JP2023083863A - 電力変換器、電力システム及び電力変換器の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力ネットワークにおいて負荷の変動に対して直流のバスを安定させる。【解決手段】電力変換器１１は、入力された電力を変換して出力する直流の電力変換部１１ａと、入力された、または出力する前記電力の電気特性値の測定値を取得する測定部であるセンサ１１ｂと、入力値に応じて電気特性値の目標値が定義された垂下特性を有する参照関数に基づいて、前記垂下特性に対応した電圧制御又は電力制御若しくは電流制御で入力値に応じて前記電力変換部の電力変換特性を制御する制御部１１ｃと、を備え、前記制御部１１ｃは、前記測定値を前記入力値とし、当該入力値から前記参照関数に基づいて定まる前記目標値と、前記電力変換部が接続される直流のバスに慣性力を生じさせる仮想的な電気素子の物理量に基づいて前記電力変換特性を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換器、電力システム及び電力変換器の制御方法。

直流（ＤＣ）電源ネットワークに接続される電力変換器の発明として、例えば特許文献１に開示されたマルチレベルコンバータがある。このマルチレベルコンバータは、交流（ＡＣ）電圧をＤＣ電圧に変換し、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換するコンバータである。このマルチレベルコンバータは、ＤＣ電源ネットワークへの接続のためのＤＣ部分と、ＡＣ電源ネットワークへの接続のためのＡＣ部分とを備えており、ＤＣ部分では、ＤＣ電源ネットワークと並列に仮想キャパシタが関連づけられている。仮想キャパシタは、ＤＣ電源ネットワークの慣性を安定化するように作用し、ＤＣ電源ネットワークからマルチレベルコンバータに入る余剰の電力は、仮想キャパシタによって吸収される。仮想キャパシタの値を変更することにより、ＤＣ電源ネットワークの電圧と、ＤＣ電源ネットワークの慣性に影響を及ぼすことが可能であり、例えば、仮想キャパシタの値を増加することにより、コンバータの慣性が増加され、ＤＣ電源ネットワークの電圧が安定する。

特許第６３７１６０３号公報

電力を供給するネットワークにおいては、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置である太陽光発電装置（PhotoVoltaic：ＰＶ）、定置型蓄電装置、電気自動車（Electric Vehicle：ＥＶ）等の多種多様な直流機器を、ＤＣ／ＤＣ変換器である電力変換器を介してＤＣバスに接続し、直流での電力ネットワーク（ＤＣグリッド）を構築する検討が進められている。しかしながら、再生可能エネルギー導入の拡大により多くの蓄電装置やＥＶが導入されたＤＣグリッドでは、大きな負荷が発生するとネットワークの電圧が大きく変動し、定格電圧外で運転される虞がある。

特許文献１に開示されたコンバータは、ＡＣ電圧とＤＣ電圧との変換を行うＡＣ／ＤＣ変換器であるため、直流機器とＤＣバスとの間で電力の授受を行う電力変換器として使用することができない。また、ＤＣ／ＤＣ変換を行う既存の電力変換器では、ＤＣグリッドにおける電圧変動に対応しておらず、ＤＣバスの大きな電圧変動に対応することができていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力ネットワークにおいて負荷の変動に対して直流のバスを安定させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る電力変換器は、入力された電力を変換して出力する直流の電力変換部と、入力された、または出力する前記電力の電気特性値の測定値を取得する測定部と、入力値に応じて電気特性値の目標値が定義された垂下特性を有する参照関数に基づいて、前記垂下特性に対応した電圧制御又は電力制御若しくは電流制御で入力値に応じて前記電力変換部の電力変換特性を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記測定値を前記入力値とし、当該入力値から前記参照関数に基づいて定まる前記目標値に基づいて前記電力変換部の電力変換特性を制御し、前記電力変換部が接続される直流のバスに仮想慣性を付与する。

本発明の一態様に係る電力変換器においては、前記測定値に基づいて前記バスの状態を判定し、前記バスが過渡状態であると判定した場合には、前記測定値を前記入力値とし、当該入力値から前記参照関数に基づいて定まる前記目標値に基づいて前記電力変換部の電力変換特性を制御し、前記電力変換部が接続される直流のバスに仮想慣性を付与し、前記バスが定常状態であると判定した場合には、前記測定値を前記入力値とし、当該入力値から前記参照関数に基づいて定まる前記目標値に基づいて前記電力変換特性を制御する。

本発明の一態様に係る電力変換器においては、前記制御部は、前記測定値を予め定められた周期で取得し、最新の測定値が示す電圧と、最新の測定値より所定回数前に取得した測定値が示す電圧との差の絶対値が閾値以上である場合に過渡状態であると判定する。

本発明の一態様に係る電力システムは、前記電力変換器と、前記電力変換器に接続された直流のバスと、前記電力変換器に接続された、電力の供給、消費または充電が可能な電力要素と、を備える。

本発明の一態様に係る電力変換器の制御方法は、入力された電力を変換して出力する直流の電力変換器の制御方法であって、前記電力変換器に入力された、または前記電力変換器が出力する電力の電気特性値の測定値を取得する測定ステップと、入力値に応じて電気特性値の目標値が定義された垂下特性を有する参照関数に基づいて、前記垂下特性に対応した電圧制御又は電力制御若しくは電流制御で入力値に応じて前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップと、を備え、前記制御ステップでは、前記測定値を前記入力値とし、当該入力値から前記参照関数に基づいて定まる前記目標値に基づいて前記電力変換器の電力変換特性を制御し、前記電力変換器が接続される直流のバスに仮想慣性を付与する。

本発明によれば、電力ネットワークにおいて負荷の変動に対して直流のバスを安定させることができる。

図１は、実施形態に係る電力システムの構成を示す図である。 図２は、図１に示す電力変換器の構成を示す図である。 図３は、図２に示す制御部の電力変換機能に係る構成を示す図である。 図４は、バスの電圧値の時間変化の一例を示す図である。 図５は、仮想慣性制御を行うときの電力変換部の等価回路図である。 図６は、電力変換特性の一例を示す図である。 図７は、電力変換器の制御部が行う処理の流れを示すフローチャートである。 図８は、バス３０の電圧の変化の一例を示すグラフである。 図９は、バス３０の電流の変化の一例を示すグラフである。 図１０は、電力システムの制御方法の一例を示すシーケンス図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一の部分には適宜同一の符号を付している。

［実施形態］
＜電力システムの構成＞
図１は、実施形態に係る電力システムの構成を示す図である。電力システム１００は、複数の電力変換器１１、１２、１３、１４と、複数の電力要素２１、２２、２３、２４と、バス３０とを備えている。さらに、電力システム１００は、ＥＭＳ（Energy Management System）４０を備える。ＥＭＳ４０は中央制御装置の一例である。

電力変換器１１、１２、１３は、所謂ＤＣ／ＤＣ変換器であり、電力変換器１４はＡＣ／ＤＣ変換器である。電力変換器１１、１２、１３、１４は有線または無線により情報通信を行う機能を有する。電力変換器１１、１２、１３、１４の構成や機能については後に詳述する。

バス３０は、電力システム１００ではＤＣバスであり、電力変換器１１、１２、１３、１４に接続される。電力システム１００では、ＤＣグリッドを含む電力ネットワークが構成されている。

電力要素２１は、一例として電力の供給、消費および充電が可能な定置型蓄電装置であり、電力変換器１１に接続される。定置型蓄電装置は、常設される設備内蓄電装置の一例である。電力変換器１１は、電力要素２１が供給したＤＣ電力の電圧を変換してバス３０に出力し、かつバス３０から供給されたＤＣ電力の電圧を変換して電力要素２１に出力し、充電させる機能を有する。

電力要素２２は、一例として電力の発電および供給が可能な太陽光発電装置であり、電力変換器１２に接続される。太陽光発電装置は、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置の一例である。電力変換器１２は、電力要素２２が供給したＤＣ電力の電圧を変換してバス３０に出力する機能を有する。

電力要素２３は、一例として電力の供給、消費および充電が可能な車載蓄電装置であり、電力変換器１３に接続される。車載蓄電装置は電気自動車ＥＶに搭載されており、移動する非定置型の蓄電装置の一例である。電力変換器１３は、電力要素２３が供給したＤＣ電力の電圧を変換してバス３０に出力し、かつバス３０から供給されたＤＣ電力の電圧を変換して電力要素２３に出力し、充電させる機能を有する。電力変換器１３はたとえば充電ステーションや住宅用充電設備に設けられるが、電気自動車ＥＶに搭載されてもよい。

電力要素２４は、一例として商用電力系統であり、電力変換器１４に接続される。電力変換器１４は、電力要素２４が供給したＡＣ電力をＤＣ電力に変換してバス３０に出力し、かつバス３０から供給されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換して電力要素２４に出力する。バス３０から電力要素２４への電力の出力は逆潮流とも呼ばれる。

ＥＭＳ４０は、電力システム１００の状態を統合的に管理する機能を有する。ＥＭＳ４０は、制御部４１と、記憶部４２と、通信部４３とを備えている。

制御部４１は、ＥＭＳ４０の機能の実現のための各種演算処理を行うものであり、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサを含んで構成される。制御部４１の機能は、制御部４１が記憶部４２から各種プログラムを読み出して実行することで、機能部として実現される。

記憶部４２は、制御部４１が演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータなどが格納される、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）を備えている。また、記憶部４２は、制御部４１が演算処理を行う際の作業スペースや制御部４１の演算処理の結果などを記憶するなどのために使用される、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）を備えている。記憶部４２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの補助記憶装置を備えていてもよい。

通信部４３は、有線または無線により情報通信を行う通信モジュールを含んで構成されている。通信部４３は、インターネット回線網や携帯電話回線網などから構成されるネットワークＮＷを経由して、電力変換器１１、１２、１３、１４や外部サーバ２００と情報通信を行う。

なお、外部サーバ２００は、電力システム１００の外部に設けられたサーバである。外部サーバ２００は、たとえば、他の電力システムにおいてＥＭＳとして機能するように構成された情報処理装置や、データベースを備え、ＥＭＳ４０に対してデータサーバとして機能する情報処理装置である。外部サーバ２００は、電力システム１００の運用に影響を及ぼす可能性のある各種情報を記憶している。

＜電力変換器の構成＞
つぎに、電力変換器１１の具体的構成について説明する。図２は、電力変換器１１の構成を示す図である。電力変換器１１は、電力変換部１１ａと、センサ１１ｂと、制御部１１ｃと、通信部１１ｄとを有する。

電力変換部１１ａは、放電している電力要素２１から入力されたＤＣ電力の電圧を変換してバス３０に出力するＤＣ／ＤＣ変換を行う。電力変換部１１ａは、バス３０から入力されたＤＣ電力の電圧を変換して電力要素２１に出力し、充電することもできる。電力変換部１１ａは、たとえばコイル、コンデンサ、ダイオード、スイッチング素子などを含む電気回路で構成されている。スイッチング素子はたとえば電界効果トランジスタや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである。電力変換部１１ａは、たとえばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって電力変換特性を制御することができる。

センサ１１ｂは、電力変換部１１ａのバス３０側の電力の電気特性値を測定する。したがって、センサ１１ｂは、バス３０から電力変換器１１に入力されるまたは電力変換器１１からバス３０へ出力する電力の電気特性値を測定する。センサ１１ｂは、電流値、電圧値、電力値などを測定することができる。センサ１１ｂは、測定値を取得する測定部の一例である。センサ１１ｂは、電気特性値の測定値を制御部１１ｃに出力する。

制御部１１ｃは、電力変換器１１の主に電力変換機能の実現のために、電力変換部１１ａの動作を制御するための各種演算処理を行うプロセッサと記憶部とを含んで構成される。プロセッサおよび記憶部は、それぞれ、制御部４１、記憶部４２の構成として例示したものを用いることができる。制御部１１ｃの機能は、プロセッサが記憶部から各種プログラムを読み出して実行することで、機能部として実現される。例えば、制御部１１ｃは、自端の電力（Ｐ）又は自端の電流（I）と自端の電圧（Ｖ）に基づいた参照関数が付与され、付与された参照関数に基づいて電力変換部１１ａの電力変換特性を制御する。具体的には、制御部１１ｃは、ＰＷＭ制御のための操作量（たとえば、デューティ比）の情報を含むＰＷＭ信号を電力変換部１１ａに出力し、電力変換部１１ａをＰＷＭ制御する。なお、制御部１１ｃは、操作量を電力変換部１１ａに直接的に出力してもよいし、図示しない他の機能部（たとえばループ制御部）を介して電力変換部１１ａに出力してもよい。

ＤＣバスに要求される電力量又は電流に応じて目標電圧値に垂下特性を持たせる、すなわちドループ特性を持たせた参照関数が用いられる場合、当該制御はドループ制御と呼ばれる場合がある。各電力変換器が自律分散的にドループ制御を行うことにより、ＤＣバスに要求される電力量に応じて各機器の電力融通の負荷分担を実施しつつ、ＤＣバスの電圧を安定化できる。

通信部１１ｄは、有線または無線により情報通信を行う通信モジュールと、通信モジュールの動作を制御する通信制御部とを含んで構成されている。通信部１１ｄは、ネットワークＮＷを経由して、ＥＭＳ４０と情報通信を行う。通信部１１ｄは、たとえば、ＥＭＳ４０から情報や指令を受信し、制御部１１ｃに出力する。また、通信部１１ｄは、たとえば、制御部１１ｃから入力された電力状況に関する情報をＥＭＳ４０に送信する。なお、通信部１１ｄは、電力状況に関する情報がセンサ１１ｂの測定値である場合は、たとえば、センサ１１ｂから入力された測定値をＥＭＳ４０に送信してもよい。

図３は、制御部１１ｃの主に電力変換機能に係る構成を示す図である。制御部１１ｃは、プログラムの実行によってソフトウェア的に実現される機能部である操作量設定部１１ｃａ、判定部１１ｃｂおよび更新部１１ｃｃと、記憶部１１ｃｄとを備えている。

更新部１１ｃｃは、通信部１１ｄから入力された更新指令に含まれている参照関数情報と制御方法情報を記憶部１１ｃｄに記憶させ、記憶部１１ｃｄに記憶されている参照関数情報と制御方法情報を更新する。ここで、参照関数情報とは、参照関数を構成するドループ関数を特定するための各種情報であるが、後に詳述する。

判定部１１ｃｂは、操作量設定部１１ｃａが行うフィードバック制御の方法を記憶部１１ｃｄに記憶されている制御方法情報に基づいて判定し、この判定結果を判定情報として出力する。なお、このフィードバック制御の方法としては、センサ１１ｂによる電圧の測定値Ｖｏと、参照関数情報と、に基づいて目標電力Ｐｒｅｆ（目標値の一例）を決定し、Ｐｒｅｆと、センサ１１ｂによる電力の測定値Ｐｏ（制御対象値の一例）との差分が許容範囲以下になるように操作量を設定するフィードバック制御（以下、ｄｒｏｏｐＰ制御と称する）と、センサ１１ｂによる電力の測定値Ｐｏと、参照関数情報と、に基づいて目標電圧Ｖｒｅｆ（目標値の一例）を決定し、Ｖｒｅｆと、センサ１１ｂによる電圧の測定値Ｖｏ（制御対象値の一例）との差分が許容範囲以下になるように操作量を設定するフィードバック制御（以下、ｄｒｏｏｐＶ制御と称する）と、センサ１１ｂによる電圧の測定値Ｖ_ｏと、参照関数情報と、に基づいて目標電流Ｉ_ｒｅｆ（目標値の一例）を決定し、Ｉ_ｒｅｆと、センサ１１ｂによる電流の測定値Ｉ_ｏ（制御対象値の一例）との差分が許容範囲以下になるように操作量を設定するフィードバック制御（以下、ｄｒｏｏｐＩ制御と称する）と、がある。電力制御の一例であるｄｒｏｏｐＰ制御と、電圧制御の一例であるｄｒｏｏｐＶ制御と、電流制御の一例であるｄｒｏｏｐＩ制御は、電力変換部１１ａの出力を制御する制御方法の一例である。前述の制御方法情報は、ｄｒｏｏｐＰ制御、ｄｒｏｏｐＶ又はｄｒｏｏｐＩ制御を表す情報であり、判定部１１ｃｂは、フィードバック制御の方法を記憶部１１ｃｄに記憶されている制御方法情報に基づいて判定し、ｄｒｏｏｐＰ制御を行うとの判定結果、ｄｒｏｏｐＶ制御を行うとの判定結果、又はｄｒｏｏｐＩ制御を行うとの判定結果を判定情報として出力する。

また、判定部１１ｃｂは、フィードバック制御の方法をｄｒｏｏｐＩ制御と判定した場合、バス３０が定常状態と過渡状態のいずれであるかをセンサ１１ｂから出力される測定値に基づいて判定し、この判定結果を判定情報として出力する。具体的には、判定部１１ｃｂは、予め定められた周期でセンサ１１ｂから測定値を取得する。判定部１１ｃｂは、この取得した測定値を記憶部１１ｃｄに記憶させる。判定部１１ｃｂは、記憶部１１ｃｄに記憶された測定値が含むバス３０の電圧値に基づいて、バス３０が定常状態であるか過渡状態であるか判定し、判定結果を判定情報として出力する。

測定値に含まれるバス３０の電圧値の時間変化の一例を図４に示す。図４において縦軸は、バス３０の電圧であり、横軸は、測定値の取得のステップ数である。判定部１１ｃｂは、例えば、取得した最新の測定値のステップ数をｎとし、ｎ回目のステップで取得した電圧値（Ｖ_ｏｂｓｖ［ｎ］）と、ｎ－ｋ回目のステップで取得した電圧値（Ｖ_ｏｂｓｖ［ｎ－ｋ］）との差の絶対値を算出する。判定部１１ｃｂは、図４（ａ）に示すようにＶ_ｏｂｓｖ［ｎ］とＶ_ｏｂｓｖ［ｎ－ｋ］との差の絶対値が小さく、｜Ｖ_ｏｂｓｖ［ｎ］－Ｖ_ｏｂｓｖ［ｎ－ｋ］｜＜閾値である場合には、定常状態であると判定する。また、判定部１１ｃｂは、図４（ｂ）に示すようにＶ_ｏｂｓｖ［ｎ］とＶ_ｏｂｓｖ［ｎ－ｋ］との差の絶対値が大きく、｜Ｖ_ｏｂｓｖ［ｎ］－Ｖ_ｏｂｓｖ［ｎ－ｋ］｜≧閾値である場合には、過渡状態であると判定する。測定値を取得するサンプリング周波数は、例えば１０ｋＨｚであり、ｋの値は２００であるが、測定値の取得のサンプリング周波数とｋの値は、これらの周波数と値に限定されるものではなく、他の周波数と値であってもよい。また、定常状態であるか過渡状態であるかを判定するための閾値は、バス３０に接続される電力変換部や電力要素によって定められる。

操作量設定部１１ｃａは、フィードバック制御の方法を判定部１１ｃｂから入力された判定情報に従って設定し、センサ１１ｂから入力された測定値と、記憶部１１ｃｄから取得した参照関数情報と、判定情報が示すバス３０の状態に基づいて操作量を設定して電力変換部１１ａに出力する。例えば、操作量設定部１１ｃａは、フィードバック制御の方法をｄｒｏｏｐＩ制御に設定した場合、判定情報が示すバス３０の状態が定常状態であるときには定常制御を行い、判定情報が示すバス３０の状態が過渡状態であるときには仮想慣性制御を行う。

図５は、仮想慣性制御を行うときの電力変換部１１ａの等価回路図である。仮想慣性制御とは、電力変換部１１ａで電流源ＩＡに対して仮想的なキャパシタの動作を模擬し、バス３０の電圧について実際のキャパシタによる慣性力と同様の慣性力、即ち仮想的な慣性力である仮想慣性力を生じさせることにより、バス３０の急激な電圧変動を抑える制御である。ここで慣性力とは、電圧の変動に対して変動を抑えようとする力や電圧の瞬時の変化に耐える力である。具体的には、操作量設定部１１ｃａは、仮想慣性制御を行う場合、電力変換部１１ａからの電流の出力値Ｉ_ｏｕｔを以下の式（１）に示す式で算出し、算出した出力値Ｉ_ｏｕｔとなるように操作量を設定する。なお、式（１）においては、Ｉ_ｏは、ｄｒｏｏｐＩ制御で目標とする電流の目標値、Ｖ_ｏｂｓｖは、バス３０の電圧の測定値、Ｒは、バス３０の仮想抵抗Ｒの抵抗値、Ｃは、バス３０の仮想キャパシタＣの静電容量、Ｔ_ｓは、制御周期、ｎは、制御のステップ数である。仮想抵抗Ｒの抵抗値と仮想キャパシタＣの静電容量は、バス３０に接続される電力変換部や電力要素によって定められる。なお、式（１）は一例であり、仮想慣性制御を行うためにＩ_ｏｕｔを設定する式は、式（１）に限定されるものではなく、仮想抵抗Ｒと仮想キャパシタＣの動作を模擬できるものであれば他の式であってもよい。

また、操作量設定部１１ｃａは、定常制御を行う場合には、電力変換部１１ａからの電流の出力値Ｉ_ｏｕｔを以下の式（２）で算出し、算出した出力値Ｉ_ｏｕｔとなるように操作量を設定する。定常制御は、仮想慣性制御から仮想キャパシタＣの成分を除いた制御である。

なお、操作量設定部１１ｃａが行うフィードバック制御は、たとえば記憶部１１ｃｄに記憶された比例ゲイン、積分時間、微分時間などのパラメータを読み出して実行されるＰＩＤ制御等の、公知の手法を用いて実行できる。

記憶部１１ｃｄまたは操作量設定部１１ｃａは、電力状況に関する情報や参照関数情報、制御方法情報などの情報を通信部１１ｄに出力する。

なお、他の電力変換器１２、１３、１４は、電力変換器１１と同様の構成を有していてもよい。ただし、電力変換器１４の電力変換部１１ａは、電力要素２４から入力されたＡＣ電力をＤＣ電力に変換してバス３０に出力したり、バス３０から入力されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換して電力要素２４に出力したりする、いわゆるインバータである。

＜参照関数の特性＞
つぎに、制御部１１ｃが電力変換部１１ａの電力変換特性を制御する基となる参照関数について説明する。図６は、電力変換特性の一例を示す図である。

図６（ａ）は、電力変換器１１が有する電力変換部１１ａのバス３０側の電流（Ｉ）と電圧（Ｖ）との関係であるＶ－Ｉ特性を示す図であり、電力変換器１１が有する電力変換部１１ａの電力変換特性を示している。なお、Ｉは、電力変換部１１ａがバス３０に電力を供給する状態、即ち電力要素２１の放電状態の場合は正値であり、バス３０から電力を供給される状態、即ち電力要素２１の充電状態の場合は負値である。

図６（ａ）に示す線ＤＬ１は、途中で屈曲した直線状または曲線状の線である。この線ＤＬ１が表す参照関数は、入力値の区間に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる５つの垂下特性のドループ関数で構成されている。具体的には、線ＤＬ１は、５つのドループ関数を表す線で構成されており、参照関数情報によって特定される。参照関数情報は、たとえば、横軸をＩ、縦軸をＶとした座標におけるドループ関数の境界の座標情報、ドループ関数の切片情報、傾き（すなわち垂下係数）の情報、形状（直線、曲線など）の情報が含まれている。電力変換器１１においては、制御部１１ｃは、電力変換部１１ａの電力変換特性を、線ＤＬ１で示される参照関数の特性となるように制御する。すなわち、電力変換器１１の制御部１１ｃは、Ｖの値とＩの値とで定義される動作点が線ＤＬ１上に位置するように電力変換部１１ａを制御する。

図６（ｂ）は、電力変換器１２が有する電力変換部１１ａのバス３０側の電力（Ｐ）と電圧（Ｖ）との関係であるＶ－Ｐ特性を示す図であり、電力変換器１２が有する電力変換部１１ａの電力変換特性を示している。なお、Ｐは、電力変換部１１ａがバス３０に電力を供給する状態、即ち電力要素２１の放電状態の場合は正値であり、バス３０から電力を供給される状態、即ち電力要素２１の充電状態の場合は負値である。

図６（ｂ）に示す線ＤＬ２は、途中で屈曲した直線状または曲線状の線である。この線ＤＬ２が表す参照関数は、入力値の区間に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる５つのドループ関数を表す線が接続して構成されており、線ＤＬ２は、線ＤＬ１と同様に参照関数情報によって特定される。この参照関数情報は、たとえば、横軸をＰ、縦軸をＶとした座標におけるドループ関数の境界の座標情報、ドループ関数の切片情報、傾き（すなわち垂下係数）の情報、形状（直線、曲線など）の情報が含まれている。電力変換器１２においては、制御部１１ｃは、電力変換部１１ａの電力変換特性を、線ＤＬ２で示される参照関数の特性となるように制御する。すなわち、電力変換器１２の制御部１１ｃは、Ｖの値とＰの値とで定義される動作点が線ＤＬ２上に位置するように電力変換部１１ａを制御する。

図６（ｃ）は、電力変換器１３が有する電力変換部１１ａのバス３０側の電力（Ｐ）と電圧（Ｖ）との関係であるＶ－Ｐ特性を示す図であり、電力変換器１３が有する電力変換部１１ａの電力変換特性を示している。

図６（ｃ）に示す線ＤＬ３は、途中で屈曲した直線状または曲線状の線である。この線ＤＬ３が表す参照関数は、入力値の区間に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる９つのドループ関数を表す線が接続して構成されており、線ＤＬ３も参照関数情報によって特定される。電力変換器１３においては、制御部１１ｃは、電力変換部１１ａの電力変換特性を、線ＤＬ３で示される参照関数の特性となるように制御する。すなわち、電力変換器１３の制御部１１ｃは、Ｖの値とＰの値とで定義される動作点が線ＤＬ３上に位置するように電力変換部１１ａを制御する。

図６（ｄ）は、電力変換器１４が有する電力変換部１１ａのバス３０側の電力（Ｐ）と電圧（Ｖ）との関係であるＶ－Ｐ特性を示す図であり、電力変換器１４が有する電力変換部１１ａの電力変換特性を示している。

図６（ｄ）に示す線ＤＬ４は、途中で屈曲した直線状または曲線状の線である。この線ＤＬ４が表す参照関数は、入力値の区間に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる３つのドループ関数を表す線が接続して構成されており、線ＤＬ４は、線ＤＬ１と同様に参照関数情報によって特定される。電力変換器１４においては、制御部１１ｃは、電力変換部１１ａの電力変換特性を、線ＤＬ４で示される参照関数の特性となるように制御する。すなわち、電力変換器１４の制御部１１ｃは、Ｖの値とＰの値とで定義される動作点が線ＤＬ４上に位置するように電力変換部１１ａを制御する。

＜制御方法＞
つぎに、電力変換器１１、１２、１３、１４の制御方法および電力システム１００の制御方法について説明する。電力システム１００では、電力変換器１１、１２、１３、１４が個別に自律分散的に制御を行う、いわゆる自端制御と、ＥＭＳ４０が、電力システム１００の電力状況に応じて電力変換器１１、１２、１３、１４を協調制御する集中制御とが実行され得る。なお、たとえば、自端制御は比較的短い周期で繰り返し実行され、集中制御は自端制御の周期よりも長い間隔で実行される。自端制御は一次制御とも呼ばれ、集中制御は二次制御とも呼ばれる。これらの制御方法は、たとえば、各電力変換器またはＥＭＳ４０において、プログラムがプロセッサに実行させる。

＜自端制御＞
はじめに、自端制御における電力変換器１１、１２、１３、１４の制御方法について、電力変換器１１を例として説明する。他の電力変換器１２、１３、１４においても、以下の説明と同様の制御方法が適宜実行されてもよい。なお、電力要素２２が、太陽光発電装置のように、効率などの観点から発電量を制御しない要素である場合、電力変換器１２は、電力要素２２からその発電量に応じた電力が入力されると、その発電量にてバス３０への出力電力が最大になるように動作させるＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）方式の制御を実行してもよい。例えば、図４（ｂ）は、ＭＰＰＴ方式の制御を実行する際の参照関数の一例である。

電力変換器１１の制御方法においては、制御部１１ｃが、参照関数に基づいて、電力変換器１１の電力変換特性、すなわち電力変換部１１ａの電力変換特性を制御する制御ステップを実行する。この制御ステップの内容の一例について、図７を参照してさらに具体的に説明する。図７は、制御部１１ｃが行う処理の流れを示すフローチャートである。

はじめに、制御部１１ｃにおいては、操作量設定部１１ｃａと判定部１１ｃｂがセンサ１１ｂから最新の測定値を取得する（ステップＳ１０１）。次に制御部１１ｃにおいては、判定部１１ｃｂがｋ回前に取得して記憶された測定値を記憶部１１ｃｄから取得する（ステップＳ１０２）。続いて制御部１１ｃにおいては、判定部１１ｃｂがステップＳ１０１で取得した測定値が含むバス３０の電圧値（Ｖ_ｏｂｓｖ［ｎ］）と、ステップＳ１０２で取得した測定値が含むバス３０の電圧値（Ｖ_ｏｂｓｖ［ｎ－ｋ］）との差（Ｖ_ｏｂｓｖ［ｎ］－Ｖ_ｏｂｓｖ［ｎ－ｋ］）であるΔＶを算出する（ステップＳ１０３）。

次に制御部１１ｃにおいては、ΔＶの絶対値が予め定められた閾値以上であるかを判定部１１ｃｂが判断する（ステップＳ１０４）。判定部１１ｃｂは、ΔＶの絶対値が予め定められた閾値以上である場合（ステップＳ１０４でＹｅｓ）、過渡状態であるとの判定情報を操作量設定部１１ｃａへ出力し、操作量設定部１１ｃａが行う制御を仮想慣性制御に設定する（ステップＳ１０５）。判定部１１ｃｂは、ΔＶの絶対値が予め定められた閾値未満である場合（ステップＳ１０４でＮｏ）、定常状態であるとの判定情報を操作量設定部１１ｃａへ出力し、操作量設定部１１ｃａが行う制御を定常制御に設定する（ステップＳ１０６）。

つづいて、制御部１１ｃにおいては、操作量設定部１１ｃａが記憶部１１ｃｄから参照関数情報を取得する（ステップＳ１０７）。次に制御部１１ｃにおいては、記憶部１１ｃｄに記憶されている制御方法情報に基づいて判定部１１ｃｂがフィードバック制御の方法を判定する（ステップＳ１０８）。つづいて、制御部１１ｃにおいては、操作量設定部１１ｃａが判定部１１ｃｂから出力される判定情報を取得し、取得した判定情報に基づく制御方法でのフィードバック制御を実行するための操作量を、測定値および参照関数情報に基づいて設定し、電力変換部１１ａに出力する（ステップＳ１０９）。これにより電力変換部１１ａの制御が実行される。

図８は、バス３０が過渡状態であると判定部１１ｃｂが判定して操作量設定部１１ｃａがｄｒｏｏｐＩ制御で仮想慣性制御を行ったときのバス３０の電圧の変化を示すグラフである。図８においては、仮想慣性制御を行ったときのバス３０の電圧の変化を実線で示し、比較のため仮想慣性制御を行わなかったときの電圧の変化を破線で示している。バス３０の電圧が変化した場合、仮想慣性制御を行わないと、図８にて破線で示したようにバス３０の電圧が大きく変動する。一方、バス３０の電圧が変化した場合に仮想慣性制御を行うと、図８にて実線で示したようにバス３０の電圧を抑えることができる。

図９は、バス３０の電流値の変化を示すグラフである。具体的には、図９（ａ）は、ｄｒｏｏｐＩ制御で仮想慣性制御を行わないときのバス３０の電流値の変化を示しており、図９（ｂ）は、ｄｒｏｏｐＩ制御で仮想慣性制御を常時行ったときのバス３０の電流値の変化を示している。また、図９（ｃ）は、図７に示したフローチャートに従って、ｄｒｏｏｐＩ制御でバス３０が過渡状態であるときには仮想慣性制御を行い、ｄｒｏｏｐＩ制御でバス３０が定常状態であるときには定常制御を行ったときのバス３０の電流値の変化を示している。

制御部１１ｃがｄｒｏｏｐＩ制御を行うときに仮想慣性制御を行わないと、バス３０の電圧の変化に応じて図９（ａ）に示すように、バス３０の電流値が大きく変化する。しかしながら、この場合、電流値が大きく変化しているときには、バス３０の電圧は、図８にて破線で示したように電圧が大きく変動してしまう。

また、制御部１１ｃがｄｒｏｏｐＩ制御を行うときに仮想慣性制御を常時行うと、バス３０でのノイズによる小さな電圧変化をセンサ１１ｂが拾ってしまうため、電力変換部１１ａからの電流の出力値Ｉ_ｏｕｔは、図９（ｂ）に示すように振動してしまうこととなる。

一方、制御部１１ｃが、図７に示したフローチャートに従って、ｄｒｏｏｐＩ制御でバス３０が過渡状態であるときには仮想慣性制御を行い、ｄｒｏｏｐＩ制御でバス３０が定常状態であるときには定常制御を行った場合、図９（ｃ）に示すように定常状態では出力値Ｉ_ｏｕｔが振動するのを抑え、過渡状態では出力値Ｉ_ｏｕｔを収束させることができる。

＜集中制御＞
つぎに、集中制御について説明する。以下に示す例では、電力変換器１１、１２、１３、１４の外部に設けられたＥＭＳ４０が、電力変換器１１、１２、１３、１４が制御に用いる参照関数やフィードバック制御方法を指令によって更新することによって、集中制御を実行する。参照関数やフィードバック制御方法を指令によって更新するとは、指令が参照関数に関する参照関数情報と、フィードバック制御方法に関する制御方法情報とを含んでおり、指令によって参照関数の一部または全体と、フィードバック制御方法を更新することを意味する。電力変換器１１、１２、１３、１４のそれぞれの記憶部１１ｃｄは、参照関数情報と制御方法情報を更新可能に記憶している。

たとえば、ＥＭＳ４０と電力変換器１１、１２、１３、１４との情報通信においては、参照関数の更新を行う指令信号に、参照関数情報と、制御方法情報とが含まれる。参照関数情報は、上述したように、ドループ関数の境界の座標情報、ドループ関数の切片情報、傾き（すなわち垂下係数）の情報、形状（直線、曲線など）の情報である。制御方法情報は、ｄｒｏｏｐＰ制御、ｄｒｏｏｐＶ制御又はｄｒｏｏｐＩ制御を表す情報である。更新に使用される参照関数情報はＥＭＳ４０の記憶部４２に記憶されており、制御部４１が適宜読み出して用いる。

つぎに、集中制御として電力システム１００の制御方法の一例について、図１０のシーケンス図を参照して説明する。

はじめに、ＥＭＳ４０は、自装置のタイマーを発呼し、計時を開始する（ステップＳ２０１）。つづいて、ＥＭＳ４０は、電力変換器１１、１２、１３、１４のそれぞれに、自端計測情報を要求する（ステップＳ２０２）。自端計測情報とは、電力システム１００の電力状況に関する情報の一例であって、電力変換器１１、１２、１３、１４のそれぞれのセンサ１１ｂによって測定された測定値や、測定時刻を含む。

つづいて、電力変換器１１、１２、１３、１４は、それぞれ自端計測情報をＥＭＳ４０に送信する（ステップＳ２０３）。ＥＭＳ４０はそれぞれの自端計測情報を記憶部４２に記憶する。

つづいて、ＥＭＳ４０は、電力システム１００の電力状況に関する情報の一例として、外部サーバ２００に、電力システム１００の運用に影響を及ぼす可能性のある各種情報を要求する（ステップＳ２０４）。本例では、ＥＭＳ４０は外部サーバ２００に発電量・需要予測情報を要求する。発電量・需要予測情報は、電力システム１００における発電量の予測情報や電力の需要予測情報を含み、たとえば電力システム１００が設置されている地域の季節や現在の天気、今後の天気予報などの情報を含んでもよい。また、外部サーバ２００が他の電力システムのＥＭＳとして機能する場合、当該他の電力システムの運用状態が、電力システム１００の運用に影響を及ぼす可能性がある場合は、発電量・需要予測情報は、当該他の電力システムにおける発電量の予測情報や電力の需要予測情報を含むものでもよい。

つづいて、外部サーバ２００は、ＥＭＳ４０に、発電量・需要予測情報を送信する（ステップＳ２０５）。ＥＭＳ４０は発電量・需要予測情報を記憶部４２に記憶する。

つづいて、ＥＭＳ４０の制御部４１は、送信されてきた各情報、すなわち電力システム１００の電力状況に関する情報等を記憶部４２から読み出して、これに基づいて、電力システム１００の運用最適化計算を実行する（ステップＳ２０６）。

運用最適化計算は、様々な条件に適用するよう実行される。たとえば、電力システム１００が、バス３０が所定の電圧の動作点となるように制御されているとする。この状態において、ＥＭＳ４０が、発電量・需要予測情報により、太陽光発電装置である電力要素２２が設置された地域の今後の天気が晴天であって発電量が増加すると予想され、かつ電力要素２２に接続された電力変換器１２から取得した自端計測情報から、電力要素２２に電力供給の点で余裕があると判定したとする。この場合、ＥＭＳ４０は、当該動作点にて定置型蓄電装置である電力要素２１が充電されるように、電力要素２１に接続された電力変換器１１の参照関数を更新すると判定する。また、ＥＭＳ４０は、当該更新と同時に、商用電力系統である電力要素２４から電力供給されないように、電力要素２４に接続された電力変換器１４の参照関数を更新すると判定する。

また、運用最適化計算は、ピークカットや夜間電力の活用等、商用電力系統である電力要素２４の契約電力を超えないようにする観点や電気料金の適正化の観点からも条件設定され、実行することもできる。

また、ＥＭＳ４０の記憶部４２は、学習済モデルを格納しており、ＥＭＳ４０は、学習済モデルを用いて運用最適化計算を実行してもよい。学習済モデルは、たとえば、電力システム１００の電力状況に関する情報とそれに対応する電力変換器１１、１２、１３、１４に対する参照関数の切り替えや更新の結果とを教師データとして、ニューラルネットワークを用いた深層学習によって生成された学習済モデルを用いることができる。

つづいて、ＥＭＳ４０は、運用最適化計算の結果に基づいて、電力変換器１１、１２、１３、１４のうち更新対象の電力変換器に適した参照関数情報と制御方法情報を設定し、設定した参照関数情報および制御方法情報を含む参照関数（ドループ関数）及びフィードバック制御方法の更新指令を出力する（ステップＳ２０７）。つづいて、ＥＭＳ４０は、タイマーをリセットする（ステップＳ２０８）。

つづいて、電力変換器１１、１２、１３、１４のうち更新対象の電力変換器は、参照関数の更新とフィードバック制御方法の更新指令を取得し、参照関数およびフィードバック制御方法の更新を行う（ステップＳ２０９）。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。なお、上述した実施形態及び以下の変形例は、各々を組み合わせてもよい。上述した各実施形態及び各変形例の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態や変形例に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

上述した実施形態においては、制御部１１ｃは、ｄｒｏｏｐＰ制御を行うときにもバス３０が過渡状態の場合には仮想慣性制御を行い、バス３０が定常状態の場合には定常制御を行うようにしてもよい。電力変換器１１がｄｒｏｏｐＰ制御を行う場合、操作量設定部１１ｃａが参照する参照関数は、例えば、図６（ａ）に示す特性の横軸を電力（Ｐ）に替え、入力値の区間に応じて定義された垂下特性のドループ関数で構成される。

操作量設定部１１ｃａは、式（１）及び式（２）の式における仮想抵抗Ｒの抵抗値と仮想キャパシタＣの静電容量を、ＥＭＳ４０からの指示に応じて変更してもよい。また、ＥＭＳ４０は、式（１）及び式（２）における仮想抵抗Ｒの抵抗値と仮想キャパシタＣの静電容量を、電力変換器１１、１２、１３、１４から取得した情報に基づいて設定し、設定した抵抗値と静電容量にするように電力変換器１１、１２、１３、１４に指示してもよい。

本発明は、電力変換器、電力システム及び電力変換器の制御方法に利用することができる。

１１、１２、１３、１４ ：電力変換器
１１ａ ：電力変換部
１１ｂ ：センサ
１１ｃ、４１ ：制御部
１１ｃａ ：操作量設定部
１１ｃｂ ：判定部
１１ｃｃ ：更新部
１１ｃｄ、４２ ：記憶部
１１ｄ、４３ ：通信部
２１、２２、２３、２４ ：電力要素
３０ ：バス
４０ ：ＥＭＳ
１００ ：電力システム
２００ ：外部サーバ
ＤＬ１、ＤＬ２、ＤＬ３、ＤＬ４ ：線
ＥＶ ：電気自動車
ＮＷ ：ネットワーク

Claims (5)

1. 入力された電力を変換して出力する直流の電力変換部と、
   入力された、または出力する前記電力の電気特性値の測定値を取得する測定部と、
   入力値に応じて電気特性値の目標値が定義された垂下特性を有する参照関数に基づいて、前記垂下特性に対応した電圧制御又は電力制御若しくは電流制御で入力値に応じて前記電力変換部の電力変換特性を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記測定値を前記入力値とし、当該入力値から前記参照関数に基づいて定まる前記目標値に基づいて前記電力変換部の電力変換特性を制御し、前記電力変換部が接続される直流のバスに仮想慣性を付与する
   電力変換器。
2. 前記制御部は、前記測定値に基づいて前記バスの状態を判定し、前記バスが過渡状態であると判定した場合には、前記測定値を前記入力値とし、当該入力値から前記参照関数に基づいて定まる前記目標値に基づいて前記電力変換部の電力変換特性を制御し、前記電力変換部が接続される直流のバスに仮想慣性を付与し、前記バスが定常状態であると判定した場合には、前記測定値を前記入力値とし、当該入力値から前記参照関数に基づいて定まる前記目標値に基づいて前記電力変換特性を制御する
   請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記制御部は、前記測定値を予め定められた周期で取得し、最新の測定値が示す電圧と、最新の測定値より所定回数前に取得した測定値が示す電圧との差の絶対値が閾値以上である場合に過渡状態であると判定する
   請求項２に記載の電力変換器。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換器と、
   前記電力変換器に接続された直流のバスと、
   前記電力変換器に接続された、電力の供給、消費または充電が可能な電力要素と、
   を備える電力システム。
5. 入力された電力を変換して出力する直流の電力変換器の制御方法であって、
   前記電力変換器に入力された、または前記電力変換器が出力する電力の電気特性値の測定値を取得する測定ステップと、
   入力値に応じて電気特性値の目標値が定義された垂下特性を有する参照関数に基づいて、前記垂下特性に対応した電圧制御又は電力制御若しくは電流制御で入力値に応じて前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップと、
   を備え、
   前記制御ステップでは、前記測定値を前記入力値とし、当該入力値から前記参照関数に基づいて定まる前記目標値に基づいて前記電力変換器の電力変換特性を制御し、前記電力変換器が接続される直流のバスに仮想慣性を付与する
   電力変換器の制御方法。

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