JP2020108193A - 電力系統安定化装置 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の一実施の形態に係る電力系統安定化装置が適用される電源システムの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態における電源システム1は、発電機2と、発電機2が接続される交流配線部3と、発電機2とは別の電力系統(以下、外部電力系統と称する)4と交流配線部3との間の所定の解列点Xに設けられた遮断器(GCB:Generator Circuit Breaker)5と、交流配線部3に接続される電力負荷(以下、単に負荷と称する)6と、を備えている。
図2は、図1に示す蓄電設備11における制御系の概略構成を示すブロック図である。図2には、制御装置17のうちの第1制御装置17aとして機能するために必要な制御ブロックのみを示している。本実施の形態において、第1電力変換器14は、IGBT等のスイッチング素子(図示せず)からなる電力変換回路により構成される。第1制御装置17aが生成する第1駆動信号S1は、第1電力変換器14のスイッチング素子をオン/オフ制御するための第1駆動信号S1を送信することにより交流配線部3(3A)と第1直流配線部71との間の電力変換制御を行うための信号である。
周波数演算部20は、発電機側交流配線部3Aにおける系統周波数fを演算する。図3は、図2に示す周波数演算部の概略構成を示すブロック図である。周波数演算部20には、交流電圧計測器23で検出された交流電圧の瞬時値va,vb,vcが入力される。
電圧演算部22は、交流電圧計測器23で検出された各相の電圧の瞬時値va,vb,vcおよび周波数演算部20で演算された位相φから次式により交流電圧の回転座標(dq座標)系の各座標軸における電圧(d軸電圧Vd、q軸電圧Vq)を算出する。
電流演算部21は、交流電流計測器24で検出された交流電流の各相の電流の瞬時値ia,ib,icおよび周波数演算部20で演算された位相φから次式により交流電流の回転座標系の各座標軸における電流(d軸電流Id、q軸電流Iq)を算出する。
図4は、図2に示す受給電力目標値算出部における演算態様の一例を示す図である。受給電力目標値算出部191は、減算器707、比例ゲイン乗算器708、微分成分適用部709、加算器710およびリミッタ711を制御ブロックとして備えている。第1駆動信号演算部19の受給電力目標値算出部191は、第1偏差Δf1に対して比例微分(PD)演算処理を行うことにより、受給電力目標値Pref1を算出する。充放電量制御に微分(D)成分を加えることにより、充放電量制御における過渡的な安定性を向上させることができる。
第1駆動信号生成部192には、発電機側交流配線部3Aの交流電流Id,Iq、交流電圧Vd,Vq,Vac、位相φ、受給電力目標値Pref1が入力される。第1駆動信号生成部192は、下記式により受給電力目標値Pref1から交流電流目標値Id_ref,Iq_refを算出する。
図5は、図1に示す抵抗設備12における制御系の概略構成を示すブロック図である。図5には、制御装置17のうちの第2制御装置17bとして機能するために必要な制御ブロックのみを示している。
図6は、図5に示す消費電力目標値算出部における演算態様の一例を示す図である。消費電力目標値算出部271は、減算器712、比例ゲイン乗算器713およびリミッタ714を制御ブロックとして備えている。第2駆動信号演算部27の消費電力目標値算出部271は、第2偏差Δf2に対して比例(P)演算処理を行うことにより、消費電力目標値Pref2を算出する。
第2駆動信号生成部272は、抵抗器15に供給される電力が消費電力目標値Pref2となるように第2駆動信号S2を生成する。第2駆動信号生成部272には、消費電力目標値算出部271で算出された消費電力目標値Pref2と、第2直流配線部72における直流電圧Vdcおよび直流電流Idcとが入力される。
以下に、上記実施の形態における電力系統安定化装置10が、系統連系運転から自立運転への切り替え時における負荷変動に伴う電圧または周波数の変動が生じた場合に、発電機側交流配線部3Aにおける電力系統安定化を実現することができることを示す。
以下に、本実施の形態における電力系統安定化装置10を電源システム1に適用することによる効果をまとめて記載する。
一般に上記発電機2のような自家発電設備を備えた工場では、負荷6を重要負荷61と一般負荷62とに分け、外部電力系統4に瞬時電圧低下等の事故が発生した場合、予め定められた遮断器5(解列点X)を遮断することで、重要負荷61および発電機2を含む発電機側交流配線部3Aを外部電力系統4から切り離し、発電機側交流配線部3Aは自立系統として発電機2により重要負荷61のみへの給電を継続する。このとき、発電機2の発電電力は急減することから、発電機2の回転速度が上昇し、負荷変動に対する追従性能が遅い発電機2において過速度トリップが発生する場合がある。
本実施の形態における電力系統安定化装置10は、蓄電設備11と抵抗設備12とを備えている。発電機2による自立運転中に、重要負荷61において想定される負荷変動により系統周波数fが変動した場合、主に蓄電設備11が負荷変動を吸収することにより、安定化制御を実現しつつ、電力損失を抑制することができる。
系統解列時に生じる負荷変動に伴う発電機2の過速度トリップを防止する他の方法として、解列点Xの通過電力を計測し、通過電力が所定の値以下となるよう、予め発電機電力を下げて運用する方法、または、系統解列時、その直前の電力を抵抗設備等で消費させる方法等も考えられる。しかし、これらの方法は解列点Xでの解列による過速度トリップ防止にしか役立たない。
本実施の形態における電力系統安定化装置10は、系統解列時の負荷減少については比較的コストの安い負荷設備12で対応し、自立運転中に想定される負荷変動については、負荷増加および負荷減少の双方に対応できる蓄電設備11で対応している。このため、装置コストを低減することができる。
本実施の形態における電力系統安定化装置10は、上述の通り、各設備11,12が系統周波数fのみを使用して安定化制御を行うため、電源システム1に適用される他の装置との併設を容易に行うことができる。また、発電機2が電源システム1に複数接続されている場合において、そのうちのいくつかの発電機2をメンテナンス等によって停止させるような、発電機2の運転台数変化にも柔軟に対応することができる。このように、本実施の形態における電力系統安定化装置10は、設備の増設または併設、発電機2の運転台数の変更等、設備構成の変化に柔軟に対応することができる。
上記実施の形態の電力系統安定化装置10が適用された電源システム1におけるシミュレーション結果を以下に示す。図11は、電源システムのシミュレーションのための構成例を示すブロック図である。図11において、図1と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。また、発電機2が過速度によりトリップする条件は、周波数64Hzを超えた場合とする。
図12から図15は、実施例1におけるシミュレーション結果を示すグラフである。図12は、発電機側交流配線部3Aにおける系統周波数fの時間的変化を示すグラフであり、図13は、発電機側交流配線部3Aにおける電圧の時間的変化を示すグラフであり、図14は、発電機2が出力する有効電力の時間的変化を示すグラフである。何れのグラフも、系統連系運転から自立運転への切り替え時における負荷変動の過渡応答を、電力系統安定化装置10が接続されていない(安定化制御を行わない)場合の比較例と比較して示している。各図において、実施例1におけるグラフを実線で示し、比較例におけるグラフを破線で示している。図15は、図14に示す実施例1のグラフに、電力系統安定化装置が出力する有効電力のグラフを重ねて表示したグラフである。
図16から図19は、実施例2におけるシミュレーション結果を示すグラフである。図16は、発電機側交流配線部3Aにおける系統周波数fの時間的変化を示すグラフであり、図17は、発電機側交流配線部3Aにおける電圧の時間的変化を示すグラフであり、図18は、発電機2が出力する有効電力の時間的変化を示すグラフである。何れのグラフも、自立運転時における負荷変動の過渡応答を、電力系統安定化装置10が接続されていない(安定化制御を行わない)場合の比較例と比較して示している。各図において、実施例2におけるグラフを実線で示し、比較例におけるグラフを破線で示している。図19は、図18に示す実施例2のグラフに、電力系統安定化装置が吸収または放出する有効電力のグラフを重ねて表示したグラフである。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。
2 発電機
3A 発電機側交流配線部(交流配線部)
4 外部電力系統(別の電力系統)
5 遮断器
10 電力系統安定化装置
13 蓄電器
14 第1電力変換器
15 抵抗器
16 第2電力変換器
17,17a,17b 制御装置
18 周波数取得器
19 第1駆動信号演算部
27 第2駆動信号演算部
271 消費電力目標値算出部
272 第2駆動信号生成部
Claims (8)
- 発電機と、発電機が接続される交流配線部と、前記発電機とは別の電力系統と前記交流配線部との間の所定の解列点に設けられた遮断器と、前記交流配線部に接続される電力負荷と、を備えた電源システムにおいて前記交流配線部における電圧または周波数を安定化させるための電力系統安定化装置であって、
蓄電器と、前記交流配線部と前記蓄電器との間に接続された第1電力変換器と、を含む蓄電設備と、
抵抗器と、前記交流配線部と前記抵抗器との間に接続された第2電力変換器と、を含む抵抗設備と、
前記第1電力変換器および前記第2電力変換器を制御する制御装置と、
前記交流配線部における系統周波数を取得する周波数取得器と、を備え、
前記制御装置は、
前記系統周波数と予め定められた第1周波数基準値との間の第1偏差に応じて前記蓄電器に充放電させる受給電力目標値を算出し、前記受給電力目標値に基づいて前記第1電力変換器における電力変換を行うための第1駆動信号を生成する第1駆動信号演算部と、
前記系統周波数と予め定められた第2周波数基準値との間の第2偏差に応じて前記抵抗器において消費させる消費電力目標値を算出し、前記消費電力目標値に基づいて第2電力変換器における電力変換を行うための第2駆動信号を生成する第2駆動信号演算部と、を備え、
前記第2周波数基準値は、前記第1周波数基準値より大きい値に設定され、
前記第1駆動信号演算部は、前記第1偏差が前記第1周波数基準値より大きい予め定められた周波数しきい値以上である場合には前記周波数しきい値を前記第1偏差として前記充放電目標値を算出するよう構成され、
前記第2駆動信号演算部は、前記系統周波数が前記第2周波数基準値以上である場合の前記第2偏差に基づいて前記消費電力目標値を算出する、電力系統安定化装置。 - 前記周波数しきい値は、前記蓄電設備が補償する周波数の上限値に設定され、前記第2周波数基準値は、前記周波数しきい値に等しい値に設定される、請求項1に記載の電力系統安定化装置。
- 前記第1駆動信号演算部は、前記第1偏差に対して比例微分演算処理を行うことにより、前記受給電力目標値を算出する、請求項1または2に記載の電力系統安定化装置。
- 前記第2駆動信号演算部は、前記第2偏差に所定の比例ゲインを乗算した値に基づいて前記消費電力目標値を算出する消費電力目標値算出部と、前記消費電力目標値に基づいて前記第2駆動信号を生成する第2駆動信号生成部と、を含み、
前記消費電力目標値算出部は、前記定格周波数が前記第2周波数基準値より小さい場合には、前記消費電力目標値を0とし、前記定格周波数が前記第2周波数基準値以上である場合には、前記第2偏差に前記所定の比例ゲインを乗算した値に応じた前記消費電力目標値とする、請求項1から3の何れかに記載の電力系統安定化装置。 - 前記蓄電器は、二次電池である、請求項1から4の何れかに記載の電力系統安定化装置。
- 前記蓄電器は、電気二重層キャパシタである、請求項1から4の何れかに記載の電力系統安定化装置。
- 前記第2電力変換器は、整流回路およびチョッパ回路を含み、前記交流配線部と前記抵抗器との間で交流−直流変換を行うよう構成される、請求項1から6の何れかに記載の電力系統安定化装置。
- 前記第2電力変換器は、交流電力調整回路を含み、前記交流配線部と前記抵抗器との間で交流−交流変換を行うよう構成される、請求項1から6の何れかに記載の電力系統安定化装置。
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