JP2015104209A - Power leveling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、大容量蓄電デバイスとしてフライホイール装置を用いて系統連系点における電力変動を補償する電力平準化装置に関するものである。 The present invention relates to a power leveling device that compensates for power fluctuations at a grid connection point using a flywheel device as a large-capacity power storage device.
近年、太陽光発電や風力発電に代表される再生可能エネルギーを電力系統に連系する事例が増えている。しかし、再生可能エネルギーは、その発電量が日射量や風況等の自然要因によって変動するため、再生可能エネルギーの電力系統への連系量が増えると、電力の安定供給に支障を与え、系統電圧や周波数が変動し、最悪の場合、大規模停電が発生する恐れがある。そのため、再生可能エネルギーの電力変動補償を行うため、大容量蓄電デバイスによる電力平準化装置を設置して、電力平準化が図られている。大容量蓄電デバイスとしてし、鉛バッテリやLi−ion電池といった化学的な蓄電デバイスを用いるケースが多いが、離島等のメンテナンスを容易に行うことができない地域では、ケミカルレスな蓄電デバイスであるフライホイール装置(以下、FW装置と略す)を用いるケースが増えつつある。 In recent years, there are an increasing number of cases where renewable energy represented by solar power generation and wind power generation is connected to an electric power system. However, the amount of power generated by renewable energy fluctuates depending on natural factors such as the amount of solar radiation and wind conditions. Voltage and frequency fluctuate, and in the worst case, a large-scale power outage may occur. Therefore, in order to compensate for power fluctuations of renewable energy, a power leveling device using a large-capacity power storage device is installed to achieve power leveling. In many cases, chemical storage devices such as lead batteries and Li-ion batteries are used as large-capacity storage devices. However, in areas where maintenance is difficult, such as remote islands, flywheels are chemical-less storage devices. The number of cases using devices (hereinafter abbreviated as FW devices) is increasing.
図3を参照すると、FW装置1を用いた従来の電力平準化装置2は、商用系統電源3に接続された系統連系点の有効電力(P)及び無効電力(Q)を制御する連系インバータ4に接続されている。連系インバータ4は、充放電指令演算ブロック5からの有効電力指令(P指令)に基づいて系統連系点の有効電力(P)を制御すると共に、充放電指令演算ブロック5からの無効電力指令(Q指令)に基づいて系統連系点の無効電力(Q)を制御する。充放電指令演算ブロック5は、連系点電圧検出器6によって検出した系統連系点の電圧Vと、連系インバータ電流検出器7によって検出した連系インバータ4の電流Iinvと、負荷電流検出器8によって検出した負荷9の負荷電流ILと、直流電圧検出器10によって検出した連系インバータ4と電力平準化装置2とを接続する直流リンク部の電圧VdcとからP指令とQ指令とを演算する。電力平準化装置2は、連系インバータ4と接続された可変電圧可変周波数電源(VVVF)20と、直流電圧一定制御ブロック30とで構成されている。直流電圧一定制御ブロック30は、直流電圧検出器10によって検出した連系インバータ4と電力平準化装置2とを接続する直流リンク部の電圧Vdcから周波数指令を演算し、VVVF20は、直流電圧一定制御ブロック30で演算された周波数指令に基づいて、FW装置1(フライホイールを駆動する誘導電動機)をV/f制御し、連系インバータ4とVVVF20とを接続する直流リンク部の電圧Vdcが一定になるように制御していた(例えば、特許文献1参照)。
Referring to FIG. 3, the conventional
しかしながら、従来技術では、FW装置1の回転数が低下すると、連系インバータ4とVVVF20とを接続する直流リンク部の電圧Vdcを一定に保つことが難しく、FW装置1に蓄えられた機械エネルギーを全て放電することが困難で回生失効となってしまい、FW装置1を有効に充放電することができなくなってしまうという問題点があった。
However, in the prior art, when the rotational speed of the
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、FW装置1の充放電電力を充放電指令通りに制御することができる電力平準化装置を提供することにある。
The objective of this invention is providing the electric power leveling apparatus which can control the charging / discharging electric power of
本発明に係る電力平準化装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
本発明の電力平準化装置は、フライホイールと、当該フライホイールに結合された誘導電動機とを備えたフライホイール装置を用いて系統連系点における電力変動を補償する電力平準化装置であって、前記系統連系点に接続された連系インバータへの充放電指令から周波数指令を演算する周波数指令演算部と、直流側が前記連系インバータとの直流リンク部に接続され、前記周波数指令演算部によって演算された前記周波数指令を用いて前記フライホイール装置の前記誘導電動機をV/f制御する可変電圧可変周波数電源とを具備することを特徴とする。
さらに、本発明に係る電力平準化装置において、前記連系インバータとの直流リンク部の直流電圧は、前記連系インバータによって一定に制御されていても良い。
さらに、本発明に係る電力平準化装置において、前記周波数指令演算部は、前記充放電指令をPm、前記周波数指令をfn、サンプリング時間をTs、1サンプリング前の前記周波数指令をfn−1、前記誘導電動機のモータ極対数をp、前記フライホイールの慣性モーメントをJmとそれぞれすると、
fn=fn−1+(p/2π)2・(TsPm/Jmfn−1)
によって演算するようにしても良い。
さらに、本発明に係る電力平準化装置において、前記充放電指令は、前記系統連系点の電圧と、前記連系インバータの電流と、負荷電流と、前記連系インバータと前記可変電圧可変周波数電源との直流リンク部の直流電圧とに基づいて演算されるようにしても良い。
The power leveling apparatus according to the present invention is configured as follows in order to achieve the above object.
The power leveling device of the present invention is a power leveling device that compensates for power fluctuations at a grid connection point using a flywheel device including a flywheel and an induction motor coupled to the flywheel. A frequency command calculation unit that calculates a frequency command from a charge / discharge command to a grid connection inverter connected to the grid connection point, a DC side is connected to a DC link unit with the grid connection inverter, and the frequency command calculation unit And a variable voltage variable frequency power source that performs V / f control of the induction motor of the flywheel device using the calculated frequency command.
Furthermore, in the power leveling device according to the present invention, the DC voltage of the DC link unit with the interconnection inverter may be controlled to be constant by the interconnection inverter.
Furthermore, in the power leveling device according to the present invention, the frequency command calculation unit is configured such that the charge / discharge command is P m , the frequency command is f n , the sampling time is T s , and the frequency command before sampling is f n −1 , where p is the number of motor pole pairs of the induction motor and J m is the moment of inertia of the flywheel,
f n = f n-1 + (p / 2π) 2 · (T s P m / J m f n-1 )
You may make it calculate by.
Furthermore, in the power leveling apparatus according to the present invention, the charge / discharge command includes the voltage of the grid connection point, the current of the grid connection inverter, the load current, the grid connection inverter, and the variable voltage variable frequency power supply. And may be calculated based on the DC voltage of the DC link unit.
本発明によれば、充放電指令からフライホイール装置の誘導電動機の周波数指令を直接演算することで、フライホイール装置の充放電電力を充放電指令通りに制御することができるという効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, there exists an effect that the charging / discharging electric power of a flywheel apparatus can be controlled according to a charging / discharging instruction | command by calculating directly the frequency instruction | command of the induction motor of a flywheel apparatus from charging / discharging instruction | command.
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、各図において、同一の構成には、同一の符号を付して一部説明を省略している。 Next, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and a part of the description is omitted.
本実施の形態の電力平準化装置2aは、蓄電デバイスであるFW装置1に電力を充放電することで電力を平準化する装置であり、図1に示すように、可変電圧可変周波数電源(VVVF)20と、周波数指令演算ブロック40とで構成されている。なお、FW装置1は、フライホイールと、フライホイールに結合された誘導電動機とを備え、充電時には誘導電動機によってフライホイールを回転させて回転エネルギーを蓄え、放電時にはフライホイールの回転エネルギーを誘導電動機によって電気エネルギーに変換して出力する。
The
VVVF20は、交流側がFW装置1の誘導電動機に接続されていると共に、直流側が連系インバータ4aとの直流リンク部に接続されている。そして、VVVF20は、FW装置1の誘導電動機に可変周波数の交流を供給してフライホイールの回転数を制御することにより、連系インバータ4aとの直流リンク部とFW装置1との間で電気エネルギーの授受を行う。
The VVVF 20 has an AC side connected to the induction motor of the
連系インバータ4aは、交流側が商用系統電源3に接続された系統連系点に接続されていると共に、直流側がVVVF20との直流リンク部に接続されている。連系インバータ4aは、充放電指令演算ブロック5aからの無効電力指令(Q指令)に基づいて系統連系点での無効電力(Q)を制御するための無効電流を制御すると共に、充放電指令演算ブロック5aからの直流電圧指令(Vdc指令)に基づいて連系インバータ4aと電力平準化装置2aとを接続する直流リンク部の電圧Vdcを一定にするための有効電流を制御する。
The
充放電指令演算ブロック5aは、連系点電圧検出器6によって検出した系統連系点の電圧Vと、連系インバータ電流検出器7によって検出した連系インバータ4aの電流Iinvと、負荷電流検出器8によって検出した負荷9の負荷電流ILと、直流電圧検出器10によって検出した連系インバータ4aと電力平準化装置2とを接続する直流リンク部の電圧Vdcとから有効電力指令(P指令)と無効電力指令(Q指令)と直流電圧指令(Vdc指令)とを演算する。そして、充放電指令演算ブロック5aは、演算したQ指令及びVdc指令を連系インバータ4aに出力すると共に、充放電指令である演算したP指令を電力平準化装置2aの周波数指令演算ブロック40に出力する。
The charge / discharge
周波数指令演算ブロック40は、充放電指令演算ブロック5aによって演算されたP指令から周波数指令を演算し、VVVF20は、周波数指令演算ブロック40で演算された周波数指令に基づいて、FW装置1(フライホイールを駆動する誘導電動機)をV/f制御する。
The frequency
次に、周波数指令演算ブロック40で行われるP指令から周波数指令を演算する演算方法について詳細に説明する。
前提として、制御を行うのはFW装置1の機械出力(単位はW)であり、FW装置1の加減速時のすべりは考慮せず、同期周波数で計算された回転数をFW装置1の回転数とし、粘性摩擦、外乱トルクはないものとする。この条件下で、加減速時のトルクをTm、FW装置1におけるフライホイールの慣性モーメントをJm、回転角速度をωmとすると、機械系の方程式から以下の関係式が導かれる。
Next, a calculation method for calculating the frequency command from the P command performed in the frequency
As a premise, the machine output of the
ここで[数1]を離散化し、サンプリング時間をTs、現在のサンプリングの回転角速度をωmn、1サンプリング前の回転角速度をωmn−1とすると、次式に書き換えられる。 Here, when [Equation 1] is discretized, the sampling time is T s , the current angular velocity of sampling is ω mn , and the rotational angular velocity before sampling is ω mn−1 , the following equation is rewritten.
さらに、モータ極対数をpとして、回転角速度ωmnとをωmn−1を電源周波数fnとfn−1で書き換えると、次式が得られる。 Further, when the number of motor pole pairs is p and the rotational angular velocity ω mn is rewritten with ω mn-1 by the power supply frequencies f n and f n−1 , the following equation is obtained.
次に、機械出力PmとトルクTmとの関係は次式で示される。なお、電源周波数fn−1は1サンプリング前の値を用いる。 Next, the relationship between the machine output P m and the torque T m is expressed by the following equation. The power supply frequency f n−1 is a value before one sampling.
次に、[数4]を[数3]に代入し、現在の周波数fnについて整理すると次式が導かれる。 Next, substituting [Equation 4] into [Equation 3] and rearranging the current frequency f n yields the following equation.
[数5]によると、充放電指令演算ブロック5aによって演算されたP指令を機械出力Pmとして演算することで、定電力となる周波数指令fnを逐一演算することが可能である。従って、充放電指令演算ブロック5aによって演算されたP指令を周波数指令演算ブロック40に入力し、周波数指令演算ブロック40で[数5]を用いて周波数指令fnを逐一演算し、VVVF20が周波数指令演算ブロック40で演算された周波数指令fnに従ってFW装置1の誘導電動機をV/f制御することで、加減速時のFW装置1の充放電電力を指令値通りに制御することができる。
According to [Equation 5], by calculating the P command calculated by the charge / discharge
周波数指令演算ブロック40は、図2を参照すると、ゲインブロック41と、除算器42と、加算器43と、すべり補正ブロック44と、周波数制限ブロック45と、遅延ブロック46とを備え、基本的に[数5]の演算を行う。
Referring to FIG. 2, the frequency
ゲインブロック41は、[数5]における定数部をまとめてゲイン化したブロックであり、入力されたP指令(Pm)に次式で示すKfを乗算する。
The
次に、除算器42によってゲインブロック41の演算結果を遅延ブロック46によって1サンプリング分遅延させた周波数指令fn−1で除算すると共に、加算器43によって除算器42の演算結果に遅延ブロック46によって1サンプリング分遅延させた周波数指令fn−1を加算する。
Next, the operation result of the
加算器43の演算結果が[数5]の演算結果となるが、充放電電力が大きく、FW装置1の加減速時間が短い場合、FW装置1の回転数がすべりの分だけずれが生じる。そこで、予めFW装置1のすべりを把握し、演算された周波数指令fn(加算器43の演算結果)に対し、すべり周波数を補正するすべり補正ブロック44を設けている。また、最終的な周波数指令fnを出力するに当たり、FW装置1を運用する上での最大周波数と最小周波数でリミットする周波数制限ブロック45を設けている。
Although the calculation result of the
この構成により、FW装置1の充電時は、周波数指令演算ブロック40に入力するP指令の符号を+で与えることで、演算される周波数指令fnは、前回の周波数指令fn−1から増加するのでFW装置1は加速し、回転エネルギーを蓄えられる。一方、FW装置1の放電時は、周波数指令演算ブロック40に入力するP指令の符号を−で与えることで、演算される周波数指令fnは、前回の周波数指令fn−1から減少するのでFW装置1は減速し、回転エネルギーが電気エネルギーに変換されて出力される。
With this configuration, when the
なお、本実施の形態では、FW装置1の誘導電動機のベースとなる制御をV/f制御としたが、FW装置1の誘導電動機のベースとなる制御をベクトル制御の速度制御に置き換えても良い。この場合には、周波数指令fnを速度指令に変換することで、同様のFW装置1の定電力制御を行うことができる。
In the present embodiment, the control that is the base of the induction motor of the
以上説明したように、本実施の形態は、フライホイールと、当該フライホイールに結合された誘導電動機とを備えたFW装置1を用いて系統連系点における電力変動を補償する電力平準化装置2aであって、系統連系点に接続された連系インバータ4aへの充放電指令である有効電力指令(P指令)から周波数指令を演算する周波数指令演算ブロック40と、直流側が連系インバータ4aとの直流リンク部に接続され、周波数指令演算ブロック40によって演算された周波数指令を用いてFW装置1の誘導電動機をV/f制御する可変電圧可変周波数電源20とを備えている。
この構成により、充放電指令からFW装置1の誘導電動機の周波数指令を直接演算することで、FW装置1の充放電電力を充放電指令通りに制御することができる。
As described above, the present embodiment uses the
With this configuration, the charge / discharge power of the
さらに、本実施の形態において、連系インバータ4aとの直流リンク部の直流電圧Vdcは、連系インバータ4aによって一定に制御されている。
この構成により、連系インバータ4aと可変電圧可変周波数電源20との直流リンク部
直流電圧Vdcは、連系インバータ4a側で一定に制御されるので、回生失効にならず、FW装置1を効率よく充放電することが可能となる。
Further, in the present embodiment, the DC voltage V dc at the DC link section with respect to the
With this configuration, the DC link portion DC voltage V dc between the
さらに、本実施の形態において、周波数指令演算ブロック40は、充放電指令をPm、周波数指令をfn、サンプリング時間をTs、1サンプリング前の周波数指令をfn−1、誘導電動機のモータ極対数をp、フライホイールの慣性モーメントをJmとそれぞれすると、
fn=fn−1+(p/2π)2・(TsPm/Jmfn−1)
によって演算するように構成されている。
この構成により、簡単な演算によって、連系インバータ4aへの充放電指令である有効電力指令(P指令)から周波数指令を演算することができる。
Further, in the present embodiment, the frequency
f n = f n-1 + (p / 2π) 2 · (T s P m / J m f n-1 )
It is comprised so that it may calculate by.
With this configuration, the frequency command can be calculated from an active power command (P command) that is a charge / discharge command to the
さらに、本実施の形態において、充放電指令は、系統連系点の電圧Vと、連系インバータ4aの電流Iinvと、負荷電流ILと、連系インバータ4aと可変電圧可変周波数電源20との直流リンク部の直流電圧Vdcとに基づいて演算される。
Further, in this embodiment, the charge and discharge command includes a voltage V of the grid interconnection point, and the current I inv of
以上の実施の形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成(材質)等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
例えば、本実施の形態では、FW装置1の誘導電動機の制御方法について説明したが、本発明の制御方法は、FW装置1に特定されるものではなく、誘導電動機を一定電力で加減速する場合の制御方式として適用可能である。
The configurations, shapes, sizes, and arrangement relationships described in the above embodiments are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood and implemented, and numerical values and compositions (materials) of the respective components. Is merely an example. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, and can be modified in various forms without departing from the scope of the technical idea shown in the claims.
For example, in the present embodiment, the control method of the induction motor of the
1 FW装置
2 電力平準化装置
2a 電力平準化装置(本実施の形態)
3 商用系統電源
4、4a 連系インバータ
5、5a 充放電指令演算ブロック
6 連系点電圧検出器
7 連系インバータ電流検出器
8 負荷電流検出器
9 負荷
10 直流電圧検出器
20 可変電圧可変周波数電源(VVVF)
30 直流電圧一定制御ブロック
40 周波数指令演算ブロック(周波数指令演算部)
41 ゲインブロック
42 除算器
43 加算器
44 すべり補正ブロック
45 周波数制限ブロック
46 遅延ブロック
DESCRIPTION OF
3 Commercial
30 DC voltage
41
Claims (4)
前記系統連系点に接続された連系インバータへの充放電指令から周波数指令を演算する周波数指令演算部と、
直流側が前記連系インバータとの直流リンク部に接続され、前記周波数指令演算部によって演算された前記周波数指令を用いて前記フライホイール装置の前記誘導電動機をV/f制御する可変電圧可変周波数電源とを具備することを特徴とする電力平準化装置。 A power leveling device that compensates for power fluctuations at a grid connection point using a flywheel device including a flywheel and an induction motor coupled to the flywheel,
A frequency command calculation unit that calculates a frequency command from a charge / discharge command to the interconnection inverter connected to the grid interconnection point;
A variable voltage variable frequency power source having a DC side connected to a DC link unit with the interconnection inverter and V / f controlling the induction motor of the flywheel device using the frequency command calculated by the frequency command calculation unit; A power leveling apparatus comprising:
fn=fn−1+(p/2π)2・(TsPm/Jmfn−1)
によって演算することを特徴とする請求項1又は2記載の電力平準化装置。 The frequency command calculation unit is configured such that the charge / discharge command is P m , the frequency command is f n , the sampling time is T s , the frequency command before sampling is f n−1 , and the number of motor pole pairs of the induction motor is p When the inertia moment of the flywheel is J m ,
f n = f n-1 + (p / 2π) 2 · (T s P m / J m f n-1 )
The power leveling device according to claim 1, wherein the power leveling device performs calculation according to claim 1.
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