JP2018038132A - 電力貯蔵装置を用いた電力安定化システム及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統の電力変動を抑制する電力貯蔵装置を用いた電力安定化システム及び制御装置に関する。

電力系統において発電電力と消費電力のバランスが崩れると周波数変動が生じる。このため、負荷の変動周期に応じた各種周波数制御によって時々刻々と変化する消費電力と発電電力をバランスさせるように発電機の出力増減調整を実施している。数分以下の微小変動に対しては発電機の回転数をガバナフリーで制御（ＧＦ：Ｇｏｖｅｒｎｏｒ−Ｆｒｅｅ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）することにより瞬時に対応し、数分〜数十分の短周期変動に対しては給電システムの負荷周波数制御（ＬＦＣ：Ｌｏａｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）で発電機出力を制御することで対応する。さらに、数十分以上の長周期的変動に対しては経済負荷配分制御（ＥＤＣ：Ｅｃｏｎｏｍｉｃｌｏａｄ Ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ）で発電機の経済性を考慮した出力配分を行うことができる。

一方、太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギーを利用する変動電源の電力系統への連系が近年増加している。再生可能エネルギーの大量導入によって、電力系統の同期発電機群に適用するガバナフリー制御又は負荷周波数制御による周波数調整能力が不足することが懸念されてきた。従来、太陽光発電所や風力発電所に、蓄電池又はフライホイール等で構成される電力貯蔵装置を設置し、発電設備出力の微小変動成分または短周期変動成分を補償する出力変動緩和制御の適用が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の電力安定化システムは、太陽光発電所又は風力発電所等の変動電源を電力系統に連系した場合の系統周波数への影響を小さくするため、変動電源で生成される発電電力を電力貯蔵装置の充放電電力と合成して平滑化している。かかる電力安定化システムでは、電力貯蔵装置の貯蔵電力量が上限または下限に到達すると、それ以上の電力補償ができなくなるので、電力変動を安定化するための充放電制御の他に、適切な貯蔵電力量を確保するための補正制御が行われている。

特開２００７−３１８８８３号公報

しかしながら、気象条件等によって出力が変動する太陽光発電及び風力発電等の変動電源の変動成分には、数十分単位までの出力変動成分である短周期的変動と、数十分から数時間単位の出力変動成分である長周期的変動とが混在する。特に、変動周期が長い長周期的変動の抑制は電力貯蔵装置の充放電制御に掛かる負担が大きく、経済的理由から電力貯蔵装置の容量を小さくしようとすると、長周期的変動を十分に抑制することができなくなるといった問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電力貯蔵装置の容量を増大することなく、長周期的変動を十分に抑制することができる電力貯蔵装置を用いた電力安定化システム及び制御装置を提供することを目的の１つとする。

本発明の一態様の電力安定化システムは、充放電を行う電力貯蔵装置と、前記電力貯蔵装置の充放電による電力の入出力を電力系統と前記電力貯蔵装置の間で相互に変換する電力変換器と、前記電力変換器の変換動作を制御し、前記電力系統に連系する変動電源と前記電力貯蔵装置との合成出力を平滑化する制御装置と、を備えた電力貯蔵装置を用いた電力安定化システムであり、前記制御装置は、前記変動電源の出力または合成出力に含まれる長周期的変動と長周期的変動に重畳する短周期的変動のうち長周期的変動に対して当該合成出力の変化率を所定幅に収める長周期リミッタを備え、前記長周期リミッタの上限及び又は下限が前記合成出力の減少及び又は増加を禁止するレベルに制御される時間帯を含む。

本発明によれば、電力貯蔵装置の容量を増大することなく、長周期的変動を十分に抑制することができる電力貯蔵装置を用いた電力安定化システム及び制御装置を提供できる。

第１の実施の形態である電力安定化システムの構成例を示す概念図である。 第１の実施の形態における貯蔵電力目標演算部の機能ブロック図である。 図３Ａは第３の関数を用いた発電所合成出力の出力変動波形の模式図、図３Ｂは第１の関数を用いた発電所合成出力の出力変動波形の模式図である。 第１の実施の形態における第１、第２及び第３の関数を説明するための図である。 図５Ａは減少禁止期間における第２リミッタの上限及び下限と出力変化率の関係を示す図、図５Ｂは増加禁止期間における第２リミッタの上限及び下限と出力変化率の関係を示す図、図５Ｃは増加／減少禁止期間における第２リミッタの上限及び下限と出力変化率の関係を示す図である。 運転時間帯と出力変化率及び第２リミッタ係数の対応関係を示す図である。 図７Ａは電力貯蔵装置の充電量及び貯蔵電力目標値の推移を示す図、図７Ｂは出力変化率とリミッタ回路の上限及び下限の変化を示す図、図７Ｃは風力発電機の出力、合成出力及び電力貯蔵装置の出力の変動を示す図である。

以下、第１の実施の形態に係る電力貯蔵装置を用いた電力安定化システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、第１の実施の形態である電力安定化システムの構成例を示す概念図である。図１に示す電力安定化システム１０は、電力貯蔵装置１１、電力変換器１２及び制御装置１３で構成され、変圧器１４を介して電力系統１５に接続する。以下の説明において、電力安定化システム１０は、再生可能エネルギーを利用した変動電源の出力変動補償を行う場合を想定している。図１では変動電源の一例となる風力発電機１６が、変圧器１７を介して電力系統１５に接続されている。なお、電力系統に連系された変動電源であれば、風力発電機１６に限らず、例えば太陽光発電等であってもよいし、また再生可能エネルギーに限定されない。

電力貯蔵装置１１は、例えばフライホイール、二次電池、又はキャパシタ等である。電力変換器１２は、制御装置１３からの電力変換器出力指令値ＰＯ（ここでは、電力貯蔵装置１１から電力を放出する方向を、“正”とする）に基づいて、電力系統１５と電力貯蔵装置１１との間で電力ＰＳの授受を行う。電力貯蔵装置１１がフライホイールである場合は、フライホイール側の交流電力と電力系統１５側の交流電力を双方向に変換する。電力貯蔵装置１１が二次電池又はキャパシタである場合には、二次電池又はキャパシタ側の直流電力と電力系統１５側の交流電力を双方向に変換する。

制御装置１３は、有効電力検出部２１、貯蔵電力量検出部２２、貯蔵電力目標値演算部２３、補償電力補正演算部２４、平滑化フィルタ２５、リミッタ回路２６、及び電力変換器制御部２７等を有する。なお、制御装置１３は、図示しないが、ＣＰＵ、メモリ（ハードディスク等の記憶装置）を備えており、以下に説明する各種補正演算処理、補償電力の演算処理及び電力変換器１２の制御処理等については、ハードウェアによって実現してもよいし、ＣＰＵが記憶装置に記憶されている所定のアプリケーションプログラムを読出して実行することにより実現してもよい。また、ハードウェアによって実現する場合、プログラマブルコントローラ等のディジタル回路を用いて制御してもよいし、オペアンプ等によるアナログ制御回路で実現してもよい。

有効電力検出部２１は、風力発電機１６の出力端の電圧及び電流値に基づいて、変動電源の出力となる風力発電機２１の有効電力ＰＧを検出する。貯蔵電力量検出部２２は、電力貯蔵装置１１の貯蔵電力量ＥＳを、直接あるいは間接的に検出又は算出する。例えば電力貯蔵装置１１がフライホイールで構成される場合は、フライホイール回転数を検出する。また、電力貯蔵装置１１が二次電池又はキャパシタのいずれかで構成される場合は、端子電圧、及び又は、端子電流を検出し、検出結果に基づいて貯蔵電力量ＥＳを算出する。

貯蔵電力目標値演算部２３は、風力発電機１６の有効電力ＰＧ、或いは合成出力（風力発電機１６と電力貯蔵装置１１（電力変換器１２）の合成出力）、或いは合成出力目標値に応じた電力貯蔵装置１１の貯蔵電力目標値を演算する。貯蔵電力目標演算部２３には、有効電力ＰＧ、或いは合成出力、或いは合成出力目標値の入力に対して異なる貯蔵電力目標値を出力する複数の関数が設定されている。例えば、長周期的変動に対して準備する時間帯において電力貯蔵装置１１の充電を促進する関数である第１の関数、長周期的変動に対して準備する他の時間帯において電力貯蔵装置１１の放電を促進する関数である第２の関数、長周期的変動に対して準備する時間帯以外の時間帯に対応した第３の関数のうち、少なくとも第３の関数と第１の関数及び又は第２の関数を有する。本実施の形態では、一例として有効電力ＰＧに対して異なる貯蔵電力目標値を出力する３種類の関数（第１の関数、第２の関数、第３の関数）が設定されていて、有効電力ＰＧに応じた貯蔵電力目標値を演算する。第１の関数及び第２の関数は、長周期的変動に対して準備する時間帯（以下、長周期変動制御準備時間帯という）に対応した増加関数であり、第３の関数は、長周期変動制御準備時間帯以外の時間帯に対応した増加関数である。第１の関数は、長周期的変動に対して準備する時間帯において電力貯蔵装置１１の充電を促進、或いは放電を抑制する貯蔵電力目標値を生成する関数である。第２の関数は、長周期的変動に対して準備する時間帯において電力貯蔵装置１１の放電を促進、或いは充電を抑制する貯蔵電力目標値を生成する関数である。図２は貯蔵電力目標値演算部２３の構成例を示す機能ブロック図である。貯蔵電力目標値演算部２３は、３つの関数演算部３１，３２，３３と、時間帯に応じて関数演算部３１，３２，３３のいずれかの出力（ＥＣａ、ＥＣｂ、ＥＣｃ）を選択するスイッチ３４と、スイッチ３４に対して時刻情報を与える時計３５と、スイッチ３４の出力する貯蔵電力目標値（ＥＣ）から現在の貯蔵電力量ＥＳを減算して補正貯蔵電力量ＥＳ´を算出する貯蔵電力量補正部３６と、を有する。なお、関数演算部の数は３つに限定されるものではなく、時間帯又はその他の要件に応じて切り替える関数の数だけ用意することができる。

補償電力補正演算部２４は、補正貯蔵電力量ＥＳ´が貯蔵電力量上限値Ｅｍａｘから所定の範囲内（ＥＨ〜Ｅｍａｘ）にある場合、電力貯蔵装置１１から放電する方向、即ちプラスの補償電力補正信号ＰＣを出力し、補正貯蔵電力量ＥＳ´が電力貯蔵装置１１の貯蔵電力量下限値Ｅｍｉｎから所定の範囲内（Ｅｍｉｎ〜ＥＬ）にある場合、電力貯蔵装置１１へ充電する方向、即ちマイナスの補償電力補正信号ＰＣを出力する。補償電力補正演算部２４は、補正貯蔵電力量ＥＳ´が貯蔵電力量下限しきい値ＥＬを下回った場合に、補償電力補正信号ＰＣとして補償電力補正信号ＰＣｍの出力を開始する。補償電力補正信号ＰＣｍはマイナスの信号であり、後段で有効電力計測値ＰＧに補償電力補正信号ＰＣを加算するため、補償電力補正信号ＰＣｍ分だけ電力貯蔵装置１１へ充電する方向にシフトすることになる。補正貯蔵電力量ＥＳ´が貯蔵電力量上限しきい値ＥＨを上回った場合に、補償電力補正信号ＰＣとして補償電力補正信号ＰＣｐの出力を開始する。補償電力補正信号ＰＣｐはプラスの信号であり、後段で有効電力計測値ＰＧに補償電力補正信号ＰＣを加算するため、補償電力補正信号ＰＣｐ分だけ電力貯蔵装置１１から放電する方向にシフトすることになる。なお、その後に補正貯蔵電力量ＥＳ´が貯蔵電力量上限しきい値ＥＨを下回った場合、又は、補正貯蔵電力量ＥＳ´が貯蔵電力量下限しきい値ＥＬを上回った場合、補償電力補正信号ＰＣｐの出力を停止し、補償電力補正信号ＰＣは零になる。図１に示す構成例では、補償電力補正信号ＰＣは平滑化フィルタ２５の前段で有効電力ＰＧと加えているが、平滑フィルタ２５の後段で加える構成としてもよい。

平滑化フィルタ２５は、風力発電機１６の出力である有効電力ＰＧから高周波成分を除去して平滑化するフィルタである。図１では平滑化フィルタ２５を一次遅れフィルタで構成したが、その他の手法を適用して平滑化フィルタを構成してもよい。例えば、移動平均フィルタを用いた手法、ハイパスフィルタと組み合せて再合成する手法などを適用できる。

リミッタ回路２６は、短周期的変動に対して当該合成出力の変化率を所定幅に収めるように動作する短周期リミッタを構成する第１リミッタ４１と、長周期的変動に対して当該合成出力の変化率を所定幅に収めるように動作する長周期リミッタを構成する第２リミッタ４２とを有する。リミッタ回路２６は、変動電源である風力発電機１６の出力を入力として制御する構成又は合成出力を入力として制御する構成のいずれの構成でも良い。本実施の形態では、風力発電機１６の出力を入力として制御する構成について説明する。風力発電機１６の出力または風力発電機１６と電力貯蔵装置１１の合成出力が有する変動成分には、長周期的変動と長周期的変動に重畳する短周期的変動とが含まれる。風力発電機１６の出力または合成出力に含まれる長周期的変動は、例えば数十分から数時間単位の出力変動成分であり、短周期的変動は数十分単位までの出力変動成分である。但し、長周期的変動に短周期的変動が重畳する関係があるならば、長周期的変動と短周期的変動の変動周期は特に限定されない。実際に風力発電機１６の出力または合成出力に含まれる長周期的変動と長周期的変動に重畳する短周期的変動の分析結果（周期特性）、電力会社による管理の仕方、電力会社から求められる要求仕様、その他の条件、のいずれか１つ又は任意の組み合せに応じて、抑制すべき長期的変動及び短期的変動の想定周期を決めればよい。例えば、長周期的変動が１０分から５時間であり、短周期的変動が１０秒から５分であるとする（パターン１）。あるいは、長周期的変動が３０分から１０時間であり、短周期的変動が１分から２０分であるとする。また長周期的変動と短周期的変動の変動周期は一定である必要はない。第１リミッタ４１、第２リミッタ４２は、合成出力目標値、或いは合成出力を、合成出力の短周期的変動及び長周期的変動を評価するサンプル時間Δｔ１、Δｔ２だけサンプルホールドする。本実施の形態では、合成出力目標値をサンプルホールドして制御する構成について説明するが、合成出力値をサンプルホールドする構成にも適用可能である。第１リミッタ４１は、短周期的変動に対応した期間Δｔ１だけ前の合成出力目標値をサンプルホールドする第１サンプルホールド回路４３から前回の合成出力目標値ＰＡ（Ｓ）が与えられる。サンプルホールド期間Δｔ１は、短周期的変動を評価するのに適したサンプル時間（例えば、１０秒）とする。なお、短周期的変動を評価するためのサンプル時間は抑制したい変動成分の周期よりも小さければよく、例えば秒単位また分単位で適宜設定される。第２リミッタ４２は、長周期的変動に対応した期間Δｔ２だけ前回の合成出力目標値をサンプルホールドする第２サンプルホールド回路４４から前回の合成出力目標値ＰＡ（Ｌ）が与えられる。サンプルホールド期間Δｔ２は、長周期的変動を評価するのに適したサンプル時間（例えば、１０分）とする。なお、長周期的変動を評価するためのサンプル時間は抑制したい変動成分の周期よりも小さければよく、例えば分単位または数十分単位で適宜設定される。また、サンプルホールド期間Δｔ１とΔｔ２を同じ時間に設定することもできる。第１リミッタ４１は、Δｔ１だけ前の合成出力目標値ＰＡ（Ｓ）に上限側の係数Ａ１にサンプルホールド時間Δｔ１を乗算した乗算値を加算した値（＝ＰＡ（Ｓ）＋Ａ１Δｔ１）を上限レベルに設定し、前回の合成出力目標値ＰＡ（Ｓ）に下限側の係数Ｂ１にサンプルホールド時間Δｔ１を乗算した乗算値を加算した値（＝ＰＡ（Ｓ）＋Ｂ１Δｔ１）を下限レベルに設定する。係数Ａ１，Ｂ１により短周期的変動に対応した合成出力の変化率を所定幅に収めることができる。第２リミッタ４２は、Δｔ２だけ前の合成出力目標値ＰＡ（Ｌ）に上限側の係数Ａ２にサンプルホールド時間を乗算した乗算値を加えた値（＝ＰＡ（Ｌ）＋Ａ２Δｔ２）を上限レベルに設定し、前回の合成出力目標値ＰＡ（Ｌ）と下限側の係数Ｂ２にサンプルホールド期間を乗算した乗算値を加えた値（＝ＰＡ（Ｌ）＋Ｂ２Δｔ２）を下限レベルに設定する。係数Ａ２，Ｂ２により長周期的変動に対応した合成出力の変化率を所定幅に収めることができる。

制御装置１３は、電力需要が大きく増加あるいは減少する時間帯に、風力発電機１６と電力安定化システム１０の連系点における合成出力が電力需要の増減と逆方向に変化することを禁止する。電力需要が所定変化率以上で増加する傾向を「大幅増加」と呼ぶこととする。電力需要が大幅増加する時間帯に対して、合成出力（合成出力変化率）が電力需要と逆方向となる減少方向に変化することを禁止する「減少禁止期間」に設定する。また、電力需要が所定変化率以上の減少する傾向を「大幅減少」と呼ぶこととする。大幅減少する時間帯に対して、合成出力（合成出力変化率）が電力需要と逆方向となる増加方向に変化することを禁止する「増加禁止期間」に設定する。また、電力需要が所定変化率以上に増加及び減少する傾向を「大幅増減変化」と呼ぶこととする。大幅増減変化する時間帯を、合成出力（合成出力変化率が）減少方向及び増加方向へ変化することを禁止する「増加／減少禁止期間」に設定する。「減少禁止期間」、「増加禁止期間」「増加／減少禁止期間」に設定される時間帯は、固定のスケジュール（例えば7：00〜10：00に固定）だけでなく、電力会社等からの外部指令に応じて決定しても良いし、需要予測結果に応じて決定しても良い。その他、各種仕様や要求に応じて適宜決定する方式としてもよい。

第２リミッタ４２は、合成出力の減少禁止期間には今回の合成出力を前回の合成出力から下回らせない下限に設定され、合成出力の増加禁止期間には今回の合成出力を前回の合成出力から上回らせない上限に設定される。なお、第２リミッタ４２は、下限または上限のいずれか一方だけを設定してもよい。本例では、減少禁止期間には、第２リミッタ４２の下限を計算する係数Ｂ２を０に制御する。これにより、第２リミッタ４２において合成出力の下限が、前回の合成出力から下回らない下限レベルに制限されるので、合成出力目標値が減少禁止期間の直前の合成出力に維持される。また、増加禁止期間には、第２リミッタ４２の上限を計算する係数Ａ２を０に制御する。これにより、第２リミッタ４２において合成出力の上限が、今回の合成出力を前回の合成出力から上回らない上限レベルに制限されるので、合成出力目標値が増加禁止期間の直前の合成出力に維持される。さらに、増加／減少禁止期間には、第２リミッタ４２の上限を計算する係数Ａ２及び下限を計算する係数Ｂ２を０に制御する。これにより、第２リミッタ４２において合成出力の上限及び下限が制限されるので、合成出力目標値が増加／減少禁止期間の直前の合成出力に維持される。

電力変換器制御部２７は、リミッタ回路２６から出力される合成出力目標値と有効電力ＰＧとの差分である補正補償電力ΔＰＧの大きさに応じて電力変換器出力指令値ＰＯを生成し、電力変換器出力指令値ＰＯに基づいて電力変換器１２を制御し、電力貯蔵装置１１に電力ＰＳを充放電させる。

以上のように構成された第１の実施の形態に係る電力安定化システムの動作について説明する。
まず、貯蔵電力目標値演算部２３の関数演算部３１，３２，３３による動作について具体的に説明する。
図３Ａ及び図３Ｂは、風力発電機１６（変動電源）と電力安定化システム１０の連系点における発電所合成出力の出力変動波形を模式的に示す図である。図３Ａは、第１の実施の形態に係る電力安定化システムにおいて、貯蔵電力目標値演算部２３が長周期変動制御準備時間帯に対応した第１の関数を使わずに、長周期変動制御準備時間帯以外の時間帯に対応した第３の関数だけを使用した場合の出力変動を示している。図３Ｂは、第１の実施の形態に係る電力安定化システムにおいて、貯蔵電力目標値演算部２３が長周期変動制御準備時間帯で第１の関数を使用した場合の出力変動を示している。

図３Ａに示すように、風力発電機１６の出力波形は長周期的変動に重畳した短周期的変動成分を含んでいる。制御装置１３は、基本制御として、出力波形の短周期的変動成分を除外して平滑化された波形に維持できるように、出力波形が平滑化波形よりも大きい成分に対しては電力貯蔵装置１１に充電動作させて電力を吸収し、出力波形が平滑化波形よりも小さい成分に対しては電力貯蔵装置１１に放電動作させて電力放出する。これにより、発電所合成出力を平滑化した波形に維持している。

ところで、小容量の電力貯蔵装置で長周期的変動を制御するためには、長周期的変動の制御が必要な時間帯よりも前に、電力貯蔵装置の貯蔵電力を高め、又は、低めに補正することが必要である。そこで、本実施の形態では、図３Ｂに示すように、長周期変動制御実施時間帯のうち電力需要の増大が予測される長周期変動制御実施時間帯よりも前の、長周期変動制御準備時間帯に電力貯蔵装置１１の貯蔵電力を高めに補正している。また、図示していないが、長周期変動制御実施時間帯のうち電力需要の減少が予測される長周期変動制御実施時間帯よりも前の、長周期変動制御準備時間帯に電力貯蔵装置１１の貯蔵電力を低めに補正している。短周期的変動のための制御を犠牲にしない様にするために、電力貯蔵装置１１の貯蔵電力目標値ＥＣを風力発電機１６の有効電力ＰＧを入力とする増加関数で決定している。

図４は貯蔵電力目標値演算部２３の関数演算部３１，３２，３３に設定される増加関数の模式図である。関数演算部３１には、電力貯蔵装置１１の貯蔵電力を高めに補正（充電促進）する貯蔵電力目標値を生成する第１の関数が設定される。関数演算部３２には、電力貯蔵装置１１の貯蔵電力を低めに補正（放電促進）する貯蔵電力目標値を生成する第２の関数が設定される。関数演算部３３には、電力貯蔵装置１１の貯蔵電力第１の関数と第２の関数の中間の補正となり、長周期変動制御準備時間帯以外の時間帯に適した貯蔵電力目標値を生成する第３の関数が設定される。なお、増加関数の傾きは任意である。図４中に示すように、第３の関数を基準として、傾きを変えることで、充電を促進する貯蔵電力目標値を生成する第１の関数（Ｆ１）としても良いし、放電を促進する貯蔵電力目標値を生成する第２の関数（Ｆ２）としても良い。また図４中の関数は１次関数で表現したが、増加関数を２次関数としてもよい。第１の関数が第３の関数に対して上の領域であり、或いは第２の関数が第３の関数の下の領域になるようにすれば良い。

本実施の形態においては、スイッチ３４が時計３５から与えられる時刻情報に基づいて関数演算部３１、３２、３３のいずれか１つを選択する。電力需要の増大が予測される長周期変動実施時間帯よりも前の「長周期変動制御準備時間帯」には、関数演算部３１の出力する貯蔵電力目標値ＥＣａが選択される。関数演算部３１は、電力貯蔵装置１１の貯蔵電力を高めに補正（充電促進）する貯蔵電力目標値を生成する第１の関数が設定されている。これにより、図３Ｂに示す「長周期変動制御準備時間帯」には、図３Ａ（第３の関数）に比べて、充電が促進される貯蔵電力目標値ＥＣａが生成される。この貯蔵電力目標値ＥＣａと現在の貯蔵電力量ＥＳとの偏差からなる補正貯蔵電力量ＥＳ´に基づいて補償電力を演算する。補償電力補正演算部２４において補償電力に対応した補償電力補正信号ＰＣに変換して有効電力ＰＧを補正し、電力貯蔵装置１１に対して充電が促進される出力指令値ＰＯが与えられる。この結果、電力需要の増大が予測される長周期変動制御実施時間帯よりも前の、長周期変動制御準備時間帯に電力貯蔵装置の貯蔵電力が高めに補正される。このように、長周期変動制御準備時間帯において短周期変動緩和制御の余力を確保しつつ、かつ電力需要の増大が予測される長周期変動制御実施時間帯が開始する時刻において、電力貯蔵装置１１の電力貯蔵量が大きくなっているため、長周期変動制御実施時間帯での放電をより多く行うことができる。

一方、電力需要の減少が予測される長周期変動実施時間帯よりも前の「長周期変動制御準備時間帯」には、関数演算部３２の出力する貯蔵電力目標値ＥＣｂが選択される。関数演算部３２は、電力貯蔵装置１１の貯蔵電力を低めに補正（放電促進）する貯蔵電力目標値を生成する第２の関数が設定されているので、電力需要の減少が予測される長周期変動制御実施時間帯よりも前の長周期変動制御準備時間帯に電力貯蔵装置の貯蔵電力が低めに補正される。このように、長周期変動制御準備時間帯において短周期変動緩和制御の余力を確保し続けることで、電力需要の減少が予測される長周期変動制御実施時間帯が開始する時刻において、電力貯蔵装置１１の電力貯蔵量が小さくなっているため、長周期変動制御実施時間帯での充電をより多く行うことができる。

次に、第１の実施の形態において、電力需要が増加あるいは減少する時間帯に、風力発電機１６と電力安定化システム１０の連系点における合成出力が電力需要の増減方向と逆方向に変化することを禁止する動作について具体的に説明する。

図５Ａは長周期リミッタとなる第２リミッタ４２に設定される上限（長周期上限値）及び下限（長周期下限値）と出力変化率の関係を示す図である。同図に示す例では、時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１２が、電力需要が増加する時間帯（合成出力の低下が規制される時間帯）に対応しており減少禁止期間として設定されている。第１リミッタ４１は、合成出力の出力変化率を前回値（Δｔ１前）から±１％以内に収めるように係数Ａ１，Ｂ１が制御され、第２リミッタ４２は、減少禁止期間（及び増加／減少禁止期間）以外では、出力変化率を前回値（Δｔ２前）から±２％以内に収めるように係数Ａ２，Ｂ２が制御される場合が例示されている。第２リミッタ４２の下限（長周期下限値）は、減少禁止期間（及び増加／減少禁止期間）では、合成出力の出力変化率が０になるように係数Ｂ２が計算され（合成出力を前回値よりも小さくさせない制御に相当）、第２リミッタ４２の上限（長周期上限値）は、減少禁止期間（及び増加／減少禁止期間）であっても前回値（Δｔ２前）から＋２％以内に収めるように係数Ａ２が制御される。具体的には、第２サンプルホールド回路４４でサンプルホールドされているΔｔ２前の前回値ＰＡ（Ｌ）と今回の係数Ｂ２にサンプルホールド期間Δｔ２を乗算した乗算値を加算した値（＝ＰＡ（Ｌ）＋Ｂ２Δｔ２）を下限（長周期下限値）に設定するが、減少禁止期間（及び増加／減少禁止期間）は強制的に係数Ｂ２＝０に設定する。これにより、図５Ａに示すように、減少禁止期間（及び増加／減少禁止期間）は、第２リミッタ４２の下限（長周期下限値）が前回値に固定されるので、合成出力はΔｔ２前の前回値ＰＡ（Ｌ）よりも小さくならないように制御される。

図５Ｂは増加禁止期間において第２リミッタ４２に設定される上限（長周期上限値）及び下限（長周期下限値）と出力変化率の関係を示す図である。同図に示す例では、時刻Ｔ２１から時刻Ｔ２２が、電力需要が減少する時間帯（合成出力の増加が規制される時間帯）に対応しており増加禁止期間として設定されている。第１リミッタ４１は、出力変化率を前回値（Δｔ１前）から±１％以内に収めるように係数Ａ１，Ｂ１が計算され、第２リミッタ４２は、増加禁止期間（及び増加／減少禁止期間）以外では、出力変化率を前回値（Δｔ２前）から±２％以内に収めるように係数Ａ２，Ｂ２が制御される場合が例示されている。第２リミッタ４２の上限（長周期上限値）は、増加禁止期間（及び増加／減少禁止期間）では、合成出力の変化率が０になるように係数Ａ２が計算され（合成出力を前回値よりも大きくさせない制御）、第２リミッタ４２の下限（長周期下限値）は、増加禁止期間であっても、前回値（Δｔ２前）から−２％以内に収めるように係数Ｂ２が制御される。具体的には、第２サンプルホールド回路４４でサンプルホールドされているΔｔ２前の前回値ＰＡ（Ｌ）と今回の係数Ａ２にサンプルホールド期間Δｔ２を乗算した乗算値を加算した値（＝ＰＡ（Ｌ）＋Ａ２Δｔ２）を上限（長周期上限値）に設定するが、増加禁止期間（及び増加／減少禁止期間）は強制的に係数Ａ２＝０に設定する。これにより、図５Ｂに示すように、増加禁止期間（及び増加／減少禁止期間）は、第２リミッタ４２の上限（長周期上限値）が前回値に固定されるので、合成出力はΔｔ２前の前回値ＰＡ（Ｌ）よりも大きくならないように制御される。

図５Ｃは第２リミッタ４２に設定される上限（長周期上限値）及び下限（長周期下限値）と出力変化率の関係を示す図であり、同図に示す例では、時刻Ｔ３１から時刻Ｔ３２が、電力需要が大幅に上下変動（増加及び減少）する時間帯（合成出力の減少及び増加の双方が規制される時間帯）に対応しており増加／減少禁止期間として設定されている。第２リミッタ４２は、増加／減少禁止期間以外では、出力変化率を前回値（Δｔ２前）から±２％以内に収めるように係数Ａ２，Ｂ２が制御される場合が例示されている。第２リミッタ４２の下限（長周期下限値）及び上限（長周期上限値）は、図５Ａと図５Ｂと組み合わせた制御になっている。すなわち、増加／減少禁止期間では、第２リミッタ４２の下限（長周期下限値）が前回値に固定されるので、合成出力はΔｔ２前の前回値ＰＡ（Ｌ）よりも小さくならないように制御され、しかも第２リミッタ４２の上限（長周期上限値）が前回値に固定されるので、合成出力はΔｔ２前の前回値ＰＡ（Ｌ）よりも大きくならないように制御される。

なお、第１リミッタ４１では、第１サンプルホールド回路４３から前回の合成出力目標値ＰＡ（Ｓ）が与えられ、出力変化率を前回値（Δｔ１前）から±１％以内に収めるように係数Ａ１，Ｂ１が制御される場合が例示されている。

次に、図６及び図７を参照して、第１の実施の形態の電力安定化システムによる運転内容のシミュレーション結果について説明する。図６はシミュレーションで設定した各運転時間帯と出力変化率及び係数Ａ２，Ｂ２の対応関係を示している。時刻７時００分から時刻１０時００分の期間は減少禁止期間に設定され、時刻１１時３０分から時刻１３時３０分までの期間は増加／減少禁止期間に設定されている。また、時刻１６時００分から時刻１９時００分の期間は再び減少禁止期間に設定され、時刻２０時００分から時刻２３時００分までの期間は増加禁止期間に設定されている。長周期変動に対応した第２リミッタ４２では上記禁止期間以外の出力変化率は±２％以内に収めるように係数Ａ２，Ｂ２が制御される。

図７Ａは電力貯蔵装置１１の充電量ＥＳ及び貯蔵電力目標値ＥＣの推移を示し、図７Ｂは合成出力の出力変化率、第１リミッタ４１の上限及び下限の変化（一点鎖線）及び第２リミッタ４２の上限及び下限の変化（実線）を示す図であり、図７Ｃは風力発電機１６の出力ＰＧ（点線）、合成出力（太線）及び電力貯蔵装置１１の出力ＰＳ（細線）の変動を示す図である。本例では、電力需要の増減に対応して、減少禁止期間（７時００分から１０時００分、１６時００分から１９時００分）、増加禁止期間（２０時００分から２３時００分）、増加／減少禁止期間（１１時３０分から１３時３０分）がそれぞれ設定されている。

図７Ａに示すように、長周期変動制御実施時間帯の開始時刻（７時００分）よりも所定時間前に設定された長周期変動制御準備時間帯において、貯蔵電力目標値ＥＣが高い値になるように制御されている。これにより、長周期変動制御準備時間帯では、関数演算部３１の出力する貯蔵電力目標値ＥＣａが選択され、第１の関数に基づいて電力貯蔵装置１１の貯蔵電力を高めに補正（充電促進）する貯蔵電力目標値が生成される。その結果、長周期変動制御準備時間帯において短周期変動緩和制御の余力を確保し続けることを実施しつつ、かつ電力需要の増大が予測される長周期変動制御実施時間帯が開始する時刻において、電力貯蔵装置１１の電力貯蔵量が大きくなり、長周期変動制御実施時間帯での放電をより多く行うことができる。

図７Ｂに示すように、減少禁止期間、増加／減少禁止期間、増加禁止期間以外の時間帯では、合成出力変化率を±２％以内に収めるように第２リミッタ４２の上限（長周期上限）及び下限（長周期下限）が設定されている。そして、減少禁止期間（７時００分から１０時００分、１６時００分から１９時００分）及び増加／減少禁止期間（１１時３０分から１３時３０分）では、第２リミッタ４２の下限（長周期下限）が合成出力変化率＝０に設定されている。第２リミッタ４２では、減少禁止期間及び増加／減少禁止期間は強制的に係数Ｂ２＝０に設定され、第２リミッタ４２の下限（長周期下限値）が前回値に固定されることとなり、合成出力はΔｔ２前の前回値ＰＡ（Ｌ）よりも小さくならないように制御される。その結果、電力需要が増加する時間帯に、風力発電機１６と電力系統１５の連系点における合成出力が電力需要の増加方向と逆方向に変化することが防止される。

また、増加禁止期間（２０時００分から２３時００分）及び増加／減少禁止期間（１１時３０分から１３時３０分）では、第２リミッタ４２の上限（長周期上限）が合成出力変化率＝０に設定されている。第２リミッタ４２では、増加禁止期間及び増加／減少禁止期間は強制的に係数Ａ２＝０に設定され、第２リミッタ４２の上限（長周期上限値）が前回値に固定されることとなり、合成出力はΔｔ２前の前回値ＰＡ（Ｌ）よりも大きくならないように制御される。その結果、電力需要が減少する時間帯に、風力発電機１６と電力貯蔵装置１１の連系点における合成出力が電力需要の減少方向と逆方向に変化することが防止される。

図７Ｃに示すように、減少禁止期間では、第２リミッタ４２の下限が出力変化率を０にするように規制されるため、合成出力がフラットに推移しているか、あるいは合成出力が増加している。また、増加期間では、第２リミッタ４２の上限が出力変化率を０にするように規制されるため、合成出力がフラットに推移しているか、あるいは合成出力が減少している。また、増加／減少禁止期間では、第２リミッタ４２の上限及び下限が出力変化率を０にするように規制されるため、合成出力がフラットに推移している。この結果、減少禁止期間、増加期間及び増加／減少禁止期間では、風力発電機１６の出力ＰＧに左右されずに、出力変化率を制御するので、これらの期間では電力需要の増減方向と逆方向に合成出力が変動することを防止できる。

なお、上記第１の実施の形態において、制御装置１３は、長周期的変動を十分に抑制する作用効果を得るのであれば、長周期リミッタとなる第２リミッタ４２を備えていれば良く、短周期リミッタとなる第１リミッタ４１は長周期的変動の抑制には必須ではない。

また、上記第１の実施の形態では、貯蔵電力目標値演算部２３を時刻情報で切り替える構成としたが、補償電力補正演算部２４を時刻情報で切り替える構成としてもよい。補償電力補正演算部２４は、補正貯蔵電力量ＥＳ´を入力とし、補償電力補正信号ＰＣを出力とする減少関数となり、複数種類の減少関数を時刻情報で切り替える。

また、上記第１の実施の形態では、貯蔵電力目標値演算部２３及び補償電力補正演算部２４は動特性を持たない関数として説明したが、ＰＩ制御、ＰＤ制御、Ｉ制御など積分項や微分項を持つ関数あるいは１次遅れ系や２次遅れ系など周波数特性を持つ関数を、動特性を持たない関数に乗算または加算した関数としても良い。

また、上記第１の実施の形態では、貯蔵電力目標値演算部２３の入力を風力発電機１６の有効電力ＰＧとしたが、本発明を適用する発電所の発電量を把握する指標の一例であり、発電設備の有効電力の計測値、予測値、あるいは発電所の合成出力の計測値、予測値、制御目標値でも良い。

１０ 電力安定化システム
１１ 電力貯蔵装置
１２ 電力変換器
１３ 制御装置
１５ 電力系統
１６ 風力発電機
２１ 有効電力検出部
２２ 貯蔵電力量検出部
２３ 貯蔵電力目標値演算部
２４ 補償電力補正演算部
２５ 平滑化フィルタ
２６ リミッタ回路
２７ 電力変換器制御部
３１，３２，３３ 関数演算部
３４ スイッチ
３５ 時計
３６ 貯蔵電力量補正部
４１ 第１リミッタ
４２ 第２リミッタ
４３ 第１サンプルホールド回路
４４ 第２サンプルホールド回路

Claims (7)

1. 充放電を行う電力貯蔵装置と、前記電力貯蔵装置の充放電による電力の入出力を電力系統と前記電力貯蔵装置の間で相互に変換する電力変換器と、前記電力変換器の変換動作を制御し、前記電力系統に連系する変動電源と前記電力貯蔵装置との合成出力を平滑化する制御装置と、を備えた電力貯蔵装置を用いた電力安定化システムであり、
   前記制御装置は、前記変動電源の出力または合成出力に含まれる長周期的変動と長周期的変動に重畳する短周期的変動のうち長周期的変動に対して当該合成出力の変化率を所定幅に収める長周期リミッタを備え、前記長周期リミッタの上限及び又は下限が前記合成出力の減少及び又は増加を禁止するレベルに制御される時間帯を含むことを特徴とする電力貯蔵装置を用いた電力安定化システム。
2. 前記長周期リミッタは、前記合成出力の減少禁止期間には今回の合成出力を前回の合成出力から下回らせない下限が設定され、及び又は、前記合成出力の増加禁止期間には今回の合成出力を前回の合成出力から上回らせない上限が設定されることを特徴とする請求項１記載の電力貯蔵装置を用いた電力安定化システム。
3. 前記長周期リミッタは、電力需要の増加が予測される時間帯が前記減少禁止期間に設定され、電力需要の減少が予測される時間帯が前記増加禁止期間に設定されることを特徴とする請求項２記載の電力貯蔵装置を用いた電力安定化システム。
4. 前記制御装置は、前記合成出力を平滑化するための合成出力目標値、或いは前記合成出力を、前記合成出力の長周期的変動を評価するサンプル時間Δｔだけサンプルホールドするサンプルホールド回路を備え、サンプルホールドした合成出力目標値、或いはサンプルホールドした合成出力値に、前記合成出力の変化率を所定幅に収める係数Ａをサンプル時間Δｔに乗算した乗算値を加算した値が前記長周期リミッタの上限として与えられ、サンプルホールドした合成出力目標値、或いはサンプルホールドした合成出力値に、前記合成出力の変化率を所定幅に収める係数Ｂをサンプル時間Δｔに乗算した乗算値を加算した値が前記長周期リミッタの下限として与えられ、前記合成出力の減少及び又は増加を禁止する前記特定時間帯は前記係数Ａ及び又は前記係数Ｂを０にすることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電力貯蔵装置を用いた電力安定化システム。
5. 前記制御装置は、前記変動電源の有効電力、或いは前記合成出力、或いは合成出力目標値に応じた前記電力貯蔵装置の貯蔵電力目標値を演算する貯蔵電力目標演算部を備え、
   前記貯蔵電力目標演算部は、前記変動電源の有効電力、或いは前記合成出力、或いは合成出力目標値の入力に対して異なる貯蔵電力目標値を出力する複数の関数が設定されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電力貯蔵装置を用いた電力安定化システム。
6. 前記貯蔵電力目標演算部は、長周期的変動に対して準備する時間帯において前記電力貯蔵装置の充電を促進する関数である第１の関数、長周期的変動に対して準備する他の時間帯において前記電力貯蔵装置の放電を促進する関数である第２の関数、長周期的変動に対して準備する時間帯以外の時間帯に対応した第３の関数のうち、少なくとも第３の関数と第１の関数及び又は第２の関数を有し、前記貯蔵電力目標値の演算に用いる関数を時間帯に応じて変更することを特徴とする請求項５記載の電力貯蔵装置を用いた電力安定化システム。
7. 電力貯蔵装置を用いた電力安定化システムにおいて、前記電力貯蔵装置の充放電による電力の入出力を電力系統と前記電力貯蔵装置の間で相互に変換する電力変換器を制御して、前記電力系統に連系する変動電源と前記電力貯蔵装置との合成出力を平滑化する制御装置であって、
   前記変動電源の出力または合成出力に含まれる長周期的変動と長周期的変動に重畳する短周期的変動のうち長周期的変動に対して当該合成出力の変化率を所定幅に収める長周期リミッタを備え、前記長周期リミッタの上限及び又は下限が前記合成出力の減少及び又は増加を禁止するレベルに制御される時間帯を含むことを特徴とする制御装置。
   
   

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