JP5019372B2

JP5019372B2 - 分散型電源の制御方法

Info

Publication number: JP5019372B2
Application number: JP2007189697A
Authority: JP
Inventors: 英介下田; 茂生沼田; 旬平馬場
Original assignee: University of Tokyo NUC; Shimizu Corp
Current assignee: University of Tokyo NUC; Shimizu Corp
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2027-07-20
Also published as: JP2009027861A

Description

本発明は、負荷変動に対する追従性能の異なる複数種類の分散型電源を統合的に制御することによって負荷変動補償を行うための制御方法に関する。

電力市場自由化後の社会動向として、以下の（１）〜（４）に示す理由からさまざまな分散型電源（天然ガスコージェネレーションや燃料電池）がエネルギー供給設備として建物内に進出してくる可能性が高くなっている。
（１）熱電併給により、相当高い総合エネルギー効率（８０％強）を期待できる。
（２）ＣＯ_２排出量削減が期待できる。
（３）商用系統からの契約電力量の削減や配電施設の低減によるコスト削減が期待できる。
（４）震災、火災時の自立安定性が高い。

現在これらの分散型電源は、主に需要家のエネルギーコスト削減を目的として導入されており、稼働率が高くなり経済性を発揮しやすい「ベースロード運転」（図８（ａ）参照）によって定格運転されている。今後、より多くの分散型電源が需要家サイドに入り、ベースロード運転にて商用系統に接続されると、商用系統は負荷変動の補償ばかりを求められ、電圧や周波数変動の調整機能（これをアンシラリー機能という）を一手に引き受けることになる。端的に言えば、電力会社が損な役割を担うことになる。

一方、国の施策として、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して協調関係の構築を目指す動きがある。近年、議論が始まった「マイクログリッド」である。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では、商用系統連系時には買電一定運転（図８（ｂ）参照）が、また自立運転時には自立範囲内に安定した品質の電力を供給することが求められている。

系統連系時の買電一定運転ならびに自立運転時の安定した品質での電力供給は、マイクログリッド内の負荷変動と分散型電源による出力の需給バランスを常に一致すること（負荷追従運転）によって実現される。特に自立運転時においては需給バランスがずれてしまうと周波数や電圧といった電力品質が著しく悪化してしまい、最悪の場合には分散型電源が停止して自立運転が維持できなくなる。

負荷追従運転を実現するための方法は２つに大別することができる。１つ目は特許文献１に記載の系統安定化装置のように、各分散型電源が自律的に負荷電力を計測して負荷追従運転を行う方法（分散制御）であり、この方法を用いると高速な負荷変動に対する追従運転が実現できる。しかし、複数の分散型電源が導入されるケースにおいては、各分散型電源が同時に同じ負荷変動に対して負荷追従運転を行ってしまうことで出力の干渉が発生してしまい、結果として負荷追従運転が失敗する恐れがある。

２つ目の方法としては特許文献２に記載の分散型電源の制御方法（統合制御）がある。これは計測した負荷電力を基に、追従性能の異なる複数種類の分散型電源（図９参照）を組み合わせて当該周波数帯域を分担させることで負荷追従運転を実現するとしている。そのため統合的な出力調整を行うために、「負荷、買電、分散型電源出力の計測系」と「分散型電源出力の制御系」を持つ制御システム（制御の頭脳部）を構築する必要がある。
特開２００７−０２０３６１号公報特開２００６−２４６５８４号公報

制御システムに各計測値を収集する方法としては、アナログ信号線を用いて通信する方法（図１０参照）と、ＬＡＮ等のデジタル通信網を使用する方法（図１１参照）がある。アナログ信号線を利用するとリアルタイムでの情報通信が可能となるため、制御においては理想的である。ただし、現在はＬＡＮ等のデジタル通信網が広く普及しているため、専用のアナログ信号線が敷設されるケースは非常に少なくなっている。また分散型電源が制御システムから物理的に離れた位置に設置され、アナログ信号線の敷設が不可能となる場合も考えられる。以上の観点から制御における情報伝達には、敷設が一般的になっているデジタル通信網を利用する方が効率的である。

しかしながら、デジタル通信網を使用すると、計測時のＡ／Ｄ変換時間や、通信速度による伝送の無駄時間が発生してしまうため、例えば、図９に示す第４類に分類されるような長急速な負荷変動に追従する機器はその能力を発揮することができなくなるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、マイクログリッド内に存在する最も負荷追従性能の良い分散型電源１台にのみ、自律的な高速の負荷追従運転を行わせることで、デジタル通信網に対応した制御システムによる負荷追従運転を行うことができる分散型電源の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、負荷変動に対する追従性能が異なる複数の分散型電源を統合的に制御する分散型電源の制御方法であって、前記複数種類の分散型電源のうち、最も負荷追従性能の良い分散型電源を自律運転により負荷追従制御を行い、前記最も負荷追従性能の良い分散型電源以外の分散型電源は、デジタル通信網を経由して送信される制御システムからの指令により負荷追従制御を行うことを特徴とする。

本発明は、前記制御システムは、前記最も負荷追従性能の良い分散型電源と前記最も負荷追従性能の良い分散型電源以外の分散型電源とから負荷に対して供給される電力を計測した値である第１の計測値と前記負荷追従性能の良い分散型電源以外の分散型電源から前記負荷に対して供給される電力を計測した値である第２の計測値とを前記デジタル通信網を介して受信し、前記第１の計測値と前記第２の計測値とに基づいて、前記最も負荷追従性能の良い分散型電源以外の分散型電源に対する出力指令値を求めて、前記デジタル通信網を介して前記最も負荷追従性能の良い分散型電源以外の分散型電源へ送信することを特徴とする。

本発明によれば、ＬＡＮを経由するデジタル通信を使用しない自律的な高速の負荷追従運転と、ＬＡＮを経由するデジタル通信を利用した制御システムによる負荷追従運転とを組み合わせることで、計測・情報伝送に時間を要するデジタル通信網を使用しても高精度な負荷追従運転が実現可能になるという効果が得られる。

以下、本発明の一実施形態による分散型電源の制御方法を図面を参照して説明する。図１は同実施形態に分散型電源を用いたエネルギー供給システムの構成を示すブロック図である。分散型電源は、ガスエンジン（以下、ＧＥという）１、ニッケル水素電池等の２次電池（以下、ＮｉＭＨという）２、電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵装置（以下、ＥＤＬＣという）３及び電力出力を制御する制御システム４から構成する。ＧＥ１は、図１０に示す第２類機器に相当し、ＮｉＭＨ２は、第３類機器に相当し、ＥＤＬＣ３は、第４類機器に相当する。ＧＥ１には、有効電力（Ｐ_ＧＥ）を計測し、この計測値をＡ／Ｄ変換し、ＬＡＮ６を経由して制御システム４に対して出力する計測器１１を備えている。ＮｉＭＨ２には、有効電力（Ｐ_ＮｉＭＨ）を計測し、この計測値をＡ／Ｄ変換し、ＬＡＮ６を経由して制御システム４に対して出力する計測器１２を備えている。ＥＤＬＣ３には、負荷６に対して供給する電力（Ｐ_ＬＯＡＤ）を計測してＥＤＬＣ３へ出力する計測器１３を備えている。また、負荷５に対して供給する電力（Ｐ_ＬＯＡＤ）を計測し、この計測値をＡ／Ｄ変換し、ＬＡＮ６を経由して制御システム４へ出力する計測器１４も備えている。制御システム４は、計測器１１、１２、１４が計測した電力出力Ｐ_ＧＥ、Ｐ_ＮｉＭＨ、Ｐ_ＬＯＡＤに基づいて、ＧＥ１に対する出力指令値Ｐs_ＧＥと、ＮｉＭＨ２に対する出力指令値Ｐs_ＮｉＭＨを求めて、ＬＡＮ６を経由してそれぞれＧＥ１及びＮｉＭＨ２に対して出力することにより安定した電力を供給するように制御を行う。

ＥＤＬＣ３は、最も負荷追従性能が良いため、自律的に高速な負荷追従運転を行わせ、ＮｉＭＨ２とＧＥ１についてはＬＡＮ６を経由した情報伝達を利用することで負荷追従運転を行う。情報伝達速度は、計測周期（計測器１１、１２、１４から制御システム４への計測値伝達周期）１秒、制御周期（制御システム４からＧＥ１、ＮｉＭＨ２への出力指令値出力周期）１秒とする。

次に、図２を参照して、図１に示す制御システム４による負荷追従運転と、ＥＤＬＣ３による自律的な負荷追従運転とを行う動作を説明する。図２は、制御システム４内の構成とＥＤＬＣ３の構成を示す制御ブロック図である。制御システム４は、ＧＥ１の出力とＮｉＭＨ２の出力を制御し、ＥＤＬＣ３は、制御システム４が介入することなく自律的に出力制御を行う。

まず制御システム４は、負荷Ｐ_ＬＯＡＤのうち、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）によって緩やかな変動成分を抽出し、この抽出した緩やかな変動成分のみを補償するように、ＧＥ１の出力指令値Ｐｓ_ＧＥをＧＥ１に対して出力する。これにより、ＧＥ１から有効電力Ｐ_ＧＥが出力されることになる。また、制御システム４は、負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤからＧＥ１の有効電力Ｐ_ＧＥを減算し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）によってＧＥ１が補償できなかった高速な変動成分を補償するように、ＮｉＭＨ２の出力指令値Ｐｓ_ＮｉＭＨをＮｉＭＨ２に対して出力する。これにより、ＮｉＭＨ２から有効電力Ｐ_ＮｉＭＨが出力されることになる。

一方、ＥＤＬＣ３は、負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤのうち計測・情報伝送で制御システム４が負荷追従できない高速な成分をハイパスフィルタ（ＨＰＦ）によって抽出し、この負荷追従できない高速な成分を補償するように、ＥＤＬＣ３の出力指令値Ｐｓ_ＥＤＬＣを求め、出力がＰｓ_ＥＤＬＣになるように自律制御を行う。これにより、ＥＤＬＣ３から有効電力Ｐ_ＥＤＬＣが出力されることになる。ＥＤＬＣ３は、ＬＡＮ６を経由する通信を必要としないため、高速な制御動作を実行することができる。

次に、負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤのうち計測・情報伝送で制御システム４が負荷追従できない高速な成分を特定する方法を説明する。まず、負荷電力として正弦波状負荷を考える。負荷変動の振幅をＡ［ｋＷ］、周波数をｆ［Ｈｚ］とすると負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤは、
Ｐ_ＬＯＡＤ＝Ａｓｉｎ２πｆｔ・・・（１）
と表される。また、ＮｉＭＨ２の出力Ｐ_ＮｉＭＨは負荷電力に対して情報の伝達時間（本ケースでは計測１秒＋制御１秒＝２秒）だけ遅れるので、
Ｐ_ＮｉＭＨ＝Ａｓｉｎ２πｆ（ｔ−２）・・・（２）
となる。これにより、負荷電力をＮｉＭＨ２の出力が補償した残りの変動は、
Ｐ_ＬＯＡＤ−Ｐ_ＮｉＭＨ＝Ａｓｉｎ２πｆｔ−Ａｓｉｎ２πｆ（ｔ−２）
＝｜２Ａｓｉｎ２πｆ｜ｓｉｎ（２πｆｔ＋φ）・・・（３）
となる。ＮｉＭＨ２の出力によって負荷変動を補償するためには、（３）式中の正弦波の振幅に該当する｜２Ａｓｉｎ２πｆ｜が元の負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤの振幅Ａより小さくなる必要がある。すなわち、
｜２Ａｓｉｎ２πｆ｜＜Ａ → ｆ＜０．０８３・・・（４）
である必要がある。このことは負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤのうち計測・情報伝送で制御システム４が負荷追従できない成分が０．０８３Ｈｚ以上の変動成分であることを示している。したがって、負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤのうち０．０８３Ｈｚ以下の変動成分は制御システム４によって変動を補償し、０．０８３Ｈｚ以上の変動成分はＥＤＬＣ３によって自律的に補償させればよい。

図２に示す制御動作によって負荷追従運転を行った結果を図４に示す。また比較のために、図５にはアナログ信号線を用いた通信（図１０に示す装置構成）を介して、制御システム４より制御した結果（理想の結果）を示し、図６にはデジタル通信網のみを用いた通信（図１１に示す装置構成）を介して、制御システム４より制御した結果を示す。なおＧＥ１については１５０ｋＷ一定出力で運転するように制御を行っている。

それぞれの運転ケースを比較するとＧＥ１の出力変化に大きな差異が生じている。この変動が電力品質に対してどの程度影響を及ぼしているかを評価するために、系統周波数と系統電圧の遷移確率分布を図７に示す。ここでいう遷移確率分布とはある計測時間から次の計測時間において計測値がどのように変化するかをプロットしたものである。そのため、電力品質が高品質であれば、プロットが中心に集中し、低品質であればプロットが点在することになる。

図４〜図６におけるＧＥ１の出力変動は負荷と発電の需給バランスがずれたことを意味している。すなわちアナログ信号線を介した制御を行った場合には常に需給バランスが取れているためにＧＥの出力は一定になっているが、デジタル通信網のみを介した制御では、情報伝達に伴って負荷追従制御が遅れてしまい、需給バランスがずれ、結果としてＧＥ１の出力が変動してしまっている。自律運転においてはＧＥ１の出力が急激に変化すると、機械的な回転数が変化するために周波数や電圧といった電力品質が悪化してしまうので、なるべくＧＥ１の出力を変化させないことが求められる。

本発明による制御方法は、アナログ信号線を介した制御に比べると、ＮｉＭＨ２の負荷追従が情報の伝達時間（本ケースでは計測１秒＋制御１秒＝２秒）だけ遅れている。その２秒間の負荷変動については自律的に出力制御を行っているＥＤＬＣ３によって負荷追従されるのでＧＥ１はやや緩やかに出力が変動している。すなわち図９第３群の電源の制御が多少遅れても、効果的に負荷追従運転が行われており、デジタル通信網のみを介した制御に比べ、電力品質を大きく改善することができる。実際に図７を参照するとデジタル通信網のみを介した制御の場合は周波数が５０Ｈｚを基準に約±０．８Ｈｚ、電圧が約±２０Ｖで広く変動しているが、本発明による方法は理想の結果に比べると若干品質にむらがあるものの、周波数が５０Ｈｚを基準に約±０．４Ｈｚ、電圧が約±１０Ｖの範囲に集中しており、電力品質が約５０％改善されていることが分かる。

次に、図１に示すＥＤＬＣ３が設置されていない場合の分散型電源の負荷追従運転方法を図３を参照して説明する。このような場合、図９第４群の超高速な負荷変動に追従可能な電源が無くなるため、高速な負荷変動に追従できる第３群のＮｉＭＨ２にＥＤＬＣ３の役割を兼用させる必要がある。すなわちＮｉＭＨ２はＧＥ１が追従できない比較的速い負荷変動と、ＬＡＮ６を経由するデジタル通信網による計測、情報伝送による無駄時間帯域の負荷変動を両方補償しなければならない。しかしＮｉＭＨ２をＥＤＬＣ３のように自律的に制御させてしまうと、制御システム４から制御する電源がＧＥ１のみになってしまうため、統合的に各電源の出力を調整することが困難になる。これでは各分散型電源が同じ負荷変動に対して同時に負荷追従運転を行ってしまうことで出力の干渉が発生し、負荷追従運転が失敗する恐れがある。

そこでＮｉＭＨ２については図３に示すようにアナログ信号線による計測を用いた自律的な負荷追従運転とデジタル通信網を用いた制御システム４による負荷追従運転を組み合わせた方法を使用する。これにより高速な負荷変動に対して追従可能な分散型電源がマイクログリッド内に１つしかない場合でも対応することが可能となる。

このように、ＬＡＮ６を経由するデジタル通信を使用しない自律的な高速の負荷追従運転と、ＬＡＮ６を経由するデジタル通信を利用した制御システム４による負荷追従運転を組み合わせることで、計測・情報伝送に時間を要するデジタル通信網を使用しても高精度な負荷追従運転が実現可能となる。この結果、専用のアナログ通信線を設ける必要が無く、普及が進んでいるＬＡＮ通信網を使用できる。また、ＬＡＮ通信網を使用することで分散型電源の設置位置が物理的に離れていても適応可能となる。また、系統連系時の買電一定制御、自立運転時の負荷追従運転が高品質で実現できる。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。図１に示す装置の制御動作を示す制御ブロック図である。図１に示すＥＤＬＣ３を備えていない場合の制御動作を示す制御ブロック図である。負荷追従運転を実施した結果を示す図である。負荷追従運転を実施した結果を示す図である。負荷追従運転を実施した結果を示す図である。系統周波数と系統電圧の遷移確率分布を示す説明図である。ベースロード運転と買電一定運転の状態を示す説明図である。分散型電源の特徴を示す説明図である。アナログ信号線を使用した情報伝達を行うシステム構成の一例を示すブロック図である。デジタル通信網を使用した情報伝達を行うシステム構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１・・・ガスエンジン（ＧＥ）、２・・・２次電池（ニッケル水素電池；ＮｉＭＨ）、３・・・電力貯蔵装置（電気二重層キャパシタ；ＥＤＬＣ）、４・・・制御システム、５・・・負荷、１１、１２、１３、１４・・・計測器、６・・・ＬＡＮ

Claims

負荷変動に対する追従性能が異なる複数の分散型電源を統合的に制御する分散型電源の制御方法であって、
前記複数種類の分散型電源のうち、最も負荷追従性能の良い分散型電源を自律運転により負荷追従制御を行い、前記最も負荷追従性能の良い分散型電源以外の分散型電源は、デジタル通信網を経由して送信される制御システムからの指令により負荷追従制御を行うことを特徴とする分散型電源の制御方法。
前記制御システムは、前記最も負荷追従性能の良い分散型電源と前記最も負荷追従性能の良い分散型電源以外の分散型電源とから負荷に対して供給される電力を計測した値である第１の計測値と前記負荷追従性能の良い分散型電源以外の分散型電源から前記負荷に対して供給される電力を計測した値である第２の計測値とを前記デジタル通信網を介して受信し、前記第１の計測値と前記第２の計測値とに基づいて、前記最も負荷追従性能の良い分散型電源以外の分散型電源に対する出力指令値を求めて、前記デジタル通信網を介して前記最も負荷追従性能の良い分散型電源以外の分散型電源へ送信することを特徴とする請求項１に記載の分散型電源の制御方法。