JP4866764B2 - 分散型電源の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、負荷変動に対する追従性能の異なる複数種類の分散型電源を統合的に制御することによって負荷変動補償を行うための制御方法に関する。

電力市場自由化後の社会動向として、以下の（１）〜（４）に示す理由からさまざまな分散型電源（天然ガスコージェネレーションや燃料電池）がエネルギー供給設備として建物内に進出してくる可能性が高くなっている。
（１）熱電併給により、相当高い総合エネルギー効率（８０％強）を期待できる。
（２）ＣＯ_２排出量削減が期待できる。
（３）商用系統からの契約電力量の削減や配電施設の低減によるコスト削減が期待できる。
（４）震災、火災時の自立安定性が高い。

現在これらの分散型電源は、主に需要家のエネルギーコスト削減を目的として導入されており、稼働率が高くなり経済性を発揮しやすい「ベースロード運転」（図７（ａ）参照）によって定格運転されている。今後、より多くの分散型電源が需要家サイドに入り、ベースロード運転にて商用系統に接続されると、商用系統は負荷変動の補償ばかりを求められ、電圧や周波数変動の調整機能（これをアンシラリー機能という）を一手に引き受けることになる。端的に言えば、電力会社が損な役割を担うことになる。

一方、国の施策として、分散型電源の負荷追従運転によって商用系統への負担を軽減して協調関係の構築を目指す動きがある。近年、議論が始まった「マイクログリッド」である。マイクログリッドの思想を取り込んだ分散型電源によるエネルギー供給システムでは、商用系統連系時には買電一定運転（図７（ｂ）参照）が、また自立運転時には自立範囲内に安定した品質の電力を供給することが求められている。

このようなエネルギー供給システムを実現するためには、複数の分散型電源を協調制御して負荷追従運転を行う必要がある。先行技術として、建物における負荷変動が、１日単位で緩慢に変動するようなパターンを基本として、急速な負荷変動を重畳しているために、計測した負荷電力を基に、追従性能の異なる複数種類の分散型電源（図６参照）を組み合わせて当該周波数帯域を分担させることで負荷追従運転を実現している分散型電源の制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２４６５８４号公報

しかしながら、実際に上記のエネルギー供給システムを構築する際には、負荷が物理的に離れ離れに配置されている可能性が高く、負荷電力を全て計測することが困難となるケースが考えられ、特許文献１の制御方法では、計測漏れしている負荷変動に対しては負荷追従することができないという問題がある。これらの誤差は主に大容量の発電機で補償されてしまうため、商用系統連系時であれば電力商用系統から補償され、買電一定制御が達成できなくなり、自立運転時であれば系統内の電圧、周波数といった電力品質が悪化してしまう可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、負荷電力を計測することなく、制御上必要な各分散型電源の出力のみを用いて負荷追従運転を行うことができる分散型電源の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、負荷変動に対する追従性能の異なる複数種類の分散型電源を統合的に制御することによって負荷変動補償を行うに当たり、補償するべき負荷変動をそれぞれ前記各分散型電源のいずれかに分担させて補償する分散型電源の制御方法であって、前記各分散型電源の出力をそれぞれ検出し、検出したそれぞれの分散型電源の出力の合計値から負荷電力を推定し、該推定負荷電力に基づいてそれぞれの分散型電源が分担する出力を制御することを特徴とする。

本発明は、商用系統連系時には、商用系統からの買電電力が一定になるように、また自立運転時には、前記各分散型電源のうち、周波数に対して支配的な影響を持つ分散型電源の出力変動に起因する周波数変動の偏差が所定の範囲内収まるように、他の分散型電源の出力を制御することを特徴とする。

本発明によれば、検出したそれぞれの分散型電源の出力の合計値から負荷電力を推定し、この推定負荷電力に基づいてそれぞれの分散型電源が分担する出力を制御して負荷変動を補償するようにしたため、負荷電力を測定することなく高精度な負荷追従運転を実現することができるという効果が得られる。このため、出力制御上必要な電源出力のみで制御が行えるため、計測器を削減することができるとともに、負荷が離散していて計測が困難な場合にも適用することが可能となる。また、商用系統連系時の買電一定制御、自立運転時の負荷追従運転が高品質で実現することができる。

以下、本発明の一実施形態による分散型電源の制御方法を図面を参照して説明する。図１は同実施形態に分散型電源を用いたエネルギー供給システムの構成を示すブロック図である。分散型電源は、ガスエンジン１、二次電池２、電気二重層キャパシタ等の電力貯蔵装置３及び電力出力を制御する制御コンピュータ４から構成する。ガスエンジン１には、有効電力（Ｐ_ＧＥ）を計測して、制御コンピュータ４に対して出力する電力計測器１１を備えている。二次電池２には、有効電力（Ｐ_ＢＥＳ）を計測して、制御コンピュータ４に対して出力する電力計測器１２を備えている。電力貯蔵装置３には、有効電力（Ｐ_ＥＤＬＣ）を計測して、制御コンピュータ４に対して出力する電力計測器１３を備えている。また、負荷５に対して供給する電力を計測する電力計測器１５も備えている。制御コンピュータ４は、電力計測器１１、１２、１３が計測した有効電力出力Ｐ_ＧＥ、Ｐ_ＢＥＳ、Ｐ_ＥＤＬＣに基づいて、有効電力出力指令Ｐs_ＢＥＳ、Ｐs_ＥＤＬＣを求めて、それぞれ二次電池２及び電力貯蔵装置３に対して出力することにより安定した電力を供給するように制御を行う。このとき、制御コンピュータ４は、入力したガスエンジン出力Ｐ_ＧＥ、二次電池出力Ｐ_ＢＥＳ、電力貯蔵装置Ｐ_ＥＤＬＣを加算した出力合計値から負荷推定値Ｐ_Ｌを求める。すなわち、電力の需給においては瞬時々々における需要と供給が一致するという前提があるため、Ｐ_Ｌ＝Ｐ_ＧＥ＋Ｐ_ＢＥＳ＋Ｐ_ＥＤＬＣによって負荷電力を推定する。

このような分散型電源を用いたエネルギー供給システムにおいては、負荷電力が計測できない一部の負荷６が存在する。図２は、実測した負荷電力と推定した負荷電力の時間変化を示す図である。図２に示すように、実測した負荷電力と推定した負荷電力間に約１５ｋＷの乖離が見られる。これが計測できていない負荷電力に相当する。

次に、図３を参照して、図１に示す制御コンピュータ４が推定した負荷電力を基に負荷追従運転を行う動作を説明する。図３は、制御コンピュータ４内の構成を示す制御ブロック図である。制御コンピュータ４は、負荷電力値を推定する負荷電力推定部４１と各電源の出力制御を行う制御部４２とから構成する。まず負荷電力推定部４１は、入力したガスエンジン出力Ｐ_ＧＥ、二次電池出力Ｐ_ＢＥＳ、電力貯蔵装置Ｐ_ＥＤＬＣを加算した出力合計値から負荷推定値Ｐ_Ｌを求め、制御部４２へ出力する。制御部４２は、負荷推定値Ｐ_Ｌからガスエンジン１の出力目標値Ｐ_{ＧＥｒｅｆ}を減算した差分によって二次電池２の出力Ｐ_ＢＥＳを補償することにより負荷変動の主成分を補償する。また、制御部４２は、負荷推定値Ｐ_Ｌからガスエンジン１の出力目標値Ｐ_{ＧＥｒｅｆ}と二次電池２の出力Ｐ_ＢＥＳを減算すると電力貯蔵装置３が補償するべき成分が得られ、これにより、高速な負荷変動を補償する。一方、制御部４２は、負荷電力Ｐ_ＬＯＡＤから二次電池出力Ｐ_ＢＥＳと電力貯蔵装置出力Ｐ_ＥＤＬＣとを減算した差分の全てを補償することにより需給の誤差分を補償する。二次電池２と電力貯蔵装置３によって負荷追従運転が実現できた場合、出力目標値Ｐ_{ＧＥｒｅｆ}で一定運転されることになる。

なお、図１に示すエネルギー供給システムは商用系統から解列した自立系統となっているため、二次電池２と電力貯蔵装置３によって変動補償された残りの電力がガスエンジン１により供給される形となっている。連系運転時であれば、ガスエンジン１の出力相当分が買電電力となり買電一定運転が行われることになる。

図３に示す制御動作によって負荷追従運転を行った場合の有効電力の時間変化を図４に示す。図４に示す結果から明らかなように、各電源の出力から負荷電力を推定することで、ガスエンジン１の出力を出力目標値の１５０ｋＷ一定にすることができることが分かる。
なお、ガスエンジン１の出力は、常に一定にする必要はなく、図４の例示においては、周波数に対して支配的な影響を持つガスエンジン１の出力変動に起因する周波数変動の偏差が所定の範囲内収まるようにすればよい。

図１に示す系統は、商用系統と切り離されており、系統内に分散型電源のみが存在する構成である。前述したとおり発電量と負荷消費量は瞬時々々で一致するが、計測、応答性の問題上必ず誤差が発生する。商用系統と連系している状態ではこの誤差は商用系統から補償されるが、自立系統では分散型電源のうち、出力の大きい回転機型の発電機（インバータを持たない電源；ガスエンジン、ガスタービン等）によって供給されてしまう。しかし、本来応答性の悪い電源から強引に電力供給が行われるため、系統周波数や電圧といった電力品質が著しく悪化するという問題がある。そこで自立運転時にはこのような発電機が一定出力で運転するように他の分散型電源（インバータを有する電源；燃料電池、蓄電池、電力貯蔵装置等）の制御を行っている。すなわち、図１に示すシステムにおいてはガスエンジンを商用系統に見立ててガスエンジン出力Ｐ_ＧＥが常に一定になるよう二次電池出力Ｐ_ＢＥＳと電力貯蔵装置Ｐ_ＥＤＬＣの出力を決定している。

次に、図５を参照して、エネルギー供給システムが商用系統に繋がっている場合（系統連系時）について説明する。図５は、商用系統に繋がっているエネルギー供給システムの構成を示すブロック図である。この図において、図１に示すシステムと同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図５に示すエネルギー供給システムが、図１に示すエネルギー供給システムと異なる点は、商用系統７が繋がっている点と、商用系統７が供給している電力を計測する電力計測器１７が備えられている点である。

電力の需給においては瞬時々々における需要と供給が一致するという前提がある。すなわち図５に示すシステムにおいては、Ｐ_Ｌ＝Ｐ_ＧＥ＋Ｐ_ＢＥＳ＋Ｐ_ＥＤＬＣ＋Ｐ_ＧＲＩＤが必ず成立する。本発明は、このＰ_Ｌから各分散型電源の出力を決定することにより買電電力を一定とすることを目的としている。

まず、負荷推定値Ｐ_Ｌから買電目標値Ｐ_ＧＲＩＤを減算した差分によってガスエンジン１の出力指令値を決定し、これにより負荷変動の主成分を補償する。また、負荷推定値Ｐ_Ｌから買電目標値Ｐ_ＧＲＩＤとガスエンジン１の出力値Ｐ_ＧＥを減算することにより、二次電池２の補償するべきＰ_ＢＥＳが得られ、ガスエンジン１で補償できなかった高速な負荷変動を補償する。さらに、負荷推定値Ｐ_Ｌから買電目標値Ｐ_ＧＲＩＤとガスエンジン１の出力値Ｐ_ＧＥ並びに二次電池２の出力値Ｐ_ＢＥＳを減算することで、電力貯蔵装置３が補償すべき成分が得られ、さらに高速な負荷変動を補償することができる。ガスエンジン１、二次電池２及び電力貯蔵装置３によって負荷追従が実現できた場合、商用系統からの買電電力はＰ_ＧＲＩＤで一定となる。

このように、検出したそれぞれの分散型電源の出力の合計値から負荷電力を推定し、この推定負荷電力に基づいてそれぞれの分散型電源が分担する出力を制御して負荷変動を補償するようにしたため、負荷電力を測定することなく高精度な負荷追従運転を実現することができる。このため、出力制御上必要な電源出力のみで制御が行えるため、計測器を削減することができるとともに、負荷が離散していて計測が困難な場合にも適用することが可能となる。また、商用系統連系時の買電一定制御、自立運転時の負荷追従運転が高品質で実現することができる。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 実測した負荷電力と推定した負荷電力の時間変化を示す図である。 図１に示す制御コンピュータ４の構成を示すブロック図である。 負荷追従運転を実施した結果を示す図である。 商用系統が接続された構成を示すブロック図である。 分散型電源の特徴を示す説明図である。 ベースロード運転と買電一定運転の状態を示す説明図である。

符号の説明

１・・・ガスエンジン、２・・・二次電池、３・・・電力貯蔵装置、４・・・制御コンピュータ、５・・・負荷、６・・・計測できない負荷、７・・・商用系統、１１、１２、１３、１５、１７・・・電力計測器

Claims (2)

1. 負荷変動に対する追従性能の異なるガスエンジン発電機、二次電池及び電力貯蔵装置からなる分散型電源と、前記分散型電源の運転を制御する制御コンピュータと、前記ガスエンジン発電機の出力電力を計測する第１の電力計測器と、前記二次電池の出力電力を計測する第２の電力計測器と、前記電力貯蔵装置の出力電力を計測する第３の電力計測器とを備えるエネルギー供給システムにおいて、前記分散型電源を統合的に制御することによって負荷変動補償を行うに当たり、補償するべき負荷変動をそれぞれ前記各分散型電源のいずれかに分担させて補償する分散型電源の制御方法であって、
   前記制御コンピュータは、前記第１、第２及び第３の電力計測器のそれぞれにより計測された出力電力値を入力し、入力した３つの出力電力値の合計値から負荷推定値を求め、
   前記負荷推定値から前記ガスエンジン発電機の出力目標値を減算した差分を、前記二次電池の出力電力により補償するように前記二次電池の出力電力を制御し、
   前記負荷推定値から、前記ガスエンジン発電機の出力目標値と、前記二次電池の出力電力値とを減算した差分を、前記電力貯蔵装置により補償するように前記電力貯蔵装置の出力電力を制御することを特徴とする分散型電源の制御方法。
2. 負荷変動に対する追従性能の異なるガスエンジン発電機、二次電池及び電力貯蔵装置からなる分散型電源が商用系統に接続され、前記分散型電源の運転を制御する制御コンピュータと、前記ガスエンジン発電機の出力電力を計測する第１の電力計測器と、前記二次電池の出力電力を計測する第２の電力計測器と、前記電力貯蔵装置の出力電力を計測する第３の電力計測器と、前記商用系統から供給される電力を計測する第４の電力計測器とを備えるエネルギー供給システムにおいて、前記分散型電源を統合的に制御することによって負荷変動補償を行うに当たり、補償するべき負荷変動をそれぞれ前記各分散型電源のいずれかに分担させて補償する分散型電源の制御方法であって、
   前記制御コンピュータは、前記第１、第２、第３及び第４の電力計測器のそれぞれにより計測された出力電力値を入力し、入力した４つの出力電力値の合計値から負荷推定値を求め、
   前記負荷推定値から前記商用系統の買電目標値を減算した差分を、前記ガスエンジン発電機の出力電力により補償するように前記ガスエンジン発電機の出力電力を制御し、
   前記負荷推定値から、前記商用系統の買電目標値と、前記ガスエンジン発電機の出力電力値とを減算した差分を、前記二次電池の出力電力により補償するように前記二次電池の出力電力を制御し、
   前記負荷推定値から、前記商用系統の買電目標値と、前記ガスエンジン発電機の出力電力値と、前記二次電池の出力電力値とを減算した差分を、前記電力貯蔵装置により補償するように前記電力貯蔵装置の出力電力を制御することを特徴とする分散型電源の制御方法。

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