JP7269206B2 - 電力変換器、電力変換器の制御方法、電力システム、電力システムの制御方法およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器、電力変換器の制御方法、電力システム、電力システムの制御方法およびプログラムに関する。

化石エネルギーや原子力エネルギーに依存した大規模電力ネットワークの代替手段として、地産地消の電力を使用した電力ネットワークが注目されている。地産地消の電力を使用した電力ネットワークには、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置である太陽光発電装置（PhotoVoltaic：ＰＶ）、定置型蓄電装置、電気自動車（Electric Vehicle：ＥＶ）等、多種多様な機器が接続される。上記各機器は、直流電源であるので、直流（ＤＣ）での電力ネットワーク（ＤＣグリッド）を構築する検討が進められている。

ＤＣグリッドの制御方法として、上記各機器に接続された電力変換器が、中央制御部の指示に基づいて、上記各機器を定電流制御や定電圧制御をすることで、ＤＣグリッドのＤＣバスの電力量を集中制御する方法がある。上記集中制御方法は、ＤＣグリッド全体を簡易に制御することができるものの、電力の急激な需給変動に円滑に対応することが難しいという問題があった。また、上記集中制御方法は、特に、広範囲にわたって複数箇所で定電圧制御を行うと、電圧制御が不安定化して、ＤＣバスの電圧の振動等の可能性があった。また、複数箇所での定電圧制御では、各機器の電力融通の負荷分担ができない、すなわち、各機器の電力供給能力に応じて各機器が協調してＤＣバスへ定電圧にて電力を供給することができないという問題があった。

そこで、各電力変換器に、自端の電力（Ｐ）と自端の電圧（Ｖ）に基づいた参照関数を付与し、自律分散的に制御させることによって、ＤＣグリッドを制御することが行われている（特許文献１～３）。ＤＣバスに要求される電力量に応じて目標電圧値に垂下特性を持たせる、すなわちドループ特性を持たせた参照関数が用いられる場合、当該制御はドループ制御と呼ばれる場合がある。各電力変換器が自律分散的にドループ制御されることによって、ＤＣバスに要求される電力量に応じて各機器の電力融通の負荷分担を実施しつつ、ＤＣバスの電圧を安定化できる。

特許第６３７１６０３号 国際公開第２０１９／１０３０５９号 特開２０１８－２９４０８号公報

より好適なドループ制御を実現する場合、入力値に応じて互いに異なる垂下特性を有する複数の参照関数を定義し、これらの参照関数を接続して総合的な参照関数を構成することが考えられる。しかしながら、この場合、異なる参照関数の境界では制御の安定性が低下する場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、制御の安定性の低下が抑制された電力変換器、電力変換器の制御方法、電力システム、電力システムの制御方法およびプログラムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、入力された電力を変換して出力する電力変換部と、参照関数に基づいて、前記電力変換部の電力変換特性を制御する制御部と、を備え、前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されている電力変換器である。

前記電力変換器は、入力された、または出力する前記電力の電気特性値の測定値を取得する測定部を備え、前記制御部は、前記測定値に基づく電気特性値の制御対象値と、前記参照関数に基づく電気特性値の目標値とに基づいて前記電力変換特性を制御するものでもよい。

前記制御部は、前記ドループ関数の垂下特性に応じて、前記測定値、前記制御対象値、および前記目標値の電気特性値の種類を選択するものでもよい。

前記制御部は、前記測定値として、前記ドループ関数の垂下係数の絶対値が所定値より小さい場合は電力値または電流値を選択し、前記垂下係数の絶対値が所定値以上の場合は電圧値を選択するものでもよい。

前記参照関数は、外部からの指令に基づいて切り替えられまたは更新されるものでもよい。

前記電力変換器は、前記参照関数を切り替え可能または更新可能に記憶する記憶部を備えるものでもよい。

本発明の一態様は、前記電力変換器と、前記電力変換器に接続されたバスと、前記電力変換器に接続された、電力の供給、消費または充電が可能な電力要素と、を備える電力システムである。

前記電力システムは、複数の前記電力変換器と、前記複数の電力変換器の少なくとも一つの参照関数を切り替えるまたは更新する指令を出力する中央制御装置と、を備え、前記中央制御装置は、当該電力システムの電力状況に基づいて、前記指令を出力するものでもよい。

前記中央制御装置は、前記複数の電力変換器から取得した情報に基づいて、前記指令を出力するものでもよい。

本発明の一態様は、電力変換器の制御方法であって、参照関数に基づいて、前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップを備え、前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されている。

本発明の一態様は、複数の電力変換器と、前記複数の電力変換器に接続されたバスと、前記複数の電力変換器のそれぞれに接続された、電力の供給、消費または充電が可能な電力要素と、を備える電力システムの制御方法であって、参照関数に基づいて、前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップと、当該電力システムの電力状況に関する情報を取得するステップと、前記電力状況に関する情報に基づいて、前記複数の電力変換器の少なくとも一つの参照関数を切り替えるまたは更新するステップと、を備え、前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されている。

本発明の一態様は、プロセッサに、電力変換器の制御方法を実行させるプログラムであって、参照関数に基づいて、前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップを備え、前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されている。

本発明の一態様は、プロセッサに、複数の電力変換器と、前記複数の電力変換器に接続されたバスと、前記複数の電力変換器のそれぞれに接続された、電力の供給、消費または充電が可能な電力要素と、を備える電力システムの制御方法を実行させるプログラムであって、参照関数に基づいて、前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップと、当該電力システムの電力状況に関する情報を取得するステップと、前記電力状況に関する情報に基づいて、前記複数の電力変換器の少なくとも一つの参照関数を切り替えるまたは更新するステップと、を備え、前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されている。

本発明の一態様は、複数の電力変換器と、前記複数の電力変換器に接続されたバスと、前記複数の電力変換器のそれぞれに接続された、電力の供給、消費または充電が可能な電力要素と、前記複数の電力変換器および電力の需要情報を保有する外部サーバと情報通信可能な中央制御装置と、を備える電力システムの制御方法であって、参照関数に基づいて、前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップと、当該電力システムの電力状況に関する情報を取得するステップと、前記外部サーバから前記需要情報を取得するステップと、前記電力状況に関する情報と前記需要情報とに基づいて、前記複数の電力変換器の少なくとも一つの参照関数を切り替えるまたは更新するステップと、を備え、前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されている。

本発明によれば、制御の安定性の低下が抑制された電力変換器、電力変換器の制御方法、電力システムおよび電力システムの制御方法を実現できる。

図１は、実施形態１に係る電力システムの構成を示す図である。 図２は、図１に示す電力変換器の構成を示す図である。 図３は、図２に示す制御部の構成を示す図である。 図４は、電力変換特性および制御を示す論理値表の一例を示す図である。 図５は、動作点の変動に対する制御の遷移の一例を示す図である。 図６は、動作点の変動に対する制御の遷移の比較例を示す図である。 図７は、動作点の変動に対する制御の遷移の別の一例を示す図である。 図８は、論理値表の変形例１を示す図である。 図９は、論理値表の変形例２を示す図である。 図１０は、操作量設定部の動作を示すフロー図である。 図１１は、電力システムの制御方法の一例を示すシーケンス図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態によって本発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一の部分には適宜同一の符号を付している。

（実施形態１）
＜電力システムの構成＞
図１は、実施形態１に係る電力システムの構成を示す図である。電力システム１００は、複数の電力変換器１１、１２、１３、１４と、複数の電力要素２１、２２、２３、２４と、バス３０とを備えている。さらに、電力システム１００は、ＥＭＳ（Energy Management System）４０を備える。ＥＭＳ４０は中央制御装置の一例である。

電力変換器１１、１２、１３はＤＣ／ＤＣ変換器であり、電力変換器１４はＡＣ／ＤＣ変換器である。電力変換器１１、１２、１３、１４は有線または無線により情報通信を行う機能を有する。電力変換器１１、１２、１３、１４の構成や機能については後に詳述する。

バス３０は、電力システム１００ではＤＣバスであり、電力変換器１１、１２、１３、１４に接続される。電力システム１００では、ＤＣグリッドを含む電力ネットワークが構成されている。

電力要素２１は、一例として電力の供給、消費および充電が可能な定置型蓄電装置であり、電力変換器１１に接続される。定置型蓄電装置は、常設される設備内蓄電装置の一例である。電力変換器１１は、電力要素２１が供給したＤＣ電力の電圧を変換してバス３０に出力し、かつバス３０から供給されたＤＣ電力の電圧を変換して電力要素２１に出力し、充電させる機能を有する。

電力要素２２は、一例として電力の発電および供給が可能な太陽光発電装置であり、電力変換器１２に接続される。太陽光発電装置は、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置の一例である。電力変換器１２は、電力要素２２が供給したＤＣ電力の電圧を変換してバス３０に出力する機能を有する。

電力要素２３は、一例として電力の供給、消費および充電が可能な車載蓄電装置であり、電力変換器１３に接続される。車載蓄電装置は電気自動車ＥＶに搭載されており、移動する非定置型の蓄電装置の一例である。電力変換器１３は、電力要素２３が供給したＤＣ電力の電圧を変換してバス３０に出力し、かつバス３０から供給されたＤＣ電力の電圧を変換して電力要素２３に出力し、充電させる機能を有する。電力変換器１３はたとえば充電ステーションや住宅用充電設備に設けられるが、電気自動車ＥＶに搭載されてもよい。

電力要素２４は、一例として商用電力系統であり、電力変換器１４に接続される。電力変換器１４は、電力要素２４が供給したＡＣ電力をＤＣ電力に変換してバス３０に出力し、かつバス３０から供給されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換して電力要素２４に出力する。バス３０から電力要素２４への電力の出力は逆潮流とも呼ばれる。

ＥＭＳ４０は、電力システム１００の状態を統合的に管理する機能を有する。ＥＭＳ４０は、制御部４１と、記憶部４２と、通信部４３とを備えている。

制御部４１は、ＥＭＳ４０の機能の実現のための各種演算処理を行うものであり、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサを含んで構成される。制御部４１の機能は、制御部４１が記憶部４２から各種プログラムを読み出して実行することで、機能部として実現される。

記憶部４２は、制御部４１が演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータなどが格納される、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）を備えている。また、記憶部４２は、制御部４１が演算処理を行う際の作業スペースや制御部４１の演算処理の結果などを記憶するなどのために使用される、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）を備えている。記憶部４２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの補助記憶装置を備えていてもよい。

通信部４３は、有線または無線により情報通信を行う通信モジュールを含んで構成されている。通信部４３は、インターネット回線網や携帯電話回線網などから構成されるネットワークＮＷを経由して、電力変換器１１、１２、１３、１４や外部サーバ２００と情報通信を行う。

なお、外部サーバ２００は、電力システム１００の外部に設けられたサーバである。外部サーバ２００は、たとえば、他の電力システムにおいてＥＭＳとして機能するように構成された情報処理装置や、データベースを備え、ＥＭＳ４０に対してデータサーバとして機能する情報処理装置である。外部サーバ２００は、電力システム１００の運用に影響を及ぼす可能性のある各種情報を記憶している。

＜電力変換器の構成＞
つぎに、電力変換器１１の具体的構成について説明する。図２は、電力変換器１１の構成を示す図である。

電力変換器１１は、電力変換部１１ａと、センサ１１ｂと、制御部１１ｃと、通信部１１ｄとを有する。

電力変換部１１ａは、放電している電力要素２１から入力されたＤＣ電力の電圧を変換してバス３０に出力するＤＣ／ＤＣ変換を行う。電力変換部１１ａは、バス３０から入力されたＤＣ電力の電圧を変換して電力要素２１に出力し、充電することもできる。電力変換部１１ａは、たとえばコイル、コンデンサ、ダイオード、スイッチング素子などを含む電気回路で構成されている。スイッチング素子はたとえば電界効果コンデンサや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタである。電力変換部１１ａは、たとえばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって電力変換特性を制御することができる。

センサ１１ｂは、電力変換部１１ａのバス３０側の電力の電気特性値を測定する。したがって、センサ１１ｂは、電力変換器１１に入力されるまたは電力変換器１１から出力する電力の電気特性値を測定する。センサ１１ｂは、電流値、電圧値、電力値などを測定することができる。センサ１１ｂは、測定値を取得する測定部の一例である。センサ１１ｂは、電気特性値の測定値を制御部１１ｃに出力する。

制御部１１ｃは、電力変換器１１の主に電力変換機能の実現のために、電力変換部１１ａの動作を制御するための各種演算処理を行うプロセッサと記憶部とを含んで構成される。プロセッサおよび記憶部は、それぞれ、制御部４１、記憶部４２の構成として例示したものを用いることができる。制御部１１ｃの機能は、プロセッサが記憶部から各種プログラムを読み出して実行することで、機能部として実現される。たとえば、制御部１１ｃは、参照関数に基づいて、電力変換部１１ａの電力変換特性を制御する。具体的には、制御部１１ｃは、ＰＷＭ制御のための操作量（たとえば、デューティ比）の情報を含むＰＷＭ信号を電力変換部１１ａに出力し、電力変換部１１ａをＰＷＭ制御する。なお、制御部１１ｃは、操作量を電力変換部１１ａに直接的に出力してもよいし、図示しない他の機能部（たとえばループ制御部）を介して電力変換部１１ａに出力してもよい。

通信部１１ｄは、有線または無線により情報通信を行う通信モジュールと、通信モジュールの動作を制御する通信制御部とを含んで構成されている。通信部１１ｄは、ネットワークＮＷを経由して、ＥＭＳ４０と情報通信を行う。通信部１１ｄは、たとえば、ＥＭＳ４０から指令を受信し、制御部１１ｃに出力する。通信部１１ｄは、たとえば、制御部１１ｃから入力された電力状況に関する情報をＥＭＳ４０に送信する。なお、電力状況に関する情報がセンサ１１ｂの測定値である場合は、通信部１１ｄは、たとえば、センサ１１ｂから入力された測定値をＥＭＳ４０に送信してもよい。

図３は、制御部１１ｃの主に電力変換機能に係る構成を示す図である。制御部１１ｃは、プログラムの実行によってソフトウエア的に実現される機能部である操作量設定部１１ｃａおよび判定部１１ｃｂと、記憶部１１ｃｃとを備えている。

操作量設定部１１ｃａは、センサ１１ｂから入力された測定値と、判定部１１ｃｂから入力された判定情報と、記憶部１１ｃｃに記憶されたドループ関数情報と、に基づいて操作量を設定して電力変換部１１ａに出力する。ここで、ドループ関数情報とは、参照関数を構成するドループ関数を特定するための各種情報であるが、後に詳述する。判定部１１ｃｂは、センサ１１ｂから入力された測定値と、記憶部１１ｃｃに記憶されたドループ関数情報と、場合によってはさらに通信部１１ｄから入力された指令と、に基づいて判定情報を生成し、操作量設定部１１ｃａに出力する。また、記憶部１１ｃｃまたは操作量設定部１１ｃａは、電力状況に関する情報やドループ関数情報などの情報を通信部１１ｄに出力する。

なお、他の電力変換器１２、１３、１４は、電力変換器１１と同様の構成を有していてもよい。ただし、電力変換器１４の電力変換部は、電力要素２４から入力されたＡＣ電力をＤＣ電力に変換してバス３０に出力したり、バス３０から入力されたＤＣ電力をＡＣ電力に変換して電力要素２４に出力したりする、いわゆるインバータである。

＜参照関数の特性＞
つぎに、制御部１１ｃが電力変換部１１ａの電力変換特性を制御する基となる参照関数について説明する。図４は、電力変換特性および制御を示す論理値表の一例を示す図である。図４（ａ）は、電力変換部１１ａのバス３０側の電力（Ｐ）と電圧（Ｖ）との関係であるＶ－Ｐ特性を示す図であり、電力変換部１１ａの電力変換特性を示している。なお、Ｐは、電力変換部１１ａがバス３０に電力を供給する、電力要素２１の放電状態の場合は正値であり、バス３０から電力を供給される、電力要素２１の充電状態の場合は負値である。

制御部１１ｃは、電力変換部１１ａの電力変換特性を、線ＤＬ１で示される参照関数の特性となるように制御する。すなわち、制御部１１ｃは、Ｖの値とＰの値とで定義される動作点が線ＤＬ１上に位置するように電力変換部１１ａを制御する。線ＤＬ１は、途中で屈曲した直線状または曲線状の線である。この参照関数は、入力値の区間に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されている。具体的には、線ＤＬ１は、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数を表す線ＤＬ１１、ＤＬ１２、ＤＬ１３が接続して構成されている。線ＤＬ１１は、入力値をＶとすると、ＶがＶ２以上かつＰがＰ１以下の区間で定義されており、絶対値が大きな負の傾きを有する略直線状である。線ＤＬ１３は、ＶがＶ１以下かつＰがＰ２以上の区間で定義されており、絶対値が大きな負の傾きを有する略直線状である。線ＤＬ１２は、Ｖ１以上Ｖ２以下かつＰ１以上Ｐ２以下の区間で定義されており、線ＤＬ１１、ＤＬ１３よりは絶対値が小さい負の傾きを有する略直線状である。

さらに、制御部１１ｃは、線ＤＬ１１と線ＤＬ１２との境界であり、座標（Ｐ，Ｖ）＝（Ｐ１、Ｖ２）である境界点ＢＰ１、線ＤＬ１２と線ＤＬ１３との境界であり、座標（Ｐ，Ｖ）＝（Ｐ２、Ｖ１）である境界点ＢＰ２がヒステリシス領域となるように電力変換部１１ａの電力変換特性を制御する。たとえば、Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ０ｋＷ、３００ｋＷであり、Ｖ１、Ｖ２はそれぞれ３７０Ｖ、３９０Ｖである。

線ＤＬ１、ＤＬ１１、ＤＬ１２、ＤＬ１３、境界点ＢＰ１、ＢＰ２は、ドループ関数情報によって特定される。ドループ関数情報は、たとえば、横軸をＰ、縦軸をＶとした座標におけるドループ関数の境界の座標情報、ドループ関数の切片情報、傾き（すなわち垂下係数）の情報、形状（直線、曲線など）の情報、またはヒステリシス領域の情報が含まれている。

図４（ｂ）は、制御部１１ｃが、電圧に基づく制御を行う際に用いる論理値表Ｔ１の一例を示す。図４（ｃ）は、制御部１１ｃが、電力に基づく制御を行う際に用いる論理値表Ｔ１の一例を示す。このような論理値表Ｔ１、Ｔ２はたとえば記憶部１１ｃｃに格納されており、制御の際に読み出して使用される。

論理値表Ｔ１、Ｔ２において、「ｄＰ」とは、制御部１１ｃが、センサ１１ｂによる電圧の測定値Ｖoと、ドループ関数情報と、に基づいて目標電力Ｐref（目標値の一例）を決定し、Ｐrefと、センサ１１ｂによる電力の測定値Ｐo（制御対象値の一例）との差分が許容範囲以下になるように操作量を設定するフィードバック制御する制御方法が実行されることを意味し、以下では適宜ｄＰ制御と記載する場合がある。一方、「ｄＶ」とは、制御部１１ｃが、センサ１１ｂによる電力の測定値Ｐoと、ドループ関数情報と、に基づいて目標電圧Ｖref（目標値の一例）を決定し、Ｖrefと、センサ１１ｂによる電圧の測定値Ｖo（制御対象値の一例）との差分が許容範囲以下になるようにフィードバック制御する制御方法が実行されることを意味し、以下では適宜ｄＶ制御と記載する場合がある。また、「Ｈ」とは、ヒステリシス領域であり、動作点の変動の仕方に応じてｄＰ制御またはｄＶ制御が実行されることを意味する。これらのフィードバック制御は、たとえば記憶部１１ｃｃに記憶された比例ゲイン、積分時間、微分時間などのパラメータを読み出して実行されるＰＩＤ制御等の、公知の手法を用いて実行できる。

なお、制御部１１ｃがｄＰ制御およびｄＶ制御のいずれの制御方法を実行するかについては、判定部１１ｃｂが、センサ１１ｂから入力された測定値と、記憶部１１ｃｃに記憶されたドループ関数情報と、に基づいて判定する。判定部１１ｃｂはこの判定結果を判定情報として操作量設定部１１ｃａに出力し、操作量設定部１１ｃａが操作量を設定する。制御部１１ｃでは、ドループ関数の垂下特性に応じて、測定値、制御対象値、および目標値の電気特性値の種類が選択されている。具体的には、垂下係数の絶対値が所定値以上の場合は、測定値として電圧値、制御対象値および目標値として電力値が選択され、ｄＰ制御が実行される。また、垂下係数の絶対値が所定値より小さい場合は、測定値として電力値、制御対象値および目標値として電圧値が選択され、ｄＶ制御が実行される。なお、判定部１１ｃｂによる判定は、論理値表Ｔ１、Ｔ２のいずれか一方または両方を用いて行ってよい。

また、制御部１１ｃは、たとえば、ｄＰ制御とｄＶ制御との両方を選択的に実行可能な制御ブロックを含んで構成されていてもよい。また、制御部１１ｃは、たとえば、ｄＰ制御を実行するｄＰ制御ブロックとｄＶ制御を実行するｄＶ制御ブロックとを別個に有していてもよい。この場合、制御部１１ｃは、ｄＰ制御ブロックがｄＰ制御のための操作量を設定し、それとは独立してｄＶ制御ブロックがｄＶ制御のための操作量を設定し、切替スイッチによって、実行される方の制御のための操作量が電力変換部１１ａに出力されるように構成されていてもよい。

制御部１１ｃにおける、電圧の変動に対する制御の遷移の一例を、図５を参照して説明する。また、図５（ｃ）のように、電力システム１００が、バス３０の電圧がＶ２より大きい動作点ＯＰ１に制御されている状態から、電圧が変動し、動作点が、電圧がＶ１より小さい動作点ＯＰ２まで経路Ｒ１のように変動する場合を説明する。なお、このような動作点の変動は、バス３０に負荷が付与されたり、バス３０に接続された電力要素２２～２４等の動作状態が変動したりして、電力需給が変動した場合等に発生し得る。

線ＤＬ１１上の動作点ＯＰ１では、制御部１１ｃはｄＰ制御を実行する。電圧が変動し動作点が移動してヒステリシス領域である境界点ＢＰ１に達すると、制御部１１ｃは、電圧がＶ２より大きく線ＤＬ１１上にある場合と同様にｄＰ制御を実行する。その後、さらに動作点が変動して線ＤＬ１２上に移動すると、制御はｄＶ制御に遷移する。

その後、さらに電圧が変動し動作点が移動してヒステリシス領域である境界点ＢＰ２に達すると、制御部１１ｃは、動作点が線ＤＬ１２上にある場合と同様にｄＶ制御を実行する。その後、さらに動作点が変動して線ＤＬ１３上に移動すると、制御はｄＰ制御に遷移する。

以上のように、制御が遷移する境界である境界点ＢＰ１、ＢＰ２がヒステリシス領域となるように電力変換部１１ａの電力変換特性を制御することによって、動作点が境界を跨いで変動しても、当該境界における制御が安定する。

一方、たとえば、仮に、図６に比較例として示すように、制御部１１ｃが電力変換部１１ａの電力変換特性を、線ＤＬ１００で示される参照関数の特性となるように制御する場合を考える。線ＤＬ１００は、線ＤＬ１と同様に線ＤＬ１１、ＤＬ１２、ＤＬ１３が接続して構成されているが、境界点ＢＰ１、ＢＰ２のようなヒステリシス領域が設定されていない点で異なる。このような参照関数の場合、バス３０の電圧が変動し、動作点が動作点ＯＰ１から動作点ＯＰ２まで経路Ｒ１のように移動すると、両矢線で示すように制御が遷移する境界でチャタリングが発生して制御が安定しない場合がある。

また、図７は、制御部１１ｃにおける、制御の遷移の別の一例を示す図である。図７（ａ）、（ｂ）は、図５（ａ）、（ｂ）と同じ論理値表Ｔ１、Ｔ２を示すが、本例では、図７（ｃ）のように、バス３０の電圧が変動し、動作点が動作点ＯＰ２から動作点ＯＰ１まで経路Ｒ２のように移動する場合を説明する。

線ＤＬ１３上の動作点ＯＰ２では、制御部１１ｃはｄＰ制御を実行する。電圧が変動し動作点が移動して境界点ＢＰ２に達すると、制御部１１ｃは、動作点が線ＤＬ１３上にある場合と同様にｄＰ制御を実行する。その後、さらに動作点が変動して線ＤＬ１２上に移動すると、制御はｄＶ制御に遷移する。

その後、さらに電圧が変動し動作点が移動して境界点ＢＰ１に達すると、制御部１１ｃは、動作点が線ＤＬ１２上にある場合と同様にｄＶ制御を実行する。その後、さらに動作点が変動して線ＤＬ１１上に移動すると、制御はｄＰ制御に遷移する。

図７のように、動作点が図５とは逆の経路で変動する場合にも、制御部１１ｃが、制御が遷移する境界点ＢＰ１、ＢＰ２がヒステリシス領域となるように電力変換部１１ａの電力変換特性を制御することによって、動作点が境界を跨いで変動しても、当該境界における制御が安定する。

なお、電力変換器１２、１３、１４においても、それぞれの制御部は、それぞれの電力変換部の電力変換特性を、それぞれ設定された参照関数の特性となるように制御する。それぞれの参照関数は、入力値の区間に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されている。ただし、それぞれの参照関数は、電力変換器１２、１３、１４の特性や、それぞれに接続される電力要素２２、２３、２４の特性に応じて、適正なドループ関数情報によって特定されたドループ関数で構成される。

さらに、電力変換器１２、１３、１４のそれぞれの制御部は、ドループ関数の境界がヒステリシス領域となるようにそれぞれの電力変換部の電力変換特性を制御する。制御は制御部１１ｃにおける制御と同様に設定され、実行される。その結果、動作点が互いに垂下特性が異なるドループ関数の境界を跨いで変動しても、当該境界における各電力変換器の制御が安定する。さらには、電力システム１００の全体において制御が安定することとなる。

＜変形例＞
図４～図７に示した例では、線ＤＬ１で示される参照関数において、線ＤＬ１１と線ＤＬ１２との境界点ＢＰ１と、線ＤＬ１２と線ＤＬ１３との境界点ＢＰ２とがヒステリシス領域であるが、ヒステリシス領域はこのような点に限らず、或る程度の範囲で規定されていてもよい。

図８、９は、制御部１１ｃが用いる論理値表の変形例１、２として論理値表Ｔ３、Ｔ４を示す図である。このような論理値表Ｔ２はたとえば記憶部１１ｃｃに格納されており、制御の際に読み出して使用される。なお、論理値表Ｔ３、Ｔ４を用いる場合にも線ＤＬ１で示される参照関数が制御に用いられるとする。

論理値表Ｔ３、Ｔ４では、境界点の電圧Ｖ１に対して、ヒステリシス領域がＶ１－ΔＶ１からＶ１＋ΔＶ１の範囲で、幅が２×ΔＶ１となるように設定されている。また境界点の電圧Ｖ２に対して、ヒステリシス領域がＶ２－ΔＶ２からＶ２＋ΔＶ２の範囲で、幅が２×ΔＶ２となるように設定されている。また、境界点の電力Ｐ１に対して、ヒステリシス領域がＰ１－ΔＰ１からＰ１＋ΔＰ１の範囲で、幅が２×ΔＰ１となるように設定されている。また境界点の電力Ｐ２に対して、ヒステリシス領域がＰ２－ΔＰ２からＰ２＋ΔＰ２の範囲で、幅が２×ΔＰ２となるように設定されている。本変形例のように、ヒステリシス領域は点に限らず、或る程度の範囲で規定されていてもよい。なお、ΔＶ１、ΔＶ２はたとえば２Ｖであるが、これには限定されず、またΔＶ１とΔＶ２とは等しくなくてもよい。また、ΔＰ１、ΔＰ２はたとえば２０ｋＷであるが、これには限定されず、またΔＰ１とΔＰ２とは等しくなくてもよい。

＜制御方法＞
つぎに、電力変換器１１、１２、１３、１４の制御方法および電力システム１００の制御方法について説明する。電力システム１００では、電力変換器１１、１２、１３、１４が個別に自律分散的に制御を行う、いわゆる自端制御と、ＥＭＳ４０が、電力システム１００の電力状況に応じて電力変換器１１、１２、１３、１４を協調制御する集中制御とが実行され得る。なお、たとえば、自端制御は比較的短い周期で繰り返し実行され、集中制御は自端制御の周期よりも長い間隔で実行される。自端制御は一次制御とも呼ばれ、集中制御は二次制御とも呼ばれる。これらの制御方法は、たとえば、各電力変換器またはＥＭＳ４０において、プログラムがプロセッサに実行させる。

＜自端制御＞
はじめに、自端制御における電力変換器１１、１２、１３、１４の制御方法について、電力変換器１１を例として説明する。他の電力変換器１２、１３、１４においても、以下の説明と同様の制御方法が適宜実行されてもよい。なお、電力要素２２が、太陽光発電装置のように、効率などの観点から発電量を制御しない要素である場合、電力変換器１２は、電力要素２２からその発電量に応じた電力が入力されると、その発電量にてバス３０への出力電力が最大になるように動作させるＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）方式の制御が実行してもよい。

電力変換器１１の制御方法においては、制御部１１ｃが、参照関数に基づいて、電力変換器１１の電力変換特性、すなわち電力変換部１１ａの電力変換特性を制御する制御ステップを実行する。

この制御ステップの内容の一例について、図３および図１０を参照してさらに具体的に説明する。図１０は、操作量設定部１１ｃａの動作を示すフロー図である。

はじめに、ステップＳ１０１において、操作量設定部１１ｃａは、センサ１１ｂから測定値を取得する。つづいて、ステップＳ１０２において、操作量設定部１１ｃａは、記憶部１１ｃｃからドループ関数情報を取得する。つづいて、ステップＳ１０３において、操作量設定部１１ｃａは、判定部１１ｃｂから判定情報を取得する。つづいて、ステップＳ１０４において、操作量設定部１１ｃａは、判定情報に基づく制御方法でのフィードバック制御を実行するための操作量を、測定値およびドループ関数情報に基づいて設定し、電力変換部１１ａに出力する。これにより電力変換部１１ａの制御が実行される。

＜集中制御＞
つぎに、集中制御について説明する。以下に示す例では、電力変換器１１、１２、１３、１４の外部に設けられたＥＭＳ４０が、電力変換器１１、１２、１３、１４が制御に用いる参照関数を指令によって切り替えるまたは更新することによって、集中制御を実行する。ここで、参照関数を指令によって切り替えるとは、電力変換器１１、１２、１３、１４のそれぞれの記憶部が、複数の参照関数を記憶しており、指令によって制御に使用する参照関数を切り替えることを意味する。また、参照関数を指令によって更新するとは、指令が参照関数に関する情報を含んでおり、指令によって参照関数の一部または全体を更新することを意味する。電力変換器１１、１２、１３、１４のそれぞれの記憶部は、参照関数を切り替え可能または更新可能に記憶している。

たとえば、ＥＭＳ４０と電力変換器１１、１２、１３、１４との情報通信がＴＣＰ／ＩＰプロトコルに従う場合、参照関数の更新を行う指令信号のＩＰパケットのデータ部分に、ドループ関数情報が含まれる。ドループ関数情報は、上述したように、ドループ関数の境界の座標情報、ドループ関数の切片情報、傾き（すなわち垂下係数）の情報、形状（直線、曲線など）の情報、またはヒステリシス領域の情報であり、データ部分にはこれらの情報のうち更新する対象となる情報がデータ列として含まれる。更新に使用されるドループ関数情報はＥＭＳ４０の記憶部４２に記憶されており、制御部４１が適宜読み出して用いる。

つぎに、集中制御として電力システム１００の制御方法の一例について、図１１のシーケンス図を参照して説明する。

はじめに、ステップＳ２０１において、ＥＭＳ４０は、自装置のタイマーを発呼し、計時を開始する。
つづいて、ステップＳ２０２において、ＥＭＳ４０は、電力変換器１１、１２、１３、１４のそれぞれに、自端計測情報を要求する。自端計測情報とは、電力システム１００の電力状況に関する情報の一例であって、電力変換器１１、１２、１３、１４のそれぞれのセンサによって測定された測定値や、測定時刻を含む。

つづいて、ステップＳ２０３において、電力変換器１１、１２、１３、１４はそれぞれ、自端計測情報をＥＭＳ４０に送信する。ＥＭＳ４０はそれぞれの自端計測情報を記憶部４２に記憶する。

つづいて、ステップＳ２０４において、ＥＭＳ４０は、電力システム１００の電力状況に関する情報の一例として、外部サーバ２００に、電力システム１００の運用に影響を及ぼす可能性のある各種情報を要求する。本例では、ＥＭＳ４０は外部サーバ２００に発電量・需要予測情報を要求する。発電量・需要予測情報は、電力システム１００における発電量の予測情報や電力の需要予測情報を含み、たとえば電力システム１００が設置されている地域の季節や現在の天気、今後の天気予報などの情報を含んでもよい。また、外部サーバ２００が他の電力システムのＥＭＳとして機能する場合、当該他の電力システムの運用状態が、電力システム１００の運用に影響を及ぼす可能性がある場合は、発電量・需要予測情報は、当該他の電力システムにおける発電量の予測情報や電力の需要予測情報を含むものでもよい。

つづいて、ステップＳ２０５において、外部サーバ２００は、ＥＭＳ４０に、発電量・需要予測情報を送信する。ＥＭＳ４０は発電量・需要予測情報を記憶部４２に記憶する。

つづいて、ステップＳ２０６において、ＥＭＳ４０の制御部４１は、送信されてきた各情報、すなわち電力システム１００の電力状況に関する情報等を記憶部４２から読み出して、これに基づいて、電力システム１００の運用最適化計算を実行する。

運用最適化計算は、様々な条件に適用するよう実行される。たとえば、電力システム１００が、バス３０が所定の電圧の動作点となるように制御されているとする。この状態において、ＥＭＳ４０が、発電量・需要予測情報により、太陽光発電装置である電力要素２２が設置された地域の今後の天気が晴天であって発電量が増加すると予想され、かつ電力要素２２に接続された電力変換器１２から取得した自端計測情報から、電力要素２２に電力供給の点で余裕があると判定したとする。この場合、ＥＭＳ４０は、当該動作点にて定置型蓄電装置である電力要素２１が充電されるように、電力要素２１に接続された電力変換器１１の参照関数を更新すると判定する。また、ＥＭＳ４０は、当該更新と同時に、商用電力系統である電力要素２４から電力供給されないように、電力要素２４に接続された電力変換器１４の参照関数を更新すると判定する。なお、参照関数は更新ではなく切替でもよい。

また、運用最適化計算は、ピークカットや夜間電力の活用等、商用電力系統である電力要素２４の契約電力を超えないようにする観点や電気料金の適正化の観点からも条件設定され、実行することもできる。

また、ＥＭＳ４０の記憶部４２は、学習済モデルを格納しており、ＥＭＳ４０は、運用最適化計算を学習済モデルを用いて実行してもよい。学習済モデルは、たとえば、電力システム１００の電力状況に関する情報とそれに対応する電力変換器１１、１２、１３、１４に対する参照関数の切替や更新の結果とを教師データとして、ニューラルネットワークを用いた深層学習によって生成された学習済モデルを用いることができる。

つづいて、ステップＳ２０７において、ＥＭＳ４０は、電力変換器１１、１２、１３、１４のうち更新対象の電力変換器に、参照関数（ドループ関数）の更新指令を出力し、更新するステップを実行する。つづいて、ステップＳ２０８において、ＥＭＳ４０は、タイマーをリセットする。つづいて、電力変換器１１、１２、１３、１４は、ステップＳ２０９において、それぞれ自端制御を実行する。これらの自端制御は、電力システム１００の電力状況を反映した自端制御であり、電力変換器１１、１２、１３、１４が協調制御されることとなる。

以上説明した電力変換器１１、１２、１３、１４の制御方法および電力システム１００の制御方法によれば、制御の安定性の低下が抑制される。

なお、上記実施形態において、測定値、目標値、制御対象値などの電気特性値として、電力値に換えて電流値を用いてもよい。この場合、たとえば参照関数は電流（Ｉ）と電圧（Ｖ）との関係であるＶ－Ｉ特性として定義される。また、たとえば、制御部１１ｃが、センサ１１ｂによる電圧の測定値Ｖoと、ドループ関数情報と、に基づいて目標電力Ｉref（目標値の一例）を決定し、Ｉrefと、センサ１１ｂによる電流の測定値Ｉo（制御対象値の一例）との差分が許容範囲以下になるように操作量を設定するフィードバック制御は、ｄＩ制御とも呼ばれ、ｄＰ制御に換えて実行される。また、ｄＶ制御では、センサ１１ｂによる電流の測定値Ｉoと、ドループ関数情報と、に基づいて目標電圧Ｖrefを決定する。

また、上記実施形態では、参照関数は３つのドループ関数を接続して構成されているが、２つまたは４つ以上のドループ関数を接続して構成されてもよい。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１１、１２、１３、１４ ：電力変換器
１１ａ ：電力変換部
１１ｂ ：センサ
１１ｃ、４１ ：制御部
１１ｃａ ：操作量設定部
１１ｃｂ ：判定部
１１ｃｃ、４２ ：記憶部
１１ｄ、４３ ：通信部
２１、２２、２３、２４ ：電力要素
３０ ：バス
４０ ：ＥＭＳ
１００ ：電力システム
２００ ：外部サーバ
ＢＰ１、ＢＰ２ ：境界点
ＤＬ１、ＤＬ１１、ＤＬ１２、ＤＬ１３ ：線
ＥＶ ：電気自動車
ＮＷ ：ネットワーク
ＯＰ１、ＯＰ２ ：動作点
Ｒ１、Ｒ２ ：経路
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４ ：論理値表

Claims (11)

1. 入力された電力を変換して出力する電力変換部と、
   参照関数に基づいて、前記電力変換部の電力変換特性を制御する制御部と、
   入力された、または出力する前記電力の電気特性値の測定値を取得する測定部と、
   を備え、前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されており、
   前記制御部は、前記測定値に基づく電気特性値の制御対象値と、前記参照関数に基づく電気特性値の目標値とに基づいて前記電力変換特性を制御し、前記ドループ関数の垂下特性に応じて、前記測定値、前記制御対象値、および前記目標値の電気特性値の種類を選択する
   電力変換器。
2. 前記制御部は、前記測定値として、前記ドループ関数の垂下係数の絶対値が所定値より小さい場合は電力値または電流値を選択し、前記垂下係数の絶対値が所定値以上の場合は電圧値を選択する
   請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記参照関数は、外部からの指令に基づいて切り替えられまたは更新される
   請求項１または２に記載の電力変換器。
4. 前記参照関数を切り替え可能または更新可能に記憶する記憶部を備える
   請求項２または３に記載の電力変換器。
5. 請求項１～４のいずれか一つに記載の電力変換器と、
   前記電力変換器に接続されたバスと、
   前記電力変換器に接続された、電力の供給、消費または充電が可能な電力要素と、
   を備える電力システム。
6. 複数の前記電力変換器と、
   前記複数の電力変換器の少なくとも一つの参照関数を切り替えるまたは更新する指令を出力する中央制御装置と、
   を備え、
   前記中央制御装置は、当該電力システムの電力状況に基づいて、前記指令を出力する
   請求項５に記載の電力システム。
7. 前記中央制御装置は、前記複数の電力変換器から取得した情報に基づいて、前記指令を出力する
   請求項６に記載の電力システム。
8. 電力変換器の制御方法であって、
   参照関数に基づいて、前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップと、
   前記電力変換器に入力された、または前記電力変換器が出力する電力の電気特性値の測定値を取得するステップと、を備え、
   前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されており、
   前記制御ステップは、前記測定値に基づく電気特性値の制御対象値と、前記参照関数に基づく電気特性値の目標値とに基づいて前記電力変換特性を制御し、前記ドループ関数の垂下特性に応じて、前記測定値、前記制御対象値、および前記目標値の電気特性値の種類を選択する
   電力変換器の制御方法。
9. 複数の電力変換器と、前記複数の電力変換器に接続されたバスと、前記複数の電力変換器のそれぞれに接続された、電力の供給、消費または充電が可能な電力要素と、を備える電力システムの制御方法であって、
   参照関数に基づいて、前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップと、
   前記電力変換器に入力された、または前記電力変換器が出力する電力の電気特性値の測定値を取得するステップと、
   当該電力システムの電力状況に関する情報を取得するステップと、
   前記電力状況に関する情報に基づいて、前記複数の電力変換器の少なくとも一つの参照関数を切り替えるまたは更新するステップと、
   を備え、
   前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されており、
   前記制御ステップは、前記測定値に基づく電気特性値の制御対象値と、前記参照関数に基づく電気特性値の目標値とに基づいて前記電力変換特性を制御し、前記ドループ関数の垂下特性に応じて、前記測定値、前記制御対象値、および前記目標値の電気特性値の種類を選択する
   電力システムの制御方法。
10. プロセッサに、
    電力変換器の制御方法を実行させるプログラムであって、
    参照関数に基づいて、前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップと、
    前記電力変換器に入力された、または前記電力変換器が出力する電力の電気特性値の測定値を取得するステップと、を備え、
    前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されており、
    前記制御ステップは、前記測定値に基づく電気特性値の制御対象値と、前記参照関数に基づく電気特性値の目標値とに基づいて前記電力変換特性を制御し、前記ドループ関数の垂下特性に応じて、前記測定値、前記制御対象値、および前記目標値の電気特性値の種類を選択する
    プログラム。
11. 複数の電力変換器と、前記複数の電力変換器に接続されたバスと、前記複数の電力変換器のそれぞれに接続された、電力の供給、消費または充電が可能な電力要素と、前記複数の電力変換器および電力の需要情報を保有する外部サーバと情報通信可能な中央制御装置と、を備える電力システムの制御方法であって、
    参照関数に基づいて、前記電力変換器の電力変換特性を制御する制御ステップと、
    前記電力変換器に入力された、または前記電力変換器が出力する電力の電気特性値の測定値を取得するステップと、
    当該電力システムの電力状況に関する情報を取得するステップと、
    前記外部サーバから前記需要情報を取得するステップと、
    前記電力状況に関する情報と前記需要情報とに基づいて、前記複数の電力変換器の少なくとも一つの参照関数を切り替えるまたは更新するステップと、
    を備え、
    前記参照関数は、入力値に応じて定義された、互いに垂下特性が異なる複数のドループ関数が接続して構成されており、前記ドループ関数の境界にはヒステリシス領域が設定されており、
    前記制御ステップは、前記測定値に基づく電気特性値の制御対象値と、前記参照関数に基づく電気特性値の目標値とに基づいて前記電力変換特性を制御し、前記ドループ関数の垂下特性に応じて、前記測定値、前記制御対象値、および前記目標値の電気特性値の種類を選択する
    電力システムの制御方法。

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