JP7487014B2 - 水力発電システム及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、水力発電システム及び制御方法に関する。

水車と発電電動機とを備える水力発電システムが知られている（例えば、特許文献１）。このような水力発電システムでは、発電運転の始動時には、水路から供給された水により、水車を介して発電電動機を回転させることで、発電電動機に発電を開始させる。そして、発電電動機による出力電圧の周波数を、系統の周波数に同期させるよう、出力電圧の制御を行う。発電電動機による出力電圧の周波数が系統の周波数に同期したら、発電電動機を系統に接続して、発電した電力の系統への供給を開始する。

特開２００６－２９２７０号公報

しかし、このように発電した場合、系統と接続するまでに使用した水は、系統への電力供給に寄与しないことになり、水の有効利用については改善の余地がある。従って、水力発電システムにおいて、発電運転の始動時において発電用の水を有効利用することが求められている。また、始動を開始から発電運転開始するまでの時間を短縮し、系統電力の需給調整への迅速な応答を可能にすることも求められている。

本発明は、上記課題を解決するために、発電運転の始動時において発電用の水を有効利用すること、および始動から発電運転開始までの時間短縮が可能な水力発電システム及び制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る水力発電システムは、発電電動機と、前記発電電動機と系統との接続及び非接続を切り替える遮断器と、前記発電電動機に連結される水車、及び前記水車に供給する水量を調整するガイドベーンを備える水車システムと、制御装置と、を備え、発電運転の始動時において、前記制御装置は、前記遮断器によって前記発電電動機と前記系統とを接続することで、前記系統からの系統電力によって前記発電電動機を回転させて、前記ガイドベーンの開度を制御することで前記水車に水を供給して、前記発電電動機の回転数が所定回転数に到達したら、前記ガイドベーンの開度を、前記水車が無負荷で回転する無負荷開度より大きくすることで、前記発電電動機の回転による発電量を前記系統電力よりも大きくして、前記発電電動機から前記系統への電力供給を開始させる。

この水力発電システムによると、系統への電力供給に用いられない水の量を減らすことが可能となり、水Ｗを有効利用することが可能となる。

前記制御装置は、前記ガイドベーンの開度を、前記無負荷開度となるまで、時間経過に従い徐々に大きくすることが好ましい。この水力発電システムによると、水の供給量を徐々に大きくして、水を適切に供給することが可能となる。

前記水車システムの状態を検出する検出部を更に備え、前記制御装置は、前記検出部の検出結果に基づき、前記ガイドベーンの開度及び前記発電電動機の回転数の少なくとも１つを調整することが好ましい。この水力発電システムは、検出部による水車周りの状態の検出結果を参照することで、水を適切に供給できているかを検出することが可能となり、この検出結果に基づき制御することで、水を適切に水車に供給することができる。

前記検出部は、前記水車に供給する水が流れる供給管内の圧力と、前記水車が収納されるケーシング内の圧力と、前記水車に供給された水が排出される排出管内の圧力と、前記水車の背圧と、前記水車の側圧との、少なくとも１つを検出することが好ましい。この水力発電システムは、このようなパラメータの検出結果に基づき制御することで、水を適切に水車に供給することができる。

前記制御装置は、前記系統電力により前記発電電動機の回転が開始した後に、前記ガイドベーンを開く制御を開始することが好ましい。この水力発電システムは、系統電力により発電電動機の回転を開始した後にガイドベーンを開くことで、系統への電力供給に用いられない水の量を、さらに適切に減らすことが可能となり、水をより有効に利用することができる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る制御方法は、発電電動機と、前記発電電動機と系統との接続及び非接続を切り替える遮断器と、前記発電電動機に連結される水車及び前記水車に供給する水量を調整するガイドベーンを有する水車システムと、を備える水力発電システムの制御方法であって、発電運転の始動時において、前記遮断器によって前記発電電動機と前記系統とを接続することで、前記系統からの系統電力によって前記発電電動機を回転させて、前記ガイドベーンの開度を制御することで前記水車に水を供給して、前記発電電動機の回転数が定格回転数に到達したら、前記ガイドベーンの開度を、前記水車が無負荷で回転する無負荷開度より大きくすることで、前記発電電動機の回転による発電量を前記系統電力よりも大きくして、前記発電電動機から前記系統への電力供給を開始させる。この制御方法によると、系統への電力供給に用いられない水の量を減らすことが可能となり、水Ｗを有効利用することが可能となる。

本発明によれば、発電運転の始動時において、発電用の水を有効利用することが可能となる。

図１は、本実施形態に係る水力発電システムの模式図である。 図２は、本実施形態に係る発電電動機の構成の一例を示す模式図である。 図３は、本実施形態に係る水車システムの模式図である。 図４は、本実施形態に係るガイドベーンの一例を示す模式図である。 図５は、本実施形態に係るガイドベーンの一例を示す模式図である。 図６は、本実施形態に係る制御装置の模式的なブロック図である。 図７は、本実施形態における始動運転と発電運転との制御内容の一例を説明するグラフである。 図８は、始動運転と発電運転との制御のフローを説明するフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態に係る水力発電システムの模式図である。図１に示すように、本実施形態に係る水力発電システム１は、系統Ｓに接続されている。系統Ｓは、電力系統であり、水力発電システム１からの電力が供給されたり、水力発電システム１に電力（系統電力）を供給したりする。水力発電システム１は、変圧器１０、遮断器１２、発電電動機１４、水車システム１６、接続軸１８、及び制御装置２０を備える。

変圧器１０と、遮断器１２と、発電電動機１４とは、電気的に直列に接続されている。変圧器１０は、系統Ｓと電気的に接続されている。遮断器１２は、変圧器１０に電気的に接続されており、具体的には、変圧器１０の系統Ｓと反対側に接続されている。すなわち、遮断器１２は、変圧器１０を介して、系統Ｓに接続されている。発電電動機１４は、遮断器１２に電気的に接続されており、具体的には、遮断器１２の変圧器１０（系統Ｓ）と反対側に、電気的に接続されている。すなわち、発電電動機１４は、遮断器１２を介して、系統Ｓに接続されている。ただし、小規模な水力システムでは、変圧器１０を省略して、系統Ｓと遮断器１２を直接接続する場合もある。

変圧器１０は、電圧を変換する装置である。例えば、変圧器１０は、発電電動機１４が発電した電力を昇圧して、系統Ｓに供給する。また例えば、変圧器１０は、系統Ｓからの系統電力を降圧して、発電電動機１４に供給する。遮断器１２は、回路の接続状態と非接続状態とを切り替える遮断器である。遮断器１２は、制御装置２０の制御により、系統Ｓ（変圧器１０）と発電電動機１４との接続及び非接続を切り替える。

発電電動機１４は、回転することで発電する発電機としての機能と、電力供給を受けることで回転する電動機としての機能とを備える装置である。図２は、本実施形態に係る発電電動機の構成の一例を示す模式図である。図２に示すように、発電電動機１４は、筐体２２と、ステータ２４と、ロータ２６とを備える。ステータ２４とロータ２６とは、筐体２２内に配置される。ステータ２４は、リング状となっている。ロータ２６は、ステータ２４の内側に設けられた柱状の部材であり、ステータ２４に対し回転可能となっている。ロータ２６は、接続軸１８と接続されている。接続軸１８は、ロータ２６に対して固定されており、ロータ２６の回転に伴い回転する。

発電電動機１４は、後述の発電運転において、水車システム１６の水車３２の回転が、接続軸１８を介してロータ２６に伝達される。発電電動機１４は、発電運転において、水車３２の回転に伴い、ロータ２６が方向Ｒに回転して発電を行い、発電した電力を系統Ｓに供給する。また、水力発電システム１は、揚水運転を行ってもよい。揚水運転においては、発電電動機１４は、系統Ｓから電力供給を受けることで、発電運転時の方向Ｒと逆方向に回転して、水車３２は、発電運転時と逆方向に回転する。水車３２は、発電運転時と逆方向の回転により、揚水を行う。

水車システム１６は、発電運転時において、供給管Ｔ１から供給される水Ｗにより、水車３２が方向Ｒ１に回転し、供給管Ｔ１から供給された水Ｗを、排出管Ｔ２から排出する。水車システム１６は、発電運転時において、水車３２の回転を、接続軸１８を介してロータ２６に伝達することで、ロータ２６を回転させて、発電電動機１４に発電を行わせる。

図３は、本実施形態に係る水車システムの模式図である。図３に示すように、水車システム１６は、ケーシング３０と、水車３２と、ガイドベーン３４と、入口弁３６と、検出部３８と、供給管Ｔ１と、排出管Ｔ２とを備える。ケーシング３０は、供給管Ｔ１及び排出管Ｔ２に接続される。供給管Ｔ１は、ケーシング３０よりも、水Ｗの流れにおける上流側に設けられる。供給管Ｔ１は、例えば図示しない貯留部に貯留された水Ｗが流れて、貯留部からの水Ｗをケーシング３０に供給する。また、排出管Ｔ２は、ケーシング３０よりも、水Ｗの流れにおける下流側に設けられる。排出管Ｔ２は、水車３２を通ってケーシング３０から排出される水Ｗが供給され、水Ｗを下流側に流す。

ケーシング３０は、導入部３０Ａと、水車収納部３０Ｂとを含む。本実施形態では、導入部３０Ａは、中空のリング状となっている。導入部３０Ａは、供給管Ｔ１に連通しており、供給管Ｔ１からの水Ｗが内部に供給される。水車収納部３０Ｂは、中空となっており、内部に水車３２が収納されている。水車収納部３０Ｂは、導入部３０Ａの内周に設けられ、導入部３０Ａと連通している。水車収納部３０Ｂは、排出管Ｔ２にも連通している。

水車３２は、いわゆるランナであり、先端３２ａと反対側の末端３２ｂにおいて、接続軸１８に接続されている。水車３２は、接続軸１８に対して固定されており、接続軸１８を介して、ロータ２６（発電電動機１４）と連結されている。水車３２は、接続軸１８及びロータ２６の回転に伴い回転する。水車３２は、ケーシング３０に対して回転可能に、水車収納部３０Ｂ内に設けられる。水車３２は、先端３２ａが、水車収納部３０Ｂの排出管Ｔ２との連通している箇所に対向し、側面３２ｃ（外周面）が、水車収納部３０Ｂの導入部３０Ａと連通する箇所に対向するように、水車収納部３０Ｂ内に設けられる。

ガイドベーン３４は、ケーシング３０内において、水車３２よりも、ケーシング３０内の水Ｗの流れの上流側に設けられる。言い換えれば、ガイドベーン３４は、水Ｗの流れ方向において、ケーシング３０の供給管Ｔ１との連通箇所と、水車３２との間に設けられる。ガイドベーン３４は、水車３２に供給する水量を調整する。ガイドベーン３４は、閉状態において、供給管Ｔ１からの水Ｗの、水車３２への供給を停止する。ガイドベーン３４は、開状態において、供給管Ｔ１からの水Ｗを、水車３２に供給する。ガイドベーン３４は、制御装置２０により開度が調整されることで、水車３２に供給する水量を調整する。

図４及び図５は、本実施形態に係るガイドベーンの一例を示す模式図である。図４、図５に示すように、本実施形態に係るガイドベーン３４は、例えば、複数の羽根状部材３４Ａを有する。複数の羽根状部材３４Ａは、水車３２の外周面（側面３２ｃ）の放射方向外側に設けられ、水車３２の外周面を取り巻くよう配置される。複数の羽根状部材３４Ａの各々は、回動可能に設けられる。ガイドベーン３４は、複数の羽根状部材３４Ａの回動によって隣接する羽根状部材３４Ａ同士の間の隙間の開閉及び開き具合を調節可能に設けられている。図４に示すようにガイドベーン３４が開状態となっている場合、羽根状部材３４Ａ同士の間の隙間に、水車３２に供給される水Ｗが流れる。また、図５に示すようにガイドベーン３４が閉状態となっている場合、羽根状部材３４Ａ同士の間は閉じられて隙間がなく、水Ｗが流れない。

このように、本実施形態に係る水車システム１６は、フランシス水車であるが、フランシス水車であることに限られず、カプラン水車など、水力発電で採用されうる形態の水車であればよい。

図３に示すように、入口弁３６は、供給管Ｔ１に設けられている。入口弁３６は、ケーシング３０と供給管Ｔ１との連通箇所よりも、水Ｗの流れの上流側に設けられる。入口弁３６は、開状態において、供給管Ｔ１からの水Ｗを、ケーシング３０に供給する。入口弁３６は、閉状態において、供給管Ｔ１からの水Ｗの、ケーシング３０への供給を停止する。入口弁３６は、制御装置２０により、開状態と閉状態とが切り替えられる。入口弁３６は、制御装置２０により、開度が調整可能であってもよい。

検出部３８は、水車システム１６の状態を検出するセンサである。検出部３８は、所定の時間毎に、逐次、水車システム１６の状態を検出する。本実施形態においては、検出部３８として、検出部３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ、３８Ｄ、３８Ｅとが設けられている。

検出部３８Ａは、供給管Ｔ１内に設けられる圧力センサである。検出部３８Ａは、供給管Ｔ１内において、入口弁３６よりも、水Ｗの流れ方向における上流側に設けられる。検出部３８Ａは、供給管Ｔ１内の水Ｗの圧力を検出する。

検出部３８Ｂは、ケーシング３０内に設けられる圧力センサである。検出部３８Ｂは、ケーシング３０の導入部３０Ａに設けられており、より詳しくは、ケーシング３０内において、ガイドベーン３４よりも水Ｗの流れ方向の上流側に設けられている。さらに言えば、検出部３８Ｂは、水Ｗの流れ方向において、入口弁３６よりも下流側であってガイドベーン３４よりも上流側に設けられている。検出部３８Ｂは、ケーシング３０内の圧力を検出し、より詳しくは、ケーシング３０内のガイドベーン３４よりも水Ｗの流れの上流側における、水Ｗの圧力を検出する。

検出部３８Ｃは、ケーシング３０内に設けられる圧力センサである。検出部３８Ｃは、ケーシング３０の水車収納部３０Ｂに設けられており、より詳しくは、ケーシング３０内において、ガイドベーン３４の下流側であって水車３２の上流側に設けられている。さらに言えば、検出部３８Ｃは、水車収納部３０Ｂにおいて、水車３２の側面３２ｃに対向する位置（側面３２ｃとガイドベーン３４との間の位置）に設けられている。検出部３８Ｃは、ケーシング３０内の、ガイドベーン３４の下流側であって水車３２の上流側の位置における水Ｗの圧力を、検出する。さらに言えば、検出部３８Ｃは、水車収納部３０Ｂ内の水車３２の側面３２ｃに対向する位置における水Ｗの圧力、すなわち、水車３２の側圧を、検出する。

検出部３８Ｄは、ケーシング３０内に設けられる圧力センサである。検出部３８Ｄは、ケーシング３０の水車収納部３０Ｂに設けられており、より詳しくは、ケーシング３０内において、ガイドベーン３４の下流側であって水車３２の上流側に設けられている。さらに言えば、検出部３８Ｄは、水車収納部３０Ｂにおいて、水車３２の末端３２ｂに対向する位置（水車収納部３０Ｂの末端３２ｂと対向する面と、末端３２ｂとの間の位置）に設けられている。検出部３８Ｄは、ケーシング３０内の、ガイドベーン３４の下流側であって水車３２の上流側の位置における水Ｗの圧力を、検出する。さらに言えば、検出部３８Ｄは、水車収納部３０Ｂ内の水車３２の末端３２ｂに対向する位置における水Ｗの圧力、すなわち、水車３２の背圧を、検出する。

検出部３８Ｅは、排出管Ｔ２内に設けられる圧力センサである。すなわち、検出部３８Ｅは、水車３２よりも、水Ｗの流れ方向における下流側に設けられる。検出部３８Ｅは、排出管Ｔ２内の水Ｗの圧力を検出する。

このように、検出部３８は、供給管Ｔ１内の圧力と、ケーシング３０内の圧力と、水車３２の側圧と、水車３２の背圧と、排出管Ｔ２内の圧力とを検出する。ただし、検出部３８は、これらの全てを検出することに限られず、供給管Ｔ１内の圧力と、ケーシング３０内の圧力と、水車３２の側圧と、水車３２の背圧と、排出管Ｔ２内の圧力との、少なくとも１つを検出すればよい。また、検出部３８は、これら以外の水車システム１６の状態を検出してもよく、例えば、水車３２に連結される接続軸１８の振動数を検出してもよい。

水車システム１６は、以上のような構成となっている。次に、制御装置２０について説明する。図６は、本実施形態に係る制御装置の模式的なブロック図である。制御装置２０は、水力発電システム１を制御する制御装置、ここではコンピュータである。図６に示すように、制御装置２０は、入力部５０と、出力部５２と、記憶部５４と、制御部５６と、を備える。

入力部５０は、作業者の操作を受け付ける装置であり、例えばマウスやキーボードやタッチパネルなどである。出力部５２は、情報を出力する装置であり、例えば制御部５６の制御内容などを表示する表示装置を含む。ただし、入力部５０と出力部５２とは、制御装置２０に含まれなくてもよい。記憶部５４は、制御部５６の演算内容やプログラムの情報などを記憶するメモリであり、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）のような主記憶装置と、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）などの外部記憶装置とのうち、少なくとも１つ含む。

制御部５６は、演算装置、すなわちＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。制御部５６は、検出値取得部６０と、発電電動制御部６２と、水車制御部６４と、を含む。検出値取得部６０と、発電電動制御部６２と、水車制御部６４とは、制御部５６が記憶部５４に記憶されたソフトウェア（プログラム）を読み出すことで実現され、後述する処理を実行する。

検出値取得部６０は、検出部３８の検出結果を取得する。発電電動制御部６２は、発電電動機１４を制御する。発電電動制御部６２は、遮断器１２の開閉を制御して、系統Ｓと発電電動機１４との、接続及び非接続を切り替える。水車制御部６４は、水車システム１６を制御する。水車制御部６４は、入口弁３６の開閉を制御して、ケーシング３０への水Ｗの供給を制御する。また、水車制御部６４は、ガイドベーン３４の開度を制御して、水車３２への水Ｗの供給を制御する。

制御部５６は、発電電動機１４による発電運転の始動時に、始動運転を行わせる。すなわち、制御部５６は、最初に始動運転を行ってから、発電運転に移行する。発電運転とは、発電電動機１４から系統Ｓに電力を供給する運転モードを指し、始動運転とは、水力発電システム１の停止状態から、水力発電システム１を始動して発電運転に移行するまでの運転モードを指す。以下、始動運転から発電運転までにおける制御部５６の制御内容について説明する。

図７は、本実施形態における始動運転と発電運転との制御内容の一例を説明するグラフである。図７の上のグラフの線分Ｌ１は、時間ごとの発電電動機１４（ロータ２６）の回転数を示しており、図７の下のグラフの線分Ｌ２は、時間ごとのガイドベーン３４の開度を示している。ガイドベーン３４の開度は、水車３２に供給される水Ｗの量に対応する。始動運転の開始前には、発電電動機１４及び水車システム１６は停止しており、ロータ２６及び水車３２は回転が停止している。さらに言えば、始動運転の開始前には、遮断器１２が開状態になっており、系統Ｓと発電電動機１４とが非接続になっている。また、始動運転の開始前には、ガイドベーン３４及び入口弁３６が閉状態となっており、ケーシング３０及び水車３２への水Ｗの供給が停止している。

始動運転時において、制御部５６は、発電電動制御部６２により、遮断器１２を閉状態にして、系統Ｓと発電電動機１４とを接続する。これにより、系統Ｓからの系統電力が、発電電動機１４に供給される。発電電動機１４のロータ２６は、系統電力により、方向Ｒへの回転を開始する。発電電動制御部６２は、ロータ２６の回転数を制御して、ロータ２６の回転数を徐々に上昇させる。この場合、例えば、発電電動制御部６２は、発電電動機１４に接続されて発電電動機１４への系統電力の供給量を調整する調整装置（図示略）を制御することで、発電電動機１４への系統電力の供給量を調整して、ロータ２６の回転数を制御する。図７の線分Ｌ１の例では、発電電動制御部６２が、時刻ｔ０において遮断器１２を開状態から閉状態に切り替えて、発電電動機１４への系統電力の供給が開始する。ロータ２６は、発電電動制御部６２の制御により、時刻ｔ０から、徐々に回転数が上昇する。

発電電動制御部６２は、時刻ｔ０より後の時刻ｔａにおいて、ロータ２６への界磁電流の供給を開始する。時刻ｔａは、ロータ２６の回転数が、界磁電流の供給に必要な程度まで上昇した時刻である。ロータ２６の回転数は、界磁電流の供給により更に上昇してゆき、時刻ｔａより後の時刻ｔ１において、所定回転数Ｐ１に到達する。このように、発電電動制御部６２は、系統電力を発電電動機１４に供給させて、ロータ２６の回転数を、所定回転数Ｐ１まで到達させる。発電電動制御部６２は、ロータ２６の回転数を、所定回転数Ｐ１で保持する。このように、始動運転においては、系統電力を駆動力としてロータ２６を回転させて、所定回転数Ｐ１に到達させる。なお、所定回転数Ｐ１は、本実施形態においては、発電電動機１４が系統Ｓへの電力供給を行う際（発電運転の際）の回転数であり、言い換えれば、定格回転数である。

なお、水車３２は、ロータ２６の回転に同期して、方向Ｒ１に回転する。水車３２は、時刻ｔ０において方向Ｒ１への回転を開始して、時間経過に伴い、回転数が徐々に上昇して、時刻ｔ１で所定の回転数（ここでは定格回転数）に到達する。方向Ｒ１は、供給管Ｔ１からケーシング３０を経て排出管Ｔ２に向けて水Ｗが流れる際に、水Ｗにより水車３２が回転する方向である。

また、始動運転時において、制御部５６は、水車制御部６４により、ガイドベーン３４及び入口弁３６を開いて、ガイドベーン３４の開度制御を開始する。これにより、水車３２への水Ｗの供給が開始する。水車制御部６４は、時間経過に伴い、ガイドベーン３４の開度を徐々に上昇させることで、水車３２に供給する水量を徐々に上昇させる。図７の線分Ｌ２の例では、水車制御部６４は、ロータ２６の回転が開始した時刻ｔ０よりも後の時刻ｔｂにおいて、ガイドベーン３４の開度制御を開始する。すなわち、水車制御部６４は、時刻ｔｂにおいて、ガイドベーン３４を閉状態から開状態に切り替え、時刻ｔｂ以降において、時間経過に伴いガイドベーン３４の開度を徐々に大きくする。また、水車制御部６４は、時刻ｔｂ又は時刻ｔｂの前に、入口弁３６を開状態に切り替えておく。なお、時刻ｔｂは、図７の例では時刻ｔａの後であるが、時刻ｔａの後であることに限られない。時刻ｔｂは、時刻ｔ０よりも後の時刻であれば、任意の時刻であってよい。

水車制御部６４は、ガイドベーン３４の開度を徐々に大きくして、ガイドベーン３４の開度を、無負荷開度Ａ１まで到達させる。無負荷開度Ａ１は、水車３２が無負荷で回転する開度の上限値を指す。すなわち、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１以下であれば、水車３２は無負荷で回転し、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１より大きければ、水車３２は水Ｗからの負荷により回転する。言い換えれば、無負荷開度Ａ１は、水車３２が水Ｗから受けるエネルギーと、発電電動機１４に供給される系統電力とが一致する際の、ガイドベーン３４の開度を指す。従って、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１以下である場合、水車３２及びロータ２６は、系統電力を駆動源として回転することとなり、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１より大きい場合、水車３２及びロータ２６は、水車３２に供給される水Ｗを駆動源として回転していることとなる。

制御部５６は、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達し、かつ、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達したら、始動運転から発電運転に切り替える。具体的には、制御部５６は、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達し、かつ、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達したら、ロータ２６の回転数を所定回転数Ｐ１に保持したまま、ガイドベーン３４の開度を、無負荷開度Ａ１より大きくする。制御部５６は、ガイドベーン３４の開度を無負荷開度Ａ１より大きくすることで、水車３２が水Ｗから受けるエネルギーを、発電電動機１４に供給される系統電力よりも大きくする。これにより、発電電動機１４がロータ２６の回転により発電する電力が、系統電力より大きくなって、発電電動機１４が発電した電力が、例えば逆潮流として、系統Ｓに供給される。制御部５６は、発電運転において、ガイドベーン３４の開度を、時間経過に応じて徐々に大きくして、無負荷開度Ａ１より大きい定格開度Ａ２に到達させる。制御部５６は、ガイドベーン３４の開度を、定格開度Ａ２に保持する。

このように、制御部５６は、始動運転において、系統電力を駆動源としてロータ２６の回転数を所定回転数Ｐ１まで到達させつつ、ガイドベーン３４を開いて、ガイドベーン３４の開度を無負荷開度Ａ１まで到達させる。そして、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達し、かつ、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達したら、ガイドベーン３４の開度を無負荷開度Ａ１より大きくする発電運転に切り替えて、発電電動機１４が発電する電力の系統Ｓへの供給を開始する。

なお、始動運転において、系統Ｓから電力供給を受けることでロータ２６を回転させるため、始動運転におけるロータ２６の回転方向と、発電運転におけるロータ２６の回転方向とは、同じ方向である。同様に、始動運転における水車３２の回転方向と、発電運転における水車３２の回転方向とは、同じ方向である。

また、図７の例では、制御部５６は、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達するタイミングと、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達するタイミングとを、時刻ｔ１として一致させている。ただし、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達するタイミングと、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達するタイミングとは、一致していなくてもよい。例えば、図７の線分Ｌ２ａに示すように、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達するタイミング（時刻ｔ１ａ）を、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達するタイミング（時刻ｔ１）より早くしてもよい。この場合、制御部５６は、時刻ｔ１ａから時刻ｔ１まで、ガイドベーン３４の開度を無負荷開度Ａ１に保持しておき、時刻ｔ１から、ガイドベーン３４の開度を無負荷開度Ａ１から大きくして、発電運転に切り替える。また例えば、図７の線分Ｌ２ｂに示すように、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達するタイミング（時刻ｔ１ｂ）を、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達するタイミング（時刻ｔ１）より遅くしてもよい。この場合、制御部５６は、時刻ｔ１ｂから、ガイドベーン３４の開度を無負荷開度Ａ１より大きくして、発電運転に切り替える。なお、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達するタイミングと、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達するタイミングとの間の時間は、短いことが好ましく、例えばほぼ同時であるであることが好ましい。なお、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達するまでに、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達させておいてもよい。すなわち、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達するタイミングと、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達するタイミングとの前後関係やタイミング間の時間は、水車の特性によって設定してよい。

また、始動運転においては、水Ｗでなく系統電力によってロータ２６を回転させるため、水車３２の回転数と水Ｗの供給量とが対応せず、例えば回転している水車３２に対して、水Ｗの供給が開始される場合がある。そのため、始動運転においては、例えば回転している水車３２に遮られて水Ｗが十分に供給されなかったり、水Ｗの流れが乱れたりするなど、水Ｗを適切に水車３２に供給できなくなるおそれが生じる。このような場合に備え、制御部５６は、検出値取得部６０が取得した検出部３８の検出結果に基づき、始動運転におけるロータ２６の回転数と、始動運転におけるガイドベーン３４の開度との、少なくともいずれかを制御する。制御部５６は、検出部３８による水車３２周りの状態の検出結果を参照することで、水Ｗを適切に供給できているかを検出することが可能となり、この検出結果に基づきロータ２６の回転数やガイドベーン３４の開度を制御することで、水Ｗを適切に水車３２に供給することができる。

例えば、制御部５６は、検出部３８Ｅによる排出管Ｔ２内の圧力の検出結果が予め定めた閾値未満である場合、水車３２への水Ｗの供給が不足していると判断して、ロータ２６の回転数を一時的に低下させる回転数低下制御を行う。これにより、水車３２の回転数も一時的に低下するため、水Ｗが水車３２に供給され易くなる。そして、例えば排出管Ｔ２内の圧力の検出結果が閾値以上になったら、回転数低下制御をやめて、ロータ２６の回転数を再度上昇させる。なお、この場合、回転数低下制御の代わりに、ガイドベーン３４の開度を小さくする開度低下制御を行ってもよい。この場合、例えば排出管Ｔ２内の圧力の検出結果が閾値以上になったら、開度低下制御をやめて、ガイドベーン３４の開度を再度大きくする。また、回転数低下制御と開度低下制御との両方を行ってもよい。

また例えば、制御部５６は、検出部３８Ｃが検出した水車３２の側圧の時間毎の変動量や、検出部３８Ｄが検出した水車３２の背圧の時間毎の変動量や、検出部３８Ｅが検出した排出管Ｔ２内の圧力の時間毎の変動量が、予め定めた閾値より大きい場合、水Ｗの流れが乱れていると判断し、上述の回転数低下制御と開度低下制御との、少なくともいずれかを実行する。この場合においても、同様に検出結果が閾値以上になったら、回転数低下制御と開度低下制御とを停止する。

以上説明した始動運転と発電運転との制御のフローを、フローチャートに基づき説明する。図８は、始動運転と発電運転との制御のフローを説明するフローチャートである。図８に示すように、始動運転を開始する場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、制御部５６は、遮断器１２を閉状態に切り替えて系統Ｓと発電電動機１４とを接続して、系統電力によるロータ２６の回転を開始させる（ステップＳ１２）。ロータ２６の回転に伴い、水車３２の回転も開始する。そして、制御部５６は、ガイドベーン３４を開いて、ガイドベーン３４の開度制御を開始する（ステップＳ１４）。これにより、水車３２への水Ｗの供給が開始する。始動運転を開始しない場合（ステップＳ１０；Ｎｏ）、ステップＳ１０に戻り、始動運転の開始指示を待つ。

制御部５６は、時間経過に伴い、ロータ２６の回転数と、ガイドベーン３４の開度とを徐々に上昇させる。具体的には、制御部５６は、検出部３８の検出結果に基づき、ロータ２６の回転数及びガイドベーン３４の開度を制御して、ロータ２６の回転数及びガイドベーン３４の開度を上昇させる（ステップＳ１６）。制御部５６は、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達し、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達したかを判断する（ステップＳ１８）。ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達しない場合、及びガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達しない場合の、少なくともいずれかの場合（ステップＳ１８；Ｎｏ）、ステップＳ１６に戻り、ロータ２６の回転数及びガイドベーン３４の開度の制御を続ける。一方、ロータ２６の回転数が所定回転数Ｐ１に到達し、かつ、ガイドベーン３４の開度が無負荷開度Ａ１に到達したら（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、制御部５６は、ガイドベーン３４の開度を無負荷開度Ａ１よりも開いて、発電運転を開始させる（ステップＳ２０）。制御部５６は、ガイドベーン３４の開度を無負荷開度Ａ１より開くことで、発電電動機１４がロータ２６の回転により発電する電力を、系統電力より大きくして、系統Ｓへの電力供給を開始させる。

以上説明したように、本実施形態に係る水力発電システム１は、発電電動機１４と、遮断器１２と、水車３２及びガイドベーン３４を有する水車システム１６と、制御装置２０と、を備える。遮断器１２は、発電電動機１４と系統Ｓとの接続及び非接続を切り替える。水車３２は、発電電動機１４に連結される。ガイドベーン３４は、水車３２に供給する水量を調整する。制御装置２０は、発電運転の始動時（始動運転時）において、遮断器１２によって発電電動機１４と系統Ｓとを接続することで、系統Ｓからの系統電力によって発電電動機１４を回転させる。また、制御装置２０は、始動運転時において、ガイドベーン３４の開度を制御することで水車３２に水Ｗを供給する。制御装置２０は、発電電動機１４の回転数が所定回転数Ｐ１に到達したら、ガイドベーン３４の開度を、水車が無負荷で回転する無負荷開度Ａ１より大きくすることで、発電電動機１４の回転による発電量を系統電力よりも大きくして、発電電動機１４から系統Ｓへの電力供給を開始させる。

従来の始動運転においては、水Ｗの供給により水車３２を介して発電電動機１４を回転させて発電し、発電電動機１４の出力電力の周波数を系統電力の周波数に一致させてから、遮断器１２を閉状態に切り替えて、発電電動機１４から系統Ｓへの電力供給を開始させている。この場合、水車３２に供給した水Ｗは、発電電動機１４の出力電力の周波数が系統電力の周波数と同期するまでの期間においては、系統Ｓへの電力供給に用いられない。従って、水Ｗの有効利用には、改善の余地がある。それに対し、本実施形態においては、系統Ｓからの系統電力により発電電動機１４を駆動して、系統電力による発電電動機１４の回転数が所定回転数Ｐ１に到達したら、ガイドベーン３４の開度を無負荷開度Ａ１より大きくして、系統Ｓへの電力供給を開始させる。これにより、系統Ｓへの電力供給に用いられない水Ｗの量を減らすことが可能となり、水Ｗを有効利用することが可能となる。さらに、発電電動機１４を系統電力により駆動するため、発電電動機１４の出力電圧の周波数を、予め系統電力の周波数と同期させておくことが可能となり、発電電動機１４の出力電力の周波数を系統電力の周波数に一致させるための制御が不要となる。従って、本実施形態によると、発電電動機１４を始動させてから系統Ｓへの電力供給を開始させるまでの時間を、すなわち始動から発電運転開始までの時間を、短くすることが可能となる。そのため、本実施形態に係る水力発電システム１によると、系統Ｓへの電力供給を開始させるまでに要した電力量を、水Ｗにより発電電動機１４を始動させた場合の水量を電力に換算した電力量より少なくすることが可能となり、エネルギー消費量を削減することも可能となる。

また、制御装置２０は、ガイドベーン３４の開度を、無負荷開度Ａ１となるまで、時間経過に従い徐々に大きくする。系統電力による発電電動機１４の駆動から水Ｗによる発電電動機１４の駆動に切り替える場合、ガイドベーン３４の開度を無負荷開度Ａ１より大きくする必要がある。しかし、発電電動機１４が回転している状態からガイドベーン３４の開度を急に大きくすると、水Ｗが回転している水車に遮られて水車３２に供給されなかったり、水Ｗの流れが乱れたりするなど、水Ｗを適切に供給できない場合がある。それに対し、本実施形態に係る水力発電システム１は、ガイドベーン３４の開度を、無負荷開度Ａ１となるまで徐々に大きくするため、水Ｗの供給量を徐々に大きくして、水Ｗを適切に供給することが可能となる。

また、本実施形態に係る水力発電システム１は、水車システム１６の状態を検出する検出部３８を更に備える。制御装置２０は、検出部３８の検出結果に基づき、ガイドベーン３４の開度及び発電電動機１４の回転数の少なくとも１つを調整する。始動運転においては、例えば回転している水車３２に遮られて水Ｗが十分に供給されなかったり、水Ｗの流れが乱れたりするなど、水Ｗを適切に水車３２に供給できなくなるおそれが生じる。それに対し、水力発電システム１は、検出部３８による水車３２周りの状態の検出結果を参照することで、水Ｗを適切に供給できているかを検出することが可能となり、この検出結果に基づきロータ２６の回転数やガイドベーン３４の開度を制御することで、水Ｗを適切に水車３２に供給することができる。

また、検出部３８は、水車３２に供給する水が流れる供給管Ｔ１内の圧力と、水車３２が収納されるケーシング３０内の圧力と、水車３２に供給された水が排出される排出管Ｔ２内の圧力と、水車３２の背圧と、水車３２の側圧との、少なくとも１つを検出する。水力発電システム１は、このようなパラメータの検出結果に基づき、発電電動機１４の回転数やガイドベーン３４の開度を制御することで、水Ｗを適切に水車３２に供給することができる。

また、制御装置２０は、系統電力により発電電動機１４の回転が開始した後に、ガイドベーン３４を開く制御を開始する。本実施形態に係る水力発電システム１は、系統電力により発電電動機１４の回転を開始した後に、ガイドベーン３４を開くことで、系統Ｓへの電力供給に用いられない水Ｗの量を、さらに適切に減らすことが可能となり、水Ｗをより有効に利用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これら実施形態の内容によりこの発明が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

１ 水力発電システム
１０ 変圧器
１２ 遮断器
１４ 発電電動機
１６ 水車システム
１８ 接続軸
２０ 制御装置
２２ 筐体
２４ ステータ
２６ ロータ
３０ ケーシング
３２ 水車
３４ ガイドベーン
３８ 検出部
Ｓ 系統
Ｔ１ 供給管
Ｔ２ 排出管
Ｗ 水

Claims (6)

1. 発電電動機と、
   前記発電電動機と系統との接続及び非接続を切り替える遮断器と、
   前記発電電動機に連結される水車、及び前記水車に供給する水量を調整するガイドベーンを備える水車システムと、
   制御装置と、を備え、
   発電運転の始動時において、前記制御装置は、
   前記遮断器によって前記発電電動機と前記系統とを接続することで、前記系統からの系統電力によって前記発電電動機を回転させて、
   前記発電電動機と前記系統とを接続したタイミングにおいて、前記ガイドベーンを閉状態にしておき、前記ガイドベーンの開度を制御することで前記水車に水を供給して、
   前記発電電動機の回転数が所定回転数に到達したら、前記ガイドベーンの開度を、前記水車が無負荷で回転する無負荷開度より大きくすることで、前記発電電動機の回転による発電量を前記系統電力よりも大きくして、前記発電電動機から前記系統への電力供給を開始させる、
   水力発電システム。
2. 前記制御装置は、前記ガイドベーンの開度を、前記無負荷開度となるまで、時間経過に従い徐々に大きくする、請求項１に記載の水力発電システム。
3. 前記水車システムの状態を検出する検出部を更に備え、
   前記制御装置は、前記検出部の検出結果に基づき、前記ガイドベーンの開度及び前記発電電動機の回転数の少なくとも１つを調整する、請求項１又は請求項２に記載の水力発電システム。
4. 前記検出部は、前記水車に供給する水が流れる供給管内の圧力と、前記水車が収納されるケーシング内の圧力と、前記水車に供給された水が排出される排出管内の圧力と、前記水車の背圧と、前記水車の側圧との、少なくとも１つを検出する、請求項３に記載の水力発電システム。
5. 前記制御装置は、前記系統電力により前記発電電動機の回転が開始した後に、前記ガイドベーンを開く制御を開始する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水力発電システム。
6. 発電電動機と、前記発電電動機と系統との接続及び非接続を切り替える遮断器と、前記発電電動機に連結される水車、及び前記水車に供給する水量を調整するガイドベーンを有する水車システムと、を備える水力発電システムの制御方法であって、
   発電運転の始動時において、
   前記遮断器によって前記発電電動機と前記系統とを接続することで、前記系統からの系統電力によって前記発電電動機を回転させて、
   前記発電電動機と前記系統とを接続したタイミングにおいて、前記ガイドベーンを閉状態にしておき、前記ガイドベーンの開度を制御することで前記水車に水を供給して、
   前記発電電動機の回転数が定格回転数に到達したら、前記ガイドベーンの開度を、前記水車が無負荷で回転する無負荷開度より大きくすることで、前記発電電動機の回転による発電量を前記系統電力よりも大きくして、前記発電電動機から前記系統への電力供給を開始させる、
   制御方法。

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