JP4494352B2

JP4494352B2 - 電力系統安定化装置

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Publication number: JP4494352B2
Application number: JP2006053508A
Authority: JP
Inventors: 昭圭福井; 暁松本; 圭一廣瀬
Original assignee: NTT Facilities Inc
Current assignee: NTT Facilities Inc
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007236084A

Description

本発明は、非常用等の電源装置の出力電圧を安定させる電力系統安定化装置に関する。

周知のように、非常用電源装置としてエンジンを用いた電源装置が知られている。このエンジンによる電源装置あるいは分散電源は、負荷が急増もしくは急減した場合に、応答速度が間に合わず、出力電圧あるいは周波数が規定値を逸脱し、システムダウンにつながる場合がある。
電力系統安定化装置はこのような負荷の急変によるシステムダウンを回避するために設けられるもので、従来のこの種の系統安定化装置として特許文献１に記載されるものが知られている。
特開平８−６５８９５号公報

ところで、従来の系統安定化装置は、使用している蓄電池の充放電の手段が十分でなく、このため、蓄電池の容量が多くなる問題があった。
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、系統安定化のために使用した蓄電池を、使用後短時間で充放電して元の状態に復帰させることができ、これにより、蓄電池の容量を従来より小さくすることができる電力系統安定化装置を提供することにある。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、電源装置から交流側負荷へ交流電力を供給するラインに接続された電力系統安定化装置において、満充電用蓄電装置と、空充電用蓄電装置と、直流側負荷と、前記満充電用蓄電装置から供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記ラインへ出力し、また、前記ラインから供給される交流電圧を直流電圧に変換して前記満充電用蓄電装置または前記空充電用蓄電装置へ出力する双方向電力変換部と、前記ラインの電流を検出する検出器と、前記検出器の検出電流値に基づいて、前記交流側負荷が急増したと判定した場合に、前記満充電用蓄電装置の直流電圧を前記双方向電力変換部において交流電圧に変換して前記ラインへ出力させ、前記交流側負荷が安定したと判定したときに、前記ラインの交流電圧を前記双方向電力変換部において直流電圧に変換して前記満充電用蓄電装置を充電させる一方、前記交流側負荷が急減したと判定した場合に、前記ラインの交流電圧を前記双方向電力変換部において直流電圧に変換して前記空充電用蓄電装置を充電させ、前記交流側負荷が安定したと判定したときに、前記双方向電力変換部の直流側の充電電流値を減少させて前記空充電用蓄電装置の直流電圧を前記直流側負荷で放電させる制御手段と、備えることを特徴とする電力系統安定化装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電力系統安定化装置において、前記双方向電力変換部の直流側に抵抗を更に備え、前記制御手段は、前記交流側負荷が急減したと判定した場合に、前記抵抗による電力消費が必要か否かを判定し、必要であると判定した場合に、前記ラインの交流電圧を前記双方向電力変換部において直流電圧に変換して前記空充電用蓄電装置を充電させると共に、前記抵抗にも供給することを特徴とする。

この発明によれば、系統安定化のために使用した蓄電池を、使用後短時間で充放電して元の状態に復帰させることができ、これにより、蓄電池の容量を従来より小さくすることができる効果がある。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施の形態による電力系統安定化装置の構成を示すブロック図である。この図において、１１は負荷１〜負荷３へ交流電力を供給する分散電源（商用電源とは独立して発電を行なうガスエンジンや燃料電池など）である。１２は分散電源１１から負荷１〜３へ電力を供給するラインＬの電流を検出する電流検出器（検出器）（ＣＴ）である。また、１３はこの発明の実施形態による系統安定化装置である。この系統安定化装置１３において、ＣＢはラインＬと安定化電源装置１３との間をオン／オフする通常オンの遮断器、１４は変圧器、１５は双方向電力変換部である。この双方向電力変換部１５は、制御部１６（制御手段）からの指示を受けて変圧器１４を介して供給される交流電圧を直流電圧に変換して蓄電装置１７（満充電用蓄電装置）、１８（空充電用蓄電装置）側へ出力し、また、蓄電装置１７または１８の出力直流電圧を交流電圧に変換し、変圧器１４を介して負荷１〜３へ供給する。
なお、負荷４、抵抗１９は、空充電用蓄電装置１８に蓄電された電力を放電させる放電用負荷でもある。

制御部１６は電流検出器１２の出力からラインＬの電流（負荷１〜３の消費電流）を検出し、この検出結果に基づいて双方向電力変換部１５を制御すると共に、遮断器ＣＢ、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を制御する。なお、詳細は後述する。スイッチＳＷ１、ＳＷ２は各々蓄電装置１７、１８と双方向電力変換部１５との間に介挿されたスイッチであり、スイッチＳＷ１は通常オン、スイッチＳＷ２は通常オフである。スイッチＳＷ３は抵抗１９と双方向電力変換部１５との間に介挿された通常オフのスイッチである。なお、蓄電装置１７が過充電又は過放電の状態にある場合には、制御部１６は、スイッチＳＷ１をオフとするとともに、スイッチＳＷ２又はスイッチＳＷ３をオンとして、蓄電装置１７を双方向電力変換部１５から電気的に切り離すことにより、蓄電装置１７を保護する。
蓄電装置１７、１８は、長時間充放電可能な蓄電池（例えば、鉛蓄電池、レドックスフロー電池、ＮａＳ電池など）であり、初期状態において、蓄電装置１７は満充電、蓄電装置１８は空充電とされる。負荷４（抵抗）は双方向電力変換部１５の蓄電装置側端子に接続された実負荷である。なお、この負荷４はなくてもよいが、系統安定化装置１３に負荷４として実負荷を接続することで、電力を有効に利用することができる。２１、２２は各々蓄電装置１７、１８の電流を検出する電流検出器である。

次に、上記実施形態の動作を図２および図３に示すフローチャートに従って説明する。
最初に、図２を参照し、負荷１〜３が急増する場合について説明する。まず、制御部１６は、電流検出器１２の出力に基づいてラインＬの電流を検出し（ステップＳａ１）、次に、負荷１〜３の急変量が設定値以上であるか否かを判定する（ステップＳａ２）。この判定は、例えば、負荷電流をＣＴで検出してラインＬの平均電流値を常時計算し、瞬時電流値と平均電流値との差分が設定値を超えたかどうかに基づいて行なう。そして、設定値以下であった場合はステップＳａ１へ戻る。また、設定値以上であった場合は、負荷１〜３の急増量を検出し（ステップＳａ３）、回生動作によって系統安定化が可能か否かを判定する（ステップＳａ４）。この判定は、電流変化量（上記の差分）が蓄電装置の最大放電電流より小さい場合に安定可能（ＹＥＳ）となる。そして、判定結果が「ＮＯ」（安定化不可能）であった場合は、遮断器ＣＢへ切断指令を出力する（ステップＳａ５）。これにより、遮断器ＣＢが切断され（ステップＳａ６）、系統安定化装置１３が停止し（系統から解列され）、負荷４へは蓄電装置１７から給電される（ステップＳａ７）。

一方、ステップＳａ４の判定結果が「ＹＥＳ」（安定化可能）であった場合は、制御部１６が回生量を演算し、次いで双方向電力変換部１５へ回生量指令を出力する（ステップＳａ８）。この処理は、例えば、次のように行う。
初回：上記判定で演算された差分を交流系統に出力するように、双方向電力変換部１５へ指令を出す。
２回目以降：電流変化量の傾き（ΔＩ／Δｔ）を常時把握し、その変化量に合わせ、双方向電力変換部１５の回生量を制御する。
双方向電力変換部１５はこの指令を受け、蓄電装置１７の出力を交流に変換し、変圧器１４および遮断器ＣＢを介して負荷１〜３へ出力する（ステップＳａ９）。次に、制御部１６は蓄電装置１７が過放電状態にあるか否かを判定する（ステップＳａ１０）。この判定は、制御部１６が常時電流検出器２１の出力に基づいて蓄電装置１７の出力電流を検出し、検出した電流値を積算することによって放電電力量を求め、その値に基づいて行なう。そして、過放電状態にあった場合は、制御部１６がスイッチＳＷ１を断とし（ステップＳａ１１）、次いで、双方向電力変換部１５へ通常動作指令を出力する（ステップＳａ１２）。以後、装置が通常運転を行い、負荷４へ給電が継続される（ステップＳａ１３）。

また、ステップＳａ１０の判定において、過放電状態でなかった場合は、次に、負荷１〜３の変動量が変化しているか否かを判定する（ステップＳａ１４）。この判定は、例えば、電流検出器１２の出力により検出される電流の変化量の傾き（ΔＩ／Δｔ）に基づいて行われる。そして、ステップＳａ１４の判定結果が「ＹＥＳ」（変化している）の場合はステップＳａ８へ戻る。一方、ステップＳａ１４の判定結果が「ＮＯ」の場合（変化していない）は、しばらくの間（例えば１０秒）現状を維持し（ステップＳａ１５）、次に、再び、負荷１〜３の変動量が変化しているか否かを判定する（ステップＳａ１６）。そして、判定結果が「ＹＥＳ」の場合はステップＳａ８へ戻る。

また、ステップＳａ１６の判定結果が「ＮＯ」場合は、この段階で双方向電力変換部１５の回生制御がほぼ終了していることになり、制御部１６は蓄電装置１７が満充電になったか否かを判定する（ステップＳａ１７）。これは、回生した分、蓄電装置１７の電力容量が低下したため、充電動作を行う必要があるからである。この満充電の判定は、電流検出器２１によって検出される電流値の積算によって充電量を検知し、この検知結果から判定する。なお、精密に行う場合は、蓄電装置１７の温度を測定し温度補正を行う。
ステップＳａ１７の判定において満充電が検出された場合は、通常運転に移行する（ステップＳａ１８）。
なお、図２では、ステップＳａ１６の判定結果が「ＮＯ」の場合に、ステップＳａ１７の処理を行わずに、ステップＳａ１８へ進むようにしてもよい。

次に、図３を参照し、負荷１〜３が急減する場合について説明する。まず、制御部１６は、電流検出器１２の出力に基づいてラインＬの電流を検出し（ステップＳｂ１）、次に、負荷１〜３の急変量が設定値以上であるか否かを判定する（ステップＳｂ２）。この判定は、例えば、負荷電流をＣＴで検出してラインＬの平均電流値を常時計算し、瞬時電流値と平均電流値との差分が設定値を超えたかどうかに基づいて行なう。そして、設定値以下であった場合はステップＳｂ１へ戻る。また、設定値以上であった場合は、負荷１〜３の急減量を検出し（ステップＳｂ３）、充電装置１８の充電動作によって系統安定化が可能か否かを判定する（ステップＳｂ４）。この判定は、電流変化量（上記の差分）が蓄電装置１８の最大充電電流と抵抗１９での最大消費電流との和より小さい場合に安定可能（ＹＥＳ）となる。そして、判定結果が「ＮＯ」（安定化不可能）であった場合は、遮断器ＣＢへ切断指令を出力する（ステップＳｂ５）。これにより、遮断器ＣＢが切断され（ステップＳｂ６）、系統安定化装置１３が停止し（系統から解列され）、負荷４へは蓄電装置１７から給電される（ステップＳａ７）。

一方、ステップＳｂ４の判定結果が「ＹＥＳ」（安定化可能）であった場合は、以後、急減した負荷１〜３の消費電力の減少分を系統安定化装置１３において消費し、安定化を図る処理を行う。
すなわち、制御部１６は、まず、蓄電装置１８の充電のみでよいか、あるいは、抵抗１９による電力消費をも必要とするかを判定する（ステップＳｂ８）。この判定は、電流変化量（上記差分）が蓄電装置１８の最大充電電流より大きい場合に、抵抗１９が必要（ＹＥＳ）となる。そして、判定結果が「ＹＥＳ」（抵抗１９も必要）であった場合は、制御部１６が充電量を演算し、次いで、双方向電力変換部１５へ充電指令を出力し、また、スイッチＳＷ１をオフ、スイッチＳＷ２をオン、スイッチＳＷ３をオンとする（ステップＳｂ９）。この処理は、例えば、次のように行う。
初回：増加電力を直流出力電圧で割ると充電する直流出力電流値が演算される。現在の出力電流値からその演算値を引いた電流値を出力するように制御する。
２回目以降：電流変化量の傾き（ΔＩ／Δｔ）を常時把握し、その変化量に合わせ、双方向電力変換部１５の充電量を制御する。
以後、双方向電力変換部１５が変圧器１４を介して供給される交流電力を直流に変換し、蓄電装置１８および抵抗１９へ出力する。これにより、蓄電装置１８が充電され、また、抵抗１９による電力消費が行われる。またこの場合、制御部１６はラインＬの電流の変化量の傾き（ΔＩ／Δｔ）を常時把握し、その変化量に合わせて双方向電力変換部１５の充電量を制御する。

次に、制御部１６は、負荷１〜３の変動量が変化したか否かを判定する（ステップＳｂ１０）。そして、変化した場合はステップＳｂ９へ戻る。また、変化していない場合は、しばらくの間（例えば１０秒）現状を維持する（ステップＳｂ１１）。そして、再び、負荷１〜３の変動量が変化したか否かを判定し（ステップＳｂ１２）、変化した場合はステップＳｂ９へ戻る。一方、変化していない場合は、この段階で双方向電力変換部１５による蓄電装置１８の充電制御がほぼ終了したと判定し、スイッチＳＷ３をオフとする（ステップＳｂ１３）。

次に、制御部１６は、蓄電装置１８の電力を負荷４によって放電させるために、双方向電力変換部１５の直流出力である充電電流を小さくするよう指令する（ステップＳｂ１４）。次いで、蓄電装置１８が空充電状態になったか否かを判定し（ステップＳｂ１５）、空充電状態になった場合に、双方向電力変換部１５へ双方向動作を解除して負荷４に合わせた直流出力である充電電流とするよう指令し、また、スイッチＳＷ１をオン、スイッチＳＷ２をオフとする（ステップＳｂ１６）。そして、通常運転に移行すると共に、ステップＳｂ１の処理へ戻る（ステップＳｂ１７）。

一方、前述したステップＳｂ８の判定が「ＮＯ」（抵抗１９の必要なし）であった場合は、制御部１６がスイッチＳＷ１をオフ、ＳＷ２をオンとする（ステップＳｂ２０）。次いで、制御部１６は、充電量の演算および双方向電力変換部１５へ蓄電装置１８の充電指令を出力する（ステップＳｂ２１）。この処理は、例えば、次のように行う。
初回：増加電力を直流出力電圧で割ると充電する直流出力電流値が演算される。現在の出力電流値からその演算値を引いた電流値を出力するように制御する。
２回目以降：電流変化量の傾き（ΔＩ／Δｔ）を常時把握し、その変化量に合わせ、双方向電力変換部１５の充電量を制御する。
以後、双方向電力変換部１５が遮断器ＣＢおよび変圧器１４を介して供給される交流を直流に変換し、蓄電装置１８の充電を行う（ステップＳｂ２２）。

次に、制御部１６は、蓄電装置１８が満充電になったか否かを判定する（ステップＳｂ２３）。そして、満充電になった場合は、それ以上の充電が不可能であるため、ステップＳｂ９以降の処理へ進み、以後、強制的に抵抗１９によって電力を消費させる。
一方、満充電になっていない場合は、次に、負荷１〜３の変動量が変化しているか否かを判定する（ステップＳｂ２４）。そして、まだ変化している場合はステップＳｂ２１へ戻り、以後、ステップＳｂ２１〜Ｓｂ２４の処理を繰り返す。一方、負荷１〜３の変動量が変化しなくなった場合は、しばらくの間（例えば、１０秒）現状を維持（ステップＳｂ２５）した後、再び、負荷１〜３の変動量が変化しているか否かを判定する（ステップＳｂ２６）。そして、まだ変化している場合はステップＳｂ２１へ戻る。また、変化しなくなった場合は、この段階で双方向電力変換部１５による蓄電装置１８の充電制御がほぼ終了したと判定し、ステップＳｂ１４へ進み、以後、前述したステップＳｂ１４〜Ｓｂ１７の処理を行う。

このように、上記実施形態によれば、蓄電装置１７の放電が行われた場合は、放電の終了直後に充電が行われ、また、蓄電装置１８の充電が行われた場合は、充電直後に放電が行われる。これにより、蓄電装置１７、１８を常に負荷１〜３の急変に対応させることができ、この結果、予備の蓄電装置を設ける必要がない利点が得られる。

この発明は、エンジン等による電源装置の出力電圧を安定させるために用いられる。

この発明の一実施形態による電力系統安定化装置の構成を示すブロック図である。同実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。同実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１〜４…負荷
１１…分散電源
１２、２１、２２…電流検出器
１３…系統安定化装置
１４…変圧器
１５…双方向電力変換部
１６…制御部
１７、１８…蓄電装置
１９…抵抗

Claims

電源装置から交流側負荷へ交流電力を供給するラインに接続された電力系統安定化装置において、
満充電用蓄電装置と、
空充電用蓄電装置と、
直流側負荷と、
前記満充電用蓄電装置から供給される直流電圧を交流電圧に変換して前記ラインへ出力し、また、前記ラインから供給される交流電圧を直流電圧に変換して前記満充電用蓄電装置または前記空充電用蓄電装置へ出力する双方向電力変換部と、
前記ラインの電流を検出する検出器と、
前記検出器の検出電流値に基づいて、前記交流側負荷が急増したと判定した場合に、前記満充電用蓄電装置の直流電圧を前記双方向電力変換部において交流電圧に変換して前記ラインへ出力させ、前記交流側負荷が安定したと判定したときに、前記ラインの交流電圧を前記双方向電力変換部において直流電圧に変換して前記満充電用蓄電装置を充電させる一方、前記交流側負荷が急減したと判定した場合に、前記ラインの交流電圧を前記双方向電力変換部において直流電圧に変換して前記空充電用蓄電装置を充電させ、前記交流側負荷が安定したと判定したときに、前記双方向電力変換部の直流側の充電電流値を減少させて前記空充電用蓄電装置の直流電圧を前記直流側負荷で放電させる制御手段と、
備えることを特徴とする電力系統安定化装置。
前記双方向電力変換部の直流側に抵抗を更に備え、
前記制御手段は、前記交流側負荷が急減したと判定した場合に、前記抵抗による電力消費が必要か否かを判定し、必要であると判定した場合に、前記ラインの交流電圧を前記双方向電力変換部において直流電圧に変換して前記空充電用蓄電装置を充電させると共に、前記抵抗にも供給することを特徴とする請求項１に記載の電力系統安定化装置。