JP2018207696A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、需要量を上回った電力を消費させる負荷を備えることなく、逆潮流を生じさせない水力発電装置を提供することにある。【解決手段】水力発電装置１０では、発電量が需要量を上回って逆潮流が生じるおそれがあり、制御部６０が送配電事業者のサーバ１００からの発電量の調整要求を受けた場合、制御部６０は第１発電部４３Ａが設けられている第１発電用配管４０Ａの第１電動流量調整弁４４Ａの開度調整を行って、発電量を抑制し、逆潮流の発生を防止する。【選択図】図４

Description

本発明は、水力発電装置、特に浄水場などの導水、送水に用いられる管路に設置されるマイクロ水力発電装置に関する。

従来、小規模な水力発電装置として、浄水場などの導水管、送水管に設置されるマイクロ水力発電装置が知られている。例えば、特許文献１（特開２００６−２２７４５号公報）に開示されている水力発電装置は、水力発電装置の上流側に設置した水車入口弁の開度制御と水力発電装置の水車回転数制御とをそれぞれ独立して行って水力発電装置の下流側管路における配水の制御量を目標値に制御している。

このような自然エネルギーを利用した小規模な水力発電装置では、発電量が成り行きのため、需要に合わせた制御が困難であり、発電量が需要量を上回ることがある。かかる場合、発電出力が系統側に逆流する逆潮流が生じ、電圧上昇や周波数変動などの問題が発生する。そのような逆潮流を生じさせないためには、小規模発電装置側に需要量を上回った電力を消費させる負荷を備える必要があり、経済的負担となる。

本発明の課題は、需要量を上回った電力を消費させる負荷を備えることなく、逆潮流を生じさせない水力発電装置を提供することにある。

本発明の第１観点に係る水力発電装置は、水が流れる流路に設置される水力発電装置であって、水入口部と、水出口部と、水入口部と水出口部とを結び並列に並ぶ複数の配管と、発電部と、流量調整弁と、制御部とを備えている。発電部は、複数の配管のうち一つ以上の配管に設けられ、管内を流れる水の力を受けて発電する。流量調整弁は、発電部に流れる水量を調整する。制御部は、流量調整弁の開度調整を行う。また、制御部は、発電部から発電量の情報、及び上位装置からの発電量の調整要求を受け、発電量の情報および調整要求に基づいて流量調整弁の開度調整を行う。

この水力発電装置では、発電量が需要量を上回って逆潮流が生じるおそれがあり、制御部が上位装置からの発電量の調整要求を受けた場合、制御部は発電部が設けられている配管の流量調整弁の開度調整を行って、発電量を抑制し、逆潮流の発生を防止する。

本発明の第２観点に係る水力発電装置は、第１観点に係る水力発電装置であって、複数の配管のうちの発電部が設けられていない配管をバイパス配管とし、流量調整弁にはバイパス配管に流れる水量を直接又は間接的に調整するものが含まれる。

この水力発電装置では、発電部が設けられている配管を流れる水量を一定に維持するために、余分な水量はバイパス配管に流れる。但し、水入口部を流れる水量と水出口部を流れる水量とは同じ設定量でなければならないので、水入口部と水出口部を流れる水量が設定量を維持するように、発電部が設けられている配管を流れる水量を調整する流量調整弁、およびバイパス配管を流れる水量を調整する流量調整弁の開度を連動して調整する。

本発明の第３観点に係る水力発電装置は、第２観点に係る水力発電装置であって、制御部が複数の流量調整弁を連動させて制御する。

この水力発電装置では、配管を流れる水量をその配管の流量調整弁で増減させたとき、他の配管の流量に影響が適正に及ぶまで、他の複数の流量調整弁も連動させて制御する。

本発明の第４観点に係る水力発電装置は、第２観点に係る水力発電装置であって、バイパス配管を除く複数の配管に発電部が設けられている。そして、発電部それぞれに異なる発電量が要求される。

この水力発電装置では、発電部の発電量を、全量売電、自家消費などの目的によって異なる発電量を要求することができるので、利便性が高い。

本発明の第５観点に係る水力発電装置は、第３観点に係る水力発電装置であって、所定の配管に流量計が設けられている。

この水力発電装置では、複数の配管それぞれに流量計が設けられているので、複数の流量調整弁を連動させて複数の配管それぞれの流量を調整する際、正確なフィードバックが可能である。

本発明の第６観点に係る水力発電装置は、第１観点から第５観点のいずれか一つに係る水力発電装置であって、所定の配管にレデューサが設けられている。

この水力発電装置では、レデューサが配管内を流れる水の流速を上げるので、その下流側に発電部がある場合は発電部に安定した水流を供給することできる。

本発明の第７観点に係る水力発電装置は、第１観点から第６観点のいずれか１つに係る水力発電装置であって、浄水場の取水、或いは給水の水配管が流路として利用される。

この水力発電装置では、発電部が設けられる配管、又は発電部が設けられないバイパス配管が浄水場の取水、或いは給水の水配管として利用されることによって、投資額を抑制して、手軽に水力発電事業を行うことができる。

本発明の第８観点に係る水力発電装置は、第１観点から第７観点のいずれか１つに係る水力発電装置であって、水入口部と水出口部との区間が、水が流れる流路として機能する。

この水力発電装置では、複数の配管は、発電のために流路の水を水入口部で分岐させるだけではなく、発電に利用した水を水出口部で当該流路に合流させるので、水入口部と水出口部との区間は主流路そのものであり、主流路の流量を乱すことなく水を有効に活用することができる。

本発明の第９観点に係る水力発電装置は、第１観点から第９観点のいずれか１つに係る水力発電装置であって、制御部が、電力会社への売電時に高圧電力系統と連携することが制限されている前記発電部の発電量を抑制する制御を行う。

この水力発電装置では、制御部が、発電部が設けられている配管の流量調整弁の開度調整を行って発電量を抑制するので、高圧電力系統と連携することが制限されている発電部の発電量制御に適している。

本発明の第１観点に係る水力発電装置では、発電量が需要量を上回って逆潮流が生じるおそれがあり、制御部が上位装置からの発電量の調整要求を受けた場合、制御部は発電部に流れる水量を調整する流量調整弁の開度調整を行って、発電量を抑制し、逆潮流の発生を防止する。

本発明の第２観点に係る水力発電装置では、発電部が設けられている配管を流れる水量を一定に維持するために、余分な水量はバイパス配管に流れる。但し、水入口部を流れる水量と水出口部を流れる水量とは同じ設定量でなければならないので、発電部が設けられている配管を流れる水量が流量調整弁の開度調整によって変動しても、水入口部と水出口部を流れる水量が設定量を維持するように、バイパス配管を流れる水量も流量調整弁の開度調整によって変動させる。

本発明の第３観点に係る水力発電装置では、配管を流れる水量をその配管の流量調整弁で増減させたとき、他の配管の流量に影響が及ぶまで、他の複数の流量調整弁も連動させて制御する。

本発明の第４観点に係る水力発電装置では、発電部の発電量を、全量売電、自家消費などの目的によって異なる発電量を要求することができるので、利便性が高い。

本発明の第５観点に係る水力発電装置では、複数の流量調整弁を連動させていずれかの配管の水量を調整する際、所定の配管に流量計が設けられているので、正確なフィードバックが可能である。

本発明の第６観点に係る水力発電装置では、レデューサが配管内を流れる水の流速を上げるので、その下流側に発電部がある場合は発電部に安定した水流を供給することできる。

本発明の第７観点に係る水力発電装置では、発電部が設けられる配管、又は発電部が設けられないバイパス配管が浄水場の取水、或いは給水の水配管として利用されることによって、投資額を抑制して、手軽に水力発電事業を行うことができる。

本発明の第８観点に係る水力発電装置では、複数の配管は、発電のために流路の水を水入口部で分岐させるだけでなく、発電に利用した水を水出口部で当該流路に合流させるので、水入口部と水出口部との区間は主流路そのものであり、主流路の流量を乱すことなく水を有効に活用することができる。

本発明の第９観点に係る水力発電装置では、制御部が、発電部が設けられている配管の流量調整弁の開度調整を行って発電量を抑制するので、高圧電力系統と連携することが制限されている発電部の発電量制御に適している。

本発明の水力発電装置が用いられる上水道システムの模式図。 本発明の第１実施形態に係る水力発電装置の制御部を除いた状態の斜視図。 図２の水力発電装置の構成図。 水力発電装置の制御系を示すブロック図。 水力発電装置の動作を示すフローチャート。 変形例に係る水力発電装置の制御系を示すブロック図。 本発明の第２実施形態に係る水力発電装置の構成図。 通常制御から発電抑制制御への移行時の各配管の必要流量と弁開度との関係を示すテーブルの一例。 発電抑制制御から通常制御への移行時の各配管の必要流量と弁開度との関係を示すテーブルの一例。 水力発電装置の動作を示すフローチャート。 図９Ａに続く、水力発電装置の動作を示すフローチャート。

以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

＜第１実施形態＞
（１）水力発電装置１０の構成
本発明の水力発電装置１０が導入される対象として、例えば、上水道システムが考えられる。

図１は、本発明の水力発電装置１０が用いられる上水道システムの模式図である。また、図２は、本発明の第１実施形態に係る水力発電装置１０の制御部を除いた状態の斜視図である。さらに、図３は、図２の水力発電装置１０の構成図である。

（１−１）水力発電装置１０の設置場所
図１において、上水道システムでは、原水がダム等の貯水池２００から導水管１３０を介して浄水施設の着水井２１０に導入される。原水は、浄化後、浄水となって自然流下或いはポンプ圧送により送水管１４０を介して配水槽２２０に貯留される。配水槽２２０に貯留された浄水は、配水管１５０を介して住宅、ビル等２３０へ配水される。

例えば、図１におけるＡ所又はＢ所における有効落差が水力発電装置１０の動力源として利用される。

（１−２）水力発電装置１０の構造系
図２及び図３において、水力発電装置は、発電に用いられる水を流す発電用配管４０と、発電に用いられない水を流す非発電用配管５０を備えている。発電用配管４０及び非発電用配管５０は、水入口部２０と水出口部３０とを連絡している。

例えば、図１のＡ所において、導水管１３０の所定区間に替えて、上流側に水入口部２０、下流側に水出口部３０を接続することによって、発電用配管４０及び非発電用配管５０が導水管として機能する。

（１−２−１）発電用配管４０
発電用配管４０は、水入口部２０側から水出口部３０側に向かって、手動流量調整弁４１、流量計４２、発電部４３、及び電動流量調整弁４４が順に接続配管で直列に接続されている。

（１−２−１−１）手動流量調整弁４１
手動流量調整弁４１は、発電用配管４０へ流すことができる最大許容流量を予め設定された値にするための流量調整弁である。

（１−２−１−２）流量計４２
流量計４２は、発電部４３へ流入する水の流量を検出する。流量計４２の検出値は、発電部４３の水車のトルク制御に利用される。

（１−２−１−３）発電部４３
発電部４３は、ケーシング４３１の入口と出口との間において、水車４３２および発電機４３４を配置し、水車４３２と発電機４３４とをシャフト４３３によって連結している。入口からケーシング４３１に流入した水が水車４３２に作用し、水車４３２が回転することでシャフト４３３を介して発電機４３４が回転する。発電機４３４で発電した電力は回生インバータを通して電力系統へ送電される。

（１−２−１−４）電動流量調整弁４４
電動流量調整弁４４は、モータ駆動式の電動弁である。電動流量調整弁４４は、制御部によって開度が制御され、発電部４３のケーシング４３１に流入する水量を発電部４３の下流側で調節する。

（１−２−１−５）レデューサ４５，４６
レデューサ４５，４６は、口径を変更する配管部材である。レデューサ４５は、手動流量調整弁４１の出口と、その出口径よりも小さい流量計４２の配管入口とを連絡する管として使用されている。また、レデューサ４６は、発電部４３のケーシング４３１の出口と、その出口径よりも大きい電動流量調整弁４４の入口とを連絡する管として使用されている。

（１−２−２）非発電用配管５０
非発電用配管５０は、水入口部２０側から水出口部３０側に向かって、上流側手動流量調整弁５１、流量計５２、下流側手動流量調整弁５３が順に接続配管で直列に接続されている。

（１−２−２−１）上流側手動流量調整弁５１、及び下流側手動流量調整弁５３
上流側手動流量調整弁５１、及び下流側手動流量調整弁５３は、共に、非発電用配管５０へ流すことができる最大許容流量を予め設定された値にするための流量調整弁である。

（１−２−２−２）流量計５２
流量計５２は、非発電用配管５０を流れる水の流量を検出する。

（１−２−２−３）レデューサ５５，５６
レデューサ５５，５６は、口径を変更する配管部材である。レデューサ５５は、上流側手動流量調整弁４１の出口と、その出口径よりも小さい流量計５２の配管入口とを連絡する管として使用されている。また、レデューサ５６は、流量計５２の配管出口と、その出口径よりも大きい下流側手動流量調整弁４１の入口とを連絡する管として使用されている。

（１−３）水力発電装置１０の制御系
図４は、水力発電装置１０の制御系を示すブロック図である。図４において、水力発電装置１０は、通信ネットワーク９０を介して、送配電事業者に設けられたサーバ１００と接続されている。サーバ１００は、集中監視を行う監視サーバである。

通信ネットワーク９０は、水力発電装置１０との通信を行うため、インターネット、イントラネット、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ・Ａｒｅａ・Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＶＰＮ（Ｖｉｒｔｕａｌ・Ｐｒｉｖａｔｅ・Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の情報通信技術を利用した通信回線により構成されている。

送配電事業者は、電力供給事業者から独立した事業体であり、電力系統８６を介して電力供給事業者で発電した電力を需要家Ａ、需要家Ｂなどへ供給する。その一方で、発電設備を有する需要家Ａ、需要家Ｂなどはその発電設備で発電した電力を電力系統８６へ送電し、複数の需要家間で電力を融通する。

サーバ１００は、電力系統８６を介して送電される電力、および受電される電力を計量し、逆潮流の発生を事前に予測して、発電設備を有する需要家Ａなどの水力発電装置１０の制御系へ、発電抑制信号を送信する。

（１−３−１）制御部６０
制御部６０は、送配電事業者のサーバ１００から送信される発電抑制信号を、受信部７０を介して受信する。

また、制御部６０は、電動流量調整弁４４に対して制御信号を出力し、発電用配管４０に流れる水量の調整を行うことによって、発電部４３での発電量を制御する。

（１−３−２）受信部７０
受信部７０は、送配電事業者のサーバ１００から通信ネットワーク９０を介して送られるてくる発電抑制信号を受信する。受信部７０としては、ブロードバンドルータや３Ｇルータなどが利用される。

（１−３−３）パワーコンディショナ８０
パワーコンディショナ８０は、水力発電装置１０の発電部４３で発電された電気エネルギーの供給を受ける。パワーコンディショナ８０では、直流が交流に変換され、変換された電力が電力系統８６に供給される。電力系統８６には、電力供給事業者、それ以外の他発電設備で発電された電力も供給される。

（２）水力発電装置１０の動作
図５は、水力発電装置１０の動作を示すフローチャートである。以下、図５を参照しながら、水力発電装置１０の基本動作を説明する。

（ステップＳ１）
制御部６０は、ステップＳ１において、水力発電装置１０の運転指令の有無を判定する。ここで、水力発電装置１０が稼働していない状態とは、電動流量調整弁４４が閉じており、発電用配管４０に水がながれず、非発電用配管５０にのみ水が流れている状態であり、設置直後、又はメンテナンス時の状態がそれに該当する。

（ステップＳ２）
次に、制御部６０は、ステップＳ２において、発電部４３の発電量が予め設定されている適正量となるように電動流量調整弁４４の開度を制御し、発電用配管４０を流れる水量を調節する。

（ステップＳ３）
次に、制御部６０は、ステップＳ３において、発電抑制信号を受信したか否かを判定する。送配電事業者は、電力需給バランス確保のために出力抑制が必要となったときに、送配電事業者のサーバ１００から需要家Ａの水力発電装置１０の受信部７０へ発電抑制信号が送信される。制御部６０は、発電抑制信号を受信したと判定したときはステップＳ４に進む。

（ステップＳ４）
次に、制御部６０は、ステップＳ４において、発電部４３の発電量が所定量以下となるように電動流量調整弁４４の開度を制御する。

（ステップＳ５）
次に、制御部６０は、ステップＳ５において、発電部４３の発電量が所定量以下となっているか否かを判定する。発電部４３の発電量が所定量以下となっているときは、ステップＳ６へ進む。

（ステップＳ６）
次に、制御部６０は、ステップＳ６において、発電部４３の発電量が所定量以下となったときの電動流量調整弁４４の開度を維持する。

（ステップＳ７）
次に、制御部６０は、ステップＳ７において、発電抑制の解除の有無を判定する。送配電事業者において、発電需給バランス確保のための発電抑制が不要になったときに、サーバ１００からの発電抑制が解除され、発電抑制信号が消滅する。制御部６０は、発電抑制信号を受信していないと判定したときはステップＳ８に進む。

（ステップＳ８）
次に、制御部６０は、ステップＳ８において、発電部４３の発電量が予め設定されている適正量となるように電動流量調整弁４４の開度を制御し、発電用配管４０を流れる水量を調節する。

この場合、電動流量調整弁４４の開度は拡大するように制御されるが、既に、発電用配管４０及び非発電用配管５０の各流量は、発電抑制時の流量で定常化しているので、単に電動流量調整弁４４の開度が拡大しただけでは、発電用配管４０に流れる水量が増加しないことがある。そのため、図３に示すように水出口部３０下流側に合流側電動流量調整弁５４を設け、発電抑制制御から通常制御への切り換え時に合流側電動流量調整弁５４の開度を少し絞ることによって抵抗を与え、発電抑制時の状態で定常化してしまった非発電用配管５０への水の流れを発電用配管４０に仕向けるのが好ましい。

なお、導水管１３０を流れる水量は、一定に維持されなければならないので、合流側電動流量調整弁５４の開度を少し絞る期間の終期は、発電用配管４０の流量が通常制御時の設定値に到達した時点とすべきである。

（ステップＳ９）
次に、制御部６０は、ステップＳ９において、水力発電装置１０の停止指令の有無を判定する。通常、メンテナンス工事を行うなどの場合以外は、停止指令が出されることはない。

制御部６０は、水力発電装置１０の停止指令が有ると判定したときはステップＳ１０へ進み、水力発電装置１０の停止指令が無いと判定したときは、ステップＳ３へ戻る。

（ステップＳ１０）
次に、制御部６０は、ステップＳ１０において、電動流量調整弁４４の開度を全閉にして、制御を終了する。

このように、発電抑制信号を受信したときに、発電部４３の発電量を小さくすることで、送配電事業者からの発電量の発電抑制要求に迅速に対応することができる。

（３）変形例
なお、上記実施形態では、送配電事業者を電力供給事業者から独立した事業体として、電力系統８６を監視する送配電事業者のサーバ１００から需要家Ａなどの水力発電装置１０の制御系へ発電抑制信号を送信する構成としているが、これに限定されるものではない。

例えば、図６は、変形例に係る水力発電装置の制御系を示すブロック図であるが、図６に示すように、電力供給事業者と送配電事業者とは一体の事業体として、電力供給事業者に設けられたサーバ１１０が、通信ネットワーク９０を介して水力発電装置１０と接続されているようにしてもよい。

（４）第１実施形態の特徴
（４−１）
水力発電装置１０では、発電量が需要量を上回って逆潮流が生じるおそれがあり、制御部６０が送配電事業者のサーバ１００からの発電量の調整要求を受けた場合、制御部６０は発電部４３が設けられている発電用配管４０の電動流量調整弁４４の開度調整を行って、発電量を抑制し、逆潮流の発生を防止する。

（４−２）
水力発電装置１０では、発電部４３が設けられている発電用配管４０を流れる水量を一定に維持するために、余分な水量は非発電用配管５０に流れる。但し、水入口部２０を流れる水量と水出口部３０を流れる水量とは同じ設定量でなければならないので、水入口部２０と水出口部３０を流れる水量が設定量を維持するように、発電用配管４０を流れる水量を調整する電動流量調整弁４４の開度と、非発電用配管５０を流れる水量を調整する合流側電動流量調整弁５４の開度とを連動させて調整する。

（４−３）
水力発電装置１０では、発電用配管４０には流量計４２が設けられ、非発電用配管５０には流量計５２が設けられているので、電動流量調整弁４４、及び合流側電動流量調整弁５４を連動させて発電用配管４０、及び非発電用配管５０の各流量を調整する際に、正確なフィードバックが可能である。

（４−４）
水力発電装置１０では、発電用配管４０においては流量計４２の出入口双方にレデューサ４５，４６が設けられ、配管内を流れる水の流速を上げるので、発電部４３に安定した水流を供給することできる。

（４−５）
水力発電装置１０では、発電部４３が設けられる発電用配管４０、及び発電部４３が設けられない非発電用配管５０が、浄水場の取水、或いは給水の水配管として利用されるので、投資額を抑制して、手軽に水力発電事業を行うことができる。

（４−６）
水力発電装置１０では、発電用配管４０は、発電のために導水管１３０を流れる水を水入口部２０で分岐させるだけでなく、発電に利用した水を水出口部３０で当該導水管に合流させるので、水入口部２０と水出口部３０との区間も導水管そのものであり、導水管１３０の流量を乱すことなく水を有効に活用することができる。

（４−７）
水力発電装置１０では、制御部６０が、発電部４３が設けられている発電用配管４０の電動流量調整弁４４の開度調整を行って発電量を抑制するので、高圧電力系統と連携することが制限されている発電部４３の発電量制御に適している。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、発電部４３の発電量が需要量を上回ると予測／検知されたときに、発電用配管４０への流量を低減するが、一方で導水管として予め設定された所定流量を下回るようなことがあってはならないので、その低減分を見越して並列接続されている非発電用配管５０へ多く水を流している。

ここで、非発電用配管５０と並列接続される発電用配管４０は一本に限定されるものではなく、複数であってもよい。例えば、売電用に発電を行う発電部を含む第１発電用配管、及び自家消費用に発電を行う発電部を含む第２発電用配管を、非発電用配管５０と並列に接続してもよい。以下、図面を参照しながらその構成を説明する。

（１）全体構成
図７は、本発明の第２実施形態に係る水力発電装置１０の構成図である。図７において、非発電用配管の構成は、第１実施形態における非発電用配管５０と同じであるので、同一符号・同一名称を用いる。

図７の正面視で上側に位置する第１発電用配管４０Ａは、後述の第２発電用配管４０Ｂの手動流量調整弁４１Ｂの出口と、第２発電用配管４０Ｂの手動流量調整弁４７Ｂの入口とを連絡するように接続されていており、第２発電用配管４０Ｂの構成部品から手動流量調整弁４１Ｂと手動流量調整弁４７Ｂとを取り除いた構成と同等である。それゆえ、第２発電用配管４０Ｂの構成部品と同じ構成部品については、第２発電用配管４０Ｂの構成部品の番号と同一の番号にした上で末尾に「Ａ」をつけている。

また、図７の正面視で第１発電用配管４０Ａの下側に位置する第２発電用配管４０Ｂは、第１実施形態における発電用配管４０の同じ構成部品に、新たに手動流量調整弁４７Ｂを追加した構成であり、同一構成部品については、第１実施形態の発電用配管４０の構成部品の番号と同一の番号にした上で、末尾に「Ｂ」をつけている。手動流量調整弁４７Ｂは、第２発電用配管４０Ｂの際下流側に配置されている。

（２）動作
基本動作は、第１実施形態で説明した通りであるが、第１発電用配管４０Ａ及び第２発電用配管４０Ｂという２つの発電用配管を非発電用配管５０に並列接続する意義は、一方で発電された電力を自家消費に当て、もう一方で発電された電力を全量売電に当てることができる、という利便性にある。

この第２実施形態では、第１発電用配管４０Ａで発電された電力は全量売電に当てられ、第２発電用配管４０Ｂで発電された電力は自家消費に当てられる。

導水管１３０には予め設定されている流量Ｑｍ（ｍ³／ｓ）の水が流れており、導水管１３０を通って水力発電装置１０の水入口部２０に到達した水のうち、流量Ｑ１が第１発電用配管４０Ａに流れ、流量Ｑ２が第２発電用配管４０Ｂに流れ、流量Ｑ０が非発電用配管５０に流れるように、各配管の電動流量調整弁の開度が設定される。つまり、Ｑｍ＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ０である。

説明の便宜上、第１発電用配管４０Ａの電動流量調整弁を第１電動流量調整弁４４Ａ、第２発電用配管４０Ｂの電動流量調整弁を第２電動流量調整弁４４Ｂ、及び水出口部３０の下流側の電動流量調整弁を合流側電動流量調整弁５４と言う。

（２−１）通常制御時の各配管の流量
図８Ａは、通常制御から発電抑制制御への移行時の各配管の必要流量と弁開度との関係を示すテーブルの一例である。また、図８Ｂは、発電抑制制御から通常制御への移行時の各配管の必要流量と弁開度との関係を示すテーブルの一例である。

さらに、図９Ａ及び図９Ｂは、水力発電装置１０の動作を示すフローチャートである。以下、図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ及び図９Ｂを参照しながら、水力発電装置１０の基本動作を説明する。

（ステップＳ２１）
制御部６０は、ステップＳ２１において、水力発電装置１０の運転指令の有無を判定する。ここで、水力発電装置１０の稼働していない状態とは、第１電動流量調整弁４４Ａ及び第２電動流量調整弁４４Ｂが閉じており、第１発電用配管４０Ａ及び第２発電用配管４０Ｂに水がながれず、非発電用配管５０にのみ水が流れている状態であり、設置直後、又はメンテナンス時の状態がそれに該当する。

（ステップＳ２２）
次に、制御部６０は、ステップＳ２２において、第１発電部４３Ａ及び第２発電部４３Ｂの発電量が予め設定されている適正量となるように各流量調整弁の開度を制御し、各管を流れる水量を調節する。具体的には、図８Ａにおいて、第１発電用配管４０Ａで発電された電力は全量売電であるので、通常、発電量が最大となるように第１発電用配管４０Ａに最大許容流量Ｑ１ａに流している。そのために、第１電動流量調整弁４４Ａの開度は、開度Ｓ１ａに設定されている。

一方、第２発電用配管４０Ｂで発電された電力は自家消費に当てられるので、理想的には一日で使用する電力が最大となる朝夕の電力を賄える発電量に設定したいところであるが、その場合、昼間は使用量が発電量を下回って余った電力が電力系統へ逆流するので、通常は、昼間の電力消費に相当する電力を発電するように第２発電用配管４０Ｂに流量Ｑ２ａに流している。そのために、第２電動流量調整弁４４Ｂの開度は、開度Ｓ２ａに設定されている。

また、導水管１３０には予め設定されている流量Ｑｍが流れているので、流量Ｑｍのうち、流量Ｑ１ａは第１発電用配管４０Ａに流れ、流量Ｑ２ａが第２発電用配管４０Ｂに流れるので、残りのＱ０ａが非発電用配管５０に流れるように、合流側電動流量調整弁５４の開度を開度Ｓ０ａに設定される。つまり、Ｑｍ＝Ｑ１ａ＋Ｑ２ａ＋Ｑ０ａである。

（２−２）通常制御から発電抑制制御への移行時の各配管の流量
（ステップＳ２３）
次に、制御部６０は、ステップＳ２３において、発電抑制信号を受信したか否かを判定する。送配電事業者は、電力需給バランス確保のために出力抑制が必要となったときに、送配電事業者のサーバ１００から需要家Ａの水力発電装置１０の受信部６１へ発電抑制信号が送信される。制御部６０は、発電抑制信号を受信したと判定したときはステップＳ２４に進む。

（ステップＳ２４）
次に、制御部６０は、ステップＳ２４において、第１発電部４３Ａの発電量が所定量以下となるように各電動流量調整弁の開度を制御する。

例えば、第１実施形態では、発電用配管４０の電動流量調整弁４４の開度を調整することで、発電用配管４０及び非発電用配管５０を流れる水量を制御することができた。これに対し、第２実施形態では、第１電動流量調整弁４４Ａ、第２電動流量調整弁４４Ｂ、及び合流側電動流量調整弁５４の開度を連動して調節しなければ、各配管に流れる水量を制御することができない。

つまり、第１発電用配管４０Ａを流れる水量を発電抑制のために変更するには、第１電動流量調整弁４４Ａの開度を変えるだけでは済まない、ということである。それゆえ、第２実施形態では、発電抑制時の第１電動流量調整弁４４Ａの開度に対応する第２電動流量調整弁４４Ｂ、及び合流側電動流量調整弁５４の開度が、予め設定され、制御部６０に記憶されている。

図８Ａに示すように、第１発電部４３Ａでの発電量を抑制するためには、第１発電用配管４０Ａの流量を通常時の流量Ｑ１ａよりも少ない流量Ｑ１ｂにする必要があり、そのために、第１電動流量調整弁４４Ａの開度を通常時の開度Ｓ１ａよりも小さい開度Ｓ１ｂに設定される。

一方、第２発電用配管４０Ｂでは発電量を抑制する必要がないので、第２発電用配管４０Ｂの流量は通常時と同じ流量Ｑ２ａを維持する。しかし、ここで問題となるは、第２電動流量調整弁４４Ｂの開度を通常時の開度Ｓ２ａに維持しても流量Ｑ２ａにはならないことである。

なぜなら、第１発電用配管４０Ａの流量を絞った影響で、導水管１３０の水の流れは非発電用配管５０に流れようとするため、第２発電用配管４０Ｂの流量が確保し難くなるからである。

そこで、初期段階において、第２電動流量調整弁４４Ｂの開度は通常時の開度Ｓ２ａよりも大きい開度Ｓ２ｂに設定され、且つ、合流側電動流量調整弁５４の開度は通常時の開度Ｓ０ａよりも小さい開度Ｓ０ｂに設定される。これによって、第２発電用配管４０Ｂの流量が確保され易くなる。

（ステップＳ２５）
次に、制御部６０は、ステップＳ２５において、各管の流量が目標量に到達しているか否かを判定する。

具体的には、第１発電用配管４０Ａの流量が流量Ｑ１ｂ、第２発電用配管４０Ｂの流量が流量Ｑ２ａ、非発電用配管５０の流量が流量Ｑ０ｂに到達したか否かを判定する。

各管の流量が目標量に到達していることは、第１発電部４３Ａの発電量が所定量となっていることと等価である。

（ステップＳ２６）
次に、制御部６０は、ステップＳ２６において、各電動流量調整弁の開度を最終目標開度に設定する。一旦、各管の流量が目標量に到達したならば、第２電動流量調整弁４４Ｂの開度は通常時の開度Ｓ２ａに設定され、且つ、合流側電動流量調整弁５４の開度は通常時の開度Ｓ０ａに設定される。これによって、発電抑制時の第１発電用配管４０Ａの流量が流量Ｑ１ｂに、第２発電用配管４０Ｂの流量が流量Ｑ２ａ、非発電用配管５０の流量がＱ０ｂに維持されるようになる。

このように、発電抑制時の初期段階において、第１電動流量調整弁４４Ａ、第２電動流量調整弁４４Ｂ、及び合流側電動流量調整弁５４の開度を連動して調節することによって、最終的に各配管に流れる水量を目標量へ制御することができるのである。

（２−３）発電抑制制御から通常制御への移行時の各配管の流量
（ステップＳ２７）
次に、制御部６０は、ステップＳ２７において、発電抑制の解除の有無を判定する。送配電事業者において、発電需給バランス確保のための発電抑制が不要になったときに、サーバ１００からの発電抑制が解除され、発電抑制信号が消滅する。制御部６０は、発電抑制信号を受信していないと判定したときはステップＳ２８に進む。

（ステップＳ２８）
次に、制御部６０は、ステップＳ２８において、第１発電部４３Ａの発電量が通常時の適正量となるように各流量調整弁の開度を制御し、各管の流量を調節する。ここで、第１電動流量調整弁４４Ａ及び第２電動流量調整弁４４Ｂの開度は、図８Ｂに示すように、それぞれ通常制御時の開度Ｓ１ａ、開度Ｓ２ａに設定されるが、合流側電動流量調整弁５４の開度は通常時の開度Ｓ０ａよりも小さい開度Ｓ０ｂに設定される。

これは、発電抑制制御時の各管の流量が定常化した状態において、第１電動流量調整弁４４Ａの開度を開度Ｓ１ａに拡大しても、第１発電用配管４０Ａの流量が増加するとは限らないからである。

それゆえ、水出口部３０の下流側に位置する合流側電動流量調整弁５４の開度を絞ることによって、抵抗を与えて水が第１発電用配管４０Ａへ流れるようにしている。なお、合流側電動流量調整弁５４の開度を開度Ｓ０ｂに設定している時間は、設置状態によって異なるので、予め実験等によって決定される。

（ステップＳ２９）
次に、制御部６０は、ステップＳ２９において、各管の流量が目標量に到達しているか否かを判定する。

具体的には、第１発電用配管４０Ａの流量が流量Ｑ１ａ、第２発電用配管４０Ｂの流量が流量Ｑ２ａ、非発電用配管５０の流量が流量Ｑ０ａに到達したか否かを判定する。

各管の流量が目標量に到達していることは、第１発電部４３Ａの発電量が所定量となっていることと等価である。

（ステップＳ３０）
次に、制御部６０は、ステップＳ３０において、各電動流量調整弁の開度を最終目標開度に設定する。一旦、各管の流量が目標量に到達したならば、合流側電動流量調整弁５４の開度は通常時の開度Ｓ０ａに設定される。これによって、発電抑制時の第１発電用配管４０Ａの流量が流量Ｑ１ａに、第２発電用配管４０Ｂの流量が流量Ｑ２ａ、非発電用配管５０の流量がＱ０ａに維持されるようになる。

このように、発電抑制時の初期段階において、第１電動流量調整弁４４Ａ、第２電動流量調整弁４４Ｂ、及び合流側電動流量調整弁５４の開度を連動して調節することによって、最終的に各配管に流れる水量を目標量へ制御することができるのである。

（ステップＳ３１）
次に、制御部６０は、ステップＳ３１において、水力発電装置１０の停止指令が有無を判定する。通常、メンテナンス工事を行うなどの場合以外は、停止指令が出されることはない。

制御部６０は、水力発電装置１０の停止指令が有ると判定したときはステップＳ３２へ進み、水力発電装置１０の停止指令が無いと判定したときは、ステップＳ２３へ戻る。

（ステップＳ３２）
次に、制御部６０は、ステップＳ３２において、第１電動流量調整弁４４Ａ及び第２電動流量調整弁４４Ｂの開度を全閉にして、制御を終了する。

このように、発電抑制信号を受信したときに、第１発電部４３Ａの発電量を小さくすることで、送配電事業者からの発電量の発電抑制要求に迅速に対応することができる。

（３）第２実施形態の特徴
（３−１）
水力発電装置１０では、発電量が需要量を上回って逆潮流が生じるおそれがあり、制御部６０が送配電事業者のサーバ１００からの発電量の調整要求を受けた場合、制御部６０は第１発電部４３Ａが設けられている第１発電用配管４０Ａの第１電動流量調整弁４４Ａの開度調整を行って、発電量を抑制し、逆潮流の発生を防止する。

（３−２）
水力発電装置１０では、第１発電用配管４０Ａの流量および第２発電用配管４０Ｂの流量を一定に維持するために、余分な水量は非発電用配管５０に流れる。但し、水入口部２０を流れる水量と水出口部３０を流れる水量とは同じ設定量でなければならないので、水入口部２０と水出口部３０を流れる水量が設定量を維持するように、第１電動流量調整弁４４Ａ、第２電動流量調整弁４４Ｂ、および合流側電動流量調整弁５４の開度とを連動させて調整する。

（３−３）
水力発電装置１０では、第１発電用配管４０Ａを流れる水量を第１電動流量調整弁４４Ａで増減させたときの影響が第２発電用配管４０Ｂの流量に及ぶまで、第１電動流量調整弁４４Ａ、第２電動流量調整弁４４Ｂ、及び合流側電動流量調整弁５４を連動させて制御する。

（３−４）
水力発電装置１０では、第１発電部４３Ａの発電量を全量売電に当て、第２発電部４３Ｂの発電量を自家消費に当てるなど、目的によって異なる発電量を要求することができるので、利便性が高い。

（３−５）
水力発電装置１０では、第１発電用配管４０Ａには第１流量計４２Ａが設けられ、第２発電用配管４０Ｂには第２流量計４２Ｂが設けられ、非発電用配管５０には流量計５２が設けられているので、第１電動流量調整弁４４Ａ、第２電動流量調整弁４４Ｂ及び合流側電動流量調整弁５４を連動させて第１発電用配管４０Ａ、第２発電用配管４０ｂ及び非発電用配管５０の各流量を調整する際に、正確なフィードバックが可能である。

（３−６）
水力発電装置１０では、第１発電用配管４０Ａにおいては第１流量計４２Ａの出入口双方にレデューサ４５Ａ，４６Ａが設けられ、第２発電用配管４０Ｂにおいては第２流量計４２Ｂの出入口双方にレデューサ４５Ｂ，４６Ｂが設けられているので、配管内を流れる水の流速を上げるので、第１発電部４３Ａ、第２発電部４３Ｂに安定した水流を供給することできる。

（３−７）
水力発電装置１０では、第１発電用配管４０Ａ、第２発電用配管４０Ｂ、及び非発電用配管５０が、浄水場の取水、或いは給水の水配管として利用されるので、投資額を抑制して、手軽に水力発電事業を行うことができる。

（３−８）
水力発電装置１０では、第１発電用配管４０Ａ、第２発電用配管４０Ｂは、発電のために導水管１３０を流れる水を水入口部２０で分岐させるだけでなく、発電に利用した水を水出口部３０で当該導水管１３０に合流させるので、水入口部２０と水出口部３０との区間も導水管そのものであり、導水管１３０の流量を乱すことなく水を有効に活用することができる。

（３−９）
水力発電装置１０では、制御部６０が、第１発電部４３Ａが設けられている第１発電用配管４０Ａの第１電動流量調整弁４４Ａの開度調整を行って発電量を抑制するので、高圧電力系統と連携することが制限されている発電部の発電量制御に適している。

＜その他の実施形態＞
第１実施形態および第２実施形態では、制御部６０が上位から調整要求を受け、発電部４３の発電量の情報に基づき各電動流量調整弁の開度調整を要求するという形態であるが、これに限定されるものではない。

例えば、各電動流量調整弁に制御部を設け自立的に開度判断を行い流量調整するという形態であってもよい。かかる場合、各電動流量調整弁の開度は決め打ちで決定しておき、各電動流量調整弁に設けられた制御部同士で連携して開度を調整していく。

１０ 水力発電装置
２０ 水入口部
３０ 水出口部
４０ 発電用配管
４０Ａ 第１発電用配管
４０Ｂ 第２発電用配管
５０ 非発電用配管（バイパス配管）
４２ 流量計
４２Ａ 第１流量計
４２Ｂ 第２流量計
５２ 流量計
４３ 発電部
４３Ａ 第１発電部
４３Ｂ 第２発電部
４４ 電動流量調整弁
４４Ａ 第１電動流量調整弁
４４Ｂ 第２電動流量調整弁
５４ 合流側電動流量調整弁
４５ レデューサ
４５Ａ レデューサ
４５Ｂ レデューサ
４６ レデューサ
４６Ａ レデューサ
４６Ｂ レデューサ
５５ レデューサ
５６ レデューサ
６０ 制御部
１００ サーバ（上位装置）
１１０ サーバ（上位装置）

特開２００６−２２７４５号公報

Claims (9)

1. 水が流れる流路に設置される水力発電装置であって、
   水入口部（２０）と、
   水出口部（３０）と、
   前記水入口部と前記水出口部とを結び並列に並ぶ複数の配管（４０，４０Ａ，４０Ｂ，５０）と、
   複数の前記配管のうち一つ以上の配管に設けられ、管内を流れる水の力を受けて発電する発電部（４３，４３Ａ，４３Ｂ）と、
   前記発電部に流れる水量を調整する流量調整弁（４４，４４Ａ，４４Ｂ，５４）と、
   前記流量調整弁の開度調整を行う制御部（６０）と、
   を備え、
   前記制御部は、前記発電部から発電量の情報、及び上位装置からの発電量の調整要求を受け、前記発電量の情報および前記調整要求に基づいて前記流量調整弁の開度調整を行う、
   水力発電装置（１０）。
2. 前記複数の配管（４０，４０Ａ，４０Ｂ，５０）のうちの前記発電部（４３，４３Ａ，４３Ｂ）が設けられていない配管をバイパス配管（５０）とし、
   前記流量調整弁（４４，４４Ａ，４４Ｂ，５４）には、前記バイパス配管（５０）に流れる水量を直接又は間接的に調整するものが含まれる、
   請求項１に記載の水力発電装置（１０）。
3. 前記制御部（６０）は、複数の前記流量調整弁（４４，４４Ａ，４４Ｂ，５４）を連動させて制御する、
   請求項２に記載の水力発電装置（１０）。
4. 前記バイパス配管（５０）を除く複数の前記配管（４０，４０Ａ，４０Ｂ）に前記発電部（４３，４３Ａ，４３Ｂ）が設けられ、
   前記発電部それぞれに異なる発電量が要求される、
   請求項２に記載の水力発電装置（１０）。
5. 所定の前記配管（４０，４０Ａ，４０Ｂ，５０）に流量計（４２，４２Ａ，４２ｂ，５２）が設けられている、
   請求項３に記載の水力発電装置（１０）。
6. 所定の前記配管（４０，４０Ａ，４０Ｂ，５０）にレデューサ（４５，４６，４５Ａ，４６Ａ，４５Ｂ，４６Ｂ，５５，５６）が設けられている、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水力発電装置（１０）。
7. 浄水場の取水、或いは給水の水配管が前記流路として利用される、
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の水力発電装置（１０）。
8. 前記水入口部（２０）と前記水出口部（３０）との区間が、水が流れる前記流路として機能する、
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水力発電装置（１０）。
9. 前記制御部（６０）は、電力会社への売電時に高圧電力系統と連携することが制限されている前記発電部（４３，４３Ａ）の発電量を抑制する制御を行う、
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の水力発電装置（１０）。

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