JP4892417B2 - 電力系統需給制御システム、指令装置、及び電力系統需給制御方法 - Google Patents

電力系統需給制御システム、指令装置、及び電力系統需給制御方法 Download PDF

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本発明は、周波数変動幅が小さい系統と周波数変動幅が大きい系統とを備える電力系統需給制御システム、指令装置、及び電力系統需給制御方法に関する。
海外や離島などの未電化地域では送電設備がないため、独立した発電設備を備え、電力供給を行う必要がある。その電力供給を行う手段として、太陽光発電や風力発電など新エネルギー電源による電力供給が期待されている。しかし、このような新エネルギー電源は、自然環境の影響を受けやすく変動も大きいため、蓄電装置などを導入して周波数変動や出力変動を抑制する必要がある。また、これらの変動を抑制するために、需給バランスの調整を行う必要がある。特許文献1,2には、電力系統に風力発電や太陽光発電など単体では出力制御できない発電装置を連系する方法として、電気二重層キャパシタや蓄電装置を設置して周波数変動を小さくする方法が開示されている。また、特許文献3には、電力系統と小規模電力系統を1点で系統連系し、小規模電力系統側の需給制御することで、潮流を制御する方法が開示されている。
特開2004−254456号公報 特開2006−174635号公報 特願2005−269370号明細書
特許文献1,2の技術には、分散型電源のみの周波数変動制御であり、系統全体の周波数や電圧を考慮していないという問題と、分散型電源ごとに設備を設けるためコストがかかるという問題と、分散型電源の導入容量が限定されるという問題とがある。
また、特許文献3の技術には、潮流を制御するためには、蓄電池などで需給バランスを調整する必要があり、送電系統側の安定した系統に依存しているため、発電機を接続して独立系統のみで運用できないという問題がある。
そこで、本発明は、発電機が接続された系統の周波数を安定化することができる電力系統需給制御システム、指令装置及び電力系統需給制御方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明の電力系統需給制御システムは、発電機及び高品質負荷を接続する周波数変動幅が小さい系統と、分散型電源及び標準品質負荷を接続する周波数変動幅が大きい系統と、少なくとも前記周波数変動幅が小さい系統に接続された電力調整手段を備えることを特徴とする。
これによれば、発電機の機械的回転速度と発電周波数とが同期しなくても、電力調整手段が電力調整手段が変動幅が小さい系統から流出させる電力を増加することにより、発電機の負荷が重くなり、発電周波数が低下する。一方、電力調整手段が移動させる電力を低下させることにより、発電機の負荷が軽くなり、発電周波数が増加する。すなわち、電力調整手段が移動させる電力を調整することにより、系統の周波数変動を小さくすることができる。
また、電力調整手段は、前記周波数変動幅が小さい系統と前記周波数変動幅が大きい系統との間に接続される開閉器と、前記開閉器を介して接続され、前記各系統の電力を消費する調整負荷と、前記周波数変動幅が小さい系統の周波数に基づいて、前記開閉器を制御する調整負荷切替え指令装置を有することが好ましい。
これによれば、周波数変動幅が小さい系統から開閉器を介して調整負荷まで電力が移動する。また、この調整負荷は、周波数変動幅が大きい系統に接続されることにより、常時電力が供給される。
本発明によれば、発電機が接続された系統の周波数を安定化することができる。
(第1実施形態)
図1は、本発明の一実施形態である電力系統需給制御システムの構成図である。この電力系統需給制御システム100は、周波数の振れ幅(周波数変動幅)が小さい系統1と、周波数の振れ幅(周波数変動幅)が大きい系統2と、周波数の振れ幅が小さい系統1と周波数の振れ幅が大きい系統2との間に挿入された開閉器31と、開閉器31に接続された調整負荷32と、周波数の振れ幅が小さい系統1に接続された発電機11及び高品質負荷12と、周波数の振れ幅が大きい系統2に接続されたインバータ21及び標準品質負荷23と、インバータ21に接続された新エネルギー電源(分散型電源)22と、調整負荷切替え指令装置(指令装置)33とを備える。
周波数の振れ幅が小さい系統1と周波数の振れ幅が大きい系統2とは、基準周波数50/60Hzの電力会社(電力事業者)等の送電系統とは接続されていない独立した電力系統である。周波数の振れ幅が小さい系統1には、発電機11と高品質負荷12とが接続されている。発電機(回転機)11は、誘導機が使用され、回転軸の回転周波数と発電周波数との間にすべりがあるため、負荷の変動により周波数変動が発生する。高品質負荷12は、同期電動機等の周波数が大きく振れると脱落してしまうため、高品質な周波数変動特性が要求される負荷のことである。
新エネルギー電源22は、太陽光発電や風力発電などの分散型電源で構成され、例えば、風力発電は風速によって周波数が変動する。インバータ21は、太陽光発電による直流電圧を交流電圧に変換し、風力発電による交流電圧を一定の商用電圧に制御する。標準品質負荷23は、周波数が数Hz変動しても問題なく動作する負荷のことであり、50/60Hzの何れの周波数でも使用可能な家電機器が代表的である。例えば、家電機器として炊飯器、白熱電球などの電熱器や、インバータエアコンや冷蔵庫などの電動力器などが例示される。
開閉器31は、ON/OFF信号により、a接点側とb接点側との何れか一方にc端子を接続するものであり、調整負荷32の他端を周波数の振れ幅が小さい系統1に接続させるか、周波数の振れ幅が大きい系統2に接続させるかを切り替える。すなわち、調整負荷32は、周波数の振れ幅が小さい系統1と、周波数の振れ幅が大きい系統2との何れかに接続されるので、常時通電されている。
図2(a)のように、調整負荷32(32a)は、電灯(ランプ)などの抵抗負荷R1,R2,…,Rnが複数台入っており、何れかの抵抗負荷R1,R2,…,Rnが組み合わされて並列接続されるようになっている。なお、抵抗負荷R1,R2,…,Rnの一端は、連結されている。この場合、開閉器31(31a)は、各抵抗負荷R1,R2,…,Rnを周波数の振れ幅が小さい系統1又は周波数の振れ幅が大きい系統2に接続するために、接点a1,a2,…,an、b1,b2,…,bn、及び端子c1,c2,…,cnを備えている。すなわち、抵抗負荷R1,R2,…,Rnは、複数の電灯やランプなどが組み合わされて、周波数の振れ幅が小さい系統1の電力を消費し、他の電灯やランプが周波数の振れ幅が大きい系統2の電力を消費する。
再び、図1に戻り、調整負荷切替え指令装置33は、周波数の振れ幅が小さい系統1の周波数f1に基づいて、開閉器31をON/OFF制御する。このとき、調整負荷切替え指令装置33は、調整負荷32内部の複数の抵抗負荷R1,R2,…,Rn(図2(a))を適宜選択して、周波数の振れ幅が小さい系統1に接続された抵抗負荷R1,R2,…,Rn全体の消費電力を調整する。
図2に示すように、調整負荷切替え指令装置33は、調整負荷量演算装置331と、開閉器切替え指令装置332と、減算器333とを備え、これらの機能はCPU、ROM、RAM、プログラム等によって実現される。
まず、調整負荷切替え指令装置33は、周波数の振れ幅が小さい系統1の周波数f1をモニタリングして、減算器333が所定の基準周波数f0との差分周波数Δfを演算する。ここで、図3に示すように、周波数の振れ幅が小さい系統1は、独立系統であるため、周波数f1は常に変動しており、基準周波数f0との差分周波数Δfが常に生じることが分かる。
ここで、周波数の振れ幅が小さい系統1の基準周波数f0が50Hzである場合、独立系統の周波数f1は50Hzを中心に変動する。また、周波数f1と周波数f0との差分周波数Δfが±0.3Hzと設定した場合、49.7Hzもしくは50.3Hzとする。次に、調整負荷量演算装置331は、求めた差分周波数Δfから、(1)式のように演算し、調整負荷量ΔPaを決定する。
ΔPa=−(Kg+Kl)×Δf ・・・・・・(1)
ここで、Kgは発電機11の周波数特性係数であり、単位は[%/Hz]、Klは負荷の周波数特性であり、単位は[%/Hz]である。周波数が0.1Hz変化したときに、電源や負荷が何%変化するかは系統の発電機11や負荷(高品質負荷12)の容量に依存する。
次に、(1)式で求めた調整負荷量ΔPaが(2)式となるように、しきい値K1と−K1を定める。このK1は、Δfを±0.3Hzと定めているので、−K1は−0.3(Kg+Kl)であり、K1は0.3(Kg+Kl)である。ここで、K1は調整負荷32を切り替えるしきい値である。
−K2<−K1≦ΔPa≦K1<K2 ・・・・・・・・(2)
ここで、ΔPaが、0から−K1の範囲にいる場合は、周波数の差分Δfが増加するため、発電機11の出力が小さくなる方向に働くので、周波数の差分が小さいときは調整負荷32の消費電力も絞る。次に、K1からK2の間における周波数変動が起きたときは、調整負荷切替え指令装置33の制御信号に伴い、開閉器切替え装置332は、調整負荷32に接続している開閉器31を、周波数の振れ幅が大きい系統2に切り替えることで、周波数を上げて周波数の維持を図る。
一方、調整負荷量ΔPaが0からK1の範囲にいる場合は、周波数の差分Δfが減少し、発電機11の出力が増加する方向に働くので、周波数変動が小さいときは、調整負荷32の負荷を増加させる。次に、K1からK2の間における周波数の変動が起きたときは、調整負荷切替え指令装置33の制御信号に伴い、開閉器31が調整負荷32を周波数の振れ幅が小さい系統1に接続する。ただし、周波数の振れ幅が小さい系統1は、高品質負荷12を備えているため、調整負荷切替え指令装置33は、周波数f1を確認しながら、調整負荷32の複数の抵抗負荷R1,R2,…,Rnを少しずつ投入していく。
すなわち、しきい値K1を超えた場合には、周波数の振れ幅が小さい系統1の高品質負荷12を保護するために、調整負荷32の調整量を調整する。周波数の振れ幅が大きい系統2に調整負荷32が接続されると、系統の周波数が低下し負荷変動が伴うが、標準品質負荷23は±5Hz程度の変動を許容できるものと想定している。
次に、周波数の振れ幅が小さい系統1の負荷が増加したときの原理について説明する。
図4に周波数の振れ幅が小さい系統1の負荷電力L1、及び発電電力P1と周波数fの関係を示す。なお、発電電力P1が増加したときの状態変化の方向を実線矢印で示し、発電電力が減少したときの状態変化の方向を破線矢印で示す。
負荷電力L1が増加する前の状態をLAとし、負荷電力L1が増加した後の状態をLA’とすると、実線矢印のように負荷電力L1がΔLaだけ増加することで周波数fがΔfだけ減少する。ただし、周波数特性は考慮していない。このLA‘の状態は、負荷電力L1が増加すると周波数fも低下してしまい、ある一定の周波数が変化すると発電機11が脱落する可能性がある。そこで、図1の調整負荷切替え指令手段33が調整負荷32の消費電力を絞り、図の破線矢印に示すようにLA’の状態から元のLAの状態に調整することで、周波数fをΔf分だけ増加させるように制御を行い周波数fの維持を行うことができる。
同様に、図5は、調整負荷32(図1)が接続されていない状態での、発電電力P2、負荷電力L2と周波数fの関係図である。図4と同様に、発電電力P2が増加したときの状態変化の方向を実線矢印で示し、発電電力P2が減少したときの状態変化の方向を破線矢印で示す。
このように、負荷電力L2が増加する前の状態をLB、負荷電力L2が増加した後の状態をLB’とすると、負荷電力L2がΔLbだけ増加することで周波数がΔf‘だけ減少する。ただし、周波数特性は考慮していない。このLB‘の状態は、負荷電力L2が増加すると周波数fも低下してしまい、ある一定の周波数fが変化すると負荷(高品質負荷12)や発電機11が脱落する可能性がある。周波数の振れ幅が大きい系統2では、周波数の振れ幅が小さい系統1よりも周波数変動を許容する標準品質負荷23を接続している。標準品質負荷23は、例えば、Δfが±5Hzまでは許容できるため、動作する可能性が高い。
もし、Δfが±5Hz以上の場合は、標準品質負荷23や新エネルギー電源22を停止することで周波数の振れ幅が大きい系統2を保護する。このように、標準品質負荷23は停止させてでも、高品質負荷12は絶対に停止させないように制御する。なお、周波数の振れ幅が大きい系統2に調整負荷32が接続されている場合には、調整負荷切替え指令装置33に従い周波数の維持を図ることもできる。
以上説明したように本実施形態によれば、周波数の振れ幅が小さい系統1に接続している負荷に、安定した高品質な電力を供給することが可能となる。さらに、調整負荷32を用いて負荷の変動を抑制することができるため、新エネルギー電源22等の分散型電源をより多く設置することが可能となる。また、調整負荷32を用いて負荷の変動や周波数変動を抑制することができ、発電機の容量を低減することができ、発電機の調整を行わないためコストを低減することが可能である。
(第2実施形態)
第1実施形態は、調整負荷32によって交流電力を消費させたが、BTB(Back-To-Back)を用いて周波数の振れ幅が小さい系統1と周波数の振れ幅が大きい系統2との間で電力を移動させても周波数変動を低減することができる。
図6に示すように、電力供給需給制御システム110は、周波数の振れ幅が小さい系統1と周波数の振れ幅が大きい系統2の間に潮流電力変換器であるBTB41を設け、BTB41を通流する電力(潮流)を潮流制御装置42で制御する。このBTB41は、図示しないが、交流電力と直流電力とを双方向に変換する第1のコンバータと、直流電力を蓄電する蓄電器と、直流電力と交流電力とを双方向に変換する第2のコンバータとを備え、直流電力を介して電力変換するので、周波数の振れ幅が異なる両系統1,2を非同期で連系することができる。
他の構成要素は、第1実施形態と同様であり、周波数の振れ幅が小さい系統1には発電機11及び高品質負荷12が接続されており、周波数の振れ幅が大きい系統2には標準品質負荷23及びインバータ21を介して新エネルギー電源22が接続されている。
次に、図7を用いて、潮流制御装置42の制御方法について説明する。
潮流制御装置42は、潮流通過量演算装置421とBTB指令装置422と減算器423とを備えている。減算器423は、計測された周波数の振れ幅が小さい系統1の周波数f1からある一定の基本周波数f0を減算して、差分周波数Δfを出力する。ある一定周波数f0は、系統が50Hzの系統ならば50Hzであり、系統が60Hzなら60Hzの周波数である。また、周波数f1と周波数f0の差分周波数Δfが±0.3Hzと定めた場合、49.7Hzもしくは50.3Hzとする。
次に、潮流通過量演算装置421は、第1実施形態と同様に、差分周波数Δfから(1)式によりBTB41を通過する潮流制御量ΔPaを演算する。演算した潮流制御量ΔPaの分だけBTB41を通すようにBTB指令装置422に信号を与え、BTB41で求めた制御量だけ流すように制御を行う。
以上のように、周波数の振れ幅が小さい系統1の周波数f1を常にモニタリングし、BTB41に流れる電力(潮流)を制御することで、周波数の振れ幅が小さい系統1の周波数の安定化を図ることができる。
(第3実施形態)
第2実施形態ではBTBを用いて交流電力を移動させたが、電力貯蔵装置を用いて電力を移動させることができる。
図8に示す電力系統需給制御システムは、電力貯蔵装置51が周波数の振れ幅が小さい系統1に接続され、電力貯蔵装置51が需給調整制御装置52によって制御され、周波数の振れ幅が小さい系統1と周波数の振れ幅が大きい系統2とが独立している点で第2実施形態と異なる。
他の構成要素は、第2実施形態と同様であり、周波数の振れ幅が小さい系統1には発電機11及び高品質負荷12が接続されており、周波数の振れ幅が大きい系統2には標準品質負荷23及びインバータ21を介して新エネルギー電源22が接続されている。
次に、図9を用いて、需給調整制御装置52の制御方法について説明する。
需給調整制御装置52は、需給調整量演算装置521と電力貯蔵装置指令装置522と減算器523とを備えている。減算器536は、計測された周波数の振れ幅が小さい系統1の周波数f1と一定周波数f0とを減算する。この一定周波数f0は、系統が50Hzならば50Hzであり、系統が60Hzなら60Hzである。また、周波数f1と周波数f0の差分周波数Δfが±0.3Hzと定めた場合、49.7Hzもしくは50.3Hzとする。
次に、需給調整量演算装置521は、求めた差分周波数Δfから(1)式で示されるにより潮流制御量ΔPcを演算する。電力貯蔵装置指令装置522は、求めた潮流制御量ΔPcの分だけから電力貯蔵装置51(図8)へ制御信号を与える。そして、電力貯蔵装置51は、需給バランスを調整することで周波数の振れ幅が小さい系統1の周波数を維持する。
以上のように、周波数の振れ幅が小さい系統1の周波数f1を常にモニタリングし、電力貯蔵装置により指令された電力量を調整し、周波数の振れ幅が小さい系統1の周波数の安定化を図ることができる。
(変形例)
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
(1)第1実施形態では、周波数の振れ幅が小さい系統1と周波数の振れ幅が大きい系統2との何れかに調整負荷32を接続することにより、調整負荷32を常時通電させて、電熱器、ランプ等を調整負荷32として使用していた。しかしながら、調整負荷32は、常時通電させる必要がなければ、必ずしも周波数の振れ幅が大きい系統2に接続する必要はない。この場合は、開閉器31は、周波数の振れ幅が小さい系統1と調整負荷32とを開閉するのみであり、周波数の振れ幅が小さい系統1と周波数の振れ幅が大きい系統2とは、互いに独立する。
(2)前記各実施形態は、周波数の振れ幅が大きい系統2と新エネルギー電源(分散型電源)22との間にインバータ21を接続したが、新エネルギー電源22が交流電力を発生することができれば、インバータ21は不用である。
(3)前記各実施形態は、発電機11に誘導機を使用したが、エンジンと連結された同期機のように、エンジン負荷により回転速度が変わり、結果として発電周波数が変わるものであってもよい。
本発明の第1実施形態である電力系統需給制御システムの系統図である。 調整負荷切替え指令装置のブロック図である。 周波数の振れ幅が小さい系統の周波数及び基準周波数と時間の関係図である。 周波数の振れ幅が小さい系統の発電電力、及び発電電力と周波数との関係を示す特性図である。 周波数の振れ幅が大きい系統の発電電力、及び負荷電力と周波数の関係を示す特性図である。 本発明の第2実施形態の電力系統需給制御システムの系統図である。 潮流制御装置のブロック図である。 本発明の第3実施形態の電力系統需給制御システムの系統図である。 需給調整制御装置の制御方法を示すブロック図である。
符号の説明
1 周波数の振れ幅(周波数変動幅)が小さい系統
2 周波数の振れ幅(周波数変動幅)が大きい系統
11 発電機(回転機)
12 高品質負荷
22 新エネルギー電源(分散型電源)
21 インバータ
23 標準品質負荷
31 開閉器
32 調整負荷
33 調整負荷切替え指令装置
100,110,120 電力系統需給供給システム
331 調整負荷量演算装置
332 開閉器切替え指令装置(指令装置)
41 BTB(潮流電力変換器)
42 潮流制御装置
421 潮流通過量演算装置
422 BTB指令装置
51 電力貯蔵装置
52 需給調整制御装置
521 需給調整量演算装置
522 電力貯蔵装置指令装置

Claims (9)

  1. 発電機及び高品質負荷を接続した周波数変動幅が小さい系統と、分散型電源及び標準品質負荷を接続した周波数変動幅が大きい系統とを備える電力系統需給制御システムであって、
    前記周波数変動幅が小さい系統と前記周波数変動幅が大きい系統との間に接続される開閉器と、
    前記開閉器を介して接続され、前記各系統の何れかの電力を消費する調整負荷と、
    前記周波数変動幅が小さい系統の周波数に基づいて、前記開閉器を制御する調整負荷切替え指令装置とを有することを特徴とする電力系統需給制御システム。
  2. 前記調整負荷切替え指令装置は、前記周波数変動幅が小さい系統の周波数が所定値よりも高いときは、前記周波数変動幅が小さい系統と前記調整負荷とを接続するように前記開閉器を制御し、前記周波数変動幅が小さい系統の周波数が所定値以下であるときは、前記周波数変動幅が大きい系統と前記調整負荷とを接続するように前記開閉器を制御することを特徴とする請求項1に記載の電力系統需給制御システム。
  3. 前記調整負荷切替え指令装置は、前記周波数変動幅が小さい系統の周波数が所定値よりも高いときは、前記調整負荷の消費電力を増大するように前記開閉器を制御し、前記周波数変動幅が小さい系統の周波数が所定値以下であるとき前記消費電力を減少するように前記開閉器を制御することを特徴とする請求項1に記載の電力系統需給制御システム。
  4. 前記調整負荷は、複数の負荷に分割されており、
    前記開閉器は、前記各負荷が前記周波数変動幅が小さい系統と、前記周波数変動幅が大きい系統とを切り替えるように接続されており、
    前記調整負荷切替え指令装置は、前記各負荷を組み合わせて消費電力を調整するように前記開閉器を制御することを特徴とする請求項1に記載の電力系統需給制御システム。
  5. 前記調整負荷切替え指令装置は、周波数変動幅が小さい系統の周波数と基準周波数との差分周波数から調整負荷量を演算する調整負荷量演算装置と、
    前記調整負荷量演算装置で求めた調整負荷量の値に基づいて、前記開閉器に指令を与える開閉器切替え指令装置とを有することを特徴とする請求項4に記載の電力系統需給制御システム。
  6. 周波数変動幅が小さい系統の周波数と基準周波数との差分周波数から調整負荷量を演算する調整負荷量演算手段と、
    前記調整負荷量演算手段で求めた調整負荷量に基づいて、前記周波数変動幅が小さい系統と周波数変動が大きい系統との間に接続され、調整負荷が接続された開閉器に指令を与える開閉器切替え指令手段を有する指令装置。
  7. 前記調整負荷は、複数の負荷に分割されており、
    前記開閉器は、前記複数の負荷を切り替えるように接続されており、
    前記複数の負荷を組み合わせて消費電力を調整するように前記開閉器に指令することを特徴とする請求項に記載の指令装置。
  8. 発電機及び高品質負荷を接続した周波数変動幅が小さい系統と、分散型電源及び標準品質負荷を接続した周波数変動幅が大きい系統と、前記周波数変動幅が小さい系統と前記周波数変動幅が大きい系統との間に接続される開閉器と、前記開閉器を介して接続され、前記各系統の何れかの電力を消費する調整負荷とを備える電力系統需給制御システムに使用される電力系統需給制御方法であって、
    前記開閉器は、前記周波数変動幅が小さい系統の周波数が所定値よりも高いときに、前記周波数変動幅が小さい系統と前記調整負荷とが接続され、前記周波数変動幅が小さい系統の周波数が所定値以下であるときに、前記周波数変動幅が大きい系統と前記調整負荷とが接続されることを特徴とする電力系統需給制御方法。
  9. 前記調整負荷は、複数の負荷に分割されており、前記開閉器は、前記各負荷が前記周波数変動幅が小さい系統と、前記周波数変動幅が大きい系統とを切り替えるように接続されており、
    前記開閉器は、前記各負荷を組み合わせて消費電力を調整することを特徴とする請求項に記載の電力系統需給制御方法。
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