(57)【要約】【課題】本発明は、既設発電機の運転状況を考慮して適切に電力制御を行う、系統安定化装置および系統安定化方法の提供を目的とする。【解決手段】本発明の系統安定化装置１４は、同期発電機４が接続され、且つ蓄電池５がインバータ６を介して接続された母線１の電圧を安定化する系統安定化装置であって、同期発電機から母線に流れる潮流と、インバータから母線に流れる潮流とを少なくとも含む系統情報を計測する系統情報計測部と、系統情報に基づき、安定化に必要な同期発電機及びインバータの無効電力量の合計値を無効電力供給量として決定する無効電力供給量決定部と、同期発電機とインバータの総電力損失に基づき、無効電力供給量の分担量である無効電力分担量を同期発電機とインバータの夫々について決定する無効電力分担量決定部と、インバータの無効電力分担量を示す制御信号をインバータに送出する制御信号送出部と、を備える。【選択図】図１
2014222992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期発電機が接続され、且つ蓄電池がインバータを介して接続された系統の電圧を安定化する系統安定化装置であって、
前記同期発電機から系統に流れる潮流と、前記インバータから系統に流れる潮流とを少なくとも含む系統情報を計測する系統情報計測部と、
前記系統情報に基づき、前記安定化に必要な前記同期発電機及び前記インバータの無効電力量の合計値を無効電力供給量として決定する無効電力供給量決定部と、
前記同期発電機と前記インバータの総電力損失に基づき、前記無効電力供給量の分担量である無効電力分担量を前記同期発電機と前記インバータの夫々について決定する無効電力分担量決定部と、
前記インバータの前記無効電力分担量を示す制御信号を前記インバータに送出する制御信号送出部と、
を備える系統安定化装置。
【請求項２】
前記無効電力分担量決定部は、温度限界及び最小励磁限界により定まる有効電力−無効電力特性の制御可能範囲内で、前記同期発電機の前記無効電力分担量を決定する、
請求項１に記載の系統安定化装置。
【請求項３】
前記無効電力分担量決定部は、前記有効電力−無効電力特性の前記制御可能範囲よりも狭い範囲内で、前記同期発電機の前記無効電力分担量を決定する、
請求項２に記載の系統安定化装置。
【請求項４】
同期発電機が接続され、且つ蓄電池がインバータを介して接続された系統（系統）の電圧を安定化する系統安定化方法であって、
（ａ）前記同期発電機から系統に流れる潮流と、前記インバータから系統に流れる潮流とを少なくとも含む系統情報を計測するステップと、
（ｂ）前記系統情報に基づき、前記安定化に必要な前記同期発電機及び前記インバータの無効電力量の合計値を無効電力供給量として決定するステップと、
（ｃ）前記同期発電機と前記インバータの総電力損失に基づき、前記無効電力供給量の分担量である無効電力分担量を前記同期発電機と前記インバータの夫々について決定するステップと、
（ｄ）前記インバータの前記無効電力分担量を示す制御信号を前記インバータに送出するステップと、
を備える系統安定化方法。
【請求項５】
前記ステップ（ｃ）は、温度限界及び最小励磁限界により定まる有効電力−無効電力特性の制御可能範囲内で、前記同期発電機の前記無効電力分担量を決定するステップである、
請求項４に記載の系統安定化方法。
【請求項６】
前記ステップ（ｃ）は、前記有効電力−無効電力特性の前記制御可能範囲よりも狭い範囲内で、前記同期発電機の前記無効電力分担量を決定するステップである、
請求項５に記載の系統安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、系統安定化装置及び系統安定化方法に関する発明であって、特に、再生可能エネルギーが導入された場合に電力系統の安定化を図る系統安定化装置及び系統安定化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力系統内に再生可能エネルギー由来の発電装置（以下、再生エネルギー設備）が導入された場合、特に離島等の小規模電力系統では、出力変動の他、電圧変動が大きく既設発電機への負担が増加する。出力変動や電圧変動が大きくなると、既設発電機のみでは電力系統を安定化することができない。
【０００３】
そこで、再生エネルギー設備容量が電力系統規模に対して大きくなると、蓄電池等を導入することにより電力系統内の出力変動および電圧変動を吸収し安定化を図ることが従来なされている。例えば、特許文献１では、分散電源等による有効電力変動の短周期成分から有効電力制御量を算出し、周波数変動を抑制し、有効電力の長周期成分と無効電力変動量に基づいて、無効電力制御量を算出し電圧変動を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３１０８０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の系統安定化方法では、既設発電機の運転状況とは関係なく無効電力制御量を算出しているため、電力損失や既設発電機の無効電力制御可能範囲などが考慮されていない。そのため、無駄な電力を消費する場合がある。
【０００６】
本発明は上述の問題点に鑑み、既設発電機の運転状況を考慮して適切に電力制御を行う、系統安定化装置および系統安定化方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の系統安定化装置は、同期発電機が接続され、且つ蓄電池がインバータを介して接続された系統の電圧を安定化する系統安定化装置であって、同期発電機から系統に流れる潮流と、インバータから系統に流れる潮流とを少なくとも含む系統情報を計測する系統情報計測部と、系統情報に基づき、安定化に必要な同期発電機及びインバータの無効電力量の合計値を無効電力供給量として決定する無効電力供給量決定部と、同期発電機とインバータの総電力損失に基づき、無効電力供給量の分担量である無効電力分担量を同期発電機とインバータの夫々について決定する無効電力分担量決定部と、インバータの無効電力分担量を示す制御信号をインバータに送出する制御信号送出部と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の系統安定化装置は、同期発電機が接続され、且つ蓄電池がインバータを介して接続された系統の電圧を安定化する系統安定化装置であって、同期発電機から系統に流れる潮流と、インバータから系統に流れる潮流とを少なくとも含む系統情報を計測する系統情報計測部と、系統情報に基づき、安定化に必要な同期発電機及びインバータの無効電力量の合計値を無効電力供給量として決定する無効電力供給量決定部と、同期発電機とインバータの総電力損失に基づき、無効電力供給量の分担量である無効電力分担量を同期発電機とインバータの夫々について決定する無効電力分担量決定部と、インバータの無効電力分担量を示す制御信号をインバータに送出する制御信号送出部と、を備える。従って、既設発電機の運転状況を考慮して適切に電力制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明における系統安定化装置の構成図である。
【図２】本発明における系統安定化装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図３】同期発電機の無効電力出力可能範囲を示す特性図である。
【図４】インバータの無効電力出力可能範囲を示す特性図である。
【図５】本発明における系統安定化方法のフローチャートである。
【図６】電力損失のインバータ無効電力特性を示す図である。
【図７】実施の形態１の変形例におけるインバータの無効電力出力可能範囲を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ−１．構成＞
図１は、実施の形態１の電力系統システムの構成図である。実施の形態１の電力系統システムは、同期発電機４、蓄電池５、負荷７、風力発電機８、系統安定化装置１４を備える。同期発電機４は母線１に接続され、蓄電池５もインバータ６を介して母線１に接続される。母線１は連系点３で送電線２と接続し、送電線２の先には負荷７や風力発電機８が接続される。インバータ６と母線１との接続線には、インバータ６から系統に流れる潮流を計測するためのセンサである電流変成器９Ａが設けられる。また、同期発電機４と母線１の接続線には、同期発電機４から系統に流れる潮流を計測するためのセンサである電流変成器９Ｂが設けられる。電流変成器９Ａ，９Ｂの計測結果は、入力ケーブル１１Ａを通って系統安定化装置１４に入力される。
【００１１】
また、母線１の電圧は、計測用変圧器１０により計測され、入力ケーブル１１Ｂを通って系統安定化装置１４に入力される。
【００１２】
系統安定化装置１４は、上述の入力ケーブル１１Ａ，１１Ｂにより情報を取得する他、通信路１３により給電指令所等から発電機の特性やその他の情報を取得する。そして、これらの情報に基づきインバータ６の無効電力を制御することにより、母線１の電圧の安定化を図る。
【００１３】
系統安定化装置１４は、センサ入力部１４１、無効電力供給量決定部１４２、無効電力分担量決定部１４３、制御信号出力部１４４を備えている。センサ入力部１４１は、上述の入力ケーブル１１Ａ，１１Ｂにより系統情報を取得する他、通信路１３により給電指令所等から発電機の特性や系統情報を取得する。ここで系統情報には、同期発電機４の潮流値、インバータ６の潮流値、インバータ６から母線１までのインピーダンス、同期発電機４から母線１までのインピーダンス、インバータ６の変換損失率、同期発電機４の発電損失率が含まれる。
【００１４】
無効電力供給量決定部１４２は、センサ入力部１４１が取得した情報に基づき無効電力供給量を決定する。無効電力供給量とは、同期発電機４とインバータ６に割り当てる無効電力分担量の総和である。無効電力分担量決定部１４３は、無効電力供給量から同期発電機４、インバータ６夫々の無効電力分担量を決定する。
【００１５】
制御信号出力部１４４は、インバータ６の無効電力分担量を示す制御信号を、出力ケーブル１２を介してインバータ６に送出する。インバータ６は、受けた制御信号に従って無効電力量を調整する。
【００１６】
図２は、系統安定化装置１４のハードウェア構成を示すブロック図である。センサ入力部１４１は、各種情報が入力される入力インタフェースである入力装置２０１として構成される。また、制御信号出力部１４４は、インバータ６に制御信号を出力する出力インタフェースである出力装置２０４として構成される。無効電力供給量決定部１４２、無効電力分担量決定部１４３は、主記憶装置２０３に格納されたプログラムを、随時必要なデータを二次記憶装置２０２に読み書きしながら動作することにより実現する。
【００１７】
＜Ａ−２．動作＞
無効電力供給量決定部１４２における無効電力供給量の決定方法には、例えば、同期発電機４の無効電力量とインバータ６の無効電力量の総和を無効電力供給量とする方法がある。また、同期発電機４のＡＶＲ機能と同様に、系統情報である母線１の電圧値から無効電力供給量を算出しても良い。
【００１８】
無効電力分担量決定部１４３は、電力損失が最小となるように無効電力分担量を決定する。センサ入力部１４１によって入力された系統情報のうち、同期発電機４が接続された母線１の電圧をＶ１、安定化対象母線の電圧をＶ２、同期発電機４の有効電力出力をＰ１、同期発電機４の無効電力分担量をＱ１、インバータ６の有効電力出力をＰ２、インバータ６の無効電力分担量をＱ２、同期発電機４から連系点３までのインピーダンスの抵抗分をＲ１、インバータ６から連系点３までのインピーダンスの抵抗分をＲ２、同期発電機４の発電損失率をη１、インバータ６の変換損失率をη２、とすると、同期発電機４の生成損失Ａ１、送電損失Ａ２、インバータ６の生成損失Ｂ１、送電損失Ｂ２は、夫々、（１）〜（４）式で表される。
【００１９】
【数１】
2014222992.tif 000003
【００２０】
【数２】
2014222992.tif 000004
【００２１】
【数３】
2014222992.tif 000005
【００２２】
【数４】
2014222992.tif 000006
【００２３】
また、電力損失Ｃは同期発電機４、インバータ６の生成損失及び送電損失の総和であるから、（１）〜（４）式より、以下のように表される。
【００２４】
【数５】
2014222992.tif 000007
【００２５】
ここで、本実施の形態では、同期発電機４が接続する母線１と安定化対象母線は同一であるため、Ｖ１＝Ｖ２である。また、母線１の電圧Ｖ１が高く、送電損失が十分に小さい場合は、生成損失の総和のみを電力損失として、以下の式で表すことができる。
【００２６】
【数６】
2014222992.tif 000008
【００２７】
なお、無効電力分担量Ｑ１，Ｑ２の和は、無効電力供給量Ｑとして一定値になるため、電力損失Ｃは（６）式に示すようにＱ１の関数としても良いし、Ｑ２の関数としても良い。
【００２８】
図３は、同期発電機４の無効電力Ｑの制御可能範囲を、有効電力Ｐとの関係で示している。図３には、無効電力の温度限界Ｆ１と、最小励磁限界Ｆ２を示している。同期発電機４の無効電力分担量Ｑ１は、図３の温度限界Ｆ１と最小励磁限界Ｆ２で囲まれた領域の中の値に設定する。例えば、運転点は図３のＡになる。
【００２９】
図４は、インバータ６の無効電力Ｑの制御可能範囲を、有効電力Ｐとの関係で示している。図４に示す無効電力Ｑの制御限界Ｆ３は、インバータ６の出力限界によって定まる。インバータ６の無効電力分担量Ｑ２は、制御限界Ｆ３により規定される制御可能範囲内の値に設定する。例えば、運転点は図４のＢになる。
【００３０】
無効電力分担量Ｑ１，Ｑ２は、無効電力供給量Ｑが図３，４に示す制御可能範囲内にあり、かつ電力損失Ｃが最小となる値に設定する。例えば、最急降下法を用いて、（６）式を最小化する無効電力分担量Ｑ１，Ｑ２を求めることができる。これは、（６）式が単峰性であり、電力損失Ｃが最小値をとる条件と、電力損失Ｃの微分値が０に近くなる条件とが同値となるためである。
【００３１】
図５は、最急降下法によるインバータ６の無効電力分担量Ｑ２の算出方法のフローチャートである。無効電力分担量決定部１４３は、まず探索点の初期値を設定する（ステップＳ１）。任意の所定値を設定可能であるが、例えば、同期発電機４およびインバータ６の無効電力供給可能量の比例配分を用いる。次に、評価関数である電力損失Ｃの探索点における勾配ベクトルを計算する（ステップＳ２）。次に、ステップＳ２で求めた勾配ベクトルが十分小さくなっているか否かを判定する（ステップＳ３）。十分小さくなっていれば探索点を解とし、探索を終了する。勾配ベクトルが十分小さくなっていなければ、勾配ベクトルの方向に探索点を移動し（ステップＳ４）、ステップＳ２に戻る。以上の探索により、電力損失を低減させる無効電力分担量Ｑ１，Ｑ２を算出できる。
【００３２】
ここで、同期発電機４の有効電力出力Ｐ１を２０００ｋＷ，同期発電機４の発電損失η１を２０％、インバータ６の有効電力出力Ｐ２を８０００ｋＷ、インバータ６の発電損失η２を６％、系統安定化のために必要な無効電力供給量Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２を５００ｋＷとする。インバータ６の無効電力供給量Ｑ２と電力損失Ｃは図６に示す関係となる。上述の方法で無効電力分担量Ｑ１，Ｑ２を決定することにより、図６に点Ｃで示す最適点にインバータ６の無効電力供給量Ｑ２を設定することができ、電力損失を低減することができる。
【００３３】
ところで、無効電力分担量決定部１４３は、同期発電機４とインバータ６の無効電力分担量Ｑ１，Ｑ２を算出するが、無効電力分担量の制御指令はインバータ６のみに実施する。同期発電機４は自身のＡＶＲ機能により、インバータ６の無効電力出力に合わせて無効電力供給量Ｑに達するだけの無効電力を出力することが可能である。したがって、同期発電機４への無効電力分担量Ｑ１の指令が不要である。
【００３４】
＜Ａ−３．変形例＞
なお、同期発電機４の無効電力分担量Ｑ１を決定する際、各種温度限界Ｆ１と最小励磁限界Ｆ２により定まる無効電力の制御可能範囲よりも狭い範囲（図７参照）で決定することにより、無効電力を制御する余力を残すことができる。すなわち、同期発電機４の運転点を図７のＡではなくＡ’とする。特に、無効電力供給量決定処理において、同期発電機４とインバータ６の無効電力供給量の総和から無効電力供給量Ｑを算出する場合、系統の電圧変動が発生した時に、先に安定化動作を開始するのはＡＶＲ機能を持つ同期発電機４であるため、無効電力制御の余力を同期発電機４に持たせておくことにより、電圧の安定化能力を維持した状態で運転することが可能となる。
【００３５】
＜Ａ−４．効果＞
本実施の形態の系統安定化装置は、同期発電機４が接続され、且つ蓄電池５がインバータ６を介して接続された母線１（系統）の電圧を安定化する系統安定化装置であって、同期発電機４から母線１に流れる潮流と、インバータ６から母線１に流れる潮流とを少なくとも含む系統情報を計測するセンサ入力部１４１（系統情報計測部）と、系統情報に基づき、安定化に必要な同期発電機４及びインバータ６の無効電力量の合計値を無効電力供給量Ｑとして決定する無効電力供給量決定部１４２と、同期発電機４とインバータ６の総電力損失Ｃに基づき、無効電力供給量Ｑの分担量である無効電力分担量Ｑ１，Ｑ２を同期発電機４とインバータ６の夫々について決定する無効電力分担量決定部１４３と、インバータ６の無効電力分担量Ｑ２を示す制御信号をインバータ６に送出する制御信号出力部１４４と、を備える。従って、系統の電圧を安定化させるために必要な無効電力を供給する上で、同期発電機４とインバータ６との適切な供給分担を実現し、電力損失を低減することが可能である。
【００３６】
また、無効電力分担量決定部１４３は、温度限界Ｆ１及び最小励磁限界Ｆ２により定まる有効電力Ｐ−無効電力Ｑ特性の制御可能範囲内で、同期発電機４の無効電力分担量Ｑ１を決定することにより、実際に制御可能な無効電力分担量Ｑ１を設定することが可能である。
【００３７】
また、無効電力分担量決定部１４３は、有効電力−無効電力特性の制御可能範囲よりも狭い範囲内で、同期発電機４の無効電力分担量を決定すれば、無効電力制御の余力を同期発電機４に持たせ、電圧の安定化能力を維持した状態で運転することができる。
【００３８】
本実施の形態の系統安定化方法は、同期発電機４が接続され、且つ蓄電池５がインバータ６を介して接続された母線１（系統）の電圧を安定化する系統安定化方法であって、（ａ）同期発電機４から母線１に流れる潮流と、インバータ６から母線１に流れる潮流とを少なくとも含む系統情報を計測するステップと、（ｂ）系統情報に基づき、安定化に必要な同期発電機４及びインバータ６の無効電力量の合計値を無効電力供給量Ｑとして決定するステップと、（ｃ）同期発電機４とインバータ６の総電力損失Ｃに基づき、無効電力供給量Ｑの分担量である無効電力分担量Ｑ１，Ｑ２を同期発電機４とインバータ６の夫々について決定するステップと、（ｄ）インバータ６の無効電力分担量Ｑ２を示す制御信号をインバータ６に送出するステップと、を備える。従って、系統の電圧を安定化させるために必要な無効電力を供給する上で、同期発電機４とインバータ６との適切な供給分担を実現し、電力損失を低減することが可能である。
【００３９】
また、ステップ（ｃ）では、温度限界Ｆ１及び最小励磁限界Ｆ２により定まる有効電力Ｐ−無効電力Ｑ特性の制御可能範囲内で、同期発電機４の無効電力分担量Ｑ１を決定するので、実際に制御可能な無効電力分担量Ｑ１を設定することが可能である。
【００４０】
また、ステップ（ｃ）では、有効電力Ｐ−無効電力Ｑ特性の制御可能範囲よりも狭い範囲内で、同期発電機４の前記無効電力分担量Ｑ１を決定するので、実際に制御可能な無効電力分担量Ｑ１を設定することが可能である。
【００４１】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  母線、２  送電線、３  連系点、４  同期発電機、５  蓄電池、６  インバータ、７  負荷、８  風力発電機、９Ａ，９Ｂ  電流変成器、１０  計測用変圧器、１１Ａ，１１Ｂ  入力ケーブル、１２  出力ケーブル、１３  通信路、１４  系統安定化装置、１４１  センサ入力部、１４２  無効電力供給量決定部、１４３  無効電力分担量決定部、１４４  制御信号出力部、２０１  入力装置、２０２  二次記憶装置、２０３  主記憶装置、２０４  出力装置、２０５  ＣＰＵ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014222992.tif 000011
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014222992.tif 000015