JP6863564B2 - 電力変換器、電力ネットワークシステムおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
このことを「同期」という。
1.技術革新による経済効果
2.中小規模独立電力系統の安定化効果
3.先進国電力系統の再生可能エネルギー比率向上
時刻同期系統内では、主たるインバータ電源が自立運転をするため、シンプルな装置となる。スマートグリッドに要求されるような重厚な通信手段、系統連系運転と自立運転の切り替え、単独運転防止保護システムや遠隔による発電停止手段などの複雑なシステムが不要になる。
東南アジアや南米、中国、アフリカなど電源系統の弱い地域では、従来型の火力・水力電源の追設と系統強化、配電網延伸という施策がとられているが、経済合理性が小さいため進展が遅い。そのため、飛び地的にディーゼル発電を中心とした中小規模電源系統(以下「セルグリッド」という。)が数多く生まれている。世界中に無数にある離島も同様である。
先進国では、すでにある同期電力系統の末端にあるセルグリッドを、時刻同期系統化し、従来系統とは非同期連系装置で接続することにより、時刻同期系統内に大量の再生可能エネルギー電源を取り込むことができるようになる。
本願発明の時刻同期電力系統は、極めて正確な時刻情報を基にインバータ電源が個別に時刻同期した基準周波数と基準電圧を同一位相で作り出し、それにより同期化力・慣性力を得る電力システムである。
AC200V単相、DC375VのAC/DC双方向インバータ(PWM制御方式、出力3kW)を製作し、内部時刻情報を古野製GPS世界時計による1秒ごとのPPS出力を使用して同期させ、3台を自立運転同期させた。
図1(b)に、本発明の一実施形態に係る時刻同期電力系統に従来の電力系統を非同期接続した場合の概念図を示す。図1(b)に示すように、時刻同期電力系統では周波数が固定化されるのに対し、従来の電力系統では、わずかながらも周波数が常に変動している。
時刻同期電力系統では、周波数が固定化されるため、図2(a)のような構成の電力系統において、図2(b)、(c)のようにベクトル図で負荷側、インバータ電源側の電圧・電流をそれぞれ表すことができる。ここで、E1,E2はそれぞれインバータ電源1,2の電圧である。X1,X2はインバータ電源の外部に位置するインピーダンスであり、柱上変圧器や配電線のインピーダンスを含んでいる。抵抗分も考慮しなくてはならないが、非常に小さいため、変圧器のリアクトル分と比較すると無視できると考えた。X1にはE1からE2の間の配電線のインピーダンスが含まれていると考える。X3とR3は負荷のインピーダンスでX3はリアクトル分、R3は抵抗分を表している。Vは配電線の電圧であると同時に負荷の電圧になり、同一の値を取る。
従来型の同期系統が“周波数変化を見ながら出力を瞬時々々調整して需給バランスを保たなければならない”のに対し、時刻同期電力系統では、“個々のインバータ電源が、自己の持つ正確な時刻により周波数と位相を基準値に維持しつつ、フィードバック回路により出力電圧を一定に保つことにより、その電力系統内での同期を保つ”革新的な電力系統であるため、周波数も電圧も安定で再生可能エネルギーを大量に導入することが可能となる。
(1)同一電力系統内のあらゆる場所で電圧が維持され、各インバータの出力は自動的に負荷を含めたインピーダンスにより自律分散的に調整される。
(2)接続するインバータ電源は外部時刻情報を基に作成した、自らの時刻情報により一定周波数、一定電圧の正弦波電力を独立に出力するだけであるため、自己完結型の自律制御となっている。
(3)従来の電力系統のように±0.2Hzというような周波数変動が原則なくなり、±0.0Hzで固定化されるうえ、電圧および位相も同一系統内で1つの基準値に固定化されて運用されるので、極めて高品質の電力となる。
(4)周波数は従来型同期系統で使用されていた値(たとえば50Hzあるいは60Hzなど)を踏襲することで既設電力設備を流用できる。
(5)新たにインバータ電源を接続するときに、周波数・位相・電圧の同期がとれているので電流をゼロにする操作を自動化すれば、プラグアンドプレイのように簡便に着脱可能となる。
(6)事故が起こると、近傍のインバータのみが低電圧や過電流になり、速やかにゲートブロックされ、事故電流の供給を止めることができる。インバータ電源の内蔵リアクトルにより事故電流が大きくならず系統内の遮断部の遮断容量が小さくて済む。
(7)速やかに遮断部で切り分けられるため、事故点より遠方のインバータは需要家に電力を供給したまま運転継続が可能である。
(8)自立型独立電力系統となるため、上位系統の停電事故等に対し、カスケード停電がなくなる。
(9)離島などで基幹系統と接続していないセルグリッドで再生可能エネルギー電源を連系する場合、変動が大きいうえに、変動を吸収する同期化力もないため、主電源であるディーゼル発電機の作る周波数が安定せず制御が難しかった。時刻同期系統ではすべての電源が安定周波数で駆動されるため、独立系統の制御が安定で複雑な保護システムが不要になる。
時刻同期電力系統では次のようなことが新たに必要となる。
(1)各インバータは自立運転をするため、負荷の増減に合わせて自動的に出力が定まる。これにより中央からの遠隔制御による再生可能エネルギーの出力抑制は不要となる。
インバータ電源が負荷を超えた出力を出そうとすると、系統電圧が上昇し、インバータのDC側電圧も上昇する。そうすると太陽光発電の場合はIV特性により自動的に電流が抑制される。風力発電でも同様に翼のベーン制御がなされ負荷を超えた発電が抑制されることとなる。ディーゼルやガスエンジン等の内燃力発電機、蓄電池、燃料電池、水力発電、ガスタービン発電、地熱発電などあらゆる分散電源は自立運転モードでは負荷に合わせた出力調整が行われるので、需要を超えた出力を出さないように自動制御されることとなる。発電設備には自立運転可能な制御システムが組み込まれていることが必要である。
(2)同じ周波数であっても、従来の電流制御型電力系統は多少の周波数変動があるため、直接接続できないため、図1(b)で説明した非同期連系を行う必要がある。
(3)非同期連系装置が外部系統に対して系統連系して出力を送り出した場合、時刻同期系統側から見ると需要が増えたのと同じ状況になる。この際各インバータの出力分担が自動的に決まる。非同期連系装置の時刻同期系統側は他のインバータ電源と同じ電源に見え、需要のインピーダンス配分に合わせて電力を供給できる。そのためにはその制御回路が必要となる。
(4)非同期連系装置も含めてインバータ電源が能動的に出力を出したり、減らしたりすることも可能である。この場合は、時刻同期系統の電圧と位相に対し、意図的に自己の電圧を増減したり、位相を増減したりすることで意図的な出力調整が可能となる。また、有効電力と無効電力を独立に制御することが可能である。そのためには制御回路の運用にそのアルゴリズムを組み込む必要がある。
(5)従来型同期電力系統では、系統停電時にインバータ電源が運転継続しないように単独運転検出保護継電器を義務付けているが、時刻同期電力系統では不要となる。インバータ電源は自立運転をしているので、系統停電時でも近傍に電力を供給できる災害に強い電力系統となっているため、停電時の安全対策について従来と異なる方式を構築する必要がある。
(6)インバータ電源が非絶縁の場合、直流分の流出・流入が起こる可能性がある。これを検出して抑制することが必要となる。
時刻同期系統において各地点の電圧や電流は、インバータ電源の起電力と受動的な電気素子を流れる電流による電圧降下が等しくなるという「キルヒホッフの第2法則」を使った閉路方程式で解くことができる。
Z11・I1+Z12・I2+・・・+Z1n・In=E1
Z21・I1+Z22・I2+・・・+Z2n・In=E2
・・・
Zn1・I1+Zn2・I2+・・・+Znn・In=En
となる。
50Hz系統と60Hz系統では、使用されている柱上変圧器や電線、碍子、保護継電器など様々な点において、異なる仕様となっているので、使用されている周波数を変えることは得策ではなく、既存設備をそのまま使って、独立セルグリッドを作ることが望ましい。この場合、50Hz系統では、50Hzをインバータの固定周波数として定め、60Hz系統では60Hzをインバータの固定周波数として定める。
同期用時刻情報には図6に示すように電波時計、NTP、GPSのような外部情報とおよび系統の電圧情報から得られる内部情報がある。内部情報は電圧測定器103で所得し、外部情報は、GPS受信機等の外部情報取得部104で取得する。
電波時計は、情報通信研究機構で運用している電波であり、長波帯のJJYでは、時刻に関する情報としてタイムコードを送信している。セシウムビーム型原子周波数標準器をはじめ、水素メーザ型や実用セシウムビーム型原子時計群が用いられ、得られる正確さは1×10-13の桁に達するが、受信される電波は電離層の影響などで精度が低下する。電離層の影響を受けにくい長波の標準電波では、24時間の周波数比較平均値で1×10-11の精度を得ることができる。
インターネット上のネットワーク・タイム・プロトコル(Network Time Protocol:NTP)は、ネットワークに接続される機器において、機器が持つ時計を正しい時刻へ同期するための通信プロトコルである。
δ=(tr−ts)−(Ts−Tr)
で表される。これは、パケットの往復時間からサーバの処理時間を引いたものである。一方、往路と復路の通信時間に差がないと仮定すれば、クライアントの時計の遅延時間θは、
θ={Ts+Tr}/2−{ts+tr}/2
で表される。これは、サーバ、クライアントの、パケットの送信時刻、受信時刻の平均の差である。実際にはネットワークの速度にも依存しており、実力的には数ミリ秒のずれは許容されている。NTPサービスによる方法は、±10ミリ秒の精度を持つ製品が販売されているが、1ミリ秒のずれも許さない時刻同期系統には不向きである。
GPS測位の原理は、局所慣性系で光速c(=2.99792458×108m/s)が一定であることによる。GPS衛星には原子時計が搭載されており、10-11から10-13秒程度の極めて高精度な時刻を有している。GPS衛星と受信機がともに正確とみなせる時計をもっていれば、送信時刻(測定値)Tと受信時刻tの差にcを掛けると距離がわかる。
時刻同期電力系統の電圧の変化はすべてのインバータが出力した電圧の合成したものになる。これは各インバータの内部クロックが進むに合わせて、0−2πの繰り返し位相変化を作り、それをサインカーブに置き換えたものになる。サインカーブの合成はサインカーブになるので、この合成された電圧情報は系統内のどの場所でも同じ変化になる。すなわち電圧がゼロクロスするタイミングはどのインバータにとっても同じ時刻情報になる。たとえば位相作成回路が0−20ミリ秒を繰り返しカウントするように作られているとき、このインバータを電力系統に接続して、数秒程度同期をとれば、0ミリ秒のタイミングを電力系統と同期させることができる。但し、その精度はインバータの計算能力に依存する。精度を上げるため、例えば1万サイクル分の最初の時間と最終の時間を記録し、それが正確に20ミリ秒の1万倍になっていなければ、自身のインバータ内部クロックがずれていると考えて定期的に内部時刻の補正をかけることとすると、この1万サイクル分の時間は同一系統内では共通の指標になるので、全インバータが時刻同期できることとなる。
GPS、インターネット、電波時計といった時刻信号から得られる情報によりインバータの内部クロックを定期的に同期させることは比較的容易に達成され似たような事例は数多くある。これらを外部情報(External time information)による位相作成回路の定期的な時刻補正方法(Periodical Adjustment)と呼ぶ。
以上見てきたように、正確な時刻を得る方法としてはGPS測位法が最も精度が高いが、インバータごとの器差や衛星を捕捉できない時の内部時計のずれ、制御遅れなど様々な要因から、制御上の時刻誤差が発生すると考えられる。GPSは屋外で衛星を4つ以上補足して初めて正確な時刻情報を取得することができるので、インバータが屋内設置である場合や、何らかの原因で衛星補足ができなる場合などについての対処が必要である。
この方法により、全てのインバータの内部時計は同じ値を持つように同期される。この値は全てのインバータの位相作成回路の時刻情報の平均値になる。すべての位相作成回路のクロックは独立で相関がないので、サインカーブ1サイクルの平均値の分布は正規分布をなし、平均からの誤差の分散はインバータの数が増えるほど小さくなる。
ここではGPSだけを例にとったが、インターネット上で使用されるNTP(Network Time Protocol)や電波時計などでも精度の良い方法は知られており、今後さらに新たな精度の高い手法が生み出されると思われる。
内部情報である系統の電圧情報は、接続されているインバータ電源の平均値になる外部のGPS,電波時計、NTPの情報を用いなくても、精度を上げることが可能である。接続されているインバータ電源の内部クロックはそれぞれ誤差を持っているものの、それらが合成された電圧の持つ周波数は中心極限定理により誤差が小さくなってくる。系統電圧の情報だけを基に、8d.で述べたような補正方法を採用すれば正確な時刻情報を得ることができる。この方法は外部の手段に頼らなくてよいため、経済性から見ても望ましい手法ということができる。
時刻同期電力系統は、電力線そのものに精度の高いタイミング情報をのせることも可能である。例えば一定間隔ごとにパルス状の信号を電力線に乗せることも可能である。接続しているインバータはこの情報をもとに時刻補正を行うことで時刻同期電力系統を構築することも可能である。
以上見てきたように、GPSをはじめとして、複数の外部情報や系統電圧から得られる内部情報により、インバータ出力の同期を取ることができ、それらのインバータが1つの系統電圧を作れば、合成した電圧は固定周波数の安定したものとなる。
以上みてきたように、GPSによる時刻情報は、他の手段に比べて比べものにならない正確性を持っている。この手段を用いることにより、定期的にインバータ内部時計(クォーツ時計等)を修正し、正確な時刻を維持する。内部時計を修正せず、ソフト的に差分を保持することも可能である。
時刻同期電力系統は、電圧源が多数分散された電気回路になる。負荷電流は、負荷と電源の作る閉路方程式で定まる。従来型電力系統では、周波数変化率を見て発電を調整しなくてはいけなかったが、時刻同期系統ではすべてのインバータを電圧源としても、周波数が時刻により維持できるので負荷の変化に対する出力調整は、個々のインバータで自律的になされることになる。
時刻同期系統に接続している特定のインバータについて、位相を進めたり遅らせたりする(一定ミリ秒数進めたり、遅らせたりする)運用も可能である。時刻同期系統電圧との差によって、同系統に対し、任意の出力を意図的に出力したり、受け取ったりすることが可能となる。有効電力と無効電力の割合を変えることも可能になる。
電圧の大きさを変えることにより、電力を増減することも容易にできる。PWMを作成する際に、インバータのDC電圧とスイッチングのデューティレシオで任意の電圧を作ることができる。系統電圧のフィードバックによる補正も可能である。
時刻同期系統においては、各インバータ電源は、正確な時刻により周波数と位相を同期させることができるので、電圧を正確に作り出すことができれば、並列運転は可能である。
時刻同期系統では、周波数・位相が同期しているので、インバータの制御は柔軟にできる。例えば、連系しているインバータを電流源とすることも可能である。電流源とするときは、電圧源型のインバータを使ってその作る電圧の大きさや位相を制御することで電流を調整する。実際回路では実電流を読み取り、作りたい電圧のリファレンスとの差をとり、その差がゼロになるように、PWMを制御する方法が一般的である。それに合わせて電流リファレンスを作って電流が目標値になるよう制御することができる。これは従来型の電流制御インバータであり、時刻同期系統においてもある程度連系することが可能である。
配電線や変圧器、需要家などで地絡事故、短絡事故などが起き、地絡電流、短絡電流が流れた場合、時刻同期系統は電流の急増を各インバータが検出し、抑制をかけることになる。従来の電力系統では数サイクルの事故電流の流れで保護が働き、ゼロクロスのタイミングで遮断器が動作するため、数十から百ミリ秒ほどの事故電流が継続し、被害を拡大することにつながった。
現在の系統から、時刻同期系統とのハイブリッドを構築していく手法の1つとして以下のようなものが考えられる。
(1)対象となるセルグリッドの需要規模の非同期連系装置と1−2割程度の小規模非同期連系装置を並列設置する。
(2)停電切り替えにより受電点を非同期接続する。
(3)非同期連系装置の需要家側を時刻同期系統にする。
(4)新設の再生可能エネルギー電源等のインバータ電源を系統連系モードで、電流0で同期投入する。
(5)パルス幅を維持したまま、時刻同期運転に切り替える。
(6)電圧を基準値までゆっくり上昇させる。
(7)(4)〜(6)を繰り返し、たくさんのインバータ電源を投入していく。
(8)大規模非同期連系装置の電圧を低下させ、電流0として、停止する。
(9)大規模非同期連系装置を撤去し、別な場所で稼働させる。小規模装置のみ継続使用する。
再生可能エネルギーの出力が十分でなく、ディーゼル発電機等の従来電源が主たる電力供給源になるときは、ディーゼル発電機出力をインバータ化することにより時刻同期手法を使うことができる。インバータが従になるように系統連系モードに変更することもできる。
GPSを使用している場合、設置個所の位置情報を得ることができる。この情報と電力情報を組み合わせることにより、電力系統の電力潮流やインピーダンスマッピング、天気情報との組み合わせによる需要予測、他のセンサー群(気温・湿度・気圧・日照・風速等)による天候予測マッピングなども可能となる。
時刻同期系統においては、時刻同期したインバータ電源は、従来系統での電源接続・脱着に比べて簡便な接続・脱着が可能となる。
あるセルグリッドが時刻同期電力系統である場合、その中で時刻同期により同期化力・慣性力を持たせたインバータ電源の割合は50%を超えることが望ましい。より望ましくは3分の2を超えることが望ましい。これにより電流源インバータや電流源型系統連系発電機が残りを占めても系統の変動を吸収することができる。
図7に、2つの時刻同期電力系統と1つの従来型同期電力系統が多端子型の非同期連系装置を介して接続された電力ネットワークを示す。各電力系統と他の2つの電力系統との間では、電圧制御か電流制御か、周波数が50Hzか60Hzかに関わらず、同時に、かつ、個別に送受電を行うことができる。例えば、50Hzの時刻同期電力系統において電力供給に不足が生じるとき、60Hzの時刻同期電力系統と従来型同期電力系統とから受電したり、50/60Hzの両時刻同期電力系統で発電量が需要を上回るときには、それらから従来型同期電力系統に送電したりすることができる。発電機の構成が異なる複数の電力系統を非同期連系することで、電力不足、需要不足を互いに補い合うことも期待できる。
複数のインバータ電源が時刻同期し、基準電圧制御する電力系統は負荷の状態や電源の状態で出力分担が刻々と変動する。したがって、発生電力量ベースの料金システムは適切なビジネスモデルではない。設備容量に応じた定額料金システムになるべきである。しかしながら、現行の電力システムの課金制度は燃料代回収を主目的とした消費電力量ベースの課金システムとなっていてその調和は大変困難を伴う。
101 インバータ
102 分散電源
103 電圧測定部
104 外部情報取得部
Claims (8)
- 独立電力系統に接続して他の電力変換装置と並列運転する電力変換装置であって、
内部クロックに基づき内部時刻情報を生成する時刻情報生成部と、
接続された電源の出力電圧を変換して、接続された前記独立電力系統に対して、前記内部時刻情報に同期した位相で、予め定められた固定周波数を有する電圧を創出する電圧源型の電力変換部と、
前記独立電力系統の系統電圧を測定する電圧測定部と、
を備え、
前記時刻情報生成部は、予め定められた間隔で、前記電圧測定部で測定した前記独立電力系統において確立された系統電圧の位相情報に基づき前記内部時刻情報を補正し、
前記電力変換部は、負荷の変動に応じて、並列運転する前記他の電力変換装置とともに自立的に、前記内部時刻情報に同期した位相を変化させて前記予め定められた固定周波数を有する電圧の位相と前記系統電圧の位相との間に位相差を生じさせること又は前記予め定められた固定周波数を有する電圧を変化させることにより、前記独立電力系統に有効電力又は無効電力を送り込む、若しくは前記独立電力系統から有効電力又は無効電力を引き込み、
前記予め定められた固定周波数および前記予め定められた固定周波数を有する電圧、ならびに前記同期した位相は、前記独立電力系統に接続された前記他の電力変換装置と同一となることを特徴する電力変換装置。 - 外部の時計によって生成された外部時刻情報を取得する外部情報取得部をさらに備え、
前記時刻情報生成部は、予め定められた間隔で、前記外部時刻情報に基づき前記内部時刻情報を補正することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記外部時刻情報は、GPS信号、電波時計用タイムコードおよびネットワーク・タイム・プロトコル信号のうちの少なくとも1つであることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換部は、前記電力変換部が創出する電圧および前記電力変換部に流れる電流を検出して前記独立電力系統のインピーダンスを判定し、前記独立電力系統のインピーダンスに応じて、前記予め定められた固定周波数を有する電圧を変化させることにより無効電流を制御し、又は前記内部時刻情報に同期した位相を変化させることにより有効電流を制御することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 独立電力系統を、予め定められた固定周波数、位相および電圧で固定周波数・固定電圧制御する電力ネットワークシステムであって、
内部クロックに基づき内部時刻情報を生成する時刻情報生成部と、電源と、前記電源に接続され、前記電源の出力電圧を変換して、接続された独立電力系統に対して、前記内部時刻情報に同期した位相で、前記予め定められた固定周波数を有する電圧を創出する電圧源型の電力変換部と、前記独立電力系統の系統電圧を測定する電圧測定部と、を備えた2以上の並列運転する電源装置を備え、
前記時刻情報生成部は、予め定められた間隔で、前記電圧測定部で測定した前記独立電力系統において確立された系統電圧の位相情報に基づき前記内部時刻情報を補正し、
前記電力変換部は、負荷の変動に応じて、並列運転する他の電源装置とともに自立的に、前記内部時刻情報に同期した位相を変化させて前記予め定められた固定周波数を有する電圧の位相と前記系統電圧の位相との間に位相差を生じさせること又は前記予め定められた固定周波数を有する電圧を変化させることにより、前記独立電力系統に有効電力又は無効電力を送り込む、若しくは前記独立電力系統から有効電力又は無効電力を引き込み、
前記予め定められた固定周波数および前記予め定められた固定周波数を有する電圧、ならびに前記同期した位相は、前記独立電力系統に接続された全ての前記電力変換部において同一となり、
前記独立電力系統の電圧は、前記電源装置によって確立されていることを特徴とする電力ネットワークシステム。 - 前記電源装置は、外部の時計によって生成された外部時刻情報を取得する外部情報取得部をさらに備え、
前記時刻情報生成部は、予め定められた間隔で、前記少なくとも1つの外部時刻情報に基づき前記内部時刻情報を補正することを特徴とする請求項5に記載の電力ネットワークシステム。 - 前記外部時刻情報は、GPS信号、電波時計用タイムコードおよびネットワーク・タイム・プロトコル信号のうちの少なくとも1つであることを特徴とする請求項6に記載の電力ネットワークシステム。
- 前記電力変換部は、前記電力変換部が創出する電圧および前記電力変換部に流れる電流を検出して前記独立電力系統のインピーダンスを判定し、前記独立電力系統のインピーダンスに応じて、前記予め定められた固定周波数を有する電圧を変化させることにより無効電流を制御し、又は前記内部時刻情報に同期した位相を変化させることにより有効電流を制御することを特徴とする請求項5に記載の電力ネットワークシステム。
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