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技術 電力系統連系制御装置及び方法

出願人 株式会社日立製作所
発明者 中村亮介森田歩佐藤康生近藤真一渡辺雅浩冨田泰志
出願日 2016年3月30日 (4年1ヶ月経過) 出願番号 2016-067038
公開日 2019年8月8日 (9ヶ月経過) 公開番号 2019-134497
状態 未査定
技術分野 交流の給配電 特定用途計算機
主要キーワード コスト増分 損失コスト 気象災害 遮断負荷 リスク演算 回転発電機 選択遮断 供給力
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題

蓄電装置を用いることなく無停電自立運転移行するための技術を提供する。

解決手段

上記課題を解決するために、本発明に係る電力系統連系制御装置は、基幹系統から独立して自立運転可能な電力系統を制御する電力系統連系制御装置において、前記基幹系統の運用情報に基づいて、前記基幹系統の停電リスク推定する系統停電リスク演算部と、前記電力系統の負荷稼働状況の情報に基づいて、停電時の自立運転におけるコストを演算する自立運転時コスト演算部と、前記停電リスクと前記自立運転におけるコストの演算結果に基づいて、自立運転に移行するか否かを決定する自立連系モード決定部とを備えることを特徴とする。

概要

背景

電力系統からの自立運転への移行に関する内容として、特開2009-219204号広報(特許文献1)に記載の技術がある。この公報には、「遮断器状態信号が入力された場合に、電力供給を開始することにより、前記遮断器によって商用系統電力遮断されてから前記回転機系発電機が自立運転制御の運転に移行するまでの間の負荷変動補償する蓄電装置とを備えたことを特徴とする」という記載がある。

概要

蓄電装置を用いることなく無停電で自立運転へ移行するための技術を提供する。 上記課題を解決するために、本発明に係る電力系統連系制御装置は、基幹系統から独立して自立運転可能な電力系統を制御する電力系統連系制御装置において、前記基幹系統の運用情報に基づいて、前記基幹系統の停電リスク推定する系統停電リスク演算部と、前記電力系統の負荷稼働状況の情報に基づいて、停電時の自立運転におけるコストを演算する自立運転時コスト演算部と、前記停電リスクと前記自立運転におけるコストの演算結果に基づいて、自立運転に移行するか否かを決定する自立連系モード決定部とを備えることを特徴とする。

目的

本発明では、蓄電装置を用いることなく無停電で自立運転へ移行するための技術を提供する

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

基幹系統から独立して自立運転可能な電力系統を制御する電力系統連系制御装置において、前記基幹系統の運用情報に基づいて、前記基幹系統の停電リスク推定する系統停電リスク演算部と、前記電力系統の負荷稼働状況の情報に基づいて、停電時の自立運転におけるコストを演算する自立運転時コスト演算部と、前記停電リスクと前記自立運転におけるコストの演算結果に基づいて、自立運転に移行するか否かを決定する自立連系モード決定部とを備えることを特徴とする電力系統連系制御装置。

請求項2

請求項1記載の電力系統連系制御装置において、前記自立連系モード決定部は、前記停電リスクから得られる停電による損失コスト期待値と、前記自立運転を行うことによる運転コストの増加分とを比較することで、自立運転が連系運転かを決定することを特徴とする電力系統連系制御装置。

請求項3

請求項1記載の電力系統連系制御装置において、前記自立連系モード決定部は、系統状態の情報を取得し、前記停電リスクと前記自立運転におけるコストの演算結果を用いて、停電時の自立運転から基幹系統へ再連系運転するか否かを決定することを特徴とする電力系統連系制御装置。

請求項4

請求項1記載の電力系統連系制御装置は、基幹系統からの自立運転時に遮断する電力負荷を決定する遮断負荷決定部を更に備え、自立運転時コスト演算部は、前記で決定した負荷遮断による損失コストを用いて自立運転時のコストを演算することを特徴とする電力系統連系制御装置。

請求項5

請求項1記載の電力系統連系制御装置は、前記電力系統における電源及び前記電力系統の電圧位相に関する情報を入力とし、前記電力系統の位相に合わせるように前記電源の位相を調整する位相調整部を更に備えることを特徴とする電力系統連系制御装置。

請求項6

基幹系統から独立して自立運転可能な電力系統を制御する電力系統連系制御方法において、前記基幹系統の運用情報に基づいて、前記基幹系統の停電リスクを推定し、前記電力系統の負荷稼働状況の情報に基づいて、停電時の自立運転におけるコストを演算し、前記停電リスクと前記自立運転におけるコストの演算結果に基づいて、自立運転に移行するか否かを決定することを特徴とする電力系統連系制御方法。

請求項7

請求項6記載の電力系統連系制御方法において、前記停電リスクから得られる停電による損失コストの期待値と、前記自立運転を行うことによる運転コストの増加分とを比較することで、自立運転が連系運転かを決定することを特徴とする電力系統連系制御方法。

請求項8

請求項6記載の電力系統連系制御方法において、系統状態の情報を取得し、前記停電リスクと前記自立運転におけるコストの演算結果を用いて、停電時の自立運転から基幹系統へ再連系運転するか否かを決定することを特徴とする電力系統連系制御方法。

請求項9

請求項6記載の電力系統連系制御方法において、基幹系統からの自立運転時に遮断する電力負荷を決定し、前記決定した負荷遮断による損失コストを用いて自立運転時のコストを演算することを特徴とする電力系統連系制御方法。

請求項10

請求項6記載の電力系統連系制御方法において、前記電力系統における電源及び前記電力系統の電圧の位相に関する情報を入力とし、前記電力系統の位相に合わせるように前記電源の位相を調整することを特徴とする電力系統連系制御方法。

技術分野

0001

電力系統からの自立運転への移行、および電力系統への復帰を制御するための電力系統連系制御装置及び方法に関する。

背景技術

0002

電力系統からの自立運転への移行に関する内容として、特開2009-219204号広報(特許文献1)に記載の技術がある。この公報には、「遮断器状態信号が入力された場合に、電力供給を開始することにより、前記遮断器によって商用系統電力遮断されてから前記回転機系発電機が自立運転制御の運転に移行するまでの間の負荷変動補償する蓄電装置とを備えたことを特徴とする」という記載がある。

先行技術

0003

特開2009-219204号

発明が解決しようとする課題

0004

基幹系統老朽化グローバル化、気象災害増大を背景災害被害額が増大しており、地域系統でのレジエンシー強化ニーズが増大している。その一環として、基幹系統事故時でもマイクログリッド内の重要負荷低コストに無停電で維持することが求められている。特許文献1では、自立運転に移行するために、負荷変動を保証する蓄電装置を備えることを必要とする。しかし、蓄電装置である蓄電池UPS設備コストが大きい。そのため、本発明では、蓄電装置を用いることなく無停電で自立運転へ移行するための技術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

0005

上記課題を解決するために、本発明に係る電力系統連系制御装置は、基幹系統から独立して自立運転可能な電力系統を制御する電力系統連系制御装置において、前記基幹系統の運用情報に基づいて、前記基幹系統の停電リスク推定する系統停電リスク演算部と、前記電力系統の負荷稼働状況の情報に基づいて、停電時の自立運転におけるコストを演算する自立運転時コスト演算部と、前記停電リスクと前記自立運転におけるコストの演算結果に基づいて、自立運転に移行するか否かを決定する自立連系モード決定部とを備えることを特徴とする。

発明の効果

0006

本発明によれば、蓄電装置を用いることなく無停電で自立運転へ移行することが可能となる。

図面の簡単な説明

0007

本発明の実施例1における電力系統連系制御装置101の構成図を示す。
本発明の実施例1における電力系統連系制御装置101の処理を表すフローチャートを示す。
停電時コストに対する確率密度を表わす停電リスクの例を示す。
自立運転時のコストを求めるための電力需要発電量の例を示す。
停電時コスト502と自立運転時発電量の例を示す。
本発明の実施例2における電力系統連系制御装置101の構成図を示す。
本発明の実施例2における電力系統連系制御装置101の処理を表すフローチャートを示す。
本発明の実施例3における電力系統連系制御装置101の構成図を示す。
複数の電力負荷による電力需要と、電源発電容量との関係を表わす図の例を示す。
本発明の実施例4における電力系統連系制御装置101の構成図を示す。
電力系統に対する電源の電圧位相調整の例を示す。

0008

以下、実施例を図面を用いて説明する。

0009

図1は、本発明の電力系統連系制御装置101の構成図である。本電力系統連系制御装置101は、系統需給逼迫度の情報102と気象予報103を用いて自立運転時のコストとその確率分布の組である停電リスクを演算する系統停電リスク演算部104と、電力負荷106と電源107の運転状況および設備情報105を用いて自立運転時のコストを演算する自立運転時コスト演算部108と、自立モードと連系モードのどちらで運転するかを決める条件を定めるモード決定方法指定手段109と、停電リスクと停電時コストとモード決定方法の情報を元に自立モードまたは連系モードのどちらで運転するかを決定する自立/連系モード決定部110と、動かすモードの情報を受取り、電力系統111との接続を遮断する遮断器112と電源107への制御指令を出力する自立移行/再連系制御部113からなる。

0010

続いて、図2は本発明の電力系統連系制御装置101の処理を表わすフローチャートを示す。まず系統需給逼迫度の情報と気象予報を用いて停電時のコストとその確率分布の組である停電リスクを求める(201)。続いて、電力負荷と電源の運転状況および設備情報を用いて自立運転時のコストを演算する(202)。続いて、停電リスクと停電時コストとモード決定方法の情報を元に自立モードまたは連系モードのどちらで運転するかを決定する(203)。続いて、連系運転を続ける場合は再び処理201に戻り、自立運転に移行する場合には処理205に進む(204)。指定されたモードへと移行するように電力系統との接続を遮断する遮断器と電源への制御指令を出力する(205)。

0011

次に、構成図に示した各要素について詳述する。

0012

系統停電リスク演算部104に関連する、系統需給逼迫度102は系統の需給がどれだけ逼迫しているかを表す情報である。具体的には、電力需要に対する供給力余力に関する情報(供給予備率)であり、その値を直接取得するか、あるいは供給予備率が指定値以下になると発出される電力需給ひっ迫警報等の情報である。気象予報103は、停電につながる恐れのある気象情報で、たとえばハリケーン落雷などの情報である。

0013

本実施例における系統停電リスク演算部104が導出する系統停電リスクの例を図3に示す。横軸に停電時のコストを、縦軸に各停電コストに対する確率をとったもので、例えば、で停電する場合はその停電時間が短いため、停電コストが高い位置の確率が小さくなる(301)。一方で、需給逼迫度が上昇して数時間に及ぶ計画停電が行われる確率が大きい場合は、停電コストが低い位置の確率が小さく、停電コストが高い位置の確率が大きくなる (302)。(削除)

0014

系統停電リスク演算部104の処理の例を示す。まず入力情報リスク要因から横軸に停電時間、縦軸にその確率を表わす確率分布を求める。その分布は過去の実績データを前もって分析して事前に作成したものをデータベースから読み込んだり、あるいは実績データを元に系統停電リスク演算部104により求める。次に、各停電時間に対する停電コストを求める。生産ラインを持つ工場を例にとると、停電時間が長ければその分生産が止まるため、停電コストは停電時間に比例する。あるいは温度管理が必要な製品で数分程度の停止でロット全体の品質が損なわれて廃棄する必要がある場合は、停電時間に比例せず数分の経過で大きな停電コストが生じる。停電時間と停電コストの関係、および停電時間とその確率の関係が与えられるため、これらを用いて、停電コストとその確率の関係である停電リスクが求められる。

0015

次に自立運転時コスト演算部108の処理の例を示す。本演算部では停電時に追加で発電しなければならない電力を求める。概念図を図4に示す。401は電力使用量を、402は電源107による発電量を表わす。403は電力使用量や発電量を取得した時刻とする。ここで401に関しては、時刻403における401の傾きを取り、直線近似404等により、次時刻以降の使用量を予測できる。一方、発電量については計画値であり、その差分をとったものが停電時に発電すべき電力量である。その分を発電機で補った場合のコストは、発電機の発電単価、もしくは詳細に値を出したいのであればガス消費特性(発電量に対するコストの特性となる)を用いて求められる。停電しない場合のコストは、発電機で発電しない分を買電で賄うとすれば求められる。以上により、停電した場合のコストと停電しない場合のコストを求められるため、その差分を取ることで停電による運転コストの増分が求められる。なお、本実施例では需要量予測値を直線近似として表わしたが、予め何か異なる手段(記憶ベース推論重回帰等)で得られた需要予測の値を用いてもいいし、あるいは需要予測で得られたデータを電力負荷106によって得られた電力消費量によって補正したものであってもよい。

0016

次に、自立/連系モード決定部110の処理の例を示す。自立/連系モード決定部110は、系統停電リスク演算部104による停電リスクと、自立運転時コスト演算部108によるコスト増分を元に、自立運転に移行するか、連系運転を続けるかを決定する。そのための評価基準は複数考えられるため、その基準はモード決定方法指定手段109によってユーザが与える。本実施例では、自立運転に移行せずに停電した場合のコスト増分期待値と、停電前に自立運転に移行することで増えるコストの増分を比較し、単に前者が大きい場合に自立運転に移行するとした。自立運転移行によるコストの増分は、その運転時間に依存するため、本実施例では図5に示す方法で比較する。まず、停電時コストとその確率の関係を表わす停電リスク501を用いてその平均停電時コスト502を求める。求めた平均停電時コスト502に対して、系統停電リスク演算部104の処理の説明で示したのと逆の方式で停電時間を求める。時刻に対する電力の関係について、現在時刻503(電力使用量や発電量を取得した時刻)に対して、求めた停電時間を足し合わせた時刻504が得られる。自立運転移行による発電量は503〜506で挟まれた面積部分となる。そのため、自立運転移行による電源による発電量の増加分を求めることができる。自立/連系モード決定部110は、平均停電時コスト502と、自立運転移行による発電量の増加分とを比較し、前者の方が大きい場合には停電させ、後者の方が大きい場合は連系運転を続けると判定する。自立移行/再連系制御部113はその判定結果を元に、電源の運転および遮断器112の開閉を制御する。

0017

以上のようにして、蓄電装置を用いることなく無停電で自立運転へ移行することが可能となる。

0018

以下、実施例2における本発明について説明する。本実施例は、実施例1における自立運転への移行に加え、自立運転から再連系への移行にも本発明を適用する場合の例を示す。

0019

実施例2における本発明の構成を図6に示す。実施例1の構成と異なるのは、系統状態601を取得する点である。系統状態601は、電力系統が接続可能な状態かどうかを表わす情報である。具体的には、電源系統電圧周波数である。この情報は、自立/連系モード決定部で利用し、連系モードで運転中の場合に自立運転に移行可能かどうかの判別に使用する。

0020

実施例2における処理について、そのフローチャートを図7に示す。まず、連系モードからスタートして、自立運転への移行までの処理は図2のステップ201〜205と同様である(701)。続いて、図2と同様の処理で自立運転に移行した後は、随時系統の停電状態を取得する(702)。続いて、系統が再連系可能な状態であるかを判断し、系統が停電中で再連系が不可能な場合には再びステップ702に戻り、可能な場合はステップ704に進む(703)。続いて、系統需給逼迫度の情報と気象予報を用いて停電時のコストとその確率分布の組である停電リスクを求める。この処理はステップ201と同様である(704)。続いて、電力負荷、電源の運転計画、設備情報を用いて自立運転時のコストを演算する。このコストの演算方法図4と同様である(705)。続いて、停電リスクと停電時コストとモード決定方法の情報を元に自立モードまたは連系モードのどちらで運転するかを決定する。この処理は、図2のステップ204と同様である(706)。続いて、連系モードに移行しない場合には、ステップ704に戻り、移行する場合には再びステップ701に戻る。
以上のようにして、本発明により蓄電装置を用いることなく無停電で自立運転へ移行するだけでなく、停電状態が終了する適切なタイミングで再連系することが可能となる。

0021

以下、実施例3における本発明について説明する。本実施例は、電力負荷を一部選択遮断してから自立運転に移行する例である。

0022

実施例3における本発明の構成を図8に示す。実施例1の構成と異なるのは、遮断負荷決定部801を持つ点である。遮断負荷決定部801は、電力負荷106と設備情報105を参照して遮断する負荷を決定する機能を持つ。

0023

その一例について図9に説明する。図9において、401は電力負荷の使用電力量を測定した時点である。そして、電力負荷106として電力負荷A,B,Cの3つがあるとし、402は電力負荷Aの電力消費量を、403は電力負荷AとBの電力消費量の和を、404は電力負荷A,B,Cの電力消費量の和を表わす。そして、405は電力負荷AとBの電力消費量の和の予測値を、406は電力負荷A,B,Cの電力消費量の和の予測値を表わす。そして直線407は設備情報105によって与えられる電源107の全電源容量を表わすとする。自立運転に移行した場合に電力負荷A,B,Cの全てが動き続けると、電力負荷AとBの電力消費量の和の予測値406が電源容量407を超過する。電源容量を超過してしまうと電力不足のため、停電時の自立運転が不可能となるため、遮断負荷決定部801は電力負荷A,B,Cから負荷を選択し遮断する。例えば電力負荷Cを遮断すると、電力負荷の予測値は405となるため電源容量407を超過しなくなる。

0024

遮断負荷決定部801が遮断する負荷を決める方式としては、複数の方式が考えられる。例えば、重要な負荷に対して優先順位をつけておき重要度が低い負荷から順に負荷を遮断していく方式がある。あるいは工場である場合は、複数の製品のうち、その製造量も考慮して製造を中止した時のコストを演算し、最も損失利益が小さい製品に関する設備を止める等の方式も考えられる。しかし、この方式に限らず様々な手段で遮断する負荷を決定する。

0025

遮断する負荷を決定した後、自立運転時コスト演算部108はその情報を元に自立運転時のコストを演算する。その方式としては以下の2つが考えられる。

0026

1つ目は、実施例1と同様の方式で演算する場合である。この場合は、演算に用いる電力の消費量が予め一部負荷が遮断されたものとなる点以外はすべて同一となる。

0027

2つ目は、負荷遮断することを考慮し、損失利益をコストとして自立運転時コストに加算する方法である。この場合、電源によるコスト増加分の他に、遮断される負荷によって発生する損失コストを求める。損失コストは、例えばその負荷が生産ラインである場合、生産を続けていた場合に本来得られていた利益の額となる。

0028

以上のようにして、本発明により電力負荷を一部選択遮断してから自立運転に移行することが可能となる。

0029

以下、実施例4における本発明について説明する。本実施例は、実施例2における自立運転への移行と再連系へのタイミング調整に加え、再連系のために位相同期を行って安定的な再連系をするための例である。

0030

実施例4における本発明の構成を図10に示す。実施例1の構成と異なるのは、実施例2の構成に加えて、位相調整部801を持つ点である。位相調整部801は、系統状態601の情報として位相の情報を取得する。また、現在稼働中である電源107の位相の情報も併せて取得する。そして、両者の位相を合わせるように、電源107の運転を調整する。位相が合った後に、遮断器112により電力系統111との再連系を行う。その例を、図11に示す。系統から切り離された後の電源107の電圧波形を1101に、電力系統111の電圧波形を1102に示す。時刻が0の時点では、2つの波形位相差があるが、電源107の位相を途中でわずかにずらしているため時刻1103の時点では2つの位相が合っている。位相調整部801は、この電源107の位相調整のための処理を行う。具体的には、例えばコジェネ等の内燃機関による回転発電機の場合には電力負荷に対する以下の動揺方程式を利用した制御を行う。

0031

0032

この式において、Mは発電機の慣性定数、fは交流の周波数、Pmは発電機の回転力、Peは発電機の電気出力を表わす。Peは電力負荷106によって変動するため、周波数を変化させるには発電機の回転力Pmを変化させる。発電機の回転力は、コジェネのようにガスを消費するものであればガス燃焼量を変化させることで変えることができるため、適切な制御パラメータを設定することで電源107の周波数を制御できる。この際、電力負荷106を運転しながら周波数を変化させるため、負荷106の挙動に影響が出ない範囲で周波数を制御する。

0033

以上のようにして、本発明により、再連系のために位相同期を行って安定的な再連系を行うことが可能となる。

実施例

0034

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラム解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスクSSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカードSDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。

0035

101 本発明の電力系統連系制御装置、
102系統需給逼迫度の情報
103気象予報
104系統停電確率演算
105設備情報
106電力負荷
107電源
108自立運転時コスト演算部
109モード決定方法指定手段
110自立/連系モード決定部
111 コスト期待値評価部
112遮断器
113自立移行/再連系制御部

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