JP5127513B2 - 自然エネルギー発電装置の出力変動抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用系統と自然エネルギー発電装置との間に接続され自然エネルギー発電装置の出力変動を抑制する自然エネルギー発電装置の出力変動抑制装置に関する。

近年、風力発電装置や太陽光発電装置のような自然エネルギーを利用する自然エネルギー発電装置が商用系統に連系されるようになっている。一般に、自然エネルギー発電装置は出力が不安定であるので、出力電力変動を平滑化するようにしている。

図６は従来の出力変動抑制装置の構成図である。出力変動抑制装置３は商用系統１と自然エネルギー発電装置２との間に接続される。自然エネルギー発電装置２から出力される有効電力は電力検出器８ａで検出され出力変動抑制装置３の変動抑制制御装置４に入力される。

変動抑制制御装置４の移動平均演算手段１１は、電力検出器８ａの出力信号を入力して移動平均値を演算し、減算器１５で移動平均値と電力検出器８ａの出力信号との差分を演算し変換器制御装置７に出力する。変換器制御装置７は移動平均値と電力検出器８ａの出力信号との差分に基づいて、電力貯蔵部６に貯蔵された電力を電力変換器５で変換し商用系統１に出力する。なお、電力検出器８ｂは電力変換器５から商用系統１に出力される有効電力を検出するものであり、電力変換器５の有効電力が変動抑制制御装置４の出力信号と等しくなるように制御するために変換器制御装置７に入力される。

このように、従来の出力変動抑制装置では、自然エネルギー発電装置２の出力変化を移動平均演算手段１１で鈍化させたものと、自然エネルギー発電装置２の出力との差分に応じて電力変換器５で充放電するようにしている。

図７は自然エネルギー発電装置２の出力が急減したときの出力変動抑制装置の信号波形図である。図７に示すように、自然エネルギー発電装置２の出力が時点ｔ１で急減したとすると、移動平均演算手段１１の出力は時間をかけて追従する特性となる。従って、電力変換器５による充放電量である、自然エネルギー発電装置２の出力と移動平均演算手段１１の出力との差分はある期間正の値（放電）となる。その間、商用系統１への出力電力は移動平均演算手段１１の出力と等しい変動の小さいものになるとともに電力貯蔵部６の残量は減少し続ける。

逆に、図８のように自然エネルギー発電装置２の出力が時点ｔ１で急増したとすると、電力変換器５による充放電量である、自然エネルギー発電装置２の出力と移動平均演算手段１１の出力の差分はある期間負の値（充電）となる。その間、商用系統１への出力電力は移動平均演算手段１１の出力と等しい変動の小さいものになるとともに、電力貯蔵部６の残量は増加し続ける。

風力発電装置や太陽光発電装置などの分散電源による電力系統への出力変動を平滑化するものとしては、分散電源の出力と蓄電部の蓄電量を検出し、分散電源の出力の予め設定された期間の移動平均値を蓄電量に応じて予め設定された出力目標調整値で補正して、電力系統側への出力目標値を設定し、分散電源の出力が出力目標値よりも大きいときは、その余剰分を蓄電部に充電し、出力目標値よりも小さいときは、その不足分を蓄電部から放電して、電力系統側への出力が出力目標値になるように制御するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１７０４４号公報

ところが、従来の出力変動抑制装置においては、自然エネルギー発電装置２の出力変動及び移動平均演算手段１１の設定によっては放電または充電が長く続くことがある。また、充放電量には偏りが生じるため、電力貯蔵部６の残量が充放電末に達して充放電による変動抑制ができなくなることがある。

そこで、特許文献１のものでは、分散電源の出力が出力目標値よりも大きいときは、その余剰分を蓄電部に充電し、出力目標値よりも小さいときは、その不足分を蓄電部から放電して、電力系統側への出力が出力目標値になるように制御しているが、出力目標値は蓄電部の蓄電量に応じて調整されるので、蓄電部の残量が充放電末に達したかどうかの確認はできていない。

本発明の目的は、電力貯蔵部の残量が充放電末に達しにくくするとともに、充放電末に達した場合は速やかに変動抑制制御が可能な状態に復帰することのできる自然エネルギー発電装置の出力変動抑制装置を得ることである。

本発明に係わる自然エネルギー発電装置の出力変動抑制装置は、電力を貯蔵するための電力貯蔵部の電力を放電または充電する電力変換器と、自然エネルギー発電装置の出力変動値を平滑化して系統出力基準値とする移動平均演算手段と、前記電力貯蔵部のエネルギー残量と残量基準との差分から系統出力基準値の補正量を算出し系統出力基準値に補正を加える補正値演算手段と、前記電力貯蔵部のエネルギー残量から放電末を検出する放電末検出手段と、前記放電末検出手段で放電末が検出された場合に前記補正値演算手段で算出された補正量に基づき系統出力基準値を増加させる放電末対応手段と、前記充電末検出手段で充電末が検出された場合に前記補正値演算手段で算出された補正量に基づき系統出力基準値を減少させる充電末対応手段と、前記系統出力基準値と自然エネルギー発電装置の出力の差分を指令値として前記電力変換器の出力を制御する変換器制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電力貯蔵部の残量が充放電末に達しにくくするとともに、充放電末に達した場合は速やかに変動抑制制御が可能な状態に復帰することのできる自然エネルギー発電装置の出力変動抑制装置を得ることができる。

図１は本発明の実施の形態に係わる自然エネルギー発電装置の出力変動抑制装置の構成図である。商用系統１には太陽光発電などの自然エネルギー発電装置２が接続されている。出力変動抑制装置３は、商用系統１と自然エネルギー発電装置２との間に位置し、自然エネルギー発電装置２の出力変動を抑制するものである。自然エネルギー発電装置２から出力される有効電力は電力検出器８ａで検出され出力変動抑制装置３に入力される。

出力変動抑制装置３は、変動抑制制御装置４と、電力変換器５と、電力貯蔵部６と、変換器制御装置７と、電力検出器８ｂと、残量検出器９とから構成される。電力貯蔵部６は出力変動抑制に必要な電力を貯蔵するものであり、電力貯蔵部６の電力貯蔵量は残量検出器９で検出され変動抑制制御装置４に入力される。変動抑制制御装置４は電力検出器８ａの出力信号と残量検出器９の出力信号とに基づいて、出力変動抑制するための指令を変換器制御装置７に出力する。電力検出器８ｂは電力変換器５から入出力される電力を検出するものであり、変換器制御装置７は電力検出器８ｂの出力信号と変動抑制制御装置４の出力信号に基づいて、電力変換器５を制御し、電力貯蔵部６に貯蔵された電力を商用系統１に出力する。

また、変動抑制制御装置４の移動平均演算手段１１は、電力検出器８ａの出力信号を入力して移動平均値を演算し、系統出力基準値として加算器１８ａに出力する。補正値演算手段２４は残量検出器９の出力信号に基づいて系統出力基準値の補正値を演算するものであり、残量検出器９の出力信号と残量基準値Ｒｒｅｆとの差分を減算器１５ａで演算し、その差分が不感帯１６の設定値の範囲を逸脱したときに、その逸脱量に応じた信号を乗算器１７に出力し、乗算器１７では定数設定手段１４に設定された係数を乗算して補正信号として加算器１８ａに出力する。

放電末検出手段１２は残量検出器９の出力信号を入力し、電力貯蔵部６の貯蔵された電力が放電末であることを検出する。放電末検出手段１２は残量検出器９の出力信号が放電末レベルであるか否かを判定するためのレベル検出器２２ａ、２２ｂと、放電末レベルであることを検出するレベル検出器２２ａの出力信号をセット信号とし、放電末レベルを回復したことを検出するレベル検出器２２ｂの出力信号をリセット信号とするフリップフロップ２３ａとから構成される。

また、充電末検出手段１３は残量検出器９の出力信号を入力し、電力貯蔵部６の貯蔵された電力が充電末であることを検出する。充電末検出手段１３は残量検出器９の出力信号が充電末レベルであるか否かを判定するためのレベル検出器２２ｃ、２２ｄと、充電末レベルであることを検出するレベル検出器２２ｃの出力信号をセット信号とし、充電末レベルを回復したことを検出するレベル検出器２２ｄの出力信号をリセット信号とするフリップフロップ２３ｂとから構成される。

定数設定手段１４は、放電末検出手段１２の出力信号と充電末検出手段１３の出力信号に基づいて、補正値演算手段２４の不感帯１６の不感帯設定値及び乗算器１７の係数を設定するものである。

放電末対応手段２５は、放電末検出手段１２の出力信号に基づいて加算器１８ａの出力信号と０の出力信号とのいずれかを選択する選択回路１９ａと、系統出力基準値の増加側変化率に制限を加える増加側変化率制限手段２０と、増加側変化率制限手段２０の出力信号と加算器１８ａの出力信号の差分を演算する減算器１５ｂとから構成される。選択回路１９ａでは放電末レベルであるときに０の出力信号を選択する。

充電末対応手段２６は、充電末検出手段１３の出力信号に基づいて加算器１８ａの出力信号と放電設定値Ｐｄｉｓとのいずれかを選択する選択回路１９ｂと、系統出力基準値の減少側変化率に制限を加える減少側変化率制限手段２１と、減少側変化率制限手段２１の出力信号と加算器１８ａの出力信号の差分を演算する減算器１５ｃとから構成される。選択回路１９ｂでは充電末レベルであるときに放電設定値Ｐｄｉｓの出力信号を選択する。

加算器１８ｂは、加算器１８ａの出力信号と減算器１５ｂの出力信号及び減算器１５ｃの出力信号を合算し、加算器１８ｂの出力信号と電力検出器８ａの出力信号との差分を減算器１５ｄで演算し変換器制御装置７に出力する。

次に、通常時の出力変動抑制装置３の動作を説明する。まず、補正値演算手段２４において、電力貯蔵部６の残量を表す残量検出器９の出力と残量基準値Ｒｒｅｆとの差分が定数設定手段１４によって設定された不感帯設定値の範囲内であれば不感帯１６の出力は０となる。これにより、乗算器１７の出力も０となり、補正値演算手段２４からの補正値は０となる。従って、移動平均演算手段１１の出力が加算器１８ａの出力となる。

このとき、電力貯蔵部６の残量は放電末レベルＲｍｉｎに達しておらず、レベル検出器２２ａの出力は「０」となるので、フリップフロップ２３ａの出力、すなわち放電末検出手段１２の出力は「０」であり、増加側変化率制限手段２０には加算器１８ａの出力が入力される。また、電力貯蔵部６の残量は充電末レベルＲｍａｘに達しておらず、レベル検出器２２ｃの出力は「０」となるのでフリップフロップ２３ｂの出力、すなわち充電末検出手段１３の出力は「０」であり、減少側変化率制限手段２１にも加算器１８ａの出力が入力される。

増加側変化率制限手段２０の出力は入力信号が予め設定している変化率を増加側で上回るときにその変化率の単調増加となり、下回るときは入力信号と等しくなる。同様に、減少側変化率制限手段２１の出力は入力信号が予め設定している変化率を減少側で上回るときその変化率の単調減少となり、下回るときは入力信号と等しくなる。

移動平均演算手段１１では電力検出器８ａで検出された自然エネルギー発電装置２の有効電力出力値を増加側変化率制限手段２０及び減少側変化率制限手段２１に予め設定している変化率以下に鈍化させるので、増加側変化率制限手段２０及び減少側変化率制限手段２１の出力は加算器１８ａの出力と等しくなる。よって、増加側変化率制限手段２０の出力から加算器１８ａの出力を減じる減算器１５ｂ及び減少側変化率制限手段２１の出力から加算器１８ａの出力を減じる減算器１５ｃの出力は共に０となる。

その結果、加算器１８ｂの出力は加算器１８ａの出力と等しく、移動平均演算手段１１の出力と等しいことになる。加算器１８ｂの出力を商用系統へ出力する有効電力の基準値（系統出力基準値）とし、減算器１５ｄでは加算器１８ｂの出力から電力検出器８ａの出力を減じて電力変換器５の有効電力指令値とし、変換器制御装置７に入力され、有効電力指令値通りに電力変換器５の電力が制御されるので、商用系統への電力は移動平均演算手段１１の出力信号と等価になり、急峻な出力変動は抑制される。

次に、図２を用いて、充電末に達しないものの電力貯蔵部６の残量が多くなり、補正値演算手段２４により系統出力基準値が増加する場合の動作の一例を説明する。いま、時点ｔ１で自然エネルギー発電装置２の出力が急増したとすると、移動平均演算手段１１の出力は時間をかけて追従する特性となる。

また、補正値演算手段２４の不感帯１６の出力は残量検出器９の出力と残量基準値Ｒｒｅｆとの差分に比例した正の数値となり、乗算器１７の出力は不感帯１６の出力と常に正の数値である定数設定手段１４の出力との積である正の数値となる。

加算器１８ａの出力は移動平均演算手段１１の出力と乗算器１７の出力との和であり、移動平均演算手段１１の出力より増加する。電力貯蔵部６は充電末及び放電末に達していないので放電末検出手段１２及び充電末検出手段１３の出力信号は「０」であり、選択回路１９ａ及び１９ｂの出力は加算器１８ａの出力となる。

加算器１８ａの出力が増加なので減少側変化率制限手段２１の出力は加算器１８ａと等しくなり、減算器１５ｃの出力は０となる。加算器１８ａの出力が変化率設定値より低い場合は、増加側変化率制限手段２０の出力も加算器１８ａと等しくなり、減算器１５ｂの出力は０となる。その結果、系統出力基準値である加算器１８ｂの出力は加算器１８ａと等しく、移動平均演算手段１１の出力より大きいものとなる。系統出力が増加することで時点ｔ２から電力変換器５による充電量の減少が加速し、時点ｔ３からは放電となって電力貯蔵部６の残量が残量基準値Ｒｒｅｆに近づくように作用する。

なお、加算器１８ａの出力の変化率が変化率設定値より高い場合は、増加側変化率制限手段２０の出力が加算器１８ａよりも低値の変化率設定値による単調増加となるので、減算器１５ｂの出力は変化率の超過分に応じた負の数値となる。その結果、加算器１８ｂの出力は変化率設定値を超過しない系統出力基準値となるので、商用系統１への出力電力を一定の変化率に抑えるように作用する。

次に、図３を用いて、放電末に達しないものの電力貯蔵部６の残量が少なくなり、補正値演算手段２４により系統出力基準値が減少する場合の動作の一例を説明する。自然エネルギー発電装置２の出力が時点ｔ１で急減したとすると、移動平均演算手段１１の出力は時間をかけて追従する特性となる。

また、補正値演算手段２４の不感帯１６の出力は残量検出器９の出力と残量基準値Ｒｒｅｆとの差分に比例した負の数値となり、乗算器１７の出力は不感帯１６の出力と常に正の数値である定数設定手段１４の出力との積である負の数値となる。

加算器１８ａの出力は移動平均演算手段１１と乗算器１７の和であり、移動平均演算手段１１の出力より小さくなる。充電末及び放電末に達していないので放電末検出手段１２及び充電末検出手段１３の出力信号は「０」であり、選択回路１９ａ及び１９ｂの出力は加算器１８ａの出力となる。加算器１８ａの出力が減少なので増加側変化率制限手段２０の出力は加算器１８ａと等しくなり、減算器１５ｃの出力は０となる。加算器１８ａの出力が変化率設定値より低い場合は、減少側変化率制限手段２１の出力も加算器１８ａと等しくなり、減算器１５ｂの出力は０となる。その結果、系統出力基準値である加算器１８ｂの出力は加算器１８ａと等しく、移動平均演算手段１１の出力より小さいものとなる。系統出力が減少することで時点ｔ２から電力変換器５による放電の減少が加速し、時点ｔ３からは充電となって電力貯蔵部６の残量が残量基準値Ｒｒｅｆに近づくように作用する。

なお、加算器１８ａの出力の変化率が変化率設定値より高い場合は、減少側変化率制限手段２１の出力が加算器１８ａよりも低値の変化率設定値による単調減少となるので、減算器１５ｃの出力は変化率の超過分に応じた正の数値となる。その結果、加算器１８ｂの出力は変化率設定値を超過しない系統出力基準値となるので、系統への出力電力を一定の変化率に抑えるように作用する。

次に、図４を用いて、充電末に達した場合の動作の一例を説明する。いま、時点ｔ１で自然エネルギー発電装置２の出力が急増したとすると、移動平均演算手段１１の出力は時間をかけて追従する特性となる。また、電力貯蔵部６の残量が増加していくと、時点ｔ２で不感帯を超過して不感帯１６の出力が正の値となり、不感帯１６の出力に定数設定手段１４の出力を乗じた分だけ加算器１８ａ、１８ｂの出力（系統出力基準値）は移動平均演算手段１１の出力より増加する。

その増加分が足りなければ時点ｔ２以降も自然エネルギー発電装置２の出力が系統出力より大きい状態、すなわち充電状態が継続するため電力貯蔵部の残量は増加し時点ｔ３で充電末に達する。充電末に達して充電末検出手段１３の出力が「１」になると、選択回路１９ｂによって減少側変化率制限手段２１の入力が加算器１８ａの出力から放電設定値Ｐｄｉｓに切り替わる。放電設定値Ｐｄｉｓは自然エネルギー発電装置２の定格出力に１．０を超える係数（例えば１．２）を乗じたものであり、選択回路１９ｂの切り替わりによって減少側変化率制限手段２１の出力は瞬時に放電設定値Ｐｄｉｓとなる。

このとき、減算器１５ｂの出力は０なので、加算器１８ｂの出力は減少側変化率制限手段２１の出力となる（加算器１８ｂの出力＝加算器１８ａの出力＋減少側変化率制限手段２１の出力−加算器１８ａの出力）。系統出力基準値である加算器１８ｂの出力は時点ｔ３で急増し、系統出力基準値が自然エネルギー発電装置２の出力を超過する放電状態となるので電力貯蔵部６の残量は減少に転じる。

そして、電力貯蔵部６の残量が復帰基準Ｒｍｉｄ（例えば、充放電量の中間点）に達する時点ｔ４では充電末検出手段１３がリセットされて出力が「０」となり、選択回路１９ｂの出力が加算器１８ａの出力に切り替わる。減少側変化率制限手段２１の出力は変化率設定値に応じて単調減少し、加算器１８ａの出力と等しくなる時点ｔ５以降は充放電末に達しない場合と同様の作用となる。

次に、図５を用いて、放電末に達した場合の動作の一例を説明する。自然エネルギー発電装置２の出力が時点ｔ１で急減したとすると、移動平均演算手段１１の出力は時間をかけて追従する特性となる。これにより、電力貯蔵部６の残量が減少していくと、時点ｔ２で不感帯を超過して不感帯１６の出力が負の値となり、不感帯１６の出力に定数設定手段１４の出力を乗じた分だけ加算器１８ａ、１８ｂの出力（系統出力基準値）は移動平均演算手段１１の出力より減少する。

その減少分が足りなければ時点ｔ２以降も自然エネルギー発電装置２の出力が系統出力より小さい状態、すなわち放電状態が継続するため電力貯蔵部６の残量は減少し、時点ｔ３で放電末に達する。放電末に達して放電末検出手段１２の出力が「１」になると、選択回路１９ａによって増加側変化率制限手段２０の入力が加算器１８ａの出力から０に切り替わり、増加側変化率制限手段２０の出力は瞬時に０となる。このとき、減算器１５ｃの出力は０なので、加算器１８ｂの出力は増加側変化率制限手段２０の出力となる（加算器１８ｂの出力＝加算器１８ａの出力＋増加側変化率制限手段２０の出力−加算器１８ａの出力）。系統出力基準値である加算器１８ｂの出力は時点ｔ３で急減し、系統出力基準値が自然エネルギー発電装置２の出力を下回る充電状態となるので電力貯蔵部６の残量は増加に転じる。

そして、電力貯蔵部６の残量が復帰基準Ｒｍｉｄ（例えば、充放電量の中間点）に達する時点ｔ４では放電末検出手段１２がリセットされて出力が「０」となり、選択回路１９ａの出力が加算器１８ａの出力に切り替わる。増加側変化率制限手段２０の出力は変化率設定値に応じて単調増加し、加算器１８ａの出力と等しくなる時点ｔ５以降は充放電末に達しない場合と同様の作用となる。

次に、定数設定手段１４の動作を説明する。定数設定手段１４には予め不感帯１６の初期設定値と乗算器１７に対する係数の初期値、及び不感帯設定値の変更幅と乗算器１７に対する係数の変更幅、係数の最大値が設定される。初期設定値を用いて制御する過程において、放電末検出手段１２または充電末検出手段１３の出力のいずれかが「１」になる度に定数設定手段１４は乗算器１７に対する係数を変更幅分だけ増加させていく。

そして、係数の最大値に達したら、不感帯設定値を変更幅分だけ減少させた上で乗算器１７に対する係数を初期値に戻す。以上により、充放電末に達する度に乗算器１７に対する係数が増加するので、電力貯蔵部６の残量に応じた系統出力基準値の補正量が増加するとともに、係数が最大値に達した場合には不感帯設定値を減少させることでさらに補正量が増加するので、電力貯蔵部６の残量が充放電末に達しにくくなるように作用する。

本発明の実施の形態によれば、移動平均演算手段１１の出力を系統出力基準値として、過不足を電力変換器５で充放電することにより自然エネルギー発電装置２の出力変動を抑制できるとともに、電力貯蔵部６の残量に応じて系統出力基準値を補正することで残量が多くなると放電となるように、残量が少なくなると充電となるように動作するので、充放電末に達して制御不能となる頻度を減少させることができる。

また、充電末に達した場合には放電に、放電末に達した場合には充電に切り替わる系統出力基準値とすることにより、充放電末から回復することができる。さらに、充放電末に達する度に定数設定手段１４で系統出力基準値の補正に関わる不感帯設定値と係数を変更させることにより、充放電末に達しにくい制御定数に自動的に調整することができる。

本発明の実施の形態に係わる自然エネルギー発電装置の出力変動抑制装置の構成図。 本発明の実施の形態における補正値演算手段により系統出力基準値が増加する場合の動作の一例を示す信号波形図。 本発明の実施の形態における補正値演算手段により系統出力基準値が減少する場合の動作の一例を示す信号波形図。 本発明の実施の形態における電力貯蔵部が充電末に達した場合の動作の一例を示す信号波形図。 本発明の実施の形態における電力貯蔵部が放電末に達した場合の動作の一例を示す信号波形図。 従来の出力変動抑制装置の構成図。 自然エネルギー発電装置の出力が急減したときの従来の出力変動抑制装置の信号波形図。 自然エネルギー発電装置の出力が急増したときの従来の出力変動抑制装置の信号波形図。

符号の説明

１…商用系統、２…自然エネルギー発電装置、３…出力変動抑制装置、４…変動抑制制御装置、５…電力変換器、６…電力貯蔵部、７…変換器制御装置、８…電力検出器、９…残量検出手段、１１…移動平均演算手段、１２…放電末検出手段、１３…充電末検出手段、１４…定数設定手段、１５…減算器、１６…不感帯、１７…乗算器、１８…加算器、１９…選択回路、２０…増加側変化率制限手段、２１…減少側変化率制限手段、２２…レベル検出器、２３…フリップフロップ、２４…補正値演算手段、２５…放電末対応手段、２６…、充電末対応手段

Claims (2)

1. 電力を貯蔵するための電力貯蔵部の電力を放電または充電する電力変換器と、自然エネルギー発電装置の出力変動値を平滑化して系統出力基準値とする移動平均演算手段と、前記電力貯蔵部のエネルギー残量と残量基準との差分から系統出力基準値の補正量を算出し系統出力基準値に補正を加える補正値演算手段と、前記電力貯蔵部のエネルギー残量から放電末を検出する放電末検出手段と、前記放電末検出手段で放電末が検出された場合に前記補正値演算手段で算出された補正量に基づき系統出力基準値を増加させる放電末対応手段と、前記充電末検出手段で充電末が検出された場合に前記補正値演算手段で算出された補正量に基づき系統出力基準値を減少させる充電末対応手段と、前記系統出力基準値と自然エネルギー発電装置の出力の差分を指令値として前記電力変換器の出力を制御する変換器制御装置とを備えたことを特徴とする自然エネルギー発電装置の出力変動抑制装置。
2. 前記放電末検出手段で放電末が検出された場合、または充電末検出手段で充電末が検出された場合に、前記補正値演算手段で計算される補正値が増加するように計算に用いる定数を変更する定数設定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の自然エネルギー発電装置の出力変動抑制装置。

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