JP5930894B2 - 電力系統の解析装置および解析方法 - Google Patents

Description

この発明は電力系統の解析装置および解析方法に関し、より特定的には、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響を解析するための電力系統解析に関する。

近年、太陽光発電システムや蓄電池システムといった小規模の分散電源系統が、大規模な商用電力系統に多数連結される傾向にある。このため、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響をシミュレーションするための電力系統解析の必要性が増している。

特に、太陽光発電システムや風力発電システムなどの自然エネルギーによる分散電源では、日射量や風況などの自然条件によって出力が変動することが懸念される。このため、分散電源系統における出力変動が電力系統全体の周波数変動へ及ぼす影響を解析することが必要となる。

たとえば、特開２００５−１３７１３０号公報（特許文献１）には、二つの電力系統の接続シミュレーションを可能とする電力系統解析装置が記載されている。特許文献１の電力系統解析装置によれば、分割された第1および第２の電力系統を、第１の電力系統の電流源および第２の電力系統の電圧源を介して仮想的に接続する構成が開示される。特に、第２の電力系統の電流から安定条件を満たす周波数成分のみを取り出して、第１の電力系統の電流源の出力指令値として与えることによって、第1および第２の電力系統の安定な接続を実現して、全体として１つの電力系統を安定的に模擬可能とすることが記載されている。

特開２００５−１３７１３０号公報

大規模電力系統の解析には、一般的には、電力系統シミュレータが用いられる。したがって、当該電力系統シミュレータと、分散電源モデルによるシミュレータとを連係して解析することによって、電力系統全体を解析する手法が考えられる。しかしながら、分散電源モデルを実機器の動特性に合致させることが容易でなく、解析の精度を上げることが困難となる。

一方で、小規模の分散電源に関しては実機によって試験装置を構成することが可能であるが、大規模な電力系統との連系を含めて実機試験を実行することは、設置場所や費用の面から困難である。

仮に、実機で構成された分散電源の試験系統と、電力系統シミュレータとを組み合わせて電力系統解析装置を構成する場合にも問題が生じる。具体的には、実機試験系統がリアルタイムで動作する系である一方で、電力系統シミュレータはシミュレーションに必要な時間を確保するために、所定の一定時間間隔で動作する系となるため、これらの系をどのように連係させるかが問題となる。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、分散電源系統および大規模電力系統が連系された電力系統全体における、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響を効率的かつ安定的に解析するための電力系統解析装置の構成を提供することである。

この発明のある局面では、電力系統の解析装置は、分散電源が接続された分散電源系統の挙動を模擬するための実機で構成された試験系統と、所定周波数の交流電力を送電するための電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータと、試験系統および電力系統シミュレータの間で情報を授受するための解析制御部とを備える。電力系統シミュレータは、電力系統に対して、所定周波数の交流電力を模擬的に入出力するための仮想電力源を含む。試験系統は、分散電源系統に接続された交流電圧源回路を含む。解析制御部は、分散電源系統における電力実績値に基づいて、仮想電力源による入出力電力を設定するための第１の設定部と、電力系統シミュレータにおける交流電圧に基づいて、交流電圧源回路の電圧振幅および周波数を設定するための第２の設定部とを含む。

この発明の他のある局面では、所定周波数の電力を送電するための電力系統と、分散電源が接続された分散電源系統とが連系された電力系統の解析の解析方法は、分散電源系統の挙動を模擬するための、実機で構成された試験系統における瞬時電力データを取得するステップと、取得された瞬時電力データに基づいて、電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータにおいて仮想電力源から電力系統に対して入出力される所定周波数の交流電力を設定するステップと、設定された交流電力が仮想電力源によって入出力された状態下での電力系統シミュレータによる交流電圧の算出結果を取得するステップと、取得した交流電圧の算出結果に基づいて、分散電源系統に接続された交流電圧源回路の電圧振幅および周波数を設定するステップとを含む。

この発明によれば、分散電源系統および大規模電力系統が連系された電力系統全体における、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響を効率的かつ安定的に解析することができる。

本実施の形態に従う電力系統解析装置の構成を説明するブロック図である。 本実施の形態に従う電力系統解析装置による解析処理手順を説明するためのフローチャートである。 試験系統および電力系統シミュレータの間での情報の授受を説明するための概念図である。 本実施の形態の変形例に従う電力系統解析装置の構成を説明するブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態に従う電力系統解析装置の構成を説明するブロック図である。

図１を参照して、本発明の実施の形態に従う電力系統解析装置１０００は、大規模電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータ１００と、分散電源が接続された分散電源系統の挙動を模擬するための実機で構成された試験系統２００と、別個に動作する電力系統シミュレータ１００および試験系統２００の間で情報を授受するための解析制御部３００とを含む。

電力系統シミュレータ１００は、公知のシミュレータを用いて、所定の系統周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交流電力を伝送するための電力系統（電力会社による送電系統）の挙動を模擬するように構成される。電力系統シミュレータ１００によって模擬される電力系統は、発電機１１０、変圧器１２０、母線１３０，１５０、送電線１４０、仮想発電機１８０および、電圧検出器１９０を含む。仮想発電機１８０は、解析制御部３００からの指令に従った系統周波数の交流電力を、分散電源系統と連結されることが想定される母線１５０に対して入出力するように構成される。仮想発電機１８０は、「仮想電力源」の一例である。

たとえば、電力系統シミュレータ１００は、電力系統の各要素を数式によってモデル化するとともに、計算機によってその数式を解くことによって、サンプル時間間隔Δｔの一定周期で、母線１５０での交流電圧の電圧絶対値｜Ｖ｜および電圧位相δを計算する。

あるいは、電力系統シミュレータ１００は、各要素の等価電気回路を接続したアナログシミュレータによって構成されてもよい。この場合にも、電圧検出器１９０によって、母線１５０の交流電圧の電圧絶対値｜Ｖ｜および電圧位相δを、Δｔに相当する所定の一定周期で検出することができる。

試験系統２００は、実際の機器で構成された実験的な電力系統である。試験系統２００は、三相交流の電力線２０５と、三相交流の電圧源回路２１０と、「分散電源」である太陽光発電システム２２０と、負荷２３０と、検出器２４０とを含む。試験系統２００には、蓄電池２５０がさらに設けられてもよい。電圧源回路２１０の出力電圧の絶対値および周波数は、解析制御部３００からの指令に従って制御される。

検出器２４０は、電力線２０５の電力実績に関するデータを検出するためのセンサによって構成される。たとえば、検出器２４０は、試験系統２００の電力線２０５の瞬時電圧値ｖａ，ｖｂ，ｖｃと、瞬時電流値ｉａ，ｉｂ，ｉｃを計測する。

試験系統２００では、分散電源である太陽光発電システム２２０の出力電力が、負荷２３０や蓄電池２５０へ供給される。したがって、電力線２０５の瞬時電力は、分散電源の出力変動によって変化する。この電力変化は、検出器２４０の出力に基づいて、解析制御部３００によって検知することができる。

解析制御部３００は、電力指令生成部３１０および電圧指令生成部３２０を含む。電力指令生成部３１０は、検出器２４０によって検出された試験系統２００での電力実績（瞬時電力値）に基づいて、電力系統シミュレータ１００における仮想発電機１８０の入出力電力（系統周波数の交流電力）を設定する。これにより、試験系統（分散電力系統）２００での入出力電力相当の交流電力が母線１５０に対して入出力された状態を形成できるので、試験系統２００が母線１５０と等価的に接続された状態を作り出して、電力系統シミュレータ１００を動作させることができる。

電力系統シミュレータ１００は、電力指令生成部３１０によって設定された交流電力が母線１５０に対して入出力された下での、母線１５０の電圧絶対値｜Ｖ｜および電圧位相δを算出する。これにより、分散電源での出力変動が、母線１５０の交流電圧変動に及ぼす影響がシミュレーションされる。

電圧指令生成部３２０は、電力系統シミュレータ１００における母線１５０の交流電圧に基づいて、試験系統２００における電圧源回路２１０の出力電圧を設定する。すなわち、電圧源回路２１０の出力電圧が母線１５０の交流電圧と同等になるので、電力線２０５が母線１５０と等価的に接続された状態を作り出して、試験系統２００を動作させることができる。

このように、解析制御部３００は、電力系統シミュレータ１００および試験系統２００の間で情報を授受することによって、別個に動作する両者を等価的に接続するように動作する。電力指令生成部３１０は「第１の設定部」に対応し、電圧指令生成部３２０は、「第２の設定部」に対応する。

図２には、本実施の形態に従う電力系統解析装置による解析処理手順が示される。図３に示すフローチャートは、所定のサンプル時間間隔Δｔ毎に繰り返し実行される一連の処理手順を示すものである。

図２を参照して、解析制御部３００は、ステップＳ１００により、試験系統２００の電力線２０５の瞬時電力に関するデータ（具体的には、瞬時電圧値ｖａ，ｖｂ，ｖｃと、瞬時電流値ｉａ，ｉｂ，ｉｃ）を、検出器２４０の出力をサンプリングすることによって取得する。

解析制御部３００は、ステップＳ１１０により、下記の式（１），（２）に従って、試験系統２００での瞬時有効電力Ｐ（ｔ）および瞬時無効電力Ｑ（ｔ）を算出する。

あるいは、電力指令生成部３１０は、座標変換を伴う下記式（３）〜（８）に従って、試験系統２００での瞬時有効電力Ｐ（ｔ）および瞬時無効電力Ｑ（ｔ）を算出してもよい。

算出された瞬時有効電力Ｐ（ｔ）および瞬時無効電力Ｑ（ｔ）は、試験系統２００によって模擬される分散電源系統および、電力系統シミュレータ１００によって模擬される電力系統が連結されている場合において、分散電源系統から電力系統へ供給される電力（Ｐ（ｔ），Ｑ（ｔ）＞０）または、分散電源系統が電力系統から供給される電力（Ｐ（ｔ），Ｑ（ｔ）＜０）を示している。分散電源の出力が変動すると、電力線２０５の瞬時有効電力Ｐ（ｔ）および瞬時無効電力Ｑ（ｔ）が変化する。

解析制御部３００は、ステップＳ１２０により、ステップＳ１１０で算出された瞬時有効電力Ｐ（ｔ）および瞬時無効電力Ｑ（ｔ）に従って、仮想発電機１８０による入出力電力を設定する。このように、ステップＳ１１０〜Ｓ１２０の処理によって、図１の電力指令生成部３１０の機能が実現される。

電力系統シミュレータ１００では、仮想発電機１８０が、ステップＳ１２０において設定された交流電力を母線１５０に対して入出力した条件下での、サンプル時間間隔Δｔ経過後における母線の交流電圧が算出される。たとえば、母線１５０の交流電圧の電圧絶対値｜Ｖ｜および電圧位相δが算出される。

このように、電力系統シミュレータ１００において、試験系統２００（分散電源系統）における出力変動は、仮想発電機１８０（仮想電力源）によって母線１５０に対する電力変動外乱として作用させることができる。この結果、分散電源系統における出力変動が、電力系統における電圧変動（電圧絶対値および位相）に与える影響を解析することができる。

解析制御部３００は、ステップＳ１３０により、電力系統シミュレータ１００によって上述のように算出された母線１５０の交流電圧の電圧絶対値｜Ｖ｜および電圧位相δを取得する。さらに、解析制御部３００は、ステップＳ１４０により、電力系統シミュレータ１００によって計算された交流電圧の電圧絶対値｜Ｖ｜および電圧位相δに基づいて、下記式（９）に従って、周波数変動量を示す角周波数偏差Δω₀を算出する。

式（９）において、δ（ｔ−１）は前回演算された（すなわち、Δｔ前における）電圧位相δであり、δ（ｔ）は今回演算された電圧位相δである。角周波数偏差Δω₀は、所定の系統周波数（５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ）に対応する標準角周波数からの偏差を示し、電力系統における周波数変動に相当する。

解析制御部３００は、ステップＳ１５０により、電力系統シミュレータ１００での算出結果に基づく電圧絶対値｜Ｖ｜および角周波数偏差Δω₀に基づいて、下記式（１０）〜（１２）に従って、試験系統２００における電圧源回路２１０の出力電圧を設定する。

これにより、分散電源の出力変動によって生じた電力系統の電圧変動（周波数変動）が、試験系統２００（分散電源系統）に及ぼす影響を解析することができる。このように、ステップＳ１３０〜Ｓ１５０の処理によって、図１の電圧指令生成部３２０の機能が実現される。

図３を参照して、本実施の形態による電力系統解析装置では、解析制御部３００によって、分散電源の出力変動に起因する試験系統２００（分散電源系統）における電力変動が、仮想発電機１８０（仮想電力源）によって、電力系統シミュレータ１００における電力変動外乱として反映される。さらに、この電力変動外乱によって電力系統に生じた電圧変動（特に、周波数変動）を、試験系統２００に反映することができる。

以上説明したように、本実施の形態による電力系統解析装置では、分散電源系統を模擬するための実機試験系統と、大規模電力系統を模擬するためのシミュレータとの組み合わせによって、電力系統および分散電源系統の間での相互影響を解析することができる。さらに、分散電源系統および大規模電力系統が連系された電力系統全体において、両系統間での相互影響を反映した上で、分散電源の出力変動が系全体に及ぼす影響について、特に、周波数変動を解析することができる。

なお、本実施の形態による電力系統解析装置では、実機で構成された試験系統２００での瞬時値データを系統周波数の交流電力の情報に変換して、一定時間間隔（Δｔ）で動作する電力系統シミュレータ１００に伝達することによって、電力系統シミュレータ１００および試験系統２００を等価的に接続している。これにより、特許文献１で指摘されている電圧、電流の発散を生じさせることなく、電力系統全体の解析を安定的に実行できる。

また、電力系統および分散電源系統の全体をリアルタイム系でシミュレーションする場合には、ハードウエア面の負荷（設備規模）ないしソフトウェア面の負荷（計算機負荷）の増大が懸念されるのに対して、一定時間刻みの演算を実行する電力系統シミュレータと実機の試験系統とを組み合わせる本実施の形態によれば、電力系統全体の解析を効率的に実行することができる。

なお、電力系統解析装置の変形例として、図４に示されるように、電力系統シミュレータ１００に設けられる「仮想電力源」として、仮想発電機１８０（図１）に代えて、仮想電流源１８５を用いることも可能である。この場合には、電力指令生成部３１０は、検出器２４０によって検出された瞬時電流値および瞬時電圧値に基づいて、電流絶対値｜Ｉ｜および電流位相（電圧に対する電流の位相差）φを算出する。さらに、電力指令生成部３１０は、算出された電流絶対値｜Ｉ｜および電流位相φに従った、系統周波数の交流電流が母線１５０に対して入出力されるように、電力系統シミュレータ１００における仮想電流源１８５の指令を生成する。

同様に、図２のステップＳ１１０では、試験系統２００における電流絶対値｜Ｉ｜および電流位相φが算出されるとともに、ステップＳ１２０では、電力系統シミュレータ１００において仮想電流源１８５によって入出力される電流絶対値および電流位相が設定される。

このようにしても、図１に示した電力系統解析装置と同様に、分散電源系統および大規模電力系統が連系された電力系統全体において、両系統間での相互影響を反映した上で、分散電源の出力変動が系全体に及ぼす影響（特に、周波数変動）を解析することができる。

なお、本実施の形態では、実機の試験系統２００に接続される分散電源として太陽電池システムを例示したが、電力系統に連系される分散電源であれば、任意の電源を実機適用することができる。また、電力系統シミュレータ１００は、公知の任意のシミュレータによって構成することが可能である。

なお、本実施の形態によれば、分散電源の出力変動が、分散電源系統および電力系統を連系した電力系統全体に及ぼす影響について、解析することができる。したがって、本実施の形態による電力系統解析では、出力変動が生じ易い、自然エネルギーによって発電されるように構成された分散電源が接続された分散電源系統が解析対象として好適である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 電力系統シミュレータ、１１０ 発電機、１２０ 変圧器、１３０，１５０ 母線、１４０ 送電線、１８０ 仮想発電機、１８５ 仮想電流源、１９０ 電圧検出器、２００ 試験系統、２０５ 電力線、２１０ 電圧源回路、２２０ 太陽光発電システム、２３０ 負荷、２４０ 検出器、２５０ 蓄電池、３００ 解析制御部、３１０ 電力指令生成部、３２０ 電圧指令生成部、１０００ 電力系統解析装置。

Claims (6)

1. 分散電源が接続された分散電源系統の挙動を模擬するための実機で構成された試験系統と、
   所定周波数の交流電力を送電するための電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータと、
   前記試験系統および前記電力系統シミュレータの間で情報を授受するための解析制御部とを備え、
   前記電力系統シミュレータは、
   前記電力系統に対して前記所定周波数の交流電力を模擬的に入出力するための仮想電力源を含み、
   前記試験系統は、
   前記分散電源系統に接続された交流電圧源回路を含み、
   前記解析制御部は、
   前記分散電源系統における電力実績値に基づいて、前記仮想電力源による入出力電力を設定するための第１の設定部と、
   前記第１の設定部により設定された交流電力が前記仮想電力源によって入出力された状態での前記電力系統シミュレータにおける交流電圧に基づいて、前記交流電圧源回路の電圧振幅および周波数を設定するための第２の設定部とを含む、電力系統の解析装置。
2. 前記電力系統シミュレータは、所定の一定時間刻み毎に、前記電力系統における交流電圧の電圧振幅および電圧位相を算出し、
   前記第２の設定部は、算出された前記電圧位相の変化量に応じて前記交流電圧源回路の周波数を設定する、請求項１記載の電力系統の解析装置。
3. 前記仮想電力源は、前記電力系統に接続された仮想発電機によって構成され、
   前記第２の設定部は、前記分散電源系統における電流瞬時値および電圧瞬時値に基づいて、前記仮想発電機によって入出力される瞬時有効電力および瞬時無効電力を設定する、請求項１または２に記載の電力系統の解析装置。
4. 前記仮想電力源は、前記電力系統に接続された仮想電流源によって構成され、
   前記第２の設定部は、前記分散電源系統における電流瞬時値および電圧瞬時値に基づいて、前記仮想電流源によって入出力される電流の振幅および位相を設定する、請求項１または２に記載の電力系統の解析装置。
5. 前記分散電源は、自然エネルギーによって発電するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力系統の解析装置。
6. 所定周波数の電力を送電するための電力系統と、分散電源が接続された分散電源系統とが連系された電力系統の解析方法であって、
   前記分散電源系統の挙動を模擬するための、実機で構成された試験系統における瞬時電力データを取得するステップと、
   取得された前記瞬時電力データに基づいて、前記電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータにおいて仮想電力源から前記電力系統に対して入出力される前記所定周波数の交流電力を設定するステップと、
   設定された交流電力が前記仮想電力源によって入出力された状態下での前記電力系統シミュレータによる交流電圧の算出結果を取得するステップと、
   取得した前記交流電圧の算出結果に基づいて、前記分散電源系統に接続された交流電圧源回路の電圧振幅および周波数を設定するステップとを備える、電力系統の解析方法。

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