特開 2024-82223 水力発電システムの制御方法及び水力発電システム

(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】P2024082223

(43)【公開日】2024-06-19

(54)【発明の名称】水力発電システムの制御方法及び水力発電システム

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/04 20060101AFI20240612BHJP

【ＦＩ】

H02P9/04 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023128262

(22)【出願日】2023-08-07

(31)【優先権主張番号】P 2022195542

(32)【優先日】2022-12-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】増子 利健

(72)【発明者】

【氏名】水澤 眞佐男

(72)【発明者】

【氏名】上村 望

(72)【発明者】

【氏名】光田 純

【テーマコード（参考）】

5H590

【Ｆターム（参考）】

5H590CA11

5H590CC01

5H590CD01

5H590CD03

5H590CE01

5H590EB30

5H590GA06

5H590HA14

5H590HA22

5H590HA27

(57)【要約】

【課題】一定速制御を行う同期発電機を用いた水力発電システムにおいて、取水地点の水量が少ない時期も水力発電を行い、水力発電システムの年間発電量を増加させる。
【解決手段】ブラシレス同期発電機２から出力された発電電力を系統５に出力し、ブラシレス同期発電機２を一定速で運転する一定速制御と、ブラシレス同期発電機２から出力された発電電力を周波数変換器７を介して系統５に出力し、ブラシレス同期発電機２を可変速で運転する可変速制御と、を有する。流量または有効落差またはブラシレス同期発電機２の出力電力に基づいて、一定速制御と可変速制御を切り替える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水車に連結されたブラシレス同期発電機が出力した発電電力を系統に出力する水力発電システムの制御方法であって、
制御部は、流量または有効落差または前記ブラシレス同期発電機の出力電力に基づいて、
前記ブラシレス同期発電機から出力された発電電力を系統に出力し、前記ブラシレス同期発電機を一定速で運転する一定速制御と、
前記ブラシレス同期発電機から出力された発電電力を周波数変換器を介して系統に出力し、前記ブラシレス同期発電機を可変速で運転する可変速制御と、
を切り替えることを特徴とする水力発電システムの制御方法。

【請求項2】

前記周波数変換器の容量が前記水車の前記ブラシレス同期発電機の容量よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の水力発電システムの制御方法。

【請求項3】

前記流量が豊水量から低水量の間の所定の水量以上の場合は前記一定速制御とし、前記流量が前記所定の水量未満の場合は前記可変速制御とすることを特徴とする請求項１記載の水力発電システムの制御方法。

【請求項4】

前記流量または前記有効落差または前記ブラシレス同期発電機の出力電力の検出値に基づいて、前記一定速制御と前記可変速制御を切り替えることを特徴とする請求項１記載の水力発電システムの制御方法。

【請求項5】

前記流量または前記有効落差または前記ブラシレス同期発電機の出力電力の予測値に基づいて、前記一定速制御と前記可変速制御を切り替えることを特徴とする請求項１記載の水力発電システムの制御方法。

【請求項6】

事前に、前記一定速制御のみで運転した場合の所定年数の発電量と、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が前記周波数変換器の容量以上の場合は前記一定速制御とし前記ブラシレス同期発電機の出力電力が前記周波数変換器の容量未満となった場合は前記可変速制御として運転した場合の所定年数の発電量との差である発電量差異の試算を前記周波数変換器の容量毎に行い、前記発電量差異が最も大きい前記周波数変換器の容量を選定して適用し、
前記制御部は、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が選定した前記周波数変換器の容量以上の場合は前記一定速制御とし、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が選定した前記周波数変換器の容量未満となった場合は前記可変速制御とすることを特徴とする請求項１記載の水力発電システムの制御方法。

【請求項7】

事前に、前記一定速制御のみで運転した場合の所定年数の発電量と、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が前記周波数変換器の容量以上の場合は前記一定速制御とし前記ブラシレス同期発電機の出力電力が前記周波数変換器の容量未満となった場合は前記可変速制御として運転した場合の所定年数の発電量との差である発電量差異による回収金額、および、初期投資の金額の試算を前記周波数変換器の容量毎に行い、前記回収金額から前記初期投資の金額を減算した額が最も高い前記周波数変換器の容量を選定して適用し、
前記制御部は、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が選定した前記周波数変換器の容量以上の場合は前記一定速制御とし、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が選定した前記周波数変換器の容量未満となった場合は前記可変速制御とすることを特徴とする請求項１記載の水力発電システムの制御方法。

【請求項8】

水車に連結されたブラシレス同期発電機が出力した発電電力を系統に出力する水力発電システムであって、
前記ブラシレス同期発電機と系統との間に設けられた第１遮断機と、
前記第１遮断機に並列接続された第２遮断機および第３遮断機と、
前記第２遮断機と前記第３遮断機との間に接続された周波数変換器と、
前記第１遮断機、前記第２遮断機、前記第３遮断機、前記周波数変換器、を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第１遮断機をＯＮ、前記第２遮断機をＯＦＦ、前記第３遮断機をＯＦＦとし前記ブラシレス同期発電機を一定速で運転する一定速制御と、前記第１遮断機をＯＦＦ、前記第２遮断機をＯＮ、前記第３遮断機をＯＮとし前記ブラシレス同期発電機を可変速で運転する可変速制御と、を流量または有効落差または出力電力に基づいて切り替えることを特徴とする水力発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ブラシレス同期発電機を用いた水力発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

水力発電は、ブラシレス同期発電機を用いた一定速制御を行うことで高効率の発電を行っている。

【0003】

ブラシレス同期発電機は、交流励磁機と、回転整流器と、主発電機と、を備える。ＡＶＲ（自動電圧調整装置）で交流励磁機の界磁巻線の励磁電流を調整し、交流励磁機の電機子巻線に交流電圧・電流を発生させる。交流励磁機の電機子巻線には回転整流器が接続されており、この回転整流器で交流から直流に整流され、整流された直流電流は主発電機の界磁巻線に流れ、主発電機の電機子巻線に電圧を発生させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭５２－４５０２２号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】資源エネルギー庁 財団法人新エネルギー財団「ハイドロバレー計画ガイドブック」平成１７年３月５－５頁

【非特許文献2】明電舎カタログＢＤ１８－３２５８「水力発電設備リフレッシュのおすすめ」、［online］、［令和４年１１月１８日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：https://www.meidensha.co.jp/catalog/bd/BD18-3258.pdf〉

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

図１のグラフは発電計画の取水地点における流況曲線図を示す。１年間の日流量データを流量順に並び替えたものであり、縦軸に流量、横軸に日数を示している。

【0007】

図１では、流量Ｑ＝６．７ｍ^３／ｓで、設備容量４０００ｋＶＡの例を示しており、流量が低下するにしたがって発電量が低下していく。

【0008】

従来方式（ブラシレス同期発電機を用いた一定速制御）では図１の左側の枠内のみでしか発電が行えない。従って、雨量が少ない等河川からの取水量（流量）が少なくなる時期（例えば、渇水時期）は、一定速制御の運転ができない期間となり、系統連系での運転ができなくなる。また、ダム式の発電機などでは降水量や水位計画でダムの貯水量が変化して有効落差も変化する。流量が少なくなる時期と同様に有効落差が小さくなる場合においても、一定速制御の運転ができない期間となり、系統連系での運転ができなくなる。

【0009】

また、可変速運転可能とするために系統連系のための周波数変換器（コンバータ）を用いることが考えられるが、以下の問題がある。
（１）常に周波数変換器（コンバータ）の変換効率分だけ損失が増加する。
（２）発電量の大きい容量の周波数変換器（コンバータ）が必要なため、コストがかかる。

【0010】

以上示したようなことから、一定速制御を行う同期発電機を用いた水力発電システムにおいて、取水地点の水量が少ない時期、または有効落差が少ない時期にも水力発電を行い、水力発電システムの年間発電量を増加させることが課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、水車に連結されたブラシレス同期発電機が出力した発電電力を系統に出力する水力発電システムの制御方法であって、制御部は、流量または有効落差または前記ブラシレス同期発電機の出力電力に基づいて、前記ブラシレス同期発電機から出力された発電電力を系統に出力し、前記ブラシレス同期発電機を一定速で運転する一定速制御と、前記ブラシレス同期発電機から出力された発電電力を周波数変換器を介して系統に出力し、前記ブラシレス同期発電機を可変速で運転する可変速制御と、を切り替えることを特徴とする。

【0012】

また、その一態様として、前記周波数変換器の容量が前記水車の前記ブラシレス同期発電機の容量よりも小さいことを特徴とする。

【0013】

また、その一態様として、前記流量が豊水量から低水量の間の所定の水量以上の場合は前記一定速制御とし、前記流量が前記所定の水量未満の場合は前記可変速制御とすることを特徴とする。

【0014】

また、その一態様として、前記流量または前記有効落差または前記ブラシレス同期発電機の出力電力の検出値に基づいて、前記一定速制御と前記可変速制御を切り替えることを特徴とする。

【0015】

また、他の態様として、前記流量または前記有効落差または前記ブラシレス同期発電機の出力電力の予測値に基づいて、前記一定速制御と前記可変速制御を切り替えることを特徴とする。

【0016】

また、一態様として、事前に、前記一定速制御のみで運転した場合の所定年数の発電量と、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が前記周波数変換器の容量以上の場合は前記一定速制御とし前記ブラシレス同期発電機の出力電力が前記周波数変換器の容量未満となった場合は前記可変速制御として運転した場合の所定年数の発電量との差である発電量差異の試算を前記周波数変換器の容量毎に行い、前記発電量差異が最も大きい前記周波数変換器の容量を選定して適用し、前記制御部は、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が選定した前記周波数変換器の容量以上の場合は前記一定速制御とし、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が選定した前記周波数変換器の容量未満となった場合は前記可変速制御とすることを特徴とする。

【0017】

また、他の態様として、事前に、前記一定速制御のみで運転した場合の所定年数の発電量と、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が前記周波数変換器の容量以上の場合は前記一定速制御とし前記ブラシレス同期発電機の出力電力が前記周波数変換器の容量未満となった場合は前記可変速制御として運転した場合の所定年数の発電量との差である発電量差異による回収金額、および、初期投資の金額の試算を前記周波数変換器の容量毎に行い、前記回収金額から前記初期投資の金額を減算した額が最も高い前記周波数変換器の容量を選定して適用し、前記制御部は、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が選定した前記周波数変換器の容量以上の場合は前記一定速制御とし、前記ブラシレス同期発電機の出力電力が選定した前記周波数変換器の容量未満となった場合は前記可変速制御とすることを特徴とする。

【0018】

また、他の態様として、水車に連結されたブラシレス同期発電機が出力した発電電力を系統に出力する水力発電システムであって、前記ブラシレス同期発電機と系統との間に設けられた第１遮断機と、前記第１遮断機に並列接続された第２遮断機および第３遮断機と、前記第２遮断機と前記第３遮断機との間に接続された周波数変換器と、前記第１遮断機、前記第２遮断機、前記第３遮断機、前記周波数変換器、を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１遮断機をＯＮ、前記第２遮断機をＯＦＦ、前記第３遮断機をＯＦＦとし前記ブラシレス同期発電機を一定速で運転する一定速制御と、前記第１遮断機をＯＦＦ、前記第２遮断機をＯＮ、前記第３遮断機をＯＮとし前記ブラシレス同期発電機を可変速で運転する可変速制御と、を流量または有効落差または出力電力に基づいて切り替えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、一定速制御を行う同期発電機を用いた水力発電システムにおいて、取水地点の水量が少ない時期、または有効落差が低い時期にも水力発電を行い、水力発電システムの年間発電量を増加させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】取水地点における流況曲線図（一定速制御）。

【図2】実施形態１における水力発電システムを示す概略図。

【図3】一定速制御時の水力発電システムを示す概略図。

【図4】可変速制御時の水力発電システムを示す概略図。

【図5】取水地点における流況曲線図（一定速制御＋可変速制御）。

【図6】等効率曲線を示す図。

【図7】流量一定の場合の効率特性曲線を示す図。

【図8】有効落差一定の場合の効率特性曲線を示す図。

【図9】無停止切替の運転切替フローを示す説明図。

【図10】停止切替の運転切替フローを示す説明図。

【図11】発電量と回収金額の試算結果を示す図（周波数変換器容量８００ｋＶＡ）。

【図12】発電量と回収金額の試算結果を示す図（周波数変換器容量１６００ｋＶＡ）。

【図13】周波数変換器の各容量における発電量差異を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本願発明における水力発電システムの実施形態１～３を図２～図１３に基づいて詳述する。

【0022】

［実施形態１］
図２はブラシレス同期発電機を用いた水力発電システムを示す概略図である。図２で１は水車、２はブラシレス同期発電機（以下、発電機と称する）であり、水車１と発電機２は連結されている。発電機２は、第１遮断機３と保護装置・連系盤４を介して系統５に接続されている。

【0023】

また、第１遮断機３に対して、第２遮断機６、第３遮断機９が並列接続される。第２遮断機６と第３遮断機９との間には、周波数変換器７、トランス８が接続される。周波数変換器７は、第１変換器１０と、平滑コンデンサ１１と、第２変換器１２と、を有する。

【0024】

また、図２では省略しているが水車１の上流には入口弁が設けられており、水車１に流れる水の流量を調整する。また、図示省略の制御部において、第１遮断機３、第２遮断機６、第３遮断機９、周波数変換器７、入口弁を制御する。周波数変換器７の容量は発電機２の容量よりも小さいものとする。図２では、例えば、水車１の容量を２ＭＷ以上とし、周波数変換器７の容量を２ＭＷ未満とする。

【0025】

発電機２のブラシレス励磁装置は、主発電機直結の交流励磁機、回転整流器、及び、別置きのＡＶＲ（自動電圧調整装置）により構成される。発電機の発生電力を電源変圧器等を介して交流励磁器の界磁巻線に励磁する。交流励磁機の界磁巻線の励磁電流をＡＶＲで調整する。この交流励磁機の電機子巻線の出力を回転整流装置で整流して、その直流出力で主発電機の界磁巻線に励磁する。

【0026】

本実施形態１では、流量または有効落差に基づいて、一定速制御と可変速制御とを切り替える。例えば、流量または有効落差に閾値を設定し、通常は一定速制御で運転する。そして、流量または有効落差の検出値が閾値を下回った場合に一定速制御から可変速制御に切り替える。そして、再度、流量または有効落差の検出値が閾値を上回ったら可変速制御から一定速制御に切り替える。

【0027】

また、発電機２の出力電力に閾値を設定し、出力電力の検出値が閾値を下回った場合に一定速制御から可変速制御に切り替え、出力電力の検出値が閾値を上回った場合に可変速制御から一定速制御に切り替えてもよい。

【0028】

ここで、一定速制御→可変速制御、可変速制御→一定速制御への切替が頻繁に起こることを抑制するため、流量、有効落差または出力電力の閾値にヒステリシスを設定してもよい。

【0029】

また、流量、有効落差または出力電力の検出値ではなく、季節などにより流量、落差または出力電力を予測し、その流量、有効落差または出力電力の予測値に基づいて一定速制御と可変速制御を切り替えてもよい。さらに、流量、有効落差または出力電力のうち一つの値に基づいて一定速制御と可変速制御を切り替えてもよいし、流量、有効落差、出力電力の複数の値に基づいて一定速制御と可変速制御を切り替えてもよい。例えば、流量が豊水量（１年を通じて９５日間をこの流量よりは下がらない流量）から低水量（１年を通じて２７５日間をこの流量よりは下がらない流量）の間の所定の水量以上の場合に一定速制御とし、流量が前記所定の水量未満の場合は可変速制御とする。

【0030】

図３に示すように、一定速制御可能な範囲は、発電機２を用いた一定速制御を行う。第１遮断機３をＯＮ，第２遮断機６をＯＦＦ，第３遮断機９をＯＦＦとする。そして、発電機２から出力された発電電力を第１遮断機３、保護装置・連系盤４を介して系統５に出力する。ここで、発電機２は系統５の電圧周波数で運転し、交流励磁機の界磁巻線の励磁電流を商用運転用ＡＶＲで調整する。

【0031】

図４に示すように、一定速制御ができない低流量、低有効落差または低出力電力の範囲では可変速制御を行う。第１遮断機３をＯＦＦ，第２遮断機６をＯＮ，第３遮断機９をＯＮとする。

【0032】

発電機２から出力された発電電力を第２遮断機６を介して、周波数変換器７に出力する。周波数変換器７では、第１変換器１０で交流から直流に変換し、平滑コンデンサ１１を介して第２変換器１２で直流から交流に変換する。そして、トランス８、第３遮断機９、保護装置・連系盤４を介して系統５に出力する。ここで、第１変換器１０で電圧制御を行い、第１変換器１０の電圧制御の影響を考慮しつつ、交流励磁機の界磁巻線の励磁電流を可変速運転用ＡＶＲで調整する。

【0033】

図５は、取水地点における流況曲線図である。図５では、流量Ｑ＝６．７ｍ^３／ｓで、設備容量４０００ＫＶＡの例を示しており、流量が低下するにしたがって発電量も低下していく。

【0034】

図５において、左側のハッチングが粗い領域は一定速制御で効率良く運転できる領域であり、中央の領域は一定速制御では水車効率が低下する領域であり、右側のハッチングが細かい領域は一定速制御では運転できない領域である。

【0035】

本実施形態１では、水車効率の低下、もしくは運転可能範囲を逸脱し、一定速運転を行えない領域では可変速制御で運転を行い、年間を通じた水力発電システムの発電容量を増加させる。

【0036】

例えば、一定速制御では水車効率が低下する領域でも一定速制御の方が可変速制御よりも水車効率がよい領域は一定速制御で運転を行い、可変速制御の方が一定速制御よりも水車効率が良くなる点から可変速制御に移行するようにする。なお、一定速制御と可変速制御の効率を比較する際に周波数変換器７の損失を考慮してもよい。

【0037】

図６～図８で可変速運転の概要について説明する。

【0038】

図６は等効率曲線を示し、横軸は単位回転速度ｎ１１であり、縦軸は単位流量Ｑ１１である。単位回転速度ｎ１１はｎ１１＝Ｎ×Ｄｒ／√Ｈ、単位流量Ｑ１１はＱ１１＝Ｑ／（Ｄｒ^２√Ｈ）である。ここで、水車１の回転速度Ｎ、代表寸法Ｄｒ、有効落差Ｈ、流量Ｑとする。単位回転速度ｎ１１、単位流量Ｑ１１は、√Ｈで除算しているため、有効落差Ｈが増加すると単位回転速度ｎ１１、単位流量Ｑ１１が減少する。

【0039】

図６では例として、有効落差一定の一定速制御（鎖線の矢印）と可変速制御（実線の矢印）および流量一定の一定速制御（鎖線の矢印）と可変速制御（実線の矢印）が示されている。図６の効率の高い箇所は図５の左側の領域に該当し、図６の効率の低い箇所は図５の右側の領域に該当する。この等効率曲線において、流量と有効落差に基づいて定まる単位回転速度ｎ１１、単位流量Ｑ１１の点を参照し、一定速制御の方が効率が高い場合は一定速制御で運転し、可変速制御の方が効率が高い場合は可変速制御で運転を行ってもよい。

【0040】

この図６の等効率曲線を流量一定で切り取ったものが図７であり、有効落差一定で切り取ったものが図８である。

【0041】

図７は、流量一定の場合の効率特性曲線である。縦軸に発電出力、横軸に回転速度を示している。図７では、３つの有効落差（１２．６８、１５．９４、２０．８３）の場合の効率特性曲線を示している。それぞれ所定の回転速度までは上昇するにつれて発電出力が上昇していくが、所定の回転速度以降は上昇するにつれて発電出力が下降していく。

【0042】

図７において、実線が一定速度で運転した場合であり、点線が最高効率で運転した場合である。有効落差が１５．９４の効率特性曲線では、一定速制御でほぼ最高効率となっているが、有効落差が１２．６８、２０．８３の効率特性曲線では一定速制御では最高効率の発電出力は得られない。可変速制御を行えば各有効落差で効率のよい運転（すなわち点線のような最高効率の運転）を行うことが可能となる。

【0043】

図８は、有効落差一定の場合の効率特性曲線である。縦軸に発電出力、横軸に回転速度を示している。図８では、４つのガイドベーン開度（６、１０、１６、２２）の場合の効率特性曲線を示している。それぞれ所定の回転速度までは上昇するにつれて発電出力が上昇していくが、所定の回転速度以降は上昇するについて発電出力が下降していく。

【0044】

図８において、実線が一定速度で運転した場合であり、点線が最高効率で運転した場合である。ガイドベーン開度が１６の効率特性曲線では、一定速制御でほぼ最高効率となっているが、有効落差が６、１０、２２の効率特性曲線では一定速度運転では最高効率の発電出力は得られない。可変速制御を行えば各流量で効率のよい運転（すなわち点線のような最高効率の運転）が可能となる。

【0045】

次に、図９、図１０に基づいて運転切替フローを説明する。

【0046】

図９では、一定速制御→可変速制御の無停止切替を示している。

【0047】

まず、（１）では、一定速制御の運転が行われる。ここでは、閾値以上の流量、有効落差または出力電力が得られているものとする。入口弁１３が「開」、第１遮断機３が「ＯＮ」、第２遮断機６が「ＯＦＦ」、第３遮断機９が「ＯＦＦ」となる。発電機２で発電された電力は第１遮断機３を介して系統５に出力される。ここで、発電機２は系統５の電圧周波数で運転し、交流励磁機の界磁巻線の励磁電流を商用運転用ＡＶＲで調整する。

【0048】

（２）では、自動もしくは手動で一定速制御から可変速制御に切り替え、入口弁１３が「開」、第１遮断機３が「ＯＮ」、第２遮断機６が「ＯＮ」、第３遮断機９が「ＯＮ」となる。周波数変換器７（第１変換器１０、第２変換器１２）を起動し、周波数変換器７を無負荷運転で商用（系統５）に同期させる。発電機２で発電された電力は第１遮断機３を介して系統５に出力される。

【0049】

（３）でも、（２）と同様に、入口弁１３が「開」、第１遮断機３が「ＯＮ」、第２遮断機６が「ＯＮ」、第３遮断機９が「ＯＮ」となる。（３）では、商用（系統５）に同期させた状態で周波数変換器７に負担を分担させる。発電機２で発電した電力は第１遮断機３を介して系統５に出力されるとともに、第２遮断機６、周波数変換器７、トランス８、第３遮断機９を介して系統５に出力される。

【0050】

（４）では、入口弁１３が「開」、第１遮断機３が「ＯＦＦ」、第２遮断機６が「ＯＮ」、第３遮断機９が「ＯＮ」となる。（４）では商用（系統５）に同期させた状態で周波数変換器７に全負担させる。すなわち、第１遮断機３をＯＦＦとし、発電機２で発電した電力は第２遮断機６、周波数変換器７、トランス８、第３遮断機９を介して系統５に出力される。

【0051】

（５）では、入口弁１３が「開」、第１遮断機３が「ＯＦＦ」、第２遮断機６が「ＯＮ」、第３遮断機９が「ＯＮ」となる。（５）でも（４）と同様に発電機２で発電した電力は第２遮断機６、周波数変換器７、トランス８、第３遮断機９を介して系統５に出力される。周波数変換器７の第１変換器１０、第２変換器１２では、スイッチングデバイスをＯＮＯＦＦするためサージ電圧が発生し、絶縁にストレスが生じる。可変速制御の範囲では一定速制御の時よりも発電容量は少なくてよいため、電圧を下げることも可能である。（５）では、周波数変換器７（第１変換器１０，第２変換器１２）の電圧を低減してサージ電圧を低減し、発電機２のストレスを低減する。

【0052】

すなわち、（２）～（５）では、周波数変換器７を系統５に同期させて負荷移行し、周波数変換器７だけでコントロールできるようにした後で電圧を下げ、発電機２のストレスを低減させる。

【0053】

（６）では、入口弁１３が「開」、第１遮断機３が「ＯＦＦ」、第２遮断機６が「ＯＮ」、第３遮断機９が「ＯＮ」となる。（６）では、発電機２を周波数可変・可変速運転する。発電機２側の第１変換器１０は周波数可変（可変速）とし、系統側の第２変換器１２は系統周波数で連系する。第１変換器１０で電圧制御を行い、交流励磁器の界磁巻線に励磁電流をＡＶＲで調整して発電機２を可変速制御する。

【0054】

また、図９では一定速制御から可変速制御への切替を説明したが、可変速制御から一定速制御への切替の場合は（６）→（５）→（４）→（３）→（２）→（１）の順で実施すればよい。

【0055】

図１０では、一定速制御→可変速制御の停止切替を示している。

【0056】

まず、（１）では、一定速制御の運転が行われる。ここでは、閾値以上の流量、有効落差または出力電力が得られているものとする。入口弁１３が「開」、第１遮断機３が「ＯＮ」、第２遮断機６が「ＯＦＦ」、第３遮断機９が「ＯＦＦ」となる。発電機２で発電された電力は第１遮断機３を介して系統５に出力される。ここで、発電機２は系統５の電圧周波数で運転し、交流励磁機の界磁巻線の励磁電流を商用運転用ＡＶＲで調整する。

【0057】

流量低または有効落差低となると手動で一定速制御から可変速制御に切り替え、（２）へ移行する。（２）では、入口弁１３が「閉」、第１遮断機３が「ＯＦＦ」、第２遮断機６が「ＯＦＦ」、第３遮断機９が「ＯＦＦ」となる。（２）では発電を停止する。

【0058】

（３）では、入口弁１３が「開」、第１遮断機３が「ＯＦＦ」、第２遮断機６が「ＯＮ」、第３遮断機９が「ＯＮ」となる。周波数変換器７（第１変換器１０、第２変換器１２）を起動し、無負荷にて系統５に同期させる。発電機２で発電した電力は第２遮断機６、周波数変換器７、トランス８、第３遮断機９を介して系統５に出力される。

【0059】

（４）では、（３）と同様に、入口弁１３が「開」、第１遮断機３が「ＯＦＦ」、第２遮断機６が「ＯＮ」、第３遮断機９が「ＯＮ」となる。（４）では、発電機２を可変速制御で運転する。発電機２側の第１変換器１０は周波数可変（可変速）とし、系統側の第２変換器１２は系統周波数で連系する。第１変換器１０で電圧制御を行い、交流励磁機の界磁巻線の励磁電流をＡＶＲで調整して発電機２を可変速制御する。

【0060】

また、図１０では一定速制御から可変速制御への停止切替を説明したが、可変速制御から一定速制御への停止切替の場合は（４）→（３）→（２）→（１）の順で実施すればよい。

【0061】

以上示したように本実施形態１では、一定速制御と可変速制御を組み合わせる。もともと一定速制御で効率のよい範囲もあり、その範囲では一定速制御で運転を行う。そして、一定速制御では運転を行えない範囲では可変速制御を行う。これにより、年間を通じた水力発電システムの発電量を増加することができる。

【0062】

また、一定速制御を行う範囲では周波数変換器７を使用しないため、周波数変換器７の変換効率分の損失を抑制できる。さらに、低流量、低有効落差または低発電出力の範囲のみ可変速制御とすることで周波数変換器７を使用する範囲は発電容量が小さいため、周波数変換器（コンバータ）の容量は小さいもので良く、制御全体を可変速制御とするものと比較し設備は安価なもので良い。

【0063】

［実施形態２］
本実施形態２も実施形態１と同様に一定速制御と可変速制御を切り替えて運転を行う。本実施形態２では、周波数変換器７の容量、および、一定速制御と可変速制御の切替閾値の選定方法の一例について説明する。

【0064】

本実施形態２は、事前に、一定速制御のみで運転した場合の所定年数の発電量と、一定速制御と可変速制御を切り替えて運転した場合の所定年数の発電量と、の差である発電量差異を周波数変換器７の容量ごとに試算する。そして、この発電量差異が最も大きい周波数変換器７の容量を選定して適用する。

【0065】

水力発電システムの導入や運用を検討する際、流量や落差等を測定することは一般的である。そのため、その測定値を用いて出力電力、一定速制御で運転した場合の発電量、一定速制御と可変速制御を切り替えて運転した場合の発電量、発電量差異を試算すればよい。

【0066】

制御部は、発電機２の出力電力が選定した周波数変換器７の容量以上の場合は一定速制御で運転を行い、発電機２の出力電力が選定した周波数変換器７の容量未満となった場合は可変速制御で運転を行う。

【0067】

本実施形態２を図１１～図１３の具体例に基づいて説明する。

【0068】

図１１は、水車容量１９００ｋＷ、回転数１２００ｍｉｎ－１、周波数変換器７の容量８００ｋＶＡの場合の発電量を示している。図１２は、周波数変換器７の容量を１６００ｋＶＡの場合の発電量を示しており、その他の条件は図１１と同様である。

【0069】

図１１、図１２の下方の図は水力発電システムの効率特性を示す図である。中央のグレーの領域は効率が高く外側の白色の領域に進むに従い効率が低下し、さらに外側のグレーの領域に進むに従い効率が低下する。図のうち上下に点在するドットは一定速制御で運転した場合の効率を示しており、斜め方向に点在するドットは可変速制御で運転した場合の効率を示している。

【0070】

図１１の周波数変換器７の容量８００ｋＶＡの場合は効率のよい領域は一定速制御で運転を行い、効率が低下する白い領域で可変速制御に切り替わっている。図１２の周波数変換器７の容量１６００ｋＶＡの場合は効率のよいグレーの領域で可変速制御に切り替わっている。

【0071】

図１１、図１２の「一定速」は一定速制御のみで運転した場合の発電量を示している。「可変速」は、一定速制御と可変速制御を切り替えて運転した場合の発電量を示している。図１１の「差」は一定速制御のみで運転した場合の発電量と一定速制御と可変速制御を切り替えて運転した場合の発電量との差である発電量差異を示している。

【0072】

１年だけの試算だと発電量および発電量差異がばらつくため、１年だけでなく所定年数の発電量および発電量差異の試算を行う。図１１、図１２では、１０年分の発電量および発電量差異の試算を行っている。

【0073】

図１３に周波数変換器７の各容量における１０年分の発電量差異を示す。図１３では、図１１の周波数変換器７の容量８００ｋＶＡ，図１２の周波数変換器７の容量１６００ｋＶＡの他に、４００ｋＶＡ、６００ｋＶＡ、１２００ｋＶＡの場合も示している。

【0074】

図１３に示すように、周波数変換器７の容量８００ｋＶＡの発電量差異が最も大きくなっている。そのため、周波数変換器７の容量は８００ｋＶＡを選定して適用する。そして、制御部では、発電機２の出力電力が８００ｋＷ以上の場合は一定速制御で運転を行い、発電機２の出力電力が８００ｋＷ未満の場合は可変速制御に切り替えて運転を行う。

【0075】

本実施形態２のように、周波数変換器７の容量を選定し、一定速制御と可変速制御を切り替えることにより、発電効率を改善することができ、発電量差異を大きくすることができる。発電量差異が大きくなるため、それによる回収金額も上昇する。

【0076】

［実施形態３］
本実施形態３も実施形態１、２と同様に一定速制御と可変速制御を切り替えて運転を行う。本実施形態３では、周波数変換器７の容量、および、一定速制御と可変速制御の切替閾値の選定方法の他例について説明する。

【0077】

本実施形態３は、実施形態２と同様に、事前に、一定速制御のみで運転した場合の所定年数の発電量と、一定速制御と可変速制御を切り替えて運転した場合の所定年数の発電量と、の差である発電量差異を周波数変換器７の容量ごとに試算する。さらに、本実施形態３では、発電量差異による回収金額を周波数変換器７の容量ごとに試算する。

【0078】

また、本実施形態３では、一定速制御と可変速制御を切り替えて運転する場合に必要な初期投資の金額を周波数変換器７の容量ごとに試算する。一定速制御と可変速制御を切り替えて運転する場合に必要な初期投資の金額は、周波数変換器７、第２遮断機６、トランス８、第３遮断機９等の購入金額および作業工賃等である。初期投資の金額は主に周波数変換器７の容量により変動する。

【0079】

そして、回収金額から初期投資の金額を減算した額が最も大きい周波数変換器の容量を選定して適用する。

【0080】

制御部は、発電機２の出力電力が選定した周波数変換器７の容量以上の場合は一定速制御で運転を行い、発電機２の出力電力が選定した周波数変換器７の容量未満となった場合は可変速制御で運転を行う。

【0081】

本実施形態３を図１１～図１３の具体例に基づいて説明する。

【0082】

図１１、図１２には、発電量の他に、「ＦＩＴ（Ｆｅｅｄ－ｉｎ－Ｔａｒｉｆｆ）金額」が示されている。「ＦＩＴ金額」には各年の回収金額と、１０年の合計の回収金額と、平均回収金額が示されている。

【0083】

図１１の周波数変換器７の容量８００ｋＶＡの場合は１０年合計の回収金額は５９．０であり、平均回収金額は５．９である。図１２の周波数変換器７の容量１６００ｋＶＡの場合は１０年合計の回収金額は２７．４であり、平均回収金額は２．７である。

【0084】

そして、図１１の場合は、１０年合計の回収金額５９．０から初期投資の金額を減算した額を試算する。図１２の場合は、１０年合計の回収金額２７．４から初期投資の金額を減算した額を試算する。図１２は図１１よりも周波数変換器７の容量が大きいため、初期投資の金額も大きくなる。そのため、図１２よりも図１１の方が回収金額から初期投資の額を減算した額は大きくなる。よって、この具体例では、図１１の周波数変換器７の容量８００ｋＶＡを選定して適用する。

【0085】

制御部では、発電機２の出力電力が８００ｋＷ以上の場合は一定速制御で運転を行い、発電機２の出力電力が８００ｋＷ未満の場合は可変速制御に切り替えて運転を行う。

【0086】

本実施形態３のように、周波数変換器７の容量を選定し、一定速制御と可変速制御を切り替えることにより、発電量差異による回収金額から初期投資の額を減算した額が最も多い額で運転することが可能となる。その結果、水力発電システムの経済性が向上する。

【0087】

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

【符号の説明】

【0088】

１…水車
２…発電機（ブラシレス同期発電機）
３…第１遮断機
４…保護装置・連系盤
５…系統
６…第２遮断機
７…周波数変換器
８…トランス
９…第３遮断機
１０…第１変換器
１１…平滑コンデンサ
１２…第２変換器
１３…入口弁

【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】