CN109563802A - 水力发电装置和发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水力发电装置及发电系统。其中，控制装置执行包括以下步骤的控制处理：确定预定条件是否成立(S100)；当确定预定条件成立时(S100为“是”)，清零计数器(S102)；执行反向旋转控制(S104)；执行正向旋转控制(S106)；使计数器累计(S108)；并确定计数器的计数值是否已达到上限(S110)。

Description

水力发电装置和发电系统

技术领域

本发明涉及水力发电装置和发电系统，并且更具体地说，涉及一种用于清除缠绕在小型水力发电装置中的漂浮物的技术。

背景技术

水力发电装置是使用流水的动能进行发电的系统。水力发电装置主要包括通过接收水流而旋转的水轮机、与水轮机连结并将旋转能量转换为电能的发电机、以及控制发电机的输出和水轮机的控制装置。从发电机提取的最佳电力会随着流速而变化，因此，控制装置测量流速、水轮机的转速或发电机所发电力的电压，确定从发电机提取的最佳电力，并且控制发电机使得发电机的发电量与最佳值一致。

从上游漂流到水力发电装置的垃圾、水生植物和其他类似漂浮物会缠绕在水轮机中并导致发电量降低。出于这个原因，针对这些漂浮物的对策对水力发电很重要。例如，优选在水轮机的上游安装用于清除漂浮物的装置。

日本专利特开2013-189837号(专利文献1)和日本专利特开2014-202093号(专利文献2)公开了防止漂浮物阻碍水力发电的对策技术。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利特开2013-189837

专利文献2：日本专利公开2014-202093

发明内容

技术问题

日本专利特开2013-189837(专利文献1)公开了在水轮机位置的上游水路中安装用于清除异物的漂浮物清除装置的示例。然而，对于可以容易地安装在水路中的小型水力发电装置，这种大型的漂浮物清除装置会增加成本，因此难以使用。由于这个原因，可以设想在这样的水力发电装置中安装诸如梳形过滤器等简单的漂浮物清除器。

一些漂浮物和水生植物可能会流入具有简单的漂浮物清除器的小型水力发电装置的水轮机。已经流到水轮机的一些漂浮物通过水轮机，而其他漂浮物被水轮机的水轮机叶片(或翅片)捕获。当叶片横断流水时，被叶片捕获的漂浮物被压向叶片，并且由于流速几乎没有变化，漂浮物不会从叶片上脱落。粘着在水轮机上的大量漂浮物和水生植物会导致发电能力下降。因此，简单的漂浮物清除器不能作为防止漂浮物的完美对策，需要定期操作以清除粘着在水轮机上的漂浮物。

另一方面，在日本专利特开2014-202093(专利文献2)中，提出了将发电机用作电动机，将水轮机叶片作为粉碎异物的粉碎叶片来粉碎和清除漂浮物的方法。

然而，当绳状漂浮物缠绕在水轮机中时，即使专利文献2中公开的粉碎叶片也可能无法清楚水轮机中的漂浮物。

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种水力发电装置和发电系统，能够清除缠绕在水轮机中的绳状漂浮物。

问题的解决方案

根据本发明的一个方面，一种水力发电装置包括：水轮机，其构造为通过接收水流而沿第一方向旋转；发电机，其与水轮机相连；控制装置，其被配置为控制发电机。控制装置执行反向旋转控制和正向旋转控制。反向旋转控制使得与第一方向相反的第二方向上的扭矩作用在水轮机上，以使水轮机沿第二方向旋转。正向旋转控制使水轮机的旋转方向反向为第一方向。

这样，即使在水轮机中缠绕有绳状漂浮物，也可以进行反向旋转控制和正向旋转控制，以使绳状漂浮物从水轮机上浮起，从而可以清除缠绕在水轮机中的绳状漂浮物。

优选地，发电机是旋转电机。控制装置包括控制器和逆变器，逆变器被配置为响应于从控制器发出的控制命令向旋转电机发送电力和从旋转电机接收电力。

这允许通过使用逆变器来执行反向旋转控制和正向旋转控制。因此可以清除缠绕在水轮机中的绳状漂浮物。

更优选地，控制装置被配置为交替地多次执行反向旋转控制和正向旋转控制。在反向和正向旋转控制时驱动水轮机的时间与前一次刚刚执行反向和正向旋转控制时水轮机被驱动的时间互不相同。

每当执行反向旋转控制和正向旋转控制时，驱动水轮机的时间可以是不同的，从而缠绕在水轮机中的绳状漂浮物可以容易地浮起。

更优选地，控制装置被配置为交替地多次执行反向旋转控制和正向旋转控制。在反向和正向旋转控制时作用在水轮机上以驱动水轮机的扭矩与前一次刚执行的反向和正向旋转控制时作用在水轮机上以驱动水轮机的扭矩各不相同。

每当执行反向旋转控制和正向旋转控制时，驱动水轮机的扭矩可以是不同的，因此缠绕在水轮机中的绳状漂浮物可以容易地浮起。

更优选地，控制装置被配置为交替地多次执行反向旋转控制和正向旋转控制。在反向和正向旋转控制时驱动水轮机的方式与之前刚执行的反向和正向旋转控制时驱动水轮机的方式相同。该方式包含了驱动水轮机的时间和作用在水轮机上的扭矩以驱动水轮机。

这允许以相同的驱动时间或相同的驱动扭矩执行反向旋转控制和正向旋转控制。因此可以清除缠绕在水轮机中的绳状漂浮物。

更优选地，控制装置被配置为当预定条件成立时执行反向旋转控制和正向旋转控制。预定条件包括以下中的至少一个：发电机的发电量小于阈值的条件；水轮机的转速小于阈值的条件；发电机所发电力的电压小于阈值的条件；以及从前一次执行反向旋转控制和正向旋转控制的时间点起经过了预定时间段的条件。

因此，当水轮机中可能缠绕有绳状漂浮物的条件成立时，执行反向旋转控制和正向旋转控制，从而缠绕在水轮机中的绳状漂浮物可以从水轮机浮起而去除。

更优选地，当发电机的发电量比对应流速的发电量减小了第一值的量时，控制装置交替地执行反向旋转控制和正向旋转控制，且执行次数为第一次数。当发电机的发电量比对应流速的发电量减小了大于第一值的第二值的量时，控制装置交替地执行反向旋转控制和正向旋转控制，且执行次数为大于第一次数的第二次数。

从而，绳状漂浮物可以从水轮机上浮起而清除。

更优选地，当控制装置执行反向旋转控制和正向旋转控制中的至少一种时，控制装置控制发电机以使水轮机根据第一控制模式的转速旋转。当水力发电装置的发电量没有充分恢复时，控制装置控制发电机以使水轮机根据第二控制模式的转速旋转，第二控制模式下的转速变化率比第一控制模式下的转速变化率要大。

这可以减小发电机上的负载，并且当装置的发电量没有充分恢复时，可以可靠地使绳状漂浮物从水轮机上浮起从而将其清除。

更优选地，水轮机具有水平轴型螺旋桨式旋转叶片。

通过执行反向旋转控制和正向旋转控制，缠绕在具有螺旋桨式旋转叶片的水轮机中的绳状漂浮物可以从水轮机上浮起从而被清除。

更优选地，水轮机具有垂直轴型旋转叶片。

通过执行反向旋转控制和正向旋转控制，缠绕在具有垂直轴型旋转叶片的水轮机中的绳状漂浮物可以从水轮机上浮起从而被清除。

更优选地，发电系统被配置为通过使用上述水力发电装置执行洋流发电或潮汐发电。洋流发电或潮汐发电将流水的动能转换为电力。

从而能够防止发电量因漂浮物而降低。

发明的有益效果

因此，可以提供水力发电装置和发电系统，其清除缠绕在水轮机中的绳状漂浮物。

附图说明

图1是实施例涉及的水力发电装置的结构的主视图。

图2是实施例涉及的水力发电装置的结构的侧视图。

图3是表示本实施例的水力发电装置的控制结构的框图。

图4是由控制装置执行的用于控制实施例涉及的水力发电装置的处理的流程图。

图5是由控制装置执行的用于控制本实施例涉及的水力发电装置进行反向旋转的处理的流程图。

图6是由控制装置执行的用于控制本实施例涉及的水力发电装置进行正向旋转的处理的流程图。

图7是用于说明缠绕在水轮机中的绳状漂浮物的状态的图。

图8是漂浮物附着在水轮机的叶片上的截面图。

图9是用于说明水轮机停止旋转时的绳状漂浮物的状态的图。

图10是用于说明水轮机反向旋转时的绳状漂浮物的状态的图。

图11是变形例涉及的水力发电装置的形状的主视图。

图12是由控制装置执行的用于控制第二实施例涉及的水力发电装置的处理的流程图。

图13是表示漂浮物清除控制之前产生的发电量与漂浮物清除控制之后产生的发电量之间的关系的图。

图14是用于确定执行漂浮物清除控制的次数的图表。

图15是表示在漂浮物清除控制之前产生的发电量与执行漂浮物清除控制的次数之间的关系的图。

图16是表示当多次执行漂浮物清除控制时转速如何变化的波形图。

图17是由控制装置执行的用于控制第三实施例涉及的水力发电装置的处理的流程图。

图18是示出第一控制模式的第一示例的波形图。

图19是示出第一控制模式的第二示例的波形图。

图20是示出第一控制模式的第三示例的波形图。

图21是示出第二控制模式的示例的波形图。

具体实施方式

现在将参考附图对本发明的实施例进行描述。在以下附图中，一致或对应的部件被标示成相同且不再赘述。

[第一实施例]

<水力发电装置的结构>

图1是(第一)实施例涉及的水力发电装置100的结构的主视图。图2是本实施例涉及的水力发电装置100的结构的侧视图。

图1和图2所示的水力发电装置100是紧凑且轻质的水力发电系统，其可安装在现有的通过农业用水、城市用水、工业用水等的水路中，并利用水流的动能进行发电。

如图1和2所示，水力发电装置100包括水轮机1、增速齿轮2、发电机3和支撑单元40。

水轮机1具有绕水平轴旋转的螺旋桨式旋转叶片。水轮机1在受到水路中水流的作用力时旋转。

增速齿轮2与水轮机1相连。增速齿轮2以规定的齿数比增加水轮机1的转速，并且将水平轴的旋转转换为垂直轴的旋转并将旋转传递到发电机3。

发电机3例如是三相同步发电机。发电机3通过增速齿轮2与水轮机1相连。发电机3包括转子和定子，均未示出。当转子通过水轮机1的旋转而旋转时，发电机3产生交流电。发电机3的发电量由控制装置4(参照图3)控制。另外，发电机3是从逆变器4a接收电力的旋转电机，其将在下文中描述(参照图3)，也可作为电动机操作。

支撑单元40支撑水轮机1、增速齿轮2和发电机3。支撑单元40包括两道梁40a和40b、安装座40c、支撑件40d和底板40e。

两道梁40a和40b设置为彼此平行的位置关系。安装座40c设置在两道梁40a和40b的上部且分别设置在各自的中心处。两个支撑件40d分别设置在安装座40c的一端和另一端。底板40e设置成连接两个支撑件40d的上部。

发电机3设置在安装座40c和底板40e之间并固定在底板40e上。在安装座40c的下侧设置有支撑件，用于相对于安装座40c的位置固定水轮机1和增速齿轮2。连接增速齿轮2和发电机3的旋转轴收纳在支撑件内。当两道梁40a和40b沿着水路的宽度方向设置在水路的侧壁上方时，水轮机1通过支撑单元40固定在水路中的预定位置处。

<水力发电装置的控制结构>

图3是表示本实施例的水力发电装置100的控制结构的框图。如图3所示，除了水轮机1、增速齿轮2和发电机3之外，水力发电装置100还包括控制装置4和转速传感器6。

转速传感器6检测水轮机1的转速(包括水轮机1是正向旋转还是反向旋转的信息)。转速传感器6向控制装置4发送表示检测到的水轮机1的转速的信号。

控制装置4基于诸如转速传感器6的各种传感器的检测结果来控制发电机3产生的电力，控制装置4还控制发电机3作为电动机操作。

控制装置4例如通过电压传感器(未示出)等测量发电机3所发电力的电压。控制装置4确定从发电机3提取最大电力时的电流的最佳值。控制装置4控制水力发电装置100，使得发电机3的电流值与最佳值匹配。例如，控制装置4可以控制水轮机1的转速，使得发电机3的电流值与最佳值匹配。

在本实施例中，控制装置4包括逆变器4a、电力转换装置4b和包括CPU(中央处理单元)(未示出)等的控制器4c。

逆变器4a与发电机3相连，并将发电机3产生的三相交流电转换成直流电。此外，逆变器4a从诸如电池(未示出)的电源接收直流电，将直流电转换为交流电，并且将交流电供应至发电机3。逆变器4a响应于从控制器4c发出的驱动命令进行操作。

电力转换装置4b与逆变器4a相连，将逆变器4a转换后的直流电转换为规定电力(规定电压的交流电或规定电压的直流电)，并将转换后的电力输出到水力发电装置100外部。电力转换装置4b响应于从控制器4c发出的驱动命令进行操作。当发电机3作为电动机运行时，电力转换装置4b可以代替诸如电池的电源向逆变器4a提供直流电。

对于具有上述构造的水力发电装置100中，漂浮到水轮机的垃圾、水生植物等缠绕在水轮机中而导致装置的发电量降低。因此，可以想到上述那样在这种小型水力发电装置中安装简单的漂浮物清除器，例如梳形过滤器。然而，通过简单的漂浮物清除器，垃圾、水生植物等不能被完全清除，并且一些我服务和水生植物可能流入水轮机。到达水轮机的一些漂浮物会穿过水轮机，而其他漂浮物被水轮机的叶片(或翅片)捕获。水轮机叶片捕获的漂浮物在叶片横断流水时被压向叶片的情况下，特别是当流速变化很小时，漂浮物不容易从叶片上脱落。特别地，缠绕在水轮机中的绳状漂浮物可能不容易从水轮机中清除。因此，需要定期操作以去除附着在水轮机上的漂浮物。

因此，在本实施例中，控制装置4执行反向旋转控制和正向旋转控制，其中反向旋转控制是向受到水流从而沿第一方向旋转的水轮机1施加与第一方向相反的第二方向的扭矩(下文中称为“反向扭矩”)来使水轮机1沿第二方向旋转，正向旋转控制是使水轮机1的旋转方向返回到第一方向。

这样，即使在水轮机1中缠绕有绳状漂浮物，也可以通过反向旋转控制和正向旋转控制使绳状漂浮物从水轮机上浮起，从而可以清除缠绕在水轮机1中的绳状漂浮物。

在下文中，参考图4、图5和图6，说明由控制装置4执行的用于控制本实施例涉及的水力发电装置100的处理。

图4是由控制装置4执行的用于控制实施例涉及的水力发电装置100清除漂浮物的处理的流程图。

在步骤(下文中标记为“S”)100中，控制器4c确定预定条件是否成立。预定条件是用于开始执行清除漂浮物的控制处理的条件，并且例如是以下中的至少一个：发电机3的发电量小于阈值的条件；水轮机1的转速小于阈值的条件；发电机3所发电力的电压小于阈值的条件；以及从前一次进行清除漂浮物的控制处理的时间点开始经过了预定时间段的条件。预定时间段可以是例如一小时，或者可以设置为基于流过水路的草的量和发电机3的寿命和机械体的寿命等允许以预定频率执行处理的时间段。注意，例如，可以基于刚刚前一个规定的发电时段中的平均值来设置各种阈值。当判定为预定条件成立时(S100为“是”)，处理前进至S102。

在S102中，控制器4c将每当执行下文描述的反向旋转控制和正向旋转控制时计一个数的计数器清零。具体地，控制器4c将计数值重置为初始值(例如，零)。

在S104中，控制器4c执行反向旋转控制。反向旋转控制将在下文中参照图5进行更具体的描述。在S106中，控制器4c执行正向旋转控制。正向旋转控制将在下文中参照图5更具体地描述。在S108中，控制器4c使计数器进行累计。具体地，控制器4c使计数器的计数值增加规定值(例如1)。

在S110中，控制器4c确定计数值是否已达到上限值。上限值是后面将描述的反向旋转控制和正向旋转控制都被执行的次数的上限值，例如设定为预定值。当确定计数值已达到上限值时(S110为“是”)，该处理结束。

如果确定预定条件未成立(S100为“否”)，则处理返回到S100。如果确定计数值尚未达到上限值(S110为“否”)，则处理转移至S104。

图5是由控制装置4执行的用于控制本实施例涉及的水力发电装置100进行反向旋转的处理的流程图。

在S200，控制器4c控制逆变器4a以使反向扭矩作用在水轮机1上。例如，控制器4c控制逆变器4a以产生预定大小的反向转矩。预定大小的反向转矩被设定为当产生反向转矩且水轮机1的转速因此收敛时，水轮机1以预定速度或更高速度反向旋转。注意，控制器4c可以控制逆变器4a以产生反向扭矩，使得水轮机1的转速减小一定量而达到规定值。

在S202中，控制器4c确定超时时间。控制器4c可以将预定值确定为超时时间，或者可以将基于水轮机1的转速等设定的值确定为超时时间。

在S204中，控制器4c获得水轮机1的当前转速。控制器4c通过转速传感器6获得水轮机1的当前转速。

在S206中，控制器4c基于转速传感器6的检测结果，确定水轮机1是否以等于或高于预定转速的转速反向旋转。例如，当确定水轮机1以预定转速或更高转速反向旋转时(S206中的是)，控制器4c结束该处理。

如果确定水轮机1没有以预定转速或更高转速反向旋转(S206为“否”)，则处理前进至S208。在S208中，控制器4c确定是否超时。具体地，控制器4c确定反向旋转控制的时间段是否超过超时时间。如果确定已超时(S208为“是”)，则处理结束。如果确定未超时(S208为“否”)，则处理转移至S204。

图6是由控制装置4执行的用于控制本实施例涉及的水力发电装置100进行正向旋转的处理的流程图。

在S300中，控制器4c控制逆变器4a以使从发电机3作用在水轮机1上的扭矩归零。例如，控制器4c控制逆变器4a以停止从逆变器4a向发电机3供电。

在S302中，控制器4c确定超时时间。超时时间可以与上述反向旋转控制所确定的超时时间相同，或者与反向旋转控制所确定的超时时间不同。

在S304中，控制器4c获得水轮机1的当前转速。在S306中，控制器4c基于转速传感器6的检测结果，确定水轮机1是否以等于或高于预定转速的转速正向旋转。预定转速例如是有助于清除在水轮机1反向旋转时从水轮机1浮起的漂浮物的转速。当确定水轮机1以预定转速或更高转速正向旋转时(S306为“是”)，处理结束。

如果确定水轮机1没有以预定转速或更高转速正向旋转(S306为“否”)，则处理前进至S308。在S308中，控制器4c确定是否超时。具体地，控制器4c确定正向旋转控制的时间段是否超过超时时间。如果确定已超时(S308为“是”)，则处理结束。如果确定未超时(S308为“否”)，则处理转移至S304。

参照图7、8、9和10对基于上述结构和流程图的本实施例涉及的水力发电装置100的控制装置4的操作进行说明。

例如，假设水轮机1在受到水流的同时旋转并且还进行操作以产生电力。同时，假设水轮机1上附着了绳状漂浮物。

图7是用于说明附着在水轮机1上的绳状漂浮物20的状态的图。如图7所示，绳状漂浮物20附着在水轮机1中包含的多个叶片中的一个上。假设水从图7的纸面前侧流到其后侧。因此，水轮机1在受到水流时以其上附着了绳状漂浮物的状态沿图7中箭头所示的方向旋转。

图8是水轮机1正向旋转时其上附着了漂浮物20的叶片10的截面图。在图8中，水沿着箭头指示的水流方向A(沿图中的向下方向)流动。水轮机1的叶片10向着表示叶片旋转方向B的箭头(或者图中的向右方向)移动，该方向B垂直于水流方向A。

水轮机1的叶片10横断水流。因此，在水轮机1的叶片10的前缘部10a的表面上产生压力。产生的压力将绳状漂浮物20压靠在水轮机1的叶片10的前缘部10a。如果水轮机1的叶片10具有相对于水流的流速足够大的转速，则绳状漂浮物20沿与叶片旋转方向B相反的方向行进。因此，当附着于水轮机1的绳状漂浮物20增加时，会降低水轮机1的转速、发电机3的发电量、所发电力的电压等。

例如，当发电量小于阈值时，确定为预定条件成立(S100为“是”)，计数器清零(S102)，并且执行反向旋转控制(S104)。当开始反向旋转控制时，控制逆变器4a以使发电机3在水轮机1上作用反向扭矩(S200)，并确定超时时间(S202)。作用在水轮机1上的反向扭矩用于降低水轮机1的转速。

当水轮机1几乎停止旋转时，水轮机1的叶片10停止移动，因此如图9所示，附着在叶片10上的绳状漂浮物20将受到水流的牵引力，从而沿与水流方向A相同的方向行进。如果反向扭矩由于接收水流而大于旋转水轮机1的旋转扭矩，则水轮机1之后开始反向旋转。

图10是水轮机1反向旋转时其上附着了漂浮物20的叶片10的截面图。在图10中，水沿着指示水流方向A(沿图中的向下方向)的箭头流动。水轮机1的叶片10朝向指示叶片反向旋转方向C(或者图中的向左方向)的箭头移动，该叶片反向旋转方向C垂直于水流方向A。

水轮机1的叶片10横断水流。因此，在水轮机1的叶片10的后缘部10b的表面上产生压力。产生的压力将绳状漂浮物20压靠在水轮机1的叶片10的后缘部10b。如果水轮机1的叶片10具有相对于水流的流速足够大的转速，则绳状漂浮物20沿与叶片反向旋转方向C相反的方向行进。

获得水轮机1的当前转速(S204)，并且确定水轮机1是否以预定转速或更高转速反向旋转(S206)。当确定水轮机1以预定转速或更高转速反向旋转时(S306为“是”)，反向旋转控制结束。

在反向旋转控制结束之后，执行正向旋转控制(S106)。当执行正向旋转控制时，控制逆变器4a以使从发电机3作用在水轮机1上的扭矩归零(S300)，并确定超时时间(S302)。随后，获得水轮机1的当前转速(S304)，并且确定水轮机1是否以预定转速或更高转速正向旋转(S306)。当确定水轮机1以预定转速或更高转速正向旋转时(S306为“是”)，正向旋转控制结束，并且计数器进行累计。

反向旋转控制和正向旋转控制交替执行多次，直到计数器的计数值达到上限值(S110为“否”)。一旦计数器的计数值达到上限值(S110为“是”)，则用于清除漂浮物的控制处理结束。

通过交替进行反向旋转控制和正向旋转控制，如图8所示，当水轮机1正向旋转时，在后缘部10b处，绳状漂浮物20从水轮机1叶片10上浮起。当水轮机1从该状态变为反向旋转时，水轮机1的叶片10的前缘部10a处的压力减小，水轮机1的叶片10的后缘部10b处的压力增加。此时，当沿着叶片10的表面形成水流时，漂浮物20在受到压力被压在叶片10上之前从叶片10上浮起并流向下游。

这样，根据本实施例的水力发电装置100，即使在水轮机1中缠绕有绳状漂浮物，也可以通过反向旋转控制和正向旋转控制，使绳状漂浮物从水轮机1上浮起，从而可以清除缠绕在水轮机1中的绳状漂浮物。因此，可以提供水力发电装置和发电系统，去除缠绕在水轮机中的绳状漂浮物。

此外，若与反复进行使水轮机1正向旋转的控制和使水轮机1停止旋转的控制相比，执行反向旋转控制能比水轮机1停止旋转更有效地使叶片10的前缘部10a处的漂浮物20浮起来。因此，交替地多次执行正向旋转控制和反向旋转控制可以更有效地去除漂浮物。

以下，对变形例进行说明。

虽然在上述实施例中反向旋转控制和正向旋转控制被描述为反复执行直到计数器的计数值达到上限值，但是在反向和正向旋转控制时驱动发电机3的时间可以与前一次刚执行的反向和正向旋转控制时驱动发电机3的时间不同或相同。或者，在反向和正向旋转控制时驱动发电机3的扭矩可以分别与前一次刚执行反向和正向旋转控制时驱动发电机3的扭矩不同或相同。这允许反向旋转控制和正向旋转控制每次执行时以不同的方式交替执行。这可以改变附着了漂浮物20的叶片10的前缘部10a和后缘部10b上的压力，从而有助于将漂浮物20从叶片上浮起来。

虽然上述实施例描述了使用逆变器来驱动发电机3以使反向扭矩作用在水轮机1上，但驱动发电机3的方式并不限于次。例如，可以改变水轮机1的叶片的桨距以使水轮机1在接收到水流时反转旋转方向，或者可以设置独立于发电机3的电动机，以向水轮机1作用扭矩。

上述实施例已经列举了发电装置进行说明，该发电装置通过具有图1和图2所示的水平轴型螺旋桨式旋转叶片的水轮机接收流水而进行发电，但本发明不限于具有这种结构的水轮机。例如，本发明还可应用于通过具有垂直轴型旋转叶片的水轮机接收流水来发电的发电装置。

图11是变形例涉及的水力发电装置的形状的主视图。变形例涉及的水力发电装置包括水轮机1A和发电机3。水轮机1A具有垂直轴型旋转叶片并且在水流的作用下旋转。发电机3连接至水轮机1A的旋转轴。当水轮机1A旋转时，发电机3的旋转轴也旋转。

图4至图6所示的控制装置和流程图组合起来也同样适用于图11的水轮机1A。图4至图6中所示的控制装置和流程图已经在上文中进行描述，因此不再重复描述。

如图11所示，虽然垂直轴型水轮机1A是直线叶片型，并且作为实例被示出为上下端部向旋转轴弯曲的叶片的配置，但不特别限定于此。例如，可以是诸如升力型(Darrieus)、旋翼型(giromill)、阻力型(Savonius)、错流型、桨型、S型转子型等其他形式。

当变形例涉及的水力发电装置具有的水轮机1A也被缠绕了绳状漂浮物时，可以执行反向旋转控制和正向旋转控制以清除绳状漂浮物。

应当注意，上述变形例可以完全实现或者具有通过组合来实现的部分。优选地，如图1和2所示，水轮机1具有水平轴型螺旋桨式旋转叶片。

优选地，如图11所示，水轮机1A具有垂直轴型旋转叶片。

优选地，通过在将流水的动能转化为电力的洋流发电、潮汐发电或波浪发电的发电系统中使用上述水力发电装置中的任何一种，可以防止由漂浮物引起的发电量降低。

[第二实施例]

在第一实施例中，执行反向旋转控制和正向旋转控制以清除附着在水轮机1上的垃圾(漂浮物)。而在第二实施例中，反向旋转控制和正向旋转控制执行的次数对应于发电量的降低量。第二实施例涉及的水力发电装置和发电系统的结构类似于图1至图3中示的第一实施例的水力发电装置的结构、作为变形例说明的图11中所示的水力发电装置的结构以及第一实施例中描述的发电系统的结构。因此，将不再重复描述本实施例的水力发电装置的结构。

图12是用于说明第二实施例涉及的水力发电装置中控制器4c进行控制的流程图。

参照图12，首先在S100中，控制器4c确定预定条件是否成立。预定条件如第一实施例中所述，因此将不再重复描述。

在S100中，当确定预定条件成立时(S100为“是”)，控制器4c执行步骤S101至S110作为漂浮物清除控制。注意图12的步骤S102，S104，S106，S108和S110分别与图4的步骤S102，S104，S106，S108和S110相同。因此，对这些处理的详细说明不再重复。

在第二实施例涉及的漂浮物清除控制中，与第一实施例同样，控制器4c执行反向旋转控制和正向旋转控制，但为了恢复发电量并且尽可能延长也用作电动机的发电机3和齿轮等的机械体的寿命，执行反向旋转控制和正向旋转控制(或漂浮物清除控制)的次数根据漂浮物如何粘附而改变。注意漂浮物清除控制被执行多次，其对应于第一实施例的计数器的上限值。漂浮物的附着量与发电量的降低量相关，因此在S101中，控制器4c设置与发电量的降低量相对应的计数器上限值。例如，控制器4c使用从设置在逆变器4a处的电压传感器或电流传感器(未示出)获得的电压和电流来获得发电量。控制器4c从预定的最大发电量减去上述获得的发电量，得到发电量的降低量。

在下文中将描述发电量的降低量与执行漂浮物清除控制的次数如何对应。图13是表示漂浮物清除控制之前的发电量与漂浮物清除控制之后的发电量之间的关系的图。

如图13所示，当漂浮物清除控制之前的发电量是最大发电量的0到30％时，漂浮物清除控制不能充分地恢复发电量。相反地，在漂浮物清除控制之前的发电量是最大发电量的40％时，执行漂浮物清除控制后，发电量恢复到最大发电量的60％。

此外，在漂浮物清除控制之前的发电量是最大发电量的50％时，执行漂浮物清除控制后，发电量恢复到最大发电量的约90％。此外，在漂浮物清除控制之前的发电量等于或大于最大发电量的60％时，执行漂浮物清除控制后，发电量恢复到最大发电量的约100％。

在漂浮物清除控制中，缠绕在水轮机1中的漂浮物的量越大，去除漂浮物就越困难。这可能是因为漂浮物复杂地缠绕在水轮机1中，并且随着漂浮物的量的增加，水轮机1以更低的速度旋转，从而当水轮机的旋转方向改变时漂浮物的惯性力不够大，因此漂浮物不会从水轮机上浮起。

从上述结果可以看出，在装置的发电量降低到最大发电量的50％之前执行漂浮物清除控制是有效的。因此，希望上述预定条件应具有确定的阈值，以便在发电量减小到最大发电量的50％、优选60％之前成立。

图14是用于探讨执行漂浮物清除控制的次数的图表。在图14中，纵轴表示漂浮物清除控制之后的发电量相对于最大发电量的比率(％)，横轴表示执行漂浮物清除控制的次数，并且绘制了在漂浮物清除控制之前的发电量相对于最大发电量的比率(以％表示)为20％，30％，40％，50％，70％，90％时的六种数据。

图14中，在漂浮物清除控制前的发电量为最大发电量的20％和30％的情况下，无论漂浮物清除控制执行多少次，漂浮物清除控制之后的发电量都不增加，并且可以看出漂浮物未被清除。当漂浮物清除控制之前的发电量是最大发电量的40％时，执行漂浮物清除控制，在漂浮物清除控制之后的发电量稍有恢复，但是并不会增加至等于或大于最大发电量的60％。

当漂浮物清除控制之前的发电量是最大发电量的50％时，执行漂浮物清除控制，在前4次漂浮物清除控制中，发电量都是增加从而恢复，但执行第5次或更多次的漂浮物清除控制并不会使发电量增加至等于或大于最大发电量的90％。

当漂浮物清除控制之前的发电量是最大发电量的70％时，执行漂浮物清除控制，在前3次漂浮物清除控制中，发电量都在增加从而恢复，执行第3次漂浮物清除控制后，发电量基本上是最大发电量的100％。当漂浮物清除控制之前的发电量是最大发电量的90％时，执行漂浮物清除控制，前2次漂浮物清除控制都使发电量增加从而恢复，执行第2次漂浮物清除控制后，发电量基本上是最大发电量的100％。

当频繁地执行漂浮物清除控制时，发电机3和机械体将承受较大负载，从而发电机3的寿命缩短，因此，对于长期连续使用的水力发电装置或类似设施，希望以适当的频率执行漂浮物清除控制，以在发电量的恢复和维持发电机3的寿命和机械体的寿命间取得平衡。因此，在第二实施例中，根据发电量的降低量来改变执行漂浮物清除控制的次数。

图15是表示在漂浮物清除控制之前的发电量与执行漂浮物清除控制的次数之间的关系的图。参照图13所述，为了有效地恢复电力，当漂浮物清除控制之前的发电量等于或大于最大发电量的50％时，执行漂浮物清除控制。在这种情况下，考虑到图14的关系，在执行漂浮物清除控制时，当漂浮物清除控制之前的发电量是最大发电量的90％时，漂浮物清除控制执行3次；当漂浮物清除控制之前的发电量是最大发电量的70％时，漂浮物清除控制执行4次；当漂浮物清除控制之前的发电量是最大发电量的50％时，漂浮物清除控制执行6次。由此，在漂浮物清除控制之前的发电量的降低量越多，执行漂浮物清除控制的次数就越多。

返回图12，在S101中，控制器4c基于图15所示的关系示出的执行漂浮物清除控制的次数，将计数器的上限值设定为与发电量的降低量相对应的数值。随后，在S102中，控制器4c清零内置的计数器。在S104中，控制器4c执行反向旋转控制。随后，在S105中，在执行反向旋转控制的过程中，控制器4c等待经过设定的时间段(例如1到10秒)。

随后，在S106中，控制器4c执行正向旋转控制。随后，在S107中，在执行正向旋转控制的过程中，控制器4c等待经过设定的时间段(例如1到10秒)。

随后，在S108中，控制器4c使计数器进行累计，并且在S110中，控制器4c确定计数器的计数值是否已经达到上限值(漂浮物清除控制的设定次数)。如果在S108中计数值没有达到上限值，则控制器4c将处理返回到步骤S110并再次执行反向旋转控制。

另一方面，如果在S110中计数值达到上限值，则控制器4c结束处理。

该处理根据上述流程图进行，从而控制器4c根据发电量的降低量执行多次漂浮物清除控制(即，交替进行多次反向旋转控制和正向旋转控制)。

图16是表示当多次执行漂浮物清除控制时转速如何变化的波形图。在图16中，纵轴表示水轮机1的转速。图16中横轴表示时间。例如，我们假设发电量是最大发电量的90％。如图16所示，当预定条件成立时(S100为“是”)，将与发电量的降低量相对应的计数器的上限值设定为3(S101)。当计数器被清零时(S102)，从时间t1到t2执行反向旋转控制(S104)。然后，从时间t2到t3进行等待(S105)，此后从时间t3到t4执行正向旋转控制(S106)。这可以改变水轮机1的转速，因此当水轮机反向旋转时附着在水轮机1上的异物可以浮起，并且当水轮机正向旋转时对其施加力的作用，而且在水流的作用力下使异物流向下游从而将其清除。从而具有对由于异物导致发电量降低的量进行恢复的效果。

然后，从时间t4到t5进行等待(S107)，之后计数器进行累计(S108)。这种漂浮物清除控制也在时间t5和t6之间以及时间t6和t7之间进行总共三次。每当执行一次漂浮物清除控制时，附着在水轮机1上的漂浮物就会被清除一定的量，从而使水轮机1的旋转阻力减小一定的量。这导致水轮机1的转速从漂浮物清除控制之前的N1起，每执行一次漂浮物清除控制时就增加一定量的转速。

虽然在第二实施例中，步骤S105中的设定时间段和步骤S107中的设定时间段在计数器达到上限值之前重复进行上述步骤的期间为固定值，但是也可以使设定时间段改变来替代。

因此，在第二实施例的水力发电装置100中，当发电量的降低量为第一值时(例如，当发电量为最大发电量的90％时)，反向旋转控制和正向旋转控制交替执行的次数为第一次数(例如，三次)。当发电量的降低量为大于第一值的第二值时(例如，当发电量为最大发电量的70％时)，反向旋转控制和正向旋转控制交替执行的次数为大于第一次数的第二次数(例如，四次)。

因此，绳状漂浮物可以从水轮机1上浮起并清除。因此，可以提供水力发电装置和发电系统，去除缠绕在水轮机中的绳状漂浮物。

[第三实施例]

在第二实施例中，对应于发电量的降低量来确定执行漂浮物清除控制的次数，以这种方式可以有效地清除漂浮物，降低发电机3的负载，还允许发电机3和机械体具有更长的寿命。在第三实施例中，改变反向旋转或正向旋转的控制模式。第二实施例涉及的水力发电装置和发电系统的结构类似于参照图1至图3所示的第一实施例的水力发电装置的结构、作为变形例说明的图11所示的水力发电装置的结构以及第一实施例中说明的发电系统的结构。因此，将不再重复描述本实施例的水力发电装置的结构。

图17是用于说明第三实施例涉及的水力发电装置中控制器4c进行的控制的流程图。

参照图17，首先在S200中，控制器4c确定预定条件是否成立。预定条件如第一实施例中所述，因此将不再重复描述。

在S200中，当确定预定条件成立时(S200为“是”)，控制器4c如步骤S202、S204和S206所示执行漂浮物清除控制。

在S202中，控制器4c以按照规定的模式改变转速的第一控制模式执行反向旋转控制和正向旋转控制。作为第一控制模式，例如设定为对发电机3施加相对较小的负载的控制模式。此后，在S204中，控制器4c确定发电量是否已充分恢复。例如，当控制器4c确定发电量已经恢复到参考值(即，超过参考值)时，控制器4c确定发电量已经充分恢复。当控制器4c确定发电量未充分恢复(即，小于参考值)时(S204为“否”)，处理前进至S206。在S206中，控制器4c以第二控制模式执行反向旋转控制和正向旋转控制，之后结束处理。第二控制模式是对发电机3施加比第一控制模式更大负载的控制模式。相反，当确定预定条件未成立时(S200为“否”)或者当确定发电量已恢复到参考值时(S204为“是”)，结束处理。

图18是示出第一控制模式的第一示例的波形图。图19是示出第一控制模式的第二示例的波形图。图20是示出第一控制模式的第三示例的波形图。图21是示出第二控制模式的示例的波形图。图18至21的曲线图各自具有表示转速的纵轴和表示时间的横轴。

图21所示的第二控制模式的波形在反向旋转控制和正向旋转控制时均对发电机3产生大的扭矩，以在短时间内切换水轮机1的旋转方向。另一方面，与图21相比，图18至图20所示的波形中，在反向旋转控制和正向旋转控制时均使扭矩更慢地作用，从而相应地切换水轮机1的旋转方向。

如图21所示那样通过第二控制模式在时间t41至t42或时间t43至t44期间增大作用在发电机3上的扭矩，或者在短时间内使水轮机1的转速反转，可以增加水轮机1和漂浮物之间的速度差异，更可靠地清除漂浮物。此外，当更频繁地执行漂浮物清除控制时，可以清除更多漂浮物。然而，当控制发电机3使得水轮机1的转速始终根据图21的波形反复改变时，施加在发电机3和机械体上的负载变大，缩短了发电机3和机械体的寿命。因此，需要使用高度耐用且大尺寸的发电机3，这可能会增加制造发电机3的成本。此外，在执行漂浮物清除控制的过程中，存在停止发电的一段时间，并且与不执行漂浮物清除控制的情况比较，发电量相对减少。

因此，首先控制器4c通过应用对发电机3施加较小负载的第一控制模式来执行漂浮物清除控制，并且当发电量仍未恢复时，控制器4c通过应用第二控制模式执行漂浮物清除控制。对于第一控制模式可以想到各种示例，将参照图18至图20对它们进行说明。

在图18所示的例子中，时间t11到时间t12的转速变化比图21所示的时间t41到时间t42的转速变化更平缓，时间t13到时间t14的转速变化比图21所示的时间t43到时间t44的转速变化更平缓。因此，当以图18所示的第一控制模式控制时，发电机3的负载小于以图21所示的第二控制模式控制时的发电机3的负载。注意，通过执行反向旋转控制和正向旋转控制去除了水轮机1上一定量的漂浮物，因此水轮机1的旋转阻力也减小一定量。结果，水轮机1的转速从执行反向旋转控制和正向旋转控制之前的N1增加一定量达到N3。在图19至图21中也类似地观察到水轮机1的转速在执行反向旋转控制和正向旋转控制之后比执行之前更大。因此，将不再详细描述。

在图19所示的例子中，时间t21到时间t22的转速变化比图21所示的时间t41到时间t42的转速变化更平缓，时间t22到时间t23的转速变化比图21所示的时间t43到时间t44的转速变化更平缓。此外，在反向旋转控制之后的时间t22立即执行正向旋转控制，从而与图18所示的示例相比可以在更短的时间段内停止发电，从而也减少了发电量的降低量。

图20中所示的示例示出了在时间t31到t32的时间段期间转速从N1逐步减小到N2。因此，时间t31到时间t32的转速变化比图21所示的时间t41到时间t42的转速变化更平缓。进而，图20中所示的示例示出了在时间t33到时间t34的时间段期间转速从N2逐步增加到N3。因此，时间t33到时间t34的转速变化比图21所示的时间t41到时间t42的转速变化更平缓。当水轮机1具有较大的惯性力，难以通过反向旋转控制和正向旋转控制快速改变转速且难以连续地控制发电机3时，这种控制是有效的。因此，执行反向旋转控制和正向旋转控制时使扭矩作用的时间缩短一段时间并且逐步改变转速，从而可以减小发电机3和机械体在漂浮物清除控制中的负载，防止机械器件受损。

因此，在第三实施例的水力发电装置100中，当控制器4c执行反向旋转控制和正向旋转控制时，控制器4c控制发电机3以使水轮机1的转速按照第一控制模式改变。当发电量未充分恢复时，控制器4c控制发电机3以使水轮机1的转速以比第一控制模式有更大变化率的第二控制模式改变。

这可以减小发电机上的负载，并且当发电量恢复不充分时可以可靠地使绳状漂浮物从水轮机上浮起从而将其清除。因此，可以提供水力发电装置和发电系统，去除缠绕在水轮机中的绳状漂浮物。

虽然已经描述了第三实施例，使得第一控制模式下的反向旋转控制和正向旋转控制都被设置为转速比第二控制模式下的转速更平缓地变化，但例如也可以设定第一控制模式下的反向旋转控制和正向旋转控制中的一方的转速比第二控制模式下的转速更平缓地改变。这样也可以减小施加在发电机3和机械体上的负载。

应该明白的是本文公开的实施例仅为说明目的而描述，而不在任何方面限制本发明。本发明的范围由权利要求的各项而不是由以上描述所限定，且旨在包括等同于权利要求的各项的意义和范围内的任何变形。

附图标记列表

1:水轮机；2:加速齿轮；3:发电机；4：控制装置；4a：逆变器；4b：电力转换装置；4c：控制器；6：转速传感器；10：叶片；20：漂浮物；40：支撑单元；40a、40b：梁；40c：安装座；40d：支撑件；40e：底板；100：水力发电装置。

Claims (11)

1.一种水力发电装置，其特征在于，包括：

水轮机，该水轮机构成为通过接收水流而沿第一方向旋转；

发电机，该发电机与所述水轮机连接；以及

控制装置，该控制装置被配置为控制所述发电机，

所述控制装置被配置为执行反向旋转控制和正向旋转控制，所述反向旋转控制在所述水轮机上作用与所述第一方向相反的第二方向的扭矩以使所述水轮机沿所述第二方向旋转，所述正向旋转控制将所述水轮机的旋转方向反转为所述第一方向。

2.根据权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，

所述发电机是旋转电机，并且

所述控制装置包括控制器和逆变器，该逆变器被配置为响应于从所述控制器发出的控制命令，向所述旋转电机发送电力和从所述旋转电机接收电力。

3.根据权利要求1或2所述的水力发电装置，其特征在于，

所述控制装置被配置为交替地多次执行所述反向旋转控制和所述正向旋转控制，并且

在所述反向旋转控制和所述正向旋转控制中驱动所述水轮机的时间分别与之前刚刚执行的所述反向旋转控制和所述正向旋转控制中驱动所述水轮机的时间不同。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的水力发电装置，其特征在于，

所述控制装置被配置为交替地多次执行所述反向旋转控制和所述正向旋转控制，并且

在所述反向旋转控制和所述正向旋转控制中作用在所述水轮机上以驱动所述水轮机的扭矩分别与之前刚刚执行的所述反向旋转控制和所述正向旋转控制中作用在所述水轮机上以驱动所述水轮机的扭矩不同。

5.根据权利要求1或2所述的水力发电装置，其特征在于，

所述控制装置被配置为交替地多次执行所述反向旋转控制和所述正向旋转控制，

在所述反向旋转控制和所述正向旋转控制中驱动所述水轮机的方式与之前刚刚执行的所述反向旋转控制和所述正向旋转控制中驱动所述水轮机的方式相同，并且

所述方式包括驱动所述水轮机的时间和作用在所述水轮机上以驱动所述水轮机的所述扭矩。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的水力发电装置，其特征在于，

所述控制装置被配置为当预定条件成立时执行所述反向旋转控制和所述正向旋转控制，并且

所述预定条件包括以下中的至少一个：所述发电机的发电量小于阈值的条件；所述水轮机的转速小于阈值的条件；所述发电机所发电力的电压小于阈值的条件；以及从前一次进行所述反向旋转控制和所述正向旋转控制的时间点起经过了预定时间段的条件。

7.根据权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，

当所述发电机的发电量从对应于流速的发电量降低了第一值的量时，所述控制装置交替地执行所述反向旋转控制和所述正向旋转控制，且执行次数为第一次数，而当所述发电机的发电量从对应于流速的发电量降低了大于所述第一值的第二值的量时，所述控制装置交替地执行所述反向旋转控制和所述正向旋转控制，且执行次数为大于第一次数的第二次数。

8.根据权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，

当所述控制装置执行所述反向旋转控制和所述正向旋转控制中的至少一种时，所述控制装置控制所述发电机以使所述水轮机以与第一控制模式对应的转速旋转，并且当所述水力发电装置的发电量未充分恢复的情况下，所述控制装置控制所述发电机以使所述水轮机以与所述转速的变化率大于所述第一控制模式的第二控制模式对应的转速旋转。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，

所述水轮机具有水平轴型螺旋桨式旋转叶片。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的水力发电装置，其特征在于，

所述水轮机具有垂直轴型旋转叶片。

11.一种发电系统，其特征在于，

使用权利要求1至10中任一项所述的水力发电装置进行洋流发电或潮汐发电，所述洋流发电和潮汐发电将流水的动能转换为电力。