JP7324653B2 - 指令生成装置および指令生成方法 - Google Patents
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Description
本開示は、直流電源装置の電力変換装置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、母線を無限大母線と仮定して制御ロジックをモデル化する。無限大母線とは、母線に接続されている負荷のにおいて大きな負荷変動が生じても周波数および電圧の変動が生じない理想的な電源をいう。
ところで、自立運転により電力を供給する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は、母線に接続されている負荷の変動により母線の電力が変動しやすい。そのため、特許文献１に記載の技術では、母線の電力需給の変動により、電力変換装置を安定的に制御することができない可能性がある。また、母線の電力需給の関係を安定化させるためには、電力変換装置による母線への電力供給だけでなく、母線からの電力消費についても適切に制御する必要がある。
本開示の目的は、母線に接続された電力変換装置を安定的に制御す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。
本開示の目的は、母線に接続された電力変換装置を安定的に制御す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。
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交流電力に変換して母線に供給するとともに、母線の交流電力を直流電力に変換して直流電源装置に供給する電力変換装置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、前記仮想発電機の実効電圧値および位相を算出する仮想発電算出部と、前記電力変換装置と前記母線との接続点における電圧および位相を算出する母線算出部と、前記仮想発電機の位相と前記接続点の位相との相差角を算出する相差角算出部と、前記仮想発電機の実効電圧値、前記接続点における電圧、および前記相差角に基づいて、前記電力変換装置の有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の目標値に基づいて、前記電力変換装置の制御指令を生成する指令生成部と、を備える。
第２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交流電力に変換して母線に供給するとともに、母線の交流電力を直流電力に変換して直流電源装置に供給する電力変換装置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、前記仮想発電機の実効電圧値および位相を算出するステップと、前記電力変換装置と前記母線との接続点における電圧および位相を計測するステップと、前記仮想発電機の位相と前記接続点の位相との相差角を算出するステップと、前記仮想発電機の実効電圧値、前記接続点における電圧、および前記相差角に基づいて、前記電力変換装置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、前記電力変換装置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、母線に接続された電力変換装置を安定的に制御することができる。
〈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、電力変換装置３２を備える。電力変換装置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。電力変換装置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。電力変換装置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。また電力変換装置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。電力変換装置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電力変換装置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、電力変換装置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つの電力変換装置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の電力変換装置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、電力変換装置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つの電力変換装置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の電力変換装置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、電圧計３３１、コンピュータ３３２を備える。電圧計３３１は、電力変換装置３２と母線の接続点の電圧を計測する。コンピュータ３３２は、電圧計３３１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、電圧計３３１、コンピュータ３３２を備える。電圧計３３１は、電力変換装置３２と母線の接続点の電圧を計測する。コンピュータ３３２は、電圧計３３１の計測値に基づいて制御指令を生成する。
コンピュータ３３２は、指令受付部３３２１、計測値取得部３３２２、モデル記憶部３３２３、駆動トルク算出部３３２４、仮想発電算出部３３２５、母線算出部３３２６、相差角算出部３３２７、目標電力決定部３３２８、指令生成部３３２９を備える。
指令受付部３３２１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、有効電力の指令値および無効電力の指令を含む。
計測値取得部３３２２は、電圧計３３１の計測値を取得する。すなわち計測値取得部３３２２は、接続点における瞬時電圧値を取得する。
計測値取得部３３２２は、電圧計３３１の計測値を取得する。すなわち計測値取得部３３２２は、接続点における瞬時電圧値を取得する。
モデル記憶部３３２３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３３２３は、仮想発電機のガバナの挙動を模擬するガバナモデルＭ１、仮想発電機のロータの挙動を模擬するロータモデルＭ２を記憶する。ガバナモデルＭ１は、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Ｍ２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。
駆動トルク算出部３３２４は、目標電力決定部３３２８が決定した有効電力の目標値、ならびに前回の制御において仮想発電算出部３３２５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Ｍ１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。
仮想発電算出部３３２５は、駆動トルク算出部３３２４が算出した駆動トルク値をロータモデルＭ２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。また仮想発電算出部３３２５は、ロータの位相と計測値取得部３３２２が取得した電圧計３３１の計測値に基づいて、仮想発電機の実効電圧値を算出する。例えば、計測値取得部３３２２は、母線の瞬時電圧値について、ＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路によってロータの周波数でのサンプリングを行い、サンプリングされたデータを周波数変換することで、ロータの周波数成分の実効電圧値を算出する。
仮想発電算出部３３２５は、駆動トルク算出部３３２４が算出した駆動トルク値をロータモデルＭ２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。また仮想発電算出部３３２５は、ロータの位相と計測値取得部３３２２が取得した電圧計３３１の計測値に基づいて、仮想発電機の実効電圧値を算出する。例えば、計測値取得部３３２２は、母線の瞬時電圧値について、ＰＬＬ（Phase Lock Loop）回路によってロータの周波数でのサンプリングを行い、サンプリングされたデータを周波数変換することで、ロータの周波数成分の実効電圧値を算出する。
母線算出部３３２６は、計測値取得部３３２２が取得した電圧計３３１の計測値に基づいて、接続点における実効電圧値および位相を算出する。例えば、母線算出部３３２６は、母線の瞬時電圧値についてＰＬＬ回路によって接続点における基本波周波数に同期したサンプリングを行い、サンプリングされたデータを周波数変換することで、基本波成分の実効電圧値を算出する。また、例えば、母線算出部３３２６は、基本波周波数に同期したサンプリングに基づいて接続点の位相を算出する。
相差角算出部３３２７は、母線算出部３３２６が算出した母線の位相と仮想発電算出部３３２５が算出した仮想発電機のロータの位相との差である相差角を算出する。
目標電力決定部３３２８は、仮想発電算出部３３２５が算出した仮想発電機の実効電圧値と、母線算出部３３２６が算出した母線の実効電圧値と、相差角算出部３３２７が算出した相差角とに基づいて、有効電力の目標値を決定する。具体的には、目標電力決定部３３２８は、以下の式（１）に基づいて有効電力の目標値を決定する。
Ｐｖｓｇ＝Ｖｇｒｉｄ×Ｖｖｓｇ÷Ｘ×ｓｉｎΔθ ・・・（１）
ただし、Ｐｖｓｇは、有効電力の目標値を示す。Ｖｇｒｉｄは、母線の実効電圧値を示す。Ｖｖｓｇは、仮想発電機の実効電圧値を示す。Ｘは、仮想発電機と母線との間の直列リアクタンスを示す。Ｘの値としては、例えば仮想発電機のリアクタンスとして設定された値の２倍の値を用いることができる。なお、直列リアクタンスＸは、少なくとも仮想発電機のリアクタンスより大きい値である。Δθは、母線と仮想発電機の相差角を示す。
なお、式（１）は、母線に対して直列リアクタンスＸおよび仮想発電機が直列に接続された等価回路をベースとしたものである。なお、他の実施形態においては、目標電力決定部３３２８は、母線と仮想発電機とが接続される二端子対回路のＹパラメータを解くことで有効電力の目標値を決定してもよい。なお、式（１）は、二端子対回路の等価回路であるπ型回路のアドミタンスを０としたものと等価である。
Ｐｖｓｇ＝Ｖｇｒｉｄ×Ｖｖｓｇ÷Ｘ×ｓｉｎΔθ ・・・（１）
ただし、Ｐｖｓｇは、有効電力の目標値を示す。Ｖｇｒｉｄは、母線の実効電圧値を示す。Ｖｖｓｇは、仮想発電機の実効電圧値を示す。Ｘは、仮想発電機と母線との間の直列リアクタンスを示す。Ｘの値としては、例えば仮想発電機のリアクタンスとして設定された値の２倍の値を用いることができる。なお、直列リアクタンスＸは、少なくとも仮想発電機のリアクタンスより大きい値である。Δθは、母線と仮想発電機の相差角を示す。
なお、式（１）は、母線に対して直列リアクタンスＸおよび仮想発電機が直列に接続された等価回路をベースとしたものである。なお、他の実施形態においては、目標電力決定部３３２８は、母線と仮想発電機とが接続される二端子対回路のＹパラメータを解くことで有効電力の目標値を決定してもよい。なお、式（１）は、二端子対回路の等価回路であるπ型回路のアドミタンスを０としたものと等価である。
指令生成部３３２９は、目標電力決定部３３２８が決定した有効電力の目標値と、指令受付部が電力制御装置４０から受付けた充放電指令に基づいて、電力変換装置３２の制御指令を生成する。指令生成部３３２９は、生成した制御指令を電力変換装置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Ｍ１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Ｍ１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３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Ｍ１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Ｍ１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４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Ｍ２は、仮想発電機の負荷トルク値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Ｍ２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、仮想発電機の負荷トルク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に係る一次遅れ応答計算を行い、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Ｍ２は、仮想発電機の負荷トルク値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Ｍ２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、仮想発電機の負荷トルク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に係る一次遅れ応答計算を行い、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３３２は、ガバナモデルＭ１、およびロータモデルＭ２に基づいて、有効電力指令値および角速度指令値から、仮想発電機の位相および角速度を求める。また、コンピュータ３３２は、電圧計３３１の計測値から、母線の実効電圧値および位相、ならびに仮想発電機の実効電圧値を求める。コンピュータ３３２は、仮想発電機の位相と母線の位相の差である相差角をを求める。コンピュータ３３２は、母線の実効電圧値、仮想発電機の実効電圧値、および相差角に基づいて有効電力の目標値を決定し、これに基づいて電力変換装置３２の制御指令を生成する。電力変換装置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３３２は、ガバナモデルＭ１、およびロータモデルＭ２に基づいて、有効電力指令値および角速度指令値から、仮想発電機の位相および角速度を求める。また、コンピュータ３３２は、電圧計３３１の計測値から、母線の実効電圧値および位相、ならびに仮想発電機の実効電圧値を求める。コンピュータ３３２は、仮想発電機の位相と母線の位相の差である相差角をを求める。コンピュータ３３２は、母線の実効電圧値、仮想発電機の実効電圧値、および相差角に基づいて有効電力の目標値を決定し、これに基づいて電力変換装置３２の制御指令を生成する。電力変換装置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、接続点における瞬時電圧値の計測値から母線の実効電圧値および位相を求め、仮想発電機の実効電圧値、接続点における電圧、および相差角に基づいて、電力変換装置３２の有効電力の目標値を決定する。これにより、指令生成装置３３は、母線の周波数および電圧の変動に応じて電力変換装置３２を制御することで、電力変換装置３２の安定的な制御を実現することができる。
第１の実施形態に係る指令生成装置３３は、接続点における瞬時電圧値の計測値から母線の実効電圧値および位相を求め、仮想発電機の実効電圧値、接続点における電圧、および相差角に基づいて、電力変換装置３２の有効電力の目標値を決定する。これにより、指令生成装置３３は、母線の周波数および電圧の変動に応じて電力変換装置３２を制御することで、電力変換装置３２の安定的な制御を実現することができる。
〈第２の実施形態〉
第１の実施形態に係る指令生成装置３３によれば、仮想発電機の周波数と母線周波数とを同期させることができる。仮想発電機の周波数と母線周波数とが同期すると、同期時点における相差角を保ったまま電力変換装置３２の制御がなされる。すなわち相差角がオフセットされた状態となる。他方、相差角が０に近いほど同期安定度が高く、相差角の絶対値がπ（１８０度）に近いほど同期安定度が低くなる。特に、系を安定して運用するためには、相差角の絶対値をπ／２（９０度）以内とすることが好ましい。そのため、第２の実施形態に係る指令生成装置３３は、相差角を０に近づけつつ、仮想発電機の周波数と母線周波数とを同期させる。
第１の実施形態に係る指令生成装置３３によれば、仮想発電機の周波数と母線周波数とを同期させることができる。仮想発電機の周波数と母線周波数とが同期すると、同期時点における相差角を保ったまま電力変換装置３２の制御がなされる。すなわち相差角がオフセットされた状態となる。他方、相差角が０に近いほど同期安定度が高く、相差角の絶対値がπ（１８０度）に近いほど同期安定度が低くなる。特に、系を安定して運用するためには、相差角の絶対値をπ／２（９０度）以内とすることが好ましい。そのため、第２の実施形態に係る指令生成装置３３は、相差角を０に近づけつつ、仮想発電機の周波数と母線周波数とを同期させる。
図５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は、第１の実施形態の構成に加え、さらに相差角低減部３３３０を備える。
相差角低減部３３３０は、相差角算出部３３２７が算出した相差角を入力とするＰＩ制御により、相差角を打ち消す補正回転数を算出し、指令受付部３３２１が受け付けた角速度指令値に補正回転数を加算することで、角速度指令値を補正する。駆動トルク算出部３３２４は、補正された角速度指令値に基づいて駆動トルクを算出する。
第２の実施形態に係る指令生成装置は、第１の実施形態の構成に加え、さらに相差角低減部３３３０を備える。
相差角低減部３３３０は、相差角算出部３３２７が算出した相差角を入力とするＰＩ制御により、相差角を打ち消す補正回転数を算出し、指令受付部３３２１が受け付けた角速度指令値に補正回転数を加算することで、角速度指令値を補正する。駆動トルク算出部３３２４は、補正された角速度指令値に基づいて駆動トルクを算出する。
《作用・効果》
第２の実施形態に係る指令生成装置３３は、相差角が０に近づくように回転数の目標値を補正し、ロータモデルＭ２と補正された回転数の目標値とに基づいて、仮想発電機の実効電圧値および位相を算出する。これにより、指令生成装置３３は、相差角を０に近づけつつ、仮想発電機の周波数と母線周波数とを同期させることができる。したがって、指令生成装置３３は、母線周波数の瞬時変化によって、相差角の絶対値がπ／２を超えて不安定な状態になる可能性を低減することができる。
第２の実施形態に係る指令生成装置３３は、相差角が０に近づくように回転数の目標値を補正し、ロータモデルＭ２と補正された回転数の目標値とに基づいて、仮想発電機の実効電圧値および位相を算出する。これにより、指令生成装置３３は、相差角を０に近づけつつ、仮想発電機の周波数と母線周波数とを同期させることができる。したがって、指令生成装置３３は、母線周波数の瞬時変化によって、相差角の絶対値がπ／２を超えて不安定な状態になる可能性を低減することができる。
〈第３の実施形態〉
上述の通り、系を安定して運用するためには、相差角の絶対値をπ／２以内とすることが好ましい。そこで、第３の実施形態に係る指令生成装置３３は、相差角が常に安定領域に留まるように電力変換装置３２を制御する。
上述の通り、系を安定して運用するためには、相差角の絶対値をπ／２以内とすることが好ましい。そこで、第３の実施形態に係る指令生成装置３３は、相差角が常に安定領域に留まるように電力変換装置３２を制御する。
図６は、第３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３の実施形態に係る指令生成装置は、第２の実施形態の構成に加え、さらにリミッタ３３０１を備える。リミッタ３３０１は、相差角算出部３３２７によって算出された相差角を－π／２から＋π／２の範囲の値に制限する。目標電力決定部３３２８は、リミッタ３３０１によって制限された相差角に基づいて、電力変換装置３２の有効電力の目標値を決定する。これにより、指令生成装置３３は、相差角を常に安定領域に留めることができる。
第３の実施形態に係る指令生成装置は、第２の実施形態の構成に加え、さらにリミッタ３３０１を備える。リミッタ３３０１は、相差角算出部３３２７によって算出された相差角を－π／２から＋π／２の範囲の値に制限する。目標電力決定部３３２８は、リミッタ３３０１によって制限された相差角に基づいて、電力変換装置３２の有効電力の目標値を決定する。これにより、指令生成装置３３は、相差角を常に安定領域に留めることができる。
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。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
上述した実施形態に係る指令生成装置３３は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、指令生成装置３３の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで指令生成装置３３として機能するものであってもよい。
上述した実施形態に係る指令生成装置３３の目標電力決定部３３２８は、仮想発電機の実効電圧値、接続点における電圧、および相差角に基づいて有効電力の目標値を決定する。他方、他の実施形態においては、有効電力の目標値に加え、さらに無効電力の目標値を決定してもよい。無効電力の目標値Ｑｖｓｇは、例えば以下の式（２）によって求めることができる。
Ｑｖｓｇ＝Ｖｖｓｇ（Ｖｖｓｇ－Ｖｇｒｉｄ×ｃｏｓΔθ）÷Ｘ ・・・（２）
Ｑｖｓｇ＝Ｖｖｓｇ（Ｖｖｓｇ－Ｖｇｒｉｄ×ｃｏｓΔθ）÷Ｘ ・・・（２）
〈コンピュータ構成〉
図７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。
コンピュータ３３２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。
上述の指令生成装置３３は、コンピュータ３３２に実装される。そして、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。プロセッサ９１の例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。
図７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。
コンピュータ３３２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。
上述の指令生成装置３３は、コンピュータ３３２に実装される。そして、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。プロセッサ９１の例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。
プログラムは、コンピュータ３３２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３３２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。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。
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３３２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３３２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３３２に配信される場合、配信を受けたコンピュータ３３２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。
〈付記〉
各実施形態に記載の指令生成装置および指令生成方法は、例えば以下のように把握され得る。
各実施形態に記載の指令生成装置および指令生成方法は、例えば以下のように把握され得る。
（１）第１の態様によれば、指令生成装置３３は、直流電源装置３１が出力する直流電力を交流電力に変換して母線に供給するとともに、母線の交流電力を直流電力に変換して直流電源装置に供給する電力変換装置３２の制御指令を生成する指令生成装置３３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Ｍ２に基づいて、前記仮想発電機の実効電圧値および位相を算出する仮想発電算出部３３２５と、前記電力変換装置３２と前記母線との接続点における電圧および位相を算出する母線算出部３３２６と、前記仮想発電機の位相と前記接続点の位相との相差角を算出する相差角算出部３３２７と、前記仮想発電機の実効電圧値、前記接続点における電圧、および前記相差角に基づいて、前記電力変換装置の有効電力の目標値を決定する目標電力決定部３３２８と、決定した前記有効電力の目標値に基づいて、前記電力変換装置３２の制御指令を生成する指令生成部３３２９と、を備える。
これにより、指令生成装置３３は、母線の周波数および電圧の変動に応じて電力変換装置３２を制御することで、電力変換装置３２の安定的な制御を実現することができる。
これにより、指令生成装置３３は、母線の周波数および電圧の変動に応じて電力変換装置３２を制御することで、電力変換装置３２の安定的な制御を実現することができる。
（２）第２の態様によれば、第１の態様に係る指令生成装置３３において、前記目標電力決定部３３２８は、前記仮想発電機の実効電圧値と前記接続点における電圧と前記相差角の正弦の積を、前記仮想発電機のリアクタンスより大きい所定の直列リアクタンスで除算することで、前記電力変換装置３２の有効電力の目標値を決定するものであってよい。
（３）第３の態様によれば、第１または第２の態様に係る指令生成装置３３が、仮想発電機の角速度指令値を受け付ける指令受付部３３２１と、前記相差角がゼロに近づくように前記角速度指令値を補正する相差角低減部３３３０と、を備え、前記仮想発電算出部３３２５は、前記ロータモデルＭ２と補正された前記角速度指令値とに基づいて、前記仮想発電機の実効電圧値および位相を算出するものであってよい。
これにより、指令生成装置３３は、相差角をゼロに近づけつつ、仮想発電機の周波数と母線周波数とを同期させることができる。
これにより、指令生成装置３３は、相差角をゼロに近づけつつ、仮想発電機の周波数と母線周波数とを同期させることができる。
（４）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３３が、算出された前記相差角を－π／２から＋π／２の範囲の値に制限するリミッタ３３０１を備え、前記目標電力決定部３３２８は、制限された前記相差角に基づいて、前記電力変換装置３２の有効電力の目標値を決定するものであってよい。
これにより、指令生成装置３３は、相差角を常に安定領域に留めることができる。
これにより、指令生成装置３３は、相差角を常に安定領域に留めることができる。
（５）第５の態様によれば、第１から第４の何れかの態様に係る指令生成装置において、目標電力決定部３３２８は、前記仮想発電機の実効電圧値、前記接続点における電圧、および前記相差角に基づいて、前記電力変換装置３２の無効電力の目標値をさらに決定するものであってよい。
これにより、指令生成装置３３は、電力変換装置３２に相差角に応じた無効電力を供給することができ、系の電圧安定性を高めることができる。
これにより、指令生成装置３３は、電力変換装置３２に相差角に応じた無効電力を供給することができ、系の電圧安定性を高めることができる。
（６）第６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交流電力に変換して母線に供給するとともに、母線の交流電力を直流電力に変換して直流電源装置に供給する電力変換装置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、前記仮想発電機の実効電圧値および位相を算出するステップと、前記電力変換装置と前記母線との接続点における電圧および位相を計測するステップと、前記仮想発電機の位相と前記接続点の位相との相差角を算出するステップと、前記仮想発電機の実効電圧値、前記接続点における電圧、および前記相差角に基づいて、前記電力変換装置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、前記電力変換装置の制御指令を生成するステップと、を備える。
これにより、母線の周波数および電圧の変動に応じて電力変換装置３２を制御することで、電力変換装置３２の安定的な制御を実現することができる。
これにより、母線の周波数および電圧の変動に応じて電力変換装置３２を制御することで、電力変換装置３２の安定的な制御を実現することができる。
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 電力変換装置
３３ 指令生成装置
４０ 電力制御装置
３３１ 電圧計
３３２ コンピュータ
３３２１ 指令受付部
３３２２ 計測値取得部
３３２３ モデル記憶部
３３２４ 駆動トルク算出部
３３２５ 仮想発電算出部
３３２６ 母線算出部
３３２７ 相差角算出部
３３２８ 目標電力決定部
３３２９ 指令生成部
３３３０ 相差角低減部
３３０１ リミッタ
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 電力変換装置
３３ 指令生成装置
４０ 電力制御装置
３３１ 電圧計
３３２ コンピュータ
３３２１ 指令受付部
３３２２ 計測値取得部
３３２３ モデル記憶部
３３２４ 駆動トルク算出部
３３２５ 仮想発電算出部
３３２６ 母線算出部
３３２７ 相差角算出部
３３２８ 目標電力決定部
３３２９ 指令生成部
３３３０ 相差角低減部
３３０１ リミッタ
Claims (6)
- 直流電源装置が出力する直流電力を交流電力に変換して母線に供給するとともに、母線の交流電力を直流電力に変換して直流電源装置に供給する電力変換装置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、前記仮想発電機の実効電圧値および位相を算出する仮想発電算出部と、
前記電力変換装置と前記母線との接続点における電圧および位相を算出する母線算出部と、
前記仮想発電機の位相と前記接続点の位相との相差角を算出する相差角算出部と、
前記仮想発電機の実効電圧値、前記接続点における電圧、および前記相差角に基づいて、前記電力変換装置の有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の目標値に基づいて、前記電力変換装置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。 - 前記目標電力決定部は、前記仮想発電機の実効電圧値と前記接続点における電圧と前記相差角の正弦の積を、前記仮想発電機のリアクタンスより大きい所定の直列リアクタンスで除算することで、前記電力変換装置の有効電力の目標値を決定する
請求項１に記載の指令生成装置。 - 仮想発電機の角速度指令値を受け付ける指令受付部と、
前記相差角がゼロに近づくように前記角速度指令値を補正する相差角低減部と、
を備え、
前記仮想発電算出部は、前記ロータモデルと補正された前記角速度指令値とに基づいて、前記仮想発電機の実効電圧値および位相を算出する
請求項１または請求項２に記載の指令生成装置。 - 算出された前記相差角を－π／２から＋π／２の範囲の値に制限するリミッタを備え、
前記目標電力決定部は、制限された前記相差角に基づいて、前記電力変換装置の有効電力の目標値を決定する
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の指令生成装置。 - 前記目標電力決定部は、前記仮想発電機の実効電圧値、前記接続点における電圧、および前記相差角に基づいて、前記電力変換装置の無効電力の目標値をさらに決定する
請求項１から請求項４の何れか１項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交流電力に変換して母線に供給するとともに、母線の交流電力を直流電力に変換して直流電源装置に供給する電力変換装置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、前記仮想発電機の実効電圧値および位相を算出するステップと、
前記電力変換装置と前記母線との接続点における電圧および位相を計測するステップと、
前記仮想発電機の位相と前記接続点の位相との相差角を算出するステップと、
前記仮想発電機の実効電圧値、前記接続点における電圧、および前記相差角に基づいて、前記電力変換装置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、前記電力変換装置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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