JP3773929B2 - デマンド制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用電力と自家発電機（例えばコージェネレーションに利用される自家発電機）の電力とから負荷に電力が供給される系統連系システムに利用されるデマンド制御装置に関する。

近年高まってきた地球環境保全の問題による省エネルギー化の推進や、万一の災害から電源を確保する為のエネルギー分散思想の浸透によりコージェネレーションの重要性が一段と高まってきた。このため、コージェネレーション用の自家発電機を設置し、図４に示されるような商用電力と自家発電機の電力を組合せて負荷に供給するシステムが増えてきた。

一方、商用電力の需要家と電力会社との間では夜間や休日について電力料金を割り引く「季時別・時間帯別契約」という制度がある。この契約による割引率は比較的大きいため、商用電力のほうが発電機を運転するランニングコスト（燃料費,メンテナンス費）よりも割安となることから、「昼間はコストメリットのある発電機で給電し、夜間は可能な限り商用電源からの受電電力を負荷に給電したい」というニーズが多くなってきた。

一般に、高圧電力の需要家は電力会社とデマンド契約を結び商用電力を受電する。デマンドとは電力会社と需要家との間で決められる契約電力のことで、所定の時間（３０分間／以下デマンド時限という。）ごとの平均受電電力によって決められる。このデマンド値に応じて電力の基本料金が決定され、当然のことながら需要家は低いデマンド値で契約することを望む。しかし、受電電力がデマンド値を超えるとペナルティが課されたり基本料金が引き上げられたりするため、需要家は受電電力がデマンド値を超えないように制御するデマンド制御装置を受電設備の一部として設けることが多い。

従来のデマンド制御装置は受電電力の現在値やデマンド時限の終期におけるデマンド時限内の平均受電電力を予想して負荷の開閉信号を出力し、負荷の発停を調節することによってデマンド値を超えないようにしている。しかしこの方法では、負荷を開閉する為のケーブルを布設する工事の追加や、状況によっては重要な負荷も停止させざるを得ないことも考えられる。

また、他の従来のデマンド制御装置は、受電電力の瞬時値を常時監視し、受電電力の瞬時値が所定の値を超える状態が所定の時間継続したとき自家発電機を駆動して、自家発電機からも負荷に給電することによって随時受電電力を調整するようにしている。このデマンド制御装置による受電電力の変化の状況が図５に示されている。このデマンド制御装置は、受電電力の瞬時値が自家用発電機の始動電力設定値をT1の間超えた時発電機を始動させ、始動後、停止電力設定値をT2の間下回った時発電機を停止させる構成となっている。しかし、この方法では負荷変動の大きな所では受電電力が頻繁に上昇及び下降するため自家発電機が始動・停止を繰り返すこととなり、発電機のランニングコストがかさむという問題が有る。

本発明は、従来のデマンド制御装置の上記のような問題を解決するため、負荷を開閉する為のケーブル布設工事の追加や重要な負荷を停止させる必要がなく、また、負荷にはできるだけ商用電力から電力を供給させて発電機からの電力供給を抑えるとともに発電機の発停回数を最小限に抑えることによって、発電機のランニングコストを含めて電力経費を低く押さえることができるデマンド制御装置を提供することにある。

上記の問題を解決するために、請求項１の発明は、自家用発電機と商用電力とによって負荷に給電される系統連系システムに使用されるデマンド制御装置であって、受電電力Pm[kW]とデマンド値Pd[kW]との差（Pm[kW]−Pd[kW]）をデマンド時限の始期から演算時点まで累積した第１累積値Ps[kW・s]を所定のインターバルで演算する第1演算手段と、前記発電機を駆動したとき商用電力から受電するあらかじめ決められた目標電力Pc[kW]（Pd[kW]＞Pc[kW]）を記憶する記憶手段と、前記目標電力Pc[kW]とデマンド値Pd[kW]との差（Pd[kW]−Pc[kW]）を演算時点から前記デマンド時限の終期まで累積した第２累積値Pg[kW・s]を前記所定のインターバルで予測演算する第２の演算手段と、前記第１累積値と前記第２累積値が等しくなったとき前記発電機の始動信号を発する信号発生手段と、を有することとしている。

このような構成により、商用電力からのみ受電している状態において、受電電力の平均値がデマンド値を超えているときの受電電力の第１累積値を所定のインターバルで演算し、その都度、第１累積値に相当する電力を発電機によって給電できるかを第２累積値を演算することによって監視し、双方が等しくなったとき発電機を始動するため、受電電力がデマンドを超えない範囲で発電機の始動のタイミングを遅くし駆動時間を短くすることができる。

請求項２による発明は、請求項１の発明によるデマンド制御装置において、前記発電機が駆動中に商用電力からの受電電力Pm'[kW]が前記目標電力Pc[kW]を超過したとき目標受電電力を第２の受電目標電力（Pc[kW]−Px[kW]）に補正し、受電電力Pm'[kW]と前記目標電力Pc[kW]との差（Pm'[kW]−Pc[kW]）を前記超過状態にある時間ΔT[s]の間累積した第３の累積値ΔP[kW・s]と前記補正電力分Px[kW]を前記超過状態が解消してからデマンド時限の終期までの間累積した第４の累積値とが等しくなるように前記補正電力分Px[kW]が設定されることとしている。

このような構成により、発電機駆動後に負荷が増大して受電電力が目標電力Pc[kW]を超過しても、超過した分の第３の累積値に等しい電力の累積値を超過状態が解消してからデマンド終期までに発電機によって給電できるように発電機の出力値を決定できる。

本発明は、以上説明した形態で実施され、請求項１の発明は、発電機の始動のタイミングを遅くし駆動時間を短くすることができるため、デマンド値を超過することなく、システムのランニングコストを低く抑えることができるという効果を奏し、請求項２の発明は、発電機を駆動後に負荷値が上昇してもデマンド値を超過することなく発電機の出力増加を低く抑えることができる。

本発明の実施の形態を図１ないし図３で示される実施例において説明する。この実施例のデマンド制御装置は、次の二つの機能を含んでいる。すなわち、第１の機能は、商用電力からのみ受電している状態にあるときの自家発電機の始動のタイミングを制御する機能であり、第２の機能は自家発電機を始動した後の負荷の増加に対する発電機の出力を制御する機能である。いずれの機能もこのデマンド制御装置に内蔵されるスケジュール機能により、設定された夜間・休日の時間帯に、毎時00分〜30分までの30分間と30分〜00分までの30分間を一つの監視期間（デマンド時限）として制御を行う。

第１の機能は、デマンド時限内の平均受電電力がデマンド値を超えない範囲内で、自家発電機の始動タイミングをできるだけ遅くする機能である。これは、デマンド時限内に受電電力の瞬時値がデマンド値を超過したとしても、デマンド時限内の平均受電電力がデマンド値以下であれば自家発電機を始動する必要がないことを根拠にしている。すなわち、始動タイミングを遅くすることによって自家発電機を始動しなくともよい結果となる場合もある。

図1（ａ）を参照して、この第１の機能による自家発電機を始動するタイミングは、次のように決定されている。

１）デマンド値をPd[kW]とすると、例えば図１に示されるように、受電の状態は受電電力がPd[kW]以下となるＡ、Ｃ及びＥの時間帯とPd[kW]以上となるＢ、Ｄ及びＦの時間帯がある。

２）図１（ｂ）を参照して、このような状態で受電する受電電力Pm[kW]の瞬時値を所定の周期Ts [s] (例えば1秒〜５秒間隔)で逐次サンプリングして監視し、瞬時値がデマンド値以上になったときをプラス、デマンド値以下になったときをマイナスとし、監視開始から現在時刻n[s]までの間の受電電力の累積面積をPs[kW・s]とすると、Ps[kW・s]は（１）式で求められる。

３）この累積面積Ps[kW・s]がプラスの場合はデマンド時限の始期から現在時刻n[s]までの間の平均受電電力がデマンド値以上になっていることを意味する。したがって、現在時刻からデマンド時限終期までの間デマンド値に等しい電力を受電したとすると、デマンド時限を通しての平均受電電力がデマンド値を超えることとなる。このため、現在時刻からデマンド時限終期までの間の適当なタイミングで自家発電機を始動して、図１のＧの部分に相当する電力を自家発電機から供給して受電電力を低下させる必要がある。

４）自家発電機の給電能力の上限において負荷に給電できるようにしてもよいが駆動した後の負荷の増加を考慮して自家発電機駆動中の受電電力の目標値をあらかじめ設定しておく。この目標値をPc[kW]とするとPd[kW]−Pc[kW]を自家発電機から給電することとなる。そして、自家発電機の始動タイミングをデマンド時限の始期からTg[s]後とした場合、自家発電機の始動からデマンド時限の終期までに自家発電機から負荷に供給する電力の累積面積をPg[kW・s]とすると、Pg[kW・s]は（２）式によって求められる。

５）デマンド時限を通しての平均受電電力がデマンド値を超えないためには、Ps≦Pgでなければならないことは明らかである。しかし、発電機を始動してから受電電力がPc[kW]に低下するまでは、「自家発電機の始動→同期投入→負荷取り」という制御不可能な時間が存在することなどを考慮した余裕度αを見込むと、（１）式及び（２）式より（３）式を満足するタイミングTg[s]で自家発電機を始動すればデマンド値を超えることはなく、自家発電機の駆動時間の短い最適の始動タイミングとなる。

次に、本実施例のデマンド制御装置の第２の機能について説明する。以上に説明した第1の機能によって自家発電機が駆動された後負荷に変動があったとき、商用電力からの受電電力がその受電目標値になるように自家発電機の出力が制御される。しかし、出力を変化させるためガバナ出力を変化させて発電機の出力が所定出力に達するまでには過渡状態がある。特に、負荷が増加した場合はこの過渡状態中に受電電力が増えてしまい、結果として30分間の監視終了後にデマンド値を超過する結果となりかねない。

第2の機能は、自家発電機が駆動された後に負荷の増加があったとき、上述の過渡状態中に増加する受電電力を、過渡状態が解消してからデマンド時限の終期までの間に受電電力の目標値を低下させて補正する機能である。この機能は、デマンド値を超えない範囲内でできるだけ商用電力からの受電電力が多くなるように考慮されており、過渡状態による受電電力の目標値の補正値は以下のごとく決定されている。

６）図２（ａ）を参照して、自家発電機が駆動中も受電電力の瞬時値をPm'[kW]を監視する。そして、デマンド時限の始期よりTc[s]秒後に負荷が増加してＡで示されている部分のごとく前述の過渡状態が発生し、Pm'[kW]が自家発電機が駆動中の受電電力の目標値Pc[kW]をΔT[s]の間超過した場合を考える。この場合、図２（ｂ）を参照して、目標値を超えた分の受電電力の累積面積をΔP[kW・s]とすると、ΔP[kW・s]は（４）式によって求められる。なお、この場合の受電電力の監視のサンプリング周期は、負荷の変動に対してより早くより正確に応答できるように、第１の機能のサンプリング周期より短い周期（例えば０．１秒〜３秒）にしている。

７）このΔP[kW・s]に相当する電力を前述の過渡状態が解消してからデマンド時限の終期までの間受電電力の目標値を下げることによって補正する。この補正による不足電力は自家発電機の出力を増加することによって行われ、図２（ａ）のＢで示されている部分の累積面積がこのΔP[kW・s]に等しくなるように自家発電機の増加出力電力値が決定される。すなわち、この増加出力電力値が受電電力の下げ巾の目標値となり、この値をPx[kW]とするとPx[kW]は（５）式によって求められる。

すなわち、負荷が増加した後の受電電力の目標値は、Pc[kW]−Px[kW]となる。

８）図３を参照して、自家発電機を駆動中に負荷が例えば３回増加して受電電力がＡ、Ｂ及びＣのように過渡的に受電の目標値を超過した場合にあっては、Ａ=Ａ’、Ｂ＝Ｂ’及びＣ＝Ｃ’となるように上記４）式及び５）式に準じて演算を繰り返して受電電力の目標値を補正して自家発電機の出力を増加し、ｎ回目の負荷の増加による受電電力の目標値Pn[kW]を（６）式によって求められる値とするとデマンド値を超えないようにすることができる。

（ａ）は本発明による自家用発電機制御装置の第１の機能によって制御されるシステムの受電状況を説明する図であって、（ｂ）は（ａ）図中の丸で囲まれた部分を拡大して受電電力のサンプリング解析を説明する図である。 （ａ）は本発明による自家用発電機制御装置の第２の機能によって制御されるシステムの受電状況を説明する図であって、（ｂ）は（ａ）図中の丸で囲まれた部分を拡大して受電電力のサンプリング解析を説明する図である。 図２の他の受電状況を説明する図である。 系統連係システムの回路の一例を示す図である。 従来の自家発電機制御装置の動作を説明する図である。

Claims (3)

1. 自家発電機と商用電力とによって負荷に給電される系統連系システムに使用されるデマンド制御装置であって、
   第１のインターバルで監視される受電電力Pm[kW]と、デマンド値Pd[kW]との差（Pm[kW]−Pd[kW]）をデマンド時限の始期から演算時点まで累積した第１累積値Ps[kW・s]を前記第１のインターバルで演算する第1演算手段と、
   前記発電機の駆動中、前記発電機から前記負荷に供給される電力が前記発電機の給電能力の上限値未満となるような、前記商用電力から受電する目標電力Pc[kW]（Pd[kW]＞Pc[kW]）を記憶する記憶手段と、
   前記デマンド値Pd[kW]と前記目標電力Pc[kW]との差（Pd[kW]−Pc[kW]）を演算時点から前記デマンド時限の終期まで累積した第２累積値Pg[kW・s]を前記第１のインターバルで予測演算する第２の演算手段と、
   前記第１累積値と前記第２累積値が等しくなったとき前記発電機の始動信号を発する信号発生手段と、
   前記発電機の駆動中、前記発電機に対して、前記デマンド値Pd[kW]と前記目標電力Pc[kW]との差（Pd[kW]−Pc[kW]）だけ前記負荷へ給電させる制御を行なう制御手段と、を有することを特徴とするデマンド制御装置。
2. 前記発電機の駆動中において、前記商用電力からの受電電力を監視し、前記発電機の駆動中における前記受電電力Pm'[kW]が前記目標電力Pc[kW]を超過したとき目標受電電力を第２の受電目標電力（Pc[kW]−Px[kW]）に補正し、受電電力Pm'[kW]と前記目標電力Pc[kW]との差（Pm'[kW]−Pc[kW]）を前記超過状態にある時間ΔT[s]の間累積した第３の累積値ΔP[kW・s]と前記補正電力分Px[kW]を前記超過状態が解消してからデマンド時限の終期までの間累積した第４の累積値とが等しくなるように前記補正電力分Px[kW]が設定されることを特徴とする請求項１のデマンド制御装置。
3. 前記発電機の駆動中における前記商用電力からの受電電力の監視を前記第１のインターバルより短い第２のインターバルで行なうことを特徴とする請求項２のデマンド制御装置。

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