JP2012130169A - 電力変換装置、電力変換装置の制御装置及び電力変換装置の制御方法 - Google Patents

電力変換装置、電力変換装置の制御装置及び電力変換装置の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】分離系統発生時に、分離系統の周波数維持に影響のないように、太陽光発電や風力発電などの投入を実現する。
【解決手段】電力変換機器の指令装置が計画サーバにおいて計算された、分離系統の周波数が急峻な変化を生じないような、時刻と出力上限値で構成される復帰パターン情報を受信し、電力変換装置の出力上限値を指令する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電力変換装置、電力変換装置の制御装置及び電力変換装置の制御方法に関する。
電力系統においては、該電力系統に供給される電力と、該電力系統に接続される負荷の消費電力がバランスするように制御される。しかしながら、電力系統の系統故障が発生し、例えば電力系統に分離系統が発生する時には、一時的に需給のバランスが壊れ、この影響で電力系統の周波数が所定の周波数から外れてしまうという現象が発生する。
そのため、例えば特開昭57−211940号公報に記載のように、オンライン制御で電源や負荷の遮断を行うことで分離系統内の需給アンバランスを調整し、周波数を維持する技術が考えつかれた。
特開昭57−211940号公報
一方、太陽光発電や風力発電などの電力変換装置を介した電源が大量導入されていくと想定される。太陽光発電や風力発電に接続された電力変換装置は、機器保護のため、系統故障時に脱落し一定時間後に復帰するようになっている。
この復帰タイミングは、一般に、系統故障の発生から固定時間後となっている。太陽光発電や風力発電などの電力変換装置を介した電源が大量導入された場合に、機器保護のため脱落し一定時間後復帰するに際して、所定の決められたタイミングで集中的に復帰するため、復帰に係る電力系統への影響が大きくなり、そのため、分離系統の周波数に急峻な変化を生じ、上下限を逸脱してしまう恐れがある。
本発明の目的は、太陽光発電や風力発電等に接続された電力変換装置ついて、系統故障時に、周波数などの系統変動に影響のないように、例えば太陽光発電や風力発電などの投入を実現することが可能な電力変換装置,電力変換装置の制御装置,電力変換装置の制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明では、電力系統の変動情報に基づいて出力を低下させる出力抑制制御部と、出力低下後に所定の復帰パターンで出力を増加させる復帰制御部を有し、復帰パターンは、外部からの指示情報により可変となるように構成する。
あるいは、電力系統の変動情報に伴う電力変換装置の出力低下の後に、所定の復帰パターンで電力変換装置の出力を増加させるように復帰パターン情報を作成する復帰パターン生成部と、前記復帰パターン情報を送信する送信部を有するように構成する。
本発明によれば、電力系統の需給アンバランスによる変動量を小さくすることができる。
計画サーバから、復帰パターン情報を受信し、電力変換装置に出力指令値を送信し、電力変換装置を制御する復帰パターン指令装置である。 復帰パターン情報を計算する計画サーバと電力系統の全体図である。 本発明の図10のフローチャートである。 本発明の図S6のフローチャートである。 本発明の第1実施例にて計算される周波数偏差及び電力変換装置の出力の時系列波形の例である。 本発明の図34のフローチャートである。 本発明の第1実施例における通常時入力データの簡単な効果例である。 本発明の第1実施例における異常時入力データの簡単な効果例である。 本発明装置の画面インターフェースである。 本発明の第2実施例における、復帰パターン指令装置である。第1の実施例とは、復帰パターン指令装置と電力変換装置が分離していることが異なる。 本発明の第3の実施例における復帰パターンの例。
以下、本発明の実施例を説明する。
図1は、本発明の第1の実施例を示す図である。図1を用いて復帰パターン指令装置200について説明する。図1は、計画サーバ10と通信ネットワーク300と復帰パターン指令装置200とノード150及び分散型電源210の構成を示した図である。この分散型電源210は、太陽光発電あるいは風力発電等の自然エネルギーを利用した発電装置であり、以後、再生可能エネルギーと称する。復帰パターン指令装置200は、電力変換装置出力制御部34と通信ネットワーク300によって通信手段30に接続された電力変換装置50で構成される。電力変換装置50は、分散型電源(発電機)210とノード(母線)150およびそれらを接続する線路、電力変換装置出力制御部34の通信手段30と通信ネットワークによって接続される。復帰パターン指令装置200には、ノード150の近傍にセンサ190があり、センサ190は、通信ネットワーク300を介して、電力変換装置出力制御部34の通信手段29に接続する。計画サーバ10で作成された復帰パターン情報340を、通信ネットワーク300を介して復帰パターン指令装置200に情報を送る。
次に電力変換装置出力制御部34の構成について説明する。キーボードやマウス等の入力手段25,表示装置26,コンピュータや計算機サーバ(CPU)27,メモリ(RAM)28,通信手段29,通信手段30,各種データベース(通常時入力データベース31,非常時入力データベース32,プログラムデータベース33,ログデータベース35)がバス線40に接続されている。コンピュータや計算機サーバ(CPU)27は、プログラムデータベース33からRAM28に読み出された計算プログラムの実行により表示すべき画像データの指示、各種データベース内のデータの検索等を行う。RAM28は表示用の画像データ,復帰パターン情報,非常時復帰パターン情報,復帰パターン情報ログデータなどの入出力データおよび記録データを一旦格納するメモリであり、CPU27によって必要な画像データを生成して表示装置26(例えば表示ディスプレイ画面)に表示する。
電力変換装置出力制御部34の中のメモリには大きく分けて5つのデータベースが格納される。通常時入力データベース31には、電力変換装置50のゲートブロック、ゲートデブロック時刻と出力リミッタ指令値の時系列データなどの入力データを格納する。前記入力データは、通信ネットワーク300や計画サーバ10の通信手段13(図2に図示)と電力変換装置出力制御部34の通信手段29を介して伝送される。非常時入力データベース32には、計画サーバ10からの復帰パターン情報を通信障害や想定外故障などにより得られなかった時に、電力変換装置50のデフォルトの復帰パターン情報の電力変換装置のゲートブロック、ゲートデブロック時刻と出力リミッタ指令値の時系列データなどの入力データが格納されている。プログラムデータベース33は、計算プログラムである電力変換装置出力制御プログラムとログデータ記録プログラムを格納する。これらのプログラムは必要に応じてCPU27に読み出され、計算実行される。ログデータベース35には、前記ログデータ記録プログラムが実行された時、センサ190からの情報(ノード電圧V)と復帰パターン情報が格納される。
次に図2は基幹系統110と分離系統120からなる電力系統100と、計画サーバ10,遮断器180そして、復帰パターン指令装置200を結ぶ通信ネットワーク300の構成を示した図である。電力系統100は、発電機130とノード(母線)150およびそれらを接続する線路170,ノード150に復帰パターン指令装置200を介して接続する分散型電源210や負荷160,基幹系統110と分離系統120のノード150間の線路の間に接続する遮断器180で構成される。遮断器180は、通信ネットワーク300を介して計画サーバ10に開閉情報320を送る。復帰パターン指令装置200には、自端のノード150にセンサ190があり、通信ネットワーク300を介して計画サーバ10から復帰パターン情報340を受信する。センサ190は、ノード電圧V310を測定し、通信ネットワークを介して復帰パターン指令装置200に情報を送る。
次に計画サーバ10の構成について説明する。表示装置11,キーボードやマウス等の入力手段12,通信手段13,コンピュータや計算機サーバ(CPU)14,メモリ(RAM)15,各種データベース(系統データベース21,計算結果データベース22,電力変換装置復帰パターンデータベース23,プログラムデータベース24,計測データベース36)がバス線41に接続されている。コンピュータや計算機サーバ(CPU)14は、プログラムデータベース24からRAM15に読み出された計算プログラム(過渡安定度計算プログラム及び電力変換装置復帰パターン計算プログラム)を実行して表示すべき画像データの指示,各種データベース内のデータの検索等を行う。RAM15は表示用の画像データ,過渡安定度計算結果,電力変換装置の復帰パターン情報等の計算一時データ及び計算結果データを一旦格納するメモリであり、CPU14によって必要な画像データを生成して表示装置11(例えば表示ディスプレイ画面)に表示する。
計画サーバ10には、大きく分けて5つのデータベースが格納される。系統データベース21には、電力系統100の計画された時間断面毎のノード電圧V,線路の電流I,有効電力P,無効電力Q,負荷や発電などの有効電力P,無効電力Qなどの情報と、線路170のインピーダンスを示す線路定数Z(=R+jX),負荷・発電量,系統の線路やノードの接続状況を表す系統構成データ,発電機モデル・定数,制御系モデル・定数,想定故障条件が記憶されている。計測データベース36には、遮断器180で検出された開閉情報320が格納される。前記開閉情報320は通信ネットワーク300を介して、計画サーバ10の通信手段13に伝送される。計算結果データベース22には、潮流計算や過渡安定度計算の結果であるノード電圧V,線路の電流I,有効電力P,無効電力Q,負荷の有効電力P,無効電力Q,線路定数や発電機の内部位相角δ,角速度偏差Δω,有効電力P,無効電力Q,ノードの周波数f,電力変換装置の出力Pの時系列データなどの計算結果を格納する。電力変換装置復帰パターンデータベース23には、電力変換装置の復帰パターン情報(ゲートブロック,ゲートデブロック時刻及び電力変換装置の出力時系列波形データ)の計算結果を格納する。プログラムデータベース24は、計算プログラムである潮流計算プログラム,状態推定計算プログラム,過渡安定度計算プログラム、そして電力変換装置復帰パターン計算プログラムを格納する。これらのプログラムは必要に応じてCPU14に読み出され、計算実行される。
次に計画サーバ10の計算処理内容について説明する。図3は電力変換装置の復帰パターン情報作成及び送信アルゴリズムを示すフローチャートである。ここでは、系統データ及び計画データを用いて、潮流計算,状態推定をし、データベースで設定されている想定故障ケースについて過渡安定度計算,電力変換装置の復帰パターン計算をし、計算結果データを格納した状態で、ある時刻において分離系統故障が発生した場合を想定し、復帰パターン情報を送信するまでの処理の流れを説明する。
まずステップS2では、系統条件の設定を行う。潮流計算に必要となる線路インピーダンスZ(=R+jX)、計画負荷・発電量P,Q初期値と過渡安定度計算に必要となる発電機モデル・定数,制御系モデル・定数を、系統データ21や入力手段12のユーザ入力からRAM15に読み出す。ステップS3では、ステップS2で設定したデータを用いて潮流計算を行い、各ノードの電圧,線路潮流(有効・無効電力潮流,線路電流など)を計算し、計算結果をRAM15に格納する。ステップS4では、系統データ21に格納された時間断面毎のデータをRAM15に読み出し、ステップS3にて計算した潮流計算の結果を用いて状態推定計算を行う。この状態推定計算は、時刻tCにおける故障発生に伴い、図5の点線に示されるように、系統に統括される各々の電力変換装置出力が[p.u.]点下で0.00となり、また、時刻tAにおいて点Cのように復帰してから時刻tBにおいて点Dのように出力[p.u.]が0.10になることを前提としてなされる。
なお、状態推定計算のもととなるデータは、故障発生検出時(図5のtC)の各センサ出力値を用いる。
状態推定計算とは、変電所,発電所,送電線をはじめとした電力送配電機器の観測データ、ならびに接続データをもとに、観測データ中の異常データの有無を判定と除去を行い特定の時間断面におけるもっともらしい系統状態を推定する計算機能のことである。
ここで、状態推定計算と潮流計算とでは、潮流計算は、入力データの誤差は誤差なしが前提で、冗長度は1.0で、異常データの除去はなしで、入力データは設備定数(r,x,y/2,tap比),発電機P,V,負荷P,Qで、計算アルゴリズムはニュートンラプソン法であるのに対し、状態推定は、入力データの誤差は観測データの誤差(計測器の誤差,通信遅延による誤差)の存在が前提(PQ:±3%以下、V:±1%以下)で、冗長度は1.2以上が望まれ、異常データの除去ありで、入力データは設備定数(r,x,y/2,tap比),発電機P,V,負荷P,Q,観測値の重み係数で、計算アルゴリズムは最小二乗法を用いる。
入力データの誤差については、例えば、モデル系統において、求める変数に対して、潮流計算では、データには「誤差」が入っていないこととし、状態推定では、データは「計測した値」であるため、計測値に「測定誤差」が含まれている(計測した値→以後「観測値」)との前提にたつ。
状態推定計算は、例えば、Lars Holten, Anders Gjelsvlk, Sverre Adam, F. F. Wu, and Wen-Hs Iung E. Liu, Comparison of Defferent Methods for State Estimation. IEEE Trans. Power Syst., 3(1988), 1798-1806の各種方法などに即して行う。ここで、状態推定計算の結果は、図5の点線で示されるように、周波数偏差〔Hz〕として、例えば、時間0.0secから時間10.0secまでの100msec毎の各時間断面を求めるものである。ステップS5では、ステップS4で計算された状態推定結果と発電機モデル・定数,制御系モデル・定数をRAM15に読み出し、過渡安定度計算を行う。ステップS6では、ステップS5で計算された過渡安定度計算結果をRAM15に読み出し、電力変換装置復帰パターン計算を行う。計算方法の詳細は後述する。ステップS7では、ステップS5およびステップS6で計算した、過渡安定度計算結果を計算結果データ22に格納し、電力変換装置の復帰パターン計算結果を電力変換装置復帰パターンデータベース23に格納する。ステップS8では、遮断器180の遮断情報を用いて、分離系統故障が発生したかを判定し、分離系統故障が発生していない場合は、ステップ1に戻り、分離系統故障が発生している場合は、ステップS9に進む。ステップS9では、電力変換装置復帰パターンデータベース23に格納されたゲートブロック、ゲートデブロック時刻および出力リミッタ指令値の時系列データを通信手段13と通信ネットワーク300を介して通信手段29に送信し、終了する。
次に図4及び図5を用いて、ステップS6について説明する。図4は、電力変換装置の復帰パターンを計算するアルゴリズムを示すフローチャートである。
まず、ステップS10では、ステップS5で求めた過渡安定度計算結果のうち周波数fの時系列波形にローパスフィルターを通して、短周期振動ノイズを取り除き、周波数時系列波形をRAM15に読み出す。ステップS11では、ステップS10で求めた前記周波数時系列波形の周波数変化率を計算する。ステップS12では、前記周波数変化率が0となる点を探索し、時刻を保存する。例えば、図5のA点の時刻tAとB点の時刻tBを保存する。ステップS13では、電力変換装置の出力を復帰開始時刻から復帰終了時刻まで一次直線で増加させる復帰パターン情報を作成する。例えば、図5のA点の時刻tAとB点の時刻tBから電力変換装置の出力をC点からD点までを一次直線で増加させる復帰パターン情報を作成する(図5の実線)。
次に電力変換装置出力制御部34の計算処理内容について説明する。図6は復帰パターン指令装置の出力制御処理アルゴリズムを示すフローチャートである。ここでは、電力変換装置50の(自端)ノード150の電圧V310と計画サーバから通信ネットワーク300を介して送信される復帰パターン情報340を受信し、電力変換装置脱落判定および受信情報異常判定をし、受信異常の有無で復帰パターンを変更するまでの処理の流れを説明する。
まず、ステップS50で電力変換装置のノード150の情報を収集する。ここでは、故障が生じた結果、電力変換装置のノード150で電圧低下が生じたことを判定するために必要となるノード150の電圧V310を、センサ190を用いて計測し、通信ネットワークを介して通信手段29にて収集し、RAM28に格納する。ステップS51では、電力変換装置50の故障脱落判定を行う。ここでは、ステップS50でRAM28に保持したノード150の電圧V310によって、電力変換装置50の機器保護のために、脱落したかどうか判定する。ここで、電力変換装置出力制御部34は、ノード150の電圧V310が、通常の電圧100V(あるいは200V)に対して、30%である30V(60V)よりも低下したことを検出すると、電力変換装置50に動作を停止する(電力変換装置出力[p.u.]を0.00にする)指令を出力する。
すなわち、図9(D)に示される端子電圧[%]が故障発生により低下すると、図5の時刻tCにおける点E及びFに示されるように、電力変換装置50は動作を停止して(電力変換装置出力[p.u.]=0.00)、復帰の指令があるまでこの停止状態を維持するのである。脱落ありの場合はステップS52へと進み、脱落なしの場合はステップS50へと戻る。ステップS52では、計画サーバ10から通信手段29で通信ネットワーク300を介して送信された復帰パターン情報340を受信し通常時入力データベース31に格納する。ステップS53ではステップS52で受信した情報に異常がないか判定する。ここで、受信情報異常とは、ステップS51で電力変換装置が脱落したと判定しているのに対して伝送遅延などが理由で復帰パターン情報が受信できない場合や、復帰パターン情報のゲートブロック時刻が電力変換装置の脱落時刻と合っていない場合である。異常がない場合、ステップS54に進み、ステップS52で受信した復帰パターン情報340から電力変換装置のゲートブロックリミッタ指令値を作成し、RAM28に保持する。ステップS55ではRAM28に保持した電力変換装置のゲートブロックリミッタ指令値を電力変換装置出力制御プログラムによって、通信手段30を用いて電力変換装置50に送信する。また、異常がある場合、ステップS56に進み、予めユーザが入力手段25を用いて非常時入力データ32を格納しておく非常時復帰パターン情報から電力変換装置のゲートブロックリミッタ指令値を作成し、RAM28に保持する。ステップS57ではRAM28に保持した電力変換装置のゲートブロックリミッタ指令値を電力変換装置出力制御プログラムによって、通信手段30を用いて電力変換装置50に送信する。ステップS58では、RAM28に保持し、電力変換装置50に送信した復帰パターン情報ログデータを、ログデータベース35に格納し、終了する。
次に、図7,図8そして、図9を用いて電力変換装置の復帰パターン表示の一例を説明する。図9は電力変換装置の復帰パターン計算結果の表示装置11への表示例を示す説明図である。ここでは、ディスプレイ画面への表示を考える。電力変換装置の復帰パターン計算前後の分離系統内の周波数偏差と電力変換装置出力の時系列波形が対比して画面に表示される。また、ノード電圧Vについても時系列波形を表示し、電力変換装置の復帰動作状況を各時刻とともに表示する。このように表示することで、ユーザに故障がいつ発生したかや、電力変換装置の復帰パターン計算結果をわかりやすく伝えることが可能となる。
ここでは、画面への出力例を示したが、書類等に印刷可能なフォーマットのデータとしてユーザに提供してもよい。また、図7は、通常時の復帰パターン情報の表示の一例であり、図8は異常時復帰パターン情報の一例である。
次に図10は、本発明の第2の実施例を示す図である。図1では、復帰パターン指令装置200に電力変換装置出力制御部34と電力変換装置50が含まれているが、図10では、復帰パターン指令装置200には電力変換装置出力制御部34のみ含まれている。これは、電力変換装置出力制御部34の通信手段30によって電力変換装置50に電力変換装置出力指令値350が伝われば、本発明の効果が発揮できるということであり、場所を選ばず復帰パターン指令装置200を設置できるという利点がある。
次に、第3の実施例を説明する。復帰パターンの演算に特徴がある。他の構成及び演算のステップは同様であるので説明を省略する。
電圧は事故除去後振動しているので、フィルターを通して、振動成分を除去した電圧を用いて、下記の判定・計算をする。
すなわち、電圧Vの変化量ΔV,時間tから復帰パターンを作成する。図11に示されるように、電圧が復帰するには、事故が除去される必要があるので、この事故除去後電圧が閾値VC(例えば70%)に回復し、tA(例えば2.1)秒経過したとき電力変換装置出力の開始が始まり、それからtB(例えば4.1)秒までに出力100%(図中では0.1p.u.)まで回復するように復帰パターンを形成するものである。
10 計画サーバ
11,26 表示装置
12,25 入力手段
13,29,30 通信手段
14,27 CPU
15,28 RAM
21 系統データ(系統データベース)
22 計算結果データ(計算結果ベース)
23 電力変換装置復帰パターンデータベース
24,33 プログラムデータベース
31 通常時入力データベース
32 非常時入力データベース
34 電力変換装置出力制御部
35 ログデータベース
40,41 バス線
50 電力変換装置
100 電力系統
110 基幹系統
120 分離系統
130 発電機
140,190 センサ
150 ノード(母線)
160 負荷
170 線路
180 遮断器
200 復帰パターン指令装置
210 分散型電源
300 通信ネットワーク
310,320,330,340 通信線路(あるいは、通信線路に流れる各情報)
350 出力指令値(電力変換装置出力指令値),電力変換装置の状態

Claims (10)

  1. 再生可能エネルギーに基づく発電電力を電力変換して電力系統に供給する電力変換装置において、前記電力系統の変動情報に基づいて出力を低下させる出力抑制制御部と、前記出力低下後に所定の復帰パターンで出力を増加させる復帰制御部を有し、前記復帰パターンは、外部からの指示情報により可変となるように構成されることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1において、前記指示情報として前記復帰パターンを受信する受信部を有し、前記復帰制御部は、前記受信した復帰パターンにしたがって前記出力を増加させることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項2において、周波数変動シミュレーションによる周波数時系列波形の推定に基づいて前記復帰パターンが求められるものであることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項2乃至3のいずれかにおいて、前記指示情報が得られない場合に、前記復帰制御部は、予め定められた復帰パターンによって出力を増加させることを特徴とする電力変換機器。
  5. 請求項4において、復帰パターン情報を蓄積するデータベースを有し、前記予め定められた復帰パターンは前記データベースの情報に基づいて形成されることを特徴とする電力変換機器。
  6. 再生可能エネルギーに基づく発電電力を電力変換して電力系統に供給する電力変換装置を制御する電力変換装置の制御装置において、前記電力系統の変動情報に伴う前記電力変換装置の出力低下の後に、所定の復帰パターンで前記電力変換装置の出力を増加させるように復帰パターン情報を作成する復帰パターン生成部と、前記復帰パターン情報を送信する送信部を有することを特徴とする電力変換装置の制御装置。
  7. 請求項6において、系統故障により分離系統が発生した際の分離系統内の周波数変動シミュレーションによって周波数時系列波形を推定し、前記推定に基づいて前記復帰パターン情報を送信することを特徴とする電力変換機器の制御装置。
  8. 請求項7において、前記復帰パターン情報の算出において、前記周波数時系列波形の変曲点を複数求め、前記変曲点のうち最初の2点の時刻を算出して、
    1点目の時刻の電力変換装置出力条件を0とし、2点目の時刻の電力変換装置出力条件を最大出力とするように、前記2点間の時刻における出力を単調増加させる復帰パターン情報を算出することを特徴とする電力変換機器の制御装置。
  9. 電力系統の変動情報に基づいて再生可能エネルギーに基づく発電電力を電力変換装置により電力変換した出力を低下させ、外部からの指示情報を受け、前記出力低下後に、前記指示情報に基づいて可変となる復帰パターンで前記電力変換装置の出力を増加させて、前記電力変換装置で変換した電力を電力系統に供給する電力変換装置の制御方法。
  10. 再生可能エネルギーに基づく発電電力を変換して電力系統に供給する電力変換装置を制御する電力変換装置の制御方法において、前記電力系統の変動情報に伴う前記電力変換装置の出力低下の後に、所定の復帰パターンで前記電力変換装置の前記出力を増加させるように復帰パターン情報を作成し、前記復帰パターンを前記電力変換装置に送信する電力変換装置の制御方法。
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