WO2020170626A1

WO2020170626A1 - 広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置

Info

Publication number: WO2020170626A1
Application number: PCT/JP2020/000282
Authority: WO
Inventors: 哲吾松尾; 信博藤吉; 伸一健木; 田中　英明; 俊之島
Original assignee: 松尾建設株式会社
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2020-08-27
Also published as: JP2020137278A; JP6625254B1

Abstract

【課題】電力系統において需給バランスが不安定になった場合に、自律的に需給バランスを安定化させるための制御を実施することを可能とした広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置を提供する。【解決手段】少なくとも電力負荷を制御するデマンド制御装置を具備する受電施設７，９，１０、または発電量を制御する発電制御装置を具備する発電設備４，５に備えられた広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置であって、受電施設７，９，１０または発電設備４，５と、電力系統とを接続する接続点における系統電力の周波数を検出する電圧周波数管理装置１１Ａを備え、検出周波数と基準周波数との差が予め設定するしきい値以上となった場合に、デマンド制御装置におけるデマンド設定値または発電制御装置における発電設定値を変更するようにした。

Description

広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置

　本発明は、電力送電網の安定化を実現するための広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置に関する。

　例えば特許文献１には、受電設備の需要電力を任意の目標値に且つ、滑らかに制御することを可能とした目標値設定型の需要電力比例制御装置が開示されている。

　また、特許文献２には、施設内の品質を守りながらデマンド制御を行うことを可能とした冷凍冷蔵庫施設向けのデマンド制御装置が開示されている。具体的には、同一受電設備内に設置された複数の冷凍冷蔵庫に品質を検出する品質センサを設け、これら品質センサよって検出された情報に基づき品質に余裕があると判定される冷凍冷蔵庫だけを選択して、消費電力を削減するための制御信号を出力する。一方で品質に余裕がないと判定された冷凍冷蔵庫に対しては消費電力を削減するための制御信号を回避する回避手段を設けるというものである。

　また、特許文献３には、電力網の安定を守りながら経済的で安定した再生可能エネルギー（再エネ）を導入することを可能とした自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置が開示されている。

　さらに、特許文献４には、発電設備を備え、発電した電力を逆潮流させることなく施設内でのみ消費するか、或いは蓄電設備に蓄積されるように自動で制御することを可能とした逆潮流防止型自家消費用再エネ発電蓄電制御装置が開示されている。

特許第５６０６６４５号公報特許第５７３１７０７号公報特許第５８２３６４６号公報特許第６４１４８７０号公報

　ところで、東日本大震災に伴う原子力発電所の事故以来、原子力発電所の全面再稼働が難しくなり、かつ再生可能エネルギーの全量買い取り制度（ＦＩＴ）により、天候などにより発電量が変化しやすく出力制御が困難な太陽光発電設備や風力発電設備（以下、これらを総称して「再エネ発電設備」という。）が増加している。その一方で、発電量が安定しており系統安定制御に寄与する火力発電設備は減少している。また、長年に亘って基幹電力を原子力発電所により賄っていたために、大型の火力発電所が偏在した状態となり、近年では発電所の分散化の必要性が議論されている。

　この様な状況の中で、近年、地震による電力系統のブラックアウト（広域停電）の発生が大きな問題となっている。電力会社はブラックアウトを防止するために、地震発生から所定の時間内に一部地域を強制停電するなどの対策を行うが、このような対策だけでは、ブラックアウトの発生を完全に防止することは困難となっている。その他にも、地震発生により電気通信事業者の通信障害が起きる可能性も考えられる。このようなブラックアウトをはじめとする災害に伴うインフラが遮断されることに対する技術開発が求められている。

　また、パリ協定（国連気候変動枠組条約締約国会議）の発動によって世界各国にも再エネ発電設備が導入される見通しであり、電力インフラの脆弱な地域で、今後大規模な再エネ発電設備が導入されることが予想されるが、このような地域では情報通信インフラも脆弱な例が多いと考えられ、特に電力インフラや情報通信インフラが脆弱な地域では、災害や再エネ発電設備自体の発電量の変動による電力系統の乱れが危惧される。

　つまり、このような地域にあっては電力需要に比較して供給電力が不足する系統異常（周波数低下）だけでなく、電力需要に比較して供給電力が過多となる系統異常（周波数上昇）の可能性も考えられる。そのため、周波数低下による系統異常だけでなく、周波数上昇による系統異常にも対応可能な広域参加（系統全体参加）型であって、自律式、かつ情報通信インフラが遮断しても電力系統の安定化を図ることが可能な技術が求められている。

　ここで、図１に示すように、電力系統１は全体をループ状かつ網目状に構成されている。電力系統１では、系統電力の電圧、及び周波数が一定範囲内に制御されているが、発電機全体の多くを占めるのが同期発電機であるため、その基本特性として一度同期運転に入ると定格出力能力の範囲内であれば自動的に同一周波数で運転を継続することができ、これが電力系統の安定化に寄与している。

　但し、災害等により一部の発電機（例えば、図１に示す３Ａ）が停止すると、この発電機３Ａの近隣にある発電機には、停止した発電機３Ａが賄っていた電力負荷が掛かる。これにより、他の発電機（例えば、図１に示す３Ｂ）の発電量が定格出力能力以上になると発電機３Ｂは自身の装置保護の為に停止してしまう。このようにして更に運転中の図示しない発電機に対する電力負荷が増加してこの発電機が停止することになれば、連続的な発電機の停止が発生して、最終的にブラックアウト発生に至るおそれがある。

　なお、一部の発電機が停止した場合、系統電力の電圧や周波数が低下する現象が見られるので、電力会社において休止中の発電機の再稼働や、一部地域の強制停電等の緊急措置が行われるが、時間的には数十秒単位での操作が求められることとなり、手動での対応には限界がある。また、災害等で情報通信インフラが遮断された場合は、前述したような緊急措置を実施することができなくなり、電力系統１のブラックアウトの危険性は更に増加してしまう。

　このようなことから本発明は、電力系統の需給バランスが不安定になった場合に、少なくとも電力負荷を制御するデマンド制御装置を具備する電力需要施設、または発電量を制御する発電制御装置を具備する発電設備において、自律的に電力系統の需給バランスを安定化させるための制御を実施することを可能とした広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置を提供することを目的とする。

　前記の課題を解決するために、本発明に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置は、電力指令所からの制御信号に基づいて制御される被制御設備としての発電設備、又は負荷設備に備えられ、電力指令所との間で通信回線を介して相互に通信可能な広域参加型自立式ブラックアウト回避制御装置において、前記被制御設備として前記発電設備、又は前記負荷設備の何れの設備であるかを判定し、該判定の結果を出力する設備種類判断部と、前記通信回線の通信状態を判定し、該判定の結果を出力する通信状態監視部と、電力系統の電圧の交流波形に基づいて検出された検出周波数と基準周波数との差が予め設定する所定のしきい値以上と判定され、かつ前記通信状態監視部において前記通信回線が遮断されていると判定された場合に、電力系統の周波数が基準周波数となるように、前記電力指令所からの制御信号に代えて前記設備種類判断部において判定された一の前記被制御設備に対して制御信号を出力する制御信号出力部を有する電圧周波数管理部と、を備え、前記制御信号出力部は、電力系統の電圧の交流波形に基づいて検出された周波数と基準周波数の差が前記しきい値以上低いと判定され、かつ前記設備種類判断部において前記被制御設備が発電設備であると判定された場合に、電力系統の周波数が基準周波数となるように前記発電設備に対して発電量を所定に上げるための制御信号を出力することを特徴とする。

　また、制御信号出力部は、電力系統の電圧の交流波形に基づいて検出された周波数と基準周波数の差が、しきい値以上高いと判定され、かつ設備種類判断部において被制御設備が発電設備であると判定された場合に、電力系統の周波数が基準周波数となるように発電設備に対して発電量を所定に下げるための制御信号を出力する。

　また、発電設備は蓄電装置を有しており、制御信号出力部は、電力系統の電圧の交流波形に基づいて検出された周波数と基準周波数の差が、しきい値以上高いと判定された場合に、発電設備により発電された電力の一部を蓄電装置に充電するよう発電設備に対して制御信号を出力する。

　本発明に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置によれば、電力系統において需給バランスが不安定になった場合に、自律的に需給バランスを安定化させるための制御を実施することが可能となる。

電力系統の全体構成を模式的に示す説明図である。本発明の実施形態に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置を、自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置に適用した例を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置を、目標値設定型の需要電力比例制御装置を備えた電力需要施設に適用した例を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置を、品質優先施設向けデマンド制御装置を備えた電力需要施設に適用した例を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置を、逆潮流防止型自家消費用再エネ発電蓄電制御装置を備えた電力需要施設に適用した例を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置の構成を示すブロック図である。図６に示す周波数検出部における交流波形から直流電圧信号への変換の概念を説明するための回路図である。系統電圧の周波数の遅れ及び進みを説明するための系統電力の交流電圧の位相の例を示すグラフである。図７に示す周波数検出部の直流電圧出力部から出力される直流信号の例を示すグラフである。図６に示す周波数検出部における直流電圧信号から接点信号への変換の概念を説明するための回路図である。図６に示す制御信号出力部における接点信号から発電電力設定信号への変換の概念を説明するための回路図である。本発明の実施形態に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置による処理の流れを示すフローチャートである。ブラックアウト発生時の系統電力の周波数の変化の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置による災害発生時のブラックアウト回避の流れを示すフローチャートである。災害発生時に本発明の実施形態に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置によるブラックアウト回避を行った場合の系統電力の周波数の変化の一例を示すグラフである。本発明の実施形態に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置による過剰発電時のブラックアウト回避の流れを示すフローチャートである。

　以下、図面を用いて本発明の実施形態に係る広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置について説明する。

　図１に、商用側、及び電力需要家（受電施設）側を含む全体的な電力系統１の構成を模式的に示す。図１に示す例では、火力発電設備３、自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置を備えた再生エネルギー発電設備（ここでは、太陽光発電設備４、及び風力発電設備５）、目標値設定型の需要電力比例制御装置６を備えた電力需要施設７、品質優先施設向けのデマンド制御装置８を備えた電力需要施設９、再エネ発電設備（ここでは、太陽光発電設備４、及び風力発電設備５）、及び逆潮流防止型自家消費用再エネ発電蓄電制御装置を備えた電力需要施設１０等が含まれている。

　これら火力発電設備３、太陽光発電設備４、風力発電設備５、及び電力需要施設７，９，１０等は、それぞれ電力系統１に接続されるとともに、通信回線２に接続されて電力制御網が構成されている。

　ここで、発電制御装置としての自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置を備えた再生エネルギー発電設備の全体的なブロック図について図２を用いて説明する。再生エネルギー発電設備は、発電設備１１２に接続され、発電設備（図２に示す例では、太陽光パネル）１１２で発電された電力を直流から交流に変換して出力するとともに、出力する電力を操作量に比例して調節する比例制御式電力調節機能を有する電力変換機（パワーコンディショナ（ＰＣＳ））１１４と、電力変換機１１４から出力される電力の瞬時電力を検出する瞬時電力検出器１０３と、瞬時電力検出器１０３で検出された瞬時電力と発電電力設定部１０５で設定された目標値とを比較して比較信号を出力する比較部１０４と、比較部１０４により出力された比較信号を調節する制御部１０６と、制御部１０６で調節された比較信号を操作量として電力変換機１１４へ出力する出力信号部１０７とを備える。さらに、瞬時電力検出器１０３で検出される瞬時電力が発電電力設定部１０５で設定された目標値に制御され、系統電力の電圧、位相及び周波数の情報を検出する電圧位相周波数検出器１０２と発電電力設定部１０５との間に、広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置（以下、単に「制御装置」と称する）１１が設置されている。

　なお、図中に示す１０１は送電点、１０８は出力信号変換器、１０９は一時遅れ変換器、１１１は発電電力量計、１１３は変圧器、１１５はＰＣＳ電力出口部、１１６は低圧側送電線、１１７及び１１８は高圧側送電線である。図２に示す自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置は、制御装置１１を除き上記特許文献３に開示されたものと同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

　また、図２に示す発電設備１１２としては、図１に示す太陽光発電設備４の他にも、風力発電設備５、または火力発電設備３を含むあらゆるタイプの発電設備を適用することが可能である。

　また、デマンド制御装置としての目標値設定型の需要電力比例制御装置６を備えた電力需要施設７は、例えば図３に示すように、受電点２０１を介して電力会社Ｅから電力が供給される全ての負荷Ａ，Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ，Ｂ′のうち、電力の自動制御が可能な負荷（以下、「自動制御可能負荷」という。）であるＡ，Ａ，Ａ′に対してのみ、全ての負荷の消費電力が目標値に制御されるための制御信号が出力されるようにすることで、自動制御可能負荷Ａ，Ａ，Ａ′に含まれない他の負荷Ｂ，Ｂ，Ｂ′による生産効率の低下が回避されるものとなっている。さらに、事業所の消費電力を任意の目標値に向かって自由に制御できるようにするために、受電点２０１と全ての負荷Ａ，Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ，Ｂ′の消費電力を制御する際の目標値を設定するための目標値設定部２０５との間に制御装置１１が設置されている。

　なお、図中に示す２０２は積算電力計、２０３は瞬時電力検出部、２０４は比較部、２０６は調節部、２０７は操作部である。図３に示す目標値設定型の需要電力比例制御装置は、制御装置１１を除き上記特許文献１に開示されたものと同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

　品質優先施設向けデマンド制御装置を備えた電力需要施設７は、例えば図４に示すように、比例制御型温度調節機能を持つ複数の冷凍冷蔵庫３１１，３２１，３３１，３４１，３５１，３６１に対して各々電力を供給する全体受電設備３７０と、冷凍冷蔵庫内の温度及び／又は湿度の品質を検出する品質センサ３１２，３２２，３３２，３４２，３５２，３６２と、冷凍冷蔵庫の消費電力を目標値に制御するための制御信号を冷凍冷蔵庫に対して出力する制御信号出力装置３８０とを備える。

　また、冷凍冷蔵庫の消費電力を削減する品質優先施設向けデマンド制御装置において、品質センサ３１２，３２２，３３２，３４２，３５２，３６２により検出された情報に基づき、品質に余裕がないと判定される冷凍冷蔵庫に対しては、制御信号出力装置３８０から制御信号の出力を回避する回避手段を設けたものであり、全体受電設備３７０と冷凍冷蔵庫３１１，３２１，３３１，３４１，３５１，３６１との間に制御装置１１が設置されている。

　なお、図中に示す３１０，３２０，３３０，３４０，３５０，３６０は冷凍冷蔵庫を備える各施設、３１５，３２５，３３５，３４５，３５５，３６５は切換器、３１６，３２６，３３６，３４６，３５６，３６６はバイパス信号線、３７１は電力線、３８０は制御信号出力装置、３９０はシリアル信号線である。図４に示す品質優先施設向けデマンド制御装置は、制御装置１１を除き前記した特許文献２に開示されたものと同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

　再エネ発電設備、及びデマンド制御装置としての逆潮流防止型自家消費用再エネ発電蓄電制御装置を備えた電力需要施設７は、例えば図５に示すように、太陽光パネル４１１１と、太陽光パネル４１１１で発電された電力の出力量を調整可能な発電用パワコン４１１２と、パワコン４１１２から出力される電力量を発電量信号として検出する発電量検出器４１１３と、潮流電力量を検出して潮流信号として出力する潮流検出部４１０と、予め設定された目標値と潮流信号とを比較して潮流操作量を出力する潮流制御部４２０と、潮流制御部４２０から入力された潮流操作量に基づいて設定される発電目標値と発電量信号とを比較して発電用パワコン４１１２から出力する発電電力量を求め、発電用パワコン４１１２から出力される電力量を制御する発電制御部４３０とを備えるようにしたものであり、受電点４１１と潮流設定器４２１との間に制御装置１１が設置されている。

　なお、図中に示すＥは電力会社、４１２は積算電力計、４１３は潮流検出器、４２２は潮流比較部、４２３は潮流調節部、４２４は潮流操作部、４３１は発電設定器、４３２は発電比較部、４３３は発電調節部、４３４は発電操作部、４４０は充放電判断部、４４１は放電判断部、４４２は充電判断部、４５０は充電量制御部、４６０は放電量制御部、４７０は設定値演算部、４８０はデマンド制御部、４９１は瞬時電力発振器、４９２は電力分岐接続部、４９３は発電量指令演算器、４９４は充電量検出器、４９５は放電量検出器、４１２０は蓄電設備、Ｄ１～Ｄ４は入力された信号を分岐する分岐部である。図５に示す逆潮流防止型自家消費用再エネ発電蓄電制御装置は、制御装置１１を除き上記特許文献４に開示されたものと同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。

　次に、上述した制御装置１１の詳細を説明する。制御装置１１は、図６に示すように、電圧周波数管理部１１Ａと、通信状態監視部１１Ｂと、設備種類判断部１１Ｃとを備えて構成され、電圧周波数管理部１１Ａは、電圧検出部１１ａと、周波数検出部１１ｂと、制御信号出力部１１ｃとを含んでいる。

　電圧検出部１１ａは、発電設備４，５または電力需要施設７，９，１０と電力系統１との接続点（各発電設備４，５であれば各々の発電設備４，５と電力系統１とを接続する送電点、電力需要施設７，９，１０であれば各々の施設７，９，１０に接続された配電系統と電力系統１とを接続する受電点）の系統電力の電圧の交流波形を検出する。

　周波数検出部１１ｂは、系統電力の電圧の交流波形から周波数を検出する。具体的には、まず電圧検出部１１ａで検出した系統電力の電圧の交流波形を入力し、これを直流電圧信号に変換して出力する。すなわち、図７に示すように、周波数検出部１１ｂでは、電圧波形入力部１１ａａに図８に示すような電力の交流電圧の位相が入力されると、直流電圧出力部１１ａｂから図９に示すような直流電圧信号が出力されるようになっている。なお、図７中に示す１１ａｃは波形成形部、１１ａｄは出力電圧設定部である。

　ここで、図８は系統電力の交流電圧の位相を表していてａ１は基準周波数（例：５０Ｈｚ）の交流電圧の位相、ａ２は基準周波数（例：５０Ｈｚ）よりも幾分遅れた交流電圧の位相、ａ３は基準周波数（例：５０Ｈｚ）よりも幾分進んだ交流電圧の位相を表している。また、図９は周波数が４７Ｈｚから５３Ｈｚまで変化した時の直流電圧出力部１１ａｂから出力される直流信号の変化を概念的に示しており、ｂ０が５０Ｈｚ、ｂ１が４８．５Ｈｚ、ｂ２が４７Ｈｚ、ｂ３が５１．５Ｈｚ、ｂ４が５３Ｈｚに対応している。

　系統電力の電圧の交流波形を直流電圧信号に変換したら、直流電圧出力部１１ａｂから出力される直流電圧信号に基づいて周波数を検出する。具体的には、図１０に示すように、直流電圧出力部１１ａｂから出力された直流信号が入力部１１ｂａに入力されると、入力された直流信号に応じて電気信号Ｒ１～Ｒ４を出力し、これにより周波数を検出するようになっている。

　具体的には、入力部１１ｂａに入力される直流信号をＶ１とすると、
・Ｖ１＝３Ｖの条件で電気信号Ｒ１～Ｒ４は出力されず（Ｒ１～Ｒ４：ＯＦＦ）周波数５０．０Ｈｚを検出する。
・Ｖ１≦２Ｖの条件で電気信号Ｒ１が出力されると（Ｒ１：ＯＮ）周波数４８．５Ｈｚを検出する。
・Ｖ１≦１Ｖの条件で電気信号Ｒ２が出力されると（Ｒ２：ＯＮ）周波数４７．０Ｈｚを検出する。
・Ｖ１≧４Ｖの条件で電気信号Ｒ３が出力されると（Ｒ３：ＯＮ）周波数５１．５Ｈｚを検出する。
・Ｖ１≧５Ｖの条件で電気信号Ｒ４が出力されると（Ｒ４：ＯＮ）周波数５３．０Ｈｚを検出する。図１０では、Ｒ１がＯＮの状態を示している。

　制御信号出力部１１ｃは、周波数検出部１１ｂから出力される電気信号Ｒ１～Ｒ４に応じた制御信号を出力する。具体的には、図１１に示すように、制御信号出力部１１ｃでは、周波数検出部１１ｂから出力された電気信号Ｒ１～Ｒ４に応じて第一出力部１１ｃａから制御信号として出力電圧Ｖ２を、第二出力部１１ｃｂから制御信号として出力電圧Ｖ４を出力する。

　ここで、第一出力部１１ｃａの出力電圧Ｖ２は次式（１）に示す発電電力設定変更用の電圧出力演算回路の概念式のように、１１ｃｃの基準電圧Ｖ３に利得Ｇを乗じた値になる。すなわち、周波数検出部１１ｂにおいて出力Ｒ１～Ｒ４を切り替えて利得Ｇを制御することで、出力電圧Ｖ２を変化させる事が可能となる。
Ｖ２＝Ｖ３×Ｇ　…（１）

　なお、本実施形態において抵抗ｒ０からｒ４の値は、次式（２）を満たすものとする。
ｒ２＜ｒ１＜ｒ０＜ｒ３＜ｒ４　…（２）

　制御信号出力部１１ｃでは、具体的に、周波数検出部１１ｂから出力される電気信号Ｒ１～Ｒ４に応じて次の制御を行う。
・電気信号Ｒ１～Ｒ４がＯＦＦの場合（５０．０Ｈｚ（定常状態））、抵抗ｒ０が選択される。
・電気信号Ｒ１がＯＮの場合（４８．５Ｈｚ）、抵抗ｒ１が選択される。
・電気信号Ｒ２がＯＮの場合（４７．０Ｈｚ）、抵抗ｒ２が選択される。
・電気信号Ｒ３がＯＮの場合（５１．５Ｈｚ）、抵抗ｒ３が選択される。
・電気信号Ｒ４がＯＮの場合（５３．０Ｈｚ）、抵抗ｒ４が選択される。
　なお、図１１では電気信号Ｒ１～Ｒ４がＯＦＦの状態を示している。

　抵抗ｒ０を仮に再エネ発電機の標準発電電力に対応する値とすれば、定常状態の周波数５０Ｈｚの場合に電気信号Ｒ１～Ｒ４はＯＦＦとなるのでｒ０が選択される。ｒ０を選択した場合、利得Ｇは、Ｇ＝１＋（ｒ／ｒ０）となる。

　また、周波数が４８．５Ｈｚに低下するとＲ１がＯＮになりｒ１が選択される。ｒ１を選択した場合、利得Ｇは、Ｇ＝１＋（ｒ／ｒ１）となる。

　ここで、ｒ１＜ｒ０であるのでＶ２は５０Ｈｚよりも高くなる。そこで、図２に示した自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置においては、電圧周波数管理部１１Ａから再エネ発電機１１２の再エネ発電電力設定値（発電設定値）を上げるように制御信号が送出され、これにより発電量を増加させる。同時に図３に示した目標値設定型の需要電力比例制御装置においては、電圧周波数管理部１１Ａから図１１の信号反転素子１１ｃｄにより正逆反転された出力電圧Ｖ４が第二出力部１１ｃｂから空調機の使用電力設定値（デマンド設定値）を抑制する下げＤＲ制御信号（ＤＲ：デマンドレスポンス）として送出される。

　また、図５の逆潮流防止型自家消費用再エネ発電蓄電制御装置においても、電圧周波数管理部１１Ａから図１１の信号反転素子１１ｃｄにより正逆反転された出力電圧Ｖ４が第二出力部１１ｃｂから送出され、これにより逆潮流電力値（デマンド設定値）の設定をマイナス（負）の値まで下げて逆潮流を許可し電力系統側に電力を送電する。更に図４に示す品質優先施設向けデマンド制御装置においては、電圧周波数管理部１１Ａから電気信号Ｒ１及びＲ２が品質優先の機能を停止させ、冷凍機等の消費電力を抑制する下げＤＲ制御信号として送出される。

　さらに、周波数が５１．５Ｈｚに上昇するとＲ３がＯＮになりｒ３が選択される。ｒ３を選択した場合、利得Ｇは、Ｇ＝１＋（ｒ／ｒ３）となる。ここでｒ０＜ｒ３でありＶ２は５０Ｈｚの状態よりも低くなる。そこで、図２に示した自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置においては、電圧周波数管理部１１Ａから発電設定値を下げるように制御信号が送出され、これにより発電量を低下させる、または、蓄電装置を設けておき電圧周波数管理部１１Ａから発電設定値を下げるように制御信号が送出された場合に蓄電装置に充電をする。

　なお、電力系統の周波数が上昇する現象については、電力インフラの整備された地域での発生の可能性は低いと思われるが、電力インフラが脆弱な地域では不安定な再エネ発電設備の急速な導入によりこのような現象が起こる可能性がある。

　また、電力系統に接続された再エネ発電機を含めた発電機は、所定の範囲内では系統周波数に同期（シンクロナイズ）する特性があるのが系統安定維持の強味となっているが、自然災害や再エネの過大導入により周波数の変動が生じると全体が定格周波数（５０Ｈｚや６０Ｈｚ）から逸脱してしまうおそれがある。本実施形態ではこのような場合に情報通信インフラに頼ること無く周波数の変動を検出して電力系統の安定化を図ることができる。

　ここで、図７，１０，１１に示したものは便宜上アナログ回路による信号処理方式を用いて説明したが、デジタル回路やロジック回路での信号処理を採用することも可能である。

　通信状態監視部１１Ｂは電力会社との間の通信状態が良好か否かの情報を出力し、設備種類判断部１１Ｃは制御装置１１が設置されている設備の種類（例えば、再生エネルギー発電設備４，５、電力需要施設７，９，１０のうちのどれか）の情報を出力する。

　次に、図１２を用いて制御装置１１における処理の流れを説明する。

　すなわち、制御装置１１では、通常状態の周波数（基準周波数）５０Ｈｚから、ステップＳ１で周波数が４７Ｈｚ以下となったらステップＳ２で電圧周波数管理部１１Ａから周波数低下強信号を出力してステップＳ３に移行する。また、通常状態の周波数５０Ｈｚから、ステップＳ８で周波数が４８．５Ｈｚ以下となったらステップＳ９で電圧周波数管理部１１Ａから周波数低下信号を出力してステップＳ３に移行する。

　ステップＳ３では通信状態監視部１１Ｂから入力される情報に基づいて通信が遮断されているかどうかを判定し、通信が遮断されていればステップＳ４に移行し、通信が遮断されていなければ通常状態と判断する。

　ステップＳ４では設備種類判断部１１Ｃから入力される情報に基づいて発電設備かどうかを判定し、発電設備であればステップＳ５に移行して発電電力を上げるための制御（以下、発電電力上げＤＲ制御）を行ってステップＳ６に移行し、発電設備ではなく負荷設備であればステップＳ１０でＤＲを上げ下げするための制御（以下、上げ下げＤＲ制御）を行ってステップＳ６に移行する。

　ステップＳ６では、周波数が復旧したかどうかを判定し、周波数が復旧しなければステップＳ４に戻り、周波数が復旧すればステップＳ７でＤＲ制御を終了する。すなわち、ステップＳ４からステップＳ６では、発電電力上げＤＲ制御、上げ下げＤＲ制御を周波数が復旧するまで繰り返し、周波数が復旧したらＤＲ制御を終了する。

　また、通常状態の周波数５０Ｈｚから、ステップＳ１１で周波数が５３Ｈｚ以上となったらステップＳ１２で周波数上昇強信号を出力してステップＳ１３に移行する。また、通常状態の周波数５０Ｈｚから、ステップＳ１６で周波数が５１．５Ｈｚ以上となったらステップＳ１７で周波数上昇信号を出力してステップＳ１３に移行する。

　ステップＳ１３では発電設備かどうかを判定し、発電設備であればステップＳ１４に移行して発電電力を下げるための制御（以下、発電電力下げＤＲ制御）を行ってステップＳ１５に移行し、発電設備ではなく負荷設備であればＤＲの制御は行なわずにステップＳ１５に移行する。

　ステップＳ１５では、周波数が復旧したかどうかを判定し、周波数が復旧しなければステップＳ１３に戻り、周波数が復旧すればステップＳ７でＤＲ制御を終了する。すなわち、ステップＳ１３からステップＳ１５では、発電電力下げＤＲ制御を周波数が復旧するまで繰り返し、周波数が復旧したらＤＲ制御を終了する。

　なお、図１２に示す例では、系統電力の周波数が低下した場合、情報が遮断された場合に限って発電電力上げＤＲ制御、上げ下げＤＲ制御を行う例を示したが、本発明は図１２に示す例に限定されるものではなく、情報が遮断されていない場合であっても必要に応じて発電電力上げＤＲ制御、上げ下げＤＲ制御を行うことが可能であることは言うまでもない。

　以下、本実施形態における広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置による作用効果について説明する。

　まず、図１３を用いて電力系統のブラックアウト発生のメカニズムについて説明する。図１３では、地震発生と同時に系統内の主力発電機１６３万ｋＷの内の６０万ｋＷと７０万ｋＷの主力発電機が停止し（ｃ１）、これにより周波数の急激な低下が生じた例を示している。これに対し一部地域を強制的に停電させる（ｃ２）とともに、地震による影響を受けずに健全な運転を行っている発電機の出力調整を開始したことで周波数が回復し、系統の標準周波数５０Ｈｚが一時的に維持されている。その後、照明や動力機械（空調機や生産機械）の再稼働によって系統に徐々に負荷が掛かり、周波数が再び低下し始めるものの（ｃ３）、地震による影響を受けずに健全な運転を行っている発電機の出力調整により周波数は回復する（ｃ４）。

　しかしながら、地震で被害を受けながら運転していた３５万ｋＷ発電機の出力が低下して再度周波数が低下し（ｃ５）、これに対して二度目の強制停電を行うことで周波数がやや改善するものの（ｃ６）、その後３５万ｋＷ発電機が完全に停止し（ｃ７）、三度目の強制停電を実施するも十分ではなく（ｃ８）、他の火力発電機等も停止し周波数が急激に低下してブラックアウトに至っている（ｃ９）。

　すなわち、各発電所は、通常は電力指令所１３からの信号により系統電力の電圧や周波数や発電所の発停が制御されている。ここで、地震等の災害時に一部の発電所が停止して系統全体の発電量よりも負荷電力が上回った場合、電圧低下や周波数低下が起こる。このような場合、系統の安定を維持すべく電力指令所１３は稼働中の発電所の発電量を増加させる。

　しかしながら、発電所の能力以上の負荷が掛かってしまうと発電設備（例えば、図１に示す火力発電設備３Ａ）はそれ自体を保護すべく発電を停止してしまう。これにより他の発電所に過大な負荷が掛かって同じ様に発電を停止すれば結果的に全体が停電してブラックアウトとなってしまう。電力会社の電力指令所１３はこれを阻止すべく系統遮断機１２（例えば、図１に示す系統遮断機１２Ａ及び１２Ｂ）を強制的に遮断して系統の負荷を軽減しブラックアウトを回避するための操作を実施する。

　このとき、自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置を備えた再エネ発電設備４，５、目標値設定型の需要電力比例制御装置６を備えた電力需要施設７、品質優先施設向けデマンド制御装置８を備えた電力需要施設９、及び再エネ発電設備及び逆潮流防止型自家消費用再エネ発電蓄電制御装置を備えた電力需要施設１０にそれぞれ設けられた各広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置１１では、上述したように周波数検出部１１ｂから出力される電気信号Ｒ１～Ｒ４に応じた出力電圧Ｖ２またはＶ４（またはＲ１，Ｒ２）を制御信号として出力する。

　これにより、図１４に示すように、地震の発生（Ｓ１１１）により地域発電所が停止した場合には（Ｓ１１２）、周波数、及び電圧の低下が発生し（Ｓ１１３）、このとき、電力指令所１３では通信回線２を利用して系統遮断機１２を制御し、一部の地域の強制的な停電を実施する等の系統保護処理を行うとともに（Ｓ１１４）、火力発電所等の出力を上げて系統を安定させる処理を行う（Ｓ１１５）。

　また、このとき広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置１１では、系統電力の周波数の低下を検出すると（Ｓ１１６）、直ちに、デマンド制御装置を備えた電力需要施設７，９に対してはデマンド設定値を下げるよう制御信号を出力し（Ｓ１１７）、自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置を備えた再生エネルギー発電設備４，５に対しては発電設定値を上げるよう制御信号を出力し（Ｓ１１８）、太陽光発電設備及び逆潮流防止機能を備えた電力需要施設１０に対しては発電設定値を上げるよう且つ逆潮流を許可するよう制御信号を出力する（Ｓ１１９）。

　このような電力指令所１３における調整、広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置１１による調整を行うことで、受電施設に対する電力の供給が安定する（Ｓ１２０）。その後、強制的に停電を実施した一部の地域に対する送電が再開され、周波数及び電圧が正常値に戻れば、これによりデマンド制御装置を備えた電力需要施設７，９，１０、再エネ発電設備４，５等並びに再エネ発電設備４，５等及び逆潮流防止機能を備えた電力需要施設１０においても、それぞれ通常のデマンド設定値及び発電設定値に戻すよう制御信号が出力され、通常状態（系統定常運転状態）に戻る（Ｓ１２１）。

　このように、本実施形態では、系統電力の周波数を検出し、地震の発生等により検出された周波数（検出周波数）と基準周波数との差が予め設定するしきい値以上であって、検出周波数が基準周波数に比較して前記しきい値以上低ければ、目標値設定型の需要電力比例制御装置６、品質優先施設向けデマンド制御装置８のデマンド設定値を下げて電力需要施設側の消費電力を低減し、電力系統１の負荷を低減させるようにしている。

　また、自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置を備えた再エネ発電設備４，５の発電設定値を上げて系統への供給電力量を増加させる。同じ様に逆潮流防止型自家消費用再エネ発電蓄電制御装置において再エネ発電設備４，５の発電設定値を上げ潮流制御値を負（系統側に逆潮流させる）側に変化させて商用電力系統側に電力を供給して電力系統１の安定化に寄与する。

　すなわち、図１５に示すように災害等により発電所が停止した場合、系統電力の周波数低下が発生するが、その現象を再エネ発電設備４，５や電力需要施設７，９，１０等に設置された制御装置１１によって電気的に検出してこれを更にＯＮ―ＯＦＦ信号に変換し、この信号によって電力需要施設７，９，１０等における負荷を低減（これを負のＤＲと呼ぶ）することにより、図１５にｄ１として示すような周波数の改善を実現する。

　更に電力系統１に接続される再エネ発電設備４，５の発電量を増加させて（これを正のＤＲと呼ぶ）図１５にｄ２として示すような周波数の改善を実現する。同じく電力系統１に接続される逆潮流防止型の再エネ発電設備４，５等を備える電力需要施設１０において、再エネ発電設備４，５等の発電量を増加させて逆潮流を許可するとともに、電力需要施設１０における負荷を低減することにより図１５にｄ３として示すような周波数の改善を実現する。尚、ｄ１、ｄ２、ｄ３の順番に優先順位はなく同時、或いは逆順位または同時もあり得る。

　一般的にこれらの負荷制御や発電制御は通信回線を介して行われるが災害発生時には情報通信インフラが遮断される可能性がある。しかし制御装置１１では系統電力の周波数を直接把握出来るので情報通信インフラに頼ることなく周波数改善のための制御を実現することが出来る。

　また、休日等にあっては、この電力系統１全体が再エネ発電の運転状態余剰発電状態になる可能性がある。図１６に示すように、気象条件の好条件により再エネ発電量が増加して過剰発電状態となった結果（Ｓ１３１）、制御可能な化石燃料型発電所の出力を抑制する操作を行った状況下において、大容量の系統負荷（電力需要施設等）の停止（大負荷遮断）が発生すると（Ｓ１３２）、周波数、及び電圧が上昇する（Ｓ１３３）。

　このとき、電力会社では通信回線を利用して化石燃料型発電機の出力を低減させる等の操作を行う一方（Ｓ１３４）、まずは負荷の増大や不安定な再エネ発電の変動を吸収出来る様に発電機の解列はせず、稼働中の発電所の発電量を低下させるように制御を行う。その後、更に周波数及び電圧の上昇が続けば化石燃料型発電機の解列、及び停止操作が実施される（Ｓ１３５）。

　また、このとき制御装置１１では、系統電力の周波数の上昇を検出すると（Ｓ１３６）、直ちに、再エネ発電設備４，５等に対し、発電設定値を下げるよう出力抑制信号を出力する（Ｓ１３７）。

　このような電力会社における調整、広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置１１による調整を行うことで、電力系統の安定化が図れる（Ｓ１３８）。その後、過剰発電状態が解消されれば、再エネ発電設備４，５等においても通常の発電設定値に戻すよう制御信号が出力され、全体的な電力系統が通常状態（系統定常運転状態）に戻る（Ｓ１３９）。

　このように、本実施形態では、系統電力の周波数を検出し、検出された周波数（検出周波数）と基準周波数との差が予め設定するしきい値以上であって、検出周波数が基準周波数に比較して前記しきい値以上高ければ、自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置を備えた再エネ発電設備４，５の発電設定値を下げて系統への供給電力量を減少させて電力系統１の安定化に寄与する。

　また、自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置を備えた再エネ発電設備４，５に蓄電装置を併設し、上述したように、系統電力の周波数の上昇を検出した際、再エネ発電設備４，５等に対し発電設定値を下げるよう出力抑制信号を出力することに代えて、蓄電装置に充電をするような制御を行っても良い。

　ここで、過剰発電時の対応については電力系統インフラや情報通信インフラの脆弱な地域において特に必要とされる電力系統安定化制御技術ではあるが、２０１８年より九州地区では「再エネ出力抑制」が実施され２０１９年からは全国的に拡大実施されることが決まった。この事から本発明は急速な増加傾向での再エネ導入が予定されている先進国でも重要な電力系統安定化制御技術として注目されると思われる。

　なお、本実施形態においては同一の装置である広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置１１を、自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置を備えた再生エネルギー発電設備４，５、目標値設定型の需要電力比例制御装置６を備えた電力需要施設７、品質優先施設向けデマンド制御装置８を備えた電力需要施設９、再エネ発電設備及び逆潮流防止型自家消費用再エネ発電蓄電制御装置を備えた電力需要施設１０等に設置してブラックアウトを回避する制御を行う例を示した。なお、広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置１１は、自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置を備えた再生エネルギー発電設備４，５、目標値設定型の需要電力比例制御装置６を備えた電力需要施設７、品質優先施設向けデマンド制御装置８を備えた電力需要施設９、再エネ発電設備及び逆潮流防止型自家消費用再エネ発電蓄電制御装置を備えた電力需要施設１０等にそれぞれに特化した異なる構成を備えるものであっても良いことは言うまでもない。

　　　１　　　電力系統
　　　２　　　通信回線
　　　３　　　火力発電設備
　　　４　　　太陽光発電設備
　　　５　　　風力発電設備
　　　６　　　電力比例制御装置
　　　７，９，１０　　　電力需要施設
　　　８　　　デマンド制御装置
　　　１１　　　広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置
　　　１１Ａ　　　電圧周波数管理部
　　　１１Ｂ　　　通信状態監視部
　　　１１Ｃ　　　設備種類判断部
　　　１１ａ　　　電圧検出部
　　　１１ｂ　　　周波数検出部
　　　１１ｃ　　　制御信号出力部
　　　１２　　　系統遮断機
　　　１３　　　電力指令所
　　　１０５　　　発電電力設定部
　　　２０５　　　目標値設定部
　　　３８０　　　制御信号出力装置
　　　４３０　　　発電制御部
　　　４８０　　　デマンド制御部
　　　４１２０　　　蓄エネ設備

Claims

　電力指令所からの制御信号に基づいて制御される被制御設備としての発電設備、又は負荷設備に備えられ、電力指令所との間で通信回線を介して相互に通信可能な広域参加型自立式ブラックアウト回避制御装置において、
　前記被制御設備として前記発電設備、又は前記負荷設備の何れの設備であるかを判定し、該判定の結果を出力する設備種類判断部と、
　前記通信回線の通信状態を判定し、該判定の結果を出力する通信状態監視部と、
　電力系統の電圧の交流波形に基づいて検出された検出周波数と基準周波数との差が予め設定する所定のしきい値以上と判定され、かつ前記通信状態監視部において前記通信回線が遮断されていると判定された場合に、電力系統の周波数が基準周波数となるように、前記電力指令所からの制御信号に代えて前記設備種類判断部において判定された一の前記被制御設備に対して制御信号を出力する制御信号出力部を有する電圧周波数管理部と、を備え、
　前記制御信号出力部は、
　電力系統の電圧の交流波形に基づいて検出された周波数と基準周波数の差が前記しきい値以上低いと判定され、かつ前記設備種類判断部において前記被制御設備が発電設備であると判定された場合に、電力系統の周波数が基準周波数となるように前記発電設備に対して発電量を所定に上げるための制御信号を出力する
　広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置。
　前記制御信号出力部は、
　電力系統の電圧の交流波形に基づいて検出された周波数と基準周波数の差が前記しきい値以上高いと判定され、かつ前記設備種類判断部において前記被制御設備が発電設備であると判定された場合に、電力系統の周波数が基準周波数となるように前記発電設備に対して発電量を所定に下げるための制御信号を出力する
　請求項１に記載の広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置。
　前記発電設備は蓄電装置を有しており、
　前記制御信号出力部は、
　電力系統の電圧の交流波形に基づいて検出された周波数と基準周波数の差が前記しきい値以上高いと判定された場合に、前記発電設備により発電された電力の一部を前記蓄電装置に充電するよう前記発電設備に対して制御信号を出力する
　請求項２に記載の広域参加型自律式ブラックアウト回避制御装置。