JP2012085460A

JP2012085460A - 高圧・低圧配電系統電圧調節システム

Info

Publication number: JP2012085460A
Application number: JP2010230400A
Authority: JP
Inventors: Junji Kondo; 潤次近藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2010-10-13
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2030-10-13
Also published as: JP5618294B2

Abstract

【課題】ハードウェアの追加・新設することなく、電力線搬送通信等を活用し、配電系統全体の電圧を適切に調節するための制御アルゴリズムを確立する。
【解決手段】無効電力を制御することにより分散型電源の連系点電圧を制御するパワーコンディショナが、それぞれの連系点電圧を低圧配電系統監視制御装置に伝達し、また、低圧配電系統監視制御装置が、各パワーコンディショナの連系点電圧が規定の上限値以下、かつ、その運転力率が規定の下限値以上を維持できるよう、該連系点電圧に基づいて、当該低圧配電系統に属する前記変圧器毎に一次電圧調整要求量を演算する。この一次電圧調整要求量に基づいて、高圧配電系統監視制御装置が、低圧配電系統監視制御装置のそれぞれに無効電力調整要求量を送信して、割り当てられた無効電力調整要求量に基づいて各パワーコンディショナに無効電力調整要求量を適切に割り振る。
【選択図】図１

Description

本発明は、自家発電設備を配電系統に連系した高圧・低圧配電系統電圧調節システムに関する。

従来から太陽光発電システム、風力発電、燃料電池、マイクロガスタービン、エンジン発電などの自家発電設備を配電系統に連系して、配電系統との間で電力を送電する分散型電源の導入が、住宅地域を中心に進んでいる。
一方で、このような分散型電源が配電系統に大量に連系されると、分散型電源から生じる逆潮流により配電系統の電圧が上昇し、低圧需要家の受電電圧が、電気事業法で規定された電圧を逸脱するおそれが生じる。

このため、以下、自家発電設備として太陽光発電システムを例に取ると、下記特許文献１、２にみられるように、パワーコンディショナなどには、低圧需要家の受電電圧の上昇を抑制することを目的とした電圧上昇抑制機能が備えられる。

すなわち、一般住宅用太陽光発電システムでは、太陽電池パネル群が太陽光を受光して直流電力を発生させ、それをパワーコンディショナで通常２００Ｖの交流電力に変換し、電力系統側へ電力を送り出す。これにより生じる、需要家側から電力系統側への電力の流れを、逆潮流という。分散型電源が配電系統に大量に導入されると、分散型電源からの逆潮流により配電系統の電圧が上昇し、低圧需要家の受電電圧が、電気事業法で規定された電圧（１００ボルト系では１０１±６Ｖ、２００ボルト系では２０２±２０Ｖ）を逸脱するおそれが生じる。

このため、日本国内で太陽光発電システムを配電系統に連系するにあたっては、下記非特許文献１に示されるように、太陽光発電システムのパワーコンディショナなどには、低圧需要家の受電電圧の上昇を抑制することを目的とした電圧上昇抑制機能を備えることが義務づけられている。
具体的には、配電系統と太陽光発電システムとの連系点における電圧が適正値を逸脱するおそれがある時は、太陽光発電システムにおいて電圧を調整する対策を行うべきであること、そして、逆潮流がある場合の運転力率の下限値を０．８５とすることが示されている。なお、運転力率とは、分母が有効電力の２乗と進相無効電力の２乗との和の平方根で、分子が有効電力の計算式で計算される値である。

このパワーコンディショナは、太陽電池からの発電を直流から交流に変換するインバータや保護装置などの制御装置などから構成され、配電系統と太陽光発電システムとの連系点で測定された電圧に基づき、電圧上昇を抑制するように電力を制御する。
電圧上昇抑制するための手法として、進相無効電力（電流の位相が電圧の位相より９０度進んでおり、商用交流１サイクルあたりで正味のエネルギー伝送には寄与しない電力）を発生させるように電力を制御することが挙げられ、連系点での電圧が上限値を上回るとき、進相無効電力を増加させることにより、接続点の電圧上昇を抑制することができる。しかし、電圧上昇を抑制するため進相無効電力を増加させすぎると、運転力率が下限値０．８５を下回ってしまうことから、進相無効電力の増加による電圧上昇抑制には限度がある。このため、このような場合には、有効電力（発電電力）を低減させる「出力抑制制御」を行わざるを得ない。

太陽光発電システムは通常、電圧上昇の問題がなければ、太陽電池パネル群に入射する太陽光エネルギーに応じて最大の電気エネルギーを取り出すように運転（最大出力点追従運転）し、それに応じた有効電力を出力する。有効電力を低減させる場合は、より多くの有効電力を出力できる太陽光の入射があるのに、それを無駄にすることになるので、有効電力を過度に低減させないように制御することが望ましい。最大出力点追従運転を行う場合の有効電力出力と出力抑制制御時の有効電力出力との差を、出力抑制損失という。一般住宅用太陽光発電システムが配電系統に大量連系すると逆潮流が増えて電圧が上昇しやすくなるため、出力抑制制御が頻繁に行われ、システム運転効率が低下する。

以上のことから、複数台の太陽光発電システムが配電系統に連系されているシステムにおいて、パワーコンディショナにより有効電力を過度に低減させずに、連系点の電圧の上昇を確実に抑制することが重要な課題となる。
そこで、下記非特許文献２、３に見られるように、高圧自動電圧調整器（ＳＶＲ）、静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）及びループバランスコントローラ（ＬＢＣ）の新設による高圧配電系統の電圧調整や、蓄電池を用いた出力抑制回避が検討された。

特開２００８−３５６４０号公報特許第４１０９６１４号公報特開２００７−３０６７４４号公報

"系統連系規定（ＪＥＡＣ９７０１−２００６）"、日本電気協会浦田浩孝：「分散型電源普及拡大に必要な配電線電圧対策費の試算について」、季報エネルギー総合工学、３１巻、４号、３１−３９頁（２００９）（株）関電工：「集中連系型太陽光発電システム実証研究」、（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構、平成１５年度〜平成１９年度成果報告書、（２００８年５月）

しかし、上記非特許文献２によるものでは、高額な機器・保守費用が見込まれるほか、費用負担のあり方に関する制度整備が必要である。また上記非特許文献３によるものも、蓄電池の費用や設置スペース、及び充放電損失の発生といった問題を抱えている。
そこで、本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、電力潮流を直接扱うＳＶＲ、ＳＶＣ、ＬＢＣといったハードウェアの追加・新設には極力頼らず、パワーコンディショナ（自励式インバータ）や同期発電機により系統連系する分散型電源の無効電力調整機能を有効活用して配電系統全体の電圧を適切に調節するための制御アルゴリズムを確立した高圧・低圧配電系統電圧調節システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の高圧・低圧配電系統電圧調節システムにおいては、次のような技術的手段を講じた。すなわち、
（１）低圧配電系統に分散型電源が複数連系された特定地域の配電系統において、当該特定地域の高圧配電系統を監視制御する高圧配電系統監視制御装置と、当該特定地域内に設置され、前記高圧配電系統からの高電圧を低電圧に変圧する複数台の変圧器と、該変圧器の２次側に接続された低圧配電系統を監視制御する低圧配電系統監視制御装置と、前記分散型電源毎に配備され、無効電力を制御することにより該分散型電源の連系点電圧を制御するパワーコンディショナとからなり、前記高圧配電系統監視制御装置及び前記低圧配電系統監視制御装置並びに前記パワーコンディショナは、それぞれ双方向通信手段により接続されており、前記パワーコンディショナは、それぞれの連系点電圧を前記低圧配電系統監視制御装置に伝達し、かつ前記低圧配電系統監視制御装置は、各パワーコンディショナの連系点電圧が規定の上限値以下、かつ、その運転力率が規定の下限値以上を維持できるよう、該連系点電圧に基づいて、当該低圧配電系統に属する前記変圧器毎に一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉ（ｉ＝１、・・・、Ｎ）を演算して前記高圧配電系統監視制御装置に送信するとともに、前記高圧配電系統監視制御装置は、該一次電圧調整要求量に基づいて前記低圧配電系統監視制御装置のそれぞれに当該低圧配電系統における無効電力調整要求量ΔＱ_ｒｊ（ｊ＝１、・・・、Ｎ）を送信し、前記低圧配電系統監視装置のそれぞれは、当該低圧配電系統に割り当てられた無効電力調整要求量ΔＱ_ｒｊに基づいて当該低圧配電系統につながる各パワーコンディショナに無効電力調整要求量を割り振るようにした。

（２）上記の高圧・低圧配電系統電圧調節システムにおいて、前記低圧配電系統監視制御装置及び前記パワーコンディショナとの双方向通信手段に、電力線搬送通信（ＰＬＣ：ＰｏｗｅｒＬｉｎｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）を採用した。

（３）上記の高圧・低圧配電系統電圧調節システムにおいて、前記高圧配電系統監視制御装置が前記低圧配電系統のそれぞれの前記無効電力調整要求量ΔＱ_ｒｊを算出する際に、前記一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉとΔＱ_ｒｊに関する連立方程式を用い、前記一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉの誤差の二乗和が最小になるように、各低圧配電系統におけるΔＱ_ｒｊを算出するようにした。

（４）上記の高圧・低圧配電系統電圧調節システムにおいて、前記高圧配電系統監視制御装置が前記低圧配電系統のそれぞれの前記無効電力調整要求量ΔＱ_ｒｊを算出する際に、前記一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉとΔＱ_ｒｊに関する連立方程式を用い、前記一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉの誤差の二乗和に加えて、特定のパワーコンディショナからの無効電力が他のパワーコンディショナからの無効電力の平均値から大きくずれないようにする項を加えて、各低圧配電系統におけるΔＱ_ｒｊを算出するようにした。

（５）上記の高圧・低圧配電系統電圧調節システムにおいて、一次巻線と二次巻線の巻数比がＧである柱上変圧器の２次側の低圧配電系統につながるパワーコンディショナのうち、発電可能電力を出力すると連系点電圧が前記規定の上限値を超えているものの台数がｓ台であり、その逸脱幅がそれぞれΔｖ_ｐｖｋ（ｋ＝１、・・・、ｓ）であったとき、当該低圧配電系統の低圧配電系統監視制御装置が伝達する一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉを−Δｖ_ｐｖｋの総和のＧ倍とした。

（６）上記の高圧・低圧配電系統電圧調節システムにおいて、各低圧配電系統監視装置は当該低圧配電系統につながるパワーコンディショナに無効電力調整要求量を割り振る際、パワーコンディショナそれぞれに運転力率を指令値として送信し、各パワーコンディショナは自身の運転力率が上記指令値以下となるように無効電力を出力するようにした。

本発明によれば、無効電力を制御することにより分散型電源の連系点電圧を制御するパワーコンディショナが、それぞれの連系点電圧を低圧配電系統監視制御装置に伝達し、また、低圧配電系統監視制御装置が、各パワーコンディショナの連系点電圧が規定の上限値以下、かつ、その運転力率が規定の下限値以上を維持できるよう、該連系点電圧に基づいて、当該低圧配電系統に属する前記変圧器毎に一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉ（ｉ＝１、・・・、Ｎ）を演算する。この一次電圧調整要求量に基づいて、高圧配電系統監視制御装置が、低圧配電系統監視制御装置のそれぞれに無効電力調整要求量ΔＱ_ｒｊ（ｊ＝１、・・・、Ｎ）を送信して、割り当てられた無効電力調整要求量ΔＱ_ｒｊに基づいて各パワーコンディショナに無効電力調整要求量を適切に割り振ることができる。
したがって、電力潮流を直接扱うＳＶＲ、ＳＶＣ、ＬＢＣといったハードウェアを追加・新設することなく、パワーコンディショナや同期発電機により系統連系する分散型電源の無効電力調整機能を最大限に有効活用して、配電系統全体の電圧を適切に制御し、システムの運転効率を向上することが可能になる。

本発明による高圧・低圧配電系統電圧調節システム構成を示す図。高圧配電系統により給電されるエリアを示す図。低圧配電系統を示す図。従来の制御による高圧配電系統内の各節点の電圧と消費電力の関係を示す図。従来の制御による低圧配電系統内の各連系点における電圧、発電電力、力率の関係を示す図。本発明による高圧配電系統内の各節点の電圧及び消費電力の関係を示す図。本発明による、低圧配電系統内の各連系点における電圧、発電電力、力率の関係を示す図。

そこで、以下図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

本実施例では、前提として図２に示されるような、高圧配電系統により給電されるエリアを想定する。
この高圧配電系統には、図２のように０から７３までの合計７４箇所の節点に番号（大括弧で囲った数字）をつけた。そのうち柱上変圧器を介して図３の低圧配電系統がつながっている節点（黒塗り逆三角形で表示）は４８箇所ある。
上記の節点には、３台の単相柱上変圧器が各相間に１台ずつ合計３台つながっている。白塗り逆三角形は三相高圧負荷を示し、それぞれ３００ｋＷを力率１で消費しているとする。なお、このエリアは完全に三相平衡であるものとする。

すべての柱上変圧器は巻数比を６６００：２１０に設定しているものとし、無負荷状態では、柱上変圧器の１次電圧６６００Ｖのとき、二次電圧が２１０Ｖとなる。二次巻線には巻線両端の他、中性点タップがあり、合計３つの端子が出ている。低圧配電線はこの３つの端子からそれぞれ１本ずつ、合計３本の線で構成されている。低圧配電系統の２００Ｖ系とは二次巻線の両端からの２本の電力線の間の電圧であり、１００Ｖ系とは中性点タップからの線と、どちらか１本の電力線の間の電圧である。

すべての低圧配電系統において、図３のように、５０ｋＶＡの柱上変圧器の下に１５軒の住宅がつながっており、全住宅に太陽光発電システムを設置していると仮定する。太陽光発電システムは低圧配電系統の２００Ｖ系に連系している。また、それらの連系点に番号（大括弧で囲った数字）をつけた。各住宅における負荷は零とし、各住宅の太陽光発電システムが、１．８ｋＷの有効電力を出力できる日射を得ているとする。

以上により、図２の配電系統全体で、太陽光発電システムは、４８×３×１５＝２，１６０台つながっている。図２及び図３の線路部分の１線あたりのインピーダンスの値を下記の表１とする。
また、５０ｋＶＡの柱上変圧器の内部インピーダンスを、抵抗分１．２％ｐｕ、リアクタンス分２．１％ｐｕとする。配電用変電所変圧器の送出端電圧を６７００Ｖとする。

我が国においては、一般住宅は単相三線１００Ｖ／２００Ｖで配線されていることが多いが、この場合１００Ｖは２００Ｖ系の中性線と一方の電圧線との間の電圧であるので、電圧変動の制約は１００Ｖ系の上限１０７Ｖ（このとき２００Ｖ系は２１４Ｖ以上となっている）の方が２００Ｖ系の上限２２２Ｖより厳しい条件となる。本解析では、パワーコンディショナは低圧配電系統の２００Ｖ系に連系するが、１００Ｖ系の上限１０７Ｖの２倍である２１４Ｖを規定上限値として運転することを想定する。

比較のため、従来の制御法を行う場合について、次のように動作を想定して解析した。
すなわち、各パワーコンディショナは自身の連系点電圧が２１４Ｖ未満のときは力率１で、２１４Ｖを超えそうになると、まず進相運転（遅れ無効電力を消費）して連系点電圧を下げる。しかし、力率が０．８５を下回る運転は行わず、力率０．８５でも連系点電圧が２１４Ｖを超える場合は、力率を０．８５に保ったまま、連系点電圧が２１４Ｖに下がるまで発電出力（有効電力）を絞る。

想定したエリアにおいて、すべてのパワーコンディショナが上記の動作を行った場合について数値解析を行った。その結果得られた、高圧配電系統内の各節点の電圧及び消費電力を図４に、低圧配電系統内の各連系点における電圧（分解能０．１Ｖ）と発電電力と力率を図５に示す。
解析した図３の低圧配電系統は左右対称であるから、図５では右半分の、連系点０から７までの分のみを示しており、連系点０が柱上変圧器直下、連系点７が低圧配電系統末端である。また、低圧配電系統は４８（節点）×３（相）＝１４４あるが、このエリアは完全に三相平衡であるため、図５では各節点の中の代表する１相分のみ示している。このため、図５では４８節点分のデータが記されており、同じ低圧配電系統につながるパワーコンディショナのデータが直線で結ばれている。

図４の電力消費において、発電による逆潮流はマイナス値で表されている。柱上変圧器を介して低圧配電系統がつながる節点から、１．８（ｋＷ）×１５（台）×３（相）＝８１ｋＷの逆潮流が生じていれば、その低圧配電系統内の太陽光発電システムはすべて、日射から得られる最大限の電力を発電できていることを意味する。図４において、柱上変圧器を介して低圧配電系統がつながる節点のうちのいくつかの節点では逆潮流電力が８１ｋＷを下回っている。このことは、これらの節点につながる低圧配電系統内において、連系点電圧が２１４Ｖに達して出力抑制制御を行っているパワーコンディショナがあることを示している。

図５より、各低圧配電系統において、柱上変圧器直下の連系点０につながっているパワーコンディショナはすべて、連系点電圧が２１４Ｖ以下であり、１．８ｋＷを出力し、力率１で運転している。また連系点１につながっているパワーコンディショナの中には、連系点電圧が２１４Ｖに達して力率１未満で運転しているものがあるが、すべて１．８ｋＷを出力している。しかし、連系点２以降では、力率０．８５で出力を１．８ｋＷ未満に絞っているパワーコンディショナがある。連系点６以降では、すべてのパワーコンディショナの連系点電圧が２１４Ｖに達しており力率１未満で運転している。同じ低圧配電系統につながるパワーコンディショナを比較すると、低圧配電線の末端につながるパワーコンディショナほど、連系点電圧が上昇しており、力率が低く、出力電力を絞っている。この原因は、低圧配電線の下流（末端近傍）に連系する場合は、パワーコンディショナから柱上変圧器までの線路抵抗が大きいために逆潮流により連系点電圧が上昇しやすいため、及び上流（柱上変圧器近傍）のパワーコンディショナからの逆潮流による電圧上昇がほぼ線形に加わるためである。

このように従来の制御法では、低圧配電系統の末端付近につながる太陽光発電システムの多くが出力抑制制御を実施するにもかかわらず、低圧配電系統の柱上変圧器近傍の太陽光発電システムは力率１で運転し電圧上昇の抑制に寄与しないという、非効率かつ不公平な状況が生じる。

これに対し、本発明の協調制御を行った場合について、次のように動作を想定して解析した。
本発明の高圧・低圧配電系統電圧調節システムの構成を図１に示す。
図１は、図２の一部分に、本発明にしたがい、情報通信及び制御のシステムを追加したものである。
高圧配電線１で構成される高圧配電系統により給電されるエリアには、高圧配電系統監視制御装置２が１台設置されている。また、当該特定地域内に設置され、高圧配電系統からの高電圧を低電圧に変圧する複数台の柱上変圧器３の２次側には、低圧配電線４からなる低圧配電系統が接続され、それぞれ低圧配電系統監視制御装置５が１台ずつ設置されている。各パワーコンディショナ６は、自身がつながる低圧配電系統の低圧配電系統監視制御装置５から無効電力調整指令を受けた場合に限り、自身の連系点電圧が上限２１４Ｖ未満でも力率１から０．８５の間で進相無効電力を出力する。

本発明の制御アルゴリズムを以下に示す。
ある太陽光発電システムが発電可能電力ｐ_{ａｖａｉｌ}を出力するだけの日射を得ているが、そのパワーコンディショナ６の連系点電圧ｖ_ｐｖが上限２１４Ｖに達したため、力率を０．８５とし、かつ発電出力（有効電力）をｐ_ｏｐまで抑制しているとする。柱上変圧器３の一次側から当該太陽光発電システムまでのインピーダンス（二次側換算値）がｒ＋ｊｘである（ｒは抵抗分、ｘはリアクタンス分）とき、仮にこの太陽光発電システムが発電可能電力ｐ_{ａｖａｉｌ}を出力するまで電圧上限値を２１４Ｖから徐々に上げた場合、高圧配電系統への影響を無視すれば連系点電圧は、下記の数式１に示されるΔｖ_ｐｖだけ上昇（二次側換算値）することになる。

ここに、Δｐはこの太陽光発電システムの発電出力（有効電力）の増分、Δｑはこの太陽光発電システムが出力する進相無効電力の増分である。
配電系統の電圧変動はほぼ線形なので、同じ低圧配電系統につながる複数のパワーコンディショナ６がｐ_{ａｖａｉｌ}を出力すると、低圧配電線路の末端の電圧はΔｖ_ｐｖの和の分だけ上昇する。（ただし、図３のように柱上変圧器から左右両側に対称に分かれている低圧配電系統なら、Δｖ_ｐｖの和の半分となる。）

低圧配電系統での有効・無効電力が変わらない場合、柱上変圧器３の一次電圧（二次側換算値）を下げると、低圧配電系統の線路電圧全体も同じだけ下がると近似できる。そこで、柱上変圧器３の一次電圧（二次側換算値）がこの柱上変圧器３につながるすべての太陽光発電システムの−Δｖ_ｐｖの和の分だけ下がれば、それらの太陽光発電システムが発電可能電力ｐ_{ａｖａｉｌ}を出力できるようになる。

そこで節点ｉの柱上変圧器３に設置された低圧配電系統監視制御装置４は、自身につながる低圧配電系統内の各パワーコンディショナ６からΔｖ_ｐｖを受信し、連系自身の一次電圧の電圧低下要請値ΔＶ_ｒｉ＝−ＧΣΔｖ_ｐｖを高圧配電系統監視制御装置に送信する。ここにＧは柱上変圧器３の巻数比（６６００／２１０）である。
高圧配電系統監視制御装置は各低圧配電系統監視制御装置からのΔＶ_ｒｉに応えるべく、高圧配電系統における必要な各節点ｊの無効電力調整値ΔＱ_ｒｊを算出する。その方法は、線路インピーダンスから求まる感度係数を用いて各節点の無効電力変動と電圧変動の関係を表す連立方程式を最小二乗法により解くものである。

具体的には、当該エリア内の低圧配電系統を監視制御する低圧配電系統監視制御装置の台数がＮ台で、そのうちΔＶ_ｒｉが零でない（出力抑制制御を行っている太陽光発電システムがつながっている）低圧配電系統監視制御装置の台数がｍ台（ｍ≦Ｎ）、また進相無効電力を増やせる（力率が０．８５になっていない）パワーコンディショナ６が１台でも連系している低圧配電系統を監視している低圧配電系統監視制御装置の台数がｎ台（ｎ≦Ｎ）であるとき、連立方程式は、次の数式２となる。

ここに、ａ_ｉｊは節点ｊの無効電力が増えたときに節点ｉの電圧がどれだけ高くなるかを表す感度係数であり、上記特許文献３の式９〜１１におけるｑ_ｉｊに相当する。
ｍ＝ｎであれば、解く変数の数と方程式の本数が同じなので、上記の数式２を解くことでΔＱ_ｒｊを算出できるが、それ以外では解くことができない。そこで、最小二乗法により、数式２にΔＱ_ｒｊを代入したときの値をΔＶ_ｐｉとしたとき、ΔＶ_ｐｉとΔＶ_ｒｉの差の二乗和が最小になるように、ΔＱ_ｒｊを算出する。ただし、これにより解いた解は、例えば節点ｊのΔＱ_ｒｊは正値だが、隣の節点ｊ＋１のΔＱ_{ｒ（ｊ＋１）}は負値となり、お互いに無効電力を打ち消してしまうような、実用上好ましくない結果を算出する可能性がある。そこで、最小二乗法における誤差の二乗和Ｕの式に、節点間の進相無効電力出力のばらつきを低減する項を加える。具体的には、誤差の二乗和Ｕの式を、次の数式３のようにする。

ここに、Ｑ_ｒｊは無効電力調整指令を送る直前の、節点ｊにつながる低圧配電系統につながるすべてのパワーコンディショナ６が出力している進相無効電力の和、Ｓ_ｊは節点ｊにつながる低圧配電系統につながるパワーコンディショナ６の総容量であり、ｂは正数である。上記数式３において、右辺第一項がΔＶ_ｐｉとΔＶ_ｒｉの差の二乗和を表しており、右辺第二項は節点ｊにおけるパワーコンディショナ６からの進相無効電力の和の容量比（Ｑ_ｒｊ＋ΔＱ_ｒｊ）／Ｓ_ｊの、無効電力調整可能な全節点の進相無効電力の容量比の平均値からのずれに関連している。上記数式３のＵをΔＱ_ｒｊで偏微分すると、ΔＱ_ｒｊに関するｎ本の連立方程式が得られるので、それを解くことでΔＱ_ｒｊを得る。

高圧配電系統監視制御装置２は、本計算により得られた無効電力調整指令値ΔＱ_ｒｊに１未満の正数であるｃを乗じた値を、該当する各低圧配電系統監視制御装置５に送る。ｃを乗じる理由は、急激な無効電力の変動を避けるためである。各低圧配電系統監視制御装置は当該低圧配電系統が出力すべき無効電力調整指令値ｃΔＱ_ｒｊを高圧配電系統監視制御装置より受け取った後、自分につながる太陽光発電システムｋに無効電力変化量Δｑ_ｋをｃΔＱ_ｒｊ＝ΣΔｑ_ｋとなるように割り振り、それらにΔｑ_ｋを指令値として送る。以上を繰り返すことで、電圧上昇を抑制し、それにより可能な限り各太陽光発電システムの出力抑制を減らすことができる。繰り返しの中で、当該エリアに出力抑制制御をしているパワーコンディショナ６がなくｍ＝０の場合は、Ｑ_ｒｊを徐々に絞るように指令する。これにより、無駄な無効電力出力を防止できる。

各低圧配電系統監視装置は当該低圧配電系統につながるパワーコンディショナ６に無効電力調整要求量を割り振る際、パワーコンディショナそれぞれに運転力率を指令値として送信する。そして、各パワーコンディショナ６は自身の運転力率が上記指令値以下となるように無効電力を出力する。力率で指定する場合、各パワーコンディショナ６の容量（定格出力）が異なっても、その容量に比例した進相無効電力を割り振ることになる。無効電力の出力はパワーコンディショナ６の電流を増やすことになり、装置での電力損失が増えるが、容量が大きいことは発電による有効電力の逆潮流も大きいので、公平な無効電力分配方法である。

想定したエリアにおいて、上記の制御を行った場合について数値解析を行った。その結果得られた、高圧配電系統内の各節点の電圧及び消費電力を図６に、低圧配電系統内の各連系点における電圧（分解能０．１Ｖ）と発電電力と力率を図７に示す。
図６の電力消費において、柱上変圧器３を介して低圧配電系統がつながるすべての節点で逆潮流電力が８１ｋＷとなっている。このことは、これらの節点につながる低圧配電系統内において、すべてのパワーコンディショナ６が出力抑制制御を行っていないことを示している。

図７より、各低圧配電系統において、連系点４以下につながっているパワーコンディショナ６はすべて、連系点電圧が２１４Ｖ以下であるが、すべて力率１未満で、同じ低圧配電系統内のものはすべて同じ力率で運転している。連系点５以上につながっているパワーコンディショナ６の中には、連系点電圧が２１４Ｖに達しているものがあり、同じ低圧配電系統の連系点４以下のものより低い力率で運転しているものがあるが、すべて１．８ｋＷを出力している。また、すべてのパワーコンディショナ６が力率０．８５以上で運転している。
このように本発明の制御法では、自身の連系点電圧が上限値に達していないパワーコンディショナ６も進相無効電力を適切に出力することで、配電系統全体の電圧を適切に調節できる。これにより、すべての太陽光発電システムが出力抑制制御を行わず、太陽電池パネル群への日射に応じた出力できる最大電力を発電できる。

なお、本発明の高圧・低圧配電系統電圧調節システムを実施するにあたり、各太陽光発電システムがどの柱上変圧器の下の低圧配電系統につながっているのかという情報及び双方向の通信が必要である。低圧配電系統監視制御装置５とパワーコンディショナ６との双方向通信手段は、既存のネットワークがあればこれを活用すればよいが、有線の情報通信線を新規に敷設しない手段を採用すれば、情報通信のためのコストを抑えることができる。そのような手段としては、電磁波による無線通信と、図１の破線でしめされるように、電力線搬送通信(PLC:Power Line Communication)がある。電力線搬送通信を用いた場合、電力線搬送通信で用いる周波数が電力系統の商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）よりも高いため、柱上変圧器を通過すると信号が著しく減衰する。このため、電力線搬送通信を用いれば、パワーコンディショナ６からの通信信号は、該パワーコンディショナ６がつながっている低圧配電系統と直接つながる柱上変圧器３のみが、十分な強度で通信信号を得ることができる。このため、各パワーコンディショナ６がどの柱上変圧器３の下の低圧配電系統につながっているのかを容易に判別できる。

以上説明したように、本発明によれば、電力潮流を直接扱うＳＶＲ、ＳＶＣ、ＬＢＣといったハードウェアを追加・新設することなく、電力線搬送通信、電磁波による無線通信、あるいは既存のネットワークを活用して、パワーコンディショナや同期発電機により系統連系する分散型電源の無効電力調整機能を最大限に有効活用して、配電系統全体の電圧を適切に制御することができるので、今後広い普及が予測される、太陽光発電システム等の自家発電設備を配電系統に連系した特定エリアの配電系統において、全体のエネルギー効率を抜本的に高める高圧・低圧配電系統電圧調節システムとして広く作用されることが期待される。

１高圧配電線
２高圧配電系統監視制御装置
３柱上変圧器
４低圧配電線
５低圧配電系統監視制御装置
６パワーコンディショナ

Claims

低圧配電系統に分散型電源が複数連系された特定地域の配電系統において、
当該特定地域の高圧配電系統を監視制御する高圧配電系統監視制御装置と、
当該特定地域内に設置され、前記高圧配電系統からの高電圧を低電圧に変圧する複数台の変圧器と、
該変圧器の２次側に接続された低圧配電系統を監視制御する低圧配電系統監視制御装置と、
前記分散型電源毎に配備され、無効電力を制御することにより該分散型電源の連系点電圧を制御するパワーコンディショナとからなり、
前記高圧配電系統監視制御装置及び前記低圧配電系統監視制御装置並びに前記パワーコンディショナは、それぞれ双方向通信手段により接続されており、
前記パワーコンディショナは、それぞれの連系点電圧を前記低圧配電系統監視制御装置に伝達し、
かつ前記低圧配電系統監視制御装置は、各パワーコンディショナの連系点電圧が規定の上限値以下、かつ、その運転力率が規定の下限値以上を維持できるよう、該連系点電圧に基づいて、当該低圧配電系統に属する前記変圧器毎に一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉ（ｉ＝１、・・・、Ｎ）を演算して前記高圧配電系統監視制御装置に送信するとともに、
前記高圧配電系統監視制御装置は、該一次電圧調整要求量に基づいて前記低圧配電系統監視制御装置のそれぞれに当該低圧配電系統における無効電力調整要求量ΔＱ_ｒｊ（ｊ＝１、・・・、Ｎ）を送信し、
前記低圧配電系統監視装置のそれぞれは、当該低圧配電系統に割り当てられた無効電力調整要求量ΔＱ_ｒｊに基づいて当該低圧配電系統につながる各パワーコンディショナに無効電力調整要求量を割り振ることを特徴とする高圧・低圧配電系統電圧調節システム。
前記低圧配電系統監視制御装置及び前記パワーコンディショナとの双方向通信手段に、電力線搬送通信(PLC:Power Line Communication)を採用したことを特徴とする請求項１に記載の高圧・低圧配電系統電圧調節システム。
前記高圧配電系統監視制御装置が前記低圧配電系統のそれぞれの前記無効電力調整要求量ΔＱ_ｒｊを算出する際に、前記一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉとΔＱ_ｒｊに関する連立方程式を用い、前記一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉの誤差の二乗和が最小になるように、各低圧配電系統におけるΔＱ_ｒｊを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の高圧・低圧配電系統電圧調節システム。
前記高圧配電系統監視制御装置が前記低圧配電系統のそれぞれの前記無効電力調整要求量ΔＱ_ｒｊを算出する際に、前記一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉとΔＱ_ｒｊに関する連立方程式を用い、前記一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉの誤差の二乗和に加えて、特定のパワーコンディショナからの無効電力が他のパワーコンディショナからの無効電力の平均値から大きくずれないようにする項を加えて、各低圧配電系統におけるΔＱ_ｒｊを算出することを特徴とする請求項３に記載の高圧・低圧配電系統電圧調節システム。
一次巻線と二次巻線の巻数比がＧである柱上変圧器の２次側の低圧配電系統につながるパワーコンディショナのうち、発電可能電力を出力すると連系点電圧が前記規定の上限値を超えているものの台数がｓ台であり、その逸脱幅がそれぞれΔｖ_ｐｖｋ（ｋ＝１、・・・、ｓ）であったとき、当該低圧配電系統の低圧配電系統監視制御装置が伝達する一次電圧調整要求量ΔＶ_ｒｉを―Δｖ_ｐｖｋの総和のＧ倍とすることを特徴とする請求項１ないし４に記載の高圧・低圧配電系統電圧調節システム。
各低圧配電系統監視装置は当該低圧配電系統につながるパワーコンディショナに無効電力調整要求量を割り振る際、パワーコンディショナそれぞれに運転力率を指令値として送信し、各パワーコンディショナは自身の運転力率が上記指令値以下となるように無効電力を出力することを特徴とする請求項１ないし５に記載の高圧・低圧配電系統電圧調節システム。