(57)【要約】【課題】需要家の構内に設置された複数の発電機における総損失を最小化しながらも受電点における力率を改善すること。【解決手段】本発明の自動力率制御システムは、受電点２における無効電力を検出する無効電力検出器４と、各発電機３１〜３Ｎが発電する有効電力を検出する有効電力検出器５１〜５Ｎと、受電点２における無効電力と各発電機３１〜３Ｎが発電する有効電力とに基づいて、各発電機３１〜３Ｎの損失コストの総和が最小になる各発電機３１〜３Ｎの無効電力の最適値を算出する力率演算装置６と、力率演算装置６が算出した各発電機３１〜３Ｎが発電すべき無効電力に基づき、各発電機の界磁電流を制御する自動力率調整器７１〜７Ｎとを備える。【選択図】図１
2014176136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電点における無効電力を検出する無効電力検出手段と、
各発電機が発電する有効電力を検出する有効電力検出手段と、
前記受電点における無効電力と前記各発電機が発電する有効電力とに基づいて、前記各発電機の損失コストの総和が最小になる前記各発電機の無効電力の最適値を算出する力率演算手段と、
前記力率演算手段が算出した前記各発電機が発電すべき無効電力に基づき、前記各発電機の界磁電流を制御する力率調整手段と、
を備えることを特徴とする自動力率制御システム。
【請求項２】
前記力率演算手段は、
前記各発電機が発電する有効電力に基づき前記各発電機が発電する無効電力が満たすべき第１の制約条件を取得し、
前記各発電機が発電すべき無効電力の総和が前記受電点における無効電力に一致することによる第２の制約条件を取得し、
前記第２の制約条件の下で前記各発電機の損失コストの総和が最小になる前記各発電機の無効電力を算出し、
前記算出された各発電機の無効電力が前記第１の制約条件を満たす場合に、当該各発電機の無効電力を前記各発電機が発電すべき無効電力の最適値とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の自動力率制御システム。
【請求項３】
受電点における無効電力を検出する無効電力検出ステップと、
各発電機が発電する有効電力を検出する有効電力検出ステップと、
前記受電点における無効電力と前記各発電機が発電する有効電力とに基づいて、前記各発電機の損失コストの総和が最小になる前記各発電機の無効電力の最適値を算出する力率演算ステップと、
前記力率演算手段が算出した前記各発電機が発電すべき無効電力に基づき、前記各発電機の界磁電流を制御する力率調整ステップと、
を含むことを特徴とする自動力率制御方法。
【請求項４】
前記力率演算ステップは、
前記各発電機が発電する有効電力に基づき前記各発電機が発電する無効電力が満たすべき第１の制約条件を取得し、
前記各発電機が発電すべき無効電力の総和が前記受電点における無効電力に一致することによる第２の制約条件を取得し、
前記第２の制約条件の下で前記各発電機の損失コストの総和が最小になる前記各発電機の無効電力を算出し、
前記算出された各発電機の無効電力が前記第１の制約条件を満たす場合に、当該各発電機の無効電力を前記各発電機が発電すべき無効電力の最適値とする、
ことを特徴とする請求項３に記載の自動力率制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機の自動力率制御システムおよび自動力率制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、需要家の構内に設置する発電機が発電する電力は、有効電力と無効電力とを含む皮相電力である。有効電力とは、負荷で実際に消費される電力であり、無効電力とは、負荷と電源とで往復するだけで消費されない電力である。しかも、無効電力は、負荷で消費されないにも拘らず、電力損失を発生させてしまう。したがって、無効電力を発電する必要性はないようにも思えるが、電力を消費する負荷となる電気機器の多くが内部にコイル成分を有し、発電機が無効電力を発電することは不可避である。
【０００３】
一方、電力会社が需要家へ送電する電力も有効電力と無効電力とを含む皮相電力である。したがって、電力会社は、実際は需要家にて消費されない無効電力を含んだ皮相電力を需要家へ送電している。その結果、電力会社は、無効電力とを含む皮相電力を許容する容量の発電機、変圧器、およびその他の送電設備を備え、さらに無効電力の送電に伴う電力損失の発生を負担しているという現実がある。
【０００４】
ところで、需要家の受電点における力率（皮相電力に対する有効電力の割合）を改善することができれば、電力会社から需要家への間の送電設備などのコストおよび電力損失の発生を抑えることができる。そして、需要家の受電点における力率を改善する方法の一つが、需要家の構内に設置される発電機により積極的に無効電力を発電することである。つまり、この力率の改善方法は、需要家の構内における負荷が必要とする無効電力を、自構内の発電機により賄うことにより、電力会社から需要家への送電される無効電力を削減するという方法である。
【０００５】
以上の観点から、需要家の自構内に設置された発電機において無効電力を最大化させ、受電点における力率を改善する技術が幾つか知られている。例えば、特許文献１には、ガスタービンの吸気温度に応じて発電機が発電する電力の力率を制御する方法が記載されている。特許文献２には、受電電源からの有効電力ならびに無効電力および並列運転を行う他の発電機からの有効電力ならびに無効電力を検出して、発電機が発電する電力の力率を制御する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６４−１６３００号公報
【特許文献２】特開平６−１４４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された方法は、ガスタービン発電機に特有の現象を利用したものであり、ボイラ発電機などには適用することができない。また、特許文献２に記載された方法は、受電電源および並列運転を行う他の発電機からの有効電力ならびに無効電力を検出するが、無効電力出力を増加させると発電機の界磁電流が増加して発電機の損失が増加するため、発電機単体の無効電力を最大化させることが最も経済的であるとは限らない。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、需要家の構内に設置された複数の発電機における総損失を最小化しながらも受電点における力率を改善することができる自動力率制御システムおよび自動力率制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる自動力率制御システムは、受電点における無効電力を検出する無効電力検出手段と、各発電機が発電する有効電力を検出する有効電力検出手段と、前記受電点における無効電力と前記各発電機が発電する有効電力とに基づいて、前記各発電機の損失コストの総和が最小になる前記各発電機の無効電力の最適値を算出する力率演算手段と、前記力率演算手段が算出した前記各発電機が発電すべき無効電力に基づき、前記各発電機の界磁電流を制御する力率調整手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる自動力率制御方法は、受電点における無効電力を検出する無効電力検出ステップと、各発電機が発電する有効電力を検出する有効電力検出ステップと、前記受電点における無効電力と前記各発電機が発電する有効電力とに基づいて、前記各発電機の損失コストの総和が最小になる前記各発電機の無効電力の最適値を算出する力率演算ステップと、前記力率演算手段が算出した前記各発電機が発電すべき無効電力に基づき、前記各発電機の界磁電流を制御する力率調整ステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる自動力率制御装置および自動力率制御方法は、需要家の構内に設置された複数の発電機における総損失を最小化しながらも受電点における力率を改善することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施形態にかかる自動力率制御システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、力率演算装置の機能を概略的に示した機能ブロックである。
【図３】図３は、可能出力曲線の例を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態にかかる自動力率制御装置および自動力率制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１４】
〔自動力率制御システム〕
図１は、本発明の実施形態にかかる自動力率制御システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示されるように、本発明の実施形態にかかる自動力率制御システム１は、上位電力系統から需要家の構内への電力供給を受ける受電点２と、需要家の構内で発電をするＮ個の並列された発電機３１〜３Ｎとを備える電力システムに用いるためのものである。
【００１５】
本発明の実施形態にかかる自動力率制御システム１は、受電点２における無効電力を検出する無効電力検出器４と、各発電機３１〜３Ｎが発電する電力のうち有効電力を検出する有効電力検出器５１〜５Ｎと、受電点２における無効電力と各発電機３１〜３Ｎが発電する有効電力とに基づいて、各発電機３１〜３Ｎが発電すべき無効電力を算出する力率演算装置６と、力率演算装置６が算出した各発電機３１〜３Ｎが発電すべき無効電力に基づき、各発電機３１〜３Ｎの界磁電流を自動電圧調整器（ＡＶＲ）８１〜８Ｎを介して制御する自動力率調整器（ＡＰＦＲ）７１〜７Ｎとを備えている。
【００１６】
無効電力検出器４は、受電点２における皮相電力のうち、無効電力を検出する。例えば、無効電力検出器４は、変流器と変圧器とを組合わせて受電点２における交流電圧と交流電流を測定することにより、受電点２における無効電力を測定する。この受電点２における無効電力の大きさをＱＬとする。
【００１７】
各発電機３１〜３Ｎに設けられた有効電力検出器５１〜５Ｎは、受電点２における交流電圧と交流電流を測定することにより、各発電機３１〜３Ｎが発電する電力のうち有効電力を検出する。この各有効電力の大きさをそれぞれＰ１〜ＰＮとする。
【００１８】
力率演算装置６は、上記のように取得された受電点２における無効電力の大きさＱＬと各有効電力の大きさＰ１〜ＰＮとを入力値として、各発電機３１〜３Ｎが発電すべき無効電力を算出する。力率演算装置６が行う演算は、後に詳述する。なお、各発電機３１〜３Ｎが発電すべき無効電力の大きさをそれぞれＱ１〜ＱＮとする。
【００１９】
自動力率調整器７１〜７Ｎは、各発電機３１〜３Ｎが力率演算装置６により算出された無効電力の大きさＱ１〜ＱＮで発電するように、各発電機３１〜３Ｎの力率を調節するための装置である。自動電圧調整器８１〜８Ｎは、各発電機３１〜３Ｎの界磁電圧を可変することにより各発電機３１〜３Ｎの力率を可変させる装置である。自動力率調整器７１〜７Ｎと自動電圧調整器８１〜８Ｎとは、協働して各発電機３１〜３Ｎの力率を調節する。
【００２０】
なお、各発電機３１〜３Ｎは、界磁の作る磁界を電機子巻線が横切る回転速度に同期した電力を発電する一般的な発電機であり、界磁を励起する界磁電流の制御により、発電電力の力率を制御することができる発電機である。したがって、各発電機３１〜３Ｎは、自動力率調整器７１〜７Ｎおよび自動電圧調整器８１〜８Ｎを介して、力率演算装置６が算出した無効電力の大きさで発電をすることが可能である。
【００２１】
〔力率演算装置〕
以下、力率演算装置６の機能の詳細について説明する。
【００２２】
図２は、力率演算装置６の機能を概略的に示した機能ブロックである。図２に示されるように、力率演算装置６は、力率演算手段６ａと演算条件記憶手段６ｂとを備えている。
【００２３】
力率演算手段６ａは、演算条件記憶手段６ｂに記憶された制約条件を参照し、無効電力の大きさＱＬと各有効電力の大きさＰ１〜ＰＮとを入力値として、各発電機３１〜３Ｎが発電すべき無効電力の大きさＱ１〜ＱＮを算出する。
【００２４】
演算条件記憶手段６ｂには、各発電機３１〜３Ｎの可能出力曲線に関するデータが記憶されている。可能出力曲線とは、各発電機３１〜３Ｎに定められた運転の制約条件を表すものである。図３は、可能出力曲線の例を示すグラフである。各発電機３１〜３Ｎは、図３に示されるような可能出力曲線内の有効電力と無効電力との組み合わせでのみ発電することが可能である。
【００２５】
したがって、入力値である各有効電力の大きさＰ１〜ＰＮに対して、各発電機３１〜３Ｎが許容し得る無効電力の大きさＱ１〜ＱＮが定まり、力率演算手段６ａは、演算条件記憶手段６ｂに記憶された制約条件を参照することにより、各発電機３１〜３Ｎが許容し得る無効電力の大きさＱ１〜ＱＮを取得する。これが第１の制約条件である。
【００２６】
第１の制約条件として、各発電機３１〜３Ｎの出力可能な無効電力の範囲は下式（１）のように表される。ただし、下式（１）において、Ｑｉは、第ｉ番目の発電機３ｉの無効電力の大きさであり、Ｑｉｍａｘは、可能出力曲線から定まる最大の無効電力の大きさである。
【００２７】
【数１】
2014176136.tif 000003
【００２８】
上記式（１）を力率設定値で表すと、下式（２）のように表される。ただし、下式（２）において、Ｐｉは、第ｉ番目の発電機３ｉの有効電力の大きさであり、ｆｉは、可能出力曲線を表す関数である。
【００２９】
【数２】
2014176136.tif 000004
【００３０】
一方、各発電機３１〜３Ｎの無効電力の大きさＱ１〜ＱＮの総和は、上位電力系統から供給される無効電力の大きさＱＬと等しくならなければいけない。これが第２の制約条件であり、下式（３）のように表される。
【００３１】
【数３】
2014176136.tif 000005
【００３２】
次に、力率演算手段６ａが行う無効電力の最適値の演算について説明する。
【００３３】
各発電機３１〜３Ｎには、それぞれ無効電力の大きさＱ１〜ＱＮに対する損失コストが定まっている。この損失コストは、各発電機３１〜３Ｎに対して固有の損失コストであり、各発電機３１〜３Ｎの損失コストも演算条件記憶手段６ｂに記憶されている。以下、無効電力の大きさＱ１〜ＱＮに対する損失コストの大きさをＦ（Ｑ１）〜Ｆ（ＱＮ）とする。
【００３４】
ここでは、損失コストの総和を最小とする無効電力の組の算出方法として、ラグランジュ未定乗数法を用いて説明する。
【００３５】
ラグランジュの未定乗数をλとすると、ラグランジュ関数は下式（４）のようになる。
【００３６】
【数４】
2014176136.tif 000006
【００３７】
そして、上記式（４）をＱｉについて微分することにより、下式（５）が得られる。
【００３８】
【数５】
2014176136.tif 000007
【００３９】
すなわち、上記式（５）より、下式（６）が成り立つ。
【００４０】
【数６】
2014176136.tif 000008
【００４１】
よって、上記式（６）を満たす無効電力の大きさＱ１〜ＱＮを選択することにより、発電機３１〜３Ｎの損失コストの総和が最小化される。
【００４２】
ただし、上記式（６）を満たす無効電力の大きさＱ１〜ＱＮは、第１の制約条件としての式（１）を満たしていない可能性がある。そこで、無効電力の大きさＱ１〜ＱＮの何れかが式（１）を満たしていない場合は、式（１）を満たしていないＱｉをＱｉ＝０またはＱｉ＝Ｑｉｍａｘとして、無効電力の大きさＱ１〜ＱＮの再計算を行う。つまり、ｉ番目のＱｉがＱｉｍａｘ＜Ｑｉとなり、式（１）を満たしていない場合、Ｑｉ＝Ｑｉｍａｘとして再計算を行い、ｉ番目のＱｉがＱｉ＜０となり、式（１）を満たしていない場合、Ｑｉ＝０として再計算を行う。
【００４３】
以上のように、力率演算手段６ａが算出した無効電力の大きさＱ１〜ＱＮは、自動力率調整器７１〜７Ｎへ送信され、自動力率調整器７１〜７Ｎおよび自動電圧調整器８１〜８Ｎにより、各発電機３１〜３Ｎが無効電力の大きさＱ１〜ＱＮで発電するように力率が調整される。結果、本発明の実施形態にかかる自動力率制御システムによれば、需要家の構内に設置された複数の発電機における総損失を最小化しながらも受電点における力率を改善することができる。
【００４４】
〔自動力率制御方法〕
次に、図４を参照しながら、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法について説明する。図４は、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法を示すフローチャートである。
【００４５】
図４に示されるように、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法では、最初に無効電力検出器４により、受電点２における無効電力の大きさＱＬが検出される（ステップＳ１）。一方、各発電機３１〜３Ｎに設けられた有効電力検出器５１〜５Ｎにより、各発電機３１〜３Ｎが発電する有効電力の大きさＰ１〜ＰＮが検出される（ステップＳ２）。
【００４６】
その後、力率演算装置６により、各発電機３１〜３Ｎの可能出力曲線に基づき、各発電機３１〜３Ｎが発電する有効電力の大きさＰ１〜ＰＮから、各発電機３１〜３Ｎが発電する無効電力の大きさＱ１〜ＱＮが満たすべき第１の制約条件が取得される（ステップＳ３）。また、各発電機３１〜３Ｎが発電する無効電力の大きさＱ１〜ＱＮの総和が、受電点２における無効電力の大きさＱＬと等しいことによる第２の制約条件が取得される（ステップＳ４）。
【００４７】
その後、力率演算装置６により、第２の制約条件の下で、各発電機３１〜３Ｎの損失コストの総和が最小になる各発電機３１〜３Ｎの無効電力の大きさＱ１〜ＱＮが算出される（ステップＳ５）。このステップにおける最適な無効電力の大きさＱ１〜ＱＮの算出には、例えば上述のようにラグランジュ未定乗数法が用いられる。
【００４８】
その後、力率演算装置６により、算出された各発電機３１〜３Ｎの無効電力の大きさＱ１〜ＱＮが第１の制約条件を満たしているか否かが判定される（ステップＳ６）。算出された各発電機３１〜３Ｎの無効電力の大きさＱ１〜ＱＮが第１の制約条件を満たしていない場合（ステップＳ６；Ｎｏ）、その第１の制約条件を満たしていない無効電力の大きさＱｉをＱｉ＝０またはＱｉ＝Ｑｉｍａｘとして、無効電力の大きさＱ１〜ＱＮの再計算が行われる（ステップＳ７）。一方、算出された各発電機３１〜３Ｎの無効電力の大きさＱ１〜ＱＮが第１の制約条件を満たしている場合（ステップＳ６；Ｙｅｓ）、算出された各発電機３１〜３Ｎの無効電力の大きさＱ１〜ＱＮが自動力率調整器７１〜７Ｎへ送信され、自動力率調整器７１〜７Ｎおよび自動電圧調整器８１〜８Ｎにより、各発電機３１〜３Ｎが無効電力の大きさＱ１〜ＱＮで発電するように力率が調整される（ステップＳ８）。
【００４９】
以上により、本発明の実施形態にかかる自動力率制御方法が終了する。
【００５０】
〔実施例〕
以下、本発明の実施形態にかかる自動力率制御装置および自動力率制御方法による無効電力の最適値計算の実施例を説明する。以下で説明する実施例では、発電機が３台ある場合を考える。つまり、各発電機の無効電力の大きさは、Ｑ１〜Ｑ３であり、損失コストは、Ｆ１（Ｑ１）〜Ｆ３（Ｑ３）である。
【００５１】
各発電機の無効電力の大きさＱ１〜Ｑ３に対する損失コストＦ１（Ｑ１）〜Ｆ３（Ｑ３）は、下式（７）のように与えられるとする。
【００５２】
【数７】
2014176136.tif 000009
【００５３】
また、各発電機の可能出力曲線から定まる第１の制約条件は、下式（８）のように決定されたとする。
【００５４】
【数８】
2014176136.tif 000010
【００５５】
以上の条件の下、各発電機の損失コストＦ１（Ｑ１）〜Ｆ３（Ｑ３）の総和が最小となる無効電力の大きさＱ１〜Ｑ３は、先述のラグランジュ未定乗数法により、下式（９）を満たす。
【００５６】
【数９】
2014176136.tif 000011
【００５７】
受電点２における無効電力の大きさがＱＬであるとすると、式（９）より下式（１０）が得られる。
【００５８】
【数１０】
2014176136.tif 000012
【００５９】
すなわち、式（１０）により、受電点２における無効電力の大きさＱＬが指定されれば、λが定まり、式（９）により、λが定まれば、無効電力の大きさＱ１〜Ｑ３が定まる。
【００６０】
そこで、以下では、受電点２における無効電力の大きさＱＬが具体的に与えられた場合の計算例について説明する。
【００６１】
〔例１〕ＱＬ＝６０の場合
式（９）（１０）により、以下の値が得られる。
【００６２】
【数１１】
2014176136.tif 000013
【００６３】
しかしながら、上記値では、Ｑ３＞１５となっているので、第１の制約条件を満たしていない。そこで、Ｑ３＝１５としてＱ１およびＱ２について再計算を行う。結果、以下の値が得られる。
【００６４】
【数１２】
2014176136.tif 000014
【００６５】
上記値は、第１の制約条件を満たしているので、各発電機の損失コストＦ１（Ｑ１）〜Ｆ３（Ｑ３）の総和が最小となる無効電力の大きさとなっている。
【００６６】
〔例２〕ＱＬ＝３０の場合
式（９）（１０）により、以下の値が得られる。
【００６７】
【数１３】
2014176136.tif 000015
【００６８】
上記値は、第１の制約条件を満たしているので、再計算することなく、各発電機の損失コストＦ１（Ｑ１）〜Ｆ３（Ｑ３）の総和が最小となる無効電力の大きさとなっている。
【００６９】
〔例３〕ＱＬ＝５の場合
式（９）（１０）により、以下の値が得られる。
【００７０】
【数１４】
2014176136.tif 000016
【００７１】
しかしながら、上記値では、Ｑ２＜０となっているので、第１の制約条件を満たしていない。そこで、Ｑ２＝０としてＱ１およびＱ３について再計算を行う。結果、以下の値が得られる。
【００７２】
【数１５】
2014176136.tif 000017
【００７３】
上記値は、第１の制約条件を満たしているので、各発電機の損失コストＦ１（Ｑ１）〜Ｆ３（Ｑ３）の総和が最小となる無効電力の大きさとなっている。
【符号の説明】
【００７４】
１  自動力率制御システム
２  受電点
３１〜３Ｎ  発電機
４  無効電力検出器
５１〜５Ｎ  有効電力検出器
６  力率演算装置
６ａ  力率演算手段
６ｂ  演算条件記憶手段
７１〜７Ｎ  自動力率調整器（ＡＰＦＲ）
８１〜８Ｎ  自動電圧調整器（ＡＶＲ）
【図１】
2014176136.tif 000018
【図２】
2014176136.tif 000019
【図３】
2014176136.tif 000020
【図４】
2014176136.tif 000021