JP4627688B2 - 流込式水力発電設備における発電出力制御装置、水位調整装置および、発電出力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、流込式水力発電設備（発電所）において、その発電出力を制御するための発電出力制御装置、水位調整装置および、発電出力制御方法に関する。

流込式水力発電は、河川の流量を人工的に調節することなく、そのまま利用して発電し、河川の自然流量の形が、ほとんどそのまま電力の形になるものである。このような流込式水力発電における発電設備は、例えば、河川からの水を一時的に貯える上水槽の下方に、フランシス水車やペルトン水車などの水車が設置され、この水車と上水槽とが水圧管で接続されている。また、水車は、水を受けて回転し発電機を回すランナ（羽根車）と、このランナへの水の流量を調節するガイドベーン（案内羽根）やニードル（ノズル）などの流量調節部とを備えている。そして、水圧管を介して、上水槽から水車に水を流し、水車のランナを回転させて発電するものである。

このような流込式水力発電では、河川の流量が変動すると、上水槽内の水位も変動してしまうため、河川の流量に合わせて自動的に発電出力を調整する水位調整装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この水位調整装置は、例えば、上水槽内の水位を検出する水位検出器を備え、水位が上昇した場合には、水車のガイドベーンを開いてランナへの水の流量を増やし、水位が低下した場合には、水車のガイドベーンを閉じてランナへの水の流量を減らす。そしてこれにより、河川の流量に係わらず、上水槽内の水位が常に一定になるように調整するものである。
特開平５−２２７７９９号公報

ところで、発電設備では、その最大発電電力値（最大発電出力）を認可電力値（認可出力）として許認可を受け、発電されている電力値（発電電力値）がこの認可電力値を超えてはならないとされている。このため、上記のような水位調整装置では、河川の流量が増加して上水槽内の水位が上昇し続け、発電電力値がこの認可電力値に達した場合には、ガイドベーンをロック（現位置で停止）させ、発電電力値が認可電力値を超えないようにしている。

しかしながら、ガイドベーンをロックしたとしても、上水槽内の水位が上昇し続けると、発電電力値が認可電力値を超えてしまう場合がある。すなわち、発電電力値の基礎となる理論水力Ｐは、次式に示すように、上水槽内の水位を含めた有効落差Ｈに比例する。このため、上水槽内の水位が上昇し続けて有効落差Ｈが高くなると、発電電力値が認可電力値を超えてしまい、水位が低下するまで認可電力値を超過した状態が継続されてしまう。なお、次式で記号Ｑは流量である。

Ｐ＝９．８×Ｑ×Ｈ
そこで本発明は、流込式水力発電設備において、上水槽内の水位が上昇しても、発電されている電力値が認可電力値を超えることを防止できる発電出力制御装置、水位調整装置および、発電出力制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、河川からの水を一時的に貯える上水槽の下方に、水を受けて回転するランナとこのランナへの水の流量を調節する流量調節部とを有する水車が設置され、この水車と前記上水槽とが水圧管で接続された流込式水力発電設備において、前記流量調節部を制御する水位調整装置であって、前記上水槽内の水位を検出する水位検出器と、前記水車によって発電されている電力値を計測する電力計測器とを備え、前記上水槽内の水位が上昇している場合には、前記ランナへの水の流量が増えるように前記流量調節部を制御し、前記上水槽内の水位が低下している場合には、前記ランナへの水の流量が減るように前記流量調節部を制御することで、前記上水槽内の水位が一定になるようにする水調運転を通常制御とし、前記電力計測器によって計測された計測電力値が第１設定電力値に達すると、前記上水槽内の水位に係らず前記ランナへの水の流量が増えないように前記流量調節部を制御し、前記計測電力値がさらに上昇して第２設定電力値に達すると、前記上水槽内の水位に係らず前記ランナへの水の流量が減るように前記流量調節部を制御する、ことを特徴としている。
（作用）
通常時には、上水槽内の水位が一定になるように流量調節部が制御され、計測電力値が第１設定電力値に達すると、ランナへの水の流量が現状維持される。このため、たとえ上水槽内の水位が上昇し続けたとしても、ランナへの水の流量が増加することで発電出力が上昇することがない。さらに、上水槽内の水位（有効落差）が上昇し続け、計測電力値が第２設定電力値に達すると、ランナへの水の流量が減るように流量調節部が制御され、発電出力が低下する。

請求項２に記載の発明は、河川からの水を一時的に貯える上水槽の下方に、水を受けて回転するランナとこのランナへの水の流量を調節する流量調節部とを有する水車が設置され、この水車と前記上水槽とが水圧管で接続された流込式水力発電設備において、前記流量調節部を制御する水位調整方法であって、前記上水槽内の水位が上昇している場合には、前記ランナへの水の流量が増えるように前記流量調節部を制御し、前記上水槽内の水位が低下している場合には、前記ランナへの水の流量が減るように前記流量調節部を制御することで、前記上水槽内の水位が一定になるようにする水調運転を通常制御とし、前記水車によって発電されている電力値が第１設定電力値に達すると、前記上水槽内の水位に係らず前記ランナへの水の流量が増えないように前記流量調節部を制御し、前記電力値がさらに上昇して第２設定電力値に達すると、前記上水槽内の水位に係らず前記ランナへの水の流量が減るように前記流量調節部を制御する、ことを特徴としている。

請求項１および請求項２に記載の発明によれば、例えば、第１設定電力値を認可電力値よりもやや低い値とし、第２設定電力値を認可電力値とすることで、たとえ上水槽内の水位（有効落差）が上昇し続けたとしても、計測電力値が認可電力値に達した時点で発電出力が低下し、発電されている電力値が認可電力値を超えることがない。すなわち、通常時には、河川の流量に係らず上水槽内の水位が一定になるように水調運転しつつ、発電電力値が認可電力値を超えることを防止することができる。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係わる流込式水力発電設備１を示す構成模式図である。この流込式水力発電設備１は、河川Ｒからの水を一時的に貯える上水槽２の下方に、後述するフランシス水車３や発電機（図示せず）などを備えた水車発電装置４が設置され、この水車発電装置４と上水槽２とが水圧管５で接続されている。また、後述するように、上水槽２内の水位が一定になるようにフランシス水車３を制御するための水位調整装置６（発電出力制御装置）が配設されている。

フランシス水車３は、図２に示すように、ケーシング３１内に、水を受けて回転するランナ３２（羽根車）と、このランナ３２への水の流量を調節する流量調節部としてのガイドベーン３３（案内羽根）とが配設されている。また、フランシス水車３には発電機が直結され、ランナ３２の回転に伴って発電機が回転するようになっている。さらに、ガイドベーン３３は油圧式の駆動制御装置（図示せず）によって駆動、制御され、角度を変えることでランナ３２への水の流量が調節されるようになっている。そして、水圧管５を介して、上水槽２からフランシス水車３に水が供給されると、ガイドベーン３３を介してランナ３２に水が流れる。この水を受けてランナ３２が回転し、これに伴って発電機が回転して発電されるものである。

水位調整装置６は、広く一般に使用されている水位調整装置と同等の基本的構成および基本的機能を備えている。すなわち、図３に示すように、上水槽２内の水位を検出する水位検出器６１と、この水位検出器６１からの検出信号をアナログ信号に変換する水位変換器６２とを備えている。また、アナログ信号を受信してディジタル情報に変換するアナログ入力部６３と、ガイドベーン３３の駆動制御装置などに制御信号（接点指令）を出力する接点出力部６４および、これらを制御するＣＰＵ６５とを備えている。さらに、符号６６は開度変換器で、この開度変換器６６によってガイドベーン３３からの開度データがアナログ信号に変換され、アナログ入力部６３を介してＣＰＵ６５で読み取られるようになっている。なお、符号６７は電源部で、商用電源からの電力をＣＰＵ６５に供給するものである。

そして、水位変換器６２およびアナログ入力部６３を介して水位検出器６１からの水位検出値を受け、ＣＰＵ６５にて変位などを演算する。この演算結果に基づいて接点出力部６４からガイドベーン３３の駆動制御装置に制御信号を出力するものである。具体的には、図４に示すように、まず、アナログ入力部６３から現在（最新）の水位を取得し（ステップＳ１）、前回取得した水位と比較して水位の変位を演算する（ステップＳ２）。そして、水位が上昇しているか否かを判断し（ステップＳ３）、上昇している場合には、「上げ信号」を接点出力部６４からガイドベーン３３の駆動制御装置に出力する（ステップＳ４）。これにより、ガイドベーン３３の開度が大きくなり、ランナ３２への水の流量が増加し、発電出力が上昇する。一方、水位が上昇していない場合には、水位が低下しているか否かを判断し（ステップＳ５）、低下している場合には、「下げ信号」を接点出力部６４からガイドベーン３３の駆動制御装置に出力する（ステップＳ６）。これにより、ガイドベーン３３の開度が小さくなり、ランナ３２への水の流量が低下し、発電出力が低下する。そして、取得した水位検出値や駆動制御装置への制御内容（出力内容）などをメモリに記憶する（ステップＳ７）。このようにして、河川Ｒの流量に係わらず、上水槽２内の水位が常時は一定になるように調整されるものである。なお、このように、上水槽２内の水位が一定になるように発電されている運転状態を水調運転状態という。

さらに、水位調整装置６は、電力計測器６８を備えている。この電力計測器６８は、水車発電装置４の出力側に配設された電圧センサＰＴ、電流センサＣＴおよび電力変換器６８ａを備え、電圧センサＰＴからの電圧信号と電流センサＣＴからの電流信号とに基づいて、電力変換器６８ａが発電されている電力値（有効電力）を演算（計測）するものである。そして、この電力値が計測電力値として、アナログ入力部６３を介してＣＰＵ６５によって読み取られ、この計測電力値に基づいて接点出力部６４からガイドベーン３３の駆動制御装置に制御信号が出力される。

具体的には、図５に示すように、まず、アナログ入力部６３から計測電力値を取得し（ステップＳ１１）、この計測電力値が予め設定されている第１設定電力値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。そして、第１設定電力値以上でない場合には、そのまま水調運転を継続し、第１設定電力値以上である場合には、ガイドベーン３３の駆動制御装置に「上げ信号」が入力されないように、「上げ信号」をロックする（ステップＳ１３）。すなわち、接点出力部６４から「ロック信号」が出力される。これにより、ガイドベーン３３の開度が現位置でロックされ、ランナ３２への水の流量が現状維持される。さらに、計測電力値が予め設定されている第２設定電力値以上であるか否かを判断し（ステップＳ１４）、第２設定電力値以上でない場合には、水調運転を継続する。一方、第２設定電力値以上である場合には、「下げ信号」を接点出力部６４からガイドベーン３３の駆動制御装置に出力する（ステップＳ１５）。同時に、出力オーバー中であることを示す警報ランプなどを表示させるための指令信号が、駆動制御装置に出力される。これにより、ガイドベーン３３の開度が小さくなり、ランナ３２への水の流量が低下し、発電出力が低下するものである。

ところで、発電されている電力値は電力計測器６８によって常時計測され、上記のような処理（サイクリック処理）は常時行われている。このため、ステップＳ１２およびステップＳ１４における判断は、計測電力値が第１設定電力値または第２設定電力値に達した時点でも行われ、その達した時点でステップＳ１３またはステップＳ１５の処理が行われることになる。すなわち、計測電力値が第１設定電力値に達した時点で、上記のようにしてランナ３２への水の流量が現状維持され、計測電力値が第２設定電力値に達した時点で、上記のようにして発電出力が低下される。このため、計測電力値が第２設定電力値よりも大きくなることがないものである。なお、図３中、符号７７Ｒは、ガイドベーン３３の開度を大きくし、発電出力を上げるための出力増用リレイ、符号７７Ｌは、ガイドベーン３３の開度を小さくし、発電出力を下げるための出力減用リレイである。

次に、このような構成の流込式水力発電設備１および水位調整装置６の作動について説明する。ここで、本実施形態では、本流込式水力発電設備１の最大発電電力値（最大発電出力）、すなわち認可電力値（認可出力）を１０００ｋＷとして、上記の第１設定電力値を９７０ｋＷ、第２設定電力値を認可電力値である１０００ｋＷとする。

まず、通常の状態においては、上記の水調運転状態で発電がされる。すなわち、河川Ｒの流量に係わらず、上水槽２内の水位が一定になるように、ガイドベーン３３の開度すなわち発電出力が制御されながら発電される。このような水調運転状態で、上記のように、発電されている電力値が計測電力値としてＣＰＵ６５によって読み取られると、この計測電力値に基づいてガイドベーン３３の駆動制御装置が制御される。

例えば、上記のように、計測電力値が第１設定電力値９７０ｋＷに達すると、接点出力部６４から「ロック信号」が出力される。これにより、たとえ上水槽２内の水位が上昇したとしても、ガイドベーン３３の駆動制御装置に「上げ信号」が入力されず、ガイドベーン３３の開度は現位置でロックされる。これにより、ランナ３２への水の流量Ｑが現状維持され、ランナ３２への水の流量Ｑが増加することで発電出力（発電される電力値）が上昇することがなくなる。

その後さらに、上水槽２内の水位すなわち有効落差Ｈ（図１参照）が上昇し続けると、次式に示すように、流量Ｑが一定であっても、有効落差Ｈが上昇するために、発電出力（理論水力Ｐ）が上昇する。

Ｐ＝９．８×Ｑ×Ｈ
そして、計測電力値が第２設定電力値１０００ｋＷに達すると、接点出力部６４からガイドベーン３３の駆動制御装置に「下げ信号」が出力される。これにより、ガイドベーン３３の開度が小さくなり、ランナ３２への水の流量が低下し、発電出力が低下するものである。ここで、本実施形態では、発電出力（発電される電力値）が第１設定電力値９７０ｋＷ程度まで低下するように、ガイドベーン３３の駆動制御装置に「下げ信号」を出力する。なぜなら、ガイドベーン３３の開度を小さくし過ぎると、ランナ３２への水の流量が極端に低下し、上水槽２内の水位および有効落差Ｈが上昇してしまうからである。

このように、本流込式水力発電設備１および本水位調整装置６によれば、上水槽２内の水位が上昇しても、計測電力値すなわち実際に発電されている電力値が第１設定電力値９７０ｋＷに達した時点で、ランナ３２への水の流量Ｑが増加することで発電出力が上昇することがない。さらに、たとえ上水槽２内の水位（有効落差Ｈ）が上昇し続けたとしても、計測電力値が第２設定電力値１０００ｋＷに達した時点で、発電出力が低下される。この結果、上水槽２内の水位が上昇しても、発電されている電力値（発電出力）が認可電力値１０００ｋＷを超えることがない。

以上、この発明の実施形態について説明したが、具体的な構成は、本実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記のように、第１設定電力値を９７０ｋＷ、第２設定電力値を認可電力値である１０００ｋＷとしているが、これらの値よりも第１設定電力値および第２設定電力値を低く設定し、発電出力が確実に認可電力値未満になるようにしてもよい。そして、発電設備や需要状況などに応じて第１設定電力値および第２設定電力値を設定することで、個々の発電設備などに応じた適切かつ柔軟な出力制御が可能となる。さらに、本実施形態では、接点出力部６４からガイドベーン３３の駆動制御装置に、「上げ信号」などの制御信号を出力しているが、駆動制御装置を数値制御するようにしてもよい。また、フランシス水車３に限らず、ペルトン水車やカプラン水車などその他の水車であってもよく、従って、流量調節部もガイドベーン３３に限らず、ニードル（ノズル）などであってもよいことは勿論である。

ところで、本実施形態では、水位調整装置６が発電出力制御装置を備え、発電されている電力値が認可電力値を超えないようにしているが、発電出力制御装置を独立して設けるようにしてもよい。すなわち、上記のような電力計測器６８を備え、上記のようなアナログ入力部６３と接点出力部６４とＣＰＵ６５とを水車制御手段とする。そして、電力計測器６８によって計測された計測電力値に基づいて、水車制御手段によってガイドベーン３３の駆動制御装置を制御するようにしてもよい。このような発電出力制御装置では、水調運転（水位調整機能）の有無に係わらず、発電されている電力値が認可電力値を超えないようにされるものである。また、水位調整機能のみを備えた既存の水位調整装置において、発電されている電力値が認可電力値を超えないようにするには、上記のような電力計測器６８を備えるとともに、上記のような判断（ステップＳ１２、Ｓ１４）に基づいて「ロック信号」や「下げ信号」を出力するシーケンス回路などを組み込めばよい。

本発明の実施形態に係わる流込式水力発電設備の構成模式図。 本発明の実施形態に係わる流込式水力発電設備におけるフランシス水車の概略構成断面図。 本発明の実施形態に係わる流込式水力発電設備における水位調整装置の構成ブロック図。 本発明の実施形態に係わる流込式水力発電設備における水位調整装置の水調運転状態における処理フローを示すフローチャート図。 本発明の実施形態に係わる流込式水力発電設備における水位調整装置の発電出力制御状態における処理フローを示すフローチャート図。

符号の説明

１ 流込式水力発電設備
２ 上水槽
３ フランシス水車（水車）
３１ ケーシング
３２ ランナ
３３ ガイドベーン（流量調節部）
４ 水車発電装置
５ 水圧管
６ 水位調整装置（発電出力制御装置）
６１ 水位検出器
６２ 水位変換器
６３ アナログ入力部（水車制御手段）
６４ 接点出力部（水車制御手段）
６５ ＣＰＵ（水車制御手段）
６６ 開度変換器
６８ 電力計測器
６８ａ 電力変換器
ＰＴ 電圧センサ
ＣＴ 電流センサ
Ｒ 河川
Ｈ 有効落差

Claims (2)

1. 河川からの水を一時的に貯える上水槽の下方に、水を受けて回転するランナとこのランナへの水の流量を調節する流量調節部とを有する水車が設置され、この水車と前記上水槽とが水圧管で接続された流込式水力発電設備において、前記流量調節部を制御する水位調整装置であって、
   前記上水槽内の水位を検出する水位検出器と、前記水車によって発電されている電力値を計測する電力計測器とを備え、
   前記上水槽内の水位が上昇している場合には、前記ランナへの水の流量が増えるように前記流量調節部を制御し、前記上水槽内の水位が低下している場合には、前記ランナへの水の流量が減るように前記流量調節部を制御することで、前記上水槽内の水位が一定になるようにする水調運転を通常制御とし、
   前記電力計測器によって計測された計測電力値が第１設定電力値に達すると、前記上水槽内の水位に係らず前記ランナへの水の流量が増えないように前記流量調節部を制御し、前記計測電力値がさらに上昇して第２設定電力値に達すると、前記上水槽内の水位に係らず前記ランナへの水の流量が減るように前記流量調節部を制御する、
   ことを特徴とする水位調整装置。
2. 河川からの水を一時的に貯える上水槽の下方に、水を受けて回転するランナとこのランナへの水の流量を調節する流量調節部とを有する水車が設置され、この水車と前記上水槽とが水圧管で接続された流込式水力発電設備において、前記流量調節部を制御する水位調整方法であって、
   前記上水槽内の水位が上昇している場合には、前記ランナへの水の流量が増えるように前記流量調節部を制御し、前記上水槽内の水位が低下している場合には、前記ランナへの水の流量が減るように前記流量調節部を制御することで、前記上水槽内の水位が一定になるようにする水調運転を通常制御とし、
   前記水車によって発電されている電力値が第１設定電力値に達すると、前記上水槽内の水位に係らず前記ランナへの水の流量が増えないように前記流量調節部を制御し、前記電力値がさらに上昇して第２設定電力値に達すると、前記上水槽内の水位に係らず前記ランナへの水の流量が減るように前記流量調節部を制御する、
   ことを特徴とする水位調整方法。
   

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