JP2015104210A - 電力平準化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フライホイール装置の充放電電力を充放電指令通りに高性能且つ低損失に制御することができる電力平準化装置
【解決手段】フライホイールと、当該フライホイールに結合された発電電動機とを備えた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）と発電電動機の回転角速度をω_ｍとからトルク指令を演算するトルク指令演算ブロック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、トルク指令演算ブロック４０によって演算されたトルク指令を用いてＦＷ装置１の発電電動機をベクトル制御する可変電圧可変周波数電源２０ａとを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、大容量蓄電デバイスとしてフライホイールを用いた電力平準化装置に関するものである。

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。

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Ｉ_ｉｎｖ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Ｉ_Ｌ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Ｖ_ｄｃ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Ｖ_ｄｃ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Ｖ_ｄｃ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）。

特開２０１２−１１４９９４号公報

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Ｖ_ｄｃ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。

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高性能且つ低損失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。

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発電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と前記発電電動機の回転速度とからトルク指令を演算するトルク指令演算部と、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、前記トルク指令演算部によって演算された前記トルク指令を用いて前記フライホイール装置の前記発電電動機をベクトル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、前記トルク指令演算部は、前記充放電指令をＰ_ｍ、前記発電電動機の回転速度である回転角速度をω_ｍとそれぞれすると、
Ｔ_ｍ＝Ｐ_ｍ／ω_ｍ
によって前記トルク指令Ｔ_ｍを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。

本発明によれば、充放電指令からフライホイール装置の発電電動機のトルク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高性能且つ低損失に制御することができるという効果を奏する。

本発明に係る電力平準化装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。 図１に示すトルク指令演算ブロックの構成を示すブロック図である。 従来の電力平準化装置の構成を示すブロック図である。

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。

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）２０ａと、トルク指令演算ブロック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発電電動機（誘導電動機に限定するものではなく同期電動機を含む全ての三相交流電動機）とを備え、充電時には発電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発電電動機によって電気エネルギーに変換して出力する。

ＶＶＶＦ２０ａは、交流側がＦＷ装置１の発電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の発電電動機をベクトル制御し、フライホイールを加減速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。

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（Ｖ_ｄｃ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Ｖ_ｄｃを一定にするための有効電流を制御する。

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４の電流Ｉ_ｉｎｖ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Ｉ_Ｌ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Ｖ_ｄｃ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（Ｖ_ｄｃ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Ｖ_ｄｃ指令を連系インバータ４ａに出力すると共に、演算したＰ指令を電力平準化装置２ａのトルク指令演算ブロック４０に出力する。

トルク指令演算ブロック４０は、充放電指令演算ブロック５ａによって演算されたＰ指令と、ＶＶＶＦ２０ａによって演算されたＦＷ装置１の回転角速度とからトルク指令を演算し、ＶＶＶＦ２０ａは、トルク指令演算ブロック４０で演算されたトルク指令に基づいて、ＦＷ装置１（フライホイールを駆動する発電電動機）をベクトル制御する。

次に、トルク指令演算ブロック４０で行われるＰ指令からトルク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Ｔ_ｍ、機械出力をＰ_ｍ、回転角速度をω_ｍとすると、機械系の方程式から以下の関係式が導かれる。

［数１］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Ｐ_ｍとし、ＶＶＶＦ２０ａでＦＷ装置１の回転角速度ω_ｍを演算することで、トルク指令Ｔ_ｍを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指令をトルク指令演算ブロック４０に入力すると共に、ＶＶＶＦ２０ａによって演算されたＦＷ装置１の回転角速度ω_ｍをトルク指令演算ブロック４０に入力し、トルク指令演算ブロック４０で［数１］を用いてトルク指令Ｔ_ｍを逐一演算する。

そして、ＶＶＶＦ２０ａは、トルク指令演算ブロック４０で演算されたトルク指令Ｔ_ｍに従ってＦＷ装置１の発電電動機をベクトル制御する。なお、トルク指令Ｔ_ｍに従った発電電動のベクトル制御は、本出願人が先に出願した特願２０１０−７３２４８号によって提案している。具体的には、トルク指令Ｔ_ｍにトルク係数の逆数を乗算することでｑ軸電流指令を求めることができる。そして、磁束指令は、トルク指令Ｔ_ｍをＬＰＦ処理し、定格トルクと定格電流を用いた演算を行った後，相互インダクタンスと回転座標換算のための係数を乗じて求めることができる。これにより、加減速時のＦＷ装置１の充放電電力を指令値通りに高性能且つ低損失に制御することができる。

トルク指令演算ブロック４０は、図２を参照すると、除算器４１と、トルク制限ブロック４２とを備え、基本的に［数１］の演算を行う。除算器４１の演算結果が［数１］の演算結果となる。しかし、ＦＷ装置１の回転数が低い場合、指令通りの電力を充放電すると、ＦＷ装置１を駆動する発電電動機に過大なトルクが発生し、発電電動機が焼き切れる可能性が有る。従って、トルク制限ブロック４２を設け、発電電動機のトルク指令Ｔ_ｍを制限している。

この構成により、ＦＷ装置１の充電時は、トルク指令演算ブロック４０に入力するＰ指令の符号を＋で与えることで、演算されるトルク指令Ｔ_ｍの符号も＋となり、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、トルク指令演算ブロック４０に入力するＰ指令の符号を−で与えることで、トルク指令Ｔ_ｍの符号も−となり、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。但し、ＦＷ装置１の回転方向が正転の時の関係であり、ＦＷ装置１が逆転で回転している場合、Ｐ指令の符号とトルク指令Ｔ_ｍの符号は反転の関係となる。

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発電電動機とを備えた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）と発電電動機の回転角速度をω_ｍとからトルク指令を演算するトルク指令演算ブロック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、トルク指令演算ブロック４０によって演算されたトルク指令を用いてＦＷ装置１の発電電動機をベクトル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の発電電動機を制御するためのトルク指令を直接演算し、ＦＷ装置１の充放電電力を充放電指令通りに高性能且つ低損失に制御することができる。

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Ｖ_ｄｃ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Ｖ_ｄｃ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。

さらに、本実施の形態において、トルク指令演算ブロック４０は、充放電指令をＰ_ｍ、回転角速度をω_ｍとそれぞれすると、
Ｔ_ｍ＝Ｐ_ｍ／ω_ｍ
によってトルク指令Ｔ_ｍを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）からトルク指令Ｔ_ｍを演算することができる。

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Ｉ_ｉｎｖと、負荷電流Ｉ_Ｌ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Ｖ_ｄｃとに基づいて演算される。

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の発電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。

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）
２０ａ 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 トルク指令演算ブロック（トルク指令演算部）
４１ 除算器
４２ トルク制限ブロック

Claims (4)

1. フライホイールと、当該フライホイールに結合された発電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と前記発電電動機の回転速度とからトルク指令を演算するトルク指令演算部と、
   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、前記トルク指令演算部によって演算された前記トルク指令を用いて前記フライホイール装置の前記発電電動機をベクトル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。
2. 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ることを特徴とする請求項１記載の電力平準化装置。
3. 前記トルク指令演算部は、前記充放電指令をＰ_ｍ、前記発電電動機の回転速度である回転角速度をω_ｍとそれぞれすると、
   Ｔ_ｍ＝Ｐ_ｍ／ω_ｍ
   によって前記トルク指令Ｔ_ｍを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。
4. 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ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電力平準化装置。

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