特表2019-503158(P2019-503158A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特表2019-503158DCマイクログリッドのための電力分担
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】特表2019-503158(P2019-503158A)
(43)【公表日】2019年1月31日
(54)【発明の名称】DCマイクログリッドのための電力分担
(51)【国際特許分類】
   H02J 1/10 20060101AFI20190104BHJP
   H02J 1/00 20060101ALI20190104BHJP
   H02J 13/00 20060101ALI20190104BHJP
【FI】
   H02J1/10
   H02J1/00 306B
   H02J13/00 B
   H02J13/00 301A
   H02J13/00 311R
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2018-525657(P2018-525657)
(86)(22)【出願日】2016年9月27日
(85)【翻訳文提出日】2018年5月17日
(86)【国際出願番号】IB2016055762
(87)【国際公開番号】WO2017103697
(87)【国際公開日】20170622
(31)【優先権主張番号】14/971,855
(32)【優先日】2015年12月16日
(33)【優先権主張国】US
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA
(71)【出願人】
【識別番号】390009531
【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION
(74)【代理人】
【識別番号】100108501
【弁理士】
【氏名又は名称】上野 剛史
(74)【代理人】
【識別番号】100112690
【弁理士】
【氏名又は名称】太佐 種一
(72)【発明者】
【氏名】デ フーグ、ジュリアン
(72)【発明者】
【氏名】ラマチャンドラ、コルリ、ラオ
(72)【発明者】
【氏名】スーツ、フランク
【テーマコード(参考)】
5G064
5G165
【Fターム(参考)】
5G064AA08
5G064AB05
5G064AC09
5G064CB08
5G064CB12
5G064DA01
5G165DA01
5G165DA07
5G165EA02
5G165EA03
5G165EA04
5G165GA04
5G165GA06
5G165GA07
5G165GA09
5G165HA01
5G165HA09
(57)【要約】
【課題】仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用してDC回路網において電力分担するための技法を提供する。
【解決手段】一態様では、少なくとも1つの負荷に接続された複数の電気エネルギー発生源を有するDC回路網における電力分担のための方法は、電気エネルギー発生源のそれぞれにおいて、制御可能なDC電圧を発生させるステップと、DC電圧に制御可能なAC信号を重畳するステップと、仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用してAC信号を調節するステップと、調節されたAC信号を使用して所望のDC電圧出力を決定するステップと、を含む。その場合、DC電圧は、所望のDC電圧出力と一致するように調節され得る。DC回路網における電力分担のためのシステムも提供される。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも1つの負荷に接続された複数の電気エネルギー発生源を有する直流(DC)回路網における電力分担のための方法であって、前記電気エネルギー発生源のそれぞれにおいて、
制御可能なDC電圧を発生させるステップと、
前記DC電圧に制御可能な交流(AC)信号を重畳するステップと、
仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用して前記AC信号を調節するステップと、
前記調節されたAC信号を使用して所望のDC電圧出力を決定するステップと
を含む方法。
【請求項2】
前記所望のDC電圧出力と一致するように前記DC電圧を調節するステップ
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記発生させるステップ、重畳するステップ、調節するステップ、および決定するステップを反復的に行うステップ
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記電気エネルギー発生源の少なくとも1つがバッテリを備える、請求項1に記載の方法。
【請求項5】
前記少なくとも1つの負荷が、パワー・エレクトロニクス、太陽電池パネル、バッテリ、民生機器、およびこれらの組合せから成る群から選択される、請求項1に記載の方法。
【請求項6】
前記少なくとも1つの負荷が前記電気エネルギー発生源のそれぞれから離れた任意の距離で接続されている、請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記少なくとも1つの負荷が前記電気エネルギー発生源の1つから距離L1で、前記電気エネルギー発生源のもう1つから距離L2で接続され、L1がL2とは異なる、請求項1に記載の方法。
【請求項8】
ローカルなAC信号電流および電圧出力を検知するステップと、
仮想インピーダンス周波数ドループ制御を介して前記AC信号を調節するためにローカルなAC信号電流および電圧出力を使用するステップと
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項9】
前記所望のDC電圧出力が所定の電力分担基準に基づく、請求項1に記載の方法。
【請求項10】
前記AC信号をスケーリングすることによって基準DC電流を計算するステップ
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項11】
前記電気エネルギー発生源のそれぞれがコントローラを備え、
前記コントローラを使用して前記DC電圧および前記AC信号を調節するステップ
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項12】
前記電気エネルギー発生源のそれぞれが電圧および電流センサを備え、
前記電圧および電流センサを使用して前記DC電圧および前記AC信号の出力を決定するステップ
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項13】
DC回路網における電力分担のためのシステムであって、
少なくとも1つの負荷に接続された複数の電気エネルギー発生源を備え、各電気エネルギー発生源が、
前記電気エネルギー発生源によって発生させたDC電圧を制御し、前記電気エネルギー発生源による前記DC電圧に重畳するAC信号を制御し、仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用して前記AC信号を調節するように構成されたコントローラと、
前記調節されたAC信号を使用して所望のDC電圧出力を決定するためのプロセッサ装置と
を備える、システム。
【請求項14】
前記コントローラが前記所望のDC電圧出力に一致するように前記DC電圧を調節するようにさらに構成されている、請求項13に記載のシステム。
【請求項15】
前記少なくとも1つの負荷が前記電気エネルギー発生源のそれぞれから離れた任意の距離で接続されている、請求項13に記載のシステム。
【請求項16】
前記少なくとも1つの負荷が前記電気エネルギー発生源の1つから距離L1で、前記電気エネルギー発生源のもう1つから距離L2で接続され、L1がL2とは異なる、請求項13に記載のシステム。
【請求項17】
前記電気エネルギー発生源がローカルなAC信号電流および電圧出力を検知するように構成されたセンサをさらに備える、請求項13に記載のシステム。
【請求項18】
前記所望のDC電圧出力が所定の電力分担基準に基づく、請求項13に記載のシステム。
【請求項19】
前記プロセッサ装置が前記AC信号をスケーリングすることによって基準DC電流を計算するようにさらに構成されている、請求項13に記載のシステム。
【請求項20】
前記電気エネルギー発生源の少なくとも1つがバッテリを備える、請求項13に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力分担(power sharing)に関し、より詳細には、直流(DC)電圧に小さな交流(AC)電圧を重畳することによって、仮想インピーダンス周波数ドループ制御(frequency droop control)を使用してDC回路網において電力分担するための技法に関する。
【背景技術】
【0002】
今日、エンド・ユーザに供給される電気エネルギーの大部分は、交流すなわちACとして伝送される。この理由は、多少歴史的なものがあり、グリッドの初期には、パワー・エレクトロニクスがなく、ACの主な利点の1つが、ACは、伝送のために容易に高電圧に(低損失で)変換され、次いで、エンド・ユーザのために(安全性を高めるために)低電圧に再変換され得ることであった。
【0003】
しかしながら、AC回路網の代わりに直流(DC)回路網を使用し始める動きがエネルギー業界全体にわたって拡大している。これを支持する多くの強力な論拠があり、すなわち、今日のパワー・エレクトロニクスは、ACの本来の利点がもはや重要ではないことを表し、非常に高い電圧では、DC伝送は、ACよりも実際に効率的であり、低電圧では、DC回路網は、維持するのがより容易で、問題点がより少ない(例えば、高調波がない)。
【0004】
しかしながら、恐らく、DC回路網を支持する最も重要な論拠は、大多数のエンド・ユーザの負荷および電源が実際に既にDCベースであるということである。今日一般に行われているのは、(例えば、光起電力パネルから)ローカルに発生させたDC電力を取得し、インバータを使用してこのDC電力をACに変換することである。しかしながら、ほとんどの場合、エンド・ユーザ装置の電源は、受け取ったACをDCに変換しているに過ぎない。例えば、Singh et al., “DC Microgrids and the Virtues of Local Electricity,” IEEE Spectrum (posted February 2014)を参照されたい。
【0005】
同時に、エネルギー業界全体にわたって分散回路網およびマイクログリッドへの大きな動きがある。従来、マイクログリッドは、AC電力を発生させるためにディーゼル発電機のような電源を使用してきた。これらの用途では、そのエネルギー需要を満たすためには、代わりに再生可能エネルギー(例えば、太陽光発電)とエネルギー貯蔵の組合せを使用することで、より一層費用効率が高くなることがわかった。これらの種類の電源は、DCにはるかによく適合している。
【0006】
しかしながら、DC回路網の動作における1つの課題は、電源間で適切な電力分担があることを保証することである。すなわち、多くのマイクログリッドは、複数のバッテリ(または、発電サイト)を有する。これらのバッテリが、供給する負荷に対して異なる距離にある(すなわち、インピーダンスが異なる)場合、電気回路網の性質のために、異なる電源によって不均一な量の電力が供給される。例えば、第1の電源および第2の電源が負荷まで距離L1およびL2をそれぞれ有し、L2>L1である場合、負荷までの距離がより大きく/インピーダンスがより大きいために、より多くの電力が第1の電源から取り出されて負荷に電力が供給される。
【0007】
電源間の電力分担に対処がなされない場合、起こり得るリスク/不都合には、マイクログリッドの安定性の低下、エネルギー貯蔵装置の不均一な放電(および充電)、エネルギー貯蔵または分散発電装置に対する高い割合の経年変化および交換、予測できない資産交換スケジュールが含まれる。
【0008】
Schiffer et al., “A Consensus-Based Distributed Voltage Control for Reactive Power Sharing in Microgrids,” 13th European Control Conference (ECC), pgs. 1299-1305, Strasbourg, France (June 2014)に示されるように、DCマイクログリッドにおける有効電力分担の問題は、いくつかの点ではACマイクログリッドにおける無効電力分担の問題と類似している。しかしながら、ほとんどの既存の方法は、費用がかかる可能性があり、脆弱性および複雑さをもたらす可能性がある外部通信インフラストラクチャを使用する。
【0009】
したがって、DC回路網における複数のエネルギー源間で公平な電力分担を保証するための、安定した単純な解決策が強く求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】Singh et al., “DC Microgrids and the Virtues of Local Electricity,” IEEE Spectrum (posted February 2014)
【非特許文献2】Schiffer et al., “A Consensus-Based Distributed Voltage Control for Reactive Power Sharing in Microgrids,” 13th European Control Conference (ECC), pgs. 1299-1305, Strasbourg, France (June2014)
【非特許文献3】Simpson-Porco et al., “Synchronization and power sharing for droop-controlled inverters in islanded microgrids,” Automatica, vol. 49, issue 9, pgs.2603-2611 (September 2013)
【非特許文献4】J. He et al., “An islanding microgrid power sharing approach using enhanced virtual impedance control scheme,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 28, no. 11, pp. 5272-5282, Nov 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用してDC回路網において電力分担するための技法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0012】
直流(DC)電圧に小さな交流(AC)電圧を重畳することによって、仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用してDC回路網において電力分担するための技法が本明細書で提供される。本発明の一態様では、少なくとも1つの負荷に接続された複数の電気エネルギー発生源を有するDC回路網における電力分担のための方法が提供される。本方法は、電気エネルギー発生源のそれぞれにおいて、制御可能なDC電圧を発生させるステップと、DC電圧に制御可能な交流(AC)信号を重畳するステップと、仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用してAC信号を調節するステップと、調節されたAC信号を使用して所望のDC電圧出力を決定するステップと、を含む。その場合、DC電圧は、所望のDC電圧出力と一致するように調節され得る。
【0013】
本発明の別の態様では、DC回路網における電力分担のためのシステムが提供される。本システムは、少なくとも1つの負荷に接続された複数の電気エネルギー発生源を含む。各電気エネルギー発生源は、電気エネルギー発生源によって発生させたDC電圧を制御し、電気エネルギー発生源によるDC電圧に重畳するAC信号を制御し、仮想インピーダンス周波数ドループ制御を使用してAC信号を調節するように構成されたコントローラと、調節されたAC信号を使用して所望のDC電圧出力を決定するためのプロセッサ装置と、を含む。
【0014】
本発明、ならびに本発明のさらなる特徴および利点についてのより完全な理解は、以下の詳細な記載および図面を参照することによって得られる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1】本発明の実施形態による例示的な直流(DC)回路網を示す図である。
図2】本発明の実施形態による(図1のDC回路網などの)DC回路網における電力分担のための例示的な方法論を示す図である。
図3】本発明の実施形態によるDCマイクログリッド系統における正確な電力分担を確実にする本分散方法の例示的な実施態様を示すブロック図である。
図4】本発明の実施形態による本明細書に提示された方法論の1つまたは複数を行うための例示的な装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
電力分担の概念は、交流すなわちAC回路網において対処されてきたが、直流すなわちDC回路網における電力分担のための実行可能な解決策は、現在存在しない。有利には、DC回路網における複数のエネルギー源が、電力を取り出している回路網内の任意の負荷に所望の量の電力を提供することを可能にする技法が本明細書で提供される。以下で詳細に記載するように、これは、低振幅の高周波AC成分を導入することによって各エネルギー源のDC電圧を修正することによって実現される。このAC成分によって、(AC回路網全体にわたって使用される)周波数ドループ原理を系統に適用することができる。当技術分野で知られているように、AC系統における周波数ドループ制御は、線路インピーダンス分布に関係なく適切な有効電力の分担を保証する。例えば、Simpson-Porco et al., “Synchronization and power sharing for droop-controlled inverters in islanded microgrids,” Automatica, vol. 49, issue 9, pgs. 2603-2611 (September2013)(以降「Simpson-Porco」)を参照されたい。単なる例として、AC電圧の振幅は、DC電圧のごく一部分(例えば、約0.1%〜約1%で、その間で変動する)であり、AC電圧の周波数は、約50Hz〜約60Hzで、その間で変動する。
【0017】
グリッドの従来の管理では、大きな発電機(回転機械に基づく電圧源)は、それ自体の大きな出力インダクタンスを有し、送電線も高いインダクタンスを有する。これによって、標準の制御方法(ドループ制御)を実施することができる。
【0018】
小さな(低電圧)AC回路網では、線路インピーダンスは、主に抵抗性である。(電圧源として動作させる)インバータは、回転機械とは異なり、出力インダクタンスを有しない。インダクタンスがない場合は、ドループ制御のような従来の方法は、機能しない。したがって、仮想インピーダンスをインバータの出力インダクタンスとして導入して、確実にドループ制御を再度使用することができるようにする。
【0019】
対照的に、DC回路網では、インダクタンスがないだけでなく、標準の(ドループ)制御方法でも必要な正弦波電圧信号もない。したがって、ドループ制御を適用するためには、仮想インピーダンスおよびAC電圧の両方が必要である。有利には、本発明は、既存のDC電圧に小さなAC電圧を加えることによって、DC回路網におけるドループ制御のための解決策を提供する。発生源のインバータの仮想インピーダンスと共に、これによって「小規模」ドループ制御が可能になる。
【0020】
小規模ドループ制御は、DC成分ではなく、AC成分の電力分担を保証する。しかしながら、定常状態のAC成分は、DC側の所望の電力分担挙動を比例的に反映する。したがって、以下で詳細に記載するように、(AC成分のスケーリングから得られる)所望のDC電流と現在出力されているDC電流との間の偏位を入力としてとる制御機構(本明細書では単に「コントローラ」とも呼ばれる)が実装されている。コントローラは、DC電圧のみに作用する。短時間で、コントローラは、確実に所望のDC電流を実現する。これは、どのような電力分担シナリオが所望されているかに応じて電源が適切な量の電力を提供していることを意味する。
【0021】
したがって、DC信号上の非常に低い電力のAC信号をシミュレートすることによって、回路網全体にわたる電源は、すべての電源が、選択された量を負担するような仕方で、回路網状態に応じてその出力を調整することができる。そのような手法の利点は、系統におけるすべての発電資産の公平/均等な使用、回路網安定性の改善、経年変化の影響の低減(個々の電源は、その分担分を超えて供給しない)、保守/資産交換スケジューリングの改善、系統を管理するための高価で複雑な通信/制御インフラストラクチャが不要、堅牢性、すなわち単一障害点がなく、完全な分散型手法であること、AC成分による電力損失が非常に低いこと−AC成分には非常に高い負荷インピーダンスが生じ、それゆえ、関連付けられた電力損失が非常に低いこと、および間欠的に使用することができること−AC成分に関連付けられた電力損失がさらに低減され、安定性が改善されることを含む。
【0022】
図1は、本発明を実施することができる例示的なDC回路網100の図である。図1に示すように、DC回路網100は、(電源102から電力を取り出す)負荷104に対して電圧源として動作する複数の接続された電気エネルギー発生源102a、102bなどを含む。簡単にするため、図1では単一の負荷104が示されている。しかしながら、本技法は、複数の負荷が電源102から電力を取り出しているときに、記載された全く同じやり方で動作する。「接続されている」とは、(図1に示すように)電源102が両方とも同じ負荷104に接続されていることを意味する。
【0023】
単なる例として、電源102は、従来の発電機または太陽光電源などの再生可能エネルギー源あるいはその両方であってもよい。負荷104は、電気車両を含む、パワー・エレクトロニクス(例えば、コンピュータ、テレビ、娯楽装置)、太陽電池パネル、バッテリ、および多数の民生機器などの今日の多くの消費者製品を表す。
【0024】
図1に示すように、負荷104は、電源102aおよび102bから離れた異なる距離(L1およびL2)でそれぞれ接続されている。上述したように、距離が異なるため、電源102が供給する負荷までのインピーダンスが異なる。したがって、調節されていないDC電力が電源102aおよび102bから負荷104に供給される場合、電源102aの方が負荷104に近く、したがってインピーダンスが低いため、より多くの電力が電源102aから取り出される。
【0025】
有利には、負荷104が確実に各電源102から等しい量の電力を受け取るように、図1に示すように、小さなAC電圧をDC電圧に重畳し、各電源102からのDC電圧を調節することができる。すなわち、以下で詳細に記載するように、各電源102は、AC電圧信号を(例えば、ローカルのプロセッサ装置を介して)ローカルに処理することができ、AC電圧信号に対する仮想インピーダンスに基づく周波数ドループ制御を介して、(例えば、ローカルの個々の積分コントローラを介して)DC電圧出力をそれ相応に制御する。したがって、本発明の実施形態では、電源から離れた任意の距離で任意に接続された負荷に対して一貫した量のDC電力を送出することができる。図1に示すように、各電源102には、それぞれの電源102のそれぞれからの電圧および電流出力を決定することができる電圧および電流センサがさらに装備されている。任意の市販の電圧および電流センサが本発明の実施形態において用いられてもよい。
【0026】
以下で詳細に記載するように、各電源102からのAC信号およびDC出力は、ローカルのプロセッサ装置によって行われるAC/DC出力判定に基づいて調節される。これらの判定を行うために、プロセッサ装置は、センサから(電源102からのACおよびDC出力に関連した)データを受け取る。次いで、プロセッサ装置からの出力判定がコントローラを介して実施される。したがって、各電源102のプロセッサ装置は、電源102のローカルのセンサおよびコントローラの両方とデータを交換することができる。
【0027】
ここで、本発明の実施形態の概要が図2の方法論200を参照することによって提供される。方法論200のステップは、図1の(すなわち、電源から離れた任意の距離にある1つまたは複数の負荷104に接続され、その負荷104に対して電圧源として動作する1つまたは複数の電源102を含む)DC回路網100の文脈で記載される。より具体的には、方法論200は、DC回路網の各電源102によって行われる。
【0028】
ステップ202では、各電源102は、制御可能なDC電圧を発生させる。すなわち、上で強調したように、各電源102は、電源からのDC出力を調節することができるコントローラを有する。それゆえ、DC出力は、制御可能である。
【0029】
ステップ204では、各電源102は、DC電圧に制御可能なAC電圧信号を重畳する。DC出力と同様に、各電源からのAC電圧信号出力も調節することができる。したがって、AC出力も制御可能である。
【0030】
ステップ206では、各電源102は、その(ローカルな)AC電圧および電流を検知する。すなわち、上で強調されたように、各電源102は、関連付けられた電流および電圧センサを有する。したがって、各電源は、そのAC出力の電圧および電流を独立して判定することができる。例示的な実施形態によると、ローカルな定常状態のAC電流は離散的な間隔で測定される。この理由は、周波数ドループ制御が小さな過渡現象の後に安定するためである。過渡現象期間中に、AC電流は、広範囲の値にわたって変動することがある。しかし、定常状態の電流の大きさは、かなり小さい。したがって、電力分担プロセスにとっては、離散的な間隔でAC電流を測定して、過渡現象段階を回避し、定常状態の電流のみを使用することが重要である。また、離散的な時間ステップで発生することがある大きな偏位を回避するために、飽和ブロックを使用して電流測定値を制限してもよい。
【0031】
ステップ208では、(ステップ206からの)AC電圧および電流出力に基づいて、標準の仮想インピーダンスに基づく周波数ドループ制御を使用してAC電圧信号を調節することができる。He et al., “An islanding microgrid power sharing approach using enhanced virtual impedance control scheme,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 28, no. 11, pp. 5272-5282, Nov 2013を参照されたく、その内容があたかも完全に本明細書で述べられているかのように参照により組み込まれる。単なる例として、発生源102a、102bなどの間での電力分担は、所定の電力分担基準に従って実行され得る。例えば、すべての電源間で等しく電力を分担する(すべての電源が同じ量の電力を供給する)ことができる。あるいは、別の比例量を選択することができ、例えば、電源1は(線路インピーダンス分布に関係なく)常に電源2の2倍の電力を提供するなどである。電力分担の選択は、固有の系統特性、関与する電源/バッテリのタイプなどに依存し、任意の様々な異なる電力分担スキームを本明細書で実施することができる。
【0032】
ステップ210では、(調節された)AC電圧信号を使用して所望のDC出力を実現するために必要とされるDC電圧を決定する。単なる例として、基準DC電流は、AC電流をスケーリングすることによって計算されてもよい。この原理を例示するために単純で非限定的な例を使用して、AC電圧の振幅がDC電圧の1%であるとすると、その場合、基準DC電流を得るためには、測定されたAC電流信号に100を乗算する必要がある。ステップ212では、各電源102からのDC電圧出力は、(ステップ210からの)所望のDC出力と一致するように、例えば、各電源102のコントローラを介してそれ相応に調整される。
【0033】
図2に示すように、方法論200は、反復的に行われる。すなわち、各反復において、電源のそれぞれからのAC信号およびDC出力は、前回の反復で行われた決定に基づいて更新される。さらに、上で強調したように、各電源102は、本技法を実施するために使用することができるそれ自体のプロセッサ装置を有する。したがって、例えば、方法論200の所与の反復において、ローカルのプロセッサ装置は、電源102がステップ202および204でそれぞれ発生させるDC出力およびAC信号出力を決定する。この出力の決定は、例えば、方法論200の前回の反復において行ったDCおよびAC信号出力計算に基づいてもよい。各電源のセンサおよびコントローラ(上記参照)を用いて、ローカルのプロセッサ装置によって決定したDC/AC信号の出力を実施する。
【0034】
(ステップ206での)センサからのフィードバックに基づいて、プロセッサ装置は、仮想インピーダンスに基づく周波数ドループ制御を使用して(ステップ208のように)AC信号を調節することができる。次いで、ローカルのプロセッサ装置は、(ステップ210のように)調節されたAC電圧信号を使用してDC電圧出力を決定し、(ステップ212のように)コントローラを介してこのDC電圧出力を実現することができる。
【0035】
ここで、本発明の実施形態の上記記載を考慮して、検討中の問題のより詳細な技術的記載を提供する。
ドループ制御
【0036】
典型的には、DCマイクログリッド電源は、ドループ制御を実施して、電圧制御および電力分担を同時に実現する。DC回路網における従来の電圧ドループ制御は、以下のとおりである。すなわち、
=Vref−mx,d (1)
ここで、Vrefは基準DC電圧であり、Pは、x番目のコンバータから回路網に流入する電力であり、mx,dは、ドループ係数である。本質的に、電圧ドループは、ローカル制御であり、ローカル情報の利用ができないと、これらの系統の電力分担能力が妨げられる。したがって、電力分担を容易にするためにドループ係数mx,d、または代替として仮想線路インピーダンスRx,dを操作する適応性のある電力分担方法がない限りは、従来のドループ制御は、同様の電力分担問題に直面する。これらの操作は、例えば、電力線信号伝達(power line signaling)または負荷電圧/電源電流通信技法を使用して実行されることがある。電力線信号伝達および通信に基づくドループ制御技法が発電機および負荷のスケジューリングに使用される。
【0037】
しかしながら、電源間の通信を必要とせずに適切な電力分担を保証し、さらにドループ係数の複雑な選択を回避する技法を有することが望ましい。
【0038】
AC回路網のための発振器理論および周波数ドループ制御の原理(例えば、Simpson-Porco参照)に基づいて、DC電圧は、以下に示すように、各電源において低振幅の高周波AC成分を加えることによって修正される。すなわち、
=Vref+v−C (2)
ここで、v=nrefsin(ωt)は、AC成分であり、Vは、各コンバータの電圧出力であり、Vrefは、基準DC電圧であり、n<<1は、AC成分の振幅を決定するスケーリング係数である。ωは、AC成分の周波数であり、Cは、積分制御項であり、その重要性は以下で明らかになるであろう。
【0039】
AC回路網の周波数ドループの原理に従って、AC周波数成分の展開は、
ω=ωref−m (3)
【数1】

【数2】

によって与えられ、ここで、ωrefは、AC成分の基準周波数であり、Sは、ラプラス演算子であり、mは、周波数ドループ(電力分担)係数であり、Pは、x番目のコンバータにおけるAC成分に関連付けられた有効電力である。AC系統における周波数ドループ制御が線路インピーダンス分布に関係なく適切な電力分担を保証することは、よく知られている事実である。周波数ドループ制御される系統のこの属性は、各コンバータによってローカルに発生させなければならない基準電力を識別する方法として使用される。厳密には、出力電力Pおよび関連付けられた電流iが測定される。電流値は、スケーリング比の逆数、すなわち、
【数3】

を使用してスケーリングされる。これは、結果として、変化する電圧出力が追従する新しい電流基準となる。電圧出力の変更は、積分制御Cを使用して実行される。このプロセスから得られるDC基準電流Iref,xは、出力電流Iが追従しなければならない基準である。一方、周波数ドループに関連付けられた周波数偏移があることは、よく知られている。この偏位を補正するために別々の通信に基づく技法を使用することができるが、現在のプロセスにとっては重要ではなく、しかも不要である。例として、DC電圧は、(例えば、各電源において)積分コントローラを使用して調節され得る。このプロセスは、以下の式によって要約され得る。すなわち、
【数4】

【数5】

ここで、Cは、インバータxにおける積分制御変数であり、α<<1は、速度および安定性調整パラメータである。制御Cは、適切な動的安定性を保証するために、離散的な時間間隔でコンバータ電圧に適用される。
【0040】
実施態様:ここで、本発明の例示的な実施形態が図3を参照することによって記載される。図3に示すDC電源は、バッテリもしくは任意の他のDC発生源、またはDCに変換された任意のAC発生源(300)などであってもよい。電源のDC電圧は、場合によっては、分配のために別のDC電圧に変換されてもよい。これは、DC/DCインタフェース310を使用して行われる。本発明の実施形態によると、非常に低い電力定格のDC/ACインタフェースもある。ここでのDC/ACインタフェースは、周波数ドループ制御を使用して動作する。例示的な実施形態によると、フィルタ320は、望ましくない高調波を除去するために使用される。(図4でさらに記載される)信号処理および制御ブロック330は、入力として電圧および電流測定値360を使用する。システムは、インピーダンス350を有するケーブルを介してマイクログリッド回路網340の残りの部分に接続されている。
【0041】
(上記の)方法論200と同じ全体的な流に従って、本例における実施態様は、以下のステップを含む。すなわち、
端子電圧Vおよびコンバータ・システムを流れる電流Iを測定する出力電圧および電流センサがある。
これらの電圧値および電流値は、Vおよびiによってそれぞれ表示される低振幅のAC項を含む。これらの低振幅の項は、信号処理方法を使用して得られる。
低振幅の項に関連付けられた電力Pは、式(4)で示すような遮断周波数ωの低域フィルタを使用して得られる。
次いで、電力Pにドループ係数mを乗算し、この積が式(3)に示すように低振幅AC電圧の周波数の大きさを修正する。
一方、電流測定値iは、電圧比係数nで除算される。
上記の結果のピーク値が基準の役目を果たし、式(2)で示すようにDC電圧を変えることによってIx,avgのローカルなDC電流成分がこの基準値に追従するように制御される。項αは、追従の速度を制御する利得である。利得の適切な選択によって、安定なシステムと共に高速の追従が保証される。
【0042】
仮想インダクタンス・エミュレーション:電力−周波数ドループ制御は、インダクタンス対抵抗
【数6】

比が高いAC系統で有効であることがよく知られている。しかし、DC系統で使用されるケーブルは、非常に低いインダクタンスである。したがって、仮想インピーダンス・エミュレーションの原理に従って、各コンバータの出力の出力インダクタンスLをエミュレートしなければならない。仮想インピーダンス・エミュレーションは、線路損失を引き起こさないので、ACサブ系統が安定するように設計することができる。仮想インピーダンス・エミュレーションの記載については、例えば、J. He et al., “An islanding microgrid power sharing approach using enhanced virtual impedance control scheme,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 28, no. 11, pp. 5272-5282, Nov 2013を参照されたい。
【0043】
本発明は、システム、方法、またはコンピュータプログラム製品、あるいはその組合せであってもよい。コンピュータプログラム製品は、プロセッサに本発明の態様を実行させるためのコンピュータ可読プログラム命令を有するコンピュータ可読記憶媒体(複数可)を含むことができる。
【0044】
コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行装置によって使用するための命令を保持し記憶することができる有形の装置であってもよい。コンピュータ可読記憶媒体は、例えば、限定されないが、電子記憶装置、磁気記憶装置、光記憶装置、電磁記憶装置、半導体記憶装置、または上記の任意の適切な組合せであってもよい。コンピュータ可読記憶媒体のより具体的な例の非網羅的なリストには、ポータブル・コンピュータ・ディスケット、ハードディスク、ランダム・アクセス・メモリ(RAM)、読み取り専用メモリ(ROM)、消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ(EPROMもしくはフラッシュ・メモリ)、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ(SRAM)、ポータブル・コンパクト・ディスク読み取り専用メモリ(CD−ROM)、デジタル多用途ディスク(DVD)、メモリスティック、フロッピー(R)ディスク、パンチカードまたは命令が記録された溝内の突起構造などの機械的に符号化されたデバイス、および上記の任意の適切な組合せが含まれる。本明細書で使用されるようなコンピュータ可読記憶媒体は、電波もしくは他の自由に伝搬する電磁波、導波路もしくは他の伝送媒体を通って伝播する電磁波(例えば、光ファイバ・ケーブルを通過する光パルス)、またはワイヤを通って伝送される電気信号などの、一時的な信号それ自体であると解釈されるべきではない。
【0045】
本明細書に記載されるコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータ可読記憶媒体からそれぞれの演算/処理装置に、または外部コンピュータ、もしくは外部記憶装置に、ネットワーク、例えば、インターネット、ローカル・エリア・ネットワーク、広域ネットワーク、またはワイヤレス・ネットワーク、あるいはその組合せを介してダウンロードすることができる。ネットワークは、銅伝送ケーブル、光伝送ファイバ、ワイヤレス伝送、ルータ、ファイアウォール、スイッチ、ゲートウェイ・コンピュータ、またはエッジ・サーバ、あるいはその組合せを備えることができる。各演算/処理装置のネットワーク・アダプタ・カードまたはネットワーク・インタフェースは、ネットワークからコンピュータ可読プログラム命令を受け取り、コンピュータ可読プログラム命令をそれぞれの演算/処理装置内部のコンピュータ可読記憶媒体に記憶するために転送する。
【0046】
本発明の動作を実行するためのコンピュータ可読プログラム命令は、アセンブラ命令、命令セット・アーキテクチャ(ISA)命令、機械語命令、機械依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、あるいは、Smalltalk(R)、C++などのオブジェクト指向プログラミング言語および「C」プログラミング言語もしくは同様のプログラミング言語などの従来の手続き型プログラミング言語を含む1つまたは複数のプログラミング言語の任意の組合せで書かれたソース・コードもしくはオブジェクト・コードであってもよい。コンピュータ可読プログラム命令は、スタンド・アロンのソフトウェアパッケージとして、すべてユーザのコンピュータ上で、一部ユーザのコンピュータ上で、一部ユーザのコンピュータ上でかつ一部遠隔コンピュータ上で、またはすべて遠隔コンピュータもしくはサーバ上で実行することができる。後者のシナリオでは、遠隔コンピュータは、ローカル・エリア・ネットワーク(LAN)または広域ネットワーク(WAN)を含む任意のタイプのネットワークを介してユーザのコンピュータに接続されてもよく、あるいは(例えば、インターネット・サービス・プロバイダを使用してインターネットを介して)外部コンピュータに接続されてもよい。一部の実施形態では、例えば、プログラマブル・ロジック回路、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ(FPGA)またはプログラマブル・ロジック・アレイ(PLA)を含む電子回路は、本発明の態様を行うために、コンピュータ可読プログラム命令の状態情報を利用して電子回路をパーソナライズするようにコンピュータ可読プログラム命令を実行することができる。
【0047】
本発明の態様は、本発明の実施形態による方法、装置(システム)、およびコンピュータプログラム製品の流れ図またはブロック図あるいはその両方を参照して本明細書に記載されている。流れ図またはブロック図あるいはその両方の各ブロック、および流れ図またはブロック図あるいはその両方におけるブロックの組合せは、コンピュータ可読プログラム命令によって実施することができることが理解されるであろう。
【0048】
これらのコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行される命令が、流れ図またはブロック図あるいはその両方の1つまたは複数のブロックにおいて指定された機能/行為を実施するための手段を作り出すように、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサに提供されて、マシンを生成することができる。また、これらのコンピュータ可読プログラム命令は、命令が記憶されたコンピュータ可読記憶媒体が、流れ図またはブロック図あるいはその両方の1つまたは複数のブロックにおいて指定された機能/行為の態様を実施する命令を含む製造物品を備えるように、コンピュータ可読記憶媒体に記憶されてもよく、コンピュータ、プログラム可能データ処理装置または他の装置あるいはその組合せに特定のやり方で機能するように指示することができる。
【0049】
また、コンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータ、他のプログラム可能装置または他の装置あるいはその組合せ上で実行される命令が、流れ図またはブロック図あるいはその両方の1つまたは複数のブロックにおいて指定された機能/行為を実施するように、コンピュータ、他のプログラム可能装置または他の装置上で一連の動作ステップを実行させるために、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置または他の装置にロードされて、コンピュータ実施プロセスを生成することができる。
【0050】
図の流れ図およびブロック図は、本発明の様々な実施形態による、システム、方法およびコンピュータプログラム製品の可能な実施態様のアーキテクチャ、機能性および動作を示す。この点に関して、流れ図またはブロック図の各ブロックは、指定された論理機能を実施するための1つまたは複数の実行可能命令を備えるモジュール、セグメント、または命令の一部を表すことができる。一部の代替の実施態様では、ブロックに記された機能は、図に記された順番から外れて行われてもよい。例えば、連続して示される2つのブロックは、実際には、実質的に同時に実行されてもよく、またはブロックは、含まれる機能性に応じて逆の順番で実行されてもよい場合がある。また、ブロック図または流れ図あるいはその両方の各ブロック、およびブロック図または流れ図あるいはその両方におけるブロックの組合せは、指定された機能もしくは行為を行い、または専用のハードウェアおよびコンピュータ命令を組み合わせて実行する専用のハードウェアベースのシステムによって実施されてもよいことに留意されたい。
【0051】
ここで、図4を参照すると、本明細書で提示された方法論の1つまたは複数を実施するための装置400のブロック図が示されている。単なる例として、装置400は、図2の方法論200のステップの1つまたは複数を実施するように構成され得る。
【0052】
装置400は、コンピュータ・システム410および取り外し可能な媒体450を含む。コンピュータ・システム410は、プロセッサ装置420、ネットワーク・インタフェース425、メモリ430、メディア・インタフェース435、および任意選択のディスプレイ440を含む。ネットワーク・インタフェース425によってコンピュータ・システム410をネットワークに接続することができ、一方、メディア・インタフェース435によってコンピュータ・システム410が、ハードドライブまたは取り外し可能な媒体450などの媒体と対話することができる。
【0053】
プロセッサ装置420は、本明細書に開示された方法、ステップ、および機能を実施するように構成され得る。メモリ430は、分散させていてもローカルであってもよく、プロセッサ装置420は、分散させていても単独であってもよい。メモリ430は、電気、磁気、または光メモリ、あるいは、これらまたは他のタイプの記憶装置の任意の組合せとして実装されてもよい。さらに、用語「メモリ」は、プロセッサ装置420によってアクセスされるアドレス指定可能な空間内のアドレスに対して読み書きできる任意の情報を包含するように十分幅広く解釈されるべきである。この規定によって、ネットワーク・インタフェース425を介してアクセス可能なネットワークに関する情報は、プロセッサ装置420がネットワークから情報を取り出すことができるため、依然としてメモリ430内部にある。プロセッサ装置420を構成する各分散プロセッサは、一般にそれ自体のアドレス指定可能なメモリ空間を含むことに留意されたい。また、コンピュータ・システム410の一部またはすべては、特定用途向けもしく汎用集積回路に組み込まれ得ることに留意されたい。
【0054】
任意選択のディスプレイ440は、装置400の人間のユーザと対話するのに適した任意のタイプのディスプレイである。一般に、ディスプレイ440は、コンピュータ・モニタまたは他の同様のディスプレイである。
【0055】
本発明の例示的な実施形態が本明細書で記載されたが、本発明は、これらの厳密な実施形態には限定されず、様々な他の変形および変更が本発明の範囲から逸脱せずに当業者によって行われ得ることを理解されたい。
図1
図2
図3
図4
【国際調査報告】