JP2023167910A - 電力系統安定化装置、電力系統安定化方法、およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統の周波数の変動に応じた補償電力を提供することができる電力系統安定化装置を提供する。【解決手段】電力系統安定化装置は、交流電力系統の系統周波数を検出する周波数検出器と、前記系統周波数に基づいて、回転機械の回転数を調整する周波数指令値を算出する演算部と、前記交流電力系統と前記回転機械との間に設けられ、前記周波数指令値に基づいて前記回転機械の回転数を調整する電力変換器と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、電力系統安定化装置、電力系統安定化方法、およびプログラムに関する。

電力系統は、電力需要に応じて発電所がガバナフリー運転を行い、発電出力を瞬時に調整することにより、送配電系統の周波数が維持されている。オフィスや工場、一般家庭等における電力需要は時々刻々と変動する。送配電系統の電力需要が電力供給を超過すると、送配電系統の周波数は基準値（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）よりも低下し、逆に、電力供給が電力需要を超過すると周波数は基準値より上昇する。発電所は、時々刻々と変動する需要に供給をバランスさせるよう、周波数に応じて発電電力を調整している（例えば、特許文献１を参照）。調整が理想的に行われた場合には、周波数は基準値に一致する。

ガバナフリー運転で調整することができる電力需給の変動幅には限度がある。このため、日中と夜間のような長周期の電力需要の変動は、発電所を追加起動または停止させる等で処置して、時々刻々と変動する需要はガバナフリーで調節できる範囲に維持されている。

このように、ガバナフリー運転は電力系統の需給調整の中心的な役割を果たしているが、発電機の慣性も、時々刻々と変動する需要の調整に役立っている。発電機の慣性は、発電所の発電機とタービンなどの回転子の運動エネルギーを表すものである。回転子はタービン入力と電気出力の差で加減速するが、差がマイナスになれば回転子の運動エネルギーが放出され回転数が減り、逆にプラスになれば回転数が増える。つまり、回転子の回転数（≒周波数）が変化すると、運動方程式に従って、回転変化を補償する（抑制する）ように運動エネルギーが放出される。例えば電力需要増により系統の周波数が低下すると、回転子速度も系統の周波数に同期して低下する。このとき、慣性が大きければ、運動エネルギーをより多く放出して需要増を補償するので、電力系統の周波数の変動は小さい。このように発電機の慣性は周波数変動を防ぐために重要である。

今後、脱炭素社会に向けて太陽光発電や風力発電のような変動性の発電の占める割合が年々増えるが、それらの発電量の変動が受け入れられるよう、ガバナフリー運転の能力や発電機慣性を改善し、時々刻々の需給調整の能力の向上も並行的に進めなければならない。

電力系統の需給調整は、電力系統の周波数に基づいて行われる。電力系統の周波数ｆの最もシンプルなモデルの一つは次式（１）で表される。ΔＰ_Ｇは供給電力の変動、ΔＰ_Ｌは需要電力の変動、Ｊ_{ｗｈоｌｅ}は系統の慣性、そして電力系統の基準周波数は６０Ｈｚである。

需要電力の変動ΔＰ_Ｌは次式（２）で近似される。ｋは負荷周波数特性と呼ばれる正の定数であり、周波数変動を相殺するよう負荷が自律的に電力需要を増減する性質を表している。

周波数ｆの原点を６０Ｈｚとし、需給変動ΔＰ_Ｇ－ΔＰ_Ｌ０を記号ｄで表すと、式（１）と式（２）から、式（３）の周波数の伝達関数モデルが得られる。ｓはラプラス演算子である。

発電所がガバナフリー運転を行うと、電力系統にはガバナフリー運転による調整力ΔＰ_ＧＦが供給される。ガバナフリー運転の調整力ΔＰ_ＧＦは、次式（４）のように周波数の変動Δｆに比例すると近似することができる。ｋ_ＧＦは正の比例係数である。

ガバナフリーの調整力ΔＰ_ＧＦを考慮に入れると、式（１）は式（５）となる。

ガバナフリー運転を考慮すると，需給変動ΔＰ_Ｇ－ΔＰ_Ｌ０すなわちｄに対する周波数ｆの応答の伝達関数すなわち整定状態を原点とする線形近似モデルは式（６）で表される。

周波数ｆが整定した状態で、電力の供給をステップ的に減少させたとき（ｄを０から－１に変えたとき）の周波数ｆの平衡状態からの変動について考える。ガバナフリー運転しないときの応答は式（３）の伝達関数から得られるものである。ガバナフリー運転するときの応答は式（６）の伝達関数から得られる。

電力系統の需給不均衡に対する安定性を確保するためには，周波数変化率（ＲоＣоＦ，Ｒａｔｅ оｆ Ｃｈａｎｅｇｅ оｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の大きさが小さい（緩やかである）ことが重要である。周波数変化率が緩やかであれば、他の発電所が供給を増やして周波数低下を食い止めることができるからである。図１１は、ガバナフリー運転と周波数変化率（ＲоＣоＦ）との関係を示している。ガバナフリー運転するケースが破線、ガバナフリー運転しないケースが実線である。周波数変化率（ＲｏＣｏＦ）は、周波数のステップ応答の初期の勾配に相当する。図１１に示すように、ガバナフリー運転により周波数のステップ応答の整定値は小さくなるが、ガバナフリー運転では周波数変化率（ＲｏＣｏＦ）は変わらない。

周波数変化率（ＲｏＣｏＦ）は、伝達関数の初期値定理から１／（４π^２６０Ｊ_{ｗｈоｌｅ}）に比例する。よって、周波数変化率（ＲоＣоＦ）を小さくするには、慣性を大きくすることが効果的である。具体的には、式（７）のように、周波数の時間微分値に比例して調整力ΔＰ_Ｊを発揮する。ｋ_Ｊは正の比例係数である。ｆ・は周波数ｆの時間変化率である。

ΔＰ_ＪをΔＰ_ＧＦに追加すると、需給変動ΔＰ_Ｇ－ΔＰ_Ｌ０すなわちｄに対する周波数ｆの応答は次の伝達関数で表される。

図１２は、周波数の時間微分値に比例する調整力ΔＰ_Ｊと周波数変化率（ＲоＣоＦ）との関係を示している。ガバナフリー運転のみのケースが破線、ガバナフリー運転に周波数の時間微分値に比例する調整力ΔＰ_Ｊを加えたケースが一点鎖線である。比例係数ｋ_Ｊを正に設定すると、周波数変化率（ＲｏＣｏＦ）を緩やかにすることができる。

特開２０２１－４０４１８号公報

電力系統の需給調整に慣性を利用する例として、例えば、発電を止めた火力発電所のタービンをフライホイールに置き換えたシステムが考えられている。このシステムでは、発電機の動力となるタービンが取り去られているので、もはや発電所のように定常的に発電することはできない。しかし、フライホイールは発電機を介して電力系統と同期するので、慣性としての機能を引き続き発揮することができる。

フライホイールの慣性能率をＪ［ｋｇｍ^２］、角速度をω［ｒａｄ／ｓ］と記すと、フライホイールの運動エネルギーＫ［Ｊ］は次式（９）で表される。

フライホイールの回転数が減ると、フライホイールは運動エネルギーの一部を電力系統に提供する。フライホイールの回転数の時間変化率をω・と記すと、フライホイールが電力系統に提供する補償電力Ｐ［Ｗ］は式（１０）で表される。右辺の負の符号は、フライホイールの運動エネルギーの減少が補償電力Ｐを産出することを表している。

フライホイールの角速度ωは電力系統の周波数（以下、「系統周波数」とも記載する。）に同期している。フライホイールの回転数ωは、系統周波数の同期速度である。したがって、系統周波数をｆ、発電機の極数をｐと記すと、フライホイールの角速度ωは式（１１）で表される。

よって、式（１０）は式（１２）となる。

フライホイールにとって極数ｐ、系統周波数ｆ、および系統周波数の変化率ｆ・は所与だから、フライホイールが電力系統に提供する補償電力Ｐを向上するには、慣性能率Ｊを大きくすることが有効である。しかし、慣性能率Ｊを大きくするにはより大きなフライホイールが必要になる。発電を止めた火力発電所にフライホイールを設置するような事例であれば、大きなフライホイールを設置することも可能であろう。しかし、例えば各家庭に小規模なフライホイールを配置しようとすれば、フライホイールのサイズは限られる。このため、どのような施設においても利用可能となるように、慣性能率Ｊを大きくすることなく補償電力Ｐを向上する技術が求められている。

本開示の目的は、電力系統の周波数の変動に応じた補償電力を提供することができる電力系統安定化装置、電力系統安定化方法、およびプログラムを提供することにある。

本開示の一態様によれば、電力系統安定化装置は、交流電力系統の系統周波数を検出する周波数検出器と、前記系統周波数に基づいて、回転機械の回転数を調整する周波数指令値を算出する演算部と、前記交流電力系統と前記回転機械との間に設けられ、前記周波数指令値に基づいて前記回転機械の回転数を調整する電力変換器と、を備える。

本開示の一態様によれば、電力系統安定化装置は、交流電力系統と電気設備との間に設けられ、前記電気設備に交流電力または直流電力を供給する電力変換器と、前記交流電力系統の系統周波数を検出する周波数検出器と、前記系統周波数に基づいて、前記電気設備に供給する前記交流電力の周波数指令値、または前記直流電力の電流指令値を算出して前記電力変換器に出力する演算部と、を備える。

本開示の一態様によれば、電力系統安定化方法は、交流電力系統の系統周波数を検出するステップと、前記系統周波数に基づいて回転機械の回転数を調整する周波数指令値を算出するステップと、前記周波数指令値に基づいて回転機械の回転数を調整するステップと、を有する。

本開示の一態様によれば、プログラムは、交流電力系統の系統周波数を検出するステップと、前記系統周波数に基づいて回転機械の回転数を調整する周波数指令値を算出するステップと、前記周波数指令値に基づいて回転機械の回転数を調整するステップと、を電力系統安定化装置に実行させる。

上記態様によれば、電力系統の周波数の変動に応じた補償電力を提供することができる。

第１の実施形態に係る電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。 第２の実施形態に係る電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。 第２の実施形態に係る電力系統安定化装置の機能を説明するための図である。 第３の実施形態に係る電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。 第４の実施形態に係る空気調和機の機能構成を示す図である。 第４の実施形態に係る制御装置および電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。 第５の実施形態に係る電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。 第６の実施形態に係る電気炉システムおよび電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。 第６の実施形態の変形例に係る蓄電池システムおよび電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。 少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。 周波数変化率の一例を示す第１の図である。 周波数変化率の一例を示す第２の図である。

＜第１の実施形態＞
以下、図１を参照しながら第１の実施形態について詳しく説明する。
図１は、第１の実施形態に係る電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。

（電力系統安定化装置の機能構成）
第１の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、例えば発電プラントや工場などの施設Ｃ内に設けられる。電力系統安定化装置１０と、施設Ｃ内の他の電気設備９０（例えば、発電機や負荷となる電気機器など）は、電力系統ＡＣとの間で電力の授受を行う。

電力系統安定化装置１０は、周波数検出器１１と、演算部１２と、電力変換器１３と、回転機械１４とを備える。また、第１の実施形態に係る回転機械１４は、電動機１４Ａと、フライホイール１４Ｂとを有する。電動機１４Ａは、フライホイール１４Ｂを駆動する電動機としての機能と、フライホイール１４Ｂに蓄積された運動エネルギーにより駆動する発電機としての機能を有する。具体的には、電動機１４Ａは、電力系統ＡＣの供給が多い（系統周波数が基準周波数よりも高い）場合に、フライホイール１４Ｂに電力を供給して回転させることにより、余剰電力をフライホイール１４Ｂの運動エネルギーとして蓄積する（フライホイール１４Ｂを力行する）。また、電動機１４Ａは、電力系統ＡＣの需要が多い（系統周波数が基準周波数よりも低い）場合に、フライホイール１４Ｂに蓄積された運動エネルギーを電力に変換して出力する（フライホイール１４Ｂから回生する）発電機として機能する。

周波数検出器１１は、電力系統ＡＣの周波数（系統周波数）を検出する。例えば、周波数検出器１１は、電力系統ＡＣの送電線と施設Ｃの電力線との接続点において系統周波数を計測する。また、他の実施形態では、周波数検出器１１は、電力変換器１３の電力系統ＡＣ側の出入口付近で系統周波数を計測してもよい。

演算部１２は、系統周波数に基づいて、回転機械１４の回転数を調整する周波数指令値を算出して、電力変換器１３に出力する。具体的には、第１の実施形態に係る演算部１２は、フライホイール１４Ｂの角速度が系統周波数に比例して増減するように、周波数指令値を算出する。

電力変換器１３は、電力系統ＡＣに接続され、演算部１２が演算した周波数指令値に基づいて、回転機械１４の回転数を調整し、それに伴い施設Ｃおよび施設Ｃが接続する電力系統ＡＣに電力を消費または供給する。

（電力系統安定化装置の作用、効果）
交流電力の電力変換器は、周波数を変えずに電圧の大きさ（実効値）を変える交流電力調整回路と周波数調整回路からなる。第１の実施形態で述べる電力変換器１３は、特に明記しない場合、周波数調整回路を有しており出力周波数は随意であるとする。

電力変換器１３を有しない場合、電力系統の周波数をｆ、電動機１４Ａの極数をｐと記すと、電動機１４Ａおよびフライホイール１４Ｂの角速度ωは前述の式（１１）で表される。第１の実施形態では、電力変換器１３を用いると、フライホイール１４Ｂの角加速度ω・を、例えば式（１３）のように定めることができるようになる。

式（１３）において、ｋ_ｆは補償電力Ｐの大きさを調節する制御定数であり、非負の値を設定する。ｋ_ｆ＝０であれば補償電力Ｐを供給しない。ｋ_ｆが正の大きな値になるほど補償電力Ｐは大きな値となる。例えば、フライホイール１４Ｂの角速度がω_ｒｅｆであるとすると、前述の式（１２）による補償電力Ｐは式（１４）で表される。

フライホイール１４Ｂの角速度をω_ｒｅｆ＝２πｆ、制御定数をｋ_ｆ＝１とすれば、式（１４）は式（１２）に一致する。従って，ω_ｒｅｆ×ｋ_ｆ×２／ｐ＞１となるようにω_ｒｅｆまたはｋ_ｆを大きくすると、等価的に慣性Ｊを大きする効果が得られる。

式（１２）は系統周波数に同期するフライホイール（従来技術のフライホイール）が発する補償電力を表している。系統周波数と同期するフライホイールでは、補償電力Ｐは慣性能率Ｊ並びに電動機の極数ｐ、系統周波数ｆおよびその変化率ｆ・から決まる。これらのうち、極数ｐ並びに系統周波数ｆおよびその変化率ｆ・はフライホイールについては所与である。従って、系統に同期するフライホイールで補償電力Ｐを大きくしようとすれば、慣性能率Ｊを大きくすることが唯一の方法である。すなわち、フライホイールを大きくする必要がある。

一方、第１の実施形態のように、電力変換器１３を用いればフライホイール１４Ｂの回転を系統周波数に対して独立させるとができる。式（１４）のように、補償電力Ｐを慣性能率Ｊの他に、フライホイール１４Ｂの角速度ω_ｒｅｆと制御定数ｋ_ｆによって調節することが可能となる。両者の積ｋ_ｆ×ω_ｒｅｆの値を大きくすれば、慣性能率Ｊを大きくするのと同じ効果が得られる。すなわち、小さなフライホイールで大きな補償電力Ｐを提供することが可能となる。

第１の実施形態に係る電力系統安定化装置１０の具体的な作用および効果について、図１を参照しながら説明する。電力系統ＡＣの系統周波数ｆを周波数検出器１１で検出する。周波数検出器１１は、電力系統ＡＣの交流電圧波形が０ボルトを交差する時間間隔などにより検出することができる。

電力変換器１３は電力系統ＡＣから系統周波数ｆの交流を入力し、別に指定する周波数ｆ_ＳＶの交流をフライホイール１４Ｂの動力となる電動機１４Ａに出力する。そして、電力変換器１３は、周波数ｆ_ＳＶの値を変えることによりフライホイール１４Ｂの回転を任意に定めることができる。フライホイール１４Ｂの基準角速度としてω_ｒｅｆを所望するならば、電力変換器１３から出力する交流の周波数はｆ_ＳＶ＝ω_ｒｅｆ×ｐ／４πとすればよい。演算部１２は、フライホイール１４Ｂの角速度が、系統周波数ｆの変動（基準周波数との差）に応じて基準角速度から増減するように、周波数ｆ_ＳＶ（周波数指令値）を演算して電力変換器１３に出力する。

このように、フライホイール１４Ｂの基準角速度が随意になることが、第１の実施形態において電力変換器１３を利用する第一の利点である。加えて、系統周波数ｆの変動に対するフライホイール回転の応答を制御定数ｋ_ｆで調整することができることが第二の利点である。

再度述べるが、電力変換器が無い従来技術では、系統周波数とフライホイール回転は比例係数２／ｐで固定である。例えば、電力系統の基準周波数が６０Ｈｚであり、系統周波数が１秒間に６０Ｈｚから６０．１Ｈｚに変わったとしよう。このとき、電力変換器が無い場合の補償電力Ｐは次式（１５）のとおりである。補償電力Ｐを大きくするには慣性能率Ｊを大きくする、電動機の極数ｐを小さくする、のどちらかである。しかし、これらは所与であることが多く、随意ではない。

これに対し、第１の実施形態に係る電力系統安定化装置１０が提供する補償電力Ｐは次式（１６）であり、ｋ_ｆ×ω_ｒｅｆの値により随意にできる。

調整電力Ｐは系統周波数の変動率ｆ・に比例する。しかし、図１にはｆ・が陽に記されず、周波数ｆに比例して周波数指令ｆ_ＳＶを電力変換器に指示するよう記している。電力変換器１３への周波数指令ｆ_ＳＶがｆに比例するなら周波数指令の時間変化率ｆ_ＳＶ・もｆ・に比例するので、本質的には同意である。

このようにすることで、第１の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、系統周波数に応じて提供する補償電力Ｐを増減させることができる。また、電力系統安定化装置１０は、電力変換器１３によりフライホイール１４Ｂの角速度を変更することにより、フライホイール１４Ｂの慣性を大きくすることができる。したがって、電力系統安定化装置１０は、小さなフライホイールを使用したとしても、大きな補償電力Ｐを提供することができる。これにより、電力系統安定化装置１０を小型化することが可能である。図１には発電プラントや工場などの施設Ｃに電力系統安定化装置１０を設置する例を示したが、家庭やオフィスなど、大きなフライホイールを設置できない施設にも設置することも可能である。

なお、第１の実施例の変形例として、演算部１２は、フライホイール１４Ｂの角速度または角度、さらにそれらの推定値に基づき周波数指令値を算出し、電力変換器１３が出力する交流電力を調節してもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、図２～図３を参照しながら、第２の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

（電力系統安定化装置の機能構成）
図２は、第２の実施形態に係る電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。
図２に示すように、第２の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、フライホイール１４Ｂの角速度を検出する角速度計１４Ｃと、補償電力制限器１５とをさらに備える点において、第１の実施形態と異なっている。

補償電力制限器１５は、周波数指令値の時間変化率の上限または下限を、周波数指令値と電力系統ＡＣの基準周波数との偏差に基づいて定める。

（電力系統安定化装置の作用、効果）
電力系統安定化装置１０が休止状態であるときフライホイール１４Ｂは停止している。電力系統安定化装置１０を起動すると、フライホイール１４Ｂを基準角速度ω_ｒｅｆまで加速する。このとき、第２の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、フライホイール１４Ｂに定常的に力行電力を与えるのではなく、フライホイール１４Ｂに与える力行電力が電力系統ＡＣの系統周波数の変動を抑制側に働く場合（すなわち、系統周波数が増加しているとき）にのみ、フライホイール１４Ｂに力行電力を与えるように制限する。同様に、電力系統安定化装置１０を停止するときに、フライホイール１４Ｂから取り出す回生電力が電力系統ＡＣの系統周波数の変動を抑制側に働く場合（すなわち、系統周波数が減少しているとき）にのみ、フライホイール１４Ｂから回生電力を取り出すように制限する。

この目的のため、補償電力制限器１５は、フライホイール１４Ｂの基準角速度ω_ｒｅｆと、角速度計１４Ｃが計測した現在の角速度ωとを比較し、角速度ωが基準角速度ω_ｒｅｆに不足しているときには回生を０ｋＷに制限する。電力系統ＡＣの周波数は例えば６０Ｈｚの一定値なので、電力系統ＡＣの周波数の変化率ｆ・の期待値は０である。

図３は、第２の実施形態に係る電力系統安定化装置の機能を説明するための図である。
図３のように、フライホイール１４Ｂの角速度ωがその基準値ω_ｒｅｆより小さいときには、フライホイールの角速度ωに対して定まる回生制限値Ｐ_ＬＲＥＧおよび力行制限値Ｐ_ＬＰＯＷは「回生制限値Ｐ_ＬＲＥＧ＜力行制限値Ｐ_ＬＰＯＷ」であるので、補償電力Ｐの期待値は負側（フライホイール１４Ｂを力行して、電力系統ＡＣから電力を吸い取る）に偏移する。従って、時間とともにフライホイール１４Ｂは加速する。そして、フライホイール１４Ｂの基準角速度ω_ｒｅｆで力行制限値Ｐ_ＬＰＯＷと回生制限値Ｐ_ＬＲＥＧが釣り合うよう設定しておくと、フライホイール１４Ｂの速度は整定する。フライホイール１４Ｂが基準角速度ω_ｒｅｆを超過する領域では、「回生制限値Ｐ_ＬＲＥＧ＞力行制限値Ｐ_ＬＰＯＷ」とし、補償電力Ｐの期待値が正側（フライホイール１４Ｂから回生して、電力系統ＡＣに電力を放出する）に偏位させる。これにより、フライホイール１４Ｂは減速し、基準角速度ω_ｒｅｆに復帰する。

図３は、回生制限値Ｐ_ＬＲＥＧと力行制限値Ｐ_ＬＰＯＷをフライホイール１４Ｂの角速度ωに依存して定める例を表している。各制限値はフライホイール１４Ｂの角速度ω以外にも、電力変換器１３の周波数指令値ｆ_ＳＶに依存して定めても良い。力行の最大値と回生の最大値は主に電力変換器１３の容量から決まる。一般に電動機１４Ａの誘起電圧は角速度に比例する。従って、フライホイール１４Ｂの昇速過程では誘起電圧は角速度に比例する。一方、電力変換器１３には電流の上限がある。従って、電力系統安定化装置１０の起動過程においては電力変換器１３の出力の上限は角速度に比例する。基準角速度ω_ｒｅｆ以下の領域で力行制限値Ｐ_ＬＰＯＷが角速度に比例するのはこのためである。

また、第２の実施形態に係る電力系統安定化装置１０の具体的な作用および効果について、図２を参照しながら説明する。

図２に示すように、補償電力制限器１５では、力行制限値Ｐ_ＬＰＯＷと回生制限値Ｐ_ＬＲＥＧを考慮して電力制限付きの周波数指令値ｆ_ＳＶ１を決定する。

補償電力制限器１５には、系統周波数ｆと基準周波数（例えば６０Ｈｚ）の偏差と、フライホイール１４Ｂの角速度ωが入力される。基準周波数は時間的に不変だから、周波数偏差の時間変化率とフライホイール１４Ｂの角速度ωからフライホイール１４Ｂを電力系統ＡＣに同期させたときの補償電力Ｐ_１は次式（１７）で得られる。

補償電力Ｐ_１に対し、回生制限値Ｐ_ＬＲＥＧと力行制限値Ｐ_ＬＰＯＷの考慮を加えた補償電力をＰ_２と記すと、Ｐ_２は次式（１８）で表される。

補償電力Ｐ_２を電力変換器１３の出力周波数の変化率に換算する。換算値をｆ_ＳＶ２・と記すと、ｆ_ＳＶ２・は次式（１９）で表される。

補償電力制限器１５は、これを積分して電力変換器１３の周波数指令値ｆ_ＳＶ１を求める。

このようにすることで、第２の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、起動時にフライホイール１４Ｂの加速するときの力行電力、または、停止時にフライホイール１４Ｂを減速するときの回生電力が電力系統ＡＣの擾乱となることを抑制できる。

＜第２の実施形態の変形例＞
第２の実施形態では、フライホイール１４Ｂの基準角速度ω_ｒｅｆ、および補償電力Ｐの制御定数ｋ_ｆを予め規定した固定値としていた。これに対し、本変形例では、電力系統安定化装置１０（演算部１２）がフライホイール１４Ｂの基準角速度ω_ｒｅｆ、または補償電力Ｐの制御定数ｋ_ｆを可変とする点において、第２の実施形態と異なっている。

（電力系統安定化装置の作用、効果）
補償電力Ｐは、電力系統ＡＣの系統周波数ｆから、前述の式（１４）により定まる。

補償電力Ｐは、回生制限値Ｐ_ＬＲＥＧと、力行制限値Ｐ_ＬＰＯＷとの間に位置しなければならない。例えば、０より大きく、かつ、概ね１以下の調整定数Ｃについて、補償電力Ｐの２乗の期待値が次式（２１）を満たすならばその状況にあると言える。Ｃの値は、例えば、０．５が候補である。

補償電力Ｐの大きさは、前述の式（１４）のように、基準角速度ω_ｒｅｆと制御定数ｋ_ｆの積で調整できる。例えば、式（２１）の両辺の大小関係に応じて基準角速度ω_ｒｅｆと制御定数ｋ_ｆの積を、例えば次式（２２）により一定時間毎（例えば、１分毎）に更新すれば、補償電力Ｐを回生制限値Ｐ_ＬＲＥＧと力行制限値Ｐ_ＬＰＯＷとの間に保つことができる。

実際の運転では、両者の積を制御定数ｋ_ｆと基準角速度ω_ｒｅｆとに分解しなければならない。フライホイール１４Ｂの摩擦損失は回転数と共に増加するので、基準角速度ω_ｒｅｆを小さくして摩擦損失を下げたい。そのためには、制御定数ｋ_ｆをできるだけ大きくすればよい。一般に、電力変換器１３には周波数変化レートに上下限がある。制御定数ｋ_ｆは周波数変化レートの上下限を超えない範囲のできるだけ大きな値に固定し、基準角速度ω_ｒｅｆと制御定数ｋ_ｆの積、すなわち補償電力Ｐの大きさは、基準角速度ω_ｒｅｆに反映する。例えば、演算部１２は、次式（２３）により、基準角速度ω_ｒｅｆの値を更新する。

電力変換器１３が出力できる電力的な能力には機器固有の限度がある。本変形例は、上述のようにフライホイール１４Ｂの基準角速度ω_ｒｅｆ、または補償電力Ｐを定める制御定数ｋ_ｆを変更することにより、電力変換器１３の能力の利用率を高めることができる。この結果、電力系統安定化装置１０は、電力変換器１３の能力が過度に余ることも、過度に不足することもなく運転できる。

＜第３の実施形態＞
次に、図４を参照しながら、第３の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

（電力系統安定化装置の機能構成）
図４は、第３の実施形態に係る電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。
図４に示すように、第３の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、有効電力検出器１６と、有効電力補償器１７とをさらに備える。

有効電力検出器１６は、施設Ｃが電力系統ＡＣとの間で授受する有効電力を検出する。例えば、有効電力検出器１６は、電力系統ＡＣの送電線と施設Ｃの電力線との接続点において、施設Ｃ全体（電力系統安定化装置１０および他の電気設備９０）が提供する有効電力を計測する。また、他の実施形態では、有効電力検出器１６は、施設Ｃの配電系統の母線や幹線において、施設Ｃ全体の有効電力を計測してもよい。

有効電力補償器１７は、施設Ｃ全体の有効電力に基づいて、電力系統安定化装置１０が提供する補償電力を補正する補正量を算出する。

演算部１２は、有効電力補償器１７が算出した補正量に基づいて補正した周波数指令値を算出する。

なお、図４には、第１の実施形態に係る電力系統安定化装置１０の構成（図１）に、有効電力検出器１６および有効電力補償器１７を追加した例が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、第２の実施形態に係る電力系統安定化装置１０の構成（図２）に有効電力検出器１６および有効電力補償器１７を追加してもよい。

（電力系統安定化装置の作用、効果）
第１の実施形態では、周波数指令値ｆ_ＳＶを電力系統ＡＣの系統周波数ｆに基づいて決定した。第３の実施形態では、電力系統ＡＣの系統周波数ｆと、電力系統ＡＣとの間で授受する有効電力と、に基づいて周波数指令値ｆ_ＳＶを決定する。

第３の実施形態は、有効電力補償器１７が特徴である。有効電力補償器１７においては、基準モデル周波数ｆに対しフライホイール１４Ｂが発生する補償電力Ｐ～のモデルを補償電力推定関数Ｇ（ｆ）として定める。補償電力推定関数は、例えば、次式（２４）である。なお、他の実施形態では、補償電力推定関数は系統周波数ｆの他に、ｆの微分値、ｆの積分値、さらにｆを伝達関数で濾波した値に基づいて補償電力の推定値Ｐ～を定めてもよい。

施設Ｃには、フライホイール１４Ｂの他にも少なくとも１つの電気設備９０があり、有効電力を消費している。施設Ｃと電力系統ＡＣとの接続点で計測する有効電力Ｐ_{ｗｈоｌｅ}は、施設Ｃ全ての電力の消費を合算したものである。上述の各実施形態では、フライホイール１４Ｂは電力系統ＡＣの周波数に基づいて補償電力を発生し、施設Ｃ内の他の電気設備の消費電力は成り行きであった。これに対し、第３の実施形態では、補償電力の推定値Ｐ～に対する施設Ｃ全体の有効電力Ｐ_{ｗｈоｌｅ}の偏差に基づいて、周波数指令ｆ_ＳＶをΔｆ_ＳＶ２だけ、例えば次式（２５）により補正する。補償電力の推定値Ｐ～は電力系統ＡＣに電力を供給する向きが正、施設Ｃ全体の有効電力Ｐ_{ｗｈоｌｅ}も電力系統ＡＣに電力を供給する向きが正である。

有効電力補償器１７が出力する補正量Δｆ_ＳＶ２は、補償電力の推定値Ｐ～に対し、
施設Ｃ全体の有効電力Ｐ_{ｗｈоｌｅ}が不足したときにオリジナルの補正量Δｆ_ＳＶ１を増幅し、施設Ｃ全体の有効電力Ｐ_{ｗｈоｌｅ}を補償電力の推定値Ｐ～に近付けることを目的としている。

補償電力の推定値Ｐ～に対し施設Ｃ全体の有効電力Ｐ_{ｗｈоｌｅ}が超過すると、有効電力補償器１７が出力する補正量Δｆ_ＳＶ２はオリジナルの補正量Δｆ_ＳＶ１を減衰するよう働く。この場合、次式（２６）のように減衰を制限してもよい。

第３の実施形態は、複数の電気設備９０を有する施設Ｃにおいて有効である。複数の電気設備９０を有する施設Ｃでは、フライホイール１４Ｂの他の電気設備９０も電力を需要または供給するので、フライホイール１４Ｂ以外の電気設備９０もフライホイール１４Ｂと同様に補償電力を発生させられると、施設トータルで需給調整に貢献できる。

第３の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、フライホイール１４Ｂの補償電力のモデルＧ（ｆ）を定め、施設Ｃ全体の有効電力Ｐ_{ｗｈｏｌｅ}が前記モデルに一致するように周波数指令値ｆ_ＳＶを補正することにより、施設トータルで需給調整に貢献することを可能とする。

＜第４の実施形態＞
次に、図５～図６を参照しながら、第４の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
第４の実施形態では、電力系統安定化装置１０を、例えば、家庭やオフィスなどに設置する空気調和機２０に適用する例について説明する。

（空気調和機の機能構成）
図５は、第４の実施形態に係る空気調和機の機能構成を示す図である。
図５に示すように、空気調和機２０は、室外機２１と、室内機２２と、制御装置２３とを備える。

室外機２１は、圧縮機２１０と、アキュムレータ２１１と、四方弁２１２と、室外送風ファン２１３と、室外熱交換器２１４と、室外膨張弁２１５と、レシーバ２１６と、圧力検出器２１７と、可変速駆動装置２１８とを備える。

圧縮機２１０は、室外機２１および室内機２２の間を流通する冷媒Ｒを圧縮して高温高圧のガス状の冷媒を生成する。

アキュムレータ２１１は、液状の冷媒とガス状の冷媒とを分離する。アキュムレータ２１１によって分離された冷媒Ｒのうちガス状の冷媒のみが圧縮機２１０に送られる。

四方弁２１２は、空気調和機２０の運転モード（冷房運転または暖房運転）に応じて冷媒Ｒの流通方向を切り替える。図５は、冷房運転時の四方弁２１２の状態が例示されている。冷房運転時には、四方弁２１２は圧縮機２１０から吐出された冷媒Ｒの送り先を室外熱交換器２１４とし、実線矢印の方向に冷媒Ｒを流す冷凍サイクルＳを構成する。また、暖房運転時には、四方弁２１２は圧縮機２１０から吐出された冷媒Ｒの送り先を室内機２２の室内熱交換器２２１として、破線矢印の方向に冷媒Ｒを流す冷凍サイクルＳを構成する。

室外送風ファン２１３は、室外熱交換器２１４に室外の空気を送り込む。

室外熱交換器２１４は、内部に供給された冷媒Ｒと室外の空気との間で熱交換を行う。室外熱交換器２１４は、冷房運転時には凝縮器として機能し、暖房運転時には蒸発器として機能する。

室外膨張弁２１５は、冷房運転時に室外熱交換器２１４で凝縮された冷媒Ｒの圧力を低下させて低圧の冷媒Ｒとする。

レシーバ２１６は、導入された液状の冷媒Ｒを一時的に貯留する。

圧力検出器２１７は、圧縮機２１０の上流側の圧力（吸入圧力）を計測する。

可変速駆動装置２１８は、制御装置２３に指定された周波数の電力を圧縮機２１０に供給して、圧縮機２１０の回転数を制御する。また、可変速駆動装置２１８は、電力系統安定化装置１０の電力変換器１３としても利用される。

室内機２２は、室内送風ファン２２０と、室内熱交換器２２１と、室内膨張弁２２２とを備える。

室内送風ファン２２０は、室内熱交換器２２１に室内の空気を送り込む。

室内熱交換器２２１は、内部に供給された冷媒Ｒと室内の空気との間で熱交換を行う。室内熱交換器２２１は、冷房運転時には蒸発器として機能し、暖房運転時には凝縮器として機能する。

室内膨張弁２２２は、暖房運転時に室内熱交換器２２１で凝縮された冷媒Ｒの圧力を低下させて低圧の冷媒Ｒとする。

制御装置２３は、ユーザが指定する運転モード、温度などの設定条件に応じて、室外機２１および室内機２２の動作を制御する。

（制御装置の機能構成）
図６は、第４の実施形態に係る制御装置および電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。
図６に示すように、空気調和機２０の制御装置２３は、目標決定部２３０と、ＰＩ制御器２３１とを備える。

目標決定部２３０は、ユーザが指定する設定条件に基づいて、室外機２１の圧縮機２１０の吸入圧力の目標値Ｐ_ｓ０を決定する。吸入圧力の目標値Ｐ_ｓ０を決めることは空気調和機２０の冷暖房の出力の目標値を決めることと等価である。

ＰＩ制御器２３１は、吸入圧力の目標値Ｐ_ｓ０と、圧力検出器２１７が検出した現在の吸入圧力Ｐ_ｓとの偏差ΔＰ_ｓに基づいて、圧縮機２１０の回転数指令値を算出する。

（電力系統安定化装置の機能構成）
本実施形態に係る電力系統安定化装置１０の機能構成について、図６を参照しながら説明する。なお、図６には、電力系統安定化装置１０が空気調和機２０の制御装置２３の内部に設ける例が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、電力系統安定化装置１０は制御装置２３の外部に設けられてもよい。吸入圧力の目標値Ｐ_ｓ０は空気調和機２０の冷暖房の出力の目標値の一例であり、これに限られることはない。

電力系統安定化装置１０は、周波数検出器１１と、演算部１２と、電力変換器１３とを備える。周波数検出器１１の機能は、第１の実施形態と同じである。また、電力系統安定化装置１０は、電力変換器１３として室外機２１の可変速駆動装置２１８を利用する。

演算部１２は、制御装置２３のＰＩ制御器２３１が算出した回転数指令値を、電力系統ＡＣの系統周波数ｆの変動に比例して補正した周波数指令値を算出して、電力変換器１３に出力する。

（電力系統安定化装置の作用、効果）
ここでは、図５に示す冷房運転時の冷凍サイクルＳを例として、電力系統安定化装置１０の作用および効果について説明する。

この冷凍サイクルＳの状態を目的どおりに運転制御するために、例えば、圧縮機２１０の吸入圧力を計測する圧力検出器２１７が配置される。圧縮機２１０の吸入圧力により、空気調和機２０の冷房出力を近似的に計ることができる。図６に示す制御装置２３の構成は、圧縮機２１０の吸入圧力Ｐ_ｓを制御する制御系統である。目標決定部２３０は、ユーザによる温度などの設定条件を満たすように吸入圧力Ｐ_ｓの目標値Ｐ_ｓ０を決定する。また、ＰＩ制御器２３１は、この目標値Ｐ_ｓ０と圧力検出器２１７の検出値Ｐ_ｓとの偏差ΔＰ_ｓを小さくするような圧縮機２１０の回転数指令値を算出する。この回転数指令値に基づいて圧縮機２１０の可変速駆動装置２１８を制御すると、冷凍サイクルＳのサイクル状態が変化し、吸入圧力Ｐ_ｓが目標値Ｐ_ｓ０に近づくように制御される。なお、目標値Ｐ_ｓ０および回転数指令値の算出方法は既知であるため説明を省略する。

このように、空気調和機２０の冷凍サイクルＳの圧縮機２１０には可変速駆動装置２１８が利用されている。可変速駆動装置２１８により圧縮機２１０の回転数を変更すると、圧縮機２１０が吐出する冷媒温度は遅滞なく回転数に応答する。しかし、温度調節の対象となる部屋の熱容量や、室外熱交換器２１４および室内熱交換器２２１それぞれの熱容量のため、部屋の温度は圧縮機回転数の変更に瞬時に応答することはない。部屋の温度が圧縮機回転数の変更に応答するには、少なくとも数分の遅れを要する。第４の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、この応答の遅れを利用して補償電力Ｐを提供する。

具体的には、演算部１２は、電力系統ＡＣの系統周波数ｆとその基準周波数との差を、すなわちｆ－６０Ｈｚの高周波数成分を、第１の高域通過フィルタ１２１で抽出する。例えば、周期が１分より速い成分を抽出するならばτ＝２π／６０と設定すればよい。第１の高域通過フィルタ１２１を用いるのは、補償電力の提供を、例えば周期が１分よりも短い高周波数成分に限定することにより、空気調和機２０の本来の目的である室温の調節に悪影響を及ぼすことを回避するためである。また、演算部１２は、抽出した高周波数成分について、第１の実施形態と同様の演算を行うことにより、回転数指令値の補正量を算出する。演算部１２は、算出した補正量を、制御装置２３のＰＩ制御器２３１が算出した回転数指令値に加算した周波数指令値を、電力変換器１３（室外機２１の可変速駆動装置２１８）に出力する。

また、第４の実施形態による補償電力Ｐは、次式（２７）で表される。

このようにすることで、第４の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、空気調和機２０の圧縮機２１０の可変速駆動装置２１８を電力系統ＡＣの安定化装置として機能させることができる。つまり、空気調和機２０に電力系統安定化装置１０を取り入れることにより、家庭やオフィスに既存の電気設備である空気調和機２０に電力系統ＡＣの周波数変動を抑制する（安定化する）作用を追加することができる。

なお、図６には、第１の実施形態に係る電力系統安定化装置１０を空気調和機２０に適用する構成例が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、第２または第３の実施形態に係る電力系統安定化装置１０を空気調和機２０に適用してもよい。

＜第５の実施形態＞
次に、図７を参照しながら、第５の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

図７は、第５の実施形態に係る電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。
図７に示すように、第５の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、演算部１２が圧縮機２１０の吸入圧力の目標値Ｐ_ｓ０を系統周波数ｆの変動に比例させて補正する点において、第４の実施形態と異なっている。

（電力系統安定化装置の作用、効果）
第４の実施形態では、空気調和機２０の圧縮機２１０の可変速駆動装置を電力系統ＡＣの安定化装置として機能させる技術について述べた。家庭用の空気調和機２０の圧縮機２１０は運転可能な回転数の範囲が限られているので、例えば正の補償電力が持続的であると圧縮機２１０の回転数はすぐに下限値に達してしまう。家庭用の空気調和機２０の圧縮機２１０は慣性能率も小さいため下限値に達するまでに提供できる補償電力の総量もまた限られる。これを踏まえ、第５の実施形態では、圧縮機２１０の回転数に加えて、加熱または冷却の能力を加減することにより、持続的な補償電力を提供できるようにする。

第４の実施形態で説明したように、空気調和機２０の冷凍サイクルＳのようなヒートポンプでは、圧縮機２１０の回転数を変えて加熱または冷却の能力を可変にしている。第５の実施形態に係る電力系統安定化装置１０の演算部１２は、第４の実施形態の構成に加えて、第２の高域通過フィルタ１２２を有し、第２の高域通過フィルタ１２２の出力信号に基づき圧縮機２１０の回転数をさらに調節する。例えば、演算部１２は、ＰＩ制御器２３１に入力される吸入圧力の目標値Ｐ_ｓ０を補正することにより、圧縮機２１０の回転数を調節する。

第２の高域通過フィルタ１２２の遮断角速度１／τ_２［ｒａｄ／ｓ］は、第４の実施形態の第１の高域通過フィルタ１２１の遮断角速度１／τ［ｒａｄ／ｓ］より小さく設定して、系統周波数ｆの低い周波数帯域の変動（すなわち、持続的な変動）に対して圧縮機２１０の回転数を応答させる。圧縮機２１０の消費動力は圧縮機２１０の回転数に正の相関関係があるので、系統周波数ｆが増加すると圧縮機２１０の消費動力が増え、電力系統ＡＣに対しては負の補償動力Ｐとして作用する。

このようにすることで、第５の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、補償電力を持続的に発揮することができる。

＜第６の実施形態＞
次に、図８を参照しながら、第６の実施形態について詳しく説明する。上述の実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。

第１から第５の実施形態では、回転機械（フライホイール１４Ｂ、圧縮機２１０）の運動エネルギーがその回転数変化に伴って増加または減少するときに消費または供給する動力を補償電力Ｐとして電力系統ＡＣの安定化に利用する技術を開示した。特に、電力変換器１３を用いて、電力系統ＡＣの周波数が変動したときに、回転機械の回転数が電力系統ＡＣの周波数に同期して変動するよりも大きく変動させて、等価的に慣性能率を増やす技術を開示した。

これに対し、第６の実施形態では、回転機械を有していない電気設備に対し、電力系統安定化装置１０を適用する例について説明する。

（電気炉システムの機能構成）
図８は、第６の実施形態に係る電気炉システムおよび電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。
ここでは、電力系統安定化装置１０を電気炉システム３０に適用する例について説明する。電気炉システム３０は、回転機械を有していない電気設備の一態様である。

図８に示すように、電気炉システム３０は、制御装置３１と電気炉装置３２とを備える。

電気炉装置３２は、交流電力調整器３２０と、誘導巻線３２１と、電気炉３２２と、温度検出器３２３とを有する。

交流電力調整器３２０は、誘導巻線３２１に交流電力を供給する。また、交流電力調整器３２０は、電力系統安定化装置１０の電力変換器１３としても利用される。なお、電気炉３２２では、回転機械と異なり出力の周波数を調節する必要がないので、本実施形態に係る電力変換器１３（交流電力調整器３２０）は周波数調整回路を有してなくてもよい。したがって、交流電力調整器３２０は、例えば、サイリスタレギュレータなどの交流電力調整回路のみで構成される。

誘導巻線３２１は、交流電力が供給されると、電気炉３２２内に交番磁界を発生させて、電気炉３２２の内部の温度を上昇させる。

温度検出器３２３は、電気炉３２２内の温度を計測する。

制御装置３１は、目標決定部３１０と、ＰＩ制御器３１１とを有する。目標決定部３１０は、電気炉３２２の温度設定値Ｔ_ＳＶを決定する。ＰＩ制御器３１１は、電気炉３２２の温度が温度設定値Ｔ_ＳＶに近づくように、交流電力調整器３２０が誘導巻線３２１に供給する電力の指令値を算出する。

（電力系統安定化装置の機能構成）
本実施形態に係る電力系統安定化装置１０の機能構成について、図８を参照しながら説明する。なお、図８には、電力系統安定化装置１０が電気炉システム３０の制御装置３１の内部に設ける例が示されているが、これに限られることはない。他の実施形態では、電力系統安定化装置１０は制御装置３１の外部に設けられてもよい。

電力系統安定化装置１０は、周波数検出器１１と、演算部１２と、有効電力検出器１６と、有効電力補償器１７とを備える。周波数検出器１１および有効電力検出器１６の機能は、上述の各実施形態と同じである。

有効電力補償器１７は、電気炉システム３０を含む複数の電気設備が設置された施設Ｃ全体の有効電力Ｐ_{ｗｈｏｌｅ}に基づいて補正量Ｐ～１を算出する。

演算部１２は、電力系統ＡＣの系統周波数の変動に応じたを補正量Ｐ～２と、有効電力補償器１７が算出した補正量Ｐ～１とに基づいて、交流電力調整器３２０（電力変換器１３）から電気炉３２２の誘導巻線３２１に供給される交流電力の周波数指令値を算出する。交流電力調整器３２０は、演算部１２が算出した周波数指令値に基づいて、誘導巻線３２１に出力する交流電力を調整する。

（電力系統安定化装置の作用、効果）
図８を参照しながら、電力系統安定化装置１０の作用および効果について説明する。交流電力調整器３２０は誘導巻線３２１に交流電力を供給する。誘導巻線３２１は電気炉３２２内に交番磁界を発生させる。電気炉３２２内には例えば鋳造用の金属片があり、金属片は交番磁界に誘起されて自らに発生する渦電流と自らの電気抵抗によるジュール発熱で高温化し、融解する。電気炉３２２内の温度Ｔ_ＰＶは温度検出器３２３で計測される。電気炉３２２内の温度は、制御装置３１の目標決定部３１０によって設定値Ｔ_ＳＶが予め定められている。交流電力調整器３２０は、例えばＰＩ制御器３１１が設定値Ｔ_ＳＶと電気炉３２２内の温度Ｔ_ＰＶの偏差に基づいて算出した指令値に従って誘導巻線３２１に供給する交流電力を調節する。

第１から第５の実施形態では、回転機械を有する電気設備を利用する例について述べた。回転機械を有する場合には、回転機械の回転数を電力系統ＡＣの周波数変動に比例して調節すれば、回転機械の回転数が増加または減少する時間変化率に比例して、回転機械が消費または供給する運動エネルギーが補償電力Ｐとなった。しかし、例えば電気炉３２２には回転エネルギーに相当するものがないので電力系統ＡＣの周波数の時間変化率ｆ・に比例する電力を消費して代用する。具体的には、演算部１２は、図８の補償電力モデルＧにて補償電力Ｐの推定値を計算する。その値がＰ～１である。有効電力補償器１７は、例えば施設Ｃ全体が電力系統ＡＣと授受する有効電力Ｐ_{ｗｈｏｌｅ}を入力する。有効電力Ｐ_{ｗｈｏｌｅ}は、補償電力Ｐと同様に、電力系統ＡＣに供給する向きを正にとる。そして、有効電力補償器１７は、Ｐ_{ｗｈｏｌｅ}を第３の高域通過フィルタ１７１で濾波してＰ_{ｗｈｏｌｅ}の変動成分を取り出し、Ｐ_{ｗｈｏｌｅ}の変動成分と補償電力モデルＧとの偏差に基づき補正量Ｐ～２を出力する。演算部１２は、補償電力の推定値Ｐ～１と補正量Ｐ～２の和を、温度制御用のＰＩ制御器３１１の出力から減算して、交流電力調整器３２０の周波数指令値を算出する。

なお、第２の高域通過フィルタ１２２は、電力系統ＡＣの系統周波数の持続的な偏差に対して補償電力を発生するためのものである。これは、第５の実施形態と同様である。

このようにすることで、第６の実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、回転機械を有しない電気設備（例えば、電気炉３２２）を利用して、電力系統ＡＣの周波数変動に応じた補償電力Ｐを提供することが可能となる。

＜第６の実施形態の変形例＞
第６の実施形態では、電気炉システム３０に電力系統安定化装置１０を適用する例について説明したが、これに限られることはない。本変形例のように、電力系統安定化装置１０は蓄電池システム４０に適用されてもよい。電気炉システム３０は、回転機械を有していない電気設備の一態様である。

（蓄電池システムの機能構成）
図９は、第６の実施形態の変形例に係る蓄電池システムおよび電力系統安定化装置の機能構成を示す図である。
図９に示すように、蓄電池システム４０は、制御装置４１と蓄電池装置４２とを備える。

蓄電池装置４２は、順変換器４２０と、蓄電池４２１と、電流検出器４２２とを有する。

順変換器４２０は、例えば整流器である。順変換器４２０は、交流電力を直流電力に変換して蓄電池４２１に供給する。また、順変換器４２０は、電力系統安定化装置１０の電力変換器１３としても利用される。

蓄電池４２１は、順変換器４２０から供給された直流電力により蓄電する。

電流検出器４２２は、蓄電池４２１が充放電する電流Ｉ_ＰＶを計測する。

（電力系統安定化装置の作用、効果）
図９を参照しながら、電力系統安定化装置１０の作用および効果について説明する。図９は、充電の初期の電流制御モードの制御系を表している。充電の初期においては、蓄電池４２１の電圧が低いので、過電流で蓄電池４２１が損傷することを回避するために電流制御が行われる。制御装置４１の目標決定部４１０によって予め電流の設定値Ｉ_ＳＶが定められている。順変換器４２０（電力変換器１３）は、例えばＰＩ制御器４１１が設定値ＩＳＶと電流検出器４２２が検出した電流Ｉ_ＰＶとの偏差に基づいて算出した指令値に従って、蓄電池４２１に供給する直流電流を調節する。

電力系統安定化装置１０の有効電力補償器１７は、第６の実施形態と同様に、施設Ｃ全体の有効電力Ｐ_{ｗｈｏｌｅ}の変動成分と補償電力モデルＧとの偏差に基づき補正量Ｐ～２を出力する。演算部１２は、系統周波数の偏差を補償電力モデルＧに入力して補償電力の推定値Ｐ～１を計算する。また、演算部１２は、補償電力の推定値Ｐ～１と補正量Ｐ～２の和を、ＰＩ制御器４１１の出力から減算して、順変換器４２０に出力する電流指令値を算出する。

このようにすることで、本変形例に係る電力系統安定化装置１０は、蓄電池４２１を利用して、電力系統ＡＣの周波数変動に応じた補償電力Ｐを提供することが可能となる。

＜コンピュータ構成＞
図１０は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
図１０に示すように、コンピュータ９０は、プロセッサ９１、メインメモリ９２、ストレージ９３、および、インタフェース９４を備える。

上述の電力系統安定化装置１０、空気調和機２０の制御装置２３、電気炉システム３０の制御装置３１、および蓄電池システム４０の制御装置４１は、それぞれコンピュータ９０に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ９３に記憶されている。プロセッサ９１は、プログラムをストレージ９３から読み出してメインメモリ９２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ９１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ９２に確保する。

プログラムは、コンピュータ９０に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータは、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。

ストレージ９３の例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ９３は、コンピュータ９０のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース９４または通信回線を介してコンピュータ９０に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ９０に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９０が当該プログラムをメインメモリ９２に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ９３は、一時的でない有形の記憶媒体である。

以上のとおり、本開示に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

＜付記＞
上述の各実施形態は、例えば以下のように把握される。

（１）本開示の第１の態様によれば、電力系統安定化装置１０は、交流電力系統ＡＣの系統周波数を検出する周波数検出器１１と、系統周波数に基づいて、回転機械１４，２１０の回転数を調整する周波数指令値を算出する演算部１２と、交流電力系統と回転機械１４，２１０との間に設けられ、周波数指令値に基づいて回転機械１４，２１０の回転数を調整する電力変換器１３と、を備える。

このようにすることで、電力系統安定化装置１０は、系統周波数に応じた補償電力Ｐを提供することができる。

（２）本開示の第２の態様によれば、第１の態様に係る電力系統安定化装置１０において、回転機械１４は、フライホイール１４Ｂと、フライホイール１４Ｂを駆動する電動機としての機能、およびフライホイール１４Ｂに蓄積された運動エネルギーにより駆動する発電機としての機能を有する電動機１４Ａと、を有し、演算部１２は、フライホイール１４Ｂの角速度が系統周波数に比例して増減するように、周波数指令値を算出する。

このようにすることで、電力系統安定化装置１０は、電力変換器１３によりフライホイール１４Ｂの角速度を変更することにより、フライホイール１４Ｂの慣性を大きくすることができる。したがって、電力系統安定化装置１０は、小さなフライホイールを使用したとしても、大きな補償電力Ｐを提供することができる。これにより、電力系統安定化装置１０を小型化することが可能であり、家庭やオフィスなど大型の装置を設置するスペースがない施設にも適用できる。

（３）本開示の第３の態様によれば、第２の態様に係る電力系統安定化装置１０は、周波数指令値の時間変化率の上限または下限を、周波数指令値と交流電力系統ＡＣの基準周波数との偏差に基づいて定める補償電力制限器１５をさらに備える。

このようにすることで、電力系統安定化装置１０は、起動時にフライホイール１４Ｂの加速するときの力行電力、または、停止時にフライホイール１４Ｂを減速するときの回生電力が電力系統ＡＣの擾乱となることを抑制できる。

（４）本開示の第４の態様によれば、第２または第３の態様に係る電力系統安定化装置１０において、演算部１２は、フライホイール１４Ｂの基準角速度ω_ｒｅｆまたは補償電力を定める制御定数ｋ_ｆを、周波数指令値の変化率の大きさに基づいて定める。

このようにすることで、電力系統安定化装置１０は、電力変換器１３の能力の利用率を高めることができる。この結果、電力系統安定化装置１０は、電力変換器１３の能力が過度に余ることも、過度に不足することもなく運転できる。

（５）本開示の第５の態様によれば、第１の態様に係る電力系統安定化装置１０において、回転機械は空気調和機２０の圧縮機２１０であり、演算部１２は、空気調和機２０の制御装置２３が出力する回転数指令値を、系統周波数の変動に比例して補正した周波数指令値を算出する。

このようにすることで、電力系統安定化装置１０は、空気調和機２０の圧縮機２１０の可変速駆動装置２１８を電力系統ＡＣの安定化装置として機能させることができる。つまり、空気調和機２０に電力系統安定化装置１０を取り入れることにより、家庭やオフィスに既存の電気設備である空気調和機２０に電力系統ＡＣの周波数変動を抑制する（安定化する）作用を追加することができる。

（６）本開示の第６の態様によれば、第５の態様に係る電力系統安定化装置１０において、演算部１２は、回転数指令値の計算に用いられる空気調和機２０の出力の目標値Ｐ_ｓ０を、系統周波数の変動に比例してさらに補正する。

このようにすることで、電力系統安定化装置１０は、補償電力を持続的に発揮することができる。

（７）本開示の第７の態様によれば、第１から第６の何れか一の態様に係る電力系統安定化装置１０は、電力系統安定化装置１０および電気設備９０を有する施設Ｃにおいて、施設Ｃ全体が交流電力系統ＡＣとの間で授受する有効電力を検出する有効電力検出器１６と、有効電力に基づいて、周波数指令値の補正量を算出する有効電力補償器１７と、をさらに備え、演算部１２は、交流電力系統ＡＣの系統周波数と、補正量とに基づいて周波数指令値を算出する。

このようにすることで、電力系統安定化装置１０は、施設トータルで需給調整に貢献することを可能とする。

（８）本開示の第８の態様によれば、電力系統安定化装置１０は、交流電力系統ＡＣと電気設備３０，４０との間に設けられ、電気設備３０，４０に交流電力または直流電力を供給する電力変換器１３と、交流電力系統ＡＣの系統周波数を検出する周波数検出器１１と、系統周波数に基づいて、電気設備３０，４０に供給する交流電力の周波数指令値、または直流電力の電流指令値を算出して電力変換器１３に出力する演算部１２と、を備える。

このようにすることで、電力系統安定化装置１０は、回転機械を有しない電気設備（例えば、電気炉３２２、蓄電池４２１）を利用して、電力系統ＡＣの周波数変動に応じた補償電力Ｐを提供することが可能となる。

（９）本開示の第９の態様によれば、電力系統安定化方法は、交流電力系統ＡＣの系統周波数を検出するステップと、系統周波数に基づいて回転機械１４，２１０の回転数を調整する周波数指令値を算出するステップと、周波数指令値に基づいて回転機械１４，２１０の回転数を調整するステップとを有する。

（１０）本開示の第１０の態様によれば、プログラムは、交流電力系統ＡＣの系統周波数を検出するステップと、系統周波数に基づいて回転機械１４，２１０の回転数を調整する周波数指令値を算出するステップと、周波数指令値に基づいて回転機械の回転数を調整するステップと、を電力系統安定化装置に実行させる。

１０ 電力系統安定化装置
１１ 周波数検出器
１２ 演算部
１２１ 第１の高域通過フィルタ
１２２ 第２の高域通過フィルタ
１３ 電力変換器
１４ 回転機械
１４Ａ 電動機
１４Ｂ フライホイール
１４Ｃ 角速度計
１５ 補償電力制限器
１６ 有効電力検出器
１７ 有効電力補償器
１７１ 第３の高域通過フィルタ
２０ 空気調和機
２１ 室外機
２１０ 圧縮機（回転機械）
２１７ 圧力検出器
２１８ 可変速駆動装置（電力変換器）
２２ 室内機
２３ 制御装置
２３０ 目標決定部
２３１ ＰＩ制御器
３０ 電気炉システム（電気設備）
３１ 制御装置
３１０ 目標決定部
３１１ ＰＩ制御器
３２ 電気炉装置
３２０ 交流電力調整器（電力変換器）
３２１ 誘導巻線
３２２ 電気炉
３２３ 温度検出器
４０ 蓄電池システム（電気設備）
４１ 制御装置
４１０ 目標決定部
４１１ ＰＩ制御器
４２ 蓄電池装置
４２０ 順変換器（電力変換器）
４２１ 蓄電池
４２２ 電流検出器

Claims (10)

1. 交流電力系統の系統周波数を検出する周波数検出器と、
   前記系統周波数に基づいて、回転機械の回転数を調整する周波数指令値を算出する演算部と、
   前記交流電力系統と前記回転機械との間に設けられ、前記周波数指令値に基づいて前記回転機械の回転数を調整する電力変換器と、
   を備える電力系統安定化装置。
2. 前記回転機械は、フライホイールと、前記フライホイールを駆動する電動機としての機能、および前記フライホイールに蓄積された運動エネルギーにより駆動する発電機としての機能を有する電動機と、を有し、
   前記演算部は、前記フライホイールの角速度が前記系統周波数に比例して増減するように、前記周波数指令値を算出する、
   請求項１に記載の電力系統安定化装置。
3. 前記周波数指令値の時間変化率の上限または下限を、前記周波数指令値と前記交流電力系統の基準周波数との偏差に基づいて定める補償電力制限器をさらに備える、
   請求項２に記載の電力系統安定化装置。
4. 前記演算部は、前記フライホイールの基準角速度または補償電力を定める制御定数を、前記周波数指令値の変化率の大きさに基づいて定める、
   請求項３に記載の電力系統安定化装置。
5. 前記回転機械は空気調和機の圧縮機であり、
   前記演算部は、前記空気調和機の制御装置が出力する回転数指令値を、前記系統周波数の変動に比例して補正した前記周波数指令値を算出する、
   請求項１に記載の電力系統安定化装置。
6. 前記演算部は、前記回転数指令値の計算に用いられる前記空気調和機の出力の目標値を、前記系統周波数の変動に比例してさらに補正する、
   請求項５に記載の電力系統安定化装置。
7. 前記電力系統安定化装置および電気設備を有する施設において、前記施設全体が前記交流電力系統との間で授受する有効電力を検出する有効電力検出器と、
   前記有効電力に基づいて、前記周波数指令値の補正量を算出する有効電力補償器と、
   をさらに備え、
   前記演算部は、前記交流電力系統の前記系統周波数と、前記補正量とに基づいて前記周波数指令値を算出する、
   請求項１から６の何れか一項に記載の電力系統安定化装置。
8. 交流電力系統と電気設備との間に設けられ、前記電気設備に交流電力または直流電力を供給する電力変換器と、
   前記交流電力系統の系統周波数を検出する周波数検出器と、
   前記系統周波数に基づいて、前記電気設備に供給する前記交流電力の周波数指令値、または前記直流電力の電流指令値を算出して前記電力変換器に出力する演算部と、
   を備える電力系統安定化装置。
9. 交流電力系統の系統周波数を検出するステップと、
   前記系統周波数に基づいて回転機械の回転数を調整する周波数指令値を算出するステップと、
   前記周波数指令値に基づいて回転機械の回転数を調整するステップと、
   を有する電力系統安定化方法。
10. 交流電力系統の系統周波数を検出するステップと、
    前記系統周波数に基づいて回転機械の回転数を調整する周波数指令値を算出するステップと、
    前記周波数指令値に基づいて回転機械の回転数を調整するステップと、
    を電力系統安定化装置に実行させるプログラム。

Images