JP5076157B2 - 分散型電源システム及びこのシステムを用いた系統電圧安定化方法 - Google Patents
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(1)太陽光発電(PV:Photovoltaic)や風力発電(WT:Wind Turbine)の有効電力出力変動により、系統全体での周波数変動が生じる。
(2)分散型電源出力を電力会社に売電することにより、分散型電源側から電力系統側に逆潮流が発生し、この結果、電圧変動が発生する。
(3)アーク炉などの変動が激しい負荷による周期の短い電圧変動が発生する。
また、特許文献2には、力率を制御して系統電圧の安定化を図る方法が示されている。分散型電源を含む大型同期発電機では、力率の調整を励磁回路で行うが、この場合、1秒以下の変動に対応できるような高速制御ができない。また、有効電力出力に対し無効電力出力が決まるため、複数の分散型電源を制御する場合、各分散型電源がどのくらい有効電力を必要とし、どのくらいの無効電力を出力可能とするのかを把握しておく必要があるが、特許文献2記載の技術ではその点について考慮されていない。
ここで、複数の分散型電源は、ガスタービン、ガスエンジン、太陽光発電、燃料電池、蓄電池の中いずれか一つまたは複数から構成されるものであり、電力系統の電圧変動は、1秒以下の短い周期で発生する急峻な電圧変動である。
(a)情報収集用サーバによって、電力系統における電圧変動を監視するステップ、
(b)複数の分散型電源のそれぞれの稼動状況を監視するステップ、
(c)各分散型電源の稼働状況に応じて当該分散型電源から電力系統に供出可能な無効電力を演算するステップ、
(d)電力系統の電圧変動が所定の閾値を超えたとき、各分散型電源に対して電力系統に出力させる無効電力を割り当てるステップ、
(e)各分散型電源に割り当てた無効電力を電力系統に供出指令を各分散型電源に与えるステップ、
(f)情報収集用サーバが、電力系統の電圧変動を検出したとき、情報収集用サーバからの供出指令に基づいて、当該分散型電源に割り当てられた無効電力量を、力系統に出力するステップ、
(g)複数の分散型電源から前記電力系統に出力できる無効電力量の大きい順番に各分散型電源を並び替えるステップ、
(h)前記無効電力量の大きい順番に前記各分散型電源から電力系統に無効電力を出力させるステップ。
以下、図面を参照して本発明の実施形態例を説明するが、その前に本発明の実施の形態例を説明する上で必要となる、有効電力と無効電力の関係について図1に基づいて説明する。一般に、インバータの容量は一般的に皮相電力(VA)で表わされる。皮相電力は図1のベクトルaで表わされる。図1に示すように、有効電力を横軸、無効電力を縦軸にとると、皮相電力S(VA)と有効電力P(W)及び無効電力Q(var)の関係は(1)式で表わされる。
次に、図2に基づいて、本例の分散型電源システムの構成と動作について説明する。図2は、本例の分散型電源システムのシステム構成図である。図2に示すように、本例の分散型電源システムは、電力系統の低圧配電線1に接続された情報収集用サーバ2と、同じく低圧配電線1に接続された複数(N個)の分散型電源4と、この分散型電源が用いられる複数の住宅用負荷3と、から構成されている。ここで、通常の分散型電源4の運用としては、定格出力の範囲内で住宅の電力需要(住宅用負荷3)を賄うように運転され(矢印6参照)、発電時の排熱は貯湯槽5に蓄熱されるようになっている。
また、情報収集用サーバ2は、低圧配電線1に接続されているので、この配電線の電圧変動を知ることができる。そして、上記複数の分散型電源4の運転状況を把握するために、ネットワーク8を介して分散型電源4と定期的に通信する。ここで分散型電源4はその制御用の不図示のコンピュータを備えており、情報収集用サーバ2と分散型電源4との通信はいわゆるインターネットや専用回線を経由したコンピュータ間の通信となる。
情報収集用サーバ2は、電力系統の低圧配電線1の電圧を常時監視する系統電圧監視部31と、分散型電源4の稼動状況を監視する稼働状況監視部32を備えている。また、系統電圧の異常を検出する系統電圧変動検出部33を備え、この系統電圧変動検出部33で所定範囲を上回る電圧変動が検出された場合に、分散型電源側から系統側に出力するべき電圧変動を補償するための無効電力量を計算する無効電力量演算部34を備えている。
例えば、不図示のアーク炉等が原因で、電力系統の低圧配電線1に、時間的に短い周期(10秒以下、特に1秒以下)の電圧変動があったと仮定する。情報収集用サーバ2の系統電圧監視部31は、系統電圧を常時監視しており、系統電圧の変動が系統電圧変動検出部33で検出される。また、情報収集用サーバ2の分散型電源稼動状況監視部32は、その管理下にあるマイクログリッドに属する全ての分散型電源4の稼動状況を監視している。
分散型電源4は、情報収集用サーバ2からの上記指令に基づいて、その余力(無効電力Q)を図2の点線矢印7で示すように、所定時間(例えば100ms程度)毎に必要に応じて出力を変化させ、電力系統側の低圧配電線1に供給する。
ここで、情報収集用サーバ2と分散型電源4間のデータ通信間隔は短いほど良いが、安定化させたい電圧変動の周期を考慮し、分散型電源4の有効電力出力6のデータ計測間隔を適宜設定するようにしている。
次に、図4、図5に基づいて、本例の分散型電源システムによる系統電圧の安定化動作について説明する。
図4は、複数の分散型電源4の稼働状況を調査するためのフローチャートである。分散型電源4(図2参照)の稼働状況の調査は、マイクログリッドを構成する全ての分散型電源4について行われる(ステップS1)。つまり、分散型電源4は、N個(i=1〜N)あり、このN個の分散型電源4が調査の対象になる。まず、初期値として、無効電力Qの総和Qsum=0、分散型電源4の番号i=0と設定する(ステップS2)。
処理が開始されると(ステップS10)、最初にΔV10の閾値が、例えば0.45に設定される(ステップS11)。このΔV10という値は、照明負荷のフリッカ(ちらつき)の大きさ、つまり、ちらつきが生じる電圧変動を示す値である。点滅の頻度を表す値であるといってよい。例えば、一時的な過負荷状態で系統に大電流が流れ、電圧降下が起こると、様々な設備に影響する。照明器具では特に蛍光灯や水銀灯などの放電灯が影響を受けやすい。この許容値は電力会社毎に、あるいは配電線毎に異なるが、通常は0.23〜0.45に設定される。つまり、このΔV10の値がフリッカの補償が必要となる電圧変動の値であり、ΔV10=0.45という数値は、この許容値を超えたら何らかの対策が必要とされる限界値である。
Qreq=(Vref−V)/ΔQ (3)
ここで、Vは電力系統の電圧、Vrefは電圧制御目標値、ΔQは電圧感度係数である。
この式(3)は、系統電圧の安定化に必要な無効電力量を推定するための式である。言い換えると、各分散型電源(DG)から供給される無効電力の総和を意味している。
この方法では、まず、余力の大きい分散型電源(DG)から順番に出力すべき無効電力を割り当て、系統安定化に必要な無効電力Qの大きさを確保していく。ここで、系統安定化のために必要な無効電力量は、必ずしも全台数でまかなわれるのではなく、あらかじめ決められた優先順位に従って各分散型電源から電力系統(配電線)に出力される無効電力出力を調整するようにする。
図8は、配電用変電所9から負荷10〜24への樹枝状の配電系統シミュレーションモデルを示したものである。配電用変電所9から系統末端までは直線距離でおよそ4kmである。実際の系統では、負荷10〜24は配電線1上に分布しているのであるが(図2参照)、ここでは、便宜的に各番号の点(以下「ノード」という)に集中して複数の分散型電源4が接続されていると考える。
図11は、変電所9から遠方(例えば4km)のノード15にフリッカ源があるとした場合、フリッカ源15に比較的近い場所にあるノード14を制御ノードとして系統電圧の安定化を図る例である。この例では、ノード14に図2に示したマイクログリッドから構成される分散型電源システムが存在するものと想定している。ここで、ノード14を構成する分散型電源システムでは、無効電力を出力できる余力がシステム全体で300kvarとされる。そして、この無効電力出力(余力)によって、ノード14の電圧変動を抑制しつつ、ノード14におけるトータルの無効電力を調整して系統の安定化を図るようにしている。
図13は、本発明の分散型システムの他のシミュレーションモデルを示す図である。ノード12、13に分散型システムが存在しており、ノード12、13の2箇所の地点から、フリッカ源であるノード15の連携点の電圧変動を目標値として安定化させる制御を実施した場合を示している。図13に示すように、ノード12とノード13に配置された分散型電源システムで、系統電圧の変動を安定化させている。この点が図8〜10に示す応用例1あるいは図11、図12に示す応用例2と異なっている。また、この応用例3では、通信路(図13の一点鎖線)を通して、フリッカ源であるノード15から、ノード12とノード13の分散型電源システムへ電圧変動の情報を伝達している。
図14に示すように、単一地点の分散型電源システムを利用したのでは、系統の安定化が困難な場合でも、複数地点(この例では2箇所)の分散型電源システムを用いることにより、系統電圧の安定化を図ることができる。また、フリッカ源であるノード15の変動を制御目標値に設定することにより、自端制御では困難だった抑制が可能となる。
そのため、ΔV10の大きい地点の変動を抑制させるようにするためには、分散型電源の連系点で基準値を超えない範囲で大きな変動を目標値として安定化制御を行うことが考えられる。その目標値設定の一例がノード15の変動である。
また、本実施例では、高速動作が可能なインバータ連系式分散型電源を想定しているが、励磁回路により力率制御を行う大型同期発電機でも高速動作が可能なものがあればそれを採用しても良い。
Claims (5)
- 情報収集用サーバと複数の分散型電源とからなる分散型電源システムであって、
前記情報収集用サーバは、
電力系統における電圧変動を監視する電圧変動監視手段と、
前記複数の分散型電源の稼動状況を監視する稼働状況監視手段と、
前記各分散型電源の稼働状況に応じて当該分散型電源から電力系統に供出可能な無効電力を演算する無効電力演算手段と、
前記電圧変動監視手段が電力系統に所定の閾値を超える電圧変動を検出したときに、前記各分散型電源に対して電力系統に出力させる無効電力を割り当て、該割り当てた無効電力を電力系統に出力させる指令を各分散型電源に指令する無効電力供出指令手段と、を備え、
前記複数の分散型電源のそれぞれは、前記電力系統に接続されており、前記情報収集用サーバの前記電圧変動監視手段が、前記電力系統の電圧変動を検出したとき、前記情報収集用サーバの前記無効電力供出指令手段からの指令に基づいて、当該分散型電源に割り当てられた無効電力量を、前記電力系統に出力するとともに、
前記無効電力供出指令手段は、前記複数の分散型電源から電力系統に出力できる無効電力量の大きい順番に前記各分散型電源を並び替え、前記無効電力量の大きい順番に前記各分散型電源から電力系統に無効電力を出力させることを特徴とする分散型電源システム。 - 前記電力系統の電圧変動は、1秒以下の短い周期で発生する急峻な電圧変動であることを特徴とする請求項1に記載の分散型電源システム。
- 前記複数の分散型電源は、ガスタービン、ガスエンジン、太陽光発電、燃料電池、蓄電池の中いずれか一つまたは複数から構成される請求項1または2に記載の分散型電源システム。
- 情報収集用サーバと複数の分散型電源から構成される分散型電源システムの各分散型電源から電力系統に無効電力を供出させて電力系統の安定化を図る分散型電源システムを利用した系統電圧安定化方法であって、
前記情報収集用サーバによって、電力系統における電圧変動を監視するステップと、
前記複数の分散型電源のそれぞれの稼動状況を監視するステップと、
前記各分散型電源の稼働状況に応じて当該分散型電源から電力系統に供出可能な無効電力を演算するステップと、
前記電力系統の電圧変動が所定の閾値を超えたとき、前記各分散型電源に対して電力系統に出力させる無効電力を割り当てるステップと、
前記各分散型電源に割り当てた無効電力を電力系統に供出指令を各分散型電源に与えるステップと、
前記情報収集用サーバが、前記電力系統の電圧変動を検出したとき、前記情報収集用サーバからの供出指令に基づいて、当該分散型電源に割り当てられた無効電力量を、前記電力系統に出力させるステップと、
前記複数の分散型電源から前記電力系統に出力できる無効電力量の大きい順番に前記各分散型電源を並び替えるステップと、
前記無効電力量の大きい順番に前記各分散型電源から電力系統に無効電力を出力させるステップと、
を含むことを特徴とする分散型電源システムを用いた系統電圧安定化方法。 - 前記電力系統の電圧変動は、1秒以下の短い周期で発生する急峻な電圧変動であることを特徴とする請求項4に記載の分散型電源システムを用いた系統電圧安定化方法。
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