JP2007135355A - 系統安定化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】自然エネルギを用いた発電設備の出力変動を低コストで効果的に抑制することのできる系統安定化装置を得る。
【解決手段】自然エネルギ発電設備100が接続された系統1にNAS電池6とキャパシタ7とを接続する。自然エネルギ発電設備100の出力変動を、NAS電池6の遅れ時定数で平滑化し、NAS電池6で吸収できない早い変動成分をキャパシタ7で吸収する。
【選択図】図1

Description

この発明は、自然エネルギによる発電設備の出力変動を抑制する、蓄電設備とキャパシタで構成される系統安定化装置に関するものである。

風力発電や太陽光発電といった自然エネルギを用いた発電設備は、化石燃料を使用しないクリーンなエネルギとして、我が国で急速な広がりを見せており、政府においても2010年度に風力発電300万kW、太陽光発電482万kWの導入目標を掲げ、導入促進が図られている。

一方、自然エネルギの普及促進の課題として、出力が気象条件に依存し、予測できない出力変動をきたす事が電力系統への影響問題としてクローズアップされている。自然エネルギは出力が安定しないために、規模が拡大すれば、系統の電圧、周波数が安定に維持されなくなる、という問題が指摘されている。つまり、発電量が増えれば周波数や電圧が上昇し、発電量が下がれば周波数や電圧が低下する、といった問題点である。電力会社は、このような変動に対して、電力系統側の調整電源の運用や電圧調整機能で、系統電力品質の維持に努めているが、今後自然エネルギが増加すればこの調整能力を超え、何らかの対策を講じないと電力品質を維持できなくなる問題が発生すると予想されている。

また、離島など電力系統容量の小さい地域において自然エネルギを導入する場合、出力変動に対する周波数変動や電圧変動の感度が高く、自然エネルギ導入に併せて系統安定化装置を併設しなければ電力品質を維持できない状況にある。特に、離島は、電力供給のための燃料輸送条件が厳しいのと、風力発電や太陽光発電の立地条件が良い点で、積極的な導入が期待されているにもかかわらず、このような問題で導入が制限されることがあった。

従来、このような問題に対処するため、風力発電設備とディーゼル発電機とを組み合わせ、更に、風力発電による出力変動を吸収する蓄電池を備えた発電システムがあった(例えば、特許文献1参照)。

また、太陽光発電装置にコンデンサと蓄電池を接続し、太陽光発電装置の発電電力をコンデンサに一旦蓄えてから蓄電池の充電を行うようにしたものがあった(例えば、特許文献2参照)。

特開2002−317750号公報 特許第3529660号公報

ところが、このように自然エネルギの出力変動をNAS電池などの蓄電設備で補償しようとすると、蓄電設備は風力発電設備の容量の70%〜80%を必要とし、風力発電設備の経済性を圧迫する、という問題点があった。つまり、蓄電設備のコストはkW単価で風力発電設備と同等のレベルであり、風力発電設備の発電原価を押し上げて事業採算性を圧迫してしまうことで、導入の阻害要因になることが指摘されていた。

また、NAS電池や鉛蓄電池等の蓄電設備は、本来長時間の充放電用に用いられるものであるため、自然エネルギのような短時間の出力変動に対応するには、出力(kW)の補償に対応して比較的大容量(kWh)の貯蔵量を保有する必要があり、このような点が自然エネルギを用いた発電システムのコストを圧迫する要因となっていた。

更に、太陽光発電装置の発電電力をコンデンサに一旦蓄えてから蓄電池の充電を行うようにしたものでは、このような制御を適用して蓄電設備の容量の低減化を図るには不十分であった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、自然エネルギを用いた発電設備の出力変動を低コストで効果的に抑制することのできる系統安定化装置を得ることを目的とする。

この発明に係る系統安定化装置は、自然エネルギ発電設備が接続された系統に接続され、自然エネルギ発電設備の出力変動を補償するために蓄電設備とキャパシタを設け、自然エネルギ発電設備の出力変動は、中長期成分を蓄電設備の遅れ時定数で平滑化し、蓄電設備で吸収できない短期成分をキャパシタで吸収するようにしたものである。

この発明の系統安定化装置は、自然エネルギ発電設備の出力変動を補償するために蓄電設備とキャパシタとを設け、蓄電設備で吸収できない短期成分をキャパシタで吸収するようにしたので、高価な蓄電設備の容量を抑えることが可能になり、ひいては経済的な自然エネルギの変動抑制を図ることが可能になる。

実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による系統安定化装置を用いた発電システムの構成図である。
図において、発電システムは、系統1、風力発電設備2、太陽光発電設備3、ディーゼル発電機4、インバータ5、NAS電池6、キャパシタ7からなる。

系統1は、風力発電設備2や太陽光発電設備3およびディーゼル発電機4によって発電された電力を、需要家(図示せず)に供給するための送電路を構成している。風力発電設備2および太陽光発電設備3は、自然エネルギによって発電を行う自然エネルギ発電設備100である。ディーゼル発電機4は、風力発電設備2や太陽光発電設備3の出力変動を吸収するための回転型発電機である。インバータ5、NAS電池6およびキャパシタ7は、自然エネルギ発電設備100の出力変動を吸収するための系統安定化設備110を構成している。インバータ5は、NAS電池6やキャパシタ7といった直流の電力を交流電力として系統1に供給するためのものである。NAS電池6は、インバータ5を介して系統1に電力を供給すると共に、風力発電設備2や太陽光発電設備3で発電される電力によって充電される蓄電設備である。キャパシタ7は、風力発電設備2や太陽光発電設備3における短時間の出力変動を対処するためのもので、風力発電設備2や太陽光発電設備3の発電電力によって電荷が蓄えられるものである。

次に、このように構成された発電システムにおける系統安定化装置の動作を説明する。
例えば、離島において、自然エネルギで構成される発電システムの動作例を図1を用いて説明する。
風力発電設備2や太陽光発電設備3の自然エネルギ発電設備100と、ディーゼル発電機4とが発電システムの電源設備として構成され、系統1を通じて離島の需要家(図示せず)に電力が供給される。同じ系統1に、NAS電池6とキャパシタ7とインバータ5で構成される系統安定化設備110が連系され、風力発電設備2や太陽光発電設備3の出力変動を吸収し、平滑化された電力を系統1に供給する。平滑化の方法として、先ず、ディーゼル発電機4の比較的緩い応答で長周期の変動を吸収し、次にディーゼル発電機4で吸収できない比較的早い変動をある遅れ時定数を持ったNAS電池6の応答で吸収し、更に、NAS電池6で吸収できない早い周期の変動をキャパシタ7の応答で吸収させる。キャパシタ7は、NAS電池や鉛電池のような貯蔵型の蓄電設備に比べて小容量で短時間の充放電が可能で、短周期の変動をキャパシタ7で受け持たせることにより経済的な系統安定化装置を提供することができる。

以上の動作を更に具体的に説明する。
図2〜図7は、様々な場合の出力特性図を示しており、例えば、図2は、1500kWの風力発電の出力変動の実測例を示している。図2中、出力変動21は約8時間強の出力変動、出力変動22は、その中の一部(約15分間)の変動をズームアップしたものである。

また、図3〜図7は、図2に示したような風力発電設備2の出力変動に対する特性を示しており、図3は、風力発電設備2の出力変動をディーゼル発電機4とNAS電池6で吸収したときの出力特性図、図4は、風力発電設備2の出力変動をディーゼル発電機4とNAS電池6とキャパシタ7で吸収したときの出力特性図、図5は、図4においてNAS電池6の応答時定数を30秒に設定した場合の出力特性図、図6は、図4においてNAS電池6の応答時定数を20秒に設定した場合の出力特性図、図7は、図4においてNAS電池6の応答時定数を10秒に設定した場合の出力特性図である。

図2〜図7において、横軸は時間(時間:分)、縦軸はそれぞれの電源の出力を表す。また、図3〜図7において、10は風力発電設備2の出力、11はディーゼル発電機4の出力、12はNAS電池6の出力、13はキャパシタ7の出力を示している。更に、分かりやすく説明するために、図3〜図7において、ディーゼル発電機4の出力11、NAS電池6の出力12、キャパシタ7の出力13のそれぞれの変動は、実際の変動に対してプラスマイナス逆方向に表示している。

また、ここではディーゼル発電機4の定格出力は風力発電設備2の定格出力相当を想定する。これは、風力発電設備2の出力が0であっても、その定格出力分がディーゼル発電機4の出力でカバーされる考え方に基づいている。

先ず、実施の形態1における系統安定化装置の効果を説明するため、図3に示すNAS電池6とディーゼル発電機4によって平滑化する事例を説明する。
図3は、図2に示す風力発電の変動特性において、風力発電設備2の出力変動10をディーゼル発電機4と、NAS電池6のみを電源とする系統安定化設備110で吸収した場合の出力特性の一部ズームアップを示す。

風力発電設備2の出力変動10に対して、先ずディーゼル発電機4が自身の緩い応答速度で追従し、11に示す曲線で応答する。ディーゼル発電機4は、実際には1台では100%負荷変動に対して数十秒程度の比較的早い応答が可能であるが、通常は負荷に応じた複数台の台数制御を行うことが多く、この場合、風力発電設備2の出力変動に対してディーゼル発電機4は起動時間を含めた速度で応答することを想定しておく必要がある。ディーゼル発電機4の起動には通常5分程度を要するので、1台の定格出力あたり5分程度の応答、つまり100%出力に対して、5分程度×台数の応答速度を見ておく必要がある。即ち、ディーゼル発電機4の特性として、その電力出力を任意に調整可能で、かつ、電力出力の調整に時間遅れを伴う回転型発電機であるとする。ここではディーゼル発電機4の応答速度として、約30分/1500kWを想定した。

風力発電設備2の出力変動10に対し、ディーゼル発電機4の追従11で吸収できない偏差成分、つまり曲線10と曲線11の差分は、NAS電池6によって吸収されるが、その吸収分を曲線12に示す。即ち、風力発電設備2の出力変動10は、ディーゼル発電機4の出力追従11とNAS電池6の出力追従12によって平滑化される。図3は図2の一部について動作を示したものであるが、図2の全データに対して応答を求めた結果では、NAS電池6の必要最大出力は約1000kWであり、つまり、この場合NAS電池6の定格出力は風力発電設備2の定格出力の2/3を必要とする。

図4は、図3に示した動作にキャパシタ7による変動吸収を加えたもので、これが実施の形態1の動作を示している。風力発電設備2の出力変動10の長周期成分をディーゼル発電機4の出力11で吸収するところまでは図3の場合と同一である。ここで、曲線10と曲線11の差分(つまり図3の曲線12相当)について、先ず、NAS電池6に遅れ時定数を持たせた上で、この差分をNAS電池6の出力で追従させる。図4の例では、NAS電池6の遅れ時定数を20秒に設定した場合を示している。このときのNAS電池6の追従曲線が12で示される。こうしておいて、残りの早い変動成分を、今度はキャパシタ7の出力で追従させる。これが曲線13で示されている。つまり、ディーゼル発電機4の比較的緩い応答11で長周期の変動を吸収し、次にディーゼル発電機4で吸収できない比較的早い変動をNAS電池6の応答12で吸収し、更に、NAS電池6で吸収できない早い周期の変動をキャパシタ7の応答13で吸収させている(NAS電池6とキャパシタ7を組み合わせたハイブリッド構成による吸収動作)。

このような構成で、図2の全データに対して応答を求めた結果では、NAS電池6の必要最大出力が600kWで、キャパシタ7の必要最大出力と必要補償時間は400kW×45秒となった。即ち、図3で示したキャパシタ7を用いない構成において、定格1000kWのNAS電池を必要としたのに対し、図4のハイブリッド構成では定格600kWのNAS電池6と定格400kW×45秒のキャパシタ7の組み合わせで同じ機能(つまり風力発電の平滑化)を果たすことになる。ここで、NAS電池6は、例えば貯蔵容量として定格出力の約7時間分を保有する必要があるのに対し、キャパシタ7は45秒と極めて短時間の貯蔵量で良く、この差がトータルで経済的メリットを生む。

図8は、図3の場合(NAS電池のみ)と図4の場合(ハイブリッド構成)について系統安定化装置の経済性を試算比較した結果を示す説明図である。
図示のように、図4の構成によれば、コストのかかるNAS電池の容量の一部をコストの低いキャパシタに置き換えるのでトータルで経済的な系統安定化装置を構成することが可能となる。図8には重量の比較も示しているが、図4の方法では大幅に軽量化を図ることが可能となる。

図4に示したようなハイブリッド構成において、NAS電池6の出力とキャパシタ7の容量(出力×時間)には種々の組み合わせが考えられ、トータルでコストミニマムとなるような最適化問題が存在する。この問題は実際にシミュレーションを行って解を求めることが可能である。パラメータとしては、NAS電池6の遅れ時定数(秒)、キャパシタ7の出力(kW)×時間(h)が考えられるが、図2の風力発電の出力変動例について調べた結果では、それぞれ20秒、400kW×45秒という結果になった。キャパシタ7の出力(kW)×時間(h)に制限を設けた場合、これにかかれば残りの偏差は最後にNAS電池6が負担する、という方法で平滑化されるが、これによりキャパシタ7の容量とNAS電池6の出力のバランスを最適化することが可能となる。図4はこのような方法で得た結果である。

単に一方的にNAS電池6の容量を低減すれば良い訳でなく、キャパシタ7の容量パラメータ(kWと時間)との兼ね合いで、トータルとしてコストミニマムとなるような最適解が存在する。また、NAS電池6の遅れ時定数を適正に選ぶことで、やはり同じく両者のバランスを最適化することが可能となる。図5〜図7はこの様子を示している。

図5〜図7は、NAS電池の出力応答がピークとなる時間帯をズームアップしたもので、図5はNAS電池の遅れ時定数を30秒、図6は同20秒、図7は同10秒に選定した場合の応答を示す。この3者を比較すれば図6の20秒の場合が最もNAS電池容量を低減できることが分かる(曲線12のピークを比較)。NAS電池6の遅れ時定数が早すぎる場合(図7の場合)、NAS電池6が早く応答してしまい、その分大きな出力を必要とする。一方、同時定数が遅すぎる場合(図5の場合)、追従できない分をキャパシタ7がカバーするが、キャパシタ7の容量(時間、又はkWh)の制限にかかってカバーしきれないため、結果としてNAS電池に負担がかかり、NAS電池出力がアップする。

尚、上記事例では、風力発電設備2の出力変動について説明したが、太陽光発電設備3も同様に出力変動があり、太陽光発電設備3の場合もこの発明を適用することにより、同様の効果を得ることができる。また風力発電設備2と太陽光発電設備3の両方が設置される場合も、この発明を適用することにより、同様の効果を得ることができる。

また、上記の説明ではディーゼル発電機4を、風力発電設備2の出力変動を吸収するための構成要素として説明したが、この場合、ディーゼル発電機4は、既に系統1に存在し運用されているものを使用しても良いし、自然エネルギ発電設備の設置に伴って新たに設置したものであっても良い。また、回転型発電機として、ディーゼル発電機でなくてもガスエンジンなど、供給する電力を任意に調整可能な他の種類の回転型発電機で構成しても良い。更に、このような回転型発電機は、自然エネルギ発電設備100の近くに設置される必要はなく、繋がる系統1のどこかに設置されていれば良く、同様の制御を施すことにより同様の効果を奏する。

また、この発明において、ディーゼル発電機4といった回転型発電機はあったほうが望ましいが、必ずしも必須の構成要件ではない。このような回転型発電機がない場合、図4において、曲線11で示す平滑化は得られないが、NAS電池6とキャパシタ7の組み合わせによる平滑化効果は同様に期待することができる。

また、上記実施の形態では、ディーゼル発電機4といった回転型発電機を備えているが、この回転型発電機は単に系統1に電力を供給するための構成であっても良い。例えば、離島等の電力供給施設として、元々、ディーゼル発電機4といった回転型発電機のみで電力供給を行っていたところに、風力発電設備2といった自然エネルギ発電設備100と系統安定化設備110をセットで導入した形態であっても、系統安定化設備110による自然エネルギ発電設備100の出力変動の吸収効果は同様に期待することができる。

また、上記実施の形態では、蓄電設備としてNAS電池6の例を示したが、必ずしもNAS電池6に限定されるものではなく、鉛電池やレドックスフロー電池やリチウム電池などの貯蔵型の蓄電設備であれば良い。この場合、蓄電設備の種類によってキャパシタとの組み合わせの最適解が異なり、これは同様のシミュレーションによって解を求めることが可能である。

また、上記実施の形態では、離島に自然エネルギ発電設備100が設置される事例を示したが、離島に限られるものではなく、本土の電力会社の系統網に自然エネルギ発電設備100を設置する場合にも同様の効果を得ることができる。この場合、ディーゼル発電機4は、自然エネルギを用いた発電設備に近接設置が望ましいが、繋がる系統のどこかに存在するものを制御対象とすることでも良い。或いは、NAS電池6とキャパシタ7による系統安定化設備110のみで、自然エネルギ発電設備100の出力変動を吸収するものでも良い。

また、上記実施の形態では、キャパシタ7が含まれる系統安定化設備110の例を示したが、実際にはキャパシタ7を保有していなくても、仮想的にキャパシタ7が存在するものとして上述したNAS電池6の最適解を求める制御を行ってもよい。即ち、離島等で周波数を制御する場合、キャパシタを含むシステムにより時定数の短い(10秒程度)の出力変動を補償する必要がある。しかしながら、系統1が商用系統に連系している場合、電力系統全体でみれば10秒程度の周期の短い変動は場所間での相関がなく、系統全体ではそれぞれの変動がお互いに打ち消し合うことが知られている。このため、商用系統に連系している場合は、短い周期の変動を実際のキャパシタ7で補償する必要は必ずしもない。そこで、NAS電池6では短い周期の変動をあたかもキャパシタ7に配分するように制御することで、その必要容量をキャパシタが存在しない場合よりも小さくすることができる。

即ち、自然エネルギ発電設備100の出力変動を、中長期成分と短期成分に分け、中長期成分はディーゼル発電機4もしくは遅れ時定数を持ったNAS電池6で平滑化し、短期成分は、系統1の隣接系統に仮想的に存在するキャパシタ7が吸収するものとして、この状態でNAS電池6の遅れ時定数を決定するようにしてもよい。このように制御した場合、実際にはキャパシタが存在しないため、周期の短い変動は系統1側に流れることになるが、上述したように、商用系統全体でみればこのような影響は打ち消し合うため問題とはならない。

また上記実施の形態では、系統安定化設備110として、NAS電池6とキャパシタ7を共通のインバータ5で電力変換を行う例を示したが、必ずしもこれに従う必要はなく、NAS電池6とキャパシタ7で個別にインバータを設けても良い。

以上のように、実施の形態1の系統安定化装置によれば、自然エネルギを用いて発電した電力を系統に供給する自然エネルギ発電設備と、系統に接続され、自然エネルギ発電設備の出力変動を補償する蓄電設備およびキャパシタを備え、自然エネルギ発電設備の出力変動は、中長期成分を蓄電設備の遅れ時定数で平滑化し、蓄電設備で吸収できない短期成分をキャパシタで吸収するようにしたので、高価な蓄電設備の容量を抑えることが可能になり、ひいては経済的な自然エネルギの変動抑制を図ることが可能になる。

また、実施の形態1の系統安定化装置によれば、その電力出力を任意に調整可能で、かつ、電力出力の調整に時間遅れを伴う回転型発電機を備え、自然エネルギ発電設備の出力変動は、長期成分を回転型発電機の緩い応答で平滑化し、回転型発電機の応答で吸収できない中期成分を蓄電設備の遅れ時定数で平滑化し、蓄電設備で吸収できない短期成分をキャパシタで吸収するようにしたので、自然エネルギを用いた発電設備の出力変動を更に効果的に抑制することができる。

また、実施の形態1の系統安定化装置によれば、キャパシタの容量の制限を設け、キャパシタが吸収できない変動成分を蓄電設備が吸収するようにしたので、キャパシタの容量と蓄電設備の出力のバランスを最適化することが可能となる。

また、実施の形態1の系統安定化装置によれば、蓄電設備の遅れ時定数は、蓄電設備の容量が最も少なくなる値としたので、キャパシタの容量パラメータとの兼ね合いで、トータルとしてコストミニマムとなるような最適解を求めることができる。

また、実施の形態1の系統安定化装置によれば、キャパシタが系統に連系する隣接系統に仮想的に存在するものとして、蓄電設備の遅れ時定数を決定するようにしたので、蓄電設備の容量をキャパシタが存在しない場合よりも小さくすることができる。また、キャパシタが存在する場合と制御アルゴリズムを変更する必要がないという効果がある。

この発明の実施の形態1による系統安定化装置を用いた発電システムを示す構成図である。 風力発電設備の出力変動の実測例を示す説明図である。 風力発電設備の出力変動をディーゼル発電機とNAS電池で吸収したときの出力特性を示す説明図である。 風力発電設備の出力変動をディーゼル発電機とNAS電池とキャパシタで吸収したときの出力特性を示す説明図である。 図4の構成においてNAS電池の応答時定数を30秒に設定した場合の出力特性を示す説明図である。 図4の構成においてNAS電池の応答時定数を20秒に設定した場合の出力特性を示す説明図である。 図4の構成においてNAS電池の応答時定数を10秒に設定した場合の出力特性を示す説明図である。 NAS電池のみとハイブリッド構成について系統安定化装置の経済性を試算比較した結果を示す説明図である。

符号の説明

1 系統、2 風力発電設備、3 太陽光発電設備、4 ディーゼル発電機(回転型発電機)、6 NAS電池(蓄電設備)、7 キャパシタ、100 自然エネルギ発電設備、110 系統安定化設備。

Claims (5)

  1. 自然エネルギを用いて発電した電力を系統に供給する自然エネルギ発電設備と、
    前記系統に接続され、前記自然エネルギ発電設備の出力変動を補償する蓄電設備およびキャパシタを備え、前記自然エネルギ発電設備の出力変動は、中長期成分を前記蓄電設備の遅れ時定数で平滑化し、当該蓄電設備で吸収できない短期成分を前記キャパシタで吸収することを特徴とする系統安定化装置。
  2. その電力出力を任意に調整可能で、かつ、前記電力出力の調整に時間遅れを伴う回転型発電機を備え、
    自然エネルギ発電設備の出力変動は、長期成分を前記回転型発電機の緩い応答で平滑化し、前記回転型発電機の応答で吸収できない中期成分を蓄電設備の遅れ時定数で平滑化し、前記蓄電設備で吸収できない短期成分をキャパシタで吸収することを特徴とする請求項1記載の系統安定化装置。
  3. キャパシタの容量の制限を設け、当該キャパシタが吸収できない変動成分を蓄電設備が吸収することを特徴とする請求項1または請求項2記載の系統安定化装置。
  4. 蓄電設備の遅れ時定数は、当該蓄電設備の容量が最も少なくなる値としたことを特徴とする請求項3記載の系統安定化装置。
  5. キャパシタが系統に連系する隣接系統に仮想的に存在するものとして、蓄電設備の遅れ時定数を決定することを特徴とする請求項1または請求項2記載の系統安定化装置。
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