JP5823646B1 - 自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この為にソーラーメーカーは新たに出力制限機能を搭載する事が要求されており、平成27年度中を目標に技術開発を行っている。
従って、これらの条件が揃うまでは新規事業は実質的には成立困難な状況となっている。
但し、この場合は過去の気象情報を基準にしているので当日出力抑制の必要が無い場合でも出力抑制に至ってしまい、経済的にもCO2削減の観点からも不利であり、これらの厳しい条件をクリアしてでも再度参入しようとする発電業者が激減している。
なお、特許文献1は、電力網安定の為に負荷(電力消費側)側の空調動力を滑らかに制御する目標値設定型需要電力比例制御装置であり、自動制御可能負荷である排気施設を含む空調機器に対してのみ、全ての負荷の消費電力を目標値に制御するための制御信号を出力するので、自動制御可能負荷に含まれない生産機械による生産効率の低下を回避できると共に事業所の消費電力を任意の目標値に向かって自由に制御できるという効果を奏する。
従って、配電系統に流れ込む電力(再生可能エネルギー分)が多過ぎると予想すれば、再生可能エネルギー発電を停止する。
なお、パワーコンデショナー14は、発電された電力を直流から交流に変換する電力変換機であり、太陽光発電設備である太陽光パネル12に各々接続されている。
なお、電力網安定の為に負荷(電力消費側)側の空調動力を滑らかに制御する特許文献1に対して、本発明は電力供給側の再生可能エネルギー発電電力側を滑らかに制御する技術である点で明確に相違する。
ここで、各PCSメーカーにより、図1に示すように、PCS14内部のPCS電力出口部15に設置された電圧抑制回路(図示省略)は、出力が210Vとなるように制御しているが、PCSの210Vから6600Vに変換する変圧器13までの低圧側送電線16による電圧降下や変圧器13の巻き線比率及び電圧降下、更に変圧器13から瞬時電力検出器3までの高圧送電線17及び瞬時電力検出器3から電圧位相周波数検出器2までの高圧送電線18による電圧降下による送り出し電力の低下を防ぐために、実際は210Vより高めに設定されている。これらの理由によって結果的に必ずしも正確な送電網の電圧を保障できていない。本発明は、これらの問題点を解決すべく最終末端側送電点での正確な電圧位相等の品質を管理して制御を行なうので、精度と信頼性が格段に改善される。また、本発明によって、複数のPCSの設定変更を現地での発電電力の設定操作のみによって不要となる。更に、系統連係側からの有線信号、無線信号やWebによる発電電力の遠隔操作によって系統側の必要とする再生可能エネルギー全体発電電力の制御が可能となり、今後世界的にも有効活用が期待されている再生可能エネルギーによるCO2削減と電力網の安定に大きく寄与できる。
また、目標値(出力設定値)を低めにすれば、ある程度の気候変動(日射量)を吸収出来るので、系統連係側にも安全で優しい安定した再生可能エネルギー発電設備の構築が可能となった。
従って、扱い難い発電設備だった従来の再生可能エネルギー発電に比較し、安定的に運用が出来る自然に優しく、電力網の安定にも寄与出来る様になった。
つまり、カレンダー情報によって多少の気象変動(雲や影)の影響を受ける従来の再生可能エネルギー発電に比較し、安定した優秀な発電設備とする事が可能となった。
電力変換機が比例制御式電力調節機能に代えて、ON又はOFF信号により起動又は停止するON/OFF起動停止機能を有する場合でも、出力信号部から、比較信号に対応する数の前記電力変換機のみを起動させ、その他の前記電力変換機を停止するように、電力変換機に対して操作量に代えてON又はOFF信号を出力することにより、出力される電力を簡便に制御することが可能である。
本発明は、自然条件によって発電電力が左右されて安定しない電力であると認識されて来た従来の再生可能エネルギー発電の問題を次の方法で解決して安定した発電設備としたものである。
太陽光パネル12は、再生可能エネルギーである太陽光から電力を発電する太陽光発電設備であり、図中では、10台の太陽光パネル12が示されている。
太陽光パネル12には、発電された電力を直流から交流に変換して出力する電力変換機であるパワーコンデショナー14が各々接続されている。
パワーコンデショナー14から送電点1までの間には、変圧器13、瞬時電力検出器(有効、皮相値、力率)3、電圧位相周波数検出器2、発電電力量計11が順に介装されている。
この全体発電電力フィードバック制御の機能により一部のパワーコンデショナー14の不調が発生して能力が低下しても、他の健全なパワーコンデショナー14を有効活用すれば、全体で能力を保証して出力電力が安定するというメリットがある。
標準信号としては、図5に示すように、例えば、瞬時電力2000kw(100%)を20mAとして、瞬時電力0kw(0%)を4mAとし、瞬時電力(kW)に対して直線的に変化する直流アナログ信号(DC4〜20mA,又は1〜5V)が一般に用いられる。
以下の実施例では、直流アナログ信号(DC4〜20mA)を使用したアナログ制御について説明するが、制御の本質は、アナログでもデジタルでも相違はない。
一時遅れ変換器9は、一時的な時間遅延により、時間的にギザギザに変動する波形を滑らかな波形に変換するフィルターとしての機能を持つものである。
比較部4は、瞬時電力検出器3で検出された瞬時電力と、発電電力設定部5で設定された目標値とを、標準信号として比較して、比較信号を制御部6へ出力する。
一方、発電電力設定部5で設定される目標値は、例えば、標準信号として18.4mAであるとする。つまり、最大値に対して10%の絞り機能を持つものとし、目標値は、最大発電量2000kw×(18.4mA−4mA)/16mA=1800kw(90%)とする。
比較信号によれば、太陽光パネル12で発電された電力が、目標値に対して、どの程度上回っているか、又は、下回っているか評価できることになる。なお、比較信号も、結局、標準信号となる。
そうすると、瞬時電力検出部3で検出される瞬時電力である標準信号が現在の値である19.2mAが目標値18.4mAに一致するためには、現在の操作量を{(18.4mA−19.2mA)/(19.2mA−4mA)}≒−5.3%増減する。つまり、現在の操作量の約94.7%(≒100%−5.3%)とした新たな操作量をパワーコンデショナー14へ出力する。
これにより、瞬時電力検出器3で瞬時電力1800kwとして検出される標準信号は(1800kw/2000kw)×16mA+4mA≒18.4mAとなる。つまり、目標値18.4mAに近い値となる。
例えば、曇天の場合には、瞬時電力検出部3で検出される瞬時電力が1700kw(85%)となる場合もあり、そのときは、瞬時電力検出器3から瞬時電力として出力される標準信号は(1700kw/2000kw)×(20mA−4mA)+4mA=17.6mAとなる。
比較部4は、目標値に対する瞬時電力の差を求め、(18.4mA−17.6mA)=0.8mAを比較信号として出力する。
制御部6は、比較部4から出力された比較信号に基づき、瞬時電力検出部3で検出される瞬時電力である標準信号が現在の値である17.6mAから目標値18.4mAに近づくよう、例えば、現在の操作量を{(18.4mA−17.6mA)/(17.6mA−4mA)}≒5.8%増減する。つまり、現在の操作量の約105.8%(≒100%+5.8%)とした新たな操作量をパワーコンデショナー14へ出力する。
この出力信号変換器8は、各メーカ毎にパワーコンデショナー14が受け入れ可能な操作量が異なるために、パワーコンデショナー14に受け入れ可能な操作量に変換してパワーコンデショナー14へ出力する装置である。
つまり、瞬時電力検出器3、発電電力設定部5、比較部4、制御部6、出力信号部7の全てにおいて、標準信号を使用できることになる。
発電電力設定部5は、図3に示すように、情報処理部10により求められた発電量設定値に基づき目標値を設定する。設定された目標値に基づき、制御系100を介して操作量がパワーコンデショナー14に出力され、太陽光パネル12で発電される電力が制御される一方、発電電力報告機能30を介して必要な情報が電力会社システム管理者50に供給される。制御系100は、図1における比較部4、制御部6、出力信号部7の総称である。
過去の電力需給に関するカレンダー情報20とは、過去の暦における系統電力の状態や日射量等の情報であり、カレンダー情報20による発電抑制指令とは、再生可能エネルギー分よりも系統に掛る電力負荷が少なくなるであろうと予測したときには再生可能エネルギー発電を抑制する指令のことを言う。カレンダー情報20は、web上に保管することができる。
系統電圧位相周波数情報25とは、電圧位相周波数検出器2で検出される系統の電圧、位相及び周波数の情報のことである。
情報処理部10はこれらの情報を基に演算処理を行って発電電力設定部5に発電量設定値(例80〜90%)を出力する。
このように、情報処理部10は、電圧位相周波数検出器2で検出される系統の電圧が一定値以上の電圧の場合には、つまり、電力余剰のときには、発電を抑制するように発電量設定値を求めるのである。
どの程度に発電量設定値を設定するかは、以下の通りである。
この場合にカレンダー情報に基づく予想(過去のデーターが基準)に反して、それ程の日射がなくても、従来では発電を抑制してしまうので、経済的にもCO2削減に於いても不利であった。
再生可能エネルギー発電電力40は、発電抑制されない場合、図4に一点鎖線で示すように、朝方から上昇して、正午で略ピークとなり、午後は次第に減少するのに対し、カレンダー情報に基づいて予想抑制される発電電力分(再生可能エネルギー分)41は、図中破線で示すように、例えば、終日一定である。
そのため、従来では、午前A時から午後B時までは、再生可能エネルギー発電を停止していた。つまり、発電電力分(再生可能エネルギー分)41は、再生可能エネルギー発電を停止する発電停止線であった。
従来では、再生可能エネルギー発電を停止していたため、実際の電力負荷42に対して不足する電力を火力発電等で補うことになっていた。
これに対し、本発明では、カレンダー方式により予測された発電電力分(再生可能エネルギー分)41より大きく、実際の電力負荷(デマンド)42より低くなるように、発電量設定値を設定することにより、図中二点鎖線で示すように、本発明により制御された発電電力43とするのである。
この様に、本発明は、再生可能エネルギー発電が瞬時電力に基づく制御機能を持つため、カレンダー予想と云う不確定な予測情報で基づく不確実な発電制御(発電抑制)はなく、リアルタイムで正確で経済的な発電が可能となる。また、CO2削減にも有利となる。
また、再生可能エネルギーの瞬時電力を自由に制御出来るので、安定した電力管理が可能となった。
上述した通り、平成27年1月22日の通達によって出力抑制が義務化されたが、現実的には現場に設置される膨大な数のパワーコンデショナ(PCS)のパラメーター等を人力で変更する等の技術的未解決項目が多く残っていた。
更に、現有技術のカレンダー情報に基づく予測による出力抑制方式では、当日の気象状況で発電可能な日まで出力抑制せざるを得ないが、本発明では系統安定上許される範囲内で可能な限り発電電力を確保出来るようになった。
従って、本発明によれば,不安定である事が当然とされた再生可能エネルギーが安定で系統連係にもCO2削減にも有効な発電設備となる。
なお、電気事業法の規定では、一定規模以上の発電設備の起動停止に於いては、電気主任技術者の立会等が義務付けられている。
また、出力信号部7は、制御部6により調整された比較信号に対応する数のパワーコンデショナー14のみを起動させ、その他のパワーコンデショナー14を停止するように、パワーコンデショナー14に対して操作量に代えてON又はOFF信号を出力する点にも特徴がある。
上記例と同様に、瞬時電力検出器3で検出される瞬時電力1900kw(95%)のときは、瞬時電力検出器3から瞬時電力として出力される標準信号は19.2mAとなる一方、発電電力設定部5で設定される目標値は、例えば、電圧として1800kw(90%)、標準信号として18.4mAであるとする。
制御部6は、比較部4から出力された比較信号に基づき、上記の例で言えば、瞬時電力検出部3で検出される瞬時電力が目標値設定部5で設定された目標値に近づくよう、言い換えると、瞬時電力検出部3で検出される瞬時電力である標準信号が現在の値である19.2mAから目標値18.4mAに近づくよう、計装分野において従来周知の各種の調節を行う点までは実施例1と同様である。
しかし、本実施例のパワーコンデショナー14は、比例制御式電力調節機能を持たない。
そこで、出力信号部7は、操作量に代えて、比較信号に対応する数のパワーコンデショナー14のみを起動させ、その他のパワーコンデショナー14を停止するように、パワーコンデショナー14に対してON又はOFF信号を出力する。
これにより、19台のパワーコンデショナー14は起動を継続し、1台のパワーコンデショナー14は停止する。要するに、(1/20)=5%の発電量を抑制するのである。
本実施例では、出力信号部7からのOFF信号により複数のパワーコンデショナー14の一部を停止させるので、パワーコンデショナー14の数に応じて発電量はステップ状(階段状)に制御されることになる。本実施例の場合は、20段階に制御されることになる。
その他の構成は、前述した実施例と同様であり、同様な作用効果を奏する。
2 電圧位相周波数検出器
3 瞬時電力検出器
4 比較部
5 発電電力設定部
6 制御部
7 出力信号部
8 出力信号変換部
9 一時遅れ変換器
11 発電電力量計
10 情報処理部
12 太陽光パネル
13 変圧器
14 パワーコンデショナー(PCS)
15 PCS電力出口部
16 低圧側送電線
17 高圧側送電線
18 高圧側送電線
20 カレンダー情報
21 電気保安員等の人手
22 パソコン等の機器
23 発電抑制指令
24 気象情報
25 系統電圧位相周波数情報
30 発電電力報告機能
40 再生可能エネルギー発電電力(発電抑制されない)
41 カレンダー情報に基づいて予想抑制される発電電力分(再生可能エネルギー分)
42 実際の電力負荷(デマンド)
43 本発明により制御された発電電力
50 電力会社システム管理者
100 制御系
E 電力会社
Claims (3)
- 再生可能エネルギーから電力を発電する1又は2台以上の発電設備に各々接続され、前記発電設備で発電された電力を直流から交流に変換して出力すると共に出力する電力を操作量に比例して調節する比例制御式電力調節機能を有する電力変換機と、
前記電力変換機から出力される電力の瞬時電力を検出する瞬時電力検出器と、
前記瞬時電力検出器で検出された前記瞬時電力と発電電力設定部で設定された目標値とを比較して比較信号を出力する比較部と、
前記比較部により出力された比較信号を調節する制御部と、
前記制御部で調節された前記比較信号を前記電力変換機へ前記操作量として出力する出力信号部とを備える自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置において、
前記発電電力設定部は、情報処理部により求められた発電量設定値に基づき前記目標値を設定し、
前記情報処理部は、過去の電力需給に関するカレンダー情報に基づいて予測された予測電力負荷に比較し、当日の実際の気象情報及び系統電圧位相周波数により変動する実電力負荷が大きいときは、前記電力変換機から出力される電力が前記予測電力負荷よりも大きく、前記実電力負荷よりも小さくなるように、前記発電量設定値を設定すること
を特徴とする自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置。 - 請求項1記載の自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置において、
前記瞬時電力検出器で検出される前記瞬時電力、前記発電電力設定部で設定される前記目標値及び前記比較部により出力される比較信号として、計装標準信号(デジタル信号を含む)が使用されることを特徴とする自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置。 - 請求項1記載の自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置において、
前記カレンダー情報は、web上に保管される
ことを特徴とする自律式安定供給型再生可能エネルギー制御装置。
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