JP6032365B2 - 電力安定化システムおよび制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力安定化システムおよび制御装置に関する。

近年、風力や太陽光などの自然エネルギーを利用した風力発電機や太陽電池などの分散型電源の商用電力系統への連系が増加している。しかしながら、自然エネルギーを利用した分散型電源は、風速や天候などの自然条件に応じて時々刻々と出力が変動するため、特に僻地や離島などの弱い電力系統では系統周波数の変動が生じ、系統運用上の問題となる場合がある。また、強い電力系統においても、自然エネルギーの導入量が増加するにつれて、分散型電源の出力変動により、系統周波数の大きな変動が生じる可能性が懸念される。

上記のような自然エネルギーによる系統周波数の変動に対しては、例えば回転機を増設して、ガバナフリー制御による周波数調整容量を増加させることによって、周波数変動を抑制することができる。しかしながら、この場合には、ガバナフリー制御により、周波数調整のために定格出力を下回る出力で発電機を運転する分だけ、発電効率が低下する。また、その分だけ、自然エネルギーの導入による二酸化炭素排出量の削減効果は相殺されることとなる。

そこで、例えば特許文献１では、二次電池などの電力貯蔵システムを用いて電力の吸収または放出を行うことにより、発電出力の変動分を補償する制御装置が開示されている。例えば、分散型電源（風力発電機や太陽電池など）の発電出力が増加した場合には、電力貯蔵システムによる電力の放出を減少させる、または電力の吸収を増大させることにより、電力系統への連系点における周波数変動を抑制することができる。一方、分散型電源の発電出力が減少した場合には、電力貯蔵システムによる電力の吸収を減少させる、または電力の放出を増大させることにより、電力系統への連系点における周波数変動を抑制することができる。

特開平１１−２６２１８６号公報

特許文献１の電力貯蔵システムの制御装置では、電流センサおよび電圧センサを用いて風力発電機の出力電力を検出し、その変動分に応じて補償量を求めている。しかしながら、このように１箇所の分散型電源による電力潮流の変動に応じて補償量を求めた場合、系統周波数が目標範囲を逸脱してしまう可能性がある。例えば、ある分散型電源の出力変動により、制御装置で検出される電力潮流が変化しても、別の場所にある分散型電源の出力変動によっては、系統周波数がほとんど変化しない場合もある。この場合に、制御装置が検出した電力潮流の変動に応じて補償量を求めると、実際には不要な補償が行われ、それにより系統周波数が目標範囲を逸脱する場合もあり得る。

前述した課題を解決する主たる本発明は、交流電力系統の有効電力変動を抑制する電力安定化システムであって、電力を貯蔵し、前記交流電力系統との間で電力の吸収または放出を行う電力貯蔵装置と、前記交流電力系統と前記電力貯蔵装置との間で吸収または放出される電力を相互に変換する電力変換器と、前記交流電力系統の有効電力変動に応じて前記電力変換器を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記交流電力系統の系統周波数を周波数計測値として検出する周波数検出部と、前記交流電力系統の電力潮流を電力潮流計測値として検出する電力潮流検出部と、前記周波数計測値に基づいて、前記系統周波数の変動を補償する電力量を周波数補償量として求める周波数制御部と、前記電力潮流計測値および前記周波数補償量に基づいて、前記電力潮流の変動を補償する電力量を電力潮流補償量として求める電力潮流制御部と、前記周波数補償量および前記電力潮流補償量に応じて前記電力変換器を制御する電力変換器制御部と、を有することを特徴とする電力安定化システムである。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、電力潮流の変動に応じた不要な補償制御を抑制し、系統周波数の目標範囲からの逸脱を防止することができる。

本発明の第１ないし第３実施形態における制御装置を備えた電力安定化システムの構成を示すブロック図である。 交流電力系統および電力安定化システムの具体的な接続状態の一例を示すブロック図である。 本発明の第１ないし第３実施形態における制御装置の構成の概略を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における制御装置の構成を示すブロック図である。 周波数制御部および電力潮流制御部がそれぞれ独立して周波数補償量および電力潮流補償量を求める制御装置の構成を示すブロック図である。 図５に示した制御装置による周波数変動の抑制動作の一例を示す模式図である。 図５に示した制御装置による周波数変動の抑制動作の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における制御装置による周波数変動の抑制動作の一例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態における制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態における上下限設定部の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態における制御装置による周波数変動の抑制動作の一例を示す模式図である。 本発明の第３実施形態における制御装置による周波数変動の抑制動作の一例を示す模式図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝電力安定化システムの構成＝＝＝
以下、図１ないし図３を参照して、後述する第１ないし第３実施形態における制御装置を備えた電力安定化システムの構成について説明する。なお、図１ないし図３においては、電力線を実線で示し、信号線を破線で示している。

図１に示されている電力安定化システム１は、交流電力系統９の有効電力変動、特に系統周波数の変動を抑制するためのシステムである。交流電力系統９には、自然エネルギーを利用した分散型電源として、例えば太陽光発電所５に設置された太陽電池モジュール５０、および風力発電所６に設置された風力発電機６０がそれぞれ電力変換器５１および６１を介して連系されている。また、交流電力系統９には、その他の発電所７の発電機（不図示）も連系されている。ここで、その他の発電所７としては、風速や天候などの自然条件による出力変動を伴わない火力発電所や原子力発電所、水力発電所などを含み得る。さらに、交流電力系統９には、需要家負荷８が接続されている。

電力安定化システム１は、制御装置１０、計器用変圧器１５、電力貯蔵装置２０、および電力変換器２１を含んで構成されている。

電力貯蔵装置２０は、電力変換器２１を介して交流電力系統９に連系されている。ここで、電力貯蔵装置２０は、例えばフライホイール発電電動機や二次電池など、種類は問わず、電力を貯蔵し、交流電力系統９との間で電力の吸収または放出を行う能力を有していればよい。また、電力変換器２１は、交流電力系統９と電力貯蔵装置２０との間で吸収／放出される電力を相互に変換する機能を有している。

制御装置１０は、計器用変圧器１５を介して交流電力系統９に接続されている。また、制御装置１０には、交流電力系統９の状態を示す系統情報が入力されている。そして、制御装置１０は、計器用変圧器１５により得られた、または系統情報として得られた交流電力系統９の状態に応じて、交流電力系統９の有効電力変動（系統周波数の変動）を抑制すべく電力変換器２１を制御する。

図２は、交流電力系統９および電力安定化システム１の具体的な接続状態の一例を示している。

図２においては、自然エネルギーを利用した分散型電源の一例として太陽電池モジュール５０ａおよび５０ｂが示されている。太陽電池モジュール５０ａは、電力変換器５１ａおよび（電力用）変圧器５２ａを介して交流電力系統９に連系され、太陽電池モジュール５０ｂは、電力変換器５１ｂおよび変圧器５２ｂを介して交流電力系統９に連系されている。また、その他の発電所７の発電機の一例として、複数の小容量ディーゼル発電機からなるディーゼル発電機群７０ａおよび７０ｂが示されている。ディーゼル発電機群７０ａは、変圧器７２ａを介して交流電力系統９に連系され、ディーゼル発電機群７０ｂは、変圧器７２ｂを介して交流電力系統９に連系されている。さらに、需要家負荷８ａは、変圧器８２ａを介して交流電力系統９に接続され、需要家負荷８ｂは、変圧器８２ｂを介して交流電力系統９に接続されている。

図２においては、電力貯蔵装置２０の一例として蓄電池が示され、当該蓄電池２０は、電力変換器２１および変圧器２２を介して交流電力系統９に連系されている。また、制御装置１０には、太陽電池モジュール５０ａ、ディーゼル発電機群７０ａ、および需要家負荷８ａに近いノードの電力潮流ＰＬ１を検出するため、系統情報の一例として、各ノードの電圧・電流データまたは電力潮流データが入力されている。なお、制御装置１０には、太陽電池モジュール５０ｂ、ディーゼル発電機群７０ｂ、および需要家負荷８ｂに近いノードの電力潮流ＰＬ２を検出するための電圧・電流データや電力潮流データは入力されていない。

図３は、制御装置１０の構成の概略を示している。図３に示されている制御装置１０は、周波数検出部１１１、周波数制御部１１３、電力潮流検出部１２１、電力潮流制御部１２３、指令値生成部１３４、および電力変換器制御部１３５を含んで構成されている。

周波数検出部１１１は、計器用変圧器１５を介して交流電力系統９に接続されている。そして、周波数検出部１１１は、計器用変圧器１５により得られる交流電力系統９の電圧波形に基づいて、交流電力系統９の系統周波数を周波数計測値ｆ１として検出する。また、周波数制御部１１３には、周波数目標値ｆ０と周波数計測値ｆ１との周波数偏差Δｆが入力されている。そして、周波数制御部１１３からは、系統周波数の変動を補償する電力量に相当する周波数補償量Ｗｆが出力されている。

電力潮流検出部１２１には、交流電力系統９の系統情報が入力されている。そして、電力潮流検出部１２１は、入力される系統情報に基づいて、交流電力系統９の電力潮流を電力潮流計測値ＰＬ１として検出する。例えば、系統情報として各ノードの電圧・電流データが入力され、これらのデータから電圧値，位相角や、さらに有効電力，無効電力などを求める。なお、電力潮流検出部１２１には、各ノードの電力潮流データが直接入力されてもよい。また、電力潮流制御部１２３には、電力潮流計測値ＰＬ１、または、電力潮流目標値ＰＬ０と電力潮流計測値ＰＬ１との電力潮流偏差Δｐが入力されている。さらに、電力潮流制御部１２３には、周波数補償量Ｗｆも入力されている。そして、電力潮流制御部１２３からは、電力潮流の変動を補償する電力量に相当する電力潮流補償量Ｗｐが出力されている。

指令値生成部１３４には、周波数補償量Ｗｆおよび電力潮流補償量Ｗｐが入力されている。また、指令値生成部１３４から電力変換器制御部１３５には、制御指令値Ｗ０が入力されている。そして、電力変換器制御部１３５からは、電力変換器２１の制御信号Ｃ０が出力されている。

＜第１実施形態＞
＝＝＝制御装置の構成＝＝＝
以下、図４を参照して、第１の実施形態における制御装置の構成について説明する。

図４において、９１は、制御指令値Ｗ０を操作量、電力潮流ＰＬ１を制御量とする制御対象（プラント）を示し、この伝達関数をＰ１とすると、

のように、一次遅れ要素で表すことができる。ここで、ｓはラプラス変換子であり、Ｔ₁は時定数である。なお、制御指令値Ｗ０には、加算器９３において電力潮流ＰＬ１の変動分が外乱ｄ１として加算され、その加算結果が制御対象９１に入力されている。

図４において、９２は、電力潮流ＰＬ１を操作量、系統周波数ｆ１を制御量とする制御対象を示し、この伝達関数をＰ２とすると、

のように、積分要素で表すことができる。ここで、Ｍは発電機の単位慣性定数である。なお、電力潮流ＰＬ１には、加算器９４において電力潮流ＰＬ２の変動分が外乱ｄ２として加算され、その加算結果が制御対象９２に入力されている。

図４に示されている制御装置１０ａは、周波数検出部１１１、加算器１１２、周波数制御部１１３、電力潮流検出部１２１、電力潮流制御部１２３、および指令値生成部１３４を含んで構成されている。なお、図４においては、図３に示した指令値生成部１３４は加算器として構成され、電力変換器制御部１３５は省略されている。

加算器１１２には、周波数目標値ｆ０と、周波数検出部１１１によって検出された周波数計測値ｆ１とが入力されている。また、加算器１１２から周波数制御部１１３には、周波数偏差Δｆ（＝ｆ０−ｆ１）が入力されている。そして、周波数制御部１１３からは、周波数補償量Ｗｆが出力されている。

電力潮流制御部１２３は、電力潮流モデル部１２３１、加算器１２３２、および第１の比例ゲイン１２３３を含んで構成されている。ここで、第１の比例ゲイン１２３３の値をＬ１とする。なお、電力潮流モデル部１２３１は、周波数補償量Ｗｆによる電力潮流ＰＬ１の変化をモデル化したものであり、制御対象９１に対するノミナルプラントに相当する。したがって、この伝達関数をＰ１_nとすると、

のように、制御対象９１の伝達関数Ｐ１と同様に、一次遅れ要素で表される。

電力潮流モデル部１２３１には、周波数補償量Ｗｆが入力され、電力潮流モデル部１２３１からは、電力潮流推定値ＰＬｅが出力されている。また、加算器１２３２には、電力潮流推定値ＰＬｅと、電力潮流検出部１２１によって検出された電力潮流計測値ＰＬ１とが入力されている。さらに、加算器１２３２から第１の比例ゲイン１２３３には、電力潮流推定値ＰＬｅと電力潮流計測値ＰＬ１との差Δｐ’（＝ＰＬｅ−ＰＬ１）が入力されている。そして、第１の比例ゲイン１２３３からは、電力潮流補償量Ｗｐが出力されている。

指令値生成部（加算器）１３４には、周波数補償量Ｗｆおよび電力潮流補償量Ｗｐが入力されている。そして、指令値生成部１３４からは、制御指令値Ｗ０（＝Ｗｆ＋Ｗｐ）が出力されている。

＝＝＝制御装置の動作＝＝＝
次に、本実施形態における制御装置の動作について説明する。

周波数制御部１１３は、周波数偏差Δｆに基づいて周波数補償量Ｗｆを求める。例えば、周波数制御部１１３は、ＰＩ（Proportional-Integral：比例・積分）制御器として構成することができる。また、例えば、周波数制御部１１３は、ハイパスフィルタなどにより周波数偏差Δｆから系統周波数の変動成分を抽出し、当該抽出した変動成分に比例ゲインを乗算し、位相補償（位相進み補償や位相遅れ補償）などを行って、周波数補償量Ｗｆを求めてもよい。周波数制御部１１３の伝達関数をＫとすると、周波数制御部１１３から出力される周波数補償量Ｗｆは、

と表される。

電力潮流制御部１２３は、電力潮流計測値ＰＬ１および周波数補償量Ｗｆに基づいて電力潮流補償量Ｗｐを求める。具体的には、まず、電力潮流モデル部１２３１は、周波数補償量Ｗｆに基づいて、当該周波数補償量Ｗｆに応じた電力変換器の制御による電力潮流の変化を電力潮流推定値ＰＬｅとして推定する。そして、電力潮流推定値ＰＬｅと電力潮流計測値ＰＬ１との差Δｐ’に第１の比例ゲインＬ１を乗算して、電力潮流補償量Ｗｐを求める。したがって、電力潮流制御部１２３から出力される電力潮流補償量Ｗｐは、

と表される。

指令値生成部１３４は、周波数補償量Ｗｆと電力潮流補償量Ｗｐとを加算して制御指令値Ｗ０を求める。そして、図３に示した電力変換器制御部１３５は、制御指令値Ｗ０に応じて制御信号Ｃ０を出力し、電力変換器２１の電力変換動作を制御する。

＝＝＝周波数変動の抑制動作の具体例＝＝＝
以下、図５ないし図８を適宜参照して、本実施形態における制御装置による周波数変動の抑制動作の具体例について説明する。

まず、比較例として、周波数補償量Ｗｆが電力潮流制御部に入力されず、周波数制御部および電力潮流制御部がそれぞれ独立して周波数補償量および電力潮流補償量を求める制御装置の構成を図５に示す。図５に示されている制御装置１０ｄは、本実施形態の制御装置１０ａに対して、電力潮流制御部１２３の代わりに電力潮流制御部１５３を含み、加算器１２２をさらに含んで構成されている。また、電力潮流制御部１５３は、ハイパスフィルタ１５３１および第４の比例ゲイン１５３２を含んで構成されている。ここで、第４の比例ゲイン１５３２の値をＬ４とする。

加算器１２２には、電力潮流目標値ＰＬ０と電力潮流計測値ＰＬ１とが入力され、加算器１２２からは、電力潮流偏差Δｐ（＝ＰＬ０−ＰＬ１）が出力されている。そして、電力潮流制御部１５３は、ハイパスフィルタ１５３１により電力潮流偏差Δｐから電力潮流の変動成分Δｐ”を抽出し、当該抽出した変動成分Δｐ”に第４の比例ゲインＬ４を乗算して、電力潮流補償量Ｗｐを求める。ハイパスフィルタ１５３１の伝達関数をＨとすると、

と表され、電力潮流制御部１５３から出力される電力潮流補償量Ｗｐは、

と表される。

ここで、図５に示した制御装置１０ｄによる周波数変動の抑制動作の一例を図６に示す。図６においては、一例として、図２に示した交流電力系統９において、時刻ｔ１〜ｔ２の期間に、ディーゼル発電機群７０ａおよび７０ｂのうち稼動している発電機の合計容量に対して６％の出力変動が太陽電池モジュール５０ａにより生じた場合を示している（太陽光発電出力１を参照）。この場合において、図５に示した制御装置１０ｄから出力される制御指令値Ｗ０に応じて電力変換器２１を制御すると、例えば図６に示すように、蓄電池２０による充放電（電力の吸収／放出）が行われ、周波数変動を目標範囲内に収めることができる。

これに対して、図７は、太陽電池モジュール５０ｂにおいて、太陽電池モジュール５０ａの出力変動とは逆極性の出力変動が生じた場合を示している（太陽光発電出力２を参照）。この場合において、制御装置１０ｄによる補償制御がなければ、太陽電池モジュール５０ａおよび５０ｂの出力変動は互いに打ち消し合い、系統周波数は変化しない。

しかしながら、制御装置１０ｄは、太陽電池モジュール５０ａに近いノードの電力潮流計測値ＰＬ１に基づいて電力潮流補償量Ｗｐを求め、これにより、太陽電池モジュール５０ａの出力変動を抑制すべく蓄電池２０に充電動作をさせ、系統周波数を低下させる。その後、制御装置１０ｄは、低下した周波数計測値ｆ１に基づいて周波数補償量Ｗｆを求め、これにより、蓄電池２０に放電動作をさせて系統周波数を上昇させるものの、系統周波数が一時的に目標範囲を逸脱してしまう
本実施形態の制御装置１０ａでは、電力潮流制御部１２３は、周波数制御部１１３から入力される周波数補償量Ｗｆに基づいて電力潮流推定値ＰＬｅを推定し、電力潮流推定値ＰＬｅと電力潮流計測値ＰＬ１との差Δｐ’に第１の比例ゲインＬ１を乗算して電力潮流補償量Ｗｐを求めている。そして、周波数補償量Ｗｆと電力潮流補償量Ｗｐとを加算した制御指令値Ｗ０に応じて電力変換器２１を制御する。これにより、例えば図８に示すように、太陽電池モジュール５０ａおよび５０ｂにおいて互いに打ち消し合う逆極性の出力変動が生じた場合であっても、不要な補償制御を抑制し、周波数変動を目標範囲内に収めることができる。

＜第２実施形態＞
＝＝＝制御装置の構成＝＝＝
以下、図９を参照して、第２の実施形態における制御装置の構成について説明する。

図９に示されている制御装置１０ｂは、第１実施形態の制御装置１０ａに対して、外乱フィードバック部１４３および加算器１４４をさらに含んで構成されている。また、外乱フィードバック部１４３は、系統周波数モデル部１４３１、１４３２、加算器１４３３、および第２の比例ゲイン１４３４を含んで構成されている。ここで、第２の比例ゲイン１４３４の値をＬ２とする。なお、系統周波数モデル部１４３１および１４３２は、周波数補償量Ｗｆによる系統周波数ｆ１の変化をモデル化したものであり、それぞれ制御対象９１および９２に対するノミナルプラントに相当する。したがって、系統周波数モデル部１４３１の伝達関数は、電力潮流モデル部１２３１の伝達関数Ｐ１_nと同じであり、系統周波数モデル部１４３２の伝達関数をＰ２_nとすると、

のように、制御対象９２の伝達関数Ｐ２と同様に、積分要素で表される。

系統周波数モデル部１４３１および１４３２は、直列に接続され、系統周波数モデル部１４３１には、周波数補償量Ｗｆが入力され、系統周波数モデル部１４３２からは、周波数推定値ｆｅが出力されている。また、加算器１４３３には、周波数推定値ｆｅと周波数計測値ｆ１とが入力されている。さらに、加算器１４３３から第２の比例ゲイン１４３４には、周波数推定値ｆｅと周波数計測値ｆ１との差Δｆ’（＝ｆｅ−ｆ１）が入力されている。そして、第２の比例ゲイン１４３４からは、周波数外乱補償量Ｗｄが出力されている。

加算器１４４には、周波数補償量Ｗｆおよび周波数外乱補償量Ｗｄが入力されている。また、加算器１３４には、加算器１４４の出力値と電力潮流補償量Ｗｐとが入力されている。そして、加算器１３４からは、制御指令値Ｗ０（＝Ｗｆ＋Ｗｐ＋Ｗｄ）が出力されている。なお、本実施形態では、加算器１３４および１４４が指令値生成部に相当する。

＝＝＝制御装置の動作＝＝＝
次に、本実施形態における制御装置の動作について説明する。

外乱フィードバック部１４３は、周波数計測値ｆ１および周波数補償量Ｗｆに基づいて周波数外乱補償量Ｗｄを求める。具体的には、まず、系統周波数モデル部１４３１および１４３２は、周波数補償量Ｗｆに基づいて、当該周波数補償量Ｗｆに応じた電力変換器の制御による系統周波数の変化を周波数推定値ｆｅとして推定する。そして、周波数推定値ｆｅと周波数計測値ｆ１との差Δｆ’に第２の比例ゲインＬ２を乗算して、周波数外乱補償量Ｗｄを求める。したがって、外乱フィードバック部１４３から出力される周波数外乱補償量Ｗｄは、

と表される。

指令値生成部（加算器１３４および１４４）は、周波数補償量Ｗｆと電力潮流補償量Ｗｐと周波数外乱補償量Ｗｄとを加算して制御指令値Ｗ０を求める。図３に示した電力変換器制御部１３５は、制御指令値Ｗ０に応じて制御信号Ｃ０を出力し、電力変換器２１の電力変換動作を制御する。

本実施形態の制御装置１０ｂでは、外乱フィードバック部１４３は、周波数制御部１１３から入力される周波数補償量Ｗｆに基づいて周波数推定値ｆｅを推定し、周波数推定値ｆｅと周波数計測値ｆ１との差Δｆ’に第２の比例ゲインＬ２を乗算して周波数外乱補償量Ｗｄを求めている。そして、周波数補償量Ｗｆと電力潮流補償量Ｗｐと周波数外乱補償量Ｗｄとを加算した制御指令値Ｗ０に応じて電力変換器２１を制御する。これにより、例えば図８に示したように、太陽電池モジュール５０ａおよび５０ｂにおいて互いに打ち消し合う逆極性の出力変動が生じた場合であっても、不要な補償制御を抑制し、周波数変動を目標範囲内に収めることができる。

＜第３実施形態＞
＝＝＝制御装置の構成＝＝＝
以下、図１０および図１１を参照して、第３の実施形態における制御装置の構成について説明する。

図１０に示されている制御装置１０ｃは、第１実施形態の制御装置１０ａに対して、電力潮流制御部１２３の代わりに電力潮流制御部１３３を含み、加算器１２２および上下限設定部１３２をさらに含んで構成されている。また、電力潮流制御部１３３は、ハイパスフィルタ１３３１、加算器１３３２、リミッタ部１３３３、および第３の比例ゲイン１３３４を含んで構成されている。ここで、第３の比例ゲイン１３３４の値をＬ３とする。

加算器１２２からハイパスフィルタ１３３１には、電力潮流偏差Δｐが入力され、ハイパスフィルタ１３３１からは、電力潮流の変動成分Δｐ”が出力されている。また、加算器１３３２には、電力潮流の変動成分Δｐ”と周波数補償量Ｗｆとが入力されている。さらに、加算器１３３２からリミッタ部１３３３には、電力潮流の変動成分Δｐ”と周波数補償量Ｗｆとの差が入力されている。そして、第３の比例ゲイン１３３４には、リミッタ部１３３３の出力値が入力され、第３の比例ゲイン１３３４からは、電力潮流補償量Ｗｐが出力されている。

図１１は、本実施形態における上下限設定部１３２の構成を示している。図１１に示されている上下限設定部１３２は、ハイパスフィルタ１３２１、判定部１３２２、１３２５、選択部１３２３、１３２６、および一次遅れ要素１３２４、１３２７を含んで構成されている。なお、上下限設定部１３２のうち、判定部１３２２、選択部１３２３、および一次遅れ要素１３２４が上限値設定部に相当し、判定部１３２５、選択部１３２６、および一次遅れ要素１３２７が下限値設定部に相当する。

ハイパスフィルタ１３２１には、周波数偏差Δｆが入力されている。そして、ハイパスフィルタ１３２１から出力される系統周波数の変動成分Δｆ”は、判定部１３２２および１３２５に入力されている。

選択部１３２３および１３２６は、２入力１出力のマルチプレクサとして構成されている。選択部１３２３の選択制御入力には、判定部１３２２の出力値が入力され、判定部１３２２の出力値が１の場合に対応するデータ入力には、上限設定値ＭＡＸが入力され、判定部１３２２の出力値が０の場合に対応するデータ入力には、値「０」が入力されている。一方、選択部１３２６の選択制御入力には、判定部１３２５の出力値が入力され、判定部１３２５の出力値が１の場合に対応するデータ入力には、下限設定値ＭＩＮが入力され、判定部１３２５の出力値が０の場合に対応するデータ入力には、値「０」が入力されている。

一次遅れ要素１３２４には、選択部１３２３の出力値が入力され、一次遅れ要素１３２４からは、上限値Ｐｍａｘが出力されている。一方、一次遅れ要素１３２７には、選択部１３２６の出力値が入力され、一次遅れ要素１３２７からは、下限値Ｐｍｉｎが出力されている。

＝＝＝制御装置の動作＝＝＝
次に、本実施形態における制御装置の動作について説明する。

電力潮流制御部１３３は、電力潮流偏差Δｐおよび周波数補償量Ｗｆに基づいて電力潮流補償量Ｗｐを求める。具体的には、電力潮流制御部１３３は、まず、ハイパスフィルタ１３３１により電力潮流偏差Δｐから電力潮流の変動成分Δｐ”を抽出する。そして、当該抽出した変動成分Δｐ”と周波数補償量Ｗｆとの差（Δｐ”−Ｗｆ）を、リミッタ部１３３３により上限値Ｐｍａｘまたは下限値Ｐｍｉｎで制限し、第３の比例ゲインＬ３を乗算して、電力潮流補償量Ｗｐを求める。

ここで、上下限設定部１３２は、ハイパスフィルタ１３２１により周波数偏差Δｆから系統周波数の変動成分Δｆ”を抽出し、当該抽出した変動成分Δｆ”の大きさに応じて、リミッタ部１３３３の上限値Ｐｍａｘおよび下限値Ｐｍｉｎを切り替える。

具体的には、判定部１３２２は、変動成分Δｆ”が所定の第１閾値Ａｓｅｔ（＜０）以下となった場合に値「１」の出力を開始し、これにより、リミッタ部１３３３から上限値Ｐｍａｘ（＝ＭＡＸ）で制限された出力値の出力が開始される。また、当該リミッタ部１３３３からの出力が開始された後、変動成分Δｆ”が所定の第３閾値Ａｒｓｔ（＞Ａｓｅｔ）以上となると、判定部１３２２は、値「０」の出力を開始して上限値Ｐｍａｘ＝０とすることにより、リミッタ部１３３３の出力を停止する。ここで、一例として、第３閾値Ａｒｓｔ＝０とする。そして、判定部１３２２は、Ａｓｅｔ＜Δｆ”＜Ａｒｓｔの間、出力の状態を保持する。なお、一次遅れ要素１３２４は、上限値Ｐｍａｘの切り替え時における、値「０」から上限設定値ＭＡＸへの変化、または上限設定値ＭＡＸから値「０」への変化を緩やかにする。

一方、判定部１３２５は、変動成分Δｆ”が所定の第２閾値Ｂｓｅｔ（＞０）以上となった場合に値「１」の出力を開始し、これにより、リミッタ部１３３３から下限値Ｐｍｉｎ（＝ＭＩＮ）で制限された出力値の出力が開始される。また、当該リミッタ部１３３３からの出力が開始された後、変動成分Δｆ”が所定の第４閾値Ｂｒｓｔ（＜Ｂｓｅｔ）以下となると、判定部１３２５は、値「０」の出力を開始して下限値Ｐｍｉｎ＝０とすることにより、リミッタ部１３３３の出力を停止する。ここで、一例として、第４閾値Ｂｒｓｔ＝０とする。そして、判定部１３２５は、Ｂｒｓｔ＜Δｆ”＜Ｂｓｅｔの間、出力の状態を保持する。なお、一次遅れ要素１３２７は、下限値Ｐｍｉｎの切り替え時における、値「０」から下限設定値ＭＩＮへの変化、または下限設定値ＭＩＮから値「０」への変化を緩やかにする。

本実施形態の制御装置１０ｃでは、電力潮流制御部１３３は、電力潮流偏差Δｐから電力潮流の変動成分Δｐ”を抽出し、上下限設定部１３２は、周波数偏差Δｆから系統周波数の変動成分Δｆ”を抽出している。また、変動成分Δｆ”の絶対値がある程度大きい場合にのみ、リミッタ部１３３３からの出力を開始し、その出力値に第３の比例ゲインＬ３を乗算して電力潮流補償量Ｗｐを求めている。そして、周波数補償量Ｗｆと電力潮流補償量Ｗｐとを加算した制御指令値Ｗ０に応じて電力変換器２１を制御する。

これにより、例えば図１２に示すように、太陽電池モジュール５０ａおよび５０ｂにおいて互いに打ち消し合う逆極性の出力変動が生じた場合には、系統周波数が変化せず、変動成分Δｆ”＝０となるため、Ｐｍａｘ＝Ｐｍｉｎ＝０となり、電力潮流補償量Ｗｐは０となる。したがって、変動成分Δｐ”に応じた不要な補償制御が抑制され、系統周波数の目標範囲からの逸脱を防止することができる。なお、この場合、周波数補償量Ｗｆも０となっている。一方、例えば図１３に示すように、太陽電池モジュール５０ａだけで出力変動が生じた場合には、電力潮流制御部１３３から変動成分Δｐ”と周波数補償量Ｗｆとの差に応じた電力潮流補償量Ｗｐが出力され、周波数変動を目標範囲内に収めることができる。

前述したように、図３に示した制御装置１０を備えた電力安定化システムにおいて、周波数計測値ｆ１（周波数偏差Δｆ）に基づいて、交流電力系統９の系統周波数の変動を補償する電力量に相当する周波数補償量Ｗｆを求め、電力潮流計測値ＰＬ１（電力潮流偏差Δｐ）および周波数補償量Ｗｆに基づいて、電力潮流の変動を補償する電力量に相当する電力潮流補償量Ｗｐを求め、これらを加算した制御指令値Ｗ０に応じて、電力変換器２１による交流電力系統９と電力貯蔵装置２０との間での電力変換動作を制御することによって、電力潮流の変動に応じた不要な補償制御を抑制し、系統周波数の目標範囲からの逸脱を防止することができる。

また、図４に示した制御装置１０ａを備えた電力安定化システムにおいて、周波数補償量Ｗｆに応じた電力変換器の制御による電力潮流の変化を電力潮流推定値ＰＬｅとして推定し、電力潮流推定値ＰＬｅと電力潮流計測値ＰＬ１との差Δｐ’に第１の比例ゲインＬ１を乗算して電力潮流補償量Ｗｐを求めることによって、複数の分散型電源において互いに打ち消し合う逆極性の出力変動が生じた場合であっても、周波数変動を目標範囲内に収めることができる。

また、図９に示した制御装置１０ｂを備えた電力安定化システムにおいて、周波数補償量Ｗｆに応じた電力変換器の制御による系統周波数の変化を周波数推定値ｆｅとして推定し、周波数推定値ｆｅと周波数計測値ｆ１との差Δｆ’に第２の比例ゲインＬ２を乗算して周波数外乱補償量Ｗｄをさらに求めることによって、周波数補償量Ｗｆと電力潮流補償量Ｗｐと周波数外乱補償量Ｗｄとを加算した制御指令値Ｗ０に応じて、電力変換器２１の電力変換動作を制御し、複数の分散型電源において互いに打ち消し合う逆極性の出力変動が生じた場合であっても、周波数変動を目標範囲内に収めることができる。

また、図１０に示した制御装置１０ｃを備えた電力安定化システムにおいて、系統周波数の変動成分Δｆ”を抽出し、Δｆ”≦Ａｓｅｔ（＜０）となった場合に、リミッタ部１３３３から上限値Ｐｍａｘ（＝ＭＡＸ）で制限された出力値の出力を開始し、Δｆ”≧Ａｓｅｔ（＞０）となった場合に、リミッタ部１３３３から下限値Ｐｍｉｎ（＝ＭＩＮ）で制限された出力値の出力を開始し、その出力値に第３の比例ゲインＬ３を乗算して電力潮流補償量Ｗｐを求めることによって、変動成分Δｆ”の絶対値がある程度大きい場合にのみ電力潮流補償量Ｗｐを出力して、電力潮流の変動成分Δｐ”に応じた不要な補償制御を抑制し、系統周波数の目標範囲からの逸脱を防止することができる。

さらに、リミッタ部１３３３からの出力が開始された後、Δｆ”≧Ａｒｓｔ（＞Ａｓｅｔ）またはΔｆ”≦Ｂｒｓｔ（＜Ｂｓｅｔ）となった場合に、リミッタ部１３３３の出力を停止することによって、変動成分Δｆ”が第１閾値Ａｓｅｔ付近にある場合の上限値Ｐｍａｘの頻繁な切り替えや、変動成分Δｆ”が第２閾値Ｂｓｅｔ付近にある場合の下限値Ｐｍｉｎの頻繁な切り替えを抑制し、電力貯蔵装置２０の出力における振動を防止することができる。

なお、上記第１ないし第３実施形態において、例えば第１の比例ゲインＬ１，第２の比例ゲインＬ２，第３の比例ゲインＬ３などの各制御定数は、一般的な制御系の設計手法を用いて求めることができる。例えば、周波数変動を抑制する対象である交流電力系統９における実際の運用試験や、交流電力系統９のモデルによる動作シミュレーションを行うことによって、実験的に求めることができる。

また、上記第２実施形態において、第１の比例ゲインＬ１と第２の比例ゲインＬ２とは、第１の比例ゲインＬ１を先に決定する方が望ましい。この場合、例えば、まず第２の比例ゲインＬ２を０として第１の比例ゲインＬ１を決定した後に、決定した第１の比例ゲインＬ１を用いて第２の比例ゲインＬ２を決定する。

また、上記第３実施形態において、第１閾値Ａｓｅｔ，第２閾値Ｂｓｅｔ，第３閾値Ａｒｓｔ，第４閾値Ｂｒｓｔの各閾値は、交流電力系統９の特性や系統周波数の目標範囲などから、上記各制御定数の場合と同様に実験的に求めることができる。同様に、一次遅れ要素１３２４および１３２７についても、交流電力系統９の特性などから実験的に求めることができる。

なお、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

１ 電力安定化システム
５ 太陽光発電所
６ 風力発電所
７ 発電所
８（８ａ、８ｂ） 需要家負荷
９ 交流電力系統
１０（１０ａ〜１０ｄ） 制御装置
１５ 計器用変圧器
２０ 電力貯蔵装置（蓄電池）
２１、５１（５１ａ、５１ｂ）、６１ 電力変換器
２２、５２ａ、５２ｂ、７２ａ、７２ｂ、８２ａ、８２ｂ （電力用）変圧器
５０（５０ａ、５０ｂ） 太陽電池モジュール
６０ 風力発電機
７０ａ、７０ｂ ディーゼル発電機群
９１、９２ 制御対象
９３、９４ 加算器
１１１ 周波数検出部
１１２、１２２、１４４ 加算器
１１３ 周波数制御部
１２１ 電力潮流検出部
１２３、１３３、１５３ 電力潮流制御部
１３２ 上下限設定部
１３４ 指令値生成部（加算器）
１３５ 電力変換器制御部
１４３ 外乱フィードバック部
１２３１ 電力潮流モデル部
１２３２、１３３２、１４３３ 加算器
１２３３、１３３４、１４３４、１５３２ 比例ゲイン
１３２１、１３３１、１５３１ ハイパスフィルタ
１３２２、１３２５ 判定部
１３２３、１３２６ 選択部
１３２４、１３２７ 一次遅れ要素
１３３３ リミッタ部
１４３１、１４３２ 系統周波数モデル部

Claims (6)

1. 交流電力系統の有効電力変動を抑制する電力安定化システムであって、
   電力を貯蔵し、前記交流電力系統との間で電力の吸収または放出を行う電力貯蔵装置と、
   前記交流電力系統と前記電力貯蔵装置との間で吸収または放出される電力を相互に変換する電力変換器と、
   前記交流電力系統の有効電力変動に応じて前記電力変換器を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記交流電力系統の系統周波数を周波数計測値として検出する周波数検出部と、
   前記交流電力系統の電力潮流を電力潮流計測値として検出する電力潮流検出部と、
   前記周波数計測値に基づいて、前記系統周波数の変動を補償する電力量を周波数補償量として求める周波数制御部と、
   前記電力潮流計測値および前記周波数補償量に基づいて、前記電力潮流の変動を補償する電力量を電力潮流補償量として求める電力潮流制御部と、
   前記周波数補償量および前記電力潮流補償量に応じて前記電力変換器を制御する電力変換器制御部と、
   を有することを特徴とする電力安定化システム。
2. 請求項１に記載の電力安定化システムであって、
   前記電力潮流制御部は、
   前記周波数補償量に応じた前記電力変換器の制御による前記電力潮流の変化を電力潮流推定値として推定する電力潮流モデル部を含み、
   前記電力潮流推定値と前記電力潮流計測値との差に第１の比例ゲインを乗算して前記電力潮流補償量を求めることを特徴とする電力安定化システム。
3. 請求項２に記載の電力安定化システムであって、
   前記周波数補償量に応じた前記電力変換器の制御による前記系統周波数の変化を周波数推定値として推定する系統周波数モデル部を含み、前記周波数推定値と前記周波数計測値との差に第２の比例ゲインを乗算して周波数外乱補償量を求める外乱フィードバック部をさらに有し、
   前記電力変換器制御部は、前記周波数補償量、前記電力潮流補償量、および前記周波数外乱補償量に応じて前記電力変換器を制御することを特徴とする電力安定化システム。
4. 請求項１に記載の電力安定化システムであって、
   前記電力潮流制御部は、
   前記電力潮流の変動成分と前記周波数補償量との差が入力され、上限値または下限値で制限して出力するリミッタ部を含み、
   前記リミッタ部の出力値に第３の比例ゲインを乗算して前記電力潮流補償量を求め、
   前記リミッタ部は、
   前記系統周波数の変動成分が所定の負の第１閾値以下となった場合にのみ、前記上限値で制限された出力値の出力を開始し、
   前記系統周波数の変動成分が所定の正の第２閾値以上となった場合にのみ、前記下限値で制限された出力値の出力を開始することを特徴とする電力安定化システム。
5. 請求項４に記載の電力安定化システムであって、
   前記リミッタ部は、
   前記上限値で制限された出力値を出力している場合に、前記系統周波数の変動成分が前記第１閾値より大きい所定の第３閾値以上となったときには、前記上限値で制限された出力値の出力を停止し、
   前記下限値で制限された出力値を出力している場合に、前記系統周波数の変動成分が前記第２閾値より小さい所定の第４閾値以下となったときには、前記下限値で制限された出力値の出力を停止することを特徴とする電力安定化システム。
6. 電力を貯蔵し、交流電力系統との間で電力の吸収または放出を行う電力貯蔵装置と、
   前記交流電力系統と前記電力貯蔵装置との間で吸収または放出される電力を相互に変換する電力変換器と、
   ともに用いられ、前記交流電力系統の有効電力変動を抑制すべく前記電力変換器を制御する制御装置であって、
   前記交流電力系統の系統周波数を周波数計測値として検出する周波数検出部と、
   前記交流電力系統の電力潮流を電力潮流計測値として検出する電力潮流検出部と、
   前記周波数計測値に基づいて、前記系統周波数の変動を補償する電力量を周波数補償量として求める周波数制御部と、
   前記電力潮流計測値および前記周波数補償量に基づいて、前記電力潮流の変動を補償する電力量を電力潮流補償量として求める電力潮流制御部と、
   前記周波数補償量および前記電力潮流補償量に応じて前記電力変換器を制御する電力変換器制御部と、
   を有することを特徴とする制御装置。

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