JP5549994B2 - コンバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統の周波数に応じて個々の需要地点で電力系統に接続されるコンバータの制御を行うコンバータ制御装置に関する。

電力系統においては、周波数を常に一定に保つために電力需要に電力供給を一致させる電力需給制御として発電出力制御が行われている。

この電力需給制御については、時々刻々と変動する電力系統の状況に合わせ系統運用者の制御下にある比較的大規模な火力発電機および水力発電機を制御対象として制御が行われている。需要家の構内に設置されている小規模な自家発や、再生可能エネルギーによる発電である太陽光発電や風力発電、小規模な水力発電などは、それぞれあらかじめ定められた運転パターンによるスケジュール運転、構内負荷に合わせた運転、再生可能エネルギーによる発電の効率を最大化する運転など系統運用者の制御によらず運転が行われている。

系統運用者の制御によらず運転が行われている自家発や再生可能エネルギーによる発電についても出力変動はあるが、これら自家発や再生可能エネルギーによる発電の出力変動と電力需要の変動を合わせた電力系統全体の電力需給変動に応じて、系統運用者の制御対象である比較的大規模な火力発電機および水力発電機の出力を制御することにより電力需要と電力供給を一致させ、一定の周波数が維持されている。

このような状況において、近年の電力系統では風力発電や太陽光発電といった出力が不安定である再生可能エネルギーによる発電が増加していることに伴い、これら再生可能エネルギーによる発電の出力変動の抑制のため、再生可能エネルギーによる発電設備に蓄電池を併設し、再生可能エネルギーによる発電の出力に併せて蓄電池出力を制御することにより、再生可能エネルギーによる発電と蓄電池出力とを合計した出力を安定化させる技術が知られている。（例えば特許文献１参照）

また、分散的な制御として個々の再生可能エネルギーによる発電設備に周波数検出装置を設け、検出された周波数に応じて再生可能エネルギーによる発電の出力を制御する技術（例えば特許文献２参照）や、個々の需要家機器側に周波数検出装置を設け、検出された周波数に応じて負荷機器の消費電力を制御する技術がある。（例えば特許文献３参照）。

特表２００５―１４３２１８号公報 特開２００８−１７６５２号公報 特開２００６−４２４５８号公報

地球温暖化防止のために、二酸化炭素排出量の削減が求められる近年の状況下において、電力事業者（一般電気事業者、特定電気事業者および特定規模電気事業者）に対しては、一定量の再生可能エネルギーの導入が義務づけられている。また、さらなる二酸化炭素排出量削減のため、原子力発電の高稼働化や、再生可能エネルギーのさらなる導入が必要とされている。このような状況において、電力系統に接続される風力発電や太陽光発電設備導入の拡大が進んでいる。

これら風力発電や太陽光発電の設備量が大きくなり、再生可能エネルギーによる発電電力が大きい時間帯においては、相対的に火力発電および水力発電の発電電力は抑制する必要があることから、火力発電および水力発電の発電機運転台数を減少させることとなる。そのため、電力系統の需要変動に対応して系統運用者が制御を行うための火力発電および水力発電による発電出力の調整可能電力の幅も減少することとなる。

その一方、風力発電および太陽光発電は、気象状況による発電出力への影響を受けやすく、前週や前日段階における発電電力予想と発電実績の乖離および至近時点からの出力変動のいずれも大きいため、この発電電力予想と実績の乖離および至近時点での出力変動に対応し、電力需要と電力供給のバランスをとり系統周波数を一定に保つためには、風力発電および太陽光発電による発電予想と実績の乖離および至近時点での出力変動に相当する電力以上の調整可能電力を確保する必要がある。

火力発電および水力発電による発電電力の減少と、気象状況により発電電力が大きな影響を受ける風力発電および太陽光発電の増加に伴う火力発電および水力発電による調整可能電力の確保という、相反する要求を満たすためには、火力発電および水力発電の発電機運転台数を増やした上で個々の発電出力を抑制し、調整可能電力を確保するという方法も考え得るが、この場合、火力発電機および水力発電機については、出力が定格電力から大きく抑制され、発電出力の最高効率点から大きく外れた出力で運転することになり、当該発電機の発電効率は大きく減少することとなる。また、調整可能電力の確保のため、火力発電機および水力発電機を増設する必要がある場合も考えられ、これら発電機の建設には多大な費用と時間を要する。

気象状況による風力発電や太陽光発電の発電出力変動を抑制するために、風力発電や太陽光発電設備に蓄電池を併設し、風力発電や太陽光発電の発電出力と蓄電池の充放電電力の合計を一定とする、あるいは設置地点の構内負荷の電力需要または電力系統全体の電力需要と合わせた事前に設定された出力カーブとするといった方法があるが、電池容量を大きくする場合には高コストとなる。また、蓄電池の充電可能量、放電可能量に限りがあるため、充放電量に制約を受ける。

電力系統全体で電力需要と比較して電力供給が上回っている場合には、まず系統運用者の制御対象である火力発電および水力発電の出力抑制が行われる。更に電力供給が電力需要を上回り、系統周波数が規程値である５０．０Ｈｚまたは６０．０Ｈｚから一定の裕度を超えて上回っている場合には、系統に接続された発電機の遮断制御が行われる。この遮断制御が行われた場合、出力が大きい発電機が遮断されることにより系統周波数が大きく動揺するなど電力系統の安定運転への影響があるとともに、遮断対象となる発電機への遮断のショックによる機械的悪影響が懸念される。

また、電力系統全体で電力需要と比較して電力供給が下回っている場合には、まず電力系統運用者の制御対象である火力発電および水力発電の出力増加が行われる。更に電力供給が電力需要を下回り、系統周波数が規程値である５０．０Ｈｚまたは６０．０Ｈｚから一定の裕度を超えて下回っている場合には、系統に接続された負荷の遮断制御が行われる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、太陽光発電や風力発電など直流発電設備を電力系統に連系するコンバータ各々の制御により、電力系統の周波数制御を行うためのコンバータ制御装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置を備え、前記周波数検出装置により検出された系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合にコンバータから系統への有効電力出力を抑制する制御を行い前記コンバータから系統への有効電力出力を抑制する制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を上昇させる制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置である。

請求項２の発明は、コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置とタイマー機能を備え、前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記タイマー機能に設定された設定時間ｔ１の間継続して周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータから系統への有効電力出力を抑制する制御を行い前記コンバータから系統への有効電力出力を抑制する制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記タイマー機能に設定された設定時間ｔ２の間継続して前記周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を上昇させる制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置である。

請求項３の発明は、コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置を備え、前記周波数検出装置により検出された系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を上昇させる制御を行い前記コンバータの系統連系点電圧を上昇させる制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータから系統への有効電力出力を抑制する制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置である。

請求項４の発明は、コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置を備え、前記周波数検出装置により検出された系統周波数が周波数しきい値を下回っている場合に前記コンバータから系統への有効電力出力を増加させる制御を行い前記コンバータから系統への有効電力出力を増加させる制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記周波数しきい値下回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を低下させる制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置である。

請求項５の発明は、コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置とタイマー機能を備え、前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記タイマー機能に設定された設定時間ｔ５の間継続して周波数しきい値を下回っている場合に前記コンバータから前記系統への有効電力出力を増加させる制御を行い前記コンバータから系統への有効電力出力を増加させる制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記タイマー機能に設定された設定時間ｔ６の間継続して前記周波数しきい値を下回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を低下させる制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置である。

請求項６の発明は、コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置を備え、前記周波数検出装置により検出された系統周波数が周波数しきい値を下回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を低下させる制御を行い前記コンバータの系統連系点電圧を低下させる制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記周波数しきい値を下回っている場合に前記コンバータから系統への有効電力出力を増加させる制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置である。

本発明に係るコンバータ制御装置を用いることにより電力供給が電力需要を上回ることによる周波数上昇の抑制および電力供給が電力需要を下回ることによる周波数低下の抑制が可能となり、系統周波数の安定を図ることができる。

本発明の第一の実施形態のコンバータ制御装置の構成図である。 本発明の第二の実施形態のコンバータ制御装置の構成図である。 従来のコンバータ制御装置の構成図である。 タイマー機能の設定時間と周波数およびコンバータから系統への有効電力・遅れ無効電力出力の関係図である。 タイマー機能の設定時間と周波数およびコンバータから系統への有効電力・遅れ無効電力出力の関係図である。 タイマー機能の設定時間と周波数およびコンバータから系統への遅れ無効電力出力の関係図である。 タイマー機能の設定時間と周波数およびコンバータから系統への遅れ無効電力出力の関係図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。

本発明の第一の実施形態に係るコンバータ制御装置１０の構成は図１のように構成され、図３に示す従来例に対しコンバータの系統連系点において交流系統８０の系統周波数を検出する周波数検出装置２０を追加して備えている。

本コンバータ制御装置１０の行う制御内容を、系統周波数が周波数目標値を上回っている場合について説明する。

周波数検出装置２０により検出された周波数が、所定の周波数目標値である５０．０Ｈｚまたは６０．０Ｈｚからの偏差が０．２Ｈｚ以内の場合には、ＰＶアレイ６０に接続されたコンバータ７０は最大電力追従運転制御を行うことができる。位相検出機能４０は交流系統８０の位相情報を検出し、交流系統８０と同期するようコンバータ７０はＰＷＭ制御される。

電力系統全体への電力供給が電力需要を上回っており、系統周波数が周波数目標値を上回っている場合には、系統運用者が大規模な火力発電や水力発電の出力を抑制し供給電力を低下させることにより電力供給と電力需要とを一致させ、系統周波数を周波数目標値に維持する制御が行われる。

しかし、系統運用者の制御対象以外の発電による電力供給が極めて大きく、系統運用者が発電機の出力を抑制しても系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合には、系統周波数を周波数目標値まで低下させるために、ＰＶアレイ６０に接続されたコンバータ７０の制御装置１０に備えられた周波数検出装置２０が系統周波数の上昇を検出し、コンバータ７０から交流系統８０へ出力している有効電力出力を抑制する。本技術ではゲートブロックによるコンバータの停止は行わずにコンバータ７０の直流電圧を上昇させることにより、ＰＶアレイ６０からの出力を停止させる。これによりコンバータ７０による電圧制御運転を継続することができる。

コンバータ７０から交流系統８０への有効電力出力を抑制した後も、周波数検出装置２０により検出される周波数が周波数しきい値を上回っている場合には、コンバータ制御装置１０により系統連系点電圧を上昇させる制御を行う。系統連系点電圧を上昇させるためにはコンバータ７０を電圧制御運転し、交流系統８０へ遅れ無効電力を供給する。

交流系統８０に接続されている抵抗性負荷９０の消費電力は電圧の二乗に比例するから、交流系統８０の電圧上昇により抵抗性負荷９０の消費電力は増加する。

電力供給が電力需要を大きく上回っている状況から負荷の消費電力が増加するので、電力供給と電力需要の差を小さくすることに貢献し、上昇していた周波数が周波数目標に近づくこととなる。

コンバータ制御装置１０を図２のように構成し、コンバータ制御装置１０はコンバータ７０の系統連系点電圧を検出する電圧検出装置３０を備え、コンバータ７０の系統連系点電圧は、電気事業法により定められた標準電圧の範囲内すなわちコンバータ７０が接続された系統が１００［V］系統であればコンバータ７０が交流系統８０に接続された連系点の電圧が１０１±６［Ｖ］、また２００［Ｖ］系統であれば２０２±２０［Ｖ］の範囲を超えない値とするように系統連系点電圧の制御が行われるようにすることもできる。

また、電圧検出装置３０により検出された系統連系点電圧が標準電圧を超過して大きい場合には、系統連系点電圧が標準電圧の範囲内となるように、コンバータの系統連系点電圧を制御することもできる。

さらに、コンバータ７０の系統連系点電圧の制御を行う際に、コンバータ７０の系統連系点電圧を標準電圧の上限値とするほかに、例えばまずコンバータ７０の系統連系点電圧を、系統連系点電圧を上昇させる制御を行う前の電圧と標準電圧上限値の中間値となる電圧とするよう制御を行い、その後更に系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合にコンバータ７０の系統連系点電圧を標準電圧の上限値とする制御を行うといったように、段階を設けた制御を行うこともできる。

またコンバータ制御装置１０にはタイマー機能をもたせることもできる。この場合、図４に示すようにタイマー機能により設定された設定時間ｔ１の間継続して系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合にコンバータ７０から系統への有効電力出力を抑制する制御を行う、またその後タイマー機能により設定された設定時間ｔ２の間継続して系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合にコンバータ７０の系統連系点電圧を上昇させる制御を行う。図５では有効電力出力の推移と、系統連系点電圧を上昇させた際のコンバータ７０から系統への遅れ無効電力出力の推移もあわせて示している。

図５に示すように設定時間ｔ１または設定時間ｔ２の間に系統周波数と周波数目標値との差が小さくなり系統周波数が周波数しきい値以内となった場合には、コンバータ制御装置１０はそれまで行っていた制御を継続する。系統周波数が周波数しきい値を上回ったことを検出してからコンバータ７０の制御を行うまでの設定時間を持つことにより、系統事故等による極めて一時的な周波数変動による不要なコンバータ７０の制御を回避することが可能となる。

また、周波数検出装置２０により検出された系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合に、コンバータ７０から交流系統８０へ出力する有効電力出力を抑制する制御は行わず、最大電力追従運転などの状態からコンバータ７０の系統連系点電圧を上昇させる制御を行うこともできる。さらに、この場合にもコンバータ制御装置１０にはタイマー機能をもたせ、周波数上昇の検出からタイマー機能により設定された設定時間ｔ３の間継続して系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合にコンバータ７０の系統連系点電圧を上昇させる制御を行うようにすることもできる。

あるいは、周波数検出装置２０により検出された系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合にコンバータ７０の系統連系点電圧を上昇させる制御を行い、その後も系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合にコンバータ７０から交流系統８０へ出力する有効電力出力を抑制する制御を行う、という順序とすることもできる。

次に、本コンバータ制御装置１０の行う制御内容を、系統周波数が周波数目標値を下回っている場合について説明する。

周波数検出装置２０により検出された周波数が、所定の周波数目標値である５０．０Ｈｚまたは６０．０Ｈｚからの偏差が０．２Ｈｚ以内の場合には、ＰＶアレイ６０に接続されたコンバータ７０は最大電力追従運転制御を行うことができる。

しかし、電力需要が極めて大きく、系統運用者が発電機の出力を増加させても系統周波数が周波数しきい値を下回っている場合には、ＰＶアレイ６０に接続されたコンバータの制御装置１０に備えられた周波数検出装置２０が系統周波数の低下を検出し、コンバータ７０の系統連系点電圧を低下させる制御を行う。系統連系点電圧を低下させるためには、コンバータ７０が系統へ遅れ無効電力を出力している場合には系統への遅れ無効電力を抑制するか、またはコンバータ７０が系統から遅れ無効電力を吸収する進相運転制御を行う。コンバータ７０が系統へ遅れ無効電力の出力を行っていない場合には遅れ無効電力を吸収する進相運転制御を行う。

電力系統に接続されている抵抗性負荷の消費電力は電圧の二乗に比例するから、系統の電圧低下により抵抗性負荷の消費電力は減少する。

電力供給が電力需要を大きく下回っている状況から負荷の消費する電力が減少するわけであるから、電力供給と電力需要の差を小さくすることに貢献し、低下していた周波数が周波数目標に近づくこととなる。

またコンバータ制御装置１０にはタイマー機能をもたせ、周波数検出装置２０により系統周波数が周波数しきい値を下回っていることを検出した際には、図６に示すようにタイマー機能により設定された設定時間ｔ４の間継続して系統周波数が周波数しきい値を下回っていることが検出された場合にコンバータ７０の系統連系点電圧を低下させる制御を行うようにすることもできる。

本発明の第二の実施形態である図２のようにコンバータ制御装置１０を構成し、コンバータ制御装置１０はコンバータが系統連系点電圧を検出する電圧検出装置３０を備え、コンバータ７０の系統連系点電圧を標準電圧の範囲内すなわちコンバータ７０が接続された系統が１００［V］系統であればコンバータ７０の系統連系点の電圧が１０１±６［Ｖ］、また２００［Ｖ］系統であれば２０２±２０［Ｖ］の範囲を超えない値とするように制御が行われるようにすることもできる。

また、図１および図２の実施例では発電装置として、太陽光発電のＰＶアレイを例示しているが、風力発電や燃料電池などの分散電源や二次電池などの電力貯蔵装置のようにコンバータを介して系統連系する発電装置または電力貯蔵装置とすることも可能である。

ＰＶアレイは最大電力追従運転から更に出力を増加させることはできないが、燃料電池や二次電池のように最大出力で運転しているとは限らず出力増加の余地のある電源装置または電力貯蔵装置が発電装置として接続されている箇所であれば、系統周波数が周波数目標値を下回っている場合の制御として、次の様な制御も行うことができる。

周波数検出装置２０は系統周波数が周波数しきい値を下回っていることを検出し、コンバータ７０から系統へ出力している有効電力を増加させる。コンバータ７０から系統へ出力している有効電力を増加させる制御を実施した後も、周波数検出装置２０により検出される系統周波数が周波数しきい値を下回っている場合には、系統連系点電圧を低下させる制御を行う。

また、コンバータ制御装置１０にタイマー機能をもたせ、図７に示すようにタイマー機能により設定された設定時間ｔ５の間継続して系統周波数が周波数しきい値を下回っている場合にコンバータ７０から系統へ出力する有効電力出力を増加させる制御を実施し、またコンバータ６０から系統へ出力する有効電力出力を増加させる制御を実施した後にタイマー機能により設定された設定時間ｔ６の間継続して系統周波数が周波数しきい値を下回っている場合に系統連系点電圧を低下させる制御を行うようにすることもできる。

あるいは、系統周波数が周波数しきい値を下回っていることを検出した場合に系統連系点電圧を低下させる制御を行い、その後も系統周波数が周波数しきい値を下回っている場合にコンバータ７０から系統へ出力している有効電力を増加させる制御を行う、という順序とすることもできる。

以上によって、系統周波数の安定を図るためのコンバータ制御を行うことが可能となる。

１０・・・コンバータ制御装置
２０・・・周波数検出装置
３０・・・電圧検出装置
４０・・・位相検出機能
５０・・・ＰＷＭ制御機能
６０・・・ＰＶアレイ
７０・・・コンバータ
８０・・・交流系統
９０・・・抵抗性負荷

Claims (6)

1. 
   コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置を備え、
   
   前記周波数検出装置により検出された系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータから系統への有効電力出力を抑制する制御を行い前記コンバータから系統への有効電力出力を抑制する制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を上昇させる制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置。
   
2. 
   コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置とタイマー機能を備え、
   
   前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記タイマー機能に設定された設定時間ｔ１の間継続して周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータから系統への有効電力出力を抑制する制御を行い前記コンバータから系統への有効電力出力を抑制する制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記タイマー機能に設定された設定時間ｔ２の間継続して前記周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を上昇させる制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置。
   
3. 
   コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置を備え、
   
   前記周波数検出装置により検出された系統周波数が周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を上昇させる制御を行い前記コンバータの系統連系点電圧を上昇させる制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記周波数しきい値を上回っている場合に前記コンバータから系統への有効電力出力を抑制する制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置。
   
4. 
   コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置を備え、
   
   前記周波数検出装置により検出された系統周波数が周波数しきい値を下回っている場合に前記コンバータから系統への有効電力出力を増加させる制御を行い前記コンバータから系統への有効電力出力を増加させる制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記周波数しきい値下回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を低下させる制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置。
   
5. 
   コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置とタイマー機能を備え、前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記タイマー機能に設定された設定時間ｔ５の間継続して周波数しきい値を下回っている場合に前記コンバータから前記系統への有効電力出力を増加させる制御を行い前記コンバータから系統への有効電力出力を増加させる制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記タイマー機能に設定された設定時間ｔ６の間継続して前記周波数しきい値を下回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を低下させる制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置。
   
6. 
   コンバータの交流側系統の系統周波数を検出する周波数検出装置を備え、
   
   前記周波数検出装置により検出された系統周波数が周波数しきい値を下回っている場合に前記コンバータの系統連系点電圧を低下させる制御を行い前記コンバータの系統連系点電圧を低下させる制御を行った後に前記周波数検出装置により検出された系統周波数が前記周波数しきい値を下回っている場合に前記コンバータから系統への有効電力出力を増加させる制御を行うことを特徴とするコンバータ制御装置。