JPWO2015107593A1 - 電力ルータとその制御方法、制御プログラム、及び、電力ネットワークシステム - Google Patents

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Abstract

電力セル同士を非同期に相互接続した電力ネットワークシステムを構築するにあたり、電力ルータの管理又は制御をより適切に行うことができる。電力ルータ(100)は、第1マスターレグ(61)、第2マスターレグ(62)、第1自立レグ(63)及び第2自立レグ(64)を有する。制御部(19)は、第1自立レグ(63)及び第2自立レグ(64)が送受電する電力に基づいて、第1マスターレグ(61)が送受電する電力と、第2マスターレグ(62)が送受電する電力と、を制御する。

Description

本発明は、電力ルータとその制御方法、コンピュータ可読媒体、及び、電力ネットワークシステムに関する。
電力供給システムを構築するにあたっては、電力送電網をさらに安定的に拡張していくことはもちろん、今後は大量の自然エネルギーを導入できるシステムにすることも大事な課題となってきている。そこで、新たな電力網としてデジタルグリッド(登録商標)という電力ネットワークシステムが提案されている(特許文献1及び2)。
デジタルグリッド(登録商標)とは、電力網を小規模なセルに細分化し、それらを非同期に相互接続した電力ネットワークシステムである。各電力セルは、小さなものとしては一つの家やビル、商業施設であり、大きなものとしては県や市町村といった規模になる。各電力セルは、その中に負荷を有することはもちろん、発電設備や電力貯蔵設備を有する場合もある。発電設備としては、太陽光発電や風力発電、地熱発電などの自然エネルギーを利用する発電設備が例として挙げられる。
各電力セルの内部で自由に発電したり、さらに、電力セル間でスムースに電力を融通し合うようにしたりするため、電力セル同士は非同期で接続されている。すなわち、複数の電力セルが相互に接続されているとしても、それぞれの電力セルで使用される電力の電圧、位相および周波数は他の電力セルとは非同期である。
図20は、電力ネットワークシステム810の例を示す図である。図20において、基幹系統811は大規模発電所812からの基幹電力を送電する。そして、複数の電力セル821〜824が配置されている。各電力セル821〜824は、家831やビル832などの負荷や、発電設備(例えば太陽光発電パネル833、風力発電機834)や、電力貯蔵設備(例えば蓄電池835)、を有している。
なお、本明細書では、発電設備と電力貯蔵設備とを総称して、分散型電源ということがある。
さらに、各電力セル821〜824は、他の電力セルや基幹系統811と接続されるための接続口(接続ポート)となる電力ルータ841〜844を備えている。電力ルータ841〜844は複数のレグ(LEG)を有している。(紙幅の都合上、図20中ではレグの符号を省略した。電力ルータ841〜844に付属している白丸が各レグの接続端子であると解釈してほしい。)
ここで、レグとは、接続端子と電力変換部とを有しており、各レグにはアドレスが付されている。なお、レグによる電力変換とは、交流から直流へまたは直流から交流への変換や、電力の電圧、周波数、位相を変化させることをいう。
すべての電力ルータ841〜844は通信網860によって管理サーバ850に繋がっており、管理サーバ850によってすべての電力ルータ841〜844は統合的に運用制御される。例えば、管理サーバ850から各電力ルータ841〜844に対し、レグごとに電力の送電または受電を指示する。これにより、電力ルータ841〜844を介し、電力セル間での電力融通が行われる。
電力セル間での電力融通が実現することにより、例えば、一つの発電設備(例えば太陽光発電パネル833、風力発電機834)や一つの電力貯蔵設備(例えば蓄電池835)を複数の電力セルで共有することができるようになる。電力セル間で互いに余剰電力を融通し合うようになれば、設備コストを大幅に削減しながらも電力需給バランスを安定的に保つことができるようになる。
特許4783453号公報 特開2011−182641号公報
電力ルータによって複数の電力セルを非同期に接続できればその利点は非常に大きいものであるので、早期に電力ルータを実用化することが期待されている。
しかし、実際に電力ルータを実用化するとなると、これまでの送配電設備にはない特有の課題がある。現在主流の送配電設備は、電圧、位相および周波数が完全に同期している電力系統を前提としているから、電圧あるいは位相、周波数が異なる電力系統同士を接続する電力ルータには新たな課題に対する配慮が必要である。
電力ルータ間で指定した電力を送受電する場合、送電側の電力ルータが受電する目標値を受電側の電力ルータで受電できないことがある。たとえば、伝送線のロス、変換効率、電圧・位相差等により、受電側の電力ルータでは目標値よりも小さく(または大きく)なってしまうことがある。
本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、電力セル同士を非同期に相互接続した電力ネットワークシステムの構築を実現するにあたり、電力ルータの管理をより適切に行うことである。
本発明の一態様である電力ルータは、複数のマスターレグと、1以上のマスターレグ以外のレグと、前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する電力に基づいて、前記複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力を制御する制御部と、を備えるものである
本発明の一態様である電力ネットワークシステムは、電力ルータと、前記電力ルータの送受電を制御する管理サーバと、を備え、前記電力ルータは、複数のマスターレグと、1以上のマスターレグ以外のレグと、前記管理サーバからの指令に応じて、前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する電力に基づいて、前記複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力を制御する制御部と、を備えるものである。
本発明の一態様である電力ルータの制御方法は、前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する電力を参照し、前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する前記電力に基づいて、複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力を制御するものである。
本発明の一態様である電力ルータの制御プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体は、前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する電力を参照する処理と、前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する前記電力に基づいて、複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力を制御する処理と、をコンピュータに実行させるものである。
本発明によれば、電力セル同士を非同期に相互接続した電力ネットワークシステムを構築するにあたり、電力ルータの管理又は制御をより適切に行うことが可能となる。
実施の形態1にかかる電力ネットワークシステム1000の概略構成を示すブロック図である。 レグの内部構造の例を表示した電力ルータ101のブロック図である。 レグの内部構造をより詳しく表示した電力ルータ101のブロック図である。 ACスルーレグ60を有する電力ルータ170の構成例を示すブロック図である。 制御部19の構成とレグとの関係を模式的に示すブロック図である。 電力ルータを基幹系統、負荷および各種分散電源に接続した一例を示す図である。 電力ルータ同士の接続において、可能な組み合わせの例を示す図である。 電力ルータ同士の接続において、可能な組み合わせの例を示す図である。 電力ルータ同士の接続において、禁止される組み合わせの例を示す図である。 電力ルータ同士の接続において、禁止される組み合わせの例を示す図である。 電力ルータ同士の接続において、禁止される組み合わせの例を示す図である。 電力ルータ同士の接続において、禁止される組み合わせの例を示す図である。 ACスルーレグを考慮にいれた場合に、電力ルータ同士の接続において可能な組み合わせの例を示す図である。 ACスルーレグを考慮にいれた場合に、電力ルータ同士の接続において可能な組み合わせの例を示す図である。 ACスルーレグを考慮にいれた場合に、電力ルータ同士の接続において可能な組み合わせの例を示す図である。 ACスルーレグを考慮にいれた場合に、電力ルータ同士の接続において可能な組み合わせの例を示す図である。 第1電力ルータ100から基幹系統1035までの間が長い場合の例を示す図である。 電力ルータ同士の接続において、組み合わせのパターンをまとめた図である。 4つの電力ルータを相互に接続した場合の一例を挙げる。 管理サーバ1010の構成を表示した電力ネットワークシステム1000の概略構成を示すブロック図である。 、実施の形態1にかかる電力ルータ600の構成を模式的に示すブロック図である。 第1自立レグ63の受電電力が2[kW](W1=2[kW])、第2自立レグ64の受電電力が1[kW](W2=1[kW])である場合の電力ルータ600を示す図である。 第1自立レグ63の受電電力が1[kW](W1=1[kW])、第2自立レグ64の受電電力が1[kW](W2=1[kW])である場合の電力ルータ600を示す図である。 第1自立レグ63の送電電力が2[kW](W1=−2[kW])、第2自立レグ64の送電電力が1[kW](W2=−1[kW])である場合の電力ルータ600を示す図である。 第1自立レグ63の受電電力が1[kW](W1=1[kW])、第2自立レグ64の送電電力が1[kW](W2=−1[kW])である場合の電力ルータ600を示す図である。 実施の形態2にかかる電力ルータ700の構成を模式的に示すブロック図である。 電力ネットワークシステム810の例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
実施の形態1
実施の形態1にかかる電力ネットワークシステム1000について説明する。図1は、実施の形態1にかかる電力ネットワークシステム1000の概略構成を示すブロック図である。電力ネットワークシステム1000は、管理サーバ1010及び複数の電力ルータを有する。本実施の形態では、電力ネットワークシステム1000が、管理サーバ1010、電力ルータ101及び102、伝送線1200を有する例について説明する。電力ルータ101及び102は、上述の電力ルータ841〜844(図23)の具体例である。なお、以下では、管理サーバを管理手段とも称する。
電力ネットワークシステム1000及び以降の実施の形態で説明する電力ネットワークシステムは、電力ルータ間の送電損失を電力の制御により補正する構成を有する。一般に、伝送線を介して電力を伝送する場合、伝送経路の長さや経路の相違により、送電損失が生じる。そのため、送電側からある電力で送電しても、受電側が受電する電力は送電側の出力電力よりも低下する。よって、電力ネットワークシステム1000及び以降の実施の形態で説明する電力ネットワークシステムでは、受電側が受電する電力が適正値になるように、送電側の出力電力を制御する機能を有する。
電力ルータ101は、概略、直流母線15、通信バス16、第1レグ11、第2レグ12、第3レグ13、第4レグ14及び制御部19を有する。なお、図中では、紙幅の都合上、第1レグ〜第4レグを、それぞれレグ1〜レグ4と表示している。第1レグ11、第2レグ12、第3レグ13及び第4レグ14は、それぞれ端子115、125、135、145を介して、外部と接続される。
直流母線15には、第1レグ11〜第4レグ14が並列に接続されている。直流母線15は直流電力を流すためのものである。制御部19は、通信バス16を介して第1レグ11〜第4レグ14の動作状態(外部への送電動作、外部への受電動作など)を制御することにより、直流母線15の母線電圧V15を所定の一定値に維持する。つまり、電力ルータ101は第1レグ11〜第4レグ14を介して外部と繋がるのであるが、外部とやり取りする電力を一旦総て直流に変換して直流母線15にのせる。このように一旦直流を介することにより、周波数や電圧、位相が異なる場合でも、電力セル同士を非同期で接続することができる。
電力ルータ101の構成について詳細に説明する。図2は、レグの内部構造の例を表示した電力ルータ101のブロック図である。第1レグ11〜第4レグ14は同様の構成を有するが、図面の簡略化のため、図2では第1レグ11及び第2レグ12の内部構造を表示し、第3レグ13及び第4レグ14の内部構造の表示を省略している。
第1レグ11〜第4レグ14は、直流母線15に対して並列に設けられている。上述のように、第1レグ11〜第4レグ14は同様の構成を有する。なお、本実施の形態では、電力ルータ101が4つのレグを有する例について説明するが、これはあくまで一例に過ぎない。電力ルータには、2以上の任意の個数のレグを設けることが可能である。本実施の形態では第1レグ11〜第4レグ14は同様の構成を有するが、電力ルータが有する2以上のレグは、同様の構成でもよいし、異なる構成でもよい。なお、以下では、レグを電力変換レグとも称する。
図2に示すように、第1レグ11は、電力変換部111、電流センサ112、開閉器113、電圧センサ114を有する。第1レグ11は、接続端子115を介して、伝送線1200と接続される。電力変換部111は、交流電力を直流電力に、あるいは、直流電力を交流電力に変換する。直流母線15には直流電力が流れているので、つまり、電力変換部111は、直流母線15の直流電力を定められた周波数及び電圧の交流電力に変換して、接続端子115から外部に流す。あるいは、電力変換部111は、接続端子115から流入する交流電力を直流電力に変換して、直流母線15に流す。
レグの構成について詳細に説明する。図3は、レグの内部構造をより詳しく表示した電力ルータ101のブロック図である。第1レグ11〜第4レグ14は同様の構成を有するが、図面の簡略化のため、図3では第1レグ11の内部構造を表示し、第2レグ12の内部構造、第3レグ13及び第4レグ14、通信バス16の表示を省略している。
電力変換部111は、インバータ回路の構成を有する。具体的には、図3に示すように、電力変換部111は、トランジスタQ1〜Q6及びダイオードD1〜D6を有する。トランジスタQ1〜Q3の一端は、高電位側電源線に接続される。トランジスタQ1〜Q3の他端は、それぞれトランジスタQ4〜Q6の一端と接続される。トランジスタQ4〜Q6の他端は、低電位側電源線に接続される。トランジスタQ1〜Q6の高電位側端子には、それぞれダイオードD1〜D6のカソードが接続される。トランジスタQ1〜Q6の低電位側端子には、それぞれダイオードD1〜D6のアノードが接続される。
トランジスタQ1とトランジスタQ4との間のノード、トランジスタQ2とトランジスタQ5との間のノード、トランジスタQ3とトランジスタQ6との間のノードのそれぞれからは、たとえばトランジスタQ1〜Q6のオン/オフのタイミングを適宜制御することで、3相交流の各相が出力される。
以上のように、電力変換部111では、トランジスタとダイオードとで構成される6つの逆並列回路を3相ブリッジ接続した構成を有している。トランジスタQ1とトランジスタQ4との間のノード、トランジスタQ2とトランジスタQ5との間のノード、トランジスタQ3とトランジスタQ6との間のノードから引き出され、このノードと接続端子とを結ぶ配線を支線BLと称することにする。三相交流であるので、この場合、一のレグは三つの支線BLを有する。
ここでは、三相交流を使用しているので三相インバータ回路としたが、場合によっては単相インバータ回路としてもよい。また、トランジスタQ1〜Q6は、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの、各種の自励式電力変換素子を用いることができる。
開閉器113は、電力変換部111と接続端子115との間に配設される。この開閉器113の開閉によって、支線BLが開閉される。これにより、外部と直流母線15とが遮断され、又は、接続される。電流センサ112及び電圧センサ114は、通信バス16を介して検出値を制御部19に出力する。
上記説明では、電力変換部をインバータ回路とし、レグの接続相手は交流を使用するとしたが、レグの接続相手が蓄電池のような直流を使用するものである場合もある(例えば、図1中の第3レグ13は蓄電池1032に接続している)。この場合の電力変換とは、DC−DC変換ということになる。
従って、電力変換部にインバータ回路とコンバータ回路とを並列に設け、接続相手が交流か直流かに応じてインバータ回路とコンバータ回路と使い分けるようにしてもよい。あるいは、電力変換部がDC−DC変換部であるDC−DC変換専用のレグを設けるようにしてもよい。
なお、すべてのレグのなかにインバータ回路とコンバータ回路とを並列に設けるよりは、AC−DC変換専用のレグとDC−DC変換専用のレグとを併せ持つ電力ルータとする方がサイズやコスト面で有利な点も多々ある。
第2レグ12は、電力変換部121、電流センサ122、開閉器123及び電圧センサ124を有する。第2レグ12は、接続端子125を介して、例えば負荷1031と接続される。第2レグ12の電力変換部121、電流センサ122、開閉器123及び電圧センサ124は、それぞれ第1レグ11の電力変換部111、電流センサ112、開閉器113及び電圧センサ114に対応する。第2レグ12と接続される接続端子125は、第1レグ11と接続される接続端子115に対応する。電力変換部121は、サイリスタ121Tと帰還ダイオード121Dとで構成される逆並列回路121Pを三相ブリッジ接続した構成を有する。サイリスタ121T、帰還ダイオード121D、逆並列回路121Pは、それぞれサイリスタ111T、帰還ダイオード111D、逆並列回路111Pに対応する。
第3レグ13は、電力変換部131、電流センサ132、開閉器133及び電圧センサ134を有する。第3レグ13は、接続端子135を介して、例えば蓄電池1032と接続される。第3レグ13の電力変換部131、電流センサ132、開閉器133及び電圧センサ134は、それぞれ第1レグ11の電力変換部111、電流センサ112、開閉器113及び電圧センサ114に対応する。第3レグ13と接続される接続端子135は、第1レグ11と接続される接続端子115に対応する。電力変換部131は、サイリスタ131Tと帰還ダイオード131Dとで構成される逆並列回路131Pを三相ブリッジ接続した構成を有する。サイリスタ131T、帰還ダイオード131D、逆並列回路131Pは、それぞれサイリスタ111T、帰還ダイオード111D、逆並列回路111Pに対応する。但し、図面の簡略化のため、図2では、第3レグ13の内部構造の表示を省略している。
第4レグ14は、電力変換部141、電流センサ142、開閉器143及び電圧センサ144を有する。第4レグ14は、接続端子145を介して、例えば基幹系統1035と接続される。第4レグ14の電力変換部141、電流センサ142、開閉器143及び電圧センサ144は、それぞれ第1レグ11の電力変換部111、電流センサ112、開閉器113及び電圧センサ114に対応する。第4レグ14と接続される接続端子145は、第1レグ11と接続される接続端子115に対応する。電力変換部141は、サイリスタ141Tと帰還ダイオード141Dとで構成される逆並列回路141Pを三相ブリッジ接続した構成を有する。サイリスタ141T、帰還ダイオード141D、逆並列回路141Pは、それぞれサイリスタ111T、帰還ダイオード111D、逆並列回路111Pに対応する。但し、図面の簡略化のため、図2では、第4レグ14の内部構造の表示を省略している。
制御部19は、通信網1100を介して、外部の管理サーバ1010からの制御指示51を受ける。制御指示51は、電力ルータ101の各レグの動作を指示するための情報を含む。また、制御部19は、通信網1100を介して、電力ルータ101の運転状況を示す情報52を、管理サーバ1010に出力することができる。なお、各レグへの動作指示については、例えば送電/受電の指定、運転モードの指定、送電又は受電する電力の指定などが含まれる。具体的には、制御部19は、電圧センサ17を介して直流母線15の母線電圧V15を監視し、電力の向きや交流電力の周波数等を制御する。すなわち、制御部19は、通信バス16を介して、トランジスタQ1〜Q6のスイッチングと、開閉器113、123、133及び143の開閉とを制御する。
なお、上述では、レグは電力変換部を有するものとして説明したが、電力変換部を有しないレグを設けることも可能である。ここでは、仮に、電力変換部を有しないレグをAC(Alternating Current)スルーレグ60と称する。図4は、ACスルーレグ60を有する電力ルータ170の構成例を示すブロック図である。電力ルータ170は、電力ルータ101にACスルーレグ60を追加した構成を有するものとして説明する。なお、図面の簡略化のため、図4では、第3レグ13を省略している。
ACスルーレグ60は、電流センサ162、開閉器163、電圧センサ164を有する。ACスルーレグ60は、接続端子165を介して、例えば他の電力セルと接続される。ACスルーレグ60の支線BLは、開閉器163を介して、電力変換部を有する他のレグの支線BLに繋がっている。すなわち、ACスルーレグ60が接続される接続端子165は、電力変換部を有する他のレグが接続される接続端子に接続されている。図4では、例として、ACスルーレグ60が接続される接続端子165は、第4レグ14が接続される接続端子145に接続される場合を示している。ACスルーレグ60の接続端子165と第4レグ14が接続される接続端子145との間には開閉器163があるだけで、ACスルーレグ60は電力変換器を有しない。そのため、ACスルーレグ60が接続される接続端子165と第4レグ14が接続される接続端子145との間では、何等の変換も受けずに電力が導通することになる。そのため、電力変換器を有しないレグを、ACスルーレグと称するのである。
図5は、制御部19の構成とレグとの関係を模式的に示すブロック図である。図5では、制御部19が第1レグ11を制御する場合を示している。制御部19は、記憶部191、運転モード管理部192、電力変換指令部193、DA/AD変換部194及びセンサ値読み取り部195を有する。
記憶部191は、管理サーバ1010からの制御指示51を、制御指示データベース196(第1のデータベース、図中では#1DBと表示している)として保持している。記憶部191は、制御指示データベース196の他に、第1レグ11〜第4レグ14のそれぞれを識別するためのレグ識別情報データベース197(第2のデータベース、図中では#2DBと表示している)を保持している。記憶部191は、例えばフラッシュメモリなどの各種の記憶部により実現することが可能である。レグ識別情報データベース197は、例えばIPアドレス、URL、URIなど、第1レグ11〜第4レグ14のそれぞれを特定するために割り振られた情報である。また、記憶部191は、運転モード管理部192からの情報INFに基づいて、電力ルータ101の運転状況を示す情報52を保持し、必要に応じて外部に電力ルータ101の運転状況を示す情報52を出力する。
運転モード管理部192は、例えばCPUにより構成される。運転モード管理部192は、制御指示データベース196に含まれる、停止対象レグ(第1レグ11)の運転モード(動作モードについては後述する)を指定する運転モード指定情報MODEを読み出す。また、運転モード管理部192は、記憶部191のレグ識別情報データベース197を参照し、停止対象レグ(第1レグ11)に対応する情報(例えば、IPアドレス)を読み出す。これにより、運転モード管理部192は、停止対象レグ(第1レグ11)に対する起動指示を出力することができる。運転モード管理部192は、デジタル信号である波形指示信号SD1を出力する。また、運転モード管理部は、開閉制御信号SIG1を停止対象レグの開閉器(例えば、開閉器113)へ出力する。
波形指示信号SD1は、DA/AD変換部194でデジタル−アナログ変換され、アナログ信号である波形指示信号SA1として電力変換指令部193へ出力される。電力変換指令部193は、波形指示信号SA1に応じて、電力変換部(例えば、電力変換部111)へ、制御信号SCONを出力する。
センサ値読み取り部195は、電圧センサ17で検出された母線電圧V15の値と、停止対象レグ(第1レグ11)の電流センサ112の検出値Irと、電圧センサ114での検出値Vrと、を読み取る。センサ値読み取り部195は、読み取り結果を、アナログ信号である読み取り信号SA2として出力する。読み取り信号SA2は、DA/AD変換部194でアナログ−デジタル変換され、デジタル信号である読み取り信号SD2として運転モード管理部192へ出力される。運転モード管理部192は、デジタル信号である読み取り信号SD2に基づいて、レグの運転状況を示す情報INFを、記憶部191に出力する。
続いて、電力ルータ101のレグの運転モードについて説明する。本実施の形態では、制御指示51に各レグの運転モード指定が含まれる。
まず、運転モードについて説明する。第1レグ11〜第4レグ14は電力変換部111、121、131及び141を有しており、電力変換部内のトランジスタは制御部19によってそのスイッチング動作を制御されるものであることは既に述べた。
ここで、電力ルータ101は、電力ネットワークシステム1000のノードにあって、基幹系統1035、負荷1031、分散型電源および電力セルなどを互いに結びつける重要な役割を持つ。このとき、第1レグ11〜第4レグ14の接続端子115、125、135及び145がそれぞれ基幹系統1035や負荷1031、分散型電源、他の電力セルの電力ルータに接続されるわけである。本発明者らは、接続相手によって第1レグ11〜第4レグ14の役割は異なるものであり、第1レグ11〜第4レグ14が役割に応じた適切な運転を行わなければ電力ルータが成り立たないことに気付いた。本発明者らは、レグの構造自体は同じであるが、接続相手によってレグの運転の仕方を変えるようにした。
レグの運転の仕方を、運転モードと称する。
本発明者らは、レグの運転モードとして3種類を用意しておき、接続相手によってモードを切り換えるようにした。
レグの運転モードとしては、
マスターモードと、
自立モードと、
指定電力送受電モードと、がある。
以下、順番に説明する。
(マスターモード)
マスターモード(Mastar)とは、系統など安定した電力供給源に接続される場合の運転モードであり、直流母線15の電圧を維持するための運転モードである。マスターモードは、安定したAC電力供給源に接続し、直流母線電圧を維持する。または安定したDC電力供給源に接続し、直流母線電圧を維持する。図1では、第4レグ14の接続端子145が基幹系統1035に接続されている例を示している。図1の場合、第4レグ14は、マスターモードとして運転制御され、直流母線15の母線電圧V15を維持する役目を担うことになる。直流母線15には他の第1レグ11〜第3レグ13が接続されているところ、第1レグ11〜第3レグ13から直流母線15に電力が流入することもあれば、第1レグ11〜第3レグ13から電力が流出することもある。マスターモードとなる第4レグ14は、直流母線15から電力が流出して直流母線15の母線電圧V15が定格から下がった場合、流出で不足した電力分を接続相手(ここでは基幹系統1035)から補てんする。または、直流母線15に電力が流入して直流母線15の母線電圧V15が定格から上がった場合、流入で過剰になった電力分を接続相手(ここでは基幹系統1035)に逃がす。このようにして、マスターモードとなる第4レグ14は、直流母線15の母線電圧V15を維持するのである。
したがって、一の電力ルータにおいて、少なくとも一つのレグはマスターモードとして運転されなければならない。さもなくば、直流母線15の母線電圧V15が一定に維持されなくなるからである。逆に、一の電力ルータにおいて二つ以上のレグがマスターモードで運転されてもよいが、やはり、マスターモードのレグは一つの電力ルータには一つであった方がよい。
また、マスターモードとなるレグは、基幹系統の他、例えば、自励式インバータを搭載する分散型電源(蓄電池も含む)に接続してもよい。ただし、他励式インバータを搭載する分散型電源とマスターモードとなるレグとは接続できない。
以下の説明において、マスターモードで運転されるレグのことを、マスターレグということがある。
マスターレグの運転制御について説明する。
マスターレグを起動させる際には次のようにする。
まず、開閉器143を開(遮断)状態にしておく。この状態で接続端子145を接続相手に繋ぐ。ここでは、接続相手は基幹系統1035である。
電圧センサ144によって接続先の系統の電圧を測定し、PLL(Phase−Locked−Loop)などを用いて系統の電圧の振幅、周波数および位相を求める。その後、求めた振幅、周波数および位相の電圧が電力変換部141から出力されるように、電力変換部141の出力を調整する。すなわち、トランジスタQ1〜Q6のオン/オフパターンを決定する。この出力が安定するようになったら、開閉器143を投入し、電力変換部141と基幹系統1035とを接続する。この時点では、電力変換部141の出力と基幹系統1035の電圧とが同期しているため、電流は流れない。
マスターレグを運用する時の運転制御を説明する。
直流母線15の母線電圧V15を電圧センサ17によって測定する。直流母線15の母線電圧V15が所定の定格母線電圧を上回っていたら、マスターレグ(第4レグ14)から系統に向けて送電が行われるように、電力変換部141を制御する。(電力変換部111から出る電圧の振幅および位相の少なくともいずれか一方を調整して、マスターレグ(第4レグ14)を介して直流母線15から基幹系統1035に向けて送電が行われるようにする。)なお、直流母線15の定格電圧は、予め設定によって定められているものである。
一方、直流母線15の母線電圧V15が所定の定格母線電圧より下回っていたら、このマスターレグ(第4レグ14)が基幹系統1035から受電できるように、電力変換部141を制御する。(電力変換部141から出る電圧の振幅および位相の少なくともいずれか一方を調整して、マスターレグ(第4レグ14)を介して基幹系統1035から直流母線15に送電が行われるようにする。)このようなマスターレグの運転が行われることにより、直流母線15の母線電圧V15が予め定められた定格を維持できるようになることが理解されるであろう。
(自立モード)
自立モード(Stand Alone)とは、管理サーバ1010から指定された振幅・周波数の電圧を自ら作り出し、接続相手との間で送受電する運転モードである。
例えば負荷1031などの電力を消費するものに向けて電力を供給するための運転モードとなる。あるいは、接続相手から送電されてくる電力をそのまま受け取るための運転モードとなる。自立モードは指定された電圧と周波数を作り出し、接続先に供給する運転モードである。
図1では、第2レグ12の接続端子125が負荷1031に接続されている例を示している。第2レグ12が自立モードとして運転制御され、負荷1031に電力を供給することになる。
また、レグが他の電力ルータと接続される場合に、他の電力ルータから要求される電力分を送電するためのモードとしてレグを自立モードで運転する場合もある。
または、レグが他の電力ルータと接続される場合に、他の電力ルータから送電されてくる電力を受電するためのモードとしてレグを自立モードで運転する場合もある。
また、図に示していないが、負荷1031に代えて、第2レグを発電設備に接続する場合も第2レグを自立モードで運転することもできる。ただし、この場合には発電設備に他励式インバータを搭載するようにする。
電力ルータ同士を接続する場合の運転モードについては後述する。
自立モードで運転されるレグを自立レグと称することにする。一つの電力ルータにおいて、自立レグは複数あってもよい。
自立レグの運転制御について説明する。
まず開閉器123を開(遮断)にしておく。接続端子125を負荷1031に接続する。管理サーバ1010から電力ルータ101に対し、負荷1031に供給すべき電力(電圧)の振幅および周波数が指示される。そこで、制御部19は、指示された振幅および周波数の電力(電圧)が電力変換部121から負荷1031に向けて出力されるようにする。(すなわち、トランジスタQ1〜Q6のオン/オフパターンを決定する。)この出力が安定するようになったら、開閉器123を投入し、電力変換部121と負荷1031とを接続する。あとは、負荷1031で電力が消費されれば、その分の電力が自立レグ(第2レグ12)から負荷1031に流れ出すようになる。
(指定電力送受電モード)
指定電力送受電モード(Grid Connect)とは、指定によって定められた分の電力をやり取りするための運転モードである。指定電力送受電モードは、接続先との間で、指定された有効電力を送受する。または指定された無効電力を発生させる。すなわち、接続相手に指定電力を送電する場合と、接続相手から指定電力を受電する場合と、がある。
レグが他の電力ルータのレグと接続されている場合には、決まった分の電力を一方から他方へ融通するようなことが行われる。
または、第3レグ13は蓄電池1032に接続されている。
このような場合に、決まった分の電力を蓄電池1032に向けて送電して、蓄電池1032を充電するというようなことが行われる。
また、自励式インバータを搭載する分散型電源(蓄電池も含む)と指定電力送受電レグとを接続してもよい。ただし、他励式インバータを搭載する分散型電源と指定電力送受電レグとは接続できない。
指定電力送受電モードで運転されるレグを指定電力送受電レグと称する。一つの電力ルータにおいて、指定電力送受電レグは複数あってもよい。
指定電力送受電レグの運転制御について説明する。起動時の制御についてはマスターレグと基本的に同じであるので、割愛する。
指定電力送受電レグを運用する時の運転制御を説明する。図1では、第1レグ11が、伝送線1200を介して、自立モードで運転される電力ルータ102の第1レグ21との間で、指定電力を送受電する。電力ルータ101の第1レグ11では、電圧センサ114によって接続相手の系統の電圧を測定し、PLL(Phase−Locked−Loop)などを用いて接続相手の電圧の周波数・位相を求める。管理サーバ1010から指定された有効電力値および無効電力値と、接続相手の電圧の周波数および位相と、に基づいて、電力変換部111が入出力する電流の目標値を求める。電流センサ112によって電流の現在値を測定する。目標値と現在値との差分に相当する電流が追加で出力されるように、電力変換部111を調整する。(電力変換部111から出る電圧の振幅および位相の少なくともいずれか一方を調整して、指定電力送受電レグと接続相手との間で所望の電力が流れるようにする。)
以上の説明により、同じ構成である第1レグ11〜第4レグ14が運転制御の仕方によって3パターンの役割を果たせることが理解されるであろう。
電力ルータ101は、制御指示51に含まれる運転モードの指定情報を参照することにより、各レグを上述の3つの運転モードで運転させることができる。これにより、電力ルータ101は、各レグを役割に応じて適切に運転させることができる。
次いで、電力ルータ間の接続制約について説明する。運転モードの違いによってレグの働きが違ってくるので、接続相手の選択と運転モードの選択との間には自ずと制約が発生する。すなわち、接続相手が決まれば選択できる運転モードが決まり、逆に、運転モードが決まれば選択できる接続相手が決まる。(接続相手が変われば、それに合わせてレグの運転モードを変更する必要がある。)
可能な接続組み合わせのパターンを説明する。
以後の説明にあたって、図中の表記を図6のように簡略化する。
すなわち、マスターレグをMで表す。
自立レグをSで表す。
指定電力送受電レグをDで表す。
ACスルーレグをACで表す。
また、必要に応じてレグの肩に「#1」のように番号を付してレグを区別することがある。
また、図6〜12では、図面ごとに系統立てた符号を付すが、必ずしも図面を跨がって同じ要素に同じ符号を付しているわけではない。
例えば、図6の符号200と図4Aの符号200とが全く同じものを指しているわけではない。
図6に示した接続組み合わせはいずれも可能な接続である。第1レグ210がマスターレグとして基幹系統1035に接続されている。これは既に説明した通りである。第2レグ220が自立レグとして負荷1031に接続されている。これも既に説明した通りである。第3レグ230および第4レグ240が指定電力送受電レグとして蓄電池1032に接続されている。これも既に説明した通りである。
第5レグ250はACスルーレグである。ACスルーレグ250が他の電力ルータ300の指定電力送受電レグと繋がり、ACスルーレグ250は第4レグ240の接続端子245を介して蓄電池1032に繋がっている。ACスルーレグ250は電力変換部を持たないのであるから、この接続関係は、他の電力ルータ300の指定電力送受電レグが蓄電池1032に直接に繋がっていることと等価になる。このような接続が許されることは理解されるであろう。
第6レグ260は、指定電力送受電レグとして基幹系統1035に繋がっている。第6レグ260を介して基幹系統1035から決まった電力を受電するとすれば、このような接続が許容されるのは理解されるであろう。なお、第1レグ210がマスターレグとなっていることの関係でいうと、第6レグ260による受電電力が直流母線M201の定格維持に足りなければ、マスターレグ210は、基幹系統1035から必要な電力を受電することになる。逆に、第6レグ260による受電電力が直流母線M201の定格維持に必要な量を超過してしまった場合、マスターレグ210は、過剰な電力を基幹系統1035に逃がすことになる。
次に、電力ルータ同士を接続する場合を説明する。電力ルータ同士を接続するということは、一の電力ルータのレグと他の電力ルータのレグとを接続するということである。レグ同士を接続する場合、組み合わせられる運転モードには制約がある。
図7Aおよび図7Bに示す接続の組み合わせはいずれも可能な組み合わせの例である。図7Aにおいては、第1電力ルータ100のマスターレグ110と第2電力ルータ200の自立レグ210とが接続されている。詳しく説明しないが、第2電力ルータ200のマスターレグ220は、基幹系統1035に繋がり、これにより第2電力ルータ200の直流母線M201の電圧が定格に維持されるものとする。
図7Aにおいて、第1電力ルータ100から負荷1031に対して電力供給を行うと、直流母線M101の電圧が下がることになる。マスターレグ110は、直流母線M101の電圧を維持するように接続相手から電力を調達する。すなわち、マスターレグ110は、足りない分の電力を第2電力ルータ200の自立レグ210から引き込むことになる。第2電力ルータ200の自立レグ210は、接続相手(ここではマスターレグ110)から要求される分の電力を送出する。第2電力ルータ200の直流母線M201では、自立レグ210から電力を送出した分だけ電圧が下がることになるが、これはマスターレグ220によって基幹系統1035から補てんされる。このようにして、第1電力ルータ100は、必要な分の電力を第2電力ルータ200から融通してもらえる。
このように、第1電力ルータ100のマスターレグ110と第2電力ルータ200の自立レグ210とを接続したとしても、マスターレグ110と自立レグ210とで役割が整合しているので、どちらの動作にも不都合は生じない。したがって、図7Aのようにマスターレグと自立レグとを接続してもよいことがわかる。
図7Bにおいては、第3電力ルータ300の指定電力送受電レグ310と第4電力ルータ400の自立レグ410とが接続されている。詳しく説明しないが、第3電力ルータ300のマスターレグ320と第4電力ルータ400のマスターレグ420とはそれぞれ基幹系統1035に繋がっており、これにより、第3電力ルータ300および第4電力ルータ400のそれぞれの直流母線M301、M401は定格の電圧を維持するものとする。
ここで、管理サーバ1010からの指示によって第3電力ルータ300の指定電力送受電レグ310は指定の電力を受電するように指示されているものとする。指定電力送受電レグ310が第4電力ルータ400の自立レグ410から指定の電力を引き込むようにする。第4電力ルータ400の自立レグ410は、接続相手(ここでは指定電力送受電レグ310)から要求される分の電力を送出する。第4電力ルータ400の直流母線M401では、自立レグ410から送出した電力分だけ電圧が下がることになるが、これはマスターレグ420によって基幹系統1035から補てんされる。
このように、第3電力ルータ300の指定電力送受電レグ310と第4電力ルータ400の自立レグ410とを接続したとしても、指定電力送受電レグ310と自立レグ410とで役割が整合するので、どちらの動作にも不都合は生じない。したがって、図7Bのように指定電力送受電レグと自立レグとを接続してもよいことがわかる。
なお、第3電力ルータ300が第4電力ルータ400から電力を融通してもらう場合を例に説明したが、逆に、第3電力ルータ300から第4電力ルータ400に向けて電力を融通する場合でも同じように不都合が無いことは理解されるであろう。
このようにして、第3電力ルータ300と第4電力ルータ400との間で指定電力を融通し合うことができるわけである。
電力変換部を有するレグ同士を直接に接続する場合には、図7Aと図7Bとに挙げた2パターンだけが許される。すなわち、マスターレグと自立レグとを接続する場合と、指定電力送受電レグと自立レグとを接続する場合と、だけが許される。
次に、互いに接続できない組み合わせを挙げる。
図8Aから図8Dは、互いに接続してはいけないパターンである。
図8A、図8B、図8Cを見てわかるように、同じ運転モードのレグ同士を接続してはいけない。
例えば、図8Aの場合、マスターレグ同士を接続している。
マスターレグは、運転動作の説明で前述したように、接続相手の電圧、周波数および位相に同期した電力を作り出す処理をはじめに行う。
ここで、接続相手もマスターレグである場合、お互いに相手の電圧および周波数に同期しようとするが、マスターレグは電圧および周波数を自立的に確立しないため、このような同期処理は成功し得ない。
従って、マスターレグ同士を接続できないのである。
またさらに、次のような理由もある。
マスターレグは、直流母線の電圧を維持するために接続相手から電力を引き込まなければならない。(あるいは、直流母線の電圧を維持するために、過剰な電力は接続相手に逃がさなければならない。)マスターレグ同士が接続されてしまっては、互いに接続相手の要求を満たすことはできない。(仮にマスターレグ同士を接続してしまうと、両方の電力ルータで直流母線の電圧を維持できなくなる。すると、それぞれの電力セル内で停電などの不具合が発生するかもしれない。)このように、マスターレグ同士では互いの役割が衝突してしまうので(整合しないので)、マスターレグ同士を接続してはいけない。
図8Bでは、指定電力送受電レグ同士を接続しているが、これも成り立たないことは理解できるであろう。
前記マスターレグと同じことであるが、運転動作の説明で前述したように、指定電力送受電レグも接続相手の電圧、周波数および位相に同期した電力を作り出す処理をはじめに行う。
ここで、接続相手も指定電力送受電レグである場合、お互いに相手の電圧および周波数に同期しようとするが、指定電力送受電レグは電圧および周波数を自立的に確立しないため、このような同期処理は成功し得ない。
従って、指定電力送受電レグ同士を接続できないのである。
またさらに、次のような理由もある。
仮に、一方の指定電力送受電レグ510が送電すべき指定送電電力と、他方の指定電力送受電レグ610が受電すべき指定受電電力と、を一致させたとしても、このような指定電力送受電レグ同士を接続してはいけない。例えば、一方の指定電力送受電レグ510が指定送電電力を送電しようとして電力変換部を調整するとする。(例えば、接続相手よりも所定値だけ出力電圧を高くする。)その一方、他方の指定電力送受電レグ610が指定受電電力を受電しようと電力変換部を調整する。(例えば、接続相手よりも所定値だけ出力電圧が低くなるようにする。)同時にこのような調整動作が両方の指定電力送受電レグ510、610で行われてしまっては、互いに制御不能に陥ってしまうことは理解されるであろう。
図8Cでは、自立レグ同士を接続しているが、このような接続はしてはいけない。
自立レグは自ら電圧・周波数を作り出すものである。
仮に自立レグ同士を繋いだ状態で2つの自立レグが作り出す電圧、周波数および位相のいずれかが少しでも乖離すると、2つの自立レグの間に意図しない電力が流れてしまうことになる。
2つの自立レグが作り出す電圧、周波数および位相を完全に一致させ続けるというのは無理なのであり、したがって、自立レグ同士を接続していけない。
図8Dにおいては、マスターレグと指定電力送受電レグとを接続している。
これまでの説明から、これも成り立たないことは理解できるであろう。マスターレグ510が直流母線M501の電圧を維持するように接続相手に対して電力を送受電しようとしても、指定電力送受電レグ610はマスターレグ510の要求に応じて送受電しない。したがって、マスターレグ510は直流母線M501の電圧を維持できない。また、指定電力送受電レグ610が接続相手(510)に指定電力を送受電しようとしても、マスターレグ510は指定電力送受電レグ610の要求に応じて送受電しない。したがって、指定電力送受電レグ610は接続相手(ここではマスターレグ510)に指定電力を送受電することはできない。
ここまでは、電力変換部を有するレグ同士を接続する場合を考えたが、ACスルーレグを考慮にいれると、図9Aから図9Dのパターンも可能である。ACスルーレグとは、電力変換部を有していないことから、単なるバイパスである。したがって、図9Aや図9Bのように、第1電力ルータ100のマスターレグ110が第2電力ルータ200のACスルーレグ250を介して基幹系統1035に繋がるというのは、マスターレグ110が基幹系統1035に直結していることと本質的に変わりがない。同じように、図9Cや図9Dのように、第1電力ルータ100の指定電力送受電レグ110が第2電力ルータ200のACスルーレグ250を介して基幹系統1035に繋がるというのは、指定電力送受電レグ110が基幹系統1035に直結していることと本質的に変わりがない。
それでも、ACスルーというのは設けておくと便利である。例えば、図10のように、第1電力ルータ100から基幹系統1035までの距離が非常に長く、第1電力ルータ100を基幹系統1035に接続するためにはいくつかの電力ルータ200、300を経由しなければならないという場合が考えられる。仮にACスルーレグが無いとすると、図7Aで示したように、一または複数の自立レグを経由しなければならなくなる。電力変換部をもつレグを経由すると、交流電力から直流電力への変換および直流電力から交流電力への変換を経由することになる。電力変換にはやはり数%とはいえどもエネルギーロスが発生するので、単に基幹系統に接続するためだけに複数回の電力変換を必要とするのは効率が悪い。したがって、電力ルータに電力変換部を有さないACスルーレグを設けておくことには意味があるのである。
ここまでに説明したことを図11にまとめた。また、図12に、4つの電力ルータ100、200、300及び400を相互に接続した場合の一例を挙げる。図12においては、基幹系統の一部となっている送電線に71Aの符号を付し、基幹系統から切り離された送電線に71Bの符号を付した。また、電力ルータと負荷(または分散型電源)とを繋ぐ接続線を配電線72と称するとすると、配電線72は基幹系統1035から切り離されたものである。すなわち、電力ルータと負荷(または分散型電源)とを繋ぐ配電線72は基幹系統1035に繋がらない。また、符号1035A〜1035Cは、基幹系統を示す。いずれの接続関係もこれまでの説明中に登場したので、一つ一つの接続先を細かく説明することはしないが、いずれも許容される接続関係であることは理解されるであろう。
続いて、図1に戻り、電力ルータ102について説明する。電力ルータ102は、電力ルータ101と同様の構成を有する。電力ルータ102は、概略、直流母線15、通信バス16、第1レグ21、第2レグ22、第3レグ23、第4レグ24及び制御部19を有する。なお、図中では、紙幅の都合上、第1レグ〜第4レグを、それぞれレグ1〜レグ4と表示している。なお、第1レグ21、第2レグ22、第3レグ23及び第4レグ24は、それぞれ電力ルータ101の第1レグ11、第2レグ12、第3レグ13及び第4レグ14と同様の構成を有する。第1レグ21、第2レグ22、第3レグ23及び第4レグ24は、それぞれ端子215、225、235、245を介して、外部と接続される。また、電力ルータ102の運転モードについても、電力ルータ101と同様であるので、説明を省略する。
本実施の形態では、電力ルータ101の第1レグ11と電力ルータ102の第1レグ21とが、伝送線1200により接続される。第2レグ22は、端子225を介して、負荷1033と接続される。第3レグ23は、端子235を介して、蓄電池1034と接続される。第4レグ24は、端子245を介して、基幹系統1035と接続される。よって、第4レグ24は、マスターレグとして動作する。
続いて、管理サーバ1010について説明する。図13は、管理サーバ1010の構成を表示した電力ネットワークシステム1000の概略構成を示すブロック図である。管理サーバ1010は、例えばコンピュータなどのハードウェアとして構成することが可能である。管理サーバ1010は、記憶装置1012を有する。記憶装置1012は、電力ルータの制御に必要な情報が格納される。
以下、本実施の形態にかかる電力ルータの動作について具体的に説明する。上述のように、電力ルータには通常複数のレグが設けられる。母線電圧が所定値に維持されている状態で複数のレグのそれぞれで送受電を行うには、電力ルータ全体で見た場合の送電電力と受電電力とを均衡させる必要が有る。そのためには、電力ルータ全体で見た場合の送電電力と受電電力とが均衡するように、制御部19が各レグを制御しなければならない。
本実施の形態では、上述の前提の下、1つの電力ルータ内に複数のマスターレグが存在する場合について説明する。マスターレグを複数設けることは、以下のような技術的意義を有する。例えば、電力ルータがハイパワー家電などの大電力を要する相手先に電力を融通することが求められる場合が考え得る。この場合、指定電力送受電レグ又は自立レグが相手先と接続される。したがって、相手先の要求を満たすには、高出力の指定電力送受電レグ又は自立レグを用いる必要が有る。この場合、電力ルータのマスターレグ以外のレグの送受電を正常に行うには、マスターレグの容量(定格)を大きくしなければならない。しかし、マスターレグの大容量化は、マスターレグの大型化とコスト増大を招いてしまう。
これに対し、本実施の形態では、マスターレグを複数設ける。これにより、複数のマスターレグ全体で見た場合の容量を増大させることができる。しかし、マスターレグを複数とする場合、マスターレグは1個の場合と比べて、特有の問題が生じる。例えば、マスターレグが1個の場合には、マスターレグは、単に母線電圧を一定に維持するように、外部との送受電を行えば足りる。しかし、複数のマスターレグが存在する場合に、それぞれのマスターレグが、マスターレグが1個の場合と同様に独立して送受電を行えば、送受電量が過大となるおそれが有る。このとき、母線電圧のオーバーシュートやアンダーシュート、母線電圧の不安定化や母線電圧の安定化に要する時間の延伸が生じるおそれがある。そのため、本実施の形態では、複数のマスターレグが外部と送受電を行う場合、それぞれのマスターレグが行うべき送受電量を決定し、それぞれのマスターレグに設定することで、このような事態の発生を防止する。
具体的には、本実施の形態では、1つの電力ルータ内に複数のマスターレグが存在し、母線電圧が所定値に維持されている状態で、電力ルータ全体で見た場合の送電電力と受電電力とを均衡させるように、複数のマスターレグを制御する。
直流母線15の目標電圧値をVdctargetとする。直流母線15の実測値をVdcmeasureとする。マスターレグに流れるAC電流の実測値をImeasureとする。このとき、係数s(sは実数)を用いて、マスターレグに流すべきAC電流の目標値Itargetは、以下の式(1)で定義できる。
Figure 2015107593
直流母線15の目標電圧値をVdctargetとするためにマスターレグに設定すべきAC電圧値Vactargetは、マスターレグに流すべきAC電流の目標値Itargetと係数t(tは、実数)とを用いて、以下の式(2)で表される。
Figure 2015107593
上記の係数sと係数tとは、構造や製造誤差などの電力ルータ及びレグの特性によって決定されるものである。例えば、係数sと係数tとは、レグの電流電圧特性を実測することにより決定できる。
マスターレグでは、マスターレグに設定すべきAC電圧値Vactargetを設定することで、送電電力又は受電電力を制御することが可能となる。
本実施の形態にかかる電力ルータは、複数のレグがマスターレグとして機能する。そのため、制御部19は、マスターレグのAC電圧値の制御を、複数のマスターレグのそれぞれについて行う必要が有る。以下、複数のマスターレグのそれぞれに対して行う電力制御について説明する。なお、以下では、説明の簡略化のため、制御部19がマスターレグの送受電の電力を制御するものとして説明する。
以下では、複数のマスターレグを有する電力ルータとして、2つのマスターレグと、マスター以外のレグとして2つの自立レグと、を有する例について説明する。図14は、実施の形態1にかかる電力ルータ600の構成を模式的に示すブロック図である。
電力ルータ600は、第1マスターレグ61、第2マスターレグ62、第1自立レグ63及び第2自立レグ64を有する。第1マスターレグ61の定格値をRM1、第2マスターレグ62の定格値をRM2、第1自立レグの定格値をRS1、第2自立レグ64の定格値をRS2とする。
図示しないが、第1マスターレグ61及び第2マスターレグ62は、基幹系統や蓄電池などの電源と接続される。また、図示しないが、第1自立レグ63及び第2自立レグ64は、蓄電池などの電源や、外部の負荷などと接続される。
電力ルータ600では、制御部19が、第1自立レグ63及び第2自立レグ64の送電及び受電の状況に応じて、マスターレグが受電すべき又は送電すべき電力を、第1マスターレグ61と第2マスターレグ62とに分配する。
なお、第1自立レグ63及び第2自立レグ64の送受電の電力は、例えば管理サーバ1010が制御指示51により指定する。制御指示51で指定された第1自立レグ63及び第2自立レグ64の送受電の電力は、例えば制御部19の記憶部191に格納される。これにより、制御部19は、記憶部191に格納された第1自立レグ63及び第2自立レグ64の送受電の電力を適宜参照することができる。
また、以下で説明する動作は、例えば管理サーバ1010が第1自立レグ63及び第2自立レグ64の送受電の電力を新規に指定した際、又は、管理サーバ1010が第1自立レグ63及び第2自立レグ64の送受電の電力の指定を変更した際に行うことができる。
以下、第1マスターレグ61、第2マスターレグ62、第1自立レグ63及び第2自立レグ64が電力ルータ600の外部に送電する電力の符号を負とする。第1マスターレグ61、第2マスターレグ62、第1自立レグ63及び第2自立レグ64が電力ルータ600の外部から受電する場合の電力の符号を正とする。
第1マスターレグ61の送受電電力をP1[kW]とする。第1マスターレグ61が外部に送電する場合、P1は負の値となる(P1<0)。第1マスターレグ61が外部から受電する場合、P1は正の値となる(P1>0)。
第2マスターレグ62の送受電電力をP2[kW]とする。第2マスターレグ62が外部に送電する場合、P2は負の値となる(P2<0)。第2マスターレグ62が外部から受電する場合、P2は正の値となる(P2>0)。
第1自立レグ63の送受電電力をW1[kW]とする。第1自立レグ63が外部に送電する場合、W1は負の値となる(W1<0)。第1自立レグ63が外部から受電する場合、W1は正の値となる(W1>0)。
第2自立レグ64の送受電電力をW2[kW]とする。第2自立レグ64が外部に送電する場合、W2は負の値となる(W2<0)。第2自立レグ64が外部から受電する場合、W2は正の値となる(W2>0)。
上記より、第1自立レグ63及び第2自立レグ64が送受電する電力の総和Wtotalは、(W1+W2)[kW]である。このとき、Wtotal>0であれば、直流母線15の電圧を目標電圧値Vdctargetに保つため、マスターレグを介して外部に送電を行う必要がある。また、Wtotal<0であれば、直流母線15の電圧を目標電圧値Vdctargetに保つため、マスターレグを介して外部から受電を行う必要がある。制御部19は、は、送電電力又は受電電力を第1マスターレグ61と第2マスターレグ62とに分配して送受電を行わせる。
まず、制御部19は、第1マスターレグ61及び第2マスターレグ62の出力を規定する係数u(第1の係数とも称する)を算出する。係数uは、以下の式で計算される。
Figure 2015107593
つまり、係数uは、マスターレグ以外のレグの送受電電力の合計を、マスターレグの定格の合計で除することで求めることができる。
式(4)に示すように、制御部19は、第1マスターレグ61の定格RM1に係数uを乗じることで、第1マスターレグ61の電力指令値P1を算出する。
Figure 2015107593
式(5)に示すように、制御部19は、第2マスターレグ62の定格RM2に係数uを乗じることで、第2マスターレグ62の電力指令値P2を算出する。
Figure 2015107593
以下、具体例(ケース1〜4)について説明する。
ケース1
第1自立レグ63の受電電力が2[kW](W1=2[kW])、第2自立レグ64の受電電力が1[kW](W2=1[kW])である場合について検討する。図15は、第1自立レグ63の受電電力が2[kW](W1=2[kW])、第2自立レグ64の受電電力が1[kW](W2=1[kW])である場合の電力ルータ600を示す図である。この際、電力ルータ600は、外部から3[kW]の電力を受電する。よって、電力ルータ600は、マスターレグを介して、最大で3[kW]の電力を送電できなければならない。このとき、制御部19は、式(3)から、以下の式(6)に示すように、係数uを計算する。
Figure 2015107593
この場合、係数uは0.6となる。よって、式(4)より、第1マスターレグ61の送電電力は、0.6×3[kW]=1.8[kW]となる。式(5)より、第2マスターレグ62の送電電力は、0.6×2[kW]=1.2[kW]となる。
ケース2
第1自立レグ63の受電電力が1[kW](W1=1[kW])、第2自立レグ64の受電電力が1[kW](W2=1[kW])である場合について検討する。図16は、第1自立レグ63の受電電力が1[kW](W1=1[kW])、第2自立レグ64の受電電力が1[kW](W2=1[kW])である場合の電力ルータ600を示す図である。この際、電力ルータ600は、外部から2[kW]の電力を受電する。よって、電力ルータ600は、マスターレグを介して、最大で2[kW]の電力を送電できなければならない。このとき、制御部19は、式(3)から、以下の式(7)に示すように、係数uを計算する。
Figure 2015107593
この場合、係数uは0.6となる。よって、式(4)より、第1マスターレグ61の送電電力は、0.4×3[kW]=1.2[kW]となる。式(5)より、第2マスターレグ62の送電電力は、0.4×2[kW]=0.8[kW]となる。
例えば、管理サーバ1010からの指令により、第1自立レグ63及び第2自立レグ64の送受電電力の設定がケース1からケース2に変更された場合、制御部19は、係数uを0.6から0.4に変更することができる。
ケース3
第1自立レグ63の送電電力が2[kW](W1=−2[kW])、第2自立レグ64の送電電力が1[kW](W2=−1[kW])である場合について検討する。図17は、第1自立レグ63の送電電力が2[kW](W1=−2[kW])、第2自立レグ64の送電電力が1[kW](W2=−1[kW])である場合の電力ルータ600を示す図である。この際、電力ルータ600は、外部から3[kW]の電力を受電する。よって、電力ルータ600は、マスターレグを介して、最大で3[kW]の電力を受電できなければならない。このとき、制御部19は、式(3)から、以下の式(8)に示すように、係数uを計算する。
Figure 2015107593
この場合、係数uは0.6となる。よって、式(4)より、第1マスターレグ61の受電電力は、0.6×3[kW]=1.8[kW]となる。式(5)より、第2マスターレグ62の受電電力は、0.6×2[kW]=1.2[kW]となる。
ケース4
第1自立レグ63の受電電力が1[kW](W1=1[kW])、第2自立レグ64の送電電力が1[kW](W2=−1[kW])である場合について検討する。図18は、第1自立レグ63の受電電力が1[kW](W1=1[kW])、第2自立レグ64の送電電力が1[kW](W2=−1[kW])である場合の電力ルータ600を示す図である。この際、電力ルータ600は、第1自立レグ63と第2自立レグ64との間で、送電電力と受電電力との収支が均衡している。よって、電力ルータ600は、マスターレグを介しての送受電を必要としない。このとき、制御部19は、式(3)から、以下の式(9)に示すように、係数uを計算する。
Figure 2015107593
この場合、係数uは0となる。よって、式(4)より、第1マスターレグ61の受電電力は、0×3[kW]=0[kW]となる。式(5)より、第2マスターレグ62の受電電力は、0×2[kW]=0[kW]となる。これにより、第1マスターレグ61及び第2マスターレグ62は、送受電を行わないことが理解できる。
更に、電力ルータの構成を一般化した場合について検討する。電力ルータのマスターレグの数をN(Nは2以上の整数)個、マスターレグ以外のレグの数をM(Mは、1以上の整数)個とする。この場合、式(3)は以下の式(10)のように一般化できる。
Figure 2015107593
この場合、式(4)及び式(5)は、以下の式(11)のように一般化できる。但し、式(10)に示すように、jは、1≦j≦Nを満たす整数である。
Figure 2015107593
以上、本構成によれば、電力ルータにおいて複数のマスターレグを使用するに当たり、マスターレグを介して送受電すべき電力を、それぞれのマスターレグに分配することができる。複数のマスターレグのそれぞれに対して具体的に電力指定値を設定することで、母線電圧を適正な値に維持することが可能となる。
なお、マスターレグ以外のレグには、上述のACスルーレグが含まれる。しかし、ACスルーレグは、他の自立レグ又は指定電力送受電レグの送受電電力をそのまま通過させるにすぎず、外部と直接送受電を行わない。したがって、ACスルーレグを通過する送受電電力を、マスターレグ以外のレグの送受電電力の合計(式(10)右辺の分子)に含めてしまうと、ACスルーレグと接続された他の自立レグ又は指定電力送受電レグの送受電電力を2重に算入してしまうこととなる。よって、マスターレグ以外のレグの送受電電力の合計(式(10)右辺の分子)を計算するにあたっては、ACスルーレグを通過する送受電電力を除外するものとする。
実施の形態2
次に、実施の形態2にかかる電力ルータ700について説明する。図19は、実施の形態2にかかる電力ルータ700の構成を模式的に示すブロック図である。電力ルータ700は、実施の形態1にかかる電力ルータ600の第1マスターレグ61及び第2マスターレグ62を、それぞれ第1マスターレグ65及び第2マスターレグ66に置換した構成を有する。
実施の形態1にかかる電力ルータ600では、複数のマスターレグの定格に係数uを乗じるものとして説明した。これに対し、本実施の形態にかかる電力ルータ700では、電力ルータ900の複数のマスターレグのそれぞれに優先度が設定されている。そして、制御部19は、優先度の高いマスターレグに、より大きな電力指定値を設定する。優先度は、レグの重要度を表す値であり、例えば数値で表現される。
本実施の形態では、制御部19は、第1マスターレグ65の定格RM1に、係数uだけでなく、調整係数v(第2の係数とも称する)を乗じる。よって、第1マスターレグ65の電力指令値P1は、以下の式(12)で表される。
Figure 2015107593
制御部19は、第2マスターレグ66の定格RM2に、係数uだけでなく、調整係数v(第2の係数とも称する)を乗じる。よって、第2マスターレグ66の電力指令値P2は、以下の式(13)で表される。
Figure 2015107593
ここで、優先度の高いマスターレグの定格に乗じる調整係数が大きな値とする。例えば、第1マスターレグ65の優先度が第2マスターレグ66よりも高い場合、v>vとなる。但し、第1マスターレグ65及び第2マスターレグ66に定格を超えて送受電を行わせることはできない。よって、(v×u)が0<(v×u)<1を満たすようにvを設定し、(v×u)が0<(v×u)<1を満たすようにvを設定する必要が有る。
更に、電力ルータの構成を一般化した場合について検討する。電力ルータのマスターレグの数をN(Nは2以上の整数)個、マスターレグ以外のレグの数をM(Mは、1以上の整数)個とする。この場合、式(12)及び式(13)は、以下の式(14)のように一般化できる。但し、式(10)に示すように、jは、1≦j≦Nを満たす整数である。
Figure 2015107593
なお、(v×u)が0<(v×u)<1を満たすように、vを設定する必要が有る。
以上、本構成によれば、複数のマスターレグそれぞれの優先度に応じて、マスターレグの電力指定値を調整することができる。これにより、複数のマスターレグそれぞれの特性に対応するように、電力指定値を決定することができる。
なお、優先度は、以下のように設定することができる。例えば、商用系統電源などの安定性の高い電源と接続される電力レグの優先度を高くすることができる。これにより、電力ルータへの安定した電源供給が期待できる。
例えば、時間に応じて優先度を変更することも可能である。これにより、深夜電力などの時間に応じて料金が変動する電源を効率的に活用し、電力料金を抑制することが可能となる。
例えば、定格の大きなマスターレグの優先度を高くすることもできる。これにより、定格の大きなマスターレグを主力として用い、安定した送受電を実現できる。マスターレグの優先度は、管理サーバ1010が設定してもよいし、制御部19が設定してもよい。
例えば、累積稼働時間が短いマスターレグの優先度を高くすることもできる。これにより、累積稼働時間が長いマスターレグの負荷を軽減し、かつ、複数のマスターレグの累積負荷を平均化できる。その結果、電力ルータで見た場合、故障発生率を抑制し、寿命を延伸することもできる。
その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、例えば、上述の実施の形態では、制御部19をハードウェアの構成として説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、制御部19をコンピュータにより構成し、任意の処理を、CPU(Central Processing Unit)にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。また、レグの電力変換部に制御装置を組み込み、制御装置を例えば動的再構成ロジック(FPGA:Field Programmable Gate Array)とする。そしてFPGAの制御プログラムをレグのモードに適応した内容に変更して動作させる。これによりレグの種類、動作に応じてFPGAを書き換えることでその動作モードに応じた制御が可能となるためハードウェア容量やコストが削減できる。また、上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non−transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(Random Access Memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
実施の形態1及び2では、マスターレグの数を2としたが、これは例示にすぎない。しなわち、マスターレグの数は、3以上の複数個とすることができる。また、実施の形態1及び2では、マスターレグ以外のレグの数を2としたが、これは例示に過ぎない。つまり、マスターレグ以外のレグの数は、1以上の任意の個数とすることができる。また、マスターレグ以外のレグは、自立レグでもよいし、指定電力送受電レグでもよい。
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、2014年1月15日に出願された日本出願特願2014−4919を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
BL 支線
D1〜D6 ダイオード
INF 情報
MODE 運転モード指定情報
P1、P2 電力指令値
Q1〜Q6 トランジスタ
RM1、RM2 定格
SA1、SD1 波形指示信号
SA2、SD2 読み取り信号
SCON 制御信号
SIG1 開閉制御信号
15 母線電圧
Vr 検出値
11、21 第1レグ
12、22 第2レグ
13、23 第3レグ
14、24 第4レグ
15、M101、M201、M301、M401、M501、M601 直流母線
16 通信バス
17 電圧センサ
19 制御部
51 制御指示
52 情報
60 スルーレグ
61、65 第1マスターレグ
62、66 第2マスターレグ
63 第1自立レグ
64 第2自立レグ
71A、71B 送電線
72 配電線
100、101、102、170、200、300、400、600、700、841〜844 電力ルータ
821〜824 電力セル
111、121、131、141 電力変換部
112、122、132、142、162 電流センサ
113、223、133、143、163 開閉器
114、224、134、144、164 電圧センサ
115、125、135、145、165、215、225、235、245 接続端子
191 記憶部
192 運転モード管理部
193 電力変換指令部
194 DA/AD変換部
195 センサ値読み取り部
196 制御指示データベース
197 レグ識別情報データベース
110、210、220、320、420、560 マスターレグ
210、410 自立レグ
250 ACスルーレグ
610 指定電力送受電レグ
810、1000、2000 電力ネットワークシステム
811、1035、1035A〜1035C 基幹系統
812 大規模発電所
831 家
832 ビル
833 太陽光発電パネル
834 風力発電機
835、1032、1034 蓄電池
850、1010、1020 管理サーバ
860、1100 通信網
1011 電力補正部
1012 記憶装置
1031、1033 負荷
1200、1201〜1203、1211〜1213 伝送線
1300 通信線
本発明は、電力ルータとその制御方法、制御プログラム、及び、電力ネットワークシステムに関する。
本発明の一態様である電力ルータの制御プログラは、前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する電力を参照する処理と、前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する前記電力に基づいて、複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力を制御する処理と、をコンピュータに実行させるものである。

Claims (14)

  1. 複数のマスターレグと、
    1以上のマスターレグ以外のレグと、
    前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する電力に基づいて、前記複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力を制御する制御部と、を備える、
    電力ルータ。
  2. 前記制御部は、
    前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する電力の合計と、前記複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力の合計と、が一致するように、前記複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力を制御する、
    請求項1に記載の電力ルータ。
  3. 前記制御部は、
    当該電力ルータが前記1以上のマスターレグ以外のレグを介して受電している場合、前記複数のマスターレグのそれぞれに送電を行わせ、
    当該電力ルータが前記1以上のマスターレグ以外のレグを介して送電している場合、前記複数のマスターレグのそれぞれに受電を行わせる、
    請求項2に記載の電力ルータ。
  4. 前記制御部は、
    前記複数のマスターレグのそれぞれの定格に第1の係数を乗じることで、前記複数のマスターレグのそれぞれの送受電の電力を決定する、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電力ルータ。
  5. 前記第1の係数は、0以上1以下の値である、
    請求項4に記載の電力ルータ。
  6. 前記複数のマスターレグのそれぞれの定格に乗じる前記第1の係数は、等しい値である、
    請求項4又は5に記載の電力ルータ。
  7. 前記制御部は、
    前記複数のマスターレグのそれぞれが送受電の合計値を、前記複数のマスターレグの定格の合計値で除して、前記第1の係数を算出する、
    請求項6に記載の電力ルータ。
  8. 前記制御部は、前記複数のマスターレグのそれぞれの定格に前記第1の係数と第2の係数とを乗じることで、前記複数のマスターレグのそれぞれの送受電の電力を決定する、
    請求項4乃至7のいずれか一項に記載の電力ルータ。
  9. 前記制御部は、前記複数のマスターレグのそれぞれの優先度に基づいて、前記第2の係数を決定する、
    請求項8に記載の電力ルータ。
  10. 前記制御部は、前記複数のマスターレグのそれぞれについて、前記優先度が大きいものほど前記第2の係数を大きくする、
    請求項9に記載の電力ルータ。
  11. 前記複数のマスターレグのそれぞれの前記第1の係数と前記第2の係数とを乗じた値は、0以上1以下の値である、
    請求項10に記載の電力ルータ。
  12. 電力ルータと、
    前記電力ルータの送受電を制御する管理サーバと、を備え、
    前記電力ルータは、
    複数のマスターレグと、
    1以上のマスターレグ以外のレグと、
    前記管理サーバからの指令に応じて、前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する電力に基づいて、前記複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力を制御する制御部と、を備える、
    電力ネットワークシステム。
  13. 前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する電力を参照し、
    前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する前記電力に基づいて、複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力を制御する、
    電力ルータの制御方法。
  14. 前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する電力を参照する処理と、
    前記1以上のマスターレグ以外のレグが送受電する前記電力に基づいて、複数のマスターレグのそれぞれが送受電する電力を制御する処理と、をコンピュータに実行させる、
    電力ルータの制御プログラムが格納された非一時的なコンピュータ可読媒体。
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