JP2013013178A - 電力系統の運転制御システム、運転制御装置及び運転制御方法 - Google Patents

電力系統の運転制御システム、運転制御装置及び運転制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】再生可能エネルギー発電機を最大限に活用しながら、かつ電力系統を安定に運用するための電力系統の運転制御システム、運転制御装置及び運転制御方法を提供する。
【解決手段】複数の再生可能エネルギー発電機と複数の火力・水力発電機が電力系統に接続され、中央システムは電力系統の電力需給不均衡を解消するための自動周波数制御信号を作成して複数の火力・水力発電機を制御しする。再生可能エネルギー発電機を制御する再生可能エネルギー発電制御システムは、気象条件変動による再生可能エネルギー発電機の電力変動と、火力、水力発電機が負担可能な電力容量を用いて、電力系統に接続可能な前記再生可能エネルギー発電機の発電量である連系可能量を求め、再生可能エネルギー発電機の総発電量を連系可能量以内とする個別の発電指令を再生可能エネルギー発電機に与えるとともに、連系可能量を求めるための基礎情報を中央システムに連携されて入手する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力系統の運転制御システム、運転制御装置及び運転制御方法に係り、特に電力系統に複数台の風力発電機、太陽光発電等の再生可能エネルギーを活用した発電機を接続して運用するための電力系統の運転制御システム、運転制御装置及び運転制御方法に関する。

近年、風力発電機、太陽光発電等の再生可能エネルギーを活用した発電機が電力系統に占める割合が増大してきている。係る電力系統では、これらの再生可能エネルギーによる発電電力を有効に活用することが望まれている。

しかしながら、再生可能エネルギーを使用した発電機は、正確な予測が難しい風況や日照量などの気象条件によりその発電電力が変動し、電力需要と供給の不均衡を発生させ、この不均衡が系統周波数の変動となって電力品質低下の要因となっている。

再生可能エネルギーを使用した発電機では、気象条件による発電電力の変動を抑制するための対応として、一般的には再生可能エネルギー発電機に適宜(1台毎に、または複数台ごとに)蓄電池を併設し、再生可能エネルギー発電機の気象条件の変化による急峻な出力変動、または発電電力不足を補っている。この場合に、再生可能エネルギー発電機の出力変動の全量を補う蓄電池を併設することが最も望ましいが、蓄電池が高額となってしまい、再生可能エネルギーシステム発電単価の上昇につながってしまう。

このように、再生可能エネルギーを使用した発電機のサイト内では、可能な範囲で気象条件変動に伴う発電電力の変動の抑制、吸収を図るが、これでも抑制できなかった発電電力の変動分は、電力系統全体としてみたときには既存の火力、水力発電機が担うことになる。つまり、既存の火力、水力発電機は、中央システムからの自動周波数制御信号AFCを受けて、再生可能エネルギーを使用した発電機による発電電力の変動を吸収すべく機能する。

然しながら、再生可能エネルギーを活用した発電機が電力系統に占める割合が増大してくると、既存の火力、水力発電機で負担できる容量にも限界を生じる。

非特許文献1は、既存の火力、水力発電機が負担可能な電力容量と、再生可能エネルギーを使用した発電機での気象条件による発電電力の変動容量との関係から、電力系統に連系可能な風力連系可能量を求める考え方を示している。

特許文献1は、複数台の風力発電機のうち、出力変動の大きい発電機を選択して出力抑制を行い、風力発電機全体の発電出力を平滑化する制御方法を開示している。ここでは、各風力発電機の所定期間中の利用率を算出し、あるしきい値以上利用率が低い風力発電機がある場合に、その発電機を出力抑制の対象発電機より除外することで、全ての風力発電機の利用率をほぼ均等にすることが出来る。

特許第4559577号

「電機学会技術報告」第869号 電気学会電力エネルギー部門電力系統技術委員会「電力系統における常時及び緊急時の負荷周波数制御」

複数台の風力発電機、太陽光発電等の再生可能エネルギーを活用した発電機を接続して運用する電力系統では、再生可能エネルギーを活用した発電機を最大限に活用しながら、かつ電力系統を安定に運用することが望まれる。

然しながら、非特許文献1の技術により電力系統に連系可能な風力連系可能量を求め、特許文献1の方式を適用したとしても、再生可能エネルギーを活用した発電機を最大限に活用し電力系統を安定に運用することにはならない。

例えば、風力連系可能量を求める上での課題として、風力連系可能量を需要が最も少ない系統断面(例えば冬期)にて算定した場合、それ以外の需要が多い断面(夏期)では風力連系可能量を求めるための基礎情報(許容調整残、調整力、負荷変動量)が異なる値になること、系統事故の発生、電力系統に連系する需要家の負荷変動量の変化により風力連系可能量は常に時々刻々変化しているにもかかわらず、風力連系量が過大、または過少な状態となることがあげられる。

また、気象条件に左右される風力発電機の発電電力は、定格容量100%で運転できる時間帯は極めて限られる。このため、系統連系する風力発電機の容量を風力連系可能量以下に抑制しても、気象条件のために常に風力連系可能量未満で運転することになり、再生可能エネルギーを有効活用することが出来ない。例えば、系統連系する複数の風力発電機の合計の定格発電容量を、風力連系可能量以下として例えば90%に抑制しても、気象条件のために常に複数の風力発電機の定格での発電出力が得られるわけではないので、風力連系可能量未満として、例えば50%で運転することになり、再生可能エネルギーを最大限に有効活用することができない。

また、再生可能エネルギー発電機が、個々の発電機の出力変動を抑えるような運転をするよりも、再生可能エネルギー発電機全体で出力変動を抑制するほうが、再生可能エネルギーの有効活用が出来るようになるといえるが、係る全体制御の考え方が特許文献1には存在しない。

以上のことから本発明においては、再生可能エネルギー発電機を最大限に活用しながら、かつ電力系統を安定に運用するための電力系統の運転制御システム、運転制御装置及び運転制御方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のために本発明においては、複数の再生可能エネルギー発電機と複数の火力・水力発電機が電力系統に接続され、中央システムにより複数の火力・水力発電機を制御し、再生可能エネルギー発電制御システムにより複数の再生可能エネルギー発電機を制御する電力系統の運転制御システムであって、中央システムは、電力系統の電力需給不均衡を解消するための自動周波数制御信号を作成して火力・水力発電機を制御し、再生可能エネルギー発電制御システムは、気象条件変動による再生可能エネルギー発電機の電力変動と、火力、水力発電機が負担可能な電力容量を用いて、電力系統に接続可能な前記再生可能エネルギー発電機の発電量である連系可能量を求め、再生可能エネルギー発電機の総発電量を連系可能量以内とする個別の発電指令を再生可能エネルギー発電機に与えるとともに、連系可能量を求めるための基礎情報を中央システムに連携されて入手する。

また、再生可能エネルギー発電制御システムは、中央システムから電力系統における事故の情報を入手して再生可能エネルギー発電機を停止すると共に、電力系統の電力供給不足の場合に、再生可能エネルギー発電機に備えた蓄電池による出力一定放電制御を実行する。

上記課題の解決のために本発明においては、電力需給不均衡に応じた周波数制御信号を中央システムから受信して発電電力を制御される火力、水力発電機と、再生可能エネルギーを利用する複数の発電機とを電力系統に接続し、再生可能エネルギーを利用する発電機に、その発電電力を制御する制御装置を備える電力系統の運転制御装置において、制御装置に発電指令を与える再生可能エネルギー発電制御システムを備え、再生可能エネルギー発電制御システムは、再生可能エネルギーを利用する複数の発電機の気象条件変動による電力変動と、火力、水力発電機が負担可能な電力容量を用いて、電力系統に接続可能な再生可能エネルギー発電機の発電量である連系可能量を求める第1の手段と、電力系統に接続された再生可能エネルギー発電機の総発電量が連系可能量以上のときに、総発電量を連系可能量以下とすべく再生可能エネルギー発電機に発電指令を配分する第2の手段を備える。

また、第1の手段の連系可能量を算出する為の基礎情報を、運転当日の時間帯ごとの情報として得る。

また、基礎情報には、周波数制御信号による発電指令にて出力変更可能な火力、水力発電機が有する出力調整幅である調整力を含み、運転当日の時間帯ごとの情報として得られる。

また、再生可能エネルギーを利用する発電機ごとに所定期間内での利用率を算出し、利用率の低い発電機を除外した残りの発電機の総発電量を連系可能量以内とする運転を行う。

上記課題の解決のために本発明においては、電力需給不均衡に応じた周波数制御信号により発電電力を制御される火力、水力発電機と、再生可能エネルギーを利用する複数の発電機とを電力系統に接続した電力系統の運転制御方法において、再生可能エネルギーを利用する複数の発電機の気象条件変動による電力変動と、火力、水力発電機が負担可能な電力容量を用いて、電力系統に接続可能な再生可能エネルギー発電機の発電量である連系可能量を求め、電力系統に接続された再生可能エネルギー発電機の総発電量を連系可能量以内とする個別の発電指令を求めて再生可能エネルギー発電機を制御する。

以上のような本発明によれば、再生可能エネルギー(風力発電機、太陽光発電等)全体の出力変動を効果的に抑制、制御することで、電力系統における需給不均衡の解消に寄与しつつ、各再生可能エネルギー発電機の利用率を向上させ、更には電力系統における再生可能エネルギーの導入量拡大を図ることが可能である。

再生可能エネルギー発電制御システム8と再生可能エネルギー発電機側装置の詳細構成を示す図。 再生可能エネルギー発電機を含む電力系統に適用される電力系統の運転制御システムの構成を示す図。 風力連系可能量算出情報32の内容の一例を示す図。 発電機管理情報11の内容の一例を示す図。 火力、水力発電機運転計画34の内容の一例を示す図。 風力発電機5の総発電量を風力連系可能量以下に抑制するための総量規制の考え方の一例を示すフロー図。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

図2は、再生可能エネルギー発電機を含む電力系統に適用される電力系統の運転制御システムの構成を示している。同図において、電力系統1は、既存の火力・水力・原子力等の発電機2の他に、風力発電機5、太陽光発電6等の再生可能エネルギー発電機を備えており、これらの発電機で発電した発電電力を、送電線、変圧器などを介して負荷4(需要家)に供給する。

電力系統1の制御のために、中央システム3おいては、電力系統1に接続された負荷4で必要としている電力需要と、火力・水力・原子力等の発電機2の発電電力が平衡するように電力需要の過不足量を求め、これを解消するように火力・水力・原子力等の発電機2に対して出力変更指令Pdを与えている。具体的には、電力系統1から系統周波数7を取得して、これを一定周波数とするに必要な不均衡量を算出している。なお、原子力発電機は通常は一定負荷運転されるので、出力変更指令Pdは、火力・水力発電機2に対して与えられ、かつ自動周波数制御信号AFCを含む信号とされる。

本発明の電力系統の運転制御システムでは、上記の既存制御システム(中央システム)に加えて、風力発電機5、太陽光発電6を監視制御する再生可能エネルギー発電制御システム8を備える。再生可能エネルギー発電制御システム8は、個々の再生可能エネルギー発電機5,6に対して発電指令値Pwを与えて、一括管理する。また、中央システム3と再生可能エネルギー発電制御システム8の間に通信手段を確保しており、発電運転情報9を受信する。

このように、本発明に係る運転制御システムでは、再生可能エネルギー発電機5,6を含む電力系統において、中央システム3と再生可能エネルギー発電制御システム8を備え、既存の火力・水力発電機2を中央システム3から自動周波数制御し、再生可能エネルギー発電機5,6を再生可能エネルギー発電制御システム8から発電量総量規制の考えに基づき制御する。またこのために、中央システム3と再生可能エネルギー発電制御システム8を連系運転する。

図1は、再生可能エネルギー発電制御システム8と、再生可能エネルギー発電機側装置の詳細構成を示している。

このうち、まず再生可能エネルギー発電機側装置は、風力発電機5の場合には風速計12を備えて風速を計測し、また蓄電池14を備える場合には適宜充放電制御を実行することで送出する電力の安定化を図る。風力発電機制御装置15は、再生可能エネルギー発電制御システム8内の発電指令装置35からの発電指令Pwに応じて、例えば風車の可変翼角度を調整して出力制御し、再生可能エネルギー発電制御システム8内のデータ収集装置28に風量、翼角度などのデータを送出する。

また太陽光発電6の場合には照度計20を備えて照度を計測し、また蓄電池14を備える場合には適宜充放電制御を実行することで送出する電力の安定化を図る。太陽光発電制御装置23は、再生可能エネルギー発電制御システム8内の発電指令装置35からの発電指令Pwに応じて、例えば電力変換装置を調整して出力制御し、再生可能エネルギー発電制御システム8内のデータ収集装置28に照度などのデータを送出する。尚、風力発電機5は、通常は複数台であり、同様に太陽光発電6は、複数の太陽電池より構成されても良い。

これに対し、再生可能エネルギー発電制御システム8は、演算装置30を主体に構成されている。演算装置30は、風力発電機5の制御装置15や太陽光発電6の制御装置23からデータ収集装置28を介して発電電力、風速、照度などの制御対象側の計測情報を取り込む。またデータ収集装置28から取り込んだデータ、あるいは演算装置30での演算結果のデータを、実績データ蓄積装置29に蓄積している。

また演算装置30は、これらの制御対象側からの計測情報以外に、再生可能エネルギー発電機5,6の運転のための基礎情報として、発電機管理情報11、系統事故管理情報31、風力連系可能量算出情報32、火力・水力発電機運転情報33を得ている。これら計測情報と基礎情報を用いて、演算装置30では風力発電機5、太陽光発電6に対する出力変更要求量を算出する。演算装置30で作成された出力変更要求量は、個々の発電機5,6に対する発電指令値の合計であり、出力変更要求量を配分した発電指令値Pwが、発電指令装置35を介して風力発電機5、太陽光発電6に送信される。なお、発電機管理情報11は、再生可能エネルギー発電システム8で監視、制御対象としている風力発電機5、太陽光発電6の装置情報である。

後で詳述するが、系統事故管理情報31、風力連系可能量算出情報32および火力・水力発電機運転情報33などは、中央システム3からの発電運転情報9に基づいて生成される。なお、火力・水力発電機運転情報33は、中央システム3からの情報を火力、水力発電機運転計画部34に与えて、得られた情報をもとに生成してもよい。また、これら情報の一部は事前に準備して再生可能エネルギー発電システム8内に保持しておくことも可能である。

以上図1、図2で述べたように、中央システム3は電力系統の系統周波数7を一定に制御すべく出力変更指令Pdを生成して火力・水力発電機2を制御し、他方において現在運転している火力・水力発電機2の発電運転情報9を再生可能エネルギー発電システム8に送信する。再生可能エネルギー発電システム8は、火力・水力発電機運転情報33などに、受信した発電運転情報9を格納する。ここで発電運転情報9とは、具体的には中央システム3で作成した日負荷曲線の情報、各時刻での負荷要求信号、自動周波数制御信号AFC、負荷信号などであり、時々刻々変化する情報を含む。

なお、中央システム3と再生可能エネルギー発電システム8間の情報伝送において、情報伝送路のセキュリティ確保や通信量削減等の目的により、常時情報伝送路を保持することが難しい場合は、火力・水力発電機2の日負荷曲線などの運転計画を事前に受領し、再生可能エネルギー発電システム8の火力・水力発電機運転計画34に運転計画を登録することも出来る。火力・水力発電機運転計画34では、各時刻での負荷要求信号、自動周波数制御信号AFC、負荷信号などの時々刻々変化する情報を再現して、火力・水力発電機運転情報33などに与える。

演算装置30では、以上の入力を用いて例えば非特許文献1などで知られた(1)式を演算し、風力連系可能量を動的に算出する。ここで「動的」とは、例えば時間単位で再計算を行いその時々での最適量を求めることを意味する。なお、以下の説明においては再生可能エネルギー発電機として風力発電機を使用する例について説明をするが、これはそのまま太陽光発電に置き換えて考えることができる。あるいは両者を含むものとして求めることもできるものである。

(1)式の意味する事項について、需給不均衡の解消を対象とする自動周波数制御AFCの対象時間を20分以内とする場合を例にとり説明する。

まずEmaxは許容調整残である。許容調整残Emaxとは、需給不均衡が発生し、かつその不均衡が短時間のうちに解消できなくても、電力品質が維持される許容値である。例として、電力品質を維持するための目標値である基準となる周波数(50Hz,または60Hz)からの偏差許容値は±0.3Hz以内とすると、電力需要10,000MWの電力系統では±300MWが許容調整残である。このように、許容調整残Emaxは電力需要が定まれば、比例的に定まる大きさである。

Gは調整力である。調整力とは、自動周波数制御AFCによる発電指令にて出力変更可能な火力、水力発電機等が有する出力調整幅であり、この例では±100MWとする。(1)式において、許容調整残と調整力の和で定まる部分は、電力系統に許容される電力変動許容量を意味しており、火力、水力発電機が負担可能な電力容量である。

Lは負荷変動量である。負荷変動量とは、電力需要の予測できない負荷変動幅であり、この例では±200MWとする。

またRは風力出力変動率である。風力出力変動率とは、定格出力に対する変動幅であり、ここでは50%(0.5)とする。(1)式において、負荷変動量と風力出力変動率で定まる項は、外乱としての電力変動量を意味する。従って、前記の電力変動許容量に対して、外乱としての電力変動量がより小さい値であることが安定な電力系統運用にとって重要である。

以上のような電力系統において、(1)式から風力連系可能量を求めると、
(風力連系可能量)≦490MW
となる。従って、この電力系統では、定格容量が490MWまでしか風力発電機を系統連系出来ないことになる。このことは、逆の言い方をすると、490MWを超えず、かつ全風力発電機の合計発電量をこれに近い値に持っていくことが、電力系統の安定を図りつつ再生可能エネルギー発電機を最大限に活用することになる。

図3、図4、図5は、(1)式を実行する上で使用する基礎情報を格納している発電機管理情報11、風力連系可能量算出情報32、火力・水力発電機運転計画34の具体的記憶内容例である。但し、中央システム3より現在の系統情報が取得できるのであれば、風力連系可能量算出情報32、火力・水力発電機運転計画34は取得しなくても実現できる。

この(1)式を実行するうえで、必要な基礎情報の一部は風力連系可能量算出情報32である。情報32の一例を図3に示すように、これは例えば1日の0時から23時までの1時間ごとの供給電力Eと負荷Lの値である。これはいわゆる日負荷曲線の取り扱いのように、パターン1からパターンNまでの複数のものがあらかじめ準備されている。明日の運用については、季節、明日の天気や温度、平日と週末の区別などを参考に、最も近いと思われるパターンが選択される。パターンは中央システム3から送信されても、自身で保持してもよい。

風力連系可能量算出情報32からは、(1)式の許容調整残Emaxと、負荷変動量Lが得られる。これらの基礎情報は時間要素を含むので、明日1日の1時間単位での許容調整残Emaxと、負荷変動量Lが得られたことになる。

許容調整残は、例えば中央システム3より受信した電力系統の状態より、電力総需要とその比率より算出することができる。負荷変動量は、電力総需要の変動量であり、中央システム3にてその変動量を算出し、受信することもできるし、また中央システム3より受信する現在の電力系統の状態の蓄積情報より、その変動量を算出することが出来る。

次の、(1)式実行に必要な基礎情報は発電機管理情報11である。情報11の一例を図4に示すように、ここには電力系統に接続されたすべての発電機(1からMまで)の発電電力G1からGmが記憶されている。(1)式で説明したように調整力Gは、電力系統の自動周波数制御AFCによる電力調整量であり、電力量の5%程度であることから、発電機(1からMまで)の発電電力が判れば、発電機ごとの調整力Gを求めることができる。

調整力は、一般的には周波数制御運転を行っている火力、水力発電機が持つ調整力であり、各発電機が持つ調整力は、設備固有の情報であるため、予め発電機管理情報11に持たせることが出来る。中央システム3より受信する現在の電力系統で、周波数制御運転を行っている発電機情報が分かれば、発電機管理情報11よりその調整力を取得し、算出することが出来る。

次の、(1)式実行に必要な基礎情報は、火力、水力発電機運転計画34である。情報34の一例を図5に示すように、これは電力系統に接続されたすべての火力、水力発電機(1からMまで)の1日の0時から23時までの1時間ごとの停止、運転計画である。これによれば、電力需要の少ない夜間0時から早朝4時までは、発電機2と3のみ運転し、負荷が増えてくる5時に発電機1を追加運転し、6時にはさらに発電機Mを運転開始する。

明日の電力系統の運用に当たり、以上のような内容の発電機管理情報11、風力連系可能量算出情報32、火力・水力発電機運転計画34が、再生可能エネルギー発電制御システム8に準備されている。これらの情報を使用して、演算装置30は、当日に風力連系可能量算出情報32から、現在の時刻を元に採用するパターンと、その時刻の許容調整残Emax、負荷変動量Lを取得する。

また、火力・水力発電機運転計画34より現在時刻の運転している発電機情報、または中央システム3より直接受信する火力・水力発電機の現在運転情報を元に、運転している発電機の調整力Gを取得する。ここで重要なことは、発電機の調整力Gが図4、図5の情報から時々刻々の値として求められていることである。

このようにして取得した時々刻々の許容調整残Emax、負荷変動量L、調整力Gの値に、風力出力変動率Rを勘案することにより、演算装置30は現在の電力系統における風力連系可能量を算出する。

ここで、(1)式で風力連系可能量を算出する場合に、調整力Gを時間変動信号として入手することが重要である。1日、あるいは1年間の中で、より需要が多く、運転している火力、水力発電機などの台数が多い時点では、調整力Gはより大きな値となるため、実際にはより多くの風力連系可能量とすることができる。

但し、分散配置されて自律して運転する風力発電機側では、現時点で系統にどの程度の火力、水力発電機等の需給調整用の発電機が並列されているか、あるいは電力系統全体の需要が分からないため、系統の運用状態に合わせて、(1)式の調整力Gを変更することが出来ない。

そのため、複数台の風力発電機を管理、制御するための再生可能エネルギー発電制御システム8に、運転している火力、水力発電機に関する調整力の情報を保持させる。中央システム等より当日の時間毎の発電機運転計画、または現時点での運転している発電機情報を受信することで、時間帯毎の調整力Gを取得できる。

再生可能エネルギー発電制御システム8では、得られた情報から風力連系可能量を動的に算出することで、これまで最も軽負荷時を想定して制定された風力連系可能量を、電力系統の需給バランスに応じて拡大することが出来る。そのため、系統に連系できる風力発電機の容量を、軽負荷時ではなく、最大需要時を想定して増やすことが出来るようになる。

本発明では調整力Gを時間信号とし、その時点での最適な調整力Gから現在の風力連系可能量を求めることで、最大の風力連系可能量を得る。さらにこの値を元に、再生可能エネルギー発電制御システム8から、監視制御の対象となる風力発電機5の総量規制を行うことで、現在の電力系統に連系可能な風力発電電力を増加させることが出来、風力発電機を有効に使うことが出来る。

なお中央システム3よりこれらの情報がリアルタイムで取得できない場合は、演算装置30は、風力連系可能量算出情報32より、現在の時刻を元に採用するパターンとその時刻の許容調整残、負荷変動量を取得する。また、火力・水力発電機運転計画34より現在時刻の周波数制御運転している発電機を特定し、調整力を算出することが出来る。

このようにして取得した許容調整残、負荷変動量、調整力と、一般的に各風力発電機が守るべき風力出力変動率を用いて、現在の電力系統における風力連系可能量を算出することが出来る。

この現在の風力連系可能量を元に、再生可能エネルギー発電システムより監視制御できる風力発電機5に対して、風力連系可能量を満足する出力目標値を与えることにより、現在の電力系統に連系可能な風力発電電力を増加、または減少させることが出来、風力発電機を有効に使いながら、高い電力品質を維持することが可能となる。

図6は、演算装置30における風力発電機5の総発電量を風力連系可能量以下に抑制するための総量規制の考え方の一例を示すフロー図である。

図6の一連の処理では、まずステップS51にて各風力発電機の利用率を算出する。発電機は定格容量に近い発電出力を行う方が設備を効率的に使えているため、最も簡単に算出できる利用率は、(2)式にて算出できる。なお、利用率を算出するに必要な情報は、各風力発電機5から、データ収集装置を介して再生可能エネルギー発電制御システム8の実績データ蓄積装置29に蓄積された発電電力の過去データを使用する。

ステップS52では、ステップS51にて算出した利用率に従い、最も利用率の低い風力発電機を除外して、出力抑制する発電機を選択する。なお、除外された風力発電機は本発明による出力抑制制御の対象から外されて、風況に従って発電運転を継続する。つまり、管理対象から外された運用に入る。

ステップS52での処理は、各風力発電機5の利用率の差が、あるしきい値の範囲以内であれば、全ての発電機より抑制対象の発電機を選択することも出来る。なお、風力発電機の場合には出力が風況に左右され、設置場所ごとに季節的、時間的な影響を受けるので、(2)式の所定期間の選定にあたっては、こういった傾向と現在時点を考慮して反映するのがよい。

また、優先的に発電させたい風力発電機5がある場合は、利用率に更に発電機毎の優先度に応じた重みを与えた仮想的な利用率(3)を作成し、これにより抑制対象より除外する風力発電機を選択することもできる。
[数3]
(仮想利用率)=(利用率)×(重み)・・・・(3)
ステップS53では、ステップS52により選択した風力発電機5の出力抑制量を決定する。ここで、ステップS52、ステップS53は特許文献1の方法を適用することが出来る。つまり、複数台の風力発電機5のうち、出力変動の大きい発電機を選択して出力抑制を行い、風力発電機5全体の発電出力を平滑化する制御方法については特許文献1の技術を適用することが出来る。特許文献1では、各風力発電機5の所定期間中の利用率を算出し、あるしきい値以上利用率が低い風力発電機がある場合に、その発電機を出力抑制の対象発電機より除外することで、全ての風力発電機5の利用率をほぼ均等にしている。

ステップS54では、ステップS53にて決定した出力抑制量から、風力発電機5全体の想定発電電力を算出し、これが、現在の系統の風力連系可能量を超過していないことを確認する。つまり、例えば電力系統全体で10台の風力発電機5が存在し、このうちの1台を利用率が低い風力発電機として抑制対象から除外した場合に、残り9台の風力発電機5を出力抑制対象とし、全10台の風力発電機の総発電量が風力連系可能量(先の(1)式の例では490MW)を超過していないことを確認する。

風力連系可能量を超過していなければ、そのままステップS57にて対象の発電機に抑制量に基づく発電指令を行う。風力連系可能量を超過していれば、ステップS55にて想定発電電力が風力連系可能量以下になるために必要な総抑制量を算出する。

ステップS56では総抑制量を各風力発電機に対して出力抑制値として配分する。配分方法は、利用率の高いものから優先して選択する、現時点での発電電力の大きいものから選択する、各発電機の定格容量の比率で按分する等の方法で配分することが出来る。

ステップS57ではこのようにして各発電機の抑制量に応じた発電電力を決定し、各発電機に対して発電指令を行う。

このように構成された本発明によれば、常に風力連系可能量に近い発電出力を得るために、電力系統に接続する風力発電機の定格容量が風力連系可能量を超過するようにし、各風力発電機が時々刻々変化する発電電力の総量が風力連系可能量を常に下回るように出力抑制することで、電力系統に流入する再生可能エネルギーを常に風力連系可能量に近づくようにすることが出来る。

その際に、個々の風力発電機が自律分散して運転する従来の方式では、風力発電機の発電電力総量が常に風力連系可能量を下回るように制御することが出来ない。そのため、風力発電機に対して出力抑制指令を行うことが出来る再生可能エネルギー発電制御システム8を設置し、風力発電機全体より電力系統に流入する発電電力を抑制する。

その抑制方法には、特許文献1の制御方式が有効である。但し、風力発電機は複数の異なる電気事業者が設置することが考えられるが、特許文献1では、出力変動の大きい風力発電機が常に抑制されるため、ある特定の風力発電機のみが出力抑制され、全ての風力発電機の利用率(発電電力量/定格容量に基づく最大発電電力量)を平等にすることが出来ない。そのため、抑制する風力発電機を選択するにあたり、利用率の高い風力発電機より優先して出力抑制することで、各風力発電機の利用率を平等に近づけることが出来る。

なお、風力発電機の運用にあたり、各風力発電機5に対して、風力連系可能量を満足する出力目標値を算出する際に、風力発電機5が風況の通り発電すると、目標として与えられた風力出力変動率を超過する恐れがある。この場合に本発明では、目標値を与えることが出来る風力発電機5を1台の風力発電機とみなして、その発電電力合計の風力出力変動率が目標値を満足するようにすることで、各風力発電機5に対して出力抑制するような目標値をなるべく出さないようにすることが出来るようになる。つまり、風力発電機全体として風力出力変動率を管理することで、個々の発電機に対する出力抑制を極力阻止した運用とするのがよい。

また、電力系統に連系している風力発電機5が、発電機毎に出力変動率が異なる場合において、風力連系可能量を算出する際は、一番出力変動率が大きい風力発電機5を選択するが、より小さい出力変動率で運転している風力発電機があれば、風力連系可能量を算出する際に使用した出力変動率を目標値として与える。またはその出力変動率を満足するための発電目標値を指令値として与える。

これにより、各風力発電機5に対して不要な出力変動抑制を行わせずに、より風力発電機5を有効に活用することが出来る。また、風力連系可能量に対して、現時点で系統に連系して発電している風力発電機5の容量が小さい場合は、その出力変動率を大きくすることが出来、風力発電機5の出力変動の抑止量を小さくすることが出来、より風力発電機5を効率的に活用することが出来る。

また、一般的に風力発電機5は、風況により定格容量以下で運転されることが多く、電力系統に連系する風力発電機5の容量を風力連系可能量としても、電力系統に流入する風力発電機5の発電電力は風力連系可能量未満となることが多い。

そのため、電力系統に連系する風力発電機5の定格容量を風力連系可能量以上とし、その総発電電力が常に風力連系可能量以下となるように各風力発電機5に目標発電電力を与えることで、電力系統に流入する再生可能エネルギーの発電電力を風力連系可能量に近づける。

各風力発電機5の目標発電電力を決めるにあたり、出力抑制する風力発電機の選択方法であり、固定、または動的に算出する重みにしたがって、複数台、または全風力発電機の抑制量を決定する。

複数台の風力発電機5のうち、出力変動の大きい発電機を選択して出力抑制を行い、風力発電機5全体の発電出力を平滑化する制御方法については特許文献1の技術を適用することが出来る。

また、その他にも、風速データより想定される抑制を行わなかった場合の想定発電電力より、最も効果的に抑制できる風力発電機5を選択する、風力発電機5の過去の利用率より、利用率の悪いもの重みを小さくして選択する、風力発電機5の定格容量の比率で均等に按分するなどが考えられる。

次に、図2の電力系統の運転制御システムにおいて、電力系統事故とその後の復旧動作において、中央システム3と再生可能エネルギー発電制御システム8の連系による対応操作について説明する。

図2において、電力系統全体を監視制御する中央システム3は、電力系統で発電機設備や流通設備の事故が発生した場合、その事故とその影響により停電した負荷(需要家)を識別し、その事故に対する復旧指令、または操作を行う。

例えば、火力・水力発電機2において設備事故が発生し、電力系統への供給電力不足により系統周波数の大幅な低下が発生した場合、または流通設備の事故により一部の負荷(需要家)が停電し、電力系統への供給過多により系統周波数の大幅な上昇が発生した場合を想定する。

従来、このようなケースでは、気象条件により出力が変動する風力発電機5、太陽光発電6を電力系統から切り離し、その後の事故復旧操作における発電電力の擾乱を与えないようにすることが一般的である。

しかしながら、発電機設備の事故により系統周波数の大幅な低下が発生している状態で、これを検出して風力発電機5、太陽光発電6が電力系統より切り離されてしまうと、その発電電力の供給が絶たれることになり、電力系統では更に発電電力不足量が増加し、系統安定化装置による負荷(需要家)の遮断が行われ、停電範囲が拡大してしまう。

そのため本発明では、中央システム3から、電力系統で事故が発生したことを再生可能エネルギー発電システム8に通知する。再生可能エネルギー発電システム8は系統事故管理情報31に受信した情報を格納しておくことで、風力発電機5、太陽光発電6の制御装置15,23に対して、供給発電電力が過多の場合は、風力発電機5、太陽光発電6に対する電力系統からの切り離し指令を行う。逆に、供給発電電力が不足の場合は、発電電力不足情報と、最大出力指令を行う。風力発電機5、太陽光発電6の制御装置15,23は、発電電力不足情報と、最大出力指令情報を受信した場合、併設される蓄電池による最大電力での出力一定放電動作を行う。

火力・水力発電機2により、発電電力不足が解消され、かつ停電した負荷(需要家)の停電復旧が完了することで、電力系統は事故前の通常状態に復旧される。中央システム3より事故復旧完了の情報を受信した場合、再生可能エネルギー発電システムは系統事故管理情報31の事故情報を削除し、風力発電機5、太陽光発電6に対して発電電力不足情報と最大出力指令情報の送信を終了する。これにより再生可能エネルギー発電システムは、通常の発電指令を行うようになり、風力発電機5、太陽光発電6も通常運転状態に復帰させる。

尚、電力系統が事故前の通常状態への復旧中に、風力発電機5、太陽光発電6の蓄電池の残放電量が無くなる場合、中央システム3における事故復旧に支障を与えないように、当該蓄電池は緩やかに出力を停止させることが可能となる。

1:電力系統
2:火力・水力発電機
3:中央システム
4:負荷
5:風力発電機
6:太陽光発電
7:系統周波数
8:再生可能エネルギー発電制御システム
9:発電運転情報
11:発電機管理情報
12:風速計
14:蓄電池
15:風力発電機制御装置
20:照度計
23:太陽光発電制御装置
28:データ収集装置
29:実績データ蓄積装置
30:演算装置
31:系統事故管理情報
32:風力連系可能量算出情報
33:火力・水力発電機運転情報
34:火力、水力発電機運転計画部
35:発電指令装置

Claims (7)

  1. 複数の再生可能エネルギー発電機と複数の火力・水力発電機が電力系統に接続され、中央システムにより複数の火力・水力発電機を制御し、再生可能エネルギー発電制御システムにより複数の再生可能エネルギー発電機を制御する電力系統の運転制御システムであって、
    前記中央システムは、電力系統の電力需給不均衡を解消するための自動周波数制御信号を作成して前記火力・水力発電機を制御し、
    前記再生可能エネルギー発電制御システムは、気象条件変動による前記再生可能エネルギー発電機の電力変動と、前記火力、水力発電機が負担可能な電力容量を用いて、電力系統に接続可能な前記再生可能エネルギー発電機の発電量である連系可能量を求め、前記再生可能エネルギー発電機の総発電量を前記連系可能量以内とする個別の発電指令を前記再生可能エネルギー発電機に与えるとともに、前記連系可能量を求めるための基礎情報を前記中央システムに連携されて入手することを特徴とする電力系統の運転制御システム。
  2. 請求項1記載の電力系統の運転制御システムにおいて、
    前記再生可能エネルギー発電制御システムは、前記中央システムから電力系統における事故の情報を入手して前記再生可能エネルギー発電機を停止すると共に、電力系統の電力供給不足の場合に、再生可能エネルギー発電機に備えた蓄電池による出力一定放電制御を実行することを特徴とする電力系統の運転制御システム。
  3. 電力需給不均衡に応じた周波数制御信号を中央システムから受信して発電電力を制御される火力、水力発電機と、再生可能エネルギーを利用する複数の発電機とを電力系統に接続し、再生可能エネルギーを利用する発電機に、その発電電力を制御する制御装置を備える電力系統の運転制御装置において、
    前記制御装置に発電指令を与える再生可能エネルギー発電制御システムを備え、
    再生可能エネルギー発電制御システムは、前記再生可能エネルギーを利用する複数の発電機の気象条件変動による電力変動と、前記火力、水力発電機が負担可能な電力容量を用いて、電力系統に接続可能な再生可能エネルギー発電機の発電量である連系可能量を求める第1の手段と、電力系統に接続された再生可能エネルギー発電機の総発電量が連系可能量以上のときに、前記総発電量を前記連系可能量以下とすべく再生可能エネルギー発電機に前記発電指令を配分する第2の手段を備えることを特徴とする電力系統の運転制御装置。
  4. 請求項3記載の電力系統の運転制御装置において、
    第1の手段の連系可能量を算出する為の基礎情報を、運転当日の時間帯ごとの情報として得ることを特徴とする電力系統の運転制御装置。
  5. 請求項4記載の電力系統の運転制御装置において、
    前記基礎情報には、周波数制御信号による発電指令にて出力変更可能な火力、水力発電機が有する出力調整幅である調整力を含み、運転当日の時間帯ごとの情報として得られることを特徴とする電力系統の運転制御装置。
  6. 請求項3から請求項5のいずれかに記載の電力系統の運転制御装置において、
    再生可能エネルギーを利用する発電機ごとに所定期間内での利用率を算出し、利用率の低い発電機を除外した残りの発電機の総発電量を連系可能量以内とする運転を行うことを特徴とする電力系統の運転制御装置。
  7. 電力需給不均衡に応じた周波数制御信号により発電電力を制御される火力、水力発電機と、再生可能エネルギーを利用する複数の発電機とを電力系統に接続した電力系統の運転制御方法において、
    前記再生可能エネルギーを利用する複数の発電機の気象条件変動による電力変動と、前記火力、水力発電機が負担可能な電力容量を用いて、電力系統に接続可能な再生可能エネルギー発電機の発電量である連系可能量を求め、電力系統に接続された再生可能エネルギー発電機の総発電量を前記連系可能量以内とする個別の発電指令を求めて前記再生可能エネルギー発電機を制御する電力系統の運転制御方法。
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