JP2007185008A

JP2007185008A - 電力供給システムおよびその制御方法

Info

Publication number: JP2007185008A
Application number: JP2006000262A
Authority: JP
Inventors: Fumio Yamamoto; 文雄山本
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2006-01-04
Filing date: 2006-01-04
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】太陽光発電システムや風力発電システムに代表される新エネルギー発電システムを配電線に連系する場合に、新エネルギー電源の電力系統側での導入限界が発生しない電力供給システムを提供する。
【解決手段】電力供給システム１００は、新エネルギーに分類される電源を連系する新エネルギー配電線６において需要家の電力系統１側に接続された電力変換装置５と、電力系統１において新エネルギー配電線６側に接続された電力変換装置２と、電力変換装置５と電力変換装置２との間において電源母線４に接続された電力貯蔵装置３とを備える。電力変換装置５が、電力貯蔵装置３を利用して、電力系統１の充電状態に関係なく、配電線６の充電状態を、所定範囲の電圧および周波数に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、新エネルギーに分類される電源から電力系統へ電力を供給するための電力供給システムに関するものである。さらに詳しくは、本発明は、電力貯蔵装置を電力供給システムの電圧電源とし、この電源に太陽光発電システムおよび風力発電システムなどの新エネルギー発電システムを連系させた電力供給システムを構成し、この電力供給システムを使って各種負荷へ電力を供給するシステムに関する。

近年、温室効果ガスの排出抑制や、長期的には枯渇性資源に対する依存から脱却することをねらいとして、クリーンな新エネルギーの導入が国策として進められている。具体的には、各種補助金が充実しており、また、２００３年４月から「電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法」（ＲＰＳ法）が施行されている。さらに、環境税についても、具体的実施に向けて検討が進められている。

新エネルギーに分類される電源（以下、「新エネルギー電源」と称する。）とは、太陽光発電システムや風力発電システムに代表されるように、従来の電源である原子力発電、火力発電、水力発電のような大型発電システムではなく、主要地近傍に設置される各種需要家（負荷）と同程度の容量の小型発電システムである。

新エネルギー電源は、前述したように温室効果ガスの排出抑制や枯渇性資源への依存からの脱却が可能であるという利点がある一方、太陽光発電システムや風力発電システムに代表されるように、気象条件に依存して出力が不安定であるという問題がある。

このようなことから、新エネルギーに分類される太陽光発電システムや風力発電システムなどの発電システムは、負荷の変化と発電出力の変化が一致しない状態でも利用可能な、需要地近傍の配電線に直接連系する形態で普及が進んでいる。

図７は、従来の電力供給システムの概略構成の一例を示す図である。図７に示すように、従来の電力供給システム９０は、需要家の電力系統１へ電力を供給するための電源として、新エネルギーに分類される電源（以下、「新エネルギー電源」と称する。）を有している。図７の例では、新エネルギー電源として、風力発電システム７と太陽光発電システム８が用いられている。

風力発電システム７は、風車７１と、風車７１で発生した電力を新エネルギー配電線６へ送電するための電力変換装置７２とを有している。太陽光発電システム８は、太陽電池８１と、太陽電池８１で発生した電力を新エネルギー配電線６へ送電するための電力変換装置８２とを有している。

風力発電システム７と太陽光発電システム８は、新エネルギー配電線６に接続されている。新エネルギー配電線６には、コジェネレーションシステムとして、電気と熱エネルギーを併給する装置９が接続されることもある、この装置９から、負荷１０および負荷１１へ、電気と熱エネルギーが供給される。
特開２００１−９５１５６特開２００１−２５１７６５「需要地系統の構成のための基礎検討―電圧変動から見た需要地系統構成の検討―」，電力中央研究所報告（Ｔ９９０４２），平成１２年５月

上述のように、図７に示した従来の電力供給システム９０は、新エネルギー電源としての風力発電システム７と太陽光発電システム８を、需要家の電力系統１へ続く新エネルギー配電線６へ直接連系させている。

このような電力供給システム９０では、新エネルギー電源に連系される電源の容量が増加すると、新エネルギー配電線６の電圧が規定値以上に上昇する。その場合、新エネルギー電源である風力発電システム７と太陽光発電システム８を構成している電力変換装置７２，８２に内蔵されている制御回路からの指令により、連系されている新エネルギー電源（風力発電システム７と太陽光発電システム８）の出力を減少させ、新エネルギー配電線６の電圧を規定値以内に抑えるようにしている。

しかしながら、このように配電線の電圧が規定値を超える度に新エネルギー電源の出力を減少させていたのでは、発電が可能であるにもかかわらず発電電力が抑制され、発電効率の悪化を招来する。

また、新エネルギー電源を需要地近傍の配電線に直接連系する方法は、その連系される電源の容量が増加すると、配電線の高調波電圧を規定値以上に上昇させる可能性がある。その結果、配電線および当該配電線の上位の電力系統において高調波電圧が上昇し、電力系統全体の電力品質の悪化を招来する。

さらに、新エネルギー電源を需要地近傍の配電線に直接連系する方法は、その連系される電源の容量が増加すると、当該配電線を含めた電力系統の短絡容量の増加を招く。この結果、電力系統側の対策、すなわち、電力系統に設置されている遮断器の取替が必要になる。

一方、新エネルギー電源である太陽光発電システムや風力発電システムは、自然の気象条件によってその発電出力が変化するため、これらの電源の電力系統への連系容量が増加すると、必ずしも負荷の変化とは一致しないため、電力系統を安定的に運用できなくなる可能性がある。

そこで、本発明は前記した問題点に鑑みて提案されたものであり、新エネルギー電源の電力系統側での導入限界が発生しない電力供給システムを提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明にかかる電力供給システムは、新エネルギーに分類される電源から電力系統へ電力を供給する電力供給システムにおいて、前記電源を連系する配電線において前記電力系統側に接続された第１の電力変換装置と、前記電力系統において前記配電線側に接続された第２の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置と第２の電力変換装置とを接続する電源母線と、前記第１の電力変換装置と第２の電力変換装置との間において前記電源母線に接続され、前記電源から出力される電力を貯蔵する電力貯蔵装置とを備え、前記第１の電力変換装置が、前記電力貯蔵装置を利用して、前記電力系統の充電状態に関係なく、前記配電線の充電状態を、所定範囲の電圧および周波数に制御することを特徴とする。

上記の構成によれば、新エネルギーに分類される電源が連系される配電線と、需要家の電力系統とは、第１および第２の電力変換装置、電源母線、および電力貯蔵装置から構成されるシステムによって分断されている。これにより、新エネルギー電源が連系されたことによって配電線の短絡容量が変動しても、その変動が需要家の電力系統の短絡容量に影響を及ぼすことがない。また、新エネルギー電源が連系された配電線と、需要家の電力系統とは、いずれか一方における電圧変動や周波数変動や高調波電圧又は電流の影響を直接に受けない。

上記の本発明にかかる電力供給システムにおいて、前記第１の電力変換装置が、前記配電線の電圧値が既定の範囲内に収まるよう制御することが好ましい。

上記の本発明にかかる電力供給システムにおいて、前記第１の電力変換装置が、前記配電線の高調波電圧値が既定の範囲内に収まるよう制御することが好ましい。

上記の本発明にかかる電力供給システムにおいて、前記第１の電力変換装置が、前記電力系統側へ流出または流入する電力が既定の範囲内に収まるよう制御することが好ましい。

上記の課題を解決するために、本発明にかかる電力供給システムの制御方法は、新エネルギーに分類される電源から需要家の電力系統へ電力を供給するために、前記電源を連系する配電線において前記電力系統側に接続された第１の電力変換装置と、前記電力系統において前記配電線側に接続された第２の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置と第２の電力変換装置とを接続する電源母線と、前記第１の電力変換装置と第２の電力変換装置との間において前記電源母線に接続され、前記電源から出力される電力を貯蔵する電力貯蔵装置とを備えた電力供給システムの制御方法であって、前記第１の電力変換装置が、前記電力貯蔵装置を利用して、前記電力系統の充電状態に関係なく、前記配電線の充電状態を、所定範囲の電圧および周波数に制御することを特徴とする。

上記の本発明にかかる電力供給システムの制御方法において、前記第１の電力変換装置が、前記配電線の電圧値が既定の範囲内に収まるよう制御することが好ましい。

上記の本発明にかかる電力供給システムの制御方法において、前記第１の電力変換装置が、前記配電線の高調波電圧値が既定の範囲内に収まるよう制御することが好ましい。

上記の本発明にかかる電力供給システムの制御方法において、前記第１の電力変換装置が、前記電力系統側へ流出または流入する電力が既定の範囲内に収まるよう制御することが好ましい。

以下、図面を参照しながら、本発明にかかる電力供給システムの一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態にかかる電力供給システムの概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の電力供給システム１００は、需要家の電力系統１へ電力を供給するために、新エネルギー電源を有している。図１の例では、新エネルギー電源として、風力発電システム７および太陽光発電システム８が、配電線（以降、「新エネルギー配電線」と称する。）６に連系されている。

ただし、本発明に適用できる新エネルギー電源の種類はこれらに限定されない。例えば、バイオマス発電システムや廃棄物発電システムを新エネルギー電源として用いることも可能である。また、１９９７年に施行された「新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法」において「新エネルギー」に指定されていないが、研究開発段階にある波力発電システムや海洋温度差発電システムも、本発明の新エネルギー電源として用いられる可能性は十分にある。

電力供給システム１００は、新エネルギー配電線６と電力系統１との間に、電力変換装置２，５を備えている。電力変換装置５は、新エネルギー配電線６側に接続され、電力変換装置２は、電力系統１側に接続されている。また、電力変換装置２と電力変換装置５とは、電源母線４を介して接続されており、この電源母線４に、電力貯蔵装置３が接続されている。なお、電源母線４は、直流方式または交流方式のいずれであっても良い。また、電源母線４が交流方式の場合、高調波成分含有の有無、電圧値、および周波数値に何ら限定はない。

電力貯蔵装置３は、風力発電システム７と太陽光発電システム８が出力する電力を貯蔵すると共に、電力変換装置５を介して、新エネルギー配電線６内の発生電力と負荷電力の変動に起因する合計電力変動を吸収する役割を果たす。すなわち、電力系統１側での需要に対して風力発電システム７と太陽光発電システム８の出力が過多である場合は、電力貯蔵装置３は余剰電力を貯蔵し、逆の場合は、電力貯蔵装置３は、貯蔵されている電力を電力系統１へ供給する。このように、電力貯蔵装置３を用いることにより、気象条件によって風力発電システム７と太陽光発電システム８の発電出力が変化した場合でも、新エネルギー配電線６から電力系統１へ流出または流入する電力を、所定の範囲内に制御できる。

なお、図１に示したように、風力発電システム７と太陽光発電システム８が連系される新エネルギー配電線６と、需要家の電力系統１とは、電力変換装置２，５および電力貯蔵装置３から構成されるシステムによって分断されている。これにより、風力発電システム７および太陽光発電システム８が連系されたことによって新エネルギー配電線６の短絡容量が変動しても、その変動が電力系統１の短絡容量に影響を及ぼすことがない。また、新エネルギー配電線６は、電力系統１における電圧変動や周波数変動や高調波電圧又は電流の影響を直接に受けない。また、電力系統１も、新エネルギー配電線６における電圧変動や周波数変動や高調波電圧又は電流の影響を直接に受けない。

電力変換装置５は、新エネルギー配電線６と電源母線４との間の電力の移動を可能とするものであり、新エネルギー配電線６において、所定の電圧と周波数で安定した充電状態を実現する。電力変換装置５は、例えば、電力用半導体素子を使ったスイッチング回路で構成することができる。

より具体的には、電力変換装置５は、電源母線４を介して接続されている電力貯蔵装置３に蓄えられたエネルギーを利用して、新エネルギー配電線６に対して、電力変換装置５が商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の所定の交流電圧電源となるような制御を実施する。これにより、電力変換装置５は、新エネルギー電源としての７，８の出力が変動した場合でも、新エネルギー配電線６が規定値以内の電圧値で充電されるようにする。

図２は、電力変換装置２，５のそれぞれの内部構成の一例を示したブロック図である。

図２に示すように、電力変換装置２は、系統連系型インバータ／コンバータ２１と、制御器２２とを有する。系統連系型インバータ／コンバータ２１の交流側（電力系統１側）が、制御器２２に接続されている。制御器２２は、系統連系型インバータ／コンバータ２１の交流側が電流電源になるように、系統連系型インバータ／コンバータ２１を制御する。

また、図２に示すように、電力変換装置５は、自立運転型インバータ／コンバータ５１と、制御器５２とを有する。自立運転型インバータ／コンバータ５１の交流側（新エネルギー配電線６側）が、制御器５２に接続されている。制御器５２は、自立運転型インバータ／コンバータ５１の交流側が電流電源になるように、自立運転型インバータ／コンバータ５１を制御する。

図３〜図５は、電力変換装置５の制御動作例を示すフローチャートである。なお、電力変換装置５は、図３〜図５のフローチャートにそれぞれ示す制御動作を全て行うことが好ましいが、少なくとも１つの制御動作のみを行うものであっても良い。

図３に示す制御動作例では、電力変換装置５は、定期的に、新エネルギー配電線６の電圧値を計測する（ステップＳ１）。計測された電圧値が規定の範囲内であれば（ステップＳ２においてＹｅｓ）、何もせずにステップＳ１へ戻る。一方、ステップＳ１で計測された電圧値が規定の範囲外であれば（ステップＳ３においてＮｏ）、電力変換装置５の制御器５２は、分散電源の無効電力を制御する（ステップＳ３）。なお、「分散電源」とは、電力貯蔵装置３および新エネルギー電源としての風力発電システム７および太陽光発電システム８を意味する。

分散電源の無効電力の制御は、例えば以下のように行う。ステップＳ１で計測された電圧値が規定値よりも高い場合は、電力変換装置５の制御器５２は、自立運転型インバータ／コンバータ５１を進相運転する。一方、ステップＳ１で計測された電圧値が規定値よりも低い場合は、電力変換装置５の制御器５２は、自立運転型インバータ／コンバータ５１を遅相運転する。

以上、ステップＳ１〜Ｓ３の処理により、電力変換装置５は、新エネルギー配電線６に電圧変動が生じても、負荷１０，１１に対して高品質な電力供給が図れる。また、新エネルギー配電線６の電圧変動が電力系統１に影響を及ぼさないよう制御することができる。

また、図４に示す制御動作例では、電力変換装置５は、新エネルギー配電線６の高調波電圧値を定期的に計測する（ステップＳ４）。計測された高調波電圧値が規定の範囲内であれば（ステップＳ５においてＹｅｓ）、何もせずにステップＳ４へ戻る。一方、ステップＳ４で計測された高調波電圧値が規定の範囲外であれば（ステップＳ５においてＮｏ）、電力変換装置５の制御器５２は、分散電源のアクティブフィルタを制御する（ステップＳ６）。ステップＳ６では、例えば、高調波電圧値が規定値を超えている場合は、高調波成分をカットするようにアクティブフィルタの係数を制御する。

以上、ステップＳ４〜Ｓ６の処理により、電力変換装置５は、風力発電システム７と太陽光発電システム８から高調波電流が流出され、新エネルギー配電線６に規定値以上の高調波電圧が含まれる状態になった場合でも、これを検知し、アクティブフィルタによって新エネルギー配電線６の高調波電圧をカットする。これにより、風力発電システム７と太陽光発電システム８から高調波電流が流出された場合も、負荷１０，１１に対しても、高品質な電力供給が図れる。また、新エネルギー配電線６の状態変動が電力系統１に影響を及ぼさないよう制御することが可能となる。

また、図５に示す制御動作例では、電力変換装置５は、新エネルギー配電線６の潮流値を定期的に計測する（ステップＳ７）。計測された潮流値が規定の範囲内であれば（ステップＳ８においてＹｅｓ）、何もせずにステップＳ７へ戻る。一方、ステップＳ７で計測された潮流値が規定の範囲外であれば（ステップＳ８においてＮｏ）、電力変換装置５の制御器５２は、潮流値が規定の範囲内に収まるよう、分散電源の有効電力を制御する（ステップＳ９）。

以上、ステップＳ７〜Ｓ９の処理により、電力変換装置５が、新エネルギー配電線６の潮流値が所定の範囲内に収まるよう制御することにより、負荷１０，１１に対しても、高品質な電力供給が図れる。また、新エネルギー配電線６の状態変動が電力系統１へ影響を及ぼすことを防止できる。

図６は、需要家の電力系統１側の電力変換装置２の動作例を示すフローチャートである。図６に示すように、電力変換装置２は、定期的に電力貯蔵装置３の充電量を計測する（ステップＳ１１）。そして、計測された充電量が既定値以上であれば（ステップＳ１２においてＹｅｓ）、電力貯蔵装置３から電力系統１側へ有効電力を放電し（ステップＳ１３）、ステップＳ１１へ戻る。一方、計測された充電量が既定値未満であれば（ステップＳ１２においてＮｏ）、電力系統１側から電力貯蔵装置３へ有効電力を充電し（ステップＳ１４）、ステップＳ１１へ戻る。

以上のとおり、本実施形態の電力供給システム１００では、新エネルギー電源としての風力発電システム７と太陽光発電システム８が連系された新エネルギー配電線６と、電力系統１との間に、電力変換装置５、電源母線４、電力貯蔵装置３、および電力変換装置２が設置されたことによって、以下の著しい効果を有している。

すなわち、電力供給システム１００によれば、新エネルギー電源としての太陽光発電システム８や風力発電システム７等を電力系統１へ直接連系する従来のシステム（図７参照）に比べ、電圧上昇または変動、高調波電圧の発生、短絡容量の増加、および電力変動の面で、電力系統１へ悪影響を与えない。また、電力供給システム１００によれば、電力系統１の制約を受けずに、新エネルギー電源の導入が図れる。

また、電力供給システム１００では、新エネルギー配電線６の電圧、周波数、および高調波電圧を、新エネルギー配電線６の中心的な電圧電源の役割を担う電力変換装置５によってきめ細かく制御できるため、新エネルギー配電線６から負荷１０，１１に対しても、高品質な電力供給が図れる。

さらに、電力供給システム１００では、電力系統１において、停電や、電力品質（電圧、周波数、高調波含有状況）の著しい低下が生じた場合でも、新エネルギー配電線６側ではその影響を受けない。従って、このような場合でも、新エネルギー配電線６に接続された負荷１０，１１に対しては、高品質な電力供給を継続できる。

また、従来、需要家の電力系統へ新エネルギーに分類される電源を連系する場合において、需要家の電力系統が電圧面や短絡容量面で十分な機能を有さない場合、電力系統側に大幅な改良工事が必要であった。しかし、本実施形態の電力供給システムを導入すれば、そのような改良工事の必要は無くなり、新エネルギーに分類される電源の普及促進が図れる。

なお、電力供給システム１００は、上述したとおり、例えば新規開発地域でエネルギー消費が多い場所等において、電気と熱エネルギーを併給する装置９を連系する場合においても有効である。すなわち、通常、電気と熱エネルギーを併給する装置９は、系統の短絡容量の増加を伴ったり、電力会社の電力需給状況に合致しなかったりするという問題を有する点で、導入が難しい電源である。しかし、電力供給システム１００を利用することにより、これらの問題が解決され、電気と熱エネルギーを併給できる装置９の普及促進が図れ、省エネルギーの点で非常に効果が高い。

本発明は、新エネルギーに分類される電源の普及促進が図れ、温室効果ガスの排出抑制や長期的には枯渇性資源に対する依存から脱却する点で、産業上の利用可能性が高い電力供給システムを提供する。

本発明の一実施形態にかかる電力供給システムの一例を示す概略構成図である。図１に示す電力供給システムの電力変換装置５の内部構成の一例を示すブロック図である。図１に示す電力供給システムの電力変換装置５の動作の一例を示すフローチャートである。図１に示す電力供給システムの電力変換装置５の動作の他の例を示すフローチャートである。図１に示す電力供給システムの電力変換装置５の動作のさらに他の例を示すフローチャートである。図１に示す電力供給システムの電力変換装置２の動作の一例を示すフローチャートである。従来の新エネルギー発電システムが連系された配電線の概略構成図である。

符号の説明

１電力系統
２電力変換装置（第２の電力変換装置）
２１系統連系型インバータコンバータ
２２制御器
３電力貯蔵装置
４電源母線
５電力変換装置（第１の電力変換装置）
５１自立運転型インバータコンバータ
５２制御器
７風力発電システム
７１風車
７２電力変換装置
８太陽光発電システム
８１太陽電池
８２電力変換装置
１００電力供給システム

Claims

新エネルギーに分類される電源から需要家の電力系統へ電力を供給する電力供給システムにおいて、
前記電源を連系する配電線において前記電力系統側に接続された第１の電力変換装置と、
前記電力系統において前記配電線側に接続された第２の電力変換装置と、
前記第１の電力変換装置と第２の電力変換装置とを接続する電源母線と、
前記第１の電力変換装置と第２の電力変換装置との間において前記電源母線に接続され、前記電源から出力される電力を貯蔵する電力貯蔵装置とを備え、
前記第１の電力変換装置が、前記電力貯蔵装置を利用して、前記電力系統の充電状態に関係なく、前記配電線の充電状態を、所定範囲の電圧および周波数に制御することを特徴とする電力供給システム。
前記第１の電力変換装置が、前記配電線の電圧値が既定の範囲内に収まるよう制御する、請求項１に記載の電力供給システム。
前記第１の電力変換装置が、前記配電線の高調波電圧値が既定の範囲内に収まるよう制御する、請求項１に記載の電力供給システム。
前記第１の電力変換装置が、前記電力系統側へ流出または流入する電力が既定の範囲内に収まるよう制御する、請求項１に記載の電力供給システム。
新エネルギーに分類される電源から需要家の電力系統へ電力を供給するために、前記電源を連系する配電線において前記電力系統側に接続された第１の電力変換装置と、前記電力系統において前記配電線側に接続された第２の電力変換装置と、前記第１の電力変換装置と第２の電力変換装置とを接続する電源母線と、前記第１の電力変換装置と第２の電力変換装置との間において前記電源母線に接続され、前記電源から出力される電力を貯蔵する電力貯蔵装置とを備えた電力供給システムの制御方法であって、
前記第１の電力変換装置が、前記電力貯蔵装置を利用して、前記電力系統の充電状態に関係なく、前記配電線の充電状態を、所定範囲の電圧および周波数に制御することを特徴とする電力供給システムの制御方法。
前記第１の電力変換装置が、前記配電線の電圧値が既定の範囲内に収まるよう制御する、請求項５に記載の電力供給システムの制御方法。
前記第１の電力変換装置が、前記配電線の高調波電圧値が既定の範囲内に収まるよう制御する、請求項５に記載の電力供給システムの制御方法。
前記第１の電力変換装置が、前記電力系統側へ流出または流入する電力が既定の範囲内に収まるよう制御する、請求項１に記載の電力供給システムの制御方法。