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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024139962
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】水力発電システム
(51)【国際特許分類】
F03B 15/08 20060101AFI20241003BHJP
F03B 15/04 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
F03B15/08
F03B15/04 L
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023050922
(22)【出願日】2023-03-28
(71)【出願人】
【識別番号】000002853
【氏名又は名称】ダイキン工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】須原 淳
【テーマコード（参考）】
3H073
【Ｆターム（参考）】
3H073AA02
3H073BB13
3H073BB24
3H073CC02
3H073CC12
3H073CC26
3H073CD02
3H073CD06
3H073CE02
3H073CE22
3H073CE26
3H073FF01
(57)【要約】
【課題】水力発電システムにおける流量の調整範囲を拡大させる。
【解決手段】コントローラ（30）は、第１制御と第２制御とを実行する第１運転を行う。第１制御では、コントローラ（30）は、流量が零より大きく第１流量以下までの第１範囲内にある場合に、水車（11）の効率または水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ流量が目標流量に近づくように発電機（12）および電動弁（15）を制御する。第２制御では、コントローラ（30）は、流量が前記第１流量より大きく第２流量以下までの第２範囲内にある場合に、発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ流量が目標流量に近づくように発電機（12）および電動弁（15）を制御する。
【選択図】図５
【解決手段】コントローラ（30）は、第１制御と第２制御とを実行する第１運転を行う。第１制御では、コントローラ（30）は、流量が零より大きく第１流量以下までの第１範囲内にある場合に、水車（11）の効率または水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ流量が目標流量に近づくように発電機（12）および電動弁（15）を制御する。第２制御では、コントローラ（30）は、流量が前記第１流量より大きく第２流量以下までの第２範囲内にある場合に、発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ流量が目標流量に近づくように発電機（12）および電動弁（15）を制御する。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体が流れる流路（4）に配置される水車（11）と、
前記水車（11）と連結する発電機（12）と、
前記流路（4）において前記水車（11）と直列に設けられる電動弁（15）と、
前記発電機（12）のトルクまたは回転数、および前記電動弁（15）の開度を制御するコントローラ（30）とを備え、
前記コントローラ（30）は、
前記流量が零より大きく第１流量以下までの第１範囲内にある場合に、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する第１制御と、
前記流量が前記第１流量より大きく第２流量以下までの第２範囲内にある場合に、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および電動弁（15）を制御する第２制御とを行う第１運転を実行するように構成される
水力発電システム。
前記水車（11）と連結する発電機（12）と、
前記流路（4）において前記水車（11）と直列に設けられる電動弁（15）と、
前記発電機（12）のトルクまたは回転数、および前記電動弁（15）の開度を制御するコントローラ（30）とを備え、
前記コントローラ（30）は、
前記流量が零より大きく第１流量以下までの第１範囲内にある場合に、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する第１制御と、
前記流量が前記第１流量より大きく第２流量以下までの第２範囲内にある場合に、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および電動弁（15）を制御する第２制御とを行う第１運転を実行するように構成される
水力発電システム。
【請求項2】
前記水車（11）を迂回するバイパス流路（7）に設けられるバイパス弁（17）を備え、
前記コントローラ（30）は、前記第１運転において、前記目標流量が前記第２流量よりも大きいときに、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が目標流量に近づくように、または前記電動弁（15）の開度が最大となり且つ前記流量が目標流量に近づくように、前記発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御するように構成される
請求項１に記載の水力発電システム。
前記コントローラ（30）は、前記第１運転において、前記目標流量が前記第２流量よりも大きいときに、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が目標流量に近づくように、または前記電動弁（15）の開度が最大となり且つ前記流量が目標流量に近づくように、前記発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御するように構成される
請求項１に記載の水力発電システム。
【請求項3】
前記コントローラ（30）は、前記第２制御において、前記流量を前記第２流量に近づけるときに前記電動弁（15）の開度を最大とする
請求項１に記載の水力発電システム。
請求項１に記載の水力発電システム。
【請求項4】
前記コントローラ（30）は、
前記流量が零より大きく第３流量以下となる第３範囲内にある場合に、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する第３制御と、
前記流量が前記第３流量より大きく第４流量以下までの第４範囲内にある場合に、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が前記目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する第４制御と、
前記流量が前記第４流量より大きく第５流量以下となる第５範囲内にある場合に、前記電動弁（15）の開度を維持しながら前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する第５制御とを行う第２運転を実行するように構成される
請求項１に記載の水力発電システム。
前記流量が零より大きく第３流量以下となる第３範囲内にある場合に、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する第３制御と、
前記流量が前記第３流量より大きく第４流量以下までの第４範囲内にある場合に、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が前記目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する第４制御と、
前記流量が前記第４流量より大きく第５流量以下となる第５範囲内にある場合に、前記電動弁（15）の開度を維持しながら前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する第５制御とを行う第２運転を実行するように構成される
請求項１に記載の水力発電システム。
【請求項5】
前記水車（11）を迂回するバイパス流路（7）に設けられるバイパス弁（17）を備え、
前記コントローラ（30）は、前記第２運転において、前記目標流量が前記第５流量よりも大きいときに、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が目標流量に近づくように、または前記電動弁（15）の開度が最大となり且つ前記流量が目標流量に近づくように、前記発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御するように構成される
請求項４に記載の水力発電システム。
前記コントローラ（30）は、前記第２運転において、前記目標流量が前記第５流量よりも大きいときに、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が目標流量に近づくように、または前記電動弁（15）の開度が最大となり且つ前記流量が目標流量に近づくように、前記発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御するように構成される
請求項４に記載の水力発電システム。
【請求項6】
前記コントローラ（30）は、前記第５制御において、前記電動弁（15）の開度を最大とする
請求項４に記載の水力発電システム。
請求項４に記載の水力発電システム。
【請求項7】
前記コントローラ（30）は、
前記流量が零より大きく第６流量以下までの第６範囲内にある場合に、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する第６制御と、
前記流量が前記第６流量より大きく第７流量以下までの第７範囲内にある場合に、前記電動弁（15）の開度を維持しながら前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する第７制御とを行うように構成される
請求項１に記載の水力発電システム。
前記流量が零より大きく第６流量以下までの第６範囲内にある場合に、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する第６制御と、
前記流量が前記第６流量より大きく第７流量以下までの第７範囲内にある場合に、前記電動弁（15）の開度を維持しながら前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する第７制御とを行うように構成される
請求項１に記載の水力発電システム。
【請求項8】
前記コントローラ（30）は、
前記第６制御において、前記流量を前記第６流量に近づけるときに前記電動弁（15）の開度を最大よりも小さい第１開度とし、
前記第７制御において、前記電動弁（15）の開度を前記第１開度に維持しながら前記流量が前記目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する
請求項７に記載の水力発電システム。
前記第６制御において、前記流量を前記第６流量に近づけるときに前記電動弁（15）の開度を最大よりも小さい第１開度とし、
前記第７制御において、前記電動弁（15）の開度を前記第１開度に維持しながら前記流量が前記目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する
請求項７に記載の水力発電システム。
【請求項9】
前記コントローラ（30）は、前記第７制御において前記流量が目標流量に至ると、該流量が該目標流量を維持し且つ前記電動弁（15）の開度が最大となるように、前記発電機（12）および電動弁（15）を制御する第８制御を行う
請求項７に記載の水力発電システム。
請求項７に記載の水力発電システム。
【請求項10】
前記水車（11）を迂回するバイパス流路（7）に設けられるバイパス弁（17）を備え、
前記コントローラ（30）は、前記第７制御において、前記流量が目標流量に至ると、該流量が該目標流量を維持し且つ前記電動弁（15）の開度が最大となるように、または該流量が該目標流量を維持し且つ前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように、前記発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御する
請求項７に記載の水力発電システム。
前記コントローラ（30）は、前記第７制御において、前記流量が目標流量に至ると、該流量が該目標流量を維持し且つ前記電動弁（15）の開度が最大となるように、または該流量が該目標流量を維持し且つ前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように、前記発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御する
請求項７に記載の水力発電システム。
【請求項11】
所定の有効落差において、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率となる前記水車（11）の流量は、前記発電機（12）が無拘束状態となる前記水車（11）の流量よりも小さい
請求項１～１０のいずれか１つに記載の水力発電システム。
請求項１～１０のいずれか１つに記載の水力発電システム。
【請求項12】
前記水車（11）は、軸流式または斜流式である
請求項１１に記載の水力発電システム。
請求項１１に記載の水力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、水力発電システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、水力発電システムを開示する。この水力発電システムは、発電機で最大効率を得るための水車の有効落差と発電機の回転数との関係を記憶部に記憶させる。制御部が、有効落差に応じて発電機の回転数を制御することで、発電機で最大効率を得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第５２６８８７１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
水力発電システムが適用される流路においては、所定の目標流量を満たしたいという要求がある。一方で、特許文献１のように最大効率が得られる流量の範囲には限界がある。具体的には、最大効率が得られる流量の範囲に対して、目標流量の調整範囲が大きい場合、これらの目標流量を十分に満たすことができないという問題がある。
【0005】
本開示は、水力発電システムにおける流量の調整範囲を拡大させることである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
第１の態様は、水力発電システムが、流体が流れる流路（4）に配置される水車（11）と、前記水車（11）と連結する発電機（12）と、前記流路（4）において前記水車（11）と直列に設けられる電動弁（15）と、前記発電機（12）のトルクまたは回転数、および前記電動弁（15）の開度を制御するコントローラ（30）とを備える。コントローラ（30）は、第１制御と第２制御とを実行する第１運転を行う。第１制御では、コントローラ（30）は、前記流量が零より大きく第１流量以下までの第１範囲内にある場合に、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する。第２制御では、コントローラ（30）は、前記流量が前記第１流量より大きく第２流量以下までの第２範囲内にある場合に、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および電動弁（15）を制御する。
【0007】
第１の態様では、流量が零より大きく第１流量以下までの第１範囲である場合、コントローラ（30）は、第１制御を実行する。第１制御では、コントローラ（30）は、水車（11）または水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づくとともに流路（4）の流量が目標流量に近づくように、水車（11）の回転数またはトルク、および電動弁（15）の開度を調節する。これにより、流路（4）の流量を目標流量に近づけつつ、水車（11）または水力発電システム（10）において最大効率を得ることができる。
【0008】
一方、流量が第１流量よりも大きく第２流量以下までの第２範囲である場合、コントローラ（30）は、第２制御を実行する。第２制御では、コントローラ（30）は、発電機（12）の出力が制限値に近づくとともに流路（4）の流量が目標流量に近づくように、水車（11）の回転数またはトルク、および電動弁（15）の開度を調節する。第２制御では、発電機（12）の出力が最大に近づくので、発電機（12）の発電電力を確保できる。発電機（12）の出力は制限値を越えないので、発電機（12）を制御するためのインバータやコンバータなどでの制御上、あるいはハード上での不具合を回避できる。その上で、流量の調整範囲を拡大できる。
【0009】
第２の態様は、第１の態様において、前記水車（11）を迂回するバイパス流路（7）に設けられるバイパス弁（17）を備え、前記コントローラ（30）は、前記第１運転において、前記目標流量が前記第２流量よりも大きいときに、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が目標流量に近づくように、または前記電動弁（15）の開度が最大となり且つ前記流量が目標流量に近づくように、前記発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御するように構成される。
【0010】
第２の態様では、目標流量が第２流量よりも大きい場合、バイパス弁（17）を制御することで、流量の調整範囲を拡大できる。この際、発電機（12）の出力を制限値に近づけたり、電動弁（15）の開度を最大にしたりすることで、発電機（12）の発電電力を増大できる。
【0011】
第３の態様は、第１または第２の態様において、前記コントローラ（30）は、前記第２制御において、前記流量を前記第２流量に近づけるときに前記電動弁（15）の開度を最大とする。
【0012】
第３の態様では、第２制御において、電動弁（15）の開度を最大とすることで、水車（11）を流れる流量、および発電機（12）の発電電力を増大できる。
【0013】
第４の態様は、第１～第３のいずれか１つの態様において、前記コントローラ（30）は、第３制御と第４制御と第５制御とを行う第２運転を実行する。第３制御では、コントローラ（30）は、前記流量が零より大きく第３流量以下まで第３範囲内にある場合に、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する。第４制御では、コントローラ（30）は、前記流量が前記第３流量より大きく第４流量以下までの第４範囲内にある場合に、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が前記目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する。第５制御では、コントローラ（30）は、前記流量が前記第４流量より大きく第５流量以下までの第５範囲内にある場合に、前記電動弁（15）の開度を維持しながら前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する。
【0014】
第４の態様では、第３制御において、最高効率を得ながら目標流量を満たすことができる。第４制御において、発電機（12）の出力が最大で且つ制限値を越えないようしながら目標流量を満たすことができる。加えて、第５制御では、コントローラ（30）は、電動弁（15）の開度を維持しながら流量が目標流量に近づくように水車（11）の回転数またはトルクを制御する。これにより、流量の調整範囲をさらに拡大できる。
【0015】
第５の態様は、第４の態様において、前記水車（11）を迂回するバイパス流路（7）に設けられるバイパス弁（17）を備え、前記コントローラ（30）は、前記第２運転において、前記目標流量が前記第５流量よりも大きいときに、前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ前記流量が目標流量に近づくように、または前記電動弁（15）の開度が最大となり且つ前記流量が目標流量に近づくように、前記発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御するように構成される。
【0016】
第５の態様では、目標流量が第５流量よりも大きい場合、バイパス弁（17）を制御することで、流量の調整範囲を拡大できる。この際、発電機（12）の出力を制限値に近づけたり、電動弁（15）の開度を最大にしたりすることで、発電機（12）の発電電力を増大できる。
【0017】
第６の態様は、第４または第５の態様において、前記コントローラ（30）は、前記第５制御において、前記電動弁（15）の開度を最大とする
第６の態様では、第５制御において、電動弁（15）の開度を最大とすることで、発電機（12）の発電電力を増大できる。
第６の態様では、第５制御において、電動弁（15）の開度を最大とすることで、発電機（12）の発電電力を増大できる。
【0018】
第７の態様は、前記コントローラ（30）は、第６制御と第７制御とを行う第３運転を実行する。第６制御では、コントローラ（30）は、前記流量が零より大きく第６流量以下までの第６範囲内にある場合に、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）および前記電動弁（15）を制御する。第７制御では、コントローラ（30）は、前記流量が前記第６流量より大きく第７流量以下までの第７範囲内にある場合に、前記電動弁（15）の開度を維持しながら前記流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する。
【0019】
第７の態様では、第７制御において、流量を目標流量に速やかに近づけることができる。発電機（12）の回転数やトルクによる制御の応答速度は、電動弁（15）の開度の制御の応答速度よりも早いためである。
【0020】
第８の態様は、第７の態様において、前記コントローラ（30）は、前記第６制御において、前記流量を前記第６流量に近づけるときに前記電動弁（15）の開度を最大よりも小さい第１開度とする。コントローラ（30）は、前記第７制御において、前記電動弁（15）の開度を前記第１開度に維持しながら前記流量が前記目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する。
【0021】
第８の態様では、第７制御において、コントローラ（30）は、電動弁（15）の開度を最大とせず、それよりも小さい第１開度に維持する。このため、第７制御において、流量を目標流量に速やかに近づけることができる。
【0022】
第９の態様は、前記コントローラ（30）は、前記第７制御において、前記流量が目標流量に至ると、該流量が該目標流量を維持し且つ前記電動弁（15）の開度が最大となるように、前記発電機（12）および電動弁（15）を制御する第８制御を行う。
【0023】
第９の態様では、第７制御により、流量が目標流量に至ると、コントローラ（30）は、第８制御において電動弁（15）の開度を最大とするので、発電機（12）の発電電力を増大できる。
【0024】
第１０の態様は、前記水車（11）を迂回するバイパス流路（7）に設けられるバイパス弁（17）を備え、前記コントローラ（30）は、前記第７制御において、前記流量が目標流量に至ると、該流量が該目標流量を維持し且つ前記電動弁（15）の開度が最大となるように、または該流量が該目標流量を維持し且つ前記発電機（12）の出力が制限値に近づくように、前記発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御する。
【0025】
第１０の態様では、前記第７制御において、前記流量が目標流量に至ると、バイパス弁（17）の制御により、目標流量を維持しつつ発電機（12）の出力を制限値に近づけたり、電動弁（15）の開度を最大にしたりできる。その結果、発電機（12）の発電電力を増大できる。
【0026】
第１１の態様は、第１～第１０のいずれか１つの態様において、所定の有効落差において、前記水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率となる前記水車（11）の流量は、前記発電機（12）が無拘束状態となる前記水車（11）の流量よりも小さい。
【0027】
第１２の態様は、第１１の態様において、前記水車（11）は、軸流式または斜流式である。
【0028】
第１１や第１２の発明の水力発電システムでは、最大効率が得られる流量範囲に対して、目標流量の範囲が大きくなり易くなる。これに対して、第２制御を行うことで、このような目標流量をカバーできる。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【発明を実施するための形態】
【0030】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示される実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想を逸脱しない範囲内で各種の変更が可能である。各図面は、本開示を概念的に説明するためのものであるから、理解容易のために必要に応じて寸法、比又は数を誇張又は簡略化して表す場合がある。
【0031】
（１）全体構成
図１に示す水力発電システム（10）は、上水道（1）に適用される。本例の水力発電システム（10）は、上水道（1）の末端側に適用される。水力発電システム（10）を流れた水（流体）は、住宅・ビルなどに供給される。
図１に示す水力発電システム（10）は、上水道（1）に適用される。本例の水力発電システム（10）は、上水道（1）の末端側に適用される。水力発電システム（10）を流れた水（流体）は、住宅・ビルなどに供給される。
【0032】
上水道（1）は、貯水槽（2）と流路（4）と受水槽（8）とを含む。流路（4）は、貯水槽（2）と、受水槽（8）との間の管路を構成している。流路（4）は、落差を有して水が流れる水路である。受水槽（8）の下流側には住宅などの水の供給対象がある。
【0033】
流路（4）は、第１流路（5）と第２流路（6）とを含む。第１流路（5）は、水車（11）の上流側に形成される。第１流路（5）は、貯水槽（2）と水車（11）との間に形成される。第２流路（6）は、水車（11）の下流側に形成される。第２流路（6）は、水車（11）と受水槽（8）との間に形成される。
【0034】
図１および図２に示すように、水力発電システム（10）は、水車（11）と、発電機（12）と、電動弁（15）と、第１流量センサ（16）とを備える。図２に示すように、水力発電システム（10）は、コントローラ（30）と、系統連系インバータ（50）とを備える。
【0035】
（１－１）水車
水車（11）は、流路（4）の途中に配置される。水車（11）は、ケーシングと、ケーシングに収容される羽根車とを備える（図示省略）。羽根車の中心部には、回転軸（13）が固定される。流路（4）を流れる水によって水車（11）が回転すると、回転軸（13）が回転駆動される。
水車（11）は、流路（4）の途中に配置される。水車（11）は、ケーシングと、ケーシングに収容される羽根車とを備える（図示省略）。羽根車の中心部には、回転軸（13）が固定される。流路（4）を流れる水によって水車（11）が回転すると、回転軸（13）が回転駆動される。
【0036】
水車（11）は、軸流式または斜流式である。軸流式の水車（11）は、例えばプロペラ水車である。軸流式の水車（11）では、羽根車を通過する水が、該羽根車の軸心方向に流れる。斜流式の水車（11）は、例えばデリア水車である。斜流式の水車（11）は、羽根車を通過する水が、該羽根車の軸心に対して傾斜した方向に流れる。軸流式や斜流式の水車（11）は、フランシス水車と比べると、大流量の流路に適している。
【0037】
（１－２）発電機
発電機（12）は、回転軸（13）を介して水車（11）と連結する。発電機（12）は、ロータとステータとを有する（図示省略）。ロータは、永久磁石埋込型である。ステータはコイルを有する。
発電機（12）は、回転軸（13）を介して水車（11）と連結する。発電機（12）は、ロータとステータとを有する（図示省略）。ロータは、永久磁石埋込型である。ステータはコイルを有する。
【0038】
水車（11）が回転すると、水車（11）によって発電機（12）が駆動される。これにより、発電機（12）が回生運転を行う。回生運転中の発電機（12）は、電力を発生する。発電機（12）が発生した電力は、電力回路（C）を介して電力系統（60）へ供給される。電力系統（60）は、例えば商用電源である。詳細は後述するが、電力回路（C）は、電力系統（60）の電力を発電機（12）に供給可能に構成される。
【0039】
（１－３）電動弁
電動弁（15）は、流路（4）に水車（11）と直列に配置される。電動弁（15）は、第１流路（5）において、水車（11）の上流側に配置される。電動弁（15）は、モータ駆動式の圧力調節弁である。電動弁（15）は、モータによって開度が調節される。電動弁（15）は、水車（11）の有効落差（H）を調節する。
電動弁（15）は、流路（4）に水車（11）と直列に配置される。電動弁（15）は、第１流路（5）において、水車（11）の上流側に配置される。電動弁（15）は、モータ駆動式の圧力調節弁である。電動弁（15）は、モータによって開度が調節される。電動弁（15）は、水車（11）の有効落差（H）を調節する。
【0040】
（１－４）流量センサ
第１流量センサ（16）は、第１流路（5）に配置される。第１流量センサ（16）は、水車（11）を通過する水の流量を検知する。第１流量センサ（16）によって検出された流量は、コントローラ（30）に入力される。
第１流量センサ（16）は、第１流路（5）に配置される。第１流量センサ（16）は、水車（11）を通過する水の流量を検知する。第１流量センサ（16）によって検出された流量は、コントローラ（30）に入力される。
【0041】
（１－５）電力回路
図２に示す電力回路（C）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）と、系統連系インバータ（50）とを有する。電力回路（C）は、発電機（12）と電力系統の間で双方向に電力を供給可能に構成される。
図２に示す電力回路（C）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）と、系統連系インバータ（50）とを有する。電力回路（C）は、発電機（12）と電力系統の間で双方向に電力を供給可能に構成される。
【0042】
ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、コントローラ（30）に設けられる。ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、複数のスイッチング素子を備える。ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、発電機（12）が発電した交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を系統連系インバータ（50）に出力する。ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、系統連系インバータ（50）から出力された直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を発電機（12）に出力する。このように、ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）は、双方向式のコンバータである。
【0043】
系統連系インバータ（50）は、インバータ部を構成する複数のスイッチング素子を有する。系統連系インバータ（50）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）から出力された直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を電力系統（60）に供給する。系統連系インバータ（50）は、電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力をＡＣ／ＤＣコンバータ（31）に出力する。このように、系統連系インバータ（50）は、双方向式のインバータを有する。
【0044】
（１－６）コントローラ
図２に示すコントローラ（30）は、発電機（12）および電動弁（15）を制御する。コントローラ（30）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのプログラムが格納されたメモリディバイスとを含む。
図２に示すコントローラ（30）は、発電機（12）および電動弁（15）を制御する。コントローラ（30）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのプログラムが格納されたメモリディバイスとを含む。
【0045】
コントローラ（30）は、発電機（12）の回転数やトルク、および電動弁（15）の開度を制御する。コントローラ（30）は、上述したＡＣ／ＤＣコンバータ（31）と、回転数検出部（32）と、水車動作点推定部（33）と、流量検出部（34）と、流量制御部（35）と、発電機制御部（36）と、弁制御部（37）とを有する。
【0046】
回転数検出部（32）は、発電機（12）の回転数を検出する。回転数検出部（32）で検出した回転数は、水車動作点推定部（33）および発電機制御部（36）に出力される。水車動作点推定部（33）は、発電機（12）の回転数、および発電機（12）のトルク指令値に基づいて水車動作点を求める。流量検出部（34）には、第１流量センサ（16）で検出した流量（Q）が入力される。
【0047】
流量制御部（35）は、予め設定された目標流量（Qo）と流量（Q）とに基づいて発電機（12）のトルク指令値を生成する。トルク指令値は、流量（Q）を目標流量（Qo）に収束させるための発電機（12）のトルクに相当する。流量制御部（35）は、生成したトルク指令値を発電機制御部（36）に出力する。
【0048】
加えて、流量制御部（35）は、電動弁（15）の開度指令値を生成する。開度指令値は、水車動作点を通常の運転領域に収束させるための電動弁（15）の開度に相当する。流量制御部（35）は、生成した開度指令値を弁制御部（37）に出力する。
【0049】
発電機制御部（36）は、流量（Q）が目標流量（Qo）に収束するように発電機（12）のトルクを制御する。発電機制御部（36）には、流量制御部（35）から出力されたトルク指令値と、回転数検出部（32）から出力された回転数とが入力される。発電機制御部（36）は、入力されたトルク指令値および回転数にしたがって電圧指令値を算出する。発電機制御部（36）は、電圧指令値に基づいてＡＣ／ＤＣコンバータ（31）のスイッチング素子を制御する。これにより、発電機（12）のトルクがトルク指令値に収束する。
【0050】
弁制御部（37）は、流量（Q）が目標流量（Qo）に収束するように電動弁（15）の開度を制御する。弁制御部（37）には、流量制御部（35）から出力された開度指令値が入力される。弁制御部（37）は、入力された開度指令値にしたがって所定の制御信号を電動弁（15）に出力する。これにより、電動弁（15）の開度が開度指令値に収束する。
【0051】
（１－７）操作部
図２に示すように、水力発電システム（10）は、操作部（40）を有する。操作部（40）は、水力発電システム（10）のオペレータによって操作される。オペレータは、操作部（40）により、水力発電システム（10）の運転モードや、流路（4）に応じた目標流量（Qo）を設定できる。操作部（40）に入力された情報は、コントローラ（30）に出力される。
図２に示すように、水力発電システム（10）は、操作部（40）を有する。操作部（40）は、水力発電システム（10）のオペレータによって操作される。オペレータは、操作部（40）により、水力発電システム（10）の運転モードや、流路（4）に応じた目標流量（Qo）を設定できる。操作部（40）に入力された情報は、コントローラ（30）に出力される。
【0052】
【0053】
図３は、水車の特性を示すグラフであり、いわゆる特性マップである。図３の縦軸は、水車（11）の有効落差（H）、横軸は水車（11）を流れる流量（Q）である。有効落差（H）は、図１に示す総落差（Ho）から、流路抵抗に相当する落差、電動弁（15）の圧力損失、および水車（11）の下流側の二次圧を引いた値である。総落差（Ho）は、貯水槽（2）の液面から受水槽（8）の液面まで間の落差である。流路抵抗は、流路（4）の管路の抵抗に相当する。
【0054】
水車（11）の有効落差（H）および流量（Q）の関係は、図３に示すシステムロスカーブ（流動抵抗特性線）で表すことができる。システムロスカーブは、流量（Q）の増大に伴って有効落差（H）が減少する特性を有する。水車（11）の流量（Q）と有効落差（H）に対応する点（水車動作点）は、常にシステムロスカーブ上を移動する。
【0055】
電動弁（15）の開度が大きくなると、特性マップにおいて、システムロスカーブは上側に遷移する。電動弁（15）の開度が大きくなると、流路（4）の流量（Q）および有効落差（H）が増大する。電動弁（15）の開度が小さくなると、特性マップにおいて、システムロスカーブは下側に遷移する。電動弁（15）の開度が小さくなると、流量（Q）および有効落差（H）が減少する。
【0056】
図３の最高効率曲線は、水車（11）の効率または水力発電システム（10）の効率が最大効率となる特性を示す曲線である。最高効率曲線は、有効落差（H）に対して最大効率が得られる流量（Q）を、複数の有効落差（H）毎にプロットすることで得られる。水力発電システム（10）では、水車動作点が最高効率曲線上に位置すれば最大効率での運転ができる。
【0057】
図３の無拘束曲線は、発電機（12）のトルクを表す等トルク曲線のうち、トルクが零となる曲線である。したがって、水車動作点が無拘束曲線に至ると、発電機（12）で発電を行うことができない。
【0058】
図３の制限曲線は、発電機（12）の出力における制御範囲の制限値を示す曲線である。制限値とは、例えば発電機（12）の最大トルクや最大出力、あるいは水力発電システム（10）の最大出力である。水車動作点が制限曲線よりも上側にあることは、発電機（12）の出力が制限値を越えることを意味する。発電機（12）の出力が制限値を越えると、発電機（12）やＡＣ／ＤＣコンバータ（31）や系統連系インバータ（50）において、制御上、あるいは過熱異常などの不具合が生じる。水車動作点が制限曲線上にあれば、発電機（12）の制御範囲において発電機（12）の出力が最大となる。
【0059】
図３に示す各特性や曲線は、テーブルや関数などのデータとして、コントローラ（30）のメモリディバイスに記憶される。したがって、コントローラ（30）は、このデータを利用することで種々の指標を求めることができる。
【0060】
【0061】
貯水槽（2）の水は、流路（4）を流れる。流路（4）の水は電動弁（15）を通過した後、水車（11）を流れる。水流によって水車（11）が回転すると発電機（12）から電力が発生する。発電機（12）で発生した交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）で直流電力に変換される。ＡＣ／ＤＣコンバータ（31）で変換された直流電力は、系統連系インバータ（50）で交流電力に変換され、電力系統（60）に供給される。水車（11）を通過した水は、受水槽（8）に送られる。
【0062】
（３）課題
本実施形態の水力発電システム（10）では、図３に示す特性マップにおいて、無拘束曲線が最高効率曲線よりも右側に位置する。言い換えると、所定の有効落差において、水車（11）の効率または水力発電システム（10）の効率が最大効率となる水車（11）の流量は、発電機（12）が無拘束状態となる前記水車（11）の流量よりも小さい。水車（11）が軸流式や斜流式である場合、無拘束曲線が最高効率曲線よりも右側に位置する傾向にある。
本実施形態の水力発電システム（10）では、図３に示す特性マップにおいて、無拘束曲線が最高効率曲線よりも右側に位置する。言い換えると、所定の有効落差において、水車（11）の効率または水力発電システム（10）の効率が最大効率となる水車（11）の流量は、発電機（12）が無拘束状態となる前記水車（11）の流量よりも小さい。水車（11）が軸流式や斜流式である場合、無拘束曲線が最高効率曲線よりも右側に位置する傾向にある。
【0063】
上述したように、水力発電システム（10）では、水車動作点を最高効率曲線上で制御することで最大効率を得ることができる。しかし、図３に示すように、水力発電システム（10）の特性が、最高効率曲線に対して無拘束曲線が右側に離れた特性である場合、比較的大きな目標流量（Qo）を満たすことができないという問題があった。
【0064】
（４）基本制御
上記の課題を解決するために、本実施形態の水力発電システム（10）では、以下の第１運転や第２運転により目標流量（Qo）の制御範囲を拡大している。第１運転は発電の出力を優先する運転モードであり、第２運転は目標流量（Qo）を優先する運転モードである。オペレータは、操作部（40）により、第１運転または第２運転を選択できる。
上記の課題を解決するために、本実施形態の水力発電システム（10）では、以下の第１運転や第２運転により目標流量（Qo）の制御範囲を拡大している。第１運転は発電の出力を優先する運転モードであり、第２運転は目標流量（Qo）を優先する運転モードである。オペレータは、操作部（40）により、第１運転または第２運転を選択できる。
【0065】
図４に示すように、ステップST1において、操作部（40）からコントローラ（30）に運転を開始するための指令が入力されると、処理はステップST2に移行する。操作部（40）において第１運転が選択される場合、ステップST3においてコントローラ（30）は第１運転を実行させる。操作部（40）において第２運転が選択される場合、ステップST4においてコントローラ（30）は第２運転を実行させる。ステップST5において、操作部（40）からコントローラ（30）に運転を停止するための指令が入力されると、ステップST6において、コントローラ（30）は第１運転や第２運転を停止させる。
【0066】
（５）第１運転
第１運転では、コントローラ（30）は、図５に示す第１制御と第２制御とを切り換えて実行する。
第１運転では、コントローラ（30）は、図５に示す第１制御と第２制御とを切り換えて実行する。
【0067】
図５に示すように、コントローラ（30）は、流量（Q）が第１範囲内にある場合に、第１制御を実行する。第１範囲は、零より大きく第１流量（Q1）以下までの範囲である。第１流量（Q1）は、制限曲線と最高効率曲線との交点であるａ点に対応する流量である。図５の例では、特性マップにおいて、ａ点は、ｂ点よりも下側にある。ｂ点は、電動弁（15）の開度が最大であるときのシステムロスカーブ（以下、最大システムロスカーブともいう）と最高効率曲線との交点である。「電動弁の開度が最大」の意味は、電動弁（15）が機械的に全開であることに加えて、電動弁（15）の開度が、その制御範囲の上限値にあることも含む。
【0068】
第１制御では、水車動作点が最高効率曲線上に沿うように流量（Q）が調節される。このため、第１制御では、水車（11）、あるいは水力発電システム（10）の効率を最大効率に近づけることができる。
【0069】
なお、水力発電システム（10）の使用条件などにより、ａ点がｂ点よりも上側にある場合、電動弁（15）の開度を最大にしても、水車動作点が制限曲線に達しない。したがって、このような条件下では、コントローラ（30）は、流量（Q）が零から電動弁（15）の開度が最大になる流量までの範囲において、水車動作点が最高効率曲線に沿うように、電動弁（15）および発電機（12）を制御する。
【0070】
図５に示すように、コントローラ（30）は、流量（Q）が第２範囲内にある場合に、第２制御を実行する。第２範囲は、第１流量（Q1）より大きく第２流量（Q2）以下までの範囲である。第２流量（Q2）は、図５に示すように、最大システムロスカーブと制限曲線との交点であるc点に対応する流量である。したがって、水車動作点がc点に至ると、電動弁（15）の開度が最大となる。第２制御では、コントローラ（30）は、発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように発電機（12）および電動弁（15）を制御する。「発電機（12）の出力が制限値に近づくように」は、厳密にいうと、発電機（12）の出力が最大に近づき、且つ発電機（12）の出力が制限値を越えないことを意味する。第２制御では、水車動作点が制限曲線を越えることを回避しつつ、流量（Q）の調整範囲を拡大できる。
【0071】
コントローラ（30）は、第２制御において、流量（Q）を第２流量（Q2）に近づけるときに電動弁（15）の開度を最大とする。このため、電動弁（15）の開度を最大とすることで発電機（12）の発電電力を増大できる。
【0072】
目標流量（Qo）が第２範囲よりも大きい場合、コントローラ（30）は、流量（Q）が第２流量（Q2）に近づくように電動弁（15）および発電機（12）を制御する。この場合、目標流量（Qo）を満たすことはできないが、発電機（12）の発電電力を確保できる。
【0073】
（５－１）第１運転の制御例
第１運転の具体的な制御例について図６を参照しながら説明する。第１運転では、図６に示す処理が繰り返し実行される。第１運転では、コントローラ（30）は、ステップST11において、電動弁（15）の開度を目標流量（Qo）の方向に制御する。具体的には、ステップST11では、コントローラ（30）は、流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように電動弁（15）の開度を所定量Δαだけ変化させる。ステップST12において、水車動作点が制限曲線に到達していない場合、ステップST13において、コントローラ（30）は、水車動作点が最高効率曲線に維持されるように発電機（12）を制御する。このように、水車動作点が制限曲線に到達していない場合、ステップST11の電動弁（15）の開度の調整と、ステップST13の発電機（12）の制御とが交互に繰り返される。この制御が第１制御に対応する。
第１運転の具体的な制御例について図６を参照しながら説明する。第１運転では、図６に示す処理が繰り返し実行される。第１運転では、コントローラ（30）は、ステップST11において、電動弁（15）の開度を目標流量（Qo）の方向に制御する。具体的には、ステップST11では、コントローラ（30）は、流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように電動弁（15）の開度を所定量Δαだけ変化させる。ステップST12において、水車動作点が制限曲線に到達していない場合、ステップST13において、コントローラ（30）は、水車動作点が最高効率曲線に維持されるように発電機（12）を制御する。このように、水車動作点が制限曲線に到達していない場合、ステップST11の電動弁（15）の開度の調整と、ステップST13の発電機（12）の制御とが交互に繰り返される。この制御が第１制御に対応する。
【0074】
ステップST12において、水車動作点が制限曲線に到達している場合、ステップST14において、コントローラ（30）は、水車動作点が制限曲線に維持されるように発電機（12）を制御する。このように、水車動作点が制限曲線に到達している場合、ステップST11の電動弁（15）の開度の調整と、ステップST14の発電機（12）の制御とが交互に繰り返される。この制御が第２制御に対応する。
【0075】
（６）第２運転
第２運転は、水力発電システム（10）が設置される環境や運転条件に応じて、第１モードと、第２モードによる制御が行われる。
第２運転は、水力発電システム（10）が設置される環境や運転条件に応じて、第１モードと、第２モードによる制御が行われる。
【0076】
（６－１）第２運転の第１モード
第２運転の第１モードは、図７に示すように、制限曲線と最高効率曲線との交点であるａ点が、最大システムロスカーブと最高効率曲線との交点であるｂ点よりも下側にある条件において、実行される。第２運転の第１モードでは、コントローラ（30）は、第３制御と第４制御と第５制御とを切り換えて実行する。ここで、第３制御は、第１運転の第１制御と実質的に同じであり、第４制御は、第１運転の第２制御と実質的に同じである。
第２運転の第１モードは、図７に示すように、制限曲線と最高効率曲線との交点であるａ点が、最大システムロスカーブと最高効率曲線との交点であるｂ点よりも下側にある条件において、実行される。第２運転の第１モードでは、コントローラ（30）は、第３制御と第４制御と第５制御とを切り換えて実行する。ここで、第３制御は、第１運転の第１制御と実質的に同じであり、第４制御は、第１運転の第２制御と実質的に同じである。
【0077】
コントローラ（30）は、流量（Q）が第３範囲内にある場合、第３制御を実行する。第３範囲は、零より大きく第３流量（Q3）以下までの範囲である。第３流量（Q3）は、第１運転の第１流量（Q1）に相当する。コントローラ（30）は、第３制御において、水車動作点が最高効率曲線に沿い且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように電動弁（15）および発電機（12）を制御する。
【0078】
コントローラ（30）は、流量（Q）が第４範囲内にある場合、第４制御を実行する。第４範囲は、第３流量（Q3）より大きく第４流量（Q4）以下までの範囲である。第４流量（Q4）は、第１運転の第２流量（Q2）に相当する。コントローラ（30）は、第４制御において、水車動作点が制限曲線に沿い且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように電動弁（15）および発電機（12）を制御する。
【0079】
コントローラ（30）は、流量（Q）が第５範囲内である場合、第５制御を実行する。第５範囲は、第４流量（Q4）より大きく第５流量（Q5）以下までの範囲である。第５流量（Q5）は、図７に示すd点に対応する流量である。d点は、最大システムロスカーブ上において、制限曲線と無拘束曲線との間の所定の水車動作点に対応する。
【0080】
コントローラ（30）は、第５制御において、電動弁（15）の開度を維持しながら流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように発電機（12）を制御する。言い換えるとコントローラ（30）は、第５制御において、水車動作点が、最大システムロスカーブに沿いながら目標流量（Qo）に収束するように、発電機（12）を制御する。これにより、発電機（12）の発電を継続しながら、流量（Q）の調整範囲をさらに拡大できる。
【0081】
第５制御では、電動弁（15）の開度が最大に維持される。このため、発電機（12）の発電電力を十分に確保できる。
【0082】
目標流量（Qo）が第５範囲よりも大きい場合、コントローラ（30）は、流量（Q）が第５流量（Q5）に近づくように発電機（12）を制御する。この場合、目標流量（Qo）を満たすことはできないが、発電機（12）の発電電力を確保できる。
【0083】
（６－２）第２運転の第２モード
第２運転の第２モードは、図８に示すように、制限曲線と最高効率曲線との交点であるａ点が、最大システムロスカーブと最高効率曲線との交点であるｂ点よりも上側にある条件において、実行される。第２運転の第２モードでは、コントローラ（30）は、第６制御と第７制御とを切り換えて実行する。
第２運転の第２モードは、図８に示すように、制限曲線と最高効率曲線との交点であるａ点が、最大システムロスカーブと最高効率曲線との交点であるｂ点よりも上側にある条件において、実行される。第２運転の第２モードでは、コントローラ（30）は、第６制御と第７制御とを切り換えて実行する。
【0084】
コントローラ（30）は、流量（Q）が第６範囲内にある場合、第６制御を実行する。第６範囲は、零より大きく第６流量（Q6）以下までの範囲である。第６流量（Q6）は、ｂ点の流量に相当する。コントローラ（30）は、第６制御において、水車動作点が最高効率曲線に沿い且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように電動弁（15）および発電機（12）を制御する。
【0085】
コントローラ（30）は、流量（Q）が第７範囲内にある場合、第７制御を実行する。第７範囲は、第６流量（Q6）より大きく第７流量（Q7）以下までの範囲である。第７流量（Q7）は、図８に示すｅ点に対応する流量である。ｅ点は、最大システムロスカーブ上において、最高効率曲線と無拘束曲線との間の所定の水車動作点に対応する。
【0086】
コントローラ（30）は、第７制御において、電動弁（15）の開度を維持しながら流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように発電機（12）を制御する。言い換えるとコントローラ（30）は、第７制御において、水車動作点が、最大システムロスカーブに沿いながら目標流量（Qo）に収束するように、発電機（12）を制御する。これにより、発電機（12）の発電を継続しながら、流量（Q）の調整範囲をさらに拡大できる。
【0087】
第７制御では、電動弁（15）の開度が最大に維持される。このため、発電機（12）の発電電力を十分に確保できる。
【0088】
目標流量（Qo）が第７範囲よりも大きい場合、コントローラ（30）は、流量（Q）が第７流量（Q7）に近づくように発電機（12）を制御する。この場合、目標流量（Qo）を満たすことはできないが、発電機（12）の発電電力を確保できる。
【0089】
（６－３）第２運転の制御例
第２運転の具体的な制御例について図９を参照しながら説明する。第２運転では、ステップST21において、コントローラ（30）は、電動弁（15）の開度が最大であるか否かを判定する。ステップST21において、電動弁（15）の開度が最大でない場合、ステップST22において、コントローラ（30）は、電動弁（15）の開度を目標流量の方向に制御する。具体的には、ステップST22では、コントローラ（30）は、流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように電動弁（15）の開度を所定量Δαだけ変化させる。ステップST23において、水車動作点が制限曲線に到達していない場合、ステップST24において、コントローラ（30）は、水車動作点が最高効率曲線に維持されるように発電機（12）を制御する。このように、水車動作点が制限曲線に到達していない場合、ステップST22の電動弁（15）の開度の調整と、ステップST24の発電機（12）の制御とが交互に繰り返される。この制御が、第３制御や第６制御に対応する。
第２運転の具体的な制御例について図９を参照しながら説明する。第２運転では、ステップST21において、コントローラ（30）は、電動弁（15）の開度が最大であるか否かを判定する。ステップST21において、電動弁（15）の開度が最大でない場合、ステップST22において、コントローラ（30）は、電動弁（15）の開度を目標流量の方向に制御する。具体的には、ステップST22では、コントローラ（30）は、流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように電動弁（15）の開度を所定量Δαだけ変化させる。ステップST23において、水車動作点が制限曲線に到達していない場合、ステップST24において、コントローラ（30）は、水車動作点が最高効率曲線に維持されるように発電機（12）を制御する。このように、水車動作点が制限曲線に到達していない場合、ステップST22の電動弁（15）の開度の調整と、ステップST24の発電機（12）の制御とが交互に繰り返される。この制御が、第３制御や第６制御に対応する。
【0090】
ステップST23において、水車動作点が制限曲線に到達している場合、ステップST25において、コントローラ（30）は、水車動作点が制限曲線に維持されるように発電機（12）を制御する。このように、水車動作点が制限曲線に到達している場合、ステップST22の電動弁（15）の開度の調整と、ステップST25の発電機（12）の制御とが交互に繰り返される。この制御が第４制御に対応する。
【0091】
ステップST21において、電動弁（15）の開度が最大であり、且つステップST26で流量（Q）が目標流量（Qo）より小さい場合、電動弁（15）の開度により流量（Q）を増大できない。したがって、この場合には、ステップST28において、コントローラ（30）は、水車動作点が目標流量（Qo）に収束するように発電機（12）を制御する。具体的には、コントローラ（30）は、発電機（12）のトルクを制御することにより、流量（Q）を増大させる。また、ステップST26において、流量（Q）が目標流量（Qo）より大きく、且つステップST27において水車動作点が制限曲線や最高効率曲線に到達していない場合にも、処理はステップST28に移行する。この場合には、発電機（12）の制御により流量（Q）が減少する。これらのステップST28の制御は、第５制御や第７制御に対応する。
【0092】
（７）実施形態の効果
第１運転において、コントローラ（30）は、流量（Q）が零より大きく第１流量（Q1）以下までの第１範囲内にある場合に、水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように発電機（12）および電動弁（15）を制御する第１制御を行う。このため、目標流量（Qo）が第１範囲内である場合には、第１制御により最大効率を得ながら流量（Q）を目標流量（Qo）に近づけることができる。
第１運転において、コントローラ（30）は、流量（Q）が零より大きく第１流量（Q1）以下までの第１範囲内にある場合に、水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように発電機（12）および電動弁（15）を制御する第１制御を行う。このため、目標流量（Qo）が第１範囲内である場合には、第１制御により最大効率を得ながら流量（Q）を目標流量（Qo）に近づけることができる。
【0093】
第１運転において、コントローラ（30）は、流量（Q）が第１流量（Q1）より大きく第２流量（Q2）以下までの第２範囲内にある場合に、発電機（12）の出力が制限値に近づくように且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように発電機（12）および電動弁（15）を制御する第２制御を行う。このため、目標流量（Qo）が第１範囲より大きい場合にも、第２制御により、流量（Q）を目標流量（Qo）に近づけることができる。このとき、発電機（12）の出力は最大出力に近づくため、発電機（12）の発電電力を十分に確保できる。加えて、発電機（12）の出力が制限値を越えないので、発電機（12）やＡＣ／ＤＣコンバータ（31）や系統連系インバータ（50）において、制御上、あるいは過熱異常などの不具合が生じることを回避できる。したがって、第２範囲においても、水車動作点を確実に制御でき、流量（Q）を目標流量（Qo）に収束させることができる。
【0094】
第２制御では、流量（Q）を第２流量（Q2）に近づけるときに、電動弁（15）の開度を最大とする。電動弁（15）の開度を最大とすることで、第２範囲において発電機（12）の発電電力を増大できる。
【0095】
第２運転の第１モードにおいて、コントローラ（30）は、第３制御（第１制御に相当）、第４制御（第２制御に相当）に加えて、第５制御を実行する。第５制御では、コントローラ（30）は、流量（Q）が第５範囲内にある場合に、電動弁（15）の開度を維持しながら流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように発電機（12）を制御する。これにより、第１運転と比べて流量の調整範囲をさらに拡大できる。第５制御では、電動弁（15）の開度を調整しないので、流量（Q）を目標流量（Qo）に速やかに近づけることができる。流量調整のための発電機（12）の応答速度は、電動弁（15）の開度の制御の応答速度よりも早いためである。
【0096】
第５制御では、コントローラ（30）は、電動弁（15）の開度を最大に維持する。このため、電動弁（15）の開度が最大よりも小さい場合と比較して、発電機（12）の発電電力が大きくなる。
【0097】
第２運転の第２モードにおいて、コントローラ（30）は、流量（Q）が零より大きく第６流量以下までの第６範囲内にある場合に、水車（11）の効率または前記水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように発電機（12）および電動弁（15）を制御する第６制御を行う。このため、目標流量（Qo）が第６範囲内である場合には、第６制御により最大効率を得ながら流量（Q）を目標流量（Qo）に近づけることができる。
【0098】
第２運転の第２モードにおいて、コントローラ（30）は、流量（Q）が第６流量（Q6）より大きく第７流量（Q7）以下までの第７範囲内にある場合に、電動弁（15）の開度を維持しながら流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように発電機（12）を制御する第７制御を行う。このため、目標流量（Qo）が第７範囲内である場合には、第７制御により流量（Q）を目標流量（Qo）に速やか近づけることができる。
【0099】
第７制御では、コントローラ（30）は、電動弁（15）の開度を最大に維持する。このため、電動弁（15）の開度が最大よりも小さい場合と比較して、発電機（12）の発電電力が大きくなる。
【0100】
水力発電システム（10）は、第１運転と第２運転を設定可能な操作部（40）（設定部）を有する。このため、オペレータは、第１運転、すなわち発電の効率を重視した運転と、第２運転、すなわち目標流量（Qo）を重視した運転とを任意に切り換えることができる。
【0101】
（６）変形例
上記実施形態においては、以下の変形例の構成としてもよい。以下には、上記実施形態と異なる点について説明する。
上記実施形態においては、以下の変形例の構成としてもよい。以下には、上記実施形態と異なる点について説明する。
【0102】
（６－１）変形例１
変形例１の水力発電システム（10）は、過渡動作を行う。過渡動作は、例えば流量（Q）と目標流量（Qo）とが乖離することを示す第１条件が成立すると実行される。第１条件は、例えば流量（Q）と目標流量（Qo）との差の絶対値が所定値より大きいことである。過渡動作では、発電機（12）の制御により、流量（Q）が目標流量（Qo）に速やかに近づいた後、電動弁（15）の開度を調整する。
変形例１の水力発電システム（10）は、過渡動作を行う。過渡動作は、例えば流量（Q）と目標流量（Qo）とが乖離することを示す第１条件が成立すると実行される。第１条件は、例えば流量（Q）と目標流量（Qo）との差の絶対値が所定値より大きいことである。過渡動作では、発電機（12）の制御により、流量（Q）が目標流量（Qo）に速やかに近づいた後、電動弁（15）の開度を調整する。
【0103】
図１０に示すように、上述した実施形態と同様、コントローラ（30）は、水車（11）の効率または水力発電システム（10）の効率が最大効率に近づき且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように発電機（12）および電動弁（15）を制御する。この制御が第６制御に対応する。
【0104】
第６制御において、水車動作点が最大効率曲線上のｆ１点にあるときに、第１条件が成立したとする。この場合、コントローラ（30）は、現在の電動弁（15）の開度を第１開度に維持しつつ、発電機（12）の制御することで流量（Q）を目標流量（Qo）に近づける。変形例１では、この制御が第７制御に対応する。第１開度は、電動弁（15）の最大の開度より小さい所定開度になる。したがって、水車動作点は、この第１開度に対応するシステムロスカーブ（図１０の破線）に沿うように目標流量（Qo）に近づく。水車動作点がｆ２点に至ることで、流量（Q）が目標流量（Qo）になる。これにより、目標流量（Qo）を速やかに満たすことができる。
【0105】
その後、第７制御において流量（Q）が目標流量（Qo）に至ると、コントローラ（30）は、流量（Q）が目標流量（Qo）を維持し且つ前記電動弁（15）の開度が最大となるように、発電機（12）および電動弁（15）を制御する。この制御が第８制御に対応する。水車動作点がｆ３点に至ると、電動弁（15）の開度が最大になる。その結果、発電機（12）の発電電力を増大できる。
【0106】
なお、変形例１において、コントローラ（30）は、第７制御において流量（Q）が目標流量（Qo）に至る前に第８制御を実行し、電動弁（15）の開度が最大となり且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、電動弁（15）および発電機（12）を制御してもよい。
【0107】
（６－２）変形例２
図１１に示すように、変形例２に係る水力発電システム（10）は、バイパス流路（7）と、バイパス弁（17）とを有する。バイパス流路（7）は、水車（11）を迂回するように、流路（4）に接続される。バイパス流路（7）の流入端は第１流路（5）に接続し、バイパス流路（7）の流出端は第２流路（6）に接続する。バイパス流路（7）には、バイパス弁（17）と第２流量センサ（18）とが設けられる。バイパス弁（17）は、例えば電動弁で構成される。第２流量センサ（18）は、バイパス流路（7）の水の流量を検知する。第２流量センサ（18）によって検出された流量は、コントローラ（30）に入力される。コントローラ（30）は、バイパス弁（17）の開度を制御する。
図１１に示すように、変形例２に係る水力発電システム（10）は、バイパス流路（7）と、バイパス弁（17）とを有する。バイパス流路（7）は、水車（11）を迂回するように、流路（4）に接続される。バイパス流路（7）の流入端は第１流路（5）に接続し、バイパス流路（7）の流出端は第２流路（6）に接続する。バイパス流路（7）には、バイパス弁（17）と第２流量センサ（18）とが設けられる。バイパス弁（17）は、例えば電動弁で構成される。第２流量センサ（18）は、バイパス流路（7）の水の流量を検知する。第２流量センサ（18）によって検出された流量は、コントローラ（30）に入力される。コントローラ（30）は、バイパス弁（17）の開度を制御する。
【0108】
変形例２では、バイパス弁（17）を開放することで、流量（Q）の調節範囲を拡大できる。ここで、流量（Q）は、水車（11）を通過する流量（水車側流量（Qa）)と、バイパス流路（7）を通過する流量（バイパス側流量（Qb））との和になる。第１流量センサ（16）は、水車側流量（Qa）を検出する。第２流量センサ（18）は、バイパス側流量（Qb）を検出する。したがって、コントローラ（30）は、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御することで、水車側流量（Qa）およびバイパス側流量（Qb）、さらには流量（Qo）を調整できる。
（６－２－１）第１バイパス制御
変形例２のコントローラ（30）は、上述した第１運転において、図１２に示すように、第１バイパス制御を行う。第１バイパス制御では、コントローラ（30）は、目標流量（Qo）が第２流量（Q2）よりも大きいときに、発電機（12）の出力が制限値に近づき、且つ電動弁（15）の開度が最大となり、且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御する。具体的には、図１２の例では、第１バイパス制御により、水車動作点が、制限曲線と最大システムロスカーブの交点であるｂ点に至るように、コントローラ（30）が、発電機（12）のトルク、電動弁（15）の開度、およびバイパス弁（17）の開度を制御する。その結果、第２流量（Q2）よりも大きい目標流量（Qo）を確保しつつ、発電機（12）の発電電力を十分に確保できる。
（６－２－１）第１バイパス制御
変形例２のコントローラ（30）は、上述した第１運転において、図１２に示すように、第１バイパス制御を行う。第１バイパス制御では、コントローラ（30）は、目標流量（Qo）が第２流量（Q2）よりも大きいときに、発電機（12）の出力が制限値に近づき、且つ電動弁（15）の開度が最大となり、且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御する。具体的には、図１２の例では、第１バイパス制御により、水車動作点が、制限曲線と最大システムロスカーブの交点であるｂ点に至るように、コントローラ（30）が、発電機（12）のトルク、電動弁（15）の開度、およびバイパス弁（17）の開度を制御する。その結果、第２流量（Q2）よりも大きい目標流量（Qo）を確保しつつ、発電機（12）の発電電力を十分に確保できる。
【0109】
第１バイパス制御では、コントローラ（30）は、電動弁（15）の開度が最大となり且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御してもよい。つまり、この場合には、水車動作点は最大システムロスカーブ上にあるが、制限曲線には到達しない。
【0110】
第１バイパス制御では、コントローラ（30）は、発電機（12）の出力が制限値に近づき、且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御してもよい。つまり、この場合には、水車動作点は制限曲線上にあるが、最大システムロスカーブには到達しない。
【0111】
（６－２－２）第２バイパス制御
変形例２のコントローラ（30）は、上述した第２運転において、図１３に示すように、第２バイパス制御を行う。第２バイパス制御では、コントローラ（30）は、目標流量（Qo）が第５流量（Q5）よりも大きいときに、電動弁（15）の開度が最大となり、且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御する。具体的には、図１３の例では、第２バイパス制御により、水車動作点が最大システムロスカーブ上のｆ点に至るように、コントローラ（30）が、発電機（12）のトルク、電動弁（15）の開度、およびバイパス弁（17）の開度を制御する。その結果、第５流量（Q5）よりも大きい目標流量（Qo）を確保しつつ、発電機（12）の発電電力を十分に確保できる。
変形例２のコントローラ（30）は、上述した第２運転において、図１３に示すように、第２バイパス制御を行う。第２バイパス制御では、コントローラ（30）は、目標流量（Qo）が第５流量（Q5）よりも大きいときに、電動弁（15）の開度が最大となり、且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御する。具体的には、図１３の例では、第２バイパス制御により、水車動作点が最大システムロスカーブ上のｆ点に至るように、コントローラ（30）が、発電機（12）のトルク、電動弁（15）の開度、およびバイパス弁（17）の開度を制御する。その結果、第５流量（Q5）よりも大きい目標流量（Qo）を確保しつつ、発電機（12）の発電電力を十分に確保できる。
【0112】
第２バイパス制御では、コントローラ（30）は、発電機（12）の出力が制限値に近づき、且つ電動弁（15）の開度が最大となり且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御してもよい。つまり、この場合には、水車動作点は最大システムロスカーブ上且つ制限曲線上に至る。
【0113】
第２バイパス制御では、コントローラ（30）は、発電機（12）の出力が制限値に近づき、且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御してもよい。つまり、この場合には、水車動作点は制限曲線上にあるが、最大システムロスカーブにはない。
【0114】
（６－２－３）第３バイパス制御
変形例２のコントローラ（30）は、上述した変形例１の過渡動作において、図１４に示すように、第３バイパス制御を行う。第３バイパス制御では、コントローラ（30）は、第７制御において、流量（Q）が目標流量（Qo）に至ると、流量（Q）が目標流量（Qo）を維持し且つ電動弁（15）の開度が最大となり且つ発電機（12）の出力が制限値に近づくように、発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御する。具体的には、図１４に示すように、過渡動作の第７制御により、水車動作点がｆ２点に至ると、コントローラ（30）は、水車動作点がｂ点に至るように、発電機（12）のトルク、電動弁（15）の開度、およびバイパス弁（17）の開度を制御する。これにより、目標流量（Qo）が比較的大きい場合においても、この目標流量（Qo）を速やかに満足させつつ、発電機（12）の発電電力を十分に確保できる。
変形例２のコントローラ（30）は、上述した変形例１の過渡動作において、図１４に示すように、第３バイパス制御を行う。第３バイパス制御では、コントローラ（30）は、第７制御において、流量（Q）が目標流量（Qo）に至ると、流量（Q）が目標流量（Qo）を維持し且つ電動弁（15）の開度が最大となり且つ発電機（12）の出力が制限値に近づくように、発電機（12）、前記電動弁（15）、および前記バイパス弁（17）を制御する。具体的には、図１４に示すように、過渡動作の第７制御により、水車動作点がｆ２点に至ると、コントローラ（30）は、水車動作点がｂ点に至るように、発電機（12）のトルク、電動弁（15）の開度、およびバイパス弁（17）の開度を制御する。これにより、目標流量（Qo）が比較的大きい場合においても、この目標流量（Qo）を速やかに満足させつつ、発電機（12）の発電電力を十分に確保できる。
【0115】
第３バイパス制御では、コントローラ（30）は、電動弁（15）の開度が最大となり且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御してもよい。つまり、この場合には、水車動作点は最大システムロスカーブ上にあるが、制限曲線には到達しない。
【0116】
第３バイパス制御では、コントローラ（30）は、発電機（12）の出力が制限値に近づき、且つ流量（Q）が目標流量（Qo）に近づくように、発電機（12）、電動弁（15）、およびバイパス弁（17）を制御してもよい。つまり、この場合には、水車動作点は制限曲線上にあるが、最大システムロスカーブには到達しない。
【0117】
コントローラ（30）は、第７制御において流量（Q）が目標流量（Qo）に至る前に第３バイパス制御を実行してもよい。
【0118】
（７）その他の実施形態
上述した実施形態や変形例では、以下のような構成としてもよい。
上述した実施形態や変形例では、以下のような構成としてもよい。
【0119】
コントローラ（30）は、発電機（12）のトルクではなく、回転数を制御することで流量（Q）を調整してもよい。
【0120】
水力発電システム（10）の設置場所は、工業用水道、中水道、下水道にも設置可能であり、上水道（1）には限定されない。
【0121】
流体機械（例えば水車（11））に供給する流体は、水には限定されない。
【0122】
コントローラ（30）は、予め記憶されたシステムロスカーブや、特性マップのデータに基づいて上述した流量（Q）を推定してもよい。
【0123】
コントローラ（30）は、水力発電システム（10）と別体に構成されてもよい。コントローラ（30）は、ネットワークを介して水力発電システム（10）と接続されるサーバ装置に設けられてもよい。
【0124】
本開示は、コントローラ（30）が実行する上述した制御を行う制御方法、およびこの制御方法を実行するためのプログラムも対象とする。
【0125】
以上、実施形態および変形例を説明したが、特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。また、以上の実施形態、変形例、その他の実施形態は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。
【0126】
以上に述べた「第１」、「第２」、「第３」…という記載は、これらの記載が付与された語句を区別するために用いられており、その語句の数や順序までも限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【0127】
以上に説明したように、本開示は、水力発電システムについて有用である。
【符号の説明】
【0128】
4 流路
7 バイパス流路
10 水力発電システム
11 水車
12 発電機
15 電動弁
17 バイパス弁
30 コントローラ
Q1 第１流量
Q2 第２流量
Q3 第３流量
Q4 第４流量
Q5 第５流量
Q6 第６流量
Q7 第７流量
Qo 目標流量
7 バイパス流路
10 水力発電システム
11 水車
12 発電機
15 電動弁
17 バイパス弁
30 コントローラ
Q1 第１流量
Q2 第２流量
Q3 第３流量
Q4 第４流量
Q5 第５流量
Q6 第６流量
Q7 第７流量
Qo 目標流量
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
