(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来の運転方法では、負荷の増加を検知すると、増加分を電力貯蔵部に一時的に貯蔵している電力を、全て放電させることになる。言い換えれば、電力貯蔵部は、予め負荷増加分に相当する量を充電することが可能な容量が必要となる。
【0005】
また、自家発電装置がドループ制御機能を備えている場合、自家発電装置の出力によって、運転時の周波数が、基準として設定した周波数からずれることがある。この周波数のずれに起因して、自家発電装置による発電電力が、必要電力量に対して少ない発電電力で安定することになる(周波数ずれ分のオフセットの発生)。このオフセット分、電力貯蔵部から放電が継続されることになる。
【0006】
本発明は、負荷変動、特に、自家発電装置で対応しきれない負荷の増加又は減少分に対して電力貯蔵部に蓄積されている電力を放電又は充電し、適正な放電量・充電量に制御することができる充放電制御装置、充放電制御プログラムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る充放電制御装置は、原動機の駆動によって発電すると共に、自己で発電した電力と、他で発電した電力とを合成する場合に、自己の発電出力の負荷に応じて目標周波数を変化させることで負荷率を調整するドループ制御機能を備えた発電部と、電力を充放電し得る電力貯蔵部と、を備えた自家発電装置において、前記電力貯蔵部の充放電を制御する充放電制御装置であって、前記負荷が必要とする電力量が基準以上に増加又は減少する方向に変化し、前記発電部が発電する電力量に過不足が生じる場合に、前記電力貯蔵部を制御して、前記発電部の発電不足時は放電し、発電過剰時は充電すると共に、前記電力貯蔵部からの電力の放電又は充電中に、前記発電部の運転中の周波数の変化率が所定以下になった場合に、前記電力貯蔵部からの放電又は充電を終了するように制御する充放電制御部、を有している。
【0010】
本発明によれば、例えば、発電部の周波数変動を利用して電力貯蔵部の放電を制御することで、ドループ制御機能により変化する目標周波数が安定(変化率が所定以下)した状態で、電力貯蔵部による放電又は充電を終了し、発電部の発電量のみで要求される負荷に対応させることができる。周波数の変化率は、発電部の発電電力に直接的に関与するものであり、放電の終了タイミングを正確に把握することができる。
【0011】
なお、負荷が減少したときも同様で、電力貯蔵部への充電開始後、ドループ制御機能により変化する目標周波数が安定(変化率が所定以下)した状態で、電力貯蔵部の充電を終了させればよい。
【0012】
本発明において、前記充放電制御部が、前記発電部の運転時の周波数が、予め定めたしきい値以上であることを前提として、前記発電部の運転時の周波数の変化率が所定以下になったか否かを判断することを特徴としている。
【0013】
例えば、周波数のハンチング等による誤動作を防止することができる。ミクロ的にみると周波数変化率は大きく変動する場合があるため、所謂マスキングのために、発電部の運転時の周波数が、予め定めたしきい値以上とすることは有用である。
【0014】
本発明において、前記充放電制御部
が、前記電力貯蔵部による放電又は充電を終了する時期となった時点から、経過時間に比例して
、前記放電又は充電を徐々に減少させて終了状態とすることを特徴としている。
【0015】
例えば、負荷の増加時において、一定の変化率をもって徐々に減少させることで、電力貯蔵部が放電及び放電停止が繰り返されることなく、発電部の発電量を徐々に増加させ、徐々に収束(発電部の発電量=要求される負荷)させていくことができる。必要最小限の放電量で対応可能である。
【0016】
本発明において、前記充放電制御部
が、前記電力貯蔵部による放電又は充電を終了する時期となった時点で、直ちに
放電又は充電を停止とすることを特徴としている。
【0017】
例えば、負荷の増加時において、直ちに放電を終了させると、発電部の発電量と、負荷との差分が残り、電力貯蔵部の放電及び放電停止が何度か繰り返されることになるが、差分は徐々に収束(発電部の発電量=要求される負荷)されるため、最終的には充放電0(充放電終了)状態とすることができる。少なくとも、放電が継続される場合よりも放電量を軽減することができる。
【0018】
本発明に係る充放電制御プログラムは、コンピュータを、上記の充放電制御部として動作させる、ことを特徴としている。
【発明の効果】
【0019】
以上説明したように本発明では、負荷変動、特に、自家発電装置で対応しきれない負荷の増加又は減少分に対して電力貯蔵部に蓄積されている電力を放電又は充電し、適正な放電量・充電量に制御することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための形態】
【0021】
図1は、本実施の形態に係る、発電ユニット10及び電力貯蔵部12を備えた発電システムの全体構成図である。
【0022】
発電ユニット10は、原動機14と、原動機14の駆動によって発電する発電部16とを備えている。
【0023】
原動機14としては、ガスエンジン、ガスタービンエンジン、ディーゼルエンジンなどを用いることができ、コージェネレーションシステムに適用することができる。
【0024】
また、電力貯蔵部12は、電力を貯蔵する役目を有し、迅速応動特性があればどのような設備であってもよく、例えば、電力貯蔵部12としては、鉛蓄電池、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオンキャパシタ、リチウムイオン二次電池等を用いることができる。ここで、電力貯蔵部12の迅速応動特性とは、例えば、原動機14が出力応答時間よりも短い時間で充放電できる特性をいう。
【0025】
以下に、主として原動機14と発電部16を制御するための機能を説明するが、各ブロックは、当該構成に限定されるものではなく、機能を説明するための一例である。
【0026】
図1に示される如く、発電部16及び原動機14には、ドループ制御部18が接続されている。原動機14は、ドループ制御部18により、駆動が制御される(ドループ制御)。
【0027】
より具体的には、ドループ制御部18は、発電部16による発電の出力情報を取得し、予め定めた周波数−出力特性図(
図2参照)に基づき目標周波数を設定し、設定した目標周波数に基づいて原動機14の駆動を制御する。
【0028】
ドループ制御は、目標周波数を出力に応じて調整し、他の発電システム(商用電源を含む)の周波数と一致させて発電するための制御であり、このドループ制御により、発電部16における過負荷及び電力の逆流を防止することができる。
【0029】
発電部16は、出力部20を介して、発電した電力を放電し、複数の負荷22へ供給する。
【0030】
ここで、発電ユニット10は、周波数検出部24を備え、ドループ制御部18で取得した発電部16からの出力情報に基づいて周波数を検出し、制御部26へ送出するようになっている。
【0031】
制御部26は、周波数検出部24で検出した周波数(負荷により変動)に基づいて、発電部16の発電量を制御する。
【0032】
一方、電力貯蔵部12は、充電電力源(
図1の発電システム、他の発電システム、商用電力、及び太陽光発電等を含む)からの電力で充電されて電力を貯蔵し、充放電制御装置28の制御により、複数の負荷22へ電力を供給するようになっている。
【0033】
充放電制御装置28は、発電ユニット10の制御部26と接続されることで、発電部の発電に関する情報を取得すると共に、自立運転指示情報及び負荷情報(ここでは、構内周波数)が入力され、所定条件が成立した場合に、発電部16の発電と共に、電力貯蔵部12の電力の放電を制御する。所定条件については、後述する。
【0035】
ここで、原動機14にかかっている負荷が急激に変化(例えば、増加)すると、発電部16が限界周波数を超え、原動機14が異常動作を起こし停止する場合がある。このような、負荷急増の発生例は、停電発生時が挙げられる。充放電制御装置28では、例えば、自立運転指示を受け、かつ、例えば、構内周波数が下限レベルに達したことで(所定条件の成立)、上記「負荷急増」を認識し、発電部16による発電を補うべく、電力貯蔵部12の放電制御を行う。
【0036】
なお、以下では、負荷の急増を例にとり、充放電制御装置28の制御について説明するが、仮に、負荷の急増の逆のパターン、すなわち、負荷の一斉シャットダウン等、急激な減少時(負荷急減時)は、電力貯蔵部12では電力貯蔵部12の充電制御を行えば、負荷急増時と同様の制御が可能である。
【0037】
充放電制御装置28では、発電部16の周波数が所定の制限周波数を超えると、電力貯蔵部12に対して放電を指示する。
【0038】
また、充放電制御装置28は、原動機14の出力が増加するに伴い、電力貯蔵部12からの放電量を減少させる制御を行う。
【0039】
すなわち、充放電制御装置28では、瞬間的な負荷変動(ここでは、増加)が起きた場合に、電力貯蔵部12の迅速な応動特性を生かし、原動機14の特性上限を超えないように電力貯蔵部12の放電量を制御する。
【0040】
ここで、コージェネレーションシステムに用いられる発電システムには、一般に負荷変動特性(瞬間的な負荷変動)に対する許容量があり、系統分離による自立運転時には特性を超えた瞬間的な負荷変動に対応できない。
【0041】
そこで、本実施の形態では、発電部16に対する負荷が増加(又は減少)した場合、発電部16の周波数を検出し、原動機14の負荷変動特性に対する許容量から定められた周波数に基づいて、電力貯蔵部12から放電(又は充電)する制御を行うことで瞬間的な負荷変動に対して原動機14が異常動作を起こして停止してしまうことを防止する。
【0042】
ところで、本実施の形態の発電ユニット10は、前述したようにドループ制御部18を備えており、発電部16の出力によっては、ドループ制御による目標周波数が調整され、負荷急増後の運転時の目標周波数が、負荷の全消費電力(必要電力量)に対応するための周波数からずれることがある。
【0043】
この周波数のずれに起因して、発電部16の発電電力が、必要電力量に対して少ない発電電力で安定することになる(周波数ずれ分のオフセットの発生(
図6参照))。
【0044】
このオフセット分、電力貯蔵部12から放電が継続されることになり、例えば、電力貯蔵部12に貯蔵される電力が一時的に0(貯蔵量0)になり、その後の放電要求に迅速に対応できない事態を招く場合がある。
【0045】
そこで、本実施の形態では、原動機14の出力が増加するに伴い電力貯蔵部12からの放電量を減少させる制御において、発電部16の発電量の増加に比例して増加する周波数に着目し、発電部16が目標周波数に基づき発電量を安定させようとするときに起きる周波数の変化率の低下を監視し、当該変化率Riが、予め定めたしきい値Rs以下になった時点で(Ri≦Rs)、電力貯蔵部12からの放電を終了させるようにした(
図4及び
図5参照、詳細後述)。
【0046】
この電力貯蔵部12からの放電の終了により、発電部16は、負荷に応じた発電を継続し、結果として、発電部16の電力で、負荷の消費電力をまかなうことが可能となる。また、発電部16の発電に応じて、目標周波数は徐々に、停電前のデフォルト値に戻るので、その後、停電前の制御状態となる。
【0047】
以下に本実施の形態の作用を説明する。
【0049】
図3は、発電部16の負荷が急激に増加した場合における、系統自立時発電・放電制御ルーチンを示すフローチャートである。
【0050】
自立運転指示に基づく系統自立時の発電・放電制御が起動すると、ステップ100では、構内周波数が下限レベルに達した時点で、電力貯蔵部12からの放電を開始し、ステップ102へ移行する。
【0051】
ステップ102では、構内周波数が変化率判定周波数以上に戻ったか否かを判断する。具体的には、
図4(A)の点線丸枠内に示す範囲内となったか否かを判断するものである。すなわち、ステップ102は、周波数が安定するまでに相当の時間がかかる時期での、ノイズ等による周波数変動の変化率を捕捉しないための、所謂マスキングのための処置である。
【0052】
ステップ102で否定判定されると、ステップ104へ移行する。ステップ104は、所定時間が経過したか否かを判断し、否定判定された場合は、ステップ102へ戻る。また、ステップ104で肯定判定された場合は、構内周波数が変化率判定周波数以上に戻らない他の理由(例えば、電力貯蔵部12の残量不足)があると考えられ、ステップ120へ移行して、エラー報知を行い、このルーチンは終了する。
【0053】
一方、ステップ102で肯定判定されると、ステップ106へ移行し、判定期間(
図5に示す横軸のiで設定した定期演算期間)が経過したか否かを判断し、肯定判定されるまで待機する。
【0054】
ここで、ステップ106で肯定判定されると、ステップ108へ移行して、構内周波数の変化率Riを演算する。
【0055】
次のステップ110では、予め記憶した変化率しきい値Rsを読み出し、ステップ112へ移行して、演算した変化率Riとしきい値Rsとを比較する(Ri:Rs)。
【0056】
ステップ112の比較において、Ri>Rsと判定された場合は、変化率Riは放電終了時期ではないと判断し、ステップ106へ戻り、上記工程を繰り返す。すなわち、一定時間i毎の変化率Riの演算及びしきい値Rsとの比較を繰り返す。
【0057】
また、ステップ112の比較において、Ri≦Rsと判定された場合は、変化率Riが放電終了時期であると判断し、ステップ114へ移行する。
【0058】
ステップ114では、電力貯蔵部12からの放電を終了する。
【0059】
この放電の終了制御は、放電電力の低下時の変化率を維持しながら徐々に終了させることが好ましい。なお、放電は、
図5に示すしきい値を横切った後の変化率Riに基づいて、放電量を低下するように制御してもよい。また、放電終了は、Ri≦Rsとなった時点ですぐに実行してもよいが、この場合は、若干のハンチング(放電再開→終了の繰り返し)が発生するが、本実施の形態の放電制御がない場合よりも、無駄な放電を抑制することができる。
【0060】
すなわち、本発明は、発電ユニット10におけるドループ制御において、目標周波数が変更されて、発電部16の発電量が負荷22の消費に必要な電力量がえられず、電力貯蔵部12の放電が継続されることを抑制することが主たる目的である。
【0061】
従って、放電の終了のための制御は、主たる目的に加え、さらに安定した電力供給のための付加的な制御であるため、放電終了時期に即時に0にすること、及び、徐々に(直線的、段階的を含む)放電量を減少させることが、放電終了の手段として適用可能である。
【0062】
次のステップ116では、所定時間が経過したか否かを判断する。これは、予め発電部16の発電量が安定(負荷22の消費電力に対応)する時間予測し、当該所定時間が経過するまでは待機し(ステップ116の否定判定)、所定時間が経過したと判断すると(ステップ116の肯定判定)、ステップ118へ移行して、負荷22の消費電力と発電部16の発電電力とが一致したか否かを判断する。
【0063】
このステップ118で否定判定された場合は、予め予測した安定し得る所定時間が経過しても負荷22の消費電力と発電部16の発電電力とが一致しないのは、例えば、ドループ制御不良等、他の異常が考えられるため、ステップ120へ移行してエラー報知を実行して、このルーチンは終了する。
【0064】
また、ステップ118で肯定判定された場合は、発電部16の発電電力は正常であると判断し、このルーチンは終了する。
【0066】
図4は、本実施の形態の発電システムを用いたときの、負荷変動(時間経過)に基づく、発電部16の発電電力及び電力貯蔵部12からの放電電力の推移と、発電部16の周波数の推移を示す特性図の実施例である。
【0067】
時間軸(横軸)の原点は、停電等が発生して負荷が低下した時期を示している。負荷の急激な増加に伴い、発電部16が発電するが、発電部出力は負荷に対応できず、周波数も低下する。
【0068】
一方、充放電制御装置28では、発電部16の発電電力では不足する電力に応じて、電力貯蔵部12からの放電を指示する。
【0069】
その後、周波数の復帰(減少から増加への転換)時に発電部16の電力を徐々に増加させると共に、電力貯蔵部12からの放電量を減少させていくことで、負荷の消費電力が維持される。
【0070】
このまま、発電部16の発電電力が、負荷22の消費電力に到達すれば、電力貯蔵部12の放電が終了することになるが、本実施の形態の発電システムは、ドループ制御部18を備えており、負荷の急増に伴い、目標周波数が調整される場合がある。
【0071】
この結果、
図6の比較例に示すように、発電部16の発電電力が、必要電力量に対して少ない発電電力で安定し、電力貯蔵部12からの放電が継続されることになる。なお、
図6の比較例は、本実施の形態の発電システムを用いない場合の、負荷急増時の特性図である。
【0072】
これに対して、本実施例では、発電部16の発電出力に依存する周波数が、目標周波数で安定する時間帯に着目し、
図4(B)に示される如く、周波数の変化率が予め定めたしきい値以下になった時点(演算した変化率Ri≦しきい値Rs)で、強制的に電力貯蔵部12からの放電を終了させる。
【0073】
図5は、
図4(B)の丸枠内において、一定期間毎に演算した変化率Riの推移を示した特性図である。変化率Riが、所定の時期を過ぎると、徐々に低下していくことがわかる。この時期が、周波数が安定するレベルに到達する時期であるため、予め周波数が安定するレベルと推測される変化率をしきい値Rsとして設定する。
【0074】
演算した変化率Riが、しきい値Rsを横切るときが、電力貯蔵部12からの放電を終了させる時期となる。
【0075】
この結果、発電部16の発電出力は、負荷22の消費電力に一致し、電力貯蔵部12からの無駄な放電を抑制することができる。
【0077】
本実施の形態では、負荷の急変の一例として、負荷が急激に増加した場合に放電する制御について詳細に説明したが、負荷が急激に減少した場合は、逆に充電する制御を行えばよく、
図3のフローチャートに準じた制御(例えば、周波数の変化率の監視に基づく充電制御)を行えばよいため、ここでの、負荷の急激な減少時の充電制御の詳細な説明は省略する。
【0078】
なお、本実施の形態では、周波数の変化率の監視に基づく充放電制御を説明した。より具体的には、負荷が急激に増加した場合に、電力貯蔵部12の放電を開始し、発電ユニット10の発電量に増加に伴って、放電を徐々に減少させ、発電部16の発電量増加に比例して高くなる周波数の変化率が、予め定めたしきい値以下になった時点で、強制的に放電を終了させることで、ドループ制御に起因する、負荷急変前の発電量に戻す構成とした。
【0079】
これに対して、電力貯蔵部12における強制放電終了のトリガは、周波数(構内周波数)の変化率に限定されるものではない。また、周波数の変化率に限らず、タイマー等で、充放電を開始してから、単純に一定時間が経過した時点で充放電を終了するようにしてもよい。一定時間は、発電システムの仕様等によって、一意的に決めてもよいし、負荷の変動情報、発電能力情報、電力貯蔵部12の残量情報等の複数のファクタを用いて、予め設置した予測演算プログラム(機械学習等のAIを含む)によって、都度、時間設定してもよい。
【0080】
また、ドループ制御の周波数-出力特性の充放電切替タイミング自体を変更するようにしてもよい。すなわち、電力貯蔵部12による電力の放電(又は充電)中に、発電部16が負荷電力に対応し得る所定条件が成立した場合に、電力貯蔵部12からの放電(又は充電)を終了するように制御すればよい。
【課題】負荷変動、特に、自家発電装置で対応しきれない負荷の増加又は減少分に対して電力貯蔵部に蓄積されている電力を放電又は充電し、適正な放電量・充電量に制御する。
【解決手段】負荷が急激に増加した場合に、電力貯蔵部12の放電を開始し、発電ユニット10の発電量に増加に伴って、放電を徐々に減少させ、発電部16の発電量増加に比例して高くなる周波数の変化率が、予め定めたしきい値以下になった時点で、強制的に放電を終了させることで、ドループ制御に起因する、負荷急変前の発電量に戻す構成とした。