JP6086328B2 - 周波数制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、送電線によって互いに連系された複数の地域に対し、系統周波数の変動を抑えて電力の安定した供給を可能とする周波数制御方法に係り、特に、太陽光や風力などの再生可能エネルギーを利用した発電設備を有する離島間において有効な周波数制御方法に関する。

電力系統において負荷（需要）と発電（供給）のバランスが崩れると系統周波数が変動する。すなわち、電力の供給が需要を下回ると、発電機の回転速度が下がるため、系統周波数が低下し、逆に、電力の供給が需要を上回ると、発電機の回転速度が上がるため、系統周波数が上昇する。そのため、発電所等では、負荷変動に応じて内燃力発電設備の発電機の出力を調整することにより系統周波数の制御を行っている。
近年、離島や過疎地域などに太陽光や風力などの再生可能エネルギーを利用した発電設備が設置されており、それらの発電設備も内燃力発電設備とともに電力系統を構成している。しかしながら、再生可能エネルギーを利用した発電設備においては、日照量や風速の変化などの自然条件によって発電量が変動するため、その対策が必要である。

再生可能エネルギーを利用した発電設備において、系統周波数の変動を制御する技術としては、例えば、特許文献１に小型分散型電源を含む「電力システム」に関する発明が開示されている。
この特許文献１に開示された発明は、停電時に非常用発電機と太陽光発電を組み合わせて電力供給を行うシステムにおいて、総負荷消費電力検出手段と充放電電力検出手段による検出値に基づいて蓄電池を動作させる制御指令値の上限値と下限値を制御部が決定する構成としたことを特徴としている。
このような構成によれば、電力系統の停電時にも一時的な周波数変動を経た後に電力供給を継続できる。

また、特許文献２には、内燃力発電設備、再生可能エネルギーを利用した発電設備、電力貯蔵設備、負荷設備で構成されるマイクログリッドに対して適用可能な「負荷周波数制御方法及び負荷周波数制御装置」に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された「負荷周波数制御方法」は、周波数偏差に系統定数を乗算した値と、マイクログリッドと他の電力系統との連系点における連系線潮流変化量との加減算によって地域要求量を算出し、出力応答速度に基づいて分類した内燃力発電設備、電力貯蔵装置のグループごとに、この地域要求量を配分することを特徴としている。
このような方法によれば、大規模な電力系統に連系された小規模なマイクログリッドの周波数の安定性を向上させることができる。

特開２０１１−２５０６４９号公報 特開２０１１−１１４８９９号公報

特許文献１及び特許文献２に記載された発明では、発電量が変動する再生可能エネルギーを利用した発電設備と再生可能エネルギー発電量の変動を吸収する蓄電設備を有し、送電線によって互いに連系されて小規模な電力系統を構成する離島間において、再生可能エネルギー発電量の変動を蓄電設備により吸収させることで常時の系統周波数を安定化させ、かつ、互いを連系する送電線（以下、連系線という）の停止時にも系統周波数を安定化させるという課題には依然として十分には対処できないと考えられる。
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであって、再生可能エネルギーを利用した発電設備や電力貯蔵装置を有する複数の離島が送電線によって互いに連系されて小規模な電力系統を構成する場合に、自然条件の影響による再生可能エネルギー発電量の変動を考慮して、系統周波数を制御し、再生可能エネルギーの有効利用を可能とする周波数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、請求項１記載の発明は、再生可能エネルギーを利用した第１の発電設備と、内燃力発電による第２の発電設備と、蓄電設備と、を備え、送電線により互いに連系された複数の小規模な電力系統のうち蓄電設備のない電力系統（以下、第１の電力系統という。）において系統周波数を許容範囲内に抑制するために用いられる周波数制御方法であって、第１の発電設備の変動電力量を吸収するために蓄電設備に向かう潮流が連系線潮流に重畳されるとともに、連系線停止時に第１の電力系統の周波数が許容範囲を超過しないように定められた許容電力量範囲を、第１の電力系統から蓄電設備のある電力系統（以下、第２の電力系統という。）へ向かう連系線の潮流の電力量が超える場合に、第１の発電設備の少なくとも一部を停止させて連系線の潮流の電力量を許容電力範囲内に収めることを特徴とするものである。
なお、本発明において、第１の電力系統の周波数が許容範囲を「超過する」とは「周波数変動を許容範囲内に抑制できる電力量の範囲を超える場合」だけでなく、「当該範囲を下回る（すなわち、潮流が逆向きとなり超過する）場合」をも含むことを意味している。また、上述の「連系線潮流」とは、第１の発電設備の変動電力量を吸収するために蓄電設備に向かう潮流が重畳される前の連系線における潮流を意味している。
このような方法においては、既存の設備に大きな変更を加えることなく、連系線の潮流の電力量が許容電力範囲内に収まるという作用を有する。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の周波数制御方法において、系統周波数の上限値及び下限値によりそれぞれ決まる潮流同士の差分を求め、第１の電力系統から第２の電力系統へ向かう連系線の潮流の電力量をこの差分の１／２以下に設定することを特徴とするものである。
このような方法においては、第１の発電設備による変動量の許容値が増加するという作用を有する。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の周波数制御方法において、小規模な電力系統が離島又は連系線が切れた場合に単独に移行するような系統であることを特徴とするものである。
本請求項に記載の発明によれば、離島や連系線が切れた場合に単独に移行するような系統において請求項１又は請求項２に記載の発明の作用が同様に発揮される。

請求項１に記載の発明によれば、再生可能エネルギーを利用した発電設備や蓄電設備を備え、送電線によって互いに連系された複数の小規模な電力系統において、自然条件の影響を考慮した効率の良い系統周波数の制御が可能である。したがって、再生可能エネルギーの有効利用を図ることができる。

本発明の請求項２に記載の発明によれば、停止させる第１の発電設備の数が少なくて済むため、再生可能エネルギーの有効利用を図ることができるという請求項１記載の効果がより一層発揮される。

本発明の請求項３に記載の発明によれば、離島や連系線が切れた場合に単独に移行するような系統において請求項１又は請求項２に記載の発明の効果が同様に発揮される。

本発明の周波数制御方法が適用される電力系統の構成の一例を示す図である。 本発明の周波数制御方法を説明するための模式図である。

本発明の周波数制御方法について図１〜図２を用いて具体的に説明する。なお、本実施例では離島について説明しているが、離島に限らず、送電線によって互いに連系され同様の発電設備や蓄電設備を備え、連系線が切れた場合に単独に移行するような系統に対しても本発明は同様に適用可能である。

図１は本発明の周波数制御方法が適用される電力系統の構成を示すブロック図である。また、図２は本発明の周波数制御方法を説明するための模式図である。
図１に示すように、離島Ａには、負荷１ａに所定の電力を供給するため、内燃力と風力をそれぞれ利用した発電機２，３と蓄電池５が設置されており、発電機２，３は制御手段６ａによって出力を制御されている。また、離島Ｂには、負荷１ｂに所定の電力を供給するため、内燃力と風力と太陽光をそれぞれ利用した発電機２〜４が制御手段６ｂによって出力を制御可能に設置されている。そして、離島Ａと離島Ｂは送電線７によって互いに連系されている。

蓄電池５は、充放電を繰り返し行うことができるコンデンサや二次電池などであって、負荷１ａの接続ラインにインバータ（図示せず）を介して接続され、制御手段６ａによってその動作が制御されており、電力の変動を吸収する機能を有している。
なお、上述のインバータは、発電機２，３によって蓄電池５が充電される際には交流を直流に変換し、負荷１ａに電力を供給するために蓄電池５が放電される際には直流を交流に変換するという機能を有している。

発電機３，４は、負荷１ａ，１ｂの接続ラインにパワコンディショナー（図示せず）を介して接続されている。なお、パワーコンディショナーは、負荷１ａ，１ｂの接続ラインの周波数や電圧に適合していない発電機３，４の直流出力を所定の交流電力に変換する機能を有している。また、パワコンディショナーの出力部には、図示しないインバータが設置されている。

図１に示す離島Ａ及び離島Ｂのように、送電線７によって互いに連系された電力系統においては、連系線事故が発生しても系統周波数に変動が生じないように、連系線の潮流を周波数変動の許容範囲から決まる一定値以内（以下、連系線潮流許容範囲という）に調整する場合が多い。前述したように、離島Ａでは蓄電池５によって系統周波数の変動がある程度吸収されるため、連系線の潮流が連系線潮流許容範囲を超えた状態で連系線事故が起きたとしても系統周波数の変動を抑制し易い。これに対し、離島Ｂには蓄電池５がなく、連系線の潮流が連系線潮流許容範囲を超えた状態で連系線事故が起きた場合に、系統周波数の変動を許容範囲内に抑えることが難しいため、連系線潮流許容範囲を超えた潮流を連系線に流すことはできない。しかし、離島Ｂにある風力と太陽光をそれぞれ利用した発電機３，４は、風速や日射量の変化などの自然条件によって発電量が変動する。この変動は、短時間での早い変動（短周期変動）と長時間でのゆっくりとした変動（長周期変動）に大別でき、この変動の一部は離島Ｂにある発電機２によっても吸収できるが、離島Ｂの発電機２で吸収できない変動は、離島Ａにある蓄電池５で吸収する必要がある。そのため、連系線には、この変動が流れることになる。したがって，この変動が連系線潮流許容範囲を超えると想定される場合、たとえ、この変動を除く潮流をゼロとしても連系線に流れる潮流を連系線潮流許容範囲に収めることができない。しかし、離島Ｂにある発電機３，４の少なくとも一部を停止させて連系線に流れる変動を小さくすると、連系線の潮流の電力量を許容範囲内に収めることができる。

なお、風力と太陽光をそれぞれ利用した発電機３，４の変動は、自然条件によって左右され、事前の予測が難しいため、増加側と減少側に等しく生じると想定される場合が多い。そして、連系線潮流許容範囲は周波数変動の許容範囲から決まるが、周波数変動の許容範囲は、一般的に周波数低下側よりも周波数上昇側に広く設定される。このため、連系線に流れる変動以外の潮流をゼロとすると、周波数低下側により制約を受けることになる。そこで、図２に示すように、蓄電池５のない離島Ｂから蓄電池５のある離島Ａに向けて常に一定量の潮流を流しておくと、連系線停止時の離島Ｂの周波数変動を、周波数上昇側に大きく、低下側に小さくなるようにすることが可能である。この場合、離島Ｂにおいて停止させる発電機３，４の数を少なくすることができる。

このように、本発明の周波数制御方法は蓄電設備のない電力系統から蓄電設備のある電力系統に向けて常に一定量の潮流を流しておくことを特徴とする。
太陽光や風力などの再生可能エネルギーを利用した発電（以下、再エネ発電という。）による発電量は日射量や風速などの自然条件の影響を受けて変動するため、図１に示したような小規模の電力系統においては、変動量が所定の範囲内に収まるように発電量が調整される。いま、離島Ｂの系統容量をＰ_０［ＭＷ］、系統周波数の下限値と基準値との差分として求められる系統周波数の許容変動量をΔｆ_Ｌ［Ｈｚ］、系統周波数の上限値と基準値との差分として求められる系統周波数の許容変動量をΔｆ_Ｈ［Ｈｚ］、系統定数をＫ［％ＭＷ／Ｈｚ］とすると、再エネ発電の電力に対する許容変動量の下限値ΔＰ_Ｌと上限値ΔＰ_Ｈはそれぞれ式（１）及び式（２）で表わされる。

再エネ発電による変動量の許容値を±ΔＰ_Ｒとし、連系線に流れる潮流のうち、任意に設定できる一定潮流をＰ_Ｔとすると、Ｐ_Ｔが０のとき、ΔＰ_ＲはΔＰ_Ｌ以下であって、かつ、ΔＰ_Ｈ以下でなければならない。一般に、ΔＰ_ＬはΔＰ_Ｈ以下であるため、再エネ発電による変動量の許容値ΔＰ_Ｒの最大値はΔＰ_Ｌとなる。
ここで、任意に設定できる一定潮流Ｐ_Ｔを用いると、次の式（３）及び式（４）がともに成り立つ必要がある。そこで、式（５）に示すようにＰ_Ｔを設定すると、再エネによる変動量の許容値ΔＰ_Ｒは式（６）によって表される。ここで、前述したようにΔＰ_Ｌは一般にΔＰ_Ｈ以下であるため、式（６）はΔＰ_ＲがΔＰ_Ｌ以上、すなわち、再エネ発電による変動量の許容値ΔＰ_Ｒが増加したことを示している。
このように、本発明の周波数制御方法によれば、再エネ発電による変動量の許容値を増加させることができるため、再生可能エネルギーの有効利用が可能となる。

本発明は、再生可能エネルギーを利用した発電設備を有し、送電線により互いに連系された複数の小規模な電力系統に対して適用可能である。

１ａ，１ｂ…負荷 ２〜４…発電機 ５…蓄電池 ６ａ，６ｂ…制御手段 ７…送電線

Claims (3)

1. 再生可能エネルギーを利用した第１の発電設備と、
   内燃力発電による第２の発電設備と、
   蓄電設備と、を備え、
   送電線により互いに連系された複数の小規模な電力系統のうち前記蓄電設備のない電力系統（以下、第１の電力系統という。）において系統周波数を許容範囲内に抑制するために用いられる周波数制御方法であって、
   前記第１の発電設備の変動電力量を吸収するために前記蓄電設備に向かう潮流が連系線潮流に重畳されるとともに、
   連系線停止時に前記第１の電力系統の周波数が許容範囲を超過しないように定められた許容電力量範囲を、前記第１の電力系統から前記蓄電設備のある電力系統（以下、第２の電力系統という。）へ向かう連系線の潮流の電力量が超える場合に、
   前記第１の発電設備の少なくとも一部を停止させて前記連系線の潮流の電力量を前記許容電力範囲内に収めることを特徴とする周波数制御方法。
2. 系統周波数の上限値及び下限値によりそれぞれ決まる潮流同士の差分を求め、前記第１の電力系統から前記第２の電力系統へ向かう前記連系線の潮流の電力量を前記差分の１／２以下に設定することを特徴とする請求項１に記載の周波数制御方法。
3. 前記小規模な電力系統が離島又は連系線が切れた場合に単独に移行するような系統であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の周波数制御方法。
   

Images