水力発電の種類
衝動水車
水の持つ位置エネルギーを運動エネルギーに変えて、機械的エネルギーを得る
２種類：ペルトン水車、クロスフロー水車
反動水車
圧力エネルギーに変えて機械的エネルギーを得る
３種類：フランシス水車、斜流水車、プロペラ水車(カプラン、プロペラ、チューブラ)
注意
ガイドベーンもランナベーンもサーボモータによって動かされる。
各水車の特徴
ペルトン
ニードル弁で水流調整するため、軽負荷時でも効率の低下少ない。また、多ノズル形では、負荷に応じて使用ノズル数を切り換えて運転することにより、さらに効率の低下を防ぐことができる。
フランシスとプロペラ
ランナベーン固定のため、部分負荷運転時の効率悪い。
クロスフロー水車
ランナが円筒形。小容量で中落差～低落差に幅広く適用。構造が簡単、保守が容易。流量変化に対して、高い効率を維持できる。
水力発電の水撃作用の原因と対策
水撃作用の原因と対策
落雷などによる遠方遮断、あるいは、所内事故による単独遮断の結果、系統から切り離された主機を急停止させるため、水口(可動案内羽根)が旧封鎖した場合が大きな原因。
他は負荷急変、水口が封鎖せず、入口弁のみ封鎖した場合。
ペルトン水車：ニードル弁急閉⇒デフレクタ動作⇒ニードル弁閉
反動水車：ガイドベーン急閉⇒制圧機動作(ガイドベーンの一定速度以上にて、動作する)
基本は、サージタンク(単動式、差動式、制水口、水室)
調速機
調速機の動作原理（機械式と電気式の共通事項）
- 速度検出部において、回転数を検出
- 増幅部において、速度変動の検出信号を受け、配圧弁を動かす信号に増幅する
- 配圧弁において、増幅部の信号を受け、その信号によって、ガイドベーンサーボモータを開側、閉側に動作させる配油を送る
- サーボモータにおいて、配圧弁の油圧を受け、開側、閉側に動き、ガイドベーンを開閉する
- 復原部において、サーボモータの動きに比例した信号を受け、ガイドベーンを行き過ぎ操作しないように、増幅部にフィードバックする。
調速機動作上の重要事項
- 水車発電機は、大きな慣性があり、ガイドベーンを開閉しても直ちに回転速度は変わらず、ガイドベーンを行き過ぎ操作する恐れがあるので、復原機構によって、ガイドベーンの動作量をフィードバックして信号を抑制している。
- 並列している多くの水車発電機に、変動する負荷を任意に分担させるため、速度調定率を設定する機能を持たせている。
調速機各部説明
速度検出部
回転速度が定格回転数より、速くなったり、遅くなったりした量を検出する
・ 機械式：スピーダ
・ 電気式：PMG Permanent Magnet Generator永久磁石発電機
増幅部
速度変動の検出信号を受け、配圧弁を動かす信号に増幅する
・ 機械式：フローティングレバー
・ 電気式：演算増幅部
配圧弁
ガイドベーンサーボモータに圧油を送る弁で、増幅部信号を受け、その信号によってサーボモータを開側又は、閉側に動作さえる圧油を送る
サーボモータ
配圧弁の油圧を受け、開側、閉側に動き、ガイドベーンを開閉する
復原部
・ 機械式：ダッシュポット、スプリング
・ 電気式：フィードバック回路
電気式調速装置種類
ダンピングガバナ
速度検出部、速度および負荷調整装置、復原部、増幅部に電気信号を用いて、電気信号を機械的動きに変換する変換部を持つ。
PIDガバナ
PID要素に分けて制御するため、ダンピングガバナに比べて、制御の安定性、速応性が優れている。
速度変動率
速度変動率を大きくとる場合の設計要素
- 発電機のはずみ車効果を小さくする
- 調速装置の不動時間を長くする
- ガイドベーンの閉時間を長くする
速度変動率を大きくとる場合のメリット
- 発電機の軽量、コンパクト化が可能。
- 不動時間及び開閉時間を長くすることで、水圧上昇や水撃作用を軽減でき、水圧鉄管、入口弁(水口のガイドベーンじゃない)、水車ケーシングの設計水圧を低くすることができ、建設費が安くなる。
- ガイドベーンの開閉時間を長くすることが出来れば、調速機容量または、電動サーボ容量を小さくすることが可能
- 以上より、回転体などを軽量、コンパクト化することにより、建屋の縮小、起重機の容量削減、建屋掘削面積の低減など、建設費の低減が可能
速度変動率を大きくとる場合のデメリット
- 負荷遮断時の速度上昇が大きくなり、遠心力による水車及び発電機の応力が増大する。
少なくとも、水車の速度上昇は定格速度の30～40％以内に抑制しなければならない - 負荷遮断時の速度上昇に伴って、発電機の発生電圧と周波数が過渡的に上昇するため、所内補機の過電圧や過励磁に注意する必要がある
- 発電機のはずみ車効果を小さくした場合、周波数の変動幅が大きくなり、単独運転には不向き
- 発電機のはずみ車効果を小さくした場合、速応性の高い調速機を設置する必要がある
- 発電機のはずみ車効果を小さくした場合、過渡リアクタンスが多くなる傾向があり、系統の過渡安定度に悪影響を与える。
