JP2023038109A - 送電網監視システム及び送電網監視方法 - Google Patents

送電網監視システム及び送電網監視方法 Download PDF

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Abstract

Figure 2023038109000001
【課題】電力系統に接続されたＰＣＳベースのエネルギー源についてのＬＦＯをリアルタイムで監視する。
【解決手段】送電網監視システム１０は、記憶部１１０と、リアルタイム計算部１０２と、安定性チェック部１０３とを備える。記憶部１１０は、複数の動作点でのＰＣＳベースのエネルギー源３０のインピーダンスを示すＰＣＳインピーダンスデータを記憶する。ＰＣＳベースのエネルギー源３０は、電力系統２０に接続される。リアルタイム計算部２１は、ＰＯＣ４０で測定された電力潮流に基づいて、電力系統２０のインピーダンスである送電網インピーダンスを計算する。安定性チェック部１０３は、ＰＣＳインピーダンスデータ及び送電網インピーダンスに基づいて、ＰＯＣ４０におけるＬＦＯの検出のための安定性チェックを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統を監視するためのシステム及び方法に関する。
近年では、クリーンな再生可能エネルギーによる発電への需要の高まりにより、電力系統において電力調節システム（ＰＣＳ）が深く浸透することが必要となった。ある種の再生可能エネルギー源及びＰＣＳを用いた発電機を含むＰＣＳベースのエネルギー源は、接続点（ＰＯＣ）にて電力系統に接続される。電力系統の実時間動作において、ＰＯＣでのＰＣＳインピーダンス及び送電網インピーダンスは、電力系統の安定性をチェックするための十分なパラメータである。
電力系統のいずれかのポイントで送電線の開放をもたらす障害などの何らかの異常が発生した場合、結果として、電力系統の送電網インピーダンスが変化する。この送電網インピーダンスの変化により、ＰＯＣの電圧及び電流に低周波発振（ＬＦＯ）が生じる。電力系統におけるＬＦＯを監視及び制御するために、送電網インピーダンス及びＰＣＳインピーダンスのリアルタイム計算が必要となる。しかしながら、ＰＣＳインピーダンスの計算は一般的に多大な時間を消費する。従って、ＬＦＯをリアルタイムで監視することは難しい。
電力系統において何らかの異常が発生した場合、ＰＣＳベースのエネルギー源は電力系統に対して脆弱性がある。ＰＣＳベースのエネルギー源において生じ得る問題の一つは、電力系統の短絡比（ＳＣＲ）が低くなった場合のＬＦＯである。ＳＣＲは、電力系統における送電線の容量に対するＰＣＳベースのエネルギー源からの出力電力の比率として定義することができる。従って、ＰＣＳベースのエネルギー源の出力電力が高く、かつ送電線の送電容量が低い場合、ＬＦＯのリスクが高まる。
風力エネルギーは、最もクリーンなエネルギー源の一つと見なされている。風力エネルギーを用いて発電する風力タービンは、ＰＣＳベースのエネルギー源として使用されるために、ＰＣＳを介して電力系統と一体化されてもよい。ＰＣＳの機能は、電力の可変特性を調整し、かつこれを電力系統に供給することである。
ウィンドファームとは、多くの風力タービンから成る風力発電所である。ウィンドファームは、主要な電力系統やロードセンターから離れた遠隔地に位置することができる。一般的に、ウィンドファームは、電力系統への長い送電線と１つのＰＯＣを必要とする。長い送電線では、直列コンデンサは、送電網の安定性、送電容量及び電圧の安定性の問題に対処するための経済的解決策として見なされている。
いくつかの例では、風力タービンが準同期相互作用の問題に対して脆弱であるため、ウィンドファームが送電線の直列コンデンサに放射状に接続されている場合、ＰＯＣにおいて電圧及び電流にＬＦＯが誘発される。具体的には、ＰＣＳが、直列コンデンサによって発生された電気共振と相互作用し、風力タービンの損傷又は動作不良をもたらし得る。最悪の場合、ＰＣＳの相互作用は停電をもたらし得る。さらに、電気共振によってもたらされた電流のＬＦＯに反応した際、当該反応は、電力系統における共振の減衰に影響を与え得る。この現象は、準同期制御作用（ＳＳＣＩ）と称されている。ＳＳＣＩは、電流及び電圧のＬＦＯにつながり、電力系統に不安定さを引き起こす。
一般的に用いられるＳＳＣＩの調査方法の一つに、周波数走査分析がある。以下の特許文献１は、ＳＳＣＩの調査のために風力タービン及び電力系統のＰＣＳインピーダンスを計算する周波数走査方法を開示している。特許文献１では、ＰＣＳインピーダンス及び送電網インピーダンスは、システムのＬＦＯの周波数である共振周波数を見出すために計算される。共振周波数でのシステムの抵抗を測定することによって、ＳＳＣＩによってもたらされるＬＦＯのリスク評価を行うことができる。このインピーダンス測定方法は、風力タービンのＰＣＳコントローラを改良するために使用される。
米国特許第９,９４１,８２８号
特許文献１によって開示された方法では、ＰＣＳインピーダンスは、電磁過渡現象（ＥＭＴ）モデルで計算される。このような計算は多大な時間を消費し、従って、ＬＦＯをリアルタイムで監視することは未だに難しい。
従って、本発明の目的は、電力系統に接続されたＰＣＳベースのエネルギー源についてのＬＦＯをリアルタイムで監視することである。
本発明に係る送電網監視システムは、複数の動作点でのＰＣＳベースのエネルギー源のインピーダンスであるＰＣＳインピーダンスを示すＰＣＳインピーダンスデータを記憶し、前記ＰＣＳベースのエネルギー源は、電力系統に接続されるとともに、電圧源と、前記電圧源によって生成された電力を前記電力系統に供給するために当該電力を調節するＰＣＳとを含む、記憶部と、前記ＰＣＳベースのエネルギー源と前記電力系統とが互いに接続される接続点において測定された電力潮流に基づいて、前記電力系統のインピーダンスである送電網インピーダンスを計算するリアルタイム計算部と、前記ＰＣＳインピーダンスデータ及び前記送電網インピーダンスに基づいて、前記接続点におけるＬＦＯを検出するための安定性チェックを行う安定性チェック部と、を備える。
本発明に係る送電網監視方法は、複数の動作点でのＰＣＳベースのエネルギー源のインピーダンスであるＰＣＳインピーダンスを示すＰＣＳインピーダンスデータを記憶装置に記憶することであって、前記ＰＣＳベースのエネルギー源は、電力系統に接続されるとともに、電圧源と、前記電圧源によって生成された電力を前記電力系統に供給するために当該電力を調節するＰＣＳとを含むことと、前記ＰＣＳベースのエネルギー源と前記電力系統とが互いに接続される接続点において測定された電力潮流に基づいて、前記電力系統のインピーダンスである送電網インピーダンスを計算することと、前記ＰＣＳインピーダンスデータ及び前記送電網インピーダンスに基づいて、前記接続点におけるＬＦＯを検出するための安定性チェックを行うことと、を含む。
本発明によれば、電力系統に接続されたＰＣＳベースのエネルギー源についてのＬＦＯをリアルタイムで監視することができる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る送電網監視システムの概略ブロック図を示す。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る送電網監視システムの詳細な構成を示す。 図３は、いくつかの動作点での周波数領域内のＰＣＳインピーダンスデータ一式の一例を示す。 図４は、周波数領域送電網インピーダンスの例を示す。 図５は、安定性チェックプロセスの概要を示す。 図６は、安定性チェックプロセスのフローチャートを示す。 図７は、図６のステップＳ１３０で行われる安定性チェック及びＬＦＯ制御のフローチャートを示す。 図８は、ＬＦＯ制御が適用されない場合の、ＰＯＣにおける時系列での電圧挙動の一例である。 図９は、図８の例で示されるＰＯＣでの電圧に従った伝達関数のボード線図の例を示す。 図１０は、本発明に係るＬＦＯ制御が適用された場合の、ＰＯＣにおける時系列での電圧挙動の一例である。 図１１は、図１０の例で示されるＰＯＣでの電圧に従った伝達関数のボード線図の例を示す。 図１２は、表示部に表示される画面の一例を示す。 図１３は、本発明の第２の実施形態に係る送電網監視システムの概略ブロック図を示す。 図１４は、本発明の第３の実施形態に係る送電網監視システムの概略ブロック図を示す。 図１５は、本発明の第４の実施形態に係る送電網監視システムの概略ブロック図を示す。 図１６は、本発明の第５の実施形態に係る送電網監視システムの概略ブロック図を示す。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る送電網監視システム１０の概略ブロック図を示す。図１に示される通り、送電網監視システム１０は、ＰＯＣ４０において、測定システム５０を介して電力系統２０及びＰＣＳベースのエネルギー源３０に接続される。
電力系統２０は、発電機２１及び送電網インピーダンス２２を含む。発電機２１は、電力を生成し、その電力を送電線（図示なし）を介して消費者に供給する。送電網インピーダンス２２は、例えば、送電線のインダクタンス、抵抗及び静電容量を含む電力系統２０のインピーダンスである。
ＰＣＳベースのエネルギー源３０は、ＰＣＳ電圧源３１及びＰＣＳ３２を含む。ＰＣＳ電圧源３１は、例えば風力や太陽電力等の再生可能エネルギー源を用いた発電機である。ＰＣＳ３２は、ＰＣＳ電圧源３１によって生成された電力を調整し、この電力を送電線を介して消費者に供給する。
電力系統２０とＰＣＳベースのエネルギー源３０は、ＰＯＣ４０において互いに接続される。測定システム５０は、ＰＯＣ４０に接続され、所定の周期で繰り返し電流及び電圧を検出することによってＰＯＣ４０での電力潮流を測定し、電力潮流の測定結果を送電網監視システム１０に出力する。
送電網監視システム１０は、オフライン計算部１０１、リアルタイム計算部１０２、安定性チェック部１０３、記憶部１１０、インターフェース部１２０、及び表示部１３０を備える。
オフライン計算部１０１は、ＰＣＳ３２のインピーダンス値であるＰＣＳインピーダンスを、いくつかの動作点において周波数領域で事前に計算する。ここで、動作点とは、ＰＣＳベースのエネルギー源３０の出力電力を意味し、これはＰＯＣ４０における有効電力、無効電力、及び電圧に応じて変動する。換言すると、オフライン計算部１０１は、ＰＣＳベースのエネルギー源３０の様々な出力電力に対するＰＣＳインピーダンスを事前に計算する。オフライン計算部１０１によって計算されたＰＣＳインピーダンスデータは、記憶部１０１に格納される。
リアルタイム計算部１０２は、送電網インピーダンス２２のインピーダンス値である送電網インピーダンスを、周波数領域で計算する。リアルタイム計算部１０２は、測定システム５０から出力されたＰＯＣ４０における電力潮流の測定結果に基づく送電網インピーダンスをリアルタイムで計算する。リアルタイム計算部１０２によって計算された送電網インピーダンスデータは、安定性チェック部１０３に出力される。
安定性チェック部１０３は、事前に記憶部１１０に格納されたＰＣＳインピーダンスデータ及びリアルタイム計算部１０２によってリアルタイムで計算された送電網インピーダンスデータを取得し、これらのデータに基づいて、ＰＯＣ４０における電圧及び電流の安定性チェックを行い、ＬＦＯの発生を監視する。その結果、ＰＯＣ４０における電力潮流が不安定になりそうでＬＦＯが発生するかもしれない場合、安定性チェック部１０３は、ＰＣＳベースのエネルギー源３０から電力系統２０への出力電力の安定化を促すために、インターフェース部１２０を介して給電指令所６０に所定のコマンドを出力する。
記憶部１１０は、送電網監視システム１０で使用される様々なデータ、例えば、オフライン計算部１０１によって計算されたＰＣＳインピーダンスデータ等を格納する。ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）、ＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）等の不揮発性記録媒体を記憶部１１０として使用してよい。
インターフェース部１２０は、送電網監視システム１０の信号を入出力するための所定のインターフェース処理を行う。安定性チェック部１０３からの上述のコマンドは、インターフェース部１２０の処理によって給電指令所６０に出力することができる。
表示部１３０は、測定システム５０によって検出されたＰＯＣ４０における電流及び電圧と、安定性チェック部１０３による安定性チェックの結果とを入力する。これらの入力データに基づき、表示部１３０は、システム管理者等の送電網監視システム１０のユーザに対して、電力系統２０及びＰＣＳベースのエネルギー源３０の動作状態を監視するための様々な情報を表示する。表示部１３０で表示される画像の例については後述する。
給電指令所６０は、安定性チェック部１０３からの出力コマンドに応答して、ＰＣＳベースのエネルギー源３０から電力系統２０への出力電力の安定化を促すために、ＰＣＳベースのエネルギー源３０の動作状態を変更する。これにより、ＰＯＣ４０におけるＬＦＯの発生を回避することができる。
なお、第１の実施形態に記載の送電網監視システム１０は、電力系統２０の電圧安定性、周波数安定性及び電力潮流の制御など、他の電力系統の安定化機能を含んでもよい。さらに、電力系統２０に関して、発電機２１は多数の発電機を表すものでもよいし、送電網インピーダンス２２は、相互に接続された直列、並列及びメッシュタイプの送電線の組合せであってもよい。図１に示される電力系統２０は、単なる例示である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る送電網監視システム１０の詳細な構成を示す。送電網監視システム１０は、ＣＰＵ１００及び記憶部１１０を含む。ＣＰＵ１００は、記憶部１１０等に記録されたプログラムを実行して所定の処理を行い、オフライン計算部１０１、リアルタイム計算部１０２、及び安定性チェック部１０３として機能する。
オフライン計算部１０１は、ＰＣＳベースのエネルギー源３０の電磁過渡現象モデルである、ＰＣＳのＥＭＴモデル１１０１を、記憶部１１０から読み込む。オフライン計算部１０１は、ＰＣＳのＥＭＴモデル１１０１を用いてＥＭＴシミュレーションソフトウェア１０１１を実行して時系列シミュレーションを行い、いくつかの動作点１，２…ＮにおけるＰＣＳインピーダンスデータ一式ZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)を周波数領域で用意する。オフライン計算部１０１によって計算されたＰＣＳインピーダンスデータ一式ZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)は、ＰＣＳインピーダンスデータ１１０２として記憶部１１０に格納される。
リアルタイム計算部１０２は、ＰＯＣ４０で流れる電圧及び電流の測定結果を測定システム５０から受信し、受信した電圧及び電流に基づき、送電網インピーダンスZg(f)を周波数領域で計算する。計算された送電網インピーダンスZg(f)のリアルタイムデータ１０２１は、リアルタイム計算部１０２から安定性チェック部１０３に出力される。
安定性チェック部１０３は、記憶部１１０からＰＣＳインピーダンスデータ１１０２を読み込み、リアルタイム計算部１０２からリアルタイム送電網インピーダンスデータ１０２１を受信する。これらのデータに基づいて、安定性チェック部１０３は、ＰＯＣ４０におけるＬＦＯの監視及び制御のための安定性チェックを行う。安定性チェック部１０３が行う安定性チェックの具体的な処理については後述する。そして、安定性チェック部１０３は、必要に応じて、所定の信号をインターフェース部１２０に出力する。安定性チェック部１０３から受信した信号に応答して、インターフェース部１２０は、ＰＣＳベースのエネルギー源３０から電力系統２０への出力電力の安定化のためのコマンドを、給電指令所６０に出力する。
図３は、０～６０Ｈｚ等の周波数範囲を調査するためにオフライン計算部１０１によって計算された、いくつかの動作点における周波数領域でのＰＣＳインピーダンスデータ一式ZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)の例を示す。ＬＦＯが発生した場合の電力系統２０の安定した動作点を探すためには、ＰＣＳベースのエネルギー源３０のインピーダンスをいくつかの動作点において計算する必要がある。本実施形態では、図３に示される通り、異なる動作点についてＮ個のＰＣＳインピーダンスデータZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)が周波数領域で計算され、ＬＦＯの監視及び制御に使用するために記憶部１１０に格納される。図３において、例えばＰＣＳインピーダンスデータZPCS1(f)に関して、グラフ４０１及び４０２はそれぞれ、第１の動作点でのＰＣＳベースのエネルギー源３０の抵抗及びリアクタンスを示す。
図４は、リアルタイム計算部１０２によって計算された周波数領域での送電網インピーダンスZg(f)の例を示す。図４（ａ）は、障害前の電力系統２０の送電網インピーダンスZg1(f)の例を示しており、これは異常の無い電力系統２０の抵抗及びリアクタンスをそれぞれ示すグラフ５０１及び５０２によって表される。図４（ｂ）は、障害後の電力系統２０の送電網インピーダンスZg2(f)の例を示しており、これは送電線に異常が有る電力系統２０の抵抗及びリアクタンスをそれぞれ示すグラフ５０３及び５０４によって表される。
図５は、安定性チェック部１０３が行う安定性チェックプロセスの概要を示す。リアルタイム計算部１０２によって計算される送電網インピーダンスZg(f)は、安定性チェック部１０３に送信される。安定性チェック部１０３は、送電網インピーダンスZg(f)とＰＣＳインピーダンスデータZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)のそれぞれとを組み合わせ、伝達関数Zg(f)/ZPCS1(f), Zg(f)/ZPCS2(f), …Zg(f)/ZPCSN(f)を作成する。電力系統２０に異常が発生した場合、リアルタイム計算部１０２によって計算された送電網インピーダンスZg(f) は、電力系統２０における送電網構成の変更により、図４に示される通りZg1(f)からZg2(f)へと変化する傾向がある。この場合、安定性チェック部１０３は、伝達関数Zg(f)/ZPCS1(f), Zg(f)/ZPCS2(f), …Zg(f)/ZPCSN(f)のいずれかの変化を検出することによって、異常を検出できる。上述の安定性チェックプロセスは、安定性チェック部１０３によって行われる。
図５に示される通り、電力系統２０の送電網電流I(f)及び送電網電圧Vg(f)は、ＰＯＣ４０における電力潮流を測定して数式１に示される閉ループ伝達関数を導出することによって取得できる。
Figure 2023038109000002
伝達関数Zg(f)/ZPCS(f)のボード線図を作成することによって、システムの安定性を判定できる。換言すると、ＬＦＯの検出及び制御を行うことが出来る。安定性チェック部１０３によって実行される安定性チェックプロセスのフローチャートについては、次のセクションで説明する。
図６は、安定性チェック部１０３による安定性チェックプロセスのフローチャートを示す。図６のフローチャートに示される処理は、例えば、図２に示される送電網監視システム１０の安定性チェック部１０３として機能するＣＰＵ１００によって、所定の周期で実行される。
ステップＳ１１０において、安定性チェック部１０３は、記憶部１１０からの周波数領域でのＰＣＳインピーダンスデータZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)にアクセスする。ここでＮは、オフライン計算部１０１によって事前にＰＣＳインピーダンスデータが計算される動作点の数である。
ステップＳ１２０において、安定性チェック部１０３は、リアルタイム計算部１０２からの周波数領域での送電網インピーダンスZg(f)にアクセスする。送電網インピーダンスZg(f)は、測定システム５０によって測定されたＰＯＣ４０における電力潮流に基づいて、リアルタイム計算部１０２によってリアルタイムで計算される。
ステップＳ１３０において、安定性チェック部１０３は、ステップＳ１１０で取得されたＰＣＳインピーダンスデータZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)と、ステップＳ１２０で取得された送電網インピーダンスZg(f)とに基づいて、安定性チェック及びＬＦＯ制御を行う。ステップＳ１３０の詳細な処理については、図７を参照して以下のセクションで説明する。
ステップＳ１４０において、安定性チェック部１０３は、ステップＳ１３０で行われた安定性チェックの結果を表示部１３０に出力する。安定性チェック部１０３からの安定性チェックの結果に基づき、表示部１３０は、電力系統２０及びＰＣＳベースのエネルギー源３０の現在の状態を表示する。ステップＳ１４０で表示される画面の例については後述する。
ステップＳ１４０の処理が行われた後、安定性チェック部１０３は、図６に示される安定性チェックプロセスを終了する。
図７は、図６のステップＳ１３０で行われる安定性チェック及びＬＦＯ制御のフローチャートを示す。
ステップＳ１３１において、安定性チェック部１０３は、変数ｋをｋ＝１として設定する。
ステップＳ１３２において、安定性チェック部１０３は、図６のステップＳ１１０及びＳ１２０で取得された周波数領域でのＰＣＳインピーダンスデータZPCSk(f)及び周波数領域での送電網インピーダンスZg(f)に基づき、ｋの現在値について伝達関数Zg(f)/ZPCSk(f)を計算する。なお、ｋの値は、ステップＳ１３２からステップＳ１３５までのループ処理の間に、初期値１から最終値Ｎまで１つずつカウントアップされる。数式１の伝達関数で説明した通り、伝達関数Zg(f)/ZPCSk(f)は、動作点ｋ＝１、２、３…Ｎについて順番に、ステップＳ１３２で計算される。動作点ｋ＝１、２、３…Ｎは、ＰＣＳベースのエネルギー源３０の出力電力P1, P2, P3, …Pn、ＰＣＳベースのエネルギー源３０の無効電力Q1, Q2, Q3, …Qn、及びＰＯＣ４０での電圧振幅V1, V2, V3, …VNに、それぞれ対応する。
ステップＳ１３３において、安定性チェック部１０３は、ステップＳ１３２で計算された伝達関数Zg(f)/ZPCSk(f)のボード線図を作成する。ここでｋ＝１は、ＰＣＳベースのエネルギー源３０の現在の動作点に対応する。ステップＳ１３３で作成されるボード線図の一例については後述する。
ステップＳ１３４において、安定性チェック部１０３は、ステップＳ１３３で作成されたボード線図にゲイン交点周波数が存在するか否かを判断する。ゲイン交点周波数とは、伝達関数Zg(f)/ZPCSk(f)のゲインが０ｄＢになる周波数を意味する。ボード線図にゲイン交点周波数が存在すると判断された場合、ステップＳ１３４からステップＳ１３５へと処理が進み、一方、存在しないと判断された場合には、処理はステップＳ１３６に進む。
ステップＳ１３５において、安定性チェック部１０３は、ステップＳ１３４でボード線図において検出されたゲイン交点周波数での伝達関数Zg(f)/ZPCSk(f)の位相角が－１８０度未満であるか否かを判断する。位相角が－１８０度未満であると判断された場合、換言すると、ｋの現在値についてＬＦＯが発生したと判断された場合、ｋの値はカウントアップされて、次の動作点ｋ＝ｋ＋１での伝達関数をチェックするために、処理はステップＳ１３２に戻る。一方、位相角が－１８０度未満でないと判断された場合、処理はステップＳ１３６に進む。
ステップＳ１３２からステップＳ１３５までのループ処理は、ステップＳ１３４においてゲイン交点周波数が存在しないと判断されるか、又はステップＳ１３５においてゲイン交点周波数が－１８０度以上であると判断されるまで、繰り返し実行される。その結果として、ＬＦＯが発生しない動作点ｋを特定することができる。
ステップＳ１３６において、安定性チェック部１０３は、ゲイン交点周波数が存在していないと判断されるか、又はゲイン交点周波数が－１８０度以上であると判断された動作点ｋに対応するコマンドを出力する。安定性チェック部１０３から出力されたコマンドは、インターフェース部１０３を介して給電指令所６０に転送される。このコマンドに応答して、給電指令所６０は、ＰＣＳベースのエネルギー源３０を制御して出力電力を安定化する。
ステップＳ１３６の処理が行われた後、安定性チェック部１０３は、図７に示される安定性チェック及びＬＦＯ制御を終了し、図６に戻って次のステップＳ１４０に進む。
ステップＳ１３０で安定性チェック部１０３によって上述の処理が行われることにより、安定性チェック及びＬＦＯ制御を達成できる。
なお、上述の実施の形態では、ボード線図を用いた安定性チェックプロセスの方法を説明したが、送電網監視システム１０は、ＬＦＯを監視するいくつかの動作点における周波数領域での送電網インピーダンスZg(f)及び周波数領域ＰＣＳインピーダンスZPCS(f)に基づき、数式１を用いてＬＦＯを監視するその他の制御理論や方法を利用してもよい。
図８は、ＬＦＯ制御が適用されない場合の、ＰＯＣ４０での時系列の電圧挙動の例である。図８では、グラフ１００１は、測定システム５０によって測定されたＰＯＣ４０での電圧を示す。グラフ１００１で示される通り、ＰＯＣ４０での電圧は、ｔ＝０からｔ＝０．２秒の間は安定しており、ある有効電力出力P1、無効電力出力Q1及び電圧振幅V1に対応する動作点ｋ＝１によって、ＰＣＳベースのエネルギー源３０において安定した動作が行われる。この時間の間、障害になる前の周波数領域でのＰＣＳインピーダンスZPCS(f)はZPCS1(f)によって与えられ、周波数領域での送電網インピーダンスZg(f)はZg1(f)によって与えられる。
そして、ｔ＝０．２秒では、電力系統２０においてライン開放障害が発生し、周波数領域での送電網インピーダンスZg(f)がZg1(f)からZg2(f)へと変化したと想定する。この障害の後、ＰＯＣ４０での電圧振幅は、グラフ１００１によって示される通り変動し、これはＰＯＣ４０において電圧にＬＦＯが発生したことを示す。
図９は、図８の例に示されるＰＯＣ４０での電圧による伝達関数Zg(f)/ZPCS(f)のボード線図の例を示す。図９では、グラフ１１０１及び１１０３はそれぞれ、障害の前の伝達関数Zg1(f)/ZPCS1(f)のゲイン及び位相角を示し、グラフ１１０２及び１１０４はそれぞれ、障害の後の伝達関数Zg2(f)/ZPCS2(f)のゲイン及び位相角を示す。
図９に示される通り、グラフ１１０１ではゲインが０ｄＢになるゲイン交点周波数が無く、グラフ１１０３では位相角が－１８０度未満になる部分は無い。従って、ＬＦＯは発生せず、動作点ｋ＝１での障害の前の伝達関数Zg1(f)/ZPCS1(f)は安定している。しかしながら、ＬＦＯの発生により、グラフ１１０２ではゲインが０ｄＢになるゲイン交点周波数が存在し、グラフ１１０４ではゲイン交点周波数での位相角が－１８０度未満である。
図１０は、本発明に係るＬＦＯ制御が適用された場合の、ＰＯＣ４０における時系列での電圧挙動の一例を示す。図１０では、グラフ１２０１は、測定システム５０によって測定されたＰＯＣ４０での電圧を示す。グラフ１２０１によって示される通り、動作点をｋ＝１から、障害後に安定した動作を行うことが出来る別のｋの値へと変更することによって、ｔ＝０．２秒の後に、ＰＯＣ４０での電圧を安定した状態に維持することが可能である。
図１１は、図１０の例で示されるＰＯＣ４０での電圧による伝達関数Zg(f)/ZPCS(f)のボード線図の例を示す。図１１では、グラフ１３０２及び１３０３はそれぞれ、ＬＦＯ制御が適用された場合の障害の後の伝達関数Zg2(f)/ZPCS2(f)のゲイン及び位相角を示す。なお、グラフ１１０２及び１１０４はそれぞれ、図９で示されるものと同じである。
図１１で示される通り、グラフ１１０２のゲイン交点周波数及びグラフ１３０２のゲイン交点周波数は互いに異なっていることは明確であり、また、グラフ１１０４の位相角が不安定な動作点を表す－１８０度未満であり、一方、グラフ１３０３の位相角は－１８０度よりも大きいことも明確である。よって、本発明に従って動作点を変更した後の伝達関数Zg2(f)/ZPCS2(f)は安定しているということが理解される。
上述の通り、本発明を送電網監視システム１０に適用することによって、ＬＦＯが現在の動作点ｋ＝１で検出された場合に、ＰＣＳベースのエネルギー源３０を制御して、その動作点を現在の動作点から、ＬＦＯが検出されない別の安定した動作点へと変更することができる。変更後の動作点は、有効電力出力P2、無効電力出力Q2及び電圧振幅V2に対応する。従って、障害の後の伝達関数Zg2(f)/ZPCS2(f)が安定するように、周波数領域でのＰＣＳインピーダンスZPCS2(f)を変更できる。
図１２は、ステップＳ１４０で表示部１３０に表示される画面の例を示す。この画面は、複数の表示枠１３１～１３６を含む。表示枠１３１は、電力系統２０及びＰＣＳベースのエネルギー源３０の構成を示す。表示枠１３２は、表示枠１３１で使用されるシンボルの注記を示す。表示枠１３３及び１３４は、日時を示す。表示枠１３５は、ＰＣＳ電圧源３１としてＰＣＳベースのエネルギー源３０にそれぞれ含まれる再生可能エネルギー源についての出力電力及び安定性チェック結果を示す。表示枠１３６は、ＰＯＣ４０での電圧の波形を示す。
上述の本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。
（１）送電網監視システム１０は、記憶部１１０と、リアルタイム計算部１０２と、安定性チェック部１０３とを備える。記憶部１１０は、複数の動作点ｋ＝１、２、３…ＮにおけるＰＣＳベースのエネルギー源３０のインピーダンスであるＰＣＳインピーダンスZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)を示すＰＣＳインピーダンスデータ１１０２を記憶する。ＰＣＳベースのエネルギー源３０は、電力系統２０に接続され、ＰＣＳ電圧源３１と、ＰＣＳ電圧源３１によって生成された電力を調整して電力系統２０に供給するＰＣＳ３２とを含む。リアルタイム計算部２１は、ＰＣＳベースのエネルギー源３０と電力系統２０とが互いに接続される接続点（ＰＯＣ）４０で測定された電力潮流に基づいて、電力系統２０のインピーダンスである送電網インピーダンスZg(f)を計算する。安定性チェック部１０３は、ＰＣＳインピーダンスデータ１１０２及び送電網インピーダンスZg(f)に基づいて、ＰＯＣ４０でのＬＦＯを検出するための安定性チェックを行う。この構成により、電力系統２０に接続されたＰＣＳベースのエネルギー源３０についてのＬＦＯをリアルタイムで監視できる。
（２）記憶部１１０は、周波数領域でのＰＣＳインピーダンスZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)を示すＰＣＳインピーダンスデータ１１０２を記憶し、リアルタイム計算部１０２は、周波数領域での送電網インピーダンスZg(f)を計算する。こうすることによって、周波数領域におけるＬＦＯを正確に監視することができる。
（３）安定性チェック部１０３は、周波数領域でのＰＣＳインピーダンスデータ１１０２及び送電網インピーダンスZg(f)を利用して、ボード線図を作成する（ステップＳ１３２、Ｓ１３３）。ボード線図は、図９及び図１１に示される通り、複数の動作点ｋ＝１、２、３…Ｎのそれぞれについて、ＰＯＣ４０におけるＰＣＳベースのエネルギー源３０と電力系統２０との間の伝達関数Zg(f)/ZPCSk(f)のゲイン及び位相角を含む。安定性チェック部１０３は、ボード線図に基づいてＬＦＯが検出されたか否かを判断する（ステップＳ１３４、Ｓ１３５）。こうすることによって、ＰＯＣ４０でＬＦＯが発生せずに安定した動作を行うことが出来る、ＰＣＳベースのエネルギー源３０の動作点を検出することができる。
（４）送電網監視システム１０は、ＰＣＳベースのエネルギー源３０のインピーダンスを計算するオフライン計算部１０１をさらに備える。記憶部１１０は、オフライン計算部１０１によって計算されたＰＣＳベースのエネルギー源３０のインピーダンスに基づいて生成されたＰＣＳインピーダンスデータZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)を記憶する。この構成により、ＰＣＳインピーダンスデータZPCS1(f), ZPCS2(f), …ZPCSN(f)をオフライン計算部１０１で事前に計算して、これらを記憶部１１０に記憶できる。
（５）ＬＦＯが現在の動作点ｋ＝１について検出された場合、安定性チェック部１０３は、ＰＣＳベースのエネルギー源３０の動作状態を現在の動作点から複数の動作点ｋ＝１、２、３…Ｎのうちの別の動作点へと変更させるためのコマンドを出力する（ステップＳ１３６）。このようにすることによって、障害の後の伝達関数Zg2(f)/ZPCS2(f)が安定するようにＰＣＳインピーダンスを変更できる。
［第２の実施形態］
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る送電網監視システム１０Ａの概略ブロック図を示す。図１に示される第１の実施形態に係る送電網監視システム１０と比べると、送電網監視システム１０Ａは、インターフェース部１２０を有しておらず、給電指令所６０が接続されていないという点で異なる。
送電網監視システム１０Ａでは、安定性チェック部１０３は、第１の実施形態で説明したように安定性チェックを行うことによって、ＰＯＣ４０でのＬＦＯの発生を監視し、ＬＦＯが検出された場合は、表示部１３０を制御して安定性チェックの結果を表示させる。
上述の本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、電力系統２０に接続されたＰＣＳベースのエネルギー源３０についてＬＦＯをリアルタイムで監視することが可能である。
［第３の実施形態］
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る送電網監視システム１０Ｂの概略ブロック図を示す。図１に示される第１の実施形態に係る送電網監視システム１０と比べると、送電網監視システム１０Ｂは、オフライン計算部１０１を有しないという点で異なる。
送電網監視システム１０Ｂでは、ＰＣＳインピーダンスデータ１１０２は、事前にコンピュータ（図示せず）によって計算されて記憶部１１０に記憶される。
上述の本発明の第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、電力系統２０に接続されたＰＣＳベースのエネルギー源３０についてＬＦＯをリアルタイムで監視することが可能である。さらに、オフライン計算部１０１を省略することによって、送電網監視システム１０Ｂの構成を簡略化できる。
［第４の実施形態］
図１５は、本発明の第４の実施形態に係る送電網監視システム１０の概略ブロック図を示す。本実施形態では、電力系統２０は、２つのライン（以下、「ライン１」及び「ライン２」という）がＰＯＣ４０に並列接続された並列構成を有する。ライン１は、発電機２１１と、直列接続されたインダクタL1及び抵抗器R1から成る送電網インピーダンス２２１と、スイッチS1とを含む。ライン２は、発電機２１２と、インダクタL2、抵抗器R2及びコンデンサC2から成る送電網インピーダンス２２２と、スイッチS2とを含む。換言すると、発電機２１２はコンデンサC2を介してＰＯＣ４０に接続され、一方、発電機２１１はコンデンサを介さずにＰＯＣ４０に接続される。
なお、電力系統２０は、３つまたはそれ以上の発電機が、ＰＯＣ４０においてそれぞれの送電網インピーダンスを介してＰＣＳベースのエネルギー源３０に並列接続されている、別の並列構成を有してよい。送電網インピーダンスは、任意数のインダクタ、抵抗器及び／又はコンデンサから成るインピーダンス素子を含んでよい。また、コンデンサC2は、それぞれが直列及び／又は並列接続されている多数のコンデンサ素子から構成されてよい。
さらに本実施形態では、ＰＣＳベースのエネルギー源３０は、ＰＣＳ電圧源３１を構成するブレード３１１及び永久磁石同期発電機（ＰＭＳＧ）３１２と、ＰＣＳ３２を構成する変圧器３２１、フィルタ３２２、インバータ３２３、整流器３２４及びコントローラ３２５とを含む風力タービンとして構成される。なお、送電網監視システム１０の構成は、図１に示される第１の実施形態の構成と同一である。また、１つまたはそれ以上の風力タービンはそれぞれＰＣＳベースのエネルギー源３０として動作し、風力タービンを含むウィンドファームとしてＰＯＣ４０に接続されてよい。
第４の実施形態では、測定システム５０は、ＰＯＣ４０における電力潮流データに加えて、電力系統２０のネットワークトポロジーの情報を送電網監視システム１０に提供できる。安定性チェック部１０３は、第１の実施形態で説明された安定性チェックを行い、ＬＦＯが検出された場合は、給電指令所６０を介してコントローラ３２５にコマンドを出力する。このコマンドに応じて、コントローラ３２５は、インバータ３２３を制御し、ＰＣＳベースのエネルギー源３０からの出力電力を調整する。
障害が発生して電力系統２０のライン１でスイッチS1が開くと、風力タービン（ＰＣＳベースのエネルギー源３０）は、スイッチS2を介してコンデンサC2と放射状に接続されるようになり、コンデンサC2と相互作用してライン２で直列共振を発生し、これによって送電網インピーダンスZg(f)が変化する。その結果、ＳＳＣＩが発生し、ＰＯＣ４０において電流及び電圧のＬＦＯが誘発される。このような場合でも、安定性チェック部１０３は、コマンドを出力することによってＰＣＳベースのエネルギー源３０の出力電力を制御することができ、よって、伝達関数Zg(f)/ZPCS(f)は、スイッチS1が開く前と同じ状態に維持される。その結果、風力タービンからの出力電力の安定化を促すことが可能となる。
［第５の実施形態］
図１６は、本発明の第５の実施形態に係る送電網監視システム１０の概略ブロック図を示す。本実施形態では、電力系統２０は、発電機２１１及び発電機２１２が、ＰＯＣ４０にそれぞれ接続された平行な２つのラインであるライン１及びライン２に、それぞれスイッチS3及びS4を介して選択可能に接続される、メッシュタイプ構成を有する。前のセクションで説明した第４の実施形態と同様に、ライン１は、直列接続されたインダクタL1及び抵抗器R1から成る送電網インピーダンス２２１と、スイッチS1とを含む。ライン２は、インダクタL2、抵抗器R2及びコンデンサC2から成る送電網インピーダンス２２２と、スイッチS2とを含む。換言すると、発電機２１１及び２１２はそれぞれ、コンデンサC2を介して又はコンデンサC2を介さずに、ＰＯＣ４０に接続される。
なお、電力系統２０は、３つまたはそれ以上の発電機が、ＰＯＣ４０において送電網インピーダンスを介してＰＣＳベースのエネルギー源３０にメッシュ接続される、別のメッシュタイプ構成を有してよい。送電網インピーダンスは、任意数のインダクタ、抵抗器及び／又はコンデンサから成るインピーダンス素子を含んでよい。また、コンデンサC2は、それぞれが直列及び／又は並列接続された複数のコンデンサ素子から構成されてよい。
なお、第４の実施形態と同様に、ＰＣＳベースのエネルギー源３０は風力タービンとして構成され、１つ以上の風力タービンはそれぞれ、ＰＣＳベースのエネルギー源３０として動作し、風力タービンを含むウィンドファームとしてＰＯＣ４０に接続され得る。送電網監視システム１０の構成は、図１に示す第１の実施形態の構成と同一である。
上述の本発明の第４及び第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、電力系統２０に接続されたＰＣＳベースのエネルギー源３０についてのＬＦＯをリアルタイムで監視することが可能である。
上述の実施形態及び変形例は、単なる例であり、本発明は、これらの詳細によって限定されるものと見なされるべきではない。本発明の本質的特徴が保持されるものであれば、その他の実施も本発明の範囲内に含まれる。
１０、１０Ａ、１０Ｂ：送電網監視システム
２０：電力系統
２１：発電機
２２：送電網インピーダンス
３０：ＰＣＳベースのエネルギー源
３１：ＰＣＳ電圧源
３２：ＰＣＳ（電力調節システム）
４０：ＰＯＣ（接続点）
５０：測定システム
６０：給電指令所
１００：ＣＰＵ
１０１：オフライン計算部
１０２：リアルタイム計算部
１０３：安定性チェック部
１１０：記憶部
１２０：インターフェース部
１３０：表示部

Claims (12)

  1. 複数の動作点でのＰＣＳベースのエネルギー源のインピーダンスであるＰＣＳインピーダンスを示すＰＣＳインピーダンスデータを記憶し、前記ＰＣＳベースのエネルギー源は、電力系統に接続されるとともに、電圧源と、前記電圧源によって生成された電力を前記電力系統に供給するために当該電力を調節するＰＣＳとを含む、記憶部と、
    前記ＰＣＳベースのエネルギー源と前記電力系統とが互いに接続される接続点において測定された電力潮流に基づいて、前記電力系統のインピーダンスである送電網インピーダンスを計算するリアルタイム計算部と、
    前記ＰＣＳインピーダンスデータ及び前記送電網インピーダンスに基づいて、前記接続点におけるＬＦＯを検出するための安定性チェックを行う安定性チェック部と、
    を備える、送電網監視システム。
  2. 前記記憶部は、前記ＰＣＳインピーダンスを示す前記ＰＣＳインピーダンスデータを周波数領域で記憶し、
    前記リアルタイム計算部は、前記送電網インピーダンスを周波数領域で計算する、
    請求項１に記載の送電網監視システム。
  3. 前記安定性チェック部は、前記複数の動作点のそれぞれについて、周波数領域での前記ＰＣＳインピーダンスデータ及び前記送電網インピーダンスを利用して、前記接続点における前記ＰＣＳベースのエネルギー源と前記電力系統との間の伝達関数のゲイン及び位相角を含むボード線図を作成し、
    前記安定性チェック部は、前記ボード線図に基づいて前記ＬＦＯが検出されるか否かを判断する、
    請求項２に記載の送電網監視システム。
  4. 前記ＰＣＳベースのエネルギー源の前記インピーダンスを計算するオフライン計算部をさらに備え、
    前記記憶部は、前記オフライン計算部によって計算された前記ＰＣＳベースのエネルギー源の前記インピーダンスに基づいて生成される前記ＰＣＳインピーダンスデータを記憶する、
    請求項１に記載の送電網監視システム。
  5. 前記ＬＦＯが現在の動作点について検出された場合、前記安定性チェック部は、前記ＰＣＳベースのエネルギー源の動作状態を前記現在の動作点から前記複数の動作点のうち別の動作点へと変更するためのコマンドを出力する、
    請求項１に記載の送電網監視システム。
  6. 前記電力系統は、複数の発電機がそれぞれのインピーダンス素子を介して前記ＰＣＳベースのエネルギー源に並列接続されている並列構成を有する、
    請求項１に記載の送電網監視システム。
  7. 前記電力系統は、複数の発電機がインピーダンス素子を介して前記ＰＣＳベースのエネルギー源にメッシュ接続されているメッシュタイプ構成を有する、
    請求項１に記載の送電網監視システム。
  8. 前記インピーダンス素子は、コンデンサを含み、
    前記発電機は、前記コンデンサを介して接続された第１の発電機と、前記コンデンサを介さずに接続された第２の発電機とを含む、
    請求項６又は７に記載の送電網監視システム。
  9. 前記コンデンサは、それぞれが直列及び／又は並列接続された複数のコンデンサ素子から成る、
    請求項８に記載の送電網監視システム。
  10. 前記ＰＣＳベースのエネルギー源は、１つ以上の風力タービンを含むウィンドファームである、
    請求項１に記載の送電網監視システム。
  11. 前記風力タービンのそれぞれは、インバータ、変圧器及びフィルタを含む前記ＰＣＳを介して、前記接続点で前記電力系統に接続される、
    請求項１０に記載の送電網監視システム。
  12. 複数の動作点でのＰＣＳベースのエネルギー源のインピーダンスであるＰＣＳインピーダンスを示すＰＣＳインピーダンスデータを記憶装置に記憶することであって、前記ＰＣＳベースのエネルギー源は、電力系統に接続されるとともに、電圧源と、前記電圧源によって生成された電力を前記電力系統に供給するために当該電力を調節するＰＣＳとを含むことと、
    前記ＰＣＳベースのエネルギー源と前記電力系統とが互いに接続される接続点において測定された電力潮流に基づいて、前記電力系統のインピーダンスである送電網インピーダンスを計算することと、
    前記ＰＣＳインピーダンスデータ及び前記送電網インピーダンスに基づいて、前記接続点におけるＬＦＯを検出するための安定性チェックを行うことと、
    を含む、送電網監視方法。
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