JP2007236085A

JP2007236085A - 電力系統安定化装置

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Publication number: JP2007236085A
Application number: JP2006053509A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Fukui; 昭圭福井; Akira Matsumoto; 暁松本; Keiichi Hirose; 圭一廣瀬
Original assignee: NTT Facilities Inc
Current assignee: NTT Facilities Inc
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】多数の蓄電池を使用する必要がなく、この結果、装置を小型化かつ軽量化することができる電力系統安定化装置を提供する。
【解決手段】双方向電力変換部１５は、ラインＬの交流電圧を直流電圧に変換して蓄電装置１７および抵抗１９のいずれか一方または双方へ出力する。電流検出器１２はラインＬの電流を検出する。制御部１６は、電流検出器１２の検出電流に基づいて負荷１〜３の消費電力を検出する。そして、負荷が急増した場合に、双方向電力変換部１５へ消費電力の絞込を指示し、負荷が急減した場合に、双方向電力変換部１５へ消費電力の吸込を指示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非常用等の電源装置の出力電圧を安定させる電力系統安定化装置に関する。

周知のように、非常用電源装置としてエンジンを用いた電源装置が知られている。このエンジンによる電源装置あるいは分散電源は、負荷が急増もしくは急減した場合に、応答速度が間に合わず、出力電圧あるいは周波数が規定値を逸脱し、システムダウンにつながる場合がある。
電力系統安定化装置はこのような負荷の急変によるシステムダウンを回避するために設けられるもので、従来のこの種の系統安定化装置として特許文献１に記載されるものが知られている。
特開平８−６５８９５号公報

ところで、従来の系統安定化装置は、蓄電池の充放電によって電力系統の安定化を図っているので、充電用、放電用それぞれ別個の蓄電池が必要であり、このため、多数の蓄電池が必要になり、装置が大型化かつ重量化する欠点がある。
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、多数の蓄電池を使用する必要がなく、この結果、装置を小型化かつ軽量化することができる電力系統安定化装置を提供することにある。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、電源装置から負荷へ交流電力を供給するラインに接続された電力系統安定化装置において、蓄電装置と、抵抗と、前記ラインの交流電圧を直流電圧に変換して前記蓄電装置および抵抗のいずれか一方または双方へ出力する電力変換部と、前記ラインの電流を検出する検出器と、前記検出器の検出電流に基づいて前記負荷の消費電力を検出し、その検出結果に基づいて前記電力変換部を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記負荷が急増した場合に、前記電力変換部へ消費電力の絞込を指示し、前記負荷が急減した場合に、前記電力変換部へ消費電力の吸込を指示することを特徴とする電力系統安定化装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電力系統安定化装置において、前記制御手段は、前記蓄電装置が前記負荷の急減によって規定値以上に充電された場合に、前記抵抗によって前記蓄電装置を規定値まで放電させることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の電力系統安定化装置において、前記制御手段は、前記負荷が急減した場合に、前記抵抗による電力消費が必要か否かを判定し、必要であった場合に、前記ラインの交流電圧を前記電力変換部において直流電圧に変換して前記蓄電装置へ出力すると共に、前記抵抗へも出力することを特徴とする。

この発明によれば、多数の蓄電池を使用する必要がなく、この結果、装置を小型化かつ軽量化することができる効果がある。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施の形態による電力系統安定化装置の構成を示すブロック図である。この図において、１１は、分散電源（商用電源とは独立して発電を行なうガスエンジンや燃料電池など）であり、負荷１〜負荷３へ交流電力を供給する。１２は分散電源１１から負荷１〜３へ電力を供給するラインＬの電流を検出する電流検出器（検出器）（ＣＴ）である。また、１３はこの発明の実施形態による系統安定化装置である。この系統安定化装置１３において、ＣＢはラインＬと安定化電源装置１３との間をオン／オフする通常オンの遮断器、１４は変圧器、１５は双方向電力変換部（電力変換部）である。この双方向電力変換部１５は、制御部１６（制御手段）からの指示を受けて変圧器１４を介して供給される交流電圧を直流電圧に変換して蓄電装置１７側へ出力する。

制御部１６は電流検出器１２の出力からラインＬの電流（負荷１〜３の消費電流）を検出し、この検出結果に基づいて負荷１〜３の消費電力を検出し、この消費電力に基づいて双方向電力変換部１５を制御すると共に、遮断器ＣＢ、スイッチＳＷ１、ＳＷ２および抵抗１９の抵抗値を制御する。なお、詳細は後述する。スイッチＳＷ１は蓄電装置１７と双方向電力変換部１５との間に介挿されたスイッチであり、通常オンである。スイッチＳＷ２は抵抗１９と双方向電力変換部１５との間に介挿された通常オフのスイッチである。なお、蓄電装置１７が過充電又は過放電の状態にある場合には、制御部１６は、スイッチＳＷ１をオフとするとともに、スイッチＳＷ２をオンとして、蓄電装置１７を双方向電力変換部１５から電気的に切り離すことにより、蓄電装置１７を保護する。
蓄電装置１７は、長時間充放電可能な蓄電池（例えば、鉛蓄電池、レドックスフロー電池、ＮａＳ電池など）であり、常時、例えば７０％に充電される。抵抗１９は制御部１６によって抵抗値が制御される可変抵抗である。負荷４は双方向電力変換部１５に接続された実負荷である。２１は蓄電装置１７の電流を検出する電流検出器である。

次に、上記実施形態の動作を図２および図３に示すフローチャートに従って説明する。
最初に、図２を参照し、負荷１〜３が急増する場合について説明する。まず、制御部１６は、電流検出器１２の出力に基づいてラインＬの電流を検出し（ステップＳａ１）、次に、負荷１〜３の急変量が設定値以上であるか否かを判定する（ステップＳａ２）。この判定は、例えば、負荷電流をＣＴで検出してラインＬの平均電流値を常時計算し、瞬時電流値と平均電流値との差分が設定値を超えたかどうかに基づいて行なう。そして、設定値以下であった場合はステップＳａ１へ戻る。また、設定値以上であった場合は、負荷１〜３の急増を検出し、増加電力量を演算する（ステップＳａ３）。この増加電力量は、例えば、上記電流値の差分と系統電圧から演算することができる。次に、絞込動作によって系統安定化が可能か否かを判定する（ステップＳａ４）。この判定は、電流変化量（上記の差分）が蓄電装置の最大放電電流より小さい場合に安定化可能（ＹＥＳ）となる。そして、判定結果が「ＮＯ」（安定化不可能）であった場合は、遮断器ＣＢへ切断指令を出力する（ステップＳａ５）。これにより、遮断器ＣＢが切断され（ステップＳａ６）、系統安定化装置１３が停止し（系統から解列され）、負荷４へは蓄電装置１７から給電される（ステップＳａ７）。

一方、ステップＳａ４の判定結果が「ＹＥＳ」（安定化可能）であった場合は、制御部１６が絞込量を演算し、双方向電力変換部１５へ絞込量指令を出力する（ステップＳａ８）。この処理は、例えば、次のように行われる。
初回：増加電力を直流出力電圧で割ると絞り込む直流出力電流値が演算される。現在の出力電流値からその演算値を引いた電流値を出力するように制御する。
２回目以降：電流変化量の傾き（ΔＩ／Δｔ）を常時把握し、その変化量に合わせ、双方向電力変換部１５の絞込量を制御する。
双方向電力変換部１５はこの指令を受け、ラインＬから受けている電力を絞り込む（消費電力を小とする）絞込動作を行う（ステップＳａ９）。この動作は次のように行われる。
双方向電力変換部１５は予め決められた電力量の設定値を維持するように動作している。この双方向電力変換部１５はスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等）によるコンバータによって構成され、スイッチング制御によって設定値を維持する。具体的には、スイッチング素子のオン／オフデューティ比を制御することによって設定値を一定に保つ。そして、制御部１６から設定値の変化量（絞込量）が指示されると、双方向電力変換部１５は、設定値から変化量を減算した値を新設定値とし、この新設定値を維持するようスイッチング制御を行う。

次に、制御部１６は蓄電装置１７が過放電状態にあるか否かを判定する（ステップＳａ１０）。この判定は、制御部１６が常時電流検出器２１の出力に基づいて蓄電装置１７の出力電流を検出し、検出した電流値を積算することによって放電電力量を求め、その値に基づいて行なう。なお、精密に行う場合は、蓄電装置１７の温度を測定し温度補正を行う。そして、過放電状態にあった場合は、制御部１６がスイッチＳＷ１をオフとし（ステップＳａ１１）、次いで、双方向電力変換部１５へ通常動作指令を出力する（ステップＳａ１２）。これにより、装置が通常運転へ移行し、負荷４への給電が継続される（ステップＳａ１３）。

また、ステップＳａ１０の判定が、過放電状態でなかった場合は、次に、負荷１〜３の変動量が変化しているか否かを判定する（ステップＳａ１４）。この場合、制御部１６は、例えば、電流検出器１２の出力に基づいて検出される電流の変化量の傾き（ΔＩ／Δｔ）から判定する。ステップＳａ１４の判定結果が「ＹＥＳ」（変化している）の場合はステップＳａ８へ戻る。一方、ステップＳａ１４の判定結果が「ＮＯ」の場合（変化していない）は、しばらくの間（例えば１０秒）現状を維持し（ステップＳａ１５）、次に、再び、負荷１〜３の変動量が変化しているか否かを判定する（ステップＳａ１６）。そして、判定結果が「ＹＥＳ」の場合はステップＳａ８へ戻る。

また、ステップＳａ１６の判定結果が「ＮＯ」場合は、この段階で双方向電力変換部１５の絞込制御がほぼ終了していることになり、制御部１６は蓄電装置１７が設定値まで充電されたか否かをチェックする（ステップＳａ１７）。これは、絞込制御によって絞り込んだ分、蓄電装置１７の電力を負荷４へ供給しており、これによって放電した分を充電するためである。次に、ステップＳａ１７の判定において設定値までの充電が検出された場合は、通常運転に移行する（ステップＳａ１８）。

次に、図３を参照し、負荷１〜３が急減する場合について説明する。まず、制御部１６は、電流検出器１２の出力に基づいてラインＬの電流を検出し（ステップＳｂ１）、次に、負荷１〜３の急変量が設定値以上であるか否かを判定する（ステップＳｂ２）。この判定は、例えば、負荷電流をＣＴで検出してラインＬの平均電流値を常時計算し、瞬時電流値と平均電流値との差分が設定値を超えたかどうかに基づいて行なう。そして、設定値以下であった場合はステップＳｂ１へ戻る。また、設定値以上であった場合は、負荷１〜３の急減量を検出し（ステップＳｂ３）、充電や消費等の吸込動作によって系統安定化が可能か否かを判定する（ステップＳｂ４）。この判定は、電流変化量（上記の差分）が、蓄電装置１８の最大充電電流と抵抗１９での最大消費電流の和より小さい場合に安定化可能（ＹＥＳ）となる。そして、判定結果が「ＮＯ」（安定化不可能）であった場合は、遮断器ＣＢへ切断指令を出力する（ステップＳｂ５）。これにより、遮断器ＣＢが切断され（ステップＳｂ６）、系統安定化装置１３が停止し（系統から解列され）、負荷４へは蓄電装置１７から給電される（ステップＳｂ７）。

一方、ステップＳｂ４の判定結果が「ＹＥＳ」（安定化可能）であった場合は、以後、急減した負荷１〜３の消費電力の減少分を系統安定化装置１３において消費（吸込）し、安定化を図る処理を行う。
すなわち、制御部１６は、まず、蓄電装置１７の充電による電力消費のみでよいか、あるいは、抵抗１９による電力消費をも必要とするかを判定する（ステップＳｂ８）。この場合、電流変化量（上記差分）が蓄電装置１７の最大充電電流より大きい場合に抵抗１９が必要となる。そして、判定結果が「ＹＥＳ」（抵抗１９も必要）であった場合は、制御部１６が充電量を演算し、双方向電力変換部１５へ吸込量指令を出力し、また、抵抗１９へ抵抗値の設定指令を出力すると共に、スイッチＳＷ２をオンとする（ステップＳｂ９）。上記処理は、例えば、次のように行われる。
初回：増加電力を直流出力電圧で割ると吸い込む直流出力電流値が演算される。現在の出力電流値からその演算値を引いた電流値を出力するように制御する。
２回目以降：電流変化量の傾き（ΔＩ／Δｔ）を常時把握し、その変化量に合わせ、双方向電力変換部１５の絞込量を、例えば電流変化量が小さい場合に絞り込み量を小さくするなどの制御を行う。
以後、双方向電力変換部１５が変圧器１４を介して供給される交流電力を直流に変換し、蓄電装置１７および抵抗１９へ出力する。これにより、蓄電装置１７が充電され、また、抵抗１９による電力消費が行われる。

次に、制御部１６は、負荷１〜３の変動量が変化したか否かを判定する（ステップＳｂ１０）。そして、変化した場合はステップＳｂ９へ戻る。また、変化していない場合は、しばらくの間（例えば１０秒）現状を維持する（ステップＳｂ１１）。そして、再び、負荷１〜３の変動量が変化したか否かを判定し（ステップＳｂ１２）、変化した場合はステップＳｂ９へ戻る。一方、変化していない場合は、この段階で双方向電力変換部１５による蓄電装置１７の吸込制御がほぼ終了したと判定し、次のステップＳｂ１３へ進む。

ステップＳｂ１３では、蓄電装置１７の充電容量が設定値か否かを判定する。そして、設定値でなかった場合は放電動作を行う。これは、電力を吸い込んだ分、蓄電装置１７の充電容量が大きくなったため既定値まで放電して初期状態に戻す必要があるからである。そして、設定値に達した場合は、充電を停止すると共に、スイッチＳＷ２をオフとする（ステップＳｂ１４）。そして、通常運転へ移行する（ステップＳｂ１５）。

一方、前述したステップＳｂ８の判定が「ＮＯ」（抵抗１９の必要なし）であった場合は、制御部１６が吸込量を演算し、双方向電力変換部１５へ吸込量指令を出力する（ステップＳｂ２０）。この処理は、例えば、次のように行われる。
初回：増加電力を直流出力電圧で割ると吸い込む直流出力電流値が演算される。現在の出力電流値からその演算値を引いた電流値を出力するように制御する。
２回目以降：電流変化量の傾き（ΔＩ／Δｔ）を常時把握し、その変化量に合わせ、双方向電力変換部１５の絞込量を制御する。
以後、双方向電力変換部１５が遮断器ＣＢおよび変圧器１４を介して供給される交流を直流に変換し、蓄電装置１７を充電する吸込動作を行う（ステップＳｂ２１）。

次に、制御部１６は、蓄電装置１７が満充電になったか否かを判定する（ステップＳｂ２２）。そして、満充電になった場合は、それ以上の充電が不可能であるため、ステップＳｂ９以降の処理へ進み、以後、強制的に抵抗１９によって電力を消費させる。
一方、満充電になっていない場合は、次に、負荷１〜３の変動量が変化しているか否かを判定する（ステップＳｂ２３）。そして、まだ変化している場合はステップＳｂ２０へ戻り、以後、ステップＳｂ２０〜Ｓｂ２３の処理を繰り返す。一方、負荷１〜３の変動量が変化しなくなった場合は、しばらくの間（例えば、１０秒）現状を維持（ステップＳｂ２４）した後、再び、負荷１〜３の変動量が変化しているか否かを判定する（ステップＳｂ２５）。そして、まだ変化している場合はステップＳｂ２０へ戻る。また、変化しなくなった場合は、この段階で双方向電力変換部１５による蓄電装置１７の充電制御がほぼ終了したと判定し、ステップＳｂ１３へ進み、以後、前述したステップＳｂ１３〜Ｓｂ１５の処理を行う。

この発明は、エンジン等によって発電する電源装置の出力電圧を安定させるために用いられる。

この発明の一実施形態による電力系統安定化装置の構成を示すブロック図である。同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。同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。

符号の説明

１〜４…負荷
１１…分散電源
１２、２１…電流検出器
１３…系統安定化装置
１４…変圧器
１５…双方向電力変換部
１６…制御部
１７…蓄電装置
１９…抵抗

Claims

電源装置から負荷へ交流電力を供給するラインに接続された電力系統安定化装置において、
蓄電装置と、
抵抗と、
前記ラインの交流電圧を直流電圧に変換して前記蓄電装置および抵抗のいずれか一方または双方へ出力する電力変換部と、
前記ラインの電流を検出する検出器と、
前記検出器の検出電流に基づいて前記負荷の消費電力を検出し、その検出結果に基づいて前記電力変換部を制御する制御手段と、
を具備し、
前記制御手段は、前記負荷が急増した場合に、前記電力変換部へ消費電力の絞込を指示し、前記負荷が急減した場合に、前記電力変換部へ消費電力の吸込を指示することを特徴とする電力系統安定化装置。
前記制御手段は、前記蓄電装置が前記負荷の急減によって規定値以上に充電された場合に、前記抵抗によって前記蓄電装置を規定値まで放電させることを特徴とする請求項１に記載の電力系統安定化装置。
前記制御手段は、前記負荷が急減した場合に、前記抵抗による電力消費が必要か否かを判定し、必要であった場合に、前記ラインの交流電圧を前記電力変換部において直流電圧に変換して前記蓄電装置へ出力すると共に、前記抵抗へも出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力系統安定化装置。