JP2009213240A - 電力系統の周波数制御システム、給電所、および電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力系統の周波数制御のための調整容量を拡大することによって、電力系統への再生可能エネルギーを利用した発電装置の接続量を増加させる可能な電力系統の周波数制御システムの提供を目的とする。
【解決手段】 本発明にかかる電力系統の周波数制御システムは、少なくとも１つ以上の発電所と、給電所と、多数の電気機器と、周波数計と、これらを接続する電力系統とを備え、給電所は、周波数計が検知した周波数と電力系統の定格周波数とを比較し、電力供給過多または電力供給不足を伝達するための需給情報信号を生成する需給情報生成部と、広域通信手段を介して需給情報信号を送信する需給情報送信部とを有し、電気機器は、広域通信手段を介して需給情報信号を受信する需給情報受信部と、需給情報信号に応じて、当該電気機器の電力消費量を制御する電力制御部とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、商用電力を供給する施設における電力系統の周波数を制御するシステムに関する。

近年、化石燃料資源の有効利用およびＣＯ_２の排出抑制の観点から、再生可能エネルギーが積極的に活用されている。再生可能エネルギーとは自然現象によって発生するエネルギー源またはエネルギーのことであり、使用しても自然現象によって繰り返し再生され再度使用可能であることから、このように呼ばれている。再生可能エネルギーの例としては、自然界に存在する太陽、風、水、波、地熱、バイオマスなどが挙げられる。これに対して、化石燃料資源等の再生不可能なエネルギー（源）は、枯渇性エネルギー（源）と呼ばれている。

上記の再生可能エネルギーの中でも、特に、太陽光エネルギーおよび風力エネルギーが有望視されている。これらの再生可能エネルギーは、太陽光を太陽電池で電気エネルギーに変えて発電する太陽光発電（装置）や、風力でプロペラを回し、その回転力で発電機を回して発電する風力発電（装置）といった形で利用されている。そして、発電した電力を需要家内の負荷に供給するだけでなく、電力系統に接続し電力会社に売電することも行われている。したがって、かかる再生可能エネルギーを利用して発電することにより、化石燃料資源の有効利用およびＣＯ_２の排出量削減に貢献できる。

上記の発電装置は一般家庭等の需要家にも普及し始めている。このため、電力系統には電気事業者の原子力、火力、水力などの大容量発電機（発電所）以外にも、発電量が比較的小容量である当該発電装置も接続されるようになった。特に近年の環境保護に対する観点から、当該発電装置は今後も加速度的に普及していくと考えられる。国家政策的にも再生可能エネルギーの利用促進が求められており、電力の総供給量の２０％程度まで風力発電などの再生可能エネルギーに置き換えることが計画されている。

ところで、電力供給はライフラインとして公益的側面を有している。例えば定格周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）に対して１Ｈｚ程度も誤差が生じると、需要家の機器に誤動作などの不具合が発生してしまう。このため電力事業者は、供給する電力の周波数や電圧の変動を抑え、安定した高品質な電力を供給する必要がある。

上記の電力系統の周波数や電圧の変動のうち、電圧の変動に関しては、発電機の接続端子である発電端や電力系統各部の種々の電圧制御装置によって制御されている。しかし、上記の周波数の変動を調整するための手段としては、現状においては、電力系統における電力発電量（供給）と電力消費量（需要）の需給バランスを調整することしかない。

携帯機器などにおいては一次電池や二次電池などによって電気が貯留されているが、大量の電気が取り扱われる強電の分野では、「電気は貯められない」ことが常識である。通常、電力系統の周波数は、電力発電量（供給）と電力消費量（需要）のバランスを保つことにより、所定の定格周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を維持している。電気が供給不足となれば発電所のタービンの回転が落ちて交流の周波数が低下し、供給過多となれば周波数が上昇してしまう。したがって、変動した周波数を定格周波数に対して許容される偏差（許容範囲）以内に制御するためには、電力発電量を電力消費量に追随させる必要がある。

電気事業者の電力系統には、原子力発電所、火力発電所、水力発電所（揚水発電所を含む）等の各発電機が接続され、電力が供給されている。電力系統の周波数が、定格周波数の許容範囲以上に変動した場合、かかる変動を検出した給電所（中央給電指令所）は、電力系統に接続された負荷の電力消費量の変動（需要変動）に応じて、上記の各発電機に供給制御信号（出力増加信号、または出力減少信号）を送信する。そして、上記の発電機のうち原子力発電所は出力一定で運転されるのが通常であるが、それ以外の発電機は、その供給制御信号に基づいて出力調整を行い、電力系統の周波数を制御（調整）する。当該発電機の出力調整により、電力発電量と電力消費量のバランスが保たれ、電力系統の周波数が再び定格周波数に対する許容範囲以内に維持される。

上記のような制御手段を、周波数制御（ＬＦＣ：Load Freuency Control)という。ＬＦＣは、周波数の変動周期が数分から１０数分程で、変動幅がそれほど大きくない需要変動に対応するフィードバック制御である。これに対して、ＬＦＣの対象となる需要変動よりも長い周期の大幅な需要変動に対応して各発電機の出力制御を行うのが、経済負荷配分制御（ＥＤＣ：Economic load Dispatching Control）である。ＥＤＣは、十数分周期以上の、大きいがゆっくりした需要変動に対応するためのフィードフォワード制御である。

上記のＬＦＣおよびＥＤＣは実務上「需給制御」と呼ばれており、これらの制御のための操作量（出力量）は原則として電気事業者の給電所（中央給電指令所）の計算機が算出する。かかる需給制御においては、ＬＦＣによって発電機の出力を調整すると、その結果、即応性の高い、すなわち、供給制御信号への応答速度が早く、出力変化速度が速い発電機の出力分担が増加する。一般に水力発電は応答速度が速く、次いで火力発電の応答速度が早い。したがって、各発電機の出力配分が必ずしも経済的ではなくなるため、かかる出力配分の再調整をＥＤＣによって行っている。

上記のＬＦＣおよびＥＤＣ以外の制御手段として、ガバナ制御がある。ガバナ制御は、ＬＦＣの対象となる需要変動よりも短い周期の数分以下の周期の小幅の需要変動に対応しており、各発電機に設けられているＧＦ（ガバナフリー）機能により、自動的に発電機の出力を制御している。このように、現状において、電力系統の周波数は、ＥＤＣ（Economic load Dispatching Control)、ＬＦＣ（Load Freuency Control)、ガバナ制御の組み合わせにより保たれている。

上記の周波数制御技術として、例えば特許文献１には、発電機の制御特性と制御状態に基づいて、各発電機に優先順位を設定し、優先順位の高いものから順に電力の制御必要量を割り当てることにより、電力の需要変動に敏速に対応できる発電機の制御方法が開示されている。これにより、ＬＦＣ調整能力の高い発電機または経済的に有利な発電機を最大限活用し、合理的かつ効率的な発電機の運用が可能となるとされている。
特開２００１−８６６４９号公報

しかしながら、再生可能エネルギーによる発電は、天候や時間帯によって発電量（出力）が大きく変動してしまうという問題がある。例えば、太陽光発電では、太陽の日照の状況や位置などによりその出力が変動し、風力発電では、風の速さや向きなどによって風の強さが時々刻々変化するため、これに伴い出力も大きく変動してしまう。すなわち再生可能エネルギーは、供給を減らす制御は可能であるが、供給を増やす制御は困難であり、制御しにくいエネルギー源であるということができる。このように出力が大きく変動する発電装置を電力系統に接続すると、かかる発電装置から供給される出力の変動により、電力供給量が、電力需要とは無関係に大きく変動することが考えられる。

ここで、電力系統における周波数調整能力、すなわち、周波数制御のための調整容量が問題となる。上述したように、電力系統において、周波数が、定格周波数に対する許容範囲以上に変動した場合には、電力系統における電力発電量と電力消費量のバランスを調整しなければならない。

しかしながら、発電機の発電量には限界があるため、調整に充てられる出力量、すなわち調整容量にも限界が生じる。したがって、周波数の変動が著しく大きい場合には、電力系統に接続されているすべての発電機の調整容量をもってしても、当該周波数を定格周波数に対する許容範囲内への制御が不可能となるおそれがある。このような周波数制御のための調整容量の問題は、上記の特許文献１による周波数制御技術によっても解決することができない。

特に、再生可能エネルギーを利用する発電装置は出力が変動しやすく、近年の再生可能エネルギーの利用の促進により、当該発電装置が電力系統に大量に接続されると、その出力の変動量が、電力系統に接続されている発電機の調整容量を超えてしまうことが想定される。その結果、電力系統の周波数を定格周波数に対する許容範囲内に制御することができなくなるおそれがある。

しかし、化石燃料資源の有効利用およびＣＯ_２の排出抑制の推進のためには、再生可能エネルギーの利用をさらに促進すべきである。このため、再生可能エネルギーを利用する発電装置が大量に電力系統に接続されても、かかる電力系統の周波数を定格周波数に対する許容範囲内へ制御できるように、電力系統における周波数制御のための調整容量の拡大が必要とされている。

本発明は、このような課題に鑑み、電力系統における周波数制御のための調整容量を拡大することによって、電力系統への再生可能エネルギーを利用した発電装置の接続量を増加させることが可能な電力系統の周波数制御システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる電力系統の周波数制御システムの代表的な構成は、少なくとも１つ以上の発電所と、給電所と、多数の電気機器と、周波数計と、これらを接続する電力系統とを備え、給電所は、周波数計が検知した周波数と電力系統の定格周波数とを比較し、電力供給過多または電力供給不足を伝達するための需給情報信号を生成する需給情報生成部と、広域通信手段を介して需給情報信号を送信する需給情報送信部とを有し、電気機器は、広域通信手段を介して需給情報信号を受信する需給情報受信部と、受信した需給情報信号に応じて、当該電気機器の電力消費量を制御する電力制御部とを有することを特徴とする。

上記構成によれば、電力系統における周波数が定格周波数に対する許容範囲以上に変動した際に、電気機器の需給情報受信部は、広域通信手段を介して給電所からの需給情報信号を受信する。広域通信手段を用いることにより、民生に普及している多数の電気機器に対して、一度に需給情報信号を伝達することができる。ここで、多数とは、数千または数万程度の複数を想定している。

そして電気機器の電力制御部は、当該需給情報信号に応じて、かかる変動を調整するために、電力系統に電力を供給すべきか、または、電力系統の電力を消費すべきかを電力制御部が判断し、当該電気機器の電力消費量を制御することができる。個々の電気機器による電力調整容量は微々たるものであるが、膨大な数の電気機器が一斉に電力を調整する方向に動作することにより、電力系統の発電量の変動を吸収するに充分な、大きな電力調整容量を得ることができる。

上記の発電所は、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置を含むとよい。

本発明においては、電力系統の周波数制御のための調整容量が大きいため、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置を電力系統に接続しても、電力系統の周波数を安定して制御することが可能である。したがって、再生可能エネルギーの利用を促進することができ、化石燃料資源の有効利用およびＣＯ_２の排出抑制を推進し、環境保護に寄与することが可能となる。

上記の多数の電気機器は、さらに二次電池を備え、需給情報受信部が受信した需給情報信号が電力供給量不足を示していた場合には、電力制御部は二次電池に充電されている電力を電力系統に供給させるとよい。

上記の構成により、電気機器の二次電池に充電されている電力を供給させることにより、電力系統における周波数制御のための調整容量として使用することができる。したがって、電力系統における周波数制御のための調整容量を拡大することができる。また、需給情報信号を受信した電気機器が電力制御部によって制御され、電力系統に電力を供給することにより、ユーザによる操作を不要とし、ユーザの労力を削減することが可能となる。

上記の二次電池は、電気自動車に搭載されている二次電池であるとよい。

電気自動車に搭載されている二次電池の充電容量は、民生品として普及している二次電池の中では突出して大容量である。また、近年電気自動車の開発が盛んであり、従来のエンジンを用いた自動車に代えて、その普及台数も著しく増加する傾向にある。このため、その普及台数すべての電気自動車に搭載されている二次電池の充電容量の合計量は膨大な量となり、電力系統の１日の消費量に対して数十％にも匹敵すると予測される。したがって、当該電気自動車の二次電池を電力系統に接続し、電力系統の周波数制御のための調整容量として使用することにより、電力系統における周波数制御のための調整容量を大幅に拡大することができる。

例えば、電力系統において電力供給過多であった場合、当該電気自動車の二次電池を電力系統に接続し、二次電池を充電することにより、過多となっている電力を消費することができる。反対に、電力系統において電力供給不足であった場合、二次電池に充電されている電力を電力系統に供給することにより、電力系統において不足している電力を補うことができる。

上記の需給情報信号には、周波数変動幅、地域要求量、時差、周波数成分毎の過不足の少なくとも１つの情報が含まれているとよい。ここで、地域要求量とは、電力系統における電力の供給と需要のインバランス（不均衡）によって生じた、電力の需要量と供給量の差分である。電力系統において、電力が供給不足の場合、かかる地域要求量の値は正となり、電力が供給過剰の場合、かかる値は負となる。

かかる構成により、需給情報信号を受信した電気機器に、より多くの情報を提供することができ、かかる情報に応じて電力制御部はより適切に電気機器の電力消費量を制御することが可能となる。例えば、需給情報信号に地域要求量（ＡＲ：Area Requirement）を含むことにより、電気機器の電力制御部は、電力系統において要求されている電力の需給情報だけではなく、電力系統における周波数を制御するために要求されている電力の量も認識することができる。したがって、電力制御部は、その情報に応じて更に適切に電気機器の電力消費量を制御することが可能となる。

上記の広域通信手段は、テレビ、ラジオ、電波時計等の無線放送、ＡＤＳＬやＦＴＴＨなどのインターネット通信網、電力線通信からなる群から選択される１つ以上の手段であるとよい。

上記のように、既設の通信インフラを利用することにより、新たな通信手段を構築することなく、電気機器が需給情報信号を受信することが可能となる。

本発明にかかる給電所の代表的な構成は、電力系統によって、少なくとも１つ以上の発電所と、多数の電気機器とに接続される給電所であって、電力系統の周波数を検知し、検知された周波数と電力系統の定格周波数とを比較し、電力供給過多または電力供給不足を伝達するための需給情報信号を生成し、広域通信手段を介して需給情報信号を多数の電気機器にブロードキャスト送信することを特徴とする。

上記構成の給電所は、民生に普及している多数の電気機器に対し、受給情報信号を頒布することができる。これにより、不特定多数の電気機器を電力系統の変動を吸収するように動作させることができる。上述した電力系統の周波数制御システムにおける技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該給電所にも適用可能である。なお、ブロードキャスト送信とは、広域通信網内で、不特定多数の相手に向かって情報を送信することである。

本発明にかかる電気機器の代表的な構成は、デューティを調節可能であり、電力系統によって、少なくとも１つ以上の発電所と、給電所とに接続される電気機器であって、電力供給過多または電力供給不足を伝達するための需給情報信号を、広域通信手段を介して給電所から受信し、受信した需給情報信号に応じて、当該電気機器の動作種別を保ったまま、当該電気機器のデューティを調節することによって、当該電気機器の電力消費量を制御することを特徴とする。

上記構成の電気機器は、上述のシステムから需給情報信号を受け取って、電力系統の変動を吸収するように動作することができる。上述した電力系統の周波数制御システムにおける技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該電気機器にも適用可能である。ここで、電気機器の動作種別とは、例えば当該電気機器の電気回路の開閉状態、すなわち、当該電気機器の電源が投入されているか否かである。また、かかる動作種別には、電気機器が動作中であるか待機中であるかという、電気機器の動作状態も含まれる。

また、デューティとは、電気機器における動作状態のことである。例えば、エアコンでは、設定範囲内において設定温度を任意の温度に設定可能である。また、他の例としては、所望の照度に微調整することができるデューティ制御式連続調光照明器具を備えた街路灯や家庭の照明、通常モードや省電力モード等の電力消費モード切替が可能なモニター等が挙げられる。

本発明によれば、電力系統における周波数制御のための調整容量を拡大することによって、電力系統への再生可能エネルギーを利用した発電装置の接続量を増加させる可能な電力系統の周波数制御システムを提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は本実施形態にかかる電力系統の周波数制御システムの構成を説明するブロック図である。図２は、本実施形態にかかる給電所および電気機器の構成を説明するブロック図である。なお、以下において、電力系統の周波数制御システムを「周波数制御システム１００」と称する。周波数制御システム１００は、少なくとも１つ以上の発電所１１０と、給電所１２０と、多数の電気機器１３０と、周波数計１０４と、これらを接続する電力系統１０２とから構成される。

電力系統１０２とは、発電所１１０および給電所１２０、電気機器１３０、周波数計１０４等とを接続した電力設備の集合体である。電力系統１０２は、通常、所定の定格周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を維持している。しかしながら、電力発電量（供給）と電力消費量（需要）のバランスが崩れると周波数が変動してしまう。そして、変動した周波数を定格周波数に対して許容される偏差（許容範囲）以内に制御するためには、電力発電量を電力消費量に追随させる、または電力消費量を電力発電量に追随させる必要がある。

上記のように、電力系統１０２の周波数が、定格周波数の許容範囲以上に変動した場合、現状においては、ＥＤＣ（Economic load Dispatching Control)、ＬＦＣ（Load Freuency Control)、ガバナ制御を組み合わせ、電気事業者の発電所の出力を調整することにより、電力系統１０２の周波数が調整されている。このように、電力系統１０２を管理することにより、需要家に適切な周波数で電力を供給することが可能となる。

上述した電力系統１０２における周波数は、周波数計１０４によって検知している。そして、検知された周波数は、電気通信網等を通じて給電所１２０に送信される。

発電所１１０は、発電設備において需要家に供給する電力を発電している。電気事業者による大容量の電力を発電する発電所としては、水力発電所１１０ａ、火力発電所１１０ｂ、原子力発電所１１０ｃが挙げられる。

水力発電所１１０ａでは、川や湖の水を利用し、水の位置エネルギーを電気エネルギーに変換し、発電を行っている。一般的には、発電用水車を水の力によって回転させている。水力発電は、化石燃料資源等を必要としないため、環境負荷削減の観点において優れている。

また、一部の流れ込み式水力発電所を除いた、大多数の水力発電所１１０ａは、主に水車への入力弁の開き具合によって水の流量を容易に制御できるため、その出力を容易に調整することが可能である。したがって、かかる大多数の水力発電所１１０ａは、供給制御信号への応動性も早く、電力系統１０２において優先して周波数制御を行っている。

しかし、電力系統１０２全体での電力の絶対量のうち、水力発電所１１０ａが発電する電力の量の割合は低く、また水力発電所１１０ａは電力系統１０２の運用状況によって停止している場合がある。そのため水力発電所１１０ａだけで周波数制御を行うことは困難である。特に需要が下がる休日や夜間ではこの傾向が顕著である。

火力発電所１１０ｂでは、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料資源をボイラーで燃焼させ、蒸気タービンまたはガスタービン、もしくはそれらの複合発電でタービン発電機を回転させ発電している。かかる発電方法ゆえに、火力発電１１０ｂは、出力の調整速度および供給制御信号への応答速度が水力発電所１１０ａに次いで速い。したがって、特に周波数制御に大きく寄与している水力発電所１１０ａのうち停止しているものが多くなり、水力発電所１１０ａだけでは周波数制御容量が確保できなくなった場合、周波数制御の大部分を火力発電所１１０ｂが担っている。

原子力発電所１１０ｃでは、ウランやプルトニウム等の燃料を原子炉において核分裂反応させ、この際の発熱によって蒸気を発生させ、かかる蒸気によって発電機のタービンを回転させている。そして、この回転エネルギーを電力に変換し発電している。当該原子力発電所１１０ｃは出力量一定で連続運転をしているため、電力系統１０２の周波数制御に関与しない。

風力発電装置１１０ｄおよび太陽光発電装置１１０ｅは、上記の電気事業者による水力発電所１１０ａ、火力発電所１１０ｂ、原子力発電所１１０ｃと比べ、発電所としての発電量が小容量の発電装置である。かかる風力発電装置１１０ｄおよび太陽光発電装置１１０ｅは、再生可能エネルギーを用いて発電を行っている。このような再生可能エネルギーを利用した発電装置にて発電することにより、化石燃料資源の有効利用およびＣＯ_２の排出量削減に貢献できる。

風力発電装置１１０ｄでは、再生可能エネルギーである風力によって風車（プロペラ）を回し、その回転力で発電機を回して発電している。風力発電装置１１０ｄにおけるエネルギーの変換率は４０％であり、エネルギー変換効率に優れた発電方法である。しかしながら、風の速さや向きなどによって風の強さが時々刻々変化するため、これに伴い風力発電装置１１０ｄの出力も大きく変動してしまうという問題がある。

太陽光発電装置１１０ｅでは、シリコン半導体の太陽電池の光電効果を利用し、再生可能エネルギーである太陽光を直接電気エネルギーに変換し、発電を行っている。当該太陽光発電装置１１０ｅは近年一般家庭等の需要家にも普及が拡大している。本実施形態においても、太陽光発電装置１１０ｅの設置例として、図１に示すように需要家宅１５０の屋根部分に設置されている。このように需要家宅１５０に設置された太陽光発電装置１１０ｅによって発電された電力は、需要家内の負荷に供給されるだけでなく、電力系統１０２に接続し電力会社に売電されている。しかしながら、太陽光発電装置１１０ｅは、太陽の日照の状況や位置などによりその出力が変動してしまうという欠点がある。

上記説明したように、再生可能エネルギーを利用した発電方法は、化石燃料資源の有効利用およびＣＯ_２の排出抑制が可能であることから、環境保護の観点からは優れた発電方法であると言える。しかしながら、再生可能エネルギーの量は天候や時間帯によって変動するため、これに伴い、出力も大きく変動してしまう。したがって、出力が変動しやすい、再生可能エネルギーを利用した発電装置を電力系統１０２に接続すると、当該発電装置の出力の変動が、電力系統１０２の周波数や電圧に影響を与えることが懸念されている。

給電所１２０は、各発電所１１０の電力発電量の情報と需要家の電力消費量の情報を集中管理している。かかる給電所１２０は、周波数計１０４が検知した周波数と定格周波数とを比較し、電力供給過多または電力供給不足を伝達するための需給情報信号を生成する需給情報生成部１２４、需給情報信号を送信する需給情報送信部１２６を備えている。

周波数制御システム１００において、まず、周波数計１０４が電力系統１０２の周波数を検知し、かかる周波数情報を給電所１２０に送信する。そして、給電所１２０の需給情報生成部１２４は、検知された周波数と定格周波数とを比較する。比較の結果、電力系統１０２の周波数が定格周波数の許容範囲以上に変動していた場合、当該周波数の調整を行う。検知された周波数が定格周波数の許容範囲を超えていた場合、需給情報生成部１２４は、検知された周波数に応じて、電力供給過多または電力供給不足を伝達するための需給情報信号を生成する。そして、需給情報送信部１２６によって、広域通信手段を介して当該需給情報信号を電気機器１３０に送信する。

ここで、上記の広域通信手段としては、テレビ、ラジオ、電波時計等の無線放送、ＡＤＳＬやＦＴＴＨなどのインターネット通信網、電力線通信から１つ以上または複数選択することが可能である。このように、電気機器１３０に搭載されている手段を用いることにより、新たな通信手段を構築することなく、電気機器１３０が需給情報信号を受信することができる。本実施形態においては、広域通信手段の例として、インターネット通信網１４０を用いている。

かかるインターネット通信網１４０は、給電所１２０と多数の電気機器１３０を接続している。これにより、給電所１２０から多数の電気機器１３０への需給情報信号の送受信を行うことが可能となる。

なお、上記の需給情報信号には、周波数変動幅、地域要求量、時差、周波数成分毎の過不足の少なくとも１つの情報が含まれていてもよい。これにより、需給情報信号を受信した電気機器１３０により多くの情報を提供することができる。電気機器１３０は、例えば周波数変動幅を取得することにより、大きな幅で周波数が低下していれば電力消費量を大幅に抑えることができる。地域要求量を取得することにより、電力消費量の調整量の幅を調節することができる。時差を取得することにより、電力消費量を調整するタイミングを調節することができる。周波数成分毎の過不足を取得することにより、電気機器から供給する際の周波数を調節することができる。すなわち、かかる情報に応じて、より適切に電気機器１３０の電力消費量を制御することが可能となる。

また、上記以外の従来の周波数制御においては、給電所１２０は発電所に供給制御信号を送信し、原子力発電所以外の発電機は、その供給制御信号に基づいて出力調整を行い、電力系統の周波数を制御（調整）する。このような制御手段を、周波数制御（ＬＦＣ：Load Freuency Control)という。従来においては、かかるＬＦＣ以外にも、ＥＤＣ（Economic load Dispatching Control)、ガバナ制御の組み合わせることにより、発電所の出力量を調整することにより、電力系統１０２の周波数を定格周波数に対する許容範囲以内に制御している。

電気機器１３０とは、電気の発電、貯蔵、送電、変電及び利用を行う機械器具の総称である。電気機器１３０は、広域通信手段を介して前記需給情報信号を受信する需給情報受信部１３２、受信した需給情報信号に応じて、当該電気機器１３０の電力消費量を制御する電力制御部１３４を備える。

電力系統１０２の周波数が定格周波数の許容範囲以上に変動した場合、給電所１２０の需給情報生成部１２４が作成した需給情報信号が、広域通信手段を介して給電所１２０の需給情報送信部１２６から送信され、電気機器１３０の需給情報受信部１３２において受信する。そして、需給情報信号に応じて、電力制御部１３４は、かかる変動を調整するために、電力消費量を抑えるべきか、または機器の性能を発揮してよいかを判断し、当該電気機器１３０の電力消費量を制御する。これにより、ユーザによる操作を不要とし、意識させることなく電力消費量を調整することができる。

上記の電気機器１３０は、さらに二次電池１３６を備えることもできる。これにより、電気機器１３０の需給情報受信部１３２が需給情報信号を受信した際、かかる需給情報信号が電力供給量不足を示していた場合には、電力制御部１３４は二次電池１３６に充電されている電力を電力系統に供給させることができる。したがって、二次電池１３６に充電されている電力を、電力系統１０２における周波数制御のための調整容量として使用することができ、かかる調整容量を拡大することができる。

本実施形態においては、上記の電気機器１３０の中でも、電気を利用して作動する電気機器１３０の例として、需要家宅１５０に設置されているエアコン１３０ａ、冷蔵庫１３０ｂ、電気自動車１３０ｃ、蓄熱機器１３０ｄを挙げており、他には街路灯や駅、公園などの公共場所の照明、商店街など大規模施設の照明や空調などを挙げることができる。これらは、電力系統１０２から需要家宅１５０に供給される電力を利用し、作動している。

特に、上記の電気自動車１３０ｃは、近年の化石燃料資源の有効利用およびＣＯ_２の排出抑制の推進により、普及台数が上昇している。電気自動車１３０ｃは、動力源として主にリチウムイオン電池やリチウムポリマー電池、ＮｉＣｄ電池などによる二次電池１３６を搭載している。かかる電気自動車１３０ｃに搭載されている二次電池１３６は、家電等に搭載されている二次電池１３６よりもの充電容量がはるかに大きい。したがって、普及している電気自動車１３０ｃすべての二次電池１３６の充電容量の合計量は膨大な量となり、当該充電容量を電力系統の周波数制御のための調整容量として使用することにより、電力系統における周波数制御のための調整容量を大幅に拡大することができる。

例えば、電力系統１０２において電力供給過多であった場合には、電気自動車１３０ｃを需要家宅１５０に設置されている充電装置１５０ａに接続することによって、電力系統１０２に接続し、二次電池１３６を充電することにより、電力系統１０２において過多となっている電力を無駄なく消費することができる。反対に、電力系統１０２において電力供給不足であった場合、二次電池１３６に充電されている電力を電力系統１０２に供給することにより、電力系統１０２に電力を補うことができる。

蓄熱機器１３０ｄは、電力を利用してヒーターによって発熱し、その熱を蓄熱体に蓄え、蓄えられた熱を使用するための電気機器１３０である。例えば、蓄熱式暖房機においては、発生させた熱をレンガ等の蓄熱体に暖房熱として蓄え、かかる暖房熱を使用して室内等を暖めている。かかる蓄熱機器１３０ｄは、電力を貯蔵することはできないが、電力系統１０２において電力供給過多であった場合には、過多となっている電力を消費して発熱を行い、その熱を蓄熱体に蓄えておくというように使用が可能である。

なお、上記のエアコン１３０ａ、冷蔵庫１３０ｂ、蓄熱機器１３０ｄは二次電池１３６を備えていない。これは、かかる電気機器１３０は移動して使用することが考えづらく、使用場所が定まっている電気機器１３０だからである。

また、上記の電気機器１３０の中の、電気の発電を行う電気機器１３０の例として、本実施形態においては燃料電池１３０ｅを例に挙げている。燃料電池１３０ｅは、酸素と水素とを化学反応させて発電を行っている、すなわち、化学エネルギーを電気エネルギーに変換している。

更に、電気の貯蔵を行う電気機器１３０として、本実施形態においてはＮＡＳ電池１３０ｆを例に挙げている。ＮＡＳ電池１３０ｆとは、液体ナトリウムおよび液体硫黄、特殊セラミックスを利用した二次電池である。かかるＮＡＳ電池１３０ｆは、自己放電がなく、鉛蓄電池の約３倍の蓄電能力を有する。例えば、電力系統１０２において電力供給過多であった場合には、電力をＮＡＳ電池に貯蔵し、電力系統１０２において電力供給不足であった場合には、貯蔵してある電力を電力系統に供給するという使用法によって、電力系統における周波数調整に利用することが可能である。また、上記の如く、ＮＡＳ電池１３０ｆは電気機器１３０であり、かつ二次電池１３６そのものである。

［第１実施例］
図３は、第１実施例における周波数制御システムの動作を説明するフローチャートである。第１実施例において電気機器１３０は、二次電池１３６を備えた電気自動車１３０ｃとして説明する。

周波数制御システムにおいては、まず、周波数計１０４が電力系統１０２の周波数を検知し、かかる周波数情報を給電所１２０に送信する（Ｓ２００）。次に、給電所１２０の需給情報生成部１２４は、検知された周波数と定格周波数とを比較する（Ｓ２０２）。そして、需給情報生成部１２４は、検知された周波数が、定格周波数に対して許容される許容範囲（偏差）を超えているかを判断する（Ｓ２０４）。

検知された周波数が、定格周波数に対して許容される許容範囲（偏差）を超えていた場合、需給情報生成部１２４は、電力系統１０２における電力供給過多を伝達するための需給情報信号を生成する（Ｓ２０６）。そして、給電所１２０は、需給情報送信部１２６によって、インターネット通信網１４０を介して当該需給情報信号を電気自動車１３０ｃに送信する（Ｓ２０８）。

電気自動車１３０ｃは、給電所１２０から送信された需給情報信号を広域通信手段を介して需給情報受信部１３２において受信する（Ｓ２１０）。そして、電気自動車１３０ｃの電力制御部１３４は、需給情報信号に応じて、当該電気自動車１３０ｃの二次電池１３６の充電を開始する（Ｓ２１２）。これにより、電気自動車１３０ｃは、電力系統１０２において過多になっている電力を消費し、電力系統１０２における周波数制御に寄与することが可能となる。

需給情報生成部１２４の判断（Ｓ２０４）の結果、検知された周波数が、定格周波数に対して許容される許容範囲（偏差）を超えていなかった場合、需給情報生成部１２４は、かかる周波数が許容範囲未満であるかを判断する（Ｓ２１４）。かかる周波数が許容範囲未満であった場合、需給情報生成部１２４は、電力系統１０２における電力供給不足を伝達するための需給情報信号を生成する（Ｓ２１６）。そして、給電所１２０は、需給情報送信部１２６によって、インターネット通信網１４０を介して当該需給情報信号を電気自動車１３０ｃに送信する（Ｓ２１８）。

電気自動車１３０ｃは、給電所１２０から送信された需給情報信号を広域通信手段を介して需給情報受信部１３２において受信する（Ｓ２２０）。そして、電気自動車１３０ｃの電力制御部１３４は、需給情報信号に応じて、当該電気自動車１３０ｃの二次電池１３６に充電してある電力の電力系統への供給を開始する（Ｓ２２２）。これにより、電気自動車１３０ｃは、電力系統１０２において不足している電力を供給し、電力系統１０２における周波数制御に寄与することが可能となる。

需給情報生成部１２４の判断（Ｓ２１４）の結果、検知された周波数が許容範囲未満でなかった場合、当該周波数においては周波数調整が必要ないため、一連の動作を終了する。また、充電開始（Ｓ２１２）後、電力供給開始（Ｓ２２２）後においても、一連の動作を終了する。そして、周波数制御システム１００は再び開始に戻り、常時または所定の間隔で間欠的に、電力系統１０２における周波数検知を行い、当該周波数を定格周波数に対して許容される偏差（許容範囲）以内に制御する。

上述したように、電気機器１３０として、二次電池１３６を備えている電気機器１３０を用いることにより、当該二次電池１３６の充電容量および当該二次電池１３６に充電されている電力を、電力系統における周波数制御の調整容量として利用することができる。また、需給情報信号に応じて、電子機器１３０の電力制御部１３４が電力系統への電力の供給、または、電力系統の電力の消費を判断するため、ユーザによる操作を不要とし、ユーザの労力を削減できる。

［第２実施例］
図４は、第２実施例における周波数制御システムの動作を説明するフローチャートである。ここで、第２実施例においては、需給情報信号を受信して動作する電気機器１３０は、二次電池１３６を備えていない電気機器１３０であり、かかる電気機器１３０の例としてエアコン１３０ａを挙げる。なお、上記第１実施例と説明の重複する部分については同一の符号を付して説明を省略する。

エアコン１３０ａは、需給情報信号を需給情報受信部１３２において受信する（Ｓ２１０）。そして、エアコン１３０ａの電力制御部１３４は、需給情報信号に応じて、当該エアコン１３０ａの電力消費量を増量する（Ｓ２２４）。例えば、需要家宅１５０外の外気温が３０℃、需要家宅１５０室内のエアコン１３０ａの設定温度が２７℃であった場合、電力制御部１３４は当該エアコン１３０ａの設定温度を２５℃に変更する。これにより、エアコン１３０ａは需要家宅１５０内の室温を２５℃にするために、電力系統１０２において過多になっている電力を消費する。したがって、電力系統１０２における周波数制御に寄与することができる。

また、エアコン１３０ａは、需給情報信号を需給情報受信部１３２において受信する（Ｓ２２０）。そして、エアコン１３０ａの電力制御部１３４は、需給情報信号に応じて、当該エアコン１３０ａの電力消費量を減量する（Ｓ２２６）。例えば、需要家宅１５０外の外気温が１０℃、需要家宅１５０室内のエアコン１３０ａの設定温度が２５℃であった場合、電力制御部１３４は当該エアコン１３０ａの設定温度を２３℃に変更する。これにより、エアコン１３０ａは需要家宅１５０内の室温を暖めるための電力消費量を減量することができる。したがって、電力系統１０２における周波数制御に寄与することができる。

上述したように、電気機器１３０として、二次電池１３６を備えていない電気機器１３０を用いた場合、電力制御部１３４が需給情報信号に応じて当該電気機器１３０の電力消費量を制御する。これにより、電力系統における周波数制御のための、電力発電量と電力消費量の需給バランスの調整に寄与することができる。また、需給情報信号に応じて、電子機器１３０の電力制御部１３４が当該電子機器１３０の電力消費量を制御するため、ユーザによる操作を不要とし、ユーザの労力を削減できる。なお、二次電池１３６を備えている電気機器１３０においても、上記のように当該電子機器１３０の電力消費量を制御することは可能である。

以上のように、本発明によれば、電気機器の電力消費量を制御することにより、電力系統における周波数制御に寄与することができる。また、電気機器が備える二次電池の充電容量および当該二次電池に充電されている電力を、電力系統における周波数制御の調整容量として利用することが可能である。これにより、電力系統の周波数制御のための調整容量を拡大することができるため、電力系統への再生可能エネルギーを利用した発電装置の接続量を増加させることが可能となる。

更に、本発明によれば、電力会社からの需給情報信号と、それによる電気機器の負荷調整による負荷調整貢献エネルギー（電気量［Ｗｈ］）の因果関係を明確にすることができる。したがって、電気機器の電力消費量を制御することにより、電力系統における負荷平準化や周波数調整などを行った需要家に電気料金を割引するなどのインセンティブを与える場合、料金算定が明確化できる効果がある。そして、これにより、社会全体での再生可能エネルギー導入のためのフレームワークを構築することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、商用電力を供給する施設における電力系統の周波数を制御するシステムに利用することができる。

本実施形態にかかる電力系統の周波数制御システムの構成を説明するブロック図である。 本実施形態にかかる給電所および電気機器の構成を説明するブロック図である。 第１実施例における周波数制御システムの動作を説明するフローチャートである。 第２実施例における周波数制御システムの動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１００…周波数制御システム、１０２…電力系統、１０４…周波数計、１１０…発電所、１１０ａ…水力発電所、１１０ｂ…火力発電所、１１０ｃ…原子力発電所、１１０ｄ…風力発電装置、１１０ｅ…太陽光発電装置、１２０…給電所、１２４…需給情報生成部、１２６…需給情報送信部、１３０…電気機器、１３０ａ…エアコン、１３０ｂ…冷蔵庫、１３０ｃ…電気自動車、１３０ｄ…蓄熱機器、１３０ｅ…燃料電池、１３０ｆ…ＮＡＳ電池、１３２…需給情報受信部、１３４…電力制御部１３６…二次電池、１４０…インターネット通信網、１５０…需要家宅、１５０ａ…充電装置

Claims (8)

1. 少なくとも１つ以上の発電所と、給電所と、多数の電気機器と、周波数計と、これらを接続する電力系統とを備え、
   前記給電所は、
   前記周波数計が検知した周波数と前記電力系統の定格周波数とを比較し、電力供給過多または電力供給不足を伝達するための需給情報信号を生成する需給情報生成部と、
   広域通信手段を介して前記需給情報信号を送信する需給情報送信部とを有し、
   前記電気機器は、
   広域通信手段を介して前記需給情報信号を受信する需給情報受信部と、
   前記受信した需給情報信号に応じて、当該電気機器の電力消費量を制御する電力制御部とを有することを特徴とする電力系統の周波数制御システム。
2. 前記発電所は、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の電力系統の周波数制御システム。
3. 前記多数の電気機器は、さらに二次電池を備え、
   前記需給情報受信部が受信した前記需給情報信号が電力供給量不足を示していた場合には、前記電力制御部は前記二次電池に充電されている電力を前記電力系統に供給させることを特徴とする請求項１に記載の電力系統の周波数制御システム。
4. 前記二次電池は、電気自動車に搭載されている二次電池であることを特徴とする請求項３に記載の電力系統の周波数制御システム。
5. 前記需給情報信号には、周波数変動幅、地域要求量、時差、周波数成分毎の過不足の少なくとも１つの情報が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の電力系統の周波数制御システム。
6. 前記広域通信手段は、テレビ、ラジオ、電波時計等の無線放送、ＡＤＳＬやＦＴＴＨなどのインターネット通信網、電力線通信からなる群から選択される１つ以上の手段であることを特徴とする請求項１に記載の電力系統の周波数制御システム。
7. 電力系統によって、少なくとも１つ以上の発電所と、多数の電気機器とに接続される給電所であって、
   前記電力系統の周波数を検知し、
   前記検知された周波数と前記電力系統の定格周波数とを比較し、
   電力供給過多または電力供給不足を伝達するための需給情報信号を生成し、
   広域通信手段を介して前記需給情報信号を前記多数の電気機器にブロードキャスト送信することを特徴とする給電所。
8. デューティを調節可能であり、電力系統によって、少なくとも１つ以上の発電所と、給電所とに接続される電気機器であって、
   電力供給過多または電力供給不足を伝達するための需給情報信号を、広域通信手段を介して前記給電所から受信し、
   前記受信した需給情報信号に応じて、当該電気機器の動作種別を保ったまま、該電気機器のデューティを調節することによって、該電気機器の電力消費量を制御することを特徴とする電気機器。

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