JP5100132B2 - 周波数調整システムおよび周波数調整方法 - Google Patents

周波数調整システムおよび周波数調整方法 Download PDF

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Description

本発明は周波数調整システムおよび周波数調整方法に係り、特に電力系統内の需要家の負荷変動に起因する周波数変動を抑制することができる周波数調整システムおよび周波数調整方法に関する。

近年、電力貯蔵技術を適用して、例えば夜間の余剰電力を貯蔵し、昼間のピーク電力時に貯蔵した電力を利用して電力需要の平準化を行う電力負荷平準化システムが実用されつつある。

これらの電力負荷平準化システムを用いることによって、昼間のピーク電力が抑制されるため、電力系統全体としての最大発電設備容量を低減することが可能となり、化石燃料などの資源を節約でき環境負荷の低減に貢献できる。

従来の電力負荷平準化システムは、系統全体で周波数が安定化されている電力系統に接続されることを前提にしており、周波数調整を行っていないものが一般的である。

例えば、特許文献1は、電力需要が少ない夜間等の間は電力系統から需要家へ電力を供給しつつ電力系統からの電力を用いてエネルギー貯蔵装置にエネルギーを貯蔵し、昼間などの電力需要の多い間は貯蔵したエネルギーを放出し需要家に電力を供給することで、需要家への電力需要の平準化と化石燃料の節約とを共に実現できるとする電力平準化システムに関する技術を開示している。

エネルギー貯蔵の形態としては、電気エネルギーを二次電池に貯蔵する形態の他、貯蔵した二次電池の電力を用いて水を電機分解し水素ガスや酸素ガスの形態で貯蔵し、エネルギー放出時は水素ガスや酸素ガスを燃料とする燃料電池で発電した電力を需要家へ供給する形態も開示されている。

また、特許文献2は、電力貯蔵システムに関する技術を開示している。特許文献2が開示する電力貯蔵システムは、電解液循環型の二次電池からなる主電池と補助電池とを備えており、交流電源(電力系統)が停電した場合でも主電池の循環用ポンプの駆動電源を補助電池から供給することにより、停電発生後の主電池の放電動作を早期に開始することができる非常用電源としても使用できるとするものである。
特開2003−309926号公報 特開2003−79070号公報

ところで、需要家の電力需要量と発電設備の電力供給量には電力系統の周波数と密接な関係があることはよく知られている。電力系統内の発電設備が供給する電力供給量と、需要家の負荷が消費する電力需要量とのバランスが崩れると周波数が変動する。需要が供給を上回ると周波数は低い方向に変動し、需要が供給を下回ると周波数は高い方向に変動する。

発電設備側では、例えば発電設備が備える調速機(ガバナ)を用いて電力系統全体の電力需要量と電力供給量のバランスを維持しようとするが、周波数偏差が残留する。

需要家の種類によっては、供給される電力の周波数変動が重大な影響を及ぼす場合がある。例えば、需要家が精密な製品の製造工場であるような場合には、わずかな周波数変動であっても製品の品質に大きな影響を与えると言われている。

特許文献1、2が開示する電力平準化システムや電力貯蔵システムは、例えば既存の電力会社が有する大容量の電力系統に接続されることを前提としている。大容量の電力系統に接続されるこれらの電力平準化システムや電力貯蔵システムは、需要家の負荷平準化が図られる点で原理的には周波数安定化に寄与するものの、個々の需要家の負荷変動量は電力系統全体の系統容量と比べると非常に小さいため、周波数安定化を積極的に意図する必要性は少ない。

また、既存の電力会社の電力系統は、電力系統全体の発電量を調整して、周波数安定化が行われており通常の運用では所定の品質が確保されている。

一方、これに対して、需要家と発電設備が1対1で接続されている独立電力系統や、少数の需要家と発電設備とから構成される独立電力系統の場合は、電力系統全体の系統容量に対する需要家の負荷変動量の比率が大きく、需要家の負荷変動に伴って電力系統の周波数が大きく変動する虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、需要家と発電設備が1対1で構成されている独立電力系統や、少数の需要家と発電設備とから構成される独立電力系統においても、需要家の負荷変動によって生じる周波数変動を抑制することができる周波数調整システムおよび周波数調整方法を提供することを目的とする。

本発明に係る周波数調整システムは、上記課題を解決するため、単独或いは複数の需要家に電力を供給する電力系統に接続される周波数調整システムにおいて、電力系統に接続され電力を充電および放電する充放電手段と、充放電手段が充電および放電する充放電量を制御する充放電制御手段と、需要家に電力を供給する発電手段と、発電手段が発電する発電量を制御する発電制御手段と、需要家の受電端に設けられ需要家に供給される需要家電力を測定する需要家電力測定手段と、電力系統に接続され電力系統の周波数を測定する周波数測定手段と、を備え、充放電制御手段は、需要家電力測定手段で測定された需要家電力および周波数測定手段で測定された周波数を入力信号として充放電量を制御し電力系統の周波数を所定の範囲内に保ち、発電制御手段は、需要家電力測定手段で測定された需要家電力および周波数測定手段で測定された周波数を入力信号として発電量を制御し電力系統の周波数を所定の範囲内に保つ、ことを特徴としている。

また、本発明に係る周波数調整方法は、上記課題を解決するため、単独或いは複数の需要家に電力を供給する電力系統に接続される周波数調整システムの周波数調整方法において、需要家に供給される需要家電力を測定するとともに電力系統の周波数を測定し、測定した需要家電力および周波数を入力信号として、電力系統に接続された充放電手段が充電および放電する充放電量を制御し電力系統の周波数を所定の範囲内に保ち、測定した需要家電力および周波数を入力信号として、電力系統に接続された発電手段の発電量を制御し電力系統の周波数を所定の範囲内に保つ、ことを特徴とする。

本発明に係る周波数調整システムおよび周波数調整方法によれば、需要家の需要電力変動が非常に大きく、充放電手段だけでは電力変動を補償しきれない場合に、発電手段によっても電力変動を補償することが可能となり、また、需要家の需要電力変動が小さい場合には、発電手段と充放電手段で電力の補償量を分担できるため、充放電手段が補償すべき電力量は少なくてよいこととなり、充放電手段の充放電量が低減されることとなり、このため、充放電手段を小容量で構成することも可能となる。

本発明に係る周波数調整システムおよび周波数調整方法について添付図面を参照して説明する。

(1)第1の実施形態
図1は本発明の第1の実施形態に係る周波数調整システム1のシステム構成および周波数調整システム1が接続される電力系統2の構成状況を示した図である。

電力系統2は、需要家3と、発電設備5と、発電設備5で発生した電力を送電する送電線路6と、需要家3が受電するための受電線路10とから構成される。

図1では、送電線路6に単独の発電設備5が接続された状態を示しているが、発電設備5の数は1つに限定されるものではなく複数であってもよい。また、電力系統2は、適宜の送電設備よび受電設備を含むものである。

本発明に係る周波数調整システム1は、送電線路6に接続される需要家の数が1つ或いは少数の場合に発生しうる周波数変動を抑制することを目的とするものであるが、需要家の数を特に限定するものではない。

図1では、需要家の数を1つとして例示しているが、第1の実施形態に係る周波数調整システム1では、複数の需要家が送電線路6に接続される形態であってもよい。

送電線路6は受電線路10を介して需要家3へ電力を供給する。

周波数調整システム1は、需要家3の受電端10aに設けられる需要家電力測定手段30と、電力系統2に接続される周波数測定手段40と、需要家電力測定手段30および周波数測定手段40の出力が入力される充放電制御手段50および発電制御手段70と、充放電制御手段50の出力が入力されると共に電力系統2に接続される充放電手段60と、発電制御手段70の出力が接続されると共に電力系統2に接続される発電手段80を備えて構成される。

需要家電力測定手段30は、受電線路10を介して需要家3へ供給される電力を測定するものである。

なお、送電線路6に接続される需要家が複数の場合は、それぞれの需要家の受電端に需要家電力測定手段30が設けられ、各需要家電力測定手段30の出力が充放電制御手段50および発電制御手段70へ入力される形態となる。

周波数測定手段40は、電力系統2の周波数を測定する手段である。電力系統2の周波数は基本的には電力系統2内のどの測定点でも同じ値を示すものであり、需要家の数によらず、電力系統2内のいずれかの一点を1つの周波数測定手段40で測定すれば十分である。

充放電制御手段50は、需要家電力測定手段30で測定された電力と、周波数測定手段40で測定された周波数と、充放電制御手段50が持つ基準値(目標値)とから演算した結果に応じて、充放電手段60の充放電量を制御するものである。

充放電制御手段50が持つ基準値(目標値)とは、例えば充電をするか放電をするかを決める基準電力あるいは基準周波数のようなものであるが、充放電制御手段50の入力信号、充放電制御手段50が持つ基準値は、発電手段80の回転速度、電圧位相などでも良く、入力信号や基準値の形態は限定されないものとする。

充放電手段60は、充放電制御手段50からの制御に従って、電力系統2から電力を吸収(充電)し、或いは電力系統2に電力を放出(放電)する。

充放電手段60は、例えば、二次電池やフライホイール等のエネルギー貯蔵装置から構成される。貯蔵するエネルギーの形態は特に限定されるものではない。電気エネルギー、化学エネルギー、運動エネルギー、或いは位置エネルギー等いずれの形態であってもよい。電気エネルギー以外の適宜の形態でエネルギーを貯蔵する場合には、電気エネルギーを適宜の形態に変換して貯蔵する機能を充電と呼び、貯蔵したエネルギーを電気エネルギーの形態に変換して電力系統2に放出する機能を放電と呼ぶものとする。

充放電手段60は、適宜、電力系統2とエネルギー貯蔵装置との間の電力変換(周波数変換、電圧変換)手段を含むものである。

発電制御手段70は、需要家負荷測定手段30で測定された電力と、周波数測定手段40で測定された周波数と、発電制御手段70が持つ基準値とを比較し、比較した結果に応じて、発電手段80の発電出力を制御するものである。

発電制御手段70が持つ基準値とは、発電電力の増減を決める基準発電電力や、基準周波数のようなものであるが、発電制御手段70の入力信号や、発電制御手段70が持つ基準値は、発電手段80の回転速度、電圧位相などでも良く、入力信号や、基準値の形態は限定されないものとする。

発電手段80は、発電制御手段70からの制御に従って、電力系統2へ電力を供給する。発電手段80は、例えば外部からの制御信号で電力の増減を制御することができる原動機と発電機で構成される。この原動機出力の増減によって発電機から電力系統2へ供給する電力を増減することが可能となる。

なお、図1では充放電制御手段50および発電制御手段70に入力される信号は、需要家電力測定手段30で測定された電力および周波数測定手段40で測定された周波数としているが、需要家電力測定手段30で測定された電力ないし、周波数測定手段40で測定された周波数の少なくともいずれか一方でもよい。

また図1では、充放電手段60および発電手段80の数をそれぞれ1つとして例示しているが、第1の実施形態に係る周波数調整システム1では、複数の充放電手段60或いは複数の発電手段80が送電線路6に接続される形態であってもよい。

図1に示した周波数調整システム1の構成は、充放電手段60及び発電手段80の双方が電力系統2に接続されている形態となっているが、この構成以外に発電制御手段70および発電手段80がなく、電力系統2に充放電手段60のみが接続される形態(第1の実施形態の変形例)がある。

以上のように構成された周波数調整システム1の動作について以下に説明する。まず、第1の実施形態の変形例(電力系統2に充放電手段60のみが接続される形態)の動作例から説明する。

需要家が消費する電力は一定とは限らず、時間的に不規則に変動する。例えば需要家が保有する電気機器の電源を入切すればそれに応じて需要家が消費する電力は変動する。

図2(d)は、需要家3の電力変動の一例を模擬的に示したグラフである。横軸は時間、縦軸は電力の変動量を示している。

需要家3の需要電力が変動する前(時刻T0以前)は、需要家3の需要電力と、発電設備5の供給電力がバランスしており、電力系統2の周波数が一定の値となっている。

需要家3の需要電力が時刻T0〜T1間で増加する(変動する)と、需要と供給のバランスが崩れる(時刻T2〜T3の間も同様)。この結果、発電設備5の供給電力が需要家3の需要電力を下廻ると電力系統2の周波数が低下する。

需要家3の需要電力が増加すると発電機の回転速度が低下し、この結果、電力系統2の周波数が低下する。逆に需要家3の需要電力が減少した場合は発電機の回転速度が増加し、電力系統2の周波数が高くなる。このような需要と供給のアンバランスをなくすため、通常、発電設備には調速機(ガバナ)が設けられており、水力発電の場合であれば水車に供給する水量を制御して発電機の出力を増減し、需要と供給のバランスを保とうとする。

しかしながら、調速機(ガバナ)による制御は遅れを伴うため、発電機の出力が増加または減少し、需要と供給がバランスするまでの間は電力系統2の周波数は変動し続けることになる。また、調速機による制御は調定率(ドループ)を持っているので、原理的に需要と供給がバランスした後でも偏差が残留する。

このような周波数変動を制御するためには、需要と供給のバランスを常に一定に保つようにすればよい。例えば需要家3の需要電力が増加して電力系統2の電力が不足した場合は、この不足した電力を補う量の電力を電力系統2に供給すればよい。逆に需要家3の需要電力が減少して電力系統2の電力が余剰となった場合は、この余剰電力を補う量の電力を電力系統2から吸収すればよい。このような電力の平準化によって需要量と供給量のバランスが確保され周波数変動が抑制される。

第1の実施形態に係る周波数調整システム1の変形例では、この電力の供給と吸収を、充放電制御手段50の制御に従って、電力系統2に接続された充放電手段60が行っており、充放電制御手段50は、需要家電力測定手段30および周波数測定手段40から入力される電力と周波数の2要素を計測して制御を行っている。図2は、充放電制御手段50の入力信号が、電力または周波数の1要素のみの場合と、電力および周波数の2要素の場合での比較を行ったシミュレーション結果を示している。

なお、図2(a)乃至図2(c)のグラフの縦軸は電力系統2の周波数を示している。目標値は周波数の基準値を示しており、周波数がこの目標値となるように制御する。また、図2(a)乃至図2(c)のグラフの横軸は、図2(d)の横軸と対応した時刻を示している。

需要家電力測定手段30で測定された電力のみを入力信号とした場合、図2(a)からわかるように、周波数の変動は、目標値を中心とした一定の範囲に抑えられているものの、需要家の需要電力が変動している期間中に変動し続け、安定性が不足する結果となっている。

この理由は、充放電制御手段50の入力信号が電力のみなので、系統周波数は発電設備5の出力変動の影響を大きく受けるためである。電力系統2の発電設備5は、需要と供給のアンバランスを抑制しようと応答するが、この発電設備5の応答時間は比較的遅いため、図2(a)にしめされるようにゆっくりとした波状の周波数変動として現れる。

また、周波数測定手段40で測定された周波数のみを入力信号とした場合、図2(b)からわかるように、需要家3の需要電力が変動している領域(時刻T0〜T1、T2〜T3)では、偏差が残留している。

この理由は、周波数を入力信号とした制御は、調定率(ドループ)を有した制御なので、周波数が安定した点(図2(b)のF点のように周波数が変動しなくなった点)において制御動作が安定してしまうからである。F点では電力の需要と供給のバランスが一致しているので、一定の周波数偏差を残したまま、充放電手段60の充放電量が一定で安定することになる。

図2(c)は、需要家電力測定手段30で測定された電力と周波数測定手段40で測定された周波数の双方を入力信号として充放電手段60の充放電量を制御したものである。

電力と周波数の双方を制御対象信号とした第1の変形例では、図2(c)に示したように周波数が短時間で目標値にほぼ到達しており、優れた周波数調整能力を示している。

このように図2(c)によれば、充放電制御手段50が需要家電力測定手段30および周波数測定手段40から入力される電力と周波数の2要素を入力信号とすることにより、電力系統2全体で供給可能な電力に対して、需要家3の需要電力変動率の比率が大きい場合においても、周波数変動を所定の範囲内に保つことが可能となる。

以上、第1の実施形態に係る周波数調整システム1の変形例について説明を述べた。次に、充放電手段60と発電手段80の双方を備える第1の実施形態について説明する。

発電手段80は、発電制御手段70からの制御信号によって、出力を制御することができる原動機と発電機で構成される。原動機出力の増減によって、電力系統2に供給する電力を増減できる。

発電制御手段70は、需要家電力測定手段30で測定された電力および周波数測定手段40で測定された周波数を入力信号として、発電手段80の出力電力を制御するものである。

第1の実施形態に係る周波数調整システム1では、充放電手段60に加えて、発電手段80も電力系統2へ供給する電力を制御することが可能となる。このため、需要家3の需要電力変動が非常に大きく、充放電手段60だけでは電力変動を補償しきれない場合に、発電手段80によっても電力変動を補償することが可能となる。

また、需要家3の需要電力変動が小さい場合には、発電手段80と充放電手段60で電力の補償量を分担できるため、充放電手段60が補償すべき電力量は少なくてよいこととなり、充放電手段60の充放電量が低減されることとなる。このため、充放電手段60を小容量の二次電池等で構成することが可能となり、また充放電手段60の耐用年数が向上することとなる。

(2)第2の実施形態
図3は、本発明の第2の実施形態に係る周波数調整システム1aの構成と、周波数調整システム1aが接続される電力系統2の構成を示したものである。

第2の実施形態に係る周波数調整システム1aの構成は、第1の実施形態の構成に入出力指令値設定手段90を付加し、充放電制御手段50よび発電制御手段70の入力信号を、入出力指令値設定手段90からの出力信号に変えたものである。

入出力指令値設定手段90は、需要家電力測定手段30で測定された電力および周波数測定手段40で測定された周波数を入力し、充放電制御手段50および発電制御手段70に入出力指令値を出力する。

なお、図3では入出力指令値設定手段50に入力される信号は、需要家電力測定手段30で測定された電力および周波数測定手段40で測定された周波数としているが、需要家電力測定手段30で測定された電力ないし、周波数測定手段40で測定された周波数の少なくともいずれか一方でもよい。

充放電制御手段50および発電制御手段70は、入出力指令値設定手段90からの入出力指令値を基準値(目標値)として、充放電手段60および発電手段80の出力を制御する。

以上のように構成された周波数調整システム1aの動作について説明する。

本発明の第1の実施例では、充放電制御手段50と、発電制御手段70には、同じ需要家電力測定手段30で測定された電力と、周波数測定手段40で測定された周波数を入力信号としている。そして、充放電制御手段50と、発電制御手段70はそれぞれが持つ基準値(目標値)と入力信号とから演算した結果に応じて、充放電手段60が電力を供給(放電)または吸収(充電)を行い、また、発電手段80が電力を増加または減少し、周波数を所定の範囲内に保つ。

充放電手段60のエネルギー貯蔵手段が貯蔵または放出できるエネルギー量は有限であり、エネルギー貯蔵手段の大きさ、経済性の観点から、貯蔵または放出エネルギー量は少ないことが望ましい。

そこで、第2の実施形態に係る周波数調整システム1aでは、充放電手段60の充放電量を抑制するように発電手段80の出力を制御する形態としている。即ち、需要家電力測定手段30および周波数測定手段40で測定した電力と周波数を入力信号とし、充放電制御手段50および発電制御手段70に対して最適な配分を考慮した基準値を出力する入出力指令値設定手段90を設けている。

充放電制御手段50と、発電制御手段70で独立した指令値を持たず、入出力指令値設定手段90で指令値を算出し、充放電制御手段50と、発電制御手段70には配分を考慮した指令値を与えることにより、協調が取れた制御が可能となり、周波数を所定の範囲内に保つことが可能となる。

以下に第2の実施形態に係る周波数調整システム1aの動作について説明する。

図4は、第2の実施形態に係る周波数調整システム1aの動作のうち、第1の具体例について説明する図である。

図4(a)は需要家3の需要電力変動の一例を模擬的に示したグラフである。横軸は時間、縦軸は電力の変動量を示している。

需要家3の需要電力には短周期変動と、長周期変動があるため、需要家3の電力変動は図4(a)のようになる。入出力指令値設定手段90では、需要家3の電力変動を、短周期変動と長周期変動をそれぞれ分離する。図4(a)の長周期変動のみを抽出した波形が図3(b)、短周期変動のみを分離した波形が図4(c)となる。次に、入出力指令値設定手段90で、短周期変動の平均値と長周期変動の平均値を演算で求め、短周期変動の平均値を充放電制御手段50の基準値として出力し、長周期変動の平均値を発電制御手段70の基準値として出力する。

このように基準値を設定すると、充放電手段60は、図4(a)の電力変動幅の全体を補償する充放電量である必要はなく、図4(c)の短周期変動の電力変動幅を補償できる充放電量であればよいため、電力変動が図4(a)に示す変動の一例のような場合には、充放電手段60の充放電量を抑制することができる。

次に、第2の実施形態に係る周波数調整システム1aの動作のうち、第2の具体例について、図5を用いて第2の具体例を説明する。

図5(a)は需要家3の需要電力変動の一例を模擬的に示したグラフである。横軸は時間、縦軸は電力の変動量を示している。

図5(a)のA点において、需要家3の需要電力が急峻に変動しているため、急峻な電力変動に対し、入出力指令値設定手段90は、急峻な電力供給または吸収に対応可能な充放電手段60が図5(a)の電力変動分全てを補償するように、充放電制御手段50に対して指令値を出力することで、系統周波数の変動を抑制するようにする。

しかしながら、A点で電力が増加した分全てを長時間に渡って電力を供給するためには、大きな充放電量を有した充放電手段60が必要となる。そこで、発電手段80が図5(a)のA点以降、図5(b)のように応答可能な変化率で出力を増加させる。一方、充放電制御手段50には、発電手段80の出力が増加した分を、図5(c)のように充放電手段60の出力から減少させるよう、入出力指令値設定手段90が、充放電制御手段50に指令値を出力する。

このように入出力指令値設定手段90が、充放電手段60が供給する電力と、発電手段80が供給する電力の配分を考慮した指令値を充放電制御手段50に出力すると、充放電手段60は、図5(a)の電力変動量全て補償する充放電量である必要はなく、図5(c)の電力変動量を補償できる充放電量であればよいため、電力変動が図5(a)に示す変動の一例のような場合には、充放電手段60の充放電量を抑制することができる。

第2の実施形態に係る周波数調整システム1aでは、入出力指令値設定手段90が、充放電手段60と発電手段80の出力配分を考慮した指令値を出力する。この結果、充放電手段60の最大蓄電量は、需要家3の電力変動に対し、発電手段80が応答できない範囲の電力量の積算値以下で充分であり、最大蓄電量が需要家へ供給する電力量に依存される第1の実施形態に係る周波数調整システム1に対して、より小型かつ低コストの周波数調整システム1aを実現できる。

(3)第3の実施形態
図6は、本発明の第3の実施形態に係る周波数調整システム1bの構成と、周波数調整システム1bが接続される電力系統2の構成状態を示したものである。

第3の実施形態に係る周波数調整システム1bの構成は、第2の実施形態の構成に積算充電量測定手段100と、積算放電量測定手段110と、蓄電量算出手段120と、蓄電部電圧測定手段130と、入出力指令値補正手段140とを付加したものである。

積算充電量測定手段100と、積算放電量測定手段110は、電力系統2に接続される充放電手段60の出力に接続され、それぞれ電力系統2から供給(充電)される電力量と、電力系統2へ供給(放電)される電力量を測定し、測定した充電量と放電量の積算をそれぞれ行う。

積算充電量測定手段100と、積算放電量測定手段110の出力は 蓄電量算出手段120に接続され、積算充電量測定手段100で測定された積算充電量と、積算放電量測定手段110で測定された積算放電量の差から充放電手段60が蓄電している蓄電量を算出する。

蓄電部電圧測定手段130は、充放電手段60内にある蓄電部60aの電圧を測定し、入出力指令値補正手段140に出力する。

蓄電量算出手段120の出力と、蓄電部電圧測定手段130の出力は、入出力指令値補正手段140に入力され、入出力指令値補正手段140では、蓄電量算出手段120で算出された蓄電量をもとに求めた充放電制御基準値と、発電制御基準値の補正量を算出して、入出力指令値設定手段90に補正量を出力する。

図6に示した構成は、第3の実施形態とその変形例を含めた図としている。第3の実施形態は、蓄電部電圧測定手段130がなく、蓄電量算出手段120が入出力指令値補正手段140に接続された形態である。

また、第3の実施形態の変形例は、積算充電量測定手段100、積算放電量110および蓄電量算出手段120がなく、蓄電部電圧測定手段130の出力が入出力指令値補正手段140に接続された状態である。

以上のように構成された周波数調整システム1bの動作について説明する。第3の実施形態に係る周波数調整システム1bによれば、充放電手段60の蓄電量に応じて入出力指令値設定手段90の出力に補正値が与えられる。

第1の実施形態に係る周波数調整システム1および第2の実施形態に係る周波数調整システム1aでは、充放電手段60の蓄電量を制御する手段については説明していない。

充放電手段60の蓄電量は有限であるため、最大蓄電量以上の充電要求には応じることはできず、最大蓄電量に達した時点で、電力系統2の周波数上昇を抑制することができなくなる。同様に、蓄電量がゼロの状態で放電要求に応じることはできず、蓄電量がゼロに達した時点で電力系統2の周波数低下を抑制することができなくなる。

第3の実施形態に係る周波数調整システム1bによれば、蓄電量算出手段120が蓄電量を測定し、この測定値に基づき入出力指令値補正手段140が入出力指令補正値を計算し、入出力指令値設定手段90に補正値を与えて、放電手段60が供給(放電)する電力と、吸収(充電)する電力と、発電手段80が供給する電力を協調制御し、充放電手段60の蓄電量を所望の範囲内に保つことができる。

蓄電量算出手段120した蓄電量が基準値を超えた場合、入出力指令値補正正手段140は、入出力指令値設定手段90に蓄電量を減らすための補正値を出力する。この補正値は、発電手段80から供給する電力を減少させる作用と、充放電手段60が充電する電力を減少させる作用があり、充放電手段60の蓄電量が過剰にならないよう制御しながら、電力系統2の周波数安定化を図る。

一方、蓄電量算出手段120によって算出した蓄電量が基準値未満となった場合、入出力指令値補正手段140は、入出力指令値設定手段90に蓄電量を増やすための補正値を出力する。この補正値は、発電手段80から供給する電力を増加させる作用と、充放電手段60が充電する電力を増加させる作用があり、充放電手段60の蓄電量が過少にならないよう制御しながら、電力系統2の周波数安定化を図る。

第3の実施形態に係る周波数調整システム1bによれば、第1および第2の実施形態と同じ効果を得ることができ、且つ、蓄電量が過剰、過少になることなく系統周波数を所望の範囲内に保つことができる。

第3の実施例の変形例である蓄電部電圧測定手段130の出力信号が入出力指令値補正手段140に入力される構成の場合、充放電手段60が例えば二次電池のようなエネルギー貯蔵装置であれば、蓄電部60aの電圧を測定し、蓄電部の電圧から蓄電量を推定することは容易であり、第3の実施形態の変形例に係る周波数調整システム1bは、第3の実施形態に係る周波数調整システム1bと同様に、入出力指令値補正手段140が入出力指令値設定手段90に補正値を与えて、放電手段60が供給(放電)、吸収(充電)する電力と発電手段80が発電する電力を協調制御し、充放電手段60の蓄電量を所望の範囲内に保つことができる。

蓄電量算出手段120によって、入出力指令値補正手段140の出力を増減させるのと同様に、蓄電部電圧測定手段130によって測定された電圧が所定の値以上であれば、入出力指令補正手段140は、入出力指令値設定手段90に蓄電量を減らすための補正値を与える。この補正値は、発電手段80から供給する電力を減少させる作用と、充放電手段60に充電する電力を減少させる作用があり、充放電手段60の蓄電量が過剰にならないよう制御しながら、電力系統2の周波数安定化を図る。

また、蓄電部電圧測定手段130によって測定された電圧が所定の値以下であれば、入出力指令値補正手段140は、入出力指令値設定手段90に蓄電量を増やすための補正値を与える。この補正値は、発電手段80から供給する電力を増やす作用と、充放電手段60に充電する電力を増加させる作用があり、充放電手段60の蓄電量が過少にならないよう制御しながら、電力系統2の周波数安定化を図る。

(4)第4の実施形態
図7は、本発明の第4の実施形態に係る周波数調整システム1cの構成と、周波数調整システム1cが接続される電力系統2の構成状態を示したものである。

第4の実施形態に係る周波数調整システム1cと第2の実施形態に係る周波数調整システム1aとの相違点は、電力系統2に接続される需要家が特定需要家8となっている点、特定需要家8の中に特定負荷8aがあり、特定需要家電力測定手段30aは特定需要家8の電力を、特定負荷電力測定手段30bは特定負荷8aの電力を測定する点である。

特定需要家8および特定負荷8aには、電力系統2全体の周波数を変動させるような変動が大きい機器が含まれる。

第4の実施形態に係る周波数調整システム1cは、特定需要家8または特定負荷8aの入力変動による周波数変動を抑制することに特化した形態である。

第2の実施形態に係る周波数調整システム1aに特定需要家8または特定機器8aが接続された場合、特定需要家8または特定機器8aの入力変動の他、その他一般需要家の入力変動にも対処可能とするために充放電手段60が充放電可能な容量は大きなものが必要となる。これに対して、第4の実施形態に係る周波数調整システム1cでは、1つの特定需要家8または特定需要家8aの電力変動を吸収できる容量を充放電手段60が確保すれば足り、充放電手段60を小型化、低コスト化することが可能となり、周波数調整システム1c全体としても小型化、低コスト化することが可能となる。

また、特定需要家電力測定手段30aまたは特定負荷電力測定手段30bは1箇所に設置すればよいため、周波数調整システム1cは、特定需要家8または特定負荷8aに近接して設置することが可能となる。電力系統2の周波数はいずれの点でも基本的には同じ値を示すため、周波数測定手段40を特定需要家8または特定負荷8aの受電端に接続することも可能である。

このように、第4の実施形態に係る周波数調整システム1cでは、特定需要家電力測定手段30aまたは特定負荷電力測定手段30bと入出力指令値設定手段90とを接続する敷設ケーブル長、および周波数測定手段40と入出力指令値設定手段90とを接続する敷設ケーブル長が短縮され、低コスト化が可能とともに、測定した電力と周波数の信号入力遅れが低減され、制御性応答性の向上にも繋がる。

(5)第5の実施形態
図8は、本発明の第5の実施形態に係る周波数調整システム1dの構成と、周波数調整システム1dが接続される電力系統2の構成状態を示したものである。

第5の実施形態に係る周波数調整システム1dは、第2の実施形態に係る周波数調整システム1aの充放電手段60を電力消費手段60bに置き換えたものであり、併せて充放電制御手段50を電力消費制御手段50aに置き換えた形態である。

電力消費手段60bは、例えば可変抵抗器を備えて構成され、外部からの制御信号によって抵抗値を変化させることによって消費する電力量を増減可能に構成されるものである。

電力消費制御手段50aは、入出力指令値設定手段90の出力指令値によって、電力消費手段60bで消費される有効電力を増減させることによって、電力系統2に供給される電力と需要側の電力のバランスを維持し、電力系統2の周波数を所定の範囲内に保つ。

電力消費手段60bは、需要家3へ供給する電力が増加した場合には消費量を低減させ、逆に需要家3へ供給する電力が減少した場合には消費量を増加させる。このため、もともと需要家3と電力系統2の発電設備5とがバランスしている場合にも需要家3の電力変動幅(増加幅)に見合った電力を消費させておく必要がある。

即ち、第5の実施形態に係る周波数調整システム1dは、常に一定量の電力を消費するという点では他の実施形態に比べ維持コストが高くなる。

一方、電力消費手段60bは、例えば可変抵抗器等により比較的簡素な構成で実現できるため、二次電池や交流・直流変換装置を必要とする充放電手段60に比べると設備の取得コストが低減される。

このため、第5の実施形態に係る周波数調整システム1dは、需要家3の変動量が比較的小さく、常時消費する電力が小さくてすむ場合にライフサイクルコストが小さくなるという利点を有する。

なお、本発明は上記に説明した各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第1の実施形態に係る周波数調整システムの構成およびこの周波数調整システムが接続される電力系統の構成を示す図。 本発明に係る周波数調整システムの需要家の電力変動時における周波数制御特性を示す図であり、(a)は制御対象信号が電力のみの周波数制御特性を示す図、(b)は制御対象信号が周波数のみの場合の周波数制御特性を示す図、(c)は制御対象信号が電力および周波数の場合の周波数特性を示す図、(d)は需要家の電力変動状況を示す図。 本発明の第2の実施形態に係る周波数調整システムの構成およびこの周波数調整システムが接続される電力系統の構成を示す図。 本発明の第2の実施形態に係る周波数調整システムの動作の第1の具体例を示す図であり、(a)は需要家の需要電力変動の一例を模擬した図、(b)は需要家の需要電力変動の長周期分を抽出した図、(c)は需要家の需要電力変動の短周期分を抽出した図。 本発明の第2の実施形態に係る周波数調整システムの動作の第2の具体例を示す図であり、(a)は需要家の需要電力変動の一例を模擬した図、(b)は発電手段の供給する電力の変動推移を示す図、(c)充放電手段の供給する電力の変動推移を示す図。 本発明の第3の実施形態に係る周波数調整システムの構成およびこの周波数調整システムが接続される電力系統の構成を示す図。 本発明の第4の実施形態に係る周波数調整システムの構成およびこの周波数調整システムが接続される電力系統の構成を示す図。 本発明の第5の実施形態に係る周波数調整システムの構成およびこの周波数調整システムが接続される電力系統の構成を示す図。

符号の説明

1、1a、1b、1c 周波数調整システム
2 電力系統
3 需要家
5 発電設備
6 送電線路
8 特定需要家
8a 特定負荷
8b 一般負荷
10 受電線路
10a 受電端
30 需要家電力測定手段
30a 特定需要家電力測定手段
30b 特定負荷電力測定手段
40 周波数測定手段
50 充放電制御手段
50a 電力消費制御手段
60 充放電手段
60a 蓄電部
60b 電力消費手段
70 発電制御手段
80 発電手段
90 入出力指令値設定手段
100 積算充電量測定手段
110 積算放電量測定手段
120 蓄電量算出手段
130 蓄電部電圧測定手段
140 入出力指令値補正手段

Claims (14)

  1. 単独或いは複数の需要家に電力を供給する電力系統に接続される周波数調整システムにおいて、
    前記電力系統に接続され電力を充電および放電する充放電手段と、
    前記充放電手段が充電および放電する充放電量を制御する充放電制御手段と、
    前記需要家に電力を供給する発電手段と、
    前記発電手段が発電する発電量を制御する発電制御手段と、
    前記需要家の受電端に設けられ前記需要家に供給される需要家電力を測定する需要家電力測定手段と、
    前記電力系統に接続され前記電力系統の周波数を測定する周波数測定手段と、
    を備え、
    前記充放電制御手段は、前記需要家電力測定手段で測定された前記需要家電力および前記周波数測定手段で測定された周波数を入力信号として前記充放電量を制御し前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保ち、
    前記発電制御手段は、前記需要家電力測定手段で測定された需要家電力および前記周波数測定手段で測定された周波数を入力信号として前記発電量を制御し前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つ、
    ことを特徴とする周波数調整システム。
  2. 前記発電手段の発電出力指令値を設定する発電出力指令値設定手段をさらに備え、
    前記需要家電力に代えて、前記発電出力指令値と前記需要家電力との差を入力信号として、前記充放電量および前記発電量を制御し
    前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項1に記載の周波数調整システム。
  3. 前記充放電手段の積算充電量を測定する積算充電量測定手段と、
    積算放電量を測定する積算放電量測定手段と、
    積算充電量と積算放電量の差から前記充放電手段の蓄電量を算出する蓄電量算出手段と、
    前記発電出力指令値を補正する発電出力指令値補正手段をさらに備え、
    前記発電出力指令値補正手段は前記蓄電量が所定の値以下の場合に前記発電出力指令値を増やす側に補正し、
    前記発電出力指令値補正手段は前記蓄電量が所定の値以上の場合に前記発電出力指令値を減らす側に補正し、
    前記需要家電力に代えて、補正後の発電出力指令値と前記需要家電力との差を入力信号として前記充放電量および前記発電量を制御し、
    前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項2に記載の周波数調整システム。
  4. 前記蓄電量算出手段に代えて、充放電手段の蓄電部の電圧を測定する蓄電部電圧測定手段を設け、
    前記発電出力指令値補正手段は前記蓄電部電圧測定手段により測定された電圧が所定の値以下の場合に前記発電出力指令値を増やす側に補正し、
    前記発電出力指令値補正手段は前記蓄電部電圧測定手段により測定された電圧が所定の値以上の場合に前記発電出力指令値を減らす側に補正し、
    前記需要家電力に代えて、補正後の発電出力指令値と前記需要家電力との差を入力信号として前記充放電量および前記発電量を制御し、
    前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項3に記載の周波数調整システム。
  5. 前記需要家電力測定手段に代えて、前記複数の需要家のうち、1つの特定需要家または1群の特定需要家群に供給される特定需要家電力を測定する特定需要家電力測定手段を備え、前記需要家電力に代えて、前記特定需要家電力、前記発電出力指令値と前記特定需要家電力との差、または、前記補正後の発電出力指令値と前記特定需要家電力との差、
    のいずれか1つ、および前記周波数を入力信号として前記充放電量および前記発電量を制御し前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の周波数調整システム。
  6. 前記特定需要家電力測定手段に代えて、前記需要家に設置された1つの特定負荷または1群の特定負荷群に供給される特定負荷電力を測定する特定負荷電力測定手段を備え、
    前記需要家電力に代えて、前記特定負荷電力、前記発電出力指令値と前記特定負荷電力との差、または、前記補正後の発電出力指令値と前記特定負荷電力との差、
    のいずれか1つ、および前記周波数を入力信号として、前記充放電量および前記発電量を制御し、前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の周波数調整システム。
  7. 前記充放電手段に代えて、電力の消費量を可変することができる電力消費手段を備え、
    前記充放電制御手段に代えて、前記電力消費手段が消費する電力の消費量を制御する電力消費制御手段を備え、
    前記電力消費制御手段は、前記需要家電力、前記特定需要家電力、前記特定負荷電力、前記発電出力指令値と前記需要家電力の差、または、前記発電出力指令値と前記特定負荷電力との差および前記周波数測定手段で測定された周波数を入力信号として前記電力消費手段の電力消費量を制御し、前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項1、2、5、6のいずれか1項に記載の周波数調整システム。
  8. 単独或いは複数の需要家に電力を供給する電力系統に接続される周波数調整システムの周波数調整方法において、
    前記需要家に供給される需要家電力を測定するとともに前記電力系統の周波数を測定し、
    前記測定した需要家電力および周波数を入力信号として、前記電力系統に接続された充放電手段が充電および放電する充放電量を制御し前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保ち、
    前記測定した需要家電力および周波数を入力信号として、前記電力系統に接続された発電手段の発電量を制御し前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つ、
    ことを特徴とする周波数調整方法。
  9. 前記需要家電力に代えて、前記発電手段の発電出力指令値と前記需要家電力との差を入力信号として、
    前記充放電量および前記発電量を制御し
    前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項8に記載の周波数調整方法。
  10. 前記充放電手段の積算充電量と積算放電量の差から前記充放電手段の蓄電量を算出し、
    前記蓄電量が所定の値以下の場合に前記発電出力指令値を増やす側に補正し、
    前記発電出力指令値補正手段は前記蓄電量が所定の値以上の場合に前記発電出力指令値を減らす側に補正し、
    前記需要家電力に代えて、補正後の発電出力指令値と前記需要家電力との差を入力信号として前記充放電量および前記発電量を制御し
    前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項9に記載の周波数調整方法。
  11. 充放電手段の蓄電部の蓄電部電圧を測定し、
    前記蓄電部電圧が所定の値以下の場合に前記発電出力指令値を増やす側に補正し、
    前記蓄電部電圧が所定の値以上の場合に前記発電出力指令値を減らす側に補正し、
    前記需要家電力に代えて、補正後の発電出力指令値と前記需要家電力との差を入力信号として前記充放電量および前記発電量を制御し
    前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項10に記載の周波数調整方法。
  12. 前記複数の需要家のうち、1つの特定需要家または1群の特定需要家群に供給される特定需要家電力を測定し、
    前記需要家電力に代えて、前記特定需要家電力、前記発電出力指令値と前記特定需要家電力との差、または、前記補正後の発電出力指令値と前記特定需要家電力との差、
    のいずれか1つ、および前記周波数を入力信号として前記充放電量および前記発電量を制御し前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項に記載の周波数調整方法。
  13. 前記需要家に設置された1つの特定負荷または1群の特定負荷群に供給される特定負荷電力を測定し、
    前記需要家電力に代えて、前記特定負荷電力、前記発電出力指令値と前記特定負荷電力との差、または、前記補正後の発電出力指令値と前記特定負荷電力との差、
    のいずれか1つ、および前記周波数を入力信号として、前記充放電量および前記発電量を制御し、前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項8乃至11のいずれか1項に記載の周波数調整方法。
  14. 前記充放電手段の充放電量制御に代えて、電力消費手段の電力消費量を制御し、前記電力系統の周波数を所定の範囲内に保つことを特徴とする請求項8、9、12、13のいずれか1項に記載の周波数調整方法。
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