JP4341599B2 - 電力系統連系安定化装置及び電力系統安定化方法 - Google Patents

Description

本発明は、小規模電力系統を安定化させる電力系統安定化装置及び電力系統安定化方法に関する。

従来配電系統では、配電系統と分散型電源や新エネルギー電源を個々に連系することはあったが、配電系統と小規模電力系統という新しい小規模系統設備を系統連系することはなかった。しかし、新エネルギーの技術革新に伴い、配電系統に様々な形態で燃料電池などの電源や、新エネルギー電源や風力発電や太陽光発電などの分散型電源と負荷を含む小規模系統を連系する機会が増加する傾向にある。

また、従来の交流系統と交流系統の系統連系には、直流送電連系（以下、ＢＴＢ）や直流送電による非同期連系を行っている。しかし、非同期連系は電力系統のように大きな規模での系統接続であり、電力動揺は発電所で出力調整を行うことで潮流制御を行っていた。電力系統のような規模の大きい系統では、潮流の制御を行いやすいが、配電系統の分散型電源では出力の追従が十分でなく制御性能がよくないという問題があった。更に、電力系統で使用されているＢＴＢは電力会社の配電系統よりも高電圧の系統である送電系統では適用されてきたが配電系統では規模が小さく潮流制御することが難しいという理由で適用出来なかった。

一方小規模電力系統は、極端に小規模な系統であり電源が変動しやすい太陽光発電や風力発電や各種の分散型電源や燃料電池と負荷で構成されているため電源の十分な追従が難しく、事故時に電力会社の配電系統から解列して単独運転状態になったとき、需給のバランスが悪化し電力供給がより困難となる。

特開平７−６７２５７号公報（以下、特許文献１）には、電力系統間を接続するＢＴＢ（直流送電連系）と、系統情報をもとにＢＴＢへの送電量を決定して指令するＢＴＢ送電量指令部と、ＢＴＢ送電量指令部からの指令信号と事故情報とからＢＴＢへの電力量の絞り込み量を出力するＢＴＢ送電量調整手段とからなる電力系統安定化装置が記載されている。

特開平１０−３０４５７０号公報（以下、特許文献２）には、ＢＴＢ変換器を起動して直流連系とし、安定化制御装置は両系統の周波数情報などに基づいてＢＴＢ変換器を制御し、系統周波数を維持するために必要な電力を融通して安定化を図る技術が記載されている。

特開平７−６７２５７号公報 特開平１０−３０４５７０号公報

特許文献１，２に記載の技術では、一方の電力系統が小規模電力系統の場合、小規模電力系統が極端に小さい系統であるため小規模電力系統内だけでは需給バランスをとれず自立運転が出来ない、さらに分散型電源の追従が十分でなく小規模電力系統内だけでは需給調整が出来ないという課題があった。

本発明は、大規模電力系統に連系された小規模電力系統の周波数を安定化することができる系統安定化装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの特徴によれば、電力系統安定化装置を、第１の電力系統と第２の電力系統を連系する直流送電線に送電される送電電力を制御する電力系統安定化装置であって、第１の電力系統の周波数を検出する第１の電力系統周波数検出手段と、第２の電力系統の周波数を検出する第２の電力系統周波数検出手段と、第１の電力周波数検出手段により検出された周波数の所定の周期以下の成分と第２の電力周波数検出手段により検出された周波数の前記所定の周期以下の成分との差分に基づいて前記直流送電線に送電される送電電力の目標値を演算する直流送電線送電電力目標値演算手段と、直流送電線送電電力目標値演算手段により演算された送電電力の目標値に基づいて直流送電線に送電される送電電力を制御する送電電力制御手段を備えるものとする点にある。

本発明のその他の特徴は、発明を実施するための詳細な説明欄で説明する。

本発明によれば、大規模電力系統に連系された小規模電力系統の周波数を安定化することができる系統安定化装置を提供することができる。

本発明は、電力会社の配電系統と、新エネルギー電源もしくは分散型電源の両方もしくはどちらか一方と負荷を有する小規模電力系統との系統連系時、系統連系線にＢＴＢを設置し潮流を制御するようにＢＴＢに指令を与える制御装置により、配電系統及び小規模電力系統の系統を安定化させる系統連系安定化装置に関する。本実施例では、小規模電力系統とは、最大需要電力が１ＭＷ以下の電力系統とする。

系統連系安定化装置の考え方について説明する。小規模電力系統と配電系統の間にBTBを介して系統連系し、ＢＴＢを通過する有効電力を一定値に設定すれば、小規模電力系統から配電系統に有効電力の変動を与えなくて済む。ただし、その場合、太陽光や風力や燃料電池を有する小規模電力系統のなかで変動を吸収するのが困難になる。そこで、（１）小規模電力系統から配電系統への有効電力の変動はおもに長周期変動が問題になること、
（２）短周期変動はランダムノイズとみなせるので小規模電力系統と配電系統の短周期変動は統計的に相殺しあうこと、の２点に着目し、ＢＴＢに流れる有効電力の長周期変動を一定にしつつ、短周期成分は自由に往来できるようにＢＴＢの有効電力を制御する。

本発明の一実施形態に係わる系統連系安定化装置は、ＢＴＢと系統周波数検出手段と小規模電力系統周波数検出手段と長周期短周期成分分離フィルタ装置と長周期成分通過防止手段とＢＴＢ通過出力演算手段とＢＴＢ通過潮流制御手段を有する系統連系安定化装置を有することを特徴とする。

まず、系統周波数検出装置で電力会社高圧配電系統の周波数を検出して、小規模電力系統周波数検出装置で小規模電力系統の周波数を検出する。次に、長周期短周期成分分離手段によって、配電系統と小規模電力系統の周波数を短周期成分と長周期成分に分離する。長周期成分とは、本実施例では、３０秒から１０分の周期の範囲内で設定した設定周期以上の周期の成分を指す。分離した長周期成分は、長周期成分通過制御手段によって一定にしてＢＴＢに通過させないように通過潮流制御信号を、小規模電力系統内の分散型電源に出力制御信号を与えてＢＴＢを通過する潮流を制御する。もう一方の短周期成分から、小規模電力系統と配電系統の周波数変動量を求めて、ＢＴＢに流すべき有効電力量を通過出力演算手段にて求める。求めた有効電力量分だけをＢＴＢに流すようにＢＴＢ通過潮流制御手段のＢＴＢ通過潮流指令信号にて指令値を与え制御する。

本発明に係わる系統連系安定化装置は、ＢＴＢ通過出力演算手段，同期化力演算手段，有効電力制御装置を有すること特徴とする。ＢＴＢ通過出力演算手段は、配電系統と小規模電力系統の周波数変動量を求めるものである。同期化力演算手段にて制御パラメータの同期リアクタンスで割り、同期化力積分回路にて積分する。有効電力制御装置では、求めた有効電力の変化分を積分して、３０分毎の有効電力目標値を０もしくは一定にするように制御を行いＢＴＢに流すべく有効電力量を求めるものである。これにより小規模電力系統から配電系統に与える有効電力の変動を抑えることと、小規模電力系統内の変動抑制を両立することが可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は、この実施形態にかかわる系統連系安定化装置の全体的な構成を示すものである。図１の系統連系制御装置１９について説明する。系統周波数検出手段１１，小規模電力系統周波数検出手段１２，長周期短周期成分分離手段１３，長周期短周期成分制御手段１４，ＢＴＢ通過潮流演算手段１５，ＢＴＢ通過潮流制御手段１６とからなる。系統周波数検出手段１１とは、電力会社の配電系統における周波数を監視し常時検出するものである。小規模電力系統周波数検出手段
１２とは、小規模電力系統における周波数を常時検出するものである。長周期短周期成分分離手段１３とは、系統周波数検出手段１１と小規模電力系統周波数検出手段１２で検出した周波数を、長周期成分と短周期成分に分離するものである。長周期成分制御手段１４は、長周期短周期成分分離手段１３で検出された配電系統と小規模電力系統の長周期成分の周波数を、ＢＴＢ１８と小規模電力系統内の制御対象の電源１７において遮断するように信号を与えて制御するものである。ＢＴＢ通過潮流演算手段１５とは、長周期短周期成分分離手段１３で分離された短周期成分から、ＢＴＢを通過させる有効電力量を求め、潮流を０もしくは一定にするように演算し制御するものである。ＢＴＢ通過潮流制御手段
１６は、ＢＴＢを通過させる有効電力量をＢＴＢ通過潮流指令信号としてＢＴＢ１８に信号を与える。

次に、図２について説明する。系統連系安定化装置２９は、ＢＴＢ２１，系統連系制御装置２４からなる。系統連系制御装置２４では、配電系統２２から周波数２５を検出し、小規模電力系統２３から周波数２６を検出する。検出した周波数をもとにＢＴＢ２１に流れる潮流を計算してＢＴＢ２１に潮流制御信号２８を、小規模電力系統内の制御対象の分散型電源に制御信号２７を送信し、制御する。

次に、図３について説明する。図３は、図１のＢＴＢ通過潮流演算手段１５の詳細を示した説明図である。周波数変化量演算手段１５１は、短周期成分の周波数変化量を演算する。同期化力演算手段１５２は、同期化力を演算する。同期化力積分手段１５３は、求めた同期化力を積分するものである。有効電力制御手段１５４は、同期化力を積分して求めたＢＴＢに流れる潮流を決定するものである。

次に作用について、図４のフローチャートに従って説明する。まず、Ｓ１１のステップの周波数分析は、配電系統と小規模電力系統の図５に示すような配電系統の周波数と図６に示すような小規模電力系統の周波数を、周波数検出手段と小規模電力系統周波数検出手段で検出する。次に、Ｓ１２のステップでは、系統周波数を図７に示すような長周期の周波数成分と図９に示すような短周期の周波数成分に分離する。また、３０秒から２分程度の変動は、短周期の周波数成分、それよりも長い周期は長周期成分に分離する。一方で小規模電力系統周波数も同様に、図８に示すような長周期変動の周波数成分と図１０に示すような短周期変動の周波数成分に分離する。次に、Ｓ１３のステップでは、分離された図７，図８のように周波数の長周期成分の周波数は、ＢＴＢを一定で通過させないように小規模電力系統内の制御対象の分散型電源により制御する。一方、図９，図１０に示すような周波数の短周期成分は、図３に示すようなＢＴＢ通過出力演算手段によって通過すべく出力を求める。次に、Ｓ１４のステップでは、図３に示すＢＴＢ出力演算手段１５５によってＢＴＢに流れる潮流を求める。まず、周波数変化量演算手段１５１により、図９に示すような系統周波数と図１０に示すような系統周波数の偏差Δｆ₁ と小規模電力系統周波数の偏差Δｆ₂の差分を求める。

次に、ステップ１５では、図３の同期化力演算手段１５２により求めた周波数の偏差の差分Δｆを線路の制御パラメ−タである同期リアクタンスＸで割ることにより同期化力を求める。同期化力は以下のように表される。

図１１において系統側の位相をθ₁ 、小規模電力系統側の位相をθ₂ 、制御パラメータである線路の同期リアクタンスをＸとすると流れる有効電力Ｐは次式のように表すことができる。

但し、Ｘは同期リアクタンス

Ｘは、例えば配電系統のリアクタンスと小規模電力系統のリアクタンスの総和として求めることができる。次に、ステップＳ１５について説明する。

式（２）より、同期化力は次式のように表すことができる。

次に、目標となるＢＴＢを通過させる有効電力Ｐの時間毎の変化量は、次式で表すことができる。

次に、ステップＳ１６では、式（４）で求めた時間毎の有効電力Ｐを図３の同期化力積分手段１５３によって積分することにより、ＢＴＢを通過させる有効電力目標値Ｐを次式で表すことができる。

式（５）で求めた有効電力目標値ＰだけＢＴＢに流すように潮流を制御する。求めた有効電力目標値Ｐを、図３の有効電力制御手段１５４によって、図１２に示すように、ある所定（例えば３０分間）の範囲で０もしくは一定にする。式（５）の時間で積分する時間範囲は例えば５分程度として、５分毎に有効電力目標値Ｐを求める。次にステップＳ１７では、求めた有効電力目標値Ｐが、ある所定時間（例えば３０分間）の範囲で０もしくは一定になるように制御量を求める。すなわち、３０分毎の需給が同時同量になるように制御する。

本発明は、電力会社の高圧配電系統と小規模な系統設備を有する小規模電力系統を系統連系時に、系統連系線に潮流を制御するＢＴＢを設置する。そのことにより、小規模電力系統の分散型電源の追従性が悪くても配電系統と小規模電力系統で需給バランスを調整することが出来る。更には、２つの系統の周波数成分から連系部分のＢＴＢ方式に流れる潮流を０もしくは一定に制御することにより、小規模電力系統と配電系統を安定化することができる。従来は、周波数維持や電圧維持の問題から分散型電源を大量に導入できなかったが、小規模電力系統のように系統に１点で連系するようなシステムで系統連系点において潮流制御を行うことが可能なＢＴＢを導入することで系統に、より多くの分散型電源を導入することが可能となる利点がある。

本発明に係わる系統連系安定化装置の構成例を示した説明図である。 系統連系安定化装置と配電系統と小規模電力系統との関係を示した説明図である。 図１の系統連系安定化装置のＢＴＢ通過出力演算手段について示した説明図である。 図２の系統連系制御装置のフローチャートについての説明図である。 配電系統の周波数の例を示した説明図である。 小規模電力系統側の周波数の例を示した説明図である。 配電系統における長周期成分の周波数の例を示した説明図である。 小規模電力系統における長周期成分の周波数の例を示した説明図である。 配電系統における短周期成分の周波数の例を示した説明図である。 小規模電力系統における短周期成分の周波数を示した説明図である。 配電系統と小規模電力系統の位相と潮流の関係について示した説明図である。 図１のＢＴＢ潮流制御装置の制御の例について示した説明図である。

符号の説明

１１…系統周波数検出手段、１２…小規模電力系統周波数検出手段、１３…長周期短周期成分分離手段、１４…長周期成分通過防止手段、１５，１５５…ＢＴＢ通過出力演算手段、１６…ＢＴＢ通過潮流制御手段、１７…小規模電力系統内分散型電源、１８，２１…ＢＴＢ（直流送電連系）、１９…系統連系制御装置、２２…配電系統、２３…小規模電力系統、２４…系統連系制御装置、２５…配電系統周波数、２６…小規模電力系統周波数、２７…小規模電力系統出力制御信号、２８…ＢＴＢ潮流制御信号、２９…系統連系安定化装置、１５１…系統周波数と小規模電力系統周波数変化量演算手段、１５２…同期化力演算手段、１５３…同期化力積分手段、１５４…有効電力制御手段、１５６…有効電力目標値指令信号。

Claims (3)

1. 電力会社の配電系統と最大需要電力が１ＭＷ以下の小規模電力系統を連係する直流送電線に送電される送電電力を制御する電力系統安定化装置であって、前記電力会社の配電系統の周波数を検出する第１の周波数検出手段と、前記小規模電力系統の周波数を検出する第２の周波数検出手段と、前記第１の周波数検出手段により検出された電力会社の配電系統の周波数の３０秒から１０分の周期の範囲内で設定した周期以下の成分と前記第２の周波数検出手段により検出された小規模電力系統の周波数の前記３０秒から１０分の周期の範囲内で設定した周期以下の成分との差分に基づいて前記直流送電線に送電される送電電力の目標値を演算する送電電力目標値演算手段と、前記送電電力目標値演算手段により演算された送電電力の目標値に基づいて前記直流送電線に送電される送電電力を制御する送電電力制御手段を備えることを特徴とする電力系統安定化装置。
2. 請求項１において、前記送電電力目標値演算手段は前記第１の周波数検出手段により検出された電力会社の配電系統の周波数の３０秒から１０分の周期の範囲内で設定した周期以下の成分と前記第２の周波数検出手段により検出された小規模電力系統の周波数の前記３０秒から１０分の周期の範囲内で設定した周期以下の成分との差分を所定の時間積分することにより前記直流送電線に送電される送電電力の目標値を演算することを特徴とする電力系統安定化装置。
3. 電力会社の配電系統と最大需要電力が１ＭＷ以下の小規模電力系統を連係する直流送電線に送電される送電電力を制御する系統安定化方法であって、前記電力会社の配電系統の周波数を検出する第１の周波数検出手順と、前記小規模電力系統の周波数を検出する第２の周波数検出手順と、前記第１の電力周波数検出手順により検出された電力会社の配電系統の周波数の３０秒から１０分の周期の範囲内で設定した周期以下の成分と前記第２の周波数検出手順により検出された小規模電力系統の周波数の前記３０秒から１０分の周期の範囲内で設定した周期以下の成分との差分に基づいて前記直流送電線に送電される送電電力の目標値を演算する送電線送電電力目標値演算手順と、前記送電電力目標値演算手順により演算された送電電力の目標値に基づいて前記直流送電線に送電される送電電力を制御する送電電力制御手順とを有することを特徴とする電力系統安定化方法。

Images