JP5131528B2 - 電源制御装置 - 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電源制御装置に関する。

電力市場自由化後の社会動向として、以下の（１）〜（４）に示す理由からさまざまな分散型電源（天然ガスコージェネレーションや燃料電池）がエネルギー供給設備として建物内に進出してくる可能性が高くなっている。
（１）熱電併給により、相当高い総合エネルギー効率（８０％強）を期待できる。
（２）ＣＯ_２排出量削減が期待できる。
（３）商用系統からの契約電力量の削減や配電施設の低減によるコスト削減が期待できる。
（４）震災、火災時の自立安定性が高い。

現在これらの分散型電源は、主に需要家のエネルギーコスト削減を目的として導入されており、稼働率が高くなり経済性を発揮しやすい「ベースロード運転」によって定格運転されている。図１１（ａ）はベースロード運転の状態を示した図である。横軸は時刻であり、縦軸は有効電力である。図示する例では、０：００〜８：００と１８：００〜０：００では買電電力のみでの有効電力値を表し、８：００〜１８：００では買電電力と発電電力とを合わせた有効電力値を表す。８：００〜１８：００の発電電力は３００ｋＷで一定である。また、８：００〜１８：００の買電電力は有効電力の負荷に応じて変動している。今後、より多くの分散型電源が需要家サイドに入り、ベースロード運転にて商用系統に接続されると、商用系統は負荷変動の補償ばかりを求められ、電圧や周波数変動の調整機能（これをアンシラリー機能という）を一手に引き受けることになる。端的に言えば、電力会社が損な役割を担うことになる。

一方、国の施策として、分散型電源の負荷追従運転によって商用系統への負担を軽減して協調関係の構築を目指す動きがある。近年、議論が始まった「マイクログリッド」である。マイクログリッドの思想を取り込んだ分散型電源によるエネルギー供給システムでは、商用系統連系時には買電一定運転が、また自立運転時には自立範囲内に安定した品質の電力を供給することが求められている。図１１（ｂ）は買電一定運転の状態を示した図である。横軸は時刻であり、縦軸は有効電力である。図示する例では、０：００〜８：００と１８：００〜０：００では買電電力のみでの有効電力値を表し、８：００〜１８：００では買電電力と発電電力とを合わせた有効電力値を表す。８：００〜１８：００の買電電力は２００ｋＷで一定である。また、８：００〜１８：００の発電電力は有効電力の負荷に応じて変動している。

このようなエネルギー供給システムを実現するためには、複数の分散型電源を協調制御して負荷追従運転を行う必要がある。先行技術として、建物における負荷変動が、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、急速な負荷変動を重畳しているために、計測した負荷電力を基に、追従性能の異なる複数種類の分散型電源を組み合わせて当該周波数帯域を分担させることで負荷追従運転を実現している分散型電源の制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、分散型電源によるエネルギー供給システムにおいてエネルギー供給コストやＣＯ２排出量の最小化を担保するための方法としては、熱電需要、分散型電源の発電量、電力会社に対する売買電単価、ガス会社のガス料金単価等から各分散型電源の運転方法を決定する最適運転計画という方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−２４６５８４号公報 特開２００５−８６９３５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、負荷変動に対する追従性能が異なる複数種類の分散型電源を統合的に制御して負荷追従運転を行うにあたり、分散型電源の出力応答の周波数特性に基づいて各電源に分担補償させているため、各電源の出力が頻繁に急激に変化してしまうという問題がある。そのため、分散型電源のメリットであるエネルギーコストやＣＯ２排出量の削減が保証されなくなる恐れがある。

また、特許文献２の技術では、最適運転計画のための計算は時間を要することから、前日に予測した負荷から翌日の運転計画を一時間毎など単位時間毎に作成し、当日適宜修正するといった方法が採られる。そのため、単位時間以下の高速な負荷変動に対応する負荷追従運転を行うことができないという問題がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、最適運転計画を考慮した負荷追従運転を制御することが可能な電源制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数の電源の運転を制御する電源制御装置において、前記複数の電源のうちいずれか一の電源が出力すべき出力電力値を、前記複数の電源から当該一の電源を除いた残りの各電源の運転計画上の出力電力値または実際の出力電力値と、負荷電力値の変動に対する当該一の電源の出力電力値の周波数特性に応じて予め決定された周波数帯域と、前記負荷電力値と、買電目標値とに基づいて、前記電源毎に決定し、前記周波数帯域が、前記負荷電力値の変動に対する前記一の電源の出力電力値の周波数特性と前記一の電源の運転効率の周波数特性とに基づいて予め決定されていることを特徴とする電源制御装置である。

この発明によれば、各電源の運転計画値と出力値と、予め決定した各電源が分担する周波数帯域とに基づいて、電源制御装置は各電源の出力値を制御する。そのため、本発明の電源制御装置は最適運転計画を考慮した負荷追従運転を制御することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態による電源制御装置の制御ブロック図である。図示する例では、電源制御装置１は電源３−１、電源３−２、電源３−３の３つの電源を制御する。また、電源制御装置１は、電源３−１用にＬＰＦ２−１（Ｌｏｗ−ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ、低域通過濾波器）と、電源３−２用にＬＰＦ２−２との２つのＬＰＦを備える。

電源制御装置１は入力情報として、負荷電力情報と、買電目標値情報と、電源３−２運転計画値情報と、電源３−３運転計画値情報と、電源３−１出力値情報と、電源３−２出力値情報との情報の入力を受け付ける。また、電源制御装置１は電源３−１と、電源３−２と、電源３−３に対して出力指令値情報を送信する。負荷電力情報は、本実施形態の電源制御装置１が制御する電源が出力する電力と、購入する電力とで供給しなければならない負荷の電力値である。買電目標値情報は電力会社より購入する電力値の情報である。本実施形態では、負荷電力情報によらず一定の電力を電力会社より購入する。電源３−２運転計画値情報は、予め最適運転計画で計画されている、電源３−２が供給する電力の計画値である。最適運転計画については後述する。電源３−３運転計画値情報は、予め最適運転計画で計画されている、電源３−３が供給する電力の計画値である。電源３−１出力値情報は、電源３−１が出力した電力の値である。電源３−１が出力した電力の値は電源３−１より取得する。電源３−２出力値情報は、電源３−２が出力した電力の値である。電源３−２が出力した電力の値は電源３−２より取得する。

ＬＰＦは、接続されている電源が分担する分担周波数帯域の周波数成分を取り出す。分担周波数帯域および周波数成分については後述する。図示する例ではＬＰＦ２−１は電源３−１に出力する出力指令値を求めるために使用され、電源３−１が分担する分担周波数帯域の周波数成分を取り出す。ＬＰＦ２−２は電源３−２に出力する出力指令値を求めるために使用され、電源３−２が分担する分担周波数帯域の周波数成分を取り出す。

電源３−１に対して制御装置１が送信する出力指令値は以下の手順で求める。制御装置１は、負荷電力値から買電目標値情報の電力値と、電源３−２運転計画情報の電力値と、電源３−３運転計画情報の電力値とを減算する。続いて、制御装置１は、減算して求めた電力値からＬＰＦ２−１を用いて電源３−１が分担する分担周波数帯域の周波数成分を取り出す。取り出した周波数成分が、電源３−１に対して制御装置１が送信する出力指令値である。

電源３−２に対して制御装置１が送信する出力指令値は以下の手順で求める。制御装置１は、負荷電力値から買電目標値情報の電力値と、電源３−１出力値の電力値と、電源３−３運転計画情報の電力値とを減算する。続いて、制御装置１は、減算して求めた電力値からＬＰＦ２−２を用いて電源３−２が分担する分担周波数帯域の周波数成分を取り出す。取り出した周波数成分が、電源３−２に対して制御装置１が送信する出力指令値である。

電源３−３に対して制御装置１が送信する出力指令値は以下の手順で求める。制御装置１は、負荷電力値から買電目標値情報の電力値と、電源３−１出力値の電力値と、電源３−２出力値の電力値とを減算する。減算して求めた電力値が、電源３−３に対して制御装置１が送信する出力指令値である。

次に、各電源の負荷変動に対する分担周波数帯域を決定する。各電源の負荷変動に対する分担周波数帯域の決定は、出力応答の周波数特性と、運転効率の周波数特性とに基づいて行う。

各電源の出力応答に対する周波数特性取得方法について図２（ａ）、図２（ｂ）を参照して説明する。本実施形態では電源として、ガスエンジン発電機ＧＥ３５０ｋＷと、ガスエンジン発電機ＧＥ９０ｋＷと、ニッケル水素電池ＮｉＭＨを使用する。図２（ａ）は、各電源の周波数応答特性を振幅と周波数で示したグラフである。図２（ｂ）は、各電源の周波数応答特性を位相差と周波数で示したグラフである。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２（ａ））および位相差（図２（ｂ））を示すものであって、この図からＧＥ３５０ｋＷは０．０１Ｈｚ以下、ＧＥ９０ｋＷは０．０３以下、ＮｉＭＨは１．０Ｈｚ以下の変動に対して振幅及び位相とも追従可能であることが分かる（特許文献１参照）。

各電源のうち発電機について運転効率の周波数特性取得方法について図３、図４を参照して説明する。図３は過渡運転時の燃費特性取得方法を示した図である。図３に含まれるグラフの横軸は時間であり、縦軸は発電機の出力値である。各発電機の運転効率の周波数特性を図３に示すような正弦波状応答より取得する。本実施形態では、発電機の出力が最大出力と最小出力との間で変化する１周期の間に、発電機が消費する燃料消費量に基づいて運転効率を評価する。図４は、過渡運転時の運転効率を示した図である。図４に含まれるグラフの横軸は発電機の運転周波数であり、縦軸は発電機の運転効率である。図示する例では、発電機ＧＥ３５０ｋＷ、発電機ＧＥ９０ｋＷともに運転周波数が変化しても運転効率は変化しない。すなわち、発電機ＧＥ３５０ｋＷ、発電機ＧＥ９０ｋＷの出力をどのような周波数で変化させても運転効率には影響を与えないことがわかる。

取得した各電源の出力応答に対する周波数特性と、各電源のうち発電機について運転効率の周波数特性とに基づいて、各電源の負荷追従運転に対する分担周波数帯域を決定する。分担周波数帯域は、各電源の出力応答に対する周波数特性で得られた周波数帯域と、各電源のうち発電機について運転効率の周波数特性で得られた周波数帯域との重複部分の周波数帯域とする。式で表すと以下の式となる。
分担周波数帯域＝（出力応答に対する周波数特性で得られた周波数帯域）∩（運転効率の周波数特性で得られた周波数帯域）

また、図５は各電源の出力応答に対する周波数特性で得られた周波数帯域と、運転効率の周波数特性で得られた周波数帯域と、分担周波数帯域とを纏めた図である。図示する例では電源はＧＥ３５０ｋＷと、ＧＥ９０ｋＷと、ＮｉＭＨとの３種類ある。ＧＥ３５０ｋＷの出力応答に対する周波数特性で得られた周波数帯域は０．０１Ｈｚ以下であり、運転効率の周波数特性で得られた周波数帯域は全帯域であり、分担周波数帯域は０．０１Ｈｚ以下である。ＧＥ９０ｋＷの出力応答に対する周波数特性で得られた周波数帯域は０．０３Ｈｚ以下であり、運転効率の周波数特性で得られた周波数帯域は全帯域であり、分担周波数帯域は０．０３Ｈｚ以下である。ＮｉＭＨの出力応答に対する周波数特性で得られた周波数帯域は１Ｈｚ以下であり、分担周波数帯域は１Ｈｚ以下である。なお、ＮｉＭＨについては、運転効率の周波数特性で得られた周波数帯域は空欄である。

次に、電源制御装置１に入力する情報である最適運転計画を作成する。図６は本実施形態での電力の予測負荷を示した図である。横軸は時刻であり、縦軸は有効電力である。本実施形態では、運転時間は８：００から１８：００までの１０時間であり、３０分単位で負荷の予測を行っている。予測負荷は、８：００〜８：３０では３５０ｋＷであり、８：３０〜９：００では４５０ｋＷであり、９：００〜９：３０では５００ｋＷである。以下同様に図から各時刻の予測負荷がわかる。

次に、図６に示した電力の予測負荷に基づいて、各時刻における各電源の最適運転計画を作成する。本実施形態での各電源の運転計画値は図７に示した条件に基づいて計画する。図７は各電源の最適運転計画の作成条件を示した図である。図示する例では、買電目標値と、ＧＥ出力と、ＮｉＭＨ出力との条件が示されている。買電目標値の条件は、１５０ｋＷで一定である。ＧＥ出力の条件は、総１次エネルギー消費量最小化であり、ＧＥ３５０ｋＷの出力は１４０ｋＷから３５０ｋＷの間であり、ＧＥ９０ｋＷの出力は３０ｋＷから９０ｋＷの間である。ＮｉＭＨ出力の条件は、４０ｋＷ一定である。

図６に示した電力の予測負荷と、図７に示した各電源の運転計画の条件とに基づいて算出した運転計画値を図８に示す。図８は予測負荷と運転計画の条件とに基づいて算出した各電源の運転計画値を示した図である。横軸は時刻であり、縦軸は有効電力であり、各時刻における各電源の運転計画値が示されている。図示する例では、８：００〜８：３０では、買電目標値は１５０ｋＷであり、ＧＥ３５０ｋＷの運転計画値は１６０ｋＷであり、ＧＥ９０ｋＷの運転計画値は０ｋＷであり、ＮｉＭＨの運転計画値は４０ｋＷである。８：３０〜９：００では、買電目標値は１５０ｋＷであり、ＧＥ３５０ｋＷの運転計画値は２６０ｋＷであり、ＧＥ９０ｋＷの運転計画値は０ｋＷであり、ＮｉＭＨの運転計画値は４０ｋＷである。以下同様に図から各時刻における各電源の運転計画値がわかる。

次に、最適運転計画値に基づいて、図１に示した電源制御装置１を用いて負荷追従制御を行う。本実施形態では、図１の電源３−１はＧＥ３５０ｋＷとし、電源３−２はＧＥ９０ｋＷとし、電源３−３はＮｉＭＨとする。また、図１中の買電目標値には図８の買電目標値を入力する。図１中の電源３−２運転計画値には図８のＧＥ９０ｋＷの運転計画値を入力し、図１中の電源３−３運転計画値には図８のＮｉＭＨの運転計画値を入力する。図１中の電源３−１出力値には電源３−１が出力する実出力値を入力する。図１中の電源３−２出力値には電源３−２が出力する実出力値を入力する。

具体的には各電源は以下のように実際の負荷変動と運転計画値との差を保証して発電する。ＧＥ３５０ｋＷは、負荷電力から買電目標値と、ＧＥ９０ｋＷの運転計画値と、ＮｉＭＨの運転計画値とを引いた差分のうち、０．０１Ｈｚ以下の変動成分を補償する。なお、負荷電力から買電目標値と、ＧＥ９０ｋＷの運転計画値と、ＮｉＭＨの運転計画値とを引いた差分は、ＧＥ３５０ｋＷの運転計画値とほぼ一致する。

負荷電力から買電目標値と、ＧＥ３５０ｋＷの出力値とを引くと、ＧＥ９０ｋＷとＮｉＭＨとが補償すべき負荷変動成分が残る。ＧＥ９０ｋＷは、ＧＥ９０ｋＷとＮｉＭＨとが補償すべき負荷変動成分よりＮｉＭＨの運転計画値を引いた差分のうち、０．０３Ｈｚ以下の変動成分を補償する。なお、ＧＥ９０ｋＷとＮｉＭＨとが補償すべき負荷変動成分よりＮｉＭＨの運転計画値を引いた差分は、ＧＥ９０ｋＷの運転計画値とほぼ一致する。

ＮｉＭＨは、負荷電力から買電目標値と、ＧＥ３５０ｋＷの出力値と、ＧＥ９０ｋＷの出力値とを引いた差分のうち、０．０１Ｈｚ以下の変動成分を補償する。なお、負荷電力から買電目標値と、ＧＥ３５０ｋＷの出力値と、ＧＥ９０ｋＷの出力値とを引いた差分は、ＮｉＭＨの運転計画値とほぼ一致する。

図９は本実施形態の電源制御装置１を用いて負荷追従運転を実施したシミュレーション結果を示した図である。横軸は時刻であり、縦軸は有効電力であり、各時刻における各電源の出力値と負荷値が示されている。図示する例では、ＮｉＭＨの応答性では追従できない高速な負荷変動成分が買電電力の変動に現れているが、それ以外の周波数帯域の負荷変動は分散型電源によって補償されており、商用系統からの買電はほぼ一定になっている。

また、負荷追従運転のシミュレーション結果より、３０分単位での各電源の平均出力を算出し、負荷追従運転が最適運転計画の結果を反映しているか確認する。図１０は本実施形態の電源制御装置１を用いて負荷追従運転を実施したシミュレーション結果において、３０分単位での各電源の平均出力を示す図である。横軸は時刻であり、縦軸は有効電力であり、各時刻における各電源の運転計画値が示されている。図示する例では、８：００〜８：３０では、買電値は１５０ｋＷであり、ＧＥ３５０ｋＷの出力値は１９７ｋＷであり、ＧＥ９０ｋＷの出力値は０ｋＷであり、ＮｉＭＨの出力値は４１ｋＷである。８：３０〜９：００では、買電値は１５０ｋＷであり、ＧＥ３５０ｋＷの出力値は２６７ｋＷであり、ＧＥ９０ｋＷの出力値は０ｋＷであり、ＮｉＭＨの出力値は４１ｋＷである。以下同様に図から各時刻における各電源の出力値がわかる。図９と図１０を比較すると、負荷追従運転を行った分だけ最適運転計画の結果と乖離が生じているが、実施形態の電源制御装置１を用いた負荷追従運転を実施したシミュレーション結果は、概ねで最適運転計画を反映した運転であることがわかる。

上述したとおり本実施形態によれば、各電源の運転計画値と出力値と、予め決定した各電源が分担する周波数帯域とに基づいて、電源制御装置は各電源の出力値を制御する。そのため、電源制御装置は最適運転計画を考慮した負荷追従運転を制御することが可能となる。よって、各電源は、最適な経済運転やＣＯ２排出運転が実現可能となり、高品質での安定的な電力供給を行いながらも、省エネルギー化を図ることができる。また、各電源の平均発電量は、事前に計画された負荷配分結果とほぼ一致するので、消費エネルギー量を事前にある程度推測することが出来る。また、各電源の負荷予測と実際の負荷とが一致しない場合でも安定した負荷追従運転が実現できる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。例えば、本実施形態では３０分単位で最適運転計画を行っているが、これは一意的に定まるものではない。例えば一日の負荷変動が緩やかなケースや最適運転計画の計算のためにより多くの時間を要するようなケースでは、最適運転計画の計画時間単位を大きくしても良く、状況に応じて最適運転計画の単位時間を決定してもよい。また、燃料を使用しないＮｉＭＨについては、全出力値を運転時間で平均化して単位時間での出力を決定したが、ＮｉＭＨの出力についても変動させて最適運転計画を行ってもよい。

本発明の一実施形態による電源制御装置の制御ブロック図である。 本実施形態による各電源の周波数応答特性を示した図である。 本実施形態による過渡運転時の燃費特性取得方法を示した図である。 本実施形態による過渡運転時の運転効率を示した図である。 本実施形態による各電源の分担周波数帯域を示した図である。 本実施形態による電力の予測負荷を示した図である。 本実施形態による各電源の最適運転計画の作成条件を示した図である。 本実施形態による予測負荷と運転計画の条件とに基づいて算出した各電源の運転計画値を示した図である。 本実施形態による電源制御装置を用いて負荷追従運転を実施したシミュレーション結果を示した図である。 本実施形態による電源制御装置を用いて負荷追従運転を実施したシミュレーション結果において、３０分単位での各電源の平均出力を示す図である。 ベースロード運転と買電一定運転の状態を示す説明図である。

符号の説明

１・・・電源制御装置、２−１，２−２・・・ＬＰＦ（Ｌｏｗ−ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ、低域通過濾波器）、３−１，３−２，３−３・・・電源

Claims (1)

1. 複数の電源の運転を制御する電源制御装置において、
   前記複数の電源のうちいずれか一の電源が出力すべき出力電力値を、前記複数の電源から当該一の電源を除いた残りの各電源の運転計画上の出力電力値または実際の出力電力値と、負荷電力値の変動に対する当該一の電源の出力電力値の周波数特性に応じて予め決定された周波数帯域と、前記負荷電力値と、買電目標値とに基づいて、前記電源毎に決定し、
   前記周波数帯域が、前記負荷電力値の変動に対する前記一の電源の出力電力値の周波数特性と前記一の電源の運転効率の周波数特性とに基づいて予め決定されている
   ことを特徴とする電源制御装置。

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