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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5937519
(24)【登録日】2016年5月20日
(45)【発行日】2016年6月22日
(54)【発明の名称】制御装置の設計方法、及び制御装置
(51)【国際特許分類】
H02J 7/00 20060101AFI20160609BHJP
H02J 3/32 20060101ALI20160609BHJP
【ＦＩ】
H02J7/00 B
H02J3/32
【請求項の数】7
【全頁数】25
(21)【出願番号】特願2012-548246(P2012-548246)
(86)(22)【出願日】2012年5月28日
(86)【国際出願番号】JP2012003470
(87)【国際公開番号】WO2013001713
(87)【国際公開日】20130103
【審査請求日】2014年11月11日
(31)【優先権主張番号】特願2011-146801(P2011-146801)
(32)【優先日】2011年6月30日
(33)【優先権主張国】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000005821
【氏名又は名称】パナソニック株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100109210
【弁理士】
【氏名又は名称】新居 広守
(72)【発明者】
【氏名】宮崎 誠也
(72)【発明者】
【氏名】工藤 貴弘
(72)【発明者】
【氏名】山本 裕
(72)【発明者】
【氏名】永原 正章
【審査官】
大手 昌也
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１０−０７１１５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１０−０４１８０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−０７１９０８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０５Ｂ １３／０２、
Ｈ０２Ｊ ３／００− ７／１２、 ７／３４− ７／３６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
蓄電池が充電または放電すべき電力である出力値を制御するインバータへ充電または放電を指示するための出力指令値を出力する制御装置の設計方法であって、
第１の制御量の判断に用いられる第１の閾値、第２の制御量の判断に用いられる第２の閾値、及び第３の制御量の判断に用いられる第３の閾値を決定する閾値決定ステップと、
前記第１の制御量を算出するための第１の重み関数と、前記第２の制御量を算出するための第２の重み関数と、前記第３の制御量を算出するための第３の重み関数とを設定する重み関数設定ステップと、
制御目標値と前記出力値との差分、及び前記出力値の積分値を入力とし、前記出力指令値を出力とする前記制御装置の伝達関数を決定する伝達関数決定ステップとを含み、
前記伝達関数決定ステップにおいては、前記制御目標値と前記出力値との差分に前記第１の重み関数を乗じて得られる前記第１の制御量が前記第１の閾値よりも小さくなり、前記出力値に前記第２の重み関数を乗じて得られる前記第２の制御量が前記第２の閾値よりも小さくなり、かつ、前記出力値の積分値に前記第３の重み関数を乗じて得られる前記第３の制御量が前記第３の閾値よりも小さくなるように、Ｈ∞制御理論によって前記伝達関数を決定する
制御装置の設計方法。
第１の制御量の判断に用いられる第１の閾値、第２の制御量の判断に用いられる第２の閾値、及び第３の制御量の判断に用いられる第３の閾値を決定する閾値決定ステップと、
前記第１の制御量を算出するための第１の重み関数と、前記第２の制御量を算出するための第２の重み関数と、前記第３の制御量を算出するための第３の重み関数とを設定する重み関数設定ステップと、
制御目標値と前記出力値との差分、及び前記出力値の積分値を入力とし、前記出力指令値を出力とする前記制御装置の伝達関数を決定する伝達関数決定ステップとを含み、
前記伝達関数決定ステップにおいては、前記制御目標値と前記出力値との差分に前記第１の重み関数を乗じて得られる前記第１の制御量が前記第１の閾値よりも小さくなり、前記出力値に前記第２の重み関数を乗じて得られる前記第２の制御量が前記第２の閾値よりも小さくなり、かつ、前記出力値の積分値に前記第３の重み関数を乗じて得られる前記第３の制御量が前記第３の閾値よりも小さくなるように、Ｈ∞制御理論によって前記伝達関数を決定する
制御装置の設計方法。
【請求項2】
前記閾値決定ステップにおいて、さらに、第４の閾値を決定し、
前記重み関数設定ステップにおいて、さらに、前記出力指令値に乗じることにより第４の制御量を算出するための第４の重み関数を設定し、
前記伝達関数決定ステップにおいて、さらに、前記第４の制御量が前記第４の閾値よりも小さくなるように前記伝達関数をＨ∞制御理論によって決定する
請求項１に記載の制御装置の設計方法。
前記重み関数設定ステップにおいて、さらに、前記出力指令値に乗じることにより第４の制御量を算出するための第４の重み関数を設定し、
前記伝達関数決定ステップにおいて、さらに、前記第４の制御量が前記第４の閾値よりも小さくなるように前記伝達関数をＨ∞制御理論によって決定する
請求項１に記載の制御装置の設計方法。
【請求項3】
請求項１又は請求項２に記載の制御装置の設計方法によって決定された前記伝達関数を状態空間として表現するための係数行列を記憶している行列記憶部と、
前記状態空間における内部状態を表すベクトルを記憶するための状態記憶部と、
前記制御目標値と前記蓄電池の前記出力値との差分、前記蓄電池の前記出力値の積分値、前記状態記憶部に記憶された内部状態、及び前記係数行列に基づいて前記出力指令値を算出する演算部とを備える
制御装置。
前記状態空間における内部状態を表すベクトルを記憶するための状態記憶部と、
前記制御目標値と前記蓄電池の前記出力値との差分、前記蓄電池の前記出力値の積分値、前記状態記憶部に記憶された内部状態、及び前記係数行列に基づいて前記出力指令値を算出する演算部とを備える
制御装置。
【請求項4】
前記演算部は、前記行列記憶部に記憶されている第１の係数行列と、ある時点ｎにおける内部状態を表すベクトルとを乗算して第１の乗算結果を算出し、前記行列記憶部に記憶されている第２の係数行列と、ある時点ｎにおいて制御装置が取得した（１）前記制御目標値と前記蓄電池の前記出力値との差分、及び（２）前記蓄電池の前記出力値の積分値を要素とするベクトルとを乗算して第２の乗算結果を算出し、前記第１及び第２の乗算結果を加算することにより、ｎ＋１の時点における内部状態を表すベクトルを算出し、前記ｎ＋１の時点における内部状態を表すベクトルと、前記行列記憶部に記憶されている第３の係数行列とを乗算することにより、前記出力指令値を算出する
請求項３に記載の制御装置。
請求項３に記載の制御装置。
【請求項5】
請求項３に記載の制御装置と、
前記蓄電池の前記出力値が、前記制御装置から出力される前記出力指令値に対応する電力と一致するように前記蓄電池に充放電させるインバータと、
前記蓄電池の前記出力値を積分する積分器とを備え、
前記制御装置は、前記制御目標値と前記蓄電池の前記出力値との差分、及び前記積分器によって積分された前記蓄電池の前記出力値の積分値が入力されると、前記出力指令値を前記インバータへ出力する
電力制御装置。
前記蓄電池の前記出力値が、前記制御装置から出力される前記出力指令値に対応する電力と一致するように前記蓄電池に充放電させるインバータと、
前記蓄電池の前記出力値を積分する積分器とを備え、
前記制御装置は、前記制御目標値と前記蓄電池の前記出力値との差分、及び前記積分器によって積分された前記蓄電池の前記出力値の積分値が入力されると、前記出力指令値を前記インバータへ出力する
電力制御装置。
【請求項6】
請求項１又は請求項２に記載の制御装置の設計方法に含まれるステップをコンピュータに実行させる
プログラム。
プログラム。
【請求項7】
請求項６に記載のプログラムを記録した
コンピュータ読み取り可能な記録媒体。
コンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、制御装置の設計方法等に関し、特に、蓄電池が充電または放電すべき電力を制御するインバータへ指令値を出力する制御装置の設計方法等に関する。【背景技術】
【0002】
蓄電池には、充電または放電ができる電力量に限りがある。そこで、蓄電量の計画値と実際の蓄電量の値との偏差をフィードバックすることにより、蓄電池の動作を制御するための制御装置を備えた蓄電装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２）。【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００１−１１２１７６号公報
【特許文献2】特開２０１０−４１８０２号公報
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Ｄｏｙｌｅ， Ｊｏｈｎ Ｃ． ａｎｄ Ｇｌｏｖｅｒ， Ｋｅｉｔｈ ａｎｄ Ｋｈａｒｇｏｎｅｋａｒ， Ｐｒａｍｏｄ Ｐ． ａｎｄ Ｆｒａｎｃｉｓ， Ｂｒｕｃｅ Ａ．著，“Ｓｔａｔｅ−ｓｐａｃｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｔｏ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｈ２ ａｎｄ Ｈ∞ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ，１９８９年，第３４巻，第８号，ｐ．８３１−８４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、従来の制御装置では、残容量変動抑制性、目標値追従性、及び、ロバスト性の３つの性能をすべて適切なバランスで実現することが難しいという課題がある。ここで、残容量変動抑制性とは、蓄電池の容量の変動を抑制する性能である。目標値追従性とは、蓄電量の計画値と実際値との偏差がより短時間により小さくなるように蓄電池の充電及び放電を制御する性能である。ロバスト性とは、モデル化誤差に対しても制御の安定性を失わない性能である。
【0006】
そこで、本発明は、従来の課題を解決するもので、残容量変動抑制性、目標値追従性、及び、ロバスト性の３つの性能をすべて適切なバランスで実現するように蓄電池を制御する制御装置を設計可能な、制御装置の設計方法を提供することを目的とする。【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様に係る制御装置の設計方法は、蓄電池の蓄電量が制御目標値に適合するように、前記蓄電池が充電または放電すべき電力である出力値を制御するインバータへ充電または放電を指示するための出力指令値を出力する制御装置の設計方法であって、第１の制御量の判断に用いられる第１の閾値、第２の制御量の判断に用いられる第２の閾値、及び第３の制御量の判断に用いられる第３の閾値を決定する閾値決定ステップと、前記第１の制御量を算出するための第１の重み関数と、前記第２の制御量を算出するための第２の重み関数と、前記第３の制御量を算出するための第３の重み関数とを設定する重み関数設定ステップと、前記制御目標値と前記出力値との差分、及び前記出力値の積分値を入力とし、前記出力指令値を出力とする前記制御装置の伝達関数を決定する伝達関数決定ステップとを含み、前記伝達関数決定ステップにおいては、前記制御目標値と前記出力値との差分に前記第１の重み関数を乗じて得られる前記第１の制御量が前記第１の閾値よりも小さくなり、前記出力値に前記第２の重み関数を乗じて得られる前記第２の制御量が前記第２の閾値よりも小さくなり、かつ、前記出力値の積分値に前記第３の重み関数を乗じて得られる前記第３の制御量が前記第３の閾値よりも小さくなるように、Ｈ∞制御理論によって前記伝達関数を決定する。【0008】
なお、本発明は、このような制御装置の設計方法として実現できるだけでなく、制御装置の設計方法によって設計された制御装置としても実現できる。また、そのような制御装置の設計方法をコンピュータに実行させるプログラムとしても実現できる。また、このプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記録媒体及びインターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのはいうまでもない。【0009】
さらに、本発明は、このような制御装置の設計方法によって設計された制御装置の機能の一部又はすべてを実現する半導体集積回路（ＬＳＩ）として実現したり、このような制御装置を含む電力制御装置として実現したりできる。【発明の効果】
【0010】
本発明により、残容量変動抑制性、目標値追従性、及びロバスト性の３つの性能をすべて適切なバランスで実現するように蓄電池を制御する制御装置を設計できる。ここで、Ｈ∞制御理論とは、外乱信号やモデル化誤差の影響を抑制する制御系を構築するための制御理論である。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
（本発明の基礎となった知見）本発明者は、「背景技術」の欄において記載した制御装置に関し、以下の問題が生じることを見出した。
【0013】
エネルギーマネジメントシステムにおける蓄電池は、停電などの非常時のバックアップ用電源として用いられる。また、当該蓄電池は、日中に太陽電池の余剰電力を貯めることで夜間に電力を供給する電源として用いられる。【0014】
近年、蓄電池と、ガスエンジンあるいは燃料電池等の発電装置とを組み合わせるシステムが提案されている。このシステムでは、発電装置だけでは賄えない急激に変動する負荷の電力需要に対して、比較的応答速度の速い蓄電池が補助的に電力を供給することで、系全体の電力需給のバランスを安定化できる。【0015】
しかし、蓄電池には、充電または放電ができる電力量に限りがある。そこで、蓄電量の計画値と実際の蓄電量の値との偏差をフィードバックすることにより、蓄電池の動作を制御するための制御装置を備えた蓄電装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２）。【0016】
図１４は、特許文献２に記載された、本発明の関連技術に係る蓄電装置が備える制御装置の構成を示すブロック図である。【0017】
図１４において、制御装置９００は蓄電量偏差推定部９０１と補正量算出部９０２と蓄電値出力指令部９０３とで構成される。制御装置９００は蓄電値出力計画値と計画蓄電量と実蓄電量の３つのパラメータを入力とし、蓄電値が出力すべき指令値を出力とする。制御装置９００は、計画蓄電量と実蓄電量との偏差を蓄電量偏差推定部９０１で算出する。次に、その偏差を単位時間で割った補正量を補正量算出部９０２で算出する。次に、この補正量を蓄電値出力指令部９０３において蓄電装置出力計画値と加算することで蓄電値の出力値を算出する。【0018】
このように、制御装置９００は蓄電量の計画値と実際値の偏差をフィードバックして蓄電池の動作を制御するＰＩ制御と呼ばれる制御手法で構成される。ここで、ＰＩ制御とは古典制御手法のうち、比例動作（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ａｃｔｉｏｎ）と積分動作（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ａｃｔｉｏｎ）とを用いた制御方式のことである。以後、蓄電量の計画値と実際値との偏差がより短時間により小さくなるように蓄電池の充電及び放電を制御する性能を、目標値追従性と呼ぶ。【0019】
しかしながら、ＰＩ制御を用いた関連技術に係る制御装置では、目標値追従性と、蓄電池の長寿命化とを両立することが難しいという課題がある。【0020】
蓄電池の容量の大きな変動は蓄電池の劣化を進めることが知られており、蓄電池の容量の変動を抑制する性能（以後、残容量変動抑制性と呼ぶ）は蓄電池の長寿命化の観点から重要である。すなわち、制御装置の残容量変動抑制性が高いほど、蓄電装置が備える蓄電池の寿命は延びるという関係がある。【0021】
また、電力需給バランスの性能は３０分同時同量により評価される。３０分同時同量は、３０分ごとの受電点の電力目標値と実際の受電点の電力値との差分と、契約電力量との比で表わされる。各需要家は、例えば、その値が常に±３％以内になることが電気事業者との間の取り決めにより求められる。したがって、３０分同時同量を０に近づけるために、受電点の電力目標値に対する目標値追従性をより向上させることが、制御装置にとって重要となる。【0022】
そのため、蓄電池の容量の変動を抑制しつつ同時同量を悪化させないようにするには、残容量変動抑制性と目標値追従性との２つの性能を同時に適切なバランスで達成させる必要がある。【0023】
しかしながら、この２つの性能はトレードオフの関係にある。一般に、目標値追従性を向上させるためには、頻繁に蓄電池の充放電を繰り返すことが必要となるためである。したがって、ＰＩ制御により残容量変動抑制性と目標値追従性との２つの特性を同時に達成させるためには、ＰＩ制御の複数の制御パラメータの値を試行錯誤的な作業によって決定する必要がある。こうした試行錯誤的な作業により制御装置を設計するためには、制御装置の設計時に膨大な量のシミュレーションを必要とするために、その設計は容易ではない。【0024】
また上記課題に加え、シミュレーション上での制御系の想定モデル（ノミナルモデルと呼ぶ）と実機における物理特性との間には、線形近似や経年劣化などの理由で必ず何らかの誤差がある。したがって、制御装置には、この誤差（モデル化誤差と呼ぶ）に対しても制御の安定性を失わない性能も求められる。以後、この性能をロバスト性と呼ぶ。【0025】
一般に、目標値追従性を向上させようとすると、モデルと実機との誤差が制御結果に与える影響も大きくなる。その結果、ロバスト性が低下してしまう。したがって、ＰＩ制御方式では先に述べた残容量変動抑制性と目標値追従性とを両立させるという課題と同様の理由により、ロバスト性と目標値追従性との２つの性能を同時に適切なバランスで達成させる設計は容易ではない。【0026】
本発明は、従来の課題を解決するもので、残容量変動抑制性、目標値追従性、及び、ロバスト性の３つの性能をすべて適切なバランスで実現するように蓄電池を制御する制御装置を設計可能な、制御装置の設計方法を提供することを目的とする。【0027】
このような問題を解決するため、本発明の一態様に係る制御装置の設計方法は、蓄電池の蓄電量が制御目標値に適合するように、前記蓄電池が充電または放電すべき電力である出力値を制御するインバータへ充電または放電を指示するための出力指令値を出力する制御装置の設計方法であって、第１の制御量の判断に用いられる第１の閾値、第２の制御量の判断に用いられる第２の閾値、及び第３の制御量の判断に用いられる第３の閾値を決定する閾値決定ステップと、前記第１の制御量を算出するための第１の重み関数と、前記第２の制御量を算出するための第２の重み関数と、前記第３の制御量を算出するための第３の重み関数とを設定する重み関数設定ステップと、前記制御目標値と前記出力値との差分、及び前記出力値の積分値を入力とし、前記出力指令値を出力とする前記制御装置の伝達関数を決定する伝達関数決定ステップとを含み、前記伝達関数決定ステップにおいては、前記制御目標値と前記出力値との差分に前記第１の重み関数を乗じて得られる前記第１の制御量が前記第１の閾値よりも小さくなり、前記出力値に前記第２の重み関数を乗じて得られる前記第２の制御量が前記第２の閾値よりも小さくなり、かつ、前記出力値の積分値に前記第３の重み関数を乗じて得られる前記第３の制御量が前記第３の閾値よりも小さくなるように、Ｈ∞制御理論によって前記伝達関数を決定する。【0028】
この構成によると、制御装置の設計段階において、第１の重み関数を設定することにより目標値追従性を調整できる。また、第２の重み関数を設定することによりロバスト性を調整できる。また、第３の重み関数を設定することにより残容量変動抑制性を調整できる。すなわち、設計時において、適切なバランスを実現させたい３つの性能にそれぞれ対応する重み関数を個別に設定することが可能となる。また、例えばシミュレーションにより、設定した重み関数のもとで算出されたＨ∞制御理論に基づく制御装置が有する残容量変動抑制性、目標値追従性、及びロバスト性のバランスを簡単に確認することができる。したがって、残容量変動抑制性、目標値追従性、及びロバスト性の３つの性能をすべて適切なバランスで実現するように蓄電池を制御する制御装置を設計することができる。【0029】
また、前記閾値決定ステップにおいて、さらに、第４の閾値を決定し、前記重み関数設定ステップにおいて、さらに、前記出力指令値に乗じることにより第４の制御量を算出するための第４の重み関数を設定し、前記伝達関数決定ステップにおいて、さらに、前記第４の制御量が前記第４の閾値よりも小さくなるように前記伝達関数をＨ∞制御理論によって決定するとしてもよい。【0030】
これによると、第４の重み関数を設定することにより、より精度よくロバスト性を調整することができる。したがって、より詳細に残容量変動抑制性、目標値追従性、及びロバスト性のバランスを調整することができる。【0031】
本発明の一態様に係る制御装置は、先に述べた制御装置の設計方法によって決定された前記伝達関数を状態空間として表現するための係数行列を記憶している行列記憶部と、前記状態空間における内部状態を表すベクトルを記憶するための状態記憶部と、前記制御目標値と前記蓄電池の前記出力値との差分、前記蓄電池の前記出力値の積分値、前記状態記憶部に記憶された内部状態、及び前記係数行列に基づいて前記出力指令値を算出する演算部とを備える。【0032】
この構成によると、制御装置は、蓄電池の残容量変動抑制性を向上させる重み関数を考慮したＨ∞制御を行うことにより、残容量変動抑制性、目標値追従性、及びロバスト性の３つの性能をすべて適切なバランスで実現することができる。【0033】
具体的には、前記演算部は、前記行列記憶部に記憶されている第１の係数行列と、ある時点ｎにおける内部状態を表すベクトルとを乗算して第１の乗算結果を算出し、前記行列記憶部に記憶されている第２の係数行列と、ある時点ｎにおいて制御装置が取得した（１）前記制御目標値と前記蓄電池の前記出力値との差分、及び（２）前記蓄電池の前記出力値の積分値を要素とするベクトルとを乗算して第２の乗算結果を算出し、前記第１及び第２の乗算結果を加算することにより、ｎ＋１の時点における内部状態を表すベクトルを算出し、前記ｎ＋１の時点における内部状態を表すベクトルと、前記行列記憶部に記憶されている第３の係数行列とを乗算することにより、前記出力指令値を算出するとしてもよい。【0034】
これによると、演算部は、制御装置の行列記憶部に記憶されている係数行列に基づいて、ある時点における内部状態から、次の時点における出力指令値を具体的に算出することができる。この出力指令値に従ってインバータに蓄電池の充放電をさせることにより、残容量変動抑制性、目標値追従性、及びロバスト性の３つの性能をすべて適切なバランスで実現することができる。【0035】
本発明の一態様に係る電力制御装置は、先に述べた制御装置と、前記蓄電池の前記出力値が、前記制御装置から出力される前記出力指令値に対応する電力と一致するように前記蓄電池に充放電させるインバータと、前記蓄電池の前記出力値を積分する積分器とを備え、前記制御装置は、前記制御目標値と前記蓄電池の前記出力値との差分、及び前記積分器によって積分された前記蓄電池の前記出力値の積分値が入力されると、前記出力指令値を前記インバータへ出力する。【0036】
この構成によると、電力制御装置は、蓄電池の残容量変動抑制性を向上させる重み関数を含んだＨ∞制御に従い、インバータの充放電を制御することができる。したがって、残容量変動抑制性、目標値追従性、及びロバスト性の３つの性能がすべて適切なバランスで実現された電力制御装置を実現することができる。【0037】
なお、これらの全般的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたは記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。【0038】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。【0039】
まず、図１を用いて本発明の実施の形態における蓄電装置の構成の一例を説明する。【0040】
図１は、本発明の実施の形態における蓄電装置のシステム構成を示す図である。図１に示されるように、本発明の実施の形態における蓄電装置２００は、受電点電力目標値と、発電装置２０２により発電される電力と、負荷装置２０４により消費される電力とを取得し、分電盤／配電盤２０６へ電力を出力する。【0041】
ここで、受電点電力目標値とは、需要家側から系統側へ向かう電力（いわゆる逆潮電力）と、系統側から需要家側へ向かう電力とが、受電点２０８においてバランスすべき目標値である。受電点電力目標値は、需要家と電力事業者との間で事前に定められている。また、発電装置２０２とは、例えば太陽光発電装置、風力発電装置、燃料電池コージェネレーションシステム等の発電装置である。また、負荷装置２０４とは、テレビジョン、エアコンディショナー、電気自動車の充電装置等の電力を消費する装置全般である。【0042】
蓄電装置２００は、電力制御装置１９０と、蓄電池１９９とを備える。【0043】
電力制御装置１９０は、制御装置１００と、インバータ１９１とを有する。【0044】
蓄電池１９９は、例えばリチウムイオン電池、鉛蓄電池、ナトリウム−硫黄電池、ニッカド電池等、任意の種類の蓄電池である。【0045】
以下、蓄電装置２００について、より詳細に述べる。【0046】
図１において、蓄電装置２００は蓄電池１９９と、蓄電池１９９の直流電流を交流に変換したうえで蓄電装置２００が出力する電力を所望の値に制御するための電力制御装置１９０で構成される。また、蓄電装置２００は、負荷装置２０４及び発電装置２０２と共に、単一の分電盤又は配電盤である分電盤／配電盤２０６に接続されている。すなわち、蓄電装置２００は、蓄電装置２００の充放電電力、発電装置２０２の発電電力、及び負荷装置２０４の消費電力を収集する。【0047】
蓄電装置２００には、蓄電装置２００の外部より、例えばユーザによる操作によって受電点電力目標値が設定される。受電点とは電気事業者と需要家の境界のことで、上記分電盤又は配電盤が配電網と接続される箇所を指す。また受電点電力目標値とは受電点２０８における電力がとるべき値のことである。例えば受電点電力目標値が０の時は、受電点２０８での電気の流れが０になるようにすることである。また、受電点電力目標値が正の時は需要家が電気事業者から買電すること意味する。一方、受電点電力目標値が負の時は需要家が電気事業者へ売電する状態になるようにすることを意味する。【0048】
蓄電装置２００は、実際の受電点電力が受電点電力目標値と同じ値になるよう蓄電装置２００が充放電すべき電力を算出し制御する。具体的には、蓄電装置２００は、発電装置２０２、負荷装置２０４、及び蓄電装置２００それぞれの電力値を収集し、収集した電力値を合算することで受電点電力を算出する。電力制御装置１９０は蓄電池１９９から充放電する電力をインバータ１９１によって調整することで、算出した値が受電点電力目標値と同じ値になるようにフィードバック制御する。【0049】
なお、上記蓄電池１９９はリチウムイオン電池や鉛蓄電池・レドックスフロー電池など二次電池であればその形態を限定しない。上記発電装置２０２は太陽電池・コージェネレーションシステム・燃料電池・ガスタービンなど、発電できる機器であればその形態を限定しない。上記負荷装置２０４は各種家電機器や動力機器など電力を消費する機器であればその形態を限定しない。【0050】
また、負荷装置２０４の消費電力を収集する手段の代わりに、例えば受電点に電力計を設置することにより、受電点電力を直接収集する手段を用いることもできる。また、上記の説明は主に有効電力を想定したものであり、以降の説明でも有効電力のみを対象に説明を行うが、有効電力と無効電力との２つをそれぞれ制御対象とすることもできる。【0051】
次に、蓄電装置が備える電力制御装置１９０の構成を図２に示す。【0052】
図２は、電力制御装置１９０の機能ブロックを示す図である。図２に示されるように、電力制御装置１９０は、制御装置１００と、蓄電池１９９に接続されたインバータ１９１と、積分器１９２と、フィルタ１９３とを有する。【0053】
インバータ１９１は、蓄電池１９９の出力値が、制御装置１００から出力される出力指令値と一致するように蓄電池１９９に充放電させる。ここで、蓄電池１９９の出力値とは、蓄電池１９９により出力される電力であり、正負の値をとりうる。すなわち、出力値が正の場合、蓄電池１９９は放電している。一方、出力値が負の場合、蓄電池１９９は充電している。また、出力指令値とは、制御装置１００が決定した蓄電池１９９の充放電電力である出力値を実際に蓄電池１９９へ充放電させるために、蓄電池１９９の充電及び放電動作を制御するインバータ１９１へ出力される指令値である。【0054】
積分器１９２は、インバータ１９１が蓄電池１９９に充放電させた出力値を時間積分する。【0055】
制御装置１００は、制御目標値と蓄電池１９９の出力値との差分、及び積分器１９２によって積分された出力値の積分値が入力されると、出力指令値をインバータ１９１へ出力する。すなわち、制御装置１００は、インバータ１９１の出力を取得するフィードバックループを有する。【0056】
以下、より詳細に説明する。【0057】
制御装置１００は２つの入力信号と、１つの出力信号をもつ。制御装置１００の入力信号の１つは、以下の式（１）により求められる。【0058】
（負荷装置２０４の消費電力値−発電装置２０２の出力値−受電点電力目標値）×フィルタ１９３の伝達関数−蓄電装置２００の出力値 ・・・式（１）【0059】
制御装置１００は、式（１）により求められる入力信号の値が正の時は、インバータ１９１の出力を正の方向に調整する。逆に、式（１）により求められる入力信号の値が負の時は、出力を負の方向に調整する。ここで、インバータ１９１は蓄電池１９９に接続されており、蓄電池１９９の充放電を所望の値に制御するためのデバイスである。【0060】
上記フィードバックループにより、蓄電装置の出力値は、以下の式（２）による算出値へ近似するように制御される。【0061】
（負荷装置２０４の消費電力値−発電装置２０２の出力値−受電点電力目標値）×フィルタ１９３の伝達関数 ・・・式（２）【0062】
ここで、フィルタ１９３とは入力された信号の特定の周波数成分を取り出す信号処理のことである。フィルタ１９３の特性は伝達関数により表わされる。例えばハイパスフィルタ（高域通過濾波器；ＨＰＦ）は低い周波数成分を抑制する伝達関数を用いることで入力信号の高い周波数成分のみを出力することができる。上記の場合では、ハイパスフィルタを用いることで、伝達関数の計算により、以下の式（３）による算出値が、より急激に変化するほどフィルタ１９３の出力はより大きくなり、より遅く変化するほどフィルタ１９３の出力はより小さい値になる。【0063】
（負荷装置の消費電力値−発電装置の出力値−受電点電力目標値） ・・・式（３）【0064】
すなわち、ハイパスフィルタを用いることで、蓄電装置２００は電力の急激な変化を打ち消すノイズ除去を行うことができる。【0065】
また、逆にローパスフィルタ（低域通過濾波器；ＬＰＦ）を用いた場合には、上記の式（３）による算出値がより急激に変化するほどフィルタ１９３の出力はより小さくなり、より遅く変化するほどフィルタ１９３の出力はより大きな値になる。ローパスフィルタを用いることで、蓄電装置２００は系全体の電力需給バランスを実現することができる。【0066】
なお、ハイパスフィルタの性質とローパスフィルタの性質とを組み合わせたバンドパスフィルタ（帯域通過濾波器；ＢＰＦ）や振幅特性が一定のオールパスフィルタ（全域通過濾波器；ＡＰＦ）などを用いるフィルタ１９３の実装も考えられる。【0067】
なお、電力制御装置１９０はフィルタ１９３を備えなくてもよい。ただし、電力制御装置１９０により制御したい電力に多く含まれる周波数帯に対応する適切なフィルタ１９３を備えることで、電力制御装置１９０はより正確な電力の制御が可能となる。【0068】
また制御装置１００の２つ目の入力信号はインバータ１９１を介して出力される蓄電池１９９の出力値を積分器１９２により積分したものである。これは、充放電した電力の積分をとることによって、充放電した電力の総量を算出することに該当する。すなわち、蓄電池１９９の出力値の積分値は、蓄電池１９９の容量の変化量を意味する。【0069】
制御装置１００は蓄電池１９９の容量の変化量を０に近づける方向へ充放電電力を制御することで、蓄電池の容量変化を少なくすることができる。【0070】
次に、図３を参照して、制御装置１００の詳細な構成について説明する。【0071】
図３に示されるように、制御装置１００は、演算部１０２と、行列記憶部１０４と、状態記憶部１０６とを備える。【0072】
行列記憶部１０４は、本発明に係る制御装置の設計方法によって決定された伝達関数を状態空間として表現するための係数行列を記憶している。具体的には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等である。なお、係数行列の決定方法については、後述する。【0073】
状態記憶部１０６は、状態空間における内部状態を表すベクトルを記憶するための記憶部である。具体的には、行列記憶部１０４と同様に、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＳＲＡＭ等である。なお、内部状態の具体例については後述する。【0074】
演算部１０２は、制御装置１００に入力された制御目標値と蓄電池１９９の出力値との差分であるｅ１、蓄電池１９９の出力値の積分値であるｅ２、状態記憶部１０６に記憶された内部状態、及び行列記憶部１０４に記憶されている係数行列に基づいて、出力指令値であるｕを算出する。【0075】
より具体的には、演算部１０２は、行列記憶部１０４に記憶されている第１の係数行列Ａｋとある時点ｎにおける内部状態を表すベクトルとを乗算する。次に、行列記憶部１０４に記憶されている第２の係数行列Ｂｋと、ある時点ｎにおいて制御装置１００が取得したｅ１及びｅ２を要素とするベクトルとを乗算する。次に、この２つの乗算結果を加算することにより、ｎの次の時点（すなわちｎ＋１の時点）における内部状態を表すベクトルを算出する。次に演算部１０２は、行列記憶部１０４に記憶されている第３の係数行列Ｃｋと、ｎ＋１の時点における内部状態を表すベクトルとを乗算することにより、ｎ＋１の時点における出力ｕ［ｎ＋１］を算出する。なお、各係数行列の算出方法については、後述する。【0076】
次に、負荷装置２０４が消費する電力である負荷装置電力、発電装置２０２が発電する電力である発電装置電力、及び受電点電力目標値の変化の一例を図４に示す。【0077】
負荷装置電力は、需要家の需要の変動により、時々刻々と変化する。また発電装置電力は、太陽電池、コージェネレーションシステム、燃料電池、及びガスタービンなどの出力の変動により、時々刻々と変化する。【0078】
また受電点電力目標値は３０分単位での固定値、あるいは単調変化で構成される。ここで受電点電力目標値とは、前述の通り、受電点２０８における電力がとるべき値のことである。より具体的には、エネルギーマネジメントシステムをもつ需要家が電気事業者に対して例えば２４時間後の３０分スロットでどれだけの電力を購入又は販売するかを事前に通告する電力値のことである。【0079】
電力需給バランスを達成させるためには、受電点電力目標値と実際の受電点電力との間の誤差をなるべく小さくする必要がある。この電力需給バランスの性能は、先述した３０分同時同量で表される。同時同量が例えば±３％を超えた場合は、電力会社から購入した補助電力に対して、通常より高い単価の料金が適応されるというペナルティが発生する。そのため、３０分±３％同時同量を可能な限り満たすように、蓄電装置２００は充放電電力を制御する必要がある。そのためには、制御装置１００の目標値追従性がより高い方が好ましい。また、制御装置１００はロバスト性がより高いことが好ましい。さらに、前述の通り、蓄電池１９９の劣化を抑制するため制御装置１００は残容量変動抑制性がより高い方が好ましい。【0080】
そこで、目標値追従性、残容量変動抑制性、及びロバスト性のいずれも従来技術よりも高い次元でバランスさせることが可能な制御装置１００を設計するための設計方法について、以下に述べる。より具体的には、制御装置１００に使用する制御器のモデルとしてＨ∞制御器を使用する。Ｈ∞制御器は、目標値追従性とロバスト性とを両立させることが可能な本発明に係る関連技術である。このＨ∞制御器に、残容量変動抑制性を向上させるための新たな重み関数及び制御量を追加したＨ∞制御器を、本実施の形態に係る制御装置１００として使用する。以下の記載では、制御装置１００の設計方法として、Ｈ∞制御器を実装する際に必要な各種パラメータの決定方法を説明する。【0081】
図５は、本発明の実施の形態における設計方法によりＨ∞制御器としてモデル化された制御装置１００を設計する場合に使用される蓄電装置のモデルの構成例を示すブロック図である。図５に示される、フィルタ１３０、制御装置１３１、制御対象１３２、積分器１３３、及び重み関数の各モデルが有するパラメータを適切に決定することにより、制御装置１００を設計することができる。以下、より詳細に説明する。【0082】
Ｋ（ｓ）は制御装置１３１であるＨ∞制御器の伝達関数である。具体的には、図２に示す電力制御装置１９０が備える制御装置１００に相当する。【0083】
Ｐ（ｓ）は制御対象１３２の伝達関数である。具体的には、図２に示す電力制御装置１９０が備えるインバータ１９１に相当する。【0084】
指令値ｗは、制御目標値である。具体的には、前述の式（３）により算出される値である。より具体的には、指令値ｗは、図２に示す、負荷装置２０４の消費電力値−発電装置２０２の出力値−受電点電力目標値に相当する。【0085】
ｙ１は制御対象１３２の出力である。具体的には、図２に示す蓄電池の出力値に相当する。【0086】
Ｆ（ｓ）はフィルタ１３０の伝達関数である。具体的には、例えばハイパス特性の伝達関数をもつことで指令値の高周波成分のみをＨ∞制御器の目標値入力とする。【0087】
積分器１３３は、制御対象の出力ｙ１を時間積分する積分器である。【0088】
ｙ２は、積分器１３３の出力である。【0089】
Ｈ∞制御器としてモデル化されている制御装置１３１の入力にはｅ１とｅ２とがある。ｅ１として、フィルタ１３０の出力と制御対象１３２の出力ｙ１との差分値が制御装置１３１へ入力されることによって、目標値入力に対するフィードバック構造を実現している。また積分器１３３の出力ｙ２はそのまま入力ｅ２としてＨ∞制御器である制御装置１３１へ入力される。【0090】
また、Ｈ∞制御器に対する入力ｅ１、制御対象の出力ｙ１、時間積分の出力ｙ２、制御対象に対する入力ｕのそれぞれに、重み関数Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４をそれぞれ掛け合わせた値を、それぞれ制御量Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４と定義する。【0091】
重み関数Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４はそれぞれ伝達関数としてあらわされる。それぞれの伝達関数に含まれるゲインを周波数領域で大きくしたり小さくしたりすることで、制御装置１３１の特性を変化させることができる。なお、上記伝達関数に含まれるｓはＬａｐｌａｃｅ変換の変数を表わす。なお、制御量Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４、及び、重み関数Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４の詳細については、後述する。【0093】
図６は、本発明の実施の形態における制御装置の設計方法の処理の流れを示すフローチャートである。【0094】
前述の通り、制御装置１００はＨ∞制御器としてモデル化される。ここで、Ｈ∞制御理論は、外乱信号やモデル化誤差の影響を抑制する制御系を構築するための制御理論である。具体的には、Ｈ∞ノルムと呼ばれるノルムによって伝達関数を評価し、それが所望の値より小さくなるように伝達関数を決定することにより、目的の性能を達成させる。より具体的には、一般化プラントと呼ばれる汎用的な制御モデルを対象に、外乱信号が入力されてから評価が出力されるまでの伝達関数のＨ∞ノルムを小さくするという設計手順をとる。制御対象の不確定な部分を外乱信号として扱うことで、モデルの不確かさの影響を抑制する制御系となる。【0095】
ここで、想定していたノミナルモデルからの誤差に対しても有効な、安定性を失わない性質をロバスト性（堅牢性）と呼ぶ。制御系設計を行う場合には制御対象のモデルが必要となる。しかしながら、制御対象の厳密なモデルを得ることは困難な場合が多く、得られるモデルと現実の制御対象との間に誤差は避けられない。ロバスト制御は、そのような誤差に対しても安定性を維持するなどの意味で頑健な制御系を設計するための制御系設計手法であり、Ｈ∞制御はそのロバスト性により厳密なモデル化が不要になったことが長所である。【0096】
以上述べたＨ∞制御器設計においては、まず、図５で示した制御モデルをもとに、制御量Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４の仕様を決定する（Ｓ１０２）。制御量Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４の仕様とは、例えば、制御量Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４それぞれの上限に対応する閾値である。また、上限及び下限に対応する閾値を仕様として決定してもよい。【0097】
一般に、制御量Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４はいずれもより０に近い方が好ましい。しかし、実際にＨ∞制御器のゲインを決定する場合に、いずれの制御量も完全に０にすることは困難である。したがって、対象システムである蓄電装置２００の特性から定まる制御装置１００に要求される仕様に応じて、重点的に小さくすべき制御量の閾値をより小さく決定する必要がある。例えば、想定するノイズが高周波数帯域の成分を多く含むとすると、該当する制御量Ｚの閾値は高周波数帯域で重点的に小さくなるものと決めることが考えられる。逆に、想定するノイズが低周波数帯域の成分を多く含むとすると、該当する制御量Ｚの閾値は低周波数帯域で重点的に小さくなるものと決めてもよい。【0098】
次いで、重み関数Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４それぞれの値をその仕様に基づいて設定する（Ｓ１０３）。例えば、Ｚを高周波数帯域で重点的に小さくなるように設定したとすると、Ｗの値は、式（４）として示されるように、高周波数帯域で大きいハイパス特性を有する伝達関数として設定される。【0099】
【数1】
【0100】
なお、式（４）において、ａとＴｗとはハイパス特性を決める定数である。【0101】
より具体的には、各重み関数が制御装置１３１の特性に与える影響は、それぞれ以下の通りである。【0102】
重み関数Ｗ１は、追従誤差を抑える効果を有する。そのため、重み関数Ｗ１を適切に設定することにより、制御装置１００の目標値追従性を向上させることができる。例えば、Ｗ１を、１／（０．１ｓ＋１）のように定義した場合、伝達関数に積分要素が含まれるため、特に低周波数領域での目標追従特性を調整できる。また、微分要素として分子にｓを含む項を加えることにより、Ｗ１を、高周波数領域での目標追従特性を調整できるように設計することも可能である。すなわち、対象とするシステムに要求される目標値追従性の仕様に応じて、Ｗ１を定める。【0103】
重み関数Ｗ２は、モデル化誤差の影響を抑える効果を有する。そのため、重み関数Ｗ２を適切に設定することにより、制御装置１００のロバスト性を向上させることができる。例えば、Ｗ２を、０．０００１ｓ／（０．１ｓ＋１）のように定義できる。具体的には、Ｗ１と同様に、対象とするシステムに要求されるロバスト性の仕様に応じて、Ｗ２を定める。【0104】
重み関数Ｗ３は、蓄電池の残容量の変動を抑える効果を有する。そのため、重み関数Ｗ３を適切に設定することにより、制御装置１００の残容量変動抑制性を向上させることができる。例えば、Ｗ３を、０．００１のように定義できる。この場合、すべての周波数領域において制御装置１００の残容量変動抑制性を向上させるためにＷ３を定数としている。ここで、Ｗ３の大きさは、例えば、Ｗ２の分子の係数である０．０００１よりも大きく、Ｗ３の分子の係数である０．０２よりも小さく設定することが好ましい。【0105】
重み関数Ｗ４は、コントローラの出力を抑え飽和を防ぐ効果を有する。そのため、重み関数Ｗ４を適切に設定することにより、制御装置１００の残容量変動抑制性を向上させることができる。例えば、Ｗ４を、０．０２ｓ／（０．１ｓ＋１）のように定義できる。【0106】
最後に、一般化プラントに基づき、Ｈ∞制御問題の解法を適用して、制御装置１３１の伝達関数Ｋ（ｓ）を算出する（Ｓ１０４）。【0107】
例えば、図５に示すモデルを、制御器の伝達関数Ｋ（ｓ）と一般化制御対象Ｔｚｗとを含むＨ∞標準問題の形式に変換した場合における一般化制御対象ＴｚｗのＨ∞ノルムが、｜｜Ｔｚｗ｜｜∞ ＜ ０．００５となるようなＫ（ｓ）を決定することにより、準最適解の制御装置１００を設計することができる。ここで｜｜Ｔｚｗ｜｜∞は、式（５）で表されるように、伝達関数Ｔｚｗの全周波数域における最大特異値と定義される。
【0108】
【数2】
【0109】
なお、式（５）において、σ（・）は最大特異値を示す。【0110】
Ｈ∞制御問題の、より詳細な解法は、非特許文献１に詳しいため省略する。【0111】
なお、本発明に係る制御装置の設計方法において、図５に示される重み関数Ｗ４及び制御量Ｚ４は、必ずしも決定しなくてもよい。制御装置１００によって実現されるロバスト性のうち、モデル化誤差に対するロバスト性は、重み関数Ｗ２及び制御量Ｚ２を決定することにより実現されるためである。ただし、重み関数Ｗ４及び制御量Ｚ４を決定することにより、制御装置１００はコントローラの出力を抑え飽和を防ぐことができる。その結果、よりロバストな制御を行うことができる。【0112】
図７は、制御量Ｚ４、及び、重み関数Ｗ４を使用しない場合における、制御装置の設計方法の処理の手順を示すフローチャートである。【0113】
図７に示されるステップＳ１０２ａ、ステップＳ１０３ａ、及びステップＳ１０４ａの各ステップにおける処理は、制御量Ｚ４及び重み関数Ｗ４に関する処理が含まれていないこと以外は、図６に示される処理と同じである。【0114】
図７を参照して、以上述べたように、本実施の形態に係る制御装置の設計方法は、蓄電池が充放電すべき電力である出力値を制御するインバータへ充放電を指示するための出力指令値を出力する制御装置の設計方法である。具体的には、第１の制御量の判断に用いられる第１の閾値、第２の制御量の判断に用いられる第２の閾値、及び第３の制御量の判断に用いられる第３の閾値を決定する閾値決定ステップ（Ｓ１０２ａ）と、制御目標値と出力値との差分に乗じることにより第１の制御量を算出するための第１の重み関数と、出力値に乗じることにより第２の制御量を算出するための第２の重み関数と、出力値の積分値に乗じることにより第３の制御量を算出するための第３の重み関数とを設定する重み関数設定ステップ（Ｓ１０３ａ）と、制御目標値と出力値との差分、及び出力値の積分値を入力とし、出力指令値を出力とする制御装置の伝達関数を決定する伝達関数決定ステップ（Ｓ１０４ａ）とを含む。【0115】
ここで、伝達関数決定ステップ（Ｓ１０４ａ）においては、制御目標値と出力値との差分に第１の重み関数を乗じて得られる第１の制御量が第１の閾値よりも小さくなり、出力値に第２の重み関数を乗じて得られる第２の制御量が第２の閾値よりも小さくなり、かつ、出力値の積分値に第３の重み関数を乗じて得られる第３の制御量が第３の閾値よりも小さくなるように、Ｈ∞制御理論によって伝達関数を決定する。【0116】
また、再度図６を参照して、閾値決定ステップ（Ｓ１０２）において、さらに、第４の閾値を決定し、重み関数設定ステップ（Ｓ１０３）において、さらに、出力指令値に乗じることにより第４の制御量を算出するための第４の重み関数を設定し、伝達関数決定ステップ（Ｓ１０４）において、さらに、第４の制御量が第４の閾値よりも小さくなるように伝達関数をＨ∞制御理論によって決定してもよい。【0118】
Ｆ（ｓ）はフィルタの伝達関数である。ここでは、電力制御装置１９０が電力の細かな変動を制御するために適したフィルタとして、時定数が５．０５秒のハイパス特性の伝達関数を有するフィルタを例示している。例えば、発電装置２０２が太陽光発電システムのように出力される電力の変動が激しい発電装置である場合には、こうした特性のフィルタが適している。ここで時定数とは線形時不変系における１次の周波数応答の遮断周波数を決定するパラメータであり、物理的にはシステムのステップ応答が最終値の約６３．２％に達するまでの時間を示す。【0119】
Ｐ（ｓ）はプラントであり、制御対象のモデルを伝達関数で表現する。ここでは、制御対象である蓄電装置２００が備える電力制御装置１９０の出力特性を考慮して、時定数が０．１秒のローパス特性の伝達関数を有するモデルを例示している。このモデルは、立ち上がり時間があるモデルである。【0120】
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４は重み関数であり、前述の通り、それぞれ各性能を調整するための役割がある。具体的には、例えばＷ１を大きくすると目標値追従性を向上させることができる。また、Ｗ２を大きくすると蓄電池出力の抑制とモデル化誤差に対するロバスト性とを向上させることができる。また、Ｗ３を大きくすると残容量変動抑制性を向上させることができる。また、Ｗ４を大きくすると制御入力の抑制とモデル化誤差に対するロバスト性とを向上させることができる。なお、重み関数も伝達関数で表現されるため、周波数領域での調整が可能である。【0121】
このように、これらの４つの重み関数を上述した役割に従って仕様を満たすよう設定することで、設計時の見通しがよくなる。したがって、制御装置１００が有する残容量変動抑制性、目標値追従性、及びロバスト性の３つの性能を同時に適切なバランスで達成させることが容易になる。【0122】
図８の例では、Ｗ１は高周波での追従性能が向上するように他の重み関数より大きな値でローパス特性を有する伝達関数として表わされる。また、Ｗ２は低周波でのモデル化誤差に対するロバスト性を向上させるためにハイパス特性を有する伝達関数で表わされる。また、Ｗ３はあらゆる周波数に対して一律に蓄電池の残容量の変動を適度に抑制するため定数で表わされる。また、Ｗ４は高周波での制御入力を抑制するためにハイパス特性を有する伝達関数で表わされる。【0123】
以上述べたように制御対象となるシステムの特性に応じて重み関数を定めた後、先述したＨ∞制御器である制御装置１００は連続時間での伝達関数として求められる。こうして求められた伝達関数を、サンプリング周期Ｔｓ＝０．０１［ｓ］で離散時間の伝達関数に変換したのち、状態空間表現に変換したものが図９に示した状態空間方程式である。【0124】
図９を参照して、ここでｘ［ｎ］はステップｎにおける５次元の列ベクトルで表わされる内部状態である。また、ｅ［ｎ］はステップｎにおいてＨ∞制御器に入力されるフィードバック入力であり、具体的には、【数3】
【0125】
また、ｕ［ｎ］はステップｎにおける制御装置の出力である。より詳細には、ｅ１は制御目標値と蓄電池１９９による出力値との偏差を表わす入力である。また、ｅ２は蓄電池１９９による出力値の積分値を表わす入力である。また、Ａｋ、Ｂｋ、Ｃｋは状態空間方程式における係数行列である。具体的には、Ａｋ、Ｂｋ、Ｃｋは、先述した非特許文献１等に示される計算により算出される値である。【0126】
なお、本実施の形態に係る制御装置の設計方法によって設計されたＨ∞制御器である制御装置１００についてのゲイン線図を図１０に示す。ゲイン線図は、横軸に対数で周波数をとり、縦軸に入力と出力の振幅比（ゲイン）の対数量［ｄＢ］をとった図である。【0127】
より詳細には、図１０（Ａ）は、入力ｅ１から制御装置１００の出力ｕの間までのゲインを表すゲイン線図である。また、図１０（Ｂ）は、入力ｅ２から制御装置１００の出力ｕの間までのゲインを表すゲイン線図である。なお、図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）とで、縦軸のスケールは共通である。【0128】
図１０（Ａ）に示されるように、目標値と出力値との偏差を表わす入力ｅ１から制御装置１００の出力ｕの間までのゲインは、１ｒａｄ／ｓｅｃから１０６ｒａｄ／ｓｅｃの範囲において高い値を示している。一方、図１０（Ｂ）に示されるように、出力の積分値を表わす入力ｅ２から制御装置１００の出力ｕの間までのゲインは、図１０（Ａ）に示される前者のゲインに比べ、全周波数において比較的低い値を示している。このことから、定性的には出力ｕは入力ｅ２よりも入力ｅ１を重視して制御されると言い換えてもよい。【0129】
次に、本実施の形態に係る制御装置の設計方法により設計した制御装置１００を備える電力制御装置１９０（図２の制御構成を参照）において、図４で示した負荷電力、発電装置電力、及び受電点電力目標値が入力された場合における、重み関数Ｗ３の効果をシミュレーションした結果を図１１に示す。【0130】
図１１は、蓄電池１９９の残容量の変化量のシミュレーション結果を示す。図１１において、横軸は時間［秒］を、縦軸は蓄電池の蓄電容量の初期値からの差分［ｋＷｓ］を示す。また、重み関数Ｗ３を０にした時の、残容量の変化量を破線で示し、重み関数Ｗ３を０．００１にした場合の残容量の変化量を実線で示す。【0131】
実線と破線とを比較することにより、重み関数Ｗ３を有するＨ∞制御器により制御された蓄電池の残容量の方が、初期値からの差分が小さい（すなわち、残容量の変化量が小さい）ことが分かる。これは、先述したように、Ｗ３を大きくすることで蓄電池の残容量の変動が小さくなったためである。このことにより、蓄電池の容量の過大な変化が少なくなることによって、蓄電池の劣化を抑える効果があることが分かる。【0132】
一方で、重み関数Ｗ３を導入することによって蓄電池の劣化を抑える効果の副作用として、目標値追従性能は悪化する方向に動くことが考えられる。前述したように、残容量変動抑制性と目標値追従性とはトレードオフの関係にあるためである。そこで、Ｗ３の副作用を評価するため、目標値がはじめは０ｋＷであり、２秒目以降は５ｋＷであるという条件のもとで有効電力の買い入れ量のシミュレーションを行った。【0133】
図１２は、電力制御装置による制御の結果として、電気事業者から需要家が買い入れた有効電力の買い入れ量のシミュレーション結果を示す。図１２において、横軸は時間［秒］を、縦軸は有効電力の買い入れ量［ｋＷ］を示す。また、重み関数Ｗ３を０にした場合の有効電力の買い入れ量を破線で示し、重み関数Ｗ３を０．００１にした場合の有効電力の買い入れ量を実線で示す。【0134】
Ｗ３＝０の場合は、制御装置１００は蓄電池１９９の残容量を考慮せず、制御目標値と出力値との偏差ｅ１だけに対して出力値の最適化を行う。その結果、有効電力の買い入れ量はほぼ一定している。したがって、制御目標値にあわせて出力値の制御が追従できていることが分かる。一方、Ｗ３＝０．００１の場合は、制御装置１００は蓄電池１９９の残容量を考慮する。そのため、有効電力の買い入れ量は多少上下に振れている。【0135】
ここで、３０分よりも小さい５０秒間で同時同量の値（出力の目標値からのかい離平均）を算出すると、Ｗ３＝０の場合には０．５１４９［％］となり、Ｗ３＝０．００１の場合には２．６０７２［％］となる。すなわち、Ｗ３＝０．００１の場合の方が、同時同量値が高い。したがって、制御装置１００の設計に重み関数Ｗ３を導入することにより、制御装置１００の目標値追従性が悪化していることが分かる。しかし、Ｗ３＝０．００１の場合でも５０秒間同時同量が３％以下を達成していることから、３０分同時同量も統計的に３％以下を達成することができると予測される。【0136】
以上のシミュレーション結果から、重み関数Ｗ３を導入した本実施の形態に係る制御装置の設計方法において、目標値追従性は多少下がるが、問題のないレベルで収まることが分かる。【0137】
また、モデル化誤差に対するロバスト性を確認するシミュレーションを行うことにより、重み関数Ｗ４の効果を確認した。シミュレーションの結果を図１３に示す。【0138】
図１３はプラントのモデルＰ（ｓ）＝１／（Ｔｂｓ＋１）へ意図的に変動を加えた場合の追従誤差のシミュレーション結果をプロットした図である。横軸は時間［秒］を、縦軸は追従誤差［Ｗ］を示す。【0139】
シミュレーションにおいては、モデルＰ（ｓ）へ、（ｓ−１）／（ｓ＋１）で表される変動を加えた。この変動は全域通過関数と呼ばれる。変動を加えた結果、モデル化誤差のゲインは全周波数域で一定であり、位相だけが変化する。その結果、図１３に示される通り、Ｗ４＝０．００１の場合と比較して、Ｗ４＝０の場合は追従誤差が非常に大きい。したがって、制御装置１００の設計方法において重み関数Ｗ４を使用することにより、ロバスト性が向上したことがわかる。【0140】
以上のシミュレーション結果から、本発明の実施の形態に係る制御装置の設計方法により、残容量変動抑制性、目標値追従性、及びロバスト性の３つの性能を同時に適切なバランスで達成させる制御装置を設計可能であることが示された。【0141】
なお、本実施の形態に係る制御装置の設計方法を使用する利点は、他にもある。従来のＰＩ制御器による制御装置では、ゲインを試行錯誤的に決定するしかない。しかし、Ｈ∞制御器を使用することにより、制御装置の性能と制御量との関連性が明確となる。したがって、制御装置の設計時の見通しがよくなる。設計時の見通しがよくなったことから、制御装置の設計を変更することも容易に実現できる。例えば、３０分同時同量３％の条件を例えば０．３％以下などのより厳しい条件に変更する際には、Ｗ１をより小さく、またＷ３をより大きくするような調整で実現できることが容易にわかる。
【0142】
なお、本発明の実施の形態で説明した制御装置の設計方法に含まれる各ステップはコンピュータにより実行することも可能である。また、本発明の実施の形態で説明した制御装置の設計方法により設計された制御装置等は、コンピュータにより実現することも可能である。【0143】
制御装置の設計方法に含まれる各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム、及び、その設計方法により設計された制御装置１００等が行う処理であるプログラムは、コンピュータで読取可能な媒体に記憶されたものが、コンピュータによって読み取られる。すなわち、このプログラムは、コンピュータに、蓄電池の蓄電量が制御目標値に適合するように、前記蓄電池が充電または放電すべき電力である出力値を制御するインバータへ充電または放電を指示するための出力指令値を出力する制御装置の設計方法であって、第１の制御量の判断に用いられる第１の閾値、第２の制御量の判断に用いられる第２の閾値、及び第３の制御量の判断に用いられる第３の閾値を決定する閾値決定ステップと、前記第１の制御量を算出するための第１の重み関数と、前記第２の制御量を算出するための第２の重み関数と、前記第３の制御量を算出するための第３の重み関数とを設定する重み関数設定ステップと、前記制御目標値と前記出力値との差分、及び前記出力値の積分値を入力とし、前記出力指令値を出力とする前記制御装置の伝達関数を決定する伝達関数決定ステップとを含み、前記伝達関数決定ステップにおいては、前記制御目標値と前記出力値との差分に前記第１の重み関数を乗じて得られる前記第１の制御量が前記第１の閾値よりも小さくなり、前記出力値に前記第２の重み関数を乗じて得られる前記第２の制御量が前記第２の閾値よりも小さくなり、かつ、前記出力値の積分値に前記第３の重み関数を乗じて得られる前記第３の制御量が前記第３の閾値よりも小さくなるように、Ｈ∞制御理論によって前記伝達関数を決定する制御装置の設計方法を実行させる。【0144】
コンピュータは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びハードディスク等を含む。【0145】
ＣＰＵは、読み取られたプログラムを実行する。ＲＯＭは、コンピュータの動作に必要なプログラムやデータを記憶する。ＲＡＭは、プログラム実行時のパラメータなどのデータを記憶する。ハードディスクは、プログラムやデータなどを記憶する。【0146】
さらに、上記の制御装置の設計方法により設計された制御装置１００等を構成する構成要素の一部又は全部は、１個のシステムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：大規模集積回路）から構成されているとしてもよい。システムＬＳＩは、複数の構成部を１個のチップ上に集積して製造された超多機能ＬＳＩであり、具体的には、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成されるコンピュータシステムである。ＲＡＭには、コンピュータプログラムが記憶されている。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、システムＬＳＩは、その機能を達成する。【0147】
さらにまた、上記の制御装置の設計方法により設計された制御装置１００等を構成する構成要素の一部又は全部は、各装置に脱着可能なＩＣカード又は単体のモジュールから構成されているとしてもよい。ＩＣカード又はモジュールは、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成されるコンピュータシステムである。ＩＣカード又はモジュールは、上記の超多機能ＬＳＩを含むとしてもよい。マイクロプロセッサが、コンピュータプログラムに従って動作することにより、ＩＣカード又はモジュールは、その機能を達成する。このＩＣカード又はこのモジュールは、耐タンパ性を有するとしてもよい。【0148】
また、本発明は、上記に示す制御装置の設計方法により決定された伝達関数を記憶しているＲＡＭ、ＣＰＵ、ＲＯＭ等を備えた制御装置であるとしてもよい。【0149】
さらに、本発明は、上記コンピュータプログラム又は上記デジタル信号をコンピュータ読み取り可能な記録媒体、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ（登録商標））、ＵＳＢメモリ、ＳＤカードなどのメモリカード、半導体メモリなどに記録したものとしてもよい。また、これらの記録媒体に記録されている上記デジタル信号であるとしてもよい。【0150】
また、本発明は、上記コンピュータプログラム又は上記デジタル信号を、電気通信回線、無線又は有線通信回線、インターネットを代表とするネットワーク、データ放送等を経由して伝送するものとしてもよい。【0151】
また、本発明は、マイクロプロセッサとメモリを備えたコンピュータシステムであって、上記メモリは、上記コンピュータプログラムを記憶しており、上記マイクロプロセッサは、上記コンピュータプログラムに従って動作するとしてもよい。【0152】
また、上記プログラム又は上記デジタル信号を上記記録媒体に記録して移送することにより、又は上記プログラム又は上記デジタル信号を、上記ネットワーク等を経由して移送することにより、独立した他のコンピュータシステムにより実施するとしてもよい。【0153】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。【産業上の利用可能性】
【0154】
本発明は、制御装置の設計方法に適用でき、特に蓄電池が充放電すべき電力を制御するインバータへ出力指令値を出力する制御装置の設計方法等に適用できる。【符号の説明】
【0155】
３２ ディスプレイ３４ コンピュータ
３６ キーボード
３８ マウス
４０ ＣＤ−ＲＯＭ装置
４２ ＣＤ−ＲＯＭ
４４ ＣＰＵ
４６ ＲＯＭ
４８ ＲＡＭ
５０ ハードディスク
５２ 通信モデム
５４ バス
１００，１３１，９００ 制御装置
１０２ 演算部
１０４ 行列記憶部
１０６ 状態記憶部
１３２ 制御対象
１９０ 電力制御装置
１９１ インバータ
１３３，１９２ 積分器
１３０，１９３ フィルタ
１９９ 蓄電池
２００ 蓄電装置
２０２ 発電装置
２０４ 負荷装置
２０６ 分電盤／配電盤
２０８ 受電点
９０１ 蓄電量偏差推定部
９０２ 補正量算出部
９０３ 蓄電値出力指令部