(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に接続され、前記電力系統の動揺を抑制して安定化させる電力系統安定化装置であって、
蓄電装置として用いる電気二重層キャパシタと、
該電気二重層キャパシタに接続され、直流を交流に、交流を直流に変換する電力変換装置と、
該電力変換装置を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、前記電力系統の状態量に基づいて、有効電力制御目標値および無効電力制御目標値を演算する有効・無効電力制御目標値演算部と、前記有効・無効電力制御目標値演算部によって演算された前記有効電力制御目標値と前記無効電力制御目標値に基づいて、前記電力変換装置から出力する出力電圧の振幅および電力系統電圧との位相差の指令値を演算する振幅・位相差指令値演算部とを有し、
前記有効・無効電力制御目標値演算部は、系統事故を検出する系統事故検出部と、
事故時と平常時との制御を切り替える事故時・平常時制御切替部とを有し、
前記事故時・平常時制御切替部は、事故時には、事故直後の発電機加速中のみ、前記有効電力制御目標値を前記平常時の制御で演算される有効電力制御目標値に代えて、強制的に最大の吸収量の有効電力制御目標値となるように切り替えることを特徴とする電力系統安定化装置。
【請求項２】
前記事故時・平常時制御切替部は、前記事故時の制御を、発電機が減速を開始する前に終了させ、前記平常時の制御に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電力系統安定化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統安定化装置に関し、特に、事故などにより発生した電力系統の動揺を抑制し電力系統を安定化させる電力系統安定化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電力系統は、電源立地の困難化による電源の遠隔化・偏在化と需要の都市部への集中化に伴い、長距離重潮流送電線が増加する傾向にある。送電線の距離が長く重潮流である程、電力系統を安定化させることが困難になるため、その対策の必要性が増してきている。
【０００３】
電力系統を安定化させるためには、送電線新設などの電力系統の増強が有効であるが、送電線の建設には莫大な投資が必要となる。送電線建設と比べて比較的安価で工期的にも比較的短期間で設置が可能な電力系統安定化装置の設置が次善の策として考えられる。
【０００４】
電力系統の事故等の様々な要因により、電力系統のエネルギーバランスが崩れると電力系統の発電機が加速または減速し電力系統の動揺が発生する。この動揺を抑制し電力系統を安定化させるためには、電力系統のエネルギーのアンバランスを縮小することが有効である。電力系統の動揺に応じた有効電力の適切な供給・吸収による有効電力補償を行うことで電力系統でのエネルギーのアンバランスを軽減できる。また、無効電力の適切な供給・吸収による無効電力補償を行い電力系統の電圧を維持することで電力系統でのエネルギーの流れを制御し、電力系統のエネルギーバランスを改善できる。
【０００５】
電力系統を安定化させる方法は、上記に示すとおり有効電力補償と無効電力補償があるが、電力系統の動揺の原因となるエネルギーアンバランスを直接的に解消する有効電力補償の効果が一般的に高いとされている。
【０００６】
有効電力および無効電力補償が可能な装置としては、超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）、フライホイール発電機などが提案されている。また、無効電力補償のみが可能な装置としては、特許文献１に開示されるような自励式無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）や静止型無効電力補償装置（ＳＶＣ）などの無効電力補償装置がある。これらのうち、ＳＭＥＳ・フライホイール発電機・ＳＴＡＴＣＯＭは、各々、蓄電装置である超電導コイル・フライホイール・電解コンデンサに蓄えられたエネルギーを電力変換装置等により任意の交流電力に変換し、有効および無効電力補償、または無効電力補償を行うものである。
【０００７】
電力系統安定化装置とは目的が異なる装置であるが、電力系統事故時に電力系統の電圧が低下した際、電圧低下による負荷への影響を回避するため、事故検出後、即座に負荷を電力系統から切離し、適正な電圧で電力を供給することを目的とした瞬低補償装置において、特許文献２に開示されるように、その蓄電装置に電気二重層キャパシタが適用されており、数秒程度の有効電力の供給を可能としている。しかし、この瞬低対策装置においては、電力系統の安定化に必要な大容量の有効電力の供給は困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−６１２４９号公報
【特許文献２】特開２００９−２７８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
有効電力補償が可能なＳＭＥＳ・フライホイール発電機には、蓄電装置の損失が大きく、保守上の負担が大きいという問題がある。つまり、ＳＭＥＳはその蓄電装置である超電導コイルの極低温状態を維持するため冷却損失が発生する。フライホール発電機は回転機であるため、軸受け損失が発生し、各々、装置としての総合効率は８０〜９０％程度である。また、ＳＭＥＳはその極低温状態を維持する補機類の、フライホイール発電機は磨耗する回転部の定期的なメンテナンスが必要であるなど保守上の負担が大きい。これらの課題があるためＳＭＥＳ・フライホイール発電機は電力系統安定化装置としての実用レベルでの適用例はない。
【００１０】
さらに、特許文献１に開示されるようなＳＴＡＴＣＯＭは、蓄電装置に電解コンデンサを用いており、ＳＭＥＳのような極低温状態の維持・そのための冷却装置のメンテナンスやフライホイール発電機のような可動部の定期的なメンテナンスを必要としないことから上記の有効電力補償装置と比べて保守が容易であること、また、蓄電装置であるコンデンサにおいて、充電後の待機中の損失はほとんどなく、装置としての損失を低く抑えられることから、広く電力系統に適用されている。しかし、一方で、ＳＴＡＴＣＯＭは、蓄電装置である電解コンデンサのエネルギー密度が低いため、電力系統の動揺周期と同じ１〜２秒周期での有効電力の供給・吸収ができず、安定化効果が高い有効電力補償はできないという課題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、有効電力と無効電力の供給・吸収が可能な電力系統安定化装置を提供することにある。すなわち、本発明の電力系統安定化装置は、事故検出直後に系統事故検出部によって母線電圧および線路潮流等事故時に急変する情報から系統事故を検出し、制御目標値を強制的に最大の吸収量となるよう強制制御して電力系統安定化効果が高い有効電力を補償することができるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る電力系統安定化装置は、上記目的を達成するため、次のように構成される。
第１の電力系統安定化装置（請求項１に対応）は、電力系統に接続され、前記電力系統の動揺を抑制して安定化させる電力系統安定化装置であって、蓄電装置として用いる電気二重層キャパシタと、該電気二重層キャパシタに接続され、直流を交流に、交流を直流に変換する電力変換装置と、該電力変換装置を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、前記電力系統の状態量に基づいて、有効電力制御目標値および無効電力制御目標値を演算する有効・無効電力制御目標値演算部と、前記有効・無効電力制御目標値演算部によって演算された前記有効電力制御目標値と前記無効電力制御目標値に基づいて、前記電力変換装置から出力する出力電圧の振幅および電力系統電圧との位相差の指令値を演算する振幅・位相差指令値演算部とを有し、前記有効・無効電力制御目標値演算部は、系統事故を検出する系統事故検出部と、事故時と平常時との制御を切り替える事故時・平常時制御切替部とを有し、前記事故時・平常時制御切替部は、事故時には、事故直後の発電機加速中のみ、前記有効電力制御目標値を前記平常時の制御で演算される有効電力制御目標値に代えて、強制的に最大の吸収量の有効電力制御目標値となるように切り替えることを特徴とする。
第２の電力系統安定化装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、前記事故時・平常時制御切替部は、前記事故時の制御を、発電機が減速を開始する前に終了させ、前記平常時の制御に切り替えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電気二重層キャパシタを蓄電装置として用いることで、有効電力と無効電力の供給・吸収が可能であり、既存の有効・無効電力補償装置と比べて損失が少なく、保守が容易で実用的な電力系統安定化装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る電力系統安定化装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す有効・無効電力制御目標値演算部を示すブロック図である。
【図３】図１に示す制御装置での制御の原理を示す図である。
【図４】図１に示す電力系統安定化装置の等価回路図である。
【図５】図１に示す電力系統安定化装置における事故時強制制御を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
まず、本実施形態に係る電力系統安定化装置が接続された電力系統の構成について説明する。図１は、電力系統の一部を示しており、母線１と、母線１が接続され、発電機を含む部分電力系統２とから概略構成されている。この電力系統に本発明による電力系統安定化装置が接続されている。電力系統安定化装置１０は、電力系統情報検出部１１と、制御装置１２と、電気二重層キャパシタ１３と、自励式変換装置１４と、変圧器１５とを有している。電力系統安定化装置１０は、部分電力系統２に接続された母線１に変圧器１５を介して接続されている。また、母線１および部分電力系統２内の送電線・変圧器等の線路には、電力系統情報を検出する電力系統情報検出部１１が接続されており、電力系統情報検出部１１からの信号は、制御装置１２に入力されている。
【００１６】
電力系統情報検出部１１は、母線１ならびに周辺系統の情報、すなわち、母線１ならびに周辺系統の状態量である母線周波数または発電機速度、母線電圧、線路潮流等を電力系統の状態量として検出する装置である。本実施の形態では、母線周波数または発電機速度が有効電力制御用入力信号として、母線電圧が無効電力制御用入力信号として、線路潮流および母線電圧が事故検出用入力信号として、それぞれ電力系統情報検出部１１から制御装置１２に入力されるものとした。
【００１７】
ついで、制御装置１２に入力される有効電力制御用入力信号と無効電力制御用入力信号について説明する。
有効電力制御目標値Ｐおよび無効電力制御目標値Ｑを演算するための有効電力制御用入力信号および無効電力制御用入力信号は、系統解析により、発電機の動揺や電圧の動きを直接捉えることのできる系統状態の変化量を選択する必要がある。汎用性があり(設置個所の制約が少なく)、最もシンプルな信号としては、電力系統安定化装置設置母線から得られる情報である母線周波数および母線電圧が考えられる。これらの電力系統情報に応じ、電力系統の有効・無効電力の変化を補償するように電力系統安定化装置１０から有効電力と無効電力を供給・吸収し、電力系統を安定化させる。
【００１８】
なお、一般に、有効電力補償装置はその効果を得るためには発電機の近傍への設置が必要であり、発電所に設置する場合は発電機の情報を得やすいことから、有効電力補償装置の機能を有する本実施形態に係る電力系統安定化装置１０は、有効電力制御用の信号として、母線周波数の代わりに発電機速度を用いることも考えられる。また、電力系統安定化装置１０は、電力系統の事故時の制御が主な目的であることから、事故発生を確実に検出し、事故直後の安定化制御として効果の高い有効電力吸収の応答性を上げるため、事故時急激に低下する母線電圧ならびに急激に減少する発電機や送電線などの有効分潮流を補助的な入力信号として組み合わせて利用することも考えられる。
【００１９】
制御装置１２は、有効電力制御用入力信号と無効電力制御用入力信号に基づいて、有効電力制御目標値Ｐおよび無効電力制御目標値Ｑを演算する有効・無効電力制御目標値演算部１２ａと、有効・無効電力制御目標値演算部１２ａによって演算された有効電力制御目標値Ｐと無効電力制御目標値Ｑに基づいて、自励式変換装置１４から出力される出力電圧の振幅ＶＯＵＴおよび系統電圧Ｖｓとの位相差θの指令値を演算する振幅・位相差指令値演算部１２ｂを備えている。
【００２０】
電気二重層キャパシタ１３は、既存のＳＴＡＴＣＯＭに用いられている電解コンデンサと比べ、約１００倍のエネルギー密度があるため、同容量では、約１００倍の時間の有効電力の供給が可能である。
【００２１】
自励式変換装置１４は、直流を交流に変換し、交流を直流に変換する電力変換装置であり、例えば素子に流れる電流をオン・オフできる機能を持つＧＴＯ（ｇａｔｅ  ｔｕｒｎ−ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を使用したインバータで構成される。自励式変換装置１４は、任意の振幅、位相および周波数の電圧波形を作る機能を有している。
【００２２】
有効・無効電力制御目標値演算部１２ａについて図２を用いて説明する。
有効・無効電力制御目標値演算部１２ａは、電力系統の線路潮流や母線電圧等に基づいて系統事故を検出する系統事故検出部２０と、入力される母線周波数または発電機速度に基づいて周波数変動を検出する周波数変動検出部２１と、周波数変動検出部２１から検出される周波数変動に基づいて有効電力制御目標値を算定する有効電力制御目標値算定部２４とを備えている。有効電力制御目標値算定部２４は、事故時と平常時の制御を切り換える事故時・平常時制御切替部２４ａを有している。
また、電気二重層キャパシタ１３の直流電圧ＶＤや有効電力出力等に基づいて電気二重層キャパシタ１３の充電量を維持制御する目標値を算定するための充電量維持制御目標値算定部２６を有している。
また、有効電力制御目標値算定部２４からの出力と充電量維持制御目標値算定部２６からの出力に基づいて有効電力の制御目標値を合成する有効電力制御目標値合成部２７を備えている。
さらに、入力される母線電圧に基づいて電圧変動を検出する電圧変動検出部２８と、電圧変動検出部２８から出力される電圧変動に基づいて無効電力制御目標値を算定する無効電力制御目標値算定部２９を備えている。
さらにまた、有効電力制御目標値合成部２７からの出力と無効電力制御目標値算定部２９からの出力に基づいて有効電力制御目標値と無効電力制御目標値を出力が可能な容量以下になるように合成して有効電力制御目標値Ｐと無効電力制御目標値Ｑを出力する制御目標値合成部３０を備えている。
【００２３】
なお、継続的な有効電力補償のためには、電気二重層キャパシタ１３の蓄電量を一定に保つ制御も必要であり、これらの条件を組合せて最適な制御目標を演算することが必要である。そのために、有効・無効電力制御目標値演算部１２ａは、電気二重層キャパシタ１３の蓄電量を検出し、その蓄電量も含めての制御目標の演算を行う。
【００２４】
次に、振幅・位相差指令値演算部１２ｂにおける制御原理を図３を用いて説明する。図３（ａ）は、系統電圧Ｖｓと出力電圧ＶＯＵＴの波形を示した図である。図３（ｂ）は、有効電力Ｐと無効電力Ｑと皮相電力Ｓの関係をベクトル図によって示した図である。図３（ｃ）は、有効分をｄ軸に対応させ、無効分をｑ軸に対応させて出力電圧ＶＯＵＴと出力電流ＩＯＵＴと系統電圧Ｖｓとの関係をベクトルを用いて示した図である。図３（ｂ）と図３（ｃ）において記号δはＩＯＵＴの系統電圧Ｖｓに対する力率角を示す。図３において、系統電圧Ｖｓと出力電圧ＶＯＵＴの電圧差はΔＶであり、位相差はθであるとする。
【００２５】
また、自励式変換装置１４は、図４に示すように２つの交流電圧源Ｅ１とＥ２をリアクタンスＸｔを介して接続した形で等価的に表すことができる。ここで、リアクタンスＸｔは変圧器１５の等価リアクタンスである。
【００２６】
このとき、出力する有効電力制御目標値Ｐと無効電力制御目標値Ｑは、出力電圧ＶＯＵＴと系統電圧Ｖｓとこれらの位相差θと変圧器１５によって生じるリアクタンスＸｔを用いて、式（１）、式（２）のように表される。
【００２７】
有効電力制御目標値Ｐ＝Ｖｓ・ＩＯＵＴ・ｃｏｓδ
＝（ＶＯＵＴ・Ｖｓ・ｓｉｎθ）／Ｘｔ        （１）
無効電力制御目標値Ｑ＝Ｖｓ・ＩＯＵＴ・ｓｉｎδ
＝（ＶＯＵＴ・Ｖｓ・ｃｏｓθ−Ｖｓ２）／Ｘｔ  （２）
上記を満たす自励式変換装置１４への指令値ＶＯＵＴ，θは、式（３）、式（４）のように表される。
ＶＯＵＴ＝（Ｘｔ／Ｖｓ）×√（（Ｑ＋（Ｖｓ２／Ｘｔ））２＋Ｐ２）    （３）
θ＝ｔａｎ−１（Ｐ／（Ｑ＋（Ｖｓ２／Ｘｔ）））                      （４）
なお、系統安定化装置の容量＝最大の皮相電力Ｓｍａｘは、式（５）で表される。
Ｓｍａｘ≧（Ｖｓ／Ｘｔ）×√（ＶＯＵＴ２＋Ｖｓ２−２ＶＯＵＴ・Ｖｓｃｏｓθ）
（５）
【００２８】
従って、有効電力制御目標値Ｐ及び無効電力制御目標値Ｑは、式（１）と式（２）のように表される。そして、振幅・位相差指令値演算部１２ｂで式（３）と式（４）を用いて有効電力制御目標値Ｐ及び無効電力制御目標値Ｑから指令値ＶＯＵＴ、θを算出する。
【００２９】
次に電力系統安定化装置１０での実際の制御について説明する。まず、通常時の制御について説明する。制御装置１２による制御によって自励式変換装置１４が電気二重層キャパシタ１３を充電する。そして、その直流電圧から自励式変換装置１４を用いて、電力系統とは異なる電圧の交流電圧を制御装置１２で算出した指令値ＶＯＵＴに基づいて作り出し、母線１との電圧差によって無効電力を出力するように制御している。また、電力系統安定化装置１０では、有効電力を出力するため、出力電圧の電力系統電圧との位相差を制御装置１２で算出した指令値θに基づいて制御し、母線１との位相差により有効電力を出力する制御を行う。また、有効・無効電力制御目標値演算部１２ａは、電気二重層キャパシタ１３の直流電圧ＶＤまたは有効電力出力等を入力し、電気二重層キャパシタ１３の電圧を制御する。また、有効・無効電力制御目標値演算部１２ａは、電力系統情報検出部１１より事故検出用入力信号を入力し、事故発生時に集中的に有効電力を電力系統より吸収する強制制御を行う。強制制御については後に詳しく述べる。
【００３０】
次に、事故が検出された際の有効電力制御方法を図５を参照して説明する。図５（ａ）は、系統事故後の周波数変化を示す図であり、図５（ｂ）は、電力系統安定化装置１０の有効電力出力を示す図である。
【００３１】
事故時制御（近傍事故対策）では、発電機の加減速等の動揺は母線周波数または発電機の回転数の増減として現れ、電気的には周波数の増減として現れるため、発電機の動揺現象を捉えるための電力系統情報として母線周波数または発電機速度が有効であるのは前述のとおりである。発電機は事故発生直後から加速を開始するが、発電機速度および母線周波数は、図５（ａ）の曲線Ｃ１に示すように、点線Ｃ２で示される母線電圧や発電機近傍の線路潮流等事故時に急変する情報と比べて、発電機の持つ慣性により事故後緩やかに変化する。よって、母線周波数または発電機速度を制御用入力信号としその変化に応じて有効電力制御目標値Ｐを演算した場合、図５（ｂ）の点線Ｃ３で示されるように、有効電力の吸収量は周波数の増加とともに徐々に増加するため、最も有効電力補償量を多く必要とする事故直後に、安定化効果の高い有効電力の吸収量を多く得られない。
【００３２】
上記のような有効電力の吸収量が多く得られないことを補うため、本実施の形態では事故検出直後の所定時間の制御（強制制御）と、この所定時間を経過した後の平常時制御とに分けて制御を行う。すなわち、事故検出直後は、系統事故検出部２０によって、母線電圧および線路潮流等事故時に急変する情報から系統事故を検出し、事故直後、有効電力目標値算定部２４によって、図５（ｂ）の曲線Ｃ４で示すように安定化効果の高い有効電力補償の制御目標値を強制的に最大の吸収量とするよう演算し、強制制御を行う。
【００３３】
電力系統安定化装置１０は、発電機の加速および減速を打ち消す制御をするのが基本であるが、事故直後の強制制御は、有効電力の吸収により加速する発電機のエネルギーを吸収し減速させる制御のため、発電機が減速を開始する時点まで強制制御を継続すると減速を助長し逆効果となる。また、母線周波数等より演算する有効電力の目標値は、立ち上りは緩やかではあるものの、発電機が減速に転じる前の加速中に最大量に達するよう設定することから、強制制御は、事故検出後、母線周波数等から演算される目標値が最大となるまでは最低限継続し、発電機が減速を開始する前(動揺周期の１／４前、動揺周期が２秒であれば事故直後から０．５ｓ前)には確実にリセットする必要がある。そのリセットをするタイミングを図５（ｂ）の符号ｔｒで示している。
【００３４】
ついで、上記事故検出直後の所定時間を経過後に、事故時・平常時制御切替部２４ａの切替により平常時制御に移行する。この平常時制御は、先に説明した通常時の制御と同じ制御とすることができ、上記強制制御に引き続く制御として行うが、遠方事故時、前述の事故検出ができない場合でも、系統の安定度が維持できない場合に母線周波数または発電機速度が閾値を超える場合は、制御する。なお、閾値はシミュレーションなどから、通常運用時の系統動揺で動作せず、事故時など系統の安定度が問題となる場合には動作できる値に設定する。
【００３５】
以上のように、電力系統安定化装置１０では、制御装置１２による制御によって電気二重層キャパシタ１３を充電し、その直流電圧から自励式変換装置１４を用いて、電力系統とは異なる電圧の交流電圧を作り出し、電力系統との電圧差によって無効電力を出力するように制御している。また、電力系統安定化装置１０では、有効電力を出力するため、出力電圧の位相を制御し、電力系統との位相差により有効電力を出力する制御を行う。
【００３６】
以上により、本実施形態に係る電力系統安定化装置１０では、電気二重層キャパシタを用いているために、既存の有効・無効電力補償装置のような保守・点検の問題がなく、安定化効果の高い有効・無効電力補償装置の電力系統への適用の可能性を高めるものである。そして、有効電力の供給が容易であり、事故時の電力補償を応答が遅れずに行える電力系統安定化装置を提供することができる。
【００３７】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および有効・無効電力制御目標値Ｐ・Ｑの演算方法等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１          母線
２          部分電力系統
１０        電力系統安定化装置
１１        電力系統情報検出部
１２        制御装置（制御手段）
１２ａ      有効・無効電力制御目標値演算部
１２ｂ      振幅・位相差指令値演算部
１３        電気二重層キャパシタ（蓄電装置）
１４        自励式変換装置（電力変換装置）
１５        変圧器
２０        系統事故検出部
２１        周波数変動検出部
２４        有効電力制御目標値算定部
２４ａ      事故時・平常時制御切替部
２６        充電量維持制御目標値算定部
２７        有効電力制御目標値合成部
２８        電圧変動検出部
２９        無効電力制御目標値算定部
３０        制御目標値合成部
【図１】
0005436400.tif 000002
【図２】
0005436400.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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