JP7120065B2

JP7120065B2 - 電力システム

Info

Publication number: JP7120065B2
Application number: JP2019022823A
Authority: JP
Inventors: 大介鶴丸
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: JP2020137130A

Description

本発明は、電力システムに関し、特に系統連系を行う電力システムに関する。

従来、例えば特許第６３０４３９２号公報に記載されているように、自然エネルギーで発電する発電設備と、蓄電池設備とを組み合わせた電力システムが知られている。自然エネルギーを利用した発電設備は、季節や天候等の自然的要因によって発電電力が左右されやすいために安定した電力供給を行えないという短所がある。この短所を補うために、蓄電池設備を組み合わせた電力システムが提供されている。

特許第６３０４３９２号公報特許第５８９６０９６号公報特許第５８８７２６０号公報

上述した電力システムが、電力系統との系統連系に用いられている。以下、自然エネルギーを用いた発電設備の発電電力と蓄電池設備の入出力電力とを合成したものを、「合成電力」とも称する。合成電力は、「電力システム全体としてみた合計の出力電力」に相当している。

系統連系型の電力システムには、系統連系を行うための一定の要件が課されている。例えば第一要件として、前述した合成電力の変化率が予め指定された指定変化率範囲内に収まらなければならないという制約がある。この第一の要件を満たすために、発電設備の発電量および蓄電池設備の充放電を制御することで、合成電力の変化率を調整するという方法がある。この方法はいわば「短周期対策」と呼べるものである。

例えば第二要件として、電力変動制限時間帯が定められている。電力変動制限時間帯は、電力システムから出力される合成電力の変化に制限が設けられる時間帯である。電力変動制限時間帯として、例えば、朝７時から朝１０時までの間は電力システムから出力される合成電力が減少しないように発電を行わなければならない、などの制限が課される。電力変動制限時間帯には、合成電力の「増加」のみを禁止するものと、合成電力の「減少」のみを禁止するものと、合成電力の増加と減少の両方つまり一切の「変動」を禁止するものとがある。

自然エネルギーを用いた発電設備は、天候に応じて発電電力が変動する。合成電力の減少あるいは変動が禁止された電力変動制限時間帯に、発電設備の発電量が低下すると、そのまま何らの対策もされなければ合成電力が低下してしまう。そこで、この発電量低下を蓄電池設備からの電力の出力つまり蓄電池の放電により補うことで、合成電力の変化を抑制し電力変動制限時間帯の要求を満たす方法がある。この方法はいわば「長周期対策」と呼べるものである。

前述した第一要件と第二要件とを満たす観点からは、予備電力を蓄電池に蓄えさせておく必要がある。蓄えるべき予備電力は、発電量低下の際にその発電量低下を補うだけの電力出力を可能とするほどの電力量である。具体的には、蓄えるべき予備電力は、上述した短周期対策用の予備電力と長周期対策用の予備電力との合計となる。

蓄電池に蓄えるべき予備電力はなるべく少ないほうが好ましい。その一方で、蓄電池に蓄える予備電力を抑制したとしても、電力変動制限時間帯に蓄電池の放電電力が不足することは防止しなければならない。

本出願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電力変動制限が実施されるときに蓄電池の放電電力が不足することを抑制するように改良された電力システムを提供することを目的とする。

本出願にかかる電力システムは、
発電設備と蓄電池設備とを含み、前記発電設備と前記蓄電池設備とからの出力を合成した合成電力を電力系統との連系点に出力するように構築された電力設備と、
現在時刻が予め定められた電力変動制限開始時刻に到達するときに前記発電設備の発電量が予め定めた事前発電抑制値を上回らないように前記発電設備の発電量を調整する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記電力変動制限開始時刻よりも早い時刻として予め定められた基準時刻に現在時刻が至った場合に、前記合成電力が前記事前発電抑制値よりも大きいときには、前記発電設備の発電量を前記事前発電抑制値へと徐々に近づけるように構築され、
前記基準時刻から前記電力変動制限開始時刻までの期間に前記合成電力の変化率が予め定められた所定変化率を超えない範囲で前記発電設備の発電量を前記事前発電抑制値へと徐々に近づけるように構築され、
前記発電設備の発電量が、前記所定変化率に従った前記合成電力を上回っているときは、前記蓄電池設備に充電させ、前記発電設備の発電量が、前記所定変化率に従った前記合成電力を下回っているときは、前記蓄電池設備から放電させるように構築される。

上記電力システムによれば、電力変動制限時間帯への突入に備えて、事前に発電量の抑制を実施することができる。事前に発電量を抑制しておくことで、電力変動制限が開始される時点での合成電力を抑制することができる。これにより電力変動制限に必要な予備電力を抑制することができるので、蓄電池の放電電力不足が生じることを抑制することができる。

系統連系における短周期対策を説明するための図である。系統連系における長周期対策を説明するための図である。系統連系における長周期対策を説明するための図である。系統連系における長周期対策における蓄電池設備の充電動作を説明するための図である。系統連系における長周期対策における蓄電池設備の放電動作を説明するための図である。実施の形態にかかる電力システムを示す構成図である。比較例にかかる放電電力不足を説明するための図である。実施の形態にかかる電力システムの事前発電抑制制御を説明するための図である。

図６は、実施の形態にかかる電力システム１を示す構成図である。電力システム１は、自然エネルギーで発電する発電設備の一例である風力発電設備１０と蓄電池設備２０とを含む電力設備３と、風力発電設備１０と蓄電池設備２０とを制御するメインサイトコントローラ５０（以下、「ＭＳＣ５０」とも称す）と、を備える。電力設備３は、合成電力Ｐ_ｓｕｍを電力系統２との連系点に出力するように構築されている。合成電力Ｐ_ｓｕｍは、風力発電設備１０が出力する発電電力Ｐ_ｇｅｎと、蓄電池設備２０で入出力される蓄電池充放電電力Ｐ_ｂａｔの出力を合成したものである。

図１は、系統連系における短周期対策を説明するための図である。図２および図３は、系統連系における長周期対策を説明するための図である。風力発電設備１０の連系量が限界に達すると、風力発電設備１０の短周期および長周期での出力変動に対して出力調整が追いつかなくなるため、以下に示す出力変動緩和対策が実施される。

まず、短周期の出力変動緩和対策の一例は、全ての時間において、発電所合成電力の変化速度を「発電所定格出力の１％以下／分」とするものである。

一方、長周期の出力変動緩和対策は例えば下記のように定められる。以下の指定時間帯において、発電所合成電力（以下、合成電力Ｐ_ｓｕｍとも称す）の変動方向が制御される。第一制限時間帯Ｔ_ｚ１は７：００～１０：００の時間帯に定められており、この期間には発電所合成電力を減少させてはならない。第二制限時間帯Ｔ_ｚ２は１１：３０～１３：３０の時間帯に定められており、この期間には発電所合成電力を増減させてはならない。

第三制限時間帯Ｔ_ｚ３は１６：００～１９：００の時間帯に定められており、この期間には発電所合成電力を減少させてはならない。第四制限時間帯Ｔ_ｚ４は２０：００～２３：００の時間帯に定められており、この期間には発電所合成電力を増加させてはならない。

図３において、符号Ｐ１～Ｐ５は、複数の制限時間帯（Ｔ_ｚ１，Ｔ_ｚ２，Ｔ_ｚ４）との関係で発電電力Ｐ_ｇｅｎと合成電力Ｐ_ｓｕｍとの差分を埋めるために電力設備３で実施される電力制御動作を説明している。Ｐ２に示すように発電量の減少分が蓄電池設備２０からの放電で賄われる。Ｐ３に示すように出力抑制値以上の発電があった場合には、Ｐ３ａのようにオーバー分が蓄電池設備２０に充電されたり、Ｐ３ｂのようにＳＯＣが規定値以上の場合は風力発電設備１０の発電が制限されたりする。

Ｐ１に示すように、電力増加があったときの余剰増加分が蓄電池設備２０に充電される。Ｐ４に示すように、蓄電池設備２０のＳＯＣが高すぎる場合には、風力発電設備１０の発電量が制限される。Ｐ５に示すように、ＳＯＣが高くならないように風力発電設備１０の発電量が制限される。

図４は、系統連系における長周期対策における蓄電池設備２０の充電動作を説明するための図である。合成電力目標値（上限）以上の発電があった場合には、合成電力Ｐ_ｓｕｍが合成電力目標値（上限）になるように余剰電力が蓄電池設備２０に充電される。

図５は、系統連系における長周期対策における蓄電池設備２０の放電動作を説明するための図である。合成電力目標値（下限）以下の発電があった場合には、合成電力Ｐ_ｓｕｍが合成電力目標値（下限）になるように不足電力が蓄電池設備２０の放電によって賄われる。

引き続き、図６を用いて実施の形態にかかる電力システム１の構成及び動作を説明する。電力設備３は、主変圧器４０と、第一計器用変成器４１と、変流器４２と、発電所合成電力計測器４３と、を備えている。

風力発電設備１０は、複数の発電設備１１と、風車コントローラ１２と、第一合成変流器１３と、発電計測器１４と、第二計器用変成器３０と、を備えている。複数の発電設備１１それぞれは、風力発電機と、風力発電機に接続された第一電力変換装置と、を備えている。第一電力変換装置は、風力発電機からの交流を直流に変換する第一変換回路と、変換された直流からさらに交流をつくりだす第二変換回路と、を含んでいる。

蓄電池設備２０は、複数の蓄電池電力システム２１と、バッテリマネジメントユニット（ＢＭＵ）２４と、蓄電池システムコントローラ２５と、第二合成変流器２２と、蓄電池充放電電力計測器２３と、を備えている。第二計器用変成器３０は、風力発電設備１０と蓄電池設備２０とで兼用されている。

複数の蓄電池電力システム２１それぞれは、蓄電池と、この蓄電池に接続された第二電力変換装置と、を含んでいる。第二電力変換装置は、交直電力変換を行うことで蓄電池に対して充電（つまり電力入力）または放電（つまり電力出力）を行う。

ＭＳＣ５０は、充放電制御部５１と、発電抑制制御部５５と、を備えている。ＭＳＣ５０には、中央給電指令所から伝達されるオンライン発電抑制設定値Ｓ_ｃｔｒと、発電所合成電力計測器４３で計測された合成電力Ｐ_ｓｕｍの計測値と、発電計測器１４で計測された発電電力Ｐ_ｇｅｎの計測値と、蓄電池充放電電力計測器２３で計測された充放電電力Ｐ_ｂａｔの計測値と、が入力されている。

充放電制御部５１は、充放電指令値演算部５２を備えている。発電抑制制御部５５は、発電抑制指令値演算部５６と、リミット指令値演算部５７とを備えている。発電抑制指令値演算部５６は、オンライン発電抑制設定値Ｓ_ｃｔｒに基づいて発電抑制指令値Ｓ_ｌｉｍ０を演算する。

リミット指令値演算部５７は、発電抑制指令値Ｓ_ｌｉｍ０に基づいて第一リミット指令値Ｓ_ｌｉｍ１を演算する。風車コントローラ１２は、第一リミット指令値Ｓ_ｌｉｍ１に基づいて第二リミット指令値Ｓ_ｌｉｍ２を演算する。それぞれの発電設備１１は、第二リミット指令値Ｓ_ｌｉｍ２に従って発電量を抑制する。

ＢＭＵ２４は、それぞれの蓄電池電力システム２１に含まれる蓄電池のＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ：蓄電池残量）を取得して、蓄電池システムコントローラ２５に伝達する。蓄電池システムコントローラ２５は、ＢＭＵ２４から伝達されたＳＯＣを、ＭＳＣ５０の充放電制御部５１に伝達する。

充放電制御部５１は、上記伝達されたＳＯＣに基づいて、充放電指令値Ｓ_ｃｄ０を演算して蓄電池システムコントローラ２５に伝達する。蓄電池システムコントローラ２５は、充放電指令値Ｓ_ｃｄ０に基づいて、複数の蓄電池電力システム２１それぞれに対する個別充放電指令値Ｓ_ｃｄｐを算出する。個別充放電指令値Ｓ_ｃｄｐは蓄電池電力システム２１に含まれる第二電力変換装置に伝達され、第二電力変換装置は個別充放電指令値Ｓ_ｃｄｐに従って蓄電池の充電または放電を実施するように作動する。

ＭＳＣ５０は、現在時刻Ｔと、予め定められた電力変動制限開始時刻Ｔ_{ｓｔａｒｔ}と電力変動制限開始時刻に対応付けて予め定められた電力変動制限終了時刻Ｔ_ｅｎｄと、現在時刻Ｔにおける合成電力Ｐ_ｓｕｍなどの情報に基づいて、電力変動制限を遵守するために各種の演算処理を行う。なお、電力変動制限開始時刻Ｔ_{ｓｔａｒｔ}と電力変動制限終了時刻Ｔ_ｅｎｄとの組は、図２および図３で説明したように制限時間帯Ｔ_ｚ１～Ｔ_ｚ４で決定される。

（事前発電抑制制御の動作）
以下、図７および図８を用いて、実施の形態にかかる事前発電抑制制御の内容を説明する。事前発電抑制制御は、主に図６のシステム構成における発電抑制制御部５５において実施される制御である。

図７は、比較例にかかる放電電力不足を説明するための図である。図７には、充電電力量Ｐ_{ｂａｔｉｎ}と、発電電力Ｐ_ｇｅｎと、合成電力Ｐ_ｓｕｍと、蓄電池最大電力Ｐ_{ｂａｔｍｘ}と、放電電力量Ｐ_{ｂａｔｏｕｔ}とがそれぞれ例示されている。

図７の比較例では、蓄電池設備２０の蓄電池最大電力Ｐ_{ｂａｔｍｘ}を上回る第一合成電力Ｐ_ｓｕｍ１で、電力システム１の運転が電力変動制限時間帯Ｔ_ｚ１へと突入している。電力変動制限時間帯Ｔ_ｚ１の期間内では、電力の減少をしてはならない。従って、電力変動制限時間帯Ｔ_ｚ１の期間内では、図７に示すように発電電力Ｐ_ｇｅｎが急低下したとしても、合成電力Ｐ_ｓｕｍを第一合成電力Ｐ_ｓｕｍ１に保つ必要がある。しかし放電電力量Ｐ_{ｂａｔｏｕｔ}が不足すると合成電力Ｐ_ｓｕｍを保持できなくなり、図７に示すように放電電力不足による基準逸脱が発生してしまう問題がある。

図８は、実施の形態にかかる電力システム１の事前発電抑制制御を説明するための図である。図８には破線で合成電力Ｐ_ｓｕｍが記載され、実線で発電出力Ｐ_ｇｅｎが記載されている。例えば基準時刻Ｔ_{ｐｒｅｓｔａｒｔ}の前後を見ると把握されるように、発電出力Ｐ_ｇｅｎが合成電力Ｐ_ｓｕｍを上回っている領域が充電電力量Ｐ_{ｂａｔｉｎ}に相当しており、発電出力Ｐ_ｇｅｎが合成電力Ｐ_ｓｕｍを下回っている領域が放電電力量Ｐ_{ｂａｔｏｕｔ}に相当している。

実施の形態では、発電抑制制御部５５が「事前発電抑制制御」を実施することで、図８に示すように事前発電抑制値Ｐ_ｓｐで電力システムの運転が電力変動制限時間帯Ｔ_ｚ１へと突入する。その結果、図７の第一合成電力Ｐ_ｓｕｍ１よりも低くされた事前発電抑制値Ｐ_ｓｐで電力変動制限時間帯Ｔ_ｚ１の電力制御が行われるので、合成電力Ｐ_ｓｕｍを維持するための放電電力量Ｐ_{ｂａｔｏｕｔ}が少なくても済む利点がある。従って放電電力不足を回避することができる。

事前発電抑制制御とは、現在時刻が電力変動制限開始時刻Ｔ_{ｓｔａｒｔ}に至る時点で風力発電設備１０の発電量Ｐ_ｇｅｎが事前発電抑制値Ｐ_ｓｐを上回らないように、風力発電設備１０の発電量Ｐ_ｇｅｎを調整する制御である。実施の形態にかかる事前発電抑制制御によれば、図８に示すように合成電力Ｐ_ｓｕｍも事前発電抑制値Ｐ_ｓｐを上回らないように抑制される。

事前発電抑制値Ｐ_ｓｐは、電力システム１の定格出力１００％を下回る値に予め設定されている。例えば、事前発電抑制値Ｐ_ｓｐは、定格出力の９０％、８０％、７０％、あるいは６０％などの値に予め設定されてもよい。

なお、図８では一例として事前発電抑制値Ｐ_ｓｐが蓄電池設備２０の蓄電池最大電力Ｐ_{ｂａｔｍｘ}と同じ大きさに設定されている。変形例として、事前発電抑制値Ｐ_ｓｐが蓄電池最大電力Ｐ_{ｂａｔｍｘ}と異なる値に設定されてもよい。

なお、実施の形態にかかる事前発電抑制制御が実施されることにより、図８に図示した「事前発電抑制電力量」の分だけ発電が抑制されることとなる。

図６に示した実施の形態のシステム構成との関係を述べる。実施の形態では、予め定められたタイミングで事前発電抑制値Ｐ_ｓｐが前述した発電抑制指令値Ｓ_ｌｉｍ０に代入されることで事前発電抑制制御が実現されてもよい。予め定められたタイミングとは、予め定めた基準時刻Ｔ_{ｐｒｅｓｔａｒｔ}に現在時刻が至ったタイミングとしてもよい。

基準時刻Ｔ_{ｐｒｅｓｔａｒｔ}は、電力変動制限開始時刻Ｔ_{ｓｔａｒｔ}から予め定めた時間長だけ遡った時刻である。予め定めた時間長は、任意の時間長に設定することができる。一例を挙げると、基準時刻Ｔ_{ｐｒｅｓｔａｒｔ}は、電力変動制限開始時刻Ｔ_{ｓｔａｒｔ}よりも一時間前、二時間前、あるいはそれ以上の数時間前の時刻に定められてもよい。これにより、発電量の抑制を緩やかに進行させることができるので、発電量の急変を避けることができる。

実施の形態においては、事前発電抑制値Ｐ_ｓｐが発電抑制指令値Ｓ_ｌｉｍ０に代入されると、その事前発電抑制値Ｐ_ｓｐの値に基づいて第一リミット指令値Ｓ_ｌｉｍ１と第二リミット指令値Ｓ_ｌｉｍ２とがそれぞれ更新される。複数の発電設備１１それぞれが第二リミット指令値Ｓ_ｌｉｍ２に従って制御されることで、合成電力Ｐ_ｓｕｍが事前発電抑制値Ｐ_ｓｐを上回らないように風力発電設備１０の発電量が抑制される。

発電抑制制御部５５は、合成電力Ｐ_ｓｕｍが事前発電抑制値Ｐ_ｓｐよりも大きいときに風力発電設備１０の発電量Ｐ_ｇｅｎを事前発電抑制値Ｐ_ｓｐへと徐々に近づけるように構築されてもよい。例えば、電力変動制限開始時刻Ｔ_{ｓｔａｒｔ}の２時間前に第一抑制量（例えば定格の８０％など）まで発電量が抑制されるようにしてもよく、例えば電力変動制限開始時刻Ｔ_{ｓｔａｒｔ}の１時間前には第二抑制量（例えば定格の７０％など）まで発電量が抑制されるようにしてもよい。例えば一時間などの所定時間間隔で複数段階の事前発電抑制値Ｐ_ｓｐが可変設定されてもよく、これにより風力発電設備１０の発電量Ｐ_ｇｅｎを事前発電抑制値Ｐ_ｓｐへと少しずつ近づけることができる。

基準時刻Ｔ_{ｐｒｅｓｔａｒｔ}は、電力変動制限開始時刻Ｔ_{ｓｔａｒｔ}よりも予め定めた時間だけ遡った時刻に定められる。基準時刻Ｔ_{ｐｒｅｓｔａｒｔ}を電力変動制限開始時刻Ｔ_{ｓｔａｒｔ}よりも十分に早い時刻に定めることで、前述した短周期の出力変動緩和対策を履行しつつ事前発電抑制制御を実施することができる。つまり、基準時刻Ｔ_{ｐｒｅｓｔａｒｔ}から電力変動制限開始時刻Ｔ_{ｓｔａｒｔ}までの期間に、合成電力Ｐ_ｓｕｍの変化率が所定変化率ｎ（一例としてｎ＝１％／分）を超えない範囲で合成電力Ｐ_ｓｕｍを事前発電抑制値Ｐ_ｓｐへと近づけるように、風力発電設備１０の発電量Ｐ_ｇｅｎを徐々に減らすことができる。

１電力システム、２電力系統、３電力設備、１０風力発電設備、１１発電設備、１２風車コントローラ、１３第一合成変流器、１４発電計測器、２０蓄電池設備、２１蓄電池電力システム、２２第二合成変流器、２３蓄電池充放電電力計測器、２４ＢＭＵ（バッテリマネジメントユニット）、２５蓄電池システムコントローラ、３０第二計器用変成器、４０主変圧器、４１第一計器用変成器、４２変流器、４３発電所合成電力計測器、５０メインサイトコントローラ（ＭＳＣ）、５１充放電制御部、５２充放電指令値演算部、５５発電抑制制御部、５６発電抑制指令値演算部、５７リミット指令値演算部、ｎ指定変化率、Ｐ_０発電所定格出力、Ｐ_ｂａｔ蓄電池充放電電力、Ｐ_ｇｅｎ発電電力、Ｐ_ｓｕｍ合成電力、Ｐ_ｓｕｍ１第一合成電力、Ｐ_ｓｐ事前発電抑制値、Ｓ_ｃｄ０充放電指令値、Ｓ_ｃｄｐ個別充放電指令値、Ｓ_ｃｔｒオンライン発電抑制設定値、Ｓ_ｌｉｍ０発電抑制指令値、Ｓ_ｌｉｍ１第一リミット指令値、Ｓ_ｌｉｍ２第二リミット指令値、Ｔ現在時刻、Ｔ_ｄ所定期間、Ｔ_ｅｎｄ電力変動制限終了時刻、Ｔ_{ｓｔａｒｔ} 開始時刻（電力変動制限開始時刻）、Ｔ_ｚ１第一制限時間帯（電力変動制限時間帯）、Ｔ_ｚ２第二制限時間帯（電力変動制限時間帯）、Ｔ_ｚ３第三制限時間帯（電力変動制限時間帯）、Ｔ_ｚ４第四制限時間帯（電力変動制限時間帯）

Claims

発電設備と蓄電池設備とを含み、前記発電設備と前記蓄電池設備とからの出力を合成した合成電力を電力系統との連系点に出力するように構築された電力設備と、
現在時刻が予め定められた電力変動制限開始時刻に至る時点で前記発電設備の発電量が予め定めた事前発電抑制値を上回らないように前記発電設備の発電量を調整する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記電力変動制限開始時刻よりも早い時刻として予め定められた基準時刻に現在時刻が至った場合に、前記合成電力が前記事前発電抑制値よりも大きいときには、前記発電設備の発電量を前記事前発電抑制値へと徐々に近づけるように構築され、
前記基準時刻から前記電力変動制限開始時刻までの期間に前記合成電力の変化率が予め定められた所定変化率を超えない範囲で前記発電設備の発電量を前記事前発電抑制値へと徐々に近づけるように構築され、
前記発電設備の発電量が、前記所定変化率に従った前記合成電力を上回っているときは、前記蓄電池設備に充電させ、前記発電設備の発電量が、前記所定変化率に従った前記合成電力を下回っているときは、前記蓄電池設備から放電させるように構築された
電力システム。
前記基準時刻から前記電力変動制限開始時刻までの期間に前記合成電力の変化率が予め定められた所定変化率を超えない範囲で前記発電設備の発電量を前記事前発電抑制値へと徐々に近づけるように、前記基準時刻が前記電力変動制限開始時刻よりも予め定めた時間だけ遡った時刻に定められた請求項１に記載の電力システム。