JP7046663B2 - 多端子直流送電システムおよび多端子直流送電システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器および直流送電線を介し、再生可能エネルギー電源などの発電システムを連系可能な多端子直流送電システムおよび多端子直流送電システムの制御方法に関する。

長距離送電や海底送電の高効率化のために、直流送電システムが用いられる。一般の電力系統は交流系統であるので、直流送電システムでは、交流系統の電力を交直変換器で直流に変換して送電する。

従来の直流送電システムは、２つの交直変換器を直流送電線路で接続する１対１送電システムが主であった。近年の直流送電システムの大容量化に伴い、大規模送電に適した直流送電システムの形態として、３箇所以上に交直変換器を設けた多端子直流送電システムの開発が進められている。

多端子直流送電システムの運用形態として、複数の風車を洋上に建設してウインドファーム（集合型風力発電所）を構成し、その発電電力を洋上変電所で集電し、多端子直流送電システムで複数の陸上系統に送電する洋上ウインドファーム連系多端子直流送電システムが注目されている（特許文献１）。

特開２０１７－１１９１６号公報

以降の説明では、交直変換器の交流側と接続する端子を「交流端」と呼称し、直流側と接続する端子を「直流端」と呼称し、直流端を直流送電ケーブルで接続して構成される電力ネットワークを「直流系統」と呼称する。

洋上ウインドファーム連系多端子直流送電システムの安定運用のためには、直流系統内の直流電圧を一定に保つ必要がある。直流電圧の変動は、直流系統に流入する電力と直流系統から流出する電力の差分が、直流系統内の送電ケーブルに充放電されることで発生する。このため、直流系統に流出入する電力の差分が大略０になるように多端子直流送電システムを運用する。

直流系統に流出入する電力の差分を大略０にするために、多端子直流送電システム内の少なくとも１つの交直変換器で、交直変換器に通流する有効電力を、直流電圧の変動を抑制するように制御する。

以降、本明細書では、このような直流系統の電圧変動を抑制するために、自変換器に通流する有効電力を調整することで、交流端に接続される電力システムが授受する有効電力を調整する一連の制御のことを「しわ取り制御」と呼称する。また、しわ取り制御を実施する変換器を「しわ取り変換器」と呼称する。

しわ取り制御として、陸上電力系統が接続される交直変換器に通流する有効電力に合わせて直流電圧を調整するドループ制御が知られている。しかし、近年、陸上電力系統において、再生可能エネルギー電源の連系量増加に伴い、火力発電機のようなガバナフリー制御が可能な発電機の連系量が減少し、陸上電力系統の周波数変動の増大による大規模停電のリスクの増加が懸念されている。このため、洋上ウインドファーム多端子直流送電システムにおいても、陸上電力系統が連系される交直変換器に通流する有効電力を、陸上電力系統の周波数変動を抑制するように連続的に制御可能であることが望ましい。

以降、本明細書では、陸上電力系統の周波数変動に合わせて、自変換器に通流する有効電力を制御することを「有効電力調整制御」と呼称する。また、有効電力調整制御を実施する変換器を「有効電力調整変換器」と呼称する。

しわ取り制御は、直流系統の直流電圧に合わせて、自変換器に通流する有効電力を調整する制御である。有効電力調整制御は、陸上電力系統の周波数変動に合わせて、自変換器に通流する有効電力を調整する制御である。このため、変換器に通流する有効電力の制御のみでは、直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御と、陸上電力系統の周波数変動に合わせた有効電力制御を、同時かつ独立に制御することができない。つまり、しわ取り変換器で有効電力調整制御を実施することができない。

上述したように、洋上ウインドファーム多端子直流送電システムにおいて、陸上電力系統が接続される交直変換器の少なくとも１つを、しわ取り変換器として運用する必要があり、当該交直変換器は有効電力調整制御を行うことができなかった。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御と、交流系統の周波数変動に合わせた有効電力制御を独立に制御することが可能な多端子直流送電システムおよび多端子直流送電システムの制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、第１の観点に係る多端子直流送電システムは、少なくとも１つの再生可能エネルギー電源を含むＭ（Ｍは正の整数）個の再生可能エネルギー電源群と、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の電力系統が、それぞれ電力変換器を介し直流系統により接続される多端子直流送電システムであって、前記多端子直流送電システムの直流電圧を一定値に維持または追従させつつ、前記Ｎ個の電力系統に対応して設けられたＮ個の電力変換器がそれぞれ独立に有効電力を制御することが可能である。

本発明によれば、直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御と、交流系統の周波数変動に合わせた有効電力制御を独立に制御することができる。

図１は、第１実施形態に係る多端子直流送電システムが適用される電力システムの構成を示すブロック図である。 図２は、図１の多端子直流送電システムにおける有効電力、直流電圧および周波数の時間変化を示すタイミングチャートである。 図３は、図１のウインドファーム側の交直変換器にて実現される周波数変換部の構成を示す図である。 図４は、図１のウインドファームの構成例を示すブロック図である。 図５は、図４の発電電力指令値演算部の構成を示す図である。 図６は、第２実施形態に係る多端子直流送電システムが適用される電力システムの構成を示すブロック図である。 図７は、第３実施形態に係る多端子直流送電システムが適用される電力システムの構成を示すブロック図である。 図８は、図７の電力変換部を実現するウインドファームの構成を示すブロック図である。 図９は、第４実施形態に係る多端子直流送電システムが適用される電力システムの構成を示すブロック図である。 図１０は、第５実施形態に係る多端子直流送電システムが適用される電力システムの構成を示すブロック図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。以下の説明では、特に断りがない限り、「交流」は三相交流を指す。

図１は、第１実施形態に係る多端子直流送電システムが適用される電力システムの構成を示すブロック図である。なお、図１では、２つの交流系統と１つのウインドファームが、交直変換器と直流系統を介して電気的に接続するウインドファーム連系３端子直流送電システムを例にとった。ウインドファームは、洋上に設置してもよいし、陸上に設置してもよい。

また、図１では、３つの直流母線と直流線路の接続例として、直流線路が直流母線をループ状に接続する構成を示した。ただし、本発明における直流線路と直流母線の接続は、本発明の要旨を逸脱しない限り、他の形態を含む。また、本発明は、３端子直流送電システムに限定されず、４端子以上の多端子直流送電システムにおいても適用可能である。

図１において、この電力システムは、交流系統１０１Ａ、１０１Ｂ、交流母線１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｗ、交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｗ、直流母線１０４、１０４Ｂ、１０４Ｗ、直流線路１０５およびウインドファーム１０６を備える。ウインドファーム１０６は、再生可能エネルギー電源群として用いることができる。交流系統１０１Ａ、１０１Ｂは、電力を需要家の受電設備に供給する電力系統として用いることができる。交流系統１０１Ａ、１０１Ｂは、陸上に設置することができる。

各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｗは、自励式変換器と呼ばれる電力変換器である。各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｗは、その内部の半導体素子の点弧と消弧を制御することで、機器定格および運用の許す範囲で任意の電圧を出力可能である。各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｗは、交流電力を直流電力に変換可能であり、かつ直流電力を交流電力に変換可能である。各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｗの一端は直流で接続され、もう一端は交流で接続される。

交直変換器１０３Ａの交流端は、交流母線１０２Ａを介して、交流系統１０１Ａと接続される。交直変換器１０３Ａの直流端は、直流母線１０４Ａを介して、直流線路１０５と接続される。
交直変換器１０３Ｂの交流端は、交流母線１０２Ｂを介して、交流系統１０１Ｂと接続される。交直変換器１０３Ｂの直流端は、直流母線１０４Ｂを介して、直流線路１０５と接続される。
交直変換器１０３Ｗの交流端は、交流母線１０２Ｗを介して、ウインドファーム１０６と接続される。交直変換器１０３Ｗの直流端は、直流母線１０４Ｗを介して、直流線路１０５と接続される。

以下の説明では、交流母線１０２Ａの周波数をＦａ、交流母線１０２Ｂの周波数をＦｂ、交流母線１０２Ｗの周波数をｆｗ、交直変換器１０３Ａから交流母線１０２Ａに向かって流れる有効電力をＰａ、交直変換器１０３Ｂから交流母線１０２Ｂに向かって流れる有効電力をＰｂ、交流母線１０２Ｗから交直変換器１０３Ｗに向かって流れる有効電力をＰｗ、直流母線１０４Ａから交直変換器１０３Ａに向かって流れる有効電力をＰａｄｃ、直流母線１０４Ｂから交直変換器１０３Ｂに向かって流れる有効電力をＰｂｄｃ、交直変換器１０３Ｗから直流母線１０４Ｗに向かって流れる有効電力をＰｗｄｃ、直流母線１０４Ａの直流電圧をＶａｄｃ、直流母線１０４Ｂの直流電圧をＶｂｄｃ、直流母線１０４Ｗの直流電圧をＶｗｄｃとする。

交直変換器１０３Ａは、有効電力Ｐａと有効電力Ｐａｄｃが大略等しくなるよう、自変換器の出力電圧を制御する。交直変換器１０３Ｂは、有効電力Ｐｂと有効電力Ｐｂｄｃが大略等しくなるよう、自変換器の出力電圧を制御する。交直変換器１０３Ｗは、有効電力Ｐｗと有効電力Ｐｗｄｃが大略等しくなるよう、自変換器の出力電圧を制御する。

この３端子直流送電システムでは、交直変換器１０３Ｗおよびウインドファーム１０６が連携動作することで直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃ、Ｖｗｄｃを一定値に維持または追従させつつ、交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂがそれぞれ独立に有効電力Ｐａ、Ｐｂを制御することが可能である。

ここで、各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂが有効電力調整変換器１００Ａ、１００Ｂとして独立に動作した時に、直流系統内の直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃ、Ｖｗｄｃを一定値に維持または追従させるために、交直変換器１０３Ｗおよびウインドファーム１０６は、しわ取り変換器１００Ｗとして動作することができる。この時、各有効電力調整変換器１００Ａ、１００Ｂは、交流系統１０１Ａ、１０１Ｂの周波数Ｆａ、Ｆｂの変動に基づいて、各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂに通流する有効電力Ｐａ、Ｐｂを制御する。しわ取り変換器１００Ｗは、直流系統内の直流電圧Ｖｗｄｃに基づいて、交直変換器１０３Ｗに通流する有効電力Ｐｗを調整することで、交流系統１０１Ａ、１０１Ｂが授受する有効電力Ｐａ、Ｐｂを調整する。

しわ取り変換器１００Ｗにおいて、交直変換器１０３Ｗは、周波数変換部１００Ｆとして動作し、ウインドファーム１０６は、電力変換部１００Ｐとして動作することができる。ここで、周波数変換部１００Ｆおよび電力変換部１００Ｐが連携して動作することにより、ウインドファーム１０６側でしわ取り変換器１００Ｗを実現することができる。この時、周波数変換部１００Ｆは、直流母線１０４Ｗの直流電圧Ｖｗｄｃを検出し、直流電圧Ｖｗｄｃの変化に相関させて交直変換器１０３Ｗの出力する交流電圧の周波数ｆｗを変化させる。電力変換部１００Ｐは、交直変換器１０３Ｗの出力する交流電圧の周波数ｆｗに相関させてウインドファーム１０６の発電電力を変化させることで、交直変換器１０３Ｗに通流する有効電力Ｐｗを調整する。

ここで、各交流系統１０１Ａ、１０１Ｂの需要電力と供給電力にアンバランスが発生したものとする。この時、各有効電力調整変換器１００Ａ、１００Ｂは、各交流系統１０１Ａ、１０１Ｂの需要電力と供給電力をバランスさせるために、各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂを通流する有効電力Ｐａ、Ｐｂを調整する。

この時、各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂを通流する有効電力Ｐａ、Ｐｂが変化すると、直流母線１０４、１０４Ｂの直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃが変化する。この直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃの変化は直流線路１０５を介して直流母線１０４Ｗに伝わり、直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃの変化に伴って直流電圧Ｖｗｄｃが変化する。

周波数変換部１００Ｆは、直流電圧Ｖｗｄｃの変化を検出すると、その変化に相関させて交流電圧の周波数ｆｗを変化させる。周波数ｆｗが変化した交流電圧は、交流母線１０２Ｗを介してウインドファーム１０６に送れられる。電力変換部１００Ｐは、その交流電圧の周波数ｆｗの変化に相関させて発電電力を変化させることで、交直変換器１０３Ｗに通流する有効電力Ｐｗを調整する。

これにより、直流系統に流入する有効電力Ｐｗと、直流系統から流出する有効電力Ｐａ、Ｐｂの差分を大略０にすることができ、直流系統内の直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃ、Ｖｗｄｃを一定に保つことができる。

ここで、ウインドファーム１０６側でしわ取り制御を実施することにより、各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂはしわ取り制御を実施する必要がなくなり、それぞれ独立かつ同時に有効電力Ｐａ、Ｐｂを調整することができる。

また、各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂが有効電力Ｐａ、Ｐｂを調整した時に、その有効電力Ｐａ、Ｐｂの調整に伴う直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃの変化を、直流線路１０５を介して交直変換器１０３Ｗに伝えることができる。このため、各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂ側で生じた直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃの変化を交直変換器１０３Ｗに伝えるための通信路を別途設ける必要がなくなる。

さらに、交直変換器１０３Ｗは、直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃの変化に伴って、交直変換器１０３Ｗの出力する交流電圧の周波数ｆｗを変化させることにより、直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃの変化に伴う周波数ｆｗの変化を、交流母線１０２Ｗを介してウインドファーム１０６に伝えることができる。このため、交直変換器１０３Ｗが発生させた周波数ｆｗの変化をウインドファーム１０６に伝えるための通信路を別途設ける必要がなくなる。

図２は、図１の多端子直流送電システムにおける有効電力、直流電圧および周波数の時間変化を示すタイミングチャートである。
図２において、６つのグラフの横軸は時刻であり、縦軸は、上から順に、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｗ、Ｐｗ－（Ｐａ＋Ｐｂ）、Ｖｗｄｃ、ｆｗである。縦軸および横軸の単位は、任意単位[ａ.ｕ.]（ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｎｉｔ）で表記している。図２の値は、第１実施形態の動作原理を説明するための一例である。

時刻Ｔ１［ａ．ｕ．］以前は、Ｐａ＝０．４［ａ．ｕ．］、Ｐｂ＝０．２［ａ．ｕ．］、Ｐｗ＝０．６［ａ．ｕ．］、Ｖｗｄｃ＝１．０［ａ．ｕ．］、ｆｗ＝１．０［ａ．ｕ．］の状況を想定した。この時、Ｐａ＋Ｐｂ＝０．６［ａ．ｕ．］であり、Ｐｗ＝０．６［ａ．ｕ．］と等しい。このため、Ｐｗ－（Ｐａ＋Ｐｂ）＝０．０［ａ．ｕ．］となり、直流線路１０５に流入する有効電力Ｐｗと、直流線路１０５から流出する有効電力Ｐａ＋Ｐｂが等しく、直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃ、ＶＷｄｃが一定に保たれる。

そして、各交流系統１０１Ａ、１０１Ｂの需要電力が供給電力よりも減少したものとする。この時、各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂは、各交流系統１０１Ａ、１０１Ｂの需要電力と供給電力をバランスさせるために、有効電力調整制御により、時刻Ｔ１［ａ．ｕ．］に有効電力Ｐａ、Ｐｂをそれぞれ、Ｐａ＝０．２［ａ．ｕ．］、Ｐｂ＝０．１［ａ．ｕ．］に変化させるものとする。

各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂがそれぞれ、有効電力Ｐａ、Ｐｂを、時刻Ｔ１で変化させる具体的な方法としては、自変換器の出力する交流電圧の振幅および位相を、所望の有効電力Ｐａ、Ｐｂが流れるよう、フィードバック制御する方法が挙げられる。

各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂの有効電力調整制御により、時刻Ｔ１［ａ．ｕ．］にＰａ＋Ｐｂ＝０．３［ａ．ｕ．］となる一方、Ｐｗ＝０．６［ａ．ｕ．］である。このため、Ｐｗ－（Ｐａ＋Ｐｂ）＝０．３［ａ．ｕ．］となり、直流線路１０３に流入する有効電力Ｐｗの方が、直流線路１０３から流出する有効電力Ｐａ＋Ｐｂより大きくなる。図２の例では、直流線路１０３に流入する有効電力Ｐｗと、直流線路１０３から流出する有効電力Ｐａ＋Ｐｂの差分Ｐｗ－（Ｐａ＋Ｐｂ）が、直流線路１０３に蓄えられ、その結果として直流電圧Ｖｗｄｃが上昇する。

この時、交直変換器１０３Ｗおよびウインドファーム１０６は連携してしわ取り制御を実施する。すなわち、交直変換器１０３Ｗが、直流電圧Ｖｗｄｃの上昇に応じて周波数ｆｗを上げるように制御し、ウインドファーム１０６が周波数ｆｗの上昇に応じて発電電力を下げることで、交直変換器１０３Ｗに通流する有効電力Ｐｗを下げる。この結果、直流線路１０３に流入する有効電力Ｐｗと、直流線路１０３から流出する有効電力Ｐａ＋Ｐｂの差分Ｐｗ－（Ｐａ＋Ｐｂ）が減少する。そして、時刻Ｔ２［ａ．ｕ．］で、有効電力Ｐｗと有効電力Ｐａ＋Ｐｂの差分Ｐｗ－（Ｐａ＋Ｐｂ）が０．０となり、有効電力Ｐｗが有効電力Ｐａ＋Ｐｂと等しくなる。

これにより、交直変換器１０３Ｗおよびウインドファーム１０６が連携してしわ取り変換器１００Ｗとして動作することで直流系統の直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃ、Ｖｗｄｃを一定に保ちつつ、交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂがそれぞれ、有効電力調整変換器１００Ａ、１００Ｂとして、有効電力Ｐａ、Ｐｂを任意に制御することが可能となる。

なお、図２の例では、有効電力Ｐａ＋Ｐｂが有効電力Ｐｗより小さくなる場合を説明したが、有効電力Ｐａ＋Ｐｂが有効電力Ｐｗより大きくなる場合についても、同様の効果がられる。

図３は、図１のウインドファーム側の交直変換器にて実現される周波数変換部の構成を示す図である。
図１の周波数変換部１００Ｆは、交直変換器１０３Ｗによる直流電圧Ｖｗｄｃと交流電圧の周波数ｆｗの連動制御を実施し、交直変換器１０３Ｗが出力する交流電圧の周波数ｆｗを直流電圧Ｖｗｄｃの変動に相関させる。この時、交直変換器１０３Ｗが直流電圧Ｖｗｄｃの変化を検出し、自変換器の出力する交流電圧の周波数ｆｗを変えるよう、交直変換器１０３Ｗを制御する。

このような連動制御を実現するために、周波数変換部１００Ｆは、図３に示すように、減算器３０１、演算器３０２および加算器３０３を備えることができる。減算器３０１は、直流母線１０４Ｗの直流電圧Ｖｗｄｃの基準値Ｖｗｄｃ０から、直流電圧Ｖｗｄｃを減算する。演算器３０２は、比例ゲインＫｗを減算器３０１の出力に乗算する。加算器３０３は、交直変換器１０３Ｗが出力する交流電圧の周波数ｆｗの基準値ｆｗ０を演算器３０２の出力に加算し、その加算結果を交直変換器１０３Ｗが出力する交流電圧の指令値ｆｗ^＊として出力する。交直変換器１０３Ｗは、自変換器の出力する交流電圧の周波数がｆｗ^＊となるよう交流電圧を出力する。なお、Ｖｗｄｃ０、ｆｗ０、Ｋｗは、本実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で任意に設定可能である。

この時、指令値ｆｗ^＊は、以下の（１）式で計算することができる。
ｆｗ^＊＝Ｋｗ（Ｖｗｄｃ０－Ｖｗｄｃ）＋ｆｗ０ ・・・（１）

なお、図３の構成は、交直変換器１０３Ｗによる直流電圧Ｖｗｄｃと交流電圧の周波数ｆｗの連動制御の一例であり、直流電圧Ｖｗｄｃと交流電圧の周波数ｆｗの連動制御の構成は、図３の構成に限定されない。

以下、ウインドファーム１０６による交流電圧の周波数ｆｗと発電電力の連動制御について、図４および図５を参照しながら説明する。
図４は、図１のウインドファームの構成例を示すブロック図である。
図４において、ウインドファーム１０６は、２台の風力発電装置４０１Ａ、４０１Ｂを備える。風力発電装置４０１Ａ、４０１Ｂはそれぞれ、再生可能エネルギー電源として用いることができる。風力発電装置４０１Ａ、４０１Ｂはアレーケーブル４０２を介して交流で接続されている。この時、各風力発電装置４０１Ａ、４０１Ｂの発電電力は交流で集電される。

風力発電装置４０１Ｂは、風力発電機４０３および発電電力指令値演算部４０４を備える。発電電力指令値演算部４０４は、交流電圧の周波数ｆｗに基づいて、風力発電機４０３が出力する発電電力Ｐｗｔの指令値Ｐｗｔ^＊を演算する。風力発電機４０３は、指令値Ｐｗｔ^＊に基づいて発電電力Ｐｗｔを出力する。風力発電機４０３の出力制御は、例えば、図示しない風力発電機４０３のピッチ角制御や、出力交流電圧のフィードバック制御によって実現可能である。

風力発電装置４０１Ａも風力発電装置４０１Ｂと同様に構成することができる。すなわち、風力発電装置４０１Ａは、周波数ｆｗの変化を検出し、風力発電装置４０１Ａの発電電力Ｐｗｔ２を調整するよう、風力発電装置４０１Ａの発電電力Ｐｗｔ２の指令値Ｐｗｔ２^＊を計算する。この時、アレーケーブル４０２での送電損失を無視すれば、ＰｗｔとＰｗｔ２の和は、大略Ｐｗとなる。

なお、図４の例では、ウインドファーム１０６が２台の風力発電装置４０１Ａ、４０１Ｂを備えた構成を示したが、ウインドファームは１台の風力発電装置を備えていてもよいし、３台以上の風力発電装置を備えていてもよい。

図５は、図４の発電電力指令値演算部の構成を示す図である。
図５において、発電電力指令値演算部４０４は、風力発電装置４０１Ｂの接続端の周波数ｆｗに風力発電装置４０１Ｂの発電電力Ｐｗｔが相関するように指令値Ｐｗｔ^＊を演算する。この時、発電電力指令値演算部８０４は、減算器５０１、演算器５０２および加算器５０３を備えることができる。

減算器５０１は、交流電圧の周波数ｆｗの基準値ｆｗ０から、交流電圧の周波数ｆｗを減算する。演算器５０２は、比例ゲインＫｗｔを減算器５０１の出力に乗算する。加算器５０３は、風力発電装置４０１Ｂの発電電力Ｐｗｔの基準値Ｐｗｔ０を演算器５０２の出力に加算し、その加算結果を風力発電機４０３の発電電力Ｐｗｔの指令値Ｐｗｔ^＊として出力する。なお、Ｐｗｔ０、Ｋｗｔは、本実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で任意に設定可能であり、風力発電装置４０１Ａ、４０１Ｂごとに異なった値であってもよい。
ここで、風力発電装置４０１Ｂが発電電力Ｐｗｔを周波数ｆｗと相関させることで、発電電力Ｐｗと周波数ｆｗも相関するようになる。

この時、指令値Ｐｗｔ＊は、以下の（２）式で計算することができる。
Ｐｗｔ^＊＝Ｋｗｔ（ｆｗ０－ｆｗ）＋Ｐｗｔ０ ・・・（２）

なお、図５の構成は、風力発電装置４０１Ｂの接続端の周波数ｆｗと風力発電装置４０１Ｂの発電電力Ｐｗｔとの相関制御の一例であり、風力発電装置４０１Ｂの接続端の周波数ｆｗと風力発電装置４０１Ｂの発電電力Ｐｗｔとの相関制御の構成は、図５の構成に限定されない。

ここで、交直変換器１０３Ｗによる直流電圧Ｖｗｄｃと交流電圧の周波数ｆｗの連動制御と、風力発電装置４０１Ｂによる発電電力Ｐｗｔの指令値Ｐｗｔ^＊の演算処理により、周波数ｆｗを介して、直流電圧Ｖｗｄｃと発電電力Ｐｗを相関させることが可能となる。このため、ウインドファーム１０６側でしわ取り制御を実施することが可能となり、交流系統１０１Ａ、１０１Ｂ側でしわ取り制御を実施する必要がなくなることから、各交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂが独立に有効電力調整制御を実施することが可能となる。

なお、交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂの有効電力調整制御の指令値については、例えば、交流系統１０１Ａ、１０１Ｂの火力発電機のガバナフリー制御のように、自変換器の交流系統周波数に基づく垂下特性制御によって算出してもよいし、交流系統１０１Ａ、１０１Ｂの図示しない給電指令所から送信される有効電力指令値を用いるようにしてもよい。また、有効電力Ｐａ、Ｐｂは必ずしも同時に変化させる必要はなく、それぞれ独立に変えてよい。

また、上述した第１実施形態では、２つの交流系統１０１Ａ、１０１Ｂと１つのウインドファーム１０６が、交直変換器と直流系統を介して電気的に接続するウインドファーム連系３端子直流送電システムを例に説明したが、少なくとも１つの風力発電装置を含むＭ（Ｍは正の整数）個のウインドファームと、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の電力系統が、それぞれ電力変換器を介し直流系統により接続される多端子直流送電システムに適用するようにしてもよい。

図６は、第２実施形態に係る多端子直流送電システムが適用される電力システムの構成を示すブロック図である。なお、図６では、２つの交流系統と２つのウインドファームが、交直変換器と直流系統を介して電気的に接続するウインドファーム連系４端子直流送電システムを示した。
図６において、この電力システムは、交流系統１０１Ａ、１０１Ｂ、交流母線１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２ＷＡ、１０２ＷＢ、交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３ＷＡ、１０３ＷＢ、直流母線１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４ＷＡ、１０４ＷＢ、直流線路１１５およびウインドファーム１０６Ａ、１０６Ｂを備える。

交直変換器１０３Ａの交流端は、交流母線１０２Ａを介して、交流系統１０１Ａと接続される。交直変換器１０３Ａの直流端は、直流母線１０４Ａを介して、直流線路１１５と接続される。
交直変換器１０３Ｂの交流端は、交流母線１０２Ｂを介して、交流系統１０１Ｂと接続される。交直変換器１０３Ｂの直流端は、直流母線１０４Ｂを介して、直流線路１１５と接続される。
交直変換器１０３ＷＡの交流端は、交流母線１０２ＷＡを介して、ウインドファーム１０６Ａと接続される。交直変換器１０３ＷＡの直流端は、直流母線１０４ＷＡを介して、直流線路１１５と接続される。
交直変換器１０３ＷＢの交流端は、交流母線１０２ＷＢを介して、ウインドファーム１０６Ｂと接続される。交直変換器１０３ＷＢの直流端は、直流母線１０４ＷＢを介して、直流線路１１５と接続される。

この時、交直変換器１０３ＷＡおよびウインドファーム１０６Ａは、しわ取り変換器１００Ｗとして動作することができる。これにより、４端子直流送電システムにおいても、交直変換器１０３ＷＡおよびウインドファーム１０６Ａが連携動作することで直流系統の直流電圧を一定値に維持または追従させつつ、交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂがそれぞれ独立に有効電力調整制御を実施することが可能となる。

なお、２個以上のウインドファーム１０６Ａ、１０６Ｂが交直変換器と直流系統を介して電気的に接続する場合、ウインドファーム側のしわ取り制御は、運用の許す範囲で、ウインドファームが連系する交直変換器のうち、少なくとも１つの交直変換器のみで実施すればよい。

また、図６の例では、ウインドファーム連系４端子直流送電システムを示したが、５端子以上のウインドファーム連系多端子直流送電システムであってもよい。
また、上述した実施形態では、ウインドファームが交直変換器を介して直流系統と接続されてる多端子直流送電システムを示したが、ウインドファームが直流・直流変換器を介して直流系統と接続されてる多端子直流送電システムであってもよい。

図７は、第３実施形態に係る多端子直流送電システムが適用される電力システムの構成を示すブロック図である。
図７の電力システムは、図１の交直変換器１０３Ｗ、交流母線１０２Ｗおよびウインドファーム１０６の代わりに、直流・直流変換器７０１、直流母線７０２およびウインドファーム７０３を備える。直流・直流変換器７０１は、直流電力を直流電力に変換可能である。直流・直流変換器７０１の一端は直流で接続され、もう一端も直流で接続される。

直流・直流変換器７０１の一方の直流端は、直流母線７０２を介して、ウインドファーム７０３と接続される。直流・直流変換器７０１のもう一方の直流端は、直流母線１０４Ｗを介して、直流線路１０５と接続される。直流・直流変換器７０１は、有効電力Ｐｗと有効電力Ｐｗｄｃが大略等しくなるよう、自変換器の出力電圧を制御する。

ここで、直流・直流変換器７０１およびウインドファーム７０３は、しわ取り変換器１００Ｃとして動作することができる。この時、しわ取り変換器１００Ｃは、直流・直流変換器７０１に通流する有効電力Ｐｗを調整することで、交流系統１０１Ａ、１０１Ｂが授受する有効電力Ｐａ、Ｐｂを調整する。

しわ取り変換器１００Ｃにおいて、直流・直流変換器７０１は、直流電圧変換部１００Ｄとして動作し、ウインドファーム７０３は、電力変換部１００Ｅとして動作することができる。ここで、直流電圧変換部１００Ｄおよび電力変換部１００Ｅが連携して動作することにより、ウインドファーム７０３側でしわ取り変換器１００Ｃを実現することができる。この時、直流電圧変換部１００Ｄは、直流母線１０４Ｗの直流電圧Ｖｗｄｃを検出し、直流電圧Ｖｗｄｃの変化に相関させて直流・直流変換器７０１が出力する直流電圧Ｖｗｄｃ２を設定する。電力変換部１００Ｅは、直流・直流変換器７０１が出力する直流電圧Ｖｗｄｃ２に相関させてウインドファーム７０３の発電電力を変化させることで、直流・直流変換器７０１に通流する有効電力Ｐｗを調整する。

これにより、３端子直流送電システムにおいて、ウインドファーム７０３の発電電力が直流母線７０２および直流・直流変換器７０１を介して通流する場合においても、直流・直流変換器７０１およびウインドファーム７０３が連携動作することで直流系統の直流電圧を一定値に維持または追従させつつ、交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂがそれぞれ独立に有効電力調整制御を実施することが可能となる。

図８は、図７の電力変換部を実現するウインドファームの構成を示すブロック図である。
図８において、ウインドファーム７０３は、２台の風力発電装置８０１Ａ、８０１Ｂを備える。風力発電装置８０１Ａ、８０１Ｂはそれぞれ、再生可能エネルギー電源として用いることができる。風力発電装置８０１Ａ、８０１Ｂはアレーケーブル８０２を介して直流で接続されている。この時、各風力発電装置８０１Ａ、８０１Ｂの発電電力は直流で集電される。風力発電装置８０１Ｂは、風力発電機８０３および発電電力指令値演算部８０４を備える。発電電力指令値演算部８０４は、直流電圧Ｖｗｄｃ２に基づいて、風力発電機８０３が出力する発電電力Ｐｗｔの指令値Ｐｗｔ^＊を演算する。風力発電機８０３は、指令値Ｐｗｔ^＊に基づいて発電電力Ｐｗｔを出力する。

風力発電装置８０１Ａも風力発電装置８０１Ｂと同様に構成することができる。すなわち、風力発電装置８０１Ａは、直流電圧Ｖｗｄｃ２を検出し、風力発電装置８０１Ａの発電電力Ｐｗｔ２を調整するよう、風力発電装置８０１Ａの発電電力Ｐｗｔ２の指令値Ｐｗｔ２^＊を計算する。この時、アレーケーブル８０２での送電損失を無視すれば、ＰｗｔとＰｗｔ２の和は、大略Ｐｗとなる。

そして、図７の直流・直流変換器７０１は、直流電圧Ｖｗｄｃに合わせて直流電圧Ｖｗｄｃ２を変えるよう制御する。ウインドファーム７０３内の風力発電装置８０１Ｂは、直流電圧Ｖｗｄｃ２に合わせて風力発電装置８０１Ｂの発電電力Ｐｗｔを変えるよう指令値Ｐｗｔ^＊を制御する。

上述した第１実施形態では、交直変換器１０３Ｗによる直流電圧Ｖｗｄｃと交流電圧周波数ｆｗの連動制御と、風力発電装置４０１Ｂによる発電電力指令値演算を組み合わせることで、交流電圧周波数ｆｗを介して、直流電圧Ｖｗｄｃと有効電力Ｐｗを相関させることが可能であった。これに対し、第３実施形態では、直流・直流変換器８０１による直流系統側直流電圧Ｖｗｄｃとウインドファーム側直流電圧Ｖｗｄｃ２の連動制御と、ウインドファーム７０３内の風力発電装置８０１Ｂによるウインドファーム側直流電圧Ｖｗｄｃ２と発電出力Ｐｗｔの連動制御によって、直流系統側直流電圧Ｖｗｄｃと有効電力Ｐｗを相関させることが可能となる。これにより、風力発電装置８０１Ａ、８０１Ｂの発電電力が直流で集電される場合においても、３端子直流送電システムの直流電圧Ｖａｄｃ、Ｖｂｄｃ、Ｖｗｄｃを一定値に維持または追従させつつ、交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂがそれぞれ独立に有効電力Ｐａ、Ｐｂを制御することが可能である。

図９は、第４実施形態に係る多端子直流送電システムが適用される電力システムの構成を示すブロック図である。なお、図９では、２つの交流系統と２つのウインドファームが、交流系統側の交直変換器と、ウインドファーム側の直流・直流変換器と、直流系統を介して電気的に接続するウインドファーム連系４端子直流送電システムを示した。
図９の電力システムは、図６の交直変換器１０３ＷＡ、１０３ＷＢ、交流母線１０２ＷＡ、１０２ＷＢおよびウインドファーム１０６Ａ、１０６Ｂの代わりに、直流・直流変換器７０１ＷＡ、７０１ＷＢ、直流母線７０２ＷＡ、７０２ＷＢおよびウインドファーム７０３Ａ、７０３Ｂを備える。

直流・直流変換器７０１ＷＡの一方の直流端は、直流母線７０２ＷＡを介して、ウインドファーム７０３Ａと接続される。直流・直流変換器７０１ＷＡのもう一方の直流端は、直流母線１０４ＷＡを介して、直流線路１１５と接続される。直流・直流変換器７０１ＷＢの一方の直流端は、直流母線７０２ＷＢを介して、ウインドファーム７０３Ｂと接続される。直流・直流変換器７０１ＷＢのもう一方の直流端は、直流母線１０４ＷＢを介して、直流線路１１５と接続される。

ここで、直流・直流変換器７０１ＷＡおよびウインドファーム７０３Ａは、しわ取り変換器１００Ｃとして動作することができる。これにより、４端子直流送電システムにおいて、ウインドファーム７０３Ａ、７０３Ｂの発電電力が直流・直流変換器７０１ＷＡ、７０１ＷＢをそれぞれ介して通流する場合においても、直流系統の直流電圧を一定値に維持または追従させつつ、交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂがそれぞれ独立に有効電力調整制御を実施することが可能となる。

なお、２個以上のウインドファーム７０３Ａ、７０３Ｂが直流・直流変換器と直流系統を介して電気的に接続する場合、ウインドファーム側のしわ取り制御は、運用の許す範囲で、ウインドファームが連系する直流・直流変換器のうち、少なくとも１つの直流・直流変換器のみで実施すればよい。

また、図９の例では、ウインドファーム連系４端子直流送電システムを示したが、５端子以上のウインドファーム連系多端子直流送電システムであってもよい。

図１０は、第５実施形態に係る多端子直流送電システムが適用される電力システムの構成を示すブロック図である。
図１０の電力システムは、図６の交直変換器１０３ＷＢ、交流母線１０２ＷＢおよびウインドファーム１０６Ｂの代わりに、直流・直流変換器７０１、直流母線７０２およびウインドファーム７０３を備える。ここで、交直変換器１０３ＷＡおよびウインドファーム１０６Ａは、しわ取り変換器１００Ｗとして動作することができる。

これにより、４端子直流送電システムにおいて、ウインドファーム１０６Ａの発電電力が交直変換器１０３ＷＡを介して通流し、ウインドファーム７０３の発電電力が直流・直流変換器７０１を介して通流する場合においても、直流系統の直流電圧を一定値に維持または追従させつつ、交直変換器１０３Ａ、１０３Ｂがそれぞれ独立に有効電力調整制御を実施することが可能となる。

なお、２つのウインドファームのうち、１つが交流で集電され、交直変換器を介して直流線路と接続され、もう１つが直流で集電され、直流・直流変換器を介して直流線路と接続される場合、ウインドファーム側のしわ取り制御は、運用の許す範囲で、ウインドファームが連系する交直変換器または直流・直流変換器で実施すればよい。

また、図１０の例では、ウインドファーム連系４端子直流送電システムを示したが、５端子以上のウインドファーム連系多端子直流送電システムであってもよい。

上述した実施形態では、再生可能エネルギー電源として風力発電装置を例にとって説明したが、再生可能エネルギー電源は風力発電装置に限定されることなく、風力発電装置以外の発電装置であってもよい。例えば、再生可能エネルギー電源は、太陽光、風力、潮力、流水・潮汐または地熱などを利用した発電装置であってもよい。

１０１Ａ、１０１Ｂ 交流系統、１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｗ 交流母線、１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｗ 交直変換器、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｗ、７０２ 直流母線、１０５ 直流線路、１０６、７０３ ウインドファーム、３０１、５０１ 減算器、３０２、５０２ 演算器、３０３、５０３ 加算器、４０１Ａ、４０１Ｂ、８０１Ａ、８０１Ｂ 風力発電装置、４０２、８０２ アレーケーブル、４０３、８０３ 風力発電機、４０４、８０４ 発電電力指令値演算部、７０１ 直流・直流変換器

Claims (4)

1. 再生可能エネルギー電源と交流系統である電力系統とが、それぞれ電力変換器を介し直流系統により接続され、前記再生可能エネルギー電源側で実施する前記直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御と、前記電力系統側で実施する前記交流系統の周波数変動に合わせた有効電力制御を独立に制御する多端子直流送電システムの制御方法であって、
   前記電力系統の電力変動に基づく前記直流系統の直流電圧の変化を前記再生可能エネルギー電源側で検出し、
   前記再生可能エネルギー電源側で検出された前記直流電圧の変化に基づいて、前記直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御を前記再生可能エネルギー電源側で実施するものであり、
   前記再生可能エネルギー電源と前記直流系統との間に接続された交直変換器を備え、
   前記交直変換器は、前記直流電圧の変化に基づいて交流母線の交流周波数を変化させ、
   前記再生可能エネルギー電源は、前記交流母線の交流周波数に基づいて前記有効電力制御を実施する、多端子直流送電システムの制御方法。
2. 再生可能エネルギー電源と交流系統である電力系統とが、それぞれ電力変換器を介し直流系統により接続され、前記再生可能エネルギー電源側で実施する前記直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御と、前記電力系統側で実施する前記交流系統の周波数変動に合わせた有効電力制御を独立に制御する多端子直流送電システムの制御方法であって、
   前記電力系統の電力変動に基づく前記直流系統の直流電圧の変化を前記再生可能エネルギー電源側で検出し、
   前記再生可能エネルギー電源側で検出された前記直流電圧の変化に基づいて、前記直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御を前記再生可能エネルギー電源側で実施するものであり、
   前記再生可能エネルギー電源と前記直流系統との間に接続された直流・直流変換器を備え、
   前記直流・直流変換器は、前記直流系統の直流電圧の変化に基づいて直流母線の直流電圧を変化させ、
   前記再生可能エネルギー電源は、前記直流母線の直流電圧に基づいて前記有効電力制御を実施する、多端子直流送電システムの制御方法。
3. 再生可能エネルギー電源と交流系統である電力系統とが、それぞれ電力変換器を介し直流系統により接続され、前記再生可能エネルギー電源側で実施する前記直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御と、前記電力系統側で実施する前記交流系統の周波数変動に合わせた有効電力制御を独立に制御する多端子直流送電システムであって、
   前記電力系統の電力変動に基づく前記直流系統の直流電圧の変化を前記再生可能エネルギー電源側で検出し、
   前記再生可能エネルギー電源側で検出された前記直流電圧の変化に基づいて、前記直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御を前記再生可能エネルギー電源側で実施するものであり、
   前記再生可能エネルギー電源と前記直流系統との間に接続された交直変換器を備え、
   前記交直変換器は、前記直流電圧の変化に基づいて交流母線の交流周波数を変化させ、
   前記再生可能エネルギー電源は、前記交流母線の交流周波数に基づいて前記有効電力制御を実施する、多端子直流送電システム。
4. 再生可能エネルギー電源と交流系統である電力系統とが、それぞれ電力変換器を介し直流系統により接続され、前記再生可能エネルギー電源側で実施する前記直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御と、前記電力系統側で実施する前記交流系統の周波数変動に合わせた有効電力制御を独立に制御する多端子直流送電システムであって、
   前記電力系統の電力変動に基づく前記直流系統の直流電圧の変化を前記再生可能エネルギー電源側で検出し、
   前記再生可能エネルギー電源側で検出された前記直流電圧の変化に基づいて、前記直流系統の直流電圧に合わせた有効電力制御を前記再生可能エネルギー電源側で実施するものであり、
   前記再生可能エネルギー電源と前記直流系統との間に接続された直流・直流変換器を備え、
   前記直流・直流変換器は、前記直流系統の直流電圧の変化に基づいて直流母線の直流電圧を変化させ、
   前記前記再生可能エネルギー電源は、前記直流母線の直流電圧に基づいて前記有効電力制御を実施する、多端子直流送電システム。

Images