JP2024017513A - 分散型電源システム及び分散型電源の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】系統構成や系統状況に応じた慣性を考慮して分散型電源の出力変化率を制御することにより、電力系統を安定化させる分散型電源システム及び分散型電源の制御方法を提供する。【解決手段】太陽電池２２等の再生可能エネルギー発電装置による発電電力を電力系統３０に供給可能であり、電力系統３０と蓄電装置２４との間でＰＣＳ２３を介して電力を授受可能な分散型電源２０を備えた分散型電源システムにおいて、分散型電源２０から電力系統３０への出力を検出する出力検出部３１と、ＰＣＳ２１（太陽電池２２）の出力と出力検出部３１による検出値と電力系統３０の慣性とに基づき、太陽電池２２の出力急変時に電力系統３０の周波数の変動が許容範囲に収まるように電力系統３０の慣性に応じてＰＣＳ２３を制御することにより分散型電源２０の出力変化率を所定値に調整する出力監視制御装置１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、再生可能エネルギー発電設備及び蓄電装置を含む分散型電源が連系されている電力系統において、再生可能エネルギー発電設備の出力急変時に、電力系統の慣性に応じて蓄電装置の出力を調整することにより、分散型電源の出力変化率を適切に制御して系統周波数の変動を防止するようにした、分散型電源システム及び分散型電源の制御方法に関する。

特許文献１～３には、再生可能エネルギー発電設備を有する分散型電源の出力が変動した場合に電力系統の電圧や周波数を安定させる技術が開示されている。

特許文献１では、太陽光の照度変化や内部負荷の大幅な変動に起因して分散型電源の出力電流の時間変化率が基準値を超えた時に、充放電制御装置及び直流／直流変換装置が二次電池を充放電させて分散型電源の出力電流の急変を抑制することにより、系統電圧の変動を抑制している。
また、特許文献２では、分散型電源を構成する太陽電池パネルの発電電力が基準電力以下である時に、バッテリー及び出力調整可能発電機を協働させて基準電力の不足分を補っている。
更に、特許文献３では、分散型電源の実際の発電電力が急峻に上昇する場合に、電力変換システムを介して蓄電設備を充電させ、または分散型電源の出力を抑制して発電電力の変化率を所定範囲に制御し、分散型電源の実際の発電電力が急峻に下降する場合に、電力変換システムを介して蓄電設備を放電させ、または重要機器を省エネ運転して発電電力の変化率を所定範囲に制御することが記載されている。

ここで、電力会社は、再生可能エネルギー発電設備及び蓄電装置を備えた分散型電源を有する発電事業者に対して、上記蓄電装置の充放電量を制御して分散型電源の出力変動を緩和することを要請している。
すなわち、図３は、分散型電源の出力変動緩和対策を概念的に示すグラフであり、ａは出力変動緩和対策を行う前の分散型電源の出力、ｂは出力変動緩和対策を行った後の分散型電源の出力を示している。分散型電源の出力の変動をｂのようにするために、発電事業者には出力変化率（出力変化速度）を例えば１％以下／分に抑制することが要請されている。

特許第３２６４１３７号公報（［００１６］～［００２７］、図１，図３，図４，図６等） 特許第５４１４０８２号公報（［００５１］～［００５６］、図１～図３等） 特開２０２１－１３６８５２号公報（［００４３］，［００５９］、図１，図２等）

図３に示した出力変動緩和対策では、系統構成に関わらず出力変化率を一律に保つことが求められるため、分散型電源の発電量が必要以上に抑制されてしまい、これが発電電力の有効利用を損ない、結果的に経済的損失を招く場合があった。
また、特許文献１～３には、電力系統の構成によって異なる慣性や、系統事故の発生により単独運転系統となった場合など、系統構成や系統状況を考慮して分散型電源の出力を制御する技術は開示されていない。

そこで、本発明の解決課題は、系統構成や系統状況に応じた慣性を考慮して分散型電源の出力変化率を適切に制御することにより、電力系統の安定化を可能にした分散型電源システム及び分散型電源の制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る分散型電源システムは、再生可能エネルギー発電装置の発電電力を、系統電源に接続された電力系統に供給可能であり、かつ、前記電力系統と蓄電装置との間で電力変換器を介して電力を授受可能な分散型電源を備えた分散型電源システムにおいて、
前記分散型電源から前記電力系統に出力される電力を検出する出力検出手段と、
前記再生可能エネルギー発電装置の出力と前記出力検出手段による出力検出値と前記電力系統の慣性とに基づき、前記再生可能エネルギー発電装置の出力急変時に前記電力系統の周波数が許容範囲に収まるように前記慣性に応じて前記電力変換器を制御することにより、前記分散型電源の出力変化率を所定値に調整する出力監視制御手段と、
を備えたものである。

ここで、前記出力監視制御手段は、系統電源が電力系統から解列されて電力系統の慣性が平常時よりも減少した時に、分散型電源の出力変化率を平常時よりも小さくするように前記電力変換器を制御することが望ましい。

また、本発明に係る分散型電源の制御方法は、再生可能エネルギー発電装置の発電電力を、系統電源に接続された電力系統に供給可能であり、かつ、前記電力系統と蓄電装置との間で電力変換器を介して電力を授受可能な分散型電源の制御方法であって、
前記分散型電源から前記電力系統に出力される電力と、前記再生可能エネルギー発電装置の出力と、前記電力系統の慣性とに基づき、前記再生可能エネルギー発電装置の出力急変時に前記電力系統の周波数が許容範囲に収まるように前記慣性に応じて前記電力変換器を制御することにより、前記分散型電源の出力変化率を所定値に調整するものである。

本発明によれば、太陽電池等からなる再生可能エネルギー発電設備の出力が急変した場合でも、電力系統の慣性に応じて蓄電装置の充放電量を制御することにより、分散型電源の出力変化率を調整して電力系統の周波数変動量を許容レベル以下に抑制することができる。
また、電力系統に事故が発生して単独運転系統が構成された時や事故からの復旧時のように系統構成や系統状況が変化した場合においても、分散型電源の出力変化率を適切に制御して系統を安定化させることが可能である。

平常時における電力系統の全体構成図（図１（ａ））及び本発明の実施形態の動作を示すタイミングチャート（図１（ｂ））である。 系統電源解列時における電力系統の全体構成図（図２（ａ））及び本発明の実施形態の動作を示すタイミングチャート（図２（ｂ））である。 分散型電源の従来の出力変動緩和対策を説明するためのグラフである。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、平常時における電力系統の全体構成図（図１（ａ））及び本実施形態の動作を示すタイミングチャート（図１（ｂ））である。

図１（ａ）において、大規模の火力発電機等からなる系統電源５１は、回路遮断器３２を介して電力系統３０に交流電力を供給している。この電力系統３０には、小規模の火力発電機やディーゼル発電機等からなる小規模電源５２と、交流の負荷４０と、分散型電源２０とが互いに並列に接続されている。

分散型電源２０は、再生可能エネルギー発電設備としての太陽電池２２と、その直流出力を交流電力に変換して電力系統３０に供給するＰＣＳ（パワーコンディショニングシステム）２１と、蓄電装置２４と、電力系統３０に接続されて蓄電装置２４の充放電を制御するＰＣＳ２３と、を備えている。
再生可能エネルギー発電設備としては、太陽電池２２及びＰＣＳ２１に代えて風力発電設備を用いても良い。

ＰＣＳ２１は太陽電池２２の直流出力を交流電力に変換するインバータでも良いし、ＰＣＳ２３は蓄電装置２４と電力系統３０との間で順逆変換（双方向の電力変換）を行って電力を授受するインバータでも良い。すなわち、ＰＣＳ等の名称に関わらず、上記機能を備えた電力変換器であれば良い。

ＰＣＳ２１，２３の交流出力は出力監視制御装置１０によって監視されており、この出力監視制御装置１０によってＰＣＳ２１，２３の動作を制御可能である。また、分散型電源２０の出力は、電力系統３０との連系点に設けられた出力検出部３１によって検出され、その出力検出値が出力監視制御装置１０によって監視されている。
出力監視制御装置１０は、回路遮断器３２のオン・オフ情報を取得して系統事故の発生を検出しても良く、あるいは、分散型電源２０を含む電力系統の全体を監視制御する上位の系統監視制御装置（図示せず）から系統事故の発生情報を取得しても良い。

出力監視制御装置１０は、ＰＣＳ２１，２３の出力や出力検出部３１による出力検出値、回路遮断器３２のオン・オフ情報等に基いて、ＰＣＳ２３の制御プログラムを始めとした所定のプログラムを実行するＣＰＵ等の演算処理装置、メモリ、通信インターフェース、表示装置等を備えている。
なお、出力監視制御装置１０は分散型電源２０を有する発電事業者に付随させて設置しても良いが、前述した上位の系統監視制御装置に出力監視制御装置１０の機能を持たせても良い。

ここで、出力監視制御装置１０は、太陽電池２２の出力（ＰＣＳ２１の出力）を常時監視しており、その出力の急変時に、電力系統３０の慣性に応じて蓄電装置２４の充放電量を調整して分散型電源２０の出力変化率を適切に制御することにより、電力系統３０の周波数の変動を抑制するように機能する。

次に、本実施形態の動作を説明する。図１（ｂ）は、電力系統３０が健全である平常時の動作を示している。
図１（ｂ）に示すように、例えば日射量の急減により時刻ｔ_１でＰＣＳ２１の出力が急減したことを出力監視制御装置１０が検出する。この場合、出力監視制御装置１０は、系統電源５１及び小規模電源５２から給電されている電力系統３０の慣性が大きいことを認識し、分散型電源２０の全体の出力を急激に減少させても電力系統３０への影響は少ないと判断する。

そこで、出力検出部３１により検出される出力の変化率が比較的大きくなる（出力の急減を許容する）ように、出力監視制御装置１０がＰＣＳ２３を制御してその出力を時刻ｔ_１で直線状に立ち上げ、その後に急減させて時刻ｔ_２で０になるように制御する。上記時刻ｔ_１～ｔ_２の期間は、蓄電装置２４を放電させてＰＣＳ２３により電力系統に交流電力を供給するモードとなる。

このような動作により、分散型電源２０の出力変化率が大きく、時刻ｔ_１～ｔ_２の期間に分散型電源２０の出力が急減したとしても、電力系統３０の慣性によって系統周波数はそれほど変動することがなく許容レベル以下の値に抑制されるため、系統が不安定になるおそれはない。なお、分散型電源２０の出力変化率の調整に当たっては、蓄電装置２４のＳＯＣの範囲内で実現可能な変化率を考慮することは言うまでもない。
また、分散型電源２０の出力が時刻ｔ_１で直線状に急減しても系統周波数が許容レベル以下に維持される場合には、時刻ｔ_１～ｔ_２の期間にＰＣＳ２３の出力を変化させずに０のまま維持しても良い。

次に、図２は、系統電源解列時における電力系統の全体構成図（図２（ａ））及び本実施形態の動作を示すタイミングチャート（図２（ｂ））である。

図２（ａ）に示すように、電力系統３０に地絡等の事故が発生して回路遮断器３２がオフされると、系統電源５１が解列されて電力系統３０は単独運転系統となり、その慣性が平常時よりも減少する。
この状態で、例えば、日射量の急減により時刻ｔ_１でＰＣＳ２１の出力が急減したことを出力監視制御装置１０が検出すると、電力系統３０の慣性が小さいことから、平常時のように分散型電源２０の出力を急激に減少させると電力系統３０には短期間に大きな電圧変動が生じ、系統周波数が大きく変動することが予想される。

そこで、出力監視制御装置１０は、平常時に比べて分散型電源２０の出力変化率が比較的小さくなる（緩減する）ように、出力検出部３１による検出値を監視しつつ、ＰＣＳ２３の出力を時刻ｔ_１で直線状に立ち上げた後に緩やかに減少させて時刻ｔ_３で０になるように制御する。この場合も、時刻ｔ_１～ｔ_３の期間は、蓄電装置２４を放電させてＰＣＳ２３により電力系統に交流電力を供給するモードとなる。

上記の動作により、系統電源５１が解列された電力系統３０の慣性が小さくても、図２（ｂ）に示す如く分散型電源２０の出力が時刻ｔ_１～ｔ_３の期間に緩やかに減少するため、系統周波数は若干変動するものの許容レベル以下の値に抑制されるので、系統が不安定になるおそれはない。

図１（ｂ）や図２（ｂ）における時刻ｔ_１以降の分散型電源２０の出力変化率は、平常時及び系統電源解列時における電力系統３０の慣性や分散型電源２０の種類・容量等に応じて予め演算した値を記憶しておき、実際に時刻ｔ_１でＰＣＳ２１の出力が急変した場合に、記憶されている出力変化率を選択するようにしても良い。

なお、ＰＣＳ２１の出力が急減した時に、図２（ｂ）の如く分散型電源２０の出力変化率を小さくするように選択した場合でも、その後に電力系統の慣性が増加する方向に回復した場合（例えば、系統事故から復旧して回路遮断器３２が再閉路した場合、または、電力系統３０に連系している他の蓄電装置の蓄電量や揚水式水力発電機・火力発電機等による発電量が増加した場合等）、あるいは、系統周波数の定格値からの偏差や周波数変化率が減少して系統周波数の変動が許容レベル以下に収まったことが確認された場合に、出力監視制御装置１０は、図１（ｂ）のごとく分散型電源２０の出力変化率を大きくするように制御を切り替えても良い。

１０：出力監視制御装置
２０：分散型電源
２１，２３：ＰＣＳ（パワーコンディショニングシステム）
２２：太陽電池
２４：蓄電装置
３０：電力系統
３１：出力検出部
３２：回路遮断器
４０：負荷
５１：系統電源
５２：小規模電源

Claims (9)

1. 再生可能エネルギー発電装置の発電電力を、系統電源に接続された電力系統に供給可能であり、かつ、前記電力系統と蓄電装置との間で電力変換器を介して電力を授受可能な分散型電源を備えた分散型電源システムにおいて、
   前記分散型電源から前記電力系統に出力される電力を検出する出力検出手段と、
   前記再生可能エネルギー発電装置の出力と前記出力検出手段による出力検出値と前記電力系統の慣性とに基づき、前記再生可能エネルギー発電装置の出力急変時に前記電力系統の周波数が許容範囲に収まるように前記慣性に応じて前記電力変換器を制御することにより、前記分散型電源の出力変化率を所定値に調整する出力監視制御手段と、
   を備えたことを特徴とする分散型電源システム。
2. 請求項１に記載した分散型電源システムにおいて、
   前記出力監視制御手段は、
   前記再生可能エネルギー発電装置の出力が急減した時に前記電力系統の周波数が許容範囲に収まるように前記慣性に応じて前記電力変換器を制御することを特徴とした分散型電源システム。
3. 請求項１または２に記載した分散型電源システムにおいて、
   前記出力監視制御手段は、
   前記系統電源が前記電力系統から解列されて前記電力系統の慣性が平常時よりも減少した時に、前記分散型電源の出力変化率を平常時よりも小さくするように前記電力変換器を制御することを特徴とした分散型電源システム。
4. 請求項３に記載した分散型電源システムにおいて、
   前記出力監視制御手段は、
   前記分散型電源の出力変化率を平常時よりも小さくした後に前記電力系統の慣性が増加した時に、前記分散型電源の出力変化率を平常時の値に復帰させるように前記電力変換器を制御することを特徴とした分散型電源システム。
5. 請求項４に記載した分散型電源システムにおいて、
   前記出力監視制御手段は、
   前記電力系統の慣性の増加を、前記系統電源の復旧、または、前記電力系統に接続された他の蓄電装置の蓄電量もしくは発電手段の発電量の増加に基いて検出することを特徴とした分散型電源システム。
6. 請求項３に記載した分散型電源システムにおいて、
   前記出力監視制御手段は、
   前記分散型電源の出力変化率を平常時よりも小さくした後に前記電力系統の周波数が許容範囲に収まる場合に、前記分散型電源の出力変化率を平常時の値に復帰させるように前記電力変換器を制御することを特徴とした分散型電源システム。
7. 再生可能エネルギー発電装置の発電電力を、系統電源に接続された電力系統に供給可能であり、かつ、前記電力系統と蓄電装置との間で電力変換器を介して電力を授受可能な分散型電源の制御方法であって、
   前記分散型電源から前記電力系統に出力される電力と、前記再生可能エネルギー発電装置の出力と、前記電力系統の慣性とに基づき、前記再生可能エネルギー発電装置の出力急変時に前記電力系統の周波数が許容範囲に収まるように前記慣性に応じて前記電力変換器を制御することにより、前記分散型電源の出力変化率を所定値に調整することを特徴とした分散型電源の制御方法。
8. 請求項７に記載した分散型電源の制御方法において、
   前記再生可能エネルギー発電装置の出力が急減した時に前記電力系統の周波数が許容範囲に収まるように前記慣性に応じて前記電力変換器を制御することを特徴とした分散型電源の制御方法。
9. 請求項７または８に記載した分散型電源の制御方法において、
   前記系統電源が前記電力系統から解列されて前記電力系統の慣性が平常時よりも減少した時に、前記分散型電源の出力変化率を平常時よりも小さくするように前記電力変換器を制御することを特徴とした分散型電源の制御方法。

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