JP4101201B2 - 分散型電源の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統から解列された複数台の分散型電源の並列運転方法に関するものである。

特開平１１−８９０９６号公報（特許文献１）には、太陽電池と、インバータ（電力変換装置）と蓄電装置とを備えた分散型電源を複数台電力系統に接続し、電力系統から各分散型電源が解列されたときに、１台の分散型電源を電圧制御運転し、この１台の分散型電源を交流電圧源として残りの分散型電源を交流電流源として、各分散型電源間で出力電力や出力電流等の情報をやりとりして同期をとることなく各分散型電源を並列同期運転する方法が開示されている。
特開平１１−８９０９６号公報 図１ 特許請求の範囲

従来の方法では、各分散型電源の太陽電池が蓄電設備に直結されていて、負荷に応じた電力を出力するので、太陽電池の動作点は蓄電池電圧で決定されることになり、電力変換装置を太陽電池の最大電力点を追従するように電流運転制御することができなかった。また従来の方法では、既設の電力系統に分散型電源を増設した場合に、仮に系統配線のインピーダンスが大きい個所が存在すると、特定の分散型電源に偏ってしまう可能性があった。そのため系統の任意の箇所に分散型電源を増設することができなかった。

本発明の目的は、系統の任意の個所への分散型電源の増設が可能な分散型電源の運転方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、交流電圧源として使用可能な分散型電源が備える蓄電設備の使用率の平準化を図ることができる分散型電源の運転方法を提供することにある。

本発明の目的は、交流電流源として用いられる分散型電源から出力される余剰電力を有効に活用することができる分散型電源の運転方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、交流電圧源として使用されている分散型電源が故障した場合でも他の分散型電源を交流電圧源として用いて負荷への給電の停止を極力避けることができる分散型電源の運転方法を提供することにある。

本発明が改良の対象とする分散型電源の運転方法では、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置を備えて、電力系統から解列された複数台の分散型電源を運転するために、まず１台の分散型電源の電力変換装置を電圧制御運転して、この１台の分散型電源を自立運転の交流電圧源とする。そして残りの複数台の分散型電源の電力変換装置を前述の交流電圧源の出力電圧に同期させてそれぞれ電流制御運転することによりこれら残りの複数台の分散型電源を交流電圧源に同期した交流電流源として連系運転する。ここまでは従来の運転方法と同様である。

本発明の方法では、電流制御運転される複数台の分散型電源として、蓄電設備を有する第１の種類の分散型電源と、発電設備として太陽電池、風水力発電設備等の自然エネルギを利用して発電する自然エネルギ利用発電設備を含むすべての発電設備を備え且つ蓄電設備を有しない第２の種類の分散型電源とを用いる。そして第２の種類の分散型電源の電力変換装置を発電設備の最大電力点を追従するように電流制御運転する。このような第２の種類の分散型電源は、蓄電設備の蓄電電圧の影響を受けることなく電力変換装置を電流制御運転することができる。そのため第２の種類の分散型電源は、系統の任意の個所に付設または増設することが可能であり、安定した負荷分担を図って複数の分散型電源の並列運転を実現することができる。

なお交流電圧源となる分散型電源に余剰電力蓄積用蓄電設備を設け且つこの分散型電源の電力変換装置として交流電力を直流電力に変換する機能を併せ持った双方向変換型の電力変換装置を用いてもよい。このようにした場合には、系統電力を計測して余剰電力が発生していることを判別したり、またはすでに公知の技術を用いて系統電力を計測することなく余剰電力の発生を自動判別した場合には、交流電圧源となる分散型電源の電力変換装置により余剰電力を回生して余剰電力蓄積用蓄電設備に充電することができる。したがって余剰電力を有効に活用することができる。なお系統電力の計測や充電の制御に関しては、所定の制御装置を系統に対して設ければ簡単に実現することができる。

なお使用する複数台の分散型電源として、交流電力を直流電力に変換し且つ直流電力を交流電力に変換する双方向変換機能を有する電力変換装置と蓄電設備とを備えた複数台の第１の種類の分散型電源と、発電設備として太陽電池を備え且つ蓄電設備を有しない１台以上の第２の種類の分散型電源とを用いるようにしてもよい。この場合の第１の種類の分散型電源は、いずれの分散型電源も交流電圧源となり得る。したがって交流電圧源として用いている第１の種類の分散型電源が故障したときには、故障した第１の種類の分散型電源の運転を停止し、他の１台の第１の種類の分散型電源を交流電圧源として用いる切換動作を行って、運転を継続することが可能である。このようにすれば負荷への給電が停止される可能性が低くなり、分散型電源を安定して運転することができる。またこの場合には、複数台の第１の種類の分散型電源から適当な時期に交代で選択した１台の分散型電源を交流電圧源とし、残りの第１の種類の分散型電源と第２の種類の分散型電源を電流制御運転により連系運転するようにしてもよい。このように交流電圧源として用いる分散型電圧源を交代で使用すると、複数台の第１の種類の分散型電源の蓄電設備の使用率の平準化を図ることができ、蓄電設備の蓄電池の寿命を延ばすことができる。

なお第１の種類の分散型電源が自然エネルギ利用発電設備を含む発電設備を備えていてもよいのは勿論である。

本発明によれば、系統の任意の個所に分散型電源を付設または増設することが可能であり、安定した負荷分担を図って分散型電源の並列運転を実現することができる。また交流電圧源として使用可能な分散型電源が備える蓄電設備の使用率の平準化を図ることができる利点が得られる。さらに交流電流源として用いられる分散型電源から出力される余剰電力を有効に活用することができる。また交流電圧源として使用されている分散型電源が故障した場合でも他の分散型電源を交流電圧源として用いて負荷への給電の停止を極力避けることができる。

以下、図面を参照して本発明の分散型電源の運転方法の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明の方法を実施するための系統の構成の一例を示す単線系統図である。図１において符号ＡＣで示したものは商用電源であり、Ｌで示したブロックは系統に接続されている負荷を代表的に示すものである。この例において、系統に連結される分散型電源は、第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎと第２の種類の分散型電源Ｂ１〜Ｂｎとに分けられる。

まず第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎは、それぞれ太陽電池１と、切換スイッチ回路３と、直流電力を交流電力に変換し且つ交流電力を直流電力に変換する双方向変換機能を有する電力変換装置５と蓄電池等の蓄電手段を備えた蓄電設備７とを備えている。ＰＶパネル等からなる太陽電池１は、工場や建物の屋根または専用の設置台に設置されている。第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎは、１箇所に集中して配置されている場合もあれば、ある程度距離を離して分散して配置されている場合もある。切換スイッチ回路３は、太陽電池１が発電をしている場合には、太陽電池１と蓄電設備７を電力変換装置５に接続し、太陽電池１が発電をしていない場合には、蓄電設備７を電力変換装置５に接続する。電力変換装置５は、系統が正常時だけでなく、商用電源または系統電源ＡＣが停電しているときや、系統の一部で断線が発生しているときに、太陽電池１または蓄電設備７から得た直流電力を交流電力に変換して系統に出力するインバータとして機能する。また太陽電池１が発電をしていないとき、蓄電設備７の蓄電手段の蓄電量が少なくなっているとき、また後述する回生電力で蓄電設備７の蓄電手段を充電するときには、系統側の交流電力を直流電力に変換するコンバータとして機能する。

図２に示すように、この電力変換装置５は、電力用半導体スイッチング素子のブリッジ回路から構成されたスイッチング回路５Ａと、マイクロコンピュータ等を内蔵して構成された制御手段５Ｂと、系統側の電流ｉを計測する計器用変流器５Ｃと系統側の電圧を検出する計器用変圧器５Ｄとから構成される。制御手段５Ｂは、計器用変流器５Ｃ及び計器用変圧器５Ｄの出力並びに各種の接点信号等に基づいて、予め定めた複数の運転モードから選択した運転モードに従ってスイッチング回路５Ａを構成する複数の半導体スイッチング素子に導通制御信号を出力する。なおこの複数の運転モードの中には、電力変換装置５を電圧制御運転して分散型電源を交流電圧源とする運転モードと、電力変換装置５を電流制御運転して分散型電源を交流電流源とする運転モードと、交流電圧源として動作している１台の分散型電源が故障した場合には、残りの第１の種類の分散型電源のうちの１台の分散型電源が電流制御運転から電圧制御運転に代わって交流電圧源となる運転モード、さらに複数台の第１の種類の分散型電源において、予め定めた順番で交流電圧源となる分散型電源が変わるようにして各分散型電源が運転される運転モード、また系統に余剰電力が発生すると電力変換装置５をコンバータとして蓄電設備７の蓄電手段を充電する機能を実行する運転モード等が含まれている。

これに対して第２の種類の分散型電源Ｂ１〜Ｂｎは、それぞれ太陽電池１と直流電力を交流電力に変換する機能のみを有する電力変換装置６とを備えている。第２の種類の分散型電源Ｂ１〜Ｂｎは、第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎと異なって、蓄電設備を備えていない。またこれら第２の種類の分散型電源Ｂ１〜Ｂｎの電力変換装置は、太陽電池１の最大電力点を追従するように電流制御運転される点で第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎとは異なっている。第２の種類の分散型電源Ｂ１〜Ｂｎは、蓄電設備の蓄電電圧の影響を受けることなく電力変換装置６を電流制御運転することができる。そのため第２の種類の分散型電源Ｂ１〜Ｂｎは、系統の任意の個所に付設または増設することが可能である。なお第２の種類の分散型電源Ｂ１〜Ｂｎで使用する電力変換装置の構成は、逆変換できな点を除いては，実質的に第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎの電力変換装置と同様の構成を有している。

制御装置９は、系統電圧Ｖoutと系統電流または負荷電流ＩLに基づいて系統の状態を判断し、また特に第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎの運転状態（故障の有無）を監視する機能、そして各分散型電源Ａ１〜Ａｎ及びＢ１〜Ｂｎに運転開始や運転停止の指令を出力する機能を有している。すなわち制御装置９は、各分散型電源の動きを取りまとめる機能を有している。なお制御装置９と各分散型電源とは、有線または無線で接続されている。系統の配電線を利用して両者の通信を行うことも可能である。

電力系統の系統電源ＡＣが負荷Ｌに給電を行っている系統正常時には、主に太陽電池１が電力を発生する日中において、各分散型電源Ａ１〜Ｂｎの太陽電池１の出力が電力変換装置５及び６の連系運転モードの制御により電力系統に連系運転されて並列運転され、各太陽電池１からの直流電力が電力変換装置５及び６により交流電力に変換されて負荷Ｌに並列給電される。このとき、各分散型電源Ａ１〜Ｂｎは、いずれも電流制御運転されてそれぞれの出力電流が系統電源ＡＣの電圧と同相になり、系統電源ＡＣに同期して運転される。何らかの理由で系統電源ＡＣが停電すると、各分散型電源はいわゆる単独運転による感電等を防止するため、電力系統から解列される。図１の×印が解列点である。

分散型電源だけから負荷Ｌに電力を供給する場合には、制御装置９からの指令で、各分散型電源Ａ１〜Ｂｎはそれぞれの運転モードに従って運転を開始する。この例では第１の種類の分散型電源Ａ１を電圧制御運転することにより自立運転させて交流電圧源とする。そしてこの交流電圧源の出力電圧と同期させてその他の分散型電源Ａ２〜Ａｎ及びＢ１〜Ｂｎを電流制御運転することにより、これらを交流電流源として連系運転する。もし夜間であれば、第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎだけの並列運転が行われる。

このとき第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎにおいては、図３に示すようなモードで運転を行う。電流制御運転を行うすなわち連系運転される分散型電源Ａ２〜Ａｎでは系統電力の計測結果を得て図３に示す運転モードに従った運転を行う。そして第２の種類の分散型電源Ｂ１〜Ｂｎは、最大出力追従制御により太陽電池１の最大出力を得ながら負荷系統に給電を行う。ここで最大出力追従制御とは、太陽電池１等の発電設備が出力している最大出力をすべて交流電力に変換して出力するように電力変換装置６を電流運転制御することを意味する。図３の運転モードにおいては、負荷の急変時には系統電力を計測している分、電流運転制御をしている分散型電源の応答は遅れる。これに対して電圧制御運転を行っている分散型電源Ａ１がこの遅れをカバーする。例えば、０ｋＷ→５０ｋＷの負荷急変直後には、自立運転の分散型電源Ａ１が５０ｋＷを出力する。そして計測の時間分遅れて、その他の電流制御運転されている分散型電源Ａ２〜Ｂｎの負担が増加し、分散型電源Ａ１とその他の分散型電源とは２５ｋＷと２５ｋＷずつ分担するようになる。また１００ｋＷ→５０ｋＷの負荷急変直後には、自立運転の分散型電源Ａ１の出力が０ｋＷとなり、その他の電流制御運転されている分散型電源がすべてを負担する。その後、計測の時間分遅れて分散型電源とその他の電流制御運転される分散型電源との負担割合が２５ｋＷずつとなる。この運転の間、電流制御運転される分散型電源Ａ２〜Ａｎは、電流運転制御だけを行うので、各分散型電源どうしの出力電圧の位相や振幅を制御する必要はない。

本実施の形態によれば、負荷給電の電圧が交流電圧源となる分散型電源の出力電圧で決まり、残りの分散型電源の電力変換装置の出力電流が交流電圧源となる分散型電源の出力電圧と同相になるため、これらの残りの分散型電源の出力は基準の交流電圧源となる分散型電源の出力に同期し、分散型電源間で出力に関連した情報のやりとり等を行うことなく、各分散型電源を並列同期運転することができる。よって分散型電源間に通信線を敷設したりすることなく、安価な構成で複数の分散型電源を並列同期運転することができる。

最大出力追従制御により第２の種類の分散型電源Ｂ１〜Ｂｎからも負荷系統への給電が行われるため、当然にして余剰電力が発生する場合がある。このような場合には、自立運転している分散型電源Ａ１が回生動作を行って、分散型電源Ａ１の蓄電設備７の蓄電手段を充電する。余剰電力の発生は系統電力を計測することにより検出してもよいが、公知の技術に基づいて余剰電力の発生を決定して自動で連続的な動作により余剰電力を回生するようにしてもよい。本実施の形態では、後者の自動で連続的に余剰電力を回生する技術を採用している。このようにすれば電力を有効に利用することができる。なお分散型電源Ａ１の蓄電設備７の蓄電手段が満充電状態になるようであれば、そのことを制御装置９で監視し、第２の種類の分散型電源Ｂ１〜Ｂｎの運転を停止させるようにすればよい。

なお使用する第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎにおいては、いずれの分散型電源も交流電圧源となり得る。したがって交流電圧源として用いている第１の種類の分散型電源が故障したときには、故障した第１の種類の分散型電源の運転を停止し、他の１台の第１の種類の分散型電源を交流電圧源として用いる切換動作を行って、運転を継続することが可能である。このようにすれば負荷への給電が停止される可能性が低くなり、分散型電源を安定して運転することができる。またこの場合には、複数台の第１の種類の分散型電源Ａ１〜Ａｎから適当な時期に交代で選択した１台の分散型電源を交流電圧源とし、残りの第１の種類の分散型電源と第２の種類の分散型電源を電流制御運転により連系運転するようにしてもよい。このように交流電圧源として用いる分散型電圧源を交代で使用すると、複数台の第１の種類の分散型電源の蓄電設備の使用率の平準化を図ることができ、蓄電設備の蓄電池の寿命を延ばすことができる。

なお本発明を実施するにあたっては、必ずしも第１の種類の分散型電源に蓄電設備を設ける必要はない。また第１の種類の分散型電源で太陽電池を直流電源として用いる必要もない。

上記の実施の形態では、第１及び第２の種類の分散型電源の発電設備として、太陽電池を用いている。しかしながら本発明においては、いずれの種類の分散型電源の発電設備でも、太陽電池、風水力発電設備等の自然エネルギを利用した自然エネルギ利用発電設備を含む各種の発電設備を用いることができるのは勿論である。

本発明の方法を実施するための系統の構成の一例を示す単線系統図である。 電力変換装置の構成を示す図である。 実施の形態の運転モードの一例を説明するために用いる図である。

符号の説明

１ 太陽電池
３ 切換スイッチ回路
５，６ 電力変換装置
７ 蓄電設備
９ 制御装置
Ａ１〜Ａｎ 第１の分散型電源
Ｂ１〜Ｂｎ 第２の分散型電源

Claims (5)

1. 直流電力を交流電力に変換する電力変換装置を備えて、電力系統から解列された複数台の分散型電源のうち、
   １台の前記分散型電源の前記電力変換装置を電圧制御運転して該１台の分散型電源を自立運転の交流電圧源とし、
   残りの複数台の前記分散型電源の前記電力変換装置を前記交流電圧源の出力電圧に同期させてそれぞれ電流制御運転することにより前記残りの複数台の分散型電源を前記交流電圧源に同期した交流電流源として連系運転する分散型電源の運転方法であって、
   電流制御運転される前記複数台の分散型電源として、蓄電設備を有する第１の種類の分散型電源と、発電設備として自然エネルギを利用して発電する自然エネルギ利用発電設備を備え且つ蓄電設備を有しない第２の種類の分散型電源とを用い、
   前記第２の種類の分散型電源の前記電力変換装置を前記発電設備の最大電力点を追従するように電流制御運転し、
   前記交流電圧源となる前記分散型電源に余剰電力蓄積用蓄電設備を設け且つ該分散型電源の前記電力変換装置として交流電力を直流電力に変換する機能を併せ持った双方向変換型の電力変換装置を用い、
   余剰電力が発生していることを判別したときには、前記交流電圧源となる前記分散型電源の前記電力変換装置により前記余剰電力を回生して前記余剰電力蓄積用蓄電設備に充電することを特徴とする分散型電源の運転方法。
2. 直流電力を交流電力に変換する電力変換装置を備えて、電力系統か解列された複数台の分散型電源のうち、
   １台の前記分散型電源の前記電力変換装置を電圧制御運転して該１台の分散型電源を自立運転の交流電圧源とし、
   残りの複数台の前記分散型電源の前記電力変換装置を前記交流電圧源の出力電圧に同期させてそれぞれ電流制御運転することにより前記残りの複数の分散型電源を前記交流電圧源に同期した交流電流源として連系運転する分散型電源の運転方法であって、
   前記複数台の分散型電源として、交流電力を直流電力に変換し且つ直流電力を交流電力に変換する双方向変換機能を有する電力変換装置と蓄電設備とを備えた複数台の第１の種類の分散型電源と、発電設備として太陽電池、風水力発電設備等の自然エネルギを利用して発電する自然エネルギ利用発電設備を備え且つ蓄電設備を有しない１台以上の第２の種類の分散型電源とを用い、
   前記複数台の第１の種類の分散型電源から選択した１台の分散型電源を前記交流電圧源とし、残りの前記第１の種類の分散型電源と前記第２の種類の分散型電源を前記電流制御運転により前記交流電流源として連系運転し、
   前記第２の種類の分散型電源の前記電力変換装置を前記発電設備の最大電力点を追従するように電流制御運転し、
   余剰電力が発生していることを判別したときには、前記交流電圧源となる前記第１の種類の分散型電源の前記電力変換装置により前記余剰電力を回生して前記蓄電設備に充電することを特徴とする分散型電源の運転方法。
3. 直流電力を交流電力に変換する電力変換装置を備えて、電力系統から解列された複数台の分散型電源のうち、
   １台の前記分散型電源の前記電力変換装置を電圧制御運転して該１台の分散型電源を自立運転の交流電圧源とし、
   残りの複数台の前記分散型電源の前記電力変換装置を前記交流電圧源の出力電圧に同期させてそれぞれ電流制御運転することにより前記残りの複数の分散型電源を交流電流源として連系運転する分散型電源の運転方法であって、
   前記複数台の分散型電源として、交流電力を直流電力に変換し且つ直流電力を交流電力に変換する双方向変換機能を有する電力変換装置と蓄電設備とを備えた複数台の第１の種類の分散型電源と、発電設備として太陽電池を備え且つ蓄電設備を有しない１台以上の第２の種類の分散型電源とを用い、
   前記複数台の第１の種類の分散型電源から適当な時期に交代で選択した１台の分散型電源を前記交流電圧源とし、残りの前記第１の種類の分散型電源と前記第２の種類の分散型電源を前記電流制御運転により連系運転し、
   前記第２の種類の分散型電源の前記電力変換装置を前記太陽電池の最大電力点を追従するように電流制御運転し、
   余剰電力が発生していることを判別したときには、前記交流電圧源となる前記第１の種類の分散型電源の前記電力変換装置により前記余剰電力を回生して前記蓄電設備に充電することを特徴とする分散型電源の運転方法。
4. 前記交流電圧源として用いている前記第１の種類の分散型電源が故障したときには、故障した前記第１の種類の分散型電源の運転を停止し、
   他の１台の前記第１の種類の分散型電源を前記交流電圧源として用いる切換動作を行って、運転を継続することを特徴とする請求項２または３に記載の分散型電源の運転方法。
5. 前記第１の種類の分散型電源は、太陽電池、風水力発電設備等の自然エネルギを利用して発電する自然エネルギ利用発電設備を含む発電設備を備えている請求項１，２または３に記載の分散型電源の運転方法。

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