JP6572113B2 - 消費電力制御装置および消費電力制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力系統に接続された電力需要家（一般家庭を含む）に設置された電気機器の消費電力制御装置および消費電力制御方法に関する。

送電線および配電線は、電力需給の状況に応じて電圧が変化する。従来は、発電所や送配電設備で無効電力を調整し、電圧を調整していた。近年、風力発電や太陽光発電など、電圧変動の要因となる再生可能エネルギーの増加および分散配置に伴い、発電所や送配電設備だけで電圧を調整することが困難になりつつある。将来、電力系統内の再生可能エネルギー比率が更に増加すると、特に、需要家受電端での電圧を調整できなくなるおそれがある。

太陽光発電の場合、発電出力の増加に伴い、電圧が上昇するため、特に、配電系統の末端では、発電出力を絞らなければならず、太陽光発電設備の利用率が低下するという問題がある。そのため、需要家端の電圧を調整する技術が求められている。

特許第５３０９０７７号公報

風力発電、太陽光発電などの再生可能エネルギーは、気象状況に応じて出力が変動し、出力変動に伴い、送配電線の電圧が変動する。特に、太陽光発電は、需要家または需要家近傍に設置されることが多く、太陽光発電の出力変動に伴い、需要家の受電端電圧が変動するという問題がある。風力発電、太陽光発電は、分散設置されることが多いため、変電所、開閉所等の送配電設備で各需要家の受電端電圧を調整することも難しい。

また、太陽光発電の場合、受電端電圧がある値を超えると、電圧上昇を防ぐために、発電出力を絞ったり、停止したりする機能が備えられている。そのため、天気が良く、多くの太陽光発電設備が大きな出力を発生している場合、配電系統の末端に近いほど、電圧上昇が大きくなり、天気が良いほど発電電力量が減るという問題を生ずるおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、需要家の消費電力を電圧に応じて制御し、送配電系統の電圧変動を抑制し、電圧を安定化させることができる消費電力制御装置および消費電力制御方法を提供することにある。

実施形態の消費電力制御装置は、電力系統に接続された電力需要家の消費電力目標値を設定する消費電力目標値設定手段と、消費電力調定率を設定する調定率設定手段と、前記電力需要家内の配電系統の電圧を測定する電圧測定手段と、前記調定率設定手段により設定した消費電力調定率と前記電圧測定手段により測定した電圧測定値と前記消費電力目標値設定手段により設定した消費電力目標値とから消費電力指令値を求める消費電力指令値演算手段と、前記消費電力指令値演算手段により求めた消費電力指令値を出力する消費電力指令値出力手段とを具備する。

電力系統の電圧調整を担う特殊な機器を設置することなく、需要家の消費電力を電圧に応じて制御し、送配電系統の電圧変動を抑制し、電圧を安定化させることができる。

第１の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を分電盤外部に設置した例）を示す図。 同実施形態の消費電力制御装置の内部構成例を示す図。 エアコンの消費電力指令値演算機能例（消費電力調定率が１０％、消費電力目標値が４００ＶＡの例）を説明するための図。 温水器用加熱装置の消費電力指令値演算機能例１（消費電力調定率が１０％、消費電力目標値が５００ＶＡの例）を説明するための図。 温水器用加熱装置の消費電力指令値演算機能例２（消費電力調定率が１０％、消費電力目標値が６００ＶＡの例）を説明するための図。 温水器用加熱装置の消費電力指令値演算機能例３（消費電力調定率が１０％、消費電力目標値が２００ＶＡの例）を説明するための図。 第２の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を分電盤に内蔵した例）を示す図。 同実施形態の消費電力制御装置の内部構成例を示す図。 第３の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を電気機器の制御部に内蔵した例）を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
最初に、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を分電盤外部に設置した例）を示す図である。図２は、同実施形態の消費電力制御装置の内部構成例を示す図である。

図１は、電力系統に接続された電力需要家内の配電系統１１に、開閉装置１３を介して電力消費手段が接続され、電力消費手段が電灯２１、テレビ２２、冷蔵庫２３およびエアコン３１で、消費電力制御装置４０を分電盤１２の外部に設置した例を示している。電力消費手段は、一般的に、コンセント等の接続手段を介して配電線に接続されるが、接続手段の図は省略している。

図２は、本発明による消費電力制御装置の内部構成例を記した図である。

消費電力制御装置４０は、図２に示すように、電力需要家の消費電力目標値（例えば、温水器用加熱装置３６に対する消費電力目標値、およびエアコンに対する消費電力目標値）をそれぞれ設定する消費電力目標値設定部５１，５２と、配電系統１１の電気量（例えば電圧）を入力し、入力した電気量から電圧測定値を求めることによって配電系統１１の電圧を測定する電圧測定部４２と、配電系統１１の電気量（例えば電流）を入力し、入力した電気量から電流測定値を求めることによって配電系統１１の電流を測定する電流測定部４６と、電圧測定部４２により測定した電圧測定値および電流測定部４６により測定した電流測定値から消費電力指令値をそれぞれ求める消費電力指令値演算部４３１，４３２と、消費電力指令値演算部４３１，４３２によりそれぞれ求めた消費電力指令値を出力する消費電力指令値出力部４５１，４５２と、を有する。

各構成要素は、機能単位に構成を示したものであり、実際の装置においては、一つの機能が複数の要素から構成されても良いし、複数の機能が一つの構成要素に含まれていても良い。図２では、消費電力目標値設定部が電力制御装置に内蔵されている例を示したが、消費電力目標値設定部は、消費電力制御装置の外部にあっても良い。

電圧測定部４２は、配電系統１１の電圧測定値を取得し、消費電力指令値演算部４３１，４３２にそれぞれ出力する。電流測定部４６は、配電系統１１の電流測定値を取得し、消費電力指令値演算部４３１，４３２にそれぞれ出力する。消費電力目標値設定部５１，５２は、手動または自動で設定した消費電力目標値を消費電力指令値演算部４３１，４３２へそれぞれ出力する。消費電力指令値演算部４３１，４３２は、電圧測定値と消費電力目標値とから消費電力指令値をそれぞれ求め、消費電力指令値出力部４５１，５４２へそれぞれ出力する。消費電力指令値出力部４５１，５４２は、消費電力指令値を電気機器の制御部（例えば、温水器用加熱装置３６の温水器用加熱装置制御部３７、およびエアコン３１のエアコン制御部３２）へそれぞれ出力する。すなわち、図１、図２は、温水器用加熱装置３６の消費電力指令値とエアコン３１の消費電力指令値の２種類の消費電力指令値を出力する例を示している。なお、温水器用加熱装置３６は、例えば、電熱器やヒートポンプを用いることができる。

次に、消費電力指令値演算部４３１，４３２の演算方法の一例を具体的な数値例を用いて説明する。

便宜上、電気回路には、損失がないものとして、図１、図２に示した各要素が以下の状態である場合について説明する。また、消費電力は、有効電力のみでも、無効電力のみでも、皮相電力（有効電力と無効電力の和）でも良い。ここでは、消費電力が皮相電力（ＶＡ）の場合について説明する。なお、無効電力分は、消費されないが、ここでは、電気機器が使用する無効電力分を含め、消費電力と称する。

電灯 ：１００ＶＡ
テレビ ：２００ＶＡ
冷蔵庫 ：３００ＶＡ
エアコン ：４００ＶＡ
温水器用加熱装置：５００ＶＡ
エアコンの消費電力目標値 ：４００ＶＡ
温水器用加熱装置の消費電力目標値：５００ＶＡ
図３は、エアコンの消費電力目標値と電圧測定値と消費電力指令値の関数を示す図であり、消費電力目標値が４００ＶＡの場合の例を示している。図４は、温水器用加熱装置の消費電力目標値と電圧測定値と消費電力指令値の関数を示す図であり、基準電圧が１００Ｖ、消費電力目標値が５００ＶＡの場合の例を示している。

消費電力指令値は、電圧測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）と電圧測定値の線（横軸）が交わる点の値になる。電圧測定値が１００Ｖの場合、電圧測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）と電圧測定値の線（横軸）が交わる点の消費電力指令値は、エアコンが４００ＶＡ、温水器用加熱装置が５００ＶＡである。電圧測定値１００Ｖで基準電圧と同一なので、各々の消費電力指令値は、各々の消費電力目標値と同一の値になる。

電圧測定値が１０２Ｖに変化すると、電圧測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）と電圧測定値１０２Ｖの線（横軸）が交わる点の消費電力指令値は、エアコンが５６０ＶＡ、温水器用加熱装置が７００ＶＡである。消費電力指令値どおりにエアコンおよび温水器用加熱装置の消費電力が制御されると、消費電力が消費電力目標値よりも大きくなり、電力系統の電圧上昇抑制に寄与する。

電圧測定値が９８Ｖに変化すると、電圧測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）と電圧測定値９８Ｖの線（横軸）が交わる点の消費電力指令値は、エアコンが２４０ＶＡ、温水器用加熱装置が３００ＶＡである。消費電力指令値どおりにエアコンおよび温水器用加熱装置の消費電力が制御されると、消費電力が消費電力目標値よりも小さくなり、電力系統の電圧低下抑制に寄与する。

図５は、温水器用加熱装置の消費電力目標値が６００ＶＡの場合の例を示している。この例では、電圧測定値が１０２Ｖの場合の消費電力指令値は、８００ＶＡである。電圧測定値が９８Ｖの場合の消費電力指令値は、４００ＶＡである。

図６は、温水器用加熱装置の消費電力目標値が２００ＶＡの場合の例を示している。この例では、電圧測定値が１０２Ｖの場合の消費電力指令値は、４００ＶＡである。電圧測定値が９８Ｖの場合の消費電力指令値は、０ＶＡである。

上述のとおり、電圧測定値が基準電圧であれば、消費電力指令値は、消費電力目標値と同一の値で一定となり、電力系統の電圧安定化に寄与する。電圧測定値が基準電圧よりも大きい場合は、基準電圧と電圧測定値の差に応じて、消費電力指令値が大きくなり、電力系統の電圧上昇抑制に寄与する。電圧測定値が基準電圧よりも小さい場合は、基準電圧と電圧測定値の差に応じて、消費電力指令値が小さくなり、電力系統の電圧低下抑制に寄与する。

図１〜６の例では、エアコン用の消費電力目標値設定部、消費電力指令値演算部、消費電力指令値出力部と温水器用加熱装置用の消費電力目標値設定部、消費電力指令値演算部、消費電力指令値出力部が分かれている例を説明したが、消費電力目標値設定部、消費電力指令値演算部、消費電力指令値出力部の全てまたは一部がエアコン用と温水器用加熱装置用とで共通でも良い。

図３〜６の例では、消費電力目標値と電圧測定値と消費電力指令値の関数（グラフ）から消費電力指令値を求める方法を説明したが、関数（グラフ）の代わりに、計算式、数値表、数値列などから消費電力指令値を求めても良い。また、図３〜６の例では、電圧測定値と消費電力指令値の関数は、直線であるが、電圧測定値と消費電力指令値の関数は、折れ線でも良いし、曲線でも良い。

第１の実施形態によれば、配電系統、電力系統の電圧が基準電圧よりも高い場合は、電気機器の消費電力を増やし、配電系統、電力系統の電圧上昇を抑制することができる。また、配電系統、電力系統の電圧が基準電圧よりも低い場合は、電気機器の消費電力を減らし、配電系統、電力系統の電圧低下を抑制することができる。また、第１の実施形態によれば、電力系統の電圧調整を担う特殊な機器を設置することなく、電気機器の消費電力調整により電圧変動を抑制でき、配電系統の電圧安定化に寄与することができる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。
図７は、第２の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を分電盤に内蔵した例）を示す図である。図８は、同実施形態の消費電力制御装置の内部構成例を示す図である。

図７、図８は、消費電力設定値の代わりに消費電力指令値を用い、電圧から電圧測定値を求め、消費電力調定率設定部を追加した例で、消費電力制御装置を分電盤内に内蔵した例を示している。ここでは、消費電力目標値設定部、消費電力指令値演算部、消費電力指令値出力部、消費電力調定率設定部が、エアコン用と温水器用加熱装置用で共通の場合の例を示している。なお、図７の例では、消費電力目標値をスマートメータ経由で消費電力制御装置に入力しているが、消費電力目標値は、スマートメータを経由せずに、直接、消費電力制御装置に入力されても良いし、スマートメータ以外の機器を経由して入力されても良い。

消費電力制御装置４０は、図８に示すように、電力需要家の消費電力目標値を入力し、入力した消費電力目標値を設定する消費電力目標値設定部５３と、配電系統１１の電圧を測定する電圧測定部４２と、配電系統１１の電流を測定する電流測定部４６と、消費電力調定率を設定する調定率設定部４４と、調定率設定部４４で設定した消費電力調定率と電圧測定部４２により測定した電圧測定値および電流測定部４６により測定した電流測定値と消費電力目標値設定部５３により設定した消費電力目標値とから消費電力指令値を演算する消費電力指令値演算部４３と、消費電力指令値演算部４３より求めた消費電力指令値を出力する消費電力指令値出力部４５と、を有する。消費電力目標値設定部５３、消費電力指令値演算部４３、消費電力調定率設定部４４、消費電力指令値出力部４５は、エアコン用と温水器用加熱装置用で共通に使用される。

なお、図８では、消費電力調定率設定部が消費電力制御装置に内蔵されているが、消費電力調定率設定部は、消費電力制御装置の外部にあっても良い。

消費電力指令値演算部４３は、電圧から求めた電圧測定値と、スマートメータ５０から消費電力目標値設定部５３に入力されて設定された消費電力指令値（消費電力目標値）とを用いて、消費電力指令値を求める。また、消費電力指令値演算部４３は、消費電力調定率設定部４４で設定された消費電力調定率設定値に応じて、演算時に用いる関数の係数（傾き）を変える機能を有する。消費電力調定率は、例えば、以下の式で表される。
消費電力調定率（％）
＝［（Ｖ２−Ｖ１）／基準電圧］／［（Ｐ２−Ｐ１）／最大出力］×１００（％）
Ｐ１＝電圧Ｖ１における消費電力
Ｐ２＝電圧Ｖ２における消費電力
図３〜図６は、消費電力調定率設定値が１０％の例を示している。例えば、消費電力調定率設定値が５％の場合、電圧測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）の傾きは、図３〜図６に比べ２倍になる。例えば、消費電力調定率設定値が２０％の場合、電圧測定値と消費電力指令値の関係を示す線（太線）の傾きは、図３〜図６に比べ１／２になる。

図３〜図６および上式の例では、電圧測定値と消費電力指令値の関数は、直線であるが、電圧測定値と消費電力指令値の関数は、折れ線でも良いし、曲線でも良い。

消費電力指令値演算部での演算方法の一例は、消費電力設定値の代わりに消費電力指令値と電圧から求めた電圧測定値を用いることを除き、第１の実施形態と同一である。

第２の実施形態によれば、スマートメータ５０を備えた設備においても、その機能を利用した消費電力制御を行うことができ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。
図９は、第３の実施形態によるシステム構成の例（消費電力制御装置を電気機器の制御部に内蔵した例）を示す図である。

図９は、消費電力制御装置４０を電気機器の制御部に内蔵した例を示している。すなわち、前述した消費電力制御装置４０として、温水器用加熱装置３６に対応するものとエアコン３１に対応するものの２種類用意し、各消費電力制御装置４０を、温水器用加熱装置３６の温水器用加熱装置制御部３７、エアコン３１のエアコン制御部３２にそれぞれ内蔵させている。

なお、図９では、消費電力目標値をスマートメータ５０経由で消費電力制御装置に入力しているが、消費電力目標値は、スマートメータ５０を経由せずに、直接消費電力制御装置４０に入力されても良いし、スマートメータ５０以外の機器を経由して入力されても良い。

第３の実施形態によれば、第２の実施形態で得られる効果に加え、電気機器内の空きスペースを活用して消費電力制御装置４０を設置することにより、構成を簡易なものとすることができる。

なお、前述の第１〜第３の実施形態で示した消費電力制御装置４０の構成例（図２、図８）では、電力需要家の消費電力目標値（例えば、エアコンなどの電力消費手段に対する消費電力目標値）を設定する消費電力目標値設定部５１，５２（もしくは消費電力目標値設定部５３）を設ける場合を例示したが、これに限定されるものではない。設定もしくは入力する目標値は、電力消費手段の「消費電力目標値」に限らず、電力消費手段の「消費電力を左右する物理量の目標値」（例えば、エアコンなどの電力消費手段の温度目標値）とすることができる。すなわち、前述の消費電力目標値設定部５１，５２（もしくは消費電力目標値設定部５３）は、電力消費手段の消費電力を左右する物理量の目標値を設定する消費電力関連物理量目標値設定部（もしくは当該物理量の目標値を入力する消費電力関連物理量目標値入力部）として実現することができる。

以上詳述したように、少なくとも１つの実施形態によれば、電力系統の電圧調整を担う特殊な機器を設置することなく、需要家の消費電力を電圧に応じて制御し、送配電系統の電圧変動を抑制し、電圧を安定化させることができる。

本発明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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１１…配電系統、１２…分電盤、１３…開閉装置、２１…電灯、２２…テレビ、２３…冷蔵庫、３１…エアコン、３２…エアコン制御部、３６…温水器用加熱装置、３７…温水器用加熱装置制御部、４０…消費電力制御装置、４２…電圧測定部、４３，４３１，４３２…消費電力指令値演算部、４４…消費電力調定率設定部、４５，４５１，４５２…消費電力指令値出力部、４６…電流測定部、５１，５２，５３…消費電力目標値設定部。

Claims (8)

1. 電力系統に接続された電力需要家の消費電力目標値を設定する消費電力目標値設定手段と、
   消費電力調定率を設定する調定率設定手段と、
   前記電力需要家内の配電系統の電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記調定率設定手段により設定した消費電力調定率と前記電圧測定手段により測定した電圧測定値と前記消費電力目標値設定手段により設定した消費電力目標値とから消費電力指令値を求める消費電力指令値演算手段と、
   前記消費電力指令値演算手段により求めた消費電力指令値を出力する消費電力指令値出力手段と
   を具備する
   ことを特徴とする消費電力制御装置。
2. 請求項１に記載の消費電力制御装置において、前記電圧測定手段は、前記配電系統の電気量を入力し、入力した電気量から電圧測定値を求めることを特徴とする消費電力制御装置。
3. 請求項２に記載の消費電力制御装置において、前記電気量の少なくとも１つが電流、有効電力、皮相電力または無効電力であることを特徴とする消費電力制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の消費電力制御装置において、前記消費電力目標値設定手段は、前記電力需要家の消費電力目標値を入力し、入力した消費電力目標値を設定値として設定することを特徴とする消費電力制御装置。
5. 電力系統に接続された電力需要家内の配電系統に接続された電力消費手段の消費電力を制御する消費電力制御方法において、
   電力需要家の消費電力目標値を設定する消費電力目標値設定工程と、
   消費電力調定率を設定する調定率設定工程と、
   前記配電系統の電圧を測定する電圧測定工程と、
   前記調定率設定工程で設定した消費電力調定率と前記電圧測定工程で測定した電圧測定値と前記消費電力目標値設定工程で設定した消費電力目標値とから消費電力指令値を求める消費電力指令値演算工程と、
   前記消費電力指令値演算工程で求めた消費電力指令値を出力する消費電力指令値出力工程と
   を含むことを特徴とする消費電力制御方法。
6. 請求項５に記載の消費電力制御方法において、前記電圧測定工程では、前記配電系統の電気量を入力し、入力した電気量から電圧測定値を求めることを特徴とする消費電力制御方法。
7. 請求項６に記載の消費電力制御方法において、前記電気量の少なくとも１つが電流、有効電力、皮相電力または無効電力であることを特徴とする消費電力制御方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の消費電力制御方法において、前記消費電力目標値設定工程では、前記電力需要家の消費電力目標値を入力し、入力した消費電力目標値を設定値として設定することを特徴とする消費電力制御方法。