JP6762078B1 - 電力系統特性アナライザ - Google Patents
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Abstract
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1に表したように、分散型電源システム2は、無限大母線電力系統3につながる電力系統4と、分散型電源6と、電力変換装置10と、を備える。電力系統4の電力は、交流電力である。電力系統4の電力は、例えば、三相交流電力である。
図2に表したように、電力変換装置10は、主回路部40と、制御部42と、を有する。主回路部40は、分散型電源6から供給された直流電力又は交流電力を、電力系統4に対応した交流電力に変換する。制御部42は、主回路部40の動作を制御する。
図3に表したように、電力系統特性アナライザ100は、データ収集部102と、推定値演算部104と、無効電力演算部106と、差分フィルタ108と、異常値除去部110と、力率角演算部112と、関数演算部114と、表示部116と、を備える。
無効電力演算部106は、演算した最適無効電力Qopを異常値除去部110に入力する。
力率角演算部112は、演算した力率角Angleを関数演算部114に入力する。
図4に表したように、関数演算部114は、力率角演算部112から入力された力率角Angleを基に、力率角Angleの有効電力値Pに対する関数f(P)を演算する。関数f(P)は、データセットの複数の有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsのそれぞれに対応する複数の力率角Angleを直線近似する一次関数である。
このように、未知係数のベクトル ̄Aは、有効電力値PのデータからなるΣと、力率角AngleのデータからなるANGLEと、を用いて求めることができる。従って、関数f(P)を構成する力率角の推定値^Angleは、次の(5)式により、計算することができる。
また、関数演算部114は、力率角Angleの関数f(P)を基に、次の(6)式により、力率Pfの推定値^PFを演算するとともに、次の(7)式により、無効電力の推定値^Qを演算する。
関数演算部114は、演算した関数f(P)や各推定値^PF、^Qを表示部116に出力する。
拡張カルマンフィルタの状態方程式は、次の(9)式で表すことができる。そして、拡張カルマンフィルタの出力方程式は、次の(10)式で表すことができる。
(9)式において、xは、次の(11)式に表すように、電力系統4の系統インピーダンスの抵抗成分R、リアクタンス成分X、及び無限大母線電力系統3の電圧値Vrを成分とする状態ベクトルである。但し、(11)式において、「T」は、転置を表す。
(9)式において、fは、状態ベクトルxの非線形関数である。(9)式において、wは、システムノイズのベクトルである。また、(9)式及び(10)式において、添え字の「k」は、時刻を表す。換言すれば、添え字「k」は、定期的に取得される有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsに対応するデータの順序である。「k−1」は、「k」の1つ前のデータを表す。従って、(9)式は、1つ前の状態ベクトルxから現在の状態ベクトルxを推定することを表している。添え字「k」は、以下の各式においても同様である。
(12)式において、xfは、状態ベクトルxの予測値を表す。xaは、更新ステップにおいて更新された状態ベクトルxを表す。このように、この例では、更新後の状態ベクトルxaを、予測後の状態ベクトルxfとして用いる。
(13)式において、Jf(x)は、非線形関数fのヤコビアンで定義した行列であり、この例では、次の(14)式に表すように、(1,1,1)の対角行列である。
(13)式において、Pk−1は、1つ前の共分散行列、又は共分散行列の初期値である。(13)式において、Jf(x)Tは、ヤコビアン行列Jf(x)の転置行列である。また、(13)式において、Qk−1は、システムノイズwの共分散行列である。システムノイズwの共分散行列Qk−1は、次の(15)式に表すように、システムノイズw及びその転置行列の内積の期待値である。
推定値演算部104は、データセットに含まれる複数の有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsのうち、次のタイミングで取得された有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsを基に、更新ステップを実行する。推定値演算部104は、更新ステップにおいて、次の有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsを基に、状態ベクトルxを更新する。
(16)式において、Jh(x)は、非線形関数hのヤコビアンで定義した行列である。この例において、非線形関数h(x)は、連系点LPの電圧値Vsであるから、Jh(x)は、次の(17)式のように表される。
(17)式において、∂Vs/∂R、∂Vs/∂X、∂Vs/∂Vrは、上記の(8)式から、それぞれ次の(18)式、(19)式、(20)式のように表される。
但し、(18)式、(19)式、(20)式において、Bは、次の(21)式、Cは、次の(22)式である。
また、上記の(16)式において、Jh(x)Tは、ヤコビアン行列Jh(x)の転置行列である。(16)式において、Rkは、観測ノイズvの共分散行列である。観測ノイズvの共分散行列Rkは、次の(23)式に表すように、観測ノイズv及びその転置行列の内積の期待値である。
(16)式において、[Jh(x)PfJh(x)T+Rk]−1の部分は、換言すれば、予測誤差(z−h(xf))に対する誤差共分散である。
(24)式において、h(xf)は、予測後の状態ベクトルxfから(8)式を用いて演算した電圧値Vsの予測値である。すなわち、推定値演算部104は、連系点LPの電圧値Vsの測定値zと、予測後の状態ベクトルxfを用いて演算した連系点LPの電圧値Vsの予測値h(xf)と、を基に、連系点LPの電圧値Vsの予測誤差を求める。推定値演算部104は、測定値zから予測値h(xf)を差し引くことで、予測誤差を求める。
推定値演算部104は、上記の予測ステップと更新ステップとを繰り返し実行する。これにより、拡張カルマンフィルタによって各推定値^R、^X、^Vrを予測することができる。なお、(25)式において、Iは、単位行列である。
図5(a)及び図5(b)は、シミュレーションの一例を模式的に表すグラフ図である。
図5(a)は、有効電力値P及び無効電力値Qの時間的変化を模式的に表す。
図5(b)は、連系点LPの電圧値Vsの時間的変化を模式的に表す。
図6(a)は、有効電力値Pの差分ΔPの時間的変化を模式的に表す。
図6(b)は、無効電力値Qの差分ΔQの時間的変化を模式的に表す。
図6(c)は、電圧値Vsの差分ΔVsの時間的変化を模式的に表す。
図7(a)は、予測誤差errの絶対値abs(err)の時間的変化、及び予測誤差errの絶対値abs(err)の閾値abeを模式的に表す。予測誤差errは、推定値演算部104において(z−h(xf))によって演算される予測誤差である。
図7(b)は、系統インピーダンスの抵抗成分Rの推定値^R、及び系統インピーダンスのリアクタンス成分Xの推定値^Xの時間的変化を模式的に表す。
図7(c)は、無限大母線電力系統3の電圧値Vrの推定値^Vr、及び連系点LPの電圧値Vsの時間的変化を模式的に表す。
図8(a)は、有効電力値P、無効電力値Q、及び最適無効電力Qopの時間的変化を模式的に表す。
図8(b)は、連系点LPの電圧値Vs、無限大母線電力系統3の電圧値Vr、及び最適無効電力Qopから求めた連系点LPの電圧値Vs(Qop)の時間的変化を模式的に表す。
図9(a)は、定力率制御による無効電力値Q、最適無効電力Qop、及び上記の(7)式によって演算した無効電力の推定値^Qの有効電力値Pに対する変化を模式的に表す。
図9(b)は、定力率制御による力率角Angle、上記の(2)式によって最適無効電力Qopから演算した力率角Angle(Qop)、及び上記の(5)式によって演算した関数f(P)の力率角の推定値^Angleの有効電力値Pに対する変化を模式的に表す。
図9(c)は、定力率制御による力率Pf、最適無効電力Qopから演算した力率Pf(Qop)、及び上記の(6)式によって演算した関数f(P)の力率の推定値^Pfの有効電力値Pに対する変化を模式的に表す。
図10(a)は、有効電力値Pの時間的変化を模式的に表す。
図10(b)は、無効電力値Qの時間的変化を模式的に表す。
図10(c)は、電圧値Vsの時間的変化を模式的に表す。
図10(d)は、有効電力値Pの差分ΔPの時間的変化を模式的に表す。
図10(e)は、無効電力値Qの差分ΔQの時間的変化を模式的に表す。
図10(f)は、電圧値Vsの差分ΔVsの時間的変化を模式的に表す。
図10(a)〜図10(f)は、有効電力の出力にノイズを含む場合のシミュレーションの一例を模式的に表す。
図11の横軸は、連系点LPの無効電力値Qであり、図11の縦軸は、連系点LPの電圧値Vsである。図4は、無効電力Qnを演算する場合の無効電力演算部の動作の一例を模式的に表す。
次回の連系点LPの電圧値をVs(n)、計測装置22で計測された前回の連系点LPの電圧値をVs(n−1)、次回の連系点LPの無効電力値をQn、計測装置22で計測された前回の連系点LPの無効電力値をQn−1とする時、次回の連系点LPの電圧値Vs(n)は、次の(27)式で表すことができる。
従って、次回の連系点LPの電圧値をVs(n)を指定値Vsrとした場合、次回の連系点LPの無効電力Qnは、次の(28)式で表すことができる。
このように、無効電力演算部106は、推定値演算部104から入力された各値を基に、傾きKを演算するとともに、次回の連系点LPの無効電力Qnを演算し、この次回の連系点LPの無効電力Qnを無効電力Qnとして演算する。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (8)
- 分散型電源の電力を無限大母線電力系統につながる電力系統に対応した交流電力に変換し、変換後の交流電力を前記電力系統に供給することにより、前記分散型電源を前記電力系統と連系させる電力変換装置とともに用いられ、前記電力系統の系統特性の解析を行う電力系統特性アナライザであって、
前記電力変換装置の前記電力系統との連系点の有効電力値と、前記連系点の無効電力値と、前記連系点の電圧値と、を定期的に取得することにより、所定期間において定期的に取得した複数の前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記電圧値からなるデータセットを収集するデータ収集部と、
非線形式に対応したカルマンフィルタを用いることにより、前記データセットに含まれる前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記電圧値を基に、前記電力系統の系統インピーダンスの抵抗成分の推定値と、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値と、前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値と、を演算する推定値演算部と、
前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値と、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値と、前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値と、を基に、前記電力系統に供給する無効電力を演算する無効電力演算部と、
前記無効電力を基に力率角を演算する力率角演算部と、
前記データセットの複数の前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記電圧値のそれぞれに対応する複数の前記力率角を直線近似又は曲線近似する関数を演算する関数演算部と、
を備えた電力系統特性アナライザ。 - 前記関数演算部は、前記力率角の前記関数を基に、力率の推定値と、無効電力の推定値と、をさらに演算する請求項1記載の電力系統特性アナライザ。
- 前記関数演算部で前記関数を演算する際に、前記関数に異常値が含まれないように、前記データセットに含まれる前記有効電力値、前記無効電力値、前記電圧値、前記推定値演算部で演算された前記抵抗成分の推定値、前記リアクタンス成分の推定値、前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値、前記無効電力演算部で演算された前記無効電力、及び前記力率角演算部で演算された前記力率角のいずれかから異常値を除去する異常値除去部を、さらに備えた請求項1又は2に記載の電力系統特性アナライザ。
- 前記無効電力演算部は、前記連系点の電圧値を前記無限大母線電力系統の電圧値に近付ける最適無効電力を演算する請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力系統特性アナライザ。
- 前記推定値演算部は、前記非線形式に対応したカルマンフィルタとして拡張カルマンフィルタを用いる請求項1〜4のいずれか1つに記載の電力系統特性アナライザ。
- 前記推定値演算部は、前記系統インピーダンスの抵抗成分、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分、及び前記無限大母線電力系統の電圧値を成分とする状態ベクトルの予測を行い、予測後の前記状態ベクトルの各成分を、それぞれ前記電力系統の系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値として演算するとともに、次に取得された前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記連系点の電圧値を基に、前記状態ベクトルを更新する請求項5記載の電力系統特性アナライザ。
- 前記推定値演算部は、更新後の前記状態ベクトルを、予測後の前記状態ベクトルとして用いる請求項6記載の電力系統特性アナライザ。
- 前記推定値演算部は、
前記状態ベクトルの予測を行うとともに、予測後の前記状態ベクトルの誤差に関する共分散行列の予測を行い、
取得した前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記連系点の電圧値の各測定値と前記共分散行列とを基に、前記状態ベクトルを更新するためのカルマンゲインの最適化を行い、
前記連系点の電圧値の測定値と、予測後の前記状態ベクトルを用いて演算した前記連系点の電圧値の予測値と、を基に、前記連系点の電圧値の予測誤差を求め、
最適化した前記カルマンゲインと前記予測誤差とを基に前記状態ベクトルを更新するとともに、最適化した前記カルマンゲインを基に前記共分散行列を更新する請求項6又は7記載の電力系統特性アナライザ。
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定本知徳, 石崎孝幸, 井村順一: "スマートグリッドにおけるカルマンフィルタ", 計測と制御, vol. 第56巻 第9号, JPN6020033441, 10 September 2017 (2017-09-10), pages 687 - 690, ISSN: 0004341892 * |
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