(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火力発電機と水力発電機の少なくとも一方を含む通常可変電源による負荷周波数制御（以下、「通常ＬＦＣ」という。）と、二次電池による負荷周波数制御（以下、「二次電池ＬＦＣ」という。）とを併用して行う電力系統の負荷周波数制御方法において、
需用電力（以下、「Pdem」という。）に対して、固定電源の出力（以下、「Pfix」という。）、並びに通常可変電源の出力（以下、「Pvar」という。）を減算した値を、通常ＬＦＣの制御残量（以下、「εＬＦＣ」という。）とし、
εＬＦＣに対して、二次電池の出力（以下、「Pbatt」という。）を減算した値を連系線潮流出力（以下、「Ptie」という。）とし、
εＬＦＣが閾値の範囲内である場合にはεＬＦＣに基づいて通常ＬＦＣを単独で行い、
εＬＦＣが閾値の範囲外である場合には、Ptieを二次電池ＬＦＣの制御残量とし、Ptieに基づいて二次電池ＬＦＣを行うと共に、PtieとPbattとの合計値に等しいεＬＦＣに基づいて通常ＬＦＣを行い、
εＬＦＣが閾値の範囲内及び範囲外の何れの場合にも、次の計算式、
εＬＦＣ＝Ptie＋Pbatt＝Pdem−Pfix−Pvar
を成立させることを特徴とする電力系統の負荷周波数制御方法。
【請求項２】
火力発電機と水力発電機の少なくとも一方を含む通常可変電源による負荷周波数制御（以下、「通常ＬＦＣ」という。）を行う通常可変電源の制御部と、二次電池による負荷周波数制御（以下、「二次電池ＬＦＣ」という。）を行う二次電池の制御部と、指令所の制御部と、電力を計測する系統内の計測部とを備える電力系統の負荷周波数制御装置において、
系統内の計測部は、需用電力（以下、「Pdem」という。）に対して、固定電源の出力（以下、「Pfix」という。）、並びに通常可変電源の出力（以下、「Pvar」という。）を減算した値を、通常ＬＦＣの制御残量（以下、「εＬＦＣ」という。）として求め、εＬＦＣに対して、二次電池の出力（以下、「Pbatt」という。）を減算した値を連系線潮流出力（以下、「Ptie」という。）として求め、
指令所の制御部は、通常ＬＦＣの制御残量（以下、「εＬＦＣ」という。）に対する閾値を設定してあると共に、εＬＦＣが閾値の範囲内であるか否かを判定し、
εＬＦＣが閾値の範囲内である場合には通常可変電源の制御部がεＬＦＣに基づいて通常ＬＦＣを単独で行い、
εＬＦＣが閾値の範囲外である場合には、系統内の計測部がεＬＦＣに対してPbattを減算した値をPtieとして求めると共に二次電池ＬＦＣの制御残量とし、Ptieに基づいて二次電池の制御部が二次電池ＬＦＣを行い、PtieとPbattとの合計値に等しいεＬＦＣに基づいて通常可変電源の制御部が通常ＬＦＣを行い、
εＬＦＣが閾値の範囲内及び範囲外の何れの場合にも、次の計算式、
εＬＦＣ＝Ptie＋Pbatt＝Pdem−Pfix−Pvar
を成立させることを特徴とする電力系統の負荷周波数制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を含む電力系統の負荷周波数制御方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止を目的としたCO2排出量の抑制が社会全体に求められており、電気事業においては再生可能エネルギー（以下、本明細書において「ＲＥ」という。）の電力系統への大量導入が現実に想定されている。ＲＥのうち風力発電や太陽光発電（以下、本明細書において「ＰＶ」という。）は、出力が気象条件によって変動するため、周波数調整においては負荷周波数制御（以下、本明細書において「ＬＦＣ」という。）の調整力が不足することが懸念されている。
【０００３】
また、CO2排出量を削減するには、火力発電の出力を抑制することが望ましいが、火力発電は電力系統のＬＦＣにおいて重量な役割を担っている。現状の負荷周波数制御方法が図５には示されており、これに基づいて、需要電力Ｐdem、電力系統の電源出力（固定電源の出力Pfix、可変電源の出力Pvar）、可変電源によるＬＦＣの制御残量εＬＦＣ、及び連系線潮流出力Ptieの関係を説明すると、以下の通りである。
Ｐdemに対してPfixとPvarとの合計値を減算した差分が、εＬＦＣ（＝Ptie）となる。そして、制御量としてのεＬＦＣに基づいて可変電源によるＬＦＣ用の制御部がPvarを決定し、その決定されたPvarを電力系統に出力する処理が繰り返される。
つまり、数式で表せば、Ptie＝Pdem−Pfix−Pvarとなる。
なお、固定電源とは、ＬＦＣ機能のない発電設備と、他系統との電力融通を含むものである。ＬＦＣ機能のない発電設備とは、主に原子力発電機を意味するが、出力調整機能のない水力発電機（自流式水力）、ＲＥ等も含まれる。
また、可変電源とは、ＬＦＣ機能のある発電設備であり、通常、火力発電機、水力発電機（出力調整機能のある調整池式、貯水池式等）を意味する。本願において、水力発電機という場合には、特に断りがない限り、可変電源を意味する。更に、上述した可変電源を通常可変電源といい、通常可変電源によるＬＦＣを通常ＬＦＣという。
【０００４】
他方、需給調整においては、軽負荷期のＲＥの余剰電力の発生が懸念されており、対策として蓄電池に代表される二次電池の設置が必要とされている。
【０００５】
そこで、二次電池によるＬＦＣ（二次電池ＬＦＣ）を行い、通常ＬＦＣと併用することが考えられている。つまり、二次電池と通常可変電源とを合わせたものを、可変電源とすることが考えられている。このような負荷周波数制御方法の一例が図６には示されている。先に述べた現状の負荷周波数制御方法との相違点は、制御量としてのεＬＦＣを通常ＬＦＣ用の制御部と二次電池ＬＦＣ用の制御部に割り振り、これらの制御部の制御割合に応じたPvarを電力系統に出力している点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、二次電池ＬＦＣは、インバータ制御によって放電時には二次電池に貯蔵した電力を出力し、充電時には二次電池に電力を貯蔵するものであるから、通常ＬＦＣに比べてはるかに応答性がよく、高速な出力変化が得られる。従って、通常ＬＦＣと二次電池ＬＦＣを併用した場合、二次電池ＬＦＣがＬＦＣの多くを行うことになる。その結果、二次電池の充放電が頻繁に行われ、二次電池の製品寿命を縮めることになる。
【０００７】
本発明は、上記実情を考慮したもので、ＬＦＣに通常ＬＦＣと二次電池ＬＦＣを併用しながらも、二次電池の負担を軽減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、火力発電機と水力発電機の少なくとも一方を含む通常可変電源による負荷周波数制御（以下、「通常ＬＦＣ」という。）と、二次電池による負荷周波数制御（以下、「二次電池ＬＦＣ」という。）とを併用して行う電力系統の負荷周波数制御方法において、需用電力（以下、「Pdem」という。）に対して、固定電源の出力（以下、「Pfix」という。）、並びに通常可変電源の出力（以下、「Pvar」という。）を減算した値を、通常ＬＦＣの制御残量（以下、「εＬＦＣ」という。）とし、εＬＦＣに対して、二次電池の出力（以下、「Pbatt」という。）を減算した値を連系線潮流出力（以下、「Ptie」という。）とし、εＬＦＣが閾値の範囲内である場合にはεＬＦＣに基づいて通常ＬＦＣを単独で行い、εＬＦＣが閾値の範囲外である場合には、Ptieを二次電池ＬＦＣの制御残量とし、Ptieに基づいて二次電池ＬＦＣを行うと共に、PtieとPbattとの合計値に等しいεＬＦＣに基づいて通常ＬＦＣを行い、εＬＦＣが閾値の範囲内及び範囲外の何れの場合にも、次の計算式、εＬＦＣ＝Ptie＋Pbatt＝Pdem−Pfix−Pvarを成立させることを特徴とする。
【０００９】
上記した請求項１の電力系統の負荷周波数制御方法に対応する装置が、請求項２に記載されている。請求項２の発明は、火力発電機と水力発電機の少なくとも一方を含む通常可変電源による負荷周波数制御（以下、「通常ＬＦＣ」という。）を行う通常可変電源の制御部と、二次電池による負荷周波数制御（以下、「二次電池ＬＦＣ」という。）を行う二次電池の制御部と、指令所の制御部と、電力を計測する系統内の計測部とを備える電力系統の負荷周波数制御装置において、系統内の計測部は、需用電力（以下、「Pdem」という。）に対して、固定電源の出力（以下、「Pfix」という。）、並びに通常可変電源の出力（以下、「Pvar」という。）を減算した値を、通常ＬＦＣの制御残量（以下、「εＬＦＣ」という。）として求め、εＬＦＣに対して、二次電池の出力（以下、「Pbatt」という。）を減算した値を連系線潮流出力（以下、「Ptie」という。）として求め、指令所の制御部は、通常ＬＦＣの制御残量（以下、「εＬＦＣ」という。）に対する閾値を設定してあると共に、εＬＦＣが閾値の範囲内であるか否かを判定し、εＬＦＣが閾値の範囲内である場合には通常可変電源の制御部がεＬＦＣに基づいて通常ＬＦＣを単独で行い、εＬＦＣが閾値の範囲外である場合には、系統内の計測部がεＬＦＣに対してPbattを減算した値をPtieとして求めると共に二次電池ＬＦＣの制御残量とし、Ptieに基づいて二次電池の制御部が二次電池ＬＦＣを行い、PtieとPbattとの合計値に等しいεＬＦＣに基づいて通常可変電源の制御部が通常ＬＦＣを行い、εＬＦＣが閾値の範囲内及び範囲外の何れの場合にも、次の計算式、εＬＦＣ＝Ptie＋Pbatt＝Pdem−Pfix−Pvarを成立させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電力不足の初期段階では通常ＬＦＣが行われることになり、電力不足が閾値を越えた場合に始めて二次電池ＬＦＣが行われる。また、電力余剰の初期段階では通常ＬＦＣが行われることになり、電力余剰が閾値を超えた場合に始めて二次電池ＬＦＣによる充電が行われる。従って、閾値を設けた分だけ、二次電池の負担が軽減される。
【００１３】
また、通常ＬＦＣの制御残量が閾値の範囲内であるか否かに関係なく、通常ＬＦＣの制御残量εＬＦＣに基づいて通常ＬＦＣが行われることから、通常ＬＦＣでは対応できなかった速い需要電力の変動を、二次電池ＬＦＣによって対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電力系統を簡易化して示すブロック図である。
【図２】電力系統の負荷周波数制御方法を示すブロック図である。
【図３】図２の負荷周波数制御方法を実現するための具体的な一例を示すブロック図である。
【図４】図３の具体的な例をシュミレーションにより検証した結果を示すグラフである。
【図５】現状の負荷周波数制御方法を示すブロック図である。
【図６】現状における二次電池を用いた負荷周波数制御方法を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１には、電力系統が簡易化して示されている。電力系統は、固定電源１０と可変電源２０とによって作られた電力を、変電所５０を経て負荷（需要家）６０に供給するものである。可変電源２０には、通常可変電源３０と二次電池（蓄電池）４０が用いられている。そして、電力系統で余剰分の電力は他の電力系統７０に供給され、不足分の電力は他の電力系統７０から供給されるようになっている。
【００１６】
また、電力系統には指令所８０が設けられている。指令所８０には主に経済負荷配分制御用の制御部（図示せず）と、負荷周波数制御用の制御部８０ｃとが設けられている。指令所８０に設けられた負荷周波数制御用の制御部８０ｃを主として負荷周波数制御装置が、電力系統内に構築されている。そして、負荷周波数制御装置には通信回線で接続された以下の各種の制御部と計測部が設けられている。
【００１７】
制御部としては、上述の指令所８０の他、可変電源２０（通常可変電源３０と二次電池４０）に負荷周波数用の制御部が設けられている。制御部の概要をまず述べると、指令所８０の制御部８０ｃには、二次電池４０からの放電、充電、停止を制御するための閾値が設定されている。また、二次電池４０の制御部４０ｃ（二次電池ＬＦＣ用の制御部）は、通常ＬＦＣの制御残量εＬＦＣが閾値の範囲内であるか否かによって、二次電池本体に対する充電、停止、放電を決定する。通常可変電源３０の制御部３０ｃは、閾値に関係なく、通常ＬＦＣの制御残量εＬＦＣに基づいて通常可変電源本体を動作させる。
【００１８】
計測部は、リアルタイムで電力を計測するものであって、具体的には次の通りである。
系統内の実際の使用電力（需要電力Pdem）を計測する需用電力計測部８０ａが、指令所８０に設けられている。より詳しく言えば、各所の変電所５０の計測部で計測される実際の使用電力が需用電力計測部８０ａに送信され、需用電力計測部８０ａではそれら使用電力を集計し、需要電力Pdemを算出する。また、固定電源１０からの出力電力（固定電源の出力Pfix）を計測する固定電源出力計測部１０ａ、通常可変電源３０からの出力電力（通常可変電源の出力Pvar）を計測する通常可変電源出力計測部３０ａ、二次電池４０からの出力電力（二次電池の出力Pbatt）を計測する二次電池出力計測部４０ａが、各電源に設けられている。そして、これら電源１０、３０、４０の出力計測部で計測した出力電力が指令所８０の計測部に送信される。
【００１９】
その他の計測部については、負荷制御装置による負荷周波数制御方法が示された図２を参照しながら説明する。指令所８０には、第１〜第３の制御残量計測部が設けられている。詳しく言えば、以下の通りである。
第１の制御残量計測部８１では、PdemからPfixを減算した出力（Pdem−Pfix）が計測される。
第２の制御残量計測部８２では、更にPvarを減算した出力＝通常可変電源３０によるＬＦＣの制御残量εＬＦＣ（以下、「通常ＬＦＣの制御残量」という。Pdem−Pfix−Pvar＝εＬＦＣ）が計測される。
第３の制御残量計測部８３では、更にPbattを引いた二次電池４０の制御残量（εＬＦＣ−Pbatt＝Ptie）が計測される。
これら第１、第２、第３の制御残量計測部８１〜８３を合わせたものが、連系線潮流出力Ptieを計測する連系線潮流出力計測部８０ｂである。
また、指令所８０には、第４の制御残量計測部８４も設けられている。第４の制御残量計測部８４では、PtieとPbattとの合計値（通常可変電源３０の制御残量、Ptie＋Pbatt＝εＬＦＣ）が計測される。
【００２０】
上述した負荷周波数制御装置による負荷周波数制御方法は以下の手順で行われる。
（１）第１の制御残量計測部８１では、Pdem−Pfixが計測される。
（２）第２の制御残量計測部８２では、Pdem−Pfix−Pvar＝εＬＦＣが計測される。
（３）第３の制御残量計測部８３では、εＬＦＣ−Pbatt＝Ptieが計測される。
（４）指令所８０の制御部８０ｃでは、εＬＦＣの値が閾値の範囲内であるか否かを判断する。なお、閾値の値は、範囲内に含まれるか、範囲外に含まれるかいずれかであれば良い。
（５）範囲内である場合にはPbatt＝０とする信号を二次電池４０の制御部４０ｃに出力する。それが入力された二次電池４０の制御部４０ｃでは、二次電池本体からの充放電動作を停止し、線路から二次電池本体が切り離された状態を保持する。
（６）また、範囲外である場合には、閾値を＋方向に超えたときにはPtieの値、及び二次電池４０に蓄えられている電力量等に応じてPbattを決定し、決定したPbattの信号を二次電池４０の制御部４０ｃに出力する。それが入力された二次電池４０の制御部４０ｃでは、二次電池本体を線路に接続して放電動作させ、インバータを介してPbattを線路に供給する。
（７）一方、閾値を−方向に越えたときには、二次電池４０に蓄えられている電力量に応じてPbattを決定し、決定したPbattの信号を二次電池４０の制御部４０ｃに出力する。それが入力された二次電池４０の制御部４０ｃでは、二次電池本体を線路に接続して充電動作させ、線路からインバータを経てPbattを二次電池本体に充電する。これら（５）〜（７）の手順が二次電池ＬＦＣである。
（８）第４の制御残量計測部８４では、Ptie＋Pbatt＝εＬＦＣの値が計測される。なお、εＬＦＣ＝Pdem−Pfix−Pvarであるので、Pbattの有無に関係なく、εＬＦＣの信号が指令所８０の制御部８０ｃから通常可変電源３０の制御部３０ｃに出力される。それが入力された通常可変電源３０の制御部３０ｃ（通常ＬＦＣ用の制御部）では、εＬＦＣの値に基づいてPvarを決定し、図示しない通常可変電源本体を動作させ、Pvarを線路に供給する。この（８）の手順が通常ＬＦＣである。
【００２１】
上述した内容を要約して数式で示すと、連系線潮流出力Ptieは、以下の通りとなる。
Ptie＝Pdem−Pfix−Pvar−Pbatt
また、上記式のPbattを左辺に移せば、
Ptie＋Pbatt＝Pdem−Pfix−Pvar
となる。
上記式の右辺Pdem−Pfix−Pvar＝εＬＦＣとなる。つまり、通常ＬＦＣの制御量は、二次電池４０の有無に関係なく、一定である。
【００２２】
図２の負荷周波数制御方法を実現するためのより具体的な一例が図３に示されている。（１）第２の制御残量計測部８２で計測された制御量εＬＦＣが閾値の範囲内である場合には、指令所８０の制御部８０ｃ及び二次電池４０の制御部４０ｃは、Pbatt＝０とする。
（２）一方、閾値の範囲外である場合には、二次電池４０の制御部４０ｃは、第３の制御残量計測部８３で計測された制御量Ptieから、Kb（二次電池出力Pbattを安定に制御するためのフィードバックゲインを減算し、その減算値を所定時間（１／Ｔｂ）積分し、その積分値に基づいて上限リミッタＬｂと下限リミッタ−Ｌｂの範囲内で、Pbattを供給するか、充電する。つまり、積分値が＋の場合には、上限リミッタＬｂを最大値としてPbattを決定し、積分値が−の場合には下限リミッタ−Ｌｂを最小値としてPbattを決定する。
（３）また、通常可変電源３０の制御部３０ｃは、εＬＦＣの値にＫｃ（増幅率）を乗じ、εＬＦＣ×Ｋｃの値を上限リミッタＬｃ１と下限リミッタ−Ｌｃ１の範囲内で出力する。そして、その出力値を所定時間（１／Ｔｃ）積分し、その積分値に基づいて上限リミッタＬｃ２と下限リミッタ−Ｌｃ２の範囲内でPbattを決定する。
【００２３】
上述した各種のリミッタ及び積分時間は、通常ＬＦＣと二次電池ＬＦＣを相互補完的に行うように設定することが望ましい。つまり、通常ＬＦＣにはゆったりして大きい動作を、二次電池ＬＦＣには速くて小さい動作を行わせるようにする。
後述のシミュレーション例では、Ｌｂ＜Ｌｃ１、Ｌｃ２としてあるが、これは二次電池ＬＦＣのリミッタよりも小さい値に設定することで、二次電池４０の出力が通常可変電源３０の出力に対して小さな出力ですむようにしている（二次電池本体の充電容量に応じて、可動時の負担を小さくすることができる。）。
また、Ｔｃ＞Ｔｂとしてあるが、これは二次電池ＬＦＣの方の積分動作を速くするため（二次電池４０の方が速い動作が期待できるため。）
【００２４】
図３に示す具体的な例をシュミレーションにより検証した結果が図４である。ここではTc
= 10 min、 Tb = 0.1min、Kc = 100、Lc1 = 1、Lc2 = 1、Kb = 0.02、Lb = 0.2としている。なお、電力の単位はすべて100MWである。速い変動成分を含む需要波形を評価に用いるが、ここでは図４に示すような連続三角波を需用電力Pdemの変動として与えて、本願発明の二次電池ＬＦＣありの場合と、比較例の二次電池ＬＦＣなしの場合で、通常ＬＦＣによる出力Pvarと連系線潮流出力Ptieを比較している（ここでは簡単のため固定電源１０の出力Pfix=0としている）。図４(a)に二次電池ＬＦＣなしのケース、図４(b)に二次電池ＬＦＣありのケースを示す。通常ＬＦＣによる通常可変電源３０の出力Pvarは、二次電池ＬＦＣの有無にかかわらず変わらないことがわかる。よって、本願発明の負荷周波数制御方法は実現可能であり、また通常ＬＦＣと二次電池ＬＦＣの効果の識別も可能である。さらに、連系線潮流出力Ptieを二次電池４０の有無で比較すると、図４(a)の二次電池ＬＦＣなしの場合の連系線潮流出力Ptie（＝通常ＬＦＣの制御残量）の変動が、図４(b)の二次電池ＬＦＣありの場合には二次電池ＬＦＣによって吸収されるため、連系線潮流出力Ptieが抑制されていることがわかる。つまり、提案した通常ＬＦＣと二次電池ＬＦＣの協調動作方式によって、通常ＬＦＣでは対応できなかった速い変動が、二次電池ＬＦＣによって対応されて吸収されていることがわかる。
【００２５】
本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、各種の計測部は、必要な電力情報が得られるならば、系統内のどこに設置してあっても良い。
【符号の説明】
【００２６】
１０固定電源
１０ａ固定電源出力計測部
２０可変電源
３０通常可変電源
３０ａ通常可変電源出力計測部
３０ｃ制御部
４０二次電池
４０ａ二次電池出力計測部
４０ｃ制御部
５０変電所
６０負荷
７０他の電力系統
８０指令所
８０ａ需用電力計測部
８０ｂ連系線潮流出力計測部
８０ｃ制御部
８１第１の制御残量計測部
８２第２の制御残量計測部
８３第３の制御残量計測部
８４第４の制御残量計測部
【００２７】
Pdem需要電力
εＬＦＣ通常ＬＦＣの制御残量
Pfix固定電源の出力
Pvar通常可変電源の出力
Pbatt二次電池出力
Ptie連系線潮流出力
【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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