JP6733767B1 - 水力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】水車の下流側の圧力の調節範囲を拡大する。【解決手段】水力発電システム（10）は、水車（11）の下流側の流体の圧力を調節するように発電機（12）を制御する圧力制御を行う制御部（30）とを備える。圧力制御は、発電機（12）を回生運転させながら圧力を調節する第１制御と、発電機（12）を力行運転させながら圧力を調節する第２制御とを含んでいる【選択図】図９

Description

本開示は、水力発電システムに関する。

特許文献１に開示された水力発電システムは、流路に配置される水車と、水車と連結する発電機とを備える。水車は、流路を流れる流体によって回転される。水車が回転すると、発電機が駆動される。駆動された発電機は、電力を発生する。

特開２０１４−２１４７１０号公報

水力発電システムにおいて、水車の下流側の圧力を調節することが想定される。具体的には、回生運転中の発電機のトルクや回転数を制御することで、水車の下流側の圧力を調節できる。しかし、この制御だけでは、調節される圧力の調整範囲に限界があった。

本開示は、水車の下流側の圧力の調節範囲を拡大することである。

第１の態様は、流体が流れる流路（4）に配置される水車（11）と、前記水車（11）と連結する発電機（12）と、前記水車（11）の下流側の流体の圧力を調節するように前記発電機（12）を制御する圧力制御を行う制御部（30）とを備え、前記圧力制御は、前記発電機（12）を回生運転させながら前記圧力を調節する第１制御と、前記発電機（12）を力行運転させながら前記圧力を調節する第２制御とを含んでいることを特徴とする水力発電システムである。

第１の態様の圧力制御は、発電機（12）を力行運転させる第２制御を含む。発電機（12）を力行運転させると、水車（11）の下流側の圧力を、第１制御よりも低い範囲で調節できる。これにより、圧力制御における圧力の調節範囲が拡大する。

第２の態様は、第１の態様において、前記制御部（30）は、前記圧力制御において、前記水車（11）の下流側の流体の圧力が目標圧力に収束するように前記発電機（12）を制御する。

第２の態様では、水車（11）の圧力の調節の範囲が拡大することで、水車（11）の下流側の圧力を目標圧力に収束させ易くなる。

第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記流路（4）に前記水車（11）と直列に配置される電動弁（15）を備えていることを特徴とする水力発電システムである。

第３の態様では、電動弁（15）の開度を調節することで、圧力制御における圧力の調節範囲がさらに拡大する。

第４の態様は、第３の態様において、前記制御部（30）は、前記圧力制御において、前記水車（11）の動作点を正常の運転領域に収束させるように前記電動弁（15）を制御することを特徴とする水力発電システムである。

第４の態様では、水車（11）の動作点が正常の運転領域から外れてしまうことを、電動弁（15）の制御により抑制できる。

第５の態様は、第３又は第４の態様において、前記発電機（12）による圧力調節の応答性が、前記電動弁（15）による圧力調節の応答性よりも高いことを特徴とする水力発電システムである。

第５の態様では、発電機（12）の制御により、水車（11）の下流側の圧力を速やかに目標圧力に収束させることができる。加えて第２制御により、広い範囲での圧力の調節が可能となる。

第６の態様は、第３乃至５の態様のいずれか１つにおいて、前記水車（11）及び電動弁（15）をバイパスするバイパス流路（8）と、前記バイパス流路（8）に配置され、前記圧力が所定値となるように開度を調整する減圧弁（16）とを備えていることを特徴とする水力発電システムである。

第６の態様では、停電などにより電動弁（15）が閉じてしまった場合や、水車（11）の下流側の流体の流量が急激に増大した場合に、水車（11）の下流側の圧力が低下する。これに伴い減圧弁（16）の開度が大きくなることで、流体はバイパス流路（8）を経由して下流側へ供給される。これにより、水車（11）の下流側の圧力を抑制できる。

図１は、実施形態の水力発電システム及び上水道の概略の構成図である。 図２は、実施形態の水力発電システムの全体の構成図である。 図３は、水力発電システムの特性マップである。 図４は、流量と圧力の関係を示すグラフであり、一次圧、二次圧、その他の各特性曲線を表している。 図５は、電動弁の開度と損失係数の関係を示すグラフである。 図６は、発電機制御に係るフローチャートである。 図７は、電動弁制御に係るフローチャートである。 図８は、実施形態に係る圧力制御の具体例を示すグラフである。本例では、力行運転は禁止されている。 図９は、実施形態に係る圧力制御の具体例を示すグラフである。本例では、力行運転は許可されている。 図１０は、比較例に係る圧力制御の具体例を示すグラフである。 図１１は、実施形態の変形例に係る水力発電システム及び上水道の概略の構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《実施形態》
図１に示す水力発電システム（10）は、上水道（1）に適用される。本例の水力発電システム（10）は、上水道（1）の末端側に適用される。水力発電システム（10）を流れた水（流体）は、住宅・ビルなどに供給される。

〈上水道〉
上水道（1）は、配水槽（2）と流路（4）とを含む。流路（4）は、配水槽（2）と、住宅などの水の供給対象との間の管路を構成している。流路（4）は、落差を有して水が流れる水路である。

流路（4）は、第１流路（5）と第２流路（6）とを含む。第１流路（5）は、水車（11）の上流側に形成される。第１流路（5）は、配水槽（2）と水車（11）との間に形成される。第２流路（6）は、水車（11）の下流側に形成される。第２流路（6）は、水車（11）と水の供給対象との間に形成される。

〈水力発電システム〉
図１及び図２に示すように、水力発電システム（10）は、水車（11）と、発電機（12）と、電動弁（15）と、圧力センサ（20）とを備える。図２に示すように、水力発電システム（10）は、発電機コントローラ（30）と、系統連系インバータ（50）とを備える。

〈水車〉
水車（11）は、流路（4）の途中に配置される。水車（11）は、ケーシングと、ケーシングに収容される羽根車とを備える（図示省略）。羽根車の中心部には、回転軸（13）が固定される。流路（4）を流れる水によって水車（11）が回転すると、回転軸（13）が回転駆動される。

〈発電機〉
発電機（12）は、回転軸（13）を介して水車（11）と連結する。発電機（12）は、ロータとステータとを有する（図示省略）。ロータは、永久磁石埋込型である。ステータはコイルを有する。

水車（11）が回転すると、水車（11）によって発電機（12）が駆動される。これにより、発電機（12）が回生運転を行う。回転運転中の発電機（12）は、電力を発生する。発電機（12）が発生した電力は、電力回路（C）を介して電力系統（60）へ供給される。電力系統（60）は、例えば商用電源である。

詳細は後述するが、電力回路（C）は、電力系統（60）の電力を発電機（12）に供給可能に構成される。電力系統（60）の電力が電力回路（C）を介して発電機（12）に供給されると、発電機（12）は力行運転を行う。力行運転中の発電機（12）は、水車（11）を回転駆動するモータとして機能する。なお、本実施形態では、力行運転時の水車（11）の回転方向と、回生運転時の水車（11）の回転方向は同じである。

〈電動弁〉
電動弁（15）は、流路（4）に水車（11）と直列に配置される。電動弁（15）は、第１流路（5）に配置される。電動弁（15）は、モータ駆動式の圧力調節弁である。電動弁（15）は、モータによって開度が調節される。電動弁（15）は、水車（11）の有効落差（H）を調節する。加えて、電動弁（15）は、水車（11）の下流側の圧力である二次圧（P2）を調節する。

〈圧力センサ〉
圧力センサ（20）は、第２流路（6）に配置される。圧力センサ（20）は、水車（11）の下流側の圧力である二次圧（P2）を検出する圧力検知部である。圧力センサ（20）によって検出された二次圧（P2）は、発電機コントローラ（30）に入力される。

〈電力回路〉
図２に示す電力回路（C）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）と、系統連系インバータ（50）とを有する。電力回路（C）は、発電機（12）と電力系統の間で双方向に電力を供給可能に構成される。

ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、発電機コントローラ（30）に設けられる。ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、複数のスイッチング素子を備える。ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、発電機（12）が発電した交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を系統連系インバータ（50）に出力する。ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、系統連系インバータ（50）から出力された直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を発電機（12）に出力する。このように、ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、双方向式のコンバータである。

系統連系インバータ（50）は、インバータ部を構成する複数のスイッチング素子を有する。系統連系インバータ（50）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）から出力された直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を電力系統（60）に供給する。系統連系インバータ（50）は、電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力をＡＣ／ＤＣコンバータ（31）に出力する。このように、系統連系インバータ（50）は、双方向式のインバータを有する。

〈発電機コントローラ〉
図２に示す発電機コントローラ（30）は、発電機（12）及び電動弁（15）を制御する制御部を構成している。発電機コントローラ（30）は、上述したＡＣ／ＤＣコンバータ（31）と、回転数検出部（32）と、水車動作点推定部（33）と、圧力検出部（34）と、圧力制御部（35）と、発電機制御部（36）と、弁制御部（37）とを有する。発電機コントローラ（30）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのプログラムが格納されたメモリディバイスとを含む。

回転数検出部（32）は、発電機（12）の回転数を検出する。回転数検出部（32）で検出した回転数は、水車動作点推定部（33）及び発電機制御部（36）に出力される。水車動作点推定部（33）は、発電機（12）の回転数、及び発電機（12）のトルク指令値とに基づいて水車動作点を求める。圧力検出部（34）は、圧力センサ（20）で検出した二次圧（P2）が入力される。

圧力制御部（35）は、予め設定された目標圧力（Po）と、二次圧（P2）とに基づいて発電機（12）のトルク指令値を生成する。トルク指令値は、二次圧（P2）を目標圧力（Po）に収束させるための発電機（12）のトルクに相当する。圧力制御部（35）は、生成したトルク指令値を発電機制御部（36）に出力する。

加えて、圧力制御部（35）は、電動弁（15）の開度指令値を生成する。開度指令値は、水車動作点を通常の運転領域に収束させるための電動弁（15）の開度に相当する。圧力制御部（35）は、生成した開度指令値を弁制御部（37）に出力する。

発電機制御部（36）は、二次圧（P2）が目標圧力（Po）に収束するように発電機（12）のトルクを制御する。発電機制御部（36）には、圧力制御部（35）から出力されたトルク指令値と、回転数検出部（32）から出力された回転数とが入力される。発電機制御部（36）は、入力されたトルク指令値及び回転数に従って電圧指令値を算出する。発電機制御部（36）は、電圧指令値に基づいてＡＣ／ＤＣコンバータ（31）のスイッチング素子を制御する。これにより、発電機（12）のトルクがトルク指令値に収束する。ここで、トルク指令値は、発電機（12）を回生運転させる負のトルク指令値と、発電機（12）を力行運転させる正のトルク指令値とを含む。

弁制御部（37）は、二次圧（P2）が目標圧力（Po）に収束するように電動弁（15）の開度を制御する。弁制御部（37）には、圧力制御部（35）から出力された開度指令値が入力される。弁制御部（37）は、入力された開度指令値に従って所定の制御信号を電動弁（15）に出力する。これにより、電動弁（15）の開度が開度指令値に収束する。

〈水力発電システム及び流路の特性〉
水力発電システム（10）及び流路（4）の特性について、図３及び図４を参照しながら説明する。

図３は、水車の特性を示すグラフであり、いわゆる特性マップである。図３の縦軸は、水車（11）の有効落差（H）、横軸は水車（11）を流れる流量（Q）である。有効落差（H）は、図１に示す総落差（Ho）から、流路抵抗に相当する落差、電動弁（15）の圧力損失、及び二次圧（P2）を引いた値である。総落差（Ho）は、配水槽（2）の液面から流路（4）の流出端まで間の落差である。流路抵抗は、流路（4）の管路の抵抗に相当する。

水車（11）の有効落差（H）及び流量（Q）の関係は、図３に示すシステムロスカーブ（流動抵抗特性線）で表すことができる。システムロスカーブは、流量（Q）の増大に伴って有効落差（H）が減少する特性を有する。水車（11）の流量（Q）と有効落差（H）に対応する点（水車動作点）は、常にシステムロスカーブ上を移動する。

図３は、等トルク曲線及び等回転数曲線を表している。等トルク曲線は、発電機（12）のトルク（T）を表す曲線であり、上下に延びている。トルク（T）が０となる曲線を無拘束曲線（RC）という。等回転数曲線は、水車（11）の回転数（N）を表す曲線であり、左右に延びている。回転数（N）が０又は所定の最低回転数となる曲線を水車限界曲線（LC）という。

無拘束曲線（RC）と水車限界曲線（LC）の間の領域は、水車領域である。水車領域に水車動作点があるとき、発電機（12）は回生運転を行う。無拘束曲線（RC）から右方向に進むにつれて負のトルクが増大する。水車限界曲線（LC）から上方向にすすむにつれて回転数（N）が増大する。従って、発電機（12）では、図３の右上方向にすすむにつれて発電電力が増大する傾向にある。

無拘束曲線（RC）の左側の領域は、水車ブレーキ領域という。水車ブレーキ領域に水車動作点があるとき、発電機（12）は力行運転を行う。無拘束曲線（RC）から左方向に進むにつれて正のトルクが増大する。

図３は、キャビテーション曲線（CC）を表している。キャビテーション曲線（CC）は、水車限界曲線（LC）に沿うように該水車限界曲線（LC）の内側に位置する曲線である。無拘束曲線（RC）とキャビテーション曲線（CC）との間の領域に水車動作点がある場合、水車（11）においてキャビテーションが発生する可能性がある。一方、キャビテーション曲線（CC）と水車限界曲線（LC）との間の領域（通常の運転領域）に水車動作点がある場合、キャビテーションは発生せず、通常の運転を行うことができる。

図４は、本実施形態の水力発電システム（10）における一次圧（P1）、二次圧（P2）、電動弁（15）の特性を表したグラフである。図４の縦軸は流体の圧力、横軸は水車（11）の流量（Q）である。

図４の一次圧（P1）は、水車（11）及び電動弁（15）の上流側の圧力を示す。図４に示す電動弁曲線（MC）は、所定の開度での電動弁（15）による減圧後の圧力と流量（Q）との関係を表した曲線である。よって、例えば水車動作点（図４に示す白抜きの点）に対応する流量（Q）における一次圧（P1）と電動弁曲線（MC）との差が、電動弁（15）による減圧量である。電動弁曲線（MC）は、その開度が大きくなるほど一次圧（P1）に沿うように緩やかな曲線となる。電動弁曲線（MC）は、その開度が小さくなるほど無拘束曲線（RC）に沿うように急峻な曲線となる。

二次側特性曲線（P2C）は、水車（11）の下流側の圧力損失と流量の関係を表した曲線である。二次側特性曲線（P2C）は、同じ流量（Q）における、電動弁曲線（MC）の圧力とシステムロスカーブの有効落差（H）の差分を結んだ曲線といえる。従って、水車動作点は、常に二次側特性曲線（P2C）上にある。二次側特性曲線（P2C）は、流量（Q）が大きくなるほど、右下に寝るような緩やかな曲線となる。二次側特性曲線（P2C）は、流量（Q）が小さくなるほど、左上に立ち上がるような急峻な曲線となる。図４に例示する水車動作点に対応する流量（Q）において、電動弁曲線（MC）と二次側特性曲線（P2C）との差が水車（11）による減圧量である。

図４は、上述した無拘束曲線（RC）、水車限界曲線（LC）、及びキャビテーション曲線（CC）を表している。無拘束曲線（RC）の左側のハッチングで示す領域が、上述した水車ブレーキ領域（力行領域）である。水車限界曲線（LC）とキャビテーション曲線（CC）との間の領域が、通常の運転領域である。図４において、水車限界曲線（LC）は、電動弁（15）の開度が大きくなるほど一次圧（P1）に沿うような緩やかな曲線となる。水車限界曲線（LC）は、電動弁（15）の開度が小さくなるほど無拘束曲線（RC）に沿うような急峻な曲線となる。図４において、無拘束曲線（RC）は、電動弁（15）の開度が大きくなるほど緩やかな曲線となり、電動弁（15）の開度が小さくなるほど急峻な曲線となる。

図３や図４に示す各パラメータの関係は、テーブルや関数などのデータとして、発電機コントローラ（30）のメモリディバイスに記憶される。従って、発電機コントローラ（30）は、このデータを利用することで種々の指標を求めることができる。

−運転動作−
水力発電システム（10）の運転動作について説明する。

〈基本動作〉
水力発電システム（10）の基本動作について図１及び図２を参照しながら説明する。

配水槽（2）の水は、流路（4）を流れる。流路（4）の水は電動弁（15）を通過した後、水車（11）を流れる。水流によって水車（11）が回転すると発電機（12）から電力が発生する。この状態の発電機（12）は回生運転を行っている。

発電機（12）で発生した交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）で直流電力に変換される。ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）で変換された直流電力は、系統連系インバータ（50）で交流電力に変換され、電力系統（60）に供給される。

〈圧力制御の課題〉
水力発電システム（10）が適用される流路（4）では、水車（11）の二次圧（P2）を目標圧力（Po）に維持する必要がある。ところが、二次圧（P2）は、流路（4）の下流側の水の消費量に応じて変化する。例えば深夜においては、住宅などの水の消費量はほとんどない。このため、住宅などに供給される流量が減少し、これに伴い二次圧（P2）が急上昇することがある。この結果、二次圧（P2）を目標圧力（Po）に維持できず、上水道（1）の要求を満たすことができないという懸念があった。

二次圧（P2）を下げる制御としては、図４に示すように、電動弁（15）を制御し、電動弁（15）による減圧量を調節する制御（電動弁制御）と、発電機（12）を制御し、水車（11）による減圧量を調節する制御（発電機制御）がある。

電動弁（15）による圧力調節の応答性は、発電機（12）による圧力調節の応答性よりも極めて低く、二次圧（P2）を速やかに低減できないという問題がある。具体的には、電動弁（15）はモータによって駆動されるため、応答性が低い。加えて、電動弁（15）は、その開度が比較的小さくならないと十分な減圧量を得られない特性がある。この特性が、電動弁（15）による圧力調節の応答性の低下を助長している。

図５は、電動弁の開度（％）と、損失係数の関係の一例を示すグラフである。損失係数は、電動弁の減圧量を示す指標である。図５に示す電動弁の特性では、その開度が約２０％以下になると、急峻に損失係数が増大する。換言すると、電動弁は、その開度が約２０％以下にならないと、十分な減圧量を得ることができない。よって、電動弁制御では、二次圧（P2）が急上昇した場合、この二次圧（P2）を速やかに目標圧力（Po）に収束できないという懸念があった。

一方、発電機制御では、圧力調節の範囲に限界があるという問題がある。発電機（12）による圧力調節の応答性は、電動弁（15）による圧力調節の応答性よりも極めて高い。このため、発電機（12）の回生運転中において、負のトルクを低減させる（０に近づける）ことで、流量（Q）を低減でき、ひいては二次圧（P2）を低減できる。しかし、回生運転において、トルク（T）をゼロまで減少させたとしても、なお、二次圧（P2）が目標圧力（Po）に至らないことがある。

発電機制御と電動弁制御との双方を実行する圧力制御においても、類似の課題が生じる。この点について図１０の比較例を参照しながら詳細に説明する。なお、比較例の水力発電システムは、図１と同様の構造である。

図１０は、図４に対応するグラフである。図１０は、一次圧（P1）、電動弁曲線（Mc）、二次側特性曲線（P2C）、水車限界曲線（LC）、及び無拘束曲線（RC）を表している。キャビテーション曲線（CC）は、図示していないが、図４と同様、水車限界曲線（LC）よりもやや内側にある。

図１０(Ａ)の状態では、ａの位置の水車動作点が、二次側特性曲線（P2C）と目標圧力（Po）の交点上に位置する。このため、二次圧（P2）は目標圧力（Po）に維持されている。この状態から、例えば住宅などの水の消費量がほとんどなくなり、二次圧（P2）が急上昇すると、図１０(Ｂ)に示すように、水車動作点がａからｂの位置に移動する。

二次圧（P2）を低減させるために、上述した電動弁制御と発電機制御とを同時に行うとする。発電機（12）による圧力制御の応答性は、電動弁（15）による圧力制御の応答性よりも高い。このため、発電機制御により発電機（12）のトルクが低減され、水車動作点がｂからｆの位置に移動する。図１０(Ｃ）の状態では、ｆの水車動作点が、二次側特性曲線（P2C）と無拘束曲線（RC）との交点上に位置する。発電機（12）のトルクはゼロであり、回生運転をしながらこれ以上、二次圧（P2）を低減できない。

一方、電動弁（15）の開度は、発電機（12）の制御に遅れながらも、徐々に小さくなっていく。この結果、図１０(Ｄ）に示すように、水車動作点がｆからｇに移動し、二次圧（P2）が目標圧力（Po）に収束する。水車動作点が図１０（Ｃ）から図１０（Ｄ）までの間には、電動弁（15）の開度を目標開度に収束させるために、例えば２０秒から３０秒程度かかる。よって、比較例の圧力制御においても、電動弁（15）の応答の遅れに起因して上水道（1）の要求を充足できないという懸念があった。

−本実施形態の圧力制御−
本実施形態は、上記の課題を考慮し、回生運転をしながら二次圧（P2）を調節する第１制御に加えて、力行運転をしながら二次圧（P2）を調節する第２制御を実行する。本例の圧力制御について、図３、図６〜図８を参照しながら詳細に説明する。本例の圧力制御は、以下に述べる発電機制御と、電動弁制御とが同じ期間に行われる。各制御について詳細に説明する。

〈発電機制御〉
図６は、本実施形態の発電機制御に係るフローチャートである。ステップST１では、圧力センサ（20）によって二次圧（P2）が検出される。ステップST2では、圧力偏差（ΔP）と閾値（Ps）とが比較される。圧力偏差（ΔP）は、検出した二次圧（P2）と目標圧力（Po）との差（ΔP=P2-Po）である。ステップST2において、圧力偏差（ΔP）が閾値（Ps）よりも大きい場合、ステップST3に移行する。ステップST2において、圧力偏差（ΔP）が閾値（Ps）以下である場合、ステップST4に移行する。

ステップST3では、力行運転を許可するフラグが成立する。力行運転を許可することで、二次圧（P2）の調節範囲の下限を拡大できる。これにより、圧力偏差（ΔP）が閾値（Ps）より大きい場合にも、二次圧（P2）を目標圧力（Po）に収束させることができる。

ステップST4では、力行運転を禁止するフラグが成立する。圧力偏差（ΔP）が閾値（Ps）以下である場合、回生運転のみで二次圧（P2）を目標圧力（Po）に収束できる。

ステップST5では、圧力制御部（35）がトルク指令値を生成する。上述したように、トルク指令値は、二次圧（P2）を目標圧力（Po）に収束させるための発電機（12）のトルクに相当する。ステップST5において、力行運転を禁止するフラグが成立している場合、トルク指令値の範囲は、図３のトルク（T）＝０から所定の負のトルク値までの間に制限される。換言すると、トルク指令値は、発電機（12）が回生運転のみを行う範囲に制限される。

ステップST5において、力行運転を許可するフラグが成立している場合、トルク指令値は、図３の所定の正のトルク値から所定の負のトルク値までの範囲で生成される。換言すると、トルク指令値は、発電機（12）が回生運転を行う領域（水車領域）に加えて、発電機（12）が力行運転を行う領域（水車ブレーキ領域ないし力行領域）も含まれる。

ステップST5において、力行運転を許可するフラグが成立している場合、厳密には、水車動作点が逆転ポンプ領域に至らないように、正のトルク指令値に上限値を設定するのが好ましい。逆転ポンプ領域は、発電機（12）が力行運転を行う際、正のトルクが過剰に大きくなることで、水車（11）の回転に伴って流量（Q）がマイナスになってしまう領域である。水車動作点が逆転ポンプ領域に至ると、水車（11）の水の流れの順方向に対して、水が逆流してしまう。そこで、力行運転が許可される第２制御では、力行運転を行いながら水車（11）の順方向に流体が流れるように発電機（12）を制御するのが好ましい。ここでいう、「順方向」は、通常の状態の流路（4）において、上流側から下流側へと水が流れる方向である。

ステップST5においてトルク指令値が生成されると、ステップST6に移行する。ステップST6では、発電機（12）のトルクがトルク指令値に収束し、ひいては二次圧（P2）が目標圧力（Po）に収束する。

詳細は後述するが、力行運転が禁止される場合、発電機（12）を回生運転させながら二次圧（P2）を調節する第１制御のみが実行される。力行運転が許可される場合、発電機（12）を回生運転させながら二次圧（P2）を調節する第１制御と、発電機（12）を力行運転させながら二次圧（P2）を調節する第２制御とが実行される。

〈電動弁制御〉
図７は、本実施形態の電動弁制御に係るフローチャートである。ステップST10では、回転数検出部（32）が発電機（12）の回転数を検出する。ステップST11では、水車動作点推定部（33）が現在の水車動作点を推定する。水車動作点推定部（33）は、例えば図３に示す特性マップに係るデータに基づき、発電機（12）の回転数（N）及びトルク（T）から水車動作点を求める。トルク(T)に相当する指標としては、圧力制御部（35）が生成したトルク指令値が用いられる。なお、水車動作点推定部（33）は、例えば水車（11）の流量（Q）を計測したり、発電機（12）が発生する電力を計測したりして、水車動作点を求めることもできる。

ステップST12では、ステップST11で求めた水車動作点が正常の運転領域にあるか否かが判定される。この判定は、圧力制御部（35）で行われる。正常の運転領域とは、上述したように、キャビテーション曲線（CC）と水車限界曲線（LC）の間の領域である。ステップST12において、水車動作点が正常の運転領域にあると判定されると、電動弁（15）による圧力制御は実行されない。

ステップST12において、水車動作点が正常の運転領域にないと判定されると、ステップST13に移行する。ステップST13では、圧力制御部（35）が開度指令値を生成する。上述したように、開度指令値は、水車動作点を正常の運転領域に収束させるための電動弁（15）の開度に相当する。

ステップST13において開度指令値が生成されると、ステップST14に移行する。ステップST14では、電動弁（15）の開度が開度指令値に収束する。

〈圧力制御の具体例１（力行運転禁止）〉
図８は、力行運転による圧力制御が禁止される場合の制御例である。

図８(Ａ)の状態から図８(Ｂ)に示すように、二次圧（P2）が上昇すると、水車動作点の位置がａからｂに移動する。本例では、二次圧（P2）の増圧量が比較的小さく、圧力偏差（ΔP）が閾値（Ps）以下となる。この場合、図６のステップST4に移行し、力行運転が禁止される。このため、発電機制御では、トルク指令値が０から所定の負のトルク値の間で生成される。

発電機（12）による圧力調節の応答性は電動弁（15）による圧力調節の応答性よりも高い。このため、発電機制御が実行されると、速やかに負のトルクが小さくなり、二次圧（P2）が低下していく。図８(Ｃ)に示すように、水車動作点がｃの位置に至ると、二次圧（P2）が目標圧力（Po）に収束する。本例では、圧力偏差（ΔP）が比較的小さい。このため、回転運転が行われる水車領域において、二次圧（P2）を目標圧力（Po）に収束させることができる。

一方、図８(Ｃ)の状態では、水車動作点が水車限界曲線（LC）から大きく離れており、通常の運転領域から外れている。このため、キャビテーションが発生する可能性がある。この場合、図７のステップST12において、水車動作点が正常の運転領域にないと判定され、ステップST13へ移行する。これにより、電動弁（15）の開度が小さくなり、電動弁（15）の減圧量が大きくなる。すると、電動弁曲線（MC）、水車限界曲線（LC）、及び無拘束曲線（RC）が急峻な曲線となり、水車動作点が水車限界曲線（LC）に近づいていく。このような電動弁（15）の開度調節は、水車動作点が通常の運転領域に至るまで継続して行われる。この結果、図８(Ｄ)に示すように、ｃの位置の水車動作点が通常の運転領域に至る。この結果、キャビテーションの発生を抑制できる。

〈圧力制御の具体例２（力行運転許可）〉
図９は、力行運転による圧力制御が許可される場合の制御例である。

図９(Ａ)の状態から図９(Ｂ)に示すように、二次圧（P2）が上昇すると、水車動作点がａからｂに移動する。本例では、二次圧（P2）の増圧量が比較的大きく、圧力偏差（ΔP）が閾値（Ps）より大きくなる。この場合、図６のステップST3に移行し、力行運転が許可される。このため、発電機制御では、トルク指令値が所定の正のトルク値から所定の負のトルク値の間で生成される。

発電機（12）による圧力調節の応答性は、電動弁（15）による圧力調節の応答性よりも高い。このため、発電機制御が実行されると、速やかに負のトルクが小さくなり、二次圧（P2）が低下していく。

本例では、圧力偏差（ΔP）が比較的大きい。このため、回転運転が行われる水車領域だけでは、二次圧（P2）を目標圧力（Po）に収束できない。この場合、力行領域において正のトルクが増大し、二次圧（P2）がさらに低下していく。図９(Ｃ)の状態では、水車動作点がｄの位置に移動し、二次圧（P2）が目標圧力（Po）に収束する。ｄの位置の水車動作点は、力行領域にある。

以上のように、本実施形態では、圧力偏差（ΔP）が比較的大きい条件下において、力行領域も利用して二次圧（P2）を低下させる。この結果、比較的高い二次圧（P2）を速やかに目標圧力（Po）に収束させることができ、上水道（1）に要求を満たすことができる。

一方、図９(Ｃ)の状態では、水車動作点が水車限界曲線（LC）から大きく離れており、通常の運転領域から外れている。このため、キャビテーションが発生する可能性がある。この場合、図７のステップST12において、水車動作点が正常の運転領域にないと判定され、ステップST13へ移行する。これにより、電動弁（15）の開度が小さくなり、電動弁（15）の減圧量が大きくなる。すると、電動弁曲線（MC）、水車限界曲線（LC）、及び無拘束曲線（RC）が急峻な曲線となり、水車動作点が水車限界曲線（LC）に近づいていく。このような電動弁（15）の開度調節は、水車動作点が通常の運転領域に至るまで継続して行われる。この結果、図９(Ｄ)に示すように、ｄの位置の水車動作点が通常の運転領域に至る。この結果、キャビテーションの発生を抑制できる。

−実施形態の効果−
実施形態は、流体が流れる流路（4）に配置される水車（11）と、水車（11）と連結する発電機（12）と、水車（11）の下流側の流体の圧力（二次圧（P2））を調節するように発電機（12）を制御する圧力制御を行う制御部（30）とを備え、圧力制御は、発電機（12）を回生運転させながら前記圧力を調節する第１制御と、発電機（12）を力行運転させながら前記圧力を調節する第２制御とを含んでいる。

この構成では、発電機（12）による圧力調節の範囲を拡大できる。

実施形態は、流路（4）に水車（11）と直列に配置される電動弁（15）を備えている。

この構成では、発電機（12）の制御に加えて、電動弁（15）の開度を調節することで、二次圧（P2）の圧力調節の範囲を拡大できる。

実施形態では、制御部（30）は、圧力制御において、二次圧（P2）が目標圧力（Po）に近づくように、前記発電機（12）を制御する。

この構成では、二次圧（P2）が目標圧力（Po）に対して大きく上昇した場合にも、力行領域を利用して二次圧（P2）を速やか且つ確実に目標圧力（Po）に収束させることができる。

実施形態では、制御部（30）は、圧力制御において、水車動作点を正常の運転領域に収束させるように電動弁（15）を制御する。

この構成では、水車動作点が正常の運転領域から外れると、電動弁（15）の開度を調節する。このため、二次圧（P2）を速やかに目標圧力（Po）に収束させるとともに、キャビテーションの発生を抑制できる。

実施形態は、発電機（12）による圧力調節の応答性が、前記電動弁（15）による圧力調節の応答性よりも高い。このため、まずは応答性が高く圧力の調節範囲も広い発電機制御により、二次圧（P2）を速やか且つ確実に目標圧力（Po）に収束させることができる。一方で、応答性が低い電動弁（15）により、補完的に二次圧（P2）を調節でき、キャビテーションの発生を抑制できる。

実施形態は、二次圧（P2）と目標圧力（Po）との差（圧力偏差（ΔP））が閾値（Ps）よりも大きい場合、力行運転を行う第２制御を許可している。このため、二次圧（P2）が比較的高い条件下において、二次圧（P2）を速やかに目標圧力（Po）に収束させることができる。一方、圧力偏差（ΔP）が閾値（Ps）以下である場合、力行運転を行う第２制御を禁止している。このため、二次圧（P2）が比較的小さい条件では、回生運転のみで二次圧（P2）を目標圧力（Po）に収束させることができる。この場合、発電機（12）の発電を継続できる。

〈実施形態の変形例〉
図１１に示す変形例の水力発電システム（10）は、バイパス流路（8）と、減圧弁（16）とを備えている。バイパス流路（8）は、電動弁（15）及び水車（11）をバイパスする流路である。バイパス流路（8）の流入端は、第１流路（5）における電動弁（15）の上流側に接続される。バイパス流路（8）の流出端は、第２流路（6）における圧力センサ（20）の上流側に接続される。

減圧弁（16）はバイパス流路（8）に配置される。減圧弁（16）は、水車（11）の下流側の圧力（二次圧（P2））が所定値となるように開度を調整する。減圧弁（16）は、水車（11）の下流側の二次圧（P2）が第１値よりも低くなると、バネなどによって機械的に開放され、二次圧（P2）を増大させる。上記第１値は、二次圧（P2）の目標圧力（Po）よりも低めに設定されている。従って、二次圧（P2）が目標圧力（Po）に維持される通常の運転では、減圧弁（16）が開放されることはない。

一方、停電や故障などに起因して電動弁（15）が閉じてしまうと、水が電動弁（15）を通過せず、住宅などへ水を供給できない。本例では、電動弁（15）が閉じてしまい二次圧（P2）が低下すると、減圧弁（16）が開放される。これにより、電動弁（15）の上流側の水は、減圧弁（16）を通過し、バイパス流路（8）を流れる。従って、停電や故障などに起因して電動弁（15）が閉じてしまっても、住宅などへ確実に水を供給できる。

加えて、水車（11）の下流側の水の流量が急激に増大した場合には、水車（11）の下流側の二次圧（P2）が急低下してしまうことがある。この場合にも、減圧弁（16）が開放されることで、二次圧（P2）の急低下を抑制できる。

《その他の実施形態》
上述した各形態（変形例も含む）においては、以下のような構成としてもよい。

流体が流れる流路（4）は、管路でなくてもよく、上側が開放された溝などであってもよい。流路（4）は、上水道（1）以外に適用されてもよい。流路（4）には、配水槽（2）が設けられていなくてもよく、配水槽（2）の代わりに貯水槽を設けてもよい。流体は必ずしも水でなくてよく、例えば空気調和装置に用いられるブラインであってもよい。

発電機制御では、発電機（12）のトルクを制御することで二次圧（P2）を調節している。しかし、発電機（12）の回転数を制御することで二次圧（P2）を調節してもよい。この場合にも、回生運転をさせながら二次圧（P2）を調節する第１制御と、力行運転をさせながら二次圧（P2）を調節する第２制御とを実行できる。

ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、マトリクスコンバータやサイクロコンバータによって構成されてもよい。ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、発電機コントローラ（30）と別体で設けられてもよい。

電力系統（60）である商用電源に代えて充電池を採用してもよい。回生運転を行う発電機（12）が発電した電力は充電池に蓄電される。充電池の電力が発電機に供給されることで、発電機（12）が力行運転を行う。

本開示は、水力発電システムとして有用である。

４ 流路
８ バイパス流路
１０ 水力発電システム
１１ 水車
１２ 発電機
１５ 電動弁
１６ 減圧弁
３０ 制御部

Claims (6)

1. 流体が流れる流路（4）に配置される水車（11）と、
   前記水車（11）と連結する発電機（12）と、
   前記水車（11）の下流側の流体の圧力を調節するように前記発電機（12）を制御する圧力制御を行う制御部（30）とを備え、
   前記圧力制御は、
   前記発電機（12）を回生運転させながら前記圧力を調節する第１制御と、
   前記発電機（12）を力行運転させながら前記圧力を調節する第２制御とを含んでいることを特徴とする水力発電システム。
2. 請求項１において、
   前記制御部（30）は、前記圧力制御において、前記水車（11）の下流側の流体の圧力が目標圧力に収束するように前記発電機（12）を制御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において、
   前記流路（4）に前記水車（11）と直列に配置される電動弁（15）を備えていることを特徴とする水力発電システム。
4. 請求項３において、
   前記制御部（30）は、前記圧力制御において、前記水車（11）の動作点を正常の運転領域に収束させるように前記電動弁（15）を制御することを特徴とする水力発電システム。
5. 請求項３又は４おいて、
   前記発電機（12）による圧力調節の応答性が、前記電動弁（15）による圧力調節の応答性よりも高いことを特徴とする水力発電システム。
6. 請求項３乃至５のいずれか１つにおいて、
   前記水車（11）及び電動弁（15）をバイパスするバイパス流路（8）と、
   前記バイパス流路（8）に配置され、前記圧力が所定値となるように開度を調整する減圧弁（16）とを備えていることを特徴とする水力発電システム。

Images