JP2013046532A - 電力平準化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上位コントローラからの有効電力指令からエネルギー蓄積要素の満充電制御モードを電力平準化装置にて自動判別し、エネルギー蓄積要素の充放電がゼロになるよう直接充放電電流を制御できる技術を提供する。
【解決手段】電力平準化装置は、商用電力系統と重要負荷及び分散型電源とを接続するスイッチと、これらの接続ラインに接続される電力変換器と、電力変換器に接続されるエネルギー蓄積要素と、上記接続ラインの電圧を検出する電圧検出部と、重要負荷と電力変換器及びエネルギー蓄積要素の各電流を検出する第１、第２、第３の電流検出部と、上記各検出部からの各検出値と、上位コントローラからの有効及び無効電力指令に基づいて上記電力変換器を制御する制御装置とを備え、制御装置は、上記有効電力指令の絶対値がゼロ近くの基準値未満では、第３電流検出部からの検出値がゼロとなるように上記電力変換器を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、系統連系点における電力変動を補償する電力平準化装置に適用されるエネルギー蓄積要素の満充電制御に関するものである。

近年、太陽光発電装置や風力発電装置等の自然エネルギーを利用した分散型電源の導入が進んでいる。これら分散型電源は、安定な電力供給を行うために商用電力系統に接続される。しかし、自然エネルギーによる発電は、一般に発電量が安定していない。発電量が安定しないと系統側の電力変動が大きくなり、系統不安定状態から大規模停電が発生する可能性も危惧されている。

このような問題を解決するため、従来から分散型電源と併用して、バッテリ等のエネルギー貯蔵要素と、半導体等によるスイッチング素子を使用した電力変換器とを用いた電力平準化装置を導入し、電力供給の安定化を図っている。また従来から、有効電力だけでなく無効電力の制御も行っており、これが電力系統の過渡安定度向上にも寄与している。

図４は、電力平準化装置の一例を示すブロック図であるが、一般的な構成の部分（公知技術の部分）については図示のみで、詳細な説明は省略する（図示した一般負荷１０６、電流検出器１１０、電流検出器１１１、電圧検出器１０９ｂは、図示のみで説明は省略）。通常、図４に示すような構成において、分散型電源１０８で発電した電力を、需要家の重要負荷１１５に供給しつつ、余剰となった電力を商用電力系統１０１側へ回生する。ただし系統連系点１０４での電力潮流の変動が大きい場合は、先に述べたように商用電力系統１０１側を不安定にさせてしまう虞があるので、なるべく系統連系点１０４での電力潮流を平準化させる必要がある。

そこで、分散型電源１０８、電力変換器１１２及び重要負荷１１５の接続ラインの電圧と負荷（重要負荷１１５）側および電力変換器１１２側に流れ込む電流を検出して、制御装置１１４にて負荷（重要負荷１１５）側および電力変換器１１２側それぞれの有効電力と無効電力を求めて、電力指令値（有効電力指令Ｐｒｅｆ及び無効電力指令Ｑｒｅｆ）通りに電力変換器１１２を制御することで系統連系点１０４の電力平準化を図るシステムとなっている。

商用電力系統１０１側で停電が発生した場合、停電検出部１０３が停電を検出する。連系点ＣＢ（Ｃircuit Ｂreaker：遮断器）１０２は商用電力系統１０１を解列するとともに、電力変換器１１２を制御する制御装置１１４は停電検出信号を受け取る。非常用発電機１０５が動作を開始するまでは、高速スイッチ（交流スイッチ）１０７を切断状態とし、電力変換器１１２をＵＰＳ（Ｕninterruptible Ｐower Ｓupply：無停電電源装置）として動作させ、重要負荷１１５に電力供給を行う。
その後、非常用発電機１０５が動作を開始して電力供給可能な状態になると、図４に示す電力平準化装置１５０は、非常用発電機１０５の電力変動をアシストする動作に代わる。

図５は、図４に示す構成の電力平準化装置１５０における、従来の一般的な状態遷移を示す概念図であり、図４に示す構成において一般的に執り得る状態（ステータス）と、同様に遷移し得る方向を矢印線（ループを含む）で示している。
なお矢印線には遷移動作を表すＡと、この遷移動作のきっかけとなる事象（イベント）Ｅの数字が記されているが、本図は各状態を説明する概念図であるので、動作と事象の詳細な説明は省略する。

図５に示す各状態については、概ね次の通りである。
ステータスＳ００は全停止状態を示している。本構成が起動した直後等である。
ステータスＳ０２は停止待機状態を示している。連系点ＣＢ１０２をオンにした直後等の状態で、各種信号が接続されるのを待っている。
ステータスＳ１４はソフトスタート状態を示している。電力変換器１１２等の動作状態を所定の時間をもって次のステータスにおける所定の定常状態に移行させる（コンデンサの充電等）。

ステータスＳ０８は商用連系制御状態を示している。電力変換器１１２は商用電力系統１０１と連系して電流制御で運転される。
ステータスＳ１８は、商用停電・連系インバータ制御状態を示している。商用電力系統１０１が停電して非常用発電機１０５が運転状態のとき、電力変換器１１２は非常用発電機１０５と連系して電流制御で運転される。
ステータスＳ１０は、商用停電・ＣＶＣＦ制御状態を示している。商用電力系統１０１が停電し、非常用発電機１０５も電力供給できない状態のとき（停電直後の起動動作中や燃料が枯渇して停止したとき）、電力変換器１１２は、エネルギー蓄積要素１１３のエネルギーを使用して、電圧と周波数を一定に制御するよう自立運転制御される。

特開２００８−７２７７４号公報 特開２０１１−１０４１２号公報

このような従来技術の電力平準化装置１５０において、停電の発生していない状態では、制御装置１１４は図５に示す商用連系制御Ｓ０８の状態にあり、電力変換器１１２によってエネルギー蓄積要素１１３の充電状態を制御・監視している。
また、エネルギー蓄積要素１１３の充放電制御は、図示しない上位コントローラ（外部機器）からの有効電力指令Ｐrefにより行っている。エネルギー蓄積要素１１３が満充電状態になると、上位コントローラは有効電力指令Ｐrefを０［ｋＷ］まで絞り、充放電ゼロの状態になるよう制御する。

ただし、有効電力指令Ｐrefを０［ｋＷ］にしても、直接はエネルギー蓄積要素１１３の充放電を制御していないため、わずかながら充放電が生じる。この状態を実機で確認したところ、わずかな放電状態となる場合が多く、せっかく蓄積したエネルギーを放出する状態となるという問題が生じていた。

本発明の目的は、上位コントローラからの有効電力指令から、エネルギー蓄積要素の満充電制御モードを電力平準化装置にて自動判別し、エネルギー蓄積要素の充放電がゼロになるよう直接充放電電流を制御できる技術を提供することにある。

本発明の電力平準化装置は、商用電力系統と重要負荷及び分散型電源とを接続するスイッチと、前記スイッチと前記重要負荷及び前記分散型電源との接続ラインに、交流側が接続される交流直流変換器と、前記交流直流変換器の直流側に接続されるエネルギー蓄積要素と、前記スイッチと前記重要負荷及び前記分散型電源との接続ラインの電圧を検出する電圧検出部と、前記重要負荷に流れる電流を検出する第１電流検出部と、前記交流直流変換器の交流側に流れる電流を検出する第２電流検出部と、前記エネルギー蓄積要素に流れる電流を検出する第３電流検出部と、前記電圧検出部、前記第１電流検出部、前記第２電流検出部及び前記第３電流検出部からの各検出値と、上位コントローラからの有効電力指令及び無効電力指令とに基づいて前記交流直流変換器を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記上位コントローラからの有効電力指令の絶対値がゼロ近くの基準値未満では、前記第３電流検出部からの検出値がゼロとなるように前記交流直流変換器を制御することを特徴とする。
また、本発明の電力平準化装置は、前記制御装置が、前記上位コントローラからの有効電力指令の絶対値がゼロ近くの基準値以上では、前記電圧検出部、前記第１電流検出部及び前記第２電流検出部からの各検出値により前記交流直流変換器及び前記重要負荷のそれぞれの有効電力及び無効電力を算出し、前記上位コントローラからの有効電力指令及び無効電力指令に一致するように前記交流直流変換器を制御してもよい。

本発明によれば、商用電力系統側へ電力回生が可能な電力平準化装置で、エネルギー蓄積要素が満充電状態になっても、充放電電流をゼロに制御することで、無駄なエネルギー放出をしない技術を提供することができる。

本発明の実施形態に係る、電力平準化装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る、電力平準化装置の状態遷移を示す図である。 本発明の実施形態に係る、バッテリ電流ゼロ制御の各処理について説明する図である。 従来技術に係る、電力平準化装置の構成例を示すブロック図である。 従来技術に係る、電力平準化装置の状態遷移を示す図である。

以下に、本発明の実施形態に係る電力平準化装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る電力平準化装置５０の構成を示すブロック図である。
商用電力系統１は、本実施形態の電力平準化装置５０を介して重要負荷１５に電力を供給するように構成される。系統連系点４は、停電時等に遮断制御される連系点ＣＢ（遮断器）２を介して商用電力系統１に接続される。停電検出部３は、商用電力系統１の停電を検出して停電検出信号Ｓｄを送出する。

系統連系点４には、非常用発電機５および一般負荷６が接続されるとともに、高速スイッチ（電力を接断する交流スイッチ）７を介して重要負荷接続点９ａに接続される。また、重要負荷接続点９ａは電圧検出器９ｂとなっている。
重要負荷接続点９ａには、太陽光発電設備や風力発電設備あるいは燃料電池や常用型の自家発電設備等の分散型電源８が接続されるとともに、電流検出器１０を介して電力変換器１２が、また電流検出器１１を介して重要負荷１５が接続される。

制御装置１４には、電圧検出器９ｂによる検出値と電流検出器１０による検出値と電流検出器１１による検出値の他、後述する電流検出器３０による検出値（バッテリ電流値Ｄib）が入力されるとともに、制御装置１４は、上位コントローラ１８（外部機器）からの有効電力指令Ｐrefおよび無効電力指令Ｑrefを受けて電力変換器１２を制御する。

この制御装置１４は、幾つかのブロックから成る。制御部２０は、電圧検出器９ｂによる検出値、電流検出器１０による検出値、電流検出器１１による検出値、および上位コントローラ１８からの有効電力指令Ｐref、無効電力指令Ｑrefに基づいて、電力変換器１２を制御する第１のＩｐ指令（図示しないが、便宜上Ｉｐ２０とする）を制御部２０から出力する。

充放電制御部２６は、電流検出器３０による検出値（バッテリ電流値Ｄib）に基づいて電力変換器１２を制御する第２のＩｐ指令（図示しないが、便宜上Ｉｐ２６とする）を出力する。
第１のＩｐ指令（Ｉｐ２０）と第２のＩｐ指令（Ｉｐ２６）とは、ともに切替部２４に送られる。切替部２４は、有効電力指令Ｐrefがゼロのとき（有効電力指令Ｐrefの絶対値が０［ｋＷ］近くの任意の基準値未満のとき）には判別部２２の指示によって第２のＩｐ指令（Ｉｐ２６）を選択し、有効電力指令Ｐrefがゼロでない所定の値以上のとき（有効電力指令Ｐrefの絶対値が０［ｋＷ］近くの任意の基準値以上のとき）には、判別部２２の指示によって第１のＩｐ指令（Ｉｐ２０）を選択し、これをＩｐ指令として電力変換器１２へ送る。

上述の電力変換器１２は、交流電力と直流電力とを相互に変換可能な交流直流変換器であり、重要負荷接続点９ａの電力の一部によってエネルギー蓄積要素１３にエネルギーを充電するとともに、当該エネルギー蓄積要素１３に蓄えられたエネルギーをパルス幅変調により所定の周波数および電圧の電力に変換して重要負荷接続点９ａに供給する役割を担う。なお電流検出器３０は、これら電力変換器１２とエネルギー蓄積要素１３との間のバッテリ電流値Ｄibを検出している。
また、エネルギー蓄積要素１３は、例えば、鉛蓄電池等のような二次電池である。

図２は、本実施形態に係る電力平準化装置５０の状態遷移例を示す図である。図２では、本実施形態において執り得る状態（ステータス）と、同様に遷移し得る方向を矢印線（ループを含む）で示している。
これら各状態に関して、本発明の特徴である破線内を除いては図５に示すものと同様であるので、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
遷移動作を表すＡと、この遷移動作のきっかけとなる事象Ｅの数字についても、本実施の形態の説明に必要な部分を除いては、その詳細な説明は省略する。

上述の通り、図２においては破線内部分が本発明の特徴であり、エネルギー蓄積要素１３の満充電制御に係る状態遷移である。
Ｓ０９は、電力変換器１２を介してエネルギー蓄積要素１３の充放電を制御する満充電制御である。この満充電制御Ｓ０９は、上位コントローラ１８から受け取る有効電力指令Ｐrefの絶対値が０［ｋＷ］近くの任意の基準値未満となる事象Ｅ１６をきっかけに、電力平準化制御を行う商用連系制御Ｓ０８からのみ遷移する。この任意の基準値は、本実施形態の電力平準化装置５０の設置環境での調整要素であり、変更可能となっている。

事象Ｅ１６に対して、商用連系制御Ｓ０８から満充電制御Ｓ０９への状態遷移するための動作がＡ１６である。動作Ａ１６は、後述する有効電力制御をバッテリ電流ゼロ制御Ｓ０９ａで継続し、無効電力制御を停止させる。

一方、満充電制御Ｓ０９から他の制御への状態への遷移は３通り有り、１つ目は事象Ｅ１７に対する動作Ａ１７である。事象Ｅ１７は、上位コントローラ１８から受け取る有効電力指令Ｐrefの絶対値が０［ｋＷ］近くの任意の基準値以上のときに発生する。このときの動作Ａ１７は、商用連系制御Ｓ０８へ状態遷移し、有効電力制御はバッテリ電流ゼロ制御から上位コントローラ１８からの有効電力指令Ｐrefによる制御で継続し、無効電力制御は上位コントローラ１８からの無効電力指令Ｑrefで制御を開始させる。

２つ目は、事象Ｅ０５に対する動作Ａ０５である。動作Ａ０５は満充電制御Ｓ０９中の停止動作で、有効電力制御および無効電力制御を終了し、制御系の変数や信号設定を停止時の設定にした上で、停止待機Ｓ０２に状態遷移する。

３つ目は、事象Ｅ０４に対する動作Ａ０４である。動作Ａ０４は、満充電制御Ｓ０９中の停電バックアップ動作で、有効電力制御および無効電力制御を終了し、制御系の変数や信号設定を停電時の設定にした上で、商用停電・ＣＶＣＦ（Ｃonstant Ｖoltage Ｃonstant Ｆrequency）制御Ｓ１０に状態遷移し、停電中のバックアップ動作を行う。

次に、エネルギー蓄積要素１３の満充電制御Ｓ０９中のバッテリ電流ゼロ制御Ｓ０９ａについて、図３のブロック図を基に説明する。バッテリ電流ゼロ制御Ｓ０９ａは、以下の各処理から成る。
Ｓｔ１：ＬＰＦ（低域通過フィルタ）ブロック
Ｓｔ２：−１倍ゲイン（極性反転）
Ｓｔ３：ＰＩ（比例積分補償）ブロック
Ｓｔ４：リミッタ（制限器）

このＳｔ１では、電流検出器３０によって検出されたバッテリ電流値ＤibからＬＰＦで高域成分を取り除き、続くＳｔ２では、この値を−１倍する。これは、バッテリ電流指令値０［Ａ］（固定）に対する差分を求めるためであり、ここで極性を反転し、次にバッテリ電流基準値０［Ａ］と加算する。
なお、Ｓｔ２とＳｔ３との間に設けられた加算器４０は、０を加算するのみなので、省略することができる。
その後、Ｓｔ３でＰＩ補償を行い、その出力をＳｔ４でリミット処理した値を第１のＩｐ指令（Ｉｐ２６）とする。

ここで、充放電制御部２６を図３のブロック図からなる構成とした場合、Ｓｔ２から出力されるＩｐ指令（Ｉｐ２６）を基に、電力変換器１２を駆動する制御信号を生成するゲート信号生成回路（座標変換回路、パルス幅制御信号生成回路など）を設ける必要がある。
このゲート信号生成回路は充放電制御部２６に設けられるが、制御部２０にも同種のゲート信号生成回路が設けられる。この場合、これら充放電制御部２６と制御部２０のゲート信号生成回路の出力信号を切替部２４で切り替えるように構成することができる。
また、充放電制御部２６に設けられるゲート信号生成回路と制御部２０に設けられるゲート信号生成回路は同じ構成とすることができるので、切替部２４内に１組共通に設け、切り替えて使用することができる。このようにすればゲート信号生成回路を１組設けるだけでよいので構成が簡単になる。

このように、本実施の形態では、有効電力指令Ｐrefがゼロのときには、バッテリ電流値Ｄibとバッテリ電流基準値０［Ａ］（バッテリ電流指令値０［Ａ］）との差分が０となるようにフィードバック制御され、これによりバッテリ電流値Ｄibが０［Ａ］に制御される。
即ち、エネルギー蓄積要素が満充電状態になると、充放電電流がゼロに制御され、無駄なエネルギー放出をしない。

以上、実施形態を基に本発明を説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や処理の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１ 商用電力系統
２ 連系点ＣＢ
３ 停電検出部
４ 系統連系点
５ 非常用発電機
６ 一般負荷
７ 高速スイッチ（スイッチ）
８ 分散型電源
９ａ 重要負荷接続点
９ｂ 電圧検出器（電圧検出部）
１０ 電流検出器（第２電流検出部）
１１ 電流検出器（第１電流検出部）
１２ 電力変換器（交流直流変換器）
１３ エネルギー蓄積要素
１４ 制御装置
１５ 重要負荷
１８ 上位コントローラ
２０ 制御部
２２ 判別部
２４ 切替部
２６ 充放電制御部
３０ 電流検出器（第３電流検出部）
５０、１５０ 電力平準化装置
Ｓｄ 停電検出信号
Ｄib バッテリ電流値
Ｐref 有効電力指令
Ｑref 無効電力指令

Claims (2)

1. 商用電力系統と重要負荷及び分散型電源とを接続するスイッチと、
   前記スイッチと前記重要負荷及び前記分散型電源との接続ラインに、交流側が接続される交流直流変換器と、
   前記交流直流変換器の直流側に接続されるエネルギー蓄積要素と、
   前記スイッチと前記重要負荷及び前記分散型電源との接続ラインの電圧を検出する電圧検出部と、
   前記重要負荷に流れる電流を検出する第１電流検出部と、
   前記交流直流変換器の交流側に流れる電流を検出する第２電流検出部と、
   前記エネルギー蓄積要素に流れる電流を検出する第３電流検出部と、
   前記電圧検出部、前記第１電流検出部、前記第２電流検出部及び前記第３電流検出部からの各検出値と、上位コントローラからの有効電力指令及び無効電力指令とに基づいて前記交流直流変換器を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記上位コントローラからの有効電力指令の絶対値がゼロ近くの基準値未満では、前記第３電流検出部からの検出値がゼロとなるように前記交流直流変換器を制御することを特徴とする電力平準化装置。
2. 前記制御装置は、前記上位コントローラからの有効電力指令の絶対値がゼロ近くの基準値以上では、前記電圧検出部、前記第１電流検出部及び前記第２電流検出部からの各検出値により前記交流直流変換器及び前記重要負荷のそれぞれの有効電力及び無効電力を算出し、前記上位コントローラからの有効電力指令及び無効電力指令に一致するように前記交流直流変換器を制御することを特徴とする請求項１記載の電力平準化装置。

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