JP2022032633A - 分散電源の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送電端電圧や系統インピーダンス、負荷の有効電力及び無効電力に応じて求めた基準電圧演算値を分散電源による無効電力制御の目標電圧とすることにより、分散電源の出力前後における連系点の電圧変動を抑制する。【解決手段】負荷７０が接続された電力系統６０に連系して運転される電力変換器を備えた分散電源８０の制御装置であって、この分散電源８０から出力される無効電力を制御して電力系統６０との連系点の電圧変動を抑制するようにした制御装置において、電力系統６０の送電端の電圧Ｅｓと、系統インピーダンスＲ，Ｘと、負荷７０の有効電力ＰＬ及び無効電力ＱＬと、を用いて電力系統６０の基準電圧を演算する演算手段と、演算した基準電圧演算値Ｅｒに連系点の電圧を一致させるように生成した無効電力指令に従って前記電力変換器を運転する手段と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、電力系統に連系して運転される電力変換器を備えた分散電源の制御装置であって、電力変換器から電力系統に注入する無効電力を制御して分散電源の連系点における電圧変動を抑制するようにした制御装置に関するものである。

近年、太陽光発電装置（以下、ＰＶともいう）等の自然エネルギーを利用した分散電源が多数普及しており、これらの分散電源は電力系統に連系して運転されている。
例えば６．６［ｋＶ］配電系統において、複数の需要家にそれぞれ設置されたＰＶが連系される場合、ＰＶからの逆潮流により系統電圧が上昇して系統連系ガイドラインによる変動範囲（２［％］）を満たさなくなり、系統電圧の適正範囲（１０１±６［Ｖ］）を逸脱する場合もある。また、１１～６６［ｋＶ］の送配電系統では、数十［ＭＷ］クラスのメガソーラが設置されているが、送配電線路の長距離にわたる敷設範囲や発電環境等に起因してメガソーラの出力変化が大きくなり、系統電圧の変動許容範囲（２［％］）を逸脱することがある。
このような背景のもとで、分散電源が連系されている電力系統の電圧変動を抑制するための制御装置や制御方法が、従来から種々提供されている。

例えば、特許文献１には、分散電源の連系点の有効電力と電圧変動量との関係を一次関数により近似してその傾きを最小二乗法により求め、連系点力率の増減及び前記傾きの増減に応じて設定した力率変動量を最新の連系点力率に加算して前記傾きをほぼ０にするような最適力率指令を演算し、この最適力率指令に基づいて電力変換器を運転することにより、分散電源から系統に注入する無効電力を制御して連系点の電圧変動を抑制する技術が開示されている。

また、系統インピーダンスの推定値や計測値に基づいて系統の無効電力を制御することにより系統の電圧変動を抑制する従来技術として、以下に述べるものがある。

例えば、特許文献２には、並列接続される複数台のパワーコンディショナの連系点の有効電力、無効電力及び電圧に基づいて非線形計画法により系統インピーダンスを推定し、電力系統の基準電圧と系統インピーダンスと連系点の現在の有効電力とに基づいて連系点の無効電力を演算し、この無効電力と連系点の現在の無効電力とから演算した各パワーコンディショナの無効電力制御量に基づいてそれぞれの力率が設定値以下にならない範囲で各パワーコンディショナの無効電力出力値を設定する分散型電源システムの制御装置が記載されている。

更に、特許文献３には、電力系統内の計測機器から電圧、電流等の状態量を得て、系統インピーダンスによる電圧降下式を前記状態量により同定し、この電圧降下式から設定した制御量に従って電圧調整機器を動作させることにより、系統電圧を所定範囲内に維持する電圧適正化装置が記載されている。

特許第５９７９４０４号公報 特許第６３８４４２６号公報 特開２０１９－４７６４７号公報

ここで、図８は分散電源が連系された電力系統の概略的な構成図であり、５０は発電機等の交流電源、６０は電力系統（系統インピーダンスを構成する抵抗成分をＲ、リアクタンス成分をＸとする）、７０は負荷、８０は分散電源である。分散電源８０は、例えば太陽光発電装置（ＰＶ）等であり、太陽電池モジュールと、その直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナーシステム（ＰＣＳ）等の電力変換器とを備えている。
ここで、負荷７０と分散電源８０との間の距離を無視すれば、負荷７０の受電端は、実質的に、分散電源８０の電力系統６０への連系点と考えて良い。

特許文献１に記載された従来技術では、分散電源８０が連系点に無効電力を注入して連系点の電圧が基準電圧を保つように制御を行っている。なお、基準電圧とは、負荷７０への供給電圧を適正値に維持するために電力会社等が定める系統電圧の上下限値である。
この基準電圧は負荷７０の軽重に応じて変動するものであり、図９（ａ）に示す軽負荷状態が図９（ｂ）の重負荷状態に変化することにより、例えば基準電圧が１．０［p.u.］から０．９８［p.u.］に低下したにも関わらず、分散電源８０が元の基準電圧を目標電圧として運転されると、図９（ｂ）に示すように、無効電力の出力開始・停止時点近傍で連系点の電圧が大きく変動することになる。
なお、図９（ｃ）は、図９（ｂ）に示す電圧の変動を抑制した、本発明による理想的な状態を参考的に示したものである。図９（ｃ）のような電圧変動の抑制効果については、後にシミュレーション結果と共に詳述する。

また、特許文献２に記載された従来技術では、並列接続される複数台の分散電源が連系された電力系統を前提として、系統インピーダンスの推定値に基づき演算した無効電力制御量に従って各分散電源の力率を考慮しつつ無効電力を調整している。このため、分散電源の並列台数が多いほど系統インピーダンスの推定に必要な演算量が多くなり、演算時間や演算負荷が増大するという問題がある。
更に、特許文献３に記載された従来技術は、系統インピーダンスによる電圧降下式を高精度に同定して電圧制御機器の制御量を求めるものであるが、負荷の軽重による連系点の電圧の変動を抑制するために基準電圧を調整する等の着想を開示するものではない。

そこで、本発明の解決課題は、送電端電圧や系統インピーダンス、負荷の有効電力及び無効電力に応じて適切な基準電圧を演算し、この基準電圧演算値を分散電源による無効電力制御の目標電圧とすることにより、連系点の電圧変動を抑制可能とした分散電源の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、負荷が接続された電力系統に連系して運転される電力変換器を備えた分散電源の制御装置であって、前記電力変換器から出力される無効電力を制御して前記電力系統と前記電力変換器との連系点の電圧変動を抑制するようにした制御装置において、
前記電力系統の送電端の電圧と、系統インピーダンスと、前記負荷の有効電力及び無効電力と、を用いて前記電力系統の基準電圧を演算する演算手段と、
前記演算手段による基準電圧演算値に前記連系点の電圧を一致させるように生成した無効電力指令に従って前記電力変換器を運転する手段と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した分散電源の制御装置において、
前記演算手段は、前記電力変換器から出力される有効電力及び無効電力を更に用いて前記基準電圧演算値を演算すると共に、演算した前記基準電圧演算値と前記連系点の電圧との差が小さくなるように前記負荷の有効電力または無効電力に補正量を加算して前記基準電圧演算値を補正することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載した分散電源の制御装置において、
現在の演算ステップにより求めた前記基準電圧演算値と前記連系点の電圧との差、及び、１演算ステップ前に求めた前記基準電圧演算値と前記連系点の電圧との差が、何れもほぼゼロとなるように、前記補正量を、前記負荷の有効電力に加える補正量または前記負荷の無効電力に加える補正量としたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２に記載した分散電源の制御装置において、
現在の演算ステップにより求めた前記基準電圧演算値と前記連系点の電圧との差、及び、１演算ステップ前に求めた前記基準電圧演算値と前記連系点の電圧との差が、何れもほぼゼロとなるように、前記補正量を、前記負荷の有効電力に加える補正量と前記負荷の無効電力に加える補正量との組み合わせとしたことを特徴とする。

本発明によれば、負荷や分散電源の出力が変化した場合でも電力系統の基準電圧を最適値に設定し、この基準電圧を目標電圧として分散電源から電力系統に注入する無効電力を制御することにより、連系点の電圧変動を抑制することができる。

本発明の実施形態が適用される電力系統の概略構成図である。 図１において、分散電源を除外した状態の電圧、電流のベクトル図である。 本発明の実施形態において基準電圧演算値を求めるブロック図である。 本発明の実施形態において分散電源の無効電力指令を演算するブロック図である。 本発明の効果を確認するためのシミュレーションに用いた電力系統の回路図である。 従来技術によるシミュレーション結果を示す波形図である。 本発明の実施形態によるシミュレーション結果を示す波形図である。 分散電源が連系された電力系統の概略構成図である。 負荷状態に応じた有効電力、無効電力及び連系点電圧の変化を示す概略的な説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態が適用される電力系統の概略構成図であり、図８と同一の部分については同一の参照符号を付してある。
ここでは、分散電源８０が、太陽電池モジュール８１とその直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力するＰＣＳ８２とからなるものとして説明する。また、交流電源５０による送電端電圧をＥ_ｓ、負荷７０の受電端電圧（分散電源８０の連系点電圧）をＥ_ｒとし、電力系統６０を流れる電流をＩ、負荷７０に供給される有効電力をＰ_Ｌ、無効電力をＱ_Ｌ、分散電源８０が出力する有効電力をＰ_ＰＶ、無効電力をＱ_ＰＶとする。

図１において、分散電源８０が出力する有効電力Ｐ_ＰＶ及び無効電力Ｑ_ＰＶを何れも０とした時の電圧、電流のベクトル図は、図２のようになる。
図２において、θは電圧Ｅ_ｒと電流Ｉとの位相角であり、送電端電圧Ｅ_ｓは、電流Ｉによる抵抗成分Ｒ及びリアクタンス成分Ｘにおける電圧降下と受電端電圧Ｅ_ｒとのベクトル和となる。

図２のベクトル図から、数式１が成り立つ。

数式１を変形すると数式２が得られる。すなわち、受電端電圧Ｅ_ｒは、送電端電圧Ｅ_ｓ、系統インピーダンス（抵抗成分Ｒ及びリアクタンス成分Ｘ）、電流Ｉ、及び位相角θから求めることができ、この受電端電圧Ｅ_ｒは、負荷７０のみによる電圧降下に相当する。

ここで、負荷の有効電力Ｐ_Ｌと無効電力Ｑ_Ｌとのベクトル和である皮相電力が負荷７０に供給されているので、皮相電力を１［p.u.］とすれば、電流Ｉは、数式３に示すように負荷７０の皮相電力として単位法にて表示することができる。

この数式３に基づき、数式２は数式４のように変換することができる。

数式４は、電力系統６０に連系されている分散電源８０が出力する有効電力Ｐ_ＰＶ及び無効電力Ｑ_ＰＶが何れも０である場合に、送電端電圧がＥ_ｓ、負荷７０の有効電力及び無効電力がそれぞれＰ_Ｌ，Ｑ_Ｌである時の電力系統６０の基準電圧Ｅ_ｒ、すなわち、分散電源８０による無効電力制御の目標電圧として設定されるべき基準電圧演算値Ｅ_ｒを示している。

数式４に基づき、基準電圧演算値Ｅ_ｒを求めるためのブロック図は図３のようになる。
図３において、送電端電圧設定部１０は、例えば送電端電圧Ｅ_ｓを１．０［ｐ.ｕ.］と設定する。
系統インピーダンス設定部 ２０は、配電系統６０の亘長や外部情報に基づいて送電端から受電端までの系統インピーダンスＲ，Ｘを設定する。これらの系統インピーダンスＲ，Ｘは、負荷７０の有効電力Ｐ_Ｌ，無効電力Ｑ_Ｌの変化に伴う基準電圧演算値Ｅ_ｒの変化に応じて補正しても良い。
負荷設定部３０は、計測値や過去の統計上の推定値に基づいて負荷７０の有効電力Ｐ_Ｌ及び無効電力Ｑ_Ｌをそれぞれ設定する。これらのＰ_Ｌ，Ｑ_Ｌは、分散電源８０の有効電力Ｐ_ＰＶに対して系統電圧の変動を抑制しつつ無効電力Ｑ_ＰＶが最も小さくなる値に調整しても良い。
基準電圧演算部４０は、上述した各設定部１０，２０，３０による設定値を用いて、数式４により基準電圧演算値Ｅ_ｒを求める。

図４は、図３により求めた基準電圧演算値Ｅ_ｒに実際の受電端電圧が追従するように分散電源８０の無効電力指令Ｑ_ＰＶ ^＊を演算するためのブロック図であり、９１は減算手段、９２は乗算手段、９３はＰＩ（比例・積分）調節手段である。この制御ブロックは、分散電源８０が所定の大きさの有効電力Ｐ_ＰＶを出力している場合（Ｐ_ＰＶ＞０）にのみ有効であり、有効電力Ｐ_ＰＶを出力していない場合には無効電力指令Ｑ_ＰＶ ^＊も０となる。
図４のブロック図より演算した無効電力指令Ｑ_ＰＶ ^＊に従って分散電源８０の電力変換器を運転することにより、受電端電圧を基準電圧演算値Ｅ_ｒに維持することができる。

図４では、ＰＩ調節手段９３の出力を無効電力指令Ｑ_ＰＶ ^＊として用いているが、前述した特許文献１のように、ＰＩ調節手段９３の出力を最適力率指令に変換して分散電源８０を運転することにより、受電端電圧の変動を抑制しても良い。

次に、分散電源８０を連系運転して所定の有効電力Ｐ_ＰＶを電力系統６０に供給する場合の動作を説明する。
数式４は、前述したごとく、分散電源８０が出力する有効電力Ｐ_ＰＶ及び無効電力Ｑ_ＰＶが何れも０である場合のものであったが、数式４におけるＰ_Ｌ＝Ｐ，Ｑ_Ｌ＝Ｑと一旦変換することにより、数式５を得る。

分散電源８０の連系運転時には、負荷７０及び分散電源８０の出力の合計によって系統電圧が変動するので、数式５のＰ，ＱをそれぞれＰ＝Ｐ_ＰＶ＋Ｐ_Ｌ，Ｑ＝Ｑ_ＰＶ＋Ｑ_Ｌとおくと、数式６が得られる。

上記のＥ_ｒ’は、分散電源８０の連系運転時に無効電力制御の目標電圧となる電力系統６０の基準電圧演算値であり、図３の基準電圧演算部４０を用いてこの基準電圧演算値Ｅ_ｒ’を演算するには、Ｅ_ｓ，Ｒ，Ｘ，Ｐ_Ｌ，Ｑ_Ｌの他にＰ_ＰＶ，Ｑ_ＰＶを更に入力して数式６の演算を行えば良い。

ここで、実際に計測される受電端電圧と基準電圧演算値Ｅ_ｒ’とに差がある場合には、負荷設定部３０により設定したＰ_Ｌ，Ｑ_Ｌとそれぞれの真値との間に差があることが想定される。
これらの差を補正するために、数式６に補正量ｘ，ｙを導入すると、次の数式７が得られる。

数式７は、Ｐ_Ｌを補正量ｘにより補正すると共にＱ_Ｌを補正量ｙにより補正した時の基準電圧演算値Ｅ_ｒ’を意味しており、実際に計測される受電端電圧と基準電圧演算値Ｅ_ｒ’との差であるΔＥ_ｒがゼロ付近になるように補正量ｘ，ｙを調整すれば良い。
補正量ｘ，ｙの調整方法としては、数式７におけるＰ_ＰＶ，Ｑ_ＰＶ，Ｐ_Ｌ，Ｑ_Ｌが判っている状態でｘ，ｙを総当たりで入力してＥ_ｒ’を演算し、ΔＥ_ｒがゼロ付近になるｘ，ｙを選定すれば良い。但し、このようなｘ，ｙの組み合わせは多数存在することが想定されるので、例えば、現在の演算ステップで求めたΔＥ_ｒ（ｔ_ｎ）と１演算ステップ前に求めたΔＥ_ｒ（ｔ_ｎ－１）とが何れもゼロ付近となるような、共通するｘ，ｙの組み合わせを選定すれば良い。
なお、補正量ｘ，ｙは、何れか一方をゼロとして他方の補正量のみを選定しても良い。
こうして選定したｘ，ｙの組み合わせを用いて数式７により得た基準電圧演算値Ｅ_ｒ’を、受電端（連系点）の目標電圧として分散電源８０を運転し、連系点に無効電力Ｑ_ＰＶを注入することにより、受電端電圧すなわち連系点電圧を基準電圧演算値Ｅ_ｒ’に保つことができる。

次に、本発明の効果を確認するためのシミュレーションについて、図５～７に基づいて従来技術と比較しつつ説明する。
図５は、シミュレーションに用いた電力系統の回路図であり、その構成は図１と基本的に同一である。なお、負荷７０及び分散電源８０の出力は全て１００［ＭＷ］を１．０［ｐ.ｕ.］としている。

図６は、従来技術を用いて図５に示す負荷条件により軽負荷から重負荷に変化させた場合のＰ_ＰＶ，Ｑ_ＰＶ，Ｐ_Ｌ，Ｑ_Ｌ、及び受電端電圧Ｅ_ｒを示しており、図６（ａ）はＰ_ＰＶ，Ｑ_ＰＶ＝０（言わば、分散電源なしの状態）、（ｂ）はＰ_ＰＶ，Ｑ_ＰＶが所定値を持つ場合（分散電源ありの状態）である。ここで、系統の基準電圧（目標電圧）は、（ａ），（ｂ）の何れの場合も破線で示すように１．００［ｐ.ｕ.］であるとする。

図６（ａ）において、軽負荷から重負荷に変化すると、受電端電圧Ｅ_ｒは軽負荷時の１．０１［ｐ.ｕ.］から約０．９９［ｐ.ｕ.］に変化する。
一方、図６（ｂ）では、Ｐ_ＰＶ，Ｑ_ＰＶが発生した際に基準電圧が破線で示す１．００［ｐ.ｕ.］のままであると、この１．００［ｐ.ｕ.］に実際の受電端電圧Ｅ_ｒとの差を小さくするように分散電源が制御されるため、無効電力Ｑ_ＰＶが余計に出力されることになり、特に分散電源の出力開始・停止時付近（Ｐ_ＰＶ，Ｑ_ＰＶ＝０の前後付近）において受電端電圧Ｅ_ｒの変動が大きくなる。

これに対し、図７に示す本発明では、約５０．００（ｓ）を境として、前述した数式７の演算により、軽負荷時には基準電圧演算値Ｅ_ｒ’を約１．０１０［ｐ.ｕ.］とし、重負荷時には基準電圧演算値Ｅ_ｒ’を約０．９９０［ｐ.ｕ.］として分散電源８０を運転することにより無効電力Ｑ_ＰＶを制御しているため、破線で囲んだように、分散電源８０の出力開始・停止時付近における受電端電圧Ｅ_ｒの変動を抑制することができる。

１０：送電端電圧設定部
２０：系統インピーダンス設定部
３０：負荷設定部
４０：基準電圧演算部
５０：交流電源
６０：電力系統
７０：負荷
８０：分散電源
８１：太陽電池モジュール
８２：パワーコンディショナーシステム（ＰＣＳ）
９１：減算手段
９２：乗算手段
９３：ＰＩ調節手段

Claims (4)

1. 負荷が接続された電力系統に連系して運転される電力変換器を備えた分散電源の制御装置であって、前記電力変換器から出力される無効電力を制御して前記電力系統と前記電力変換器との連系点の電圧変動を抑制するようにした制御装置において、
   前記電力系統の送電端の電圧と、系統インピーダンスと、前記負荷の有効電力及び無効電力と、を用いて前記電力系統の基準電圧を演算する演算手段と、
   前記演算手段による基準電圧演算値に前記連系点の電圧を一致させるように生成した無効電力指令に従って前記電力変換器を運転する手段と、
   を備えたことを特徴とする分散電源の制御装置。
2. 請求項１に記載した分散電源の制御装置において、
   前記演算手段は、
   前記電力変換器から出力される有効電力及び無効電力を更に用いて前記基準電圧演算値を演算すると共に、演算した前記基準電圧演算値と前記連系点の電圧との差が小さくなるように前記負荷の有効電力または無効電力に補正量を加算して前記基準電圧演算値を補正することを特徴とする分散電源の制御装置。
3. 請求項２に記載した分散電源の制御装置において、
   現在の演算ステップにより求めた前記基準電圧演算値と前記連系点の電圧との差、及び、１演算ステップ前に求めた前記基準電圧演算値と前記連系点の電圧との差が、何れもほぼゼロとなるように、
   前記補正量を、前記負荷の有効電力に加える補正量または前記負荷の無効電力に加える補正量としたことを特徴とする分散電源の制御装置。
4. 請求項２に記載した分散電源の制御装置において、
   現在の演算ステップにより求めた前記基準電圧演算値と前記連系点の電圧との差、及び、１演算ステップ前に求めた前記基準電圧演算値と前記連系点の電圧との差が、何れもほぼゼロとなるように、
   前記補正量を、前記負荷の有効電力に加える補正量と前記負荷の無効電力に加える補正量との組み合わせとしたことを特徴とする分散電源の制御装置。

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