JP4749433B2 - 分散型電源システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統に連系されて使用される、分散型電源システムとその制御方法に関する。

地球温暖化の原因と考えられている二酸化炭素排出量削減が大きな課題になっている。二酸化炭素排出量削減の手段の一つとして、太陽光発電や風力発電などの分散型電源の導入が盛んになっている。これらの分散型電源は電力系統に連系されて用いられることが多いが、日射量や風速の変動により、発電出力が変動し、連系している系統の電圧や、大量に導入された場合には、系統の周波数に影響を及ぼすことが懸念されている。

電圧変動の抑制方法については、無効電力を利用する、いくつかの提案がなされている。風力発電機が変換器を介して電力系統に連系された場合の連系点（位置）での電圧変動を抑制する方法として、特許文献１では、有効電力の変動分と電圧変動の各検出値から、無効電力を決定するパラメータ（以下、系統パラメータと呼ぶ）を算出し、有効電力の変動に起因する電圧変動を打ち消すような無効電力を供給することにより、電圧変動を抑制する方法が開示されている。

また、特許文献２では、次数間高潮波を発生させる装置を付加することにより、次数間高潮波を利用して、電圧変動に係わる系統パラメータを求める方法が開示されている。

特許文献３では、新たに装置を付加することなく、変換器（インバータ）において、無効電力を能動的に変化させて、電圧変動に係わる系統パラメータを求め、電圧変動を抑制する有効、無効電力を発生させる方法が開示されている。

特開２００７−１２４７７９号公報 特開２００２−１７１６６７号公報 特開２００６−１５８１７９号公報

太陽光発電は、導入に適した地域が多く、特に、わが国では、大規模化と大量の導入が計画されている。電圧変動抑制に関して、引用文献２のように新たな装置を付加するのではなく、変換器で電圧変動を抑制するのが望ましい。また、引用文献３のように、変換器の最適な運転条件を決定するために、無効電力を能動的に変化させると、最適な運転条件を算出する段階で、電力系統に人工的な擾乱を与えることになる。

特許文献１においては、上述のような問題はないが、風力の周期的な変動を利用して、風力発電出力以外に起因する電圧変動要因を除いており、太陽光発電のように周期性のない出力変動を示す分散型電源に対して、自身の出力変動以外に起因する電圧変動要因を除ききれない可能性がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑みてなされたもので、周期性のない出力変動を示す分散型電源を、電力系統に接続して運用する場合において、分散型電源の出力が変動しても、出力変動に起因する電圧変動を抑制できる分散型電源システム及び制御方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明は、電力発生部の出力を制御する電力変換器を、連系線で電力系統に接続して運用される分散型電源システムにおいて、分散型電源システム内に設けられたセンサの計測値から、連系線に送られる有効電力と連系点電圧の変動を算出し、この算出された変動値から、有効電力に対する無効電力の割合を決定する系統パラメータについて、現行の系統パラメータと電圧変動を最小にする系統パラメータのずれ量を算出し、前記ずれ量を補正した最適な系統パラメータに基づき、有効・無効電力指令値を生成し、前記有効・無効電力指令値に応じた電力変換器の制御信号を生成することにより、電力変換器を駆動することを特徴とする。

さらに、上記計測値から電圧変動を最小化する系統パラメータと現行の系統パラメータのずれ量を求める際、上記計測値の内、不連続かつ非周期的な変動である孤立的な変動を取り出し、その変動の大きさから有効電力および連系点電圧の変動を算出することを特徴とする。

上記目的を達成する本発明の方法は、連系線で電力系統に接続され、電力発生部の出力を制御する電力変換器を備えた分散型電源システムの制御方法において、前記電力変換器と連系線との連系点近傍における有効電力と連系点電圧の時系列データを読み込み、有効電力指令値と無効電力指令値と前記時系列データに基づいて算出した有効電力と無効電力とから前記電力変換器を制御する制御信号を求めるとともに、
前記時系列データを用いて有効電力のベース直線と連系点電圧のベース直線を求め、該ベース直線からの変動量である有効電力変動量及び連系点電圧変動量を求め、それら変動量が所定の時間範囲において最大または最小で、かつタイミングが一致する場合にのみ、有効電力に対する無効電力の割合を決定する系統パラメータについて、前記有効電力変動量及び連系点電圧変動量に基づいて系統パラメータ補正量を算出し、該系統パラメータ補正量に基づいて有効電力指令値及び無効電力指令値を求めることを特徴とする。

本発明による分散型電源システムによれば、非周期的な変動に関する計測値に基づき系統パラメータを求めることにより、電圧変動を最小化する最適な系統パラメータが得られ、同系統パラメータに基づく電力変換器の運転を行うことにより、出力変動にともなう電圧変動を打ち消す無効電力の変動を変換器で発生させることができ、連系点の電圧変動を抑制する効果がある。

以下、電力発生部が太陽光発電の場合を例にとり、本発明の実施形態を説明する。非周期的な変動に関する計測値から、系統パラメータの補正量を求めることにより、最適な系統パラメータを求め、それに基づき変換器を駆動することにより、電圧変動を最小化する運転を実現した。

図１は、本発明の一実施形態として太陽光発電システムに適用された分散型電源システムの構成図である。太陽光発電システムは、連系点４で連系線２に接続されており、連系線２は主幹系統１に接続されている。連系線２には負荷３が連系されている。太陽光発電システムは、電力変換部（太陽光パネル）５と電力変換器６からなっている。電力変換器６は、連系点４の近傍の電流センサ１１と電圧センサ１２の計測値に基づき、制御器２０で生成された信号により駆動される。

制御器２０は、電力電圧（計測値）演算器２１０、電力電圧変動演算器２２０、系統パラメータ演算器２３０、電力指令値演算器２４０、電力制御器２５０からなる。

電力電圧演算器２１０では、電流センサ１１および電圧センサ１２で得られた計測値から、各時刻の電流、電圧、有効電力、無効電力を算出する。計測値の計測周期は１ミリ秒より短くしている。算出した各計測値は、電力変換器６への制御値を生成する電力制御器２５０に送られ、有効電力指令値、無効電力指令値との差分を補償するように制御信号（電力変換器６のゲート信号）が算出される。

一方、算出された電圧（Ｖ）、有効電力（Ｐ）については、電力電圧変動演算器２２０にも送られる。電力電圧変動演算器２２０では、電圧（Ｖ）、有効電力（Ｐ）の計測値から１秒平均値を求め、一定時間（例えば、５分）蓄積した時系列データとし、後述する方法で、電圧の変動量（ΔＶ）と有効電力の変動量（ΔＰ）を算出し、系統パラメータ演算器２３０に送る。

系統パラメータは、太陽光発電システムから主幹系統を見た場合の送電線路の合成インピーダンスにおける、抵抗分とリアクタンス分の比で与えられる。この系統パラメータに合った無効電力を太陽光発電システム（電力変換器）から供給することにより、連系点の電圧変動を抑制することができる。

系統パラメータ演算器２３０では、後述する方法で、最適な系統パラメータからのずれ量Δαを算出し、電力指令値演算器２４０に送る。電力指令値演算器２４０では、ずれ量Δαを補正した系統パラメータを用いて、有効電力および無効電力の指令値を生成し、電力制御器２５０に送る。電力制御器２５０では、有効電力および無効電力の指令値と電力電圧演算器２１０からの計測値に基づき、電力変換器６の駆動信号を生成する。

次に、最適な系統パラメータを計測値から推定する方法について説明する。図１の連系線、負荷は、図２の太陽光発電システムから連系線、負荷を見た場合の合成インピーダンス（抵抗分Ｒｔ，リアクタンス分Ｘｔ）と等価である。主幹系統と連系線２の接続点の電圧（Ｖ０）は、一定である。一方、太陽光発電システムが接続されている連系点の電圧（Ｖｓ）は、太陽光発電システムの出力変動や負荷の変動により、変動する。

太陽光発電システムで、有効電力変動ΔＰと無効電力変動ΔＱが生じた場合、連系点電圧Ｖｓは、（１）式で表せる。
ΔＶｓ≒（ΔＰ・Ｒｔ＋ΔＱ・Ｘｔ）／Ｖｓ …（１）
ここで、Ｒｔは、真の合成インピーダンスの抵抗分、Ｘｔは、真の合成インピーダンスのリアクタンス分である。

仮に、無効電力変動ΔＱを、（２）式のように有効電力変動ΔＰに比例して発生させ、更に、（３）式のように系統パラメータαを決めれば、（１）式において連系点電圧変動ΔＶｓを０にできる。このときのαをαｔと置き、真の系統パラメータと呼ぶことにする。
ΔＱ＝−α・ΔＰ …（２）
α＝Ｒｔ／Ｘｔ（＝αｔ） …（３）
従って、（４）式が成立つ。
０＝（ΔＰ・Ｒｔ−α・ΔＰ・Ｘｔ）／Ｖｓ …（４）
しかしながら、真の系統パラメータは、系統の状況が変わるため、当初から決定することは困難である。αを現行の制御に用いている系統パラメータとすると、真の系統パラメータαｔとの間に（５）式の関係がある。
α＝αｔ＋Δα …（５）
ここで、Δαは真の系統パラメータαｔからのずれ量である。これらの関係を（１）式に代入すれば、（６）式が成立つ。
ΔＶｓ＝（ΔＰ・Ｒｔ−（αｔ＋Δα）・ΔＰ・Ｘｔ）／Ｖｓ …（６）
（４）式と（６）式を解くことにより，現行の系統パラメータαにおける、真の系統パラメータαｔからのずれ量Δαは、（７）式で与えられる。
Δα＝−（Ｖｓ／Ｘｔ）・（ΔＶｓ／ΔＰ） …（７）
（７）式のＶｓ、ΔＶｓ、ΔＰは、計測値から得られる。Ｘｔがわかれば、（８）式により、一度の補正で真の系統パラメータαｔが得られる。
αｔ＝α−Δα …（８）
次に、ΔＶｓ、ΔＰの求め方を説明する。太陽光発電システムの出力の変化は様々の形態があるが、本方式では、孤立波的な変動に着目する。図３は、孤立波的な変動の有効電力（（ａ））と電圧（（ｂ））の時間変化を模式的に示したものである。図中に基本となる変動（以下、トレンドと呼ぶ）を破線で記載した。トレンドは、例えば回帰直線を求めることで得られる。

有効電力について、トレンドより大きい有効電力の平均値（Ａｖｕｐｐ）とトレンドより大きい有効電力の平均値（Ａｖｌｏｗ）を求め、（９）式で係数Ｋを算出する。
Ｋ＝Ａｖｌｏｗ／Ａｖｕｐｐ …（９）
Ｋが１に比べ大きい程、孤立波的な変動と見なせる。以下の評価では、Ｋが２．５以上の場合を孤立波的な変動として扱った。

図４は、図３においてトレンドからの変化量を示したものである。図４（ａ）は、有効電力の変化量の時間変化である。評価範囲の中で変化量が最大となる変化量を、有効電力変動ΔＰとする。図４（ｂ）は、連系点電圧Ｖｓの変化量の時間変化である。評価範囲の中で変化量が最大となる変化量を、連系点電圧ΔＶｓとする。連系点電圧に関する、トレンドからの変化量を扱うことにより、有効電力の変化に起因しない電圧変動を除くことができる。

図５は、系統パラメータ補正の処理を示すフローチャートで、図1のブロック２２０およびブロック２３０の機能である。

まず、有効電力および連系点電圧の時系列データ、さらに、判定のしきい値を読込む（３０１）。読込んだ有効電力および連系点電圧のデータについて、最大・最小となる時間を算出する。予備評価を行い、それに基づき、評価範囲の設定を行う（３０２）。

図６は、読込んだ有効電力および連系点電圧のデータの例である。全体で３００点の時系列データがあるが、予備評価で有効電力の最小値を与える時刻の前後のより狭い範囲（図中の一点鎖線で示した範囲）に評価範囲を設定する。これにより、有効電力や電圧のトレンドに外乱が重畳され難くする。

設定された評価範囲のデータを用いて、トレンドに相当する、有効電力のベース直線と連系点電圧のベース直線を、前記データの統計処理により求める（３０３）。このベース直線を利用して、評価範囲での最大・最小値の評価を行い、有効電力変動量ΔＰおよび連系点電圧変動量ΔＶｓを求める（３０４）。

予め設定したしきい値より、有効電力変化量ΔＰ、連系点電圧変化量ΔＶｓが大きく、かつタイミングが一致する場合のみ、有効電力の変動に起因して、電圧変動が起こったものと判定する（３０５）。すなわち、ΔＰおよびΔＶｓが有効な値であると判定される場合のみ、ずれ量Δαを算出する（３０６）。さらに、現行の系統パラメータαと補正量（−Δα）から、補正された系統パラメータαを算出する。

このように算出されたαが想定された範囲にあるか、その合理性をチェックする（３０７）。すなわち、気温や負荷の変動を考慮した上で、系統パラメータαがとり得る上下限値を予め設定しておき、算出されたαが上述の上下限値の間にあれば合理的と判定する。合理性が確認されれば、系統パラメータ補正量（−Δα）を図１の電力指令値演算器２４０に送信する（３０８）。電力指令値演算器２４０では（２）式を満たすように、有効電力および無効電力の指令値が生成される。合理性が確認されない場合は、電力指令値演算器２４０では、αの前回値を用いて有効電力および無効電力の指令値が生成される。

低圧配電線に接続された、昇圧して６．６ｋＶの高圧配電線に連系される４０ｋＷ太陽光発電システムに本発明の手法を適用した場合の効果を予測する。図６は、ほぼ晴天の日に一時的に発電出力の低下が見られた時の計測データである。図６（ａ）は有効電力、（ｂ）は連系点電圧の変化であり、図中の直線はトレンド（ベースとなる直線）である。

図６の計測値が得られた時は本発明による制御は行っていない。この時の制御に係る系統パラメータαは０．１２であった。図５の処理を適用した場合、計測値から求めた補正量は１．０２であった。この結果から、推定される真の系統パラメータは１．１４となる。

なお、太陽光発電システムを連系した系統については、予め系統定数がわかっており、既知の系統定数から求めた真の系統パラメータは１．２３となるので、両者ほぼ一致した。従って、図５の処理がほぼ妥当であることがわかる。

上述した図６の例のように、合成インピーダンスのリアクタンス分をほぼ正確に予測できた場合は、一度の補正で真の系統パラメータに近い値を得ることができる。しかし、（５）式において、リアクタンス分を真の値より小さく推定すると、補正量（−Δα）が真の値より大きくなり、過剰に補正することになる。その結果、図７のように電圧が上昇することもある。この場合も次ぎに説明する処理を行うことにより、図８に一例を示すように、数回の補正を行うことにより、ほぼ真の系統パラメータに補正することができる。

図９は、複数回の補正を行う場合の処理を示すフローチャートである。計測時系列データおよび判定しきい値の読込み（４０１）、評価範囲の設定（４０２）、ベース直線算出（４０３）、変動量の算出（４０４）については、図５における３０１−３０４の処理と同様である。

つぎに、変動量ΔＰとΔＶｓの変動の方向が一致するかどうかを判定する（４０５）。一致しない場合（ΔＰが減少する時ΔＶｓが増加する）は、過剰な補正が行われており、過剰補正の場合の有効性判定を行う（４０７）。すなわち、ΔＶｓはＶｓが最大となる時間で評価を行う。変動量ΔＰとΔＶｓの変動の方向が一致する場合（ΔＰが減少する時ΔＶｓが減少する）は、図５の３０５と同様の有効性判定を行う。この場合、ΔＶｓはＶｓが最小となる時間で評価を行う。

次に、系統パラメータ補正量を算出する（４０８）。数回の補正により、補正量（絶対値）は減少するが、その値が予め定めたしきい値以下かどうかを判定する（４０９）。しきい値以下にならなければ、４０２〜４０８の処理を繰り返す。しきい値以下になれば、数回の補正で得られた補正量（符号付き）を足し合わせ、最終的な補正量とする。図５の場合の３０７と同様に、補正された系統パラメータの合理性チェック（４１０）、系統パラメータ補正量の送信（４１１）を行う。

図１０は、孤立的波形でない計測値（（ａ）は有効電力、（ｂ）は連系点電圧）の例である。孤立的波形でない計測については、電圧の評価において外乱の影響を排除することが困難であるため、補正量の評価を行っていない。

次に、図１の電力制御器２５０の処理について説明する。図１１は、電力制御器２５０での処理機能を示すブロック図である。ブロック５０１では、三相電圧の計測値（ｖａ，ｖｂ，ｖｃ）に対し、（１０）、（１１）式による三相二相変換、および（１２）、（１３）式による回転座標変換を行い、直軸、横軸電圧（ｖｄ，ｖｑ）を算出する（電気工学ハンドブック（第６版）、電気学会、Ｐ．１３６参照）。
ｖα＝√（２／３）・ｖａ−√（１／６）・ｖｂ−√（１／６）・ｖｃ …（１０）
ｖβ＝√（１／２）・ｖｂ−√（１／２）・ｖｃ …（１１）
ｖｄ＝ｃｏｓ（θ）・ｖα＋ｓｉｎ（θ）・ｖβ …（１２）
ｖｑ＝−ｓｉｎ（θ）・ｖα＋ｃｏｓ（θ）・ｖβ …（１３）
ここで、θは角度（角速度×時間）である。

ブロック５０２では、三相電流の計測値（ｉａ，ｉｂ，ｉｃ）に対し、（１４）、（１５）式による三相二相変換、および（１６）、（１７）式による回転座標変換を行い、直軸、横軸電流（ｉｄ，ｉｑ）を算出する。
ｉα＝√（２／３）・ｉａ−√（１／６）・ｉｂ−√（１／６）・ｉｃ …（１４）
ｉβ＝√（１／２）・ｉｂ−√（１／２）・ｉｃ …（１５）
ｉｄ＝ｃｏｓ（θ）・ｉα＋ｓｉｎ（θ）・ｉβ …（１６）
ｉｑ＝−ｓｉｎ（θ）・ｉα＋ｃｏｓ（θ）・ｉβ …（１７）
ここで、θは角度（角速度×時間）である。

ブロック５０３では、有効・無効電力の目標値と計測値を取り込み、ブロック５０１で求めた直軸、横軸電圧（ｖｄ，ｖｑ）を用いて、直軸、横軸電流の指令値（ｉｄ＊，ｉｑ＊）を算出する。

ブロック５０４では、直軸、横軸電流の計測値と指令値を比較するとともに、（１８）、（１９）式による比例積分制御処理を行い、必要となる電圧形変換器の電圧（二相）ｅｄ，ｅｑを算出する。
ｅｄ＝∫ｋ・（ｉｄ−ｉｄ＊）・ｄｔ …（１８）
ｅｑ＝∫ｋ・（ｉｑ−ｉｑ＊）・ｄｔ …（１９）
ここで、ｋは比例係数、ｄｔは微小時間である。

ブロック５０５では、（２０）、（２１）式による非干渉制御、すなわち直軸・横軸電流による電圧の変化を考慮した電圧形変換器の電圧指令値（二相）ｅｄ＊，ｅｑ＊を算出する。
ｅｄ＊＝ｅｄ−Ｒ・ｉｄ＋ω・Ｌ・ｉｑ …（２０）
ｅｑ＊＝ｅｑ−ω・Ｌ・ｉｄ＋Ｒ・ｉｑ …（２１）
ここで、Ｒは抵抗、Ｌはインダクタンス、ωは角周波数である。

ブロック５０６では、（２２）、（２３）式による回転座標変換、および（２４）、（２５）、（２６）式による二相三相変換を行い、三相の電圧指令値を生成する。
ｅα＊＝ｃｏｓ（θ）・ｅｄ＊−ｓｉｎ（θ）・ｅｑ＊ …（２２）
ｅβ＊＝ｓｉｎ（θ）・ｅｄ＊＋ｃｏｓ（θ）・ｅｄ＊ …（２３）
ｅａ＊＝√（２／３）・ｅα＊ …（２４）
ｅｂ＊＝−√（１／６）・ｅα＊＋√（１／２）・ｅβ＊ …（２５）
ｅｃ＊＝−√（１／６）・ｅα＊−√（１／２）・ｅβ＊ …（２６）
ここで、θは角度（角速度×時間）である。

ブロック５０７では、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式により、電力変換器８を駆動するためのゲート信号を生成する。すなわち、三角波の搬送波信号（例えば、周波数３ｋＨｚ）と電圧指令値を比較することにより、スイッチング素子をオン、オフするゲート信号（駆動信号）を生成する。

本発明によれば、図１の太陽光発電システムなどを用いることにより、有効電力に大きな変動がある場合でも、連系点電圧の変動を抑制した電力供給が可能になる。

本発明の一実施例である太陽光発電システムの構成図。 電圧変動抑制の原理を示す説明図。 計測値からトレンドを求める方法を示す説明図。 計測値の変化量を求める方法を示す説明図。 系統パラメー補正の処理手順を示すフローチャート。 本発明の適用例を示す有効電力と連系点電圧のグラフ。 過剰補正時の適用例を示す連系点電圧のグラフ。 過剰補正時の系統パラメータの求め方を示す説明図。 系統パラメータを複数回の補正で求める処理手順を示すフローチャート。 孤立的波形でない（ａ）は有効電力、（ｂ）連系点電圧）のグラフ。 電力制御器の処理機能を示すブロック図。

符号の説明

１…主幹系統、２…連系線、３…負荷、４…連系点、５…太陽光パネル、６…電力変換器、１１…電流センサ、１２…電圧センサ、２０…制御器、２１０…電力、電圧（計測値）演算器、２２０…電力電圧変動演算器、２３０…系統パラメータ演算器、２４０…電力指令値演算器、２５０…電力制御器。

Claims (6)

1. 電力発生部の出力を制御する電力変換器を、連系線で電力系統に接続して運用される分散型電源システムにおいて、
   分散型電源システム内に設けられたセンサの計測値から、連系線に送られる有効電力と連系点電圧の変動を算出し、前記の算出された変動値から、有効電力に対する無効電力の割合を決定する系統パラメータについて、現行の系統パラメータと電圧変動を最小にする系統パラメータのずれ量を算出し、前記ずれ量を補正した最適な系統パラメータに基づき、有効・無効電力指令値を生成し、前記有効・無効電力指令値に応じた電力変換器の制御信号を生成することにより、電力変換器を駆動することを特徴とする分散型電源システム。
2. 請求項１において、現行の系統パラメータと電圧変動を最小にする系統パラメータのずれ量を求める際、前記計測値の内、不連続かつ非周期的な変動である孤立的な変動を取り出し、該孤立的な変動の大きさから有効電力および連系点電圧の変動を算出することを特徴とする分散型電源システム。
3. 請求項１において、前記最適な系統パラメータの算出は所定範囲に収まるまで数回の補正を繰り返すことを特徴とする分散型電源システム。
4. 請求項１−３の何れかにおいて、前記電力発生部は太陽光発電装置である分散型電源システム。
5. 連系線で電力系統に接続され、電力発生部の出力を制御する電力変換器を備えた分散型電源システムの制御方法において、
   前記電力変換器と連系線との連系点近傍における有効電力と連系点電圧を計測し、該計測値と制御時の系統パラメータに基づき求められた有効電力指令値と無効電力指令値から前記電力変換器を制御する制御信号を生成しながら、
   定期的に、前記電力変換器と連系線との連系点近傍における有効電力と連系点電圧の、時系列データを用いて有効電力のベース直線と連系点電圧のベース直線を求め、該ベース直線からの変動量である有効電力変動量及び連系点電圧変動量を求め、それら変動量が所定の時間範囲において最大または最小で、かつタイミングが一致する場合にのみ、有効電力に対する無効電力の割合を決定する系統パラメータについて、前記有効電力変動量及び連系点電圧変動量に基づいて最適な系統パラメータからのずれ量Δαを算出し、該ずれ量を用いて補正した系統パラメータに変更し，該系統パラメータから有効電力指令値と無効電力指令値を求めることを特徴とする分散型電源システムの制御方法。
6. 請求項５において、前記系統パラメータの補正は所定範囲に収まるまで繰り返し行うことを特徴とする分散型電源システムの制御方法。

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