JP4266003B2

JP4266003B2 - 分散発電装置の制御方法及び装置

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Publication number: JP4266003B2
Application number: JP2004309030A
Authority: JP
Inventors: 康則大野; 倫行内山; 楯身　　優; 康信藤田; 雅浩渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2024-10-25
Also published as: JP2006121853A

Description

本発明は、配電線に連系され交流電力を配電線に送電することができる分散発電装置の制御方法及び装置に関するものである。

一般に、配電線の異なる位置から交流電力を給電される複数の需要家に太陽光発電装置が設置されるようになってきている。太陽光発電装置は、太陽電池パネルで発生させた直流電力を逆変換装置により交流電力に変換して需要家の負荷に給電している。また、余剰電力は交流系統側に送電（逆潮流）している。このような太陽光発電装置は、例えば、下記の特許文献１に記載されている。

太陽光発電装置は直流電力を交流電力に変換する逆変換装置（インバータ）、配電系統の電圧情報を計測する計測装置、計測装置で計測した電圧情報に基づき逆変換装置を制御すると共に配電系統の異常を検出すると出力調整や配電系統からの解列等を行う制御装置を備えている。これらの逆変換装置、計測装置、制御装置などは総称してパワーコンディショナと称されている。

パワーコンディショナは、通産省（現、経産省）資源エネルギー庁により制定された「系統連系技術要件ガイドライン」（下記の参考非特許文献１の付録１）に従って製作されている。同ガイドラインでは、太陽光発電装置からの逆潮流により需要家の電圧が適正値（１０１±６Ｖ、２０２±２０Ｖ）を逸脱する虞れがある場合、太陽光発電装置で進相無効電力制御又は出力制御（有効電力制御）を行い自動的に電圧を調整すべきものとされている。通常、逆潮流による電圧上昇が起こった場合には、まず、進相無効電圧制御を行い、更に電圧上昇が大きい時には出力制御を行うようにしている。

太陽光発電装置を設置する需要家は年々増加しており、将来はかなりの太陽光発電装置が集中的に導入される可能性もある。このため、太陽光発電装置が配電系統に多数導入された場合の種々の問題が検討されている。このことは、下記の参考非特許文献２に報告されている。例えば、配電線容量の３０％程度の太陽光発電装置が配電線に連系された場合、逆潮流による電圧上昇が無視できない程度となることが明らかになっている。

特開２０００−３３３３７３号公報太陽光発電協会編「太陽光発電システムの設計と施工（改訂２版）」オーム社２０００年エネルギー総合工学研究所編著「『分散型電源の統合制御システム』に関する検討報告書」ＩＡＥ−Ｃ０２４２（２００３．６）

複数の太陽光発電装置が連系されている配電線は、変圧器（柱上変圧器）が接続される位置（配電線の起点位置）に比較して起点位置から遠い配電線端部付近の電圧上昇が大きくなる。太陽光発電装置においては電圧適正値を逸脱する虞れがある場合、上述したように進相無効電力制御および出力制御を行うことになる。配電線端部付近に設置された太陽光発電装置は、柱上変圧器付近、つまり配電線の起点位置付近に設置された太陽光発電装置に比較して早いタイミングで進相無効電圧制御および出力制御を行うことになる。このため、配電線端部付近で配電線に連系されている需要家は、電力会社への売電量が少なくなり、経済的不利益を被ることになるという問題点を有する。

本発明の目的は、逆潮流時に電圧上昇が大きくなり易い配電線端部付近での電圧上昇を抑え、発電装置を設置する位置に拘らず余剰電力をほぼ公平に電力会社に売電することができる分散発電装置の制御方法及び装置を提供することにある。

本発明の特徴とするところは、変圧器に接続される位置を起点位置とする配電線の異なる位置に連系される複数の発電装置を有し、各発電装置の出力電圧を制御する各パワーコンディショナの電圧制御閾値は発電装置の配電線への連系位置が起点位置から遠くなるのに従い高い値に設定されるようにしたことにある。

具体的には、電圧制御閾値は進相無効電圧制御と出力制御の両者、あるいは、いずれか一方であり、その大きさは起点位置から発電装置の配電線への連系位置までの距離に基づき設定される。

本発明は配電線に連系する各発電装置を協調して動作させることができ、逆潮流時に電圧上昇が大きくなり易い配電線端部付近での電圧上昇を抑えることができ、発電装置の設置位置に拘らず余剰電力をほぼ公平に電力会社に売電することができる。

複数の需要家は柱上変圧器に接続される位置を起点位置とする低圧配電線の異なる位置から交流電力を給電される。複数の需要家には太陽光発電装置が設置されている。太陽光発電装置にはそれぞれ出力電圧を制御するパワーコンディショナが設けられている。パワーコンディショナは需要家の配電線への連系位置が起点位置から遠くなるのに従い電圧制御閾値を高い値に設定される。各発電装置の進相無効電圧制御および出力制御を行う電圧制御閾値は適切に設定され、逆潮流時でも配電線全体の電圧上昇を抑制できる。

図１に本発明の一実施例を示す。

図１において、高圧配電線２は配電用変電所１に連系されている。低圧配電線４は柱上変圧器３を介して高圧配電線２に接続されている。低圧配電線４の柱上変圧器３に接続される位置を配電線４の起点位置４ｓとする。複数の需要家５ａ、５ｂ…５ｎにはそれぞれ太陽光発電装置６ａ、６ｂ…６ｎが設置されている。

需要家５ａ（太陽光発電装置６ａ）は柱上変圧器３の近傍、つまり、配電線４の起点位置４ｓ付近で配電線４に連系されている。また、需要家５ｎ（太陽光発電装置６ｎ）は配電線４の末端付近で連系され、需要家５ｂ（太陽光発電装置６ｂ）はそれらの中間で連系されていることを示している。

太陽光発電装置６は、太陽電池パネル７、逆変換装置（インバータ）８、制御装置９及び図示しない計測装置から構成されている。太陽電池パネル７から得られる直流電力は逆変換装置８で交流電力に変換され負荷１０に給電される。また、逆変換装置８から得られる交流電力の余剰電力は配電線４に送電（逆潮流）される。

制御装置９は計測装置により得られる配電線４の電圧情報に基づき逆変換装置８を制御すると共に、配電線４の異常を検出して太陽光発電装置６の出力調整や配電線４からの解列等を行う。逆変換装置８、制御装置９、計測装置は総称してパワーコンディショナと称されている。需要家５の負荷１０は配電線４と逆変換装置８から電力を給電される。

需要家５には配電線４との電力の授受を計量するために電力量計１１、１２が設けられている。管理センタ１３は配電線４に連系させる複数の太陽光発電装置６ａ、６ｂ…６ｎを管理するために設けられている。管理センタ１３は太陽光発電装置６を配電線４に連系させると配電線４に影響を与えることになり、配電系統運用者が連系されている太陽光発電装置６の設置場所、容量、保護制御方式等を把握するために設けられる。

図２に需要家５（太陽光発電装置６）の一例構成図を示す。太陽電池パネル７には接続箱１４を介してパワーコンディショナ１５が接続されている。パワーコンディショナ１５は上述したように逆変換装置８、制御装置９、計測装置で構成されている。太陽電池パネル７で発生した直流出力はパワーコンディショナ１５で交流電力に変換され、分電盤１６を介して負荷１０に供給される。パワーコンディショナ１５の交流電力が負荷需要電力より大きくなると配電線４に逆潮流される。逆潮流された送電電力は需要電力用の電力量計１２と別に設けられた余剰電力用の電力量計１１で計量される。

パワーコンディショナ１５の動作状態はモニタ１７により監視される。モニタ１７は瞬時発電電力、一定期間の発電電力量などを監視する。また、パワーコンディショナ１５は、図３に示すように太陽光発電装置６を設置する配電線上の位置、線種等の情報入力、算出した電圧制御閾値（詳しくは後述する）を表示のために、表示部１７ａと入力部１７ｂが設けられている。

なお、パワーコンディショナ１５への入力は、図４に示すようにパワーコンディショナ１５に信号受信部１７ｃを設け条件設定用端末１８によってリモート操作で電圧制御閾値を設定することもできる。条件設定用端末１８は表示部１８ａと入力部１８ｂを有している。

管理センタ１３は、上述したように配電線４に関する情報と配電線４に連系される太陽光発電装置６等に関する情報を管理すると共にパワーコンディショナ１５の電圧制御閾値を決定する。

図５に管理センタ１３の一例構成図を示す。図５は管理センタ１３における電圧制御閾値決定装置の一例構成を示している。

管理センタ１３は、入力装置３１、演算処理装置３２、表示装置３３、出力装置３４、配電線設備データベース（ＤＢ）３５、発電装置データベース（ＤＢ）３６から構成されている。演算処理装置３２の演算処理結果は、表示装置３３、プリンタなどの出力装置３４に加えられると共に条件設定用端末１８にも加えるようにしている。

次に、管理センタ１３における電圧制御閾値の決定について図６、図７を参照して説明する。図６は電圧制御閾値決定のフローチャート、図７はパワーコンディショナ１５の制御内容と電圧制御閾値の説明図である。

パワーコンディショナ１５は図７に示すように電圧Ｌ１以下で通常運転（力率１．０）を行い、電圧（電圧制御閾値）Ｌ１を越えると力率０．８５以上で進相無効電力制御を実行する。電圧（電圧制御閾値）Ｌ２を越えると出力制御（有効電力制御）を行い、配電線４の電圧管理の上限値に相当する電圧Ｌ３を越える場合には太陽光発電装置６を解列する。

管理センタ１３における図５に示す電圧制御閾値決定装置はパワーコンディショナ１５の電圧制御閾値を次のような手順で決定する。

図６のステップＳ１において入力装置３１で当該設備（太陽光発電装置６）について発電装置６と柱上変圧器３（配電線４の起点位置４ｓ）までの距離、配電線４の線種、パワーコンディショナ１５の容量等の条件情報を配電線設備ＤＢ３５から取得する。

演算処理装置３２はステップＳ２において柱上変圧器３から発電装置６の設置位置までのインピーダンスを算出する。演算処理装置３２はステップＳ２からステップＳ３に移行してステップＳ１で得た条件情報とステップＳ２で算出したインピーダンスを用いて逆潮流による電圧上昇（ΔＶ）を算出する。その際、該当する太陽光発電装置６の容量だけでなく、その連系位置および負荷の状況を知ることにより各位置での電圧上昇をより正確に計算できる。連系位置や負荷の状況が分からない場合は、太陽光発電装置６が均一に設置されていることや標準的な負荷であるとして算出する。

演算処理装置３２はステップＳ４で進相無効電力制御電圧Ｌ１および出力制御電圧Ｌ２を次式により設定する。

Ｌ１−ΔＶ ≒ 一定（装置連系位置によらず） …（式１）
Ｌ２−ΔＶ ≒ 一定（装置連系位置によらず） …（式２）
配電線４が２００Ｖの場合、電圧Ｌ１、Ｌ２は、配電線端部付近に連系されるパワーコンディショナ１５では、例えば、２Ｖ程度の差になるように選ばれる。

演算処理装置３２はステップＳ５において進相無効電力制御の力率を決定する力率制御パターンを設定する。力率制御パターンの例を図８に示す。ステップＳ６では複数の太陽光発電装置６ａ、６ｂ…６ｎについて全て電圧制御閾値を算出したかを判断し、していない場合にはステップＳ１〜Ｓ５の処理を繰り返し実行する。

このようにして複数の太陽光発電装置６ａ、６ｂ…６ｎについて電圧制御閾値を算出するのであるが、本発明による効果について図９を用いて説明する。図９（ａ）は従来技術、図９（ｂ）は本発明を適用した場合の電圧分布を示している。なお、図９の横軸のＤ１は柱上変圧器３（配電線４の起点位置４ｓ）の付近における設置位置、Ｄ３は配電線端部付近の設置位置、Ｄ２はその中間の設置位置を示している。
図９（ａ）に示す従来技術は設置位置Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３において電圧制御閾値Ｌ１、Ｌ２を等しく設定している。位置Ｄ１ではほぼ通常の運転（力率１．０）が行われているが、位置Ｄ２では進相無効電力制御の後に出力制御が行われている。また、位置Ｄ３では、配電系統の電圧管理値に達しているため解列されており、逆潮流が可能であるにも拘らず逆潮流（電力会社への売電）できない状態になっている。

一方、本発明では配電線４の起点位置４ａから最も遠い設置位置Ｄ３の電圧制御閾値Ｌ１３、Ｌ２３は設置位置Ｄ１の電圧制御閾値Ｌ１１、Ｌ２１、設置位置Ｄ２の電圧制御閾値Ｌ１２、Ｌ２２と次式の関係に設定される。

Ｌ１３＞Ｌ１２＞Ｌ１１ …（式３）
Ｌ２３＞Ｌ２２＞Ｌ２１ …（式４）
図９（ｂ）に示す本発明では、設置位置Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のいずれも進相無効電力制御を行い、全体として逆潮流による電圧上昇が低く抑えられている。このため、設置位置Ｄ３で出力制御を行っているものの制御が限定的であり、逆潮流（電力会社への売電）が可能である。このため、配電線４の起点位置４ｓから最も遠い配電線端部付近Ｄ３で連系する需要家５ｎは経済的不利益を受けることなく売電できるようになり、配電線４への連系位置に関係なく売電することができるので公平性を確保できる。

図１０に本発明の他の実施例を示す。

図１０において図１の実施例と異なるところは２台の柱上変圧器３ａ、３ｂを介してそれぞれ高圧配電線２に接続されている配電線４ａ、４ｂに複数の太陽光発電装置６ａ、６ｂ…６ｎを連系させていることである。なお、配電線４ａは配電用変電所１に近い位置で高圧配電線２に接続され、配電線４ｂは高圧配電線２の末端付近で接続されているものを示している。

この構成における分散発電装置の電圧制御閾値の設定は図６に示すフローチャートとほぼ同様であるが、次の点が異なっている。

（ａ）配電用変電所１から柱上変圧器３ａ、３ｂまでの距離、高圧配電線２の線種、柱上変圧器３ａ、３ｂから太陽光発電装置６ａ、６ｂ…６ｎの設置位置までの距離及び配電線４ａ、４ｂの線種、パワーコンデショナ１５の容量等の条件を特定する。

（ｂ）配電用変電所１から柱上変圧器３ａ、３ｂまでのインピーダンス、および、柱上変圧器３ａ、３ｂから太陽光発電装置６ａ、６ｂ…６ｎの設置位置までのインピーダンスを算出する。

なお、逆潮流による電圧上昇（ΔＶ）の計算以降の処理については図６と同じである。

このようにして、配電線４ａ、４ｂに連系される、多数の太陽光発電設備について逆潮流に伴う電圧上昇の問題を改善し、連系位置による不公平を是正することができる。

なお、上述の実施例は発電装置として太陽光発電装置を例に挙げ説明したが、逆変換装置を備えた風力発電装置や燃料電池装置についても本発明により同様の効果が得られることは勿論のことである。

本発明の一実施例を示す構成図である。太陽光発電装置の一例構成図である。本発明によるパワーコンディショナの一例構成図である。本発明によるパワーコンディショナの一例構成図である。管理センタにおける電圧制御閾値決定装置の一例構成図である。本発明の動作を説明するためのフローチャートである。本発明の説明図である。本発明の説明するための特性図である。本発明による効果を説明するための特性図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。

符号の説明

１…配電用変電所、２…高圧配電線、３…柱上変圧器、４…低圧配電線、５…需要家、６…太陽光発電装置、７…太陽電池パネル、８…逆変換装置、９…制御装置、１０…負荷、１１，１２…電力量計、１３…管理センタ、１５…パワーコンディショナ。

Claims

変圧器に接続される位置を起点位置とする配電線の異なる位置に連系される複数の太陽光発電装置を有し、各太陽光発電装置にそれぞれ出力電圧を制御するパワーコンディショナを備え、前記パワーコンディショナは、第１電圧制御閾値を超えると進相無効電力制御し、前記第１電圧制御閾値より大きい第２電圧制御閾値を超えると出力制御を行い、前記配電線の電圧管理上限値に達すると解列する分散発電装置において、前記パワーコンディショナは、前記太陽光発電装置の前記配電線への連系位置が前記起点位置から遠くなるのに従い前記第１電圧制御閾値と前記第２電圧制御閾値が高い値に設定されることを特徴とする分散発電装置の制御方法。
請求項１において、前記パワーコンディショナの前記第１電圧制御閾値と前記第２電圧制御閾値は、前記起点位置から前記発電装置の前記配電線への連系位置までの距離に基づき設定されることを特徴とする分散発電装置の制御方法。
変圧器に接続される位置を起点位置とする配電線と、前記配電線の異なる位置に連系される複数の太陽光発電装置と、前記複数の太陽光発電装置にそれぞれ設けられ、各太陽光発電装置の出力電圧を制御するパワーコンディショナとを具備し、第１電圧制御閾値を超えると進相無効電力制御し、前記第１電圧制御閾値より大きい第２電圧制御閾値を超えると出力制御を行い、前記配電線の電圧管理上限値に達すると解列する分散発電装置において、前記パワーコンディショナは、前記太陽光発電装置の前記配電線への連系位置が前記起点位置から遠くなるのに従い前記第１電圧制御閾値と前記第２電圧制御閾値が高い値に設定されることを特徴とする分散発電装置の制御装置。
変圧器に接続される位置を起点位置とする配電線と、前記配電線の異なる位置から交流電力を給電される複数の需要家と、前記複数の需要家に設置される太陽光発電装置と、前記太陽光発電装置にそれぞれ設けられ、各太陽光発電装置の出力電圧を制御するパワーコンディショナとを具備し、第１電圧制御閾値を超えると進相無効電力制御し、前記第１電圧制御閾値より大きい第２電圧制御閾値を超えると出力制御を行い、前記配電線の電圧管理上限値に達すると解列する分散発電装置において、前記パワーコンディショナは前記発電装置の前記配電線への連系位置が前記起点位置から遠くなるのに従い前記第１電圧制御閾値と前記第２電圧制御閾値が高い値に設定されることを特徴とする分散発電装置の制御装置。
以上