御装置が発電機の発電電力や発電機の回転数を監視して、設定値を超えたときに異常であると判定してもよい。

流速が遅くなって水車１の制御を復帰させるとき、発電機３を負荷調整装置４に接続する必要がある。水車１がフリー回転をしていると発電機３の回転数が高いため発電電圧が高いので、そのまま負荷調整装置４に接続すると過大入力電圧のために負荷調整装置４が故障する可能性がある。そのため、水車１の回転数を落として発電機３の発電電圧を低下させてから負荷調整装置４に再接続するとよい。

前記再接続時にフリー回転中の水車１の回転数を落とす手段として、電気式のブレーキ８またはディスクブレーキなどの機械式のブレーキ１０と、このブレーキ８，１０を制御するブレーキ制御部１９とでなる再接続時回転制御手段２１が設けられている。電気式のブレーキ８は、発電機３の各出力相電線を、スイッチ８ａを介して抵抗８ｂで短絡して制動をかけるものである。これらブレーキ８，１０は、発電機３を負荷調整装置４に再接続するときに水車１の回転数を所定の速度以下にするだけでいいので、容量が小さいものでよい。

前記ブレーキ制御部１９は、再接続指令手段２２からの指令に従って前記ブレーキ８，１０を制動動作させ、これにより発電機３の回転数が所定の回転数以下になると、ブレーキ８，１０をオフにしかつ前記スイッチ５で発電機３を負荷調整装置４に接続して発電機３の回転を制御する。前記「所定の回転数」は、適宜に設計により定める。
発電機３の回転数は、発電機３の発電電圧の周波数から求めてもよいし、水車１の回転数を外部に設置した回転センサ（図示せず）で検出して求めてもよい。
前記再接続指令手段２２は、例えば操作盤（図示せず）に設けられ、前記異常が解消したと判断された場合に、再接続の操作がオペレータにより成されるようにしても良く、また前記異常検出手段１７等により異常が検出されなくなったことを監視して再接続の指令を与える手段であっても良い。

この構成によると、上記のように、接続切り離し手段２０は、流速が速くなって発電電力が定格電力を超える場合、発電機３と負荷調整装置４とをスイッチ５で切り離して水車１をフリー回転にする。水車１をフリー回転にすると水車１にかかるスラスト力が小さくなるため、水車１の必要とする羽根やシャフトなどの機械的強度を抑えることができ、そのためコスト低下を図ることができる。また、定格電力より大きい発電機３を搭載する必要がなくなるので、発電機３のコストを抑えることができる。また、機械式ブレーキ１０として高トルクを発生させることができるものを必要としないため、機械式ブレーキ１０のコストを小さくすることが出来る。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…水車
３…発電機
４…負荷調整装置
５，５′…スイッチ
８…電気式のブレーキ
１０…機械式のブレーキ
１２…負荷
１４…流速計測手段
１５…制御装置
１６…負荷制御手段
１７…異常検出手段
１８…切り離し制御部
１９…ブレーキ制御部
２０…接続切り離し手段
２１…再接続時回転制御手段
２２…再接続指令手段

Claims

水のエネルギーを回転エネルギーに変換する水車と、この水車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、この発電機の負荷を調整して前記水車の回転数を制御する負荷調整装置とを備えた水力発電システムにおいて、
前記発電機および前記負荷調整装置の異常を検出する異常検出手段と、異常が検出されると前記発電機と前記負荷調整装置との接続を切り離すことで前記発電機を無負荷にする接続切り離し手段とを備えることを特徴とする水力発電システム。
請求項１に記載の水力発電システムにおいて、前記接続切り離し手段は、前記発電機の出力端子と前記負荷調整装置の電力入力端子との間に介在した電気的または機械的成スイッチを有する水力発電システム。
請求項１または請求項２に記載の水力発電システムにおいて、前記接続切り離し手段の接続切り離し後に再接続する時に、前記水車の回転を一時的に低下させる再接続時回転低下手段を備える水力発電システム。
請求項３に記載の水力発電システムにおいて、前記再接続時回転低下手段が、前記水車を制動する電気式または機械式のブレーキと、再接続の指令手段からの指令に従って前記ブレーキを制動動作させ、前記水車の回転数が所定の閾値以下になると制動動作を解除させるブレーキ制御手段とでなる水力発電システム。