JP5977109B2

JP5977109B2 - 逆潮流制御装置

Info

Publication number: JP5977109B2
Application number: JP2012164627A
Authority: JP
Inventors: 康晴川端; 吉田　英樹; 英樹吉田; 良征葛西
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: JP2014027736A

Description

本発明は電力系統支援制御技術に係り、電力需要ピーク時に分散型発電装置からの逆潮流により供給安定性維持を可能とする逆潮流制御技術に関する。

従来、電力系統に系統連系する分散型電源からの逆潮流については、自然エネルギー利用発電に対しては優遇措置が取られているものの、これ以外の発電装置によるものは優遇措置がないことから一般には行われていない。このため、例えば家庭用燃料電池システム等の既設発電システムにおいて余剰電力が生じた場合、出力調整、運転停止（例えば特許文献１）や、ダミー負荷による消費（例えば特許文献２）等により対応しており、電力供給安定化のために有効利用されていないのが現状である。

現在、ピーク時における系統電力の供給不足に対しては、不足分を従来型の火力発電設備で補完する体制が採用されている。将来的には太陽光、風力等の自然エネルギー利用が拡大していくものと予測されるが、これらは発電出力が気象条件に大きく影響されるため、補完電源としては安定性に欠けるという問題がある。
このため今後、自然エネルギー利用と併せて、従来型の火力発電装置と比較して総合効率において優れる燃料電池システムなどの分散型発電装置の活用が、電力系統の供給安定性維持に極めて有効になると予測される。

特開２００４−３２８８５６号公報特開２００４−３２０８６８号公報

現在商品化されている分散型発電装置（例えば燃料電池システム）においては、後述するように系統からの受電電力電流値を常時計測して、その分の発電を行う負荷追従運転のための制御機構が設けられている。従って、既存の燃料電池システムを利用して系統側への逆潮流を可能にするためには、上記制御機構を無効にする特別な制御装置の増設が必要となるが、そのためのコスト増は普及促進の阻害要因となる。
本発明は上記課題に鑑み、既存のシステムを変更することなく簡易な追加のみで、逆潮流制御を可能とする技術を提供するものである。

本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、本願発明に係る逆潮流制御装置は、
（１）電力系統からの受電電力を計測する受電電力計測手段から送信される信号値に基づいて、受電電力を超えない範囲で発電出力制御する分散型発電装置に付設される逆潮流制御装置であって、
受電電力計測手段と分散型発電装置との間に介装され、
電力系統の供給安定性を判定する供給安定性判定手段と、
電力系統が供給不安定と判定した場合に、受電電力を超える発電出力に対応する信号値を分散型発電装置に対して送信する手段と、
を備えて成ることを特徴とする。

（２）上記（１）の発明において、前記供給安定性判定手段が、系統電力の供給状態に基づく判定手段である装置であることを特徴とする。
本発明において、「系統電力の供給状態」は、例えば系統電力の電圧、周波数、ひずみ率等の指標に基づいて行うことができる。

（３）上記（１）の発明において、前記供給安定性判定手段が、予め設定した電力系統の供給ピーク期間及び時間帯に基づく判定手段であることを特徴とする。

（４）上記（１）の発明において、前記供給安定性判定手段が、電力事業者が提供する電力供給安定性情報に基づく判定手段であることを特徴とする。

（５）上記各発明において、前記供給安定性判定手段の判定結果に基づいて、電力系統からの受電電力を計測する前記受電電力計測手段から送信される信号値と、電力系統が供給不安定と判定した場合に、受電電力を超える発電出力に対応する信号値と、を切り替えて前記分散型発電装置に対して送信可能とする、送信信号の切り替え装置を、さらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、逆潮流制御が困難な既存の分散型発電システムについて、設備の大幅な変更を要することなく、簡易な制御装置の追加のみで逆潮流制御が可能となるという効果がある。これにより、電力供給系統全体の供給安定性に基づき、必要な時に必要な量の供給力支援を行うことができ、電力供給系統全体の安定性向上に寄与できるという効果がある。

また、系統電力の供給不安定の事態が発生した際に、分散型発電装置からの速やかな支援が可能となるため、大規模停電等の不測の事態の発生を未然に防止することができる。

また逆潮流制御運転を適宜行うことにより、分散型発電装置を、より高効率で運転できる高出力の運転時間を延ばすことができる。すなわち、石炭や石油等を用いた集中型発電システムよりも総合熱効率が高い分散型発電装置の稼働率を高めることで、化石燃料の使用量を減らすことができ、二酸化炭素低減にも資する。

第一の実施形態に係る逆潮流制御システム１の全体構成を示す図である。逆潮流制御装置２を取り付ける前の燃料電池システム３の系統連系の態様を示す図である。逆潮流制御システム１に用いる逆潮流装置２のブロック構成を示す図である。第一の実施形態における逆潮流制御フローを示す図である。第二の実施形態に係る逆潮流制御システム２０の全体構成を示す図である。逆潮流制御システム２０に用いる逆潮流装置２１のブロック構成を示す図である。第二の実施形態における逆潮流制御フローを示す図である。第三の実施形態に係る逆潮流装置３１のブロック構成を示す図である。第三の実施形態における逆潮流制御フローを示す図である。

以下、本発明の各実施形態についてさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
＜第一の実施形態＞
図１（ａ）を参照して、本実施形態に係る逆潮流制御システム１は、電力系統４と、需要家７の分散電源として電力系統４と系統連系している燃料電池システム３（以下、適宜燃料電池と略記）と、燃料電池３の逆潮流量制御に供される逆潮流制御装置２と、を主要構成として備えている。電力系統４の単相３線式交流電力（１００，２００Ｖ）は引込線４ａを介して需要家７に分配され、屋内配線７ｂ、分電盤７ａ、屋内配線７ｃを経て各負荷装置８に供給される。

燃料電池３は、都市ガス中の炭化水素を原料として、スタック（図示せず）において酸素（空気）と反応させて発電する発電ユニット３ａと、発電排熱をお湯として蓄える貯湯ユニット（図示せず）と、発電出力を制御する出力制御部３ｃと、を主要構成として備えている。発電ユニット３ａにおいて作られる直流電力は、パワーコンディショナー（ＰＣＳ）３ｂにより交流電力に変換されて屋内配線７ｂを介して分電盤７ａに導かれ、電力系統４と系統連系して負荷装置８に供給される。通常時（非ピーク時）において、発電ユニット３ａは学習機能に基づく発電スケジュールに従い、負荷追従制御（自家消費電力分のみ発電）により運転を行う。

図１（ｂ）は、逆潮流制御装置２取り付け前、すなわち一般的な燃料電池システムにおける系統連系の態様を示している。同図において需要家内の負荷検出は、電流センサ５の検出値を、信号線５ａを介して出力制御部３ｃに取り込むことにより行われる。出力制御部３ｃは、発電スケジュールに従って発電ユニット３ａに対して、検出電流値に対応する発電出力を指示する。

これに対して本実施形態では、図１（ａ）に示すように信号線５ａを経路途中で切断して、逆潮流制御装置２を介装させている。
図１（ｃ）を参照して、逆潮流制御装置２は、引込線４ａ経路中に配設された電流センサ５及び電圧センサ６により計測される系統電流、電圧を取り込む受電電流取得部２ａ、受電電圧取得部２ｂと、後述する逆潮流係数データを格納するデータ格納部２ｄと、燃料電池側に送信する信号電流値を決定する判定部２ｃと、判定部２ｃの指令に従い電流信号を送信する電流信号発生部２ｅと、を備えている。なお、逆潮流制御装置２は、ＣＰＵ、クロック、ＲＡＭ、ＲＯＭ、バス、Ｉ／Ｏインターフェース、カレンダー機能等を備えたマイコン、及び、常に設定値の出力電流を発生させる定電流電源装置を主要構成とする装置により実装可能である。

次に図１（ｄ）を参照して、逆潮流制御装置２による逆潮流制御の態様について説明する。初期状態において、発電ユニット３ａは学習機能に基づく発電スケジュールに従い、負荷追従制御により運転を行っている（Ｓ１０１）。判定部２ｃは随時、電流センサ５、電圧センサ６からそれぞれ受電電流値ｉ(ｔ)、受電電圧値Ｖ(ｔ)を取得する（Ｓ１０２）。さらに、ｉ(ｔ)、Ｖ(ｔ)に基づいて受電電力Ｗ(ｔ)、すなわち現時点における需要家７の電力負荷を演算する（Ｓ１０３）。

次に、現時点が系統支援対象期間（例えば６月〜９月）、かつ、系統支援対象時間帯（例えば１３：００〜１６：００）に該当しているか否かを判定する（Ｓ１０４）。これらに該当しない場合には（Ｓ１０４においてＮ）、燃料電池３の出力制御部３ｃに対して、電流信号として受電電流値ｉ(ｔ)を送信する（Ｓ１０８）。

支援対象期間・時間帯に該当する場合には（Ｓ１０４においてＹ）、発電余剰電力分を系統支援（逆潮流）に振り分けるための目標逆潮量の演算を行う。具体的には、まず月間係数ｋ１（表１参照）と時間帯係数ｋ２（表２参照）の乗数で設定される系統支援係数Ｋ（＝ｋ１＊ｋ２）を求める（Ｓ１０５）。なお、各係数の値は例示であり、実際の系統支援の必要性等を考慮して定めることができる。

次に求めた系統支援係数を用いて、次式により目標逆潮量（Ｗｒ（ｔ））の演算を行う（Ｓ１０７）。
Ｗｒ(ｔ)＝Ｋ＊（Ｐmax−Ｗ(ｔ)）
さらに、目標逆潮量（Ｗｒ（ｔ））に対応する電流信号を、燃料電池の出力制御部３ｃに対して送信する（Ｓ１０８）。

電流信号を受けた燃料電池３は、発電スケジュールに基づいてＳ１０７又はＳ１０８により送信された信号電流値に対応する発電出力で運転指示することになる。

なお本実施形態では、都市ガスを燃料として利用する分散電源として燃料電池を用いる例を示したが、これに限らず例えばガスエンジンやガスタービン等の発電装置を用いる態様とすることもできる。また燃料として都市ガスに限らず、ＬＰＧ、軽油、水素など、分散電源の発電運転に利用される各種燃料を用いることもできる。以下の実施形態についても同様である。

また本実施形態では、電力系統の供給不安定性を電力ピーク期間、時間帯により推定して系統支援を判定する例を示したが、これに限らず例えば電力供給事業者が提供する電力供給状態情報に基いて判定する態様とすることもできる。以下の実施形態についても同様である。

さらに本実施形態では、一般戸建住宅に設置されている分散電源に逆潮流制御システムを設置する例を示したが、これに限らず集合住宅或いは業務用・産業用の施設に導入される分散電源に関しても同様に適用できる。以下の実施形態についても同様である。

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、受電電流・電圧値に加えて、燃料電池の発電出力をも検知して逆潮流量を制御する態様に係る。
本実施形態に係る逆潮流制御システム２０の構成が上述の逆潮流制御システム１と異なる点は、７ｄ経路中に電流センサ２２を備えており、発電出力電流値を逆潮流制御装置２１に送信するように構成されていることである。その他の構成は逆潮流制御装置１と同様であるので、重複説明を省略する。

次に図２（ｂ）を参照して、逆潮流制御装置２１による逆潮流制御の態様について説明する。初期状態において発電ユニット３ａは学習機能に基づく発電スケジュールに従い、負荷追従制御により運転を行っている（Ｓ２０１）。判定部２ｃは、電流センサ５、２２、電圧センサ６からそれぞれ受電電流値ｉ(ｔ)、発電出力電流値ｉｐ(ｔ)、受電電圧値Ｖ(ｔ)を取得する（Ｓ２０２）。さらに、ｉ(ｔ)、ｉｐ(ｔ)、Ｖ(ｔ)に基づいて受電電力Ｗ(ｔ)及び発電出力Ｐ(ｔ)を演算する（Ｓ２０３）。

次に、燃料電池の定格発電出力Ｐmaxと発電出力Ｐ(ｔ)を比較して、系統支援（逆潮流）余地の有無を判定する（Ｓ２０４）。Ｐ(ｔ)＝Ｐmaxの場合には（Ｓ１０４においてＮ）、系統支援（逆潮流）の余地なしとして、燃料電池３の出力制御部３ｃに対して電流信号として受電電流値ｉ(ｔ)を送信する（Ｓ２１２）。

Ｐmax＞Ｐ(ｔ)の場合には（Ｓ２０４においてＹ）、系統支援（逆潮流）の余地ありと判定して、次に、現時点が系統支援対象期間（例えば６月〜９月）、かつ、系統支援対象時間帯（例えば１３：００〜１６：００）に該当しているか否かを判定する（Ｓ２０５）。これらに該当しない場合には（Ｓ２０５においてＮ）、燃料電池３の出力制御部３ｃに対して電流信号として受電電流値ｉ(ｔ)を送信する（Ｓ２１２）。

支援対象期間・時間帯に該当する場合には（Ｓ２０５においてＹ）、発電余剰電力分を系統支援（逆潮流）に振り分けるための系統支援係数及び目標逆潮量の演算を行う（Ｓ２０６、Ｓ２０７）。さらに、目標逆潮量を充足する目標発電出力Ｐａに対応する電流信号を、燃料電池の出力制御部３ｃに対して送信する（Ｓ２０８）。Ｓ２０６−Ｓ２０８の具体的内容については上述の実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

さらに電流センサ２２により発電出力電流値ｉｐ(ｔ)を検知して、発電出力Ｐ(ｔ)を演算し（Ｓ２０９）、次いで発電出力Ｐ(ｔ)が目標発電出力Ｐａと一致しているか否かを判定する（Ｓ２１０）。一致していない場合には（Ｓ２１０においてＮ）、信号値の補正演算を行い（Ｓ２１１）、補正後の電流信号を燃料電池の出力制御部３ｃに対して送信する（Ｓ２０８）。Ｓ２１０においてＹ、すなわち発電出力Ｐ(ｔ)＝目標発電出力Ｐａの場合にはＳ２０２に戻り、以上のフローを繰り返し行う。

＜第三の実施形態＞
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、電流センサからの電流信号又は逆潮流制御装置で発生させた信号を、条件に応じて物理的に切り替えて燃料電池側に送信する態様に係る。
本実施形態の構成が第一の実施形態と異なる点は、逆潮流制御装置の構成である。すなわち、図３（ａ）を参照して本実施形態に係る逆潮流制御装置３１は、信号切替部３１ａを備えている。信号切替部３１ａは受電電流取得部２ａ及び電流信号発生部２ｅの双方に接続しており、電流センサ５から伝送される信号を後述する条件に対応していずれかに選択的に切り替えて、信号線５ａを介して燃料電池３の出力制御部３ｃに送信可能に構成されている。信号切替部３１ａは、具体的には例えばリレー機構により実装可能である。その他の構成は逆潮流制御装置１と同様であるので、重複説明を省略する。

次に図３（ｂ）を参照して、逆潮流制御装置３１による逆潮流制御の態様について説明する。初期状態において発電ユニット３ａは学習機能に基づく発電スケジュールに従い、負荷追従制御により運転を行っている（Ｓ３０１）。また、信号切替部３１ａは受電電流取得部２ａ側に設定されており、電流センサ５から送信される電流信号をそのまま燃料電池３の出力制御部３ｃに伝送している（Ｓ３０２）。
Ｓ３０３、Ｓ３０４については第一の実施形態のＳ１０２乃至Ｓ１０４と同様である。

Ｓ３０４においてＹ、すなわち支援対象期間・時間帯に該当する場合には、信号切替部３１ａを電流信号発生部２ｅ側に切替える（既に切り替えられている場合には継続）（Ｓ３０５）。次いで、発電余剰電力分を系統支援（逆潮流）に振り分けるための系統支援係数及び目標逆潮量（Ｗｒ（ｔ））の演算を行う（Ｓ３０６、Ｓ３０７）。さらに、目標逆潮量（Ｗｒ（ｔ））に対応する電流信号を、燃料電池の出力制御部３ｃに対して送信する（Ｓ３０８）。

Ｓ３０４においてＮ、すなわち支援対象期間・時間帯に該当しない場合には、信号切替部３１ａを受電電流取得部２ａ側に切替える（既に切り替えられている場合には継続）（Ｓ３０９）。これにより、電流センサ５からの電流信号が直接、燃料電池の出力制御部３ｃに伝送される（Ｓ３１０）。

なお本実施形態では、受電電流・電圧値を検知して逆潮流電力量を制御する例を示したが、第二の実施形態と同様に、燃料電池の発電出力をも検知して逆潮流電力量を制御する態様とすることもできる。

本発明は、燃料電池システムのみならず、同様の制御構成を備えた分散電源装置の逆潮流制御装置として広く適用可能である。

１、２０・・・・逆潮流制御システム
２、２１、３１・・・・逆潮流制御装置
２ａ・・・・受電電流取得部
２ｂ・・・・受電電圧取得部
２ｃ・・・・判定部
２ｄ・・・・データ格納部
２ｅ・・・・電流信号発生部
３・・・・・燃料電池システム
３ａ・・・・発電ユニット
３ｃ・・・・出力制御部
４・・・・・電力系統
５、２２・・・・・電流センサ
５ａ・・・・信号線
６・・・・・電圧センサ
３１ａ・・・信号切替部

Claims

電力系統からの受電電力を計測する受電電力計測手段から送信される信号値に基づいて、受電電力を超えない範囲で発電出力制御する分散型発電装置に付設される逆潮流制御装置であって、
受電電力計測手段と分散型発電装置との間に介装され、
電力系統の供給安定性を判定する供給安定性判定手段と、
電力系統が供給不安定と判定した場合に、受電電力を超える発電出力に対応する信号値を分散型発電装置に対して送信する手段と、
を備えて成り、
前記供給安定性判定手段の判定結果に基づいて、電力系統からの受電電力を計測する前記受電電力計測手段から送信される信号値と、
電力系統が供給不安定と判定した場合に、受電電力を超える発電出力に対応する信号値と、を切り替えて前記分散型発電装置に対して送信可能とする、
送信信号の切り替え装置を、さらに備えたことを特徴とする逆潮流制御装置。