JP2011055671A

JP2011055671A - 分散型電源の制御方法

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Publication number: JP2011055671A
Application number: JP2009204071A
Authority: JP
Inventors: Eisuke Shimoda; 英介下田; Shigeo Numata; 茂生沼田; Toshihiro Yamane; 俊博山根; Junhei Baba; 旬平馬場
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; University of Tokyo NUC; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; University of Tokyo NUC; Shimizu Corp
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-09-03
Also published as: JP5435633B2; US8401712B2; US20110077792A1

Abstract

【課題】蓄電装置を備える分散型電源において、蓄電装置の残存容量を管理して、適切な負荷追従運転を実現することができる分散型電源の制御方法を提供する。
【解決手段】負荷変動に対する応答性能が異なる複数の分散型電源を統合的に制御する分散型電源の制御方法であって、分散型電源は、蓄電装置を備え、蓄電装置の残存容量と目標残存容量との差分値に基づいて、蓄電装置と比較して応答性能が同等以下の電源で補償するべき成分を求め、該補償するべき成分を蓄電装置と比較して応答性能が同等以下の電源で補償する。
【選択図】図２

Description

本発明は、負荷変動に対する追従性能の異なる複数種類の分散型電源を統合的に制御することによって負荷変動補償を行うための制御方法に関する。

近年、太陽光発電や風力発電等を用いた電源の導入促進が国家戦略としても進められている。しかし、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギー由来電源はその出力が天候に大きく左右されるため供給信頼性が低く、商用系統では電力の需給バランスを取ることが難しくなるという問題が起こることが懸念されている。

この問題を解決する手段として、出力調整が可能な分散型電源を用いて、特定範囲内の需要に応じた発電を行う（これを負荷追従運転という）ことによって商用系統への負担を軽減して協調関係の構築を目指すマイクログリッドがある。マイクログリッドの思想を取り込んだ分散型電源によるエネルギー供給システム（以下、マイクログリッドという）では分散型電源が負荷追従運転を行うことによって、（１）出力が不安定な自然エネルギー由来電源の商用系統に対する悪影響を抑えることができる、（２）停電等の商用系統異常発生時に、マイクログリッドを商用系統から切り離すことで当該エリア内の負荷に対して、安定した電力品質（周波数や電圧）での自立運転が継続できる、といったメリットを得ることができる。

マイクログリッドにおいて、分散型電源の負荷追従運転を行う方法として、例えば特許文献１に記載された方法が知られている。この制御方法では、追従性能の異なる複数種類の分散型電源を用いて、分散型電源の追従性能に応じて補償するべき負荷変動の周波数帯域を予め設定しておき、追従性能の低い電源から優先的に負荷変動に追従させて分散型電源の出力を制御することで負荷変動補償を実現している。

図５を参照して、特許文献１に記載された負荷変動補償動作を説明する。図５は、３台の電源を用いて出力制御を行う場合の制御ブロック図である。この制御方法では計測した負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤからガスエンジン発電機１で補償させる変動成分を、振幅制限器４１により振幅を制限し、さらにＬＰＦ（ローパスフィルタ）４２により所定の周波数成分を抽出し、ガスエンジン発電機１への出力指令値Ｐｓ_Ｇとする。ガスエンジン発電機１は、この出力指令値に基づいて、電力Ｐ_１を出力する。また、負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤからガスエンジン発電機１の出力電力分Ｐ_１を差し引いて算出したガスエンジン発電機１が追従できなかった負荷変動を、振幅制限器４３により振幅を制限し、さらにＬＰＦ４４により所定の周波数成分を抽出したものをニッケル水素電池２の出力指令値Ｐｓ_ＢＥＳとする。ニッケル水素電池２は、この出力指令値に基づいて、電力Ｐ_２を出力する。また、負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤからガスエンジン発電機１とニッケル水素電池２の出力電力分Ｐ_１及びＰ_２を差し引いて算出したガスエンジン発電機１とニッケル水素電池２で追従できなかった負荷変動を、振幅制限器４５により振幅を制限し、さらにＬＰＦ４６により所定の周波数成分を抽出したものを電気二重層キャパシタ３の出力指令値Ｐｓ_ＥＤＬＣとする。電気二重層キャパシタ３は、この出力指令値に基づいて、電力Ｐ_３を出力する。このような制御動作によって、負荷変動補償を行うことが可能となる。

特開２００６−２４６５８４号公報特開２００７−０２０３６１号公報

特許文献１の制御方法では、分散型電源の追従性能上、最も速い周波数帯域の変動を補償する電源が二次電池や電気二重層キャパシタのような蓄電装置になることが多い。蓄電装置はその充放電可能量が蓄電体の残存容量（State of Charge：以下、ＳＯＣという）に依存するため、ＳＯＣ管理を行わなければ、ＳＯＣの増加、減少に伴い、要求された出力指令に対して満足する出力が得られない可能性がある。そこで蓄電装置に対してなるべく小さい貯蔵容量で効率的に負荷追従運転を実現するためにＳＯＣ管理制御が必要となる。ＳＯＣ管理制御を行う方法として、例えば電気二重層キャパシタであれば、特許文献２に記載されているように直流電圧の設定値と検出値との偏差をＰＩ制御やＰＩＤ制御等により構成される電圧制御器を介して出力指令に減算する方法が知られている。

しかしながら、特許文献２の方法を用いてもＳＯＣの管理を蓄電装置が自身の出力を自律的に調整してしまうため、ＳＯＣ管理に伴う出力変化を補償する手段がなければ負荷追従運転精度が悪化してしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、前述の問題点である、蓄電装置のＳＯＣの増加、減少に伴い要求された出力指令どおりの出力が得られなくなる問題と、ＳＯＣ管理を蓄電装置自身が自律的に行った場合、負荷追従運転精度が悪化してしまう問題を解決することができる分散型電源の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、負荷変動に対する応答性能が異なる複数の分散型電源を統合的に制御する分散型電源の制御方法であって、前記分散型電源は、蓄電装置を備え、前記蓄電装置の残存容量と目標残存容量との差分値に基づいて、前記蓄電装置と比較して応答性能が同等以下の電源で補償するべき成分を求め、該補償するべき成分を前記蓄電装置と比較して応答性能が同等以下の電源で補償することを特徴とする。

本発明は、前記蓄電装置は、電気二重層キャパシタまたは二次電池であり、前記蓄電装置と比較して応答性能が同等以下の電源は、二次電池または同期発電機のいずれかであることを特徴とする。

本発明によれば、複数種類の分散型電源を用いて負荷追従運転を行う際に、蓄電装置のＳＯＣ管理をこの蓄電装置より応答性能の低い電源を用いて行うことで、負荷追従運転の制御精度を悪化させることなく蓄電装置のＳＯＣを管理することができ、蓄電装置のＳＯＣの増加、減少に伴い要求された出力指令どおりの出力が得られなかったり、負荷追従運転精度が悪化してしまう問題を解決することができるという効果が得られる。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。図１に示す制御システム４の構成を示す制御ブロック図である。図１に示す３台の電源の出力挙動を示す図である。ＳＯＣ管理制御を行った場合と、ＳＯＣ管理制御を行わなかった場合の運転結果を示す図である。従来の分散型電源の制御動作を示す制御ブロック図である。

以下、本発明の一実施形態による分散型電源の制御方法を図面を参照して説明する。図１は同実施形態に分散型電源を用いたエネルギー供給システムの構成を示すブロック図である。分散型電源は、ガスエンジン発電機１、ニッケル水素電池２、電気二重層キャパシタ３及び電力出力を制御する制御システム４から構成する。ガスエンジン発電機１には、有効電力（Ｐ_Ｇ）を計測して、制御システム４に対して出力する電力計測器１１を備えている。ニッケル水素電池２には、有効電力（Ｐ_ＢＥＳ）を計測して、制御システム４に対して出力する電力計測器１２を備えている。電気二重層キャパシタ３には、有効電力（Ｐ_ＥＤＬＣ）を計測して、制御システム４に対して出力する電力計測器１３と、直流電圧（Ｖ_ＥＤＬＣ）を計測して、制御システム４に対して出力する電圧計測器１４とを備えている。また、負荷５の負荷電力（Ｐ_ＬＯＡＤ）を計測する電力計測器１５の出力は制御システム４へ入力する。

制御システム４は、電力計測器１１、１２、１３、１５及び電圧計測器１４が計測した計測値Ｐ_Ｇ、Ｐ_ＢＥＳ、Ｐ_ＥＤＬＣ、Ｐ_ＬＯＡＤ、Ｖ_ＥＤＬＣを入力し、有効電力出力指令Ｐｓ_Ｇ、Ｐs_ＢＥＳ、Ｐs_ＥＤＬＣを求めて、それぞれガスエンジン発電機１、ニッケル水素電池２、電気二重層キャパシタ３に対して出力することにより安定した電力を供給するように制御を行う。

次に、図２を参照して、図１に示す制御システム４においてＳＯＣ管理を行いながら各電源の負荷追従運転を行う動作を説明する。図２は、制御システム４内の構成を示す制御ブロック図である。図１に示す３台の電源のうち、ニッケル水素電池２、電気二重層キャパシタ３は共にＳＯＣ管理が必要な蓄電装置であるが、ここでは特に容量の小さい電気二重層キャパシタ３のみをＳＯＣ管理対象として、電気二重層キャパシタ３のＳＯＣをニッケル水素電池２で管理するものとする。

電気二重層キャパシタ３は、コンデンサとして単純なモデルに置き換えた場合、直流電圧Ｖ_ＥＤＬＣと充電量Ｑの間に、Ｑ＝ＣＶ_ＥＤＬＣという比例関係が成立するため、Ｖ_ＥＤＬＣの計測によってＳＯＣ値を得ることができる。図１に示すシステム構成においてはＶ_ＥＤＬＣを電圧計測器１４により計測しこの値をＳＯＣ値とする。

図２において、図５に示す従来の制御ブロックと同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図２に示す制御ブロックが図５に示す従来の制御ブロックと異なる点は、ＳＯＣ管理対象である電気二重層キャパシタ３のＳＯＣ（直流電圧Ｖ_ＥＤＬＣ）を計測し、予め決められたＳＯＣの管理目標値ＳＯＣｒｅｆとの差分を計算し、この差分に乗算器４７により比例ゲインＫを乗じた後、ＬＰＦ４８によりニッケル水素電池２で補償可能な成分を抽出し、その値をニッケル水素電池２の出力指令に対して減算するようにした点である。この構成によりＳＯＣ値を管理しながら各電源の出力制御を行うことができる。

なお、図２ではＳＯＣとＳＯＣｒｅｆとの差分は乗算器４７により比例ゲインＫを乗算し、ＬＰＦ４８を介してニッケル水素電池２の指令値に入力しているが、比例ゲインＫを乗算する乗算器４７とＬＰＦ４８の替わりに比例・積分制御器を用いてもよい。また、ＳＯＣ管理制御は蓄電装置より負荷追従性能の低い電源であるガスエンジン発電機１で行ってもよい。

次に、図３を参照して、ＳＯＣを管理して各電源の出力を制御する制御動作を説明する。図３は、従来の制御方法による制御動作と、本発明による電気二重層キャパシタ３のＳＯＣ管理制御の動作を示す図である。ある時刻においてステップ状の負荷変動（符号Ａ１）が加えられた場合、特許文献１記載の制御方法（図５）では各電源の出力が図３の符号Ａ２、Ａ３で示すように変化する。この結果、電気二重層キャパシタ３のＳＯＣは初期状態に比べ低下する（符号Ａ４）ことになる。

一方、本発明による制御方法（図３符号Ｂ）では、電気二重層キャパシタ３のＳＯＣの低下（符号Ｂ１）に伴い、電気二重層キャパシタ３より応答性の低いガスエンジン発電機１やニッケル水素電池２の出力指令値に対して、符号Ｂ２で示す出力を加える。これによりガスエンジン発電機１とニッケル水素電池２の合計出力は符号Ｂ３で示す出力となり、電気二重層キャパシタ３は全電源の出力合計値が負荷電力と一致させようとして放電後に充電を行うよう出力が変化する（符号Ｂ４）ため、電気二重層キャパシタ３のＳＯＣを復帰させることが可能となる。すなわち、蓄電装置（電気二重層キャパシタ３）の放電後に、この蓄電装置以外の電源（ニッケル水素電池２）出力を負荷電力より高くすることにより、蓄電装置（電気二重層キャパシタ３）の残存容量を速やかに回復させることが可能となる。

次に、図４を参照して、ＳＯＣ管理制御を行った場合と、ＳＯＣ管理制御を行わなかった場合の運転結果について説明する。図４は、ＳＯＣ管理制御を行った場合と、ＳＯＣ管理制御を行わなかった場合の運転結果を示す図である。電気二重層キャパシタ３の運転電圧範囲は２４０〜４００Ｖであり、この電圧範囲をＳＯＣ値０〜１００％に対応付けている。電気二重層キャパシタ３の標準電圧は、３３６Ｖ（ＳＯＣ値６０％）である。図４よりＳＯＣ管理制御を行わなかった場合、３００秒でＳＯＣ値は約２５％まで低下してしまうが、ＳＯＣ管理制御を行うことで、ＳＯＣ値を６０％付近で定常的に維持することができることが分かる。またマイクログリッドの系統周波数の変動幅を見ることによって、負荷追従運転がどの程度の精度で実現されているかを把握することができるが、ＳＯＣ管理制御ありなしの場合を比較しても系統周波数の変動幅に大きな差異は見られず、負荷追従運転の精度は悪化していないことを確認できる。

なお、前述した説明においては、電気二重層キャパシタ、ニッケル水素電池、ガスエンジン発電機を用いる例を説明したが、電池は二次電池であれば電池の種類は問わず、また、発電機についても同期発電機であれば発電機の種類は問わない。二次電池は、充放電が可能な電池であり、ニッケル水素電池の他に鉛蓄電池、ＮＡＳ電池、リチウムイオン電池などがある。ガスエンジン発電機は、ガスエンジンを用いた同期発電機の他に、ガスタービン発電機、ディーゼルエンジン発電機などの同期発電機に置き換えることが可能である。

以上説明したように、複数種類の分散型電源を用いて負荷追従運転を行う際に、蓄電装置（電気二重層キャパシタ３等）のＳＯＣ管理をこの蓄電装置より応答性能の低い電源（例えば、ニッケル水素電池２）を用いて行うことで、負荷追従運転の制御精度を悪化させることなく蓄電装置のＳＯＣを管理することができる。このため、蓄電装置のＳＯＣ上昇、下降に伴う負荷追従運転の性能悪化を防止することができる。また、蓄電装置自身のＳＯＣ管理制御による負荷追従運転性能の悪化も防止することができる。また、ＳＯＣを管理することにより、分散型電源を構成する蓄電装置の容量を削減することができるため、システムコストを低く抑えることが可能になる。

１・・・ガスエンジン発電機、２・・・ニッケル水素電池、３・・・電気二重層キャパシタ、４・・・制御システム、５・・・負荷、１１、１２、１３、１５・・・電力計測器、１４・・・電圧計測器

Claims

負荷変動に対する応答性能が異なる複数の分散型電源を統合的に制御する分散型電源の制御方法であって、
前記分散型電源は、蓄電装置を備え、
前記蓄電装置の残存容量と目標残存容量との差分値に基づいて、前記蓄電装置と比較して応答性能が同等以下の電源で補償するべき成分を求め、該補償するべき成分を前記蓄電装置と比較して応答性能が同等以下の電源で補償することを特徴とする分散型電源の制御方法。
前記蓄電装置は、電気二重層キャパシタまたは二次電池であり、前記蓄電装置と比較して応答性能が同等以下の電源は、二次電池または同期発電機のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の分散型電源の制御方法。