JP6440974B2 - 消費電力制御装置および消費電力制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力系統に接続された電力需要家（一般家庭を含む）に設置された電気機器の消費電力制御装置および消費電力制御方法に関する。

電力系統に、電力需給のアンバランスが生ずると周波数が変化する。従来は、主に、火力発電所や水力発電所の発電設備が、周波数変化に応じて出力を増減し、周波数を調整していた。近年、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーが増加に伴い、周波数調整能力を持つ発電所出力の全発電出力に対する比率が低下しつつある。将来、電力系統内の火力発電所や水力発電所の比率が更に低下すると、電力系統の周波数調整能力が減少し、周波数変動が大きくなるおそれがある。

また、電力需給のアンバランス対策の一つとして、二次電池の充放電による周波数変動抑制が考案されている。また、近年、スマートグリッド関連の技術として、需要家の消費電力調整が考案されている。これらの方法は、周波数調整能力を持つ発電所の比率を増やさずに、電力系統の需給アンバランスを抑制する方法として期待されている。

特開２００２−４４８６７号公報

特許文献の方式は、二次電池に接続された電力変換装置の入出力制御により、電力系統の周波数を制御しようというものである。しかし、電力系統の全容量に対し、電力変換装置および二次電池の容量が小さい場合、ほとんど、電力系統の周波数を制御することはできない。他の要因により、電力系統の周波数が基準周波数に戻らない場合、二次電池は、全放電または満充電状態となり、その後、機能しなくなる。

消費電力調整の場合、消費電力ピーク値抑制が主目的で、周波数調整を目的とした制御は、考えられていない。また、負荷脱落等により、電力系統内の発電電力が余剰となり、系統周波数が増加する場合には、対応できない。

発明が解決しようとする課題は、需要家の消費電力を制御することにより、電力系統の周波数安定化に寄与する、消費電力制御装置および消費電力制御方法を提供することにある。

実施形態の消費電力制御装置は、電力系統に接続された電力需要家内の配電系統に接続された電力消費手段の消費電力を左右する物理量の目標値を入力する消費電力関連物理量目標値入力手段と、前記配電系統の電気量を入力する電気量入力手段と、前記電気量入力手段により入力した電気量から周波数測定値を求める周波数測定手段と、消費電力調定率を設定する調定率設定手段と、前記調定率設定手段で設定した消費電力調定率と前記周波数測定手段で求めた周波数測定値と前記消費電力関連物理量目標値入力手段に入力された目標値とから消費電力指令値を演算する消費電力指令値演算手段と、前記消費電力指令値演算手段により求めた消費電力指令値を出力する消費電力指令値出力手段とを具備し、前記消費電力関連物理量目標値入力手段は、スマートメータから消費電力指令値が入力され、前記消費電力指令値演算手段は、前記周波数測定手段で求めた周波数測定値が基準周波数よりも高い場合は、前記目標値よりも大きい消費電力指令値を算出し、一方、前記周波数測定手段で求めた周波数測定値が基準周波数よりも低い場合は、前記目標値よりも小さい消費電力指令値を算出する。

需要家の消費電力を制御することにより、電力系統の周波数安定化に寄与する、消費電力制御装置および消費電力制御方法を提供することができる。

第１の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を分電盤外部に設置した例）を示す図。 同実施形態による消費電力制御装置の内部構成例を示す図。 エアコンの消費電力指令値演算機能の例（消費電力調定率が１０％、消費電力目標値が４００Ｗの場合の例）を示す図。 電気温水器の消費電力指令値演算機能の例１（消費電力調定率が１０％、消費電力目標値が５００Ｗの場合の例）を説明するための図。 電気温水器の消費電力指令値演算機能の例２（消費電力調定率が１０％、消費電力目標値が６００Ｗの場合の例）を説明するための図。 電気温水器の消費電力指令値演算機能の例３（消費電力調定率が１０％、消費電力目標値が２００Ｗの場合の例）を説明するための図。 第２の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を分電盤に内蔵した例）を示す図。 同実施形態による消費電力制御装置の内部構成例を示す図。 第３の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を電気機器の制御部に内蔵した例）を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
最初に、第１の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を分電盤外部に設置した例）を示す図である。図２は、同実施形態による消費電力制御装置の内部構成例を示す図である。

図１は、電力系統に接続された電力需要家内の配電系統１１に、開閉装置１３を介して電力消費手段が接続され、電力消費手段が電灯２１、テレビ２２、冷蔵庫２３およびエアコン３１で、消費電力制御装置４０を分電盤１２の外部に設置した例を示している。電力消費手段は、一般的に、コンセント等の接続手段を介して配電線に接続されるが、接続手段の図は省略している。

消費電力制御装置４０は、図２に示すように、電力需要家の消費電力目標値（例えば、電気温水器に対する消費電力目標値、およびエアコンに対する消費電力目標値）をそれぞれ設定する消費電力目標値設定部５１，５２と、配電系統１１の周波数測定値を入力する周波数測定値入力部４６と、周波数測定値入力部４６に入力された周波数測定値と消費電力目標値設定部５１，５２でそれぞれ設定した消費電力目標値とから消費電力指令値をそれぞれ演算する消費電力指令値演算部４３１，４３２と、消費電力指令値演算部４３１，４３２によりそれぞれ求めた消費電力指令値を出力する消費電力指令値出力部４５１，４５２と、を有する。

各構成要素は、機能単位に構成を示したものであり、実際の装置においては、一つの機能が複数の要素から構成されても良いし、複数の機能が一つの構成要素に含まれていても良い。図２では、消費電力目標値設定部が電力制御装置に内蔵されている例を示したが、消費電力目標値設定部は、消費電力制御装置の外部にあっても良い。

周波数測定値入力部４６は、周波数測定値を入力し、消費電力指令値演算部４３１，４３２にそれぞれ出力する。消費電力目標値設定部５１，５２は、手動または自動で設定した消費電力目標値を消費電力指令値演算部４３１，４３２へそれぞれ出力する。消費電力指令値演算部４３１，４３２は、周波数測定値と消費電力目標値とから消費電力指令値を演算してそれぞれ求め、消費電力指令値出力部４５１，５４２へそれぞれ出力する。消費電力指令値出力部４５１，５４２は、消費電力指令値を電気機器の制御部（例えば、電気温水器３６の電気温水器制御部３７、およびエアコン３１のエアコン制御部３２）へそれぞれ出力する。すなわち、図１、図２は、電気温水器３６の消費電力指令値とエアコン３１の消費電力指令値の２種類の消費電力指令値を出力する例を示している。

次に、消費電力指令値演算部４３１，４３２の演算方法の一例を具体的な数値例を用いて説明する。

便宜上、電気回路には、損失がないものとして、図１、図２に示した各要素が以下の状態である場合について説明する。

電灯 ：１００Ｗ
テレビ ：２００Ｗ
冷蔵庫 ：３００Ｗ
エアコン ：４００Ｗ
電気温水器 ：５００Ｗ
エアコンの消費電力目標値 ：４００Ｗ
電気温水器の消費電力目標値：５００Ｗ
図３は、エアコンの消費電力目標値と周波数測定値と消費電力指令値の関数を示す図であり、消費電力目標値が４００Ｗの場合の例を示している。図４は、電気温水器の消費電力目標値と周波数測定値と消費電力指令値の関数を示す図であり、消費電力目標値が５００Ｗの場合の例を示している。

消費電力指令値は、周波数測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）と周波数測定値５０Ｈｚの線（横軸）が交わる点の値になる。周波数測定値が５０Ｈｚの場合、周波数測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）と周波数測定値の線（横軸）が交わる点の消費電力指令値は、エアコンが４００Ｗ、電気温水器が５００Ｗである。周波数測定値が５０Ｈｚで基準周波数と同一なので、各々の消費電力指令値は、各々の消費電力目標値と同一の値になる。

周波数測定値が５１Ｈｚに変化すると、周波数測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）と周波数測定値５１Ｈｚの線（横軸）が交わる点の消費電力指令値は、エアコンが５６０Ｗ、電気温水器が７００Ｗである。消費電力指令値どおりにエアコンおよび電気温水器の消費電力が制御されると、消費電力が消費電力目標値よりも大きくなり、電力系統の周波数上昇抑制に寄与する。

周波数測定値が４９Ｈｚに変化すると、周波数測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）と周波数測定値４９Ｈｚの線（横軸）が交わる点の消費電力指令値は、エアコンが２４０Ｗ、電気温水器が３００Ｗである。消費電力指令値どおりにエアコンおよび電気温水器の消費電力が制御されると、消費電力が消費電力目標値よりも小さくなり、電力系統の周波数低下抑制に寄与する。

図５は、電気温水器の消費電力目標値が６００Ｗの場合の例を示している。この例では、周波数測定値が５１Ｈｚの場合の消費電力指令値は、８００Ｗである。周波数測定値が４９Ｈｚの場合の消費電力指令値は、４００Ｗである。

図６は、電気温水器の消費電力目標値が２００Ｗの場合の例を示している。この例では、周波数測定値が５１Ｈｚの場合の消費電力指令値は、４００Ｗである。周波数測定値が４９Ｈｚの場合の消費電力指令値は、０Ｗである。

上述のとおり、周波数測定値が基準周波数であれば、消費電力指令値は、消費電力目標値と同一の値で一定となり、電力系統の周波数安定化に寄与する。周波数測定値が基準周波数よりも大きい場合は、基準周波数と周波数測定値の差に応じて、消費電力指令値が大きくなり、電力系統の周波数上昇抑制に寄与する。周波数測定値が基準周波数よりも小さい場合は、基準周波数と周波数測定値の差に応じて、消費電力指令値が小さくなり、電力系統の周波数低下抑制に寄与する。

図１〜図６の例では、エアコン用の消費電力目標値設定部、消費電力指令値演算部、消費電力指令値出力部と電気温水器用の消費電力目標値設定部、消費電力指令値演算部、消費電力指令値出力部が分かれている例を説明したが、消費電力目標値設定部、消費電力指令値演算部、消費電力指令値出力部の全てまたは一部がエアコン用と電気温水器用とで共通でも良い。

図３〜図６の例では、消費電力目標値と周波数測定値と消費電力指令値の関数（グラフ）から消費電力指令値を求める方法を説明したが、関数（グラフ）の代わりに、計算式、数値表、数値列などから消費電力指令値を求めても良い。また、図３〜図６の例では、周波数測定値と消費電力指令値の関数は、直線であるが、周波数測定値と消費電力指令値の関数は、折れ線でも良いし、曲線でも良い。

第１の実施形態によれば、電力系統内の需要家の消費電力が変動し、発電出力と消費電力にアンバランスが生し、電力系統の周波数が変化しても、電力系統の周波数が基準周波数よりも高い場合は、電気機器の消費電力を増やし、電力系統の周波数上昇を抑制することができ、一方、電力系統の周波数が基準周波数よりも低い場合は、電気機器の消費電力を減らし、電力系統の周波数低下を抑制することができる。よって、電力系統の周波数調整を担う水力発電所や火力発電所の出力比率が減少しても、電気機器の消費電力調整により周波数変動を抑制できるので、電力系統の周波数安定化に寄与する。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。

図７は、第２の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を分電盤に内蔵した例）を示す図である。図８は、同実施形態による消費電力制御装置の内部構成例を示す図である。

図７、図８は、消費電力設定値の代わりに消費電力指令値を用い、電圧から周波数測定値を求め、消費電力調定率設定部４４を追加した例で、消費電力制御装置４０が分電盤内に内蔵され、消費電力指令値がスマートメータ５０から消費電力制御装置４０に入力され、消費電力制御装置４０は電気量として電圧を入力する例を示している。

すなわち、消費電力制御装置４０は、図８に示すように、電力需要家の消費電力指令値を目標値消費電力目標値として入力する消費電力目標値入力部５１と、配電系統１１の電気量として電圧を入力する電圧入力部４１と、電圧入力部４１により入力した電圧から周波数測定値を求める周波数測定部４２と、消費電力調定率を設定する調定率設定部４４と、調定率設定部４４で設定されている消費電力調定率と周波数測定部４２で求めた周波数測定値と消費電力目標値入力部５１で入力した消費電力目標値とから消費電力指令値を演算する消費電力指令値演算部４３と、消費電力指令値演算部４３より求めた消費電力指令値を出力する消費電力指令値出力部と、を有する。消費電力目標値入力部５１、消費電力指令値演算部４３、消費電力調定率設定部４４、消費電力指令値出力部４５は、エアコン用と電気温水器用で共通に使用される。

なお、図８では、消費電力調定率設定部４４が消費電力制御装置４０に内蔵されているが、消費電力調定率設定部４４は、消費電力制御装置４０の外部にあっても良い。

消費電力指令値演算部４３は、電圧から求めた周波数測定値と、スマートメータ５０から消費電力目標値入力部５１に入力された消費電力指令値（消費電力目標値）とを用いて消費電力指令値を求める。また、消費電力指令値演算部４３は、消費電力調定率設定部４４で設定された消費電力調定率設定値に応じて、演算時に用いる関数の係数（傾き）を変える機能を有する。消費電力調定率は、例えば、以下の式で表される。

消費電力調定率（％）
＝［（ｆ２−ｆ１）／基準周波数］／［（Ｐ２−Ｐ１）／最大出力］×１００（％）
Ｐ１＝周波数ｆ１における消費電力
Ｐ２＝周波数ｆ２における消費電力
図３〜図６は、消費電力調定率設定値が１０％の例を示している。例えば、消費電力調定率設定値が５％の場合、周波数測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）の傾きは、図３〜図６に比べ２倍になる。例えば、消費電力調定率設定値が２０％の場合、周波数測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）の傾きは、図３〜図６に比べ１／２になる。

図３〜図６および上式の例では、周波数測定値と消費電力指令値の関数は、直線であるが、周波数測定値と消費電力指令値の関数は、折れ線でも良いし、曲線でも良い。

消費電力指令値演算部４３での演算方法の一例は、消費電力設定値の代わりに消費電力指令値と電圧から求めた周波数測定値を用いることを除き、第１の実施形態と同一である。

第２の実施形態によれば、スマートメータ５０を備えた設備においても、その機能を利用した消費電力制御を行うことができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。

図９は、第３の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を電気機器の制御部に内蔵した例）を示す図である。

図９は、消費電力制御装置４０を電気機器の制御部に内蔵した例を示している。すなわち、前述した消費電力制御装置４０として、電気温水器３６に対応するものとエアコン３１に対応するものの２種類用意し、各消費電力制御装置４０を、電気温水器３６の電気温水器制御部３７、エアコン３１のエアコン制御部３２にそれぞれ内蔵させている。

第３の実施形態によれば、第２の実施形態で得られる効果に加え、電気機器内の空きスペースを活用して消費電力制御装置４０を設置することにより、構成を簡易なものとすることができる。

なお、前述の第１〜第３の実施形態で示した消費電力制御装置４０の構成例（図２、図８）では、電力需要家の消費電力目標値（例えば、エアコンなどの電力消費手段に対する消費電力目標値）を設定する消費電力目標値設定部５１，５２（もしくはそれを入力する消費電力目標値入力部５１）を設ける場合を例示したが、これに限定されるものではない。設定もしくは入力する目標値は、電力消費手段の「消費電力目標値」に限らず、電力消費手段の「消費電力を左右する物理量の目標値」（例えば、エアコンなどの電力消費手段の温度目標値）とすることができる。すなわち、前述の消費電力目標値設定部５１，５２（もしくは消費電力目標値入力部５１）は、電力消費手段の消費電力を左右する物理量の目標値を設定する消費電力関連物理量目標値設定部（もしくは当該物理量の目標値を入力する消費電力関連物理量目標値入力部）として実現することができる。

また、次のように変形して実施してもよい。

（１）消費電力目標値設定部５１，５２（もしくは消費電力目標値入力部５１）の代わりに、消費電力を測定する消費電力測定部を設ける。この場合、消費電力指令値演算部４３１，４３２（もしくは消費電力指令値演算部４３）は、消費電力目標値の代わりに消費電力測定部により測定された消費電力測定値と周波数測定値入力部４６に入力された周波数測定値とから、消費電力指令値を演算する。

（２）消費電力目標値設定部５１，５２（もしくは消費電力目標値入力部５１）の代わりに、消費電力を測定する消費電力測定部を設けることに加え、さらに、消費電力測定部により測定された消費電力測定値を記憶する消費電力記憶部を設ける。この場合、消費電力指令値演算部４３１，４３２（もしくは消費電力指令値演算部４３）は、消費電力目標値の代わりに消費電力記憶部に記憶した消費電力記憶値と周波数測定値入力部４６に入力された周波数測定値とから、消費電力指令値を演算する。

（３）前記（１）の構成または（２）の構成において、消費電力測定部により測定された消費電力測定値および／または消費電力記憶部に記憶された消費電力記憶値を演算処理（平均化など）する消費電力演算処理手段を更に設ける。この場合、消費電力指令値演算部４３１，４３２（もしくは消費電力指令値演算部４３）は、消費電力目標値の代わりに消費電力演算処理部により求めた消費電力演算処理値と周波数測定値入力部４６に入力された周波数測定値とから、消費電力指令値を演算する。

以上詳述したように、少なくとも１つの実施形態によれば、需要家の消費電力を制御することにより、電力系統の周波数安定化に寄与する、消費電力制御装置および消費電力制御方法を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…配電系統、１２…分電盤、１３…開閉装置、２１…電灯、２２…テレビ、２３…冷蔵庫、３１…エアコン、４０…消費電力制御装置、４２…周波数設定部、４３，４３１，４３２…消費電力指令値演算部、４５，４５１，４５２…消費電力指令値出力部、４６…周波数測定値入力部、５１，５２…消費電力目標値設定部（又は消費電力目標値入力部）。

Claims (3)

1. 電力系統に接続された電力需要家内の配電系統に接続された電力消費手段の消費電力を左右する物理量の目標値を入力する消費電力関連物理量目標値入力手段と、
   前記配電系統の電気量を入力する電気量入力手段と、
   前記電気量入力手段により入力した電気量から周波数測定値を求める周波数測定手段と、
   消費電力調定率を設定する調定率設定手段と、
   前記調定率設定手段で設定した消費電力調定率と前記周波数測定手段で求めた周波数測定値と前記消費電力関連物理量目標値入力手段に入力された目標値とから消費電力指令値を演算する消費電力指令値演算手段と、
   前記消費電力指令値演算手段により求めた消費電力指令値を出力する消費電力指令値出力手段と
   を具備し、
   前記消費電力関連物理量目標値入力手段は、スマートメータから消費電力指令値が入力され、
   前記消費電力指令値演算手段は、前記周波数測定手段で求めた周波数測定値が基準周波数よりも高い場合は、前記目標値よりも大きい消費電力指令値を算出し、一方、前記周波数測定手段で求めた周波数測定値が基準周波数よりも低い場合は、前記目標値よりも小さい消費電力指令値を算出する、
   消費電力制御装置。
2. 請求項１に記載の消費電力制御装置において、前記電気量が電圧または電流である、
   消費電力制御装置。
3. 電力系統に接続された電力需要家内の配電系統に接続された電力消費手段の消費電力を制御する消費電力制御方法において、
   前記電力消費手段の消費電力を左右する物理量の目標値を入力する消費電力関連物理量目標値入力工程と、
   前記配電系統の電気量を入力する電気量入力工程と、
   前記電気量入力工程で入力した電気量から周波数測定値を求める周波数測定工程と、
   消費電力調定率を設定する調定率設定工程と、
   前記調定率設定工程で設定した消費電力調定率と前記周波数測定工程で求めた周波数測定値と前記消費電力関連物理量目標値入力工程で入力した目標値とから消費電力指令値を演算する消費電力指令値演算工程と、
   前記消費電力指令値演算工程で求めた消費電力指令値を前記電力消費手段に対して出力する消費電力指令値出力工程と
   を含み、
   前記消費電力関連物理量目標値入力工程においては、スマートメータから消費電力指令値が入力され、
   前記消費電力指令値演算工程においては、前記周波数測定工程で求めた周波数測定値が基準周波数よりも高い場合は、前記目標値よりも大きい消費電力指令値を算出し、一方、前記周波数測定工程で求めた周波数測定値が基準周波数よりも低い場合は、前記目標値よりも小さい消費電力指令値を算出する、
   消費電力制御方法。

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