JP6638632B2 - 太陽光発電所の発電設備およびその統括制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、太陽光発電所の発電設備およびその統括制御装置に関する。

電力系統は、発電設備、送電設備、負荷設備等が接続することで構築されている。電力系統には、複数の大規模発電所と多数の工場や商業施設及び家庭とを接続する大規模なシステムから、特定の施設内で構築される小規模なシステムまで様々な規模のものが存在する。

発電設備の１つとして、太陽光を利用した発電システムを備えるものがある。太陽光を利用した発電システムは、昨今のエネルギー問題或いは環境問題に対する意識の高まりをうけて広く導入されつつある。しかし、太陽光を利用した発電システムには、季節や天候等の自然的要因によって発電電力が左右されやすいために安定した電力供給が難しいという短所がある。

この短所を補う１つの手法として、国際公開第２０１６／０９８２００号（特許文献１）には、太陽光発電（ＰＶ：Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓ）装置と太陽光発電用のパワーコンディショニングシステム（ＰＶ−ＰＣＳ）を有する複数の発電システムを備える太陽光発電所において、一部のパワーコンディショニングシステムの出力の不足分を、余力のある他のパワーコンディショニングシステムの出力で補うように制御する統括制御装置が提案されている。

国際公開第２０１６／０９８２００号

統括制御装置は、発電所の全体発電量および個々のＰＶ−ＰＣＳ発電量を監視し、全体発電量を１００％に近づける（最大化する）ようにＰＶ−ＰＣＳの制御を行う。しかしながら、制御効果が低い状況で制御を行えば、制御効果が低いばかりか、制御遅延による即応性の損失が懸念される。一方、制御効果が高い状況で制御を行わなければ、即応性は損なわれないが、発電所の能力が最大限活かしきれない。従来の統括制御装置では、環境条件によらず一意に制御を行うか否かを判断していたため、発電機会の損失があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、制御効果の高い状況では統括制御装置による制御を行い、制御効果の低い状況では制御を行わないことで、即応性を確保しつつ、より多くの発電機会を得ることのできる太陽光発電所の発電設備およびその統括制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る太陽光発電所の発電設備は以下のように構成される。

発電設備は、電力系統の送電設備に接続している。発電設備は、太陽光発電装置とパワーコンディショニングシステムとを有する複数の発電システムを備える。パワーコンディショニングシステムは、太陽光発電装置が発電した直流電力を交流電力に変換して電力系統の送電設備へ出力する。

発電設備は、統括制御装置を備える。統括制御装置は、各発電システムのパワーコンディショニングシステムや、太陽光発電装置の日射量を計測する日射計に接続している。統括制御装置は、複数の発電システムと送電設備との連系点における発電所定格発電量と、複数の発電システムの現在発電量とに基づいて、複数のパワーコンディショニングシステムを制御する。

統括制御装置は、補填制御部と、補填制御部の演算に用いられる閾値を変更する閾値変更部を備える。

補填制御部は、発電所定格発電量に対する複数の発電システムの現在発電量の割合が閾値以上である場合に、一部のパワーコンディショニングシステムの出力の不足分を、余力のある他のパワーコンディショニングシステムの出力で補う補填制御を実行する。

閾値変更部は、現サンプリング期間における日射量の変動が日射許容値を超える場合に、次サンプリング期間における閾値を現在値よりも低くし、超えない場合に次サンプリング期間における閾値を現在値よりも高くする。変更された閾値は、次サンプリング期間中の補填制御部の演算で用いられる。なお、日射許容値は、サンプリング期間中における日射量の最大値と最小値との差として設定されても、サンプリング期間中における日射量の変動量の積分値として設定されてもよい。

本発明によれば、日射変動が大きく補填制御の効果が高い場合に、閾値が低くなり、補填制御が実行されやすくなる。制御効果が高い状況において補填制御の機会が多くなるため、発電所全体でより多く発電量が得られる。また、日射変動が小さく補填制御の効果が低い場合に、閾値が高くなり、補填制御の機会が少なくなる。そのため、制御効果が低い状況において制御遅延による即応性の損失を抑制することができる。そのため、本発明に係る統括制御装置によれば、より多くの発電機会を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る太陽光発電所の発電設備を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る統括制御装置の構成を説明するためのブロック図である。 補填制御の一例を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１に係る補填制御機能を実現するために実行される制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る閾値変更機能を実現するために実行される制御ルーチンのフローチャートである。 補填制御部２０が使用する閾値を固定値にした場合における、１日の発電所の全体発電量、および、パワーコンディショニングシステムの個別発電量の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
＜全体システム＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る太陽光発電所の発電設備の構成を説明するための概念構成図である。図１に示すように、太陽光発電所の発電設備１は、複数の発電システムと統括制御装置（メインサイトコントローラ）１０とを備える。

各発電システムは、太陽光発電装置２とパワーコンディショニングシステム３を備える。図１には、３組の発電システムのみが描かれているが、より多くの発電システムを備えても良い。

太陽光発電装置２は、太陽の光エネルギーを電気エネルギーに変えることにより、日射量に応じた直流電力を生成する。各々の太陽光発電装置２は、多数のセル（太陽電池素子）を並べて構成される太陽電池モジュールを電気的に接続して構成することができる。各々の太陽光発電装置２で発電された直流電力は、対応するパワーコンディショニングシステム３へ供給される。なお、太陽光発電装置２は、日射量が少ない天候や時間帯での発電量の低下を見込んで設置されており（過積載）、対応するパワーコンディショニングシステム３の定格以上の最大出力を有する。

パワーコンディショニングシステム３は、対応する太陽光発電装置２が発電した直流電力を交流電力に変換し、電力系統の送電設備７へ出力する。パワーコンディショニングシステム３は、出力設定値を定格よりも高く設定することで、一時的に定格を上回る出力を可能とする過負荷運転に対応している。

パワーコンディショニングシステム３が出力する交流電力は、連系トランス４及び主変圧器５を介して、送電設備７に送電される。本実施形態では、パワーコンディショニングシステム３毎に連系トランス４が設けられている。各々の連系トランス４の出力側は、一つの主変圧器５に接続されている。主変圧器５の出力側が送電設備７に接続されている。送電設備７は、電力会社、配電会社等が保有する商用の送配電網である。主変圧器５から出力される電力が、送電設備７へ出力する電力である連系点電力ＰＬＷに相当する。

統括制御装置１０と各々のパワーコンディショニングシステム３とは、通信ネットワークＮＴを介して接続されることで、双方向に通信可能になっている。

電力計６は、連系点電力ＰＬＷを計測する。電力計６で計測された連系点電力ＰＬＷの情報は、統括制御装置１０へ送信される。

日射計８は、各時刻における太陽光発電装置２の日射量を計測する。日射計８で計測された日射量の情報は、統括制御装置１０へ送信される。図１では、日射計８は、各々の太陽光発電装置２の近傍に配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、日射計８は、複数の太陽光発電装置２が設置されたエリア毎に配置することとしてもよい。

＜統括制御装置（メインサイトコントローラ）＞
図２は、本発明の実施の形態１に係る統括制御装置１０の構成を説明するためのブロック図である。統括制御装置１０は、プロセッサ１１、メモリ１２、送受信装置１３等のハードウェア資源を備える。

プロセッサ１１は、送受信装置１３が受信した各種情報およびメモリ１２に記憶された各種プログラムやデータに基づいて演算処理を実行する。メモリ１２は、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ハードディスク等の揮発性及び不揮発性の記憶装置である。メモリ１２には、プロセッサ１１が実行する各種プログラムやデータが記憶されている。送受信装置１３は各種情報を受信する。各種情報には、各々のパワーコンディショニングシステム３から送信された情報、電力計６で検知された連系点電力ＰＬＷの情報、日射計８で計測された日射量等が含まれる。また、送受信装置１３は、プロセッサ１１で演算された各々のパワーコンディショニングシステム３の個別の目標出力の情報を対応するパワーコンディショニングシステム３へ送信する。

また、図２の統括制御装置１０を示すブロック内には、統括制御装置１０が備える種々の機能のうちの一部がブロックで表されている。メモリ１２には各ブロックに対応するプログラムが用意され、それらがプロセッサ１１によって実行されることで各ブロックの機能が統括制御装置１０において実現される。

統括制御装置１０は、複数の発電システムと送電設備との連系点における発電所定格発電量と、複数の発電システムの現在発電量とに基づいて、複数のパワーコンディショニングシステム３を制御する。以下、本実施形態に係る補填制御部２０および閾値変更部２１について順に説明する。

＜統括制御装置の補填制御部＞
補填制御部２０は、発電所定格発電量に対する複数の発電システムの現在発電量の割合が閾値以上である場合に、一部のパワーコンディショニングシステム３の出力の不足分を、余力のある他のパワーコンディショニングシステム３の出力（過負荷運転）で補う補填制御を実行する。

図３は、補填制御の一例を説明するための模式図である。図３に示すように、太陽光発電装置２への日射が雲で遮られる等により、一部のパワーコンディショニングシステム３の出力が定格未満（１００％未満）である場合、補填制御を実行することで、余力のある他のパワーコンディショニングシステム３が定格以上の出力で補い、発電システム全体の出力最大化を図ることができる。

補填制御部２０の処理の流れについて図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の実施の形態１に係る補填制御機能を実現するために実行される制御ルーチンのフローチャートである。

まずステップＳ１００において、補填制御部２０は、発電所定格発電量に対する複数の発電システムの現在発電量（現在の全体発電量）の割合Ａを算出する。発電所定格発電量は、統括制御装置１０に予め記憶されている。現在の全体発電量は、電力計６で計測された連系点電力ＰＬＷから算出される。

次にステップＳ１１０において、補填制御部２０は、割合Ａが閾値以上であるか否かを判定する。閾値は予め初期値が設定されている。判定条件が成立する場合に、ステップＳ１２０の処理に進む。判定条件が成立しない場合、ステップＳ１３０の処理に進む。

ステップＳ１１０の判定条件が成立する場合（割合Ａ≧閾値）、ステップＳ１２０において、補填制御部２０は上述した補填制御を実行する。補填制御部２０は、発電所定格発電量と現在の全体発電量との差に応じて、余力のある他のパワーコンディショニングシステム３の出力設定値を定格以上に設定する。その後本ルーチンの処理は終了される。

ステップＳ１１０の判定条件が成立しない場合（割合Ａ＜閾値）、ステップＳ１３０において、補填制御は実行されずに、本ルーチンの処理は終了される。

次に、補填制御部２０が使用する閾値を固定値にした場合の問題点について説明する。図６は、補填制御部２０が使用する閾値を固定値にした場合における、１日の発電所の全体発電量（右軸：ＰＶ−ＰＣＳの合計電力量）、および、パワーコンディショニングシステム３の個別発電量（左軸：各ＰＶ−ＰＣＳの電力量）の一例を示すグラフである。図６ではグラフの見易さを考慮してパワーコンディショニングシステムを４台としているが、これに限定されるものではない。閾値は一例として９０％に固定されているものとする。

図６のように、各時刻の発電量が大きく変動する場合、上述した補填制御の機会（過負荷運転）を多くすることで、発電所全体でより多く発電量が得られることが期待できる。そのため、制御効果の高い状況では、閾値を低くすることで、補填制御の機会を多くして発電機会を増やすことが好ましい。一方、各時刻の発電量があまり変動しない場合は、上述した補填制御による制御効果が低いばかりか、制御遅延による即応性の損失が懸念される。そのため、制御効果が低い状況では、閾値を高くすることで、補填制御の実行による即応性の低下を抑制することが好ましい。このような点に鑑みて、本実施形態に係る統括制御装置１０では、次に説明する閾値変更部２１を設けて、補填制御の実行に用いられる閾値を適切に変更することとした。

＜統括制御装置の閾値変更部＞
閾値変更部２１は、現サンプリング期間における日射量の変動が日射許容値を超える場合に、次サンプリング期間における閾値を現在値よりも低くし、超えない場合に次サンプリング期間における閾値を現在値よりも高くする。

閾値変更部２１の処理の流れについて図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態１に係る閾値変更機能を実現するために実行される制御ルーチンのフローチャートである。

まずステップＳ２００において、閾値変更部２１は、サンプリング期間中の日射量の変動量を算出する。日射量の変動量は、サンプリング期間中における日射量の最大値と最小値との差であってもよいし、サンプリング期間中における時刻毎の変動を積分した値であってもよい。

次にステップＳ２１０において、変動量が予め定められた日射許容値よりも大きいか否かを判定する。判定条件が成立する場合は、ステップＳ２２０の処理に進む。判定条件が成立しない場合は、ステップＳ２３０の処理に進む。

ステップＳ２１０の判定条件が成立する場合（変動量＞日射許容値）、ステップＳ２２０において閾値変更部２１は、次サンプリング期間において補填制御部２０で用いられる上述の閾値を現サンプリング期間における値よりも低くする。その後、本ルーチンは終了される。

ステップＳ２１０の判定条件が成立しない場合（変動量≦日射許容値）、ステップＳ２３０において、閾値変更部２１は、次サンプリング期間において補填制御部２０で用いられる上述の閾値を現サンプリング期間における値よりも高くする。その後、本ルーチンは終了される。

以上説明したように、図５に示すルーチンによれば、日射変動が大きく補填制御の効果が高い場合に、閾値が低くなり、補填制御が実行されやすくなる。制御効果が高い状況において補填制御の機会が多くなるため、発電所全体でより多く発電量が得られる。また、日射変動が小さく補填制御の効果が低い場合に、閾値が高くなり、補填制御の機会が少なくなる。そのため、制御効果が低い状況において制御遅延による即応性の損失を抑制することができる。このように、本発明に係る統括制御装置１０によれば、サンプリング周期毎に日射変動を監視し、次サンプリング期間での閾値を適切に変更することで、発電機会の向上を図ることができる。

１ 発電設備
２ 太陽光発電装置
３ パワーコンディショニングシステム
４ 連系トランス
５ 主変圧器
６ 電力計
７ 送電設備
８ 日射計
１０ 統括制御装置
１１ プロセッサ
１２ メモリ
１３ 送受信装置
２０ 補填制御部
２１ 閾値変更部
ＮＴ 通信ネットワーク
ＰＬＷ 連系点電力

Claims (2)

1. 太陽光発電装置と、該太陽光発電装置が発電した電力を電力系統の送電設備へ出力するパワーコンディショニングシステムとを有する複数の発電システムと、
   前記複数の発電システムと前記送電設備との連系点における発電所定格発電量と、前記複数の発電システムの現在発電量とに基づいて、前記複数のパワーコンディショニングシステムを制御する統括制御装置と、
   前記太陽光発電装置の日射量を計測する日射計と、を備え、
   前記統括制御装置は、
   前記発電所定格発電量に対する前記複数の発電システムの現在発電量の割合が閾値以上である場合に、一部のパワーコンディショニングシステムの出力の不足分を、余力のある他のパワーコンディショニングシステムの出力で補う補填制御を実行する補填制御部と、
   現サンプリング期間における日射量の変動が日射許容値を超える場合に、次サンプリング期間における前記閾値を現在値よりも低くし、超えない場合に次サンプリング期間における前記閾値を前記現在値よりも高くする閾値変更部と、
   を備えることを特徴とする太陽光発電所の発電設備。
2. 太陽光発電装置と該太陽光発電装置が発電した電力を電力系統の送電設備へ出力するパワーコンディショニングシステムを有する複数の発電システムと、該太陽光発電装置の日射量を計測する日射計とに接続し、前記複数の発電システムと前記送電設備との連系点における発電所定格発電量と前記複数の発電システムの現在発電量とに基づいて、前記複数のパワーコンディショニングシステムを制御する太陽光発電所の統括制御装置であって、
   前記発電所定格発電量に対する前記複数の発電システムの現在発電量の割合が閾値以上である場合に、一部のパワーコンディショニングシステムの出力の不足分を、余力のある他のパワーコンディショニングシステムの出力で補う補填制御を実行する補填制御部と、
   現サンプリング期間における日射量の変動が日射許容値を超える場合に、次サンプリング期間における前記閾値を現在値よりも低くし、超えない場合に次サンプリング期間における前記閾値を前記現在値よりも高くする閾値変更部と、
   を備えることを特徴とする太陽光発電所の統括制御装置。

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