JP4048475B2 - 自然エネルギ発電システムの運用方法及びそれを用いた自然エネルギ発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自然エネルギを直接利用して発電する発電装置（以下、自然エネルギ発電装置という。）と電力貯蔵装置とを組み合わせてなる自然エネルギ発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境保護の動きの中で、太陽光発電や風力発電等の自然エネルギを直接利用して発電する発電装置の導入が促進されている。このような自然エネルギ発電としては、太陽光や風力の他に、波力発電、潮力発電、地熱発電などが知られている。これらの自然エネルギ発電装置は、太陽光や風力等の自然エネルギを直接的に電力に変換することから、発電量が自然条件によって変動する。そこで、負荷の電力系統に安定して電力を供給するために、変動を吸収する電力貯蔵装置と組合わせた発電システム（以下、自然エネルギ発電システムという。）が提案されている。なお、電力貯蔵装置としては、２次電池、電気二重層コンデンサ、フライホイール、超伝導コイル等が知られている。
【０００３】
例えば、特開２００１−３２７０８０号公報に、自然エネルギ発電装置と電力貯蔵装置とを組み合わせた自然エネルギ発電システムが提案されている。これによれば、太陽光や風力発電などの分散電源による電力系統への出力変動を防止するにあたって、電力貯蔵部の電力貯蔵量不足や満充電防止を考慮して、電力貯蔵量に応じて分散電源の発電量目標値を設定して制御する方法が記載されている。
【０００４】
また、特開２００１−２９８８７２号公報には、過放電及び過充電により２次電池の寿命が損なわれることに鑑み、電池の状態に応じて充放電量の上限値を設定し、充放電量を上限値以下で運用することにより、電池の長寿命化を図ることが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の自然エネルギ発電システムによれば、一定の範囲で自然エネルギ発電装置の出力変動を抑制し、かつ電力貯蔵装置の状態に応じて充放電量を制限することにより電力貯蔵装置の寿命を延ばすことが可能である。また、電力系統との連系を考慮しており、自然エネルギ発電装置の発電量が不足する場合に、電力系統から電力供給を受けて電力貯蔵装置を充電する運用も行なわれている。
【０００６】
しかし、電力系統から電力供給を受けることができない場合や、自然エネルギ発電システム単独で負荷の電力需要を賄うことが要請される場合は、負荷の電力需要に対して安定供給できない場合が生ずる。
【０００７】
そこで、自然エネルギ発電システムに、発電量を任意に制御できる燃料を用いた燃料発電装置を組み合わせることが望まれるが、その場合、燃料発電装置と電力貯蔵装置との運用をどのようにするかが問題となる。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、燃料発電装置を組み合わせた自然エネルギ発電システムにおいて、燃料発電装置と電力貯蔵装置の運用方法を確立することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、次に述べる手段により、上記課題を解決するものである。
【００１０】
すなわち、自然エネルギ発電装置の出力変動を電力貯蔵装置と燃料発電装置により抑制し、負荷の電力系統に安定した電力を供給することを基本とする。そして、自然エネルギ発電装置を最大限に活用するとともに、電力貯蔵装置の運用状態に応じて充放電量を制限し、かつ燃料発電装置の発電量を最小化するように運用することを特徴とする。
【００１１】
これにより、二次電池からなる電力貯蔵装置を長寿命化するだけでなく、燃料費を最小化できる。また、燃料発電装置の特性から最小負荷運転の制限がある場合は、最小負荷を基準値とし、燃料発電装置の発電量をその基準値に制御することにより、燃料発電装置の長寿命化をも図ることができる。なお、燃料発電装置としては、一般に広く知られている発電装置を適用できるが、ディーゼルやガスタービンなどの内燃機関発電、水素ガスを燃料とする燃料電池、火力発電等がある。
【００１２】
具体的なシステムとしては、自然エネルギを直接利用して発電する自然エネルギ発電装置と、該自然エネルギ発電装置の出力変動を吸収する電力貯蔵装置と、負荷の需要電力に対する前記自然エネルギ発電装置と前記電力貯蔵装置の不足電力に基づいて発電量を制御する燃料発電装置と、前記燃料発電装置の発電量を基準値に維持するように前記電力貯蔵装置の充放電の指令値を生成する充放電制御手段とを備えて構成することができる。
【００１３】
この場合において、充放電制御手段は、電力貯蔵装置の電力貯蔵量に基づいて充放電の指令値を制限する充放電指令制限部及び充放電制御部を備えることができる。この充放電指令制限部及び充放電制御部は、電力貯蔵装置の電力貯蔵量が予め定めた最小値以下のとき、放電を禁止して充電のみを許容する指令値に制御し、電力貯蔵装置の電力貯蔵量が予め定めた最大値以上のときは、充電を禁止して放電のみを許容する指令値に制御することが好ましい。また、燃料発電装置の発電量が前記基準値未満に低下したとき、自然エネルギ発電装置の発電量を差分低減させる指令を出力する出力調整手段を設けることが好ましい。
【００１４】
更に、他の自然エネルギ発電システムは、自然エネルギを直接利用して発電する自然エネルギ発電装置と、電力貯蔵装置と、燃料を用いた燃料発電装置と、前記自然エネルギ発電装置と前記電力貯蔵装置と前記燃料発電装置とに接続され負荷に電力を供給する電力線と、前記自然エネルギ発電装置と前記電力貯蔵装置と前記燃料発電装置とを協調制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記自然エネルギ発電装置の発電量と前記燃料発電装置の発電量と前記負荷の需要電力との需給差を入力とし、該需給差に基づいて前記電力貯蔵装置の充放電量を制御する充放電指令値を出力する充放電制御手段を有してなるものとすることができる。
【００１５】
そして、充放電制御手段は、電力貯蔵装置の電力貯蔵量に基づいて充放電指令値を制限するものとし、具体的には、電力貯蔵装置の電力貯蔵量が予め定めた最大値以上のとき充電を禁止し、前記電力貯蔵装置の電力貯蔵量が予め定めた最小値以下のとき放電を禁止するものする。この場合に、充放電制御手段が充電禁止の指令を出力するとき、自然エネルギ発電装置に発電量の制限値を出力するとともに、燃料発電装置に発電量を基準値に制御する指令を出力し、充放電制御手段が放電禁止の指令を出力するとき、自然エネルギ発電装置に発電量の制限を解除する指令を出力するとともに、燃料発電装置に需給差の出力増加指令を出力し、充放電指令値が前記電力貯蔵量による制限を受けていないとき、自然エネルギ発電装置に発電量の制限を解除する指令を出力するとともに、燃料発電装置に発電量を基準値に制御する指令を出力する出力調整手段を設けることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１〜図１１を参照して説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１に、本発明の自然エネルギ発電システムの一実施形態の構成図を示す。図示のように、本実施形態の自然エネルギ発電システムは、電力貯蔵装置１と、自然エネルギ（ＮＥ）発電装置２と、燃料発電装置３とが共通の電力線４に接続され、電力線４を介して負荷の電力系統５に接続されている。電力貯蔵装置１は、電力変換部１３を介して電力線４に接続された電力貯蔵部１２を有して構成されている。
【００１８】
電力貯蔵部１２は、鉛蓄電池やナトリウム硫黄電池などの二次電池、電気二重層コンデンサ、フライホイール及び超電導コイルなどの少なくとも１つを適用できる。電力変換部１３は、電力貯蔵部１２と電力線４との間で、充放電する電力を調整する交直変換器等が適用できる。
【００１９】
自然エネルギ発電装置２は、太陽光や風力発電のように自然エネルギを利用する少なくとも１つの発電装置が適用される。燃料発電装置３は、ディーゼル発電機のように周波数又は回転数を制御する機能を備え、化石燃料や燃料ガスの反応を利用する少なくとも１つの発電装置を適用できる。
【００２０】
また、電力貯蔵部１２には、電力貯蔵量Ｗを検出する検出器１１が設けられ、燃料発電装置３には発電量ＰＧを検出する検出器１２が設けられている。これらの検出器１１、１２により検出された電力貯蔵量ＷＢと発電量ＰＧは制御装置１４に入力されている。制御装置１４は、入力される電力貯蔵量ＷＢと発電量ＰＧに基づいて、電力変換部１３を制御するとともに、自然エネルギ発電装置２を制御するようになっている。ここで、本明細書において発電量ＰＧ、ＰＮ、充放電量ＰＢ及び需要電力ＰＳは全て有効電力を意味するものとする。
【００２１】
制御装置１４は、図２に示すように構成されている。図示のように、燃料発電装置３の発電量ＰＧは演算器２１に入力される。演算器２１は、燃料発電装置３の発電量制御の基準値ＰＧ*との差ΔＰＧ＝ＰＧ―ＰＧ*を求めて充放電量制御部２２に出力する。本実施形態においては、基準値ＰＧ*は、燃料発電装置２の寿命を考慮して定めた最小負荷量に設定する。つまり、通常、燃料発電装置２は、装置の特性上から発電量を下げて運用できる限界が定められ、これを下回る運用は装置の寿命を短くすることが知られていることを考慮する。充放電量制御部２２は比例積分制御機能を有して構成され、ΔＰＧを低減すべく、電力貯蔵装置１の充放電の指令値ＰＢ*を求めて変換器制御部２４に出力する。変換器制御部２４は、入力される指令値ＰＢ*に従って電力変換部１３を制御する。
【００２２】
一方、検出器１１で検出された電力貯蔵量ＷＢは充放電指令制限部２３に入力される。充放電指令制限部２３は、現在の電力貯蔵量ＷＢに基づいて、電力貯蔵装置１に許容される充放電の制限値を決定し、充放電量制御部２２に出力する。この制限値は、図３に示すように、電力貯蔵量ＷＢに対応させて予めパターン化して定められている。図３は、横軸に電力貯蔵量ＷＢを、縦軸に充放電の指令値ＰＢ*を示している。充放電の指令値ＰＢ*は、充電の場合は−符号を付し、放電の場合＋符号を付して表す。図示のように、電力貯蔵部１２には、過放電を防止するために、電力貯蔵の最小貯蔵量ＷＢminが設定され、また過充電を防止するために、最大貯蔵量ＷＢmaxが設定されている。なお、最小貯蔵量ＷＢmin、最大貯蔵量ＷＢmaxは、電力貯蔵部１２に固有の値であるから、その仕様書に基づいて設定する。
【００２３】
これらに基づいて、充電の場合は、最大貯蔵量ＷＢmaxに達するまでＰＢ*≦−ＰＢmaxに制限して充電（―）を許容し、最大貯蔵量ＷＢmaxを超えたらＰＢ*＝０、つまり充電させないように制限する。一方、放電の場合は、最小貯蔵量ＷＢmin未満の場合はＰＢ*＝０に設定して放電を停止し、最小貯蔵量ＷＢmin以上の場合は最大貯蔵量ＷＢmaxに達するまでＰＢ*≦ＰＢmaxに制限して放電を許容する。言い換えれば、放電側の制限値を上限値ＬＨとし、充電側の制限値を下限値ＬＬと定義すると、それぞれ次のように表せる。ここで、ＰＢmaxの値は、電力変換部１３の定格容量に基づいて設定する。
【００２４】
ＷＢ＜ＷＢminの場合：上限値ＬＨ＝０，下限値ＬＬ＝−ＰＢmax
ＷＢmin≦ＷＢ≦ＷＢmaxの場合：上限値ＬＨ＝ＰＢmax，下限値ＬＬ＝−ＰＢmax
ＷＢ＜ＷＢmaxの場合：上限値ＬＨ＝ＰＢmax，下限値ＬＬ＝０
充放電量制御部２２は、演算器２１から入力されるΔＰＧに基づいて指令値ＰＢ*を生成し、それを上限値ＬＨと下限値ＬＬで制限して変換器制御部２４に出力する。その結果、指令値ＰＢ*は図３のハッチングを付して示した範囲に制限される。なお、発電量ＰＧと電力貯蔵量ＷＢは、燃料発電装置３と電力貯蔵部１２をそれぞれ複数備えてなる発電システムの場合は、総発電量及び総電力貯蔵量とする。自然エネルギ発電装置２の場合も同様であり、以下の実施の形態においても同様である。
【００２５】
電力変換制御部２４は、充放電の指令値ＰＢ*を取り込み、電力変換部１３を制御する信号を作成して、電力変換部１３に出力する。これにより、電力変換部１３は入力される制御信号に応じて動作し、電力貯蔵部１２の貯蔵電力を電力線４に放出したり、電力線４から電力を直流に変換して電力変換部１３に充電して電力を貯蔵する。
【００２６】
次に、図２の出力調整部２５について、図４のフローチャートを用いて説明する。出力調整部２５は、検出器１２から燃料発電装置３の発電量ＰＧを取り込むとともに、その基準値ＰＧ*を取り込む。そして、ステップＳ１において、ＰＧ*とＰＧを比較し、ＰＧがＰＧ*と等しいかあるいは大きければ、つまり最小負荷量以上であれば、ステップＳ２に進んで自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮの制限値ＰＮlimの設定を解除する。これにより、自然エネルギ発電装置２は、自然エネルギの変動に応じた最大出力の発電量ＰＮで運用される。一方、ステップＳ１の判断で、ＰＧがＰＧ*より小さい場合、つまり発電量ＰＧが最小負荷量を下回る場合、そのまま放置すると燃料発電装置３の寿命を損ねる。そこで、ステップＳ３に進んで、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮの制限値ＰＮlimをＰＧ−ＰＧ*に設定する。ステップＳ２，３における制限値ＰＮlimの設定及び解除は、自然エネルギ発電装置２に送られ、制限値ＰＮlimに応じて自然エネルギ発電装置２の発電量が低減される。なお、自然エネルギ発電装置２が複数の場合は、制限値ＰＮlimを各発電装置に適切に配分する。
【００２７】
このように構成される自然エネルギ発電システムの運用動作について次に説明する。自然エネルギ発電装置２は、自然エネルギを有効に利用して最大限発電するように運用され、発電量（有効電力）ＰＮを電力線４に出力するようにする。一方、燃料発電装置３は、本実施形態では、いわゆる負荷追従発電方式で運用する。つまり、燃料発電装置３の発電量ＰＧは、負荷の電力系統５の需要電力ＰＳに応じて電力線４の電圧乃至周波数が変化するのを吸収するように制御される。
【００２８】
したがって、基本的に、発電量ＰＧが基準値ＰＧ*以上であれば、自然エネルギ発電装置２は自然条件に合わせた最大の発電量ＰＮで運用され、需要電力ＰＳに対する発電システムの余剰電力は、電力貯蔵装置１に蓄えられる。
【００２９】
ここで、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮが変動した場合の動作を、図５に示したタイムチャートに沿って説明する。説明を簡単にするため、図５において、負荷の需要電力ＰＳは一定で変動していないものとする。図５の横軸は時間を表し、縦軸は上から順に、需要電力ＰＳに対する発電システムの発電量の過不足、燃料発電装置３の発電量ＰＧ、電力貯蔵装置１の充放電量ＰＢ、電力貯蔵部１２の電力貯蔵量ＷＢを示している。
【００３０】
まず、時刻ｔ０からｔ１において、燃料発電装置３の発電量ＰＧがその基準値ＰＧ*に一致しており、かつ自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮと発電量ＰＧとの合計が、電力需要量ＰＳを上回っている。したがって、その余剰電力により電力貯蔵装置１が充電動作して電力貯蔵量ＷＢが増加している。これは、結果的に、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮの変動分を吸収していることになる。
【００３１】
この充電動作により、時刻ｔ１において電力貯蔵部１２が最大貯蔵量ＷＢmaxに達すると、充放電量制限回路２３が動作して、その充電量の指令値ＰＢをゼロに制限して充電動作を停止させる。これにより、自然エネルギ発電システムに余剰電力が発生し、燃料発電装置３は発電量ＰＧを下げて調整しようとする。しかし、発電量ＰＧが基準値ＰＧ*より下回るので出力調整部２５が動作し、その差ΔＰＧに相当する値の制限値ＰＮlimが自然エネルギ発電装置２に出力される。これにより、発電量ＰＮが抑えられて燃料発電装置３の発電量ＰＧは基準値ＰＧ*に制御される。そして、最大貯蔵量ＷＢmaxに達した電力貯蔵部１２の過充電が防止される。
【００３２】
次に、時刻ｔ２において、何らかの理由により自然エネルギ発電装置２の出力発電量ＰＮが低減して、発電量ＰＮと発電量ＰＧとの合計が電力需要量ＰＳを下回ると、燃料発電装置３が応動して発電量ＰＧが増加しΔＰＧが正（＋）になる。これに充放電量制御部２２が応答して、ΔＰＧを低減するように充放電の指令値ＰＢ*を正（放電モード）にして変換部制御部２４を介して電力変換部１３を駆動し、貯蔵電力を放出する。このようにして、結果的に、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮの変動分を抑制している。
【００３３】
時刻ｔ２〜ｔ３の放電により、時刻ｔ３において電力貯蔵部１２の電力貯蔵量が最小貯蔵量ＷＢminに達すると、充放電指令制限部２３の動作により上限値ＬＨがゼロに切り替えられ、放電が停止される。その結果、不足電力を燃料発電装置３が賄うように発電量ＰＧが増加制御される。その結果、ΔＰＧが正（＋）になるが、充放電量制御部２２は上限値ＬＨがゼロに制限されているので充放電の指令値ＰＢは０のままである。一方、ΔＰＧが正（＋）になることにより、出力調整部２５が動作して、まず自然エネルギ発電装置２に出力されていた制限値ＰＮlimが解除される。これにより、自然エネルギ発電装置２の出力発電量ＰＮが増加し、その分だけ発電量ＰＧの増加は抑制される。
【００３４】
時刻ｔ４以降は、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮと燃料発電装置３の発電量ＰＧとの合計が、電力需要量ＰＳに一致しているときの動作を示している。また、電力貯蔵装置１の充放電量ＰＳもゼロに保持されている。なお、発電量ＰＮが制限されない状態で、かつ充放電量ＰＢが最大放電量（ＬＨ）で制限されているとき、又は放電停止のとき、燃料発電装置３は基準値ＰＧ*に拘わらず定格容量まで発電量ＰＧを増加して運用されるのはいうまでもない。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態１によれば、自然エネルギ発電装置２の出力変動を、電力貯蔵装置１の充放電量により吸収していることから、負荷の電力系統に安定した電力を供給でき、また電力貯蔵装置１の電力貯蔵量に応じて充放電の指令値を制限していることから、電力貯蔵装置１の長寿命化を図ることができる。
【００３６】
しかも、自然エネルギ発電装置２は自然エネルギの変動に合わせて最大限発電させる一方、燃料発電装置３の発電量ＰＧを基準値ＰＧ*に一致させるように、電力貯蔵装置１の電力貯蔵量に余裕があれば放電させる運用をしていることから、燃料費を最小化することができる。
【００３７】
また、燃料発電装置３の基準値ＰＧ*を最小負荷量に設定し、燃料発電装置３の発電量ＰＧがこれを下回るときは、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮを減少させるようにしているから、燃料発電装置３の寿命を延ばすことができる。
【００３８】
ここで、図３に示した充放電量の制限値は、最小貯蔵量ＷＢminと最大貯蔵量ＷＢmaxにおいて０から±ＰＢmaxに切り替えている。これによれば、切り替え点で充放電量の指令値ＰＢ*が急激に変化することになるので、これを避けるためには、一定の傾斜を持たせて０から±ＰＢmaxに切り替えるようにすることが好ましい。
（実施の形態２）
図６に、本発明の実施形態２に係る発電システムの構成図を示す。図１の実施の形態１との違いは、燃料発電装置３の発電量ＰＧを検出してシステムを制御することに代えて、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮと、電力線４と電力系統５との連系点とにおける電力需要量ＰＳとを検出器１４、１５により検出するように変更したことにある。また、これに合わせて制御装置１４を、図７に示すように制御装置１７に変更した。図において、実施の形態１と同一の機能構成を有する回路等には、同一符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図７に示すように、制御装置１７は、検出器１１から電力貯蔵量ＷＢ、検出器１５から自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮ、検出器１６から電力系統５の電力需要量ＰＳを取り込み、次式（１）により、充放電の指令値ＰＢ’*を求める。式（１）で、ＰＧ*は実施の形態１と同様、燃料発電装置３の最小負荷量である。
【００４０】
ＰＢ’*＝ＰＳ−ＰＮ−ＰＧ* （１）
ここで、ＰＳ ＝ＰＮ＋ＰＢ＋ＰＧであるから、式（１）を変形すると、
ＰＢ’*＝ＰＢ＋ＰＧ−ＰＧ*＝ＰＢ＋ΔＰＧとなり、指令値ＰＢ’*は現在の充放電量ＰＢにΔＰＧを加えた値になるから、実施の形態１と同様にΔＰＧを低減するように制御することになる。
【００４１】
また、各発電量又は充放電量の符号は、図中矢印の方向を正と定義する。したがって、電力貯蔵装置１の充放電量ＰＢは、電力貯蔵部１１の放電方向が正で、充電方向が負となる。例えば、（ＰＮ＋ＰＧ）＞ＰＳのときは、ＰＢ’*は負となり、それに従って電力貯蔵装置１は正のΔＰＧを低減するように余剰電力を吸収(充電)する。逆に、（ＰＮ＋ＰＧ）＜ＰＳのときは、ＰＢ’*は正となり、それに従って電力貯蔵装置１は負のΔＰＧを低減するように不足電力を供給(放電)する。（ＰＮ＋ＰＧ）＝ＰＳのときは、当然に、電力貯蔵装置１は充放電しない。
【００４２】
リミッタ回路２７は、入力される充放電量の指令値ＰＢ’*を、図３で説明した充放電量の上限値ＬＨと下限値ＬＬに制限し、これを指令値ＰＢ*として変換器制御部２４に出力するようになっている。
【００４３】
一方、出力調整部２８は、指令値ＰＢ’*とリミッタを受けた指令値ＰＢ*を取り込み、図８のフローチャートに示すように、自然エネルギ発電装置２の制限値ＰＮlimを設定するか、その設定を解除する。まず、ステップＳ１１で、ＰＢ’*とＰＢ*を比較し、ＰＢ*≦ＰＢ’*であれば、電力貯蔵装置１からの「放電」が制限を受けていることになるから、ステップＳ１２に進んで自然エネルギ発電装置２の制限値ＰＮlimの解除を行なって発電量ＰＮを増加させる。これにより、電力需給のバランスをとる。また、ＰＢ*＞ＰＢ’*であれば、電力貯蔵装置１への「充電」が制限を受けていることになるから、ステップＳ１３に進んでＰＢ’*―ＰＢ*を制限値ＰＮlimとして設定することにより、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮをＰＮlimに制限して、電力需給のバランスをとる。
【００４４】
その他の事項は、実施の形態１と同様である。本実施形態２は、実施の形態１に対して、検出する発電量の組合せを変えただけであり、実質的には、燃料発電装置３の発電量ＰＧを基準値ＰＧ*に一致させるように、電力貯蔵装置１の電力貯蔵量に余裕があれば放電させる運用となるから、実施の形態１と同一の効果が得られる。
（実施の形態３）図９に、本発明の実施形態３に係る発電システムの構成図を示す。図１の実施の形態１との違いは、燃料発電装置として有効電力の制御機能を有する燃料発電装置３０を適用したことにある。そして、燃料発電装置３０の出力発電量ＰＧと、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮと、電力線４と電力系統５との連系点における電力需要量ＰＳとを、それぞれ検出器１２、１４、１５により検出し、これらに基づいて制御装置３１により、電力貯蔵装置１と自然エネルギ発電装置２と燃料発電装置３０を制御するようにしたことにある。
【００４５】
すなわち、制御装置３１は、図１０に示すように、演算器３２において、次式（２）により、充放電の指令値ＰＢ’*を求める。ただし、燃料発電装置３０は、有効電力制御機能によって発電量ＰＧを、前述と同様の基準値ＰＧ*に合わせて制御しているものとする。
【００４６】
ＰＢ’*＝ＰＳ−ＰＮ−ＰＧ （２）
ここで、ＰＳ＝ＰＧ＋ＰＮ＋ＰＢであるから、ＰＢ’*＝ＰＢとなる。また、充放電指令制限部２３とリミッタ回路３３は、図７と同一である。
【００４７】
一方、出力調整部３４は、リミッタ回路３３に入力される充放電の指令値ＰＢ’*と、電力変換部２４に入力される充放電の指令値ＰＢ*とを取り込み、図１１に示すフローチャートにしたがって、制限値ＰＮlimの設定及び解除を決定するとともに、燃料発電装置３０の発電量の増減指令ΔＰＧ*を求めて燃料発電装置３０に出力するようになっている。
【００４８】
すなわち、図１１に示すように、ステップＳ２１で、ＰＢ*＞ＰＢ’*か否か判断する。この判断が肯定（ＹＥＳ）の場合は、電力貯蔵装置１への「充電」が制限を受けていることになるから、ステップＳ２２に進んで自然エネルギ発電装置２の制限値ＰＮlimを、ＰＮlim＝ＰＢ’*―ＰＢ*に設定し、燃料発電装置３０の出力増加指令ΔＰＧ*をゼロに設定する。一方、ステップＳ２１の判断が否定のときは、ステップＳ２３に進んでＰＢ*＜ＰＢ’*か否か判断する。この判断が肯定のときは電力貯蔵装置１からの「放電」が制限を受けていることになるから、ステップＳ２４に進んで自然エネルギ発電装置２の制限値ＰＮlimの設定を解除し、燃料発電装置３０の出力増加指令ΔＰＧ*を、ΔＰＧ*＝ＰＢ’*―ＰＢ*に設定する。一方、ステップＳ２３の判断が否定のときは、ステップＳ２５に進んで、制限値ＰＮlimの設定を解除し、出力増加指令ΔＰＧ*をゼロにする。
【００４９】
これにより、有効電力制御装置を有する燃料発電装置３０を用いた場合でも、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料発電装置を組み合わせた自然エネルギ発電システムにおける燃料発電装置と電力貯蔵装置の運用方法が確立され、自然エネルギ発電装置を最大限に活用するとともに、電力貯蔵装置の運用状態に応じて充放電量を制限し、かつ燃料発電装置の発電量を最小化するように運用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の自然エネルギ発電システムの系統構成図である。
【図２】図１実施形態の制御装置の詳細構成図である。
【図３】図２の充放電量制御部における充放電指令値の制限の設定方法を説明する図である。
【図４】図２の出力調整部における処理手順を示すフローチャートである。
【図５】図１実施形態の自然エネルギ発電システムの動作の一例を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態２の自然エネルギ発電システムの系統構成図である。
【図７】図２の実施形態の制御装置の詳細構成図である。
【図８】図７の出力調整部における処理手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態３の自然エネルギ発電システムの系統構成図である
【図１０】図９の実施形態の制御装置の詳細構成図である。
【図１１】図１０の出力調整部における処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 電力貯蔵装置
２ 自然エネルギ発電装置
３、３０ 燃料発電装置
４ 電力線
５ 電力系統
１１、１５，１６ 検出器
１２ 電力貯蔵部
１３ 電力変換器
１４、１７ 制御装置
２１、２６、３２ 演算器
２２ 充放電量制御部
２３ 充放電指令制限部
２４ 変換器制御部
２５、２８、３４ 出力調整部
２７、３３ リミッタ回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、自然エネルギを直接利用して発電する発電装置（以下、自然エネルギ発電装置という。）と電力貯蔵装置とを組み合わせてなる自然エネルギ発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境保護の動きの中で、太陽光発電や風力発電等の自然エネルギを直接利用して発電する発電装置の導入が促進されている。このような自然エネルギ発電としては、太陽光や風力の他に、波力発電、潮力発電、地熱発電などが知られている。これらの自然エネルギ発電装置は、太陽光や風力等の自然エネルギを直接的に電力に変換することから、発電量が自然条件によって変動する。そこで、負荷の電力系統に安定して電力を供給するために、変動を吸収する電力貯蔵装置と組合わせた発電システム（以下、自然エネルギ発電システムという。）が提案されている。なお、電力貯蔵装置としては、２次電池、電気二重層コンデンサ、フライホイール、超伝導コイル等が知られている。
【０００３】
例えば、特開２００１−３２７０８０号公報に、自然エネルギ発電装置と電力貯蔵装置とを組み合わせた自然エネルギ発電システムが提案されている。これによれば、太陽光や風力発電などの分散電源による電力系統への出力変動を防止するにあたって、電力貯蔵部の電力貯蔵量不足や満充電防止を考慮して、電力貯蔵量に応じて分散電源の発電量目標値を設定して制御する方法が記載されている。
【０００４】
また、特開２００１−２９８８７２号公報には、過放電及び過充電により２次電池の寿命が損なわれることに鑑み、電池の状態に応じて充放電量の上限値を設定し、充放電量を上限値以下で運用することにより、電池の長寿命化を図ることが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の自然エネルギ発電システムによれば、一定の範囲で自然エネルギ発電装置の出力変動を抑制し、かつ電力貯蔵装置の状態に応じて充放電量を制限することにより電力貯蔵装置の寿命を延ばすことが可能である。また、電力系統との連系を考慮しており、自然エネルギ発電装置の発電量が不足する場合に、電力系統から電力供給を受けて電力貯蔵装置を充電する運用も行なわれている。
【０００６】
しかし、電力系統から電力供給を受けることができない場合や、自然エネルギ発電システム単独で負荷の電力需要を賄うことが要請される場合は、負荷の電力需要に対して安定供給できない場合が生ずる。
【０００７】
そこで、自然エネルギ発電システムに、発電量を任意に制御できる燃料を用いた燃料発電装置を組み合わせることが望まれるが、その場合、燃料発電装置と電力貯蔵装置との運用をどのようにするかが問題となる。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、燃料発電装置を組み合わせた自然エネルギ発電システムにおいて、燃料発電装置と電力貯蔵装置の運用方法を確立することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、次に述べる手段により、上記課題を解決するものである。
【００１０】
すなわち、自然エネルギ発電装置の出力変動を電力貯蔵装置と燃料発電装置により抑制し、負荷の電力系統に安定した電力を供給することを基本とする。そして、自然エネルギ発電装置を最大限に活用するとともに、電力貯蔵装置の運用状態に応じて充放電量を制限し、かつ燃料発電装置の発電量を最小化するように運用することを特徴とする。
【００１１】
これにより、二次電池からなる電力貯蔵装置を長寿命化するだけでなく、燃料費を最小化できる。また、燃料発電装置の特性から最小負荷運転の制限がある場合は、最小負荷を基準値とし、燃料発電装置の発電量をその基準値に制御することにより、燃料発電装置の長寿命化をも図ることができる。なお、燃料発電装置としては、一般に広く知られている発電装置を適用できるが、ディーゼルやガスタービンなどの内燃機関発電、水素ガスを燃料とする燃料電池、火力発電等がある。
【００１２】
具体的なシステムとしては、自然エネルギを直接利用して発電する自然エネルギ発電装置と、該自然エネルギ発電装置の出力変動を吸収する電力貯蔵装置と、負荷の需要電力に対する前記自然エネルギ発電装置と前記電力貯蔵装置の不足電力に基づいて発電量を制御する燃料発電装置と、前記燃料発電装置の発電量を基準値に維持するように前記電力貯蔵装置の充放電の指令値を生成する充放電制御手段とを備えて構成することができる。
【００１３】
この場合において、充放電制御手段は、電力貯蔵装置の電力貯蔵量に基づいて充放電の指令値を制限する充放電指令制限部及び充放電制御部を備えることができる。この充放電指令制限部及び充放電制御部は、電力貯蔵装置の電力貯蔵量が予め定めた最小値以下のとき、放電を禁止して充電のみを許容する指令値に制御し、電力貯蔵装置の電力貯蔵量が予め定めた最大値以上のときは、充電を禁止して放電のみを許容する指令値に制御することが好ましい。また、燃料発電装置の発電量が前記基準値未満に低下したとき、自然エネルギ発電装置の発電量を差分低減させる指令を出力する出力調整手段を設けることが好ましい。
【００１４】
更に、他の自然エネルギ発電システムは、自然エネルギを直接利用して発電する自然エネルギ発電装置と、電力貯蔵装置と、燃料を用いた燃料発電装置と、前記自然エネルギ発電装置と前記電力貯蔵装置と前記燃料発電装置とに接続され負荷に電力を供給する電力線と、前記自然エネルギ発電装置と前記電力貯蔵装置と前記燃料発電装置とを協調制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記自然エネルギ発電装置の発電量と前記燃料発電装置の発電量と前記負荷の需要電力との需給差を入力とし、該需給差に基づいて前記電力貯蔵装置の充放電量を制御する充放電指令値を出力する充放電制御手段を有してなるものとすることができる。
【００１５】
そして、充放電制御手段は、電力貯蔵装置の電力貯蔵量に基づいて充放電指令値を制限するものとし、具体的には、電力貯蔵装置の電力貯蔵量が予め定めた最大値以上のとき充電を禁止し、前記電力貯蔵装置の電力貯蔵量が予め定めた最小値以下のとき放電を禁止するものする。この場合に、充放電制御手段が充電禁止の指令を出力するとき、自然エネルギ発電装置に発電量の制限値を出力するとともに、燃料発電装置に発電量を基準値に制御する指令を出力し、充放電制御手段が放電禁止の指令を出力するとき、自然エネルギ発電装置に発電量の制限を解除する指令を出力するとともに、燃料発電装置に需給差の出力増加指令を出力し、充放電指令値が前記電力貯蔵量による制限を受けていないとき、自然エネルギ発電装置に発電量の制限を解除する指令を出力するとともに、燃料発電装置に発電量を基準値に制御する指令を出力する出力調整手段を設けることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１〜図１１を参照して説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１に、本発明の自然エネルギ発電システムの一実施形態の構成図を示す。図示のように、本実施形態の自然エネルギ発電システムは、電力貯蔵装置１と、自然エネルギ（ＮＥ）発電装置２と、燃料発電装置３とが共通の電力線４に接続され、電力線４を介して負荷の電力系統５に接続されている。電力貯蔵装置１は、電力変換部１３を介して電力線４に接続された電力貯蔵部１２を有して構成されている。
【００１８】
電力貯蔵部１２は、鉛蓄電池やナトリウム硫黄電池などの二次電池、電気二重層コンデンサ、フライホイール及び超電導コイルなどの少なくとも１つを適用できる。電力変換部１３は、電力貯蔵部１２と電力線４との間で、充放電する電力を調整する交直変換器等が適用できる。
【００１９】
自然エネルギ発電装置２は、太陽光や風力発電のように自然エネルギを利用する少なくとも１つの発電装置が適用される。燃料発電装置３は、ディーゼル発電機のように周波数又は回転数を制御する機能を備え、化石燃料や燃料ガスの反応を利用する少なくとも１つの発電装置を適用できる。
【００２０】
また、電力貯蔵部１２には、電力貯蔵量Ｗを検出する検出器１１が設けられ、燃料発電装置３には発電量ＰＧを検出する検出器１２が設けられている。これらの検出器１１、１２により検出された電力貯蔵量ＷＢと発電量ＰＧは制御装置１４に入力されている。制御装置１４は、入力される電力貯蔵量ＷＢと発電量ＰＧに基づいて、電力変換部１３を制御するとともに、自然エネルギ発電装置２を制御するようになっている。ここで、本明細書において発電量ＰＧ、ＰＮ、充放電量ＰＢ及び需要電力ＰＳは全て有効電力を意味するものとする。
【００２１】
制御装置１４は、図２に示すように構成されている。図示のように、燃料発電装置３の発電量ＰＧは演算器２１に入力される。演算器２１は、燃料発電装置３の発電量制御の基準値ＰＧ*との差ΔＰＧ＝ＰＧ―ＰＧ*を求めて充放電量制御部２２に出力する。本実施形態においては、基準値ＰＧ*は、燃料発電装置２の寿命を考慮して定めた最小負荷量に設定する。つまり、通常、燃料発電装置２は、装置の特性上から発電量を下げて運用できる限界が定められ、これを下回る運用は装置の寿命を短くすることが知られていることを考慮する。充放電量制御部２２は比例積分制御機能を有して構成され、ΔＰＧを低減すべく、電力貯蔵装置１の充放電の指令値ＰＢ*を求めて変換器制御部２４に出力する。変換器制御部２４は、入力される指令値ＰＢ*に従って電力変換部１３を制御する。
【００２２】
一方、検出器１１で検出された電力貯蔵量ＷＢは充放電指令制限部２３に入力される。充放電指令制限部２３は、現在の電力貯蔵量ＷＢに基づいて、電力貯蔵装置１に許容される充放電の制限値を決定し、充放電量制御部２２に出力する。この制限値は、図３に示すように、電力貯蔵量ＷＢに対応させて予めパターン化して定められている。図３は、横軸に電力貯蔵量ＷＢを、縦軸に充放電の指令値ＰＢ*を示している。充放電の指令値ＰＢ*は、充電の場合は−符号を付し、放電の場合＋符号を付して表す。図示のように、電力貯蔵部１２には、過放電を防止するために、電力貯蔵の最小貯蔵量ＷＢminが設定され、また過充電を防止するために、最大貯蔵量ＷＢmaxが設定されている。なお、最小貯蔵量ＷＢmin、最大貯蔵量ＷＢmaxは、電力貯蔵部１２に固有の値であるから、その仕様書に基づいて設定する。
【００２３】
これらに基づいて、充電の場合は、最大貯蔵量ＷＢmaxに達するまでＰＢ*≦−ＰＢmaxに制限して充電（―）を許容し、最大貯蔵量ＷＢmaxを超えたらＰＢ*＝０、つまり充電させないように制限する。一方、放電の場合は、最小貯蔵量ＷＢmin未満の場合はＰＢ*＝０に設定して放電を停止し、最小貯蔵量ＷＢmin以上の場合は最大貯蔵量ＷＢmaxに達するまでＰＢ*≦ＰＢmaxに制限して放電を許容する。言い換えれば、放電側の制限値を上限値ＬＨとし、充電側の制限値を下限値ＬＬと定義すると、それぞれ次のように表せる。ここで、ＰＢmaxの値は、電力変換部１３の定格容量に基づいて設定する。
【００２４】
ＷＢ＜ＷＢminの場合：上限値ＬＨ＝０，下限値ＬＬ＝−ＰＢmax
ＷＢmin≦ＷＢ≦ＷＢmaxの場合：上限値ＬＨ＝ＰＢmax，下限値ＬＬ＝−ＰＢmax
ＷＢ＜ＷＢmaxの場合：上限値ＬＨ＝ＰＢmax，下限値ＬＬ＝０
充放電量制御部２２は、演算器２１から入力されるΔＰＧに基づいて指令値ＰＢ*を生成し、それを上限値ＬＨと下限値ＬＬで制限して変換器制御部２４に出力する。その結果、指令値ＰＢ*は図３のハッチングを付して示した範囲に制限される。なお、発電量ＰＧと電力貯蔵量ＷＢは、燃料発電装置３と電力貯蔵部１２をそれぞれ複数備えてなる発電システムの場合は、総発電量及び総電力貯蔵量とする。自然エネルギ発電装置２の場合も同様であり、以下の実施の形態においても同様である。
【００２５】
電力変換制御部２４は、充放電の指令値ＰＢ*を取り込み、電力変換部１３を制御する信号を作成して、電力変換部１３に出力する。これにより、電力変換部１３は入力される制御信号に応じて動作し、電力貯蔵部１２の貯蔵電力を電力線４に放出したり、電力線４から電力を直流に変換して電力変換部１３に充電して電力を貯蔵する。
【００２６】
次に、図２の出力調整部２５について、図４のフローチャートを用いて説明する。出力調整部２５は、検出器１２から燃料発電装置３の発電量ＰＧを取り込むとともに、その基準値ＰＧ*を取り込む。そして、ステップＳ１において、ＰＧ*とＰＧを比較し、ＰＧがＰＧ*と等しいかあるいは大きければ、つまり最小負荷量以上であれば、ステップＳ２に進んで自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮの制限値ＰＮlimの設定を解除する。これにより、自然エネルギ発電装置２は、自然エネルギの変動に応じた最大出力の発電量ＰＮで運用される。一方、ステップＳ１の判断で、ＰＧがＰＧ*より小さい場合、つまり発電量ＰＧが最小負荷量を下回る場合、そのまま放置すると燃料発電装置３の寿命を損ねる。そこで、ステップＳ３に進んで、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮの制限値ＰＮlimをＰＧ−ＰＧ*に設定する。ステップＳ２，３における制限値ＰＮlimの設定及び解除は、自然エネルギ発電装置２に送られ、制限値ＰＮlimに応じて自然エネルギ発電装置２の発電量が低減される。なお、自然エネルギ発電装置２が複数の場合は、制限値ＰＮlimを各発電装置に適切に配分する。
【００２７】
このように構成される自然エネルギ発電システムの運用動作について次に説明する。自然エネルギ発電装置２は、自然エネルギを有効に利用して最大限発電するように運用され、発電量（有効電力）ＰＮを電力線４に出力するようにする。一方、燃料発電装置３は、本実施形態では、いわゆる負荷追従発電方式で運用する。つまり、燃料発電装置３の発電量ＰＧは、負荷の電力系統５の需要電力ＰＳに応じて電力線４の電圧乃至周波数が変化するのを吸収するように制御される。
【００２８】
したがって、基本的に、発電量ＰＧが基準値ＰＧ*以上であれば、自然エネルギ発電装置２は自然条件に合わせた最大の発電量ＰＮで運用され、需要電力ＰＳに対する発電システムの余剰電力は、電力貯蔵装置１に蓄えられる。
【００２９】
ここで、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮが変動した場合の動作を、図５に示したタイムチャートに沿って説明する。説明を簡単にするため、図５において、負荷の需要電力ＰＳは一定で変動していないものとする。図５の横軸は時間を表し、縦軸は上から順に、需要電力ＰＳに対する発電システムの発電量の過不足、燃料発電装置３の発電量ＰＧ、電力貯蔵装置１の充放電量ＰＢ、電力貯蔵部１２の電力貯蔵量ＷＢを示している。
【００３０】
まず、時刻ｔ０からｔ１において、燃料発電装置３の発電量ＰＧがその基準値ＰＧ*に一致しており、かつ自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮと発電量ＰＧとの合計が、電力需要量ＰＳを上回っている。したがって、その余剰電力により電力貯蔵装置１が充電動作して電力貯蔵量ＷＢが増加している。これは、結果的に、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮの変動分を吸収していることになる。
【００３１】
この充電動作により、時刻ｔ１において電力貯蔵部１２が最大貯蔵量ＷＢmaxに達すると、充放電量制限回路２３が動作して、その充電量の指令値ＰＢをゼロに制限して充電動作を停止させる。これにより、自然エネルギ発電システムに余剰電力が発生し、燃料発電装置３は発電量ＰＧを下げて調整しようとする。しかし、発電量ＰＧが基準値ＰＧ*より下回るので出力調整部２５が動作し、その差ΔＰＧに相当する値の制限値ＰＮlimが自然エネルギ発電装置２に出力される。これにより、発電量ＰＮが抑えられて燃料発電装置３の発電量ＰＧは基準値ＰＧ*に制御される。そして、最大貯蔵量ＷＢmaxに達した電力貯蔵部１２の過充電が防止される。
【００３２】
次に、時刻ｔ２において、何らかの理由により自然エネルギ発電装置２の出力発電量ＰＮが低減して、発電量ＰＮと発電量ＰＧとの合計が電力需要量ＰＳを下回ると、燃料発電装置３が応動して発電量ＰＧが増加しΔＰＧが正（＋）になる。これに充放電量制御部２２が応答して、ΔＰＧを低減するように充放電の指令値ＰＢ*を正（放電モード）にして変換部制御部２４を介して電力変換部１３を駆動し、貯蔵電力を放出する。このようにして、結果的に、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮの変動分を抑制している。
【００３３】
時刻ｔ２〜ｔ３の放電により、時刻ｔ３において電力貯蔵部１２の電力貯蔵量が最小貯蔵量ＷＢminに達すると、充放電指令制限部２３の動作により上限値ＬＨがゼロに切り替えられ、放電が停止される。その結果、不足電力を燃料発電装置３が賄うように発電量ＰＧが増加制御される。その結果、ΔＰＧが正（＋）になるが、充放電量制御部２２は上限値ＬＨがゼロに制限されているので充放電の指令値ＰＢは０のままである。一方、ΔＰＧが正（＋）になることにより、出力調整部２５が動作して、まず自然エネルギ発電装置２に出力されていた制限値ＰＮlimが解除される。これにより、自然エネルギ発電装置２の出力発電量ＰＮが増加し、その分だけ発電量ＰＧの増加は抑制される。
【００３４】
時刻ｔ４以降は、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮと燃料発電装置３の発電量ＰＧとの合計が、電力需要量ＰＳに一致しているときの動作を示している。また、電力貯蔵装置１の充放電量ＰＳもゼロに保持されている。なお、発電量ＰＮが制限されない状態で、かつ充放電量ＰＢが最大放電量（ＬＨ）で制限されているとき、又は放電停止のとき、燃料発電装置３は基準値ＰＧ*に拘わらず定格容量まで発電量ＰＧを増加して運用されるのはいうまでもない。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態１によれば、自然エネルギ発電装置２の出力変動を、電力貯蔵装置１の充放電量により吸収していることから、負荷の電力系統に安定した電力を供給でき、また電力貯蔵装置１の電力貯蔵量に応じて充放電の指令値を制限していることから、電力貯蔵装置１の長寿命化を図ることができる。
【００３６】
しかも、自然エネルギ発電装置２は自然エネルギの変動に合わせて最大限発電させる一方、燃料発電装置３の発電量ＰＧを基準値ＰＧ*に一致させるように、電力貯蔵装置１の電力貯蔵量に余裕があれば放電させる運用をしていることから、燃料費を最小化することができる。
【００３７】
また、燃料発電装置３の基準値ＰＧ*を最小負荷量に設定し、燃料発電装置３の発電量ＰＧがこれを下回るときは、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮを減少させるようにしているから、燃料発電装置３の寿命を延ばすことができる。
【００３８】
ここで、図３に示した充放電量の制限値は、最小貯蔵量ＷＢminと最大貯蔵量ＷＢmaxにおいて０から±ＰＢmaxに切り替えている。これによれば、切り替え点で充放電量の指令値ＰＢ*が急激に変化することになるので、これを避けるためには、一定の傾斜を持たせて０から±ＰＢmaxに切り替えるようにすることが好ましい。
（実施の形態２）
図６に、本発明の実施形態２に係る発電システムの構成図を示す。図１の実施の形態１との違いは、燃料発電装置３の発電量ＰＧを検出してシステムを制御することに代えて、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮと、電力線４と電力系統５との連系点とにおける電力需要量ＰＳとを検出器１４、１５により検出するように変更したことにある。また、これに合わせて制御装置１４を、図７に示すように制御装置１７に変更した。図において、実施の形態１と同一の機能構成を有する回路等には、同一符号を付して説明を省略する。
【００３９】
図７に示すように、制御装置１７は、検出器１１から電力貯蔵量ＷＢ、検出器１５から自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮ、検出器１６から電力系統５の電力需要量ＰＳを取り込み、次式（１）により、充放電の指令値ＰＢ’*を求める。式（１）で、ＰＧ*は実施の形態１と同様、燃料発電装置３の最小負荷量である。
【００４０】
ＰＢ’*＝ＰＳ−ＰＮ−ＰＧ* （１）
ここで、ＰＳ ＝ＰＮ＋ＰＢ＋ＰＧであるから、式（１）を変形すると、
ＰＢ’*＝ＰＢ＋ＰＧ−ＰＧ*＝ＰＢ＋ΔＰＧとなり、指令値ＰＢ’*は現在の充放電量ＰＢにΔＰＧを加えた値になるから、実施の形態１と同様にΔＰＧを低減するように制御することになる。
【００４１】
また、各発電量又は充放電量の符号は、図中矢印の方向を正と定義する。したがって、電力貯蔵装置１の充放電量ＰＢは、電力貯蔵部１１の放電方向が正で、充電方向が負となる。例えば、（ＰＮ＋ＰＧ）＞ＰＳのときは、ＰＢ’*は負となり、それに従って電力貯蔵装置１は正のΔＰＧを低減するように余剰電力を吸収(充電)する。逆に、（ＰＮ＋ＰＧ）＜ＰＳのときは、ＰＢ’*は正となり、それに従って電力貯蔵装置１は負のΔＰＧを低減するように不足電力を供給(放電)する。（ＰＮ＋ＰＧ）＝ＰＳのときは、当然に、電力貯蔵装置１は充放電しない。
【００４２】
リミッタ回路２７は、入力される充放電量の指令値ＰＢ’*を、図３で説明した充放電量の上限値ＬＨと下限値ＬＬに制限し、これを指令値ＰＢ*として変換器制御部２４に出力するようになっている。
【００４３】
一方、出力調整部２８は、指令値ＰＢ’*とリミッタを受けた指令値ＰＢ*を取り込み、図８のフローチャートに示すように、自然エネルギ発電装置２の制限値ＰＮlimを設定するか、その設定を解除する。まず、ステップＳ１１で、ＰＢ’*とＰＢ*を比較し、ＰＢ*≦ＰＢ’*であれば、電力貯蔵装置１からの「放電」が制限を受けていることになるから、ステップＳ１２に進んで自然エネルギ発電装置２の制限値ＰＮlimの解除を行なって発電量ＰＮを増加させる。これにより、電力需給のバランスをとる。また、ＰＢ*＞ＰＢ’*であれば、電力貯蔵装置１への「充電」が制限を受けていることになるから、ステップＳ１３に進んでＰＢ’*―ＰＢ*を制限値ＰＮlimとして設定することにより、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮをＰＮlimに制限して、電力需給のバランスをとる。
【００４４】
その他の事項は、実施の形態１と同様である。本実施形態２は、実施の形態１に対して、検出する発電量の組合せを変えただけであり、実質的には、燃料発電装置３の発電量ＰＧを基準値ＰＧ*に一致させるように、電力貯蔵装置１の電力貯蔵量に余裕があれば放電させる運用となるから、実施の形態１と同一の効果が得られる。
（実施の形態３）図９に、本発明の実施形態３に係る発電システムの構成図を示す。図１の実施の形態１との違いは、燃料発電装置として有効電力の制御機能を有する燃料発電装置３０を適用したことにある。そして、燃料発電装置３０の出力発電量ＰＧと、自然エネルギ発電装置２の発電量ＰＮと、電力線４と電力系統５との連系点における電力需要量ＰＳとを、それぞれ検出器１２、１４、１５により検出し、これらに基づいて制御装置３１により、電力貯蔵装置１と自然エネルギ発電装置２と燃料発電装置３０を制御するようにしたことにある。
【００４５】
すなわち、制御装置３１は、図１０に示すように、演算器３２において、次式（２）により、充放電の指令値ＰＢ’*を求める。ただし、燃料発電装置３０は、有効電力制御機能によって発電量ＰＧを、前述と同様の基準値ＰＧ*に合わせて制御しているものとする。
【００４６】
ＰＢ’*＝ＰＳ−ＰＮ−ＰＧ （２）
ここで、ＰＳ＝ＰＧ＋ＰＮ＋ＰＢであるから、ＰＢ’*＝ＰＢとなる。また、充放電指令制限部２３とリミッタ回路３３は、図７と同一である。
【００４７】
一方、出力調整部３４は、リミッタ回路３３に入力される充放電の指令値ＰＢ’*と、電力変換部２４に入力される充放電の指令値ＰＢ*とを取り込み、図１１に示すフローチャートにしたがって、制限値ＰＮlimの設定及び解除を決定するとともに、燃料発電装置３０の発電量の増減指令ΔＰＧ*を求めて燃料発電装置３０に出力するようになっている。
【００４８】
すなわち、図１１に示すように、ステップＳ２１で、ＰＢ*＞ＰＢ’*か否か判断する。この判断が肯定（ＹＥＳ）の場合は、電力貯蔵装置１への「充電」が制限を受けていることになるから、ステップＳ２２に進んで自然エネルギ発電装置２の制限値ＰＮlimを、ＰＮlim＝ＰＢ’*―ＰＢ*に設定し、燃料発電装置３０の出力増加指令ΔＰＧ*をゼロに設定する。一方、ステップＳ２１の判断が否定のときは、ステップＳ２３に進んでＰＢ*＜ＰＢ’*か否か判断する。この判断が肯定のときは電力貯蔵装置１からの「放電」が制限を受けていることになるから、ステップＳ２４に進んで自然エネルギ発電装置２の制限値ＰＮlimの設定を解除し、燃料発電装置３０の出力増加指令ΔＰＧ*を、ΔＰＧ*＝ＰＢ’*―ＰＢ*に設定する。一方、ステップＳ２３の判断が否定のときは、ステップＳ２５に進んで、制限値ＰＮlimの設定を解除し、出力増加指令ΔＰＧ*をゼロにする。
【００４９】
これにより、有効電力制御装置を有する燃料発電装置３０を用いた場合でも、実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料発電装置を組み合わせた自然エネルギ発電システムにおける燃料発電装置と電力貯蔵装置の運用方法が確立され、自然エネルギ発電装置を最大限に活用するとともに、電力貯蔵装置の運用状態に応じて充放電量を制限し、かつ燃料発電装置の発電量を最小化するように運用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の自然エネルギ発電システムの系統構成図である。
【図２】図１実施形態の制御装置の詳細構成図である。
【図３】図２の充放電量制御部における充放電指令値の制限の設定方法を説明する図である。
【図４】図２の出力調整部における処理手順を示すフローチャートである。
【図５】図１実施形態の自然エネルギ発電システムの動作の一例を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態２の自然エネルギ発電システムの系統構成図である。
【図７】図２の実施形態の制御装置の詳細構成図である。
【図８】図７の出力調整部における処理手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態３の自然エネルギ発電システムの系統構成図である
【図１０】図９の実施形態の制御装置の詳細構成図である。
【図１１】図１０の出力調整部における処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 電力貯蔵装置
２ 自然エネルギ発電装置
３、３０ 燃料発電装置
４ 電力線
５ 電力系統
１１、１５，１６ 検出器
１２ 電力貯蔵部
１３ 電力変換器
１４、１７ 制御装置
２１、２６、３２ 演算器
２２ 充放電量制御部
２３ 充放電指令制限部
２４ 変換器制御部
２５、２８、３４ 出力調整部
２７、３３ リミッタ回路
Claims (3)
- 自然エネルギを直接利用して発電する自然エネルギ発電装置の出力変動を、二次電池からなる電力貯蔵装置及び燃料を用いた燃料発電装置により抑制して負荷に電力を供給する自然エネルギ発電システムの運用方法において、
前記自然エネルギ発電装置は自然条件に合わせた最大の発電量で運用するとともに、前記燃料発電装置は負荷追従方式で前記負荷に供給する不足電力を吸収するように制御し、かつ予め定めた最小負荷量に対応する基準値以上の発電量で運用するものとし、
前記燃料発電装置の発電量を検出し、該検出発電量と前記基準値とを比較し、前記検出発電量が前記基準値を下回る場合は、前記燃料発電装置の発電量を前記基準値に制御して余剰電力を前記電力貯蔵装置に充電し、該充電中に前記電力貯蔵装置の貯蔵電力量を検出し、該検出貯蔵電力量が予め設定された最大貯蔵量に達したときは、前記電力貯蔵装置の充電を停止させて前記自然エネルギ発電装置の発電量を低減させ、
前記燃料発電装置の前記検出発電量と前記基準値とを比較し、前記検出発電量が前記基準値を上回る場合は、前記燃料発電装置の発電量を前記基準値に制御して不足電力を前記電力貯蔵装置から放電し、該放電中に前記電力貯蔵装置の貯蔵電力量を検出し、検出貯蔵電力量が予め設定された最小貯蔵量に低下したときは、前記電力貯蔵装置の放電を停止させて前記不足電力を前記燃料発電装置により賄うように該燃料発電装置の発電量を増加させることを特徴とする自然エネルギ発電システムの運用方法。 - 自然エネルギを直接利用して発電する自然エネルギ発電装置と、
該自然エネルギ発電装置の出力変動を吸収する二次電池からなる電力貯蔵装置と、
負荷の需要電力に対する前記自然エネルギ発電装置と前記電力貯蔵装置の不足電力を負荷追従方式で吸収するように発電量が制御される燃料発電装置と、
前記燃料発電装置の発電量を予め定めた最小負荷量に対応する基準値以上に維持するように前記電力貯蔵装置の充放電の指令値を生成する充放電制御手段とを備え、
前記充放電制御手段は、前記電力貯蔵装置の電力貯蔵量の検出値を入力し、許容充放電の制限値を出力する充放電指令制限部と、該充放電指令制限部から出力される前記制限値に従って前記電力貯蔵装置の充放電の指令値を出力する充放電量制御部と、前記自然エネルギ発電装置の発電量を制御する出力制御部を備え、
前記充放電量制御部は、前記燃料発電装置の発電量の検出値が前記基準値を上回り、かつ、前記燃料発電装置の発電量の前記検出値と前記自然エネルギ発電装置の発電量の検出値との合計が負荷の需用電力を超えている場合は、その余剰電力を前記充放電指令制限部から出力される前記制限値に従って前記電力貯蔵装置に充電し、該充電により前記電力貯蔵装置の貯蔵電力が予め設定された最大貯蔵量に達したときは充電を停止させ、前記出力制御部は、前記余剰電力に応じて前記自然エネルギ発電装置の発電量を低減させ、また、
前記燃料発電装置の発電量の検出値が前記基準値を上回り、かつ、前記燃料発電装置の発電量の前記検出値と前記自然エネルギ発電装置の発電量の検出値との合計が負荷の需用電力を下回る場合は、その不足電力を前記充放電指令制限部から出力される前記制限値に従って前記電力貯蔵装置から放電させ、該放電により前記電力貯蔵装置の貯蔵電力が予め設定された最小貯蔵量に低下したときは放電を停止させることにより、前記不足電力を前記燃料発電装置により賄うように該燃料発電装置の発電量を増加させてなる自然エネルギ発電システム。 - 自然エネルギを直接利用して発電する自然エネルギ発電装置と、
二次電池からなる電力貯蔵装置と、
燃料を用いた燃料発電装置と、
前記自然エネルギ発電装置と前記電力貯蔵装置と前記燃料発電装置とに接続され負荷に電力を供給する電力線と、
前記自然エネルギ発電装置と前記電力貯蔵装置と前記燃料発電装置とを協調制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記自然エネルギ発電装置を自然条件に合わせた最大の発電量で制御し、前記燃料発電装置の発電量を負荷の需要電力に対する前記自然エネルギ発電装置と前記電力貯蔵装置の不足電力を吸収するように負荷追従方式で制御することを条件とし、
前記燃料発電装置の発電量を予め定めた最小負荷量に対応する基準値以上に維持するとともに、前記自然エネルギ発電装置の発電量の検出値と前記燃料発電装置の発電量の検出値との合計値と前記負荷の需要電力との需給差を入力とし、該需給差に基づいて前記電力貯蔵装置の充放電量を制御する充放電指令値を出力する充放電制御手段を有し、
該充放電制御手段は、前記電力貯蔵装置の電力貯蔵量の検出値を入力し、許容充放電の制限値を出力する充放電指令制限部と、該充放電指令制限部から出力される前記制限値に従って前記電力貯蔵装置の充放電の指令値を出力する充放電量制御部と、前記自然エネルギ発電装置の発電量を制御する出力制御部を備え、
前記充放電指令制限部は、前記電力貯蔵装置の電力貯蔵量が予め定めた最大値以上のとき充電を禁止し、前記電力貯蔵装置の電力貯蔵量が予め定めた最小値以下のとき放電を禁止するものであり、
前記充放電指令制限部が充電禁止の指令を出力するとき、前記充放電量制御部が前記自然エネルギ発電装置に発電量の制限値を出力し、
前記充放電量制御部が放電禁止の指令を出力するとき、前記充放電量制御部が前記自然エネルギ発電装置に発電量の制限を解除する指令を出力し、
前記出力調整手段は、前記充放電指令値が前記電力貯蔵量による制限を受けていないとき、前記自然エネルギ発電装置に発電量の制限を解除する指令を出力する自然エネルギ発電システム。
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