(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力発生部からの電力を変換する電力変換器と制御器からなり、連系線で電力系統に接
続して運用される分散型電源システムにおいて、
前記制御器は、前記電力系統の系統定数および代表的負荷パターンを予め記録している
データベースと、前記系統定数および代表的負荷パターンと気温情報とに基づき、電圧変
動を最小化する系統パラメータを算出する系統パラメータ演算手段と、前記電力変換器出力の電圧、電流の計測値から連系線における有効・無効電力を演算する電力演算手段と、算出された系統パラメータと算出された有効・無効電力から有効・無効電力指令値を生成する電力指令値演算手段と、前記有効・無効電力指令値に応じた電力変換器の制御信号を生成する電力制御器を有し、前記制御信号により電力変換器を駆動するとともに前記系統パラメータは、前記代表的負荷パターンから対象日の負荷を算出し、前記気温情報と前記負荷から送電線の導体温度を算出し、該導体温度により前記系統定数の抵抗分を補正して算出することを特徴とする分散型電源システム。
【請求項２】
電力発生部からの電力を変換する電力変換器と制御器からなり、連系線で電力系統に接
続して運用される分散型電源システムにおいて、
前記制御器は、前記電力系統の系統定数および代表的負荷パターンを予め記録している
データベースと、前記系統定数および代表的負荷パターンと、気温情報と、前記電力変換
器出力の電圧、電流の計測値から算出した前記電力変換器出力の有効・無効電力とに基づ
き、電圧変動を最小化する系統パラメータを算出する系統パラメータ演算手段と、算出された系統パラメータと、前記電圧、電流の計測値とから有効・無効電力指令値を生成する
電力指令値演算手段と、前記有効・無効電力指令値に応じた電力変換器の制御信号を生成する電力制御器を有し、前記制御信号により電力変換器を駆動することを特徴とする分散
型電源システム。
【請求項３】
請求項２において、
前記系統パラメータαは、前記電圧、電流の計測値から算出した有効電力Ｐと無効電力
Ｑが変動する場合に、無効電力変動分ΔＱが有効電力変動分ΔＰに比例し、ΔＱ＝−αΔ
Ｐの関係となるように算出されることを特徴とする分散型電源システム。
【請求項４】
請求項２において、
前記系統パラメータは、前記代表的負荷パターンから対象日の負荷を算出し、前記気温
情報と前記負荷と、前記電力変換器出力の有効・無効電力とから送電線の導体温度を算出
し、該導体温度により前記系統定数の抵抗分を補正して算出することを特徴とする分散型
電源システム。
【請求項５】
請求項１−４のいずれかにおいて、前記気温情報は温度センサの計測値から算出した気
温または予めデータベースに記憶された過去の平均気温データ／日である分散型電源シス
テム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記電力発生部は太陽光発電装置である分散型電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統に連系される分散型電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の原因と考えられている二酸化炭素排出量削減が大きな課題になっている。二酸化炭素排出量削減の手段の一つとして、太陽光発電や風力発電などの分散型電源の導入が盛んになってきている。これらの分散型電源は電力系統に連系されて用いられることが多いが、日射量や風速の変動により、発電出力が変動し、連系している系統の電圧や、大量に導入された場合には、系統の周波数に影響を及ぼすことが懸念されている。
【０００３】
電圧変動の抑制方法については、無効電力を利用する、いくつかの提案がなされている。
【０００４】
風力発電機が変換器を介して電力系統に連系された場合の連系点（位置）での電圧変動を抑制する方法として、特許文献１、２が知られている。特許文献１では、有効電力の変動分と電圧変動の各検出値から、無効電力を決定するパラメータ（以下、系統パラメータと呼ぶ）を算出し、有効電力の変動に起因する電圧変動を打ち消すような無効電力を供給することにより、電圧変動を抑制する方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２では、次数間高潮波を発生させる装置を付加することにより、次数間高潮波を利用して、電圧変動に係わる系統パラメータを求める方法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２４７７９号公報
【特許文献２】特開２００２−１７１６６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
太陽光発電は、導入に適した地域が多く、特に、わが国では、大規模化と大量の導入が計画されている。電圧変動抑制に関して経済性の観点からは、特許文献２のように新たな装置を付加することなく、変換器自体で電圧変動を抑制するのが望ましい。また、変換器自体で電圧変動を抑制する場合でも、変換器の最適な運転条件を決定するために、無効電力を能動的に変化させると、最適な運転条件を算出する段階では、電力系統に人工的な擾乱を与えることになる。
【０００８】
また、特許文献１においては、上述の問題はないが、風力の周期的な変動を利用して、風力発電出力以外に起因する電圧変動要因を除いており、太陽光発電のように周期性のない出力変動を示す分散型電源に対して、自身の出力変動以外に起因する電圧変動要因を除ききれない可能性がある。
【０００９】
本発明は以上の問題点を鑑みてなされたもので、周期性のない出力変動を示す分散型電源を、電力系統に接続して運用する場合において、同分散型電源の出力が変動しても、出力変動に起因する電圧変動を抑制できる、分散型電源システム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】
本発明では、分散型電源システムが連系される系統の系統定数から、電圧変動を最小化する系統パラメータを算出することにより、上記目的を達成する。しかし、気温や送電線を流れる電力により送電線の温度が変わるため、系統定数の内、送電線の抵抗分が変動するため、一定の値を用いると算出された系統パラメータに誤差を生ずることになる。
【００１１】
この問題を解決するため、本発明では、電力発生部と電力変換器からなり、連系線で電力系統に接続して運用される分散型電源システムにおいて、データベースに予め記録された分散型電源システムが連系される電力系統の系統定数および代表的負荷パターンと、気温情報とに基づき、電圧変動を最小化する系統パラメータを算出し、その系統パラメータから有効・無効電力指令値を生成し、それらの指令値に応じた電力変換器の制御信号を生成することにより電力変換器を駆動することを特徴とする。
【００１２】
さらに、太陽光発電の発電量が大きい場合は、送電線の通過電力に与える影響を無視できなくなる。このため、系統定数および代表的負荷パターン、気温情報に加え、分散型電源システム内に設けられた電圧センサおよび電流センサの計測値から算出される電力変換器の出力電力を用い、電圧変動を最小化する系統パラメータを算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による分散型電源システムによれば、予め記録した連系系統の系統定数および代表負荷パターンと、気温情報と、電力変換器の出力から、電圧変動を最小化する最適な系統パラメータが得られ、同系統パラメータに基づく電力変換器の運転を行うことにより、出力変動にともなう電圧変動を打ち消す無効電力の変動を変換器で発生させることができ、連系点の電圧変動を抑制する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明では、予め記録した連系系統の系統定数および代表負荷パターンと、気温情報と、電力変換器の出力電力から、最適な系統パラメータを求め、それに基づき変換器を駆動することにより、電圧変動を最小化する運転を実現した。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の一実施例である太陽光発電装置をもつ分散電源システムの構成図である。太陽光発電装置は、電力変換部（太陽光パネル）９と電力変換器８からなっている。電力発生部９は、電力変換器８を介して連系点４で連系線２に接続されており、連系線２は主幹系統１に接続されている。連系線２には負荷３が連系されている。電力変換器８は、電流センサ５と電圧センサ８および温度センサ７の計測値に基づき、制御器１０で生成された信号により駆動される。
【００１６】
制御器１０は、電圧電力演算器１００、気温演算器１０５、系統パラメータ演算器１１０、電力指令値演算器１２０、電力制御器１３０からなる。データベース２０には、太陽光発電システムが連系される電力系統の系統定数、代表的な負荷パターンが記録されている。系統定数は、送電線の区間毎のインピーダンス（抵抗分、リアクタンンス分）、変圧器の変圧比やインピーダンス、発電設備の出力や運転力率などである。負荷は、季節によっても、一日のうちでも変化するが、系統パラメータに影響するのは、季節による負荷の違いのような大きな違いである。
【００１７】
図２に代表的負荷パターンの例を示す。この例は、晴天であれば太陽光発電出力が大きくなる１０：００〜１４：００の平均的な負荷を冬期、春期、夏期、秋期について示したものである。なお、季節のかわり目について本パターンを適用する場合は、図中に破線で示したように、季節のかわり目の前後一定（例えば、片側２週間）の期間は負荷が徐々に（線形に）変化するものとして扱う。
【００１８】
計測値演算器１００では、分散型電源システム内に設けられた電圧センサおよび電流センサの計測値から、有効電力、無効電力を算出する。計測値（電圧、電流）は、電力制御器１３０に送られるとともに、算出した電力は電力指令値演算器１２０に送られる。
【００１９】
電力指令値演算器１２０は、系統パラメータ更新されていなければ、前回の系統パラメータを用いて、有効電力および無効電力の指令値を生成し、電力制御器１３０に送る。電力制御器１３０では、有効電力および無効電力の指令値と計測値演算器１００からの計測値に基づき、電力変換器６の駆動信号を生成する。
【００２０】
一方、系統パラメータ演算器１１０では、データベース２０から系統定数や代表的負荷パターンを取得するとともに、一定周期（例えば30分）で、温度センサ７の計測値に基づき、気温演算器１０５で算出した気温と該当日の負荷の推定値から、温度変化を考慮して系統定数を求め、これを反映した系統パラメータを算出する。
【００２１】
系統パラメータが更新された場合には、上述した電力指令値演算器１２０の処理において、新たな系統パラメータに基づき、有効電力および無効電力の指令値を生成し、電力制御器１３０に送る。電力制御器１３０での処理は、上述した系統パラメータが更新されていない場合と同様である。
【００２２】
次に、系統パラメータを求める方法について説明する。図３の系統の例を考える。主幹系統は左端の電源（ＶＳ）で近似する。主幹系統から、送電線が延びており、送電線末端の近くに負荷と太陽光発電が接続されている。送電線は、抵抗分ｒ１、リアクタンス分ｘ１で表すことができ、負荷は抵抗分ｒ２、リアクタンス分ｘ２で近似できる。
【００２３】
図４は太陽光発電システムから送電線、負荷を見た場合の系統モデルである。図３に示す系統の送電線、負荷は、図４に示す合成インピーダンス（抵抗分Ｒ，リアクタンス分Ｘ）と等価である。主幹系統の電圧（Ｖ０）は一定である。太陽光発電システムが接続されている連系点の電圧（ＶＳ）は、太陽光発電システムの出力変動や負荷の変動により変動する。
【００２４】
太陽光発電システムで、有効電力変動ΔＰと無効電力変動ΔＱが生じた場合、連系点電圧の変動ΔＶＳは、式（1）で表せる。
【００２５】
ΔＶＳ≒（ΔＰ・Ｒ＋ΔＱ・Ｘ）／ＶＳ    …（１）
ここで、Ｒは、合成インピーダンスの抵抗分、Ｘは、合成インピーダンスのリアクタンス分である。
【００２６】
仮に、無効電力変動ΔＱを式（２）のように有効電力変動ΔＰに比例して発生させ、更に、式（３）のようにαを決めれば、式１において連系点電圧変動ΔＶＳを０にできる。このαを系統パラメータと呼ぶことにする。
【００２７】
ΔＱ＝−α・ΔＰ      …（２）
ただし、α＝Ｒ／Ｘ          …（３）
次に、合成インピーダンスを求める方法について説明する。合成インピーダンスは、テブナンの定理を用いて求める。図３の系統と等価な図５の回路について、同定理を適用すると、抵抗分Ｒとリアクタンス分Ｘは、次のように与えられる。
【００２８】
Ｒ  ＝Ａ／（Ａ・Ａ＋Ｂ・Ｂ）      …（４）
Ｘ  ＝Ｂ／（Ａ・Ａ＋Ｂ・Ｂ）      …（５）
ここで、
Ａ  ＝ｒ１／（ｒ１・ｒ１＋ｘ１・ｘ１）＋ｒ２／（ｒ２・ｒ１＋ｘ２・ｘ２）  …（６）
Ｂ  ＝ｘ１／（ｒ１・ｘｒ１＋ｘ１・ｘ１）＋ｘ２／（ｒ２・ｒ１＋ｘ２・ｘ２）…（７）
式（４）、（５）で求めたＲとＸを用いて、式（３）で連系点の電圧変動を最小化する系統パラメータαが求められる。これに対応する力率ＰＦ（最適力率と呼ぶ）は、次式で与えられる。
【００２９】
ＰＦ  ＝ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎ（−α））    …（８）
図６は約２５ｋｍの送電線の末端付近に太陽光発電システムを接続した場合の最適力率の例である。冬期は気温２℃、夏期は気温３１℃を想定している。夏期は、負荷も大きく、気温も高いため、送電線の導体温度が高いため、電気抵抗も大きくなり、最適力率は低目（１から遠い値）になる。冬期の負荷は夏期に次いで大きくなるが、気温が低いため、送電線の導体温度が他の季節よりは低く、最適力率は高目（１から近い値）になる。
【００３０】
次に、制御器１０の機能の一部である系統パラメータ演算器１１０の動作について説明する。図７は、系統パラメータ演算器の処理を示すフローチャートである。太陽光発電システムの起動に合せ処理が開始される。日が変わったかどうかを判定し（３０１）、対象日を変更する（３０２）。対象日は負荷を予測するための基準になる日である。
【００３１】
システムが連系される系統の系統定数を、データベースから取得する（３０３）。季節毎の負荷パターンを取得する（３０４）。対象日と取得した負荷パターンから、対象日の負荷を算出する（３０５）。対象日がどの季節に属するかを判定するとともに、対象日が季節の変わり目にあたる時は、図２で示したように、負荷が所定の期間で徐々に変化するものと仮定して、負荷を推定する。なお、負荷パターンは季節よりも短い単位（例えば、月単位）で与えても良い。３０２〜３０５の処理は１日一回行われる。
【００３２】
次に、系統パラメータの見直しのタイミングかどうかを判定する（３０６）。見直しのタイミングは、例えば、１時間に1回のように、予め定めておく。該当する時刻が、見直しのタイミングである場合は以下の一連の処理を行う。気温演算器１０５より気温を取得する（３０７）。気温と負荷から送電線の導体温度を算出する（３０８）。送電線の導体温度に基づき、系統定数の抵抗分を補正する（３０９）。式（３）〜（７）を用いて、系統パラメータ（α）を算出する（３１０）。電力指令値演算器１２０に算出した系統パラメータ（α）を送信する（３１１）。
【００３３】
なお、電力指令演算器１２０においては、上述の処理により、系統パラメータが変更されるまでは、系統パラメータ（α）の前回値が用いられて、有効・無効電力の指令値が算出される。
【００３４】
次に、電力制御器の機能について説明する。図８は、電力制御器の処理ブロック図である。５０１のブロックでは、三相電圧の計測値（ｖａ，ｖｂ，ｖｃ）に、三相二相変換（式（９），（１０））および回転座標変換（式（１１），（１２））を行い、直軸、横軸電圧（ｖｄ，ｖｑ）を算出する（電気工学ハンドブック（第６版）、電気学会、Ｐ．１３６参照）。
ｖα＝√２／３）・ｖａ−√（１／６）・ｖｂ−√（１／６）・ｖｃ      …（９）
ｖβ＝√（１／２）・ｖｂ−√（１／２）・ｖｃ      …（１０）
ｖｄ＝ｃｏｓ（θ）・ｖα＋ｓｉｎ（θ）・ｖβ      …（１１）
ｖｑ＝−ｓｉｎ（θ）・ｖα＋ｃｏｓ（θ）・ｖβ    …（１２）
ここで、θは系統電圧位相角（角速度×時間）である。
【００３５】
５０２のブロックでは、三相電流の計測値（ｉａ，ｉｂ，ｉｃ）に、三相二相変換（式（１３），（１４））および回転座標変換（式（１５），（１６））を行い、直軸、横軸電流（ｉｄ，ｉｑ）を算出する。
ｉα＝√２／３）・ｉａ−√（１／６）・ｉｂ−√（１／６）・ｉｃ…（１３）
ｉβ＝√（１／２）・ｉｂ−√（１／２）・ｉｃ      …（１４）
ｉｄ＝ｃｏｓ（θ）・ｉα＋ｓｉｎ（θ）・ｉβ      …（１５）
ｉｑ＝−ｓｉｎ（θ）・ｉα＋ｃｏｓ（θ）・ｉβ    …（１６）
５０３のブロックでは、電力指令値演算器１２０で求めた有効・無効電力の指令値と、５０１のブロックで求めた直軸、横軸電圧（ｖｄ，ｖｑ）を用いて、直軸、横軸電流の指令値（ｉｄ＊，ｉｑ＊）を算出する。
【００３６】
５０４のブロックでは、直軸、横軸電流の計測値と直軸、横軸電流の指令値を比較するとともに、式（９），（１０）により比例積分制御処理を行い、必要となる電圧形変換器の電圧（二相）ｅｄ，ｅｑを式（１７），（１８）より算出する。
【００３７】
ｅｄ＝∫ｋ・（ｉｄ−ｉｄ＊）・ｄｔ          …（１７）
ｅｑ  ＝∫ｋ・（ｉｑ−ｉｑ＊）・ｄｔ        …（１８）
ここで、ｋは比例係数、ｄｔは微小時間である。
【００３８】
５０５では、非干渉制御、すなわち、直軸・横軸電流による電圧の変化を考慮した電圧形変換器の電圧指令値（二相）ｅｄ＊，ｅｑ＊を式（１９），（２０）より算出する。
【００３９】
ｅｄ＊  ＝ｅｄ−Ｒ・ｉｄ＋ω・Ｌ・ｉｑ    …（１９）
ｅｑ＊  ＝ｅｑ−ω・Ｌ・ｉｄ＋Ｒ・ｉｑ    …（２０）
ここで、Ｒは抵抗、Ｌはインダクタンス、ωは角周波数である。
【００４０】
５０６のブロックでは、回転座標逆変換（式（２１），（２２））および二相三相変換（式（２３），（２４））により、三相の電圧指令値が生成される。
ｅα＊＝ｃｏｓ（θ）・ｅｄ＊−ｓｉｎ（θ）・ｅｑ＊    …（２１）
ｅβ＊＝ｓｉｎ（θ）・ｅｄ＊＋ｃｏｓ（θ）・ｅｄ＊    …（２２）
ｅａ＊＝√（２／３）・ｅα＊              …（２３）
ｅｂ＊＝−√(１/６)・ｅα＊＋√(１/２)・ｅβ＊                                                        …（２４）
ｅｃ＊＝−√(１/６)・ｅα＊−√(１/２)・ｅβ＊                                                        …（２５）
５０７のブロックでは、電力変換器８を駆動するための、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式によりゲート信号を生成する。すなわち、三角波の搬送波信号（例えば、周波数３ｋＨｚ）と電圧指令値を比較することにより、スイッチング素子をオン、オフするゲート信号（駆動信号）を生成する。
【００４１】
次に、前述した約２５ｋｍの送電線の末端付近に太陽光発電システムを接続した場合の電圧変動について、シミュレーションにより評価した。図９は、太陽光発電出力に変動（低下）がある場合の例である。図１０はシミュレーションの結果であり、出力変動による連系点における電圧変動を潮流計算した結果で、力率一定の制御を行った場合と本発明の制御を行った場合を示した。力率一定制御の場合は、連系点で０．３５％の電圧低下が見られたが、本発明の制御を行った場合は、電圧の低下は０．０３％に留まった。
【実施例２】
【００４２】
これまでは、対象系統の負荷に対する太陽光発電出力の割合が比較的小さい場合を扱ってきたが、太陽光発電出力の割合が大きくなると、太陽光発電の影響を無視することができなくなる。
【００４３】
図１１は、実施例２による太陽光発電装置をもつ分散電源システムの構成図である。制御器１１には、図１の場合と同じように、電圧電力演算器１００、気温演算器１０５、系統パラメータ演算器１１０、電力指令値演算器１２０、電力制御器１３０が含まれる。制御器１１では、系統パラメータ演算器１１１が、気温のほか、電圧電力演算器１００から電力の計測値を取得する点が異なっている。
【００４４】
図１２は、系統パラメータ演算器１１１での処理を示すフローチャートである。太陽光発電システムの起動に合せ、日が変わったかどうかを判定し（４０１）、対象日を変更する（４０２）。系統定数の取得（４０３）、季節毎の負荷パターンの取得（４０４）、対象日の負荷の算出（４０５）を行うことは図７の場合と同様である。
【００４５】
次に、系統パラメータの見直しのタイミングかどうかを判定する（４０６）。該当する時刻が、見直しのタイミングである場合は、以下の一連の処理を行う。まず、気温演算器１０５より気温を取得する（４０７）。次に、電圧電力演算器１００より太陽光発電電力（電力変換器の有効・無効電力）を取得する（４０８）。これら気温、負荷、太陽光発電電力から送電線の導体温度を算出する（４０９）。送電線の導体温度に基づき、系統定数の抵抗分を補正する（４１０）。式（３）〜（７）を用いて、系統パラメータ（α）を算出する（４１１）。電力指令値演算器１２０に算出した系統パラメータ（α）を送信する（４１２）。
【００４６】
以上の処理を行うことにより、負荷に対して太陽光発電出力が大きな場合でも、最適な系統パラメータを求めることができ、連系点における電圧変動を抑制することができる。
【００４７】
上記の実施例１、２では、気温情報を得る手段として温度センサによる計測値から気温を算出する方法について説明してきた。しかし、当該地域あるいは付近地の気温に関し、過去何年ものデータが気象庁等から提供されているので、このデータを利用することも可能である。すなわち、過去の気温データから、各月の平均的な気温を求めて、データベース２０に記録しておく。電力変換器を動作させる場合は、動作日が何月に当たるかを判別し、データベースからその月の平均気温を取得し、それを用いて系統パラメータを算出すれば、電圧変動を抑制できる、ほぼ最適な系統パラメータを得ることができる。
【００４８】
また、これまでは太陽光発電システムについて説明してきたが、系統パラメータは、電力系統や負荷の状態で決まるものであり、分散型電源の種類に依らない。従って、分散型電源として風力発電システムが電力系統に連系される場合も、図１または図１１の実施例と同様の制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施例１で、太陽光発電装置をもつ分散電源システムの構成図。
【図２】負荷パターンの例を示す説明図。
【図３】太陽光発電を接続した系統の例を示す模式図。
【図４】太陽発電システムから見た系統、負荷の状況を示す模式図。
【図５】合成インピーダンスを算出するための等価回路図。
【図６】季節による最適力率の違いを示すグラフ。
【図７】系統パラメータ演算器での処理を示すフローチャート。
【図８】電力制御器での処理を示すブロック図。
【図９】太陽光発電出力変動の例を示すグラフ。
【図１０】実施例１の効果を示すグラフ。
【図１１】本発明の実施例２で、太陽光発電装置をもつ分散電源システムの構成図。
【図１２】実施例２の系統パラメータ演算器での処理を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００５０】
１…主幹系統、２…連系線、３…負荷、４…連系点、５…電流センサ、６…電圧センサ、７…温度センサ、８…電力変換器、９…電力発生部（太陽光パネル）、１０…制御器、１００…電力電圧演算器、１０５…気温演算器、１１０…系統パラメータ演算器、１２０…電力指令値演算器、１３０…電力制御器。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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