JP6688388B2 - Ｄｃマイクログリッドのための電力分担 - Google Patents

Description

本発明は、電力分担（power sharing）に関し、より詳細には、直流（ＤＣ）電圧に小さな交流（ＡＣ）電圧を重畳することによって、仮想インピーダンス周波数ドループ制御（frequency droop control）を使用してＤＣ回路網において電力分担するための技法に関する。

今日、エンド・ユーザに供給される電気エネルギーの大部分は、交流すなわちＡＣとして伝送される。この理由は、多少歴史的なものがあり、グリッドの初期には、パワー・エレクトロニクスがなく、ＡＣの主な利点の１つが、ＡＣは、伝送のために容易に高電圧に（低損失で）変換され、次いで、エンド・ユーザのために（安全性を高めるために）低電圧に再変換され得ることであった。

しかしながら、ＡＣ回路網の代わりに直流（ＤＣ）回路網を使用し始める動きがエネルギー業界全体にわたって拡大している。これを支持する多くの強力な論拠があり、すなわち、今日のパワー・エレクトロニクスは、ＡＣの本来の利点がもはや重要ではないことを表し、非常に高い電圧では、ＤＣ伝送は、ＡＣよりも実際に効率的であり、低電圧では、ＤＣ回路網は、維持するのがより容易で、問題点がより少ない（例えば、高調波がない）。

しかしながら、恐らく、ＤＣ回路網を支持する最も重要な論拠は、大多数のエンド・ユーザの負荷および電源が実際に既にＤＣベースであるということである。今日一般に行われているのは、（例えば、光起電力パネルから）ローカルに発生させたＤＣ電力を取得し、インバータを使用してこのＤＣ電力をＡＣに変換することである。しかしながら、ほとんどの場合、エンド・ユーザ装置の電源は、受け取ったＡＣをＤＣに変換しているに過ぎない。例えば、Singh et al., “DC Microgrids and the Virtues of Local Electricity,” IEEE Spectrum (posted February 2014)を参照されたい。

同時に、エネルギー業界全体にわたって分散回路網およびマイクログリッドへの大きな動きがある。従来、マイクログリッドは、ＡＣ電力を発生させるためにディーゼル発電機のような電源を使用してきた。これらの用途では、そのエネルギー需要を満たすためには、代わりに再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電）とエネルギー貯蔵の組合せを使用することで、より一層費用効率が高くなることがわかった。これらの種類の電源は、ＤＣにはるかによく適合している。

しかしながら、ＤＣ回路網の動作における１つの課題は、電源間で適切な電力分担があることを保証することである。すなわち、多くのマイクログリッドは、複数のバッテリ（または、発電サイト）を有する。これらのバッテリが、供給する負荷に対して異なる距離にある（すなわち、インピーダンスが異なる）場合、電気回路網の性質のために、異なる電源によって不均一な量の電力が供給される。例えば、第１の電源および第２の電源が負荷まで距離Ｌ１およびＬ２をそれぞれ有し、Ｌ２＞Ｌ１である場合、負荷までの距離がより大きく／インピーダンスがより大きいために、より多くの電力が第１の電源から取り出されて負荷に電力が供給される。

電源間の電力分担に対処がなされない場合、起こり得るリスク／不都合には、マイクログリッドの安定性の低下、エネルギー貯蔵装置の不均一な放電（および充電）、エネルギー貯蔵または分散発電装置に対する高い割合の経年変化および交換、予測できない資産交換スケジュールが含まれる。

Schiffer et al., “A Consensus-Based Distributed Voltage Control for Reactive Power Sharing in Microgrids,” 13th European Control Conference (ECC), pgs. 1299-1305, Strasbourg, France (June 2014)に示されるように、ＤＣマイクログリッドにおける有効電力分担の問題は、いくつかの点ではＡＣマイクログリッドにおける無効電力分担の問題と類似している。しかしながら、ほとんどの既存の方法は、費用がかかる可能性があり、脆弱性および複雑さをもたらす可能性がある外部通信インフラストラクチャを使用する。

したがって、ＤＣ回路網における複数のエネルギー源間で公平な電力分担を保証するための、安定した単純な解決策が強く求められている。

Singh et al., "DC Microgrids and the Virtues of Local Electricity," IEEE Spectrum (posted February 2014) Schiffer et al., "A Consensus-Based Distributed Voltage Control for Reactive Power Sharing in Microgrids," 13th European Control Conference (ECC), pgs. 1299-1305, Strasbourg, France (June2014) Simpson-Porco et al., "Synchronization and power sharing for droop-controlled inverters in islanded microgrids," Automatica, vol. 49, issue 9, pgs.2603-2611 (September 2013) J. He et al., "An islanding microgrid power sharing approach using enhanced virtual impedance control scheme," Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 28, no. 11, pp. 5272-5282, Nov 2013

仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用してＤＣ回路網において電力分担するための技法を提供する。

直流（ＤＣ）電圧に小さな交流（ＡＣ）電圧を重畳することによって、仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用してＤＣ回路網において電力分担するための技法が本明細書で提供される。本発明の一態様では、少なくとも１つの負荷に接続された複数の電気エネルギー発生源を有するＤＣ回路網における電力分担のための方法が提供される。本方法は、電気エネルギー発生源のそれぞれにおいて、制御可能なＤＣ電圧を発生させるステップと、ＤＣ電圧に制御可能な交流（ＡＣ）信号を重畳するステップと、仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用してＡＣ信号を調節するステップと、調節されたＡＣ信号を使用して所望のＤＣ電圧出力を決定するステップと、を含む。その場合、ＤＣ電圧は、所望のＤＣ電圧出力と一致するように調節され得る。

本発明の別の態様では、ＤＣ回路網における電力分担のためのシステムが提供される。本システムは、少なくとも１つの負荷に接続された複数の電気エネルギー発生源を含む。各電気エネルギー発生源は、電気エネルギー発生源によって発生させたＤＣ電圧を制御し、電気エネルギー発生源によるＤＣ電圧に重畳するＡＣ信号を制御し、仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用してＡＣ信号を調節するように構成されたコントローラと、調節されたＡＣ信号を使用して所望のＤＣ電圧出力を決定するためのプロセッサ装置と、を含む。

本発明、ならびに本発明のさらなる特徴および利点についてのより完全な理解は、以下の詳細な記載および図面を参照することによって得られる。

本発明の実施形態による例示的な直流（ＤＣ）回路網を示す図である。 本発明の実施形態による（図１のＤＣ回路網などの）ＤＣ回路網における電力分担のための例示的な方法論を示す図である。 本発明の実施形態によるＤＣマイクログリッド系統における正確な電力分担を確実にする本分散方法の例示的な実施態様を示すブロック図である。 本発明の実施形態による本明細書に提示された方法論の１つまたは複数を行うための例示的な装置を示す図である。

電力分担の概念は、交流すなわちＡＣ回路網において対処されてきたが、直流すなわちＤＣ回路網における電力分担のための実行可能な解決策は、現在存在しない。有利には、ＤＣ回路網における複数のエネルギー源が、電力を取り出している回路網内の任意の負荷に所望の量の電力を提供することを可能にする技法が本明細書で提供される。以下で詳細に記載するように、これは、低振幅の高周波ＡＣ成分を導入することによって各エネルギー源のＤＣ電圧を修正することによって実現される。このＡＣ成分によって、（ＡＣ回路網全体にわたって使用される）周波数ドループ原理を系統に適用することができる。当技術分野で知られているように、ＡＣ系統における周波数ドループ制御は、線路インピーダンス分布に関係なく適切な有効電力の分担を保証する。例えば、Simpson-Porco et al., “Synchronization and power sharing for droop-controlled inverters in islanded microgrids,” Automatica, vol. 49, issue 9, pgs. 2603-2611 (September2013)（以降「Simpson-Porco」）を参照されたい。単なる例として、ＡＣ電圧の振幅は、ＤＣ電圧のごく一部分（例えば、約０．１％〜約１％で、その間で変動する）であり、ＡＣ電圧の周波数は、約５０Ｈｚ〜約６０Ｈｚで、その間で変動する。

グリッドの従来の管理では、大きな発電機（回転機械に基づく電圧源）は、それ自体の大きな出力インダクタンスを有し、送電線も高いインダクタンスを有する。これによって、標準の制御方法（ドループ制御）を実施することができる。

小さな（低電圧）ＡＣ回路網では、線路インピーダンスは、主に抵抗性である。（電圧源として動作させる）インバータは、回転機械とは異なり、出力インダクタンスを有しない。インダクタンスがない場合は、ドループ制御のような従来の方法は、機能しない。したがって、仮想インピーダンスをインバータの出力インダクタンスとして導入して、確実にドループ制御を再度使用することができるようにする。

対照的に、ＤＣ回路網では、インダクタンスがないだけでなく、標準の（ドループ）制御方法でも必要な正弦波電圧信号もない。したがって、ドループ制御を適用するためには、仮想インピーダンスおよびＡＣ電圧の両方が必要である。有利には、本発明は、既存のＤＣ電圧に小さなＡＣ電圧を加えることによって、ＤＣ回路網におけるドループ制御のための解決策を提供する。発生源のインバータの仮想インピーダンスと共に、これによって「小規模」ドループ制御が可能になる。

小規模ドループ制御は、ＤＣ成分ではなく、ＡＣ成分の電力分担を保証する。しかしながら、定常状態のＡＣ成分は、ＤＣ側の所望の電力分担挙動を比例的に反映する。したがって、以下で詳細に記載するように、（ＡＣ成分のスケーリングから得られる）所望のＤＣ電流と現在出力されているＤＣ電流との間の偏位を入力としてとる制御機構（本明細書では単に「コントローラ」とも呼ばれる）が実装されている。コントローラは、ＤＣ電圧のみに作用する。短時間で、コントローラは、確実に所望のＤＣ電流を実現する。これは、どのような電力分担シナリオが所望されているかに応じて電源が適切な量の電力を提供していることを意味する。

したがって、ＤＣ信号上の非常に低い電力のＡＣ信号をシミュレートすることによって、回路網全体にわたる電源は、すべての電源が、選択された量を負担するような仕方で、回路網状態に応じてその出力を調整することができる。そのような手法の利点は、系統におけるすべての発電資産の公平／均等な使用、回路網安定性の改善、経年変化の影響の低減（個々の電源は、その分担分を超えて供給しない）、保守／資産交換スケジューリングの改善、系統を管理するための高価で複雑な通信／制御インフラストラクチャが不要、堅牢性、すなわち単一障害点がなく、完全な分散型手法であること、ＡＣ成分による電力損失が非常に低いこと−ＡＣ成分には非常に高い負荷インピーダンスが生じ、それゆえ、関連付けられた電力損失が非常に低いこと、および間欠的に使用することができること−ＡＣ成分に関連付けられた電力損失がさらに低減され、安定性が改善されることを含む。

図１は、本発明を実施することができる例示的なＤＣ回路網１００の図である。図１に示すように、ＤＣ回路網１００は、（電源１０２から電力を取り出す）負荷１０４に対して電圧源として動作する複数の接続された電気エネルギー発生源１０２ａ、１０２ｂなどを含む。簡単にするため、図１では単一の負荷１０４が示されている。しかしながら、本技法は、複数の負荷が電源１０２から電力を取り出しているときに、記載された全く同じやり方で動作する。「接続されている」とは、（図１に示すように）電源１０２が両方とも同じ負荷１０４に接続されていることを意味する。

単なる例として、電源１０２は、従来の発電機または太陽光電源などの再生可能エネルギー源あるいはその両方であってもよい。負荷１０４は、電気車両を含む、パワー・エレクトロニクス（例えば、コンピュータ、テレビ、娯楽装置）、太陽電池パネル、バッテリ、および多数の民生機器などの今日の多くの消費者製品を表す。

図１に示すように、負荷１０４は、電源１０２ａおよび１０２ｂから離れた異なる距離（Ｌ１およびＬ２）でそれぞれ接続されている。上述したように、距離が異なるため、電源１０２が供給する負荷までのインピーダンスが異なる。したがって、調節されていないＤＣ電力が電源１０２ａおよび１０２ｂから負荷１０４に供給される場合、電源１０２ａの方が負荷１０４に近く、したがってインピーダンスが低いため、より多くの電力が電源１０２ａから取り出される。

有利には、負荷１０４が確実に各電源１０２から等しい量の電力を受け取るように、図１に示すように、小さなＡＣ電圧をＤＣ電圧に重畳し、各電源１０２からのＤＣ電圧を調節することができる。すなわち、以下で詳細に記載するように、各電源１０２は、ＡＣ電圧信号を（例えば、ローカルのプロセッサ装置を介して）ローカルに処理することができ、ＡＣ電圧信号に対する仮想インピーダンスに基づく周波数ドループ制御を介して、（例えば、ローカルの個々の積分コントローラを介して）ＤＣ電圧出力をそれ相応に制御する。したがって、本発明の実施形態では、電源から離れた任意の距離で任意に接続された負荷に対して一貫した量のＤＣ電力を送出することができる。図１に示すように、各電源１０２には、それぞれの電源１０２のそれぞれからの電圧および電流出力を決定することができる電圧および電流センサがさらに装備されている。任意の市販の電圧および電流センサが本発明の実施形態において用いられてもよい。

以下で詳細に記載するように、各電源１０２からのＡＣ信号およびＤＣ出力は、ローカルのプロセッサ装置によって行われるＡＣ／ＤＣ出力判定に基づいて調節される。これらの判定を行うために、プロセッサ装置は、センサから（電源１０２からのＡＣおよびＤＣ出力に関連した）データを受け取る。次いで、プロセッサ装置からの出力判定がコントローラを介して実施される。したがって、各電源１０２のプロセッサ装置は、電源１０２のローカルのセンサおよびコントローラの両方とデータを交換することができる。

ここで、本発明の実施形態の概要が図２の方法論２００を参照することによって提供される。方法論２００のステップは、図１の（すなわち、電源から離れた任意の距離にある１つまたは複数の負荷１０４に接続され、その負荷１０４に対して電圧源として動作する１つまたは複数の電源１０２を含む）ＤＣ回路網１００の文脈で記載される。より具体的には、方法論２００は、ＤＣ回路網の各電源１０２によって行われる。

ステップ２０２では、各電源１０２は、制御可能なＤＣ電圧を発生させる。すなわち、上で強調したように、各電源１０２は、電源からのＤＣ出力を調節することができるコントローラを有する。それゆえ、ＤＣ出力は、制御可能である。

ステップ２０４では、各電源１０２は、ＤＣ電圧に制御可能なＡＣ電圧信号を重畳する。ＤＣ出力と同様に、各電源からのＡＣ電圧信号出力も調節することができる。したがって、ＡＣ出力も制御可能である。

ステップ２０６では、各電源１０２は、その（ローカルな）ＡＣ電圧および電流を検知する。すなわち、上で強調されたように、各電源１０２は、関連付けられた電流および電圧センサを有する。したがって、各電源は、そのＡＣ出力の電圧および電流を独立して判定することができる。例示的な実施形態によると、ローカルな定常状態のＡＣ電流は離散的な間隔で測定される。この理由は、周波数ドループ制御が小さな過渡現象の後に安定するためである。過渡現象期間中に、ＡＣ電流は、広範囲の値にわたって変動することがある。しかし、定常状態の電流の大きさは、かなり小さい。したがって、電力分担プロセスにとっては、離散的な間隔でＡＣ電流を測定して、過渡現象段階を回避し、定常状態の電流のみを使用することが重要である。また、離散的な時間ステップで発生することがある大きな偏位を回避するために、飽和ブロックを使用して電流測定値を制限してもよい。

ステップ２０８では、（ステップ２０６からの）ＡＣ電圧および電流出力に基づいて、標準の仮想インピーダンスに基づく周波数ドループ制御を使用してＡＣ電圧信号を調節することができる。He et al., “An islanding microgrid power sharing approach using enhanced virtual impedance control scheme,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 28, no. 11, pp. 5272-5282, Nov 2013を参照されたく、その内容があたかも完全に本明細書で述べられているかのように参照により組み込まれる。単なる例として、発生源１０２ａ、１０２ｂなどの間での電力分担は、所定の電力分担基準に従って実行され得る。例えば、すべての電源間で等しく電力を分担する（すべての電源が同じ量の電力を供給する）ことができる。あるいは、別の比例量を選択することができ、例えば、電源１は（線路インピーダンス分布に関係なく）常に電源２の２倍の電力を提供するなどである。電力分担の選択は、固有の系統特性、関与する電源／バッテリのタイプなどに依存し、任意の様々な異なる電力分担スキームを本明細書で実施することができる。

ステップ２１０では、（調節された）ＡＣ電圧信号を使用して所望のＤＣ出力を実現するために必要とされるＤＣ電圧を決定する。単なる例として、基準ＤＣ電流は、ＡＣ電流をスケーリングすることによって計算されてもよい。この原理を例示するために単純で非限定的な例を使用して、ＡＣ電圧の振幅がＤＣ電圧の１％であるとすると、その場合、基準ＤＣ電流を得るためには、測定されたＡＣ電流信号に１００を乗算する必要がある。ステップ２１２では、各電源１０２からのＤＣ電圧出力は、（ステップ２１０からの）所望のＤＣ出力と一致するように、例えば、各電源１０２のコントローラを介してそれ相応に調整される。

図２に示すように、方法論２００は、反復的に行われる。すなわち、各反復において、電源のそれぞれからのＡＣ信号およびＤＣ出力は、前回の反復で行われた決定に基づいて更新される。さらに、上で強調したように、各電源１０２は、本技法を実施するために使用することができるそれ自体のプロセッサ装置を有する。したがって、例えば、方法論２００の所与の反復において、ローカルのプロセッサ装置は、電源１０２がステップ２０２および２０４でそれぞれ発生させるＤＣ出力およびＡＣ信号出力を決定する。この出力の決定は、例えば、方法論２００の前回の反復において行ったＤＣおよびＡＣ信号出力計算に基づいてもよい。各電源のセンサおよびコントローラ（上記参照）を用いて、ローカルのプロセッサ装置によって決定したＤＣ／ＡＣ信号の出力を実施する。

（ステップ２０６での）センサからのフィードバックに基づいて、プロセッサ装置は、仮想インピーダンスに基づく周波数ドループ制御を使用して（ステップ２０８のように）ＡＣ信号を調節することができる。次いで、ローカルのプロセッサ装置は、（ステップ２１０のように）調節されたＡＣ電圧信号を使用してＤＣ電圧出力を決定し、（ステップ２１２のように）コントローラを介してこのＤＣ電圧出力を実現することができる。

ここで、本発明の実施形態の上記記載を考慮して、検討中の問題のより詳細な技術的記載を提供する。
ドループ制御

典型的には、ＤＣマイクログリッド電源は、ドループ制御を実施して、電圧制御および電力分担を同時に実現する。ＤＣ回路網における従来の電圧ドループ制御は、以下のとおりである。すなわち、
Ｖ_ｘ＝Ｖ_ｒｅｆ−ｍ_ｘ，ｄＰ_ｘ （１）
ここで、Ｖ_ｒｅｆは基準ＤＣ電圧であり、Ｐ_ｘは、ｘ番目のコンバータから回路網に流入する電力であり、ｍ_ｘ，ｄは、ドループ係数である。本質的に、電圧ドループは、ローカル制御であり、ローカル情報の利用ができないと、これらの系統の電力分担能力が妨げられる。したがって、電力分担を容易にするためにドループ係数ｍ_ｘ，ｄ、または代替として仮想線路インピーダンスＲ_ｘ，ｄを操作する適応性のある電力分担方法がない限りは、従来のドループ制御は、同様の電力分担問題に直面する。これらの操作は、例えば、電力線信号伝達（power line signaling）または負荷電圧／電源電流通信技法を使用して実行されることがある。電力線信号伝達および通信に基づくドループ制御技法が発電機および負荷のスケジューリングに使用される。

しかしながら、電源間の通信を必要とせずに適切な電力分担を保証し、さらにドループ係数の複雑な選択を回避する技法を有することが望ましい。

ＡＣ回路網のための発振器理論および周波数ドループ制御の原理（例えば、Simpson-Porco参照）に基づいて、ＤＣ電圧は、以下に示すように、各電源において低振幅の高周波ＡＣ成分を加えることによって修正される。すなわち、
Ｖ_ｘ＝Ｖ_ｒｅｆ＋ｖ_ｘ−Ｃ_ｘ （２）
ここで、ｖ_ｘ＝ｎ_ｘＶ_ｒｅｆｓｉｎ（ω_ｘｔ）は、ＡＣ成分であり、Ｖ_ｘは、各コンバータの電圧出力であり、Ｖ_ｒｅｆは、基準ＤＣ電圧であり、ｎ_ｘ＜＜１は、ＡＣ成分の振幅を決定するスケーリング係数である。ω_ｘは、ＡＣ成分の周波数であり、Ｃ_ｘは、積分制御項であり、その重要性は以下で明らかになるであろう。

ＡＣ回路網の周波数ドループの原理に従って、ＡＣ周波数成分の展開は、
ω_ｘ＝ω_ｒｅｆ−ｍ_ｘＰ_ｘ （３）

によって与えられ、ここで、ω_ｒｅｆは、ＡＣ成分の基準周波数であり、Ｓは、ラプラス演算子であり、ｍ_ｘは、周波数ドループ（電力分担）係数であり、Ｐ_ｘは、ｘ番目のコンバータにおけるＡＣ成分に関連付けられた有効電力である。ＡＣ系統における周波数ドループ制御が線路インピーダンス分布に関係なく適切な電力分担を保証することは、よく知られている事実である。周波数ドループ制御される系統のこの属性は、各コンバータによってローカルに発生させなければならない基準電力を識別する方法として使用される。厳密には、出力電力Ｐ_ｘおよび関連付けられた電流ｉ_ｘが測定される。電流値は、スケーリング比の逆数、すなわち、

を使用してスケーリングされる。これは、結果として、変化する電圧出力が追従する新しい電流基準となる。電圧出力の変更は、積分制御Ｃ_ｘを使用して実行される。このプロセスから得られるＤＣ基準電流Ｉ_{ｒｅｆ，ｘ}は、出力電流Ｉ_ｘが追従しなければならない基準である。一方、周波数ドループに関連付けられた周波数偏移があることは、よく知られている。この偏位を補正するために別々の通信に基づく技法を使用することができるが、現在のプロセスにとっては重要ではなく、しかも不要である。例として、ＤＣ電圧は、（例えば、各電源において）積分コントローラを使用して調節され得る。このプロセスは、以下の式によって要約され得る。すなわち、

ここで、Ｃ_ｘは、インバータｘにおける積分制御変数であり、α_ｘ＜＜１は、速度および安定性調整パラメータである。制御Ｃ_ｘは、適切な動的安定性を保証するために、離散的な時間間隔でコンバータ電圧に適用される。

実施態様：ここで、本発明の例示的な実施形態が図３を参照することによって記載される。図３に示すＤＣ電源は、バッテリもしくは任意の他のＤＣ発生源、またはＤＣに変換された任意のＡＣ発生源（３００）などであってもよい。電源のＤＣ電圧は、場合によっては、分配のために別のＤＣ電圧に変換されてもよい。これは、ＤＣ／ＤＣインタフェース３１０を使用して行われる。本発明の実施形態によると、非常に低い電力定格のＤＣ／ＡＣインタフェースもある。ここでのＤＣ／ＡＣインタフェースは、周波数ドループ制御を使用して動作する。例示的な実施形態によると、フィルタ３２０は、望ましくない高調波を除去するために使用される。（図４でさらに記載される）信号処理および制御ブロック３３０は、入力として電圧および電流測定値３６０を使用する。システムは、インピーダンス３５０を有するケーブルを介してマイクログリッド回路網３４０の残りの部分に接続されている。

（上記の）方法論２００と同じ全体的な流に従って、本例における実施態様は、以下のステップを含む。すなわち、
端子電圧Ｖ_ｘおよびコンバータ・システムを流れる電流Ｉ_ｘを測定する出力電圧および電流センサがある。
これらの電圧値および電流値は、Ｖ_ｘおよびｉ_ｘによってそれぞれ表示される低振幅のＡＣ項を含む。これらの低振幅の項は、信号処理方法を使用して得られる。
低振幅の項に関連付けられた電力Ｐ_ｘは、式（４）で示すような遮断周波数ω_ｌの低域フィルタを使用して得られる。
次いで、電力Ｐ_ｘにドループ係数ｍ_ｘを乗算し、この積が式（３）に示すように低振幅ＡＣ電圧の周波数の大きさを修正する。
一方、電流測定値ｉ_ｘは、電圧比係数ｎ_ｘで除算される。
上記の結果のピーク値が基準の役目を果たし、式（２）で示すようにＤＣ電圧を変えることによってＩ_{ｘ，ａｖｇ}のローカルなＤＣ電流成分がこの基準値に追従するように制御される。項α_ｘは、追従の速度を制御する利得である。利得の適切な選択によって、安定なシステムと共に高速の追従が保証される。

仮想インダクタンス・エミュレーション：電力−周波数ドループ制御は、インダクタンス対抵抗

比が高いＡＣ系統で有効であることがよく知られている。しかし、ＤＣ系統で使用されるケーブルは、非常に低いインダクタンスである。したがって、仮想インピーダンス・エミュレーションの原理に従って、各コンバータの出力の出力インダクタンスＬ_ｘをエミュレートしなければならない。仮想インピーダンス・エミュレーションは、線路損失を引き起こさないので、ＡＣサブ系統が安定するように設計することができる。仮想インピーダンス・エミュレーションの記載については、例えば、J. He et al., “An islanding microgrid power sharing approach using enhanced virtual impedance control scheme,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 28, no. 11, pp. 5272-5282, Nov 2013を参照されたい。

本発明は、システム、方法、またはコンピュータプログラム製品、あるいはその組合せであってもよい。コンピュータプログラム製品は、プロセッサに本発明の態様を実行させるためのコンピュータ可読プログラム命令を有するコンピュータ可読記憶媒体（複数可）を含むことができる。

コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行装置によって使用するための命令を保持し記憶することができる有形の装置であってもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、限定されないが、電子記憶装置、磁気記憶装置、光記憶装置、電磁記憶装置、半導体記憶装置、または上記の任意の適切な組合せであってもよい。コンピュータ可読記憶媒体のより具体的な例の非網羅的なリストには、ポータブル・コンピュータ・ディスケット、ハードディスク、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭもしくはフラッシュ・メモリ）、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）、ポータブル・コンパクト・ディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、メモリスティック、フロッピー（Ｒ）ディスク、パンチカードまたは命令が記録された溝内の突起構造などの機械的に符号化されたデバイス、および上記の任意の適切な組合せが含まれる。本明細書で使用されるようなコンピュータ可読記憶媒体は、電波もしくは他の自由に伝搬する電磁波、導波路もしくは他の伝送媒体を通って伝播する電磁波（例えば、光ファイバ・ケーブルを通過する光パルス）、またはワイヤを通って伝送される電気信号などの、一時的な信号それ自体であると解釈されるべきではない。

本明細書に記載されるコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータ可読記憶媒体からそれぞれの演算／処理装置に、または外部コンピュータ、もしくは外部記憶装置に、ネットワーク、例えば、インターネット、ローカル・エリア・ネットワーク、広域ネットワーク、またはワイヤレス・ネットワーク、あるいはその組合せを介してダウンロードすることができる。ネットワークは、銅伝送ケーブル、光伝送ファイバ、ワイヤレス伝送、ルータ、ファイアウォール、スイッチ、ゲートウェイ・コンピュータ、またはエッジ・サーバ、あるいはその組合せを備えることができる。各演算／処理装置のネットワーク・アダプタ・カードまたはネットワーク・インタフェースは、ネットワークからコンピュータ可読プログラム命令を受け取り、コンピュータ可読プログラム命令をそれぞれの演算／処理装置内部のコンピュータ可読記憶媒体に記憶するために転送する。

本発明の動作を実行するためのコンピュータ可読プログラム命令は、アセンブラ命令、命令セット・アーキテクチャ（ＩＳＡ）命令、機械語命令、機械依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、あるいは、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ（Ｒ）、Ｃ＋＋などのオブジェクト指向プログラミング言語および「Ｃ」プログラミング言語もしくは同様のプログラミング言語などの従来の手続き型プログラミング言語を含む１つまたは複数のプログラミング言語の任意の組合せで書かれたソース・コードもしくはオブジェクト・コードであってもよい。コンピュータ可読プログラム命令は、スタンド・アロンのソフトウェアパッケージとして、すべてユーザのコンピュータ上で、一部ユーザのコンピュータ上で、一部ユーザのコンピュータ上でかつ一部遠隔コンピュータ上で、またはすべて遠隔コンピュータもしくはサーバ上で実行することができる。後者のシナリオでは、遠隔コンピュータは、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）または広域ネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意のタイプのネットワークを介してユーザのコンピュータに接続されてもよく、あるいは（例えば、インターネット・サービス・プロバイダを使用してインターネットを介して）外部コンピュータに接続されてもよい。一部の実施形態では、例えば、プログラマブル・ロジック回路、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはプログラマブル・ロジック・アレイ（ＰＬＡ）を含む電子回路は、本発明の態様を行うために、コンピュータ可読プログラム命令の状態情報を利用して電子回路をパーソナライズするようにコンピュータ可読プログラム命令を実行することができる。

本発明の態様は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）、およびコンピュータプログラム製品の流れ図またはブロック図あるいはその両方を参照して本明細書に記載されている。流れ図またはブロック図あるいはその両方の各ブロック、および流れ図またはブロック図あるいはその両方におけるブロックの組合せは、コンピュータ可読プログラム命令によって実施することができることが理解されるであろう。

これらのコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行される命令が、流れ図またはブロック図あるいはその両方の１つまたは複数のブロックにおいて指定された機能／行為を実施するための手段を作り出すように、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサに提供されて、マシンを生成することができる。また、これらのコンピュータ可読プログラム命令は、命令が記憶されたコンピュータ可読記憶媒体が、流れ図またはブロック図あるいはその両方の１つまたは複数のブロックにおいて指定された機能／行為の態様を実施する命令を含む製造物品を備えるように、コンピュータ可読記憶媒体に記憶されてもよく、コンピュータ、プログラム可能データ処理装置または他の装置あるいはその組合せに特定のやり方で機能するように指示することができる。

また、コンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータ、他のプログラム可能装置または他の装置あるいはその組合せ上で実行される命令が、流れ図またはブロック図あるいはその両方の１つまたは複数のブロックにおいて指定された機能／行為を実施するように、コンピュータ、他のプログラム可能装置または他の装置上で一連の動作ステップを実行させるために、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置または他の装置にロードされて、コンピュータ実施プロセスを生成することができる。

図の流れ図およびブロック図は、本発明の様々な実施形態による、システム、方法およびコンピュータプログラム製品の可能な実施態様のアーキテクチャ、機能性および動作を示す。この点に関して、流れ図またはブロック図の各ブロックは、指定された論理機能を実施するための１つまたは複数の実行可能命令を備えるモジュール、セグメント、または命令の一部を表すことができる。一部の代替の実施態様では、ブロックに記された機能は、図に記された順番から外れて行われてもよい。例えば、連続して示される２つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行されてもよく、またはブロックは、含まれる機能性に応じて逆の順番で実行されてもよい場合がある。また、ブロック図または流れ図あるいはその両方の各ブロック、およびブロック図または流れ図あるいはその両方におけるブロックの組合せは、指定された機能もしくは行為を行い、または専用のハードウェアおよびコンピュータ命令を組み合わせて実行する専用のハードウェアベースのシステムによって実施されてもよいことに留意されたい。

ここで、図４を参照すると、本明細書で提示された方法論の１つまたは複数を実施するための装置４００のブロック図が示されている。単なる例として、装置４００は、図２の方法論２００のステップの１つまたは複数を実施するように構成され得る。

装置４００は、コンピュータ・システム４１０および取り外し可能な媒体４５０を含む。コンピュータ・システム４１０は、プロセッサ装置４２０、ネットワーク・インタフェース４２５、メモリ４３０、メディア・インタフェース４３５、および任意選択のディスプレイ４４０を含む。ネットワーク・インタフェース４２５によってコンピュータ・システム４１０をネットワークに接続することができ、一方、メディア・インタフェース４３５によってコンピュータ・システム４１０が、ハードドライブまたは取り外し可能な媒体４５０などの媒体と対話することができる。

プロセッサ装置４２０は、本明細書に開示された方法、ステップ、および機能を実施するように構成され得る。メモリ４３０は、分散させていてもローカルであってもよく、プロセッサ装置４２０は、分散させていても単独であってもよい。メモリ４３０は、電気、磁気、または光メモリ、あるいは、これらまたは他のタイプの記憶装置の任意の組合せとして実装されてもよい。さらに、用語「メモリ」は、プロセッサ装置４２０によってアクセスされるアドレス指定可能な空間内のアドレスに対して読み書きできる任意の情報を包含するように十分幅広く解釈されるべきである。この規定によって、ネットワーク・インタフェース４２５を介してアクセス可能なネットワークに関する情報は、プロセッサ装置４２０がネットワークから情報を取り出すことができるため、依然としてメモリ４３０内部にある。プロセッサ装置４２０を構成する各分散プロセッサは、一般にそれ自体のアドレス指定可能なメモリ空間を含むことに留意されたい。また、コンピュータ・システム４１０の一部またはすべては、特定用途向けもしく汎用集積回路に組み込まれ得ることに留意されたい。

任意選択のディスプレイ４４０は、装置４００の人間のユーザと対話するのに適した任意のタイプのディスプレイである。一般に、ディスプレイ４４０は、コンピュータ・モニタまたは他の同様のディスプレイである。

本発明の例示的な実施形態が本明細書で記載されたが、本発明は、これらの厳密な実施形態には限定されず、様々な他の変形および変更が本発明の範囲から逸脱せずに当業者によって行われ得ることを理解されたい。

Claims (20)

1. 少なくとも１つの負荷に接続された複数の電気エネルギー発生源を有する直流（ＤＣ）回路網における電力分担のための方法であって、前記電気エネルギー発生源のそれぞれにおいて、
   制御可能なＤＣ電圧を発生させるステップと、
   前記ＤＣ電圧に制御可能な交流（ＡＣ）信号を重畳するステップと、
   仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用して前記ＡＣ信号を調節するステップと、
   前記調節されたＡＣ信号を使用して所望のＤＣ電圧出力を決定するステップと
   を含む方法。
2. 前記所望のＤＣ電圧出力と一致するように前記ＤＣ電圧を調節するステップ
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記発生させるステップ、重畳するステップ、調節するステップ、および決定するステップを反復的に行うステップ
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記電気エネルギー発生源の少なくとも１つがバッテリを備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの負荷が、パワー・エレクトロニクス、太陽電池パネル、バッテリ、民生機器、およびこれらの組合せから成る群から選択される、請求項１に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つの負荷が前記電気エネルギー発生源のそれぞれから離れた任意の距離で接続されている、請求項１に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの負荷が前記電気エネルギー発生源の１つから距離Ｌ１で、前記電気エネルギー発生源のもう１つから距離Ｌ２で接続され、Ｌ１がＬ２とは異なる、請求項１に記載の方法。
8. ローカルなＡＣ信号電流および電圧出力を検知するステップと、
   仮想インピーダンス周波数ドループ制御を介して前記ＡＣ信号を調節するためにローカルなＡＣ信号電流および電圧出力を使用するステップと
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記所望のＤＣ電圧出力が所定の電力分担基準に基づく、請求項１に記載の方法。
10. 前記ＡＣ信号をスケーリングすることによって基準ＤＣ電流を計算するステップ
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記電気エネルギー発生源のそれぞれがコントローラを備え、
    前記コントローラを使用して前記ＤＣ電圧および前記ＡＣ信号を調節するステップ
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記電気エネルギー発生源のそれぞれが電圧および電流センサを備え、
    前記電圧および電流センサを使用して前記ＤＣ電圧および前記ＡＣ信号の出力を決定するステップ
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. ＤＣ回路網における電力分担のためのシステムであって、
    少なくとも１つの負荷に接続された複数の電気エネルギー発生源を備え、各電気エネルギー発生源が、
    前記電気エネルギー発生源によって発生させたＤＣ電圧を制御し、前記電気エネルギー発生源による前記ＤＣ電圧に重畳するＡＣ信号を制御し、仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用して前記ＡＣ信号を調節するように構成されたコントローラと、
    前記調節されたＡＣ信号を使用して所望のＤＣ電圧出力を決定するためのプロセッサ装置と
    を備える、システム。
14. 前記コントローラが前記所望のＤＣ電圧出力に一致するように前記ＤＣ電圧を調節するようにさらに構成されている、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記少なくとも１つの負荷が前記電気エネルギー発生源のそれぞれから離れた任意の距離で接続されている、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記少なくとも１つの負荷が前記電気エネルギー発生源の１つから距離Ｌ１で、前記電気エネルギー発生源のもう１つから距離Ｌ２で接続され、Ｌ１がＬ２とは異なる、請求項１３に記載のシステム。
17. 前記電気エネルギー発生源がローカルなＡＣ信号電流および電圧出力を検知するように構成されたセンサをさらに備える、請求項１３に記載のシステム。
18. 前記所望のＤＣ電圧出力が所定の電力分担基準に基づく、請求項１３に記載のシステム。
19. 前記プロセッサ装置が前記ＡＣ信号をスケーリングすることによって基準ＤＣ電流を計算するようにさらに構成されている、請求項１３に記載のシステム。
20. 前記電気エネルギー発生源の少なくとも１つがバッテリを備える、請求項１３に記載のシステム。

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