WO2019181474A1

WO2019181474A1 - 水力発電装置および発電システム

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Publication number: WO2019181474A1
Application number: PCT/JP2019/008535
Authority: WO
Inventors: 智哉川合; 近藤　博光; 水谷　政敏; 伊藤　隆志
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2019-09-26
Also published as: KR20200134245A

Abstract

水力発電装置は、水車（１）と、水車（１）の回転に制動力を与える制動装置（４）と、水車（１）の回転状態を示す状態量を監視し、状態量の変化の大きさがしきい値を超えた場合に制動装置（４）に制動力を発生させる制御装置（１００）とを備える。好ましくは、制御装置は、状態量として水車の回転速度または水車の回転トルクを監視する。このような構成とすることによって、水路に落ちた異物から発電装置を保護することが可能な水力発電装置および発電システムを、コストを抑えて提供することができる。

Description

水力発電装置および発電システム

　この発明は、水力発電装置および発電システムに関する。

　水力発電装置は流水が持つ運動エネルギーを発電に利用するシステムである。水力発電装置は、主な構成として、水の流れを受け回転する水車と、水車と連結され回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機の出力および水車を制御する制御装置とを含む。発電機から取り出す最適な電力は流速により変化するため、制御装置は、流速あるいは水車の回転速度あるいは発電機発電電圧を計測し、発電機から取り出す最適な電力を決定し、発電機の電力量と最適値が一致するように発電機を制御する。

　上流より発電機に漂着するゴミ、水草、枝、紐等は、水車に絡まり発電量の低下の要因となる。このため、水力発電では、ゴミ対策が重要である。たとえば、水車の上流にゴミを除去する装置を設置することが好ましい。

　たとえば、水車設置場所より上流の水路に異物を除去する除塵設備を設置することが考えられる。しかしながら、小型で水路に手軽に設置可能な小水力発電装置では、大掛かりな除塵設備はコストアップの要因となるので使用することは難しい。このため、小水力発電装置には、たとえばくし型のフィルタなど簡易的な除塵機を設置することが考えられる。

　このような簡易的な除塵機を設置した場合、多少のゴミや水草が水車に流れ込む場合がある。水車に流れ着いたゴミは、そのまま素通りするものもあれば、水車の水車翼（羽根）に引っかかるものもある。水車翼に引っかかったゴミは、水車翼の回転による水圧や遠心力、水流による水圧によって、水車翼に押し付けられた状態となり外れなくなる。水車に付着したゴミや水草が増えると発電力の低下を引き起こす。したがって、簡易的な除塵機は完全なゴミ対策とはならず、水車に付着したゴミの定期的な除去作業が必要となる。

　特開２０１７－０８９６１２号公報（特許文献１）には、このような小電力水力発電装置のゴミ対策についての技術が開示されている。

特開２０１７－０８９６１２号公報特許第６１６８２６９号

　流水が持つ運動エネルギーを発電に利用する小水力発電装置において、水路には様々なものが流れてくる。流木など大きなゴミが流れてきた場合、回転翼に当たって回転翼や機械体が破損する可能性がある。

　従来、それらを防ぐ方法として、水力発電装置の上流側にスクリーンなどを置くことがあるが、スクリーンは高価であり、また、スクリーンと水力発電装置の間に大きなゴミが落ちた場合には、防ぐことができない。他の方法として、光電センサ、レーザ等により、異物検出を行なう方法はあるが、別電源が必要であり、機器費用等のコストが嵩むという問題があった。

　本発明の主たる目的は、小水力発電装置の制御回路を組み替えることにより、異物から発電装置を保護することが可能な水力発電装置および発電システムを、コストを抑えて提供することである。

　また、特開２０１７－０８９６１２号公報（特許文献１）に開示された水力発電装置には、水車の翼に付着したゴミを取り除くために除塵用電磁ブレーキが設置されており、定期的にその電磁ブレーキで翼の停止と回転とを繰り返す除塵ブレーキ制御を行っている。

　このような水力発電装置を商用電源と系統連係することも検討されている。このような水力発電装置を商用電源と系統連係する場合、水車を系統連係インバータ（日本では「パワーコンディショナ」と呼ばれることがある）に接続して発電した電力を系統に逆潮流させる。系統連係インバータに水車を１台接続して発電した電力を逆潮流させる場合、定期的に除塵制御で発電機の回転を止めると、回転を止めた時に系統連係インバータの入力電圧が低下する。

　系統連係インバータは、入力電力がある値よりも低下すると待機状態に移行するように設計されているため、除塵ブレーキを作動させると系統連係インバータが待機状態になる場合がある。系統連係インバータが一旦待機状態に移行すると、除塵制御が終了して入力電圧が回復しても系統に再接続するまでにしばらく時間を要するため、その間逆潮流をさせることができなくなり売電収入が減少する。また、それを定期的に繰り返すことは系統に悪影響を与える可能性がある。

　本発明の他の目的は、系統連係を中断せずにゴミ等の除去を行なうことができる水力発電装置を提供することである。

　本開示に係る水力発電装置は、水車と、水車の回転に制動力を与える制動力発生部と、水車の回転状態を示す状態量を監視し、状態量の変化の大きさがしきい値を超えた場合に制動力発生部に制動力を発生させる制御装置とを備える。

　好ましくは、制御装置は、状態量として水車の回転速度を監視する。
　好ましくは、制御装置は、状態量として水車の回転トルクを監視する。

　好ましくは、制御装置は、状態量として水車の回転速度および回転トルクを監視し、回転速度の変化の大きさが第１のしきい値を超え、かつ回転トルクの変化の大きさが第２のしきい値を超えた場合に、制動力発生部に制動力を発生させる。

　本開示は、他の局面では、水力発電装置に関する。水力発電装置は、水車の回転によって発電する発電機と、発電機が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、中間ノードに出力するＡＣ／ＤＣ変換器と、中間ノードの直流電圧を交流電圧に変換し、電力系統に逆潮流させる系統連係機器と、中間ノードの直流電圧の変動を系統連係機器が逆潮流を維持可能な範囲に抑制する電圧維持装置とをさらに備える。制御装置は、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御することによって、水車の回転速度を変動させるかまたは水車の回転を停止させる除塵運転を実行する。制御装置は、電圧維持装置の電圧変動抑制能力に応じて定められた期間だけ除塵運転を実行する。

　好ましくは、電圧維持装置は、コンデンサまたは二次電池である。電圧変動抑制能力は、コンデンサまたは二次電池の容量によって定まる能力である。

　好ましくは、系統連係機器は、系統連係インバータである。
　好ましくは、電圧維持装置は、蓄電装置と、中間ノードと蓄電装置とを接続するスイッチとを含む。制御装置は、スイッチを閉状態としているときに、蓄電装置の充電状態がしきい値を超えるとスイッチを開状態にして待機状態に移行し、待機状態にあるときに、制動力を増減させる条件が成立すると、スイッチを閉状態に変更した後に除塵運転を実行する。

　好ましくは、上記いずれかの水力発電装置において、水車は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する。

　好ましくは、上記いずれかの水力発電装置において、水車は、垂直軸型の回転翼を有する。

　この開示は、さらに他の局面では、上記のいずれかに記載の水力発電装置を用いて、流水が持つ運動エネルギーを電力に変換する海流発電または潮力発電を行なう発電システムに関する。

　本発明によれば、コストを大幅に増加させることなく、異物から発電装置を保護することが可能な水力発電装置が実現できる。

　本発明の他の局面によれば、ゴミ等の除去を行なう場合に、水力発電装置の系統連係を中断せずに済み、売電量の減少を防ぐことができる。

実施の形態１の水力発電装置の概略形状を示す正面図である。実施の形態１の水力発電装置の概略形状を示す側面図である。実施の形態１に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１の変形例に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。実際の水路で、発電機の電気負荷（発電トルク）を一定とした条件で、発電量の経時変化を記録した波形図である。トルクメータの配置例を示す図である。制動装置が無い第１比較例における翼回転速度と時間の関係を示すグラフである。光電センサを用いて異物を検出しブレーキをかける第２比較例の、異物検出から停止までの翼回転速度と時間の関係を示すグラフである。実施の形態１の水力発電装置による翼回転速度と時間との関係を示すグラフである。制御装置が実行する異常判定および制動処理を説明するためのフローチャートである。実施の形態１の水力発電装置の試験結果例を示す図である。制動装置が無い比較例における、回転トルクと時間の関係を示すグラフである。実施の形態１の水力発電装置の回転トルクと時間の関係を示すグラフである。実施の形態１の変形例に係る水力発電装置の概略形状を示す正面図である。実施の形態２の水力発電装置の概略構成を示すブロック図である。除塵ブレーキの動作を説明するための波形図である。除塵ブレーキと水車とを追加して示した水力発電装置の構成を示す図である。図１７の構成において水車に付着したゴミを除去する制御を説明するためのフローチャートである。電圧維持装置としてコンデンサを採用した構成を示す図である。コンデンサの効果を説明するための波形図である。電圧維持装置として蓄電装置を採用した変形例の構成を示す図である。図２１に示す変形例の除塵運転時のスイッチの制御を説明するためのフローチャートである。図２１に示す変形例の非除塵運転時のスイッチの制御を説明するためのフローチャートである。水平軸型のプロペラ式回転翼を有する水力発電装置を示す図である。垂直軸型の回転翼を有する水力発電装置を示す図である。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

　［実施の形態１］
　図１は、実施の形態１の水力発電装置の概略形状を示す正面図である。図２は、実施の形態１の水力発電装置の概略形状を示す側面図である。

　図１、図２を参照して、水力発電装置は、水車１と、ギヤボックス２と、発電機３とを含む。水車１は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有し、水流により回転する。発電機３はギヤボックス２を介して、水車と連結されている。水車１が回転すると発電機３の回転軸も回転する。

　回転翼の回転速度は、最大発電となるように制御装置１００によって制御される。回転翼を停止するための制動力を発生させる制動装置４としては、機械式ブレーキや流体式ブレーキ、電機式ブレーキなどが適用できる。制御装置１００が回転速度や回転トルクを検出し、制動装置４にブレーキ信号を与える。

　図３は、実施の形態１に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。図３に示した水力発電装置では、電気ブレーキによる制御方法で、電気負荷により発電機がブレーキとして働く。

　図３を参照して、実施の形態１に係る水力発電装置は、水車１と、発電機３と、回転速度検出器６と、制御装置１００とを含む。

　水車１は、流水の力で回転する。水車１には発電機３が連結されている。発電機３は、水車１の回転に伴い発電を行なうとともに、制動装置４としても動作する。発電機３は３相同期発電機であり、その出力は３相交流で出力される。発電機３の３相交流出力は、整流回路９によって直流に変換される。この直流電圧出力には、リレー５を経由して抵抗負荷１１が接続されている。リレー５がオフしていれば、直流出力は後段のＤＣ／ＡＣコンバータ１０にそのまま出力される。一方、リレー５がオンすると、整流出力は抵抗負荷１１経由で正負極ラインが接続され、抵抗負荷１１で電力が消費される。抵抗負荷１１の抵抗値が十分に小さければ、大きな電力が消費され、発電機３における制動力を増加させることとなる。

　図４は、実施の形態１の変形例に係る水力発電装置の構成を示すブロック図である。図４に示したのは、制動装置４を発電機３とは別に設けたものである。この制動装置４は、たとえば、励磁ブレーキであり、図示しないバッテリによって制動力が発生する。

　図４のようにＣＰＵ７Ｂから制動装置４（たとえば、励磁ブレーキのように電磁石の力でブレーキシューを回転部分に押し付ける機械式ブレーキ）に直接指令を出すことで、より早い制御が可能となる。

　実施の形態１の小水力発電装置は、水車１の回転翼や発電機３の回転速度または回転トルクを常時計測している。回転翼に人や大きなゴミが当たった場合、回転速度が急激に低下するか、回転トルクも急激に変化したのを検知し、異常を判定することができる。以下、詳細に説明する。

　図５は実際の水路で、発電機の電気負荷（発電トルク）を一定とした条件で、発電量の経時変化を記録した波形図である。図５を見ると、線Ａ～Ｄで示した４台の発電機において、発電量は比較的変動していることがわかる。一方では、この発電量（Ｗ）は流速（v）と、次の関係式が成立する。

　Ｗ＝１／２・ρ・Ａ・ｖ^３　　（ただし、ρ：密度、Ａ：断面積）
　この式を用いて、たとえば線Ｂに示す水車の発電量（MIN－MAX：２５０～３２０W）から、平均発電量は、２８５Ｗとなり、変動幅として±１２％が得られ、流速の変動幅は±４．２％であることがわかった。また、この傾向は、同一水路の他の場所に入れた水車Ａ，Ｃ，Ｄでも同様であった。即ち、この水路では、平均流速に対して凡そ±４％の変動が常時発生しており、水車の発電トルクを制御する制御装置を使用することで、リアルタイムで最大電力を取り出すことが可能である。

　一方、この事実は、異常判定の判定値は単純には決められないということを意味している。異常判断の閾値は、水路毎に異なることから、たとえば「回転速度」をパラメータとして、任意の回転速度を下回った場合に“停止させる”という手法では、正しい判定はできない。

　このような場合、制御装置１００からの情報を利用することによって、的確に異常判定できる。上記例では、流速の変動幅が５％を超えると異常の可能性が推定され、更に乖離する方向に振れれば、異常発生と判定することができる。

　尚、回転速度の計測方法としては、発電機電圧の周波数や電圧値、回転軸等に取り付けたエンコーダなどの回転検出装置が適用できる。回転トルクの計測方法としては、発電機３の電流値や図６に示した位置に設けたトルクメータ３Ａが適用できる。回転翼を停止する制動装置４としては、機械式ブレーキや流体式ブレーキ、電機式ブレーキなどが適用できる。

　図７は、制動装置が無い第１比較例における翼回転速度と時間の関係を示すグラフである。回転翼に大きなゴミが当たった瞬間（ｔ１）、回転速度は急激に低下する。その後、水流の駆動力によって回転翼は回転し、大きなゴミに何度もぶつかり（ｔ２、ｔ３、ｔ４）、回転翼に大きなダメージを与える。

　図８は、光電センサを用いて異物を検出しブレーキをかける第２比較例の、異物検出から停止までの翼回転速度と時間との関係を示すグラフである。回転翼に人や大きなゴミが当たり（ｔ１）、回転速度が閾値となった時（ｔ１’）、ブレーキが作動し回転を停止する（ｔ２’）。しかしながら、この場合停止時間は、任意の時間（ｔ２’－ｔ１）を設定するしか無く、最適とは言えない。

　フィードバック制御を行っている訳では無いため、上記例でいえば、流速の変動幅が５％を超えた段階では、停止させる訳にはいかない。これは、実際には異物が無い場合も有り、これまでの異物検出となった実測値の平均値（任意の時間）を採っていた。この内容を図と対比すれば、図８，図９に於いて、時間ｔ１の右側にｔ１’（上記例で言えば、流速の変動幅が５％（第１の閾値）を超えた時刻）が各々に存在し、図８では、ｔ２’－ｔ１’（＝実測値の平均値）が停止時間となる。一方、図９では、閾値（上記例では、５％，図５に示した例では、６％）となった時（時刻ｔ１’）、制御時間を更に細分化することによって、第２の閾値を検出し、時刻ｔ２”に、水車を停止することができる。停止時間はｔ２”－ｔ１’となる。なお、後に説明する図１３についても、図９と同様である。

　図９は、実施の形態１の水力発電装置による翼回転速度と時間の関係を示すグラフである。回転翼に人や大きなゴミが当たり（ｔ１）、回転速度が閾値となった時（ｔ１’）、ブレーキが作動し回転を停止する（ｔ２”）。この場合停止時間は、（ｔ２”－ｔ１’）である。以下に説明する判定基準によって、信頼性高く、より検出を早くし、より早く停止することができる。その結果、大きなゴミによる回転翼のダメージも軽減することができる。

　たとえば、エンコーダにより検出された回転速度から最大電力が得られる発電トルクを発電機に負荷することが制御装置の役割の一つである。制御装置は、流速が変動するため細かな制御（短い時間単位での制御）を行っている。

　水車を設置する水路にて、各回転速度で最大発電が得られる発電トルク（＝電気負荷を変えて見つける）を予め測定し、回転速度に対する発電トルクをプロットした線図（これを、パワーカーブと呼ぶ）を作成しておく。

　発電機３は、発電を常時行なっているが、用水は流速を持っているため、その発電量は流速によって変動する。この時、制御装置は回転速度と発電トルクで示される制御点を上述のパワーカーブに合わせ込もうと、短い時間単位で制御を行なっている。たとえば、流速低下によって回転速度が下がれば発電トルクを下げる制御を行ないながら、制御点がパワーカーブ上に在るか照合し、適切に制御していることを確認する。万一、パワーカーブ上に制御点が到達していなければ、制御装置は更に発電トルクを下げる。これを、制御装置は１秒以下で繰返し、いわゆるフィードバック制御により、発電状態を把握している。

　実施の形態１では、流速が上がれば負荷を上げ、流速が下がれば同様に負荷を下げる制御を行なう中で、その水路が持つ変動幅（予め取得している閾値）を超えて下がった時、ブレーキを作動させる構成を付加することにより達成される。

　図５に示した測定例で言えば、平均流速に対し凡そ±４％の変動が発生していることから、－６％となった時に測定時間（＝制御時間）を更に細分化し、－８％（変動幅の２倍）を検出したら、ブレーキを作動させることにより水車１を瞬時に停止することができる。尚、上記の例は一態様であり、これに限定されるものでは無い。

　図１０は、制御装置が実行する異常判定および制動処理を説明するためのフローチャートである。図１０を参照して、まずステップＳ１において制御装置１００は、水車の回転速度を取得する。続いて、ステップＳ２において制御装置１００は、水車の回転速度の変化量が閾値よりも小さいか否かを判断する。具体的には、制御装置１００は、水車の回転速度と予め測定していた平均値との差の大きさが閾値よりも小であるか否かを判断する。

　回転速度の変化量が閾値よりも小である場合（Ｓ２でＹＥＳ）、ステップＳ３において制御装置１００は予め定められたパワーカーブを参照して、回転速度と発電トルクとを制御する。そして制御装置１００は、ステップＳ４において制御周期Δｔが経過するまでその条件で発電を実行し、再びステップＳ１から処理を実行する。

　一方、回転速度の変化量が閾値より小でない場合（Ｓ２でＮＯ）、異物等が水車に衝突した可能性があると判断し、制御装置１００は、ステップＳ５において制動装置４を作動させ、水車の回転を停止し、ステップＳ６において発電を停止する。

　このように制御を行なうことによって、羽根に人や大きなゴミが当たった瞬間に回転速度は急激に低下する時を検出し直ちに停止させる処理を実行させるため、危険を回避し安全を確保できる。

　なお、図１０においては、ステップＳ２において回転速度の変化量がしきい値よりも小さいか否かを判断したが、回転速度の変化量に代えて回転トルクの変化量または発電量の変化量がそれに対応するしきい値よりも小さいか否かを判断しても良い。また回転速度の変化量と回転トルクの変化量または発電量の変化量とを組み合わせて判定に用いても良い。

　図１１は、実施の形態１の水力発電装置の試験結果例を示す図である。図１１では、発電装置（発電機容量１．５ｋＷ）を用いて、流速１．２ｍ／ｓの水路でのトルク挙動を評価した。－０．５（ｓ）～０（ｓ）における発電時は、水流からの翼駆動力と発電トルクが釣り合った状態である（この時のトルクを正とする）。発電機が回転している状態から、０（ｓ）において翼を停止させると、発電機の慣性力（回転とは反対方向の力）が働く。その後、慣性力がなくなると回転軸の弾性力によってトルクは０となる。

　図１２は、制動装置が無い比較例における、回転トルクと時間の関係を示すグラフである。図１２において、回転翼に人や大きなゴミが当たった瞬間（ｔ１）、回転トルクは急激に低下する。その後、水流の駆動力によって回転翼は回転し、人や大きなゴミに何度もぶつかり（ｔ２、ｔ３、ｔ４）、人や回転翼に大きなダメージを与える。

　図１３は、実施の形態１の水力発電装置の回転トルクと時間の関係を示すグラフである。図１３において、回転翼に人や大きなゴミが当たり（ｔ１）、回転トルクが閾値となった時（ｔ１’）、ブレーキが作動し回転を停止する（ｔ２’）。

　最後に、今一度、図５について説明する。図５に示すのは水力発電装置の実証試験を行った際の翼回転速度と時間の関係である。水路の流速は一定でなく、常に脈動していることがわかった。また、流速の変動量は水路毎に異なることもわかっている。

　そこで、以下の条件や閾値でブレーキを作動させる。閾値は、流速や翼径、水路によって変える。

　即ち、水力発電装置を設置する水路毎に予め流速変動を測定しておけば、閾値は設定可能となる。閾値は、以下の（１）、（２）の場合について設定する。
（１）平均回転速度に対して、ある一定割合以上回転速度が変化した場合
（２）平均回転トルクに対して、ある一定割合以上回転トルクが変化した場合
　閾値については、水車が設置される水路毎に事前に調査を行ない設定する。なお、ブレーキを開放する方法としては、人が安全を確認してから手動で行なう場合と、ある一定時間経過したとき自動で行なう場合が挙げられる。

　以上、説明した水車停止方法は、小水力発電装置に装備される制御装置を組み替えることで可能であり、コストを抑えて目的を達成するとともに、追加の付帯設備も不要である。実施の形態１の水力発電装置では、通常時には適切な発電を実行しつつ、回転翼に人や流木などの大きなゴミが当たったことを検出し、回転翼を停止することができるので、水車の破損を軽減することができる。

　［実施の形態１の変形例］
　以上説明した実施の形態１では、図１および図２に示した水平軸型のプロペラ式回転翼を有する水車によって流水を受けて発電を行なう発電装置を例に挙げて説明した。実施の形態１の変形例では、垂直軸型の回転翼を有する水車によって流水を受けて発電を行なう発電装置にも適用が可能であることを説明する。

　図１４は、実施の形態１の変形例に係る水力発電装置の概略形状を示す正面図である。図１４を参照して、実施の形態４に係る水力発電装置は、水車１Ａと、発電機３とを含む。水車１Ａは、垂直軸型の回転翼を有し、水流により回転する。発電機３は水車１Ａの回転軸と連結されている。水車１Ａが回転すると発電機３の回転軸も回転する。

　図３、図４、図１０に示した制御装置およびフローチャートについては、図１４に示した水車１Ａについても同様に組み合わせて用いることができる。図３、図４、図１０に示した制御装置およびフローチャートについては、すでに説明したので、ここでは説明を繰り返さない。

　垂直軸型の水車１Ａは、図１４に示すように、直線翼式であり翼の上下の先端を回転軸に向けて曲げた構成を例示したが、とくにこれに限定されるものではない。たとえば、ダリウス式、ジャイロミル式、サボニウス式、クロスフロー式、パドル式、Ｓ型ロータ式等の他の形式であっても良い。

　実施の形態１の変形例に係る水力発電装置でも、発電機３や制動装置によって水車１Ａの回転を停止させることができる。

　好ましくは、流水が持つ運動エネルギーを電力に変換する海流発電または潮力発電または波力発電を行なう発電システムに、実施の形態１の水力発電装置を用いることによって、異物とぶつかった時の衝撃を軽減させ水力発電装置の損傷を軽減させることが可能となる。

　［実施の形態２］
　図１５は、実施の形態２の水力発電装置の概略構成を示すブロック図である。図１５を参照して、水力発電装置１１００は、水車に接続された発電機１００３と、発電機１００３が発電した交流電力を直流電力に変換して中間ノードＮＭに出力するＡＣ／ＤＣ変換器１００４と、中間ノードＮＭの電圧を維持する電圧維持装置１００５と、中間ノードＮＭと系統１０１１との間に接続された系統連係インバータ１０１０とを含む。電圧維持装置１００５としては、二次電池（バッテリー）またはコンデンサを使用することができるが、他の電圧を維持できる装置、たとえば発電装置などであっても良い。

　図１６は除塵ブレーキの動作を説明するための波形図である。除塵ブレーキは、水車に設置した電磁ブレーキを実行時間Ｔの間ＯＮ／ＯＦＦを繰り返して水車の回転を減速または停止する操作を行なう。このような電磁ブレーキをＯＮ／ＯＦＦさせる期間を何回か繰り返すことによって、水車の翼に引っかかったゴミ等が翼から外れて下流に流される。

　図１７は、除塵ブレーキと水車とを追加して示した水力発電装置の構成を示す図である。図１７を参照して、実施の形態２に係る水力発電装置１１００は、水車１００１と、発電機１００３と、回転速度検出器１００６と、除塵ブレーキ１０１２と、ＣＰＵ１００７と、ＡＣ／ＤＣ変換器１００４と、電圧維持装置１００５と、系統連係インバータ１０１０とを含む。

　水車１００１は、流水の力で回転する。水車１００１には発電機１００３が連結されている。発電機１００３は、水車１００１の回転に伴い発電を行なう。発電機１００３は三相同期発電機であり、その出力は三相交流で出力される。発電機１００３の三相交流出力は、ＡＣ／ＤＣ変換器１００４によって直流に変換される。

　なお、ここでは具体例として発電機１００３が三相同期発電機である場合について説明するが、発電機１００３の型式を限定するものではない。発電機１００３として、三相誘導発電機や直流発電機など、任意の型式の発電機を、発電機の型式に対応した制御装置と組合せて使用することができる。

　除塵ブレーキ１０１２としては、運動エネルギーを摩擦により熱に変換する機械式ブレーキを使用することができる。たとえば、除塵ブレーキ１０１２として電磁ブレーキやディスクブレーキを使用することができる。

　なお、実施の形態２では、除塵ブレーキ１０１２で発生させる制動力を増減させることによって、水車１００１の回転速度を増減または回転を停止させるが、発電機１００３の負荷を増減させて水車１００１の回転速度を増減させても良い。

　図１８は、図１７の構成において水車に付着したゴミを除去する制御を説明するためのフローチャートである。図１７、図１８を参照して、ステップＳ１０１において、ＣＰＵ１００７は、除塵運転条件が成立したか否かを判断する。

　除塵運転条件は、水車１００１にゴミが付着した可能性が高まった場合に成立する。たとえば、以下の条件（１）～（４）のいずれか１つが成立した場合に、ＣＰＵ１００７は、除塵運転条件が成立したと判断する。なお、条件（１）～（４）のうち、２つまたはそれ以上を組み合わせた条件が成立した場合に、ＣＰＵ１００７は、除塵運転条件が成立したと判断しても良い。

　条件（１）：水力発電装置の発電量がしきい値よりも低下したこと。条件（２）：回転速度検出器１００６が検出した水車１００１の回転速度が低下して、しきい値を下回ったこと。条件（３）：水力発電装置の発電電圧がしきい値よりも低下したこと。条件（４）：前回の除塵運転条件成立時（または解除時）から所定の時間が経過したこと。

　ステップＳ１０１において、除塵運転条件が成立しないと判断された場合（Ｓ１０１でＮＯ）、ＣＰＵ１００７は、ステップＳ１０９に処理を進める。この場合、制御は水力発電装置１１００の発電制御のメインルーチンに戻される。

　一方、ステップＳ１０１において、除塵運転条件が成立したと判断された場合（Ｓ１０１でＹＥＳ）、ＣＰＵ１００７は、ステップＳ１０２～Ｓ１０８に示される除塵運転を実行する。

　実施の形態２では、ＣＰＵ１００７は、除塵運転として除塵ブレーキ１０１２の制動力を増減させる。たとえば、ＣＰＵ１００７は、回転速度検出器１００６によって発電機１００３の回転速度の低下を検出した時、制動力が最大値とゼロとを繰り返すように除塵ブレーキ１０１２への指令信号を出力することによって、水車１００１の回転速度が増減を繰り返すようにする。

　具体的には、ステップＳ１０２において、ＣＰＵ１００７は、内蔵するカウンタをクリアする。このカウンタは、繰返しの回数を計測するためのカウンタである。続いて、ステップＳ１０３において、ＣＰＵ１００７は、除塵ブレーキ１０１２が制動力を発生するように指令信号ＳＢを設定する（ブレーキＯＮ）。その後ステップＳ１０４において、ＣＰＵ１００７はブレーキＯＮ状態において設定時間（たとえば１～１０秒）待つ。

　次に、ステップＳ１０５において、ＣＰＵ１００７は、除塵ブレーキ１０１２が制動力を発生させないように指令信号ＳＢを設定する（ブレーキＯＦＦ）。その後ステップＳ１０６において、ＣＰＵ１００７はブレーキＯＦＦ状態において設定時間（たとえば１～１０秒）待つ。

　続いてＣＰＵ１００７は、ステップＳ１０７においてカウンタをインクリメントし、ステップＳ１０８において、カウンタのカウント値が上限値（増減繰返しの設定回数）に達したか否かを判断する。ステップＳ１０８において、カウント値がまだ上限値に達していなければ、ＣＰＵ１００７は処理をステップＳ１０３に戻し、再びブレーキをＯＮさせる。

　一方、ステップＳ１０８において、カウント値が上限値に達した場合には、ステップＳ１０９に処理が進められ、１回あたりの除塵運転が終了する。

　実施の形態２では、水力発電装置の水車１００１と連結した発電機１００３に除塵ブレーキ１０１２を設置し、除塵ブレーキ１０１２のオンとオフを繰り返す。これによって、発電機１００３の回転速度を変化させ、発電機１００３に連結した水車１００１の回転速度を変化させる。加速時に力を加えた後、減速時に水車１００１に付着した異物を浮き上がらせ、水流の力で下流に流すことにより、異物を取り除くことができる。したがって、異物が原因で低下した発電量を回復する効果がある。

　図１９は、電圧維持装置としてコンデンサを採用した構成を示す図である。図２０は、コンデンサの効果を説明するための波形図である。図２０には、上から除塵ブレーキのＯＮ／ＯＦＦ波形、発電機１００３の発電電圧、系統連係インバータ１０１０の入力電圧ＶＩＮＣ（コンデンサ１００５Ａ無しの場合）、系統連係インバータ１０１０の入力電圧ＶＩＮＣ（コンデンサ１００５Ａありの場合）の各波形が示されている。

　コンデンサ１００５Ａは発電機１００３が発電した電力で充電される。コンデンサ１００５Ａの容量は、除塵ブレーキがＯＮして発電機１００３の発電電圧が低下している期間、系統連係インバータ１０１０の入力電圧ＶＩＮＣをしきい値Ｖｔｈ以上に維持することができる容量に設定する。逆を言えば、図１７のＣＰＵ１００７は、コンデンサ１００５Ａの容量が入力電圧ＶＩＮＣをしきい値Ｖｔｈ以上に維持することができる時間以内の期間で除塵ブレーキを作動させる。

　除塵ブレーキをＯＮすると発電機１００３の回転速度が低下するため発電機１００３の発電電圧が下がるので系統連係インバータ１０１０の入力電圧ＶＩＮＣも時刻ｔ１～ｔ３に示すように低下する。コンデンサ１００５Ａが無い場合の比較波形に示すように、時刻ｔ２～ｔ３において系統連係インバータの入力電圧ＶＩＮＣが、系統連係インバータ１０１０の運転を維持する電圧しきい値Ｖｔｈを下回ると、系統連係インバータは待機状態になる。待機状態になると、入力電圧ＶＩＮＣが回復しても系統連係インバータは一定時間待機状態を維持する。その間系統に電力を逆潮流させないため売電量が減少する。それを回避するため、系統連係インバータ１０１０の入力側にコンデンサ１００５Ａを設置して、入力電圧ＶＩＮＣの低下を防ぐ。コンデンサ１００５Ａを設置し、除塵ブレーキを作動させる期間をコンデンサ１００５Ａの容量で定まる時間以内の期間に抑えることによって、入力電圧ＶＩＮＣが電圧しきい値Ｖｔｈより高い電圧範囲に維持される。

　図２１は、電圧維持装置として蓄電装置を採用した変形例の構成を示す図である。図２１を参照して、電圧維持装置１００５Ｂは、蓄電装置１０２１と、蓄電装置１０２１の正極を中間ノードＮＭ＋に接続するスイッチ１０２２とを含む。蓄電装置１０２１としては、二次電池またはコンデンサを使用することができる。蓄電装置１０２１の負極は、中間ノードＮＭ－に直接接続されている。電圧維持装置１００５Ｂに蓄電装置を利用した場合。蓄電装置１０２１は除塵ブレーキ１０１２がＯＮしている間系統連係インバータ１０１０の入力電圧ＶＩＮＣを保つだけでよいので、容量が小さいものでよい。発電機１００３が発電していないときはスイッチ１０２２をＯＦＦして、蓄電装置１０２１が放電しないようにすることが好ましい。

　図２２は、図２１に示す変形例の除塵運転時のスイッチの制御を説明するためのフローチャートである。

　図２２を参照して、ステップＳ１１１において、除塵運転条件が成立した場合、ステップＳ１１２～Ｓ１１４以下の処理が実行される一方で、除塵運転条件が成立していない場合、ステップＳ１１２～Ｓ１１４の処理は実行されずステップＳ１１５において制御はメインルーチンに戻される。

　ステップＳ１１２では、蓄電装置１０２１を接続するスイッチ１０２２がＯＮされ、ステップＳ１１３において除塵運転が実行される。除塵運転が終了すると、スイッチ１０２２がＯＦＦされる。ステップＳ１１３における除塵運転の実行時間Ｔは、蓄電装置１０２１の容量が入力電圧ＶＩＮＣをしきい値Ｖｔｈより高い範囲に維持できる時間に設定されている。したがって除塵運転を実行しても系統連係インバータ１０１０が待機状態に移行することが防止される。

　図２３は、図２１に示す変形例の非除塵運転時のスイッチの制御を説明するためのフローチャートである。図２３を参照して、まずステップＳ１２１において除塵運転中で無い場合に、ステップＳ１２２以降の処理が実行される。一方、除塵運転中の場合には、図２２のフローチャートでスイッチ１０２２が制御されるので、図２３のフローチャートにおいてはステップＳ１２１からステップＳ１２６に処理が進められる。

　ステップＳ１２２では、発電機１００３が発電中であるか否かが判断される。発電中でない場合にスイッチ１０２２を接続していると、蓄電装置１０２１が放電してしまうので、ステップＳ１２５においてスイッチ１０２２がＯＦＦされる。

　また、ステップＳ１２３では、蓄電装置１０２１の充電状態ＳＯＣ（State　Of　Charge）が満充電判定しきい値よりも低い場合には、スイッチ１０２２がＯＮされて蓄電装置１０２１に充電が行なわれ、ＳＯＣが満充電判定しきい値以上である場合には、スイッチ１０２２がＯＦＦされて過充電が防止される。

　なお、以上の実施の形態２において、水車の形態は水平軸型であっても垂直軸型であっても良い。

　図２４は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する水力発電装置を示す図である。図２４に示す水力発電装置は、水車１００１と、ギヤボックスと、発電機１００３とを含む。水車１００１は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有し、水流により回転する。発電機１００３はギヤボックスを介して、水車と連結されている。水車１００１が回転すると発電機１００３の回転軸も回転する。

　図２５は、垂直軸型の回転翼を有する水力発電装置を示す図である。図２５に示す水力発電装置は、水車１００１Ａと、発電機１００３とを含む。水車１００１Ａは、垂直軸型の回転翼を有し、水流により回転する。発電機１００３は水車１００１Ａの回転軸と連結されている。水車１００１Ａが回転すると発電機１００３の回転軸も回転する。

　最後に、実施の形態２について再び図面を参照して総括する。図１５および図１７に示す水力発電装置１１００は、水車１００１と、水車１００１の回転によって発電する発電機１００３と、発電機１００３が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、中間ノードＮＭに出力するＡＣ／ＤＣ変換器１００４と、中間ノードＮＭの直流電圧を交流電圧に変換し、電力系統に逆潮流させる系統連係機器である系統連係インバータ１０１０と、中間ノードＮＭの直流電圧の変動を系統連係機器が逆潮流を維持可能な範囲に抑制する電圧維持装置１００５と、水車の回転に制動力を与える制動力発生部である除塵ブレーキ１０１２と、制動力が増減することを繰り返すように制動力発生部を制御することによって、水車１００１の回転速度を変動させるかまたは水車１００１の回転を停止させる除塵運転を実行する制御装置（ＣＰＵ１００７）とを備える。制御装置は、電圧維持装置１００５の電圧変動抑制能力に応じて定められた期間だけ除塵運転を実行する。

　好ましくは、電圧維持装置１００５は、コンデンサまたは二次電池である。電圧変動抑制能力は、コンデンサまたは二次電池の容量によって定まる能力である。

　好ましくは、図２１に示すように、電圧維持装置１００５の変形例である電圧維持装置１００５Ｂは、蓄電装置１０２１と、中間ノードと蓄電装置１０２１とを接続するスイッチ１０２２とを含む。図２３に示すように、制御装置（ＣＰＵ１００７）は、スイッチ１０２２を閉状態としているときに、蓄電装置１０２１の充電状態ＳＯＣがしきい値を超えると（Ｓ１２３でＮＯ）スイッチを開状態にして待機状態に移行し（Ｓ１２５）、図２２に示すように、待機状態にあるときに、制動力を増減させる条件が成立すると（Ｓ１１１でＹＥＳ）、スイッチ１０２２を閉状態に変更した後に除塵運転を実行する（Ｓ１１３）。

　好ましくは、図２４に示すように、水車１００１は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する。

　好ましくは、図２５に示すように、水車１００１Ａは、垂直軸型の回転翼を有する。
　このような構成を有する水力発電装置１１００において、系統連系機器に水車１００１または１００１Ａを接続して水車１００１または１００１Ａの発電電力を系統１０１１に逆潮流させ、水車１００１または１００１Ａの翼についたゴミなどを除去することを目的に定期的に除塵ブレーキ１０１２で水車１００１または１００１Ａに短時間制動を与える。電圧維持装置１００５または１００５Ｂを備えるので、除塵ブレーキによる制動力を与える期間でも系統連系機器が逆潮流を維持できる。

　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１，１Ａ，１００１，１００１Ａ　水車、２　ギヤボックス、３，１００３　発電機、４　制動装置、５　リレー、６，１００６　回転速度検出器、９　整流回路、１０　コンバータ、１１　抵抗負荷、１００　制御装置，１００４　ＡＣ／ＤＣ変換器、１００５，１００５Ｂ　電圧維持装置、１００５Ａ　コンデンサ、　回転速度検出器、１０１０　系統連係インバータ、１０１１　系統、１０１２　除塵ブレーキ、１０２１　蓄電装置、１０２２　スイッチ、１１００　水力発電装置。

Claims

　水車と、
　前記水車の回転に制動力を与える制動力発生部と、
　前記水車の回転状態を示す状態量を監視し、前記状態量の変化の大きさがしきい値を超えた場合に前記制動力発生部に前記制動力を発生させる制御装置とを備える、水力発電装置。
　前記制御装置は、前記状態量として前記水車の回転速度を監視する、請求項１に記載の水力発電装置。
　前記制御装置は、前記状態量として前記水車の回転トルクを監視する、請求項１に記載の水力発電装置。
　前記制御装置は、前記状態量として前記水車の回転速度および回転トルクを監視し、前記回転速度の変化の大きさが第１のしきい値を超え、かつ前記回転トルクの変化の大きさが第２のしきい値を超えた場合に、前記制動力発生部に前記制動力を発生させる、請求項１に記載の水力発電装置。
　前記水車の回転によって発電する発電機と、
　前記発電機が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、中間ノードに出力するＡＣ／ＤＣ変換器と、
　前記中間ノードの直流電圧を交流電圧に変換し、電力系統に逆潮流させる系統連係機器と、
　前記中間ノードの直流電圧の変動を前記系統連係機器が逆潮流を維持可能な範囲に抑制する電圧維持装置とをさらに備え、
　前記制御装置は、前記制動力が増減することを繰り返すように前記制動力発生部を制御することによって、前記水車の回転速度を変動させるかまたは前記水車の回転を停止させる除塵運転を実行し、
　前記制御装置は、前記電圧維持装置の電圧変動抑制能力に応じて定められた期間だけ前記除塵運転を実行する、請求項１に記載の水力発電装置。
　前記電圧維持装置は、コンデンサまたは二次電池であり、前記電圧変動抑制能力は、前記コンデンサまたは前記二次電池の容量によって定まる能力である、請求項５に記載の水力発電装置。
　前記系統連係機器は、系統連係インバータである、請求項５に記載の水力発電装置。
　前記電圧維持装置は、
　蓄電装置と、
　前記中間ノードと前記蓄電装置とを接続するスイッチとを含み、
　前記制御装置は、前記スイッチを閉状態としているときに、前記蓄電装置の充電状態がしきい値を超えると前記スイッチを開状態にして待機状態に移行し、前記待機状態にあるときに、制動力を増減させる条件が成立すると、前記スイッチを閉状態に変更した後に前記除塵運転を実行する、請求項５に記載の水力発電装置。
　前記水車は、水平軸型のプロペラ式回転翼を有する、請求項１～８のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　前記水車は、垂直軸型の回転翼を有する、請求項１～８のいずれか１項に記載の水力発電装置。
　請求項１～８のいずれか１項に記載の水力発電装置を用いて、流水が持つ運動エネルギーを電力に変換する海流発電または潮力発電を行なう発電システム。