(57)【要約】      （修正有）【課題】再生可能エネルギー発電装置の出力に対する電力系統に送電される電力（平滑化後の電力）の位相遅れを最小化して、電力貯蔵装置の所要定格出力を最小化する出力安定化装置を提供する。【解決手段】再生可能エネルギー発電装置（風力発電装置）１を接続した電力系統５に設置され、電力貯蔵装置３の貯蔵電力を交直変換器を４介して電力系統とやり取りすることにより再生可能エネルギー発電装置の出力変動を抑制する出力安定化装置６であって、交直変換器が、少なくとも再生可能エネルギー発電装置の出力変動を検知する検知回路と、検知回路の出力信号を処理する高域通過フィルタと、を有する。【選択図】図１
2020198702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギー発電装置を接続した電力系統に設置され、電力貯蔵装置の貯蔵電力を交直変換器を介して前記電力系統とやり取りすることにより前記再生可能エネルギー発電装置の出力変動を抑制する出力安定化装置において、
前記交直変換器が、少なくとも前記再生可能エネルギー発電装置の出力変動を検知する検知回路と、前記検知回路の出力信号を処理する高域通過フィルタとを有することを特徴とする出力安定化装置。
【請求項２】
前記高域通過フィルタの伝達関数Ｋ（ｓ）が、
2020198702.tif 000010
（ただし、Ｋｐはゲイン、ｂ０、ｂ１は定数、ｓはラプラス演算子）
で表されることを特徴とする請求項１に記載の出力安定化装置。
【請求項３】
前記再生可能エネルギー発電装置が、風力発電装置又は太陽光発電装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の出力安定化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生可能エネルギー発電システムの電力系統に出力される電力を安定化する出力安定化装置に関し、より詳細には、再生可能エネルギー発電装置と電力貯蔵装置とを協調的に利用して電力系統に出力される電力を安定化する出力安定化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止や化石燃料資源枯渇の観点から、風力エネルギーや太陽光エネルギーを利用する再生可能エネルギー発電装置が電力系統に多数接続されるようになってきた。そして、風力発電は、非枯渇性のクリーンエネルギーである風力エネルギーを利用した発電システムとして、世界各地で盛んに建設が行われている。また、離島や限られた地域内に電力を供給する小規模な配電網であるマイクログリッドに分散型電源として風力発電システムを配備することが検討されている。
【０００３】
しかし、自然エネルギーは不規則に変動するため、再生可能エネルギー発電装置を電力系統に導入すると、電力系統周波数や電力系統電圧が変動することになる。特に、風力エネルギーは不規則であり、風力発電機出力電力は風速の３乗に比例して大きく変動するため、電力系統周波数も乱れやすい。マイクログリッドに導入した場合、電力系統の規模が小さいため、電力系統への影響がより顕著になる。そのため、需要者からは電力品質を保持する要求があるので、風力発電設備を導入した電力系統も、電力系統周波数や電力系統電圧を一定に維持する必要がある。
【０００４】
風力変動による発電量の変動を補償するために、従来から風力発電システムに電力貯蔵システムを挿入して電力系統出力変動を抑制する方法が提案されている。そして、近年、電力貯蔵装置としてＮａＳ電池などを使用した電力貯蔵システムが注目されている。電力貯蔵システムを風力発電設備に併設することにより、電力系統に悪影響を及ぼさない電力変動まで平滑化できる。しかし、電力貯蔵システムを併設することで設備コストが増加する。
【０００５】
例えば、下記非特許文献１には、風力発電システムに電力貯蔵システムを挿入して、両者を協調的に利用し、電力系統出力変動を抑制する出力安定化装置が開示されている。非特許文献１に開示された発明は、出力安定化装置の制御系に低域通過フィルタ（ＬＰＦ）を用いた構成であり、風力発電システムの出力から変動成分を抽出し、その変動を抑制する電力を電力貯蔵システムが出力するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】由本勝久、七原俊也、輿水源太郎著  「風力発電出力平滑化用蓄電池の充電レベルの制御法-残存容量フィードバック制御に関する考察-」電気学会論文誌B,Vol.129,No.5,pp.605-613(2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の出力安定化装置のように低域通過フィルタを用いた制御系では、電力系統に悪影響を及ぼさない電力変動まで平滑化するためには、再生可能エネルギー発電（風力発電）の出力に対して、電力系統に送電される電力（平滑化後の電力）に大きな位相遅れが伴う。この位相遅れのため、電力貯蔵装置の所要定格出力が必要以上に増大してしまう問題点を有していた。定格出力の増大は、電力貯蔵装置が大型化するとともに、コストアップを招く要因となっていた。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、再生可能エネルギー発電の出力に対する、電力系統に送電される電力（平滑化後の電力）の位相遅れを最小化して、電力貯蔵装置の所要定格出力を最小化する出力安定化装置を提供することを目的とする。また、位相遅れの最小化に際して、簡単な制御系で、容易に実装できる出力安定化装置を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討を行った結果、再生可能エネルギー発電装置と電力貯蔵装置とを協調的に利用して電力系統に出力される電力を平滑化する場合、再生可能エネルギー発電の出力に対する、電力系統に送電される電力（平滑化後の電力）の位相遅れを小さくすればするほど、電力貯蔵装置の所要定格出力を小さくできることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明の一観点に係る出力安定化装置は、再生可能エネルギー発電装置を接続した電力系統に設置され、電力貯蔵装置の貯蔵電力を交直変換器を介して電力系統とやり取りすることにより再生可能エネルギー発電装置の出力変動を抑制する出力安定化装置において、交直変換器が、少なくとも再生可能エネルギー発電装置の出力変動を検知する検知回路と、検知回路の出力信号を処理する高域通過フィルタとを有することを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、高域通過フィルタの伝達関数Ｋ（ｓ）が、
2020198702.tif 000003
（ただし、Ｋｐはゲイン、ｂ０、ｂ１は定数、ｓはラプラス演算子）
で表されることを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、再生可能エネルギー発電装置が、風力発電装置又は太陽光発電装置であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、再生可能エネルギー発電装置と電力貯蔵装置とを協調的に利用して、電力系統に出力される電力を平滑化する構成において、再生可能エネルギー発電の出力に対する、電力系統に送電される電力（平滑化後の電力）の位相遅れを最小化して、電力貯蔵装置の所要定格出力を最小化できる利点がある。その結果、電力貯蔵装置の小型化が可能になるとともに、低コスト化できる利点がある。また、位相遅れの最小化に際して、高域通過フィルタ等を設ける簡単な制御系で、容易に実装できる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態に係る再生可能エネルギー発電装置における出力安定化装置の概要を示す構成図である。
【図２】図１のブロック線図を示す図である。
【図３】実施形態に係るウインドファームの出力電力（ＰＷＦ）と電力貯蔵装置（ＥＳＳ）の出力電力（Ｐｂ）と電力系統に送電される電力（Ｐｇ）とを示すイメージ図である。
【図４】実施例に係る制御系のブロック線図を示す図である。
【図５】実施例に係るウインドファーム（ＷＦ）の出力電力（ＰＷＦ）と電力系統に送電される電力（Ｐｇ）とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の範囲はこれらの説明に拘束されることはなく、以下の例示以外についても、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜変更し実施することができる。
【００１６】
図１は、本実施形態の再生可能エネルギー発電装置における出力安定化装置の概要を示す構成図である。再生可能エネルギー発電装置として、ウインドファーム２を構成する複数の風力発電装置１を系統電源に連系させた電力系統５に設け、電力貯蔵装置３の貯蔵電力を交直変換器４を介して電力系統５とやり取りすることにより、ウインドファーム２の出力変動を抑制する出力安定化装置６を示す。すなわち、出力安定化装置６は、ウインドファーム２からの出力電力が所定値以上ならば、ウインドファーム２からの出力電力の一部を電力貯蔵装置３に充電し、ウインドファーム２からの出力電力が所定値以下ならば、電力貯蔵装置３の貯蔵電力の一部を電力系統５に放電することで、ウインドファーム２に出力変動が生じても、電力系統５の出力変動を抑制する構成である。そして、電力貯蔵装置３への充放電は、制御系を内蔵した交直変換器４によって制御されている。
【００１７】
なお、本実施形態において再生可能エネルギー発電装置は、石油や石炭、天然ガスなどの化石エネルギーとは違い、太陽光や風力、地熱といった地球資源の一部など自然界に常に存在するエネルギーを利用した発電装置であって、例えば太陽光発電装置、風力発電装置、バイオマス発電装置、地熱発電装置等を採用することができる。そして、本実施形態においては風力発電装置を採用した。
【００１８】
また、電力貯蔵装置は、電力を貯蔵できるとともに電力を充放電できる限りにおいて限定されるわけではないが、蓄電池、フライホイール等を採用することができる。
【００１９】
また、交直変換器４は、電力貯蔵装置３及び電力系統５の一方が交流、他方が直流の場合に設けるものであって、電力貯蔵装置３及び電力系統５の両方が交流又は両方が直流の場合、電力貯蔵装置３の充放電を制御できる他の構成でもよい。すなわち、電力貯蔵装置３及び電力系統５の両方が交流の場合、交直変換器に代えてＡＣ-ＡＣコンバータが適しており、電力貯蔵装置３及び電力系統５の両方が直流の場合、交直変換器に代えてＤＣ-ＤＣコンバータが適している。
【００２０】
次に、交直変換器４に内蔵された制御系について説明する。制御系は、ウインドファーム２の出力変動成分を検知する検知回路を有し、この検知回路の出力信号を処理する高域通過フィルタを有する構成で、高域通過フィルタの出力信号に基づいて、ウインドファーム２の出力変動を抑制する電力を出力安定化装置６が入出力するものである。
【００２１】
なお、ウインドファーム２の出力変動成分を検知する検知回路の構成として、ウインドファーム２の出力電気信号（出力電圧、出力電流、出力電力等）を検知してもよいし、出力変動に依存する風速や風向き又はその両者を検知する構成でもよい。また、ウインドファーム以外の再生可能エネルギー発電装置の場合も同様であり、出力電気信号（出力電圧、出力電流、出力電力等）を検知してもよいし、出力変動に依存する太陽光の強度、地熱の強度等を検知する構成でもよい。
【００２２】
図２に、図１のブロック線図を示す。ＰＷＦ（ｓ）はウインドファーム２の出力、Ｇｇｒｉｄ（ｓ）はＰＷＦ（ｓ）と出力安定化装置６の出力Ｐｂ（ｓ）の合計値Ｐｇ（ｓ）から系統周波数変動Δｆ（ｓ）までの伝達関数、ＧＰＥ（ｓ）は出力安定化装置６の出力指令値からＰｂ（ｓ）までの伝達関数、Ｅ（ｓ）は電力貯蔵装置３の残存容量である。なお、電力貯蔵装置３の応答速度は十分速いので、ＧＰＥ（ｓ）＝１とする。また、出力安定化装置６の充電方向の出力を正とし、放電方向の出力を負としている。なお、Ｋ（ｓ）は制御器である。
【００２３】
低コスト化のためには如何に小さい定格出力の電力貯蔵装置３でウインドファーム２の出力を平滑化するかが重要となる。図３にウインドファームの出力電力（ＰＷＦ）と電力貯蔵装置（ＥＳＳ）の出力電力（Ｐｂ）と電力系統に送電される電力（Ｐｇ）とのイメージ図を示す。本発明と背景技術とで平滑化後の電力系統に送電される電力（Ｐｇ）の変動幅（平滑化の程度）を同じにする条件で比較した。本発明の電力貯蔵装置（ＥＳＳ）の出力電力（Ｐｂ）の振幅ａと、背景技術の電力貯蔵装置（ＥＳＳ）の出力電力（Ｐｂ）の振幅ｂとを比較すると、図３が示すように、ウインドファームの出力変動を位相遅れなしで補償すること（本発明）により電力貯蔵装置（ＥＳＳ）の所要定格出力を低減できる。以下では所要定格出力を低減するＥＳＳ制御系を導出する。
【００２４】
はじめに、図２よりＥ（ｓ）およびＰｇ（ｓ）を制御器Ｋ（ｓ）の関数として記述すると、下記の数式１、数式２となる。
【００２５】
【数１】
2020198702.tif 000004
【００２６】
【数２】
2020198702.tif 000005
【００２７】
ここで、（１）式より明らかなように、ＥＳＳの残存容量がウインドファーム出力の直流成分に対して、有界かつ定常偏差を持たないための条件は、制御器Ｋ（ｓ）が原点に零点を２つ以上（伝達関数の分子が２次以上）持つことである。したがって、Ｋ（ｓ）のプロパー性（分母の次数≧分子の次数）を考えると制御器の分母の次数は２次以上でなければならない。本条件を踏まえ下記の数式３の制御器Ｋ（ｓ）を考える。
【００２８】
【数３】
2020198702.tif 000006
【００２９】
なお、Ｋｐ（０＜Ｋｐ≦１）はゲイン、ｓ２/（ｓ２＋ｂ１ｓ＋ｂ０）は高域通過フィルタ（ＨＰＦ）で、ｂ０およびｂ１は非零の定数である。そして、（２）式に（３）式を代入すると、下記の数式４となる。
【００３０】
【数４】
2020198702.tif 000007
【００３１】
（４）式から明らかなように、ウインドファーム出力の短周期成分（右辺第１項）は（１−Ｋｐ）倍に抑制され、長周期成分（右辺第２項）は抑制されず電力系統に送電される。この時、ウインドファーム出力の短周期変動ＰＨＷＦ（ｔ）に対するＥＳＳの出力Ｐｂ（ｔ）は、下記の数式５となる。
【００３２】
【数５】
2020198702.tif 000008
【００３３】
よって、ウインドファームの変動出力を位相遅れなしで平滑化できることがわかる。したがって、本制御系により電力貯蔵装置（ＥＳＳ）の所要ｋＷ容量を低減、引いてはエネルギー容量を削減し、低コスト化を実現できる。
【００３４】
以上のような構成の本実施形態においては、再生可能エネルギー発電装置を接続した電力系統に設置され、電力貯蔵装置の貯蔵電力を交直変換器を介して電力系統とやり取りすることにより再生可能エネルギー発電装置の出力変動を抑制する出力安定化装置において、交直変換器が、少なくとも再生可能エネルギー発電装置の出力変動を検知する検知回路と、検知回路の出力信号を処理する高域通過フィルタとを有する構成で、再生可能エネルギー発電装置の出力に対する、電力系統に送電される電力（平滑化後の電力）の位相遅れを最小化して、電力貯蔵装置の所要定格出力を最小化できる。そのため、電力貯蔵装置の小型化が可能になるとともに、低コスト化できる効果がある。また、位相遅れの最小化に際して、高域通過フィルタ等を設ける簡単な制御系で、容易に実装できる効果もある。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【００３６】
本発明の電力貯蔵装置の制御系は、分母２次以上および零点２個以上（分子２次以上）の制御器にゲインＫｐを加えた構成であり、一例として、図４に分母２次および零点２個の制御器にゲインＫｐを有する制御器構造を示す。この制御器を図１に示す再生可能エネルギーの変動電力を平滑化する電力貯蔵装置の制御系に実装する。具体的には、交直変換器４に実装することが望ましい。以上の制御系を実装することにより、図３の本発明Ｐｇおよび本発明Ｐｂに示すように再生可能エネルギー発電の出力（ＰＷＦ）に対して電力系統に送電される電力Ｐｇの位相遅れを抑えることができる。また、本発明は単純な制御器構造で位相遅れを抑えることができる。結果として、図３に示すように電力貯蔵装置の出力（Ｐｂ）が著しく低下するため、電力貯蔵装置の低コスト化を実現できる。
【００３７】
本発明の制御系の有効性を検討するため、実風速データに基づくウインドファーム出力を用いて背景技術（ＬＰＦを用いた制御系）とシミュレーションにより比較を行った。本発明の制御系のパラメータはＫｐ＝０．４７４、ｂ０＝４×１０−６、ｂ１＝４×１０−３とした。なお、Ｋｐはシミュレーションを用いて系統の周波数変動の最大値が０．２Ｈｚとなる値に設定した。同様な理由で背景技術のＬＰＦ時定数は７．１９ｓとした。
【００３８】
図５に電力系統出力（ウインドファームの出力電力（ＰＷＦ）と電力系統に送電される電力（Ｐｇ））およびその拡大図を示す。図においてウインドファーム定格容量をベース値としている。特に図５（ｂ）の拡大図より、本発明の制御系は位相遅れなしでウインドファーム出力を平滑化できていることがわかる。結果として、本発明の制御系のＥＳＳ出力の最大値は、背景技術の制御系に比べ４２％低減できた。下記の表１にシミュレーションより得られた背景技術に対する本発明のＥＳＳの性能指標をまとめる。なお、Ｃレートは３Ｃとし背景技術の定格容量を基準としている。この結果から本発明の制御系により大幅なＥＳＳの低コスト化が達成できる。
【００３９】
【表１】
2020198702.tif 000009
【００４０】
以上、本発明は背景技術に比べて、次の２つの点で優位性がある。１つ目は、電力貯蔵装置の所要定格出力を大幅に低減できる点である。これにより、電力貯蔵装置の低コスト化を実現することが可能である。２つ目は、制御系を非常にシンプルに構成できる点である。これにより、容易に電力貯蔵装置の制御系として実装可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、再生可能エネルギー発電装置と電力貯蔵装置とを協調的に利用して電力系統に出力される電力を平滑化する出力安定化装置として産業上利用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  風力発電装置
２  ウインドファーム
３  電力貯蔵装置
４  交直変換器
５  電力系統
６  出力安定化装置
【図１】
2020198702.tif 000011
【図２】
2020198702.tif 000012
【図３】
2020198702.tif 000013
【図４】
2020198702.tif 000014
【図５】
2020198702.tif 000015