JP7428902B2

JP7428902B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP7428902B2
Application number: JP2020532222A
Authority: JP
Inventors: 弘典柏原
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2024-02-07
Anticipated expiration: 2039-06-21
Also published as: US11451063B2; TW202008694A; WO2020021925A1; TWI723454B; AU2019311464A1; AU2019311464B2; CN112470358A; EP3832831A1; US20210167605A1; EP3832831A4; JPWO2020021925A1

Description

本発明は、電源システムに関するものである。

近年、蓄電池の高性能化等により、特に大容量（５００ｋＷ容量クラス以上）の蓄電池システムにおいて、無停電電源機能及び負荷平準化機能を両立するものが考えられつつある。例えば、特許文献１に示すように、無停電電源機能及び負荷平準化機能を両立した二次電池システムが考えられている。このシステムは、停電や瞬低に対しては解列して重要負荷に電力を供給するように構成されている。

ところで、商用電力系統に連系される分散型電源が増大しており、瞬低時にそれらの分散型電源を一斉に解列してしまうと、商用電力系統全体の電圧や周波数の維持に大きな影響を与える可能性がある。このため、瞬低時においても分散型電源を商用電力系統から解列することなく継続運転することが求められている（事故時運転継続（ＦＲＴ）要件）。

特許第３４０２８８６号公報

一方で、本願発明者は、特許文献１に示すように、電力線において分散型電源よりも商用電力系統側に開閉スイッチを設けるとともに、当該開閉スイッチに対してインピーダンス素子を並列接続した構成を有する電源システムの開発を進めている。この電源システムは、系統異常時に開閉スイッチを開放して、分散型電源をインピーダンス素子を介して商用電力系統と連系した状態とする。ここで、分散型電源としては、発電機、蓄電装置、太陽光発電装置等が用いられている。

しかしながら、上述した電源システムでは、系統異常時に、重要負荷が変動した場合には、発電機の慣性力により変動に追従できずに発電機が脱落してしまう。また、分散型電源として太陽光発電装置が接続されている場合には、当該太陽光発電装置の出力変動によっても、同様の理由により発電機が脱落してしまう。その結果、系統異常時において重要負荷への電力供給を安定して行うことが難しいという問題がある。

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、ＦＲＴ要件を満たしつつ、系統異常時においても重要負荷への電力供給を安定して行うことをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る電源システムは、商用電力系統から重要負荷に給電するための電力線に接続された分散型電源と、前記電力線において前記分散型電源よりも前記商用電力系統側に設けられた開閉スイッチと、前記電力線において前記開閉スイッチに並列接続されたインピーダンス素子と、前記商用電力系統の異常を検出する系統異常検出部と、前記商用電力系統の異常が検出された場合に前記開閉スイッチを開放し、前記分散型電源と前記商用電力系統とを前記インピーダンス素子を介して接続するスイッチ制御部とを備え、前記分散型電源と前記商用電力系統とが前記インピーダンス素子を介して接続された状態で、前記分散型電源が逆潮流を含む運転を継続するものであり、前記分散型電源は、前記電力線に接続される回転発電装置と、前記電力線に接続されるエネルギー貯蔵装置とを有しており、前記エネルギー貯蔵装置は、エネルギー貯蔵部と、当該エネルギー貯蔵部の充放電を行う双方向電力変換器と、当該双方向電力変換器を制御して、前記回転発電装置の慣性力を模擬した動作を行わせる変換器制御部とを有していることを特徴とする。

このような電源システムであれば、電力線において分散型電源よりも商用電力系統側に開閉スイッチを設けるとともに、当該開閉スイッチに対してインピーダンス素子を並列接続しており、商用電力系統の異常が検出された場合に開閉スイッチを開放するので、系統異常時においても分散型電源はインピーダンス素子を介して商用電力系統と連系された状態となる。これにより、分散型電源のＦＲＴ要件を満たしつつ、系統異常時における重要負荷への電圧低下を防止することができる。その結果、ＦＲＴ要件を満たしつつ、無停電電源機能及び負荷平準化機能を共通の分散型電源を用いて両立することができる。ここで、電力線にインピーダンス素子と開閉スイッチの並列回路部を設けるだけで良いので、装置の回路構成を簡単にすることができるとともに、通常運用時には開閉スイッチに電流が流れるのでリアクトル等のインピーダンス素子に生じる損失を無くすことができる。
特に本発明では、分散型電源として用いられたエネルギー貯蔵装置において、当該エネルギー貯蔵装置の双方向電力変換器を制御して、回転発電装置の慣性力を模擬した動作を行わせるので、回転発電装置の慣性力を補うことができるので、重要負荷の変動に対して発電機が脱落してしまうことを防ぐことができる。その結果、系統異常時においても重要負荷への電力供給を安定して行うことができる。

前記分散型電源は、太陽光発電パネル及び電力変換器を備える太陽光発電装置を有することが考えられる。この場合、回転発電装置の脱落の要因となるのは、重要負荷の変動だけでなく、太陽光発電装置の出力変動も含まれる。本発明では、エネルギー貯蔵装置が回転発電装置の慣性力を模擬した動作を行うので、太陽光発電装置の出力変動が生じた場合でも重要負荷への電力供給を安定して行うことができる。

前記変換器制御部は、前記商用電力系統の正常時は、前記双方向電力変換器を電流制御するものであり、前記商用電力系統の異常時は、前記双方向電力変換器を電圧制御するものであることが望ましい。一方、変換器制御部が前記双方向電力変換器を常時電圧制御するものであれば、回転発電装置の運転停止中であっても、重要負荷への電力供給を安定して行うことができる。

このように構成した本発明によれば、ＦＲＴ要件を満たしつつ、系統異常時においても重要負荷への電力供給を安定して行うことができる。

本実施形態の電源システムの構成を示す模式図である。同実施形態の変換器制御部の制御ブロック図である。同実施形態の通常時の電源システムの状態を示す模式図である。同実施形態の瞬低時の電源システムの状態を示す模式図である。インピーダンス素子を挿入しない電源システムにおいて慣性力制御を行わない場合の瞬低前後における各電流値及び電圧値である。インピーダンス素子を挿入する電源システムにおいて慣性力制御を行わない場合の瞬低前後における各電流値及び電圧値である。インピーダンス素子を挿入する電源システムにおいて慣性力制御を行った場合の瞬低前後における各電流値及び電圧値である。

１００・・・電源システム
１０・・・商用電力系統
３０・・・重要負荷
Ｌ１・・・電力線
２・・・分散型電源
２１・・・太陽光発電装置
２１１・・・太陽光発電パネル
２１２・・・電力変換器
２２・・・エネルギー貯蔵装置
２２１・・・蓄電池（エネルギー貯蔵部）
２２２・・・双方向電力変換器
２２３・・・変換器制御部
２３・・・回転発電装置
２３１・・・同期発電機
２３２・・・発電機制御部
３・・・開閉スイッチ
４・・・インピーダンス素子
５・・・系統異常検出部
６・・・スイッチ制御部

以下に、本発明に係る電源システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態の電源システム１００は、図１に示すように、商用電力系統１０と重要負荷３０との間に設けられ、商用電力系統１０の異常時に重要負荷３０に電力を供給する無停電電源システムとしての機能（無停電電源機能）と、商用電力系統に対して順潮流及び逆潮流することで負荷平準化する分散型電源システムとしての機能（負荷平準化機能）を発揮するものである。

ここで、商用電力系統１０は、電力会社（電気事業者）の電力供給網であり、発電所、送電系統及び配電系統を有するものである。また、重要負荷２０は、停電や瞬低などの系統異常時においても電力を安定して供給すべき負荷であり、図１では１つであるが、複数あっても良い。

具体的に電源システム１００は、分散型電源２と、商用電力系統１０と分散型電源２及び重要負荷３０とを接続する開閉スイッチ３と、開閉スイッチ３に並列接続されたインピーダンス素子４と、開閉スイッチ３よりも商用電力系統１０側の異常（以下、系統異常）を検出する系統異常検出部５と、系統異常が検出された場合に開閉スイッチ３を開放するスイッチ制御部６とを備えている。

分散型電源２は、商用電力系統１０から重要負荷３０に給電するための電力線Ｌ１に接続されている。本実施形態では、分散型電源２として、太陽光発電装置２１と、二次電池（蓄電池）等のエネルギー貯蔵装置２２と、同期発電機などを有する回転発電装置２３とを備えている。これら分散型電源２は、それぞれ商用電力系統１０に連系されている。

太陽光発電装置２１は、太陽光発電パネル２１１と、電力変換器２１２と、当該電力変換器２１２を電流制御する変換器制御部２１３とを備えている。また、回転発電装置２３は、同期発電機２３１と、当該同期発電機２３１をドループ（Ｄｒｏｏｐ）制御する制御部２３２とを備えている。なお、エネルギー貯蔵装置２２については後述する。

開閉スイッチ３は、電力線Ｌ１において分散型電源２の接続点よりも商用電力系統１０側に設けられて電力線Ｌ１を開閉するものであり、例えば半導体スイッチ、又は、半導体スイッチと機械式スイッチとを組み合わせたハイブリッドスイッチなどの高速切り替えが可能な開閉スイッチを用いることができる。例えば半導体スイッチを用いた場合には、切替時間を２ｍ秒以下にすることができ、ゼロ点関係なく遮断することができる。また、ハイブリッドスイッチを用いた場合には、切替時間を２ｍ秒以下にすることができ、ゼロ点関係なく遮断できるだけでなく、通電損失をゼロにすることができる。なお、この開閉スイッチ３は、スイッチ制御部６により開閉制御される。

インピーダンス素子４は、電力線Ｌ１において開閉スイッチ３に並列接続されたものであり、本実施形態では、限流リアクトルである。

系統異常検出部５は、本実施形態では、商用電力系統の系統電圧の瞬低を含む電圧低下を検出するものである。具体的に系統異常検出部５は、電力線Ｌ１において開閉スイッチ３よりも商用電力系統１０側の電圧を検出して、当該検出電圧と所定の整定値とを比較することにより電圧低下を検出するものである。ここで、電圧低下を検出するための整定値は、瞬低を検出するための電圧値であり、例えば残電圧２０％である。

スイッチ制御部６は、系統異常検出部５により検出された検出信号に基づいて、開閉スイッチ３に制御信号を出力して開閉スイッチ３を開放するものである。このようにスイッチ制御部６が開閉スイッチ３を開放させることにより、商用電力系統１０と分散型電源２及び重要負荷３０とはインピーダンス素子４を介して接続された状態となる。この状態で、分散型電源２は逆潮流を含む運転を継続する。

そして、本実施形態のエネルギー貯蔵装置２２は、図１に示すように、エネルギー貯蔵部である二次電池などの蓄電池２２１と、当該蓄電池２２１の充放電を行う双方向電力変換器２２２と、当該双方向電力変換器２２２を制御する変換器制御部２２３とを有している。双方向電力変換器２２２は、半導体スイッチ素子を用いて構成されたインバータ回路である。

変換器制御部２２３は、系統異常時において双方向電力変換器２２２を電圧制御して、同期発電機２３１の慣性力を模擬した動作を行わせるものである。具体的に変換器制御部２２３は、エネルギー貯蔵装置２２に同期発電機２３１の特性を持たせる仮想同期発電機（ＶＳＧ）制御を行うものである。本実施形態の変換器制御部２２３は、スイッチ制御部６が開閉スイッチ３を開放させると同時に、エネルギー貯蔵装置２２が慣性力を持った電圧源として負荷電圧及びその周波数を一定に保つように、双方向電力変換器２２２を制御する。なお、図１における符号２２４は、エネルギー貯蔵装置２２の出力電流を計測するための電流計測器であり、符号２２５は、エネルギー貯蔵装置２２の出力電圧を計測するための電圧計測器である。これらの計測された値は、変換器制御部２２３に取得されて、双方向電力変換器２２２の制御も用いられる。

ここで、系統正常時において、変換器制御部２２３は、エネルギー貯蔵装置２２が慣性力を持った電圧源となるように、双方向電力変換器２２２をドループ制御（電圧振幅Ｖ、周波数ｆは可変）する。

一方、系統異常検出部５により系統異常が検出されると、変換器制御部２２３は、エネルギー貯蔵装置２２に慣性力を持たせたままドループ制御から指令値制御（電圧振幅Ｖ、周波数ｆは固定）に移行する。

ここで、指令値制御にする理由は、仮に系統事故がすぐに排除された場合には、分散型電源はＦＲＴ要件に従って一定時間（例えば０．１～１．０秒）以内に商用電力系統に対して元の出力に戻すためである。即ち、系統復帰後は素早く開閉スイッチ３を再投入するためである。
インピーダンス素子４の挿入によって一時的に系統－分散型電源間の電流潮流を抑制しているが、インピーダンス挿入中に系統－分散型電源間で位相がずれてしまうと、電圧振幅が復帰していても開閉スイッチ３を投入した瞬間に過電流が発生する。特にドループ制御は電圧振幅Ｖ、周波数ｆが可変であり、上記の位相ずれが発生しやすい。
したがって、復電検出後になるべく早く系統電圧と電圧振幅及び位相を合わせて開閉スイッチ３を投入するために、系統異常検出時はエネルギー貯蔵装置２２を指令値制御に移行して分散型電源側の電圧振幅Ｖ、周波数ｆを事故直前の値で維持するようにコントロールすることで、系統－分散型電源間の位相ずれを最小限に抑えて、同期時間を短縮させることができる。なお、停電である場合には、開閉スイッチ３を開放したまま、ドループ制御に戻す。

具体的に変換器制御部２２３は、図２に示す制御ブロック図に基づいて、双方向電力変換器２２２の電圧出力指令値を算出して、双方向電力変換器２２２を制御する。より詳細には、変換器制御部２２３は、内部位相基準値を算出する第１の制御ブロックＢ１と、内部電圧基準値を算出する第２の制御ブロックＢ２と、算出された内部位相基準値及び内部電圧基準値と同期発電機２３１の慣性力を模擬するための仮想インピーダンス設定値とを用いて電圧出力指令値を算出する第３の制御ブロックＢ３とを有している。

第１の制御ブロックＢ１は、系統電圧異常検出信号を取得して、有効電力のドループ制御と、周波数指令値に対するフィードバック制御とを切り替えて、内部位相基準値を算出する。また、第２の制御ブロックＢ２は、系統電圧異常検出信号を取得して、無効電力のドループ制御と、電圧振幅指令値に対するフィードバック制御とを切り替えて、内部電圧基準値を算出する。第３の制御ブロックＢ３は、算出された内部位相基準値及び内部電圧基準値と、電圧計測値と、電流計測値と、仮想インピーダンス設定値とを用いて、電圧出力指令値を算出する。変換器制御部２２３は、この電圧出力指令値を用いて双方向電力変換器２２２を制御する。

次に、本実施形態の電源システム１００の動作（通常時及び瞬低時）について説明する。

電源システム１００は、通常時には、図３に示すように、開閉スイッチ３を閉じており、分散型電源２及び重要負荷３０は開閉スイッチ３を介して商用電力系統１０に接続された状態である。なお、リアクトル４は開閉スイッチ３に並列接続されているが、開閉スイッチ３のインピーダンスは、リアクトル４のインピーダンスよりも小さいため、商用電力系統１０と分散型電源２及び重要負荷３０とは開閉スイッチ３側で電力をやり取りする。分散型電源２による逆潮流によってピークカット・ピークシフトを実現することができる。

一方、商用電力系統１０側で短絡事故（例えば三相短絡）が発生すると、商用電力系統１０側の電圧が低下する。この電圧低下は、系統異常検出部５により検出される。スイッチ制御部６は、系統異常が検出された場合に開閉スイッチ３を開放する。

図４に示すように、開閉スイッチ３を開放すると、分散型電源２及び重要負荷３０はリアクトル４を介して商用電力系統１０に接続された状態となる。この状態で、分散型電源２から短絡事故点に流れる電流はリアクトル４により限流されて、短絡事故点に流れる事故電流が抑制されるとともに、重要負荷３０の電圧低下を防止する。また、この状態で、分散型電源２は逆潮流を含む運転を継続しており、発電出力を継続する。

また、開閉スイッチ３が開放されると同時に、エネルギー貯蔵装置２２の変換器制御部２２３は、エネルギー貯蔵装置２２が慣性力を持った電圧源として負荷電圧及びその周波数を一定に保つように、双方向電力変換器２２２を制御する。

なお、系統異常検出部５は、開閉スイッチ３の開閉に関係なく、商用電力系統１０側の電圧を検出しており、スイッチ制御部６は、検出電圧が所定の復帰電圧以上となった場合、例えば商用電力系統の残電圧が８０％以上となった場合に、開閉スイッチ３を閉じる。

次に、電源システムによる瞬低発生時の補償動作のシミュレーション結果を図４～図６に示す。

図５は、インピーダンス素子を挿入しない電源システムにおいてＶＳＧ制御を行わない場合の瞬低前後における各電流値及び電圧値を示すグラフである。図６は、インピーダンス素子を挿入する電源システムにおいてＶＳＧ制御を行わない場合の瞬低前後における各電流値及び電圧値を示すグラフである。図７は、インピーダンス素子を挿入する電源システムにおいてＶＳＧ制御を行った場合の瞬低前後における各電流値及び電圧値を示すグラフである。

図６に示すように、エネルギー貯蔵装置２２の双方向電力変換器２２２をＶＳＧ制御することなく電流制御した場合には、太陽光発電装置２１の出力変動が生じると、発電機電流が変動して、負荷電圧の実効値及び負荷周波数が低下してしまう。一方、図７に示すように、エネルギー貯蔵装置２２の双方向電力変換器をＶＳＧ制御した場合には、太陽光発電装置の出力変動が生じても、負荷電圧の実効値及び周波数は一定となる。

このように構成した本実施形態の電源システム１００によれば、電力線Ｌ１において分散型電源２よりも商用電力系統１０側に開閉スイッチ３を設けるとともに、当該開閉スイッチ３に対してリアクトル４を並列接続しており、商用電力系統１０側の電圧が整定値以下となった場合に開閉スイッチ３を開放するので、瞬低時においても分散型電源２及び重要負荷３０はリアクトル４を介して商用電力系統１０に接続された状態となる。このように電源システム１００は、通常時及び瞬低時の何れであっても分散型電源２及び重要負荷３０を商用電力系統１０から切り離さないので、分散型電源２のＦＲＴ要件を満たしつつ、瞬低時における重要負荷３０への電圧低下を防止することができる。その結果、ＦＲＴ要件を満たしつつ、無停電電源機能及び負荷平準化機能を共通の分散型電源２を用いて両立することができる。ここで、電力線Ｌ１にリアクトル４と開閉スイッチ３の並列回路部を設けるだけで良いので、装置の回路構成を簡単にすることができるとともに、通常運用時には開閉スイッチ３に電流が流れるのでリアクトル４に生じる損失を無くすことができる。

特に本実施形態では、分散型電源２として用いられたエネルギー貯蔵装置２２において、当該エネルギー貯蔵装置２２の双方向電力変換器２２２を制御して、同期発電機２３１の慣性力を模擬した動作を行わせるので、同期発電機２３１の慣性力を補うことができるので、重要負荷３０の変動に対して同期発電機２３１が脱落してしまうことを防ぐことができる。その結果、系統異常時においても重要負荷３０への電力供給を安定して行うことができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態の系統異常検出部は、瞬時電圧低下を含む電圧低下を検出するものであったが、周波数変動、電圧上昇、位相変動、電圧不平衡、高調波異常又はフリッカの少なくとも１つである系統異常を検出するものであっても良い。

また、インピーダンス素子４としてコンデンサを用いても良いし、リアクトル、抵抗又はコンデンサの何れかを組み合わせたものであっても良い。

さらに、前記実施形態のエネルギー貯蔵部は、二次電池などの蓄電池であったが、その他、揚水発電方式のもの、圧縮空気貯蔵方式のもの、超電導電力貯蔵方式のもの、フライホイール、電気二重層キャパシタ等であっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明によれば、ＦＲＴ要件を満たしつつ、系統異常時においても負荷への電力供給を安定して行う電源システムを提供することができる。

Claims

商用電力系統から重要負荷に給電するための電力線に接続された分散型電源と、
前記電力線において前記分散型電源よりも前記商用電力系統側に設けられた開閉スイッチと、
前記電力線において前記開閉スイッチに並列接続されたインピーダンス素子と、
前記商用電力系統の異常を検出する系統異常検出部と、
前記商用電力系統の異常が検出された場合に前記開閉スイッチを開放し、前記分散型電源と前記商用電力系統とを前記インピーダンス素子を介して接続するスイッチ制御部とを備え、
前記分散型電源と前記商用電力系統とが前記インピーダンス素子を介して接続された状態で、前記分散型電源が逆潮流を含む運転を継続するものであり、
前記分散型電源は、前記電力線に接続される回転発電装置と、前記電力線に接続されるエネルギー貯蔵装置とを有しており、
前記エネルギー貯蔵装置は、エネルギー貯蔵部と、当該エネルギー貯蔵部の充放電を行う双方向電力変換器と、当該双方向電力変換器を制御して、前記回転発電装置の慣性力を模擬した動作を行わせる変換器制御部とを有し、
前記変換器制御部は、前記商用電力系統の正常時において、前記エネルギー貯蔵装置が慣性力を持った電圧源となるように、前記双方向電力変換器を電圧振幅及び周波数を可変とするドループ制御を行い、前記系統異常検出部により異常が検出されると、前記エネルギー貯蔵装置に慣性力を持たせたまま前記ドループ制御から電圧振幅及び周波数が固定の指令値制御に移行する、電源システム。
前記分散型電源は、太陽光発電パネル及び電力変換器を備える太陽光発電装置を有する、請求項１記載の電源システム。