JP2017200275A - 電力系統解析システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な手法での解析を可能とする電力系統解析システム及び方法を提供する。
【解決手段】電力変換器を備えた風力発電を含む複数の発電機が連系された電力系統解析を行うための電力系統解析システムであって、電力変換器が電力系統に接続される連系点電圧と、運転継続可否の関係を表形式で記憶する記憶手段ＤＢ１と、電力変換器を除く電力系統における応動を模擬するモデルを含む過渡安定性解析部２０を備える。過渡安定性解析部は、電力系統の想定故障条件を設定する系統故障設定部と、想定故障条件をもとに電力系統のモデルを作成する系統解析モデル作成部と、系統解析モデル作成部で作成したモデルを用いて、電力系統の状態を計算する系統計算部と、風力発電の運転継続の可否を判定する解列判定部を備える。系統計算部は、風力発電の運転継続の可否を考慮して新たに作成したモデルを用いて電力系統全体としての故障発生後の過渡安定性解析を実行する。
【選択図】図５

Description

本発明は自然エネルギー発電がパワーエレクトロニクスを介して連系した電力系統の解析を、パワーエレクトロニクスによる自然エネルギーの運転継続、解列を判定しながら解析する電力系統解析システム及び方法に係り、特に系統故障を想定した時間シミュレーションでのインバータの動作モデルについて、連系点の情報からインバータの解列の可否を判定するインバータ解列判定ＬＵＴ（Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ）を作成し、インバータ解列判定ＬＵＴを元に自然エネルギー出力量を決定しながら時間シミュレーションをする電力系統解析システム及び方法に関する。

近年、電力系統への自然エネルギーの連系量が増大している。自然エネルギーは電力系統へ電力変換器を介して連系されるため、系統故障時の応動は電力変換機器の制御に依存する。例えば、非特許文献１には、故障時運転継続（FRT：Fault Ride Through）規定（以下「ＦＲＴ規定」という。）の規定が示されている。この規定に従って、自然エネルギー発電が運転される場合、系統故障直後に自然エネルギー発電の運転が継続されるかどうかは系統状態によって決まることになる。

この電力変換器の応動が、系統に連系された回転型発電機の故障時の安定性（過渡安定性）を制限するケースがある。例えば非特許文献２では、自然エネルギーの挙動によって、過渡安定性に違いがあらわれることを示している。そのため、故障時の電力変換器の応動の正確な解析が必要となる。このことから、電力変換器の応動を、系統解析で模擬する方法が検討されている。

電力変換器の応動を、系統解析で模擬する方法について、例えば特許文献１には、インバータの応動を実効値モデルにて解析する方法が示されている。

また、例えば非特許文献３には、系統故障の影響をおおきく受ける電力変換器の応動は、瞬時値解析によって詳細に解析し、系統故障の影響をあまり受けない電力変換器の応動は、実効値によって簡単に模擬することで、電力系統の過渡安定性を計算する方法が示されている。

特開-２００３−０９２８２８号公報

「日本電気技術規格委員会、ＪＥＳＣ Ｅ００１９ 系統連系規定 ＪＥＡＣ ９７０１−２０１２［２０１３年 追補版（その１）］」、社団法人日本電気協会系統連系専門部会ＪＥＡＣ ９７０１−２０１２（２０１３） 「太陽光発電大量導入時の一機無限大母線系統の過渡安定度解析」、電気学会論文誌Ｂ、Ｖｏｌ．１３２、Ｎｏ．１（２０１２） 「遠方系統の単相実効値模擬による電力系統瞬時値解析の高速化」、電気学会論文誌Ｂ、Ｖｏｌ．１３５、Ｎｏ．８（２０１４）

電力変換器の応動を、系統解析で模擬する方法についての、特許文献１に記載の方法によれば、インバータから出力される電流を計算する方法は示されているが、インバータの連系点の状態による、インバータの運転継続可否を判定する方法は記載されていない。また非特許文献２に述べられているように、自然エネルギーの運転継続可否によって過渡安定性に違いが表れるため、特許文献１に記載の方法で過渡安定性を解析した場合に大きな誤差を持つことが懸念される。そこで、非特許文献３の方法でインバータの瞬時値解析をすることも考えられる。

しかし、非特許文献３の手法ではインバータの動作解析の時間が長くなってしまうため、過渡安定性シミュレーションの時間も増大する懸念がある。特に自然エネルギー発電設備数が増大してくると、１設備あたりの解析時間が長いことは、系統全体の解析を行う上では大きな負担となってくる。そのうえ想定故障は、系統各所で、かつ複数種別の故障を想定することが望ましいので、この観点から見ても解析の負担が大きく、実現性に乏しいものと言わざるを得ない。

以上のことから本発明においては、簡便な手法での解析を可能とする電力系統解析システム及び方法を提供することを目的とする。

以上のことから本発明においては、電力変換器を備えた風力発電を含む複数の発電機が連系されて構成された電力系統における解析を行うための電力系統解析システムであって、
電力変換器が電力系統に接続される連系点における電圧と、この電圧のときに電力変換器の運転継続可否の関係を表形式で記憶する記憶手段と、電力変換器を除く電力系統における応動を模擬するモデルを含む過渡安定性解析部を備え、
過渡安定性解析部は、電力系統における想定故障条件を設定する系統故障設定部と、系統故障設定部で設定された想定故障条件をもとに、解析対象である電力系統のモデルを作成する系統解析モデル作成部と、系統解析モデル作成部で作成したモデルを用いて、電力系統の状態を計算する系統計算部と、系統計算部で求めた電力変換器が電力系統に接続される連系点における電圧の情報から、記憶手段を参照して、風力発電の運転継続の可否を判定する解列判定部を備え、系統計算部は、風力発電の運転継続の可否を考慮して新たに作成したモデルを用いて電力系統全体としての故障発生後の過渡安定性解析を実行することを特徴とする。

また本発明においては、電力変換器を備えた風力発電を含む複数の発電機が連系されて構成された電力系統における解析を行うための電力系統解析方法であって、
電力変換器が電力系統に接続される連系点における電圧と、この電圧のときに電力変換器の運転継続可否の関係を表形式で記憶しておき、電力系統における想定故障条件をもとに、解析対象である電力系統のモデルを作成し、作成したモデルを用いて、電力系統の状態を計算し、電力変換器が電力系統に接続される連系点における電圧の情報から、風力発電の運転継続の可否を判定し、風力発電の運転継続の可否を考慮して新たに作成したモデルを用いて電力系統全体としての故障発生後の過渡安定性解析を実行することを特徴とする。

本発明の電力系統解析システム及び方法により、インバータが連系された電力系統の過渡安定性を、インバータの解列を判定することで精度よく解析可能であり、インバータの解列判定を高速に可能とすることで、時間シミュレーションの時間短縮可能となる。

本発明のそれ以外の効果については、明細書中で説明する。

本発明に係る系統解析モデルの構成例を示す図。 風力発電を含む電力系統の一例を示した図。 本発明による過渡安定性解析のアルゴリズムの例を示す図。 本発明に係る系統解析モデルを計算機システムにより構成する場合の電力系統解析システムの構成例を示す図。 本発明に係る電力系統解析システムの処理機能構成を示す図。 ＦＲＴ規定の運転継続領域を表す図。 ＦＲＴ規定の出力規定を表す図。 系統解析モデルにおける、風力発電機の模擬の一例を示す図。 電圧降下量と運転継続についての第１のテーブルＬＵＴ１を示す図。 位相変化量と運転継続についての第２のテーブルＬＵＴ２を示す図。 三相電圧差最大値と運転継続についての第３のテーブルＬＵＴ３を示す図。 三相位相差最大値と運転継続についての第４のテーブルＬＵＴ４を示す図。 風力発電が複数ある系統で故障があった際の、各風力発電の動作を示す図。 図１３の系統において、系統故障Ｆ（三相地絡故障）が発生した場合の、故障中の各ノード電圧をグラフ形式で示す図。 運転継続可否の要否を判定する場合に本発明を実施する際のアルゴリズムを示す図。 図３の風力発電動作計算を行う処理ステップＳ３８１における風力発電の状態を計算する方法を示す図。 解列・出力判定テーブルＬＵＴ１０を示す図。 解列判定テーブルＬＵＴ１〜ＬＵＴ４を使用する領域を示す図。 処理ステップＳ３２４０におけるＬＵＴ使用判定及び出力パターン決定のアルゴリズムを示す図。 図１３の系統において、系統故障Ｆ（三相地絡故障）が発生した場合の、故障中の各ノード電圧を表形式で示す図。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図２は、自然エネルギー電源である風力発電１７０を含む電力系統の一例を示した図である。図２の電力系統は、ノード（母線）１２０およびそれらを接続する送電線路１４０、ノード１２０に接続される火力発電１３０、負荷１５０、変圧器１６０、風力発電１７０などで構成されている。また、風力発電１７０は、インバータ１７０１、直流送電部１７０２、コンバータ１７０３、発電部１７０４から構成されている。なお、風力発電の上記構成は風力発電の一例であり、インバータを介して系統に連系される構成であればよい。

このような電力系統で、落雷等の系統故障Ｆが発生した場合、火力発電１３０の加速（回転数上昇）や動揺（振動）が発生する。この発電機の加速が一定量以上であるか、動揺が発散する場合、火力発電の運転を継続することができず、過渡安定性および同期安定性が維持できない状態となる。このため図２の電力系統について、この応動を表す系統解析モデルを作成し、時間シミュレーションを行うことで、過渡安定性および同期安定性が維持可能か判定することができる。

この場合に、電力系統の過渡安定度シミュレーションの結果には、風力発電１７０の故障時の動きが影響を与えることになる。風力発電１７０が電力系統故障後に送電継続できるのとできないのとでは、その後の電力系統の過渡安定度シミュレーションの結果が相違してくる。このため、電力系統故障時の電圧低下時に、風力発電１７０の特に電力変換器（インバータ１７０１）が運転継続可能か否か、風力発電１７０が複数である場合にどこの風力発電１７０が運転継続可能か否か、さらにはこの結果として電力系統故障後の風力発電１７０による合計送電量がどの程度になるかを推定することが必要であり、この推定結果により電力系統の過渡安定度シミュレーションの結果としての過渡安定性および同期安定性が維持可能か否かの判定が相違してくる。

このため、電力系統に連系された風力発電１７０について、系統故障時の動作特性（ＦＲＴ特性など）を正確に模擬することが重要となる。一方で、風力発電の数が増えるほどシミュレーション時間が増大することが懸念される。風力発電の解析で特に時間を要するのは電力変換器のインバータの瞬時値解析である。

以上のことから本発明においては、系統故障時の動作特性の解析に利用する系統解析モデルを構成するに当たり、特に風力発電の電力変換器のインバータの瞬時値解析が容易に行えるようにしたものである。

図１は、本発明に係る系統解析モデルの構成例を示している。図２の解析対象電力系統と対比すると、図１の系統解析モデルは、送電系統２２０と、複数の火力発電１３０と、風力発電１７０により表現されている。なおこのモデルでは、風力発電の電力変換器のインバータの応動を主体に解析する目的のものであるため、風力発電１７０について、インバータ１７０１、直流送電部１７０２、コンバータ１７０３、発電部１７０４により構成されるＰＭＳＧ型風力発電機（ＰＭＳＧ：永久磁石同期発電機）が具体的に表現されている。

本発明に係る図１のモデル構成においては、火力発電機１３０、電力系統２２０、風力発電１７０の発電部分１７０４、コンバータ１７０３、直流送電部１７０２は、物理現象を数式で表現した物理モデルか、制御による出力変動を数式で表現した制御モデルを用いた実効値解析によって解析する。

これに対しインバータ１７０１は、解列判定テーブルＬＵＴ（Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ）による解列判定と、制御モデルによる実効値解析を両方用いて解析する。これにより、解析に時間を要するインバータの運転継続の可否を値参照のみで判定することができるようになり、解析を高速化できる。

この系統解析モデルの構成手法は、解析に時間を要するインバータ１７０１について、予め動作挙動をテーブル形式で記憶しておき、その都度の運転条件に応じて運転継続の可否をテーブル参照する形で他のモデル部分（物理モデルや制御モデル）に適用して、全体としての応動を定めたものである。

図４は、本発明に係る系統解析モデルを計算機システムにより構成する場合の電力系統解析システム１０の構成例を示す図である。

電力系統解析システム１０は計算機システムで構成されており、表示装置１１、キーボードやマウス等の入力手段１２、ＣＰＵ１３、通信手段１４、ランダムアクセスメモリＲＡＭ、および各種データベースＤＢがバス線ＢＵＳに接続されている。また計算機システムのデータベースＤＢとして、解列判定テーブルＬＵＴを記憶する解列判定テーブルＬＵＴデータベースＤＢ１、自然エネデータＤ２を記憶する自然エネデータベースＤＢ２、系統構成データＤ４を記憶する系統構成データベースＤＢ４、系統解析モデルデータＤ５を記憶する系統解析モデルデータベースＤＢ５、および計算プログラムＰＲを記憶するプログラムデータベースＤＢ６を備える。

ここでＣＰＵ１３は、プログラムデータベースＤＢ６に記憶された計算プログラムＰＲを実行して、表示すべき画像データの指示や、各種データベース内のデータの検索等を行う。ランダムアクセスメモリＲＡＭは、解列判定テーブルＬＵＴ、自然エネのＦＲＴ特性やインバータ特性や設置点の情報を含む自然エネデータＤ２、線路や発電機などの電力系統を構成する設備に関する系統構成データＤ４、自然エネの運転継続可否や出力電力をデータに持つＬＵＴ作成結果データや、過渡安定性解析の計算結果データＤ５を一旦格納するメモリである。これらのデータに基づき、ＣＰＵ１３によって必要な画像データを生成して、表示装置１１（例えば表示ディスプレイ画面）に表示する。

電力系統解析システム１０内には、複数のデータベースＤＢが搭載されている。解列判定テーブルＬＵＴデータベースＤＢ１には、解列判定テーブルＬＵＴが記憶されている。この部分は本発明の主要な構成部分であり、詳細説明を後述する。

自然エネデータベースＤＢ２には、自然エネデータＤ２として例えば風力発電の設置ノード、制御構成と制御パラメータ、ＦＲＴ特性（運転継続可否、有効電力出力パターン）のデータが記憶されている。これらの情報と、前述の電圧に関する計算結果情報から、風力発電の系統故障中、系統故障後の動き（運転継続可否など）が決定される。

系統解析モデルデータベースＤＢ５には、線路（抵抗、リアクタンス、対地静電容量）や発電機（容量、過渡リアクタンスなど）などの電力系統を構成する設備に関するデータＤ５が記憶されている。このデータを用いることで、電力系統の潮流計算や故障計算が可能となり、系統故障中の電圧低下量を把握することができる。

系統構成データベースＤＢ４には、系統解析モデルデータベースＤＢ５に記憶された電力系統を構成する設備の相互の接続に関するデータが記憶されており、例えば図１の火力発電１３０がノード１に接続されている情報が記憶されている。

なお、これらのデータベースは、個別に分割して構成されていても、或は集約的に１か所に集められて構成されるものであってもよい。要するに、本発明には係るデータを必要としているにすぎず、どこにどのように配置するのかは重要ではない。

プログラムデータベースＤＢ６には、計算プログラムである過渡安定性解析プログラムＰＲ１、系統解析モデル作成プログラムＰＲ２、故障計算プログラムＰＲ３、解列判定ＬＵＴ作成プログラムＰＲ４、ＬＵＴ参照プログラムＰＲ５を格納する。これらのプログラムは、必要に応じてＣＰＵ１３に読み出され、計算が実行される。またこれらの計算によって生成された各種の中間生成物としてのデータは、適宜の箇所に保管され、以降の処理において適宜利用されるものとする。

図５を用いて本発明の電力系統解析システム１０の処理機能構成について説明する。電力系統解析システム１０の処理を機能ごとに大別して表現すると、これは過渡安定性解析部２０、解列判定ＬＵＴ作成部３０、複数のデータベースＤＢから構成されているということができる。この大別された処理機能を、図１の電力系統モデル構成と対比して説明すると、解列判定ＬＵＴ作成部３０は風力発電１７０の電力変換器のインバータ１７０１の応動を表しており、過渡安定性解析部２０はインバータ１７０１以外の部分の応動を表している。また過渡安定性解析部２０は、解列判定ＬＵＴ作成部３０の処理結果を取り込んで最終的に図１の電力系統の過渡安定性を解析し、その結果を出力する。

過渡安定性解析部２０は、さらに詳細には、系統故障設定部２１、系統解析モデル作成部２２、系統計算部２３、解列判定部２４、風力動作計算部２５、火力動作計算部２６の各機能で構成されている。

また解列判定ＬＵＴ作成部３０は、さらに詳細には、ＬＵＴ作成部３１、ＬＵＴ作成可否表示部３２の各機能で構成されている。

さらに過渡安定性解析部２０、解列判定ＬＵＴ作成部３０において、これらの処理を実行するに当たり、図４に示した複数のデータベース（解列判定テーブルＬＵＴデータベースＤＢ１、自然エネデータベースＤＢ２、系統構成データベースＤＢ４、系統解析モデルデータベースＤＢ５）が適宜参照される。

以下、各処理機能について図５を参照して詳細に説明する。まず風力発電１７０の電力変換器のインバータ１７０１の応動を表す解列判定ＬＵＴを作成する解列判定ＬＵＴ作成部３０について説明する。

図５において、解列判定ＬＵＴ作成部３０は、プログラムデータベースＤＢ６に格納された計算プログラムのうち、解列判定ＬＵＴ作成プログラムＰＲ４を実行する処理機能である。解列判定ＬＵＴ作成部３０の処理では、自然エネデータＤ２を記憶する自然エネデータベースＤＢ２を用いる。自然エネデータベースＤＢ２には、自然エネデータＤ２として例えば風力発電の設置ノード、制御構成と制御パラメータ、ＦＲＴ特性（運転継続可否、有効電力出力パターン）のデータが記憶されている。

解列判定ＬＵＴ作成部３０では最初にＬＵＴ作成部３１において、自然エネデータベースＤＢ２に記憶された自然エネルギーの特性から、風力発電の連系点の離散化された各情報について、運転継続の可否を記憶した解列判定テーブルＬＵＴを作成し、解列判定テーブルＬＵＴデータベースＤＢ１に格納する。ここで連系点の離散化された各情報とは、例えば電圧の状態（大きさ、位相変化量）である。解列判定テーブルＬＵＴは、例えば自然エネデータベースＤＢ２のＦＲＴ特性やインバータ特性を元に作成される。

ここでの処理内容を平易に表すと、例えば複数ある風力発電のうちの特定の風力発電について、この風力発電が電力系統に接続された連系点の電圧が電力系統の故障により低下しあるいは位相変化した場合に、電圧低下状況に応じてインバータが運転継続可能であるか否か、可能である場合の出力値などが、事前検討されてテーブル形式で記憶されるものである。このテーブルは全ての風力発電を対象として、事前に作成される。従って、実際に電力系統に故障発生した場合に、そのときの電圧低下状況に応じてテーブル参照すれば、インバータ運転継続の可否、可能である場合の出力値などが即座に得られることになる。

解列判定ＬＵＴ作成部３０内のＬＵＴ作成可否表示部３２では、ＬＵＴ作成部３１で解列判定テーブルＬＵＴを作成できた場合に、表示装置１１に作成可であった旨を表示し、解列判定テーブルＬＵＴが格納されたファイルを生成する。ＬＵＴ作成部３１で解列判定テーブルＬＵＴを作成できない場合には、表示装置１１に作成ができなかった旨を表示する。この時作成の可否は、規定された電圧の大きさと位相の範囲全てで運転継続、解列を規定できた場合をさす。作成ができなかった場合、規定できなかった条件については、すべて風力発電が運転継続するとして解列判定テーブルＬＵＴを再度作成した後、規定できなかった条件を表示装置１１に表示する。

過渡安定性解析部２０は、プログラムデータベースＤＢ６に格納された計算プログラムのうち、過渡安定性解析プログラムＰＲ１、系統解析モデル作成プログラムＰＲ２、故障計算プログラムＰＲ３、ＬＵＴ参照プログラムＰＲ５を実行する処理機能である。なお過渡安定性解析部２０は系統故障設定部２１、系統解析モデル作成部２２、系統計算部２３、解列判定部２４、風力動作計算部２５、火力動作計算部２６から構成されている。

まず系統故障設定部２１では、図２の電力系統における系統故障Ｆの想定故障条件として、場所、様相を設定する。なお様相とは、短絡、地絡、断線の区別、故障相数、複数回線に跨る多重故障の区別などであり、ユーザからの入力によって設定されてもよいし、あらかじめ準備されたパターンから適宜系統故障を選定してもよい。

系統解析モデル作成部２２では、系統構成データベースＤＢ４に記憶された系統構成データＤ４、系統解析モデルデータベースＤＢ５に記憶された系統解析モデルデータＤ５、系統故障設定部２１で設定した系統故障Ｆの想定故障条件（場所、様相）をもとに、図１の解析対象系統２２０のモデルを作成する。この処理のために、プログラムデータベースＤＢ６に格納された計算プログラムのうち、系統モデル作成プログラムＰＲ２が用いられる。

系統計算部２３では、系統解析モデル作成部２２で作成した解析対象系統２２０のモデルと、火力発電の内部状態、風力発電の内部状態を用いて、必要な系統の状態を計算する。系統の状態とは、例えば系統各所における電圧、電流、有効電力、無効電力、位相などである。この処理のために、プログラムデータベースＤＢ６に格納された計算プログラムのうち、故障計算プログラムＰＲ３が用いられる。

解列判定部２４では、系統計算部２３で計算した系統の状態、ならびに風力発電の連系点の情報から、解列判定テーブルＬＵＴデータベースＤＢ１内の解列判定テーブルＬＵＴを参照し、風力発電の運転継続の可否を判定する。この処理のために、プログラムデータベースＤＢ６に格納された計算プログラムのうち、ＬＵＴ参照プログラムＰＲ５が用いられる。

風力動作計算部２５では、解列判定部２４で決定した運転継続の可否を元に、風力発電の動作を計算する。ここで計算される風力発電の動作とは、インバータ１７０１、直流送電部１７０２、コンバータ１７０３、発電部１７０４における動作を含むものであり、特にコンバータ１７０３では電圧、電流、位相、有効電力、無効電力の一部または全部を表し、発電部１７０４では風車の回転角速度、ピッチ角、出力電力の一部または全部をあらわすものである。この風力発電の動作を計算する方法は、確立された計算手法であり、一般的なアルゴリズムで計算することができる。

火力動作計算部２６では、系統計算部２３で計算された系統状態と、系統解析モデルデータベースＤＢ５に記憶された系統解析モデルデータＤ５から、火力発電の状態変化を計算する。この火力発電の状態変化を計算する方法は、確立された計算手法であり、一般的なアルゴリズムで計算することができる。

最終的に系統計算部２３では、風力動作計算部２５で求めた風力発電の動作内容と、火力動作計算部２６で求めた火力発電の状態変化などから電力系統全体としての故障発生後の過渡安定性解析を実行する。この処理のために、プログラムデータベースＤＢ６に格納された計算プログラムのうち、過渡安定性解析プログラムＰＲ１が用いられる。

図３に示したフローを用いて、本発明による過渡安定性解析のアルゴリズムを説明する。図３の最初の処理ステップＳ３１０では、対象とする電力系統の系統解析モデルを作成し、電力系統、火力発電、風力発電の初期状態を計算する。この状態では電力系統故障発生前の状態が計算されている。なお以後の処理において、処理ステップＳ３０１から処理ステップＳ３０２までの一連の処理は、繰り返し計算を表しており、これ以降の時間刻み毎に、解析終了時刻に達するまで繰り返し計算される。

繰り返しにおける最初の処理ステップＳ３２０では、解列判定テーブルＬＵＴによる解列判定により、系統の状態からインバータによる風力発電の運転継続可否を判定する。解列と判定された場合は処理ステップＳ３３０において解列か運転継続かを表す解列フラグの値を１とする。また、解列判定テーブルＬＵＴによる解列判定により、風力発電が運転継続と判定された場合は、処理ステップＳ３３０において風力発電の解列フラグを０とする。

処理ステップＳ３５０では、系統故障により変化した電力系統の解析モデルを作成しなおす。この結果は、処理ステップＳ３６０、Ｓ３７０、Ｓ３８１、Ｓ３８２に反映される。

まず火力発電に関して、処理ステップＳ３６０では、系統の変化による火力発電の状態変化を計算し、系統への出力電力を計算する。

次に風力発電に関して、風力発電の運転継続可否が考慮される。このため処理ステップＳ３７０において、風力発電の動作の計算を実行するか否かの判定をする。この判定は、処理ステップＳ３２０、処理ステップＳ３３０で決定した解列フラグの値が１の場合は風力発電の動作の計算を実行せず、処理ステップＳ３８１において風力発電から系統への出力電力を０とする。解列フラグの値が０の場合は計算を実行すると判定し、処理ステップＳ３８２において風力発電の状態変化を計算し、系統への出力電力を計算する。

処理ステップＳ３９０では、系統、火力発電、風力発電が変化した後の系統の状態を計算し、繰り返し計算により故障後の電力系統の電力変化を推定する。

図８は、系統解析モデルにおける、風力発電機の模擬の一例を示す図である。図３の風力動作計算部２５における風力発電機の模擬事例を示している。風力発電機モデルは、電力系統のノード８２０に接続された電流源８１０の大きさと位相を制御するモデルとして構成される。また、ノード電圧計測値は電圧計測装置８３０を介して各制御モデルに取り込まれる。

風力発電の制御部分は、発電機・コンバータモデル８４０、コンバータ制御モデル８５０、風車モデル８６０で構成される。発電機・コンバータモデル８４０は、コンバータ制御モデル８５０から有効・無効電流指令値を受け、また電圧計測装置８３０から電圧計測値を受け、コンバータ制御モデル８５０に発電機有効・無効電力量を渡し、風車モデル８６０に発電機有効電力量を渡す。

コンバータ制御モデル８５０は、発電機・コンバータモデルから受けた発電機有効・無効電力と、風車モデル８６０から受けた電力指令と、電圧計測装置８３０から受けた電圧計測値から、有効・無効電流指令値を決定し、発電機・コンバータモデル８４０へ渡す。

風車モデル８６０は、発電機・コンバータモデル８４０から受けた発電機有効電力をもとに、コンバータ制御モデル８５０に有効電力制御指令を与える。

このような風力発電モデルを用意することで、系統の電圧やコンバータの応答を考慮した風力発電の出力変化を模擬することが可能となる。後述のＦＲＴ特性と、インバータの特性を表した解列判定テーブルＬＵＴによって、系統故障時の運転継続可否を、より実際に近く模擬可能となる効果がある。

図６、図７は、自然エネ発電（風力発電機）のＦＲＴ特性を説明する図である。非特許文献１では、高圧系統の三相発電設備のＦＲＴ要件として、２０１７年３月末以降に連系するものについて、電圧低下時に、以下の事項を満たすシステムが望まれている。

図６は、ＦＲＴ規定の運転継続領域を表しており、横軸に電力系統故障発生後の時間、縦軸に残電圧を示している。要望される事項の一つは、この図上において残電圧が０％で継続時間が０．１５秒以下の電圧低下に対しては風力発電機の運転を継続し（図６の（ａ）の領域）、電圧の復帰後１．０秒以内に電圧低下前の出力の８０％以上の出力まで復帰することである。なお復帰できない場合に、図６の（ｃ）の領域に示すように風力発電機は解列、運転継続のいずれであってもよい。

図７は、ＦＲＴ規定の出力規定を表しており、横軸に電力系統故障発生後の時間、縦軸に風力発電機の出力を示したものである。要望される事項の他の一つは、この図上において電圧が低下した瞬間にインバータが解列した場合、２サイクル以内に復帰し、電圧低下中に運転継続することである。

このように、運転継続、解列、電圧復帰後の出力復帰パターンは、系統の状態や発電機の状態によって異なってくる。また、ＦＲＴ規定外の状態では、運転継続、解列、電圧復帰パターンはインバータの特性によって決まるため、インバータの特性が過渡安定性に与える影響は大きい。そのため、各発電機のＦＲＴやインバータの特性から表れる運転継続可否が過渡安定性解析の中で動的に判定されるような計算が、実際の動きに近い結果が得られると考えられる。

次に、図９〜図１２によって、風力発電の運転継続可否を判定する解列判定テーブルＬＵＴについて説明する。解列判定テーブルＬＵＴは、インバータの系統連系点の電圧の情報を離散化した値を持つ。これは、インバータの制御が連系点の電圧の情報に基づいて行われるためである。

解列判定テーブルＬＵＴは、電圧降下量と運転継続についての第１のテーブルＬＵＴ１と、位相変化量と運転継続についての第２のテーブルＬＵＴ２と、三相電圧差最大値と運転継続についての第３のテーブルＬＵＴ３と、三相位相差最大値と運転継続についての第４のテーブルＬＵＴ４から構成されている。これら各種の解列判定テーブルＬＵＴは、図４の解列判定テーブルＬＵＴデータベースＤＢ１に格納される。

図９は、電圧降下量と運転継続についての第１のテーブルＬＵＴ１を示している。第１のテーブルＬＵＴ１は、前の時刻からの電圧の大きさの降下量を表した電圧降下量テーブルＴ１１と、解列または運転継続を表す解列or運転継続テーブルＴ１２とを持つ。

図１０は、位相変化量と運転継続についての第２のテーブルＬＵＴ２を示している。第２のテーブルＬＵＴ２は、前の時刻からの電圧の位相の変化量を表した位相変化量テーブルＴ２１と、解列または運転継続を表す解列or運転継続テーブルＴ２２とを持つ。

図１１は、三相電圧差最大値と運転継続についての第３のテーブルＬＵＴ３を示している。第３のテーブルＬＵＴ３は、三相の電圧の大きさの差の中で、最も大きな値を示す電圧最大差テーブルＴ３１と、解列または運転継続を表す解列or運転継続テーブルＴ３２とを持つ。

図１２は、三相位相差最大値と運転継続についての第４のテーブルＬＵＴ４を示している。第４のテーブルＬＵＴ４は、三相の電圧の位相の差の中で、最も大きな値を示す位相最大差テーブルＴ４１と、解列または運転継続を表す解列or運転継続テーブルＴ４２とを持つ。

解列判定テーブルＬＵＴは、図９から図１２に示す例えば４組のテーブルを保有しており、電圧降下量、位相変化量、三相電圧差最大値、三相位相差最大値の各観点からそれぞれのテーブルを参照して、解列or運転継続を判断するように使用される。４組の観点からのテーブル参照結果として、１つでも解列があれば解列とされる。

図１８は、解列判定テーブルＬＵＴ１〜ＬＵＴ４を使用する領域を示した図である。図１８は、図６と同様に、横軸に電力系統故障発生後の時間、縦軸に残電圧を示したものであり、風力発電の連系点の電圧の大きさの時間変化を示している。

第１のテーブルＬＵＴ１と第２のテーブルＬＵＴ２は、故障が起きて電圧が落ちた時、つまり、図１６の点線時に使用する。これにより、電圧の急変によるインバータの特性を動的に計算することができる。第３のテーブルＬＵＴ３と第４のテーブルＬＵＴ４は、連系点の電圧が低下しており、かつ、ＦＲＴ規定で運転継続or解列を規定される領域に連系点の電圧がある時、つまり、図１８の一点鎖線時に利用する。これによって系統故障による電圧低下中に、インバータの特性による解列が起きるか否かを判定できる。

図３の解列判定テーブルＬＵＴによる解列判定の処理ステップＳ３２０では、これらのテーブルＬＵＴ１〜ＬＵＴ４と、時間刻み毎に計算される連系点の状態量を利用することで、解列の判定をすることができる。解列と判定された場合、図３の風力出力代入を行う処理ステップ部Ｓ３８２では、風力発電の出力電力は０として計算される。また、運転継続と判定された場合、風力発電動作計算の処理ステップＳ３８１では、出力電力が計算される。

図１６を用いて、図３の風力発電動作計算を行う処理ステップＳ３８１における風力発電の状態を計算する方法を説明する。図１６において処理ステップＳ３８１は、ＦＲＴ規定判定の処理ステップＳ３８１１と、ＦＲＴ出力値代入の処理ステップＳ３８１２と、モデル計算を行う処理ステップＳ３８１３で構成されている。

ここで処理ステップＳ３８１１は、連系点の電圧がＦＲＴ規定の運転継続領域に入っているかを判定する部分である。処理ステップＳ３８１２は、処理ステップＳ３８１１の判定結果が運転継続領域内と判定された場合に、図７に示した出力電力を風力発電の出力電力として代入する。処理ステップＳ３８１３は、風力発電の出力電力を図８で一例を示した風力発電モデルで計算する。

以上により、風力発電の解列を高速に判定しながら、過渡安定性解析をすることができる。

実施例２では、系統に複数の風力発電がある場合について説明する。基本的な実施方法は実施例１と同じなので、ここでは実施例１と違う点を主体に説明する。

まず、図１３によって風力発電が複数ある系統で故障があった際の、各風力発電の動作の違いを説明する。図１３は、自然エネルギー電源である風力発電１７１、１７２、１７３、１７６、１７７、１７８を含む電力系統の一例を示した図である。この図が表す電力系統は、記号Ｎに番号を付して示したノード（母線）、およびそれらを接続する送電線路１４０、ノードに接続される火力発電１３０、負荷１５０、変圧器１６０、などで構成されている。

図２０および図１４は、図１３の系統において、系統故障Ｆ（三相地絡故障）が発生した場合の、故障中の各ノード電圧を表形式およびグラフ形式で示したものである。これらによれば、故障点Ｆに近い地点（ノードＮ８１、Ｎ８２、Ｎ８３、Ｎ９１、Ｎ９２、Ｎ９３、Ｎ９１０、Ｎ９２０、Ｎ９３０）の電圧の大きさが大きく低下していることがわかる。このことから、系統故障の影響を大きく受けているノードに接続されている風力発電１７６、１７７、１７８は運転継続可否の判定をしながら風力発電の出力を計算することが望ましい。

一方、電圧の大きさの低下が殆ど見られないノード（ノードＮ６１０、Ｎ６２０、Ｎ６３０）に接続されている風力発電１７１、１７２、１７３は故障の影響を殆ど受けないため、運転継続しているとして計算をして問題ない。このように、系統故障の影響の大きさによって、運転継続可否判定の利用を判断することで、過渡安定性解析の精度を維持したまま解析速度を向上させられる。

また系統故障時の風力発電の出力パターンは、電圧の大きさと位相の変化量で変化する。図１３の風力発電１７１、１７２、１７３、１７６、１７７、１７８には、出力パターンが３つに分けられるとして、各パターンを説明する。パターン３は故障点から遠隔地にある風力発電１７１、１７２、１７３における応動パターンであり、パターン２は故障点から中間的な位置にある風力発電１７６における応動パターンであり、パターン１は故障点の近地にある風力発電１７７、１７８における応動パターンである。

パターン１では、系統故障の影響を非常におおきく受け、電圧の大きさまたは位相が非常に大きく変化し、風力発電が系統から解列した場合を示したものである。この場合、ＦＲＴ規定から、解列後２サイクル以内に再連系し、以降はＦＲＴ規定にそって解列なく運転する。

パターン２は、系統故障の影響をおおきく受け、電圧の大きさまたは位相が大きく変化したが、風力発電が運転を継続する場合を示したものである。この場合、風力発電は故障が起きた瞬間は、電圧が落ちたため電力の出力がほぼ０になるが、その後ＦＲＴ規定にそって出力を回復する。しかし、図７に示したＦＲＴの電圧規定に示された運転継続を強制されない領域に入ることもあるため、解列判定をする必要がある。

パターン３は、系統故障の影響をあまり受けず、電圧の大きさまたは位相が殆ど変化しない場合を示したものである。この場合、風力発電は通常通り運転を継続するので、故障時も平常時と同じように運転を継続することとなる。

図１５に、運転継続可否の要否を判定する場合に本発明を実施する際のアルゴリズムを示す。基本的なアルゴリズムは図３と同じであるが、図１５では図３の機能に故障直後の処理として処理ステップＳ３２１０―Ｓ３２５０を追加し、風力発電の出力を求める処理ステップの内容を見直したものである。

図１５の最初の処理ステップＳ３１０では、対象とする電力系統の系統解析モデルを作成し、電力系統、火力発電、風力発電の初期状態を計算する。この状態では電力系統故障発生前の状態が計算されている。なお以後の処理において、処理ステップＳ３０１から処理ステップＳ３０２までの一連の処理は、繰り返し計算を表しており、これ以降の時間刻み毎に、解析終了時刻に達するまで繰り返し計算される。

繰り返しにおける最初の処理ステップＳ３２１０では、故障直後か否かを判定し、故障直後であれば処理ステップＳ３２２０の処理を行い、故障直後でなければ処理ステップＳ３５０の処理に移る。故障直後である場合には、処理ステップＳ３２２０から処理ステップＳ３２５０までの一連の処理が、繰り返し実行され、これ以降の時間刻み毎に、解析終了時刻に達するまで繰り返し計算される。

処理ステップＳ３２２０から処理ステップＳ３２５０までの小繰り返しは、複数ある風力発電機ごとに逐次実行を繰り返すものであり、特定した風力発電機について処理ステップＳ３２２０では、電力系統の故障直後か否かを判別する。

次の処理ステップＳ３２４０では、故障直後である場合に解列判定テーブルＬＵＴ１及び２を用いて、故障直後の風力発電の解列を判定する。また処理ステップＳ３２４０では、故障直後でない場合に故障時の風力発電の連系点の電圧降下量及び位相変化量、故障直後の風力発電の解列の有無から、風力発電ごとに解列判定テーブルＬＵＴ３及びＬＵＴ４を、その後の計算で利用する。なお電圧降下量及び位相変化量は、各自然エネルギーごとのインバータの特性から決められる量で、自然エネＤＢ２に格納された値とする。この判定処理は、図１８で述べた故障後の時点に応じて、選択されるものである。

図１９は、処理ステップＳ３２４０におけるＬＵＴ使用判定及び出力パターン決定のアルゴリズムを示したものである。処理ステップＳ３２４０における処理は、瞬時解列有無判定を行う処理ステップＳ３０１０と、電圧・位相判定を行う処理ステップＳ３０２０と、出力パターン決定を行う処理ステップＳ３０３０とからなる。

瞬時解列有無判定を行う処理ステップＳ３０１０では、処理ステップＳ３２１０における瞬時解列判定の結果（瞬時解列）をもとに、対象の風力発電が故障直後に瞬時解列をしたかを判定する。

電圧・位相判定を行う処理ステップＳ３０２０では、当該風力発電の連系点の電圧降下量と位相変化量が、あらかじめ決められた電圧降下量と位相変化量と比較したときの大小関係を判定する。

出力パターンを決定する処理ステップＳ３０３０では、処理ステップＳ３０１０及び処理ステップＳ３０２０の結果から、出力パターンを決定する。出力パターンは、図１３で示した３パターンである。因みに、パターン１は瞬時解列がある場合であり、パターン２は瞬時解列がないが、連系点の電圧降下量または位相変化量があらかじめ定められた値よりもおおきいときであり、パターン３は瞬時解列がなく、連系点の電圧降下量かつ位相変化量があらかじめ定められた値よりも小さいときである。以上により、ＬＵＴ使用の有無と出力パターンを決定できた。

処理ステップＳ３５０では、系統故障により変化した電力系統の解析モデルを作成しなおす。この結果は、処理ステップＳ３６０、Ｓ３７１０、Ｓ３８３に反映される。

まず火力発電に関して、処理ステップＳ３６０では、系統の変化による火力発電の状態変化を計算し、系統への出力電力を計算する。

次に風力発電に関して、処理ステップＳ３７１０において、処理ステップＳ３０３０で求めた風力発電の出力パターンを判定し、決定した出力パターン（パターン１、パターン２、パターン３）をもとに、処理ステップＳ３８３で使用する風力発電の出力の計算方法を決定する。処理ステップＳ３８３では、出力パターンごとにと風力発電動作計算を実行し、各風力発電の出力を決定する。

これにより、風力発電の出力を精度よく計算しながら、過渡安定性を計算することが可能となる。

実施例１、実施例２では、解列判定テーブルＬＵＴによって風力発電の運転継続のみを判定していた。しかし、風力発電の出力が連系点の電圧を使って、インバータによって制御されることから、解列判定テーブルＬＵＴによって出力を決めることもできる。実施例３ではそのための解列・出力判定テーブルＬＵＴ１０について説明する。

図１７は解列・出力判定テーブルＬＵＴ１０を示したものである。解列・出力判定テーブルＬＵＴ１０は、風力発電の発電部の発電量のテーブルＴ２１と、連系点の３相の各相電圧の大きさのテーブルＴ２２、Ｔ２４、Ｔ２６と、連系点の３相の各相電圧の位相のテーブルＴ２３、Ｔ２５、Ｔ２７と、出力電力のテーブルＴ２８を備え、これらの諸量を各値として持つ。これにより、発電量と連系点の３相の電圧の大きさ、位相から、出力電力を決定することができる。これらの値は、インバータや直流送電部、コンバータ、発電部、ＦＲＴの特性に応じて持つパラメータを適宜かえてもよい。

１０：電力系統解析システム
１１：表示装置
１２：入力手段
１３：ＣＰＵ
１４：通信手段
２０：過渡安定性解析部
２１：系統故障設定部
２２：系統解析モデル作成部
２３：系統計算部
２４：解列判定部
２５：風力動作計算部
２６：火力動作計算部
３０：解列判定ＬＵＴ作成部
３１：ＬＵＴ作成部
３２：ＬＵＴ作成可否表示部
１２０：ノード（母線）
１３０：火力発電
１４０：送電線路
１５０：負荷
１６０：変圧器
１７０：風力発電
１７０１：インバータ
１７０２：直流送電部
１７０３：コンバータ
１７０４：発電部ＲＡＭ：ランダムアクセスメモリ
ＢＵＳ：バス線
ＤＢ１：解列判定テーブルＬＵＴデータベース
ＤＢ２：自然エネデータベース
ＤＢ４：系統構成データベース
ＤＢ５：系統解析モデルデータベース
ＤＢ６：プログラムデータベース

Claims (5)

1. 電力変換器を備えた風力発電を含む複数の発電機が連系されて構成された電力系統における解析を行うための電力系統解析システムであって、
   前記電力変換器が電力系統に接続される連系点における電圧と、この電圧のときに前記電力変換器の運転継続可否の関係を表形式で記憶する記憶手段と、前記電力変換器を除く前記の電力系統における応動を模擬するモデルを含む過渡安定性解析部を備え、
   過渡安定性解析部は、前記電力系統における想定故障条件を設定する系統故障設定部と、該系統故障設定部で設定された想定故障条件をもとに、解析対象である電力系統のモデルを作成する系統解析モデル作成部と、該系統解析モデル作成部で作成したモデルを用いて、電力系統の状態を計算する系統計算部と、該系統計算部で求めた前記電力変換器が電力系統に接続される連系点における電圧の情報から、前記記憶手段を参照して、風力発電の運転継続の可否を判定する解列判定部を備え、前記系統計算部は、前記風力発電の運転継続の可否を考慮して新たに作成した前記モデルを用いて電力系統全体としての故障発生後の過渡安定性解析を実行することを特徴とする電力系統解析システム。
2. 請求項１に記載の電力系統解析システムであって、
   自然エネデータとして風力発電の設置ノード、ＦＲＴ特性のデータが記憶されている自然エネデータベースと、該自然エネデータベースに記憶された自然エネルギーの特性から、風力発電の連系点の電圧の情報について、運転継続の可否を記憶した前記の記憶手段を形成する解列判定ＬＵＴ作成部を備えることを特徴とする電力系統解析システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力系統解析システムであって、
   前記記憶手段は、連系点における電圧と前記電力変換器の運転継続可否の関係を表形式で記憶するとともに、前記電力変換器が運転継続可能である場合にその発電出力の関係を含めて備えていることを特徴とする電力系統解析システム。
4. 請求項１から請求項３に記載の電力系統解析システムであって、
   前記記憶手段は、連系点における電圧と前記電力変換器の運転継続可否の関係を表形式で記憶するとともに、連系点における電圧の位相と前記電力変換器の運転継続可否の関係を表形式で記憶して備えていることを特徴とする電力系統解析システム。
5. 電力変換器を備えた風力発電を含む複数の発電機が連系されて構成された電力系統における解析を行うための電力系統解析方法であって、
   前記電力変換器が電力系統に接続される連系点における電圧と、この電圧のときに前記電力変換器の運転継続可否の関係を表形式で記憶しておき、
   前記電力系統における想定故障条件をもとに、解析対象である電力系統のモデルを作成し、作成したモデルを用いて、電力系統の状態を計算し、前記電力変換器が電力系統に接続される連系点における電圧の情報から、前記風力発電の運転継続の可否を判定し、前記風力発電の運転継続の可否を考慮して新たに作成した前記モデルを用いて電力系統全体としての故障発生後の過渡安定性解析を実行することを特徴とする電力系統解析方法。

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