JP6503155B2 - 分散電源の出力変動抑制システム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、分散電源の出力変動を抑制し、電力系統への電圧変動及び周波数変動を減少させることを可能とした分散電源の出力変動抑制システムに関する。

近年、環境とエネルギーに対する関心が高まり、太陽光発電、風力発電等の分散電源の導入が進められている。その一方で、分散電源は従来広く採用されている火力、原子力などの発電所などの大規模集中型電源に比較すると、出力変動が大きく、特に自然エネルギーを利用した分散電源は、自然条件の変化によって発電電力が変動するため、分散電源の導入量が増加すると、それに連系する電力系統に周波数変動や電圧変動等の悪影響を及ぼす可能性がある。

その対策の一つとして、特許文献１や特許文献２に記載されるように、分散電源にリチウムイオン電池などの充放電可能な蓄電装置を併設し、その電力系統に対する出力電圧の変動を抑制する技術が提案されている。これらの技術は、蓄電装置にその充放電を制御する制御部を設け、分散電源の発電電力αとその移動平均βの差分α−βに基づいて、この制御部から蓄電装置に対して充放電指令を出力することにより、分散電源の出力変動を蓄電装置により吸収し、分散電源から連系系統に対する出力変動を抑制するものである。

すなわち、蓄電装置に設けられた制御部は、分散電源の出力を計測して単位時間内における分散電源の出力の移動平均βを求め、分散電源の発電電力αが移動平均βを上回ったときには、その余剰分を蓄電装置に充電し、分散電源の発電電力が移動平均βを下回ったときには、その不足分を蓄電装置から放電して、分散電源による電力変動を平滑化している。

特許第４３５３４４６号公報 特開２０１３−０３８９６０号公報

分散電源として広く採用されている太陽光発電における出力電力の変動は、気象条件によるが、太陽と太陽電池の間に雲などの太陽光遮蔽物が横切る場合、短時間で定格電力の５０％以上の変動が発生する。変動時間は、風速や太陽電池パネルの縦横比と風向などの遮蔽物の動きに大きく依存するため、それに見合う制御応答性が要求される。しかし、従来技術では、分散電源の出力変動を吸収する蓄電装置の充放電動作は、発電電力αやその移動平均βに基づいて演算された充放電制御装置からの指令によって制御されていたため、応答速度に限界が有り、瞬時に変化する風向きなどの気象条件に追従することが難しい。その結果、従来技術においては、発電電力の変動に対する充放電指令に遅れが生じ、系統電力の変動が生じるという欠点がある。

前記の様に、太陽光パネルなどの自然エネルギーを源とした分散電源は、気象条件などの要因で出力が大きく変動する。同一地域に送配電系統の許容値を超える分散電源が接続されると系統の電圧や周波数が変動することから分散電源の出力変動を抑制する必要が生じている。しかしながら、分散電源の出力を抑制すると自然エネルギーの利用率を低下させることになるため、最大電力点追従制御（MPPT： Maximum Power Point Tracking)を行うことにより、分散電源は常に最大効率での発電を維持し、系統への出力変動は抑制する必要がある。

そのため、例えば特許文献１の従来技術では、蓄電装置の出力側に設けた系統連系インバータを利用して最大電力点追従制御が可能としている。しかし、系統連系インバータで最大電力点追従制御を行うと、移動平均βとは無関係な最大電力点追従制御に由来する電力変動により系統出力が変動することとなるため、制御装置からの指令で蓄電装置の充放電を制御しても出力変動を効果的に抑制することが不可能である。

本発明の実施形態は、前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。本発明の実施形態の目的は、蓄電装置の充放電の応答性に優れ、急激な太陽発電電力の変動が発生した場合でも、系統電力の変動が生じない分散電源の出力変動抑制システムを提供するものである。

本発明の実施形態の他の目的は、最大電力点追従制御を行った場合でも、系統電力の変動が効果的に抑制される分散電源の出力変動抑制システムを提供するものである。

本発明の実施形態に係る分散電源の出力変動抑制システムは、次の構成を有することを特徴とする。
(1) 直流電力を出力する太陽光発電装置である分散電源。
(2) 前記太陽光発電装置の最大電力点追従制御を行うＤＣ−ＤＣコンバータであり、前記分散電源から直流主回路に直流電力を出力する第１の電力変換装置。
(3) 前記直流主回路から交流電力を電源系統に出力する第２の電力変換装置。
(4) 前記第２の電力変換装置から電力系統に対する交流電力の出力を制御する系統出力制御装置。
(5) 前記分散電源の発電電力に基づいて、前記系統出力制御装置に対する出力指令を演算する変動抑制演算装置。
(6) 前記直流主回路に接続され、充電状態に応じた解放端電圧を発生させる特性を有する蓄電素子。
さらに、蓄電素子は、以下の構成を有する。
(7) 前記直流主回路の電圧と、前記蓄電素子の電池電圧に基づいて充放電を行うことで、前記第１の電力変換装置からの発電電力と前記第２の電力変換装置から出力される交流電力の差に基づく、前記直流主回路上の電力変動を吸収するように構成される。
(8) 前記変動抑制演算装置に変化率制限値の入力部が設けられ、前記変動抑制演算装置は、入力された変化率制限値に基づいて、前記発電電力に対する前記第２の電力変換装置からの出力電圧の変化率の制限を行う。

第１実施形態の構成を示すブロック図。 第２実施形態の構成を示すブロック図。 ２次電池の充電率と電圧特性の一例を示すグラフ。 第２実施形態における補正演算装置の設定例を示すグラフ。 第３実施形態の構成を示すブロック図。 第３実施形態における変化率制限の動作を示すグラフ。 第４実施形態の構成を示すブロック図。

［１．第１実施形態］
（１）実施形態の構成

本実施形態の分散電源システムは、図１に示すとおり、太陽光発電装置などの分散電源１と、この分散電源１の出力側に接続された第１の電力変換装置２と、この第１の電力変換装置２の出力側に接続されて、分散電源１から電力の供給を受ける直流主回路３を備える。第１の電力変換装置２としては、分散電源１の出力を第２の電力変換装置８の制御電圧範囲に変換すると共に、分散電力１が太陽光発電装置である場合において、分散電源１に対して最大電力点追従制御を行うことのできるＤＣ−ＤＣコンバータを使用する。

直流主回路３には、分散電源１から直流主回路３に供給される発電電力αを計測する電力計４が設けられ、この電力計４の出力部は変動抑制演算装置５（以下、演算装置５という）の入力部に接続されている。演算装置５の出力部は系統出力制御装置６（以下、制御装置６という）に接続され、制御装置６の出力部が第２の電力変換装置８に接続されている。第２の電力変換装置８は、一般に系統連系インバータと呼ばれるもので、その入力部は直流主回路３に、出力部は電力系統１１に接続されている。電力系統１１には、系統電力γを測定する電力センサ７が接続されている。

演算装置５は、電力計４で計測した第１の電力変換装置２の発電電力αを受信し、この発電電力αに基づいて電力変動を抑制する演算を行い、その結果を系統出力指令θとして制御装置６に出力する。この場合、演算装置５では、例えば、次のようなパラメータのいずれかまたは複数の組み合わせにより、変化率の抑制演算を行うことができる。
（１）変化率制限：変化率制限値（％／時間）
（２）移動平均：平均サンプリング数
（３）１次遅れフィルタ：時定数

これらのパラメータは、演算装置５に対して外部から指定する場合も、演算装置５に予め設定する演算式に組み込む場合もある。このパラメータは、これら（１）から（３）に限定されるものではなく、電力系統１１側が必要とする条件に従って適宜設定することが可能である。

制御装置６は、この演算装置５からの系統出力指令θと、電力センサ７によって得られた系統電力γに基づいて、第２の電力変換装置８の出力電力が系統出力指令θと同等になるような駆動信号を生成して、第２の電力変換装置８の出力を制御する。すなわち、系統出力指令θは第２の電力変換装置８の出力目標値であり、制御装置６からの駆動量は系統電力γと出力目標値である系統出力指令θの差分補正量であって、制御装置６は、ＰＩＤ演算などのフィードバック制御により系統電力γと出力目標値である系統出力指令θの差分をなくすように作用する。

直流主回路３には、直流主回路コンデンサ９と並列に蓄電素子１０が接続されている。直流主回路３に、コンデンサ９を設けることなく、蓄電素子１０のみを設けても良い。蓄電素子１０としては、充電状態に応じた解放端電圧（ＯＣＶ）を発生させる特性の２次電池、例えば、リチウムイオン電池、鉛電池、ニッケル水素電池などを用いる。このような特性を有する蓄電素子１０は、その充放電を制御する制御装置を設けることなく、直流主回路３の電圧変動と自身の電池電圧に基づいて充放電を行うことができる。

（２）実施形態の作用
前記のような構成を有する本実施形態において、発電電力αと系統出力指令θに差が生じると、直流主回路３の電圧が変動しようとするが、蓄電素子１０は、自身の電圧よりも直流主回路３の電圧が高い場合は充電し、自身の電圧よりも直流主回路３の電圧が低い場合は放電する特性を利用して、直流主回路３を一定の範囲に保つ。つまり発電電力αと系統出力指令θに差が生じた場合、蓄電素子１０が直流主回路３の電圧変動を受けて、その差を吸収する。

本実施形態によれば、直流主回路３に従来技術のような蓄電素子１０の充放電制御装置を設けることなく、蓄電素子１０自体が有する充電率‐電圧特性を利用することで、直流主回路３の電圧変動を抑制することができる。その結果、蓄電素子１０の種類や容量の選定次第で、分散電源１の急激な変動が生じた場合もその差分を吸収し、系統出力を変動させることがない。

特に、本実施形態では、第１の電力変換装置２に最大電力点追従制御のできるＤＣ−ＤＣコンバータを使用しているが、その最大電力点追従制御による出力変動が生じた場合も、第２の電力変換装置８の出力を変更する必要がなく、電力の差分は蓄電素子１０が吸収することができる。

（３）実施形態の効果
太陽電池などの自然エネルギーの活用は、ＣＯ_２削減などの観点から普及が急速に進んでいるが、発電出力は、電力需給とは無関係に気象条件などに左右されて変動する。特に、同一地域に多数あるいは大規模な分散電源が集中すると既存の電力送配電系統の電圧や周波数維持能力を超える可能性がある。これに対して、本実施形態によれば、分散電源１の出力変動を電力系統１１の許容値以内に抑えることができるため、電力系統１１の電圧および周波数を乱すことが少ない分散電源システムを得ることのできる効果がある。

特に、蓄電素子１０の充放電を制御する装置を不要としたので、システム全体の構成の簡略化が可能になると共に、蓄電素子１０の受動的な電圧一定動作により、分散電源１の急激な変動が生じた場合も迅速に電圧変動を抑制できる。

また、地域のスマートグリッドにおいて、季節や気象条件により太陽電池などの分散電源の発電電力を予測しているが、雲などの外乱による短時間変動は予測できない。しかし、本実施形態において、演算装置５による変動抑制演算として移動平均を用いた場合には、変化率抑制演算に移動平均を用いると外乱による急変を緩和した発電電力を電力系統１１に出力することができる。

第１の電力変換装置２として、分散電源１に対して最大電力点追従制御を行うＤＣ−ＤＣコンバータを使用した場合には、最大電力点追従制御に伴う直流主回路３の電圧変動も、蓄電素子１０によって吸収することが可能になり、分散電源１の出力電力の変動が電力系統１１に及ぼす影響を効果的に抑制できる。

［２．第２実施形態］
本実施形態の第２実施形態を、図２に従って説明する。本実施形態は、第１実施形態の構成に加え、蓄電素子１０の電圧を測定する電圧計１２と、測定した蓄電素子１０の電圧に基づいて補正出力を演算する補正演算装置１３と、電力計４で得られた発電電力αを補正演算装置１３の出力結果に応じて補正する加算器１４を設けたものである。すなわち、補正演算装置１３は、直流主回路３の電圧を一定範囲または一定値に保つように、発電電力αに対する補正値を出力するもので、この補正値は加算器１４で発電電力αに加算され、演算装置５に入力される。

以下、補正演算装置１３の作用を、図３及び図４に基づいて説明する。図３に、一般的な２次電池の充電率と電圧特性の一例を示す。２次電池である蓄電素子１０は充電率が上がると電圧が上昇し、逆に受電率が低下すると電圧が低下する特性がある。充電率が１００％を超えると過充電となり、充電率が０％未満となると過放電となる。蓄電素子１０が、発電電力αと系統出力指令θの差を吸収する過程で充電率が変動すると、過充電や過放電の状態に至ることがある。過充電や過放電に至ると蓄電素子１０の発熱や性能劣化をきたすため、電池保護のために充電率を正常な使用範囲に保つ必要がある。一般的に充電率は計測が困難であるため、本実施形態では、電池電圧を一定範囲に保つことで過充電、過放電を防いでいる。

また、直流主回路３の電圧が、第２の電力変換装置８の適正な動作が可能な入力電圧の範囲を逸脱すると、電力系統１１に対する出力波形に歪を生じたり、変換効率の低下を招くため、直流主回路３の電圧を一定範囲に保つ必要がある。そのため、本実施形態では、第１実施形態の構成に、電圧計１２と補正演算装置１３を加えている。

電圧計１２は蓄電素子１０の電圧を計測するものであって、蓄電素子１０の電圧は直流主回路３の電圧と等価でもある。図４に、発電電力αに対する補正演算の一例を示す。図４のグラフにおいて、横軸は電圧計１２で計測した電圧、縦軸は補正量を示す。このグラフには、補正特性（計測電圧と補正量との関係）を任意に設定できるものとする。この例では、補正特性を電圧区間Ａ、Ｂ、Ｃの３つの直線とし、補正量＝０の電圧が直流主回路３の定格電圧である。電圧区間Ｂでは電圧計１２で測定した電圧が定格電圧を超えると補正量が増加し、第２の電力変換装置８の系統出力指令θを増加させる。このため蓄電素子１０は、この増加分を補うため放電し、電圧を定格電圧に近づけるように作用する。

すなわち、電圧計１２で測定した電圧が定格電圧を下回ると、蓄電素子１０はこの減少分を吸収するため充電し、電圧を定格電圧に近づけるように作用する。電圧区間Ｂは、第２の電力変換装置８の適正な動作が可能な入力電圧の範囲であり、この電圧の範囲内では緩やかな補正量としている。電圧区間Ａは、過放電の防止を目的としたもので、電圧区間Ｂより大きな補正量としている。電圧区間Ｃは、過充電防止を目的としたもので、電圧区間Ｂより大きな補正量としている。

このような構成を有する本実施形態では、蓄電素子１０の充電率を正常な使用範囲に保つことが可能となり、その過充電や過放電を効果的に防止することができ、蓄電素子１０の発熱や性能劣化を招くおそれがない。

実施形態において、補正演算装置１３からの補正値は、発電電力αに対して加算器１４で加算され、発電電力αを補正する構成になっているが、加算器１４を設けることなく、補正演算装置１３からの補正量を演算装置５に直接入力して、系統出力指令βを補正することも可能である。ただし、本実施形態のように、演算装置５よりも前で補正量を加算することで、補正演算装置１３からの補正量も変動抑制の対象にすることができる。その場合、本実施形態の目的が、電力系統１１への出力の変動を抑制することにあるので、蓄電素子１０の充放電特性に関する補正量も変動要素として、演算装置５により変動抑制を行うことが可能になるため、好都合である。

［３．第３実施形態］
本実施形態の第３実施形態を、図５及び図６に従って説明する。本実施形態は、第２実施形態の構成に加え、演算装置５における変動抑制演算として、発電電力αの変動に対する系統出力指令θの変動を、一定時間Δｔで一定の変化幅以内に抑制する変化率制限演算を用いることを特徴とする。そのため、演算装置５には、変化率制限値の入力部１５が設けられている。なお、前記の様に、変化率制限値の入力部１５を設ける代わりに、演算装置５に設定する演算式に変化率制限値を予め組み込んでも良い。

このような構成を有す本実施形態では、図６に示すように、演算装置５に入力された発電電力αが図中点線のように大きく変化した場合、系統出力指令βは一定時間△ｔごとに段階的に変化するような変化率の制限演算が行われる。この変化率の制限演算は、一定時間Δｔで演算されるもので、入力された発電電力αがステップ的に変化した場合の一回の演算による出力変動幅は、前記入力部１５によって設定された変化率制限値を上限とした変化幅に制限される。この演算処理は一定時間Δtごとに繰り返し実行され、入力と出力が一致するまで第２の電力変換装置８からの出力電力は緩やかに変化を続ける。

本実施形態においては、太陽光などの自然エネルギーによる発電量が急激に変化した場合でも、制御装置６への指令値は一定時間Δｔで一定の変化幅以内に抑制される。その結果、例えば、太陽電池などの分散電源１の普及により分散電源１が同一地域内に多数設置された場合に、同一地域内の発電力が同時に変動すると電力系統の電圧や周波数が大きく変動したとしても、本実施形態においては、演算装置５により変化率の制限が行われるため、第２の電力変換装置８からの出力を電力系統の許容変動範囲に抑えることができる。

［４．第４実施形態］
本実施形態の第４実施形態を、図７に従って説明する。本実施形態は、前記第３実施形態における演算装置５の演算処理に、システムの外部から入力された系統出力の出力指令値を加算することに特徴を有している。そのため、本実施形態では、加算器１４部分に外部からの出力指令値の入力部１６を設けている。この出力指令値の入力部１６は、演算装置５に対して直接設けることも可能である。

このような構成を有する本実施形態は、次のような作用効果を有する。すなわち、広い地域に複数の分散電源１が配置されている場合において、電力需給のバランスに基づき各々の分散電源１の出力を集中制御センターなどから遠隔制御する場合、個々の分散電源１の発電電力とセンターからの指令値との間で差が生じる。特に、分散電源１が太陽光発電装置である場合、個々の分散電源１の発電電力は、日陰などの影響で大きく異なることがあるため、センターからの指令値を各分散電源１に対して画一的に適用することは好ましくない。

本実施形態では、分散電源１の発電電力とセンターからの指令値との差を蓄電素子１０が吸収するため、センター側で発電量を制限もしくは制御する必要がなく、蓄電素子１０の容量の範囲内であればセンターから系統出力の出力指令値を自由に設定することができる。

［他の実施形態］
以上、本実施形態のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１：分散電源
２：第１の電力変換装置
３：直流主回路
４：電力計
５：変動抑制演算装置
６：系統出力制御装置
７：電力センサ
８：第２の電力変換装置
９：直流主回路コンデンサ
１０：蓄電素子
１１：電力系統
１２：電圧計
１３：補正演算装置
１４：加算器
１５：変化率制限値入力部
１６：出力指令値入力部

Claims (4)

1. 直流電力を出力する太陽光発電装置である分散電源と、
   前記太陽光発電装置の最大電力点追従制御を行うＤＣ−ＤＣコンバータであり、前記分散電源から直流主回路に直流電力を出力する第１の電力変換装置と、
   前記直流主回路から交流電力を電源系統に出力する第２の電力変換装置と、
   前記第２の電力変換装置から電力系統に対する交流電力の出力を制御する系統出力制御装置と、
   前記分散電源の発電電力に基づいて、前記系統出力制御装置に対する出力指令を演算する変動抑制演算装置と、
   前記直流主回路に接続され、充電状態に応じた解放端電圧を発生させる特性を有する蓄電素子と、を備え、
   前記蓄電素子は、前記直流主回路の電圧と、前記蓄電素子の電池電圧に基づいて充放電を行うことで、前記第１の電力変換装置からの発電電力と前記第２の電力変換装置から出力される交流電力の差に基づく、前記直流主回路上の電力変動を吸収するように構成され、
   前記変動抑制演算装置に変化率制限値の入力部が設けられ、前記変動抑制演算装置は、入力された変化率制限値に基づいて、前記発電電力に対する前記第２の電力変換装置からの出力電圧の変化率の制限を行うことを特徴とする分散電源の出力変動抑制システム。
2. 請求項１記載の分散電源の変動抑制システムであって、
   前記直流主回路の電圧を検出する電圧計と、
   前記分散電源の発電電力に対して、前記電圧計が検出した直流主回路の電圧に応じた補正を加える補正演算装置を備えることを特徴とする分散電源の出力変動抑制システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の分散電源の変動抑制システムであって、
   前記変動抑制演算装置が、入力された発電電力の移動平均に基づいて、前記第２の電力変換装置からの出力電圧を制御する系統出力指令を演算することを特徴とする分散電源の出力変動抑制システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分散電源の出力変動抑制システムであって、
   システム外部から系統出力の出力指令値を入力する出力指令値入力部を備え、入力された出力指令値と前記分散電源からの発電電力に基づいて、前記変動抑制演算装置が変動抑制演算を行うことを特徴とする分散電源の出力変動抑制システム。

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