JP5100764B2 - 電力系統における系統周波数特性定数の測定方法、及びこれに用いる情報処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統における系統周波数特性定数の測定方法に関し、とくに正しい系統周波数特性定数を容易に取得できるようにするための技術に関する。

電力系統においては、供給電力と需要電力のバランスを保つべく、負荷周波数制御（ＡＦＣ（Automatic Frequency Control）又はＬＦＣ（Load Frequency Control））が行われている。

負荷周波数制御に関し、例えば特許文献１には、自然エネルギー利用の小容量発電装置が多数接続された電力系統の周波数を制御するため、電力系統に接続される需要家負荷機器側で個別に電力系統の周波数を検出し、検出された周波数の定格周波数からのずれである周波数変動成分が所定の帯域内にあるかどうかを判定し、周波数変動成分が所定の帯域内にある場合に限り、検出された周波数変動分に基づいて電力系統の周波数が定格周波数になるように需要家負荷機器の消費電力を調整することが記載されている。

また特許文献２には、電力系統の運用状態に応じて電力系統の周波数特性を推定すべく、周波数偏差に対する発電機の出力調整の感度係数を該発電機の周波数特性係数とし、この発電機の周波数特性係数にその発電機の定格出力に応じた重みを加味して、電力系統に属する複数の発電機からなる発電機群の周波数特性係数を求め、その発電機群の周波数特性係数に別に求めた負荷の周波数特性係数を加味して電力系統の需給不平衡量に対する周波数特性を推定することが記載されている。

また特許文献３には、電力系統から所定の時間間隔で取り込んだ時系列の運用データを記憶しておき、記憶しているデータのうち至近時点の所定の個数の時系列データを入力としてニューラルネットワークを用いた演算手段により系統定数を出力することが記載されている。

特開２００６−４２４５８号公報 特許平１１−１２７５３８号公報 特開平４−１４０２２号公報

負荷周波数制御においては、電力系統の周波数Ｆを測定し、その基準周波数Ｆ_０（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に対する偏差（周波数偏差ΔＦ）を次式に代入することにより出力調整値ΔＰを求め、この出力調整値ΔＰに基づき発電機の出力を調節する。
ΔＰ＝Ｋ×ΔＦ （Ｋは系統周波数特性定数）

昨今、自然エネルギーを利用した電源（風力発電、太陽光発電等）や需要場所の近くに設置される小型発電機（燃料電池、マイクロガスタービン等）を用いて電力の地域自給を目指す、いわゆるマイクログリッドが普及しつつあるが、マイクログリッドは系統規模が小さく、発電機や負荷の運用状態に応じて周波数特性定数Ｋが容易に変化するため、周波数特性定数Ｋを随時適切な値に設定し直す必要がある。

上記周波数特性定数Ｋとして、例えば大規模な商用電力系統等においては、発電機負荷遮断試験等での周波数変化の実測値から求めた推定値（１〜２（％ＭＷ／０．１Ｈｚ）程度）を用いて運用を行っている。しかし負荷遮断試験は、電力系統に接続している負荷への影響が大きく、随時正しい系統周波数特性定数Ｋを取得することは困難であり、発電機や負荷の運用状態に応じて容易に変化する周波数特性定数Ｋを随時微調整することができない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、正しい系統周波数特性定数を容易に取得することが可能なマイクログリッドにおける系統周波数特性定数の測定方法を提供することを目的とする。

上記の及び他の課題を解決するための本発明の一つは、
電力系統における系統周波数特性定数の測定方法であって、
電力系統に接続する発電機の出力又は電力系統に接続する負荷の消費電力に与えた周期的な微小変動を参照信号として入力するとともに、前記電力系統の周波数を測定信号としてロックインアンプに入力し、
前記微小変動と前記ロックインアンプの直流出力とを演算装置に入力し、
前記演算装置が、入力された前記微小変動と前記直流出力とに基づき系統周波数特性定数を求めることとする。

本発明によれば、電力系統の系統周波数特性定数を随時取得することができる。また電力系統に微小変動のみを与えて系統周波数特性定数を取得するので、電力系統の運用にほとんど影響を与えることなく、系統周波数特性定数を取得することができる。尚、電力系統は例えばマイクログリッドである。

本発明の他の一つは、上記測定方法であって、
前記演算装置が、求めた前記系統周波数特性定数を前記電力系統の周波数を制御する自動周波数制御装置に入力し、
前記自動周波数制御装置に、前記電力系統の周波数を入力し、
前記自動周波数制御装置が、前記系統周波数特性定数と前記電力系統の周波数とを乗算することにより前記発電機の出力調整値を求め、求めた出力調整値を用いて前記発電機の出力又は前記負荷の消費電力を制御することとする。

本発明によれば、自動周波数制御装置は、随時取得される精確な系統周波数特性定数に基づいて出力調整値を求めるので、電力系統の負荷周波数制御を適切に行うことができる。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、正しい系統周波数特性定数を容易に取得することができる。

電力系統１（マイクログリッド）の構成を示す図である。 ロックインアンプ１２のブロック図である。 参照信号としてロックインアンプ１２に入力される微小変動の一例である。 測定信号としてロックインアンプ１２に入力される電力系統１の周波数の一例である。 演算装置１３のハードウエア構成（ブロック図）である。

以下、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１に実施の形態として説明する電力系統１と、この電力系統１に接続する各種装置の構成を示している。

電力系統１は、マイクログリッド等の小規模な電力系統（マイクログリッド）である。同図に示すように、電力系統１には、負荷２（需要家負荷）及び発電機３（分散型電源）が接続している。小規模な電力系統１は、大規模な商用電力系統に接続されていてもよいし、商用電力系統とは独立した系統（単独系統）として運用されるものであってもよい。

電力系統１に接続する発電機３は、例えば分散型電源であり、例えばコージェネレーション発電機（ディーゼル発電機、ガスタービン発電機、ガスエンジン発電機等）、自然エネルギーや未利用エネルギーを利用した発電機（風力発電機、太陽光発電機、小型水力発電機、廃棄物発電機、バイオマス発電機等）等である。

自動周波数制御装置５（ＡＦＣ（Automatic Frequency Control device））は、電力系統１の負荷周波数制御を行う。自動周波数制御装置５には、電力系統１における現在の周波数Ｆが入力される。自動周波数制御装置５は、入力される周波数Ｆ・ｓｉｎ（ω_０ｔ＋β_０）について、定格周波数Ｆ_０（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に対する偏差（以下、周波数偏差ΔＦと称する。）を求めて次式に代入することにより出力調整値ΔＰを求め、求めた出力調整値ΔＰに基づき、電力系統１に接続している一つ以上の発電機３の出力を調節することにより負荷周波数制御を行う。
ΔＰ＝Ｋ×ΔＦ （Ｋは系統周波数特性定数） ・・・式１

図１に示している微小変動生成装置１１、ロックインアップ１２（Lock -In Amplifier）、及び演算装置１３は、系統周波数特性定数Ｋを随時に取得するための構成である。このうち微小変動生成装置１１は、電力系統１の発電機３の出力や負荷２の消費電力に、電力系統１の運用に殆ど影響を与えない程度の微小変動を一定期間、一定周期で与える。例えば微小変動生成装置１１は、電力系統１に接続している発電機３の出力や電力系統１に接続している負荷２の消費電力を制御することにより、電力系統１に上記微小変動を与える。

ロックインアンプ１２には、微小変動生成装置１１によって生成される微小変動ΔＰ・ｓｉｎ（ωｔ＋α）が、参照信号（Reference Signal）として入力される。またロックインアンプ１２には、電力系統１の現在の周波数Ｆ・ｓｉｎ（ω_０ｔ＋β_０）が、測定信号として入力される。ロックインアンプ１２は、入力される参照信号と測定信号とから、周波数偏差ΔＦの情報を含む値を直流値（ＤＣ出力）として出力する。

図２にロックインアンプ１２のブロック図を示している。同図に示すように、ロックインアンプ１２は、測定信号を必要とされる電圧に増幅するプリアンプ１２１、測定信号に含まれている高調波を除去するバンドパスフィルタ１２２、参照信号を矩形波に整形する波形整形回路１２３、参照信号と測定信号との間の位相差を調整する位相回路１２４、同期検波による周波数変換を行う同期検波回路１２５（ＰＳＤ（Phase Sensitive Detecter））、及び同期検波回路１２５の出力信号から交流成分を除去し直流成分を取り出すローパスフィルタ１２６を備える。尚、ロックインアンプ１２は、例えば位相調整が不要な２位相方式のロックインアンプ（Two Phase Lock-In Amplifier）であってもよい。

次に、ロックインアンプ１２により、入力される測定信号及び参照信号（ΔＰ・ｓｉｎ（ωｔ＋α））から、周波数偏差ΔＦに関する情報を含んだ直流値（ＤＣ出力）を得る仕組みについて説明する。尚、以下の説明において、測定信号及び参照信号は夫々次式で表記する。
参照信号＝ΔＰ・ｓｉｎ（ωｔ＋α） ・・・式２
測定信号＝Ｆ₀・ｓｉｎ（ω_０ｔ＋β_０）＝Ｆ₁・ｓｉｎ（ω_１ｔ＋β_１）＋Ｆ₂・ｓｉｎ（ω_２ｔ＋β_２）＋・・・＋ΔＦ・ｓｉｎ（ωｔ＋β）） ・・・式３
尚、式２におけるΔＰは微小変動の振幅、ωは微小変動の角周波数、αは微小変動の位相、ｔは時間である。また式３におけるＦは測定信号の振幅、ω_０は測定信号の角周波数、βは測定信号の位相である。図３に参照信号としてロックインアンプ１２に入力される微小変動の一例を、図４に測定信号としてロックインアンプ１２に入力される電力系統１の周波数の一例を夫々示す。

ここで式２の参照信号と式３の測定信号を乗算すれば、次式のようになる。
参照信号×測定信号＝ΔＰ・ｓｉｎ（ωｔ＋α）×Ｆ₀・ｓｉｎ（ω_０ｔ＋β_０）＝（１／２）・ΔＰ・ΔＦｃｏｓ（α−β）−（１／２）・ΔＰ・ΔＦ・ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）＋（１／２）・ΔＰ×Ｆ₁ｃｏｓ（（ω−ω_１）ｔ＋α−β）−（１／２）・ΔＰ・Ｆ₁ｃｏｓ（（ω＋ω_１）ｔ＋α＋β）＋・・・ ・・・式４

上式において、Ｆ₁・ｓｉｎ（ω_１ｔ＋β_１）、Ｆ₂・ｓｉｎ（ω_２ｔ＋β_２）等は除去対象成分であり、ΔＦ・ｓｉｎ（ωｔ＋β）は測定対象成分である。上式において２ωｔ、ω_１ｔ・・・についてはロックインアンプ１２のローパスフィルタ１２６によって除去される。またロックインアンプ１２の同期検波回路１２５によって参照信号と測定信号とが同期されることにより（α＝β）、式４は（１／２）・ΔＰ・ΔＦとなる。つまりこの値がＤＣ出力としてロックインアンプ１２から出力されて演算装置１３に入力されることになる。

図１における演算装置１３は、ロックインアンプ１２から入力されるＤＣ出力に基づき系統周波数特性定数Ｋを求め、求めた系統周波数特性定数Ｋを自動周波数制御装置５に入力する。演算装置１３のハードウエア構成を図５に示している。同図に示すように、演算装置１３は、ＣＰＵ１３１、ＲＡＭやＲＯＭ等で構成されるメモリ１３２、ロックインアップ１２や自動周波数制御装置５と通信するための通信装置１３３を備える。尚、ＣＰＵ１３１、メモリ１３２、及び通信装置１３３は、内部バス等を介して通信可能に接続されている。

演算装置１３は、前述した式１と次式
ＤＣ出力＝（１／２）×ΔＰ・ΔＦ ・・・式５
に基づき、次のようにして系統周波数特性定数Ｋを求める。
まず式３を変形すれば、
ΔＦ＝２×（ＤＣ出力／ΔＰ） ・・・式６
となる。次に式６と式１とから、
ΔＰ＝Ｋ・ΔＦ＝Ｋ・２×（ＤＣ出力／ΔＰ） ・・・式７
となる。上式を変形すれば、
Ｋ＝（ΔＰ）＾２／（２・ＤＣ出力） ・・・式８
となる。ここでΔＰは既知であるので、上式から系統周波数特性定数Ｋを求めることができる。

自動周波数制御装置５は、演算装置１３から入力される系統周波数特性定数Ｋと、随時入力される周波数偏差ΔＦを式１に代入して出力調整値ΔＰを求め、求めた出力調整値ΔＰに基づき発電機３の出力を調節することにより、電力系統１について負荷周波数制御を行う。

以上に説明したように、上記構成によれば、電力系統１の系統周波数特性定数Ｋを随時取得することができる。また電力系統１に微小変動のみを与えて系統周波数特性定数Ｋを取得するので、電力系統１の運用に影響を与えることなく、正しい系統周波数特性定数Ｋを容易に取得することができる。また自動周波数制御装置５は、随時取得される精確な系統周波数特性定数Ｋに基づき出力調整値ΔＰを求め、求めた出力調整値ΔＰに基づき発電機３の出力を調節するので、電力系統１の負荷周波数制御を適切に行うことができる。

尚、以上に説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

１ 電力系統
２ 負荷
３ 発電機
５ 自動周波数制御装置
１１ 微小変動生成装置
１２ ロックインアンプ
１３ 演算装置

Claims (6)

1. 電力系統における系統周波数特性定数の測定方法であって、
   電力系統に接続する発電機の出力又は電力系統に接続する負荷の消費電力に与えた周期的な微小変動を参照信号として入力するとともに、前記電力系統の周波数を測定信号としてロックインアンプに入力し、
   前記微小変動と前記ロックインアンプの直流出力とを演算装置に入力し、
   前記演算装置が、入力された前記微小変動と前記直流出力とに基づき系統周波数特性定数を求める
   ことを特徴とする電力系統における系統周波数特性定数の測定方法。
2. 請求項１に記載の電力系統における系統周波数特性定数の測定方法であって、
   前記演算装置が、求めた前記系統周波数特性定数を前記電力系統の周波数を制御する自動周波数制御装置に入力し、
   前記自動周波数制御装置に、前記電力系統の周波数を入力し、
   前記自動周波数制御装置が、前記系統周波数特性定数と前記電力系統の周波数とを乗算することにより前記発電機の出力調整値を求め、求めた出力調整値を用いて前記発電機の出力又は前記負荷の消費電力を制御する
   ことを特徴とする電力系統における系統周波数特性定数の測定方法。
3. 請求項１に記載の電力系統における系統周波数特性定数の測定方法であって、
   前記電力系統はマイクログリッドである
   ことを特徴とする電力系統における系統周波数特性定数の測定方法。
4. 電力系統における系統周波数特性定数を測定するシステムであって、
   電力系統に接続する発電機の出力又は電力系統に接続する発電機の負荷の消費電力に周期的に微小変動を与える微小変動生成装置、
   前記微小変動が参照信号として入力され、前記電力系統の周波数が測定信号として入力されるロックインアンプ、及び、
   前記微小変動と前記ロックインアンプの直流出力とが入力され、入力される前記微小変動と前記直流出力とに基づき系統周波数特性定数を求める演算装置
   を備えることを特徴とする系統周波数特性定数測定システム。
5. 請求項４に記載の系統周波数特性定数測定システムであって、
   前記電力系統の周波数が入力され、入力される前記電力系統の周波数に基づき前記電力系統の周波数を制御する自動周波数制御装置を更に備え、
   前記演算装置が、求めた前記系統周波数特性定数を前記自動周波数制御装置に入力し、
   前記自動周波数制御装置が、前記系統周波数特性定数と前記電力系統の周波数とを乗算することにより前記発電機の出力調整値を求め、求めた出力調整値を用いて前記発電機の出力又は前記負荷の消費電力を制御する
   ことを特徴とする系統周波数特性定数測定システム。
6. 請求項４に記載の系統周波数特性定数測定システムであって、
   前記電力系統はマイクログリッドである
   ことを特徴とする系統周波数特性定数測定システム。

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