WO2011016092A1 - 分散型電源の自立運転システム - Google Patents

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power supply
power
self
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山根俊博
沼田茂生
森野仁夫
下田英介
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清水建設株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a self-sustaining operation system for a distributed power source.
  • microgrid a linked operation that controls the amount of power generated so that the amount of power purchased from a commercial system is kept constant by grid connection.
  • load follow-up operation is required to perform autonomous operation to supply high-quality (voltage and frequency fluctuation is small) power in the microgrid system.
  • the building can be operated continuously without being affected by an external power failure in the microgrid system, including devices that are relatively sensitive to power quality (voltage and frequency fluctuations) such as a computer.
  • Patent Literature 1 As a prior art that shifts from a grid operation to a self-sustained operation without instantaneous interruption, there is known an uninterruptible self-sustaining transition power generation system described in Patent Literature 1, Patent Literature 2, and the like.
  • This system will be briefly described with reference to FIG.
  • This system has two types of power supply configurations: a rotating machine generator 6 and a fuel cell 7.
  • a high-speed signal line such as an analog signal line is used for communication of measurement data measured by the measuring instruments 31, 41, 51, 61, 71 and a control signal output from the control unit 1.
  • a thick solid line indicates a power line
  • a thin solid line indicates a signal line (high speed).
  • the voltage fluctuation in the microgrid system is suppressed by controlling the rotating generator 6 with constant voltage control.
  • the constant voltage control of the rotating machine generator 6 when the load 3, 4, 5 has a high speed load fluctuation, the voltage of the supplied power fluctuates. Therefore, in this system, high-speed load fluctuation compensation is performed using the fuel cell 7, and the rotating machine generator 6 is compensated for only very gentle load fluctuation, thereby suppressing voltage fluctuation of supplied power. Yes.
  • a detection signal of the system abnormality detection unit 9 that detects an abnormality of the commercial system 2 is transmitted to the circuit breaker 8 through a high-speed signal line, and each power source (the rotating machine generator 6 and the fuel cell 7).
  • the control signal is transmitted via the control unit 1 via a high-speed signal line.
  • a system configuration using an existing low-speed signal line such as a LAN line can be considered as a modification of the system configuration in FIG.
  • FIG. 4 by using only the signal line S1 between the system abnormality detection unit 9 and the circuit breaker 8 as a signal line capable of performing high-speed signal transmission, and using a low-speed signal line for the other signal lines, It becomes possible to suppress the cost increase such as the burying cost of the signal line.
  • a thick solid line indicates a power line
  • a thin broken line indicates a signal line (low speed)
  • a thin solid line indicates a signal line (high speed).
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and a self-sustained operation system for a distributed power source that can maintain the power supply quality without causing a momentary interruption at the time of transition to the self-sustained operation of the distributed power source.
  • the purpose is to provide.
  • a self-sustained operation system for a distributed power source includes a system abnormality detection unit that outputs an abnormality detection signal when an abnormality of a commercial system is detected, and the abnormality detection signal is input from the system abnormality detection unit.
  • a circuit breaker that cuts off the power supply of the commercial system, a state detection unit that outputs a circuit breaker state signal when it is detected that the circuit breaker is in a break state, and the breaker state signal is input
  • the breaker state signal is input In this case, by starting the power supply, it compensates for the load fluctuation between the time when the power supply of the commercial system is interrupted by the circuit breaker and the time when the rotating generator generator shifts to the operation of the autonomous operation control.
  • a power storage device that stores data fluctuation between the time when the power supply of the commercial system is interrupted by the circuit breaker and the time when the rotating generator generator shifts to the operation of the autonomous operation control.
  • the state detection unit may transmit the breaker state signal through a signal line that is faster than other control system signals.
  • the power storage device measures its own power supply amount when the breaker state signal is input from the state detection unit, and measures the supplied power supply. Operation control may be performed so that a predetermined control value is obtained based on the amount.
  • the power supply is started by the power storage device capable of high-speed load follow-up, so that the rotating machine power generation is performed after the commercial system power is interrupted. Compensated for load fluctuations until the machine shifts to autonomous operation control. Therefore, the effect that the supplied power quality can be maintained without causing an instantaneous interruption at the time of shifting to the independent operation of the distributed power source is obtained.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the structure of one Embodiment of this invention. It is explanatory drawing which shows an example of the electric power quality of the independent operation system by one Embodiment of this invention. It is a block diagram which shows the structure of the independent operation system by a prior art. It is a block diagram which shows the system configuration
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the embodiment.
  • the self-sustained operation system shown in this figure differs from the system shown in FIG.
  • a power storage device for example, an electric double layer capacitor
  • Two types of power storage devices for example, nickel-metal hydride batteries
  • the control unit 1 includes three power sources ( The operation control of the rotating machine generator 6, the power storage device 10, and the power storage device 11) is performed.
  • a thick solid line indicates a power line
  • a thin broken line indicates a signal line (low speed)
  • a thin solid line indicates a signal line (high speed).
  • the system abnormality detection unit 9 monitors the power supplied from the commercial system 2, and transmits an abnormality detection signal to the circuit breaker 8 and the control unit 1 when an abnormality is detected in the commercial system.
  • a high-speed signal line is used as the signal line for transmitting the abnormality detection signal S1 to be transmitted to the circuit breaker 8.
  • the circuit breaker 8 interrupts the commercial system (opens the switch).
  • the control part 1 will transfer to independent operation, if an abnormality detection signal is received.
  • the control unit 1 includes load fluctuation measurement data for the loads 3, 4, and 5 output from the measuring devices 31, 41, and 51, and a rotating machine generator 6 output from the measuring devices 61, 101, and 111. Based on the supplied power measurement data of the power storage device 10 and the power storage device 11, operation control of the three power sources (the rotating machine generator 6, the power storage device 10, and the power storage device 11) is performed. At this time, low-speed signal lines are used for transmission of measurement data and transmission of operation control signals.
  • the state detector 81 detects that the circuit breaker 8 is in a breaker state (switch open state), a state breaker state signal indicating the breaker state is directly transmitted via a high-speed signal line ( It transmits to the electrical storage apparatus 10 (without going through the control part 1).
  • the power storage device 10 starts operation control of power supply during the independent operation.
  • the power storage device 10 receives the measurement data of the amount of power supplied from the measurement result of the measuring instrument 101 through a high-speed signal line, and takes a control value determined in advance based on the measurement data.
  • the operation control of itself power storage device 10) is performed (hereinafter, this operation control is referred to as local follow-up control).
  • this operation control is referred to as local follow-up control.
  • the power storage device 10 shifts to the control during the self-sustaining operation at a high speed in response to receiving the circuit breaker state signal from the state detection unit 81 through the high-speed signal line. As a result, it is possible to compensate for a very high speed load fluctuation until the rotating machine power generator 6 and the power storage device 11 shift to the control during the self-sustaining operation (during a time delay due to the low speed signal line).
  • control unit 1 in order to prevent a time delay due to the initial calculation time at the start of the autonomous operation control in the power storage device 10, the control unit 1 always calculates the control value when shifting to the autonomous operation mode in the background during the interconnection operation. In addition, it may be transmitted to the power storage device 10 at a predetermined timing.
  • FIG. 1 shows a system configuration in which one power storage device 10, 11 is provided, but a plurality of power storage devices 10, 11 may be provided. Further, the power storage device 11 may be omitted, and only the power storage device 10 may be configured.
  • the horizontal axis indicates time (sec)
  • the left side of the vertical axis indicates frequency [Hz]
  • the right side of the vertical axis indicates voltage [kV].
  • the time T1 ⁇ 20 to 0 (sec)
  • the time T2 (0 to 30 (sec)) is independent.
  • a graph g1 shows a frequency waveform
  • a graph g2 shows a voltage waveform.
  • a gas engine 350 kW is used as the rotating machine generator 6
  • a nickel hydrogen battery 400 kWh is used as the power storage device 11
  • an electric double layer capacitor 100 kW ⁇ charge / discharge 2 seconds is used as the power storage device 10.
  • the measurement result of the 1 second period at the time of a self-sustained operation transition is shown.
  • the gas engine (rotor generator 6) and the nickel metal hydride battery (power storage device 11) were controlled by the control unit 1 via a LAN line.
  • the electric double layer capacitor (power storage device 10) performed local follow-up control.
  • the voltage fluctuation during the self-sustaining operation including immediately after the transition to the self-sustained operation is 1% or less with respect to the control target value 6.6 kV at the time of the actual measurement, and the frequency fluctuation is the control target value. ⁇ 0.1 Hz with respect to 50 Hz. Therefore, it is possible to realize a very high quality power supply.
  • the power quality (both voltage and frequency) in the microgrid system is maintained and the power is temporarily stored by charging.
  • the power storage devices 10 and 11 that can be stored are used. Therefore, it is possible to maintain power supply even when the total load value in the microgrid system is equal to or lower than the minimum output of the rotating machine generator 6 during the self-sustaining operation.
  • the signal lines from the system abnormality detection unit 9 to the circuit breaker 8, the circuit breaker 8 to the power storage device 10, and the signal lines from the measuring device 101 to the power storage device 10 are signal lines that can perform high-speed communication, and other signal lines A low-speed signal line such as a LAN line is used. For this reason, it is possible to suppress an increase in cost such as the burying cost of the signal line.
  • the present invention can be applied to a self-sustained operation system of a distributed power source capable of maintaining the quality of supplied power without causing a momentary interruption when the self-sustained operation of the distributed power source is shifted.

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Abstract

　分散型電源の自立運転システムであって、商用系統の異常を検出した場合に、異常検出信号を出力する系統異常検出部と、系統異常検出部から異常検出信号が入力された場合に商用系統の電力供給を遮断する遮断器と、遮断器が遮断状態になったことを検出した場合に遮断器状態信号を出力する状態検出部と、遮断器状態信号が入力された場合に、電力供給を開始することにより、遮断器によって商用系統の電力供給が遮断されてから回転機系発電機が自立運転制御の運転に移行するまでの間の負荷変動を補償する蓄電装置と、を備える。

Description

分散型電源の自立運転システム
　本発明は、分散型電源の自立運転システムに関する。
　近年、分散型電源の負荷追従運転によって商用系統への負担を軽減する「マイクログリッド」への取り組みが活発化している。マイクログリッドの思想を取り込んだ分散型電源によるエネルギー供給システム（以下、単にマイクログリッドという）では、通常時は系統連系により商用系統からの買電量が一定となるように発電量を制御する連係運転を行い、停電等の非常時はマイクログリッド系統内に高品質な（電圧・周波数の変動が小さい）電力を供給する自立運転を行う負荷追従運転が求められている。
　建物の利便性を考慮すると、停電等の非常時に連系運転から自立運転へ高品質な電力供給を保ったまま無瞬断で移行するシステムを構築することが望ましい。これにより、例えばコンピュータのような電力品質（電圧・周波数の変動）に比較的敏感な機器を含め、マイクログリッド系統内では外部の停電の影響を全く受けることなく建物の継続運用が可能となる。
　連系運転から無瞬断で自立運転へ移行する先行技術として、特許文献１や特許文献２等に記載の無瞬断自立移行発電システムが知られている。このシステムを図３を参照して簡単に説明する。このシステムは、回転機系発電機６と燃料電池７の２種類の電源構成となっている。計測器３１、４１、５１、６１、７１によって計測された計測データや制御部１から出力される制御信号の通信には例えばアナログ信号線のような高速な信号線を利用している。
　なお、図３において、太い実線は電力線を示しており、細い実線は信号線（高速）を示している。
　自立運転時は回転機系発電機６を定電圧制御とすることにより、マイクログリッド系統内の電圧変動の抑制を行う。回転機系発電機６の定電圧制御は、負荷３、４、５において高速な負荷変動があった場合、供給電力の電圧が変動してしまう。そのため、このシステムでは燃料電池７を用いて高速な負荷変動補償を行い、回転機系発電機６には非常に緩やかな負荷変動のみを補償させることで、供給する電力の電圧変動を抑制している。また、自立運転移行は、商用系統２の異常を検出する系統異常検出部９の検出信号を遮断器８へ高速な信号線で送信するともに、各電源（回転機系発電機６と燃料電池７）に対して制御部１を経由して高速な信号線で制御信号を送信する。これにより、遮断器８の開放と各電源の自立運転時の制御への移行を瞬時に行うことで無瞬断化を実現している。
　ただし、図３に示すシステム構成においては、全ての信号の受け渡しに高速信号線を使用しているため、信号線の埋設費用等のコストアップになるという問題を有している。このような問題を解決するために、図３のシステム構成の変形例として、例えばＬＡＮ回線のような既存の低速な信号線を利用したシステム構成が考えられる。図４に示すように、系統異常検出部９と遮断器８との信号線Ｓ１のみを高速な信号伝送を行うことができる信号線とし、他の信号線に低速の信号線を用いることで、信号線の埋設費用等のコストアップを抑制することが可能となる。
　なお、図４において、太い実線は電力線を示しており、細い破線は信号線（低速）を示しており、細い実線は信号線（高速）を示している。
　しかしながら、特許文献１、２に示す無瞬断自立移行発電システム装置（図３）にあっては、自立運転移行時において、燃料電池の運転モードを定電力制御から定電圧制御へ切り替えて系統電圧の維持のみを行う。そのため、自立運転時のマイクログリッド系統周波数の維持が困難であるという問題がある。また、電源となる回転機系発電機と燃料電池は双方ともに発電原理に起因した発電最低出力が存在する。そのため、自立運転時のマイクログリッド系統内の負荷合計値が各発電機の最低出力合計値以下の場合は電力供給が停止してしまうという問題もある。
　また、図４に示すシステム構成のように、既設の低速な信号線としてＬＡＮ回線を用いた場合、データの収受には数秒オーダーの時間遅れが生じる。そのため、自立運転中に、低速な信号線による時間遅れにより数秒オーダー以下の高速な負荷変動に対しては燃料電池が補償することができず、供給電力品質が悪化してしまうという問題もある。また、自立運転移行時、遮断器潮流によっては低速な信号線による時間遅れの間に回転機系発電機が補償する負荷がステップ状（非常に高速）に変動し、電力品質が悪化してしまうという問題がある。
特開２００２－１３５９８２号公報 特開２００２－１７１６７１号公報
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、分散型電源の自立運転移行時の瞬断を発生させることなく、供給電力品質を維持することができる分散型電源の自立運転システムを提供することを目的とする。
　本発明の一態様による分散型電源の自立運転システムは、商用系統の異常を検出した場合に、異常検出信号を出力する系統異常検出部と、前記系統異常検出部から前記異常検出信号が入力された場合に前記商用系統の電力供給を遮断する遮断器と、前記遮断器が遮断状態になったことを検出した場合に遮断器状態信号を出力する状態検出部と、前記遮断器状態信号が入力された場合に、電力供給を開始することにより、前記遮断器によって商用系統の電力供給が遮断されてから回転機系発電機が自立運転制御の運転に移行するまでの間の負荷変動を補償する蓄電装置と、を備える。
　本発明の一態様による分散型電源の自立運転システムでは、前記状態検出部は、前記遮断器状態信号を、他の制御系信号より高速な信号線によって伝送しても良い。
　本発明の一態様による分散型電源の自立運転システムでは、前記蓄電装置は、前記状態検出部から前記遮断器状態信号が入力された場合に、自己の供給電力量を計測し、計測した供給電力量に基づいて、予め決められた制御値になるように運転制御を行っても良い。
　本発明によれば、商用系統からの電力供給が遮断された場合に、高速な負荷追従が可能な蓄電装置によって電力供給を開始することにより、商用系統の電力が遮断されてから回転機系発電機が自立運転制御の運転に移行するまでの間の負荷変動を補償するようにした。そのため、分散型電源の自立運転移行時の瞬断を発生させることなく、供給電力品質を維持することができるという効果が得られる。
本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による自立運転システムの電力品質の一例を示す説明図である。 従来技術による自立運転システムの構成を示すブロック図である。 図３に示す自立運転システムの改善策を講じたシステム構成を示すブロック図である。
　以下、本発明の一実施形態による分散型電源の自立運転システムを図面を参照して説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、図４に示すシステムと同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。この図に示す自立運転システムが図４示すシステムと異なる点は、燃料電池７に代えて、最も高速な負荷変動補償を行う蓄電装置（例えば、電気二重層キャパシタ）１０と数秒オーダー以上（中速）の時間間隔で制御を行う蓄電装置（例えば、ニッケル水素電池）１１の２種類の蓄電装置と、遮断器８の状態を検出する状態検出部８１を設け、制御部１が３台の電源（回転機系発電機６、蓄電装置１０及び蓄電装置１１）の運転制御を行うようにした点である。
　なお、図１において、太い実線は電力線を示しており、細い破線は信号線（低速）を示しており、細い実線は信号線（高速）を示している。
　次に、図１を参照して、図１に示す自立運転システムの動作を説明する。まず、系統異常検出部９は、商用系統２が供給する電力を監視し、商用系統に異常が検出された場合、異常検出信号を遮断器８と制御部１へ送信する。このとき、遮断器８へ送信する異常検出信号Ｓ１を伝送する信号線は、高速の信号線を用いる。遮断器８は、異常検出信号Ｓ１を受信すると、商用系統を遮断する（スイッチを開放する）。また、制御部１は、異常検出信号を受信すると、自立運転へ移行する。制御部１は、自立運転時において、計測器３１、４１、５１が出力する負荷３、４、５それぞれの負荷変動計測データと、計測器６１、１０１、１１１が出力する回転機系発電機６、蓄電装置１０及び蓄電装置１１の供給電力計測データに基づいて、３つの電源（回転機系発電機６、蓄電装置１０及び蓄電装置１１）の運転制御を実施する。このとき、計測データの伝送と運転制御信号の伝送は低速の信号線を用いる。
　一方、状態検出部８１は、遮断器８が遮断状態（スイッチ開放状態）になったことを検出すると、遮断状態になったことを示す遮断器状態信号を高速の信号線を経由して直接（制御部１を介すことなく）蓄電装置１０へ送信する。これを受けて、蓄電装置１０は、自立運転時の電力の供給の運転制御を開始する。自立運転時において、蓄電装置１０は、計測器１０１の計測結果を高速な信号線により自己の供給電力量の計測データを受信し、この計測データをもとに予め決められた制御値になるように自己（蓄電装置１０）の運転制御を行う（以下、この運転制御をローカル追従制御という）。これにより低速な信号線による時間遅れを解消し、高速な負荷変動を補償することが可能となる。
　このように、蓄電装置１０は状態検出部８１からの遮断器状態信号を高速な信号線で受信したことを受けて自立運転時の制御へ高速に移行する。これにより回転機系発電機６や蓄電装置１１が自立運転時の制御に移行するまで間（低速な信号線による時間遅れの間）の非常に高速な負荷変動を補償することが可能となる。
　なお、蓄電装置１０における自立運転制御開始時の初期演算時間による時間遅れを防止するため、制御部１は、連系運転中にバックグラウンドで自立運転モードに移行した場合の制御値を常に演算しておき、蓄電装置１０に対して所定のタイミングで送信しておくようにしてもよい。
　また、図１においては、蓄電装置１０、１１がそれぞれ１台ずつの場合のシステム構成を示したが、蓄電装置１０、１１はそれぞれ複数台数備えていてもよい。また、蓄電装置１１は省略し、蓄電装置１０のみのシステム構成としてもよい。
　次に、図２を参照して、本発明の実施形態による自立運転移行時の電力品質について説明する。図２において、横軸は時間（ｓｅｃ）を示しており、縦軸の左側は周波数［Ｈｚ］を示しており、縦軸の右側は電圧［ｋＶ］を示している。また、図２において、時間Ｔ１（－２０～０（ｓｅｃ））は連系運転を行っており、時間Ｔ２（０～３０（ｓｅｃ））は自立運転を行っている。また、図２において、グラフｇ１は周波数の波形を示しており、グラフｇ２は電圧の波形を示している。
　図２は、回転機系発電機６としてはガスエンジン３５０ｋＷを利用し、蓄電装置１１としてはニッケル水素電池４００ｋＷｈを利用し、蓄電装置１０としては電気二重層キャパシタ１００ｋＷ×充放電２秒を利用した場合の自立運転移行時の１秒周期の測定結果を示している。ここで、ガスエンジン（回転機系発電機６）とニッケル水素電池（蓄電装置１１）はＬＡＮ回線を介して制御部１によって制御した。電気二重層キャパシタ（蓄電装置１０）はローカル追従制御を行った。本発明の実施形態による自立運転システムでは自立運転移行直後を含めた自立運転時の電圧変動は本測定時の制御目標値である６．６ｋＶに対して１％以下となり、周波数変動は制御目標値の５０Ｈｚに対して±０．１Ｈｚとなる。そのため、非常に高品質な電力供給を実現することができる。
　以上説明したように、回転機系発電機６を定電圧定周波数制御で運転することで、マイクログリッド系統内の電力品質（電圧・周波数双方）の維持を行うとともに、充電することで電力の一時的な蓄積が可能な蓄電装置１０、１１を利用している。そのため、自立運転時においてマイクログリッド系統内の負荷合計値が回転機系発電機６の最低出力以下となった場合についても電力供給を維持することが可能となる。本発明の実施形態によるマイクログリッドの自立運転中の制御方法と自立運転移行制御方法を用いることにより、自立運転移行時を含めて高品質な電力供給を継続的に行うができる。この結果、万一の停電等の異常の際、マイクログリッド内施設への影響を防止することが可能となる。また、系統異常検出部９から遮断器８までと、遮断器８から蓄電装置１０までと、計測器１０１から蓄電装置１０までの信号線を高速通信が可能な信号線を用い、その他の信号線にＬＡＮ回線等の低速な信号線を用いるようにした。そのため、信号線の埋設費用等のコストアップを抑制することが可能となる。
　本発明は、分散型電源の自立運転移行時の瞬断を発生させることなく、供給電力品質を維持することができる分散型電源の自立運転システムなどに適用できる。
１・・・制御部、２・・・商用系統、３、４、５・・・負荷、６・・・回転機系発電機、８・・・遮断器、８１・・・状態検出部、９・・・系統異常検出部、１０・・・蓄電装置（高速）、１１・・・蓄電装置（中速）、３１、４１、５１、６１、１０１、１１１・・・計測器

Claims (3)

  1. 　商用系統の異常を検出した場合に、異常検出信号を出力する系統異常検出部と、
    　前記系統異常検出部から前記異常検出信号が入力された場合に前記商用系統の電力供給を遮断する遮断器と、
    　前記遮断器が遮断状態になったことを検出した場合に遮断器状態信号を出力する状態検出部と、
    　前記遮断器状態信号が入力された場合に、電力供給を開始することにより、前記遮断器によって商用系統の電力供給が遮断されてから回転機系発電機が自立運転制御の運転に移行するまでの間の負荷変動を補償する蓄電装置と、
    　を備える分散型電源の自立運転システム。
  2. 　前記状態検出部は、前記遮断器状態信号を、他の制御系信号より高速な信号線によって伝送する請求項１に記載の分散型電源の自立運転システム。
  3. 　前記蓄電装置は、前記状態検出部から前記遮断器状態信号が入力された場合に、自己の供給電力量を計測し、計測した供給電力量に基づいて、予め決められた制御値になるように運転制御を行う請求項２に記載の分散型電源の自立運転システム。
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