JP2022156403A - 発電制御システム及び発電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電電力量、消費電力量及び／又は受電電力量に応じて制御する改良された発電制御システムを提供する。【解決手段】発電制御システム１００は、発電装置２００から負荷４００へ供給される電力を制御する電力調整器３１０と、電力調整器３１０から出力される電力量に関する閾値を設定する制御装置３２０と、を有する。制御装置３２０は、外部電源１０から負荷４００へ供給される受電電力量、電力調整器３１０から出力される発電電力量、及び負荷４００による消費電力量のうちの少なくとも１つに関連する値の時間的な変動値に基づいて、上記の閾値を設定するよう構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、発電制御システム及び発電制御方法に関する。

近年、太陽光発電装置や風力発電装置のような自家発電装置が注目されている。自家発電装置によって発電された電力のうちの余剰電力は、電力会社との売買契約に従って、商用の電力線への逆潮流によって電力会社に売られることがある。一方、売電させないという観点や、逆潮流による電圧変動を防止するという観点から、自家発電装置から電力会社への逆潮流を回避する技術も知られている（以下の特許文献１～２参照）。

特許文献１では、逆潮回避のため、リミット電力以下となるよう発電電力が制御されることが記載されている。特許文献１では、制御部は、系統（商用電力線）からの受電電力が下方閾値を下回ると、リミット電力を減少させるよう設定し直す。

特許文献２では、発電制御システムは、太陽電池と、太陽電池の発電電力を制御するパワーコンデショナと、負荷に接続された受変電部と、パワーコンデショナの出力を制御する発電制御装置と、を備える。受変電部は、電力会社等からの商用電力線に接続されており、商用電力線から電力供給を受け負荷に電力を供給することができる。発電制御システムは、太陽電池の発電電力の上限値が消費電力の一次関数となるように出力指令値を算出する。パワーコンディショナは、上記の出力指令値に基づいて、発電電力が設定された上限値以下となるよう制御し、これにより太陽電池から商用電力線への逆潮流を防止する。

特開２０１２－１７５８５８号公報 特許第６３６４５６７号公報

特許文献１，２では、逆潮流を防止するため、発電電力の上限値（リミット電力）が設定されている。このリミット電力は、通常、逆潮流を回避するため、逆潮流が生じる条件から十分な余裕を設けるよう設定される。

この余裕が大きすぎると、パワーコンデショナにより発電電力が抑えられ、発電装置の発電能力を最大限発揮できない状況が多くなってしまうことがある。一方、この余裕が小さすぎると、発電電力量や負荷による消費電力量が急激に変化したときに、リミット電力による発電電力の制御が間に合わず、商用電力線へ向かう逆潮流が生じてしまう可能性が高くなる。

したがって、発電電力量、消費電力量及び／又は受電電力量に応じて制御する改良された発電制御システム及び発電制御方法が望まれる。

一態様に係る発電制御システムは、発電装置から負荷へ供給される電力を制御する電力調整器と、前記電力調整器から出力される電力量に関する閾値を設定する制御装置と、を有する。前記制御装置は、外部電源から前記負荷へ供給される受電電力量、前記電力調整器から出力される発電電力量、及び前記負荷による消費電力量のうちの少なくとも１つに関連する値の時間的な変動値に基づいて、前記閾値を設定するよう構成されている。

一態様に係る発電制御方法は、発電装置から負荷へ供給される電力を制御する電力調整器から出力される発電電力量を制御することを含む発電制御方法に関する。当該発電制御方法は、外部電源から前記負荷へ供給される受電電力量、前記電力調整器から出力される前記発電電力量、及び前記負荷による消費電力量のうちの少なくとも１つに関連する値の時間的な変動値に基づいて、電力調整器から出力される発電電力量に関する閾値を設定することを含む。

上記態様によれば、発電電力量、消費電力量及び／又は受電電力量に応じて制御する改良された発電制御システム及び発電制御方法が提供される。

一実施形態に係る電力供給システムのブロック図である。 参考例における逆潮流が生じる条件からのマージンを示すグラフである。 一実施形態に係る逆潮流が生じる条件からのマージンを示すグラフである。 一実施形態に係る電力調整器の閾値の設定の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、実施形態について説明する。以下の図面において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることがあることに留意すべきである。

図１は、一実施形態に係る電力供給システムのブロック図である。一実施形態に係る電力供給システム１００は、発電装置２００と、発電制御システム３００と、負荷４００と、受変電部６００と、逆潮流検出器７００と、を有していてよい。

発電装置２００は、例えば自家発電装置であってよい。自家発電装置は、発電装置２００によって発電された電力を、発電装置２００が設置されている施設と同じ施設内にある負荷４００で消費するための装置である。発電装置２００は、例えば太陽光発電装置、風力発電装置、水力発電装置、燃料電池等であってよい。

太陽光発電装置や風力発電装置によって発電される電力の量は、自然環境によって大きく変動し得る。以下で説明するような電力調整器３１０から出力される電力量に関する閾値の設定は、このような発電電力量が大きく変動し得る発電装置２００に対して、特に好適に利用できる。

負荷４００は、発電装置２００及び外部電源１０から供給された電力を消費する機器である。負荷４００は、特に制限されないが、例えば、空調機器、照明機器、工作機器などであってよい。

発電制御システム３００は、電力調整器（パワーコンディショナ）３１０と、制御装置３２０と、を有していてよい。電力調整器３１０は、発電装置２００から負荷４００へ供給される電力を制御する。

発電装置２００は、直流電力を出力するよう構成されていてよい。この場合、電力調整器３１０は、発電装置２００により出力された直流電力を交流電力に変換する変換部を有していることが好ましい。これにより、電力調整器３１０は、負荷４００に向けて交流電力を出力できる。

電力調整器３１０は、発電装置２００に電気的に接続されており、出力電力の大きさを調整可能に構成されていてよい。これにより、電力調整器３１０は、例えば太陽光発電のような発電装置の特性に従って発電電力量を制御することができる。この制御は、例えばいわゆるＭＰＰＴ法により発電電力が最大となるような制御であってよい。

電力調整器３１０による電力の調整方法は、特に限定されない。電力の調整方法は、例えば、電圧の位相シフトすることによって生じる電圧差を使って制御する方法や、力率によって制御する方法等であってよい。

電力調整器３１０は、電力線によって受変電部６００と電気的に接続されている。受変電部６００は、負荷４００と電気的に接続されている。発電装置２００によって発電された電力は、電力調整器３１０及び受変電部６００を経由して、負荷４００に分配され、負荷４００により消費される。

負荷４００が複数存在する場合、受変電部６００は、指定の負荷４００に電力を分配する分電盤としての機能を有していてよい。

受変電部６００は、外部電源１０と電気的に接続されている。外部電源１０は、商用電力線に接続された電力会社のような発電施設であってよい。外部電源１０から供給された電力は、受変電部６００を経由して、負荷４００に分配される。したがって、受変電部６００は、複数の電源から受電した電力を、負荷４００へ分配する。また、受変電部６００は、電源からの供給電圧と負荷４００の規格電圧に差がある場合、電気設備の規格電圧に応じて変電を行う変圧器の機能を備えていてもよい。

電力供給システム１００は、必要に応じて蓄電池２５０を有していても良い。この場合、発電装置２００によって発電された電力のうちの少なくとも一部が蓄電池２５０に蓄えられてもよい。負荷４００による消費電力が発電装置２００の発電電力を超える場合、蓄電池２５０から負荷４００へ向けて放電されてもよい。商用電力線を経由した外部電源１０からの電力と蓄電池２５０の放電による電力の供給の優先順位は、適宜設定することができる。図１では、蓄電池２５０は、電力供給システム１００に電気的に接続されている。この代わりに、蓄電池２５０は、不図示の充放電量計測器を介して受変電部６００に電気的に接続されていてもよい。

電力供給システム１００は、各種の電力量を計測する計測器８１０，８２０，８３０を有していてよい。例えば、発電量計測器８１０は、電力調整器３１０から出力される電力量（以下、発電電力量と称することがある。）を計測する。受電量計測器８２０は、外部電源１０から供給される電力量（以下、受電電力量と称することがある。）を計測する。消費量計測器８３０は、負荷４００により消費される電力量、又は負荷４００へ供給する電力量（以下、消費電力量と称することがある。）を計測する。

制御装置３２０は、必要に応じて、所定の頻度で各種の計測器８１０，８２０，８３０から前述した各種の電力量を取得する。制御装置３２０は、取得した各種の電力量の値に基づいて、電力調整器３１０から出力される電力量に関する閾値を設定する。この閾値の設定の具体的な方法については後述する。

発電量計測器８１０は、電力調整器３１０とは別個の装置であってもよい。この代わりに、発電量計測器８１０は、電力調整器３１０に内蔵されていてもよい。消費量計測器８３０は、受変電部６００とは別個の装置であってもよい。この代わりに、消費量計測器８３０は、受変電部６００に内蔵されていてもよい。

制御装置３２０は、例えばＣＰＵのような演算装置やＲＡＭやＲＯＭのような記憶装置を含むコンピュータによって構成されていてよい。制御装置３２０は、電力調整器３１０とは別個に設けられた装置であってもよく、電力調整器３１０に内蔵された装置であってもよい。また、制御装置３２０は、電力調整器３１０とは別個に設けられた装置と電力調整器３１０に内蔵された装置の組合せ、すなわち分散処理装置であってもよい。

逆潮流検出器７００は、外部電源１０へ向かう逆潮流を検出するよう構成されている。逆潮流は、電力調整器３１０から出力された発電電力量が、負荷４００による消費電力量以上になったときに発生し得る。言い換えると、逆潮流は、外部電源１０から供給される受電電力量が実質的にゼロになったときに発生し得る。

逆潮流検出器７００は、逆潮流を検出すると、電力調整器３１０から出力される電力を停止させる信号を出力する。これにより、逆潮流検出器７００は、電力調整器３１０から出力される電力を強制的に停止する。電力調整器３１０が強制的に停止されると、所定の期間又は復旧作業が終えるまでの間、発電装置２００から負荷４００への電力の供給は停止される。

電力調整器３１０は、制御装置３２０によって設定された閾値に基づいて、発電装置２００から負荷４００へ供給される電力を制御する。より具体的には、電力調整器３１０は、制御装置３２０によって設定された閾値（上限値）を超えないように、発電装置２００から負荷４００へ供給される電力量を制御する。この閾値は、外部電源１０へ向かう逆潮流が生じる条件から十分な余裕（マージンＭ）を設けるよう設定される。これにより、逆潮流検出器７００の作用によって電力調整器３１０が強制的に停止されることが防止される。

以下、電力調整器３１０から出力される発電電力量に関する閾値（上限値）の設定について説明する。図２は、参考例における逆潮流が生じる条件からのマージンを示すグラフである。参考例は、特許文献１に記載されているように受電電力量が下方閾値を下回ったときに、リミット電力（閾値）を減少させるような制御を示している。

図３は、一実施形態に係る逆潮流が生じる条件からのマージンを示すグラフである。図４は、一実施形態に係る電力調整器の閾値の設定の一例を示すグラフである。図２及び図３において、縦軸は、受電電力量、すなわち消費電力量と発電電力量との差（「消費電力量－発電電力量」）に相当する。縦軸において、正の値は、消費電力量が発電電力量より大きく、受電電力量が０より大きいことを示している。縦軸において、負の値は、消費電力量が発電電力量より小さいことを示している。このような負の受電電力量は、逆潮流が生じていることを意味する。

参考例（図２）では、受電電力量、すなわち消費電力量と発電電力量の差が、時間とともに変動している。この受電電力量が０とマージンＭとの間の範囲に入った場合、電力調整器３１０から出力される電力量の上限値（閾値）を低下させ、これにより、電力調整器３１０によって発電電力量が下げられる。しかしながら、図２に示すように、受電電力量の時間的な変動値が大きい場合、上記の閾値の低下処理が行われる前に、消費電力量が発電電力量より小さくなり、これにより逆潮流が生じてしまうことがある。例えば、図２に示す例では、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２に至る際に、受電電力量が急激に変動し、逆潮流が生じている。

このような逆潮流の発生は、外部電源１０から負荷４００へ供給される受電電力量、電力調整器３１０から出力される発電電力量、及び負荷４００による消費電力量のうちの少なくとも１つが大きく時間的に変動する際に生じ得る。

本実施形態では、制御装置３２０は、外部電源１０から負荷４００へ供給される受電電力量、電力調整器３１０から出力される発電電力量、及び負荷４００による消費電力量のうちの少なくとも１つに関連する値の時間的な変動値に基づいて、電力調整器３１０から出力される電力量に関する閾値を設定するよう構成される。

ここで、受電電力量、発電電力量及び消費電力量のうちの少なくとも１つに関連する前記値は、受電電力量、発電電力量及び消費電力量そのものであってもよく、受電電力量、発電電力量及び消費電力量へ換算できる値、又は受電電力量、発電電力量及び消費電力量から導出可能な値であってもよい。

好ましくは、受電電力量、発電電力量及び消費電力量のうちの少なくとも１つに関連する前記値は、受電電力量そのもの、又は消費電力量と発電電力量の差であってよい。受電電力量、又はそれに相当する消費電力量と発電電力量の差が、正の有限値である場合、外部電源１０に向かう逆潮流は生じていない。したがって、受電電力量そのもの、又は消費電力量と発電電力量の差は、逆潮流を防止するための閾値として好適に利用できる。

電力調整器３１０から出力される電力量に関する閾値は、消費電力量と発電電力量の差、又は受電電力量の時間的な変動値の絶対値が大きいほど小さく設定されることが好ましい（図３及び図４参照）。電力調整器３１０から出力される電力量に関する閾値が小さくなると、電力調整器３１０から出力される発電電力量の最大値はより小さくなる。そのため、消費電力量と発電電力量の差、すなわち受電電力量は、大きくなる傾向になるので、図３に示すマージンＭが大きくなる。すなわち、閾値が小さくなるほど、図３に示すマージンＭは大きく設定され、これにより逆潮流が防止され易くなる。

これにより、電力調整器３１０から出力される電力量に関する閾値は、図３に示すように、各種電力量、典型的には受電電力量が急減に変動する時間区域において小さく設定される。言い換えると、各種電力量、典型的には受電電力量が急減に変動する時間区域において、当該閾値は、逆潮流が生じる条件からより十分なマージンＭを設けるよう設定される。

したがって、受電電力量、発電電力量及び消費電力量のうちの少なくとも１つが急激に変動したとしても、消費電力量が発電電力量より小さくなることによる逆潮流の発生を抑制することができる。

以下、電力調整器３１０から出力される電力に関する閾値（最大発電許容値）の設定の一例について、より詳細に説明する。まず、この閾値（最大発電許容値）をＳ（ｔ）と定義する。また、受電電力量、発電電力量及び消費電力量のうちの少なくとも１つに関連する値をＸ（ｔ）と定義する。ここで、「ｔ」は時間を表す。

この場合、閾値Ｓ（ｔ）は、以下の式１によって表わされる。
Ｓ（ｔ）＝Ｂ－Ａ×｜Ｘ（ｔ－Δｔ）－Ｘ（ｔ）｜／Δｔ （式１）
ここで、Δｔは、例えば、制御装置３２０が各種電力量の値を取得する時間間隔であってよい。「Ａ」及び「Ｂ」は、適宜設定されるパラメータである。なお、パラメータＡはゼロではない値である。

Ｘ（ｔ）は、消費電力量Ｃ（ｔ）、発電電力量Ｇ（ｔ）及び受電電力量Ｒ（ｔ）から算出可能な量であってよい。例えば、Ｘ（ｔ）が受電電力量Ｃ（ｔ）そのものである場合、閾値Ｓ（ｔ）は、以下の式２によって表わされる。
Ｓ（ｔ）＝Ｂ－Ａ×｜Ｒ（ｔ－Δｔ）－Ｒ（ｔ）｜／Δｔ （式２）

この場合、制御装置３２０は、受電電力量Ｒ（ｔ）の取得によって閾値Ｓ（ｔ）を算出できる。

また、別の例として、Ｘ（ｔ）が、消費電力量Ｃ（ｔ）と発電電力量Ｒ（ｔ）の差である場合、閾値Ｓ（ｔ）は、以下の式によって表わされる。
Ｓ（ｔ）＝Ｂ－Ａ×｜Ｃ（ｔ－Δｔ）－Ｒ（ｔ－Δｔ）－Ｃ（ｔ）＋Ｒ（ｔ）｜／Δｔ

発電電力量Ｇ（ｔ）、受電電力量Ｒ（ｔ）及び消費電力量Ｃ（ｔ）は、それぞれ前述した発電量計測器８１０、受電量計測器８２０及び消費量計測器８３０によって計測できる。

ここで、パラメータＡ及びＢは、少なくとも逆潮流が生じないよう十分なマージンＭを設けるという観点から設定されればよい。パラメータＡ及びＢは、過去の実績又は予め行われた実験により決められていてよい。

パラメータＢは、電力が安定しているとき、すなわち消費電力量Ｃ（ｔ）、発電電力量Ｇ（ｔ）及び受電電力量Ｒ（ｔ）がほとんど時間変動しないときにおける閾値に相当する。パラメータＢは、例えば消費電力量Ｃ（ｔ）から所定の値（マージン）を減じた値によって定義されていてもよい。

２つのパラメータＡ及びＢは、発電装置２００の性能や設置箇所、季節、時刻等に応じて設定してもよい。これにより、様々な条件に対応した閾値を設定することができる。

また、制御装置３２０内の記憶装置に過去のデータを記憶して、最適なＡ、Ｂの値を算出できるように学習機能を備えさせることも可能である。例えば、発電装置２００の使用条件に合わせて、発電電力量Ｇ（ｔ）、受電電力量Ｒ（ｔ）、消費電力量Ｃ（ｔ）及びパラメータＡ，Ｂとの相関関係についてデータを蓄積し、制御装置３２０は、蓄積されたデータから、パラメータＡ，Ｂの最適な条件を設定することができる。

図４は、一実施形態に係る電力調整器の閾値の設定の一例を示すグラフである。具体的には、図４は、上記の式２によって規定される閾値を示している。図４に示すように、閾値は、消費電力量Ｃ（ｔ）、又はそれに相当する量の一次式によって定義されていてよい。ただし、Ａは、負の値であることが好ましい。

上記例の代わりに、パラメータＡ，Ｂは、電力量に関する値によって定義されていてもよい。例えば、パラメータＢは、受電電力量Ｒ（ｔ）、発電電力量Ｇ（ｔ）及び消費電力量Ｃ（ｔ）のうちの少なくとも１つに基づき設定されていてよい。この場合、制御装置３２０は、受電電力量、発電電力量及び消費電力量のうちの少なくとも１つと、前述の変動値Ｘ（ｔ）とに基づいて閾値を設定する。この場合、制御装置３２０は、様々な複雑な条件に応じて、適宜閾値を設定できる。

例えばパラメータＢが、例えば消費電力量Ｃ（ｔ）から所定の値を減じた値によって定義されている場合、電力調整器３１０は、発電電力量を消費電力量に追従させるように制御することができる。

上述したように、実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替の実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなる。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

例えば、前述した実施形態では、受電電力量、発電電力量及び消費電力量のうちの少なくとも１つに関連する値の時間的な変動値は、制御装置３２０による各種電力量の値を取得する時間間隔における差分によって算出されている（上記の式１も参照）。この代わりに、当該変動値は、対象とする値の時間的な変動を表すものであれば、この式１によって算出されることに制限されない。

例えば、制御装置３２０は、消費電力量の時間的な変動値に基づいて、電力調整器３１０から出力される電力に関する前述の閾値を設定するよう構成されていてよい。この場合、前述の式１は、以下の式のように表記できる。
Ｓ（ｔ）＝Ｂ－Ａ×｜Ｃ（ｔ－Δｔ）－Ｃ（ｔ）｜／Δｔ
例えば、受電電力量及び発電電力量が安定しており、かつ消費電力量が変動するような時間帯又は環境においては、逆潮流の防止のため、消費電力量の時間的な変動値に基づいて前述の閾値（又はマージン）を設定することが好ましいことがある。

この代わりに、制御装置３２０は、発電電力量の時間的な変動値に基づいて、電力調整器３１０から出力される電力に関する前述の閾値を設定するよう構成されていてよい。この場合、前述の式１は、以下の式のように表記できる。
Ｓ（ｔ）＝Ｂ－Ａ×｜Ｇ（ｔ－Δｔ）－Ｇ（ｔ）｜／Δｔ
例えば、受電電力量及び消費電力量が安定しており、かつ発電電力量が変動するような時間帯又は環境においては、逆潮流の防止のため、発電電力量の時間的な変動値に基づいて前述の閾値（又はマージン）を設定することが好ましいことがある。

１０ 外部電源
１００ 電力供給システム
２００ 発電装置
３００ 発電制御システム
３１０ 電力調整器
３２０ 制御装置
４００ 負荷
６００ 受変電部
７００ 逆潮流検出器

Claims (5)

1. 発電装置から負荷へ供給される電力を制御する電力調整器と、
   前記電力調整器から出力される電力量に関する閾値を設定する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、外部電源から前記負荷へ供給される受電電力量、前記電力調整器から出力される発電電力量、及び前記負荷による消費電力量のうちの少なくとも１つに関連する値の時間的な変動値に基づいて、前記閾値を設定するよう構成されている、発電制御システム。
2. 前記閾値は、前記変動値の絶対値が大きいほど小さい、請求項１に記載の発電制御システム。
3. 前記制御装置は、前記受電電力量の時間的な変動値、又は前記消費電力量と前記発電電力量の差の時間的な変動値に基づいて、前記閾値を設定するよう構成されている、請求項１又は２に記載の発電制御システム。
4. 前記外部電源へ向かう電力の流れを検知する逆潮流検出器を有し、
   前記逆潮流検出器は、前記外部電源へ向かう電力の流れを検知すると、前記電力調整器から出力される電力を停止させる信号を前記電力調整器に送信するよう構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の発電制御システム。
5. 発電装置から負荷へ供給される電力を制御する電力調整器から出力される発電電力量を制御することを含む発電制御方法であって、
   外部電源から前記負荷へ供給される受電電力量、前記電力調整器から出力される前記発電電力量、及び前記負荷による消費電力量のうちの少なくとも１つに関連する値の時間的な変動値に基づいて、電力調整器から出力される発電電力量に関する閾値を設定することを含む、発電制御方法。
   
   

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