JP2006094578A - 可制御負荷の消費電力制御方法及び可制御負荷制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統の需給バランス維持の適正化を図った、可制御負荷の消費電力制御方法及び可制御負荷制御システムを提供すること。
【解決手段】可制御負荷４と、可制御負荷４が対象とする温度やその設定温度などの情報を取得し、電力系統の周波数偏差を計測する検出手段１と、系統運用者と可制御負荷４間で通信手段を介して情報をリアルタイムに授受することなく、前記取得した情報に基づいて、規定時間t_limitまでに投入する必要がある規定エネルギーe_estを推定して将来平均消費電力p_tar=(e_est-∫p dt)/(t_limit-t)を算出し、前記将来平均消費電力と前記周波数偏差から前記可制御負荷４における消費電力を制御する制御手段２とからなる可制御負荷制御システムである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統の需給バランス維持の適正化を図った、可制御負荷の消費電力制御方法及び可制御負荷制御システムに関する。

有限な化石燃料の消費を抑制し、地球温暖化の原因となる二酸化炭素排出量を削減するためには、太陽光・風力などの再生可能資源を用いた発電や、排熱の有効利用により総合効率を高められる熱電併給の普及が重要である。これらは通常小容量のものが点在する「分散型電源」であり、その多くは出力が気象条件により変化したり、系統運用者からの出力調節の指示を受けずに運用される。そのため、現在の電力系統に分散型電源を大量に連系すると、系統全体の需給バランス維持が困難になる。系統全体の需給バランスが維持されないと、系統の周波数が変化し、タービン翼が振動し疲労破壊するのを防ぐため大容量火力発電ユニットを緊急停止するなど、系統の運用に大きな支障が生じる。

そこで可制御負荷の消費電力調節が提案されている。可制御負荷とは、規定時間t_limit以内に規定のエネルギーe_estを投入する必要はあるが、各時刻tにおける消費電力pを変動させても使用目的を達成できる負荷であり、電気温水器や空気調和機等が該当する。例えば電気温水器は、午後１１時から翌朝午前７時までに水を85℃まで焚き上げるのに必要なエネルギーを投入する必要があるが、例えば午前２時の時点で必ずしもヒーターをオンしている必要はない。そこでこのような可制御負荷の消費電力を、系統内の総発電電力が過多のときに増してやり、逆に総発電電力が不足しているときに減らしてやることで、系統全体の需給バランスを維持し周波数偏差を抑制しようとするものである。ただし、各負荷の使用目的を達成するためには、規定時間t_limit以内に規定のエネルギーe_estを投入するという制約条件は守らなければならない。

このような可制御負荷の制御方法として、系統運用者が各可制御負荷の運転情報を収集して指令を出す系統情報監視システムが提案されている（特許文献１参照）。そして、電気温水器の場合を例として、この系統情報監視システムにより需給バランスを維持することができ、系統の周波数偏差を充分に抑えられることが数値計算により確認されている（非特許文献１参照）。また、通信手段は用いずに、各可制御負荷が系統の周波数偏差を計測し、周波数偏差の規定範囲との大小関係からオン・オフ制御する手法が提案されている（非特許文献２）。

特願２００４−０７６８４７号公報 近藤潤次、 安芸裕久、山口浩、村田晃伸、石井格：「需給バランス維持のための可制御負荷の制御法に関する考察」（平成１６年電気学会電力・エネルギー部門大会、４７０、２００４年８月） 守谷直之、有満稔、上村敏、嶋田隆一：「電気温水器等の系統負荷を利用した周波数制御」（平成５年電気学会全国大会、１１６３、１９９３年３月）

しかし、上記特許文献１や非特許文献１に示すような、系統情報監視システムでは、各可制御負荷と系統運用者の間で常にリアルタイムに情報・指令を授受する通信手段が必要である。このような通信手段が既設されている例はほとんど無く、その新設には莫大な投資が必要であるという問題があった。

また、上記非特許文献２にように、通信手段は用いずに制御することも可能であるが、この手法では、各可制御負荷に規定時間t_limit以内に規定のエネルギーe_estを投入するという制約条件を満たすことが全く保証されておらず、可制御負荷の使用目的を達成できる保証がないという問題があった。

このように、規定時間t_limit以内に規定のエネルギーe_estを投入するという制約条件を満たしながら、リアルタイムに情報・指令を授受する通信手段を用いずに、系統全体の需給バランスを維持するように可制御負荷を制御するための制御アルゴリズムは確立されていないのが現状である。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、規定時間t_limit以内に規定のエネルギーe_estを投入するという制約条件を満たしながら、リアルタイムに情報・指令を授受する通信手段を用いずに、系統全体の需給バランスを維持することを可能にした、可制御負荷の消費電力制御方法及び可制御負荷制御システムを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために下記の手段を採用した。
第１の手段は、系統運用者と可制御負荷間で通信手段を介して情報をリアルタイムに授受することなく、可制御負荷が対象とする温度やその設定温度などの情報を取得して規定時間t_limitまでに投入する必要がある規定エネルギーe_estを推定して将来平均消費電力p_tar=(e_est-∫p dt)/(t_limit-t)を算出し、また電力系統の周波数偏差を計測して、前記周波数偏差が規定範囲内の場合は前記将来平均消費電力に近づくように、前記周波数偏差が規定範囲外の場合は前記周波数偏差を抑制するように、前記可制御負荷の消費電力を制御することを特徴とする可制御負荷の消費電力制御方法である。

第２の手段は、可制御負荷と、該可制御負荷が対象とする温度やその設定温度などの情報を取得し、電力系統の周波数偏差を計測する検出手段と、系統運用者と可制御負荷間で通信手段を介して情報をリアルタイムに授受することなく、前記取得した情報に基づいて、規定時間t_limitまでに投入する必要がある規定エネルギーe_estを推定して将来平均消費電力p_tar=(e_est-∫p dt)/(t_limit-t)を算出し、前記将来平均消費電力と前記周波数偏差から前記可制御負荷における消費電力を制御する制御手段とからなることを特徴とする可制御負荷制御システムである。

本発明の可制御負荷の消費電力制御方法及び可制御負荷制御システムによれば、系統運用者と各可制御負荷間に通信手段を新たに設けることなく、系統の周波数偏差を抑制するように可制御負荷の消費電力を調節することができる。この負荷を広く普及させた電力系統では、系統全体の需給バランス維持能力が大幅に向上する。これにより、分散型電源の導入可能量が増し、エネルギーの有効利用を図ることができる。

本発明の第１の実施形態を図１及び図２を用いて説明する。
図１は本実施形態の発明に係る可制御負荷制御システムの構成を示す図である。
同図において、１は可制御負荷４が対象（例えば、空気調和機設置室内の空気、電気温水器の湯、冷蔵庫内の庫内空気等）とする温度を測定する温度センサ２やその設定温度などの情報を取得し、電力系統６の周波数偏差を計測する検出手段、３は可制御負荷４の温度センサ２や設定温度などの取得した情報に基づいて、規定時間t_limitまでに投入する必要がある規定エネルギーe_estを推定して将来平均消費電力p_tar=(e_est-∫p dt)/(t_limit-t)を算出し、前記将来平均消費電力と前記検出手段１によって計測された周波数偏差から可制御負荷４における消費電力を決定する制御手段、４は、例えば、空調機、温水器、冷蔵庫等の可制御負荷、５は可制御負荷制御システム、６は電力系統である。
同図に示すように、この可制御負荷４は、例えば、総発電電力と給電力需要のバランスを監視し維持するための指令を出す中央給電指令所等の系統運用者との間でリアルタイムに情報交換を行うための通信手段を有さない負荷である。

可制御負荷４は、電力系統６の周波数偏差Δfとその時点において消費している電力pを計測する。ここで、可制御負荷４の最大消費電力をp_max、最低消費電力をp_min、周波数偏差の規定下限をΔf_l、周波数偏差の規定上限をΔf_h、αを１未満の正値、βをα未満の正値とする。可制御負荷４は、検出手段１において、温度センサ２や設定温度などの情報を取得して規定時間t_limitまでに投入する必要がある規定エネルギーe_estを推定し、将来平均消費電力p_tar=(e_est-∫p dt)/(t_limit-t)を算出する。一般に系統内に可制御負荷が多数台普及しているとき、各可制御負荷のp_tarは分散するので、周波数偏差の規定下限Δf_lと規定上限Δf_hはp_tarの関数として決定する。これは、各可制御負荷のΔf_lとΔf_hを分散させないとある周波数偏差でいきなり多数の可制御負荷が電力調節を行ってしまい、逆の周波数偏差を起こしてしまう可能性があるからである。
制御手段３において、Δf＞Δf_hのときは消費電力をα(p_max-p_min)だけ増し、Δf＜Δf_lのときは消費電力をα(p_max-p_min)だけ減らし、Δf_l≦Δf≦Δf_hかつp＜p_tarなら消費電力をβ(p_max-p_min)だけ増し、Δf_l≦Δf≦Δf_hかつp＞p_tarなら消費電力をβ(p_max-p_min)だけ減らすことを決定する。そして可制御負荷４は制御手段３からの指令どおりに消費電力を設定する。この一連の操作を規定時間間隔毎に繰り返す。以上の制御の流れ図を図２に示す。

次に、可制御負荷が多数導入された系統における需給バランス維持・系統周波数変動抑制の効果を確認するために行った数値計算について、図３から図５を用いて説明する。
計算に取り上げたモデル系統の系統容量を150MWとし、この値を%MW単位の基準とする。システムの基準周波数を50Hzとする。定格消費電力2.6 kW の可制御負荷が 5000 台導入されているとする。その総容量は系統容量の約 9% に相当する 13 MW である。全ての可制御負荷による総消費電力、その他の全ての負荷による総消費電力、調整発電ユニットの出力、経済負荷配分運転出力を、それぞれP_arc、 P_load、 P_adj、 P_edcとする。このとき、モデル系統の周波数偏差は(1)式で表される。ここに、K_Lは負荷周波数特性定数で、K_L=2%MW/%Hzとした。

可制御負荷としては、消費電力を連続的に変化できるインバータ式の空気調和機を想定した。すべての可制御空気調和機は、定格消費電力 p_max=2.6 kW、送風時消費電力 p_min=0.15 kW で、消費電力を p_minから p_max までの間の任意値に調節できるとする。各可制御空気調和機は、一般モードまたは調節モードのいずれかで運転する。5000台の可制御空気調和機の消費電力は、正規分布に従い分散しているとする。

一般モードの各可制御空気調和機は５秒毎に、その時刻tからt_limit=15 分後までの消費電力量 e_est を予測し、将来平均消費電力 p_tar(t)＝e_est／t_limitを計算し、将来平均消費電力比率γ(t) を(2)式で計算する。
周波数偏差の規定下限をΔf_l＝-0.2γ(t) Hz、規定上限をΔf_h＝0.2(1-γ(t)) Hzとする。そして周波数偏差Δfを計測し、Δf_l≦Δf≦Δf_hであるときは一般モードで運転し続ける。しかし、一度Δf＞Δf_hまたはΔf＜Δf_lになると、調節モード運転に移行する。それから規定時刻t_limit=15 分の間、調節モードで運転し続けた後に、一般モードに戻る。
一般モードでは、周波数偏差に関係なく、室内温度を設定温度に近づけるように動作する。すなわち一般モードでは、周波数偏差による消費電力調節を行わない従来の空気調和機と同じように電力消費をする。

調節モードでは、調節モードになった時刻 t₀ を用い、各時刻tにおける将来平均消費電力 p_tar(t) を(3)式で計算し、(3)式で得られたp_tar(t)を(2)式に代入して将来平均消費電力比率γ(t) を求める。
周波数偏差の規定下限をΔf_l＝-0.2γ(t) Hz、規定上限をΔf_h＝0.2(1-γ(t)) Hzとする。そして、Δf＞Δf_hの時は 5 秒毎に消費電力を Δp＝0.1(p_max-p_min) だけ増し、Δf＜Δf_lの時は 5 秒毎に消費電力を Δp だけ減らす。
また、Δf_l≦Δf≦Δf_hであるときは、消費電力p が p_tar(t)より小さい場合は 5 秒毎に消費電力を 0.1Δp だけ増し、大きい場合は 5 秒毎に消費電力を 0.1Δp だけ減らす。
ただし、周波数偏差に関係なく、γ(t)=0 になったら消費電力を p_minに、γ(t)=1 になったら消費電力を p_maxとして、時刻tがt₀+t_limitになるまでその状態を維持する。

各時刻における、全ての可制御負荷による総消費電力P_arcは、5000台の可制御空気調和機の消費電力pの総和である。

可制御負荷以外の全ての負荷による消費電力 P_load では、分散型電源からの発電出力分を差し引いている。夏季の消費電力を想定し全負荷(P_arc+P_load)の最大値は130MW(系統容量の87%)としており、また分散型電源の大量導入により P_load の変動量が後述する P_adjの可変範囲より大きいとした。

調整発電ユニットの発電出力 P_adj は、出力範囲を 0≦P_adj≦P_adjmax=8.0MW、変化率を |dP_adj/dt|≦3.0%MW/min に制限した。
P_adj の変化量 ΔP_adj はガバナフリー運転分 P_gov と負荷周波数調整分 P_lfcの和となる(ΔP_adj=P_gov+P_lfc)。ガバナフリー運転は、発電機周波数特性定数 K_G=5%MW/%Hzで行う。負荷周波数制御は(4)式で行うが、Δf は 5 秒前の値を用いる。なお、以上で用いたΔは差分の意である。
ここに、c₁=-0.8K_L、 c₂=1×10^-3%MW/(%Hz・s)とした。

経済負荷配分運転出力 P_edc は、実際は数分先の需要予測を基に調節されるが、今回の計算では変化率を|dP_edc/dt|≦0.3%MW/minに制限して低速な制御特性を模擬した。そして、調整発電ユニットの運転余力確保のため、P_edcは上記の制限の基でP_adjをP_adjmax/2 に近づけるように調節した。

上記の計算方法により、8時から20時までの12時間の周波数偏差を解析した結果を図３に示す。なお、図中のuは、5000台の空気調和機のうち、調節モード運転を行っている空気調和機の割合である。また比較として、本発明の空気調和機の代わりに、周波数偏差による消費電力調節を行わない従来の空気調和機を用いた場合の解析結果を図４に示す。図３と図４では、P_loadの時間変化は全く同じである。また、各空気調和機の各時刻における電力消費の需要は全く同じで、トータルの消費電力量も全く同じである。

図４の場合は、特に P_adj が0またはP_adjmaxとなり運転余力を全部出し切った際に、大きな周波数偏差が生じている。これに対し、本発明の可制御負荷を用いている図３の場合は、P_adj のみならず P_arc も周波数偏差を抑制するように変化しており、図４に比べて周波数偏差を大幅に低減できている。

図３と図４の場合における、５秒毎に測定した周波数偏差の度数分布を図５に示す。図５より、本発明の可制御負荷が普及した電力系統では、周波数偏差を充分に抑制できることが明らかである。

なお、実際の可制御負荷では、将来の規定時間t_limitまでに投入する必要がある規定エネルギー e_est の予測値は、実際に必要な値に対して誤差を含む可能性がある。しかし、誤差が判明した時点で e_est の値を修正していけば、上記の制御手法はそのまま適用できる。
また、αやβの値は、系統の規模と可制御負荷の普及率を考慮して決定する必要があり、普及率が高くなると変更する必要が生じる。この調節は手動または通信手段により行われることになるが、その変更は頻繁に行うものではなく、リアルタイムの通信手段は不要である。

一実施形態の発明に係る可制御負荷の構成を示す図である。 可制御負荷の消費電力制御アルゴリズムの流れを示す図である。 本実施形態の実施例として計算を行ったモデル系統における、周波数偏差、電力、調節モードの可制御負荷の割合の、時間変化を示す図である。 本発明の可制御負荷の代わりに、周波数偏差による消費電力調節を行わない従来の負荷を用いた場合のモデル系統における、周波数偏差、電力、調節モードの可制御負荷の割合の、時間変化を示す図である。 図３と図４の場合における、５秒毎に測定した周波数偏差の度数分布を示す図である。

符号の説明

１ 検出手段
２ 温度センサ
３ 制御手段
４ 可制御負荷
５ 可制御負荷制御システム
６ 電力系統

Claims (2)

1. 系統運用者と可制御負荷間で通信手段を介して情報をリアルタイムに授受することなく、可制御負荷が対象とする温度やその設定温度などの情報を取得して規定時間t_limitまでに投入する必要がある規定エネルギーe_estを推定して将来平均消費電力p_tar=(e_est-∫p dt)/(t_limit-t)を算出し、また電力系統の周波数偏差を計測して、前記周波数偏差が規定範囲内の場合は前記将来平均消費電力に近づくように、前記周波数偏差が規定範囲外の場合は前記周波数偏差を抑制するように、前記可制御負荷の消費電力を制御することを特徴とする可制御負荷の消費電力制御方法。
2. 可制御負荷と、該可制御負荷が対象とする温度やその設定温度などの情報を取得し、電力系統の周波数偏差を計測する検出手段と、系統運用者と可制御負荷間で通信手段を介して情報をリアルタイムに授受することなく、前記取得した情報に基づいて、規定時間t_limitまでに投入する必要がある規定エネルギーe_estを推定して将来平均消費電力p_tar=(e_est-∫p dt)/(t_limit-t)を算出し、前記将来平均消費電力と前記周波数偏差から前記可制御負荷における消費電力を制御する制御手段とからなることを特徴とする可制御負荷制御システム。