JP2005539476A - 小規模分散型エネルギー資源の制御 - Google Patents

Abstract

小規模電源（２００）制御装置のパワーエレクトロニクス・インタフェース（２２０）は、マイクロタービン、燃料電池、及び太陽電池等の、小型で低価格かつ信頼性の高い分散型発電機における電力系統における有効な接続を可能とする。パワーエレクトロニクスは、多数の分散型発電機に対する安定した作動を保証する、制御性及び柔軟性をもたらす。パワーエレクトロニクス制御は、新しい発電機が既存の機器を変更することなくシステムに確実に追加できるように設計される。電源及び負荷の集合は、迅速かつ途切れることのない方法でもって公共送電線網へ接続すること、及び公共送電線網から分離することが可能であり、各々のインバータは、他の電源からのデータを必要とすることなく負荷変動に対して有効に応答でき、更に電圧低下及びシステムのアンバランスを補正することができる。

Description

本発明は、一般的には分散型エネルギー資源（ＤＥＲ）システム及び方法を含む電力系統に関する。本発明は、詳細には小規模分散型エネルギー資源の制御に関する。

新しい大規模発電プラントの建設は、増大する電力需要に対応できなくなっている。例えば、米国の西部及び北東部において、電力需要は、発電プラントからの供給を追い越している。同時に、より信頼性の高い電源に対する顧客要求が全国的に高まっている。新しい発電プラントが十分な数だけ建設されたとしても、老朽化した国の送電及び配電システムでは、必要とされる高い供給電力を確実に供給できる見込みはない。更に、現在の電力系統が要求される信頼性レベルで供給を行うことを可能にするのに必要な改善コストは、社会がこれまで負担をいとわなかった金額よりもはるかに高額である。

この状況において、分散型エネルギー資源（ＤＥＲ）、即ち、一般に顧客の現場に配置され顧客が自ら発電したエネルギーを使用するようになった小型発電機は、信頼性の高い電力に対する現在及び将来の要求に合致する有望な選択肢として浮上してきた。ＤＥＲは、発電機、エネルギー蓄電設備、負荷制御装置、及び特定のシステムクラスに対する発電機と配電網との間の高度なパワーエレクトロニクス・インタフェースを含むことができる。

ＤＥＲシステムのサイズ及び容量の範囲は、数キロワットから５０メガワットである。ＤＥＲシステムは、供給側と需要側の両方でエネルギーが使用される場所又はその近傍に導入できる種々の技術を備える。

ＤＥＲ機器は、電力供給及び電力消費の大幅な現場制御の機会をもたらすことができる。また、ＤＥＲ機器は、効率を高めると共に排出物を低減する熱電併給（ＣＨＰ）用途においても効率的な廃熱利用を可能にする。ＣＨＰシステムは、電力、温水、工業プロセス熱、冷暖房、冷凍、及び室内空気環境及び快適性を改善するための湿度調整を可能にする。

ＤＥＲの最新動向は小型化技術に向かっている。１つのＤＥＲ技術は、低コストで大量生産が非常に期待される２５−１００ｋｗ程度の小型ガス燃焼式マイクロタービンである。エア・フォイルベアリングを備えた高速（５０，０００−１００，０００ｒｐｍ）タービンであるこれらの機器は、信頼性の高い民間航空機に搭載された発電機を低コストの自動車用ターボチャージャーと組み合わせて設計される。マイクロタービンは、負荷に適合するパワーエレクトロニクスに依存する。例示的な製品としては、Ａｌｌｉｓｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ社の５０ｋｗ発電機、Ｃａｐｓｔｏｎｅ社の３０ｋｗ及び６０ｋｗシステム、及びＨｏｎｅｙｗｅｌｌ社の７５ｋｗターボ発電機を挙げることができる。

また、燃料電池は、分散型発電用途に非常に適している。燃料電池は、高い効率及び排気物の低減をもたらすが現在のところ高価である。燐酸型燃料電池は、２００ｋｗ程度のものは市販されており、固体電解質型燃料電池及び溶融炭酸塩型燃料電池は実証中である。自動車会社の主要な開発活動は、ガソリンを燃料として使用する固体高分子型（ＰＥＭ)燃料電池の可能性に注力されている。Ｂａｌｌａｒｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ社は、１９９７年にＤａｉｍｌｅｒ−Ｂｅｎｔｚ社及びＦｏｒｄ社とＰＥＭ燃料電池を使用する新型車両エンジンの開発を行う戦略的提携を結んだ。これらのエンジンの燃料電池コストは、＄２００／ｋｗと予想されている。燃料電池エンジンは、内燃エンジンに関連する大量の汚染排出物を出すことなく高い効率が見込まれるので、その設計は魅力的である。Ｇｅｎｅｒａｌ Ｍｏｔｏｒｓ、Ｃｈｒｙｓｌａｒ、Ｈｏｎｄａ、Ｎｉｓｓａｎ、Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ、Ｖｏｌｖｏ、及びＭａｔｓｕｓｈｉｔａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社を含むその他の多数の国際企業が燃料電池を研究中である。

マイクロタービン及び燃料電池は、従来型の燃焼エンジンに対して、オゾン、直径１０μｍ以下の粒子状物質（ＰＭ−１０）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、及び一酸化炭素（ＣＯ）の排出物の大幅な改善をもたらす。小規模電源の主要な燃料は、燃焼機関用の従来の大部分の燃料に比べて粒子状物質及び炭素が少ない天然ガスである。

廃熱を有効に利用する小規模電源は、複合サイクル発電機と同程度の低いＣＯ排出物とすることができる。ＮＯｘ排出物は主として燃焼の結果である。特定の従来の燃料、特に石炭は、燃焼過程中に酸化された窒素を含有する。しかしながら、窒素を含有しない燃料でもＮＯｘを排出する、即ち、高い燃焼温度で空気中の窒素及び酸素からＮＯｘが形成される。ガスタービン、レシプロエンジン、及び改質装置は全て、ＮＯｘ生成をもたらす高い温度を伴う。マイクロタービン及び燃料電池は燃焼温度が低いので、低いＮＯｘ排出物が非常に少ない。

分散型資源は、単にマイクロタービン及び燃料電池にとどまらない。バッテリー、ウルトラキャパシタ、及びフライホィール等の蓄電技術は重要である。蓄電機器と小規模電源との組み合わせは、システム障害時のピーク電力及びライドスルー能力をもたらす。蓄電システムは、５年前のものよりも非常に高効率になっている。フライホィールシステムは、５秒間で７００ｋｗを供給可能であり、２８セルのウルトラキャパシタは、数秒間で最大１２．５ｋｗを供給できる。

低コストで製造でき、排出物が少なく、顧客負荷の近くに設置して廃熱を有効に利用することができ、小規模電源と呼ばれる場合もある、高度のパワーエレクトロニクス・インタフェースを備える小型ＤＥＲ（例えば、＜１００ｋｗ／ユニット）には大きな将来性がある。

一般に、小規模電源には、燃料電池、太陽電池、及び蓄電池等の直流電源と、マイクロタービン及び風力タービン等の整流を必要とする高周波交流電源の２種類がある。これらの両種類の小規模電源では、作り出された直流電圧は、所要の周波数、振幅、及び位相角の交流電圧又は電流に変換される。多くの場合、変換は、出力電圧の振幅及び位相を瞬時に制御可能な電圧インバータによって行われる。インバータの基本周波数は、システムに負荷がかかっても変化しない内部クロックを使用して生成される。この構成は、回転質量体のイナーシャがシステム周波数を決定して維持する同期発電機の構成とは非常に異なる。対照的に、インバータ式小規模電源は、事実上イナーシャレスである。従って，システムの基本的な問題点として、送電線網からの電力支線の制御、小規模電源の応答速度、分散型資源間の負荷の共有及び追跡、無効電力流、力率、及び同期発電機に対して長期にわたって開発された方法では実現できないシステムの定常及び過渡安定性を挙げることができる。

従来、小規模電源を分散型エネルギー資源（ＤＥＲ）システムへ追加するには、システム内の既存機器を変更する必要があった。更に、このシステムにおける従来の小規模電源制御は、システム内の既存ユニットの制御に依存していた。従って、ＤＥＲシステムの小規模電源からの電力は独立に制御されていなかった。

従って、既存の機器を変更することなく新しい小規模電源をシステムに追加でき、迅速かつ途切れのない方法でもって電源を公共送電線網に接続できるか又はそこから分離でき、無効電力及び有効電力を独立して制御でき、更に電圧サージ及びシステムの不安定状態を補正できることを保障する小規模電源制御に対するニーズがある。更に、各々の区間で局所的に利用可能な情報に基づいて電力を供給するのに使用されるインバータ制御に対するニーズがある。更に、小規模電源の「プラグアンドプレイ」作動を可能にする、小規模電源における局所制御装置に対するニーズがある。換言すれば、既にシステムの一部である制御及び保護ユニットを変更することなく、小規模電源を分散型エネルギー資源システムへ追加するというニーズがある。

本発明によれば、小規模電源システムは、分離モード及び送電線網モードのいずれでも電力を供給し、電力系統の既存の機器を変更することなく電力系統へ接続するように構成される。小規模電源システムは、電力を供給するように構成された小規模電源と、小規模電源で局所的に利用可能な情報のみに基づいて小規模電源を制御するための小規模電源に接続されている制御装置とを含むことができる。

本発明は、電力網に問題が発生した場合には電力網から分離できるが独立して運転を継続でき、問題が解決すると電力網に再接続することができる、小規模送電線網で使用するように構成された小規模電源システムに組み込むことができる。システムは、原動機、直流インタフェース、及び、小規模電源に接続された有効電力及び無効電力を制御するための手段及び小規模電源に対するドループ制御によって電圧を調整するための手段である電圧源インバータを含む小規模電源を有することができる。

本発明による電力系統は小規模電源及び制御装置を含むことができる。小規模電源は、電圧源インバータを含み、公共送電線網へ接続するように構成される。公共送電線網は複数の電源を接続する。制御装置は、電圧源インバータへ接続され、公共送電線網へ接続された複数の電源から独立して無効電力及び有効電力を制御するように構成される。

小規模電源は、小規模送電線網が電力網から独立して又は電力網と連携して運転できるように、小規模送電線網システム内で制御できる。運転方法は、接続点での電圧、小規模電源から注入された電流、及び公共電源から供給される支線電流からの入力を受け取る段階を含むことができる。この方法は、小規模電源から注入される電流が容量性になるにつれて局所電圧設定値を低減し、小規模電源が発生する電流が誘導性になるにつれて局所電圧設定値を増大させる。

本発明のその他の目的、特徴、及び利点は、当業者であれば添付の図面、詳細な説明、及び請求項を検討することで明らかになるであろう。

以下の記述は説明を目的としており、本発明の例示的な実施形態を十分に理解できるように種々の特定の詳細な記述が説明されている。しかしながら、当業者であれば、本発明がこれらの特定の詳細な記述がなくても実施できることを理解できるであろう。その他、例示的な実施形態の説明を容易にするために構成及び装置はブロック図の形態で示されている。

特定の実施形態において、ハードウエア回路は、所望の機能を実現するためのソフトウエア命令の代わりに又はそれと組み合わせて使用できる。従って、本明細書で説明する実施形態は、ハードウエア回路とソフトウエアの何らかの特定の組み合わせに限定されず、コンピュータ制御システムによって実行される命令に関する何らかの特定のソースプログラムにも限定されない。

以下に小型分散型エネルギー資源の制御システム及び制御方法の例示的な実施形態を説明する。これらの例示的な実施形態は、パワーエレクトロニクスによって制御される分散型発電機を含むことができる。パワーエレクトロニクス制御は、確実に、（１）新しい発電機が、既存の機器を変更することなくシステムに追加でき、（２）電源及び負荷の集合が、迅速かつ途切れのない方法で公共送電線網へ接続できるか又はそこから分離でき、（３）各々の区間が、他の電源からのデータを必要とすることなく負荷変動に対して有効に応答でき、更に（４）電圧サージ及びシステムの不アンバランスを補正できるように設計できる。

小型分散型エネルギー資源の制御システム及び制御方法は、多種多様な方法で実現できる。種々の実施形態は，例えば、直流電源又は交流電源を含むことができる。本発明は、特定の実施形態に限定されないが、本発明の請求項の範疇にある種々の変更、組み合わせ、及び置換に及ぶものである。

図１は、公共電源１１０と、小規模電源システム１２０、１３０、１４０、及び１５０とを含む電力供給システム１００を示す。公共電源１１０は、公共電源１１０からの電力を利用する多数のマシン又はユニットに接続する電力ネットワーク又は電力送電線網を含むことができる。公共電源１１０は、分散型エネルギー資源（ＤＥＲ）システム内に含めることができ、公共電源１１０は、ＤＥＲシステム全体にわたって分散されるユニットに接続するようになっている。

小規模電源システム１２０、１３０、１４０、及び１５０は、例示的に小規模電源及び制御装置を含む。例示的に、小規模電源システム１２０は、燃料電池、バッテリー、又はマイクロタービン等の電源を含むことができる。小規模電源システム１２０、１３０、１４０、及び１５０内の制御装置は、電源の制御を行うことができる。１つより多い例示的な実施形態において、小規模電源制御装置は、小規模電源内にあるインバータ・インタフェースの制御を行うことができる。

好都合には、本システム１００は、電力網又は公共電源１１０に対する分離又は接続の両方で運転できるように設計された小規模電源及び蓄電クラスタを含む。小規模電源が分離された状態で作動する場合、マイクロタービン及び燃料電池がゆっくりと応答（１０から２００秒の時定数で）すると共にイナーシャレスなので、負荷−追跡の問題が発生する場合もある。従来の公共電力系統は、発電機イナーシャの形態で蓄電していた。新しい負荷がネットワークに接続されると、初期のエネルギーバランスは、システムのイナーシャによって達成されるので、僅かなシステム周波数の低下が生じる。小規模電源では、初期のエネルギーバランスを保障する電力蓄電をもたらす発電機イナーシャに依存しない。

独立した運転のための蓄電システムは種々の形態で実現できる。各々の小規模電源用の直流バス上のバッテリー又はスーパーキャパシタ、交流蓄電機器（バッテリー、フライホィール等）の直接的な接続、又はイナーシャをもつ従来型発電機を小規模電源発電機と一緒に使用するという形態である。例示的な実施形態において、システム１００を分離モードで運転する必要がない場合、エネルギーのアンバランスは、交流システムによって満足することができ、蓄電は必要ない。

少なくとも１つの例示的な実施形態において、以下に説明する小規模電源制御装置は、燃料電池、太陽電池パネル、マイクロタービン、風力タービン、及び蓄電装置にあるインバータ・インタフェースに依存する。好都合には、小規模電源間の通信は基本的なシステム制御には必要ない。各々のインバータは、他の電源又は他の場所からのデータを必要とすることなく負荷変動に対し有効に応答する。

図２は、例示的な実施形態による小規模電源２００を示す。小規模電源２００は、原動機２１０、直流インタフェース２２０、及び電圧源インバータ２３０を含むことができる。原動機２１０は、燃料電池、マイクロタービン、太陽電池パネル、又は風力タービンとすることができる。原動機２１０に関する出力電力変動の時定数は、１０から２００秒の範囲とすることができる。この応答速度では、交流システム又は直流バスのいずれか一方が急速な負荷追跡を保障するための適切な蓄電器をもつことが必要となる。

小規模電源２００は、誘導器２４０を介して電力系統２５０に接続する。電圧源インバータ２３０は、出力電圧Ｖの振幅及び位相の両方を制御する。インバータ電圧Ｖとシステム電圧Ｅとの間のベクトル関係は、誘導器２４０のリアクタンスＸと共に小規模電源２００からシステム２５０への有効及び無効電力流（Ｐ＆Ｑ）を決定する。

Ｐ＆Ｑの大きさは、以下の式（１）、（２）及び（３）で示すように決定される。小さな変動に対しては、Ｐは主として電力角δ_Pに依存し、Ｑはインバータ２３０の電圧Ｖの大きさに依存する。これらの関係は、無効電力流の調整によって、出力電力及びバス電圧Ｅの制御のための基本的なフィードバックループを構成する。

好都合には、インバータ２３０は、分散型環境内の交流システムへ電力を供給し、インバータ２３０で局所的に利用可能な情報のみに基づく制御装置を有する。図１を参照して説明したシステム１００のような多数の小規模電源を備えるシステムでは、マシン又はユニット間の通信は実現できない。従って、インバータ２３０の制御は端子数に基づく。インバータ２３０の周波数制御は、有効電力の電力角及び電力流を動的に制御する。インバータ２３０及び小規模電源の過負荷を防止するために、負荷変動は、インバータ２３０によって通信を行うことなく所定の方法で処理される。

図３は、インバータ制御システム３００を示し、各々の小規模電源は、有効及び無効電力（Ｐ＆Ｑ）計算器３１０、磁束ベクトル又は位相計算器３２０、電圧制御装置３３０、電力制御装置３４０、及びインバータ３５０を備える。制御装置に関する例示的な入力及び出力は、３つの設定値と３つの状態測定値を含むことができる。設定値は、Ｅ₀：目標電圧値、Ｐ₀：小規模電源又は供給支線からの所望電力流、及びω₀：基本周波数を含むことができる。状態測定値は、

：接続点での時間変動電圧、Ｉ_inductive：小規模電源から注入される時間変動電流、及びＩ_feeder：支線における時間変動電流を含むことができる。インバータ３５０へ直接出力される２つの変数は、磁束電圧Ψ_Ｖの振幅及び位相、又は要求電圧Ｖである。

Ｐ＆Ｑ計算器３１０は、有効電力Ｐ及び無効電力Ｑを計算するのに使用される

、Ｉ_inductive、及びＩ_feederの３つの入力を有すことができる。有効電力は、誘導器電流Ｉ_inductiveを用いて小規模電源から注入される電力、又は支線電流Ｉ_feederを用いた公共支線の電力のいずれか一方とすることができる。無効電力は小規模電源から注入されるＱである。

磁束ベクトル又は位相計算器３２０は、小規模電源の接続点でのシステム電圧Ｅの瞬間的な振幅及び位相を計算する。この計算は、標準的なｄ−ｑ法によって又は磁束電圧技術を使用して実現できる。通常、磁束電圧は、実電圧よりは安定して制御できる。この連続量は、インバータ出力電圧の時間積分であり、磁束ベクトルΨ_Eと呼ぶ場合もある。

３相入力位相電圧Ｅは、定常ｄ−ｑ基準フレームへ変換できる。結果として得られたｄ−ｑ成分は時間積分され、ＡＣシステム電圧に関する磁束ベクトル

が得られる。

インバータ３５０へ直接入力される２つの変数は、磁束

の振幅及び位相、又は電圧

の振幅及び位相である。ベクトル

は、特定の振幅、及び交流システムの磁束ベクトル

又は図２を参照して説明した電圧ベクトル

に対する特定の位置をもつように制御される。この制御は、最も内側の部分の制御ループを形成し、高速とすることができる。例えば、制御速度は数ミリ秒とすることができる。交流システム電圧ベクトルＥは、瞬間的な測定電圧で取得でき、局所的に使用できる。電圧源インバータ３５０は、パルス幅変調（ＰＷＭ）インバータとすることができる。

従来、基本的なＰ−Ｑ制御では多数の小規模電源を１つのシステムへ統合することは不可能であり、局所的な信頼性及び安定性のためには電圧調整が必要である。局所的な電圧制御を行わないと、小規模電源の高い透過性をもつシステムでは電圧及び／又は無効電力の振動に直面することになる。電圧制御は、電源間に大きな無効還流が存在しないことを保障する必要がある。問題は、大型同期発電機の制御に関する問題と同じである。電力網において、通常、発電機間のインピーダンスは、還流の可能性を大きく低減する程度に十分に大きくなっている。

しかしながら、典型的には放射状である供給システムにおいて、大きな無効還流の問題は計り知れない。電圧設定値の僅かな誤差により、還流は、小規模電源の定格を超える可能性がある。従って、この状況下では、小規模電源が生じる無効電流が容量性になるにつれて局所電圧設定値が低減されるような電圧対無効電流ドループ制御装置が必要となる。反対に、電流が誘導性になるにつれて電圧設定値は増大される。

図４は、局所システム入力状態を有すシステム４００を示す。システム４００は、支線電流をもたらす公共電源４１０、及び誘導器４３０を介して誘導電流をもたらす小規模電源を含む。多くの場合、支線電力制御は、非常に安定した制御モードである。これらの入力状態は、図３を参照して説明したＰ＆Ｑ計算器３１０によって有効及び無効電力を計算するのに使用される。

図５は、電圧制御装置５００を示す。電圧制御装置５００は、図３を参照して説明した電圧制御装置３３０とすることができる。例示的な実施形態において、電圧制御装置５００には３つの入力がある。第１の入力は電圧設定値Ｅ₀である。第２の入力は小規模電源から入力される無効電力Ｑである。第３の入力はシステム電圧又は磁束電圧Ψ_E又は

の振幅である。電圧ドループの傾きは、Ｍ_V、及びインバータ入力が電圧の振幅入力か又は電圧の磁束入力を想定したかに依存する利得Ｋによって定義される。例示的な実施形態において、電圧フェーザに対してはＫ＝１であり、電圧磁束に対してはＫ＝１／ω₀である。

例示的な実施形態において、電圧設定値Ｅ₀は、加算器５１０を使用して電圧ドループの傾きＭ_Vと無効電力Ｑとの積に加算される。この加算値全体に利得Ｋを乗算する。結果として得られた積算値は、加算器５２０を使用してシステム電圧又は磁束電圧

又はΨ_Eに加算される。この電圧誤差は、ＰＩ（比例＋積分）制御装置に対する入力となる。制御装置からの出力は、電圧振幅又は電圧磁束

又はΨ_Ｖである。電圧振幅又は電圧磁束は、図３を参照して説明したインバータ３５０へ供給される。

図６は、２つのマシンが存在する場合の例示的なドループ調整特性を図示するグラフ６００を示す。マシン２はマシン１よりも高出力で作動する。システムが分離モードに入ると周波数が低下する。システムの全負荷では、新しい周波数はω_minであるが、システムが軽負荷の場合、新しい周波数はω₀とω_minとの間のどこかにある。遅いループでは、周波数ωは上方にω₁≒ω₀まで増大する。

図７は、高負荷電動機を備える工業プラント７００を示し、図１から図６を参照して説明した小規模電源制御の動力を示すものである。例示的な工業プラント７００は、各々が５０−１５０馬力の範囲の電動機を備える約１．６ＭＷの電動機負荷を有すことができる。１２０ｋＶ電力線は、架空送電線及び地下ケーブルから構成される長い１３．８ｋｖ支線を経由して電力を供給する。プラントは、３本の主支線、即ち、２本の４８０Ｖ支線及び１本の２．４ｋｖ支線を有する。４８０Ｖ支線上の負荷は重要であり、公共電力が停止しても継続的に機能する必要がある。誘導機クラスタ（Ｍ８及びＭ９）は、容量性の電圧サポートでもってバス８及び９に接続されている。また、小規模電源の２つのクラスタはバス８及び９に接続されており、電力及び電圧サポートを行うようになっている。局所的に発生される電力がない場合、バス８及び９の電圧は、それぞれ、単位当たり（ｐｕ、４８０Ｖベース）０．９３３及び０．９４１である。全損失は７０ｋｗである。小規模電源クラスタの各々は、定格６００ＫＶＡであり、電力注入及び局所電圧サポートの両方を行う。小規模電源の電力注入は全電力の約１／２である。このような電源運転により、バス８及び９の電圧は１ｐｕで調整され、全損失は６ｋｗに低下し、６４ｋｗの削減となる。

図８及び図９は、送電線網に接続した運転の例示的なシミュレーションを図示するグラフ９１０、９２０、９３０、及び９４０を示す。初期状態において、局所電源は発電を行わないので、図８は、ゼロの有効電力及び無効電力注入、及びバス８及びバス９の低い電圧を示す。ｔ＝１秒で、バス８の発電機は、電力設定値４４６ｋｗ及び局所電圧制御でもって稼働する。図９のグラフ９３０での電圧補正に留意されたい。

ｔ＝３秒で、バス９のユニットは、電力設定値３６０ｋｗ及び局所電圧制御でもって作動する。図８は、ユニットが配置されるバスにおける有効電力及び無効電力注入を示す。第２の小規模電源が作動すると、バス８のＱ注入は局所電圧振幅を維持するために低下する。図９は、起動シーケンス時の調整されたバスの電圧エンベロープの半分を示す。バス９上の電圧は数サイクル内に１ｐｕへ制御される。

また、本実施例は、ドループによる電力共有での独立運転をシミュレートするのにも使用できる。小規模電源の定格が全負荷に供給するのには適さないと想定する。２本の４８０Ｖ支線は、重要な負荷に供給を行い、バス７上のＭ７負荷は、ブレーカＳ₂（図７参照）を使用して切り離すことができる。

図１０は、例示的な独立運転への切換期間中のバス８（グラフ１０００）、バス９（グラフ１０１０）、及び１３．８ｋＶ支線（グラフ１０２０）の調整電圧を図示するグラフ１０００、グラフ１０１０、及びグラフ１０２０を示す。ｔ＝１０秒において、供給不具合（グラフ１０２０）に応答したスイッチＳ₁（図７）の切断によって、システムは、送電線網接続から独立運転へ変わる。同時に、重要でない支線はＳ２を使用して切り離される。分離モードへの切換時のバス８及び９の電圧波形をグラフ１０００及びグラフ１０１０に示す。グラフから分かるように、ｔ＝１０秒の後に正弦波定常状態から僅かに変化し、変化は１サイクル未満持続するだけである。

図１１は、例示的な過渡時の有効及び無効電力の変化を図示するグラフ１１１０及び１１２０を示す。有効電力は、送電線網電力が無い場合に重要負荷を引き受ける必要がある。両マシンクラスタは、ドループ特性の設計に期待されるようにその電力注入を増大させる。バス９の軽負荷のマシンは、グラフ１１１０から分かるように、新しい負荷要求の大部分を引き受ける。無効電力注入は減少するが、電圧を１ｐｕに維持する。電力調整は非常に高速で行われ、定常状態電力は１秒以内に回復する。この場合、システム周波数は０．５Ｈｚより少し落ち込む。一方で、周波数回復ループが開始されて周波数は６０Ｈｚに戻る。

図１から図１１を参照して説明したように、各々の小規模電源での局所制御装置は、電気分配システムの安定した運転を保障できる。この制御装置は、ミリ秒で応答可能であり、局所情報を使用して全てのシステム又は送電線網の事故（ｅｖｅｎｔ）期間中に小規模電源を制御するようになっている。好都合には、小規模電源の間の通信は基本的なシステムの運転には不要であり、即ち、各々のインバータは、他の電源又は場所からのデータを必要とすることなく、所定の方法で負荷変動に対応できる。この構成により、小規模電源の「プラグアンドプレイ」が可能となる。即ち、小規模電源は、既にシステムの一部である制御及び保護ユニットを変更することなく追加することができる。

図３の電力制御装置３４０を、特定の実施方法として図１２−図１８を参照して説明する。また、説明したシステム及び方法と一緒にその他の方法を使用することもできる。

前述のように、小規模電源は、インピーダンスＸで局所支線へ接続されるインバータを経由してネットワークにインタフェースで接続する。制御装置は、支線電圧及び有効電力を所望値に調整できる。また、制御装置は、分離モード中でも作動できるようにも設計されている。局所小規模送電線網が故障のために主送電線網にもはや接続されていない場合、小規模電源は、電力網注入がゼロであることを認識して、出力電力を小規模送電線網内の全ての負荷に電気エネルギーを供給する必要があるという現実に矛盾しない新しい値に再指令する。

電力制御装置での実施を更に理解するために、図３の磁束ベクトル計算器３２０の詳細な実行内容を説明する。時間領域での電圧Ｅは、以下の式を用いて定常フレームで予測される。

これらの電圧は、積分されて磁束電圧ベクトルと呼ばれる成分量がもたらされる。以下の式を用いるとこれらの直交座標量を極座標量へ変換することができる。

角度は、ｄ軸及びｑ軸の方向の選択を考慮した状態で、成分比の逆タンジェントから得られ、符号は逆である。自動的に、アークタンジェントは、直交成分比が変化するので−π／２とπ／２との間の値をもたらす。正確には、ｔａｎ（Ｘ）＝ｔａｎ（Ｘ＋π）＝ｙに留意されたい。「ｙ」のアークタンジェントを取る場合、どの１つの角度（Ｘ又はＸ＋π）が最新の解であるか分からない。この問題を解決するために、磁束電圧のコサイン成分の符号をモニタすることができる。負の成分は、アークタンジェント出力にπを加算する必要があることを意味する。この点を分かり易くするために、この演算は鋸歯にはめ込まれ、必要な時はいつでもπを加算することができる。この演算結果は、−π／２とπ／２との間に境界付けされた鋸歯ではなく、むしろ−π／２と３π／２との間に境界付けされた鋸歯をもたらす。これが磁束電圧ベクトル角度であることに留意されたい。定常フレーム電圧ベクトルの積分であるこのベクトルは、電圧ベクトル自体に対してπ／２だけ遅れている。電圧角の値を得るために、磁束ベクトル角度にπ／２を加算する。アークタンジェントの鋸歯波の境界は、鋸歯を得るために電圧角に対しπ／２を加算するという事実に基づいて、もはや−π／２と３π／２との間ではなく０と２πとの間である。

磁束電圧角は、速度ω₀で時間と共に増加するので、アークタンジェントは鋸歯の傾向を仮定する。従って、仮に磁束電圧の角度δ_eが、速度ω₀で増大する関数をもたらすために鋸歯波を包含することで見出される場合、遅かれ早かれ、この機能を表わす数は、プログラム可能なロジックＤＳＰの内部で利用可能であろうビット数よりも多いビット数を必要とする。

図１２は、電力−周波数ドループ制御を有す電力制御システム１２００を示す。電力−周波数ドループ制御は、正常運転時には有効電力注入を一定値Ｐ₀に維持するが、独立運転時には、負荷での供給を維持するために出力電力を再指令して、一度送電線網から注入された電力の追加割当量を供給する。システム１２００への入力は、要求電力Ｐ₀、有効電力の電流測定値、及びネットワーク公称周波数ω₀を含むことができる。出力は、インバータ電圧角、又はインバータ自体の端子で合成する必要がある所望の角度である。

図１２において、δ_eに近接して、及びω_τの積分に近接して鋸歯アイコンがあり、これらの変数は時間と共に常に増加するものではなく、制限された値の間に包含されることを意味する。

Φ_eの微分は、リアルタイムで計算され、境界付けされた数が確実に演算されるようにフィルタ処理される。指令変更又は分離モードへの切り換えの結果として生じる過渡時に、信号Φ_eの微分は、可能性のある大きな瞬間値に関連して高い周波成分をもつ可能性がある。制御ではそのような値を使用しないようにフィルタ処理される。フィルタの時定数は０．１秒であり、変化に追従する十分な速度を実現しつつ過渡時にも良好な出力を取得するのに有効である。

図１３は、図１２を参照して説明した制御システム１２００のΦ_e発生器ブロックの動作を示す。この発生器は、定常状態では常に一定の電圧角を発生するようになっている。入力Φ_eは調整バス電圧に関する鋸歯波であり、０から２πの範囲で補正周波数ω_τである。出力は、定常状態の一定量Φ_e、及びω_τの時間積分である鋸歯である。Φ_e発生器の動作の意味を十分理解するには、いくつかの数量の定義が重要である。測定に由来する電圧角を表わす鋸歯量は次式の通りである。

送電背線網に接続されかつ定常状態の場合、

は定数である。しかしながら、分離モードにおいて、この角度は次式に相当する。

周波数は調整時には即座に低下し、ω₀よりも僅かに小さな値へ回復するので、偏差が生じる。Δω_n（ｔ）は、実周波数と公称周波数との間の偏差測定値である。従って、

である。

の微分は次式の通りである。

量Δω_nは定常時には一定であるが、過渡時には時間の関数である。従って、角度変化を取得するために積分を行なう（式１７に示すように）。

式（１６）から

を取得するために、鋸歯波から適切量を差し引く。式１７、式１６、及び式５から、

となる。これより次式を得る。

は、分離モードへの移行後の過渡時に変化する場合があるが、定常状態では一定になる。従って、ω_nの積分値は差し引かれないが、ω_τの積分値は差し引かれる。この量は、ω₀に対してΔω_n（ω_nをもたらすであろう）ではなくΔω_τを加算することで与えられ、Δω_nの遅延信号であるΔω_τは次式の通りである。

この場合、τは、遅延速度偏差が新しい定常値Δω_nへどれだけ早く到達するかを決定する時定数である。時定数が大きいほど到達時間は長くなる。好ましくは、速度は、Δω_nの直流変化のみが追跡されるが、公称値からいかなる小さな過渡的偏差も完全にフィルタ処理されることを保障するために、早すぎてもいけない。この時定数は１０秒又はそれ以上の範囲にあることが好ましい。

公称周波数からの偏差がゼロ以外に保持される何かが存在する限り、この式は適切な時期にその量と等しい信号を発生する。よって、

となり、式２１は以下の関係に変形される。

この場合、どのような周波数の瞬間的な不一致も除去されないが（式２１による運転）、持続的で定常的な周波数の差異値は（式２４）、分離モード運転で発生する場合には除去される。

図１３は、Ф_e発生器の詳細を示す。図１３に示すように、鋸歯波は、ω_τの積分値から発生させ得る。この波は、波形δ_eが２πリセットされる毎に、積分値を２π戻ってリセットすることによって発生させ得る。Ф_eの値は、δ_eの測定値に由来する鋸歯から発生した鋸歯を差し引くことによって取得する（式２４）。波δ_eは速度ω_nで成長するが、発生した鋸歯は速度ω_τで成長する。このことは、２つの速度は定常状態では一致し（式２２）定数Ф_eをもたらすが、過渡時にはФ_eの微分値はゼロではないことを意味する。

図１４は、図１２を参照して説明した制御システム１２００の周波数補正ブロックの動作を示す。周波数補正ブロックは、定常状態でΔω_nの値を追跡するΔω_τの遅延信号を生成するようになっている。式２０から、過渡的な変化は、ゼロでないФ_eの微分値で明示されるが、定常状態（Δω_τ＝Δω_nの時）ではФ_eの微分値は０であることが分かる。

量Δω_nの追跡を可能にする表式を式２２及び図１４のブロック図に示す。ここでは補正をどのように行うか理解できる。式１９及び図１２から次式を得る。

外部では

の項だけを意識するので、補正の実行を認識する方法がないことに留意されたい。実際には、補正は、微分値をブックキープする方法として考えることができる。式２５から、最初にΔω_nがｄФ_e／ｄｔの項で完全に出現するが、定常状態では全てΔω_τの項の中にあることが分かる（ｄФ_e／ｄｔ＝０とすると）。２つの和は常に同じであり、これが理由でブロック外部の観察者は、信号がこれらの２つの分量に分割されていることを認識できない。

図１５は、図１２のＰ_C発生器ブロックを示す。Ｐ_C発生器ブロックは、短時間よりも長い時間だけ持続することになる周波数をω₀から大きく離れた値にする場合もある分離化及び後続の過渡事象の後で、周波数をω₀の近傍値へ補正するようになっている。

送電線網接続において、周波数はω₀となるように指令されるので、定常状態ではΔω_n＝Δω_τ＝０である。このことは（式２５から）、定常状態では積分入力は０である必要があるので、

の項はゼロであることを意味する。従って、Ｐ_C＝Ｐ₀となり、Ｐ₀は所望電力である。分離時には積分入力は０である必要があるが、

である。このことは次式を意味する。
Δω_n＝Ｋ’（Ｐ₀−Ｐ_C） 式（２６）

任意の項Ｐ₀−Ｐ_Cに対して、Ｋ’は小さく、定常状態において公称値からの周波数偏差を引き起こす。定数Ｋ”は、分離モードへの切り替え後のＰ_C変化を引き起こす。Ｋ”が大きいと、周波数はω₀の近傍値へ迅速に戻る。これらの定数は、ループ特性の傾き「ｍ」に関連し、以下に関係式を示す。
Ｋ’＝−ａｍ
Ｋ”＝−ｂ／ｍ

異なる小規模電源は異なる「ｍ」値をもつが、それらは、同一の正実数のスカラー係数「ａ」及び「ｂ」を共有する。この制約は、周波数回復時に、周波数は、分離された小規模送電線網のどこでも同じ速度で上昇して同一の有効電力指令レベルを維持する必要があるという現実に由来する。換言すれば、周波数が同じ速度で上昇しないと、小規模送電線網の別の点は最後には別の周波数となるので、その結果として有効電力指令が変化する。周波数回復時には、同じ指令電力レベルを維持することが望ましいので、小規模送電線網の全てのユニットは同じスカラーを必要とする。

図１６は、Δω_i発生器ブロック（図１２参照）を示す。量Δω_iは、インバータによって指令される公称周波数値からの目標偏差である。送電線網に接続される場合は常に、Δω_iは定常状態ではゼロであるが、過渡状態ではゼロではなく、電圧角を変えることができる。独立運転時には、Δω_iは定常状態ではゼロではなく、次式を想定する。

信号Δω_iは、電力−周波数ドループ特性に基づいて生成される。図１７は、電力−周波数ドループのグラフ１７００を示す。周波数が送電線網によってω₀に固定されると常に、出力電力は所望の設定値Ｐ₀に一致することが分かる。分離モード時、周波数はもはや固定されず、種々の小規模電源によって使用されて高い出力電力（送電線網から無くなった電力を補償するために）及び低い周波数でもって新しい定常状態点に到達するようになっている。従って、分離された小規模送電線網の全てのユニットは、同一の新しい低い周波数で作動することになる。

再び図１５を参照すると、送電線網に接続されている場合、定常状態ではＰ_C＝Ｐ₀及びΔω_i＝０である。分離モードへの移行が発生すると同時に、周波数は低下するが、次に信号Ｐ_Cは、積分器Ｋ”／ｓによって、式２６を満足する新しい値まで増加する。Ｐ_Cが増加するとΔω_iは減少し、周波数におけるこの目標偏差は、インバータがΔω_iを自らの端子から発生する場合、測定された項Δω_nによって式２６に反映される。ここでΔω_iは次式に等しい。
Δω_i＝−ｍ（Ｐ_C−Ｐ） 式（２８）

係数「ｍ」は、次の関係式、

によって与えられる負のスカラーである。ここで、ω₀は送電線網の公称角周波数であり、ω_minは角周波数の低下を許す最小値であり、Ｐ₀は有効電力が公称周波数でもつ値（即ち、送電線網と接続する場合）であり、更に、Ｐ_maxは周波数が最低レベルの場合に達するマシンの最大定格電力である。マシンが異なると、その定格（Ｐ_max）及び電流作動点（Ｐ₀）に依存する、異なる「ｍ」値をもつことになる。図１７から、これらの値の意味を理解できる。即ち、ω₀及びＰ₀は送電線網に関する動作点（点Ａ）を表わすが、ω_min及びＰ_maxは特性の傾きを定義する他の点である。この第２の点は、動作範囲としては極端であるが、通常、点Ｂはω_min＜ω_B＜ω₀及びＰ_max＞Ｐ_B＞Ｐ₀を満足する。

補足的に、Ｐ_cを発生するブロックが無い場合、Ｐ_cは常にＰ₀に置き換えられ、周波数は、再指令時（点Ｂ）に到達した低い値での定常状態に回復する可能性なしに留まるであろうことに留意されたい。換言すれば、Ｐ_c信号を用いると、分離事象は、分離が生じた場合（及び回復プロセスが始まった場合）に点Ａ（送電線網と接続した定常状態）から点Ｂへ移動し、分離モードでの新しい定常状態に到達した場合に点Ｂから点Ｃへ移動する軌跡のように、Ｐ−ω平面（図１７）をたどることができる。点Ａから点Ｂまでの部分は、負の数である増大速度「ｍ」をもつ一次式で説明される点に留意されたい。

図１８は、インバータ端子で合成される電圧角を発生するようになった制御手段の一部であるδ_V発生器を示す。信号Δω_iが発生すると、この信号は測定値

から減算して周波数誤差を得る。この誤差は、所望の瞬間の所望の周波数に到達するために、角度を増減するよう指示する。

この誤差は、所定の利得でもって積分され、インバータ電圧と調整バス電圧との間の角度差をもたらす。この角度

は、送電線網へ接続されているか否かに無関係に、定常状態の間は一定である。これらの位相差は、電圧が交番する周波数に無関係に定常状態では一定である。このことは、誤差ε_ωが定常状態では０であることを意味し、所望の速度偏差（Δω_i）及び実速度偏差（Δω_n）は、定常状態では、送電線網モード（Δω_i＝０）又は分離モード（Δω_i≠０）に無関係で同一であるという事実と整合する。

角度

を角度Ф_eに加算して量

を得た後に、ω_τの積分値を加算することでδ_Vを得る。

式２６を式１６に代入して、以下の式を得る。

式２９と式３０とを比較すると、これらの２つの角度は、互いに正確に

だけ離れていることが分かる。ＰＷＭインバータは、角度

、Ф_eの和、及び

を知ることに興味がある。空間ベクトル技術を実行するインバータは、信号δ_Vを使用する。

図示して説明した例示的な実施形態は現時点で好ましいものであるが、これらの実施形態は、例示目的であることを理解されたい。他の実施形態は、例えば、電力計算、電圧制御、電力制御、又はドループ制御に関する別の技術を含むことができる。本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、請求項の範囲及び精神に属する種々の変更、組み合わせ、及び置換にまで及ぶものである。

例示的実施形態による分散型エネルギー資源システムを示す。 図１の分散型エネルギー資源システムに含まれる例示的な小規模電源を示す。 図１の分散型エネルギー資源システムに含まれるインバータ制御システムを示す。 図１の分散型エネルギー資源システムの小規模電源に関する局所システム状態入力を示す。 例示的な小規模電源システムの電圧制御装置を示す。 ２台のマシンが存在する場合の例示的な電圧ドループ調整特性のグラフである。 例示的な実施形態による小規模電源システムを含む工業プラントを示す。 例示的な実施形態による小規模電源システムの送電線網−接続運転の例示的なシミュレーションのグラフを示す。 例示的な実施形態による小規模電源システムの送電線網−接続運転の例示的なシミュレーションのグラフを示す。 例示的な実施形態による独立運転への例示的な切り替え時の調整電圧のグラフを示す。 例示的な移行時の有効及び無効電力の変化のグラフを示す。 電力−周波数ドループ制御を有す例示的な制御システムを示す。 図１２の制御システムのΦ_e発生器システムを示す。 図１２の制御システムの例示的な周波数補正システムを示す。 図１２の制御システムの例示的なＰ_C発生器システムを示す。 図１２の制御システムの例示的なΔω_i発生器システムを示す。 例示的な電力−周波数ドループのグラフである。 図１２の制御システムの例示的なδ_Ｖ発生器システムを示す。

Claims (25)

1. 電力を、分離モード及び送電線網モードのいずれかで供給し、電力系統内の既存の機器を変更することなく前記電力系統へ接続されるように構成された小規模電源システムであって、
   電力を供給するように構成された小規模電源と、
   前記小規模電源に接続され、前記小規模電源で局所的に利用可能な情報のみに基づいて前記小規模電源を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする小規模電源システム。
2. 前記制御装置が、電圧制御装置及び電力制御装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の小規模電源システム。
3. 前記電圧制御装置及び前記電力制御装置が、有効電力及び無効電力計算器と、磁束ベクトル又はフェーザ計算器とからの入力を受け取ることを特徴とする請求項２に記載の小規模電源システム。
4. 前記有効電力及び無効電力計算器が、接続点での電圧、前記小規模電源から注入される電流、及び公共電源の支線での電流からの入力を受け取ることを特徴とする請求項３に記載の小規模電源システム。
5. 前記電力制御装置が、周波数（ω_i）がω₀以下になると、電力が係数ｍによって線形的に増大する周波数ドループガバナを含むことを特徴とする請求項２に記載の小規模電源システム。
6. 前記小規模電源が燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載の小規模電源システム。
7. 前記小規模電源がマイクロタービンであることを特徴とする請求項１に記載の小規模電源システム。
8. 前記制御装置が、前記小規模電源が発生する無効電流が容量性になるにつれて局所電圧設定値を減少させることを特徴とする前記請求項１に記載の小規模電源システム。
9. 前記制御装置が、前記小規模電源が発生する電流が誘導性になるにつれて局所電圧設定値を増大させることを特徴とする請求項１に記載の小規模電源システム。
10. 前記小規模電源が、原動機、直流インタフェース、及び電圧源インバータを含むことを特徴とする請求項１に記載の小規模電源システム。
11. 故障発生時には電力網から分離するが独立して運転を続けることができ、故障が解消すると電力網へ再接続することができる、小規模送電線網で使用するように構成された小規模電源システムであって、
    原動機、直流インタフェース、及び電圧源インバータを含む小規模電源と、
    前記小規模電源に接続された有効及び無効電力を制御するための手段と、
    前記小規模電源に対するドループ制御によって電圧を調整するための手段と、
    を備えることを特徴とするシステム。
12. 前記小規模電源に接続された高速負荷追跡及び蓄電のための手段を更に備えることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記小規模電源に接続された、電力共有用の周波数ドループ制御のための手段を更に備えることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
14. ドループによって電圧を調整するための前記手段が、前記小規模電源が発生した無効電流が容量性になるにつれて局所電圧設定値を減少させることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
15. ドループによって電圧を調整するための前記手段が、前記小規模電源が発生した電流が誘導性になるにつれて局所電圧設定値を増大させることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
16. 電圧源インバータを含み、複数の電源に接続する公共送電線網へ接続するように構成された小規模電源と、
    前記電圧源インバータに接続され、公共送電線網に接続する複数の電源から独立して無効及び有効電力を制御するように構成された制御装置と、
    備えることを特徴とする電力系統。
17. 前記小規模電源が、整流される高周波交流電源を含むことを特徴とする請求項１６に記載の電力系統。
18. 前記小規模電源が、直流バッテリー式蓄電源を含むことを特徴とする請求項１６に記載の電力系統。
19. 前記制御装置が、ドループ制御装置を含むことを特徴とする請求項１６に記載の電力系統。
20. 前記ドループ制御装置が、前記小規模電源が発生した無効電流が容量性になるにつれて局所電圧設定値を減少させるための手段と、前記小規模電源が発生した電流が誘導性になるにつれて前記局所電圧設定値を増大させるための手段と、を備えることを特徴とする請求項１９に記載の電力系統。
21. 小規模送電線網が電力網から独立して又は電力網と連携して作動可能な、小規模送電線網システム内の小規模電源を制御する方法であって、
    接続点での電圧、前記小規模電源から注入される電流、及び公共電源の支線での電流から入力を受け取る段階と、
    前記小規模電源から注入される電流が容量性になるにつれて局所電圧設定値を減少させる段階と、
    前記小規模電源から発生する電流が誘導性になるにつれて前記局所電圧設定値を増大させる段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
22. 前記入力を使用して、前記小規模電源の電圧及び電力を制御する段階を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記小規模電源の電力を制御する段階が、周波数ガバナを使用する段階を含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 小規模送電線網接続モード時に一定の電力が供給されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
25. 分離モード時に動的負荷追跡が行われることを特徴とする請求項２２に記載の方法。

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