JP2619094B2 - 水力発電設備の運転制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、１台または複数台の水車およびバイパス弁
を備えた水力発電設備に適用される運転制御方法に関す
る。

（従来の技術） 最近は、大規模水源の開発が困難となり、流れ込み式
の小規模水力発電所が多用されるようになってきた。

従来の流れ込み式の小規模水力発電所においては、水
車発電に使用される水量よりも上水槽（上池）に流れ込
む水量が多い場合に備えて、余分な水を上水槽から放水
庭（下池）に直接放流するバイパス水路（余水路）が設
けられていたが、この場合、余水路の構築に多額のコス
トを必要としていた。

そこで最近では、１本の水圧鉄管の下端に、水車をバ
イパスするようにして分岐配管を接続し、この分岐配管
にバイパス弁を介挿した構造の流れ込み式の小規模水力
発電所が採用されるようになってきた。

第６図はその一例を示すもので、上水槽１は導水路２
を介して取水口（図示せず）に連通されている。水圧鉄
管３の下方は３本に分岐しており、それぞれには水車4,
5またはバイパス弁６が介挿されている。これらの水車
4,5またはバイパス弁６の吐出側は放水庭７に連通して
いる。

このような構成の水力発電所は、余水路を必要としな
いので、建設コストを大幅に低減することができ、また
水車発電に使用される水量より上水槽１に流れ込む水量
が多くなった時は、バイパス弁６を開くことによって、
余分の水を放水庭７に放流することができる。

しかしながら、このような構成の水力発電所では、１
本の水圧鉄管を水車とバイパス弁で共用することになる
ため、運転制御上、種々の問題が発生する。その一つ
は、バイパス弁からの放流と、水車の発電運転を同時に
行っている際における水車の最大出力制御の問題であ
る。以下、その理由を説明する。

一般的に、水車の最大出力は、次の３つの要素 発電機の最大出力 水車の最大ガイドベーン開度 水車のキャビテーション特性 によって決定される。

第７図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、運用落差が変わる
水力発電所における水車の最大出力の決定方法の代表例
を示す。

第７図（ａ）は、全ての落差範囲において水車の最大
出力を、発電機最大出力に合わせ決めたケース、同図
（ｂ）は、全ての落差範囲において水車の最大出力を、
最大ガイドベーン開度に合せて決めたケースを示してい
る。

これらの図において、横軸は水車の有効落差Ｈを示
し、縦軸は水車出力Ｐを示す。また、太い実線Ｌは各落
差における水車の最大出力を示し、点線a1,a2,a3は各ガ
イドベーンの開度（a1＞a2＞a3）を示す。

実際の運転制御方法においては、第７図（ａ）や
（ｂ）のような極端な決定方法はあまり採用されない。
何故なら、第７図（ａ）のケースでは、定められた水車
運用上の制限は、水車の最大ガイドベーン開度やキャビ
テーション特性などの制限からは、かなりの余裕がある
からであり、第７図（ｂ）のケースでは、発電機の最大
出力の制限からは、かなりの余裕があるからである。

そこで通常は、水車や発電機の製作コストの最適化を
考慮して、第７図（ｃ）の決定方法が採られる。

この方法は、低落差側では水車の最大ガイドベーン開
度で運用上限を決め、高落差側では、発電機の最大出力
で運用上限を決めるものである。この決定方法によれ
ば、水車および発電機の能力を最大限にまで使用できる
割合が、第７図（ａ）や（ｂ）のケースよりも多くな
り、その結果、水車および発電機の利用効率の増大や、
発生電力量／製作コスト比の最適化を図ることができ
る。

しかしながら、水車や発電機の利用効率を高めるとい
う観点からすれば、第７図（ｃ）の決定方法は十分とは
いえず、第８図中の太い実線L2で示すように、低落差側
の水車の運用上限を水車のキャビテーション特性による
運用上限（第８図中の一点鎖線Lc）に合致させることが
望ましい。これは、一般的に低落差側では、水車のキャ
ビテーション特性からの運用上限は水車の最大ガイドベ
ーン開度よりも大きいため、第８図に示す方法で運用上
限を定めれば、第７図（ｃ）の場合よりも、水車や発電
機の利用効率が一段と高まるからである。

特に、流れ込み式の小規模水力発電所においては、第
７図（ｃ）の方法で水車の運用上限を決めると、低落差
側で水車の最大出力を上回る水は余水路またはバイパス
弁を通して放流されるだけであるが、第８図の方法で水
車の運用上限を決めた場合には、運用上限が広がった分
だけ発電に利用できる水量が増加するので、水力発電所
のコストパフォーマンスが改善されることになる。

ところで、実際の運用において、第８図の実線L1,L2
に沿って水車を制御する場合には、水車の有効落差Ｈま
たは上水槽・放水庭間の水位差Hstに対する水車の最大
出力もしくは最大ガイドベーン開度を予め求めておき、
運転中は、水車の有効落差Ｈを常時モニターし、それに
応じて許容できる水車の最大出力または最大ガイドベー
ン開度の値を決め、その値を越えないように制御すれば
よい。第９図（ａ）は最大ガイドベーン開度ａを用いた
例を示している。

しかしながら実際は、水車の有効落差Ｈの測定は困難
なところから、それに代えて上水槽・放水庭の水位差Hs
tを用いているため、複数台の水車と、バイパス弁を備
えた水力発電所では、いろいろな問題が生ずる。これ
は、水車の運用上限における有効落差Ｈと、上水槽・放
水庭間の水位差Hstとの関係が他号機の運転やバイパス
弁からの放流流量によって変化するからである。

この場合、第６図に示すような水力発電所において、
バイパス弁６がなく、水車４と５の特性が同一であった
としても、水車を１台運転する場合と、水車を２台運転
する場合とでは、水位差Hstに対する水車の有効落差Ｈ
の関係が変化する。

すなわち、水車を１台運転する場合には、第９図
（ａ）の実線h1に示すように変化し、水車を２台運転す
る場合には、同図（ｂ）の点線h2に示すように変化す
る。したがって、このような場合には、第９図（ａ）に
代え、同図（ｂ）に示すように、１台運転する場合と、
２台運転する場合のそれぞれに対応する運用上限ガイド
ベーン開度線図を用いればよい。

しかしながら、２台の水車の特性が異なる場合やバイ
パス弁を用いる場合には、こうした単純な制御方法では
対応することができない。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、従来の運転制御方法では、特性の異
なる水車が複数台設置され、それらが異なる運転モード
で運転されたり、放水弁やバイパス弁等からの放流が水
車の運転と平行して実施される状況は想定されておら
ず、そのため、他号機やバイパス弁の開度に関係なく、
全ての運用落差において許容される最大限度まで水車を
運用することはできなかった。

（発明の目的） 本発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、１台ま
たは複数台の水車およびバイパス弁を有する水力発電設
備において、水車の最大出力を正確に制御し得る水力発
電設備の運転制御方法を提供することを目的とするもの
である。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明の水力発電設備の運
転制御方法は、上水槽と放水庭の間に配置された１本の
水圧鉄管に対して、１台または複数台の水車とバイパス
弁とを並列的に接続した水力発電所において、前記上水
槽の水位と放水庭の水位を測定して水位差演算器により
水位差Hstを求め、前記バイパス弁の開度ａbpをバイパ
ス弁開度検出器によって検出し、これらの水位差Hstと
バイパス弁開度ａbpとを許容最大ガイドベーン開度算定
器または許容最大水車出力算定器に入力し、予め記憶さ
せておいたデータに基づいて許容最大ガイドベーン開度
ａcmaxまたは許容最大水車出力Pcmaxを算定し、これら
の算定値により、ガイドベーン開度制限装置または水車
の負荷制限装置を制御することを特徴とするものであ
る。

（作 用） 上述のように構成した本発明の水力発電設備の運転制
御方法によれば、１台または複数台の水車およびバイパ
ス弁を有する水力発電設備において水車の最大出力を正
確に制御することができる。

次に、本発明の原理を説明する。

説明を簡単にするために、第６図に示した水力発電所
において、水車が１台だけで、バイパス弁からの放流が
行われる場合を想定すると、バイパス弁からの放流流量
に関係なく、いずれの落差においても水車を第８図の曲
線L1,L2を上限出力として運転させるためには、第９図
（ａ）の１本の曲線h1で表されている水位差Hstと、許
容最大ガイドベーン開度ａcmaxとの関係に代え、第１図
に示すようなバイパス弁開度ａbpをパラメータとする複
数の線群h1〜ｈnを用いればよい。

これを一般的な関数式で表すと、第９図の関係は、
（１）式のように、許容最大ガイドベーン開度ａcmax
を、水位差Hstのみの関数で規定したことになり、第１
図の関係は、（２）式のように、許容最大ガイドベーン
開度ａcmaxを、水位差Hstとバイパス弁開度ａbpの２つ
の変数の関数として規定したことになる。

ａcmax＝f1（Hst） ……（１） ａcmax＝f2（Hst,abp） ……（２） ただし、f1,f2は関数記号 この（２）式の具体的な内容は、バイパス弁の損失係
数から論理的に求めることができ、また水力発電所で実
際に試験して求めることもできる。従って、（２）式の
形で制御コンピュータ等に記憶させておき、それに基づ
いて水車の最大出力を制御すれば、水車は、バイパス弁
からの放流流量に関係なく、いずれの落差においても第
８図に示した曲線L1,L2を上限として運転されることに
なる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。な
お以下の説明では第６図ないし第９図におけると同一部
分には同一の記号を付してある。

第２図は、水車が１台しかない、流れ込み式の小規模
水力発電所に、本発明方法を適用する場合の例を示すも
ので、上水槽１と放水庭７の水位は水位検出器8,9によ
って検出される。これらの水位検出器8,9からの水位信
号ＷH,WLは水位差演算器10に入力されて水位差Hstが算
定される。また、バイパス弁開度検出器11により、バイ
パス弁６の開度ａbpが検出される。

これらの検出値Hstとａbpは、許容最大ガイドベーン
開度算定器12に入力され、許容最大ガイドベーン開度ａ
cmaxが算定される。この許容最大ガイドベーン開度ａcm
axはガイドベーン開度制限装置13に入力され、水車４の
ガイドベーン14の開度ａが許容最大ガイドベーン開度ａ
cmaxを越えないように制御される。

許容最大ガイドベーン開度算定器12には、前述の水位
差Hstとバイパス弁開度ａbpに対する許容最大ガイドベ
ーン開度ａcmaxが、（２）式の関数式の形のデータとし
て記憶されており、例えばバイパス弁開度ａbpが零の時
は ａbp＝０％ という情報により、第１図に示す曲線h1の関係がセット
され、水位差Hstに対する許容最大ガイドベーン開度ａc
maxが求められる。

また、バイパス弁が全開の時は ａbp＝100％ という情報により、第１図に示す曲線ｈnの関係がセッ
トされ、水位差Hstに対する許容最大ガイドベーン開度
ａcmaxが求められる。

このような制御により、バイパス弁６が開いて余分な
水が放流されている時は、バイパス弁６からの放流流量
により水圧鉄管３の損失水頭が増加し、水位差Hstに対
して有効落差Ｈは相対的に低くなるため、同じ水位差Hs
tの時でも、その低下の程度に応じて許容最大ガイドベ
ーン開度ａcmaxが大きく設定されることになる。

その結果、バイパス弁開度ａbpがいかなる開度であっ
ても、バイパス弁が全閉されている場合と同様に、水車
は、いずれの落差においても、第６図の曲線L1,L2を上
限出力として運転される。

上述の実施例では、水位差Hstとバイパス弁開度ａbp
に対して許容最大ガイドベーン開度ａcmaxを規定してい
たが、本発明はこれに限らず、許容最大ガイドベーン開
度に代えて水車の最大出力を用いることもできる。

これは、第３図に示すように、第２図の許容最大ガイ
ドベーン開度算定器12に代え、許容最大水車出力算定器
15を使用することによって実現される。

この場合には、第４図に示すように、横軸に水位差Hs
t、縦軸に許容最大水車出力Pcmaxをとったグラフ上の線
群h1〜ｈnに基づて水車の出力を制御することになる。

即ち、許容最大水車出力算定器15は第４図の関係に基
づいて、水位差Hstとバイパス弁開度ａbpの２つの入力
データから水車の許容最大水車出力Pcmaxを算定する。
この許容最大水車出力Pcmaxで水車の負荷制限装置16を
制御することにより、許容最大水車出力Pcmaxの値に応
じて水車の負荷を制限する。

なお、以上の実施例では、水車１台とバイパス弁１台
を備えた水力発電設備に本発明を適用した例につき述べ
たが、前述の（２）式を拡張すれば水車が２台の場合に
も本発明を適用することができる。

即ち、他号機の最大ガイドベーン開度ａxを考慮し、 ａcmax＝f3（Hst,abp,ax） ……（３） の関数で示されるデータを作成し、これを利用すればよ
い。

具体的には、第５図に示すように、（３）式で示され
るデータを許容最大ガイドベーン開度算定器12に記憶さ
せておき、水位差Hstおよびバイパス弁開度ａbpと共
に、他号機のガイドベーン開度ａxも許容最大ガイドベ
ーン開度算定器12に入力して演算を行うようにすれば、
水車１台の場合と同様に、許容最大ガイドベーン開度ａ
cmaxを求めることができる。この許容最大ガイドベーン
開度ａcmaxを、ガイドベーン開度制限装置13に入力し、
ガイドベーンの開度を制限することにより、上記目的を
達成することができる。

これをさらに拡大すれば、水車が３台以上の場合にも
同様に、本発明を適用できることは明らかである。

〔発明の効果〕

上述のように、本発明によれば、複数台の水車とバイ
パス弁を備えた水力発電所において、他号機やバイパス
弁の開度に関係なしに、全ての運用落差範囲に亙って、
許容される最大限度（出力）まで水車を運用制御するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的制御方法を説明するための特性
曲線図、第２図はこれを実現する実施例を説明する概要
図、第３図は本発明の他の実施例を示す概要図、第４図
はその制御方法を説明する特性曲線図、第５図は本発明
の他の実施例を示す概要図、第６図は従来の水力発電設
備の制御方法を説明するための概要図、第７図（ａ）〜
（ｃ）は従来の最大出力決定方法を説明する特性曲線図
第８図は従来の制御方法を説明する特性曲線図、第９図
（ａ），（ｂ）は従来の制御方法を説明する特性曲線図
である。 １……上水槽、２……導水路、３……水圧鉄管、4,5…
…水車、６……バイパス弁、７……放水庭、8,9……水
位検出器、10……水位差演算器、11……バイパス弁開度
検出器、12……許容最大ガイドベーン開度算定器、13…
…ガイドベーン開度制限装置、14……ガイドベーン、15
……許容最大水車出力算定器、16……水車の負荷制限装
置、17……ガイドベーン開度検出器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上水槽と放水庭の間に配置された１本の水
   圧鉄管に対して、１台または複数台の水車とバイパス弁
   とを並列的に接続した水力発電所において、前記上水槽
   の水位と放水庭の水位を測定して水位差演算器により水
   位差Hstを求め、前記バイパス弁の開度ａbpをバイパス
   弁開度検出器によって検出し、これらの水位差Hstとバ
   イパス弁開度ａbpとを許容最大ガイドベーン開度算定器
   または許容最大水車出力算定器に入力し、予め記憶させ
   ておいたデータに基づいて許容最大ガイドベーン開度ａ
   cmaxまたは許容最大水車出力Pcmaxを算定し、これらの
   算定値により、ガイドベーン開度制限装置または水車の
   負荷制限装置を制御することを特徴とする水力発電設備
   の運転制御方法。