JP6987291B1 - 充放電制御装置、充放電制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】負荷変動、特に、自家発電装置で対応しきれない負荷の増加又は減少分に対して電力貯蔵部に蓄積されている電力を放電又は充電し、適正な放電量・充電量に制御する。【解決手段】負荷が急激に増加した場合に、電力貯蔵部１２の放電を開始し、発電ユニット１０の発電量に増加に伴って、放電を徐々に減少させ、発電部１６の発電量増加に比例して高くなる周波数の変化率が、予め定めたしきい値以下になった時点で、強制的に放電を終了させることで、ドループ制御に起因する、負荷急変前の発電量に戻す構成とした。【選択図】図４

Description

本発明は、自家発電を補助する電力貯蔵部の充放電制御装置、充放電制御プログラムに関するものである。

特許文献１には、正常時に商用系統に接続され商用系統の停電時等に商用系統から自立して原動機によって駆動される発電部と、電力貯蔵手段（以下、電力貯蔵部という）と、該電力貯蔵部の充放電を制御する充放電制御装置を具備する自家発電設備の運転方法において、負荷の増加を検出すると、前記電力貯蔵部から出力（放電）して負荷の増加分を電力貯蔵部に一時的に全量負担させ、その後、電力貯蔵部の出力を発電部の許容変動負荷以下の速度で徐々に削減し、電力貯蔵部の出力が０となると負荷の分担処理を終了させることにより、自家発電設備の負荷投入率を改善することを特徴とする自家発電設備の運転方法が記載されている。なお、負荷が減少した場合も、同様の作用効果を奏することができる。

特開２００７−６５９５号公報

しかしながら、従来の運転方法では、負荷の増加を検知すると、増加分を電力貯蔵部に一時的に貯蔵している電力を、全て放電させることになる。言い換えれば、電力貯蔵部は、予め負荷増加分に相当する量を充電することが可能な容量が必要となる。

また、自家発電装置がドループ制御機能を備えている場合、自家発電装置の出力によって、運転時の周波数が、基準として設定した周波数からずれることがある。この周波数のずれに起因して、自家発電装置による発電電力が、必要電力量に対して少ない発電電力で安定することになる（周波数ずれ分のオフセットの発生）。このオフセット分、電力貯蔵部から放電が継続されることになる。

本発明は、負荷変動、特に、自家発電装置で対応しきれない負荷の増加又は減少分に対して電力貯蔵部に蓄積されている電力を放電又は充電し、適正な放電量・充電量に制御することができる充放電制御装置、充放電制御プログラムを得ることを目的とする。

本発明に係る充放電制御装置は、原動機の駆動によって発電すると共に、自己で発電した電力と、他で発電した電力とを合成する場合に、自己の発電出力の負荷に応じて目標周波数を変化させることで負荷率を調整するドループ制御機能を備えた発電部と、電力を充放電し得る電力貯蔵部と、を備えた自家発電装置において、前記電力貯蔵部の充放電を制御する充放電制御装置であって、前記負荷が必要とする電力量が基準以上に増加又は減少する方向に変化し、前記発電部が発電する電力量に過不足が生じる場合に、前記電力貯蔵部を制御して、前記発電部の発電不足時は放電し、発電過剰時は充電すると共に、前記電力貯蔵部からの電力の放電又は充電中に、前記発電部の運転中の周波数の変化率が所定以下になった場合に、前記電力貯蔵部からの放電又は充電を終了するように制御する充放電制御部、を有している。

本発明によれば、例えば、発電部の周波数変動を利用して電力貯蔵部の放電を制御することで、ドループ制御機能により変化する目標周波数が安定（変化率が所定以下）した状態で、電力貯蔵部による放電又は充電を終了し、発電部の発電量のみで要求される負荷に対応させることができる。周波数の変化率は、発電部の発電電力に直接的に関与するものであり、放電の終了タイミングを正確に把握することができる。

なお、負荷が減少したときも同様で、電力貯蔵部への充電開始後、ドループ制御機能により変化する目標周波数が安定（変化率が所定以下）した状態で、電力貯蔵部の充電を終了させればよい。

本発明において、前記充放電制御部が、前記発電部の運転時の周波数が、予め定めたしきい値以上であることを前提として、前記発電部の運転時の周波数の変化率が所定以下になったか否かを判断することを特徴としている。

例えば、周波数のハンチング等による誤動作を防止することができる。ミクロ的にみると周波数変化率は大きく変動する場合があるため、所謂マスキングのために、発電部の運転時の周波数が、予め定めたしきい値以上とすることは有用である。

本発明において、前記充放電制御部が、前記電力貯蔵部による放電又は充電を終了する時期となった時点から、経過時間に比例して、前記放電又は充電を徐々に減少させて終了状態とすることを特徴としている。

例えば、負荷の増加時において、一定の変化率をもって徐々に減少させることで、電力貯蔵部が放電及び放電停止が繰り返されることなく、発電部の発電量を徐々に増加させ、徐々に収束（発電部の発電量＝要求される負荷）させていくことができる。必要最小限の放電量で対応可能である。

本発明において、前記充放電制御部が、前記電力貯蔵部による放電又は充電を終了する時期となった時点で、直ちに放電又は充電を停止とすることを特徴としている。

例えば、負荷の増加時において、直ちに放電を終了させると、発電部の発電量と、負荷との差分が残り、電力貯蔵部の放電及び放電停止が何度か繰り返されることになるが、差分は徐々に収束（発電部の発電量＝要求される負荷）されるため、最終的には充放電０（充放電終了）状態とすることができる。少なくとも、放電が継続される場合よりも放電量を軽減することができる。

本発明に係る充放電制御プログラムは、コンピュータを、上記の充放電制御部として動作させる、ことを特徴としている。

以上説明したように本発明では、負荷変動、特に、自家発電装置で対応しきれない負荷の増加又は減少分に対して電力貯蔵部に蓄積されている電力を放電又は充電し、適正な放電量・充電量に制御することができるという効果が得られる。

本実施の形態に係る発電システムにおける、系統自立時発電・放電制御のための機能ブロック図である。 本実施の形態に係る発電システムに適用されるドループ制御機能特性図である。 本実施の形態に係る発電システムにおける、系統自立時発電・放電制御ルーチンを示すフローチャートである。 （Ａ）は本実施の形態に係る発電システムにおける、系統自立時の電力、周波数推移特性図、（Ｂ）は周波数変化率の放電終了判定しきい値付近の特性の拡大図である。 放電終了時期を決定するための周波数−変化率特性図である。 比較例に係る系統自立時の電力、周波数推移特性図である。

図１は、本実施の形態に係る、発電ユニット１０及び電力貯蔵部１２を備えた発電システムの全体構成図である。

発電ユニット１０は、原動機１４と、原動機１４の駆動によって発電する発電部１６とを備えている。

原動機１４としては、ガスエンジン、ガスタービンエンジン、ディーゼルエンジンなどを用いることができ、コージェネレーションシステムに適用することができる。

また、電力貯蔵部１２は、電力を貯蔵する役目を有し、迅速応動特性があればどのような設備であってもよく、例えば、電力貯蔵部１２としては、鉛蓄電池、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン二次電池等を用いることができる。ここで、電力貯蔵部１２の迅速応動特性とは、例えば、原動機１４が出力応答時間よりも短い時間で充放電できる特性をいう。

以下に、主として原動機１４と発電部１６を制御するための機能を説明するが、各ブロックは、当該構成に限定されるものではなく、機能を説明するための一例である。

図１に示される如く、発電部１６及び原動機１４には、ドループ制御部１８が接続されている。原動機１４は、ドループ制御部１８により、駆動が制御される（ドループ制御）。

より具体的には、ドループ制御部１８は、発電部１６による発電の出力情報を取得し、予め定めた周波数−出力特性図（図２参照）に基づき目標周波数を設定し、設定した目標周波数に基づいて原動機１４の駆動を制御する。

ドループ制御は、目標周波数を出力に応じて調整し、他の発電システム（商用電源を含む）の周波数と一致させて発電するための制御であり、このドループ制御により、発電部１６における過負荷及び電力の逆流を防止することができる。

発電部１６は、出力部２０を介して、発電した電力を放電し、複数の負荷２２へ供給する。

ここで、発電ユニット１０は、周波数検出部２４を備え、ドループ制御部１８で取得した発電部１６からの出力情報に基づいて周波数を検出し、制御部２６へ送出するようになっている。

制御部２６は、周波数検出部２４で検出した周波数（負荷により変動）に基づいて、発電部１６の発電量を制御する。

一方、電力貯蔵部１２は、充電電力源（図１の発電システム、他の発電システム、商用電力、及び太陽光発電等を含む）からの電力で充電されて電力を貯蔵し、充放電制御装置２８の制御により、複数の負荷２２へ電力を供給するようになっている。

充放電制御装置２８は、発電ユニット１０の制御部２６と接続されることで、発電部の発電に関する情報を取得すると共に、自立運転指示情報及び負荷情報（ここでは、構内周波数）が入力され、所定条件が成立した場合に、発電部１６の発電と共に、電力貯蔵部１２の電力の放電を制御する。所定条件については、後述する。

（負荷の急変）

ここで、原動機１４にかかっている負荷が急激に変化（例えば、増加）すると、発電部１６が限界周波数を超え、原動機１４が異常動作を起こし停止する場合がある。このような、負荷急増の発生例は、停電発生時が挙げられる。充放電制御装置２８では、例えば、自立運転指示を受け、かつ、例えば、構内周波数が下限レベルに達したことで（所定条件の成立）、上記「負荷急増」を認識し、発電部１６による発電を補うべく、電力貯蔵部１２の放電制御を行う。

なお、以下では、負荷の急増を例にとり、充放電制御装置２８の制御について説明するが、仮に、負荷の急増の逆のパターン、すなわち、負荷の一斉シャットダウン等、急激な減少時（負荷急減時）は、電力貯蔵部１２では電力貯蔵部１２の充電制御を行えば、負荷急増時と同様の制御が可能である。

充放電制御装置２８では、発電部１６の周波数が所定の制限周波数を超えると、電力貯蔵部１２に対して放電を指示する。

また、充放電制御装置２８は、原動機１４の出力が増加するに伴い、電力貯蔵部１２からの放電量を減少させる制御を行う。

すなわち、充放電制御装置２８では、瞬間的な負荷変動（ここでは、増加）が起きた場合に、電力貯蔵部１２の迅速な応動特性を生かし、原動機１４の特性上限を超えないように電力貯蔵部１２の放電量を制御する。

ここで、コージェネレーションシステムに用いられる発電システムには、一般に負荷変動特性（瞬間的な負荷変動）に対する許容量があり、系統分離による自立運転時には特性を超えた瞬間的な負荷変動に対応できない。

そこで、本実施の形態では、発電部１６に対する負荷が増加（又は減少）した場合、発電部１６の周波数を検出し、原動機１４の負荷変動特性に対する許容量から定められた周波数に基づいて、電力貯蔵部１２から放電（又は充電）する制御を行うことで瞬間的な負荷変動に対して原動機１４が異常動作を起こして停止してしまうことを防止する。

ところで、本実施の形態の発電ユニット１０は、前述したようにドループ制御部１８を備えており、発電部１６の出力によっては、ドループ制御による目標周波数が調整され、負荷急増後の運転時の目標周波数が、負荷の全消費電力（必要電力量）に対応するための周波数からずれることがある。

この周波数のずれに起因して、発電部１６の発電電力が、必要電力量に対して少ない発電電力で安定することになる（周波数ずれ分のオフセットの発生（図６参照））。

このオフセット分、電力貯蔵部１２から放電が継続されることになり、例えば、電力貯蔵部１２に貯蔵される電力が一時的に０（貯蔵量０)になり、その後の放電要求に迅速に対応できない事態を招く場合がある。

そこで、本実施の形態では、原動機１４の出力が増加するに伴い電力貯蔵部１２からの放電量を減少させる制御において、発電部１６の発電量の増加に比例して増加する周波数に着目し、発電部１６が目標周波数に基づき発電量を安定させようとするときに起きる周波数の変化率の低下を監視し、当該変化率Ｒｉが、予め定めたしきい値Ｒｓ以下になった時点で（Ｒｉ≦Ｒｓ）、電力貯蔵部１２からの放電を終了させるようにした(図４及び図５参照、詳細後述)。

この電力貯蔵部１２からの放電の終了により、発電部１６は、負荷に応じた発電を継続し、結果として、発電部１６の電力で、負荷の消費電力をまかなうことが可能となる。また、発電部１６の発電に応じて、目標周波数は徐々に、停電前のデフォルト値に戻るので、その後、停電前の制御状態となる。

以下に本実施の形態の作用を説明する。

（負荷の急激な増加時の放電制御）

図３は、発電部１６の負荷が急激に増加した場合における、系統自立時発電・放電制御ルーチンを示すフローチャートである。

自立運転指示に基づく系統自立時の発電・放電制御が起動すると、ステップ１００では、構内周波数が下限レベルに達した時点で、電力貯蔵部１２からの放電を開始し、ステップ１０２へ移行する。

ステップ１０２では、構内周波数が変化率判定周波数以上に戻ったか否かを判断する。具体的には、図４（Ａ）の点線丸枠内に示す範囲内となったか否かを判断するものである。すなわち、ステップ１０２は、周波数が安定するまでに相当の時間がかかる時期での、ノイズ等による周波数変動の変化率を捕捉しないための、所謂マスキングのための処置である。

ステップ１０２で否定判定されると、ステップ１０４へ移行する。ステップ１０４は、所定時間が経過したか否かを判断し、否定判定された場合は、ステップ１０２へ戻る。また、ステップ１０４で肯定判定された場合は、構内周波数が変化率判定周波数以上に戻らない他の理由（例えば、電力貯蔵部１２の残量不足）があると考えられ、ステップ１２０へ移行して、エラー報知を行い、このルーチンは終了する。

一方、ステップ１０２で肯定判定されると、ステップ１０６へ移行し、判定期間（図５に示す横軸のｉで設定した定期演算期間）が経過したか否かを判断し、肯定判定されるまで待機する。

ここで、ステップ１０６で肯定判定されると、ステップ１０８へ移行して、構内周波数の変化率Ｒｉを演算する。

次のステップ１１０では、予め記憶した変化率しきい値Ｒｓを読み出し、ステップ１１２へ移行して、演算した変化率Ｒｉとしきい値Ｒｓとを比較する（Ｒｉ：Ｒｓ）。

ステップ１１２の比較において、Ｒｉ＞Ｒｓと判定された場合は、変化率Ｒｉは放電終了時期ではないと判断し、ステップ１０６へ戻り、上記工程を繰り返す。すなわち、一定時間ｉ毎の変化率Ｒｉの演算及びしきい値Ｒｓとの比較を繰り返す。

また、ステップ１１２の比較において、Ｒｉ≦Ｒｓと判定された場合は、変化率Ｒｉが放電終了時期であると判断し、ステップ１１４へ移行する。

ステップ１１４では、電力貯蔵部１２からの放電を終了する。

この放電の終了制御は、放電電力の低下時の変化率を維持しながら徐々に終了させることが好ましい。なお、放電は、図５に示すしきい値を横切った後の変化率Ｒｉに基づいて、放電量を低下するように制御してもよい。また、放電終了は、Ｒｉ≦Ｒｓとなった時点ですぐに実行してもよいが、この場合は、若干のハンチング（放電再開→終了の繰り返し）が発生するが、本実施の形態の放電制御がない場合よりも、無駄な放電を抑制することができる。

すなわち、本発明は、発電ユニット１０におけるドループ制御において、目標周波数が変更されて、発電部１６の発電量が負荷２２の消費に必要な電力量がえられず、電力貯蔵部１２の放電が継続されることを抑制することが主たる目的である。

従って、放電の終了のための制御は、主たる目的に加え、さらに安定した電力供給のための付加的な制御であるため、放電終了時期に即時に０にすること、及び、徐々に（直線的、段階的を含む）放電量を減少させることが、放電終了の手段として適用可能である。

次のステップ１１６では、所定時間が経過したか否かを判断する。これは、予め発電部１６の発電量が安定（負荷２２の消費電力に対応）する時間予測し、当該所定時間が経過するまでは待機し（ステップ１１６の否定判定）、所定時間が経過したと判断すると（ステップ１１６の肯定判定）、ステップ１１８へ移行して、負荷２２の消費電力と発電部１６の発電電力とが一致したか否かを判断する。

このステップ１１８で否定判定された場合は、予め予測した安定し得る所定時間が経過しても負荷２２の消費電力と発電部１６の発電電力とが一致しないのは、例えば、ドループ制御不良等、他の異常が考えられるため、ステップ１２０へ移行してエラー報知を実行して、このルーチンは終了する。

また、ステップ１１８で肯定判定された場合は、発電部１６の発電電力は正常であると判断し、このルーチンは終了する。

（実施例）

図４は、本実施の形態の発電システムを用いたときの、負荷変動（時間経過）に基づく、発電部１６の発電電力及び電力貯蔵部１２からの放電電力の推移と、発電部１６の周波数の推移を示す特性図の実施例である。

時間軸（横軸）の原点は、停電等が発生して負荷が低下した時期を示している。負荷の急激な増加に伴い、発電部１６が発電するが、発電部出力は負荷に対応できず、周波数も低下する。

一方、充放電制御装置２８では、発電部１６の発電電力では不足する電力に応じて、電力貯蔵部１２からの放電を指示する。

その後、周波数の復帰（減少から増加への転換）時に発電部１６の電力を徐々に増加させると共に、電力貯蔵部１２からの放電量を減少させていくことで、負荷の消費電力が維持される。

このまま、発電部１６の発電電力が、負荷２２の消費電力に到達すれば、電力貯蔵部１２の放電が終了することになるが、本実施の形態の発電システムは、ドループ制御部１８を備えており、負荷の急増に伴い、目標周波数が調整される場合がある。

この結果、図６の比較例に示すように、発電部１６の発電電力が、必要電力量に対して少ない発電電力で安定し、電力貯蔵部１２からの放電が継続されることになる。なお、図６の比較例は、本実施の形態の発電システムを用いない場合の、負荷急増時の特性図である。

これに対して、本実施例では、発電部１６の発電出力に依存する周波数が、目標周波数で安定する時間帯に着目し、図４（Ｂ）に示される如く、周波数の変化率が予め定めたしきい値以下になった時点（演算した変化率Ｒｉ≦しきい値Ｒｓ）で、強制的に電力貯蔵部１２からの放電を終了させる。

図５は、図４（Ｂ）の丸枠内において、一定期間毎に演算した変化率Ｒｉの推移を示した特性図である。変化率Ｒｉが、所定の時期を過ぎると、徐々に低下していくことがわかる。この時期が、周波数が安定するレベルに到達する時期であるため、予め周波数が安定するレベルと推測される変化率をしきい値Ｒｓとして設定する。

演算した変化率Ｒｉが、しきい値Ｒｓを横切るときが、電力貯蔵部１２からの放電を終了させる時期となる。

この結果、発電部１６の発電出力は、負荷２２の消費電力に一致し、電力貯蔵部１２からの無駄な放電を抑制することができる。

（負荷の急激な減少時の充電制御）

本実施の形態では、負荷の急変の一例として、負荷が急激に増加した場合に放電する制御について詳細に説明したが、負荷が急激に減少した場合は、逆に充電する制御を行えばよく、図３のフローチャートに準じた制御（例えば、周波数の変化率の監視に基づく充電制御）を行えばよいため、ここでの、負荷の急激な減少時の充電制御の詳細な説明は省略する。

なお、本実施の形態では、周波数の変化率の監視に基づく充放電制御を説明した。より具体的には、負荷が急激に増加した場合に、電力貯蔵部１２の放電を開始し、発電ユニット１０の発電量に増加に伴って、放電を徐々に減少させ、発電部１６の発電量増加に比例して高くなる周波数の変化率が、予め定めたしきい値以下になった時点で、強制的に放電を終了させることで、ドループ制御に起因する、負荷急変前の発電量に戻す構成とした。

これに対して、電力貯蔵部１２における強制放電終了のトリガは、周波数（構内周波数）の変化率に限定されるものではない。また、周波数の変化率に限らず、タイマー等で、充放電を開始してから、単純に一定時間が経過した時点で充放電を終了するようにしてもよい。一定時間は、発電システムの仕様等によって、一意的に決めてもよいし、負荷の変動情報、発電能力情報、電力貯蔵部１２の残量情報等の複数のファクタを用いて、予め設置した予測演算プログラム（機械学習等のＡＩを含む）によって、都度、時間設定してもよい。

また、ドループ制御の周波数-出力特性の充放電切替タイミング自体を変更するようにしてもよい。すなわち、電力貯蔵部１２による電力の放電（又は充電）中に、発電部１６が負荷電力に対応し得る所定条件が成立した場合に、電力貯蔵部１２からの放電（又は充電）を終了するように制御すればよい。

１０ 発電ユニット（自家発電装置）
１２ 電力貯蔵部
１４ 原動機
１６ 発電部
１８ ドループ制御部
２０ 出力部
２２ 負荷
２４ 周波数検出部
２６ 制御部
２８ 充放電制御装置

Claims (5)

1. 原動機の駆動によって発電すると共に、自己で発電した電力と、他で発電した電力とを合成する場合に、自己の発電出力の負荷に応じて目標周波数を変化させることで負荷率を調整するドループ制御機能を備えた発電部と、電力を充放電し得る電力貯蔵部と、を備えた自家発電装置において、前記電力貯蔵部の充放電を制御する充放電制御装置であって、
   前記負荷が必要とする電力量が基準以上に増加又は減少する方向に変化し、前記発電部が発電する電力量に過不足が生じる場合に、前記電力貯蔵部を制御して、前記発電部の発電不足時は放電し、発電過剰時は充電すると共に、前記電力貯蔵部からの電力の放電又は充電中に、前記発電部の運転中の周波数の変化率が所定以下になった場合に、前記電力貯蔵部からの放電又は充電を終了するように制御する充放電制御部、
   を有する充放電制御装置。
2. 前記充放電制御部が、前記発電部の運転時の周波数が、予め定めたしきい値以上であることを前提として、前記発電部の運転時の周波数の変化率が所定以下になったか否かを判断する、請求項１記載の充放電制御装置。
3. 前記充放電制御部が、前記電力貯蔵部による放電又は充電を終了する時期となった時点から、経過時間に比例して、前記放電又は充電を徐々に減少させて終了状態とする、請求項１又は請求項２記載の充放電制御装置。
4. 前記充放電制御部が、前記電力貯蔵部による放電又は充電を終了する時期となった時点で、直ちに放電又は充電を停止とする、請求項１又は請求項２記載の充放電制御装置。
5. コンピュータを、
   請求項１〜請求項４の何れか１項記載の充放電制御部として動作させる、
   充放電制御プログラム。

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