JP2014039374A - コントローラ、電源装置および電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で複数の電源装置間の電力バランス制御を行う。
【解決手段】本発明の一態様としてのコントローラは、負荷に電力を出力する複数の電源装置との間で通信を行うコントローラであって、受信部と、制御情報生成部と、送信部とを備える。前記受信部は、前記電源装置から前記負荷への出力電力に関連する動作情報を無線により受信する。前記制御情報生成部は、前記動作情報に基づいて前記電源装置を制御する制御情報を生成する。前記送信部は、前記制御情報を前記電源装置に無線により送信する。
【選択図】図１

Description

この発明の実施形態は、コントローラ、電源装置および電源システムに関する。

インバータなどの電源装置が複数並列に接続され、共通の負荷に対し電力を供給する場合、各電源装置が出力する電力のバランスを確保する必要がある。

従来、電力バランスは各々の電源装置において、当該電源装置の出力における有効電力Pと無効電力Qの情報をもとに、有効電力Pに応じて出力周波数ωを、無効電力Qに応じて出力電圧Vをそれぞれ制御するdroop制御を用いることが一般的である。

droop制御は電源装置間の通信を必要とせず、各電源装置が自律的に出力電力を調整できる利点を有するが、電力線インピーダンスの影響により、良好な電力バランスを確保することは難しい。

これに対し、電源装置が出力する有効・無効電力の平均値を、有線通信によりやりとりすることで、電力バランスを向上させる手法が知られている。

一方、各電源装置間の通信を無線によるメッシュネットワークにより行う手法が知られている。この手法において、各々の電源装置は、メッシュネットワークを構成する全てのノード間の通信経路を把握しており、定期的に経路情報を更新することで、常に最短経路での通信を行う。これにより信頼性の高い通信を行うことを可能としている。

M. Marwali, et. al.,"Control of distributed generation systems - Part II: Load sharing control", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, pp. 1551-1561, 2004. K. Acharya, et. al.,"Communication Fault-tolerant Wireless Network Control of a Load-sharing Multiphase Interactive Power Network",IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2006. Yao Zhang et. al.,"Theoretical and Experimental Investigation of Networked Control for Parallel Operation of Inverters", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59, pp. 1961-1970, 2012.

上述した有線による通信を用いる手法の場合、離れた地点に設置された電源装置間では通信線を敷設するためのコストが増大するという課題がある。またメッシュネットワークによる無線通信を用いた手法では、処理が複雑化するという課題がある。

本発明の一側面は、簡単な構成で複数の電源装置間の電力バランス制御を行うことができるコントローラ、電源装置および電源システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様としてのコントローラは、負荷に電力を出力する複数の電源装置との間で通信を行うコントローラであって、受信部と、制御情報生成部と、送信部とを備える。

前記受信部は、前記電源装置から前記負荷への出力電力に関連する動作情報を無線により受信する。

前記制御情報生成部は、前記動作情報に基づいて前記電源装置を制御する制御情報を生成する。

前記送信部は、前記制御情報を前記電源装置に無線により送信する。

第1の実施形態にかかる電源システムのブロック図。 第2の実施形態にかかる電源システムのブロック図。 第3の実施形態にかかる電源システムのブロック図。 第6の実施形態にかかる電源システムのブロック図。 第7の実施形態にかかる電源システムのブロック図。 第8の実施形態にかかる電源システムのブロック図。

以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。

(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態にかかる電源システムの全体図である。

この電源システムは、負荷11と、電源装置PU1、PU2,PU3,PU4と、コントローラCtr0とを備える。

電源装置PU1はインバータInv1、コントローラCtr1、無線インターフェース(I/F)1および無線通信用アンテナA1で構成される。

電源装置PU2はインバータInv2、コントローラCtr2、無線インターフェース(I/F)2および無線通信用アンテナA2で構成される。

電源装置PU3はインバータInv3、無線インターフェース(I/F)3および無線通信用アンテナA3で構成される。

電源装置PU4はインバータInv4、無線インターフェース(I/F)4および無線通信用アンテナA4で構成される。

各無線インターフェースは、情報を無線変調方式で変調して送信する送信部と、情報を受信して復調する受信部を含む。

インバータInv1〜Inv4は、互いに並列に電力線12に接続されて、共通の負荷11に対し電力を供給する電力出力部である。インバータInv1〜Inv4は、電池などの電源から供給される直流を交流に変換して出力する。インバータInv1〜Inv4の出力電力の合計が負荷11に供給されることになる。インバータInvは、発電機等の他の電力出力部に代えても同様の議論が可能である。

各電源装置PU1〜PU4は、コントローラCtr0に対し、インバータの出力電力に関連する動作情報を無線により送信する。本実施形態では、動作情報は、インバータの有効電力Pと無効電力Qを含む電力情報を有する。電力情報は、無効電力Qを含まず、有効電力Pのみ含んでも良い。また、インバータの出力電力に関連する動作情報は、インバータが出力する電流値でも良い。

電力情報とともに、例えばインバータの定格値や累計運転時間を送信してもよい。または、インバータ入力として電池を使用している場合には、電池の残量情報、インバータ入力として太陽光発電パネルや風車を使用している場合には、それらの発電量などを、電力情報とともに送信してもよい。

図1に示す例では、電源装置PU1は、インバータInv1の有効電力P1および無効電力Q1を含む電力情報を、コントローラCtr0に送信している。電源装置PU2は、インバータInv2の有効電力P2および無効電力Q2を含む電力情報を、コントローラCtr0に送信している。電源装置PU3は、インバータInv3の有効電力P3および無効電力Q3を含む電力情報を、コントローラCtr0に送信している。電源装置PU4は、インバータInv4の有効電力P4および無効電力Q4を含む電力情報を、コントローラCtr0に送信している。

コントローラCtr0は、無線通信するアンテナ23と、無線I/F21（送信部、受信部）と、制御情報生成部22とを含む。無線I/F21は、各電源装置PU1〜PU4から電力情報を受信する。制御情報生成部22は、当該電力情報から各電源装置に対する制御情報を生成する。無線I/F21は、当該制御情報を各電源装置に送信する。各電源装置のインバータは、コントローラCtr0から受信した制御情報を用いて、出力電力の制御を行う。このように電源装置が、コントローラCtr0が生成した制御情報に基づいて動作する状態を、スレーブモード（第1モード）と呼ぶ。

ここで、制御情報は、図1に示すように、全ての電源装置が出力した有効電力および無効電力のそれぞれの平均値Pavg, Qavgでもよい。または、特定の電源装置が出力する電力(例えばP1とQ1)でもよい。または、全ての電源装置が出力した有効電力の合計値、および無効電力の合計値でもよい。制御情報の内容、および各電源装置が制御情報に基づきどのように動作するかは種々の方法が可能であり、本実施形態は、特定の方法に限定されない。

以下、制御情報に基づいて各電源装置が動作する一例を示す。各電源装置にはそれぞれの出力能力（たとえば最大出力可能電力、最大出力可能電流など）に応じて、あらかじめ重み係数が割り当てられている。各電源装置の重み係数の合計が1になるように決定されているとすると、各電源装置は、平均値Pavg×自身の重み×稼働している電源装置台数（＝4）により決定される電力を出力する。制御情報が有効電力P1〜P4の合計値を含むときは、各電源装置は、合計有効電力×自身の重み、により出力すべき電力を決定してもよい。ここで述べた説明はあくまで一例であり、別の方法で各電源装置の動作を決定してもよい。

なお、電源装置PU1およびPU2に存在するコントローラCtrl1, Ctrl2は、コントローラCtr0が故障等により停止した場合に、コントローラCtr0の代わりにコントローラ機能を実行するためのものである。なお、この場合は、電源装置間の通信が発生し得、詳細は後述する実施形態で説明する。

以上、本実施形態によれば、Ctr0が生成する制御情報を用いて各電源装置を制御することにより、複数の電源装置間の出力電力のバランスを向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、電源装置PU1〜PU4が通信を行う相手はコントローラCtr0のみであり、（Ctr0が故障もしくは停止しない限り）電源装置同士が直接通信を行うことがない。よって、簡単な通信手順で、複数の電源装置間の協調運転が可能となる。

(第2の実施形態)
図2は、第2の実施形態に係る電源システムを示す図である。図1と同一または対応する要素には同一の符号を付して、拡張された処理を除き、重複する説明を省略する。なお、コントローラCtr0の内部ブロックの図示は省略している。

コントローラCtr0には、電源システムを構成する電源装置の個数と、それらの電源装置のうちコントローラ機能を有する電源装置間の使用順位、および当該コントローラ機能を有する電源装置が使用する無線チャネルの情報等を含む設定情報が、書き込まれる。各電源装置が利用する無線チャネルはそれぞれ異なっている。たとえば、各無線チャネルは、互いに、周波数、タイムスロット、または空間符号等、使用する資源が異なる。コントローラCtr0は、当該設定情報を内部の記憶部、またはアクセス可能な外部の記憶部に記憶する。コントローラCtr0は、全ての電源装置に対して、当該設定情報を送信する。各電源装置は、受け取った設定情報を、内部の記憶部またはアクセス可能な外部の記憶部に記憶する。

図2の例では、電源装置PU1の順位が1、電源装置PU2の順位が2である。これは、コントローラCtr0が停止した場合、次にコントローラとなるのは、電源装置であるPU1であることを示している。

このように、あらかじめ各電源装置が、コントローラ使用順位や無線チャネルに関する情報を把握しておくことで、電源装置PU1においてはコントローラCtr0が停止したことを検出後、速やかにコントローラとして動作することが可能となる。すなわち、電源装置PU1のコントローラCtr1は、コントローラ機能をコントローラCtr0から引き継ぐと、第1の実施形態のコントローラCtr0と同様の動作を行う。

また、電源装置PU2〜PU4においては、コントローラ機能がコントローラCtr0から電源装置PU1に移った場合に、速やかに電源装置PU1との間で通信ないしは接続を確立し、通信することが可能となる。

(第3の実施形態)
図3は、第3の実施形態に係る電源システムを示す図である。図1と同一または対応する要素には同一の符号を付して、拡張された処理を除き、重複する説明を省略する。

第1の実施形態では定常状態における電源システムの動作を示したが、電源装置とコントローラCtr0との間の通信品質が低下した場合の動作を示す。例として、電源装置PU2とコントローラCtr0間の通信品質が低下した場合を示す。他の電源装置の通信品質が低下した場合も、同様の動作が可能である。

電源装置PU2は、通信誤り率または通信ディレイ等の通信品質を測定する。通信誤り率または通信ディレイが、あらかじめ定められた第1のしきい値を超えた場合（通信品質が第1基準未満となった場合）、電源装置PU2は、通信品質が低下したと判断し、スレーブモードから自律モード（第2モード）に移行する。

自律モードでは、電源装置PU2は、コントローラからの制御情報にかかわらず、自身の出力電力を自律的に制御する。自律制御の手法としては、droop制御が一般的である。droop制御では、有効電力と無効電力の情報をもとに、有効電力に応じて出力周波数ωを、無効電力に応じて出力電圧Vをそれぞれ制御する。なお、通信品質を判定する回路は、インバータまたは無線I/Fに含まれてもよいし、これらとは別の独立した回路として存在してもよい。

通信品質の判定には、電力情報または制御情報を送受信する際の通信誤り率または通信ディレイを用いてもよいし、これらの情報とは別に無線ビーコンを送受信することによる判定でもよい。このように、通信品質が低下した場合に自律モードに移行することで、電源システムが不安定となることを防止することができる。

このとき、コントローラCtr0においても電源装置PU2との通信品質低下を検知し、電源装置PU2への制御情報の送信を、通信品質が回復するまで、停止してもよい。

以上、本実施形態によれば、コントローラCtr0との通信品質が低下した場合に、自律モードに移行することにより、電源システムが不安定になるのを防止できる。

(第4の実施形態)
第3の実施形態では、通信誤り率または通信ディレイが第1のしきい値を越えた時点で通信品質の低下を検知した。本実施形態では、第1のしきい値よりも小さい別のしきい値を設定し、当該別のしきい値を越えた時点で、通信品質の低下を検知する。

当該別のしきい値を越えた時点で、電源装置（たとえば電源装置PU2）は、通信する情報量を減らし、無線変調方式を、より信頼性の高い方式に変更(例えば16QAMからQPSKへ変更)する。これにより、通信誤り率または通信ディレイを向上させ、少なくとも電力情報および制御情報を確実に送受信する。通信する情報には、少なくとも電力情報および制御情報が含まれることが望ましい。通信する情報量を減らさずに、無線変調方式のみを変更してもよい。

以上、本実施形態によれば、コントローラCtr0との通信品質が低下した場合にも、情報量を絞り込むことで、最低限必要な情報の通信を確実に継続できる。

(第5の実施形態)
第4の実施形態では通信品質が低下した場合に無線変調方式を変更したが、本実施形態では、電源装置が出力する電力が増加した場合に、通信する情報量を減らし、無線変調方式をより雑音に強い方式に変更する。

負荷への供給電力が大きく、これに応じて電源装置の出力も大きくなる場合、電源装置間の出力電力バランスが高精度に保たれていないと、特定の電源装置が出力する電力が定格を超えてしまう可能性がある。少なくとも電力情報の通信が確保されていれば、全ての電源装置間での良好な電力バランスを保ち、出力電力が定格を超える可能性を低くできる。

そこで、コントローラCtr0は、電源装置が出力する電力（たとえば電源装置PU2の有効電力P2）がしきい値を越えた場合、当該電源装置と通信する情報量を減らし、無線変調方式を変更する。このとき、通信する情報には、少なくとも電力情報および制御情報が含まれることが望ましい。情報量を減らさずに、無線通信方式のみを変更してもよい。

以上、本実施形態によれば、大電力を出力する場合に、確実に通信できる無線通信方式を用いることで、電源装置が定格を越えた電力を出力するのを防止できる。

(第6の実施形態)
図4は、第6の実施形態に係る電源システムを示す図である。図1と同一または対応する要素には同一の符号を付して、拡張された処理を除き、重複する説明を省略する。

本実施形態では、コントローラCtr0が、障害等により停止した場合の動作を示す。

コントローラCtr0が停止すると、各電源装置PU1〜PU4はコントローラCtr0との間で通信ができなくなる。このため、第3の実施形態で示したように、通信品質の低下が検出され、各電源装置は、いったん自律モードに移行する。

次に、あらかじめ通知された設定情報（図2参照）により、使用順位が最も高い電源装置PU1が、コントローラCtr0からコントローラ機能を引き続き、コントローラ動作を開始する。電源装置PU1のコントローラCtr1は、電源装置PU2〜PU4との間で通信を確立し、電力情報を受信し、制御情報を生成し、各電源装置に制御情報を送信する。電源装置PU2〜PU4は、電源装置PU1をコントローラとするスレーブモードで動作する。一方、電源装置PU1においては、自身のインバータInv1の電力情報、および電源装置PU2〜PU4から受信したそれぞれの電力情報をもとに、出力電力を調整する。これもスレーブモードの一形態であるといえる。なお、コントローラCtr1は、電源装置PU1のインバータInv1の制御情報を生成し、インバータInv1は当該制御情報に基づき動作してもよい。

以上、本実施形態によれば、コントローラが故障した場合に、優先度の最も高いコントローラ機能を引き継ぐことで、スレーブモードによる出力電力制御を継続することができる。

(第7の実施形態)
図5は、第7の実施形態に係る電源システムを示す図である。図1と同一または対応する要素には同一の符号を付して、拡張された処理を除き、重複する説明を省略する。

本実施形態では、コントローラが複数存在することとなった場合の動作を説明する。

コントローラCtr0と電源装置PU1, PU2との間で通信品質が低下したとする。この場合、前述のように電源装置PU1, PU2はいったん自律モードに移行する。電源装置PU1は、コントローラ使用順位が最も高いから（図2参照）、コントローラ動作に移行し、他の電源装置PU2、PU3、PU4に対して通信を確立しようと試みる。電源装置PU1はコントローラCtr0と異なる無線チャネルを使用して通信を行うため、コントローラCtr0と電源装置PU3, PU4との通信に対して妨害を与えることがない。

電源装置PU3, PU4についてはすでにコントローラCtr0との間で通信が確立しているから、電源装置PU1とは通信を行わない。一方、電源装置PU2についてはコントローラCtr0に対してスレーブモードではなく（自律モードに移行しており）、このため電源装置PU1からのアクセスに対し通信を確立することができる。電源装置PU1と通信を確立した電源装置PU2は、電源装置PU1をコントローラとするスレーブモードで動作する。

なお、図5において、仮に電源装置PU2がコントローラCtr0との間の通信品質が良好、すなわち通信が確立している場合、電源装置PU2は電源装置PU1と通信をすることはない。このとき、電源装置PU1は他のいずれの電源装置とも通信を確立できないから、自律モードで動作する。

以上、本実施形態によれば、複数のコントローラが併存して動作することが可能となる。

(第8の実施形態)
図6は、第8の実施形態に係る電源システムを示す図である。図1と同一または対応する要素には同一の符号を付して、拡張された処理を除き、重複する説明を省略する。

本実施形態では、電源装置PU1がコントローラとして動作している期間において、コントローラCtr0が復帰した場合の動作を示す。

単純な動作例としては、コントローラCtr0の優先順位が高いことから、電源装置PU1とコントローラCtr0の測定値が第2しきい値より小さい（通信品質が第2基準）以上であれば、無条件にコントローラCtr0をコントローラとして用いてもよい。あるいは、通信品質にかかわらず常にコントローラCtr0を新たなコントローラとして使用することもできる。第2しきい値は、前述した第1しきい値または前述した別の閾値と同じ値でもよいし、これとは異なる値でも良い。

また別の方法として、以下も可能である。

はじめに、復帰したコントローラCtr0は、全ての電源装置PU1〜PU4との通信を確立しようと試みる。このとき、コントローラCtr0は電源装置PU1〜PU4との間での無線品質に関する情報を得る。

次に、コントローラCtr0と電源装置PU1との間で無線品質情報のやりとりを行う。このとき、電源装置PU1またはコントローラCtr0のうち、より多くの電源装置との間で通信が確保できる方を、次のコントローラとして使用する。これにより、自律モードの電源装置の個数を少なくして（スレーブ動作する電源装置の個数を多くして）、電源装置間の出力電力バランスをより向上させることが可能となる。

具体的には、電源装置PU1またはコントローラCtr0のそれぞれについて、電源装置PU1〜PU4との間で、通信誤り率または通信ディレイといった通信品質を測定する。そして、第3しきい値よりも測定値が小さい（通信品質が第3基準以上の）電源装置をカウントする。なお、電源装置PU1については自身との通信品質を計測する必要はないため、無条件に1をカウントしてよい。両カウント値を比較し、電源装置PU1またはコントローラCtr0のうち、カウント値がより多い方を、次のコントローラとして、選択する。第3しきい値は、上述した第1しきい値、第2しきい値、または別のしきい値と同じ値でもよいし、異なる値でもよい。

この際、コントローラCtr0と電源装置PU1〜PU4との通信誤り率または通信ディレイ（通信品質）を判定する際のしきい値として、第3のしきい値よりも小さいしきい値を用いてもよい。これにより、判定基準を厳しくし、電源装置PU1よりも優先順位が高く、かつ通信品質が高いコントローラが復帰したときのみコントローラを変更する。これにより、頻繁にコントローラが変更されることがなくなり、電源システムの安定動作に寄与する。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims (14)

1. 負荷に電力を出力する複数の電源装置との間で通信を行うコントローラであって、
   前記電源装置から前記負荷への出力電力に関連する動作情報を無線により受信する受信部と、
   前記動作情報に基づいて前記電源装置を制御する制御情報を生成する制御情報生成部と、
   前記制御情報を前記電源装置に無線により送信する送信部と
   を備えたコントローラ。
2. 他の電源装置とともに負荷に電力を出力し、コントローラと通信を行う電源装置であって、
   前記負荷への出力電力に関連する動作情報を無線により前記コントローラに送信する送信部と、
   前記コントローラから制御情報を無線により受信する受信部と、
   前記制御情報に基づいて出力電力を制御する第1モードと、自律的に出力電力を制御する第2モードとを選択的に実行する電力出力部と
   を備えた電源装置。
3. 前記コントローラとの通信品質を測定する測定手段をさらに備え、
   前記電力出力部は、前記通信品質が第1基準以上のとき前記第1モードを実行し、前記通信品質が第1基準未満のとき、前記第2モードを実行する
   請求項2に記載の電源装置。
4. 前記測定手段は、前記通信品質として、通信誤り率または通信ディレイを測定する
   請求項3に記載の電源装置。
5. 前記電力出力部は、前記第2モードの実行中に、前記通信品質が前記第1基準以上になったとき、前記第2モードを前記第1モードに切り換える
   請求項3または4に記載の電源装置。
6. 前記他の電源装置から前記負荷への出力電力に関する動作情報を無線により受信し、前記動作情報に基づいて前記他の電源装置を制御する制御情報を生成し、前記制御情報を前記他の電源装置に無線により送信するコントロール機能を実行可能な第1コントローラ
   をさらに備えた請求項2ないし5のいずれか一項に記載の電源装置。
7. 前記第1コントローラと前記コントローラとを含む複数のコントローラ間の優先順位に関する設定情報を保持する記憶部をさらに備え、
   前記第1コントローラは、前記第1コントローラよりも優先順位が高いすべてのコントローラが停止した場合、または前記優先順位の高いすべてのコントローラとの通信品質が第1基準未満になった場合、前記第2モードで動作している他の電源装置と通信を確立し、前記コントロール機能を実行し、
   前記電力出力部は、前記他の電源装置から受信された動作情報に基づき、前記出力電力を制御する
   請求項6に記載の電源装置。
8. 前記設定情報は、前記第1コントローラが使用する無線チャネルに関する情報を含み、
   前記無線チャネルは、前記コントローラが使用する無線チャネルと異なり、
   前記設定情報に示される無線チャネルを用いて、前記他の電源装置と通信を行う
   請求項7に記載の電源装置。
9. 前記第1コントローラは、前記他の電源装置と前記第1基準以上の通信品質で通信を確立できなかったときは、前記コントロール機能を実行せず、
   前記電力出力部は、前記第2モードを実行する
   請求項7ないし8のいずれか一項に記載の電源装置。
10. 前記第1コントローラは、前記コントロール機能を実行しているときに、前記第1コントローラよりも優先順位の高いコントローラと第2基準以上の通信品質で通信可能になった場合、前記コントロール機能を停止し、
    前記電力出力部は、前記優先順位の高いコントローラと前記第1モードを実行する
    請求項7ないし9のいずれか一項に記載の電源装置。
11. 前記第1コントローラは、
    前記コントロール機能を実行しているときに、前記第1コントローラよりも優先順位の高いコントローラと通信可能になったことを検出し、
    前記第1コントローラが第3基準以上の通信品質で通信可能な電源装置の個数と、前記優先順位の高いコントローラが前記第3基準以上の通信品質で通信可能な電源装置の個数を比較し、比較結果に応じて前記コントロール機能を停止または継続する
    請求項10に記載の電源装置。
12. 前記コントローラとの通信品質に応じて、前記コントローラと通信する情報量および無線変調方式を変更することを決定する
    請求項2ないし11のいずれか一項に記載の電源装置。
13. 前記負荷に出力する電力の大きさに応じて、前記コントローラと通信する情報量および無線変調方式を変更することを決定する
    請求項2ないし12のいずれか一項に記載の電源装置。
14. 請求項1に記載のコントローラと、請求項2〜13のいずれか一項に記載の電源装置とを備えた電源システム。

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