JP6223833B2 - 電力系統安定化装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、再生可能エネルギー発電装置を制御対象として選定し、停止させることにより、電力系統の安定化に必要な電制発電機を減らすことができる電力系統安定化装置に関する。

系統事故時の発電機の脱調を防止すべく、収集した電力系統の情報から解析用系統モデルを作成し、系統事故発生後に発生した事故条件で過渡安定度計算を行うことで発電機の脱調の有無を判定する手法がある。この手法では、脱調の防止に必要な発電機の解列対象（電制発電機）を決定して、電制発電機を電力系統から解列することにより、電力系統の安定化を図ることが行われる。

特許第３３５０２６５号明細書

上述した電力系統を安定化させる手法では、系統事故時の発電機の脱調を防止するための手段として一部の発電機を電力系統から解列する。しかし、解列された発電機を再び電力系統に並列するには時間を要することもあり、発電機は解列しないことが望ましい。そのため、必要最小限の電制発電機となるように対象が選定される。

近年、太陽光発電などの再生可能エネルギー発電装置の導入が進んでいる。再生可能エネルギー発電装置にはインバータやパワーコンディショナーと呼ばれるパワーエレクトロニクス機器で電力系統と連系しているものがあり、これらは運転と停止を高速に制御することができる。

このような背景のもと、発電機の解列に代わり再生可能エネルギー発電装置を停止させることで電力系統を安定化させる、または、電力系統を安定化させるために必要な電制発電機を減らせることが考えられる。しかし、これまで再生可能エネルギー発電装置を停止対象とした例はない。

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、再生可能エネルギー発電装置を制御対象として選定し、停止させることにより、電力系統の安定化に必要な電制発電機を減らすことができる電力系統安定化装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、複数の発電機に加えて再生可能エネルギー発電装置が導入された電力系統の事故の発生を検知して、事故時の発電機の脱調を防止する電力系統安定化装置において、各種系統情報を収集して系統モデルを構築し、想定事故条件の過渡安定度計算を事前に実施することで、想定事故毎に電力系統を安定化するための再生可能エネルギー発電装置の停止対象及び発電機の解列対象を事前に選定しておく演算部と、系統事故が発生した場合に、前記演算部で選定した停止対象となる前記再生可能エネルギー発電装置を停止し、解列対象となる前記発電機を前記電力系統から解列する制御部と、を備え、前記演算部は、前記再生可能エネルギー発電装置の停止対象から選定を行い、前記再生可能エネルギー発電装置を追加できない状態となった場合に、前記発電機の解列対象を選定することを特徴とする。

本発明の第１の実施形態に係る電力系統安定化装置を用いたシステムの構成を示す全体図。 第１の実施形態に係る電力系統安定化装置の演算部の処理内容を説明するフローチャート。 第１の実施形態で太陽光発電の停止対象範囲を選定する処理内容を説明するフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る電力系統安定化装置を用いたシステムの構成を示す全体図。 本発明の第２の実施形態に係る電力系統安定化装置の演算部の処理内容を説明するフローチャート。 本発明の第３の実施形態に係る電力系統安定化装置を用いたシステムの構成を示す全体図。 本発明の第３の実施形態に係る電力系統安定化装置の演算部の処理内容を説明するフローチャート。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
［第１の実施形態］
（全体構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力系統安定化装置を用いたシステムの構成を示す全体図である。

図１において、発電機４−１は、送電線２−１、送電線２−２、遮断器５−１及び変圧器３−１を介して電力系統１と接続されている。同様に、発電機４−２は送電線２−１、送電線２−２、遮断器５−２及び変圧器３−２を介して電力系統１と接続され、発電機４−３は送電線２−１、送電線２−２、遮断器５−３及び変圧器３−３を介して電力系統１と接続されている。また、太陽光発電６−１は、変圧器３−４を介して電力系統１と接続され、太陽光発電６−２は送電線２−１及び変圧器３−５を介して電力系統１と接続される。電力系統安定化装置１０は、上述したような電力系統を対象とし、演算部１１と制御部１２とから成っている。

送電線２−１には事故検出装置７−１が、送電線２−２には事故検出装置７−２が設置されており、それぞれの事故検出装置は情報伝送網を介して制御部１２に接続され、事故検出装置７−１、７−２から制御部１２へ情報が伝送されるように構成されている。また、送電線２−１には情報収集装置８−６、８−７が、送電線２−２には情報収集装置８−８、８−９が設置される。さらに、発電機４−１には情報収集装置８−１が、発電機４−２には情報収集装置８−２が、発電機４−３には情報収集装置８−３が設けられている。また、太陽光発電６−１には情報収集装置８−４が、太陽光発電６−２には情報収集装置８−５が設置されている。上述した情報収集装置８−１〜８−９は、情報伝送網を介して演算部１１に接続され、情報収集装置８−１〜８−９から演算部１１へ情報が伝送されるように構成されている。

また、制御部１２は情報伝送網を介して遮断器５−１、５−２、５−３及び太陽光発電６−１、６−２に接続され、指令値や設定値が伝送されるように構成されている。さらに、演算部１１は制御部１２と接続されている。演算部１１は、後述する図２のフローチャートに従い、想定事故ごとに電力系統を安定化する（発電機の脱調を防止する）ための太陽光発電の停止対象、発電機の解列対象（以後、電制発電機と呼称）を事前に決めておき、１時間に１回といった一定の時間間隔で処理を行う機能を有している。また、制御部１２は、演算部１１の結果に基づき、太陽光発電停止指令や解列指令を出力し、太陽光発電の停止と発電機の解列を実行する機能を有している。

（作用）
以上のような構成を有する電力系統安定化装置１０の基本的な作用について、図面に従い説明する。

図２は、本実施形態に係る電力系統安定化装置１０の演算部１１の処理内容を説明するフローチャートである。まず、演算部１１は、情報収集装置８−１〜８−９で計測された電圧、有効電力、無効電力、遮断器の開閉状態などの系統情報を取り込み、系統データを作成する（ステップＳ１１）。

次に、予め設定されている想定事故条件の１つを設定し（ステップＳ１２）、想定事故条件が完了したか否かを判定する（判定１、ステップＳ１３）。想定事故条件すべての計算が完了した場合は（ステップＳ１３でＹｅｓ）、処理を終了する。想定事故条件すべての計算が完了していない場合は（ステップＳ１３でＮｏ）、過渡安定度計算を実施する（ステップＳ１４）。次に、過渡安定度計算の結果、発電機が脱調するか否かを判定する（判定２、ステップＳ１５）。過渡安定度計算の結果、発電機４−１〜４−３のすべてが脱調しない場合は（ステップＳ１５でＮｏ）、太陽光発電の停止対象なし、電制発電機なしという制御内容を事故条件と関連づけて保存し（ステップＳ１６）、次の想定事故条件の計算に進む。

逆に、発電機４−１〜４−３の少なくともいずれかが脱調する場合は（ステップＳ１５でＹｅｓ）、脱調防止に有効な太陽光発電を選定し、効果の高い順に順位づけしておく（ステップＳ１７）。そして、選定された太陽光発電の中から順位の高い順に１台選択し（ステップＳ１８）、太陽光発電対象の追加ができない状態ではない場合（判定３、ステップＳ１９でＮｏ）、過渡安定度計算を実施し（ステップＳ２０）、太陽光発電を停止させることで脱調するか否かを判定する（判定４、ステップＳ２１）。太陽光発電を停止させることで脱調しない場合（ステップＳ２１でＮｏ）、選択した太陽光発電を停止させる、電制発電機なしという制御内容を事故条件と関連づけて保存し（ステップＳ２２）、次の想定事故条件の処理に進む。他方、脱調する場合（ステップＳ２１でＹｅｓ）、ステップＳ１８で追加の太陽光発電停止対象を選択して、過渡安定度計算を実施し（ステップＳ２０）、脱調の有無を判定する（ステップＳ２１）。

この繰り返しにより、ステップＳ１７で選定した太陽光発電の何箇所までを停止すれば脱調防止できるかを求める。ステップＳ１７で選定した太陽光発電すべてを停止する条件でも脱調する場合（即ち、太陽光発電対象の追加ができない状態）（ステップＳ１９でＹｅｓ）、電制発電機を選定する（ステップＳ２３）。電制発電機の選定順位は、例えば、脱調する発電機を出力の大きい順に並べる方法がある。ステップＳ１７で選定された太陽光発電がすべて停止する条件に加え、ステップＳ２３での電制発電機を含めた条件で過渡安定度計算を実施し（ステップＳ２４）、脱調するか否かを判定する(判定５、ステップＳ２５)。

脱調しない場合（ステップＳ２５でＮｏ）、ステップＳ１７で選定した太陽光発電を停止対象とし、さらにこの時点で選択されている電制発電機を加えた制御内容を事故条件と関連づけて保存する（ステップＳ２６）。脱調する場合（ステップＳ２５でＹｅｓ）、ステップＳ２３に戻って次の電制発電機を加えた条件で再び過渡安定度計算を実施し（ステップＳ２４）、脱調するか否かを判定する（ステップＳ２５）。この繰り返しにより、ステップＳ１２で設定した想定事故条件で脱調防止に必要な太陽光発電の停止対象と電制発電機を求める。これらの処理を想定事故条件のすべてで実施することにより、各事故条件における脱調防止に必要な太陽光発電の停止対象と電制発電機が求められる。

図３は、本発明の第１の実施形態で太陽光発電の停止対象範囲を選定する処理内容（図２におけるステップＳ１７の具体例）を説明するフローチャートである。
まず、演算部１１は、太陽光発電を１台ずつ停止対象として設定する（ステップＳ３１）。各太陽光発電を停止させる条件で過渡安定度計算を実施し（ステップＳ３２）、図２のフローチャートのステップＳ１４の過渡安定度計算で脱調した発電機の太陽光発電停止による有効電力合計値を計算し（ステップＳ３３）、合計値の増加率が一定以上か否かを判定する（ステップＳ３４）。脱調防止に有効な太陽光発電は停止時に脱調発電機の有効電力がより大きく増加するので、合計値の増加率が一定以上の場合は（ステップＳ３４でＹｅｓ）、増加率が一定以上の太陽光発電を停止対象に選定し（ステップＳ３５）、一定以上でない場合は（ステップＳ３４でＮｏ）、停止対象としない（ステップＳ３６）。そして、すべての太陽光発電での計算が完了したか否かを判定し（ステップＳ３７）、完了していない場合は（ステップＳ３７でＮｏ）、ステップＳ３１へ戻り、完了した場合は（ステップＳ３７でＹｅｓ）処理を終了する。

次に、制御部１２の作用について説明する。
図１の送電線２−１または２−２で短絡や地絡事故が発生すると、事故検出装置７−１または７−２が事故の発生を検知し、事故の発生と種別等を制御部１２に通知する。制御部１２は、事故の発生場所と種別に合致する演算部１１で予め計算されていた制御内容、即ち、脱調防止に必要な太陽光発電停止対象と電制発電機の情報を取り出し、対象の太陽光発電に停止指令を送信することで対象の太陽光発電を停止させ、電制発電機に解列指令を送信することで電制発電機を解列する。

短絡や地絡事故による発電機の脱調は、事故中の電圧低下と事故除去後のインピーダンス変化による発電機有効電力の低下が主な要因である。発電機の内部位相角δは（１）式で求められ、有効電力Ｐｅが減少すると位相角δは増大する。ここで、Ｍは発電機の単位慣性定数、Ｐｍは機械入力、Δωは角周波数偏差、δ₀は内部位相角初期値である。有効電力の減少は、系統事故の発生箇所（事故点）と発電機の位置関係、潮流状態で異なる。大まかには事故点に近く（事故点からのインピーダンスが小さく）、事故点から末端にある発電機、言い換えると、発生前の事故点に向かって有効電力を送っていた発電機の有効電力の減少は大きい傾向にあり、位相角δの増分が大きい。そして、他の発電機との位相角差が一定以上になると発電機の同期が保てなくなり、脱調する。

一方、太陽光発電を停止させると、その分だけ有効電力の供給量が減少するので、発電機が有効電力を増加させてエネルギーの収支を等しく保つ。有効電力Ｐｅの増加は位相角δの増大抑制、または、減少につながる。故に、太陽光発電を停止させることは脱調防止につながる。電制による脱調防止も同様であり、仮に脱調防止に必要な有効電力の増分を１００としたとき、太陽光発電の停止で有効電力増加５０の効果があるならば、残り５０の効果分の電制を実施すればよく、有効電力増加１００の効果分の電制に比べて少ない電制発電機で脱調を防止できる。

（効果）
以上説明したように本実施形態によれば、想定事故条件ごとに脱調防止に必要な太陽光発電の停止対象と電制発電機を予め求めておき、事故が発生したら事故条件に合致する脱調防止に必要な太陽光発電の停止対象を停止し、電制発電機を電力系統から解列することで発電機の脱調を未然に防止することができる。さらに、発電機だけを解列した場合に比べて電制発電機を減らすことができる。

［第２の実施形態］
（構成）
本発明の第２の実施形態に係る電力系統安定化装置について図４及び図５を用いて説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る電力系統安定化装置を用いたシステムの構成を示す全体図である。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

第２の実施形態において、図１に示した第１の実施形態と異なる点は、太陽光発電６−１の情報収集装置８−４と太陽光発電６−２の情報収集装置８−５からの情報を一般公衆回線９を介して演算部１１が取得する点と、一般公衆回線９を介して制御部１２から太陽光発電６−１と６−２への停止条件を与える点である。ここで、一般公衆回線９としては、既存の通信網を用いることができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る電力系統安定化装置１０の演算部１１の処理内容を説明するフローチャートである。第２の実施形態において、図２に示す第１の実施形態のフローチャートと異なる点は、ステップＳ１３でＹｅｓであった場合にステップＳ５１が追加されている点である。

（作用）
演算部１１が想定事故ごとの太陽光発電停止対象、電制発電機を事前に求めておく点は第１の実施形態と同様である。想定事故条件すべての太陽光発電停止対象、電制発電機を求める処理が完了したら（ステップＳ１３でＹｅｓ）、ステップＳ５１に進む。

ステップＳ５１では、想定事故条件の少なくとも１つで停止対象となった太陽光発電に予め停止条件を送信する。停止条件とは、例えば、太陽光発電を停止すべき電圧低下閾値と停止時間である。停止条件を受信した太陽光発電は、地絡事故などで自端電圧が停止条件の電圧低下閾値を下回ったら停止時間だけ運転を停止する。これにより、予め選定されていた太陽光発電は、想定事故が発生した際に停止する。電圧低下閾値の決定方法には、一例として、図５のステップＳ１４の過渡安定度計算結果に基づいて太陽光発電停止対象の事故中電圧値に一定のマージンを加えた値とする方法が考えられる。また、停止時間は、予め系統解析で系統特性を把握して事前に決めておく方法が考えられる。

ここでは、一般公衆回線９での情報伝送の遅延時間が秒オーダー以上の前提としている。太陽光発電停止と電制が事故発生から数秒後では脱調防止不可なので、相対的に遅い伝送網を使用する想定では予め太陽光発電の停止条件を通知しておくものである。なお、電力系統安定化装置１０と遮断器５−１〜５−３の間には高速伝送網があるものとする。

（効果）
以上のように本実施形態によれば、電力系統安定化装置１０と太陽光発電６−１、６−２間の既存通信網の伝送遅延時間が秒オーダー以上であったとしても、高速伝送網を新たに構築することなく、既存伝送網を使って脱調防止できるとともに、発電機だけを電制した場合に比べて電制発電機を減らすことができる。

［第３の実施形態］
（構成）
本発明の第３の実施形態に係る電力系統安定化装置について図６及び図７を用いて説明する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る電力系統安定化装置を用いたシステムの構成を示す全体図である。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

第３の実施形態において、図１に示した第１の実施形態と異なる点は、情報収集装置８−６〜８−９が無い点と、事故検出装置７−１と７−２の出力信号が演算部１１に入力されている点である。

（作用）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る電力系統安定化装置１０の演算部１１の処理内容を説明するフローチャートである。
短絡や地絡事故が発生して事故検出装置７−１または７−２で事故が検知され、演算部１１に通知されると図７のフローチャートに示す処理が開始される。まず、演算部１１は、発電機の有効電力Ｐｅを収集し（ステップＳ７１）、前述の（１）式に基づいて各発電機の内部位相角δの変化分Δδを計算する（ステップＳ７２）。このとき、慣性定数などの必要な定数は予め設定されているものとし、内部位相角の変化分Δδを計算する発電機も運転／停止状態で予め選定されているものとする。

次に、演算部１１は、計算した内部位相角の変化分Δδが予め定めておいた閾値を超過する発電機があるか精査する（ステップＳ７３）。ここで、閾値は発電機ごとに設定されているものとする。次に、電制した発電機以外で内部位相角の変化分Δδが閾値を超過する発電機があるか否かを判定し（判定１、ステップＳ７４）、超過する発電機がある場合は（ステップＳ７４でＹｅｓ）、その発電機を電制発電機に選定するとともに、予め電制発電機に関連づけておいた太陽光発電を停止対象とする（ステップＳ７５）。太陽光発電と発電機の関連づけは、太陽光発電を１台ずつ停止させる条件の過渡安定度計算を実施し、太陽光発電による有効電力増加が一定値以上の発電機とその太陽光発電の組合せとする方法が考えられる。さらに、演算部１１は、制御部１２を介して太陽光発電停止対象に停止指令を伝送して停止させるとともに、電制発電機に電制指令を伝送して発電機を解列する（ステップＳ７６）。

他方、Δδが閾値を超過する発電機がない場合（ステップＳ７４でＮｏ）、処理開始から一定時間が経過しているかを判定し（判定２、ステップＳ７７）、経過している場合（ステップＳ７７でＹｅｓ）は、処理を終了する。経過していない場合（ステップＳ７７でＮｏ）、内部位相角の変化分Δδの演算・評価の周期が経過したかを判定し（判定３、ステップＳ７８）、一定時間経過して次の計算時刻となったら（ステップＳ７８でＹｅｓ）、ステップＳ７１からの処理を実行する。このようにして、例えば、１０ミリ秒などの一定周期で内部位相角の変化分Δδの演算と評価を行い、発電機の脱調防止に効果的な太陽光発電停止対象と電制発電機を求め、太陽光発電の停止と電制を実施する。一度の太陽光発電停止と電制発電機解列後の演算と評価で、残った発電機の中に内部位相角の変化分Δδが閾値を超過する発電機がある場合は、二度、三度と複数回にわたって太陽光発電停止と電制を実施する。

第１の実施形態と同様に、太陽光発電を停止すると、停止しない場合に比べて発電機の有効電力が増加するため、内部位相角の変化分Δδの増大が抑えられる。故に、発電機だけを解列する場合に比べて、内部位相角の変化分Δδが閾値を超過する可能性が減少し、二度、三度の発電機の解列が生じにくくなる。

（効果）
以上のように本実施形態によれば、事故発生後の発電機有効電力と発電機定数から計算した発電機内部位相角の変化分に応じて電制発電機を選定して電力系統から解列すると同時に、電制発電機と関連づけていた太陽光発電も停止することで、発電機の脱調を未然に防止することができる。さらに、発電機だけを解列した場合に比べて電制発電機を減らすことができる。

[他の実施形態]
（１）上記実施形態においては、発電機以外の停止対象に太陽光発電を例に挙げて説明したが、これは対象を限定するものではなく、インバータまたはパワーコンディショナーと呼ばれるパワーエレクトロニクス機器で系統連系される風力発電などの発電装置を対象としてもよい。

（２）発電機４、遮断器５、変圧器３、太陽光発電６、事故検出装置７及び情報収集装置８の個数は、図示した数だけでなく、任意の数とすることができる。

（３）以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…電力系統
２−１、２−２…送電線
３−１〜３−５…変圧器
４−１〜４−３…発電機
５−１〜５−３…遮断器
６−１、６−２…太陽光発電
７−１、７−２…事故検出装置
８−１〜８−９…情報収集装置
９…一般公衆回線
１０…電力系統安定化装置
１１…演算部
１２…制御部

Claims (4)

1. 複数の発電機に加えて再生可能エネルギー発電装置が導入された電力系統の事故の発生を検知して、事故時の発電機の脱調を防止する電力系統安定化装置において、
   各種系統情報を収集して系統モデルを構築し、想定事故条件の過渡安定度計算を事前に実施することで、想定事故毎に電力系統を安定化するための再生可能エネルギー発電装置の停止対象及び発電機の解列対象を事前に選定しておく演算部と、
   系統事故が発生した場合に、前記演算部で選定した停止対象となる前記再生可能エネルギー発電装置を停止し、解列対象となる前記発電機を前記電力系統から解列する制御部と、
   を備え、
   前記演算部は、前記再生可能エネルギー発電装置の停止対象から選定を行い、前記再生可能エネルギー発電装置を追加できない状態となった場合に、前記発電機の解列対象を選定することを特徴とする電力系統安定化装置。
2. 前記演算部は、前記再生可能エネルギー発電装置を停止させた条件での発電機有効電力変化量の計算結果に基づいて、前記再生可能エネルギー発電装置の停止候補を絞り込むことを特徴とする請求項１に記載の電力系統安定化装置。
3. 前記制御部は、前記演算部で選定された脱調を防止するための再生可能エネルギー発電装置の停止対象に対して事故発生時に停止させるための停止条件を予め伝送しておくことを特徴とする請求項１または２に記載の電力系統安定化装置。
4. 前記演算部は、事故発生後の発電機有効電力と発電機定数から計算した発電機内部位相角の変化分に応じて発電機の解列対象を選定するとともに、脱調防止に効果のある再生可能エネルギー発電装置の停止対象も選定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力系統安定化装置。

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