WO2019058764A1 - 水力発電系統連系システム - Google Patents

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WO2019058764A1
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power generation
power
hydroelectric
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敏夫 富田
啓 岡藤
佐野　正浩
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株式会社日立産機システム
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a hydroelectric power generation system that recovers unused energy of water, and more particularly to a hydroelectric power generation grid connection system that interconnects generated power to a grid.
  • water power can be used for power generation. Needs to be converted into power as efficiently as possible.
  • the water turbine is selected according to the maximum amount of water obtained at the place of installation, but in small-scale hydroelectric power generation systems, fixed-wing water turbines represented by a pump reverse water turbine are generally used. That is, since there is no mechanical function corresponding to the water volume change such as a variable pitch mechanism or a guide vane, as described in Patent Document 1, for example, the power generation capacity of the generator driven by the water turbine according to the water power change. It has been proposed a method to maximize the water turbine capacity by changing the
  • Patent document 1 realizes high-efficiency hydroelectric power generation over a wide flow range and effective head range with one water turbine, but maintains high conversion efficiency with respect to a greatly changing water volume with one water turbine. There is a limit to what to do. For this reason, in consideration of changes in water volume, there may be considered an operation control method in which a plurality of water turbines are installed and the number of devices operated according to the water volume is switched by the flow rate detecting device and the host controller. Patent Document 1 does not consider whether the system is efficient by controlling.
  • the object of the present invention is directed to a grid-connected power generation system using a plurality of water turbines which reversely flow power generated by connecting to a grid, and the characteristics of individual water turbines against changes in water power available for water turbine power generation.
  • Small-scale hydropower with multiple water turbines that can control the number of units with the smallest equipment configuration that controls the water turbine power generation considered and reduces the flow rate detection device and the host controller that controls the optimum number of operations based on the detected flow rate. It is to provide a power generation system interconnection system.
  • the present invention controls generation of a permanent magnet synchronous generator and a permanent magnet synchronous generator driven by a water turbine and a water turbine installed in a water pipe by an inverter.
  • the power generation controller uses a plurality of configurations including a plurality of power generation controllers, and the DC power generated by each inverter is mutually connected
  • the reverse flow of power to the grid via the grid interconnection device The power generation control based on the characteristics of the water turbine is performed independently, and the start rotation speed and the rotation rotation speed of power generation are set to be different from those of the other water turbines, respectively. It is configured to perform the number operation.
  • an interconnected system of hydroelectric power generation system with a simple configuration, performing optimal water wheel control based on water wheel characteristics in response to changes in water power to the water wheel, and autonomously controlling the operation of multiple water wheels. can do.
  • FIG. 2 is a block diagram of a hydroelectric grid connection system configured by a plurality of water turbines in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a functional block diagram of a power generation controller in Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing power generation control characteristics of a power generation controller in Embodiment 1. It is a time chart which shows change of water power in Example 1, and autonomous number operation control of a water turbine.
  • FIG. 7 is a time chart showing autonomous number operation control of water turbines at the time of system abnormality occurrence in Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 8 is a configuration diagram of a hydroelectric power generation system interconnection system using a plurality of turbines in a second embodiment.
  • FIG. 10 is a characteristic diagram showing power generation control characteristics of a power generation controller in Embodiment 2.
  • FIG. 13 is a time chart showing autonomous number operation control at the time of water level fluctuation in the second embodiment.
  • FIG. 1 shows the configuration of a hydroelectric grid connection system in the present embodiment.
  • water of an available water amount Q 0 13 used for hydroelectric power generation flows into the upper water storage tank 9 installed at a position where the height is in the vertical direction with respect to the water turbines 101, 201, 301.
  • the water flow rate Qp14 is distributed to Q 1 , Q 2 and Q 3 by the primary water supply branch pipe 31 from the upper water storage tank 9 through the water pipe (including the water pipe, water pipe, water pipe, etc.) 1.
  • the water pipes 106, 206, and 306 supply the three water turbines 101, 201, and 301.
  • water at a water flow rate Qp14 is sent to the water wheels 101, 201, and 301, used for power generation, and drained via the secondary water branch pipe 32.
  • the water wheel 101 drives a flywheel 107 and a permanent magnet synchronous generator 102.
  • the permanent magnet type synchronous generator 102 is controlled by the power generation controller 104 by the inverter 103 to generate DC power, and the DC cable 6 supplies power to the grid-connected power conditioner 7.
  • the grid-connected power conditioner 7 is a grid-connected device that converts DC power into AC power synchronized with a commercial power source and reversely transfers power to the grid 8.
  • the target DC voltage V DC * is set to each power generation controller 104, 204, 304, and power generation control based on the water turbine characteristic 22 shown in FIG. 3 so that the DC voltage V DC of the DC cable 6 is V DC * . It is carried out.
  • V DC of the DC cable portion 6 is determined by the amount of reverse flow power generated by the grid interconnection power conditioner 7, in the case of the grid interconnection system, V DC is controlled by the grid interconnection power conditioner 7. As a result, the DC voltage value of the DC cable portion 6 becomes the DC voltage control value V DC of the grid interconnection power conditioner 7. Therefore, in the present power generation system, the power generation state occurs when the following relationship is established.
  • the water wheels 201 and 301 drive the flywheels 207 and 307 and the permanent magnet synchronous generators 202 and 302, respectively.
  • the change of the water quantity Qp by the flow rate adjustment valve 10 is the change of the water power input to the water mill.
  • control is performed so that the maximum amount of power generation can be always obtained from the water turbine by the power generation controllers 104, 204, 304 under conditions where the input energy changes and fluctuates.
  • the generated power to the inverters 103, 203, 303 is optimized so that the generated power taken from the generator by the power generation controller 104, 204, 304 based on the water turbine power curve 22 is matched to the energy input to the water turbine. Control.
  • the amount of water Q 1 , Q 2 and Q 3 to each water turbine is also different in allocation because the pressure loss of the water pipe changes depending on the power generation amount of each water turbine.
  • the power generation controllers 104, 204, and 304 perform power generation control based on their own water turbine power curves.
  • FIG. 2 is a diagram showing functional blocks of the power generation controller. Although only the power generation controller 104 is described in FIG. 2, since the power generation controllers 204 and 304 have the same configuration, the description thereof is omitted.
  • the power generation controller 104 controls an inverter 103 that converts three-phase AC power generated by the permanent magnet synchronous generator 102 into DC power that can be supplied to the grid-connected power conditioner 7.
  • the control of the inverter 103 is performed by a generator control microcomputer 50 which is a microprocessor.
  • the generator control microcomputer 50 detects the phase current of the permanent magnet synchronous generator 102 from the current sensor 58 detecting the phase current value of the permanent magnet synchronous generator 102, and the position / speed estimation calculation unit 56, a PN voltage detection unit 55 for detecting the output voltage value of the inverter 4, a generated power command generation unit 54, a voltage command calculation unit 53, a d / q conversion unit 52, and a PWM control pulse generation unit 51 ing. Since each configuration is known in general inverter control, the detailed description thereof is omitted.
  • the inverter 103 has a semiconductor switching element, converts the electric power generated by the permanent magnet type synchronous generator 102 into direct current by controlling the semiconductor switching element on / off, and controls the direct current voltage. , Convert into DC power that can be supplied to the grid-connected power conditioner 7.
  • the generator control microcomputer 50 generates a PWM control signal for turning on / off the semiconductor switching element, and controls the inverter 103.
  • FIG. 3 shows the power curve of the water turbine mounted on each power generation controller and the set rotational speeds for power generation start and power generation stop. 3, the water wheel unrestrained rotation speed at the maximum amount of water the system and N MAX. Also, for the sake of explanation, the three water turbines have the same performance and the rated output is 3 kW.
  • the power generation controller moves the operating point on the power curve 22 of the water turbine in accordance with the increase and decrease of the water power, thereby performing control to continue the power generation while maintaining the optimum operating point of the water turbine at all times.
  • the power generation start and power generation stop rotation speeds are set in the respective power generation controllers so as to obtain the optimum number of operation during parallel operation by three water turbines.
  • the power generation start rotation speed and the power generation stop rotation speed shown in FIG. 3 are set to different values so as to satisfy the conditions shown below in the power generation controllers 104, 204 and 304, respectively.
  • N 10 If the power generation capable of minimum output of the power generation stop rotational speed water turbine 101 of the water wheel 101 and P 10, obtains the power generation stop rotational speed N 10 of the water wheel 101 o'clock P 10 from hydraulic turbine power curve 22 in FIG. 3.
  • N 1 S Power generation start rotation speed of water turbine 101 This is a value that is equal to or greater than the rated rotation speed N 0 of the water turbine and less than the unrestrained rotation value of three water turbines at the time of the minimum power generation possible amount.
  • N 2 S The value of the unrestrained rotation speed of three water turbines when the power generation start rotation speed N 1 S or more of the water turbine 201 and the water power is more than the rating of one water turbine and less than the rating of two.
  • N 32 Generation stoppage speed of water turbine 301
  • n 3 If two units are used at approximately 2 kW per unit, which is 66.6% of 3 kW, two units will achieve 100% rated operation of approximately 3 kW. From hydraulic turbine power curve 22 in FIG. 3 seeking rotational speed N 32 o'clock P 32 set to the power controller 304.
  • N 3 S The power generation start rotational speed N2S or more of water turbine 3 and the water power is the rating of two or more water turbines but less than the rating of three water turbines.
  • the change in water power causes autonomous operation in the number system.
  • FIG. 4 shows the state transition of three water turbines for the change of water power in this embodiment.
  • the horizontal axis represents the elapsed time
  • the vertical axis represents the rotation speed of each water turbine, the power generation output, the total water power P IN, and the total power generation output P LOAD from the top.
  • the power controller increases the power generation of the generator. As a result, torque is applied to the water wheel, and the rotational speed decreases.
  • each water turbine moves the operating point on the water turbine power curve 22 of FIG. 3 to reduce the output and reduce the number of rotations to N 32. I will.
  • t 9 from t 8 continues the power generation operation in one water wheel with respect to the total water power 3 kW.
  • the power generation controller 204 of the water turbine 201 becomes the power generation start frequency, and thus the power generation operation of the water turbine 201 is started.
  • the three water turbines are autonomously controlled in number control according to increase and decrease of PIN , and the operation can be continued while maintaining the efficiency point of the water turbine.
  • a flow control valve of the upper reservoir at t 0 to the water wheel will open up 50% to enter the water power. Because the three water mills are unrestrained before power generation, their rotational speeds increase at the same time. Since the water power is only 50%, the unconstrained rotational speed rises above N 2 S and below N 3 S.
  • the three water turbines simultaneously increase the power generation output according to P IN , and from t 8 to t 9 P IN maintains the rated 9 kW and the power generation output P of the three water turbines P LOAD also maintains the rating.
  • the voltage value becomes the target voltage value since each power generation controller controls the voltage of the DC cable to be maintained at the target voltage until t 10 when the grid-connected power conditioner 7 resumes reverse flow. Since the reverse flow is stopped, P LOAD is zero and the power generation of each water turbine is also in a standby state of substantially zero.
  • each water turbine can not be operated continuously at N MAX , necessary measures may be taken, such as separately providing means for reducing the water power of the water turbine or consuming excess power.
  • FIG. 6 is a block diagram of a hydroelectric power generation system interconnection system using a plurality of water turbines in the present embodiment. 6, the configuration of the same function as that of FIG. 1 is denoted by the same reference numeral, and the description thereof is omitted.
  • the flow control valve 10 is not used to adjust the water level of the upper water storage tank according to the change of the available water quantity Q 0 , and the power generation control is maintained to maintain the water level only by the power generation control of the water turbine based on the water level output 15 I do. That is, in FIG. 6, the water level gauge output 15 of the water level gauge 11 of the upper water storage tank 9 is input to the three power generation controllers 104, 204 and 304, and the power generation output is limited according to the value of the water level gauge output 15. Do.
  • the water power P IN to three water turbines is demonstrated below as always constant. Strictly speaking, although the water power changes because the head changes due to the water level change of the water storage tank, the head does not change because the influence can be ignored in the explanation of this embodiment. Also, there is no output restriction between the water level above L H and between L H and L M. It is described that the output is limited to 70% when the water level is L L or more and L M or less, and the generation output is further limited to 30% when L L or less.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing power generation control characteristics of the power generation controller in the present embodiment.
  • N 0 is the power generation stop rotational speed
  • N 1 is the rotation speed at 30% power
  • N 2 is the rotational speed at 70% power
  • N 3 is the rotational speed at the rated power
  • N 4 is waterwheel unrestrained rotational speed when, P 1 is hydraulic turbine output at the time corresponding to 30% of water power
  • P 2 is water turbine output at the time corresponding to 70% of water power
  • P 0 is water turbine output at the rated power
  • 22 hydraulic turbine power curve the 23 70
  • 24 is the power curve at rotation speed N 1 or more at the time of 30% output restriction.
  • FIG. 8 is a time chart which shows the autonomous number operation control at the time of the water level fluctuation
  • the water level of the upper water storage tank 9 is L H or more and the flow rate adjustment valve 10 is closed before the start of the power generation operation.
  • the power controller increases the power generation of the generator. As a result, torque is applied to the water wheel, and the rotational speed decreases.
  • Each waterwheel 3kW next rotational speed of the rated output P 0 at t 2 is N 0, the total output P LOAD of three water wheel becomes 9 kW.
  • the water level W L decreases with the start of power generation by the water turbine with the flow rate adjustment valve 10 fully open.
  • the three power generation controllers limit the power generation output to 70%.
  • the total output P LOAD of the three water turbine power generation outputs is immediately 6.3 kW.
  • the number of revolutions of the three water turbines increases from N 0 to Na.
  • the pressure loss of the water pipe for each respective water wheel water Q P is decreased to increase. If the available amount of water Q 0 unchanged, a decrease in Q P is the direction of suppressing the lowering of the water level in the upper reservoir.
  • t 3 be continued showing a state where the drop of water level has occurred.
  • power controller three further limit the power output to 30%.
  • the total output P LOAD of the three water turbine power generation outputs is immediately 2.7 kW. Since not input water power is limited at this time, three water wheel rotation speed increases from N a to N b. As the rotational speeds of the three water turbines increase to N b , the pressure loss of the water pipe for each water turbine further increases and the water volume Q P decreases. If the available amount of water Q 0 unchanged, a decrease in Q P is further suppress direction lowering of water level in the upper reservoir.
  • the power generation controller resets the power generation amount restriction from 30% to 70%.
  • the power generation amount P LOAD increases, torque is applied to the water turbine, and the rotation speed of the water turbine returns from N b to N a .
  • the total power generation controller returns to 100% power generation state of the rated to release the restriction of the power generation amount.
  • Water level in the upper reservoir from that determined by the relationship between water availability Q 0 and waterwheel flow Q P, automatic control of water turbine flow rate corresponding to changes in water availability Q 0 by the control described above is possible. That is, even under conditions of varying water availability Q 0, it is possible continuous system interconnection operation hydraulic turbine power generation system without using a flow control valve.
  • control is performed in three stages depending on the water level in order to simplify the description, but in actual implementation, control in accordance with the resolution of the water level gauge is also possible.
  • each water turbine is independently and distributively controlled by each power generation controller, the number of water turbines is not limited to three, and can be applied from 1 to N, and the operation of the water turbine is stopped individually even during power generation operation with multiple water turbines. Yes, it is possible to handle maintenance and inspection.
  • Example As mentioned above, although an Example was described, this invention is not limited to an above-described Example, A various modified example is included.
  • the present invention is not limited to the water wheel described in the embodiment, but is applicable to a power generation system using a plurality of generators such as a windmill and a steam turbine.
  • the present invention is not necessarily limited to the one having all the configurations described. Further, part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. In addition, it is also possible to add, delete, and replace other configurations for part of the configurations of the respective embodiments.

Abstract

上位コントローラなどを設けずに、変化する水動力に対応して自律的に台数制御運転を行う複数の水車発電機で構成された水力発電系統連系システムを提供することを目的とする。　上記目的を達成するために、水道管に設置された水車と水車によって駆動される永久磁石式同期発電機と永久磁石式同期発電機をインバータによって発電制御する発電コントローラからなる構成を複数用い、各インバータで発電した直流電力を相互に接続した後、系統連系装置を介して系統へ逆潮流する水力発電系統連系システムにおいて、各々の発電コントローラが各々の水車の特性に基づく発電制御を独立して行うとともに、それぞれに発電の開始回転数及び停止回転数を他の水車とは異なるように設定することにより、水道管の水量変化に対応して自律的に台数運転を行うように構成する。

Description

水力発電系統連系システム
　本発明は、水の未利用エネルギーを回収する水力発電システムに係り、特に、発電した電力を系統へ連系する水力発電系統連系システムに関する。
　一般に、未利用の水の位置エネルギーを水車と発電機で回収する水力発電システムで系統に接続して発電した電力を系統へ逆潮流し売電する系統連系システムでは、発電に利用できる水動力をできるだけ効率よく電力へ変換する必要がある。
　一方で再生可能エネルギーとしての未利用の水は、水量が季節や時間帯等によって変化する場合が多い。この為設置する場所で得られる最大の水量に合わせて水車の選定を行うが、小規模な水力発電システムでは、ポンプ逆転水車に代表される固定翼の水車が一般的である。すなわち、可変ピッチ機構やガイドベーンなど水量変化に対応する機械的な機能がないため、例えば、特許文献１に記載のように、水動力の変化に合わせて水車によって駆動される発電機の発電能力を可変することにより水車の能力を最大に引き出す方法が提案されている。
特開２００４－３６４３５７号公報
　特許文献１は、一台の水車によって、広い流量範囲、有効落差範囲での高効率の水力発電を実現しているが、一台の水車では、大きく変化する水量に対して高い変換効率を維持することには限界がある。このため、水量の変化を考慮の上、複数の水車を設置し、流量検出装置と上位コントローラによって、水量に合わせて運転する台数を切り替える運転制御方法が考えられるが、どのように複数の水車を制御することでシステムとして効率が良いかについて特許文献１は考慮していない。
　本発明の目的は、系統に接続して発電した電力を逆潮流する複数水車による系統連系発電システムを対象とし、水車発電に利用可能な水動力の変化に対して、個々の水車の特性を考慮した水車発電制御を行うとともに、流量検出装置及び検出した流量によって最適な運転台数を制御する上位コントローラなどを削減した最小の機器構成で、台数制御運転を可能とする複数水車による小規模な水力発電系統連系システムを提供することにある。
　本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、水道管に設置された水車と水車によって駆動される永久磁石式同期発電機と永久磁石式同期発電機をインバータによって発電制御する発電コントローラからなる構成を複数用い、各インバータで発電した直流電力を相互に接続した後、系統連系装置を介して系統へ逆潮流する水力発電系統連系システムにおいて、各々の発電コントローラが各々の水車の特性に基づく発電制御を独立して行うとともに、それぞれに発電の開始回転数及び停止回転数を他の水車とは異なるように設定することにより、水道管の水量変化に対応して自律的に台数運転を行うように構成する。
　本発明によれば、簡単な構成で、水車への水動力の変化に対応し水車特性に基づく最適な水車制御を行うとともに複数水車の自律的な台数運転制御による水力発電系統連系システムを提供することができる。
実施例１における複数の水車で構成される水力発電系統連系システムの構成図である。 実施例１における発電コントローラの機能ブロック図である。 実施例１における発電コントローラの発電制御特性を示す特性図である。 実施例１における水動力の変化と水車の自律的台数運転制御を示すタイムチャートである。 実施例１における系統異常発生時の水車の自律的台数運転制御を示すタイムチャートである。 実施例２における複数水車による水力発電系統連系システムの構成図である。 実施例２における発電コントローラの発電制御特性を示す特性図である。 実施例２における水位変動時の自律的台数運転制御を示すタイムチャートである。
　以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
　図１は本実施例における水力発電系統連系システムの構成である。図１において、水車１０１，２０１，３０１に対して鉛直方向に高さのある場所に設置される上部貯水槽９に水力発電に利用する利用可能水量Ｑ０１３の水が流入している。上部貯水槽９から水道管（導水管、送水管、配水管等を含む）１を経て、水車流量Ｑｐ１４は一次側水道分岐管３１によってＱ１，Ｑ２，Ｑ３に配分され、それぞれ水車毎の水道管１０６，２０６，３０６で３台の水車１０１，２０１，３０１へ供給される。それにより、水車１０１，２０１，３０１へ水車流量Ｑｐ１４の水が送水されて発電に利用され、二次側水道分岐管３２を介して排水される。
　水車１０１はフライホイール１０７と永久磁石式同期発電機１０２を駆動する。永久磁石式同期発電機１０２はインバータ１０３で発電コントローラ１０４により発電制御されることによって直流電力を発生し直流ケーブル部６で系統連系パワーコンディショナー７へ電力を供給する。系統連系パワーコンディショナー７は直流電力を商用電源に同期した交流電力に変換して系統８へ電力を逆潮流する系統連系装置である。各発電コントローラ１０４，２０４，３０４には目標直流電圧ＶＤＣ ＊が設定されており、直流ケーブル部６の直流電圧ＶＤＣをＶＤＣ ＊とするよう図３に示す水車の特性２２に基づく発電制御を行っている。
　一方で直流ケーブル部６の電圧ＶＤＣは系統連系パワーコンディショナー７による逆潮流の電力量によって決まるため、系統連系システムの場合、ＶＤＣは系統連系パワーコンディショナー７によって制御されている。結果として直流ケーブル部６の直流電圧値は系統連系パワーコンディショナー７の直流電圧制御値ＶＤＣとなる。よって本発電システムでは下記の関係が成り立つときに発電状態となる。
ＶＤＣ ＊＞ＶＤＣ
また、水車２０１、３０１についても同様に、水車２０１、３０１はそれぞれ、フライホイール２０７、３０７と永久磁石式同期発電機２０２、３０２を駆動する。
　一般に再生可能エネルギーとしての水力利用では発電に利用する水量が季節などの条件により変化する。このため、上部貯水槽９には水位を検出する水位計１１等によって貯水槽の水位を確認し、水位が一定となるよう流量調整弁１０を用いて水車流量Ｑｐ１４が利用可能水量Ｑ０を超過して貯水槽が空にならないよう水車流量Ｑｐ１４を調整している。なお水位計の電源は水車による発電によって供給されている。
　水車１０１，２０１，３０１に対する上部貯水槽９位置の高さは変わらないため、流量調整弁１０による水量Ｑｐの変化は水車へ入力される水動力の変化となる。この為、再生可能エネルギーを用いた系統連系システムにおいては、入力されるエネルギーが変化、変動する条件下で発電コントローラ１０４、２０４、３０４により常に最大の発電量を水車から得るよう制御を行う。具体的には発電コントローラ１０４、２０４、３０４が水車パワーカーブ２２に基づいて発電機から取り出す発電電力を水車へ入力されるエネルギーに合わせて最適化するようインバータ１０３，２０３，３０３に対して発電電力を制御する。
　各水車への水量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は各水車の発電量によって前記水道管の圧力損失が変化するため配分も異なる。
　一般に水車の回転数が上がると圧力損失は増加し、水車のエネルギー変換効率が最大となる定格運転時に圧力損失は最小となる。この為、水車発電では発電制御によって圧力損失が変化する。
　発電コントローラ１０４、２０４、３０４はそれぞれ自身の水車パワーカーブに基づく発電制御を行う。
　図２は、発電コントローラの機能ブロックを示した図である。図２においては、発電コントローラ１０４についてのみ記載しているが、発電コントローラ２０４、３０４についても同様の構成であるので、その記載は省略している。図２において、発電コントローラ１０４は、永久磁石式同期発電機１０２によって発電される三相交流電力を系統連系パワーコンディショナー７へ供給可能な直流電力に変換する、インバータ１０３を制御する。このインバータ１０３の制御はマイクロプロセサである発電機制御マイコン５０により行われる。発電機制御マイコン５０は、永久磁石式同期発電機１０２の相電流値を検出する電流センサ５８から永久磁石式同期発電機１０２の相電流を検出する電流検出部５７と、位置・速度推定演算部５６と、インバータ４の出力電圧値を検出するＰＮ電圧検出部５５と、発電電力指令生成部５４と、電圧指令演算部５３と、ｄ／ｑ変換部５２と、ＰＷＭ制御パルス生成部５１を備えている。各構成は、一般的なインバータ制御で知られているので、その詳細な説明は省略する。インバータ１０３は、半導体スイッチング素子を有しており、永久磁石式同期発電機１０２によって発電される電力を、半導体スイッチング素子をオン／オフ制御することで直流に変換するとともに、その直流電圧を制御し、系統連系パワーコンディショナー７に供給可能な直流電力に変換する。発電機制御マイコン５０は、その半導体スイッチング素子をオン／オフ制御するためのＰＷＭ制御信号を生成し、インバータ１０３を制御する。
　図３に各発電コントローラに搭載している水車パワーカーブと発電開始及び発電停止の各設定回転数を示す。図３において、本システムの最大水量時の水車無拘束回転数をＮＭＡＸとする。また、説明の為、３台の水車は同じ性能とし定格出力を３ｋＷとする。
　図３において、発電コントローラが発電を開始して発電量を増加していくと、水車の動作点は無拘束の回転数から水車パワーカーブ２２上を右から左へと移動していく。
　水車への水動力が水車毎の定格発電出力Ｐ０の場合は回転数が定格発電回転数Ｎ０で１００％の発電出力３ｋＷが得られる。
　水動力が水車１台当たり２ｋＷしかない場合は、動作点はＮ０を超えて左へ移動し、回転数がＮ３２、出力がＰ３２の出力６６．６％、２ｋＷ相当となったところでバランスする。発電コントローラは水動力の増減に合わせ動作点を水車のパワーカーブ２２上を移動させることにより、常に水車の最適動作点を維持しながら発電を継続する制御を行う。
　本実施例では３台の水車による並列運転時に最適な運転台数となるようそれぞれの発電コントローラに発電開始及び発電停止回転数を設定する。
　発電コントローラ１０４、２０４、３０４にはそれぞれ図３に示す発電開始回転数と発電停止回転数をそれぞれ下記に示す条件を満たすよう異なる値で設定する。
　Ｎ１０：水車１０１の発電停止回転数
水車１０１の発電可能な最低出力をＰ１０とすると、図３の水車パワーカーブ２２からＰ１０時の水車１０１の発電停止回転数Ｎ１０を求める。
　Ｎ１Ｓ：水車１０１の発電開始回転数
本水車の定格回転数Ｎ０以上かつ最低発電可能水量時における水車３台の無拘束回転数値未満となる値とする。
　Ｎ２１：水車２０１の発電停止回転数
水車２台で運転中に１台を停止して１台運転に切り替える出力である水車２０１の発電停止出力をＰ２１とすると
Ｐ２１＝100（ｎ－１）/ｎ＝50.0％、ｎ＝2
３ｋＷの５０％となる1台当たり１．５ｋＷで２台を１台にすれば１台で３ｋＷの１００％定格運転となる。図３の水車パワーカーブ２２からＰ２１時の回転数Ｎ２１を求めて発電コントローラ２０４へ設定する。
　Ｎ２Ｓ：水車２０１の発電開始回転数
Ｎ１Ｓ以上かつ水動力が水車1台の定格以上２台の定格未満の時の水車３台の無拘束回転数の値。
　Ｎ３２：水車３０１の発電停止回転数
水車３台で運転中に１台を停止して２台運転に切り替える出力である水車３０１の発電停止出力をＰ３２とすると
Ｐ３２＝100（ｎ－１）/ｎ＝66.6％、ｎ＝3
３ｋＷの６６．６％となる1台当たり約２ｋＷで３台を２台にすれば２台で約３ｋＷの１００％定格運転となる。図３の水車パワーカーブ２２からＰ３２時の回転数Ｎ３２を求めて発電コントローラ３０４へ設定する。
　Ｎ３Ｓ：水車３号機の発電開始回転数
Ｎ２Ｓ以上でかつ水動力が水車２台の定格以上３台の定格未満の時の水車３台の無拘束回転数の値。
　上記のように各発電コントローラの発電開始及び停止回転数を設定することにより、水動力の変化によって自律的に台数運転となる。
　尚、実際の適用に当たっては、台数の制限は特になく、また、水車の出力、特性がそれぞれ異なっていても、台数切替え前後の発電出力を考慮すればよく、同様の考え方で実施が可能である。
　また、商用電源がない場合等でシステムを構成するすべての機器の電源を水車による発電電力によって供給する場合が考えられる。その場合、水車の回転のみで発電システムを完全な停止状態から起動させるブラックスタートの場合などは、水車の回転による誘起電圧のみで発電コントローラ他の制御電源を起動させる必要があり、最小水量時に水車によって駆動された永久磁石式同期発電機の誘起電圧でインバータの制御電源を起動させるのに必要な最低回転数が設定される。尚、水量が少ない条件下でブラックスタートを行う場合では、複数台の水車それぞれの無拘束回転数が不足し、制御電源の起動が出来ない可能性がある。この場合は、一台の水車以外の水道管の送水を手動止水弁で止めることにより、起動用の一台の水車の無拘束回転数を上げることが出来る。本実施例の複数の水車で構成される水力発電系統連系システムでは直流部が互いに接続されているので、送水がない水車の制御電源も同時に起動する。すべての水車の制御電源が起動した後に、前記の止水弁を開くことにより発電システムを立ち上げることが可能である。
　図４に、本実施例における水動力の変化に対する３台の水車発電の状態遷移を示す。図４において、横軸は経過時間、縦軸は上から各水車の回転数と発電出力及び合計水動力ＰＩＮと合計発電出力ＰＬＯＡＤを示す。発電開始前の状態として、上部貯水槽９は十分な水があり、流量調整弁１０が閉じられているものとする。
　時間ｔ０で、上部貯水槽の流量調整弁を開き、全開とする。３台の水車に水動力が入力され、３台とも無拘束回転数ＮＭＡＸまで回転数が上昇する。
　ｔ１で系統連系パワーコンディショナーが系統連系を開始して発電電力の逆潮流を開始すると、各発電コントローラは発電機の発電量を増加させる。これにより水車にトルクがかかり回転数が低下していく。
　ｔ２で各水車が定格出力Ｐ０の３ｋＷとなり回転数はＮ０、水車３台の合計出力が９ｋＷとなる。
　ｔ３から流量調整弁を操作してｔ４で水動力を６ｋＷまで絞っていく。
　一次側水道分岐管３１によって水車３台に等分に配水されるため、各水車はそれぞれ図３の水車パワーカーブ２２上の動作点が移動して出力を低下させるとともに回転数がＮ３２まで低下していく。
　ｔ４で３台の水車の回転数がＮ３２に到達すると、発電コントローラＣＴＬ３０４は水車３０１の発電停止回転数となるため、発電を停止して水車３０１を無拘束とする。
　ｔ４からｔ５の期間で、水車３０１が無拘束となり回転数が上昇。これにより水道管３０６の圧力損失が増加する為、水動力は運転中の２台の水車に効率よく配分される。水車３０１の発電量がゼロになるとともに運転中の２台の発電出力及び回転数が上昇する。
　ｔ５からｔ６は合計水動力が６ｋＷに対して水車２台で発電運転を継続する。
　ｔ６からｔ７ではさらに流量調整弁で流量を絞り合計水動力ＰＩＮを３ｋＷまで減少させていく。２台の水車はＰＩＮの低下に合わせて水車パワーカーブに基づき出力を絞るとともに回転数が低下していく。２台の水車の回転数がＮ２１に到達すると、水車２０１の発電コントローラ２０４は、発電を停止して水車２０１を無拘束とする。
　ｔ７からｔ８の期間で、水車２０１が無拘束となり回転数が上昇。これにより水道管２０６の圧力損失が増加する為、水動力は運転中の１台の水車に効率よく配分される。水車２０１の発電量がゼロになるとともに運転中１台の発電出力及び回転数が上昇する。水車２０１と３０１はともに無拘束なので同じ回転数まで回転数が上昇する。
　ｔ８からｔ９は合計水動力３ｋＷに対して水車１台で発電運転を継続する。
　ｔ９で再度上部貯水槽の流量調整弁を開けていくと水車への水動力ＰＩＮが上昇する。
　ｔ９からｔ１０の間は、ＰＩＮが増加して水車１０１の定格の３ｋＷを超過しても、すでに水車１０１は定格出力Ｐ０でこれ以上発電量を増加できない為、回転数がＮ０を超えて上昇していく。同時に無拘束となっている水車２０１と３０１の回転数も上昇していく。
　ｔ１０で無拘束の水車２台の回転数がＮ２Ｓに到達すると、水車２０１の発電コントローラ２０４は発電開始周波数となるので水車２０１の発電動作を開始する。
　ｔ１０からｔ１１で水車２０１の発電量が増加するとともに、水車２０１の水車回転数が低下すると水道管２０６の圧力損失も低下してＱ２が増加する。これにより他の水車の回転数は低下していく。尚、ｔ１０の時点でＰＩＮは３ｋＷを超過しているので、水車１０１と２０１の回転数は低下してもＰ２１以上となる。
　ｔ１１で水車２０１の発電量が立ち上がると、ｔ１１からｔ１２の間、２台の合計発電量ＰＬＯＡＤはＰＩＮに追従して増加していく。
　以上の動作によりＰＩＮの増減に合わせて３台の水車は自律的に台数制御運転となり、水車の効率点を維持しながら運転を継続することができる。
　次に、発電運転開始時の水動力が定格の５０％しかなく、その後定格まで増加する場合と、系統異常などにより系統連系パワーコンディショナーが逆潮流を瞬時に停止、その後再開した場合の動作について図５にて説明する。
　図５において、ｔ０で上部貯水槽の流量調整弁を５０％まで開けていき水車へ水動力を入力する。３台の水車は発電動作前の無拘束状態の為、同時に回転数が上昇していく。水動力が５０％しかないため無拘束の回転数はＮ２Ｓを超えＮ３Ｓ未満まで上昇する。
　ｔ１で系統連系パワーコンディショナーが逆潮流を開始すると、水車の回転数がＮ１Ｓ，Ｎ２Ｓを超過しているので発電コントローラ１０４と２０４は発電動作を開始する。水車３０１は回転数がＮ３Ｓに到達していないので発電コントローラ３０４は発電を開始しない。
　ｔ１からｔ２で水車１０１と２０１の発電量が増加していくとともに水車の回転数も低下していく。このとき水車３０１は発電量がなく、水車は無拘束回転数のままとなる。
　ｔ２からｔ３の間はＰＩＮが５０％の４．５ｋＷを維持しており、水車１０１と２０１はともに７５％相当となる２．２５ｋＷの発電量を維持する。
　ｔ３からｔ４で再度流量調整弁によりＰＩＮを４．５ｋＷから６．０ｋＷまで増加させると、水車１０１と２０１は同時に発電出力を増加させていき定格Ｐ０の１００％相当３ｋＷに到達し、ｔ４からｔ５の間ＰＩＮに合わせてこの状態を維持する。
　ｔ５から再び流量調整弁を操作してＰＩＮを定格の９ｋＷまで増加させていく。
　ｔ５の時点で水車１０１と２０１は定格出力となっているためこれ以上発電量を増加できない。このため発電運転中の２台の水車は定格回転数のＮ０を超えて回転数が上昇していく。同時に無拘束状態の水車３０１の回転数も上昇し、ｔ６でＮ３Ｓに到達すると発電コントローラ３０４が発電動作を開始する。
　ｔ６からｔ７で水車３０１の発電量が増加するとともに水車回転数が低下すると水道管３０６の圧力損失も低下してＱ３が増加する。これにより他の運転中の水車の回転数も低下していく。尚、ｔ７の時点でＰＩＮは６ｋＷを超過しているので、３台の水車の回転数は低下してもＰ３２以上となる。
　ｔ７からｔ８では、３台の水車はＰＩＮに合わせて同時に発電出力を増加していき、ｔ８からｔ９までＰＩＮが定格の９ｋＷを維持し、３台の水車の発電出力ＰＬＯＡＤも定格を維持する。
　ｔ９の時点で系統に異常が発生し、系統連系パワーコンディショナー７が保護動作により逆潮流を停止すると、瞬間的にＰＬＯＡＤが定格の９ｋＷから０ｋＷになる。
　水車発電運転中に系統連系パワーコンディショナー７が逆潮流を停止すると図１の直流ケーブル部６の電圧ＶＤＣが急上昇する。直流ケーブル部６に接続される発電コントローラは、それぞれ直流電圧ＶＤＣを目標電圧に維持するよう制御しているため、電圧の急上昇を阻止するよう瞬時に発電量を絞る動作を行う。これにより３台の水車はすべて無拘束となり回転数はＮＭＡＸまで上昇する。
　系統連系パワーコンディショナー７が逆潮流を再開するｔ１０までの間は、各発電コントローラがそれぞれ直流ケーブル部の電圧を目標電圧に維持するよう制御する為、電圧値は目標電圧値となるが、逆潮流が停止されているためＰＬＯＡＤはゼロとなり各水車の発電もほぼゼロの待機状態となる。
　ｔ１０で系統異常の復帰により系統連系パワーコンディショナー７が逆潮流を再開すると、ＰＩＮが定格で入力されており、直流電圧間も目標電圧に維持されているため、直ちに発電電力を回復することが可能である。
　なお、各水車がＮＭＡＸで連続運転できない場合は、当該水車の水動力を削減する又は余剰電力を消費する手段を別途設けるなど必要な対策を施せばよい。
　上記の動作により、水車発電中の系統異常発生に対応するとともに短時間で発電量の復帰動作を可能としている。
　なお、災害等で系統電源を喪失した場合は、系統連系パワーコンディショナーの自立運転機能を使用して、利用可能水量の変化に対して貯水槽の水位を保ち自立負荷へ継続して電力を供給することができる。
　以上のように、本実施例によれば、水車発電に利用可能な流量検出装置や検出した流量に基づいて最適な水車の運転台数を制御する上位コントローラを設けずに、水車への水動力の変化に対応し水車特性に基づく最適な水車制御を行うとともに複数水車の自律的な台数運転制御による水力発電系統連系システムを提供することができる。
　図６は、本実施例における複数水車による水力発電系統連系システムの構成図である。図６において、図１と同じ機能の構成は同符号を付し、その説明は省略する。
　本実施例では利用可能水量Ｑ０の変化による上部貯水槽の水位調整に流量調整弁１０を用いず、水位計１１の水位計出力１５に基づく水車の発電制御のみで水位を維持するよう発電制御を行う。すなわち、図６において、３台の発電コントローラ１０４，２０４，３０４には上部貯水槽９の水位計１１の水位計出力１５が入力されており、水位計出力１５の値により各々発電出力の制限を行う。
　以下、水位により３段階に出力制限する簡易的な制御について、図７、図８を用いて具体的な動作を説明する。
　なお、流量の調整を行わないため、３台の水車への水動力ＰＩＮは常時一定として以下説明する。厳密には、貯水槽の水位変化によって落差が変わるため水動力も変化するが、本実施例での説明上影響は無視できるため落差は不変としている。また、水位がＬＨ以上及び、ＬＨからＬＭまでの間は出力制限はなし。水位がＬＬ以上ＬＭ以下の間は７０％に出力を制限し、ＬＬ以下になると発電出力をさらに３０％に制限するとして説明する。
　図７は、本実施例における発電コントローラの発電制御特性を示す特性図である。図７において、Ｎ０は発電停止回転数、Ｎ１は３０％発電時の回転数、Ｎ２は７０％発電時の回転数、Ｎ３は定格発電時の回転数、Ｎ４　は水車無拘束時の回転数、Ｐ１は水動力３０％相当時の水車出力、Ｐ２は水動力７０％相当時の水車出力、Ｐ０は定格発電時の水車出力、２２は水車パワーカーブ、２３は７０％出力制限時の回転数Ｎ２以上でのパワーカーブ、２４は３０％出力制限時の回転数Ｎ１以上でのパワーカーブである。
　また、図８は、本実施例における水位変動時の自律的台数運転制御を示すタイムチャートである。説明上、発電運転の開始前は上部貯水槽９の水位はＬＨ以上あり、流量調整弁１０が閉じられているものとする。
　図８において、時間ｔ０で、上部貯水槽９の流量調整弁１０を開き、全開とする。３台の水車に水動力が入力され、水動力ＰＩＮが定格の９ｋＷになると３台とも無拘束回転数ＮＭＡＸまで回転数が上昇する。
　ｔ１で系統連系パワーコンディショナー７が系統連系を開始して発電電力の逆潮流を開始すると、各発電コントローラは発電機の発電量を増加させる。これにより水車にトルクがかかり回転数が低下していく。
　ｔ２で各水車は定格出力Ｐ０の３ｋＷとなり回転数はＮ０、水車３台の合計出力ＰＬＯＡＤは９ｋＷとなる。水位ＷＬは流量調整弁１０が全開状態で水車による発電が開始されるとともに低下していく。
　ｔ３で水位が貯水槽の水位レベルＬＭ以下になると、３台の発電コントローラは、発電出力を７０％に制限する。これにより３台の水車発電出力の合計出力ＰＬＯＡＤは直ちに６．３ｋＷになる。このとき水動力の入力は制限されていないので、３台の水車は回転数がＮ０からＮａに上昇する。３台の水車の回転数がＮａに上昇したことにより、各々の水車毎の水道管の圧力損失が上昇して水量ＱＰが減少する。利用可能水量Ｑ０が不変ならば、ＱＰの減少は上部貯水槽の水位の低下を抑制する方向となる。
　図８ではｔ３からｔ５の間も継続して水位の低下が発生している状態を示す。水位の低下が続きｔ５で貯水槽の水位レベルＷＬがＬＬに到達すると、３台の発電コントローラはさらに発電出力を３０％に制限する。これにより３台の水車発電出力の合計出力ＰＬＯＡＤは直ちに２．７ｋＷになる。このときも水動力の入力は制限されないので、３台の水車は回転数がＮａからＮｂに上昇する。３台の水車の回転数がＮｂに上昇したことにより、各々の水車毎の水道管の圧力損失はさらに上昇して水量ＱＰは減少する。利用可能水量Ｑ０が不変ならば、ＱＰの減少は上部貯水槽の水位の低下をさらに抑制する方向となる。
　水車流量ＱＰが現状したことにより、貯水槽の水位ＷＬの低下が抑制され、ｔ７でＬＬ以上に復帰すると、発電コントローラは発電量の制限を３０％から７０％に戻す。発電量ＰＬＯＡＤの増加に伴い、水車にトルクがかかるため水車の回転数はＮｂからＮａに戻る。
　この後、利用可能水量Ｑ０が増加して貯水槽の水位がＬＭに戻れば、全発電コントローラは発電量の制限を解除し定格の１００％発電状態に戻る。
　以上のように上部貯水槽の水位低下に合わせて各水車の発電量を制限することにより、水車回転数を意識的に上げて水車毎の水道管の圧力損失を増加させることができる。水車毎の水道管の圧力損失を増加させて水車流量を制限することにより貯水槽の水位復帰を図ることができる。
　上部貯水槽の水位は利用可能水量Ｑ０と水車流量ＱＰの関係で決まることから、上記の制御により利用可能水量Ｑ０の変化に対応した水車流量の自動制御が可能となる。すなわち、利用可能水量Ｑ０が変化する状況下においても、流量調整弁を用いることなく水車発電システムの連続した系統連系運転が可能である。
　なお、本実施例では説明の単純化の為、水位によって３段階の制御としたが、実際の実施に当たっては水位計の分解能に合わせた制御も可能である。
　また、各水車は各々の発電コントローラによって独立分散的に制御されるため、水車台数は３台に限らず１台からＮ台まで対応可能、また複数水車で発電運転中でも個別に水車の運転停止が可能であり、保守点検等の対応が可能である。
　以上、実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、本発明は、実施例で説明した水車に限らず、風車や蒸気タービンなど複数の発電機を用いた発電システムへの適用も可能である。
　また、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
１：水道管、６：直流ケーブル部、７：系統連系パワーコンディショナー、８：系統、９：上部貯水槽、１０：流量調整弁、１１：水位計、１０７，２０７，３０７：フライホイール、１３：利用可能水量Ｑ０、１４：水車流量Ｑｐ、１５：水位計出力、２２：水車パワーカーブ、３１：一次側水道分岐管、３２：二次側水道分岐管、１０１，２０１，３０１：水車、１０２，２０２，３０２：永久磁石式同期発電機、１０３，２０３，３０３：インバータ、１０４，２０４，３０４：発電コントローラ、１０６，２０６，３０６：水車毎の水道管、５０：発電機制御マイコン

Claims (10)

  1. 　水道管に設置された水車と該水車によって駆動される永久磁石式同期発電機と該永久磁石式同期発電機をインバータによって発電制御する発電コントローラからなる構成を複数用い、各インバータで発電した直流電力を相互に接続した後、系統連系装置を介して系統へ逆潮流する水力発電系統連系システムにおいて、
    　各々の前記発電コントローラが各々の水車の特性に基づく発電制御を独立して行うとともに、それぞれに発電の開始回転数及び停止回転数を他の水車とは異なるように設定することにより、水道管の水量変化に対応して自律的に台数運転を行うことを特徴とする水力発電系統連系システム。
  2. 　請求項１に記載の水力発電系統連系システムにおいて、
    　前記水道管へ発電用水を供給する上部貯水槽に水位計を設け、
    　該水位計の検出値に基づき流量調整弁によって前記水道管の流量を調整することにより、利用可能水量の変化に対して前記上部貯水槽の水位を保ち継続した発電を可能とするとともに、前記水道管の水量変化に対応して自律的に台数運転を行うことを特徴とする水力発電系統連系システム。
  3. 　請求項１に記載の水力発電系統連系システムにおいて、
    　前記水道管へ発電用水を供給する上部貯水槽に水位計を設け、
    　各々の前記発電コントローラが前記水位計の検出値に基づき最大発電出力を制限することにより、水車の回転数を上昇させ、これによる圧力損失の増加を利用して前記水道管の流量を調整することにより、利用可能水量の変化に対して前記上部貯水槽の水位を保ち継続した発電を可能とすることを特徴とする水力発電系統連系システム。
  4. 　請求項２に記載の水力発電系統連系システムにおいて、
    　前記水位計の電源は前記水車による発電によって供給されることを特徴とする水力発電系統連系システム。
  5. 　請求項３に記載の水力発電系統連系システムにおいて、
    　前記水位計の電源は前記水車による発電によって供給されることを特徴とする水力発電系統連系システム。
  6. 　請求項１に記載の水力発電系統連系システムにおいて、
    　該水力発電系統連系システムを構成するすべての機器の電源が前記水車の発電によってのみ供給されることを特徴とする水力発電系統連系システム。
  7. 　請求項２に記載の水力発電系統連系システムにおいて、
    　該水力発電系統連系システムを構成するすべての機器の電源が前記水車の発電によってのみ供給されることを特徴とする水力発電系統連系システム。
  8. 　請求項３に記載の水力発電系統連系システムにおいて、
    　該水力発電系統連系システムを構成するすべての機器の電源が前記水車の発電によってのみ供給されることを特徴とする水力発電系統連系システム。
  9. 　請求項６に記載の水力発電系統連系システムにおいて、
    　該水力発電系統連系システムの起動にあたり商用電源及び外部電源を必要とせず、水車への水動力の入力による前記永久磁石式同期発電機の誘起電圧のみで起動することを特徴とする水力発電系統連系システム。
  10. 　請求項９に記載の水力発電系統連系システムにおいて、
    　前記系統の電源を喪失した場合は、前記系統連系装置の自立運転機能を使用して、利用可能水量の変化に対して自立負荷へ継続して電力を供給することを特徴とする水力発電系統連系システム。
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