(57)【要約】【課題】電力変動制限が実施されるときに蓄電池の放電電力が不足することを抑制するように改良された電力システムを提供する。【解決手段】電力システムは、発電設備と蓄電池設備とを含み、発電設備と蓄電池設備とからの出力を合成した合成電力を電力系統との連系点に出力するように構築された電力設備と、現在時刻が予め定められた電力変動制限開始時刻に至る時点で発電設備の発電量が予め定めた事前発電抑制値を上回らないように発電設備の発電量を調整するメインサイトコントローラと、を備える。メインサイトコントローラは、電力変動制限開始時刻よりも早い時刻として予め定められた基準時刻に現在時刻が至った場合に、合成電力が事前発電抑制値よりも大きいときには、発電設備の発電量を事前発電抑制値へと徐々に近づけるように構築されてもよい。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電設備と蓄電池設備とを含み、前記発電設備と前記蓄電池設備とからの出力を合成した合成電力を電力系統との連系点に出力するように構築された電力設備と、
現在時刻が予め定められた電力変動制限開始時刻に至る時点で前記発電設備の発電量が予め定めた事前発電抑制値を上回らないように前記発電設備の発電量を調整する制御手段と、
を備える電力システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記電力変動制限開始時刻よりも早い時刻として予め定められた基準時刻に現在時刻が至った場合に、前記合成電力が前記事前発電抑制値よりも大きいときには、前記発電設備の発電量を前記事前発電抑制値へと徐々に近づけるように構築された請求項１に記載の電力システム。
【請求項３】
前記基準時刻から前記電力変動制限開始時刻までの期間に前記合成電力の変化率が予め定められた所定変化率を超えない範囲で前記発電設備の発電量を前記事前発電抑制値へと徐々に近づけるように、前記基準時刻が前記電力変動制限開始時刻よりも予め定めた時間だけ遡った時刻に定められた請求項２に記載の電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力システムに関し、特に系統連系を行う電力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許第６３０４３９２号公報に記載されているように、自然エネルギーで発電する発電設備と、蓄電池設備とを組み合わせた電力システムが知られている。自然エネルギーを利用した発電設備は、季節や天候等の自然的要因によって発電電力が左右されやすいために安定した電力供給を行えないという短所がある。この短所を補うために、蓄電池設備を組み合わせた電力システムが提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第６３０４３９２号公報
【特許文献２】特許第５８９６０９６号公報
【特許文献３】特許第５８８７２６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した電力システムが、電力系統との系統連系に用いられている。以下、自然エネルギーを用いた発電設備の発電電力と蓄電池設備の入出力電力とを合成したものを、「合成電力」とも称する。合成電力は、「電力システム全体としてみた合計の出力電力」に相当している。
【０００５】
系統連系型の電力システムには、系統連系を行うための一定の要件が課されている。例えば第一要件として、前述した合成電力の変化率が予め指定された指定変化率範囲内に収まらなければならないという制約がある。この第一の要件を満たすために、発電設備の発電量および蓄電池設備の充放電を制御することで、合成電力の変化率を調整するという方法がある。この方法はいわば「短周期対策」と呼べるものである。
【０００６】
例えば第二要件として、電力変動制限時間帯が定められている。電力変動制限時間帯は、電力システムから出力される合成電力の変化に制限が設けられる時間帯である。電力変動制限時間帯として、例えば、朝７時から朝１０時までの間は電力システムから出力される合成電力が減少しないように発電を行わなければならない、などの制限が課される。電力変動制限時間帯には、合成電力の「増加」のみを禁止するものと、合成電力の「減少」のみを禁止するものと、合成電力の増加と減少の両方つまり一切の「変動」を禁止するものとがある。
【０００７】
自然エネルギーを用いた発電設備は、天候に応じて発電電力が変動する。合成電力の減少あるいは変動が禁止された電力変動制限時間帯に、発電設備の発電量が低下すると、そのまま何らの対策もされなければ合成電力が低下してしまう。そこで、この発電量低下を蓄電池設備からの電力の出力つまり蓄電池の放電により補うことで、合成電力の変化を抑制し電力変動制限時間帯の要求を満たす方法がある。この方法はいわば「長周期対策」と呼べるものである。
【０００８】
前述した第一要件と第二要件とを満たす観点からは、予備電力を蓄電池に蓄えさせておく必要がある。蓄えるべき予備電力は、発電量低下の際にその発電量低下を補うだけの電力出力を可能とするほどの電力量である。具体的には、蓄えるべき予備電力は、上述した短周期対策用の予備電力と長周期対策用の予備電力との合計となる。
【０００９】
蓄電池に蓄えるべき予備電力はなるべく少ないほうが好ましい。その一方で、蓄電池に蓄える予備電力を抑制したとしても、電力変動制限時間帯に蓄電池の放電電力が不足することは防止しなければならない。
【００１０】
本出願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電力変動制限が実施されるときに蓄電池の放電電力が不足することを抑制するように改良された電力システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本出願にかかる電力システムは、
発電設備と蓄電池設備とを含み、前記発電設備と前記蓄電池設備とからの出力を合成した合成電力を電力系統との連系点に出力するように構築された電力設備と、
現在時刻が予め定められた電力変動制限開始時刻に到達するときに前記発電設備の発電量が予め定めた事前発電抑制値を上回らないように前記発電設備の発電量を調整する制御手段と、
を備える。
【発明の効果】
【００１２】
上記電力システムによれば、電力変動制限時間帯への突入に備えて、事前に発電量の抑制を実施することができる。事前に発電量を抑制しておくことで、電力変動制限が開始される時点での合成電力を抑制することができる。これにより電力変動制限に必要な予備電力を抑制することができるので、蓄電池の放電電力不足が生じることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】系統連系における短周期対策を説明するための図である。
【図２】系統連系における長周期対策を説明するための図である。
【図３】系統連系における長周期対策を説明するための図である。
【図４】系統連系における長周期対策における蓄電池設備の充電動作を説明するための図である。
【図５】系統連系における長周期対策における蓄電池設備の放電動作を説明するための図である。
【図６】実施の形態にかかる電力システムを示す構成図である。
【図７】比較例にかかる放電電力不足を説明するための図である。
【図８】実施の形態にかかる電力システムの事前発電抑制制御を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図６は、実施の形態にかかる電力システム１を示す構成図である。電力システム１は、自然エネルギーで発電する発電設備の一例である風力発電設備１０と蓄電池設備２０とを含む電力設備３と、風力発電設備１０と蓄電池設備２０とを制御するメインサイトコントローラ５０（以下、「ＭＳＣ５０」とも称す）と、を備える。電力設備３は、合成電力Ｐｓｕｍを電力系統２との連系点に出力するように構築されている。合成電力Ｐｓｕｍは、風力発電設備１０が出力する発電電力Ｐｇｅｎと、蓄電池設備２０で入出力される蓄電池充放電電力Ｐｂａｔの出力を合成したものである。
【００１５】
図１は、系統連系における短周期対策を説明するための図である。図２および図３は、系統連系における長周期対策を説明するための図である。風力発電設備１０の連系量が限界に達すると、風力発電設備１０の短周期および長周期での出力変動に対して出力調整が追いつかなくなるため、以下に示す出力変動緩和対策が実施される。
【００１６】
まず、短周期の出力変動緩和対策の一例は、全ての時間において、発電所合成電力の変化速度を「発電所定格出力の１％以下／分」とするものである。
【００１７】
一方、長周期の出力変動緩和対策は例えば下記のように定められる。以下の指定時間帯において、発電所合成電力（以下、合成電力Ｐｓｕｍとも称す）の変動方向が制御される。第一制限時間帯Ｔｚ１は７：００〜１０：００の時間帯に定められており、この期間には発電所合成電力を減少させてはならない。第二制限時間帯Ｔｚ２は１１：３０〜１３：３０の時間帯に定められており、この期間には発電所合成電力を増減させてはならない。
【００１８】
第三制限時間帯Ｔｚ３は１６：００〜１９：００の時間帯に定められており、この期間には発電所合成電力を減少させてはならない。第四制限時間帯Ｔｚ４は２０：００〜２３：００の時間帯に定められており、この期間には発電所合成電力を増加させてはならない。
【００１９】
図３において、符号Ｐ１〜Ｐ５は、複数の制限時間帯（Ｔｚ１，Ｔｚ２，Ｔｚ４）との関係で発電電力Ｐｇｅｎと合成電力Ｐｓｕｍとの差分を埋めるために電力設備３で実施される電力制御動作を説明している。Ｐ２に示すように発電量の減少分が蓄電池設備２０からの放電で賄われる。Ｐ３に示すように出力抑制値以上の発電があった場合には、Ｐ３ａのようにオーバー分が蓄電池設備２０に充電されたり、Ｐ３ｂのようにＳＯＣが規定値以上の場合は風力発電設備１０の発電が制限されたりする。
【００２０】
Ｐ１に示すように、電力増加があったときの余剰増加分が蓄電池設備２０に充電される。Ｐ４に示すように、蓄電池設備２０のＳＯＣが高すぎる場合には、風力発電設備１０の発電量が制限される。Ｐ５に示すように、ＳＯＣが高くならないように風力発電設備１０の発電量が制限される。
【００２１】
図４は、系統連系における長周期対策における蓄電池設備２０の充電動作を説明するための図である。合成電力目標値（上限）以上の発電があった場合には、合成電力Ｐｓｕｍが合成電力目標値（上限）になるように余剰電力が蓄電池設備２０に充電される。
【００２２】
図５は、系統連系における長周期対策における蓄電池設備２０の放電動作を説明するための図である。合成電力目標値（下限）以下の発電があった場合には、合成電力Ｐｓｕｍが合成電力目標値（下限）になるように不足電力が蓄電池設備２０の放電によって賄われる。
【００２３】
引き続き、図６を用いて実施の形態にかかる電力システム１の構成及び動作を説明する。電力設備３は、主変圧器４０と、第一計器用変成器４１と、変流器４２と、発電所合成電力計測器４３と、を備えている。
【００２４】
風力発電設備１０は、複数の発電設備１１と、風車コントローラ１２と、第一合成変流器１３と、発電計測器１４と、第二計器用変成器３０と、を備えている。複数の発電設備１１それぞれは、風力発電機と、風力発電機に接続された第一電力変換装置と、を備えている。第一電力変換装置は、風力発電機からの交流を直流に変換する第一変換回路と、変換された直流からさらに交流をつくりだす第二変換回路と、を含んでいる。
【００２５】
蓄電池設備２０は、複数の蓄電池電力システム２１と、バッテリマネジメントユニット（ＢＭＵ）２４と、蓄電池システムコントローラ２５と、第二合成変流器２２と、蓄電池充放電電力計測器２３と、を備えている。第二計器用変成器３０は、風力発電設備１０と蓄電池設備２０とで兼用されている。
【００２６】
複数の蓄電池電力システム２１それぞれは、蓄電池と、この蓄電池に接続された第二電力変換装置と、を含んでいる。第二電力変換装置は、交直電力変換を行うことで蓄電池に対して充電（つまり電力入力）または放電（つまり電力出力）を行う。
【００２７】
ＭＳＣ５０は、充放電制御部５１と、発電抑制制御部５５と、を備えている。ＭＳＣ５０には、中央給電指令所から伝達されるオンライン発電抑制設定値Ｓｃｔｒと、発電所合成電力計測器４３で計測された合成電力Ｐｓｕｍの計測値と、発電計測器１４で計測された発電電力Ｐｇｅｎの計測値と、蓄電池充放電電力計測器２３で計測された充放電電力Ｐｂａｔの計測値と、が入力されている。
【００２８】
充放電制御部５１は、充放電指令値演算部５２を備えている。発電抑制制御部５５は、発電抑制指令値演算部５６と、リミット指令値演算部５７とを備えている。発電抑制指令値演算部５６は、オンライン発電抑制設定値Ｓｃｔｒに基づいて発電抑制指令値Ｓｌｉｍ０を演算する。
【００２９】
リミット指令値演算部５７は、発電抑制指令値Ｓｌｉｍ０に基づいて第一リミット指令値Ｓｌｉｍ１を演算する。風車コントローラ１２は、第一リミット指令値Ｓｌｉｍ１に基づいて第二リミット指令値Ｓｌｉｍ２を演算する。それぞれの発電設備１１は、第二リミット指令値Ｓｌｉｍ２に従って発電量を抑制する。
【００３０】
ＢＭＵ２４は、それぞれの蓄電池電力システム２１に含まれる蓄電池のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ：蓄電池残量）を取得して、蓄電池システムコントローラ２５に伝達する。蓄電池システムコントローラ２５は、ＢＭＵ２４から伝達されたＳＯＣを、ＭＳＣ５０の充放電制御部５１に伝達する。
【００３１】
充放電制御部５１は、上記伝達されたＳＯＣに基づいて、充放電指令値Ｓｃｄ０を演算して蓄電池システムコントローラ２５に伝達する。蓄電池システムコントローラ２５は、充放電指令値Ｓｃｄ０に基づいて、複数の蓄電池電力システム２１それぞれに対する個別充放電指令値Ｓｃｄｐを算出する。個別充放電指令値Ｓｃｄｐは蓄電池電力システム２１に含まれる第二電力変換装置に伝達され、第二電力変換装置は個別充放電指令値Ｓｃｄｐに従って蓄電池の充電または放電を実施するように作動する。
【００３２】
ＭＳＣ５０は、現在時刻Ｔと、予め定められた電力変動制限開始時刻Ｔｓｔａｒｔと電力変動制限開始時刻に対応付けて予め定められた電力変動制限終了時刻Ｔｅｎｄと、現在時刻Ｔにおける合成電力Ｐｓｕｍなどの情報に基づいて、電力変動制限を遵守するために各種の演算処理を行う。なお、電力変動制限開始時刻Ｔｓｔａｒｔと電力変動制限終了時刻Ｔｅｎｄとの組は、図２および図３で説明したように制限時間帯Ｔｚ１〜Ｔｚ４で決定される。
【００３３】
（事前発電抑制制御の動作）
以下、図７および図８を用いて、実施の形態にかかる事前発電抑制制御の内容を説明する。事前発電抑制制御は、主に図６のシステム構成における発電抑制制御部５５において実施される制御である。
【００３４】
図７は、比較例にかかる放電電力不足を説明するための図である。図７には、充電電力量Ｐｂａｔｉｎと、発電電力Ｐｇｅｎと、合成電力Ｐｓｕｍと、蓄電池最大電力Ｐｂａｔｍｘと、放電電力量Ｐｂａｔｏｕｔとがそれぞれ例示されている。
【００３５】
図７の比較例では、蓄電池設備２０の蓄電池最大電力Ｐｂａｔｍｘを上回る第一合成電力Ｐｓｕｍ１で、電力システム１の運転が電力変動制限時間帯Ｔｚ１へと突入している。電力変動制限時間帯Ｔｚ１の期間内では、電力の減少をしてはならない。従って、電力変動制限時間帯Ｔｚ１の期間内では、図７に示すように発電電力Ｐｇｅｎが急低下したとしても、合成電力Ｐｓｕｍを第一合成電力Ｐｓｕｍ１に保つ必要がある。しかし放電電力量Ｐｂａｔｏｕｔが不足すると合成電力Ｐｓｕｍを保持できなくなり、図７に示すように放電電力不足による基準逸脱が発生してしまう問題がある。
【００３６】
図８は、実施の形態にかかる電力システム１の事前発電抑制制御を説明するための図である。図８には破線で合成電力Ｐｓｕｍが記載され、実線で発電出力Ｐｇｅｎが記載されている。例えば基準時刻Ｔｐｒｅｓｔａｒｔの前後を見ると把握されるように、発電出力Ｐｇｅｎが合成電力Ｐｓｕｍを上回っている領域が充電電力量Ｐｂａｔｉｎに相当しており、発電出力Ｐｇｅｎが合成電力Ｐｓｕｍを下回っている領域が放電電力量Ｐｂａｔｏｕｔに相当している。
【００３７】
実施の形態では、発電抑制制御部５５が「事前発電抑制制御」を実施することで、図８に示すように事前発電抑制値Ｐｓｐで電力システムの運転が電力変動制限時間帯Ｔｚ１へと突入する。その結果、図７の第一合成電力Ｐｓｕｍ１よりも低くされた事前発電抑制値Ｐｓｐで電力変動制限時間帯Ｔｚ１の電力制御が行われるので、合成電力Ｐｓｕｍを維持するための放電電力量Ｐｂａｔｏｕｔが少なくても済む利点がある。従って放電電力不足を回避することができる。
【００３８】
事前発電抑制制御とは、現在時刻が電力変動制限開始時刻Ｔｓｔａｒｔに至る時点で風力発電設備１０の発電量Ｐｇｅｎが事前発電抑制値Ｐｓｐを上回らないように、風力発電設備１０の発電量Ｐｇｅｎを調整する制御である。実施の形態にかかる事前発電抑制制御によれば、図８に示すように合成電力Ｐｓｕｍも事前発電抑制値Ｐｓｐを上回らないように抑制される。
【００３９】
事前発電抑制値Ｐｓｐは、電力システム１の定格出力１００％を下回る値に予め設定されている。例えば、事前発電抑制値Ｐｓｐは、定格出力の９０％、８０％、７０％、あるいは６０％などの値に予め設定されてもよい。
【００４０】
なお、図８では一例として事前発電抑制値Ｐｓｐが蓄電池設備２０の蓄電池最大電力Ｐｂａｔｍｘと同じ大きさに設定されている。変形例として、事前発電抑制値Ｐｓｐが蓄電池最大電力Ｐｂａｔｍｘと異なる値に設定されてもよい。
【００４１】
なお、実施の形態にかかる事前発電抑制制御が実施されることにより、図８に図示した「事前発電抑制電力量」の分だけ発電が抑制されることとなる。
【００４２】
図６に示した実施の形態のシステム構成との関係を述べる。実施の形態では、予め定められたタイミングで事前発電抑制値Ｐｓｐが前述した発電抑制指令値Ｓｌｉｍ０に代入されることで事前発電抑制制御が実現されてもよい。予め定められたタイミングとは、予め定めた基準時刻Ｔｐｒｅｓｔａｒｔに現在時刻が至ったタイミングとしてもよい。
【００４３】
基準時刻Ｔｐｒｅｓｔａｒｔは、電力変動制限開始時刻Ｔｓｔａｒｔから予め定めた時間長だけ遡った時刻である。予め定めた時間長は、任意の時間長に設定することができる。一例を挙げると、基準時刻Ｔｐｒｅｓｔａｒｔは、電力変動制限開始時刻Ｔｓｔａｒｔよりも一時間前、二時間前、あるいはそれ以上の数時間前の時刻に定められてもよい。これにより、発電量の抑制を緩やかに進行させることができるので、発電量の急変を避けることができる。
【００４４】
実施の形態においては、事前発電抑制値Ｐｓｐが発電抑制指令値Ｓｌｉｍ０に代入されると、その事前発電抑制値Ｐｓｐの値に基づいて第一リミット指令値Ｓｌｉｍ１と第二リミット指令値Ｓｌｉｍ２とがそれぞれ更新される。複数の発電設備１１それぞれが第二リミット指令値Ｓｌｉｍ２に従って制御されることで、合成電力Ｐｓｕｍが事前発電抑制値Ｐｓｐを上回らないように風力発電設備１０の発電量が抑制される。
【００４５】
発電抑制制御部５５は、合成電力Ｐｓｕｍが事前発電抑制値Ｐｓｐよりも大きいときに風力発電設備１０の発電量Ｐｇｅｎを事前発電抑制値Ｐｓｐへと徐々に近づけるように構築されてもよい。例えば、電力変動制限開始時刻Ｔｓｔａｒｔの２時間前に第一抑制量（例えば定格の８０％など）まで発電量が抑制されるようにしてもよく、例えば電力変動制限開始時刻Ｔｓｔａｒｔの１時間前には第二抑制量（例えば定格の７０％など）まで発電量が抑制されるようにしてもよい。例えば一時間などの所定時間間隔で複数段階の事前発電抑制値Ｐｓｐが可変設定されてもよく、これにより風力発電設備１０の発電量Ｐｇｅｎを事前発電抑制値Ｐｓｐへと少しずつ近づけることができる。
【００４６】
基準時刻Ｔｐｒｅｓｔａｒｔは、電力変動制限開始時刻Ｔｓｔａｒｔよりも予め定めた時間だけ遡った時刻に定められる。基準時刻Ｔｐｒｅｓｔａｒｔを電力変動制限開始時刻Ｔｓｔａｒｔよりも十分に早い時刻に定めることで、前述した短周期の出力変動緩和対策を履行しつつ事前発電抑制制御を実施することができる。つまり、基準時刻Ｔｐｒｅｓｔａｒｔから電力変動制限開始時刻Ｔｓｔａｒｔまでの期間に、合成電力Ｐｓｕｍの変化率が所定変化率ｎ（一例としてｎ＝１％／分）を超えない範囲で合成電力Ｐｓｕｍを事前発電抑制値Ｐｓｐへと近づけるように、風力発電設備１０の発電量Ｐｇｅｎを徐々に減らすことができる。
【符号の説明】
【００４７】
１  電力システム、２  電力系統、３  電力設備、１０  風力発電設備、１１  発電設備、１２  風車コントローラ、１３  第一合成変流器、１４  発電計測器、２０  蓄電池設備、２１  蓄電池電力システム、２２  第二合成変流器、２３  蓄電池充放電電力計測器、２４  ＢＭＵ（バッテリマネジメントユニット）、２５  蓄電池システムコントローラ、３０  第二計器用変成器、４０  主変圧器、４１  第一計器用変成器、４２  変流器、４３  発電所合成電力計測器、５０  メインサイトコントローラ（ＭＳＣ）、５１  充放電制御部、５２  充放電指令値演算部、５５  発電抑制制御部、５６  発電抑制指令値演算部、５７  リミット指令値演算部、ｎ  指定変化率、Ｐ０  発電所定格出力、Ｐｂａｔ  蓄電池充放電電力、Ｐｇｅｎ  発電電力、Ｐｓｕｍ  合成電力、Ｐｓｕｍ１  第一合成電力、Ｐｓｐ  事前発電抑制値、Ｓｃｄ０  充放電指令値、Ｓｃｄｐ  個別充放電指令値、Ｓｃｔｒ  オンライン発電抑制設定値、Ｓｌｉｍ０  発電抑制指令値、Ｓｌｉｍ１  第一リミット指令値、Ｓｌｉｍ２  第二リミット指令値、Ｔ  現在時刻、Ｔｄ  所定期間、Ｔｅｎｄ  電力変動制限終了時刻、Ｔｓｔａｒｔ  開始時刻（電力変動制限開始時刻）、Ｔｚ１  第一制限時間帯（電力変動制限時間帯）、Ｔｚ２  第二制限時間帯（電力変動制限時間帯）、Ｔｚ３  第三制限時間帯（電力変動制限時間帯）、Ｔｚ４  第四制限時間帯（電力変動制限時間帯）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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