JP6742592B2 - マイクログリッドの制御システム - Google Patents
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Description
しかし、マイクログリッド内の自家発電機、コジェネレーション発電機等には十分な発電能力が無いので、電力不足が発生すると周波数の低下が起こる。
自動制御機能によって、周波数を安定させる範囲の精度に制御することは、制御装置にとってそれほど困難ではない。たとえば、現状では目標値の0.05%の精度内で運転されている。それは、電力系統には、発電機の持つ大きなフライホイール効果や、同期電動機などの負荷の持つフライホイール効果により、系統の慣性定数と呼ばれる数秒から数十秒の時間的猶予があるからである。
また、電力負荷と並列にフライホイール付き誘導機を接続させることで短時間の瞬低対策とすることも提案されている。(特許文献2参照)
したがって、連係する外部電力系統の瞬低や停電が生じた場合に、マイクログリッド内の電圧低下を最小限に抑えるために、接続する負荷を選択して遮断すればいいことに本発明者は着目した。
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、マイクログリッド内の重要な負荷を停止することなく連続して継続して稼働できるようにするためのマイクログリッド電力系安定化システムを提供することを目的とする。
すなわち、周波数の維持は2次的に考えることで、そこにフライホイール付き誘導機を常時連結させて稼働させて、瞬低対策となる誘導機の過負荷特性とフライホイール効果による周波数安定度を増し、連携して電圧と周波数を制御するものである。
分散電源4は、マイクログリッド内の、たとえば二次電池などをエネルギー源とする無停電電源(UPS)、コジェネレーション発電機、太陽光発電装置、風力発電装置、非常用発電機等の発電設備を備えた電源設備である。
誘導機8は、回転軸にフライホイールが連結されており、平常時はマイクログリッドから電源の供給を受け、電動機として同期速度よりわずかに低い速度でフライホイールが回転待機しており、進相電流供給手段9から進相電流が供給されて発電すると電圧を発生する自励運転がなされるので、電力系統の瞬低時には、その電圧維持効果が特別な制御無しで自動的になされるので信頼度が高い。誘導機8としては、耐久性及びコストの観点からも、かご形誘導機が好ましいが、巻き線型誘導機にインバータを組み合わせたものでもよい。
また、進相コンデンサの代わりにあるいはそれに加えて静止型無効電力補償装置(SVC)を用いて電圧を調整してもよい。
制御手段11は、電圧監視手段10で計測した電圧が所定の範囲に収まるように、負荷(1〜N)の接続/遮断を行うために、通信回線7を介して負荷接続/遮断手段6のオン・オフを制御する。また、負荷のオン・オフに伴う電圧の変動を抑制するために、進相電流制御手段5を制御して、フライホイール付き誘導機4からの供給電圧を調整する。制御のフローについては後述する。接続/遮断を行う負荷については、事前に優先順位を設定しておいて、制御手段11にその情報を格納しておけばよい。制御手段11としては、汎用のパソコンが利用可能である。
一点鎖線で示すのは、マイクログリッドの電力の周波数(又は誘導機4の回転スピード)である。電力系統が停電している期間は周波数が乱れているが(約5〜10%の変動)、電圧が復帰すれば元の状態に戻るため、本発明では、電圧の制御を優先して行う。
近年の電力負荷は、機器側で、交流電力を整流器で直流に変換して、かつ、機器内で電圧調整する能力が高くなっており、電圧がある程度以上あれば運転に問題ないので、マイクログリッド系統の周波数が10%程度下がっても電圧を維持すれば問題ないからである。
なお、停電中に大きな負荷が突然投入(接続)された場合に、電圧が急激に変動したときに、フライホイール付き誘導機8からの電力でバックアップすることもできるのが、このシステムの利点である。
この結果、電圧Vが上昇し、電圧Vが下限値V2以上になれば(S6のYES)、ステップS2に戻って上記の処理を繰り返す。しかし、これによっても電圧Vが下限値V2未満である場合は(S6のNO)、予め定めた優先順位の一番低い負荷の負荷接続/遮断手段を通信回線を介して遮断する(S7)。そして、ステップS6に戻り、電圧Vが下限値V2以上か否かを判断する。まだ電圧Vが下限値V2未満である場合は(S6のNO)、優先順位が2番目に低い負荷の負荷接続/遮断手段を通信回線を介して遮断する(S7)。このようにして、電圧Vが下限値V2以上になるまで繰り返す。電圧Vが下限値V2以上になると(S6のYES)、ステップS2に戻り上記処理を繰り返す。
以上のように制御することにより、マイクログリッド内の重要な負荷を停止することなく連続して継続して稼働できるようになる。
電力系のフライホイール効果は、その系統に接続されている回転子の全慣性モーメントをI、回転角速度をω(すなわち、基本周波数fが50Hzの場合は、ω0=2πf=約314ラジアン/秒である。)とすると、回転子の運動エネルギーEは、E=Iω2/2となり、エネルギーを放出し低下すると、回転速度が低下する。
電力系に流入する電力をPinとし、消費する電力Poutとすると
このMを、系統の慣性定数といい、数3式は動揺方程式と呼ばれる。
安定度の解析には、しばしば単位慣性定数Hが用いられ、Sを同期機の定格容量とすれば、H=E/S=M/2S で表される。回転エネルギーと回転数変化スピードはこの単位慣性定数Hで変化すると言える。一般の電力発電機、水車発電機では、Hの値は、3〜4、タービン発電機では5〜8[kW・s/kVA]である。
(出典:「電力系統」 林 泉著 昭晃堂 P.119〜121)
周波数偏差=Δω/ω0=∫(Pin−Pout)dt/M から、
M=∫(Pin−Pout)dt/0.05=20×∫(Pin−Pout)dt
という簡単な関係になる。すなわち、入出力の差のエネルギー量の10倍の慣性エネルギーが必要である。
M=δ(5000kW−2500kW)/0.05=δ×50MJ
ここで、2秒(δ=2)の猶予で漸次直線的に負荷遮断されるとすると、25MJの慣性エネルギーを持つフライホイールが必要である。
E=πρhω2×r4/4
ここに、ρは円盤の比重、hは円盤の厚さ、ωは回転角速度である。
例えば、厚さh=0.17m、半径r=1m、 材質:鉄(ρ=7.85)、 回転数=1500rpm、周速=157m/s、蓄積エネルギーは、E=25MJである。これは、出力2500kW、1500rpmの誘導機の軸に、半径1mの鉄の円盤を1枚設置すると可能になる。
そのフライホイール付き誘導機は、モデル実験での写真(図4)のようにモーター軸に前後に分けて置いても可能である。
1)通信回線を介してマイクログリッド内の電力負荷の起動/停止を制御するが、電力負荷の現在の使用状態を常時監視して、電力系統からの電力が途絶えた場合、マイクログリッド内の電圧を所定の範囲内に収めるために、第一に進相コンデンサの入り切り、静止型無効電力補償装置(SVC)の制御、そして、本発明の特徴である負荷側を優先順位で入り切りする。
2)平常時でも、制御システムはマイクログリッドの周波数、電力総量、電圧を監視して、大きい負荷の起動時の電力パターンを考慮して投入と併せて電圧の安定化を優先し、周波数はフライホイール効果に任せる制御を行う。
3)マイクログリッド内電力が風力発電や太陽光発電の場合、その発電量が時間ごとに変動するが、常時監視して、制御手段は発電力に合わせて負荷の接続量を制御してフライホイール付き誘導機のフライホイール効果で電力周波数の安定を図る。
4)その他、受電電力と受電契約電力量を越えないように監視するデマンド制御、マイクログリッド内の発電設備と発電コストと受電電力のコストとの関係を考慮した経済運用を行うプログラム制御等の機能も当然ながら備えている。本発明とは直接関係ないので、詳しい説明は省略する。
負荷を遮断すれば、数サイクル以内に電圧が上昇する。本発明の制御システムは、電圧を周波数より優先して安定化させ、重要負荷の運転を継続させることに特徴がある。
マイクログリッド内の発電設備の電圧制御能力と過負荷耐量を増強するのがフライホイール付き誘導機である。
Claims (4)
- 外部の電力系統と接続され、発電設備を備えた複数の分散型電源及び複数の負荷を備え、平常時は前記電力系統から供給される電力がバッファとなって協調運転を行うマイクログリッドの制御システムにおいて、該制御システムは、
前記マイクログリッドの電圧を常時監視する電圧監視手段と、
平常時は前記マイクログリッドからの電力の供給を受けて回転待機し、前記電力系統の瞬低又は停電時には発電機となって前記マイクログリッドに補完電力を供給するフライホイール付き誘導機と、
前記負荷ごとに設けられた前記マイクログリッドへの接続又は遮断を行う負荷接続/遮断手段と、
前記各負荷接続/遮断手段のオン/オフを通信回線を介して制御する制御手段と、
を備えるとともに、
前記制御手段が、
前記電圧監視手段で検知した電圧が所定の値よりも低い場合は、前記電圧が所定の範囲内に収まるように前記負荷接続/遮断手段をあらかじめ定めた優先順位に従ってリアルタイムにオフし、
前記電圧監視手段で検知した電圧が所定の値よりも高い場合は、前記電圧が所定の範囲内に収まるように前記負荷接続/遮断手段をあらかじめ定めた優先順位に従ってリアルタイムにオンすることを特徴とするマイクログリッドの制御システム。 - 前記フライホイール付き誘導機に接続され、前記フライホイール付き誘導機に進相電流を供給する進相電流供給手段をさらに備え、前記制御手段が、前記進相電流を調整することにより前記フライホイール付き誘導機で発電した電力の電圧を調整することを特徴とする請求項1に記載のマイクログリッドの制御システム。
- 前記電力系統の電圧を監視する系統電圧監視手段と、
前記電力系統の前記マイクログリッドへの接続又は遮断の切換えを行う系統接続手段と、
をさらに備え、前記制御手段が、
前記系統電圧監視手段が停電を検知した時に、前記系統接続手段により前記電力系統と前記マイクログリッドの接続を遮断するとともに、
前記系統電圧監視手段が停電からの復帰を検知した時に、前記系統接続手段により前記電力系統と前記マイクログリッドの接続を復活させることを特徴とする請求項1又は2に記載のマイクログリッドの制御システム。 - 前記フライホイール付き誘導機を、インバータを備えた二次電池で置き換えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のマイクログリッドの制御システム。
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