JP4704856B2 - エネルギー回収装置 - Google Patents

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Description

本発明はエネルギー回収装置に関し、特に水力エネルギーを回収する小形水力発電設備に関する。
小形水力発電設備は、自然エネルギーによる発電設備であることから、循環型社会の発電装置として注目されている。さらに、二酸化炭素を発生しないクリーンエネルギーであることから、いっそうの普及が求められている。このような小形水力発電装置として上水設備の余剰水力エネルギーを回収する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の動力回収用水力発電装置は、浄水池の水を給水ポンプによって昇圧して上水道配管系に圧送して配水地へ供給する系の上水道配管系の途中のバイパスに設けた水車によって駆動される同期発電機を設け、該発電機の出力を順変換装置および平滑コンデンサならびに逆変換装置からなる電力変換装置を介して電源トランスへ供給するものである。
特開２００２−１５５８４６号公報
従来、このような小形水力発電装置の出力制御は、水車発電機に接続された電力変換装置および逆変換装置の出力を制御することで行われている。しかし、水車入口圧力が大きくなると水車へ流れる流量が大きくなり、電力変換装置および逆変換装置で出力を制御しようとすると、流量に対応して水車が最適に運転できる回転速度から外れてしまい、水車にキャビテーションが発生し振動、騒音が大きくなり、水車の寿命が短くなるという問題があった。
本発明の目的は、水車の入口圧力が変化しても水車が最適な運転時様態を維持できる水力発電設備を提供することである。
本発明にかかるエネルギー回収装置は、水車と、該水車に直結された発電機と、該発電機の回転速度を制御するインバータと、前記水車と直列に接続された電動弁と、該電動弁を制御する弁制御装置と、前記水車の入口側に設けられ該水車の入口側の圧力を検出する入口圧力検出器と、前記水車の出口側に設けられ該水車の出口側の圧力を検出する出口圧力検出器とを備えたエネルギー回収装置において、前記入口圧力検出器により検出した前記水車の入口側の圧力と前記出口圧力検出器により検出した前記水車の出口側の圧力との差を取って前記水車の有効落差を演算する演算手段と、該演算手段により演算して求めた前記水車の有効落差に基づいて、前記発電機の回転速度を制御するように前記インバータを制御する制御手段とを備え、前記入口圧力検出器が検出した圧力が予め設定された基準入口圧力より大きい場合に、前記弁制御装置は前記電動弁を開くように制御して前記水車に流れる流量を多くする第１の制御を行い、一方で前記入口圧力検出器が検出した圧力が予め設定された基準入口圧力より小さい場合に、前記弁制御装置は前記電動弁を閉じるように制御して前記水車に流れる流量を少なくする第２の制御を行い、前記第１の制御及び第２の制御を行うことにより前記水車の入口の圧力が一定となるように制御するものである。
本発明にかかるエネルギー回収装置は、前記請求項１に記載のエネルギー回収装置において、さらに、前記発電機の出力が大きくなって前記発電機が過負荷運転となる前記水車の有効落差よりも低く設定させた前記水車の最大有効落差を記憶するデータ記憶装置を備え、前記演算手段により求めた有効落差が前記最大有効落差より大きい場合に、前記第1の制御及び第２の制御を行うことによる前記水車の入口圧力を一定とする制御を打ち切り、前記弁制御装置は前記水車に流れる流量を抑えることにより前記水車の有効落差が前記最大有効落差以下となるように、前記電動弁を閉じる弁制御を行うものである。
本発明にかかるエネルギー回収装置は、前記請求項２に記載のエネルギー回収装置において、前記演算手段により求めた有効落差が前記最大有効落差より大きい場合に、前記第1の制御及び第２の制御を行うことによる前記水車の入口圧力を一定とする制御を打ち切り、前記弁制御装置は前記水車に流れる流量を抑えることにより前記演算手段により求めた有効落差と前記最大有効落差との差に相当する分の前記水車の有効落差を減らすように、前記電動弁を閉じる弁制御を行うものである。
本発明によれば、水車入口圧力が大きくなっても電動弁により水車の有効落差は最大有効落差、すなわち、発電機が許容する最大出力に対応する有効落差に維持されるので、過負荷運転に至ることはなく、キャビテーションも発生しないので、振動、騒音が大きくなることがなく、長期間安定した運転ができる。
本発明の機能構成図及び実施例を、図１を用いて説明する。
図１は、本発明にかかるエネルギー回収装置の機能構成図である。エネルギー回収装置は、ガイドベーンのない水車１と、水車１に直結された誘導発電機２と、発電機２の回転速度を制御するインバータ３と、インバータ３の直流出力を交流に変換して系統電源９へ出力する系統連系装置８と、水車１に直列接続された電動弁４と、電動弁４を制御する弁制御装置５と、水車１の入口側に設けた入口圧力変換器６と、水車１の出口側に設けた出口圧力変換器７で構成される。
インバータ３は、順変換器３１１と平滑コンデンサ３１２と逆変換器３１３を備えた電力変換部３１と、有効落差演算手段３２１と比較演算手段３２２とデータ記憶装置３２３を備えた制御部３２と、直流出力端子３３を有している。
有効落差演算手段３２１は、入口圧力変換器６の入口圧力信号Ｐｉｎと出口圧力変換器７の出口圧力信号Ｐｏｕｔを入力し、入口圧力信号Ｐｉｎと出口圧力信号Ｐｏｕｔの差を取って水車１の現在の有効落差ｈｒを演算する手段である。
比較演算手段３２２は、発電起動後の有効落差ｈｒに対する水車１の最適回転速度Ｎａｐと水車１の回転速度Ｎを比較し、発電機１の出力周波数を制御する出力制御信号を演算する手段である。
データ記憶手段３２３には、水車１の有効落差ｈｒと最適回転速度Ｎａｐが関数として記録される。
弁制御装置５は、データ記憶装置５１と比較演算手段５２と演算手段５３を有している。
データ記憶装置５１には、水車１の最大有効落差ｈｍａｘが記憶される。
比較演算手段５２は、有効落差ｈｒと最大有効落差ｈｍａｘを比較し、差分信号Δｈを演算する手段である。
演算手段５３は、入口圧力変換器６の入口圧力信号Ｐｉｎと出口圧力変換器７の出口圧力信号Ｐｏｕｔを入力し、入口圧力信号Ｐｉｎと出口圧力信号Ｐｏｕｔの差を取って水車１の現在の有効落差ｈｒを演算するとともに、比較演算手段５２からの差分信号Δｈに基づいて電動弁４の開度を制御する弁制御信号を出力する手段である。
インバータ３の有効落差演算手段３２１に、入口圧力変換器６の入口圧力信号Ｐｉｎと出口圧力変換器７の出口圧力信号Ｐｏｕｔを入力し、入口圧力信号Ｐｉｎと出口圧力信号Ｐｏｕｔの差を取って水車１の現在の有効落差ｈｒを演算する。発電起動後は、比較演算手段３２２が、データ記憶装置３２３から得た有効落差ｈｒと最適回転速度Ｎａｐの関数を用いて、現在の有効落差ｈｒに対する水車１の最適回転速度Ｎａｐを求め、発電機２の現在の回転速度Ｎｒが求めた最適回転速度Ｎａｐになるよう逆変換器３１３の出力を制御し、電力を回生することによって、発電機２の回転速度を制御する。この制御を、所定時間毎に繰り返し、現実の有効落差ｈｒに対応した最適回転速度Ｎａｐで水車１の回転を制御することができる。
このように、インバータ３で発電機２の出力を制御することで、水車１に流入する流量が多くなり、水車１の現在の有効落差ｈｒが大きくなっても、水車１は大きくなった有効落差ｈｒに対応する最適回転速度Ｎａｐに制御されるので、常に水車１の運転状態は良好に維持される。
一方、流量の増加が続くと対応して水車１は出力が大きくなって行き、最大出力を超えるようになる。しかし、本発明では水車１の最大有効落差ｈｍａｘが予め弁制御装置５のデータ記憶装置５１に記録されてあるので、弁制御装置５の比較演算手段５２で現在の有効落差ｈｒと最大有効落差ｈｍａｘを比較し、現在の有効落差ｈｒが最大有効落差ｈｍａｘより大きい場合は、現在の有効落差ｈｒと最大有効落差ｈｍａｘの差Δｈに相当する分の弁制御信号を弁制御装置５の演算手段５３で求め、弁制御装置５から電動弁４へ弁制御信号を送り、電動弁４を閉じる弁制御を行うので、水車の流量増加は抑えられ、水車１は最大出力を超えて過負荷になることはない。
本発明にかかるエネルギー回収装置の実施例は、図１と同じ機能構成である。図１において、弁制御装置５は常に入口圧力変換器６の入口圧力信号Ｐｉｎと、弁制御装置５のデータ記憶装置５１に記録されている配管系に要求される基準入口圧力Ｐｓｉｎとを比較演算手段５２で判定する。入口圧力Ｐｉｎが基準入口圧力Ｐｓｉｎより大きい場合は、入口圧力Ｐｉｎと基準入口圧力Ｐｓｉｎの差ΔＰｉｎに相当する分の弁制御信号を演算手段５３で求め、弁制御装置５から電動弁４へ信号を送り、電動弁４を開く制御を行う。
一方、入口圧力Ｐｉｎが基準入口圧力Ｐｓｉｎより小さい場合は、入口圧力Ｐｉｎと基準入口圧力Ｐｓｉｎの差ΔＰｉｎに相当する分の弁制御信号を演算手段５３で求め、弁制御装置５から電動弁４へ信号を送り、電動弁４を閉じる制御を行う。これにより水車入口圧力一定制御ができる。
さらに、水車１に流入する流量が多くなり、水車１の最大出力を超えるようになると、水車１の最大有効落差ｈｍａｘが予め弁制御装置５のデータ記憶装置５１に記録されてあるので、弁制御装置５の比較演算手段５２で現在の有効落差ｈｒと最大有効落差ｈｍａｘを比較し、現在の有効落差ｈｒが最大有効落差ｈｍａｘより大きい場合は、これまでの入口圧力一定制御を打ち切り、現在の有効落差ｈｒと最大有効落差ｈｍａｘの差Δｈに相当する分の弁制御信号を弁制御装置５の演算手段５３で求め、弁制御装置５から電動弁４へ弁制御信号を送り、電動弁４を閉じる弁制御を行うので、水車の流量増加は抑えられ、水車１は最大出力を超えて過負荷になることはない。
本発明によるエネルギー回収装置の構成図。
１：水車
２：誘導発電機
３：インバータ
３１：電力変換部
３１１：順変換機
３１２：平滑コンデンサ
３１３：逆変換機
３２：制御部
３２１：有効落差演算手段
３２１：比較演算手段
３２３：データ記憶装置
４：電動弁
５：弁制御装置
６：入口圧力変換器
７：出口圧力変換器
８：系統連系装置
９：系統電源

Claims (3)

  1. 水車と、該水車に直結された発電機と、該発電機の回転速度を制御するインバータと、前記水車と直列に接続された電動弁と、該電動弁を制御する弁制御装置と、前記水車の入口側に設けられ該水車の入口側の圧力を検出する入口圧力検出器と、前記水車の出口側に設けられ該水車の出口側の圧力を検出する出口圧力検出器とを備えたエネルギー回収装置において、
    前記入口圧力検出器により検出した前記水車の入口側の圧力と前記出口圧力検出器により検出した前記水車の出口側の圧力との差を取って前記水車の有効落差を演算する演算手段と、
    該演算手段により演算して求めた前記水車の有効落差に基づいて、前記発電機の回転速度を制御するように前記インバータを制御する制御手段とを備え、
    前記入口圧力検出器が検出した圧力が予め設定された基準入口圧力より大きい場合に、前記弁制御装置は前記電動弁を開くように制御して前記水車に流れる流量を多くする第１の制御を行い、一方で前記入口圧力検出器が検出した圧力が予め設定された基準入口圧力より小さい場合に、前記弁制御装置は前記電動弁を閉じるように制御して前記水車に流れる流量を少なくする第２の制御を行い、前記第１の制御及び第２の制御を行うことにより前記水車の入口の圧力が一定となるように制御することを特徴とするエネルギー回収装置。
  2. 前記請求項１に記載のエネルギー回収装置において、
    さらに、前記発電機の出力が大きくなって前記発電機が過負荷運転となる前記水車の有効落差よりも低く設定させた前記水車の最大有効落差を記憶するデータ記憶装置を備え、
    前記演算手段により求めた有効落差が前記最大有効落差より大きい場合に、前記第1の制御及び第２の制御を行うことによる前記水車の入口圧力を一定とする制御を打ち切り、前記弁制御装置は前記水車に流れる流量を抑えることにより前記水車の有効落差が前記最大有効落差以下となるように、前記電動弁を閉じる弁制御を行う
    ことを特徴とするエネルギー回収装置。
  3. 前記請求項２に記載のエネルギー回収装置において、
    前記演算手段により求めた有効落差が前記最大有効落差より大きい場合に、前記第1の制御及び第２の制御を行うことによる前記水車の入口圧力を一定とする制御を打ち切り、前記弁制御装置は前記水車に流れる流量を抑えることにより前記演算手段により求めた有効落差と前記最大有効落差との差に相当する分の前記水車の有効落差を減らすように、前記電動弁を閉じる弁制御を行う
    ことを特徴とするエネルギー回収装置。
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