WO2021024293A1 - 発電システムおよびプラント制御装置 - Google Patents

発電システムおよびプラント制御装置 Download PDF

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康晃 三ッ木
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    • H02J2300/22—The renewable source being solar energy
    • H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin

Definitions

  • This application relates to a power generation system and a plant control device.
  • control for simulating VSG is performed by one power conversion device.
  • the present application has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present application is to provide an improved power generation system and a plant control device so that VSG can be simulated by a plurality of power conversion devices. To do.
  • the power generation system for this application is Multiple power converters that convert DC power from DC power sources to AC power, A plant control device that controls the plurality of power conversion devices, and With The plant control device includes a virtual synchronous generator model unit that outputs a power command value based on a current value and a voltage value of a grid interconnection point on the output side of the plurality of power conversion devices.
  • the plurality of power conversion devices output the AC power according to the power command value.
  • the power generation system and plant control device are A plant control device that controls multiple power converters that convert DC power from a DC power source into AC power.
  • the plant control device includes a virtual synchronous generator model unit that outputs a power command value based on a current value and a voltage value of a grid interconnection point on the output side of the plurality of power conversion devices, and the plant control device includes the virtual synchronous generator model unit according to the power command value. It is constructed so that a plurality of power conversion devices output the AC power.
  • the plant control device since the plant control device has a virtual synchronous generator model unit, it is not necessary to mount the model on the control circuit of each of the plurality of power conversion devices. Since the plant control device can perform integrated control of a plurality of power converters, it is possible to simulate a VSG (virtual synchronous generator) in the entire system including the plurality of power converters.
  • VSG virtual synchronous generator
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power generation system 1 and a plant control device 10 according to an embodiment.
  • the power generation system 1 operates in grid interconnection with the power grid 100 via the grid interconnection point S.
  • the power generation system 1 includes a power plant 2, an interconnection transformer 3, an instrument transformer 5, and a current transformer 4.
  • the power plant 2 includes a plurality of power conversion devices 22, a plurality of DC power supplies 23 and 24, a plurality of switches 20, and a plant control device 10.
  • an interconnection transformer 3 is interposed between the power plant 2 and the grid interconnection point.
  • the signal outputs of the instrument transformer 5 and the current transformer 4 are transmitted to the plant control device 10.
  • the plant control device 10 can measure the value of the system current Is and the value of the system voltage Vs at the grid interconnection point.
  • a series circuit including a switch 20 and a plurality of transformers 21 is interposed between the interconnection transformer 3 and each of the plurality of power conversion devices 22.
  • the plurality of power conversion devices 22 convert DC power from the plurality of DC power supplies 23 and 24 into AC power.
  • the power conversion device 22 is a three-phase AC inverter circuit constructed of a plurality of semiconductor switching elements.
  • the plurality of power conversion devices 22 include a first power conversion device 22 and a second power conversion device 22.
  • the DC power source 23 to which the first power conversion device 22 is connected is a renewable energy power generation device, and an example is a photovoltaic power generation module.
  • the DC power supply 24 to which the second power conversion device 22 is connected is a storage battery. Such a system is also called an AC link system.
  • the second power conversion device 22 and the DC power supply 24 are provided as an energy storage system (ESS) 25.
  • ESS energy storage system
  • the power converter is also referred to as a power conditioner system (PCS).
  • the plant control device 10 controls a plurality of power conversion devices 22.
  • the plant control device 10 is also referred to as a Power Plant Controller (PPC).
  • the plant control device 10 includes a virtual synchronous generator model unit 10a.
  • the virtual synchronous generator model unit 10a outputs power command values P * and Q * based on the system current value Is and the system voltage value Vs.
  • the power command values P * and Q * include the active power command value P * and the reactive power command value Q * .
  • the plurality of power converters 22 output AC power according to the power command values P * and Q * .
  • a virtual synchronous generator is also referred to as a Virtual Synchronous Generator (VSG).
  • the virtual synchronous generator model unit 10a includes a rotor equation of motion model, a governor model, and an AVR control model. As a result, a control model simulating the rotor equation of motion of the synchronous generator and the governor and AVR is incorporated into the plant control device 10.
  • the virtual synchronous generator model unit 10a controls so that the tidal current at the grid interconnection point S is virtually the output of the synchronous generator.
  • the model configuration of the virtual synchronous generator including the rotor equation of motion model, the governor model, and the AVR control model is already known and new matter, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-168351. Absent. Therefore, the description of the specific configuration of the model will be omitted.
  • the plant control device 10 Since the plant control device 10 has the virtual synchronous generator model unit 10a, it is not necessary to mount the model on the control circuit of each of the plurality of power conversion devices 22. Since the plant control device 10 can integrally control a plurality of power conversion devices 22, a VSG (virtual synchronous generator) can be simulated in the entire system including the plurality of power conversion devices 22. As a result, economies of scale can be obtained, so that there is an advantage that the system price per unit capacity is reduced.
  • VSG virtual synchronous generator
  • the plant control device 10 optimally controls a plurality of power conversion devices 22 in the power plant 2, thereby realizing frequency stabilization and voltage stabilization of the power system 100.
  • the system frequency and system voltage Vs are maintained, and a system stabilizing effect can be obtained.
  • the virtual synchronous generator model unit 10a is mounted on the plant control device 10 instead of each of the plurality of inverter control circuits 22b. Therefore, there is an advantage that it is not necessary to change the hardware and software for the inverter control circuit 22b of each of the large number of power converters 22.
  • the virtual synchronous generator can be simulated in the entire system including the plurality of power conversion devices 22 connected by the AC link method.
  • the storage batteries can be collectively connected to the second power conversion device 22, so that there is an advantage that it is not necessary to connect the storage batteries to the individual power conversion devices 22 as in the DC link method.
  • the storage batteries can be centrally installed in one place without being distributed in the power generation plant 2, so that cost reduction related to the storage battery configuration is also expected.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an inverter control circuit included in the power generation system 1 according to the embodiment.
  • Each of the plurality of power conversion devices 22 includes a power conversion circuit 22a and an inverter control circuit 22b.
  • the inverter control circuit 22b is a power conversion control circuit that controls the power conversion circuit 22a according to the power command values P * and Q * .
  • the inverter control circuit 22b preferably includes a PLL circuit 22c.
  • the PLL circuit 22c is a phase-locked loop. Since the phase-locked loop can be controlled by the PLL circuit 22c, the control timings of the plurality of power conversion devices 22 can be aligned.
  • the technique according to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-168351 is characterized in that control is realized without using a PLL circuit, and this point is clearly defined as the present embodiment in which the PLL circuit 22c is positively used. Is different.
  • the power command values P * and Q * transmitted by the plant control device 10 to the inverter control circuit 22b are preferably analog signals. If it is an analog signal, it is not necessary to perform digital arithmetic processing like a digital signal. By transmitting the power command values P * and Q * with analog signals, the arithmetic processing inside the inverter control circuit 22b can be simplified or omitted. As a result, the feedback control speed can be increased.
  • the plant control device 10 directly acquires the system current Is and the system voltage Vs via the current transformer 4 and the instrument transformer 5 without using a measuring instrument called a multimeter. There is. This has the advantage that signal transmission can be performed at a higher speed than via a multimeter, and the control speed can be increased.
  • the control cycle of the feedback control performed by the plant control device 10 based on the system voltage Vs and the system current Is is 10 msec or less. If the feedback control cycle is 10 msec or less, the system voltage change or system frequency change on the power system 100 side is reflected in the power command values P * and Q * in the VSG model 10a at a practically sufficient response speed. Such high-speed feedback control can be implemented.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a power generation system 1 and a plant control device 10 according to a modified example of the embodiment.
  • the plurality of DC power supplies 23 and 24 to which the plurality of power conversion devices 22 are connected are the renewable energy power generation device which is the first DC power supply 23 and the second DC power supply.
  • the storage battery of 24 may be connected in parallel.
  • a VSG Virtual Synchronous Generator
  • the power generation system 1 and the plant control device 10 according to the embodiment may be provided as the power generation method and the plant control method according to the embodiment.
  • the power generation method and plant control method according to the embodiment may be implemented by adding the plant control device 10 according to the embodiment after the fact to the existing power generation system and the plant control device.

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Abstract

発電システムは、直流電源からの直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換装置と、複数の電力変換装置を制御するプラント制御装置と、を備える。プラント制御装置は、複数の電力変換装置の出力側における系統連系点の電流値および電圧値に基づいて電力指令値を出力する仮想同期発電機モデル部を含み、複数の電力変換装置は電力指令値に従って交流電力を出力する。複数の電力変換装置は、第一電力変換装置と第二電力変換装置とを含んでもよい。第一電力変換装置が接続する直流電源は、再生可能エネルギー発電装置であってもよく、第二電力変換装置が接続する直流電源は、蓄電池であってもよい。複数の電力変換装置それぞれが接続する直流電源は、第一直流電源である再生可能エネルギー発電装置と第二直流電源である蓄電池とが並列接続したものであってもよい。

Description

発電システムおよびプラント制御装置
　本出願は、発電システムおよびプラント制御装置に関するものである。
　従来、例えば日本特開２０１４－１６８３５１号公報に開示されているように、ＶＳＧ（仮想同期発電機）として動作するように構築された電力変換装置が知られている。
日本特開２０１４－１６８３５１号公報
　上記従来の技術では、ＶＳＧを模擬するための制御を一つの電力変換装置で実施している。現実的に、一つの電力変換装置が持つ容量にはある程度の制限が存在する。この制限があるので、上記従来の技術では、大きな発電量のＶＳＧを模擬することは困難であるという問題があった。
　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、複数の電力変換装置でＶＳＧを模擬することができるように改良された発電システムおよびプラント制御装置を提供することを目的とする。
　本出願にかかる発電システムは、
　直流電源からの直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換装置と、
　前記複数の電力変換装置を制御するプラント制御装置と、
　を備え、
　前記プラント制御装置は、前記複数の電力変換装置の出力側における系統連系点の電流値および電圧値に基づいて電力指令値を出力する仮想同期発電機モデル部を含み、
　前記複数の電力変換装置は前記電力指令値に従って前記交流電力を出力する。
　本出願にかかる発電システムおよびプラント制御装置は、
　直流電源からの直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換装置を制御するプラント制御装置であって、
　前記プラント制御装置は、前記複数の電力変換装置の出力側における系統連系点の電流値および電圧値に基づいて電力指令値を出力する仮想同期発電機モデル部を含み、前記電力指令値に従って前記複数の電力変換装置に前記交流電力を出力させるように構築されたものである。
　本出願によれば、プラント制御装置が仮想同期発電機モデル部を持つので、複数の電力変換装置それぞれの制御回路にモデルを搭載する必要がない。プラント制御装置が複数の電力変換装置を統合制御することができるので、複数の電力変換装置を含むシステム全体でＶＳＧ（仮想同期発電機）を模擬することができる。
実施の形態にかかる発電システムおよびプラント制御装置の構成を示す図である。 実施の形態にかかる発電システムが備えるインバータ制御回路の構成を示す図である。 実施の形態の変形例にかかる発電システムおよびプラント制御装置の構成を示す図である。
　図１は、実施の形態にかかる発電システム１およびプラント制御装置１０の構成を示す図である。発電システム１は、系統連系点Ｓを介して電力系統１００と系統連系運転する。図１に示すように、発電システム１は、発電プラント２と、連系トランス３と、計器用変成器５と、変流器４と、を備える。発電プラント２は、複数の電力変換装置２２と、複数の直流電源２３、２４と、複数の開閉器２０と、プラント制御装置１０と、を備える。
　図１に示すように、発電プラント２と系統連系点との間には、連系トランス３が介在している。計器用変成器５および変流器４の信号出力はプラント制御装置１０に伝達されている。これによりプラント制御装置１０は系統連系点の系統電流Ｉｓの値および系統電圧Ｖｓの値を計測することができる。図１に示すように、連系トランス３と複数の電力変換装置２２それぞれとの間には、開閉器２０および複数のトランス２１とからなる直列回路がそれぞれ介在している。
　複数の電力変換装置２２は、複数の直流電源２３、２４からの直流電力を交流電力に変換する。電力変換装置２２は、具体的には、複数の半導体スイッチング素子で構築された三相交流インバータ回路である。
　複数の電力変換装置２２は、第一の電力変換装置２２と第二の電力変換装置２２とを含む。第一の電力変換装置２２が接続する直流電源２３は、再生可能エネルギー発電装置であり、一例として太陽光発電モジュールである。第二の電力変換装置２２が接続する直流電源２４は、蓄電池である。このようなシステムは、ＡＣリンク方式とも呼ばれる。なお、第二の電力変換装置２２および直流電源２４は、蓄電システム（Ｅｎｅｒｇｙ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｓｙｓｔｅｍ：ＥＳＳ）２５として提供されている。また、電力変換装置は、パワーコンディショナシステム（ＰＣＳ）とも称される。
　プラント制御装置１０は、複数の電力変換装置２２を制御する。プラント制御装置１０は、Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＰＰＣ）とも称される。プラント制御装置１０は、仮想同期発電機モデル部１０ａを含む。仮想同期発電機モデル部１０ａは、系統電流値Ｉｓおよび系統電圧値Ｖｓに基づいて電力指令値Ｐ＊、Ｑ＊を出力する。電力指令値Ｐ＊、Ｑ＊は、有効電力指令値Ｐ＊および無効電力指令値Ｑ＊を含む。複数の電力変換装置２２は電力指令値Ｐ＊、Ｑ＊に従って交流電力を出力する。これにより、プラントレベルでのＶＳＧ制御が実現される。仮想同期発電機は、Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＶＳＧ）とも称される。
　仮想同期発電機モデル部１０ａは、回転子運動方程式モデルとガバナモデルとＡＶＲ制御モデルとを含む。これにより、同期発電機の回転子運動方程式とガバナとＡＶＲとを模擬した制御モデルが、プラント制御装置１０に組み込まれる。仮想同期発電機モデル部１０ａは、系統連系点Ｓの潮流が仮想的に同期発電機の出力となるように制御を行う。
　回転子運動方程式モデルとガバナモデルとＡＶＲ制御モデルとを含む仮想同期発電機のモデル構成は、例えば日本特開２０１４－１６８３５１号公報などに開示されているように、既に公知であり新規の事項ではない。従って、モデルの具体的構成についての説明は省略する。
　プラント制御装置１０が仮想同期発電機モデル部１０ａを持つので、複数の電力変換装置２２それぞれの制御回路にモデルを搭載する必要がない。プラント制御装置１０が複数の電力変換装置２２を統合制御することができるので、複数の電力変換装置２２を含むシステム全体でＶＳＧ（仮想同期発電機）を模擬することができる。これにより、スケールメリットが得られるので、単位容量あたりのシステム価格が安価になるという利点がある。
　実施の形態では、プラント制御装置１０が発電プラント２内の複数の電力変換装置２２を最適制御することで、電力系統１００の周波数安定化および電圧安定化が実現される。系統周波数および系統電圧Ｖｓが維持され、系統安定化効果が得られる。
　また、仮想同期発電機モデル部１０ａが、複数のインバータ制御回路２２ｂそれぞれではなく、プラント制御装置１０に実装されている。従って、多数の電力変換装置２２それぞれのインバータ制御回路２２ｂについて、ハードウェアおよびソフトウェアの変更を加えなくともよい利点がある。
　しかも、実施の形態によれば、ＡＣリンク方式で接続された複数の電力変換装置２２を含むシステム全体で、仮想同期発電機を模擬することができる。ＡＣリンク方式によれば、蓄電池をまとめて第二の電力変換装置２２に接続することができるので、ＤＣリンク方式のように個々の電力変換装置２２に蓄電池を接続する必要がない利点がある。図１に示すＡＣリンク方式のシステム構成によれば、発電プラント２内に蓄電池を分散配置させることなく一箇所に集約して設置することができるので、蓄電池構成に関するコストカットも期待される。
　図２は、実施の形態にかかる発電システム１が備えるインバータ制御回路の構成を示す図である。複数の電力変換装置２２それぞれが、電力変換回路２２ａと、インバータ制御回路２２ｂとを含む。インバータ制御回路２２ｂは、電力指令値Ｐ＊、Ｑ＊に従って電力変換回路２２ａを制御する電力変換制御回路である。
　インバータ制御回路２２ｂは、ＰＬＬ回路２２ｃを含むことが好ましい。ＰＬＬ回路２２ｃは、位相同期回路である。ＰＬＬ回路２２ｃで位相同期制御を実施することができるので、複数の電力変換装置２２の制御タイミングを揃えることができる。なお、日本特開２０１４－１６８３５１号公報にかかる技術はＰＬＬ回路を用いずに制御を実現することを特徴としたものであり、この点はＰＬＬ回路２２ｃを積極的に用いる本実施の形態と明確に異なっている。
　プラント制御装置１０がインバータ制御回路２２ｂに伝達する電力指令値Ｐ＊、Ｑ＊は、アナログ信号であることが好ましい。アナログ信号であれば、デジタル信号のようにデジタル演算処理を行わなくてもよい。アナログ信号で電力指令値Ｐ＊、Ｑ＊を伝達することで、インバータ制御回路２２ｂの内部での演算処理を簡素化あるいは省略することができる。その結果、フィードバック制御速度を高めることができる。
　また、実施の形態では、マルチメータと呼ばれる計測器を用いずに、変流器４と計器用変成器５とを介して系統電流Ｉｓと系統電圧Ｖｓとをプラント制御装置１０が直接取得している。これにより、マルチメータを介するよりも高速に信号伝達を行うことができ、制御速度を高めることができる利点がある。
　プラント制御装置１０が系統電圧Ｖｓおよび系統電流Ｉｓに基づいて実施するフィードバック制御の制御周期が１０ｍｓｅｃ以下であることが好ましい。フィードバック制御周期を１０ｍｓｅｃ以下とすれば、実用上、十分な応答速度で、電力系統１００の側の系統電圧変化あるいは系統周波数変化などをＶＳＧモデル１０ａ内の電力指令値Ｐ＊，Ｑ＊に反映させるような高速フィードバック制御を実施することができる。
　図３は、実施の形態の変形例にかかる発電システム１およびプラント制御装置１０の構成を示す図である。図３に示すように、発電システム１において、複数の電力変換装置２２それぞれが接続する複数の直流電源２３、２４は、第一の直流電源２３である再生可能エネルギー発電装置と第二の直流電源２４である蓄電池とが並列接続したものであってもよい。ＤＣリンク方式で接続された複数の電力変換装置２２を含むシステム全体で、ＶＳＧ（仮想同期発電機）を模擬することができる。
　実施の形態にかかる発電システム１およびプラント制御装置１０は、実施の形態にかかる発電方法およびプラント制御方法として提供されても良い。既存の発電システムおよびプラント制御装置に事後的に実施の形態にかかるプラント制御装置１０を追加することによって、実施の形態にかかる発電方法およびプラント制御方法が実施されてもよい。
１　発電システム、２　発電プラント、３　連系トランス、４　変流器、５　計器用変成器、１０　プラント制御装置、１０ａ　仮想同期発電機モデル部（ＶＳＧモデル部）、２０　開閉器、２１　トランス、２２　電力変換装置（ＰＣＳ）、２２ａ　電力変換回路、２２ｂ　インバータ制御回路、２２ｃ　ＰＬＬ回路、２３　直流電源（太陽光発電モジュール）、２４　直流電源（蓄電池）、２５　蓄電システム、１００　電力系統、Ｉｓ　系統電流、Ｐ＊、Ｑ＊　電力指令値、Ｓ　系統連系点、Ｖｓ　系統電圧

Claims (7)

  1. 　直流電源からの直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換装置と、
    　前記複数の電力変換装置を制御するプラント制御装置と、
    　を備え、
    　前記プラント制御装置は、前記複数の電力変換装置の出力側における系統連系点の電流値および電圧値に基づいて電力指令値を出力する仮想同期発電機モデル部を含み、
    　前記複数の電力変換装置は前記電力指令値に従って前記交流電力を出力する発電システム。
  2. 　前記複数の電力変換装置は、第一電力変換装置と第二電力変換装置とを含み、
    　前記第一電力変換装置が接続する直流電源は、再生可能エネルギー発電装置であり、
    　前記第二電力変換装置が接続する直流電源は、蓄電池である請求項１に記載の発電システム。
  3. 　前記複数の電力変換装置それぞれが接続する直流電源の少なくとも一つは、第一直流電源である再生可能エネルギー発電装置と第二直流電源である蓄電池とが並列接続したものである請求項１に記載の発電システム。
  4. 　前記プラント制御装置が前記電力変換装置に伝達する前記電力指令値はアナログ信号である請求項１～３のいずれか１項に記載の発電システム。
  5. 　前記プラント制御装置が前記系統連系点の前記電流値および前記電圧値に基づいて実施するフィードバック制御の制御周期が１０ｍｓｅｃ以下である請求項１～４のいずれか１項に記載の発電システム。
  6. 　前記複数の電力変換装置それぞれが、電力変換回路と、前記電力指令値に従って前記電力変換回路を制御する電力変換制御回路とを含み、
    　前記電力変換制御回路は、ＰＬＬ回路を含む請求項１～５のいずれか１項に記載の発電システム。
  7. 　直流電源からの直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換装置を制御するプラント制御装置であって、
    　前記プラント制御装置は、前記複数の電力変換装置の出力側における系統連系点の電流値および電圧値に基づいて電力指令値を出力する仮想同期発電機モデル部を含み、前記電力指令値に従って前記複数の電力変換装置に前記交流電力を出力させるように構築されたプラント制御装置。
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