JP5508796B2 - 電源システム制御方法及び電源システム制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、外乱発生時における電源システムの安定性を維持し得る電源システム制御方法及び電源システム制御装置に関する。

一般に、ディーゼル発電装置やガスエンジン発電装置あるいは２次電池や燃料電池などの発電装置を電力系統に接続する場合、ディーゼル発電装置やガスエンジン発電装置などでは同期発電機を電気系統に直接連系し、２次電池や燃料電池ではインバータを介して電気系統に連系する。なお、以下の説明において、同期発電機や誘導発電機を電気系統へ直接連系する発電装置を「回転型発電装置」と称し、インバータを介して電気系統に連系する発電装置を「インバータ発電装置」と称する。

上述した発電装置が複数連系される電源システムでは、一般に次のように制御される。なお、説明の便宜のため、図８に示すように、回転型発電装置とインバータ発電装置とがそれぞれ１台ずつ連系される電源システム１００Ｐを例に説明する。回転型発電装置とインバータ発電装置とは、主制御発電装置１Ｐ又は従制御発電装置２Ｐのいずれかとして機能する。

図８は複数の発電装置を有する需要家の電源システムと構内系統の一例を示す模式図である。図８に示す電源システム１００Ｐは、それぞれ１台のインバータ発電装置（主制御発電装置１Ｐとして表記）と回転型発電装置（従制御発電装置２Ｐとして表記）と各発電装置の制御装置とのほか、発電装置の電力を構内母線３と同じ電圧階級に変圧する発電用昇圧変圧器４や、負荷用変圧器５を介して構内母線３に接続される抵抗負荷及びインバータ負荷（ＩＮＶ負荷）、モータ負荷などの電力負荷６、商用系統７と系統連系時には閉路し、構内系統単独の自立運転時には開路する受電用遮断器８、商用系統の電力を送電線９を経由して受電する受電母線１０、商用系統７からの受電電力を構内系統と同じ電圧階級に変圧する受電用変圧器１１などから構成される。発電装置の定常的な出力は、オペレータや自動給電システム１２からの出力指令１３に基づいて設定され、通常、数分〜数十分オーダーで更新される。

なお、ここでは、受電用遮断器８を開路し、商用系統７から電力供給を受けずに需要家の構内系統単独で自立運転する状態を想定して説明する。

需要家の構内系統単独で自立運転する場合、従来の電源システムの制御方法では、各発電装置は、自立系統内の電圧源として動作し周波数や電圧を所定値に維持する主制御発電装置としてか、あるいは、電気出力や電流を一定出力する従制御発電装置として運用される。

回転型発電装置（同期発電機）が電圧源として動作して周波数と電圧とを維持する場合は、インバータ発電装置は出力指令に従った電流制御を行う。また、インバータ発電装置が定電圧定周波数制御を行い電圧源として動作する場合は、回転型発電装置は電気出力一定制御を行う。一般的には、このような制御を行うことにより、自立系統内の周波数・電圧は所定値に維持されるとともに、各発電装置は安定して運転される。

なお、回転型発電装置とインバータ発電装置との過渡的な負荷変動に対する追従性や短時間の過電流耐量などの特性を比較すると、一般的には、インバータ発電装置の方が追従性が良い。一方、過電流耐量は、回転型発電装置の方が大きい。過電流耐量に関し、汎用的なインバータでは定格の１．２〜１．５倍程度、同期発電機では数倍を許容する。

次に、過渡的な負荷変動（モータ始動等）や変圧器投入時の励磁突流などの外乱が発生したときの発電装置の応動を説明すると、主制御発電装置は周波数や電圧が所定値になるように出力が調整されるが、従制御発電装置は出力を一定に保つように制御される。

特開平８−２２３７９９号公報

しかしながら、主制御発電装置がどの種類の発電装置かにより外乱発生時の周波数変化や電圧変化の大きさが異なることになる。

例えば、インバータ発電装置が主制御発電装置として動作する場合は追従性が良いので、回転型発電装置が主制御発電装置である場合に比べて周波数変化や電圧変化は小さくなる。ところが、インバータ発電装置は回転型発電装置に比べ過電流耐量が小さい。そのため、負荷変動量が大きかったり、負荷変動前の出力が定格に近い状態だったりすると、過電流耐量を超過するので、インバータ保護のため、インバータ発電装置の運転が停止する。また、変圧器投入時には非常に大きな励磁突入電流（インラッシュ電流）が流れるので、このような場合にも過電流耐量を超過し、運転が停止する場合がある。

換言すれば、インバータ発電装置が主制御発電装置の場合には過電流耐量が小さいため、過電流耐量のリミットに掛からないようにする必要がある。例えば、運転時の出力を抑えて出力調整可能な範囲を広げたり、容量を大きくしたり、台数を増やして余裕を持たせたり、負荷変動量に制限を設けたりするなどの対策をとる必要がある。しかしながら、この場合、発電装置の負荷率低下、過剰な設備投資、運用制約が多くなるなどの問題が生じる。

なお、過電流耐量のリミットに掛かると過電流保護が直ちに働き、インバータ発電装置は運転を停止する。この場合、周波数変化や電圧変化が急に大きくなったり、電圧源がなくなったりしてしまい、従制御発電装置が運転を継続できずに構内系統が全停するなどの状況に陥ることもある。

一方、回転型発電装置が主制御発電装置の場合には、追従性が劣るため、周波数変化や電圧変化が大きくなりやすい。例えば、電力負荷としてモータが接続されていると、回転数が変化してその動力を使った製品の品質が低下したり、電圧低下の影響でパソコンなどの電子機器が停止したり、電灯が暗くなったりするなどの問題が発生する。

また、回転型発電装置には、ディーゼル発電装置やガスエンジン発電装置、ガスタービン発電装置など多種あるが、インバータ発電装置と同程度の追従性をもった発電装置はない。それゆえ、違う種類の回転型発電装置を組合せても追従性の改善効果は小さい。また、台数や容量を増やせば追従性を改善することはできるが、負荷率が低下してしまい効率的な運用ができなくなる。

なお、発電機の慣性を大きくすれば、周波数変化率や変動の最大値・最小値を小さくできる。しかしながら、発電設備容量に対する負荷変動量の比率が大きいと改善効果が小さい。また、慣性を大きくするにも発電機の構成上からの限界がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、外乱発生時における電源システムの安定性を維持し得る電源システム制御方法及び電源システム制御装置を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、構内系統の系統周波数や系統電圧の出力値が所定値になるように運転する主制御発電装置と、該主制御発電装置の負担を軽減する従制御発電装置とを含む電源システムを制御する電源システム制御方法であって、前記構内系統の外乱の発生を検出し、前記構内系統の電気量の変化分が所定値以上となることを示す外乱の発生を検出した場合、前記主制御発電装置の出力を制御し、前記外乱の発生を前記従制御発電装置の自端で検出し、ドループ特性の傾きに応じた運転点に収束するまで、該従制御発電装置の出力を自律的に制御する、電源システム制御方法を提供する。

＜作用＞
従って、本発明は、構内系統の外乱の発生を従制御発電装置の自端で検出し、ドループ特性の傾きに応じた運転点に収束するまで、従制御発電装置の出力を自律的に制御するので、主制御発電装置の負担を軽減することができ、外乱発生時における電源システムの安定性を維持することができる。

＜用語＞
なお、本発明において、「回転型発電装置」とは、同期発電機や誘導発電機を電気系統へ直接連系する発電装置のことである。また、「インバータ発電装置」とは、インバータを介して電気系統に連系する発電装置のことである。

本発明によれば、外乱発生時における電源システムの安定性を維持し得る電源システム制御方法及び電源システム制御装置を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る電源システム１００の構成を示す模式図である。 同実施形態に係る従制御装置２ａの構成を示す模式図である。 同実施形態に係る従制御装置２ａの制御ブロックを示す図である。 同実施形態に係る発電システム１００の制御方法を説明するためのフローチャートである。 同実施形態に係る各発電装置における速度ドループ特性の例を示す図である。 同実施形態に係る各発電装置における電圧ドループ特性の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電源システム１００Ｓの構成を示す模式図である。 従来の電源システムの構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
（電源システム１００の構成）
図１は本発明の第１の実施形態に係る電源システム１００の構成を示す模式図である。この図１では、複数の発電装置を有する需要家の電源システムと構内系統との一例を示している。

電源システム１００は、主制御発電装置１と、従制御発電装置２、主制御装置１ａ、従制御装置２ａ、発電用昇圧変圧器４、電力負荷６、受電用遮断器８、受電母線１０、受電用変圧器１１などから構成される。

主制御発電装置１は、構内系統の系統周波数や系統電圧の出力値が所定値になるように運転する発電装置である。例えば、主制御発電装置１の定常的な出力は、オペレータや自動給電システム１２からの出力指令１３に基づいて設定され、数分〜数十分オーダーで更新される。なお、ここでは、主制御発電装置１が「インバータ発電装置」であるとする。また、インバータ発電装置としては、２次電池や燃料電池などが挙げられる。

従制御発電装置２は、主制御発電装置の負担を軽減するための発電装置である。ここでは、従制御発電装置が「回転型発電装置」であるとする。回転型発電装置としては、ディーゼル発電装置やガスエンジン発電装置などが挙げられる。

なお、図１では、回転型発電装置が１台、インバータ発電装置が２台連系した電源システム１００を例示しているが、連系の台数や組合せはこの限りではない。

主制御装置１ａは、構内系統の外乱の発生を検出し、主制御発電装置１の出力を制御するものである。

従制御装置２ａは、構内系統の外乱の発生を従制御発電装置２の自端で検出し、ドループ特性の傾きに応じた運転点に収束するまで、従制御発電装置２の出力を自律的に制御するものである。

具体的には、従制御装置２ａは、図２に示すように、外乱検出部２１と発電出力制御部２２とを備えている。

外乱検出部２１は、従制御発電装置２ａの自端で計測可能な電気量として、電圧、電流、周波数、有効電力、無効電力の何れか一つ、あるいは、複数の電気量を計測する。そして、外乱検出部２１は、計測した電気量の大きさや算出した変化分が所定値以上か、あるいは、所定値以下かなどの条件により外乱の発生を検出する。例えば、外乱検出部２１は、電圧の大きさが所定値以下か、あるいは、有効電力の変化分が所定値以上か、あるいは、周波数の変化分が所定値以上か、などにより外乱の発生を検出する。または、これらの組合せにより外乱の発生を検出してもよい。

発電出力制御部２２は、外乱検出部２１の検出結果に応じて従制御発電装置２をドループ特性に従って制御するものである。例えば、発電出力制御部２２が、周波数偏差に比例して出力を調整する場合には図３に示すような制御ブロックとなる。この制御ブロックでは、下式（１）に示すように出力調整量ΔＰを算出する。ここで、Δｆは基準周波数からの周波数偏差、δは調定率、Ｐ０はオペレータや自動給電システム１２などからの出力指令１３に従って設定される従制御発電装置２への出力指令値、Ｐは従制御発電装置２の出力を表わしている。

ΔＰ＝Δｆ×（１／δ） … （１）
例えば調定率δを４％に設定したときに、周波数偏差Δｆが−１Ｈｚ（２％）であれば、発電出力制御部２２は、出力調整量をΔＰ＝＋０．５ＰＵ（自己容量ベース）増加するように制御指令を与える。なお、需給アンバランスと周波数変化とには相関があり、需給アンバランスが大きいときは周波数変化も大きくなる。このことから、周波数変化が大きい場合、つまり、需給アンバランスが大きい場合には、発電出力制御部２２は従制御発電装置２の出力が多くなるように調整する。

発電用昇圧変圧器４は、電源システム１００の電力を必要に応じて構内母線３と同じ電圧階級に変圧するものである。

電力負荷６は、負荷用変圧器５を介して構内母線３に接続されるモータ負荷や抵抗負荷、インバータ負荷（ＩＮＶ負荷）などのことである。

受電用遮断器８は、商用系統７と系統連系時には閉路し、構内系統単独の自立運転時には開路するものである。

受電母線１０は、商用系統７からの電力を送電線９を経由して受電するものである。

受電用変圧器１１は、商用系統７からの受電電力を構内系統と同じ電圧階級に変圧するものである。

（電源システム１００の制御方法）
次に本実施形態に係る発電システム１００の制御方法を図４のフローチャートを用いて説明する。前提として、商用系統から電力供給を受けずに需要家の構内系統単独で自立運転する状態での電源システム１００の制御方法を述べる。また、本実施形態に係る電源システム１００では、各発電装置１，２が図５及び図６に示すドループ特性に従って制御される。ここで、図５は速度ドループ特性の例を示す図である。速度ドループ特性は、負荷の増加（＝有効電力出力Ｐ増加）とともに周波数ｆが低下する特性を示す。また、図６は電圧ドループ特性の例を示す図である。電圧ドループ特性は、無効電力出力Ｑの増加とともに端子電圧Ｖが低下する特性を示す。なお、説明の便宜上、負荷は有効分のみとする。また、図５及び図６の（ａ）と（ｂ）とはそれぞれ主制御発電装置１と従制御発電装置２との状態を示している。かかる前提のもと、以下に詳しく述べる。

電源システム１００は、通常の状態では、主制御発電装置１のインバータ発電装置を電圧源としている。主制御発電装置１は、主制御装置１ａにより、構内系統の周波数及び電圧が所定値となるように制御される（ステップＳ１）。

このような通常の状態から負荷が増加すると、図５（ａ）の状態遷移Ｔ１に示すように、構内系統に周波数低下が生じる（ステップＳ２）。

負荷の増加により周波数低下が発生すると、図５（ａ）の状態遷移Ｔ２に示すように、周波数と電圧とを維持するために主制御装置１ａが主制御発電装置１の出力を増加するとともに、周波数目標値をドループ特性に応じて調整する（ステップＳ３）。

一方、従制御装置２ａでも、従制御発電装置２の自端で周波数を計測し、図５（ｂ）の状態遷移Ｔ１に示すように、周波数低下の大きさに応じて従制御発電装置２の出力を増加する（ステップＳ４）。これにより、従制御発電装置２の状態が、図５（ｂ）のＴ３に示すように遷移する。この際、従制御発電装置２における出力調整量ΔＰは、自端で計測された周波数から算出される。例えば、周波数偏差に比例して出力を調整する場合には、前記の式（１）により、出力調整量ΔＰが算出される。ここで、従制御装置２ａは、調定率δが例えば４％であるときに、周波数偏差Δｆが−１Ｈｚ（２％）であれば、出力調整量をΔＰ＝＋０．５ＰＵ（自己容量ベース）増加するように従制御発電装置２に制御指令を与える。

従制御装置２ａが従制御発電装置２の出力を増加すると、主制御発電装置１の周波数低下が抑制される。そのため、主制御装置１ａが、主制御発電装置１の周波数目標値を調整し、従制御発電装置２が増加した分だけ主制御発電装置１の出力を減少する（ステップＳ５）。これにより、主制御発電装置１の状態が、図５（ａ）のＴ４に示すように遷移する。

そして、最終的には主制御発電装置１と従制御発電装置２の出力がバランスして、ドループ特性の傾き（調定率δ）に応じた運転点に収束する（ステップＳ６）。

（電源システム１００の効果）
以上説明したように、本実施形態に係る電源システム１００によれば、大きな外乱時には従制御発電装置２である回転型発電装置が自律的に動作するので、主制御発電装置１の負担が軽減する。例えば、電源システム１００によれば、外乱の発生によって周波数が変化すると従制御発電装置２が自律的に動作して、主制御発電装置１の負担が軽減する。それゆえ、電源システム１００では、主制御発電装置１の過電流耐量が小さいときであっても、許容する負荷変動量が拡大するので、運用制約を緩和できる。換言すると、大外乱時の運転継続性（安定性）を向上できる。

また、この電源システム１００では、従制御発電装置２の余力を利用するので発電設備の負荷率が向上し、発電設備の能力を最大限に使用できるようになる。

なお、本実施形態に係る主制御発電装置１であるインバータ発電装置は過電流耐量が小さい。そのため、大外乱時や、定格運転に近い状態で外乱が発生したときには、インバータ保護のための電流制限が働き、出力電流が許容値以下となるように主制御発電装置１が制御される。すなわち、インバータ発電装置だけであると、電力供給が不足し、周波数低下が継続することになる。これに対し、本実施形態に係る電源システム１００では、従制御発電装置２である回転型発電装置の自端で計測可能な電気量を用いて自律的に出力を調整するので、外乱発生時の主制御発電装置１の負担を軽減することができる。

（電源システム１００の変形例）
なお、電源システム１００において、回転型発電装置が主制御発電装置１であり、インバータ発電装置が従制御発電装置２であってもよい。この場合、インバータ発電装置は追従性が良いので、電源システム１００としての追従性を改善できる。

具体的には、従制御発電装置２であるインバータ発電装置で外乱が検出された場合には、自端で計測された周波数から出力調整量ΔＰが算出され、出力が調整される。例えば、周波数偏差に比例して出力が調整される場合には、前記の式（１）により出力調整量ΔＰが算出される。なお、需給アンバランスが大きいときほど周波数や電圧の変動も大きくなるので、従制御装置２ａは、追従性の良いインバータ発電装置２の出力を周波数変化の大きさに応じて素早く調整する。

要するに、外乱の発生時には、追従性の良いインバータ発電装置（従制御発電装置）が自律的に動作するので、回転型発電装置が主制御発電装置１であるような電源システム１００において追従性を改善し、周波数変動や電圧変動の抑制効果が向上することになる。

また、この電源システム１００では、従制御発電装置２の余力を利用するので発電設備の負荷率が向上することになり、発電設備の能力を最大限使用できるようになる。

なお、他にも、インバータ発電装置が主制御発電装置１であり、インバータ発電装置及び回転型発電装置が従制御発電装置２であってもよい。要するに、主制御発電装置１と従制御発電装置２とには、インバータ発電装置と回転型発電装置との任意の組合せを適用することが可能である。

＜第２の実施形態＞
図７は本発明の第２の実施形態に係る電源システム１００Ｓの構成を示す模式図である。

本実施形態に係る電源システム１００Ｓでは伝送装置１４を備えている。伝送装置１４は、発電装置の出力情報などを、構内系統内の他の発電装置の制御装置へネットワークを介して伝達するものである。図７では、伝送装置１４ａ・１４ｂを介して、主制御発電装置１であるインバータ発電装置の出力情報を、従制御発電装置２である回転型発電装置の従制御装置２ａへと送信している。

また、本実施形態に係る従制御装置２ａでは、受信した主制御発電装置１の出力情報を保存する。そして、従制御装置２ａでは、電圧が所定範囲内に戻るなどの条件で外乱の収束を判断し、保存している主制御発電装置１の出力情報を用いて外乱の発生前後における出力変化分を算出し、その変化分が零となるように従制御発電装置２の出力を調整する。なお、出力調整の応答速度は任意に設定され、出力調整による周波数変動が最小限になるように設定される。

次に本実施形態に係る電源システム１００Ｓの制御方法について説明する。

まず、電源システム１００Ｓでは、従制御装置２ａが、従制御発電装置２において過渡的な負荷変動や変圧器投入などの外乱を検出した場合、自端で計測可能な電気量を用いて自律的に従制御発電装置２の出力を調整し、外乱を吸収する。

その後、外乱が収束したら、従制御装置２ａは、伝送装置１４ｂで受信した主制御発電装置１の出力情報を用いて、主制御発電装置１の出力が外乱発生前の出力（定常的な出力）になるように、従制御発電装置２の出力を調整する。

要するに、本実施形態に係る電源システム１００Ｓによれば、外乱発生時の主制御発電装置１の負荷分担を従制御発電装置２が吸収するので、主制御発電装置１の瞬動予備力が拡大し、連続して発生する外乱に対応できる。

また、従制御発電装置２の余力を利用するので発電設備の負荷率が向上し、発電設備の能力を最大限に利用できるようになる。

以上説明したように、本実施形態に係る電源システム１００Ｓによれば、外乱の発生によって周波数が変化すると従制御発電装置２が自律的に動作して、主制御発電装置１の負担を軽減する。すなわち、主制御発電装置１の過電流耐量が小さい電源システムにおいて、許容する負荷変動量が拡大するので、運用制約を緩和できる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１・・・主制御発電装置、１ａ・・・主制御装置、２・・・従制御発電装置、２ａ・・・従制御装置、３・・・構内母線、４・・・発電用昇圧変圧器、５・・・負荷用変圧器、６・・・電力負荷、７・・・商用系統、８・・・受電用遮断器、９・・・送電線、１０・・・受電母線、１１・・・受電用変圧器、１４・・・伝送装置、２１・・・外乱検出部、２２・・・発電出力制御部、１００，１００Ｓ・・・電源システム。

Claims (10)

1. 構内系統の系統周波数や系統電圧の出力値が所定値になるように運転する主制御発電装置と、該主制御発電装置の負担を軽減する従制御発電装置とを含む電源システムを制御する電源システム制御方法であって、
   前記構内系統の電気量の変化分が所定値以上となることを示す外乱の発生を検出し、
   前記外乱の発生を検出した場合、前記主制御発電装置の出力を制御し、
   前記外乱の発生を前記従制御発電装置の自端で検出し、ドループ特性の傾きに応じた運転点に収束するまで、該従制御発電装置の出力を自律的に制御する、
   ことを特徴とする電源システム制御方法。
2. 請求項１に記載の電源システム制御方法において、
   前記主制御発電装置はインバータ発電装置であり、
   前記従制御発電装置は回転型発電装置である、
   ことを特徴とする電源システム制御方法。
3. 請求項１に記載の電源システム制御方法において、
   前記主制御発電装置は回転型発電装置であり、
   前記従制御発電装置はインバータ発電装置である、
   ことを特徴とする電源システム制御方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電源システム制御方法において、
   前記従制御発電装置の出力を、自端で計測可能な電気量として周波数を用いて自律的に制御する、
   ことを特徴とする電源システム制御方法。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電源システム制御方法において、
   前記主制御発電装置の出力情報をネットワークを介して取得して保存し、外乱が収束したら、保存した該出力情報を用いて外乱の発生前後における出力変化分を算出し、該変化分が零となるように前記従制御発電装置を制御する
   ことを特徴とする電源システム制御方法。
6. 構内系統の系統周波数や系統電圧の出力値が所定値になるように運転する主制御発電装置と、該主制御発電装置の負担を軽減する従制御発電装置とを含む電源システムを制御する電源システム制御装置であって、
   前記構内系統の電気量の変化分が所定値以上となることを示す外乱の発生を検出する手段と、
   前記外乱の発生を検出した場合、前記主制御発電装置の出力を制御する主制御手段と、
   前記外乱の発生を前記従制御発電装置の自端で検出し、ドループ特性の傾きに応じた運転点に収束するまで、該従制御発電装置の出力を自律的に制御する従制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電源システム制御装置。
7. 請求項６に記載の電源システム制御装置において、
   前記主制御発電装置はインバータ発電装置であり、
   前記従制御発電装置は回転型発電装置である、
   ことを特徴とする電源システム制御装置。
8. 請求項６に記載の電源システム制御装置において、
   前記主制御発電装置は回転型発電装置であり、
   前記従制御発電装置はインバータ発電装置である、
   ことを特徴とする電源システム制御装置。
9. 請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の電源システム制御装置において、
   前記従制御手段は、自端で計測可能な電気量として周波数を用いて前記従制御発電装置の出力を自律的に制御する、
   ことを特徴とする電源システム制御装置。
10. 請求項６乃至請求項９のいずれか１項に記載の電源システム制御装置において、
    前記従制御手段は、前記主制御発電装置の出力情報をネットワークを介して取得して保存し、外乱が収束したら、保存した該出力情報を用いて外乱の発生前後における出力変化分を算出し、該変化分が零となるように前記従制御発電装置を制御する、
    ことを特徴とする電源システム制御装置。

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