(57)【要約】【課題】電源系統内での需給状態を平衡に維持し、自然エネルギーの変動や急激な負荷変動に対しても電源系統内の変動幅を抑制し平衡状態を維持する。【解決手段】風力や太陽光等の自然エネルギーを利用した発電を行う出力変動を伴う発電設備１と、発電設備１に対して並列に設けられ、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、水力等の電力供給のベース電源として動作する発電設備２とを備え、電力系統９に電力を供給する電源設備８であって、発電設備２を可変周波数の励磁電源である可変周波数変換器５を有する二重給電同期機から構成する。これにより、短い周期の変動に対しては原動機３と発電機４とが有する慣性エネルギーを利用した励磁制御により、一方、比較的ゆっくりした変動に対しては原動機制御により、変動分に応じて、発電設備２により電力を吸収あるいは補充して、電力系統９に供給する電力の平準化を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然エネルギーを利用した発電を行う出力変動を伴う第１の発電設備と、
前記第１の発電設備に対して並列に設けられ、電力供給のベース電源として動作する第２の発電設備と
を備えた電力系統に電力を供給する電源設備であって、
前記第２の発電設備の一部或いは全部を可変周波数の励磁電源を有する二重給電同期機から構成することにより、前記第１の発電設備の出力変動に応じて電力の吸収および補充を行って、前記電力系統に供給する電力の平準化を行う
ことを特徴とする電源設備。
【請求項２】
自然エネルギーを利用した発電を行う出力変動を伴う第１の発電設備と、前記第１の発電設備に対して並列に設けられ、電力供給のベース電源として動作する第２の発電設備とを有する電源設備と、
電力を消費する負荷機器と、
前記負荷機器と前記第１および第２の発電設備とを接続して、前記負荷機器に電源を供給する配電設備と
を備えた電源系統であって、
前記第２の発電設備の一部或いは全部を可変周波数の励磁電源を有する二重給電同期機から構成することにより、前記第１の発電設備の出力変動及び負荷機器の負荷変動に応じて電力の吸収および補充を行って、前記電源系統内の周波数変動の抑制を行う
ことを特徴とする電源系統。
【請求項３】
自然エネルギーを利用した発電を行う出力変動を伴う第１の発電設備と、前記第１の発電設備に対して並列に設けられ、電力供給のベース電源として動作する第２の発電設備とを有する電源設備と、
電力を消費する負荷機器と、
前記負荷機器と前記第１および第２の発電設備とを接続して、前記負荷機器に電源を供給する配電設備と
を備えた電力系統に連系された電源設備系統であって、
前記第２の発電設備の一部或いは全部を可変周波数の励磁電源を有する二重給電同期機から構成することにより、前記第１の発電設備の出力変動及び負荷機器の負荷変動に応じて電力の吸収および補充を行って、系統連系時の連系点潮流の変動を平準化するとともに、電力系統から切り離された単独系統運転時の電源系統内の周波数変動を抑制する
ことを特徴とする電源設備系統。
【請求項４】
自然エネルギーを利用した発電を行う出力変動を伴う第１の発電設備と、前記第１の発電設備に対して並列に設けられ、電力供給のベース電源として動作する第２の発電設備とを有する電源設備と、
前記第１の発電設備の出力値を示す信号を前記第２の発電設備に送信する通信手段と
を備えた電力系統であって、
前記第２の発電設備の一部或いは全部を可変周波数の励磁電源を有する二重給電同期機から構成するとともに、前記第２の発電設備は前記通信手段を介して受信する前記信号に基づいて、前記第１の発電設備と前記第２の発電設備との出力の総和を許容範囲内あるいは一定値に維持して電力の平準化を行う
ことを特徴とする電力系統。
【請求項５】
電力系統全体を、請求項４に記載の発電設備から構成される発電設備群に分割し、
前記発電設備群ごとに前記電力の平準化を行うことにより、電力系統全体の電力の平準化を図ることを特徴とする電力系統。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電源設備、電源系統、電源設備系統、および、電力系統に関し、特に、風力や太陽光等の出力変動を伴う発電設備を有する電源設備、電源系統、電源設備系統、および、電力系統に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光や風力などの自然エネルギーを利用して発電を行う場合、自然エネルギーは気象状況等により出力が変動する。そのため、変動した電力により、系統連系点での電力変動が系統接続条件を越えてしまうという問題をもたらす。さらに、自然エネルギー電源の規模が大きくなって変動電力が大きくなると、系統全体の周波数変動の問題も起こってくる。そのため、変動した電力は平滑化することが望まれる。
【０００３】
この種の自然エネルギーを利用した従来の発電設備においては、高繰り返し充放電可能なフライホイール付き可変速発電機を設置して、系統または負荷に送る電力の平滑化を行っている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８５９４９号公報（特に、請求項３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
地球温暖化防止のための二酸化炭素ＣＯ２削減を目的に、風力や太陽光等の自然エネルギーを用いた発電設備の導入が期待されている。しかしながら、これらの発電設備は気象状況によりその出力が変化してしまうという問題がある。従って、そのような発電設備が増加してくると、その電力変動により電力系統全体の電力品質が低下してくるため、これらの出力変動を伴う発電設備の設置は制限されている。このため、特許文献１に記載の従来の風力発電設備では上述のような構成とすることにより、風力発電設備単体として出力の平滑化が図られてきた。しかしながら、これらの構成では風力発電設備単体として高効率運転および短時間電力変動の平滑化は実現できるが、他の複数の発電設備や負荷機器と組み合わせた自家発電電源系統や、離島等の独立電源系統の場合において要求される負荷に応じた電力を供給および維持することや、或いは電力系統全体の電力平準化を図ることはできないという問題点があった。
【０００６】
また、フライホール付き可変速発電機の場合は、駆動電力が常時損失となり、経済性が悪いという問題点があった。
【０００７】
また、複数の発電設備がある系統の場合は、電源間で変動を補完して全体としての変動が緩和される場合があり（一般的に風力発電設備台数をｎ台とすると電力変動は１／√ｎといわれている）、個々の発電設備に平滑装置を設けるのは過剰な設備となってしまうという問題点もあった。
【０００８】
特許文献１に記載の方式以外でも、蓄電池、コンデンサ等の電力貯蔵機器を用いた方式も適用されているが、それらはいずれも高価であると共に、寿命が短く、性能維持のための保守費用がかかったり、設置スペースを確保するのが難しい等の問題点があった。
【０００９】
この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、電源系統内での需給状態を平衡に維持できると共に、自然エネルギーの変動や急激な負荷変動に対しても電源系統内の変動幅を抑制し平衡状態を維持できる安価な電源設備、電源系統、電源設備系統、および、電力系統を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、自然エネルギーを利用した発電を行う出力変動を伴う第１の発電設備と、前記第１の発電設備に対して並列に設けられ、電力供給のベース電源として動作する第２の発電設備とを備えた電力系統に電力を供給する電源設備であって、前記第２の発電設備の一部或いは全部を可変周波数の励磁電源を有する二重給電同期機から構成することにより、前記第１の発電設備の出力変動に応じて電力の吸収および補充を行って、前記電力系統に供給する電力の平準化を行うことを特徴とする電源設備である。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、自然エネルギーを利用した発電を行う出力変動を伴う第１の発電設備と、前記第１の発電設備に対して並列に設けられ、電力供給のベース電源として動作する第２の発電設備とを備えた電力系統に電力を供給する電源設備であって、前記第２の発電設備の一部或いは全部を可変周波数の励磁電源を有する二重給電同期機から構成することにより、前記第１の発電設備の出力変動に応じて電力の吸収および補充を行って、前記電力系統に供給する電力の平準化を行うことを特徴とする電源設備であるので、電源系統内での需給状態を平衡に維持できると共に、自然エネルギーの変動や急激な負荷変動に対しても電源系統内の変動幅を抑制し平衡状態を維持できる安価な電源設備を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る電源設備８の構成を図１に基づいて説明する。図１に示すように、２つの発電設備１および２が設けられている。発電設備１は、例えば風力や太陽光等の自然エネルギーを利用した発電設備であるため、上述したように、二酸化炭素削減を図れるという利点があるものの、気象状況による出力変動を伴うという性質を有している。発電設備２は、電力供給のベース電源として動作するもので、二重給電同期機発電設備（交流励磁形発電設備）から構成されている。発電設備２には、図１に示すように、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、水車等から構成されてベースとなる電力を供給するための原動機３と、原動機３により駆動される発電機４と、発電機４を励磁するための可変周波数変換器（あるいは、可変周波数電源）５とを有している。発電設備１，２の出力は母線６に接続されるとともに、連系用遮断器７を介して電力系統９に接続されている。
【００１３】
電源設備８は、以上説明した符号１〜７で示される各機器で構成される複合の発電設備を有する電源設備である。なお、発電設備１，２のそれぞれを母線６に接続するための遮断器や、電圧レベルを合せるための変圧器等が実際の電源設備８には設けられているが、ここでは、この発明に直接関係しない機器は図示および説明を省略している。
【００１４】
次に、動作について説明する。電力供給のベース電源として適用される二重給電同期機発電設備から構成される発電設備２は、これまで主に揚水発電システムに適用されており、例えば、特公平６−３４６３０号公報に説明されている通り、電力系統９に接続した状態でも、定格以外の回転数で運転可能であるため、原動機３の出力を変化させることなく、原動機３と発電機４とが有する慣性エネルギーを利用して励磁制御により高速に電力を変化させるように制御することが可能である。電源設備８に対しては電力系統９の運用上から所定の電力を供給することが要求される。この要求に対し、第１の発電設備１の出力が一定であれば、図２の（１）部分のように、発電設備２と分担することにより、電源設備８から電力系統９に所定の電力を供給することができる。
【００１５】
しかしながら、発電設備１が風力や太陽光等の自然エネルギーを用いた発電設備であった場合、この出力を制限することなく利用することが電源設備８としての最も経済的な運用となると共に、燃料に化石燃料を使用している発電設備がある場合は、ＣＯ２削減の環境対策としても有効である。そのためには、気象状況に応じてその時点での最高出力を利用していくことが必要であるが、その出力は常に変動することとなる。この発明では、発電設備１と並列に、二重給電同期機発電設備から構成された発電設備２を設けたので、短い周期の変動に対しては原動機３と発電機４とが有する慣性エネルギーを利用した励磁制御（図２の（２）部分）により、また、比較的ゆっくりした変動に対しては原動機制御（図２の（３）部分）により、変動分に応じて、発電設備２の原動機３にて電力を吸収或いは補充することができるため、連系用遮断器７から電力系統９に供給する電力の変動を抑制すると共に、予め設定された所定値に維持することが出来る。当然、電力系統９からの要求電力が変化した場合は、発電設備２の原動機制御により所定出力に調整することが可能である。なお、実運用では短い周期の変動と比較的ゆっくりした変動は常時重畳した形で発生しているが、図２では挙動を明確にするために分けて図示した。
【００１６】
以上のように、自然エネルギーを利用したために出力が変動する発電設備１を含む電源設備の発電設備の一部或いは全部に二重給電同期機発電設備を適用することにより、発電設備１の出力変動に応じて電力の吸収および補充を行って、発電設備１による電力の変動が電力系統に与える影響を低減することができるので、電力系統９に、変動が少なく、かつ、要求に合った電力を供給することができる。このような構成の電源設備とすることにより、変動を伴う発電設備１が含まれていても、電力系統に対しその変動の影響を与えないため、電力系統９からの制約無しに、発電設備１の設置を促進していくことが可能となる。また、ベース電源として必要な発電設備２そのものを利用しての平準化であり、フライホイール設備や二次電池設備等の設置が不要なため、経済性、保守性、省スペースに優れている。
【００１７】
なお、説明を簡単にするため、図１では、発電設備１と発電設備２だけの構成としたが、実際の電源設備においては、各々複数の電源設備で構成される。この場合、原動機を有する発電設備全てに二重給電同期機発電設備から構成される発電設備２を適用する必要はなく、出力が変動する電源設備１の出力変動に見合った容量に相当する発電設備分にのみ二重給電同期機発電設備を適用すれば良い（後述する実施の形態２〜５においても同様である）。
【００１８】
実施の形態２．
図３に、この発明の実施の形態２に係る独立電源系統１２の構成を示す。図３に示すように、発電設備１０と発電設備２とが設けられている。発電設備１０は、一般的なディーゼルエンジン、ガスエンジン、水力等の原動機を有する発電設備であり、発電設備２のように高速に出力電力を変化させることができる構成ではない。符号１〜６は、上述の実施の形態１と同じであるため、ここでは説明を省略する。本実施の形態においては、母線６に、電灯、電熱、空調設備等の電力を消費する負荷機器１１が接続されている。
【００１９】
上記実施の形態１では、電力系統９に接続する場合について述べたが、図３に示すように、例えば、電力系統と接続されない離島等のケースが存在する。このような電力系統に接続されずに負荷機器１１を有する独立電源系統１２においても、二重給電同期機発電設備から構成される発電設備２を付加することにより、短い周期の負荷機器１１の負荷変動及び発電設備１の出力変動については、発電設備２の励磁制御により、また、比較的ゆっくりした負荷機器１１の負荷変動及び発電設備１の出力変動については、発電設備２の原動機３の制御により、電力の吸収或いは補充が可能なため、独立電源系統１２内の周波数の変動を抑制することができ、独立電源系統１２の電力品質の向上が可能である。
【００２０】
負荷機器１１の負荷変動が発生した時の発電設備２の出力の変化は、図２の電源設備出力を、発電設備１と発電設備１０の出力の合計から負荷変動分を差し引いたものとし、図２の発電設備１の出力の動きを、発電設備１と負荷機器１１の変動を加え合わせたものとした時の発電設備２の出力の動きと同じである。なお、以上は、挙動を単純化するため、負荷変動のみの抑制について述べたが、発電設備１０に出力が変動する自然エネルギー電源が含まれて、この変動が負荷変動に重畳された場合も同様の効果が期待できる。
【００２１】
以上のように、本実施の形態においては、従来必要であった他のフライホイール設備や二次電池設備等の設備を付加することなく、ベースとなる発電設備の一部或いは全部に二重給電同期機発電設備である第２の発電設備２を適用することにより、電源系統内の周波数変動を抑制し、独立電源系統１２の電力の品質向上が可能であり、経済性、保守性、省スペースに優れ、かつ、出力変動の影響を受けやすい独立電源系統であっても出力が変動する自然エネルギーを利用した発電設備の設置を促進することが可能となる。
【００２２】
実施の形態３．
図４に、この発明の実施の形態３に係る電源設備系統１３の構成を示す。図４に示すように、本実施の形態による電源設備系統１３は、複数の電源設備（発電設備１、発電設備１０、発電設備２）と負荷機器１１とを有し、連系用遮断器７を介して電力系統９に接続される自家発電設備等のような電源設備系統を示す。他の構成については、上記の実施の形態１または２と同じであるため、ここでは同一符号を付して示し、説明を省略する。
【００２３】
上記実施の形態２では、発電設備１，２，１０と負荷機器１１とを有する電力系統９に接続されない独立電源系統１２の場合について述べたが、本実施の形態においては、図４に示すように、連系用遮断器７により電力系統９と接続された電源設備系統１３において、二重給電同期機発電設備から構成される発電設備２を付加することにより、短い周期の負荷機器１１の負荷変動及び発電設備１の出力変動については発電設備２の励磁制御により、また、比較的ゆっくりした負荷機器１１の負荷変動及び発電設備１の出力変動については発電設備２の原動機３の制御により、電力の吸収或いは補充が可能なため、遮断器７を介して電力系統９と授受する電力を一定に維持することができると共に、電力系統９側での故障等の発生により連系用遮断器７が開放されて母線６以下が独立電源系統となった場合においても、電源設備系統１３内の電力品質の維持が可能である。それぞれの状態における発電設備２の出力の変化は、実施の形態１及び実施の形態２の場合と同様である。すなわち、二重給電同期機発電設備から構成される発電設備２が発電設備１の出力変動及び負荷機器１１の負荷変動に応じて電力の吸収または補充を行うので、電力系統９との連系時は、発電設備１の出力変動及び負荷機器１１の負荷変動による連系点潮流の変動を許容範囲に維持し、電力系統９から切り離された単独系統運転時は発電設備１の出力変動及び負荷機器１１の負荷変動による電源系統内の周波数変動を低減することができる。
【００２４】
以上のように、本実施の形態においては、従来必要であった他のフライホイール発電設備や二次電池設備等の設備を付加することなく、ベースとなる発電設備の一部或いは全部に二重給電同期機発電設備である第２の発電設備２を適用することにより、電力系統９との授受電力の平滑化及び授受電力の所定値の維持ができると共に、独立電源系統移行時も、独立電源系統内の電力の品質維持が可能である。
【００２５】
実施の形態４．
上記の実施の形態１〜３は、複数の発電設備と負荷機器とを一まとめとする電源設備、独立電源系統及び電源系統内に二重給電同期機発電設備から構成される発電設備２を付加する構成について述べたが、本実施の形態では、図５に示すように、電力系統９の中に、出力が変動する発電設備１が複数箇所（図５では、簡略化して１箇所のみ図示）設置されている場合について説明する。このような場合において、これらの発電設備１の出力変動を平準化するために、二重給電同期機発電設備から構成された発電設備２を付加した場合を説明する。
【００２６】
図５に示すように、本実施の形態においては、電力系統９に、負荷機器１１と、自然エネルギーを用いた発電設備１と、一般的なディーゼルエンジン等の原動機を有する発電設備１０と、二重給電同期機発電設備から構成される発電設備２とが接続されている。図５における破線は通信手段１４を示している。通信手段１４は、発電設備１の出力値を示す信号を発電設備２の可変周波数変換器５に送るための電力線通信（ＰＬＣ）等から構成された通信手段である。
【００２７】
動作としては、通信手段１４を介して与えられた発電設備１の出力変動を示す信号に応じて、二重給電同期機発電設備から構成された発電設備２の出力を変化させることにより、発電設備１の出力と発電設備２の出力との総和を許容範囲或いは所定値に維持するもので、図２の動きと同様である。
【００２８】
一般的に、自然エネルギーを利用した発電設備１は、立地条件から僻地が多く、分散して設置される場合、或いは、実施の形態１〜３の構成ができない場合がある。このような場合、これらの発電設備１の電力変動に対応した容量の発電設備２を設置可能な場所に設置すればよいこと、一般的に複数台をまとめた方が個々に吸収、補充制御を行うより小さな容量となること等により、経済性、設備台数の低減等が図れるメリットがある。なお、この二重給電同期機発電設備から構成される発電設備２は、１箇所に集中して配置しても、複数箇所に分散して配置しても、同様の効果が得られる。
【００２９】
以上のように、本実施の形態によれば、通信手段１４を介して与えられた発電設備１の出力変動を示す信号に応じて、二重給電同期機発電設備から構成された発電設備２が電力の吸収および補充を行うことにより、発電設備１の出力と発電設備２の出力との総和を許容範囲或いは所定値に維持することができる。
【００３０】
実施の形態５．
一般的に中央給電指令所から各発電所或いは発電機に対して出力指令値を与えることにより、電力系統の需給制御が行われており、これまでは電力会社或いは比較的容量が大きい自家用発電設備が主たる電力供給源であり、この運用で問題はなかった。しかしながら、自然エネルギーを利用した発電設備、コジェネ等の分散電源設備が増加してくると、これらの発電設備による発生電力が無視できなくなり、需給制御の中に組み込んでいくことが必要となる。この場合、これらの個々の分散電源は容量が小さく、かつ、数が膨大で中央給電指令所から全ての発電設備に直接指令値を与えて制御することや、出力が変動する発電設備の出力変動を考慮した運用を行うことは困難である。本実施の形態５は、このような問題を解決するためのものである。
【００３１】
本実施の形態においては、図６に示すように、複数の発電設備１５が設けられている。この発電設備１５は、上記の実施の形態１〜４で示した発電設備１，２または１０である。これらの発電設備１５をまとめた発電所群１６が形成されている。発電所群１６は、これらの発電設備１５をまとめた上記の図５に示す構成を有している。各発電所群１６は、遠隔地に設置された中央給電指令所１７に通信手段１８を介して接続されている。通信手段１８は、各発電所群１６への中央給電指令所１７からの指令値を送信する。
【００３２】
発電設備１５は、出力が変動する発電設備１を含む種々のエネルギーを利用した発電設備で、この中に、この変動容量に見合った容量の二重給電同期機発電設備からなる発電設備２を設け、この発電設備２に中央給電指令所１７から通信手段１８を介して指令を与える。発電設備２はこの指令値に基づいて、発電設備群１６の発生電力が指令値に追従するように原動機３を制御する共に、出力が変動する発電設備１の変動分を励磁制御及び原動機制御により電力を吸収或いは補充することにより、電力の平滑化を計る。
【００３３】
以上のように、本実施の形態においては、電力系統を分割あるいは複数の発電設備をまとめて、制御の単位となる発電設備群１６を構築し、発電設備群毎に、発電設備１の出力変動に応じた可変周波数の励磁電源を有する二重給電同期機発電機からなる発電設備２を設け、発電設備群単位で電力の平準化を図ると共に、発電設備群として要求される電力を所定値に維持することにより電力系統全体の電力の平準化を図る事により電力系統全体の電力品質を確保できる。
【００３４】
なお、この発電設備群１６は、分散電源のみをまとめたものでも、大容量発電設備を含んだものでも良い。また、発電設備群１６は、地理的、系統構成上、或いは容量の総和等運用が容易となる単位に設定すればよい。また、中央給電指令所１７からの指令に基づいて発電設備２の原動機３を抑制することで説明したが、発電設備１０の原動機にても制御可能であるとし、発電設備群１６の中に郡内の各発電設備の出力を指令するための指令設備を設けて、この指令値に基づいて各発電設備の原動機を調整するようにしても良い。
【００３５】
以上の実施の形態１〜５では、他の電力貯蔵設備がない場合で説明してきたが、これらの設備がある場合でも、同様な効果を発揮することが可能であり、これらの設備容量を低減できるメリットもある。また、ここでは、変動を抑制する電源装置として、二重給電同期機発電設備にて記載したが、原動機を保有しない設備の場合は、長時間供給することを実現するためには膨大な設備が必要となるが、蓄電池等の電力を貯蔵し、高速で制御できる設備であれば、同様の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電源設備の構成を示した構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る電源設備の動作を示した説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る独立電源系統の構成を示した構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る電源系統の構成を示した構成図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る電力系統の構成を示した構成図である。
【図６】この発明の実施の形態５に係る電力系統の構成を示した構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，２，１０  発電設備、３  原動機、４  発電機、５  可変周波数変換器、６  母線、７  連系用遮断器、８  電源設備、９  電力系統、１１  負荷機器、１２  独立電源系統、１３  電源系統、１４，１８  通信手段、１５  発電設備、１６  発電所群、１７  中央給電指令所。
【図１】
2006320080.tif 000003
【図２】
2006320080.tif 000004
【図３】
2006320080.tif 000005
【図４】
2006320080.tif 000006
【図５】
2006320080.tif 000007
【図６】
2006320080.tif 000008