JP2009239990A - 分散型電源群の制御方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電圧変動を抑えながら各分散型電源を協調制御して有効電力及び無効電力を適正に配分する。
【解決手段】発電機９の出力を所望の電圧と電力に変換する電力変換器８を、構内送電線１１を介して主幹系統１に接続してなる複数の風力発電機の制御方法又はシステムにおいて、制御周期ごとに各風力発電機の出力電圧と出力電力の計測値を収集し、各風力発電機の有効電力の変動分及び連系点４の電圧変動分を各風力発電機の無効電力により吸収させる第１の制約条件と、各風力発電機の相互間の横流を抑制する第２の制約条件と、各風力発電機の有効電力を上限及び下限の範囲内に制限する第３の制約条件を満たし、かつ、連系点における前回制御周期に対する有効電力の変動を最小化、あるいは有効電力を最大化するように、各風力発電機の有効電力と無効電力を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分散型電源群の制御方法及びシステムに係り、例えば、風力発電、太陽光発電、小規模水力発電、潮汐潮力発電などの自然エネルギあるいは再生可能エネルギを発電エネルギとする複数の発電源を分散設置してなる分散型電源群の制御方法及びシステムに関する。

地球温暖化の原因と考えられている二酸化炭素排出量削減が大きな課題になっている。二酸化炭素排出量削減の手段の一つとして、風力発電や太陽光発電などの分散型電源の導入が盛んになってきている。これらの分散型電源は電力系統に連系されて用いられることが多いが、風速や日射量の変動により発電出力が変動することから、連系している系統の電圧や、大量の分散型電源群が導入された場合には、連系される電力系統の電力品質、例えば電力系統の電圧や周波数に影響を及ぼすことが懸念されている。

例えば、電力変換器を介して風力発電機が電力系統に連系された場合の連系点（位置）での電圧変動を抑制する方法として、特許文献1には、分散型電源の有効電力の変動分と電圧変動の各検出値から、電圧変動に関係する系統パラメータα（α＝連系点から見た電力系統側の合成インピーダンスの抵抗Ｒeq／同リアクタンスＸeqの比(Ｒeq／Ｘeq)）を推定し、有効電力の変動に起因する電圧変動を打ち消すような無効電力を分散型電源から供給して電圧変動を抑制する方法が開示されている。

風力発電は効率化のために、複数の風力発電機からなる風力発電機群あるいはウィンドファームとして構成されることが多くなっているが、特許文献1の電圧変動を抑制する方法は、このような風力発電機群にも適用できるとしている。

また、特許文献2には、電圧変動に関係する系統パラメータを、次数間高潮波を発生させることにより求める方法が開示されている。

特開２００７−１２４７７９号公報 特開２００２−１７１６６７号公報

ところで、特許文献1の技術を複数の風力発電機からなる分散型電源群に適用する場合は、各分散型電源での計測情報に基づき、各分散型電源の好ましい有効電力、無効電力、言い換えれば、力率が決定されることになる。

しかし、例え、電力系統側とやり取りする有効電力と無効電力が同じであっても、各分散型電源の無効電力の分担がアンバランスになり、あるいは、分散型電源群から全体として取り出せる有効電力が低下するなどの問題がある。

また、複数の太陽光発電装置を備えたメガソーラと呼ばれる分散型電源群についても、日射量の変化に伴う出力変動、及びそれに起因する連系点の電圧変動があるから、各分散型電源の無効電力の分担がアンバランスになり、あるいは、分散型電源群から全体として取り出せる有効電力が低下するなど、同様の問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、上記の問題点に鑑み、分散型電源群が系統に連系される連系点の電圧変動を抑えながら、各分散型電源を協調制御して有効電力及び無効電力を適正に配分し、分散型電源群の運用を最適化することにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、発電源の出力を所望の電圧と電力に変換して出力する電力変換器を備えてなる複数の分散型電源を、分散型電源用送電線を介して電力系統に接続してなる分散型電源群の制御方法又はシステムにおいて、予め定めた制御周期ごとに、前記各分散型電源の出力電圧と出力電力の計測値を収集し、前記各分散型電源の有効電力の変動分及び前記電力系統の連系点の電圧変動分を前記各分散型電源の無効電力により吸収させる第１の制約条件と、前記各分散型電源の相互間の横流を抑制する第２の制約条件と、前記各分散型電源の有効電力を上限及び下限の範囲内とする第３の制約条件を満たし、かつ、前記連系点における前回制御周期に対する有効電力の変動を最小化するように、前記各分散型電源の有効電力と無効電力の指令値をそれぞれ求めて前記各分散型電源の前記電力変換器を制御することを特徴とする。

これによれば、第１の制約条件を満たして連系点の電圧変動を抑制し、第２の制約条件を満たして各分散型電源間の横流を抑制し、さらに第３の制約条件を満たして各分散型電源の特性を考慮しながら、分散型電源群内の各分散型電源の有効電力と無効電力の指令値を求めていることから、各分散型電源を協調制御して有効電力及び無効電力を適正に配分し、分散型電源群の運用を最適化することができる。特に、分散型電源群全体としての有効電力（出力）の変動を最小化することができる。

また、本発明の第２の態様は、第１〜第３の制約条件を満たし、かつ、前記電力系統に出力される前記各分散型電源の有効電力を最大化するように、前記各分散型電源の有効電力と無効電力をそれぞれ求めて前記各分散型電源の前記電力変換器を制御することを特徴とする。

これによれば、各分散型電源を協調制御して有効電力及び無効電力を適正に配分して、分散型電源群の運用を最適化することができ、特に、分散型電源群全体としての有効電力（出力）を最大化できる利点がある。

本発明によれば、分散型電源群が系統に連系される連系点の電圧変動を抑えながら、各分散型電源を協調制御して有効電力及び無効電力を適正に配分し、分散型電源群の運用を最適化することができる。

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。

図１に、本発明の一実施形態を風力発電機群の制御方法に適用したシステムの系統構成図を示す。

図１に示すように、風力発電機群は、電力系統の主幹系統１に連系線２を介して連系されており、連系線２には負荷３が連系されている。風力発電機群は、分散して配置された複数の風力発電機から構成される。各風力発電機は、風力タービン１０、発電機９、電力変換器８、電流センサ６、電圧センサ７、制御器２０から構成されている。電力変換器８は、発電機９の出力を一旦直流に変換し、その直流を所望の電圧と電力（有効電力及び無効電力）に変換して出力するように構成されている。

各風力発電機の出力は、分散型電源用送電線である構内送電線１１に接続され、構内送電線１１は連系点４で連系線２に接続されている。なお、構内送電線１１には変圧器１３が設けられており、構内送電線の電圧を昇圧して連系線２に接続している。

各風力発電機の制御器２０は、通信線１２を介して統括監視装置５に接続されている。統括監視装置５は、各風力発電機の制御器２０で計測された出力電圧、出力電力に関するデータを収集し、それらのデータに基づいて後述する演算により各風力発電機の制御器２０に有効電力、無効電力の指令値を出力するようになっている。各制御器２０は、入力される指令値に従って電力変換器８を制御することにより、各風力発電機の有効電力及び無効電力を適正に配分して、風力発電機群全体としての有効電力（出力）の変動を最小化、あるいは風力発電機群全体としての有効電力（出力）を最大化する最適運転を実行するようになっている。

図２は、統括監視装置５の主要機器を示すブロック図である。統括監視装置５は、各風力発電機の制御器２０から送られてくるデータを受取る通信装置２１１と、各風力発電機の最適指令値を演算するとともに運転記録やメンテナンス等の各種処理を行うための演算処理装置２１２と、指示等の入力を受け付ける入力装置２１３と、表示装置２１４とを有して構成されている。

演算処理装置２１２は、コンピュータで構成され、図示していないが、中央演算装置、メモリ、プログラムを記憶する記憶装置等を有して構成されている。また、演算処理装置２１２には、データを記憶してデータベース２２１〜２２５を構成するための記憶装置が接続される。データベースは、指令値の演算に必要な系統定数を格納する系統定数データベース（ＤＢ）２２１と、風力発電機群からの送電量等を格納する送電情報ＤＢ２２２と、風速等を格納する気象情報ＤＢ２２３と、運転実績を格納する運転記録ＤＢ２２４と、障害発生・除去あるいは定期点検の情報を格納する障害・メンテナンス情報ＤＢ２２５を含んで構成される。

図３は、制御器２０の機能ブロック図である。制御器２０は、統括監視装置５との情報の授受を行う通信機能３１１と、電力変換器８への制御信号を生成する制御信号生成機能３１２と、電流センサ６と電圧センサ７の計測値から電流、電圧の計測値を算出する計測値算出機能３１３で構成される。

制御信号生成機能３１２は、計測値算出機能３１３で得られる計測値に基づき、後述する有効電力と無効電力の指令値を生成し、電力変換器８のゲート信号（制御信号）を生成して制御器２０に出力するようになっている。

図４は、統括監視装置５に設けられている表示装置２１４の表示画面の一部を示す説明図であり、各風力発電機の運転状態と連系されている系統の状態を示している。図示のように、概要図〔○○○ウインドファーム〕４００は、連系線４０１と各風力発電機４０２を示しており、稼動又は障害等の主な運転状態４０３が表示される。運転状態４０４は、各風力発電機の詳しい運転状態を表示している。表示項目としては、名称４０５、有効電力４０６、無効電力４０７、電圧４０８、風況４０９、障害４１０、状況４１１などが表示される。また、ボタン４１２を押すことにより、子画面（図では省略）が開き、過去の履歴や詳細なログを見ることができる。表の最下段４１３は、風力発電機群全体の有効電力、無効電力、電圧等を表示している。また、ボタン４１４を押すと、送電電力４１５、電圧のトレンドグラフが表示される。更に、メッセージ欄４１６が設けられている。

次に、本実施の形態の特徴に係る統括監視装置５における演算処理内容を説明する。図５に図１の系統構成図の等価回路を示すように、ｎ機の風力発電機からなる風力発電機群について説明する。

まず、風力発電機群の有効電力の変動に伴う接続点Ｃｎ（連系点４）における電圧変動を、式１のような無効電力を発生させることで補償することを第１の制約条件とする。すなわち、各風力発電機の有効電力の変動分と連系点４の電圧変動分に基づいて、連系点４から見た電力系統側の合成インピーダンスの抵抗分Ｒeqとリアクタンス分Ｘeqの比（Ｒeq／Ｘeq）である系統パラメータを求める。そして、求めた系統パラメータと風力発電機の有効電力の総和とを乗じた値に、各風力発電機の無効電力の総和が等しくなるように、各風力発電機の無効電力を制御する条件である。

ΣＱｉ（ｔ＋１）＝−α・ΣＰｉ（ｔ＋１） ……式１
ここで、ｉ：風力発電機の番号であり、ｉ＝１〜ｎ
ｔ：制御周期
Ｐｉ（ｔ＋１）：（ｔ＋１）時刻における各発電機からの有効電力
Ｑｉ（ｔ＋１）：（ｔ＋１）時刻における各発電機からの無効電力
α：系統パラメータ
連系点４から見た連系線２と負荷３を含む合成インピーダンスの
抗分（Ｒｅｑ）／同リアクタンス分Ｘｅｑ）
Σ：総和をとる記号であり、［ｉ＝１〜ｎ］の範囲の総和をとる。

上述の系統パラメータαについて補足説明を行う。図１の系統構成の場合、風力発電機群（ウインドファーム）側から見た系統側のインピーダンスは、次式で与えられる。

１／（Ｒｅｑ＋ｊ Ｘｅｑ）＝
１／（Ｒ１＋ｊ Ｘ１）＋１／（Ｒ２＋ｊ Ｘ２） ……式２
ここで、ｊは虚数単位、Ｒ１は連系線インピーダンスの抵抗分、
Ｘ１は連系線インピーダンスのリアクタンス分、
Ｒ２は負荷の等価インピーダンスの抵抗分、
Ｘ２は負荷の等価インピーダンスのリアクタンス分
負荷は時間的に変動するため、Ｒ２及びＸ２は時間的に変動するが、式２の右辺の第２項は同第１項に比べ小さいため、数時間のオーダでは、合成インピーダンスは時間的にはほぼ一定になると考えてよい。

なお、連系点４における有効電力、無効電力、電圧（後述する）に関しては、図１中に記載している変圧器１３に付属した電圧センサ、電流センサ（図では省略している）の計測値を用いて推定する。

次に、各風力発電機ｉ相互間の横流を防止することを第２の制約条件とする。すなわち、各風力発電機ｉが接続された構内送電線１１との接続点Ｃｉと、この接続点Ｃｉの隣の接続点Ｃｊ（ｊ＝ｉ＋１）との電圧差を零とすることにより横流を防止することができ、そのための条件は、式３のようになる。なお、式３はｉ＝１〜（ｎ−１）について成立する必要がある。

Ｖｊ−Ｖｉ≒｛Ｒｉｊ ΣＰｋ（ｔ＋１）
＋Ｘｉｊ ΣＱｋ（ｔ＋１）｝／Ｖｉ＝０ ……式３
ここで、Ｖｉ：各接続点Ｃｉにおける電圧
Ｒｉｊ：接続点Ｃｉ、Ｃｊ間の抵抗
Ｘｉｊ：接続点Ｃｉ、Ｃｊ間のリアクタンス
Σ：総和をとる記号であり、［ｋ＝１〜ｉ］の範囲の総和をとる。

さらに、式４のように、各風力発電機ｉの有効電力の上限は風のエネルギで制限され、下限は機械的制御による運転範囲で設定される。式４を、第３の制約条件とする。

Ｐｉ（ｎ＋１）_Ｍｉｎ≦Ｐｉ（ｎ＋１）≦Ｐｉ（ｎ＋１）_Ｍａｘ ……式４
ここで、
Ｐｉ（ｎ＋１）_Ｍａｘ：（ｔ＋１）時刻における風力発電機ｉの有効電力最大値
Ｐｉ（ｎ＋１）_Ｍｉｎ：（ｔ＋１）時刻における風力発電機ｉの有効電力最小値
このような制約条件の基に、風力発電機群が系統に連系される連系点４の電圧変動を抑えながら、各風力発電機を協調制御して有効電力及び無効電力を適正に配分し、風力発電機群の運用を最適化する方法として、本実施の形態では次の二つの評価条件（１）、（２）について検討する。
（１）風力発電機群から送電される有効電力の時間的変化を最小にする。
（２）風力発電機群から送電される有効電力を最大化する。

評価条件（１）の場合の目的関数Ｆ１は、式５となる。

Ｆ１＝｛ΣＰｉ（ｔ＋１）−ΣＰｉ（ｔ）｝ ……式５
ここで、Ｐｉ（ｔ）は、ｔ時刻におけるｉ番目の風力発電機の有効電力であり、（ｔ＋１）時刻においては既知量
式５を最小にするように、言い換えれば、前回周期のＰｉ（ｔ）に対する今回周期のＰｉ（ｔ＋１）の変動分を風力発電機ｉ〜ｎについて総和したものを最小にするようにＰｉ（ｔ＋１）を決定する。

同様に、評価条件（２）の場合の目的関数Ｆ２は、式６となる。

Ｆ２＝ΣＰｉ（ｔ＋１） ……式６
式６を最大にするように、言い換えれば、今回周期のＰｉ（ｔ＋１）の総和を最大にするようにＰｉ（ｔ＋１）を決定する。
各風力発電機への出力指令値は、式１、式３、式４を制約条件として、式５あるいは式６を目的関数Ｆ１、Ｆ２とし、線形計画法を用いて最適解として、
Ｐｉ（ｔ＋１）、Ｑｉ（ｔ＋１）［ｉ＝１〜ｎ］を求めることができる。
次に、線形計画法により最適解を求める方法を説明する。線形計画法を適用するためには、次の特徴を持つ必要がある。

(a)変数（仮にｎ個とする）はすべて非負である。

(b)制約条件は１次式の不等式、または、等式である。

(c)目的関数（最大化ないし最小化する関数）は、(a)の変数の１次関数である。

上記(a)を満足させるため、必要に応じ変数の変換を行う。例えば、Ｑｉ（ｔ＋１）は、符号を換えた新たな変数に換えて、係数を求める。

以上の前処理を行った線形計画問題から最適解を求める方法としては、シンプレックス法と呼ばれる方法が用いられる。

(b)の制約条件を満足するｎ個の変数の集まりは、ｎ次元空間の領域（可能領域と呼ぶ）であらわされ、それに属するｎ個の変数の集まりを可能解と呼んでいる。可能解の中で目的値を最大ないし最小にする変数の集まりが最適解となる。

(a)〜(c)で定義された線形計画問題では、可能領域がｎ次元空間の凸多面体になり、最適解はその頂点となるという性質を利用する。シンプレックス法では、目的関数の値が最も大きく変化するような辺に沿って移動し、目的関数が変化しなくなる頂点で終了する。これによって最適解が求まる。実際には、上述の処理は計算機プログラムにより実現される。

以上の演算処理は統括監視装置５で行われ、最適解Ｐｉ（ｔ＋１）、Ｑｉ（ｔ＋１）を各風力発電機ｉへの指令値として、対応する制御器２０に出力する。

図６に、統括監視装置５の処理のフローチャートを示す。まず、連系点４の電圧変動を抑制するための系統パラメータ算出に必要な系統情報を取得する（６００）。所定の制御周期に基づいて、制御のタイミングかどうかを判定する（６０１）。制御タイミングであれば、各風力発電機ｉから、有効電力、無効電力、出力電圧、風速等の情報を取得し（６０２）、データベース（ＤＢ）に格納する。取得した情報（風速等の情報）に基づき、制御タイミングにおける各風力発電機ｉの最大有効電力（出力）を推定する。（６０４）
次に、式１、式３、式４を用いて、電圧変動抑制及び出力最適化（有効電力最大化）に係る有効電力と無効電力の制約式を作成する（６０５）。式５又は式６を用いて目的関数Ｆ１又はＦ２を作成する（６０６）。なお、目的関数Ｆ１で最適化するか、目的関数Ｆ２で最適化するかは、予め統括監視装置５の入力装置から入力しておく。線形計画法を用いて、最適化問題の解を求める（６０７）。次の制御タイミングでの各風力発電機ｉの有効電力と無効電力に相当する解の合理性のチェックを行う（６０８）。ここで、合理性チェックは、各風力発電機ｉの有効電力と無効電力に制限か設定されている場合に、その制限の範囲を満たしているか否かをチェックする。解の合理性に問題がある場合は前回値あるいはそれを補正した値で置き換える。これを各風力発電機ｉへの指令値として送信する（６０９）。以後、制御周期ごとに、６０１〜６０９を繰り返す（６１０）。

ここで、電圧変動抑制に関しては、式１の制約式が成立すればよく、各風力発電機からの出力にばらつきがある場合、出力が大きい風力発電機からは、最大限の有効電力を取り出し、無効電力は出力が小さい風力発電機に配分する運転も可能である。

図７に、本発明の実施形態における３機の風力発電機で構成される風力発電機群での運用例のグラフを示す。同図（ａ）は、各風力発電機の接続点で、最大１％の電圧差を生じる場合である。接続点間に横流が生じていることがわかる。同図（ｂ）は本実施の形態の方法で、３つの接続点の電圧をほぼ等しくした場合であり、横流を除くことが可能である。

なお、図１の例では、風力発電機を構成する全ての発電機について最適化を行ってきたが、風力発電機の数が非常に多い場合などは、接続される送電線の違いによりグルーピングを行い、同一グループの風力発電機について、図１の最適化を適用することも考えられる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１の制約条件を満たして連系点の電圧変動を抑制し、第２の制約条件を満たして各風力発電機間の横流を抑制し、さらに第３の制約条件を満たして各風力発電機の特性を考慮しながら、風力発電機群内の各風力発電機の有効電力と無効電力の指令値を求めていることから、各風力発電機を協調制御して有効電力及び無効電力を適正に配分でき、風力発電機群の運用を最適化することができる。特に、風力発電機群全体としての有効電力（出力）の変動を最小化することができる。

また、第１〜第３の制約条件を満たし、かつ、電力系統に出力される風力発電機の有効電力を最大化するように、各風力発電機の有効電力と無効電力をそれぞれ求めて各風力発電機の電力変換器を制御していることから、各風力発電機を協調制御して有効電力及び無効電力を適正に配分でき、風力発電機群の運用を最適化することができ、特に、風力発電機群全体としての有効電力（出力）を最大化できる利点がある。

なお、これまで統括監視装置５と各分散型電源の制御器２０を別個のものとして説明してきたが、統括監視装置の機能を各分散型電源の制御器に付加することにより、別置した統括監視装置を使用することなく、これまで説明したのと同様の効果を得ることもできる。さらに、統括監視装置の機能を複数の制御器に設け、万が一、統括監視装置機能を実現している制御器が故障した場合でも、他の統括監視装置機能を持つ制御器がその機能を代行できるようにすることで、より高い信頼性を確保することも可能である。

本発明の一実施形態を風力発電機群の制御方法に適用したシステムの系統構成図である。 統括監視装置の構成を示すブロック図である。 制御器の各機能を示すブロック図である。 統括監視装置の監視画面を示す説明図である。 図１の系統構成図の等価回路である。 統括監視装置の処理を示すフローチャート。 実施形態の効果を説明する動作波形図である。

符号の説明

１…主幹系統、２…連系線、３…負荷、４…連系点、５…統括監視装置、６…電流センサ、７…電圧センサ、８…電力変換器、９…発電機、１０…風力タービン、３１…通信線、２０…制御器

Claims (3)

1. 発電源の出力を所望の電圧と電力に変換して出力する電力変換器を備えてなる複数の分散型電源を、分散型電源用送電線を介して電力系統に接続してなる分散型電源群の制御方法において、
   予め定めた制御周期ごとに、前記各分散型電源の出力電圧と出力電力の計測値を収集し、
   前記各分散型電源の有効電力の変動分及び前記電力系統の連系点の電圧変動分を前記各分散型電源の無効電力により吸収させる第１の制約条件と、
   前記各分散型電源の相互間の横流を抑制する第２の制約条件と、
   前記各分散型電源の有効電力を上限及び下限の範囲内に制限する第３の制約条件を満たし、かつ、
   前記連系点における前回制御周期に対する有効電力の変動を最小化するように、又は前記電力系統に出力される前記各分散型電源の有効電力を最大化するように、前記各分散型電源の有効電力と無効電力の指令値をそれぞれ求めて前記各分散型電源の前記電力変換器を制御することを特徴とする分散型電源群の制御方法。
2. 請求項１に記載の分散型電源群の制御方法において、
   前記第１の制約条件は、前記各分散型電源の有効電力の変動分と前記連系点の電圧変動分に基づいて、前記連系点から見た電力系統側の合成インピーダンスの抵抗分Ｒeqとリアクタンス分Ｘeqの比（Ｒeq／Ｘeq）である系統パラメータを求め、該系統パラメータと前記各分散型電源の有効電力の総和とを乗じた値に、前記各分散型電源の無効電力の総和を等しくする条件であることを特徴とする分散型電源群の制御方法。
3. 発電源の出力を所望の電圧と電力に変換して出力する電力変換器を備えてなる複数の分散型電源と、該複数の分散型電源がそれぞれ接続された分散型電源用送電線と、該分散型電源用送電線を電力系統に接続してなる分散型電源群システムにおいて、
   予め定めた制御周期ごとに、前記各分散型電源の出力電圧と出力電力の計測値を収集して前記各分散型電源の前記電力変換器を制御する統括制御装置を設け、
   前記統括制御装置は、
   前記各分散型電源の有効電力の変動分及び前記電力系統の連系点の電圧変動分を前記各分散型電源の無効電力により吸収させる第１の制約条件と、
   前記各分散型電源の相互間の横流を抑制する第２の制約条件と、
   前記各分散型電源の有効電力を上限及び下限の範囲内に制限する第３の制約条件を満たし、かつ、
   前記連系点における前回制御周期に対する有効電力の変動を最小化するように、又は前記電力系統に出力される前記各分散型電源の有効電力を最大化するように、前記各分散型電源の有効電力と無効電力の指令値をそれぞれ求めて前記各分散型電源の前記電力変換器を制御することを特徴とする分散型電源群システム。

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