JP2015015793A - マイクログリッドの制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱機関及び自然エネルギーを利用したマイクログリッドにおいて熱機関の高効率運転を維持しつつ出力を安定させて燃料消費を削減するとともに二酸化炭素の排出を抑制する。
【解決手段】
配電線１０を介して負荷１１に接続された、１以上の熱機関発電機２ｎと、配電線１０に接続された自然エネルギー発電装置３と、蓄電池４及び電力変換器５を含み、当該電力変換器５によって配電線１０から当該蓄電池４を充電し且つ当該蓄電池４から配電線１０に放電するよう構成された蓄電装置６とを含むマイクログリッド１の制御装置７であって、負荷１１の需要電力に対する自然エネルギー発電装置３の発電電力の過不足を相殺し且つ蓄電池４を充電及び放電可能な状態に維持するように、１以上の熱機関発電機２ｎを発電又は停止するよう制御するとともに蓄電池４が充電又は放電するよう蓄電装置６を制御するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱機関発電機及び自然エネルギー発電装置を利用したマイクログリッドの制御装置及び制御方法に関する。

２０１１年３月１１日に我が国で発生した東日本大震災において、地震により避難した住民の多くは、電力送電網の倒壊や寸断により避難先で慢性的な停電や電力不足を余儀無くされた。ディーゼル発電機等の自家発電機による発電も行われたが、化石燃料に限界があったため、ディーゼル発電機等の自家発電機の化石燃料の使用量を抑えつつ安定して電力を供給できるシステムが必要であった。

また、我が国は多くの有人離島を有しているが、離島の電力系統は本土と連系しておらず、離島内で発電と供給をバランスさせる独立系統が多い。本土での発電が原子力、火力、水力発電であるのに対して、離島では化石燃料を用いたディーゼル発電機等の熱機関による発電がほとんどである。このような離島における熱機関を用いた発電では島内の需要変動に応じて供給出力、稼働台数を変化させることで電力の安定化を図るため、熱機関の燃費効率を良い状態にしたままでの発電が困難である。燃費効率の悪化は化石燃料使用量の増大を招くと共に、環境に悪影響を及ぼす二酸化炭素の排出量の増加にもつながる。

ところで、熱機関を用いた発電システムにおいて、発電の補助電力源として蓄電池を導入する技術が知られている（例えば特許文献１を参照）。この発電システムにより、熱機関の高効率運転による化石燃料使用量の低減には一定の効果がある。

しかしながら、蓄電池電力を含む全ての電力を、化石燃料を用いた熱機関の発電から得るという構成に変わりはない。熱機関の高効率運転による化石燃料使用量の低減には貢献しているが、効果は限定的である。

ところで、近年化石燃料の代替エネルギー源として地球環境に優しい自然エネルギーが注目されており、政府による自然エネルギー固定価格買取制度の後押しもあって、太陽光発電や風力発電を導入する自治体が増加している。そこで、最近では自然エネルギー発電を利用したマイクログリッドに関する技術の開発が進んでいる（例えば特許文献２乃至特許文献４を参照）。

特開２００７−８２３１１号公報 特開２００２−１３５９７９号公報 特開２０１１−８３０４４号公報 特開２０１０−２５９３０３号公報

しかし、自然エネルギーは天候に依存する不安定なエネルギー源であるため、独立発電系統として単独で使用することは難しい。このため、熱機関を用いた発電システムにおいて自然エネルギー発電を利用したマイクログリッドを併用した場合には、熱機関の高効率運転を維持しつつ出力を長時間に渡って安定的に保つことは難しい。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、熱機関発電及び自然エネルギー発電を利用したマイクログリッドにおいて熱機関の高効率運転を維持しつつ出力を長時間にわたって安定させて燃費効率を向上させるとともに二酸化炭素の排出を抑制することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のある態様に係るマイクログリッドの制御装置は、配電線を介して負荷に接続された、熱機関を動作させて発電する１以上の熱機関発電機と、前記配電線に接続された、自然エネルギーを利用して発電する自然エネルギー発電装置と、蓄電池及び電力変換器を含み、当該電力変換器によって前記配電線から当該蓄電池を充電し且つ当該蓄電池から前記配電線に放電するよう構成された蓄電装置と、を含むマイクログリッドの制御装置であって、前記負荷の需要電力に対する前記自然エネルギー発電装置の発電電力の過不足を相殺し且つ前記蓄電池を充電及び放電可能な状態に維持するように、１以上の前記熱機関発電機を発電又は停止するよう制御するとともに前記蓄電池が充電又は放電するよう前記蓄電装置を制御するように構成されている。ここで、「熱機関を動作させて発電する熱機関発電機」は、ディーゼル発電機等の内燃機関、及び蒸気タービン等の外燃機関を動作させて発電する発電機を含む。

上記構成によれば、負荷の需要電力に対し、まず自然エネルギー発電装置の発電電力を充当し、不足であれば熱機関発電機を一定の電力で発電させ、負荷の需要電力に対する熱機関発電機の発電電力と自然エネルギー発電装置の発電電力との合計電力の過剰な又は不足する電力を相殺するよう蓄電装置の蓄電池を充電又は放電させることにより、自然エネルギー発電装置をその発電電力の変動を吸収して補助電源として利用しながら熱機関発電機を発電させて、負荷の需要電力を賄うことができる。また、その際に、熱機関発電機の発電量を調整して蓄電池を適宜放電又は充電させることにより、蓄電池を常に充電及び放電可能な状態に維持することができる。その結果、基本的に熱機関発電機を一定電力で発電させる一方、熱機関発電機の電力を調整しながら発電する動作態様を、蓄電池を充電及び放電可能な状態に維持するために必要な場合に留めることができるので、熱機関を高効率で運転して燃費効率を向上させるとともに二酸化炭素の排出を抑制することができる。

上記マイクログリッドの制御装置は、前記蓄電池を充電及び放電可能な状態に維持するために、前記蓄電池の充電率が所定の目標値になるように、１以上の前記熱機関発電機を発電又は停止するよう制御するとともに前記蓄電池が充電又は放電するよう前記蓄電装置を制御するように構成されてもよい。

上記構成によれば、蓄電池の充電率が所定の目標値になるように制御されるので、必要な場合にいつでも蓄電池を充電又は放電させることができる。その結果、自然エネルギー発電装置の発電電力の変動を好適に吸収することができる。

上記マイクログリッドの制御装置は、前記負荷の需要電力に対し、まず前記自然エネルギー発電装置の発電電力を充当し、不足であれば前記熱機関発電機を一定電力で発電させ、前記負荷の需要電力に対する前記熱機関発電機の発電電力と自然エネルギー発電装置の発電電力との合計電力の過剰な又は不足する電力を相殺するよう前記蓄電装置の蓄電池を充電又は放電させるよう前記熱機関発電機及び前記蓄電装置を制御するように構成されてもよい。

上記構成によれば、上記一定電力として効率の高い出力電力を選択することにより、熱機関を高効率で運転することができる。

上記マイクログリッドの制御装置は、前記負荷の需要電力に対する前記自然エネルギー発電装置の発電電力の差電力を演算する差電力演算部と、前記蓄電装置の充電率に基づいて当該蓄電池に対する充放電電力を演算する充放電電力演算部と、前記差電力と前記充放電電力とに基づいて前記1以上の熱機関発電機の目標発電電力を演算する目標発電電力演算部と、前記自然エネルギー発電装置の発電電力及び前記１以上の熱機関発電機の目標発電電力の合計電力と前記負荷の需要電力とに基づいて、前記蓄電池が充電又は放電するよう前記蓄電装置を制御する蓄電装置制御部と、を備えてもよい。

上記構成によれば、負荷の需要電力に対し、まず自然エネルギー発電装置の発電電力が充当され、不足であれば熱機関発電機が発電させられるとともに蓄電池の充電率に応じて熱機関発電機が発電させられ、且つ、負荷の需要電力に対する熱機関発電機の発電電力と自然エネルギー発電装置の発電電力との合計電力の過剰な又は不足する電力を相殺するよう蓄電装置の蓄電池が充電又は放電させられるので、自然エネルギー発電装置をその発電電力の変動を吸収して補助電源として利用しながら熱機関発電機を発電させて、負荷の需要電力を賄うことができる。また、その際に、蓄電池を充電及び放電可能な状態に維持することができる。その結果、熱機関を高効率で運転して燃費効率を向上させることができるとともに二酸化炭素の排出を抑制することができる。

前記差電力演算部は、前記差電力にフィルタリング処理を施すフィルタリング処理部と、フィルタリング処理を施した差電力を、各値が１以上の前記熱機関発電機の一定電力で発電されるゼロを含む台数に対応する発電電力である２以上の値に多値化処理する多値化処理部と、を更に備え、前記目標発電電力演算部は、前記フィルタリング処理および前記多値化処理された差電力と前記充放電電力とに基づいて前記1以上の熱機関発電機の目標発電電力を演算してもよい。

上記構成によれば、自然エネルギー発電装置の発電電力又は負荷の需要電力の急激な変動による熱機関発電機の発停止回数及び稼働時間の増大を抑制しつつ熱機関を高効率で運転することができる。

前記目標発電電力演算部は、前記１以上の熱機関発電機の目標発電電力を予め定めた制限値に制限するよう構成されてもよい。

上記構成によれば、熱機関発電機を好適に運転することができる。

上記マイクログリッドの制御装置は、前記１以上の熱機関発電機の目標発電電力と前記自然エネルギー発電装置の発電電力との合計発電電力が前記負荷の需要電力よりも大きく、且つ、前記蓄電装置の蓄電池に充電された電力量（もしくは蓄電池の充電率）が所定の上限値を上回る場合には、前記自然エネルギー発電装置を前記配電線から解列するよう構成されてもよい。

上記構成により、蓄電装置の過充電によりシステムの運用に支障をきたすことがないので、システムの運用を継続することができる。

本発明の他の態様に係るマイクログリッドの制御方法は、配電線を介して負荷に接続された、熱機関を動作させて発電する１以上の熱機関発電機と、前記配電線に接続された、自然エネルギーを利用して発電する自然エネルギー発電装置と、蓄電池及び電力変換器を含み、当該電力変換器によって前記配電線から当該蓄電池を充電し且つ当該蓄電池から前記配電線に放電するよう構成された蓄電装置と、を含むマイクログリッドの制御方法であって、前記負荷の需要電力に対する前記自然エネルギー発電装置の発電電力の過不足を相殺し且つ前記蓄電池を充電及び放電可能な状態に維持するように、１以上の前記熱機関発電機を発電又は停止するよう制御するとともに前記蓄電池が充電又は放電するよう前記蓄電装置を制御する。

上記構成によれば、熱機関を高効率で運転して燃費効率を向上させることができるとともに二酸化炭素の排出を抑制することができる。

本発明によれば、熱機関発電及び自然エネルギー発電を利用したマイクログリッドにおいて熱機関の高効率運転を維持しつつ出力を安定させて燃費効率を向上させることができるとともに二酸化炭素の排出を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る制御装置を用いたマイクログリッドの構成例を示すブロック図である。 図１のマイクログリッドの制御装置の構成例を示すブロック図である。 図２の制御装置の具体的な構成を示すブロック図である。 図１のマイクログリッドの制御装置による自然エネルギー発電電力及び負荷の需要電力に基づく熱機関発電機の発電電力制御を説明するためのグラフである。 図１のマイクログリッドの制御装置による蓄電池ＳＯＣに基づく熱機関発電機の発電電力制御を説明するためのグラフである。 図１のマイクログリッドの制御装置による出力制限値に基づく熱機関発電機の発電電力制御を説明するためのグラフである。 比較例のマイクログリッドの制御装置による運転例を説明するためのグラフである。 図１のマイクログリッドの制御装置による運転例を説明するためのグラフである。 図１のマイクログリッドの制御装置による蓄電池の過充電防止制御を説明するためのグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

なお、以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施の形態に係る制御装置を用いたマイクログリッドの構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、マイクログリッド１は、熱機関を動作させて発電する１以上の熱機関発電機２ｎ（以下、単に熱機関発電機２ｎともいう）を含む熱機関発電装置２と、自然エネルギーを利用して発電する自然エネルギー発電装置３と、蓄電池４及び電力変換器５を含む蓄電装置６と、熱機関発電機２ｎの出力（熱機関発電装置２の出力）及び蓄電装置６を制御するマイクログリッド１の制御装置７（以下、単に制御装置７ともいう）を含む。また、マイクログリッド１は、負荷１１の需要電力を検出する電力検出器１２、自然エネルギー発電装置３の発電電力を検出する電力検出器１３、及び蓄電池４の充電率（ＳＯＣ（State Of Charge））を検出するＳＯＣ検出器１４を備えている。各電力検出器１２、１３及びＳＯＣ検出器１４はそれぞれ検出値を制御装置７へ出力するように構成されている。

本実施の形態におけるマイクログリッド１は、電力会社が提供する商用電力系統とは独立して運用される形態を想定する。すなわち、マイクログリッド１は、例えば、本土の商用電力系統とは連系していない離島において運用される。

熱機関発電装置２の各熱機関発電機２ｎは、配電線１０を介して負荷１１に接続され、制御装置７の出力指令に基づいて熱機関を動作させて発電する。熱機関発電機２ｎは、例えばディーゼル発電機等の内燃機関、又は蒸気タービン等の外燃機関を含む熱機関を動作させて発電するよう構成されている。本実施の形態では、熱機関発電装置２は、例えば、配電線１０に並列に接続された２台のディーゼル発電機２ｎを含み、制御装置７の出力指令に基づいて並列運転を行う。

自然エネルギー発電装置３は、例えば、太陽光発電装置、風力発電装置等で構成され、解列器８を介して配電線１０に接続されている。マイクログリッド１の運用に支障をきたす場合には、解列器８によって自然エネルギー発電装置３を解列可能な構成となっている。

蓄電装置６は、蓄電池４及び電力変換器５を含み、制御装置７の充放電指令に基づいて当該電力変換器５によって配電線１０から当該蓄電池４を充電し且つ当該蓄電池４から配電線１０に放電するよう構成されている。

蓄電池４は、自然エネルギー（太陽光受光量、風速等）の変動や熱機関の高効率運転に伴い、負荷１１と総合計発電電力との間に差異が生じた際に、その差異を補う。本実施の形態では、蓄電池４は、例えば、ニッケル水素電池である。蓄電池４は、鉛蓄電池やリチウムイオン電池等のその他の二次電池であってもよい。本実施の形態では、蓄電池４の充電率（以下ＳＯＣという）はＳＯＣ検出器１４により検出され、ＳＯＣ検出器１４は検出した蓄電池４のＳＯＣを制御装置７に出力するように構成されている。

電力変換器５は、制御装置７の充放電指令に基づいて交流と直流との相互変換により蓄電池４の充放電を行う。電力変換器５の構成は特に限定されない。本実施の形態では、電力変換器５は、例えば、パワーコンディショナシステムで構成され、蓄電池４の充放電制御を行う際に、仮想的な発電機として動作することによって熱機関発電機２ｎとの並列運転が可能なように構成されている。ここで、電力変換器５が、熱機関発電機２ｎとの並列運転が可能な仮想発電機として動作するためには、電力変換器５が備える発電機モデル（制御モデル）が少なくともドループ特性（速度垂下特性）を有することが必要である。仮想的な発電機として動作する電力変換器５の具体的な構成は、本出願人による公知の技術を用いて実現できる（例えば特開２００７−２４４０６８号公報、又は特開２００９−２２５５９９号公報を参照）。

制御装置７は、熱機関発電機２ｎの出力及び蓄電装置６を制御するものであって、負荷１１の需要電力に対する自然エネルギー発電装置３の発電電力の過不足を相殺し且つ蓄電池４を充電及び放電可能な状態に維持するように、２台の熱機関発電機２ｎを発電又は停止するよう制御するとともに蓄電池４が充電又は放電するよう蓄電装置６を制御するように構成されている。本実施の形態では、制御装置７は、例えば、ＦＰＧＡ(field programmable gate array)、ＰＬＣ(programmable logic controller)、マイクロコントローラ等の演算装置で構成され、演算装置においてそれに内蔵されているプログラムが実行されることにより実現される機能ブロックである。制御装置７は、電力検出器１２で検出される負荷１１の需要電力、電力検出器１３で検出される自然エネルギー発電装置３の発電電力、及びＳＯＣ検出器１４で検出される蓄電池４のＳＯＣの他、配電線１０の電圧、電流、電力、周波数等を監視するとともに、これらの監視データに基づいて蓄電装置６の充放電、及び熱機関発電機２ｎの発電及び停止（発停）並びに出力（発電電力）を制御する。

次に、制御装置７の構成について図２及び図３を用いて説明する。

図２は、図１の制御装置７の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、制御装置７は、負荷１１の需要電力Ｌに対する自然エネルギー発電装置３の発電電力Ｐ_Ｅの差電力Ｐ_ＤＧ＿αを演算する差電力演算部２１と、蓄電池４のＳＯＣに基づいて当該蓄電池４に対する充放電電力Ｐ_ＤＧ＿βを演算する充放電電力演算部２２と、差電力Ｐ_ＤＧ＿αと充放電電力Ｐ_ＤＧ＿βとに基づいて２台の熱機関発電機２ｎ（熱機関発電装置２）の目標発電電力Ｐ_ＤＧを演算する目標発電電力演算部２３と、自然エネルギー発電装置３の発電電力Ｐ_Ｅ及び２台の熱機関発電機２ｎの目標発電電力Ｐ_ＤＧの合計電力と負荷１１の需要電力Ｌとに基づいて、蓄電池４が充電又は放電するよう蓄電装置６を制御する蓄電装置制御部２４とを備える。

図３は、図２の制御装置の具体的な構成を示すブロック図である。図３に示すように、差電力演算部２１は、例えば、減算器３１と、フィルタリング処理部３２と、多値化処理部３３とを備える。減算器３１は、負荷１１の需要電力Ｌに対する自然エネルギー発電装置３の発電電力Ｐ_Ｅの差電力Ｐ_ＤＧ＿Ｒを演算し、演算した差電力Ｐ_ＤＧ＿Ｒをフィルタリング処理部３２に出力するように構成されている。フィルタリング処理部３２は、減算器３１により出力された差電力Ｐ_ＤＧ＿Ｒにフィルタリング処理を施して、多値化処理部３３に出力するように構成されている。フィルタリング処理は、例えば、ローパスフィルタを用いて差電力Ｐ_ＤＧ＿Ｒを平滑化する処理である。多値化処理部３３は、フィルタリング処理部３２によりフィルタリング処理を施した差電力を、２以上の値に多値化処理し、目標発電電力演算部２３に多値化した差電力Ｐ_ＤＧ＿αを出力するように構成されている。多値化処理は、例えば、各値が２台の熱機関発電機２ｎの一定電力で発電されるゼロを含む台数（０、１、又は２）に対応する発電電力である２以上の値に、差電力Ｐ_ＤＧ＿αを変換する処理である。一定電力は、典型的には定格出力（定格発電電力）であるが、これには限定されず、効率良く発電できる電力であれば良い。

充放電電力演算部２２は、蓄電池４を充電及び放電可能な状態に維持するために、蓄電池４のＳＯＣが所定の目標値になるように、熱機関発電機２ｎを発電又は停止するようフィードバック制御する。本実施の形態では、充放電電力演算部２２は、目標ＳＯＣ設定部３５と、減算器３６と、フィードバック補償部３７とを備える。

目標ＳＯＣ設定部３５は、例えば制御装置７の記憶部（図示せず）内に予め記憶された、蓄電池４のＳＯＣの目標値である目標ＳＯＣを記憶部から読み出し、減算器３６に出力する。減算器３６は、蓄電池４の目標ＳＯＣから蓄電池４のＳＯＣを減算した値である、目標ＳＯＣに対する蓄電池４のＳＯＣの偏差をフィードバック補償部３７に出力する。フィードバック補償部３７は、このＳＯＣの偏差を制御系統（配電線１０及び蓄電装置６）の応答特性に応じて適宜補償して充放電電力Ｐ_ＤＧ＿βを出力するように構成されている。本実施の形態ではフィードバック補償部３７は、例えば、ＰＩ補償を行うよう構成されているが、その他のフィードバック補償、例えばＰＩＤ補償を行うように構成されてもよい。

目標発電電力演算部２３は、加算器３８と、リミッタ部３９とを備える。加算器３８は、多値化処理された差電力Ｐ_ＤＧ＿αとフィードバック補償された充放電電力Ｐ_ＤＧ＿βとを加算して、リミッタ部３９に出力するように構成されている。リミッタ部３９は、２台の熱機関発電機２ｎの出力指令としての目標発電電力Ｐ_ＤＧを、熱機関発電装置２及び蓄電装置制御部２４に出力するように構成されている。ここでリミッタ部３９は、熱機関発電装置２の目標発電電力Ｐ_ＤＧを予め定めた制限値に制限するよう構成されている。なお、リミッタ部３９を省略してもよい。

本実施の形態のマイクログリッドの制御装置７は、負荷１１の需要電力と自然エネルギー電力と蓄電池の充電状態（ＳＯＣ）とにより熱機関発電機２ｎの出力を制御する。以下、制御装置７による主な処理１）〜３）について図３〜図６を用いて説明する。

１）まず、自然エネルギー発電電力に基づく熱機関の発電電力を算出する。自然エネルギーを最大限利用することを考慮すると、熱機関に要求される発電電力は、自然エネルギーの発電電力Ｐ_Ｅ、負荷需要電力Ｌにより、次式（１）で算出される。

Ｐ_ＤＧ＿Ｒ ＝ Ｌ − Ｐ_Ｅ ・・・（１）
式（１）は、自然エネルギー又は負荷１１の変動により急峻に変動する場合がある。このような場合は、何も対策を講じないと、熱機関の稼働台数が頻繁に増減するため、発停回数の増加により燃費効率が悪化する。そこで、差電力Ｐ_ＤＧ＿Ｒをフィルタリング処理することにより、急峻な変動を抑制（平滑化）した差電力を算出する。

そして、熱機関（及び熱機関発電機２ｎ）は定格出力運転で燃費効率が最大となるため、ここでは、定格出力運転を行う熱機関（及び熱機関発電機２ｎ）の稼働台数を最大にするため、差電力を多値化処理する。

図４は、自然エネルギー発電電力及び負荷の需要電力に基づく熱機関発電機の発電電力制御を説明するためのグラフである。ここでは主に差電力の多値化処理について説明する。グラフでは、縦軸は多値化処理後の差電力（発電量）Ｐ_ＤＧ＿α［ｋＷ］を示し、横軸は処理前の差電力Ｐ_ＤＧ＿Ｒ［ｋＷ］を示している。ここで１台の熱機関の定格出力をＤＧ_Ｒ［ｋＷ］とする。

グラフ中の区間（I）において、前回の処理後の差電力がＰ_ＤＧ＿α＝０[ｋＷ］の場合、Ｐ_ＤＧ＿Ｒ ≧ ０．５×ＤＧ_Ｒ ＋ ０．０５×ＤＧ_Ｒであれば、Ｐ_ＤＧ＿α＝ＤＧ_Ｒ［ｋＷ］とする。一方、Ｐ_ＤＧ＿Ｒ ＜ ０．５×ＤＧ_Ｒ ＋ ０．０５×ＤＧ_Ｒであれば、Ｐ_ＤＧ＿α＝０［ｋＷ］とする。このようにして差電力Ｐ_ＤＧ＿αを０[ｋＷ］又はＤＧ_Ｒ［ｋＷ］の値に多値化する。

グラフ中の区間（II）において、前回の処理後の差電力がＰ_ＤＧ＿α＝ＤＧ_Ｒ[ｋＷ］の場合、Ｐ_ＤＧ＿Ｒ ≧ １．５×ＤＧ_Ｒ ＋ ０．０５×ＤＧ_Ｒであれば、Ｐ_ＤＧ＿α＝２×ＤＧ_Ｒ［ｋＷ］とする。一方、Ｐ_ＤＧ＿Ｒ ＜ ０．５×ＤＧ_Ｒ ― ０．０５×ＤＧ_Ｒであれば、Ｐ_ＤＧ＿α＝０［ｋＷ］とする。更に、０．５×ＤＧ_Ｒ ― ０．０５×ＤＧ_Ｒ ≦ Ｐ_ＤＧ＿Ｒ ＜ １．５×ＤＧ_Ｒ ＋ ０．０５×ＤＧ_Ｒであれば、Ｐ_ＤＧ＿α＝ＤＧ_Ｒ［ｋＷ］とする。このようにして差電力Ｐ_ＤＧ＿αを０[ｋＷ］、ＤＧ_Ｒ［ｋＷ］又は２×ＤＧ_Ｒ［ｋＷ］のいずれかの値に多値化する。

グラフ中の区間（III）において、前回の処理後の差電力がＰ_ＤＧ＿α＝２×ＤＧ_Ｒ[ｋＷ］の場合、Ｐ_ＤＧ＿Ｒ ≦ １．５×ＤＧ_Ｒ − ０．０５×ＤＧ_Ｒであれば、Ｐ_ＤＧ＿α＝ＤＧ_Ｒ［ｋＷ］とする。一方、Ｐ_ＤＧ＿Ｒ ＞ １．５×ＤＧ_Ｒ ― ０．０５×ＤＧ_Ｒであれば、Ｐ_ＤＧ＿α＝２×ＤＧ_Ｒ［ｋＷ］とする。このようにして差電力Ｐ_ＤＧ＿αをＤＧ_Ｒ［ｋＷ］又は２×ＤＧ_Ｒ［ｋＷ］の値に多値化する。

これにより、フィルタリング処理及び多値化処理した差電力に基づいて、２台の熱機関発電機２ｎの発電電力を算出することができるので、自然エネルギー発電装置３の発電電力又は負荷１１の需要電力の急激な変動による熱機関発電機２ｎの発停止回数及び稼働時間の増大を抑制しつつ熱機関発電機を一定電力（ここでは定格出力）で運転することができる。その結果、熱機関を高効率で運転することができるとともに二酸化炭素の排出を抑制することができる。

２）次に、蓄電池４のＳＯＣに基づく熱機関発電機２ｎの発電電力を算出する。蓄電池４を常に運用可能な状態に維持するために、蓄電池４のＳＯＣを常用使用範囲に制御する必要がある。

図５は、蓄電池４のＳＯＣに基づく熱機関発電機の発電電力制御を説明するためのグラフである。グラフでは、縦軸は目標ＳＯＣに対する蓄電池４のＳＯＣの偏差に応じた充放電電力（発電量）Ｐ_ＤＧ＿β［ｋＷ］を示し、横軸は蓄電池４のＳＯＣ［％］を示している。本実施の形態では、蓄電池の常用使用範囲をＳＯＣが２０〜８０［％］の範囲とし、常用使用下限値又は上限値をＳＯＣが３０又は７０［％］とする。

ＳＯＣ＝０〜２０［％］のとき、Ｐ_ＤＧ＿βをＰＩ補償に基づいた値［ｋＷ］とする（グラフ中の区間I）。ＳＯＣ＝２０〜３０［％］のとき、Ｐ_ＤＧ＿βをＰＩ補償に基づいた値［ｋＷ］とする（グラフ中の区間II）。ＳＯＣ＝３０〜７０［％］のとき、Ｐ_ＤＧ＿β＝０［ｋＷ］とする（グラフ中の区間III）。ＳＯＣ＝７０〜１００［％］のとき、Ｐ_ＤＧ＿βをＰＩ補償に基づいた値［ｋＷ］とする（グラフ中の区間IV）。ここでグラフ中のＰ_ＤＧ＿βの下限値は、（下限値＞−Ｐ_ＤＧ＿α）かつ（下限値＝Ｌ−Ｐ_Ｅ−Ｐ_{ＰＣＳＭＡＸ}−Ｐ_ＤＧ＿α）を満たす下限値である。ただし、Ｐ_{ＰＣＳＭＡＸ}は電力変換器５により制御される蓄電池４の最大放電量とする。

このようにして、ＳＯＣが常用使用範囲の下限値又は上限値（２０又は８０［％］）に近づいた場合、常用使用下限値又は上限値（３０又は７０［％］）を目標値としてＰＩ補償を行い、操作量として２台の熱機関発電機２ｎの発電電力を増減させる。これにより、蓄電池４が目標ＳＯＣになるように充放電される。その結果、蓄電池４を常に充放電可能な状態に維持することができる。これにより、自然エネルギー発電装置３の発電電力又は負荷１１の需要電力の急激な変動を相殺して、熱機関発電機２ｎの発停止回数及び稼働時間の増大を抑制することができる。

３）最後に制限値に基づく２台の熱機関発電機２ｎ（熱機関発電装置２）の発電電力を算出する。図６は、出力制限値に基づく熱機関発電機の発電電力制御を説明するためのグラフである。グラフでは、縦軸は目標発電電力Ｐ_ＤＧ［ｋＷ］を示し、横軸はＰ_ＤＧ＿α＋Ｐ_ＤＧ＿β［ｋＷ］を示している。上記１）及び２）で算出した熱機関の発電電力Ｐ_ＤＧ＿α＋Ｐ_ＤＧ＿β［ｋＷ］が、２台の熱機関発電機２ｎ（熱機関発電装置２）の総合計発電出力（グラフ中の「発電量ＭＡＸ」）を超える場合は、目標発電電力Ｐ_ＤＧを総合計発電電力に制限する（グラフ中の区間II）。このようにして２台の熱機関発電機２ｎを好適に運転することができる。

（実施例）
以下、本実施の形態に係るマイクログリッドの制御装置による運転例を比較例と対して説明する。

まず、比較例として、特許文献１に記載された複数台の熱機関発電機の制御方法を説明する。比較例では２台の熱機関発電機を高効率で運転し、かつ蓄電池のＳＯＣを運用可能な範囲に維持することを目的としている。

図７は、比較例のマイクログリッドの制御装置による運転例を説明するためのグラフである。図７の上段（ａ）のグラフは、負荷の需要電力に対する熱機関発電機による発電電力[ｋＷ]の時間変化を示している。図７の中段（ｂ）のグラフは、蓄電池のＳＯＣ[％]の時間変化を示し、図７の下段（ｃ）のグラフは、熱機関発電機の燃料消費量[ｌ]の時間変化を示している。図７に示すように、２台の熱機関発電機を備える熱機関発電装置が発停するタイミングの蓄電池のＳＯＣの上下限値を予め設定し、蓄電池のＳＯＣが上限値に到達すれば熱機関発電機による発電の総合計発電電力が電力負荷を下回るようにして蓄電池から放電し、蓄電池のＳＯＣが下限値に到達すれば熱機関発電機による発電の総合計発電電力が電力負荷を上回るようにして余剰電力を蓄電池に回すことで蓄電池をＳＯＣの上限値まで充電する。このように蓄電池のＳＯＣに応じて熱機関発電機の発停を制御することで、蓄電池のＳＯＣが運用可能な範囲に維持される。

しかし、比較例では、蓄電池への充電は全て熱機関発電機の発電電力から供給されるため、全ての電力は燃料を消費することで供給されており、熱機関の高効率運転による燃料使用量の低減に一定の効果はあるものの、二酸化炭素排出量の低減には効果が無い。

本発明者らは、このような課題を解決するために、近年化石燃料の代替エネルギー源として注目されている自然エネルギーに着目した。自然エネルギーは天候に依存する不安定なエネルギー源であるため、独立発電系統として単独で使用することは難しい。

そこで、本発明者らは、熱機関の高効率運転維持を目的とし、従来の蓄電池に代わる補助電力源として自然エネルギーを含むマイクログリッドを併用することで二酸化炭素排出量を低減させることに着眼した。

本実施の形態のマイクログリッド１では、負荷１１への電力供給は主に熱機関発電機２ｎ、自然エネルギー発電装置３から行う。ただし、自然エネルギーを最大限利用しつつ、熱機関の高効率運転を維持するため、自然エネルギーの変動、負荷変動に起因する総合計電力と負荷１１の需要電力との差異を蓄電池４の充放電により相殺する。制御装置７は、負荷１１の需要電力に対し、まず自然エネルギー発電装置３の発電電力を充当し、不足であれば熱機関発電機２ｎを一定の電力で発電させ、負荷１１の需要電力に対する熱機関発電機２ｎの発電電力と自然エネルギー発電装置３の発電電力との合計電力の過剰な又は不足する電力を相殺するよう蓄電装置６の蓄電池４を充電又は放電させる。制御装置７は、このように熱機関発電機２ｎ及び蓄電装置６を制御するように構成されているが、マイクログリッド１の継続的な運転のため、万一、蓄電池ＳＯＣが運転可能上下限値に到達した際は熱機関発電機２ｎの出力を増減させ、蓄電池４を充放電させることで、蓄電池４のＳＯＣを運転可能範囲に維持することができる。また、自然エネルギー電力を利用しつつ、熱機関の高効率運転を行うので、比較例と比べて燃料消費量の低減を図ることができるとともに二酸化炭素の排出を抑制することができる。

図８は、本実施の形態に係るマイクログリッドの制御装置による運転例を説明するためのグラフである。図８の上段（ａ）のグラフは、負荷１１の需要電力に対する熱機関発電機２ｎ及び自然エネルギー発電装置３による総合計発電電力[ｋＷ]の時間変化を示している。図８の中段（ｂ）のグラフは、蓄電池４のＳＯＣ[％]の時間変化を示し、図８の下段（ｃ）のグラフは、熱機関発電機２ｎの燃料消費量[ｌ]の時間変化を示している。

図８に示すように、区間Iでは、制御装置７は負荷１１の需要電力に対して総合計発電電力が大きく、かつ、蓄電池４のＳＯＣが上限値に近い場合には、熱機関発電機２ｎの出力を低減し、蓄電池４より放電させるように制御する。

区間IIでは、制御装置７は、負荷１１の需要電力に対して総合計発電電力が大きい場合には、余剰電力を蓄電池４に充電するように制御する。

区間IIIでは、制御装置７は、負荷１１の需要電力に対して総合計発電電力が小さい場合には、不足電力を蓄電池により放電させるように制御する。

区間IVでは、制御装置７は、負荷１１の需要電力に対して総合計発電電力が小さく、かつ、蓄電池４のＳＯＣが下限値に近い場合には、熱機関発電機２ｎの出力を増加させるように制御する。

本実施の形態のマイクログリッド１は電力変換器５と自然エネルギー発電装置３を備え、自然エネルギーを最大限利用可能なように構成されている。これにより、化石燃料による発電電力を蓄電池に充電もしくは必要に応じて放電することで、熱機関の高効率運転をバックアップしてきた従来例に対して、本実施の形態のマイクログリッド１では地球環境に優しい自然エネルギーを利用し、熱機関の高効率運転維持が可能となる。

ところで、蓄電池４は、放電モード時でも自然エネルギー発電装置３の発電電力と熱機関発電機２ｎの発電電力との合計電力が負荷１１の需要電力を上回る場合、蓄電池４の過充電が起こりうる。図９は、マイクログリッド１の蓄電池４の過充電防止制御を説明するためのグラフである。図９に示すように、本実施の形態の制御装置７は、熱機関発電機２ｎの目標発電電力と自然エネルギー発電装置３の発電電力との合計発電電力が前記負荷１１の需要電力よりも大きく、且つ、蓄電装置６の蓄電池４に充電された電力量（もしくは蓄電池の充電率）が所定の上限値を上回る場合には、自然エネルギー発電装置３を配電線１０から解列するよう構成されている。制御装置７からの解列指令により、図１の解列器８は配電線１０から自然エネルギー発電装置３を解列する。これにより、蓄電池４の過充電によりマイクログリッド１の運用に支障をきたすことがないので、マイクログリッド１の運用を継続することができる。

尚、本実施の形態では、制御装置７が、電力変換器５を含むマイクログリッド１全体の制御を行うよう構成したが、このような構成に限られるものではなく、例えば、複数の制御装置を、熱機関発電機２ｎ、自然エネルギー発電装置３、電力変換装置５のそれぞれに分散配置して、全体として制御装置７の機能を実現させる分散制御の構成としてもよい。

また、本実施の形態のマイクログリッド１においては、自然エネルギー発電装置３は、太陽光又は風力を利用した発電装置としたが、その他の自然エネルギーとして、例えば潮力、地熱等を利用した発電装置でもよい。また、マイクログリッド１において複数の自然エネルギー発電装置３が配電線１０に並列に接続され、並列運転される構成でもよい。

尚、本実施の形態では、マイクログリッド１は、商用電力系統とは独立して運用される形態としたが、このような形態に限られることはなく、配電線１０を介して商用電力系統と連系して運用される形態であってもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、熱機関発電機及び自然エネルギー発電装置を利用したマイクログリッドに有用である。

１ マイクログリッド
２ 熱機関発電装置
２ｎ 熱機関発電機
３ 自然エネルギー発電装置
４ 蓄電池
５ 電力変換器
６ 蓄電装置
７ 制御装置
８ 解列器
１０ 配電線
１１ 負荷
１２，１３ 電力検出器
１４ ＳＯＣ検出器
２１ 差電力演算部
２２ 充放電電力演算部
２３ 目標発電電力演算部
２４ 蓄電装置制御部

Claims (8)

1. 配電線を介して負荷に接続された、熱機関を動作させて発電する１以上の熱機関発電機と、前記配電線に接続された、自然エネルギーを利用して発電する自然エネルギー発電装置と、蓄電池及び電力変換器を含み、当該電力変換器によって前記配電線から当該蓄電池を充電し且つ当該蓄電池から前記配電線に放電するよう構成された蓄電装置と、を含むマイクログリッドの制御装置であって、
   前記負荷の需要電力に対する前記自然エネルギー発電装置の発電電力の過不足を相殺し且つ前記蓄電池を充電及び放電可能な状態に維持するように、１以上の前記熱機関発電機を発電又は停止するよう制御するとともに前記蓄電池が充電又は放電するよう前記蓄電装置を制御するように構成されている、マイクログリッドの制御装置。
2. 前記蓄電池を充電及び放電可能な状態に維持するために、前記蓄電池の充電率が所定の目標値になるように、１以上の前記熱機関発電機を発電又は停止するよう制御するとともに前記蓄電池が充電又は放電するよう前記蓄電装置を制御するように構成されている、請求項１に記載のマイクログリッドの制御装置。
3. 前記負荷の需要電力に対し、まず前記自然エネルギー発電装置の発電電力を充当し、不足であれば前記熱機関発電機を一定電力で発電させ、前記負荷の需要電力に対する前記熱機関発電機の発電電力と自然エネルギー発電装置の発電電力との合計電力の過剰な又は不足する電力を相殺するよう前記蓄電装置の蓄電池を充電又は放電させるよう前記熱機関発電機及び前記蓄電装置を制御するように構成されている、請求項１又は２に記載のマイクログリッドの制御装置。
4. 前記負荷の需要電力に対する前記自然エネルギー発電装置の発電電力の差電力を演算する差電力演算部と、
   前記蓄電装置の充電率に基づいて当該蓄電池に対する充放電電力を演算する充放電電力演算部と、
   前記差電力と前記充放電電力とに基づいて前記1以上の熱機関発電機の目標発電電力を演算する目標発電電力演算部と、
   前記自然エネルギー発電装置の発電電力及び前記１以上の熱機関発電機の目標発電電力の合計電力と前記負荷の需要電力とに基づいて、前記蓄電池が充電又は放電するよう前記蓄電装置を制御する蓄電装置制御部と、を備える、請求項１に記載のマイクログリッドの制御装置。
5. 前記差電力演算部は、前記差電力にフィルタリング処理を施すフィルタリング処理部と、フィルタリング処理を施した差電力を、各値が１以上の前記熱機関発電機の一定電力で発電されるゼロを含む台数に対応する発電電力である２以上の値に多値化処理する多値化処理部と、を更に備え、
   前記目標発電電力演算部は、前記フィルタリング処理および前記多値化処理された差電力と前記充放電電力とに基づいて前記1以上の熱機関発電機の目標発電電力を演算する、請求項４に記載のマイクログリッドの制御装置。
6. 前記目標発電電力演算部は、前記１以上の熱機関発電機の目標発電電力を予め定めた制限値に制限するよう構成されている、請求項４又は５に記載のマイクログリッドの制御装置。
7. 前記１以上の熱機関発電機の目標発電電力と前記自然エネルギー発電装置の発電電力との合計発電電力が前記負荷の需要電力よりも大きく、且つ、前記蓄電装置の蓄電池に充電された電力量もしくは蓄電池の充電率が所定の上限値を上回る場合には、前記自然エネルギー発電装置を前記配電線から解列するよう構成されている、請求項１に記載のマイクログリッドの制御装置。
8. 配電線を介して負荷に接続された、熱機関を動作させて発電する１以上の熱機関発電機と、前記配電線に接続された、自然エネルギーを利用して発電する自然エネルギー発電装置と、蓄電池及び電力変換器を含み、当該電力変換器によって前記配電線から当該蓄電池を充電し且つ当該蓄電池から前記配電線に放電するよう構成された蓄電装置と、を含むマイクログリッドの制御方法であって、
   前記負荷の需要電力に対する前記自然エネルギー発電装置の発電電力の過不足を相殺し且つ前記蓄電池を充電及び放電可能な状態に維持するように、１以上の前記熱機関発電機を発電又は停止するよう制御するとともに前記蓄電池が充電又は放電するよう前記蓄電装置を制御する、マイクログリッドの制御方法。

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