流れ込み式水力発電設備の制御装置
【課題】出力制限運転から水位調整運転に戻す際のハンチングを防止し、発電機出力が許可電力値を超えない範囲内で大きくなるように制御することである。
【解決手段】水槽水位が水位下限値以上で水位上限値以下、または、発電機出力が出力目標値以下かつ水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下のときは水位調整運転を行う水位調整装置１１と、水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下、かつ発電機出力が出力目標値以上で出力制限値以下のときは出力ロックし、出力ロック中に発電機出力が出力制限値以上のときは出力下げ運転を行い、出力ロック中に発電機出力が出力目標値以下のときは許可電力値を超えない範囲内で大きくなる出力上げ運転を行う出力制限装置１２と、出力制限運転中に、発電機出力が出力制限値以下、かつ水槽水位が水位下限値以下となったときは、出力制限運転から水位調整運転に切り替える運転切替装置１３とを備える。
【解決手段】水槽水位が水位下限値以上で水位上限値以下、または、発電機出力が出力目標値以下かつ水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下のときは水位調整運転を行う水位調整装置１１と、水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下、かつ発電機出力が出力目標値以上で出力制限値以下のときは出力ロックし、出力ロック中に発電機出力が出力制限値以上のときは出力下げ運転を行い、出力ロック中に発電機出力が出力目標値以下のときは許可電力値を超えない範囲内で大きくなる出力上げ運転を行う出力制限装置１２と、出力制限運転中に、発電機出力が出力制限値以下、かつ水槽水位が水位下限値以下となったときは、出力制限運転から水位調整運転に切り替える運転切替装置１３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河川からの水を一時的に貯える水槽の下方に発電機を駆動する水車が設置された流れ込み式水力発電設備の水槽水位や発電機出力を制御する流れ込み式水力発電設備の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流れ込み式水力発電設備は、河川からの水を一時的に貯える水槽からの水で水車を駆動し、水車に連結された発電機を駆動して発電するものである。このような流れ込み式水力発電では、水槽に流れ込んだ水量に合わせて水車を駆動する水位調整運転が行われる。水位調整運転は水位調整装置により、水槽に流れ込んだ水量分をそのまま水車に供給するようにガイドベーン開度が調整され、水車に供給される水の流量を調整することによって行われる。従って、水位調整運転では水槽水位が所定範囲内に維持される。
【０００３】
流れ込み式水力発電設備は、許可された取水流量を超過して水を使用してはならない。そこで、取水流量管理は、水路水位を計測して使用水量に換算したり、発電機出力を計測して使用水量（取水流量）に換算して管理するようにしている。発電機出力を使用水量に換算して管理する場合には、許可使用水量に対応する発電機出力（以下、許可電力値という）を求め、発電機出力が許可電力値を超えないように発電機出力を制御することになる。
【０００４】
発電機出力を決定する要素は水車に流入する流量と落差とである。このため、外的要因により水槽水位が変動すると発電機出力も変動してしまい、完全には発電機出力を制限することができない。水槽水位が変動しても発電機出力（使用水量）を許可電力値以内に抑制することが要請される。
【０００５】
落差が変動した場合でも発電所の有効電力を規定値内に収められるようにしたものとして、第１段設定値が設定された有効電力リレーと、第２段設定値が設定された有効電力リレーとの２種類の有効電力リレーを設け、有効電力が第１段設定値を越えたときは、負荷制限設定器の設定値に対する増加指令をロックし、第２段設定値を越えたときは負荷制限設定器に設定値の低減指令を出力し、発電機出力を規定値（許可電力値）内になるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２２７７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のものでは、落差が変動した場合でも発電機出力を規定値内に制限できるが、発電機出力を抑制した後に元の水位調整運転に戻すタイミングについての考慮がなく、もし、発電機出力が第１段設定値未満の近傍で変動しているときには、発電機出力が第１段設定値未満となっただけで元の水位調整運転に戻すと、第１段設定値が設定された有効電力リレーが再度動作して、発電機出力の出力制限運転と水位調整運転とが頻繁に切り替わりハンチングを起こすことがある。
【０００８】
また、発電機出力を抑制するための増加指令のロックや低減指令の出力だけであるので、発電機出力が抑制された運転状態を継続することがある。その場合、発電機出力が規定値（許可電力値）に対して余裕があるのに、発電機出力が低下した運転状態を継続することになり、そうすると、流れ込み式水力発電設備の平均出力が低下することになる。
【０００９】
本発明の目的は、出力制限運転から元の水位調整運転に戻す際のハンチングを防止でき、また、発電機出力が許可電力値を超えない範囲内で大きくなるように制御できる流れ込み式水力発電設備の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置は、流れ込み式水力発電設備の水槽水位が所定水位範囲になるようにガイドベーン開度を調整して発電機出力を制御する水位調整装置と、前記発電機出力が予め設定された所定出力範囲となるようにガイドベーン開度を調整する出力制限装置と、前記水槽水位及び前記発電機出力に基づいて前記水位調整装置による水位調整運転と前記出力制限装置による出力制限運転との運転切り替えを行う運転切替装置とを有し、前記運転切替装置は、前記水槽水位が水位下限値以上で水位上限値以下であるとき、または、前記発電機出力が出力目標値以下、かつ前記水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下であるときは、水位調整運転指令を前記水位調整装置に出力する水位調整運転判定部と、前記水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下、かつ前記発電機出力が出力目標値以上で出力制限値以下であるときは、ガイドベーン開度をロックする出力ロック指令を前記出力制限装置に出力し、前記出力ロック指令による出力ロック中に、前記発電機出力が出力制限値以上となったときはガイドベーン開度を閉方向に駆動する出力下げ運転指令を前記出力制限装置に出力する出力制限運転判定部と、前記出力制限装置による出力制限運転中に、前記発電機出力が出力制限値以下、かつ前記水槽水位が水位下限値以下となったときは、水位調整運転指令を前記水位調整装置に出力する水位調整運転復帰判定部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置は、請求項１の発明において、前記出力制限運転判定部は、前記出力ロック指令による出力ロック中に、前記発電機出力が出力目標値以下となったときはガイドベーン開度を開方向に駆動する出力上げ運転指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置は、請求項１または２の発明において、前記出力制限運転判定部は、前記水槽水位が水位警報値以上のとき、または、前記出力制限装置による出力制限運転継続時間が所定時間以上のときは、取水口ゲートを閉方向に調整する取水口ゲート調整指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記出力制限運転判定部は、水車効率を変化させる給気弁が動作中は、ガイドベーン開度をロックする出力ロック指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下、かつ発電機出力が出力目標値以上で出力制限値以下であるときはガイドベーン開度をロックし、その出力ロック中に発電機出力が出力制限値以上となると、ガイドベーン開度を閉方向に駆動する出力下げ運転指令を出力するので、発電機出力が許可電力値を超えない範囲内に維持できる。また、発電機出力が出力制限値以下で水槽水位が水位下限値以下となったときに水位調整運転に戻すので、発電機出力を抑制した後に元の水位調整運転に戻す際のハンチングを防止できる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、出力ロック中に発電機出力が出力目標値以下となったときはガイドベーン開度を開方向に駆動するので、発電機出力が抑制されて低減した運転状態の継続を防止でき、発電機出力が許可電力値を超えない範囲内で大きくなるように制御できる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明の効果に加え、水槽水位が水位警報値以上のとき、または、出力制限運転継続時間が所定時間以上のときは、取水口ゲートを閉方向に調整するので、発電機出力の出力制限運転中において水槽水位を水位警報値以下に維持でき、取水可能水量超過による法令違反を防ぐことができる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、水車効率を変化させる給気弁が動作中は、ガイドベーン開度をロックするので、給気弁が動作することによる発電機出力の増加を抑制でき、発電機出力が許可電力値を超えることを確実に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置の一例のブロック構成図。
【図２】本発明の実施形態に係る水位調整運転判定部の一例のブロック構成図。
【図３】本発明の実施形態に係る出力制限運転判定部の一例のブロック構成図。
【図４】本発明の実施形態に係る水位調整運転復帰判定部の一例のブロック構成図。
【図５】本発明の実施形態に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置の動作の一例を示すタイムチャート。
【図６】本発明の実施形態に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置の他の一例のブロック構成図。
【図７】本発明の実施形態に係る出力制限運転判定部の他の一例のブロック構成図。
【図８】図６に示した流れ込み式水力発電設備の制御装置の動作の一例を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置の一例のブロック構成図である。流れ込み式水力発電設備の制御装置は、流れ込み式水力発電設備の水槽水位が所定水位範囲になるように制御する水位調整装置１１と、発電機出力が予め設定された所定出力範囲となるように制御する出力制限装置１２と、水位調整装置１１による水位調整運転と出力制限装置１２による出力制限運転との運転切り替えを行う運転切替装置１３とを有する。
【００２０】
水位調整装置１１はガイドベーン開度制御手段１４を有する。ガイドベーン開度制御手段１４は、運転切替装置１３の水位調整運転判定部１５により水位調整運転をすべき状態であると判定されたとき、または水位調整運転復帰判定部２９により水位調整運転に復帰すべき状態であると判定されたときに起動される。そして、ガイドベーン開度検出器４０で検出されたガイドベーン開度ＧＶ及び水槽水位検出器１６で検出された水槽水位Ｗを入力し、水槽水位Ｗが所定水位範囲になるようにガイドベーン駆動装置１７を駆動し、ガイドベーン開度を調整して発電機出力を制御する。
【００２１】
出力制限装置１２は、ガイドベーン開度をロックするガイドベーン開度ロック手段１８、ガイドベーン開度を閉じる方向に駆動するガイドベーン閉方向駆動手段１９、ガイドベーン開度を開く方向に駆動するガイドベーン開方向駆動手段２０、河川から水槽への取水量を調整するための取水口ゲートを開閉制御する取水口ゲート開閉制御手段２１を有する。
【００２２】
ガイドベーン開度ロック手段１８は、運転切替装置１３における出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３により、出力をロックすべき状態であると判定されたときに起動され、ガイドベーン駆動装置１７を介してガイドベーン開度を現在の開度にロックする。
【００２３】
ガイドベーン閉方向駆動手段１９は、運転切替装置１３における出力制限運転判定部２２の出力下げ運転判定部２４により、出力を下げるべき状態であると判定されたときに起動され、ガイドベーン駆動装置１７を介してガイドベーン開度を現在の開度より閉める方向に駆動する。
【００２４】
ガイドベーン開方向駆動手段２０は、運転切替装置１３における出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５により、出力を上げるべき状態であると判定されたときに起動され、ガイドベーン駆動装置１７を介してガイドベーン開度を現在の開度より開く方向に駆動する。
【００２５】
取水口ゲート開閉制御手段２１は、運転切替装置１３における出力制限運転判定部２２の取水口ゲート調整判定部２６により、取水口ゲートを開閉制御すべき状態であると判定されたときに起動され取水口ゲート駆動装置２７を介して取水口ゲートを開閉制御する。
【００２６】
運転切替装置１３は、水槽水位検出器１６で検出された水槽水位Ｗ及び発電機出力検出器２８で検出された発電機出力Ｐに基づいて、水位調整装置１１による水位調整運転と出力制限装置１２による出力制限運転との運転切り替えを行うものであり、水位調整運転をすべき状態であるか否かを判定する水位調整運転判定部１５、出力制限運転をすべき状態であるか否かを判定する出力制限運転判定部２２、出力制限運転から水位調整運転に復帰させるべき状態にあるか否かを判定する水位調整運転復帰判定部２９を有する。
【００２７】
水位調整装置１１による水位調整運転から出力制限装置１２による出力制限運転への切り替えは、出力制限運転判定部２２により出力制限運転をすべき状態になったと判定されたときに行われる。一方、出力制限装置１２による出力制限運転から水位調整装置１１による水位調整運転への切り替えは、水位調整運転判定部１５により水位調整運転をすべき状態になったと判定されたときではなく、水位調整運転復帰判定部２９により、出力制限運転から水位調整運転に復帰させるべき状態にあると判定されたときに行われる。
【００２８】
すなわち、水位調整運転中に出力制限運転判定部２２により出力制限運転をすべき状態になったと判定されたときは、水位調整装置１１による水位調整運転から出力制限装置１２による出力制限運転に即座に切り替わるが、出力制限運転中に水位調整運転判定部１５により水位調整運転をすべき状態になったと判定されたとしても、出力制限装置１２による出力制限運転から水位調整装置１１による水位調整運転に切り替わることなく、水位調整運転復帰判定部２９により、出力制限運転から水位調整運転に復帰させるべき状態にあると判定されたときに、水位調整運転に切り替わる。これは、後述するように、出力制限運転と水位調整運転とが頻繁に切り替わるハンチングを防止するためである。
【００２９】
図２は、本発明の実施形態に係る水位調整運転判定部１５の一例のブロック構成図である。水槽水位検出器１６で検出された水槽水位Ｗは、基準水位判定部３０及び高水位判定部３１に入力される。また、発電機出力検出器２８で検出された発電機出力Ｐは、目標出力判定部３２に入力される。
【００３０】
基準水位判定部３０は、水槽水位Ｗが基準水位範囲内であるか否か、すなわち、水位下限値ＬＷ１以上で水位上限値ＬＷ２以下（ＬＷ１≦Ｗ≦ＬＷ２）であるか否かを判定するものである。
【００３１】
高水位判定部３１は、水槽水位Ｗが高水領域であるか否か、すなわち、水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０未満（ＬＷ２≦Ｗ＜Ｗ０）であるか否かを判定するものであり、水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているが水位警報値Ｗ０未満であるか否かを判定するものである。
【００３２】
また、目標出力判定部３２は、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以下（Ｐ≦Ｐｒ）であるか否かを判定するものである。出力目標値Ｐｒは流れ込み式水力発電設備が出力を許可されている許可電力値Ｐａよりも小さい予め定めた電力値である。このことから、目標出力判定部３２は、水車に流入する流量や落差が変動して発電機出力Ｐが変動しても、許可電力値Ｐａを逸脱しない出力範囲であるか否かを判定する。
【００３３】
水槽水位Ｗが基準水位範囲内であるとき、つまり、水位下限値ＬＷ１以上で水位上限値ＬＷ２以下（ＬＷ１≦Ｗ≦ＬＷ２）であるときは、水位調整運転をすべき状態であると判定し、ＯＲ回路３３を介して水位調整運転を保持し、水位調整運転指令を水位調整装置１１に出力する。
【００３４】
一方、水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているが、発電機出力Ｐが変動しても許可電力値Ｐａを逸脱しない出力範囲であるとき、つまり、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０以下（ＬＷ２≦Ｗ≦Ｗ０）であり、かつ、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以下（Ｐ≦Ｐｒ）であるときは、ＡＮＤ回路３４を介して水位調整運転を保持し、水位調整運転指令を水位調整装置１１に出力する。
【００３５】
このように、水位調整運転判定部１５は、水槽水位Ｗが基準水位範囲内であるとき、または、水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているが、発電機出力Ｐが変動しても許可電力値Ｐａを逸脱しない出力範囲であるときは、水位調整運転をすべき状態であると判定し、水位調整運転指令を水位調整装置１１に出力する。
【００３６】
図３は、本発明の実施形態に係る出力制限運転判定部２２の一例のブロック構成図である。出力ロック判定部２３は高出力判定部３５及び高水位判定部３１を有する。高出力判定部３５は、発電機出力Ｐが高出力領域であるか否か、すなわち、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以上で出力制限値ＬＰ以下（Ｐｒ≦Ｐ＜ＬＰ）であるか否かを判定するものである。出力制限値ＬＰは許可電力値Ｐａより小さい値である。
【００３７】
一方、高水位判定部３１は、前述したように、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０未満（ＬＷ２≦Ｗ＜Ｗ０）であるか否かを判定するものである。発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以上であり、かつ、水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているときは、水位調整運転を継続すると、発電機出力Ｐが将来的に許可電力値Ｐａを逸脱するおそれがあるので、出力制限運転を行う状態であると判定する。この場合、水槽水位Ｗは水位警報値Ｗ０未満であり、発電機出力Ｐは出力制限値ＬＰ以下であるので、発電機出力Ｐが即座に許可電力値Ｐａを逸脱するおそれはないと判定できる。従って、出力をロックする状態であると判定する。
【００３８】
すなわち、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以上であり、かつ、水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているときは、ＡＮＤ回路３４を介して水位調整運転を解除し、出力制限運転を保持するともに出力ロックを保持し、出力制限装置１２のガイドベーン開度ロック手段１８に出力ロック指令を出力する。これにより、ガイドベーン開度ロック手段１８はガイドベーン開度を現在の開度にロックする。
【００３９】
次に、出力下げ運転判定部２４は制限出力判定部３６を有する。制限出力判定部３６は発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以上であるか否かを判定するものである。出力ロック中に発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以上となったときは、発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを逸脱するおそれが生じるので、出力を下げる運転が必要となった状態であると判定する。
【００４０】
すなわち、出力ロック中で、かつ、発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以上となったときは、ＡＮＤ回路３４を介して出力ロックを解除し、出力制限装置１２のガイドベーン閉方向駆動手段１９に出力運転下げ指令を出力する。これにより、ガイドベーン閉方向駆動手段１９はガイドベーン開度を現在の開度より閉める方向に駆動する。
【００４１】
一方、出力上げ運転判定部２５は補正出力判定部４１を有する。補正出力判定部４１は、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒより小さい補正出力値Ｐｃ以下（Ｐ≦Ｐｃ）であるか否かを判定するものである。出力ロック中に発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下となったときは、発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを逸脱するおそれはなく、むしろ、発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下で抑制された運転状態を継続するおそれがある。そこで、出力ロック中に発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下となったときはガイドベーンを開方向に駆動し、発電機出力Ｐを増加させる。
【００４２】
すなわち、出力ロック中で、かつ、発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下となったときは、ＡＮＤ回路３４を介して出力ロックを解除し、出力制限装置１２のガイドベーン開方向駆動手段２０に出力運転上げ指令を出力する。これにより、ガイドベーン開方向駆動手段２０はガイドベーンを現在の開度より開く方向に駆動する。これにより、発電機出力Ｐが抑制されて出力目標値Ｐｒ以下での低減した運転状態の継続を防止でき、発電機出力Ｐが許可電力値を超えない範囲内で大きくなるように制御できる。
【００４３】
次に、取水口ゲート調整判定部２６は警報水位判定部３７及び出力制限継続時間判定部３８を有する。警報水位判定部３７は水槽水位Ｗが水位警報値Ｗ０以上（Ｗ≧Ｗ０）か否かを判定するものである。水位警報値Ｗ０は水槽の天端位置もしくは天端位置より下方の位置が予め設定される。これは、許可された取水流量を超過して水を取水しないようにするためである。
【００４４】
また、出力制限継続時間判定部３８は、出力制限装置１２による出力制限運転継続時間Ｔが所定時間（出力制限運転継続設定時間Ｔｒ）以上か否かを判定するものである。出力制限装置１２による出力制限運転継続時間Ｔが所定時間（出力制限運転継続設定時間Ｔｒ）以上継続しているときは、出力制限運転により水槽水位Ｗが基準水位範囲（ＬＷ１≦Ｗ≦ＬＷ２）内に回復しないときであるので、水槽水位Ｗを調整して水位調整運転に戻すためである。
【００４５】
すなわち、取水口ゲート調整判定部２６は、水槽水位Ｗが水位警報値Ｗ０以上のとき、または、出力制限装置１２による出力制限運転継続時間Ｔが所定時間Ｔｒ以上のときは、取水口ゲートを閉方向に調整する取水口ゲート調整指令を出力制限装置１２に出力し、取水可能水量超過による法令違反を防ぐとともに、出力制限運転により水槽水位Ｗが高となった状態が継続して、出力制限運転が長期に渡って継続することを防止する。
【００４６】
図４は、本発明の実施形態に係る水位調整運転復帰判定部２９の一例のブロック構成図である。水位調整運転復帰判定部２９は低水位判定部３９を有する。低水位判定部３９は、水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下（Ｗ≦ＬＷ１）であるか否かを判定するものであり、水槽水位Ｗが基準水位範囲以下であるかどうかを判定するものである。
【００４７】
すなわち、水位調整運転復帰判定部２９は、出力制限運転中に、水槽水位Ｗが基準水位範囲以下（Ｗ≦ＬＷ１）となったときに、ＡＮＤ回路３４を介して出力制限運転を解除し水位調整運転を保持して、水位調整装置１１に水位調整運転指令を出力する。水槽水位Ｗが基準水位範囲以下（Ｗ≦ＬＷ１）となった状態で水位調整運転に切り替えるので、出力制限運転判定部２２による出力制限運転に切り替える水位条件（ＬＷ２≦Ｗ＜Ｗ０）となるには、ある程度の水位幅（ＬＷ２−ＬＷ１）が保たれる。従って、出力制限運転と水位調整運転とが頻繁に切り替わるハンチングを防止できる。
【００４８】
図５は、本発明の実施形態に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置の動作の一例を示すタイムチャートである。時点ｔ１以前においては、発電機出力Ｐは出力目標値Ｐｒ未満であり、水槽水位Ｗは水位上限値ＬＷ２未満である。従って、図２に示す水位調整運転判定部１５は、水位調整運転を保持して水位調整運転指令を水位調整装置１１に出力しているので、水位調整装置１１による水位調整運転が行われている。
【００４９】
時点ｔ１で、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以上となり、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０以下となると、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３は、水位調整運転を解除して出力制限運転を保持するとともに出力ロックを保持し、出力ロック指令を出力制限装置１２のガイドベーン開度ロック手段１８に出力する。これにより、出力制限装置１２による出力制限運転での出力ロックとなり、ガイドベーン開度が現在の開度にロックされる。また、出力制限装置１２による出力制限運転が開始されると、取水口ゲート調整判定部２６は、出力制限運転継続時間Ｔをカウント開始する。
【００５０】
出力制限運転での出力ロック中の時点ｔ２において、水車に流入する流量や落差の変動により、発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以上となったとすると、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力下げ運転判定部２４は、出力ロックを解除して出力下げ運転指令を出力制限装置１２のガイドベーン閉方向駆動手段１９に出力する。これにより、出力制限装置１２による出力制限運転での出力下げ運転となり、ガイドベーンが閉方向に駆動される。従って、発電機出力Ｐが時間遅れを持って徐々に減少してくる。
【００５１】
そして、時点ｔ３において、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０以下の状態で、発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以下となると、出力ロック判定部２３の判定条件が成立することになるので、出力制限運転での出力下げ運転から出力制限運転での出力ロックに切り替わる。
【００５２】
次に、この出力ロック中の時点ｔ４で、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０以下の状態で、発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下となると、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５は、出力ロックを解除して出力上げ運転指令を出力制限装置１２のガイドベーン開方向駆動手段２０に出力する。これにより、出力制限装置１２による出力制限運転での出力上げ運転となり、ガイドベーンが開方向に駆動される。従って、発電機出力Ｐが時間遅れを持って徐々に増加してくる。
【００５３】
そして、時点ｔ５において、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０以下の状態で、発電機出力Ｐが出力制限値Ｐｒ以上となると、出力ロック判定部２３の判定条件が成立することになるので、出力制限運転での出力上げ運転から出力制限運転での出力ロックに切り替わる。
【００５４】
図５では、時点ｔ５以降において、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力下げ運転判定部２４の判定条件や、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５の判定条件を満たさない場合を示しているので、出力制限運転での出力ロックは保持されたままである。もし、時点ｔ５以降において、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力下げ運転判定部２４の判定条件を満たす状態となると出力制限運転での出力下げ運転が行われ、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５の判定条件を満たす状態となると、出力制限運転での出力上げ運転が行われることになる。
【００５５】
そして、時点ｔ６において、図４に示す水位調整運転復帰判定部２９の判定条件を満たす状態になると、すなわち、発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以上で、水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下となると、水位調整運転復帰判定部２９は、出力制限運転を解除して水位調整運転を保持し水位調整運転指令を水位調整装置１１のガイドベーン開度制御手段１４に出力する。これにより、水位調整装置１１による水位調整運転となり、ガイドベーン開度が基準水位範囲に維持されるようにガイドベーン開度が制御される。
【００５６】
このように、水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下となると、出力制限運転から水位調整運転に切り替わるので、水槽水位Ｗは、ある程度の水位幅（ＬＷ２−ＬＷ１）が保たれた状態で、出力制限運転から水位調整運転に切り替わり、出力制限運転と水位調整運転とが頻繁に切り替わるハンチングを防止できる。
【００５７】
また、取水口ゲート調整判定部２６にてカウントした出力制限装置１２による出力制限運転継続時間Ｔが予め定めた所定時間（出力制限運転継続設定時間Ｔｒ）を超えたときは、取水口ゲート調整判定部２６は、取水口ゲートを閉方向に調整する取水口ゲート調整指令を出力制限装置１２に出力する。これは、前述したように、出力制限運転より水槽水位の回復が行われないときは、長期間にわたって出力制限運転が継続することになり、水位調整運転に戻すことができなくなるので、早期に水槽水位を基準水位範囲内に戻すためである。
【００５８】
以上の説明では、水車効率を変化させる給気弁の開閉動作を外部条件として採り入れていないが、給気弁の開閉動作を外部条件として採り入れるようにしてもよい。これは、給気弁の開閉動作中には発電機出力Ｐが大幅に変動するので、給気弁の開閉動作中にはガイドベーン開度をロックし、発電機出力Ｐが確実に許可電力値Ｐａを超過しないようにするためである。
【００５９】
図６は起動時やがぶり運転時の給気弁の開閉動作を外部条件として採り入れた流れ込み式水力発電設備の制御装置のブロック構成図である。図１に示した一例に対し、運転切替装置１３の出力制限運転判定部２２に、ガイドベーン開度検出器４０で検出されたガイドベーン開度ＧＶ及び給気弁を駆動する給気弁駆動装置４２から給気弁の駆動状態を入力し、出力制限運転判定部２２は、ガイドベーン開度ＧＶが給気弁の閉動作開始手前の第１規定開度になったときは出力制限運転を行うべき状態であると判定し、給気弁の閉動作中はガイドベーン開度をロックすべき状態であると判定するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００６０】
給気弁は給気管からドラフト管への大気の給気量を調整して水車効率を変化させる弁であり、給気弁駆動装置４２はガイドベーン開度ＧＶを入力し、ガイドベーン開度ＧＶが予め定めた第１規定開度ＧＶ１となり、さらにガイドベーン開度ＧＶが第２規定開度ＧＶ２となると閉動作を開始する。一方、出力制限運転判定部２２は、ガイドベーン開度ＧＶが予め定めた第１規定開度ＧＶ１となると、出力運転制限運転をすべき状態であると判定する。
【００６１】
給気弁駆動装置４２は、ガイドベーン開度ＧＶが予め定めた第２規定開度ＧＶ２以上となると給気弁の閉動作を開始して水車効率を向上させる。水力発電設備によっては、給気弁を数段階で閉動作させる場合がある。例えば、給気弁を一旦中間開度まで閉じ、ガイドベーン開度ＧＶがさらに開いた後に中間開度から全閉まで閉動作させる場合があるが、以下の説明では、１段階で閉動作させる場合について説明する。
【００６２】
この給気弁の開閉動作中には発電機出力Ｐが大幅に変動し、特に、給気弁の閉動作中には、発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを超過することがある。そこで、給気弁の閉動作中はガイドベーン開度をロックし、発電機出力Ｐが確実に許可電力値Ｐａを超過しないように、出力制限装置１２により出力制限を行う。
【００６３】
例えば、水力発電設備の始動時やがぶり運転出力上昇時には、ガイドベーン開度は小さい開度から大きい開度に変化していくので、ガイドベーン開度が予め定めた第２規定開度以上となると給気弁は閉動作する。給気弁の閉動作により発電機出力Ｐは大幅に増加するので、この給気弁の閉動作による発電機出力Ｐの変動を事前に抑制するために、出力制限装置１２によりガイドベーン開度をロックする。
【００６４】
ここで、がぶり運転とは、水車のステーベーンやガイドベーンに絡まった落ち葉を取り除くための運転であり、通常運転状態からガイドベーンを閉め、例えば無負荷開度まで急激に閉めて、その後に通常運転状態に戻す運転である。このがぶり運転を定期的に行い、乱流を発生させて水車のステーベーンやガイドベーンに絡まった落ち葉を取り除くための運転である。がぶり運転の出力上昇時には、水力発電設備の始動時と同様に、ガイドベーン開度は小さい開度から大きい開度に変化していき、ガイドベーン開度が予め定めた第２規定開度以上となると給気弁は閉動作する。
【００６５】
そこで、出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定手段２５は、ガイドベーン開度ＧＶが給気弁の閉動作開始手前の第１規定開度になったときは出力制限運転を行うべき状態であると判定し、水位調整運転から出力制限運転の出力上げ運転に切り替える。また、出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３は、給気弁駆動装置４２から給気弁の駆動状態を入力し、給気弁駆動装置４２により給気弁が動作しているときはガイドベーン開度をロックすべき状態であると判定し、出力をロックする。また、水位調整運転復帰判定部２９は、図４に示した一例と同様に、水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下（Ｗ≦ＬＷ１）となると、出力制限運転から水位調整運転に切り替える。
【００６６】
図７は、本発明の実施形態に係る出力制限運転判定部２２の他の一例のブロック構成図である。この他の一例の出力制限運転判定部２２は、図３に示した実施形態の出力制限運転判定部２２に対し、出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５にガイドベーン開度判定部４３を追加して設けるとともに、出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３に給気弁駆動装置４２から給気弁の駆動状態を入力するようにしたものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００６７】
図７に示すように、出力上げ運転判定部２５にはガイドベーン開度判定部４３が設けられている。ガイドベーン開度判定部４３は、ガイドベーン開度検出器４０で検出したガイドベーン開度ＧＶを入力し、ガイドベーン開度ＧＶが第１規定開度ＧＶ１以上で第２規定開度ＧＶ２以下（ＧＶ１≦ＧＶ≦ＧＶ２）であるか否かを判定する。そして、ガイドベーン開度ＧＶが第１規定開度ＧＶ１以上で第２規定開度ＧＶ２以下（ＧＶ１≦ＧＶ≦ＧＶ２）であるときは、水位調整運転を解除し、出力制限運転を保持して出力上げ運転指令を出力する。
【００６８】
これにより、ガイドベーン開度ＧＶが給気弁の閉動作開始手前の第１規定開度ＧＶ１となると、水位調整運転から出力制限運転に切り替わり、ガイドベーン開度ＧＶが給気弁の閉動作開始となる第２規定開度ＧＶ２になるまで、出力制限運転での出力上げ運転が行われる。
【００６９】
次に、出力ロック判定部２３には、ＡＮＤ回路３４で得られた高出力判定部３５の出力と高水位判定部３１の出力との論理積と、給気弁駆動装置４２からの給気弁閉動作中との論理和を演算するＯＲ回路３３が追加して設けられている。
【００７０】
従って、出力ロック判定部２３は、高出力判定部３５での判定により発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以上であり、かつ、高水位判定部３１の判定により水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているとき、または、給気弁駆動装置４２からの給気弁の駆動状態が給気弁閉動作中であるときは、水位調整運転を解除し、出力制限運転を保持するともに出力ロックを保持し、出力制限装置１２のガイドベーン開度ロック手段１８に出力ロック指令を出力する。
【００７１】
これにより、給気弁駆動装置４２からの給気弁駆動状態が給気弁閉動作中であるときも、ガイドベーン開度を現在の開度にロックするので、給気弁の閉動作により発電機出力Ｐが大幅に変動することを防止できる。
【００７２】
図８は、図６に示した流れ込み式水力発電設備の制御装置の動作の一例を示すタイムチャートである。図８では、がぶり運転でのがぶり運転出力上昇指令が時点ｔ１で出力された以降のタイムチャートを示している。前述したように、がぶり運転の出力上昇時には、水力発電設備の始動時と同様に、給気弁は開いており、ガイドベーン開度は小さい開度から大きい開度に変化していき、ガイドベーン開度が予め定めた第１規定開度ＧＶ１以上となり、さらに第２規定開度ＧＶ２となると給気弁は閉動作する。
【００７３】
いま、時点ｔ１において、がぶり運転出力上昇指令が出力されたとする。これにより、水位調整装置１１が起動され、水位調整装置１１は水槽水位Ｗが所定水位範囲（ＬＷ１≦Ｗ≦ＬＷ２）になるように制御する。時点ｔ１では水槽水位Ｗは水位上限値ＬＷ２（Ｗ≦ＬＷ２）であるので、水位調整装置１１はガイドベーン駆動装置１７によりガイドベーンを徐々に開いていく。時点ｔ２において、ガイドベーン開度ＧＶが第１規定開度ＧＶ１になると、水位調整運転から出力制限運転に切り替わる。すなわち、出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５は出力制限装置１２のガイドベーン閉方向駆動手段２０に出力上げ運転指令を出力する。これにより、出力上げ運転となり、ガイドベーンは、出力制限装置１２のガイドベーン開方向駆動手段２０により開いていく。
【００７４】
そして、時点ｔ３において、ガイドベーン開度が第２規定開度ＧＶ２となると、給気弁駆動装置４２が給気弁を閉方向に駆動し始める。これにより、出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３は出力ロック指令を出力制限装置１２のガイドベーン開度ロック手段１８に出力する。従って、給気弁の閉動作中においては出力ロックすることになる。これにより、給気弁が動作することによる発電機出力の増加を抑制でき、発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを超えることを確実に抑制できる。
【００７５】
次に、時点ｔ３において、給気弁が全閉となると給気弁は閉動作が完了し閉動作完了となる。この給気弁が閉動作完了した時点ｔ４で、図８に示すように、発電機出力が出力目標値Ｐｃ以下であるとすると、出力制限運転判定部３２の出力上げ運転判定部２５は、出力ロックを解除し出力上げ運転指令をガイドベーン開方向駆動手段２０に出力する。
【００７６】
時点ｔ４以降においては、図１に示した水力発電設備の制御装置と同様の動作となる。すなわち、時点ｔ５において、発電機出力が出力目標値Ｐｒ以上となり、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０未満（ＬＷ２≦Ｗ＜Ｗ０）であると、出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３が動作する。出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３は、水位調整運転を解除して出力制限運転を保持出力制限運転を保持するとともに出力ロックを保持し、出力ロック指令を出力制限装置１２のガイドベーン開度ロック手段１８に出力する。これにより、出力制限装置１２による出力制限運転での出力ロックとなり、ガイドベーン開度が現在の開度にロックされる。
【００７７】
また、時点ｔ６において、水位調整運転復帰判定部２９の判定条件を満たす状態になると、すなわち、出力制限運転中に水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下となると、水位調整運転復帰判定部２９は、出力制限運転を解除して水位調整運転を保持し水位調整運転指令を水位調整装置１１のガイドベーン開度制御手段１４に出力する。これにより、水位調整装置１１による水位調整運転となり、ガイドベーン開度が基準水位範囲に維持されるようにガイドベーンが制御される。
【００７８】
ここで、水槽水位Ｗは、がぶり運転開始によりガイドベーンが急激に閉じられると、理論上は水槽の天端位置を超える場合があるが、水槽の天端位置を超えた水は水槽から越流するので、実際の水槽水位Ｗは水槽の天端位置が上限となる。図８では、天端位置以上の理論上の水槽水位Ｗを点線で示している。
【００７９】
本発明の実施形態によれば、水槽水位Ｗが基準水位範囲（ＬＷ１≦Ｗ≦ＬＷ２）を超えた高水位領域（ＬＷ２≦Ｗ＜Ｗ０）であり、発電機出力Ｐが高出力領域（Ｐｒ≦Ｐ＜ＬＰ）であるときは、ガイドベーン開度をロックし、その出力ロック中に発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以上になると、ガイドベーンを閉方向に駆動する出力下げ運転指令を出力するので、発電機出力Ｐを許可電力値Ｐａを超えない範囲内に維持できる。
【００８０】
また、発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以上で水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下となったときに水位調整運転に戻すので、発電機出力Ｐを抑制した後に元の水位調整運転に戻す際にハンチングを発生することがない。
【００８１】
また、出力ロック中に発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下となったときはガイドベーンを開方向に駆動するので、発電機出力Ｐが抑制されて低減した運転状態の継続を防止でき、発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを超えない範囲内で大きくなるように制御できる。
【００８２】
さらに、水槽水位Ｗが水位警報値Ｗ０以上のとき、または、出力制限運転継続時間Ｔが所定時間Ｔｒ以上のときは、取水口ゲートを閉方向に調整するので、発電機出力Ｐの出力制限運転中において水槽水位Ｗを水位警報値Ｗ０以下に維持でき、取水可能水量超過による法令違反を防ぐことができる。
【００８３】
また、給気弁の閉動作中にはガイドベーン開度をロックするので、発電機出力Ｐが大幅に変動することを防止できる。つまり、給気弁の閉動作中に発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを超過しないようにできる。
【符号の説明】
【００８４】
１１…水位調整装置、１２…出力制限装置、１３…運転切替装置、１４…ガイドベーン開度制御手段、１５…水位調整運転判定部、１６…水槽水位検出器、１７…ガイドベーン駆動装置、１８…ガイドベーン開度ロック手段、１９…ガイドベーン閉方向駆動手段、２０…ガイドベーン開方向駆動手段、２１…取水口ゲート開閉制御手段、２２…出力制限運転判定部、２３…出力ロック判定部、２４…出力下げ運転判定部、２５…出力上げ運転判定部、２６…取水口ゲート調整判定部、２７…取水口ゲート駆動装置、２８…発電機出力検出器、２９…水位調整運転復帰判定部、３０…基準水位判定部、３１…高水位判定部、３２…目標出力判定部、３３…ＯＲ回路、３４…ＡＮＤ回路、３５…高出力判定部、３６…制限出力判定部、３７…警報水位判定部、３８…出力制限継続時間判定部、３９…低水位判定部、４０…ガイドベーン開度検出器、４１…補正出力判定部、４２…給気弁駆動装置、４３…ガイドベーン開度判定部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、河川からの水を一時的に貯える水槽の下方に発電機を駆動する水車が設置された流れ込み式水力発電設備の水槽水位や発電機出力を制御する流れ込み式水力発電設備の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流れ込み式水力発電設備は、河川からの水を一時的に貯える水槽からの水で水車を駆動し、水車に連結された発電機を駆動して発電するものである。このような流れ込み式水力発電では、水槽に流れ込んだ水量に合わせて水車を駆動する水位調整運転が行われる。水位調整運転は水位調整装置により、水槽に流れ込んだ水量分をそのまま水車に供給するようにガイドベーン開度が調整され、水車に供給される水の流量を調整することによって行われる。従って、水位調整運転では水槽水位が所定範囲内に維持される。
【０００３】
流れ込み式水力発電設備は、許可された取水流量を超過して水を使用してはならない。そこで、取水流量管理は、水路水位を計測して使用水量に換算したり、発電機出力を計測して使用水量（取水流量）に換算して管理するようにしている。発電機出力を使用水量に換算して管理する場合には、許可使用水量に対応する発電機出力（以下、許可電力値という）を求め、発電機出力が許可電力値を超えないように発電機出力を制御することになる。
【０００４】
発電機出力を決定する要素は水車に流入する流量と落差とである。このため、外的要因により水槽水位が変動すると発電機出力も変動してしまい、完全には発電機出力を制限することができない。水槽水位が変動しても発電機出力（使用水量）を許可電力値以内に抑制することが要請される。
【０００５】
落差が変動した場合でも発電所の有効電力を規定値内に収められるようにしたものとして、第１段設定値が設定された有効電力リレーと、第２段設定値が設定された有効電力リレーとの２種類の有効電力リレーを設け、有効電力が第１段設定値を越えたときは、負荷制限設定器の設定値に対する増加指令をロックし、第２段設定値を越えたときは負荷制限設定器に設定値の低減指令を出力し、発電機出力を規定値（許可電力値）内になるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２２７７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のものでは、落差が変動した場合でも発電機出力を規定値内に制限できるが、発電機出力を抑制した後に元の水位調整運転に戻すタイミングについての考慮がなく、もし、発電機出力が第１段設定値未満の近傍で変動しているときには、発電機出力が第１段設定値未満となっただけで元の水位調整運転に戻すと、第１段設定値が設定された有効電力リレーが再度動作して、発電機出力の出力制限運転と水位調整運転とが頻繁に切り替わりハンチングを起こすことがある。
【０００８】
また、発電機出力を抑制するための増加指令のロックや低減指令の出力だけであるので、発電機出力が抑制された運転状態を継続することがある。その場合、発電機出力が規定値（許可電力値）に対して余裕があるのに、発電機出力が低下した運転状態を継続することになり、そうすると、流れ込み式水力発電設備の平均出力が低下することになる。
【０００９】
本発明の目的は、出力制限運転から元の水位調整運転に戻す際のハンチングを防止でき、また、発電機出力が許可電力値を超えない範囲内で大きくなるように制御できる流れ込み式水力発電設備の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置は、流れ込み式水力発電設備の水槽水位が所定水位範囲になるようにガイドベーン開度を調整して発電機出力を制御する水位調整装置と、前記発電機出力が予め設定された所定出力範囲となるようにガイドベーン開度を調整する出力制限装置と、前記水槽水位及び前記発電機出力に基づいて前記水位調整装置による水位調整運転と前記出力制限装置による出力制限運転との運転切り替えを行う運転切替装置とを有し、前記運転切替装置は、前記水槽水位が水位下限値以上で水位上限値以下であるとき、または、前記発電機出力が出力目標値以下、かつ前記水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下であるときは、水位調整運転指令を前記水位調整装置に出力する水位調整運転判定部と、前記水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下、かつ前記発電機出力が出力目標値以上で出力制限値以下であるときは、ガイドベーン開度をロックする出力ロック指令を前記出力制限装置に出力し、前記出力ロック指令による出力ロック中に、前記発電機出力が出力制限値以上となったときはガイドベーン開度を閉方向に駆動する出力下げ運転指令を前記出力制限装置に出力する出力制限運転判定部と、前記出力制限装置による出力制限運転中に、前記発電機出力が出力制限値以下、かつ前記水槽水位が水位下限値以下となったときは、水位調整運転指令を前記水位調整装置に出力する水位調整運転復帰判定部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置は、請求項１の発明において、前記出力制限運転判定部は、前記出力ロック指令による出力ロック中に、前記発電機出力が出力目標値以下となったときはガイドベーン開度を開方向に駆動する出力上げ運転指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置は、請求項１または２の発明において、前記出力制限運転判定部は、前記水槽水位が水位警報値以上のとき、または、前記出力制限装置による出力制限運転継続時間が所定時間以上のときは、取水口ゲートを閉方向に調整する取水口ゲート調整指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記出力制限運転判定部は、水車効率を変化させる給気弁が動作中は、ガイドベーン開度をロックする出力ロック指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下、かつ発電機出力が出力目標値以上で出力制限値以下であるときはガイドベーン開度をロックし、その出力ロック中に発電機出力が出力制限値以上となると、ガイドベーン開度を閉方向に駆動する出力下げ運転指令を出力するので、発電機出力が許可電力値を超えない範囲内に維持できる。また、発電機出力が出力制限値以下で水槽水位が水位下限値以下となったときに水位調整運転に戻すので、発電機出力を抑制した後に元の水位調整運転に戻す際のハンチングを防止できる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、出力ロック中に発電機出力が出力目標値以下となったときはガイドベーン開度を開方向に駆動するので、発電機出力が抑制されて低減した運転状態の継続を防止でき、発電機出力が許可電力値を超えない範囲内で大きくなるように制御できる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明の効果に加え、水槽水位が水位警報値以上のとき、または、出力制限運転継続時間が所定時間以上のときは、取水口ゲートを閉方向に調整するので、発電機出力の出力制限運転中において水槽水位を水位警報値以下に維持でき、取水可能水量超過による法令違反を防ぐことができる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、水車効率を変化させる給気弁が動作中は、ガイドベーン開度をロックするので、給気弁が動作することによる発電機出力の増加を抑制でき、発電機出力が許可電力値を超えることを確実に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置の一例のブロック構成図。
【図２】本発明の実施形態に係る水位調整運転判定部の一例のブロック構成図。
【図３】本発明の実施形態に係る出力制限運転判定部の一例のブロック構成図。
【図４】本発明の実施形態に係る水位調整運転復帰判定部の一例のブロック構成図。
【図５】本発明の実施形態に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置の動作の一例を示すタイムチャート。
【図６】本発明の実施形態に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置の他の一例のブロック構成図。
【図７】本発明の実施形態に係る出力制限運転判定部の他の一例のブロック構成図。
【図８】図６に示した流れ込み式水力発電設備の制御装置の動作の一例を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置の一例のブロック構成図である。流れ込み式水力発電設備の制御装置は、流れ込み式水力発電設備の水槽水位が所定水位範囲になるように制御する水位調整装置１１と、発電機出力が予め設定された所定出力範囲となるように制御する出力制限装置１２と、水位調整装置１１による水位調整運転と出力制限装置１２による出力制限運転との運転切り替えを行う運転切替装置１３とを有する。
【００２０】
水位調整装置１１はガイドベーン開度制御手段１４を有する。ガイドベーン開度制御手段１４は、運転切替装置１３の水位調整運転判定部１５により水位調整運転をすべき状態であると判定されたとき、または水位調整運転復帰判定部２９により水位調整運転に復帰すべき状態であると判定されたときに起動される。そして、ガイドベーン開度検出器４０で検出されたガイドベーン開度ＧＶ及び水槽水位検出器１６で検出された水槽水位Ｗを入力し、水槽水位Ｗが所定水位範囲になるようにガイドベーン駆動装置１７を駆動し、ガイドベーン開度を調整して発電機出力を制御する。
【００２１】
出力制限装置１２は、ガイドベーン開度をロックするガイドベーン開度ロック手段１８、ガイドベーン開度を閉じる方向に駆動するガイドベーン閉方向駆動手段１９、ガイドベーン開度を開く方向に駆動するガイドベーン開方向駆動手段２０、河川から水槽への取水量を調整するための取水口ゲートを開閉制御する取水口ゲート開閉制御手段２１を有する。
【００２２】
ガイドベーン開度ロック手段１８は、運転切替装置１３における出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３により、出力をロックすべき状態であると判定されたときに起動され、ガイドベーン駆動装置１７を介してガイドベーン開度を現在の開度にロックする。
【００２３】
ガイドベーン閉方向駆動手段１９は、運転切替装置１３における出力制限運転判定部２２の出力下げ運転判定部２４により、出力を下げるべき状態であると判定されたときに起動され、ガイドベーン駆動装置１７を介してガイドベーン開度を現在の開度より閉める方向に駆動する。
【００２４】
ガイドベーン開方向駆動手段２０は、運転切替装置１３における出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５により、出力を上げるべき状態であると判定されたときに起動され、ガイドベーン駆動装置１７を介してガイドベーン開度を現在の開度より開く方向に駆動する。
【００２５】
取水口ゲート開閉制御手段２１は、運転切替装置１３における出力制限運転判定部２２の取水口ゲート調整判定部２６により、取水口ゲートを開閉制御すべき状態であると判定されたときに起動され取水口ゲート駆動装置２７を介して取水口ゲートを開閉制御する。
【００２６】
運転切替装置１３は、水槽水位検出器１６で検出された水槽水位Ｗ及び発電機出力検出器２８で検出された発電機出力Ｐに基づいて、水位調整装置１１による水位調整運転と出力制限装置１２による出力制限運転との運転切り替えを行うものであり、水位調整運転をすべき状態であるか否かを判定する水位調整運転判定部１５、出力制限運転をすべき状態であるか否かを判定する出力制限運転判定部２２、出力制限運転から水位調整運転に復帰させるべき状態にあるか否かを判定する水位調整運転復帰判定部２９を有する。
【００２７】
水位調整装置１１による水位調整運転から出力制限装置１２による出力制限運転への切り替えは、出力制限運転判定部２２により出力制限運転をすべき状態になったと判定されたときに行われる。一方、出力制限装置１２による出力制限運転から水位調整装置１１による水位調整運転への切り替えは、水位調整運転判定部１５により水位調整運転をすべき状態になったと判定されたときではなく、水位調整運転復帰判定部２９により、出力制限運転から水位調整運転に復帰させるべき状態にあると判定されたときに行われる。
【００２８】
すなわち、水位調整運転中に出力制限運転判定部２２により出力制限運転をすべき状態になったと判定されたときは、水位調整装置１１による水位調整運転から出力制限装置１２による出力制限運転に即座に切り替わるが、出力制限運転中に水位調整運転判定部１５により水位調整運転をすべき状態になったと判定されたとしても、出力制限装置１２による出力制限運転から水位調整装置１１による水位調整運転に切り替わることなく、水位調整運転復帰判定部２９により、出力制限運転から水位調整運転に復帰させるべき状態にあると判定されたときに、水位調整運転に切り替わる。これは、後述するように、出力制限運転と水位調整運転とが頻繁に切り替わるハンチングを防止するためである。
【００２９】
図２は、本発明の実施形態に係る水位調整運転判定部１５の一例のブロック構成図である。水槽水位検出器１６で検出された水槽水位Ｗは、基準水位判定部３０及び高水位判定部３１に入力される。また、発電機出力検出器２８で検出された発電機出力Ｐは、目標出力判定部３２に入力される。
【００３０】
基準水位判定部３０は、水槽水位Ｗが基準水位範囲内であるか否か、すなわち、水位下限値ＬＷ１以上で水位上限値ＬＷ２以下（ＬＷ１≦Ｗ≦ＬＷ２）であるか否かを判定するものである。
【００３１】
高水位判定部３１は、水槽水位Ｗが高水領域であるか否か、すなわち、水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０未満（ＬＷ２≦Ｗ＜Ｗ０）であるか否かを判定するものであり、水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているが水位警報値Ｗ０未満であるか否かを判定するものである。
【００３２】
また、目標出力判定部３２は、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以下（Ｐ≦Ｐｒ）であるか否かを判定するものである。出力目標値Ｐｒは流れ込み式水力発電設備が出力を許可されている許可電力値Ｐａよりも小さい予め定めた電力値である。このことから、目標出力判定部３２は、水車に流入する流量や落差が変動して発電機出力Ｐが変動しても、許可電力値Ｐａを逸脱しない出力範囲であるか否かを判定する。
【００３３】
水槽水位Ｗが基準水位範囲内であるとき、つまり、水位下限値ＬＷ１以上で水位上限値ＬＷ２以下（ＬＷ１≦Ｗ≦ＬＷ２）であるときは、水位調整運転をすべき状態であると判定し、ＯＲ回路３３を介して水位調整運転を保持し、水位調整運転指令を水位調整装置１１に出力する。
【００３４】
一方、水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているが、発電機出力Ｐが変動しても許可電力値Ｐａを逸脱しない出力範囲であるとき、つまり、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０以下（ＬＷ２≦Ｗ≦Ｗ０）であり、かつ、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以下（Ｐ≦Ｐｒ）であるときは、ＡＮＤ回路３４を介して水位調整運転を保持し、水位調整運転指令を水位調整装置１１に出力する。
【００３５】
このように、水位調整運転判定部１５は、水槽水位Ｗが基準水位範囲内であるとき、または、水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているが、発電機出力Ｐが変動しても許可電力値Ｐａを逸脱しない出力範囲であるときは、水位調整運転をすべき状態であると判定し、水位調整運転指令を水位調整装置１１に出力する。
【００３６】
図３は、本発明の実施形態に係る出力制限運転判定部２２の一例のブロック構成図である。出力ロック判定部２３は高出力判定部３５及び高水位判定部３１を有する。高出力判定部３５は、発電機出力Ｐが高出力領域であるか否か、すなわち、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以上で出力制限値ＬＰ以下（Ｐｒ≦Ｐ＜ＬＰ）であるか否かを判定するものである。出力制限値ＬＰは許可電力値Ｐａより小さい値である。
【００３７】
一方、高水位判定部３１は、前述したように、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０未満（ＬＷ２≦Ｗ＜Ｗ０）であるか否かを判定するものである。発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以上であり、かつ、水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているときは、水位調整運転を継続すると、発電機出力Ｐが将来的に許可電力値Ｐａを逸脱するおそれがあるので、出力制限運転を行う状態であると判定する。この場合、水槽水位Ｗは水位警報値Ｗ０未満であり、発電機出力Ｐは出力制限値ＬＰ以下であるので、発電機出力Ｐが即座に許可電力値Ｐａを逸脱するおそれはないと判定できる。従って、出力をロックする状態であると判定する。
【００３８】
すなわち、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以上であり、かつ、水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているときは、ＡＮＤ回路３４を介して水位調整運転を解除し、出力制限運転を保持するともに出力ロックを保持し、出力制限装置１２のガイドベーン開度ロック手段１８に出力ロック指令を出力する。これにより、ガイドベーン開度ロック手段１８はガイドベーン開度を現在の開度にロックする。
【００３９】
次に、出力下げ運転判定部２４は制限出力判定部３６を有する。制限出力判定部３６は発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以上であるか否かを判定するものである。出力ロック中に発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以上となったときは、発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを逸脱するおそれが生じるので、出力を下げる運転が必要となった状態であると判定する。
【００４０】
すなわち、出力ロック中で、かつ、発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以上となったときは、ＡＮＤ回路３４を介して出力ロックを解除し、出力制限装置１２のガイドベーン閉方向駆動手段１９に出力運転下げ指令を出力する。これにより、ガイドベーン閉方向駆動手段１９はガイドベーン開度を現在の開度より閉める方向に駆動する。
【００４１】
一方、出力上げ運転判定部２５は補正出力判定部４１を有する。補正出力判定部４１は、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒより小さい補正出力値Ｐｃ以下（Ｐ≦Ｐｃ）であるか否かを判定するものである。出力ロック中に発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下となったときは、発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを逸脱するおそれはなく、むしろ、発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下で抑制された運転状態を継続するおそれがある。そこで、出力ロック中に発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下となったときはガイドベーンを開方向に駆動し、発電機出力Ｐを増加させる。
【００４２】
すなわち、出力ロック中で、かつ、発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下となったときは、ＡＮＤ回路３４を介して出力ロックを解除し、出力制限装置１２のガイドベーン開方向駆動手段２０に出力運転上げ指令を出力する。これにより、ガイドベーン開方向駆動手段２０はガイドベーンを現在の開度より開く方向に駆動する。これにより、発電機出力Ｐが抑制されて出力目標値Ｐｒ以下での低減した運転状態の継続を防止でき、発電機出力Ｐが許可電力値を超えない範囲内で大きくなるように制御できる。
【００４３】
次に、取水口ゲート調整判定部２６は警報水位判定部３７及び出力制限継続時間判定部３８を有する。警報水位判定部３７は水槽水位Ｗが水位警報値Ｗ０以上（Ｗ≧Ｗ０）か否かを判定するものである。水位警報値Ｗ０は水槽の天端位置もしくは天端位置より下方の位置が予め設定される。これは、許可された取水流量を超過して水を取水しないようにするためである。
【００４４】
また、出力制限継続時間判定部３８は、出力制限装置１２による出力制限運転継続時間Ｔが所定時間（出力制限運転継続設定時間Ｔｒ）以上か否かを判定するものである。出力制限装置１２による出力制限運転継続時間Ｔが所定時間（出力制限運転継続設定時間Ｔｒ）以上継続しているときは、出力制限運転により水槽水位Ｗが基準水位範囲（ＬＷ１≦Ｗ≦ＬＷ２）内に回復しないときであるので、水槽水位Ｗを調整して水位調整運転に戻すためである。
【００４５】
すなわち、取水口ゲート調整判定部２６は、水槽水位Ｗが水位警報値Ｗ０以上のとき、または、出力制限装置１２による出力制限運転継続時間Ｔが所定時間Ｔｒ以上のときは、取水口ゲートを閉方向に調整する取水口ゲート調整指令を出力制限装置１２に出力し、取水可能水量超過による法令違反を防ぐとともに、出力制限運転により水槽水位Ｗが高となった状態が継続して、出力制限運転が長期に渡って継続することを防止する。
【００４６】
図４は、本発明の実施形態に係る水位調整運転復帰判定部２９の一例のブロック構成図である。水位調整運転復帰判定部２９は低水位判定部３９を有する。低水位判定部３９は、水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下（Ｗ≦ＬＷ１）であるか否かを判定するものであり、水槽水位Ｗが基準水位範囲以下であるかどうかを判定するものである。
【００４７】
すなわち、水位調整運転復帰判定部２９は、出力制限運転中に、水槽水位Ｗが基準水位範囲以下（Ｗ≦ＬＷ１）となったときに、ＡＮＤ回路３４を介して出力制限運転を解除し水位調整運転を保持して、水位調整装置１１に水位調整運転指令を出力する。水槽水位Ｗが基準水位範囲以下（Ｗ≦ＬＷ１）となった状態で水位調整運転に切り替えるので、出力制限運転判定部２２による出力制限運転に切り替える水位条件（ＬＷ２≦Ｗ＜Ｗ０）となるには、ある程度の水位幅（ＬＷ２−ＬＷ１）が保たれる。従って、出力制限運転と水位調整運転とが頻繁に切り替わるハンチングを防止できる。
【００４８】
図５は、本発明の実施形態に係る流れ込み式水力発電設備の制御装置の動作の一例を示すタイムチャートである。時点ｔ１以前においては、発電機出力Ｐは出力目標値Ｐｒ未満であり、水槽水位Ｗは水位上限値ＬＷ２未満である。従って、図２に示す水位調整運転判定部１５は、水位調整運転を保持して水位調整運転指令を水位調整装置１１に出力しているので、水位調整装置１１による水位調整運転が行われている。
【００４９】
時点ｔ１で、発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以上となり、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０以下となると、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３は、水位調整運転を解除して出力制限運転を保持するとともに出力ロックを保持し、出力ロック指令を出力制限装置１２のガイドベーン開度ロック手段１８に出力する。これにより、出力制限装置１２による出力制限運転での出力ロックとなり、ガイドベーン開度が現在の開度にロックされる。また、出力制限装置１２による出力制限運転が開始されると、取水口ゲート調整判定部２６は、出力制限運転継続時間Ｔをカウント開始する。
【００５０】
出力制限運転での出力ロック中の時点ｔ２において、水車に流入する流量や落差の変動により、発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以上となったとすると、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力下げ運転判定部２４は、出力ロックを解除して出力下げ運転指令を出力制限装置１２のガイドベーン閉方向駆動手段１９に出力する。これにより、出力制限装置１２による出力制限運転での出力下げ運転となり、ガイドベーンが閉方向に駆動される。従って、発電機出力Ｐが時間遅れを持って徐々に減少してくる。
【００５１】
そして、時点ｔ３において、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０以下の状態で、発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以下となると、出力ロック判定部２３の判定条件が成立することになるので、出力制限運転での出力下げ運転から出力制限運転での出力ロックに切り替わる。
【００５２】
次に、この出力ロック中の時点ｔ４で、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０以下の状態で、発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下となると、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５は、出力ロックを解除して出力上げ運転指令を出力制限装置１２のガイドベーン開方向駆動手段２０に出力する。これにより、出力制限装置１２による出力制限運転での出力上げ運転となり、ガイドベーンが開方向に駆動される。従って、発電機出力Ｐが時間遅れを持って徐々に増加してくる。
【００５３】
そして、時点ｔ５において、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０以下の状態で、発電機出力Ｐが出力制限値Ｐｒ以上となると、出力ロック判定部２３の判定条件が成立することになるので、出力制限運転での出力上げ運転から出力制限運転での出力ロックに切り替わる。
【００５４】
図５では、時点ｔ５以降において、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力下げ運転判定部２４の判定条件や、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５の判定条件を満たさない場合を示しているので、出力制限運転での出力ロックは保持されたままである。もし、時点ｔ５以降において、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力下げ運転判定部２４の判定条件を満たす状態となると出力制限運転での出力下げ運転が行われ、図３に示す出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５の判定条件を満たす状態となると、出力制限運転での出力上げ運転が行われることになる。
【００５５】
そして、時点ｔ６において、図４に示す水位調整運転復帰判定部２９の判定条件を満たす状態になると、すなわち、発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以上で、水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下となると、水位調整運転復帰判定部２９は、出力制限運転を解除して水位調整運転を保持し水位調整運転指令を水位調整装置１１のガイドベーン開度制御手段１４に出力する。これにより、水位調整装置１１による水位調整運転となり、ガイドベーン開度が基準水位範囲に維持されるようにガイドベーン開度が制御される。
【００５６】
このように、水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下となると、出力制限運転から水位調整運転に切り替わるので、水槽水位Ｗは、ある程度の水位幅（ＬＷ２−ＬＷ１）が保たれた状態で、出力制限運転から水位調整運転に切り替わり、出力制限運転と水位調整運転とが頻繁に切り替わるハンチングを防止できる。
【００５７】
また、取水口ゲート調整判定部２６にてカウントした出力制限装置１２による出力制限運転継続時間Ｔが予め定めた所定時間（出力制限運転継続設定時間Ｔｒ）を超えたときは、取水口ゲート調整判定部２６は、取水口ゲートを閉方向に調整する取水口ゲート調整指令を出力制限装置１２に出力する。これは、前述したように、出力制限運転より水槽水位の回復が行われないときは、長期間にわたって出力制限運転が継続することになり、水位調整運転に戻すことができなくなるので、早期に水槽水位を基準水位範囲内に戻すためである。
【００５８】
以上の説明では、水車効率を変化させる給気弁の開閉動作を外部条件として採り入れていないが、給気弁の開閉動作を外部条件として採り入れるようにしてもよい。これは、給気弁の開閉動作中には発電機出力Ｐが大幅に変動するので、給気弁の開閉動作中にはガイドベーン開度をロックし、発電機出力Ｐが確実に許可電力値Ｐａを超過しないようにするためである。
【００５９】
図６は起動時やがぶり運転時の給気弁の開閉動作を外部条件として採り入れた流れ込み式水力発電設備の制御装置のブロック構成図である。図１に示した一例に対し、運転切替装置１３の出力制限運転判定部２２に、ガイドベーン開度検出器４０で検出されたガイドベーン開度ＧＶ及び給気弁を駆動する給気弁駆動装置４２から給気弁の駆動状態を入力し、出力制限運転判定部２２は、ガイドベーン開度ＧＶが給気弁の閉動作開始手前の第１規定開度になったときは出力制限運転を行うべき状態であると判定し、給気弁の閉動作中はガイドベーン開度をロックすべき状態であると判定するようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００６０】
給気弁は給気管からドラフト管への大気の給気量を調整して水車効率を変化させる弁であり、給気弁駆動装置４２はガイドベーン開度ＧＶを入力し、ガイドベーン開度ＧＶが予め定めた第１規定開度ＧＶ１となり、さらにガイドベーン開度ＧＶが第２規定開度ＧＶ２となると閉動作を開始する。一方、出力制限運転判定部２２は、ガイドベーン開度ＧＶが予め定めた第１規定開度ＧＶ１となると、出力運転制限運転をすべき状態であると判定する。
【００６１】
給気弁駆動装置４２は、ガイドベーン開度ＧＶが予め定めた第２規定開度ＧＶ２以上となると給気弁の閉動作を開始して水車効率を向上させる。水力発電設備によっては、給気弁を数段階で閉動作させる場合がある。例えば、給気弁を一旦中間開度まで閉じ、ガイドベーン開度ＧＶがさらに開いた後に中間開度から全閉まで閉動作させる場合があるが、以下の説明では、１段階で閉動作させる場合について説明する。
【００６２】
この給気弁の開閉動作中には発電機出力Ｐが大幅に変動し、特に、給気弁の閉動作中には、発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを超過することがある。そこで、給気弁の閉動作中はガイドベーン開度をロックし、発電機出力Ｐが確実に許可電力値Ｐａを超過しないように、出力制限装置１２により出力制限を行う。
【００６３】
例えば、水力発電設備の始動時やがぶり運転出力上昇時には、ガイドベーン開度は小さい開度から大きい開度に変化していくので、ガイドベーン開度が予め定めた第２規定開度以上となると給気弁は閉動作する。給気弁の閉動作により発電機出力Ｐは大幅に増加するので、この給気弁の閉動作による発電機出力Ｐの変動を事前に抑制するために、出力制限装置１２によりガイドベーン開度をロックする。
【００６４】
ここで、がぶり運転とは、水車のステーベーンやガイドベーンに絡まった落ち葉を取り除くための運転であり、通常運転状態からガイドベーンを閉め、例えば無負荷開度まで急激に閉めて、その後に通常運転状態に戻す運転である。このがぶり運転を定期的に行い、乱流を発生させて水車のステーベーンやガイドベーンに絡まった落ち葉を取り除くための運転である。がぶり運転の出力上昇時には、水力発電設備の始動時と同様に、ガイドベーン開度は小さい開度から大きい開度に変化していき、ガイドベーン開度が予め定めた第２規定開度以上となると給気弁は閉動作する。
【００６５】
そこで、出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定手段２５は、ガイドベーン開度ＧＶが給気弁の閉動作開始手前の第１規定開度になったときは出力制限運転を行うべき状態であると判定し、水位調整運転から出力制限運転の出力上げ運転に切り替える。また、出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３は、給気弁駆動装置４２から給気弁の駆動状態を入力し、給気弁駆動装置４２により給気弁が動作しているときはガイドベーン開度をロックすべき状態であると判定し、出力をロックする。また、水位調整運転復帰判定部２９は、図４に示した一例と同様に、水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下（Ｗ≦ＬＷ１）となると、出力制限運転から水位調整運転に切り替える。
【００６６】
図７は、本発明の実施形態に係る出力制限運転判定部２２の他の一例のブロック構成図である。この他の一例の出力制限運転判定部２２は、図３に示した実施形態の出力制限運転判定部２２に対し、出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５にガイドベーン開度判定部４３を追加して設けるとともに、出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３に給気弁駆動装置４２から給気弁の駆動状態を入力するようにしたものである。図３と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００６７】
図７に示すように、出力上げ運転判定部２５にはガイドベーン開度判定部４３が設けられている。ガイドベーン開度判定部４３は、ガイドベーン開度検出器４０で検出したガイドベーン開度ＧＶを入力し、ガイドベーン開度ＧＶが第１規定開度ＧＶ１以上で第２規定開度ＧＶ２以下（ＧＶ１≦ＧＶ≦ＧＶ２）であるか否かを判定する。そして、ガイドベーン開度ＧＶが第１規定開度ＧＶ１以上で第２規定開度ＧＶ２以下（ＧＶ１≦ＧＶ≦ＧＶ２）であるときは、水位調整運転を解除し、出力制限運転を保持して出力上げ運転指令を出力する。
【００６８】
これにより、ガイドベーン開度ＧＶが給気弁の閉動作開始手前の第１規定開度ＧＶ１となると、水位調整運転から出力制限運転に切り替わり、ガイドベーン開度ＧＶが給気弁の閉動作開始となる第２規定開度ＧＶ２になるまで、出力制限運転での出力上げ運転が行われる。
【００６９】
次に、出力ロック判定部２３には、ＡＮＤ回路３４で得られた高出力判定部３５の出力と高水位判定部３１の出力との論理積と、給気弁駆動装置４２からの給気弁閉動作中との論理和を演算するＯＲ回路３３が追加して設けられている。
【００７０】
従って、出力ロック判定部２３は、高出力判定部３５での判定により発電機出力Ｐが出力目標値Ｐｒ以上であり、かつ、高水位判定部３１の判定により水槽水位Ｗが基準水位範囲を超えているとき、または、給気弁駆動装置４２からの給気弁の駆動状態が給気弁閉動作中であるときは、水位調整運転を解除し、出力制限運転を保持するともに出力ロックを保持し、出力制限装置１２のガイドベーン開度ロック手段１８に出力ロック指令を出力する。
【００７１】
これにより、給気弁駆動装置４２からの給気弁駆動状態が給気弁閉動作中であるときも、ガイドベーン開度を現在の開度にロックするので、給気弁の閉動作により発電機出力Ｐが大幅に変動することを防止できる。
【００７２】
図８は、図６に示した流れ込み式水力発電設備の制御装置の動作の一例を示すタイムチャートである。図８では、がぶり運転でのがぶり運転出力上昇指令が時点ｔ１で出力された以降のタイムチャートを示している。前述したように、がぶり運転の出力上昇時には、水力発電設備の始動時と同様に、給気弁は開いており、ガイドベーン開度は小さい開度から大きい開度に変化していき、ガイドベーン開度が予め定めた第１規定開度ＧＶ１以上となり、さらに第２規定開度ＧＶ２となると給気弁は閉動作する。
【００７３】
いま、時点ｔ１において、がぶり運転出力上昇指令が出力されたとする。これにより、水位調整装置１１が起動され、水位調整装置１１は水槽水位Ｗが所定水位範囲（ＬＷ１≦Ｗ≦ＬＷ２）になるように制御する。時点ｔ１では水槽水位Ｗは水位上限値ＬＷ２（Ｗ≦ＬＷ２）であるので、水位調整装置１１はガイドベーン駆動装置１７によりガイドベーンを徐々に開いていく。時点ｔ２において、ガイドベーン開度ＧＶが第１規定開度ＧＶ１になると、水位調整運転から出力制限運転に切り替わる。すなわち、出力制限運転判定部２２の出力上げ運転判定部２５は出力制限装置１２のガイドベーン閉方向駆動手段２０に出力上げ運転指令を出力する。これにより、出力上げ運転となり、ガイドベーンは、出力制限装置１２のガイドベーン開方向駆動手段２０により開いていく。
【００７４】
そして、時点ｔ３において、ガイドベーン開度が第２規定開度ＧＶ２となると、給気弁駆動装置４２が給気弁を閉方向に駆動し始める。これにより、出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３は出力ロック指令を出力制限装置１２のガイドベーン開度ロック手段１８に出力する。従って、給気弁の閉動作中においては出力ロックすることになる。これにより、給気弁が動作することによる発電機出力の増加を抑制でき、発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを超えることを確実に抑制できる。
【００７５】
次に、時点ｔ３において、給気弁が全閉となると給気弁は閉動作が完了し閉動作完了となる。この給気弁が閉動作完了した時点ｔ４で、図８に示すように、発電機出力が出力目標値Ｐｃ以下であるとすると、出力制限運転判定部３２の出力上げ運転判定部２５は、出力ロックを解除し出力上げ運転指令をガイドベーン開方向駆動手段２０に出力する。
【００７６】
時点ｔ４以降においては、図１に示した水力発電設備の制御装置と同様の動作となる。すなわち、時点ｔ５において、発電機出力が出力目標値Ｐｒ以上となり、水槽水位Ｗが水位上限値ＬＷ２以上で水位警報値Ｗ０未満（ＬＷ２≦Ｗ＜Ｗ０）であると、出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３が動作する。出力制限運転判定部２２の出力ロック判定部２３は、水位調整運転を解除して出力制限運転を保持出力制限運転を保持するとともに出力ロックを保持し、出力ロック指令を出力制限装置１２のガイドベーン開度ロック手段１８に出力する。これにより、出力制限装置１２による出力制限運転での出力ロックとなり、ガイドベーン開度が現在の開度にロックされる。
【００７７】
また、時点ｔ６において、水位調整運転復帰判定部２９の判定条件を満たす状態になると、すなわち、出力制限運転中に水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下となると、水位調整運転復帰判定部２９は、出力制限運転を解除して水位調整運転を保持し水位調整運転指令を水位調整装置１１のガイドベーン開度制御手段１４に出力する。これにより、水位調整装置１１による水位調整運転となり、ガイドベーン開度が基準水位範囲に維持されるようにガイドベーンが制御される。
【００７８】
ここで、水槽水位Ｗは、がぶり運転開始によりガイドベーンが急激に閉じられると、理論上は水槽の天端位置を超える場合があるが、水槽の天端位置を超えた水は水槽から越流するので、実際の水槽水位Ｗは水槽の天端位置が上限となる。図８では、天端位置以上の理論上の水槽水位Ｗを点線で示している。
【００７９】
本発明の実施形態によれば、水槽水位Ｗが基準水位範囲（ＬＷ１≦Ｗ≦ＬＷ２）を超えた高水位領域（ＬＷ２≦Ｗ＜Ｗ０）であり、発電機出力Ｐが高出力領域（Ｐｒ≦Ｐ＜ＬＰ）であるときは、ガイドベーン開度をロックし、その出力ロック中に発電機出力Ｐが出力制限値ＬＰ以上になると、ガイドベーンを閉方向に駆動する出力下げ運転指令を出力するので、発電機出力Ｐを許可電力値Ｐａを超えない範囲内に維持できる。
【００８０】
また、発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以上で水槽水位Ｗが水位下限値ＬＷ１以下となったときに水位調整運転に戻すので、発電機出力Ｐを抑制した後に元の水位調整運転に戻す際にハンチングを発生することがない。
【００８１】
また、出力ロック中に発電機出力Ｐが補正出力値Ｐｃ以下となったときはガイドベーンを開方向に駆動するので、発電機出力Ｐが抑制されて低減した運転状態の継続を防止でき、発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを超えない範囲内で大きくなるように制御できる。
【００８２】
さらに、水槽水位Ｗが水位警報値Ｗ０以上のとき、または、出力制限運転継続時間Ｔが所定時間Ｔｒ以上のときは、取水口ゲートを閉方向に調整するので、発電機出力Ｐの出力制限運転中において水槽水位Ｗを水位警報値Ｗ０以下に維持でき、取水可能水量超過による法令違反を防ぐことができる。
【００８３】
また、給気弁の閉動作中にはガイドベーン開度をロックするので、発電機出力Ｐが大幅に変動することを防止できる。つまり、給気弁の閉動作中に発電機出力Ｐが許可電力値Ｐａを超過しないようにできる。
【符号の説明】
【００８４】
１１…水位調整装置、１２…出力制限装置、１３…運転切替装置、１４…ガイドベーン開度制御手段、１５…水位調整運転判定部、１６…水槽水位検出器、１７…ガイドベーン駆動装置、１８…ガイドベーン開度ロック手段、１９…ガイドベーン閉方向駆動手段、２０…ガイドベーン開方向駆動手段、２１…取水口ゲート開閉制御手段、２２…出力制限運転判定部、２３…出力ロック判定部、２４…出力下げ運転判定部、２５…出力上げ運転判定部、２６…取水口ゲート調整判定部、２７…取水口ゲート駆動装置、２８…発電機出力検出器、２９…水位調整運転復帰判定部、３０…基準水位判定部、３１…高水位判定部、３２…目標出力判定部、３３…ＯＲ回路、３４…ＡＮＤ回路、３５…高出力判定部、３６…制限出力判定部、３７…警報水位判定部、３８…出力制限継続時間判定部、３９…低水位判定部、４０…ガイドベーン開度検出器、４１…補正出力判定部、４２…給気弁駆動装置、４３…ガイドベーン開度判定部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れ込み式水力発電設備の水槽水位が所定水位範囲になるようにガイドベーン開度を調整して発電機出力を制御する水位調整装置と、
前記発電機出力が予め設定された所定出力範囲となるようにガイドベーン開度を調整する出力制限装置と、
前記水槽水位及び前記発電機出力に基づいて前記水位調整装置による水位調整運転と前記出力制限装置による出力制限運転との運転切り替えを行う運転切替装置とを有し、
前記運転切替装置は、
前記水槽水位が水位下限値以上で水位上限値以下であるとき、または、前記発電機出力が出力目標値以下、前記水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下であるときは、水位調整運転指令を前記水位調整装置に出力する水位調整運転判定部と、
前記水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下、前記発電機出力が出力目標値以上で出力制限値以下であるときは、ガイドベーン開度をロックする出力ロック指令を前記出力制限装置に出力し、前記出力ロック指令による出力ロック中に、前記発電機出力が出力制限値以上となったときはガイドベーン開度を閉方向に駆動する出力下げ運転指令を前記出力制限装置に出力する出力制限運転判定部と、
前記出力制限装置による出力制限運転中に、前記発電機出力が出力制限値以下、前記水槽水位が水位下限値以下となったときは、水位調整運転指令を前記水位調整装置に出力する水位調整運転復帰判定部とを備えたことを特徴とする流れ込み式水力発電設備の制御装置。
【請求項２】
前記出力制限運転判定部は、前記出力ロック指令による出力ロック中に、前記発電機出力が出力目標値以下となったときはガイドベーン開度を開方向に駆動する出力上げ運転指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする請求項１記載の流れ込み式水力発電設備の制御装置。
【請求項３】
前記出力制限運転判定部は、前記水槽水位が水位警報値以上のとき、または、前記出力制限装置による出力制限運転継続時間が所定時間以上のときは、取水口ゲートを閉方向に調整する取水口ゲート調整指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする請求項１または２記載の流れ込み式水力発電設備の制御装置。
【請求項４】
前記出力制限運転判定部は、水車効率を変化させる給気弁が動作中は、ガイドベーン開度をロックする出力ロック指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の流れ込み式水力発電設備の制御装置。
【請求項１】
流れ込み式水力発電設備の水槽水位が所定水位範囲になるようにガイドベーン開度を調整して発電機出力を制御する水位調整装置と、
前記発電機出力が予め設定された所定出力範囲となるようにガイドベーン開度を調整する出力制限装置と、
前記水槽水位及び前記発電機出力に基づいて前記水位調整装置による水位調整運転と前記出力制限装置による出力制限運転との運転切り替えを行う運転切替装置とを有し、
前記運転切替装置は、
前記水槽水位が水位下限値以上で水位上限値以下であるとき、または、前記発電機出力が出力目標値以下、前記水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下であるときは、水位調整運転指令を前記水位調整装置に出力する水位調整運転判定部と、
前記水槽水位が水位上限値以上で水位警報値以下、前記発電機出力が出力目標値以上で出力制限値以下であるときは、ガイドベーン開度をロックする出力ロック指令を前記出力制限装置に出力し、前記出力ロック指令による出力ロック中に、前記発電機出力が出力制限値以上となったときはガイドベーン開度を閉方向に駆動する出力下げ運転指令を前記出力制限装置に出力する出力制限運転判定部と、
前記出力制限装置による出力制限運転中に、前記発電機出力が出力制限値以下、前記水槽水位が水位下限値以下となったときは、水位調整運転指令を前記水位調整装置に出力する水位調整運転復帰判定部とを備えたことを特徴とする流れ込み式水力発電設備の制御装置。
【請求項２】
前記出力制限運転判定部は、前記出力ロック指令による出力ロック中に、前記発電機出力が出力目標値以下となったときはガイドベーン開度を開方向に駆動する出力上げ運転指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする請求項１記載の流れ込み式水力発電設備の制御装置。
【請求項３】
前記出力制限運転判定部は、前記水槽水位が水位警報値以上のとき、または、前記出力制限装置による出力制限運転継続時間が所定時間以上のときは、取水口ゲートを閉方向に調整する取水口ゲート調整指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする請求項１または２記載の流れ込み式水力発電設備の制御装置。
【請求項４】
前記出力制限運転判定部は、水車効率を変化させる給気弁が動作中は、ガイドベーン開度をロックする出力ロック指令を前記出力制限装置に出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の流れ込み式水力発電設備の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−７２３５７（Ｐ２０１３−７２３５７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１１９９８（Ｐ２０１１−２１１９９８）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
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