JP2012100487A

JP2012100487A - 電力系統安定化装置

Info

Publication number: JP2012100487A
Application number: JP2010247734A
Authority: JP
Inventors: Satoru Ota; 悟大田; Noriko Kawakami; 紀子川上; Shinya Naoi; 伸也直井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-05-24

Abstract

【課題】直流エネルギー貯蔵装置の充電率制御を行うことで、放電末、満充電になりづらくし、有限な電池容量を効果的に使用することができ、より効果的に有効電力の変動を抑えることができる電力系統安定化装置を得る。
【解決手段】風力発電機５の有効電力の発電量及び蓄電池１の満充電時及び放電末時における電池制御信号を入力し、上位盤からの電力指令値と５の発電量の差分から有効電力の差分を求め、その差分を抑制するため、交直変換装置２の出力指令を演算出力する出力指令値演算回路１２１と、１の充電率と充電率目標値の偏差に基づき交直変換装置２を構成している電力用半導体のゲート信号に対して補正を与えるための出力補正値を出力する充電率制御回路１２３と、１２１で演算した出力指令値と１２３からの出力補正値を加算して２に対する出力指令値を、ゲート制御回路１２６に与える加算回路１２４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は蓄電池等の直流エネルギー貯蔵装置の直流電力を、交直電力変換装置により交流電力に変換して交流電力系統に供給すること、又は交流電力を交直電力変換装置により直流電力に変換して直流エネルギー貯蔵装置に蓄えることにより、前記交流電力系統において発生する有効電力の変動を抑制する電力系統安定化装置に関する。

この種の従来の電力系統安定化装置の一例として特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、電力系統安定化装置における直流エネルギー貯蔵装置の電気量の充電状態であるＳＯＣを一定範囲内に収めるように交直電力変換装置を制御方法が記載されている。そして、その具体例として鉛電池の充電量と放電量等から鉛電池のＳＯＣを検出し、この検出したＳＯＣに応じて鉛電池の放電と充電を決定するしきい値にオフセットを加えるようにしたものである。

このように構成することにより、電力系統に流れ込む有効電力を一定に保ちながら、直流エネルギー貯蔵装置のＳＯＣを、鉛電池を過充電によって損傷させず、かつ過放電によって寿命を低下させない一定範囲内で、一定に保つことができる。

しかしながら、特許文献１の発明だけでは必ずしも十分とは言えない。

特開平２００１−１５７３６４号公報

前述した特許文献１の発明は、電池容量までは電力変動を抑えこむことはできるが、満充電、もしくは放電末にて制御ができない状態となり、電力変動抑制ができなくなるという問題があった。

本発明は、直流エネルギー貯蔵装置の充電率制御を行わない場合と比較し、より効果的に有効電力の変動を抑えることができ、結果的に交流電力系統の変動を抑制できる電力系統安定化装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、直流エネルギー貯蔵装置の直流電力を、交直変換装置により交流電力に変換して交流電力系統に供給すること、又は交流電力を交直電力変換装置により直流電力に変換して直流エネルギー貯蔵装置に蓄えることにより、前記交流電力系統において発生する有効電力の変動を抑制する電力系統安定化装置において、前記直流エネルギー貯蔵装置の充電率が充電率目標値になるように制御するものであって、前記交直変換装置を構成している電力用半導体に与えるゲート信号を補正する前記交直変換装置の制御装置を具備した電力系統安定化装置である。

本発明は、前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、直流エネルギー貯蔵装置の直流電力を、交直変換装置により交流電力に変換して交流電力系統に供給すること、又は交流電力を交直電力変換装置により直流電力に変換して直流エネルギー貯蔵装置に蓄えることにより、前記交流電力系統において発生する有効電力の変動を抑制する電力系統安定化装置において、前記交直変換装置を構成している電力用半導体のゲート信号を出力するゲート制御回路と、前記直流エネルギー貯蔵装置の充電率と充電率目標値の偏差に基づき前記ゲート制御回路の出力であるゲート信号に対して補正を与えるための出力補正値を出力する充電率制御回路と、前記直流エネルギー貯蔵装置の満充電時及び放電末時において前記交流電力系統に発生する有効電力の変動を抑制するための前記交直変換装置に対する出力指令値を演算出力する出力指令値演算回路と、前記出力指令値演算回路で演算した出力指令値と、前記充電率制御回路からの出力補正値に基づき前記交直変換装置に対する出力指令値を、前記ゲート制御回路に与えて前記ゲート制御回路からのゲート信号出力を補正する補正回路とを具備した電力系統安定化装置である。

本発明によれば、直流エネルギー貯蔵装置を併設した電力安定化装置において、前記直流エネルギー貯蔵装置の充電率を制御する制御手段を設けることで、有限なエネルギー貯蔵装置の容量を効果的に使用し、有効電力変動をより効果的に抑えることができる電力系統安定化装置を得ることが可能となる。

本発明の電力系統安定化装置の実施形態の概略構成を示す図。図１の要部を説明するためのブロック図。図２の充電率制御回路の第1の例を説明するための図。図２の充電率制御回路の充電率目標値を５０%にしたときの波形図。本発明の作用効果を説明するための風力発電機の出力変動と、交流電力系統の有効電力の変動波形を示す図。図２の充電率制御回路の第２の例を説明するための図。図２の充電率制御回路の第３の例を説明するための図。図２の充電率制御回路の第４の例を説明するための図。

本発明は図１に示すように、従来の電力系統安定化装置に、交直変換装置の制御装置１２を具備したことを特徴としている。従来の電力系統安定化装置の第１の例として、直流エネルギー貯蔵装置例えば蓄電池１の直流電力を、交直変換装置(パワーコンディショナＰＣＳとも言う)２により交流電力に変換し、これを昇圧変圧器４で昇圧して交流電力系統３に供給し、また交流電力系統３には自然エネルギを利用した発電機例えば風力発電機５(電力変動源の一例)の出力である交流電力を変圧器６を介して交流電力系統３に供給し、さらに交流電力系統３には、昇圧変圧器7を介して上位の交流電力系統８が接続されている。

また、従来の電力系統安定化装置の第２の例として、前述の第１の例とは逆で例えば交流発電設備(図示せず)からの交流電力を交直電力変換装置により直流電力に変換して直流エネルギー貯蔵装置に蓄えるようにしたものである。

このような構成において、風力発電機５又は交流発電設備は交流電力系統３における有効電力の変動要素であるが、蓄電池１の直流電力を、交直変換装置２により交流電力に変換して交流電力系統３に供給もしくは吸収することにより、前記有効電力の変動要素の影響を抑制することができる。

本発明の交直変換装置の制御装置１２は、蓄電池１の充電率が充電率目標値例えば５０%
になるように制御するものであって、交直変換装置２を構成している電力用半導体(図示せず)に与えるゲート信号を補正するものである。

制御装置１２の入力側には、風力発電機５の発電量を検出するための例えば計器用変圧器（ＰＴ）９により発電機電圧及び計器用変流器（ＣＴ）１０により発電機電流が検出され、これらは図２の発電量検出回路１２２に入力され、ここで風力発電機５の発電量が検出される。また制御装置１２の入力側には、交流電力系統３の交流電圧を検出する計器用変圧器１１が設けられている。さらに、制御装置１２の入力側には、蓄電池１の充電率検出器(図示せず)で検出した充電率（ＳＯＣ）及び蓄電池制御信号として満充電信号及び放電末信号が入力されている。さらにまた、制御装置１２の入力側には、例えば上位盤１３からの電力指令値が入力されている。

図２は、制御装置１２を説明するためのブロック図であり、これは以下に述べる出力指令値演算回路１２１と、発電量検出回路１２２と、充電率制御回路１２３と、加算回路１２４と、ＰＬＬ(Phase Locked Loop) 回路１２５と、ゲート制御回路１２６を備えている。

ゲート制御回路１２６は前記交直変換装置２を構成している電力用半導体のゲート信号を出力するもので、前述の計器用変圧器１１によって検出された交流電力系統３の系統電圧を、ＰＬＬ(Phase Locked Loop)回路１２５に入力して位相基準を求め、この位相基準と、後述するパワーコンディショナ出力指令値により演算する基づきゲート信号を出力する。

発電量検出回路１２２は、前記計器用変圧器９により検出した発電機電圧及び前記計器用変流器１０に検出した発電機電流に基づき風力発電機５の有効電力の変動量を検出する。

出力指令値演算回路１２１は交流電力系統３に発生する有効電力の変動、具体的には前記発電量検出回路１２２で検出した風力発電機５の有効電力の変動量及び前記蓄電池１の満充電時及び放電末時における電池制御信号を入力し、交流電力系統３に発生する有効電力の変動量を求め、その有効電力の変動量を抑制するため、前記交直変換装置２によって、パワーコンディショナの出力量を演算する。

充電率制御回路１２３は、蓄電池１の充電率と充電率目標値の偏差に基づきゲート制御回路１２６の出力であるゲート信号に対して補正を与えるための出力補正値を出力する。

加算回路１２４は、前記出力指令値演算回路１２１で演算した出力指令値と、前記充電率制御回路１２３からの出力補正値を加算して前記交直変換装置２に対する出力指令値を、前記ゲート制御回路１２６に与える。

ゲート制御回路１２６は、ＰＬＬ回路１２５からの位相基準と前記出力指令値演算回路１２１からの前記交直変換装置２に対する出力指令値からゲート信号出力を、前記交直変換装置２を構成する電力用半導体のゲートに与える。

図３は、充電率制御回路１２３を説明するための図で、内部には比較回路１２３１を備え、比較回路１２３１に有する入力端子の一方(−端子)には、蓄電池１の充電率を検出する蓄電池充電率検出回路(図示せず)の検出値SOCを入力させ、また比較回路１２３１に有する入力端子の他方(＋端子)には、図示しない充電率目標値を５０%に設定可能な設定器の出力端子が接続され、比較回路１２３１の出力端子から出力補正値が出力される。

以上述べたように本発明の実施形態によれば、蓄電池１の充電率を制御することにより、交流電力系統３に発生する有効電力の変動を、前述した特許文献１のように蓄電池１の充電率制御を行わない場合に比較して有効電力の変動を効果的に抑制できる。放電末、満充電になりづらくし、有限な電池容量を効果的に使用することができる。図５に示すように風力発電機５の有効電力に変動が生じても交流電力系統３に発生する有効電力の変動を、抑制できる。

特に、風力発電機のように自然エネルギを利用した発電機における有効電力変動は予測しがたいため、有効電力変動の対策を行わない場合には蓄電池１の容量までは有効電力変動が抑制できたとしても、蓄電池１が満充電状態、もしくは放電末状態となるまで運転を継続すると、有効電力変動が抑制できない。

また、蓄電池１の充電率目標値を５０%に設定したことにより、図４に示すように蓄電池１は充電動作及び放電動作のいずれにも動作することができる。

図６は本発明の第２の実施形態の充電率制御回路１２３Ａのみを示すものである。充電率制御回路１２３Ａは、比較回路１２３１とゲイン設定器１２３２を備え、比較器１２３１により充電率目標値及び蓄電池１の現在の充電率との偏差を求め、ゲイン設定器１２３２で前記偏差に対してゲインを設定可能とし、ゲイン設定器１２３２で設定したゲインを、交直変換装置２の出力に反映させるようにしたものである。

図７は本発明の第３の実施形態の充電率制御回路１２３Ｂのみを示すものである。充電率制御回路１２３Ｂは、充電率目標値及び蓄電池１の現在の充電率の偏差を求め、この偏差がしきい値設定器１２３６で設定したしきい値以上なったとき、第２のゲイン設定器１２３４から第１のゲイン設定器１２３３に切換可能に構成したものである。なお、１２３５は絶対値回路、１２３７は比較器である。

図８は本発明の第４の実施形態の充電率制御回路１２３Ｃのみを示すものである。充電率制御回路１２３Ｃは、充電率目標値設定回路１２４０に未来の有効電力の変動量を予測するパラメータを使用し、前記比較回路１２３１の入力端子の一つである充電率目標値に反映させるようにしたものである。具体的には、将来発電量が増える方向であれば、充電率目標値設定回路１２４０の充電率を下げる方向に、また将来発電量が減る方向であれば、充電率目標値設定回路１２４０の充電率を上げる方向に反映させるようにしたものである。

本発明の第５の実施形態として、気象例えば遠方の風速の変化から有効電力の変動量を予測し、この予測に基づき前記充電率制御回路の充電率目標値を補正するようにしたものである。

本発明の第６の実施形態として、図示しない遅延回路を前記充電率制御回路１２３、１２３Ａ、１２３Ｂ、１２３Ｃの入力側及び出力側のいずれか、或いは前記入力側及び出力側の中間部位に設けたり、前記ゲイン設定器の代りに比例積分回路を設けようにしたものである。

１…蓄電池、２…交直変換装置、３…交流電力系統、４…昇圧変圧器、５…風力発電機、６…変圧器、7…降圧変圧器、８…上位の交流電力系統、９…計器用変圧器、１０…計器用変流器、１１…計器用変圧器、１２…交直変換装置の制御装置、１２１…出力指令値演算回路、１２２…発電量検出回路、１２３…充電率制御回路、１２３Ａ…充電率制御回路、１２３Ｂ…充電率制御回路、１２３Ｃ…充電率制御回路、１２４…加算回路、１２５…ＰＬＬ回路、１２６…ゲート制御回路、１２３１…比較回路、１２３２…ゲイン設定器、１２３３…第１のゲイン設定器、１２３４…第２のゲイン設定器、１２３６…しきい値設定器、１２４０…充電率目標値設定回路、１３…上位盤。

Claims

直流エネルギー貯蔵装置の直流電力を、交直変換装置により交流電力に変換して交流電力系統に供給すること、又は交流電力を交直電力変換装置により直流電力に変換して直流エネルギー貯蔵装置に蓄えることにより、前記交流電力系統において発生する有効電力の変動を抑制する電力系統安定化装置において、
前記直流エネルギー貯蔵装置の充電率が充電率目標値になるように制御するものであって、前記交直変換装置を構成している電力用半導体に与えるゲート信号を補正する前記交直変換装置の制御装置を具備したことを特徴とする電力系統安定化装置。
直流エネルギー貯蔵装置の直流電力を、交直変換装置により交流電力に変換して交流電力系統に供給すること、又は交流電力を交直電力変換装置により直流電力に変換して直流エネルギー貯蔵装置に蓄えることにより、前記交流電力系統において発生する有効電力の変動を抑制する電力系統安定化装置において、
前記交直変換装置を構成している電力用半導体のゲート信号を出力するゲート制御回路と、
前記直流エネルギー貯蔵装置の充電率と充電率目標値の偏差に基づき前記ゲート制御回路の出力であるゲート信号に対して補正を与えるための出力補正値を出力する充電率制御回路と、
前記直流エネルギー貯蔵装置の満充電時及び放電末時において前記交流電力系統に発生する有効電力の変動を抑制するための前記交直変換装置に対する出力指令値を演算出力する出力指令値演算回路と、
前記出力指令値演算回路で演算した出力指令値と、前記充電率制御回路からの出力補正値に基づき前記交直変換装置に対する出力指令値を、前記ゲート制御回路に与えて前記ゲート制御回路からのゲート信号出力を補正する補正回路と、
を具備したことを特徴とする電力系統安定化装置。
前記充電率目標値を５０％としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力系統安定化装置。
前記充電率制御回路は、前記充電率目標値及び前記直流エネルギー貯蔵装置の実際の充電率との偏差を求め、この偏差を前記交直変換装置の出力に反映させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力系統安定化装置。
前記充電率制御回路は、充電率目標値及び前記直流エネルギー貯蔵装置の現在の充電率との偏差を求め、前記偏差に対してゲインを設定可能とし、これで設定したゲインを、前記交直変換装置の出力に反映させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力系統安定化装置。
前記充電率制御回路は、充電率目標値及び前記直流エネルギー貯蔵装置の現在の充電率の偏差を求め、前記偏差がしきい値以上なったとき、前記充電率の偏差のゲインを切換可能に構成したことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか1項記載の電力系統安定化装置。
未来の有効電力の変動量を予測するパラメータを使用し、前記充電率制御回路の充電率目標値に反映させるようにしたことを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれか１項記載の電力系統安定化装置。
気象の変化から有効電力の変動量を予測し、この予測に基づき前記充電率制御回路の充電率目標値を補正するようにしたことを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれか１項記載の電力系統安定化装置。