JP2016208723A - 電力系統の需給調整方式 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力需給変動時における周波数維持能力を高く維持し得る電力系統の需給調整方式を提供する。【解決手段】 発電設備２ＢとしてＳＯＦＣ４が接続された電力系統の需給調整方式であって、電力系統の系統電源線１における負荷変動に対する回転体の回転による発電を行う発電設備の出力応答における前記発電機の慣性応答領域に相当する制御をＰＣＳ５による電流制御のみでＳＯＦＣ４の出力制御を行う第１のモードと、前記出力応答における前記発電機のガバナフリー領域以降に相当する制御をＰＣＳ５による電流制御とともに、供給する燃料流量の制御によりＳＯＦＣ４の出力制御を行う第２のモードとを有する。【選択図】 図２

Description

本発明は電力系統の需給調整方式に関し、特に系統周波数の不安定要素となる太陽光や風力等の再生可能エネルギーを利用した発電設備が接続される電力系統に適用するのが有用である。

電力系統の負荷（需要）は、様々な周期成分をもって時々刻々変動しており、安定な電力供給を実現するためには、この変動する負荷量に対し発電量を常に一致させ、電力系統での周波数（５０または６０Ｈｚ）を一定に保つ必要がある。一般に、瞬時に変動する負荷に追従する周波数制御は、並列中の火力や水力の発電機により行われており、負荷変動周期に対する発電機の運転制御は図３のような分担となる。図３において瞬時〜秒オーダーの領域は、同期発電機による慣性応答（回転エネルギーによる同期化トルク）、ガバナフリーがその周波数維持機能を担う。

今後、再生可能エネルギーを利用した電源としての太陽光発電設備や風力発電設備が大量に導入された場合、気象条件により負荷側のみならず、発電側でも大きな変動が予想され、火力発電については、柔軟な出力調整機能として、出力変化速度の向上、最低出力の低減（下げ代不足の改善）、低出力時での効率改善、瞬動予備力（概ね１０秒以内の変動に応答可能な予備力であり、主にガバナフリーで対応）の確保等が益々求められる。特に、慣性応答も含む瞬動予備力の確保に関し、電力変換装置を介して系統連系される太陽光発電などは同期発電機（回転体）による同期化力を持たないため、大量導入された場合は、同期発電機の並列台数減少による瞬動予備力の低下を招くこととなる。

従って、電力系統に連系する再生可能エネルギーを利用した電源が増えれば、電力需給変動時における周波数維持能力が電力系統全体として不足することが懸念される。

なお、本発明に関連する公知文献として特許文献１〜特許文献３が存在する。特許文献１は、二次電池を用いたアンシラリーサービスの提供方法およびシステムを開示するものである。しかしながら、特許文献１は、二次電池による瞬動予備力を用いた系統周波数制御の方法およびシステムを開示するもので、燃料電池ではない。特許文献２は、プラント負荷制御装置であり、蒸気タービンによるガバナフリー制御手法を開示するものであるが、燃料電池によるガバナフリー相当の瞬動予備力手法を開示するものではない。特許文献３は、燃料電池発電システムであり、燃料電池とコンデンサーの組合せによる負荷変動対策であり、燃料電池の瞬時負荷応答性を考慮した電池単体の負荷変動対応とはなっていない。

特許第３７３８２２７号公報 特許第２６８６３３６号公報 特開２００７−６６７２４号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、電力需給変動時における周波数維持能力を高く維持し得る電力系統の需給調整方式を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池も太陽光発電と同様、インバータ（直流／交流変換器）を含む電力変換装置を介して電力系統に連系することができるが、燃料制御により出力を調整可能な点は火力発電機器と同様である。すなわち、燃料電池は、図３におけるガバナフリー領域以降に相当する負荷応答性を有していることは知られているものの、図３における慣性応答領域の瞬時的な負荷変動には対応できないと考えられていた。なお、前記電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣ昇圧機能、インバータ（ＤＣ／ＡＣ変換）機能、絶縁機能、保護機能などから構成され、負荷あるいは系統へ電力供給を司る装置のことで、パワーコンディショナ（ＰＣＳ）とも呼ばれる。保護機能には、単独運転防止、ＦＲＴ（Ｆａｕｌｔ Ｒｉｄｅ Ｔｈｒｏｕｇｈ）、出力（有効電力）制御、無効電力制御などが含まれる。

上述の如く現状では、燃料電池を慣性応答領域の負荷変動に対処させるのは困難であると考えられている。ただ、慣性応答領域の負荷応答にも対処させることができれば、例えば電力系統事故時における周波数維持能力を電力系統全体として高く維持させることができ、電力系統の需給調整手段として有用なことは論を俟たない。天候により大きく出力が変動する太陽光や風力を利用した再生可能エネルギー利用の発電設備が多く接続されればされるほど有用性は顕著になる。

そこで、燃料電池の一種であるＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）における許容可能な負荷（電流）変動範囲を明らかにした上で、その負荷変動による秒オーダーのＳＯＦＣ瞬時負荷応答性を検証する試験を行った。

その結果、ＳＯＦＣの単セルにおいて、投入燃料流量は一定のまま電流を１秒間間隔で２０秒間変動させる負荷変動試験を行った。なお、上記変動試験の条件では、燃料電池から取り出される電流と投入した燃料が電流に変換される割合を示す燃料利用率Ｕ_ｆは比例関係にある。この変動試験での電圧挙動から得られるセル内部抵抗の経時変化は、負荷変動に伴いＵ_ｆが１００％を大きく超える条件では、内部抵抗の値が経時的に増加し、セル性能の健全性が失われていることが分かった。この結果より、内部抵抗が経時増加を引き起こさず、定常的な負荷変動を行える範囲としては、Ｕ_ｆ＝１００％以下に相当する電流範囲が一つの目安になる。

そこで、燃料流量一定下での負荷変動の上限値をＵ_ｆ＝１００％とし、図４に示した各種波形による負荷変動試験（変動周期ΔＴ＝０．０２〜６０ｓｅｃにて１時間の連続試験）を実施した。そのうち三角波による変動試験で得られた各周期での出力特性を図５に示す。図５中、最下段が電流（三角波）波形、最上段が対応する電圧波形、中段が電流および電圧の積である出力（電力）波形であり、出力の１００％が凡例内のＡｖｅ値ｋＷ／ｍ^２に対応する。

同図を参照すれば、周期０．０２〜２ｓｅｃの範囲では、変動する電流密度Ｊ（ｔ）と同期の取れた出力Ｗ（ｔ）が得られており、この範囲では電流制御による瞬時負荷応答が可能であることが分かる。一方、周期１０、２０ｓｅｃでは、電圧Ｖ（ｔ）の低下が電流の上限値近傍でより大きくなり、出力は電流に同期した応答とはなっていない。このため、三角波を含む図４に示す他の変動波形においても、１０秒以上の同期出力を得ようとすれば、電力変換装置による電流変動に追従し、燃料電池に投入する燃料流量を変動させる流量制御も必要になる。これらの試験結果を纏めて負荷変動の周期に対する各種波形の追従性の良否を表１に示す。

表１に示す結果は、燃料利用率Ｕ_ｆを５０〜１００％、電流密度Ｊを１３３〜２６７ｍＡ／ｃｍ^２とした場合の結果であり、図中の○印が良好な同期出力が得られている場合、△印は良好な同期出力が得られていない場合、×印は試験不実施（電流の上限近傍でのセル電圧低下が大きく、電流増加による出力増加が困難と予想されたため）の場合をそれぞれ示している。

図５および表１の結果を参照すれば、負荷の変動周期ΔＴが２ｓｅｃ程度までは、回転力によるイナーシャを利用した慣性応答領域の制御機能をインバータによる出力電流の制御機能で行い得ることが分かる。すなわち、燃料電池は、電池自身が内部に抱えているあるいは流路に溜まっている燃料ガスがあるので、その部分が瞬間的に反応していると考えられる。これは、回転体のイナーシャに相当するという新たな知見である。そこで、燃料電池における係る新たな知見を利用することで、図３における慣性応答領域の瞬時的な負荷変動にも対応できるという結論に思い至った。

係る知見に基づく本発明の第１の態様は、発電設備の一種として燃料電池が接続された電力系統の需給調整方式であって、前記電力系統の負荷変動に対する回転体の回転による発電を行う発電設備の出力応答における前記発電機の慣性応答領域に相当する制御を電力変換装置による電流制御のみで前記燃料電池の出力制御を行う第１のモードと、前記出力応答における前記発電機のガバナフリー領域以降に相当する制御を電力変換装置による電流制御とともに、供給する燃料流量の制御により前記燃料電池の出力制御を行う第２のモードとを有することを特徴とする電力系統の需給調整方式にある。

本態様によれば、電池自身が内部に抱えているあるいは流路に溜まっている燃料ガスを瞬間的に反応させることで、回転体のイナーシャに相当する慣性応答を実現し得るという新たな知見を利用しているので、慣性応答領域の周波数変動に対し、燃料電池の出力電流を制御することで良好に対応し得る。この結果、燃料電池による瞬時応答性を活用した系統周波数制御への予備力を良好に確保し得る。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する電力系統の需給調整方式において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする電力系統の需給調整方式にある。

本態様によれば、固体酸化物形燃料電池で、具体的に第１の態様と同様の作用・効果を得ることができる。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に記載する電力系統の需給調整方式において、第１のモードは、負荷変動周期が２秒までとし、それ以降は第２のモードとすることを特徴とする電力系統の需給調整方式にある。

本態様によれば、慣性応答領域を具体的な時間幅をして規定することができる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の態様のいずれか一つに記載する電力系統の需給調整方式において、前記発電設備の中に、再生可能エネルギー発電を利用したものを含むことを特徴とする電力系統の需給調整方式にある。

本態様によれば、気象条件により大きく出力が変動する太陽光や風力による再生可能エネルギーを利用した発電設備が電力系統に接続されていても燃料電池による瞬時応答性を活用した系統周波数制御への予備力を良好に確保し得る。

本発明によれば、所定の負荷変動領域では、燃料電池の燃料流量が一定であっても、電力変換装置により出力電流を瞬間的に変化させることで負荷変動を吸収することが可能となるという知見に基づき所定の第１のモードでは、回転体の回転による発電を行う発電設備における回転体のイナーシャを利用した慣性応答領域に相当する制御を電力変換装置による燃料電池の電流制御のみで実現し得る。このため、当該燃料電池を接続した電力系統の周波数維持能力を高く維持するのに寄与させることができる。

併せて電流制御だけでは適切な対処が困難になる第２のモードでは、電力変換装置による電流制御とともに、供給する燃料流量の制御により燃料電池の出力制御を行うようにしたもので、回転体の回転による発電を行う発電設備におけるガバナフリー領域以降の負荷変動に対しても適切に対処し得る。

この結果、燃料電池による瞬時負荷応答性を活用した系統需給調整への貢献可能な瞬動予備力の提供を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る電力系統を概念的に示す説明図である。 図１の発電設備（燃料電池）部分を抽出して詳細に示すブロック図である。 電力系統の負荷変動周期に対する需給調整（周波数制御）の分担概念図である。 燃料電池の負荷変動試験に用いた各種変動波形を示す波形図である。 図４に示す各種波形中、三角波による変動試験で得られた各周期での出力応答を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は電力系統を概念的に示す説明図である。同図に示すように本形態に係る電力系統の系統電源線１には複数の発電設備２と各種の負荷３が接続されている。ここで、発電設備としては従来の火力による発電設備２Ａとともに燃料電池を利用した発電設備２Ｂおよび気象条件の影響を受けやすく出力変動幅が大きい再生可能エネルギーを利用した太陽光を利用した発電設備２Ｃや風力を利用した発電設備（図示せず）も接続されている。ここで、発電設備２Ｂは、燃料電池、例えばＳＯＦＣを電源とする。

図２は、図１の発電設備（燃料電池）部分を抽出して詳細に示すブロック図である。同図に示すように、本形態における発電設備２Ｂは、燃料電池であるＳＯＦＣ４、インバータを含むパワーコンディショナ（以下、ＰＣＳと略称する）５、周波数検出器６、周波数変動検出部７、燃料の流量制御部８からなる。さらに詳言すると、周波数検出器６では系統電源線１の周波数ｆを検出して周波数変動検出部７に周波数情報を提供している。周波数変動検出部７では周波数ｆと系統電源線１の電源周波数として予め設定されている基準周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）ｆ_０とを比較して両者の偏差（ｆ−ｆ_０＝Δｆ）を演算するとともに、偏差Δｆ＞０のときにはＰＣＳ５を制御してＳＯＦＣ４の出力を減少させるとともに、偏差Δｆ＜０のときにはＰＣＳ５を制御してＳＯＦＣ４の出力を増大させるように制御する。ここで、周波数変動検出部７と連動したＰＣＳ５によるＳＯＦＣ４の出力変動が、例えば２ｓｅｃまではＰＣＳ５の制御によるＳＯＦＣ４の出力電流の制御のみで対応する。２ｓｅｃ以降は、適宜ＳＯＦＣ４に供給する燃料流量が増加するように流量制御部８も周波数変動検出部７と連動した制御を行う。すなわち、ＳＯＦＣ４の出力電流の制御のみならず燃料の流量制御も行って系統での周波数変動に対処する。

係る本形態によれば、ＳＯＦＣ自身が内部に抱えているあるいは流路に溜まっている燃料ガスを瞬間的に反応させることで、回転体のイナーシャに相当する慣性応答を実現し得るので、慣性応答領域の周波数変動に対し、ＳＯＦＣ４の出力電流を制御することで良好に対応するとともに、慣性応答領域を超えるガバナフリー領域以降の周波数変動に対しては燃料流量の制御も追加して対応する。この結果、燃料電池による瞬時応答性を活用した系統周波数制御への予備力を良好に確保し得る。

なお、上記実施の形態では、燃料電池としてＳＯＦＣの場合を例示したが、燃料電池であれば他の形式のものでも構わない。

本発明は、電力系統を構築する発送電分野での需給調整を行う産業分野で好適に利用することができる

１ 系統電源線
２Ａ 発電設備（火力）
２Ｂ 発電設備（燃料電池）
２Ｃ 発電設備（太陽光）
３ 負荷
４ ＳＯＦＣ
５ ＰＣＳ
６ 周波数検出器
７ 周波数変動検出部
８ 流量制御部

Claims (4)

1. 発電設備の一種として燃料電池が接続された電力系統の需給調整方式であって、
   前記電力系統の負荷変動に対する回転体の回転による発電を行う発電設備の出力応答における前記発電機の慣性応答領域に相当する制御を電力変換装置による電流制御のみで前記燃料電池の出力制御を行う第１のモードと、
   前記出力応答における前記発電機のガバナフリー領域以降に相当する制御を電力変換装置による電流制御とともに、供給する燃料流量の制御により前記燃料電池の出力制御を行う第２のモードとを有することを特徴とする電力系統の需給調整方式。
2. 請求項１に記載する電力系統の需給調整方式において、
   前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする電力系統の需給調整方式。
3. 請求項１または請求項２に記載する電力系統の需給調整方式において、
   第１のモードは、負荷変動周期が２秒までとし、それ以降は第２のモードとすることを特徴とする電力系統の需給調整方式。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載する電力系統の需給調整方式において、
   前記発電設備の中に、再生可能エネルギー発電を利用したものを含むことを特徴とする電力系統の需給調整方式。