JP2005151746A - 熱電併給型系統制御方法及び熱電併給型系統制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然変動電源による不定期電力の発生に際して適正な規模のもとで安定した運用が得られるようにした熱電併給型系統制御方法及び熱電併給型系統制御装置を提供すること。
【解決手段】 無限大母線Ｍに開閉器３を介して連系させた局部系統に、電源機器として、風力発電機５及び太陽光発電機６などの自然変動性電源とガス／ディーゼル発電機７などの低環境適合性電源機器、などの高環境適合性電源機器を連系させると共に、熱電負荷として、広域小電力負荷である住宅１０と集中電力負荷であるオフィスビル１１を夫々連系させ、風力発電機５と太陽光発電機６による電力が需要電力量を越えたら、ガス／ディーゼル発電機７とガスタービン発電機８を起動させ、始めはガス／ディーゼル発電機７で電力を補い、次いでガスタービン発電機８による電力に移行させる。更に需要電力量が増加したら開閉器３を閉じて無限大母線Ｍから電力の供給を受けるようにし、熱負荷需要に見合うようにガスタービン発電機８を運転させ、排熱回収装置９から熱輸送設備２１に熱を供給するようにしたもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自然変動電源と熱電併給機器を含む多種類の電源機器が連系された系統の制御に係り、特に、電力系統に連系された風力発電設備や太陽光発電設備、自家発電設備、独立電気事業者(ＩＰＰ)による発電設備、燃料電池などの分散型電源設備と、これに系統化されている熱電併給システムに有効な熱電併給型系統制御方法及び熱電併給型系統制御装置に関する。

近年、自然環境保全の見地から、風力発電機器や太陽光発電機器の使用が叫ばれているが、更に近年、新エネルギー利用特別法(ＲＰＳ法)の施行に伴い、電力供給系統に接続されている風力発電や太陽光発電などの自然変動型発電設備の設置台数も、今後は大きく増加してゆくであろうことが予想される。

そして、これに伴って、電力供給系統の電力品質を保証するためには、高負荷追従性能発電機器による系統安定化技術や、自然変動発電設備が連系する局所系統の独立運用技術の適用が必須となる。

ここで、同一の局所系統に各種の電源機器が連系される場合、従来は、該機器の総発電量が系統の最大電力需要に対応するように設置していた。

しかも、このときは、例えば蓄電設備など、電力供給開始立ち上げ時間が短い電源機器の併用も必要であると考えられていた(例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照。)。
特開２００２−１０５００号公報 特開平８−２２３７９９号公報 特開２００３−１２０５０５号公報 特開平９−２１５２２５号公報

上記従来技術は、熱電負荷が連系された系統に多様な電源機器を含む点に配慮がされておらず、系統規模の適正化に問題があった。

従来技術の場合、例えばガスエンジン発電機やディーゼルエンジン発電機のような低環境適合性電源機器からＮＯｘ、ススなどの有害物質が排出されてしまうので、その抑制が必要である。

また、従来技術では、例えばガスタービン発電機のような排ガス中の有害物資発生量が少ない高環境適合性電源機器の場合でも、起動から電力供給開始までの時間遅れを補償しなければならないので、蓄電設備が必要になってしまう。

従って、従来技術では系統規模が大になり、規模の適正化に問題が生じてしまうのである。

本発明の目的は、自然変動電源による不定期電力の発生に際して適正な規模のもとで安定した運用が得られるようにした熱電併給型系統制御方法及び熱電併給型系統制御装置を提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を設けたものである。

・ 系統内の熱電需要に応じて、比較的起動時間が短く、且つ低環境適合性で、しかも系統の最大需要量より小さい発電容量の電源機器を低負荷時に運転させる制御手段を設ける。

・ 比較的起動時間が長く、且つ高環境適合性で、しかも系統の最大需要量と同等の電源機器を電力負荷に追従して運転させる制御手段を設ける。

・ 電源機器としては、例えば風力発電や太陽光発電のような自然変動電源と、例えばガスエンジンやディーゼルエンジン(ガス／ディーゼルと記す)などを駆動源とする低環境適合性電源機器と、例えばガスタービンなどを駆動源とする高環境適合性電源機器を設ける。

・ 熱負荷対応機器には、オフィスが設置されているような比較的大型の建造体の例えば地下部分に補助熱発生装置と蓄熱装置を設ける。

・ 高環境適合性電源に排熱回収設備を設け、熱負荷が小さい場合は、この排熱回収設備で回収した熱量を蓄熱装置に入力する制御手段を設ける。

・ 熱負荷が大きい場合は蓄熱装置の熱を放出し、熱需要が蓄熱装置の容量を越えた場合には、補助熱発生装置から不足熱量を供給するような制御手段を設ける。

・ 基幹系統である無限大母線と局所系統の間に開閉装置を設け、局所系統内の電気負荷が電源容量を越えた場合は瞬時に局所系統を無限大母線に接続させ、無限大母線から電力を供給する制御手段を設ける。

本発明によれば、自然変動電源による不定期電力の発生に際しても、適正な規模のもとで安定した運用を得ることができる。

以下、本発明による熱電併給型系統制御方法及び熱電併給型系統制御装置について、図示の実施の形態により詳細に説明すると、ここで、まず、図１は、本発明を局所系統に適用した場合の一実施形態によるシステム構成の概要を示したものである。

ここで、局所系統とは、図１では符号４で表わされているもので、開閉器(遮断器)３を介して電力会社が設置した、通称、無限大母線Ｍと呼ばれる基幹電力系統に連系され、この開閉器３を開放することにより、無限大母線Ｍから独立して局所的に系統を構成するシステムのことを指し、このとき無限大母線Ｍには送変電所２が設けられている。

そして、この局所系統４には、まず、電力供給側の設備として、風力発電機５、太陽光発電機６などからなる自然変動電源と、ガス／ディーゼル発電機７、小容量ガスタービン発電機８などからなる分散型電源とが各々連系されている。

このとき、風力発電機５には風力発電機電力計１４が、そして太陽光発電機６には太陽光発電機電力計１５が、各々設けてあり、また、ガス／ディーゼル発電機７にはエンジン制御装置１６が、そして、小容量ガスタービン発電機８には排熱回収装置９とガスタービン制御装置１７が、各々設けてある。

次に、この局所系統４には、負荷側の設備として、広域小電力負荷である住宅１０と、集中電力負荷であるオフィスビル１１とが夫々熱電負荷として連系されている。ここで、熱電負荷とは、熱と電力の双方の供給を要する負荷を意味する。

このとき、住宅１０には住宅用熱／電負荷計測装置１８が、そしてオフィスビル１１には補助ボイラ１２とオフィス用熱／電負荷計測装置１９、及び補助ボイラ制御装置２０が各々設けられ、更に補助ボイラ１２には例えば温水タンクなどの蓄熱設備２３が設けてある。

ここで、この実施形態の場合、まず、ガス／ディーゼル発電機７については、それらが低環境適合性電源機器であることから、対象とする局所系統４における最大電力需要量の５〜１９％程度の発電容量を持った設備とし、次に、小容量ガスタービン発電機８については、それが高環境適合性電源機器であることから、局所系統４の最大電力需要量と同等の発電容量を持った設備とする。

このとき、ガス／ディーゼル発電機などの電源機器は、排ガスにススを含むなどの理由により低環境適合性電源機器として位置付けされているが、起動時間が比較的短いという特性をもち、他方、ガスタービン発電機などの電源機器は、排ガスに比較的問題がなく、高環境適合性電源機器として認識されているが、起動時間が比較的長くなってしまうという特性をもつ。

また、局所系統４には、図示のように、熱輸送設備２１が付帯して設けられていて、これに排熱回収装置９と蓄熱設備２３などの熱供給設備と、住宅１０とオフィス１１などの熱負荷が連結され、これにより、全体として熱電併給システムを構成している。

ここで、熱輸送設備２１は、例えば断熱処理された管路で構成され、排熱回収装置９で発生された蒸気を住宅１０とオフィスビル１１に供給する働きをするもので、住宅１０に供給された蒸気は各戸で給湯用や暖房用に使用され、オフィスビル１１では蓄熱設備２３に熱を供給するために使用される。このとき、蓄熱設備２３の蓄熱量もオフィス用熱／電負荷計測装置１９により計測されるようになっている。

そして、風力発電機電力計１４と太陽光発電機電力計１５、エンジン制御装置１６とガスタービン制御装置１７、住宅用熱／電負荷計測装置１８とオフィス用熱／電負荷計測装置１９、それに補助ボイラ制御装置２０は、夫々、制御信号線２３を介して制御装置１に接続され、当該制御装置１により系統供給電力量及び熱供給量が調整される。

更に、この制御信号線２２には開閉器制御装置１３が接続されていて、制御装置１により開閉器２の開閉が制御できるようになっている。

なお、図１では省かれているが、本発明の実施形態では、局所系統４に更に蓄電設備を設ける場合もあるが、この場合、該蓄電設備の容量は、局所系統４における電力需要量の１〜５％程度に設定される。

次に、この実施形態による制御処理について、図２により説明する。このとき、制御装置１は所定のプログラムにより働くコンピュータで構成され、これにより図２に示した処理を所定の頻度、例えば数分から数１０分に１回の頻度で繰り返し実行するようになっているものである。

そこで、制御装置１は、この図２に従った処理を開始したら、まず、住宅用熱／電負荷計測装置１８及びオフィス用熱／電負荷計測装置１９で計測されている系統負荷電力２４と、風力発電機電力計１４及び太陽光発電機電力計１５で計測されている自然変動電源電力２５とを減算処理２６に取込み、不足電力量ΔＭＷＤ(ｋＷ)２７を算出する。

そして、この不足電力量ΔＭＷＤから不足電力量信号と局所系統４内の電源機器の運転状態を認識し、判定処理２８に必要な信号を発する。このとき、この判定処理２８には、予め自然変動電源以外の電源機器を起動するための閾値(しきい値)ＸＸ(ｋＷ)が許容値として設定してある。

そこで、まず、判定処理２８で不足電力量ΔＭＷＤが許容値ＸＸを越えないと判断された場合は開閉器閉処理と自然変動電源による系統運用処理２９に進む、そして、まず開閉器３(図１)を開操作した上で自然変動電源による系統運用を継続させ、或いは自然変動電源による系統運用に移行した後、熱発生量演算処理３５に進む。

なお、風力発電機５と太陽光発電機６については特に制御する必要は無く、従って、処理２９では、それらから得られた電力がそのまま局所系統４に供給されている状態に保持しているだけである。なお、熱発生量演算処理３５以降の処理については、後述する。

一方、判定処理２８で不足電力量ΔＭＷＤが許容値ＸＸを越えたと判断された場合は、処理３０によりガスタービン起動信号を発生させ、これと並行して、処理３１によりガス／ディーゼルエンジン起動信号を発生させ、各々の制御装置１６、１７に出力する処理を実行する。

これにより、ガス／ディーゼル発電機７による発電とガスタービン発電機８による発電が同時に開始されることになるが、ここで、比較的起動時間が短いというガス／ディーゼル発電機７の特性が活かされ、電力不足の発生に直ちに対応することができる。

この後、判定処理３２は、各電源の運転状況と出力を各制御装置１６、１７から取込んで、不足電力量ΔＭＷＤが予め設定された閾値ＹＹ(ｋＷ)以上であり(但しＹＹ＞ＸＸ)、且つガスタービン発電機８の系統併入が確立していない間は、処理３３によりガス／ディーゼルエンジン負荷(発電量)上昇信号を制御装置１６にフィードバックする。

一方、比較的起動時間が長いとはいえ、やがてガスタービン発電機８の動作が追い付いて全出力が可能になり、ガスタービン発電機８の系統併入が完了していた場合は、信号発生処理３４からガス／ディーゼルエンジン停止信号を出力して制御装置１６に供給すると共に、ガスタービン負荷追従運転開始信号を出力して制御装置１７に供給すると同時に、前述の開閉器３(図１)を開操作する。

この結果、自然変動電源による不定期電力の発生に応じて、ガス／ディーゼルエンジン、ガスタービンなどの安定電力供給機器が最適に運用され、自然変動電源による不定期電力の発生に際しても安定して局所系統を運用することができる。

また、この結果、低環境適合性電源であるガス／ディーゼル発電機７は、ガスタービン発電機８の起動立ち上げ時に短時間だけ運用されることになり、設備の小容量化と運転時間の削減が実現でき、設備全体の環境適合性を向上させることができる。

ここで、信号発生処理３４の後は、熱発生量演算処理３５に進み、制御装置１７からガスタービン発電機８の運転状態を取込み、この運転状態に基づいて排熱回収装置９の発生熱量を演算する。また、処理２９の後も、この熱発生量演算処理３５に進むことは、前述した通りである。

そして、まず、減算処理３７では、熱発生量演算処理３５から入力された演算値と、熱／電負荷計測装置１８、１９(図１)から入力されている熱需要量３６の差分を演算し、それをΔ熱量として判定処理３８に出力する。

そこで、判定処理３８は、差分であるΔ熱量が予め設定してある閾値ＺＺ以上であるか否かを調べ、熱需要量が排熱回収装置９の発生熱量以上の場合は、信号発生処理３９に進み、制御装置２０に補助ボイラ１２の起動信号を出力する。

一方、熱需要量より小さい場合は信号発生処理４０を実行し、制御装置２０に補助ボイラ１２の停止信号を出力すると共に、蓄熱設備２３の放熱運転開始を指令し、熱輸送設備２１に熱を送出させ、この熱輸送設備２１に連系されている他の熱負荷による利用を可能にした後、余剰熱量演算処理４１を実行し、余剰熱量を演算してから更に判定処理４２に移行する。

そして、この判定処理４２では、オフィス用熱／電負荷計測装置１９で計測されている蓄熱設備２３の蓄熱量、つまり現状蓄熱量に基いて判定を行い、現状蓄熱量が蓄熱設備２３の蓄熱容量以下の場合は蓄熱運転開始処理４３に進み、蓄熱設備２３の蓄熱運転を開始させる。

一方、この判定処理４２で現状蓄熱量が蓄熱設備２３の蓄熱容量以上と判定された場合は、更に判定処理４８により、系統負荷電力とガスタービン発電量の差が０.０以下となっているか否かを判定する。

そして、結果がＮｏのときは、まず開閉器開処理４４を実行して開閉器３の閉操作信号を制御装置１３に出力し、これにより、この局所系統４が開閉器３を介して無限大母線Ｍに連系されるようにする。一方、Ｙｅｓの場合は、開閉器３は開状態のままとなる。

次に、判定処理４６で、Δ熱量が０になっているか否かを調べ、結果がＮｏのときは、ガスタービン負荷降下処理４５を実行し、ガスタービン発電機８に掛かる負荷を所定値だけ降下させる信号を制御装置１７に出力し、ガスタービン発電機８の排ガス流量を減少させ、排熱回収装置９による回収熱量を所定値だけ抑制する。

このときのガスタービン負荷降下処理４５によるガスタービン発電機８の運転状態は、図示のように熱発生量演算処理３５にフィードバックされ、ここから判定処理４６に至る制御ループを形成し、ガスタービン発電機８の運転状態が判定処理４６による判定結果に反映される。

そして、この結果、Δ熱量を０に収斂させるフィードバック制御、つまりガスタービン発電機８の排熱回収装置９による回収熱量と熱需要量２４の偏差を０に収斂させるフィードバック制御が実行され、このフィードバック制御は、判定処理４６による判定結果がＹｅｓ、すなわちΔ熱量が０になるまで繰り返されることになる。

こうして判定処理４６による判定結果がＹｅｓになったら、ここでガスタービン負荷保持処理４７に移行し、このときのガスタービン発電機８の負荷状態が保持されるようにした上で、１回分の処理を終了するのである。

ここで、以上に説明した実施形態による制御結果について、図３により説明すると、まず、上記実施形態では、風力発電機５、太陽光発電機６などからなる自然変動電源から電力が得られている限り、その電力が局所系統４に供給されるようになっているので、図３(a) に示すように、自然変動電源を有効に活用することができ、省エネ化に寄与することができる。

次に、上記実施形態によれば、低環境適合性電源であるガス／ディーゼル発電機７は、図３(b) に示すように、ガスタービン発電機８の起動立ち上げ時と負荷急増時に短時間だけ運用されるので、設備の小容量化と運転時間の削減が実現でき、設備全体の環境適合性を向上させることができる。

更に、上記実施形態によれば、ガスタービン発電機８(図３ではμＧＴと記載してある)が、自然変動電源から得られる電力を勘案して運用されるので、図３(c) に示すように、省エネ効果と設備運転負荷低減による機器寿命延長が図られる。

従って、上記実施形態によれば、以下の効果が得られる。

・ 自然変動電源を連系した系統において、ガス／ディーゼルエンジン、ガスタービンなどの安定電力供給機器を最適に運用することにより、当該自然変動電源による不定期電力の発生に際しても安定した局所系統の運用ができる。

・ 低環境適合性電源を局所系統での低負荷時だけ運用することにより、設備の小容量化と運転時間の削減が実現でき、当該設備全体の環境適合性を向上させることができる。

・ 発電機器の排熱回収装置と蓄放熱機器の付帯により、一次エネルギーの有効活用が得られ、省エネが図れる。

・ 自然変動電源の発電量を考慮したガス／ディーゼルエンジン、ガスタービンなどの設備の運転負荷の軽減により、設備に内包される機器寿命の延長が図れる。

・ 局所系統内に二次電池のような高価格の設備が不要、又は設備容量の低減化が図れるので、初期投資が軽減できる。

本発明による熱電併給型系統制御方法及び熱電併給型系統制御装置の一実施形態が適用対象とした局所系統の一例を示すシステム構成図である。 本発明による熱電併給型系統制御方法及び熱電併給型系統制御装置の一実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態による動作の説明図である。

符号の説明

１：電制御装置
２：送変電所
３：開閉器
４：局所系統
５：風力発電機
６：太陽光発電機
７：ガス／ディーゼル発電機
８：小容量ガスタービン発電機(μＧＴ
９：排熱回収装置
１０：住宅
１１：オフィス
１２：補助ボイラ
１３：開閉器制御装置
１４：風力発電機電力計
１５：太陽光発電機電力計
１６：エンジン制御装置
１７：ガスタービン制御装置
１８：住宅用熱／電負荷計測装置
１９：オフィス用熱／電負荷計測装置
２０：補助ボイラ制御装置
２１：熱輸送設備
２２：制御信号回路
２３：蓄熱設備
２４：系統負荷電力
２５：自然電源電力
２６：減算処理
２７：不足電力量ΔＭＷＤ
２８：判定処理
２９：開閉器閉処理と自然変動電源による系統運用処理
３０：ガスタービン起動処理
３１：ガス／ディーゼルエンジン起動処理
３２：判定処理
３３：ガス／ディーゼルエンジン負荷上昇処理
３４：ガス／ディーゼルエンジン停止処理とガスタービン負荷追従運転開始処理
３５：熱発生量演算処理
３６：熱需要量
３７：減算処理
３８：判定処理
３９：補助ボイラ起動処理
４０：補助ボイラ停止処理と放熱運転開始処理
４１：余剰熱量演算処理
４２：判定処理
４３：蓄熱運転開始処理
４４：開閉器閉操作処理
４５：ガスタービン負荷降下処理
４６：判定処理
４７：ガスタービン負荷保持処理

Claims (10)

1. 自然変動電源を含む複数種類の電源機器と熱電負荷が連系された系統の制御方法において、
   前記各電源機器の運転特性と環境適合性能に応じて系統負荷に追従する発電指令値を発生させると同時に、前記発電機器排熱回収量および蓄熱量を調整する制御装置が設けられていることを特徴とする熱電併給型系統制御方法。
2. 請求項１の熱電併給型系統制御方法において、
   前記制御装置は、系統内の熱電需要に応じて、比較的起動時間が短くかつ低環境適合性の電源機器を低負荷時に運転し、比較的起動時間が長くかつ高環境適合性の電源機器にて電力負荷追従運転すると同時に、電源機器の排熱回収量と蓄熱機器の蓄/放熱量調整を実施することを特徴とする熱電併給型系統制御方法。
3. 請求項１の熱電併給型系統制御方法において、
   前記電源機器が、少なくとも自然変動電源と低環境適合性電源機器、それに高環境適合性電源機器であることを特徴とする熱電併給型系統制御方法。
4. 請求項１の熱電併給型系統制御方法において、
   前記熱電負荷が、少なくとも住宅地のような比較的低容量の熱電負荷とオフィスのような比較的大容量の熱電負荷であり、
   前記比較的大容量の熱電負荷は、蓄熱装置の設置が可能なものであることを特徴とする熱電併給型系統制御方法。
5. 請求項３の熱電併給型系統制御方法において、
   前記低環境適合性電源機器は、対象系統の最大電力需要量より少ない電力容量をもち、 前記高環境適合性電源機器は、対象系統の最大電力需要量と同等の電力容量をもつことを特徴とする熱電併給型系統制御方法。
6. 請求項３の熱電併給型系統制御方法において、
   前記高環境適合性電源機器が排熱回収設備を備え、
   前記熱電負荷の熱負荷が小さい場合は、前記排熱回収設備による余剰熱量を前記蓄熱装置に入力することを特徴とする熱電併給型系統制御方法。
7. 請求項６の熱電併給型系統制御方法において、
   前記熱電負荷の熱負荷が大きい場合は、前記蓄熱装置の熱を放出し、
   前記熱負荷が前記蓄熱装置の容量を越える場合には、予め設置された補助熱発生装置により、不足熱量が供給されることを特徴とする熱電併給型系統制御方法。
8. 請求項１の熱電併給型系統制御方法において、
   前記系統は、基幹系統である無限大母線と切り離し、局所系統を形成できることを特徴とする熱電併給型系統制御方法。
9. 請求項８の熱電併給型系統制御方法において、
   前記局所系統と前記無限大母線の間に開閉器を備え、
   前記熱電負荷の電気負荷需要が前記複数の電源容量を越えた場合には、瞬時に前記開閉器を閉操作して無限大母線から電力が供給されることを特徴とする熱電併給型系統制御方法。
10. 自然変動電源を含む複数種類の電源機器と熱電負荷が連系された系統とを制御する熱電併給型系統制御装置において、
    前記各電源機器の運転特性と環境適合性能に応じて系統負荷に追従する発電指令値を発生させる手段と、前記発電機器排熱回収量および蓄熱量を調整する制御装置とが設けられていることを特徴とする熱電併給型系統制御装置。

Images