特許 6332567 水力発電の制御システム及び水力発電の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6332567

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年5月30日

(54)【発明の名称】水力発電の制御システム及び水力発電の制御方法

(51)【国際特許分類】

   F03B 15/04 20060101AFI20180521BHJP

【ＦＩ】

   F03B15/04 L

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-549358(P2017-549358)

(86)(22)【出願日】2017年3月7日

(86)【国際出願番号】JP2017009098

【審査請求日】2017年9月19日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000211307

【氏名又は名称】中国電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】益永 喜則

【審査官】 原田 愛子

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６０−２３７５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５７−０９２２０７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭６２−２９８６６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１５１８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２３２３８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｂ １５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

河川を流れる水を用いて水車を回転させる水力発電機の運転を制御する制御装置であって、前記水車に供給される水の量及び水の供給時間を制御する制御部を備える制御装置と、
前記河川からの単位時間あたりの取水量を算出する第１算出部と、前記水車に供給する前記単位時間あたりの水量を発電効率が最高となる所定水量とした場合に前記水力発電機を運転可能な運転継続時間を算出する第２算出部とを含む演算装置と、
河川を流れる水の一部を貯留する貯留部と、
前記貯留部の水位を検知する検知装置と、を備え、
前記所定水量は、前記水車に供給可能な前記単位時間あたりの上限水量未満の水量であり、
前記貯留部は、取水ゲートが設けられた取水口を介して河川から取得されて流路を所定時間かけて流れた水を貯留し、貯留した水を水車に供給し、
前記制御部は、前記水車に前記所定水量を供給する時間を前記運転継続時間とし、
前記運転継続時間が前記所定時間を上回る場合、前記制御部は、前記水車に供給する前記単位時間あたりの水量を前記所定水量よりも多くし、
前記水車に供給する前記単位時間あたりの水量を前記水車に供給可能な単位時間あたりの上限水量とした条件下で前記貯留部の水位が所定の制御ルールで定められた水位に達した場合、前記取水ゲートを閉じる又は前記取水ゲートの開き具合を小さくする
水力発電の制御システム。

【請求項2】

前記運転継続時間が前記所定時間以下である場合、前記制御部は、前記水車に前記所定水量を供給する時間を前記運転継続時間とする
請求項１に記載の水力発電の制御システム。

【請求項3】

前記運転継続時間経過後に前記貯留部の水位が所定水位以下になった場合、前記制御部は、前記水車に供給する水量を低減させる
請求項１又は２に記載の水力発電の制御システム。

【請求項4】

前記演算装置は、前記運転継続時間の情報を送信する送信部を有し、
前記制御装置は、前記運転継続時間の情報を受信する受信部を有し、
前記送信部と前記受信部との間の通信回線は、無線通信回線を含む
請求項１から３のいずれか一項に記載の水力発電の制御システム。

【請求項5】

河川を流れる水を用いて水車を回転させる水力発電機の運転を制御する水力発電の制御システムによる水力発電の制御方法であって、
取水ゲートが設けられた取水口を介して河川から取得されて流路を所定時間かけて流れた水を貯留部で貯留し、
前記河川からの単位時間あたりの取水量を算出し、
前記水車に供給する前記単位時間あたりの水量を発電効率が最高となる所定水量とした場合に前記水力発電機を運転可能な運転継続時間を算出し、
前記水車に前記所定水量を供給する時間を前記運転継続時間とし、
前記所定水量は、前記水車に供給可能な前記単位時間あたりの上限水量未満の水量であり、
前記貯留部に貯留した水を水車に供給し、
前記運転継続時間が前記所定時間を上回る場合、前記制御部は、前記水車に供給する前記単位時間あたりの水量を前記所定水量よりも多くし、
前記貯留部の水位を検知装置で検知し、
前記水車に供給する前記単位時間あたりの水量を前記水車に供給可能な単位時間あたりの上限水量とした条件下で前記貯留部の水位が所定の制御ルールで定められた水位に達した場合、前記取水ゲートを閉じる又は前記取水ゲートの開き具合を小さくする
水力発電の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水力発電の制御システム及び水力発電の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水力発電における発電効率は、発電機と連結された水車を回転させる水の流量によって変化する。このため、発電効率を高める目的で、より高い効率で水車を回転させるための様々な仕組みが考案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載されている構成では、水に対して水車の位置を変動させることで効率を高めようとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−０４３８５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、水に対して水車の位置を変動させる構成は、水車が大きくなるほど困難になる。また、既に水路に対して固定されている水車に対してこのような構成を適用することはできない。

【0005】

従来、一般的には、水車に供給される水の流量が河川を流れる水の流量に応じて変動するため、発電効率の観点で必ずしも高い効率で水車を回転させることができなかった。このような事情を鑑み、より高い効率で水力発電を行うことができる仕組みが求められていた。

【0006】

本発明では、より高い効率で水力発電を行うことができる水力発電の制御システム及び水力発電の制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の水力発電の制御システムは、河川を流れる水を用いて水車を回転させる水力発電機の運転を制御する制御装置であって、前記水車に供給される水の量及び水の供給時間を制御する制御部を備える制御装置と、前記河川からの単位時間あたりの取水量を算出する第１算出部と、前記水車に供給する前記単位時間あたりの水量を発電効率が最大となる所定水量とした場合に前記水力発電機を運転可能な運転継続時間を算出する第２算出部とを含む演算装置と、を備え、前記所定水量は、前記水車に供給可能な前記単位時間あたりの上限水量未満の水量であり、前記制御部は、前記水車に前記所定水量を供給する時間を前記運転継続時間とする。

【0008】

本発明の望ましい態様として、河川を流れる水の一部を貯留する貯留部を備え、前記貯留部は、取水口を介して河川から取得されて流路を所定時間かけて流れた水を貯留し、貯留した水を水車に供給し、前記運転継続時間が前記所定時間以下である場合、前記制御部は、前記水車に前記所定水量を供給する時間を前記運転継続時間とする。

【0009】

本発明の望ましい態様として、前記運転継続時間が前記所定時間を上回る場合、前記制御部は、前記水車に供給する前記単位時間あたりの水量を前記所定水量よりも多くする。

【0010】

本発明の望ましい態様として、河川を流れる水の一部を貯留する貯留部と、前記貯留部の水位を検知する検知装置と、を備え、河川から取水された水は、前記貯留部に貯留されてから前記水車に供給され、前記運転継続時間経過後に前記貯留部の水位が所定水位以下になった場合、前記制御部は、前記水車に供給する水量を低減させる。

【0011】

本発明の望ましい態様として、前記演算装置は、前記運転継続時間の情報を送信する送信部を有し、前記制御装置は、前記運転継続時間の情報を受信する受信部を有し、前記送信部と前記受信部との間の通信回線は、無線通信回線を含む。

【0012】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の水力発電の制御方法は、河川を流れる水を用いて水車を回転させる水力発電機の運転を制御する水力発電の制御システムによる水力発電の制御方法であって、前記河川からの単位時間あたりの取水量を算出し、前記水車に供給する前記単位時間あたりの水量を発電効率が最高となる所定水量とした場合に前記水力発電機を運転可能な運転継続時間を算出し、前記水車に前記所定水量を供給する時間を前記運転継続時間とし、前記所定水量は、前記水車に供給可能な前記単位時間あたりの上限水量未満の水量である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、より高い効率で水力発電を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る水力発電の制御システムの主要構成を示す図である。

【図2】図２は、ガイドベーンの模式図である。

【図3】図３は、ガイドベーンの模式図である。

【図4】図４は、参照データの内容の一例を示す図である。

【図5】図５は、水車に供給される水量と発電効率との関係の一例を示すグラフである。

【図6】図６は、演算装置の主要機能構成を示す機能ブロック図である。

【図7】図７は、水力発電の制御システムが行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【図8】図８は、図７のステップＳ４に示す水槽の水位に応じた運転に関して演算装置が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

次に、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る水力発電の制御システム１の主要構成を示す図である。水力発電の制御システム１は、検知装置５３と、制御装置１０と、演算装置２０とを備える。

【0016】

制御装置１０は、河川８１を流れる水の一部を貯留する貯留部（水槽８０）を介して供給される水を用いて、発電機９１と連結された水車９２を回転させる水力発電機に設けられる。水槽８０は、水槽８０の上流側に設けられた取水口３０を通過してから所定時間（ｔｏ）かけて流路８２を流れる水を貯留する。水槽８０は、貯留した水を水車９２に供給する。具体的には、取水口３０を介して河川８１から取得された水を水槽８０に流し込むための流路８２が河川８１と水槽８０との間に設けられている。取水口３０には、取水ゲート３１が設けられている。取水口３０から流路８２を流れて水槽８０に流れ込む水量は、取水ゲート３１の開閉の度合いに応じる。取水ゲート３１は、取水ゲート３１を動作させる各種の機構を有する取水ゲート駆動装置３２により駆動される。本実施形態では、取水ゲート３１の開度は、取水ゲート駆動装置３２が管理している。なお、開度とは、開き具合を示し、例えば０［％］から１００［％］の範囲内の数値［％］で表される。取水ゲート駆動装置３２は、例えば第１移動通信部４１を介して通信回線Ｎと接続されている。

【0017】

水力発電の制御システム１が行う各種の通信で利用される通信回線Ｎは、無線通信回線を含む。具体的には、通信回線Ｎは、例えばＬＴＥ（Long Term Evolution）等の移動通信システムによる通信回線を含む。第１移動通信部４１並びに後述する第２移動通信部４２及び第３移動通信部４３は、当該移動通信システムを用いた無線通信を行うためのモジュールを有しており、当該モジュールを動作させることで無線通信を行う。

【0018】

河川８１から水車９２までの水の経路において取水ゲート３１の上流側と下流側には、水位計（例えば、水位計５１，５２）が設けられている。水位計５１，５２は、例えば所定原理で水位を測定する投込圧力式水位計である。所定原理は、例えば、差動トランス式、半導体式、超音波式、電波式、気泡式、静電容量式、フロート式、浮子転倒式、電極式のいずれかであるが、これに限られるものでなく、水位を測定可能な方式であれば適宜利用可能である。水位計５１，５２は、第２移動通信部４２を介して水槽８０の水位を示すデータ（第１水位データ及び第２水位データ）を送信する。なお、図１では、取水ゲート３１の上流側の水位計５１と取水ゲート３１の下流側の水位計５２が第２移動通信部４２を共有しているが、第２移動通信部４２と同様の構成が水位計５１と水位計５２の各々に設けられていてもよい。

【0019】

検知装置５３は、水槽８０の水位を測定する。具体的には、検知装置５３は、水槽８０に設けられて所定原理で水位を測定する投込圧力式水位計を有する。検知装置５３は、第３移動通信部４３を介して水槽８０の水位を示すデータ（第３水位データ）を送信する。

【0020】

制御装置１０は、制御部１１と、第１通信部１２とを備える。制御部１１は、水車９２に供給される水の量及び水の供給時間を制御する。具体的には、制御部１１は、例えば水槽８０から水車９２に供給される水の供給路に設けられたガイドベーン６０を動作させて、ガイドベーン６０の開き具合を変化させることで水車９２に供給される単位時間あたりの水量を制御する。単位時間は任意の時間であるが、本実施形態では、例えば１［秒］である。より具体的には、制御部１１は、ガイドベーン６０を動作させる駆動回路等を有する。制御部１１は、例えば演算装置２０の指令に応じてガイドベーン６０の動作を制御する。

【0021】

図２、図３は、ガイドベーン６０の模式図である。図３では、水車９２に流れ込む水Ｗを模式的に図示している。図２、図３に示すように、ガイドベーン６０は、水車９２を取り巻くよう配置された複数の羽根状部材６１を有する。複数の羽根状部材６１の各々は、回動可能に設けられる。ガイドベーン６０は、複数の羽根状部材６１の回動によって隣接する羽根状部材６１同士の間の隙間の開閉及び開き具合を調節可能に設けられている。図２に示すようにガイドベーン６０が閉じている場合、羽根状部材６１同士の間は閉じられて隙間がなく、水が流れない。図３に示すようにガイドベーン６０が開いている場合、羽根状部材６１同士の間の隙間に、水車９２に供給される水（図３に示す水Ｗ）が流れる。

【0022】

第１通信部１２は、通信回線Ｎを介して受信したデータを制御部１１に出力する。具体的には、第１通信部１２は、例えば所定規格での通信を行うネットワークインタフェースコントローラ(ＮＩＣ:Network Interface Controller)を有している。所定規格として、例えばＴＣＰ／ＩＰ（Transmission Control Protocol／Internet Protocol）プロトコル・スイートを含む所謂インターネット・プロトコル・スイートが挙げられるが、これはあくまで制御装置１０と演算装置２０との間の通信に際して採用される規格の一例であってこれに限られるものでない。所定規格の具体的内容は、適宜変更可能である。

【0023】

演算装置２０は、制御装置１０を介した発電機９１の動作制御に関する演算を行う。演算装置２０は、例えば、記憶部２１と、演算部２２と、第２通信部２３と、表示部２４と、入力部２５とを備える。

【0024】

記憶部２１は、参照データ２１ａ及び制御プログラム２１ｂを含む各種のデータを記憶する記憶装置を有する。この記憶装置は、例えばハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ、フラッシュメモリー、その他、情報処理装置で用いられ得る記憶装置のいずれか又は複数を含む。

【0025】

図４は、参照データ２１ａの内容の一例を示す図である。参照データ２１ａは、水量算出用データ７１、所定時間（ｔｏ）を示すデータ（所要時間データ７２）、所定水位等の基準となる水位を示すデータ（基準水位データ７３）、効率データ７４等、演算部２２による各種の処理で参照される各種のデータを含む。水量算出用データ７１は、水位計５１，５２により測定された水位と河川８１から取得された水量との対応関係を示すデータである。言い換えれば、水量算出用データ７１を参照して水位計５１，５２により測定された水位に対応する水量を特定することで、これらの水位が測定された時点における単位時間あたりでの河川８１からの取水量を求めることができる。所定時間（ｔｏ）とは、取水口３０を介して河川８１から取得された水が水槽８０に流れ込むまでに流路８２を流れる時間である、所定時間（ｔｏ）は、予め測定されてデータ化され、所要時間データ７２として記憶されている。所定水位とは、発電効率よりも水量の調節を優先するために水車９２に供給する水量を低減させる際の基準となる水位を示すデータである。所定水位は、予め定められてデータ化され、基準水位データ７３としてデータ化されている。基準水位データ７３は、後述する下限水位を示すデータを含んでいてもよい。

【0026】

図５は、水車９２に供給される水量と発電効率との関係の一例を示すグラフである。効率データ７４は、水車９２に供給される水量と発電効率との関係を示すデータである。例えば図５に示すように、水車９２に供給可能な単位時間あたりの水量には上限がある。この上限は、人為的取り決め（例えば、利水権）による上限である。この上限に対応する水量を供給した場合に水車９２を経由して流れる水の流量は、定格流量（１００［％］）として定められている。一方、水車９２に供給される水量と発電効率との関係において、定格流量に対応する水量が供給された場合、発電効率は最高とならない。具体的には、図５に示すように、水車９２に供給される水量と発電効率との関係を示すグラフは、発電機９１による発電が可能な最小の流量（ｍｉｎ）で最低の発電効率となり、最小の流量（ｍｉｎ）から定格流量未満の水量ｑｍａｘにかけて流量の増加に応じて発電効率が高くなり、定格流量未満の水量ｑｍａｘで最高の発電効率となり、定格流量未満の水量ｑｍａｘから定格流量（１００［％］）にかけて流量の増加に応じて発電効率が低くなる線を描く。すなわち、図５に示す例では、定格流量未満であって、定格流量未満の水量ｑｍａｘを単位時間供給した場合、発電機９１の発電効率が最高（最高効率ηｍａｘ）となる。

【0027】

水量ｑｍａｘは、例えば定格流量の８割以上９割以下の水量である。より具体例を挙げると、水量ｑｍａｘは、定格流量に対応する水量を１００［％］の水量とした場合、８０［％］から８５［％］の間の水量である。水量ｑｍａｘを示すデータは、効率データ７４に含まれる。

【0028】

制御プログラム２１ｂは、演算部２２により読み出されて実行処理されるソフトウェア・プログラムである。制御プログラム２１ｂは、制御装置１０を介した発電機９１の動作制御に関する各種の機能（例えば、後述する第１算出部７６、第２算出部７７及び指令部７８としての機能。図６参照）を実現するためのプログラムである。以下、参照データ２１ａ及び制御プログラム２１ｂならびに図示しない各種のソフトウェア・プログラム（例えば、オペレーティングシステム等）を総括して「プログラム等」と記載することがある。

【0029】

図６は、演算装置２０の主要機能構成を示す機能ブロック図である。演算部２２は、例えば１つ以上のＣＰＵ（Central Processing Unit）を有し、記憶部２１から処理内容に応じたプログラム等を読み出して実行し、演算装置２０の動作に関する各種の処理を行う。具体的には、演算部２２は、例えば、第１算出部７６、第２算出部７７、指令部７８として機能する。第１算出部７６は、単位時間の経過前後における水槽８０の水位に基づいて河川８１からの単位時間あたりの取水量を算出する。第２算出部７７は、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を、水車９２に供給可能な単位時間あたりの上限水量（定格流量）未満である所定水量（水量ｑｍａｘ）とした場合の運転継続時間（ｔ）（後述する式（２）参照）を算出する。指令部７８は、制御装置１０に対する指令として機能するデータを出力する。これらの機能によりもたらされる具体的な動作内容については後述する。

【0030】

第２通信部２３は、送信部から送信されたデータを受信する。具体的には、第２通信部２３は、例えば第１通信部１２と同様、所定規格での通信を行うＮＩＣ等を有している。第２通信部２３は、例えば第１移動通信部４１、第２移動通信部４２、第３移動通信部４３から送信されたデータ（第１水位データ、第２水位データ、第３水位データ）を受信する。また、第２通信部２３は、後述する指令データを制御装置１０に出力する。指令データは、通信回線Ｎを介して伝送されて制御装置１０の第１通信部１２によって受信される。第１通信部１２及び第２通信部２３は、例えば第１移動通信部４１、第２移動通信部４２及び第３移動通信部４３と同様、無線通信を行う構成であってもよい。

【0031】

表示部２４は、演算装置２０の処理内容に応じた表示出力を行う。具体的には、表示部２４は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置を有し、演算部２２の処理内容に応じた表示出力を行う。

【0032】

入力部２５は、演算装置２０に対する入力操作を受け付ける。具体的には、入力部２５は、例えばキーボード、マウス等の入力装置を有し、演算装置２０の管理者が行う各種の入力操作に応じた信号を生成して演算装置２０に入力する。演算部２２は、入力部２５を介して行われた入力操作内容に応じた処理を行う。

【0033】

以下、水量の制御についてより具体的に説明する。本実施形態の水位計５１，５２及び検知装置５３は、所定の単位時間毎に水位の計測を繰り返す。第１移動通信部４１、第２移動通信部４２、第３移動通信部４３は、所定の単位時間毎に第１水位データ、第２水位データ、第３水位データを送信する。第１算出部７６は、第１水位データが示す水位と第２水位データが示す水位を水量算出用データ７１と照合し、河川８１からの単位時間あたりの取水量（ｑ［ｍ^３／ｓ］）を算出する。

【0034】

本実施形態において、取水量（ｑ［ｍ^３／ｓ］）をリアルタイムに時間積分した値（∫ｑｄｔ）は、水力発電で利用可能な水の総量（Ｑ［ｍ^３］）に相当する。第１算出部７６は、水力発電で利用可能な水の総量（Ｑ［ｍ^３］）として、取水量（ｑ［ｍ^３／ｓ］）をリアルタイムに時間積分した値（∫ｑｄｔ）を算出する。一方、発電量Ｐ［ｋｗ］に使用する水量（Ｑｐ［ｍ^３／ｓ］）は、落差Ｈ、効率ηとすると、例えば∫Ｐ／（９．８Ｈη）ｄｔとして求められる。なお、この落差Ｈは所謂有効落差であり、取水位と放水位の標高差（例えば、取水口３０又は水槽８０と水車９２との標高差）により得られるエネルギーから損失落差（導水路の勾配、水圧管の摩擦等によるエネルギーの損失）を差し引いたものである。水の総量（Ｑ［ｍ^３］）と水量（Ｑｐ［ｍ^３／ｓ］）との差（ΔＱ）は、例えば式（１）のように表すことができる。ここで、差（ΔＱ）は、発電量Ｐ［ｋｗ］に対応する発電を行った後に使用することができる水の総量を示す。第２算出部７７は、Ｑ［ｍ^３］，Ｑｐ［ｍ^３／ｓ］，ΔＱを算出する。
ΔＱ＝∫ｑｄｔ−∫Ｐ／（９．８Ｈη）ｄｔ…（１）

【0035】

また、差（ΔＱ）が示す水量の水を用いて、水量ｑｍａｘを水車９２に継続して供給した場合の運転継続時間（ｔ）は、以下の式（２）のようになる。第２算出部７７は、例えば効率データ７４を参照して水量ｑｍａｘを特定し、ｔを算出する。このように、第２算出部７７は、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を所定水量（水量ｑｍａｘ）とした場合の運転継続時間（ｔ）を算出する。
ｔ＝ΔＱ／ｑｍａｘ…（２）

【0036】

運転継続時間（ｔ）が所定時間（ｔｏ）以下である場合、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を水量ｑｍａｘとして運転継続時間（ｔ）だけ発電を行う間に水槽８０の水が増加することはない。よって、運転継続時間（ｔ）が所定時間（ｔｏ）以下である場合、指令部７８は、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を水量ｑｍａｘとすることを運転継続時間（ｔ）だけ継続させる指令（第１指令）を出力する。

【0037】

一方、運転継続時間（ｔ）が所定時間（ｔｏ）を超える場合、差（ΔＱ）が示す水量の水を使い切る前に河川８１から水槽８０に到達する水が新たに加わる時間が生じることから、水車９２に供給する水量を増やさなければ水槽８０の水が増水することになる。この場合、水槽８０の水が増水しすぎて溢れることを抑制する目的で、指令部７８は、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を水量ｑｍａｘよりも多くする指令（第２指令）を出力する。具体的には、指令部７８は、例えば、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を以下の式（３）で求められる水量Ｒとする。ただし、Ｒが定格流量を上回る場合、指令部７８は、Ｒを定格流量とする。また、Ｒが定格流量を上回り続けて水槽８０の水位が上がり続ける場合、指令部７８は、取水ゲート３１の開き具合を小さくする（又は、閉じる）ための指令を別途出力するようにしてもよい。この指令のため、検知装置５３により測定された水位に基づいた制御ルール（取水ゲート３１の開き具合を小さくする水槽８０の水位、取水ゲート３１を綴じる水槽８０の水位の設定等）を設けてもよい。
Ｒ＝ΔＱ／ｔｏ…（３）

【0038】

また、運転継続時間経過後に水槽８０の水位が所定水位以下になった場合、指令部７８は、水車９２に供給する水量を低減させるための指令を出力する。具体的には、指令部７８は、例えば水車９２に供給される単位時間あたりの水量を、発電機９１の出力が所定の最低出力となる水量とする指令（第３指令）を出力する。それでも水槽８０の水位が下がり続け、所定の下限水位になった場合、指令部７８は、発電機９１の運転を停止させる指令（第４指令）を出力する。すなわち、指令部７８は、水車９２への水の供給を停止させる。下限水位は、所定水位以下の水位である。下限水位と所定水位とが同一である場合、第３指令と第４指令は区別されず、第４指令に統合される。この場合、最低出力での運転が省略されて、発電機９１の停止にダイレクトに移行する。

【0039】

制御部１１は、指令部７８からの出力に応じて、水車９２に所定水量（水量ｑｍａｘ）を供給する時間を運転継続時間とする。具体的には、指令部７８が出力する各種の指令（例えば、第１指令、第２指令、第３指令、第４指令のいずれか）を示すデータ（指令データ）は、第２通信部２３を介して送信され、通信回線Ｎを介して伝送されて制御装置１０の第１通信部１２によって受信され、制御部１１に指令部７８からの指令として入力される。第１指令が入力された場合、制御部１１は、水車９２に所定水量（水量ｑｍａｘ）を供給する時間を運転継続時間（ｔ）とする。一方、第２指令が入力された場合、制御部１１は、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を所定水量（水量ｑｍａｘ）よりも多くする。また、第３指令が入力された場合、制御部１１は、第１指令及び第２指令が入力された場合に比して、制御部１１は、水車９２に供給する水量を低減させる。また、第４指令が入力された場合、制御部１１は、水車９２への水の供給を停止させる。制御部１１が行うこれらの水量制御は、ガイドベーン６０の動作制御によって実現される。このように、演算装置２０は、運転継続時間の情報を送信する送信部（第２通信部２３）を有する。また、制御装置１０は、運転継続時間の情報を受信する受信部（第１通信部１２）を有する。また、送信部と受信部との間の通信回線Ｎは、無線通信回線を含む。

【0040】

従来の水力発電機、特に、流れ込み式の水力発電機では、河川８１を流れる水量の増減に応じて変動する河川８１からの取水量の増減に発電機９１の出力を従動させていた。このため、発電機９１は、多くの時間において発電効率の観点では必ずしも効率的な出力を得ることができなかった。これに対し、本実施形態によれば、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を、発電機９１の発電効率が最高（最高効率ηｍａｘ）となる所定水量（水量ｑｍａｘ）として発電機９１を動作させる運転継続時間（ｔ）を確保しやすくなるので、発電効率をより高めやすくなる。

【0041】

なお、取水ゲート駆動装置３２を介した取水ゲート３１の動作制御は、例えばガイドベーン６０の動作制御に前後して制御部１１が行うが、これに限られるものでなく、例えば演算部２２がプログラム等により実現する機能の一つとして取水ゲート３１の動作制御機能を設けてもよい。

【0042】

図７は、水力発電の制御システム１が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。まず、取水ゲート３１が開かれ（ステップＳ１）、水槽８０に水が供給される。水槽８０の水位が所定の起動水位以上となった（ステップＳ２）後、制御部１１の制御下でガイドベーン６０が所定の開始時開度まで開かれ、発電機９１の運転が開始される（ステップＳ３）。起動水位は、所定水位を超える水位である。開始時開度は任意である。例えば、単位時間あたりの供給水量を水量ｑｍａｘとするための開度であってもよいし、最大開度であってもよい。その後、水槽８０の水位に応じた運転が行われる（ステップＳ４）。ステップＳ４に際して、制御部１１は、演算装置２０が行う処理に応じてガイドベーン６０を動作させて、水車９２に供給される水量を制御する。

【0043】

図８は、図７のステップＳ４に示す水槽８０の水位に応じた運転に関して演算装置２０が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。第１算出部７６は、第１水位データが示す水位と第２水位データが示す水位を水量算出用データ７１と照合し、河川８１からの単位時間あたりの取水量（ｑ［ｍ^３／ｓ］）を算出する。第１算出部７６は、水力発電で利用可能な水の総量（Ｑ［ｍ^３］）として、取水量（ｑ［ｍ^３／ｓ］）をリアルタイムに時間積分した値（∫ｑｄｔ）を算出する（ステップＳ１１）。また、第２算出部７７は、既に行われた発電による発電量（例えば、発電量Ｐ［ｋｗ］）のために使用した水量（Ｑｐ［ｍ^３／ｓ］）を算出する。具体的には、第２算出部７７は、例えば∫Ｐ／（９．８Ｈη）ｄｔを算出する（ステップＳ１２）。第２算出部７７は、ステップＳ１１で算出された水の総量（Ｑ［ｍ^３］）から、ステップＳ１２で算出された水量（Ｑｐ［ｍ^３／ｓ］）を差し引いて、水の総量（Ｑ［ｍ^３］）と水量（Ｑｐ［ｍ^３／ｓ］）との差（ΔＱ）を求める（ステップＳ１３、式（１）参照）。第２算出部７７は、差（ΔＱ）が示す水量の水を用いて、発電効率を最高（最高効率ηｍａｘ）とするため、所定水量（水量ｑｍａｘ）を水車９２に継続して供給した場合の運転継続時間（ｔ）を算出する（ステップＳ１４、式（２）参照）。

【0044】

指令部７８は、運転継続時間（ｔ）が所定時間（ｔｏ）以下であるか判定する（ステップＳ１５）。運転継続時間（ｔ）が所定時間（ｔｏ）を超えると判定された場合（ステップＳ１５；Ｎｏ）、指令部７８は、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を式（３）で求められる水量Ｒとするため、第２指令を出力する。すなわち、指令部７８は、第２指令によって、水位調節を優先した発電を行わせる（ステップＳ１６）。ステップＳ１６の後は、ステップＳ１１に移行する。一方、運転継続時間（ｔ）が所定時間（ｔｏ）以下であると判定された場合（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、指令部７８は、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を水量ｑｍａｘとすることを運転継続時間（ｔ）だけ継続させる指令（第１指令）を出力する。すなわち、指令部７８は、第２指令によって、発電効率を優先した発電を行わせる（ステップＳ１７）。

【0045】

運転継続時間経過後、指令部７８は、水槽８０の水位が所定水位以下になったか判定する（ステップＳ１８）。水槽８０の水位が所定水位以下になっていない場合（ステップＳ１８；Ｎｏ）、水量調節又は発電効率を優先した運転を継続するための処理が再度行われる。具体的には、例えばステップＳ１１の処理に移行する。一方、水槽８０の水位が所定水位以下になったと判定された場合（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、指令部７８は、水車９２に供給する水量を低減させるための指令を出力する。具体的には、指令部７８は、例えば水車９２に供給される単位時間あたりの水量を、発電機９１の出力が所定の最低出力となる水量とする指令（第３指令）を出力する。すなわち、指令部７８は、最低出力で発電機９１の運転を継続させる（ステップＳ１９）。ステップＳ１９の処理後、水槽８０の水位が下限水位以下になったか判定する（ステップＳ２０）。水槽８０の水位が下限水位以下になっていない場合（ステップＳ２０；Ｎｏ）、ステップＳ１８に移行する。すなわち、水槽８０の水位が回復した可能性があるため、水槽８０の水位が所定水位以下であるかの判定から再度行われることになる、一方、水槽８０の水位が下限水位以下になった場合（ステップＳ２０；Ｙｅｓ）。指令部７８は、発電機９１を停止させる指令（第４指令）を出力する。すなわち、指令部７８は、水車９２への水の供給を停止させる（ステップＳ２１）。ステップＳ２１の処理に連動して、取水ゲート３１も閉じられる。

【0046】

ステップＳ４の処理は、取水ゲート３１が閉じるまで行われる（ステップＳ５；Ｎｏ）。取水ゲート３１が閉じられた場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、水槽８０の水位が所定の停止水位になり（ステップＳ６）、発電機９１の運転が停止される（ステップＳ７）。

【0047】

以上、本実施形態によれば、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を所定水量（水量ｑｍａｘ）とした場合の運転継続時間（ｔ）を算出し、水車９２に所定水量を供給する時間を運転継続時間とする。これによって、所定水量を、上限水量の発電効率よりも高い発電効率が得られる水量となるようにすることで、より高い効率で水力発電を行うことができる。また、所定水量（水量ｑｍａｘ）を単位時間供給した場合、発電機９１の発電効率が最高となる。これによって、より高い効率で水力発電を行うことができる。

【0048】

また、水槽８０に貯留される水が河川８１側に設けられた取水口３０を通過してから所定時間（ｔｏ）かけて流路８２を流れる水であり、運転継続時間が所定時間（ｔｏ）以下である場合、水車９２に所定水量（水量ｑｍａｘ）を供給する時間を運転継続時間とする。これによって、水槽８０の増水を抑制しながらより高い効率で水力発電を行うことができる。

【0049】

また、運転継続時間が所定時間（ｔｏ）を上回る場合、水車９２に供給する単位時間あたりの水量を所定水量（水量ｑｍａｘ）よりも多くする。これによって、水槽８０の増水を抑制することができる。

【0050】

運転継続時間経過後に水槽８０の水位が所定水位以下になった場合、制御部１１は、水車９２に供給する水量を低減させる。これによって、水槽８０の水が枯渇することによる意図しない発電の停止を抑制することができる。

【0051】

また、通信回線Ｎが無線通信回線を含むことで、敷設される有線の構成を削減することができることに加えて、有線による送信を行う場合に比して、当該有線を設けるための設計制限事項がなくなることから、制御装置１０及び演算装置２０の設計要求事項を減らしやすくなる。

【0052】

なお、上記の実施形態はあくまで一例であり、本発明の技術的特徴を逸脱しない範囲内において適宜変更可能である。例えば、制御部１１は、何らかの理由により演算装置２０からの指令データを受信することができない状態になった場合に第１移動通信部４１、第２移動通信部４２、第３移動通信部４３を介して第１水位データ、第２水位データ、第３水位データを取得してこれらの水位に応じたガイドベーン６０の開度の制御を行うスタンドアロン機能を有していてもよい。

【符号の説明】

【0053】

１ 水力発電の制御システム
１０ 制御装置
１１ 制御部
１２ 第１通信部
２０ 演算装置
２１ 記憶部
２１ａ 参照データ
２１ｂ 制御プログラム
２２ 演算部
２３ 第２通信部
３０ 取水口
３１ 取水ゲート
３２ 取水ゲート駆動装置
４１ 第１移動通信部
４２ 第２移動通信部
４３ 第３移動通信部
５１，５２ 水位計
５３ 検知装置
６０ ガイドベーン
７１ 水量算出用データ
７２ 所要時間データ
７３ 基準水位データ
７４ 効率データ
７６ 第１算出部
７７ 第２算出部
７８ 指令部
８０ 水槽
８１ 河川
８２ 流路
９１ 発電機
９２ 水車

【要約】

水力発電の制御システムは、河川を流れる水を用いて水車を回転させる水力発電機の運転を制御する制御装置であって、水車に供給される水の量及び水の供給時間を制御する制御部を備える制御装置と、河川からの単位時間あたりの取水量を算出する第１算出部と、水車に供給する単位時間あたりの水量を発電効率が最高となる所定水量とした場合に水力発電機を運転可能な運転継続時間を算出する第２算出部とを含む演算装置と、を備え、所定水量は、水車に供給可能な単位時間あたりの上限水量未満の水量であり、制御部は、水車に所定水量を供給する時間を運転継続時間とする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】