特許 6221683 電力平準化装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6221683

(24)【登録日】2017年10月13日

(45)【発行日】2017年11月1日

(54)【発明の名称】電力平準化装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/30 20060101AFI20171023BHJP

【ＦＩ】

   H02J3/30

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-242709(P2013-242709)

(22)【出願日】2013年11月25日

(65)【公開番号】特開2015-104209(P2015-104209A)

(43)【公開日】2015年6月4日

【審査請求日】2016年8月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000106276

【氏名又は名称】サンケン電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100097113

【弁理士】

【氏名又は名称】堀 城之

(74)【代理人】

【識別番号】100162363

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 幸彦

(72)【発明者】

【氏名】中島 洋一郎

(72)【発明者】

【氏名】新井 春樹

【審査官】 杉田 恵一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平４−２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３４６４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２８２８７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１４９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２７０９１４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ３／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

連系インバータを介して系統連系点に接続され、フライホイールと、当該フライホイールに結合された誘導電動機とを備えたフライホイール装置を用いて前記系統連系点における電力変動を補償する電力平準化装置であって、
前記系統連系点の有効電力を制御する充放電指令から周波数指令を演算する周波数指令演算部と、
直流側が前記連系インバータとの直流リンク部に接続され、前記周波数指令演算部によって演算された前記周波数指令を用いて前記フライホイール装置の前記誘導電動機をＶ／ｆ制御する可変電圧可変周波数電源とを具備することを特徴とする電力平準化装置。

【請求項2】

前記連系インバータとの直流リンク部の直流電圧は、前記連系インバータによって一定に制御されていることを特徴とする請求項１記載の電力平準化装置。

【請求項3】

前記周波数指令演算部は、前記充放電指令をＰｍ、前記周波数指令をｆｎ、サンプリン
グ時間をＴｓ、１サンプリング前の前記周波数指令をｆｎ−１、前記誘導電動機のモータ
極対数をｐ、前記フライホイールの慣性モーメントをＪｍとそれぞれすると、
ｆｎ＝ｆｎ−１＋（ｐ／２π）２・（ＴｓＰｍ／Ｊｍｆｎ−１)
によって演算することを特徴とする請求項１又は２記載の電力平準化装置。

【請求項4】

連系インバータを介して系統連系点に接続され、フライホイールと、当該フライホイールに結合された誘導電動機とを備えたフライホイール装置を用いて前記系統連系点における電力変動を補償する電力平準化装置であって、
充放電指令から周波数指令を演算する周波数指令演算部と、
直流側が前記連系インバータとの直流リンク部に接続され、前記周波数指令演算部によって演算された前記周波数指令を用いて前記フライホイール装置の前記誘導電動機をＶ／ｆ制御する可変電圧可変周波数電源とを具備し、
前記充放電指令は、前記系統連系点の電圧と、前記連系インバータの電流と、負荷電流と、前記連系インバータと前記可変電圧可変周波数電源との直流リンク部の直流電圧とに基づいて演算されることを特徴とする電力平準化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、大容量蓄電デバイスとしてフライホイール装置を用いて系統連系点における電力変動を補償する電力平準化装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、太陽光発電や風力発電に代表される再生可能エネルギーを電力系統に連系する事例が増えている。しかし、再生可能エネルギーは、その発電量が日射量や風況等の自然要因によって変動するため、再生可能エネルギーの電力系統への連系量が増えると、電力の安定供給に支障を与え、系統電圧や周波数が変動し、最悪の場合、大規模停電が発生する恐れがある。そのため、再生可能エネルギーの電力変動補償を行うため、大容量蓄電デバイスによる電力平準化装置を設置して、電力平準化が図られている。大容量蓄電デバイスとしてし、鉛バッテリやＬｉ−ｉｏｎ電池といった化学的な蓄電デバイスを用いるケースが多いが、離島等のメンテナンスを容易に行うことができない地域では、ケミカルレスな蓄電デバイスであるフライホイール装置（以下、ＦＷ装置と略す）を用いるケースが増えつつある。

【0003】

図３を参照すると、ＦＷ装置１を用いた従来の電力平準化装置２は、商用系統電源３に接続された系統連系点の有効電力（Ｐ）及び無効電力（Ｑ）を制御する連系インバータ４に接続されている。連系インバータ４は、充放電指令演算ブロック５からの有効電力指令（Ｐ指令）に基づいて系統連系点の有効電力（Ｐ）を制御すると共に、充放電指令演算ブロック５からの無効電力指令（Ｑ指令）に基づいて系統連系点の無効電力（Ｑ）を制御する。充放電指令演算ブロック５は、連系点電圧検出器６によって検出した系統連系点の電圧Ｖと、連系インバータ電流検出器７によって検出した連系インバータ４の電流Ｉ_ｉｎｖと、負荷電流検出器８によって検出した負荷９の負荷電流Ｉ_Ｌと、直流電圧検出器１０によって検出した連系インバータ４と電力平準化装置２とを接続する直流リンク部の電圧Ｖ_ｄｃとからＰ指令とＱ指令とを演算する。電力平準化装置２は、連系インバータ４と接続された可変電圧可変周波数電源（ＶＶＶＦ）２０と、直流電圧一定制御ブロック３０とで構成されている。直流電圧一定制御ブロック３０は、直流電圧検出器１０によって検出した連系インバータ４と電力平準化装置２とを接続する直流リンク部の電圧Ｖ_ｄｃから周波数指令を演算し、ＶＶＶＦ２０は、直流電圧一定制御ブロック３０で演算された周波数指令に基づいて、ＦＷ装置１（フライホイールを駆動する誘導電動機）をＶ／ｆ制御し、連系インバータ４とＶＶＶＦ２０とを接続する直流リンク部の電圧Ｖ_ｄｃが一定になるように制御していた（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−１１４９９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来技術では、ＦＷ装置１の回転数が低下すると、連系インバータ４とＶＶＶＦ２０とを接続する直流リンク部の電圧Ｖ_ｄｃを一定に保つことが難しく、ＦＷ装置１に蓄えられた機械エネルギーを全て放電することが困難で回生失効となってしまい、ＦＷ装置１を有効に充放電することができなくなってしまうという問題点があった。

【0006】

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ＦＷ装置１の充放電電力を充放電指令通りに制御することができる電力平準化装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る電力平準化装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
本発明の電力平準化装置は、連系インバータを介して系統連系点に接続され、フライホイールと、当該フライホイールに結合された誘導電動機とを備えたフライホイール装置を用いて前記系統連系点における電力変動を補償する電力平準化装置であって、前記系統連系点の有効電力を制御する充放電指令から周波数指令を演算する周波数指令演算部と、直流側が前記連系インバータとの直流リンク部に接続され、前記周波数指令演算部によって演算された前記周波数指令を用いて前記フライホイール装置の前記誘導電動機をＶ／ｆ制御する可変電圧可変周波数電源とを具備することを特徴とする。
さらに、本発明に係る電力平準化装置において、前記連系インバータとの直流リンク部の直流電圧は、前記連系インバータによって一定に制御されていても良い。
さらに、本発明に係る電力平準化装置において、前記周波数指令演算部は、前記充放電指令をＰｍ、前記周波数指令をｆｎ、サンプリング時間をＴｓ、１サンプリング前の前記周波数指令をｆｎ−１、前記誘導電動機のモータ極対数をｐ、前記フライホイールの慣性モーメントをＪｍとそれぞれすると、
ｆｎ＝ｆｎ−１＋（ｐ／２π）２・（ＴｓＰｍ／Ｊｍｆｎ−１)
によって演算するようにしても良い。
また、本発明に係る電力平準化装置は、連系インバータを介して系統連系点に接続され、フライホイールと、当該フライホイールに結合された誘導電動機とを備えたフライホイール装置を用いて前記系統連系点における電力変動を補償する電力平準化装置であって、
充放電指令から周波数指令を演算する周波数指令演算部と、
直流側が前記連系インバータとの直流リンク部に接続され、前記周波数指令演算部によって演算された前記周波数指令を用いて前記フライホイール装置の前記誘導電動機をＶ／ｆ制御する可変電圧可変周波数電源とを具備し、
前記充放電指令は、前記系統連系点の電圧と、前記連系インバータの電流と、負荷電流と、前記連系インバータと前記可変電圧可変周波数電源との直流リンク部の直流電圧とに基づいて演算されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、充放電指令からフライホイール装置の誘導電動機の周波数指令を直接演算することで、フライホイール装置の充放電電力を充放電指令通りに制御することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明に係る電力平準化装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。

【図2】図１に示す周波数指令演算ブロックの構成を示すブロック図である。

【図3】従来の電力平準化装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、各図において、同一の構成には、同一の符号を付して一部説明を省略している。

【0011】

本実施の形態の電力平準化装置２ａは、蓄電デバイスであるＦＷ装置１に電力を充放電することで電力を平準化する装置であり、図１に示すように、可変電圧可変周波数電源（ＶＶＶＦ）２０と、周波数指令演算ブロック４０とで構成されている。なお、ＦＷ装置１は、フライホイールと、フライホイールに結合された誘導電動機とを備え、充電時には誘導電動機によってフライホイールを回転させて回転エネルギーを蓄え、放電時にはフライホイールの回転エネルギーを誘導電動機によって電気エネルギーに変換して出力する。

【0012】

ＶＶＶＦ２０は、交流側がＦＷ装置１の誘導電動機に接続されていると共に、直流側が連系インバータ４ａとの直流リンク部に接続されている。そして、ＶＶＶＦ２０は、ＦＷ装置１の誘導電動機に可変周波数の交流を供給してフライホイールの回転数を制御することにより、連系インバータ４ａとの直流リンク部とＦＷ装置１との間で電気エネルギーの授受を行う。

【0013】

連系インバータ４ａは、交流側が商用系統電源３に接続された系統連系点に接続されていると共に、直流側がＶＶＶＦ２０との直流リンク部に接続されている。連系インバータ４ａは、充放電指令演算ブロック５ａからの無効電力指令（Ｑ指令）に基づいて系統連系点での無効電力（Ｑ）を制御するための無効電流を制御すると共に、充放電指令演算ブロック５ａからの直流電圧指令（Ｖ_ｄｃ指令）に基づいて連系インバータ４ａと電力平準化装置２ａとを接続する直流リンク部の電圧Ｖ_ｄｃを一定にするための有効電流を制御する。

【0014】

充放電指令演算ブロック５ａは、連系点電圧検出器６によって検出した系統連系点の電圧Ｖと、連系インバータ電流検出器７によって検出した連系インバータ４ａの電流Ｉ_ｉｎｖと、負荷電流検出器８によって検出した負荷９の負荷電流Ｉ_Ｌと、直流電圧検出器１０によって検出した連系インバータ４ａと電力平準化装置２とを接続する直流リンク部の電圧Ｖ_ｄｃとから有効電力指令（Ｐ指令）と無効電力指令（Ｑ指令）と直流電圧指令（Ｖ_ｄｃ指令）とを演算する。そして、充放電指令演算ブロック５ａは、演算したＱ指令及びＶ_ｄｃ指令を連系インバータ４ａに出力すると共に、充放電指令である演算したＰ指令を電力平準化装置２ａの周波数指令演算ブロック４０に出力する。

【0015】

周波数指令演算ブロック４０は、充放電指令演算ブロック５ａによって演算されたＰ指令から周波数指令を演算し、ＶＶＶＦ２０は、周波数指令演算ブロック４０で演算された周波数指令に基づいて、ＦＷ装置１（フライホイールを駆動する誘導電動機）をＶ／ｆ制御する。

【0016】

次に、周波数指令演算ブロック４０で行われるＰ指令から周波数指令を演算する演算方法について詳細に説明する。
前提として、制御を行うのはＦＷ装置１の機械出力（単位はＷ）であり、ＦＷ装置１の加減速時のすべりは考慮せず、同期周波数で計算された回転数をＦＷ装置１の回転数とし、粘性摩擦、外乱トルクはないものとする。この条件下で、加減速時のトルクをＴ_ｍ、ＦＷ装置１におけるフライホイールの慣性モーメントをＪ_ｍ、回転角速度をω_ｍとすると、機械系の方程式から以下の関係式が導かれる。

【0017】

【数1】

【0018】

ここで［数１］を離散化し、サンプリング時間をＴ_ｓ、現在のサンプリングの回転角速度をω_ｍｎ、１サンプリング前の回転角速度をω_ｍｎ−１とすると、次式に書き換えられる。

【0019】

【数2】

【0020】

さらに、モータ極対数をｐとして、回転角速度ω_ｍｎとをω_ｍｎ−１を電源周波数ｆ_ｎとｆ_ｎ−１で書き換えると、次式が得られる。

【0021】

【数3】

【0022】

次に、機械出力Ｐ_ｍとトルクＴ_ｍとの関係は次式で示される。なお、電源周波数ｆ_ｎ−１は1サンプリング前の値を用いる。

【0023】

【数4】

【0024】

次に、［数４］を［数３］に代入し、現在の周波数ｆ_ｎについて整理すると次式が導かれる。

【0025】

【数5】

【0026】

［数５］によると、充放電指令演算ブロック５ａによって演算されたＰ指令を機械出力Ｐ_ｍとして演算することで、定電力となる周波数指令ｆ_ｎを逐一演算することが可能である。従って、充放電指令演算ブロック５ａによって演算されたＰ指令を周波数指令演算ブロック４０に入力し、周波数指令演算ブロック４０で［数５］を用いて周波数指令ｆ_ｎを逐一演算し、ＶＶＶＦ２０が周波数指令演算ブロック４０で演算された周波数指令ｆ_ｎに従ってＦＷ装置１の誘導電動機をＶ／ｆ制御することで、加減速時のＦＷ装置１の充放電電力を指令値通りに制御することができる。

【0027】

周波数指令演算ブロック４０は、図２を参照すると、ゲインブロック４１と、除算器４２と、加算器４３と、すべり補正ブロック４４と、周波数制限ブロック４５と、遅延ブロック４６とを備え、基本的に［数５］の演算を行う。

【0028】

ゲインブロック４１は、［数５］における定数部をまとめてゲイン化したブロックであり、入力されたＰ指令（Ｐ_ｍ）に次式で示すＫ_ｆを乗算する。

【0029】

【数6】

【0030】

次に、除算器４２によってゲインブロック４１の演算結果を遅延ブロック４６によって１サンプリング分遅延させた周波数指令ｆ_ｎ−１で除算すると共に、加算器４３によって除算器４２の演算結果に遅延ブロック４６によって１サンプリング分遅延させた周波数指令ｆ_ｎ−１を加算する。

【0031】

加算器４３の演算結果が［数５］の演算結果となるが、充放電電力が大きく、ＦＷ装置１の加減速時間が短い場合、ＦＷ装置１の回転数がすべりの分だけずれが生じる。そこで、予めＦＷ装置１のすべりを把握し、演算された周波数指令ｆ_ｎ（加算器４３の演算結果）に対し、すべり周波数を補正するすべり補正ブロック４４を設けている。また、最終的な周波数指令ｆ_ｎを出力するに当たり、ＦＷ装置１を運用する上での最大周波数と最小周波数でリミットする周波数制限ブロック４５を設けている。

【0032】

この構成により、ＦＷ装置１の充電時は、周波数指令演算ブロック４０に入力するＰ指令の符号を＋で与えることで、演算される周波数指令ｆ_ｎは、前回の周波数指令ｆ_ｎ−１から増加するのでＦＷ装置１は加速し、回転エネルギーを蓄えられる。一方、ＦＷ装置１の放電時は、周波数指令演算ブロック４０に入力するＰ指令の符号を−で与えることで、演算される周波数指令ｆ_ｎは、前回の周波数指令ｆ_ｎ−１から減少するのでＦＷ装置１は減速し、回転エネルギーが電気エネルギーに変換されて出力される。

【0033】

なお、本実施の形態では、ＦＷ装置１の誘導電動機のベースとなる制御をＶ／ｆ制御としたが、ＦＷ装置１の誘導電動機のベースとなる制御をベクトル制御の速度制御に置き換えても良い。この場合には、周波数指令ｆ_ｎを速度指令に変換することで、同様のＦＷ装置１の定電力制御を行うことができる。

【0034】

以上説明したように、本実施の形態は、フライホイールと、当該フライホイールに結合された誘導電動機とを備えたＦＷ装置１を用いて系統連系点における電力変動を補償する電力平準化装置２ａであって、充放電指令である有効電力指令（Ｐ指令）から周波数指令を演算する周波数指令演算ブロック４０と、直流側が連系インバータ４ａとの直流リンク部に接続され、周波数指令演算ブロック４０によって演算された周波数指令を用いてＦＷ装置１の誘導電動機をＶ／ｆ制御する可変電圧可変周波数電源２０とを備えている。
この構成により、充放電指令からＦＷ装置１の誘導電動機の周波数指令を直接演算することで、ＦＷ装置１の充放電電力を充放電指令通りに制御することができる。

【0035】

さらに、本実施の形態において、連系インバータ４ａとの直流リンク部の直流電圧Ｖ_ｄｃは、連系インバータ４ａによって一定に制御されている。
この構成により、連系インバータ４ａと可変電圧可変周波数電源２０との直流リンク部
直流電圧Ｖ_ｄｃは、連系インバータ４ａ側で一定に制御されるので、回生失効にならず、ＦＷ装置１を効率よく充放電することが可能となる。

【0036】

さらに、本実施の形態において、周波数指令演算ブロック４０は、充放電指令をＰｍ、周波数指令をｆｎ、サンプリング時間をＴｓ、１サンプリング前の周波数指令をｆｎ−１、誘導電動機のモータ極対数をｐ、フライホイールの慣性モーメントをＪｍとそれぞれすると、
ｆｎ＝ｆｎ−１＋（ｐ／２π）２・（ＴｓＰｍ／Ｊｍｆｎ−１)
によって演算するように構成されている。
この構成により、簡単な演算によって、充放電指令である有効電力指令（Ｐ指令）から周波数指令を演算することができる。

【0037】

さらに、本実施の形態において、充放電指令は、系統連系点の電圧Ｖと、連系インバータ４ａの電流Ｉ_ｉｎｖと、負荷電流Ｉ_Ｌと、連系インバータ４ａと可変電圧可変周波数電源２０との直流リンク部の直流電圧Ｖ_ｄｃとに基づいて演算される。

【0038】

以上の実施の形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
例えば、本実施の形態では、ＦＷ装置１の誘導電動機の制御方法について説明したが、本発明の制御方法は、ＦＷ装置１に特定されるものではなく、誘導電動機を一定電力で加減速する場合の制御方式として適用可能である。

【符号の説明】

【0039】

１ ＦＷ装置
２ 電力平準化装置
２ａ 電力平準化装置（本実施の形態）
３ 商用系統電源
４、４ａ 連系インバータ
５、５ａ 充放電指令演算ブロック
６ 連系点電圧検出器
７ 連系インバータ電流検出器
８ 負荷電流検出器
９ 負荷
１０ 直流電圧検出器
２０ 可変電圧可変周波数電源（ＶＶＶＦ）
３０ 直流電圧一定制御ブロック
４０ 周波数指令演算ブロック（周波数指令演算部）
４１ ゲインブロック
４２ 除算器
４３ 加算器
４４ すべり補正ブロック
４５ 周波数制限ブロック
４６ 遅延ブロック

【図1】

【図2】

【図3】