出力制御装置および出力制御方法並びに当該出力制御装置を備えた水車発電システム
【課題】二台の水車ユニットを同一管路に直列に配置して構成される水車発電機の発電出力を任意の目標出力に安定するように制御する。
【解決手段】出力制御装置３０は、同一の管路１２に案内羽根１４Ａ，１４Ｂの開度を調整可能な二台の水車ユニット１３Ａ，１３Ｂを直列に配置した二台の発電機１１Ａ，１１Ｂを備える水力発電システム１０の出力制御装置であり、開度調整指令に基づき、案内羽根１４Ａ，１４Ｂの開度をそれぞれ制御する案内羽根制御部３６Ａ，３６Ｂと、取得した発電機１１Ａ，１１Ｂの出力に差がある場合、発電機１１Ｂの出力が発電機１１Ａの出力に追従するように制御する出力追従処理部３４と、取得した案内羽根１４Ａ，１４Ｂの開度の差に基づいて開度調整指令を案内羽根制御部３６Ａ，３６Ｂへ出力するガイドベーン開度調整処理部３５を具備する。
【解決手段】出力制御装置３０は、同一の管路１２に案内羽根１４Ａ，１４Ｂの開度を調整可能な二台の水車ユニット１３Ａ，１３Ｂを直列に配置した二台の発電機１１Ａ，１１Ｂを備える水力発電システム１０の出力制御装置であり、開度調整指令に基づき、案内羽根１４Ａ，１４Ｂの開度をそれぞれ制御する案内羽根制御部３６Ａ，３６Ｂと、取得した発電機１１Ａ，１１Ｂの出力に差がある場合、発電機１１Ｂの出力が発電機１１Ａの出力に追従するように制御する出力追従処理部３４と、取得した案内羽根１４Ａ，１４Ｂの開度の差に基づいて開度調整指令を案内羽根制御部３６Ａ，３６Ｂへ出力するガイドベーン開度調整処理部３５を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車発電に関し、特に、二台の水車ユニットを同一管路に直列に配置して構成される水車発電機の出力を制御する出力制御装置および出力制御方法並びに当該出力制御装置を備えた水車発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、水力発電システムは、管路を流動する水が水車ユニットの回転羽根を回転させ、当該回転により生じた回転駆動力を水車発電機に伝達し、回転駆動することによって発電するシステムである。
【０００３】
水力発電システムは、省スペース化やより多くの発電出力を得る等の様々な観点から種々の工夫がなされており、例えば、特開２００１−２２１１４１号公報（特許文献１）には、１台の水車ユニットに複数の回転羽根を収容し、複数の回転羽根から得られる回転駆動力を１台の水車発電機に伝達して発電出力を得る水力発電システムが記載される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２２１１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
また、より多くの発電出力を得る等の観点から、二台の水車ユニットを同一の管路に直列に配置して、異なる二台の水車発電機を駆動させる水車発電システムを構成する場合もある。この場合、出力調整を行わず案内羽根（ガイドベーンもしくはランナ）開度を固定し、水車の落差または流量に応じた出力を得るか、可変式の案内羽根（ガイドベーンもしくはランナ）開度を可変させて水車発電機の出力を制御することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、出力調整を行わず案内羽根（ガイドベーンもしくはランナ）開度を固定した場合、水車の落差または流量に応じた出力しか得ることができないので、任意に設定された目標出力を安定的に得ることは困難である。
【０００７】
一方、可変式の案内羽根（ガイドベーンもしくはランナ）開度を可変させて水車発電機の出力を制御する場合も、上流側または下流側に設置された水車発電機の案内羽根の開度を上げ下げすることにより、上流側に設置された水車発電機と下流側に設置された水車発電機との間の水圧も上下に変動するため、一方の水車発電機の案内羽根の開度を上げ下げすることが二台の水車発電機の出力を同時に変動させることになる。従って、任意に設定された目標出力を安定的に得ることは困難という課題がある。
【０００８】
すなわち、二台の水車ユニットを同一管路に直列に配置した場合、水車発電機が一台の場合と同様の考え方で出力制御を行っても、一方の水車発電機の案内羽根の開度調整が自己の水車発電機の出力のみならず他方の水車発電機の出力にも影響を与えることから、個々の水車発電機の出力バランスの調整が取りにくく、水力発電システム全体としても安定的な出力を得ることが困難であるという課題があった。
【０００９】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、二台の水車ユニットを同一管路に直列に配置して構成される水車発電機の発電出力を任意の目標出力に安定するように制御する出力制御装置および出力制御方法並びに当該出力制御装置を備えた水車発電システム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】
【００１０】
本発明に係る出力制御装置は、上述した課題を解決するため、同一管路に開度の調整可能な案内羽根と回転羽根とを備えた第１の水車ユニットおよび第２の水車ユニットが直列に設置されており、前記第１の水車ユニットと接続される第１の水車発電機と、前記第２の水車ユニットと接続される第２の水車発電機とを備える水力発電システムの発電出力を制御する装置であって、開度調整指令に基づき、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する案内羽根制御部と、前記第１の水車発電機の出力および前記第２の水車発電機の出力を取得し、取得した第１の水車発電機の出力と第２の水車発電機の出力とに差がある場合、前記第２の水車発電機の出力が前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理部と、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を取得して、取得した前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差に基づいて開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力する開度調整処理部と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る出力制御方法は、上述した課題を解決するため、同一管路に開度の調整可能な案内羽根と回転羽根とを備えた第１の水車ユニットおよび第２の水車ユニットが直列に設置されており、前記第１の水車ユニットと接続される第１の水車発電機と、前記第２の水車ユニットと接続される第２の水車発電機とを備える水力発電システムの発電出力を制御する方法であって、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する案内羽根制御部が、開度調整指令に基づき、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する開度制御ステップと、前記第２の水車発電機の出力が前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理部が、取得した第１の水車発電機の出力と第２の水車発電機の出力とに差がある場合、前記第２の水車発電機の出力を前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理ステップと、開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力する開度調整処理部が、取得した前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差に基づいて前記開度調整指令を生成する開度調整指令生成ステップと、を具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る水車発電システムは、上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載した出力制御装置の何れかを備えて構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、二台の水車ユニットを同一管路に直列に配置して構成される水車発電機の発電出力を任意の目標出力に安定するように制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る水車発電システムの一例を構成する水車発電機の設置状態の一例を示した概略図。
【図２】本発明の実施形態に係る出力制御装置の構成の一例を概略的に示した説明図。
【図３】図２に示される出力制御装置が具備する下流側出力追従処理部の構成の一例を示した説明図。
【図４】図２に示される出力制御装置が具備するガイドベーン開度調整処理部の構成の一例を示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る出力制御装置および出力制御方法並びに当該出力制御装置を備えた水車発電システムについて、添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る出力制御装置を備えた水車発電システム（以下、「本発明の実施形態に係る水車発電システム」と称する。）の一例である水車発電システム１０を構成する水車発電機１１Ａ，１１Ｂの設置状態の一例を示した概略図である。
【００１７】
尚、図１に示される符号１２は水車を回転させる水が流動する管路、符号１３Ａ，１３Ｂはそれぞれ水車発電機１１Ａ，１１Ｂの水車ユニット、符号１４Ａ，１４Ｂは案内羽根（ガイドベーン）、符号１５Ａ，１５Ｂは回転羽根（ランナベーン）を有するランナである。
【００１８】
水車発電システム１０は、図１に示されるように、水車を回転させる水が流動する一つの管路１２に、二台の水車発電機１１Ａ，１１Ｂが直列に配置される。ここで、水車発電機（以下、「上流側水車発電機」と称する。）１１Ａは、管路１２において、下流側水車発電機（以下、「下流側水車発電機」と称する。）１１Ｂよりも上流側に設置され、ガイドベーン１４Ａの開度を調整可能な水車ユニット（以下、「上流側水車ユニット」と称する。）１３Ａを備える。また、下流側水車発電機１１Ｂも、上流側水車発電機１１Ａと同様にガイドベーン１４Ｂの開度を調整可能な水車ユニット（以下、「下流側水車ユニット」と称する。）１３Ｂを備える。
【００１９】
水車発電機１１Ａは、ランナ１５Ａの回転羽根が回転することにより生じた回転駆動力がランナ１５Ａから水車発電機１１Ａに伝達され、回転駆動することによって発電し、水車発電機１１Ｂは、ランナ１５Ｂの回転羽根が回転することにより生じた回転駆動力が
伝達され、回転駆動することによって発電する。
【００２０】
図２は、本発明に係る出力制御装置の一例である出力制御装置３０の構成例を概略的に示した説明図である。
【００２１】
出力制御装置３０は、同一の管路１２に水車発電機１１Ａ，１１Ｂが二台直列に配置された水車発電システム１０において、一方の水車発電機（例えば、上流側水車発電機１１Ａ）の出力を基準として他方の水車発電機（例えば、下流側水車発電機１１Ｂ）の出力を制御するように構成されており、図２に示される出力制御装置３０は、上流側水車発電機１１Ａの出力を基準として下流側水車発電機１１Ｂの出力を追従させるように制御する。
【００２２】
より詳細に説明すれば、出力制御装置３０は、上流側出力変換部３１Ａが取得した上流側水車発電機１１Ａの発電出力、下流側出力変換部３１Ｂが取得した下流側水車発電機１１Ｂの発電出力、上流開度変換部３２Ａが取得した上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度、および、下流開度変換部３２Ｂが取得した下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度と、偏差検出部３３が取得した上流側出力変換部３１Ａの発電出力（上流側水車発電機１１Ａの発電出力）と上流側水車発電機１１Ａの目標となる発電出力値（目標値）に対する偏差とに応じてガイドベーン１４Ａの開度およびガイドベーン１４Ｂの開度を制御し、下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を上流側水車発電機１１Ａの発電出力に追従させる。
【００２３】
出力制御装置３０は、下流側出力追従処理部３４と、ガードベーン開度調整処理部３５と、ガイドベーン制御部としての上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂとを具備する。
【００２４】
下流側出力追従処理部３４は、上流側水車発電機１１Ａの出力および下流側水車発電機１１Ｂの出力を取得し、取得した上流側水車発電機１１Ａの出力と下流側水車発電機１１Ｂの出力とに差がある場合、下流側水車発電機１１Ｂの出力が上流側水車発電機１１Ａの出力に追従するように制御する。
【００２５】
下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を上流側水車発電機１１Ａの発電出力に追従させる出力追従制御は、上流側水車発電機１１Ａの上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度を制御することにより行われる。これは、上流側水車発電機１１Ａの上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度を制御することにより、上流側水車ユニット１３Ａと下流側水車ユニット１３Ｂとの間の水圧が変化し、下流側水車発電機１１Ｂの出力を変化させることができるためである。
【００２６】
ガイドベーン開度調整処理部３５は、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度を取得して、取得したガイドベーン１４Ａの開度とガイドベーン１４Ｂの開度との間に差がある場合、二つの開度の差に基づいて開度調整指令を案内羽根制御部としての上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂへ出力する。
【００２７】
上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂは、開度調整指令に基づき、それぞれ、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度を制御する。
【００２８】
次に、水車発電システム１０、すなわち、二台の水車発電機１１Ａ，１１Ｂの出力制御方法について説明する。
【００２９】
水車発電システム１０の出力制御は、起動から目標出力にするまでの過渡状態においてなされる第１段階の出力制御と、目標出力周辺の所定範囲内で出力が安定している状態（定常状態）となり、当該範囲内で出力を微修正しつつ目標出力となるように出力制御する第２段階の出力制御とを有するが、第１段階の出力制御および第２段階の出力制御は、いずれも、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度制御ステップ（ガイドベーン開度一致制御ステップとガイドベーン開度同期制御ステップ）と、一方の出力に他方の出力を追従させる出力追従制御ステップとの組み合わせにより実現される。
【００３０】
水車発電システム１０では、まず、第１段階の出力制御として、二台の水車発電機１１Ａ，１１Ｂを起動した状態から目標出力まで出力を上昇させる。以下の説明では、出力制御をより速く容易に実現する観点から、水車発電機１１Ａ，１１Ｂの１台当たりの出力を水車発電システム１０の全体で得られる出力の半分、すなわち、同じ出力となるように設定した例を説明する。
【００３１】
第１段階の出力制御では、まず、ガイドベーン開度調整処理部３５が、取得した上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度が不一致の場合、両者の開度が一致するようにガイドベーン１４Ａの開度とガイドベーン１４Ｂの開度とを一致させる（ガイドベーン開度一致制御ステップ）。一致させる方法については、一方を他方の開度に一致させる方法でも良いし、設定した所定の開度に両ガイドベーン１４Ａ,１４Ｂの開度を一致させる方法でも良い。
【００３２】
続いて、上流側ガイドベーン制御部３６Ａが、出力を追従させる側の発電機である下流側水車発電機１１Ｂの出力が上流側水車発電機１１Ａの出力と合致するようにガイドベーン１４Ａの開度を制御して、下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を上流側水車発電機１１Ａの発電出力に追従するように制御する。すなわち、出力が追従される側（基準側）の上流側水車発電機１１Ａのガイドベーン１４Ａの開度を制御することによって、出力を追従させる側の水車発電機である下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を調整する（出力追従制御ステップ）。
【００３３】
その後、上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂが入力される開度調整指令に基づいてガイドベーン１４Ａおよびガイドベーン１４Ｂの開度を同期制御して目標出力まで出力を上昇させる（ガイドベーン開度同期制御ステップ）。すなわち、上流側出力変換部３１Ａの発電出力（上流側水車発電機１１Ａの発電出力）を優先しつつ下流側出力変換部３１Ｂの発電出力（下流側水車発電機１１Ｂの発電出力）を同期させる。
【００３４】
上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂに入力される開度調整指令は、偏差検出部３３が上流側出力変換部３１Ａの発電出力（上流側水車発電機１１Ａの発電出力）と上流側水車発電機１１Ａの出力目標値との偏差を検出し、検出した偏差に応じて生成される（開度調整指令生成ステップ）。そして、上流側水車発電機１１Ａの出力が、目標出力（例えば、水車発電システム１０全体の目標出力の１／２）まで上昇すると、当該偏差は０となり、第１段階の出力制御は終了する。
【００３５】
第１段階の出力制御が終了すると、続いて、第２段階の出力制御が開始され、所定範囲内で出力を微修正しつつ目標出力を維持するように出力制御する。第２段階の出力制御も、ガイドベーン開度制御ステップと、出力追従制御ステップとを繰り返し行うことによる出力制御である。
【００３６】
すなわち、第２段階の出力制御は、第１段階の出力制御の結果、取得した上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度に不一致が生じている場合には、まず、ガイドベーン開度調整処理部３５が、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度を一致させる（ガイドベーン開度一致制御ステップ）。
【００３７】
続いて、下流側水車発電機１１Ｂの発電出力が上流側水車発電機１１Ａの発電出力に追従するように制御される（出力追従処理ステップ）。出力追従処理ステップでは、基準側の上流側水車発電機１１Ａのガイドベーン１４Ａの開度を小刻みに制御することによって、出力を追従させる側の水車発電機である下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を小刻みに調整する。
【００３８】
それでもなお、水車発電システム１０が目標出力とならない場合、上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂが入力される開度調整指令に基づいてガイドベーン１４Ａおよびガイドベーン１４Ｂの開度を同期制御して目標出力となるように、上流側出力変換部３１Ａの発電出力（上流側水車発電機１１Ａの発電出力）を優先しつつ下流側出力変換部３１Ｂの発電出力（下流側水車発電機１１Ｂの発電出力）を同期させる（ガイドベーン開度同期制御ステップ）。
【００３９】
このように、水車発電システム１０は、ガイドベーン開度一致制御ステップ、出力追従制御ステップおよびガイドベーン開度同期制御ステップを順次繰り返し行うことにより、上流側水車発電機１１Ａの発電出力および下流側水車発電機１１Ｂの発電出力が目標出力となるように出力制御する。
【００４０】
図３は、出力制御装置３０が具備する下流側出力追従処理部３４の構成の一例を示す説明図である。
【００４１】
下流側出力追従処理部３４は、減算処理部４１と、極性判別部４２と、パルス演算処理部４３と、論理積演算部として第１の論理積演算部４５および第２の論理積演算部４６とを備える。
【００４２】
減算処理部４１は、上流側出力変換部３１Ａによって取得される上流側水車発電機１１Ａの発電出力と、下流側出力変換部３１Ｂによって取得される下流側水車発電機１１Ｂの発電出力との差分を演算する。すなわち、上流側水車発電機１１Ａの発電出力から下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を減算する。減算処理部４１は、演算結果を極性判別部４２およびパルス演算処理部４３へ出力する。
【００４３】
極性判別部４２は、減算処理部４１の演算結果の極性（正負）を判定し、判定結果に応じた出力を第１の論理積演算部４５および第２の論理積演算部４６へ出力する。例えば、極性が正の場合（上流側水車発電機１１Ａの発電出力は下流側水車発電機１１Ｂの発電出力よりも大きい場合）、第１の論理積演算部４５へ１を出力する一方、極性が負の場合（上流側水車発電機１１Ａの発電出力は下流側水車発電機１１Ｂの発電出力よりも小さくなる場合）には第２の論理積演算部４６へ１を出力する。
【００４４】
パルス演算処理部４３は、ガイドベーン１４Ａの開閉制御をするのに必要となるパルス（切を０、入を１とする）を生成し、減算処理部４１の演算結果の大小に応じて当該パルスのＯＮ（入：１）状態にある時間（ＯＮ時間）を長短する。すなわち、上流側水車発電機１１Ａの発電出力と下流側水車発電機１１Ｂの発電出力との差が大きい場合には、パルスのＯＮ状態にある時間を長くする一方、上流側水車発電機１１Ａの発電出力と下流側水車発電機１１Ｂの発電出力との差が小さい場合には、パルスのＯＮ状態にある時間を短くする。
【００４５】
論理積演算部４５，４６は、入力される二つの値の論理積を演算して当該演算結果を出力する機能を有する。論理積演算部４５，４６には、極性判別部４２からの出力（０，１）とパルス演算処理部４３からの出力（０，１）が入力され、論理積演算部４５，４６は、それぞれ、入力された極性判別部４２からの出力とパルス演算処理部４３からの出力との論理積を演算して、当該演算結果（０，１）を開度調整指令として上流側ガイドベーン制御部３６Ａへ出力する。
【００４６】
第１の論理積演算部４５に入力された極性判別部４２の出力が１（極性が正の場合）であり、パルス演算処理部４３の出力が１（ＯＮ状態）である場合には、第１の論理積演算部４５が１となり、ガイドベーン１４Ａを開く制御指令を上流側ガイドベーン制御部３６Ａへ出力して、ガイドベーン１４Ａが開くように制御される（開制御）。
【００４７】
第２の論理積演算部４６に入力された極性判別部４２の出力が１（極性が負の場合）であり、パルス演算処理部４３の出力が１（ＯＮ状態）である場合には、第２の論理積演算部４６が１となり、ガイドベーン１４Ａを閉じる制御指令を上流側ガイドベーン制御部３６Ａへ出力して、ガイドベーン１４Ａが閉じるように制御される（閉制御）。
【００４８】
図４は、出力制御装置３０が具備するガイドベーン開度調整処理部３５の構成の一例を示す説明図である。
【００４９】
ガイドベーン開度調整処理部３５は、減算処理部５１と、極性判別部５２と、比較処理部５３と、制御信号出力調整部５４と、を備える。
【００５０】
減算処理部５１は、上流開度変換部３２Ａが取得する上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度と下流開度変換部３２Ｂが取得する下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度との差分を演算する。すなわち、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度から下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度を減算する。減算処理部５１は、演算結果を極性判別部５２および比較処理部５３へ出力する。
【００５１】
極性判別部５２は、減算処理部５１の演算結果の極性（正負）を判定し、判定結果に応じた出力を制御信号出力調整部５４へ出力する。例えば、極性が正の場合（ガイドベーン１４Ａの開度がガイドベーン１４Ｂの開度よりも大きい場合）、制御信号出力調整部５４へ１を出力する一方、極性が負の場合（ガイドベーン１４Ａの開度がガイドベーン１４Ｂの開度よりも小さくなる場合）には制御信号出力調整部５４へ０を出力する。
【００５２】
比較処理部５３は、減算処理部５１の演算結果、すなわち、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度と下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度との差（絶対値）が、予め設定された値（閾値）よりも大きいか小さいかを比較し、比較の結果を０，１で出力する。例えば、ガイドベーン１４Ａ，１４Ｂの開度差が設定値よりも小さい場合には０を、大きい場合には１を出力する。
【００５３】
制御信号出力調整部５４は、比較処理部５３から入力される比較結果（０，１）に基づいて信号出力を入切（ＯＮ／ＯＦＦ）するスイッチング機能と、極性判別部５２の判別結果（０，１）に基づいて、ガイドベーン１４Ａを開くように制御する指令（信号）を上流側ガイドベーン制御部３６Ａへ出力するか、ガイドベーン１４Ｂを開くように制御する指令（信号）を下流側ガイドベーン制御部３６Ｂへ出力するかを選択する出力先選択機能とを有する。制御信号出力調整部５４のスイッチング機能を持たせることにより、いわゆる不感帯が設定される。
【００５４】
制御信号出力調整部５４は、例えば、論理積演算部４５，４６を有し、比較処理部５３から入力される比較結果（０，１）と、極性判別部５２から入力される判別結果（０，１）との論理積を演算して演算結果（０，１）をガイドベーン制御部３６Ａ，３６Ｂに出力する。
【００５５】
より詳細には、制御信号出力調整部５４は、比較処理部５３の出力が０である場合（ガイドベーン１４Ａ，１４Ｂの開度差が設定値よりも小さい場合）、スイッチング機能によって信号出力は切（ＯＦＦ）状態となり、ガイドベーン制御部３６Ａ，３６Ｂの何れにも信号は出力されない。
【００５６】
一方、比較処理部５３の出力が１である場合（ガイドベーン１４Ａ，１４Ｂの開度差が設定値よりも大きい場合）、スイッチング機能によって信号出力は入（ＯＮ）状態となり、極性判別部５２の判別結果（０，１）に基づいて、ガイドベーン１４Ａまたはガイドベーン１４Ｂを開くように制御する指令が上流側ガイドベーン制御部３６Ａまたは下流側ガイドベーン制御部３６Ｂへ伝達される。
【００５７】
制御信号出力調整部５４は、極性判別部５２の出力が０（極性が負）の場合、ガイドベーン１４Ａを開くように制御する指令を上流側ガイドベーン制御部３６Ａへ出力する。一方、極性判別部５２の出力が１（極性が正）の場合、ガイドベーン１４Ｂを開くように制御する指令を下流側ガイドベーン制御部３６Ｂへ出力する。
【００５８】
尚、図４に示されるガイドベーン開度調整処理部３５は、比較処理部５３の比較結果が第１の論理積演算部４５と第２の論理積演算部４６とに入力される構成であるが、上流側ガイドベーン制御部３６Ａのガイドベーン１４Ａの開制御に用いられる比較結果を第１の論理積演算部４５へ提供する第１の比較処理部と、下流側ガイドベーン制御部３６Ｂのガイドベーン１４Ｂの開制御に用いられる比較結果を第２の論理積演算部４６へ提供する第２の比較処理部と、を備える構成としても良い。この場合、第１の比較処理部と第２の比較処理部とに閾値を個別に設定でき、より細やかなガイドベーン開度制御が可能となる。
【００５９】
以上、水車発電システム１０、出力制御装置３０および出力制御手順によれば、水車発電システム１０の出力制御に際して、ガイドベーン開度一致制御ステップと、ガイドベーン開度同期制御ステップと、出力追従制御ステップとを行うことができる。ガイドベーン開度一致制御ステップは、ガイドベーン１４Ａの開度とガイドベーン１４Ｂの開度とが大きく異なった場合に、例えば開度の大きい方の開度に開度を一致させるため、二台の水車発電機１１Ａ，１１Ｂの発電出力をより短時間で安定させることができる。
【００６０】
また、出力追従制御ステップは、一方の水車発電機である上流側水車発電機１１Ａの上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度を制御することにより、他方の水車発電機である下流側水車発電機１１Ｂの出力を変化させることにより行うので、従来よりも容易に出力追従制御をすることができる。
【００６１】
さらに、ガイドベーン開度同期制御ステップでは、二台の水車発電機１１Ａ，１１Ｂの発電出力を同期的に増減させることができるので、水車発電システム１０の出力目標値により素早く近づけることができる。
【００６２】
すなわち、水車発電システム１０、出力制御装置３０および出力制御手順によれば、二台の水車ユニット１３Ａ，１３Ｂを同一の管路１２に直列に配置して構成される水車発電機１１Ａ，１１Ｂを備える水車発電システム１０の出力制御に際して、当該水車発電システム１０の発電出力を任意の目標出力に安定するように制御することができる。
【００６３】
尚、上述した本発明の実施形態は、本発明を実施する上での一例を提示したものであり、上述した本発明の実施形態そのままに限定されるものではない。実施段階では発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等をして具体化しても良い。
【００６４】
例えば、上述した水車発電システム１０、出力制御装置３０および出力制御手順は、上流側水車発電機１１Ａの出力を基準として下流側水車発電機１１Ｂの出力を制御する場合を説明したが、下流側水車発電機１１Ｂの出力を基準として上流側水車発電機１１Ａの出力を制御することもできる。
【００６５】
また、水車発電機１１Ａ，１１Ｂは、一つの回転羽根を有する水車ユニット１３Ａ，１３Ｂを前提に説明しているが、上述した特許文献１に記載されるような１つの水車ユニット１３Ａ，１３Ｂが複数の回転羽根を有する構成の水車発電機１１Ａ，１１Ｂを採用しても良い。
【符号の説明】
【００６６】
１０ 水車発電システム
１１Ａ 上流側水車発電機
１１Ｂ 下流側水車発電機
１２ 管路
１３Ａ 上流側水車ユニット
１３Ｂ 下流側水車ユニット
１４Ａ，１４Ｂ 案内羽根（ガイドベーン）
１５Ａ，１５Ｂ ランナ
３０ 出力制御装置
３１Ａ 上流側出力変換部
３１Ｂ 下流側出力変換部
３２Ａ 上流側開度変換部
３２Ｂ 下流側開度変換部
３３ 偏差検出部
３４ 下流側出力追従処理部
３５ ガイドベーン開度調整処理部
３６Ａ 上流側ガイドベーン制御部
３６Ｂ 下流側ガイドベーン制御部
４１ 減算処理部
４２ 極性判別部
４３ パルス演算処理部
４５ 第１の論理積演算部
４６ 第２の論理積演算部
５１ 減算処理部
５２ 極性判別部
５３ 比較処理部
５４ 制御信号出力調整部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水車発電に関し、特に、二台の水車ユニットを同一管路に直列に配置して構成される水車発電機の出力を制御する出力制御装置および出力制御方法並びに当該出力制御装置を備えた水車発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、水力発電システムは、管路を流動する水が水車ユニットの回転羽根を回転させ、当該回転により生じた回転駆動力を水車発電機に伝達し、回転駆動することによって発電するシステムである。
【０００３】
水力発電システムは、省スペース化やより多くの発電出力を得る等の様々な観点から種々の工夫がなされており、例えば、特開２００１−２２１１４１号公報（特許文献１）には、１台の水車ユニットに複数の回転羽根を収容し、複数の回転羽根から得られる回転駆動力を１台の水車発電機に伝達して発電出力を得る水力発電システムが記載される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２２１１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
また、より多くの発電出力を得る等の観点から、二台の水車ユニットを同一の管路に直列に配置して、異なる二台の水車発電機を駆動させる水車発電システムを構成する場合もある。この場合、出力調整を行わず案内羽根（ガイドベーンもしくはランナ）開度を固定し、水車の落差または流量に応じた出力を得るか、可変式の案内羽根（ガイドベーンもしくはランナ）開度を可変させて水車発電機の出力を制御することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、出力調整を行わず案内羽根（ガイドベーンもしくはランナ）開度を固定した場合、水車の落差または流量に応じた出力しか得ることができないので、任意に設定された目標出力を安定的に得ることは困難である。
【０００７】
一方、可変式の案内羽根（ガイドベーンもしくはランナ）開度を可変させて水車発電機の出力を制御する場合も、上流側または下流側に設置された水車発電機の案内羽根の開度を上げ下げすることにより、上流側に設置された水車発電機と下流側に設置された水車発電機との間の水圧も上下に変動するため、一方の水車発電機の案内羽根の開度を上げ下げすることが二台の水車発電機の出力を同時に変動させることになる。従って、任意に設定された目標出力を安定的に得ることは困難という課題がある。
【０００８】
すなわち、二台の水車ユニットを同一管路に直列に配置した場合、水車発電機が一台の場合と同様の考え方で出力制御を行っても、一方の水車発電機の案内羽根の開度調整が自己の水車発電機の出力のみならず他方の水車発電機の出力にも影響を与えることから、個々の水車発電機の出力バランスの調整が取りにくく、水力発電システム全体としても安定的な出力を得ることが困難であるという課題があった。
【０００９】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、二台の水車ユニットを同一管路に直列に配置して構成される水車発電機の発電出力を任意の目標出力に安定するように制御する出力制御装置および出力制御方法並びに当該出力制御装置を備えた水車発電システム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】
【００１０】
本発明に係る出力制御装置は、上述した課題を解決するため、同一管路に開度の調整可能な案内羽根と回転羽根とを備えた第１の水車ユニットおよび第２の水車ユニットが直列に設置されており、前記第１の水車ユニットと接続される第１の水車発電機と、前記第２の水車ユニットと接続される第２の水車発電機とを備える水力発電システムの発電出力を制御する装置であって、開度調整指令に基づき、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する案内羽根制御部と、前記第１の水車発電機の出力および前記第２の水車発電機の出力を取得し、取得した第１の水車発電機の出力と第２の水車発電機の出力とに差がある場合、前記第２の水車発電機の出力が前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理部と、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を取得して、取得した前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差に基づいて開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力する開度調整処理部と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る出力制御方法は、上述した課題を解決するため、同一管路に開度の調整可能な案内羽根と回転羽根とを備えた第１の水車ユニットおよび第２の水車ユニットが直列に設置されており、前記第１の水車ユニットと接続される第１の水車発電機と、前記第２の水車ユニットと接続される第２の水車発電機とを備える水力発電システムの発電出力を制御する方法であって、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する案内羽根制御部が、開度調整指令に基づき、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する開度制御ステップと、前記第２の水車発電機の出力が前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理部が、取得した第１の水車発電機の出力と第２の水車発電機の出力とに差がある場合、前記第２の水車発電機の出力を前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理ステップと、開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力する開度調整処理部が、取得した前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差に基づいて前記開度調整指令を生成する開度調整指令生成ステップと、を具備することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る水車発電システムは、上述した課題を解決するため、特許請求の範囲に記載した出力制御装置の何れかを備えて構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、二台の水車ユニットを同一管路に直列に配置して構成される水車発電機の発電出力を任意の目標出力に安定するように制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る水車発電システムの一例を構成する水車発電機の設置状態の一例を示した概略図。
【図２】本発明の実施形態に係る出力制御装置の構成の一例を概略的に示した説明図。
【図３】図２に示される出力制御装置が具備する下流側出力追従処理部の構成の一例を示した説明図。
【図４】図２に示される出力制御装置が具備するガイドベーン開度調整処理部の構成の一例を示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る出力制御装置および出力制御方法並びに当該出力制御装置を備えた水車発電システムについて、添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る出力制御装置を備えた水車発電システム（以下、「本発明の実施形態に係る水車発電システム」と称する。）の一例である水車発電システム１０を構成する水車発電機１１Ａ，１１Ｂの設置状態の一例を示した概略図である。
【００１７】
尚、図１に示される符号１２は水車を回転させる水が流動する管路、符号１３Ａ，１３Ｂはそれぞれ水車発電機１１Ａ，１１Ｂの水車ユニット、符号１４Ａ，１４Ｂは案内羽根（ガイドベーン）、符号１５Ａ，１５Ｂは回転羽根（ランナベーン）を有するランナである。
【００１８】
水車発電システム１０は、図１に示されるように、水車を回転させる水が流動する一つの管路１２に、二台の水車発電機１１Ａ，１１Ｂが直列に配置される。ここで、水車発電機（以下、「上流側水車発電機」と称する。）１１Ａは、管路１２において、下流側水車発電機（以下、「下流側水車発電機」と称する。）１１Ｂよりも上流側に設置され、ガイドベーン１４Ａの開度を調整可能な水車ユニット（以下、「上流側水車ユニット」と称する。）１３Ａを備える。また、下流側水車発電機１１Ｂも、上流側水車発電機１１Ａと同様にガイドベーン１４Ｂの開度を調整可能な水車ユニット（以下、「下流側水車ユニット」と称する。）１３Ｂを備える。
【００１９】
水車発電機１１Ａは、ランナ１５Ａの回転羽根が回転することにより生じた回転駆動力がランナ１５Ａから水車発電機１１Ａに伝達され、回転駆動することによって発電し、水車発電機１１Ｂは、ランナ１５Ｂの回転羽根が回転することにより生じた回転駆動力が
伝達され、回転駆動することによって発電する。
【００２０】
図２は、本発明に係る出力制御装置の一例である出力制御装置３０の構成例を概略的に示した説明図である。
【００２１】
出力制御装置３０は、同一の管路１２に水車発電機１１Ａ，１１Ｂが二台直列に配置された水車発電システム１０において、一方の水車発電機（例えば、上流側水車発電機１１Ａ）の出力を基準として他方の水車発電機（例えば、下流側水車発電機１１Ｂ）の出力を制御するように構成されており、図２に示される出力制御装置３０は、上流側水車発電機１１Ａの出力を基準として下流側水車発電機１１Ｂの出力を追従させるように制御する。
【００２２】
より詳細に説明すれば、出力制御装置３０は、上流側出力変換部３１Ａが取得した上流側水車発電機１１Ａの発電出力、下流側出力変換部３１Ｂが取得した下流側水車発電機１１Ｂの発電出力、上流開度変換部３２Ａが取得した上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度、および、下流開度変換部３２Ｂが取得した下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度と、偏差検出部３３が取得した上流側出力変換部３１Ａの発電出力（上流側水車発電機１１Ａの発電出力）と上流側水車発電機１１Ａの目標となる発電出力値（目標値）に対する偏差とに応じてガイドベーン１４Ａの開度およびガイドベーン１４Ｂの開度を制御し、下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を上流側水車発電機１１Ａの発電出力に追従させる。
【００２３】
出力制御装置３０は、下流側出力追従処理部３４と、ガードベーン開度調整処理部３５と、ガイドベーン制御部としての上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂとを具備する。
【００２４】
下流側出力追従処理部３４は、上流側水車発電機１１Ａの出力および下流側水車発電機１１Ｂの出力を取得し、取得した上流側水車発電機１１Ａの出力と下流側水車発電機１１Ｂの出力とに差がある場合、下流側水車発電機１１Ｂの出力が上流側水車発電機１１Ａの出力に追従するように制御する。
【００２５】
下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を上流側水車発電機１１Ａの発電出力に追従させる出力追従制御は、上流側水車発電機１１Ａの上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度を制御することにより行われる。これは、上流側水車発電機１１Ａの上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度を制御することにより、上流側水車ユニット１３Ａと下流側水車ユニット１３Ｂとの間の水圧が変化し、下流側水車発電機１１Ｂの出力を変化させることができるためである。
【００２６】
ガイドベーン開度調整処理部３５は、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度を取得して、取得したガイドベーン１４Ａの開度とガイドベーン１４Ｂの開度との間に差がある場合、二つの開度の差に基づいて開度調整指令を案内羽根制御部としての上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂへ出力する。
【００２７】
上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂは、開度調整指令に基づき、それぞれ、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度を制御する。
【００２８】
次に、水車発電システム１０、すなわち、二台の水車発電機１１Ａ，１１Ｂの出力制御方法について説明する。
【００２９】
水車発電システム１０の出力制御は、起動から目標出力にするまでの過渡状態においてなされる第１段階の出力制御と、目標出力周辺の所定範囲内で出力が安定している状態（定常状態）となり、当該範囲内で出力を微修正しつつ目標出力となるように出力制御する第２段階の出力制御とを有するが、第１段階の出力制御および第２段階の出力制御は、いずれも、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度制御ステップ（ガイドベーン開度一致制御ステップとガイドベーン開度同期制御ステップ）と、一方の出力に他方の出力を追従させる出力追従制御ステップとの組み合わせにより実現される。
【００３０】
水車発電システム１０では、まず、第１段階の出力制御として、二台の水車発電機１１Ａ，１１Ｂを起動した状態から目標出力まで出力を上昇させる。以下の説明では、出力制御をより速く容易に実現する観点から、水車発電機１１Ａ，１１Ｂの１台当たりの出力を水車発電システム１０の全体で得られる出力の半分、すなわち、同じ出力となるように設定した例を説明する。
【００３１】
第１段階の出力制御では、まず、ガイドベーン開度調整処理部３５が、取得した上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度が不一致の場合、両者の開度が一致するようにガイドベーン１４Ａの開度とガイドベーン１４Ｂの開度とを一致させる（ガイドベーン開度一致制御ステップ）。一致させる方法については、一方を他方の開度に一致させる方法でも良いし、設定した所定の開度に両ガイドベーン１４Ａ,１４Ｂの開度を一致させる方法でも良い。
【００３２】
続いて、上流側ガイドベーン制御部３６Ａが、出力を追従させる側の発電機である下流側水車発電機１１Ｂの出力が上流側水車発電機１１Ａの出力と合致するようにガイドベーン１４Ａの開度を制御して、下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を上流側水車発電機１１Ａの発電出力に追従するように制御する。すなわち、出力が追従される側（基準側）の上流側水車発電機１１Ａのガイドベーン１４Ａの開度を制御することによって、出力を追従させる側の水車発電機である下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を調整する（出力追従制御ステップ）。
【００３３】
その後、上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂが入力される開度調整指令に基づいてガイドベーン１４Ａおよびガイドベーン１４Ｂの開度を同期制御して目標出力まで出力を上昇させる（ガイドベーン開度同期制御ステップ）。すなわち、上流側出力変換部３１Ａの発電出力（上流側水車発電機１１Ａの発電出力）を優先しつつ下流側出力変換部３１Ｂの発電出力（下流側水車発電機１１Ｂの発電出力）を同期させる。
【００３４】
上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂに入力される開度調整指令は、偏差検出部３３が上流側出力変換部３１Ａの発電出力（上流側水車発電機１１Ａの発電出力）と上流側水車発電機１１Ａの出力目標値との偏差を検出し、検出した偏差に応じて生成される（開度調整指令生成ステップ）。そして、上流側水車発電機１１Ａの出力が、目標出力（例えば、水車発電システム１０全体の目標出力の１／２）まで上昇すると、当該偏差は０となり、第１段階の出力制御は終了する。
【００３５】
第１段階の出力制御が終了すると、続いて、第２段階の出力制御が開始され、所定範囲内で出力を微修正しつつ目標出力を維持するように出力制御する。第２段階の出力制御も、ガイドベーン開度制御ステップと、出力追従制御ステップとを繰り返し行うことによる出力制御である。
【００３６】
すなわち、第２段階の出力制御は、第１段階の出力制御の結果、取得した上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度に不一致が生じている場合には、まず、ガイドベーン開度調整処理部３５が、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度および下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度を一致させる（ガイドベーン開度一致制御ステップ）。
【００３７】
続いて、下流側水車発電機１１Ｂの発電出力が上流側水車発電機１１Ａの発電出力に追従するように制御される（出力追従処理ステップ）。出力追従処理ステップでは、基準側の上流側水車発電機１１Ａのガイドベーン１４Ａの開度を小刻みに制御することによって、出力を追従させる側の水車発電機である下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を小刻みに調整する。
【００３８】
それでもなお、水車発電システム１０が目標出力とならない場合、上流側ガイドベーン制御部３６Ａおよび下流側ガイドベーン制御部３６Ｂが入力される開度調整指令に基づいてガイドベーン１４Ａおよびガイドベーン１４Ｂの開度を同期制御して目標出力となるように、上流側出力変換部３１Ａの発電出力（上流側水車発電機１１Ａの発電出力）を優先しつつ下流側出力変換部３１Ｂの発電出力（下流側水車発電機１１Ｂの発電出力）を同期させる（ガイドベーン開度同期制御ステップ）。
【００３９】
このように、水車発電システム１０は、ガイドベーン開度一致制御ステップ、出力追従制御ステップおよびガイドベーン開度同期制御ステップを順次繰り返し行うことにより、上流側水車発電機１１Ａの発電出力および下流側水車発電機１１Ｂの発電出力が目標出力となるように出力制御する。
【００４０】
図３は、出力制御装置３０が具備する下流側出力追従処理部３４の構成の一例を示す説明図である。
【００４１】
下流側出力追従処理部３４は、減算処理部４１と、極性判別部４２と、パルス演算処理部４３と、論理積演算部として第１の論理積演算部４５および第２の論理積演算部４６とを備える。
【００４２】
減算処理部４１は、上流側出力変換部３１Ａによって取得される上流側水車発電機１１Ａの発電出力と、下流側出力変換部３１Ｂによって取得される下流側水車発電機１１Ｂの発電出力との差分を演算する。すなわち、上流側水車発電機１１Ａの発電出力から下流側水車発電機１１Ｂの発電出力を減算する。減算処理部４１は、演算結果を極性判別部４２およびパルス演算処理部４３へ出力する。
【００４３】
極性判別部４２は、減算処理部４１の演算結果の極性（正負）を判定し、判定結果に応じた出力を第１の論理積演算部４５および第２の論理積演算部４６へ出力する。例えば、極性が正の場合（上流側水車発電機１１Ａの発電出力は下流側水車発電機１１Ｂの発電出力よりも大きい場合）、第１の論理積演算部４５へ１を出力する一方、極性が負の場合（上流側水車発電機１１Ａの発電出力は下流側水車発電機１１Ｂの発電出力よりも小さくなる場合）には第２の論理積演算部４６へ１を出力する。
【００４４】
パルス演算処理部４３は、ガイドベーン１４Ａの開閉制御をするのに必要となるパルス（切を０、入を１とする）を生成し、減算処理部４１の演算結果の大小に応じて当該パルスのＯＮ（入：１）状態にある時間（ＯＮ時間）を長短する。すなわち、上流側水車発電機１１Ａの発電出力と下流側水車発電機１１Ｂの発電出力との差が大きい場合には、パルスのＯＮ状態にある時間を長くする一方、上流側水車発電機１１Ａの発電出力と下流側水車発電機１１Ｂの発電出力との差が小さい場合には、パルスのＯＮ状態にある時間を短くする。
【００４５】
論理積演算部４５，４６は、入力される二つの値の論理積を演算して当該演算結果を出力する機能を有する。論理積演算部４５，４６には、極性判別部４２からの出力（０，１）とパルス演算処理部４３からの出力（０，１）が入力され、論理積演算部４５，４６は、それぞれ、入力された極性判別部４２からの出力とパルス演算処理部４３からの出力との論理積を演算して、当該演算結果（０，１）を開度調整指令として上流側ガイドベーン制御部３６Ａへ出力する。
【００４６】
第１の論理積演算部４５に入力された極性判別部４２の出力が１（極性が正の場合）であり、パルス演算処理部４３の出力が１（ＯＮ状態）である場合には、第１の論理積演算部４５が１となり、ガイドベーン１４Ａを開く制御指令を上流側ガイドベーン制御部３６Ａへ出力して、ガイドベーン１４Ａが開くように制御される（開制御）。
【００４７】
第２の論理積演算部４６に入力された極性判別部４２の出力が１（極性が負の場合）であり、パルス演算処理部４３の出力が１（ＯＮ状態）である場合には、第２の論理積演算部４６が１となり、ガイドベーン１４Ａを閉じる制御指令を上流側ガイドベーン制御部３６Ａへ出力して、ガイドベーン１４Ａが閉じるように制御される（閉制御）。
【００４８】
図４は、出力制御装置３０が具備するガイドベーン開度調整処理部３５の構成の一例を示す説明図である。
【００４９】
ガイドベーン開度調整処理部３５は、減算処理部５１と、極性判別部５２と、比較処理部５３と、制御信号出力調整部５４と、を備える。
【００５０】
減算処理部５１は、上流開度変換部３２Ａが取得する上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度と下流開度変換部３２Ｂが取得する下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度との差分を演算する。すなわち、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度から下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度を減算する。減算処理部５１は、演算結果を極性判別部５２および比較処理部５３へ出力する。
【００５１】
極性判別部５２は、減算処理部５１の演算結果の極性（正負）を判定し、判定結果に応じた出力を制御信号出力調整部５４へ出力する。例えば、極性が正の場合（ガイドベーン１４Ａの開度がガイドベーン１４Ｂの開度よりも大きい場合）、制御信号出力調整部５４へ１を出力する一方、極性が負の場合（ガイドベーン１４Ａの開度がガイドベーン１４Ｂの開度よりも小さくなる場合）には制御信号出力調整部５４へ０を出力する。
【００５２】
比較処理部５３は、減算処理部５１の演算結果、すなわち、上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度と下流側水車ユニット１３Ｂのガイドベーン１４Ｂの開度との差（絶対値）が、予め設定された値（閾値）よりも大きいか小さいかを比較し、比較の結果を０，１で出力する。例えば、ガイドベーン１４Ａ，１４Ｂの開度差が設定値よりも小さい場合には０を、大きい場合には１を出力する。
【００５３】
制御信号出力調整部５４は、比較処理部５３から入力される比較結果（０，１）に基づいて信号出力を入切（ＯＮ／ＯＦＦ）するスイッチング機能と、極性判別部５２の判別結果（０，１）に基づいて、ガイドベーン１４Ａを開くように制御する指令（信号）を上流側ガイドベーン制御部３６Ａへ出力するか、ガイドベーン１４Ｂを開くように制御する指令（信号）を下流側ガイドベーン制御部３６Ｂへ出力するかを選択する出力先選択機能とを有する。制御信号出力調整部５４のスイッチング機能を持たせることにより、いわゆる不感帯が設定される。
【００５４】
制御信号出力調整部５４は、例えば、論理積演算部４５，４６を有し、比較処理部５３から入力される比較結果（０，１）と、極性判別部５２から入力される判別結果（０，１）との論理積を演算して演算結果（０，１）をガイドベーン制御部３６Ａ，３６Ｂに出力する。
【００５５】
より詳細には、制御信号出力調整部５４は、比較処理部５３の出力が０である場合（ガイドベーン１４Ａ，１４Ｂの開度差が設定値よりも小さい場合）、スイッチング機能によって信号出力は切（ＯＦＦ）状態となり、ガイドベーン制御部３６Ａ，３６Ｂの何れにも信号は出力されない。
【００５６】
一方、比較処理部５３の出力が１である場合（ガイドベーン１４Ａ，１４Ｂの開度差が設定値よりも大きい場合）、スイッチング機能によって信号出力は入（ＯＮ）状態となり、極性判別部５２の判別結果（０，１）に基づいて、ガイドベーン１４Ａまたはガイドベーン１４Ｂを開くように制御する指令が上流側ガイドベーン制御部３６Ａまたは下流側ガイドベーン制御部３６Ｂへ伝達される。
【００５７】
制御信号出力調整部５４は、極性判別部５２の出力が０（極性が負）の場合、ガイドベーン１４Ａを開くように制御する指令を上流側ガイドベーン制御部３６Ａへ出力する。一方、極性判別部５２の出力が１（極性が正）の場合、ガイドベーン１４Ｂを開くように制御する指令を下流側ガイドベーン制御部３６Ｂへ出力する。
【００５８】
尚、図４に示されるガイドベーン開度調整処理部３５は、比較処理部５３の比較結果が第１の論理積演算部４５と第２の論理積演算部４６とに入力される構成であるが、上流側ガイドベーン制御部３６Ａのガイドベーン１４Ａの開制御に用いられる比較結果を第１の論理積演算部４５へ提供する第１の比較処理部と、下流側ガイドベーン制御部３６Ｂのガイドベーン１４Ｂの開制御に用いられる比較結果を第２の論理積演算部４６へ提供する第２の比較処理部と、を備える構成としても良い。この場合、第１の比較処理部と第２の比較処理部とに閾値を個別に設定でき、より細やかなガイドベーン開度制御が可能となる。
【００５９】
以上、水車発電システム１０、出力制御装置３０および出力制御手順によれば、水車発電システム１０の出力制御に際して、ガイドベーン開度一致制御ステップと、ガイドベーン開度同期制御ステップと、出力追従制御ステップとを行うことができる。ガイドベーン開度一致制御ステップは、ガイドベーン１４Ａの開度とガイドベーン１４Ｂの開度とが大きく異なった場合に、例えば開度の大きい方の開度に開度を一致させるため、二台の水車発電機１１Ａ，１１Ｂの発電出力をより短時間で安定させることができる。
【００６０】
また、出力追従制御ステップは、一方の水車発電機である上流側水車発電機１１Ａの上流側水車ユニット１３Ａのガイドベーン１４Ａの開度を制御することにより、他方の水車発電機である下流側水車発電機１１Ｂの出力を変化させることにより行うので、従来よりも容易に出力追従制御をすることができる。
【００６１】
さらに、ガイドベーン開度同期制御ステップでは、二台の水車発電機１１Ａ，１１Ｂの発電出力を同期的に増減させることができるので、水車発電システム１０の出力目標値により素早く近づけることができる。
【００６２】
すなわち、水車発電システム１０、出力制御装置３０および出力制御手順によれば、二台の水車ユニット１３Ａ，１３Ｂを同一の管路１２に直列に配置して構成される水車発電機１１Ａ，１１Ｂを備える水車発電システム１０の出力制御に際して、当該水車発電システム１０の発電出力を任意の目標出力に安定するように制御することができる。
【００６３】
尚、上述した本発明の実施形態は、本発明を実施する上での一例を提示したものであり、上述した本発明の実施形態そのままに限定されるものではない。実施段階では発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等をして具体化しても良い。
【００６４】
例えば、上述した水車発電システム１０、出力制御装置３０および出力制御手順は、上流側水車発電機１１Ａの出力を基準として下流側水車発電機１１Ｂの出力を制御する場合を説明したが、下流側水車発電機１１Ｂの出力を基準として上流側水車発電機１１Ａの出力を制御することもできる。
【００６５】
また、水車発電機１１Ａ，１１Ｂは、一つの回転羽根を有する水車ユニット１３Ａ，１３Ｂを前提に説明しているが、上述した特許文献１に記載されるような１つの水車ユニット１３Ａ，１３Ｂが複数の回転羽根を有する構成の水車発電機１１Ａ，１１Ｂを採用しても良い。
【符号の説明】
【００６６】
１０ 水車発電システム
１１Ａ 上流側水車発電機
１１Ｂ 下流側水車発電機
１２ 管路
１３Ａ 上流側水車ユニット
１３Ｂ 下流側水車ユニット
１４Ａ，１４Ｂ 案内羽根（ガイドベーン）
１５Ａ，１５Ｂ ランナ
３０ 出力制御装置
３１Ａ 上流側出力変換部
３１Ｂ 下流側出力変換部
３２Ａ 上流側開度変換部
３２Ｂ 下流側開度変換部
３３ 偏差検出部
３４ 下流側出力追従処理部
３５ ガイドベーン開度調整処理部
３６Ａ 上流側ガイドベーン制御部
３６Ｂ 下流側ガイドベーン制御部
４１ 減算処理部
４２ 極性判別部
４３ パルス演算処理部
４５ 第１の論理積演算部
４６ 第２の論理積演算部
５１ 減算処理部
５２ 極性判別部
５３ 比較処理部
５４ 制御信号出力調整部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一管路に開度の調整可能な案内羽根と回転羽根とを備えた第１の水車ユニットおよび第２の水車ユニットが直列に設置されており、前記第１の水車ユニットと接続される第１の水車発電機と、前記第２の水車ユニットと接続される第２の水車発電機とを備える水力発電システムの発電出力を制御する装置であって、
開度調整指令に基づき、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する案内羽根制御部と、
前記第１の水車発電機の出力および前記第２の水車発電機の出力を取得し、取得した第１の水車発電機の出力と第２の水車発電機の出力とに差がある場合、前記第２の水車発電機の出力が前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理部と、
前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を取得して、取得した前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差に基づいて開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力する開度調整処理部と、
を具備することを特徴とする出力制御装置。
【請求項２】
前記出力追従部は、前記第２の水車発電機の出力を制御する際に、前記第１の水車発電機の案内羽根の開度を調整する開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力するように構成されることを特徴とする請求項１記載の出力制御装置。
【請求項３】
前記出力追従部は、前記第１の水車発電機の出力と前記第２の水車発電機の出力の差分を演算する減算処理部と、
この減算処理部が演算した差分の極性を判別し、判別結果を出力する極性判別部と、
前記減算処理部が演算した差分の大小に応じてパルス信号のＯＮ時間を長短させてパルス信号を出力するパルス演算処理部と、
前記極性判別部からの出力と前記パルス演算処理部の出力との論理積を演算し演算結果に応じて前記案内羽根制御部へ開度調整指令を出力する論理積演算部とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の出力制御装置。
【請求項４】
前記開度調整処理部は、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差が許容値以上となった場合、前記開度の差が許容値未満となるように開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力するように構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の出力制御装置。
【請求項５】
同一管路に開度の調整可能な案内羽根と回転羽根とを備えた第１の水車ユニットおよび第２の水車ユニットが直列に設置されており、前記第１の水車ユニットと接続される第１の水車発電機と、前記第２の水車ユニットと接続される第２の水車発電機とを備える水力発電システムの発電出力を制御する方法であって、
前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する案内羽根制御部が、開度調整指令に基づき、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する開度制御ステップと、
前記第２の水車発電機の出力が前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理部が、取得した第１の水車発電機の出力と第２の水車発電機の出力とに差がある場合、前記第２の水車発電機の出力を前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理ステップと、
開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力する開度調整処理部が、取得した前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差に基づいて前記開度調整指令を生成する開度調整指令生成ステップと、を具備することを特徴とする出力制御方法。
【請求項６】
前記出力追従処理ステップは、前記第２の水車発電機の出力を制御する際に、前記第１の水車発電機の案内羽根の開度を調整する開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力するステップであることを特徴とする請求項５記載の出力制御方法。
【請求項７】
前記出力追従ステップは、前記第１の水車発電機の出力と前記第２の水車発電機の出力の差分を演算する減算処理部が前記第１の水車発電機の出力と前記第２の水車発電機の出力の差分を演算する減算処理ステップと、
この減算処理ステップで演算された差分の極性を判別して判別結果を出力する極性判別部が、当該判別結果を出力するステップと、
パルス信号のＯＮ時間を長短させてパルス信号を出力するパルス演算処理部が、前記減算処理ステップで演算された差分の大小に応じてパルス信号のＯＮ時間を長短させてパルス信号を出力するステップと、
論理積を演算し演算結果を出力する論理積演算部が、前記極性判別部からの出力と前記パルス演算処理部の出力との演算結果に応じて前記案内羽根制御部へ開度調整指令を出力するステップと、を備えることを特徴とする請求項５または６記載の出力制御方法。
【請求項８】
前記開度調整指令生成ステップは、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差が許容値以上となった場合、前記開度の差が許容値未満となるように開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力するステップであることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の出力制御方法。
【請求項９】
前記請求項１乃至４の何れか１項に記載の出力制御装置を備えた水力発電システム。
【請求項１】
同一管路に開度の調整可能な案内羽根と回転羽根とを備えた第１の水車ユニットおよび第２の水車ユニットが直列に設置されており、前記第１の水車ユニットと接続される第１の水車発電機と、前記第２の水車ユニットと接続される第２の水車発電機とを備える水力発電システムの発電出力を制御する装置であって、
開度調整指令に基づき、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する案内羽根制御部と、
前記第１の水車発電機の出力および前記第２の水車発電機の出力を取得し、取得した第１の水車発電機の出力と第２の水車発電機の出力とに差がある場合、前記第２の水車発電機の出力が前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理部と、
前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を取得して、取得した前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差に基づいて開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力する開度調整処理部と、
を具備することを特徴とする出力制御装置。
【請求項２】
前記出力追従部は、前記第２の水車発電機の出力を制御する際に、前記第１の水車発電機の案内羽根の開度を調整する開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力するように構成されることを特徴とする請求項１記載の出力制御装置。
【請求項３】
前記出力追従部は、前記第１の水車発電機の出力と前記第２の水車発電機の出力の差分を演算する減算処理部と、
この減算処理部が演算した差分の極性を判別し、判別結果を出力する極性判別部と、
前記減算処理部が演算した差分の大小に応じてパルス信号のＯＮ時間を長短させてパルス信号を出力するパルス演算処理部と、
前記極性判別部からの出力と前記パルス演算処理部の出力との論理積を演算し演算結果に応じて前記案内羽根制御部へ開度調整指令を出力する論理積演算部とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の出力制御装置。
【請求項４】
前記開度調整処理部は、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差が許容値以上となった場合、前記開度の差が許容値未満となるように開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力するように構成されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の出力制御装置。
【請求項５】
同一管路に開度の調整可能な案内羽根と回転羽根とを備えた第１の水車ユニットおよび第２の水車ユニットが直列に設置されており、前記第１の水車ユニットと接続される第１の水車発電機と、前記第２の水車ユニットと接続される第２の水車発電機とを備える水力発電システムの発電出力を制御する方法であって、
前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する案内羽根制御部が、開度調整指令に基づき、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度および前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度を制御する開度制御ステップと、
前記第２の水車発電機の出力が前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理部が、取得した第１の水車発電機の出力と第２の水車発電機の出力とに差がある場合、前記第２の水車発電機の出力を前記第１の水車発電機の出力に追従するように制御する出力追従処理ステップと、
開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力する開度調整処理部が、取得した前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差に基づいて前記開度調整指令を生成する開度調整指令生成ステップと、を具備することを特徴とする出力制御方法。
【請求項６】
前記出力追従処理ステップは、前記第２の水車発電機の出力を制御する際に、前記第１の水車発電機の案内羽根の開度を調整する開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力するステップであることを特徴とする請求項５記載の出力制御方法。
【請求項７】
前記出力追従ステップは、前記第１の水車発電機の出力と前記第２の水車発電機の出力の差分を演算する減算処理部が前記第１の水車発電機の出力と前記第２の水車発電機の出力の差分を演算する減算処理ステップと、
この減算処理ステップで演算された差分の極性を判別して判別結果を出力する極性判別部が、当該判別結果を出力するステップと、
パルス信号のＯＮ時間を長短させてパルス信号を出力するパルス演算処理部が、前記減算処理ステップで演算された差分の大小に応じてパルス信号のＯＮ時間を長短させてパルス信号を出力するステップと、
論理積を演算し演算結果を出力する論理積演算部が、前記極性判別部からの出力と前記パルス演算処理部の出力との演算結果に応じて前記案内羽根制御部へ開度調整指令を出力するステップと、を備えることを特徴とする請求項５または６記載の出力制御方法。
【請求項８】
前記開度調整指令生成ステップは、前記第１の水車ユニットの案内羽根の開度と取得した前記第２の水車ユニットの案内羽根の開度との差が許容値以上となった場合、前記開度の差が許容値未満となるように開度調整指令を前記案内羽根制御部へ出力するステップであることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の出力制御方法。
【請求項９】
前記請求項１乃至４の何れか１項に記載の出力制御装置を備えた水力発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１３２３４０（Ｐ２０１２−１３２３４０Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８３５９９（Ｐ２０１０−２８３５９９）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００１８０３６８）四国電力株式会社 (95)
【出願人】（０００２２１０９６）東芝システムテクノロジー株式会社 (117)
【出願人】（３９００１４５６８）東芝プラントシステム株式会社 (273)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（０００１８０３６８）四国電力株式会社 (95)
【出願人】（０００２２１０９６）東芝システムテクノロジー株式会社 (117)
【出願人】（３９００１４５６８）東芝プラントシステム株式会社 (273)
【Ｆターム（参考）】
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