JP2015173570A - 自動周波数制御装置および自動周波数制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電力供給装置の応答遅れを考慮して制御することにより、不要な需給アンバランスの発生を低減する。
【解決手段】自動周波数制御装置は、電力系統において測定された測定値と、複数の電力供給装置のそれぞれの出力を示す出力値とを定期的に受信し、測定値に基づいて電力系統の需給アンバランスを算出し、記憶された指令値および出力値に基づいて需給アンバランスを補正することにより補正需給アンバランスを算出し、配分比率に基づいて補正需給アンバランスを複数の電力供給装置へ配分することにより複数の電力供給装置のそれぞれの配分値を算出し、複数の電力供給装置のそれぞれに対し出力値に配分値を加えることにより指令値を算出し、複数の電力供給装置のそれぞれへ算出された指令値を送信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統の周波数を制御する技術に関する。

近年、蓄電池システムの開発に伴い大容量化が進み、今後、電力系統全体に対する制御への適用が期待される。主に需要と供給のバランスを取る需給制御や電圧の制御への適用が検討されている。特に、需給制御に関してはその応答性から自動周波数制御（automatic frequency control：ＡＦＣ）への適用が期待されている。一方、従来の火力発電機に比較し、その応答性の良さから従来の制御方法では過制御となり、かえって周波数を乱すことが懸念されている。

従来手法として、特許文献１では、系統のアンバランス分をフィルタリングにより複数の周波数成分に分け、短周期成分のみ応答性の良い発電機に分担させることが検討されている。

特開２００７−３０６７７０号公報

特許文献１に記載される技術によると、系統のアンバランス分の短周期成分を蓄電池に分担させることにより、その出力変化速度の速さに関して有効な制御にはなるが、発電機と蓄電池について指令が到達してからの応答性まで考慮できないため、ハンチングが発生する恐れがある。

上記課題を解決するために、本発明の一態様である自動周波数制御装置は、電力系統内の複数の電力供給装置のそれぞれに設定された配分比率と、前記複数の電力供給装置のそれぞれへ送信された指令値とを記憶する記憶部と、前記電力系統において測定された測定値と、前記複数の電力供給装置のそれぞれの出力を示す出力値とを定期的に受信し、前記測定値に基づいて前記電力系統の需給アンバランスを算出し、前記記憶された指令値および前記出力値に基づいて前記需給アンバランスを補正することにより補正需給アンバランスを算出し、前記配分比率に基づいて前記補正需給アンバランスを前記複数の電力供給装置へ配分することにより前記複数の電力供給装置のそれぞれの配分値を算出し、前記複数の電力供給装置のそれぞれに対し前記出力値に前記配分値を加えることにより指令値を算出し、前記複数の電力供給装置のそれぞれへ前記算出された指令値を送信する演算部と、を備える。

本発明の一態様によれば、複数の電力供給装置の応答遅れを考慮して制御することにより、不要な需給アンバランスの発生を低減することができる。

実施例の自動周波数制御装置の機能構成を示す。 自動周波数制御処理を示す。 自動周波数制御装置の動作の第一の具体例を示す。 自動周波数制御装置の動作の第二の具体例を示す。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

自動周波数制御装置は、制御対象の電力系統である対象電力系統内の計測値と、対象電力系統内の発電機の出力を示す出力値とを受信し、計測値に基づいて対象電力系統内の発電機の出力の指令値を算出し、指令値を含む指令を発電機へ送信することにより、発電機の出力を制御し、対象電力系統の周波数を制御する。自動周波数制御装置は、例えば電力会社の中央給電指令所における需給制御装置の一部である。

本実施例において、発電機は、エネルギー変換による発電だけを行う発電機と、電力の充放電を行う蓄電池システムとを含む。このような発電機および蓄電池システムなど、対象電力系統へ電力を供給する電力供給装置と呼ぶ場合がある。蓄電池システムは、蓄電池とＰＣＳ（Power Conditioning Subsystem）やエネルギー管理装置などの蓄電池制御装置とを含む。発電機または蓄電池制御装置は、通信ネットワークを介して自動周波数制御装置に接続されており、自動周波数制御装置から指令を受信し、指令に従って出力を変化させる。

発電機の応答遅れは、自動周波数制御装置が指令を送信してから発電機が受信するまでの通信による遅れと、発電機が指令を受信してから出力が指令値に到達するまでの遅れとを含む。火力発電機のような回転子を有する発電機は、指令を受けてから出力が指令値に達するまでの時間が長く、応答遅れが大きい。一方、蓄電池は、指令を受けてから出力が指令値に達するまでの時間が回転子を有する発電機より短く、応答速度が小さい。

図１は、実施例の自動周波数制御装置の機能構成を示す。

自動周波数制御装置は、例えばコンピュータであり、メモリと、ＣＰＵ（central processing unit）などのマイクロプロセッサと、通信デバイスとを含む。メモリは、自動周波数制御装置のためのプログラムおよびデータを格納する。マイクロプロセッサは、メモリに格納されているプログラムに従って、自動周波数制御装置の処理を行う。通信デバイスは、マイクロプロセッサからの指示に従って通信を行う。なお、自動周波数制御装置のプログラムは、コンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に格納されていても良い。この場合、コンピュータがその記憶媒体からプログラムを読み出す。

自動周波数制御装置は、系統測定データ記憶部１００と、系統設定データ記憶部１０１と、発電機測定データ記憶部１０２と、発電機設定データ記憶部１０３と、指令値記憶部１０４と、系統測定データ収集部２００と、需給アンバランス計算部２０１と、発電機測定データ収集部２０２と、需給アンバランス補正部２０３と、指令値計算部２０４と、指令送信部２０５とを含む。

系統設定データ記憶部１０１は、管理者により予め登録された系統定数と基準周波数と連系線スケジュールとを記憶している。系統定数は、対象電力系統における周波数変動と電力変動の関係を示し、対象電力系統の大きさ、対象電力系統における需要の大きさに依存する。基準周波数は、対象電力系統の基準周波数であり、周波数設定値と呼ぶことがある。連系線スケジュールは、時刻毎の連系線潮流の計画値であり、連系線潮流設定値と呼ぶことがある。

発電機設定データ記憶部１０３は、発電機毎に、管理者により予め登録された配分比率と上下限とを記憶している。配分比率は、発電機に配分される需給アンバランスの大きさを示す。上下限は、指令値の範囲を示す上限値および下限値を含む。

系統測定データ収集部２００は、対象電力系統の周波数と連系線潮流とを対象電力系統の情報を管理するサーバから収集し、収集された周波数と連系線潮流とを、系統測定データ記憶部１００に保存する。ここで、周波数は、対象電力系統における周波数の測定値である。連系線潮流は、対象電力系統と他の電力系統の間の連系線潮流の測定値である。サーバは、電力会社の中央給電指令所や営業所などに設けられており、通信ネットワークを介して対象電力系統内の機器および自動周波数制御装置に接続されている。

発電機測定データ収集部２０２は、各発電機から出力値を収集し、収集された出力値を発電機測定データ記憶部１０２に保存する。

需給アンバランス計算部２０１は、系統測定データ記憶部１００に記憶されている周波数および連系線潮流と、系統設定データ記憶部１０１に記憶されている基準周波数、系統定数、および連系線スケジュールとに基づいて、需給アンバランス（地域要求量、Area Requirement：ＡＲ）を計算する。

需給アンバランス補正部２０３は、発電機測定データ記憶部１０２に記憶されている出力値と、指令値記憶部１０４に記憶されている指令値とを用いて、需給アンバランス計算部２０１により算出された需給アンバランスを補正することにより、補正需給アンバランスを算出する。

指令値計算部２０４は、発電機設定データ記憶部１０３に記憶されている配分比率を用いて、需給アンバランス補正部２０３により算出された補正需給アンバランスを以下の式で各発電機に配分することにより、補正需給アンバランスの各発電機への配分を示す配分値を算出する。更に、指令値計算部２０４は、各発電機に対し、発電機測定データ記憶部１０２に記憶されている出力値と、算出された配分値に基づいて、指令値を算出する。

指令値記憶部１０４は、指令値計算部２０４により算出された指令値を記憶する。

以下、自動周波数制御装置による自動周波数制御処理について説明する。

図２は、自動周波数制御処理を示す。

自動周波数制御装置は、定期的に自動周波数制御処理を実行する。ここでは、対象電力系統内の複数の発電機のそれぞれを配分対象発電機とする。

Ｓ１１０において需給アンバランス計算部２０１は、周波数と、連系線潮流と、基準周波数と、系統定数と、連系線スケジュールとを用いる以下の式で、需給アンバランスを算出する。

需給アンバランス＝−系統定数×（周波数−基準周波数）
＋（連系線スケジュール−連系線潮流） …（式１）

ここで、連系線潮流の符号は、対象電力系統に流入する方向を正とする。即ち、正の連系線潮流は、対象電力系統内の需要が対象電力系統内の発電機からの供給を上回っていることを示す。また、需給アンバランスの正方向は、対象電力系統において供給が不足する方向を示す。即ち、対象電力系統内の発電機の出力と、他電力系統から対象電力系統への連系線潮流との何れかが不足すると、需給アンバランスは正方向へ変化する。この処理により、対象電力系統の周波数および連系線潮流の測定値から、需給アンバランスを算出することができる。

需給アンバランス計算部２０１は、一次遅れ等のフィルタで需給アンバランスを平滑化しても良い。なお、系統測定データ収集部２００が、電力系統の需要を電力系統のサーバから収集し、収集された需要を、系統測定データ記憶部１００に保存しても良い。この場合、需要と連系線潮流に基づいて需給アンバランスを算出しても良い。また、需要に基づいて系統定数を算出しても良い。また、需給アンバランス計算部２０１は、対象電力系統と他の電力系統の間の連系を考慮しなくても良い場合、式１の第二項を用いない。この場合、系統測定データ収集部２００は、連系線潮流を取得しなくても良く、系統測定データ記憶部１００は連系線潮流を記憶しなくても良く、系統設定データ記憶部１０１は、連系線スケジュールを記憶しなくても良い。この場合、対象電力系統の周波数の測定値から、需給アンバランスを算出することができる。

ここで、前回の自動周波数制御処理により発電機へ送信された指令値であって、指令値記憶部１０４に記憶されている指令値を、直前指令値と呼ぶ。

Ｓ１２０において需給アンバランス補正部２０３は、直前指令値と出力値から、以下の式で需給アンバランスを補正することにより、補正需給アンバランスを算出する。

補正値＝Σ（直前指令値−出力値） …（式２）

補正需給アンバランス＝需給アンバランス＋補正値 …（式３）

ここで、需給アンバランス補正部２０３は、各配分対象発電機の直前指令値から出力値を減じ、得られた値の合計を補正値として算出する。すなわち、補正値は、発電機の応答遅れの影響を示す。需給アンバランスと同様、補正値の正方向は、対象電力系統において供給が不足する方向を示す。この処理により、発電機の応答遅れを考慮した補正需給アンバランスを算出することができる。

Ｓ１３０において指令値計算部２０４は、以下の式で、補正需給アンバランスを複数の配分対象発電機に配分することにより、補正需給アンバランスの配分対象発電機への配分を示す配分値を算出する。

配分値＝補正需給アンバランス×配分比率／配分比率の合計 …（式４）

Ｓ１４０において指令値計算部２０４は、各配分対象発電機に対し、出力値と配分値から、以下の式で指令値を算出する。

指令値＝出力値＋配分値 …（式５）

Ｓ２１０において指令値計算部２０４は、配分対象発電機の指令値が、上下限により定められた範囲を逸脱するか否かを判定する。

Ｓ２１０において全ての配分対象発電機の指令値が範囲を逸脱しないと判定された場合（Ｎ）、指令値計算部２０４は、処理をＳ２４０へ移行させる。

Ｓ２１０において幾つかの配分対象発電機の指令値が範囲を逸脱すると判定された場合（Ｙ）、Ｓ２２０において指令値計算部２０４は、当該配分対象発電機を変更対象発電機として選択し、変更対象発電機の指令値を以下のように上限値または下限値に置き換える。

指令値が上限値より大きい時：指令値＝上限値 …（式６）

指令値が下限値より小さい時：指令値＝下限値 …（式７）

この処理により、指令値を予め定められた範囲内に制限することができる。なお、指令値計算部２０４は、変更対象発電機の指令値を範囲内の値に変更しても良い。

この処理により、変更対象発電機の配分値が変化し、配分対象発電機の配分値の合計が補正需給アンバランスに一致しないため、指令値計算部２０４は、補正需給アンバランスを再配分する。ここで、指令値計算部２０４は、配分対象発電機のうち、変更対象発電機以外を再配分対象発電機として選択する。Ｓ２３０において指令値計算部２０４は、以下の式のように、補正需給アンバランスを再配分することにより、再配分対象発電機の指令値を再算出し、処理をＳ２１０へ移行させる。

変更対象発電機の配分値の合計
＝Σ（変更対象発電機の指令値−変更対象発電機の出力値） …（式８）

再配分対象発電機の配分値
＝（補正需給アンバランス−変更対象発電機の配分値の合計）
×配分比率／再配分対象発電機の配分比率の合計 …（式９）

指令値＝出力値＋配分値 …（式１０）

この処理によれば、変更対象発電機の指令値を変更しても、補正需給アンバランスを配分対象発電機に再配分することができ、補正需給アンバランスを指令値に反映させることができる。

Ｓ２４０において指令値計算部２０４は、各発電機に対して算出された指令値を指令値記憶部１０４に保存する。Ｓ２５０において指令送信部２０５は、各発電機に対し、指令値を含む指令を送信し、このフローを終了する。

全ての配分対象発電機の指令値が上限値または下限値に達するか、全ての配分対象発電機の指令値が範囲内になるまで、Ｓ２１０〜Ｓ２３０の処理が繰り返される。

以上が自動周波数制御処理である。

この動作によれば、補正需給アンバランスを算出して指令値に配分することにより、発電機の応答遅れの影響を指令値に反映させることができる。

以下、自動周波数制御装置の動作の具体例について説明する。

図３は、自動周波数制御装置の動作の第一の具体例を示す。

第一の具体例における配分対象発電機は、火力発電機Ａと火力発電機Ｂと蓄電池とである。この図は、時刻毎に、負荷と、需給アンバランスと、補正需給アンバランスと、火力発電機Ａの出力値および指令値と、火力発電機Ｂの出力値および指令値と、蓄電池の出力値および指令値とを示す。負荷は、すべての発電機の指令値の合計を示す。

ここで、火力発電機Ａと火力発電機Ｂと蓄電池との配分比率は、１：１：２とする。

第一の具体例は、ステップ状の需給アンバランスが発生した場合の例である。補正需給アンバランスが大きいほど、特に蓄電池の指令値が大きく増加する。これにより、急激な需給アンバランスの変化に対して電力供給を素早く追従させることができる。ステップ状の需給アンバランスの発生後、需給アンバランスの大きさがすぐに小さくなり、ハンチングも発生していないことから、自動周波数制御処理が発電機を過制御していないことが分かる。

図４は、自動周波数制御装置の動作の第二の具体例を示す。

第二の具体例は、周期的に変動する需給アンバランスが発生した場合の例である。補正需給アンバランスの絶対値が大きいほど、特に蓄電池の指令値が大きく変化する。これにより、周期的な需給アンバランスの変化に対して電力供給を素早く追従させることができる。需給アンバランスが発散していないことから、自動周波数制御処理が発電機を過制御していないことが分かる。

これらの具体例に示されているように、応答遅れが小さい発電機ほど、配分比率を高く設定することにより、電力系統全体の応答遅れの影響を小さくすることができる。例えば、蓄電池の配分比率を火力などの発電機の配分比率より高く設定することにより、発電機の応答遅れを蓄電池により補うことができる。

本実施例によれば、需要と供給のバランスを維持する自動周波数制御装置において、対象とする発電機の応答遅れを考慮して制御することで、不要な需給アンバランスの発生を少なくすることができる。

本発明の表現のための用語について説明する。記憶部は、系統測定データ記憶部１００と、系統設定データ記憶部１０１と、発電機測定データ記憶部１０２と、発電機設定データ記憶部１０３と、指令値記憶部１０４などに対応する。演算部は、系統測定データ収集部２００と、需給アンバランス計算部２０１と、発電機測定データ収集部２０２と、需給アンバランス補正部２０３と、指令値計算部２０４と、指令送信部２０５などに対応する。変更対象装置は、変更対象発電機などに対応する。再配分対象装置は、再配分対象発電機などに対応する。

本発明は、以上の実施例に限定されるものでなく、その趣旨から逸脱しない範囲で、他の様々な形に変更することができる。

１００…系統測定データ記憶部 １０１…系統設定データ記憶部 １０２…発電機測定データ記憶部 １０３…発電機設定データ記憶部 １０４…指令値記憶部 ２００…系統測定データ収集部 ２０１…需給アンバランス計算部 ２０２…発電機測定データ収集部 ２０３…需給アンバランス補正部 ２０４…指令値計算部 ２０５…指令送信部

Claims (10)

1. 電力系統内の複数の電力供給装置のそれぞれに設定された配分比率と、前記複数の電力供給装置のそれぞれへ送信された指令値とを記憶する記憶部と、
   前記電力系統において測定された測定値と、前記複数の電力供給装置のそれぞれの出力を示す出力値とを定期的に受信し、前記測定値に基づいて前記電力系統の需給アンバランスを算出し、前記記憶された指令値および前記出力値に基づいて前記需給アンバランスを補正することにより補正需給アンバランスを算出し、前記配分比率に基づいて前記補正需給アンバランスを前記複数の電力供給装置へ配分することにより前記複数の電力供給装置のそれぞれの配分値を算出し、前記複数の電力供給装置のそれぞれに対し前記出力値に前記配分値を加えることにより指令値を算出し、前記複数の電力供給装置のそれぞれへ前記算出された指令値を送信する演算部と、
   を備える自動周波数制御装置。
2. 前記複数の電力供給装置は、発電機および蓄電池を含む、
   請求項１に記載の自動周波数制御装置。
3. 前記測定値は、前記電力系統における周波数を含み、
   前記演算部は、予め設定された周波数設定値からの前記周波数の偏差に基づいて、前記需給アンバランスを算出する、
   請求項２に記載の自動周波数制御装置。
4. 前記演算部は、前記記憶された指令値および前記出力値の差を前記需給アンバランスに加えることにより前記補正需給アンバランスを算出する、
   請求項３に記載の自動周波数制御装置。
5. 前記測定値は、前記電力系統および他電力系統の間の連系線潮流を含み、
   前記演算部は、前記周波数設定値からの前記周波数の偏差と、予め設定された連系線潮流設定値からの前記連系線潮流の偏差とに基づいて、前記需給アンバランスを算出する、
   請求項４に記載の自動周波数制御装置。
6. 前記蓄電池の配分比率は、前記発電機の配分比率より高い、
   請求項５に記載の自動周波数制御装置。
7. 前記記憶部は、前記複数の電力供給装置のそれぞれに対し、前記指令値の範囲を記憶し、
   前記演算部は、前記複数の電力供給装置のそれぞれに対し、前記算出された指令値が前記範囲を逸脱しているか否かを判定し、前記範囲を逸脱していると判定された指令値に対応する電力供給装置を変更対象装置として選択し、前記変更対象装置の指令値を前記範囲内の値に変更する、
   請求項６に記載の自動周波数制御装置。
8. 前記算出された指令値が前記範囲を逸脱していると判定された場合、前記演算部は、前記補正需給アンバランスから前記変更対象装置の配分値の合計を減ずることにより再配分需給アンバランスを算出し、前記複数の電力供給装置の中から前記変更対象装置以外を再配分対象装置として選択し、前記配分比率に基づいて前記再配分需給アンバランスを前記再配分対象装置に配分することにより前記再配分対象装置の再配分値を算出し、前記出力値に前記再配分値を加えることにより前記指令値を算出する、
   請求項７に記載の自動周波数制御装置。
9. 前記算出された指令値が前記範囲の上限値を上回ると判定された場合、前記演算部は、前記変更対象装置の指令値を前記上限値に変更し、
   前記算出された指令値が前記範囲の下限値を下回ると判定された場合、前記演算部は、前記変更対象装置の指令値を前記下限値に変更する、
   請求項７または８に記載の自動周波数制御装置。
10. 電力系統内の複数の電力供給装置のそれぞれに設定された配分比率を記憶し、
    前記複数の電力供給装置のそれぞれへ送信された指令値を記憶し、
    前記電力系統において測定された測定値と、前記複数の電力供給装置のそれぞれの出力を示す出力値とを定期的に受信し、
    前記測定値に基づいて前記電力系統の需給アンバランスを算出し、
    前記記憶された指令値および前記出力値に基づいて前記需給アンバランスを補正することにより補正需給アンバランスを算出し、
    前記配分比率に基づいて前記補正需給アンバランスを前記複数の電力供給装置へ配分することにより前記複数の電力供給装置のそれぞれの配分値を算出し、
    前記複数の電力供給装置のそれぞれに対し前記出力値に前記配分値を加えることにより指令値を算出し、
    前記複数の電力供給装置のそれぞれへ前記算出された指令値を送信する、
    ことを備える自動周波数制御方法。
    

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