JP4190393B2

JP4190393B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP4190393B2
Application number: JP2003370035A
Authority: JP
Inventors: 大作佐藤
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: JP2005137109A

Description

本発明は、指令された電源電力を電源装置にて出力するように構成された電源システムに関する。

かかる電源システムの電源装置としては、電力会社（一般電気事業者）や特定規模電気事業者などが商用電源として設置している発電所や、電気事業者以外の個人や団体などが住宅や様々な施設に設置している分散型電源装置などがある。これら電源装置から商用系統に電源電力を出力するとき、その電源電力の周波数は、基準周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に合わせられて送出されている。その結果、商用系統に接続されている電力負荷装置による電力負荷合計と、電源装置から送出される電源電力合計とが釣り合っているときには、商用系統における電力の周波数（以下、「商用系統周波数」と記載することもある）は基準周波数に維持される。

しかし、電源電力合計と電力負荷合計とが釣り合っていないときには商用系統周波数が基準周波数から逸脱することとなる。具体的には、電力負荷合計が電源電力合計よりも大きいとき、商用系統周波数は基準周波数よりも小さくなり、電源電力合計が電力負荷合計よりも大きいとき、商用系統周波数は基準周波数よりも大きくなるという周波数の逸脱が発生する。

商用系統周波数を基準周波数に維持して、上述のような周波数の逸脱の発生を防止することは電力の使用者利益保護のために必要であるので、商用系統周波数の基準周波数からの逸脱が許容範囲内に収まるように、電力会社は発電所から出力される電源電力を増減させて電源電力合計と電力負荷合計とを釣り合わせるような周波数制御を行っている（例えば、非特許文献１参照）。

横山隆一監修「電力自由化と技術開発」、東京電機大学出版局、２００１年９月２０日、ｐ．１３３〜１３５

商用系統には、電力会社が維持管理する発電所（商用電源）のみから電源電力が出力されるのではなく、個人や団体などが設置している分散型電源装置からも電源電力が出力されている。そして、これら分散型電源装置から商用系統に出力される電源電力は、それらを設置している個人や団体などの都合により変動しがちであり、また分散型電源装置では商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するような対策も行っていないため、商用系統における電源電力合計と電力負荷合計との釣り合いが崩れ、商用系統における商用系統周波数が基準周波数から逸脱するという問題が発生すると予想される。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、商用系統における周波数制御のために使用される電源装置の設置者の利益を大きく損なうことなく、商用系統周波数の周波数制御を行うことができる電源システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る電源システムの第１特徴構成は、指令された電源電力を電源装置にて出力するように構成された電源システムであって、前記電源装置が商用系統に接続され、前記電源装置には、前記商用系統における商用系統周波数を監視する周波数監視手段と、前記周波数監視手段により監視される前記商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するために、前記指令された電源電力に対する所定の比率範囲で設定される変動許容範囲内で変動させる変動電力を、前記指令された電源電力に加算して前記電源装置から出力させる出力制御手段とが設けられている
点にある。

上記第１特徴構成によれば、周波数監視手段が、商用系統における商用系統周波数を監視し、出力制御手段が、周波数監視手段により監視される商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するために、指令された電源電力に対する所定の比率範囲で設定される変動許容範囲内で変動させる変動電力を、上記指令された電源電力に加算して、商用電源や分散型電源などの電源装置から出力させて、商用系統における電源電力合計と電力負荷合計とが釣り合うように調整する。その結果、商用系統における電源電力合計と電力負荷合計とが乖離していたときに発生していた商用系統における商用系統周波数の基準周波数からの逸脱が補償される。
更に、上記変動電力には、指令された電源電力に対する所定の比率範囲で設定される変動許容範囲が設定され、商用系統における商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するための変動電力はその変動許容範囲内にあるように構成されていることで、電源装置から出力される電力は、本来出力されるように指令された電源電力から大きく変動するようなことがない。つまり、商用系統における商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するために上記変動電力を無制限に変動させるようにすると、本来出力されるように指令された電源電力よりも大きな変動を加算して電源装置から出力させる状態になる虞があるが、上記変動電力の変動範囲を制限することで、電源装置の設置者利益が大きく損なわれることもない。
従って、商用系統における周波数制御のために使用される電源装置の設置者の利益を大きく損なうことなく、商用系統周波数の周波数制御を行うことができる電源システムを提供することができる。

上記目的を達成するための本発明に係る電源システムの第２特徴構成は、前記所定の比率範囲は、前記指令された電源電力の大きさに応じて異なる点にある。

本発明に係る電源システムの第３特徴構成は、前記電源装置が、商用電源又は分散型電源にて構成されている点にある。

本発明に係る電源システムの第４特徴構成は、前記分散型電源が、電力と熱とを併せて発生するコージェネレーション装置にて構成されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、商用系統に接続される分散型電源を用いて需要者に対して電力と熱とを併せて供給しながら、その分散型電源の設置者利益を大きく損なうこと無しに、商用系統における商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償することができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
図１に示す商用系統の概略図では、商用系統５０にコージェネレーション式の電源システム１０、発電専用式の電源システム２０、発電所３０、及び、商用系統５０における電力を消費する電力需要家としての電力負荷装置４０、４１が接続されている。発電所３０は、指令された電源電力を商用系統５０に出力するように構成されている。尚、商用系統５０に更に多数の電源システム、発電所、電力負荷装置などが接続されていても構わない。

コージェネレーション式の電源システム１０では、指令された電源電力を電源装置としてのガスエンジン発電装置、燃料電池発電装置、太陽光発電装置、蓄電装置などの発電装置（分散型電源装置）１３から出力するように構成され、電力会社などが維持管理する商用電源としての火力発電所、水力発電所、原子力発電所、風力発電所などの発電所３０、２３が接続された商用系統５０における電力の周波数（以下、「商用系統周波数」と記載することもある）を監視する周波数監視手段１１と、周波数監視手段１１により監視される商用系統周波数の基準周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）からの逸脱を補償するための変動電力を、指令された電源電力に加算して発電装置１３から出力させる出力制御手段１２とが設けられている。発電装置１３は、電力と熱とを併せて発生するガスエンジン発電装置、燃料電池発電装置などのコージェネレーション装置にて構成され、発生した電力を電力負荷装置１４と商用系統５０に供給可能であり、発生した熱を熱負荷装置１５に供給可能である。更に、出力制御手段１２が、指令された電源電力の大きさに応じて設定される変動許容範囲内で、上記変動電力を変動させるように構成しても構わない。

発電専用式の電源システム２０は、指令された電源電力を電源装置としての発電所（商用電源）２３から商用系統５０に出力するように構成され、商用系統５０における商用系統周波数を監視する周波数監視手段２１と、周波数監視手段２１により監視される商用系統周波数の基準周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）からの逸脱を補償するために、指令された電源電力の大きさに応じて設定される変動許容範囲内で変動させる変動電力を、指令された電源電力に加算して発電所２３から出力させる出力制御手段２２とが設けられている。

次に、コージェネレーション式の電源システム１０及び発電専用式の電源システム２０において行うことのできる商用系統周波数の周波数制御について説明するが、両電源システム１０、２０に設けられた周波数監視手段１１、２１と出力制御手段１２、２２との動作は同様であるので、以下に図１から図４を参照して説明する実施形態ではコージェネレーション式の電源システム１０の動作について説明し、発電専用式の電源システム２０の動作の説明は省略する。

コージェネレーション式の電源システム１０の発電装置１３には電源出力指令値が与えられており、出力制御手段１２はその電源出力指令値に基づいて電力を出力するように発電装置１３の運転を制御する。周波数監視手段１１は、商用系統５０における商用系統周波数を監視して、その値を出力制御手段１２に渡している。出力制御手段１２は、周波数監視手段１１により監視される商用系統周波数と基準周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）とを比較し、商用系統周波数の基準周波数からの偏差（逸脱量）を導出する（図２のステップ１００）。偏差が存在するということは、商用系統５０における電力負荷合計と電源電力合計とが釣り合っていないことを示しているため、電源電力合計を増減させて両者が釣り合うようにすることで上記偏差の補償を行うことができる。従って、出力制御手段１２は、商用系統周波数の基準周波数からの偏差を補償するために変動させるべき変動電力を、上記偏差の大きさに基づく電源出力変動目標値として導出する（ステップ１０２）。商用系統周波数の基準周波数からの偏差の大きさと、導出される電源出力変動目標値との関係は、発電設備１３に固有の特性（定格出力、調定率、ガバナ不感帯、発電制御時定数、ガバナ制御時定数など）や、発電設備に求められる運転条件などに基づいて予め設定されている関係が用いられる。

例えば、図３に例示する周波数偏差と電源出力変動目標値とのグラフのように、電源出力変動目標値は偏差の関数で表される関係にあり、周波数偏差の大きさが所定の不感帯：Ａ１、Ａ２を越えると、電源出力変動目標値が偏差を関数とする一定の変化率：Ｃ１、Ｃ２で変化する。この不感帯Ａ１、Ａ２の値と変化率：Ｃ１、Ｃ２の値とは、発電設備１３に固有の特性や発電設備１３に求められる運転条件などに基づいて適宜設定される。

従って、商用系統周波数の基準周波数からの偏差を補償するために発電装置１３から商用系統５０に出力するべき電源電力は、電源出力指令値によって指令された電力と上記電源出力変動目標値によって指令される上記変動電力との和になるのだが、電源出力指令値によって指令された本来出力されるべき電力に比べて上記変動電力の比率が大きくなると、発電装置１３から出力される電力は、本来出力されるように指令された電源電力から大きく変動して、この発電装置１３の設置者の利益を損なうことになるため、出力制御手段１２は、上記電源出力変動目標値の大きさを、電源出力指令値の大きさに応じて設定される変動許容範囲内であるような変動幅に制限して、その変動幅を電源出力変動値として導出する（ステップ１０４）。例えば、図３のグラフに示すように、変動許容範囲：Ｂ１、Ｂ２としては、例えば、電源出力指令値の大きさの±３％の範囲などを設定することができる。以上の結果、本来出力されるように指令される電源出力指令値にこの電源出力変動値を加算するのであれば、発電装置１３の設置者利益を損なうことなく、商用系統周波数を基準周波数に近づけるための周波数制御に貢献することができる。

次に、出力制御手段１２は、本来与えられている電源出力指令値にステップ１０４にて導出された電源出力変動値を加算する（ステップ１０６）。そして、電源出力変動値が加算された電源出力指令値に対して、発電装置１３に設定されている出力指令値の制限値（上下限値）を考慮して、電源出力目標値を導出する。制限値（上限値）の例としてはこの発電装置１３の定格出力値があり、定格出力値以上の出力を指令することはできないように制限されている。そして、出力制御手段１２は、発電装置１３の電源出力をこの電源出力目標値を目標として、実際に発電装置１３を制御するための電源出力制御値をＰＩ（比例積分）制御により導出して（ステップ１１０）、指令し、発電装置１３の出力制御が行われる。

図４に例示するのは、商用系統周波数の時間推移と、商用系統周波数と基準周波数（６０Ｈｚ）との偏差（逸脱量）に応じて制御される電源出力の時間推移とをグラフ表示したものである。図示するように、周波数監視手段１１によって監視されている商用系統周波数が基準周波数から逸脱すると、発電装置１３にとっての本来の電源出力指令値（図中では破線で示す）に対して変動が加えられていることが分かる。また、変動許容範囲（図中では一点破線で示す）が電源出力指令値の大きさに応じて設定されており、電源出力指令値を変動させるときの電源出力変動値の上限値と下限値とが設定されている。

例えば、時刻ｔ１において、商用系統周波数は基準周波数（６０Ｈｚ）から逸脱しているため、次に発電装置１３に対して制御値を与えるときに、商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するような電源出力変動値を電源出力指令値に加算する。具体的には、時刻ｔ１において商用系統周波数が基準周波数よりも大きくなっている、つまり、商用系統５０における電源出力合計が電力負荷合計よりも大きくなっているので、出力制御手段１２は、時刻ｔ２で電源出力指令値に対して負の値を持つ電源出力変動値を加算して、発電装置１３から出力される電力を減少させている。その結果、商用系統５０における電源電力合計と電力負荷合計とが釣り合うようにして、商用系統周波数の基準周波数からの逸脱量を小さくさせることが可能となる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、変動許容範囲として電源出力指令値の±３％の値とする場合について例示したが、その±３％という比率を適宜変更して設定することができる。例えば、電源出力指令値の±５％の範囲を変動許容範囲として設定するような改変も可能である。また、その比率の大きさを固定値とするのではなく、電源出力指令値の大きさに応じて変化させても構わない。例えば、電源出力指令値が４０００（ｋＷ）であるときの比率は±３％と設定し、電源出力指令値が５０００（ｋＷ）であるときの比率は±４％とするような改変も可能である。
その際、比率を大きな値に設定して、変動許容範囲が大きくなることを許容すると、例えば、電力負荷装置１４で使用されるために発電装置１３から電力が出力されるというよりも、むしろ商用系統５０における商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するために発電装置１３から電力が出力されることとなってしまい、発電装置１３に余分な燃料コスト、メンテナンスコストなどが必要になるという設置者の不利益が生じる。他方で、変動許容範囲が大きいほど、商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償する能力が大きくなる。従って、変動許容範囲は、電源システム１０、２０の発電装置１３、発電所２３の設置者の不利益にならない範囲で可能な限り大きく設定することが好ましい。

或いは、電源装置１３、２３の設置者の利益・不利益に拘わらずに変動許容範囲を設定しても構わない。そして、商用系統５０を維持管理して、商用系統５０での商用周波数を基準周波数に維持する義務を有する電力会社などが、商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償したときの電源装置１３、２３の設置者による貢献度に応じて、設置者が被った不利益を金銭などにより補償するような仕組み構築することもできる。

＜２＞
上記実施形態では、図４に例示したように、発電設備１３に対して電源出力指令値が与えられ、その電源出力指令値に対して、商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するような電源出力変動値を加算するような演算処理が行われる場合について説明したが、例えば、電源システム１０には熱負荷装置１５が設けられているため、発電装置１３に電源出力指令値が与えられるのではなく、熱出力指令値が与えられることもある。発電装置１３に熱出力指令値が与えられるとき、その熱出力指令値にしたがって運転を行ったときに発電装置１３から併せて出力される電力を電源出力指令値と見なすこともできるので、出力制御手段１２は熱出力指令値を電源出力指令値に換算し、その電源出力指令値に対して、上記実施形態と同様の手法によって商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するような電源出力変動値を加算して、商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するような制御が行われる。

＜３＞
上記実施形態では、コージェネレーション式の電源システム１０と発電専用式の電源システム２０における動作として、両電源システム１０、２０に設けられた出力制御手段１２、２２が、指令された電源電力の大きさに応じて設定される変動許容範囲内で変動電力を変動させるように構成した場合について説明したが、コージェネレーション式の電源システム１０では、上記変動許容範囲を設けずに、無制限で変動電力を変動させても構わない。その場合、図２に示した動作制御フローを参照すると、ステップ１０４が省略され、ステップ１０６において、ステップ１０２で導出された電源出力変動目標値がそのまま電源出力変動値として電源出力指令値に加算されることとなる。

＜４＞
上記実施形態において、図３に例示した周波数偏差と電源出力変動目標値との関係を示すグラフでは、不感帯Ａ１、Ａ２、変動許容範囲：Ｂ１、Ｂ２、及び、変化率：Ｃ１、Ｃ２の夫々の値の絶対値を同じにした対称形状としているが、不感帯Ａ１の値と不感帯Ａ２の値は絶対値が異なっていてもよく、また、変動許容範囲Ｂ１の値と変動許容範囲Ｂ２の値、変化率Ｃ１の値と変化率Ｃ２の値とは絶対値が異なっていてもよい。

商用系統の概略図動作制御フロー周波数偏差と電源出力変動目標値との関係を示すグラフ商用系統周波数と電源出力制御値の時間推移を示すグラフ

符号の説明

１０電源システム
１１周波数監視手段
１２出力制御手段
１３発電装置（電源装置）
２０電源システム
２１周波数監視手段
２２出力制御手段
２３発電所（電源装置）
５０商用系統

Claims

指令された電源電力を電源装置にて出力するように構成された電源システムであって、
前記電源装置が商用系統に接続され、
前記電源装置には、
前記商用系統における商用系統周波数を監視する周波数監視手段と、
前記周波数監視手段により監視される前記商用系統周波数の基準周波数からの逸脱を補償するために、前記指令された電源電力に対する所定の比率範囲で設定される変動許容範囲内で変動させる変動電力を、前記指令された電源電力に加算して前記電源装置から出力させる出力制御手段とが設けられている電源システム。
前記所定の比率範囲は、前記指令された電源電力の大きさに応じて異なる請求項１記載の電源システム。
前記電源装置が、商用電源又は分散型電源にて構成されている請求項１又は２記載の電源システム。
前記分散型電源が、電力と熱とを併せて発生するコージェネレーション装置にて構成されている請求項３記載の電源システム。