JP6264345B2 - 電力変換装置、発電システムおよび発電制御方法 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、電力変換装置、発電システムおよび発電制御方法に関する。

従来、水車に接続された発電機を制御し、水車から発電機を介して得られる発電電力を電力系統へ出力する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる電力変換装置は、水車効率が高くなるように水車へ流入する水量に応じて水車の回転を制御することで発電効率を上げている。

特開２０１５−００２６４５号公報

しかしながら、水車へ流入する水量が増えて発電可能な電力が出力電力の上限値を超えてしまうような場合、抵抗などのように電力を消費させる部材を接続して出力電力を抑制することになるが、かかる部材の配置やコストが問題になる。

そこで、発電機の回転速度を抑制して出力電力が増加しないようにすることが考えられるが、このように発電機の回転速度を抑制すると、過電流が発生するおそれがある。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、出力電力を適切に抑制することができる電力変換装置、発電システムおよび発電制御方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る電力変換装置は、発電機に接続された水車へ流入する水量に応じて前記発電機の回転速度を制御して電力系統への出力電力を制御する制御部を備える。前記制御部は、前記電力系統へ出力可能な最大電力が設定電力を超える場合、前記最大電力が得られる回転速度よりも速い回転速度で前記発電機を制御し、前記電力系統への出力電力を前記設定電力以下に制限する。

実施形態の一態様によれば、出力電力を適切に抑制することができる電力変換装置、発電システムおよび発電制御方法を提供することができる。

図１Ａは、実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図である。 図１Ｂは、発電機の回転速度と発電電力との関係の一例を示す図である。 図２は、実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。 図３は、水車の軸トルク−回転速度の特性の一例を示す図である。 図４は、発電機の発電電力と回転速度との関係の一例を示す図である。 図５は、指令生成部の他の構成の一例を示す図である。 図６は、指令生成部のさらに他の構成の一例を示す図である。 図７は、指令生成部のさらに別の構成の一例を示す図である。 図８は、電力変換装置による発電制御処理の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する電力変換装置、発電システムおよび発電制御方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１Ａは、実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図である。図１Ａに示す発電システム１は、水車２と電力系統３との間に設けられ、水車２の回転力を電力に変換して電力系統３へ出力する。かかる発電システム１は、例えば、小水力発電システムであるが、小水力発電システム以外の発電システムに対しても適用することができる。

水車２は、開放型上掛水車や開放型下掛水車などの開放周流形水車（開放流水型水車とも呼ばれる）であるが、例えば、ペルトン水車、クロスフロー水車、フランシス水車などの他の種類の水車であってもよい。

発電システム１は、発電機１０と、電力変換装置２０とを備える。発電機１０は、回転電機であり、例えば、永久磁石同期機などの３相交流発電機である。かかる発電機１０は、水車２に接続される。例えば、発電機１０の回転軸は水車２の回転軸に直接またはギア等を介して連動連結される。なお、水車２の回転力を電力に変換することができれば、発電機１０は、３相交流発電機以外の発電機であってもよい。

電力変換装置２０は、電力変換部２１と制御部２２とを備える。電力変換部２１は、ＡＣ／ＤＣ変換部２３とＤＣ／ＡＣ変換部２４とを備える。ＡＣ／ＤＣ変換部２３は、制御部２２によって制御され、発電機１０から出力される交流電力を直流電力へ変換する。また、ＤＣ／ＡＣ変換部２４は、制御部２２によって制御され、ＡＣ／ＤＣ変換部２３から出力される直流電力を交流電力へ変換し、電力系統３へ出力する。

制御部２２は、例えば、水量検出装置４によって検出された水車２への流入水量の値（以下、流入水量Ｑｗと記載する）の情報を取得し、かかる流入水量Ｑｗに応じて発電機１０の回転速度ωｉを制御して発電機１０の発電電力Ｐｉを制御する。

図１Ｂは、発電機１０の回転速度ωｉと発電電力Ｐｉとの関係の一例を示す図である。図１Ｂに示すように、同じ流入水量でも発電機１０の回転速度ωｉに応じて発電機１０の発電電力Ｐｉが変わる。

制御部２２は、現在の流入水量Ｑｗで発電機１０の発電電力Ｐｉが最大になるように、流入水量Ｑｗに応じて発電機１０の回転速度ωｉを最適な回転速度に制御する。これにより、電力系統３への出力電力Ｐｏを可及的に大きくすることができる。以下、任意の流入水量Ｑｗで得ることができる最大の電力を最大電力Ｐｉｍａｘと記載する。

制御部２２は、流入水量Ｑｗが定格流入水量Ｑｗｘである場合、図１Ｂに示すように、発電機１０の回転速度ωｉを定格回転速度ωｉｘに制御することで、発電電力Ｐｉを定格発電電力Ｐｉｘにすることができる。定格発電電力Ｐｉｘは、定格流入水量Ｑｗｘにおける最大電力Ｐｉｍａｘであり、電力系統３への出力電力Ｐｏが設定電力Ｐｏｘ（以下、設定出力電力Ｐｏｘと記載する）になる場合の発電電力Ｐｉである。

設定出力電力Ｐｏｘ（設定電力の一例）は、例えば、電力系統３を運営する電力会社との契約などによって設定される出力電力Ｐｏであり、発電システム１から電力系統３への出力電力Ｐｏは、設定出力電力Ｐｏｘ以下に制限される。設定出力電力Ｐｏｘが１０［ｋＷ］で、電力変換部２１の電力変換効率ηｃが９０［％］である場合、Ｐｉｘ＝１０÷０．９＝１１．１［ｋＷ］である。

ところで、流入水量Ｑｗが定格流入水量Ｑｗｘを超えて過剰水量になった場合、電力系統３への出力電力Ｐｏが最大になるように回転速度ωｉを制御すると、電力系統３への出力電力Ｐｏが設定出力電力Ｐｏｘを超えてしまう。

このように流入水量Ｑｗが過剰水量の場合、最大電力Ｐｉｍａｘが得られる回転速度ωｉｚよりも低い回転速度ωｉｚ２（図１Ｂ参照）になるように回転速度ωｉを制御することで、発電電力Ｐｉを定格発電電力Ｐｉｘに抑制することができる。しかし、回転速度ωｉｚよりも低い回転速度ωｉｚ２で発電機１０が制御されるため、発電機１０の軸トルクが大きくなり、発電機１０と電力変換装置２０との間に流れる電流が大きくなる。そのため、例えば、発電機１０や電力変換部２１で流せる電流の上限値を超えてしまう過電流になるおそれがある。

そこで、制御部２２は、流入水量Ｑｗが過剰水量の場合、最大電力Ｐｉｍａｘが得られる回転速度ωｉｚよりも速い回転速度ωｉｚ１（図１Ｂ参照）になるように回転速度ωｉを制御することで、発電電力Ｐｉを定格発電電力Ｐｉｘ以下にし、出力電力Ｐｏを設定出力電力Ｐｏｘ以下に制限する。これにより、発電機１０の軸トルクを抑えることができ、発電機１０と電力変換装置２０との間に流れる電流を抑えることができるため、発電機１０や電力変換部２１を過電流から保護することができる。以下、電力変換装置２０の構成についてさらに説明する。

なお、最大電力Ｐｉｍａｘが得られる回転速度ωｉｚよりも速い回転速度ωｉｚ１になるように回転速度ωｉを制御した場合、回転速度ωｉが定格回転速度ωｉｘの場合よりも発電機１０や電力変換部２１に加わる電圧がさらに大きくなる。

したがって、例えば、定格流入水量Ｑｗｘ且つ無拘束状態（Ｐｉ＝０の場合）の場合において発電機１０に加わる電圧以上の定格電圧を有する発電機１０を選定することが望ましい。また、電力変換部２１の耐圧についても同様であり、定格流入水量Ｑｗｘ且つ無拘束状態において発電機１０に加わる電圧以上の耐圧を有する電力変換部２１とすることが望ましい。

また、発電機１０に生じる電圧が発電機１０の定格電圧や電力変換部２１の耐圧よりも大きくなるような場合、発電機１０の発電電力の一部を抵抗などによって消費させることによって、発電機１０に生じる電圧を抑えることもできる。

例えば、電力変換部２１において、ＡＣ／ＤＣ変換部２３とＤＣ／ＡＣ変換部２４とを接続する直流母線間にスイッチと抵抗との直列接続回路を設ける。そして、発電機１０に生じる電圧が発電機１０の定格電圧や電力変換部２１の耐圧よりも大きくなるような場合、制御部２２は、スイッチをオン／オフ制御して抵抗に電力を消費させ、発電機１０に生じる電圧を抑える。

このように、抵抗などのような電力消費部材を設けた場合であっても、回転速度ωｉｚよりも速い回転速度ωｉｚ１になるように回転速度ωｉを制御することから、回転速度ωｉを回転速度ωｉｚとする場合に比べ、電力消費部材のサイズを抑えることができる。そのため、電力消費部材の配置やコストの問題を低減できる。

図２は、実施形態に係る電力変換装置２０の構成の一例を示す図である。図２に示すように、電力変換装置２０は、電力変換部２１と、制御部２２とを備える。電力変換部２１は、ＡＣ／ＤＣ変換部２３と、ＤＣ／ＡＣ変換部２４と、電流検出部２５、２７と、電圧検出部２６、２８とを備える。

ＡＣ／ＤＣ変換部２３は、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続されたブリッジ回路やコンデンサを備え、ＤＣ／ＡＣ変換部２４は、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続されたブリッジ回路やコンデンサを備える。なお、スイッチング素子は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴであり、また、ＡＣ／ＤＣ変換部２３やＤＣ／ＡＣ変換部２４は、図２に示す構成に限定されない。

電流検出部２５は、発電機１０のＵ相、Ｖ相およびＷ相から電力変換部２１へそれぞれ流れる電流の瞬時値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（以下、電流Ｉｉｄと記載する）を検出する。また、電流検出部２７は、電力変換部２１から電力系統３のＲ相、Ｓ相およびＴ相へ流れる電流の瞬時値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔ（以下、電流Ｉｏｄと記載する）を検出する。

電圧検出部２６は、ＡＣ／ＤＣ変換部２３から出力される直流電圧の瞬時値Ｖｐｎ（以下、直流電圧Ｖｐｎと記載する）を検出する。電圧検出部２８は、電力系統３のＲ相、Ｓ相およびＴ相の電圧瞬時値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ（以下、電圧Ｖｏｄと記載する）を検出する。

制御部２２は、ＡＣ／ＤＣ変換制御部３０と、ＤＣ／ＡＣ変換制御部３１と、遮断制御部３２とを備える。ＡＣ／ＤＣ変換制御部３０は、水量検出装置４によって検出された流入水量Ｑｗに基づいて、駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を生成し、ＡＣ／ＤＣ変換部２３へ出力する。駆動信号Ｓ１〜Ｓ６によってＡＣ／ＤＣ変換部２３を構成する複数のスイッチング素子のそれぞれがオン／オフ制御される。流入水量Ｑｗは、例えば、単位時間当たりに水車２へ流入する水量である。

ＤＣ／ＡＣ変換制御部３１は、直流電圧Ｖｐｎが所定の一定電圧になるように、駆動信号Ｓ７〜Ｓ１２を生成し、ＤＣ／ＡＣ変換部２４へ出力する。かかる駆動信号Ｓ７〜Ｓ１２によってＤＣ／ＡＣ変換部２４を構成する複数のスイッチング素子のそれぞれがオン／オフ制御され、ＡＣ／ＤＣ変換部２３から出力される直流電力が交流電力へ変換されＤＣ／ＡＣ変換部２４から電力系統３へ出力される。

ＤＣ／ＡＣ変換制御部３１は、例えば、電圧検出部２８によって検出した電圧Ｖｏｄに同期し、かつ、直流電圧Ｖｐｎが所定の直流電圧指令Ｖｐｎｒと一致するように指令を生成し、かかる指令に応じた駆動信号Ｓ７〜Ｓ１２を生成する。これにより、発電機１０の発電電力Ｐｉに応じた出力電力Ｐｏが電力変換装置２０から電力系統３へ出力される。

遮断制御部３２は、直流電圧Ｖｐｎが上限電圧Ｖｍａｘを超えると、連結遮断機５へ遮断要求ＳＨを出力し、かかる遮断要求ＳＨに基づき、連結遮断機５は、水車２と発電機１０との連結を遮断して水車２と発電機１０とを切り離す。これにより、発電電力Ｐｉが定格発電電力Ｐｉｘを超える状態が継続した場合、水車２と発電機１０との接続が開放されることから、発電機１０から電力変換装置２０へ過剰な電力供給が行われることを抑制することができる。

ＡＣ／ＤＣ変換制御部３０は、指令生成部４１と、減算部４２と、速度制御部４３と、電流制御部４４と、スイッチ駆動部４５とを備える。指令生成部４１は、水量検出装置４によって検出された流入水量Ｑｗに基づき、速度指令ωｉｒを生成する。速度指令ωｉｒは、発電機１０の回転速度ωｉを規定する指令である。

減算部４２は、指令生成部４１により生成された速度指令ωｉｒから発電機１０の回転速度ωｉの値（以下、回転速度ωｉｄと記載する）を減算する。回転速度ωｏｄは、例えば、発電機１０に取り付けられたエンコーダ６によって検出され、減算部４２は、エンコーダ６から回転速度ωｏｄを取得する。

速度制御部４３は、例えば、速度指令ωｉｒと回転速度ωｏｄとの偏差がゼロになるように、速度指令ωｉｒと回転速度ωｏｄとの差をＰＩ（比例積分）制御して電流指令Ｉｉｒを生成する。電流指令Ｉｉｒは、例えば、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電流指令Ｉｕｒ、Ｉｖｒ、Ｉｗｒを含む。

電流制御部４４は、例えば、電流Ｉｉｄが電流指令Ｉｉｒと一致するように、電流Ｉｉｄと電流指令Ｉｉｒとの偏差をＰＩ制御して電圧指令Ｖｉｒを生成する。電圧指令Ｖｉｒは、例えば、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電圧指令Ｖｕｒ、Ｖｖｒ、Ｖｗｒを含む。

スイッチ駆動部４５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電圧が電圧指令Ｖｕｒ、Ｖｖｒ、Ｖｗｒに応じた電圧になるように駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する。これにより、発電機１０の回転速度ωｉを速度指令ωｉｒに応じた回転速度にすることができる。

指令生成部４１は、電力変換部２１から電力系統３へ出力可能な最大電力（以下、最大出力電力Ｐｏｍａｘと記載する）が設定出力電力Ｐｏｘ以下の場合、最大出力電力Ｐｏｍａｘが得られる回転速度ωｉで発電機１０が回転するように、速度指令ωｉｒを生成する。

一方、指令生成部４１は、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘを超える場合、電力系統３への出力電力Ｐｏを設定出力電力Ｐｏｘ以下に制限する。この場合、指令生成部４１は、出力電力Ｐｏを設定出力電力Ｐｏｘ以下に制限する回転速度ωｉであって、かつ、最大出力電力Ｐｏｍａｘが得られる回転速度よりも速い回転速度ωｉで発電機１０が回転するように、速度指令ωｉｒを生成する。

ここで、水車２の特性について説明する。図３は、水車２の軸トルクＴｒｑ−回転速度ωｉの特性の一例を示す図である。図３に示す例では、流入水量Ｑｗが異なる３つの流入水量Ｑｗ１、Ｑｗ２、Ｑｗ３での軸トルクＴｒｑと回転速度ωｉとの関係の概略を示す図である。

図３に示すように、軸トルクＴｒｑと回転速度ωｉとは、概ね一次関数の関係であり、オフセットを有する負の比例の関係を有する。ここで、回転速度ωｉが０である場合における軸トルクＴｒｑをＴＩであるとし、軸トルクＴｒｑが０である場合における回転速度ωｉをωｉｎであるとすると、軸トルクＴｒｑと回転速度ωｉとの関係を示す演算式は、例えば、下記式（１）のように表すことができる。
Ｔｒｑ＝ＴＩ−ＴＩ×（ωｉ／ωｉｎ） ・・・（１）

発電機１０の損失が小さく無視できると仮定すると、流入水量Ｑｗで得ることができる最大電力Ｐｉｍａｘは、軸トルクＴｒｑと回転速度ωｉとを乗算した値のうち最も大きな値である。軸トルクＴｒｑと回転速度ωｉとの乗算結果が最も大きくなるのは、軸トルクＴｒｑと回転速度ωｉとが図３に示す関係にある場合、ωｉ＝ωｉｎ／２のときである。

したがって、最大電力Ｐｉｍａｘは、下記式（２）によって求めることができる。
Ｐｉｍａｘ＝Ｔｒｑ×ωｉｎ／２＝ＴＩ×ωｉｎ／４ ・・・（２）

小水力発電では、ダム、堰および水路によって落差等が決まり、越流水位の変動程度では有効落差に大きな変化はなく、水力はほぼ水量によって決定される。そして、水力が水量のみで決定されると考えた場合、定格発電電力を１とし、ωｉ／ωｉｘ＝１とすると、発電電力Ｐｉと回転速度ωｉとの関係は、図４に示すように表すことができる。図４は、発電電力Ｐｉと回転速度ωｉとの関係の一例を示す図である。

したがって、この場合、発電電力Ｐｉ、出力電力Ｐｏ、流入水量Ｑｗおよび回転速度ωｉの関係は、以下の式（３）のように一般化して表すことができる。指令生成部４１は、下記式（３）の関係に基づいて速度指令ωｉｒを演算することができる。なお、α＝Ｑｗｘ／Ｑｗであり、ｎ＝ωｉ／ωｉｘである。
Ｐｉ＝Ｐｏ／ηｃ＝−αｎ^２＋２ｎ ・・・（３）

指令生成部４１は、水量情報取得部５１と、記憶部５２と、速度指令生成部５４とを備える。水量情報取得部５１は、水量検出装置４から流入水量Ｑｗを取得する。記憶部５２は、流入水量Ｑｗ毎の発電電力Ｐｉを記憶している。また、記憶部５２は、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘになる流入水量Ｑｗ、回転速度ωｉおよび発電電力Ｐｉを定格流入水量Ｑｗｘ、定格回転速度ωｉｘおよび定格発電電力Ｐｉｘとして記憶している。

速度指令生成部５４は、電力系統３へ出力可能な最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘ以下であるか否かを判定する。かかる速度指令生成部５４は、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘ以下であるか否かを、水量情報取得部５１で取得された流入水量Ｑｗが定格流入水量Ｑｗｘ以下であるか否かによって判定する。

次に、速度指令生成部５４は、水量情報取得部５１で取得された流入水量Ｑｗと、記憶部５２に記憶された情報とに基づいて、速度指令ωｉｒを求める。例えば、速度指令生成部５４は、下記式（４）を演算することによって速度指令ωｉｒを求める。
Ｐｉ／Ｐｉｘ＝−（Ｑｗｘ／Ｑｗ）×（ωｉｒ／ωｉｘ）^２＋２（ωｉｒ／ωｉｘ）
・・・（４）

速度指令生成部５４は、流入水量Ｑｗが定格流入水量Ｑｗｘ以下である場合、すなわち、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘ以下である場合、Ｐｉ＝Ｐｉｍａｘとして、上記式（４）の演算を行う。これにより、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘ以下である場合、電力系統３へ最大出力電力Ｐｏｍａｘを出力することができる。

一方、速度指令生成部５４は、流入水量Ｑｗが定格流入水量Ｑｗｘを超える場合、すなわち、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘを超える場合、Ｐｉ／Ｐｉｘ＝１として、上記式（４）の演算を行う。これにより、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘを超える場合、電力系統３へ設定出力電力Ｐｏｘを出力することができる。

例えば、Ｑｗ／Ｑｗｘ＝１．３である場合、ωｉ／ωｉｘ＝１．９２であり、速度指令生成部５４は、ωｉｒ＝ωｉｘ×１．９２として、速度指令ωｉｒを出力する。なお、速度指令生成部５４は、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘを超える場合、電力系統３へ設定出力電力Ｐｏｘよりも低い電力を出力することもできる。

なお、上述においては、速度指令生成部５４は、上記式（４）に基づいて速度指令ωｉｒを生成する例を説明したが、上記式（４）は、水車２の特性、発電機１０の損失特性や電力変換部２１の電力変換効率ηｃの特性に基づいて適宜変更することができる。これにより、より精度よく速度指令ωｉｒを決定することができる。

また、流入水量Ｑｗが定格流入水量Ｑｗｘを超える場合に、最大電力Ｐｉｍａｘが得られる回転速度よりも速い回転速度になるように回転速度ωｉを制御することができればよく、速度指令生成部５４は、適宜変更可能である。

例えば、速度指令生成部５４は、定格流入水量Ｑｗｘと流入水量Ｑｗとの比率γ（＝Ｑｗ／Ｑｗｘ）と速度指令ωｉｒとを関連付けたテーブルを内部の記憶部に記憶し、かかるテーブルに基づいて、水量情報取得部５１によって取得された流入水量Ｑｗに基づく比率γから速度指令ωｉｒを選択して出力する構成であってもよい。

また、速度指令生成部５４は、流入水量Ｑｗと速度指令ωｉｒとを関連付けたテーブルを内部の記憶部に記憶し、かかるテーブルに基づいて、水量情報取得部５１によって取得された流入水量Ｑｗから速度指令ωｉｒを選択して出力する構成であってもよい。

指令生成部４１は、図２に示す構成に限定されるものではなく、例えば、図５〜図７に示す構成であってもよい。以下、指令生成部４１の構成例についてさらに説明する。図５は、指令生成部４１の他の構成の一例を示す図である。図５において、図２に示す指令生成部４１と同一の構成については同一符号を付し、また、電力変換部２１や制御部２２における構成を一部省略している。

図５に示す指令生成部４１は、水量情報取得部５１と、記憶部５２と、速度指令生成部５４Ａと、電力検出部５５とを備える。電力検出部５５は、例えば、電流Ｉｏｄと電圧Ｖｏｄとに基づき、出力電力Ｐｏを検出する。

速度指令生成部５４Ａは、出力電力Ｐｏに基づき、水流比α（＝Ｑｗｘ／Ｑｗ）を補正して上記式（４）の演算を行うことができる。例えば、Ｐｏ／Ｐｏｘ＝βとすると、β＜１の場合、速度指令生成部５４Ａは、α’＝α／βとし、補正後の流水比α’を用いて上記式（４）の演算を行う。これにより、電力変換装置２０は、速度指令ωｉｒを最適に調整することができる。なお、出力電力Ｐｏに基づいて速度指令ωｉｒを調整することができればよく、上述した処理に限定されるものではない。

このように、図５に示す指令生成部４１は、出力電力Ｐｏに基づいた補正を行って速度指令ωｉｒを求めることから、速度指令ωｉｒをより最適に生成することができ、発電システム１における発電効率をより向上させることができる。

図６は、指令生成部４１のさらに他の構成の一例を示す図である。図６において、図２に示す指令生成部４１と同一の構成については同一符号を付し、また、電力変換部２１における構成を一部省略している。

図６に示す指令生成部４１は、記憶部５２と、速度指令生成部５４と、水量推定部５６とを備える。記憶部５２および速度指令生成部５４は、図２に示す指令生成部４１と同様の構成および動作である。

水量推定部５６は、発電機１０のＵ相、Ｖ相およびＷ相の電圧の瞬時値（以下、電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと記載する）と電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとを取得し、かかる電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗおよび電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づき、発電電力Ｐｉを検出（または推定）する。電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、電力変換部２１の電圧検出部２９によって検出される。

水量推定部５６は、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとに基づいて検出した発電電力Ｐｉに基づいて流入水量Ｑｗを推定することができる。例えば、水量推定部５６は、速度指令生成部５４へ通知する流入水量Ｑｗを増減したときに検出される発電電力Ｐｉのうち最も大きな発電電力Ｐｉを最大電力Ｐｉｍａｘとして判定し、かかる最大電力Ｐｉｍａｘに対応する流入水量Ｑｗが現在の流入水量Ｑｗであると推定する。

また、水量推定部５６が速度指令生成部５４へ通知する流入水量Ｑｗは、定格流入水量Ｑｗｘ以下に制限される。水量推定部５６は、流入水量Ｑｗの増減によって検出される発電電力Ｐｉのうち、流入水量Ｑｗが定格流入水量Ｑｗｘである場合に検出される発電電力Ｐｉが最大であれば、流入水量Ｑｗの増減率に対する発電電力Ｐｉの増減率との関係に基づいて、現在の流入水量Ｑｗを推定する。

速度指令生成部５４は、上述したように、例えば、上記式（４）に基づき、水量推定部５６で推定された流入水量Ｑｗと記憶部５２に記憶された情報とをパラメータとして、速度指令ωｉｒを求める。なお、発電電力Ｐｉと出力電力Ｐｏとは、上記式（３）に示す関係にあることから、水量推定部５６は、発電電力Ｐｉに代えて出力電力Ｐｏを用いることができ、また、出力電力Ｐｏから発電電力Ｐｉを求めることもできる。例えば、水量推定部５６は、発電電力Ｐｉの場合と同様の処理によって、流入水量Ｑｗの増減によって発電機１０の回転速度ωｉを増減させた場合の出力電力Ｐｏに基づいて、流入水量Ｑｗや最大電力Ｐｉｍａｘを推定することもできる。この場合、水量推定部５６は、電流Ｉｏｄと電圧Ｖｏｄとに基づき、出力電力Ｐｏを検出することができる。

このように、図６に示す指令生成部４１は、図２に示す水量検出装置４を用いることなく、流入水量Ｑｗを推定できることから、システム全体のコストを抑えることができる。なお、図５に示す指令生成部４１において、水量情報取得部５１を水量推定部５６に置き換える構成であってもよい。

図７は、指令生成部４１のさらに別の構成の一例を示す図である。図７において、図２に示す指令生成部４１と同一の構成については同一符号を付している。

図７に示す指令生成部４１は、水量情報取得部５１と、記憶部５２Ｂと、最大電力演算部５３と、速度指令生成部５４Ｂとを備える。記憶部５２Ｂは、水車２の特性を記憶する。例えば、記憶部５２Ｂは、流入水量Ｑｗ毎に、軸トルクＴｒｑと回転速度ωｉとを対応付けたテーブルや演算式または演算式のパラメータ（例えば、ＴＩやωｉｎ）を記憶している。

軸トルクＴｒｑと回転速度ωｉとの関係を示す演算式は、例えば、上記式（１）に示すように表すことができる。なお、上記式（１）は、一例であり、水車２における軸トルクＴｒｑと回転速度ωｉとの関係に応じた演算式にすることで精度を向上させることができる。

最大電力演算部５３は、水量情報取得部５１で取得された流入水量Ｑｗと記憶部５２Ｂに記憶された水車２の特性とに基づき、現在の流入水量Ｑｗによって発電機１０から取り出し可能な最大電力Ｐｉｍａｘを演算する。最大電力演算部５３は、例えば、記憶部５２Ｂからパラメータ（例えば、ＴＩやωｉｘ）を取得し、上記（２）により最大電力Ｐｉｍａｘを演算する。

速度指令生成部５４Ｂは、電力系統３へ出力可能な最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘ以下であるか否かを判定する。例えば、速度指令生成部５４Ｂは、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘ以下であるか否かを、最大電力Ｐｉｍａｘに電力変換部２１の電力変換効率ηｃを乗算することによって、最大出力電力Ｐｏｍａｘを演算する。

速度指令生成部５４Ｂは、最大出力電力Ｐｏｍａｘと設定出力電力Ｐｏｘとを比較し、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘ以下の場合、最大出力電力Ｐｏｍａｘが得られる回転速度ωｉ（例えば、ωｉ＝ωｉｘ／２）で発電機１０が回転するように、速度指令ωｉｒを生成する。これにより、発電機１０の回転速度ωｉが速度指令ωｉｒと一致するように発電機１０が制御され、電力系統３への出力電力Ｐｏが最大出力電力Ｐｏｍａｘになる。

一方、速度指令生成部５４Ｂは、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘを超える場合、最大出力電力Ｐｏｍａｘが得られる回転速度よりも速い回転速度ωｉで発電機１０が回転するように、速度指令ωｉｒを生成する。これにより、発電機１０の回転速度ωｉが速度指令ωｉｒと一致するように発電機１０が制御され、電力系統３への出力電力Ｐｏが設定出力電力Ｐｏｘ以下に制限される。

ここで、設定出力電力Ｐｏｘは、上記式（１）が成り立つ場合、下記式（５）のように表すことができる。
Ｐｏｘ＝Ｐｉ×ηｃ
＝（Ｔｒｑ×ωｉｒ）／ηｃ
＝｛ＴＩ−ＴＩ×（ωｉｒ／ωｉｎ）｝×ωｉｒ×ηｃ ・・・（５）

したがって、この場合、速度指令生成部５４Ｂは、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘを超える場合、下記式（６）が成立する速度指令ωｉｒを演算することで、速度指令ωｉｒを生成することができる。
ωｉｒ^２／ωｉｎ−ωｉｒ＋Ｐｏｘ／（ＴＩ×ηｃ）＝０ ・・・（６）

なお、上記式（６）は、水車２における軸トルクＴｒｑと回転速度ωｉとの関係に応じた演算式にすることで、速度指令生成部５４Ｂは、速度指令ωｉｒの精度を向上させることができる。

また、上述した指令生成部４１は、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘを超える場合、最大出力電力Ｐｏｍａｘが得られる回転速度よりも速い回転速度ωｉで発電機１０が回転するように速度指令ωｉｒを生成するが、かかる処理に限定されない。

例えば、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘを超える場合であっても、指令生成部４１は、例えば、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘのｎ（例えば、１．２）倍までであれば、最大出力電力Ｐｏｍａｘが得られる回転速度よりも遅い回転速度ωｉで発電機１０が回転するように速度指令ωｉｒを生成する。なお、このように生成される速度指令ωｉｒに応じた回転速度ωｉで発電機１０が回転した場合でも、設定出力電力Ｐｏｘのｎ倍までであれば、過電流にならないものとする。

そして、指令生成部４１は、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘのｎ倍を超える場合に、最大出力電力Ｐｏｍａｘが得られる回転速度よりも速い回転速度ωｉで発電機１０が回転するように速度指令ωｉｒを生成する。このようにすることによっても、出力電力Ｐｏを抑制することができ、また、出力電力Ｐｏを抑制しつつも発電機１０と電力変換装置２０との間に流れる電流を抑えることができ、発電機１０や電力変換部２１を過電流から保護することができる。

図８は、電力変換装置２０による発電制御処理の一例を示す図である。制御部２２は、図８に示す発電制御処理を繰り返し実行する。図８に示すように、制御部２２は、水車２への流入水量Ｑｗを取得し（ステップＳ１０）、流入水量Ｑｗに応じた最大出力電力Ｐｏｍａｘと設定出力電力Ｐｏｘとを比較する（ステップＳ１１）。

なお、Ｐｏｍａｘ／Ｐｏｘ＝Ｑｗ／Ｑｗｘ＝Ｐｉｍａｘ／Ｐｏｘが成り立つことから、制御部２２は、出力電力Ｐｏに代えて、発電電力Ｐｉと定格発電電力Ｐｉｘとの比較や、流入水量Ｑｗと定格流入水量Ｑｗｘとの比較に基づいてステップＳ１１の比較を行うこともできる。

制御部２２は、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘを超えるか否かを判定する（ステップＳ１２）。最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘを超えると判定すると（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、制御部２２は、設定出力電力Ｐｏｘを出力するための発電電力Ｐｉに対応する回転速度ωｉであって、かつ、発電電力Ｐｉが最大電力Ｐｉｍａｘの場合の回転速度よりも速い回転速度ωｉで発電機１０を回転させるための速度指令ωｉｒを生成する（ステップＳ１３）。

一方、最大出力電力Ｐｏｍａｘが設定出力電力Ｐｏｘ以下であると判定すると（ステップＳ１２；Ｎｏ）、制御部２２は、発電電力Ｐｉが最大電力Ｐｉｍａｘの場合の回転速度ωｉで発電機１０を回転させるための速度指令ωｉｒを生成する（ステップＳ１４）。

ステップＳ１３、Ｓ１４の処理を終了すると、制御部２２は、生成した速度指令ωｉｒに応じた駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を生成し、電力変換部２１へ出力する（ステップＳ１５）。これにより、出力電力Ｐｏを抑制することができ、また、出力電力Ｐｏを抑制しつつも過電流を抑制することができる。

上述したように、小水力発電では、ダム、堰および水路によって落差等が決まり、越流水位の変動程度では有効落差に大きな変化はなく、水力はほぼ水量によって決定される。そのため、上述の実施形態では、流入水量Ｑｗに応じて最大電力Ｐｉｍａｘを推定したが、例えば、落差や水路などが変わるなど、水量以外に水力への影響がある場合、指令生成部４１は、水量に加え落差や水路などの変化を補正値として最大電力Ｐｉｍａｘを推定することもできる。

また、制御部２２は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の固定座標系を発電機１０の回転に同期するｄｑ軸座標系の成分へ変換して各指令を処理することもできる。なお、ｄ軸は、発電機１０の磁束に平行な軸であり、ｑ軸は、ｄ軸に直交する軸である。

制御部２２は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路により実現される。なお、制御部２２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含むこともできる。この場合、マイクロコンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されているプログラムを読み出して実行することにより、上述した制御を実現することができる。

なお、上述した実施形態では、電力変換装置２０が速度制御によって発電機１０を制御する例を説明したが、電力変換装置２０は、トルク制御によって発電機１０を制御することもできる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 発電システム
２ 水車
３ 電力系統
４ 水量検出装置
５ 連結遮断機
１０ 発電機
２０ 電力変換装置
２１ 電力変換部
２２ 制御部
３２ 遮断制御部
４１ 指令生成部
５１ 水量情報取得部
５２、５２Ｂ 記憶部
５４、５４Ａ、５４Ｂ 速度指令生成部
５５ 電力検出部
５６ 水量推定部

Claims (8)

1. 発電機に接続された水車へ流入する水量に応じて前記発電機の回転速度を制御して電力系統への出力電力を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、
   前記電力系統へ出力可能な最大電力が設定電力を超える場合、前記最大電力が得られる回転速度よりも速い回転速度で前記発電機を制御し、前記出力電力を前記設定電力以下に制限する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、
   前記最大電力が設定電力以下の場合、前記最大電力が得られる回転速度で前記発電機を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記水車と前記発電機とは遮断機を介して接続され、
   前記制御部は、
   前記発電機の発電電力が前記設定電力を出力するための電力を超える場合に、前記遮断機を制御して前記水車と前記発電機とを切り離す遮断制御部を備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、
   前記発電機の回転速度を増減させた場合に前記電力系統へ出力される電力に基づいて、前記水量または前記最大電力を推定する推定部を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、
   前記水車へ流入する水量の情報を取得する水量情報取得部と、
   前記設定電力に対応する前記最大電力が得られる前記水量の情報を記憶する記憶部と、
   前記水量情報取得部によって取得された前記水量の情報と、前記記憶部に記憶された前記水量の情報との比率に基づき、前記発電機の回転速度を規定する速度指令を生成する速度指令生成部と、を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 前記出力電力を検出する電力検出部を備え、
   前記制御部は、
   前記水車へ流入する水量に基づいて回転速度を規定する速度指令を生成する速度指令生成部を備え、
   前記速度指令生成部は、
   前記電力検出部によって検出された前記出力電力に基づいて前記速度指令を調整する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の電力変換装置と、
   前記電力変換装置に接続される前記発電機と、を備える
   ことを特徴とする発電システム。
8. 水車に接続された発電機の回転速度を前記水車へ流入する水量に応じて制御して電力系統への出力電力を制御する制御ステップを含み、
   前記制御ステップは、
   前記電力系統へ出力可能な最大電力が設定電力を超える場合、前記最大電力が得られる回転速度よりも速い回転速度で前記発電機を制御し、前記電力系統への出力電力を前記設定電力以下に制限するステップを含む
   ことを特徴とする発電制御方法。

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