(57)【要約】【課題】電力系統に対する再生可能エネルギー発電の大量導入に伴い予測される電力品質の低下や大規模停電の発生等の対策として負荷制御システムの研究が進んでいる。従来の負荷制御システムでは、電力系統の周波数を検出して負荷機器の消費電力を制御する方式であったが、電圧、周波数、安定度を含めた包括的な電力品質および安定供給を維持可能なものではなかった。【解決手段】電力系統の周波数以外に電圧を検出して負荷機器の消費電力を制御する方式を採用した。包括的な電力品質の維持および安定供給が可能になった。検出装置の配置は戸別検出方式とし、制御装置は制御対象機器の内部に配置することにし、制御信号は電力線を介して送信することにした。大幅なハードウェアの変更や追加が不要であり、低コストで電力系統の安定化を実現可能になった。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つ又は複数の電力系統特性の変動要因が接続され、送配電系統と複数の需要家システムにより構成される電力系統において、系統情報検出装置により前記電力系統の周波数と電圧を検出し、検出された前記周波数と前記電圧に基づいて前記需要家システムが有する制御対象の電気機器の消費電力を制御、又は、前記電気機器の遮断を行うことにより、前記電力系統の周波数と電圧を安定化することを特徴とする電力系統制御システム。
【請求項２】
一つ又は複数の電力系統特性の変動要因が接続され、送配電系統と複数の需要家システムにより構成される電力系統において、系統情報検出装置により前記電力系統の周波数と電圧を検出し、検出された前記周波数と前記電圧に基づいて前記需要家システムが有する制御対象の電気機器の消費電力を制御、又は、前記電気機器の遮断を行うことにより、変電所事故や需給逼迫を含む緊急事態発生時における安全対策を実施することを特徴とする電力系統制御システム。
【請求項３】
前記系統情報検出装置が前記送配電系統と前記需要家システムの境界点に設けられていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の電力系統制御システム。
【請求項４】
前記電気機器が、熱エネルギー供給機器、エネルギー貯蔵装置、又は、発電設備であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の電力系統制御システム。
【請求項５】
前記系統情報検出装置が検出信号を制御信号に変換する装置を備え、電力線を介して前記制御信号を前記電気機器に送信することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の電力系統制御システム。
【請求項６】
前記電力系統特性の変動要因が、風力発電装置、又は、太陽光発電装置を含む再生可能エネルギー利用の発電装置であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の電力系統制御システム。
【請求項７】
一つ又は複数の電力系統特性の変動要因が接続され、送配電系統と複数の需要家システムにより構成される電力系統において、前記電力系統の周波数と電圧を安定化することを目的として、系統情報検出装置により前記電力系統の周波数と電圧を検出するステップと、検出された前記周波数と前記電圧に基づいて前記需要家システムが有する制御対象の電気機器の消費電力を制御、又は、前記電気機器の遮断を行うステップとからなる電力系統制御方法。
【請求項８】
一つ又は複数の電力系統特性の変動要因が接続され、送配電系統と複数の需要家システムにより構成される電力系統において、変電所事故や需給逼迫を含む緊急事態発生時における安全対策の実施を目的として、前記電力系統の電圧を制御するステップと、系統情報検出装置により前記電力系統の周波数と電圧を検出するステップと、検出された前記周波数と前記電圧に基づいて前記需要家システムが有する制御対象の電気機器の消費電力を制御、又は、前記電気機器の遮断を行うステップとからなる電力系統制御方法。
【請求項９】
前記系統情報検出装置が前記配電系統と前記需要家システムの境界点に設けられていることを特徴とする請求項７又は８のいずれか１項記載の電力系統制御方法。
【請求項１０】
前記電気機器が、熱エネルギー供給機器、エネルギー貯蔵装置、又は、発電設備であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項記載の電力系統制御方法。
【請求項１１】
前記系統情報検出装置が検出信号を制御信号に変換する装置を備え、電力線を介して前記制御信号を前記電気機器に送信することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項記載の電力系統制御方法。
【請求項１２】
前記電力系統特性の変動要因が、風力発電装置、又は、太陽光発電装置を含む再生可能エネルギー利用の発電装置であることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項記載の電力系統制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷機器制御による電力系統システムの安定化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低炭素社会実現のため、太陽光発電や風力発電等の再生可能エネルギーの導入が積極的にすすめられている。これらの自然エネルギーを利用する発電は、炭素を放出せず枯渇しない半永久的なエネルギー源であるという長所がある一方で、時間帯や発電地域による出力変動が大きいという問題がある。これらの発電装置により発電された電力は、特定の需要家により消費されるだけでなく、電力系統に接続され商用電力側にも供給されている。再生可能エネルギーによる発電装置は比較的小規模の発電装置が多いが、将来これらの発電装置の利用が加速度的に増え、その結果、電力系統に与える影響が大きくなると予想される。そのため、周波数、電圧等の電力系統の品質を適正に維持するための系統対策が必要となる。
電力系統の電圧の制御には、発電側での制御に加えて、系統各部でのさまざまな電圧制御装置による制御手段が存在する。一方、周波数は発電電力と消費電力のバランスに依存して変動する特性である。消費電力が発電電力を上回ると周波数は低下し、下回ると周波数は上昇する。従来は、電力の需要予測と供給力計画をマッチングさせることにより安定な周波数を維持してきた。しかし、発電量の予測技術が確立されていない再生可能エネルギー発電が大量に導入されると、周波数の安定化はより解決が困難となる。また、系統側の対策が主体となる従来の考え方では、周波数安定化の対策コストが膨大となることが予想され、近年、より低コストで実現が可能な負荷制御による周波数安定化対策の研究が進んでいる。
【０００３】
特許文献１には、周波数を検出することにより電力系統の周波数を安定化する方法が開示されている。図６は、特許文献１に開示された電力系統の構成を示す図である。電力系統１０１には、自然エネルギー利用の小容量発電装置１０４、１０５が接続されている。需要家負荷機器側の周波数検出部１により、電力系統の周波数を検出し、負荷機器１０６の消費電力を調整することにより周波数を安定化している。また、電気事業者の系統周波数制御装置１０８において電力系統の周波数を検出し、発電所１０２、１０３の発電出力を調整することによっても周波数の安定化を図っている。
特許文献２には、可制御負荷制御システム内部で電力系統の周波数偏差を計測し、計測した周波数偏差に応じて可制御負荷の消費電力を制御することにより、電力系統の周波数を安定化する方法が開示されている。
【０００４】
太陽光発電や風力発電等の自然エネルギーを利用する発電方式は、出力する電力の変動が大きいだけでなく、出力電圧の変動も大きい。例えば、太陽光発電を連携することにより配電系統の電圧が上昇するという問題が報告されている。従来の周波数を検出して周波数を安定化させる制御方法では、電力系統の周波数、電圧を含めた包括的な安定度の向上が困難であるという問題があった。電力系統に電圧安定化装置を多数配置することにより系統の電圧を維持することも可能であるが、対策コストが大きいという問題があった。
また、変電所事故による電源脱落や、夏場の冷房需要等による消費電力の急峻な増加が発生すると、電力の需給バランスがくずれ、発電機の連鎖トリップが発生し、大規模な停電事故が起きる可能性がある。また、周波数変動が大きくなることにより発電機の連鎖トリップが発生する場合もある。非特許文献１には、このような緊急事態における周波数と系統安定度向上のために、周波数を検出して負荷遮断を行う方式が提案されている。洗濯乾燥機などの電気機器が自端で周波数を検出し、周波数が大きく低下した際に機器の停止を自動的に行うものである。しかし、非特許文献１に開示された方法では、緊急時に系統電圧が大きく変動したが、周波数変動が小さい間は安定化制御が機能しないため、十分な電力品質の維持ができないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2006-42458号公報
【特許文献２】特開2006-94578号公報
【特許文献３】特開2008-125290号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】D.Trundnowski: “Power-system Frequency and Stability Control usingDecentralized Intelligent Loads” 2005 IEEE
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、比較的低コストで電力系統の包括的な安定度向上および緊急事態における大規模な停電事故の発生防止が可能な電力系統制御システム、及び、電力系統制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明（１）は、一つ又は複数の電力系統特性の変動要因が接続され、配電系統と複数の需要家システムにより構成される電力系統において、系統情報検出装置により前記電力系統の周波数と電圧を検出し、検出された前記周波数と前記電圧に基づいて前記需要家システムが有する制御対象の電気機器の消費電力を制御、又は、前記電気機器の遮断を行うことにより、前記電力系統の周波数と電圧を安定化することを特徴とする電力系統制御システムである。
本発明（２）は、一つ又は複数の電力系統特性の変動要因が接続され、送配電系統と複数の需要家システムにより構成される電力系統において、系統情報検出装置により前記電力系統の周波数と電圧を検出し、検出された前記周波数と前記電圧に基づいて前記需要家システムが有する制御対象の電気機器の消費電力を制御、又は、前記電気機器の遮断を行うことにより、変電所事故や需給逼迫を含む緊急事態発生時における安全対策を実施することを特徴とする電力系統制御システムである。
本発明（３）は、前記系統情報検出装置が前記配電系統と前記需要家システムの境界点に設けられていることを特徴とする前記発明（１）又は前記発明（２）の電力系統制御システムである。
本発明（４）は、前記電気機器が、熱エネルギー供給機器、エネルギー貯蔵装置、又は、発電設備であることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（３）の電力系統制御システムである。
本発明（５）は、前記系統情報検出装置が検出信号を制御信号に変換する装置を備え、電力線を介して前記制御信号を前記電気機器に送信することを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（４）の電力系統制御システムである。
本発明（６）は、前記電力系統特性の変動要因が、風力発電装置、又は、太陽光発電装置を含む再生可能エネルギー利用の発電装置であることを特徴とする前記発明（１）乃至前記発明（３）のいずれか１項記載の電力系統制御システムである。
本発明（７）は、一つ又は複数の電力系統特性の変動要因が接続され、送配電系統と複数の需要家システムにより構成される電力系統において、前記電力系統の周波数と電圧および系統安定度を安定化することを目的として、系統情報検出装置により前記電力系統の周波数と電圧を検出するステップと、検出された前記周波数と前記電圧に基づいて前記需要家システムが有する制御対象の電気機器の消費電力を制御、又は、前記電気機器の遮断を行うステップとからなる電力系統制御方法である。
本発明（８）は、一つ又は複数の電力系統特性の変動要因が接続され、送配電系統と複数の需要家システムにより構成される電力系統において、変電所事故や需給逼迫を含む緊急事態発生時における安全対策の実施を目的として、前記電力系統の電圧を制御するステップと、系統情報検出装置により前記電力系統の周波数と電圧を検出するステップと、検出された前記周波数と前記電圧に基づいて前記需要家システムが有する制御対象の電気機器の消費電力を制御、又は、前記電気機器の遮断を行うステップとからなる電力系統制御方法である。
本発明（９）は、前記系統情報検出装置が前記配電系統と前記需要家システムの境界点に設けられていることを特徴とする前記発明（７）又は前記発明（８）の電力系統制御方法。
本発明（１０）は、前記電気機器が、熱エネルギー供給機器、エネルギー貯蔵装置、又は、発電設備であることを特徴とする前記発明（７）乃至前記発明（９）の電力系統制御方法である。
本発明（１１）は、前記系統情報検出装置が検出信号を制御信号に変換する装置を備え、電力線を介して前記制御信号を前記電気機器に送信することを特徴とする前記発明（７）乃至前記発明（１０）の電力系統制御方法である。
本発明（１２）は、前記電力系統特性の変動要因が、風力発電装置、又は、太陽光発電装置を含む再生可能エネルギー利用の発電装置であることを特徴とする前記発明（７）乃至前記発明（１１）の電力系統制御方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明（１）、（２）、（６）、（７）、（８）、（１２）によれば、周波数・電圧・系統安定度など電力系統の安定化に寄与し、かつ、再生可能エネルギー等の電力系統特性の変動要因の系統連係可能量を増大できる。比較的容易な技術で電力系統の安定化が可能であり、社会コストも低く、早期実現性が高い。緊急時や需給逼迫時の安定化対策としても、周波数検出のみによる系統安定化方法と比較して、制御遅延も小さく、より効果の大きい安定化方法の提供が可能である。
本発明（３）、（９）によれば、伝送路設置コストを抑制可能で、伝送遅れを小さくできる。本発明（４）、（１０）によれば、需要家側の負担を最小限に抑制することが可能になる。
本発明（５）、（１１）によれば、制御信号送信専用の回線をあらたに設置する必要がないため、システムを低コストで実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力系統安定化自律負荷制御システムの概念図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電力系統安定化自律負荷制御システムの構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る周波数偏差に基づく出力制御特性の具体例である。
【図４】本発明の実施の形態に係る電圧変動に基づく出力制御特性の具体例である。
【図５】本発明の実施例に係る周波数制御性の制御対象負荷比率依存性を示すグラフである。
【図６】従来の周波数制御装置を含む電力系統の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の最良形態について説明する。
本発明の実施の形態に係る電力系統制御システムは、電力系統の周波数変動と電圧変動を検出し、負荷機器の消費電力を自動制御、或いは、負荷機器を自動遮断する制御システムである。周波数と電圧を検出する検出装置は、住宅や事業所等の需要家ごとに商用の電力系統と需要家における電力系統の境界点に配置する。以下、本願明細書では、係る住宅や事業所等の需要家ごとの負荷機器を接続した電力系統を需要家システムと呼び、係る検出装置を系統情報検出装置、又は、スマートメーターと呼ぶことにする。戸別に設置されたスマートメーターが、検出した電圧と周波数偏差に基づく制御信号を生成し、被制御負荷である電気機器（制御対象機器）に制御信号を送信する。制御対象機器には、制御信号を受信する回路が付加されており、スマートメーターからの制御信号と運転中のベース出力信号に基づいて、電気機器の出力を制御する、或いは、電気機器の遮断を行う。制御対象機器としては、出力制御を行ってもユーザー側に出力変動が認識されにくい熱エネルギー供給機器、例えば、ヒートポンプ式温水器、エアコン、冷蔵庫、自動販売機を対象とするのが好ましい。また、将来的には、PEHV（プラグインハイブリッド自動車）やEV（電気自動車）用蓄電池等のエネルギー貯蔵装置に適用することも考えられる。
【００１２】
（制御情報検出方式）
図１は、本発明の実施の形態に係る電力系統安定化自律負荷制御システムの概念図である。電力系統は、送配電系統１と電力を消費する需要家システム２とから構成される。図１では、一つの需要家システムのみが示されているが、複数の需要家システムを送配電系統に接続した構成としてもよい。商用電力等の送配電系統１では、火力発電や水力発電等の系統電源４に加えて、風力発電装置５や太陽光発電装置６、７により電力が供給されている。電力系統の終端には、需要家システムが接続されている。電力系統と需要家システムの境界点には、電力品質を検出するスマートメーター３、８が配置されている。需要家システムの内部には、複数の電気機器があり、これらは、制御対象機器と制御対象外機器に分類される。例えば、需要家システム２が有する制御対象機器９、１０には、スマートメーターからの制御信号により消費電力を制御する回路が備えられている。一方、制御対象外機器１２には、係る制御回路がなく、電力品質に依存した消費電力制御を行わない。制御対象機器としては、上記したように熱エネルギー供給機器やエネルギー貯蔵装置等を選択するのが好ましい。また、太陽光発電１１など発電設備もスマートメーターによる対象とすることができる。一方、ユーザー側に出力変動が認識されやすい電気機器、例えば、テレビ、照明装置等は制御対象外機器とするのが好ましい。
なお、本発明に係る電力系統制御システムは、再生可能エネルギー利用の発電装置に限らず、何らかの電力系統特性（電圧や周波数等）の変動要因を含む電力系統に適用して、その安定化や緊急時の安全対策の実施に有効なシステムであることは言うまでもない。
図１に示すような検出装置（スマートメーター）を電力系統と需要家システムの境界点に配置する方式を戸別検出方式と呼ぶ。制御対象機器を制御する電力系統情報を検出する方式としては、戸別検出方式以外に、以下に列挙する複数の方式がある。
中央制御方式は、中央給電指令所又は系統給電所等において周波数等の系統特性を検出し、下位電気所や下位系統を通して制御対象箇所まで制御信号を送出する方式である。この方式で負荷制御を行おうとすると、伝送遅れがあるために系統の挙動が不安定になる可能性がある。そのため、中央制御系と機器制御系の協調をとるためのチューニングが不可欠であり、大量の機器を対象とする負荷制御システムに対して実施することが困難である。
配電子局検出方式は、配電子局において系統特性を検出して、各戸の制御装置に出力制御信号を伝送する方式である。専用の情報伝送路の確保が必要であり、システム構成が複雑となる問題がある。また、中央制御方式と同様に、伝送遅れの問題がある。
自端検出方式は、需要家が有する制御対象となる電気機器すべてが検出装置を備え、検出した系統特性に応じて制御信号を生成する方式である。検出装置と制御装置が各機器の中にあるので、機器外部の伝送路の確保は不要で、実現は比較的容易であるが、検出装置をすべての機器に備えるためのコストがかかるという問題がある。
これらの方式に対し、戸別検出方式は、制御信号伝送路を需要家システムの内部に設置すればよいので、伝送路設置コストが比較的低く、伝送遅れが小さい。対象システムが膨大な数になるが、自端方式と比べれば検出装置と制御装置の数が少なくなり、総合的なコストを考えると実現性が高い方式である。また、対象システムの数が多いので、システム構成や制御ソフトを標準化することで、経済性や利便性を十分確保できると予測される。
【００１３】
（負荷制御システムの制御論理）
図２は、本発明の実施の形態に係る電力系統安定化自律負荷制御システムの構成例を示すブロック図である。図２を用いて需要家システムの内部構成をより詳細に説明する。需要家システム内部には、上述したようにスマートメーター２１と、一つ又は複数の制御対象機器２３があり、電力線２２により接続されている。スマートメーター２１には、電力系統の周波数を検出する周波数検出装置２６と電圧を検出する電圧検出装置２８が備えられている。また、電力量計３５を備えることも可能である。検出された周波数偏差Δfと電圧偏差Δvは、それぞれ、変換回路２７、２９で出力制御信号ΔPfとΔPvに変換される。出力制御信号は加算器３０で加算され、電力線２２に信号を載せて制御対象機器２３に送信する。制御対象機器２３には、電力線から信号を抽出する信号抽出回路が備えられている。電力線を用いて信号を送信する方式は電力線方式と呼ばれ、通信線や無線を用いて信号を送信する方式と異なり、設備・システム構成が単純であること、技術的難易度が低いこと、低コストであること、伝送遅れが小さいこと等、優れた点が多く、最も実現性が高い方式である。電力線を通って送信された制御信号ΔPは、制御対象機器２３の内部で変更前出力指令値ΔP0と加算され、変更後出力ΔPeとして制御回路３２、３３に送られ、例えば、熱エネルギー供給機器の場合は、熱出力を制御する信号として用いられる。図２に示すように、スマートメーター２１の内部に切替えスイッチ２４、２５を配置し、周波数検出装置と電圧検出装置の入力切替えを行う構成にすることも可能である。また、制御回路２３内に配置された制御回路３８により無効電力出力を出力する構成としてもよい。
【００１４】
（Δfによる負荷制御論理）
図３は、本発明の実施の形態に係る周波数偏差に基づく出力制御特性の具体例である。図３に示す本発明の実施の形態に係る制御方式は、周波数偏差に比例して出力を調整する「周波数偏差による出力制御方式」である。基準周波数での任意の運転出力に対して周波数偏差に比例して定格出力に対する比率を変え制御指令を出力する。制御指令ΔPloadは周波数偏差Δfに対して以下の数式で表される。
ΔPload[kW]=Kf[kW/0.1Hz]×Δf[0.1Hz]          :fmin≦f≦fmax
ΔPload[kW]=0（機器を停止）                   :f<fmin
ΔPload[kW]=一定値（定格出力）                :f>fmax
fminとfmaxは、通常、それぞれ運転時基準周波数に対し±0.1〜0.3Hzに設定される。
従来型制御は、インバーター制御が主流であり、周波数が変動しても消費電力をほぼ一定に維持する定電力制御が行われていた。それに対し、本発明に係る制御方式は、運転指令に基づく出力値をベース出力としながら周波数偏差に比例して出力を変化させる周波数偏差可変出力方式である。電力系統の周波数が低下する場合は、消費電力を低下させることで周波数を上昇させるフィードバック制御を行う。電力系統の緊急時対応機能を強化する観点から、系統での大電源脱落時のような周波数低下が過大となるようなケースでは自動停止機能を付加する。電力系統の周波数が上昇する場合は、消費電力を増加させることで周波数を低下させるフィードバック制御を行う。
制御ブロックは、ΔP=Δf・K/(1+Tf・S)と表せる。時間遅れTfは、検出時間と信号伝送時間の合計T1と機器の信号受信後の制御遅れT2の合計である。機器がΔf信号を受信し、設定した特性に応じてΔP出力に換算する。熱出力機器はインバーター制御であるので、その時間遅れT2は、ほぼ0とみなすことができる。T1は、信号検出箇所から電気機器に至る時間遅れであるため、システム構成に依存する。信号検出箇所が電力系統側の場合は、T1は2〜10sec程度となる。負荷機器に近い箇所、例えば、電力量計で検出する場合は、数十msec程度となる。負荷機器において検出する場合は、ほぼ0とみなすことができる。
ΔPの変化後の周波数に対する遅延の影響を考える。電気出力変化ΔPe=Δf・K/(1+Tf・S)により、周波数変化は、Δf=ΔPe/(M・S+D)となる。Mは系統全体の発電機慣性定数で、Dは制動係数である。中央制御の場合、ΔPの変化後の遅延時間は、Mに相当する8sec程度の時間遅れとなり、中央制御で周波数検出による負荷制御を行うと、瞬動予備力の動きとほぼ同程度の時間遅れの動きとなるので、周波数を悪化させる方向に働く。そのため、中央制御の採用は好ましくなく、周波数の戸別検出による負荷制御方式の採用が好ましい。
【００１５】
（Δvによる負荷制御論理）
図４は、本発明の実施の形態に係る電圧変動に基づく出力制御特性の具体例である。基本的に、周波数検出の場合と同様であり、電圧が高くなれば出力を上昇させることで消費電力を増加させ、電圧が低くなれば出力を低下させることで消費電力を低下させる。従来の定電力特性の制御に対し、本発明では、ほぼ定インピーダンス特性の制御を行う。
ΔPload[kW]=Kv[kW/v]×Δv[v]            :vmin≦v≦vmax
ΔPload[kW]=0（機器を停止）             :v<vmin
ΔPload[kW]=一定値（定格出力）          :v>vmax
vminとvmaxは、例えば、それぞれ運転時基準電圧に対し95%、105%に設定される。
Δvによる負荷制御は、需給逼迫時の電圧低下運転に活用することが可能である。上位系統、例えば、需給逼迫時に配電用変電所の送出電圧を5〜10％低くすれば、スマートメーター側の制御によって消費電力を自動的に低減することができる。全系統で実施すれば数％の総電力需要を抑制することも可能であり、需給逼迫時には系統安定化に極めて有効な対策となる。さらに、制御特性の設定次第で、需給逼迫時に対象機器を停止する方法をとることも可能で、輪番停電のような複雑なシステムを構築しなくても需要家にとって公平で影響の少ない機能を電力会社として保有することができる。
【００１６】
（Δf・Δvの合成による負荷制御論理）
本発明に係る負荷制御論理の例として、Δf検出による出力変更量ΔPfとΔv検出による出力変更量ΔPvの合成値ΔPが現在の運転出力からの変更分となるように制御することも可能である。周波数偏差は系統全体の発電機慣性定数での時間遅れで変化するが、電圧については時間遅れがなく、検出量の変化に応じ直ちに電圧が変化する。従って、ΔfとΔvの制御は、それぞれ独立した制御ととらえることが可能で、偏差―出力の関係も独立して設定してよい。
周波数検出のみによる負荷制御を行う場合は、次の問題の発生が懸念される。例えば、太陽光発電が多数連携された系統で発電量が余剰気味の時は、配電電圧が高め方向に行く傾向がある。一方、これに周波数が低下し易い夏季需要ピークが重なると、周波数検出のみによる制御では、負荷抑制の方向に制御が働き、やはり、電圧が高めに誘導されるので、太陽光発電が抑制されることになり再生可能エネルギーの有効活用および周波数安定制御面では好ましくない。周波数検出に電圧検出を組み合わせて制御することにより、このような場合の安定化制御が可能になる。例えば、上記したケースでは、高めに誘導された電圧を検出して負荷機器の消費電力が増加するように自動制御が行われるので、配電電圧が安定に維持される。
これに対し、電圧検出のみによる負荷制御を行う場合は、周波数が目標値となるように制御するのが困難であるという問題があり、周波数のみによる負荷検出と同様に好ましくない。電圧検出と同時に周波数を検出して負荷制御を行うことにより、周波数が目標値となるように制御することができる。
周波数検出と電圧検出を同時に行う場合は、周波数検出による制御と電圧検出による制御の比重はさまざまなケースを想定して適宜調整を行うのが好ましい。例えば、周波数、電圧のいずれかの制御によって出力が上限又は下限に至っている場合は他の検出信号による制御が効かないので制御パラメータの設定には注意が必要である。需給逼迫時の状況を考慮すると、周波数低下が大きくなる前の予防保全策として電圧低下運転による需要抑制を優先させるべきであると考えれば、制御特性において電圧検出側による負荷制御感度を高めにしておく必要がある。さらに、負荷遮断が必要なケースを想定すれば、配電用変電所送り出し電圧の制御が可能な範囲で負荷遮断に至る運転下限電圧の設定が必要になる。
【００１７】
（電力系統制御と負荷制御の組み合わせ）
（平常時における電力系統制御）
系統全体において、負荷制御量ΔPLにより改善される負荷周波数特性は、
KL0=ΔPL /Δf
となる。従って、従来の負荷周波数特性をKLold、負荷制御機器導入後のそれをKLnewとすれば、
KLnew=KL0+KLold
となる。系統全体で需給過不足が発生した場合、ΔPLの分だけ需給過不足を解消できるため、電力系統のガバナフリーの発動が小さくて済む。また、出力の変動する風力発電や太陽光発電による需給変化があった場合においても同様で、発電・負荷双方が同時に即応的に反応するので過渡的な周波数変動も小さくすることができる。
【００１８】
（緊急時における電力系統制御）
電力系統において需給逼迫が発生し大幅に周波数が低下した場合には、発電機の機械的破損を防ぐために緊急に負荷を遮断する必要がある。これを電力系統側で自動的に行うためには、大規模な自動化システムが必要であり、かつ確率的には頻度が小さい現象であるため享受できるメリットに対して投資コストは高いものとなる。負荷制御システムを導入し、緊急時には電力系統側の電圧を負荷制御が作動するように誘導すれば、緊急時周波数自動制御システムを比較的低コストで構築することが可能であり、需給運用上大きなメリットが得られる。
【００１９】
（類似の先行技術との相違点）
特許文献３には、上位系統である高圧系統と分散型電源を備えた需要家側の低圧系統からなる電力系統において、低圧系統に配置された計測装置により、低圧系統の周波数や電圧を計測し、計測した信号に基づき負荷状態（使用電力量）を常時監視し、負荷機器の遮断制御を行うことにより、需要家が有する分散型電源の能力を有効に活用することが可能な低圧系統の自立運転システムが開示されている。特許文献３は、周波数や電圧を検出するとの記載がある点で、本発明と類似しているが、本発明に記載された「周波数と電圧を同時に検出する」との記載はなく、周波数と電圧を同時に検出することにより得られる効果についても記載されていない。また、特許文献３に記載されたシステムの目的は「分散型電源能力の有効活用」であり、本発明の目的である「電力系統の周波数・電圧・安定度など電力系統の安定化」及び「需要逼迫時など緊急時の電力系統システムの安全対策の自動化、低コスト化」とは異なる。本発明で開示する技術は、電力系統の周波数と電圧を同時に検出し、負荷制御を行うことにより係る目的を達成する技術であり、特許文献３に開示された記載から本願発明に係る技術を考案するのは容易ではない。
【実施例】
【００２０】
送配電系統に複数の負荷機器が接続され、一部の負荷機器を制御対象とした電力系統モデルを作成し、周波数制御性のシミュレーションを行った。図５は、周波数制御性の制御対象負荷比率依存性を示すグラフである。全系の負荷機器のうちX%が制御対象負荷であり、残りの(1-X)％が制御対象外負荷（一般負荷）であるとした。また、制御対象負荷の周波数特性定数を10%MW/0.1Hz、一般負荷の周波数特性定数を0.4%MW/0.1Hzと設定した。この場合、全体の負荷周波数特性定数KLは、KL=10X+0.4(1-X)[%MW/0.1Hz]となる。
さらに、電源周波数特性を0.4%MW/0.1Hzとすれば、系統周波数特性Kは、制御負荷無しで、K=0.4%MW/0.1Hz、制御負荷有りでK=10X+0.4(1-X)+0.4[%MW/0.1Hz]となる。
周波数制御性を系統容量の10%の電源脱落があった場合の周波数低下量と定義して、Xをパラメータとして周波数制御性を計算すると、図５に示すグラフが得られた。図５から、制御負荷無しでは、周波数制御性は1.25Hzの低下であるのに対し、制御負荷の導入をわずかでも行うことにより周波数制御性の改善がみられることがわかる。例えば、全体の10%を制御負荷とすることにより、周波数制御性は0.57Hzとなり、制御負荷無しの場合に比べ、周波数低下を半分程度まで抑えることができ、周波数安定性の向上に顕著な効果が得られることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
以上詳述したように、本発明は、給電系統の周波数と電圧を戸別検出方式で検出して負荷機器の消費電力を制御することにより、通常時及び緊急時の電力系統の安定化を低コストで実現するものであり、電力給電の分野で大きく寄与する。
【符号の説明】
【００２２】
１  送配電系統
２  需要家負荷システム
４  系統電源
５  風力発電装置
６、７  太陽光発電装置
３、８  検出装置
９、１０  制御対象機器
１１  太陽光発電装置
１２  制御対象外機器
２１  検出装置
２２  電力線
２３  制御対象機器
２４、２５、３４  切替えスイッチ
２６  周波数検出装置
２８  電圧検出装置
２７、２９、３６  信号変換装置
３０、３１、３７  加算器
３５  電力量計
３２、３３、３８  制御回路
１０１  電力系統
１０２  火力発電所
１０３  水力発電所
１０４  風力発電装置
１０５  太陽光発電装置
１０６、１０７  需要家負荷機器
１０８  系統周波数制御装置
１０９  周波数検出装置
１１０、１１１  周波数検出部
１１２、１１３  周波数制御装置
【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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