JP4858799B2 - 分散型電源の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、負荷変動に対する追従性能の異なる複数種類の分散型電源を統合的に制御することによって負荷変動補償を行うための制御方法に関する。

周知のように、近年、天然ガスコージェネレーションや燃料電池といった様々な分散型電源の開発が進められている。そのような分散型電源を建物における自家発電設備として採用することにより、熱電供給による優れた総合エネルギー効率が得られ、地球温暖化ガスの排出量削減が期待でき、商用系統（電力会社からの買電）の契約電力量の削減や配電設備の簡略化によるコスト削減を図ることができ、震災や火災時の自立安定性も確保し易いといった様々な利点があることから今後広く普及する気運にあり、たとえば特許文献１には分散型電源を複数の需要家間で融通しあうといった運用方法についての提案がある。
特開２００２−２３８１６８号公報

ところで、分散型電源を建物における自家発電設備として採用する場合、商用系統との合理的な連系が不可欠であるが、いずれにしても従来一般には分散型電源にベースロードを負担させ、ベースロードを越える負荷は商用系統により対応することが基本となっている。すなわち、分散型電源を可及的に定負荷にて連続運転することでベースロードに見合う発電量を確保して、ベースロードを越える負荷はその変動に応じて商用系統からの受電量を調整することにより、その全体で建物全体の需要を満たすようにしている。

そのように、分散型電源によりベースロードを確保して商用系統の受電量を負荷変動に追従させることにより、分散型電源を効率的かつ経済性に運転できるのであるが、その反面、商用系統には負荷変動に伴う電圧や周波数の変動を補償するための調整機能（アンシラリー機能）が高度に要求されることになり、今後、分散型電源が広く普及すると商用系統の負担が大きくなることが懸念されている。

そのため、今後は負荷変動に対する補償を商用系統に頼らず、分散型電源自体により負荷追従運転を行うことも必要と考えられ、またそのような分散型電源の負荷追従運転を行うことは商用系統に対する分散型電源の自立性を高めるためにも重要であると考えられているが、それぞれが小規模な個々の分散型電源を負荷変動に高度に追従させるようなことは必ずしも容易ではない。特に、建物における負荷変動は、建物全体では１日単位で緩慢に変動するようなパターンを基本として、個々の機器がオン／オフされることに伴う急速な負荷変動が重畳されているものであるし、また負荷の変動幅も数ｋＷから数百ｋＷと幅広いものであり、負荷によっては秒単位どころかミリ秒単位で大きな負荷変動が生じる場合もあり、個々の分散型電源をそのような多様な負荷変動パターンの全てに追従させるようなことは非常に困難である。

また、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギーを利用する分散型電源を採用する場合、その種の分散型電源は発電量自体が天候や時間帯等によって左右されることが不可避であることからその発電量の変動を他の分散型電源によって補償する必要も生じ、その場合にも負荷追従運転と同様の制御を行うことが必要とされる。

以上の事情から、分散型電源の負荷追従運転を安定かつ効率的に行い得る制御手法の開発が不可欠であるとされ、本発明はそれを可能とする有効適切な制御方法を提供することを目的としている。

本発明は、負荷変動に対する追従性能の異なる複数種類の分散型電源を統合的に制御することによって負荷変動補償を行うに当たり、補償するべき負荷変動を周波数解析して複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域の負荷変動をそれぞれ前記各分散型電源のいずれかに分担させて補償する分散型電源の制御方法であって、各分散型電源の出力応答特性についての周波数解析に基づいてその周波数特性を評価することにより、それぞれの分散型電源が分担して補償するべき負荷変動の周波数帯域を予め設定しておき、各周波数帯域の負荷変動に追従させて当該周波数帯域を分担する分散型電源の出力を制御することで当該周波数帯域の負荷変動を補償することを特徴とする。本発明においては、各周波数帯域の負荷変動データから、各周波数帯域を分担する各分散型電源の負荷電力を評価し、その評価値に基づいて各分散型電源の発電容量を予め決定しておくと良い。

本発明によれば、全周波数帯域の負荷変動を複数の分散型電源が各周波数帯域ごとに分担して有効かつ安定に補償できるものであるので、通常のように商用系統に高度のアンシラリー機能を要求することがなく、したがって商用系統に大きな負担を強いることなく分散型電源との連系が可能となり、また太陽光や風力といった自然エネルギーを利用する分散型電源の発電量の変動も同様に補償でき、分散型電源の自立性や信頼性を十分に高めることが可能である。

建物における受変電・自家発電システムに本発明の制御方法を適用する場合の実施形態を図１〜図５を参照して説明する。本実施形態における受変電・自家発電システムは、図３にその概要を示すように、通常の商用系統からの買電による受変電設備と各種の分散型電源による自家発電設備とを併用して、それらの連携により建物全体の電力負荷を賄いかつ負荷変動に対応するものであるが、基本的には買電量を可及的に一定とし、分散型電源を負荷変動に追従させて運転することにより負荷変動補償を行うものである。そして本実施形態では、負荷変動の周波数特性と、その負荷変動に対する各分散型電源の追従性能（周波数応答特性）を考慮することにより、各分散型電源の容量を最適に決定して負荷追従運転を最適かつ効率的に行うことを主眼とするものである。

すなわち、一般に建物の電力負荷、特に低圧電灯負荷や低圧動力負荷は刻々と変動するものであって、その負荷変動パターンを周波数解析すると、変動周波数がたとえば１Ｈｚ以上（周期が１秒以下）の非常に速い負荷変動から、０．１Ｈｚ以下（周期が１０秒以上）の比較的緩慢な負荷変動まで、様々な周波数の負荷変動が畳重していることが通常である。図１はある建物における負荷変動の周波数パターンの実測例であり、低圧電灯負荷や低圧ＯＡ負荷、低圧動力負荷では緩慢な負荷変動が卓越しているが、低圧非常動力負荷（主として非常エレベータ動力）では他の低圧負荷に較べて速くかつ大きな負荷変動を含んでいることがわかる。

一方、各種の分散型電源は、負荷変動に対しては殆ど追従できないものから、速い負荷変動に敏感に追従可能なものまで、負荷変動に対する追従性能が様々に異なるものである。具体的には、たとえば燃料電池やガスタービンは負荷変動に対する追従性能に乏しく、したがってこれらは原則的には一定出力での定常的な運転に適するものである。また、ガスエンジンは比較的緩慢な負荷変動に対する追従性を有しており、ＮＡＳ電池や鉛電池等の二次電池は比較的速い負荷変動にまで追従可能であり、超電導電力貯蔵装置に代表される電力貯蔵装置は非常に速い負荷変動に対しても有効に追従可能なものである。

図２は代表的な分散型電源であるガスエンジン（ＧＥ）、マイクロガスタービン（ＭＧＴ）、二次電池（ＢＥＳ）の周波数応答特性を示すものである。これは、正弦波を出力指令値としてその周波数を変化させて入力した場合における実際の出力値と指令値との振幅の比（図５（ａ））および位相差（図５（ｂ））を示すものであって、この図からマイクロガスタービン（ＭＧＴ）ではほぼ１ｍＨｚ以下、ガスエンジン（ＧＥ）ではほぼ１０ｍＨｚ以下、二次電池（ＢＥＳ）ではほぼ１００ｍＨｚ以下の負荷変動に対して振幅および位相ともに追従可能であることがわかる。換言すれば、マイクロガスタービン（ＭＧＴ）は負荷変動に対しては殆ど追従性がなく、ガスエンジン（ＧＥ）は周期が１００秒程度の比較的緩慢な負荷変動には追従でき、二次電池（ＢＥＳ）では周期が１０秒程度の比較的速い負荷変動まで有効に追従可能である。

そこで本実施形態では、建物の実際の負荷変動を計測して、そのデータを周波数解析して複数の周波数帯域に区分し、各周波数帯域の負荷変動をそれぞれ最適な周波数応答特性を有する分散型電源に分担させて補償することとしている。つまり、図１に示したような負荷変動の周波数解析の結果と、図２に示されるような各分散型電源の周波数応答特性とから、各周波数帯域ごとにその帯域における負荷変動を分担させる分散型電源の種類とその容量とを予め決定しておく。そして、負荷変動を刻々と計測してその周波数解析を行いつつ、各分散型電源をそれが分担する周波数帯域の負荷変動をそれぞれ補償するように運転制御する。これにより、全周波数帯域の負荷変動を各分散型電源によって分担して有効に補償し得て最も効率的な負荷追従運転が可能であり、その結果として商用系統からの買電量を可及的に一定に維持することが可能となり、商用系統に要求されるアンシラリー機能を軽減することが可能である。

なお、太陽光や風力などの自然エネルギーを利用する分散型電源を併用する場合には、それらの発電量の変動を監視してその変動情報も加味して各分散型電源の容量を決定すると良く、それによりある分散型電源の発電量の急変を他の分散型電源により補償することが可能である。

図３は分散型電源としてガスエンジン（ＧＥ）１、マイクロガスタービン（ＭＧＴ）２、二次電池（ＢＥＳ）３を採用した場合における制御システムの構成例の概要を示すものであり、図４はその場合の制御ブロック例を示すものであり、図５はこの制御システムによる負荷変動補償シミュレーションの結果を示すものである。シミュレーション対象の負荷はエレベータと水冷チラー（冷熱源機）を主体とするもので、その変動パターンは図５（ａ）に示すように日中における台形型のプロファイルを基本としてほぼ４時間おきに大きな負荷変動が生じ、かつ比較的速い周波数帯域の負荷変動が常時生じているものである。

図３に示す制御システムは、各分散型電源の出力を各トランスデューサ４を介して出力計測系５により計測しつつ、制御コンピュータ６によって各分散型電源をＬＡＮを介して制御することにより、図４に示す制御ブロックに基づいて各分散型電源を負荷に追従させて運転するものである。

具体的には、水冷チラーのベース負荷をマイクロガスタービン２の出力制御により補償することを基本として、その負荷変動から１ｍＨｚ以下の変動成分をＬＰＦ（ローパスフィルタ）により抽出してマイクロガスタービン２への指令値（Ｐrm）を算出して出力を決定する。また、ガスエンジン１の出力制御はマイクロガスタービン２では追従できない水冷チラーの速い負荷変動および１０ｍＨｚ以下の負荷変動成分を補償することを基本とし、マイクロガスタービン２の出力分を差し引いてガスエンジン２と二次電池３が補償するべき負荷変動成分から、さらに１ｍＨｚ以下の変動成分を抽出してガスエンジン１への指令値（Ｐrg）を算出し出力を決定する。さらに、二次電池３の出力制御はエレベータによる極めて速い変動成分と、マイクロガスタービン２およびガスエンジン１の制御遅れによる発生した速い変動成分とを補償するべく、負荷からそれらの出力分を差し引いて二次電池３への指令値（Ｐrb）を算出して出力を決定する。

上記のような制御を行うことにより、図５（ａ）に示したような大きな負荷変動が同図（ｂ）に示すように殆ど補償され、その結果、商用系統からの買電量をほぼ一定にすることが可能となった。

なお、上記実施形態は商用系統による買電と分散型電源による自家発電とを併用した受変電・自家発電システムへの適用例であるが、本発明は商用系統に頼らずに分散型電源のみを自立運転させる電力供給システムにも適用可能である。つまり、各分散型電源が自前でアンシラリー機能を保有することにより、太陽光や風力等の自然エネルギーを利用する分散型電源も含む各種の分散型電源のみによる信頼性の高い電力供給システムを実現することができる。

本発明の実施形態を説明するための図であって、建物における負荷変動の周波数パターンの例を示す図である。 同、各分散型電源の周波数応答特性を示す図である。 同、制御システムの構成例を示す概要図である。 同、制御ブロック例を示す図である。 同、負荷変動補償シミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１ ガスエンジン（分散型電源）
２ マイクロガスタービン（分散型電源）
３ 二次電池（分散型電源）
４ トランスデューサ
５ 分散型電源の出力計測系
６ 制御コンピュータ

Claims (2)

1. 負荷変動に対する追従性能の異なる複数種類の分散型電源を統合的に制御することによって負荷変動補償を行うに当たり、補償するべき負荷変動を周波数解析して複数の周波数帯域に分割し、各周波数帯域の負荷変動をそれぞれ前記各分散型電源のいずれかに分担させて補償する分散型電源の制御方法であって、
   各分散型電源の出力応答特性についての周波数解析に基づいてその周波数特性を評価することにより、それぞれの分散型電源が分担して補償するべき負荷変動の周波数帯域を予め設定しておき、各周波数帯域の負荷変動に追従させて当該周波数帯域を分担する分散型電源の出力を制御することで当該周波数帯域の負荷変動を補償する場合に、
   前記分散型電源それぞれの出力を計測し、補償前の負荷変動から当該分散型電源の分担周波数帯域の出力を差し引き、差し引かれた負荷変動を、より高い周波数帯域の負荷変動を分担する他の分散型電源により補償するように制御することを特徴とする分散型電源の制御方法。
2. 請求項１記載の分散型電源の制御方法であって、
   各周波数帯域の負荷変動データから、各周波数帯域を分担する各分散型電源の負荷電力を評価し、その評価値に基づいて各分散型電源の発電容量を予め決定しておくことを特徴とする分散型電源の制御方法。

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