JP5927247B2 - 水力発電システム - Google Patents

Description

本発明は、小規模な水力発電システムであるマイクロ水力発電システムに好適な水力発電システムに関する。

再生可能エネルギーの利用として小規模な水力発電システムが注目されている。例えば、開水路には、水の勢いを低減する構造物として落差工や急流工が設けられている。また、開水路の水勢を抑制する構造物として堰がある。

開水路の落差工や急流工、さらに堰は、水の勢いを低減するものであるから、そのような落差工や急流工、堰に水車を設置して発電機を回転させると、水の勢いを低減できるだけでなく発電にも寄与できる。

このような水力発電システムでは、通常、水車及び発電機は１台である。図６は、従来の水力発電システムの一例の構成図である。水車１１は発電機１２を駆動し、発電機１２で発電された交流電力は電力変換装置１３に入力される。電力変換装置１３では、発電機１２で発生した交流電力をコンバータ１４で一旦直流電力に変換し、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５で所定の直流電圧に変換し、さらにインバータ１６で交流電力に変換して、遮断器１７を介して電力系統１８に出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５で所定の直流電圧に変換された直流電力の一部は必要に応じて蓄電器１９に蓄電され、インバータ１６で変換された交流電力の一部は必要に応じて遮断器２０を介して所内負荷２１に供給される。

ここで、水力発電システムとして、発電機の発電状態に応じて装置の始動を安全に行うと共に、余剰電力を安全に消費することができるようにしたものがある（特許文献１参照）。この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するので、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できるというものである。

特開２０１４−３８４８号公報

しかし、従来の水力発電システムでは、水量が変動した際に発電機の出力電力が変動し、発電機効率が一定とならず変化してしまう。発電機の定格出力で発電機効率を最適に設定した場合、小水量のときは発電機の出力電力が低下するので発電機効率が低下してしまう。

図７は、１台の発電機の発電機効率の一例を示すグラフである。この一例では、発電機の定格出力（１００％）で発電効率が１００％になるように発電機効率を設定しており、発電機の出力電力が定格の７５％まで低下しても発電効率はほぼ１００％を維持するが、発電機の出力電力が定格の２５％まで低下すると発電効率はａ１（約７５）％まで低下し、発電機の出力電力が定格の１０％まで低下すると発電効率はａ２（約３８）％まで低下する。このように、水車に供給される水量が少なくなると発電機の出力電力が低下し、発電機効率も低下してしまう。

特許文献１のものは、複数台の発電機を有するものであり、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、負荷の消費電力に対して発電量が多い場合には、任意の発電機をモータとして運転させ、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るが、発電機はそれぞれ別の水車で駆動されるものであるので、システムが複雑化しコスト高となる。また、水車の供給される水量が少水量となった場合についての考慮がない。

本発明の目的は、水車に供給される水量変動に対し、発電機効率をほぼ一定にできる水車発電システムを提供することである。

請求項１の発明に係る水力発電システムは、１台の水車により駆動される複数台の発電機と、前記複数台の発電機毎に設けられ前記発電機で発生した交流電力を一旦直流電力に変換しさらに交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換装置と、前記水車に供給される水量変動に伴う水車出力の大きさに応じて起動する発電機の台数を選択し、起動した発電機の前記電力変換装置を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係る水力発電システムは、請求項１の発明において、前記複数台の発電機の台数をｎ台とし、水車の定格出力をＭとしたとき、前記制御装置は、前記水車出力の大きさがＭ・｛（ｎ−１）／ｎ｝以上のときは、前記複数台の発電機のすべてのｎ台の発電機を起動し、前記水車出力がＭ・｛（ｉ−１）／ｎ｝以上で、Ｍ・（ｉ／ｎ）以下のとき（ｉ＝１、２、３…＜ｎ）は、ｉ台の発電機を起動することを特徴とする。

本発明によれば、１台の水車により駆動される複数台の発電機を設け、水車に供給される水量変動に伴う水車出力の大きさに応じて起動する発電機の台数を選択し、起動した発電機を制御するので、水車に供給される水量変動に対し全体としての発電機効率をほぼ一定にできる。

本発明の実施形態に係る水力発電システムの構成図。 ４台の発電機のうちの１台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフ。 ４台の発電機のうちの２台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフ。 ４台の発電機のうちの３台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフ。 ４台の発電機のうちの４台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフ。 従来の水力発電システムの一例の構成図。 １台の発電機の発電機効率の一例を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係る水力発電システムの構成図である。図１に示すように、１台の水車１１に複数の発電機１２が設けられている。図１では４台の発電機１２−１〜１２−４を設けた場合を示している。４台の発電機１２−１〜１２−４は１台の水車１１で駆動されるように取り付けられ、４台の発電機１２−１〜１２−４の各々の出力電力の合計が水力発電システム全体としての出力電力となる。以下の説明では、各々の４台の発電機１２−１〜１２−４は、従来の１台の発電機１２と同じ発電機効率の特性を有し、定格出力の１／４の定格出力を有するものとして説明する。

各々の発電機１２−１〜１２−４には、それぞれ電力変換装置１３−１〜１３−４が設けられている。電力変換装置１３−１〜１３−４は、各々の発電機１２−１〜１２−４で発生した交流電力をコンバータ１４−１〜１４−４で一旦直流電力に変換し、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５−１〜１５−４で所定の直流電圧に変換し、さらにインバータ１６−１〜１６−４で交流電力に変換して、遮断器１７を介して電力系統１８に出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５〜１５−４で所定の直流電圧に変換された直流電力の一部は必要に応じて蓄電器１９に蓄電され、インバータ１６で変換された交流電力の一部は必要に応じて遮断器２０を介して所内負荷２１に供給される。

制御装置２２は、水量検出器２３で検出された水車１１に供給される水量を入力し、水車１１に供給される水量変動に伴う水車出力を演算する。なお、水量検出器２３に代えて水車１１の回転数を検出する回転数検出器を用いるようにしてもよい。水車１１に供給される水量は水車１１の回転数変化として現れ水車出力に相当するからである。

そして、水車出力の大きさに応じて起動する発電機１２の台数を演算し、起動する発電機１２を選択して、選択した発電機１２のスイッチ２４を閉じる。例えば、水車出力の大きさが大きく、起動する発電機１２の台数が４台と演算されたときは、４台すべての発電機１２−１〜１２−４を選択し、スイッチ２４−１〜２４−４をすべて閉じる。また、起動する発電機の台数が２台であると演算したときは、４台の発電機１２−１〜１２−４のうち２台を選択して、その発電機１２に対応するスイッチ１４を閉じる。起動すべき発電機１２の台数が３台以下のとき、どの発電機１２を選択するかは、発電機１２の起動時間が均等になるように、あるいは、起動回数が均等になるように選択する。

また、制御装置２２は、選択し起動した発電機１２の電力変換装置１３を制御する。すなわち、電力変換装置１３のコンバータ１４を制御し、発電機１２で得られた交流電力を直流電力に変換する。また、電力変換装置１３のＤＣ／ＤＣコンバータ１５を制御し、コンバータ１４で得られた直流電力を所定の直流電圧の直流電力に変換する。所定の直流電圧は、例えば、蓄電器１９の公称電圧（直流電圧）の直流電圧である。さらに、電力変換装置１３のインバータ１６を制御し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５で得られた直流電力を商用周波数の交流電力に変換する。

図２は４台の発電機のうちの１台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフである。図２では運転した発電機を第１発電機とし、第１発電機効率及び総合効率を示している。総合効率は４台の発電機のうち運転した発電機の効率を総合した効率である。１台のみの発電機の場合は第１発電機効率と同じ特性となる。

本発明の実施形態では、４台の発電機１２−１〜１２−４の各々の出力電力の合計が水力発電システム全体としての出力電力となるようにしているので、各々の４台の発電機１２−１〜１２−４は、水力発電システム全体の定格出力の１／４の定格出力を有する。

すなわち、４台の発電機のうちの１台の発電機は水力発電システム全体の定格出力の１／４の定格出力を有するので、図２に示すように、水力発電システム全体の２５％の出力電力を得るには、１台の発電機を定格運転することになる。この場合、第１発電機効率のグラフに示すように、運転した発電機の第１発電機効率は１００％である。なお、第１発電機は、その出力電力が定格の７５％までは、第１発電機効率をほぼ１００％に維持した運転を継続できる。第１発電機の出力電力が定格の７５％は、水力発電システム全体の定格出力の１８．７５％であるので、水力発電システム全体の定格出力の１８．７５％までは発電機効率を１００％に維持できる。

図３は４台の発電機のうちの２台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフである。図３では運転した２台の発電機を第１発電機、第２発電機としている。各々の発電機は水力発電システム全体の定格出力の１／４の定格出力を有するので、図３に示すように、水力発電システム全体の５０％の出力電力を得るには、２台の発電機を定格運転することになる。この場合、第１発電機効率、第２発電効率のグラフに示すように、運転した発電機の第１発電機効率、第２発電機効率は共に１００％である。なお、第１発電機、第２発電機は、その出力電力が定格の７５％までは、第１発電機効率、第２発電機効率をほぼ１００％に維持した運転を継続できる。第１発電機、第２発電機の出力電力がそれぞれ定格の７５％のときは、総合効率のグラフに示すように、２台運転時の定格出力の３７．５％であり、水力発電システム全体の定格出力の１８．７５％であるので、２台運転の場合にも、水力発電システム全体の定格出力の１８．７５％までは発電機効率を１００％に維持できる。

図４は４台の発電機のうちの３台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフである。図４では運転した３台の発電機を第１発電機、第２発電機、第３発電機としている。各々の発電機は水力発電システム全体の定格出力の１／４の定格出力を有するので、図４に示すように、水力発電システム全体の７５％の出力電力を得るには、３台の発電機を定格運転することになる。この場合、第１発電機効率、第２発電効率、第３発電効率のグラフに示すように、運転した発電機の第１発電機効率、第２発電機効率、第３発電機効率は共に１００％である。

なお、第１発電機、第２発電機、第３発電機は、その出力電力が定格の７５％までは、第１発電機効率、第２発電機効率、第３発電機効率をほぼ１００％に維持した運転を継続できる。第１発電機、第２発電機、第３発電機の出力電力がそれぞれ定格の７５％のときは、総合効率のグラフに示すように、３台運転時の定格出力の２５％であり、水力発電システム全体の定格出力の１８．７５％であるので、３台運転の場合にも、水力発電システム全体の定格出力の１８．７５％までは発電機効率を１００％に維持できる。

図５は４台の発電機のうちの４台の発電機を運転した場合の発電機効率の一例を示すグラフである。図５では運転した４台の発電機を第１発電機、第２発電機、第３発電機、第４発電機としている。各々の発電機は水力発電システム全体の定格出力の１／４の定格出力を有するので、図５に示すように、水力発電システム全体の１００％の出力電力を得るには、４台の発電機を定格運転することになる。この場合、第１発電機効率、第２発電効率、第３発電効率、第４発電効率のグラフに示すように、運転した発電機の第１発電機効率、第２発電機効率、第３発電機効率、第４発電機効率は共に１００％である。

なお、第１発電機、第２発電機、第３発電機、第４発電機は、その出力電力が定格の７５％までは、第１発電機効率、第２発電機効率、第３発電機効率、第４発電機効率をほぼ１００％に維持した運転を継続できる。第１発電機、第２発電機、第３発電機、第４発電機の出力電力がそれぞれ定格の７５％のときは、総合効率のグラフに示すように、４台運転時の定格出力の１８．７５％である。すなわち、水力発電システム全体の定格出力の１８．７５％までは発電機効率を１００％に維持できる。

ここで、図５の総合効率と従来の図７の発電機効率とを比較すると、本発明の実施形態では、水力発電システム全体の定格出力の１８．７５％まで発電機効率を１００％に維持できる。一方、従来では、発電機効率を１００％に維持できるのは、水力発電システム全体の定格出力の７５％までである。従って、本発明の実施形態では、発電機効率を１００％に維持できる範囲が広がり、水車に供給される水量変動があっても全体としての発電機効率をほぼ一定にできる。

以上の説明では、各々の４台の発電機１２−１〜１２−４は、従来の１台の発電機１２と同等の発電機効率の特性を有し、定格出力の１／４の定格出力を有するものとして説明したが、４台の発電機１２−１〜１２−４の発電機効率の特性が異なる場合、４台の発電機１２−１〜１２−４の定格出力が異なる場合であっても、各々の発電機１２−１〜１２−４の発電機効率を１００％に維持できる範囲を広げることができる。

また、４台の発電機１２−１〜１２−４の場合について説明したが、ｎ台の発電機の場合も同様に適用できる。発電機の台数をｎ台とした場合には、水車の定格出力をＭとしたとき、制御装置２２は、水車出力の大きさがＭ・｛（ｎ−１）／ｎ｝以上のときはｎ台の発電機をすべて起動し、水車出力がＭ・｛（ｉ−１）／ｎ｝以上で、Ｍ・（ｉ／ｎ）以下のとき（ｉ＝１、２、３…＜ｎ）は、ｉ台の発電機を起動する。

水車の定格出力Ｍは、水量が豊富であり定格水量が確保できるときの水車出力であり、水量が定格水量より少ないときは、水量に合わせて起動する発電機の台数を選択する。これにより、水車に供給される水量変動があっても、起動した発電機の発電機効率を１００％に維持でき、全体としての発電機効率をほぼ一定にできる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…水車、１２…発電機、１３…電力変換装置、１４…コンバータ、１５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６…インバータ、１７…遮断器、１８…電力系統、１９…蓄電器、２０…遮断器、２１…所内負荷、２２…制御装置、２３…水量検出器、２４…スイッチ

Claims (2)

1. １台の水車により駆動される複数台の発電機と、
   前記複数台の発電機毎に設けられ前記発電機で発生した交流電力を一旦直流電力に変換しさらに交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換装置と、
   前記水車に供給される水量変動に伴う水車出力の大きさに応じて起動する発電機の台数を選択し、選択された台数の発電機を起動し、起動した前記発電機及び該発電機に対応する前記電力変換装置を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記複数台の発電機全体による定格出力に対する割合の下限値であって、起動した前記発電機のそれぞれについて、定格運転の際の発電機効率とほぼ等しい発電機効率が維持されるよう求められる前記下限値を下回らないよう、前記発電機及び前記電力変換装置を制御する
   ことを特徴とする水力発電システム。
2. 前記複数台の発電機の台数をｎ台とし、水車の定格出力をＭとしたとき、
   前記制御装置は、前記水車出力の大きさがＭ・｛（ｎ−１）／ｎ｝以上のときは、前記複数台の発電機のすべてのｎ台の発電機を起動し、
   前記水車出力がＭ・｛（ｉ−１）／ｎ｝以上で、Ｍ・（ｉ／ｎ）以下のとき（ｉ＝１、２、３…＜ｎ）は、ｉ台の発電機を起動することを特徴とする請求項１記載の水力発電システム。

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