JP5246756B2

JP5246756B2 - 分散型電源の制御方法

Info

Publication number: JP5246756B2
Application number: JP2008120450A
Authority: JP
Inventors: 英介下田; 茂生沼田; 仁夫森野; 旬平馬場
Original assignee: University of Tokyo NUC; Shimizu Corp
Current assignee: University of Tokyo NUC; Shimizu Corp
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-05-02
Also published as: JP2009273210A

Description

本発明は、分散型電源の制御方法に関する。

近年、分散型電源（太陽光発電、風力発電等）の導入促進が国家戦略としても進められている。しかし、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギー由来電源はその出力が天候に大きく左右されるため供給信頼性が低く、商用系統では電力の需給バランスを取ることが難しくなるという問題が発生している。この問題を解決する手段の―つとして、出力調整が可能な分散型電源を用いて、特定範囲内の需要に応じた発電を行う（以下、負荷追従運転という）ことによって商用系統への負担を軽減することが行われている。

負荷追従運転を実現するための方法は２つに大別することができる。１つ目は特許文献１に記載の系統安定化装置のように、各分散型電源が自律的に負荷電力を計測して負荷追従運転を行う方法（分散制御）であり、この方法を用いると高速な負荷変動に対する追従運転が実現できる。しかし、複数の分散型電源が導入されるケースにおいては、各分散型電源が同時に同じ負荷変動に対して負荷追従運転を行ってしまうことで出力の干渉が発生してしまい、結果として負荷追従運転が失敗する恐れがある。

２つ目の方法としては特許文献２に記載の分散型電源の制御方法（統合制御）がある。これは計測した負荷電力を基に、追従性能の異なる複数種類の分散型電源（図９参照）を組み合わせて当該周波数帯域を分担させることで負荷追従運転を実現するとしている。そのため統合的な出力調整を行うために、「負荷、買電、分散型電源出力の計測系」と「分散型電源出力の制御系」を持つ制御システム（制御の頭脳部）を構築する必要がある。

一方、負荷追従運転を実現する手段の―つとして、商用系統への負担を軽減して協調関係の構築を目指すマイクログリッドがある。マイクログリッドの思想を取り込んだ分散型電源によるエネルギー供給システム（以下、マイクログリッドという）では分散型電源が負荷追従運転を行うことによって、以下の２つのメリットを得ることができる。
（１）出力が不安定な自然エネルギー由来電源の商用系統に対する悪影響を抑えることができる。
（２）停電等の商用系統異常発生時に、マイクログリッドを商用系統から切り離すことで当該エリア内の負荷に対して、安定した電力品質（周波数や電圧）での自立運転が継続できる。

マイクログリッドにより、安定した電力品質での自立運転を実現するために分散型電源の負荷追従運転を行う方法として、出願人は、分散型電源の制御方法「特願２００７−１８９６９７」を提案している。この制御方法では負荷変動に対する追従性能の異なる複数種類の分散型電源を用いて負荷追従運転を行う際に、分散型電源の追従性能に応じてアナログの専用信号線を介した高速な自律制御と、汎用性の高い低速なデジタル通信網（例えばＬＡＮ回線）を介した制御システムによる低速な統合制御とを組み合わせる制御方法を提案している。高速な自律制御では、制御システムによる制御では負荷追従できない高速な負荷の変動成分をハイパスフィルタで抽出することで補償量を決定している。
特開２００７−０２０３６１号公報特開２００６−２４６５８４号公報

しかしながら、同期発電機を主電源とするマイクログリッドにおいては、自立運転中のマイクログリッド系統の周波数が同期発電機の回転数に依存することから、高速な負荷変動を補償する分散型電源には、負荷追従運転ではなく同期発電機の出力偏差の積分値を補償させたほうが、より安定した周波数での電力供給が実現できる。その理由を以下に数式を用いて説明する。

同期発電機を一慣性系で模擬した場合、系統の周波数を決定付ける同期発電機の回転速度に対して以下の式を得ることができる。

但し、Ｊ：原動機及び同期発電機の回転子の合成慣性モーメント
Ｂ：粘性抵抗 ω：回転子の角速度
Ｔ_Ｍ：機械入力トルクＴ_Ｅ：電気出力トルク
Ｐ_Ｍ：機械入力Ｐ_Ｅ：電気出力

ここで、機械入力Ｐ_Ｍ０＝電気出力Ｐ_Ｅ０かつ回転子が一定の各速度ω_０で運転している定常状態から、電気出力のみがＰ_Ｅ０＋△Ｐに変化し、それに応じて回転子の回転速度がω_０＋△ωに変化したとする。瞬間的な電気出力の変化に比べて機械入力Ｐ_Ｍの変化は遅いので、Ｐ_Ｍは一定であると考えることができる。さらに△ω≪ω_０であるとすると、式（１）より以下の近似式が得られる。

この式は同期発電機の電気出力の変動を抑制すると、同期発電機の角加速度を小さくできることを示しており、言い換えると分散型電源を用いて負荷追従運転を行うことで同期発電機の出力変動を抑制すれば、結果としてマイクログリッド系統の周波数変動も小さくなることを示している。

しかし、この式によると、同期発電機の角加速度をゼロにすることはできるが、角速度の基準偏差△ωをゼロにすることができない。すなわち負荷追従運転が完全に負荷変動を補償できなかった場合に、変動した周波数を基準値へ強制的に戻す機能がない。そこで式（２）を両辺積分して、△ωに関する式を作成する。

この式より同期発電機の出力変動の積分値をゼロに保てば、もし周波数が変動してもすぐに周波数を基準値に戻すことが可能となる。一般に自立運転中のマイクログリッド系統の周波数を基準値に戻す機能は、同期発電機の電動機内に組み込まれた調速機（ガバナ）が機械入力を調整することで実現されていた。しかし、ガバナの応答速度は数十秒〜数百秒と遅いため、高速な周波数維持管理を行うためには、高速な応答性能を持つ分散型電源を用いてこの同期発電機の出力変動の積分値を補償することが望ましい。

一方、上記の機能が実現できる分散型電源には、電気二重層キャパシタや超電導電力貯蔵装置、二次電池等が考えられる。上記の機能は同期発電機の出力変動の積分値を補償するため、補償時間が長くなりがちである。しかし、電気二重層キャパシタや超電導電力貯蔵装置はエネルギー密度が低く、容量の観点から長時間補償を行うような制御には適していない。そのため、上記の機能を電気二重層キャパシタや超電導電力貯蔵装置に持たせる際には、その補償を徐々にこれらの電源に準じる負荷追従性能をもつ二次電池に分担させることで、限られた容量の範囲内で電源を運転させる必要もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、自立運転時にベースとなる電圧、周波数を生成する分散型電源の出力変動と出力変動の積分値を高速な応答性能を持つ分散型電源に補償させることで、周波数を検知することなく自立運転中のマイクログリッド系統の周波数の安定性を向上させることができる分散型電源の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、負荷変動に対する追従性能が異なる複数の分散型電源を統合的に制御する分散型電源の制御方法であって、前記複数種類の分散型電源のうち、自立運転時にベースとなる電圧及び周波数を生成する第１の分散型電源の出力値から、第１の分散型電源の出力指令値を減算した差分値を積分した積分値を求めるともに、前記差分値と負荷追従性能の最も高い第２の分散型電源の出力値とを加算した加算値を求め、前記積分値と前記加算値とを加算した値を前記第２の分散型電源の出力指令値として前記第２の分散型電源の運転制御を行うことにより、前記第１の分散型電源の出力変動を補償して、周波数を検知することなく周波数を安定に保つ自立運転制御を行うことを特徴とする。

本発明は、前記第２の分散型電源による前記出力変動の補償は、負荷に対して供給した電力値から前記第１の分散型電源の出力値を減算した減算値と、前記第２の分散型電源の出力を積分した積分値とを加算した出力値から低周波成分を抽出した値を、前記第２の分散型電源に準じた負荷追従性能を持ち、かつ前記第２の高い分散型電源より容量が大きい第３の分散型電源の出力指令値として前記第３の分散型電源の運転制御を行うことにより前記出力変動の補償を前記第３の分散型電源に分担させることを特徴とする。

本発明によれば、複数種類の分散型電源のうち、自立運転時にベースとなる電圧、周波数を生成する分散型電源の出力変動と出力変動の積分値を、負荷追従性能の最も高い分散型電源により補償することにより運転制御を行うようにしたため、自立運転中のマイクログリッド系統の周波数の安定性を向上させることができるという効果が得られる。また、負荷追従性能の最も高い分散型電源による出力変動の補償を、負荷追従性能の最も高い分散型電源に準じた負荷追従性能を持ち、かつ負荷追従性能の最も高い分散型電源より容量が大きい分散型電源に徐々に分担させるようにしたため、限られた容量の範囲内で分散型電源を安定した状態で運転することができるという効果も得られる。

以下、本発明の一実施形態による分散型電源の制御方法を図面を参照して説明する。図１は同実施形態に分散型電源を用いたエネルギー供給システムの構成を示すブロック図である。負荷に対して電力供給を行う分散型電源は、インバータを介して接続される二次電池１、エンジンなどで駆動される同期発電機２、インバータを介して接続される電気二重層キャパシタ３から構成する。計測器１１は、二次電池１の出力電圧・電流を計測し、計測された電圧・電流値を基に演算された有効電力値（Ｐ_ＢＥＳ）を変換器１２によりＡ／Ｄ変換し、ＬＡＮ６を経由して制御システム７に対して出力する。計測器２１は、同期発電機２の出力電圧・電流を計測し、計測された電圧・電流値を基に演算された有効電力値（Ｐ_Ｇ）を変換器２２によりＡ／Ｄ変換し、ＬＡＮ６を経由して制御システム７に対して出力する。計測器３１は、電気二重層キャパシタ３の出力電圧・電流を計測し、計測された電圧・電流値を基に演算された有効電力値（Ｐ_ＥＤＬＧ）を変換器３２によりＡ／Ｄ変換し、ＬＡＮ６を経由して制御システム７に対して出力する。計測器５１は、負荷６に対して供給する電力（Ｐ_ＬＯＡＤ）を計測して、この計測値を変換器５２によりＡ／Ｄ変換し、ＬＡＮ６を経由して制御システム７に対して出力する。

制御システム７は、計測器１１、２１、３１、５１のそれぞれが計測した有効電力値Ｐ_ＢＥＳ、Ｐ_Ｇ、Ｐ_ＥＤＬＣ、Ｐ_ＬＯＡＤに基づいて、二次電池１及び制御システム４に対する出力指令値Ｐｓ_ＢＥＳとＰｓ_Ｇを求める。そして、求めた出力指令値Ｐｓ_ＢＥＳとＰｓ_ＧをＬＡＮ６を経由して、変換器１３、４１のそれぞれによってＤ／Ａ変換を行い、二次電池１及び制御システム４に対して出力する。この出力指令値Ｐｓ_ＢＥＳによって二次電池１が行う電力供給の運転制御が実施される。

一方、制御システム４は、計測器２１が出力する有効電力値Ｐ_Ｇと、計測器３１が出力する有効電力値Ｐ_ＥＤＬＣと、制御システム７から出力される出力指令値Ｐｓ_Ｇとを入力し、これらの値から、電気二重層キャパシタ３に対する出力指令値Ｐｓ_ＥＤＬＣを求めて、電気二重層キャパシタ３に対して出力する。この出力指令値によって電気二重層キャパシタ３が行う電力供給の運転制御が実施される。

このように、電気二重層キャパシタ３は、計測した負荷電力を基に自律的な負荷追従運転を行うのではなく、電気二重層キャパシタ３自身の出力とを同期発電機２の出力目標値（出力指令値Ｐｓ_Ｇ）とを基に制御システム４が出力する出力指令値Ｐｓ_ＥＤＬＣに基づいて、電気二重層キャパシタ３の出力制御を行うことにより安定した電力を供給するように制御を行う。

次に、図２を参照して、図１に示す制御システム４の制御動作を説明する。図２は、図１に示す制御システム４の構成を示すブロック線図である。まず、演算器４２によって同期発電機２の計測値Ｐ_Ｇから同期発電機２の出力目標値（出力指令値Ｐｓ_Ｇ）を減算する。そして、演算器４２の出力を積分器４５によって積分する。このときの積分ゲインＫ_１は、同期発電機２の回転子の慣性モーメントに応じて調整される値である。一方、演算器４３は、演算器４２の出力と電気二重層キャパシタ３の計測値Ｐ_ＥＤＬＣを加算する。そして、演算器４４は、演算器４３の出力と積分器４５の出力を加算して出力し、リミッタ４６によって演算器４４の出力を振幅制限して出力する。この出力が電気二重層キャパシタ３に対する出力指令値Ｐｓ_ＥＤＬＣとなる

図２において、演算器４３の出力は、従来の負荷追従運転機能を実現するための出力に相当し、式（２）に基づく周波数維持を行うためのものである。一方、積分器４５の出力は、同期発電機２の出力変動の積分値を補償するものであり、式（３）に基づく周波数維持を行うためのものである。このように、電気二重層キャパシタ３が、演算器４３の出力と積分器４５の出力加算値を補償することで高速な周波数維持管理を行うことが可能となる。

なお、図１に示す構成においては、同期発電機２が一台であるため、同期発電機２の出力指令値Ｐｓ_Ｇが制御システム２に入力されているが、マイクログリッド内に発電機が複数台設置されているような場合に式（３）を適用するには、全ての同期発電機２を纏めて一台の同期発電機のように考える必要があるため、同期発電機２の計測値Ｐ_Ｇならびに出力指令値Ｐｓ_Ｇは全ての同期発電機２の合計値を使用すればよい。

次に、図３を参照して、図１に示す制御システム７の制御動作を説明する。図３は、図１に示す制御システム７の構成を示すブロック線図である。まず、演算器７１は、計測器５１の出力（計測値Ｐ_ＬＯＡＤ）から二次電池１の計測値Ｐ_ＢＥＳを減算し、この出力をＬＰＦ（ローパスフィルタ）７５へ入力し、ＬＰＦ７５によって低周波成分のみを抽出する。そして、ＬＰＦ７５の出力をリミッタ７７によって振幅制限を行って出力する。この出力が出力指令値Ｐｓ_Ｇとなる。

一方、演算器７２は、計測器５１の出力（計測値Ｐ_ＬＯＡＤ）から同期発電機２の計測値Ｐ_Ｇを減算して出力する。積分器７３は、電気二重層キャパシタ３の計測値Ｐ_ＥＤＬＣを積分する。このときの積分ゲインＫ_２は、電気二重層キャパシタ３の容量に応じて調整される値である。演算器７４は、演算器７２の出力と積分器７３の出力とを加算して出力する。この出力をＬＰＦ（ローパスフィルタ）７６へ入力し、ＬＰＦ７６によって低周波成分のみを抽出する。そして、ＬＰＦ７６の出力をリミッタ７８によって振幅制限を行って出力する。この出力が出力指令値Ｐｓ_ＢＥＳとなる。

このように、負荷電力と同期発電機２の発電目標値の差（負荷追従運転において二次電池１が補償すべき電力値）に電気二重層キャパシタ３が補償した電気出力の積分値を加算することで二次電池１の出力指令値を決定している。これは電気二重層キャパシタ３が補償した電気出力を徐々に二次電池１に振り替えることを意味している。結果として、電気二重層キャパシタ３の電気出力は時間経過と共にゼロに収束することになるので、二次電池１を用いて電気二重層キャパシタ３の容量を管理することが可能となる。また、電気二重層キャパシタ３の補償量を徐々に二次電池１へ分担させる制御は高速に行う必要がないため、ＬＡＮ６を介して接続されている制御システム７を使用して実現しても問題ない。

なお、電気二重層キャパシタ３の補償量を徐々に二次電池１へ分担させる制御方法は、エネルギー密度の小さい電気二重層キャパシタ３や超電導電力貯蔵装置を用いる場合に必要な機能であり、二重層キャパシタや超電導電力貯蔵装置を用いない場合にはこの方法は省略してよい。

また、図１に示す構成では同期発電機２が一台であるため、同期発電機２の出力指令値は同期発電機２に入力されていない。これはＮ（Ｎは自然数）台の分散型電源がマイクログリッド内に存在する場合、需要による消費電力と電源による供給電力が常に一致するという関係性からＮ−１台の電源の電源出力を決定すれば、残り１台の出力が一意に定まるためである。従って、同期発電機２が複数台存在するようなケースでは１台を除いた同期発電機２に対して、制御システム７から出力指令値が送信されるようにすればよい。

次に、図４、図５を参照して、同期発電機２の出力変動の積分値を高速な応答性能を持つ分散型電源に補償させることで、自立運転中のマイクログリッド系統の周波数の安定性を向上させる制御方法の効果を説明する。図４は、同期発電機２の出力変動の積分値を高速な応答性能を持つ分散型電源に補償させる制御を行わずに、負荷追従運転で自立運転を行った場合の各分散型電源の出力ならびに周波数を示す図である。図５は、同期発電機２の出力変動の積分値を高速な応答性能を持つ分散型電源に補償させる制御を行い、負荷追従運転で自立運転を行った場合の各分散電源の出力ならびに周波数を示す図である。電源には同期発電機２としてガスエンジン発電機（図４、５においては、ｇｅと表記）を、二次電池１としてニッケル水素電池（図４、５においては、ｎｉｍｈと表記）を採用している。

図４、図５における周波数（Ｆｒｅｑ）の変動を比較すると、最大変動幅は１．９６Ｈｚから１．１６Ｈｚに低減されている（４０．８％の性能改善）。また、標準偏差は０．２Ｈｚから０．１４Ｈｚに向上しており（３０．０％の性能改善）、本発明による制御法を用いた自立運転中の周波数変動の抑制に効果があることが分かる。

この結果、本発明による制御法を用いれば、以下の効果を得ることができる。
（１）周波数を検出することなく周波数に関してより高品質な自立運転を行うことができる。
（２）アナログ専用線を用いて高速に出力制御を行う分散型電源にエネルギー密度の小さいものを使用した場合に、その容量を応答性の準じる電源で管理することができるため、比較的小さい容量の範囲内で運転を続けることが可能となる。

このように、同期発電機２の出力変動と出力変動の積分値を高速な応答性能を持つ分散型電源（電気二重層キャパシタ３）に補償させることで、自立運転中のマイクログリッド系統の周波数の安定性を向上させることができる。また、合わせて高速な応答性能を持つ分散型電源に電気二重層キャパシタや超電導電力貯蔵装置のようなエネルギー密度の小さい電源を使用した場合に、補償量を徐々に容量の大きい二次電池１へ分担させるようにしたため、限られた容量の範囲内で分散型電源を安定した状態で運転することができる。

なお、図１に示す制御システム４と制御システム７の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより運転制御を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。図１に示す制御システム４の構成を示すブロック線図である。図１に示す制御システム７の構成を示すブロック線図である。負荷追従運転で自立運転を行った場合の各分散電源の出力と周波数の時間変化を示す図である。負荷追従運転で自立運転を行った場合の各分散電源の出力と周波数の時間変化を示す図である。

符号の説明

１・・・二次電池、２・・・同期発電機、３・・・電気二重層キャパシタ、４・・・制御システム（高速演算）、５・・・負荷、６・・・ＬＡＮ、７・・・制御システム（低速演算）、１１、２１、３１、５１・・・計測器、１２、２２、３２、５２・・・Ａ／Ｄ変換器、１３、４１・・・Ｄ／Ａ変換器

Claims

負荷変動に対する追従性能が異なる複数の分散型電源を統合的に制御する分散型電源の制御方法であって、
前記複数種類の分散型電源のうち、自立運転時にベースとなる電圧及び周波数を生成する第１の分散型電源の出力値から、第１の分散型電源の出力指令値を減算した差分値を積分した積分値を求めるともに、前記差分値と負荷追従性能の最も高い第２の分散型電源の出力値とを加算した加算値を求め、前記積分値と前記加算値とを加算した値を前記第２の分散型電源の出力指令値として前記第２の分散型電源の運転制御を行うことにより、前記第１の分散型電源の出力変動を補償して、周波数を検知することなく周波数を安定に保つ自立運転制御を行うことを特徴とする分散型電源の制御方法。
前記第２の分散型電源による前記出力変動の補償は、負荷に対して供給した電力値から前記第１の分散型電源の出力値を減算した減算値と、前記第２の分散型電源の出力を積分した積分値とを加算した出力値から低周波成分を抽出した値を、前記第２の分散型電源に準じた負荷追従性能を持ち、かつ前記第２の高い分散型電源より容量が大きい第３の分散型電源の出力指令値として前記第３の分散型電源の運転制御を行うことにより前記出力変動の補償を前記第３の分散型電源に分担させることを特徴とする請求項１に記載の分散型電源の制御方法。