水道施設の残圧利用発電装置
【課題】計測機器による構造の複雑化を来すことなく減圧量を常に的確に制御することのできる水道施設の残圧利用発電装置を提供する。
【解決手段】水車１１の回転角速度を角速度検出部１４によって検出し、角速度検出部１４によって検出された角速度と水車１１の特性との関係から水車１１の推定流量を算出し、水車１１による減圧量が目標減圧量になるように推定流量Ｑに基づいてインバータ１３による発電機１２のトルクを制御するようにしたので、流水から水圧や流量を検出することなく目標減圧量になるように発電機１２を制御することができ、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。これにより、構造の簡素化と低コスト化を図ることができるので、水道施設の余剰圧力を利用可能な発電装置１０の普及に貢献することができる。
【解決手段】水車１１の回転角速度を角速度検出部１４によって検出し、角速度検出部１４によって検出された角速度と水車１１の特性との関係から水車１１の推定流量を算出し、水車１１による減圧量が目標減圧量になるように推定流量Ｑに基づいてインバータ１３による発電機１２のトルクを制御するようにしたので、流水から水圧や流量を検出することなく目標減圧量になるように発電機１２を制御することができ、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。これにより、構造の簡素化と低コスト化を図ることができるので、水道施設の余剰圧力を利用可能な発電装置１０の普及に貢献することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水道施設の配水管路に設置され、配水管路の水道水を減圧しながら発電する水道施設の残圧利用発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水道施設においては、ダム湖等の水源から浄水場を経て一般家庭や各種施設等の需要家に配水しているが、需要家に十分に水道水が行き届くように高圧力で配水している。この場合、需要家に配水される水は高圧力では使用することができないため、需要家に配水される手前で減圧弁を用いて減圧している。しかしながら、この減圧による余剰圧力は有効に利用されていないため、送水圧が持つエネルギーの大半が損失されているのが現状である。
【０００３】
また、減圧時の余剰圧力を発電に利用するようにしたものとして、減圧弁に代えて水力発電機を設け、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１または２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２２７４５号公報
【特許文献２】特開２００２−２４２８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前述のように発電機の水車によって配水管路の水道水を減圧する場合、減圧量が所定の目標減圧量になるように発電機を制御しているが、貯水池の水位の変化や上流側の圧送ポンプの吐出圧の変動等により発電機の上流側の水圧が変化したり、或いは需要家の水道使用状況により発電機の下流側の水圧が変化するため、このような水圧の変化に応じて発電機を制御する必要がある。そこで、従来では、水車の上流側と下流側にそれぞれ圧力計や流量計を設け、目標減圧量になるように発電機をフィードバック制御している。
【０００６】
しかしながら、水車の上流側と下流側にそれぞれ圧力計や流量計を設ける場合、これらの計測機器により装置の構造が複雑になり、コストの増加を来すという問題点があった。
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、計測機器による構造の複雑化を来すことなく減圧量を常に的確に制御することのできる水道施設の残圧利用発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前記目的を達成するために、水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車による減圧量が目標減圧量になるように前記推定流量に基づいて発電機のトルクを制御する制御手段とを備えている。
【０００９】
これにより、角速度検出手段によって検出された水車の角速度と水車の特性との関係から算出した推定流量に基づいて、水車による減圧量が目標減圧量になるように発電機のトルクが制御されることから、流水から水圧や流量を検出することなく目標減圧量になるように発電機を制御することができる。
【００１０】
また、本発明は前記目的を達成するために、水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車の流量が目標流量になるように前記推定流量に基づいて発電機のトルクを制御する制御手段とを備えている。
【００１１】
これにより、角速度検出手段によって検出された水車の角速度と水車の特性との関係から算出した推定流量に基づいて、水車の流量が目標流量になるように発電機のトルクが制御されることから、流水から水圧や流量を検出することなく目標流量になるように発電機を制御することができる。
【００１２】
また、本発明は前記目的を達成するために、水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車による減圧量が目標減圧量になるように前記推定流量に基づいて水車の回転角速度を制御する制御手段とを備えている。
【００１３】
これにより、角速度検出手段によって検出された水車の角速度と水車の特性との関係から算出した推定流量に基づいて、水車による減圧量が目標減圧量になるように発電機の角速度が制御されることから、流水から水圧や流量を検出することなく目標減圧量になるように発電機を制御することができる。
【００１４】
また、本発明は前記目的を達成するために、水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車の流量が目標流量になるように前記推定流量に基づいて水車の回転角速度を制御する制御手段とを備えている。
【００１５】
これにより、角速度検出手段によって検出された水車の角速度と水車の特性との関係から算出した推定流量に基づいて、水車の流量が目標流量になるように発電機の角速度が制御されることから、流水から水圧や流量を検出することなく目標流量になるように発電機を制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、流水から水圧や流量を検出することなく発電機を制御することができるので、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。これにより、構造の簡素化と低コスト化を図ることができるので、水道施設の余剰圧力を利用可能な発電装置の普及に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す水道施設の概略図
【図２】発電装置の構成図
【図３】制御部の動作を示すフローチャート
【図４】制御系を示すブロック線図
【図５】水車特性曲線を示す線図
【図６】水車効率曲線を示す線図
【図７】本発明の第２の実施形態に係る制御部の動作を示すフローチャート
【図８】制御系を示すブロック線図
【図９】本発明の第３の実施形態に係る制御部の動作を示すフローチャート
【図１０】制御系を示すブロック線図
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る制御部の動作を示すフローチャート
【図１２】制御系を示すブロック線図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１乃至図６は本発明の第１の実施形態を示すもので、水道施設の配水管路の水道水を減圧しながら発電する発電装置に関するものである。
【００１９】
同図に示す水道施設は、ダム湖等の水源１から浄水場２及び貯水池３を経て一般家庭や各種施設等の需要家４に配水するもので、需要家４に十分に水道水が行き届くようにポンプ５によって高圧力で配水するようになっている。この場合、貯水池３と需要家４との間の配水管路６には、需要家４に配水される水道水を減圧するための発電装置１０が設けられ、発電装置１０で発電された電力は所定の電力利用先７に供給されるようになっている。
【００２０】
本実施形態の発電装置１０は、配水管路６に設けられた水車１１と、水車１１の回転によって発電する発電機１２と、発電機１２に任意のトルクを付与可能なインバータ１３と、水車１１の回転角速度を検出する角速度検出部１４と、水車１１による減圧量が目標減圧量になるようにインバータ１３のトルクを制御する制御部１５とを備えている。
【００２１】
水車１１は、例えば周知のフランシス形ポンプ逆転水車からなり、配水管路６を流通する水によって回転するようになっている。
【００２２】
発電機１２は、例えば商用周波数の交流電力を発生する周知の同期発電機からなり、水車１１と一体に回転するようになっている。
【００２３】
インバータ１３は、発電機１２で発電された電力を電力利用先７に供給するとともに、水車１１の回転抵抗となるトルクを制御可能に構成されている。
【００２４】
角速度検出部１４は、インバータ１３の電圧角速度または電流角速度から水車１１の回転角速度を検出するように構成されている。
【００２５】
制御部１５は、マイクロコンピュータによって構成され、後述するプログラムによってインバータ１３へのトルク指令値を制御するようになっている。
【００２６】
以上のように構成された発電装置１０においては、配水管路６を流通する水道水によって水車１１が回転し、インバータ１３による発電機１２の発電負荷（水車１１の回転抵抗）によって水車１１の下流側が減圧されるとともに、発電機１２で発電された電力がインバータ１３を介して電力利用先７に供給される。その際、減圧量（水車１１の上流側と下流側との圧力差）が所定の目標減圧量になるように、インバータ１３による発電機１２のトルクが制御部１５によって制御される。
【００２７】
ここで、制御部１５の動作について、図３のフローチャートを参照して説明する。まず、角速度検出部１４によって水車１１の回転角速度ωを検出し（Ｓ１）、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、トルク指令値Ｔref と回転角速度ωから水車１１の流量Ｑを推定する（Ｓ２）。次に、目標減圧量Ｈref を実現するためのトルク指令値Ｔref を推定流量Ｑから算出するとともに（Ｓ３）、推定流量Ｑから減圧量Ｈを推定する（Ｓ４）。続いて、推定減圧量Ｈと目標減圧量Ｈref との差分をとり、減圧量のフィードバック項（ＰＩ制御項）をトルク指令値Ｔref に加えるとともに（Ｓ５）、所定の目標角速度ωref と角速度ωとの差分をとり、角速度のフィードバック項（Ｐ制御項）をトルク指令値Ｔref に加える（Ｓ６）。そして、このトルク指令値Ｔref をインバータ１３に出力し（Ｓ７）、所定時間経過後（Ｓ８）、前記ステップＳ１に戻ってステップＳ１〜Ｓ８の動作を繰り返す。
【００２８】
また、制御部１５は、図４のブロック線図に示すように、流量推定器１６、トルク指令値設定器１７、減圧量推定器１８、第１の比較器１９、第２の比較器２０、第１の加算器２１及び第２の加算器２２を備えている。流量推定器１６は、水車１１の特性と回転角速度ωとの関係から推定流量Ｑを算出するようになっており、水車１１の特性は予め実験等によって得られる。トルク指令値設定器１７は、水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑと目標減圧量Ｈref からトルク指令値Ｔref を算出するようになっている。減圧量推定器１８は水車１１の性能に基づく関数を用いて推定流量Ｑから推定減圧量Ｈを算出するようになっている。第１の比較器１９は目標減圧量Ｈref と推定減圧量Ｈとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰＩ要素２３によって比例積分演算された後、第１の加算器２１によってトルク指令値Ｔref に加算される。また、第２の比較器２０は目標角速度ωref と角速度ωとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰ要素２４によって比例演算された後、第２の加算器２２によってトルク指令値Ｔref に加算される。この場合、目標角速度ωref には、定格速度または効率最大角度が設定される。
【００２９】
ここで、前記推定流量Ｑと推定減圧量Ｈの算出方法について説明する。まず、推定流量Ｑの算出には、前述したように水車の特性を用いるので、以下のように実験により水車特性と水車効率を求める。
【００３０】
この実験では、計算式に用いる変数π1 ，π2 を式(1)(2)のように定義し、通水により回転する水車の角速度ω［ｒａｄ／ｓ］、損失水頭ｈ［ｍ］、流量Ｑ［ｍ3 ／ｓ］を測定することにより、図５に示すように変数π1 ，π2 による水車特性曲線を作成する。尚、ｄ［ｍ］は水車（羽根車）の直径、ｇ［ｍ／ｓ2 ］は重力定数である。
【００３１】
π1 ＝Ｑ／ωｄ3 …(1)
π2 ＝ｇｈ／ｄ2ω2 …(2)
次に、インバータにトルク指令値を与えた後、バルブで流量を調整しながら回転数を目標の数値にそろえ、回転する水車の角速度ω、減圧量Ｈ、流量Ｑ、トルク指令値、発電電流を測定し、図６に示すように水車と発電機の効率と変数π1 による水車効率曲線を作成する。
【００３２】
また、流水が持つエネルギーと水車が行う仕事の関係式は、エネルギー保存の法則より、以下の式(3) で表される。ここで、ηは水車のエネルギー効率（０≦η≦１）、ρ［ｋｇ／ｍ3 ］は水の密度、Ｔ［Ｎ／ｍ］は水車（発電機）のトルクである。
【００３３】
η(Q)ρｇｈＱ＝Ｔω …(3)
そして、式(3) と、図５の水車特性曲線を近似して得られる関数と、図６の水車効率曲線を近似して得られる関数とを用い、変数π1 ，π2 についての方程式を導き、これを解いてπ1 ，π2 を求めることにより、以下の式(4)(5)により推定流量Ｑと推定減圧量Ｈを算出する。
【００３４】
Ｑ＝ωｄ3π1 …(4)
ｈ＝ｄ2ω2π2 ／ｇ …(5)
次に、前記トルク指令値Ｔref の設定方法について説明する。トルク指令値Ｔref は、前述したように水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑから算出するとともに、減圧量Ｈのフィードバック項と角速度ωのフィードバック項を加算することにより、以下の式(6) から求められる。
【００３５】
Ｔref ＝η(Q)ρｇＱＨref／ω
＋ＧH(s)(Ｈref−Ｈ)
＋Ｇω(s)(ωref−ω) …(6)
ここで、右辺第１項は前記式(3) より導かれる。右辺第２項は、減圧量Ｈのフィードバック項（ＰＩ制御項）であり、ＧH(s)はそのフィードバックコントローラである。また、右辺第３項は、角速度ωのフィードバック項（Ｐ制御項）であり、Ｇω(s)はそのフィードバックコントローラである。
【００３６】
このように、本実施形態によれば、水道水が流通する配水管路６に設けられた水車１１と、水車１１の回転によって発電する発電機１２とを備え、発電機１２の発電負荷による水車１１の回転抵抗よって水車１１の下流側を減圧するようにしたので、減圧による余剰圧力を電力に変換して電力利用先７で有効に利用することができる。例えば、電力利用先７としては、通常は街路灯等の補助電源として利用することができるが、災害や発電設備の事故、或いは電力不足による停電時には、一般家庭や各種施設等に電力を供給することも可能である。その際、一部の地域で停電している場合には、その地域に設置されている発電装置１０の電力を利用するだけでなく、近隣の他の地域の発電装置１０の電力を停電地域に送電するようにすれば、より効果的に停電時の有効利用を図ることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、水車１１の回転角速度ωを角速度検出部１４によって検出し、角速度検出部１４によって検出された角速度ωと水車１１の特性との関係から水車１１の推定流量Ｑを算出し、水車１１による減圧量Ｈが目標減圧量Ｈref になるように推定流量Ｑに基づいてインバータ１３による発電機１２のトルクを制御するようにしたので、流水から水圧や流量を検出することなく目標減圧量になるように発電機１２を制御することができ、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。これにより、構造の簡素化と低コスト化を図ることができるので、水道施設の余剰圧力を利用可能な発電装置１０の普及に貢献することができる。
【００３８】
更に、水車１１の回転角速度ωに基づいて推定流量Ｑを算出するようにしているので、水車１１の回転数に依存することなくトルクを制御することができ、流量の変化により回転数が変動する環境下においても流量と減圧量との関係を的確に求めることができる。
【００３９】
また、推定流量Ｑから算出した推定減圧量Ｈと目標減圧量Ｈref との差分をＰＩ要素２３によって比例積分演算してトルク指令値Ｔref に加算するようにしたので、目標減圧量に追従するための適切なトルク指令を与えることができる。
【００４０】
更に、角速度検出部１４によって検出された回転角速度ωと所定の目標角速度ωref との差分をＰ要素２４によって比例演算してトルク指令値Ｔref に加算するようにしたので、水車１１の回転数を安定させることができる。
【００４１】
また、発電機１２にインバータ１３によってトルクを付与するようにしたので、発電機１２で発電した電力をインバータ１３を介して電力利用先７に出力することができ、実用化に際して極めて有利である。
【００４２】
この場合、インバータ１３から水車１１の回転角速度ωを検出するようにしたので、角速度を検出するための専用の計測機器を必要とせず、構造の簡素化を図る上で極めて有利である。
【００４３】
図７及び図８は本発明の第２の実施形態を示すもので、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００４４】
前記第１の実施形態では、インバータ１３によって発電機１２のトルクを制御することにより、減圧量を制御するようにしたものを示したが、本実施形態では、インバータ１３によって発電機１２のトルクを制御することにより、水車１１の流量を制御するようにしている。
【００４５】
本実施形態の制御部１５は、図７のフローチャートに示すように、まず、角速度検出部１４によって水車１１の回転角速度ωを検出し（Ｓ１０）、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、トルク指令値Ｔref と回転角速度ωから水車１１の流量Ｑを推定する（Ｓ１１）。次に、推定流量Ｑから減圧量Ｈを推定するとともに（Ｓ１２）、目標流量Ｑref を実現するためのトルク指令値Ｔref を推定減圧量Ｈから算出する（Ｓ１３）。続いて、推定流量Ｑと目標流量Ｑref との差分をとり、流量のフィードバック項（ＰＩ制御項）をトルク指令値Ｔref に加えるとともに（Ｓ１４）、所定の目標角速度ωref と角速度ωとの差分をとり、角速度のフィードバック項（Ｐ制御項）をトルク指令値Ｔref に加える（Ｓ１５）。そして、このトルク指令値Ｔref をインバータ１３に出力し（Ｓ１６）、所定時間経過後（Ｓ１７）、前記ステップＳ１０に戻ってステップＳ１０〜Ｓ１７の動作を繰り返す。
【００４６】
また、本実施形態の制御部１５は、図８のブロック線図に示すように、流量推定器１６、トルク指令値設定器１７、減圧量推定器１８、第１の比較器１９、第２の比較器２０、第１の加算器２１及び第２の加算器２２を備えている。流量推定器１６は、水車１１の特性と回転角速度ωとの関係から推定流量Ｑを算出するようになっており、水車１１の特性は予め実験等によって得られる。減圧量推定器１８は水車１１の性能に基づく関数を用いて推定流量Ｑから推定減圧量Ｈを算出するようになっている。トルク指令値設定器１７は、水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定減圧量Ｈと目標流量Ｑref からトルク指令値Ｔref を算出するようになっている。第１の比較器１９は目標流量Ｑref と推定流量Ｑとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰＩ要素２３によって比例積分演算された後、第１の加算器２１によってトルク指令値Ｔref に加算される。また、第２の比較器２０は目標角速度ωref と角速度ωとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰ要素２４によって比例演算された後、第２の加算器２２によってトルク指令値Ｔref に加算される。この場合、目標角速度ωref には、定格速度または効率最大角度が設定される。
【００４７】
次に、前記トルク指令値Ｔref の設定方法について説明する。トルク指令値Ｔref は、前述したように水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑから算出するとともに、流量Ｑのフィードバック項と角速度ωのフィードバック項を加算することにより、以下の式(7) から求められる。
【００４８】
Ｔref ＝η(Q)ρｇｈＱref／ω
＋ＧQ(s)(Ｑref−Ｑ)
＋Ｇω(s)(ωref−ω) …(7)
ここで、右辺第１項は前記式(3) より導かれる。右辺第２項は、流量Ｑのフィードバック項（ＰＩ制御項）であり、ＧQ(s)はそのフィードバックコントローラである。また、右辺第３項は、角速度ωのフィードバック項（Ｐ制御項）であり、Ｇω(s)はそのフィードバックコントローラである。尚、推定流量Ｑの算出方法は、第１の実施形態と同様である。
【００４９】
このように、本実施形態によれば、水車１１の回転角速度ωを角速度検出部１４によって検出し、角速度検出部１４によって検出された角速度ωと水車１１の特性との関係から水車１１の推定流量Ｑを算出し、水車１１の流量Ｑが目標流量Ｑref になるように推定流量Ｑに基づいてインバータ１３による発電機１２のトルクを制御するようにしたので、前記実施形態と同様、流水から水圧や流量を検出することなく目標流量になるように発電機１２を制御することができ、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。尚、その他の効果は、前記実施形態と同様である。
【００５０】
図９及び図１０は本発明の第３の実施形態を示すもので、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００５１】
前記第１及び第２の実施形態では、発電機１２のトルクを制御可能なインバータ１３を用いたが、本実施形態のインバータ１３は発電機１２の回転角速度を制御可能に構成されている。即ち、前記第１及び第２の実施形態では、インバータ１３によって発電機１２のトルクを制御することにより、減圧量または流量を制御するようにしたものを示したが、本実施形態では、インバータ１３によって発電機１２の回転角速度を制御することにより、減圧量を制御するようにしている。
【００５２】
本実施形態の制御部１５は、図９のフローチャートに示すように、まず、角速度検出部１４によって水車１１の回転角速度ωを検出し（Ｓ２０）、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、発電機トルクＴと回転角速度ωから水車１１の流量Ｑを推定する（Ｓ２１）。次に、目標減圧量Ｈref を実現するための角速度指令値ωref を推定流量Ｑから算出するとともに（Ｓ２２）、推定流量Ｑから減圧量Ｈを推定する（Ｓ２３）。続いて、推定減圧量Ｈと目標減圧量Ｈref との差分をとり、減圧量のフィードバック項（ＰＩ制御項）を角速度指令値ωref に加える（Ｓ２４）。そして、この角速度指令値ωref をインバータ１３に出力し（Ｓ２５）、所定時間経過後（Ｓ２６）、前記ステップＳ２０に戻ってステップＳ２０〜Ｓ２６の動作を繰り返す。
【００５３】
また、本実施形態の制御部１５は、図１０のブロック線図に示すように、流量推定器１６、角速度指令値設定器２５、減圧量推定器１８、比較器２６及び加算器２７を備えている。流量推定器１６は、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、発電機トルクＴと回転角速度ωから推定流量Ｑを算出するようになっており、水車１１の特性は予め実験等によって得られる。角速度指令値設定器２５は、水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑと目標減圧量Ｈref から角速度指令値ωref を算出するようになっている。減圧量推定器１８は水車１１の性能に基づく関数を用いて推定流量Ｑから推定減圧量Ｈを算出するようになっている。比較器２６は目標減圧量Ｈref と推定減圧量Ｈとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰＩ要素２３によって比例積分演算された後、加算器２７によって角速度指令値ωref に加算される。
【００５４】
次に、前記角速度指令値ωref の設定方法について説明する。角速度指令値ωref は、前述したように水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑから算出するとともに、減圧量Ｈのフィードバック項を加算することにより、以下の式(8) から求められる。
【００５５】
ωref ＝η(Q)ρｇＱＨref／Ｔ
＋ＧH(s)(Ｈref−Ｈ) …(8)
ここで、右辺第１項は前記式(3) より導かれる。右辺第２項は、減圧量Ｈのフィードバック項（ＰＩ制御項）であり、ＧH(s)はそのフィードバックコントローラである。尚、推定流量Ｑと推定減圧量Ｈの算出方法は、第１の実施形態と同様である。
【００５６】
このように、本実施形態によれば、水車１１の回転角速度ωを角速度検出部１４によって検出し、角速度検出部１４によって検出された角速度ωと水車１１の特性との関係から水車１１の推定流量Ｑを算出し、水車１１による減圧量Ｈが目標減圧量Ｈref になるように推定流量Ｑに基づいてインバータ１３による発電機１２の角速度を制御するようにしたので、前記実施形態と同様、流水から水圧や流量を検出することなく目標減圧量になるように発電機１２を制御することができ、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。尚、その他の効果は、前記実施形態と同様である。
【００５７】
図１１及び図１２は本発明の第４の実施形態を示すもので、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００５８】
前記第１及び第２の実施形態では、発電機１２のトルクを制御可能なインバータ１３を用いたが、本実施形態のインバータ１３は発電機１２の回転角速度を制御可能に構成されている。即ち、前記第１及び第２の実施形態では、インバータ１３によって発電機１２のトルクを制御することにより、減圧量または流量を制御するようにしたものを示したが、本実施形態では、インバータ１３によって発電機１２の回転角速度を制御することにより、流量を制御するようにしている。
【００５９】
本実施形態の制御部１５は、図１１のフローチャートに示すように、まず、角速度検出部１４によって水車１１の回転角速度ωを検出し（Ｓ３０）、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、発電機トルクＴと回転角速度ωから水車１１の流量Ｑを推定する（Ｓ３１）。次に、推定流量Ｑから減圧量Ｈを推定するとともに（Ｓ３２）、目標流量Ｑref を実現するための角速度指令値ωref を推定減圧量Ｈから算出する（Ｓ３３）。続いて、推定流量Ｑと目標流量Ｑref との差分をとり、流量のフィードバック項（ＰＩ制御項）を角速度指令値ωref に加える（Ｓ３４）。そして、この角速度指令値ωref をインバータ１３に出力し（Ｓ３５）、所定時間経過後（Ｓ３６）、前記ステップＳ３０に戻ってステップＳ３０〜Ｓ３６の動作を繰り返す。
【００６０】
また、本実施形態の制御部１５は、図１２のブロック線図に示すように、流量推定器１６、減圧量推定器１８、角速度指令値設定器２５、比較器２６及び加算器２７を備えている。流量推定器１６は、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、発電機トルクＴと回転角速度ωから推定流量Ｑを算出するようになっており、水車１１の特性は予め実験等によって得られる。減圧量推定器１８は水車１１の性能に基づく関数を用いて推定流量Ｑから推定減圧量Ｈを算出するようになっている。角速度指令値設定器２５は、水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定減圧量Ｈと目標流量Ｑref から角速度指令値ωref を算出するようになっている。比較器２６は目標流量Ｑref と推定流量Ｑとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰＩ要素２３によって比例積分演算された後、加算器２７によって角速度指令値ωref に加算される。
【００６１】
次に、前記角速度指令値ωref の設定方法について説明する。角速度指令値ωref は、前述したように水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑから算出するとともに、流量Ｑのフィードバック項を加算することにより、以下の式(9) から求められる。
【００６２】
ωref ＝η(Q)ρｇｈＱref／Ｔ
＋ＧQ(s)(Ｑref−Ｑ) …(9)
ここで、右辺第１項は前記式(3) より導かれる。右辺第２項は、流量Ｑのフィードバック項（ＰＩ制御項）であり、ＧH(s)はそのフィードバックコントローラである。尚、推定流量Ｑの算出方法は、第１の実施形態と同様である。
【００６３】
このように、本実施形態によれば、水車１１の回転角速度ωを角速度検出部１４によって検出し、角速度検出部１４によって検出された角速度ωと水車１１の特性との関係から水車１１の推定流量Ｑを算出し、水車１１の流量Ｑが目標流量Ｑref になるように推定流量Ｑに基づいてインバータ１３による発電機１２の角速度を制御するようにしたので、前記実施形態と同様、流水から水圧や流量を検出することなく目標流量になるように発電機１２を制御することができ、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。尚、その他の効果は、前記実施形態と同様である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…発電装置、１１…水車、１２…発電機、１３…インバータ、１４…角速度検出部、１５…制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水道施設の配水管路に設置され、配水管路の水道水を減圧しながら発電する水道施設の残圧利用発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水道施設においては、ダム湖等の水源から浄水場を経て一般家庭や各種施設等の需要家に配水しているが、需要家に十分に水道水が行き届くように高圧力で配水している。この場合、需要家に配水される水は高圧力では使用することができないため、需要家に配水される手前で減圧弁を用いて減圧している。しかしながら、この減圧による余剰圧力は有効に利用されていないため、送水圧が持つエネルギーの大半が損失されているのが現状である。
【０００３】
また、減圧時の余剰圧力を発電に利用するようにしたものとして、減圧弁に代えて水力発電機を設け、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１または２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２２７４５号公報
【特許文献２】特開２００２−２４２８１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前述のように発電機の水車によって配水管路の水道水を減圧する場合、減圧量が所定の目標減圧量になるように発電機を制御しているが、貯水池の水位の変化や上流側の圧送ポンプの吐出圧の変動等により発電機の上流側の水圧が変化したり、或いは需要家の水道使用状況により発電機の下流側の水圧が変化するため、このような水圧の変化に応じて発電機を制御する必要がある。そこで、従来では、水車の上流側と下流側にそれぞれ圧力計や流量計を設け、目標減圧量になるように発電機をフィードバック制御している。
【０００６】
しかしながら、水車の上流側と下流側にそれぞれ圧力計や流量計を設ける場合、これらの計測機器により装置の構造が複雑になり、コストの増加を来すという問題点があった。
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、計測機器による構造の複雑化を来すことなく減圧量を常に的確に制御することのできる水道施設の残圧利用発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前記目的を達成するために、水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車による減圧量が目標減圧量になるように前記推定流量に基づいて発電機のトルクを制御する制御手段とを備えている。
【０００９】
これにより、角速度検出手段によって検出された水車の角速度と水車の特性との関係から算出した推定流量に基づいて、水車による減圧量が目標減圧量になるように発電機のトルクが制御されることから、流水から水圧や流量を検出することなく目標減圧量になるように発電機を制御することができる。
【００１０】
また、本発明は前記目的を達成するために、水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車の流量が目標流量になるように前記推定流量に基づいて発電機のトルクを制御する制御手段とを備えている。
【００１１】
これにより、角速度検出手段によって検出された水車の角速度と水車の特性との関係から算出した推定流量に基づいて、水車の流量が目標流量になるように発電機のトルクが制御されることから、流水から水圧や流量を検出することなく目標流量になるように発電機を制御することができる。
【００１２】
また、本発明は前記目的を達成するために、水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車による減圧量が目標減圧量になるように前記推定流量に基づいて水車の回転角速度を制御する制御手段とを備えている。
【００１３】
これにより、角速度検出手段によって検出された水車の角速度と水車の特性との関係から算出した推定流量に基づいて、水車による減圧量が目標減圧量になるように発電機の角速度が制御されることから、流水から水圧や流量を検出することなく目標減圧量になるように発電機を制御することができる。
【００１４】
また、本発明は前記目的を達成するために、水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車の流量が目標流量になるように前記推定流量に基づいて水車の回転角速度を制御する制御手段とを備えている。
【００１５】
これにより、角速度検出手段によって検出された水車の角速度と水車の特性との関係から算出した推定流量に基づいて、水車の流量が目標流量になるように発電機の角速度が制御されることから、流水から水圧や流量を検出することなく目標流量になるように発電機を制御することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、流水から水圧や流量を検出することなく発電機を制御することができるので、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。これにより、構造の簡素化と低コスト化を図ることができるので、水道施設の余剰圧力を利用可能な発電装置の普及に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す水道施設の概略図
【図２】発電装置の構成図
【図３】制御部の動作を示すフローチャート
【図４】制御系を示すブロック線図
【図５】水車特性曲線を示す線図
【図６】水車効率曲線を示す線図
【図７】本発明の第２の実施形態に係る制御部の動作を示すフローチャート
【図８】制御系を示すブロック線図
【図９】本発明の第３の実施形態に係る制御部の動作を示すフローチャート
【図１０】制御系を示すブロック線図
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る制御部の動作を示すフローチャート
【図１２】制御系を示すブロック線図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１乃至図６は本発明の第１の実施形態を示すもので、水道施設の配水管路の水道水を減圧しながら発電する発電装置に関するものである。
【００１９】
同図に示す水道施設は、ダム湖等の水源１から浄水場２及び貯水池３を経て一般家庭や各種施設等の需要家４に配水するもので、需要家４に十分に水道水が行き届くようにポンプ５によって高圧力で配水するようになっている。この場合、貯水池３と需要家４との間の配水管路６には、需要家４に配水される水道水を減圧するための発電装置１０が設けられ、発電装置１０で発電された電力は所定の電力利用先７に供給されるようになっている。
【００２０】
本実施形態の発電装置１０は、配水管路６に設けられた水車１１と、水車１１の回転によって発電する発電機１２と、発電機１２に任意のトルクを付与可能なインバータ１３と、水車１１の回転角速度を検出する角速度検出部１４と、水車１１による減圧量が目標減圧量になるようにインバータ１３のトルクを制御する制御部１５とを備えている。
【００２１】
水車１１は、例えば周知のフランシス形ポンプ逆転水車からなり、配水管路６を流通する水によって回転するようになっている。
【００２２】
発電機１２は、例えば商用周波数の交流電力を発生する周知の同期発電機からなり、水車１１と一体に回転するようになっている。
【００２３】
インバータ１３は、発電機１２で発電された電力を電力利用先７に供給するとともに、水車１１の回転抵抗となるトルクを制御可能に構成されている。
【００２４】
角速度検出部１４は、インバータ１３の電圧角速度または電流角速度から水車１１の回転角速度を検出するように構成されている。
【００２５】
制御部１５は、マイクロコンピュータによって構成され、後述するプログラムによってインバータ１３へのトルク指令値を制御するようになっている。
【００２６】
以上のように構成された発電装置１０においては、配水管路６を流通する水道水によって水車１１が回転し、インバータ１３による発電機１２の発電負荷（水車１１の回転抵抗）によって水車１１の下流側が減圧されるとともに、発電機１２で発電された電力がインバータ１３を介して電力利用先７に供給される。その際、減圧量（水車１１の上流側と下流側との圧力差）が所定の目標減圧量になるように、インバータ１３による発電機１２のトルクが制御部１５によって制御される。
【００２７】
ここで、制御部１５の動作について、図３のフローチャートを参照して説明する。まず、角速度検出部１４によって水車１１の回転角速度ωを検出し（Ｓ１）、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、トルク指令値Ｔref と回転角速度ωから水車１１の流量Ｑを推定する（Ｓ２）。次に、目標減圧量Ｈref を実現するためのトルク指令値Ｔref を推定流量Ｑから算出するとともに（Ｓ３）、推定流量Ｑから減圧量Ｈを推定する（Ｓ４）。続いて、推定減圧量Ｈと目標減圧量Ｈref との差分をとり、減圧量のフィードバック項（ＰＩ制御項）をトルク指令値Ｔref に加えるとともに（Ｓ５）、所定の目標角速度ωref と角速度ωとの差分をとり、角速度のフィードバック項（Ｐ制御項）をトルク指令値Ｔref に加える（Ｓ６）。そして、このトルク指令値Ｔref をインバータ１３に出力し（Ｓ７）、所定時間経過後（Ｓ８）、前記ステップＳ１に戻ってステップＳ１〜Ｓ８の動作を繰り返す。
【００２８】
また、制御部１５は、図４のブロック線図に示すように、流量推定器１６、トルク指令値設定器１７、減圧量推定器１８、第１の比較器１９、第２の比較器２０、第１の加算器２１及び第２の加算器２２を備えている。流量推定器１６は、水車１１の特性と回転角速度ωとの関係から推定流量Ｑを算出するようになっており、水車１１の特性は予め実験等によって得られる。トルク指令値設定器１７は、水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑと目標減圧量Ｈref からトルク指令値Ｔref を算出するようになっている。減圧量推定器１８は水車１１の性能に基づく関数を用いて推定流量Ｑから推定減圧量Ｈを算出するようになっている。第１の比較器１９は目標減圧量Ｈref と推定減圧量Ｈとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰＩ要素２３によって比例積分演算された後、第１の加算器２１によってトルク指令値Ｔref に加算される。また、第２の比較器２０は目標角速度ωref と角速度ωとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰ要素２４によって比例演算された後、第２の加算器２２によってトルク指令値Ｔref に加算される。この場合、目標角速度ωref には、定格速度または効率最大角度が設定される。
【００２９】
ここで、前記推定流量Ｑと推定減圧量Ｈの算出方法について説明する。まず、推定流量Ｑの算出には、前述したように水車の特性を用いるので、以下のように実験により水車特性と水車効率を求める。
【００３０】
この実験では、計算式に用いる変数π1 ，π2 を式(1)(2)のように定義し、通水により回転する水車の角速度ω［ｒａｄ／ｓ］、損失水頭ｈ［ｍ］、流量Ｑ［ｍ3 ／ｓ］を測定することにより、図５に示すように変数π1 ，π2 による水車特性曲線を作成する。尚、ｄ［ｍ］は水車（羽根車）の直径、ｇ［ｍ／ｓ2 ］は重力定数である。
【００３１】
π1 ＝Ｑ／ωｄ3 …(1)
π2 ＝ｇｈ／ｄ2ω2 …(2)
次に、インバータにトルク指令値を与えた後、バルブで流量を調整しながら回転数を目標の数値にそろえ、回転する水車の角速度ω、減圧量Ｈ、流量Ｑ、トルク指令値、発電電流を測定し、図６に示すように水車と発電機の効率と変数π1 による水車効率曲線を作成する。
【００３２】
また、流水が持つエネルギーと水車が行う仕事の関係式は、エネルギー保存の法則より、以下の式(3) で表される。ここで、ηは水車のエネルギー効率（０≦η≦１）、ρ［ｋｇ／ｍ3 ］は水の密度、Ｔ［Ｎ／ｍ］は水車（発電機）のトルクである。
【００３３】
η(Q)ρｇｈＱ＝Ｔω …(3)
そして、式(3) と、図５の水車特性曲線を近似して得られる関数と、図６の水車効率曲線を近似して得られる関数とを用い、変数π1 ，π2 についての方程式を導き、これを解いてπ1 ，π2 を求めることにより、以下の式(4)(5)により推定流量Ｑと推定減圧量Ｈを算出する。
【００３４】
Ｑ＝ωｄ3π1 …(4)
ｈ＝ｄ2ω2π2 ／ｇ …(5)
次に、前記トルク指令値Ｔref の設定方法について説明する。トルク指令値Ｔref は、前述したように水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑから算出するとともに、減圧量Ｈのフィードバック項と角速度ωのフィードバック項を加算することにより、以下の式(6) から求められる。
【００３５】
Ｔref ＝η(Q)ρｇＱＨref／ω
＋ＧH(s)(Ｈref−Ｈ)
＋Ｇω(s)(ωref−ω) …(6)
ここで、右辺第１項は前記式(3) より導かれる。右辺第２項は、減圧量Ｈのフィードバック項（ＰＩ制御項）であり、ＧH(s)はそのフィードバックコントローラである。また、右辺第３項は、角速度ωのフィードバック項（Ｐ制御項）であり、Ｇω(s)はそのフィードバックコントローラである。
【００３６】
このように、本実施形態によれば、水道水が流通する配水管路６に設けられた水車１１と、水車１１の回転によって発電する発電機１２とを備え、発電機１２の発電負荷による水車１１の回転抵抗よって水車１１の下流側を減圧するようにしたので、減圧による余剰圧力を電力に変換して電力利用先７で有効に利用することができる。例えば、電力利用先７としては、通常は街路灯等の補助電源として利用することができるが、災害や発電設備の事故、或いは電力不足による停電時には、一般家庭や各種施設等に電力を供給することも可能である。その際、一部の地域で停電している場合には、その地域に設置されている発電装置１０の電力を利用するだけでなく、近隣の他の地域の発電装置１０の電力を停電地域に送電するようにすれば、より効果的に停電時の有効利用を図ることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、水車１１の回転角速度ωを角速度検出部１４によって検出し、角速度検出部１４によって検出された角速度ωと水車１１の特性との関係から水車１１の推定流量Ｑを算出し、水車１１による減圧量Ｈが目標減圧量Ｈref になるように推定流量Ｑに基づいてインバータ１３による発電機１２のトルクを制御するようにしたので、流水から水圧や流量を検出することなく目標減圧量になるように発電機１２を制御することができ、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。これにより、構造の簡素化と低コスト化を図ることができるので、水道施設の余剰圧力を利用可能な発電装置１０の普及に貢献することができる。
【００３８】
更に、水車１１の回転角速度ωに基づいて推定流量Ｑを算出するようにしているので、水車１１の回転数に依存することなくトルクを制御することができ、流量の変化により回転数が変動する環境下においても流量と減圧量との関係を的確に求めることができる。
【００３９】
また、推定流量Ｑから算出した推定減圧量Ｈと目標減圧量Ｈref との差分をＰＩ要素２３によって比例積分演算してトルク指令値Ｔref に加算するようにしたので、目標減圧量に追従するための適切なトルク指令を与えることができる。
【００４０】
更に、角速度検出部１４によって検出された回転角速度ωと所定の目標角速度ωref との差分をＰ要素２４によって比例演算してトルク指令値Ｔref に加算するようにしたので、水車１１の回転数を安定させることができる。
【００４１】
また、発電機１２にインバータ１３によってトルクを付与するようにしたので、発電機１２で発電した電力をインバータ１３を介して電力利用先７に出力することができ、実用化に際して極めて有利である。
【００４２】
この場合、インバータ１３から水車１１の回転角速度ωを検出するようにしたので、角速度を検出するための専用の計測機器を必要とせず、構造の簡素化を図る上で極めて有利である。
【００４３】
図７及び図８は本発明の第２の実施形態を示すもので、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００４４】
前記第１の実施形態では、インバータ１３によって発電機１２のトルクを制御することにより、減圧量を制御するようにしたものを示したが、本実施形態では、インバータ１３によって発電機１２のトルクを制御することにより、水車１１の流量を制御するようにしている。
【００４５】
本実施形態の制御部１５は、図７のフローチャートに示すように、まず、角速度検出部１４によって水車１１の回転角速度ωを検出し（Ｓ１０）、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、トルク指令値Ｔref と回転角速度ωから水車１１の流量Ｑを推定する（Ｓ１１）。次に、推定流量Ｑから減圧量Ｈを推定するとともに（Ｓ１２）、目標流量Ｑref を実現するためのトルク指令値Ｔref を推定減圧量Ｈから算出する（Ｓ１３）。続いて、推定流量Ｑと目標流量Ｑref との差分をとり、流量のフィードバック項（ＰＩ制御項）をトルク指令値Ｔref に加えるとともに（Ｓ１４）、所定の目標角速度ωref と角速度ωとの差分をとり、角速度のフィードバック項（Ｐ制御項）をトルク指令値Ｔref に加える（Ｓ１５）。そして、このトルク指令値Ｔref をインバータ１３に出力し（Ｓ１６）、所定時間経過後（Ｓ１７）、前記ステップＳ１０に戻ってステップＳ１０〜Ｓ１７の動作を繰り返す。
【００４６】
また、本実施形態の制御部１５は、図８のブロック線図に示すように、流量推定器１６、トルク指令値設定器１７、減圧量推定器１８、第１の比較器１９、第２の比較器２０、第１の加算器２１及び第２の加算器２２を備えている。流量推定器１６は、水車１１の特性と回転角速度ωとの関係から推定流量Ｑを算出するようになっており、水車１１の特性は予め実験等によって得られる。減圧量推定器１８は水車１１の性能に基づく関数を用いて推定流量Ｑから推定減圧量Ｈを算出するようになっている。トルク指令値設定器１７は、水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定減圧量Ｈと目標流量Ｑref からトルク指令値Ｔref を算出するようになっている。第１の比較器１９は目標流量Ｑref と推定流量Ｑとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰＩ要素２３によって比例積分演算された後、第１の加算器２１によってトルク指令値Ｔref に加算される。また、第２の比較器２０は目標角速度ωref と角速度ωとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰ要素２４によって比例演算された後、第２の加算器２２によってトルク指令値Ｔref に加算される。この場合、目標角速度ωref には、定格速度または効率最大角度が設定される。
【００４７】
次に、前記トルク指令値Ｔref の設定方法について説明する。トルク指令値Ｔref は、前述したように水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑから算出するとともに、流量Ｑのフィードバック項と角速度ωのフィードバック項を加算することにより、以下の式(7) から求められる。
【００４８】
Ｔref ＝η(Q)ρｇｈＱref／ω
＋ＧQ(s)(Ｑref−Ｑ)
＋Ｇω(s)(ωref−ω) …(7)
ここで、右辺第１項は前記式(3) より導かれる。右辺第２項は、流量Ｑのフィードバック項（ＰＩ制御項）であり、ＧQ(s)はそのフィードバックコントローラである。また、右辺第３項は、角速度ωのフィードバック項（Ｐ制御項）であり、Ｇω(s)はそのフィードバックコントローラである。尚、推定流量Ｑの算出方法は、第１の実施形態と同様である。
【００４９】
このように、本実施形態によれば、水車１１の回転角速度ωを角速度検出部１４によって検出し、角速度検出部１４によって検出された角速度ωと水車１１の特性との関係から水車１１の推定流量Ｑを算出し、水車１１の流量Ｑが目標流量Ｑref になるように推定流量Ｑに基づいてインバータ１３による発電機１２のトルクを制御するようにしたので、前記実施形態と同様、流水から水圧や流量を検出することなく目標流量になるように発電機１２を制御することができ、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。尚、その他の効果は、前記実施形態と同様である。
【００５０】
図９及び図１０は本発明の第３の実施形態を示すもので、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００５１】
前記第１及び第２の実施形態では、発電機１２のトルクを制御可能なインバータ１３を用いたが、本実施形態のインバータ１３は発電機１２の回転角速度を制御可能に構成されている。即ち、前記第１及び第２の実施形態では、インバータ１３によって発電機１２のトルクを制御することにより、減圧量または流量を制御するようにしたものを示したが、本実施形態では、インバータ１３によって発電機１２の回転角速度を制御することにより、減圧量を制御するようにしている。
【００５２】
本実施形態の制御部１５は、図９のフローチャートに示すように、まず、角速度検出部１４によって水車１１の回転角速度ωを検出し（Ｓ２０）、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、発電機トルクＴと回転角速度ωから水車１１の流量Ｑを推定する（Ｓ２１）。次に、目標減圧量Ｈref を実現するための角速度指令値ωref を推定流量Ｑから算出するとともに（Ｓ２２）、推定流量Ｑから減圧量Ｈを推定する（Ｓ２３）。続いて、推定減圧量Ｈと目標減圧量Ｈref との差分をとり、減圧量のフィードバック項（ＰＩ制御項）を角速度指令値ωref に加える（Ｓ２４）。そして、この角速度指令値ωref をインバータ１３に出力し（Ｓ２５）、所定時間経過後（Ｓ２６）、前記ステップＳ２０に戻ってステップＳ２０〜Ｓ２６の動作を繰り返す。
【００５３】
また、本実施形態の制御部１５は、図１０のブロック線図に示すように、流量推定器１６、角速度指令値設定器２５、減圧量推定器１８、比較器２６及び加算器２７を備えている。流量推定器１６は、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、発電機トルクＴと回転角速度ωから推定流量Ｑを算出するようになっており、水車１１の特性は予め実験等によって得られる。角速度指令値設定器２５は、水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑと目標減圧量Ｈref から角速度指令値ωref を算出するようになっている。減圧量推定器１８は水車１１の性能に基づく関数を用いて推定流量Ｑから推定減圧量Ｈを算出するようになっている。比較器２６は目標減圧量Ｈref と推定減圧量Ｈとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰＩ要素２３によって比例積分演算された後、加算器２７によって角速度指令値ωref に加算される。
【００５４】
次に、前記角速度指令値ωref の設定方法について説明する。角速度指令値ωref は、前述したように水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑから算出するとともに、減圧量Ｈのフィードバック項を加算することにより、以下の式(8) から求められる。
【００５５】
ωref ＝η(Q)ρｇＱＨref／Ｔ
＋ＧH(s)(Ｈref−Ｈ) …(8)
ここで、右辺第１項は前記式(3) より導かれる。右辺第２項は、減圧量Ｈのフィードバック項（ＰＩ制御項）であり、ＧH(s)はそのフィードバックコントローラである。尚、推定流量Ｑと推定減圧量Ｈの算出方法は、第１の実施形態と同様である。
【００５６】
このように、本実施形態によれば、水車１１の回転角速度ωを角速度検出部１４によって検出し、角速度検出部１４によって検出された角速度ωと水車１１の特性との関係から水車１１の推定流量Ｑを算出し、水車１１による減圧量Ｈが目標減圧量Ｈref になるように推定流量Ｑに基づいてインバータ１３による発電機１２の角速度を制御するようにしたので、前記実施形態と同様、流水から水圧や流量を検出することなく目標減圧量になるように発電機１２を制御することができ、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。尚、その他の効果は、前記実施形態と同様である。
【００５７】
図１１及び図１２は本発明の第４の実施形態を示すもので、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。
【００５８】
前記第１及び第２の実施形態では、発電機１２のトルクを制御可能なインバータ１３を用いたが、本実施形態のインバータ１３は発電機１２の回転角速度を制御可能に構成されている。即ち、前記第１及び第２の実施形態では、インバータ１３によって発電機１２のトルクを制御することにより、減圧量または流量を制御するようにしたものを示したが、本実施形態では、インバータ１３によって発電機１２の回転角速度を制御することにより、流量を制御するようにしている。
【００５９】
本実施形態の制御部１５は、図１１のフローチャートに示すように、まず、角速度検出部１４によって水車１１の回転角速度ωを検出し（Ｓ３０）、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、発電機トルクＴと回転角速度ωから水車１１の流量Ｑを推定する（Ｓ３１）。次に、推定流量Ｑから減圧量Ｈを推定するとともに（Ｓ３２）、目標流量Ｑref を実現するための角速度指令値ωref を推定減圧量Ｈから算出する（Ｓ３３）。続いて、推定流量Ｑと目標流量Ｑref との差分をとり、流量のフィードバック項（ＰＩ制御項）を角速度指令値ωref に加える（Ｓ３４）。そして、この角速度指令値ωref をインバータ１３に出力し（Ｓ３５）、所定時間経過後（Ｓ３６）、前記ステップＳ３０に戻ってステップＳ３０〜Ｓ３６の動作を繰り返す。
【００６０】
また、本実施形態の制御部１５は、図１２のブロック線図に示すように、流量推定器１６、減圧量推定器１８、角速度指令値設定器２５、比較器２６及び加算器２７を備えている。流量推定器１６は、回転角速度ωと水車１１の特性との関係に基づいて、発電機トルクＴと回転角速度ωから推定流量Ｑを算出するようになっており、水車１１の特性は予め実験等によって得られる。減圧量推定器１８は水車１１の性能に基づく関数を用いて推定流量Ｑから推定減圧量Ｈを算出するようになっている。角速度指令値設定器２５は、水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定減圧量Ｈと目標流量Ｑref から角速度指令値ωref を算出するようになっている。比較器２６は目標流量Ｑref と推定流量Ｑとの偏差を求めるようになっており、その偏差はＰＩ要素２３によって比例積分演算された後、加算器２７によって角速度指令値ωref に加算される。
【００６１】
次に、前記角速度指令値ωref の設定方法について説明する。角速度指令値ωref は、前述したように水車１１の効率特性に基づく関数を用いて推定流量Ｑから算出するとともに、流量Ｑのフィードバック項を加算することにより、以下の式(9) から求められる。
【００６２】
ωref ＝η(Q)ρｇｈＱref／Ｔ
＋ＧQ(s)(Ｑref−Ｑ) …(9)
ここで、右辺第１項は前記式(3) より導かれる。右辺第２項は、流量Ｑのフィードバック項（ＰＩ制御項）であり、ＧH(s)はそのフィードバックコントローラである。尚、推定流量Ｑの算出方法は、第１の実施形態と同様である。
【００６３】
このように、本実施形態によれば、水車１１の回転角速度ωを角速度検出部１４によって検出し、角速度検出部１４によって検出された角速度ωと水車１１の特性との関係から水車１１の推定流量Ｑを算出し、水車１１の流量Ｑが目標流量Ｑref になるように推定流量Ｑに基づいてインバータ１３による発電機１２の角速度を制御するようにしたので、前記実施形態と同様、流水から水圧や流量を検出することなく目標流量になるように発電機１２を制御することができ、圧力計や流量計等の計測機器が不要となる。尚、その他の効果は、前記実施形態と同様である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…発電装置、１１…水車、１２…発電機、１３…インバータ、１４…角速度検出部、１５…制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、
前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、
角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車による減圧量が目標減圧量になるように前記推定流量に基づいて発電機のトルクを制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項２】
前記制御手段を、前記推定流量から算出した推定減圧量と目標減圧量との差分を比例積分演算してトルク指令値に加算するように構成した
ことを特徴とする請求項１記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項３】
水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、
前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、
角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車の流量が目標流量になるように前記推定流量に基づいて発電機のトルクを制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項４】
前記制御手段を、前記推定流量と目標流量との差分を比例積分演算してトルク指令値に加算するように構成した
ことを特徴とする請求項３記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項５】
前記制御手段を、角速度検出手段によって検出された角速度と所定の目標角速度との差分を比例演算してトルク指令値に加算するように構成した
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項６】
水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、
前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、
角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車による減圧量が目標減圧量になるように前記推定流量に基づいて水車の回転角速度を制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項７】
前記制御手段を、前記推定流量から算出した推定減圧量と目標減圧量との差分を比例積分演算して角速度指令値に加算するように構成した
ことを特徴とする請求項６記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項８】
水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、
前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、
角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車の流量が目標流量になるように前記推定流量に基づいて水車の回転角速度を制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項９】
前記制御手段を、前記推定流量と目標流量との差分を比例積分演算して角速度指令値に加算するように構成した
ことを特徴とする請求項８記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項１０】
前記発電機に水車の回転抵抗となる発電負荷を付与するインバータを備えた
ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項１１】
前記角速度検出手段をインバータから水車の回転角速度を検出するように構成した
ことを特徴とする請求項１０記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項１】
水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、
前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、
角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車による減圧量が目標減圧量になるように前記推定流量に基づいて発電機のトルクを制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項２】
前記制御手段を、前記推定流量から算出した推定減圧量と目標減圧量との差分を比例積分演算してトルク指令値に加算するように構成した
ことを特徴とする請求項１記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項３】
水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、
前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、
角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車の流量が目標流量になるように前記推定流量に基づいて発電機のトルクを制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項４】
前記制御手段を、前記推定流量と目標流量との差分を比例積分演算してトルク指令値に加算するように構成した
ことを特徴とする請求項３記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項５】
前記制御手段を、角速度検出手段によって検出された角速度と所定の目標角速度との差分を比例演算してトルク指令値に加算するように構成した
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項６】
水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、
前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、
角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車による減圧量が目標減圧量になるように前記推定流量に基づいて水車の回転角速度を制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項７】
前記制御手段を、前記推定流量から算出した推定減圧量と目標減圧量との差分を比例積分演算して角速度指令値に加算するように構成した
ことを特徴とする請求項６記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項８】
水道水が流通する配水管路に設けられた水車と、水車の回転によって発電する発電機とを備え、発電機の発電負荷による水車の回転抵抗よって水車の下流側を減圧するようにした水道施設の残圧利用発電装置において、
前記水車の回転角速度を検出する角速度検出手段と、
角速度検出手段によって検出された角速度と水車の特性との関係から水車の推定流量を算出し、水車の流量が目標流量になるように前記推定流量に基づいて水車の回転角速度を制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項９】
前記制御手段を、前記推定流量と目標流量との差分を比例積分演算して角速度指令値に加算するように構成した
ことを特徴とする請求項８記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項１０】
前記発電機に水車の回転抵抗となる発電負荷を付与するインバータを備えた
ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【請求項１１】
前記角速度検出手段をインバータから水車の回転角速度を検出するように構成した
ことを特徴とする請求項１０記載の水道施設の残圧利用発電装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２４１６５９（Ｐ２０１２−２４１６５９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１４４４１（Ｐ２０１１−１１４４４１）
【出願日】平成２３年５月２３日（２０１１．５．２３）
【出願人】（５９４０２４５４５）横浜市 (5)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２３日（２０１１．５．２３）
【出願人】（５９４０２４５４５）横浜市 (5)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
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