JP5921356B2 - 水力発電システム - Google Patents

Description

本発明は、電力系統から独立して発電及び給電が可能な水力発電システムに関する。

近年、環境問題や原子力発電所の安全性の問題などにより、安全性の高い分散型の発電が普及し始めている。中でも、水力発電、太陽光発電、風力発電といった自然エネルギーを利用した発電システムの研究開発が進んでおり、特に小規模な水力発電システム（マイクロ水力発電システム）の実用化の拡大が強く望まれている。

現在、実用化されているマイクロ水力発電システムのほとんどは、電力系統と連携しており、水力により発生した電力を負荷に対して給電しつつ、余剰電力を電力会社に売電するシステムとなっている。しかしながら、災害などで電力系統が使用できなくなった場合に、電力系統から独立してマイクロ水力発電システムを機能させようとすると様々な問題が生じる。

まず第１に、水力による発電は流水量、流水速度、河川の形状、落ち葉等のゴミ、季節、気温、天気等の影響をうけるため電圧や周波数が安定せず、特に始動時には突入電流などにより回路や装置の故障を招いてしまう。

次に、システムに接続している負荷が小さく余剰電力が発生するような場合に、その余剰電力を抵抗などの発熱体により熱エネルギーに変換して消費しなければ、電圧が上がりすぎて装置の故障を招いてしまう。

次に、効率よく発電するために複数の水車及び発電機を利用したり、２軸の水車を利用することが考えられるが、各水車や発電機に対応する装置や部品を複数備え付ける必要があり、システムの構成が複雑化してしまう。また、異なる条件で発生した複数の交流電力を１つのシステムで合算する場合に複雑な処理が必要となってしまう。

上記の問題に関連し、発電システムについて特許文献１、２に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、発電システムにおいて、動力源と直結して設けられる発電機と、発電機の回転数を検出するための回転数検出装置と、回転数検出装置における回転数の検出に基づき発生する信号により、出力電圧を制御され、補助電力消費装置の消費電力の大きさを制御するための補助電力制御回路と、補助電力制御回路における出力電圧の制御によって消費電力を制御され、発電システムにおいて余分となる電力を消費させるための補助電力消費装置とを設けるものである。

特許文献２に示す技術は、水車が回転することにより発電を行う発電機と、複数の端子を具備し、接続する端子に応じて抵抗値が定まる温水ヒータと、発電機と、温水ヒータの端子とを接続可能なＳＳＲと、発電機とユーザ負荷とを接続可能なＳＳＲと、ＳＳＲを制御するコントローラとを備え、コントローラは、ＳＳＲに対し、発電機とユーザ負荷との接続を指示した後、発電機の電圧値が下限値以上であれば、発電機を定格回転数で回転させる抵抗値を求め、ＳＳＲに対し、発電機と、前記求めた抵抗値に基づき決定した抵抗値となる温水ヒータの端子との接続を指示するものである。

また、水力発電システムに関する技術ではないが、突入電流を防止する技術として特許文献３に示す技術が開示されている。特許文献３には、電力消費機器に電力を供給する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の端子間に過電流が流れることを防止する突入電流防止手段を備え、突入電流防止手段は、抵抗値が異なる複数の抵抗と、前記複数の抵抗を切り替えることが可能な抵抗切替手段とを備えることが開示されている。

特開２００３−２６４９９４号公報 特開２０１１−１３０６２３号公報 特開２００６−７３５０１号公報

しかしながら、特許文献１に示す技術は、発電機の回転数に応じて出力を調整するような制御を行うため、構成が複雑になり処理が煩雑化してしまう。また、余分となる電力を消費させるために補助電力消費装置として抵抗器、電灯等の電気抵抗体を備えるため、システムが拡張されると共にコストが掛かってしまうという課題を有する。

特許文献２に示す技術は、発電機で発電した電力を、整流回路、コンバータ、インバータ、ＳＳＲ、センサを介してユーザ負荷、及び、整流回路、ＳＳＲを介して温水ヒータに電力を供給するものであり、すなわち、ユーザ負荷で余った電力が温水ヒータに供給される構成となっている。つまり、余剰電力を発熱体により熱エネルギーに変換して消費しているため、システムの構成が複雑になり、システムが大規模化してしまうという課題を有する。また、集合型マイクロ発電システムの構成が開示されており、全体の管理は中央制御装置が一元管理する構成であるものの、各発電システムは個別の構成となっており、全体として大規模な集合型マイクロ発電システムになってしまっている。

特許文献３に示す技術は、車両、船舶、ポータブル電源、家庭用発電機などで用いられる燃料電池システムに関するものであり、マイクロ水力発電システムにおける発電機のように交流電流の突入を防止する技術にそのまま適用することは不可能である。また、車両、船舶、ポータブル電源、家庭用発電機などは、ある程度安定した管理下での動作であるのに対して、マイクロ水力発電のように自然エネルギーを利用する場合は、動作環境が刻一刻と変化するためより厳密に動作管理を行う必要がある。

本発明は、独立型の水力発電システムにおいて、発電機の発電状態に応じてシステム内の装置の始動を安全に行うと共に、余剰電力を必要最小限の構成で安全に消費することができる水力発電システムを提供する。

本発明に係る水力発電システムは、電力系統から独立して発電及び給電が可能な水力発電システムであって、水流によって回転する水車と、前記水車に連携し当該水車の回転により発電を行う発電機と、前記発電機で発生した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段を少なくとも有する電力制御装置と、前記発電機と前記電力制御装置との間に配設され、接点のＯＮ／ＯＦＦ制御にしたがって前記発電機及び前記電力制御装置と電気的に接続される抵抗器と、前記水力発電システム全体を管理して制御するシステム制御装置とを備え、前記システム制御装置が、前記水車の回転に関する回転情報を受信し、当該受信した回転情報が所定の条件を満たす場合に、前記接点を投入して前記発電機及び前記電力制御装置が前記抵抗器を介して接続されるように制御し、前記回転情報が前記所定の条件を満たさない場合に、前記接点を開放して前記発電機及び前記電力制御装置が前記抵抗器を介さずに接続されるように制御するものである。

このように、本発明に係る水力発電システムは、電力系統から独立しており、始動時にシステム制御装置が、水車の回転情報を受信し、当該受信した回転情報が所定の条件を満たす場合に、発電機及び電力制御装置が抵抗器を介して接続されるように制御し、回転情報が所定の条件を満たさない場合に、発電機及び電力制御装置が抵抗器を介さずに接続されるように制御するため、電圧や周波数が安定しない発電であっても、抵抗器により突入電流をなくして機器の故障を防止することができるという効果を奏する。

本発明に係る水力発電システムは、前記抵抗器が直列に接続された複数の抵抗からなり、投入される接点に応じて前記抵抗器全体の抵抗値が可変するように前記複数の抵抗ごとに対応する複数の接点を有しており、前記システム制御装置が、前記回転情報が前記所定の条件を満たす場合に、前記回転情報に応じて前記複数の接点のうちいずれの接点を投入するかを選択し、当該選択された接点を投入するものである。

このように、本発明に係る水力発電システムは、抵抗器が直列に接続された複数の抵抗からなり、投入される接点に応じて抵抗器全体の抵抗値が可変するように複数の抵抗ごとに対応する複数の接点を有しており、水車の回転情報が所定の条件を満たす場合に、回転情報に応じて複数の接点のうちいずれの接点を投入するかを選択するため、回転情報に応じて起動する電力制御装置に適した抵抗値で起動処理を実行することができるため、電力制御装置の故障をなくして安全に管理することができるという効果を奏する。

本発明に係る水力発電システムは、前記水車、前記発電機、並びに、当該水車及び当該発電機に連携する前記電力制御装置をそれぞれ複数台備え、当該電力制御装置が、当該発電機で発生した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段を有しており、それぞれの前記発電機で発生した交流電力が、前記ＡＣ／ＤＣ変換により直流電力に変換されてから合算されるものである。

このように、本発明に係る水力発電システムは、水車、発電機、並びに、水車及び発電機に連携する電力制御装置をそれぞれ複数台備え、各発電機で発生した交流電力が直流電力に変換されてから合算されるため、発電機ごとに電圧値や周波数を細かく調整する必要がなく、複数の発電機で発生した電力を容易に合算することができるという効果を奏する。

本発明に係る水力発電システムは、複数の前記水車、前記発電機及び前記電力制御装置ごとに共通の一の前記抵抗器を有しており、前記システム制御装置が、それぞれの前記電力制御装置ごとに、連携している前記水車及び前記発電機、並びに、必要に応じて前記抵抗器を用いて順次起動処理を行うように制御するものである。

このように、本発明に係る水力発電システムは、複数の水車、発電機及び電力制御装置ごとに共通の一の抵抗器を有しており、それぞれの電力制御装置ごとに、連携している水車及び発電機、並びに、必要に応じて抵抗器を用いて順次起動処理を行うため、抵抗器を電力制御装置ごとに設ける必要がなくシステムの構成を簡素化すると共に、コストを下げることができるという効果を奏する。

本発明に係る水力発電システムは、一の前記水車及び前記発電機で発生した電力を用いて、他の前記水車及び前記発電機に連携している前記電力制御装置を起動するものである。

このように、本発明に係る水力発電システムは、一の水車及び発電機で発生した電力を用いて、他の水車及び発電機に連携している電力制御装置を起動するため、複数ある発電機のうち１つでも動作していれば他の装置を起動することができ、システムを自動化して様々な環境に柔軟に対応することが可能になるという効果を奏する。

本発明に係る水力発電システムは、前記電力制御装置が、連携している前記発電機をモータとして運転させる発電機運転制御手段を有しており、前記システム制御装置が、それぞれの前記発電機の発電量と、前記水力発電システムに接続されている負荷で消費される電力量との比較結果に基づいて、任意の前記発電機をモータとして運転させるように連携している前記電力制御装置に指示情報を送信し、送信された指示情報に基づいて前記発電機運転制御手段が前記発電機をモータとして運転させるものである。

このように、本発明に係る水力発電システムは、電力制御装置が、連携している発電機をモータとして運転させる発電機運転制御手段を有しており、それぞれの発電機の発電量と、水力発電システムに接続されている負荷で消費される電力量との比較結果に基づいて、任意の発電機をモータとして運転させるため、負荷の消費電力に対して発電量が多い場合であっても、発熱体や抵抗体を別途備えることなく電力の消費のバランスを保って安定化することができ、装置の故障を防止することができるという効果を奏する。

本発明に係る水力発電システムは、電力系統から独立して発電及び給電が可能な水力発電システムであって、水流によって回転する複数の水車と、それぞれの前記水車に連携し、当該水車の回転により発電を行う複数の発電機と、前記各水車及び発電機に連携し、当該連携している発電機をモータとして運転させる発電機運転制御手段を備える電力制御装置と、前記水力発電システム全体を管理して制御するシステム制御装置とを備え、前記システム制御装置が、それぞれの前記発電機の発電量と、前記水力発電システムに接続されている負荷で消費される電力量との比較結果に基づいて、任意の前記発電機をモータとして運転するように連携している前記電力制御装置に指示情報を送信し、送信された指示情報に基づいて前記発電機運転制御手段が前記発電機をモータとして運転させるものである。

このように、本発明に係る水力発電システムは、電力制御装置が、発電機の発電量と水力発電システムに接続されている負荷で消費される電力量との比較結果に基づいて、任意の発電機をモータとして運転させるため、負荷の消費電力に対して発電量が多い場合であっても、発熱体や抵抗体を別途備えることなく電力の消費のバランスを保って安定化することができ、装置の故障を防止することができるという効果を奏する。

本発明に係る水力発電システムは、前記発電機運転制御手段が、前記発電機をモータとして運転させる場合に、当該モータの回転数を他の発電機の回転数に応じて調整するものである。

このように、本発明に係る水力発電システムは、発電機をモータとして運転させる場合に、当該モータの回転数を他の発電機の回転数に応じて調整するため、例えば、２軸で２つの水車を近接させて回転させるような場合に、一方の水車の回転数を調整することで、両方の回転数を合わせてバランスを取ることができる。そうすることで、必要以上に渦などを発生しなくなり、水流を安定させると共に発電を安定させることができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る水力発電システムの構成図である。 第１の実施形態に係る水力発電システムにおける抵抗器の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る水力発電システムにおけるシステム制御装置の機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る水力発電システムにおける電力制御装置の機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る水力発電システムの起動時の動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る水力発電システムの第２の構成図である。 第２の実施形態に係る水力発電システムの構成図である。 第２の実施形態に係る水力発電システムにおけるシステム制御装置の機能ブロック図である。 第２の実施形態に係る水力発電システムにおける電力制御装置の機能ブロック図である。 第２の実施形態に係る水力発電システムの起動時の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る水力発電システムについて、図１ないし図６を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る水力発電システムの構成図、図２は、本実施形態に係る水力発電システムにおける抵抗器の一例を示す図、図３は、本実施形態に係る水力発電システムにおけるシステム制御装置の機能ブロック図、図４は、本実施形態に係る水力発電システムにおける電力制御装置の機能ブロック図、図５は、本実施形態に係る水力発電システムの起動時の動作を示すフローチャート、図６は、本実施形態に係る水力発電システムの第２の構成図である。

図１の水力発電システム１は電力系統から独立しており、相互に逆方向に回転する２つの（２軸の）水車２ａ，２ｂと、この各水車２ａ，２ｂに連動して水車の回転エネルギーを電力に変換する発電機３ａ，３ｂと、発電機３ａ，３ｂで発電した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段を有する電力制御装置４ａ，４ｂと、各電力制御装置４ａ，４ｂから出力される直流電力を負荷１５に供給可能な態様の交流電力に変換するインバータ１４と、水力発電システム１を構成する装置やスイッチの動作を通信により制御するシステム制御装置５と、このシステム制御装置５を操作するための操作パネル６と、システム制御装置５を起動するための電源となる蓄電池であるバッテリ７と、各電力制御装置４ａ，４ｂから出力される直流電力をバッテリ７に充電可能に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ８と、余剰電力が発生した場合にそれを消費するための制動抵抗器９と、当該制動抵抗器９の動作を制御する制動ユニット１０と、水力発電システム１の起動時に水車２ａ，２ｂの回転数を下げるための抵抗器１１とを備える。

なお、水力発電システム１は、図１に示すように常時電力系統から独立して運用されてもよいし、通常時は電力系統と連携して余剰電力を売電し、災害時などに電力系統が使えなくなった場合にのみ電力系統から独立して運用されるようにしてもよい。

水力発電システム１は、まずＤＣ１２Ｖの蓄電池２個からなるＤＣ２４Ｖのバッテリ７を電源としてシステム制御装置５が起動される。システム制御装置５は、水車２ａ，２ｂから取得した回転数に応じてスイッチ１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを制御することで、電力制御装置４ａ，４ｂの始動時における安全性を確保して電力を供給する。具体的には、回転数が所定の閾値以上である場合には、抵抗器１１を介して電力制御装置４ａ，４ｂに電力が供給されるようにスイッチ１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂが制御される。水力発電システム１が運用状態になると、負荷１５に対して発電機３ａ，３ｂで発生した電力が供給されると共に、負荷１５の消費電力量に対して発電量が多くて余剰電力が発生する場合には、その余剰電力が制動抵抗器９で消費される。また、水力発電システム１の運用時にはバッテリ７への充電も行われる。

電力制御装置４ａ，４ｂは、始動する際に適切な電力の範囲が決まっており、その範囲外の電力が供給された場合は電力が小さすぎて起動できないか又は突入電流などにより故障してしまう。そこで、上述したように、突入電流による装置の故障を防止するために抵抗器１１を利用する。すなわち、水車２ａ，２ｂの回転数が高く、始動時に電力制御装置４ａ，４ｂの故障が発生してしまうと判断される場合には、スイッチ１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを制御することで抵抗器１１により電力を下げた状態にして電力制御装置４ａ，４ｂを始動する。

水車２ａ，２ｂの回転数は環境により大きく変化しており、抵抗器１１の抵抗値は水車２ａ，２ｂの回転数に応じて可変できるものであるのが望ましい。そこで、本実施形態においては、図２に示すように抵抗器１１の抵抗値を可変にできる構成とする。図２は、抵抗器１１の構成の一例であり、ここでは抵抗２１が直列に連続して３段配設されている。抵抗２１は、各段ごとにそれぞれスイッチに接続されておりいずれのスイッチを投入するかにより、接続される抵抗２１の数が可変し抵抗値を変えることができる。図２の場合、（接点２４に接続するスイッチを投入した場合）＞（接点２２に接続するスイッチを投入した場合）＞（接点２３に接続するスイッチを投入した場合）の順で抵抗値が小さくなる。

ここで、各装置の構成について説明する。図３は、システム制御装置５の機能ブロック図である。システム制御装置５は、水車やスイッチと通信するための通信Ｉ／Ｆ（例えば、ＰＬＣ等）３１と、水車のセンサから送信された回転数情報を受信する回転数受信部３２と、受信した回転数が、電力制御装置４ａ，４ｂが始動する際の規定の電力量に応じて予め決まっている閾値を越えているかどうかを判定する回転数判定部３３と、各電力制御装置４ａ，４ｂごとに始動の際の規定値等の情報が記憶されている装置情報記憶部３７と受信した回転数とから、起動に適した抵抗値を算出する適正抵抗値算出部３４と、抵抗値とスイッチとの関係が記憶されたスイッチ情報記憶部３８を読み込んで、算出された適正な抵抗値に合うスイッチを選択するスイッチ選択部３５と、選択されたスイッチを投入するように制御信号を発信するスイッチ投入部３６とを備える。

図４は、電力制御装置４ａ，４ｂの機能ブロック図である。電力制御装置４ａ，４ｂは、発電機３ａ，３ｂで発生した交流電力を入力し、インバータ１４に直流電力を出力する入出力部４１と、入力された交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換部４２とを備える。始動時には、水車２ａ，２ｂの回転数が大きすぎると、過大な交流電圧が印加されてＡＣ／ＤＣ変換部４２の故障を誘発してしまう可能性があるため、上述したように、スイッチ１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂを制御して装置の安全性を確保する。

次に、水力発電システムの始動時の動作について説明する。図５は、水力発電システムの始動時の動作を示すフローチャートである。まず、バッテリ７を電源にしてシステム制御装置５の操作電源がＯＮになり（Ｓ５１）、続けてタッチパネル６がＯＮとなり（Ｓ５２）、タッチパネルを入力デバイスとする人手による操作が可能な状態となる。システム制御装置５の回転数受信部３２は、水車２ａ，２ｂに取り付けられたセンサにより計測された回転数情報を受信し（Ｓ５３）、回転数判定部３３が回転数が予め設定されている閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ５４）。この閾値は、電力制御装置４ａ，４ｂや発電機３ａ，３ｂの仕様に応じて予め設定される値であり、電力制御装置４ａ，４ｂが故障しない範囲の上限値が設定される。

回転数が閾値以上である場合は、適正抵抗値算出部３４が、装置情報記憶部３７に記憶されている始動の際の規定値等の情報を読み出し、この規定値と回転数受信部３２が受信した回転数との関係から適正な抵抗値を算出する（Ｓ５５）。スイッチ選択部３５は、スイッチ情報記憶部３８に記憶されているスイッチと抵抗値との関係から、適正抵抗値算出部３４で算出された抵抗値に合うスイッチ（図２の接点２２，２３，２４に接続するスイッチのいずれか）を選択し（Ｓ５６）、スイッチ投入部３６が、選択されたスイッチを投入する（Ｓ５７）。また、Ｓ５４で回転数が閾値以上でない場合は、スイッチ選択部３５が、抵抗器１１に接続しないスイッチ（図１のスイッチ１６ａ，１６ｂ）を選択し、スイッチ投入部３６により選択されたスイッチが投入される。

スイッチが投入されると、電力制御装置４ａ，４ｂが始動して発電が開始される（Ｓ５８）。システム制御装置５は、未始動の電力制御装置があるかどうかを判定し（Ｓ５９）、未始動の電力制御装置がある場合は、Ｓ５３に戻って始動動作を繰り返す。未始動の電力制御装置がない場合は、始動動作を終了する。

以上のような始動動作を行うことで、電力制御装置４ａ，４ｂが突入電流などの影響で故障してしまうことを防止して安全に水力発電システム１を始動することができる。

なお、図１に示した水力発電システム１は、２つの水車２ａ，２ｂが相互に逆方向に回転する２軸の水力発電システムを示したが、図６のように、２軸の発電機が複数配設されて形成される構成であってもよい。図６は、２軸の発電機が５機配設されており、それぞれの発電機には対応する電力制御装置が設置され、システム全体がシステム制御装置で管理されている。この場合、少なくとも何れか１機の発電機が発電していれば、その発電により他の電力制御装置を始動させることが可能となり、水力発電システムの自動運転化が可能となる。すなわち、図５のフローチャートにおいて、Ｓ５１のバッテリにより起動処理を省略することが可能となる。また、各発電機の性能は統一されてもよいし、異なる性能であってもよく、負荷の消費電力に応じて運用する発電機が選択されるようにしてもよい。さらに、２軸の発電機が複数配設されるのではなく、１軸の発電機が複数配設されて形成される構成であってもよい。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る水力発電システムについて、図７ないし図１０を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る水力発電システムの構成図、図８は、本実施形態に係る水力発電システムにおけるシステム制御装置の機能ブロック図、図９は、本実施形態に係る水力発電システムにおける電力制御装置の機能ブロック図、図１０は、本実施形態に係る水力発電システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
なお、本実施形態において前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。

図７の水力発電システム１において、図１の場合と異なるのは制動ユニット１０及び制動抵抗器９を有しておらず、電力制御装置４ａ，４ｂに、発電機３ａ，３ｂをモータとして運転させるための発電機運転制御部７０ａ，７０ｂを備えていることである。前記第１の実施形態では、発電機３ａ，３ｂで発電した電力が負荷１５で消費しきれない場合に、余剰電力を制動抵抗器９により熱エネルギーに変換することで消費しているが、本実施形態においては、制動抵抗器９ではなく発電機３ａ，３ｂをモータとして回転させるためのエネルギーに変換して消費する。

図８は、システム制御装置の構成を示す。システム制御装置５は、水車２ａ，２ｂや電力制御装置４ａ，４ｂと通信するための通信Ｉ／Ｆ（例えば、ＰＬＣ等）３１と、発電機３ａ，３ｂのそれぞれの発電量を取得する発電量取得部８１と、負荷が消費している消費電力量を取得する消費電力量取得部８２と、発電量と消費電力量を比較して電力の供給量と消費量とが適正であるかどうかを判定する適正電力判定部８３と、電力の供給量と消費量とが適正でない場合に、発電機３ａ，３ｂの発電量やモータとして起動した場合の消費電力に関する情報が記憶された発電機情報記憶部８７を参照し、発電機３ａ，３ｂのいずれを停止させてモータとして起動したほうがよいかを計算して選択するモータ選択部８４と、モータとして回転させる際の回転数を適正に調整する回転数調整部８５と、調整された回転数に応じてモータとしての発電機３ａ、３ｂの運転の指示情報を電力制御装置４ａ，４ｂに送信する運転指示部８６とを備える。

図９は、電力制御装置４ａ，４ｂの構成を示す。図４の場合と異なり、システム制御装置５と通信するための通信Ｉ／Ｆ（例えば、ＰＬＣ等）と、システム制御装置５からの指示情報にしたがって発電機３ａ，３ｂをモータとして駆動する発電機運転制御部７０ａ，７０ｂとを備える。すなわち、発電機運転制御部７０ａ，７０ｂは、発電機３ａ，３ｂをモータとして駆動するドライバとして機能する。

次に、水力発電システムの余剰電力発生時の動作について説明する。まず、システム制御装置５が発電機３ａ，３ｂのそれぞれの発電量と負荷１５の消費電力量を取得する（Ｓ１１、Ｓ１２）。適正電力判定部８３が、発電量と消費電力量とのバランスが取れているかどうかを判定し（Ｓ１３）、バランスが取れている場合は発電状態を継続する（Ｓ１８）。発電量と消費電力量とのバランスの判定は、例えば余剰電力が所定の閾値を超えているかどうかで判定することができる。

発電量と消費電力量とのバランスが取れていない場合、すなわち余剰電力が多く発生している場合は、発電機３ａ，３ｂのいずれかの発電機を停止する（Ｓ１４）。このとき、それぞれの発電機３ａ，３ｂの発電量と負荷の消費電力量との関係から、適切な発電機３ａ，３ｂが選択される。例えば、発電機３ａの発電量が１ｋＷ、発電機３ｂの発電量が１．８ｋＷ、負荷の消費電力量が１．１ｋＷのような場合は、発電量２．８ｋＷ（１ｋＷ＋１．８ｋＷ）に対して消費電力量１．１ｋＷと非常に多くの余剰電力が発生しているため、発電機３ａ，３ｂのいずれかをモータとして駆動する。このとき、発電機３ｂを停止させてしまうと発電量が１ｋＷに対して消費電力量が１．１ｋＷとなり負荷に十分な電力を供給できなくなってしまう。そこで、停止する発電機として発電機３ａがモータ選択部８４により選択される。運転指示部８６は、選択された発電機３ａに対応付けられている電力制御装置４ａに対して発電機３ａを停止する旨の信号を送信し、電力制御装置４ａの発電機運転制御部７０ａが発電機３ａの運転を停止する。

発電機３ａ，３ｂのいずれかを停止した状態で、適正電力判定部８３が再び発電量と消費電力量とのバランスが取れているかどうかを判定し（Ｓ１５）、バランスが取れている場合は発電状態を継続する（Ｓ１８）。発電量と消費電力量とのバランスが取れていない場合は、停止された発電機３ａ，３ｂをモータとして駆動する際の適正な回転方向及び／又は回転数を回転数調整部８５が演算する（Ｓ１６）。

ここで、回転数の調整について説明する。回転数の調整は余剰電力量と発電機の駆動電力との関係に応じて適正に演算されてもよいし、停止していない方の発電機の回転数との関係で適正に演算されてもよい。すなわち、余剰電力量が非常に多い場合は、負荷が大きくなるように発電と逆方向の回転をさせることで消費電力量を多くし、さらに回転数を調整することで消費電力量を微調整することができる。逆に、余剰電力量が非常に小さい場合は、負荷がそれほど大きくならないように発電と同方向の回転をさせることで電力を消費し、回転数により微調整を行うことができる。

また、停止していない方の発電機の回転数になるべく近づくように調整されてもよい。例えば、Ｌ字型に曲がったような水流箇所においては、それぞれの発電機３ａ，３ｂの回転数に大きな差が生じ、不要な渦などが発生したり機器の寿命に差が出てしまう。すなわち、モータとして駆動する際の回転数を停止していない方の発電機の回転数になるべく近づくように調整することで、発電機３ａ，３ｂ間の回転数の差が小さくなり、不要な渦の発生や危機の寿命の差を防止することが可能となる。

適正な回転数が得られると運転指示部８６が、その回転数で発電機３ａ，３ｂをモータとして駆動させるように発電機３ａ，３ｂのそれぞれに対応する電力制御装置４ａ，４ｂに指示情報を送信し、指示情報を受信した電力制御装置４ａ，４ｂの発電機運転制御部７０ａ，７０ｂが発電機３ａ，３ｂをモータとして駆動する（Ｓ１７）。その状態で発電状態が継続して（Ｓ１８）、水力発電システムの余剰電力発生時の動作が終了する。

このような動作を行うことで、負荷の消費電力に対して発電量が多い場合であっても、発熱体や抵抗体を別途備えることなく電力の消費のバランスを保って安定化することができ、装置の故障を防止することができる。また、複数の水車を近接させて回転させるような場合に、一方の水車の回転数を調整することで、両方の回転数を合わせてバランスを取ることができ、必要以上に渦などを発生しなくなり、水流を安定させると共に発電を安定させることができる。なお、本実施形態に係る水力発電システムは、２軸の発電機が単体で構成されてた場合であっても、２軸の発電機が複数で構成された場合であっても適用可能である。

１ 水力発電システム
２ａ，２ｂ 水車
３ａ，３ｂ 発電機
４ａ，４ｂ 電力制御装置
５ システム制御装置
６ タッチパネル
７ バッテリ
８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
９ 制動抵抗器
１０ 制動ユニット
１１ 抵抗器
１４ インバータ
１５ 負荷
１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ スイッチ
２１ 抵抗
２２〜２４ 接点
３１ 通信Ｉ／Ｆ
３２ 回転数受信部
３３ 回転数判定部
３４ 適正抵抗値算出部
３５ スイッチ選択部
３６ スイッチ投入部
３７ 装置情報記憶部
３８ スイッチ情報記憶部
４１ 入出力部
４２ ＡＣ／ＤＣ変換部
７０ａ，７０ｂ 発電機運転制御部
８１ 発電量取得部
８２ 消費電力量取得部
８３ 適正電力判定部
８４ モータ選択部
８５ 回転数調整部
８６ 運転指示部
８７ 発電機情報記憶部

Claims (7)

1. 電力系統から独立して発電及び給電が可能な水力発電システムであって、
   水流によって回転する複数の水車と、
   それぞれの前記水車に連携し、当該水車の回転により発電を行う複数の発電機と、
   前記各水車及び発電機に連携し、当該連携している発電機をモータとして運転させる発電機運転制御手段を備える電力制御装置と、
   前記水力発電システム全体を管理して制御するシステム制御装置とを備え、
   前記システム制御装置が、
   それぞれの前記発電機の発電量と、前記水力発電システムに接続されている負荷で消費される電力量との比較結果に基づいて、前記発電量に余剰が発生している場合に任意の前記発電機をモータとして運転するように連携している前記電力制御装置に指示情報を送信し、送信された指示情報に基づいて前記発電機運転制御手段が前記発電機をモータとして運転させて発生している余剰電力を消費することを特徴とする水力発電システム。
2. 請求項１に記載の水力発電システムにおいて、
   前記発電機運転制御手段が、前記発電機をモータとして運転させる場合に、当該モータの回転数を他の発電機の回転数に応じて前記余剰電力が所定の閾値以下となるように調整することを特徴とする水力発電システム。
3. 請求項１又は２に記載の水力発電システムにおいて、
   前記発電機と前記電力制御装置との間に配設され、接点のＯＮ／ＯＦＦ制御にしたがって前記発電機及び前記電力制御装置と電気的に接続される抵抗器を備え、
   前記システム制御装置が、
   前記水車の回転に関する回転情報を受信し、当該受信した回転情報が所定の条件を満たす場合に、前記接点を投入して前記発電機及び前記電力制御装置が前記抵抗器を介して接続されるように制御し、前記回転情報が前記所定の条件を満たさない場合に、前記接点を開放して前記発電機及び前記電力制御装置が前記抵抗器を介さずに接続されるように制御することを特徴とする水力発電システム。
4. 請求項３に記載の水力発電システムにおいて、
   前記抵抗器が直列に接続された複数の抵抗からなり、投入される接点に応じて前記抵抗器全体の抵抗値が可変するように前記複数の抵抗ごとに対応する複数の接点を有しており、
   前記システム制御装置が、
   前記回転情報が前記所定の条件を満たす場合に、前記回転情報に応じて前記複数の接点のうちいずれの接点を投入するかを選択し、当該選択された接点を投入することを特徴とする水力発電システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
   前記電力制御装置が、前記発電機で発生した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換手段を少なくとも有しており、それぞれの前記発電機で発生した交流電力が、前記ＡＣ／ＤＣ変換手段により直流電力に変換されてから合算されることを特徴とする水力発電システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
   前記発電機と前記電力制御装置との間に配設され、接点のＯＮ／ＯＦＦ制御にしたがって前記発電機及び前記電力制御装置と電気的に接続される抵抗器を備え、
   当該抵抗器が複数の前記水車、前記発電機及び前記電力制御装置に対して共通の一の抵抗器であり、
   前記システム制御装置が、それぞれの前記電力制御装置ごとに、連携している前記水車及び前記発電機、並びに、前記水車の回転情報が所定の条件を満たす場合には前記抵抗器を用いて順次起動処理を行うように制御することを特徴とする水力発電システム。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の水力発電システムにおいて、
   一の前記水車及び前記発電機で発生した電力を用いて、他の前記水車及び前記発電機に連携している前記電力制御装置を起動することを特徴とする水力発電システム。
   

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