JP4713996B2

JP4713996B2 - 自立運転制御装置および制御方法

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Publication number: JP4713996B2
Application number: JP2005313377A
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Inventors: 伸也直井; 康宏野呂; 裕文篠原
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Description

本発明は、商用系統から切り離された系統において分散型電源の自立運転を行う技術に係り、特に、電力変換装置を用いて安定した制御を実現することのできる自立運転制御装置および制御方法に関する。

商用系統から切り離された系統において分散型電源の自立運転を行う場合、当該系統内の回転機の分散型電源が出力する電圧の周波数が基準となり、回転機の調速機を利用して、回転機の回転数変化によって負荷分担、周波数調整を行っている。

また、近年では電力変換装置を用いて系統へ連系できるように電力を変換する分散型電源が増えてきており、電力変換装置を用いた分散型電源の自立運転制御方法や自立運転制御装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、回転機の分散型電源がない系統では、共通クロック信号を持つ共通制御装置を利用して各電力変換装置の出力を制御することにより自立運転を行っている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−３３９１１８公報特開平１０−１５５２４０公報

上述した技術である特許文献１では、回転機の調速機によって回転機の回転数変化を制御し、負荷分担および周波数調整を行っているため、回転機の分散型電源がない場合、周波数を決定するのは電力変換装置となり、上述の制御方法を適用することができない。そこで電力変換装置で負荷分担や周波数調整を実現しなくてはならない。

また、特許文献２では、一定の信号に同期して電力変換装置を動作させるだけのため、負荷の変動が大きい場合には変動に追従できず系統が不安定になる、という課題がある。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、電力変換装置から制御信号を出力することで安定した制御を実現することのできる自立運転制御装置および制御方法を提供することである。

前記目的を達成するために、本願発明の一態様によれば、商用系統から切り離された系統で分散型電源の自立運転の制御を行う自立運転制御装置であって、複数の分散型電源と、電力を変換するインバータと、前記インバータの出力を制御するインバータ制御手段と、前記インバータから出力された電流を検出する電流検出手段と、前記系統母線の電圧を検出する電圧検出手段とからなり、前記複数の分散型電源のそれぞれに接続され、前記複数の分散型電源から出力された電力を変換する複数の電力変換手段と、前記複数の電力変換手段のそれぞれに接続され、前記複数の電力変換手段によって変換された電力が出力される系統母線と、前記系統母線を介して前記分散型電源から出力された電力を消費する少なくとも１つ以上の負荷手段と、前記負荷手段の総量から前記分散型電源の出力を決定し、前記出力の指令を与える、前記複数の電力変換手段のそれぞれに接続された協調制御手段と、を備え、前記協調制御手段は、前記複数の電力変換手段のそれぞれに対し出力指令信号を送信し、前記複数の電力変換手段の制御を行うとともに、前記インバータ制御手段は、前記負荷手段の大きさによって前記インバータの出力を変化させるスロープ特性を有した制御を行い、前記複数の電力変換手段間で協調を取る制御をする一方、前記協調制御手段からの前記出力指令に基づいて、前記インバータの出力電圧及び／又は周波数を補正し、需給調整を行うことを特徴とする自立運転制御装置が提供される。

本発明を用いることにより、電力変換装置から制御信号を出力することで安定した制御を実現することのできる自立運転制御装置および制御方法を提供することができる。

以下図面を参照して、本発明実施形態を説明する。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る自立運転制御装置について図面を参照して説明する。

図１は、自立運転制御装置の構成を示す構成図である。

自立運転制御装置は、複数の分散型電源１ａ〜１ｎ、複数の分散型電源１ａ〜１ｎのそれぞれに接続され、複数の分散型電源１ａ〜１ｎから出力された電力を変換する複数の電力変換手段であるインバータ２ａ〜２ｎおよび制御装置１２ａ〜１２ｎ、インバータ２ａ〜２ｎのそれぞれに接続され、インバータ２ａ〜２ｎによって変換された電力が出力される系統母線１０、系統母線１０を介して分散型電源１ａ〜１ｎから出力された電力を消費する少なくとも１つ以上の負荷５Ａ〜５Ｎ、負荷５Ａ〜５Ｎの総量から分散型電源１ａ〜１ｎの出力を決定し、出力の指令を与える複数のインバータ２ａ〜２ｎのそれぞれに接続された協調制御装置３を備えている。

また、系統母線１０と負荷５Ａ〜５Ｎの間に電流検出器４２Ａ〜４２Ｎを設置し、電流検出器４２Ａ〜４２Ｎを協調制御装置３と接続する。さらに、系統母線１０とインバータ２ａ〜２ｎの間に電流検出器２２ａ〜２２ｎを設置し、電流検出器２２ａ〜２２ｎを制御装置１２ａ〜１２ｎに接続する。また、系統母線１０に設置した電圧検出器２１を協調制御装置３と接続する。

商用系統から切り離された系統において、分散型電源１ａ〜１ｎは電力を出力し、出力された電力はそれぞれインバータ２ａ〜２ｎで系統に連系できる電力に変換され、系統母線１０を介して負荷５Ａ〜５Ｎへ供給される。なお、インバータ２ａ〜２ｎはそれぞれの制御装置１２ａ〜１２ｎで制御されている。また電流検出器２２ａ〜２２ｎで検出された電流は、それぞれ制御装置１２ａ〜１２ｎへ、電流検出器４２Ａ〜４２Ｎで検出された電流は、協調制御装置３へ入力される。

さらに、系統母線１０の電圧は電圧検出器２１で検出され、協調制御装置３や制御装置１２ａ〜１２ｎに入れられる。なお、制御装置１２ａ〜１２ｎにはこの電圧を基に同期を取るため、同一の信号を入力しなければならないが、協調制御装置３には系統母線１０の電圧を入れればよいため、電圧検出器２１とは別の電圧検出器を用いても良い。

なお、従来技術では、各インバータが自立運転する際に同期をとる必要があるため、共通の制御装置から出力されるクロック信号をインバータの制御装置へ出力し、全てのインバータはそのクロック信号に従って運転しているが、本実施形態では、負荷の過渡的な変動に対しては共通の制御装置である協調制御装置３からの信号に関係なく個々のインバータ２ａ〜２ｎの制御装置１２ａ〜１２ｎで対応、制御し、全体の需給調整を共通の制御装置である協調制御装置３（からの出力指令信号）で行う。このため、本実施形態における協調制御装置３は、各インバータ２ａ〜２ｎの同期をとるためのクロック信号を出力せずに、各インバータ２ａ〜２ｎの出力指令値を出力指令信号として出力するものである。

次に、図２は電力変換装置の構成を示すブロック図である。

電力変換装置は、直流交流変換器２ａ（〜２ｎ）、電力変換装置の出力を制御する制御装置１２ａ（〜１２ｎ）、系統母線１０の電圧を検出する電圧検出器２１、各電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器２２ａ（〜２２ｎ）から構成されている。

制御装置１２ａには、電力変換装置が出力する電圧の振幅の基準となる電圧基準Vrefと、電圧の周波数の基準となる周波数基準frefと、電圧検出器２１で検出された系統母線１０の電圧と、電流検出器２２ａ〜２２ｎで検出された各電力変換装置の出力電流とが入力される。

なお、frefは５０Hzであれば５０、６０Hzであれば６０の値を示す信号である。

次に、電力変換装置の制御装置１２ａ〜１２ｎの内部構成について説明する。ここで制御装置１２ａ〜１２ｎは同一の構成であるので、その代表として制御装置１２ａについて説明する。

まず、電圧基準Vrefと電圧検出器２１で検出して得られた電圧信号を振幅検出器３２を介して得られる電圧振幅信号とを加算器３４Ｑで差分を取る。さらに電流検出器２２ａの検出信号を基準位相θに基づいて有効分と無効分に変換するＰＱ検出器３０から、無効分を比例増幅器３３Ｑを介して得られる補正信号を加算器３４Ｑで上述の差分信号に加算する。このように得られた信号を比例制御器３５に与える。この際、比例制御器３５の出力は、後述する位相信号θを基準としてインバータ２ａが出力すべき電圧指令を演算する電圧指令演算器３９を介して、インバータ２ａのスイッチングパターンを決定するＰＷＭ制御器（インバータ制御手段）４０に与えられる。このスイッチングパターンを基にインバータ２ａ〜２ｎを動作させることにより、分散型電源１ａ〜１ｎで発生した電力を系統に連系できるように変換することができる。

なお、電圧指令演算器３９では、積分器３１からの信号に従った周期をもち、比例制御器３５からの信号に従った振幅をもつ、インバータからの出力電圧に相当する正弦波状の信号が生成される。

また電圧検出器２１で検出して得られた電圧信号は、位相差検出器３６に入力される。さらに位相差検出器３６には、積分器３１から出力されている位相θが入力され、この位相θと電圧位相との位相差Δθが算出される。算出された位相差Δθは比例制御器３７で比例演算され、中心周波数fref（日本では５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）と加算器３４Pで加算され、積分器３１へ入力される。

なお、位相差検出器３６で位相差を検出し、その位相差を表す直流電圧を位相差検出器３６が出力する。

積分器３１から出力された信号が上述した位相信号θとなる。すなわち、通常のＰＬＬ（Phase Locked Loop：位相同期回路）において、比例制御器３７で比例演算した後の値に、周波数基準fref（中心周波数）のみ加算されるところを、比例増幅器３３Pから得られる補正信号をさらに加算して制御するものである。

また、加算器３４において、Vrefと３３Ｑからの補正信号を加算し、振幅検出器３２からの信号との差分を取り、比例制御器３５でＰＩ制御のうちのＰ制御を適用することにより、同期させたい機器の電圧を系統母線１０の電圧にあわせることができる。なお、基準となる電圧がない場合は、電圧検出器２１で検出される系統母線１０の電圧は当然０になり、電流検出器２２ａ〜２２ｎから得られる電圧の補正信号も０になる。従って、電力変換器の出力電圧は、Vrefの値のみで決定されることになる。この際、Vrefは一般的に系統母線１０の定常時の電圧に設定され、周波数は位相差を０とし、補正信号が０となることから、frefとなる。従って、基準の電圧がない場合は、Vrefの振幅を持ち、frefの周波数を持った電圧を発生するよう制御が行われる。

以上のように構成された自立運転制御装置を適用した制御方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。

協調制御装置３は起動指令を送り、分散型電源１ａ〜１ｎを起動する（ステップＳ１０）。次に、協調制御装置３は起動指令を送り、選択された任意の分散型電源の出力を開始させる（ステップＳ１１）。続いて、協調制御装置３は、自立運転が確立していると判別すると（ステップＳ１２のＹＥＳ）、すべての選択された任意の分散型電源の出力が開始されていないと判別されると（ステップＳ１３のＮＯ）、負荷５Ａ〜５Ｎを起動させ（ステップＳ１４）、以後、自立運転状態に入る。

すなわち、協調制御装置３は、負荷５Ａ〜５Ｎの総量と各分散型電源１ａ〜１ｎの状態を検出すると（ステップＳ１５）、負荷５Ａ〜５Ｎの総量が０であると判別すると（ステップＳ１６のＹＥＳ）、自立運転を終了し（ステップＳ１７）、終了信号を制御装置１２ａ〜１２ｎに送信して停止させる（ステップＳ１８）。

一方、負荷５Ａ〜５Ｎの総量が０でないと判別すると（ステップＳ１６のＮＯ）、各分散型電源１ａ〜１ｎの出力を決定し（ステップＳ１９）、各分散型電源１ａ〜１ｎへ出力指令値を出力指令信号として出力する（ステップＳ２０）。

次に、図３に示したように、電圧基準を無効電力で、周波数基準を有効電力と協調制御装置からの出力指令信号で補正する場合、図４を参照して電力変換装置単体での協調のとり方、補正の効果について説明する。なお、協調制御装置からの出力指令信号がないものとする。

図４、図５は、比例制御器３３Ｐ及び３３Ｑで補正される電圧基準と周波数基準の特性を示す図である。なお、図４、図５に示す特性の傾きは、制御対象となる電力変換器により異なる。

図４に示すように、ＰＱ検出器３０で検出されたインバータ２ａから負荷５へ流れる無効電力の大きさに比例して、出力電圧の電圧基準Vrefを下げるように補正する。例えば、無効電力が２ｂの場合、補正量はΔＶｂ、無効電力が２ａの場合、補正量はΔＶａとなるように補正する。

なお、無効電力に比例する信号から協調制御装置からの信号を減算した信号によって、分散電源の出力を一定にする場合は、分散電源の出力を一定に制御する際、図４の特性を用い、各分散電源で独自に電圧検出器２１からのＰＴ信号に同期を取るように運転し、その出力有効電力も各分散電源で決定する。

また、図５に示すように、ＰＱ検出器３０で検出されたインバータ２ａから負荷５へ流れる有効電力の大きさに比例して、出力電圧の周波数基準frefを減らすように補正する。例えば、有効電力が２ｂの場合、補正量はΔｆｂ、有効電力が２ａの場合、補正量はΔｆａとなるように補正する。なお、インバータの周波数が異なると位相がずれてしまい不安定になるため、全てのインバータの周波数が同じように増減して制御する。

なお、ＰＱ検出器３０で検出されたＰＱと協調制御装置３からのＰＱの指令値の差分を取り、差分が０になるように比例制御器３５で制御する。すなわち、協調制御装置３からのＰＱ信号と同じＰＱになるよう、制御装置１２ａ内で制御が行われる。

以下に、ＰＬＬの動作について簡単に説明する。まず、同期を取るための基準となる信号（電圧検出器（ＰＴ）２１からの信号）と、基準の信号に同期させたい機器の信号（電力変換器の出力信号：積分器３１からの信号）の位相の差を位相差検出器３６で得る。この位相差は数値として得られ、位相差が０になるように比例制御器３７で計算される。この演算処理はＰ制御（比例制御）である。

次に、この信号とfref（ＰＬＬでは中心周波数と呼ばれ、一般的に東日本では５０Ｈｚ、西日本では６０Ｈｚ）を加算すると、同期させたい機器の信号の周波数が得られ、この周波数信号を積分器３１で積分することにより位相を得ることができる。なお、この積分器は、ＰＬＬにおいては一般的にVCO（Voltage Controled Oscillater）と呼ばれ、入力された周波数信号に比例した周波数の信号を発振し、この信号が位相の情報となる。よって、比例制御器３７において、位相差が０になるように制御され、系統母線１０の位相とインバータ２ａから出力される位相を揃えるように機能する。これで位相差と周波数が一定となる。

すなわち、frefを基準の周波数とし、それに位相差信号と補正信号を加算することにより、積分器３１へ入力される周波数信号が変化し、積分器３１では入力される周波数信号に比例した周波数を持つ信号を出力するので、ＰＬＬにより周波数を増減することができる。

次に、インバータ間の電流差がなくなるよう制御を行う制御方法について説明する。

インバータ間の電流差は、各インバータが出力する電圧の振幅又は位相のうち少なくとも１つがずれた場合に発生する。このため、全てのインバータが出力する電圧の振幅と位相が一致すればインバータ間の電流差はなくなることとなる。

図４、図５に示す特性を用いて、振幅及び位相のずれをなくす制御を行う。

なお、図４、図５の特性図は、説明を簡単にするため誇張して示してある。

図６、図７は振幅の補正について示した模式図である。インバータの出力電圧２ａ、２ｂは、図６、７の特性に従って電圧を補正すると、２ａの振幅を２ｂより大きく下げることになるので、同じ電圧が得られる（補正後の波形は図７参照）。

図８、図９は周波数の補正について示した模式図である。同図では周波数を補正しているが、最終的には位相を調整するものである。インバータの出力電圧２ａ、２ｂは、図４、図５の特性に従って周波数（位相）を補正すると、２ａの周波数を２ｂの周波数より大きく下げることになるので、同じ周波数（位相）の電圧が得られる（補正後の波形は図７参照）。

以上から、同じ振幅、同じ位相の電圧を得ることができるので、インバータ間の電流差は０になり、平衡となる。

なお、上述した補正を行う場合、この補正による電圧低下は機器の動作に影響の無い範囲で行う必要がある。すなわち、補正による電圧低下は問題ない程度となる範囲で行う。

以上のように補正することにより、２台が並列接続されたインバータ２ａ，２ｂの間の検出系の誤差により、例えばインバータ２ａの進み方向の無効電力が大きく、電力変換装置２ｂの進み方向の無効電力が小さい場合は、インバータ２ａの電圧基準を下げるように補正する量が大きくなり、インバータ２ｂの電圧基準を下げるように補正する量が小さくなる。従って、インバータ２ｂに対するインバータ２ａの出力電圧は、補正がない場合に比較して小さくなり、インバータ２ａの進み方向の無効電力が小さくなり、インバータ２ａ、２ｂ間の無効電力のアンバランスが改善される。

また有効電力の場合も上述した無効電力の場合と同様である。すなわち、インバータ２ａの有効電力が大きく、インバータ２ｂの有効電力が小さい場合、インバータ２ａの周波数基準を下げる方向に補正する量が大きくなり、インバータ２ｂの周波数基準を下げる方向に補正する量が小さくなる。従って、インバータ２ｂに対するインバータ２ａの周波数は、補正がない場合に比較して周波数が下がるように補正され、インバータ２ａの有効電力が小さくなり、インバータ２ａ、２ｂ間の有効電力のアンバランスが改善される。

以上のように、電力変換装置にこのようなスロープ特性を持たせることにより、個々の電力変換装置間で協調して自立運転することが可能となる。

また電力変換装置には直流から交流へと電力を変換するインバータだけではなく、交流変換器も利用することができる。交流変換器は、交流直流変換器と直流交流変換器を組み合わせたものであるので、直流交流変換器に上述のスロープ特性を持たせることにより、交流変換器であっても同等の制御を行うことが可能となり、個々の電力変換装置間で協調して自立運転することが可能となる。

次に、協調制御装置３による検出された負荷の総量に従って各分散型電源が出力すべき電力配分の決定方法（図３のステップＳ２４）について図１０から図１３を参照して説明する。

図１０および図１１は、電力配分の決定方法について示したフローチャートである。

協調制御装置３は、図１０に示すように、複数存在する負荷の消費電力の和Ｐ_Ｌ＝（Ｐ_ＬA＋Ｐ_ＬB・・・）を求める（ステップＳ２４−１）。ユーザーが決定した一定の出力で運転する分である（Ｐ_１〜Ｐ_４）を決定し（ステップＳ２４−２）、この分を減算し（ステップＳ２４−３）、残りの消費電力をユーザーが出力を定めない分散型電源で分担させるようにし、各制御装置１２ａ〜１２ｎに出力指令信号として送信する（ステップＳ２４−４）。

なお、ＰＬＡ：負荷５Ａでの消費電力、ＰＧ１：分散型電源＃１の出力、ＰＬＢ：負荷５Ｂでの消費電力、ＰＧ２：分散型電源＃２の出力。

この場合、図１２に示すように、数台の分散型電源（例えば、＃１〜＃４）は一定の出力とし、残りの分散型電源（＃５および＃６）は、負荷の変化に追従するように出力を決定しても良い。

また、協調制御装置３は、図１１に示すように、全分散型電源で全負荷の消費電力を分担させるようにしてもよい。複数存在する負荷の消費電力の和Ｐ_Ｌ＝（Ｐ_ＬA＋Ｐ_ＬB・・・）を求めるステップＳ２４−１０は、図１０のステップＳ２４−１と同様に処理を行い、各分散型電源１ａ〜１ｎの出力指令値を決定する（ステップＳ２４−１１）。例えば、Ｐ_G1＝Ｐ_Ｌ／６、Ｐ_G２＝Ｐ_Ｌ／６とし、各制御装置１２ａ〜１２ｎに出力指令信号として送信する（ステップＳ２４−１２）。

この場合、図１３に示すように、全ての分散型電源（＃１〜＃６）で負荷の変化分を分担するよう出力を決定しても良い。

このように決定された出力指令値を上述のインバータの制御装置に入力する。この出力指令値をインバータの制御装置に入力することにより、図５のインバータのスロープ特性は、図１４に示すようにfrefは点線から実線へと補正される。このため、図５のように周波数が下がる方向への補正に加えて、周波数が上がる方向にもfrefが補正されるため、周波数の変動をより小さくすることが可能となる。

以上のように、協調制御装置で全てのインバータからの出力を制御することにより、負荷の総量を正確に分担することができるため、誤差が小さく負荷の追従性も改善される。

すなわち、各電力変換装置からの出力電圧は系統母線の電圧に同期するよう出力され、負荷の大きさによるスロープ特性を有した出力特性をしていることから電力変換装置間で協調を取ることができる。さらに負荷の総量から各インバータの出力を補正する出力指令信号を出す協調制御装置によって、誤差の小さい正確な負荷分担や周波数制御が可能となる。従って電力変換装置で従来の調速機を利用した負荷分担、周波数調整と同等の制御を実現することができる。

（第１実施形態の変形例１）
次に、第１実施形態の変形例として、図１５と図１６を参照して説明する。

当該変形例の構成は、第１実施形態と同様である。

図１５は、自立運転を確立するまでの流れを示したフローチャートである。また図１６は、分散型電源１ａ〜１ｎと電力変換装置２ａ〜２ｎと負荷５の起動を表すタイムチャートである。

複数ある分散型電源１ａ〜１ｎと電力変換装置のうち、１組の分散型電源と電力変換装置を起動し（図１５のステップＳ７０、図１６の時間ｔ１）、系統母線１０の電圧を確立する（ステップＳ７１、図１６の時間ｔ２）。

他の分散型電源と電力変換装置は自立運転を確立するのに必要な時間が経過した後に順次起動する（ステップＳ７２のＹＥＳ、図１６の時間ｔ２、ｔ３）。このとき起動する分散電源の量は、負荷を立ち上げる際に必要な量を確保しているものとする。

最後に、起動すべき分散型電源が全て起動した後に負荷を起動、投入する（ステップＳ７３、図１６の時間ｔ４）。その後、発電量と負荷量のバランスをとりながら残りの分散型電源と負荷を投入し、自立運転を行う（ステップＳ７４）。

以上より、本発明の実施形態５によれば、系統の電圧と負荷への供給力が確立されてから負荷を投入するため、負荷投入直後から負荷に十分な電力を供給することが可能となり、自立運転を確立することが可能となる。

（第１実施形態の変形例２）
さらに、第１実施形態の変形例として、図１７と図１８を参照して説明する。

当該変形例の構成は、第１実施形態の構成と同様であり、分散型電源１ａ〜１ｎは電力を発電できる装置だけではなく、蓄えてある電力を出力することができる装置も利用可能とするものである。

図１７は、負荷に充電を行う場合を示した模式図である。また、図１８は、負荷から放電を行う場合を示した模式図である。

第１実施形態の変形例２では、電力を蓄えられる装置は充電と放電の２つの運転パターンが存在する。図１７に示すように、放電時には電力を出力しているので分散型電源として利用することができる。

また、充電時には図１８のように電力を受け取るので負荷としてみなすことができる。放電時の動作は上述の協調制御装置３からの指令を受け、それに従って電力を出力する。放電運転時に蓄えてある電力がなくなった場合又は充電運転に切り替わった場合は、協調制御装置３において分散型電源とはみなされなくなり、協調制御装置３には出力指令が出されなくなる。

一方、充電時においては負荷としてみなされることから、受電電流と系統母線の電圧から受電電力がわかるので、負荷５の消費電力にこの受電電力を加えることにより第１実施形態での負荷の総量が算出される。この値に従って第１実施形態と同様の方法で自立運転制御を行う。

また、充電時に放電運転に切り替わった場合は、協調制御装置において分散型電源としてみなされるようになり、協調制御装置から出される出力指令に従って放電する。

以上より、電力を発電できる装置だけではなく、電力を蓄えて蓄えた電力を放電することができる電力貯蔵装置も分散電源として利用することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態として、図１９と図２０を参照して説明する。

第１実施形態と異なる点は、ＰＱ検出器１３０からの出力のうち無効分と協調制御装置からの出力指令信号とを加算器１３８で加算し、この信号を比例制御器１３３Ｑを介した信号と電圧基準Vrefと振幅検出器１３２からの信号を加算するようにした点と、ＰＱ検出器１３０からの出力のうち有効分を協調制御装置からの出力指令信号の補正なしで比例制御器１３３Ｐへ入力する点である。

当該実施形態では、協調制御装置３からの出力指令信号でインバータ２ａ〜２ｎの制御装置１２ａ〜１２ｎの出力を補正することにより周波数変動を抑制することができ、電圧変動を抑制することが可能となる。

このようにすることにより、図４に示したスロープ特性は図２０のように補正される。第１実施形態では、図４に示すように電圧が下がる方向にしか補正されないが、第２実施形態では、図２０のように補正されることにより電圧が上がる方向にも補正されるため、電圧制御の幅を広げることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態として、図２１〜図２７を参照して説明する。

第３実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同様であり、第１実施形態と異なる点は、協調制御装置が各電力変換装置に出力指令のみを出力するのではなく、各分散型電源の起動・停止指令を含めた出力指令を各分散型電源と電力変換装置に出力することができる点である。

最初に分散型電源の状態について説明する。分散型電源の状態を、図２１に示すように分類する。

各状態は以下のようになっている。“停止５３”は分散型電源が停止している状態、“起動中５２”は協調制御装置から起動指令を受けて分散型電源を起動してから電力を出力可能になるまでの状態、“出力可能５０”は協調制御装置からの出力指令どおりの電力を出力している状態、“停止操作中５１”は協調制御装置から停止指令を受けて分散型電源が停止操作を開始してから完全に停止するまでの状態である。なお、これらの状態のほかに、分散型電源が故障している状態“故障中５５”や、メンテナンスしている状態を表す“メンテナンス５４”などを別に設定してもよい。

また、この分散型電源の状態は“停止５３”から“起動中５２”の状態変更は協調制御装置からの起動指令によって、“出力可能５０”から“停止操作中５１”の状態変更は協調制御装置からの停止指令によってなされるものとし、”起動中５２”から”出力可能５０”の状態変更は分散型電源の起動が完了した時点で、”停止操作中５１”から”停止５３”の状態変更は分散型電源の停止操作が完了した時点で、自動的に変更されるものとする。なお分散型電源によっては、起動中に停止操作を実行できたり、その逆の操作が可能であったりするものがあるが、これらの状態変更については協調制御装置からの指令によって変更されるものとする。

次に、図２２は、起動・停止命令の出力方法を示したフローチャートである。なお、第１実施形態で説明した部分の説明は上述に譲る。

まず、自立運転を確立後（ステップＳ４０）、負荷の総量と各分散型電源の検出を行う（ステップＳ４１）。

負荷の総量を検出することにより、その前の状態などから負荷が増加傾向にあるのか減少傾向にあるのかを把握することができる。すなわち、増加傾向にある場合は、分散型電源を起動しなくてはならないが、逆に減少傾向にある場合は、分散型電源を停止しなくてはならない。そこで負荷の変化の傾向から起動指令を出すか停止指令を出すかが決定される。

負荷の総量が０である場合（ステップＳ４２のＹＥＳ）は、自立運転を終了する（ステップＳ４３）。一方、負荷の総量が０でない場合（ステップＳ４２のＮＯ）は、負荷変化の傾向を判別する（ステップＳ４４）。負荷変化の傾向が減少傾向にある場合は、各分散型電源の出力を決定し（ステップＳ４５）、停止可能な分散型電源がある場合（ステップＳ４６のＹＥＳ）は、どの分散型電源を停止するかを判別し（ステップＳ４７）、判別された分散型電源に対して停止指令を出力する（ステップＳ４８）。一方、停止可能な分散型電源がない場合（ステップＳ４６のＮＯ）は、ステップＳ５３に遷移する。

ステップＳ４４で、負荷変化の傾向が増加傾向にある場合は、負荷の総量と出力している分散型電源の最大出力の和を比較する（ステップＳ４９）。負荷の総量が最大出力の和と一致又は上回った場合（ステップＳ４９下方向）は、どの分散型電源を起動するかを判別し（ステップＳ５０）、判別された分散型電源に対して起動指令を出力する（ステップＳ５１）。続いて、各分散型電源の出力を決定し（ステップＳ５２）、各分散型電源に出力指令を出力する（ステップＳ５３）。

各分散型電源は、運転優先度の高い順に分散型電源の出力を開始させる。

次に、上述した２つの処理の違いについて図２３、図２４を用いて説明する。

図２３に示すように、変化する負荷の総量に対して、分散型電源が２台あるとする。最初の断面５１は、１台の分散型電源で負荷の総量をまかなえるため２台のうち１台は停止している。この後時間が経過するにつれ負荷の総量が増えていくため、それに従って分散型電源の出力を大きくするが、断面５５では発電可能な電力がなくなる。そこで他の分散型電源出力を開始させ、その分散型電源に負荷変化に追従した出力指令を与えても良いし、図２４に示すように、発電可能な電力がなくなる前の断面６４にもうひとつの分散型電源の出力を開始させ、運転中の分散型電源と出力を分担させて負荷変化に追従した出力指令を与えても良い。

なお、停止していた分散型電源は電力が必要となる時間までに、起動して発電が可能な状態になっているものとする。また、分散型電源の運転優先度としては、運転コストの低い分散型電源から順に高くしたりしても良いし、負荷変化を予測して、急激な変化が見込まれる場合は出力変化速度の速い順に高くしたりしても良い。

例えば、図２５（ａ）に示すように、運転コストが安い順に運転優先度を高くするとコストが安い順に電力を出力するので、発電コストを安く抑えることができる。一方、図２５（ｂ）に示すように、出力変化速度の大きい順に並べた場合、負荷の急峻な変化に対して出力を出さなくてはならない分散型電源の台数を少なく抑えることができる。

図２７に示すように、分散型電源ａと分散型電源ａの３倍の出力変化速度を持つ分散型電源ｂがある場合、負荷の急激な変化に追従させるには、分散型電源ａの状態を変えた場合は分散型電源ａのほかに分散型電源の状態を少なくとも１台以上変えなくてはならないが、出力変化速度の大きい分散型電源ｂの状態を優先的に変化させることにより、“電力を出力させなくてはならない分散型電源の台数を減らすことが可能となる。

なお、協調制御装置３に格納されているデータは、各分散型電源の最大出力と運転優先度又はその優先度を決定するのに必要な情報である。運転優先度を直接協調制御装置に格納する場合は、上述のようにコストや出力変化速度など、様々な要因から決定した運転優先度を格納する。この場合、図２６に示すように、どの条件を重要視するかにより数パターン（例えば、パターン１〜３等）の運転優先度を用意し、ユーザーが選択できるようにしても良い。また優先度を決定するのに必要な情報を入れる場合は、コストを重要視するならば発電コスト（円／Ｗ）を格納しておき、協調制御装置３で運転優先度を演算して各分散型電源の運転優先度を決定することになる。本実施形態では、協調制御装置３に格納されるデータのうち、優先度にかかわるものとして、以上のものに限定されるものではなく、優先度を決定するのに必要な種々のデータを格納しても良い。

また、運転優先度に従って順次分散型電源に出力指令を与えていくと、状態が”出力可能５０”になって出力指令を待っている分散型電源の数が少なくなる、もしくは全くなくなることになる。この状態では更なる電力が必要なときに分散型電源が起動を完了していないため、電力を出力できないので、分散型電源を順次起動させて出力可能な状態にしなくてはならない。このため、起動指令から出力が可能になるまでには時間を要するのでこの時間を考慮しなくてはならない。起動指令は、負荷の増加の仕方や出力指令を待っている”出力可能５０”の分散型電源の容量などを基にして、運転優先度の高い順に与えるものとする。このとき起動から出力可能になるまでの時間が非常に長いものが多い場合、”起動中５２”の分散型電源ばかり増え、”出力可能５０”の分散型電源がなくなることになる。このため、起動から電力を出力可能になるまでの時間が非常に長い分散型電源に関しては、出力指令がないと出力を開始しないのでメンテナンスなどの時以外は停止させずに”出力可能５０”を維持させたり、運転優先度が低くても負荷変化の予測などから早めに起動させるといった対策をとることにより、対応が可能である。

以上述べたような処理をした後、状態が”出力可能５０”の分散型電源の中から第１実施形態で述べたように各分散型電源の出力を決定する。

一方、負荷が減少傾向にある場合は、まず状態が”出力可能５０”の分散型電源の中から実施形態１で述べたように各分散型電源の出力を決定する。そして”出力可能５０”の分散型電源で出力指令が与えられない分散型電源を、負荷の減少の割合や分散型電源の容量などを基にして、停止可能な分散型電源がある場合は上述の運転優先度の低い順に停止指令を与える。なお、上述の起動に非常に時間を要するものについては起動のところで述べた理由から、場合によっては停止指令を与えない。

また、以上の出力指令又は起動・停止指令に限定されるものではなく、種々の出力指令方法や起動・停止順で分散型電源を動作させることが可能である。

以上より、第１実施形態および第２実施形態よりもさらに安定な自立運転制御を行うことができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態として、図２８、図２９を参照して説明する。

第４実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同様であり、第１実施形態と異なる点は、負荷の総量に従った起動・停止指令を含めた出力指令を出力するだけではなく、負荷の急変や、分散型電源あるいは電力変換装置の故障などにより引き起こる発電電力の急激な減少に対応するため、予備力として確保しなくてはならない分散型電源を”出力可能５０”にさせることができる。

図２８は、予備力を考慮した出力指令を出す方法について示したフローチャートである。なお、上述した実施形態で説明した部分の詳細は上述に譲る。

第４実施形態は、第２実施形態の図２２のフローチャートに予備力を含んだ負荷の総量の算出（ステップＳ６０）を追加したものである。

ステップＳ６０では、負荷の総量と設定してある予備力を加算する。確保すべき予備力は、その時点の負荷の総量の割合から設定しても良いし、負荷変化の予測などから求められる電力量から設定しても良い。

なお、本実施形態では、上述した設定方法に限定されるものではなく、系統内の負荷と分散型電源が十分に安定に動作できる量の予備力を確保できる方法であればよい。

図２９は、変化する負荷の総量と必要な予備力について示した模式図である。

同図に示すように、変化する負荷の総量と必要な予備力に対し、断面７４までは１台の分散型電源のみで必要な予備力を有しているが、断面７４から断面７５の期間では１台の分散型電源だけでは予備力が不足する。そこでもう１台の停止していた分散型電源を発電可能な状態で待機させることにより必要な予備力を確保することができるようになる。なお、停止していた分散型電源は予備力が必要となる時間までに、起動して発電が可能な状態になっているものとする。

また、起動後の分散型電源の出力は第３実施形態で説明したように、運転中の分散型電源と起動した分散型電源で分担しても良いし、運転中の分散型電源の出力が最大になったときに起動した分散型電源の出力を大きくしても良い。

以上より、分散型電源の予備力を考慮した起動・停止が行われるため、第３実施形態よりもさらに安定な自立運転制御を行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る自立運転制御装置の構成を示す構成図。電力変換装置の構成を示すブロック図。自立運転制御装置を適用した制御方法を示したフローチャート。比例制御器で補正される電圧基準と周波数基準の特性を示す模式図。比例制御器で補正される電圧基準と周波数基準の特性を示す模式図。振幅の補正について示した模式図振幅の補正について示した模式図。周波数の補正について示した模式図。周波数の補正について示した模式図。電力配分の決定方法について示したフローチャート。電力配分の決定方法について示したフローチャート。分散型電源の出力方法について示した模式図。分散型電源の出力方法について示した模式図。 frefのインバータのスロープ特性が補正される変化を示した模式図。本発明の第１実施形態の変形例１に係る自立運転を確立するまでの流れを示したフローチャート。分散型電源と電力変換装置と負荷の起動を表すタイムチャート。本発明の第１実施形態の変形例２に係る負荷に充電を行う場合を示した模式図。本発明の第１実施形態の変形例２に係る負荷から放電を行う場合を示した模式図。本発明の第２実施形態に係る自立運転制御装置の構成を示すブロック図。 Vrefが電圧が上がる方向に補正される変化を示した模式図。本発明の第３実施形態に係る分散型電源の状態について示した状態遷移図。起動・停止命令の出力方法を示したフローチャート。分散型電源の制御の処理方法について示した模式図。分散型電源の制御の処理方法について示した模式図。運転コストが安い順に運転優先度を高くした場合を示した模式図。出力変化速度の大きい順に運転優先度を高くした場合を示した模式図。協調制御装置に記憶されているデータの一例を示した模式図。本発明の第４実施形態に係る予備力を考慮した出力指令を出す方法について示したフローチャート。変化する負荷の総量と必要な予備力について示した模式図。

符号の説明

２ａ〜２ｎ…電力変換装置、３…協調制御装置、５Ａ〜５Ｎ…負荷、１０…系統母線、１２ａ〜１２ｎ…制御装置、２１…電圧検出器、２２ａ〜２２ｎ…電流検出器、３０…ＰＱ検出器、３１…積分器、３２…振幅検出器、３３Ｑ…比例増幅器、３３P…比例増幅器、３３Ｐ…比例制御器、３４Ｑ…加算器、３４P…加算器、３４…加算器、３５…比例制御器、３６…位相差検出器、３７…比例制御器、３９…電圧指令演算器、４０…ＰＷＭ制御器、４２Ａ〜４２Ｎ…電流検出器。

Claims

商用系統から切り離された系統で分散型電源の自立運転の制御を行う自立運転制御装置であって、
複数の分散型電源と、
電力を変換するインバータと、前記インバータの出力を制御するインバータ制御手段と、前記インバータから出力された電流を検出する電流検出手段と、前記系統母線の電圧を検出する電圧検出手段とからなり、前記複数の分散型電源のそれぞれに接続され、前記複数の分散型電源から出力された電力を変換する複数の電力変換手段と、
前記複数の電力変換手段のそれぞれに接続され、前記複数の電力変換手段によって変換された電力が出力される系統母線と、
前記系統母線を介して前記分散型電源から出力された電力を消費する少なくとも１つ以上の負荷手段と、
前記負荷手段の総量から前記分散型電源の出力を決定し、前記出力の指令を与える、前記複数の電力変換手段のそれぞれに接続された協調制御手段と、
を備え、
前記協調制御手段は、前記複数の電力変換手段のそれぞれに対し出力指令信号を送信し、前記複数の電力変換手段の制御を行うとともに、
前記インバータ制御手段は、前記負荷手段の大きさによって前記インバータの出力を変化させるスロープ特性を有した制御を行い、前記複数の電力変換手段間で協調を取る制御をする一方、前記協調制御手段からの前記出力指令に基づいて、前記インバータの出力電圧及び／又は周波数を補正し、需給調整を行う
ことを特徴とする自立運転制御装置。
請求項１に記載の自立運転制御装置において、
前記複数の電力変換手段は、
入力された交流電流を直流電流に変換する第１の変換手段と直流電流から交流電流に変換する第２の変換手段とからなる変換装置と、
前記変換装置の出力を制御する第１の制御手段と、
前記変換装置から出力された電流を検出する電流検出手段と、
前記系統母線の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、
前記第１の制御手段は、前記負荷手段の大きさによって前記変換装置の出力を変化させるスロープ特性を有した制御を行い、前記複数の電力変換手段間で協調を取る制御をすることを特徴とする自立運転制御装置。
請求項１に記載の自立運転制御装置において、
前記複数の分散型電源は、自ら発電する電源または、蓄電した電力を出力する電源であることを特徴とする自立運転制御装置。
請求項１に記載の自立運転制御装置において、
前記協調制御手段は、前記負荷手段の負荷の総量を検出する負荷量検出手段と、前記複数の電力変換手段に出力指令を出す第２の制御手段とを備え、
前記第２の制御装置は、前記負荷量検出手段から得られる負荷の総量に基づいて前記複数の分散型電源の出力を決定し、前記複数の分散型電源からの電力を変換する前記電力変換手段に、出力電圧及び／又は周波数を補正する出力指令を出すことを特徴とする自立運転制御装置。
請求項４に記載の自立運転制御装置において、
前記協調制御手段は、適正な発電電力となるように、前記複数の分散型電源の起動や停止を行うことを特徴とする自立運転制御装置。
請求項１に記載の自立運転制御装置において、
前記協調制御手段は、前記複数の分散型電源と前記複数の電力変換手段のうち、所定時間後に必要となる前記負荷手段の電力に基づいて、予め適切な前記分散型電源および電力変換手段を起動させることを特徴とする自立運転制御装置。
商用系統から切り離された系統で分散型電源の自立運転の制御を行う自立運転制御装置を用いた制御方法であって、
前記自立運転制御装置は、複数の分散型電源と、電力を変換するインバータと、前記インバータの出力を制御するインバータ制御手段と、前記インバータから出力された電流を検出する電流検出手段と、前記系統母線の電圧を検出する電圧検出手段とからなり、前記複数の分散型電源のそれぞれに接続され、前記複数の分散型電源から出力された電力を変換する複数の電力変換手段と、前記複数の電力変換手段のそれぞれに接続され、前記複数の電力変換手段によって変換された電力が出力される系統母線と、前記系統母線を介して前記分散型電源から出力された電力を消費する少なくとも１つ以上の負荷手段と、前記負荷手段の総量から前記分散型電源の出力を決定し、前記出力の指令を与える、前記複数の電力変換手段のそれぞれに接続された協調制御手段と、
を備え、
前記協調制御手段は、前記複数の電力変換手段のそれぞれに対し出力指令信号を送信し、前記複数の電力変換手段の制御を行うとともに、前記インバータ制御手段は、前記負荷手段の大きさによって前記インバータの出力を変化させるスロープ特性を有した制御を行い、前記複数の電力変換手段間で協調を取る制御をする一方、前記協調制御手段からの前記出力指令に基づいて、前記インバータの出力電圧及び／又は周波数を補正し、需給調整を行うことを特徴とする制御方法。