JP6809753B2 - 複合発電システム - Google Patents
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Description
まず、蓄電設備103の構成について説明する。図2は、図1に示す蓄電設備の概略構成を示すブロック図である。図2に示すように、各蓄電設備103は、蓄電デバイス5と、蓄電デバイス5に接続され蓄電デバイス5の直流電力を所定の交流電力に変換する第1電力変換器6とを有する。
図3Aは、図2に示す電圧・回転速度・位相演算部におけるPLL演算回路を示す制御ブロック図であり、図3Bは、図3Aに示すPLL演算回路のより具体的な演算内容を示す図である。
電流演算部13は、電圧・回転速度・位相演算部14で計算された推定位相φ’を入力として、次式により電流Id,Iqを算出する。
有効・無効電力演算部15は、電圧・回転速度・位相演算部14で計算された電圧Vd,Vqと電流演算部13で計算された電流Id,Iqを入力として、有効電力Pと無効電力Qとを算出する。すなわち、本実施の形態において、蓄電設備103に設けられた電流計測器3、電圧計測器4、電流演算部13、電圧・回転速度・位相演算部14、および有効・無効電力演算部15は、第1電力変換器6の出力端における有効電力および無効電力を得るための値を計測する第1計測器として機能する。
第1有効電力指令値演算部96は、蓄電デバイス5のSOCと蓄電デバイス5のSOC指令値SOCrefとの偏差に基づいて、第1有効電力指令値Pref1を算出する。図4は、図2に示す第1有効電力指令値演算部96における演算内容を示す制御ブロック図である。図4に示すように、第1有効電力指令値演算部96は、減算器93および有効電力指令値設定器94を有する。減算器93は、SOC指令値SOCrefと蓄電デバイス監視装置18で計算されたSOCとの偏差ΔSOCを計算する。
回転速度指令値演算部40は、第1電力変換器6を仮想発電機として動作させるために、第1有効電力指令値Pref1と有効電力Pと基準回転速度ωoとから仮想発電機における所定の周波数ドループ特性および所定の慣性特性に応じた仮想的な回転速度指令値ωrefを算出する。蓄電設備103の回転速度指令値演算部40は、第1回転速度指令値を算出する第1回転速度指令値演算部として機能する。
[第1の例]
図6Aは、図2に示す内部起電圧指令値演算部50の演算内容の一例を示す制御ブロック図である。図6Aに示すように、内部起電圧指令値演算部50は無効電力指令値Qrefと無効電力Qとの偏差から比例制御により内部起電圧指令値Efを算出する。蓄電設備103の内部起電圧指令値演算部50は、第1内部起電圧指令値を算出する第1内部起電圧指令値演算部として機能する。具体的には、内部起電圧指令値演算部50は、減算器53、比例制御器(第2の比例演算器)54、上下限リミッタ56、加算器(第2の加算器)57、および関数演算器58を有している。減算器53は無効電力指令値Qrefから無効電力Qを減算して、比例制御器54に出力する。比例制御器54は、減算器53の出力に比例ゲイン(Dr)を乗じて、次段の上下限リミッタ56に送る。そして、上下限リミッタ56は、比例制御器54の出力をVdr_maxとVdr_minとの間に制限して出力する。加算器57は、上下限リミッタ56の出力に電圧基準値Voを加算して電圧目標値Vrefを出力する。電圧目標値Vrefは、関数演算器58に送られる。関数演算器58は、下式に示す演算を行い、内部起電圧指令値Efを出力する。
図6Bは、図2に示す内部起電圧指令値演算部50の演算内容の他の一例を示す制御ブロック図である。図6Bに示すように、内部起電圧指令値演算部50は無効電力指令値Qrefと無効電力Qとから内部起電圧指令値Efを算出する。この例においては、内部起電圧指令値演算部50は、図6Aの例と同様に、減算器53、比例制御器(第2の比例演算器)54、上下限リミッタ56、および加算器(第2の加算器)57を有している。図6Bの例においては、図6Aにおける関数演算器58に代えて演算式が異なる第2の関数演算器58Bを有している。第2の関数演算器58Bには、電流Id,Iqの代わりに、電圧Vd,Vqが入力される。第2の関数演算器58Bは、下式に示す演算を行い、内部起電圧指令値Efを出力する。
図6Cは、図2に示す内部起電圧指令値演算部50の演算内容の他の一例を示す制御ブロック図である。すなわち、内部起電圧指令値演算部50は、図6A、図6Bに示すような比例制御器54の出力を直接上下限リミッタ56に入力する態様に代えて、図6Cに示すように、比例制御器54と上下限リミッタ56との間に一次遅れ演算器55を配してもよい。比例ゲイン(Dr)は無効電力と出力電圧との間に所定の垂下特性を有するように調整される。
図7は、図2に示す内部相差角演算部60の演算内容を示す制御ブロック図である。図7に示すように、内部相差角演算部60は回転速度指令値ωrefと電源系統113の同期回転速度ωsとの偏差から、内部相差角θを算出する。蓄電設備103の内部相差角演算部60は、第1内部相差角を算出する第1内部相差角演算部として機能する。具体的には、内部相差角演算部60は、減算器63、積分器64を有している。減算器63は、回転速度指令値ωrefと同期回転速度ωsとの偏差を算出する。減算器63の次段に設けられる積分器64は、この偏差を積分し、内部相差角θとして出力する。なお、本実施形態においては、回転速度指令値ωrefと同期回転速度ωsとを用いて回転速度(単位:rpm)を比較する構成としているが、角速度(単位:rad/sec)、回転数(単位:Hz)等を比較する構成としてもよい。角速度、回転数および周波数は、本発明において、回転速度と等価な概念である。したがって、後述する電源系統113の周波数も電圧・回転速度・位相演算部14において同期回転速度ωsから得られる。
図8Aは、図2に示す電流指令値演算部70の演算内容を示す制御ブロック図である。また、図8Bは、本実施の形態の電源系統における概念図である。図8Aに示すように、電流指令値演算部70において、内部起電圧指令値Ef、内部相差角θ、電圧Vd、Vqは関数演算器72に入力される。関数演算器72は、下記式の演算を行い、電流指令値Id_ref、Iq_refを電力変換器制御部16に出力する。
電力変換器制御部16には電圧・回転速度・位相演算部14で算出された推定位相φ’と、電流演算部13で算出された電流Id,Iqと、電流指令値演算部70で算出された第1電流指令値Id_ref、Iq_refとが入力される。電力変換器制御部16は、第1電力変換器6の出力電流が電流指令値演算部70で算出された第1電流指令値となるようなゲート駆動信号20を出力する。
次に、発電設備104の構成について説明する。図9は、図1に示す発電設備が電力変換器を介して施設内配電系統に接続される場合の概略構成を示すブロック図である。図9において、図2で示した第1システム制御装置11の制御ブロックと共通する部分については同じ符号を付し、説明を省略する。また、図9の例は、発電設備104の他に蓄電設備103および負荷設備105が接続された施設内配電系統112Aを例示するが、発電設備104が接続されている限り、施設内配電系統に蓄電設備103および/または負荷設備105が接続されていない場合(例えば施設内配電系統112B,112C等)であっても、発電設備104は、図9の例と同様の構成を採用し得る。
本実施の形態において、電源系統113全体の電力需給状況に応じて、負荷設備105の負荷電力が調整されてもよい。例えば、第3システム制御装置131は、電源系統113の周波数が予め定められた第3のしきい値未満の状態となり、かつ、当該第3のしきい値未満の状態が所定の時間継続した場合に、負荷設備105が消費する電力を低減させるように制御する。
図1に示すように、電源系統113に、各施設101Xとは別に太陽光発電施設109等の自然エネルギーを利用した発電施設が接続されている場合には、電源系統113全体の電力需給状況に応じて、当該発電施設の発電電力が調整されてもよい。例えば、第4システム制御装置132は、電源系統113の周波数が予め定められた第4のしきい値以上の状態となり、かつ、当該第4のしきい値以上の状態が所定の時間継続した場合に、太陽光発電施設109の発電電力を低減させるように制御する。
以下、本実施の形態における複合発電システム100の全体的な動作について説明する。
負荷設備105における負荷の変動、発電設備104の出力電力の変動および太陽光発電施設109における発電電力の変動がなく、しかも、蓄電設備103の蓄電デバイス5におけるSOCが蓄電デバイス5のSOC指令値SOCrefに一致している状態では、負荷設備105には、対応する施設101Xの発電設備104および/または太陽光発電施設109から電力が供給される。このとき、発電設備104は自身の施設101X内の負荷設備105へ電力を供給するとともに、余剰分を他の施設に融通する。蓄電設備103の出力はゼロで、電源系統113の周波数は基準周波数(定格周波数)に一致している。
定常状態から施設101Aの負荷が増加した場合を考える。負荷が増加することにより、電源系統113全体としては発電設備104の供給不足となる。このため、当該不足分を蓄電設備103が賄って放電するようになる。この結果、蓄電設備103の垂下特性により電源系統113の周波数が低下する。電源系統113の周波数が低下することにより、各施設101Xの発電設備104は発電電力を上昇させる。施設101Aには受電電力Pが発生する(正の値となる)ため、施設101Aにおける発電設備104は、他の施設の発電設備104よりも発電電力が大きくなるように発電電力を上昇させる。施設101Aの発電設備104の発電電力が上昇することにより、蓄電設備103の出力が減少し、電源系統113の周波数も上昇する。やがて、蓄電設備103の出力がゼロとなり、電源系統113の周波数も基準周波数に戻る。しかし、施設101Aの受電電力が正の値であることから、施設101Aの発電設備104の発電電力は上昇を続けるため、電源系統113の周波数も上昇を続ける。この結果、蓄電設備103が上昇した発電電力を吸収すべく充電状態となる。電源系統113の周波数が上昇することに従って、他の施設の発電設備104の発電電力は、減少し、最終的には施設101Aの発電設備104のみが出力を上昇させた状態で静定する。
定常状態から施設101Aの負荷が減少した場合を考える。負荷が減少することにより、電源系統113全体としては発電設備104の供給過剰となる。このため、当該過剰分を蓄電設備103が吸収するように充電状態となる。この結果、電源系統113の周波数が上昇する。電源系統113の周波数が上昇することにより、各施設101Xの発電設備104は発電電力を減少させる。発電設備104の発電電力の減少に伴い、蓄電設備103の充電量が減少し、電源系統113の周波数も低下する。蓄電設備103の充電量がゼロになると、電源系統113の周波数も基準周波数に戻る。しかし、他の施設の受電電力Pが正の値となっていることから、他の施設の発電設備104の発電電力は増加に転じ、電源系統113の周波数もそれに応じて再び上昇する。これに伴い、施設101Aの発電設備104の発電電力が減少し、最終的には施設101Aの発電設備104のみが出力を減少させた状態で静定する。
上記(2)において、施設101Aの負荷が上昇し、施設101Aの発電設備104の発電電力が上限に達した場合を考える。施設101Aは電力の不足分を電源系統113から受電することになるため、電源系統113の周波数が低下する。その結果、他の施設の発電設備104の発電電力が上昇する。最終的には、施設101Aの蓄電設備103の出力がゼロとなり、電源系統113の周波数が基準周波数に戻った時点で静定する。この結果、施設101Aは他の施設の発電設備104から電力の融通を受ける状態が維持される。
太陽光発電施設109の発電電力が上昇すると、電源系統113は供給過剰の状態となり、電源系統113の周波数が上昇し、各施設101Xの蓄電設備103が余剰分を充電する。電源系統113の周波数の上昇に伴い、各施設101Xの発電設備104は、発電電力を減少させ、施設外に融通していた電力を減少させる。太陽光発電施設109の発電電力がさらに大きい場合、各施設101Xの発電設備104は発電電力の減少を継続し、施設外から受電する状態で静定する。
定常状態から電源系統113の負荷が上昇し、各施設101Xの発電設備104の供給能力を上回った場合を考える。各施設101Xの発電設備104の出力が上限に達すると、電源系統113の周波数の基準周波数からの低下を元に戻すことができない。したがって、各施設101Xの蓄電設備103から電力の不足分が電源系統113に供給される。この状態が継続すると、蓄電デバイス5のSOCが充電側に調整されるため、電源系統113の周波数がさらに低下する。電源系統113の周波数が所定の値(上述した第3のしきい値)未満となった状態が所定の時間継続した場合、電源系統113は、供給不足と判断され、各施設101Xの負荷設備105は、負荷の低減または停止を行い、供給不足を改善するように制御される。
電源系統113全体の負荷が低い状態で、太陽光発電施設109の発電電力が上昇し、供給過剰状態となった場合を考える。各施設101Xの発電設備104は発電電力を減少させ、下限値に達すると、余剰分は蓄電設備103の蓄電デバイス5に充電される。蓄電デバイス5のSOCが上昇すると、蓄電設備103は放電側に調整されるため、電源系統113の周波数がさらに上昇する。電源系統113の周波数が所定の値(上述した第4のしきい値)以上の状態となり、この状態所定の時間継続した場合、電源系統113は、供給過剰と判断され、太陽光発電施設109は、発電電力の抑制または停止を行い、供給過剰を改善するように制御される。
上記のような一連の動作が制御態様の切り替えなしに行われる本実施の形態における複合発電システム100によれば、以下のような効果を奏し得る。
本実施の形態の複合発電システム100に含まれる施設101Xは、すべて住宅として構成されてもよいし、住宅以外の施設が含まれていてもよい。例えば、複数の住宅に加えて、施設101Xは、体育館等、災害発生時には避難所として利用される公共施設を含んでいてもよい。
また、本実施の形態の複合発電システム100は、離島等においても適用可能である。離島等においては、複合発電システム100が広域の商用系統106に接続される代わりに、小規模な商用系統に接続される。このような小規模商用系統の場合、発電のための燃料費が高く、発電コストが高くなる傾向がある。このため、このようなケースでは、太陽光等の自然エネルギーを利用した発電施設を導入したいという要求がある。しかしながら、従来の構成では、小規模商用系統の需給調整能力が低くなりがちで、自然エネルギーを利用した発電施設を大規模に導入した場合、当該発電施設の発電電力の変化によって小規模商用系統の電圧、周波数が変動し、適切な電源品質を維持できなくなるおそれがある。
以下、本発明の複合発電システムにより複数の施設の間で負荷の分担および電力の融通が好適に行われることをシミュレーションにより示す。図12Aおよび図12Bは、本発明の一実施の形態におけるシミュレーション結果を示すグラフである。図12Aは各施設における各電力値の時間的変化を示すグラフであり、図12Bは電源系統113の周波数変化を示すグラフである。
4 電圧計測器
5 蓄電デバイス
6 第1電力変換器
11 第1システム制御装置
14 電圧・回転速度・位相演算部(周波数演算器)
15 有効・無効電力演算部(第1計測器、第2計測器)
40 第1/第2回転速度指令値演算部
44 第1/第3の比例演算器
47 第1/第3の加算器
50 第1/第2内部起電圧指令値演算部
54 第2/第4の比例演算器
57 第2/第4の加算器
59 比例積分補償器
60 第1/第2内部相差角演算部
70 第1/第2電流指令値演算部
84 第1発電電力変化率指令値演算部
85 第2発電電力変化率指令値演算部
86 第2有効電力指令値演算部
92 指令値補正演算部
96 第1有効電力指令値演算部
100 複合発電システム
101X(X=A,B,…) 施設
102 施設間配電系統
103 蓄電設備
104 発電設備
105 負荷設備
109 太陽光発電施設(自然エネルギーを利用した発電施設)
112X(X=A,B,…) 施設内配電系統
113 電源系統
122 発電装置
124 第2システム制御装置
125 第2電力変換器
131 第3システム制御装置
132 第4システム制御装置
Claims (10)
- 複数の施設のそれぞれに設けられる施設内配電系統が施設間配電系統を介して互いに電力授受可能に接続された電源系統を構成する複合発電システムであって、
前記施設内配電系統のそれぞれが、蓄電デバイスと前記蓄電デバイスに接続され前記蓄電デバイスの直流電力を所定の交流電力に変換する第1電力変換器とを有する蓄電設備、出力制御が可能な発電装置を有する発電設備、および電力を消費する負荷設備のうちの少なくとも1つを有し、前記電源系統は、少なくとも1つの前記蓄電設備、少なくとも1つの前記発電設備および少なくとも1つの前記負荷設備を備え、
前記複合発電システムは、
前記電源系統の電圧を計測する電圧計測器と、
前記電源系統の電圧から前記電源系統の周波数を算出する周波数演算器と、
前記第1電力変換器を制御する第1システム制御装置と、
前記発電装置を制御する第2システム制御装置と、を有し、
前記蓄電設備を含む前記施設内配電系統は、前記第1電力変換器の出力端における有効電力および無効電力を得るための値を計測する第1計測器を有し、
前記発電設備を含む前記施設内配電系統は、前記発電設備を含む前記施設内配電系統に供給される受電電力を計測する受電電力計測器を有し、
前記第1システム制御装置は、
前記蓄電デバイスのSOCと前記蓄電デバイスのSOC指令値との偏差を減少させるように、負の値も許容する第1有効電力指令値を算出する第1有効電力指令値演算部と、
前記蓄電設備を仮想発電機として動作させるために、前記第1有効電力指令値と前記第1計測器で計測された値に基づいて得られる有効電力と基準回転速度とから前記仮想発電機における所定の周波数ドループ特性および所定の慣性特性に応じた仮想的な第1回転速度指令値を算出する第1回転速度指令値演算部と、
前記第1回転速度指令値と前記周波数演算器で算出された周波数に基づいて算出される仮想の回転速度との偏差を積分して前記仮想発電機の仮想的な第1内部相差角を算出する第1内部相差角演算部と、
第1無効電力指令値と前記第1計測器で計測された値に基づいて得られる無効電力と基準電圧とから前記仮想発電機における所定の電圧ドループ特性に応じた仮想的な第1内部起電圧指令値を算出する第1内部起電圧指令値演算部と、
前記第1内部相差角と、前記第1内部起電圧指令値と、前記電圧計測器で計測された電圧と前記仮想発電機における所定の内部インピーダンスとから、前記第1電力変換器の出力電流の指令値を算出する第1電流指令値演算部と、を備え、
前記第1電流指令値演算部の出力に基づき前記第1電力変換器を制御するよう構成され、
前記第2システム制御装置は、
前記周波数演算器で算出された周波数と周波数指令値との偏差から第1発電電力変化率指令値を算出する第1発電電力変化率指令値演算部と、
前記受電電力計測器で計測された受電電力から第2発電電力変化率指令値を算出する第2発電電力変化率指令値演算部と、
前記第1発電電力変化率指令値と前記第2発電電力変化率指令値とを加算した発電電力変化率指令値を積分して、第2有効電力指令値を算出する第2有効電力指令値演算部と、を備え、
前記第2有効電力指令値演算部の出力に基づき前記発電装置を制御するよう構成され、
前記第1発電電力変化率指令値演算部は、前記周波数が前記周波数指令値より低い場合、前記発電装置の発電量を増やすような前記第1発電電力変化率指令値を出力し、前記周波数が前記周波数指令値より高い場合、前記発電装置の発電量を減らすような前記第1発電電力変化率指令値を出力し、
前記第2発電電力変化率指令値演算部は、前記受電電力が、対応する前記施設内配電系統が受電していることを示す値である場合に、前記発電装置の発電量を増やすような前記第2発電電力変化率指令値を出力し、前記受電電力が、対応する前記施設内配電系統から送電していることを示す値である場合に、前記発電装置の発電量を維持するような前記第2発電電力変化率指令値を出力する、複合発電システム。 - 前記第2有効電力指令値演算部は、前記第2発電電力変化率指令値に対して前記第1発電電力変化率指令値の前記第2有効電力指令値への影響度が大きくなるように前記第2有効電力指令値を算出する、請求項1に記載の複合発電システム。
- 前記第1内部起電圧指令値演算部は、第1無効電力指令値と前記第1計測器で計測された値に基づいて得られる無効電力との偏差を比例演算する第2の比例演算器と、当該第2の比例演算器の出力に基準電圧を加算して前記第1内部起電圧指令値を算出する第2の加算器とから構成される、請求項1または2に記載の複合発電システム。
- 前記発電設備は、前記発電装置と、前記発電装置に接続され前記発電装置の電力を所定の交流電力に変換する第2電力変換器と、を有し、前記第2システム制御装置は、前記第2有効電力指令値に基づいて前記第2電力変換器の出力電流の指令値を算出する第2電流指令値演算部を備え、前記第2電流指令値演算部の出力に基づき前記第2電力変換器を制御するよう構成される、請求項1から3の何れかに記載の複合発電システム。
- 前記発電装置は、燃料電池であり、
前記第2電力変換器は、前記燃料電池の直流電力を交流電力に変換するように構成される、請求項4に記載の複合発電システム。 - 前記発電装置は、原動機で駆動される発電機を用いた発電装置であり、前記発電機が直接的に前記施設内配電系統に同期投入するように構成され、前記発電機の出力が前記第2有効電力指令値に追従するように前記発電機を駆動する原動機の駆動力が制御される請求項1から3の何れかに記載の複合発電システム。
- 前記第2システム制御装置は、前記周波数演算器で算出された前記周波数が予め定められた第1のしきい値未満の状態となり、かつ、当該第1のしきい値未満の状態が所定の時間継続した場合に、前記発電設備における発電を開始し、前記周波数が前記第1のしきい値以上の値として予め定められた第2のしきい値以上の状態となり、かつ、当該第2のしきい値以上の状態が所定の時間継続した場合に、前記発電設備における発電を停止するように制御する、請求項1から6の何れかに記載の複合発電システム。
- 前記負荷設備を制御する第3システム制御装置を備え、
前記第3システム制御装置は、前記周波数演算器で算出された周波数が予め定められた第3のしきい値未満の状態となり、かつ、当該第3のしきい値未満の状態が所定の時間継続した場合に、前記負荷設備が消費する電力を低減させるように制御する、請求項1から7の何れかに記載の複合発電システム。 - 前記電源系統に接続された自然エネルギーを利用した発電施設と、
前記自然エネルギーを利用した発電施設を制御する第4システム制御装置と、を備え、
前記第4システム制御装置は、前記周波数演算器で算出された周波数が予め定められた第4のしきい値以上の状態となり、かつ、当該第4のしきい値以上の状態が所定の時間継続した場合に、前記自然エネルギーを利用した発電施設の発電電力を低減させるように制御する、請求項1から8の何れかに記載の複合発電システム。 - 前記第2システム制御装置は、前記受電電力を積算した値に基づいて前記第2有効電力指令値を補正する指令値補正演算部を備えている、請求項1から9の何れかに記載の複合発電システム。
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