JP6827224B1 - 通信回線を利用した電力系統安定化システム - Google Patents
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Abstract
【課題】現状稼動している電力系統の安定化装置と連係しつつ、分散電源の発電電力の変動によって系統に周波数の擾乱が生じないようにする。【解決手段】分散電源２０の変動する発電電力総量を通信回線４０によって計測して、電力系統の従来の周波数制御に影響を与えないように、通信回線４０を介して、出力変動しても最終的機能を損なわない電気温水器等の特定の負荷１３を制御し、変動を吸収するように電力計測制御装置３０によって統括制御することで、変動電力の影響を回避するシステムにおいて、特定の負荷のオン／オフを時分割の三角波比較ＰＷＭ制御で行う場合に、各負荷における三角波の位相を遅らせる行うことを特徴とする。【選択図】図１
Description
本発明は、再生可能エネルギー等の分散電源の電力変動が電力系統に周波数擾乱を与えないように、当該電力系統へ流入する分散電源の発電電力の総量と、その電力の変動分を補償するオン／オフ制御可能な特定の負荷（以下単に「特定の負荷」という。）の消費電力総量を、通信回線を介して常に監視し、それらが一致するように特定の負荷の消費電力を通信回線を介して統括集中制御する電力系統安定化システムに関し、特に、多数の特定の負荷のオン／オフ制御を行う場合に、電力系統に深刻な電圧変動、周波数変動が起きないように制御することを特徴とした通信回線を利用した電力系統安定化システムに関する。
電力系統の周波数は総消費電力に等しい発電量に常に一致するように制御されなければならず、差がある場合、数秒から数十秒の時定数で目標値である５０ヘルツまたは６０ヘルツから時間変化することになる。その時定数は、電力系統に接続された発電機と共に回転する回転機の運動エネルギーによる。現状では周波数安定化に掛かる発電量の制御可能な発電手段は、数秒から数十秒の時定数で制御可能な手段として、高速調整可能な水力発電が担当している。 現状、原子力発電では一定の発電を行ない、火力は電力消費の予測と計画に応じて計画的発電を行なう。計画的発電から、高速な対応が可能な水力発電のみが出力制御を周波数のフィードバック制御を行なうがこの量は全体の１０％程度で十分であった。
電源周波数が変動すると位相が変動して、送電線で連系する他の電力系統からの電力潮流が変化し、他の電力系統に擾乱が波及するとともに、連系送電線に過電流が発生するなど、障害が発生するので、これを避けなければならない。
周波数の制御は計画的な発電所の運用をベースに、時時刻刻の変化に対して、目標周波数を維持するように、周波数制御のために水力発電や揚水発電、さらに火力発電所の出力を変化させている。
自動制御機能によって周波数を安定した精度範囲に制御することは、従来の系統安定化制御装置にとってそれほど困難ではない。たとえば、目標値の０．０５Ｈｚの変動以内で運転されている。
周波数の制御は計画的な発電所の運用をベースに、時時刻刻の変化に対して、目標周波数を維持するように、周波数制御のために水力発電や揚水発電、さらに火力発電所の出力を変化させている。
自動制御機能によって周波数を安定した精度範囲に制御することは、従来の系統安定化制御装置にとってそれほど困難ではない。たとえば、目標値の０．０５Ｈｚの変動以内で運転されている。
しかし、かなりの容量の負荷が突然投入された場合、過渡的状態では周波数が低下し、過渡状態を脱するのに数秒の時間を必要とする。
同様に、発電電力の予測が困難な風力発電などの再生可能エネルギーは、今後、重要なエネルギー源として電力系統に接続される模様であるが、この普及が進めば周波数変動要因になる。また、太陽光発電は昼にピークとなって、かつ電力系統に占める割合が大きくなると周波数を制御する変動分を火力発電の削減で賄うか、さもなければ、太陽光発電を制限するしかなく、なんらかの補償手段が必要となる。
同様に、発電電力の予測が困難な風力発電などの再生可能エネルギーは、今後、重要なエネルギー源として電力系統に接続される模様であるが、この普及が進めば周波数変動要因になる。また、太陽光発電は昼にピークとなって、かつ電力系統に占める割合が大きくなると周波数を制御する変動分を火力発電の削減で賄うか、さもなければ、太陽光発電を制限するしかなく、なんらかの補償手段が必要となる。
変動を高速に補償する能力のある水力発電などが極端に少ない我が国の電力系統にとって、電力貯蔵など再生可能エネルギー由来の電力平準化手段が必要とされている。
変動発電電力が大きくなると、その補償用発電設備をそれに応じて用意する必要があるが、そのために電力系統にあらたな電力源を用意することが困難である場合は、風力発電や太陽光発電等の総量を抑えるしか周波数の安定を保つ方法はない。そのため、電力会社は、電力系統の周波数擾乱要因として、風力発電の参入を制限する必要が生じている。
変動発電電力が大きくなると、その補償用発電設備をそれに応じて用意する必要があるが、そのために電力系統にあらたな電力源を用意することが困難である場合は、風力発電や太陽光発電等の総量を抑えるしか周波数の安定を保つ方法はない。そのため、電力会社は、電力系統の周波数擾乱要因として、風力発電の参入を制限する必要が生じている。
そこで、風力発電機の出力変動により電力系統に発生する電力変動を抑制するための系統安定化装置が提案されている（下記特許文献１参照）。これは風力発電機側に設置されるものであり、これにより電力系統に安定した電力を出力することが可能となるが、風力発電機ごとに設置する必要があり、また設置コストも高いため普及には困難がある。
１９８０年ごろから、夜間電力貯蔵のための揚水発電所において、揚水運転時に揚水出力を周波数調整に利用する可変速揚水発電が世界に先駆けて実用化されている。これは、我が国の原子力発電は負荷追従運転を行わないため、その比率が増えるにつれて夜間の電力調整能力が不足する事態になったためでもある。昨今の原子力発電が停止している状態では、この可変速揚水発電は太陽光発電の対応で運転されるべきである。
このように、負荷側での調整能力を、電力系統に存在する一般負荷に求めることは、２１世紀の省エネ社会では当然要請されることと思われる。例えば、数百万台も普及している電気温水器は、３０％程度の出力調整で温水器本来の機能（湯を沸かすこと）を失うことがないように時分割制御できるので、これをインターネットなどの通信手段で統括集中制御することが可能である。
このように、負荷側での調整能力を、電力系統に存在する一般負荷に求めることは、２１世紀の省エネ社会では当然要請されることと思われる。例えば、数百万台も普及している電気温水器は、３０％程度の出力調整で温水器本来の機能（湯を沸かすこと）を失うことがないように時分割制御できるので、これをインターネットなどの通信手段で統括集中制御することが可能である。
そこで、分散電源の発電電力の変動を直接抑制する代わりに、系統全体の需給バランスから必要な可制御負荷の消費電力量の総量を判断し、消費電力調節を行わせる可制御負荷を選定し、消費電力指令を送信する系統情報監視システムが提案されている（下記特許文献２参照）。
しかしながら、このシステムは、大電力系統に連なる配電系統情報監視システムの構築を目的としているので、大電力系統全体の制御を行う中央給電指令所と同じ権限をもつ情報監視システムでなければうまくいかない、全体制御を目的としたシステムである。
しかしながら、このシステムは、大電力系統に連なる配電系統情報監視システムの構築を目的としているので、大電力系統全体の制御を行う中央給電指令所と同じ権限をもつ情報監視システムでなければうまくいかない、全体制御を目的としたシステムである。
かかる従来のシステムの問題点を解決するものとして、再生可能エネルギー等の分散電源の電力変動が電力系統に周波数擾乱を与えないように、電力系統の周波数を制御する従来からの系統安定化装置と連係しつつ、当該電力系統へ流入する分散電源の発電電力の総量と、その変動を補償する制御可能な特定の負荷の消費電力総量を通信回線を介して常に監視し、それらが一致するように特定の負荷の消費電力を通信回線を介して統括集中制御する電力系統安定化システムが本発明者によって出願されて特許されている（下記特許文献３参照）。
すなわち、分散電源の発電電力変動に見合うだけの負荷側の消費電力変動があれば、実質変動分が相殺されるので、系統全体としは、（分散電源の発電電力変動に起因する）周波数の擾乱はなくなるということに着目したものである。なお、特定の負荷とは、このような負荷の消費電力制御を許容する契約をした特定の需要家の負荷を指す。例えば、全国に累計８００万台（電力中央研究所報告２０１７年によると電気給湯器の台数は１９９５年から２０１５年まで累計８００万台。そのうち３００万台はヒーター電気式、５００万台はエコキュート、これは原発１６基分になる）普及していると思われる電気温水器や、エアコン等、湯を沸かしたり、室温の調節を行ったりする等の本来の機能が満たされていれば多少の消費電力変動があっても問題がないような負荷である。さらに例をあげると、自動販売機の冷蔵コンプレッサー、河川排水機や農業用水の汲み上げポンプも一定の電力で運転を行うことは必ずしも必須ではない。コンプレッサーやポンプ出力を数十秒周期で停止・変動させても運転に支障が無いからである。
しかしながら、かかる特定の負荷のオン／オフ制御をどのようにしたら自然エネルギーの負荷変動に合わせることができるかが問題である。例えば、多数の特定の負荷のオン又はオフを同時に行えば、却って急激な負荷変動によってローカルな電力系に電圧変動をもたらすことが予想されるからである。
本発明は、上記特許文献３の通信回線を利用した電力系統安定化システムにおいて、複数の特定の負荷のオン／オフ制御を行う場合に、電力系統に深刻な電圧変動、周波数変動が起きないように制御することを特徴とした通信回線を利用した電力系統安定化システムを提供することを目的とする。
本発明は、電力系統に接続された複数の特定の負荷（以下この段落において「負荷」という。）の消費電力を通信回線を介して制御し、前記電力系統の周波数安定化を図る、通信回線を利用した電力系統安定化システムにおいて、該システムは、 前記電力系統に接続される数秒以上の周期で電力変動する発電電力を供給する一又は複数の分散電源と、前記各分散電源の発電電力を検出し時刻情報を含む発電電力情報を前記通信回線に送出する、前記分散電源ごとに設けられた発電電力検出部と、前記電力系統に接続された複数の負荷の消費電力を検出し時刻情報を含む消費電力情報を前記通信回線に送出するとともに、前記負荷の個別調整制御を行う、前記負荷ごとに接続された消費電力計測制御端末と、前記各発電電力検出部からの発電電力情報を前記通信回線を介して取得し、前記すべての分散電源の発電電力の時系列の発電量の総量を計測する発電電力変動計測監視手段と、前記各消費電力計測制御端末からの消費電力情報を前記通信回線を介して取得し、前記消費電力の時系列の総量を計測する負荷電力変動計測監視手段と、前記発電電力変動計測監視手段が所定時間内に次の発電電力情報を取得できなかったことを前記時刻情報に基づき判断し、該発電電力情報が取得できなかった場合にはそれ以前に取得した発電電力情報に基づいて次の発電電力情報を予測演算する電力変動予測手段と、前記分散電源の発電電力（前記予測演算された発電電力を含む。）の時系列の総量と前記消費電力の時系列の総量とが一致するように、前記負荷の調整制御を前記通信回線を介して前記消費電力計測制御端末に指令して行わせる負荷調整制御手段と、を備えるとともに、
前記各消費電力計測制御端末が、前記負荷のオン／オフを行う遠隔スイッチを備え、
前記時系列の発電量の時系列の総量と前記各負荷の時系列の消費電力値の総量とから、前記負荷調整制御手段が時系列の消費電力指令値を算出し、
前記負荷調整制御手段が、前記消費電力指令値に基づいて時分割の三角波比較ＰＷＭ制御により、前記各遠隔スイッチのオン／オフ指令信号を生成し、かつ、前記三角波比較ＰＷＭ制御における参照三角波の位相が、３６０°を前記負荷の台数で割った角度分だけ前記各負荷ごとに順次遅れていき、前記オン／オフ指令信号によって前記遠隔スイッチを制御するものであり、
前記発電電力検出部、消費電力計測制御端末、発電電力変動計測監視手段、負荷電力変動計測監視手段、電力変動予測手段、及び負荷調整制御手段が前記通信回線を介して相互に通信可能に接続されたことを特徴とする。
前記各消費電力計測制御端末が、前記負荷のオン／オフを行う遠隔スイッチを備え、
前記時系列の発電量の時系列の総量と前記各負荷の時系列の消費電力値の総量とから、前記負荷調整制御手段が時系列の消費電力指令値を算出し、
前記負荷調整制御手段が、前記消費電力指令値に基づいて時分割の三角波比較ＰＷＭ制御により、前記各遠隔スイッチのオン／オフ指令信号を生成し、かつ、前記三角波比較ＰＷＭ制御における参照三角波の位相が、３６０°を前記負荷の台数で割った角度分だけ前記各負荷ごとに順次遅れていき、前記オン／オフ指令信号によって前記遠隔スイッチを制御するものであり、
前記発電電力検出部、消費電力計測制御端末、発電電力変動計測監視手段、負荷電力変動計測監視手段、電力変動予測手段、及び負荷調整制御手段が前記通信回線を介して相互に通信可能に接続されたことを特徴とする。
本発明に係る通信回線を利用した電力系統安定化システムによれば、複数の特定の負荷のオン／オフ制御を行う場合に、電力系統に深刻な電圧変動、周波数変動が起きないように制御することが可能になる。
図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明に係る通信回線を利用した電力系統安定化システムの実施形態を示すシステム構成図である。
電力系統１０には、火力発電、水力発電又は原子力発電等の一般発電設備１１が含まれ、一般家庭や工場等の一般負荷設備１２が接続されている。また、図示しない周波数安定化装置も接続されている。
図１は、本発明に係る通信回線を利用した電力系統安定化システムの実施形態を示すシステム構成図である。
電力系統１０には、火力発電、水力発電又は原子力発電等の一般発電設備１１が含まれ、一般家庭や工場等の一般負荷設備１２が接続されている。また、図示しない周波数安定化装置も接続されている。
また、電力系統１０には、太陽光発電装置或いは風力発電機等の分散電源２０が連系され、これによって発電された電力が電力系統１０に供給されるようになっている。分散電源２０には発電電力を検出する発電電力検出部２１が接続されている。
さらに、電力系統１０には、後述の電力計測制御装置３０によって消費電力を制御することを許容する契約をした特定の需要家の負荷である“特定の負荷１３”が複数接続されている。特定の負荷１３には、消費電力の検出を行うとともに、負荷のオンオフ制御を行う遠隔制御スイッチ（不図示）を備えた消費電力計測制御端末１４が接続されている。
さらに、電力系統１０には、後述の電力計測制御装置３０によって消費電力を制御することを許容する契約をした特定の需要家の負荷である“特定の負荷１３”が複数接続されている。特定の負荷１３には、消費電力の検出を行うとともに、負荷のオンオフ制御を行う遠隔制御スイッチ（不図示）を備えた消費電力計測制御端末１４が接続されている。
電力計測制御装置３０は、分散電源２０の発電電力の時系列の総量と、特定の負荷１３の消費電力の時系列の総量とが一致するように制御するものであり、発電電力検出部２１ 、消費電力計測制御端末１４及び電力計測制御装置３０の通信制御手段３１が、インターネット通信網などの通信回線４０を介して相互に通信可能に接続されている。
ここで、電力計測制御装置３０は、通信回線４０を介して分散電源２０の発電電力情報を取得し、発電電力の時系列の発電量の総量を計測する発電電力変動計測監視手段３２と、通信回線４０を介して消費電力情報を取得し、消費電力の時系列の総量を計測する負荷電力変動計測監視手段３３と、発電電力の時系列の総量と消費電力の時系列の総量とが一致するように特定の負荷１３をオン／オフすることにより、負荷の調整制御を行う負荷調整制御手段３４と、通信回線４０の通信遅れによって所定時間内に次の発電電力情報が取得できなかった場合に、それ以前に取得した発電電力情報を基にして次の発電電力情報を予測演算する電力変動予測手段３５を備えている。
ここで、電力計測制御装置３０は、通信回線４０を介して分散電源２０の発電電力情報を取得し、発電電力の時系列の発電量の総量を計測する発電電力変動計測監視手段３２と、通信回線４０を介して消費電力情報を取得し、消費電力の時系列の総量を計測する負荷電力変動計測監視手段３３と、発電電力の時系列の総量と消費電力の時系列の総量とが一致するように特定の負荷１３をオン／オフすることにより、負荷の調整制御を行う負荷調整制御手段３４と、通信回線４０の通信遅れによって所定時間内に次の発電電力情報が取得できなかった場合に、それ以前に取得した発電電力情報を基にして次の発電電力情報を予測演算する電力変動予測手段３５を備えている。
以上の構成において、本発明に係る通信回線を利用した電力系統安定化システムの動作について説明する。
分散電源２０で発電された電力が発電電力検出部２１で検出されるとともに時刻データとともにリアルタイムで通信回線４０を介して、電力計測制御装置３０に送られ、発電電力変動計測監視手段３２において、時系列の発電電力の総量が計測される。
また、特定の負荷１３に接続された消費電力計測制御端末１４からは各負荷の消費電力情報が時刻データとともにリアルタイムで送られ、負荷電力変動計測監視手段３３において、時系列の消費電力の総量が計測される。
分散電源２０で発電された電力が発電電力検出部２１で検出されるとともに時刻データとともにリアルタイムで通信回線４０を介して、電力計測制御装置３０に送られ、発電電力変動計測監視手段３２において、時系列の発電電力の総量が計測される。
また、特定の負荷１３に接続された消費電力計測制御端末１４からは各負荷の消費電力情報が時刻データとともにリアルタイムで送られ、負荷電力変動計測監視手段３３において、時系列の消費電力の総量が計測される。
発電電力変動計測監視手段３２において計測された時系列の発電電力の総量と、負荷電力変動計測監視手段３３で計測された各負荷の消費電力値の時系列の総量とから、負荷調整制御手段３４で消費電力指令値を算出し、通信回線４０を介して消費電力計測制御端末１４によって特定の負荷１３の遠隔制御スイッチを制御して全体の消費電力を調整制御する。
複数の特定の負荷の遠隔制御スイッチを同時にオン／オフすると、電圧変動の問題が発生するので、この遠隔スイッチ制御シーケンスが問題となる。これについては後述する。
具体的には、分散電源２０の発電電力の変動分を特定の負荷１３の台数分で等しく負担するために、それを各々の特定の負荷１３の消費電力指令値に割り振る。あるいは、負荷（湯沸かし器等）の状態（お湯の温度）をリアルタイムに計測し、湯温度の低い負荷に多くを振り向けるようにしてもよい。振分けの仕方は予め設定されたプログラムによって制御される。
特定の負荷１３は系統に多数あるので、一台あたりの負担はわずかであり、本来の機能は十分果たすように制御することができる。
その結果、分散電源で発生した電力は、間接的に特定の負荷１３で消費されたことになる。
複数の特定の負荷の遠隔制御スイッチを同時にオン／オフすると、電圧変動の問題が発生するので、この遠隔スイッチ制御シーケンスが問題となる。これについては後述する。
具体的には、分散電源２０の発電電力の変動分を特定の負荷１３の台数分で等しく負担するために、それを各々の特定の負荷１３の消費電力指令値に割り振る。あるいは、負荷（湯沸かし器等）の状態（お湯の温度）をリアルタイムに計測し、湯温度の低い負荷に多くを振り向けるようにしてもよい。振分けの仕方は予め設定されたプログラムによって制御される。
特定の負荷１３は系統に多数あるので、一台あたりの負担はわずかであり、本来の機能は十分果たすように制御することができる。
その結果、分散電源で発生した電力は、間接的に特定の負荷１３で消費されたことになる。
本発明においては、発電量や電力消費量を正確に時間遅れなく計測制御することが制御の要になるが、通信回線の時間遅れは、状況によって変化するし、制御の機器の種類によって、個々に異なる場合がある。
発電電力の変動分を特定の負荷の消費電力を調整することによっても補償できない場合があるが、発電電力と消費電力の大きさが一致しても時間遅れが生じると周波数変動が現れるからである。
発電電力の変動分を特定の負荷の消費電力を調整することによっても補償できない場合があるが、発電電力と消費電力の大きさが一致しても時間遅れが生じると周波数変動が現れるからである。
そこで、これを回避するために、計測には、すべて正確な時間データをつけて行い、時系列データの解析から電力計測制御装置３０内の電力変動予測手段３５により、発電電力の予測値を求めて、それに基づいて消費電力指令値を算出し、これを目標に負荷の制御を行えばこの問題を回避する事ができる。具体的には、図２に示すとおりである。発電電力の予測は、例えば、直前の３つのデータを用いて直線補間法によって次のデータを予測し、送れてきた実際のデータを用いて該予測データを補正し、さらに次のデータを予測するようにしてもよい。
実施例として、電力計測制御装置３０は、通信回線４０を介して、複数の風力発電業者から、０．５秒間隔で電力系統への発電電力量Ｐｒを受け取り、その分の消費電力を既に契約している多数の特定需要家の電気温水器に取り付けた消費電力計測制御端末１４により、出力制御され、その結果の電力使用量Ｐｃが返される。通信と制御の時間遅れは０．５秒を想定している。
図３は、本発明に係る通信回線を利用した電力系統安定化システムの第２実施形態を示すシステム構成図であり、電力系統をまたいで、発電電力の変動を他の電力系統に接続された特定の負荷で調整する場合の概念を示す図である。電力系統の連系線の電力潮流はこのシステムによる電力託送により変化するが、それによって、各々の電力系統は周波数制御や位相制御をしなくてよいことがわかる。その情報を系統連系制御装置（不図示）がわかっていれば、実際の動作は何もしなくて良いことになる。
図４は、本発明に係る通信回線を利用した電力系統安定化システムの第３実施形態を示すシステム構成図であり、電力貯蔵装置として、短時間に充放電可能なフライホイール付可変速発電機６０がある場合を示している。
発電電力の急激な変動時に特定の負荷の消費電力の調整制御で補償し切れない分を、可変速発電機のフライホイールでエネルギーを充放電させて調整を行うものである。また、通信などの渋滞によって制御遅れが生じている場合、緊急に可変速発電機のフライホイールにエネルギーを充放電させてシステムの信頼性をあげる場合もある。この場合、フライホイールのエネルギーや充放電容量は制御遅れの分だけで良く、エネルギーが極端に小さく、また蓄積時間も数秒から長くて１分と考えられるので、フライホイールシステムがもっともコストメリットがある電力貯蔵装置であると言える。
なお、通信回線の例としてインターネットを挙げたが、イントラネットでもよいことは言うまでもない。
発電電力の急激な変動時に特定の負荷の消費電力の調整制御で補償し切れない分を、可変速発電機のフライホイールでエネルギーを充放電させて調整を行うものである。また、通信などの渋滞によって制御遅れが生じている場合、緊急に可変速発電機のフライホイールにエネルギーを充放電させてシステムの信頼性をあげる場合もある。この場合、フライホイールのエネルギーや充放電容量は制御遅れの分だけで良く、エネルギーが極端に小さく、また蓄積時間も数秒から長くて１分と考えられるので、フライホイールシステムがもっともコストメリットがある電力貯蔵装置であると言える。
なお、通信回線の例としてインターネットを挙げたが、イントラネットでもよいことは言うまでもない。
次に、遠隔スイッチの制御シーケンスについて説明する。
図５は、三角波比較ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）の制御ブロック図である。電気温水器などオン／オフで制御可能な特定の負荷であるヒーター式の電力負荷をオン／オフの時間配分で制御する。ここで参照三角波の位相をΔ遅らせることが特徴である。負荷ごとにこの位相Δを変えることで、負荷ごとのオン／オフのタイミングをずらすことができる。
すなわち、負荷調整制御手段３４の中に設けられた負荷ごとの比較器１５のプラス（＋）端子には消費電力指令値の参照レベルが、比較器１５のマイナス（−）端子には参照三角波がそれぞれ入力され、消費電力指令値の参照レベルと参照三角波が比較されて、前者が大きい時は比較器１５の出力は１となり、後者が大きい時は比較器１５の出力は０となる。この「１」と「０」の信号が遠隔スイッチの「オン」と「オフ」の指令信号に対応しており、インターネット通信網４０を介して、特定の負荷１３の消費電力計測制御端末１４にある遠隔スイッチを制御する。
図５は、三角波比較ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）の制御ブロック図である。電気温水器などオン／オフで制御可能な特定の負荷であるヒーター式の電力負荷をオン／オフの時間配分で制御する。ここで参照三角波の位相をΔ遅らせることが特徴である。負荷ごとにこの位相Δを変えることで、負荷ごとのオン／オフのタイミングをずらすことができる。
すなわち、負荷調整制御手段３４の中に設けられた負荷ごとの比較器１５のプラス（＋）端子には消費電力指令値の参照レベルが、比較器１５のマイナス（−）端子には参照三角波がそれぞれ入力され、消費電力指令値の参照レベルと参照三角波が比較されて、前者が大きい時は比較器１５の出力は１となり、後者が大きい時は比較器１５の出力は０となる。この「１」と「０」の信号が遠隔スイッチの「オン」と「オフ」の指令信号に対応しており、インターネット通信網４０を介して、特定の負荷１３の消費電力計測制御端末１４にある遠隔スイッチを制御する。
図６は、負荷ごとに位相の遅れに差があって、オンオフのタイミングが重ならないことを説明するための図である。
これは消費電力指令が一定の場合、オンオフ制御対象の特定の負荷が多数あれば、総合して負荷が連続的に変化しているようになっている。
例えば、制御対象となる特定の負荷がＭ台あった場合、１周期（３６０°）をＭで割ったものが１台あたりの位相の遅れの差になる。
従って、特定の負荷に番号を振り、例えば、１，２，…Ｍとすると、
１番目の位相遅れは、３６０°／Ｍ
２番目の位相遅れは、３６０°／Ｍ×２
・・・・・・
Ｎ番目の位相遅れは、３６０°／Ｍ×Ｎ
（Ｎ＋１）番目の位相遅れは、３６０°／Ｍ×（Ｎ＋１）
・・・・・・
Ｍ番目の位相遅れは、３６０°／Ｍ×Ｍ＝３６０°（位相遅れなし）
となる。
これは消費電力指令が一定の場合、オンオフ制御対象の特定の負荷が多数あれば、総合して負荷が連続的に変化しているようになっている。
例えば、制御対象となる特定の負荷がＭ台あった場合、１周期（３６０°）をＭで割ったものが１台あたりの位相の遅れの差になる。
従って、特定の負荷に番号を振り、例えば、１，２，…Ｍとすると、
１番目の位相遅れは、３６０°／Ｍ
２番目の位相遅れは、３６０°／Ｍ×２
・・・・・・
Ｎ番目の位相遅れは、３６０°／Ｍ×Ｎ
（Ｎ＋１）番目の位相遅れは、３６０°／Ｍ×（Ｎ＋１）
・・・・・・
Ｍ番目の位相遅れは、３６０°／Ｍ×Ｍ＝３６０°（位相遅れなし）
となる。
消費電力指令値の参照レベルは、負荷電力変動計測監視手段３３で計測された各負荷の消費電力値の時系列の総量に応じて変更することが必要となる場合がある。
図７は、消費電力指令値と実際の消費電力の総和との差を見て、消費電力指令値の参照レベルを変えるフローチャートを示すものである。
個々の負荷の消費電力はそれぞれ同じではなく、また、時間的にも変化する。極端な場合は停止している場合もある。すると、各消費電力が通信系統を介して集まってくるがその総和が足りない場合、参照レベルを上げる（逆の場合は下げる）というサイクルを繰り返すことで消費電力指令値どおりの消費電力となる。
図７は、消費電力指令値と実際の消費電力の総和との差を見て、消費電力指令値の参照レベルを変えるフローチャートを示すものである。
個々の負荷の消費電力はそれぞれ同じではなく、また、時間的にも変化する。極端な場合は停止している場合もある。すると、各消費電力が通信系統を介して集まってくるがその総和が足りない場合、参照レベルを上げる（逆の場合は下げる）というサイクルを繰り返すことで消費電力指令値どおりの消費電力となる。
図７を参照しながら具体的に説明する。
まず、最初の消費電力指令値Ｐｄを読み込む（Ｓ１０１）。次に、負荷電力変動計測監視手段３３で計測された各負荷の消費電力値の時系列の総量Ｐｓを読み込む（Ｓ１０２）。
次に、ＰｄとＰｓとの差が所定の範囲（δ）内に入っているかをチェックする（Ｓ１０３）。δは、例えば、消費電力値の時系列の総量Ｐｓによって決めるが、５％以内とする。
もし、所定の範囲に入っていなければ（Ｓ１０３のＮｏ）、消費電力指令値Ｐｄの参照レベルを変更して（Ｓ１０４）、ステップＳ１０５に移行して、変更後の参照レベルと参照三角波との比較を行う（Ｓ１０５）。
これに対して、ＰｄとＰｓとの差が所定の範囲（δ）内に入っている場合は（Ｓ１０３のＹｅｓ）、消費電力指令値Ｐｄの参照レベルと参照三角波との比較を行う（Ｓ１０５）。この比較シーケンスは図５で説明したとおりである。
比較器１５の出力をインターネット通信網４０を介して送信し（Ｓ１０６）、特定の負荷１３の消費電力計測制御端末１４にある遠隔スイッチを制御する。
そして、ステップＳ１０２に戻り、最新の消費電力値の総量Ｐｓを読み込み、以降の処理を繰り返す。
まず、最初の消費電力指令値Ｐｄを読み込む（Ｓ１０１）。次に、負荷電力変動計測監視手段３３で計測された各負荷の消費電力値の時系列の総量Ｐｓを読み込む（Ｓ１０２）。
次に、ＰｄとＰｓとの差が所定の範囲（δ）内に入っているかをチェックする（Ｓ１０３）。δは、例えば、消費電力値の時系列の総量Ｐｓによって決めるが、５％以内とする。
もし、所定の範囲に入っていなければ（Ｓ１０３のＮｏ）、消費電力指令値Ｐｄの参照レベルを変更して（Ｓ１０４）、ステップＳ１０５に移行して、変更後の参照レベルと参照三角波との比較を行う（Ｓ１０５）。
これに対して、ＰｄとＰｓとの差が所定の範囲（δ）内に入っている場合は（Ｓ１０３のＹｅｓ）、消費電力指令値Ｐｄの参照レベルと参照三角波との比較を行う（Ｓ１０５）。この比較シーケンスは図５で説明したとおりである。
比較器１５の出力をインターネット通信網４０を介して送信し（Ｓ１０６）、特定の負荷１３の消費電力計測制御端末１４にある遠隔スイッチを制御する。
そして、ステップＳ１０２に戻り、最新の消費電力値の総量Ｐｓを読み込み、以降の処理を繰り返す。
電力系統１０に接続され、停止または連続運転を選択している負荷を除く、通信系で制御される特定の負荷１３がＭ台あって、各負荷の消費電力がＰ０ｋ（ｋ＝１，２，…Ｍ）とすれば、オンオフ制御は、
制御周期時間Ｔのうち、ｄ×Ｔの間が稼働していれば、全消費電力は、
Ｐａｌｌ=Σ（Ｐ０ｋ×Ｍ×ｄ）
である。
各負荷が平等に電力削減を行なうには、時分割オンオフ制御のオンオフ比を同じにして、かつ非同期にして、重ならないように行えばよい。重ならないようにするためには、各負荷をある時間だけ遅らせて、本制御対象のすべての負荷を同じデューティ比：ｄでオンオフ制御を行なう。このようにすれば、全負荷を急変させる場合でも、時間遅れは無く負荷制御することができる。
制御周期時間Ｔのうち、ｄ×Ｔの間が稼働していれば、全消費電力は、
Ｐａｌｌ=Σ（Ｐ０ｋ×Ｍ×ｄ）
である。
各負荷が平等に電力削減を行なうには、時分割オンオフ制御のオンオフ比を同じにして、かつ非同期にして、重ならないように行えばよい。重ならないようにするためには、各負荷をある時間だけ遅らせて、本制御対象のすべての負荷を同じデューティ比：ｄでオンオフ制御を行なう。このようにすれば、全負荷を急変させる場合でも、時間遅れは無く負荷制御することができる。
実施例として制御周期時間は６分間と３０分デマンドの場合を想定して、計算機シミュレーションにより確認している。個別の負荷では、３６０秒（６分間）ごとに２８３秒オンして７７秒オフする。後半では２５６秒オフで、１０４秒オンの運転である。
図８は、特定の負荷が５台の場合を例に、位相差を持たせた三角波制御でスムーズな制御が可能なことを示す、負荷を直流にして時間軸は短縮したシミュレーション計算回路である。
三角波の位相は、３６０度を５つの負荷で割ると、それぞれ７２度遅れている。電源が１００Ｖで負荷は１０オームで摸擬している。すべての負荷がオンすれば１０Ａ×５＝５０Ａの電流が電源から流れる。消費電力は電流に比例するのでオンオフのデューティ比ｄが０．９ならば５０Ａ×ｄ＝５０×０．９＝４５Ａになればよい。
図８は、特定の負荷が５台の場合を例に、位相差を持たせた三角波制御でスムーズな制御が可能なことを示す、負荷を直流にして時間軸は短縮したシミュレーション計算回路である。
三角波の位相は、３６０度を５つの負荷で割ると、それぞれ７２度遅れている。電源が１００Ｖで負荷は１０オームで摸擬している。すべての負荷がオンすれば１０Ａ×５＝５０Ａの電流が電源から流れる。消費電力は電流に比例するのでオンオフのデューティ比ｄが０．９ならば５０Ａ×ｄ＝５０×０．９＝４５Ａになればよい。
図９は、シミュレーション計算の結果を示す。上段の波形は、個別の負荷の電流で、オンとオフを繰り返している、中段は、５つの負荷の制御三角波と消費電力指令値のラインを０と１の間の値で比較、オンオフを決定している。
下段の波形は制御された負荷電流の総量を示すが、消費電力指令値と同じ形で、電流のリップルは１つの負荷の電流以内になって、遅れなく追従しているのがわかる。
この図では、ゆっくりと変化する消費電力指令値に対して、全電流は速やかに追従してその電流の誤差は、負荷１台分がオンオフするのみで、電流波形が細かく変化していることがわかる。
下段の波形は制御された負荷電流の総量を示すが、消費電力指令値と同じ形で、電流のリップルは１つの負荷の電流以内になって、遅れなく追従しているのがわかる。
この図では、ゆっくりと変化する消費電力指令値に対して、全電流は速やかに追従してその電流の誤差は、負荷１台分がオンオフするのみで、電流波形が細かく変化していることがわかる。
図１０は、消費電力指令値がステップ的に変化した場合をシミュレーション計算している。０．９から０．２へステップ的に変化させたが、制御された全電流は遅れなく追従していることがわかる。この図より、三角波比較の参照レベルが下がると同時に、それに係るすべての負荷が瞬時にオフされるので、全電流が急減していることがわかる。
多数の負荷を位相を分散したデューティ制御すれば、その周期が３６０秒と長くても、電力指令がステップ的に急変した場合、それに遅れなく追従する。
多数の負荷を位相を分散したデューティ制御すれば、その周期が３６０秒と長くても、電力指令がステップ的に急変した場合、それに遅れなく追従する。
各家庭の末端までインターネットの常時接続などが標準になりつつあり、高速な通信手段の高度化と低コスト化によって、各家庭の負荷の端末（例えば分電盤など）に消費電力計測制御端末１４を設置することで、インターネットを介して１台の電力計測制御装置３０により運用可能である。
今後、電気自動車（ＥＶ）が本格的に普及していった場合、各家庭でＥＶの蓄電池に充電を行うケースが増えてくるが、このＥＶを「特定の負荷」の一つと考え、ＥＶの充電設備に消費電力計測制御端末１４を設置し、ＥＶの蓄電池への充電のオン／オフ制御を本発明に係るシステムを利用して行えば、電力系統の安定化に寄与することができる。
また、マンション等の共同のＥＶ充電設備等の場合にも、そこに消費電力計測制御端末１４を設置すれば同様に行うことができる。
なお、上記充電設備で充電する蓄電池は、ＥＶの蓄電池には限らないことは言うまでもない。
このように、本発明によって再生可能エネルギーによる電力の不安定性を、負荷側の制御で調整することが出来れば、再生可能エネルギーの利用がさらにすすむと考えられる。
今後、電気自動車（ＥＶ）が本格的に普及していった場合、各家庭でＥＶの蓄電池に充電を行うケースが増えてくるが、このＥＶを「特定の負荷」の一つと考え、ＥＶの充電設備に消費電力計測制御端末１４を設置し、ＥＶの蓄電池への充電のオン／オフ制御を本発明に係るシステムを利用して行えば、電力系統の安定化に寄与することができる。
また、マンション等の共同のＥＶ充電設備等の場合にも、そこに消費電力計測制御端末１４を設置すれば同様に行うことができる。
なお、上記充電設備で充電する蓄電池は、ＥＶの蓄電池には限らないことは言うまでもない。
このように、本発明によって再生可能エネルギーによる電力の不安定性を、負荷側の制御で調整することが出来れば、再生可能エネルギーの利用がさらにすすむと考えられる。
１０ 電力系統
１１ 一般発電設備
１２ 一般負荷設備
１３ 特定の負荷
１４ 消費電力計測制御端末
１５ 比較器
２０ 分散電源（風力発電機、太陽光発電装置）
２１ 発電電力検出部
３０ 電力計測制御装置
３１ 通信制御手段
３２ 発電電力変動計測監視手段
３３ 負荷電力変動計測監視手段
３４ 負荷調整制御手段
３５ 電力変動予測手段
４０ インターネット通信網
５０ 他の電力系統（ 第二電力系統）
６０ 電力貯蔵装置（ フライホイール付可変速発電機）
１１ 一般発電設備
１２ 一般負荷設備
１３ 特定の負荷
１４ 消費電力計測制御端末
１５ 比較器
２０ 分散電源（風力発電機、太陽光発電装置）
２１ 発電電力検出部
３０ 電力計測制御装置
３１ 通信制御手段
３２ 発電電力変動計測監視手段
３３ 負荷電力変動計測監視手段
３４ 負荷調整制御手段
３５ 電力変動予測手段
４０ インターネット通信網
５０ 他の電力系統（ 第二電力系統）
６０ 電力貯蔵装置（ フライホイール付可変速発電機）
Claims (5)
- 電力系統に接続された複数の特定の負荷（以下「負荷」という。）の消費電力を通信回線を介して制御し、前記電力系統の周波数安定化を図る、通信回線を利用した電力系統安定化システムにおいて、該システムは、
前記電力系統に接続される数秒以上の周期で電力変動する発電電力を供給する一又は複数の分散電源と、
前記各分散電源の発電電力を検出し時刻情報を含む発電電力情報を前記通信回線に送出する、前記分散電源ごとに設けられた発電電力検出部と、
前記電力系統に接続された複数の負荷の消費電力を検出し時刻情報を含む消費電力情報を前記通信回線に送出するとともに、前記負荷の個別調整制御を行う、前記負荷ごとに接続された消費電力計測制御端末と、
前記各発電電力検出部からの発電電力情報を前記通信回線を介して取得し、前記すべての分散電源の発電電力の時系列の発電量の総量を計測する発電電力変動計測監視手段と、
前記各消費電力計測制御端末からの消費電力情報を前記通信回線を介して取得し、前記消費電力の時系列の総量を計測する負荷電力変動計測監視手段と、
前記発電電力変動計測監視手段が所定時間内に次の発電電力情報を取得できなかったことを前記時刻情報に基づき判断し、該発電電力情報が取得できなかった場合にはそれ以前に取得した発電電力情報に基づいて次の発電電力情報を予測演算する電力変動予測手段と、
前記分散電源の発電電力（前記予測演算された発電電力を含む。）の時系列の総量と前記消費電力の時系列の総量とが一致するように、前記負荷の調整制御を前記通信回線を介して前記消費電力計測制御端末に指令して行わせる負荷調整制御手段と、
を備えるとともに、
前記各消費電力計測制御端末が、前記負荷のオン／オフを行う遠隔スイッチを備え、
前記時系列の発電量の時系列の総量と前記各負荷の時系列の消費電力値の総量とから、前記負荷調整制御手段が時系列の消費電力指令値を算出し、
前記負荷調整制御手段が、前記消費電力指令値に基づいて時分割の三角波比較ＰＷＭ制御により前記各遠隔スイッチのオン／オフ指令信号を生成し、かつ、前記三角波比較ＰＷＭ制御における参照三角波の位相が、３６０°を前記負荷の台数で割った角度分だけ前記各負荷ごとに順次遅れていき、前記オン／オフ指令信号によって前記遠隔スイッチを制御するものであり、
前記発電電力検出部、消費電力計測制御端末、発電電力変動計測監視手段、負荷電力変動計測監視手段、電力変動予測手段、及び負荷調整制御手段が前記通信回線を介して相互に通信可能に接続されたことを特徴とする、通信回線を利用した電力系統安定化システム。 - 前記分散電源が、再生可能エネルギーであることを特徴とする、請求項１に記載の通信回線を利用した電力系統安定化システム。
- 前記電力系統の中に、電力貯蔵装置として、短時間に充放電可能なフライホイール付可変速発電機を備え、前記発電電力の急激な変動時に前記特定の負荷の消費電力の調整制御で補償し切れない分を、前記可変速発電機のフライホイールでエネルギーを充放電させて調整を行う、請求項１又は２に記載の通信回線を利用した電力系統安定化システム。
- 前記特定の負荷が、前記電力系統に接続された第二の電力系統の中にあることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の通信回線を利用した電力系統安定化システム。
- 前記特定の負荷が、蓄電池の充電設備であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の通信回線を利用した電力系統安定化システム。
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