JP7112973B2 - 指令生成装置および指令生成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、直流電源装置のインバータの制御指令を生成する指令生成装置および指令生成方法に関する。
特許文献１には、インバータに、同期発電機のガバナおよびＡＶＲ（Automatic Voltage Regulator）の機能を持たせることで、系統の安定化を図る技術が開示されている。
特許文献１に記載の技術によれば、インバータは、同期発電機のモデルに基づいて、有効電力、無効電力および電圧周波数を制御する。しかしながら、一般的なインバータはＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路によって母線の電圧周波数と同期して交流電力を出力するものであるため、電圧周波数を同期発電機のモデルに基づいて制御することができない。
本発明の目的は、直流電源装置が出力する直流電力を母線の周波数に同期させた交流電力に変換するインバータを用いて、負荷変動に対する系統の安定化を図ることができる指令生成装置および指令生成方法を提供することにある。
本発明の第１の態様によれば、指令生成装置は、直流電源装置が出力する直流電力を母線の周波数に同期させた交流電力に変換するインバータの制御指令を生成する指令生成装置であって、仮想発電機の駆動を模擬し、前記仮想発電機の回転数を算出するロータモデルに基づいて、前記仮想発電機の回転数を算出する回転算出部と、算出した前記回転数に基づいて、前記インバータの有効電力の目標値を決定する有効目標電力決定部と、決定した前記有効電力の目標値に基づいて、前記インバータの制御指令を生成する指令生成部と、を備える。
本発明の第２の態様によれば、第１の態様に係る指令生成装置が、前記母線の有効電力に基づいて、前記有効電力対して単調減少する前記仮想発電機の回転数の目標値を決定する回転目標決定部を備え、前記回転算出部は、前記ロータモデルと決定した前記回転数の目標値とに基づいて、前記仮想発電機の回転数を算出するものであってよい。
本発明の第３の態様によれば、第２の態様に係る指令生成装置が、前記ドループ関数が有効電力指令と母線の電圧周波数とを通るように前記ドループ関数の切片を更新する関数更新部を備え、前記回転目標決定部は、前記母線の有効電力と前記仮想発電機の回転数の目標値との関係を規定するドループ関数に基づいて、前記回転数の目標値を決定するものであってよい。
本発明の第４の態様によれば、第１から第３の何れかの態様に係る指令生成装置が、前記母線の有効電圧と有効電力指令の差、前記仮想発電機の回転数の目標値と算出した前記回転数の差、および母線電圧の目標値と計測値の差に基づいて、前記仮想発電機の駆動トルクに係る値を決定するガバナモデルに基づいて、前記仮想発電機の駆動トルクに係る値を算出する駆動トルク算出部を備え、前記回転算出部は、算出した前記駆動トルクに係る値と前記ロータモデルとに基づいて、前記仮想発電機の回転に係る値を算出するものであってよい。
本発明の第５の態様によれば、指令生成方法は、直流電源装置が出力する直流電力を母線の周波数に同期させた交流電力に変換するインバータの制御指令を生成する指令生成方法であって、仮想発電機の駆動を模擬し、前記仮想発電機の回転数を算出するロータモデルに基づいて、前記仮想発電機の回転数を算出するステップと、算出した前記回転数に基づいて、前記インバータの有効電力の目標値を決定するステップと、決定した前記有効電力の目標値に基づいて、前記インバータの制御指令を生成するステップと、を備える。
上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、指令生成装置は、直流電源装置が出力する直流電力を母線の周波数に同期させた交流電力に変換するインバータを用いて、負荷変動に対する系統の安定化を図ることができる。
〈第１の実施形態〉
図１は、第１の実施形態に係る電力供給システムの構成を示す概略ブロック図である。
図１は、第１の実施形態に係る電力供給システムの構成を示す概略ブロック図である。
《電力供給システムの構成》
第１の実施形態に係る電力供給システム１は、エンジン発電機１０、太陽光発電機２０、蓄電装置３０、指令生成装置３３、および電力制御装置４０を備える。電力供給システム１は、自立運転により負荷Ｌに電力を供給する。すなわち、電力供給システム１は、いわゆるマイクログリッドシステム、またはオフグリッドシステムである。エンジン発電機１０、太陽光発電機２０および蓄電装置３０は、母線に接続され、母線を介して負荷Ｌに電力を供給する。
第１の実施形態に係る電力供給システム１は、エンジン発電機１０、太陽光発電機２０、蓄電装置３０、指令生成装置３３、および電力制御装置４０を備える。電力供給システム１は、自立運転により負荷Ｌに電力を供給する。すなわち、電力供給システム１は、いわゆるマイクログリッドシステム、またはオフグリッドシステムである。エンジン発電機１０、太陽光発電機２０および蓄電装置３０は、母線に接続され、母線を介して負荷Ｌに電力を供給する。
エンジン発電機１０は、エンジン１１、発電機１２、ガバナ１３、ＡＶＲ１４（Automatic Voltage Regulator：自動電圧調整器）を備える。エンジン発電機１０は、エンジン１１の回転によって発電機１２を駆動することで、交流電力を発生させる交流発電機である。
ガバナ１３は、Ｈｚ－ｋＷドループ特性によりエンジン１１の回転数を制御する。エンジン発電機１０のガバナ特性は、例えば、定格出力および定格周波数に係るプロットと、ゼロ出力および定格出力から負荷遮断したときに無負荷状態で整定する整定周波数に係るプロットとを結ぶ一次関数の傾きによって表される。すなわち、Ｈｚ－ｋＷドループ特性は、周波数が増加するほど出力が減少する特性である。なお、他の実施形態においては、ガバナ特性がＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御によって実現されてもよい。ＡＶＲ１４は、Ｖ－ｋｂａｒドループ特性により発電機１２の界磁巻線に供給する電流を制御することで、発電機１２の端子電圧を調整する。Ｖ－ｋｂａｒドループ特性は、電圧が増加するほど無効電力が減少する特性である。なお、他の実施形態においては、エンジン発電機１０に代えて他の交流発電機を用いてもよい。
ガバナ１３は、Ｈｚ－ｋＷドループ特性によりエンジン１１の回転数を制御する。エンジン発電機１０のガバナ特性は、例えば、定格出力および定格周波数に係るプロットと、ゼロ出力および定格出力から負荷遮断したときに無負荷状態で整定する整定周波数に係るプロットとを結ぶ一次関数の傾きによって表される。すなわち、Ｈｚ－ｋＷドループ特性は、周波数が増加するほど出力が減少する特性である。なお、他の実施形態においては、ガバナ特性がＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御によって実現されてもよい。ＡＶＲ１４は、Ｖ－ｋｂａｒドループ特性により発電機１２の界磁巻線に供給する電流を制御することで、発電機１２の端子電圧を調整する。Ｖ－ｋｂａｒドループ特性は、電圧が増加するほど無効電力が減少する特性である。なお、他の実施形態においては、エンジン発電機１０に代えて他の交流発電機を用いてもよい。
太陽光発電機２０は、太陽電池２１と、インバータ２２とを備える。太陽電池２１は、太陽光を直流電力に変換する直流電源装置である。インバータ２２は、太陽電池２１が生成する直流電力を交流電力に変換する。なお、インバータ２２と太陽電池２１とは必ずしも一対一に設けられなくてよい。例えば、１つのインバータ２２に複数の太陽電池２１が接続されてもよい。なお、他の実施形態においては、太陽光発電機２０に代えて、例えば、風力発電機などの他の再生可能エネルギー発電機を用いてもよい。
蓄電装置３０は、二次電池３１と、インバータ３２を備える。。インバータ３２の制御指令は、有効電力の目標値、無効電力の目標値を含む。インバータ３２は、指令生成装置３３からの指令に基づいて、二次電池３１が出力する直流電力を、母線の電圧周波数に同期した交流電力に変換して母線に供給する。インバータ３２は、ＰＬＬ制御により、出力電力を母線の電圧周波数に同期させる。またインバータ３２は、電力制御装置４０からの指令に基づいて指令生成装置３３が生成した制御指令に基づいて、母線に流れる交流電力の一部を直流電力に変換して二次電池３１を充電する。二次電池３１としては、例えばリチウムイオン二次電池を用いることができる。インバータ３２は、Ｐ－Ｑ制御に係る制御指令によって動作する汎用の電流制御型インバータである。なお、他の実施形態に係るインバータ３２は、皮相電力の目標値と力率角度の目標値と電圧周波数の目標値とに係る制御指令によって動作するものであってもよい。
なお、インバータ３２と二次電池３１とは必ずしも一対一に設けられなくてよい。例えば、１つのインバータ３２に複数の二次電池３１が接続されてもよい。
指令生成装置３３は、電力制御装置４０からの指令に基づいて蓄電装置３０のインバータ３２を制御するための制御指令を生成し、蓄電装置３０に出力する。指令生成装置３３は、蓄電装置３０と別個に設けられた装置である。
なお、インバータ３２と二次電池３１とは必ずしも一対一に設けられなくてよい。例えば、１つのインバータ３２に複数の二次電池３１が接続されてもよい。
指令生成装置３３は、電力制御装置４０からの指令に基づいて蓄電装置３０のインバータ３２を制御するための制御指令を生成し、蓄電装置３０に出力する。指令生成装置３３は、蓄電装置３０と別個に設けられた装置である。
電力制御装置４０は、母線の電力値を監視し、エンジン発電機１０および蓄電装置３０に充放電指令を出力する。例えば、電力制御装置４０は、昼間など、太陽光発電機２０による発電電力が所定の閾値以上である場合に、エンジン発電機１０に発電電力を低下させ、または停止させる電力指令を出力。また電力制御装置４０は、夜間や悪天候時など、太陽光発電機２０による発電電力が所定の閾値未満となる場合に、エンジン発電機１０に発電電力を増加させる電力指令を出力する。
また例えば、電力制御装置４０は、太陽光発電機２０による発電電力の変動に基づいて、当該変動を平滑化するための充放電指令を蓄電装置３０に出力する。また、電力制御装置４０は、母線の電力値と負荷Ｌによる需要電力値とを比較し、電力差に基づいて充放電指令を蓄電装置３０に出力する。
また例えば、電力制御装置４０は、太陽光発電機２０による発電電力の変動に基づいて、当該変動を平滑化するための充放電指令を蓄電装置３０に出力する。また、電力制御装置４０は、母線の電力値と負荷Ｌによる需要電力値とを比較し、電力差に基づいて充放電指令を蓄電装置３０に出力する。
《指令生成装置の構成》
図２は、第１の実施形態に係る指令生成装置の構成を示す概略ブロック図である。
第１の実施形態に係る指令生成装置３３は、電流計３２２、電圧計３２３、コンピュータ３２４を備える。電流計３２２は、インバータ３２の出力端の電流を計測する。電圧計３２３は、インバータ３２の出力端の電圧を計測する。コンピュータ３２４は、電流計３２２および電圧計３２３の計測値に基づいて制御指令を生成する。
図２は、第１の実施形態に係る指令生成装置の構成を示す概略ブロック図である。
第１の実施形態に係る指令生成装置３３は、電流計３２２、電圧計３２３、コンピュータ３２４を備える。電流計３２２は、インバータ３２の出力端の電流を計測する。電圧計３２３は、インバータ３２の出力端の電圧を計測する。コンピュータ３２４は、電流計３２２および電圧計３２３の計測値に基づいて制御指令を生成する。
コンピュータ３２４は、モデル記憶部３２４１、指令受付部３２４２、計測値取得部３２４３、界磁電圧算出部３２４４、駆動トルク算出部３２４５、回転算出部３２４６、目標電力決定部３２４７、指令生成部３２４８を備える。
モデル記憶部３２４１は、仮想発電機の挙動を模擬する数理モデルを記憶する。具体的には、モデル記憶部３２４１は、仮想発電機のＡＶＲの挙動を模擬するＡＶＲモデルＭ１、仮想発電機のガバナの挙動を模擬するガバナモデルＭ２、仮想発電機のロータの挙動を模擬するロータモデルＭ３を記憶する。ＡＶＲモデルＭ１は、無効電力の計測値、無効電力指令値、実効電圧値、および実効電圧指令値が入力されることで、仮想発電機の界磁電圧および電気トルクを出力する。ガバナモデルＭ２は、有効電力の計測値、有効電力指令値、仮想発電機のロータの角速度、および角速度指令値が入力されることで、仮想発電機の駆動トルク値を出力する。ロータモデルＭ３は、仮想発電機の電気トルク値および駆動トルク値が入力されることで、仮想発電機のロータの角速度および位相角を出力する。各数理モデルの詳細については後述する。
指令受付部３２４２は、電力制御装置４０から充放電指令を受け付ける。充放電指令は、有効電力の指令値、無効電力の指令値、実効電圧指令値、および角速度指令値を含む。
計測値取得部３２４３は、電流計３２２および電圧計３２３の計測値を取得する。また計測値取得部３２４３は、電流計３２２および電圧計３２３の計測値と、仮想発電機のロータの位相角とに基づいて、出力端の有効電力に寄与する電圧値および電流値、無効電力に寄与する電圧値および電流値、実効電圧値、有効電力値、ならびに無効電力値を算出する。
界磁電圧算出部３２４４は、指令受付部３２４２が受け付けた無効電力指令値および実効電圧指令値、ならびに計測値取得部３２４３が取得した無効電力値および実効電圧値を、ＡＶＲモデルＭ１に入力することで、仮想発電機の界磁電圧値および電気トルク値を算出する。仮想発電機の界磁電圧値および電気トルク値は、仮想発電機の界磁電圧に係る値の一例である。
駆動トルク算出部３２４５は、指令受付部３２４２が受け付けた有効電力指令値および角速度指令値、計測値取得部３２４３が取得した有効電力の計測値、ならびに前回の制御において回転算出部３２４６が算出した仮想発電機のロータの角速度を、ガバナモデルＭ２に入力することで、仮想発電機の駆動トルク値を算出する。駆動トルク値は、仮想発電機の駆動トルクに係る値の一例である。
回転算出部３２４６は、界磁電圧算出部３２４４が算出した電気トルク値および駆動トルク算出部３２４５が算出した駆動トルク値をロータモデルＭ３に入力することで、仮想発電機のロータの角速度および位相角を算出する。仮想発電機のロータの角速度および位相角は、仮想発電機のロータの回転に係る値の一例である。
目標電力決定部３２４７は、界磁電圧算出部３２４４が算出した界磁電圧値と、計測値取得部３２４３が取得した有効電力に寄与する電圧値および電流値、ならびに無効電力に寄与する電圧値および電流値と、回転算出部３２４６が算出したロータの位相角とに基づいて、有効電力の目標値および無効電力の目標値を決定する。
指令生成部３２４８は、目標電力決定部３２４７が決定した有効電力の目標値、および無効電力の目標値に基づいて、インバータ３２の制御指令を生成する。指令生成部３２４８は、生成した制御指令をインバータ３２に出力する。
《数理モデルの構成》
図３は、第１の実施形態に係るＡＶＲモデルの例を示すブロック線図である。
ＡＶＲモデルＭ１は、無効電力の計測値Ｑ、無効電力指令値Ｑ＊、実効電圧値Ｖｇ、および実効電圧指令値Ｖ＊が入力されることで、仮想発電機の界磁電圧値Ｅおよび電気トルク値Ｔｅを出力する。具体的には、ＡＶＲモデルＭ１は、加え合わせ点Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、ＰブロックＭ１４、ＩブロックＭ１５、ＰブロックＭ１６を備える。加え合わせ点Ｍ１１は、無効電力の計測値Ｑと無効電力指令値Ｑ＊との差を得る。ＰブロックＭ１４は、加え合わせ点Ｍ１１の出力に、比例ゲインＫＡ１によるＰ制御を行う。比例ゲインＫＡ１は、仮想発電機のＶ－ｋｂａｒドループゲインに相当する。加え合わせ点Ｍ１２は、実効電圧値Ｖｇと実効電圧指令値Ｖ＊の差を得る。加え合わせ点Ｍ１３は、加え合わせ点Ｍ１２の出力とＰブロックＭ１４の出力との差を得る。ＩブロックＭ１５は、加え合わせ点Ｍ１３の出力に積分ゲインＫＡ２による積分制御を行うことで、界磁電圧値Ｅを得る。ＰブロックＭ１６は、界磁電圧値Ｅに無効電流値Ｉｑを乗算し、ロータの角速度ωＲで除算することで、仮想発電機の電気トルクＴｅを得る。
図３は、第１の実施形態に係るＡＶＲモデルの例を示すブロック線図である。
ＡＶＲモデルＭ１は、無効電力の計測値Ｑ、無効電力指令値Ｑ＊、実効電圧値Ｖｇ、および実効電圧指令値Ｖ＊が入力されることで、仮想発電機の界磁電圧値Ｅおよび電気トルク値Ｔｅを出力する。具体的には、ＡＶＲモデルＭ１は、加え合わせ点Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、ＰブロックＭ１４、ＩブロックＭ１５、ＰブロックＭ１６を備える。加え合わせ点Ｍ１１は、無効電力の計測値Ｑと無効電力指令値Ｑ＊との差を得る。ＰブロックＭ１４は、加え合わせ点Ｍ１１の出力に、比例ゲインＫＡ１によるＰ制御を行う。比例ゲインＫＡ１は、仮想発電機のＶ－ｋｂａｒドループゲインに相当する。加え合わせ点Ｍ１２は、実効電圧値Ｖｇと実効電圧指令値Ｖ＊の差を得る。加え合わせ点Ｍ１３は、加え合わせ点Ｍ１２の出力とＰブロックＭ１４の出力との差を得る。ＩブロックＭ１５は、加え合わせ点Ｍ１３の出力に積分ゲインＫＡ２による積分制御を行うことで、界磁電圧値Ｅを得る。ＰブロックＭ１６は、界磁電圧値Ｅに無効電流値Ｉｑを乗算し、ロータの角速度ωＲで除算することで、仮想発電機の電気トルクＴｅを得る。
図４は、第１の実施形態に係るガバナモデルの例を示すブロック線図である。
ガバナモデルＭ２は、有効電力の計測値Ｐ、有効電力指令値Ｐ＊、仮想発電機のロータの角速度ωＲ、および角速度の目標値ω＊が入力されることで、仮想発電機の駆動トルク値Ｔｄを出力する。具体的には、ガバナモデルＭ２は、加え合わせ点Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３、ＰブロックＭ２４、ＰＩブロックＭ２５、一次遅れブロックＭ２６を備える。加え合わせ点Ｍ２１は、有効電力の計測値Ｐと有効電力指令値Ｐ＊との差を得る。ＰブロックＭ２４は、加え合わせ点Ｍ２１の出力に、比例ゲインＫＢ１によるＰ制御を行う。比例ゲインＫＢ１は、仮想発電機のＨｚ－ｋＷドループゲインに相当する。加え合わせ点Ｍ２２は、仮想発電機のロータの角速度ωＲと角速度の目標値ω＊の差を得る。加え合わせ点Ｍ２３は、加え合わせ点Ｍ２２の出力とＰブロックＭ２４の出力との和を得る。ＰＩブロックＭ２５は、加え合わせ点Ｍ２３の出力に比例ゲインＫＢ２および積分ゲインＫＢ３によるＰＩ制御を行う。一次遅れブロックＭ２６は、ＰＩブロックＭ２５の出力に、時定数ＫＢ４に係る一次遅れ制御を行い、駆動トルク値Ｔｄを得る。
ガバナモデルＭ２は、有効電力の計測値Ｐ、有効電力指令値Ｐ＊、仮想発電機のロータの角速度ωＲ、および角速度の目標値ω＊が入力されることで、仮想発電機の駆動トルク値Ｔｄを出力する。具体的には、ガバナモデルＭ２は、加え合わせ点Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３、ＰブロックＭ２４、ＰＩブロックＭ２５、一次遅れブロックＭ２６を備える。加え合わせ点Ｍ２１は、有効電力の計測値Ｐと有効電力指令値Ｐ＊との差を得る。ＰブロックＭ２４は、加え合わせ点Ｍ２１の出力に、比例ゲインＫＢ１によるＰ制御を行う。比例ゲインＫＢ１は、仮想発電機のＨｚ－ｋＷドループゲインに相当する。加え合わせ点Ｍ２２は、仮想発電機のロータの角速度ωＲと角速度の目標値ω＊の差を得る。加え合わせ点Ｍ２３は、加え合わせ点Ｍ２２の出力とＰブロックＭ２４の出力との和を得る。ＰＩブロックＭ２５は、加え合わせ点Ｍ２３の出力に比例ゲインＫＢ２および積分ゲインＫＢ３によるＰＩ制御を行う。一次遅れブロックＭ２６は、ＰＩブロックＭ２５の出力に、時定数ＫＢ４に係る一次遅れ制御を行い、駆動トルク値Ｔｄを得る。
図５は、第１の実施形態に係るロータモデルの例を示すブロック線図である。
ロータモデルＭ３は、仮想発電機の電気トルク値Ｔｅおよび駆動トルク値Ｔｄが入力されることで、仮想発電機のロータの角速度ωＲおよび位相角θＲを出力する。具体的には、ロータモデルＭ３は、加え合わせ点Ｍ３１、一次遅れブロックＭ３２、ＩブロックＭ３３を備える。加え合わせ点Ｍ３１は、仮想発電機の電気トルクＴｅおよび駆動トルクＴｄの差を得る。一次遅れブロックＭ３２は、加え合わせ点Ｍ３１の出力に、一次遅れゲイン１／Ｄおよび時定数Ｍ／Ｄに係る一次遅れ制御を行い、ロータの角速度ωＲを得る。ＩブロックＭ３３は、ロータの角速度ωＲを積分し、比例ゲインωＢＡＳＥを乗算することで、仮想発電機のロータの位相θＲを得る。比例ゲインωＢＡＳＥは、母線の基準周波数である。
ロータモデルＭ３は、仮想発電機の電気トルク値Ｔｅおよび駆動トルク値Ｔｄが入力されることで、仮想発電機のロータの角速度ωＲおよび位相角θＲを出力する。具体的には、ロータモデルＭ３は、加え合わせ点Ｍ３１、一次遅れブロックＭ３２、ＩブロックＭ３３を備える。加え合わせ点Ｍ３１は、仮想発電機の電気トルクＴｅおよび駆動トルクＴｄの差を得る。一次遅れブロックＭ３２は、加え合わせ点Ｍ３１の出力に、一次遅れゲイン１／Ｄおよび時定数Ｍ／Ｄに係る一次遅れ制御を行い、ロータの角速度ωＲを得る。ＩブロックＭ３３は、ロータの角速度ωＲを積分し、比例ゲインωＢＡＳＥを乗算することで、仮想発電機のロータの位相θＲを得る。比例ゲインωＢＡＳＥは、母線の基準周波数である。
《動作》
上記の構成により、コンピュータ３２４は、ＡＶＲモデルＭ１、ガバナモデルＭ２、およびロータモデルＭ３に基づいて、有効電力指令値、無効電力指令値、実効電圧指令値、および角速度指令値、ならびに電流計３２２および電圧計３２３の計測値から、仮想発電機の回転角度および角速度、ならびに界磁電圧値を求める。コンピュータ３２４は、仮想発電機の回転角度および角速度、ならびに界磁電圧値から、有効電力の目標値および無効電力の目標値を決定し、これに基づいてインバータ３２の制御指令を生成する。インバータ３２は、指令生成装置３３が生成する制御指令に従って動作することで、仮想発電機に相当する特性が実現される。
上記の構成により、コンピュータ３２４は、ＡＶＲモデルＭ１、ガバナモデルＭ２、およびロータモデルＭ３に基づいて、有効電力指令値、無効電力指令値、実効電圧指令値、および角速度指令値、ならびに電流計３２２および電圧計３２３の計測値から、仮想発電機の回転角度および角速度、ならびに界磁電圧値を求める。コンピュータ３２４は、仮想発電機の回転角度および角速度、ならびに界磁電圧値から、有効電力の目標値および無効電力の目標値を決定し、これに基づいてインバータ３２の制御指令を生成する。インバータ３２は、指令生成装置３３が生成する制御指令に従って動作することで、仮想発電機に相当する特性が実現される。
《作用・効果》
第１の実施形態に係る指令生成装置３３は、ロータモデルＭ３に基づいて仮想発電機の回転数を算出し、算出した回転数に基づいて決定したインバータ３２の有効電力の目標値を、制御指令としてインバータ３２に出力する。ここで、第１の実施形態に係る指令生成装置３３は、インバータ３２の制御指令において電圧周波数の目標値を指定しない。つまり、インバータ３２が出力する交流電力は、母線の電圧周波数に同期したものであり、指令生成装置３３は、交流電力の有効電力の大きさを制御する。これにより、第１の実施形態に係る指令生成装置３３は、直流電源装置が出力する直流電力を母線の周波数に同期させた交流電力に変換するインバータ３２を用いて、負荷変動に対する系統の安定化を図ることができる。
第１の実施形態に係る指令生成装置３３は、ロータモデルＭ３に基づいて仮想発電機の回転数を算出し、算出した回転数に基づいて決定したインバータ３２の有効電力の目標値を、制御指令としてインバータ３２に出力する。ここで、第１の実施形態に係る指令生成装置３３は、インバータ３２の制御指令において電圧周波数の目標値を指定しない。つまり、インバータ３２が出力する交流電力は、母線の電圧周波数に同期したものであり、指令生成装置３３は、交流電力の有効電力の大きさを制御する。これにより、第１の実施形態に係る指令生成装置３３は、直流電源装置が出力する直流電力を母線の周波数に同期させた交流電力に変換するインバータ３２を用いて、負荷変動に対する系統の安定化を図ることができる。
〈第２の実施形態〉
第２の実施形態に係る指令生成装置３３は、インバータ３２の電圧周波数を制御することなく、負荷Ｌの変動に伴う母線の電圧周波数の変動を補償する。
図６は、第２の実施形態に係る指令生成装置の構成を示す概略ブロック図である。
第２の実施形態に係る指令生成装置３３は、第１の実施形態の構成に加え、さらに回転目標決定部３２４９および関数更新部３２５０を備える。またモデル記憶部３２４１は、ドループ関数Ｆをさらに記憶する。
第２の実施形態に係る指令生成装置３３は、インバータ３２の電圧周波数を制御することなく、負荷Ｌの変動に伴う母線の電圧周波数の変動を補償する。
図６は、第２の実施形態に係る指令生成装置の構成を示す概略ブロック図である。
第２の実施形態に係る指令生成装置３３は、第１の実施形態の構成に加え、さらに回転目標決定部３２４９および関数更新部３２５０を備える。またモデル記憶部３２４１は、ドループ関数Ｆをさらに記憶する。
図７は、第２の実施形態に係るドループ関数を示す図である。
ドループ関数Ｆは、仮想発電機のロータの角速度と、母線の有効電力との関係を表す。ドループ関数Ｆにおいて、有効電力は、仮想発電機のロータの角速度に対して単調減少する。ドループ関数Ｆの傾きは、ガバナ１３のドループ特性と同じ傾きであってよい。
ドループ関数Ｆは、仮想発電機のロータの角速度と、母線の有効電力との関係を表す。ドループ関数Ｆにおいて、有効電力は、仮想発電機のロータの角速度に対して単調減少する。ドループ関数Ｆの傾きは、ガバナ１３のドループ特性と同じ傾きであってよい。
回転目標決定部３２４９は、モデル記憶部３２４１が記憶するドループ関数Ｆに、母線の有効電力の計測値を代入することで、仮想発電機のロータの角速度の目標値を決定する。
関数更新部３２５０は、指令受付部３２４２が母線電力の指令値を受け付けた場合、変更前後の有効電力の指令値の差の一時遅れに係る値（ローパスフィルタを通した値）に応じてドループ関数Ｆの切片を更新する。具体的には、変更後の有効電力の指令値から変更前の有効電力の指令値を減算した値を、現在のドループ関数Ｆの有効電力軸の切片に加算する。つまり、関数更新部３２５０は、ドループ関数Ｆの更新において傾きを変更しない。
関数更新部３２５０は、指令受付部３２４２が母線電力の指令値を受け付けた場合、変更前後の有効電力の指令値の差の一時遅れに係る値（ローパスフィルタを通した値）に応じてドループ関数Ｆの切片を更新する。具体的には、変更後の有効電力の指令値から変更前の有効電力の指令値を減算した値を、現在のドループ関数Ｆの有効電力軸の切片に加算する。つまり、関数更新部３２５０は、ドループ関数Ｆの更新において傾きを変更しない。
《ドループ関数の更新方法》
図８は、第２の実施形態に係るドループ関数の更新方法を示す図である。
ここで、ドループ関数Ｆの更新方法について例を挙げて説明する。時刻Ｔ０において、モデル記憶部３２４１は、ドループ関数Ｆ０を記憶する。ドループ関数Ｆ０は、有効電力軸の切片をＰ０とする関数である。したがって、回転目標決定部３２４９は、ドループ関数Ｆ０に母線の有効電力を代入することでロータの角速度の目標値を決定する。
図８は、第２の実施形態に係るドループ関数の更新方法を示す図である。
ここで、ドループ関数Ｆの更新方法について例を挙げて説明する。時刻Ｔ０において、モデル記憶部３２４１は、ドループ関数Ｆ０を記憶する。ドループ関数Ｆ０は、有効電力軸の切片をＰ０とする関数である。したがって、回転目標決定部３２４９は、ドループ関数Ｆ０に母線の有効電力を代入することでロータの角速度の目標値を決定する。
ここで、時刻Ｔ１において、指令受付部３２４２が電力制御装置４０から有効電力の指令値としてＰ１を受け付けたものとする。このとき、関数更新部３２５０は、有効電力の指令値の偏差Ｐ１－Ｐ０の一時遅れによりΔＰを算出し、ドループ関数Ｆ０の有効電力軸の切片をＰ１＋ΔＰに更新することで、ドループ関数Ｆ１を得る。関数更新部３２５０は、ドループ関数Ｆ０をドループ関数Ｆ１に書き換える。そのため、時刻Ｔ１において、回転目標決定部３２４９は、ドループ関数Ｆ１に母線の有効電力を代入することでロータの角速度の目標値を決定する。図８に示す例では、有効電力の指令値が減少したことから、時刻Ｔ１において有効電力軸の切片が減少する。これに伴い、回転目標決定部３２４９は、時刻Ｔ０のときと比較して角速度の目標値を微小に小さい値に決定することとなる。つまり、関数更新部３２５０は、指令値の偏差Ｐ１－Ｐ０の一時遅れに係る値に基づいてドループ関数の切片を更新することで、角速度の目標値が急激に変化し、ハンチングが生じることを防止することができる。
角速度の目標値が小さくなると、駆動トルク算出部３２４５が算出する駆動トルクが小さくなり、また回転算出部３２４６が算出する角速度、即ちロータの位相の増分も小さくなる。これにより、指令生成装置３３は、ドループ関数Ｆの更新によって出力される有効電力を低下させることができる。
そして、時刻Ｔ２において、ドループ関数Ｆにおける有効電力軸の切片の値がＰ１に至る。つまり、時刻Ｔ２において、回転目標決定部３２４９は、ドループ関数Ｆ２に母線の有効電力を代入することでロータの角速度の目標値を決定する。これにより、回転目標決定部３２４９は、有効電力の指令値の変更後も、ドループ関数に従って角速度の目標値を決定することができる。つまり、第２の実施形態に係る指令生成装置３３は、インバータ３２の電圧周波数を制御することなく、負荷Ｌの変動に伴う母線の電圧周波数の変動を補償することができる。
〈第３の実施形態〉
第３の実施形態に係る指令生成装置３３は、エンジン発電機１０が解列した場合など、母線に交流発電機からの電力供給がなくなった場合にも、母線の電力の安定化を図る。
第３の実施形態に係る指令生成装置３３は、エンジン発電機１０が解列した場合など、母線に交流発電機からの電力供給がなくなった場合にも、母線の電力の安定化を図る。
第３の実施形態に係る指令生成装置３３は、第１の実施形態に係る指令生成装置３３と同様の構成を有する。他方、第３の実施形態に係るガバナモデルＭ２は、第１の実施形態に係るガバナモデルと異なる。
図９は、第３の実施形態に係るガバナモデルの例を示すブロック線図である。
第３の実施形態に係るガバナモデルＭ２は、第１の実施形態に係る構成に加え、さらに加え合わせ点Ｍ２７およびＰブロックＭ２８を備える。加え合わせ点Ｍ２７は、母線電圧の計測値Ｖと母線実効電圧指令値Ｖ＊との差を得る。なお、他の実施形態においては、加え合わせ点Ｍ２７に代えて、ＡＶＲモデルＭ１の加え合わせ点Ｍ１２の出力を得るものであってもよい。ＰブロックＭ２８は、加え合わせ点Ｍ２７の出力に、比例ゲインＫＢ５によるＰ制御を行う。そして、加え合わせ点Ｍ２３は、加え合わせ点Ｍ２２の出力と、ＰブロックＭ２４の出力と、ＰブロックＭ２８の出力との和を得る。すなわち、第３の実施形態に係るガバナモデルＭ２によれば、周波数偏差のみならず、電圧の偏差によっても出力する有効電力を変動させることができる。
第３の実施形態に係るガバナモデルＭ２は、第１の実施形態に係る構成に加え、さらに加え合わせ点Ｍ２７およびＰブロックＭ２８を備える。加え合わせ点Ｍ２７は、母線電圧の計測値Ｖと母線実効電圧指令値Ｖ＊との差を得る。なお、他の実施形態においては、加え合わせ点Ｍ２７に代えて、ＡＶＲモデルＭ１の加え合わせ点Ｍ１２の出力を得るものであってもよい。ＰブロックＭ２８は、加え合わせ点Ｍ２７の出力に、比例ゲインＫＢ５によるＰ制御を行う。そして、加え合わせ点Ｍ２３は、加え合わせ点Ｍ２２の出力と、ＰブロックＭ２４の出力と、ＰブロックＭ２８の出力との和を得る。すなわち、第３の実施形態に係るガバナモデルＭ２によれば、周波数偏差のみならず、電圧の偏差によっても出力する有効電力を変動させることができる。
母線電力が、インバータを介した電源装置のみによって供給される場合、負荷変化時に母線電圧のみが変化し、電圧周波数の変動が生じない。これに対し、第３の実施形態に係る指令生成装置３３は、周波数偏差のみならず、電圧の偏差によっても出力する有効電力を変動させる。これにより、第３の実施形態に係る指令生成装置３３は、母線電力が、インバータを介した電源装置のみによって供給される場合にも、インバータ３２に同期化力を持たせることができる。
〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、上述の実施形態に係るモデルにおけるＰＩＤ制御ブロックの構成はあくまで一例であり、他の実施形態においては、他のＰＩＤ制御ブロックに置き換えられてもよい。例えば、他の実施形態において、ＡＶＲモデルＭ１のＰブロックＭ１４は、Ｉブロック、Ｄブロック、ＰＩブロックなどに置き換えられてもよい。
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、上述の実施形態に係るモデルにおけるＰＩＤ制御ブロックの構成はあくまで一例であり、他の実施形態においては、他のＰＩＤ制御ブロックに置き換えられてもよい。例えば、他の実施形態において、ＡＶＲモデルＭ１のＰブロックＭ１４は、Ｉブロック、Ｄブロック、ＰＩブロックなどに置き換えられてもよい。
〈コンピュータ構成〉
図１０は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータ３２４は、プロセッサ９１、メインメモリ９２、ストレージ９３、インタフェース９４を備える。
上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ９３に記憶されている。プロセッサ９１は、プログラムをストレージ９３から読み出してメインメモリ９２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ９１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ９２に確保する。
図１０は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータ３２４は、プロセッサ９１、メインメモリ９２、ストレージ９３、インタフェース９４を備える。
上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ９３に記憶されている。プロセッサ９１は、プログラムをストレージ９３から読み出してメインメモリ９２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ９１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ９２に確保する。
プログラムは、コンピュータ３２４に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージ９３に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータ３２４は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサ９１によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。
ストレージ９３の例としては、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ９３は、コンピュータ３２４のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース９４または通信回線を介してコンピュータ３２４に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ３２４に配信される場合、配信を受けたコンピュータ３２４が当該プログラムをメインメモリ９２に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ９３は、一時的でない有形の記憶媒体である。
また、当該プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、当該プログラムは、前述した機能をストレージ９３に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせで実現するもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
１ 電力供給システム
１０ エンジン発電機
１１ エンジン
１２ 発電機
１３ ガバナ
１４ ＡＶＲ
２０ 太陽光発電機
２１ 太陽電池
２２ インバータ
３０ 蓄電装置
３１ 二次電池
３２ インバータ
３３ 指令生成装置
３２２ 電流計
３２３ 電圧計
３２４ コンピュータ
３２４１ モデル記憶部
３２４２ 指令受付部
３２４３ 計測値取得部
３２４４ 界磁電圧算出部
３２４５ 駆動トルク算出部
３２４６ 回転算出部
３２４７ 目標電力決定部
３２４８ 指令生成部
３２４９ 回転目標決定部
３２５０ 関数更新部
４０ 電力制御装置
１０ エンジン発電機
１１ エンジン
１２ 発電機
１３ ガバナ
１４ ＡＶＲ
２０ 太陽光発電機
２１ 太陽電池
２２ インバータ
３０ 蓄電装置
３１ 二次電池
３２ インバータ
３３ 指令生成装置
３２２ 電流計
３２３ 電圧計
３２４ コンピュータ
３２４１ モデル記憶部
３２４２ 指令受付部
３２４３ 計測値取得部
３２４４ 界磁電圧算出部
３２４５ 駆動トルク算出部
３２４６ 回転算出部
３２４７ 目標電力決定部
３２４８ 指令生成部
３２４９ 回転目標決定部
３２５０ 関数更新部
４０ 電力制御装置
Claims (4)
- 直流電源装置が出力する直流電力を母線の周波数に同期させた交流電力に変換するインバータの制御指令を生成する指令生成装置であって、
前記母線の有効電力に基づいて、前記有効電力に対して単調減少する仮想発電機の回転数の目標値を決定する回転目標決定部と、
前記仮想発電機の駆動を模擬し、前記仮想発電機の回転数を算出するロータモデルと、決定した前記回転数の目標値とに基づいて、前記仮想発電機の回転数を算出する回転算出部と、
算出した前記回転数に基づいて、前記インバータの有効電力および無効電力の目標値を決定する目標電力決定部と、
決定した前記有効電力および無効電力の目標値に基づいて、前記インバータの制御指令を生成する指令生成部と、
を備える指令生成装置。 - 有効電力指令が変更されたときに、変更の前後の有効電力指令の差に応じて、前記母線の有効電力と前記仮想発電機の回転数の目標値との関係を規定するドループ関数の切片を更新する関数更新部を備え、
前記回転目標決定部は、前記ドループ関数に基づいて前記回転数の目標値を決定する
請求項１に記載の指令生成装置。 - 前記母線の有効電圧と有効電力指令の差、前記仮想発電機の回転数の目標値と算出した前記回転数の差、および母線電圧の目標値と計測値の差に基づいて、前記仮想発電機の駆動トルクに係る値を決定するガバナモデルに基づいて、前記仮想発電機の駆動トルクに係る値を算出する駆動トルク算出部を備え、
前記回転算出部は、算出した前記駆動トルクに係る値と前記ロータモデルとに基づいて、前記仮想発電機の回転に係る値を算出する
請求項１または請求項２に記載の指令生成装置。 - 直流電源装置が出力する直流電力を母線の周波数に同期させた交流電力に変換するインバータの制御指令を生成する指令生成方法であって、
前記母線の有効電力に基づいて、前記有効電力に対して単調減少する仮想発電機の回転数の目標値を決定するステップと、
前記仮想発電機の駆動を模擬し、前記仮想発電機の回転数を算出するロータモデルと、決定した前記回転数の目標値とに基づいて、前記仮想発電機の回転数を算出するステップと、
算出した前記回転数に基づいて、前記インバータの有効電力の目標値を決定するステップと、
決定した前記有効電力の目標値に基づいて、前記インバータの制御指令を生成するステップと、
を備える指令生成方法。
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