JP5527325B2 - 制御装置、エネルギーシステム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は配電系統に再生可能電源が連系されたエネルギーシステムを制御するための制御装置、該エネルギーシステム及びその制御方法に関する。

持続可能型社会の実現へ向けて、運用時に温暖化ガスの排出を低減できる再生可能電源の大幅な普及拡大が求められている。特に太陽電池（ＰＶ：Photo voltaic）は、現在最も期待されている再生可能電源の一つである。しかしながら、太陽電池を用いた太陽光発電は天候によって出力が変化する、すなわち発電量が不安定であるという問題がある。そのため、配電系統に多数の太陽光発電設備が連系すると、配電系統に悪影響を及ぼし、配電電圧が不安定になることが予測されている。

配電電圧が不安定になるとは、個人住宅、事業所、自治体施設等の各需要家に供給される低圧配電線の電圧（日本においては約１００Ｖまたは２００Ｖ）が再生可能電源の不安定な発電量に影響されて変動し、適性範囲を逸脱する問題である。

配電用変電所から高電圧（日本においては約６６００Ｖ）で送出された電力は、配電系統の最も低圧側の変圧器（以下、柱上変圧器と称す）で低電圧（日本においては約１００Ｖまたは約２００Ｖ）に変換されて各需要家へ供給される。なお、１台の柱上変圧器からは、一般に１０〜２０世帯（一戸建ての場合）に電力が分配される。

ここで、有限の抵抗を有する配電線（フィーダ線）に電流が流れると、電力需要（電力消費量）に応じて配電電圧が変動する。これまでも日中と夜間等では電力需要に差があり、配電電圧の変動が起きていた。但し、電流の流れる方向は配電用変電所から各需要家へ向かう一方向であり、電力需要の変動も十分に小さかったため、配電電圧は適正範囲（日本では１０１Ｖ±６Ｖまたは２０２±２０Ｖ）に収まっていた。

しかしながら、配電系統に対する再生可能電源の連系量が増大すると、需要の変化に再生可能電源の不安定性が加わり、さらに再生可能電源を所有する需要家が余剰電力を電力会社へ売却する契約を結んでいる場合は、再生可能電源で発電された電力が需要家から配電用変電所の方向へ流れる逆潮流も発生する。そのため、配電電圧の変動幅が従来よりも大きくなり、適正範囲を逸脱する（電圧逸脱）可能性が益々高まってしまう。

このような配電電圧の不安定化を解決する方法としては、配電電圧が適正範囲から逸脱しそうな場合に、再生可能電源の発電量を減らす（出力抑制）方法と、蓄電池やヒートポンプ等のエネルギーの蓄積が可能な可制御負荷を用いて電力消費量を増大させる方法とがある。

背景技術のエネルギーシステムでは、例えば任意の柱上変圧器で電圧逸脱が発生した場合、該柱上変圧器に接続された各需要家が備える再生可能電源の出力抑制および可制御負荷による電力消費量を増大させることで配電電圧の上昇を抑制している。

なお、出力抑制や可制御負荷の制御を実現する構成としては、一般に「自律制御」（または自端制御）型と「遠隔制御」（または集中制御）型の二つに分類できる。

「自律制御」型のエネルギーシステムとしては、例えばＰＣＳ（Power Conditioning Subsystem）が知られている。ＰＣＳは、ＰＶと、該ＰＶで発電された電力を配電系統に連系可能にするインバータと、ＰＶで発電された電力を蓄積する蓄電池とを備えている。このＰＣＳにより配電電圧をモニタし、配電電圧が適正範囲の上限に近づいたときにＰＶの発電量を抑制する、または蓄電池に電力を蓄電することで配電電圧の上昇を抑制できる。

一方、「遠隔制御」型のエネルギーシステムとしては、例えば特許文献１や特許文献２に記載された構成がある。

特許文献１には、情報ネットワークを介して複数のＰＶの発電量や該ＰＶで発電された電力を蓄電する蓄電池を制御することが記載されている。また、特許文献２には、情報ネットワークを介して再生可能電源を制御して配電電圧や潮流を最適に調整しつつ、割り当てられる発電量の不平等性については金銭で解決する方法が記載されている。

上述した出力抑制は、再生可能電源の発電能力を無駄にすることであるため、出力抑制する電力量はできるだけ少ないことが望ましい。

また、電圧逸脱が起きるか否かは、配電線に連系されている再生可能電源数と再生可能電源が連系している場所とに依存するため、一部の需要家が所有する再生可能電源に出力抑制が偏るという問題もある。この問題ついては、例えば特許文献２に記載されているように、再生可能電源の出力抑制による損失分を金銭で補えば、出力抑制が偏ることによる不平等はある程度解消できる。しかしながら、その場合でも再生可能電源の発電能力を無駄にしていることに変わりはない。

一方、可制御負荷を利用する方法は、可制御負荷を所有しない需要家には実施不可能であり、可制御負荷を所有していても、その負荷容量が少なければ出力抑制は避けられない。

また、可制御負荷である、例えばヒートポンプや蓄電池等によって、電圧逸脱の解決のために蓄積されたエネルギーが必ずしも有効に利用されるとは限らないため、可制御負荷による電力消費量の増加量はできるだけ少ないことが望ましい。

なお、特許文献１に記載されたシステムは、自立運転時に非常負荷等への給電容量を増大させることを目的とした構成であり、電圧逸脱を解消するための構成を提案したものではない。また、特許文献２に記載されたシステムでは、可制御負荷の制御を考慮していないため、再生可能電源にて出力抑制する電力量が大きくなる可能性がある。

特許第３１４４３２３号公報 特開２００４−２７４８１２号公報

そこで本発明は、各再生可能電源による出力抑制量の総量及び可制御負荷の消費電力の増大量を最小にできるエネルギーシステムを制御するための制御装置、該エネルギーシステム及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の制御装置は、ノードを介して配電系統に接続された再生可能電源による発電量を抑制する出力抑制および前記ノードを介して前記配電系統に接続された可制御負荷による電力消費量の制御が可能であり、前記再生可能電源または前記可制御負荷の少なくとも一方を備えた需要家毎に設置される需要家端末とネットワークを介して接続された制御装置であって、
前記配電系統の配電電圧が所定の電圧から逸脱したのを検出したとき、該電圧が逸脱した需要家が接続されたノード及び該ノードよりも下流のノードに接続された需要家が備える前記再生可能電源の発電量を抑制させ、前記可制御負荷による電力消費量を増大させるための指令を該需要家の需要家端末に出力する処理装置を有する。

一方、本発明のエネルギーシステムは、再生可能電源または可制御負荷の少なくとも一方を備えた需要家がノードを介して配電系統に接続されたエネルギーシステムであって、
前記再生可能電源による発電量を抑制する出力抑制、および前記可制御負荷による電力消費量の制御が可能な、前記需要家毎に設置される需要家端末と、
前記需要家端末とネットワークを介して接続され、前記配電系統の配電電圧が所定の電圧から逸脱したのを検出したとき、該電圧が逸脱した需要家が接続されたノード及び該ノードよりも下流のノードに接続された需要家が備える前記再生可能電源の発電量を抑制させ、前記可制御負荷による電力消費量を増大させるための指令を該需要家の需要家端末に出力する制御装置と、
を有する。

また、本発明のエネルギーシステムの制御方法は、再生可能電源または可制御負荷の少なくとも一方を備えた需要家がノードを介して配電系統に接続されたエネルギーシステムの制御方法であって、
前記配電系統からの配電電圧が所定の電圧から逸脱したのを検出したとき、該電圧逸脱を検出した需要家が接続されたノードおよび該ノードよりも下流のノードに接続された需要家が備える前記再生可能電源を出力抑制させ、該需要家が備える前記可制御負荷による電力消費量を増大させる方法である。

図１は、配電系統の構成を簡略化して示した模式図である。 図２は、各ノードと再生可能電源及び可制御負荷とが柱状変圧器を介して接続される様子を示す模式図である。 図３は、本発明のエネルギーシステムの一構成例を示すブロック図である。 図４は、図３に示した制御装置の一構成例を示すブロック図である。 図５は、図３に示した需要家端末の一構成例を示すブロック図である。 図６は、図３に示した制御装置の処理手順を示すフローチャートである。

次に本発明について図面を用いて説明する。

本発明のエネルギーシステムでは、各需要家に備える再生可能電源の出力抑制量や可制御負荷の電力を一括して管理する制御装置を備え、該制御装置により、需要家毎の連系点の配電電圧の値を収集し、電圧逸脱が発生した場合に各再生可能電源の出力抑制量や可制御負荷による電力消費量を割り振る。本実施形態では、電圧逸脱が生じている、例えば柱上変圧器に接続された再生可能電源及び可制御負荷、並びに該柱状変圧器よりも下流の各柱状変圧器に接続された再生可能電源及び可制御負荷にて、出力抑制及び可制御負荷を制御する。なお、「下流」とは、電圧逸脱が生じている柱上変圧器から見て、配電用変圧器からより遠い柱上変圧器を含む配電系統を指す。

このように電圧逸脱が生じた点よりも下流全体で出力抑制および可制御負荷を制御すると、制御電力量（再生可能電源の出力抑制量及び可制御負荷による電力消費量）の総量が最小となる。また、背景技術と比べて、より多くの可制御負荷を利用できるため、利用されずに捨てられる電力量を低減できる。

本実施形態のエネルギーシステムにより制御電力量の総和が最小となる理由は以下のとおりである。

図１は配電系統の構成を簡略化して示した模式図である。

図１では、配電用変電所が備える配電用変圧器に接続された配電線に、再生可能電源（Ｇ）及び可制御負荷（Ｌ）が４箇所で連系された様子を示している。

また、図１では再生可能電源（Ｇ）及び可制御負荷（Ｌ）と配電線の連系点をそれぞれ「ノード」と称し、配電用変圧器に近い連系点から遠い連系点に向かってノード１，２，３，４と定義している。

なお、図２に示すように、各ノードと再生可能電源（Ｇ）及び可制御負荷（Ｌ）とは、通常、柱状変圧器を介して接続される。図１及び図２では、各ノードに接続される複数の再生可能電源（Ｇ）及び可制御負荷（Ｌ）をまとめてそれぞれ１つで示している。

ここで、ノード１〜４から柱上変圧器に流れこむ電流をｉ_１〜ｉ_４、ノード１〜４における配電電圧をＶ_１〜Ｖ_４、各ノード間の配電線の抵抗値をＲとすると、
配電電圧Ｖ_２〜Ｖ_４は、下記式（１）〜（３）で表される。

ノード２：Ｖ_２＝Ｒ×（１×ｉ_２＋１×ｉ_３＋１×ｉ_４）＋Ｖ_１ …（１）
ノード３：Ｖ_３＝Ｒ×（１×ｉ_２＋２×ｉ_３＋２×ｉ_４）＋Ｖ_１ …（２）
ノード４：Ｖ_４＝Ｒ×（１×ｉ_２＋２×ｉ_３＋３×ｉ_４）＋Ｖ_１ …（３）
式（１）〜（３）から分るように、例えばノード２で電圧逸脱が発生し、配電電圧Ｖ_２を下げたい場合、ノード２〜４から配電線に流れる電流ｉ_２〜ｉ_４を抑制すれば、抑制すべき電流の総和が最も小さくて済むことが分かる。

同様に、配電電圧Ｖ_３を下げたい場合は、ノード３、４から配電線に流れる電流ｉ_３、ｉ_４を抑制すれば、抑制すべき電流の総和が最も小さくて済み、配電電圧Ｖ_４を下げたい場合は、ノード４から配電線に流れる電流ｉ_４を抑制すれば、抑制すべき電流の総和が最も小さくて済むことが分かる。

すなわち、配電電圧を下げたいノードおよびその下流のノードに接続された再生可能電源（Ｇ）にて出力抑制を行い、可制御負荷（Ｌ）の制御を行えば、電圧逸脱した配電電圧を下げるのに必要な制御電力量の総和が最小で済むことを意味している。

再生可能電源が連系されるエネルギーシステムのうち、これまでの多くの先行事例では、配電線の末端ノード（図１に示す構成例ではノード４）でのみ電圧逸脱が発生すると考えられてきた。そのため、電圧逸脱が発生したノードに接続された再生可能電源（Ｇ）及び可制御負荷（Ｌ）でのみ出力抑制や負荷制御が行われていた。

しかしながら、実際のエネルギーシステムでは、
（１）再生可能電源は、各ノードで一様ではなく、その数や発電量に偏りがある。
（２）配電系統には、配電用変圧器の出力に接続された配電線がさらに分岐される構成もある。
（３）複数の柱上変圧器が連系された配電線では、その連系位置に応じて柱上変圧器に入力される配電電圧が異なるため（配電用変圧器から遠いと入力される配電電圧が低くなる）、柱上変圧器による電圧変換比が異なる場合がある。
等の理由により、配電用変圧器に近いノード２やノード３であっても電圧逸脱が発生することがある。

そのため、本実施形態のエネルギーシステムでは、電圧逸脱が生じているノードに接続された再生可能電源および可制御負荷、並びに該ノードよりも下流の各ノードに接続された再生可能電源および可制御負荷にて出力抑制および負荷制御を実施する構成を提案する。

図３は本発明のエネルギーシステムの一構成例を示すブロック図である。

図３に示すように、本発明のエネルギーシステムは、複数の需要家端末２および制御装置１を備え、各需要家端末２と制御装置１とがネットワークを介して接続された構成である。

配電用変電所に接続される配電線には、柱上変圧器を介して複数の需要家（需要家群）が接続され、需要家端末２は、再生可能電源または可制御負荷、あるいはその両方を備えた需要家毎に設置される。需要家端末２は、例えばネットワークと通信可能なコンピュータで実現される。

制御装置１は、エネルギーシステムが備える各需要家端末２と通信が可能な、コンピュータによって実現される。

ネットワークには、電力線を利用したＰＬＣ（Power Line Communications）やＢＰＬ（Broadband over Power Lines）、インターネット、専用線を利用した構成等が考えられる。

図４は図３に示した制御装置の一構成例を示すブロック図であり、図５は図３に示した需要家端末の一構成例を示すブロック図である。

図４に示すように、制御装置１は、通信装置１１、処理装置１２及び記憶装置１３を備えている。

通信装置１１は、各需要家端末２とネットワークを介して通信するためのインタフェースである。

処理装置１２は、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵを備え、後述する制御装置１としての処理を実行する。

記憶装置１３は、配電網の構成及び需要家毎の再生可能電源、並びに可制御負荷の該配電網に対する連系位置を示す情報が格納された配電網情報データベースと、再生可能電源及び可制御負荷の制御記録が格納される制御記録データベースとを備えている。

図５に示すように、需要家端末２は、通信装置２１、処理装置２５、記憶装置２６、電圧測定部２２、第１の制御インタフェース２３、第２の制御インタフェース２４およびユーザインタフェース２７を備えている。

処理装置２５は、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵを備え、電圧測定部２２を用いて配電電圧を測定すると共に、第１の制御インタフェース２３および第２の制御インタフェース２４を介して需要家が備えるＰＣＳ等の再生可能電源及び可制御負荷を制御する。

記憶装置２６には、再生可能電源の発電量や出力抑制量と可制御負荷による電力消費量の制御記録が格納される。

電圧測定部２２は、配電電圧を測定するためのセンサ（不図示）を備え、該センサによる配電電圧の測定結果を処理装置２５に出力する。

第１の制御インタフェース２３は、再生可能電源である、例えばＰＣＳからの逆潮流量を測定する、またはＰＣＳへ出力抑制指令を出力する。

第２の制御インタフェース２４は、可制御負荷による電力消費量を制御する。

ユーザインタフェース２７は、キーボードやマウス等の入力装置（不図示）と表示装置や印刷装置等の出力装置（不図示）とを備え、再生可能電源の発電量や出力抑制量あるいは可制御負荷による制御電力量の履歴表示、再生可能電源や可制御負荷の制御を許可する制御条件等を示す可制御負荷情報の入力に用いられる。

図６は図３に示した制御装置の処理手順を示すフローチャートである。

図６に示すように、制御装置１は、各需要家端末２で測定された配電電圧及びユーザにより設定された可制御負荷情報を定期的に収集する（ステップＳ１）。

次に、制御装置１は、電圧逸脱が発生しているノードがあるか否かを判定し（ステップＳ２）、電圧逸脱が発生しているノードを検出すると、配電網情報データベースを参照し、そのノードに対応する柱上変圧器及びその下流のノードに対応する柱上変圧器に接続された需要家毎の情報を取得する（ステップＳ３）。

続いて、制御装置１は、電圧逸脱が発生したノードとその下流ノードに接続された需要家が備える再生可能電源及び可制御負荷の情報を取得し、それらの制御対象候補から可制御負荷の制御を許可する需要家を選択し（ステップＳ４）、該需要家が備える需要家端末に可制御負荷の電力消費量を増大させるための負荷制御指令を出力する（ステップＳ５）。なお、可制御負荷の制御を許可する需要家が十分に多い場合は、後述する選択方法により選択した可制御負荷に対して電力消費量を増大させるための負荷制御指令を出力してもよい。

次に、制御装置１は、制御対象候補となる再生可能電源を抽出し、該候補のうち、後述する選択方法により選択した再生可能電源に対して所要の発電量を抑制させるための出力抑制指令を出力する（ステップＳ６）。

制御装置１は、負荷制御指令及び出力抑制指令を出力すると、各可制御負荷に対する負荷制御指令および各再生可能電源に対する出力抑制指令を制御記録データベースに記録し（ステップＳ７）、再度、各需要家端末による配電電圧の測定値を取得し、電圧逸脱が発生したノードが無くなるまで上記の処理を繰り返す。

電力系統の管理者は、制御装置１の制御記録データベースを参照し、例えば月に一回など、定期的に制御電力量に基づいて各需要化にインセンティブを支払えばよい。

なお、配電網の構成は、事故配電線や電圧降下が大きい配電線を救済するために、区間開閉器や連系開閉器を用いて変更されることがあるため、配電網情報データベースは、配電網の構成変更毎に更新することが望ましい。

負荷制御指令を出力する可制御負荷および出力抑制指令を出力する再生可能電源の選択方法は、以下の方法が考えられる。

上述したように、任意のノードで電圧逸脱が発生した場合、そのノード及びその下流ノードに接続される再生可能電源及び可制御負荷であれば、どの再生可能電源及び可制御負荷を用いて配電電圧を制御しても制御電力量の総和は最小で済む。

そこで、各需要家の再生可能電源及び可制御負荷はできるだけ平等に制御することが好ましい。そのための方法としては、例えば以下の２つの方法が考えられる。
（１）制御記録データベースを参照し、再生可能電源の場合は、発電量が最も大きく、かつ過去の出力抑制の割り当て量が最も少ないものを選択し、可制御負荷の場合は、負荷容量が最も大きく、かつ過去の電力消費の割り当て量が最も少ないものを選択する。
（２）全ての候補に対して、再生可能電源の場合は、その発電容量に比例する出力抑制量を割り当て、可制御負荷の場合は、その負荷容量に比例する電力消費量を割り当てる。

本実施形態のエネルギーシステムによれば、電圧逸脱が生じたノード及び該ノードよりも下流のノード全体で出力抑制および可制御負荷を制御することで、制御電力量（再生可能電源の出力抑制量及び可制御負荷による電力消費量）の総量が最小となる。また、背景技術と比べて、より多くの可制御負荷を利用できるため、利用されずに捨てられる電力量を低減できる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細は本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更が可能である。

この出願は、２００９年１０月２１日に出願された特願２００９−２４２２８５号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (12)

1. ノードを介して配電系統に接続された再生可能電源による発電量を抑制する出力抑制および前記ノードを介して前記配電系統に接続された可制御負荷による電力消費量の制御が可能であり、前記再生可能電源または前記可制御負荷の少なくとも一方を備えた需要家毎に設置される需要家端末とネットワークを介して接続された制御装置であって、
   前記配電系統の配電電圧が所定の電圧から逸脱したのを検出したとき、該電圧が逸脱した需要家が接続されたノード及び該ノードよりも下流のノードに接続された需要家が備える前記再生可能電源の発電量を抑制させ、前記可制御負荷による電力消費量を増大させるための指令を該需要家の需要家端末に出力する処理装置を有する制御装置。
2. 前記再生可能電源および前記可制御負荷の制御記録が格納される制御記録データベースを含む記憶装置を備え、
   前記処理装置は、
   前記制御記録データベースを参照して、発電量が最も大きく、かつ過去の出力抑制の割り当て量が最も少ない再生可能電源に発電量を抑制させ、
   負荷容量が最も大きく、かつ過去の電力消費の割り当て量が最も少ない可制御負荷による電力消費量を増大させる請求項１記載の制御装置。
3. 前記処理装置は、
   前記再生可能電源に対して、その発電容量に比例する出力抑制量を割り当て、
   前記可制御負荷に対して、その負荷容量に比例する電力消費量を割り当てる請求項１記載の制御装置。
4. 前記需要家と前記ノードとが、柱状変圧器を介して接続された請求項１から３のいずれか１項記載の制御装置。
5. 再生可能電源または可制御負荷の少なくとも一方を備えた需要家がノードを介して配電系統に接続されたエネルギーシステムであって、
   前記再生可能電源による発電量を抑制する出力抑制、および前記可制御負荷による電力消費量の制御が可能な、前記需要家毎に設置される需要家端末と、
   前記需要家端末とネットワークを介して接続され、前記配電系統の配電電圧が所定の電圧から逸脱したのを検出したとき、該電圧が逸脱した需要家が接続されたノード及び該ノードよりも下流のノードに接続された需要家が備える前記再生可能電源の発電量を抑制させ、前記可制御負荷による電力消費量を増大させるための指令を該需要家の需要家端末に出力する制御装置と、
   を有するエネルギーシステム。
6. 前記制御装置は、
   前記再生可能電源および前記可制御負荷の制御記録が格納される制御記録データベースを備え、
   前記制御記録データベースを参照して、発電量が最も大きく、かつ過去の出力抑制の割り当て量が最も少ない再生可能電源に発電量を抑制させ、
   負荷容量が最も大きく、かつ過去の電力消費の割り当て量が最も少ない可制御負荷による電力消費量を増大させる請求項５記載のエネルギーシステム。
7. 前記制御装置は、
   前記再生可能電源に対して、その発電容量に比例する出力抑制量を割り当て、
   前記可制御負荷に対して、その負荷容量に比例する電力消費量を割り当てる請求項５記載のエネルギーシステム。
8. 前記需要家と前記ノードとが、柱状変圧器を介して接続された請求項５から７のいずれか１項記載のエネルギーシステム。
9. 再生可能電源または可制御負荷の少なくとも一方を備えた需要家がノードを介して配電系統に接続されたエネルギーシステムの制御方法であって、
   前記配電系統からの配電電圧が所定の電圧から逸脱したのを検出したとき、該電圧逸脱を検出した需要家が接続されたノードおよび該ノードよりも下流のノードに接続された需要家が備える前記再生可能電源を出力抑制させ、該需要家が備える前記可制御負荷による電力消費量を増大させるエネルギーシステムの制御方法。
10. 再生可能電源および可制御負荷の制御結果をデータベースとして記録し、
    前記データベースを参照して、発電量が最も大きく、かつ過去の出力抑制の割り当て量が最も少ない再生可能電源に発電量を抑制させ、
    負荷容量が最も大きく、かつ過去の電力消費の割り当て量が最も少ない可制御負荷による電力消費量を増大させる請求項９記載のエネルギーシステムの制御方法。
11. 前記再生可能電源に対して、その発電容量に比例する出力抑制量を割り当て、
    前記可制御負荷に対して、その負荷容量に比例する電力消費量を割り当てる請求項９記載のエネルギーシステムの制御方法。
12. 前記需要家と前記ノードとが、柱状変圧器を介して接続された請求項９から１１のいずれか１項記載のエネルギーシステムの制御方法。

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