(57)【要約】【課題】  電力系統の固有周波数をリアルタイムにかつ精度よくモニタできる、電力系統のオンライン監視システムを提供する。【解決手段】  監視システム１は、ＳＭＥＳ１１により電力系統１００に対して特定周波数ｆsmの微小電力Ｐsmを注入する。フィルタ１５により電力系統から入力した応答電力Ｐlineから、電力系統１００で送電される電力本来の周波数成分を除去し、微小電力Ｐsmによる変動分ΔＰlineを抽出する。ロックインアンプ１７により、抽出した変動分ΔＰlineにおける特定周波数ｆsm成分と、注入された微小電力Ｐsmとの位相差Δθを検出する。周波数コントローラ１３は検出した位相差Δθに基づいて、特定周波数ｆsmが電力系統１００の固有周波数に一致するように、注入する微小電力の特定周波数ｆsmを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統の固有周波数を監視するシステムであって、
電力系統に対し、特定周波数の微小電力を注入する擾乱付加手段と、
微小電力注入後の電力系統からの応答である応答電力を入力し、その応答電力から、電力系統で送電される電力本来の周波数成分を除去して、応答電力における微小電力による変動分を抽出するフィルタと、
該抽出した応答電力の変動分における前記特定周波数成分と、前記擾乱付加手段から出力された微小電力との位相差を検出する位相差検出手段と、
前記検出された位相差に基づいて、前記特定周波数が電力系統の固有周波数に一致するように、前記擾乱付加手段の特定周波数を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする電力系統の固有周波数の監視システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記位相差が９０度、または、９０度から所定値だけシフトした値となるように、前記擾乱付加手段の特定周波数を変化させることを特徴とする請求項１記載の電力系統の固有周波数の監視システム。
【請求項３】
電力系統の固有周波数を監視するシステムであって、
電力系統に対し、特定周波数の微小電力を注入する擾乱付加手段と、
微小電力注入後の電力系統からの応答である応答電力を入力し、その応答電力から、電力系統で送電される電力本来の周波数成分を除去して、応答電力における微小電力による変動分を抽出するフィルタと、
該抽出した応答電力の変動分の振幅が所定値となるときの変動分の周波数を検出する固有周波数検出手段と、
前記擾乱付加手段の特定周波数が前記検出された周波数に一致するように前記特定周波数を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする電力系統の固有周波数の監視システム。
【請求項４】
前記所定値は、前記変動分の振幅の最大値、または、その最大値から所定値だけシフトした値であることを特徴とする請求項３記載の電力系統の固有周波数の監視システム。
【請求項５】
前記擾乱付加手段はＳＭＥＳ（Superconducting Magnetic Energy Storage System）またはＳＶＧ（Static Var Generator）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電力系統の固有周波数の監視システム。
【請求項６】
前記微小電力は正弦波状電力であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電力系統の固有周波数の監視システム。
【請求項７】
前記微小電力は、前記応答電力の特定周波数成分の位相を９０度進めた信号成分を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電力系統の固有周波数の監視システム。
【請求項８】
電力系統の固有周波数を監視する方法であって、
電力系統に対し、特定周波数の微小電力を注入し、
微小電力注入後の電力系統からの応答である応答電力を入力し、
その応答電力から、電力系統で送電される電力本来の周波数成分を除去して、応答電力における微小電力による変動分を抽出し、
該抽出した応答電力の変動分における前記特定周波数成分と、前記注入された微小電力との位相差を検出し、
該検出した位相差に基づいて、前記特定周波数が電力系統の固有周波数に一致するように、前記注入する微小電力の特定周波数を制御する
ことを特徴とする電力系統の固有周波数の監視方法。
【請求項９】
前記特定周波数の制御において、前記位相差が９０度、または、９０度から所定値だけシフトした値となるように前記注入する特定周波数を変化させることを特徴とする請求項８記載の電力系統の固有周波数の監視方法。
【請求項１０】
電力系統の固有周波数を監視する方法であって、
電力系統に対し、特定周波数の微小電力を注入し、
微小電力注入後の電力系統からの応答である応答電力を入力し、
その応答電力から、電力系統で送電される電力本来の周波数成分を除去して、応答電力における微小電力による変動分を抽出し、
該抽出した応答電力の変動分の振幅が所定値となるときの変動分の周波数を検出し、
前記特定周波数が前記検出した周波数に一致するように、前記注入する微小電力の特定周波数を制御する
ことを特徴とする電力系統の固有周波数の監視方法。
【請求項１１】
前記所定値は、前記変動分の振幅の最大値、または、その最大値から所定値だけシフトした値であることを特徴とする請求項１０記載の電力系統の固有周波数の監視方法。
【請求項１２】
前記微小電力は正弦波状電力であることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１つに記載の電力系統の固有周波数の監視方法。
【請求項１３】
前記微小電力は前記応答電力の特定周波数成分の位相を９０度進めた信号成分を含むことを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１つに記載の電力系統の固有周波数の監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力系統の状態を監視するシステム及び方法であって、特に、電力系統の固有周波数をオンラインで監視する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力送電事業においては、送電する電気の品質（周波数、電圧）を常時一定に保持する必要がある（特許文献１、２参照）。このため、電力事業者は電力系統の状態、安定度余裕の把握、制御を行っている。従来、電力系統の運転状態や安定度の把握は、オフラインの計算機による解析によって行われていた。すなわち、電力系統をモデル化し、オフラインで所定のパラメータを与えて計算機で解析することにより行っていた。
【０００３】
しかし、実際の電力系統を正確にモデル化することは困難であり、また、実際の電力系統では、運転状態は時々刻々と変化することから、オフライン解析では精度または即時性において充分な情報が得られないのが実情である。そのため、電力系統の運転はある程度のマージンを持った上で行われており、系統設備を効率よく利用しているとは言い難い状況にある。
【０００４】
また、近年のわが国における電力事業の自由化にともない、電力系統運用者が十分把握していない多くの電源が連系される状況となっている。これらの不確定な要素はオフラインの計算機解析において十分に反映することができず、系統状態を精度よく把握する上で問題となる。
【０００５】
また、電力系統の状態を把握する要素として、電力系統の固有値の固有周波数を把握することは重要である。
【特許文献１】特開平５−３３６６６６号公報
【特許文献２】特開平３−２５６５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のような状況を鑑みれば、今後益々、種々の電源が連系される電力系統において時々刻々と変化する系統状態を精度よくかつ迅速に把握できる監視システムが要望される。
【０００７】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、電力系統状態を示す要素として電力系統の固有周波数をリアルタイムにかつ精度よく監視できる、電力系統のオンライン監視システム及び監視方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の監視システムは電力系統の固有周波数を監視するシステムである。擾乱付加手段は、電力系統に対し、特定周波数の微小電力を注入する。フィルタは、微小電力注入後の電力系統からの応答である応答電力を入力し、その応答電力から、電力系統で送電される電力本来の周波数成分を除去して、応答電力における微小電力による変動分を抽出する。位相差検出手段は、抽出した応答電力の変動分における特定周波数成分と、擾乱付加手段から出力された微小電力との位相差を検出する。制御手段は、検出された位相差に基づいて、特定周波数が電力系統の固有周波数に一致するように擾乱付加手段の特定周波数を制御する。
【０００９】
本発明の第２の監視システムは電力系統の固有周波数を監視する装置である。擾乱付加手段は、電力系統に対し、特定周波数の微小電力を注入する。フィルタは、微小電力注入後の電力系統からの応答である応答電力を入力し、その応答電力から、電力系統で送電される電力本来の周波数成分を除去して、応答電力における微小電力による変動分を抽出する。固有周波数検出手段は、抽出した応答電力の変動分の振幅が所定値となるときの変動分の周波数を検出する。制御手段は、擾乱付加手段の特定周波数が検出された周波数に一致するように特定周波数を制御する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電力系統に注入する微小電力の周波数を、検出した電力系統の固有周波数にロックさせるように制御することが可能となるため、オンラインでの電力系統の固有周波数の精度よいモニタが可能となる。従来では、電力系統の状態を精度よく把握できず、電力事業の自由化にともない不確定な要素が増えることから、ある程度のマージンを持たせて電力系統を運用する必要があったが、本発明により、電力系統の固有周波数すなわち電力系統の状態を精度よく把握できるため、マージンを低減でき、電力設備の稼働効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照して本発明に係る電力系統の監視システムの好ましい実施の形態について説明する。以下に説明する電力系統の監視システムは、電力系統の状態を支配する要素として電力系統の固有値の固有周波数を監視する。
【００１２】
第１の実施形態
図１は本発明の第１の実施形態における電力系統の固有周波数の監視システムの構成を示した図である。監視システム１は電力系統１００の固有値の固有周波数を監視する。電力系統１００は一例として８機無限大母線系統を用いており、Ｇ１からＧ８の８つの発電機から例えばトータルでおよそ１０００ＭＷの電力が供給されている。
【００１３】
監視システム１は、電力系統１００に対して擾乱としての微小電力を与えるＳＭＥＳ（Superconducting Magnetic Energy Storage System）１１と、ＳＭＥＳ１１から出力される微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを制御する周波数コントローラ１３と、電力系統１００にて送電される電力における擾乱による変動分ΔＰlineを抽出するフィルタ１５と、フィルタ１５の出力信号中から一定周波数成分の振幅、位相を測定するロックインアンプ１７とを備える。
【００１４】
監視システム１は、電力系統１００に微小電力Ｐsmを注入し、これに対する系統の電力動揺、例えば送電線電力を計測する。一般に、注入した微小電力Ｐsmの周波数ｆsmが、電力系統の安定度を支配する固有値の固有周波数に近い場合、電力系統１００からの応答電力Ｐlineの振幅は最大となり、また、応答電力Ｐlineと、与えた微小電力Ｐsmとの位相差Δθは所定値（例えば９０度）となる。そこで、本実施形態の監視システム１では、応答電力の位相差をフィードバック量として用い、与える微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを電力系統の固有周波数にロックさせるように制御する。これによって、電力系統の状態の変化により固有周波数が変化した場合、与える微小電力の周波数ｆsmがこれに追従するため、オンラインでの電力系統の固有周波数のモニタが可能となる。
【００１５】
図２は、電力系統１００において発電機の出力を変化させたときの電力系統の固有周波数の変化例を示した図である。図２において横軸の単位（p.u.）は、出力されている電力の、発電機の最大出力電力に対する割合を示す。例えば、０．８p.u.とは、最大出力の８０％の電力が出力されていることを示す。同図より、発電機出力の増大とともに電力系統の固有周波数は減少していくことが分かる。このことから、固有周波数をモニタすれば、発電機出力が安定限界に近づいてきたか否かを知ることができることが分かる。
【００１６】
図３は、微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを０．５〜２．５Ｈｚの範囲で変化させながら、電力系統に擾乱として微小電力Ｐsmを注入し、その微小電力による応答電力Ｐlineの変動分ΔＰlineを測定したときの、変動分ΔＰlineの振幅、および、変動分ΔＰlineと微小電力Ｐsmの位相差の変化を示した図である。図３（ａ）に示すように、変動分ΔＰlineの振幅は、ある周波数（１．０１Ｈｚ）で最大値を示している。この最大値を示す周波数が電力系統の固有周波数である。また、電力系統に与えた微小電力Ｐsmと、その微小電力による変動成分ΔＰlineの位相差は、図３（ｂ）に示すように、周波数変化につれて１８０度から０度へと変化するが、特に、固有周波数（１．０１Ｈｚ）において９０度となる。本実施形態では、この特性に着目し、微小電力Ｐsmと変動成分ΔＰlineの位相差が９０度となるように微小電力Ｐsmの周波数を制御することで、微小電力Ｐsmの周波数を電力系統の固有周波数に追従させるようにする。
【００１７】
微小電力Ｐsmの周波数の制御についてより具体的に説明する。発電機出力の変動により電力系統の状態が変化すると、それにつれて電力系統の固有周波数も変化する。図４は、２つの電力系統の状態について位相差Δθの変化を示した図である。今、図４において「×」で示す第１の状態から「▲」で示す第２の状態に電力系統の状態が変化した場合を考える。この場合、固有周波数は１．１Ｈｚから０．８６Ｈｚへ変化するため、微小電力の周波数ｆsmは減少させる必要がある。このとき、第１の状態の固有周波数である１．１Ｈｚ近傍で第２の状態の位相差を測定すると、９０度より小さい値が観測される。よって、位相差として９０度より小さい値が観測された場合は、微小電力の周波数ｆsmは減少させればよいことが分かる。逆に、第２の状態から第１の状態へ変化したとき、すなわち、電力系統の固有周波数が増加したときは、微小電力の周波数ｆsmを増加させればよい。このように位相差に基づいて微小電力の周波数ｆsmを増減することで、周波数ｆsmを電力系統の固有周波数に追従させることができる。
【００１８】
なお、電力系統の構成によっては、固有周波数が複数存在する場合もあるが、電力系統の安定度に関しては、一般的に最小の固有周波数のみを監視すれば十分である。
【００１９】
上記の点を踏まえて、図１に示す監視システム１の動作を以下に詳細に説明する。
【００２０】
ＳＭＥＳ１１は電力系統１００に対し、擾乱として微小電力Ｐsmを与える。本実施形態では、次式で表される正弦波状電力を与える。
Ｐsm＝Ｐ0 sin（２πｆsmt）          （１）
Ｐ0は振幅であり、電力系統１００に送電される電力の０．数％程度の値（例えば、２〜３ＭＷ）とする。また、ｆsmは例えば０．５〜２．５Ｈｚの値をとる。電力系統に注入する微小電力Ｐsmの波形を図５（ａ）に示す。
【００２１】
フィルタ１５は、微小電力注入後の電力系統１００の一回線から応答電力Ｐlineを入力し、その入力電力Ｐlineから、電力系統１００に本来的に送電される電力の周波数成分を除去して、ＳＭＥＳ１１による擾乱による変動分ΔＰlineのみを取り出す。応答電力の変動分ΔＰlineの波形を図５（ｂ）に示す。
【００２２】
ロックインアンプ１７はフィルタ１５から変動分ΔＰlineを測定信号として入力し、ＳＭＥＳ１１から参照信号として微小電力Ｐsmを入力し、変動分ΔＰlineにおける、微小電力Ｐsmの周波数ｆsmと同じ周波数の成分と、微小電力Ｐsmとの位相差Δθを出力する。
【００２３】
周波数コントローラ１３はロックインアンプ１７からの位相差Δθに基づいて、ＳＭＥＳ１１から出力される微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを電力系統１００の固有周波数に一致させるよう、ＳＭＥＳ１１に対して制御信号を出力する。具体的には、周波数コントローラ１３は、位相差Δθを所定値（ここでは、所定値は電力系統１００の固有周波数を与える位相差である９０度）と比較する。周波数コントローラ１３は、位相差Δθが９０度より大きければ、周波数ｆsmを増加させるように、位相差Δθが９０度より小さければ、周波数ｆsmを減少させるように、周波数ｆsmを変化させるための制御信号を出力する。
【００２４】
ＳＭＥＳ１１は周波数コントローラ１３から制御信号を受けて微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを制御する。これにより、電力系統１００に擾乱を与えるＰsmの周波数ｆsmが、電力系統の固有周波数に追従するよう制御される。すなわち、周波数コントローラ１３で制御される周波数ｆsmの値は電力系統１００の固有周波数と実質的に等しいため、周波数ｆsmをモニタすれば、電力系統１００の固有周波数をリアルタイムにかつ精度よく認識できることになる。これにより、電力系統の状態もリアルタイムにかつ精度よく把握できる。
【００２５】
なお、上記説明では、電力系統に対して大きな影響を与えず微小な電力擾乱を与える装置としてＳＭＥＳを用いたが、ＳＭＥＳの代わりに、有効電力と無効電力を独立かつ高速に制御でき、与えた擾乱により自身の出力が影響を受けないものであれば、他の電力供給装置（例えば、ＳＶＧ(Static Var Generator)）を利用することもできる。
【００２６】
第２の実施形態
第１の実施形態では、周波数コントローラ１３は、微小電力の周波数ｆsmを電力系統の固有周波数に追従するよう制御した。しかし、追従を行う間、ＳＭＥＳ１１の励振が電力系統の固有周波数付近での電力動揺になるため、そのままでは電力系統の安定度に悪影響を及ぼす恐れがある。そこで微小電力の印加と同時に、ＳＭＥＳ１１から電力系統１００に対して安定化制御をかける。すなわち、次式により与えられる微小電力Ｐsmを電力系統に注入する。
Ｐsm＝Ｐ0 sin（２πｆsmt）＋ｋsmＰstab        （２）
ここで、ｋsmは制御ゲインであり、Ｐstabは応答電力Ｐlineの変動分ΔＰlineを９０度だけ位相を進めた信号である。ｋsmＰstabの項により電力系統の制動係数が増加し、動揺を早く減衰させることで系統を安定化することができる。
【００２７】
図６は、上記の安定化制御を考慮した監視システムの構成を示した図である。本実施形態の監視システム１ｂにおいて実施の形態１のものと相違する点は、周波数コントローラ１３が位相差Δθに加えて応答電力Ｐlineの変動分ΔＰlineを入力している点である。周波数コントローラ１３は、ＳＭＥＳ１１に対し、上式（２）を満たす微小電力Ｐsmが出力されるよう制御信号を出力する。
【００２８】
図７は、本実施形態の監視システムによる実験結果を示した図である。図中、曲線Ｘは発電機の出力の変化を示し、同図では、時間経過にほぼ比例して発電機出力を増加させている。「●」は、発電機の出力を時間的に変化させずある値で一定にした場合に測定された固有周波数を示す。曲線Ｙは本実施形態の監視システムにより測定された電力系統の固有周波数（すなわち、微小電力の周波数ｆsm）の変化を示す。曲線Ｙと「●」とを比較すると、両者はほぼ一致しており、本実施形態の監視システムにより、精度のよい固有周波数の測定結果が得られていることがわかる。また、曲線Ｚは位相差Δθの変化を示し、ほぼ９０度に制御されていることがわかる。
【００２９】
第３の実施形態
第１および第２の実施形態では、ロックインアンプ１７から出力される位相差Δθに基づいて、系統に注入する微小電力の周波数ｆsmを制御した。本実施形態では、位相差Δθの代わりに、応答電力の変動分ΔＰlineの振幅の最大値に基づいて、周波数ｆsmを制御する例を説明する。
【００３０】
図８は、本実施形態における電力系統の監視システムの構成を示す図である。本実施形態の監視システム１ｃにおいて、周波数コントローラ１３は、参照信号Ｐ（ｆr）を、その周波数（ｆr）を０．５Ｈｚから２．５Ｈｚの範囲で変化させながら、ロックインアンプ１７に出力する。ロックインアンプ１７は、周波数コントローラ１３から参照信号Ｐ（ｆr）を受けて、変動分ΔＰlineにおける周波数（ｆr）成分の振幅（｜ΔＰline（ｆr）｜）を、周波数（ｆr）の変化に応じて出力する。周波数コントローラ１３は、振幅が最大となる周波数（すなわち、固有周波数を与える周波数）を求め、ＳＭＥＳ１１の微小電力の周波数を、その求めた周波数になるよう制御する。このように、位相差Δθの代わりに変動分ΔＰlineの振幅を用いても、微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを系統の固有周波数にロックさせることができる。
【００３１】
以上のように、第１ないし第３の実施形態の監視システムによれば、電力系統１００に微小電力Ｐsmを擾乱として注入し、これに対する系統の電力動揺を応答電力として計測し、応答電力の擾乱による変動分の位相差又は振幅をフィードバック量として用い、与える微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを電力系統の固有周波数にロックさせるように制御する。これによって、電力系統の状態の変化により固有周波数が変化した場合、与える微小電力の周波数ｆsmがこれに追従するため、オンラインでの電力系統の固有周波数のモニタが可能となる。
【００３２】
なお、上記の各実施形態においては、電力系統に注入する微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを系統の固有周波数となるよう制御した。この場合、電力系統には、共振点において擾乱を与えることになり、電力系統の動作が不安定となることも考えられる。そこで、微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを固有周波数ではなく、固有周波数から所定値だけシフトした値にロックさせるようにしてもよい。これにより、共振点を避けて電力系統に擾乱を与えることができ、電力系統の安定度をより向上できる。すなわち、第１および第２の実施形態では、位相差Δθが９０度となるよう微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを制御したが、その代わりに、位相差Δθが１００度や１１０度となるように周波数ｆsmを制御してもよい。また、第３の実施形態の場合は、振幅の最大値を与える周波数の代わりに、最大値から所定値だけずれた値を与える周波数にロックさせるように制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施形態における電力系統の固有周波数の監視システムの構成図
【図２】電力系統における発電機の出力を変化させたときの電力系統の固有周波数の変化を示した図
【図３】微小電力Ｐsmの周波数ｆsmを変化させながら、電力系統に擾乱として微小電力Ｐsmを注入したときの、（ａ）応答電力における擾乱による変動分の振幅、および、（ｂ）微小電力と変動分の位相差の変化を示した図
【図４】２つの電力系統の状態について、微小電力Ｐsmとそれによる応答電力の変動分ΔＰlineとの位相差Δθの変化を示した図
【図５】（ａ）微小電力の波形を示す図、（ｂ）応答電力の変動分ΔＰlineの波形を示す図
【図６】本発明の第２の実施形態における安定化制御を考慮した監視システムの構成を示した図
【図７】実施形態の監視システムによる実験結果を示した図
【図８】本発明の第３の実施形態における安定化制御を考慮した監視システムの構成を示した図
【符号の説明】
【００３４】
１、１ｂ、１ｃ  電力系統の固有周波数の監視システム
１１  ＳＭＥＳ（超電導電力貯蔵装置）
１３  周波数コントローラ
１５  フィルタ
１７  ロックインアンプ
１００  電力系統（８機無限大母線系統）
【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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