WO2018135661A1

WO2018135661A1 - 水力発電システム

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Publication number: WO2018135661A1
Application number: PCT/JP2018/001814
Authority: WO
Inventors: 敬宏阿部; 淳須原; 貴裕横山
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: JP2018119547A; CA3050073C; CA3050073A1; EP3553305A1; EP3553305B1; EP3553305A4; US20190331086A1; KR20190099286A; CN110214227A; KR102333416B1; JP6751728B2; US11313343B2; ES2998983T3

Abstract

水力発電システムには、水車（11）によって駆動される発電機（12）と、水車（11）の有効落差を調節する落差調節手段（21）と、水車（11）の流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する流量制御と、該水車（11）の有効落差を第１範囲内とするように前記落差調節手段（21）によって該水車（11）の有効落差を調節する落差調節制御とを協調して行う制御部（40）とが設けられる。

Description

水力発電システム

　　本発明は、水力発電システムに関するものである。

　　従来より、流路を流れる流体（水）を利用して発電を行う水力発電システムがある。

　　例えば特許文献１に開示の水力発電システムには、流路に配置される水車と、水車によって駆動させる発電機とが設けられる。水車を水が流れると該水車が回転し、水車に連結する発電機が駆動される。これにより、発電機で電力が発電される。発電された電力は、所定の電力系統へ供給される。

特開２０１４－２１４７１０号公報

　　水力発電システムが適用される流路では、流路を流れる流体の流量に所定の制約が課せられることがある。このような場合には、発電機のトルクや回転数を制御することで、水車の流量を目標流量に近づけることができる。また、このような流路では、水車の下流側の圧力に所定の制約が課せられることがある。このような場合には、発電機のトルクや回転数を制御することで、水車の下流側の圧力を目標圧力に近づけることができる。

　　一方、このような流量制御や圧力制御が実行される際、水車の有効落差が変動したり、流量や圧力の目標値が変更されたりすると、水車の運転点が適切な運転領域から外れてしまい、キャビテーションが発生したり、発電機を適切に制御できなくなったりする不具合が生じ得る。

　　本発明は、この問題に着目してなされたものであり、水車の流量や水車の下流側の流体の圧力を目標値に調節しつつ、水車の運転点が運転領域から外れてしまうことを抑制できる水力発電システムを提供することである。

　　第１の態様は、流体が流れる流路（5）に配置される水車（11）と、前記水車（11）によって駆動される発電機（12）と、前記水車（11）の有効落差を調節する落差調節手段（21）と、前記水車（11）の流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する流量制御と、該水車（11）の有効落差を第１範囲内とするように前記落差調節手段（21）によって該水車（11）の有効落差を調節する落差調節制御とを協調して行う制御部（40）とを備えている水力発電システムである。

　　この構成では、制御部（40）により、流量制御と、落差調節制御とが協調して行われる。具体的に、流量制御では、水車（11）を流れる流体の流量が目標流量に近づくように発電機（12）が制御される。ここで、このような発電機（12）の制御が行われる際、落差調整手段（21）によって水車（11）の運転点が第１範囲内になるように、水車（11）の有効落差が調節される。これにより、水車（11）の運転点が適切な運転領域から外れてしまったとしても、この運転点を速やかに適切な運転領域へ戻すことができる。水車（11）の有効落差が調節されると、水車（11）の流量も変化する。しかし、上記の流量制御を行うことで、水車（11）の流量が目標流量へと収束していく。

　　第２の態様は、第１の態様において、前記制御部（40）は、前記水車（11）の有効落差が前記第１範囲の上限値より大きいことを示す条件が成立すると、前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を減らす、前記落差調節制御としての第１制御を行うことを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、水車（11）の有効落差が第１範囲の上限値より大きいことを示す条件が成立すると、水車（11）の運転点が、いわゆるキャビテーション領域に至ったと判断し、水車（11）の有効落差を減らす第１制御が行われる。これにより、水車（11）の運転点をキャビテーション領域から適切運転領域へ戻すことができる。

　　第３の態様は、第２の態様において、前記制御部（40）は、前記第１制御を実行した後、前記水車（11）の有効落差が前記第１範囲の上限値よりも小さな所定の閾値よりも大きいことを示す条件が成立すると、前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を更に減らすことを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、第１制御により、水車（11）の運転点がキャビテーション領域から第１範囲内に至ったとしても、水車（11）の有効落差が未だ所定の閾値より大きい場合、水車（11）の有効落差が更に小さくなる。これにより、水車（11）の運転点をキャビテーション領域から適切運転領域へ確実に戻すことができる。また、水車（11）の運転点がキャビテーション領域と適切運転領域との間でハンチングしてしまうことを回避できる。

　　第４の態様は、第１乃至３の態様のいずれか１つにおいて、前記制御部（40）は、前記水車（11）の有効落差が前記第１範囲の下限値より小さいことを示す条件が成立すると、前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を増やす、前記落差調節制御としての第２制御を行うことを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、水車（11）の有効落差が第１範囲の下限値より小さいことを示す条件が成立すると、水車（11）の運転点が、いわゆる動作限界曲線上に至ったと判断し、水車（11）の有効落差を増やす第２制御が行われる。これにより、水車（11）の運転点を動作限界曲線から確実に適切運転領域へ戻すことができる。ここでいう、「動作限界曲線」とは、発電機（12）の制御（トルク値や回転数の制御）により、水車（11）の流量を調節することができなくなる運転点の境界といえる。

　　第５の態様は、第４の態様において、前記制御部（40）は、前記第２制御を実行した後、前記水車（11）の有効落差が前記第１範囲の下限値よりも大きな所定の閾値よりも小さいことを示す条件が成立すると、前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を更に増やすことを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、第２制御により、水車（11）の運転点が動作限界曲線上から第１範囲内に至ったとしても、水車（11）の有効落差が未だ所定の閾値より小さい場合、水車（11）の有効落差が更に大きくなる。これにより、水車（11）の運転点を動作限界曲線上から適切運転領域へ確実に戻すことができる。また、水車（11）の運転点が動作限界曲線と適切運転領域との間でハンチングしてしまうことを回避できる。

　　第６の態様は、第１乃至５の態様のいずれか１つにおいて、前記制御部（40）は、前記流量制御と、前記落差調節制御とを異なるタイミングで実行させることを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、流量制御と落差調節制御とが異なるタイミングで実行される。仮に両者の制御が同じタイミングで実行されると、水車（11）の運転点がハンチングしてしまい、水車（11）の流量が目標流量に収束するまでの時間、あるいは水車（11）の運転点が適切運転領域へ到達するまでの時間が長くなってしまう。これに対し、流量制御と落差調節制御とを異なるタイミングで実行することで、このようなハンチングを回避できる。

　　第７の態様は、第１乃至６の態様のいずれか１つにおいて、前記制御部（40）は、前記流量制御と、前記発電機（12）の発電電力が目標電力に近づくように前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を調節する発電電力制御とを協調して行うことを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、制御部（40）により、流量制御と発電電力制御とが協調して行われる。具体的に、流量制御では、水車（11）を流れる流体の流量が目標流量に近づくように発電機（12）が制御される。この流量制御により、水車（11）の流量を目標値に近づけることができる。また、発電電力制御により、落差調節手段（12）によって有効落差が調節されると、発電機（12）の発電電力を調節できる。これにより、発電機（12）の発電電力を目標発電電力に近づけることができる。このように、水車（11）の有効落差が調節されると、水車（11）の流量も変化する。しかし、上記の流量制御を行うことで、水車（11）の流量は目標流量へと収束していく。

　　第８の態様は、第７の態様において、前記制御部（40）は、前記流量制御と、前記発電電力制御とを異なるタイミングで実行させることを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、流量制御と発電電力制御とが異なるタイミングで実行される。仮に両者の制御が同じタイミングで実行されると、水車（11）の運転点がハンチングしてしまい、水車（11）の流量が目標流量に収束するまでの時間、あるいは発電機（12）の発電電力が目標発電電力に収束するまでの時間が長くなってしまう。これに対し、流量制御と発電電力制御とを異なるタイミングで実行することで、このようなハンチングを回避できる。

　　第９の態様は、第７又は８の態様において、前記制御部（40）は、前記発電電力制御において、前記発電機（12）の発電電力が最大発電電力に近づくよう前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を調節することを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、流量制御と発電電力制御とが協調して行われることで、水車（11）の流量が目標流量に収束するとともに、発電機（12）の発電電力が最大発電電力へと収束していく。

　　第１０の態様は、第１乃至９の態様のいずれか１つにおいて、前記落差調節手段（21）は、前記流路（5）に前記水車（11）と直列に配置される弁（21）で構成されることを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、落差調節手段としての弁（21）の開度が調節されることで、水車（11）の有効落差が調節される。

　　第１１の態様は、流体が流れる流路（5）に配置される水車（11）と、前記水車（11）によって駆動される発電機（12）と、前記水車（11）の流量を調節する流量調節手段（21）と、前記水車（11）の下流側の流体の圧力が目標圧力に近づくように前記発電機（12）を制御する圧力制御と、前記水車（11）の流量を第２範囲内とするように前記流量調節手段（21）によって該水車（11）の流量（Q）を調節する流量調節制御とを協調して行う制御部（40）とを備えている水力発電システムである。

　　この構成では、圧力制御と、流量調節制御とが協調して行われる。具体的に、圧力制御では、水車（11）の下流側の流体の圧力が目標圧力に近づくように発電機（12）が制御される。ここで、このような発電機（12）の制御が行われる際、流量調整手段（21）によって水車（11）の運転点が第２範囲内になるように、水車（11）の流量が調節される。これにより、水車（11）の運転点が適切な運転領域から外れてしまったとしても、この運転点を速やかに適切な運転領域へ戻すことができる。水車（11）の流量が調節されると、水車（11）の下流側の流体の圧力も変化する。しかし、上記の圧力制御を行うことで、水車（11）の圧力が目標圧力へと収束していく。

　　第１２の態様は、第１１の態様において、前記制御部（40）は、前記水車（11）の流量が前記第２範囲の下限値より小さいことを示す条件が成立すると、前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量を増やす、前記流量調節制御としての第３制御を行うことを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、水車（11）の有効落差が第２範囲の下限値より小さいことを示す条件が成立すると、水車（11）の運転点が、いわゆるキャビテーション領域に至ったと判断し、水車（11）の流量を増やす第３制御が行われる。これにより、水車（11）の運転点をキャビテーション領域から適切運転領域へ戻すことができる。

　　第１３の態様は、第１２の態様において、前記制御部（40）は、前記第３制御を実行した後、前記水車（11）の流量が前記第２範囲の下限値よりも大きな所定の閾値よりも小さいことを示す条件が成立すると、前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量（Q）を更に増やすことを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、第３制御により、水車（11）の運転点がキャビテーション領域から第２範囲内に至ったとしても、水車（11）の流量が未だ所定の閾値より小さい場合、水車（11）の流量（Q）が更に大きくなる。これにより、水車（11）の運転点をキャビテーション領域から適切運転領域へ確実に戻すことができる。また、水車（11）の運転点がキャビテーション領域と適切運転領域との間でハンチングしてしまうことを回避できる。

　　第１４の態様は、第１１乃至１３の態様のいずれか１つにおいて、前記制御部（40）は、前記水車（11）の流量が前記第２範囲の上限値より大きいことを示す条件が成立すると、前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量を減らす、前記流量調節制御としての第４制御を行うことを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、水車（11）の流量が第２範囲の上限値より大きいことを示す条件が成立すると、水車（11）の運転点が、いわゆる動作限界曲線上に至ったと判断し、水車（11）の流量を減らす第４制御が行われる。これにより、水車（11）の運転点を動作限界曲線から適切運転領域へ確実に戻すことができる。ここでいう、「動作限界曲線」とは、発電機（12）の制御（トルク値や回転数の制御）により、水車（11）の下流側の流体の圧力を調節することができなくなる運転点の境界といえる。

　　第１５の態様は、第１４の態様において、前記制御部（40）は、前記第４制御を実行した後、前記水車（11）の流量が前記第２範囲の上限値よりも小さな所定の閾値よりも大きいことを示す条件が成立すると、前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量（Q）を更に減らすことを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、第４制御により、水車（11）の運転点が動作限界曲線上から第２範囲内に至ったとしても、水車（11）の流量が未だ所定の閾値より大きい場合、水車（11）の流量が更に小さくなる。これにより、水車（11）の運転点を動作限界曲線上から適切運転領域へ確実に戻すことができる。また、水車（11）の運転点が動作限界曲線と適切運転領域との間でハンチングしてしまうことを回避できる。

　　第１６の態様は、第１１乃至１５の態様のいずれか１つにおいて、前記制御部（40）は、前記圧力制御と、前記流量調節制御とを異なるタイミングで実行させることを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、圧力制御と流量調節制御とが異なるタイミングで実行される。仮に両者の制御が同じタイミングで実行されると、水車（11）の運転点がハンチングしてしまい、水車（11）の下流側の流体の圧力が目標圧力に収束するまでの時間、あるいは水車（11）の運転点が適切運転領域へ到達するまでの時間が長くなってしまう。これに対し、圧力制御と落差調節制御とを異なるタイミングで実行することで、このようなハンチングを回避できる。

　　第１７の態様は、第１１乃至１６の態様のいずれか１つにおいて、前記制御部（40）は、前記圧力制御と、前記発電機（12）の発電電力が目標電力に近づくように前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量を調節する発電電力制御とを協調して行うことを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、制御部（40）により、圧力制御と発電電力制御とが協調して行われる。具体的に、圧力制御では、水車（11）の下流側の流体の圧力が目標圧力に近づくように発電機（12）が制御される。この圧力制御により、流体の圧力を目標値に近づけることができる。また、発電電力制御により、流量調節手段（21）によって水車（11）の流量が調節されると、発電機（12）の発電電力を調節できる。これにより、発電機（12）の発電電力を目標発電電力に近づけることができる。このように、水車（11）の流量が調節されると、水車（11）の下流側の流体の圧力も変化する。しかし、上記の圧力制御を行うことで、この流体の圧力は目標圧力へと収束していく。

　　第１８の態様は、第１７の態様において、前記制御部（40）は、前記圧力制御と、前記発電電力制御とを異なるタイミングで実行させることを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、圧力制御と発電電力制御とが異なるタイミングで実行される。仮に両者の制御が同じタイミングで実行されると、水車（11）の運転点がハンチングしてしまい、水車（11）の下流側の流体の圧力が目標圧力に収束するまでの時間、あるいは発電機（12）の発電電力が目標発電電力に収束するまでの時間が長くなってしまう。これに対し、圧力制御と発電電力制御とを異なるタイミングで実行することで、このようなハンチングを回避できる。

　　第１９の態様は、第１７又は１８の態様において、前記制御部（40）は、前記発電電力制御において、前記発電機（12）の発電電力が最大発電電力に近づくよう前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量を調節することを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、圧力制御と発電電力制御とが協調して行われることで、水車（11）の下流側の流体の圧力が目標圧力に収束するとともに、発電機（12）の発電電力が最大発電電力へと収束していく。

　　第２０の態様は、第１１乃至１９の態様のいずれか１つにおいて、前記流量調節手段（21）は、前記流路（5）に前記水車（11）と直列に配置される弁（21）で構成されることを特徴とする水力発電システムである。

　　この構成では、流量調節手段としての弁（21）の開度が調節されることで、水車（11）の有効落差が調節される。

　　第１の態様によれば、水車（11）の流量を目標流量に近づける流量制御と、水車（11）の運転点を適切運転領域に戻すように水車（11）の有効落差を調節する落差調節制御とを協調して行っている。このため、水車（11）の流量を目標流量に維持しつつ、水車（11）の運転点が適切な運転領域から外れてしまうことを抑制できる。

　　第１１の態様によれば、水車（11）の下流側の流体の圧力を目標圧力に近づける圧力制御と、水車（11）の運転点を適切運転領域に戻すように水車（11）の流量を調節する流量調節制御とを協調して行っている。このため、水車（11）の下流側の流体の圧力を目標圧力に維持しつつ、水車（11）の運転点が適切な運転領域から外れてしまうことを抑制できる。

　　第２及び第１２の態様によれば、水車（11）の運転点がキャビテーション領域に留まってしまうことを抑制できる。特に第３及び第１３の態様によれば、水車（11）の運転点がキャビテーション領域と適切運転領域の間でハンチングすることを抑制できる。

　　第４及び第１４の態様によれば、水車（11）の運転点が動作限界曲線上に留まってしまうことを抑制できる。特に第５及び第１５の態様によれば、水車（11）の運転点が動作限界曲線上と適切運転領域の間でハンチングすることを抑制できる。

　　第６及び第１６の態様によれば、水車（11）の運転点のハンチングを回避しつつ、水車（11）の運転点を確実に通常の適切運転領域へ戻すことができる。

　　第７の態様によれば、水車（11）の流量、及び発電機（12）の発電電力の双方を所望とする目標値に近づけることができる。

　　第１７の態様によれば、水車（11）の下流側の流体の圧力、及び発電機（12）の発電電力の双方を所望とする目標値に近づけることができる。

　　第８の態様によれば、水車（11）の運転点のハンチングを回避でき、流量制御及び発電電力制御の収束性を向上できる。

　　第１８の態様によれば、水車（11）の運転点のハンチングを回避でき、圧力制御及び発電電力制御の収束性を向上できる。

　　第９及び第１９の態様によれば、発電機（12）で最大の発電電力を得ることができる。

図１は、実施形態１の水力発電システムの管路系を含む全体の概略構成図である。図２は、水力発電システムの電力系統図である。図３は、水力発電システムの特性マップを表したグラフである。図４は、水力発電システムの運転動作の基本フロー図である。図５は、水車の運転点がキャビテーション領域に推移してしまう第１の例を説明するための特性マップである。図６は、水車の運転点がキャビテーション領域に推移してしまう第２の例を説明するための特性マップである。図７は、第１制御と流量制御とを協調して行う動作を説明するための特性マップである。図８は、水車の運転点が動作限界曲線上に推移してしまう例を説明するための特性マップである。図９は、第２制御と流量制御とを協調して行う動作を説明するための特性マップである。図１０は、流量／発電電力協調制御の基本フロー図である。図１１は、初回の流量／発電電力協調制御の一部のフロー図である。図１２は、ＭＰＰＴ制御における水車の運転点と推移を説明するための特性マップである。図１３は、ＭＰＰＴ制御における発電電力と電動弁開度の推移を説明するためのグラフである。図１４は、実施形態１の変形例に係る水力発電システムの第１及び第２制御限界曲線を説明するための特性マップである。図１５は、実施形態１の変形例に係る水力発電システムの運転動作の基本フロー図である。図１６は、実施形態２の図２に相当する図である。図１７は、実施形態２の運転動作の基本フロー図である。図１８は、実施形態２における、第３制御と圧力制御とを協調して行う動作を説明するための特性マップである。図１９は、実施形態２における、第４制御と圧力制御とを協調して行う動作を説明するための特性マップである。図２０は、圧力／発電電力協調制御の基本フロー図である。図２１は、初回の圧力／発電電力協調制御の一部のフロー図である。図２２は、実施形態２の変形例に係る水力発電システムの第３及び第４制御限界曲線を説明するための特性マップである。図２３は、実施形態２の変形例に係る水力発電システムの運転動作の基本フロー図である。図２４は、その他の実施形態の水力発電システムの管路系を含む全体の概略構成図である。

　　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

　《発明の実施形態１》
　　図１に示すように、本発明の実施形態１に係る水力発電システム（10）は、例えば上水道（1）に適用される。上水道（1）には、貯留槽（2）と、該貯留槽（2）の下流側に設けられた受水槽（3）と、貯留槽（2）及び受水槽（3）を繋ぐ管路（5）(流路)とが設けられる。管路（5）は、落差を有して水が流れる水路である。管路（5）は、水力発電システム（10）の水車（11）の上流側の流入側配管（6）と、該水車（11）の下流側の流出側配管（7）とを有している。流入側配管（6）は、貯留槽（2）と水車（11）とに繋がり、流出側配管（7）は、水車（11）と受水槽（3）に繋がっている。

　　図１に示すように、本実施形態の水力発電システム（10）は、水車（11）、発電機（12）、電動弁（21）、流量計（22）、第１圧力センサ（23）、及び第２圧力センサ（24）を備えている。図２に示すように、水力発電システム（10）は、発電機コントローラ（40）、及び系統連系インバータ（30）を備えている。

　〈水車〉
　　水車（11）は、管路（5）の途中に配置されている。水車（11）は、ケーシングと、該ケーシングに収容される羽根車とを備える（図示省略）。羽根車には、渦巻きポンプに備えるインペラが流用されている。羽根車の中心部には回転軸（13）が固定されている。水車（11）では、ケーシングの流体流入口からの水流によりインペラが回転し、これに伴い回転軸（13）が回転駆動される。

　〈発電機〉
　　発電機（12）は、水車（11）の回転軸（13）に連結される。水車（11）の回転軸（13）が回転すると、発電機（12）が駆動され発電を行う。本実施形態の発電機（12）は、永久磁石埋込型のロータと、コイルを有したステータとを備えている（図示省略）。図２に示すように、発電機（12）の発電電力はＡＣ／ＤＣコンバータ（41）及び系統連系インバータ（30）を介して電力系統（8）（商用電源）へ供給される。

　〈管路の他の機器〉
　　流入側配管（6）には、上流から下流に向かって順に、電動弁（21）、流量計（22）、及び第１圧力センサ（23）が接続される。電動弁（21）は、モータにより弁体を駆動することで、管路（5）の圧力を調節する。つまり、電動弁（21）は、圧力調節弁を構成している。電動弁（21）の開度が調節されると、水車（11）の有効落差（H）が変化する。つまり、電動弁（21）は、水車（11）の有効落差（H）を調節する落差調節手段を構成している。

　　流量計（22）は、水車（11）を流れる水の流量（Q）を検出する。第１圧力センサ（23）は、水車（11）の流入部に配置され、水車（11）に流入する水の圧力を検出する。流出側配管（7）には、第２圧力センサ（24）が接続される。第２圧力センサ（24）は、水車（11）の流出部に配置され、水車（11）から流出する水の圧力を検出する。

　<系統連系インバータ>
　　系統連系インバータ（30）は、インバータ部を構成する複数のスイッチング素子を備える。系統連系インバータ（30）には、発電機コントローラ（40）からの直流電力が入力される。複数のスイッチング素子をスイッチングすることで、直流電力が交流電力に変換される。系統連系インバータ（30）が生成した交流電力は、電力系統（8）に供給（逆潮流）される。

　〈発電機コントローラ〉
　　図２に示すように、発電機コントローラ（40）（制御部）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（41）と、発電機制御部（50）と、電動弁制御部（60）とを備えている。

　〈ＡＣ／ＤＣコンバータ〉
　　ＡＣ／ＤＣコンバータ（41）は、複数のスイッチング素子を備え、発電機（12）によって発電された電力（交流電力）をスイッチングして直流電力に変換する。ＡＣ／ＤＣコンバータ（41）の出力は、平滑コンデンサ（図示を省略）によって平滑化され、系統連系インバータ（30）に出力される。

　〈発電機制御部〉
　　実施形態１では、発電機制御部（50）は、水車（11）を流れる水の流量（Q）を目標流量に近づける流量制御を行う。ここで、この目標流量は、例えば管路（5）からの水が供給される供給対象の要求によって定められる。発電機コントローラ（40）には、この目標流量に相当する流量指令値（Q*）が入力される。

　　発電機制御部（50）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのプログラムが格納されたメモリディバイスとを用いて構成されている。発電機制御部（50）は、流量制御器（51）、トルク制御器（52）、及びＰＷＭ制御器（53）を備えている。

　　流量制御器（51）には、流量計（22）で検出した水の流量（Q）と、目標流量である流量指令値（Q*）とが入力される。ここで、流量指令値（Q*）は、上述した目標流量に対応している。流量制御器（51）は、流量（Q）を流量指令値（Q*）に収束させるためのトルク指令値（T*）を算出する。

　　トルク制御器（52）には、発電機（12）の制御目標となるトルク指令値（T*）が入力される。トルク制御器（52）は、トルク指令値（T*）に従い電圧指令値を算出する。

　　ＰＷＭ制御器（53）は、トルク制御器（52）から出力された電圧指令値に基づいて、ＡＣ／ＤＣコンバータ（41）のスイッチング素子をＰＷＭ制御する。これにより、流量（Q）が流量指令値（Q*）に収束する。

　〈電動弁制御部〉
　　電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を制御する。具体的には、電動弁制御部（60）は、水車（11）の有効落差（H）を第１範囲内とするように電動弁（21）により水車（11）の有効落差（H）を調節する落差調節制御を行う。実施形態１では、第１範囲は、適切運転領域となるように設定している。ここで、落差調節制御は、第１制御と、第２制御とを含む。第１制御は、水車（11）の運転点をキャビテーション領域から適切運転領域へ戻すための制御である。具体的に、第１制御では、水車（11）の有効落差（H）が第１範囲の上限値（第１閾値(Hoptmax1）)より大きい場合に、有効落差（H）を減らすように電動弁（21）の開度を小さくする。第２制御は、水車（11）の運転点を動作限界曲線上から適切運転領域へ戻すための制御である。具体的に、第２制御では、水車（11）の有効落差（H）が第１範囲の下限値（第２閾値（Hoptmin1））より小さい場合に、有効落差（H）を増やすように電動弁（21）の開度を大きくする。

　　また、電動弁制御部（60）は、発電機（12）の発電電力が目標発電電力に近づくように電動弁（21）により水車（11）の有効落差（H）を調節する発電電力制御を行う。本実施形態の発電電力制御では、発電機（12）の最大発電電力が目標発電電力となる。より詳細に、本実施形態の発電電力制御では、いわゆるＭＰＰＴ制御（山登り法）により、発電機（12）の発電電力が最大発電電力を目指すように電動弁（21）の開度が制御される。これらの制御動作の詳細は後述する。

　　電動弁制御部（60）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのプログラムが格納されたメモリディバイスとを用いて構成されている。電動弁制御部（60）は、ＭＰＰＴ制御部（61）、落差演算器（62）、落差判定部（63）、及び電動弁制御器（64）を備えている。

　　ＭＰＰＴ制御部（61）には、発電機（12）の発電電力（P）が入力される。ＭＰＰＴ制御部（61）は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を行うための制御部である。ＭＰＰＴ制御部（61）は、発電電力（P）に基づいて電動弁（21）の開度の制御要否を判断し、この判断結果に対応する指令値を出力する。

　　ここで、発電機（12）の発電電力（P）は、例えば発電機（12）の電流値及び電圧値や、ＡＣ／ＤＣコンバータ（41）の出力電力や、系統連系インバータ（30）の出力電力から求められる。また、発電電力（P）は、例えば電力系統（8）側の電力計で検出した瞬時電力値から取得することもできる。更に、発電電力（P）は、例えば水車（11）の運転点と発電電力との関係を示す関係式や、これらの関係が記憶されたデータ（例えば詳細は後述する特性マップ（M））を用いて求めることができる。

　　落差演算器（62）には、第１圧力センサ（23）で検出した水車（11）の流入側の水の圧力（第１圧力値）と、第２圧力センサ（24）で検出した水車（11）の流出側の水の圧力（第２圧力値）とが入力される。落差演算器（62）は、これらの圧力値の差から水車（11）の有効落差（H）（図１を参照）を求める。

　　落差判定部（63）は、落差演算器（62）から出力された有効落差（H）と、流量（Q）とに基づいて、電動弁（21）の制御要否を判断し、この判断結果に対応する指令値を出力する。

　　電動弁制御器（64）は、ＭＰＰＴ制御部（61）から出力された指令値、及び落差判定部（63）から出力された指令値に基づいて、電動弁（21）の開度を調節する。

　〈水力発電システムの運転パラメータ〉
　　水力発電システム（10）の運転パラメータ、及びこれらの関係について図３を参照しながら詳細に説明する。図３に示すグラフ（特性マップ（M）ともいう）は、縦軸が水車（11）の有効落差（H）、横軸が水車（11）を流れる流量（Q）を示している。ここで、水車（11）での有効落差（H）は、貯留槽（2）の液面から受水槽（3）の液面までの間の総落差（Ho）から、貯留槽（2）の水が管路（5）を経て受水槽（3）に至るまでの管路抵抗に相当する落差を減じたものである。

　　有効落差（H）と流量（Q）との関係は、図３に示す流動抵抗特性線（システムロスカーブ（S）ともいう）で表すことができる。システムロスカーブ（S）は、流量（Q）＝０のときの有効落差（H）が総落差（Ho）であり、流量（Q）の増大に応じて有効落差（H）が二次曲線的に減少する特性を持つ。システムロスカーブ（S）の曲率は、図１の管路（5）に固有の値を持つ。水力発電システム（10）を含む管路（5）における流量（Q）とその際の有効落差（H）とは、システムロスカーブ（S）上の点に対応する。即ち、水車（11）の流量（Q）と有効落差（H）に対応する点（水車（11）の運転点）は、常にシステムロスカーブ（S）上にある。

　　図３の特性マップ（M）においては、水車（11）における流量（Q）と有効落差（H）とに相関する特性として、発電機（12）のトルク値（T）、発電機（12）の回転数（回転速度）（N）、発電機（12）の発電電力（P）を表している。

　　特性マップ（M）では、発電機（12）のトルク値（T）が０の曲線（無拘束曲線（T=0）という）と、発電機（12）の回転数（N）が０又は所定の最低回転数となる曲線（動作限界曲線という）との間に、水車（11）が水流により回転可能な領域（水車領域ないし運転可能領域という）が形成される。図３において、無拘束曲線よりも左側の領域は、水車ブレーキ領域（力行領域）である。

　　水車領域において、複数の等トルク曲線は無拘束曲線に沿い、特性マップ（M）上、流量（Q）の増大に応じてトルク値（T）も増大する。また、複数の等回転速度曲線は動作限界曲線に沿い、有効落差（H）が大きくなるほど回転数（N）も上昇する。システムロスカーブ（S）上においては、流量（Q）の減少に応じてトルク値（T）が減少する。また、システムロスカーブ（S）上においては、流量（Q）の増大に応じて回転数（N）が減少する。破線で示した等発電電力曲線は下に凸な曲線であって、有効落差（H）及び流量（Q）の増大に応じて発電電力（P）も増大する。

　　以上のような特性マップ（M）の各パラメータの関係は、テーブル（数表）や、プログラム内の数式（関数）という形でメモリディバイスに格納可能である。従って、発電機コントローラ（40）は、特性マップ（M）で表される各パラメータの関係を利用することで、各種の演算や制御が可能である。

　－運転動作－
　　水力発電システム（10）の運転動作について説明する。

　〈基本フロー〉
　　まず水力発電システム（10）の基本的な運転動作について図４を参照しながら説明する。図４において、水力発電システム（10）の運転が開始されると、水車（11）の流量（Q）を目標流量に近づける流量制御が行われる（ステップSt1）。即ち、流量制御では、発電機制御部（50）により、現在の流量（Q）と流量指令値（Q*）とからトルク指令値（T*）が算出される。ＰＷＭ制御器（53）は、トルク制御器（52）が算出した電圧指令値に基づいてＡＣ／ＤＣコンバータ（41）のスイッチング素子を制御することで、水車（11）ないし管路（5）の流量（Q）が流量指令値（Q*）に近づく。

　　次いで、ステップSt2では、落差演算器（62）により、水車（11）の有効落差（H）が検出される。ステップSt3では、有効落差（H）と第１閾値（Hoptmax1）とが比較される。ここで、第１閾値（Hoptmax1）は、水車（11）の運転点がキャビテーション領域に至っているか否かを判断するための判定値であって、第１範囲の上限値である。ステップSt3において、有効落差（H）が第１閾値（Hoptmax1）よりも大きい場合、水車（11）の運転点がキャビテーション領域にあると判断され、ステップSt5へ移行し、電動弁（21）の開度を所定開度小さくする（第１制御）。つまり、第１制御では、水車（11）の有効落差（H）が低減される。ステップSt3において、有効落差（H）が第１閾値（Hoptmax1）よりも小さい場合、ステップSt4へ移行する。

　　ステップSt4では、有効落差（H）と第２閾値（Hoptmin1）とが比較される。ここで、第２閾値（Hoptmin1）は、水車（11）が動作限界曲線上に至ったか否かを判断するための判定値であって、第１範囲の下限値である。ステップSt4において、有効落差（H）が第２閾値（Hoptmin1）よりも小さい場合、水車（11）の運転点が動作限界曲線上に至ったと判断され、ステップSt6へ移行し、電動弁（21）の開度を所定開度大きくする（第２制御）。つまり、第２制御では、水車（11）の有効落差（H）が増大される。ステップSt4において、有効落差（H）が第２閾値（Hoptmin1）よりも大きい場合、ステップSt7へ移行し、発電電力／流量協調制御が実行される。

　　なお、ステップSt5及びSt6において電動弁（21）の開度が調節される際には、流量制御が行われず、発電機（12）のトルク値が制御されることもない。つまり、ステップSt1の流量制御は、電動弁（21）の開度の調節が終了してから実行される。

　〈第１制御〉
　　第１制御は、水車（11）内部でのキャビテーションの発生を防止するための制御である。このキャビテーションに係る課題、及びそれを解消するための制御について図５～９を参照しながら詳細に説明する。

　　例えば図５に示すように、水車（11）の運転領域は、キャビテーションが生じうる領域（キャビテーション領域という）と、キャビテーションが発生せず通常の運転が行われる領域（適切運転領域という）とがある。ここで、キャビテーションとは、水車の内部で流体が加速されることに起因し、流体の圧力が飽和蒸気圧近くまで低下し、多数の蒸気泡が発生する現象（空洞現象）である。キャビテーションの発生に伴い多数の蒸気泡が発生し、その後これらの蒸気泡が消滅する際には、局所的に数万気圧という極めて高い圧力が発生する。この結果、水車（11）の性能の低下、水車（11）の表面の壊食、振動や騒音の発生等の不具合を招いてしまう。

　　図５において、キャビテーション領域と適切運転領域の境界をキャビテーション境界という。このキャビテーション境界は、臨界キャビテーション係数を用いた関係式により導出することができる。

　　図５は、上述した流量制御により、水車（11）の運転点がキャビテーション領域に至ってしまった一例である。つまり、上述した流量制御では、水車（11）の流量（Q）が所定の流量指令値（Q*）を目指すように発電機（12）の制御が行われる。例えばこの流量指令値が図５のQa*である場合、水車（11）の運転点はａ点に収束することになる。一方、管路（5）の目標流量が更に小さくなり、流量指令値が図５のQa*からQb*まで小さくなったとする。この場合、システムロスカーブ（S）上を動く水車（11）の運転点は図５のａ点からｂ点に移動する。これにより、水車（11）の運転点が適切運転領域からキャビテーション領域に至ってしまう。

　　また、図６は、水車（11）の運転点がキャビテーション領域に至ってしまった他の一例である。上述した流量制御において、水車（11）の流量（Q）が流量指令値（Q*）に収束しているとする。この際、システムロスカーブが図６のSである場合、水車（11）の運転点は図６のａ点となる。この状態から、例えば貯留槽（2）の水位が上昇する、あるいは受水槽（3）の水位が低下すると、管路（5）の総落差（Ho）が図６のHoからHo’へと増大する。この結果、システムロスカーブも図６のSからS’へと上方へシフトし、水車（11）の運転点が図６のａ点からｃ点に移動する。これにより、水車（11）の運転点が適切運転領域からキャビテーション領域に至ってしまう。

　　そこで、本実施形態では、このようなキャビテーションの発生を防止するために、第１制御が行われる。具体的には、例えば図７に示すように、システムロスカーブがS1、流量指令値がQ*である状態において、水車（11）の運転点（ｄ点）がキャビテーション領域に至ってしまったとする。この場合、図４のステップSt2で検出される有効落差（H）は、図７のH(d)となる。次いで、ステップSt3では、有効落差H(d)と第１閾値（Hoptmax1）との大小比較が行われる。ここで、第１閾値（Hoptmax1）は、図７に示すように、キャビテーション境界を示す曲線と流量指令値（Q*）との交点に対応する有効落差であり、特性マップ（M）や、キャビテーション境界、流量、及び有効落差の関係を表す式やテーブルから求めることができる。即ち、第１閾値（Hoptmax1）は、流量指令値（Q*）に応じて変化する変数である。

　　図７の例では、水車（11）の運転点がｄ点にあるときに、有効落差（H）が第１閾値（Hoptmax1）より大きいため、ステップSt5へ移行する。これにより、電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を所定開度小さくする（第１制御）。電動弁（21）の開度が所定開度小さくなると、管路（5）の抵抗に相当する落差が大きくなり、ひいては水車（11）の有効落差（H）が小さくなる。また、これに伴い管路（5）ないし水車（11）の流量も小さくなる。この結果、水車（11）の運転点は、例えばｄ点からｅ点へと推移する。

　　ステップSt5の後には、ステップSt1へ移行し、再び流量制御が実行される。上述のように、電動弁（21）の開度が小さくなり、水車（11）の運転点がｅ点に至ることで、水車（11）の流量（Q）が流量指令値（Q*）よりも小さくなってしまう。しかし、第１制御の後、流量制御が行われることで、水車（11）の運転点がシステムロスカーブS2上を移動し、水車（11）の流量（Q）が流量指令値（Q*）へ再び収束する。これにより、水車（11）の運転点が図７のｅ点からｆ点に移動する。

　　再びステップSt3へ移行すると、ｆ点の水車（11）の有効落差（H）は、未だ第１閾値（Hoptmax1）よりも大きい。従って、ステップSt5へ移行し、電動弁（21）の開度が所定開度小さくなる。この結果、水車（11）の有効落差（H）及び流量（Q）が更に小さくなり、水車（11）の運転点がｇ点に至る。

　　再びステップSt1へ移行し流量制御が行われると、水車（11）の運転点がシステムロスカーブS3上を移動し、水車（11）の流量（Q）が流量指令値（Q*）へ再び収束する。これにより、水車（11）の運転点が図７のｇ点からｈ点に移動する。

　　再びステップSt3へ移行すると、ｇ点の水車（11）の有効落差（H）は、第１閾値（Hoptmax1）よりも小さい。このため、ステップSt5には移行せず、第１制御は行われない。

　　以上のように、本実施形態では、水車（11）の運転点がキャビテーション領域にあることを示す条件（第１条件）が成立すると電動弁（21）の開度を小さくする（即ち、有効落差（H）を減らす）第１制御と、水車（11）の流量（Q）を目標流量に近づける流量制御とが協調して実行される。これにより、水車（11）の運転点を適切運転領域に戻すことができるとともに、水車（11）の流量（Q）を流量指令値（Q*）に収束させることができる。また、図４や図７に示すように、第１制御と流量制御とは、互いに異なるタイミングで交互に実行される。仮に第１制御と流量制御とを同じタイミングで実行すると、水車（11）の運転点がハンチングしてしまい、該運転点を速やかに適切運転領域かつ流量指令値（Q*）へ収束させることができない。これに対し、本実施形態では、第１制御と流量制御の実行の開始のタイミングを互いにずらしているため、水車（11）の運転点の制御性が向上し、該運転点を速やかに適切運転領域かつ流量指令値（Q*）に収束させることができる。

　　なお、第１制御では、有効落差（H）が第１閾値（Hoptmax1）よりも大きいことを、水車（11）の運転点がキャビテーション領域であることを判断する第１条件としているが、他の判定方法を第１条件としてもよい。

　〈第２制御〉
　　第２制御は、水車（11）の運転点が動作限界曲線上に留まってしまうことを回避するための制御である。この動作限界曲線に係る課題、及びそれを解消するための制御について図８及び図９を参照しながら説明する。

　　動作限界曲線は、発電機（12）の回転数が０又は所定の最低回転数に至ることに起因して、発電機（12）により、水車（11）の流量（Q）を流量指令値（Q*）に制御できなくなる運転点の境界である。このため、水車（11）の運転点が動作限界曲線に至ってしまうと、その後は、流量制御を継続して実行できなくなってしまう。

　　例えば図８は、水車（11）の運転点が動作限界曲線上に至ってしまった一例である。上述した流量制御において、水車（11）の流量（Q）が流量指令値（Q*）に収束しているとする。この際、システムロスカーブが図８のSである場合、水車（11）の運転点は図８のａ点となる。この状態から、例えば貯留槽（2）の水位が低下する、あるいは受水槽（3）の水位が上昇すると、管路（5）の総落差（Ho）が減少し、この総落差が図８のHoからHo’へ低下する。この結果、システムロスカーブも図8のSからS’へと下方へシフトし、水車（11）の運転点がａ点からｃ点へ移動しようとする。ところが、水車（11）の有効落差（H）の低下に伴い水車（11）の運転点が動作限界曲線上（ｂ点）に至ると、もはや水車（11）の流量（Q）を流量指令値（Q*）に制御できなくなる。この結果、この例では、水車（11）の運転点が動作限界曲線上を左下へ移動する。この結果、水車（11）の運転点は、ｂ点からｃ点ではなく、ｂ点からｄ点へ移動する。

　　この状態では、水車（11）の流量（Q）が流量指令値（Q*）よりも小さくなってしまうため、目標流量を満たすことができない。また、水車（11）の運転点がｄ点にある場合、これ以上、水車（11）の流量を増大方向へ調整できない。このため、このままでは流量制御により、水車（11）の流量（Q）を流量指令値（Q*）へ収束させることができない。そこで、本実施形態では、水車（11）の運転点が動作限界曲線上に留まってしまうことを回避するために、第２制御が行われる。

　　具体的には、例えば図９に示すように、水車（11）の運転点が動作限界曲線上のｄ点に至ってしまったとする。この場合、図４のステップSt2で検出される有効落差（H）は、図９のH(d)となる。ステップSt3では、有効落差H(d)が第１閾値（Hoptmax1）より低いため、ステップSt4へ移行する。ステップSt4では、有効落差H(d)と第２閾値（Hoptmin1）との大小比較が行われる。ここで、第２閾値（閾値）（Hoptmin1）は、図９に示すように、動作限界曲線と流量指令値（Q*）との交点に対応する有効落差であり、特性マップ（M）や、動作限界曲線、流量、及び有効落差の関係を表す式やテーブルから求めることができる。即ち、第２閾値（Hoptmin1）は、流量指令値（Q*）に応じて変化する変数である。

　　図９の例では、水車（11）の運転点がｄ点であるときには、有効落差（H）が第２閾値（Hoptmin1）より小さいため、ステップSt6へ移行する。これにより、電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を所定開度大きくする（第２制御）。電動弁（21）の開度が所定開度大きくなると、管路（5）の抵抗に相当する落差が小さくなり、ひいては水車（11）の有効落差（H）が大きくなる。また、これに伴い管路（5）ないし水車（11）の流量も大きくなる。この結果、水車（11）の運転点が動作限界曲線よりも上側の適切運転領域へ戻る（例えば図９の運転点ｅ）。その後、ステップSt1へ戻り流量制御が行われると、水車（11）の運転点はシステムロスカーブS2上を移動し、流量（Q）が流量指令値（Q*）に調節される。これにより、水車（11）の運転点が図９のｆ点へ移動する。ｆ点の水車（11）の有効落差（H）は第２閾値（Hoptmin1）よりも大きいため、その後に第２制御は実行されない。

　　以上のように、本実施形態では、水車（11）の運転点が動作限界曲線上にあることを示す条件（第２条件）が成立すると電動弁（21）の開度を大きくする（即ち、有効落差（H）を増やす）第２制御と、水車（11）の流量を目標流量に近づける流量制御とが協調して実行される。これにより、水車（11）の運転点を適切運転領域に戻すことができるとともに、水車（11）の流量（Q）を流量指令値（Q*）に収束させることができる。また、図４及び図９に示すように、第２制御と流量制御とは、互いに異なるタイミングで交互に実行される。仮に第２制御と流量制御とを同じタイミングで実行すると、水車（11）の運転点がハンチングしてしまい、該運転点を速やかに適切運転領域かつ流量指令値（Q*）へ収束させることができない。これに対し、本実施形態では、第２制御と流量制御の実行の開始のタイミングを互いにずらしているため、水車（11）の運転点の制御性が向上し、該運転点を速やかに適切運転領域かつ流量指令値（Q*）に収束させることができる。

　　なお、第２制御では、有効落差（H）が第２閾値（Hoptmin1）よりも小さいことを、水車（11）の運転点が動作限界曲線上にあることを判断する第２条件としているが、他の判定方法を第２条件としてもよい。

　〈発電電力／流量協調制御〉
　　図４において、有効落差（H）が第１閾値（Hoptmax1）と第２閾値（Hoptmin1）との間にあり、水車（11）の運転点が適切運転領域にあると判断されると、ステップSt7に移行し、発電電力／流量協調制御が行われる。この発電電力／流量協調制御について、図１０～図１３を参照しながら説明する。

　　図１０に示すように、発電電力／流量協調制御は、上述した流量制御と、ＭＰＰＴ制御（発電電力制御）とを協調して行う制御である。図１０のステップSt11において、発電電力／流量協調制御の初回の動作であるか否かの判定が行われる。初回動作である場合、Ｂ（図１１のステップSt21）へ移行する。ステップSt21では、発電電力（P）及び流量（Q）が検出される。発電電力（P）及び流量（Q）の検出方法は、上述の通りである。次いで、ステップSt22において、電動弁（21）の開度が１００％（全開）である場合、電動弁（21）の開度を所定開度小さくし、そうでない場合、電動弁（21）の開度を大きくする。その後、再び図４のステップSt1へ戻る。

　　Ｂの動作を経た後には、ステップSt11からステップSt12へ移行し、発電電力（P）及び流量（Q）が検出される。

　　次いでステップSt13～St16において、今回検出した発電電力と、その前の回に検出した発電電力との差ΔＰ、及び今回の電動弁（21）の開度と、その前の回の電動弁（21）の開度との差Δαの大小関係について、それぞれ判定が行われる。なお、初回のＭＰＰＴ制御では、図１１のステップSt21で検出された発電電力（P）及び流量（Q）が前回の値となり、図１０のステップSt12で検出された発電電力（P）及び流量（Q）が今回の値となる。そして、これらの結果に基づいて、発電電力（P）が増大するように電動弁（21）の開度が調節される。

　　具体的には、ステップSt13において、１）ΔＰが０以上且つΔαが０より大きい場合、又は２）ΔＰが０より小さく且つΔαが０より小さい場合、電動弁（21）の開度を大きくすることで発電電力（P）を増大できると判断できる。従って、この場合には、電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を所定開度α大きくする（ステップSt15）。

　　また、ステップSt14において、３）ΔＰが０以上且つΔαが０より小さい場合、あるいは４）ΔＰが０より小さく且つΔαが０より大きい場合、電動弁（21）の開度を小さくすることで発電電力（P）を増大できると判断できる。従って、この場合には、電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を所定開度α小さくする（ステップSt16）。

　　このようにして電動弁（21）の開度が調節されると、図４のステップSt1へ再び戻り、流量制御が行われる。ＭＰＰＴ制御により、電動弁（21）の開度が調節されると、水車（11）の流量が変化する。しかし、この流量制御により、水車（11）の流量（Q）を速やかに流量指令値（Q*）に収束させることができる。その後、発電電力（P）及び流量（Q）が再び検出され（ステップSt12）、その後、再びＭＰＰＴ制御が行われ電動弁（21）の開度が調節される。なお、ステップSt15及びステップSt16における電動弁（21）の開度の制御では、流量制御が行われず、発電機（12）のトルク値が制御されることもない。つまり、ステップSt1の流量制御は、電動弁（21）の開度の調節が終了してから実行される。

　　ＭＰＰＴ制御では、このようなステップが繰り返されることで、発電電力（P）が最大発電電力へ収束していくとともに、水車（11）の流量（Q）が流量指令値（Q*）へ収束していく。この動作について図１２及び図１３を参照しながら更に詳細に説明する。

　　例えば水車（11）の運転点がａ点にあったとする。この場合、水車（11）の流量（Q）は流量指令値（Q*）に収束しているが、発電電力（P）は最大発電電力にまで至っていない。このような状態から、ＭＰＰＴ制御が行われると、電動弁（21）の開度がα大きくなる。その後、流量制御が行われ、水車（11）の流量（Q）が流量指令値（Q*）に収束し、水車（11）の運転点がｂ点に至ると、発電電力（P）が図１３のＰａからＰｂへと増大変化する。

　　図１２に示す運転点がａ点からｂ点に至るまでの動作では、Δα＞０、ΔＰ≧０が成立する。このため、次のＭＰＰＴ制御では、電動弁（21）の開度が更にα大きくなる。その後、流量制御が行われると、水車（11）の運転点がｃ点に至り、発電電力（P）が図１３のＰｂからＰｃへと増大変化する。図１２に示す運転点がｂ点からｃ点に至るまでの動作では、Δα＞０、ΔＰ≧０が成立する。このため、次のＭＰＰＴ制御では、電動弁（21）の開度が更にα大きくなる。その後、流量制御が行われると、水車（11）の運転点がｄ点に至り、発電電力（P）が図１３のＰｃからＰｄへと減少変化する。

　　図１２に示す運転点がｃ点からｄ点に至るまでの動作では、α＞０、ΔＰ＜０が成立する。このため、次のＭＰＰＴ制御では、電動弁（21）の開度がα小さくなる。その後、流量制御が行われると、水車（11）の運転点がｅ点に至り、発電電力（P）が図１３の最大発電電力に相当する点ないし領域へと収束していく。

　　以上のように、本実施形態の水力発電システム（10）では、流量制御とＭＰＰＴ制御とが協調して行われる。これにより、発電電力（P）を最大発電電力に収束させるとともに、水車（11）の流量（Q）を流量指令値（Q*）に収束させることができる。また、図１０に示すように、流量制御とＭＰＰＴ制御とは、互いに異なるタイミングで交互に実行される。仮に流量制御とＭＰＰＴ制御とを同じタイミングで実行すると、水車（11）の運転点がハンチングしてしまい、該水車（11）の運転点を速やかに最大発電電力となる運転点、ないし流量指令値（Q*）を満たす運転点へ収束させることができない。これに対し、本実施形態では、流量制御とＭＰＰＴ制御の実行の開始のタイミングを互いにずらしているため、水車（11）の運転点の制御性が向上し、該運転点を速やかに最大発電電力及び流量指令値（Q*）を満たす運転点へ収束させることができる。

　－実施形態１の効果－
　　本実施形態１では、水車（11）の運転点がキャビテーション領域にあるときに電動弁（21）の開度を小さくする第１制御と、流量制御とが協調して行われる。これにより、水車（11）の流量（Q）を目標流量に収束させつつ、水車（11）近傍でのキャビテーションの発生を確実に防止できる。

　　第１制御と、流量制御とを実行するタイミングは互いにずれている。このため、水車（11）の運転点のハンチングを回避でき、流量制御及び第１制御の収束性を向上できる。

　　水車（11）の運転点が動作限界曲線上に至るときには、電動弁（21）の開度を大きくする第２制御と、流量制御とが協調して行われる。これにより、水車（11）の流量（Q）を目標流量に収束させつつ、水車（11）の運転点が動作限界曲線に留まってしまうことを速やかに回避できる。

　　第２制御と、流量制御とを実行するタイミングは互いにずれている。このため、水車（11）の運転点のハンチングを回避でき、流量制御及び第２制御の収束性を向上できる。

　　実施形態１では、水車（11）を流れる水の流量（Q）を目標流量に近づける流量制御と、発電機（12）の発電電力（P）を目標電力に近づけるように電動弁（21）の開度を調節する発電電力制御とを協調する発電電力／流量協調制御を行っている。このため、水車（11）の流量（Q）と、発電機（12）の発電電力（P）とを所望とする目標値に近づけることができる。

　　発電電力制御では、発電電力（P）を最大発電電力に近づけるＭＰＰＴ制御を行っている。このため、発電機（12）の発電効率を向上できる。

　　流量制御と、ＭＰＰＴ制御とを実行するタイミングは互いにずれている。このため、水車（11）の運転点のハンチングを回避でき、流量制御及びＭＰＰＴ制御の収束性を向上できる。

　〈実施形態１の変形例〉
　　実施形態１の変形例は、上述した実施形態１と電動弁制御部（60）の構成が異なるものである。具体的に、変形例と上記実施形態１とでは、水車（11）の運転点がキャビテーション領域にあるときの動作、及び水車（11）の運転点が動作限界曲線上に至ったときの動作が異なる。以下には、上記実施形態１と異なる点について、図１４及び図１５を参照しながら説明する。

　　図１４に示すように、実施形態１の変形例では、適切運転領域のうちキャビテーション境界の近傍において、第１制御限界曲線が定められている。第１制御限界曲線は、キャビテーション境界に沿うように該キャビテーション境界に隣接する曲線である。また、実施形態１の変形例では、適切運転領域のうち動作限界曲線の近傍において、第２制御限界曲線が定められている。第２制御限界曲線は、動作限界曲線に沿うように該動作限界曲線に隣接する曲線である。

　　図１５に示すように、実施形態１の変形例において、水力発電システム（10）の運転が開始されると、実施形態１と同様、流量制御が行われ、水車（11）の流量（Q）が流量指令値（Q*）に収束する（ステップSt31）。次いで、有効落差（H）が検出され（ステップSt32）、有効落差（H）と第１閾値（Hoptmax1）とが比較される。

　　有効落差（H）が第１閾値（Hoptmax1）よりも大きい場合、水車（11）の運転点がキャビテーション領域にあると判断され、電動弁（21）の開度を小さくする第１制御が行われる（ステップSt34）。次いで、再び有効落差（H）が検出され（ステップSt37）、有効落差（H）と第３閾値（Hoptmax2）とが比較される（ステップSt38）。ここで、第３閾値（Hoptmax2）は、第１閾値（Hoptmax1）よりも所定の有効落差分小さい所定の閾値である。第３閾値（Hoptmax2）は、図１４に示す第１制御限界曲線と流量指令値（Q*）との交点に対応する有効落差であり、特性マップ（M）や、第１制御限界曲線、流量、及び有効落差の関係を表す式やテーブルから求めることができる。即ち、第３閾値（Hoptmax2）は、流量指令値（Q*）に応じて変化する変数である。

　　有効落差（H）が第３閾値（Hoptmax2）より大きい場合、水車（11）の運転点はキャビテーション境界と第１制御限界曲線との間の所定の領域（第１領域という）にあると判断できる。この場合、電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を更に小さくする（ステップSt39）。このようなステップSt37～St39の動作は、有効落差（H）が第３閾値（Hoptmax2）より小さくなる（即ち、水車（11）の運転点が第１領域よりも内側へ移動する）まで継続して行われる。一方、水車（11）の運転点が第１領域にある間は、水車（11）の流量制御は行われない。以上のようにして、水車（11）の運転点が第１制御限界曲線と第２制御限界曲線との間まで移動すると、実施形態１と同様、発電電力／流量協調制御が行われる。

　　また、ステップSt35において、有効落差（H）が第２閾値（Hoptmin1）よりも小さい場合、水車（11）の運転点が動作限界曲線上にあると判断され、電動弁（21）の開度を大きくする第２制御が行われる（ステップSt36）。次いで、再び有効落差（H）が検出され（ステップSt37）、有効落差（H）と第４閾値（Hoptmin2）とが比較される（ステップSt40）。ここで、第４閾値（Hoptmin2）は、第２閾値（Hoptmin1）よりも所定の有効落差分大きい所定の閾値である。第４閾値（Hoptmin2）は、図１４に示す第２制御限界曲線と流量指令値（Q*）との交点に対応する有効落差であり、特性マップ（M）や、第２制御限界曲線、流量、及び有効落差の関係を表す式やテーブルから求めることができる。即ち、第４閾値（Hoptmin2）は、流量指令値（Q*）に応じて変化する変数である。

　　有効落差（H）が第４閾値（Hoptmin2）より小さい場合、水車（11）の運転点は動作限界曲線と第２制御限界曲線との間の領域（第２領域という）にあると判断できる。この場合、電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を更に大きくする（ステップSt41）。このようなステップSt37、St40、St41の動作は、有効落差（H）が第４閾値（Hoptmin2）より大きくなる（即ち、水車（11）の運転点が第２領域よりも内側に移動する）まで継続して行われる。一方、水車（11）の運転点が第２領域にある間は、水車（11）の流量制御は行われない。以上のようにして、水車（11）の運転点が第１制御限界曲線と第２制御限界曲線との間まで推移すると、実施形態と同様、発電電力／流量協調制御が行われる。

　　以上のように、実施形態１の変形例では、水車（11）の運転点がキャビテーション領域にあると、水車（11）の運転点を第１制御限界曲線よりも内側まで移動させるため、キャビテーションの発生を確実に防止できる。この際、水車（11）の運転点が第１領域にあるときには、電動弁（21）の制御のみを行い、流量制御は行わない。このため、流量制御に起因して水車（11）の運転点がハンチングしてしまうことを回避でき、キャビテーションの発生リスクを速やかに解消できる。

　　また、実施形態１の変形例では、水車（11）の運転点が動作限界曲線上に至ると、水車（11）の運転点を第２制御限界曲線よりも内側まで移動させるため、水車（11）の運転点が動作限界曲線に留まってしまうことを確実に防止できる。この際、水車（11）の運転点が第２領域にあるときには、電動弁（21）の制御のみを行い、流量制御は行わない。このため、流量制御に起因して水車（11）の運転点がハンチングしてしまうことを回避でき、水車（11）の運転点を速やかに動作限界曲線から離すことができる。

　《発明の実施形態２》
　　実施形態２に係る水力発電システム（10）は、上記実施形態１と制御部（発電機コントローラ（40））の構成が異なる。また、実施形態２の電動弁（21）は、水車（11）の流量（Q）を調節するための流量調節手段を構成している。

　〈発電機制御部〉
　　実施形態２では、発電機制御部（50）は、水車（11）の下流側の水の圧力（p）を目標圧力に近づける圧力制御を行う。ここで、この目標圧力は、例えば管路（5）からの水が供給される供給対象の要求によって定められる。発電機コントローラ（40）には、この目標圧力に相当する圧力指令値（p*）が入力される。

　　具体的には、図１６に示すように、実施形態２の発電機制御部（50）には、実施形態１の流量制御器（51）に代わって、圧力制御器（54）が設けられる。圧力制御器（54）には、例えば第２圧力センサ（24）で検出した水の圧力（p）と、目標圧力である圧力指令値（p*）とが入力される。圧力制御器（54）は、流量（p）を圧力指令値（p*）に収束させるためのトルク指令値（T*）を算出する。

　　ＰＷＭ制御器（53）は、トルク制御器（52）から出力された電圧指令値に基づいて、ＡＣ／ＤＣコンバータ（41）のスイッチング素子をＰＷＭ制御する。これにより、圧力（p）が圧力指令値（p*）に収束する。

　〈電動弁制御部〉
　　電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を制御する。具体的には、電動弁制御部（60）は、水車（11）の流量（Q）を第２範囲内とするように電動弁（21）により水車（11）の流量（Q）を調節する流量調節制御を行う。実施形態２では、第２範囲は、適切運転領域となるように設定している。ここで、流量調節制御は、第３制御と、第４制御とを含む。第３制御は、水車（11）の運転点をキャビテーション領域から適切運転領域へ戻すための制御である。具体的に、第３制御では、水車（11）の流量（Q）が第２範囲の下限値（第５閾値（Qoptmin1））より小さい場合に、流量（Q）を増やすように電動弁（21）の開度を大きくする。第４制御は、水車（11）の運転点を動作限界曲線上から適切運転領域へ戻すための制御である。具体的に、第４制御では、水車（11）の流量（Q）が第２範囲の上限値（第６閾値（Qoptmax1））より大きい場合に、流量（Q）を減らすように電動弁（21）の開度を小さくする。

　　また、実施形態２の電動弁制御部（60）は、発電機（12）の発電電力が目標発電電力に近づくように電動弁（21）により水車（11）の流量（Q）を調節する発電電力制御を行う。

　　実施形態２の電動弁制御部（60）は、実施形態１の落差演算器（62）が落差判定部（63）に代わって、流量判定部（65）を備えている。流量判定部（65）は、落差演算器（62）から出力された有効落差（H）と、流量（Q）とに基づいて、電動弁（21）の制御要否を判断し、この判断結果に対応する指令値を出力する。

　〈基本フロー〉
　　図１７に示すように、水力発電システム（10）の運転が開始されると、水車（11）の下流側の水の圧力（p）を目標圧力に近づける圧力制御が行われる（ステップSt51）。即ち、圧力制御では、発電機制御部（50）により、現在の圧力（p）と圧力指令値（p*）とからトルク指令値（T*）が算出される。ＰＷＭ制御器（53）は、トルク制御器（52）が算出した電圧指令値に基づいてＡＣ／ＤＣコンバータ（41）のスイッチング素子を制御することで、水車（11）の下流側の圧力（p）が圧力指令値（p*）に近づく。

　　次いで、ステップSt52では、水車（11）の流量（Q）が検出される。ステップSt53では、流量（Q）と第５閾値（Qoptmin1）とが比較される。ここで、第５閾値（Qoptmin1）は、水車（11）の運転点がキャビテーション領域に至っているか否かを判断するための判定値であって、第２範囲の下限値である。より詳細に、第５閾値（Qoptmin1）は、図１８に示すように、キャビテーション境界を示す曲線と、圧力指令値（p*）に対応する有効落差（H*）との交点に対応する流量であり、特性マップ（M）や、キャビテーション境界、流量、及び有効落差の関係を表す式やテーブルから求めることができる。即ち、第５閾値（Qoptmin1）は、圧力指令値（p*）に応じて変化する変数である。

　　ステップSt53において、流量（Q）が第５閾値（Qoptmin1）よりも小さい場合、水車（11）の運転点がキャビテーション領域にあると判断され、ステップSt55へ移行し、電動弁（21）の開度を所定開度大きくする（第３制御）。つまり、第３制御では、水車（11）の流量（Q）が増大される。ステップSt53において、流量（Q）が第５閾値（Qoptmin1）よりも大きい場合、ステップSt54へ移行する。

　　ステップSt54では、流量（Q）と第６閾値（Qoptmax1）とが比較される。ここで、第６閾値（Qoptmax1）は、水車（11）が動作限界曲線上に至ったか否かを判断するための判定値であって、第２範囲の上限値である。ここで、第６閾値（Qoptmax1）は、図１９に示すように、動作限界曲線と圧力指令値（p*）に対応する有効落差（H*）との交点に対応する流量であり、特性マップ（M）や、動作限界曲線、流量、及び有効落差の関係を表す式やテーブルから求めることができる。即ち、第６閾値（Qoptmax1）は、圧力指令値（p*）に応じて変化する変数である。

　ステップSt54において、流量（Q）が第６閾値（Qoptmax1）よりも大きい場合、水車（11）の運転点が動作限界曲線上に至ったと判断され、ステップSt56へ移行し、電動弁（21）の開度を所定開度小さくする（第４制御）。つまり、第４制御では、水車（11）の流量（Q）が低減される。ステップSt54において、流量（Q）が第６閾値（Qoptmax1）よりも小さい場合、ステップSt57へ移行し、発電電力／圧力協調制御が実行される。

　　なお、ステップSt55及びSt56において電動弁（21）の開度が調節される際には、圧力制御が行われず、発電機（12）のトルク値が制御されることもない。つまり、ステップSt51の圧力制御は、電動弁（21）の開度の調節が終了してから実行される。

　〈第３制御〉
　　第３制御の詳細について、図１８を参照しながら更に詳細に説明する。

　　上述した圧力制御において、水車（11）の流量（Q）が過剰に小さくなり、水車（11）の運転点がキャビテーション領域に至ってしまったとする。この場合、図１７のステップSt52で検出される流量（Q）は、第５閾値（Qoptmin1）よりも小さくなる。このため、ステップSt53からステップSt54へ移行し、電動弁（21）の開度が大きくなる。これにより、例えば水車（11）の運転点が図１８のａ点からｂ点へ移動する。その後、圧力制御により、圧力（p）が目標圧力（p*）に近づくように発電機（12）が制御される。この結果、例えば水車（11）の運転点が図１８のｂ点からｃ点へ移動する。この結果、水車（11）の有効落差（H）が目標圧力（p*）に対応する有効落差（H*）に収束するとともに、水車（11）の運転点が適切運転領域に戻る。

　〈第４制御〉
　　第４制御の詳細について、図１９を参照しながら更に詳細に説明する。

　　上述した圧力制御において、水車（11）の流量（Q）が過剰に大きくなり、水車（11）の運転点が動作限界曲線上に至ってしまったとする。例えば水車（11）の運転点が図１９のｄ点にある場合、圧力制御により、水車（11）の有効落差（H）（圧力（p））をこれ以上低下させることができないため、目標圧力（p*）を達成できなくなる。

　　この場合、図１７のステップSt52で検出される流量（Q）は、第６閾値（Qoptmax1）よりも大きくなる。このため、ステップSt54からステップSt56へ移行し、電動弁（21）の開度が小さくなる。これにより、例えば水車（11）の運転点が図１８のｄ点からｅ点へ移動する。その後、圧力制御により、圧力（p）が目標圧力（p*）に近づくように発電機（12）が制御される。この結果、例えば水車（11）の運転点が図１８のｅ点からｆ点へ移動する。この結果、水車（11）の有効落差（H）が目標圧力（p*）に対応する有効落差（H*）に収束するとともに、水車（11）の運転点が適切運転領域に戻る。

　〈発電電力／圧力協調制御〉
　　図１７において、流量（Q）が第５閾値（Qoptmin1）と第６閾値（Qoptmax1）との間にあり、水車（11）の運転点が適切運転領域にあると判断されると、ステップSt57に移行し、発電電力／圧力協調制御が行われる。この発電電力／圧力協調制御について、図１７、図２０、図２１を参照しながら説明する。

　　図１７に示すように、発電電力／圧力協調制御は、上述した圧力制御と、ＭＰＰＴ制御（発電電力制御）とを協調して行う制御である。図２０のステップSt61において、発電電力／圧力協調制御の初回の動作であるか否かの判定が行われる。初回動作である場合、Ｄ（図２１のステップSt71）へ移行する。ステップSt71では、発電電力（P）及び圧力（p）が検出される。発電電力（P）及び圧力（p）の検出方法は、上述の通りである。次いで、ステップSt72において、電動弁（21）の開度が１００％（全開）である場合、電動弁（21）の開度を所定開度小さくし、そうでない場合、電動弁（21）の開度を大きくする。その後、再び図１７のステップSt51へ戻る。

　　Ｄの動作を経た後には、ステップSt61からステップSt62へ移行し、発電電力（P）及び圧力（p）が検出される。

　　次いでステップSt63～St66において、今回検出した発電電力と、その前の回に検出した発電電力との差ΔＰ、及び今回の電動弁（21）の開度と、その前の回の電動弁（21）の開度との差Δαの大小関係について、それぞれ判定が行われる。なお、初回のＭＰＰＴ制御では、図２１のステップSt71で検出された発電電力（P）及び圧力（p）が前回の値となり、図２０のステップSt62で検出された発電電力（P）及び圧力（p）が今回の値となる。そして、これらの結果に基づいて、発電電力（P）が増大するように電動弁（21）の開度が調節される。

　　具体的には、ステップSt63において、１）ΔＰが０以上且つΔαが０より大きい場合、又は２）ΔＰが０より小さく且つΔαが０より小さい場合、電動弁（21）の開度を大きくすることで発電電力（P）を増大できると判断できる。従って、この場合には、電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を所定開度α大きくする（ステップSt65）。

　　また、ステップSt64において、３）ΔＰが０以上且つΔαが０より小さい場合、あるいは４）ΔＰが０より小さく且つΔαが０より大きい場合、電動弁（21）の開度を小さくすることで発電電力（P）を増大できると判断できる。従って、この場合には、電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を所定開度α小さくする（ステップSt66）。

　　このようにして電動弁（21）の開度が調節されると、図１７のステップSt51へ再び戻り、圧力制御が行われる。ＭＰＰＴ制御により、電動弁（21）の開度が調節されると、水車（11）の下流側の圧力（p）が変化する。しかし、この圧力制御により、水車（11）の圧力（p）を速やかに圧力指令値（p*）に収束させることができる。その後、発電電力（P）及び圧力（p）が再び検出され（ステップSt52）、その後、再びＭＰＰＴ制御が行われ電動弁（21）の開度が調節される。なお、ステップSt65及びステップSt66における電動弁（21）の開度の制御では、圧力制御が行われず、発電機（12）のトルク値が制御されることもない。つまり、ステップSt51の圧力制御は、電動弁（21）の開度の調節が終了してから実行される。

　　ＭＰＰＴ制御では、このようなステップが繰り返されることで、発電電力（P）が最大発電電力へ収束していくとともに、水車（11）の圧力（p）が圧力指令値（p*）へ収束していく。

　－実施形態２の効果－
　　本実施形態２では、水車（11）の運転点がキャビテーション領域にあるときに電動弁（21）の開度を大きくする第３制御と、圧力制御とが協調して行われる。これにより、水車（11）の圧力（p）を目標圧力に収束させつつ、水車（11）近傍でのキャビテーションの発生を確実に防止できる。

　　第３制御と、圧力制御とを実行するタイミングは互いにずれている。このため、水車（11）の運転点のハンチングを回避でき、圧力制御及び第３制御の収束性を向上できる。

　　水車（11）の運転点が動作限界曲線上に至るときには、電動弁（21）の開度を大きくする第４制御と、圧力制御とが協調して行われる。これにより、水車（11）の圧力（p）を目標圧力に収束させつつ、水車（11）の運転点が動作限界曲線に留まってしまうことを速やかに回避できる。

　　第４制御と、圧力制御とを実行するタイミングは互いにずれている。このため、水車（11）の運転点のハンチングを回避でき、圧力制御及び第４制御の収束性を向上できる。

　　実施形態２では、水車（11）の下流側の水の圧力（p）を目標圧力に近づける圧力制御と、発電機（12）の発電電力（P）を目標電力に近づけるように電動弁（21）の開度を調節する発電電力制御とを協調する発電電力／圧力協調制御を行っている。このため、水車（11）の下流側の圧力（p）と、発電機（12）の発電電力（P）とを所望とする目標値に近づけることができる。

　　圧力制御と、ＭＰＰＴ制御とを実行するタイミングは互いにずれている。このため、水車（11）の運転点のハンチングを回避でき、圧力制御及びＭＰＰＴ制御の収束性を向上できる。

　〈実施形態２の変形例〉
　　実施形態２の変形例では、上記実施形態１の変形例と同様にして、２つの制御限界曲線が設けられている。

　　図２２に示すように、実施形態２の変形例では、適切運転領域のうちキャビテーション境界の近傍において、第３制御限界曲線が定められている。第３制御限界曲線は、キャビテーション境界に沿うように該キャビテーション境界に隣接する曲線である。また、実施形態２の変形例では、適切運転領域のうち動作限界曲線の近傍において、第４制御限界曲線が定められている。第４制御限界曲線は、動作限界曲線に沿うように該動作限界曲線に隣接する曲線である。

　　図２３に示すように、実施形態２の変形例において、水力発電システム（10）の運転が開始されると、実施形態２と同様、圧力制御が行われる（ステップSt81）。次いで、流量（Q）が検出され（ステップSt82）、流量（Q）と第５閾値（Qoptmin1）とが比較される。

　　流量（Q）が第５閾値（Qoptmin1）よりも小さい場合、水車（11）の運転点がキャビテーション領域にあると判断され、電動弁（21）の開度を大きくする第３制御が行われる（ステップSt84）。次いで、再び流量（Q）が検出され（ステップSt87）、流量（Q）と第７閾値（Qoptmin2）とが比較される（ステップSt88）。ここで、第７閾値（Qoptmin2）は、第５閾値（Qoptmin1）よりも所定の流量分大きい所定の閾値である。第７閾値（Qoptmin2）は、図２２に示す第３制御限界曲線と、圧力指令値（p*）に対応する有効落差との交点に対応する流量であり、特性マップ（M）や、第３制御限界曲線、流量、及び有効落差の関係を表す式やテーブルから求めることができる。即ち、第７閾値（Qoptmin2）は、圧力指令値（p*）に応じて変化する変数である。

　　流量（Q）が第７閾値（Qoptmin2）より小さい場合、水車（11）の運転点はキャビテーション境界と第３制御限界曲線との間の所定の領域（第３領域という）にあると判断できる。この場合、電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を更に大きくする（ステップSt89）。このようなステップSt87～St89の動作は、流量（Q）が第７閾値（Qoptmin2）より大きくなる（即ち、水車（11）の運転点が第３領域よりも内側へ移動する）まで継続して行われる。一方、水車（11）の運転点が第３領域にある間は、水車（11）の圧力制御は行われない。以上のようにして、水車（11）の運転点が第３制御限界曲線と第４制御限界曲線との間まで移動すると、実施形態２と同様、発電電力／圧力協調制御が行われる。

　　また、ステップSt85において、流量（Q）が第６閾値（Qoptmax1）よりも大きい場合、水車（11）の運転点が動作限界曲線上にあると判断され、電動弁（21）の開度を小さくする第４制御が行われる（ステップSt86）。次いで、再び流量（Q）が検出され（ステップSt87）、流量（Q）と第８閾値（Qoptmax2）とが比較される（ステップSt90）。ここで、第８閾値（Qoptmax2）は、第６閾値（Hoptmax1）よりも所定の流量分小さい所定の閾値である。第８閾値（Qoptmax2）は、図２２に示す第４制御限界曲線と、圧力指令値（p*）に対応する有効落差との交点に対応する流量であり、特性マップ（M）や、第４制御限界曲線、流量、及び有効落差の関係を表す式やテーブルから求めることができる。即ち、第８閾値（Qoptmax2）は、圧力指令値（p*）に応じて変化する変数である。

　　流量（Q）が第８閾値（Qoptmax2）より大きい場合、水車（11）の運転点は動作限界曲線と第４制御限界曲線との間の領域（第４領域という）にあると判断できる。この場合、電動弁制御部（60）は、電動弁（21）の開度を更に小さくする（ステップSt91）。このようなステップSt87、St90、St91の動作は、流量（Q）が第８閾値（Qoptmax2）より小さくなる（即ち、水車（11）の運転点が第４領域よりも内側に移動する）まで継続して行われる。一方、水車（11）の運転点が第４領域にある間は、水車（11）の圧力制御は行われない。以上のようにして、水車（11）の運転点が第３制御限界曲線と第４制御限界曲線との間まで推移すると、実施形態２と同様、発電電力／圧力協調制御が行われる。

　　以上のように、実施形態２の変形例では、水車（11）の運転点がキャビテーション領域にあると、水車（11）の運転点を第３制御限界曲線よりも内側まで移動させるため、キャビテーションの発生を確実に防止できる。この際、水車（11）の運転点が第３領域にあるときには、電動弁（21）の制御のみを行い、圧力制御は行わない。このため、圧力制御に起因して水車（11）の運転点がハンチングしてしまうことを回避でき、キャビテーションの発生リスクを速やかに解消できる。

　　また、実施形態２の変形例では、水車（11）の運転点が動作限界曲線上に至ると、水車（11）の運転点を第４制御限界曲線よりも内側まで移動させるため、水車（11）の運転点が動作限界曲線に留まってしまうことを確実に防止できる。この際、水車（11）の運転点が第４領域にあるときには、電動弁（21）の制御のみを行い、圧力制御は行わない。このため、圧力制御に起因して水車（11）の運転点がハンチングしてしまうことを回避でき、水車（11）の運転点を速やかに動作限界曲線から離すことができる。

　〈その他の実施形態〉
　　図２４に示すように、上述した各実施形態の水力発電システム（10）において、バイパス回路（15）を付与してもよい。バイパス回路（15）は、水車（11）と並列となるように管路（5）に接続される。バイパス回路（15）の始端は、例えば電動弁（21）の流入側に接続される。バイパス回路（15）の終端は、例えば水車（11）の下流側に接続される。バイパス回路（15）には、電動弁であるバイパス弁（16）が接続される。このような構成においても、水車（11）の流量（Q）や水車（11）の下流側の圧力（p）を目標値に近づける制御が想定される。この場合、上述した各実施形態の制御を適用することができる。

　　上記実施形態１の落差調整手段は、電動弁（21）で構成される。しかし、落差調節手段は、水車（11）の有効落差を調節可能であれば如何なる構成であってもよい。具体的には、落差調節手段として、水車を用いてもよい。また、例えば抵抗の異なる複数の流路を設け、これらの流路を管路（5）と切換可能に連通させることで、水車（11）の有効落差を調節するようにしてもよい。

　　同様に、実施形態２の流量調節手段は、水車（11）の流量を調節可能であれば如何なる構成であってもよい。具体的には、流量調節手段として、水車を用いてもよい。また、例えば抵抗の異なる複数の流路を設け、これらの流路を管路（5）と切換可能に連通させることで、水車（11）の流量を調節するようにしてもよい。

　　上記実施形態１では、第１範囲を、適切運転領域となるよう設定しているが、適切運転領域よりも狭い領域となるよう設定してもよい。具体的には、適切運転領域のうちキャビテーション境界の近傍において、キャビテーション境界に沿うように該キャビテーション境界に隣接するよう第１範囲の上限値を設定してもよい。このように設定することで、水車（11）の運転点がキャビテーション領域に至るよりも前に第１制御を行うことができるので、より確実にキャビテーションの発生を防止することができる。

　　また、適切運転領域のうち動作限界曲線の近傍において、動作限界曲線に沿うように該動作限界曲線に隣接するよう第１範囲の下限値を設定してもよい。このように設定することで、水車（11）の運転点が動作限界曲線に至るよりも前に第２制御を行うことができるので、より確実に動作限界曲線に至ることを防止できる。このように第１範囲を設定した場合には、第１制御限界曲線は、例えば第１範囲の上限値に対応する曲線に沿うような、該曲線に隣接する曲線とすれば良く、第２制御限界曲線は、例えば第１範囲の下限値に対応する曲線に沿うような、該曲線に隣接する曲線とすれば良い。

　　同様に、上記実施形態２では、第２範囲を、適切運転領域となるよう設定しているが、適切運転領域よりも狭い領域となるよう設定してもよい。具体的には、適切運転領域のうちキャビテーション境界の近傍において、キャビテーション境界に沿うように該キャビテーション境界に隣接するよう第２範囲の下限値を設定してもよい。このように設定することで、水車（11）の運転点がキャビテーション領域に至るよりも前に第３制御を行うことができるので、より確実にキャビテーションの発生を防止することができる。

　　また、適切運転領域のうち動作限界曲線の近傍において、動作限界曲線に沿うように該動作限界曲線に隣接するよう第２範囲の上限値を設定してもよい。このように設定することで、水車（11）の運転点が動作限界曲線に至るよりも前に第４制御を行うことができるので、より確実に動作限界曲線に至ることを防止できる。このように第２範囲を設定した場合には、第３制御限界曲線は、例えば第２範囲の下限値に対応する曲線に沿うような、該曲線に隣接する曲線とすれば良く、第４制御限界曲線は、例えば第２範囲の上限値に対応する曲線に沿うような、該曲線に隣接する曲線とすれば良い。

　　上記実施形態１において、発電電力／流量協調制御、及び水車（11）の運転点を動作限界曲線上から戻すための制御のいずれか一方、又は両方を省略した構成としてもよい。

　　上記実施形態２において、発電電力／圧力協調制御、及び水車（11）の運転点を動作限界曲線上から戻すための制御のいずれか一方、又は両方を省略した構成としてもよい。

　　上記実施形態１の発電電力／流量協調制御では、水車（11）の流量（Q）を目標流量に近づける流量制御と、発電機（12）の発電電力を最大発電電力に近づける発電電力制御とを協調して行っている。しかし、発電電力制御では、発電機（12）の目標発電電力を必ずしも最大発電電力としなくてもよい。例えば電力系統（8）において、発電電力の抑制要求があった場合には、発電機（12）の発電電力を所定値以下に抑える必要が生じうる。この場合には、例えば発電機（12）の目標発電電力を、この抑制要求を満たす値に設定する。

　　上記実施形態２の発電電力／圧力協調制御では、水車（11）の下流側の圧力（p）を目標圧力に近づける圧力制御と、発電機（12）の発電電力を最大発電電力に近づける発電電力制御とを協調して行っている。しかし、発電電力制御では、発電機（12）の目標発電電力を必ずしも最大発電電力としなくてもよい。例えば電力系統（8）において、発電電力の抑制要求があった場合には、発電機（12）の発電電力を所定値以下に抑える必要が生じうる。この場合には、例えば発電機（12）の目標発電電力を、この抑制要求を満たす値に設定する。

　　上記実施形態１の流量制御では、発電機（12）のトルク値を制御することで、水車（11）の流量（Q）を調節しているが、例えば発電機（12）の回転数を制御することで、水車（11）の流量（Q）を調節することも可能である。

　　上記実施形態２の圧力制御では、発電機（12）のトルク値を制御することで、水車（11）の下流側の圧力（p）を調節しているが、例えば発電機（12）の回転数を制御することで、水車（11）の下流側の圧力（p）を調節することも可能である。

　　管路（5）に設ける流量計（22）を省略し、図３の特性マップ（M）を用いて水車（11）の流量（Q）を推定するようにしてもよい。具体的には、例えば発電機（12）のトルク値や回転数などを用いて水車（11）の運転点を推定することで、この運転点に対応する水車（11）の流量（Q）を求めることができる。

　　このような特性マップ（M）を用いた流量計レスの構成において、仮に水車（11）の運転点が動作限界曲線上に至ると、特性マップ（M）を用いたとしても水車（11）の運転点を正確に特定できず、水車（11）の流量（Q）を正確に求めることができない。これに対し、上記実施形態では、水車（11）の運転点を速やかに適切運転領域に戻すことができるため、特性マップ（M）等を用いて水車（11）の流量（Q）を確実に推定できる。

　　水力発電システム（10）は、管路（5）に限らず、開水路や、閉水路（例えば管路）と開水路が混在する流路にも設置できる。一例としては、農業用水路に水力発電システム（10）を設置することが考えられる。また、水力発電システム（10）の設置場所は上水道（1）にも限定されない。

　　水車（11）に供給する流体は水には限定されない。例えば、ビルなどの空気調和装置に用いられるブラインを流体として利用することも考えられる。

　　本発明は、水力発電システムとして有用である。

５　　　管路（流路）
１０　　水力発電システム
１１　　水車
１２　　発電機
２１　　電動弁（落差調節手段、流量調節手段）
４０　　発電機コントローラ（制御部）

Claims

　流体が流れる流路（5）に配置される水車（11）と、
　前記水車（11）によって駆動される発電機（12）と、
　前記水車（11）の有効落差を調節する落差調節手段（21）と、
　前記水車（11）の流量が目標流量に近づくように前記発電機（12）を制御する流量制御と、該水車（11）の有効落差を第１範囲内とするように前記落差調節手段（21）によって該水車（11）の有効落差を調節する落差調節制御とを協調して行う制御部（40）とを備えている水力発電システム。
　請求項１において、
　前記制御部（40）は、前記水車（11）の有効落差が前記第１範囲の上限値より大きいことを示す条件が成立すると、前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を減らす、前記落差調節制御としての第１制御を行うことを特徴とする水力発電システム。
　請求項２において、
　前記制御部（40）は、前記第１制御を実行した後、前記水車（11）の有効落差が前記第１範囲の上限値よりも小さな所定の閾値よりも大きいことを示す条件が成立すると、前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を更に減らすことを特徴とする水力発電システム。
　請求項１乃至３のいずれか１つにおいて、
　前記制御部（40）は、前記水車（11）の有効落差が前記第１範囲の下限値より小さいことを示す条件が成立すると、前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を増やす、前記落差調節制御としての第２制御を行うことを特徴とする水力発電システム。
　請求項４において、
　前記制御部（40）は、前記第２制御を実行した後、前記水車（11）の有効落差が前記第１範囲の下限値よりも大きな所定の閾値よりも小さいことを示す条件が成立すると、前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を更に増やすことを特徴とする水力発電システム。
　請求項１乃至５のいずれか１つにおいて、
　前記制御部（40）は、前記流量制御と、前記落差調節制御とを異なるタイミングで実行させることを特徴とする水力発電システム。
　請求項１乃至６のいずれか１つにおいて、
　前記制御部（40）は、前記流量制御と、前記発電機（12）の発電電力が目標電力に近づくように前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を調節する発電電力制御とを協調して行うことを特徴とする水力発電システム。
　請求項７において、
　前記制御部（40）は、前記流量制御と、前記発電電力制御とを異なるタイミングで実行させることを特徴とする水力発電システム。
　請求項７又は８において、
　前記制御部（40）は、前記発電電力制御において、前記発電機（12）の発電電力が最大発電電力に近づくよう前記落差調節手段（21）によって前記水車（11）の有効落差を調節することを特徴とする水力発電システム。
　請求項１乃至９のいずれか１つにおいて、
　前記落差調節手段（21）は、前記流路（5）に前記水車（11）と直列に配置される弁（21）で構成されることを特徴とする水力発電システム。
　流体が流れる流路（5）に配置される水車（11）と、
　前記水車（11）によって駆動される発電機（12）と、
　前記水車（11）の流量を調節する流量調節手段（21）と、
　前記水車（11）の下流側の流体の圧力が目標圧力に近づくように前記発電機（12）を制御する圧力制御と、前記水車（11）の流量を第２範囲内とするように前記流量調節手段（21）によって該水車（11）の流量（Q）を調節する流量調節制御とを協調して行う制御部（40）とを備えている水力発電システム。
　請求項１１において、
　前記制御部（40）は、前記水車（11）の流量が前記第２範囲の下限値より小さいことを示す条件が成立すると、前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量を増やす、前記流量調節制御としての第３制御を行うことを特徴とする水力発電システム。
　請求項１２において、
　前記制御部（40）は、前記第３制御を実行した後、前記水車（11）の流量が前記第２範囲の下限値よりも大きな所定の閾値よりも小さいことを示す条件が成立すると、前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量（Q）を更に増やすことを特徴とする水力発電システム。
　請求項１１乃至１３のいずれか１つにおいて、
　前記制御部（40）は、前記水車（11）の流量が前記第２範囲の上限値より大きいことを示す条件が成立すると、前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量を減らす、前記流量調節制御としての第４制御を行うことを特徴とする水力発電システム。
　請求項１４において、
　前記制御部（40）は、前記第４制御を実行した後、前記水車（11）の流量が前記第２範囲の上限値よりも小さな所定の閾値よりも大きいことを示す条件が成立すると、前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量（Q）を更に減らすことを特徴とする水力発電システム。
　請求項１１乃至１５のいずれか１つにおいて、
　前記制御部（40）は、前記圧力制御と、前記流量調節制御とを異なるタイミングで実行させることを特徴とする水力発電システム。
　請求項１１乃至１６のいずれか１つにおいて、
　前記制御部（40）は、前記圧力制御と、前記発電機（12）の発電電力が目標電力に近づくように前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量を調節する発電電力制御とを協調して行うことを特徴とする水力発電システム。
　請求項１７において、
　前記制御部（40）は、前記圧力制御と、前記発電電力制御とを異なるタイミングで実行させることを特徴とする水力発電システム。
　請求項１７又は１８において、
　前記制御部（40）は、前記発電電力制御において、前記発電機（12）の発電電力が最大発電電力に近づくよう前記流量調節手段（21）によって前記水車（11）の流量を調節することを特徴とする水力発電システム。
　請求項１１乃至１９のいずれか１つにおいて、
　前記流量調節手段（21）は、前記流路（5）に前記水車（11）と直列に配置される弁（21）で構成されることを特徴とする水力発電システム。