WO2024100716A1 - 周波数安定化システム及び周波数安定化方法 - Google Patents

周波数安定化システム及び周波数安定化方法 Download PDF

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海青 李
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the present invention relates to a frequency stabilization system and a frequency stabilization method.
  • PV panel direct current power generated by a solar panel
  • PCS power conditioning system
  • the system frequency in a power grid fluctuates due to various conditions, such as fluctuations in the amount of power generated by solar panels.
  • An output control device includes a conversion unit that converts the generated power generated by a solar power generation device into AC power of a predetermined first frequency range when the generated power can be supplied to the power grid, and converts the stored power stored in a storage battery into AC power of a second frequency range below the lower limit of the first frequency range when the generated power cannot be supplied to the power grid, and an output unit that outputs the AC power whose frequency has been converted by the conversion unit to the power grid, and controls the output of the power generated by the power generation device and the power discharged from the storage battery to the power grid (see, for example, Patent Document 2).
  • the present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a frequency stabilization system and method that make it possible to convert DC power generated by a solar panel into AC power stabilized within a specified frequency range.
  • a frequency stabilization system is a frequency stabilization system having a solar panel and a storage battery connected in parallel to be connected to a power grid, the frequency stabilization system comprising: a power conversion unit that converts DC power output by at least one of the solar panel and the storage battery into AC power and outputs the AC power to the power grid; a bidirectional DC converter that is connected in series to the storage battery and controls charging and discharging of the storage battery to the power conversion unit based on an active power command value; a system frequency detection unit that detects the system frequency of the AC power output by the power conversion unit to the power grid; a required power calculation unit that calculates the required power for the power grid based on the system frequency detected by the system frequency detection unit; a command value calculation unit that calculates an active power command value for the bidirectional DC converter based on the required power calculated by the required power calculation unit; and an output control unit that controls the charge and discharge output of the storage battery to the power conversion unit by the bidirectional DC converter based on the active power command value calculated by
  • the frequency stabilization system further includes a frequency determination unit that determines whether the system frequency detected by the system frequency detection unit is a frequency higher than a predetermined frequency range, a frequency lower than the frequency range, or within the frequency range, and the command value calculation unit calculates an active power command value so that, when the frequency determination unit determines that the system frequency detected by the system frequency detection unit is a frequency higher than the frequency range, the command value calculation unit brings the power output by the solar panel to the power conversion unit closer to zero and causes the bidirectional DC converter to charge and discharge the storage battery with power of the same magnitude as the required power calculated by the required power calculation unit.
  • the frequency stabilization system is characterized in that, when the frequency determination unit determines that the grid frequency detected by the grid frequency detection unit is a frequency lower than the frequency range, the command value calculation unit calculates an active power command value so that the power output by the solar panel to the power conversion unit approaches the required power calculated by the required power calculation unit, and the storage battery discharges the power that is insufficient for the required power calculated by the required power calculation unit to the power conversion unit.
  • the frequency stabilization system is characterized in that, when the frequency determination unit determines that the grid frequency detected by the grid frequency detection unit is within the frequency range, the command value calculation unit calculates an active power command value so as to maximize the power output from the solar panel to the power conversion unit.
  • a frequency stabilization method for controlling a frequency stabilization system including a solar panel and a storage battery connected in parallel to be connected to a power grid, a power conversion unit that converts DC power output by at least one of the solar panel and the storage battery into AC power and outputs the AC power to the power grid, and a bidirectional DC converter connected in series to the storage battery and controlling charging and discharging of the storage battery to the power conversion unit based on an active power command value, the method comprising the steps of: a system frequency detection step of detecting a system frequency of the AC power output by the power conversion unit to the power grid; a required power calculation step of calculating the required power for the power grid based on the system frequency detected by the system frequency detection step; a command value calculation step of calculating an active power command value for the bidirectional DC converter based on the required power calculated by the required power calculation step; and an output control step of controlling the charging and discharging output of the storage battery to the power conversion unit by the
  • the frequency stabilization method further includes a frequency determination step of determining whether the system frequency detected by the system frequency detection step is higher than a predetermined frequency range, lower than the frequency range, or within the frequency range, and the command value calculation step is characterized in that, when it is determined by the frequency determination step that the system frequency detected by the system frequency detection step is higher than the frequency range, the command value calculation step calculates an active power command value such that the power output by the solar panel to the power conversion unit approaches zero and the bidirectional DC converter charges and discharges the storage battery with power of the same magnitude as the required power calculated by the required power calculation step.
  • the command value calculation step calculates an active power command value so that the power output from the solar panel to the power conversion unit approaches the required power calculated in the required power calculation step, and the storage battery discharges the power that is insufficient for the required power calculated in the required power calculation step to the power conversion unit.
  • the frequency stabilization method is characterized in that, in the command value calculation step, when it is determined in the frequency determination step that the grid frequency detected in the grid frequency detection step is within the frequency range, an active power command value is calculated so as to maximize the power output from the solar panel to the power conversion unit.
  • the present invention makes it possible to convert DC power generated by a solar panel into AC power stabilized within a specified frequency range.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a frequency stabilization system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a functional block diagram illustrating functions of a PCS. 4 is a functional block diagram illustrating functions of a bidirectional DC converter.
  • FIG. 1 is a graph showing an overview of dfdP function.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the operation of a frequency stabilization system when a system frequency is a frequency higher than a predetermined frequency range.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the operation of a frequency stabilization system when a system frequency is a frequency lower than a predetermined frequency range.
  • Figure 1 is a diagram showing an example of the configuration of a frequency stabilization system 1 according to one embodiment.
  • the frequency stabilization system 1 is a grid-connected system having, for example, a solar panel 2 and a storage battery 3 connected in parallel to be connected to a power grid 100, a PCS (power conditioner) 4, a bidirectional DC converter 5, and a diode 6.
  • the frequency stabilization system 1 is also configured to include a control unit 47 (see FIG. 2) and a control unit 53 (see FIG. 3).
  • the frequency stabilization system 1 controls the power that the PCS 4 outputs to the power system 100 in response to fluctuations in the system frequency in order to stabilize the system frequency of the power system 100.
  • the solar panel 2 generates DC power from sunlight and is capable of supplying the power to the power grid 100 via the PCS 4.
  • the storage battery 3 is capable of charging the DC power generated by the solar panel 2.
  • the PCS 4 has a function of converting DC power output by at least one of the solar panel 2 and the storage battery 3 into AC power and supplying it to the power grid 100.
  • the PCS 4 will be described in more detail later with reference to FIG. 2.
  • the bidirectional DC converter 5 is connected in series to the storage battery 3, and controls the charging and discharging of the storage battery 3 to the PCS 4 based on an active power command value Pref (described later) output by the PCS 4.
  • the bidirectional DC converter 5 and the storage battery 3 constitute an ESS (Energy Storage System: ESS).
  • the diode 6 is a protection circuit that prevents current from flowing toward the solar panel 2.
  • the configuration in which the solar panel 2 and the storage battery 3, which are provided in parallel with the power grid 100, are directly linked via the diode 6, is referred to as a DC link type grid interconnection system.
  • the frequency stabilization system 1 is provided with nodes A to F shown in FIG. 1, and the PCS 4 is capable of detecting parameters such as frequency, power, and voltage in the frequency stabilization system 1.
  • FIG. 2 is a functional block diagram illustrating the functions of the PCS4.
  • the PCS4 has, for example, a system frequency detection unit 41, a supply power detection unit 42, a DC link voltage detection unit 43, a PV power detection unit 44, a control unit 47, and a power conversion unit 48.
  • the system frequency detection unit 41 detects the system frequency f of the AC power output by the PCS 4 to the power system 100 at node A (see FIG. 1), which is the interconnection point of the PCS 4 to the power system 100, and outputs it to the control unit 47. More specifically, the system frequency detection unit 41 detects the system frequency of the AC power output by the power conversion unit 48, which will be described later, to the power system 100, and outputs it to the frequency determination unit 471, which will be described later.
  • the supply power detection unit 42 detects the power P (or the power command value P*) that the PCS 4 supplies to the power system 100 at node B and outputs it to the control unit 47.
  • the DC link voltage detection unit 43 detects the voltage (DC link voltage) applied to the PCS 4 from at least one of the solar panel 2 and the storage battery 3 at node C, and outputs it to the control unit 47.
  • the PV power detection unit 44 detects the power (PV power: Ppv) output by the solar panel 2 at node D and outputs it to the control unit 47.
  • the control unit 47 has a frequency determination unit 471, a required power calculation unit 472, an MPPT control unit 473, a PWM 474, a command value calculation unit 475, and an output control unit 476, and is capable of realizing a dfdP function (Frequency-Watt function) for the power system 100.
  • a dfdP function Frequency-Watt function
  • the dfdP function keeps the charging and discharging of the storage battery constant when the frequency of the output power is within a specified frequency range, controls the storage battery in the charging direction when the frequency of the output power is higher than the specified frequency range, and controls the storage battery in the discharging direction when the frequency of the output power is lower than the specified frequency range.
  • the frequency determination unit 471 determines whether the system frequency f detected by the system frequency detection unit 41 is a frequency higher than a predetermined frequency range, a frequency lower than the frequency range, or within the frequency range.
  • the predetermined frequency range is a range of system frequencies f that is predetermined for normal operation of the frequency stabilization system 1, for example, a range within ⁇ 0.2 Hz of the rated frequency.
  • the required power calculation unit 472 acquires the system frequency f detected by the system frequency detection unit 41, and calculates the required power P for the power system 100 (power to support the power system 100: equivalent to the power command P*) based on the system frequency f.
  • the MPPT control unit 473 performs MPPT (Maximum Power Point Tracking) and controls the power conversion unit 48 via the PWM 474.
  • the command value calculation unit 475 calculates the active power command value (Pref) for the bidirectional DC converter 5 based on the system frequency f or the required power calculated by the required power calculation unit 472.
  • the command value calculation unit 475 calculates an active power command value (Pref) so that the power output by the solar panel 2 approaches zero and the bidirectional DC converter 5 charges the storage battery 3 with power of the same magnitude as the required power P (corresponding to the power command P*) calculated by the required power calculation unit 472.
  • the command value calculation unit 475 calculates an active power command value (Pref) so that the power output by the solar panel 2 approaches the required power P (corresponding to the power command P*) calculated by the required power calculation unit 472, and the storage battery 3 discharges the power that is insufficient for the required power P calculated by the required power calculation unit 472 to the power conversion unit 48.
  • Pref active power command value
  • the command value calculation unit 475 calculates the active power command value (Pref) to maximize the power output by the solar panel 2 (to approach the required power P (corresponding to the power command P*)).
  • the output control unit 476 outputs the active power command value (Pref) calculated by the command value calculation unit 475 to the bidirectional DC converter 5.
  • the output control unit 476 then controls the charge/discharge output from the bidirectional DC converter 5 to the power conversion unit 48 of the storage battery 3 based on the active power command value (Pref) calculated by the command value calculation unit 475.
  • the power conversion unit 48 converts the DC power output by at least one of the solar panel 2 and the storage battery 3 into AC power and outputs it to the power grid 100.
  • FIG. 3 is a functional block diagram illustrating the functions of the bidirectional DC converter 5.
  • the bidirectional DC converter 5 has a battery power detection unit 51, a battery voltage detection unit 52, and a control unit 53, and controls a power conversion unit (not shown) provided in the bidirectional DC converter 5.
  • the battery power detection unit 51 detects the power (battery power Pbatt) supplied from the bidirectional DC converter 5 to the PCS 4 at node E.
  • the battery voltage detection unit 52 detects the output voltage (Vbatt) of the storage battery 3 at node F.
  • the battery voltage detection unit 52 may be configured to detect the state of charge (SOC: States Of Charge) of the storage battery 3.
  • the control unit 53 includes a power control unit 530 and a PWM 532, and controls the bidirectional DC converter 5.
  • the frequency stabilization system 1 when the system frequency f detected by the system frequency detection unit 41 is within the above-mentioned frequency range, the solar panel 2 discharges to the power system 100, and the PCS 4 controls the bidirectional DC converter 5 so that the state of charge (SOC) of the storage battery 3 is within a predetermined range (see FIG. 1).
  • SOC state of charge
  • the command value calculation unit 475 of the PCS 4 calculates the active power command value Pref so that the SOC is within a predetermined range (for example, the SOC is within the range of 20% to 80%).
  • the PCS 4 controls the DC link voltage so as to maximize the output power Ppv of the solar panel 2, giving top priority to discharging (selling electricity) from the power system 100 (MPPT control: Maximum Power Point Tracking control).
  • the PCS 4 performs control as shown in FIG. 5. In other words, the PCS 4 performs control so that the solar panel 2 and the storage battery 3 do not discharge to the power system 100.
  • the required power calculation unit 472 calculates the power required for the power grid 100 (P* required to support the power grid 100) according to the grid frequency f detected by the grid frequency detection unit 41.
  • the PCS4 controls the output power to the power grid 100 by the dfdP function using P* based on the grid frequency f detected by the frequency determination unit 471.
  • the PCS 4 controls the DC link voltage so that the output power Ppv of the solar panel 2 becomes zero.
  • the PCS 4 performs control as shown in FIG. 6. In other words, the PCS 4 performs control so that the solar panel 2, or the solar panel 2 and the storage battery 3, output the required power to the power system 100.
  • the required power calculation unit 472 calculates the power required for the power grid 100 (P* required to support the power grid 100) according to the grid frequency f detected by the grid frequency detection unit 41.
  • the PCS 4 controls the output power to the power grid 100 by the dfdP function using P* based on the grid frequency f detected by the frequency determination unit 471. At this time, the PCS 4 controls the DC link voltage so that the output power Ppv of the solar panel 2 corresponds to P*.
  • the frequency stabilization system 1 when the system frequency f is lower than the above-mentioned frequency range, the frequency stabilization system 1 outputs power to the power system 100 according to P* calculated according to the system frequency f.
  • the PCS 4 controls the solar panel 2 so that it outputs as much power as possible corresponding to P*, but if the output power Ppv of the solar panel 2 is insufficient for the required power, it controls the storage battery 3 to discharge to make up for it.
  • the frequency stabilization system 1 detects the system frequency f of the AC power output to the power system 100, and calculates the required power based on the detected system frequency f and the active power command value (Pref) for the bidirectional DC converter 5 based on the required power. Therefore, the frequency stabilization system 1 can convert the DC power generated by the solar panel 2 into AC power stabilized within a predetermined frequency range.
  • each function possessed by the PCS 4 and the bidirectional DC converter 5 may be configured in whole or in part by hardware such as a PLD (Programmable Logic Device) or an FPGA (Field Programmable Gate Array), or may be configured as a program executed by a processor such as a CPU.
  • hardware such as a PLD (Programmable Logic Device) or an FPGA (Field Programmable Gate Array)
  • PLD Programmable Logic Device
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • 1...Frequency stabilization system 2...Solar panel, 3...Storage battery, 4...PCS, 5...Bidirectional DC converter, 6...Diode, 41...System frequency detection unit, 42...Supply power detection unit, 43...DC link voltage detection unit, 44...PV power detection unit, 47...Control unit, 48...Power conversion unit, 51...Battery power detection unit, 52...Battery voltage detection unit, 53...Control unit, 100...Power system, 471...Frequency determination unit, 472...Required power calculation unit, 473...MPPT control unit, 474...PWM, 475...Command value calculation unit, 476...Output control unit, 530...Power control unit, 532...PWM

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

一態様にかかる周波数安定化システムは、太陽電池パネル及び蓄電池の少なくともいずれかが出力した直流電力を交流電力に変換し、電力系統に対して出力する電力変換部と、蓄電池に直列に接続され、蓄電池の電力変換部への充放電を有効電力指令値に基づいて制御する双方向直流変換器と、電力変換部が電力系統に対して出力する交流電力の系統周波数を検出する系統周波数検出部と、検出した系統周波数に基づいて、電力系統に対する必要電力を算出する必要電力算出部と、算出した必要電力に基づいて、双方向直流変換器に対する有効電力指令値を算出する指令値算出部と、算出した有効電力指令値に基づいて、双方向直流変換器による蓄電池の電力変換部への充放電出力を制御する出力制御部とを有する。

Description

周波数安定化システム及び周波数安定化方法
　本発明は、周波数安定化システム及び周波数安定化方法に関する。
　例えば、太陽電池パネル（ＰＶパネル）が発電した直流電力をＰＣＳ（パワーコンディショナ：Power Conditioning System）により交流電力に変換して電力系統に連系させる系統連系システムでは、発電した電力を充電する蓄電池を備えた構成が一般に知られている。
　電力系統における系統周波数は、太陽電池パネルの発電量の変動など、さまざまな条件により変動する。
　例えば、再生可能エネルギーを利用した発電設備や電力貯蔵装置を有する複数の離島が送電線によって互いに連系されて小規模な電力系統を構成する場合に、自然条件の影響による再生可能エネルギー発電量の変動を考慮して、系統周波数を制御する周波数制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　また、太陽光により発電する発電装置により発電された発電電力を電力系統に供給できる場合に、発電電力を予め定められている第１範囲の周波数の交流電力に変換し、発電電力を電力系統に供給できない場合に、蓄電池に蓄積されている蓄電電力を第１範囲の周波数の下限以下の第２範囲の周波数の交流電力に変換する変換部と、変換部により周波数が変換された交流電力を電力系統に出力する出力部とを備え、発電装置が発電した電力及び蓄電池から放電される電力の電力系統への出力を制御する出力制御装置は公知である（例えば、特許文献２参照）。
日本特開２０１６－１７８７３６号公報 日本特開２０２２－０２５２２６号公報
　しかしながら、電力系統に対して太陽電池パネル及び蓄電池が直流側にて連系するように並列に接続された場合には、電力系統の系統周波数を安定化することはできないという問題があった。
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、太陽電池パネルにより発電した直流電力を所定の周波数範囲内に安定化させた交流電力に変換することを可能にする周波数安定化システム及び周波数安定化方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様にかかる周波数安定化システムは、電力系統に対して連系するように並列に接続された太陽電池パネル及び蓄電池を備えた周波数安定化システムにおいて、前記太陽電池パネル及び前記蓄電池の少なくともいずれかが出力した直流電力を交流電力に変換し、前記電力系統に対して出力する電力変換部と、前記蓄電池に直列に接続され、前記蓄電池の前記電力変換部への充放電を有効電力指令値に基づいて制御する双方向直流変換器と、前記電力変換部が前記電力系統に対して出力する交流電力の系統周波数を検出する系統周波数検出部と、前記系統周波数検出部が検出した系統周波数に基づいて、前記電力系統に対する必要電力を算出する必要電力算出部と、前記必要電力算出部が算出した必要電力に基づいて、前記双方向直流変換器に対する有効電力指令値を算出する指令値算出部と、前記指令値算出部が算出した有効電力指令値に基づいて、前記双方向直流変換器による前記蓄電池の前記電力変換部への充放電出力を制御する出力制御部とを有することを特徴とする。
　また、本発明の一態様にかかる周波数安定化システムは、前記系統周波数検出部が検出した系統周波数が所定の周波数範囲よりも高い周波数であるか、前記周波数範囲よりも低い周波数であるか、又は前記周波数範囲内であるかを判定する周波数判定部をさらに有し、前記指令値算出部は、前記系統周波数検出部が検出した系統周波数が前記周波数範囲よりも高い周波数であると前記周波数判定部が判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を零に近づけ、前記必要電力算出部が算出した必要電力と同じ大きさの電力で前記双方向直流変換器が前記蓄電池を充放電させるように有効電力指令値を算出することを特徴とする。
　また、本発明の一態様にかかる周波数安定化システムは、前記指令値算出部が、前記系統周波数検出部が検出した系統周波数が前記周波数範囲よりも低い周波数であると前記周波数判定部が判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を前記必要電力算出部が算出した必要電力に近づけ、前記必要電力算出部が算出した必要電力に対して不足する電力を前記蓄電池が前記電力変換部へ放電するように有効電力指令値を算出することを特徴とする。
　また、本発明の一態様にかかる周波数安定化システムは、前記指令値算出部が、前記系統周波数検出部が検出した系統周波数が前記周波数範囲内であると前記周波数判定部が判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を最大化させるように有効電力指令値を算出することを特徴とする。
　また、本発明の一態様にかかる周波数安定化方法は、電力系統に対して連系するように並列に接続された太陽電池パネル及び蓄電池と、前記太陽電池パネル及び前記蓄電池の少なくともいずれかが出力した直流電力を交流電力に変換し、前記電力系統に対して出力する電力変換部と、前記蓄電池に直列に接続され、前記蓄電池の前記電力変換部への充放電を有効電力指令値に基づいて制御する双方向直流変換器とを備えた周波数安定システムを制御する周波数安定化方法において、前記電力変換部が前記電力系統に対して出力する交流電力の系統周波数を検出する系統周波数検出工程と、前記系統周波数検出工程により検出した系統周波数に基づいて、前記電力系統に対する必要電力を算出する必要電力算出工程と、前記必要電力算出工程により算出した必要電力に基づいて、前記双方向直流変換器に対する有効電力指令値を算出する指令値算出工程と、前記指令値算出工程により算出した有効電力指令値に基づいて、前記双方向直流変換器による前記蓄電池の前記電力変換部への充放電出力を制御する出力制御工程とを含むことを特徴とする。
　また、本発明の一態様にかかる周波数安定化方法は、前記系統周波数検出工程により検出した系統周波数が所定の周波数範囲よりも高い周波数であるか、前記周波数範囲よりも低い周波数であるか、又は前記周波数範囲内であるかを判定する周波数判定工程をさらに含み、前記指令値算出工程では、前記系統周波数検出工程により検出した系統周波数が前記周波数範囲よりも高い周波数であると前記周波数判定工程により判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を零に近づけ、前記必要電力算出工程により算出した必要電力と同じ大きさの電力で前記双方向直流変換器が前記蓄電池を充放電させるように有効電力指令値を算出することを特徴とする。
　また、本発明の一態様にかかる周波数安定化方法は、前記指令値算出工程では、前記系統周波数検出工程により検出した系統周波数が前記周波数範囲よりも低い周波数であると前記周波数判定工程により判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を前記必要電力算出工程により算出した必要電力に近づけ、前記必要電力算出工程により算出した必要電力に対して不足する電力を前記蓄電池が前記電力変換部へ放電するように有効電力指令値を算出することを特徴とする。
　また、本発明の一態様にかかる周波数安定化方法は、前記指令値算出工程では、前記系統周波数検出工程により検出した系統周波数が前記周波数範囲内であると前記周波数判定工程により判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を最大化させるように有効電力指令値を算出することを特徴とする。
　本発明によれば、太陽電池パネルにより発電した直流電力を所定の周波数範囲内に安定化させた交流電力に変換することを可能にすることができる。
一実施形態にかかる周波数安定化システムの構成例を示す図である。 ＰＣＳが有する機能を例示する機能ブロック図である。 双方向直流変換器が有する機能を例示する機能ブロック図である。 ｄｆｄＰ機能の概要を示すグラフである。 系統周波数が所定の周波数範囲よりも高い周波数である場合の周波数安定化システムの動作例を示す図である。 系統周波数が所定の周波数範囲よりも低い周波数である場合の周波数安定化システムの動作例を示す図である。
　以下に、図面を用いて一実施形態にかかる周波数安定化システムについて説明する。図１は、一実施形態にかかる周波数安定化システム１の構成例を示す図である。
　図１に示すように、周波数安定化システム１は、例えば電力系統１００に対して連系するように並列に接続された太陽電池パネル２及び蓄電池３と、ＰＣＳ（パワーコンディショナ）４と、双方向直流変換器５と、ダイオード６とを有する系統連系システムである。また、周波数安定化システム１は、制御部４７（図２参照）及び制御部５３（図３参照）を含むように構成されている。
　例えば、周波数安定化システム１は、電力系統１００の系統周波数を安定化するために、系統周波数の変動に応じてＰＣＳ４が電力系統１００に対して出力する電力を制御する。
　太陽電池パネル２は、太陽光から直流電力を発電し、ＰＣＳ４を介して電力系統１００へ電力を供給可能にされている。蓄電池３は、太陽電池パネル２が発電した直流電力を充電することができるようにされている。
　ＰＣＳ４は、太陽電池パネル２及び蓄電池３の少なくともいずれかが出力した直流電力を交流電力に変換して電力系統１００へ供給する機能を有する。なお、ＰＣＳ４については、図２を用いてより具体的に後述する。
　双方向直流変換器５は、蓄電池３に直列に接続され、蓄電池３のＰＣＳ４への充放電を、ＰＣＳ４が出力する有効電力指令値Ｐｒｅｆ（後述）に基づいて制御する。例えば、双方向直流変換器５は、蓄電池３とともにＥＳＳ（Energy Storage System :ESS）を構成する。
　ダイオード６は、太陽電池パネル２に向けて電流が流れることを防止する保護回路である。ここでは、図１に示したように、電力系統１００に対して並列に設けられた太陽電池パネル２と蓄電池３がダイオード６を介して直接リンクする構成をＤＣリンク方式の系統連系システムと称する。
　また、周波数安定化システム１には、図１に示したノードＡ～Ｆが設けられており、周波数安定化システム１における周波数、電力及び電圧などのパラメータをＰＣＳ４が検出することができるようにされている。
　次に、ＰＣＳ４が有する機能についてより具体的に説明する。図２は、ＰＣＳ４が有する機能を例示する機能ブロック図である。図２に示すように、ＰＣＳ４は、例えば系統周波数検出部４１、供給電力検出部４２、ＤＣリンク電圧検出部４３、ＰＶ電力検出部４４、制御部４７及び電力変換部４８を有する。
　系統周波数検出部４１は、電力系統１００に対するＰＣＳ４の連系点となるノードＡ（図１参照）において、ＰＣＳ４が電力系統１００に対して出力する交流電力の系統周波数ｆを検出し、制御部４７に対して出力する。より具体的には、系統周波数検出部４１は、後述する電力変換部４８が電力系統１００に対して出力する交流電力の系統周波数を検出し、後述する周波数判定部４７１に対して出力する。
　供給電力検出部４２は、ＰＣＳ４が電力系統１００に対して供給する電力Ｐ（又は電力指令値Ｐ＊）をノードＢにおいて検出し、制御部４７に対して出力する。
　ＤＣリンク電圧検出部４３は、太陽電池パネル２及び蓄電池３の少なくともいずれかからＰＣＳ４に対して印加される電圧（ＤＣリンク電圧）をノードＣにおいて検出し、制御部４７に対して出力する。
　ＰＶ電力検出部４４は、太陽電池パネル２が出力する電力（ＰＶ電力：Ｐｐｖ）をノードＤにおいて検出し、制御部４７に対して出力する。
　制御部４７は、周波数判定部４７１、必要電力算出部４７２、ＭＰＰＴ制御部４７３、ＰＷＭ４７４、指令値算出部４７５及び出力制御部４７６を有し、電力系統１００に対するｄｆｄＰ機能（Frequency-Watt機能）を実現可能にされている。
　ｄｆｄＰ機能は、例えば図４に示したように、出力電力の周波数が所定の周波数範囲内である場合には蓄電池の充放電を一定に保ち、出力電力の周波数が所定の周波数範囲よりも高い場合には蓄電池を充電方向に制御し、出力電力の周波数が所定の周波数範囲よりも低い場合には蓄電池を放電方向に制御する機能である。
　周波数判定部４７１は、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆが所定の周波数範囲よりも高い周波数であるか、当該周波数範囲よりも低い周波数であるか、又は当該周波数範囲内であるかを判定する。ここで、所定の周波数範囲とは、周波数安定化システム１が通常運転を行うこととして予め定められた系統周波数ｆの範囲であり、例えば定格周波数±０．２Ｈｚ以内の範囲などである。
　必要電力算出部４７２は、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆを取得し、当該系統周波数ｆに基づいて、電力系統１００に対する必要電力Ｐ（電力系統１００をサポートする電力：電力指令Ｐ＊相当）を算出する。
　ＭＰＰＴ制御部４７３は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）を行い、ＰＷＭ４７４を介して電力変換部４８を制御する。
　指令値算出部４７５は、系統周波数ｆ、又は、必要電力算出部４７２が算出した必要電力に基づいて、双方向直流変換器５に対する有効電力指令値（Ｐｒｅｆ）を算出する。
　例えば、指令値算出部４７５は、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆが上述した周波数範囲よりも高い周波数であると周波数判定部４７１が判定した場合、太陽電池パネル２が出力する電力を零（ゼロ）に近づけ、必要電力算出部４７２が算出した必要電力Ｐ（電力指令Ｐ＊相当）と同じ大きさの電力で双方向直流変換器５が蓄電池３を充電させるように有効電力指令値（Ｐｒｅｆ）を算出する。
　また、指令値算出部４７５は、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆが上述した周波数範囲よりも低い周波数であると周波数判定部４７１が判定した場合、太陽電池パネル２が出力する電力を必要電力算出部４７２が算出した必要電力Ｐ（電力指令Ｐ＊相当）に近づけ、必要電力算出部４７２が算出した必要電力Ｐに対して不足する電力を蓄電池３が電力変換部４８へ放電するように有効電力指令値（Ｐｒｅｆ）を算出する。
　また、指令値算出部４７５は、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆが上述した周波数範囲内であると周波数判定部４７１が判定した場合、太陽電池パネル２が出力する電力を最大化させる（必要電力Ｐ（電力指令Ｐ＊相当）に近づける）ように有効電力指令値（Ｐｒｅｆ）を算出する。
　出力制御部４７６は、指令値算出部４７５が算出した有効電力指令値（Ｐｒｅｆ）を双方向直流変換器５に対して出力する。そして、出力制御部４７６は、指令値算出部４７５が算出した有効電力指令値（Ｐｒｅｆ）に基づいて、双方向直流変換器５による蓄電池３の電力変換部４８への充放電出力を制御する。
　電力変換部４８は、太陽電池パネル２及び蓄電池３の少なくともいずれかが出力した直流電力を交流電力に変換し、電力系統１００に対して出力する。
　次に、双方向直流変換器５が有する機能についてより具体的に説明する。図３は、双方向直流変換器５が有する機能を例示する機能ブロック図である。図３に示すように、双方向直流変換器５は、電池電力検出部５１、電池電圧検出部５２及び制御部５３を有し、双方向直流変換器５が備える電力変換部（図示せず）を制御する。
　電池電力検出部５１は、双方向直流変換器５からＰＣＳ４へ供給される電力（電池電力Ｐｂａｔｔ）をノードＥにおいて検出する。
　電池電圧検出部５２は、蓄電池３の出力電圧（Ｖｂａｔｔ）をノードＦにおいて検出する。電池電圧検出部５２は、蓄電池３の充電率（ＳＯＣ：States Of Charge）を検出するように構成されてもよい。
　制御部５３は、電力制御部５３０及びＰＷＭ５３２を備え、双方向直流変換器５を制御する。
　次に、周波数安定化システム１の動作例について説明する。周波数安定化システム１は、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆが上述した周波数範囲内である場合、太陽電池パネル２は電力系統１００に対して放電し、ＰＣＳ４は蓄電池３の充電率（ＳＯＣ）が所定の範囲内となるように双方向直流変換器５を制御する（図１参照）。
　例えば、ＰＣＳ４は、電池電圧検出部５２がＳＯＣを検出する場合、ＳＯＣが所定の範囲内（例えばＳＯＣが２０％～８０％の範囲内）の値となるように、指令値算出部４７５が有効電力指令値Ｐｒｅｆを算出する。
　ＰＣＳ４は、例えば電池電圧検出部５２が検出する電池電圧Ｖｂａｔｔが所定の範囲内（Ｖｂａｔｔ＝Ｖｍｉｎ～Ｖｍａｘ）の値となるように、又は電池電力検出部５１が検出する電池電力Ｐｂａｔｔが所定の範囲内の値となるように、指令値算出部４７５が有効電力指令値Ｐｒｅｆを算出してもよい。
　また、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆが上述した周波数範囲内である場合、ＰＣＳ４は、電力系統１００の放電（売電）を最優先として、太陽電池パネル２の出力電力Ｐｐｖを最大化するようにＤＣリンク電圧を制御する（ＭＰＰＴ制御：Maximum Power Point Tracking制御）。
　また、周波数安定化システム１は、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆが上述した周波数範囲よりも高い周波数であると周波数判定部４７１が判定した場合、図５に示すように、ＰＣＳ４が制御を行う。すなわち、ＰＣＳ４は、太陽電池パネル２及び蓄電池３が電力系統１００へ放電しないように制御を行う。
　より具体的には、必要電力算出部４７２は、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆに応じて、電力系統１００に対して必要な電力（電力系統１００をサポートするために必要なＰ＊）を算出する。
　そして、ＰＣＳ４は、周波数判定部４７１が検出した系統周波数ｆに基づくＰ＊を用いて電力系統１００に対する出力電力をｄｆｄＰ機能により制御する。
　このとき、ＰＣＳ４は、太陽電池パネル２の出力電力Ｐｐｖを零（ゼロ）にするようにＤＣリンク電圧を制御する。例えば、ＰＣＳ４は、双方向直流変換器５に対する有効電力指令値Ｐｒｅｆを、充電指令値としてＰｒｅｆ＝－Ｐ＊にし、蓄電池３が充電を行うように制御する。
　つまり、周波数安定化システム１は、系統周波数ｆが上述した周波数範囲よりも高い周波数である場合、太陽電池パネル２の出力電力をゼロに近づけるように制御を行い、かつ、系統周波数ｆに応じて算出したＰｒｅｆ＝－Ｐ＊により蓄電池３へ充電を行う。
　また、周波数安定化システム１は、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆが上述した周波数範囲よりも低い周波数であると周波数判定部４７１が判定した場合、図６に示すように、ＰＣＳ４が制御を行う。すなわち、ＰＣＳ４は、太陽電池パネル２、又は太陽電池パネル２及び蓄電池３が電力系統１００に対して必要な電力を出力するように制御を行う。
　より具体的には、必要電力算出部４７２は、系統周波数検出部４１が検出した系統周波数ｆに応じて、電力系統１００に対して必要な電力（電力系統１００をサポートするために必要なＰ＊）を算出する。
　そして、ＰＣＳ４は、周波数判定部４７１が検出した系統周波数ｆに基づくＰ＊を用いて電力系統１００に対する出力電力をｄｆｄＰ機能により制御する。このとき、ＰＣＳ４は、太陽電池パネル２の出力電力ＰｐｖがＰ＊に相当するようにＤＣリンク電圧を制御する。例えば、ＰＣＳ４は、双方向直流変換器５に対する有効電力指令値Ｐｒｅｆを、放電指令値としてＰｒｅｆ＝ａｂｓ（Ｐ＊－Ｐｐｖ）にし、蓄電池３が放電を行うように制御する。
　つまり、周波数安定化システム１は、系統周波数ｆが上述した周波数範囲よりも低い周波数である場合、系統周波数ｆに応じて算出したＰ＊により電力系統１００に対する電力を出力する。このとき、ＰＣＳ４は、太陽電池パネル２ができるだけＰ＊に対応する電力の全てを出力するように制御を行うが、太陽電池パネル２の出力電力Ｐｐｖだけでは必要電力に対して不足があれば蓄電池３が放電して補うように制御を行う。
　このように、周波数安定化システム１は、電力系統１００に対して出力する交流電力の系統周波数ｆを検出し、検出した系統周波数ｆに基づく必要電力と、必要電力に基づく双方向直流変換器５に対する有効電力指令値（Ｐｒｅｆ）を算出する。よって、周波数安定化システム１は、太陽電池パネル２により発電した直流電力を所定の周波数範囲内に安定化させた交流電力に変換することを可能にすることができる。
　なお、ＰＣＳ４及び双方向直流変換器５がそれぞれ有する各機能は、それぞれ一部又は全部がＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアによって構成されてもよいし、ＣＰＵ等のプロセッサが実行するプログラムとして構成されてもよい。
　１・・・周波数安定化システム、２・・・太陽電池パネル、３・・・蓄電池、４・・・ＰＣＳ、５・・・双方向直流変換器、６・・・ダイオード、４１・・・系統周波数検出部、４２・・・供給電力検出部、４３・・・ＤＣリンク電圧検出部、４４・・・ＰＶ電力検出部、４７・・・制御部、４８・・・電力変換部、５１・・・電池電力検出部、５２・・・電池電圧検出部、５３・・・制御部、１００・・・電力系統、４７１・・・周波数判定部、４７２・・・必要電力算出部、４７３・・・ＭＰＰＴ制御部、４７４・・・ＰＷＭ、４７５・・・指令値算出部、４７６・・・出力制御部、５３０・・・電力制御部、５３２・・・ＰＷＭ

Claims (8)

  1. 　電力系統に対して連系するように並列に接続された太陽電池パネル及び蓄電池を備えた周波数安定化システムにおいて、
    　前記太陽電池パネル及び前記蓄電池の少なくともいずれかが出力した直流電力を交流電力に変換し、前記電力系統に対して出力する電力変換部と、
    　前記蓄電池に直列に接続され、前記蓄電池の前記電力変換部への充放電を有効電力指令値に基づいて制御する双方向直流変換器と、
    　前記電力変換部が前記電力系統に対して出力する交流電力の系統周波数を検出する系統周波数検出部と、
    　前記系統周波数検出部が検出した系統周波数に基づいて、前記電力系統に対する必要電力を算出する必要電力算出部と、
    　前記必要電力算出部が算出した必要電力に基づいて、前記双方向直流変換器に対する有効電力指令値を算出する指令値算出部と、
    　前記指令値算出部が算出した有効電力指令値に基づいて、前記双方向直流変換器による前記蓄電池の前記電力変換部への充放電出力を制御する出力制御部と
    　を有することを特徴とする周波数安定化システム。
  2. 　前記系統周波数検出部が検出した系統周波数が所定の周波数範囲よりも高い周波数であるか、前記周波数範囲よりも低い周波数であるか、又は前記周波数範囲内であるかを判定する周波数判定部
    　をさらに有し、
    　前記指令値算出部は、
    　前記系統周波数検出部が検出した系統周波数が前記周波数範囲よりも高い周波数であると前記周波数判定部が判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を零に近づけ、前記必要電力算出部が算出した必要電力と同じ大きさの電力で前記双方向直流変換器が前記蓄電池を充放電させるように有効電力指令値を算出すること
    　を特徴とする請求項１に記載の周波数安定化システム。
  3. 　前記指令値算出部は、
    　前記系統周波数検出部が検出した系統周波数が前記周波数範囲よりも低い周波数であると前記周波数判定部が判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を前記必要電力算出部が算出した必要電力に近づけ、前記必要電力算出部が算出した必要電力に対して不足する電力を前記蓄電池が前記電力変換部へ放電するように有効電力指令値を算出すること
    　を特徴とする請求項２に記載の周波数安定化システム。
  4. 　前記指令値算出部は、
    　前記系統周波数検出部が検出した系統周波数が前記周波数範囲内であると前記周波数判定部が判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を最大化させるように有効電力指令値を算出すること
    　を特徴とする請求項２又は３に記載の周波数安定化システム。
  5. 　電力系統に対して連系するように並列に接続された太陽電池パネル及び蓄電池と、前記太陽電池パネル及び前記蓄電池の少なくともいずれかが出力した直流電力を交流電力に変換し、前記電力系統に対して出力する電力変換部と、前記蓄電池に直列に接続され、前記蓄電池の前記電力変換部への充放電を有効電力指令値に基づいて制御する双方向直流変換器とを備えた周波数安定化システムを制御する周波数安定化方法において、
    　前記電力変換部が前記電力系統に対して出力する交流電力の系統周波数を検出する系統周波数検出工程と、
    　前記系統周波数検出工程により検出した系統周波数に基づいて、前記電力系統に対する必要電力を算出する必要電力算出工程と、
    　前記必要電力算出工程により算出した必要電力に基づいて、前記双方向直流変換器に対する有効電力指令値を算出する指令値算出工程と、
    　前記指令値算出工程により算出した有効電力指令値に基づいて、前記双方向直流変換器による前記蓄電池の前記電力変換部への充放電出力を制御する出力制御工程と
    　を含むことを特徴とする周波数安定化方法。
  6. 　前記系統周波数検出工程により検出した系統周波数が所定の周波数範囲よりも高い周波数であるか、前記周波数範囲よりも低い周波数であるか、又は前記周波数範囲内であるかを判定する周波数判定工程
    　をさらに含み、
    　前記指令値算出工程では、
    　前記系統周波数検出工程により検出した系統周波数が前記周波数範囲よりも高い周波数であると前記周波数判定工程により判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を零に近づけ、前記必要電力算出工程により算出した必要電力と同じ大きさの電力で前記双方向直流変換器が前記蓄電池を充放電させるように有効電力指令値を算出すること
    　を特徴とする請求項５に記載の周波数安定化方法。
  7. 　前記指令値算出工程では、
    　前記系統周波数検出工程により検出した系統周波数が前記周波数範囲よりも低い周波数であると前記周波数判定工程により判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を前記必要電力算出工程により算出した必要電力に近づけ、前記必要電力算出工程により算出した必要電力に対して不足する電力を前記蓄電池が前記電力変換部へ放電するように有効電力指令値を算出すること
    　を特徴とする請求項６に記載の周波数安定化方法。
  8. 　前記指令値算出工程では、
    　前記系統周波数検出工程により検出した系統周波数が前記周波数範囲内であると前記周波数判定工程により判定した場合、前記太陽電池パネルが前記電力変換部に対して出力する電力を最大化させるように有効電力指令値を算出すること
    　を特徴とする請求項６又は７に記載の周波数安定化方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013046503A (ja) * 2011-08-25 2013-03-04 Waseda Univ 蓄電システム及びその制御方法
JP2016167967A (ja) * 2015-03-10 2016-09-15 エルエス産電株式会社Lsis Co., Ltd. エネルギー貯蔵装置の制御方法及び電力管理システム

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