JP6028466B2

JP6028466B2 - 電力系統シミュレータ

Info

Publication number: JP6028466B2
Application number: JP2012187695A
Authority: JP
Inventors: 孝二郎関; 徹勝野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: JP2014045618A

Description

本発明は、電力系統シミュレータに関する。

電力系統の状態を解析する電力系統シミュレータには、電力系統の実際の電源を模擬した電源装置や電流源等を含むアナログ型系統模擬装置と、デジタル型系統模擬装置とを備えるものがある（例えば、特許文献１参照）。一般に、デジタル型系統模擬装置は、アナログ系統模擬装置の電流源が、実際の電力系統に接続される負荷や発電機を模擬するよう、例えば電源装置の電源電圧に基づいて電流源の電流を制御する。

特開２００２−８４６５９号公報

このような電力系統シミュレータでは、アナログ型系統模擬装置から出力される電源電圧に基づいて、アナログ型系統模擬装置の電流源が制御されるため、取得された電源電圧にノイズが含まれている場合、シミュレーションが不安定になることがある。このため、例えば、電流源を制御するための制御ループにノイズを除去する低域通過フィルタを設け、シミュレーションを安定化させることがある。しかしながら、ノイズを確実に除去するために高い次数の低域通過フィルタを設けると、電源電圧の所望の周波数成分（例えば、６０Ｈｚ）の信号に遅れや減衰が発生し、シミュレーションの精度が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、高精度かつ安定に電力系統のシミュレーションを実行できる電力系統シミュレータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一つの側面に係る、電力系統に設けられる電源を模擬した電源装置と、前記電源装置の電源電圧が印加される電流源と、を含む系統模擬装置と、前記電流源が前記電力系統に接続される機器を模擬するよう、前記電源電圧に基づいて前記電流源を制御する制御装置と、を備える電力系統シミュレータであって、前記制御装置は、前記電源電圧をデジタル信号に変換する変換部と、前記デジタル信号に基づいて、前記電源電圧の周波数を検出する検出部と、前記検出部で検出された前記電源電圧の周波数の平均値を算出する算出部と、検出された前記電源電圧の周波数の前記平均値が中心周波数となり、前記デジタル信号が入力される帯域通過フィルタと、前記電流源が前記電力系統に接続される前記機器を模擬するよう、前記帯域通過フィルタからの出力に基づいて前記電流源を制御する制御部と、を備える。

高精度かつ安定に電力系統のシミュレーションを実行できる電力系統シミュレータを提供することができる。

本発明の一実施形態である電力系統シミュレータ１０の構成を示す図である。帯域通過フィルタ６０の周波数特性を説明するための図である。周波数演算部６１の周波数演算方法について説明するための図である。電力系統シミュレータ１０で実施されるシミュレーション処理の一例を示すフローチャートである。マイコン４０に実現される機能ブロック構成の一例を示す図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＜＜電力系統１０の構成について＞＞
図１は、本発明の一実施形態を示す電力系統シミュレータ１０の構成を示す図である。電力系統シミュレータ１０は、ハイブリッド式電力系統シミュレータであり、アナログ型系統模擬装置２０及びデジタル型系統模擬装置２１を含んで構成される。

アナログ型系統模擬装置２０は、電力系統を模擬する装置であり、電源装置３０、インダクタ３１，３４、スイッチ３２、電流源３３、及び測定器３５を含んで構成される。

電源装置３０は、系統電源を電力系統に供給する発電所の発電機を模擬する装置であり、インダクタ３１は、電力系統における送電線を模擬する素子である。なお、電源装置３０からの電圧を電源電圧Ｖａとする。

スイッチ３２は、電力系統に設けられた遮断器を模擬し、電流源３３及びインダクタ３４は、電力系統に接続される機器（負荷、発電機等）を模擬する素子である。なお、詳細は後述するが、電流源３３は電圧制御電流源であり、所定の機器を模擬するよう、デジタル型電力系統模擬装置２１により制御される。また、電流源３３の電流を電流Ｉａとする。

測定器３５は、並列に設けられた電流源３３及びインダクタ３４に印加される電源電圧Ｖａを測定する。

デジタル型系統模擬装置２１（制御装置）は、電力系統における需要家側の機器（負荷、発電機等）を模擬する装置であり、マイコン４０、記憶装置４１、ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）４２、ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）４３、及びインターフェース装置（ＩＦ装置）４４を含んで構成される。

マイコン４０は、記憶装置４１に格納された各種プログラムを実行し、デジタル型系統模擬装置２１を統括制御する。

記憶装置４１は、マイコン４０で実行されるプログラムや各種データを記憶する。記憶装置４１には、例えば、前述した電流源３３に負荷（例えば、抵抗、インダクタ、コンデンサでモデル化されるＲＬＣ負荷）を模擬させるためのプログラム５０や、電流源３３に発電機（例えば、太陽光発電装置）を模擬させるためのプログラム５１が格納されている。

ＡＤコンバータ４２（変換部）は、測定された電源電圧Ｖａを所定の間隔でサンプリングし、サンプリングした電源電圧Ｖａをデジタル信号Ｓ１に変換して出力する。なお、サンプリング周波数ｆｓは、電源電圧Ｖａの周波数（例えば、６０Ｈｚ）より十分高い周波数である。また、デジタル信号Ｓ１は、例えば８ビットの信号（データ）である。

ＤＡコンバータ４３は、マイコン４０から出力されるデジタル信号をアナログの電圧に変換し、電流源３３へと出力する。

ＩＦ装置４４は、利用者からの各種指示や、マイコン４０で処理される演算結果等を、外部のコンピュータ（不図示）とマイコン４０との間でやりとりするための装置である。

＜＜マイコン４０に実現される機能ブロックついて＞＞
マイコン４０は、例えばプログラム５０を実行することにより、図１に示す機能ブロックを実現する。具体的には、マイコン４０には、帯域通過フィルタ６０、周波数演算部６１、平均値算出部６２、及び制御部６３が実現される。

帯域通過フィルタ６０は、電源電圧Ｖａに含まれるノイズを除去するためのデジタルフィルタであり、図２の実線で示すように、平均値算出部６２で算出される周波数ｆｂを中心周波数とし、帯域幅Δｆ１を有する。

帯域通過フィルタ６０は、式（１）に示す伝達関数の２次の帯域通過フィルタがプログラムで実装されたものである。

ここで、Ａ_０は、ゲインを設定するための定数であり、α_０は、先鋭度（Ｑ値）を設定するための定数であり、ω_０は、中心周波数を設定するための定数である。式（１）において、ｓ＝ｊωであるため、伝達関数Ｇ（ｓ）のゲイン（絶対値）及び位相（θ）は、式（２）、式（３）で表される。

また、本実施形態では、Ａ_０＝１、α_０＝０．５、ω_０＝６０×２πとし、周波数ωが中心周波数ω_０の場合の伝達関数Ｇ（ｓ）のゲイン（絶対値）は“１”となり、伝達関数Ｇ（ｓ）の位相θは“０”となる。

このように、帯域通過フィルタ６０においては、入力される信号の周波数ωが中心周波数ω_０の場合、出力される信号の振幅、位相と、入力される信号の振幅、位相とは等しくなり、位相の遅延等が発生しない。

なお、上述した式（１）〜（３）は、アナログ信号を処理する際の伝達関数を示したものであるため、式（４）を用いてデジタルフィルタにおける式を求める必要がある。

式（４）において、Ｚは、Ｚ関数であり、ΔＴは、サンプリング周期である。式（４）を式（１）に代入すると、式（５）が得られる。

さらに、現在の帯域通過フィルタ６０に入力されるデジタル信号Ｓ１を“Ｘ”とし、帯域通過フィルタ６０から出力されるデジタル信号Ｓ２を“Ｙ”とすると、式（６）が得られる。

また、式（６）を変形すると、式（７）となる。

このように、帯域通過フィルタ６０は、デジタル信号Ｓ１（“Ｘ”）に対し、式（７）に示す処理を施すことにより、電源電圧Ｖａの所望の周波数（６０Ｈｚ）の成分の信号の位相に遅延を発生させることなく、ノイズを除去できる。

周波数演算部６１（検出部）は、デジタル信号Ｓ２に基づいて、ノイズが除去された電源電圧Ｖａの周波数を演算（検出）する。周波数演算部６１は、図３に示すように、“０”から“２５６”（１０進数）まで変化するデジタル信号Ｓ２の値が、例えば“１２８”となる際の時間の間隔ＴＡからデジタル信号Ｓ２の周波数ｆａを演算する。なお、ここでは図示しないが、周波数演算部６１は、例えば、順次出力されるデジタル信号Ｓ２の値が、デジタル信号Ｓ２が取りうる値の範囲（０〜２５６）の中心値“１２８”より小さくなったタイミングｔ１と、大きくなったタイミングｔ２とを取得しても良い。そして、取得されたタイミングｔ１，ｔ２に基づいて周波数ｆａを演算しても良い。

平均値算出部６２は、周波数演算部６１で適宜演算される周波数ｆａを、ｎ回（例えば、１０回）取得して平均値を算出する。なお、平均値算出部６２で算出される周波数ｆａの平均値を周波数ｆｂとする。

制御部６３は、電力系統に設けられた負荷（ＲＬＣ負荷）を示すシミュレーションモデルであり、ノイズが除去された電源電圧Ｖａを示すデジタル信号Ｓ２に基づいて、電流源３３が負荷を模擬するよう、電流源３３を制御する。

＜＜マイコン４０に実行される処理の一例＞＞
図４は、電力系統シミュレータ１０のシミュレーションが開始された場合にデジタル型系統模擬装置２１で実行される処理の一例を示すフローチャートである。

まず、シミュレーションが開始されると、ＡＤコンバータ４２は、電源電圧Ｖａを取得し、デジタル信号Ｓ１としてマイコン４０に出力する（Ｓ１００）。帯域通過フィルタ６０は、電源電圧Ｖａのノイズを除去すべく、デジタル信号Ｓ１にフィルタ処理を施してデジタル信号Ｓ２として出力する（Ｓ１０１）。周波数演算部６１は、ノイズが除去された電源電圧Ｖａを示すデジタル信号Ｓ２に基づいて、電源電圧Ｖａの周波数ｆａを演算する（Ｓ１０２）。そして、平均値算出部６２は、周波数ｆａをｎ回取得し、周波数ｆａの平均（周波数ｆｂ）を算出する。また、平均値算出部６２は、周波数ｆｂが帯域通過フィルタ６０の中心周波数となるように、周波数ｆｂを帯域通過フィルタ６０に設定する（Ｓ１０４）。制御部６３は、ノイズが除去された電源電圧Ｖａを示すデジタル信号Ｓ２に基づいて、電流源３３の電流Ｉａの電流値を算出する（Ｓ１０５）。そして、制御部６３は、電流Ｉａの電流値が算出された値となるよう、電流源３３を制御する（Ｓ１０６）。具体的には、電流Ｉａの電流値を算出された値とするための電圧（デジタル信号）をＤＡコンバータ４３に出力する。このため、仮に電源電圧Ｖａの周波数が、例えば６０Ｈｚから６０．１Ｈｚ変動した場合であっても、帯域通過フィルタ７０の中心周波数も６０．１Ｈｚに変化（追従）する。このため、本実施形態では、デジタル信号Ｓ２の位相遅延等を小さくでき、高い精度でシミュレーションを実行することができる。

なお、マイコン４０は、例えば利用者からシミュレーションの終了させるための終了指示が入力されると、処理を終了する（Ｓ１０７：ＹＥＳ）。一方、終了指示が入力されない場合（Ｓ１０７：ＮＯ）、処理Ｓ１００の処理が再び実行される。

＝＝電力系統の需要家側に発電機が接続される場合について＝＝
電力系統の需要家側に発電機（例えば、太陽光発電装置）が接続される場合のシミュレーションを実施するためには、マイコン４０は、プログラム５１を実行する。マイコン４０がプログラム５１を実行した場合に、マイコン４０には図１に示すように、周波数演算部６１、平均値算出部６２、帯域通過フィルタ７０、及び制御部７１の機能ブロックが実現される。なお、周波数演算部６１及び平均値算出部６２については前述しているため、ここでは、帯域通過フィルタ７０及び制御部７１について説明する。

帯域通過フィルタ７０は、図２の点線で示すように、平均値算出部６２で算出される周波数ｆｂを中心周波数とし、帯域幅Δｆ１（第１の帯域幅）より広い帯域幅Δｆ２（第２の帯域幅）を有する。なお、帯域通過フィルタ６０と帯域通過フィルタ７０とでは、帯域幅以外（α_０＝０．５から、α_０＝１．５に変化した以外）は同様であるため詳細な説明は省略する。

制御部６３は、電力系統に設けられた発電機を示すシミュレーションモデルであり、デジタル信号Ｓ２に基づいて、電流源３３が太陽光発電装置を模擬するよう、電流源３３を制御する。

ところで、需要家側の発電機には、一般に系統電源と同期する電源を生成できるよう、ＰＬＬ（Phase-locked loop）回路が含まれている。このため、発電機を示すシミュレーションモデルにおいても、ＰＬＬ回路がモデル化されて含まれている。また、ＰＬＬ回路は入力される信号に含まれるノイズを除去して出力するため、発電機を示すシミュレーションモデルにはフィルタ機能が実質的に設けられることになる。したがって、この場合には、広い帯域幅Δｆ２を有する帯域通過フィルタ７０を用いても、シミュレーションを安定化させることができる。さらに、電源電圧Ｖａが大きく変動した場合であっても、帯域通過フィルタ７０における電源電圧Ｖａの位相遅延等を小さくでき、高い精度でシミュレーションを実行することができる。

＝＝他の実施形態＝＝
図５は、マイコン４０はプログラム５０を実行した際に実現される機能ブロックの他の形態を示す図である。

図５においては、図１と実現される機能ブロックは同じであるが、周波数演算部６２が帯域通過フィルタ６０の入力側に設けられている。具体的には、周波数演算部６２は、ＡＤコンバータ４２から出力されるデジタル信号Ｓ１に基づいて、周波数ｆａを演算する。このような構成であっても、帯域通過フィルタ６０の中心周波数を電源電圧Ｖａの周波数に追従させることができる。

以上、本実施形態の電力系統シミュレータ１０について説明した。電力系統シミュレータ１０では、帯域通過フィルタ６０の中心周波数が電源電圧Ｖａの周波数に追従する。このため、電力系統シミュレータ１０は、高精度かつ安定にシミュレーションを実行できる。

また、帯域通過フィルタ６０の中心周波数は、周波数ｆａの平均値（周波数ｆｂ）である。このため、電源電圧Ｖａが過渡的な大きなノイズ（例えば、１８０Ｈｚ等）を含む場合であっても、帯域通過フィルタ６０の中心周波数が急激に変化することはない。

また、図１の周波数演算部６２は、帯域通過フィルタ６０から出力されるデジタル信号Ｓ２に基づいて周波数ｆａを演算する。このため、例えば、図５に示す場合と比較すると、より制度よく周波数ｆａを算出することができる。

また、電力系統に接続される機器が発電機である場合の帯域通過フィルタ７０帯域幅Δｆ２は、電力系統に接続される機器が負荷である場合の帯域通過フィルタ６０帯域幅Δｆ１はより広い。したがって、電流源３３が発電機を模擬している場合には、電源電圧Ｖａが大きく変動した場合であっても、精度良くシミュレーションを実施できる。

なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
例えば電流源３３の代わりに、電圧制御電圧源（不図示）を用いても良い。
また、周波数検出部６２は、例えば、入力される信号をフーリエ変換し、パワーが最大となる周波数を周波数ｆａとしても良い。
また、帯域通過フィルタ６０の中心周波数には、平均値算出部からの周波数ｆｂが設定されるが、例えば、周波数演算部６１の周波数ｆａが設定されても良い。

１０電力系統シミュレータ
２０アナログ型系統模擬装置
２１デジタル型系統模擬装置
３０電源装置
３１，３４インダクタ
３２スイッチ
３３電流源
３５測定器
４０マイコン
４１記憶装置
４２ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）
４３ＤＡコンバータ（ＤＡＣ）
４４インターフェース装置（ＩＦ装置）
５０，５１プログラム
６０，７０帯域通過フィルタ
６１周波数演算部
６２平均値算出部
６３，７１制御部

Claims

電力系統に設けられる電源を模擬した電源装置と、前記電源装置の電源電圧が印加される電流源と、を含む系統模擬装置と、前記電流源が前記電力系統に接続される機器を模擬するよう、前記電源電圧に基づいて前記電流源を制御する制御装置と、を備える電力系統シミュレータであって、
前記制御装置は、
前記電源電圧をデジタル信号に変換する変換部と、
前記デジタル信号に基づいて、前記電源電圧の周波数を検出する検出部と、
前記検出部で検出された前記電源電圧の周波数の平均値を算出する算出部と、
検出された前記電源電圧の周波数の前記平均値が中心周波数となり、前記デジタル信号が入力される帯域通過フィルタと、
前記電流源が前記電力系統に接続される前記機器を模擬するよう、前記帯域通過フィルタからの出力に基づいて前記電流源を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする電力系統シミュレータ。
請求項１に記載された電力系統シミュレータであって、
前記検出部は、
前記帯域通過フィルタからの出力に基づいて、前記電源電圧の周波数を検出すること、
を特徴とする電力系統シミュレータ。
請求項１または請求項２に記載された電力系統シミュレータであって、
前記帯域通過フィルタは、
前記機器が負荷の場合、第１の帯域幅を有し、前記機器が発電機の場合、前記第１の帯域幅より広い第２の帯域幅を有すること、
を特徴とする電力系統シミュレータ。