JP2012010559A - 余剰電力利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】分散型電源の導入に際して低コストに電力系統の安定化を図る。
【解決手段】分散型電源余剰電力利用システム１において、配電線に負荷Ｌ、太陽光発電装置ＰＶ、蓄電池Ｂ、散水装置４等が連系している。配電用変電所にＰＣＳ２が設置され、蓄電池Ｂ及び散水装置４に子局３が設置される。太陽光発電装置ＰＶによる発電電力を負荷Ｌが消費し切れないときに、余剰電力が配電線に流出する。ＰＣＳ２は、配電線の電力潮流Ｐを監視し、その電力潮流Ｐの方向により余剰電力が発生していると判定したときに、子局３に散水装置４を動作させる指示を出す。子局３は、ＰＣＳ２からの指示を受けたときにスイッチＳＷ１を閉路にして、配電線から散水装置４に給電させ、一方、配電線の系統電圧Ｖの低下を検出したときにスイッチＳＷ１を開路にして、配電線からの給電を停止する。また、必要に応じてスイッチＳＷ２を閉路にして、蓄電池Ｂから散水装置４に給電させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、分散型電源の余剰電力を利用するシステムに関する。

今後、地球温暖化への対策として新エネルギーの利用が急速に広まると考えられる。実際に、新エネルギーの１つである太陽光発電に関しては、売電価格が上昇したことにより、普及率が高くなりつつある。太陽光発電等の分散型電源の普及率が高くなってくると、発電量が増加して負荷による消費電力を上回ることにより、余剰電力が配電線に供給される逆潮流等の問題が発生する。

そこで、分散型電源の大量導入に伴う問題に対しては、様々な解決手法が提案されている。例えば、特許文献１には、電力系統の周波数の変動を検知して、太陽光発電設備等の出力を制御することができる電力供給システムが開示されている。また、特許文献２には、商用電力に依存することなく単独で動作し、かつ、信頼性の高い自家発電設備を構築するための電力供給システム及びその運転方法が開示されており、その電力供給システムにおいて、発電電力量が過剰な場合には二次電池へ充電し、発電電力量が不足の場合には二次電池から放電する。

特許第４３６９４５０号公報 特開２００３−９２８３１号公報

しかしながら、特許文献１の電力供給システムは、周波数の変動に応じて出力を制御することで、折角設置した分散型電源の出力を抑制してしまうため、分散型電源の出力を最大限に有効利用できないことがある。

また、特許文献２の電力供給システムについては、分散型電源の電力を二次電池に充電するのはよいとしても、実際に戸建て住宅一軒に対して１日分以上の電力を供給するには、相応の容量を有する高価な電池が必要であり、さらに充放電を繰り返すと電池の寿命が短くなるという問題がある。

なお、分散型電源の大量導入に伴う問題に対しては、特許文献１及び２以外にも多くの対策案が提案されており、大まかに以下のいずれかに該当する。
（１）余剰電力を蓄電池に貯蔵する。
（２）余剰電力が発生した場合に分散型電源を遮断する。
（３）フィーダごとの需給状況をみて電力を融通し合う。

しかしながら、これらの対策手法には、以下のような問題点が考えられる。
（１）需要家個人が大容量かつ長寿命の蓄電池を所有するのは高コストであり、現実的に個人が利用できるような大容量かつ長寿命の蓄電池はない。
（２）折角分散型電源で発電した自然のエネルギーを廃棄するのは勿体ない。
（３）フィーダごとの需給状況により電力融通を制御するのは、大変複雑である。また、新たなインフラ設備が必要なので、高コストになる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、分散型電源の導入に際して低コストに電力系統の安定化を図ることにある。

上記課題を解決するために、本発明は、上位系統から系統電力を受電し、受電した前記系統電力を配電線に送電する変電所と、前記配電線に連系する分散型電源と、を有する電力系統において、前記分散型電源から前記配電線に供給された余剰電力を利用するシステム（余剰電力利用システム）であって、前記配電線に連系し、前記配電線に出た前記余剰電力を消費する既設の負荷と、前記配電線と、前記負荷との間を閉路又は開路に切り替える子局装置と、前記子局装置と通信可能な親局装置と、を備え、前記親局装置が、前記変電所付近の前記配電線における電力潮流が前記上位系統側の方向へ向かうのを検出した場合に、前記子局装置に対して前記配電線に前記負荷を接続する指示を発する手段を備え、前記子局装置が、前記親局装置から前記負荷を接続する指示を受けた場合に、前記配電線と、前記負荷との間を閉路にする手段を備えることを特徴とする。

この構成によれば、変電所の付近で配電線における電力潮流の方向を判定するので、逆潮流、すなわち、分散型電源による余剰電力の発生を確実に検出し、負荷により余剰電力の消費させることができる。そして、既設の負荷を流用し、かつ、２つの通信装置（親局装置と子局装置）だけを新設することにより、上記のような構成を安価に実現することができる。以上によれば、分散型電源の導入に際して低コストに電力系統の安定化を図ることができる。

また、本発明の上記余剰電力利用システムにおいて、前記負荷が、前記配電線の末端に連携し、前記子局装置が、前記配電線と、前記負荷との間が閉路の場合に、前記配電線の末端において系統電圧の低下を検出したときに、前記配電線と、前記負荷との間を開路にする手段をさらに備えることとしてもよい。
この構成によれば、配電線の末端で系統電圧の低下を判定するので、余剰電力の消失を確実に検出し、系統電圧の回復を図ることができる。

また、本発明の上記余剰電力利用システムにおいて、前記負荷が、前記配電線から電力を受けるタイミング及び大きさを問わないものであることとしてもよい。
この構成によれば、余剰電力が発生するタイミング及び余剰電力の大きさは正確には分からず、また、予測することも困難なので、給電のタイミングや大きさといった条件を問わない負荷を選択することにより、分散型電源の余剰電力を有効に利用することができる。

また、本発明の上記余剰電力利用システムにおいて、前記負荷が、凍結しやすい場所に散水する装置、又は、暑くなる場所に散水する装置であることとしてもよい。
この構成によれば、余剰電力を融雪や打ち水用の装置に利用することにより、必ずしも決まった時刻に決まった時間だけ装置が動作しなくてもよいので、分散型電源の余剰電力を有効に利用することができる。

また、本発明の上記余剰電力利用システムにおいて、前記配電線と、前記負荷との間に連系し、前記配電線から前記余剰電力を充電する蓄電池をさらに備え、前記子局装置が、凍結又は暑さのひどい時間帯に、前記配電線と、前記負荷との間が閉路になっていないときに、前記蓄電池と、前記負荷との間を閉路にする手段をさらに備えることとしてもよい。
この構成によれば、負荷装置を動作させる必要が生じた場合には、配電線から余剰電力を充電した蓄電池から放電するので、さらに分散型電源の余剰電力を有効に利用することができる。

その他、本願が開示する課題及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、分散型電源の導入に際して低コストに電力系統の安定化を図ることができる。

分散型電源余剰電力利用システム１の構成を示す図である。 ＰＣＳ２のハードウェア構成を示す図である。 子局３のハードウェア構成を示す図である。 子局３の記憶部３５に記憶される子局データ３５Ａの構成を示す図である。 分散型電源余剰電力利用システム１の処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。本発明の実施の形態に係る分散型電源余剰電力利用システムは、電力系統に連系する分散型電源の余剰電力を、逆潮流として電力系統に戻したままにするのではなく、稼動のタイミングを問わない負荷に供給するものである。これによれば、分散型電源の余剰電力を有効に利用し、電力系統の安定化を図ることができる。

≪システムの構成と概要≫
図１は、分散型電源余剰電力利用システム１の構成を示す図である。分散型電源余剰電力利用システム１は、配電系統（電力系統）の各箇所に通信装置を設置し、その通信装置により、余剰電力が発生しているか否かを判定し、余剰電力があれば、配下にある散水装置を動作させるものである。配電系統において、配電用変電所（配変）には変圧器ＴＲが設置され、上位系統からの系統電力を変圧器ＴＲの１次側に受電し、受電した系統電力を変圧器ＴＲの２次側から延設された配電線に送電する。配電線には顧客用の変圧器ｔｒが連系し、変圧器ｔｒには顧客宅（需要家宅）の電力機器として単独の負荷Ｌ、又は、負荷Ｌ、インバータＩＶ（Inverter）及び太陽光発電装置ＰＶ（Photovoltaic）の組合せが接続される。なお、変圧器ｔｒは、例えば、１台で約１０〜２０世帯を賄う。また、配電用変電所は、例えば、１箇所で数百程度の世帯を賄う。

負荷Ｌは、変圧器ｔｒ又はインバータＩＶから電力を供給され、供給された電力を消費する。インバータＩＶは、太陽光発電装置ＰＶで発電された直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を負荷Ｌに供給する。太陽光発電装置ＰＶは、太陽光により発電する装置である。負荷Ｌで消費し切れずに余った電力は、逆潮流として変圧器ｔｒを通じて配電線に流出する。なお、負荷Ｌ、インバータＩＶ及び太陽光発電装置ＰＶ等の電力機器は、必ずしも個人の顧客宅に限ることなく、企業や公共の施設に設置されていてもよい。

さらに、配電線の末端に対して、蓄電池Ｂ及び散水装置４が連系する。これによれば、変圧器ＴＲから顧客の負荷Ｌまでの間に余計な電力機器を置かないので、顧客の負荷Ｌに品質の高い電力を供給することができる。また、散水装置４の故障による短絡が発生しても、配電線の末端だけを切り離すことにより、顧客の負荷Ｌは停電にならずに済むので、散水装置４の故障の影響を最小限に抑えることができる。

蓄電池Ｂは、配電線に直結し、配電線から余剰電力を充電するとともに、充電した電力を状況に応じて散水装置４に供給する。充電方法として、非常用電源の充電法である不動充電法を適用してもよい。散水装置４は、スイッチＳＷ１を介して配電線に接続され、スイッチＳＷ２を介して蓄電池Ｂに接続され、状況に応じて配電線又は蓄電池Ｂから余剰電力の供給を受けて動作する。散水装置４が散水する場所は、冬には凍結しやすい場所、夏には直射日光等で暑くなる場所（例えば、道路や通路等）が選択される。なお、スイッチＳＷ１及びＳＷ２は、予め開路になっており、散水装置４は当初動作していない。また、蓄電池Ｂは必須ではなく、散水装置４がスイッチＳＷ１を介して単独で配電線につながっていてもよい。

上記配電系統の構成に対して、通信装置としてＰＣＳ（Power Control Server）２及び子局３が設けられる。配電用変電所ごとに、親局（制御装置）であるＰＣＳ２が設置され、蓄電池Ｂ及び散水装置４には子局３が設置される。ＰＣＳ２は、配電用変電所付近の配電線における潮流（電流）を監視し、その電流の大きさ及び方向に応じて子局３に散水装置４を動作させる指示を出す。子局３は、ＰＣＳ２からの指示に応じて配電線に散水装置４を接続するとともに、状況に応じて蓄電池Ｂに散水装置４を接続する。以下、ＰＣＳ２のうち、配電用変電所＃１に設置されるものをＰＣＳ＃１とし、配電用変電所＃２に設置されるものをＰＣＳ＃２とする。

なお、太陽光発電装置ＰＶに限ることなく、顧客宅に他の分散型電源（例えば、風力発電装置等）が設置されてもよい。

図２は、ＰＣＳ２のハードウェア構成を示す図である。ＰＣＳ２は、通信部２１、入力部２２、処理部２３及び記憶部２４を備え、各部がバス２５を介してデータを送受信可能なように接続されている。通信部２１は、通信線を介して子局３とＩＰ（Internet Protocol）通信等を行う部分であり、例えば、ＮＩＣ（Network Interface Card）等によって実現される。入力部２２は、配電線に設けられた電力量計から、配電線を流れる潮流の大きさ及び方向を取得する。処理部２３は、所定のメモリを介して各部間のデータの受け渡しを行うととともに、ＰＣＳ２全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が所定のメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現される。記憶部２４は、処理部２３からデータを記憶したり、記憶したデータを読み出したりするものであり、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の不揮発性記憶装置によって実現される。

図３は、子局３のハードウェア構成を示す図である。子局３は、通信部３１、入力部３２、出力部３３、処理部３４及び記憶部３５を備え、各部がバス３６を介してデータを送受信可能なように接続されている。通信部３１は、通信線を介してＰＣＳ２とＩＰ通信等を行う部分であり、例えば、ＮＩＣ等によって実現される。入力部３２は、配電線に設置された電圧計から系統電圧を取得し、散水装置４が設置された場所の温度計からその周辺の温度を取得する。出力部３３は、処理部３４からの指示によりスイッチＳＷ１及びＳＷ２に開閉の指令を発行する。処理部３４は、所定のメモリを介して各部間のデータの受け渡しを行うととともに、子局３全体の制御を行うものであり、ＣＰＵが所定のメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現される。記憶部３５は、処理部３４からデータを記憶したり、記憶したデータを読み出したりするものであり、例えば、ＨＤＤやＳＳＤ等の不揮発性記憶装置によって実現される。

≪データの構成≫
図４は、子局３の記憶部３５に記憶される子局データ３５Ａの構成を示す図である。子局データ３５Ａは、子局３の処理で用いられるデータであり、系統電圧閾値３５Ａ１、冬期時間帯３５Ａ２、夏期時間帯３５Ａ３、低温度閾値３５Ａ４及び高温度閾値３５Ａ５を含む。系統電圧閾値３５Ａ１は、配電線の系統電圧が低下したときに、子局３が散水装置４を配電線から切るための閾値であり、電圧値（例えば、２００Ｖ等）又は電圧低下率（例えば、−１％等）が設定される。冬期時間帯３５Ａ２、夏期時間帯３５Ａ３、低温度閾値３５Ａ４及び高温度閾値３５Ａ５には、配電線が散水装置４につながっていないときに、子局３が蓄電池Ｂから散水装置４に給電すべきか否かを判断するための値が設定される。冬期時間帯３５Ａ２は、凍結がひどいと判断される冬期の期間及び時間帯を示す。夏期時間帯３５Ａ３は、暑さがひどいと判断される夏期の期間及び時間帯を示す。低温度閾値３５Ａ４は、凍結がひどいと判断される温度の上限値である。高温度閾値３５Ａ５は、暑さがひどいと判断される温度の下限値である。

≪システムの処理≫
図５は、分散型電源余剰電力利用システム１の処理を示すフローチャートである。本処理は、ＰＣＳ２及び子局３において、主として処理部が通信部によりデータを送受信し、記憶部のデータを参照、更新しながら、散水装置４の入切を行うものである。

まず、ＰＣＳ２は、入力部２２を通じて配電線における電力潮流Ｐの大きさ及び方向を取得する（Ｓ５０１）。そして、電力潮流Ｐの方向が上位系統側になっているか否かを判定する（Ｓ５０２）。その方向が上位系統側になっていれば（Ｓ５０２のＹＥＳ）、太陽光発電装置ＰＶの発電電力が負荷Ｌでは使い切れずに、余剰電力として配電線に流出していることを示すので、その余剰電力を消費するために、子局３に散水装置４の接続を指示する信号を出す。

子局３は、ＰＣＳ２から散水装置４の接続を指示する信号を受けて、スイッチＳＷ１を閉路にすることにより、散水装置４を「入」にする（Ｓ５０３）。これにより、配電線に連系する散水装置４という負荷が増えたことになり、配電線に流出している余剰電力が散水装置４に流れ込んで消費される。そして、子局３は、入力部３２を通じて配電線の系統電圧Ｖを取得し、電圧低下が−１％（系統電圧閾値３５Ａ１）以下になっているか否かを判定する（Ｓ５０４）。電圧低下が−１％以下であれば（Ｓ５０４のＹＥＳ）、余剰電力はなくなったことを示すので、子局３は、スイッチＳＷ１を開路にすることにより、散水装置４を「切」にする（Ｓ５０５）。これにより、配電線の電力が散水装置４に消費されなくなって、系統電圧Ｖが回復する。このとき、子局３は、ＰＣＳ２に散水装置４を切り離した旨を示す信号を送信する。ＰＣＳ２は、その信号を受信して、再び電力潮流Ｐの監視を行う（Ｓ５０１）。なお、Ｓ５０４では、系統電圧Ｖが、例えば、２００Ｖより低下し始めた場合に、すぐに散水装置４を配電線から切り離すようにしてもよい。

Ｓ５０２で電力潮流Ｐの方向が上位系統側でなければ（Ｓ５０２のＮＯ）、余剰電力はないことを示すので、ＰＣＳ２は、継続して配電線の電力潮流を監視する（Ｓ５０１）。Ｓ５０４で配電線の電圧低下が−１％より大きければ（Ｓ５０４のＮＯ）、引き続いて余剰電力があることを示すので、子局３は、継続して系統電圧Ｖを監視する（Ｓ５０４）。

なお、蓄電池Ｂに充電された電力は、必要に応じて使用することが可能である。詳細には、ＰＣＳ２からの信号をトリガにした処理（図５の処理）とは非同期に行う処理として、子局３は、現在の時刻が散水の必要な冬期時間帯３５Ａ２又は夏期時間帯３５Ａ３に含まれていて、スイッチＳＷ１が開路、すなわち、散水装置４が配電線につながっていなければ、スイッチＳＷ２を閉路にして蓄電池Ｂから散水装置４へ放電し、散水装置４を動作させる。このとき、蓄電池Ｂと、配電線とは切り離しておいた方がよい。なお、特定の時間帯であるか否かを判定するのではなく、入力部３２を通じて周囲の温度を取得し、取得した温度が低温度閾値３５Ａ４以下、又は、高温度閾値３５Ａ５以上であれば、蓄電池Ｂから散水装置４へ放電するようにしてもよい。

さらに、蓄電池Ｂは、所定の地域で大容量のものを設置し、共用するようにしてもよい。そのとき、散水装置４の設置場所が公園等の公共施設であれば、市役所等が蓄電池Ｂを設置し、管理するものとする。また、顧客は、太陽光発電装置ＰＶによって発電した電力のうち、自宅の負荷Ｌで使い切れなかった余剰電力を電力会社に売電することも可能である。そのとき、電力会社は、顧客に余剰電力の代金を支払い、一方、余剰電力を消費した散水装置４の管理者（例えば、市役所等）に電気料金を請求する。

なお、上記実施の形態では、図１に示す分散型電源余剰電力利用システム１内の各通信装置を機能させるために、処理部で実行されるプログラムをコンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録し、その記録したプログラムをコンピュータに読み込ませ、実行させることにより、本発明の実施の形態に係る分散型電源余剰電力利用システム１が実現されるものとする。この場合、プログラムをインターネット等のネットワーク経由でコンピュータに提供してもよいし、プログラムが書き込まれた半導体チップ等をコンピュータに組み込んでもよい。

以上説明した本発明の実施の形態によれば、電力系統に対して、太陽光発電装置ＰＶ等の分散型電源が大量に導入されても、分散型電源による余剰電力を系統に戻さないので、系統における電圧変動等が発生せず、現状のまま電力系統を運用することができる。そして、余剰電力が発生したときに散水装置４に給電するので、余剰電力を電力系統全体として効率よく利用でき、分散型電源の電力を無駄にせず、有効に利用できる。また、１つの電力系統に２台の通信装置（ＰＣＳ２及び子局３）を設置して制御するので、分散型電源による余剰電力に対する対策としては低コストで済む。

以上によれば、分散型電源が大量に導入された場合でも、低コストに電力系統の安定化を図ることができる。

≪その他の実施の形態≫
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記実施の形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

一例として、上記実施の形態では、余剰電力を消費する負荷装置として散水装置４を説明したが、他の負荷装置であってもよい。ただし、分散型電源余剰電力利用システム１において、太陽光発電装置ＰＶ等の分散型電源の余剰電力を利用するので、常時動作する必要がなく、余剰電力があるときだけ動作しても問題のない（すなわち、余剰電力の供給を受けるタイミング及び余剰電力の大きさを問わない）既設の負荷装置を適用することが望ましい。

例えば、揚水発電所で水を上池に揚げる装置を適用してもよい。上池への揚水は、上池の貯水量が許す限りで極力（すなわち、いつでも、どのくらいでも）実施されることが望ましいので、余剰電力の利用に向いている。また、公園等の噴水やモニュメントを動かす装置を適用してもよい。噴水やモニュメントは、人が見ているときに動作することが望ましいものの、動作開始するタイミングや動作する時間がそれほど問われないので、余剰電力の利用に向いている。

１ 分散型電源余剰電力利用システム
２ ＰＣＳ（親局装置）
３ 子局（子局装置）
４ 散水装置（負荷）
Ｂ 蓄電池
ＰＶ 太陽光発電装置（分散型電源）
Ｐ 電力潮流
Ｖ 系統電圧

Claims (5)

1. 上位系統から系統電力を受電し、受電した前記系統電力を配電線に送電する変電所と、
   前記配電線に連系する分散型電源と、
   を有する電力系統において、前記分散型電源から前記配電線に供給された余剰電力を利用するシステムであって、
   前記配電線に連系し、前記配電線に出た前記余剰電力を消費する既設の負荷と、
   前記配電線と、前記負荷との間を閉路又は開路に切り替える子局装置と、
   前記子局装置と通信可能な親局装置と、
   を備え、
   前記親局装置は、
   前記変電所付近の前記配電線における電力潮流が前記上位系統側の方向へ向かうのを検出した場合に、前記子局装置に対して前記配電線に前記負荷を接続する指示を発する手段
   を備え、
   前記子局装置は、
   前記親局装置から前記負荷を接続する指示を受けた場合に、前記配電線と、前記負荷との間を閉路にする手段
   を備える
   ことを特徴とする余剰電力利用システム。
2. 請求項１に記載の余剰電力利用システムであって、
   前記負荷は、
   前記配電線の末端に連携し、
   前記子局装置は、
   前記配電線と、前記負荷との間が閉路の場合に、前記配電線の末端において系統電圧の低下を検出したときに、前記配電線と、前記負荷との間を開路にする手段
   をさらに備える
   ことを特徴とする余剰電力利用システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の余剰電力利用システムであって、
   前記負荷は、前記配電線から電力を受けるタイミング及び大きさを問わないものである
   ことを特徴とする余剰電力利用システム。
4. 請求項３に記載の余剰電力利用システムであって、
   前記負荷は、凍結しやすい場所に散水する装置、又は、暑くなる場所に散水する装置である
   ことを特徴とする余剰電力利用システム。
5. 請求項４に記載の余剰電力利用システムであって、
   前記配電線と、前記負荷との間に連系し、前記配電線から前記余剰電力を充電する蓄電池をさらに備え、
   前記子局装置は、
   凍結又は暑さのひどい時間帯に、前記配電線と、前記負荷との間が閉路になっていないときに、前記蓄電池と、前記負荷との間を閉路にする手段
   をさらに備える
   ことを特徴とする余剰電力利用システム。

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