JP2020028198A

JP2020028198A - マイクログリッドの制御システム

Info

Publication number: JP2020028198A
Application number: JP2018152710A
Authority: JP
Inventors: 嶋田　隆一; Ryuichi Shimada; 隆一嶋田
Original assignee: Mechatro System & Design Lab Co Ltd
Current assignee: Mechatro System & Design Lab Co Ltd
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2038-08-14
Also published as: JP6742592B2

Abstract

【課題】外部連係電力系統の喪失や不安定な場合、マイクログリッド電力系の電圧を維持する。【解決手段】マイクログリッド電力系にフライホイール付き誘導機を接続して、同期速度付近で空転させて待機し、停電時も運転継続できるように、負荷を優先順位で、不要な負荷を遮断することにより、電圧を維持して、重要負荷の運転を継続する。【選択図】図１

Description

本発明は、独立した電力系（以下「マイクログリッド」という。）が、外部連係する電力系統の突然の喪失や、マイクログリッド内の大きな電力負荷のオン・オフ等によって、マイクログリッドの電圧変動が起こらないように、マイクログリッドの電圧の変動が小さくなるように制御する機能を有したマイクログリッドの制御システムに関する。

大規模な商用電力系統の周波数は、総消費電力に等しい発電量に常に一致するように制御されなければならず、総消費電力と発電量との間に差がある場合、数秒から数十秒の時定数で目標値である５０ヘルツまたは６０ヘルツから時間変化することになる。電力系統内のフライホイール効果はこの変化を遅くするので、多くの場合、水力発電所の出力を制御して、この周波数偏差を0.05Ｈｚ以内にして運用している。

外部の電力系統からの電力供給が突然喪失した場合、マイクログリッド内の発電設備の能力の範囲で重要な負荷（停電が起こると重大な事故につながるような負荷のこと。）を運転継続することが期待される。
しかし、マイクログリッド内の自家発電機、コジェネレーション発電機等には十分な発電能力が無いので、電力不足が発生すると周波数の低下が起こる。

大規模な電力系統では、周波数の制御は計画的な発電所の運用をベースに、時々刻々の需要変化に対して、周波数を目標に維持するように、周波数制御のために水力発電や揚水発電、さらに火力発電所の出力を変化させている。
自動制御機能によって、周波数を安定させる範囲の精度に制御することは、制御装置にとってそれほど困難ではない。たとえば、現状では目標値の0.05％の精度内で運転されている。それは、電力系統には、発電機の持つ大きなフライホイール効果や、同期電動機などの負荷の持つフライホイール効果により、系統の慣性定数と呼ばれる数秒から数十秒の時間的猶予があるからである。

しかし、マイクログリッドでは、大規模な電力系統と比較して、この負荷に対するフライホイール効果が少ないので、外部からの電力供給の瞬時電圧低下（以下「瞬低」という。）や送電線事故などで突然停止された場合、過渡的に、周波数が低下し、過渡状態を脱することができなくなる。

風力発電などの変動電力を電力系統に入れて、電力系統の周波数変動を防ぐ手段として、通信技術を利用して負荷側から電力需要を積極的に変動させて安定化させることが提案されている（特許文献１参照）。
また、電力負荷と並列にフライホイール付き誘導機を接続させることで短時間の瞬低対策とすることも提案されている。（特許文献２参照）

特許第４６３５２０７号公報特許第３６４０６５６号公報

マイクログリッドの場合、系統連係が突然遮断された場合、マイクログリッドの周波数変動を防ぐ手段として、通信技術を利用して負荷側から電力需要を積極的に変動させて安定化させることで負荷を発電量に合わせれば良いが、どの負荷を遮断するかは、マイクログリッドの運用上非常に重要な問題である。

例えば、病院における手術用の医療機器のように、電圧低下によって機能が停止すれば患者の生命にかかわるような負荷もあるのに対し、照明や電熱器のように一時的に停止しても問題がない負荷もある。
したがって、連係する外部電力系統の瞬低や停電が生じた場合に、マイクログリッド内の電圧低下を最小限に抑えるために、接続する負荷を選択して遮断すればいいことに本発明者は着目した。

また、マイクログリッドでは、消費電力側でも、省エネ化が進んで、インバータなど周波数動揺に問題の無い機器の普及が進んでいるが、フライホイール付き誘導機で系統内のフライホイール効果を補うことが可能なことに着目した。
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、マイクログリッド内の重要な負荷を停止することなく連続して継続して稼働できるようにするためのマイクログリッド電力系安定化システムを提供することを目的とする。

本発明は、外部の電力系統と接続され、発電設備を備えた複数の分散型電源及び複数の負荷を備え、平常時は前記電力系統から供給される電力がバッファとなって協調運転を行うマイクログリッドの制御システムであって、該制御システムは、前記マイクログリッドの電圧を監視する電圧監視手段と、平常時は前記マイクログリッドからの電力の供給を受けて回転待機し、前記電力系統の瞬低又は停電時には発電機となって前記マイクログリッドに補完電力を供給するフライホイール付き誘導機と、前記負荷ごとに設けられた前記マイクログリッドへの接続又は遮断を行う負荷接続／遮断手段と、前記各負荷接続／遮断手段のオン／オフを通信回線を介して制御する制御手段とを備えるとともに、前記制御手段が、前記電圧監視手段で検知した電圧が所定の値よりも低い場合は、前記電圧が所定の範囲内に収まるように前記負荷接続／遮断手段をオフし、前記電圧監視手段で検知した電圧が所定の値よりも高い場合は、前記電圧が所定の範囲内に収まるように前記負荷接続／遮断手段をオンすることを特徴とする。

また、本発明は、前記マイクログリッドの制御システムが、前記フライホイール付き誘導機に接続され、前記フライホイール付き誘導機に進相電流を供給する進相電流供給手段をさらに備え、前記制御手段が、前記進相電流を調整することにより前記フライホイール付き誘導機で発電した電力の電圧を調整することを特徴とする。
さらに、本発明は、前記マイクログリッドの制御システムが、前記負荷の遮断及び接続を、あらかじめ定めた優先順位に従って制御することを特徴とする。

上記構成によるマイクログリッドの制御システムによれば、外部連係する電力系統の突然の喪失や、マイクログリッド内の大きな電力負荷のオン・オフ等によって、マイクログリッド内の大きな電圧変動が起こらないようにすることができる効果がある。また、本発明の好ましい実施形態によれば、非常時において、負荷を予め定めた優先順位にオン又はオフすることができるので、重要な負荷が稼働中に突然停止することがなくなる。

本発明に係るマイクログリッドの制御システムの構成の例を示すブロック図である。マイクログリッドの電力変化の推移を説明するための図である。フライホイール付き誘導機の実施例を示す写真である。制御手段による制御のフローを示すフローチャートである。

本発明は、マイクログリッドが、外部連係する電力系統の突然の喪失や、マイクログリッド内の大きな電力負荷のオン・オフの有るなかで、マイクログリッドの電圧変動と周波数擾乱を起こさないように、フライホイール付き誘導機をその緩衝装置として運転し、域内の負荷を通信手段を介してオン・オフ制御し、マイクログリッドの発電電力の総量と負荷の総量を常に監視し、マイクログリッドの電圧と周波数の変動が小さくなるように統括集中制御する機能を有したマイクログリッドの制御システムに関する。

すなわち、マイクログリッドにフライホイール付き誘導機を接続して、常時、並列運転して瞬低対策とし、あわせて、系統のフライホイール効果を増加する効果を期待して、マイクログリッド内に、たとえば二次電池などをエネルギー源とする無停電電源（ＵＰＳ）、コジェネレーション発電機、太陽光発電装置、風力発電装置、非常用発電機等の発電設備を備えた複数の分散型電源を設置し、それと連系して周波数と電圧の変動を少なくし、マイクログリッド内の重要な負荷の運転継続を可能にするものである。なお、重要な負荷とは、瞬低や停電によって電力が遮断されると重大な事故あるいは損失につながるような負荷を意味する。例えば手術用の機器や、生産工場におけるロボット設備等である。

そのために、通信回線を介して、負荷の重要度に応じた優先順位に従って負荷のオン・オフを制御して、限られた電力発電量のなかでマイクログリッドの運転を継続することを特徴とし、フライホイール付き誘導機が発電機となって、数秒間の電力補償を行う間に、有線・無線の通信回線を利用してマイクログリッドの負荷をオン・オフすることにより継続安定運転が実現する。

本発明は、外部の電力系統と連係するマイクログリッドの受電電力と、変動するマイクログリッド内需要に応じて、優先順位に応じた特定の負荷のオン・オフを行うことで負荷全体の消費電力量を変化させて、電圧の維持を優先的に行う。
すなわち、周波数の維持は２次的に考えることで、そこにフライホイール付き誘導機を常時連結させて稼働させて、瞬低対策となる誘導機の過負荷特性とフライホイール効果による周波数安定度を増し、連携して電圧と周波数を制御するものである。

本発明は、マイクログリッドと呼ばれる、大きくは都市、離島など数万ｋＷ、小さくはオフィスビル、病院、工場など数百ｋＷの規模で外部の商用電力系統と連係を持ちつつ、域内に、太陽光発電システム、風力発電設備、ディーゼルエンジン発電設備、コジェネレーション発電機などの分散型の電源を設置して、平常時は外部の大きな電力系統がバッファとなって協調運転を行う。すなわち、マイクログリッド内の負荷で消費される電力の総量と、電力系統から供給される電力とマイクログリッド内の発電設備で発電される電力の合計が同じになるように、マイクログリッド内の発電設備で発電される電力量あるいは電力系統から供給される電力量を常時調整するが、この制御は、一般的なマイクログリッドに備えられた制御装置で行われており、本発明に係るマイクログリッドの制御システムにおいても当然に備えられている。

しかし、外部電力系統からの電力供給が停止した場合は、外部電力系統による電力調整力が無くなり、マイクログリッド内部の発電電力と需要（電力消費量）を一致させなければならなくなる。その場合、マイクログリッド内の発電量に応じた負荷にしなければならず、どの負荷を瞬断するかが問題となる。病院の場合など、一旦運転を始めると停止できない負荷（手術用の機器等）があるなど、負荷の重要度、優先順位も変化する。

本発明のマイクログリッド制御システムは、時々刻々変わる負荷を把握して、発電量と一致するまで、負荷を遮断、または運転電力を低下する制御を行い入力と出力を一致させる、所謂、同時同量運転を行うが、この時、フライホイール付き誘導機が並列運転しているため、理論的には最大、定格の３倍まで発電することが可能な誘導機によって賄うことで、無瞬断のマイクログリッド電力系統が実現する。

図１は、本発明に係るマイクログリッドの制御システムの構成の例を示すブロック図である。図において、外部電力系統１は系統接続手段２を介してマイクログリッドと接続されている。系統接続手段２は、例えば、電力用の開閉スイッチが利用可能である。この系統接続手段２は、停電等で電力系統の電圧が落ちたことを系統電圧監視手段３で検知すると、後述の制御手段１１によって遮断指令が送られて遮断される。また、その逆に、電力系統の電圧が復帰すると、それを系統電圧監視手段３で検知し、制御手段１１によって接続指令が送られて再接続される。

系統接続手段２は、外部の電力系統のダウン時に、マイクログリッド側から外部に電力が流出するのを遮断するものであるが、必ずしも必須ではない。電流の位相を制御することにより外部への流出を防止することが可能であるからである。
分散電源４は、マイクログリッド内の、たとえば二次電池などをエネルギー源とする無停電電源（ＵＰＳ）、コジェネレーション発電機、太陽光発電装置、風力発電装置、非常用発電機等の発電設備を備えた電源設備である。

複数の負荷５は、マイクログリッド内の電力を消費する機器（設備）であり、負荷接続／遮断手段６を介してマイクログリッドに接続されている。負荷接続／遮断手段６は、インターネットやＬＡＮ等の通信回線７を介して後述の制御手段１１によって開閉が制御される。負荷接続／遮断手段６の実施例としては、スマートコンセントやスマートプラグの名称で市販されている無線ＬＡＮを利用して開閉を制御するものが知られている。

なお、負荷５に予め優先順位をつけておき、その優先順位に従って、制御手段１１が負荷接続／遮断手段６のオン又はオフを行う。重要な負荷の場合は、接続のときは優先順位が高く、遮断のときは優先順位が低くなる。また、重要でない負荷の場合はその逆になる。
誘導機８は、回転軸にフライホイールが連結されており、平常時はマイクログリッドから電源の供給を受け、電動機として同期速度よりわずかに低い速度でフライホイールが回転待機しており、進相電流供給手段９から進相電流が供給されて発電すると電圧を発生する自励運転がなされるので、電力系統の瞬低時には、その電圧維持効果が特別な制御無しで自動的になされるので信頼度が高い。誘導機８としては、耐久性及びコストの観点からも、かご形誘導機が好ましいが、巻き線型誘導機にインバータを組み合わせたものでもよい。

また、フライホイール付き誘導機８は、マイクログリッドにコンバータ・インバータを介さずに直結されているのも特徴である。進相電流供給手段９としては、進相コンデンサが利用可能であり、複数の進相コンデンサを入り切りすることで、フライホイール付き誘導機４による発電電圧を調整することが可能である。
また、進相コンデンサの代わりにあるいはそれに加えて静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）を用いて電圧を調整してもよい。

電圧監視手段１０は、マイクログリッド内の電圧を監視するものであり、電圧計が利用可能である。図示しない電流計で測定される電流とあわせて電力の測定が可能となる。
制御手段１１は、電圧監視手段１０で計測した電圧が所定の範囲に収まるように、負荷（１〜Ｎ）の接続／遮断を行うために、通信回線７を介して負荷接続／遮断手段６のオン・オフを制御する。また、負荷のオン・オフに伴う電圧の変動を抑制するために、進相電流制御手段５を制御して、フライホイール付き誘導機４からの供給電圧を調整する。制御のフローについては後述する。接続／遮断を行う負荷については、事前に優先順位を設定しておいて、制御手段１１にその情報を格納しておけばよい。制御手段１１としては、汎用のパソコンが利用可能である。

図２は、マイクログリッドの電力変化の推移を説明するための図である。図２において、破線（点線）で示すのは、マイクログリッドの電圧であり、電力系統における停電発生時から徐々に電圧が下がり続け、停電が回復し、電力系統への再接続がされると元の電圧に戻っていくことを示している。
一点鎖線で示すのは、マイクログリッドの電力の周波数（又は誘導機４の回転スピード）である。電力系統が停電している期間は周波数が乱れているが（約５〜１０％の変動）、電圧が復帰すれば元の状態に戻るため、本発明では、電圧の制御を優先して行う。
近年の電力負荷は、機器側で、交流電力を整流器で直流に変換して、かつ、機器内で電圧調整する能力が高くなっており、電圧がある程度以上あれば運転に問題ないので、マイクログリッド系統の周波数が１０％程度下がっても電圧を維持すれば問題ないからである。

実線で示すのは、マイクログリッドの電力である。停電発生前は、電力は負荷で消費される電力と釣り合っている。電力系統において停電が発生すると、電力系統との接続が遮断され、マイクログリッドの電力は急激に落ちるが、これを緩和するために、フライホイール付き誘導機８が発電機となってマイクログリッドに電力を補完する（図のハッチングを施した部分）。これと共に、制御手段１１が優先順位に従って負荷を遮断するため、フライホイール誘導機８からの電力供給がなくなった後も、マイクログリッド内の分散電源４による電力で維持することができる。
なお、停電中に大きな負荷が突然投入（接続）された場合に、電圧が急激に変動したときに、フライホイール付き誘導機８からの電力でバックアップすることもできるのが、このシステムの利点である。

やがて停電が回復し、電力系統への再接続がされると、マイクログリッドの電力が徐々に回復していくが、これまでに遮断されていた負荷は、優先順位に従って再接続される。この再接続は制御手段１１が予め決められた制御シーケンスによって行う。停電回復後は、マイクログリッドの電力は接続されている負荷で消費される電力と釣り合う。

このマイクログリッドの制御システムは、近年の高度な無線あるいは電力線を使った通信回線を利用して、それぞれの負荷機器に、オン・オフできるリレースイッチまたは電磁開閉器を介してリクエストに応じて制御接続して、機器の優先順位を常時勘案して準備しており、またグリッド内の発電設備の発電量を把握して外部電力系統からの電力喪失事故に対して対処する。また、この制御システムは、マイクログリッド内発電設備、例えば太陽光発電などの発電量も瞬低対策のフライホイール付き誘導機の容量なども常時勘案して準備していることも特徴である。

図３は、異常時（停電時）における制御手段の制御のフローを示すフローチャートである。まず、電圧の制御範囲を設定する（Ｓ１）。予め、上限値（Ｖ１）と下限値（Ｖ２）を入力しておき、スタート後にそれをメモリから読み出す。例えば、Ｖ１＝１１０Ｖ、Ｖ２＝９０Ｖのように設定する。電圧監視手段１０で読み取った電圧Ｖが上限値Ｖ１を超えているかを判断する（Ｓ２）。電圧Ｖが上限値Ｖ１以下の場合は（Ｓ２のＮＯ）、さらに電圧Ｖが下限値Ｖ２以上であるかを判断する（Ｓ３）。電圧Ｖが下限値Ｖ２以上の場合は（Ｓ３のＹＥＳ）、ステップＳ２に戻って上記の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ３において、電圧Ｖが下限値Ｖ２未満の場合は（Ｓ３のＮＯ）、制御手段は進相電流供給手段に対して電圧を上げる指令を出す（Ｓ４）。例えば、進相コンデンサのスイッチを入れて進相電流を増やし（Ｓ５）、誘導機からの供給電圧をアップさせる。
この結果、電圧Ｖが上昇し、電圧Ｖが下限値Ｖ２以上になれば（Ｓ６のＹＥＳ）、ステップＳ２に戻って上記の処理を繰り返す。しかし、これによっても電圧Ｖが下限値Ｖ２未満である場合は（Ｓ６のＮＯ）、予め定めた優先順位の一番低い負荷の負荷接続／遮断手段を通信回線を介して遮断する（Ｓ７）。そして、ステップＳ６に戻り、電圧Ｖが下限値Ｖ２以上か否かを判断する。まだ電圧Ｖが下限値Ｖ２未満である場合は（Ｓ６のＮＯ）、優先順位が２番目に低い負荷の負荷接続／遮断手段を通信回線を介して遮断する（Ｓ７）。このようにして、電圧Ｖが下限値Ｖ２以上になるまで繰り返す。電圧Ｖが下限値Ｖ２以上になると（Ｓ６のＹＥＳ）、ステップＳ２に戻り上記処理を繰り返す。

これに対して、ステップＳ２において、電圧Ｖが上限値を超えている場合は（Ｓ２のＹＥＳ）、制御手段は進相電流供給手段に対して電圧を下げる指令を出す（Ｓ８）。例えば、進相コンデンサのスイッチを切って進相電流を減らし（Ｓ９）、誘導機からの供給電圧をダウンさせる。この結果、電圧Ｖが下降し、電圧Ｖが上限値Ｖ１以下になれば（Ｓ１０のＮＯ）、ステップＳ３に移って以降の処理を繰り返す。

しかし、これによっても電圧Ｖが上限値Ｖ１を超えている場合は（Ｓ１０のＹＥＳ）、予め定めた優先順位の一番高い負荷（その時に接続中のものはパスして次の優先順位のものに移る。以下同じ。）の負荷接続／遮断手段を通信回線を介して接続する（Ｓ１１）。そして、ステップＳ１０に戻り、電圧Ｖが上限値Ｖ１を超えているか否かを判断する。まだ電圧Ｖが上限値Ｖ１を超えている場合は（Ｓ１０のＹＥＳ）、優先順位が２番目に高い負荷の負荷接続／遮断手段を通信回線を介して接続する（Ｓ１１）。このようにして、電圧Ｖが上限値Ｖ１以下になるまで繰り返す。電圧Ｖが上限値Ｖ１以下になると（Ｓ１０のＮＯ）、ステップＳ３に移って以降の処理を繰り返す。
以上のように制御することにより、マイクログリッド内の重要な負荷を停止することなく連続して継続して稼働できるようになる。

瞬低対策のフライホイール付き誘導機のフライホイール容量は、以下のように計算する。
電力系のフライホイール効果は、その系統に接続されている回転子の全慣性モーメントをＩ、回転角速度をω（すなわち、基本周波数ｆが５０Ｈｚの場合は、ω_０＝２πｆ＝約３１４ラジアン／秒である。）とすると、回転子の運動エネルギーＥは、Ｅ＝Ｉω^２／２となり、エネルギーを放出し低下すると、回転速度が低下する。
電力系に流入する電力をＰ_ｉｎとし、消費する電力Ｐ_ｏｕｔとすると
ここで、注目する周波数ωの時間変化は、（数１）式を時間微分して、
となり、極端な同期外れがない条件ではωを基準周波数ω_０としてよいから、数２は次の数３のようになる。
ここで、Ｍ＝Ｉω_０ ^２は、系統に蓄積されている運動エネルギーＥの２倍に等しくなる。すなわち、Ｍ＝Ｉω_０ ^２＝２×（Ｉω_０ ^２／２）＝２Ｅ
このＭを、系統の慣性定数といい、数３式は動揺方程式と呼ばれる。
安定度の解析には、しばしば単位慣性定数Ｈが用いられ、Ｓを同期機の定格容量とすれば、Ｈ＝Ｅ／Ｓ＝Ｍ／２Ｓで表される。回転エネルギーと回転数変化スピードはこの単位慣性定数Ｈで変化すると言える。一般の電力発電機、水車発電機では、Ｈの値は、３〜４、タービン発電機では５〜８［kW・s/kVA］である。
（出典：「電力系統」林泉著昭晃堂Ｐ．１１９〜１２１）

ここで必要な蓄積するべきフライホイール効果Ｍを見積もると、マイクログリッドの総需要Ｐ_ｏｕｔと外部受電電力Ｐ_ｉｎの差があるとすると、周波数偏差を５％（＝0.05）許容すると仮定すると必要なＭは、
周波数偏差＝Δω／ω_０＝∫（Ｐ_ｉｎ−Ｐ_ｏｕｔ）dt／Ｍから、
Ｍ＝∫（Ｐ_ｉｎ−Ｐ_ｏｕｔ）dt／0.05＝20×∫（Ｐ_ｉｎ−Ｐ_ｏｕｔ）dt
という簡単な関係になる。すなわち、入出力の差のエネルギー量の１０倍の慣性エネルギーが必要である。

例えば、マイクログリッドの総需要が5000ｋＷで内部発電機容量が半分の2500ｋＷをコジェネレーション発電機でバックアップされているとすれば、例えば、δ秒で順次制御で直線的に負荷遮断がされるとすると、必要なＭは半分になる。
Ｍ＝δ（5000ｋＷ−2500ｋＷ）/0.05＝δ×50ＭＪ
ここで、２秒（δ＝２）の猶予で漸次直線的に負荷遮断されるとすると、25ＭＪの慣性エネルギーを持つフライホイールが必要である。

円盤フライホイールの場合、エネルギーＥは、次のようにして求められる。
Ｅ＝πρｈω^２×ｒ^４／４
ここに、ρは円盤の比重、ｈは円盤の厚さ、ωは回転角速度である。
例えば、厚さｈ＝0.17ｍ、半径ｒ＝１ｍ、材質：鉄（ρ＝7.85）、回転数＝1500ｒｐｍ、周速＝157ｍ／ｓ、蓄積エネルギーは、Ｅ＝25ＭＪである。これは、出力2500ｋＷ、1500ｒｐｍの誘導機の軸に、半径１ｍの鉄の円盤を１枚設置すると可能になる。

誘導機の利点のひとつは並列運転が容易である点である。この2500ｋＷ、25ＭＪを５台に分割して並列運転する場合、電力線を並列接続するのみで実現する。５ＭＪのフライホイールに500ｋＷの誘導機５台を並列運転する。また、さらに、誘導機は短時間過負荷に耐えるように作られており、通常２倍、最大３倍までの過出力が許容されている。
そのフライホイール付き誘導機は、モデル実験での写真（図４）のようにモーター軸に前後に分けて置いても可能である。

ここで、マイクログリッド制御システムの持つべき機能は、
１）通信回線を介してマイクログリッド内の電力負荷の起動／停止を制御するが、電力負荷の現在の使用状態を常時監視して、電力系統からの電力が途絶えた場合、マイクログリッド内の電圧を所定の範囲内に収めるために、第一に進相コンデンサの入り切り、静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）の制御、そして、本発明の特徴である負荷側を優先順位で入り切りする。
２）平常時でも、制御システムはマイクログリッドの周波数、電力総量、電圧を監視して、大きい負荷の起動時の電力パターンを考慮して投入と併せて電圧の安定化を優先し、周波数はフライホイール効果に任せる制御を行う。
３）マイクログリッド内電力が風力発電や太陽光発電の場合、その発電量が時間ごとに変動するが、常時監視して、制御手段は発電力に合わせて負荷の接続量を制御してフライホイール付き誘導機のフライホイール効果で電力周波数の安定を図る。
４）その他、受電電力と受電契約電力量を越えないように監視するデマンド制御、マイクログリッド内の発電設備と発電コストと受電電力のコストとの関係を考慮した経済運用を行うプログラム制御等の機能も当然ながら備えている。本発明とは直接関係ないので、詳しい説明は省略する。

電力負荷を優先順序でオン／オフするスイッチは有線または無線の通信回線により制御される。負荷は、例えば、電熱負荷や照明設備でも、優先順位の高いものから、停電などの外部系統の異常時は遮断してもかまわないものまであり、その優先度で数種類設けて、マイクログリッドの電圧、周波数を監視する制御設備がある。

負荷の電圧制御は、従来、同期発電機の界磁制御による自動電圧調整器ＡＶＲ（Auto Voltage Regulator）と、誘導機の進相コンデンサの入り切りの制御のスピードが500ｍＳ程度であるので、通信回線のスピードは低速の数ｍＳあっても、負荷の電力制御のために電磁開閉器を用いて２〜３０ｍＳかかっても電圧制御は十分可能である。

なお、ＡＶＲは、同期機の励磁装置内に設置されており、定常運転時に同期機の電圧を一定に保持する機能によって、負荷が変化する時に電圧を維持し無効電力を調整のうえ動態安定度を向上させること、及び電圧急変時速やかに電圧を回復する機能によって、負荷遮断時の電圧上昇を抑制し、過渡安定度を向上させる等の目的を有している。この目的のために、ＡＶＲは、総合電圧変動率（制御偏差）を小さくし、十分な即応度を持ち、制御系として十分安定であることが必要である。
負荷を遮断すれば、数サイクル以内に電圧が上昇する。本発明の制御システムは、電圧を周波数より優先して安定化させ、重要負荷の運転を継続させることに特徴がある。
マイクログリッド内の発電設備の電圧制御能力と過負荷耐量を増強するのがフライホイール付き誘導機である。

外部電力系統の停電時、フライホイール付き誘導機にガスタービン、ディーゼルエンジンなどの原動機を直結して回転を回復させ、発電機となって、電圧、周波数を維持するのもよい。この場合、速やかに原動機の出力が発生することが期待される。その場合も周波数の維持よりも電圧を維持することを優先するマイクログリッド制御システムが必要である。

フライホイール付き誘導機は、フライホイール容量と電動機容量の比率を同じにすれば複数台の並列運転が可能になるので、フライホイール効果や誘導機容量を増やす目的で、複数台を電力線のみを連結することで容量を増やすことが可能である。

また、請求項５に記載しているが、マイクログリッドのフライホイール効果を実現するためにフライホイール付き誘導機と同じ周波数−出力の電力特性（出力が出ると周波数が下がるという特性）を、短時間のエネルギー貯蔵用に２次電池を持つインバータの制御で代替することができるが、この場合、２次電池付きインバータコンバータを多数、また容量を問わず、ただ電力線を結合するのみで複数台の分散並列運転が可能である。

以上で実施形態の説明を終了するが、以上説明した各実施形態、動作及び変形例の構成は、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施可能であることはもちろんである。

１：電力系統、２：系統接続手段、３：系統電圧監視手段、４：分散電源、５：負荷、６：負荷接続／遮断手段、７：通信回線、８：フライホイール付き誘導機、９：進相電流供給手段、１０：電圧監視手段、１１：制御手段

本発明は、外部の電力系統と接続され、発電設備を備えた複数の分散型電源及び複数の負荷を備え、平常時は前記電力系統から供給される電力がバッファとなって協調運転を行うマイクログリッドの制御システムであって、該制御システムは、前記マイクログリッドの電圧を監視する電圧監視手段と、平常時は前記マイクログリッドからの電力の供給を受けて回転待機し、前記電力系統の瞬低又は停電時には発電機となって前記マイクログリッドに補完電力を供給するフライホイール付き誘導機と、前記負荷ごとに設けられた前記マイクログリッドへの接続又は遮断を行う負荷接続／遮断手段と、前記各負荷接続／遮断手段のオン／オフを通信回線を介して制御する制御手段とを備えるとともに、前記制御手段が、前記電圧監視手段で検知した電圧が所定の値よりも低い場合は、前記電圧が所定の範囲内に収まるように前記負荷接続／遮断手段をあらかじめ定めた優先順位に従ってオフし、前記電圧監視手段で検知した電圧が所定の値よりも高い場合は、前記電圧が所定の範囲内に収まるように前記負荷接続／遮断手段をあらかじめ定めた優先順位に従ってオンすることを特徴とする。

また、本発明は、前記マイクログリッドの制御システムが、前記フライホイール付き誘導機に接続され、前記フライホイール付き誘導機に進相電流を供給する進相電流供給手段をさらに備え、前記制御手段が、前記進相電流を調整することにより前記フライホイール付き誘導機で発電した電力の電圧を調整することを特徴とする。

Claims

外部の電力系統と接続され、発電設備を備えた複数の分散型電源及び複数の負荷を備え、平常時は前記電力系統から供給される電力がバッファとなって協調運転を行うマイクログリッドの制御システムにおいて、該制御システムは、
前記マイクログリッドの電圧を監視する電圧監視手段と、
平常時は前記マイクログリッドからの電力の供給を受けて回転待機し、前記電力系統の瞬低又は停電時には発電機となって前記マイクログリッドに補完電力を供給するフライホイール付き誘導機と、
前記負荷ごとに設けられた前記マイクログリッドへの接続又は遮断を行う負荷接続／遮断手段と、
前記各負荷接続／遮断手段のオン／オフを通信回線を介して制御する制御手段と、
を備えるとともに、
前記制御手段が、
前記電圧監視手段で検知した電圧が所定の値よりも低い場合は、前記電圧が所定の範囲内に収まるように前記負荷接続／遮断手段をオフし、
前記電圧監視手段で検知した電圧が所定の値よりも高い場合は、前記電圧が所定の範囲内に収まるように前記負荷接続／遮断手段をオンすることを特徴とするマイクログリッドの制御システム。
前記フライホイール付き誘導機に接続され、前記フライホイール付き誘導機に進相電流を供給する進相電流供給手段をさらに備え、前記制御手段が、前記進相電流を調整することにより前記フライホイール付き誘導機で発電した電力の電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載のマイクログリッドの制御システム。
前記負荷の遮断及び接続を、あらかじめ定めた優先順位に従って制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクログリッドの制御システム。
前記電力系統の電圧を監視する系統電圧監視手段と、
前記電力系統の前記マイクログリッドへの接続又は遮断の切換えを行う系統接続手段と、
をさらに備え、前記制御手段が、
前記系統電圧監視手段が停電を検知した時に、前記系統接続手段により前記電力系統と前記マイクログリッドの接続を遮断するとともに、
前記系統電圧監視手段が停電からの復帰を検知した時に、前記系統接続手段により前記電力系統と前記マイクログリッドの接続を復活させ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マイクログリッドの制御システム。
前記フライホイール付き誘導機を、インバータを備えた二次電池で置き換えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクログリッドの制御システム。