JP4030856B2

JP4030856B2 - 分散電源システムとその制御方法

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Publication number: JP4030856B2
Application number: JP2002310638A
Authority: JP
Inventors: 裕成川添; 基生二見; 昌司豊田; 博昭宮田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP2004147445A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用系統に連系する構内系統に発電装置と電力貯蔵装置を備えた分散電源システムに係わり、特に、構内系統の自立運転制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような分散電源システムは、ディーゼルやガスタービンのように発電機が系統に直接連系する発電装置と電力を調整する電力貯蔵装置を備え、この電力貯蔵装置を充放電制御して、構内系統の負荷へ安定した電力を供給する。
【０００３】
対象システムの制御方法としては、特許文献１に記載されているように、商用系統との連系時において、負荷の過渡的な急変や負荷の過大なピーク消費電力ならびに自家発電系統側の電力不足に応じて、電力貯蔵装置から電力を供給することが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、商用系統において、需要負荷変動による電力系統の周波数の変動を抑制するように電力貯蔵装置に充放電を行うことが開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、発電装置の発電電力が増加中には充電電力を増加（放電電力を減少）させ、発電装置の発電電力が減少中には放電電力を増加（充電電力を減少）させる電力貯蔵装置の制御が開示されている。この種の技術としては、このほかにも、特開２００１−５５４３号公報や特開２００１−３２７０８０号公報等がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−６９６７５号公報（要約ほか）
【特許文献２】
特開２００１−３７０８５号公報（請求項１ほか）
【特許文献３】
特開２０００−１７５３６０号公報（図１ほか）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の分散電源システムによれば、商用系統連系時において、負荷変動や自然エネルギーを動力源とする発電装置の出力変動を電力貯蔵装置の充放電制御で補っている。
【０００８】
一方、需要家が分散電源システムを導入するメリットとして、商用系統停電時にも分散電源システムを無停電電源装置として活用することが考えられる。すなわち、分散電源を有する需要家は、商用系統からの電力供給が断たれても、構内系統に安定した電力を供給できる。
【０００９】
発電装置を無停電電源装置として運転継続させるためには、商用系統連系運転の状態から、商用系統に連系する遮断器を開放して、自立運転に移行する際に発生する構内系統の電力変動及び電力振動を抑制する必要がある。上記従来技術では、前述したように何れも電力貯蔵装置が商用系統に同期連系している状態での変動を抑制するものであり、商用系統に比べて容量(慣性)の小さい発電装置に同期する自立運転状態での振動を抑制することはできない。
【００１０】
本発明の目的は、発電装置と電力貯蔵装置を組合わせた構内の分散電源システムにおいて、商用系統から切離され自立運転に移行する際の構内系統の電力振動を抑制することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、商用系統から切離され自立運転に移行する際の構内系統の電力変動と電力振動をともに抑制することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴とするところは、商用系統に遮断器を介して連系する構内系統と、この構内系統に接続された発電装置と、前記構内系統に接続され電力を充放電する電力貯蔵装置とを備えた分散電源システムにおいて、構内系統における特定周波数帯域での周波数の振動成分を検出する手段と、この振動成分に基づいて前記電力貯蔵装置を充放電制御する制御手段を備えたことである。
【００１３】
本発明の他の特徴とするところは、構内系統の有効電力の変動分を検出する手段と、この変動分に基づいて前記電力貯蔵装置を充放電制御するとともに、構内系統における特定周波数帯域での周波数の振動成分を検出する手段と、この振動成分に基づいて前記電力貯蔵装置を充放電制御する制御手段を備えたことである。
【００１４】
具体的には、構内系統の周波数を検出し、この周波数の特定周波数帯域での振動成分を抽出し、振動成分の上昇中に電力貯蔵装置を充電方向に向かうように動作させ、振動成分の低下中に電力貯蔵装置を放電方向に向かうように動作させる。これによって、自立運転に移行した際の電力振動を抑制する。
【００１５】
なお、構内系統の周波数の代わりに、構内系統の電圧，構内負荷の有効電力，発電装置の有効電力，又は発電装置の角速度を用いても、同様の振動抑制効果を得ることができる。
【００１６】
また、構内系統の有効電力の変動を検出し、有効電力が減少したときには電力貯蔵装置を充電動作させ、逆に有効電力が増加したときには電力貯蔵装置を放電動作させるように設定し、自立運転に移行した直後の電力変動を抑制する。
【００１７】
本発明のその他の目的及び特徴は以下の実施例の説明で明らかにする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下、図を用いて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例による分散電源システムの構成図である。本実施例の分散電源システムは、電力貯蔵装置１と発電装置２で構成される。電力貯蔵装置１は、電力を蓄える電力貯蔵部１１と、交直変換器のような電力を調整する電力変換部１２からなる。電力貯蔵部１１としては、鉛蓄電池，ナトリウム硫黄電池，ニッカド電池又はリチウムイオウ電池などの二次電池、電気二重層コンデンサ、フライホイール及び超電導コイルなどが考えられる。発電装置２は、系統に連系する少なくとも１つのディーゼルやガスタービンのような発電機で構成される。これらは共に構内負荷３に接続され、また、遮断器４を介して商用系統５に連系される。ここでは、電力貯蔵装置１の有効電力をＰＢ、発電装置２の有効電力をＰＧ、構内負荷の有効電力をＰＬとし、矢印の方向を正（プラス）と定義して説明を進める。
【００２０】
制御装置（制御手段）６は、有効電力検出部７と周波数検出部８を介して、負荷の有効電力ＰＬと周波数Ｆを取り込み、電力変換部１２に制御信号を出力する。負荷の有効電力ＰＬと、電力貯蔵装置１の有効電力ＰＢ及び発電装置２の有効電力ＰＧの関係は、（１）式で表される。
【００２１】
ＰＬ＝ＰＧ＋ＰＢ………………………………………………………………（１）
従って、負荷３の有効電力ＰＬの検出が困難な場合には、発電装置２の有効電力ＰＧと電力貯蔵装置１の有効電力ＰＢを検出して加算した値を用いても良い。
【００２２】
図２は、自立運転時に電力変動及び電力振動が発生した場合の動作説明図である。自立運転とは、図１の商用系統５で何らかの異常が発生して、遮断器４が開放され、分散電源システムだけで、構内系統に接続される負荷３へ電力を供給する状態を言う。波形は、上段より、構内系統の電圧ＶＳ、周波数Ｆ、構内負荷の有効電力ＰＬ、発電装置２の有効電力ＰＧ並びに電力貯蔵装置１の有効電力ＰＢを表している。分散電源システムは、時刻ｔ１で、商用系統５から解列して自立運転に移行している。この際、分散電源の発電量と構内の負荷量によって大きな電力変動が生じると、発電装置２の容量（慣性）が小さいため、図に示すような周波数Ｆ０の振動が発生し、負荷に安定した電力を供給できなくなる。最悪の場合、振動が発散して自立運転ができない事態に陥る。
【００２３】
図３は、これを解決するための本発明の一実施例による制御装置６の機能ブロック図である。制御装置６は、電力変動抑制部６１と電力振動抑制部６２の２系を備え、これらの出力ＰＢ^*１とＰＢ^*２の和ＰＢ^*により電力変換部１２を制御する変換器制御部６３を備えている。
【００２４】
まず、電力変動抑制部６１は、有効電力検出部７を介して取り込んだ構内負荷の有効電力ＰＬから、同じくＰＬを入力とする１次遅れ回路６１１の出力を減算部６１２で引いて、負荷の有効電力ＰＬの変動分を抽出する。この負荷の有効電力の変動分に応じて、自立運転移行直後の電力変動を抑制するための第１の有効電力指令値ＰＢ^*１を決定する。電力貯蔵装置１の有効電力ＰＢの放電方向を正（プラス）と定義しているので、構内負荷の有効電力ＰＬが減少したときには、電力貯蔵装置１が充電動作して発電装置２の加速を抑えるように、減算部６１２の出力符号は負（マイナス）になる。逆に、有効電力ＰＬが増加したときには、発電装置２の減速を抑えるために放電動作させるよう、減算部６１２の出力符号が正（プラス）になるように、図示の通りに設定すれば良い。なお、１次遅れ回路６１１の伝達関数Ｌ１（Ｓ）は、（２）式で表される。
【００２５】
Ｌ１（Ｓ）＝１／（１＋Ｔ・Ｓ）……………………………………………（２）
時定数Ｔは、有効電力指令値ＰＢ^*１をリセット（ゼロ）するまでの遅延時間であり、発電装置２に大きな変動を与えないように、発電装置２の応答時定数(慣性定数)に対して十分に長い値、例えば３０秒を設定する。発電装置２の応答時定数は通常、数［秒］程度であり、上記時定数を、数〜数十［秒］に設定する。
【００２６】
一方、電力振動抑制部６２では、周波数検出部８を介して取り込んだ構内系統の周波数Ｆから、バンドパスフィルタ６２１Ａを介して特定周波数帯域での周波数の振動成分ΔＦを抽出する。この特定周波数帯域とは、発電装置２の固有振動周波数Ｆ０を含む帯域とする。例えば、６０［ｋＷ］のディーゼルエンジン発電機で、その固有振動周波数Ｆ０は、Ｆ０＝６［Ｈｚ］程度であり、特定周波数帯域は、通常、１０［Ｈｚ］未満の数［Ｈｚ］である。
【００２７】
また、ゲイン調整部６２２Ａでゲインを調整し、更に、位相調整部（位相調整手段）６２３Ａで位相を調整して、自立運転移行後の電力振動を抑制するための第２の有効電力指令値ＰＢ^*２を決定する。
【００２８】
更に、発電装置２を複数設置して、それぞれ異なる電力振動を抑制する場合には、振動抑制系をそれらの数だけ備える必要がある。すなわち、バンドパスフィルタ６２１Ｂ、ゲイン調整部６２２Ｂ、位相調整部６２３Ｂ及び加算部６２４は、例えば、Ａ，Ｂ２つの発電装置が存在する場合に用いる。
【００２９】
さて、変換器制御部６３には、電力変動抑制部６１の有効電力指令値ＰＢ^*１と電力振動抑制部６２の有効電力指令値ＰＢ^*２を加算部（加算手段）６４で加算した有効電力指令値ＰＢ^*が入力される。この総合電力指令値ＰＢ^*に基づいて変換器制御部６３にて、電力変換部１２を制御するための信号が作られ、自立運転時にも構内負荷３への供給電力が安定するように、電力貯蔵装置１の充放電有効電力ＰＢが制御される。
【００３０】
図４は、本発明の一実施例によるバンドパスフィルタ６２１（６２１Ａ，６２１Ｂ）のゲインと位相の設定方法説明図である。周波数Ｆの振動成分ΔＦを抽出するためのバンドパスフィルタ６２１の伝達関数ＢＰＦ（Ｓ）は、（３）式で表される。
【００３１】
ＢＰＦ(Ｓ)＝((ω０／ＱＢ)・Ｓ)／(Ｓ²＋(ω０／ＱＢ)・Ｓ＋ω０²)……（３）
ω０は、（４）式のように振動周波数Ｆ０をカットオフ周波数として設定する。
【００３２】
ω０＝２π×Ｆ０………………………………………………………………（４）
また、ＱＢは、ゲイン特性の鋭さを設定する値である。この数値を大きくするとカットオフ周波数Ｆ０周辺のゲインが小さくなるため、抽出精度は高くなる。しかしその反面、振動周波数が変化した場合の抽出精度が低下してしまう。いわゆるロバスト性がなくなるため、ある程度の振動周波数の変化にも対応できる値に設定する必要があり、例えば、ＱＢ＝０．５あたりに設定することが望ましい。
【００３３】
図５は、本発明の一実施例による周波数検出信号の位相とダンピングの関係について説明する図である。発電装置２の振動を抑えるには、周波数の振動成分ΔＦが上昇中には、電力貯蔵装置１を充電の方向に向かうように動作させて発電装置の加速を抑える。逆に、周波数の振動成分ΔＦが低下中には、放電の方向に向かうように動作させて発電装置の減速を抑えれば良い。従って、電力振動抑制部６２の有効電力指令値ＰＢ^*２は、電力貯蔵装置１の有効電力ＰＢの放電方向を正（プラス）とすると、図に示すようにΔＦの位相に対して、１８０°位相のずれた値であることが最も好ましい。この１８０°位相のずれた値を得るには、ゲイン調整部６２２（６２２Ａ，６２２Ｂ）の符号を負（マイナス）に設定するだけで良い。
【００３４】
位相調整部６２３（６２３Ａ，６２３Ｂ）では、上記の位相関係を保つように、例えば、検出遅れ等による位相の遅れを調整する。位相調整部６２３の伝達関数ＬＬ（Ｓ）は、（５）式で表され、位相∠ＬＬ（ｊω）は、（６）式から求まる。
【００３５】
ＬＬ（Ｓ）＝（１＋Ｔ１・Ｓ）／（１＋Ｔ２・Ｓ）………………………（５）
∠ＬＬ（ｊω）＝ｔａｎ^-1（ω・Ｔ１）−ｔａｎ^-1（ω・Ｔ２）……（６）
即ち、Ｔ１＞Ｔ２ならば、位相は進み方向に、逆にＴ１＜Ｔ２ならば、遅れ方向に調整できる。
【００３６】
また、電力振動抑制部６２の検出信号としては、構内系統の周波数Ｆの代わりに、構内系統の電圧ＶＳ、構内負荷の有効電力ＰＬ、発電装置２の有効電力ＰＧ或いは発電装置２の角速度ωを用いても良い。何れの信号も振動周波数Ｆ０とその位相は、構内系統の周波数Ｆと同じであることから、各信号によってゲイン調整部６２２のゲインの大きさが異なる以外は、上記電力振動抑制部６２の構成及び設定をそのまま踏襲できる。すなわち、発電装置２の振動を抑えるには、構内系統の電圧ＶＳ、構内負荷の有効電力ＰＬ、発電装置２の有効電力ＰＧ或いは発電装置２の角速度ωが上昇（増加）中には、電力貯蔵装置１を充電の方向に向かうように動作させて発電装置の加速を抑える。逆に、これらの信号が低下（減少）中には、放電の方向に向かうように動作させて、発電装置の減速を抑えれば良い。
【００３７】
各信号は、なるべく１箇所でまとめて検出する方が好ましいが、角速度ωは、発電装置が複数である場合には、各発電装置から個別に検出する必要がある。ただし、各発電装置の変動周波数が同じ、もしくは近い時には、１箇所の検出でも良い。また、発電装置の容量（慣性）に差がある場合は、最も大きい発電装置を対象として振動を抑制しても良い。
【００３８】
図６は、本発明の一実施例による作用効果を説明する各部波形図である。上段より、構内系統電圧ＶＳ、周波数Ｆ、負荷有効電力ＰＬ、発電装置有効電力ＰＧ、電力貯蔵装置有効電力ＰＢ、電力変動抑制指令値ＰＢ^*１、電力振動抑制指令値ＰＢ^*２及び総合指令値ＰＢ^*を表している。図２と同様に、分散電源システムは、時刻ｔ１で、商用系統５から解列して自立運転に移行し、有効電力の変動が発生している。ここでは、負荷の有効電力ＰＬの変動分は減少している。同時に、時刻ｔ１〜ｔ４の各時間幅を半周期とする振動が発生している。
【００３９】
まず、電力変動抑制部６１では、負荷の有効電力ＰＬの変動分、ここでは減少分に見合う負（マイナス）極性の第１の有効電力指令値ＰＢ^*１となり、電力貯蔵装置１に充電動作を行わせる信号となっている。これにより、自立運転に移行した直後の電力変動を抑制する方向に働く。
【００４０】
一方、電力振動抑制部６２では、系統周波数Ｆの特定周波数Ｆ０帯域での振動成分に基き、これを抑制する。このため、図５で説明した周波数Ｆの振動成分ΔＦと第２の有効電力指令値ＰＢ^*２の関係に基き、逆位相の極性で変化する第２の有効電力指令値ＰＢ^*２を得ており、発電装置２の振動を抑制する方向に作用する。
【００４１】
従って、分散電源システムは、総合有効電力指令ＰＢ^*（＝第１の有効電力指令値ＰＢ^*１＋第２の有効電力指令値ＰＢ^*２）によって、自立運転時においても電力変動及び電力振動を抑制しながら、構内負荷３へ安定に電力を供給できる。
【００４２】
この実施例においては、次のステップを含む分散電源システムの制御方法である。すなわち、まず構内系統の有効電力を検出すると、この有効電力の変動分を検出する。次に、この有効電力の減少に応じて電力貯蔵装置を充電動作させ、他方、前記有効電力の増加に応じて前記電力貯蔵装置を放電動作させる。また、構内系統における特定周波数帯域での周波数，電圧又は有効電力の振動成分を検出し、この振動成分の位相を調整する。そして、この位相調整された振動成分に基いて、前記周波数の上昇中には、前記電力貯蔵装置を充電の方向に向かうように制御する。他方、前記周波数の低下中には、前記電力貯蔵装置を放電の方向に向かうように制御する分散電源システムの制御方法である。
【００４３】
以上の実施例によれば、商用系統に連系する構内発電装置と電力貯蔵装置を組合わせた分散電源システムにおいて、自立運転移行時の電力変動及び電力振動をともに抑制し、自立運転移行時にも構内系統に安定した電力を供給できる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、商用系統に連系する構内発電装置と電力貯蔵装置を組合わせた分散電源システムにおける自立運転移行時の電力振動を抑制し、自立運転移行時にも構内系統に安定した電力を供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による分散電源システムの全体構成ブロック図。
【図２】自立運転時に電力変動及び電力振動が発生した場合の動作説明図。
【図３】本発明の一実施例による制御装置６の機能ブロック図。
【図４】本発明の一実施例によるバンドパスフィルタの特性設定方法を説明する図。
【図５】本発明の一実施例による周波数検出信号の位相とダンピングの関係図。
【図６】本発明の一実施例による作用効果を説明する各部波形図。
【符号の説明】
１…電力貯蔵装置、１１…電力貯蔵部、１２…電力変換部、２…発電装置、３…構内系統の負荷、４…遮断器、５…商用系統、６…制御装置（制御手段）、７…有効電力検出部、８…周波数検出部、ＰＧ…発電装置の有効電力、ＰＢ…電力貯蔵装置の有効電力、ＰＬ…構内負荷の有効電力、６１…電力変動抑制部、６１１…１次遅れ回路、ＰＢ^*１…電力変動抑制部の（第１の）有効電力指令値、Ｆ…構内系統の周波数、６２…電力振動抑制部、６２１，６２１Ａ，６２１Ｂ…バンドパスフィルタ、ΔＦ…周波数の振動成分、６２２，６２２Ａ，６２２Ｂ…ゲイン調整部、６２３，６２３Ａ，６２３Ｂ…位相調整部、ＰＢ^*２…電力振動抑制部の（第２の）有効電力指令値、ＰＢ^*…変換器制御部の（総合）有効電力指令値、６３…変換器制御部、Ｆ０…バンドパスフィルタのカットオフ周波数（発電装置の固有振動周波数）、ＶＳ…構内系統の電圧、ω…発電装置の角速度。

Claims

商用系統の異常時に開放される遮断器を介して商用系統に連系する構内系統と、
この構内系統に接続され、前記遮断器が投入され前記構内系統が前記商用系統に連系中から前記遮断器が開放され前記構内系統が自立運転に移行した後に亘って運転される発電装置と、
前記構内系統に接続され電力を充放電する電力貯蔵装置とを備えた分散電源システムにおいて、
前記遮断器が開放され前記構内系統が自立運転に移行した直後の構内負荷の有効電力の変動分を検出する手段と、
構内系統における前記発電装置の固有振動周波数を含む特定周波数帯域での周波数の振動成分を検出する手段と、
検出した前記有効電力の変動分および前記周波数の振動成分に基づいて前記電力貯蔵装置を充放電制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記構内系統の有効電力の減少に応じて前記電力貯蔵装置を充電動作させ、前記構内系統の有効電力の増加に応じて前記電力貯蔵装置を放電動作させるとともに、前記振動成分の上昇中に前記電力貯蔵装置を充電方向に向かうように動作させ、前記振動成分の低下中に前記電力貯蔵装置を放電方向に向かうように動作させることを特徴とする分散電源システム。
請求項１において、前記制御手段は、前記有効電力の変動分と前記周波数の振動成分とを加算する手段を備え、この加算手段の出力に応じて前記電力貯蔵装置を充放電制御することを特徴とする分散電源システム。
商用系統の異常時に開放される遮断器を介して商用系統に連系する構内系統と、
この構内系統に接続され、前記遮断器が投入され前記構内系統が前記商用系統に連系中から前記遮断器が開放され前記構内系統が自立運転に移行した後に亘って運転される発電装置と、
前記構内系統に接続され電力を充放電する電力貯蔵装置とを備えた分散電源システムの制御方法であって、
前記遮断器が開放され前記構内系統が自立運転に移行した直後の構内負荷の有効電力の変動分を検出するステップと、
この有効電力の変動分に応じて前記電力貯蔵装置を充放電動作させるステップと、
構内系統における前記発電装置の固有振動周波数を含む特定周波数帯域での周波数の振動成分を検出するステップと、
この振動成分の位相を調整するステップと、
この位相調整された振動成分に基いて、前記周波数の上昇中に前記電力貯蔵装置を充電の方向に向かうように制御するステップと、
前記周波数の低下中に前記電力貯蔵装置を放電の方向に向かうように制御するステップを含むことを特徴とする分散電源システムの制御方法。