JP4749375B2 - マイクログリッドにおける電力の需給調整を行う制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクログリッドにおける電力の需給調整を行う制御装置に関する。

昨今、自然エネルギーを利用した電源（風力発電、太陽光発電等）や需要場所の近くに設置される小型発電機（燃料電池、マイクロガスタービン等）が急速に普及しつつある。また、次世代電力供給システムとして、それらの電源や小型発電機を用いて電力の地域自給を目指す小規模電力供給網（以下、マイクログリッドという）が注目され始めている。

一方、従来の電力系統における負荷周波数制御（ＬＦＣ：Load Frequency Control）は電力会社単位で行われており、周波数や連系線潮流等から求められる地域要求量（ＡＲ：Area Requirement）を元にして、ＬＦＣ発電機に需給バランスの合うような出力指令が行われる。なお、特許文献１には、需要家の負荷機器の消費電力を増減して電力系統の周波数制御を行う周波数制御装置について開示されている。
特開２００６−４２４５８号公報

マイクログリッドでは、小規模電力系統ごとに需給バランスを保持する必要があるが、風力発電等の常時出力変動を伴う電源を連系した場合、需給バランスの調整が困難となり、上位の電力系統との連系線潮流偏差や周波数偏差が大きくなることが予想される。また、マイクログリッドにおいて、負荷の相バランスくずれが発電機に影響することが懸念される。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、マイクログリッドにおいて電力の需給バランス及び負荷の相バランスを保持することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、上位電力系統に接続する連系部と、電力を供給する発電装置と、電力を消費する需要家設備と、受信した電力値に応じて負荷容量を変更する、３相独立制御可能な調整用負荷とを備えるマイクログリッドにおける電力の需給調整を行う制御装置であって、前記連系部及び前記調整用負荷から電圧値及び電流値を含む系統情報を取得する系統情報取得部と、前記系統情報取得部が取得した前記系統情報に基づいて、前記マイクログリッド内の電力の需給調整のために、前記調整用負荷が消費すべき電力値を算出する処理部と、前記処理部が算出した電力値を前記調整用負荷に送信する電力値送信部とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、マイクログリッド内に調整用負荷を設け、系統情報から判断して、電力が余っている場合には負荷容量を上げて電力を消費し、電力が足りない場合には負荷容量を下げて電力消費を抑えるように、制御装置が調整用負荷に消費すべき電力値を指示する。これによれば、マイクログリッド内で電力の需給バランスをとることができ、電力の品質を向上することができる。なお、発電装置として風力発電や太陽光発電がなくても、電力需要が時々刻々変化するので本発明は有効であり、風力発電や太陽光発電があれば、電力供給が不安定になるので本発明はさらに有効になる。
次に、調整用負荷が３相独立制御可能なので、負荷の相バランスをとることができ、相バランスの崩れによる発電装置の負担を軽減することができる。これによれば、発電装置において、負荷周波数制御が不要になるので効率的な運転が可能になり、逆相電流が軽減するので安定的な運転が可能になる。そして、マイクログリッド内で電力の周波数や連系線潮流を安定させることができる。

また、本発明は、上位電力系統に接続する連系部と、電力を供給する発電装置と、電力を消費する需要家設備と、受信した電力値に応じて供給電力を変更する調整用発電機と、受信した電力値に応じて負荷容量を変更する調整用負荷とを備えるマイクログリッドにおける電力の需給調整を行う制御装置であって、前記連系部及び前記調整用負荷から電圧値及び電流値を含む系統情報を取得する系統情報取得部と、前記系統情報取得部が取得した前記系統情報に基づいて、前記マイクログリッド内の電力の需給調整のために、前記調整用発電機が供給すべき電力値及び前記調整用負荷が消費すべき電力値を算出する処理部と、前記処理部が算出した電力値を前記調整用発電機及び前記調整用負荷に送信する電力値送信部とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、マイクログリッド内に調整用負荷を設け、系統情報から判断して、電力が余っている場合には負荷容量を上げて電力を消費し、電力が足りない場合には負荷容量を下げて電力消費を抑えるように、制御装置が調整用負荷に消費すべき電力値を指示する。また、マイクログリッド内に調整用発電機を設け、系統情報から判断して、電力が足りない場合には電力を生成するように、制御装置が調整用発電機に生成すべき電力値を指示する。これによれば、マイクログリッド内で電力の需給バランスをとることができ、その精度を上げることができる。

また、本発明は、制御装置であって、前記調整用負荷が、３相独立制御可能であることを特徴とする。

この構成によれば、調整用負荷が３相独立制御可能なので、負荷の相バランスをとることができ、相バランスの崩れによる発電装置の負担を軽減することができる。これによれば、発電装置において、負荷周波数制御が不要になるので効率的な運転が可能になり、逆相電流が軽減するので安定的な運転が可能になる。そして、マイクログリッド内で電力の周波数や連系線潮流を安定させることができる。

その他、本願が開示する課題及びその解決方法は、発明を実施するための最良の形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、マイクログリッドにおいて電力の需給バランス及び負荷の相バランスを保持することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を説明する。本発明の実施の形態に係るマイクログリッドにおける制御装置は、上位電力系統の連系部や調整用負荷の線路から電圧値や電流値を含む系統情報を取得し、その系統情報に基づいて発電機が生成すべき電力値及び負荷が消費すべき電力値を算出し、その電力値を発電機及び負荷に送信するものである。これによれば、マイクログリッド内において、電力の需給バランスや負荷の相バランスを確保することができる。

≪システムの構成と概要≫
図１は、電力調整システムの構成を示す図である。電力調整システム１００は、マイクログリッド電力系統１、上位電力系統２、調整用温水器３及び制御装置４を備える。なお、この構成図はマイクログリッド電力系統１を中心にしてみた場合のものであり、実際には、上位電力系統２に複数のマイクログリッド電力系統１が接続されていて、各マイクログリッド電力系統１に対応して調整用温水器３や制御装置４が備えられると考えられる。

マイクログリッド電力系統１は、需要地内で複数の分散型電源や電力貯蔵システムを組み合わせ、分散型電源の発電量を需要状況に合わせて制御し、電力の地域自給を可能とする小規模の電力供給網である。上位電力系統２は、従来通り、大規模な発電所から送電線、変電所、配電線を経由して需要家に送られる電力の供給網である。マイクログリッド電力系統１内でどうしても電力を自給できない場合には、上位電力系統２から電力の供給を受けることになる。調整用温水器３は、マイクログリッド電力系統１における電力を調整するために、電力を消費する又は電力の消費を抑制するための負荷である。制御装置４は、マイクログリッド電力系統１に係る系統情報を取得し、その系統情報に基づいて調整すべき電力値を算出し、その電力値を調整用温水器３等に送信し、電力の調整を行うものである。

図１に示すように、マイクログリッド電力系統１には、需要家１１、発電装置１２、調整用発電機１３が接続され、また、連系点５及び連系線６を介して上位電力系統２が接続され、さらに、負荷線路７を介して調整用温水器３が接続される。

需要家１１は、一戸建ての個人住宅、マンションやアパート等の集合住宅、企業や店舗が入ったビル、工場等の事業所であり、具体的にはそこで電力を消費する設備である。発電装置１２は、自然エネルギーを利用した電源（風力発電、太陽光発電等）や需要家１１の近くに設置される小型発電機（燃料電池、マイクロガスタービン等）である。発電装置１２は、マイクログリッド電力系統１内にあって電力を供給する重要な設備であるが、そのうち風力発電等は出力の変動を常に伴うので、電力の需給バランスを調整することが必要になる。調整用発電機１３は、その電力の需給バランスの調整に用いられる発電機であり、制御装置４から指令値を受信し、必要な電力を生成し、供給する。

連系点５は、マイクログリッド電力系統１と、連系線６との接続箇所であり、周波数や電圧値等の系統情報を制御装置４に提供する。連系線６は、マイクログリッド電力系統１と、上位電力系統２とを接続する電線であり、潮流偏差等の系統情報を制御装置４に提供する。負荷線路７は、マイクログリッド電力系統１と、調整用温水器３とを接続する電線であり、電流値等の系統情報を制御装置４に提供する。

図２は、調整用温水器の構成を示す図である。調整用温水器３は、制御装置４から指令値を受信し、その指令値に応じて各相の電力を消費したり、電力消費を抑制したりするものであり、取水管３１、給湯管３２、貯槽３３及びヒータ３４を備える。取水管３１は、水道等の給水設備８から調整用温水器３へ水を取り込む配管である。給湯管３２は、調整用温水器３から台所や浴室等の受湯設備９へ湯を供給する配管である。従って、調整用温水器３で作られる温水は、給湯用として利用できる。貯槽３３は、取水管３１から取り込んだ水を貯めるタンクである。ヒータ３４は、貯槽３３に貯まった水を温めることによって、負荷線路７から供給された電力を消費する負荷であり、各相の負荷バランスをとるために３相独立制御できるようにＡ相可変抵抗３５、Ｂ相可変抵抗３６及びＣ相可変抵抗３７からなる。

図３は、制御装置の構成を示す図である。制御装置４は、系統情報取得部４１、電力値送信部４２、処理部４３及び記憶部４４を備える。系統情報取得部４１は、マイクログリッド電力系統１の連系点５、連系線６及び負荷線路７から系統情報を取得する部分であり、連系点５、連系線６及び負荷線路７とは通信路を介して接続されている。電力値送信部４２は、処理部４３によって系統情報に基づいて算出された電力値を調整用温水器３及び調整用発電機１３に送信する部分であり、調整用温水器３及び調整用発電機１３とは通信路を介して接続されている。処理部４３は、系統情報取得部４１が取得した系統情報を記憶部４４に記憶し、その系統情報に基づいて調整用温水器３が消費すべき電力値及び調整用発電機１３が生成すべき電力値を算出する部分であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が所定のメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現される。記憶部４４は、処理部４３から系統情報を記憶したり、記憶した系統情報を読み出したりする部分であり、フラッシュメモリやハードディスク装置等の不揮発性記憶装置によって実現される。

≪システムの処理≫
図４は、制御装置が電力調整を行う処理を示すフローチャートである。制御装置４は、マイクログリッド電力系統１における系統情報を取得し、取得した系統情報に基づいて電力値を算出し、算出した電力値を調整用温水器３又は調整用発電機１３に送信する。本処理は、周期的に行われる。本処理の詳細について、以下に説明する。

まず、制御装置４は、系統情報を取得し、記憶する（Ｓ４０１）。具体的には、系統情報取得部４１が、マイクログリッド電力系統１の連系点５から連系点周波数Δｆ及び連系点電圧Ｖ_Ｔを取得し、連系線６から連系線潮流偏差ΔＰ_Ｔを取得し、負荷線路７から負荷線路電流合計ΣＩ_３Φ＝［ΣＩ_Ａ ΣＩ_Ｂ ΣＩ_Ｃ］（ΣＩ_Ａ：Ａ相分、ΣＩ_Ｂ：Ｂ相分、ΣＩ_Ｃ：Ｃ相分）を取得する。そして、処理部４３が、系統情報を系統情報取得部４１から記憶部４４に受け渡し、記憶部４４が記憶する。なお、系統情報として、系統定数Ｋ［１０％ＭＷ／Ｈｚ］は、予め記憶部４４に記憶されている。また、マイクログリッド電力系統１内の需要合計である系統容量Ｐは、各発電装置１２の出力を合計することにより都度算出される。

次に、処理部４３が、記憶部４４に記憶された系統情報から相間不平衡分の指令値を算出する（Ｓ４０２）。相間不平衡分の指令値は、式１によって求められる。
Ａ相分 Ｄ１_Ａ＝（ＭＡＸ（ΣＩ_３Φ）−ΣＩ_Ａ）×Ｖ_Ｔ／√３
Ｂ相分 Ｄ１_Ｂ＝（ＭＡＸ（ΣＩ_３Φ）−ΣＩ_Ｂ）×Ｖ_Ｔ／√３ ・・・式１
Ｃ相分 Ｄ１_Ｃ＝（ＭＡＸ（ΣＩ_３Φ）−ΣＩ_Ｃ）×Ｖ_Ｔ／√３

続いて、処理部４３が、記憶部４４に記憶された系統情報から平衡分（需給制御）の指令値を算出する（Ｓ４０３）。平衡分の指令値は、式２によって求められる。
全相 Ｄ２＝ΔＰ_Ｔ−ΔｆＫＰ ・・・式２

ここで、温水器のみで電力調整を行うか否かを判定する（Ｓ４０４）。マイクログリッド電力系統１では、電力の需給調整を行うために調整用温水器３を備えるが、調整用発電機１３は必要に応じて調達するものとし、必須ではない。調整用温水器３だけで電力調整する場合と、調整用温水器３及び調整用発電機１３の両方で電力調整（協調制御）する場合とでは、各調整用機器への指令値の算出方法が異なるため、場合分けの判定を行う。

温水器のみで電力調整する場合には（Ｓ４０４のＹ）、処理部４３が、調整用温水器３への追加指令値を算出する（Ｓ４０５）。追加指令値は、式３によって求められる。
Ａ相分 ΔＤ_ＬＡ＝Ｄ１_Ａ＋Ｄ２
Ｂ相分 ΔＤ_ＬＢ＝Ｄ１_Ｂ＋Ｄ２ ・・・式３
Ｃ相分 ΔＤ_ＬＣ＝Ｄ１_Ｃ＋Ｄ２

温水器のみで電力調整しない場合、すなわち、温水器及び発電機で電力調整する場合には（Ｓ４０４のＮ）、平衡分の指令値Ｄ２が０より小さいか否かを判定する（Ｓ４０６）。平衡分の指令値Ｄ２が０より小さいということは、電力が足りないことを意味するので、不足分の電力を発電機に生成させる必要がある。その場合には（Ｓ４０６のＹ）、処理部４３が調整用温水器３への追加指令値を算出する（Ｓ４０７）。追加指令値は、式４によって求められる。
Ａ相分 ΔＤ_ＬＡ＝Ｄ１_Ａ
Ｂ相分 ΔＤ_ＬＢ＝Ｄ１_Ｂ ・・・式４
Ｃ相分 ΔＤ_ＬＣ＝Ｄ１_Ｃ

また、処理部４３が調整用発電機１３への追加指令値を算出する（Ｓ４０８）。追加指令値は、式５によって求められる。
３相一括 ΔＤ_Ｇ＝３×Ｄ２ ・・・式５

一方、平衡分の指令値Ｄ２が０以上ということは、電力が足りていることを意味する。その場合には（Ｓ４０６のＮ）、処理部４３が調整用温水器３への追加指令値を算出する（Ｓ４０９）。追加指令値は、式６によって求められる。
Ａ相分 ΔＤ_ＬＡ＝Ｄ１_Ａ＋Ｄ２
Ｂ相分 ΔＤ_ＬＢ＝Ｄ１_Ｂ＋Ｄ２ ・・・式６
Ｃ相分 ΔＤ_ＬＣ＝Ｄ１_Ｃ＋Ｄ２

また、処理部４３が調整用発電機１３への追加指令値を算出する（Ｓ４１０）。電力生成は必要ないので、追加指令値は、式７に示すように０になる。なお、式４〜式７は、燃料費が最小になるようにした場合の計算例である。
３相一括 ΔＤ_Ｇ＝０ ・・・式７

そして、処理部４３が算出した追加指令値（電力値）を、電力値送信部４２が調整用温水器３及び必要に応じて調整用発電機１３に送信する（Ｓ４１１）。これに対して、調整用温水器３は、制御装置３から受信した追加指令値に従ってヒータ３４の各可変抵抗３５〜３７を調節しながら、負荷線路７から供給される電力を消費する。また、調整用発電機１３は、制御装置４から受信した追加指令値に従って電力を生成し、マイクログリッド電力系統１に供給する。

以上本発明の実施の形態について説明したが、図１及び図３に示す制御装置４内の各部を機能させるために、処理部４３で実行されるプログラムをコンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録し、その記録したプログラムをコンピュータに読み込ませ、実行させることにより、本発明の実施の形態に係る電力調整システム１００が実現されるものとする。なお、プログラムをインターネット等のネットワーク経由でコンピュータに提供してもよいし、プログラムが書き込まれた半導体チップ等をコンピュータに組み込んでもよい。

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、上記実施の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。

電力調整システムの構成を示す図である。 調整用温水器の構成を示す図である。 制御装置の構成を示す図である。 制御装置が電力調整を行う処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ マイクログリッド電力系統
２ 上位電力系統
３ 調整用温水器（調整用負荷）
４ 制御装置
４１ 系統情報取得部
４２ 電力値送信部
４３ 処理部
４４ 記憶部
５ 連系点（連系部）
６ 連系線（連系部）
７ 負荷線路
１１ 需要家（需要家設備）
１２ 発電装置
１３ 調整用発電機
１００ 電力調整システム

Claims (3)

1. 上位電力系統に接続する連系部と、
   電力を供給する発電装置と、
   電力を消費する需要家設備と、
   受信した電力値に応じて負荷容量を変更する、３相独立制御可能な調整用負荷と、
   を備えるマイクログリッドにおける電力の需給調整を行う制御装置であって、
   前記連系部及び前記調整用負荷から電圧値及び電流値を含む系統情報を取得する系統情報取得部と、
   前記系統情報取得部が取得した前記系統情報に基づいて、前記マイクログリッド内の電力の需給調整のために、前記調整用負荷が消費すべき電力値を算出する処理部と、
   前記処理部が算出した電力値を前記調整用負荷に送信する電力値送信部と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
2. 上位電力系統に接続する連系部と、
   電力を供給する発電装置と、
   電力を消費する需要家設備と、
   受信した電力値に応じて供給電力を変更する調整用発電機と、
   受信した電力値に応じて負荷容量を変更する調整用負荷と、
   を備えるマイクログリッドにおける電力の需給調整を行う制御装置であって、
   前記連系部及び前記調整用負荷から電圧値及び電流値を含む系統情報を取得する系統情報取得部と、
   前記系統情報取得部が取得した前記系統情報に基づいて、前記マイクログリッド内の電力の需給調整のために、前記調整用発電機が供給すべき電力値及び前記調整用負荷が消費すべき電力値を算出する処理部と、
   前記処理部が算出した電力値を前記調整用発電機及び前記調整用負荷に送信する電力値送信部と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
3. 請求項２に記載の制御装置であって、
   前記調整用負荷は、３相独立制御可能である
   ことを特徴とする制御装置。

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