JP7492859B2 - 電力系統制御装置および発電システム - Google Patents

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Description

本発明は、電力系統制御装置および発電システムに関する。
電力系統監視装置は電力系統の安定性を維持するため、電力系統内の電圧や周波数を監視しながら、遮断器や火力発電機の制御方式を決めるものである。電力系統監視装置の1つに、RAS(Remedial Action Scheme)と称するものが知られている(非特許文献1)。RASは、想定した複数の系統事故の解析を所定の時間毎に計算し、事故発生直後の同期発電機や負荷の遮断器制御方法を決めるものである。また、スペインでは、「再エネ専用中央給電指令所」と称される電力系統監視装置が設立され、遮断器や火力発電機に加え、再生可能エネルギー発電も制御対象とする動きがある。一方、再生可能エネルギー発電は天候により出力が変動するので、電力系統の安定運用に与える影響が大きい。
このような中、近年では再生可能エネルギー発電の系統安定運用への貢献が求められている。例えば、下記特許文献1の段落0019には、「図2は動揺信号及び安定化信号の一例を示す波形図である。例えば、動揺信号が瞬時周波数である場合には、瞬時周波数の定常値からの変化分を求める。そうすると、図2に示すように、定常値を中心とした振動波形が得られる。周波数の定常値を零とすると、零を中心とした振動波形となる。周波数の振動は電力系統の電力の振動を示している。瞬時周波数が上昇しているときは瞬時電力が余っているときであるので、太陽光発電設備の出力電力Pを減少させる。これによって電力の振動を抑制できることになる。」と記載されている。なお、非特許文献2,3については後述する。
特開2013-48504号公報
NERC; "Remedial Action Scheme" Definition Development, June 2014、[令和2年4月24日検索]、インターネット<https://www.nerc.com/pa/Stand/Prjct201005_2SpclPrtctnSstmPhs2/FAQ_RAS_Definition_0604_final.pdf> 国立研究開発法人化学技術振興機構、再生可能電源大量導入による電力系統の安定性確保と脱炭素化の可能性に関する分析、平成29年3月、[令和2年4月24日検索]、インターネット<https://www.jst.go.jp/lcs/pdf/fy2016-pp-16.pdf> WECC; WECC Type3 Wind Turbine Generator Model- Phase II: January 23, 2014
しかし、電力系統に事故が発生すると、電力系統の電圧と周波数が複雑に変動する。上記特許文献1に記載されている技術によれば、周波数振動を抑制できるが、この技術のみでは、電力系統を適切に安定化できない場合が生じる。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、電力系統を適切に安定化できる電力系統制御装置および発電システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明の電力系統制御装置は、電力変換装置が接続された電力系統における各部の電圧値および電流値を含む計測データを取得するデータ取得部と、取得した前記計測データに基づいて、前記電力変換装置が前記電力系統に出力する有効電力および無効電力を制御する際の制御方式を選択する制御方式選択部と、前記電力系統において事故が発生した際の前記電力系統内の電圧と周波数の変動を計算する過渡計算部と、前記過渡計算部に与えるパラメータの候補を変更しつつ前記過渡計算部における計算結果を取得し、取得した前記計算結果に基づいて、前記パラメータとして、何れかの前記候補を選択する候補選択部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、電力系統を適切に安定化できる。
好適な第1実施形態による再生エネルギー発電システムのブロック図である。 計算サーバと、PCの制御装置とによって実現される機能ブロック図である。 初期断面計算部の詳細構成の一例を示すブロック図である。 過渡計算部の計算モデルと機能ブロックの一例を示すブロック図である。 PCS挙動計算モデルの一例を示すブロック図である。 計算処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。 閾値選択ルーチンの一例を示すフローチャートである。 PCS制御部の制御ブロックの一例を示すブロック図である。 好適な第2実施形態において、計算サーバと、PCの制御装置とによって実現される機能ブロック図である。 第2実施形態において無効電力指令値選択ルーチンの一例を示すフローチャートである。 好適な第3実施形態において、計算サーバと、PCの制御装置とによって実現される機能ブロック図である。 第3実施形態において、機械学習に利用する教示データの種類の例を示す図である。
[実施形態の概要]
以下では、まず、電力系統で事故があった時の電力系統の安定性について説明し、再生可能エネルギー発電が系統連系した時に安定性に与える影響を説明する。その後、電力系統に貢献する再生可能エネルギー発電の制御方式について説明する。
電力系統が安定な状態とは、平常時、事故時ともに、系統の電圧と周波数が閾値内に維持される状態を指す。
電力系統で事故が発生すると、電圧と周波数が大きく変動する。その後、保護リレーシステム等による事故除去のタイミングによっては、電圧と周波数の変動が電力系統の各部に発散する場合もある。
事故除去後の電圧と周波数の変動は、再生可能エネルギー発電の出力状態によって変化する。例えば、非特許文献2では、再生可能エネルギー発電の出力状態が電力系統の周波数に影響することを示している。換言すれば、再生可能エネルギー発電の出力状態を適切に制御することで、電力系統の安定運用に貢献できる。事故除去後に再生可能エネルギー発電が系統の安定運用に貢献する方法は、事故時の電圧と周波数によって4つの制御方式C1~C4に応じて分類される。
・制御方式C1(第1の制御方式):系統電圧低下、周波数増加時
この場合は、電力系統内の同期発電機に脱調現象が生じている可能性がある。そこで、再生可能エネルギー発電の有効電力を抑制し、容量性無効電力(進み無効電力)を出力することにより、同期発電機の出力を増加して脱調を抑制すると同時に、系統電圧を維持することが好ましい。より詳細に述べると、再生可能エネルギー発電が容量性無効電力を出力し、力率を所定値thpf1(図示せず)未満にするとよい。
・制御方式C2(第2の制御方式):系統電圧低下、周波数低下時
この場合は、電力系統内の発電機が脱落している可能性がある。そこで、再生可能エネルギー発電の有効電力を大きくし、容量性無効電力を出力することにより、電力系統内の需給バランスを維持すると同時に、系統電圧を維持することが好ましい。より詳細に述べると、再生可能エネルギー発電が容量性無効電力を出力し、力率を所定値thpf1以上にするとよい。
・制御方式C3(第3の制御方式):系統電圧上昇、周波数増加時
この場合は、電力系統内の負荷が脱落している可能性がある。そこで、再生可能エネルギー発電の有効電力を抑制し、誘導性無効電力(遅れ無効電力)を出力することにより、見かけ上の負荷を大きく見せることで、需給バランスを維持することが好ましい。より詳細に述べると、再生可能エネルギー発電が誘導性無効電力を出力し、力率を所定値thpf2(図示せず)未満にするとよい。
・制御方式C4(第4の制御方式):系統電圧上昇、周波数低下時
この場合は、電力系統内の発電機が脱落している可能性がある。そこで、再生可能エネルギー発電の出力復帰を早めることで、不足している有効電力を大きくし、誘導性無効電力を出力することによって電力系統の電圧を下げ、見かけ上の負荷を小さく見せることで、需給バランスを維持することが好ましい。より詳細に述べると、再生可能エネルギー発電が誘導性無効電力を出力し、力率を所定値thpf2以上にするとよい。
実際の電力系統では、同期発電機や再生可能エネルギー発電電源、事故点の位置、需要の大きさ等により、系統安定化に貢献する制御方法が変化する。そこで、電力系統を監視する前述のRAS等が、事前の演算で制御方法を切り替えるトリガーとなる電圧閾値と周波数閾値を計算し、各再生可能エネルギー発電に配信するとよい。各再生可能エネルギー発電電源は、配信された電圧閾値と周波数閾値に基づいて、事故時に制御方式C1~C4を変更することで、電力系統の事故時の電圧と周波数の動揺を抑制できる。
[第1実施形態]
図1は、好適な第1実施形態による再生エネルギー発電システム1(発電システム)のブロック図である。
図1において、再生エネルギー発電システム1は、計算サーバ10(電力系統制御装置)と、2台のPCS(Power Conditioning System;電力変換装置)20A,20Bと、2台の発電電源30A,30Bと、計測部50,60と、を備えている。PCS20A,20Bは三相の電力系統40に接続されている。さらに、電力系統40には、連携点78において、同期発電機70が接続されており、需要点91,92において、それぞれ負荷設備101,102が接続されている。
発電電源30A,30Bは、例えば風力発電等の再生可能エネルギー発電電源である。PCS20A,20Bは、それぞれ、発電電源30A,30Bが出力した交流電力の周波数を電力系統40の系統周波数に変換して電力系統40に出力する。そのため、PCS20A,20Bは、それぞれ、AC/DCコンバータ22A,22Bと、蓄電池23A,23Bと、DC/ACコンバータ24A,24Bと、制御装置25A,25Bと、を備えている。なお、図示の例では、PCS20A,20Bおよび発電電源30A,30Bは2台ずつ設けられているが、これらは3台ずつ以上設けてもよく、各1台ずつ設けてもよい。
計測部50,60は、それぞれ計測点58,68における電力系統40の電圧、電流の瞬時値等を所定のサンプリング周期毎に、計測データとして出力する。計算サーバ10は、計測部50,60等から供給された計測データに基づいて、上述した制御方式C1~C4を切り替えるべき電圧閾値と周波数閾値とを計算する。制御装置25A,25Bは、計算サーバ10から受信した電圧閾値と周波数閾値とに基づいて、制御方式C1~C4を決定し、決定した制御方式に基づいて有効電力指令値および無効電力指令値を発生する。そして、DC/ACコンバータ24A,24Bは、これら指令値に応じた有効電力および無効電力を電力系統40に出力する。
計算サーバ10および制御装置25A,25Bは、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、SSD(Solid State Drive)等、一般的なコンピュータとしてのハードウエアを備えており、SSDには、OS(Operating System)、制御プログラム、各種データ等が格納されている。OSおよび制御プログラムは、RAMに展開され、CPUによって実行される。
図2は、計算サーバ10と、PCS20A,20Bの制御装置25A,25Bとによって実現される機能等を示す機能ブロック図である。
図において、計算サーバ10および制御装置25Aの内部は、これらの制御プログラム等によって実現される機能を示している。なお、制御装置25Bの内部については図示を省略するが、制御装置25Bも制御装置25Aと同様の機能を備えている。
計測部50は、センサ52と、計測送信部54と、を備えている。センサ52は、電力系統40の電圧・電流等の瞬時値を計測する。また、計測送信部54は、センサ52の計測結果を、所定のサンプリング周期毎に、計測データとして計算サーバ10に送信する。
計測部60も、同様の機能を有するセンサ62と、計測送信部64と、を備えている。ここで、計測部60が出力する電圧・電流等の瞬時値は、PCS20A,20B(図1参照)が電力系統40に連系する計測点68(連系点)における値であるため、これらの値を特に連系点電圧Vpcsおよび連系点電流Ipcsと呼ぶ。また、電力系統40には、複数の計測点88において、それぞれセンサ82を備えた計測部80が設けられている。これら計測部80における計測結果も、計算サーバ10に供給される。
計算サーバ10は、データ取得部220と、初期断面計算部230と、閾値候補選択部266(候補選択部)と、過渡計算部250と、閾値送信部268(制御方式選択部、閾値発生部)と、を備えている。また、制御装置25Aは、閾値受信部270と、スイッチ動作決定部272と、PCS制御部280と、を備えている。
データ取得部220は、計測部50,60,80から、対応する計測点58,68,88における電圧瞬時値、電流瞬時値等の計測データを取得する。初期断面計算部230は、計算時点における電力系統40内の各部における電圧と電流とを計算する。初期断面計算部230における計算方式は、例えば実効値潮流計算である。
閾値候補選択部266は、PCS20A,20Bに送信する電圧閾値および周波数閾値の候補の組合せを複数記憶している。そして、これら複数の組合せの中から、一つの組合せを選択する。過渡計算部250は、閾値候補選択部266で選択した閾値候補の組合せと、初期断面計算部230で計算した、電圧と電流の計算値とを用いて、系統事故除去前における電力系統40の電圧、周波数の変化を計算する。
また、閾値候補選択部266は、系統事故除去後に適用され得る閾値候補の組合せを順次選択する。これにより、過渡計算部250は、閾値候補の組合せが選択される毎に、該閾値候補を電圧閾値および周波数閾値として採用した場合における、系統事故除去後の電力系統40の電圧、周波数の変化をシミュレート(計算)する。
そして、複数の閾値候補のうち電力系統40の電圧と周波数の動揺が十分に小さくなると判断された閾値候補は、PCS20A,20Bに設定すべき電圧閾値および周波数閾値として採用される。採用された電圧閾値および周波数閾値は、閾値送信部268から各PCS20A,20Bの閾値受信部270に送信される。各PCSにおいて閾値受信部270で受信された電圧閾値および周波数閾値は、各々のPCS制御部280に供給される。
PCS制御部280は、電圧閾値と、周波数閾値と、連系点電圧Vpcsと、連系点電流Ipcsと、に基づいて、上述した制御方式C1~C4のうち採用すべき制御方式を決定する。そして、PCS制御部280は決定した制御方式に基づいて、PCS20A,20Bの有効電力指令値および無効電力指令値を決定し、さらに、これらに基づいて電圧指令値を生成する。スイッチ動作決定部272は、電圧指令値に基づいて、対応するDC/ACコンバータ24A,24B(図1参照)のスイッチング方式を決定する。スイッチング方式は、例えばPWM(Pulse Width Modulation)変調方式を採用することができる。
図3は、初期断面計算部230の詳細構成の一例を示すブロック図である。
図3において初期断面計算部230は、DFT部231と、α-β変換部232と、d-q変換部234と、PQ計算部236と、実効値潮流計算部238と、を備えている。DFT部231は、電力系統40(図2参照)の各計測点58,68,88(図2参照)における三相の電圧、電流の計測値に対してDFT(Discrete Fourier Transformation)を施し、これら計測値を振幅情報と位相情報とに分離する。
α-β変換部232は、DFT結果に基づいて、三相の電圧、電流の計測値を、α相およびβ相の二相の固定座標系の情報に変換する。d-q変換部234は、二相の固定座標系の情報を、所定の基準電圧を基準とした回転座標系の情報に変換し、実効値の情報を取得する。なお、基準電圧は本システムの運用者が事前に決定しておくとよい。各計測点58,68,88における全ての電圧、電流の計測値が実効値に変換されると、PQ計算部236は、各計測点における有効電力と無効電力の潮流量を計算する。実効値潮流計算部238は、各計測点における有効電力と無効電力とに基づいて、系統全体の電力の流れを計算する。
図4は、過渡計算部250の計算モデルと機能ブロックの一例を示すブロック図である。
図4において、過渡計算部250は、モデルとして、同期発電機挙動計算モデル251と、電力系統モデル252と、PCS挙動計算モデル300と、を備えている。また、過渡計算部250は、機能として、計算モデル変更部256と、時間離散計算アルゴリズム257と、を備えている。計算モデル変更部256は、PCS挙動計算モデルを、外部指令により変更する。
過渡計算部250は、時間離散計算アルゴリズム257と、同期発電機挙動計算モデル251と、電力系統モデル252と、PCS挙動計算モデル300と、を用いて、電力系統40に事故が発生した際の同期発電機70、電力系統40およびPCS20A,20Bの挙動を計算する。同期発電機挙動計算モデル251は、時間離散計算アルゴリズム257で利用されるモデルであり、例えばParkモデルを採用することができる。電力系統モデル252は時間離散計算アルゴリズム257で利用される実効値計算モデルであり、例えば対象系統のインピーダンスマップである。PCS挙動計算モデル300は時間離散計算アルゴリズム257で利用される実効値計算モデルであり、例えばPCSの電流制御部分のみのモデルである。計算モデル変更部256は、閾値候補選択部266からの指令を受けて、PCS挙動計算モデル300を変更する。
図5は、PCS挙動計算モデル300の一例を示すブロック図である。
本モデルはPCS20A,20BのPCS制御部280の制御ブロックの一部を再現してシミュレートするものであり、当該PCSの電流出力指令値がそのまま電力系統40に出力されると仮定した、理想的な電流源モデルである。比較器302は、連系点電圧Vpcs(図2参照)が系統電圧の運用下限値である閾値th1よりも大きければ“1”、小さければ“0”を出力する。また、比較器304は連系点電圧Vpcsが系統電圧の運用上限値である閾値th2よりも小さければ“1”、大きければ“0”を出力する。論理積判定器306は、比較器302,304の双方の“1”である場合に“1”となり、それ以外の場合に“0”となる論理信号LGを出力する。従って、論理信号LGは、連系点電圧Vpcsが系統電圧の運用範囲内であるときは“1”になり、運用範囲外であるときは“0”になる。
平常時P指令作成部312は、当該PCSの平常時の有効電力指令値を出力する。また、事故時P指令作成部314は、当該PCSの事故時の有効電力指令値を出力する。切替器316は、論理信号LGが“1”である場合に前者を選択し、“0”である場合に後者を選択し、選択結果を有効電力指令値Prefとして出力する。平常時Q指令作成部352は、当該PCSの平常時の無効電力指令値を出力し、事故時Q指令作成部354は、当該PCSの事故時の無効電力指令値を出力する。切替器356は、論理信号LGが“1”である場合に前者を選択し、“0”である場合に後者を選択し、選択結果を無効電力指令値Qref0として出力する。
平常時P指令作成部312、事故時P指令作成部314、平常時Q指令作成部352および事故時Q指令作成部354の論理構成は当該PCSの構成に応じて異なるが、例えば非特許文献3に記載されたものを適用することができる。減算器318は、フィードバック制御を行うために、有効電力指令値Prefと実際の有効電力出力値Pfb(有効電力)との差分値を出力する。ゲイン・ランプレート制御部350は、この差分値(Pref-Pfb)に対してゲインを付与するとともにランプレートを制限し、その結果をd軸電流指令値Idrefとして出力する。これにより、差分値(Pref-Pfb)が零値に近づくように、有効電力出力値Pfbがフィードバック制御される。
制御ロジック変更部320(制御方式選択部、制御方式変更部)は、連系点電圧Vpcsと、連系点周波数Fpcsと、電圧閾値Vthと、周波数閾値Fthと、に基づいて用いてフラグFGを決定する。フラグFGの値は、「0」~「4」の整数のうち何れかになる。また、電圧閾値Vthおよび周波数閾値Fthは、閾値候補選択部266(図2参照)で選択された組合せに属する閾値候補である。
ゲイン・ランプレート制御部350は、切替部336と、5個のゲイン付与部330~334と、5個のランプレートリミッタ340~344と、を備えている。ゲイン付与部330~334は、フラグFGの値「0」~「4」にそれぞれ対応し、差分値(Pref-Pfb)が入力されると、それぞれ、該差分値に対してゲインAPR0~APR4を付与する。
ランプレートリミッタ340~344も、フラグFGの値「0」~「4」にそれぞれ対応し、対応するゲイン付与部330~334に対して直列接続され、入力された信号のランプレートを、リミット値P_Ramp0~P_Ramp4(ランプレートリミット値)以下に制限する。切替部336は、制御ロジック変更部320から出力されるフラグFGの値「0」~「4」に基づいて、これら5個の直列回路のうち、対応するものを選択する。
また、切替部358は、フラグFGの値「0」~「4」に基づいて、無効電力指令値Qref0~Qref4(パラメータ)のうち何れかを選択し、選択した指令値を無効電力指令値Qrefとして出力する。減算器362は、フィードバック制御を行うために、無効電力指令値Qrefと実際の無効電力出力値Qfb(無効電力)との差分値を出力する。ゲイン付与部364は、フラグFGの値「0」~「4」にそれぞれ対応し、差分値(Qref-Qfb)が入力されると、該差分値に対してゲインAQRを付与する。ランプレートリミッタ366は、ゲイン付与部364に対して直列接続され、入力された信号のランプレートを、リミット値Q_Ramp以下に制限し、その結果をq軸電流指令値Iqrefとして出力する。
図6は、制御ロジック変更部320にて実行される計算処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、例えば所定時間毎に実行される。
図6において処理がステップS10に進むと、現状が「事故から復帰直後」の状態であるか否かが判定される。具体的には、「論理信号LG(図5参照)が“0”から“1”に変化した後、所定の規定時間が経過していない」状態であるか否かが判定される。従って、論理信号LGが“0”である場合や、論理信号LGが上記規定時間以上、“1”である場合には、ここでは「No」と判定される。
ステップS10において「No」と判定されると、処理はステップS26に進む。ここでは、制御ロジック変更部320は、フラグFGを「0」に設定する。従って、正常時(論理信号LGが“1”である場合)には、平常時P指令作成部312および平常時Q指令作成部352(図5参照)の出力信号が、それぞれ有効電力指令値Prefおよび無効電力指令値Qrefとして適用される。また、事故時(論理信号LGが“0”である場合)には、事故時P指令作成部314および事故時Q指令作成部354の出力信号が、それぞれ有効電力指令値Prefおよび無効電力指令値Qrefとして適用される。
一方、ステップS10において「Yes」と判定されると、処理はステップS12に進む。ここでは、事故中において(論理信号LGが“0”であった期間において)連系点電圧Vpcsが電圧閾値Vth未満であったタイミングが存在するか否かが判定される。ステップS12において「Yes」と判定されると、処理はステップS14に進み、事故中において連系点周波数Fpcsが周波数閾値Fthであったタイミングが存在するか否かが判定される。
ステップS14において「Yes」と判定されると、処理はステップS18に進み、制御ロジック変更部320はフラグFGを「1」に設定する。一方、ステップS14において「No」と判定されると、処理はステップS20に進み、制御ロジック変更部320はフラグFGを「2」に設定する。
また、ステップS12において「No」(事故時において常にVpcs≧Vthであった)と判定されると、処理はステップS16に進み、事故中において連系点周波数Fpcsが周波数閾値Fthであったタイミングが存在するか否かが判定される。
ステップS16において「Yes」と判定されると、処理はステップS22に進み、制御ロジック変更部320はフラグFGを「3」に設定する。一方、ステップS16において「No」と判定されると、処理はステップS24に進み、制御ロジック変更部320はフラグFGを「4」に設定する。そして、ステップS18~S26の何れかが実行されると、本ルーチンが終了する。
フラグFGの値「1」~「4」は、上述した制御方式C1~C4に各々対応している。従って、例えばフラグFGが「1」になると、PCS挙動計算モデル300(図5参照)は、制御方式C1を適用し、再生可能エネルギー発電の有効電力を抑制し、容量性無効電力を出力するような計算結果を出力する。すなわち、PCS挙動計算モデル300は、力率が所定値thpf1(図示せず)未満になるようなd軸電流指令値Idrefおよびq軸電流指令値Iqrefのシミュレーション結果を出力する。
図7は、過渡計算部250および閾値候補選択部266によって実行される閾値選択ルーチンの一例を示すフローチャートである。
図中に示すテーブルTBL1は、PCS20A(図1参照)についての電圧閾値Vthおよび周波数閾値Fth、並びにPCS20Bについての電圧閾値Vthおよび周波数閾値Fthについて、閾値候補となる種々の組合せを記憶するテーブルである。これら組合せ候補には、各々一意の「組合せNo.」が付与されている。
また、これら組合せ候補は、例えばユーザがマニュアル操作で入力したものであってもよく、各閾値の範囲を絞ってコンピュータによってランダムに決定したものであってもよい。また、図7において破線のブロックは閾値候補選択部266によって実行される処理を表し、実線のブロックは過渡計算部250によって実行される処理を表す。
図7において処理がステップS30に進むと、閾値候補選択部266は、テーブルTBL1の中から、未だ選択されていない一つの組合せNo.を選択する。次に、処理がステップS32に進むと、過渡計算部250は、選択された組合せNo.に従って、PCS挙動計算モデル300(図4参照)の状態を設定する。すなわち、PCS挙動計算モデル300に属する全てのPCSのモデル(図1の例ではPCS20A,20Bのモデル)に対して、選択された組合せNo.の電圧閾値Vthおよび周波数閾値Fthを設定する。
次に、処理がステップS34に進むと、過渡計算部250は、過渡計算を実行する。すなわち、系統事故時および事故除去後における電力系統40の電圧、周波数等の計算を実行する。次に、処理がステップS36に進むと、閾値候補選択部266は、同期発電機70が接続されている連携点78(図1参照)における電圧変動量、周波数変動量を同期発電機挙動計算モデル251(図4参照)から取得する。この連携点78における電圧変動量等を取得する理由は、同期発電機70が接続されている連携点78の状態が、電力系統40全体の安定運用に最も大きく影響すると考えられるためである。
閾値候補選択部266は、このステップS36における計算結果、すなわち電圧変動量および周波数変動量を、組合せNo.とともにデータベースDB1に格納する。次に、処理がステップS40に進むと、閾値候補選択部266は、テーブルTBL1に格納されている全ての組合せについて、探索が終了したか否か、すなわち電圧変動量および周波数変動量が計算されたか否かを判定する。ここで「No」と判定されると、処理はステップS30に戻る。すなわち、未だ選択されていない何れかの組合せが選択され、上述したステップS32~S36の処理が実行される。
そして、ステップS40において「Yes」と判定されると、処理はステップS42に進む。ここでは、閾値候補選択部266は、各組合せNo.の電圧変動量および周波数変動量に基づいて、一つの組合せNo.を選択する。例えば、電圧変動量が最小である組合せNo.を選択してもよく、周波数変動量が最小である組合せNo.を選択してもよい。以上により、本ルーチンの処理が終了する。
本ルーチンの処理が終了した後、閾値候補選択部266(図2参照)は、閾値送信部268を介して、選択された組合せNo.における、電圧閾値Vthと、周波数閾値Fthとを、各PCS20A,20B(図1参照)に送信する。各PCS20A,20Bにおいては、閾値受信部270(図2参照)は受信した電圧閾値Vthおよび周波数閾値Fthを、PCS制御部280に供給する。
図8は、PCS制御部280の制御ブロックの一例を示すブロック図である。
図8に示すように、PCS制御部280は、電流指令値出力部282と、AVR(Automatic Voltage Regulator;自動電圧調整器)284と、を備えている。ここで、電流指令値出力部282の構成は、図5に示したPCS挙動計算モデル300のものと同様である。従って、電流指令値出力部282は、PCS挙動計算モデル300と同様に、d軸電流指令値Idrefと、q軸電流指令値Iqrefとを出力する。但し、電流指令値出力部282においては、閾値送信部268(図2参照)から閾値受信部270に送信された電圧閾値Vthおよび周波数閾値Fthが適用される。
AVR284は、d軸電流指令値Idrefおよびq軸電流指令値Iqrefに基づいて、電圧指令値Vrefを出力する。この電圧指令値Vrefは、スイッチ動作決定部272(図2参照)に供給され、スイッチ動作決定部272は電圧指令値Vrefに基づいて、対応するDC/ACコンバータ24A,24Bのスイッチング方式を決定する。
[第2実施形態]
次に、好適な第2実施形態による再生エネルギー発電システムについて説明する。なお、以下の説明において、上述した第1実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。まず、本実施形態の全体構成は、第1実施形態のもの(図1)と、同様である。
図9は、本実施形態において、計算サーバ10と、PCS20A,20Bの制御装置25A,25Bとによって実現される機能等を示す機能ブロック図である。
図9においては、上述の第1実施形態(図2参照)における閾値候補選択部266と、閾値送信部268と、閾値受信部270と、に代えて、パラメータ候補選択部466(候補選択部)と、パラメータ送信部468と、パラメータ受信部470と、が設けられている。
上述の第1実施形態では、計算サーバ10は、制御装置25A,25Bに対して電圧閾値Vthおよび電圧閾値Vthを送信した。これに代えて、本実施形態においては、計算サーバ10は、制御装置25A,25Bに対して各種パラメータを送信する点が異なる。計算サーバ10から制御装置25A,25Bに送信されるパラメータは、例えば、図5に示すゲインAPR0~APR4、リミット値P_Ramp0~P_Ramp4、無効電力指令値Qref1~Qref4、ゲインAQR、リミット値Q_Ramp等である。
以下、計算サーバ10において無効電力指令値Qref1~Qref4を決定する方法を例として説明する。
図10は、本実施形態の過渡計算部250およびパラメータ候補選択部466によって実行される無効電力指令値選択ルーチンの一例を示すフローチャートである。本実施形態においては、計算サーバ10によって第1実施形態における閾値選択ルーチン(図7)に代えて、上述の各種パラメータを選択する複数のルーチンが実行される。これら複数のルーチンの一例が、図10に示す無効電力指令値選択ルーチンになる。
図10に示すテーブルTBL2は、PCS20A,20B(図1参照)の各々についての無効電力指令値Qref1~Qref4の組合せを記憶するテーブルである。これら組合せ候補には、各々一意の「組合せNo.」が付与されている。また、これら組合せ候補は、例えばユーザがマニュアル操作で入力したものであってもよく、各閾値の範囲を絞ってコンピュータによってランダムに決定したものであってもよい。また、図10において、破線のブロックはパラメータ候補選択部466によって実行される処理を表し、実線のブロックは過渡計算部250によって実行される処理を表す。
図10において処理がステップS50に進むと、パラメータ候補選択部466は、テーブルTBL2の中から、未だ選択されていない一つの組合せNo.を選択する。次に、処理がステップS52に進むと、過渡計算部250は、選択された組合せNo.に従って、PCS挙動計算モデル300(図4参照)の状態を設定する。すなわち、PCS挙動計算モデル300に属する全てのPCSのモデル(図1の例ではPCS20A,20Bのモデル)に対して、選択された組合せNo.の無効電力指令値Qref1~Qref4を設定する。
次に、処理がステップS54に進むと、過渡計算部250は、過渡計算を実行する。すなわち、系統事故時および事故除去後における電力系統40の電圧、周波数等の計算を実行する。次に、処理がステップS56に進むと、パラメータ候補選択部466は、同期発電機70が接続されている連携点78(図1参照)における電圧変動量、周波数変動量を同期発電機挙動計算モデル251(図4参照)から取得する。
パラメータ候補選択部466は、このステップS56における計算結果、すなわち電圧変動量および周波数変動量を、組合せNo.とともにデータベースDB2に格納する。次に、処理がステップS60に進むと、パラメータ候補選択部466は、テーブルTBL1に格納されている全ての組合せについて、探索が終了したか否か、すなわち電圧変動量および周波数変動量が計算されたか否かを判定する。ここで「No」と判定されると、処理はステップS50に戻る。すなわち、未だ選択されていない何れかの組合せが選択され、上述したステップS52~S56の処理が実行される。
そして、ステップS60において「Yes」と判定されると、処理はステップS62に進む。ここでは、パラメータ候補選択部466は、各組合せNo.の電圧変動量および周波数変動量に基づいて、一つの組合せNo.を選択する。例えば、電圧変動量が最小である組合せNo.を選択してもよく、周波数変動量が最小である組合せNo.を選択してもよい。以上により、本ルーチンの処理が終了する。
本ルーチンの処理が終了した後、パラメータ候補選択部466(図9参照)は、パラメータ送信部468を介して、選択された組合せNo.における無効電力指令値Qref1~Qref4を、各PCSの制御装置25A,25B(図9参照)に送信する。各制御装置25A,25Bにおいては、パラメータ受信部470(図9参照)は受信した無効電力指令値Qref1~Qref4を、PCS制御部280に供給する。以上、無効電力指令値Qref1~Qref4を制御装置25A,25Bに設定する方法を説明したが、計算サーバ10は、他のパラメータについても同様に制御装置25A,25Bに設定する。
[第3実施形態]
次に、好適な第3実施形態による再生エネルギー発電システムについて説明する。なお、以下の説明において、上述した第1実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。まず、本実施形態の全体構成は、第1,第2実施形態のもの(図1)と、同様である。
図11は、本実施形態において、計算サーバ10と、PCS20A,20Bの制御装置25A,25Bとによって実現される機能等を示す機能ブロック図である。本実施形態においては、上述の第2実施形態(図9参照)における構成に加えて、教示データ記憶装置480(記憶装置)と、蓄積制御部482と、学習モデル生成部484と、パラメータ決定部486と、を備えている。
蓄積制御部482は、計測部50,60,80等から取得した計測データや、PCS20A,20Bから取得したデータを教示データとして、教示データ記憶装置480に蓄積させる。学習モデル生成部484は、データ取得部220が取得した計測データを入力データとし、PCS挙動計算モデル300(図5参照)における各種パラメータを出力データとする学習モデルLMを、教示データに基づいて生成する。
すなわち、上述した「各種パラメータ」とは、電圧閾値Vth、周波数閾値Fth、ゲインAPR0~APR4、リミット値P_Ramp0~P_Ramp4、無効電力指令値Qref1~Qref4、ゲインAQR、またはリミット値Q_Ramp等である。パラメータ決定部486は、データ取得部220が取得した計測データと、学習モデルLMとに基づいて、上述した各種パラメータを生成する。
上述した第1,第2実施形態では、制御装置25A,25Bに設定するパラメータの値を総当たりで決定していた。しかし、過渡計算部250による計算結果が蓄積されてくると、総当たりで計算せずとも機械学習等でパターン認識することで、電力系統40内の需要分布、PCS20A,20Bの発電出力、同期発電機70の出力等に基づいて、上述した各種パラメータを決定できる。
図12は、機械学習に利用する教示データの種類の例を示す図である。
図12において教示データT10は、データ群T101,T102,T103,T104を有している。
ここで、データ群T101は、正常時における系統内の各需要点91,92等(図1参照)における有効電力消費量と、力率とを示すものである。
また、データ群T102は、正常時において各同期発電機70,71等から電力系統40に出力される有効電力と無効電力とを含んでいる。
また、データ群T103は、正常時において各PCS20A,20Bから電力系統40に供給される有効・無効電力、ゲインAPR0~APR4、リミット値P_Ramp0~P_Ramp4、無効電力指令値Qref0~Qref4等を含んでいる。
また、データ群T104は、事故除去後の計測点68における電圧変動量および周波数変動量を含んでいる。
データ群T101,T102,T103は、電力系統40の事故発生前の状態を表している。これらのデータ群は、事故時および事故除去後の電力系統40の電圧変動と周波数変動とに影響するため、教示データT10に含めている。教示データT10は、過渡計算部250の計算結果と計算条件とを組み合わせることで、蓄積してゆくことができる。
[実施形態の効果]
以上のように好適な実施形態によれば、電力系統制御装置(10,25A,25B)は、電力変換装置(20A,20B)が接続された電力系統(40)における各部の電圧値および電流値を含む計測データを取得するデータ取得部(220)と、取得した計測データに基づいて、電力変換装置(20A,20B)が電力系統(40)に出力する有効電力(Pfb)および無効電力(Qfb)を制御する際の制御方式(C1~C4)を選択する制御方式選択部(268,320)と、を備える。これにより、適切な制御方式(C1~C4)を選択することにより、電力系統(40)を適切に安定化できる。
また、制御方式選択部(268,320)は、電圧閾値(Vth)および周波数閾値(Fth)を出力する閾値発生部(268)と、電力系統(40)の所定の連系点(68)における連系点電圧(Vpcs)および連系点周波数(Fpcs)と、電圧閾値(Vth)および周波数閾値(Fth)と、の比較結果に基づいて、制御方式(C1~C4)を選択する制御方式変更部(320)と、を備えることが一層好ましい。これにより、連系点(68)の状態に基づいて、適切な制御方式(C1~C4)を選択できる。
また、制御方式選択部(268,320)は、選択された制御方式(C1~C4)に基づいて、有効電力(Pfb)に関連するゲイン(APR1~APR4)を切り替える機能を有することが一層好ましい。これにより、制御方式(C1~C4)に応じて、有効電力(Pfb)に関連する適切なゲイン(APR1~APR4)を選択することができる。
制御方式選択部(268,320)は、選択された制御方式(C1~C4)に基づいて、有効電力(Pfb)に関連するランプレートリミット値(P_Ramp0~P_Ramp4)を切り替える機能を有することが一層好ましい。これにより、制御方式(C1~C4)に応じて、有効電力(Pfb)に関連する適切なランプレートリミット値(P_Ramp0~P_Ramp4)を選択することができる。
また、制御方式選択部(268,320)は、選択された制御方式(C1~C4)に基づいて、無効電力(Qfb)を指令する無効電力指令値(Qref1~Qref4)を切り替える機能を有することが一層好ましい。これにより、制御方式(C1~C4)に応じて、適切な無効電力指令値(Qref1~Qref4)を選択することができる。
また、電力系統制御装置(10,25A,25B)は、電力系統(40)において事故が発生した際の電力系統(40)内の電圧と周波数の変動を計算する過渡計算部(250)と、過渡計算部(250)に与えるパラメータ(Vth,Fth,Qref0~Qref4等)の候補を変更しつつ過渡計算部(250)における計算結果を取得し、取得した計算結果に基づいて、パラメータ(Vth,Fth,Qref0~Qref4等)として、何れかの候補を選択する候補選択部(266,466)と、をさらに備えることが一層好ましい。これにより、過渡計算部(250)における計算結果に基づいて、複数の候補の中から好ましいものをパラメータ(Vth,Fth,Qref0~Qref4等)として選択することができる。
また、電力系統制御装置(10,25A,25B)は、過渡計算部(250)が計算結果を出力した後、電力系統(40)において負荷が接続された点である需要点(91,92)における有効電力消費量および力率と、電力変換装置(20A,20B)が出力する有効電力(Pfb)および無効電力(Qfb)と、有効電力(Pfb)に関連するゲイン(APR1~APR4)およびランプレートリミット値(P_Ramp0~P_Ramp4)と、無効電力(Qfb)を指令する無効電力指令値(Qref1~Qref4)と、事故除去後における、電力系統(40)の所定の連系点(68)における連系点電圧(Vpcs)の電圧変動量および連系点周波数(Fpcs)の周波数変動量と、を記憶装置(480)に蓄積させる蓄積制御部(482)と、記憶装置(480)に蓄積されたデータを教示データとし、計測データを入力データとし、パラメータ(Vth,Fth,Qref0~Qref4等)を出力とする学習モデル(LM)を生成する学習モデル生成部(484)と、学習モデル(LM)と、計測データとに基づいてパラメータ(Vth,Fth,Qref0~Qref4等)を出力するパラメータ決定部(486)と、をさらに備えることが一層好ましい。これにより、学習モデル(LM)に基づいて、パラメータ(Vth,Fth,Qref0~Qref4等)を出力することができる。
また、制御方式選択部(268,320)は、電力変換装置(20A,20B)が電力系統(40)に対して容量性無効電力を出力し、かつ、電力変換装置(20A,20B)の力率を所定の第1の力率(thpf1)未満に設定する第1の制御方式(C1)、電力変換装置(20A,20B)が電力系統(40)に対して容量性無効電力を出力し、かつ、電力変換装置(20A,20B)の力率を第1の力率(thpf1)以上に設定する第2の制御方式(C2)、電力変換装置(20A,20B)が電力系統(40)に対して誘導性無効電力を出力し、かつ、電力変換装置(20A,20B)の力率を所定の第2の力率(thpf2)未満に設定する第3の制御方式(C3)、および電力変換装置(20A,20B)が電力系統(40)に対して誘導性無効電力を出力し、かつ、電力変換装置(20A,20B)の力率を第2の力率(thpf2)以上に設定する第4の制御方式(C4)の中から、適用する制御方式(C1~C4)を選択する機能を備えることが一層好ましい。これにより、容量性無効電力または誘導性無効電力の何れを発生するか、また、力率を如何なる範囲に設定するかを、制御方式(C1~C4)に応じて適切に決定できる。
[変形例]
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
(1)第1実施形態におけるステップS40,S42(図7参照)および第2実施形態におけるステップS60,S62(図10参照)においては、テーブルTBL1またはTBL2に格納されている全ての組合せについて探索が終了したことを条件として、制御装置25A,25Bに送信する一つの組合せNo.を選択した。しかし、一つの組合せNo.を選択するにあたっては、必ずしも全ての組合せについて探索を行う必要はない。すなわち、ある組合せNo.について、電圧変動量および周波数変動量が充分に小さければ(例えば、電圧変動量が所定の電圧変動量閾値以下であり、周波数変動量が所定の周波数変動量以下であれば)、その組合せNo.のパラメータを、制御装置25A,25Bの閾値受信部270に送信するようにしてもよい。
(2)上記各実施形態においては、発電電源30A,30Bは、必ずしも再生可能エネルギー発電電源である必要はない。すなわち、PCS20A,20Bを介することによって電力系統40に供給する有効電力および無効電力を制御できる電源であれば、種々の電源を発電電源30A,30Bとして適用することができる。
(3)上記実施形態における計算サーバ10および制御装置25A,25Bのハードウエアは一般的なコンピュータによって実現できるため、図6、図7、図10に示したフローチャート、その他上述した各種処理を実行するプログラム等を記憶媒体に格納し、または伝送路を介して頒布してもよい。
(4)図6、図7、図10に示した処理、その他上述した各処理は、上記実施形態ではプログラムを用いたソフトウエア的な処理として説明したが、その一部または全部をASIC(Application Specific Integrated Circuit;特定用途向けIC)、あるいはFPGA(Field Programmable Gate Array)等を用いたハードウエア的な処理に置き換えてもよい。また、図11に示した教示データ記憶装置480は、ネットワーク(図示せず)上のクラウドに設けてもよい。
1 再生エネルギー発電システム(発電システム)
10 計算サーバ(電力系統制御装置)
20A,20B PCS(電力変換装置)
25A,25B 制御装置(電力系統制御装置)
30A,30B 発電電源
40 電力系統
68 計測点(連系点)
91,92 需要点
220 データ取得部
250 過渡計算部
266 閾値候補選択部(候補選択部)
268 閾値送信部(制御方式選択部、閾値発生部)
320 制御ロジック変更部(制御方式選択部、制御方式変更部)
466 パラメータ候補選択部(候補選択部)
480 教示データ記憶装置(記憶装置)
482 蓄積制御部
484 学習モデル生成部
486 パラメータ決定部
C1 制御方式(第1の制御方式)
C2 制御方式(第2の制御方式)
C3 制御方式(第3の制御方式)
C4 制御方式(第4の制御方式)
LM 学習モデル
Fth 周波数閾値(パラメータ)
Vth 電圧閾値(パラメータ)
Fpcs 連系点周波数
Vpcs 連系点電圧
fb 有効電力出力値(有効電力)
fb 無効電力出力値(無効電力)
thpf1 所定値(第1の力率)
thpf2 所定値(第2の力率)
ref 有効電力指令値
ref 無効電力指令値
ref 電圧指令値
APR0~APR4 ゲイン
P_Ramp0~P_Ramp4 リミット値(ランプレートリミット値)
ref0~~Qref4 無効電力指令値(パラメータ)

Claims (8)

  1. 電力変換装置が接続された電力系統における各部の電圧値および電流値を含む計測データを取得するデータ取得部と、
    取得した前記計測データに基づいて、前記電力変換装置が前記電力系統に出力する有効電力および無効電力を制御する際の制御方式を選択する制御方式選択部と、
    前記電力系統において事故が発生した際の前記電力系統内の電圧と周波数の変動を計算する過渡計算部と、
    前記過渡計算部に与えるパラメータの候補を変更しつつ前記過渡計算部における計算結果を取得し、取得した前記計算結果に基づいて、前記パラメータとして、何れかの前記候補を選択する候補選択部と、を備える
    ことを特徴とする電力系統制御装置。
  2. 前記制御方式選択部は、
    電圧閾値および周波数閾値を出力する閾値発生部と、
    前記電力系統の所定の連系点における連系点電圧および連系点周波数と、前記電圧閾値および前記周波数閾値と、の比較結果に基づいて、前記制御方式を選択する制御方式変更部と、を備える
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力系統制御装置。
  3. 前記制御方式選択部は、選択された前記制御方式に基づいて、前記有効電力に関連するゲインを切り替える機能を有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力系統制御装置。
  4. 前記制御方式選択部は、選択された前記制御方式に基づいて、前記有効電力に関連するランプレートリミット値を切り替える機能を有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力系統制御装置。
  5. 前記制御方式選択部は、選択された前記制御方式に基づいて、前記無効電力を指令する無効電力指令値を切り替える機能を有する
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力系統制御装置。
  6. 前記過渡計算部が前記計算結果を出力した後、前記電力系統において負荷が接続された点である需要点における有効電力消費量および力率と、前記電力変換装置が出力する前記有効電力および前記無効電力と、前記有効電力に関連するゲインおよびランプレートリミット値と、前記無効電力を指令する無効電力指令値と、事故除去後における、前記電力系統の所定の連系点における連系点電圧の電圧変動量および連系点周波数の周波数変動量と、を記憶装置に蓄積させる蓄積制御部と、
    前記記憶装置に蓄積されたデータを教示データとし、前記計測データを入力データとし、前記パラメータを出力とする学習モデルを生成する学習モデル生成部と、
    前記学習モデルと、前記計測データとに基づいて前記パラメータを出力するパラメータ決定部と、をさらに備える
    ことを特徴とする請求項に記載の電力系統制御装置。
  7. 前記制御方式選択部は、
    前記電力変換装置が前記電力系統に対して容量性無効電力を出力し、かつ、前記電力変換装置の力率を所定の第1の力率未満に設定する第1の制御方式、
    前記電力変換装置が前記電力系統に対して容量性無効電力を出力し、かつ、前記電力変換装置の力率を前記第1の力率以上に設定する第2の制御方式、
    前記電力変換装置が前記電力系統に対して誘導性無効電力を出力し、かつ、前記電力変換装置の力率を所定の第2の力率未満に設定する第3の制御方式、および
    前記電力変換装置が前記電力系統に対して誘導性無効電力を出力し、かつ、前記電力変換装置の力率を前記第2の力率以上に設定する第4の制御方式
    の中から、適用する前記制御方式を選択する機能を備える
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力系統制御装置。
  8. 発電電源と、
    前記発電電源と、電力系統との間に挿入された電力変換装置と、
    前記電力系統における各部の電圧値および電流値を含む計測データを取得するデータ取得部と、
    取得した前記計測データに基づいて、前記電力変換装置が前記電力系統に出力する有効電力および無効電力を制御する際の制御方式を選択する制御方式選択部と、
    前記電力系統において事故が発生した際の前記電力系統内の電圧と周波数の変動を計算する過渡計算部と、
    前記過渡計算部に与えるパラメータの候補を変更しつつ前記過渡計算部における計算結果を取得し、取得した前記計算結果に基づいて、前記パラメータとして、何れかの前記候補を選択する候補選択部と、を備える
    ことを特徴とする発電システム。
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