JP2009213186A - 異系統間電力系統連系装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大規模電力系統とは独立した電力系統と大規模電力系統とを連系するにつき、大容量の電力貯蔵装置を必要とすることなく系統間電力潮流を安定に制御することができる異系統間電力系統連系装置を提供すること。
【解決手段】電力系統内の電力需給に大きなアンバランスが存在する第１の電力系統１と、この系統とは独立した電力需給に大きなアンバランスのない第２の電力系統２との間に設置され、前記両電力系統を連系運用する電力系統連系装置において、前記第１の電力系統と前記第２の電力系統との間の通過電力を指令値と一致するように制御する制御手段４と、前記第１の電力系統と前記第２の電力系統との間に周波数の差が変動する場合にも連系できるように周波数変換する周波数変換手段３と、をそなえたことを特徴とする電力系統連系装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電力系統の連系装置に係わり、とくに異系統間の連系装置に関する。

例えば、大規模電力系統から独立した第１の電力系統（例えば風力発電装置を有する工場地域での自営線系統など）と、大規模な第２の電力系統との連系運用においては、第１の電力系統内の電力のアンバランスは、連系している大規模な第２の電力系統の調整能力によって補償され、第１の電力系統は結果として安定した運用を実現している。

しかしながら、近年の電力自由化により、大規模な第２の電力系統から独立した第１の電力系統が増加し始め、また電力託送が行われるに至り、これら独立した第１の電力系統と大規模な第２の電力系統との連系点において、例えば電力潮流を一定とするような、安定した電力の運用を行うことが求められている。

第２の電力系統と連系接続をしない状態での第１の電力系統内の電力需給のアンバランスを平準化する方法に関しては、その系統内の発電機の出力を調整する方法や、それに合わせて電力貯蔵装置を用いることにより電力需給のアンバランスを補償し、安定化する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、上述のように大規模電力系統と連系した条件下では、独立した電力系統内の電力のアンバランスがあっても大規模系統によって補償されるため、その制御で用いる物理量の変動が抑制されてしまう。このため、所期の効果が得られず、連系点での通過電力（以下「電力潮流」という）を安定化することはできない。
特許第3108054号公報（１頁７行〜３４行参照）

大規模電力系統から独立した第１の電力系統と大規模電力系統である第２の電力系統とを連系した状態では、独立した第１の電力系統内の電力需給のアンバランスは大規模な第２の電力系統側から補償されるため、この分を含めた電力需給の合計値に関しては独立した第１の電力系統内の電力需給のアンバランスは存在しないことになる。

したがって、独立した第１の電力系統内の周波数変動や電力需給のアンバランスに基づく電圧の変動は小さい値に抑制される。このため、特許文献１に記載されたような技術、つまり独立した電力系統内の発電装置のガバナフリー機能（調速機の周波数調整機能によって、系統周波数の変化に追随して出力を敏速に増減させ、系統周波数の安定化に寄与させる運動方法（ＪＩＳ Ｂ０１１９））を利用して独立した系統内で電力需給のアンバランスを補償する技術は、その所期の効果を発揮し得ない。

この結果、連系運用の下でも、独立した系統内においてその電力需給をバランスさせる制御を行うには、独立した系統全体の電力のアンバランス（系統の連系点の電力潮流として現れる）を測定して、電力系統の需給バランスをとる制御を行う必要がある。

この場合、独立した電力系統の中の電源設備や電力貯蔵装置が連系点から離れている場合や複数の地点に分散している場合には、各発電機や電力貯蔵装置に対して需給バランスを行うための調整量（電力指令値）を高速で伝送する必要がある。しかし、伝送遅れや原動機の応答遅れを考慮すると、連系点での電力潮流の変動を数秒程度の応答性で達成することは現実的には難しい。

そこで、連系点に大型の電力貯蔵装置を設置すれば、伝送遅れも無く、また発電装置の原動機よりも高速な電力応答性を実現できる。しかし、大型電力貯蔵装置は高額であってこれを設けることは費用面で不利であり、また、連系点の場所によっては大規模な電力貯蔵装置の設置が困難な場合も考えられ、実用的には問題がある。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、大規模電力系統とは独立した電力系統と大規模電力系統とを連系するにつき、大容量の電力貯蔵装置を必要とすることなく系統間電力潮流を安定に制御することができる異系統間電力系統連系装置を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明では、
電力系統内の電力需給に大きなアンバランスが存在する第１の電力系統と、この系統とは独立した電力需給に大きなアンバランスのない第２の電力系統との間に設置され、前記両電力系統を連系運用する電力系統連系装置において、
前記第１の電力系統と前記第２の電力系統との間の通過電力を指令値と一致するように制御する制御手段と、
前記第１の電力系統と前記第２の電力系統との間に周波数の差が変動する場合にも連系できるように周波数変換する周波数変換手段と、
をそなえたことを特徴とする電力系統連系装置、
を提供する。

本発明によれば、第１の電力系統の中で電力需給にアンバランスが生じても、異系統間電力系統連系装置が第２の電力系統との系統間の電力潮流を安定（例えば一定）に維持することができる。このため、大型電力貯蔵装置の助けを借りることなく第１および第２の電力系統の系統連系を安定的に維持することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（実施例１）
まず、図１を用いて実施例１を説明する。この実施例１は、比較的小規模な独立電力系統であって、内部に電力需給のアンバランスを持つ第１の電力系統１と、大規模であって内部の需給バランスが殆どとれている第２の電力系統２と、両系統１，２間の電力潮流を安定に維持する機能、および両系統１，２間の周波数に差が生じたときも周波数変換を行って連系を維持する機能を有する異系統間電力系統連系装置３と、この異系統間電力系統連系装置３を制御する制御装置４とにより構成されている。

このように構成された実施例１において、第１の電力系統１の中で電力需給にアンバランスが生じても、異系統間電力系統連系装置３は系統間の電力潮流を安定（例えば一定）に維持するため、第２の電力系統２に第１の電力系統１の電力需給のアンバランスが悪影響を与えることを防止できる。

この結果、第１の電力系統１の周波数はその電力需給のアンバランスに応じて変動するが、異系統間電力系統連系装置３の周波数変換機能によって周波数差が存在する系統間の連系を維持し続けることができる。

そして、異系統間電力系統連系装置３の作用によって、電力需給にアンバランスがある比較的小規模な独立の第１の電力系統１と大規模で電力需給に大きなアンバランスのない第２の電力系統２とを、その系統間潮流を安定に維持したまま連系することができる。

このため、第１の電力系統１に現れるその需給アンバランスに対応した周波数変動が、系統内の周波数変動許容範囲内であれば、周波数差吸収バッファとしての電力貯蔵装置などの追加設備を設ける必要がなく、経済的な独立系統を構成することができる。

（実施例２）
図２は、本発明の実施例２を示している。なお、実施例１におけると同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

この図２に示すように、実施例２は、風力発電機等の制御不可能で特に大きな出力変動を有する発電装置５、第１の電力系統１の中で系統運用者が制御できないような特に大きな変動負荷６、一般家庭のように系統運用者が制御できないが規模的に大きくない変動負荷７、ガバナフリー機能を有する発電装置８、およびその制御装置９を備えている。

第１の電力系統１にガバナフリー機能を持つ発電装置を有する場合に、異系統間電力系統連系装置３を適用する。このように構成された実施例２において、電力系統の連系を維持したままでも、第１の電力系統１の電力需給アンバランスが大きい場合には、その系統内の周波数の変動が大きくなる。

発電装置８はガバナフリー機能を持つため、系統の周波数が変動すれば、ガバナフリー機能により周波数変動を抑制する方向に出力調整を自動的に実施することになり、第１の電力系統１内のガバナフリー機能を有効活用することによって電力需給アンバランスを改善することができる。

以上のように、第１の電力系統１に大きな電力需給アンバランスがある場合でも、電力系統間の電力潮流は一定に保たれたまま系統連系がなされ、第１の電力系統１にはその需給アンバランスに対応した周波数変動が現れる。このため、系統内のガバナフリー機能を有効活用して系統内の需給アンバランスの改善も併せて実施することができる。

この実施例２によれば、系統内のガバナフリー機能を有効活用して系統内の需給アンバランスの改善も併せて実施することができる。このため、その電力需給アンバランスの変化速度がガバナフリーの応答速度近傍以下である場合など、周波数変動を許容値以下に抑制することができる場合は、電力貯蔵装置などの追加設備は不要とすることができ、経済的な独立小規模系統を構成することができる。

（実施例３）
図３は、本発明の実施例３を示している。なお、実施例１，２におけると同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

この図３において、第１の小規模独立電力系統の中で特に変動の大きな電源５または負荷６に直接連系し、その電力変動を平準化することを目的とする電力貯蔵装置１０、その制御装置１１である。

実施例２の構成では、第１の電力系統１内の電力需給アンバランスによる変動周波数が発電装置のガバナフリー機能の応答速度より速い場合、ガバナフリー機能による電力需給アンバランスの改善効果は期待できない。

この対策として、実施例３では、制御装置１１に発電装置８のガバナフリー機能の応答速度より速い電力変動周波数速度成分に対して最も電力変動を平準化するように応答する機能を有する電力貯蔵装置１０を設けている。

これにより、第１の電力系統１内における電力需給アンバランスの変動周波数が、発電装置のガバナフリー機能の応答速度より速い場合でも、第１の電力系統１内の電力アンバランスの変動を小さく抑制することができ、系統内の周波数および電力アンバランスに起因した電圧変動を抑制することができる。

制御装置１１は、発電装置のガバナフリー機能が応答できる周波数より高い電力変動の周波数成分に対して、発電装置８のガバナフリー機能の周波数特性を補完するような周波数特性（周波数特性の例は、図４参照）を有するガバナフリー機能を有する。これにより、電力貯蔵装置１０による変動周波数が高い電力変動の平準化が可能になる。

この実施例３によれば、電力貯蔵装置１０を設けても、電力需給のアンバランスの低周波成分に応じて第１の電力系統１の周波数が変動するため、系統間連系をした状態においても、第１の電力系統１の電力アンバランスのうち変動周波数が低い成分は電力系統全体のガバナフリー機能で平準化できる。
また、実施例３の電力貯蔵装置１０は、電力アンバランスのうち低い周波数成分に対しては応答しないため、その設備容量を分担補償する高い周波数成分の電力変動分を平準化できる容量に限定することができる。

そして、周波数成分が高い電力変動分に対して分散設置した電力貯蔵装置１０で平準化するというように機能分担を行うことが可能になるため、設置費用が高い大型の電力貯蔵装置から、比較的安価な小型の電力貯蔵装置への代替が可能になる。

以上のように、実施例３によれば、系統連系点と発電所との間に伝送装置を設置する必要が無く、システムが簡易で、電力の需要と供給とのアンバランスの調整制御に関して極めて応答性の高い系統連系装置が、経済的な容量の電力貯蔵装置を分散設置した構成で実現することができる。

（実施例４）
図５は、本発明の実施例４を示している。なお、実施例３におけると同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

実施例４においては、装置の機器構成は、実施例３の構成（図３）と同一であり、制御装置１１が持つ応答特性を図５に示すものとしている。

実施例３の構成では、系統の周波数変動には影響を与えないような電力変動に対しても、電力貯蔵装置はその変動を補償しようとする結果、機器の寿命の減少や長期信頼性向上のための容量の増大を招く可能性がある。

これに対し実施例４では、制御装置１１に高周波成分に応答しない特性を加えることにより、電力貯蔵装置の繰り返し充放電の回数削減による長寿命化や容量の削減を図ることができる。

また、本発明においては、独立系統外への電力変動の流出は、異系統間電力系統連系装置３とその制御装置４とにより抑制されているため、独立系統内の影響を抑制すればよい。

そこで、系統の慣性常数から決定される独立系統内の周波数を変動させる電力変動の最大変動周波数をその応答を抑制するカットオフ周波数として採用することにより、独立電力系統の周波数変動を増加させることなく、電力貯蔵装置の容量の低減と長寿命化を実現することができる。

以上のように、実施例４の発明によれば、系統連系点と発電所との間に伝送装置を設置する必要が無く、システムが簡易で、電力の需要と供給とのアンバランスの調整制御に関して極めて応答性の高い系統連系装置を、最も経済的な容量で長寿命な電力貯蔵装置を分散設置した構成で実現することができる。

本発明の実施例１の構成を示す説明図。 本発明の実施例２の構成を示す説明図。 本発明の実施例３の構成を示す説明図。 本発明における系統連系時の独立系統での発電機ガバナフリー特性と電力貯蔵装置の運転特性との協調動作を示す特性図。 本発明の実施例４における独立系統での電力貯蔵装置の運転特性を示す図。

符号の説明

１…第１の電力系統（独立した電力系統）、２…第２の電力系統（大規模電力系統）、
３…異系統間電力系統連系装置、４…制御装置、５…出力変動する発電装置、
６…大規模変動負荷、７…小規模変動負荷、８…ガバナフリー発電装置、
９…制御装置、１０…電力貯蔵装置、１１…制御装置。

Claims (4)

1. 電力系統内の電力需給に大きなアンバランスが存在する第１の電力系統と、この系統とは独立した電力需給に大きなアンバランスのない第２の電力系統との間に設置され、前記両電力系統を連系運用する電力系統連系装置において、
   前記第１の電力系統と前記第２の電力系統との間の通過電力を指令値と一致するように制御する制御手段と、
   前記第１の電力系統と前記第２の電力系統との間に周波数の差が変動する場合にも連系できるように周波数変換する周波数変換手段と、
   をそなえたことを特徴とする電力系統連系装置。
2. 請求項１記載の電力系統連系装置において、
   前記第１の電力系統は、ガバナフリー機能を持つ制御装置をそなえたことを特徴とする電力系統連系装置。
3. 請求項２記載の電力系統連系装置において、
   前記第２の電力系統は、前記第１の電力系統における発電装置のガバナフリー機能の応答速度より速い電力変動周波数成分に対して、最も電力変動を平準化するように応答させるガバナフリー周波数特性を持った制御装置を有する電力貯蔵装置をそなえたことを特徴とする電力系統連系装置。
4. 請求項３記載の電力貯蔵装置において、
   前記第２の電力系統は、前記第１の電力系統の慣性により決まる系統周波数の最大変動速度相当の周波数成分を越える電力変動に関しては、電力貯蔵装置の応答を抑制する制御を行う電力貯蔵装置をそなえたことを特徴とする電力系統連系装置。

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