JPS6215497Y2

JPS6215497Y2 -

Info

Publication number: JPS6215497Y2
Application number: JP1981182440U
Authority: JP
Priority date: 1981-12-08
Filing date: 1981-12-08
Publication date: 1987-04-20
Also published as: JPS5886482U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、上水槽のもつ有効ヘツドを利用して
水力発電を行うシステムにおいて、１台の水車発
電機については上水槽の水位を一定に保つための
PID制御を行わしめ、残りの水車発電機について
は高効率運転を行わしめて上水槽水位を一定に保
ちつつ高効率発電を可能にした水位調整装置に関
する。

水道事業は、公益的性格のため主として公共企
業体により運営されている。そして、その水道事
業は、流量制御、配水制御の他発電事業も含む場
合も多い。近年、省エネルギー施策の励行に伴
い、発電事業は特に重要視されるに到つている。
このような、水道システムにおいて、水車発電機
により発電された電力は電力会社に売却される。
従つて、このような水道システムでは、流下する
水量の大小に拘らず上水槽の水位を一定に維持し
て水車発電機の発電効率の低下を防ぐ必要があ
る。

従来のこの種のシステムでは、単純な比例動作
のみを行うための水位調整装置を用いて上水槽の
水位調整を行つている。第１図は、このようなシ
ステムのベーン開度特性を示す曲線で、所謂垂下
特性と称されている。同図において、横軸はベー
ン開度、縦軸は上水槽の水位である。水位が上が
つていくと、それに応じてベーン開度も大きくな
つていき、結果として上水槽水位を一定に保とう
とするものである。しかしながら、このような方
式で定水位制御を行う場合、負荷水量が減少した
場合、発電出力も減少すると同時に上水槽の水位
が下がつてしまう。従つて、有効ヘツドが少くな
り発電量も減少してしまう。従来の水位制御シス
テムとして、この他にオンオフ制御システムも用
いられる。オンオフ制御方式は、上記比例制御方
式のもつ欠点に加えて水位変動を速やかに収れん
させることが困難である。

また、供給水量に応じて水車台数の切換えを行
う場合、上水槽の水位が変動してオーバフローに
より水の逸失が生じたり、低水位になつて有効ヘ
ツドが低下する。このため、定常時の水位設定値
を高くとることができない。

本考案は、このような点に鑑みてなされたもの
で、上水槽のもつ有効ヘツドを利用して水力発電
を行うシステムにおいて、１台の水車発電機につ
いては上水槽の水位を一定に保つためのPID制御
を行わしめて有効ヘツドを維持するとともに、残
りの水車発電機については最高効率運転をすべく
ガイドベーン開度を制御して高出力発電を可能と
し、更に水車台数切換えに際しては各水車のガイ
ドベーン開度を上水槽水位が一定となるべく変化
させてバンプレス切換えを可能にした水位調整装
置を実現したものである。以下、図面を参照して
本考案を詳細に説明する。

第２図は、本考案の一実施例を示す構成ブロツ
ク図である。同図において、１０は上水槽であ
る。上水槽の大きさとしては、例えば50ｍ×30ｍ
程度のものが用いられる。１１は、該上水槽の水
位を検出する検出端、１２は水位検出部である。
１３は、該検出部の出力を受けて上水槽１０の水
位を一定に保つ水位調節計である。１乃至Ｎは、
該水位調節計の出力を受けて水車のガイドベーン
開度を調整するベーン開度調節計である。SW₁乃
至SW_Nは、水位調節計１３とベーン開度調節計
１〜Ｎ間に挿入されたスイツチである。３０は、
水位調節計１３、ベーン開度調節計１〜Ｎ等で構
成される制御装置である。該制御装置としては、
例えばマイクロコンピユータが用いられる。

Ｌは主水路である。主水路としては複数の水路
よりなる場合もある。L₁乃至Ｌ_Nは、それぞれ主
水路Ｌから分岐した分水路である。I₁乃至Ｉ_N
は、各分水路にそれぞれ設けられた入口弁であ
る。これら入口弁は、制御装置３０から制御信号
を受けてその弁開度が制御される。V₁乃至Ｖ_N
は、水車羽根へ当てる水量を決めるガイドベーン
である。D₁乃至Ｄ_Nは、各ガイドベーンの開度を
検出する開度検出器である。各ガイドベーンV₁
〜Ｖ_Nは、各ベーン開度調節計１〜Ｎからの駆動
信号を受けてその開度が調整される。２１乃至２
Ｎは、各ガイドベーンを通過した圧力水を受ける
水車である。圧力水は、水車羽根を回転させた後
放水される。G₁乃至Ｇ_Nは、それぞれ各水車と同
軸に連結された同期発電機である。各水車及びこ
れと同軸に連結された同期発電機は、水車発電機
を構成する。例えば、水車２１と発電機G₁とが
第１の水車発電機である。SW₁′乃至SW_N′は遮断
器である。ｌは送電線である。このように構成さ
れた装置の動作を説明すれば、以下のとおりであ
る。

水位検出部１２で検出された上水槽１０の水位
信号は、水位調節計１３に送られる。該水位調節
計には、予め目標値が設定されており、調節計１
３は水位検出部１２の出力と目標値とが一致する
ようにPID制御を行う。水位調節計１３の出力
は、スイツチSW₁を介してベーン開度調節計１に
送られる。このとき、残りのスイツチSW₂〜SW_N
はオフである。第１のベーン開度調節計１は、上
水槽１の水位が一定となるようにガイドベーン
V₁の開度を調整する。ベーン開度調節計１のPID
定数は、最適な値に選ばれる。

ところで、ガイドベーンのベーン開度SVと水
車発電機の発電効率ηとの間には第３図に示すよ
うな関係がある。同図において、横軸はベーン開
度、縦軸は発電効率を示す。図より明らかなよう
に、水車の発電効率ηが最大となるベーン開度
SV₁が存在する。そこで、残りの水車発電機につ
いては、水車の発電効率が最大となる点で運転さ
せる。具体的には、各ベーン開度調節計２〜Ｎに
第３図のSV₁に相当する値を設定することにより
行う。このとき、前述したように水位調節計１３
の出力はスイツチSW₂〜SW_Nにより断たれる。各
ベーン開度調節計は、それぞれ対応するガイドベ
ーンV₂〜Ｖ_Nに制御信号を与え、ベーン開度検出
器D₂〜Ｄ_Nから送られてくるベーン開度信号が設
定信号と等しくなるようにPID制御を行う。

このように、１台の水車発電機については上水
槽の水位が一定となるような定水位制御を行い、
残りの全ての水車発電機については最高効率運転
を行うようにすることにより、上水槽水位を一定
に保持しつつ最高効率運転を行うことができる。
従つて、各水車発電機は常に最大出力を発生する
ことができる。各発電機G₁〜Ｇ_Nで発生した電力
は、遮断器SW₁′〜SW_N′を介して送電線ｌに供給
される。なお、上述の説明では、定水位制御用と
して第１の水車発電機を用いたがこれに限る必要
はなく、他の任意の水車発電機を定水位制御用と
して用いることができる。

ところで、水車は流入水量が約40％以上で運転
しないと効率が悪い。そこで、流入水量の大小に
応じて水車発電機の運転台数を切換える必要があ
る。この水車発電機の切換え時には、バンプを伴
うのが普通である。本考案装置では、制御装置３
０を用いて以下に示すような水車のバンプレス切
換えを実現した。以下、バンプレス切換え方法に
ついて説明する。

先ず、１台目の水車発電機の起動について説明
する。第１番目の水車発電機を駆動する場合につ
いて考える。制御装置３０は、スイツチSW₁を閉
じ入口弁I₁を全開させる。次に、ガイドベーンV₁
を徐々に開き、水車の回転数が送電線ｌの周波数
と一致し、かつ電圧、位相も一致したとき遮断器
SW₁′を閉じる。水車発電機の発電周波数等と、
送電線ｌ間の周波数等の一致を検出するには、同
期検出投入装置等（図示せず）を用いる。このよ
うな起動法を用いることにより、第１番目の水車
発電機には定水位制御ループが形成され、以後制
御装置３０は第１番目の水車発電機については定
水位制御を行う。

次に、２台目の水車発電機を起動する場合につ
いて説明する。第１番目の水車発電機のベーン開
度が全開にも拘らず、上水槽１への流入水量が増
大し上水槽の水位が上昇する。上水槽水位が、上
限値HLを越えた後一定期間経過すると、制御装
置３０は第２番目の水車発電機を起動させる。即
ち、制御装置３０は、入口弁I₂を全開させた後ガ
イドベーンV₂を徐々に開いて行く。水車は、回
転を始め発電機G₂は交流電圧を発生させる。前
記した同期検出投入装置により、送電線ｌとの同
期が一致したことを確認した後、遮断器SW₂′を
投入して送電線に電力を供給する。なお、第２番
目の水車発電機の起動に際しては、上水槽水位の
低下は極めて少い。遮断器SW₂′を投入するまで
は、無負荷運転であるからである。

制御装置３０は、遮断器SW₂′を投入した後、
スイツチSW₁を開きSW₂を閉じる。これにより、
上水槽１の定水位制御ループが第１の水車発電機
から第２の水車発電機側に移行する。これと同時
に、第１の水車発電機は、最高効率運転に移行す
る。即ち、遮断器SW₂′が投入された後、制御装
置３０は、ガイドベーンV₁に駆動信号を送り、
水車が最高効率となるベーン開度SV₁まで時間T₁
をかけて徐々にベーン開度を小さくしていく。第
４図は、ベーン開度が全開状態からSV₁まで閉じ
ていく状態を示す図である。一方、第２の水車発
電機では水位調節計１３→ベーン開度調節計２へ
のカスケード制御ループが構成され、定水位制御
を行う。第４図に示すように、ベーン開度を全開
状態からSV₁までT₁をかけて小さくしていくのは
以下の理由による。即ち、定水位制御系にとつて
は、ベーン開度を絞つて水量を減らすことは一種
の外乱であり、この外乱を水位調節計１３→ベー
ン開度調節計V₂のカスケードループで自動的に
吸収する必要があるからである。ガイドベーン
V₁のベーン開度がSV₁に到達した時点で、第１の
水車発電機は最高効率運転を行う。

流入水量が更に増大し、ガイドベーンV₂のベ
ーン開度が全開にも拘らず、上水槽水位が上限値
HLを越えた後一定時間を経過すると今度は３台
目の水車発電機を起動する。このようにして、以
下同様の操作を行つて運転台数を増やしていく。
なお、水車と発電機の総合効率曲線が、軽負荷か
ら重負荷まで平担な場合は、水位調節計１３から
カスケードで運転中の全てのベーン開度調節計を
等負荷運転した方が制御系にとつて好ましく発電
量が多くなる場合がある。このような場合には、
選択により以下のような動作も行う。即ち、ベー
ン開度調節計１の設定値を最高効率点にセツトす
るのに代えて、第２番目に起動した水車のベーン
開度を一定速度で上げていくとそれを補償する制
御動作の結果、水位調節計１の出力が低下してい
く。そこで、第１のベーン開度調節計１の出力と
第２のベーン開度調節計２の出力が一致した点で
両機へカスケード接続し、以後、両機の等負荷運
転を行つてもよい。以上の方法は、３機以上の並
列運転の場合にも同様に適用することができる。

次に、水車発電機の運転台数を減らす場合の動
作について説明する。例えば、２台運転中に１台
を停止する場合について説明する。第１番目の水
車発電機については最高効率運転、第２番目の水
車発電機については定水位運転しているものとす
る。今、上水槽水位が下限値LLを下回り、定水
位制御用のガイドベーンV₂が制御開度Ｖ_Mになつ
たままの状態で更に一定期間が経過すると、制御
装置３０は第２番目の水車発電機を切離して停止
させ、第１番目の水車発電機を今までの最高効率
制御から定水位制御に移行させる。即ち、スイツ
チSW₁を閉じて水位調節計１３からベーン開度調
節計１へのカスケード接続による定水位制御を行
う。以上、２台から１台への切換えの場合につい
て説明したが、この方法は任意のＭ台から（Ｍ−
１）台への切換えについても同様に適用すること
ができる。このように、本考案装置によれば水車
発電機の増減何れの方向の切換えに際してもバン
プレス切換えを行うことができる。

以上、詳細に説明したように、本考案によれば
上水槽のもつ有効ヘツドを利用して水力発電を行
うシステムにおいて、１台の水車発電機について
は上水槽の水位を一定に保つためのPID制御を行
わしめて有効ヘツドを維持するとともに、残りの
水車発電機については最高効率運転をすべくガイ
ドベーン開度を制御して高出力発電を可能とし、
更に水車台数切換えに際しては各水車のガイドベ
ーン開度を上水槽水位が一定となるべく変化させ
てバンプレス切換えを可能にした水位調整装置を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来装置の水位特性を示す図であ
る。第２図は、本考案の一実施例を示す構成ブロ
ツク図である。第３図は、水車の発電効率特性を
示す図である。第４図は、水車発電機切換時のベ
ーン開度特性を示す図である。１０……上水槽、１１……水位検出端、１２…
…水位検出部、１３……水位調節計、１〜Ｎ……
ベーン開度調節計、I₁〜Ｉ_N……入口弁、V₁〜Ｖ_N
……ガイドベーン、D₁〜Ｄ_N……ベーン開度検出
器、SW₁〜SW_N……スイツチ、２１〜２Ｎ……水
車、G₁〜Ｇ_N……同期発電機、Ｌ……主水路、L₁
〜Ｌ_N……分水路、ｌ……送電線、SW₁′〜
SW_N′……遮断器、３０……制御装置。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

上水槽から供給される水を分岐しガイドベーン
で水量を調整して複数台の水車発電機に各別に与
えて発電を行う水車発電機システムにおいて、前
記各水車発電機に設けられたガイドベーンの開度
を調整するベーン開度調整手段と、前記上水槽の
水位を検出する水位検出手段と、前記水位検出手
段を前記水車発電機のいずれか１台のベーン開度
調整手段に選択接続し前記水位検出手段で検出さ
れた水位信号と予め設定された目標値との偏差を
前記水車発電機のベーン開度調整手段に制御信号
として与える制御装置とを具備し、前記制御装置
によつて選択された前記１台の水車発電機に前記
上水槽から水を供給し運転状態としてこの水車発
電機を用いて前記上水槽の定水位制御を行い、こ
の定水位制御によつてもなお前記上水槽の水位が
目標値を越えて上昇する場合、予め定められた順
序で他の水車発電機に前記上水槽から水を供給し
夫々のガイドベーンを徐々に開いて運転状態と
し、これら他の水車発電機のガイドベーンの開度
が発電効率が最大となる開度となるように前記ベ
ーン開度調整手段を用いて制御したことを特徴と
する水位調整装置。