WO2023027137A1 - 電力制御装置、電力制御システムおよび電力制御方法 - Google Patents

電力制御装置、電力制御システムおよび電力制御方法 Download PDF

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WO2023027137A1
WO2023027137A1 PCT/JP2022/031975 JP2022031975W WO2023027137A1 WO 2023027137 A1 WO2023027137 A1 WO 2023027137A1 JP 2022031975 W JP2022031975 W JP 2022031975W WO 2023027137 A1 WO2023027137 A1 WO 2023027137A1
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WO
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power
self
unit
network
load
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Application number
PCT/JP2022/031975
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English (en)
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正俊 熊谷
浩人 佐々木
俊祐 松永
洋二 池田
Original Assignee
株式会社日立産機システム
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J13/00—Circuit arrangements for providing remote indication of network conditions, e.g. an instantaneous record of the open or closed condition of each circuitbreaker in the network; Circuit arrangements for providing remote control of switching means in a power distribution network, e.g. switching in and out of current consumers by using a pulse code signal carried by the network
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load
    • H02J3/14—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load by switching loads on to, or off from, network, e.g. progressively balanced loading
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/46—Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers

Definitions

  • the present invention relates to a power control device, a power control system, and a power control method for a power network that includes a power conversion circuit that converts a plurality of DC power sources into AC power.
  • GFL grid-forming inverter
  • GFI Grid-Forming Inverter
  • the GFL operates as a current source that follows the voltage waveform of the power system at the interconnection point, and controls the current based on the output set values of active power and reactive power.
  • the current is controlled to maximize the active power based on the voltage-current characteristic curve of the solar cell.
  • GFI operates as a voltage source that controls the frequency and amplitude of the voltage.
  • the voltage phase of the GFI lags behind that of the AC power system, thereby reducing the active power output.
  • the reactive power output decreases when the GFI lowers the amplitude of the voltage waveform relative to the voltage at the tie point.
  • the voltage frequency is lowered in proportion to the magnitude of the active power output by the GFI, and the voltage amplitude is lowered in proportion to the magnitude of the reactive power.
  • This method of sharing output by voltage frequency difference or voltage amplitude difference between power sources is called droop control.
  • As the number of synchronous generators is expected to decrease, it is expected to be a means to improve the stability of the power system.
  • droop control In droop control, the relationship between active power and frequency and the relationship between reactive power and amplitude are called droop characteristics.
  • the control characteristics change depending on For setting the droop characteristic, a method of changing the output sharing by correcting the gain (for example, Patent Document 1) and a method of changing the output sharing by correcting the offset (for example, Patent Document 2) are disclosed.
  • the present invention provides a power control device that avoids overloading the entire power network and does not increase the risk even if a partial failure or overload of the power network including a plurality of DC power sources occurs.
  • a control system and power control method are provided.
  • a DC power supply a power conversion unit that converts the output of the DC power supply to AC, and power from the power conversion unit to each load
  • a switching unit that cuts off supply a voltage measurement unit that measures the voltage value output from the power conversion unit, and a current measurement unit that measures the current value output from the power conversion unit on the same power system
  • a power control device that executes power control of an independent power network provided at each of the self-end receiving point and the other-end receiving point of the the overload determination result, the number of times the switching unit has been interrupted at the other end power receiving point detected from the amount of change in the voltage value or the current value, and information on the order of interrupting the switching unit that has been stored in advance.
  • a load shedding control unit that determines whether to shut off the opening/closing unit at the self-end power receiving point based on the load shedding control unit.
  • overload determination based on droop characteristics when converting from direct current to alternating current, and load shedding based on sudden change detection of voltage waveform or current waveform. Even if a partial failure or overload of the power grid occurs, the overload of the entire power grid is avoided and the risk is not increased by the determination and the predetermined order of interruption.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a power control system 100 configured from a plurality of power networks in this embodiment;
  • FIG. It is a functional block diagram in the power network A in this embodiment.
  • 2 is a hardware configuration diagram of a power control device according to the embodiment;
  • FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining a droop control method by a droop control unit 112 and an overload determination method of an own end and the other end by an overload determination unit 115;
  • FIG. FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining a first example of a load shedding detection method by the other-end shedding detection unit 118;
  • FIG. 9 is a characteristic diagram for explaining a second example of a load shedding detection method by the other-end shedding detection unit 118; 6 is a flowchart for explaining a load shedding determination method by a load shedding control unit 116; 3 is a diagram showing a blocking order table 204 stored in a blocking order storage unit 117; FIG. 4 is a flowchart showing a procedure for creating the shutdown order table 204 executed by the power management server 202; 4 is a diagram showing changes in voltage frequency when load shedding is executed in the power control system 100.
  • FIG. 1 shows a configuration diagram of a power control system 100 configured from a plurality of power networks in this embodiment.
  • a power system 101 is provided with a plurality of power receiving points 106a, 106b, and 106c, and each power receiving point is provided with power networks A, B, and C, respectively.
  • DC power supplied from DC power sources 102a, 102b, 102c is converted into AC power by power converters 104a, 104b, 104c, and loads 103a, 103b, 103c are supplied via switches 105a, 105b, 105c.
  • 1 shows the circuit configuration supplied to the .
  • These power systems 101 are connected by power lines indicated by thick lines in FIG.
  • DC power sources 102a, 102b, and 102c are, for example, solar power generation, storage batteries, EV chargers, and the like. Although it is used as a power supply, there is an operation state in which active power is consumed in the charging state of a storage battery or EV.
  • the power converters 104a, 104b, and 104c have a function of converting direct current to alternating current, and increase or decrease active power based on the frequency command value, as described later.
  • an electric circuit called an inverter including a coil, a capacitor, etc. is used, but it is not limited in this embodiment.
  • the power controllers 109a, 109b, 109c can communicate with the respective power converters 104a, 104b, 104c and the switches 105a, 105b, 105c, and perform power conversion for the respective power converters 104a, 104b, 104c.
  • the power supply to each load is cut off by transmitting the frequency of the hour as a command value and opening the respective switches 105a, 105b, and 105c based on the load cutoff determination described later.
  • the grid switch 201 is means for switching connections between the power grids A, B, and C shown in FIG. 1 and other power grids.
  • the power grid 101 shown in FIG. It becomes a micro grid), and it becomes necessary to match the supply and demand balance within it. Also, by receiving the closing signal, it supplies power to or receives power from the external power network.
  • the circuit operation in an independent power network will be mainly described with the system switch 201 in an open state.
  • the power management server 202 collects the power consumption measurement values of the loads 103a, 103b, and 103c by appropriate means such as the network 203 and operation input means (not shown), updates the power consumption information in the interruption order table described later,
  • the blocking order table is updated and managed as needed.
  • a facility manager may be able to edit information in a cutoff order table, which will be described later, using a user interface.
  • FIG. 2A is a functional block diagram within power network A in this embodiment.
  • the component within the power network A is expressed as "own end", and the component connected to other than the power network A is expressed as "other end”.
  • the other end corresponds to components in the two power grids B and C, but may be configured to form more power grids.
  • FIG. 2A a power receiving point 106a is provided as in FIG. Fig. 3 shows a detailed block diagram to supply;
  • a voltage measuring instrument 107a and a current measuring instrument 108a are provided in the middle of the power line connecting the DC power supply 102a to the power receiving point 106a via the power conversion device 104a, and the voltage effective value and current effective value of the output converted to alternating current are measured. Measure each.
  • the inside of the dotted line indicates the functional block of the power control device 109a.
  • the power control device 109a includes an output calculation unit 110, a control characteristic setting unit 111, a droop control unit 112, a second end characteristic storage unit 113, a second end output estimation unit 114, an overload It includes functional blocks of a determination unit 115 , a load shedding control unit 116 , a shedding order storage unit 117 , a second-end shedding detection unit 118 , and a load shedding counting unit 119 .
  • the function and operation of each functional block provided in the power control device 109a will be sequentially described below, but the power control devices 109b and 109c at the other end can also perform similar functions and operations.
  • the output calculation unit 110 calculates the self-end active power W1 of the AC power output from the power conversion device 104a from the measured values of the voltage measuring device 107a and the current measuring device 108a. Specifically, the active power is calculated by multiplying the measured voltage effective value and current effective value. The calculated self-end active power W1 is transmitted to overload determination section 115 .
  • the control characteristic setting unit 111 stores the self-end droop characteristic 301 and performs droop control operation.
  • the droop characteristic is described by the gain (the slope of the linear function) and the offset (the intercept of the linear function) as an active power-frequency relational expression, and details of the droop characteristic will be described later with reference to FIG.
  • the self-end droop characteristic in the control characteristic setting unit 111 may be provided with a self-diagnostic mode, and may be obtained and created offline when the power control device 109a is shipped from the factory or during maintenance.
  • the droop control unit 112 obtains the voltage frequency from the self-end active power W1 calculated by the output calculation unit 110 and the self-end droop characteristic 301 stored in the control characteristic setting unit 111, and outputs the frequency command value F to send. At the same time, the specified frequency value F is also sent to the other end output estimation unit 114 .
  • the droop control method executed by the droop control unit 112 will be described later in detail with reference to FIG.
  • the other end characteristic storage unit 113 stores the other end droop characteristics 302 of the power converters 104b and 104c installed in the other power networks B and C, respectively.
  • the other end droop characteristic 302 is represented by one characteristic, but is created and stored by the number of power converters installed in other power networks.
  • control characteristic setting unit 111 stores the own end droop characteristic 301
  • the other end characteristic storage unit 113 stores the droop characteristic 302 of the other end.
  • These self-end droop characteristics 301 and other-end droop characteristics 302 are obtained when the power control device 109a communicates with the power management server 202 via the network 203 at specific timings, such as when each power network is installed or restarted, or controls the power. It may be obtained through communication with the devices 109b and 109c, or may be input and set via a user interface on the power control device 109a. Also, it may be possible to read and write to a portable storage medium such as a flash memory.
  • the other end output estimation unit 114 estimates the other end active power W2 based on the frequency command value F transmitted from the droop control unit 112 and the other end droop characteristic 302 transmitted from the other end characteristic storage unit 113 .
  • a method of estimating the other-end active power W2 by the other-end output estimator 114 will be described later with reference to FIG. 3 together with the droop control method.
  • the overload determination unit 115 Based on the self-end active power W1 calculated by the output calculation unit 110 and the other-end active power W2 estimated by the other-end output estimation unit 114, the overload determination unit 115 performs power conversion on each of the self-end and the other end. Determine device overload conditions. If it is determined that the self-end is overloaded, the self-end overload determination signal S1 is transmitted to the load shedding control unit 116, and if the other end is determined to be overloaded, the other-end overload determination signal S2 is used for load shedding control. 116.
  • the overload determination method by the overload determination unit 115 will be described later with reference to FIG. 3 together with the droop control method.
  • the other-end cutoff detection unit 118 stores in advance a threshold indicating a sudden change in the measured value of the voltage measuring device 107a or the current measuring device 108a that deviates from the steady state, and compares the measured value with the threshold to Detects load shedding of switch 105b or 105c in the end power network.
  • the other end disconnection detection signal T is transmitted to the load disconnection counting unit 119 .
  • a method for detecting the blocking of the other end by the blocking detection unit 118 will be described later with reference to FIGS.
  • the load shedding counting unit 119 receives the other-end shedding detection signal T transmitted from the other-end shedding detection unit 118, counts and stores the number of shedding times S3.
  • the overload determination unit 115 determines that the self end or the other end is overloaded, the counted number of times S3 of cutoff is transmitted to the load cutoff control unit 116 .
  • the load shedding control unit 116 acquires the self-end overload determination signal S1 and the other-end overload determination signal S2 transmitted from the overload determination unit 115, the number of times of shedding S3 transmitted from the load shedding counting unit 119, and externally. Based on the cutoff order table 204, it is determined whether or not the load can be cut off. As a result of judging whether or not to cut off, when it is determined that the cut is to be executed, an open signal is transmitted to the switch 105a to cut off the power supply to the load. A load shedding determination method by the load shedding control unit 116 will be described later with reference to FIG.
  • the cutoff order storage unit 117 has a function of storing the cutoff order table 204 of the loads in each power network connected to the power system 101.
  • the power management server 202 on the network or another power control device 109b. , 109c, the cutoff order table 204 is acquired at a specific timing such as when each power network is installed or restarted, and then stored.
  • the information in the cutoff order table 204 may be stored and set by inputting the information in the cutoff order table 204 through a user interface. Also, it may be possible to read and write to a portable storage medium such as a flash memory.
  • FIG. 2B is a hardware configuration diagram of the power control device in this embodiment.
  • the power control device 109a includes a CPU (Central Processing Unit) 501, a memory 502 for temporarily storing data necessary for the CPU 501 to execute processing, a hard disk having a capacity to store a large amount of data, and a portable storage.
  • a storage unit 503 such as a medium, a communication unit 504 for communicating with other devices, an input/output device 505 such as a keyboard and a display for inputting/outputting data, and a communication bus 506 connecting these devices. It is a computer with a CPU (Central Processing Unit) 501, a memory 502 for temporarily storing data necessary for the CPU 501 to execute processing, a hard disk having a capacity to store a large amount of data, and a portable storage.
  • a storage unit 503 such as a medium
  • a communication unit 504 for communicating with other devices
  • an input/output device 505 such as a keyboard and a display for inputting/outputting
  • the CPU 501 reads from the storage unit 503 the power control program 109p including each functional block shown in FIG.
  • the functional block shown in FIG. 2A is virtually constructed, and the droop control method, overload determination method, and load shedding determination method described later are executed. do.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram for explaining the droop control method by droop control section 112 and the overload determination method of the own end and the other end by overload determination section 115 .
  • the horizontal axis represents active power (in units of pu values), and the vertical axis represents the frequency of the output voltage (in units of pu values).
  • the pu value indicates a relative value with respect to the rated value of the power conversion device, and if it exceeds 1.0, it indicates that the output is outside the rating, indicating that the power conversion device is in an overloaded state.
  • a solid line 301 is the droop characteristic of the own end stored in the control characteristic setting section 111 .
  • the self-end droop characteristic 301 has an offset (operating point 303 in FIG. 3) that becomes the upper limit frequency ⁇ _u when the active power is 0, and a gain (slope of a straight line) including operating points 304 and 306.
  • a dotted line 302 is the droop characteristic of the power electronics device 109 b and the power electronics device 109 c stored in the other end characteristics storage unit 113 .
  • the other end droop characteristic 302 has an offset (operating point 303 in FIG. 3) that becomes the upper limit frequency ⁇ _u when the active power is 0, and a gain (slope of a straight line) including operating points 305 and 307. .
  • the overload determination method will be specifically described with reference to Operation Example 1 and Operation Example 2.
  • the output calculation unit 110 calculates the active power from the measured voltage value and the current value and the self-end active power is calculated as 0.5
  • the droop control unit 112 sets the active power value to 0.5. Send to
  • Droop control unit 112 that has received active power value 0.5 determines voltage frequency ⁇ _l from operating point 304 on self-end droop characteristic 301 in FIG. 0.5 is transmitted to the overload judgment unit 115 as the active power W1 of the own end.
  • the other-end output estimating unit 114 determines that the self-end and the other end are tuned to the voltage frequency ⁇ _l from the transmitted voltage frequency ⁇ _l and the other-end droop characteristic 302 stored in the other-end characteristic storage unit 113, and Based on the operating point 305 on the droop characteristic 302 , the other end active power W ⁇ b>2 is estimated to be 1.0 and transmitted to the overload determination section 115 .
  • the overload determination unit 115 receives signals of 0.5 of the self-end active power W1 and 1.0 of the other-end active power W2, and determines both the self-end overload determination signal S1 and the other-end overload determination signal S2 as No. (not overloaded), and transmits both overload determination signals to the load shedding control unit 116 .
  • the self-end active power 0.75 is drooped. It is transmitted to the control unit 112 .
  • the droop control unit 112 that has received the self-end active power of 0.75 determines the voltage frequency ⁇ _m from the operating point 306 on the self-end droop characteristic 301 of FIG. Along with transmitting it as the command value F, 0.75 is transmitted to the overload determination unit 115 as the self-end active power W1.
  • the other-end output estimator 114 determines that the self-end and the other end are tuned to the voltage frequency ⁇ _m based on the transmitted voltage frequency ⁇ _m and the other-end droop characteristic 302 stored in the other-end characteristic storage unit 113 . Based on the operating point 307 on the droop characteristic 302 , the other end active power W ⁇ b>2 is estimated to be 1.5 and transmitted to the overload determination section 115 .
  • the overload determination unit 115 receives signals of 0.75 of the self-end active power W1 and 1.5 of the other-end active power W2, and sets the self-end overload determination signal S1 to No (not overloaded).
  • Overload determination signal S2 is determined to be Yes (overload), and both overload determination signals are transmitted to load shedding control section 116 .
  • the own end droop control and the own end and the other end overload determination are executed.
  • the power conversion device 104a to which the frequency command value F is transmitted drives the output frequency based on the frequency command value F when converting from direct current to alternating current.
  • driving as shown in FIG. 1, in a plurality of power networks connected to the same power system 101, when a difference occurs in voltage frequency, power is supplied from a high-frequency power conversion device and a low-frequency power conversion device is used. A phenomenon occurs in which power is received by the device, and finally the frequency is tuned to drive stably. For example, when tuning at frequency ⁇ _l, self-sustaining control is performed so that the active power of the own end and the other end operates at a sharing ratio of 0.5:1.0.
  • FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining a first example of the load shedding detection method by the other-end shedding detection unit 118.
  • FIG. The horizontal axis indicates the elapsed time, and the vertical axis indicates the voltage effective value measured by the voltage measuring device 107a.
  • Fig. 4 shows the voltage change when load rejection occurs at the other end at time t_s on the horizontal axis.
  • the switch 105b or 105c at the other end is cut off, the current sharply decreases by the amount of the cut off load, and a sharp voltage change 401 is measured by the inductance of the power line in the power system 101.
  • FIG. Since such a voltage change reaches several times to several tens of times the voltage in the steady state, for example, the amount of voltage change that deviates from the steady state is stored as a threshold value, and is obtained from the voltage measurement value by the voltage measuring device 107a.
  • the stored voltage change amount is compared with the stored threshold value, and if the voltage change amount exceeds the threshold value, the other end cutoff detection unit 118 determines that the load of the other end is cut off, and outputs the other end cutoff detection signal T to the load. It is transmitted to the interruption counting unit 119 .
  • FIG. 5 is a characteristic diagram for explaining a second example of the load shedding detection method by the other-end shedding detection unit 118 .
  • the horizontal axis indicates the elapsed time, and the vertical axis indicates the current effective value measured by the current measuring device 108a.
  • FIG. 5 shows the current change when the load cutoff of the other end occurs at time t_s on the horizontal axis.
  • a discontinuous decrease 402 in the output current is measured by the amount of the interrupted load.
  • a current change amount that deviates from the steady state is stored as a threshold, and the current change amount per unit time obtained from the current measurement value by the current measuring device 107a is compared with the stored threshold.
  • the other end cutoff detection unit 118 determines that the other end load has been cut off, and transmits the other end cutoff detection signal T to the load cutoff counting unit 119 .
  • the other end cutoff detection unit 118 can detect load cutoff of the other end from a sudden change in the voltage or current measured at the own end, as shown in FIG. 4 or FIG. It is also possible to use both the detection method based on the voltage change in the first example and the detection method based on the current change in the second example.
  • FIG. 6 is a flowchart for explaining a load shedding determination method by the load shedding control unit 116 .
  • the processing of this flow chart is periodically executed, for example, in a cycle of one second.
  • step S101 the number of interrupts S3 stored in the load interrupt counter 119 is reset (step S101). After that, by counting the number of times of interruption S3, the arrival of the interruption order of the own end is detected.
  • the load is shed at the self-end.
  • the number of times of interruption is 1, if the interruption order of the self-end is second, the load is shed at the self-end.
  • the own-end cutoff order the number of cutoff times S3+1, it means that the own-end cutoff order has not yet arrived.
  • it is judged to be timed out it indicates that there is a possibility that the load shedding of the other end, which has reached the cutoff order, has not been executed due to a failure of the switch of the other end. It is determined that load shedding at the other end has been executed. Therefore, if the blocking of the other end is detected or timed out in step S105, 1 is added to the number of times of blocking S3 (step S106).
  • step S107 After that, with load shedding executed at the other end, self-sustaining control is continued until the power control system 100 reaches an equilibrium state (step S107). After the balanced state is reached, it is determined that the number of times of interruption S3 ⁇ last interruption order ⁇ 1 (step S108). If the number of interrupts S3 ⁇ last interrupt order ⁇ 1 is established, the number of power converters supplying power to the load is two, and the effect of the load interrupt determination becomes low, so the power control in this embodiment is terminated. Moreover, when not materialized, it returns to step S102.
  • step S108 may be arbitrarily set by the facility manager. For example, the load shedding determination may be continued until only one power conversion device is supplied to the load. After the end of the power control, each device in the power control system 100 is restarted, reset, etc. are performed, and the power control system 100 is restarted.
  • load shedding determination method in steps S101 to S108 in FIG. 6 above has been described as being executed in the power control device 109a, by executing similar power control in other power control devices, Alternatively, load shedding at the other end is performed from time to time.
  • the electric power is determined by the overload generation determination method at the own end and the other end described in FIG. 3 and the load shedding detection method at the other end described in FIGS. Since it can be implemented without depending on communication between the control device and other power control devices, or between the power control device and an external device such as a power management server, multiple appropriate operation between power grids.
  • FIG. 7 is a diagram showing the blocking order table 204 stored in the blocking order storage unit 117. As shown in FIG. Although FIG. 7 is a table showing the order of interruption of seven power receiving points in order to facilitate the explanation of how to assign the order of interruption, the number of power receiving points is not limited to seven.
  • the shutdown order table 204 shown in FIG. 7 is composed of load names in the first column from the left, importance in the second column, power consumption in the third column, and shutdown order in the fourth column.
  • the importance listed in the second column is set such that the higher the importance, the higher the number, and the lower the importance, the lower the number. For example, in an area that constitutes an independent power grid (microgrid), the importance of disaster prevention equipment and communication equipment is set high, and the importance of air conditioning equipment and lighting equipment is set low.
  • the degree of importance is set to two levels for the sake of simplicity of explanation, but the degree of importance may be set to three or more levels.
  • the power consumption in the third column is the measured value of power consumption periodically collected from each load by the power management server 202 .
  • the facility manager may input through a user interface.
  • the shutdown order in the 4th column is ranked from 1st to 6th by sorting in order of low importance and high power consumption.
  • a predetermined threshold it is excluded from the shutdown target. For example, since the power consumption of the night light falls below the threshold value of 10 kW, it is set so as not to be assigned a cutoff order.
  • loads with high power consumption have a greater power saving effect when shutting down, so the shutting down order is set higher within the same importance. This is because it takes a certain amount of time for the load shedding to be executed and the droop control to reach a steady state.
  • the cutoff priority of the load with high power consumption is set high. The reason why load shedding below the threshold value is not assigned a shedding order is that load shedding does not contribute to the elimination of overload, as described above.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for creating the shutdown order table 204 executed by the power management server 202.
  • Steps S201 to S203 show the flow of sorting the loads in descending order of importance and then sorting the loads in descending order of power consumption.
  • step S204 the collected power consumption values are compared with a predetermined power consumption threshold value, and in steps S205 and S206, the load exceeding the threshold value is sequentially assigned a cutoff order.
  • step S207 it is determined whether or not the assigned cutoff order is the last. If it is the last, it is determined that the cutoff order has been assigned to all the loads to be allocated, and the cutoff order table 204 is stored in step S208. If not, the process returns to step S204.
  • the power management server 202 periodically performs the processing shown in FIG. 8 and distributes the shutdown order table 204 to each power control device. Distribution of the cutoff order table 204 does not require immediacy such as the overload determination described in FIG. 3 and the load cutoff determination described in FIGS. Even if it is assumed that it is performed at a predetermined cycle, it does not reduce the effect of the power control method in this embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing changes in voltage frequency when load shedding is executed in power control system 100.
  • the horizontal axis indicates the passage of time, and the vertical axis indicates the voltage frequency output from droop control section 112 .
  • time t_0a from the steady state, one of the power converters fails, and the active power output of the self-end increases accordingly.
  • the droop control unit 112 reduces the voltage frequency according to the droop characteristics described with reference to FIG.
  • the active power sharing rate of a plurality of power converters is determined by the phase difference between the respective output voltages, and the phase difference is the integrated value of the frequency.
  • time t_0a-t_0b is the time required to reach a steady state, and the steady state is reached at time t_0b.
  • the power control device with the first load shedding order executes load shedding.
  • the droop control unit 112 increases the voltage frequency because the active power of the self-end decreases accordingly.
  • load shedding is carried out at time t_2a and time t_3a until the overload is eliminated in all the power converters.
  • An overload of a power converter can occur, for example, in a microgrid that operates independently from an external power system, when some of a plurality of power converters fail.
  • overload determination by the droop characteristics of the own end and the other end, detection of the other end by the voltage measuring device and the current measuring device of the own end, and the number of times of interruption of the detected other end interruption detection By determining whether or not load shedding can be executed at the own end based on a predetermined shedding order, even if a partial failure or overload occurs in a power network including a plurality of DC power supplies, overloading of the entire power network can be prevented. It is effective in providing a power control device, a power control system, and a power control method that avoid loads and do not increase risks.
  • the power conversion device 104a and the switch 105a are not directly controlled via the communication line of the network 203, but at the time of installation of the power generation equipment, maintenance, etc., at predetermined intervals. Since the network 203 is used to receive control parameters such as droop characteristics and a cutoff order table only at times, high-speed responsiveness, such as on the order of milliseconds, is not essential.
  • the power system 101 may also include power receiving points such as a load only or a power supply only.
  • the operating point of the droop characteristic changes due to the existence of power receiving points of only the load and only the power supply. do not have.
  • the switch and the load are described as a set, there may be a plurality of these. For example, when there are different loads such as lighting and air conditioning, and a switch is provided for each of them, load shedding by the load shedding control unit 116 is performed individually. It does not limit the degree of freedom in terms of such circuit configuration.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Power control system 101... Power system 102a, 102b, 102c... DC power supply 103a, 103b, 103c... Load 104a, 104b, 104c... Power converter 105a, 105b, 105c... Switch 106a, 106b, 106c... Power receiving point 109a , 109b, 109c... Power control device 201... System switch 202... Power management server 203... Network 204... Interruption order table 110... Output calculation unit 111... Control characteristic setting unit 112... Droop control unit 113...

Abstract

直流電源と、電力変換部と、各負荷への電力供給を遮断する開閉部と、電力変換部からの出力を計測する電圧計測部および電流計測部と、を同一の電力系統上の自端電力網内および少なくとも１つの他端電力網内のそれぞれに備えられた、複数の電力網の電力制御を実行する電力制御装置であって、電力変換部の特性情報と、開閉部の遮断順位情報を記憶する記憶部と、有効電力と特性情報に基づいて過負荷が判定された際に、電圧値または電流値に基づいて検知された他端電力網における開閉部の遮断回数と、遮断順位情報と、に基づいて、自端電力網における開閉部の遮断を判断する負荷遮断制御部と、を備えた構成を有する。

Description

電力制御装置、電力制御システムおよび電力制御方法
　本発明は、複数の直流電源から交流に変換する電力変換回路を含む電力網の電力制御装置、電力制御システムおよび電力制御方法に関する。
　太陽光発電や蓄電池などの直流電源を交流の電力系統に連系する電力変換装置として、従来から用いられてきたグリッドフォローイングインバータ（Ｇｒｉｄ－Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ、以下、ＧＦＬ）に代わり、グリッドフォーミングインバータ（Ｇｒｉｄ－Ｆｏｒｍｉｎｇ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ、以下、ＧＦＩ）への注目が高まっている。
　ＧＦＬは連系点における電力系統の電圧波形に追従する電流源として動作し、有効電力および無効電力の出力設定値に基づいて電流を制御する。あるいは、最大電力点追従（Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ　Ｔｒａｃｋｅｒ）と呼ばれる太陽光発電の出力制御においては、太陽電池の電圧－電流特性カーブに基づいて、有効電力を最大化するように電流を制御する。
　一方、ＧＦＩは電圧の周波数と振幅を制御する電圧源として動作する。たとえばＧＦＩが電圧波形の周波数を下げると、交流の電力系統に対してＧＦＩの電圧位相が遅れることで、有効電力の出力が減少する。また、ＧＦＩを系統に接続する電力ケーブルが誘導性であることから、ＧＦＩが電圧波形の振幅を連系点の電圧に対して下げると、無効電力の出力が減少する。このとき、ＧＦＩが出力する有効電力の大きさに比例して電圧周波数を下げるように、また、無効電力の大きさに比例して電圧振幅を下げるように制御することで、ＧＦＩは電力系統に接続された他のＧＦＩや同期発電機との間で、自律的に出力の大きさを調整する作用を示す。このような電源間の電圧周波数差、または電圧振幅差によって出力を分担する方法はドループ制御と呼ばれ、今後、電力変換装置を介して接続された再生可能エネルギー（以下、再エネ）のさらなる増加と同期発電機の減少が予想されるなか、電力系統の安定性を向上する手段として期待されている。
　ドループ制御において、有効電力－周波数の関係、および無効電力－振幅の関係をドループ特性と呼び、ゲイン（上記２変数の一次関数で表されるドループ特性の傾き）とオフセット（同ドループ特性の切片）によって制御特性が変化する。ドループ特性の設定としては、ゲインを補正することで出力分担を変える方法（たとえば特許文献１）や、オフセットを補正することで出力分担を変える方法（たとえば特許文献２）が開示されている。
国際公開第２０１９／２２０７６３号 特開２０１６－１１９８２０号公報
　特許文献１、２のようなドループ制御方法では、たとえば蓄電池の充電量に応じて、ＧＦＩの有効電力の出力分担を変えることが出来る。しかしながら、この制御は、あくまでＧＦＩの平常動作を前提としたものであり、複数のＧＦＩのうち一部が故障した場合に、残存するＧＦＩで過負荷が生じうるという課題があり、一部の故障が複数の発電機からなる電力網に影響してしまうという課題があった。
　本発明は、上記課題を解決するために、複数の直流電源を含む電力網の一部故障または過負荷が発生しても、電力網全体の過負荷を回避し、リスクを増大させない電力制御装置、電力制御システムおよび電力制御方法を提供する。
　上記課題を解決するための、本願発明の電力制御装置の一例を挙げるならば、直流電源と、前記直流電源の出力を交流に変換する電力変換部と、前記電力変換部から各負荷への電力供給を遮断する開閉部と、前記電力変換部から出力される電圧値を計測する電圧計測部と、前記電力変換部から出力される電流値を計測する電流計測部と、を同一の電力系統上の自端受電点および他端受電点のそれぞれに備えられた、独立した電力網の電力制御を実行する電力制御装置であって、前記電圧値と前記電流値から算定された有効電力に基づいて判定された過負荷判定結果と、前記電圧値、または前記電流値の変化量から検知された前記他端受電点における開閉部の遮断回数と、予め格納された前記開閉部の遮断順位情報と、に基づいて、前記自端受電点における開閉部の遮断を判断する負荷遮断制御部と、を備えた構成を有する。
　本発明に記載される電力制御装置、電力制御システムおよび電力制御方法によれば、直流から交流に変換する際のドループ特性による過負荷判定と、電圧波形や電流波形の急激な変化検出による負荷遮断判定と、予め定められた遮断順位により、電力網の一部故障または過負荷が発生しても、電力網全体の過負荷を回避し、リスクを増大させない。
本実施形態における複数の電力網から構成される電力制御システム１００の構成図である。 本実施形態における電力網Ａ内の機能ブロック図である。 本実施形態における電力制御装置のハードウェア構成図である。 ドループ制御部１１２によるドループ制御方法と、過負荷判定部１１５による自端および他端の過負荷判定方法を説明する特性図である。 他端遮断検知部１１８による負荷遮断検知方法の第１例を説明する特性図である。 他端遮断検知部１１８による負荷遮断検知方法の第２例を説明する特性図である。 負荷遮断制御部１１６による負荷遮断判定方法を説明するフローチャートである。 遮断順位記憶部１１７に記憶される遮断順位テーブル２０４を示す図である。 電力管理サーバ２０２によって実行される遮断順位テーブル２０４の作成手順を示すフローチャートである。 電力制御システム１００内で負荷遮断を実行した際の電圧周波数の変化を示す図である。
　図１は、本実施形態における複数の電力網から構成される電力制御システム１００の構成図を示している。
　電力制御システム１００は、電力系統１０１に複数の受電点１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃが設けられ、各受電点にそれぞれ電力網A、B、Cが設けられる。各電力網内には、直流電源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃから供給された直流電力を電力変換装置１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃで交流に変換し、開閉器１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを介して負荷１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃに供給される回路構成を示している。これらの電力系統１０１は、図１中の太線で示す電力線で接続されている。直流電源１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃは、例えば太陽光発電、蓄電池、ＥＶ充電器などである。電源としているが、蓄電池やＥＶの充電状態においては、有効電力を消費する運転状態もある。
　電力変換装置１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃは、直流を交流に変換する機能を有し、後述するように、周波数指令値に基づいて、有効電力を増減させる。直流から交流への変換回路に関しては、コイル、コンデンサ等を含む、インバーターと言われる電気回路が用いられるが、本実施形態においては限定するものではない。
　電力制御装置１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃは、それぞれの電力変換装置１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃと、開閉器１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃと通信可能であり、それぞれの電力変換装置１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃに対して電力変換時の周波数を指令値として送信すると共に、後述する負荷遮断判定に基づいて、それぞれの開閉器１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを開くことにより、それぞれの負荷への電力供給を遮断する。
　系統開閉器２０１は、図１に示す電力網A、B、Cと、他の電力網との接続を切り替える手段であり、開信号を受信することにより図１に示す電力系統１０１は、独立した電力網（マイクログリッド）となり、その内部で需給バランスを合わせる必要が生じる。また、閉信号を受信することにより外部の電力網に対して電力の供給、または外部の電力網から電力の受入を行う。本実施形態においては、主に系統開閉器２０１が開状態で、独立した電力網における回路動作を説明する。
　電力管理サーバ２０２は、ネットワーク２０３や操作入力手段（不図示）等適宜の手段により負荷１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃの消費電力計測値を収集し、後述する遮断順位テーブル内の消費電力情報を更新し、遮断順位テーブルを随時更新して管理する。更に、設備管理者が、ユーザーインターフェースを用いて、後述する遮断順位テーブル内の情報を編集可能としてもよい。
　図２Ａは、本実施形態における電力網A内の機能ブロック図である。図２Ａにおいては、電力網A内の構成要素を「自端」と表現し、電力網A以外に接続される構成要素を「他端」と表現する。本実施形態では、他端は、２つの電力網B，C内の構成要素に相当するが、更に多くの電力網を形成した構成でもよい。
　図２Ａは、図１と同様に、受電点１０６ａが設けられ、受電点１０６ａに直流電源１０２ａから供給された直流出力を電力変換装置１０４ａで交流に変換し、開閉器１０５ａを介して負荷１０３ａに供給する詳細構成図を示している。
　更に、直流電源１０２ａから電力変換装置１０４ａを経て受電点１０６ａに接続される電力線の途中に電圧計測器１０７ａ、電流計測器１０８ａを設け、交流に変換された出力の電圧実効値、電流実効値をそれぞれ計測する。
　図２Ａにおいて、点線内が電力制御装置１０９ａの機能ブロックを示しており、電力制御装置１０９ａは、電力変換装置１０４ａと同一の筐体に内蔵された計算機に実装する構成と、別筐体に内蔵された計算機に実装する構成があり、いずれかに限定するものではない。
　図２Ａに示すように、電力制御装置１０９ａは、出力算定部１１０と、制御特性設定部１１１と、ドループ制御部１１２と、他端特性記憶部１１３と、他端出力推定部１１４と、過負荷判定部１１５と、負荷遮断制御部１１６と、遮断順位記憶部１１７と、他端遮断検知部１１８と、負荷遮断計数部１１９と、の各機能ブロックを備えている。以下に、電力制御装置１０９ａ内に備えられた各機能ブロックの機能と動作を順次説明するが、他端の電力制御装置１０９ｂ、１０９ｃにおいても同様の機能と動作を可能とする。
　出力算定部１１０は、電圧計測器１０７ａと電流計測器１０８ａの計測値から、電力変換装置１０４ａから出力される交流電力の自端有効電力Ｗ１を算定する。具体的には、計測された電圧実効値と電流実効値を乗算することで有効電力が算定される。算定された自端有効電力Ｗ１は、過負荷判定部１１５に送信される。
　制御特性設定部１１１は、自端ドループ特性３０１を格納しており、ドループ制御動作を行う。ここで、ドループ特性は、有効電力－周波数の関係式としてゲイン（一次関数の傾き）とオフセット（一次関数の切片）によって記述されるものであり、図３において、ドループ特性の詳細を後述する。制御特性設定部１１１における自端ドループ特性は、自己診断モードを設け、電力制御装置１０９ａの工場出荷時やメンテナンス時にオフラインで取得・作成されてもよい。
　ドループ制御部１１２は、出力算定部１１０で算定された自端有効電力Ｗ１と、制御特性設定部１１１に格納される自端ドループ特性３０１から電圧周波数を求め、電力変換装置１０４ａに周波数指令値Fを送信する。同時に、周波数指定値Fは、他端出力推定部１１４にも送信される。ドループ制御部１１２が実行するドループ制御方法に関しては、図３において詳細を後述する。
　他端特性記憶部１１３は、他の電力網Ｂ、Ｃ内に設置される電力変換装置１０４ｂ、１０４ｃに関するそれぞれの他端ドループ特性３０２を格納する。後述するドループ制御方法に関する説明では、他端ドループ特性３０２は、１特性で表現しているが、他の電力網内に設置される電力変換部の数だけ作成され、格納される。
　すなわち、制御特性設定部１１１は、自端ドループ特性３０１を格納し、他端特性記憶部１１３は、他端のドループ特性３０２を格納する。これら自端ドループ特性３０１および他端ドループ特性３０２は、電力制御装置１０９ａが、各電力網の設置時、再始動時等特定のタイミングでネットワーク２０３を介して電力管理サーバ２０２との通信、もしくは電力制御装置１０９ｂ、１０９ｃとの通信により取得してもよく、電力制御装置１０９ａ上のユーザーインターフェースを介して入力設定されてもよい。また、フラッシュメモリ等可搬性記憶媒体に対して読み書き可能としてもよい。
　他端出力推定部１１４は、ドループ制御部１１２から送信された周波数指令値Ｆと、他端特性記憶部１１３から送信された他端ドループ特性３０２に基づいて、他端有効電力Ｗ２を推定する。他端出力推定部１１４による他端有効電力Ｗ２の推定方法は、ドループ制御方法と共に、図３において後述する。
　過負荷判定部１１５は、出力算定部１１０で算定された自端有効電力Ｗ１と、他端出力推定部１１４で推定された他端有効電力Ｗ２に基づいて、自端と他端それぞれの電力変換装置の過負荷状態を判定する。自端において過負荷と判定された場合、自端過負荷判定信号Ｓ１を負荷遮断制御部１１６に送信し、他端において過負荷と判定された場合、他端過負荷判定信号Ｓ２を負荷遮断制御部１１６に送信する。過負荷判定部１１５による過負荷判定方法は、ドループ制御方法と共に、図３において後述する。
　他端遮断検知部１１８は、電圧計測器１０７ａ、または電流計測器１０８ａの計測値の定常状態から逸脱する急激な変化を示す閾値を予め記憶しておき、計測値と閾値を比較することにより他端電力網内の開閉器１０５ｂ、または１０５ｃの負荷遮断を検知する。他端電力網内の開閉器の遮断が検知された場合、他端遮断検知信号Ｔを負荷遮断計数部１１９に送信する。他端遮断検知部１１８による他端遮断検知方法は、図４、５において後述する。
　負荷遮断計数部１１９は、他端遮断検知部１１８から送信された他端遮断検知信号Ｔを受信し、遮断回数Ｓ３を計数して格納する。過負荷判定部１１５により、自端、または他端の過負荷が判定された場合、計数された遮断回数Ｓ３を負荷遮断制御部１１６に送信する。
　負荷遮断制御部１１６は、過負荷判定部１１５から送信された自端過負荷判定信号Ｓ１および他端過負荷判定信号Ｓ２と、負荷遮断計数部１１９から送信された遮断回数Ｓ３と、外部から取得した遮断順位テーブル２０４に基づいて、負荷遮断実行の可否を判断する。遮断可否を判断した結果、遮断実行と判定した場合、開閉器１０５ａに開信号を送信し、負荷への電力供給を遮断する。負荷遮断制御部１１６による負荷遮断判定方法は、図６において後述する。
　遮断順位記憶部１１７は、電力系統１０１内に接続される各電力網内の負荷の遮断順位テーブル２０４を格納する機能を有し、例えば、ネットワーク上の電力管理サーバ２０２、もしくは他の電力制御装置１０９ｂ、１０９ｃとの通信によって、各電力網の設置時、再始動時等特定のタイミングで遮断順位テーブル２０４を取得した後、格納する。または、ユーザーインターフェースにより遮断順位テーブル２０４内の情報を入力することにより格納・設定可能としてもよい。また、フラッシュメモリ等可搬性記憶媒体に対して読み書き可能としてもよい。
　次に、図２Ｂは、本実施形態における電力制御装置のハードウェア構成図である。電力制御装置１０９ａは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）５０１と、ＣＰＵ５０１が処理を実行するために必要なデータを一次記憶するためのメモリ５０２と、大量のデータを記憶する容量を持つハードディスク、可搬性記憶媒体等の記憶部５０３と、他装置と通信を行なうための通信部５０４と、キーボード、ディスプレイなどの入出力を行なうための入出力装置５０５と、これらの各装置を接続する通信バス５０６とを備えたコンピュータである。
　ＣＰＵ５０１は、記憶部５０３から図２Aに示した各機能ブロックを含む電力制御プログラム１０９ｐと、自端ドループ特性３０１、他端ドループ特性３０２、遮断順位テーブル２０４、遮断回数Ｓ３といった制御情報を読み出し、メモリ５０２上において電力制御プログラム１０９ｐ内の各プログラム１１０ｐ～１１９ｐを動作させることにより、図２Ａに示す機能ブロックを仮想的に構築し、後述するドループ制御方法、過負荷判定方法、負荷遮断判定方法を実行する。
　次に、ドループ制御方法と過負荷判定方法について詳細を述べる。図３は、ドループ制御部１１２によるドループ制御方法と、過負荷判定部１１５による自端および他端の過負荷判定方法を説明する特性図である。横軸は有効電力（ｐｕ値による単位表記）、縦軸は出力電圧の周波数（ｐｕ値による単位表記）である。なお、ｐｕ値は、電力変換装置の定格値に対する相対値を示しており、１．０を超えると定格外の出力であることを示し、電力変換装置が過負荷状態であることを示す。
　実線３０１は、制御特性設定部１１１に格納される自端のドループ特性である。自端ドループ特性３０１は、有効電力が０の場合に、上限周波数ω＿ｕとなるオフセット（図３中の運転点３０３）と、運転点３０４、３０６を含むゲイン（直線の傾き）を有している。また、点線３０２は、他端特性記憶部１１３に格納される電力変換装置１０９ｂ、および電力変換装置１０９ｃのドループ特性である。他端ドループ特性３０２は、有効電力が０の場合に、上限周波数ω＿ｕとなるオフセット（図３中の運転点３０３）と、運転点３０５、３０７を含むゲイン（直線の傾き）を有している。
　過負荷判定方法に関して、動作例１と動作例２を挙げて具体的に説明する。動作例１として、出力算定部１１０が計測された電圧値、電流値から有効電力を算定した結果、自端有効電力０．５と算定された場合、有効電力値０．５をドループ制御部１１２に送信する。
　有効電力値０．５を受信したドループ制御部１１２は、図３の自端ドループ特性３０１上の運転点３０４から電圧周波数ω＿ｌを決定し、電力変換装置１０４ａおよび他端出力推定部１１４に周波数指令値Fとして送信すると共に、過負荷判定部１１５に自端有効電力Ｗ１として０．５を送信する。
　他端出力推定部１１４は、送信された電圧周波数ω＿ｌと、他端特性記憶部１１３に記憶された他端ドループ特性３０２から、自端と他端で電圧周波数ω＿ｌに同調すると判断し、他端ドループ特性３０２上の運転点３０５から、他端有効電力Ｗ２として１．０と推定し過負荷判定部１１５に送信する。
　過負荷判定部１１５は、自端有効電力Ｗ１の０．５と他端有効電力Ｗ２の１．０の信号を受信し、自端過負荷判定信号Ｓ１、他端過負荷判定信号Ｓ２を共にＮｏ（過負荷ではない）と判定し、両方の過負荷判定信号を負荷遮断制御部１１６に送信する。
　一方、動作例２として、出力算定部１１０が計測された電圧値、電流値から有効電力を算定した結果、自端有効電力０．７５と算定された場合、自端有効電力０．７５をドループ制御部１１２に送信する。自端有効電力０．７５を受信したドループ制御部１１２は、図３の自端ドループ特性３０１上の運転点３０６から電圧周波数ω＿ｍを決定し、電力変換装置１０４ａおよび他端出力推定部１１４に周波数指令値Ｆとして送信すると共に、過負荷判定部１１５に自端有効電力Ｗ１として０．７５を送信する。
　他端出力推定部１１４は、送信された電圧周波数ω＿ｍと、他端特性記憶部１１３に記憶された他端ドループ特性３０２から、自端と他端で電圧周波数ω＿ｍに同調すると判断し、他端ドループ特性３０２上の運転点３０７から、他端有効電力Ｗ２として１．５と推定し過負荷判定部１１５に送信する。
　過負荷判定部１１５は、自端有効電力Ｗ１の０．７５と、他端有効電力Ｗ２の１．５の信号を受け、自端過負荷判定信号Ｓ１をＮｏ（過負荷ではない）、他端過負荷判定信号Ｓ２をＹｅｓ（過負荷）と判定し、両方の過負荷判定信号を負荷遮断制御部１１６に送信する。以上のような処理過程で、自端のドループ制御と、自端および他端の過負荷判定を実行する。
　なお、いずれの動作例においても、周波数指令値Ｆを送信された電力変換装置１０４ａは、直流から交流に変換する際の出力周波数を周波数指令値Ｆに基づいて駆動する。駆動した結果、図１に示すように、同一の電力系統１０１に接続される複数の電力網においては、電圧周波数に差が発生した場合、高い周波数の電力変換装置から給電し、低い周波数の電力変換装置に受電する現象が発生し、最終的に周波数が同調して安定駆動する。例えば、周波数ω＿ｌで同調する場合、自端と他端の有効電力が０．５：１．０となる分担率で動作するように、自立制御が実行される。
　図４は、他端遮断検知部１１８による負荷遮断検知方法の第１例を説明する特性図である。横軸は経過時間、縦軸は電圧計測器１０７ａで計測される電圧実効値を示している。
　図４は、横軸の時間ｔ＿ｓで、他端の負荷遮断が発生した場合の電圧変化を示している。他端の開閉器１０５ｂ，または１０５ｃが遮断されると、遮断された負荷の分だけ電流が急減し、電力系統１０１内の電力線のインダクタンスによって急峻な電圧変化４０１が計測される。このような電圧変化は、定常状態の電圧の数倍～数十倍に達するため、例えば、定常状態を逸脱する電圧変化量を閾値として格納しておき、電圧計測器１０７ａによる電圧計測値から求められた電圧変化量と、格納された閾値を比較して電圧変化量が閾値を超えた場合、他端遮断検知部１１８は、他端の負荷遮断と判定し、他端遮断検知信号Tを負荷遮断計数部１１９に送信する。
　また、図５は、他端遮断検知部１１８による負荷遮断検知方法の第２例を説明する特性図である。横軸は経過時間、縦軸は電流計測器１０８ａで計測される電流実効値を示している。
　図５は、横軸の時間ｔ＿ｓで、他端の負荷遮断が発生した場合の電流変化を示している。他端の開閉器１０５ｂ，または１０５ｃが遮断されると、遮断された負荷の分だけ出力電流の不連続減少４０２が計測される。このような電流変化は、定常状態を逸脱する電流変化量を閾値として格納しておき、電流計測器１０７ａによる電流計測値から求められた単位時間あたりの電流変化量と、格納された閾値を比較して電流変化量が閾値を超えた場合、他端遮断検知部１１８は、他端の負荷遮断と判定し、他端遮断検知信号Tを負荷遮断計数部１１９に送信する。
　他端遮断検知部１１８は、図４、または図５に示されるように、自端で計測される電圧あるいは電流の急激な変化から、他端の負荷遮断を検知可能とする。また、第１例の電圧変化による検知方法と、第２例の電流変化による検知方法を併用して用いることも可能である。
　次に、本実施形態における負荷遮断判定方法を説明する。図６は、負荷遮断制御部１１６による負荷遮断判定方法を説明するフローチャートである。本フローチャートの処理は、たとえば１秒周期などで定期的に実行する。
　図６において、負荷遮断計数部１１９に格納されている遮断回数Ｓ３をリセットする（ステップＳ１０１）。この後、遮断回数Ｓ３の計数により、自端の遮断順位の到来を検出する。次に、過負荷判定部１１５により自端、または他端の過負荷が判定された場合に図６のフローが開始される。自端過負荷判定信号Ｓ１、または他端過負荷判定信号Ｓ２から過負荷を判定する（ステップＳ１０２）。自端、または他端の過負荷が発生した場合、自端遮断順位＝遮断回数Ｓ３＋１の成立を判定する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３において自端遮断順位＝遮断回数Ｓ３＋１が成立した場合（Ｙｅｓ）、自端の開閉器１０５ａを遮断して（ステップＳ１０４）、電力制御装置１０９ａは自端の負荷遮断判定を終了する。
　具体的には、初期状態で遮断回数リセットにより０であり、自端の遮断順位が１位であれば、自端で負荷遮断を実行する。または、遮断回数が１となっている場合、自端の遮断順位が２位であれば、自端で負荷遮断を実行する。
　ステップＳ１０３において自端遮断順位＝遮断回数Ｓ３＋１が成立しない場合、もしくはタイムアウトと判定された場合（Ｎｏ）、ステップＳ１０５に進む。この場合、ステップＳ１０３で自端遮断順位＝遮断回数Ｓ３＋１が成立しない場合は、自端遮断順位がまだ到来していないことを示している。また、タイムアウトと判定された場合は、他端の開閉器の故障等により遮断順位が到来している他端の負荷遮断が実行されていない可能性が有ることを示しており、リスク回避のため他端負荷遮断が実行されたものと判断する。従って、ステップＳ１０５において他端遮断検知またはタイムアウトの場合、遮断回数Ｓ３を１加算する（ステップＳ１０６）。
　その後、他端で負荷遮断が実行された状態で、電力制御システム１００が平衡状態になるまで自立制御を継続し、平衡状態になる（ステップＳ１０７）。平衡状態になった後、遮断回数Ｓ３＜最後位遮断順位－１を判定する（ステップＳ１０８）。遮断回数Ｓ３＜最後位遮断順位－１が成立した場合、負荷に電力供給している電力変換装置が２台となり、負荷遮断判定の効果が低くなるため本実施形態における電力制御を終了する。また、成立しない場合、ステップＳ１０２に戻る。
　なお、ステップＳ１０８における電力制御の終了判定については、設備管理者が任意に設定可能としてもよい。例えば、負荷に供給する電力変換装置が１台になるまで負荷遮断判定を継続してもよい。電力制御終了後、電力制御システム１００内の各機器の再起動、再設定等を行い、電力制御システム１００を再始動する。
　以上の図６のステップＳ１０１～Ｓ１０８における負荷遮断判定方法は、電力制御装置１０９ａにおいて実行されるものとして述べたが、他の電力制御装置においても同様の電力制御を実行することにより、自端、または他端の負荷遮断が随時実施される。
　なお、図６におけるステップＳ１０１～Ｓ１０８の実行に関しては、図３で説明した自端および他端における過負荷発生判定方法、および図４、図５で説明した他端における負荷遮断検知方法によって、電力制御装置と他の電力制御装置、または電力制御装置と電力管理サーバ等外部装置との通信に依存せずに実施可能であることから、それぞれの電力変換装置の過負荷状態に応じて迅速に複数の電力網間の適切な運用が可能となる。
　次に、負荷遮断順位に関して詳細に説明する。図７は、遮断順位記憶部１１７に格納される遮断順位テーブル２０４を示す図である。図７は、遮断順位の付け方を説明しやすくするため７受電点の遮断順位を示すテーブルとしているが、７受電点に限定されるものではない。図７に示す遮断順位テーブル２０４は、左列から第１列に負荷の名称、第２列に重要度、第３列に消費電力、第４列に遮断順位から構成される。
　第２列に記載された重要度は重要度が高いほど数字を大きく、重要度が低いほど数字を小さく設定されている。例えば、独立した電力網（マイクログリッド）を構成する地域内において、防災設備や通信設備の重要度は高く、空調設備や照明設備の重要度は低く設定される。図７では、説明を簡略化するため重要度を２段階としているが、重要度は３段階以上に設定しても良い。
　第３列の消費電力は、電力管理サーバ２０２が各負荷から定期的に収集する消費電力の実測値である。また、設備管理者がユーザーインターフェースにより入力してもよい。
　第４列の遮断順位は、重要度が低く、かつ消費電力が高い順にソートすることにより、１位～６位まで順位付けしている。また、負荷の消費電力が所定の閾値を下回る場合には、遮断対象外とする。例えば、常夜灯は、消費電力が閾値１０ｋＷを下回るため、遮断順位を割り当てていない設定としている。
　図７においては、消費電力の高い負荷の方が、遮断実行時の節電効果が大きいため、同じ重要度の中で遮断順位を高く設定している。なぜなら、負荷遮断を実行し、ドループ制御が定常状態となるにはある程度の時間を要する。消費電力の小さな負荷の遮断を繰り返した場合、負荷遮断が過負荷解消に寄与しないばかりか、段階的な負荷遮断による過負荷解消に要する時間が、電力変換装置の設計上定められた値を上回る場合がある。従って、消費電力の高い負荷の遮断順位を高く設定している。閾値以下の負荷に遮断順位を割り当てない理由は、上述と同様に、負荷遮断が過負荷解消に寄与しないためである。
　次に、遮断順位テーブルの作成方法を説明する。図８は、電力管理サーバ２０２によって実行される遮断順位テーブル２０４の作成手順を示すフローチャートである。ステップＳ２０１～Ｓ２０３は、重要度が低い順に各負荷をソートした後、消費電力の高い順に各負荷をソートするフローを示している。更に、ステップＳ２０４において、収集した消費電力値を予め定められた消費電力の閾値と比較し、ステップＳ２０５、Ｓ２０６において閾値以上の負荷に順次遮断順位を割り当てる。ステップＳ２０７において割り当てられた遮断順位が最後位かどうかを判断する。最後位であれば、割り当てるべきすべての負荷に遮断順位を割り当てたと判断し、ステップＳ２０８において遮断順位テーブル２０４を格納する。最後位でなければ、ステップＳ２０４に戻る。
　電力管理サーバ２０２は、図８のような処理を定期的で実施して、各電力制御装置に遮断順位テーブル２０４を配信する。この遮断順位テーブル２０４の配信は、図３で説明した過負荷判定、図４、図５で説明した負荷遮断判定のような即時性を必要としないため、ＬＡＮ、ＷＡＮ等様々なネットワークを介して所定の周期で実施することを想定しても、本実施形態における電力制御方法の効果を低減させるものではない。
　次に、本実施形態における電力制御を実行した場合の動作状態を説明する。図９は、電力制御システム１００内で負荷遮断を実行した際の電圧周波数の変化を示す図である。横軸は時刻の経過、縦軸はドループ制御部１１２が出力する電圧周波数を示す。
　定常状態から時刻ｔ＿０ａで複数の電力変換装置のうち１つが故障し、その分、自端の有効電力出力が増加する。このとき、図３で説明したドループ特性に従って、ドループ制御部１１２は電圧周波数を低下させる。複数の電力変換装置による有効電力の分担率は、それぞれの出力電圧の位相差によって定まり、位相差は周波数の積分値であるため、ドループ制御による分担率は瞬時には定常状態とならない。図９において、時間ｔ＿０ａ－ｔ＿０ｂが定常状態になるまでに要する時間であり、時間ｔ＿０ｂで定常状態となる。
　次に、時刻ｔ＿１ａにおいて、負荷遮断順位１位の電力制御装置が負荷遮断を実行する。その分、自端の有効電力が減少するため、ドループ制御部１１２は電圧周波数を上昇させる。ここでも分担率が定常状態になるまで、時間ｔ＿１ａ－ｔ＿１ｂを要する。以下、同様にして、すべての電力変換装置で過負荷が解消されるまで、時刻ｔ＿２ａ、時刻ｔ＿３ａでもそれぞれ負荷遮断が実施される。電力変換装置の過負荷は、たとえば外部の電力系統から自立して運用されているマイクログリッドにおいて、複数の電力変換装置のうち一部が故障した場合に生じうる。
　以上述べたように、自端、および他端のドループ特性による過負荷判定と、自端の電圧計測器と電流計測器による他端遮断検知と、検知された他端遮断検知の遮断回数と、予め定められた遮断順位と、に基づいて、自端における負荷遮断の実行可否を判定することにより、複数の直流電源を含む電力網の一部故障または過負荷が発生しても、電力網全体の過負荷を回避し、リスクを増大させない電力制御装置、電力制御システムおよび電力制御方法を提供するという効果を奏する。
　更に、本実施形態における電力制御方法においては、ネットワーク２０３の通信回線を介して直接に電力変換装置１０４ａや開閉器１０５ａを制御するわけではなく、発電設備の設置時、メンテナンス時等の所定周期の時のみ、制御パラメータであるドループ特性や遮断順位テーブルを受信するためにネットワーク２０３を活用するため、たとえばミリ秒オーダーといった高速な応答性は必須ではない。
　なお、本実施形態においては、直流電源と負荷がセットになった受電点のみを記載したが、電力系統１０１には、負荷のみ、電源のみといった受電点も存在しうる。この場合、負荷のみ、電源のみの受電点の存在によってドループ特性の運転点が変化することとなるが、本実施形態における電力制御方法は、有用なものであり、上述した効果が低減するものではない。また、開閉器および負荷をセットで記載しているが、これらは複数の場合もある。例えば、負荷に照明や空調などの区別があり、それぞれに開閉器が設けられている場合は、負荷遮断制御部１１６による負荷遮断は個別に実施される。このような回路構成上の自由度を制限するものではない。
　１００…電力制御システム
　１０１…電力系統
　１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ…直流電源
　１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ…負荷
　１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ…電力変換装置
　１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ…開閉器
　１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ…受電点
　１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ…電力制御装置
　２０１…系統開閉器
　２０２…電力管理サーバ
　２０３…ネットワーク
　２０４…遮断順位テーブル
　１１０…出力算定部
　１１１…制御特性設定部
　１１２…ドループ制御部
　１１３…他端特性記憶部
　１１４…他端出力推定部
　１１５…過負荷判定部
　１１６…負荷遮断制御部
　１１７…遮断順位記憶部
　１１８…他端遮断検知部
　１１９…負荷遮断計数部
　１０９ｐ…電力制御プログラム
　１１０ｐ…出力算定プログラム
　１１１ｐ…制御特性設定プログラム
　１１２ｐ…ドループ制御プログラム
　１１３ｐ…他端特性記憶プログラム
　１１４ｐ…他端出力推定プログラム
　１１５ｐ…過負荷判定プログラム
　１１６ｐ…負荷遮断制御プログラム
　１１７ｐ…遮断順位記憶プログラム
　１１８ｐ…他端遮断検知プログラム
　１１９ｐ…負荷遮断計数プログラム
　３０１…自端ドループ特性
　３０２…他端ドループ特性
　３０３…ドループ特性オフセット（切片）
　３０４…動作例１の自端ドループ特性の運転点
　３０５…動作例１の他端ドループ特性の運転点
　３０６…動作例２の自端ドループ特性の運転点
　３０７…動作例２の他端ドループ特性の運転点
　４０１…他端遮断発生時の電圧変化
　４０２…他端遮断発生時の電流変化
　５０１…ＣＰＵ
　５０２…メモリ
　５０３…記憶部
　５０４…通信部
　５０５…入出力装置
　５０６…通信バス
　Ａ、Ｂ、Ｃ…電力網
　Ｗ１…自端有効電力
　Ｗ２…他端有効電力
　Ｓ１…自端過負荷判定信号
　Ｓ２…他端過負荷判定信号
　Ｓ３…遮断回数
　Ｔ…他端遮断検知信号

Claims (12)

  1. 　直流電源と、
    　前記直流電源の出力を交流に変換する電力変換部と、
    　前記電力変換部から各負荷への電力供給を遮断する開閉部と、
    　前記電力変換部から出力される電圧値を計測する電圧計測部と、
    　前記電力変換部から出力される電流値を計測する電流計測部と、が同一の電力系統上の自端電力網内および少なくとも１つの他端電力網内のそれぞれに備えられた、複数の電力網の電力制御を実行する電力制御装置であって、
    　前記自端電力網内の電力変換部の自端特性情報と、前記他端電力網内の電力変換部の他端特性情報と、前記複数の電力網内の各開閉部の遮断順位を示す遮断順位情報と、を記憶する記憶部と、
    　前記自端電力網内で計測された電圧値と電流値に基づいて前記他端電力網内の開閉部の遮断を検知する他端遮断検知部と、
    　前記自端電力網内で計測された電圧値と電流値から算定された有効電力と前記自端特性情報および前記他端特性情報に基づいて過負荷が判定された際に、前記他端遮断検知部によって検知された回数を累計した遮断回数と、前記遮断順位情報と、に基づいて、前記自端電力網内の開閉部の遮断を判断する負荷遮断制御部と、を備えたことを特徴とする電力制御装置。
  2. 　前記他端遮断検知部は、前記複数の電力網が定常的な稼働状態から逸脱する電圧閾値を記憶し、
    　前記電圧値の変化量が、前記電圧閾値を超えた場合に前記他端電力網内の開閉部の遮断と検知することを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
  3. 　前記他端遮断検知部は、前記複数の電力網が定常的な稼働状態から逸脱する電流閾値を記憶し、
    　前記電流値の変化量が、前記電流閾値を超えた場合に前記他端電力網内の開閉部の遮断と検知することを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
  4. 　前記自端特性情報、前記他端特性情報および前記遮断順位情報は、ユーザーインターフェースにより任意に編集可能であることを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
  5. 　前記自端特性情報、前記他端特性情報および前記遮断順位情報は、可搬性記憶媒体に対して読み書き可能であることを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
  6. 　前記電力制御装置と同一ネットワーク上に電力管理サーバを更に備え、
    　前記遮断順位情報は、前記電力管理サーバから取得されることを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
  7. 　前記自端特性情報は、前記電力管理サーバから取得されることを特徴とする請求項６に記載の電力制御装置。
  8. 　前記他端特性情報は、前記電力管理サーバから取得されることを特徴とする請求項６に記載の電力制御装置。
  9. 　請求項１に記載の前記同一の電力系統上に系統開閉装置を更に備え、
    　前記系統開閉装置は、前記複数の電力網における自立電力制御、または前記複数の電力網の外部との電力受給制御のいずれかに切り替えることを特徴とする電力制御システム。
  10. 　直流電源と、
    　前記直流電源の出力を交流に変換する電力変換部と、
    　前記電力変換部から各負荷への電力供給を遮断する開閉部と、
    　前記電力変換部から出力される電圧値を計測する電圧計測部と、
    　前記電力変換部から出力される電流値を計測する電流計測部と、が同一の電力系統上の自端電力網内および少なくとも１つの他端電力網内のそれぞれに備えられた、複数の電力網の電力制御を実行する電力制御方法であって、
    　前記自端電力網内で計測された電圧値および電流値から有効電力を算定する出力算定ステップと、
    　前記自端電力網内の電力変換部の自端特性情報と、前記他端電力網における電力変換部の他端特性情報と、前記複数の電力網内の各開閉部の遮断順位を示す遮断順位情報と、を記憶する第１の記憶ステップと、
    　前記自端電力網内で計測された電圧値および電流値に基づいて前記他端電力網内の開閉部の遮断を検知する他端遮断検知ステップと、
    　前記有効電力、前記自端特性情報および前記他端特性情報に基づいて過負荷が判定された際に、前記他端遮断検知ステップで検知された回数を累計した遮断回数と、前記遮断順位情報と、に基づいて、前記自端電力網における開閉部の遮断を判断する負荷遮断制御ステップと、を実行することを特徴とする電力制御方法。
  11. 　前記遮断順位情報は、前記負荷の重要度情報、消費電力情報をそれぞれ収集し、前記重要度情報および前記消費電力情報の大小関係に基づいて遮断順位を決定されることを特徴とする請求項１０に記載の電力制御方法。
  12. 　前記開閉部の遮断効果が低い負荷を判定する消費電力閾値を記憶する第２の記憶ステップを更に備え、
    　前記遮断順位情報は、前記負荷の消費電力情報が前記消費電力閾値以下の場合、遮断順位を割り当てないことを特徴とする請求項１０に記載の電力制御方法。
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