JP6519783B2

JP6519783B2 - 自律分散電圧制御システム

Info

Publication number: JP6519783B2
Application number: JP2015096147A
Authority: JP
Inventors: 亮太小田崎; 亨神通川
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2035-05-11
Also published as: JP2016213973A

Description

本発明は、複数台の無効電力調整装置を用いてローカル制御及び協調制御を行うことにより、電力系統の電圧を安定化するための自律分散電圧制御システムに関するものである。

電力事業者は、一般需要家の受電端における電圧を適正範囲に維持することが義務付けられており、例えばＳＶＣ（Static Var Compensator）を用いて配電系統の電圧を調整することにより、受電端の電圧を調整している。
しかしながら、近年では、太陽光発電装置等の分散型電源の普及により、配電系統の負荷分布が時間経過に伴って大きく変動する傾向にあるため、適正電圧の維持が一層強く求められている。

その対策として、配電系統の各点における電圧、電流の計測情報を、通信ネットワークを介して集中電圧制御装置に集約させて一括把握し、この集中電圧制御装置から各端の電圧制御装置に向けて目標電圧をそれぞれ指令するシステムが開発されている。
この場合、集中電圧制御装置は、配電系統の各端における計測情報を定期的に収集する必要があるが、系統規模が大きくなると、収集するべき計測情報の数も膨大になる。特に、数十秒〜数分単位で電圧が大きく変動するようなケースに対応するためには、光通信などを用いた高速通信ネットワークの構築が必要となる。また、集中電圧制御装置にも高速サーバ等の高価な設備を用いることが求められる。
従って、集中電圧制御装置や高速通信ネットワークを必要とせず、設備投資、運用コストが小さな、自律分散電圧制御システムの実現が求められている。

上記のような観点から、例えば特許文献１には、集中電圧制御装置を用いずに、複数の電圧制御装置の相互間で協調した電圧制御を実現可能とした配電系統電圧制御システムが開示されている。
図８は、特許文献１に記載された配電系統電圧制御システムの概略的な構成図であり、１０１は配電線、１０２は自動電圧調整器（ＳＶＲ：Step Voltage Regulator）、１０３，１０４，１０５，１０６は協調型電圧制御装置（ＣＶＣ：Cooperative Voltage Controller）、１０７，１０８，１０９，１１０は協調型電圧計測装置（ＣＶＳ：Cooperative Voltage Sensor）、１１１，１１２はパワコンディショナ、１１３は開閉器、１１４は接続制御装置、１１５はＳＶＣ、１１６，１１７は太陽光発電装置、１２１，１２２，１２３，１２４は負荷、１３０は通信ネットワークである。

この従来技術において、電圧制御装置１０３〜１０６は、接続端の電圧移動平均値が所定の電圧上下限値を逸脱した場合に目標電圧の変更依頼を発行し、また、配電線２上に配置された電圧計測装置１０７〜１１０も、接続端の電圧移動平均値が所定の電圧上下限値を逸脱した場合に目標電圧の変更依頼を発行する。これらの変更依頼を、通信ネットワーク１３０を介してすべての電圧制御装置１０３〜１０６の間で受け渡すことにより、各電圧制御装置１０３〜１０６が協調して電圧を制御するようになっている。

特許第５３８９３０３号公報（段落[００４９]〜[００６３]、図１，図５，図６等）

特許文献１に記載された従来技術では、複数の電圧制御装置間で電圧に関する情報のみを通信して協調制御を行っているため、他端の電圧制御装置の容量の余力等を適切に判断することができず、その結果、本来不要な協調制御が行われてしまうという問題を生じていた。
また、協調制御のために電圧制御装置の目標電圧を一旦変更した後は、配電系統や他の電圧制御装置の状況に関わらず次の協調制御時までは目標電圧が変更されないため、柔軟性に欠けるおそれがあった。

そこで、本発明の解決課題は、各無効電力調整装置が、他端の無効電力調整装置が計測した電圧実効値、及び、無効電流指令値等の無効電流相当値からなる容量逼迫度合情報を取得することにより、他端の無効電力調整装置の容量逼迫度合を判断し、この容量逼迫度合に応じて協調制御の必要性を判断すると共に、協調制御を行う場合には自端の無効電力調整装置の目標電圧を上下しきい値内で適切に変更し、無効電力調整装置が有する余力を活用して効率的な電圧制御を可能にした自律分散電圧制御システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電力系統に接続された複数の無効電力調整装置を動作させて各無効電力調整装置の前記電力系統との接続端の電圧を目標電圧に維持するようにした自律分散電圧制御システムにおいて、
各無効電力調整装置は、他の無効電力調整装置の接続端の電圧実効値及び無効電流相当値を容量逼迫度合情報として通信により取得し、前記容量逼迫度合情報に基づいて協調制御の必要性を判断する判断手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、他端の無効電力調整装置が計測して得た電圧実効値及び無効電流相当値からなる容量逼迫度合情報を活用して協調制御の必要性を判断することができ、自端の無効電力調整装置の目標電圧の変更を伴う不要な協調制御を回避して、電力系統の電圧制御を効率的に行うことができる。また、協調制御を行う場合には、無効電力調整装置の目標電圧を所定の上下しきい値内で設定することにより、無効電力調整装置の余力を最大限利用した電圧制御が可能になる。

本発明の実施形態を示す配電系統の概略構成図である。本発明の実施形態において、自端のＳＶＣが協調制御を行っていない場合の動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態において、自端のＳＶＣが協調制御を行っている場合の動作を示すフローチャートである。ＳＶＣの目標電圧の変更動作を説明するための概念図であり、（ａ）は従来技術、（ｂ）は本発明の実施形態を示す。本発明の実施形態におけるＳＶＣの概略的な構成を示す機能ブロック図である。図５の目標電圧設定手段の主要部を示すブロック図である。図６におけるリミッタ１５の上下限値を生成するためのブロック図であり、（ａ）は上限値の生成手段、（ｂ）は下限値の生成手段を示す。特許文献１に記載された配電系統電圧制御システムの概略的な構成図である。

以下、本発明の実施形態を図に沿って説明する。
図１は、この実施形態の自律分散電圧制御システムが適用される配電系統の概略構成図であり、１は一次側配電線、２はＳＶＲ、３は母線、４は二次側配電線である。なお、本実施形態では配電系統を例として説明しているが、この自律分散電圧制御システムは、基幹系統や送電系統など他の電力系統へも適用可能である。

二次側配電線４には、負荷５ａ，５ｂ及びＳＶＣ６ａ，６ｂがそれぞれ接続されている。これらのＳＶＣ６ａ，６ｂは相互に通信を行い、それぞれの接続端において計測した電圧、電流を互いに取得可能に構成されている。なお、通信手段としては、従来の通信（メタル、光）、配電線搬送通信や各種方式の無線通信を用いることができる。この実施形態においては、無効電力調整装置としてＳＶＣを例示しているが、本発明の権利範囲はＳＶＣに限定されるものではない。例えば、無効電力を調整可能な他の装置として、ＰＣＳ（Power Conditioning System）がある。

ＳＶＣ６ａ，６ｂは、ローカル制御によって配電線４に無効電力を注入することにより自端の電圧をそれぞれ制御可能であり、また、他方のＳＶＣの容量等に応じて自端の電圧を制御する協調制御も可能となっている。
ここで、負荷及びＳＶＣの数は図示例に限定されないことはいうまでもない。

次に、この実施形態の動作を、図２，図３のフローチャートに基づいて説明する。
本実施形態では、各ＳＶＣが通信により取得した他端のＳＶＣの電圧実効値、無効電流指令値に基づいて協調制御の要否を判断する。

まず、自端のＳＶＣ（例えば、図１のＳＶＣ６ａ）が協調制御を開始する場合の動作を、図２に基づいて説明する。
ＳＶＣ６ａは、他端のＳＶＣ６ｂがその接続端から計測した電圧をもとに演算した電圧実効値、無効電流指令値を通信周期ごとに取得している（ステップＳ１）。このＳＶＣ６ａは、他端のＳＶＣ６ｂが計測した電圧の実効値がＳＶＣ６ｂの適正電圧の上下しきい値内か否かを判断し、上下しきい値内であれば、そのままの状態で次の通信周期まで待機する(ステップＳ２Ｙｅｓ）。また、他端のＳＶＣ６ｂの電圧実効値が上下しきい値の範囲から逸脱している場合には(ステップＳ２Ｎｏ）、他端のＳＶＣ６ｂにより計測した無効電流指令値が一定値以上か否かを判断する（ステップＳ３）。

なお、この実施形態においては、ステップＳ３の一例として他端のＳＶＣ６ｂにより計測した電圧をもとにＳＶＣ６ｂ内部で演算した無効電流指令値を使って判断しており、かつＳＶＣ６ａはＳＶＣ６ｂの容量を知っており、ＳＶＣ６ｂから取得した無効電流指令値によりＳＶＣ６ｂの容量逼迫度合を判断できるものとしているが、本発明の権利範囲はこれに限定されない。例えば、他端のＳＶＣ６ｂで電圧の他に電流を計測し、計測した電圧・電流により求められる無効電流や無効電力、またＳＶＣ６ｂの容量と無効電流、無効電力により求めたＳＶＣ６ｂの容量逼迫度合などを、ステップＳ３の判断に使うことができる。

そして、他端のＳＶＣ６ｂの無効電流指令値（容量逼迫度合を知る情報の一種）が一定値未満である場合には、他端のＳＶＣ６ｂにはローカル制御による電圧制御を行う余力があると判断し、そのままの状態で次の通信周期まで待機する(ステップＳ３Ｎｏ）。また、他端のＳＶＣ６ｂの無効電流指令値が一定値以上である場合には(ステップＳ３Ｙｅｓ)、他端のＳＶＣ６ｂには電圧制御のための余力がないと判断し、協調制御を行うために自端におけるＳＶＣ６ａの目標電圧を変更する（ステップＳ４）。
上記のステップＳ３は、他端のＳＶＣ６ｂの無効電流指令値に基づいてＳＶＣ６ｂの容量逼迫度合を取得するためのものであり、その判断結果に応じて協調制御の必要性を判断することになる。

次に、自端のＳＶＣ６ａにより協調制御を実行中である時の動作を、図３のフローチャートに基づいて説明する。
前記同様に、図１のＳＶＣ６ａはある目標電圧のもとで協調制御を実行していると共に、ＳＶＣ６ｂが計測した他端の電圧をもとにＳＶＣ６ｂ内部で演算した無効電流指令値を通信周期ごとに取得している（ステップＳ１）。また、ＳＶＣ６ａは、他端のＳＶＣ６ｂの電圧が適正な電圧上下しきい値内か否かを判断し、上下しきい値の範囲を逸脱している場合には(ステップＳ２Ｎｏ）、次の通信周期まで協調制御を継続する。
更に、他端のＳＶＣ６ｂの電圧が上下しきい値内である場合には(ステップＳ２Ｙｅｓ）、他端のＳＶＣ６ｂの無効電流指令値が一定値以上か否かを判断する（ステップＳ３）。

そして、他端のＳＶＣ６ｂの無効電流指令値が一定値未満である場合には(ステップＳ３Ｎｏ）、他端のＳＶＣ６ｂには電圧制御のための余力が生じて協調制御が不要になったと判断し、協調制御を中止して、自己の目標電圧を変更すると共にローカル制御を行う（ステップＳ５）。また、他端のＳＶＣ６ｂの無効電流指令値が一定値以上である場合には(ステップＳ３Ｙｅｓ)、他端のＳＶＣ６ｂには電圧制御のための余力がないと判断し、次の通信周期まで協調制御を継続する。

図４は、ＳＶＣの目標電圧の変更動作を説明するための図（（ａ）は従来技術、（ｂ）は本実施形態）である。
特許文献１に開示された従来技術では、協調制御を行うことになった場合、自端の電圧制御装置の目標電圧上下しきい値を変更し、例えば、自端の目標電圧をローカル制御時の値より低下させている（図４（ａ））。この場合、配電系統の電圧状態が変化し、協調制御を行わなくても他端のＳＶＣの電圧が適正範囲に収束する可能性が高くなったとしても、自端のＳＶＣは、変更されたままの目標電圧のもとで、他端のＳＶＣに対する協調制御を行うために不要な電圧制御を継続することとなる。

一方、この実施形態によれば、自端のＳＶＣが他端のＳＶＣの電圧実効値、無効電流指令値に基づいて協調制御の必要性を判断しているため、図２，図３から明らかなように、真に必要な場合のみ自端の目標電圧を変更して協調制御を行い、協調制御が不要になった時は直ちにこれを中止して、自端の目標電圧をローカル制御時の値に変更するように動作する（図４（ｂ））。
このため、自端のＳＶＣは、協調制御の必要性に応じて、適切な目標電圧に基づいて電圧制御を実行することが可能となる。

ここで、本実施形態におけるＳＶＣの概略的な構成を、図５の機能ブロック図に基づいて説明する。なお、図５では、一方のＳＶＣ６ａを例示してあるが、他方のＳＶＣ６ｂも構成は同一である。
以下に説明する各手段は、各ＳＶＣ６ａ，ＳＶＣ６ｂが備えるソフトウェアまたはハードウェアによって実現されるものである。

図５において、計測手段６１はＳＶＣ６ａの接続端の電圧ｖを計測している。ＳＶＣ６ａの電圧実効値演算手段６５は、電圧ｖから電圧実効値を演算し、無効電流指令値演算手段６６へ送る。通信手段６２から受信したＳＶＣ６ｂの電圧実効値、無効電流指令値は判断手段６３に送られる。判断手段６３では協調制御を行うべきかを判断し、判断結果を目標電圧設定手段６４に送る。目標電圧設定手段６４は判断結果をもとに目標電圧を演算し、無効電流指令値演算手段６６へ目標電圧を送る。無効電流指令値演算手段６６では無効電流指令値が演算される。無効電流指令値演算手段６６の出力は無効電力注入手段６７に送られ、系統に無効電力が注入される。また、通信手段６２を介して他端のＳＶＣ６ｂにＳＶＣ６ａの容量逼迫度合を判断するための無効電流指令値及び電圧実効値を送信する。判断手段６３は、主として図２，図３におけるステップＳ２，Ｓ３の判断処理を実行し、その判断結果を目標電圧設定手段６４に送出する。目標電圧設定手段６４では、協調制御の要否に応じて適切な目標電圧を設定し、その目標電圧（または、目標電圧に応じた無効電流（無効電力）指令値）を、無効電流指令値演算手段６６を介して無効電力注入手段６７に送出する。
無効電力注入手段６７は、ＳＶＣ６ａの接続端の電圧を上記目標電圧に一致させるように、図示されていないコンデンサバンクやリアクトルを用いて配電線４に無効電力Ｑを注入する。

次に、自端のＳＶＣが協調制御を実行する際に、上記目標電圧設定手段６４により目標電圧を設定して無効電流指令値を演算するまでの動作を、図６及び図７のブロック図を参照しつつ説明する。

図６は、目標電圧設定手段６４の主要部を示すブロック図である。
この図６において、通信により取得した他端のＳＶＣの電圧実効値は減算手段７，９に入力されている。一方の減算手段７は、他端のＳＶＣの電圧上側しきい値と電圧実効値との偏差を求めてリミッタ８に入力し、リミッタ８は、電圧実効値が電圧上側しきい値を上回る場合にのみ、負の値を加算手段１１に出力する。
また、他方の減算手段９は、他端のＳＶＣの電圧下側しきい値と電圧実効値との偏差を求めてリミッタ１０に入力し、リミッタ１０は、電圧実効値が電圧下側しきい値を下回る場合にのみ、正の値を加算手段１１に出力する。
他端のＳＶＣの電圧上側しきい値及び下側しきい値は、各ＳＶＣが予め内部に記憶しておくか、他端のＳＶＣから電圧実効値と共に受信すれば良い。

なお、他端のＳＶＣの電圧実効値が電圧上下しきい値内である場合には、リミッタ８，１０の出力は何れもゼロになるので、加算手段１１を経た後述の内部リミッタ積分手段１２の出力（自端のＳＶＣの電圧指令値）はそのままの値が保持される。そのため、協調制御を停止する場合、協調制御停止時リセット手段１６により、積分手段１２を協調制御なしの状態にリセットする。この状態は、前述した図２のステップＳ２により「Ｙｅｓ」と判断される場合に相当し、結果的に協調制御は実行されない。
また、内部リミッタ積分手段１２の出力をゼロにリセットした場合、電圧指令値がゼロとなるのを防ぐため、リミッタ積分手段１２の出力に加算手段１７を介し、ベース信号１８を加算しておく。

図６に戻って、リミッタ８，１０の出力を加算手段１１により加算し、更に内部リミッタ積分手段１２を用いて積分する。ここで、加算手段１１は、実質的にリミッタ８またはリミッタ１０の何れか一方の出力をそのまま出力することになる。
そして、内部リミッタ積分手段１２の出力を自端のＳＶＣの電圧指令値、すなわち目標電圧として、加算手段１７を介して減算手段１３に入力する。減算手段１３は、目標電圧と自端のＳＶＣの電圧との偏差を求め、この電圧偏差をＰ（比例）調節手段１４に入力する。
Ｐ調節手段１４は、比例ゲインＫ_ｐを用いて比例調節演算を行い、その出力をリミッタ１５に通して自端のＳＶＣの無効電流指令値とする。

上記リミッタ１５の上限値Ｕ及び下限値Ｌは、例えば図７に示す手段によって生成することができる。ここで、図７（ａ）は上限値Ｕを、図７（ｂ）は下限値Ｌを、それぞれ生成するためのブロック図であり、上限値Ｕ及び下限値Ｌは、自端のＳＶＣの電圧に応じて変化するようになっている。

すなわち、リミッタ１５の上限値Ｕについては、図７（ａ）に示すように、自端のＳＶＣの電圧と電圧上側しきい値との偏差を減算手段２１により求め、この偏差をＰＩ（比例積分）調節手段２２に入力してその出力をリミッタ２３に通すことにより生成する。
また、リミッタ１５の下限値Ｌについては、図７（ｂ）に示すように、自端のＳＶＣの電圧と電圧下側しきい値との偏差を減算手段２４により求め、この偏差をＰＩ調節手段２５に入力してその出力をリミッタ２６に通すことにより生成する。
このようにして図５におけるリミッタ１５の上限値Ｕ及び下限値Ｌを設定することで、自端のＳＶＣの電圧が上下しきい値内から逸脱するような場合に無効電流指令値を所定範囲の値に抑制し、結果として自端のＳＶＣの電圧を上下しきい値内に収束させることができる。

以上のように、この実施形態に係る自律分散電圧制御システムは、他端のＳＶＣの容量逼迫度合に応じて協調制御の必要性を判断し、自端のＳＶＣの目標電圧を適切に変更しつつ必要な協調制御のみを実行するものであり、各ＳＶＣの余力を活用した効率的な電圧制御を行うことが可能である。

１：一次側配電線
２：自動電圧調整器（ＳＶＲ）
３：母線
４：二次側配電線
５ａ，５ｂ：負荷
６ａ，６ｂ：静止型無効電力制御装置（ＳＶＣ）
７，９，１３，２１，２４：減算手段
８，１０，１５，２３，２６：リミッタ
１１，１７：加算手段
１２：内部リミッタ積分手段
１４：Ｐ（比例）調節手段
１６：協調制御停止時リセット手段
１８：ベース信号
２２，２５：ＰＩ（比例積分）調節手段
６１：計測手段
６２：通信手段
６３：判断手段
６４：目標電圧設定手段
６５：電圧実効値演算手段
６６：無効電力指令値演算手段
６７：無効電力注入手段

Claims

電力系統に接続された複数の無効電力調整装置を動作させて各無効電力調整装置の前記電力系統との接続端の電圧を目標電圧に維持するようにした自律分散電圧制御システムにおいて、
各無効電力調整装置は、
他の無効電力調整装置の接続端の電圧実効値及び無効電流相当値を容量逼迫度合情報として通信により取得し、前記容量逼迫度合情報に基づいて協調制御の必要性を判断する判断手段を備えたことを特徴とする自律分散電圧制御システム。
請求項１に記載した自律分散電圧制御システムにおいて、
前記判断手段は、他の無効電力調整装置の接続端の電圧実効値及び無効電流指令値に基づく当該無効電力調整装置の前記容量逼迫度合情報から、協調制御の必要性を判断することを特徴とする自律分散電圧制御システム。
請求項１または２に記載した自律分散電圧制御システムにおいて、
各無効電力調整装置は、前記判断手段により協調制御が必要と判断した時に、自己の接続端の目標電圧を所定値に変更して設定する目標電圧設定手段を備えたことを特徴とする自律分散電圧制御システム。
請求項３に記載した自律分散電圧制御システムにおいて、
前記判断手段は、他の無効電力調整装置の接続端の電圧実効値が当該無効電力調整装置の電圧の上下しきい値内になく、かつ、他の無効電力調整装置の接続端の無効電流指令値が一定値以上である時に、協調制御が必要と判断することを特徴とする自律分散電圧制御システム。
請求項３に記載した自律分散電圧制御システムにおいて、
前記判断手段は、他の無効電力調整装置の接続端の電圧実効値が当該無効電力調整装置の電圧の上下しきい値内にある時、または、他の無効電力調整装置の接続端の電圧実効値が当該無効電力調整装置の電圧の上下しきい値内になく当該無効電力調整装置の接続端の無効電流指令値が一定値未満である時に、協調制御は不要と判断することを特徴とする自律分散電圧制御システム。
請求項３に記載した自律分散電圧制御システムにおいて、
前記目標電圧設定手段は、
他の無効電力調整装置の接続端の電圧と当該電圧の上側しきい値または下側しきい値との偏差を積分してその積分値から自己の接続端の目標電圧を演算する目標電圧演算手段と、前記目標電圧演算手段により演算した自己の接続端の目標電圧と自己の接続端の電圧計測値との偏差に基づいて無効電流指令値を演算する無効電流指令値演算手段と、を備えたことを特徴とする自律分散電圧制御システム。
請求項６に記載した自律分散電圧制御システムにおいて、
協調制御を停止すると判断した場合、前記積分値をリセットするリセット手段を備えたことを特徴とする自律分散電圧制御システム。