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技術 電力系統の解析装置および解析方法

出願人 三菱電機株式会社
発明者 北山匡史宇田涼介黒田憲一
出願日 2012年7月18日 (8年9ヶ月経過) 出願番号 2012-159291
公開日 2014年2月3日 (7年3ヶ月経過) 公開番号 2014-023267
状態 特許登録済
技術分野 交流の給配電
主要キーワード 仮想電流 等価電気回路 電流絶対値 仮想電力 瞬時電流値 相互影響 瞬時電圧値 瞬時値データ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

分散電源系統および電力系統連系された系統全体における、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響を効率的かつ安定的に解析する。

解決手段

電力系統解析装置1000は、大規模電力系統の挙動模擬するための電力系統シミュレータ100と、分散電源が接続された分散電源系統の挙動を模擬するための実機で構成された試験系統200と、別個に動作する電力系統シミュレータ100および試験系統200を等価的に接続するための解析制御部300とを含む。解析制御部300は、試験系統200における電力実績に基づいて、電力系統シミュレータ100において仮想電力源180が母線150から入出力する電力を設定するための電力指令生成部310と、電力系統シミュレータ100における交流電圧に基づいて、試験系統200における電圧源回路210の出力電圧を設定するための電圧指令生成部320とを含む。

概要

背景

近年、太陽光発電システム蓄電池システムといった小規模分散電源系統が、大規模商用電力系統に多数連結される傾向にある。このため、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響シミュレーションするための電力系統解析の必要性が増している。

特に、太陽光発電システムや風力発電システムなどの自然エネルギーによる分散電源では、日射量や風況などの自然条件によって出力が変動することが懸念される。このため、分散電源系統における出力変動電力系統全体周波数変動へ及ぼす影響を解析することが必要となる。

たとえば、特開2005−137130号公報(特許文献1)には、二つの電力系統の接続シミュレーションを可能とする電力系統解析装置が記載されている。特許文献1の電力系統解析装置によれば、分割された第1および第2の電力系統を、第1の電力系統の電流源および第2の電力系統の電圧源を介して仮想的に接続する構成が開示される。特に、第2の電力系統の電流から安定条件を満たす周波数成分のみを取り出して、第1の電力系統の電流源の出力指令値として与えることによって、第1および第2の電力系統の安定な接続を実現して、全体として1つの電力系統を安定的に模擬可能とすることが記載されている。

概要

分散電源系統および電力系統が連系された系統全体における、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響を効率的かつ安定的に解析する。電力系統解析装置1000は、大規模電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータ100と、分散電源が接続された分散電源系統の挙動を模擬するための実機で構成された試験系統200と、別個に動作する電力系統シミュレータ100および試験系統200を等価的に接続するための解析制御部300とを含む。解析制御部300は、試験系統200における電力実績に基づいて、電力系統シミュレータ100において仮想電力源180が母線150から入出力する電力を設定するための電力指令生成部310と、電力系統シミュレータ100における交流電圧に基づいて、試験系統200における電圧源回路210の出力電圧を設定するための電圧指令生成部320とを含む。

目的

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、分散電源系統および大規模電力系統が連系された電力系統全体における、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響を効率的かつ安定的に解析するための電力系統解析装置の構成を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

分散電源が接続された分散電源系統挙動模擬するための実機で構成された試験系統と、所定周波数交流電力送電するための電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータと、前記試験系統および前記電力系統シミュレータの間で情報を授受するための解析制御部とを備え、前記電力系統シミュレータは、前記電力系統に対して前記所定周波数の交流電力を模擬的入出力するための仮想電力源を含み、前記試験系統は、前記分散電源系統に接続された交流電圧源回路を含み、前記解析制御部は、前記分散電源系統における電力実績値に基づいて、前記仮想電力源による入出力電力を設定するための第1の設定部と、前記電力系統シミュレータにおける交流電圧に基づいて、前記交流電圧源回路の電圧振幅および周波数を設定するための第2の設定部とを含む、電力系統の解析装置

請求項2

前記電力変動シミュレータは、所定の一定時間刻み毎に、前記電力系統における交流電圧の電圧振幅および電圧位相を算出し、前記第2の設定部は、算出された前記電圧位相の変化量に応じて前記交流電圧源回路の周波数を設定する、請求項1記載の電力系統の解析装置。

請求項3

前記仮想電力源は、前記電力系統に接続された仮想発電機によって構成され、前記第2の設定部は、前記分散電源系統における電流瞬時値および電圧瞬時値に基づいて、前記仮想発電機によって入出力される瞬時有効電力および瞬時無効電力を設定する、請求項1または2に記載の電力系統の解析装置。

請求項4

前記仮想電力源は、前記電力系統に接続された仮想電流源によって構成され、前記第2の設定部は、前記分散電源系統における電流瞬時値および電圧瞬時値に基づいて、前記仮想電流源によって入出力される電流振幅および位相を設定する、請求項1または2に記載の電力系統の解析装置。

請求項5

前記分散電源は、自然エネルギーによって発電するように構成される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力系統の解析装置。

請求項6

所定周波数の電力を送電するための電力系統と、分散電源が接続された分散電源系統とが連系された電力系統の解析方法であって、前記分散電源系統の挙動を模擬するための、実機で構成された試験系統における瞬時電力データを取得するステップと、取得された前記瞬時電力データに基づいて、前記電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータにおいて仮想電力源から前記電力系統に対して入出力される前記所定周波数の交流電力を設定するステップと、設定された交流電力が前記仮想電力源によって入出力された状態下での前記電力系統シミュレータによる交流電圧の算出結果を取得するステップと、取得した前記交流電圧の算出結果に基づいて、前記分散電源系統に接続された交流電圧源回路の電圧振幅および周波数を設定するステップとを備える、電力系統の解析方法。

技術分野

0001

この発明は電力系統解析装置および解析方法に関し、より特定的には、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響解析するための電力系統解析に関する。

背景技術

0002

近年、太陽光発電システム蓄電池システムといった小規模の分散電源系統が、大規模商用電力系統に多数連結される傾向にある。このため、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響をシミュレーションするための電力系統解析の必要性が増している。

0003

特に、太陽光発電システムや風力発電システムなどの自然エネルギーによる分散電源では、日射量や風況などの自然条件によって出力が変動することが懸念される。このため、分散電源系統における出力変動電力系統全体周波数変動へ及ぼす影響を解析することが必要となる。

0004

たとえば、特開2005−137130号公報(特許文献1)には、二つの電力系統の接続シミュレーションを可能とする電力系統解析装置が記載されている。特許文献1の電力系統解析装置によれば、分割された第1および第2の電力系統を、第1の電力系統の電流源および第2の電力系統の電圧源を介して仮想的に接続する構成が開示される。特に、第2の電力系統の電流から安定条件を満たす周波数成分のみを取り出して、第1の電力系統の電流源の出力指令値として与えることによって、第1および第2の電力系統の安定な接続を実現して、全体として1つの電力系統を安定的に模擬可能とすることが記載されている。

先行技術

0005

特開2005−137130号公報

発明が解決しようとする課題

0006

大規模電力系統の解析には、一般的には、電力系統シミュレータが用いられる。したがって、当該電力系統シミュレータと、分散電源モデルによるシミュレータとを連係して解析することによって、電力系統全体を解析する手法が考えられる。しかしながら、分散電源モデルを実機器の動特性合致させることが容易でなく、解析の精度を上げることが困難となる。

0007

一方で、小規模の分散電源に関しては実機によって試験装置を構成することが可能であるが、大規模な電力系統との連系を含めて実機試験を実行することは、設置場所費用の面から困難である。

0008

仮に、実機で構成された分散電源の試験系統と、電力系統シミュレータとを組み合わせて電力系統解析装置を構成する場合にも問題が生じる。具体的には、実機試験系統リアルタイムで動作する系である一方で、電力系統シミュレータはシミュレーションに必要な時間を確保するために、所定の一定時間間隔で動作する系となるため、これらの系をどのように連係させるかが問題となる。

0009

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、分散電源系統および大規模電力系統が連系された電力系統全体における、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響を効率的かつ安定的に解析するための電力系統解析装置の構成を提供することである。

課題を解決するための手段

0010

この発明のある局面では、電力系統の解析装置は、分散電源が接続された分散電源系統の挙動を模擬するための実機で構成された試験系統と、所定周波数交流電力送電するための電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータと、試験系統および電力系統シミュレータの間で情報を授受するための解析制御部とを備える。電力系統シミュレータは、電力系統に対して、所定周波数の交流電力を模擬的入出力するための仮想電力源を含む。試験系統は、分散電源系統に接続された交流電圧源回路を含む。解析制御部は、分散電源系統における電力実績値に基づいて、仮想電力源による入出力電力を設定するための第1の設定部と、電力系統シミュレータにおける交流電圧に基づいて、交流電圧源回路の電圧振幅および周波数を設定するための第2の設定部とを含む。

0011

この発明の他のある局面では、所定周波数の電力を送電するための電力系統と、分散電源が接続された分散電源系統とが連系された電力系統の解析の解析方法は、分散電源系統の挙動を模擬するための、実機で構成された試験系統における瞬時電力データを取得するステップと、取得された瞬時電力データに基づいて、電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータにおいて仮想電力源から電力系統に対して入出力される所定周波数の交流電力を設定するステップと、設定された交流電力が仮想電力源によって入出力された状態下での電力系統シミュレータによる交流電圧の算出結果を取得するステップと、取得した交流電圧の算出結果に基づいて、分散電源系統に接続された交流電圧源回路の電圧振幅および周波数を設定するステップとを含む。

発明の効果

0012

この発明によれば、分散電源系統および大規模電力系統が連系された電力系統全体における、分散電源系統および大規模電力系統の間での相互影響を効率的かつ安定的に解析することができる。

図面の簡単な説明

0013

本実施の形態に従う電力系統解析装置の構成を説明するブロック図である。
本実施の形態に従う電力系統解析装置による解析処理手順を説明するためのフローチャートである。
試験系統および電力系統シミュレータの間での情報の授受を説明するための概念図である。
本実施の形態の変形例に従う電力系統解析装置の構成を説明するブロック図である。

実施例

0014

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

0015

図1は、本発明の実施の形態に従う電力系統解析装置の構成を説明するブロック図である。

0016

図1を参照して、本発明の実施の形態に従う電力系統解析装置1000は、大規模電力系統の挙動を模擬するための電力系統シミュレータ100と、分散電源が接続された分散電源系統の挙動を模擬するための実機で構成された試験系統200と、別個に動作する電力系統シミュレータ100および試験系統200の間で情報を授受するための解析制御部300とを含む。

0017

電力系統シミュレータ100は、公知のシミュレータを用いて、所定の系統周波数(50Hzまたは60Hz)の交流電力を伝送するための電力系統(電力会社による送電系統)の挙動を模擬するように構成される。電力系統シミュレータ100によって模擬される電力系統は、発電機110、変圧器120、母線130,150、送電線140、仮想発電機180および、電圧検出器190を含む。仮想発電機180は、解析制御部300からの指令に従った系統周波数の交流電力を、分散電源系統と連結されることが想定される母線150に対して入出力するように構成される。仮想発電機180は、「仮想電力源」の一例である。

0018

たとえば、電力系統シミュレータ100は、電力系統の各要素を数式によってモデル化するとともに、計算機によってその数式を解くことによって、サンプル時間間隔Δtの一定周期で、母線150での交流電圧の電圧絶対値|V|および電圧位相δを計算する。

0019

あるいは、電力系統シミュレータ100は、各要素の等価電気回路を接続したアナログシミュレータによって構成されてもよい。この場合にも、電圧検出器190によって、母線150の交流電圧の電圧絶対値|V|および電圧位相δを、Δtに相当する所定の一定周期で検出することができる。

0020

試験系統200は、実際の機器で構成された実験的な電力系統である。試験系統200は、三相交流電力線205と、三相交流の電圧源回路210と、「分散電源」である太陽光発電システム220と、負荷230と、検出器240とを含む。試験系統200には、蓄電池250がさらに設けられてもよい。電圧源回路210の出力電圧の絶対値および周波数は、解析制御部300からの指令に従って制御される。

0021

検出器240は、電力線205の電力実績に関するデータを検出するためのセンサによって構成される。たとえば、検出器240は、試験系統200の電力線205の瞬時電圧値va,vb,vcと、瞬時電流値ia,ib,icを計測する。

0022

試験系統200では、分散電源である太陽光発電システム220の出力電力が、負荷230や蓄電池250へ供給される。したがって、電力線205の瞬時電力は、分散電源の出力変動によって変化する。この電力変化は、検出器240の出力に基づいて、解析制御部300によって検知することができる。

0023

解析制御部300は、電力指令生成部310および電圧指令生成部320を含む。電力指令生成部310は、検出器240によって検出された試験系統200での電力実績(瞬時電力値)に基づいて、電力系統シミュレータ100における仮想発電機180の入出力電力(系統周波数の交流電力)を設定する。これにより、試験系統(分散電力系統)200での入出力電力相当の交流電力が母線150に対して入出力された状態を形成できるので、試験系統200が母線150と等価的に接続された状態を作り出して、電力系統シミュレータ100を動作させることができる。

0024

電力系統シミュレータ100は、電力指令生成部310によって設定された交流電力が母線150に対して入出力された下での、母線150の電圧絶対値|V|および電圧位相δを算出する。これにより、分散電源での出力変動が、母線150の交流電圧変動に及ぼす影響がシミュレーションされる。

0025

電圧指令生成部320は、電力系統シミュレータ100における母線150の交流電圧に基づいて、試験系統200における電圧源回路210の出力電圧を設定する。すなわち、電圧源回路210の出力電圧が母線150の交流電圧と同等になるので、電力線205が母線150と等価的に接続された状態を作り出して、試験系統200を動作させることができる。

0026

このように、解析制御部300は、電力系統シミュレータ100および試験系統200の間で情報を授受することによって、別個に動作する両者を等価的に接続するように動作する。電力指令生成部310は「第1の設定部」に対応し、電圧指令生成部320は、「第2の設定部」に対応する。

0027

図2には、本実施の形態に従う電力系統解析装置による解析処理手順が示される。図3に示すフローチャートは、所定のサンプル時間間隔Δt毎に繰り返し実行される一連処理手順を示すものである。

0028

図2を参照して、解析制御部300は、ステップS100により、試験系統200の電力線205の瞬時電力に関するデータ(具体的には、瞬時電圧値va,vb,vcと、瞬時電流値ia,ib,ic)を、検出器240の出力をサンプリングすることによって取得する。

0029

解析制御部300は、ステップS110により、下記の式(1),(2)に従って、試験系統200での瞬時有効電力P(t)および瞬時無効電力Q(t)を算出する。

0030

0031

あるいは、電力指令生成部310は、座標変換を伴う下記式(3)〜(8)に従って、試験系統200での瞬時有効電力P(t)および瞬時無効電力Q(t)を算出してもよい。

0032

0033

0034

算出された瞬時有効電力P(t)および瞬時無効電力Q(t)は、試験系統200によって模擬される分散電源系統および、電力系統シミュレータ100によって模擬される電力系統が連結されている場合において、分散電源系統から電力系統へ供給される電力(P(t),Q(t)>0)または、分散電源系統が電力系統から供給される電力(P(t),Q(t)<0)を示している。分散電源の出力が変動すると、電力線205の瞬時有効電力P(t)および瞬時無効電力Q(t)が変化する。

0035

解析制御部300は、ステップS120により、ステップS110で算出された瞬時有効電力P(t)および瞬時無効電力Q(t)に従って、仮想発電機180による入出力電力を設定する。このように、ステップS110〜S120の処理によって、図1の電力指令生成部310の機能が実現される。

0036

電力系統シミュレータ100では、仮想発電機180が、ステップS120において設定された交流電力を母線150に対して入出力した条件下での、サンプル時間間隔Δt経過後における母線の交流電圧が算出される。たとえば、母線150の交流電圧の電圧絶対値|V|および電圧位相δが算出される。

0037

このように、電力系統シミュレータ100において、試験系統200(分散電源系統)における出力変動は、仮想発電機180(仮想電力源)によって母線150に対する電力変動外乱として作用させることができる。この結果、分散電源系統における出力変動が、電力系統における電圧変動(電圧絶対値および位相)に与える影響を解析することができる。

0038

解析制御部300は、ステップS130により、電力系統シミュレータ100によって上述のように算出された母線150の交流電圧の電圧絶対値|V|および電圧位相δを取得する。さらに、解析制御部300は、ステップS140により、電力系統シミュレータ100によって計算された交流電圧の電圧絶対値|V|および電圧位相δに基づいて、下記式(9)に従って、周波数変動量を示す角周波数偏差Δω0を算出する。

0039

0040

式(9)において、δ(t−1)は前回演算された(すなわち、Δt前における)電圧位相δであり、δ(t)は今回演算された電圧位相δである。角周波数偏差Δω0は、所定の系統周波数(50Hzもしくは60Hz)に対応する標準角周波数からの偏差を示し、電力系統における周波数変動に相当する。

0041

解析制御部300は、ステップS150により、電力系統シミュレータ100での算出結果に基づく電圧絶対値|V|および角周波数偏差Δω0に基づいて、下記式(10)〜(12)に従って、試験系統200における電圧源回路210の出力電圧を設定する。

0042

0043

これにより、分散電源の出力変動によって生じた電力系統の電圧変動(周波数変動)が、試験系統200(分散電源系統)に及ぼす影響を解析することができる。このように、ステップS130〜S150の処理によって、図1の電圧指令生成部320の機能が実現される。

0044

図3を参照して、本実施の形態による電力系統解析装置では、解析制御部300によって、分散電源の出力変動に起因する試験系統200(分散電源系統)における電力変動が、仮想発電機180(仮想電力源)によって、電力系統シミュレータ100における電力変動外乱として反映される。さらに、この電力変動外乱によって電力系統に生じた電圧変動(特に、周波数変動)を、試験系統200に反映することができる。

0045

以上説明したように、本実施の形態による電力系統解析装置では、分散電源系統を模擬するための実機試験系統と、大規模電力系統を模擬するためのシミュレータとの組み合わせによって、電力系統および分散電源系統の間での相互影響を解析することができる。さらに、分散電源系統および大規模電力系統が連系された電力系統全体において、両系統間での相互影響を反映した上で、分散電源の出力変動が系全体に及ぼす影響について、特に、周波数変動を解析することができる。

0046

なお、本実施の形態による電力系統解析装置では、実機で構成された試験系統200での瞬時値データを系統周波数の交流電力の情報に変換して、一定時間間隔(Δt)で動作する電力系統シミュレータ100に伝達することによって、電力系統シミュレータ100および試験系統200を等価的に接続している。これにより、特許文献1で指摘されている電圧、電流の発散を生じさせることなく、電力系統全体の解析を安定的に実行できる。

0047

また、電力系統および分散電源系統の全体をリアルタイム系でシミュレーションする場合には、ハードウエア面の負荷(設備規模)ないしソフトウェア面の負荷(計算機負荷)の増大が懸念されるのに対して、一定時間刻みの演算を実行する電力系統シミュレータと実機の試験系統とを組み合わせる本実施の形態によれば、電力系統全体の解析を効率的に実行することができる。

0048

なお、電力系統解析装置の変形例として、図4に示されるように、電力系統シミュレータ100に設けられる「仮想電力源」として、仮想発電機180(図1)に代えて、仮想電流源185を用いることも可能である。この場合には、電力指令生成部310は、検出器240によって検出された瞬時電流値および瞬時電圧値に基づいて、電流絶対値|I|および電流位相(電圧に対する電流の位相差)φを算出する。さらに、電力指令生成部310は、算出された電流絶対値|I|および電流位相φに従った、系統周波数の交流電流が母線150に対して入出力されるように、電力系統シミュレータ100における仮想電流源185の指令を生成する。

0049

同様に、図2のステップS110では、試験系統200における電流絶対値|I|および電流位相φが算出されるとともに、ステップS120では、電力系統シミュレータ100において仮想電流源185によって入出力される電流絶対値および電流位相が設定される。

0050

このようにしても、図1に示した電力系統解析装置と同様に、分散電源系統および大規模電力系統が連系された電力系統全体において、両系統間での相互影響を反映した上で、分散電源の出力変動が系全体に及ぼす影響(特に、周波数変動)を解析することができる。

0051

なお、本実施の形態では、実機の試験系統200に接続される分散電源として太陽電池システムを例示したが、電力系統に連系される分散電源であれば、任意の電源を実機適用することができる。また、電力系統シミュレータ100は、公知の任意のシミュレータによって構成することが可能である。

0052

なお、本実施の形態によれば、分散電源の出力変動が、分散電源系統および電力系統を連系した電力系統全体に及ぼす影響について、解析することができる。したがって、本実施の形態による電力系統解析では、出力変動が生じ易い、自然エネルギーによって発電されるように構成された分散電源が接続された分散電源系統が解析対象として好適である。

0053

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

0054

100電力系統シミュレータ、110発電機、120変圧器、130,150母線、140送電線、180仮想発電機、185仮想電流源、190電圧検出器、200試験系統、205電力線、210電圧源回路、220太陽光発電システム、230負荷、240検出器、250蓄電池、300解析制御部、310電力指令生成部、320電圧指令生成部、1000電力系統解析装置。

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