KR102333416B1 - 수력 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

수력 발전 시스템에는, 수차(11)에 의해 구동되는 발전기(12)와, 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 낙차 조절수단(21)과, 수차(11)의 유량이 목표 유량에 근접하도록 상기 발전기(12)를 제어하는 유량제어와, 당해 수차(11)의 유효낙차를 제 1 범위 내로 하도록 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 당해 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 낙차 조절제어를 협조하여 실행하는 제어부(40)가 구비된다.

Description

수력 발전 시스템
본 발명은 수력 발전 시스템에 관한 것이다.
종래, 유로를 흐르는 유체(물)를 이용하여 발전을 실시하는 수력 발전 시스템이 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에 개시된 수력 발전 시스템에는, 유로에 배치되는 수차 및 수차에 의해 구동시키는 발전기가 설치된다. 물이 수차를 흐르면 당해 수차가 회전하여, 수차에 연결되는 발전기가 구동된다. 이로써, 발전기에서 전력이 발전된다. 발전된 전력은, 소정의 전력계통에 공급된다.
일본 특허공개 2014-214710호 공보
수력 발전 시스템이 적용되는 유로에서는, 유로를 흐르는 유체의 유량에 소정의 제약이 발생하는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 발전기의 토크나 회전수를 제어함으로써, 수차의 유량을 목표 유량에 근접시킬 수 있다. 또한, 이러한 유로에서는, 수차 하류측의 압력에 소정의 제약이 발생하는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 발전기의 토크나 회전수를 제어함으로써, 수차 하류측의 압력을 목표 압력에 근접시킬 수 있다.
한편, 이러한 유량제어나 압력제어가 실행될 때, 수차의 유효낙차가 변동되거나, 유량이나 압력의 목표값이 변경되거나 하면, 수차의 운전점이 적절한 운전영역으로부터 벗어나 버려, 캐비테이션이 발생하거나, 발전기를 적절하게 제어할 수 없게 되거나 하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은, 이 문제에 착안하여 이루어진 것으로, 수차의 유량이나 수차 하류측의 유체 압력을 목표값으로 조절하면서, 수차의 운전점이 운전영역으로부터 벗어나 버리는 것을 억제할 수 있는 수력 발전 시스템을 제공하는 것이다.
제 1 양태는, 유체가 흐르는 유로(5)에 배치되는 수차(11)와, 상기 수차(11)에 의해 구동되는 발전기(12)와, 상기 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 낙차 조절수단(21)과, 상기 수차(11)의 유량이 목표 유량에 근접하도록 상기 발전기(12)를 제어하는 유량제어, 및 당해 수차(11)의 유효낙차를 제 1 범위 내로 하도록 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 당해 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 낙차 조절제어를 협조하여 실행하는 제어부(40)를 구비하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 제어부(40)에 의해, 유량제어 및 낙차 조절제어가 협조하여 실행된다. 구체적으로, 유량제어에서는, 수차(11)를 흐르는 유체의 유량이 목표 유량에 근접하도록 발전기(12)가 제어된다. 여기서, 이와 같은 발전기(12)의 제어가 실행될 때, 낙차 조절수단(21)에 의해 수차(11)의 운전점이 제 1 범위 내로 되도록, 수차(11)의 유효낙차가 조절된다. 이로써, 수차(11)의 운전점이 적절한 운전영역으로부터 벗어나 버렸다 하더라도, 이 운전점을 신속하게 적절한 운전영역으로 되돌릴 수 있다. 수차(11)의 유효낙차가 조절되면, 수차(11)의 유량도 변화한다. 그러나, 상기의 유량제어를 실행함으로써, 수차(11)의 유량이 목표 유량으로 수렴되어 간다.
제 2 양태는, 제 1 양태에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 수차(11)의 유효낙차가 상기 제 1 범위의 상한값보다 큰 것을 나타내는 조건이 성립되면, 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유효낙차를 저감시키는, 상기 낙차 조절제어로서의 제 1 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 수차(11)의 유효낙차가 제 1 범위의 상한값보다 큰 것을 나타내는 조건이 성립되면, 수차(11)의 운전점이, 이른바 캐비테이션 영역에 이르렀다고 판단하고, 수차(11)의 유효낙차를 저감시키는 제 1 제어가 실행된다. 이로써, 수차(11)의 운전점을 캐비테이션 영역으로부터 적절 운전영역으로 되돌릴 수 있다.
제 3 양태는, 제 2 양태에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 제 1 제어를 실행한 후, 상기 수차(11)의 유효낙차가 상기 제 1 범위의 상한값보다 작은 소정의 임계값보다 큰 것을 나타내는 조건이 성립되면, 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유효낙차를 더 저감시키는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 제 1 제어에 의해, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역으로부터 제 1 범위 내에 이르렀다 하더라도, 수차(11)의 유효낙차가 아직 소정의 임계값보다 클 경우, 수차(11)의 유효낙차가 더 작아진다. 이로써, 수차(11)의 운전점을 캐비테이션 영역으로부터 적절 운전영역으로 확실히 되돌릴 수 있다. 또한, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역과 적절 운전영역 사이에서 헌팅해 버리는 것을 회피할 수 있다.
제 4 양태는, 제 1 내지 제 3 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 수차(11)의 유효낙차가 상기 제 1 범위의 하한값보다 작은 것을 나타내는 조건이 성립되면, 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유효낙차를 증대시키는, 상기 낙차 조절제어로서의 제 2 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 수차(11)의 유효낙차가 제 1 범위의 하한값보다 작은 것을 나타내는 조건이 성립되면, 수차(11)의 운전점이, 이른바 동작 한계곡선 상에 이르렀다고 판단하고, 수차(11)의 유효낙차를 증대시키는 제 2 제어가 실행된다. 이로써, 수차(11)의 운전점을 동작 한계곡선으로부터 확실히 적절 운전영역으로 되돌릴 수 있다. 여기서 말하는, “동작 한계곡선”이란, 발전기(12)의 제어(토크값이나 회전수의 제어)에 의해, 수차(11)의 유량을 조절할 수 없게 되는 운전점의 경계라고 할 수 있다.
제 5 양태는, 제 4 양태에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 제 2 제어를 실행한 후, 상기 수차(11)의 유효낙차가 상기 제 1 범위의 하한값보다 큰 소정의 임계값보다 작은 것을 나타내는 조건이 성립되면, 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유효낙차를 더 증대시키는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 제 2 제어에 의해, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상으로부터 제 1 범위 내에 이르렀다 하더라도, 수차(11)의 유효낙차가 아직 소정의 임계값보다 작을 경우, 수차(11)의 유효낙차가 더 커진다. 이로써, 수차(11)의 운전점을 동작 한계곡선 상으로부터 적절 운전영역으로 확실히 되돌릴 수 있다. 또한, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선과 적절 운전영역 사이에서 헌팅해 버리는 것을 회피할 수 있다.
제 6 양태는, 제 1 내지 제 5 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 유량제어 및 상기 낙차 조절제어를 다른 시점에서 실행시키는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 유량제어 및 낙차 조절제어가 다른 시점에서 실행된다. 가령 양자의 제어가 동일 시점에서 실행되면, 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버려, 수차(11)의 유량이 목표 유량으로 수렴될 때까지의 시간, 또는 수차(11)의 운전점이 적절 운전영역으로 도달할 때까지의 시간이 길어져 버린다. 이에 대하여, 유량제어 및 낙차 조절제어를 다른 시점에서 실행함으로써, 이와 같은 헌팅을 회피할 수 있다.
제 7 양태는, 제 1 내지 제 6 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 유량제어, 및 상기 발전기(12)의 발전전력이 목표 전력에 근접하도록 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 발전전력 제어를 협조하여 실행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 제어부(40)에 의해, 유량제어 및 발전전력 제어가 협조하여 실행된다. 구체적으로, 유량제어에서는, 수차(11)를 흐르는 유체의 유량이 목표 유량에 근접하도록 발전기(12)가 제어된다. 이 유량제어에 의해, 수차(11)의 유량을 목표값에 근접시킬 수 있다. 또한, 발전전력 제어에 의해, 낙차 조절수단(21)에 의해 유효낙차가 조절되면, 발전기(12)의 발전전력을 조절할 수 있다. 이로써, 발전기(12)의 발전전력을 목표 발전전력에 근접시킬 수 있다. 이와 같이, 수차(11)의 유효낙차가 조절되면, 수차(11)의 유량도 변화한다. 그러나, 상기의 유량제어를 실행함으로써, 수차(11)의 유량은 목표 유량으로 수렴되어 간다.
제 8 양태는, 제 7 양태에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 유량제어 및 상기 발전전력 제어를 다른 시점에서 실행시키는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 유량제어 및 발전전력 제어가 다른 시점에서 실행된다. 가령 양자의 제어가 동일 시점에서 실행되면, 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버려, 수차(11)의 유량이 목표 유량으로 수렴될 때까지의 시간, 또는 발전기(12)의 발전전력이 목표 발전전력으로 수렴될 때까지의 시간이 길어져 버린다. 이에 대하여, 유량제어 및 발전전력 제어를 다른 시점에서 실행함으로써, 이와 같은 헌팅을 회피할 수 있다.
제 9 양태는 제 7 또는 제 8 양태에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 발전전력 제어에서, 상기 발전기(12)의 발전전력이 최대 발전전력에 근접하도록 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 유량제어 및 발전전력 제어가 협조하여 실행됨으로써, 수차(11)의 유량이 목표 유량으로 수렴됨과 더불어, 발전기(12)의 발전전력이 최대 발전전력으로 수렴되어 간다.
제 10 양태는, 제 1 내지 제 9 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 낙차 조절수단(21)은, 상기 유로(5)에 상기 수차(11)와 직렬로 배치되는 밸브(21)로 구성되는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 낙차 조절수단으로서의 밸브(21)의 개도가 조절됨으로써, 수차(11)의 유효낙차가 조절된다.
제 11 양태는, 유체가 흐르는 유로(5)에 배치되는 수차(11)와, 상기 수차(11)에 의해 구동되는 발전기(12)와, 상기 수차(11)의 유량을 조절하는 유량 조절수단(21)과, 상기 수차(11) 하류측의 유체 압력이 목표 압력에 근접하도록 상기 발전기(12)를 제어하는 압력제어, 및 상기 수차(11)의 유량을 제 2 범위 내로 하도록 상기 유량 조절수단(21)에 의해 당해 수차(11)의 유량(Q)을 조절하는 유량 조절제어를 협조하여 실행하는 제어부(40)를 구비하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 압력제어 및 유량 조절제어가 협조하여 실행된다. 구체적으로, 압력제어에서는, 수차(11) 하류측의 유체 압력이 목표 압력에 근접하도록 발전기(12)가 제어된다. 여기서, 이와 같은 발전기(12)의 제어가 실행될 때, 유량 조절수단(21)에 의해 수차(11)의 운전점이 제 2 범위 내로 되도록, 수차(11)의 유량이 조절된다. 이로써, 수차(11)의 운전점이 적절한 운전영역으로부터 벗어나 버렸다 하더라도, 이 운전점을 신속하게 적절한 운전영역으로 되돌릴 수 있다. 수차(11)의 유량이 조절되면, 수차(11) 하류측의 유체 압력도 변화한다. 그러나, 상기의 압력제어를 실행함으로써, 수차(11)의 압력이 목표 압력으로 수렴되어 간다.
제 12 양태는, 제 11 양태에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 수차(11)의 유량이 상기 제 2 범위의 하한값보다 작은 것을 나타내는 조건이 성립되면, 상기 유량 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유량을 증대시키는, 상기 유량 조절제어로서의 제 3 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 수차(11)의 유효낙차가 제 2 범위의 하한값보다 작은 것을 나타내는 조건이 성립되면, 수차(11)의 운전점이, 이른바 캐비테이션 영역에 이르렀다고 판단하고, 수차(11)의 유량을 증대시키는 제 3 제어가 실행된다. 이로써, 수차(11)의 운전점을 캐비테이션 영역으로부터 적절 운전영역으로 되돌릴 수 있다.
제 13 양태는, 제 12 양태에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 제 3 제어를 실행한 후, 상기 수차(11)의 유량이 상기 제 2 범위의 하한값보다 큰 소정의 임계값보다 작은 것을 나타내는 조건이 성립되면, 상기 유량 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유량(Q)을 더 증대시키는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 제 3 제어에 의해, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역으로부터 제 2 범위 내에 이르렀다 하더라도, 수차(11)의 유량이 아직 소정의 임계값보다 작을 경우, 수차(11)의 유량(Q)이 더 커진다. 이로써, 수차(11)의 운전점을 캐비테이션 영역으로부터 적절 운전영역으로 확실히 되돌릴 수 있다. 또한, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역과 적절 운전영역 사이에서 헌팅해 버리는 것을 회피할 수 있다.
제 14 양태는, 제 11 내지 제 13 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 수차(11)의 유량이 상기 제 2 범위의 상한값보다 큰 것을 나타내는 조건이 성립되면, 상기 유량 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유량을 저감시키는, 상기 유량 조절제어로서의 제 4 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 수차(11)의 유량이 제 2 범위의 상한값보다 큰 것을 나타내는 조건이 성립되면, 수차(11)의 운전점이, 이른바 동작 한계곡선 상에 이르렀다고 판단하고, 수차(11)의 유량을 저감시키는 제 4 제어가 실행된다. 이로써, 수차(11)의 운전점을 동작 한계곡선으로부터 적절 운전영역으로 확실히 되돌릴 수 있다. 여기서 말하는, “동작 한계곡선”이란, 발전기(12)의 제어(토크값이나 회전수의 제어)에 의해, 수차(11) 하류측의 유체 압력을 조절할 수 없게 되는 운전점의 경계라고 할 수 있다.
제 15 양태는, 제 14 양태에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 제 4 제어를 실행한 후, 상기 수차(11)의 유량이 상기 제 2 범위의 상한값보다 작은 소정의 임계값보다 큰 것을 나타내는 조건이 성립되면, 상기 유량 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유량(Q)을 더 저감시키는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 제 4 제어에 의해, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상으로부터 제 2 범위 내에 이르렀다 하더라도, 수차(11)의 유량이 아직 소정의 임계값보다 클 경우, 수차(11)의 유량이 더 작아진다. 이로써, 수차(11)의 운전점을 동작 한계곡선 상으로부터 적절 운전영역으로 확실히 되돌릴 수 있다. 또한, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선과 적절 운전영역 사이에서 헌팅해 버리는 것을 회피할 수 있다.
제 16 양태는, 제 11 내지 제 15 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 압력제어 및 상기 유량 조절제어를 다른 시점에서 실행시키는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 압력제어 및 유량 조절제어가 다른 시점에서 실행된다. 가령 양자의 제어가 동일 시점에서 실행되면, 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버려, 수차(11) 하류측의 유체 압력이 목표 압력으로 수렴될 때까지의 시간, 또는 수차(11)의 운전점이 적절 운전영역으로 도달할 때까지의 시간이 길어져 버린다. 이에 대하여, 압력제어 및 낙차 조절제어를 다른 시점에서 실행함으로써, 이와 같은 헌팅을 회피할 수 있다.
제 17 양태는, 제 11 내지 제 16 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 압력제어, 및 상기 발전기(12)의 발전전력이 목표 전력에 근접하도록 상기 유량 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유량을 조절하는 발전전력 제어를 협조하여 실행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 제어부(40)에 의해, 압력제어 및 발전전력 제어가 협조하여 실행된다. 구체적으로, 압력제어에서는, 수차(11) 하류측의 유체 압력이 목표 압력에 근접하도록 발전기(12)가 제어된다. 이 압력제어에 의해, 유체의 압력을 목표값에 근접시킬 수 있다. 또한, 발전전력 제어에 의해, 유량 조절수단(21)에 의해 수차(11)의 유량이 조절되면, 발전기(12)의 발전전력을 조절할 수 있다. 이로써, 발전기(12)의 발전전력을 목표 발전전력에 근접시킬 수 있다. 이와 같이, 수차(11)의 유량이 조절되면, 수차(11) 하류측의 유체 압력도 변화한다. 그러나, 상기의 압력제어를 실행함으로써, 이 유체의 압력은 목표 압력으로 수렴되어 간다.
제 18 양태는, 제 17 양태에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 압력제어 및 상기 발전전력 제어를 다른 시점에서 실행시키는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 압력제어 및 발전전력 제어가 다른 시점에서 실행된다. 가령 양자의 제어가 동일 시점에서 실행되면, 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버려, 수차(11) 하류측의 유체 압력이 목표 압력으로 수렴될 때까지의 시간, 또는 발전기(12)의 발전전력이 목표 발전전력으로 수렴될 때까지의 시간이 길어져 버린다. 이에 대하여, 압력제어 및 발전전력 제어를 다른 시점에서 실행함으로써, 이와 같은 헌팅을 회피할 수 있다.
제 19 양태는, 제 17 또는 제 18 양태에 있어서, 상기 제어부(40)는, 상기 발전전력 제어에서, 상기 발전기(12)의 발전전력이 최대 발전전력에 근접하도록 상기 유량 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 압력제어 및 발전전력 제어가 협조하여 실행됨으로써, 수차(11) 하류측의 유체 압력이 목표 압력으로 수렴됨과 더불어, 발전기(12)의 발전전력이 최대 발전전력으로 수렴되어 간다.
제 20 양태는, 제 11 내지 제 19 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 유량 조절수단(21)은, 상기 유로(5)에 상기 수차(11)와 직렬로 배치되는 밸브(21)로 구성되는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템이다.
이 구성에서는, 유량 조절수단으로서의 밸브(21)의 개도가 조절됨으로써, 수차(11)의 유효낙차가 조절된다.
제 1 양태에 따르면, 수차(11)의 유량을 목표 유량에 근접시키는 유량제어, 및 수차(11)의 운전점을 적절 운전영역으로 되돌리도록 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 낙차 조절제어를 협조하여 실행한다. 이로써, 수차(11)의 유량을 목표 유량으로 유지하면서, 수차(11)의 운전점이 적절한 운전영역으로부터 벗어나 버리는 것을 억제할 수 있다.
제 11 양태에 따르면, 수차(11) 하류측의 유체 압력을 목표 압력에 근접시키는 압력제어, 및 수차(11)의 운전점을 적절 운전영역으로 되돌리도록 수차(11)의 유량을 조절하는 유량 조절제어를 협조하여 실행한다. 이로써, 수차(11) 하류측의 유체 압력을 목표 압력으로 유지하면서, 수차(11)의 운전점이 적절한 운전영역으로부터 벗어나 버리는 것을 억제할 수 있다.
제 2 및 제 12 양태에 따르면, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 머물러 버리는 것을 억제할 수 있다. 특히 제 3 및 제 13 양태에 의하면, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역과 적절 운전영역 사이에서 헌팅하는 것을 억제할 수 있다.
제 4 및 제 14 양태에 따르면, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 머물러 버리는 것을 억제할 수 있다. 특히 제 5 및 제 15 양태에 의하면, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상과 적절 운전영역 사이에서 헌팅하는 것을 억제할 수 있다.
제 6 및 제 16 양태에 따르면, 수차(11)의 운전점의 헌팅을 회피하면서, 수차(11)의 운전점을 확실하게 통상의 적절 운전영역으로 되돌릴 수 있다.
제 7 양태에 따르면, 수차(11)의 유량, 및 발전기(12)의 발전전력의 쌍방을 원하는 목표값에 근접시킬 수 있다.
제 17 양태에 따르면, 수차(11) 하류측의 유체 압력, 및 발전기(12)의 발전전력의 쌍방을 원하는 목표값에 근접시킬 수 있다.
제 8 양태에 따르면, 수차(11)의 운전점의 헌팅을 회피할 수 있어, 유량제어 및 발전전력 제어의 수렴성을 향상시킬 수 있다.
제 18 양태에 따르면, 수차(11)의 운전점의 헌팅을 회피할 수 있어, 압력제어 및 발전전력 제어의 수렴성을 향상시킬 수 있다.
제 9 및 제 19 양태에 따르면, 발전기(12)에서 최대의 발전전력을 얻을 수 있다.
도 1은 실시형태 1의 수력 발전 시스템의 관로계를 포함하는 전체 개략 구성도이다.
도 2는 수력 발전 시스템의 전력계통도이다.
도 3은 수력 발전 시스템의 특성 맵을 나타낸 그래프이다.
도 4는 수력 발전 시스템의 운전동작의 기본 흐름도이다.
도 5는 수차의 운전점이 캐비테이션 영역으로 추이되어 버리는 제 1의 예를 설명하기 위한 특성 맵이다.
도 6은 수차의 운전점이 캐비테이션 영역으로 추이되어 버리는 제 2의 예를 설명하기 위한 특성 맵이다.
도 7은 제 1 제어 및 유량제어를 협조하여 실행하는 동작을 설명하기 위한 특성 맵이다.
도 8은 수차의 운전점이 동작 한계곡선 상으로 추이되어 버리는 예를 설명하기 위한 특성 맵이다.
도 9는 제 2 제어 및 유량제어를 협조하여 실행하는 동작을 설명하기 위한 특성 맵이다.
도 10은 유량／발전전력 협조제어의 기본 흐름도이다.
도 11은 초기의 유량／발전전력 협조제어의 일부 흐름도이다.
도 12는 MPPT 제어에서의 수차의 운전점과 추이를 설명하기 위한 특성 맵이다.
도 13은 MPPT 제어에서의 발전전력과 전동밸브 개도의 추이를 설명하기 위한 그래프이다.
도 14는 실시형태 1의 변형예에 따른 수력 발전 시스템의 제 1 및 제 2 제어 한계곡선을 설명하기 위한 특성 맵이다.
도 15는 실시형태 1의 변형예에 따른 수력 발전 시스템의 운전동작의 기본 흐름도이다.
도 16은 실시형태 2의 도 2에 상당하는 도면이다.
도 17은 실시형태 2의 운전동작의 기본 흐름도이다.
도 18은 실시형태 2에서의, 제 3 제어 및 압력제어를 협조하여 실행하는 동작을 설명하기 위한 특성 맵이다.
도 19는 실시형태 2에서의, 제 4 제어 및 압력제어를 협조하여 실행하는 동작을 설명하기 위한 특성 맵이다.
도 20은 압력／발전전력 협조제어의 기본 흐름도이다.
도 21은 초기의 압력／발전전력 협조제어의 일부 흐름도이다.
도 22는 실시형태 2의 변형예에 따른 수력 발전 시스템의 제 3 및 제 4 제어 한계곡선을 설명하기 위한 특성 맵이다.
도 23은 실시형태 2의 변형예에 따른 수력 발전 시스템의 운전동작의 기본 흐름도이다.
도 24는, 그 밖의 실시형태의 수력 발전 시스템의 관로계를 포함하는 전체 개략 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 여기서, 이하의 실시형태는 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 발명, 그 적용물, 혹은 그 용도 범위의 제한을 의도하는 것은 아니다.
≪발명의 실시형태 1≫
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 실시형태 1에 따른 수력 발전 시스템(10)은, 예를 들어 상수도(1)에 적용된다. 상수도(1)에는, 저류조(2)와, 당해 저류조(2)의 하류측에 설치된 수수조(受水槽)(3)와, 저류조(2) 및 수수조(3)를 연결하는 관로(5)(유로)가 설치된다. 관로(5)는, 낙차를 가지며 물이 흐르는 수로이다. 관로(5)는, 수력 발전 시스템(10)의 수차(11) 상류측의 유입측 배관(6)과, 당해 수차(11) 하류측의 유출측 배관(7)을 구비한다. 유입측 배관(6)은 저류조(2) 및 수차(11)에 연결되며, 유출측 배관(7)은 수차(11) 및 수수조(3)에 연결된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 수력 발전 시스템(10)은, 수차(11), 발전기(12), 전동밸브(21), 유량계(22), 제 1 압력센서(23), 및 제 2 압력센서(24)를 구비한다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 수력 발전 시스템(10)은, 발전기 컨트롤러(40) 및 계통연계 인버터(30)를 구비한다.
＜수차＞
수차(11)는 관로(5)의 도중에 배치된다. 수차(11)는, 케이싱 및 당해 케이싱에 수용되는 임펠러를 구비한다(도시 생략). 임펠러로는, 원심 펌프에 구비되는 임펠러가 유용(流用)된다. 임펠러의 중심부에는 회전축(13)이 고정된다. 수차(11)에서는, 케이싱의 유체 유입구로부터의 수류에 의해 임펠러가 회전하고, 이에 따라 회전축(13)이 회전 구동된다.
＜발전기＞
발전기(12)는, 수차(11)의 회전축(13)에 연결된다. 수차(11)의 회전축(13)이 회전하면, 발전기(12)가 구동되어 발전을 실행한다. 본 실시형태의 발전기(12)는, 매립형 영구자석 로터와, 코일을 갖는 스테이터를 구비한다(도시 생략). 도 2에 나타내는 바와 같이, 발전기(12)의 발전전력은 AC／DC 컨버터(41) 및 계통연계 인버터(30)를 개재하여 전력계통(8)(상용 전원)에 공급된다.
＜관로의 다른 기기＞
유입측 배관(6)에는, 상류에서 하류를 향해 차례로, 전동밸브(21), 유량계(22), 및 제 1 압력센서(23)가 접속된다. 전동밸브(21)는, 모터에 의해 밸브체를 구동시킴으로써 관로(5)의 압력을 조절한다. 즉, 전동밸브(21)는, 압력 조절 밸브를 구성한다. 전동밸브(21)의 개도가 조절되면, 수차(11)의 유효낙차(H)가 변화한다. 즉, 전동밸브(21)는, 수차(11)의 유효낙차(H)를 조절하는 낙차 조절수단을 구성한다.
유량계(22)는, 수차(11)를 흐르는 물의 유량(Q)을 검출한다. 제 1 압력센서(23)는, 수차(11)의 유입부에 배치되어, 수차(11)로 유입되는 물의 압력을 검출한다. 유출측 배관(7)에는 제 2 압력센서(24)가 접속된다. 제 2 압력센서(24)는, 수차(11)의 유출부에 배치되어, 수차(11)로부터 유출되는 물의 압력을 검출한다.
＜계통연계 인버터＞
계통연계 인버터(30)는, 인버터부를 구성하는 복수의 스위칭 소자를 구비한다. 계통연계 인버터(30)에는, 발전기 컨트롤러(40)로부터의 직류 전력이 입력된다. 복수의 스위칭 소자를 스위칭함으로써, 직류 전력이 교류 전력으로 변환된다. 계통연계 인버터(30)가 생성한 교류 전력은, 전력계통(8)에 공급(역조류)된다.
＜발전기 컨트롤러＞
도 2에 나타내는 바와 같이, 발전기 컨트롤러(40)(제어부)는, AC／DC 컨버터(41), 발전기 제어부(50), 및 전동밸브 제어부(60)를 구비한다.
＜AC／DC 컨버터＞
AC／DC 컨버터(41)는, 복수의 스위칭 소자를 구비하며, 발전기(12)에 의해 발전된 전력(교류 전력)을 스위칭하여 직류 전력으로 변환시킨다. AC／DC 컨버터(41)의 출력은, 평활 콘덴서(도시 생략)에 의해 평활화되어, 계통연계 인버터(30)에 출력된다.
＜발전기 제어부＞
실시형태 1에서 발전기 제어부(50)는, 수차(11)를 흐르는 물의 유량(Q)을 목표 유량에 근접시키는 유량제어를 실행한다. 여기서, 이 목표 유량은, 예를 들어 관로(5)로부터의 물이 공급되는 공급 대상의 요구에 따라 정해진다. 발전기 컨트롤러(40)에는, 이 목표 유량에 상당하는 유량 지령값(Q*)이 입력된다.
발전기 제어부(50)는, 마이크로 컴퓨터 및 이를 작동시키기 위한 프로그램이 저장된 기억장치를 이용하여 구성된다. 발전기 제어부(50)는, 유량 제어기(51), 토크 제어기(52), 및 PWM 제어기(53)를 구비한다.
유량 제어기(51)에는, 유량계(22)로 검출한 물의 유량(Q) 및 목표 유량인 유량 지령값(Q*)이 입력된다. 여기서, 유량 지령값(Q*)은 상술한 목표 유량에 대응한다. 유량 제어기(51)는, 유량(Q)을 유량 지령값(Q*)으로 수렴시키기 위한 토크 지령값(T*)을 산출한다.
토크 제어기(52)에는, 발전기(12)의 제어 목표가 될 토크 지령값(T*)이 입력된다. 토크 제어기(52)는, 토크 지령값(T*)에 따라 전압 지령값을 산출한다.
PWM 제어기(53)는, 토크 제어기(52)에서 출력된 전압 지령값에 기초하여, AC／DC 컨버터(41)의 스위칭 소자를 PWM 제어한다. 이로써, 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)으로 수렴된다.
＜전동밸브 제어부＞
전동밸브 제어부(60)는, 전동밸브(21)의 개도를 제어한다. 구체적으로 전동밸브 제어부(60)는, 수차(11)의 유효낙차(H)를 제 1 범위 내로 하도록 전동밸브(21)에 의해 수차(11)의 유효낙차(H)를 조절하는 낙차 조절제어를 실행한다. 실시형태 1에서 제 1 범위는, 적절 운전영역이 되도록 설정한다. 여기서, 낙차 조절제어는, 제 1 제어 및 제 2 제어를 포함한다. 제 1 제어는, 수차(11)의 운전점을 캐비테이션 영역으로부터 적절 운전영역으로 되돌리기 위한 제어이다. 구체적으로 제 1 제어에서는, 수차(11)의 유효낙차(H)가 제 1 범위의 상한값(제 1 임계값(Hoptmax1))보다 클 경우, 유효낙차(H)를 저감시키도록 전동밸브(21)의 개도를 작게 한다. 제 2 제어는, 수차(11)의 운전점을 동작 한계곡선 상으로부터 적절 운전영역으로 되돌리기 위한 제어이다. 구체적으로 제 2 제어에서는, 수차(11)의 유효낙차(H)가 제 1 범위의 하한값(제 2 임계값(Hoptmin1))보다 작을 경우, 유효낙차(H)를 증가시키도록 전동밸브(21)의 개도를 크게 한다.
또한, 전동밸브 제어부(60)는, 발전기(12)의 발전전력이 목표 발전전력에 근접하도록 전동밸브(21)에 의해 수차(11)의 유효낙차(H)를 조절하는 발전전력 제어를 실행한다. 본 실시형태의 발전전력 제어에서는, 발전기(12)의 최대 발전전력이 목표 발전전력이 된다. 보다 상세하게, 본 실시형태의 발전전력 제어에서는, 이른바 MPPT 제어(등산법)에 의해, 발전기(12)의 발전전력이 최대 발전전력을 지향하도록 전동밸브(21)의 개도가 제어된다. 이들 제어 동작의 상세는 후술한다.
전동밸브 제어부(60)는, 마이크로 컴퓨터 및 이를 작동시키기 위한 프로그램이 저장된 기억장치를 이용하여 구성된다. 전동밸브 제어부(60)는, MPPT 제어부(61), 낙차 연산기(62), 낙차 판정부(63), 및 전동밸브 제어기(64)를 구비한다.
MPPT 제어부(61)에는, 발전기(12)의 발전전력(P)이 입력된다. MPPT 제어부(61)는, MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 실행하기 위한 제어부이다. MPPT 제어부(61)는, 발전전력(P)에 기초하여 전동밸브(21)의 개도 제어의 필요 여부를 판단하고, 이 판단 결과에 대응하는 지령값을 출력한다.
여기서, 발전기(12)의 발전전력(P)은, 예를 들어 발전기(12)의 전류값 및 전압값이나, AC／DC 컨버터(41)의 출력 전력이나, 계통연계 인버터(30)의 출력 전력으로부터 구할 수 있다. 또한, 발전전력(P)은, 예를 들어 전력계통(8)측의 전력계로 검출한 순시 전력값으로부터 취득할 수도 있다. 또한, 발전전력(P)은, 예를 들어 수차(11)의 운전점과 발전전력과의 관계를 나타내는 관계식이나, 이들의 관계가 기억된 데이터(예를 들어, 상세한 내용은 후술하는 특성 맵(M))를 이용하여 구할 수 있다.
낙차 연산기(62)에는, 제 1 압력센서(23)로 검출한 수차(11)의 유입측 물의 압력(제 1 압력값) 및 제 2 압력센서(24)로 검출한 수차(11)의 유출측 물의 압력(제 2 압력값)이 입력된다. 낙차 연산기(62)는, 이들 압력값의 차로부터 수차(11)의 유효낙차(H)(도 1 참조)를 구한다.
낙차 판정부(63)는, 낙차 연산기(62)로부터 출력된 유효낙차(H) 및 유량(Q)에 기초하여, 전동밸브(21) 제어의 필요 여부를 판단하고, 이 판단 결과에 대응하는 지령값을 출력한다.
전동밸브 제어기(64)는, MPPT 제어부(61)로부터 출력된 지령값, 및 낙차 판정부(63)에서 출력된 지령값에 기초하여, 전동밸브(21)의 개도를 조절한다.
＜수력 발전 시스템의 운전 파라미터＞
수력 발전 시스템(10)의 운전 파라미터 및 이들의 관계에 대하여, 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 3에 나타내는 그래프(특성 맵(M)이라고도 함)는, 세로축이 수차(11)의 유효낙차(H), 가로축이 수차(11)를 흐르는 유량(Q)을 나타낸다. 여기서, 수차(11)에서의 유효낙차(H)는, 저류조(2)의 액면에서 수수조(3)의 액면까지 사이의 총 낙차(Ho)에서, 저류조(2)의 물이 관로(5)를 거쳐 수수조(3)에 이르기까지의 관로 저항에 상당하는 낙차를 뺀 것이다.
유효낙차(H)와 유량(Q)과의 관계는, 도 3에 나타내는 유동 저항 특성선(시스템 손실곡선(S)이라고도 함)으로 나타낼 수 있다. 시스템 손실곡선(S)은, 유량(Q) ＝ 0일 때의 유효낙차(H)가 총 낙차(Ho)이며, 유량(Q)의 증대에 따라 유효낙차(H)가 이차곡선적으로 감소하는 특성을 갖는다. 시스템 손실곡선(S)의 곡률은, 도 1의 관로(5)에 따라 고유의 값을 갖는다. 수력 발전 시스템(10)을 포함하는 관로(5)에서의 유량(Q) 및 그 때의 유효낙차(H)는, 시스템 손실곡선(S) 상의 점에 대응한다. 즉, 수차(11)의 유량(Q)과 유효낙차(H)에 대응하는 점(수차(11)의 운전점)은, 항상 시스템 손실곡선(S) 상에 있다.
도 3의 특성 맵(M)에서는, 수차(11)에서의 유량(Q) 및 유효낙차(H)의 상관 특성으로서, 발전기(12)의 토크값(T), 발전기(12)의 회전수(회전 속도)(N), 발전기(12)의 발전전력(P)을 나타낸다.
특성 맵(M)에서는, 발전기(12)의 토크값(T)이 0인 곡선(무구속 곡선(T ＝ 0)이라 함)과, 발전기(12)의 회전수(N)가 0 또는 소정의 최저 회전수가 되는 곡선(동작 한계곡선이라 함)과의 사이에, 수차(11)가 수류에 의해 회전 가능한 영역(수차 영역 내지 운전 가능영역이라 함)이 형성된다. 도 3에 있어서, 무구속 곡선보다 왼쪽의 영역은, 수차 브레이크 영역(역행(力行) 영역)이다.
수차 영역에 있어서, 복수의 등(等)토크 곡선은 무구속 곡선을 따라, 특성 맵(M) 상, 유량(Q)의 증대에 따라 토크값(T)도 증대된다. 또한 복수의 등회전 속도 곡선은 동작 한계곡선을 따라, 유효낙차(H)가 커질수록 회전수(N)도 상승한다. 시스템 손실곡선(S) 상에서는, 유량(Q)의 감소에 따라 토크값(T)이 감소한다. 또한 시스템 손실곡선(S) 상에서는, 유량(Q)의 증대에 따라 회전수(N)가 감소한다. 파선으로 나타낸 등발전전력 곡선은 아래로 볼록한 곡선이며, 유효낙차(H) 및 유량(Q)의 증대에 따라 발전전력(P)도 증대한다.
이상과 같은 특성 맵(M)의 각 파라미터의 관계는, 표(수치표)나, 프로그램 내 수식(함수)의 형태로 기억장치에 저장 가능하다. 따라서, 발전기 컨트롤러(40)는, 특성 맵(M)에서 나타내는 각 파라미터의 관계를 이용함으로써, 각종 연산이나 제어가 가능하다.
- 운전동작 -
수력 발전 시스템(10)의 운전동작에 대하여 설명한다.
＜기본 흐름＞
우선, 수력 발전 시스템(10)의 기본적인 운전동작에 대하여, 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4에 있어서, 수력 발전 시스템(10)의 운전이 개시되면, 수차(11)의 유량(Q)을 목표 유량에 근접시키는 유량제어가 실행된다(단계(St1)). 즉, 유량제어에서는, 발전기 제어부(50)에 의해, 현재의 유량(Q) 및 유량 지령값(Q*)으로부터 토크 지령값(T*)이 산출된다. PWM 제어기(53)는, 토크 제어기(52)가 산출한 전압 지령값에 기초하여 AC／DC 컨버터(41)의 스위칭 소자를 제어함으로써, 수차(11) 내지 관로(5)의 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)에 근접해진다.
이어서, 단계(St2)에서는, 낙차 연산기(62)에 의해, 수차(11)의 유효낙차(H)가 검출된다. 단계(St3)에서는, 유효낙차(H)와 제 1 임계값(Hoptmax1)이 비교된다. 여기서, 제 1 임계값(Hoptmax1)은, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 이르렀는지 여부를 판단하기 위한 판정값이며, 제 1 범위의 상한값이다. 단계(St3)에서, 유효낙차(H)가 제 1 임계값(Hoptmax1)보다 클 경우, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있다고 판단되어 단계(St5)로 이행하여, 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도 작게 한다(제 1 제어). 즉, 제 1 제어에서는, 수차(11)의 유효낙차(H)가 저감된다. 단계(St3)에서, 유효낙차(H)가 제 1 임계값(Hoptmax1)보다 작을 경우, 단계(St4)로 이행한다.
단계(St4)에서는, 유효낙차(H)와 제 2 임계값(Hoptmin1)이 비교된다. 여기서, 제 2 임계값(Hoptmin1)은, 수차(11)가 동작 한계곡선 상에 이르렀는지 여부를 판단하기 위한 판정값이며, 제 1 범위의 하한값이다. 단계(St4)에서, 유효낙차(H)가 제 2 임계값(Hoptmin1)보다 작을 경우, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 이르렀다고 판단되어 단계(St6)로 이행하여, 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도 크게 한다(제 2 제어). 즉, 제 2 제어에서는, 수차(11)의 유효낙차(H)가 증대된다. 단계(St4)에서, 유효낙차(H)가 제 2 임계값(Hoptmin1)보다 클 경우, 단계(St7)로 이행하여 발전전력／유량 협조제어가 실행된다.
여기서, 단계(St5 및 St6)에서 전동밸브(21)의 개도가 조절되는 경우에는 유량제어가 실행되지 않으며, 발전기(12)의 토크값이 제어되는 일도 없다. 즉, 단계(St1)의 유량제어는, 전동밸브(21)의 개도 조절이 종료된 후에 실행된다.
＜제 1 제어＞
제 1 제어는, 수차(11) 내부에서의 캐비테이션 발생을 방지하기 위한 제어이다. 이 캐비테이션에 따른 과제 및 이를 해소하기 위한 제어에 대하여 도 5 내지 도 9를 참조하여 상세하게 설명한다.
예를 들어, 도 5에 나타내는 바와 같이, 수차(11)의 운전영역은, 캐비테이션이 발생할 수 있는 영역(캐비테이션 영역이라 함)과, 캐비테이션이 발생하지 않고 통상의 운전이 이루어지는 영역(적절 운전영역이라 함)이 있다. 여기서, 캐비테이션이란, 수차의 내부에서 유체가 가속되는 것에 기인하여, 유체의 압력이 포화 증기압 근처까지 저하되어, 다수의 증기포가 발생하는 현상(공동 현상)이다. 캐비테이션의 발생에 따라 다수의 증기포가 발생하고, 그 후 이들 증기포가 소멸될 때에는, 국소적으로 수만 기압이란 지극히 높은 압력이 발생한다. 그 결과, 수차(11)의 성능 저하, 수차(11) 표면의 침식(erosion), 진동이나 소음 발생 등의 문제를 초래한다.
도 5에 있어서, 캐비테이션 영역과 적절 운전영역의 경계를 캐비테이션 경계라 한다. 이 캐비테이션 경계는, 임계 캐비테이션 계수를 이용한 관계식으로 도출할 수 있다.
도 5는, 상술한 유량제어에 의해, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 이르러 버린 일례이다. 즉, 상술한 유량제어에서는, 수차(11)의 유량(Q)이 소정의 유량 지령값(Q*)을 지향하도록 발전기(12)의 제어가 실행된다. 예를 들어, 이 유량 지령값이 도 5의 Qa*일 경우, 수차(11)의 운전점은 a점으로 수렴되게 된다. 한편, 관로(5)의 목표 유량이 더욱 작아져, 유량 지령값이 도 5의 Qa*에서 Qb*까지 작아진 것으로 가정한다. 이 경우, 시스템 손실곡선(S) 상을 이동하는 수차(11)의 운전점은, 도 5의 a점에서 b점으로 이동한다. 이로써, 수차(11)의 운전점이 적절 운전영역으로부터 캐비테이션 영역에 이르러 버린다.
또한, 도 6은, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 이르러 버린 다른 일례이다. 상술한 유량제어에 있어서, 수차(11)의 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)으로 수렴된 것으로 가정한다. 이 때, 시스템 손실곡선이 도 6의 S일 경우, 수차(11)의 운전점은 도 6의 a점이 된다. 이 상태에서, 예를 들어 저류조(2)의 수위가 상승하거나, 또는 수수조(3)의 수위가 저하되면, 관로(5)의 총 낙차(Ho)가 도 6의 Ho에서 Ho'로 증대한다. 그 결과, 시스템 손실곡선도 도 6의 S에서 S'로 상방으로 이동하고, 수차(11)의 운전점이 도 6의 a점에서 c점으로 이동한다. 이로써, 수차(11)의 운전점이 적절 운전영역으로부터 캐비테이션 영역에 이르러 버린다.
그래서, 본 실시형태에서는, 이와 같은 캐비테이션의 발생을 방지하기 위해 제 1 제어가 실행된다. 구체적으로는, 예를 들어 도 7에 나타내는 바와 같이, 시스템 손실곡선이 S1, 유량 지령값이 Q*인 상태에 있어서, 수차(11)의 운전점(d점)이 캐비테이션 영역에 이르러 버린 것으로 가정한다. 이 경우, 도 4의 단계(St2)에서 검출되는 유효낙차(H)는, 도 7의 H(d)가 된다. 이어서, 단계(St3)에서는, 유효낙차H(d)와 제 1 임계값(Hoptmax1)과의 대소 비교가 실행된다. 여기서, 제 1 임계값(Hoptmax1)은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 캐비테이션 경계를 나타내는 곡선과 유량 지령값(Q*)과의 교점에 대응하는 유효낙차이며, 특성 맵(M)이나, 캐비테이션 경계, 유량, 및 유효낙차의 관계를 나타내는 식이나 표로 구할 수 있다. 즉, 제 1 임계값(Hoptmax1)은, 유량 지령값(Q*)에 따라 변화하는 변수이다.
도 7의 예에서는, 수차(11)의 운전점이 d점에 있을 때, 유효낙차(H)가 제 1 임계값(Hoptmax1)보다 크므로, 단계(St5)로 이행한다. 이에 따라, 전동밸브 제어부(60)는, 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도 작게 한다(제 1 제어). 전동밸브(21)의 개도가 소정 개도 작아지면, 관로(5)의 저항에 상당하는 낙차가 커지고, 나아가 수차(11)의 유효낙차(H)가 작아진다. 또한, 이에 따라 관로(5) 내지 수차(11)의 유량도 작아진다. 그 결과, 수차(11)의 운전점은, 예를 들어 d점에서 e점으로 추이된다.
단계(St5) 후에는, 단계(St1)로 이행하여 다시 유량제어가 실행된다. 상술한 바와 같이, 전동밸브(21)의 개도가 작아져, 수차(11)의 운전점이 e점에 이름으로써, 수차(11)의 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)보다 작아져 버린다. 하지만, 제 1 제어 후, 유량제어가 실행됨으로써, 수차(11)의 운전점이 시스템 손실곡선(S2) 상을 이동하여, 수차(11)의 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)으로 다시 수렴된다. 이로써, 수차(11)의 운전점이 도 7의 e점에서 f점으로 이동한다.
다시 단계(St3)로 이행하면, f점의 수차(11)의 유효낙차(H)는 아직 제 1 임계값(Hoptmax1)보다 크다. 따라서, 단계(St5)로 이행하여 전동밸브(21)의 개도가 소정 개도 작아진다. 그 결과, 수차(11)의 유효낙차(H) 및 유량(Q)이 더 작아져, 수차(11)의 운전점이 g점에 이른다.
다시 단계(St1)로 이행하여 유량제어가 실행되면, 수차(11)의 운전점이 시스템 손실곡선(S3) 상을 이동하여, 수차(11)의 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)으로 다시 수렴된다. 이로써, 수차(11)의 운전점이 도 7의 g점에서 h점으로 이동한다.
다시 단계(St3)로 이행하면, g점의 수차(11)의 유효낙차(H)는 제 1 임계값(Hoptmax1)보다 작다. 이 때문에, 단계(St5)로는 이행하지 않고 제 1 제어는 실행되지 않는다.
이상과 같이 본 실시형태에서는, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있는 것을 나타내는 조건(제 1 조건)이 성립되면 전동밸브(21)의 개도를 작게 하는(즉, 유효낙차(H)를 저감시키는) 제 1 제어, 및 수차(11)의 유량(Q)을 목표 유량에 근접시키는 유량제어가 협조하여 실행된다. 이로써, 수차(11)의 운전점을 적절 운전영역으로 되돌릴 수 있음과 더불어, 수차(11)의 유량(Q)을 유량 지령값(Q*)으로 수렴시킬 수 있다. 또한, 도 4나 도 7에 나타내는 바와 같이, 제 1 제어 및 유량제어는 서로 다른 시점에서 교대로 실행된다. 가령, 제 1 제어 및 유량제어를 동일 시점에서 실행하면, 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버려, 당해 운전점을 신속하게 적절 운전영역 및 유량 지령값(Q*)으로 수렴시킬 수 없다. 이에 대하여 본 실시형태에서는, 제 1 제어와 유량제어의 실행 개시 시점을 서로 다르게 하므로, 수차(11)의 운전점의 제어성이 향상되어, 당해 운전점을 신속하게 적절 운전영역 및 유량 지령값(Q*)으로 수렴시킬 수 있다.
여기서, 제 1 제어에서는, 유효낙차(H)가 제 1 임계값(Hoptmax1)보다 큰 것을, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있음을 판단하는 제 1 조건으로 하였으나, 다른 판정 방법을 제 1 조건으로 할 수도 있다.
＜제 2 제어＞
제 2 제어는, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 머물러 버리는 것을 회피하기 위한 제어이다. 이 동작 한계곡선에 따른 과제, 및 이를 해소하기 위한 제어에 대하여 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다.
동작 한계곡선은, 발전기(12)의 회전수가 0 또는 소정의 최저 회전수에 이르는 것에 기인하여, 발전기(12)에 의해 수차(11)의 유량(Q)을 유량 지령값(Q*)으로 제어할 수 없게 되는 운전점의 경계이다. 이 때문에, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선에 이르러 버리면, 그 후는 유량제어를 이어서 실행할 수 없게 되어 버린다.
예를 들어 도 8은, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 이르러 버린 일례이다. 상술한 유량제어에 있어서, 수차(11)의 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)으로 수렴된 것으로 가정한다. 이 때, 시스템 손실곡선이 도 8의 S일 경우, 수차(11)의 운전점은 도 8의 a점이 된다. 이 상태에서, 예를 들어 저류조(2)의 수위가 저하되거나, 또는 수수조(3)의 수위가 상승하면, 관로(5)의 총 낙차(Ho)가 감소하여, 이 총 낙차가 도 8의 Ho에서 Ho'로 저하된다. 그 결과, 시스템 손실곡선도 도 8의 S에서 S'로 하방으로 이동하여, 수차(11)의 운전점이 a점에서 c점으로 이동하려 한다. 그런데, 수차(11)의 유효낙차(H)의 저하에 따라 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상(b점)에 이르면, 더 이상 수차(11)의 유량(Q)을 유량 지령값(Q*)으로 제어할 수 없게 된다. 그 결과 이 예에서는, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상을 왼쪽 아래로 이동한다. 그 결과, 수차(11)의 운전점은, b점에서 c점이 아닌, b점에서 d점으로 이동한다.
이 상태에서는, 수차(11)의 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)보다 작아져 버리기 때문에, 목표 유량을 만족시킬 수가 없다. 또한, 수차(11)의 운전점이 d점에 있을 경우, 더 이상 수차(11)의 유량을 증대 방향으로 조정할 수 없다. 이 때문에, 이대로는 유량제어에 의해 수차(11)의 유량(Q)을 유량 지령값(Q*)으로 수렴시킬 수가 없다. 그래서, 본 실시형태에서는, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 머물러 버리는 것을 회피하기 위해, 제 2 제어가 실행된다.
구체적으로는, 예를 들어 도 9에 나타내는 바와 같이, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상의 d점에 이르러 버린 것으로 가정한다. 이 경우, 도 4의 단계(St2)에서 검출되는 유효낙차(H)는 도 9의 H(d)가 된다. 단계(St3)에서는, 유효낙차H(d)가 제 1 임계값(Hoptmax1)보다 낮으므로, 단계(St4)로 이행한다. 단계(St4)에서는, 유효낙차H(d)와 제 2 임계값(Hoptmin1)과의 대소 비교가 실행된다. 여기서, 제 2 임계값(임계값)(Hoptmin1)은, 도 9에 나타내는 바와 같이, 동작 한계곡선과 유량 지령값(Q*)과의 교점에 대응하는 유효낙차이며, 특성 맵(M)이나, 동작 한계곡선, 유량, 및 유효낙차의 관계를 나타내는 식이나 표로 구할 수 있다. 즉, 제 2 임계값(Hoptmin1)은, 유량 지령값(Q*)에 따라 변화하는 변수이다.
도 9의 예에서는, 수차(11)의 운전점이 d점일 경우에는, 유효낙차(H)가 제 2 임계값(Hoptmin1)보다 작으므로 단계(St6)로 이행한다. 이에 따라, 전동밸브 제어부(60)는, 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도 크게 한다(제 2 제어). 전동밸브(21)의 개도가 소정 개도 커지면, 관로(5)의 저항에 상당하는 낙차가 작아지고, 나아가 수차(11)의 유효낙차(H)가 커진다. 또한, 이에 따라 관로(5) 내지 수차(11)의 유량도 커진다. 그 결과, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선보다 상측의 적절 운전영역으로 되돌아간다(예를 들어 도 9의 운전점e). 그 후, 단계(St1)로 돌아가 유량제어가 실행되면, 수차(11)의 운전점은 시스템 손실곡선(S2) 상을 이동하여, 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)으로 조절된다. 이로써, 수차(11)의 운전점이 도 9의 f점으로 이동한다. f점의 수차(11)의 유효낙차(H)는 제 2 임계값(Hoptmin1)보다 크기 때문에, 그 후에 제 2 제어는 실행되지 않는다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 있는 것을 나타내는 조건(제 2 조건)이 성립되면 전동밸브(21)의 개도를 크게 하는(즉, 유효낙차(H)를 증대시키는) 제 2 제어, 및 수차(11)의 유량을 목표 유량에 근접시키는 유량제어가 협조하여 실행된다. 이로써, 수차(11)의 운전점을 적절 운전영역으로 되돌릴 수 있음과 더불어, 수차(11)의 유량(Q)을 유량 지령값(Q*)으로 수렴시킬 수 있다. 또한, 도 4 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 제 2 제어 및 유량제어는 서로 다른 시점에서 교대로 실행된다. 가령, 제 2 제어 및 유량제어를 동일 시점에서 실행하면, 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버려, 당해 운전점을 신속하게 적절 운전영역 및 유량 지령값(Q*)으로 수렴시킬 수 없다. 이에 대하여 본 실시형태에서는, 제 2 제어와 유량제어의 실행 개시 시점을 서로 다르게 하므로, 수차(11)의 운전점의 제어성이 향상되어, 당해 운전점을 신속하게 적절 운전영역 및 유량 지령값(Q*)으로 수렴시킬 수 있다.
여기서, 제 2 제어에서는, 유효낙차(H)가 제 2 임계값(Hoptmin1)보다 작은 것을, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 있음을 판단하는 제 2 조건으로 하였으나, 다른 판정 방법을 제 2 조건으로 할 수도 있다.
＜발전전력／유량 협조제어＞
도 4에 있어서, 유효낙차(H)가 제 1 임계값(Hoptmax1)과 제 2 임계값(Hoptmin1) 사이에 있어 수차(11)의 운전점이 적절 운전영역에 있다고 판단되면, 단계(St7)로 이행하여 발전전력／유량 협조제어가 실행된다. 이 발전전력／유량 협조제어에 대하여, 도 10 내지 도 13을 참조하여 설명한다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 발전전력／유량 협조제어는, 상술한 유량제어 및 MPPT 제어(발전전력 제어)를 협조하여 실행하는 제어이다. 도 10의 단계(St11)에서, 발전전력／유량 협조제어의 초기 동작인지 여부의 판정이 실행된다. 초기 동작일 경우 B(도 11의 단계(St21))로 이행한다. 단계(St21)에서는 발전전력(P) 및 유량(Q)이 검출된다. 발전전력(P) 및 유량(Q)의 검출 방법은 상술한 바와 같다. 이어서, 단계(St22)에서, 전동밸브(21)의 개도가 100％(전개방)일 경우, 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도 작게 하고, 그렇지 않을 경우는 전동밸브(21)의 개도를 크게 한다. 그 후, 다시 도 4의 단계(St1)로 돌아간다.
B의 동작을 거친 후에는, 단계(St11)에서 단계(St12)로 이행하여, 발전전력(P) 및 유량(Q)이 검출된다.
이어서, 단계(St13 내지 St16)에서, 이번에 검출된 발전전력과 그 전회에 검출된 발전전력과의 차이(ΔP), 및 이번의 전동밸브(21) 개도와 그 전회의 전동밸브(21) 개도와의 차이(Δα)의 대소 관계에 대하여, 각각 판정이 실행된다. 여기서, 초기 MPPT 제어에서는, 도 11의 단계(St21)에서 검출된 발전전력(P) 및 유량(Q)이 전회의 값이 되고, 도 10의 단계(St12)에서 검출된 발전전력(P) 및 유량(Q)이 이번의 값이 된다. 그리고, 이들의 결과에 기초하여, 발전전력(P)이 증대하도록 전동밸브(21)의 개도가 조절된다.
구체적으로는, 단계(St13)에서, 1) ΔP가 0 이상이고 또, Δα가 0보다 클 경우, 또는 2) ΔP가 0보다 작고 또, Δα가 0보다 작을 경우, 전동밸브(21)의 개도를 크게 함으로써 발전전력(P)을 증대시킬 수 있다고 판단할 수 있다. 따라서, 이 경우에 전동밸브 제어부(60)는 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도(α) 크게 한다(단계(St15)).
또한, 단계(St14)에서, 3) ΔP가 0 이상이고 또, Δα가 0보다 작을 경우, 또는 4) ΔP가 0보다 작고 또, Δα가 0보다 클 경우, 전동밸브(21)의 개도를 작게 함으로써 발전전력(P)을 증대시킬 수 있다고 판단할 수 있다. 따라서, 이 경우에 전동밸브 제어부(60)는, 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도(α) 작게 한다(단계(St16)).
이와 같이 하여 전동밸브(21)의 개도가 조절되면, 도 4의 단계(St1)로 다시 돌아가, 유량제어가 실행된다. MPPT 제어에 의해 전동밸브(21)의 개도가 조절되면, 수차(11)의 유량이 변화한다. 하지만, 이 유량제어에 의해, 수차(11)의 유량(Q)을 신속하게 유량 지령값(Q*)으로 수렴시킬 수 있다. 그 후, 발전전력(P) 및 유량(Q)이 다시 검출되고(단계(St12)), 그 후 다시 MPPT 제어가 실행되어 전동밸브(21)의 개도가 조절된다. 여기서, 단계(St15) 및 단계(St16)의 전동밸브(21)의 개도 제어에서는, 유량제어가 실행되지 않으며, 발전기(12)의 토크값이 제어되는 일도 없다. 즉, 단계(St1)의 유량제어는, 전동밸브(21)의 개도 조절이 종료된 후에 실행된다.
MPPT 제어에서는, 이러한 단계가 반복됨으로써, 발전전력(P)이 최대 발전전력으로 수렴되어 감과 더불어, 수차(11)의 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)으로 수렴되어 간다. 이 동작에 대하여 도 12 및 도 13을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
예를 들어 수차(11)의 운전점이 a점에 있다고 가정한다. 이 경우, 수차(11)의 유량(Q)은 유량 지령값(Q*)으로 수렴되었지만, 발전전력(P)은 최대 발전전력에까지 이르지 않았다. 이와 같은 상태에서 MPPT 제어가 실행되면, 전동밸브(21)의 개도가 α만큼 커진다. 그 후, 유량제어가 실행되어, 수차(11)의 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)으로 수렴되고, 수차(11)의 운전점이 b점에 이르면, 발전전력(P)이 도 13의 Pa에서 Pb로 증대 변화한다.
도 12에 나타내는 운전점이 a점에서 b점에 이르기까지의 동작에서는, Δα ＞ 0, ΔP ≥ 0이 성립한다. 이 때문에, 다음의 MPPT 제어에서는, 전동밸브(21)의 개도가 α만큼 더 커진다. 그 후, 유량제어가 실행되면 수차(11)의 운전점이 c점에 이르러, 발전전력(P)이 도 13의 Pb에서 Pc로 증대 변화한다. 도 12에 나타내는 운전점이 b점에서 c점에 이르기까지의 동작에서는, Δα ＞ 0, ΔP ≥ 0이 성립한다. 이 때문에, 다음의 MPPT 제어에서는, 전동밸브(21)의 개도가 α만큼 더 커진다. 그 후, 유량제어가 실행되면 수차(11)의 운전점이 d점에 이르러, 발전전력(P)이 도 13의 Pc에서 Pd로 감소 변화한다.
도 12에 나타내는 운전점이 c점에서 d점에 이르기까지의 동작에서는, α ＞ 0, ΔP ＜ 0이 성립한다. 이 때문에, 다음의 MPPT 제어에서는, 전동밸브(21)의 개도가 α만큼 작아진다. 그 후, 유량제어가 실행되면, 수차(11)의 운전점이 e점에 이르러, 발전전력(P)이 도 13의 최대 발전전력에 상당하는 점 내지 영역으로 수렴되어 간다.
이상과 같이, 본 실시형태의 수력 발전 시스템(10)에서는, 유량제어 및 MPPT 제어가 협조하여 실행된다. 이로써, 발전전력(P)을 최대 발전전력으로 수렴시킴과 더불어, 수차(11)의 유량(Q)을 유량 지령값(Q*)으로 수렴시킬 수 있다. 또한, 도 10에 나타내는 바와 같이, 유량제어 및 MPPT 제어는, 서로 다른 시점에서 교대로 실행된다. 가령 유량제어 및 MPPT 제어를 동일 시점에서 실행하면, 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버려, 당해 수차(11)의 운전점을 신속하게 최대 발전전력이 되는 운전점, 내지 유량 지령값(Q*)을 만족시키는 운전점으로 수렴시킬 수 없다. 이에 대하여 본 실시형태에서는, 유량제어 및 MPPT 제어의 실행 개시 시점을 서로 다르게 하므로, 수차(11)의 운전점의 제어성이 향상되어, 당해 운전점을 신속하게 최대 발전전력 및 유량 지령값(Q*)을 만족시키는 운전점으로 수렴시킬 수 있다.
- 실시형태 1의 효과 -
본 실시형태 1에서는, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있을 때 전동밸브(21)의 개도를 작게 하는 제 1 제어, 및 유량제어가 협조하여 실행된다. 이로써, 수차(11)의 유량(Q)을 목표 유량으로 수렴시키면서, 수차(11) 근방에서의 캐비테이션 발생을 확실하게 방지할 수 있다.
제 1 제어 및 유량제어를 실행하는 시점은 서로 다르다. 이로써, 수차(11)의 운전점의 헌팅을 회피할 수 있어, 유량제어 및 제 1 제어의 수렴성을 향상시킬 수 있다.
수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 이를 때는, 전동밸브(21)의 개도를 크게 하는 제 2 제어, 및 유량제어가 협조하여 실행된다. 이로써, 수차(11)의 유량(Q)을 목표 유량으로 수렴시키면서, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선에 머물러 버리는 것을 신속하게 회피할 수 있다.
제 2 제어 및 유량제어를 실행하는 시점은 서로 다르다. 이로써, 수차(11)의 운전점의 헌팅을 회피할 수 있어, 유량제어 및 제 2 제어의 수렴성을 향상시킬 수 있다.
실시형태 1에서는, 수차(11)를 흐르는 물의 유량(Q)을 목표 유량에 근접시키는 유량제어, 및 발전기(12)의 발전전력(P)을 목표 전력에 근접하도록 전동밸브(21)의 개도를 조절하는 발전전력 제어를 협조하는 발전전력／유량 협조제어를 실행한다. 이로써, 수차(11)의 유량(Q) 및 발전기(12)의 발전전력(P)을 원하는 목표값에 근접시킬 수 있다.
발전전력 제어에서는, 발전전력(P)을 최대 발전전력에 근접시키는 MPPT 제어를 실행한다. 이로써, 발전기(12)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
유량제어 및 MPPT 제어를 실행하는 시점은 서로 다르다. 이로써, 수차(11)의 운전점의 헌팅을 회피할 수 있어, 유량제어 및 MPPT 제어의 수렴성을 향상시킬 수 있다.
＜실시형태 1의 변형예＞
실시형태 1의 변형예는, 상술한 실시형태 1과 전동밸브 제어부(60)의 구성이 다른 것이다. 구체적으로, 변형예 및 상기 실시형태 1에서는, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있을 때의 동작, 및 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 이르렀을 때의 동작이 다르다. 이하, 상기 실시형태 1과 다른 점에 대하여, 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한다.
도 14에 나타내는 바와 같이, 실시형태 1의 변형예에서는, 적절 운전영역 중 캐비테이션 경계 근방에서, 제 1 제어 한계곡선이 정해진다. 제 1 제어 한계곡선은, 캐비테이션 경계를 따르도록 당해 캐비테이션 경계에 인접하는 곡선이다. 또한, 실시형태 1의 변형예에서는, 적절 운전영역 중 동작 한계곡선의 근방에서, 제 2 제어 한계곡선이 정해진다. 제 2 제어 한계곡선은, 동작 한계곡선을 따르도록 당해 동작 한계곡선에 인접하는 곡선이다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 실시형태 1의 변형예에서, 수력 발전 시스템(10)의 운전이 개시되면, 실시형태 1과 마찬가지로 유량제어가 실행되어, 수차(11)의 유량(Q)이 유량 지령값(Q*)으로 수렴된다(단계(St31)). 이어서, 유효낙차(H)가 검출되고(단계(St32)), 유효낙차(H)와 제 1 임계값(Hoptmax1)이 비교된다.
유효낙차(H)가 제 1 임계값(Hoptmax1)보다 클 경우, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있다고 판단되어, 전동밸브(21)의 개도를 작게 하는 제 1 제어가 실행된다(단계(St34)). 이어서, 다시 유효낙차(H)가 검출되고(단계(St37)), 유효낙차(H)와 제 3 임계값(Hoptmax2)이 비교된다(단계(St38)). 여기서, 제 3 임계값(Hoptmax2)은, 제 1 임계값(Hoptmax1)보다 소정의 유효낙차분 작은 소정의 임계값이다. 제 3 임계값(Hoptmax2)은, 도 14에 나타내는 제 1 제어 한계곡선과 유량 지령값(Q*)과의 교점에 대응하는 유효낙차이며, 특성 맵(M)이나, 제 1 제어 한계곡선, 유량, 및 유효낙차의 관계를 나타내는 식이나 표로 구할 수 있다. 즉, 제 3 임계값(Hoptmax2)은, 유량 지령값(Q*)에 따라 변화하는 변수이다.
유효낙차(H)가 제 3 임계값(Hoptmax2)보다 클 경우, 수차(11)의 운전점은 캐비테이션 경계와 제 1 제어 한계곡선 사이의 소정 영역(제 1 영역이라 함)에 있다고 판단할 수 있다. 이 경우, 전동밸브 제어부(60)는, 전동밸브(21)의 개도를 더 작게 한다(단계(St39)). 이러한 단계(St37 내지 St39)의 동작은, 유효낙차(H)가 제 3 임계값(Hoptmax2)보다 작아질 때까지(즉, 수차(11)의 운전점이 제 1 영역보다 안쪽으로 이동할 때까지) 계속 실행된다. 한편, 수차(11)의 운전점이 제 1 영역에 있는 동안은, 수차(11)의 유량제어는 실행되지 않는다. 이상과 같이 하여, 수차(11)의 운전점이 제 1 제어 한계곡선과 제 2 제어 한계곡선 사이까지 이동하면, 실시형태 1과 마찬가지로 발전전력／유량 협조제어가 실행된다.
또한, 단계(St35)에서, 유효낙차(H)가 제 2 임계값(Hoptmin1)보다 작을 경우, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 있다고 판단되어, 전동밸브(21)의 개도를 크게 하는 제 2 제어가 실행된다(단계(St36)). 이어서, 다시 유효낙차(H)가 검출되고(단계(St37)), 유효낙차(H)와 제 4 임계값(Hoptmin2)이 비교된다(단계(St40)). 여기서, 제 4 임계값(Hoptmin2)은, 제 2 임계값(Hoptmin1)보다 소정의 유효낙차분 큰 소정의 임계값이다. 제 4 임계값(Hoptmin2)은, 도 14에 나타내는 제 2 제어 한계곡선과 유량 지령값(Q*)과의 교점에 대응하는 유효낙차이며, 특성 맵(M)이나, 제 2 제어 한계곡선, 유량, 및 유효낙차의 관계를 나타내는 식이나 표로 구할 수 있다. 즉, 제 4 임계값(Hoptmin2)은, 유량 지령값(Q*)에 따라 변화하는 변수이다.
유효낙차(H)가 제 4 임계값(Hoptmin2)보다 작을 경우, 수차(11)의 운전점은 동작 한계곡선과 제 2 제어 한계곡선 사이의 영역(제 2 영역이라 함)에 있다고 판단할 수 있다. 이 경우, 전동밸브 제어부(60)는, 전동밸브(21)의 개도를 더 크게 한다(단계(St41)). 이러한 단계(St37, St40, St41)의 동작은, 유효낙차(H)가 제 4 임계값(Hoptmin2)보다 커질 때까지(즉, 수차(11)의 운전점이 제 2 영역보다 안쪽으로 이동할 때까지) 계속 실행된다. 한편, 수차(11)의 운전점이 제 2 영역에 있는 동안은, 수차(11)의 유량제어는 실행되지 않는다. 이상과 같이 하여, 수차(11)의 운전점이 제 1 제어 한계곡선과 제 2 제어 한계곡선 사이까지 추이하면, 실시형태와 마찬가지로, 발전전력／유량 협조제어가 실행된다.
이상과 같이, 실시형태 1의 변형예에서는, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있으면, 수차(11)의 운전점을 제 1 제어 한계곡선보다 안쪽까지 이동시키므로, 캐비테이션의 발생을 확실하게 방지할 수 있다. 이때, 수차(11)의 운전점이 제 1 영역에 있을 때는, 전동밸브(21)의 제어만을 실행하고 유량제어는 실행하지 않는다. 이로써, 유량제어에 기인하여 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버리는 것을 회피할 수 있어, 캐비테이션의 발생 위험을 신속하게 해소할 수 있다.
또한, 실시형태 1의 변형예에서는, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 이르면, 수차(11)의 운전점을 제 2 제어 한계곡선보다 안쪽까지 이동시키므로, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선에 머물러 버리는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 이때, 수차(11)의 운전점이 제 2 영역에 있을 때는, 전동밸브(21)의 제어만을 실행하고 유량제어는 실행하지 않는다. 이로써, 유량제어에 기인하여 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버리는 것을 회피할 수 있어, 수차(11)의 운전점을 신속하게 동작 한계곡선으로부터 떨어지게 할 수 있다.
≪발명의 실시형태 2≫
실시형태 2에 따른 수력 발전 시스템(10)은, 상기 실시형태 1과 제어부(발전기 컨트롤러(40))의 구성이 다르다. 또한, 실시형태 2의 전동밸브(21)는, 수차(11)의 유량(Q)을 조절하기 위한 유량 조절수단을 구성한다.
＜발전기 제어부＞
실시형태 2에서 발전기 제어부(50)는, 수차(11)의 하류측 물의 압력(p)을 목표 압력에 근접시키는 압력제어를 실행한다. 여기서, 이 목표 압력은, 예를 들어 관로(5)로부터의 물이 공급되는 공급 대상의 요구에 따라 정해진다. 발전기 컨트롤러(40)에는, 이 목표 압력에 상당하는 압력 지령값(p*)이 입력된다.
구체적으로는 도 16에 나타내는 바와 같이, 실시형태 2의 발전기 제어부(50)에는, 실시형태 1의 유량 제어기(51) 대신 압력 제어기(54)가 설치된다. 압력 제어기(54)에는, 예를 들어 제 2 압력센서(24)로 검출한 물의 압력(p) 및 목표 압력인 압력 지령값(p*)이 입력된다. 압력 제어기(54)는, 압력(p)을 압력 지령값(p*)으로 수렴시키기 위한 토크 지령값(T*)을 산출한다.
토크 제어기(52)에는, 발전기(12)의 제어 목표가 될 토크 지령값(T*)이 입력된다. 토크 제어기(52)는, 토크 지령값(T*)에 따라 전압 지령값을 산출한다.
PWM 제어기(53)는, 토크 제어기(52)에서 출력된 전압 지령값에 기초하여, AC／DC 컨버터(41)의 스위칭 소자를 PWM 제어한다. 이로써, 압력(p)이 압력 지령값(p*)으로 수렴된다.
＜전동밸브 제어부＞
전동밸브 제어부(60)는, 전동밸브(21)의 개도를 제어한다. 구체적으로 전동밸브 제어부(60)는, 수차(11)의 유량(Q)을 제 2 범위 내로 하도록 전동밸브(21)에 의해 수차(11)의 유량(Q)을 조절하는 유량 조절 제어를 실행한다. 실시형태 2에서 제 2 범위는, 적절 운전영역이 되도록 설정한다. 여기서, 유량 조절 제어는 제 3 제어 및 제 4 제어를 포함한다. 제 3 제어는, 수차(11)의 운전점을 캐비테이션 영역으로부터 적절 운전영역으로 되돌리기 위한 제어이다. 구체적으로 제 3 제어에서는, 수차(11)의 유량(Q)이 제 2 범위의 하한값(제 5 임계값(Qoptmin1))보다 작을 경우, 유량(Q)을 증대시키도록 전동밸브(21)의 개도를 크게 한다. 제 4 제어는, 수차(11)의 운전점을 동작 한계곡선 상으로부터 적절 운전영역으로 되돌리기 위한 제어이다. 구체적으로 제 4 제어에서는, 수차(11)의 유량(Q)이 제 2 범위의 상한값(제 6 임계값(Qoptmax1))보다 클 경우, 유량(Q)을 저감시키도록 전동밸브(21)의 개도를 작게 한다.
또한, 실시형태 2의 전동밸브 제어부(60)는, 발전기(12)의 발전전력이 목표 발전전력에 근접하도록 전동밸브(21)에 의해 수차(11)의 유량(Q)을 조절하는 발전전력 제어를 실행한다.
실시형태 2의 전동밸브 제어부(60)는, 실시형태 1의 낙차 연산기(62)가 낙차 판정부(63) 대신 유량 판정부(65)를 구비한다. 유량 판정부(65)는, 낙차 연산기(62)로부터 출력된 유효낙차(H) 및 유량(Q)에 기초하여, 전동밸브(21) 제어의 필요 여부를 판단하고, 이 판단 결과에 대응하는 지령값을 출력한다.
＜기본 흐름＞
도 17에 나타내는 바와 같이, 수력 발전 시스템(10)의 운전이 개시되면, 수차(11)의 하류측 물의 압력(p)을 목표 압력에 근접시키는 압력제어가 실행된다(단계(St51)). 즉, 압력제어에서는, 발전기 제어부(50)에 의해, 현재의 압력(p) 및 압력 지령값(p*)으로부터 토크 지령값(T*)이 산출된다. PWM 제어기(53)는, 토크 제어기(52)가 산출한 전압 지령값에 기초하여 AC／DC 컨버터(41)의 스위칭 소자를 제어함으로써, 수차(11)의 하류측의 압력(p)이 압력 지령값(p*)에 근접해진다.
이어서, 단계(St52)에서는 수차(11)의 유량(Q)이 검출된다. 단계(St53)에서는, 유량(Q)과 제 5 임계값(Qoptmin1)이 비교된다. 여기서, 제 5 임계값(Qoptmin1)은, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 이르렀는지 여부를 판단하기 위한 판정값이며, 제 2 범위의 하한값이다. 보다 상세하게, 제 5 임계값(Qoptmin1)은, 도 18에 나타내는 바와 같이, 캐비테이션 경계를 나타내는 곡선과, 압력 지령값(p*)에 대응하는 유효낙차(H*)와의 교점에 대응하는 유량이며, 특성 맵(M)이나, 캐비테이션 경계, 유량, 및 유효낙차의 관계를 나타내는 식이나 표로 구할 수 있다. 즉, 제 5 임계값(Qoptmin1)은, 압력 지령값(p*)에 따라 변화하는 변수이다.
단계(St53)에서, 유량(Q)이 제 5 임계값(Qoptmin1)보다 작을 경우, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있다고 판단되어 단계(St55)로 이행하여, 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도 크게 한다(제 3 제어). 즉, 제 3 제어에서는, 수차(11)의 유량(Q)이 증대된다. 단계(St53)에서, 유량(Q)이 제 5 임계값(Qoptmin1)보다 클 경우, 단계(St54)로 이행한다.
단계(St54)에서는, 유량(Q)과 제 6 임계값(Qoptmax1)이 비교된다. 여기서, 제 6 임계값(Qoptmax1)은, 수차(11)가 동작 한계곡선 상에 이르렀는지 여부를 판단하기 위한 판정값이며, 제 2 범위의 상한값이다. 여기서, 제 6 임계값(Qoptmax1)은, 도 19에 나타내는 바와 같이, 동작 한계곡선과 압력 지령값(p*)에 대응하는 유효낙차(H*)와의 교점에 대응하는 유량이며, 특성 맵(M)이나, 동작 한계곡선, 유량, 및 유효낙차의 관계를 나타내는 식이나 표로 구할 수 있다. 즉, 제 6 임계값(Qoptmax1)은, 압력 지령값(p*)에 따라 변화하는 변수이다.
단계(St54)에서, 유량(Q)이 제 6 임계값(Qoptmax1)보다 클 경우, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 이르렀다고 판단되어 단계(St56)로 이행하여, 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도 작게 한다(제 4 제어). 즉, 제 4 제어에서는, 수차(11)의 유량(Q)이 저감된다. 단계(St54)에서, 유량(Q)이 제 6 임계값(Qoptmax1)보다 작을 경우, 단계(St57)로 이행하여 발전전력／압력 협조제어가 실행된다.
여기서, 단계(St55 및 St56)에서 전동밸브(21)의 개도가 조절되는 경우에는 압력제어가 실행되지 않으며, 발전기(12)의 토크값이 제어되는 일도 없다. 즉, 단계(St51)의 압력제어는, 전동밸브(21)의 개도 조절이 종료된 후에 실행된다.
＜제 3 제어＞
제 3 제어의 상세한 내용에 대하여, 도 18을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
상술한 압력제어에 있어서, 수차(11)의 유량(Q)이 지나치게 작아져, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 이르러 버린 것으로 가정한다. 이 경우, 도 17의 단계(St52)에서 검출되는 유량(Q)은, 제 5 임계값(Qoptmin1)보다 작아진다. 이에 따라, 단계(St53)에서 단계(St54)로 이행하여 전동밸브(21)의 개도가 커진다. 이로써, 예를 들어 수차(11)의 운전점이 도 18의 a점에서 b점으로 이동한다. 그 후, 압력제어에 의해, 압력(p)이 목표 압력(p*)에 근접하도록 발전기(12)가 제어된다. 이로써, 예를 들어 수차(11)의 운전점이 도 18의 b점에서 c점으로 이동한다. 그 결과, 수차(11)의 유효낙차(H)가 목표 압력(p*)에 대응하는 유효낙차(H*)로 수렴됨과 더불어, 수차(11)의 운전점이 적절 운전영역으로 되돌아온다.
＜제 4 제어＞
제 4 제어의 상세한 내용에 대하여, 도 19를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
상술한 압력제어에 있어서, 수차(11)의 유량(Q)이 지나치게 커져, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 이르러 버린 것으로 가정한다. 예를 들어, 수차(11)의 운전점이 도 19의 d점에 있을 경우, 압력제어에 의해 수차(11)의 유효낙차(H)(압력(p))를 더 이상 저하시킬 수 없기 때문에, 목표 압력(p*)을 달성할 수 없게 된다.
이 경우, 도 17의 단계(St52)에서 검출되는 유량(Q)은, 제 6 임계값(Qoptmax1)보다 커진다. 이에 따라, 단계(St54)에서 단계(St56)로 이행하여 전동밸브(21)의 개도가 작아진다. 이로써, 예를 들어 수차(11)의 운전점이 도 18의 d점에서 e점으로 이동한다. 그 후, 압력제어에 의해, 압력(p)이 목표 압력(p*)에 근접하도록 발전기(12)가 제어된다. 이로써, 예를 들어 수차(11)의 운전점이 도 18의 e점에서 f점으로 이동한다. 그 결과, 수차(11)의 유효낙차(H)가 목표 압력(p*)에 대응하는 유효낙차(H*)로 수렴됨과 더불어, 수차(11)의 운전점이 적절 운전영역으로 되돌아온다.
＜발전전력／압력 협조제어＞
도 17에서, 유량(Q)이 제 5 임계값(Qoptmin1)과 제 6 임계값(Qoptmax1) 사이에 있어 수차(11)의 운전점이 적절 운전영역에 있다고 판단되면, 단계(St57)로 이행하여 발전전력／압력 협조제어가 실행된다. 이 발전전력／압력 협조제어에 대하여, 도 17, 도 20, 도 21을 참조하여 설명한다.
도 17에 나타내는 바와 같이, 발전전력／압력 협조제어는, 상술한 압력제어 및 MPPT 제어(발전전력 제어)를 협조하여 실행하는 제어이다. 도 20의 단계(St61)에서, 발전전력／압력 협조제어의 초기 동작인지 여부의 판정이 실행된다. 초기 동작일 경우 D(도 21의 단계(St71))로 이행한다. 단계(St71)에서는 발전전력(P) 및 압력(p)이 검출된다. 발전전력(P) 및 압력(p)의 검출 방법은 상술한 바와 같다. 이어서, 단계(St72)에서, 전동밸브(21)의 개도가 100％(전개방)일 경우, 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도 작게 하고, 그렇지 않을 경우는 전동밸브(21)의 개도를 크게 한다. 그 후, 다시 도 17의 단계(St51)로 돌아간다.
D의 동작을 거친 후에는, 단계(St61)에서 단계(St62)로 이행하여, 발전전력(P) 및 압력(p)이 검출된다.
이어서, 단계(St63 내지 St66)에서, 이번에 검출된 발전전력과 그 전회에 검출된 발전전력과의 차이(ΔP), 및 이번의 전동밸브(21) 개도와 그 전회의 전동밸브(21) 개도와의 차이(Δα)의 대소 관계에 대하여, 각각 판정이 실행된다. 여기서, 초기 MPPT 제어에서는, 도 21의 단계(St71)에서 검출된 발전전력(P) 및 압력(p)이 전회의 값이 되고, 도 20의 단계(St62)에서 검출된 발전전력(P) 및 압력(p)이 이번의 값이 된다. 그리고, 이들의 결과에 기초하여, 발전전력(P)이 증대하도록 전동밸브(21)의 개도가 조절된다.
구체적으로는, 단계(St63)에서, 1) ΔP가 0 이상이고 또, Δα가 0보다 클 경우, 또는 2) ΔP가 0보다 작고 또, Δα가 0보다 작을 경우, 전동밸브(21)의 개도를 크게 함으로써 발전전력(P)을 증대시킬 수 있다고 판단할 수 있다. 따라서, 이 경우에 전동밸브 제어부(60)는 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도(α) 크게 한다(단계(St65)).
또한, 단계(St64)에서, 3) ΔP가 0 이상이고 또, Δα가 0보다 작을 경우, 또는 4) ΔP가 0보다 작고 또, Δα가 0보다 클 경우, 전동밸브(21)의 개도를 작게 함으로써 발전전력(P)을 증대시킬 수 있다고 판단할 수 있다. 따라서, 이 경우에 전동밸브 제어부(60)는, 전동밸브(21)의 개도를 소정 개도(α) 작게 한다(단계(St66)).
이와 같이 하여 전동밸브(21)의 개도가 조절되면, 도 17의 단계(St51)로 다시 돌아가, 압력제어가 실행된다. MPPT 제어에 의해 전동밸브(21)의 개도가 조절되면, 수차(11) 하류측의 압력(p)이 변화한다. 하지만, 이 압력제어에 의해, 수차(11)의 압력(p)을 신속하게 압력 지령값(p*)으로 수렴시킬 수 있다. 그 후, 발전전력(P) 및 압력(p)이 다시 검출되고(단계(St52)), 그 후 다시 MPPT 제어가 실행되어 전동밸브(21)의 개도가 조절된다. 여기서, 단계(St65) 및 단계(St66)의 전동밸브(21)의 개도 제어에서는, 압력제어가 실행되지 않으며, 발전기(12)의 토크값이 제어되는 일도 없다. 즉, 단계(St51)의 압력제어는, 전동밸브(21)의 개도 조절이 종료된 후에 실행된다.
MPPT 제어에서는, 이러한 단계가 반복됨으로써, 발전전력(P)이 최대 발전전력으로 수렴되어 감과 더불어, 수차(11)의 압력(p)이 압력 지령값(p*)으로 수렴되어 간다.
- 실시형태 2의 효과 -
본 실시형태 2에서는, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있을 때 전동밸브(21)의 개도를 크게 하는 제 3 제어, 및 압력제어가 협조하여 실행된다. 이로써, 수차(11)의 압력(p)을 목표 압력으로 수렴시키면서, 수차(11) 근방에서의 캐비테이션 발생을 확실하게 방지할 수 있다.
제 3 제어 및 압력제어를 실행하는 시점은 서로 다르다. 이로써, 수차(11)의 운전점의 헌팅을 회피할 수 있어, 압력제어 및 제 3 제어의 수렴성을 향상시킬 수 있다.
수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 이를 때는, 전동밸브(21)의 개도를 크게 하는 제 4 제어, 및 압력제어가 협조하여 실행된다. 이로써, 수차(11)의 압력(p)을 목표 압력으로 수렴시키면서, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선에 머물러 버리는 것을 신속하게 회피할 수 있다.
제 4 제어 및 압력제어를 실행하는 시점은 서로 다르다. 이로써, 수차(11)의 운전점의 헌팅을 회피할 수 있어, 압력제어 및 제 4 제어의 수렴성을 향상시킬 수 있다.
실시형태 2에서는, 수차(11) 하류측의 물의 압력(p)을 목표 압력에 근접시키는 압력제어, 및 발전기(12)의 발전전력(P)을 목표 전력에 근접시키도록 전동밸브(21)의 개도를 조절하는 발전전력 제어를 협조하는 발전전력／압력 협조제어를 실행한다. 이로써, 수차(11) 하류측의 압력(p) 및 발전기(12)의 발전전력(P)을 원하는 목표값에 근접시킬 수 있다.
발전전력 제어에서는, 발전전력(P)을 최대 발전전력에 근접시키는 MPPT 제어를 실행한다. 이로써, 발전기(12)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
압력제어 및 MPPT 제어를 실행하는 시점은 서로 다르다. 이로써 수차(11)의 운전점의 헌팅을 회피할 수 있어, 압력제어 및 MPPT 제어의 수렴성을 향상시킬 수 있다.
＜실시형태 2의 변형예＞
실시형태 2의 변형예에서는, 상기 실시형태 1의 변형예와 마찬가지로 하여 2개의 제어 한계곡선이 설정된다.
도 22에 나타내는 바와 같이, 실시형태 2의 변형예에서는, 적절 운전영역 중 캐비테이션 경계 근방에서, 제 3 제어 한계곡선이 정해진다. 제 3 제어 한계곡선은, 캐비테이션 경계를 따르도록 당해 캐비테이션 경계에 인접하는 곡선이다. 또한, 실시형태 2의 변형예에서는, 적절 운전영역 중 동작 한계곡선의 근방에서, 제 4 제어 한계곡선이 정해진다. 제 4 제어 한계곡선은, 동작 한계곡선을 따르도록 당해 동작 한계곡선에 인접하는 곡선이다.
도 23에 나타내는 바와 같이, 실시형태 2의 변형예에서, 수력 발전 시스템(10)의 운전이 개시되면, 실시형태 2와 마찬가지로 압력제어가 실행된다(단계(St81)). 이어서, 유량(Q)이 검출되고(단계(St82)), 유량(Q)과 제 5 임계값(Qoptmin1)이 비교된다.
유량(Q)이 제 5 임계값(Qoptmin1)보다 작을 경우, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있다고 판단되어, 전동밸브(21)의 개도를 크게 하는 제 3 제어가 실행된다(단계(St84)). 이어서, 다시 유량(Q)이 검출되고(단계(St87)), 유량(Q)과 제 7 임계값(Qoptmin2)이 비교된다(단계(St88)). 여기서, 제 7 임계값(Qoptmin2)은, 제 5 임계값(Qoptmin1)보다 소정 유량분 큰 소정의 임계값이다. 제 7 임계값(Qoptmin2)은, 도 22에 나타내는 제 3 제어 한계곡선과, 압력 지령값(p*)에 대응하는 유효낙차와의 교점에 대응하는 유량이며, 특성 맵(M)이나, 제 3 제어 한계곡선, 유량, 및 유효낙차의 관계를 나타내는 식이나 표로 구할 수 있다. 즉, 제 7 임계값(Qoptmin2)은, 압력 지령값(p*)에 따라 변화하는 변수이다.
유량(Q)이 제 7 임계값(Qoptmin2)보다 작을 경우, 수차(11)의 운전점은 캐비테이션 경계와 제 3 제어 한계곡선 사이의 소정 영역(제 3 영역이라 함)에 있다고 판단할 수 있다. 이 경우, 전동밸브 제어부(60)는, 전동밸브(21)의 개도를 더 크게 한다(단계(St89)). 이러한 단계(St87 내지 St89)의 동작은, 유량(Q)이 제 7 임계값(Qoptmin2)보다 커질 때까지(즉, 수차(11)의 운전점이 제 3 영역보다 안쪽으로 이동할 때까지) 계속 실행된다. 한편, 수차(11)의 운전점이 제 3 영역에 있는 동안은, 수차(11)의 압력제어는 실행되지 않는다. 이상과 같이 하여, 수차(11)의 운전점이 제 3 제어 한계곡선과 제 4 제어 한계곡선 사이까지 이동하면, 실시형태 2와 마찬가지로 발전전력／압력 협조제어가 실행된다.
또한, 단계(St85)에서, 유량(Q)이 제 6 임계값(Qoptmax1)보다 클 경우, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 있다고 판단되어, 전동밸브(21)의 개도를 작게 하는 제 4 제어가 실행된다(단계(St86)). 이어서, 다시 유량(Q)이 검출되고(단계(St87)), 유량(Q)과 제 8 임계값(Qoptmax2)이 비교된다(단계(St90)). 여기서, 제 8 임계값(Qoptmax2)은, 제 6 임계값(Hoptmax1)보다 소정 유량분 작은 소정의 임계값이다. 제 8 임계값(Qoptmax2)은, 도 22에 나타내는 제 4 제어 한계곡선과, 압력 지령값(p*)에 대응하는 유효낙차와의 교점에 대응하는 유량이며, 특성 맵(M)이나, 제 4 제어 한계곡선, 유량, 및 유효낙차의 관계를 나타내는 식이나 표로 구할 수 있다. 즉, 제 8 임계값(Qoptmax2)은, 압력 지령값(p*)에 따라 변화하는 변수이다.
유량(Q)이 제 8 임계값(Qoptmax2)보다 클 경우, 수차(11)의 운전점은 동작 한계곡선과 제 4 제어 한계곡선 사이의 영역(제 4 영역이라 함)에 있다고 판단할 수 있다. 이 경우, 전동밸브 제어부(60)는, 전동밸브(21)의 개도를 더 작게 한다(단계(St91)). 이러한 단계(St87, St90, St91)의 동작은, 유량(Q)이 제 8 임계값(Qoptmax2)보다 작아질 때까지(즉, 수차(11)의 운전점이 제 4 영역보다 안쪽으로 이동할 때까지) 계속 실행된다. 한편, 수차(11)의 운전점이 제 4 영역에 있는 동안은, 수차(11)의 압력제어는 실행되지 않는다. 이상과 같이 하여, 수차(11)의 운전점이 제 3 제어 한계곡선과 제 4 제어 한계곡선 사이까지 추이하면, 실시형태 2와 마찬가지로 발전전력／압력 협조제어가 실행된다.
이상과 같이, 실시형태 2의 변형예에서는, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 있으면, 수차(11)의 운전점을 제 3 제어 한계곡선보다 안쪽까지 이동시키므로, 캐비테이션의 발생을 확실하게 방지할 수 있다. 이때, 수차(11)의 운전점이 제 3 영역에 있을 때는 전동밸브(21)의 제어만을 실행하고, 압력제어는 실행하지 않는다. 이로써, 압력제어에 기인하여 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버리는 것을 회피할 수 있어, 캐비테이션의 발생 위험을 신속하게 해소할 수 있다.
또한, 실시형태 2의 변형예에서는, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 이르면, 수차(11)의 운전점을 제 4 제어 한계곡선보다 안쪽까지 이동시키므로, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선에 머물러 버리는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 이때, 수차(11)의 운전점이 제 4 영역에 있을 때는, 전동밸브(21)의 제어만을 실행하고, 압력제어는 실행하지 않는다. 이로써, 압력제어에 기인하여 수차(11)의 운전점이 헌팅해 버리는 것을 회피할 수 있어, 수차(11)의 운전점을 신속하게 동작 한계곡선으로부터 떨어지게 할 수 있다.
＜그 밖의 실시형태＞
도 24에 나타내는 바와 같이, 상술한 각 실시형태의 수력 발전 시스템(10)에서, 바이패스 회로(15)를 부여할 수도 있다. 바이패스 회로(15)는, 수차(11)와 병렬이 되도록 관로(5)에 접속된다. 바이패스 회로(15)의 시작단은, 예를 들어 전동밸브(21)의 유입측에 접속된다. 바이패스 회로(15)의 종단은, 예를 들어 수차(11)의 하류측에 접속된다. 바이패스 회로(15)에는, 전동밸브인 바이패스 밸브(16)가 접속된다. 이러한 구성에서도, 수차(11)의 유량(Q)이나 수차(11)의 하류측의 압력(p)을 목표값에 근접시키는 제어가 예상된다. 이 경우, 상술한 각 실시형태의 제어를 적용할 수 있다.
상기 실시형태 1의 낙차 조절수단은 전동밸브(21)로 구성된다. 그러나, 낙차 조절수단은, 수차(11)의 유효낙차가 조절 가능하다면 어떠한 구성이라도 된다. 구체적으로는, 낙차 조절수단으로서 수차를 이용할 수도 있다. 또한, 예를 들어 저항이 상이한 복수의 유로를 형성하고, 이들 유로를 관로(5)와 전환 가능하게 연통시킴으로써, 수차(11)의 유효낙차를 조절하도록 할 수도 있다.
마찬가지로, 실시형태 2의 유량 조절수단은, 수차(11)의 유량이 조절 가능하다면 어떠한 구성이라도 된다. 구체적으로는, 유량 조절수단으로서 수차를 이용할 수도 있다. 또한, 예를 들어 저항이 상이한 복수의 유로를 형성하고, 이들 유로를 관로(5)와 전환 가능하게 연통시킴으로써, 수차(11)의 유량을 조절하도록 할 수도 있다.
상기 실시형태 1에서는, 제 1 범위를, 적절 운전영역이 되도록 설정하였으나, 적절 운전영역보다 좁은 영역이 되도록 설정할 수도 있다. 구체적으로는, 적절 운전영역 중 캐비테이션 경계 근방에서, 캐비테이션 경계를 따르도록 당해 캐비테이션 경계에 인접하게 제 1 범위의 상한값을 설정할 수도 있다. 이와 같이 설정함으로써, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 이르기 전에 제 1 제어를 실행할 수 있으므로, 보다 확실하게 캐비테이션의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 적절 운전영역 중 동작 한계곡선의 근방에서, 동작 한계곡선을 따르도록 당해 동작 한계곡선에 인접하게 제 1 범위의 하한값을 설정할 수도 있다. 이와 같이 설정함으로써, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선에 이르기 전에 제 2 제어를 실행할 수 있으므로, 보다 확실하게 동작 한계곡선에 이르는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 제 1 범위를 설정할 경우에 제 1 제어 한계곡선은, 예를 들어 제 1 범위의 상한값에 대응하는 곡선을 따르는 식의, 당해 곡선에 인접하는 곡선으로 하면 되고, 제 2 제어 한계곡선은, 예를 들어 제 1 범위의 하한값에 대응하는 곡선을 따르는 식의, 당해 곡선에 인접하는 곡선으로 하면 된다.
마찬가지로, 상기 실시형태 2에서는, 제 2 범위를, 적절 운전영역이 되도록 설정하였으나, 적절 운전영역보다 좁은 영역이 되도록 설정할 수도 있다. 구체적으로는, 적절 운전영역 중 캐비테이션 경계 근방에서, 캐비테이션 경계를 따르도록 당해 캐비테이션 경계에 인접하게 제 2 범위의 하한값을 설정할 수도 있다. 이와 같이 설정함으로써, 수차(11)의 운전점이 캐비테이션 영역에 이르기 전에 제 3 제어를 실행할 수 있으므로, 보다 확실하게 캐비테이션의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 적절 운전영역 중 동작 한계곡선의 근방에서, 동작 한계곡선을 따르도록 당해 동작 한계곡선에 인접하게 제 2 범위의 상한값을 설정할 수도 있다. 이와 같이 설정함으로써, 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선에 이르기 전에 제 4 제어를 실행할 수 있으므로, 보다 확실하게 동작 한계곡선에 이르는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 제 2 범위를 설정할 경우에 제 3 제어 한계곡선은, 예를 들어 제 2 범위의 하한값에 대응하는 곡선을 따르는 식의, 당해 곡선에 인접하는 곡선으로 하면 되고, 제 4 제어 한계곡선은, 예를 들어 제 2 범위의 상한값에 대응하는 곡선을 따르는 식의, 당해 곡선에 인접하는 곡선으로 하면 된다.
상기 실시형태 1에서, 발전전력／유량 협조제어, 및 수차(11)의 운전점을 동작 한계곡선 상으로부터 되돌리기 위한 제어 중 어느 한쪽, 또는 양쪽을 생략한 구성으로 할 수도 있다.
상기 실시형태 2에서, 발전전력／압력 협조제어, 및 수차(11)의 운전점을 동작 한계곡선 상으로부터 되돌리기 위한 제어 중 어느 한쪽, 또는 양쪽을 생략한 구성으로 할 수도 있다.
상기 실시형태 1의 발전전력／유량 협조제어에서는, 수차(11)의 유량(Q)을 목표 유량에 근접시키는 유량제어, 및 발전기(12)의 발전전력을 최대 발전전력에 근접시키는 발전전력 제어를 협조하여 실행하였다. 그러나 발전전력 제어에서는, 발전기(12)의 목표 발전전력을 반드시 최대 발전전력으로 하지 않아도 된다. 예를 들어 전력계통(8)에서, 발전전력의 억제 요구가 있을 경우에는, 발전기(12)의 발전전력을 소정값 이하로 억제할 필요가 발생할 수 있다. 이 경우에는, 예를 들어 발전기(12)의 목표 발전전력을, 이 억제 요구를 만족시키는 값으로 설정한다.
상기 실시형태 2의 발전전력／압력 협조제어에서는, 수차(11) 하류측의 압력(p)을 목표 압력에 근접시키는 압력제어, 및 발전기(12)의 발전전력을 최대 발전전력에 근접시키는 발전전력 제어를 협조하여 실행하였다. 그러나 발전전력 제어에서는, 발전기(12)의 목표 발전전력을 반드시 최대 발전전력으로 하지 않아도 된다. 예를 들어 전력계통(8)에서, 발전전력의 억제 요구가 있을 경우에는, 발전기(12)의 발전전력을 소정값 이하로 억제할 필요가 발생할 수 있다. 이 경우에는, 예를 들어 발전기(12)의 목표 발전전력을, 이 억제 요구를 만족시키는 값으로 설정한다.
상기 실시형태 1의 유량제어에서는, 발전기(12)의 토크값을 제어함으로써 수차(11)의 유량(Q)을 조절하였는데, 예를 들어 발전기(12)의 회전수를 제어함으로써 수차(11)의 유량(Q)을 조절하는 것도 가능하다.
상기 실시형태 2의 압력제어에서는, 발전기(12)의 토크값을 제어함으로써 수차(11) 하류측의 압력(p)을 조절하였는데, 예를 들어 발전기(12)의 회전수를 제어함으로써 수차(11) 하류측의 압력(p)을 조절하는 것도 가능하다.
관로(5)에 설치하는 유량계(22)를 생략하고, 도 3의 특성 맵(M)을 이용하여 수차(11)의 유량(Q)을 추정하도록 할 수도 있다. 구체적으로는, 예를 들어 발전기(12)의 토크값이나 회전수 등을 이용하여 수차(11)의 운전점을 추정함으로써, 이 운전점에 대응하는 수차(11)의 유량(Q)을 구할 수 있다.
이러한 특성 맵(M)을 이용하는 유량계 없는 구성에 있어서, 가령 수차(11)의 운전점이 동작 한계곡선 상에 이르면, 특성 맵(M)을 이용했다 하더라도 수차(11)의 운전점을 정확하게 특정시킬 수 없어, 수차(11)의 유량(Q)을 정확하게 구할 수 없다. 이에 반해 상기 실시형태에서는, 수차(11)의 운전점을 신속하게 적절 운전영역으로 되돌릴 수 있으므로, 특성 맵(M) 등을 이용하여 수차(11)의 유량(Q)을 확실하게 추정할 수 있다.
수력 발전 시스템(10)은, 관로(5)에 한정되지 않고, 개수로나, 폐수로(예를 들어 관로) 및 개수로가 혼재하는 유로에도 설치할 수 있다. 일례로, 농업용수로에 수력 발전 시스템(10)을 설치하는 것을 생각할 수 있다. 또한, 수력 발전 시스템(10)의 설치 장소는 상수도(1)에 한정되는 것도 아니다.
수차(11)에 공급하는 유체는 물에 한정되지 않는다. 예를 들어, 빌딩 등의 공기 조화 장치에 사용되는 브라인(brine)을 유체로 사용하는 것도 생각할 수 있다.
본 발명은 수력 발전 시스템으로서 유용하다.
5 : 관로(유로)
10 : 수력 발전 시스템
11 : 수차
12 : 발전기
21 : 전동밸브(낙차 조절수단, 유량 조절수단)
40 : 발전기 컨트롤러(제어부)

Claims (20)

  1. 유체가 흐르는 유로(5)에 배치되는 수차(11)와,
    상기 수차(11)에 의해 구동되는 발전기(12)와,
    상기 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 낙차 조절수단(21)과,
    상기 수차(11)의 유량이 목표 유량에 근접하도록 상기 발전기(12)를 제어하는 유량제어와, 당해 수차(11)의 유효낙차를 제1 범위 내로 하도록 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 당해 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 낙차 조절제어를 협조하여 실행하는 제어부(40)를 구비하고,
    상기 제어부(40)는, 상기 발전기(12)의 발전전력이 목표 전력에 근접하도록 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 발전전력 제어를 더 실행하고,
    상기 제어부(40)는 상기 유량제어, 상기 낙차 조절제어 및 상기 발전전력 제어를 순서대로 반복하여 실행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(40)는, 상기 수차(11)의 유효낙차가 상기 제1 범위의 상한값보다 큰 것을 나타내는 조건이 성립되면, 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유효낙차를 저감시키는, 상기 낙차 조절제어로서의 제1 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부(40)는, 상기 수차(11)의 유효낙차가 상기 제1 범위의 하한값보다 작은 것을 나타내는 조건이 성립되면, 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유효낙차를 증대시키는, 상기 낙차 조절제어로서의 제2 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부(40)는, 상기 발전전력 제어에서, 상기 발전기(12)의 발전전력이 최대 발전전력에 근접하도록 상기 낙차 조절수단(21)에 의해 상기 수차(11)의 유효낙차를 조절하는 것을 특징으로 하는 수력 발전 시스템.
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