JP2018207574A - マイクログリッド制御システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した自立運転のできるマイクログリッド制御システムを提供すること。【解決手段】マイクログリッド制御システムは、原動機１の動力を回転電機２と第１の電力変換器２０Ａとを用いることで交流電力に変換する可変速発電装置４と、第２の電力変換器２０Ｂ，２０Ｃを介して交流電力を供給可能な非同期型電源装置３，５と、電力負荷７を含む。マイクログリッド９と系統との連系時に、可変速発電装置と電源装置は、電力系統の交流電力に同期させて出力を制御する。マイクログリッドを電力系統から切り離して自立運転に移行する場合、可変速発電装置は、第１の電力変換器を出力制御方式から電圧制御方式へ切り替えさせ、マイクログリッド内に供給される交流電力の周波数と位相とを可変速発電装置が指示し、原動機の回転速度が一定となるよう原動機を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクログリッド制御システムおよび方法に関する。

有限な資源である化石燃料に頼らない持続可能な社会を実現するため、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギが急速に普及している。しかし、再生可能エネルギを利用する発電装置は、天候に影響されやすく、その出力を任意に制御することができないため、発電量と電力消費量との需給バランスをとることが難しい。

このため、再生可能エネルギの出力変動分を発電機や蓄電池等の他の電源で補う必要がある。他の電源が出力を増減したり、余った電力を吸収したり、蓄えた電力を放電したりすることは、技術的に可能である。しかし、調整用の電源（他の電源）の導入にはコストがかかるため、他の電源の導入は進んでいない。このため、将来、電力系統（以下、系統とも呼ぶ）の安定が損なわれるかもしれないといった懸念が生じる。

一方、電力の需要家は、停電時に備えて予備電源を持つ必要がある。ここで需要家の単位として、小規模な系統を個別管理するマイクログリッドが注目されている。マイクログリッドと呼ばれる小規模系統では、マイクログリッド内の小規模系統において、電気エネルギの供給と電気エネルギの消費とを行う。

したがって、電力インフラストラクチャが十分に整備されていない離島や山間部などにマイクログリッドを導入すれば、太陽光発電装置、風力発電装置、ガスタービン発電装置などマイクログリッド内で作り出した電力をマイクログリッド内の各需要家へ供給することができ、いわゆるエネルギの地産地消という利点を得る。さらに、マイクログリッドを用いれば、高圧送電設備等の必要性も少なくなるため、環境への負荷も少なくなる。

マイクログリッドの従来技術として、特許文献１には、遮断器によって商用系統の電力が遮断されてから回転機系発電機が自立運転制御の運転に移行するまでの間の負荷変動を補償する蓄電装置を備える技術が提案されている。

蓄電池装置のコスト低減策として、特許文献２には、ビルや工場などの小規模系統向け二次電池において、瞬時停電に対応する出力型電池と、エネルギマネジメントに用いる容量型電池とをハイブリッドで用いることが提案されている。

特許文献３では、非常時に系統との連系運転から自立運転に切り換えるときに生じる急激な負荷変動に追従するように、エンジン発電機の出力端子と電力系統との間に周波数変換器を設ける。

特開２００９−２１９２０４号公報 特開２０１６−３２４１５号公報 特開２００５−２４５１０５号公報

従来技術として示した特許文献では、電力変換器を介して交流を生成する太陽光発電装置や蓄電池等の非同期発電装置を含むマイクログリッドの自立運転について、周波数の維持が十分に考慮されていない。

従来はディーゼル発電機など回転機系のエンジン発電機で小規模系統内の重要負荷に非常用電力を供給し、その補助として再生可能エネルギを利用する。系統事故時にシームレスに自立運転に移行する際には蓄電置を利用するため、蓄電池コストが高いという課題もあった。

通常、電力系統内に回転機系の同期発電機が複数ある場合、同期発電機は端子の位相と電圧とを同期させ、回転速度が系統周波数と一致する回転速度で運転される。小規模系統が外部の大きな系統と連系している場合、系統周波数はほぼ不変である。このため、原動機の出力を変えても、同期発電機の速度は変わらず、系統電圧に対する発電機電圧の位相差が変わり、この位相差に応じて同期発電機から交流電力が供給される。

マイクログリッド内の発電装置には、同期発電機だけでなく、太陽光発電や蓄電池などのように直流電力を電力変換器を用いて交流系統に電力を供給する発電装置もある。以後、これらを非同期発電装置と呼ぶ。今後、マイクログリッドでは、このような非同期発電装置が増えていく。

非同期発電装置は、端子の交流電圧の位相、電圧、周波数を測定し、それらと同期するように交流電力を出力する。電力変換器は、周波数が基準値から外れた場合に、自立的に基準周波数に戻そうとする機能は備えていない。あくまで外部の交流に対して、位相および電圧を合わせるように運転される。したがって、マイクログリッドが周波数一定の大規模系統に連系している場合には問題はない。

従来のマイクログリッド等の小規模系統が自立運転する場合、その系統周波数は、回転系の同期発電機を駆動するエンジンが回転数制御を行うことで維持される。マイクログリッドの負荷に応じて発電機電流が増え、その結果、原動機にかかる軸トルクが変わり、一時的に原動機の回転速度が下がる。そこで、軸回転速度が一定になるよう、原動機の出力を調整する。マイクログリッド内の負荷が増えれば、エンジンの回転速度は下がって、系統の周波数が低下する。これに対し、発電機で発電する電力の方が負荷で消費する電力よりも多い場合、エンジン回転速度と系統周波数がいずれも増大する。マイクログリッド内の他の非同期発電装置は、同期発電機の出力する交流に追従しているに過ぎない。

このため、回転機系の同期発電機を持たないマイクログリッド、即ち、非同期発電装置と負荷だけで構成されるマイクログリッドでは、系統周波数に基準がなく、いわゆる浮いた状態になる。非同期発電装置と負荷のみからなるマイクログリッドでは、系統負荷が変わった場合に周波数を基準値に戻す回転機系発電機を持たないためである。

したがって、非同期発電装置と負荷のみのマイクログリッドでは、非同期発電装置が検出する交流情報の誤差が蓄積して、系統周波数がドリフトしていく可能性があるため、自立運転を継続できなくなる可能性がある。このように、特許文献１の従来技術では、回転機系の同期発電機の存在が不可欠である。

特許文献２に記載の、出力型蓄電池と容量型蓄電池とを併設する従来技術は、一つの電池システムの構成だけを示しているにすぎない。特許文献２には、異なる場所に設置された複数の異なる電池を交流で連系する場合の運転方法については全く開示がない。

特許文献３に記載のエンジン発電機では、系統と発電機の間に設ける周波数変換器により、発電機の回転速度を可変にし、その慣性モーメントを用いて突発的な負荷変動に対応せんとする。

特許文献３に記載のシステムでは、ガスエンジンの交流発電をいったん直流にして、その直流系統に蓄電池を繋ぎ、エンジンと蓄電池との合計の直流電力を一つの大容量電力変換器で交流電力に変換している。したがって、特許文献３に記載の発電装置は、単一の非同期発電システムである。しかし、このような大容量の電力変換器はコストが高い。さらに、マイクログリッド内部の発電容量が一台の電力変換器で決定されるため、設備の増強が難しい。さらに、特許文献３では、複数の異なる交流電源を用いてマイクログリッドを自立運転することについて全く考慮されていない。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、安定した自立運転を可能とするマイクログリッド制御システムを提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明に従うマイクログリッド制御システムは、エネルギ供給部とエネルギ消費部とを有し、電力系統に接続されるマイクログリッドを制御するマイクログリッド制御システムであって、エネルギ供給部は、原動機の発生する動力を回転電機と第１の電力変換器とを用いることにより交流電力に変換する可変速発電装置と、第２の電力変換器を介して交流電力を供給可能な非同期型電源装置とを含み、エネルギ消費部は、電力系統またはエネルギ供給部から供給される交流電力を消費する電力負荷を含み、マイクログリッドが電力系統と連系する場合、可変速発電装置と非同期型電源装置とは、電力系統の交流電力に同期させて出力を制御し、電力系統に異常が検出された場合、マイクログリッドを電力系統から切り離して自立運転に移行し、可変速発電装置は、自立運転へ移行する場合に第１モードで運転し、第１モードでは、第１の電力変換器を出力制御方式から電圧制御方式へ切り替えさせ、マイクログリッド内に供給される交流電力の周波数と位相とを可変速発電装置が指示し、原動機の回転速度が一定となるように原動機を制御する。

本発明によれば、可変速発電装置は、自立運転に移行すると、第１の電力変換器を出力制御方式から電圧制御方式へ切り替えさせ、マイクログリッド内に供給される交流電力の周波数と位相とを指示し、原動機の回転速度が一定となるように原動機を制御する。これにより、原動機を効率的に運転させつつ、マイクログリッドに安定した電力を供給することができる。

マイクログリッドのシステム構成図である。 マイクログリッドでの発電の内訳を示すグラフである。 可変速発電装置の動作を示すタイミングチャートである。 系統連系時における可変速発電装置の出力制御ブロック図である。 自立運転時における可変速発電装置の電圧制御ブロック図である。 第２実施例に係り、マイクログリッドのシステム構成図である。 電力変換器の構成図である。 第３，第４実施例に係り、マイクログリッドのシステム構成図である。 第４実施例に係り、マイクログリッドの発電内訳を示すグラフである。 第５実施例に係り、可変速発電装置の制御ブロック図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態では、後述のように、原動機１が発生する動力を回転電機２と第１の電力変換器２０Ａとを用いて交流電力に変換する可変速発電装置４と、第２の電力変換器２０Ｂ，２０Ｃを介して交流電力を供給可能な電源３，５と、電力負荷７、とを持つマイクログリッド９を対象とする。

このマイクログリッド９では、外部の電力系統１００との連系時に、可変速発電装置４と各電源３，５とは、系統１００の交流に同期させて出力を制御する。系統１００の異常時には、異常検出装置２３からの指令でマイクログリッド９は系統１００から遮断され、自立運転へ移行する。

本実施形態では、異常検出装置２３からの指令で、可変速発電装置４は、第１の電力変換器２０Ａを出力制御方式（出力制御モード）から電圧制御方式（電圧制御モード）へ切り替えさせると共に、周波数と位相とを可変速発電装置４自身が指令する第１モードへ切替える機能を持っている。さらに、可変速発電装置４は、原動機１の回転速度が一定となるように制御する。

このように構成される本実施形態によれば、マイクログリッドが系統異常時に瞬断なく自立運転に移行した場合に、安定した電力を効率よく供給することができる。

図１〜図３を用いて実施例を説明する。以下の説明は、本発明の内容の具体例を示すものである。本発明は以下の説明に限定されず、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において、当業者による様々な変更および修正が可能である。

図１を用いて、本実施例のマイクログリッド制御システムを有する電力供給システムについて説明する。

マイクログリッド９は、遮断器８を介して電力系統１００に接続されている。マイクログリッド９は、例えば、電力を消費する負荷７、電力変換器２０Ｃを介して電力を供給する太陽光発電装置５、および、電力変換器２０Ｂを介して電力を吸収／出力する蓄電池３、可変速のエンジン発電機４を含んで構成することができる。

ここで、蓄電池３および太陽光発電装置５は、「非同期型電源装置」の例である。電力変換器２０Ｂ，２０Ｃは、「第２の電力変換器」の例である。エンジン発電機４は、「可変速発電装置」の例である。負荷７は、「電力負荷」の例である。系統１００は、「電力系統」の例である。

エンジン発電機４は、原動機１と、原動機１によって駆動される二重給電式発電機２とを備える。原動機１は、エンジンコントロールユニット６（以下、ＥＣＵ）により制御される。「回転電機」の例である二重給電式発電機２は、回転子１０と固定子１１からなる回転機と、スリップリング１４を通じて交流を回転子１０へ供給する電力変換器２０Ａとを備える。ここで、スリップリング１４は、「回転接続用コネクタ」の例である。電力変換器２０Ａは、「第１の電力変換器」の例である。

マイクログリッド９を統合制御する統合制御装置２２は、負荷７で消費予定の電力量の計画である電力消費計画値と、太陽光発電装置５の発電量予測とに基づき、蓄電池３とエンジン発電機４とに対して電力供給計画を作成する。統合制御装置２２は、作成した電力供給計画に基づいて、エネルギ供給部を構成する各電力変換器２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに対し、それぞれ発電出力指令３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを送る。

後述するように、エンジン発電機４への発電出力指令３１Ａは、電力変換器２０ＡとＥＣＵ６との両方に送られる。この発電出力指令３１Ａは、例えば１時間から１分程度の所定周期ごとに更新される。

なお、太陽光発電５の発電出力と負荷７の電力消費量とは、瞬時で見れば計画値通りにはならないため、マイクログリッド９内の電力需給バランスの差分は系統１００から受けとることになる。系統１００からマイクログリッド９へ受け入れる電力量は、時々刻々と変化する。

太陽光発電装置５の出力は直流であるため、電力変換器２０Ｃで交流に変換する。電力変換器２０Ｃで直流出力を交流出力へ変換する際に、電力変換器２０Ｃの端子の電圧、位相、周波数を計測し、それに同期するように電力変換器２０Ｃを動作させて交流を生成させる。同様に、蓄電池３も、その直流出力を電力変換器２０Ｂで交流出力へ変換する。電力変換器２０Ｂで直流出力から交流出力へ変換する際に、電力変換器２０Ｂの端子の電圧、位相、周波数に同期するように、電力変換器２０Ｂを動作させる。

一般に太陽光発電装置５は、その出力を調整する機能は持っていないが、出力を停止させたり、抑制したりすることは可能である。蓄電池３は、統合制御装置２２からの発電指令３１Ｂにしたがって出力を制御する。

エンジン発電機４は、原動機１の軸出力を、二重給電式発電機２を介して交流電力に変換する。ＥＣＵ６は、統合制御装置２２からの出力指令３１Ａを受信すると、原動機１へ供給する燃料量等を制御することで、原動機１の回転を制御する。原動機１の軸出力は、二重給電式発電機２の回転子１０へ伝えられる。回転子１０の回転により、固定子１１に繋がる出力線４０から交流電力が出力される。

電力変換器２０Ａは、エンジン発電機４の出力線４０の交流電力を任意の周波数ｆｒｏｔｏｒの３相交流に変換して、回転子１０へ通電することにより界磁を生成する。このとき、エンジン発電機４の出力線４０の交流周波数ｆｓｔａｔｏｒは、回転子１０の速度Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）、極対数をＰ／２として、その回転子１０が生成する磁界の回転方向を軸の回転方向と一致すると仮定すると、以下の式１から求められる。

ｆｓｔａｔｏｒ＝Ｎ／６０＊（Ｐ／２）−ｆｒｏｔｏｒ・・・（式１）

すなわち、エンジン発電機４の出力する交流電力の周波数ｆｓｔａｔｏｒは、回転子１０の速度と電力変換器２０Ａの出力周波数とで定まる。

電力変換器２０Ａから回転子１０へ与える周波数ｆｒｏｔｏｒがゼロの場合、すなわち電力変換器２０Ａから回転子１０へ直流を供給する場合、二重給電式発電機２は同期発電機と同じになる。すなわち，回転子１０の速度Ｎは外部系統の周波数である出力線４０のｆｓｔａｔｏｒに同期するため変えることはできない。ここで、本実施例では電力変換器２０Ａは、任意の位相と周波数ｆｒｏｔｏｒを持つ交流を回転子１０に与えることができる。したがって、出力線４０の交流周波数ｆｓｔａｔｏｒとは独立に、回転子１０の速度Ｎを電力変換器２０Ａの制御により決定することができる。

マイクログリッド９が外部の電力系統１００と連系している場合の、エンジン発電機４の動作を説明する。

電力変換器２０Ａは、エンジン発電機４の出力線４０を電力計１３で測定した交流同期に必要なデータ３０と、統合制御装置２２が決定したエンジン発電機４への出力制御指令３１Ａとに基づいて、制御される。電力変換器２０Ａの制御により、固定子１１と電力変換器２０Ａとの合計出力を制御することができる。

一方、出力制御指令３１Ａは、ＥＣＵ６にも同時に送られており、ＥＣＵ６によって原動機１の出力は制御される。原動機１の軸出力と発電機２の出力とが釣り合うことで、回転子１０の速度を一定に保つことができる。回転子１０の回転速度３５は、回転速度計１５により計測され、ＥＣＵ６に入力される。ＥＣＵ６は、回転速度３５が目標回転速度に一致するように原動機１を制御する。外部の電力系統１００と連系している間、電力計１３で測定した交流データ３０は、記憶装置２５に書き込まれて保存される。記憶装置２５で保存される交流データ３０の値は、所定の制御周期毎に随時更新される。交流データ３０は、系統異常判定装置２３にもリアルタイムで送られるようになっている。系統異常判定装置２３は、交流データ３０に基づいて、系統１００に異常が生じたか判定する。

系統異常判定装置２３は、系統１００の異常を検知すると、遮断器８へ遮断指令３３を送ると共に、制御切替器２４へ連系／自立切替指令３４を送る。遮断機８は、遮断指令３３を受けると、回路を開き、電力系統１００とマイクログリッド９とを遮断する。

連系／自立切替指令３４は、出力制御指令モードと電圧制御指令モードとを切り替えるための指令である。連系／自立切替指令３４は、系統１００との連系時には、出力制御指令モードへ切り替えさせる。これにより、エンジン発電機４は、一定の出力となるように制御される（出力制御方式）。これに対し、連系／自立切替指令３４は、系統１００からマイクログリッド９が切り離された自立運転時には、電圧制御指令モードへ切り替えさせる。これにより、エンジン発電機４は、マイクログリッド９内が一定電圧となるように制御される（電圧制御方式）。

自立運転へ切替えた後、電力変換器２０Ａは、電圧位相と周波数指令とを、記憶装置２５に書き込まれたデータ３０（周波数と位相）と、エンジン発電機４の目標電圧指令３２とに基づいて決定する。電力変換器２０Ａは、周波数および電圧を固定した電圧制御モードへ移行する。

このように、電力変換器２０Ａは、系統連系時は出力制御モード（出力制御方式）、自立運転時には電圧制御モード（電圧制御方式）で動作する。一方、原動機１は、出力指令３１Ａにしたがって制御されるのではなく、軸回転速度３５が一定の目標値となるようにＥＣＵ６により制御される。ＥＣＵ６は、原動機１に供給する燃料量を制御することで、原動機１の軸出力が所定の目標値となるように制御する。

系統１００に異常が生じた場合に瞬断なく自立運転へ移行するために、電圧制御モードへの切替動作にはリアルタイム制御が必要であり、通常の電力指令３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃとは異なる高速通信網が必要である。

図２を用いて、系統連系時と自立運転時とにおける、マイクログリッド９内の発電の内訳の変化を説明する。横軸は時間を示し、縦軸は電力値を示す。横軸はフルスケールで数秒から数分を想定している。

マイクログリッド９内の電力需要の時間変化を太線(Ｉ)で示す。領域(ＩＩ)は、系統１００から受電した電力を示す。系統１００から受電する領域（ＩＩ）では、遮断器８を流れる交流電圧および周波数は一定であり、負荷７に応じて電力が増減する。すなわち負荷７の増減に応じて、遮断器８を流れる電流が増減する。

領域(ＩＩＩ)は、系統１００との連系時におけるエンジン発電機４の出力である。エンジン発電機４は、出力指令３１Ａを受けて、一定の電力となるように出力を制御する。エンジン発電機４は、出力電圧が一定の場合、電流を制御する。

領域(ＩＶ)は、蓄電池３の出力である。ここでは、蓄電池３の出力は、一定値となるように制御されているものとする。

領域（Ｖ）は、自立運転時におけるエンジン発電機４の出力を示す。自立運転時には、上述の通り出力制御モードから電圧制御モードへ移行する。このため、エンジン発電機４の出力は、電力需要（負荷７）に追従する。電圧制御モードの動作を次に説明する。

時間ｔ０でマイクログリッド９が系統１００から切り離された場合、マイクログリッド９内の発電量を瞬断なく負荷７に追従させるために、エンジン発電機４の出力を短時間で立ち上げる。

このとき、統合制御装置２２が出す出力指令３１Ａは、通常、その制御周期は１分程度であるため、負荷７の急激な変動に対応することはできない。そこで、上述した高速通信網により、電力変換器２０Ａを出力制御モードから電圧制御モードに切替える。これにより、電力変換器２１Ａは、出力指令３１Ａに従うのではなく、電圧が一定になるように発電機２の出力を制御する。これにより、発電機２の出力する電流は、負荷７の変動に応じて増減する。

周波数と位相について説明する。時刻ｔ０以前では、マイクログリッド９内の周波数は系統１００の周波数に一致する。これに対し、系統１００からマイクログリッド９が切り離される時刻ｔ０以降は、基準とすべき周波数がない。そこで、制御切替器２４の切替動作を契機に、電力変換器２０Ａは、事故直前に記録された交流同期データ記憶装置２５内のデータ３０をもとに、周波数と位相を固定する。つまり、電力変換器２０Ａは、目標とする周波数および位相を、時刻ｔ０直前の周波数および位相に固定する。

上述のように自立運転時には、マイクログリッド９内の周波数と位相とは、エンジン発電機４が決定する。したがって、太陽光発電５の電力変換器２０Ｃと蓄電池３の電力変換器２０Ｂとは、何ら制御を変えることなく、マイクログリッド９の自立運転を継続することができる。なお、マイクログリッド９内に他の蓄電装置（不図示）を追加することもできる。

図３を用いて、エンジン発電機４の動作を説明する。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間は、系統１００マイクログリッド９とが連系しており、出力制御モード（電流制御モード）で運転されている。出力制御モードでは、出力指令３１Ａとエンジン発電機４の出力とは等しい。

時刻ｔ１で系統１００に何らかの事故が発生すると、出力制御モードから電圧制御モードへ切り替わる。電圧制御モードでは、電力変換器２０Ａが界磁電流を制御する。これにより、二重給電式発電機２は、固定子１１と電力変換器２０Ａとの２系統から同時に出力を得ることができる。一般に、電力変換器は電流を数ｍｓで制御できるため、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用電源の周期１６−２０ｍｓに比べて、応答が十分に速い。したがって、エンジン発電機４は、系統１００からマイクログリッド９を切断された場合、負荷急変に対応した電流を速やかにマイクログリッド９内に供給することができる。

一方、時刻ｔ１において、原動機１からはそれ以前の軸出力しか得られていない。さらに、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間、発電機２からは、原動機１から受け取る以上のエネルギが取り出されているため、回転速度が下がる。

そこで、ＥＣＵ６は、計測された回転速度３５に基づいて、原動機１へ供給する燃料を制御し、原動機１の出力を増加させる。図３において、原動機１を制御するための無駄時間を（ｔ１−ｔ２）で示す。その後、原動機１の出力は増加するが、その増加率（ランプレート）は有限であるため、軸出力が発電機出力に追いつくまでは回転速度が下がる。この間、慣性エネルギが放出されていることになる。

時刻ｔ３において、原動機出力が発電機出力に追付くと、軸回転速度の低下が止まり、原動機１の速度制御機能により時刻ｔ３〜ｔ４の間は回転速度が回復する。

このときの原動機出力と発電機出力の差分のエネルギは、回転速度を上げるために使われる。回転速度がもとに戻ったところで、原動機出力と発電機出力を一致させ、回転速度を基準値に戻す。

その間のエンジン発電機４の出力線４０では、固定子１１からの交流周波数を一定にするべく、電力変換器２０Ａは、軸回転速度が下がった分を補うように、回転子１０に低周波数の交流を与える。これにより、界磁が自ら回転磁束を作る。

図４を用いて、エンジン発電機４の制御ブロックを示す。図４は、系統１００とマイクログリッド９とが連系している系統連系時における出力制御ブロックを示す。

回転速度ω、出力Ｐ、エンジン発電機周波数ｆ１を出力指令３１Ａで与える。ここで、回転速度ωは式１のＮ、固定子電流の周波数ｆ１は式１のｆｓｔａｔｏｒ、回転子電流の周波数ｆ２は式１のｆｒｏｔｏｒに、それぞれ相当する。

図１に示す出力指令３１Ａに相当する出力指令Ｐ＊を受けて、燃料制御器としてのＥＣＵ６が動作し、原動機１へ供給する燃料を制御する。原動機１は、燃料が供給されると、トルクを発生し、二重給電式発電機２の回転子１０にトルクを与える。この軸トルクを二重給電式発電機２は電気出力Ｐに変換する。電気出力Ｐを電力計１３で測定し、その測定結果をＥＣＵ６による燃料制御へフィードバックする。

そして、ＥＣＵ６は、原動機１の回転速度ωを一定値に保つために回転数制御を実行し、軸の回転速度ωを回転計１５で測定する。速度制御器でもあるＥＣＵ６は、測定された回転速度ωを出力指令に変換し、燃料制御に反映する。

また、エンジン発電機４の周波数ｆ１を制御するために、エンジン回転速度ωをフィードバックし、式１を用いて電力変換器２０Ａの周波数ｆ２と電流ｉ２とを制御する。固定子周波数ｆ１は、系統連系時には、電力計１３で測定した系統周波数と一致させる。回転子速度ωは、式１で示したように任意に選ぶことができるので、その設定値はここには記載しない。定格速度に設定してもよいし、あるいは原動機１が最も効率良い回転速度に設定してもよい。

図５を用いて、自立運転時における電圧制御モードの電圧制御ブロック図である。エンジン発電機４の回転速度ωは、原動機１の速度制御により一定速度に制御する。このとき、エンジン発電機４の負荷によるトルクと原動機１の発生する軸トルクとの差分により、回転速度が上下するので、図４で述べたと同様に燃料を制御する。

一方、図４とは異なり、図５のブロック図では出力指令Ｐ＊は存在しない。二重給電式発電機２は、電力変換器２０Ａを制御することにより、出力端子Ｖ１の電圧と位相を一定になるよう制御する。

ｆ１＊は、系統１００からマイクログリッド９が遮断される直前までに交流同期データ記憶装置２５に記録されたデータ３０をもとに作成する。Ｖ１＊は、予め設定されたマイクログリッド９の電圧とする。この制御は、エンジン発電機４が系統連系時の系統電源と同様に働くための制御である。したがって、エンジン発電機４からは負荷に応じて電流が供給される。このため、負荷が急変すれば、エンジン発電機４の負荷トルクが上昇し、回転速度は低下する。これの回転速度の低下分を補うために、上述した原動機１の速度制御が実施され、発電機負荷と原動機出力とが均衡するまで燃料制御が行われる。

原動機出力が発電機負荷に追従するまでのエネルギ差分は、エンジン発電機４の軸の回転慣性エネルギを放出していることになる。本実施例では、二重給電式発電機２を用いているため、通常の同期発電機のように脱調することなく、運転を継続可能である。また、本実施例では、周波数も一定に維持できるため、系統周波数が許容範囲を超えた場合の負荷脱落などを起こさずに、瞬断なく負荷７に電力を供給し続けることができる。

このように構成される本実施例によれば、自立運転時に、電力変換器２０Ａを出力制御モードから電圧制御モードへ切り替えさせ、マイクログリッド９内に供給される交流電力の周波数と位相とをエンジン発電機４により指示すると共に、原動機１の回転速度が一定となるようにＥＣＵ６は原動機１を制御する。これにより、本実施例では、系統１００からマイクログリッド９が遮断された場合に、マイクログリッド９内に安定した電力を直ちに供給することができ、原動機１を効率的に運転させることができる。

すなわち、本実施例によれば、系統遮断時に、エンジン発電機４の制御を切替えることにより、エンジン発電機４の負荷を急変させることができ、さらに周波数を維持して瞬断なく自立運転に移行することができる。

本実施例によれば、マイクログリッド９内に設置された他の非同期発電設備３，５の制御を切替えることなく、複数の非同期発電装置３，５を交流で繋ぐことができる。

本実施例によれば、エンジン発電機４は二重給電式発電機２を用いているため、回転電機の出力の大部分は電力変換器２０Ａを介さずに出力される。このため、電力変換器２０Ａでの損失が少なく、効率が良い。つまり、二重給電式発電機２の出力の大部分は電力変換器２０Ａを介さずにそのまま出力し、電力変換器２０Ａは調整用の交流を回転子１０に供給する。したがって、電力変換器２０Ａの負荷を小さくすることができ、損失を低減することができ、電力変換器２０Ａの導入コストも低減できる。

図６および図７を用いて、第２実施例を説明する。本実施例を含む以下の各実施例では、第１実施例との相違を中心に説明する。

図２は、本実施例に係るマイクログリッド９（２）のシステム構成図である。本実施例のエンジン発電機４（２）では、発電機１２の出力はすべて電力変換器２０Ａ（２）により変換されて出力線４０へ出力される。つまり、本実施例では、固定子１１から出力される電力をすべて電力変換器２０Ａを通して出力している点で、第１実施例と異なる。

回転子１０は、永久磁石による界磁、あるいは、誘導発電機のかご型回転子、あるいは、直流スリップリングを介した同期機でもよい。原動機１の軸速度は可変で、固定子１１の端子電圧の周波数は軸速度に比例するが、電力変換器２０Ａから出力線４０へ出力される周波数は一定とすることができる。

図７は、本実施例に係る電力変換器２０Ａ（２）を示す。電力変換器２０Ａ（２）は、例えば、系統側電力変換器２０１Ａと、発電機側電力変換器２０１Ｂとを備える。電力変換器２０Ａ（２）では、直流部が共通になっており、直流コンデンサ２０２で直流電圧を平滑化する。

系統連系時には、発電機１２からマイクログリッド９へ一定電力を供給すべく、発電機側電力変換器２０１Ｂは、出力指令３１Ａに従い発電機電流を制御する。系統側電力変換器２０１Ａは、遮断器８側の交流電圧に同期させ、直流コンデンサ２０２の両端電圧を一定になるように制御する。

自立運転時には、第１実施例で述べたと同様に、系統側電力変換器２０１Ａは、系統１００から遮断される直前までのデータ３０を利用し、交流側の周波数と電圧とを固定して運転する。一方、発電機側電力変換器２０１Ｂは、直流コンデンサ２０２の電圧を一定に保つように制御する。

系統１００に異常が生じたと判定された場合、第１実施例と同じ手順で、以上に述べた電力変換器２０Ａ（２）の制御を切替える。負荷が急変し、電力変換器２０Ａ（２）が発電機１２から出力を取り出した結果、原動機１の出力追従が間に合わなければ、軸の回転慣性エネルギが供給元となる。この結果、軸速度が変化するのは第１実施例と同様で、ＥＣＵ６は原動機１へ供給する燃料を調整し、回転速度を制御する。

このように構成される本実施例も第１実施例と同様の作用効果を奏する。すなわち、系統事故時にエンジン発電機４（２）の制御を切替えることにより、系統遮断時にエンジン発電機４（２）の負荷を急変させることができ、さらに周波数を維持して瞬断なく自立運転に移行することができる。さらに、本実施例によれば、マイクログリッド９内に設置された他の非同期発電設備３，５の制御を切替えることなく、複数の非同期発電装置３，５を交流で繋ぐことができる。

図８を用いて第３実施例を説明する。本実施例では、一つのマイクログリッド９（３）内に、可変速エンジン発電機４と、一定速の同期発電機１６とが設けられている。系統連系時、同期発電機１６は、系統１００の交流と同期して運転している。同期発電機１６は、原動機１Ａから軸出力を受取ると、系統電圧に対して位相の異なる電圧を発生させることで、電力を供給する。原動機１Ａは、統合制御装置２２からの出力指令３１Ｄにしたがって作動する。原動機１Ａの回転速度は制御しない。

自立運転の場合には、電力負荷と発電量とのアンバランスがあると、同期発電機１６の電流が増減し、その結果、発電機１６のトルクが原動機１Ａと釣合わず、速度が増減するため、発電周波数が変化する。

このため、第１実施例で述べたように、もしも可変速エンジン発電機４の周波数や位相を固定してしまうと、脱調してしまい運転を継続することができない。そこで本実施例では、同期発電機１６の性質を考慮し、エンジン発電機４と同期発電機１６を持つマイクログリッド９（３）が自立運転に移行する場合、エンジン発電機４は、系統周波数を外部と同期させるようにし、かつ、電圧制御モードではなく系統連系時と同じ出力制御モードを維持するようにした。つまり、本実施例では、自立運転時に、可変速のエンジン発電機４を、同期発電機１６の周波数に同期させて運転し、電圧制御モードへは移行しない。

この切替モードの判断を可能にするため、統合制御装置２２は、マイクログリッド９（３）内で同期発電機１６が接続されているか、切り離されているかを観測し、この観測結果から同期発電機接続信号３６Ａを生成してエンジン発電機４へ送る。

統合制御装置２２からエンジン発電機４へ同期発電機接続信号３６Ａを送るための通信は、リアルタイムである必要は無く、連系／自立運転が切替わった場合のみ信号を切り替えることができればよい。

一方、原動機１Ａは、連系／自立切替信号を受けると、連系時には出力指令３１Ｄにしたがった出力制御モードを実行する。自立運転時には、回転計１５で測定された原動機１Ａの回転速度３５を一定にするよう燃料を制御する。この原動機１Ａの速度制御により、自立運転時のマイクログリッド９（３）の交流周波数や位相が決定される。

このように構成される本実施例も第１実施例と同様の作用効果を奏する。さらに本実施例では、マイクログリッド９（３）に同期発電機１６が接続されている場合、すなわち稼動可能な同期発電機１６がマイクログリッド９（３）内にある場合、自立運転に移行した際に、エンジン発電機４を同期発電機１６に追従させると共に出力制御モードのままで運転させる。この結果、マイクログリッド９（３）が同期発電機１６を備えている場合でも、エンジン発電機４は同期発電機１６と協調して、マイクログリッド９（３）に電力を安定供給することができ、使い勝手が向上する。

図８および図９を用いて、第４実施例を説明する。第３実施例では、系統に連系する運転と自立運転とが切り替わる際、系統１００から受けていた電力が大きいと、同期発電機１６の負荷が急変するため、脱調する可能性がある。

そこで、本実施例では、同期発電機１６の負荷変動を少なくするために、蓄電池３を用いる。図９は、マイクログリッド９（３）での発電の内訳を示すグラフである。図９において、電力需要は太線(Ｉ)、系統１００からの受電は領域（ＩＩ）である。領域(ＩＩＩ)は、出力制御モードで発電しているエンジン発電機４の出力である。領域(ＩＶ)は、出力制御モードによる蓄電池の出力である。領域（Ｖ）は、エンジン発電機４の電圧制御モードでの出力である点で、領域（ＩＩＩ）と異なる。図２との違いは、時刻ｔ０からｔ１までの蓄電池３の動作にある。

電力計１３Ａは、マイクログリッド９（３）が系統１００と連系している場合に、系統１００から受け取った電力量を測定している。記憶装置２５は、電力計１３Ａの測定結果を記録している。図９でいえば、電力計１３Ａは、電力（Ｐａ）を計測している。この計測は高速通信である必要はない。

系統異常時には、蓄電池３の電力変換器２０Ｂは、系統異常判定装置２３から連系／自立切替指令３４を受け取る。電力変換器２０Ｂは、切替指令３４にしたがって蓄電池３から放電させることで、高速に出力を補填する。この指令３４は、蓄電池３への制御指令３１Ｂよりも優先する。しかし、電力変換器２０Ｂはあくまで出力制御モードであり、系統連系時と自立運転時とで制御モードは変わらない。

その後、電力変換器２０Ｂは、出力制御モードにしたがって出力をゆっくりと初期値に戻す。蓄電池３の出力が初期値に戻るに合わせて、同期発電機１６は、電圧制御モードで、徐々に負荷に追従する。したがって、同期発電機１６が脱調するのを防止できる。

蓄電池３の出力増加分（Ｐａ）は、系統切り離し前に測定した電力値（Ｐａ）とは時間遅れがあるため、切り離し時刻ｔ０に受けていた系統電力の値と蓄電池３の出力増加分（Ｐａ）とは厳密には同じ値とはならないが、その差はわずかである。系統連系時のエンジン発電機４の出力（Ｐｂ）と自立運転時のエンジン発電機４の出力（Ｐｃ）も厳密には同じ値とはならないが、その差はわずかである。

したがって、本実施例によれば、自立運転への移行時に、系統１００から受け取っていた電力分を補うべく、蓄電池３は高速に放電するため、自立運転への移行時の電力変動を吸収することができ、出力制御モードから電圧制御モードに切替えた同期発電機１６またはエンジン発電機４により、マイクログリッド９（３）内に安定した電力を速やかに供給することができる。

図１０を用いて、第５実施例を説明する。エンジン発電機４は、自立運転時に、二重給電式発電機２の回転子１０に直流を通電し、同期発電機として運転する。この場合、図１０に示すように、回転子１０の交流周波数指令ｆ２はゼロとし、発電機電圧Ｖ１を制御するように、電力変換器２０Ａの出力電流ｉ２を制御する。

ただし、現実的には変換器２０Ａで直流を長時間通電することは実用的ではない。通常、電力変換器は３相に均等に電流を流すことを前提に熱設計されているため，２相だけに通電する状態には対応できない。そこで、極低周波数だが、周波数を固定する方法が実用的である。この場合、出力線４０の交流周波数ｆｓｔａｔｏｒと、回転子１０の速度Ｎは常に比例するため、実質的に同期発電機と全く同じである。

したがって、回転子速度ωは、通常の同期発電機と同様に、負荷に応じて変動するため、燃料制御の上の回転速度制御により、速度一定になるよう制御する。この場合、原動機の回転速度は、第３実施例と同様に、マイクログリッド内の周波数と比例する。

また、本実施例の自立運転移行時に、第４実施例で述べたと同様、蓄電池３からの高速放電制御を行うことで、発電機の脱調を防止することができる。

本実施例でも、第１実施例と同様の効果が得られる。すなわち、系統事故時に可変速エンジン発電機が、同期発電機の有無を判断して瞬断なく自立運転に移行できる。さらに、マイクログリッド内に設置された蓄電池など他の非同期発電設備の制御を切替えることなく、複数の非同期発電装置を交流で繋ぐことができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。上述の実施形態において、添付図面に図示した構成例に限定されない。本発明の目的を達成する範囲内で、実施形態の構成や処理方法は適宜変更することが可能である。

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれる。さらに特許請求の範囲に記載された構成は、特許請求の範囲で明示している組合せ以外にも組み合わせることができる。

２：二重給電式発電機、３：蓄電池、４，４（２）：エンジン発電機、５：太陽光発電装置、６：ＥＣＵ、７：負荷、８：遮断器、９，９（２），９（３）：マイクログリッド、１０：回転子、１１：固定子、１３，１３Ａ：電力計、１４：スリップリング、１５：回転速度計、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ：電力変換器、４０：エンジン発電機の出力線、１００：電力系統

Claims (7)

1. エネルギ供給部とエネルギ消費部とを有し、電力系統に接続されるマイクログリッドを制御するマイクログリッド制御システムであって、
   前記エネルギ供給部は、
   原動機の発生する動力を回転電機と第１の電力変換器とを用いることにより交流電力に変換する可変速発電装置と、第２の電力変換器を介して交流電力を供給可能な非同期型電源装置とを含み、
   前記エネルギ消費部は、前記電力系統または前記エネルギ供給部から供給される交流電力を消費する電力負荷を含み、
   前記マイクログリッドが前記電力系統と連系する場合、前記可変速発電装置と前記非同期型電源装置とは、前記電力系統の交流電力に同期させて出力を制御し、
   前記電力系統に異常が検出された場合、前記マイクログリッドを前記電力系統から切り離して自立運転に移行し、
   前記可変速発電装置は、前記自立運転へ移行する場合に第１モードで運転し、
   前記第１モードでは、前記第１の電力変換器を出力制御方式から電圧制御方式へ切り替えさせ、前記マイクログリッド内に供給される交流電力の周波数と位相とを前記可変速発電装置が指示し、前記原動機の回転速度が一定となるように前記原動機を制御する、
   マイクログリッド制御システム。
2. 前記可変速発電装置は、前記第１の電力変換器が前記回転電機の回転子に対して回転接続用コネクタを介して交流の励磁電流を供給することで回転磁界を生成する二次励磁発電機として構成される、
   請求項１に記載のマイクログリッド制御システム。
3. 前記可変速発電装置は、前記回転電機の固定子からの交流電力を前記第１の電力変換器を介して前記マイクログリッド内に供給する、
   請求項１に記載のマイクログリッド制御システム。
4. 前記可変速発電装置は、
   前記エネルギ供給部に前記マイクログリッドに接続されている同期発電機がさらに含まれる場合、前記自立運転へ移行する際に、前記同期発電機に同期して運転する第２モードで運転し、
   前記同期発電機が含まれていない場合、前記自立運転へ移行する際に、前記第１モードで運転する、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクログリッド制御システム。
5. 前記可変速発電装置は、前記自立運転へ移行する場合に、前記第１の電力変換器を周波数一定制御に切り替えることにより同期発電機として運転される、
   請求項２に記載のマイクログリッド制御システム。
6. 前記非同期型電源装置は、蓄電池に蓄えた電力を前記第２の電力変換器を介して交流電力として供給するものであり、
   前記マイクログリッドが前記電力系統と連系しているときに前記電力系統から前記マイクログリッドが受電する電力値を監視して記憶し、
   前記可変速発電装置が前記自立運転へ移行する場合に、前記記憶した電力値を前記蓄電池の放電により補う、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクログリッド制御システム。
7. エネルギ供給部とエネルギ消費部とを有し、電力系統に接続されるマイクログリッドを制御するマイクログリッド制御方法であって、
   前記エネルギ供給部は、
   原動機の発生する動力を回転電機と第１の電力変換器とを用いることにより交流電力に変換する可変速発電装置であって、前記第１の電力変換器が前記回転電機の回転子に対して回転接続用コネクタを介して交流の励磁電流を供給することで回転磁界を生成する二次励磁発電機として構成される可変速発電装置と、第２の電力変換器を介して交流電力を供給可能な非同期型電源装置とを含み、
   前記エネルギ消費部は、前記電力系統または前記エネルギ供給部から供給される交流電力を消費する電力負荷を含み、
   前記マイクログリッドが前記電力系統と連系する場合、前記可変速発電装置と前記電源装置とは、前記電力系統の交流電力に同期させて出力を制御し、
   前記電力系統に異常が検出された場合、前記マイクログリッドを前記電力系統から切り離して自立運転に移行し、
   前記可変速発電装置が前記自立運転へ移行する場合に、
   前記第１の電力変換器を出力制御方式から電圧制御方式へ切り替えさせ、
   前記マイクログリッド内に供給される交流電力の周波数と位相とを前記可変速発電装置が指示し、
   前記原動機の回転速度が一定となるように前記原動機を制御する、
   マイクログリッド制御方法。

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