JP6674849B2 - 電力変動制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、再生可能エネルギー発電装置の出力変動を制御する電力変動制御装置及び方法に関する。

近年、環境問題等から太陽光発電システムなどの再生可能エネルギー（自然エネルギー）を用いる発電装置の導入が促進されている。しかし、太陽光や風力などの再生可能エネルギーは、天候による変動が大きいため、再生可能エネルギー発電装置の連系する電力系統に対して、電圧変動や周波数変動を引き起こす可能性がある。

この対策として、再生可能エネルギー発電装置に、変動抑制用の蓄電池システムを併設し、再生可能エネルギー発電装置の出力変化に応じて蓄電池システムを適宜充放電させることで、電力系統の出力を平滑化する方法が提案されている。

特許文献１では、風力発電装置群の出力電力の変動を所定の出力可能範囲に制御するために、蓄電システムの充放電によって補償するように制御指令する技術が開示されている。特許文献２では、太陽光発電を有する蓄電池システムに蓄電池の充電レベルが下限値に達した後も、制限範囲を超えて放電させる制御技術が開示されている。

特開２０１３−２１９９４１号公報 特開２０１２−２１００７７号公報

従来技術では、再生可能エネルギー発電装置の発電出力が余った場合は蓄電池を充電し、逆に発電出力が足りない場合は蓄電池から放電することで、連系する電力系統に電圧変動や周波数変動が生じるのを抑制している。従って、再生可能エネルギー発電装置の発電出力と蓄電池からの充放電出力との総和が、システム全体としての出力となる。

しかし、例えば、急に曇ってきたり風が止んだりして、その状態が長時間続いたりすると、再生可能エネルギー発電装置の発電出力が長時間低下する。この場合、システム出力の変動を許容範囲内に留めるためには、大容量の蓄電池を用意する必要がある。蓄電池の容量が足りないと、システム出力の変動量が電力系統の許容範囲を超えてしまい、電力の安定供給や品質維持に影響を与えうるためである。しかし、蓄電池が大型化するほど、導入費用は増大し、広い設置面積が必要となる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、再生可能エネルギー発電装置の発電出力が急減した状態が長期に継続し電池の充電状態が下限に達する場合に、電力変動抑制機能を保持することが可能な電力変動制御装置および電力変動制御方法を提供することにある。

上記課題を解決する為に本発明は、再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電装置の出力変動を、蓄電装置を用いて制御する電力変動制御装置であって、前記蓄電装置の蓄電量を検知する蓄エネルギー検知部と、電力系統へ供給する電力の制約条件を記憶した制約条件記憶部と、前記発電装置の出力電力及び前記蓄電装置の出力電力の和であるシステム出力の上限値を演算するシステム出力上限値演算部と、前記上限値に基づいてシステム出力の目標値を設定するシステム目標出力設定部と、を含む出力補正部を備え、前記システム出力上限値演算部は、前記制約条件に基づいてシステム出力を所定時間減少させた場合の電力量が前記蓄電量以下となるように、前記システム出力の上限値を演算することを特徴とする。

本発明によれば、再生可能エネルギー発電装置の発電出力が急減した状態となっても、システム出力の変動を抑制し、系統の電力品質を高く維持することが可能となる。

再生可能エネルギー発電システムの全体図を示す。 統括コントローラのブロック図を示す。 システム目標出力演算部の詳細を示すブロック図を示す。 出力補正部の詳細を示すブロック図を示す。 システム出力上限値演算部の演算方法を示す模式図を示す。 システム目標出力設定部の機能を示す模式図を示す。 発電出力とシステム出力の推移を示す模式図を示す。 発電出力の急減時の出力Ｗの制限を設けない場合の出力補正部のブロック図を示す。 発電出力の急減時のシステム出力変更方法の模式図を示す。 システム出力変化速度を決定する方法の模式図を示す。 発電出力の急減時のシステム出力変更方法の模式図を示す。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態に係る再生可能エネルギー発電装置の電力変動制御装置３を説明する。本実施形態では、再生可能エネルギー発電装置として、太陽光発電装置を例に挙げて説明するが、これに限らず風力発電装置等にも適用可能である。

本実施形態の発電システム１は、発電装置の発電出力Ｐｐｖと蓄電池７の充放電出力Ｐｂａｔｔとの総和であるシステム出力Ｐｓｙｓの変動を抑制する「電力変動制御装置」としての電力制御装置３を備える。

電力制御装置３は、発電装置の発電モニタ信号を平滑化処理する平滑化部９１１（図２参照）を有する。電力制御装置３は、発電出力Ｐｐｖとシステム出力のＰｓｙｓとの乖離を補正する目標値修正機能を有する。目標値修正機能は、発電出力Ｐｐｖが減少すると、その減少に追従してシステム出力Ｐｓｙｓを減少させる。また、電力制御装置３は、出力補正部９２を有する。出力補正部９２は、蓄電池７のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）やＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）に応じて出力を補正する機能を有し、発電出力Ｐｐｖが急減した場合にも蓄電池７の充放電Ｐｂａｔｔが不足することなく電力変動抑制機能を保持する。

本実施形態によれば、システム出力Ｐｓｙｓの変動を所望の出力変動範囲内に制限でき、電力の品質維持が可能となる。

図１〜図９を用いて第１実施例を説明する。図１は、太陽光発電システム１の概略全体構成図を示す。太陽光発電システム１は、例えば、太陽光パネル４、太陽光用パワーコンディショナ（ＰＣＳ）５（以下、太陽光用ＰＣＳ５と称す）および蓄電池システム２を備える。以下、太陽光パネル４および太陽光用ＰＣＳ５を合わせて、太陽光発電装置または発電装置と呼ぶ。

蓄電池システム２は、太陽光発電装置の発電出力Ｐｐｖを蓄電池７の充放電Ｐｂａｔｔにより補償する。蓄電池システム２は、例えば、蓄電池７と、蓄電池用パワーコンディショナ６（以下、蓄電池用ＰＣＳ６と称す）と、電力制御装置３とを備える。

電力制御装置３は、例えば、統括コントローラ９を備える。電力制御装置３は、インターネット等の通信ネットワーク８を介して統括コントローラ９と相互に通信可能な外部コントローラ１０と、外部コントローラ１０にシリアルバスあるいはパラレルバス等により接続される端末１１とをさらに備えてもよい。統括コントローラ９の詳細構成は、図２〜５で後述する。

既設あるいは新設の太陽光発電装置（太陽光パネル４および太陽光用ＰＣＳ５）に対して、蓄電池システム２を接続することにより、本実施例の太陽光発電システム１を容易に構成することができる。

また、既設の太陽光パネル４、蓄電池７、太陽光用ＰＣＳ５、および蓄電池用ＰＣＳ６を有する設備対して、電力制御装置３を接続することにより、本実施例の太陽光発電システム１を容易に構成できる。太陽光用ＰＣＳ５と蓄電池用ＰＣＳ６とは接続点ＣＰで接続されており、接続点ＣＰは電力系統１２に接続されている。

電力制御装置３は、複数の太陽光発電装置に対応することもできる。つまり、一つの電力制御装置３を複数の太陽光発電装置に接続することで、各太陽光発電装置の発電出力Ｐｐｖとシステム出力Ｐｓｙｓとの乖離を低減できる。

太陽光パネル４は、太陽光を利用して発電する。太陽光パネル４の発電電力Ｐｐｖは、太陽光用ＰＣＳ５により直流から交流に変換されて、電力系統１２へ供給される。ここで、太陽光パネル４は、例えば、単結晶シリコン型、多結晶シリコン型、微結晶シリコン型、アモルファスシリコン型等のシリコン系、あるいは、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ系、ＣＩＳ系（カルコバライト系）等の化合物系の、太陽電池を複数直並列接続することで構成することができる。色素増感太陽電池あるいは有機薄膜太陽電池を用いた有機系の太陽光パネル４としても良い。

一方、蓄電池７は、蓄電池用ＰＣＳ６を介して、電力系統１２へ充放電電力Ｐｂａｔｔを充放電する。蓄電池７は、例えば、鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、ナトリウム・硫黄電池などの電気化学反応を利用して電力を貯蔵する装置により構成される。また、電気二重層キャパシタや超電導磁気エネルギー貯蔵のように、静電エネルギーや磁気エネルギーとして蓄積する装置を用いても良い。また、フライホイールや揚水発電など物体の運動エネルギーや位置エネルギーへ電力を変換して蓄積する装置を用いても良い。

電力系統１２に対する発電システム１全体のシステム出力Ｐｓｙｓは、太陽光発電装置の発電電力である発電出力Ｐｐｖと充放電電力Ｐｂａｔｔの合成出力である。雲などの日影変動成分による発電出力Ｐｐｖの変動は、充放電電力Ｐｂａｔｔにより相殺（補償）され、システム出力Ｐｓｙｓは平滑化される。すなわち、蓄電池システム２は、発電出力Ｐｐｖの変動を抑制する変動抑制機能を有する。

なお、ＰＣＳ５，６は、系統連系インバータと称される場合もある。太陽光パネル４の発電出力Ｐｐｖは、太陽光用ＰＣＳ５を介して出力される。このため、発電出力Ｐｐｖの値は、太陽光用ＰＣＳ５の容量により制限される。

電力制御装置３を構成する統括コントローラ９は、詳細は後述するが、変動抑制の目安となるシステム目標出力Ｐｓｙｓ*を演算し、求めたシステム目標出力Ｐｓｙｓ*に基づいて充放電目標値Ｐｂ* を求める。そして、統括コントローラ９は、充放電目標値Ｐｂ*を蓄電池用ＰＣＳ６へ出力する。

統括コントローラ９は、太陽光用ＰＣＳ５から発電出力モニタ信号Ｐｐｖ＿ｆｂを、蓄電池７からＳＯＣを、それぞれ定期的にまたは不定期に取得することができる。発電出力モニタ信号Ｐｐｖ＿ｆｂは、発電出力Ｐｐｖのモニタ信号であり、太陽光用ＰＣＳ５により計測される。太陽光発電用ＰＣＳ５に別途設置する電力計等により、発電出力モニタ信号Ｐｐｖ＿ｆｂを計測する構成としても良い。

図１では、太陽光用ＰＣＳ５および蓄電池用ＰＣＳ６を、それぞれ単体にて設置する場合を示しているがこれに限られない。例えば、多数の太陽光パネル４を備えるメガソーラ等の大規模な太陽光発電システム１では、複数の太陽光パネル４に応じて複数台の太陽光用ＰＣＳ５を設置すると共に、複数の蓄電池７に対応して複数台の蓄電池用ＰＣＳ６を設置としても良い。この場合、統括コントローラ９は、システム目標出力Ｐｓｙｓ*を複数台の太陽光用ＰＣＳ５の合計値として演算する。また、同様に統括コントローラ９は、充放電目標値Ｐｂ* を複数台の蓄電用ＰＣＳ６の合計値として演算する。

電力制御装置３は、発電システム１から離れた場所に設置される外部コントローラ１０を介して制御することもできる。オペレータは、端末１１を操作することで、外部コントローラ１０を介して統括コントローラ９にアクセスし、設定値などを入力できる。また、オペレータは、端末１１に発電システム１の状態を表示させることもできる。

図２は、統括コントローラ９の機能ブロック図である。統括コントローラ９は、後述のように、太陽光用ＰＣＳ５から入力される発電出力モニタ信号Ｐｐｖ＿ｆｂに基づいて、充放電目標値Ｐｂ*を算出する。

統括コントローラ９は、例えば、システム目標出力演算部９１と、出力補正部９２とを備える。システム目標出力演算部９１は、太陽光用ＰＣＳ５から入力される発電出力モニタ信号Ｐｐｖ＿ｆｂに基づいて、システム目標出力Ｐｓｙｓ**を算出する。システム目標出力Ｐｓｙｓ**とは、発電システム１の出力する発電電力の目標値である。

システム目標出力演算部９１は、平滑演算として移動平均方式や一次遅れなどのローパスフィルタ演算を行うことで、システム目標出力Ｐｓｙｓ**を得て、出力補正部９２へ出力する。

図３は、システム目標出力演算部９１の機能ブロック図である。システム目標出力演算部９１は、例えば、平滑化部９１１と、目標値修正部９１２とを備える。

平滑化部９１１は、発電出力モニタ信号Ｐｐｖ＿ｆｂを、移動平均などのローパスフィルタ演算することで、システム目標出力Ｐｓｙｓ***を算出する。この修正前のシステム目標出力Ｐｓｙｓ***は、「第１出力目標値」に該当する。

目標値修正部９１２は、システム目標出力Ｐｓｙｓ***を修正して出力する。目標値修正部９１２は、例えば、出力変化算出部９１２１と、制約条件記憶部９１２２と、修正量算出部９１２３を備える。

出力変化算出部９１２１は、システム目標出力Ｐｓｙｓ***と発電出力モニタ信号Ｐｐｖ＿ｆｂとの乖離度合を算出する。制約条件記憶部９１２２は、システム出力が守るべき条件を記憶する。制約条件としては、例えば、単位時間あたりの変化率がある。ここでは、送配電事業者などとの間で取り決められた変化率の範囲内で、発電システム１は電力系統１２へ電力を供給しなければならないものとし、その変化率をｎＷ／分（ｎは正の数）と表現するとする。

修正量算出部９１２３は、システム目標出力Ｐｓｙｓ***と発電出力モニタ信号Ｐｐｖ＿ｆｂとの乖離度合が所定値を超えた場合に、制約条件を満たす範囲内で、システム目標出力Ｐｓｙｓ***を修正する。修正後のシステム目標出力Ｐｓｙｓ**は、「第２出力目標値」に該当する。

出力補正部９２は、システム目標出力演算部９１による修正後のシステム目標出力Ｐｓｙｓ**を蓄電池７のＳＯＣに基き補正する。

図４は、出力補正部９２の詳細を示す。出力補正部９２は、例えば、蓄エネルギー量検知部９２１と、制約条件記憶部９２２と、システム出力上限値演算部９２３と、システム目標出力設定部９２４を備える。

蓄エネルギー量検知部９２１は、ＳＯＣやＳＯＨに基づいて現在蓄電池７に蓄積されており、変動抑制に使用可能なエネルギー量Ｅを演算する。使用可能なエネルギー量Ｅは公知の方法で算出可能であるが、例えば、定格容量×ＳＯＨ×定格電圧×ＳＯＣ／１００として算出可能である。制約条件記憶部９２２は、システム出力が守るべき条件を記憶する。システム出力上限値演算部９２３は、蓄エネルギー量検知部９２１が演算した使用可能なエネルギー量Ｅに基き、急に発電出力Ｐｐｖがゼロとなってもシステム出力ＰｓｙｓがｎＷ／分の制約を守りつつ現在の出力Ｗからゼロへと変化可能なＷを算出する。

図５は、システム出力上限値演算部９２３の演算方法を示す模式図である。現在の出力Ｗからゼロへと変化する時間ｔは、Ｗ／ｎと表わされる。この時必要なエネルギー量はＷ×ｔ／２であり、Ｗ＾２／２ｎと表わされる。システム出力上限値演算部９２３は必要エネルギー量Ｗ＾２／２ｎが使用可能なエネルギー量Ｅ以下となるようにＷを決定する。ここで、出力変化速度が許容される上限であるｎＷ／分とした場合を示したが、ｎＷ／分より小さく設定しても良い。

図６はシステム目標出力設定部９２４の機能を示す模式図である。破線が要エネルギー量Ｗ＾２／２ｎが使用可能なエネルギー量Ｅと等しい場合であり、実線がマージンを設定した場合の一例である。ＳＯＣやＳＯＨの誤差により、使用可能なエネルギー量Ｅに誤差が生じるため、破線以下となるように適切なマージンを設定するのが好ましい。

統括コントローラ９は、システム目標出力Ｐｓｙｓ*と発電出力モニタ信号Ｐｐｖ＿ｆｂの差分から充放電目標値Ｐｂ*を算出し、蓄電池ＰＣＳ６に与える。

本実施例で示した、使用可能なエネルギー量Ｅを考慮した出力Ｗの制限は、常に実施しても良いし、例えば時刻やｎＷ／分の制約を逸脱した回数を入力しトリガーとして用いても良い。図７は太陽光発電において、発電開始時は出力Ｗの制限を設けず、ｎＷ／分の制約を逸脱した回数が１回で出力Ｗの制限を設けた場合の模式図である。発電出力が急減した後、システム出力をｎＷ／分で減少させ、充電状態が下限に達した際にシステム出力が急減する。その後は出力Ｗの制限により、発電出力が上昇してもシステム出力を段階的にしか上昇させず、その後の発電出力の急減時にも対応可能となる。

図８は発電出力の急減時の出力Ｗの制限を設けない場合の出力補正部９２のブロック図である。出力補正部９２は、システム出力上限値演算部９２３の代わりに又は加えてシステム出力上限超過値演算部９２５を有する。本実施例を含む以下の実施例は、第１実施例の変形例に相当するため、第１実施例との相違を中心に説明する。

図７に示した運用方式では、出力Ｗの制限を設けなかった時間には、発電出力の急減時にｎＷ／分の制限を逸脱する可能性が存在する。図９は発電出力の急減時に、使用可能エネルギー量のしきい値Ｅ０を制約条件記憶部９２２に保持しておき、使用可能エネルギー量がしきい値Ｅ０に達する前にはｎＷ／分の制限を守り、システム目標出力設定部９２４はシステム目標出力Ｐｓｙｓ*を出力する。しきい値Ｅ０に達した後にはＸＷ／分でシステム目標出力設定部９２４はシステム出力を変動させる。このような機能を設けることで、ｎＷ／分の制約を逸脱する際の系統への悪影響を低減することが可能となる。

図１０は使用可能エネルギー量がＥ０に達した条件での、出力変動速度ＸＷ／分の算出方法の１例をしめす模式図である。第１実施例と同様の計算から、Ｘは２Ｅ０／Ｗ＾２となる。このように求めたＸを用いることで、システム出力の急激な変化をさらに縮小可能である。

図９においては、使用可能エネルギー量がしきい値Ｅ０に達する前にはｎＷ／分で変化させる場合を記載したが、この時間領域では、ｎＷ／分以下であれば良い。また、使用可能エネルギー量がしきい値Ｅ０に達する後にはＸＷ／分で一定の条件としたが、複数のしきい値を設けてそれぞれ異なる出力変動速度でシステム出力を変動させても良い。

第２実施例では、ある時間に発電出力がゼロとなり、その状態が継続する場合を示した。発電出力がゼロでない場合は時間経過に伴い状態が変動するため、計測データを用いて値を更新することが好ましい。

計測データ以外に、例えば気象予測データなどが利用できる場合には、更なるシステム出力の変化の低減が可能である。図１１においては、時間ｔ０の時点で使用可能エネルギー量がしきい値Ｅ０に達し、時間ｔ２の時点でシステム出力がゼロとなり使用可能エネルギーもゼロとなる。気象予測データにより、ｔ０より遅くかつｔ２より早い時間ｔ１に発電電力が回復することが予測できた場合には、時間ｔ０から時間ｔ１の期間で使用可能エネルギー量Ｅ０を使用するようにＸＷ／分を決定することで、出力変動速度を基準値のｎＷ／分に近い値とすることができ、システム出力の変化が低減できる。

１ 発電システム
２ 蓄電システム
３ 電力制御装置
４ 太陽光パネル
５ 太陽光用ＰＣＳ
６ 蓄電池用ＰＣＳ
７ 蓄電池
９ 統括コントローラ
１２ 電力系統
１３ 日射予測部
９１ システム目標出力演算部
９２ 出力補正部

Claims (9)

1. 再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電装置の出力変動を、蓄電装置を用いて制御する電力変動制御装置であって、
   前記蓄電装置の蓄電量を検知する蓄エネルギー検知部と、
   電力系統へ供給する電力の制約条件を記憶した制約条件記憶部と、
   前記発電装置の出力電力及び前記蓄電装置の出力電力の和であるシステム出力の上限値を演算するシステム出力上限値演算部と、
   前記上限値に基づいてシステム出力の目標値を設定するシステム目標出力設定部と、を含む出力補正部を備え、
   前記システム出力上限値演算部は、前記制約条件に基づいてシステム出力を所定時間減少させた場合の電力量が前記蓄電量以下となるように、前記システム出力の上限値を演算し、
   前記出力補正部は、
   前記システム出力が前記制約条件を逸脱した場合のシステム出力を演算するシステム出力上限超過値演算部を備え、
   前記制約条件記憶部は、前記蓄電装置の蓄電量の閾値を保持し、
   前記システム出力上限超過値演算部は、前記発電装置の出力電力の減少時に、前記閾値を逸脱する前までは、前記制約条件の範囲内でシステム出力の上限値を演算し、前記閾値を逸脱した後は、前記システム出力の上限値を所定範囲超えた値で演算することを特徴とする、
   電力変動制御装置
2. 請求項１に記載の電力変動制御装置であって、
   前記制約条件は、前記システム出力の単位時間当たりの変動量を規定することを特徴とする電力変動制御装置。
3. 請求項２に記載の電力変動制御装置であって、
   前記変動量は、出力変化速度の上限となるｎＷ／分（ｎは正の数）以下とすることを特徴とする電力変動制御装置。
4. 請求項１に記載の電力変動制御装置は、
   前記システム出力の目標値を演算するシステム目標出力演算部を更に備え、
   前記システム目標出力演算部は、
   前記発電装置の出力電力に追従して前記システム出力の目標値を修正することを特徴とする電力変動制御装置。
5. 請求項４に記載の電力変動制御装置であって、
   前記システム目標出力演算部は、
   前記発電装置の出力電力をローパスフィルタ演算して前記システム出力の第一出力目標値を算出する平滑化部と、
   前記第一出力目標値を修正して第二出力目標値を算出する目標値修正部と、
   を備えることを特徴とする電力変動制御装置。
6. 請求項１に記載の電力変動制御装置であって、
   前記出力補正部は、
   所定時刻経過時又は前記制約条件を逸脱した回数に基づいて、前記システム出力の上限値を演算することを特徴とする電力変動制御装置。
7. 請求項５に記載の電力変動制御装置であって、
   前記目標値修正部は、
   前記第一出力目標値と前記発電装置の出力電力の乖離度を算出する出力変化算出部と、
   電力系統へ供給する電力の制約条件を記憶した制約条件記憶部と、
   を備えることを特徴とする電力変動制御装置。
8. 請求項７に記載の電力変動制御装置であって、
   前記目標値修正部は、
   前記乖離度が所定値を超えた場合、前記制約条件に基づいて前記第一出力目標値を修正して第二出力目標値を算出することを特徴とする電力変動制御装置。
9. 再生可能エネルギーを利用して発電を行う発電装置の出力変動を、蓄電装置を用いて制御する電力変動制御方法であって、
   前記蓄電装置の蓄電量を検知する蓄エネルギー検知部と、
   電力系統へ供給する電力の制約条件を記憶した制約条件記憶部と
   前記発電装置の出力電力及び前記蓄電装置の出力電力の和であるシステム出力の上限値を演算するシステム出力上限値演算部と、
   前記上限値に基づいてシステム出力の目標値を設定するシステム目標出力設定部と、を含む出力補正部を備え、
   前記システム出力上限値演算部は、前記制約条件に基づいてシステム出力を所定時間減少させた場合の電力量が前記蓄電量以下となるように、前記システム出力の上限値を演算し、
   前記出力補正部は、
   前記システム出力が前記制約条件を逸脱した場合のシステム出力を演算するシステム出力上限超過値演算部を備え、
   前記制約条件記憶部は、前記蓄電装置の蓄電量の閾値を保持し、
   前記システム出力上限超過値演算部は、前記発電装置の出力電力の減少時に、前記閾値を逸脱する前までは、前記制約条件の範囲内でシステム出力の上限値を演算し、前記閾値を逸脱した後は、前記システム出力の上限値を所定範囲超えた値で演算することを特徴とする電力変動制御方法。

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