(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配電系統に接続されたマイクログリッドを制御する方法であって、
前記マイクログリッドの前記配電系統との系統連系点(ＰＣＣ)における電力潮流の測定値を用いて、該マイクログリッドのダイナミクスのモデルのパラメータを求めることであって、該モデルは前記ＰＣＣにおいて電圧設定値に対して安定しているものと、
前記モデルの前記パラメータを用いて、前記ＰＣＣにおける電圧を前記電圧設定値に対して漸近安定で維持するために必要な無効電力の量を求めることと、
無効電力コントローラを介して、前記量の無効電力を生成するように前記マイクログリッドの発電機を制御することと、
を含み、
前記無効電力コントローラは、前記モデルの一次制御成分を使用して前記発電機を制御するドループコントローラと、前記モデルの安定化成分を使用して前記発電機を制御する二次電圧コントローラと、を含み、前記ドループコントローラは、前記ＰＣＣにおける前記電圧と前記発電機によって生成される前記無効電力の前記量との間の比例関係を両者を含む関数により確実にして、ドループ勾配を用いて一次制御のダイナミクスに従って前記発電機を制御し、前記二次電圧コントローラは、前記安定化成分に従って前記ドループコントローラの前記ドループ勾配をシフトさせ、
該方法の少なくとも幾つかのステップはプロセッサを用いて実行される、方法。
【請求項２】
前記モデルは、前記ＰＣＣに注入された無効電力の関数、前記マイクログリッドにおける負荷変動の関数、及び前記ＰＣＣにおける電圧変動の関数を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記モデルは、一次制御成分及び安定化成分のダイナミクスを含み、
前記モデルはさらに、
前記ＰＣＣにおける前記電圧変動に対して比例する関数を用いて、前記一次制御成分を求めることと、
前記ＰＣＣに注入された前記無効電力の無効電力設定値からの偏差、前記ＰＣＣにおける前記電圧の前記電圧設定値からの偏差、及び前記マイクログリッドにおける前記負荷変動を用いて、前記安定化成分を求めることと、
前記一次制御成分及び前記安定化成分の組合せを用いて、前記無効電力の量を求めることと、
を更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ＰＣＣ、及び接続リンクを介して前記マイクログリッドに接続された前記配電系統の母線において、電力潮流の状態を測定して、前記電力潮流の測定値を生成することであって、前記電力潮流の状態は、前記ＰＣＣにおける実電力注入及び無効電力注入と、該ＰＣＣにおける電圧の大きさと、前記接続された母線から該ＰＣＣへの実電力潮流及び無効電力潮流と、前記接続された母線における電圧の大きさとを含むものと、
前記電力潮流の前記測定値を用いて前記接続リンクのパラメータを求めることと、
前記電力潮流の前記測定値と前記接続リンクの前記パラメータとを用いて、前記無効電力注入、前記電圧の偏差及び前記マイクログリッドにおける前記負荷変動を求めることと、
前記マイクログリッドにおける前記負荷変動の影響を無効にする前記安定化成分を求めることと、
を更に含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記接続リンクの前記パラメータは、等価アドミタンスの大きさ及び位相角並びに変圧器比を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記モデルは、以下を含み、
【数１】
0006615061.tif 000069
式中、ｍＱ，ｉは、前記ドループコントローラのドループ勾配を定義する係数であり、Ｅｒｅｆ，ｉは、以下のように前記電圧設定値Ｅｓｅｔ，ｉ及び無効電力設定値Ｑｓｅｔ，ｉに基づいて求められた前記ＰＣＣにおける電圧基準であり、
【数２】
0006615061.tif 000070
Ｑｌｏａｄ，ｓｅｔ，ｉ(Ｅｓｅｔ，ｉ)は、前記電圧設定値の電圧下でのＰＣＣにおける負荷需要の前記無効電力であり、Ｅｉは、前記ＰＣＣにおける電圧であり、Ｑｇｅｎ，ｉは、前記発電機によって生成される前記無効電力の量であり、該無効電力の量Ｑｇｅｎ，ｉは、前記ＰＣＣにおける前記電圧の前記電圧設定値からの偏差に比例し、ｕｉは、前記ＰＣＣにおける前記電圧の時間ｔ導関数をゼロ値に対して指数安定にするように求められた前記安定化成分である、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記安定化成分ｕｉは、以下を用いて求められた前記ドループコントローラに対する二次電圧制御入力であり、
【数３】
0006615061.tif 000071
式中、
【数４】
0006615061.tif 000072
であり、式中、ΔＱＺ−ｌｏａｄ，ｉは、定インピーダンス負荷成分の変動であり、ΔＱＩ−ｌｏａｄ，ｉは、定電流負荷成分の変動であり、ΔＱＰ−ｌｏａｄ，ｉは、定電力負荷成分の変動であり、Ｂｉｊは、前記ＰＣＣと配電系統の第１の母線との間の接続リンクのインピーダンスｚｉｊの逆数の負数として求められた等価アドミタンスの虚数成分である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記安定化成分は、以下の前記ＰＣＣにおける前記電圧の値の領域において収束速度が
【数５】
0006615061.tif 000073
より高速である安定に至るように求められ、
【数６】
0006615061.tif 000074
式中、ａｉ＝ＱＺ−ｌｏａｄ，ｓｅｔ，ｉ＋Ｂｉｊであり、
【数７】
0006615061.tif 000075
であり、ＱＺ−ｌｏａｄ，ｓｅｔ，ｉは公称定インピーダンス負荷成分の無効電力であり、ＱＩ−ｌｏａｄ，ｉは公称定電流負荷成分の無効電力である、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
外乱を含む前記モデルは、各ｐ∈［１，∞)に対して安定した小信号有限利得Ｌｐである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記発電機は、小型同期発電機、ソーラーパネル、風力タービン及びエネルギーストレージのうちの１つ又は組合せを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
配電系統に接続されたマイクログリッドの電圧を制御するシステムであって、
要求された量の無効電力を生成する発電機と、
前記マイクログリッド及び配電網の系統連系点(ＰＣＣ)における電圧設定値に対して安定している該マイクログリッドのダイナミクスのモデルを用いて、無効電力の量を求めるプロセッサであって、前記モデルは、前記ＰＣＣに注入された無効電力の関数、前記マイクログリッドにおける負荷変動の関数、及び前記ＰＣＣにおける電圧変動の関数を含むものと、
前記ＰＣＣを前記配電系統の母線に接続するリンクに対する電力潮流の状態を測定して、前記モデルのパラメータを求める、一組のセンサと、
前記量の無効電力を生成するように前記発電機を制御する無効電力コントローラと、
を備え、
前記無効電力コントローラは、前記モデルの一次制御成分を使用して前記発電機を制御するドループコントローラと、前記モデルの安定化成分を使用して前記発電機を制御する二次電圧コントローラと、を含み、前記ドループコントローラは、前記ＰＣＣにおける前記電圧と前記発電機によって生成される前記無効電力の前記量との間の比例関係を両者を含む前記ＰＣＣにおける電圧変動の関数により確実にして、ドループ勾配を用いて一次制御のダイナミクスに従って前記発電機を制御し、前記二次電圧コントローラは、前記安定化成分に従って前記ドループコントローラの前記ドループ勾配をシフトさせる、システム。
【請求項１２】
配電系統に接続されたマイクログリッドを制御する方法であって、
前記マイクログリッドの前記配電系統との系統連系点(ＰＣＣ)における電力潮流の測定値を用いて、該マイクログリッドのダイナミクスのモデルのパラメータを求めることであって、該モデルは前記ＰＣＣにおいて電圧設定値に対して安定しており、また前記電圧設定値に対して安定したリアプノフであり、関連するリアプノフ関数は、
【数８】
0006615061.tif 000076
但し、
Ｅｉは、前記ＰＣＣにおける電圧
Ｅｓｅｔ，ｉは、前記ＰＣＣにおける電圧設定値
ｍＱ，ｉは、前記マイクログリッドを制御するＱ−Ｅドループコントローラのドループ勾配
として定義され、前記モデルの平衡点はＥｉ＝Ｅｓｅｔ，ｉであるものと、
前記モデルの前記パラメータを用いて、前記ＰＣＣにおける電圧を前記電圧設定値に対して漸近安定で維持するために必要な無効電力の量を求めることと、
前記量の無効電力を生成するように前記マイクログリッドの発電機を制御することと、
を含み、
該方法の少なくとも幾つかのステップはプロセッサを用いて実行される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、包括的には、電力システムに関し、より詳細には、配電系統に接続されたマイクログリッドを制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクログリッドは、配電系統(ＰＤＳ)に接続されて、配電系統に断続的再生可能エネルギー資源を統合する追加の制御層を提供することができる、発電、蓄電及び負荷の局所的なグループ化である。ＰＤＳの観点から、接続されたマイクログリッドは、１つの実体であるかのように制御することができる。
【０００３】
負荷又は発電の変動によってマイクログリッドに不安定な電圧がもたらされるため、ＰＤＳは、通常、マイクログリッドを正の負荷又は負の負荷として扱う。こうした不安定性により、ＰＤＳに対する電源の品質が低下し、ＰＤＳが、マイクログリッドによって供給される電圧の変動を制御することが必要になる。しかしながら、ＰＤＳに対する安定した電圧供給を維持するには、ＰＤＳ全体及びマイクログリッドに対する電力潮流の高性能な測定が必要であり、それにより、ＰＤＳへのマイクログリッドのプラグイン機能が複雑になる。
【０００４】
例えば、幾つかのＰＤＳは、電圧調整器に補償信号を追加し及び／又は電圧源をエミュレートすることにより、マイクログリッドを制御し、それには、複雑な電力潮流計算が必要である。例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されている電圧調整方法は、高速インバーターのフィードバック信号に対して補償を追加することにより、出力電圧の動的応答を調整する。ＰＤＳによって決定されたフィードバック信号によってマイクログリッドを制御することにより、ＰＤＳに対して余分な負担がかかり、マイクログリッドのプラグアンドプレイ機能が低下する。
【０００５】
さらに、電力品質を維持することにより電圧制御アンシラリーサービスを提供することは、マイクログリッドに対して難題な作業であり、それは、これらの小規模電源系統が、通常、ドループコントローラによって管理されるためである。ドループコントローラは、系統状態がそれらの公称値から逸脱するときに、マイクログリッドが電力融通(power sharing)を維持するのを支援する。系統状態の変化により、ＰＤＳオペレーターは、マイクログリッドを含む配電網における電力品質を予測することができなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８７１０８１５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１−０３１６５１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、マイクログリッドのプラグアンドプレイ機能を可能にするようにＰＤＳに対して実質的に一定の電圧が供給されるようにする、マイクログリッドによる電圧の局所制御システム及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の幾つかの実施の形態の目的は、配電系統(ＰＤＳ)へのマイクログリッドの系統連系点(ＰＣＣ)における電圧を実質的に一定にする、マイクログリッドの発電機を制御するシステム及び方法を提供することである。幾つかの実施の形態の別の目的は、マイクログリッドのコントローラが利用可能な局所情報を使用して発電機を制御する方法を提供することである。こうした情報は、マイクログリッド及び／又はＰＣＣをＰＤＳの母線に接続するリンクに関する測定値に基づく電力潮流分析の結果を含むことができる。こうした局所制御により、接続リンクを越えたＰＤＳの動作の変更なしに、マイクログリッドをＰＤＳに接続するのを可能にする、ＰＤＳに接続されたマイクログリッドのプラグアンドプレイ機能が可能になる。
【０００９】
この発明の幾つかの実施の形態は、ＰＣＣにおける電圧設定値に対して指数安定であるマイクログリッドのダイナミクスのモデルに従って、上述した電圧を求め及び／又は調整することができるという認識に基づく。こうしたモデルは、例えば、ＰＣＣに注入された無効電力の関数、マイクログリッドにおける負荷変動の関数、及びＰＣＣにおける電圧変動の関数を用いて求めることができることが更に認識された。このように、こうしたモデルのパラメータは、マイクログリッドのコントローラが利用可能な局所情報である、ＰＣＣをＰＤＳに接続するリンクにおける電力潮流の測定値を用いて求めることができる。
【００１０】
例えば、１つの実施の形態では、モデルは、ＰＣＣにおける電圧に対して比例する無効電力を求める一次ドループ制御と、指数安定性を確実にするために一次ドループコントローラのドループ勾配をシフトさせる二次安定化制御成分との組合せを含む。この実施の形態により、マイクログリッドで広く使用されるドループコントローラをアップグレードすることができる。この二次安定化コントローラは、局所情報を用いて、一次ドループコントローラに対する制御入力を求める。追加の制御により、電力系統の残りにおける負荷又は状態の変化に関わらず、ＰＣＣにおいて定電圧を維持することができる。ＰＣＣに接続された常に変化する局所負荷がある場合であっても、二次電圧コントローラは、電圧の大きさに対する負荷変動の影響を無効にすることができる。こうした電圧制御機能により、マイクログリッドを用いて、配電網における電力品質を向上させ、したがって電圧調整アンシラリーサービスを提供することができる。
【００１１】
二次安定化コントローラは、配電系統オペレーターからの制御コマンドを変更する必要なしに設定値に関する指数安定性を保証する。測定値に測定ノイズ等の外乱が付随する場合、入出力有限利得安定性もまた確実にすることができる。また、二次安定化コントローラは、既存の電圧制御装置と互換性がある。ＰＣＣの電圧が設定値で調整されるため、配電網における既存の電圧制御装置の使用を減らすことにより、運用コストが削減される。
【００１２】
したがって、この発明の１つの実施の形態は、配電系統に接続されたマイクログリッドを制御する方法を開示する。該方法は、前記マイクログリッドの前記配電系統との系統連系点(ＰＣＣ)における電力潮流の測定値を用いて、該マイクログリッドのダイナミクスのモデルのパラメータを求めることであって、該モデルは前記ＰＣＣにおいて電圧設定値に対して指数安定であることと、前記モデルの前記パラメータを用いて、前記ＰＣＣにおける前記電圧を前記電圧設定値に対して漸近安定で維持するために必要な無効電力の量を求めることと、前記量の無効電力を生成するように前記マイクログリッドの発電機を制御することと、を含む。該方法の少なくとも幾つかのステップはプロセッサを用いて実行される。
【００１３】
別の実施の形態は、配電系統に接続されたマイクログリッドの電圧を制御するシステムであって、
要求された量の無効電力を生成する発電機と、
前記マイクログリッド及び前記配電網の系統連系点(ＰＣＣ)における電圧設定値に対して指数安定である該マイクログリッドのダイナミクスのモデルを用いて、無効電力の量を求めるプロセッサであって、前記モデルは、前記ＰＣＣに注入された無効電力の関数、前記マイクログリッドにおける負荷変動の関数、及び前記ＰＣＣにおける電圧変動の関数を含む、プロセッサと、
前記ＰＣＣを前記配電系統の母線に接続するリンクに対する電力潮流の状態を測定して、前記モデルのパラメータを求める、一組のセンサと、
前記量の無効電力を生成するように前記発電機を制御する無効電力コントローラと、
を具備するシステムを開示する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】発明の幾つかの実施の形態による配電系統に接続されたマイクログリッドの概略図である。
【図１Ｂ】この発明の幾つかの実施の形態による、配電系統に接続されたマイクログリッドを制御する方法のブロック図である。
【図２】マイクログリッドのＰＣＣと配電系統との間の接続リンクに対する一般的な分岐モデルの概略図である。
【図３】この発明の幾つかの実施の形態による３相一次ドループコントローラの概略図である。
【図４】この発明の幾つかの実施の形態によるドループコントローラを用いるマイクログリッドの無効電力制御を示す概略図である。
【図５】この発明の幾つかの実施の形態による配電系統に接続されたマイクログリッドの電圧を制御するシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
配電系統に接続されたマイクログリッドの概説
図１Ａは、発明の幾つかの実施の形態による配電系統(ＰＤＳ)１０４に接続されたマイクログリッド、例えばマイクログリッド１０１、１０２又は１０３の例を示す。ＰＤＳは、母線１０５を介してメイングリッド(すなわち、送電系統)に接続されている。３つのマイクログリッドが、系統連系点(ＰＣＣ：point of common coupling)、例えば母線１１０、１２０及び１３０それぞれを介してＰＤＳに接続されている。したがって、各マイクログリッドは、負荷母線ｊへの母線ｉにおいてそのＰＣＣを介して配電網に接続する。リンクが、各マイクログリッドのＰＣＣをＰＤＳの母線に接続する。例えば、ＰＣＣ１１０は、接続リンクを介してＰＤＳの第１の母線１１８に接続される。接続リンクは、例えば、マイクログリッドを接続された母線１１８に接続する昇圧変圧器１１６又は送電線を含むことができる。
【００１６】
幾つかの実施態様では、各変圧器のタップを用いて、各マイクログリッドの系統連系点(ＰＣＣ)における電圧が調整される。各タップ変更は、数秒間の機械的遅延があり、電圧の大きさの変動の１．２５％等の所与の量に対応する。幾つかの実施の形態において、各マイクログリッドのＰＣＣ電圧は、ドループコントローラ等の自動コントローラによって調整される。
【００１７】
高速インバーターベースの発電機の場合、各ＰＣＣにおける位相角もまた、ドループコントローラによって調整することができ、回転機械ベースの発電機の場合、そのダイナミクスは、動揺方程式によって調整される。各マイクログリッドに設置された発電機に応じて、各マイクログリッドの慣性が異なる可能性がある。例えば、母線１１０は、慣性が大きい回転発電機を有するマイクログリッド１に接続されている。母線１２０及び母線１３０は、慣性値が小さい高速インバーターベースの生成を有するマイクログリッド２及び３に接続されている。
【００１８】
同様に、無効電力−電圧ドループコントローラは、それらの無効電力容量に関連する異なるパラメータを有する。結果として、同じ量の無効電力が注入されている間であっても、マイクログリッドが異なると電圧の大きさの偏差が異なる。
【００１９】
図１Ａの例では、配電網に３つの領域がある。各領域において、マイクログリッドは、タップチェンジャーを備えた変圧器を通して配電フィーダーの端部に結合される。この発明の幾つかの実施の形態は、ＰＣＣにおける電圧設定値に対する指数安定であるマイクログリッドのダイナミクスのモデルに従って、上記電圧を求め及び／又は調整することができるという認識に基づく。これは、電圧がフィーダーの端部で最も低下し、これらのマイクログリッドに接続された母線において電圧を調整するために電圧制御アンシラリーサービスが最も必要とされるためである。
【００２０】
図１Ｂは、この発明の幾つかの実施の形態による、配電系統に接続されたマイクログリッドを制御する方法のブロック図を示す。本方法の少なくとも幾つかのステップは、プロセッサ１３５を用いて実行される。本方法は、マイクログリッドの配電系統とのＰＣＣにおける電力潮流の測定値１４０を用いて、マイクログリッドのダイナミクスのモデル１４５のパラメータ１５５を求めること(１５０)を含む。この発明の様々な実施の形態によって使用されるモデル１４５は、ＰＣＣにおける電圧設定値に対して指数安定であり、したがって、ＰＣＣにおいて電圧の漸近安定制御を可能にし、それにより、ＰＤＳからの追加の制御努力なしにＰＤＳにマイクログリッドをプラグアンドプレイ式に統合することができるようになる。
【００２１】
したがって、本方法は、モデルのパラメータ１５５を用いて、ＰＣＣにおける電圧を電圧設定値に対して漸近安定で維持するために必要な無効電力１６５の量を求めること(１６０)を更に含む。無効電力の量が求められた後、本方法は、その量の無効電力を生成するようにマイクログリッドの発電機を制御する(１７０)。
【００２２】
電力潮流関係
この発明の幾つかの実施の形態は、ＰＣＣに注入された無効電力の関数、マイクログリッドにおける負荷変動の関数、及びＰＣＣにおける電圧変動の関数を用いて、漸近安定モデルを求める。このように、こうしたモデルのパラメータは、マイクログリッドのコントローラが利用可能な局所情報である、ＰＣＣをＰＤＳに接続するリンクにおける電力潮流の測定値を用いて求めることができる。
【００２３】
図２は、母線ｉ２１０と母線ｊ２２０との間の接続リンクに対する一般的な分岐モデルである。接続リンク２３０は、送電線、又はタップチェンジャーを備えた変圧器である。マイクログリッドが、通常、ＰＣＣにおける電圧を自動的に調整する昇圧変圧器２４０に接続する。自動電圧調整は、タップ値Ｔｉｊを有するこの昇圧変圧器の低圧(マイクログリッド)側におけるタップ位置を変化させることによって達成される。送電線の場合、このタップ値は常にＴｉｊ＝１である。
【００２４】
母線ｉ２１０と母線ｊ２２０との間の電力潮流関係をモデル化するために、接続リンクのみを考慮する。この接続リンクのインピーダンスはＺｉｊ２５０である。わずかな記号の濫用により、記号Ｙｉｊは、以下のように定義される。
【００２５】
【数１】
0006615061.tif 000002
【００２６】
記号Ｙｉｊは、以下の２つの形式で表される。
【００２７】
【数２】
0006615061.tif 000003
【００２８】
式中、
【００２９】
【数３】
0006615061.tif 000004
【００３０】
である。
【００３１】
母線ｉでは、Ｅｉは電圧の大きさであり、δｉは電圧の位相角２６０であり、Ｐｉ及びＱｉは注入電力である。母線ｊにおいて、Ｅｊは電圧の大きさであり、δｊは電圧の位相角２７０である。Ｙｉｊの式を用いて、母線ｉに流れ込む実電力及び無効電力２８０は、以下のように表される。
【００３２】
【数４】
0006615061.tif 000005
【００３３】
母線ｊから母線ｉに流れ込む実電力及び無効電力２９０は、以下のように表される。
【００３４】
【数５】
0006615061.tif 000006
【００３５】
発電機母線及び負荷母線の両方に対して単一のモデルを定義するために、各母線は発電機及び負荷を接続する。Ｐｇｅｎ，ｉ及びＱｇｅｎ，ｉは発生した電力を示し、Ｐｌｏａｄ，ｉ及びＱｌｏａｄ，ｉは実負荷及び無効負荷である。そして、母線ｉにおける電力潮流は以下の通りである。
【００３６】
【数６】
0006615061.tif 000007
【００３７】
発電が全くない場合、負荷母線ｊはＰｊ＋Ｐｌｏａｄ，ｊ＝０であり、Ｑｊ＋Ｑｌｏａｄ，ｊ＝０である。
【００３８】
これらのパラメータは、配電系統に対する構成及び計画中に最初に求められる。パラメータは、制御活動に起因して後に変化する可能性がある。
【００３９】
負荷モデル
配電網又はマイクログリッドは、多項式負荷モデルとしてＺＩＰ負荷モデルを用いることによって概して表すことができる様々なタイプの負荷を含むことができる。ＺＩＰモデルは、定インピーダンス(Ｚ)成分、定電流(Ｉ)成分及び定電力(Ｐ)成分を結合する。任意の母線ｉにおける実負荷及び無効負荷は、以下のように電圧の大きさＥｉ(ｐ．ｕ．)の関数として定義され、
【００４０】
【数７】
0006615061.tif 000008
【００４１】
式中、ＰＺ−ｌｏａｄ，ｉ及びＱＺ−ｌｏａｄ，ｉは、シャント装置を含む公称定インピーダンス負荷であり、ＰＩ−ｌｏａｄ，ｉ及びＱＩ−ｌｏａｄ，ｉは、電流源としてモデル化される装置を示す、公称定電流負荷であり、ＰＰ−ｌｏａｄ，ｉ及びＱＰ−ｌｏａｄ，ｉは、概して電力制御機構の結果としての公称定電力負荷である。その結果、ＺＩＰモデルは、種々の負荷及び制御装置を表す。
【００４２】
公称条件下では、実電力負荷値及び無効電力負荷値は、以下のようにＥｉの関数である。
【００４３】
【数８】
0006615061.tif 000009
【００４４】
方程式(９〜１２)の負荷式を結合すると、負荷変化ΔＰｌｏａｄ，ｉ(Ｅｉ)及びΔＱｌｏａｄ，ｉ(Ｅｉ)は以下のように定義され、
【００４５】
【数９】
0006615061.tif 000010
【００４６】
式中、ΔＰＺ−ｌｏａｄ，ｉ及びΔＱＺ−ｌｏａｄ，ｉは、定インピーダンス負荷成分の変動であり、ΔＰＩ−ｌｏａｄ，ｉ及びΔＱＩ−ｌｏａｄ，ｉは、定電流負荷成分の変動であり、ΔＰＰ−ｌｏａｄ，ｉ及びΔＱＰ−ｌｏａｄ，ｉは、定電力負荷成分の変動である。
【００４７】
一次ドループコントローラ
小規模電力系統として、マイクログリッドは、ドループコントローラによって管理されることが多い。ドループコントローラは、マイクログリッドが、系統状態がそれらの公称値から逸脱するときに電力融通を維持するのを支援する。
【００４８】
ドループコントローラを用いて、以下の初期ダイナミクスで、マイクログリッドのＰＣＣにおける電圧の大きさを管理することができ、
【００４９】
【数１０】
0006615061.tif 000011
【００５０】
式中、ｍＱ，ｉは、Ｑ−Ｅドループコントローラのドループ勾配であり、Ｅｒｅｆ，ｉは、電圧制御コマンドを示し、Ｑｇｅｎ，ｉは、マイクログリッドからの無効電力発生である。こうしたドループコントローラにより、マイクログリッドからの注入無効電力の量、すなわちＱｇｅｎ，ｉは、Ｅｒｅｆ，ｉとＥｉとの間の電圧差に比例する。多様な無効電力注入により、電圧の大きさＥｉが更に変化することが防止される。
【００５１】
電圧調整と同様に、高速インバーターによるマイクログリッドのＰＣＣにおける位相角は、ドループコントローラを通して制御され、そのダイナミクスは以下の通りであり、
【００５２】
【数１１】
0006615061.tif 000012
【００５３】
式中、ｍＰ，ｉは、Ｐ周波数ドループコントローラのドループ勾配であり、Ｐｒｅｆ，ｉは、実電力発生コマンドを示し、ω０は公称角周波数である。こうしたドループコントローラにより、マイクログリッドからの注入有効電力の量、すなわちＰｇｅｎ，ｉは、母線ｉにおける公称ω０からの周波数偏移に比例する。マイクログリッドが回転発電機に基づく場合、位相角ダイナミクスは、通常、以下のように動揺方程式によって示され、
【００５４】
【数１２】
0006615061.tif 000013
【００５５】
式中、Ｍｉは機械の慣性であり、Ｄｉは母線ｉにおける減衰比である。
【００５６】
さらに、回転発電機のダイナミクスは、ローパスフィルターを備えた高速インバーター(マイクログリッドのＰＣＣで使用される)と等価である。その結果、電子発電機及び回転発電機両方の位相角ダイナミクスは、同じ動揺方程式を用いて表現することができるが、パラメータは発電機が異なると変化する。回転発電機は、慣性Ｍｉは大きいが減衰比Ｄｉは小さく、高速インバーターのＭｉ及びＤｉはともに小さい。
【００５７】
接続リンクのパラメータの確定
分散二次電圧制御入力を形成するために、母線ｉにおけるマイクログリッドと純負荷母線ｊとの間の接続リンクのパラメータが求められる。送電線が使用される場合、パラメータは|Ｙｉｊ|及びφｉｊであり、接続リンクがタップチェンジャーを備えた変圧器である場合、パラメータは、|Ｙｉｊ|、φｉｊ及びＴｉｊを含む。利用可能な測定値としては、母線ｉにおける実電力注入及び無効電力注入、Ｐｉ及びＱｉ、母線ｉにおける電圧の大きさ、母線ｊから母線ｉまでの実電力潮流及び無効電力潮流、Ｐｊｉ及びＱｊｉ、並びに母線ｊにおける電圧の大きさＥｊが挙げられる。
【００５８】
送電線リンクの場合、そのパラメータ|Ｙｉｊ|及びφｉｊは、以下のように求められ、
【００５９】
【数１３】
0006615061.tif 000014
【００６０】
式中、ｂＬｉ＝Ｑｊｉｓｉｎ(φｉｊ)−Ｐｊｉｃｏｓ(φｉｊ)及びｃＬｉ＝Ｑｉｓｉｎ(φｉｊ)−Ｐｉｃｏｓ(φｉｊ)である。
【００６１】
電圧の大きさを自動的に調整するタップチェンジャーを備えた変圧器の場合、パラメータ|Ｙｉｊ|、φｉｊ及びＴｉｊは以下のように求められ、
【００６２】
【数１４】
0006615061.tif 000015
【００６３】
式中、ａＴｉ＝Ｐｉｓｉｎ(φｉｊ)＋Ｑｉｃｏｓ(φｉｊ)＝−Ｐｊｉｓｉｎ(φｉｊ)−Ｑｊｉｃｏｓ(φｉｊ)、ｂＴｉ＝Ｑｊｉｓｉｎ(φｉｊ)−Ｐｊｉｃｏｓ(φｉｊ)及びｃＴｉ＝Ｑｉｓｉｎ(φｉｊ)−Ｐｉｃｏｓ(φｉｊ)である。
【００６４】
電圧誤差の無効電力関数
式(３)及び(４)における電力潮流関係に基づき、設定値が(Ｅｓｅｔ、δｓｅｔ、Ｐｓｅｔ、Ｑｓｅｔ、ωｓｅｔ)として定義される。公称パラメータに基づき、設定値は、通常、費用関数が最小になるように最適潮流(ＯＰＦ)問題を解決することによって求められる。電力網運転中にシステムパラメータが変化すると、実際の系統状態はこの設定値から逸脱する。公称条件下での設定値に関して、母線ｉにおける誤差状態は
【００６５】
【数１５】
0006615061.tif 000016
【００６６】
及び
【００６７】
【数１６】
0006615061.tif 000017
【００６８】
として定義される。
【００６９】
方程式(４)における簡略化した式を用いて、無効電力誤差
【００７０】
【数１７】
0006615061.tif 000018
【００７１】
は、以下のように、電圧誤差
【００７２】
【数１８】
0006615061.tif 000019
【００７３】
の関数として定義され、
【００７４】
【数１９】
0006615061.tif 000020
【００７５】
式中、Ｔｓｅｔ，ｉｊは、設定値を求めるために使用される公称タップ値である。同様に、公称条件に関する負荷変動は、以下のように
【００７６】
【数２０】
0006615061.tif 000021
【００７７】
の関数として表される。
【００７８】
【数２１】
0006615061.tif 000022
【００７９】
二次電圧コントローラ
分散二次電圧コントローラは、局所測定値のみを用いて、一次ドループコントローラに対する制御入力を形成する。マイクログリッドのＰＣＣでは定電圧が維持され、それは、この制御入力が、負荷変動等、配電網における変化の影響を無効にするためである。
【００８０】
必要な局所測定値は、マイクログリッドのＰＣＣにおいて入手可能である。測定値の組は、マイクログリッドのＰＣＣ及び接続された母線における電圧と、マイクログリッドのＰＣＣからの電力注入と、接続母線からマイクログリッドのＰＣＣに向かって流れる電力とを含む。これらの測定値は、マイクログリッドの昇圧変圧器の両側の状態である。これらの局所測定値のほかに、配電網に対して必要な大域的通信はない。
【００８１】
分散二次電圧コントローラを用いて、配電系統オペレーターは、設定値に基づいて制御コマンドを定期的に指示するのみである。任意の２つの連続した制御コマンドアップデートの間、マイクログリッドのＰＣＣは、電圧を設定値で維持する。さらに、二次電圧コントローラは局所測定値しか使用しないため、マイクログリッドはプラグアンドプレイ機能を有することができる。
【００８２】
図３は、分散二次電圧コントローラ３３０を用いた３相一次ドループコントローラ３２０の概略図である。二次電圧コントローラを用いた一次ドループコントローラは、パワーインバーター３１０を制御するのに用いられ、パワーインバーター３１０は、配電網３６０に接続するようにマイクログリッド３４０を制御する。二次電圧コントローラ３３０は、昇圧変圧器３５０の両側からの測定値に基づいて電圧制御入力を導出する。
【００８３】
方程式(１５)における従来の無効電力−電圧ドループコントローラに基づき、分散二次電圧コントローラは、以下のように運動方程式(dynamic equation)に対して制御入力ｕｉを追加し、
【００８４】
【数２２】
0006615061.tif 000023
【００８５】
式中、二次電圧制御入力は以下の通りである。
【００８６】
【数２３】
0006615061.tif 000024
【００８７】
無効電圧誤差及び負荷変動の方程式と同様に、この電圧制御入力は、以下のように二次多項式に書き換えられ、
【００８８】
【数２４】
0006615061.tif 000025
【００８９】
式中、二次多項式の係数は、以下の通りである。
【００９０】
【数２５】
0006615061.tif 000026
【００９１】
二次電圧制御入力ｕｉは、大域的通信が不要であるように、単に局所状態の関数である。|Ｙｉｊ|、φｉｊ及びＴｉｊ等のパラメータは、母線ｉにおいて入手可能な局所測定値に基づいてリアルタイムに求められる。
【００９２】
電圧誤差の無効電圧式を一緒にすると、以下のように電圧誤差ダイナミクスが得られ、
【００９３】
【数２６】
0006615061.tif 000027
【００９４】
式中、係数は、以下の通りである。
【００９５】
【数２７】
0006615061.tif 000028
【００９６】
配電系統オペレーターは、電力系統に著しい変化があるときにのみ、電圧制御コマンドＥｒｅｆ，ｉを更新する。任意の２回の更新の間に、二次電圧コントローラは、電力系統の残りの部分で発生した変化に関わらず、マイクログリッドのＰＣＣにおいて定電圧を維持することができる。
【００９７】
図４は、モデルの一次制御成分を用いて発電機を制御するドループコントローラと、モデルの安定化成分を用いて発電機を制御する二次電圧コントローラとを用いる、マイクログリッドの無効電力制御を図示する概略図を示す。ドループコントローラは、ＰＣＣにおける電圧と発電機によって生成される無効電力の量との間の比例関係を確実にして、ドループ勾配４１０を用いて一次制御のダイナミクスに従って発電機を制御する。こうした制御は、マイクログリッドにおける１つ又は複数の発電機の電力出力を調整する自動発電制御(ＡＧＣ)に対して有利である。しかしながら、こうした制御は不安定であり、電圧発生が可変になる可能性がある。したがって、二次電圧コントローラは、安定化成分に従ってドループコントローラのドループ勾配４１０をシフトさせ(４３０)、新たなシフトしたドループ勾配４２０をもたらす。
【００９８】
二次電圧コントローラの漸近安定性
母線ｉにおけるマイクログリッド及びその接続された負荷母線ｊに対して、設定値においてａｉ＝ＱＺ−ｌｏａｄ，ｓｅｔ，ｉ＋Ｂｉｊ及び
【００９９】
【数２８】
0006615061.tif 000029
【０１００】
と定義して、ｂｉ＞０である場合、二次電圧制御入力
【０１０１】
【数２９】
0006615061.tif 000030
【０１０２】
が存在し、それにより、母線ｉにおける電圧、すなわちＥｉは、吸引領域が以下のように定義されて、設定値Ｅｓｅｔ，ｉに常に収束する。
【０１０３】
【数３０】
0006615061.tif 000031
【０１０４】
平衡点は、
【０１０５】
【数３１】
0006615061.tif 000032
【０１０６】
すなわち、Ｅｉ＝Ｅｓｅｔ，ｉである。この平衡点に関して、局所リアプノフ関数の候補は、
【０１０７】
【数３２】
0006615061.tif 000033
【０１０８】
として定義され、その導関数は以下の通りである。
【０１０９】
【数３３】
0006615061.tif 000034
【０１１０】
電力系統の残りのものに関わらず、母線ｉにおいて
【０１１１】
【数３４】
0006615061.tif 000035
【０１１２】
である限り、電圧の大きさＥｉは、設定値Ｅｓｅｔ，ｉに漸近収束する。ａｉ＞０である場合、
【０１１３】
【数３５】
0006615061.tif 000036
【０１１４】
があり、ａｉ＜０である場合、
【０１１５】
【数３６】
0006615061.tif 000037
【０１１６】
がある。そして、吸引領域は、以下のように最大電圧誤差によって定義される。
【０１１７】
【数３７】
0006615061.tif 000038
【０１１８】
方程式
【０１１９】
【数３８】
0006615061.tif 000039
【０１２０】
を用いて、電圧の大きさの吸引領域は上述したものと同じである。
【０１２１】
二次電圧コントローラの指数安定性
漸近安定性のほかに、二次電圧コントローラは、収束速度の下界がある、設定値Ｅｓｅｔ，ｉに関する指数安定性に至る。母線ｉにおける電圧Ｅｉの指数安定性の結果は、以下の通りである。
【０１２２】
母線ｉにおいて、設定値Ｅｉ＝Ｅｓｅｔ，ｉ又は
【０１２３】
【数３９】
0006615061.tif 000040
【０１２４】
は、隔離された平衡点である。ａｉ＞０である場合、電圧安定性の範囲は、
【０１２５】
【数４０】
0006615061.tif 000041
【０１２６】
であり、ａｉ＜０である場合、電圧安定性の範囲は、
【０１２７】
【数４１】
0006615061.tif 000042
【０１２８】
である。
【０１２９】
更により小さい範囲にわたり、電圧誤差
【０１３０】
【数４２】
0006615061.tif 000043
【０１３１】
の収束速度は、一次力学系によって更に制約を受ける。ａｉ＞０である場合、電圧誤差導関数及び電圧誤差の範囲の不等式は、以下のようになる。
【０１３２】
【数４３】
0006615061.tif 000044
【０１３３】
である場合、
【０１３４】
【数４４】
0006615061.tif 000045
【０１３５】
同様に、ａｉ＜０である場合、電圧誤差導関数の不等式及び電圧誤差範囲は、以下のようになる。
【０１３６】
【数４５】
0006615061.tif 000046
【０１３７】
である場合、
【０１３８】
【数４６】
0006615061.tif 000047
【０１３９】
特別な事例は、ａｉ＝０である場合であり、そのとき、電圧誤差範囲は(−∞，＋∞)であり、運動方程式は、単に
【０１４０】
【数４７】
0006615061.tif 000048
【０１４１】
である。明らかに、この状況での収束速度は、常に
【０１４２】
【数４８】
0006615061.tif 000049
【０１４３】
より高速である。
【０１４４】
上記電圧誤差範囲の全てを結合することにより、以下のようになる。
【０１４５】
【数４９】
0006615061.tif 000050
【０１４６】
その結果、電圧の大きさＥｉの範囲は、以下の通りである。
【０１４７】
【数５０】
0006615061.tif 000051
【０１４８】
この電圧範囲内で、局所リアプノフ関数
【０１４９】
【数５１】
0006615061.tif 000052
【０１５０】
は、以下のように上及び下から制約を与えることができ、
【０１５１】
【数５２】
0006615061.tif 000053
【０１５２】
式中、
【０１５３】
【数５３】
0006615061.tif 000054
【０１５４】
及び
【０１５５】
【数５４】
0006615061.tif 000055
【０１５６】
である。時間に対してＶｉの導関数をとることにより、以下のようになり
【０１５７】
【数５５】
0006615061.tif 000056
【０１５８】
式中、
【０１５９】
【数５６】
0006615061.tif 000057
【０１６０】
である。指数安定性定理に基づき、平衡点Ｅｉ＝Ｅｓｅｔ，ｉは、以下の変域にわたって指数安定である。
【０１６１】
【数５７】
0006615061.tif 000058
【０１６２】
二次電圧コントローラの入出力安定性
二次電圧コントローラは、制御入力ｕｉにおいて要素ΔＱｌｏａｄ，ｉ(Ｅｉ)を用いて局所負荷変動の影響を無効にする。しかしながら、この要素は、局所測定値及び公称負荷値の関数である。測定値が、測定値ノイズ等の何らかの形態の外乱を伴う場合、マイクログリッドのＰＣＣにおいて電圧の大きさに誤差があることになる。小信号入出力安定性の結果は、この電圧コントローラに対して論証される。
【０１６３】
漸近安定性及び指数安定性の条件を満足させる二次電圧コントローラを用いて、電圧誤差ダイナミクスは以下の通りである。
【０１６４】
【数５８】
0006615061.tif 000059
【０１６５】
指数安定性の結果に従って、外乱ｗｉのない系は、
【０１６６】
【数５９】
0006615061.tif 000060
【０１６７】
に関して指数安定である。外乱項を追加することにより、以下のようになる。
【０１６８】
【数６０】
0006615061.tif 000061
【０１６９】
もし、
【０１７０】
【数６１】
0006615061.tif 000062
【０１７１】
であり、かつ|ｗｉ|＜ｒｗである場合、入出力安定性定理に従って、
【０１７２】
【数６２】
0006615061.tif 000063
【０１７３】
である各
【０１７４】
【数６３】
0006615061.tif 000064
【０１７５】
に対して、外乱ｗｉを含む系は、各ｐ∈［１，∞］に対して安定した小信号有限利得Ｌｐである。
【０１７６】
【数６４】
0006615061.tif 000065
【０１７７】
である各ｗｉ∈Ｌｐｅに対して、電圧誤差
【０１７８】
【数６５】
0006615061.tif 000066
【０１７９】
は、以下を満足させ、
【０１８０】
【数６６】
0006615061.tif 000067
【０１８１】
式中、
【０１８２】
【数６７】
0006615061.tif 000068
【０１８３】
である。
【０１８４】
入出力安定性の結果として、分散二次電圧コントローラの性能は、配電網において高い電力品質を維持することにより、アンシラリーサービスを提供するのに十分である。
【０１８５】
図５は、配電系統に接続されたマイクログリッドの電圧を制御するシステム５００のブロック図を示す。システム５００は、要求された量の無効電力を生成する発電機５４０を含む。発電機の例としては、太陽光、風、雨、潮汐、波及び地熱等の再生可能エネルギーを用いる発電機が挙げられる。システムはまた、上記量の無効電力を生成するように発電機を制御する無効電力コントローラ５５０も含む。
【０１８６】
システム５００は、マイクログリッド及び配電網の系統連系点(ＰＣＣ)における電圧設定値に対して指数安定であるマイクログリッドのダイナミクスのモデル１４５を用いて、無効電力の量を求めるプロセッサ５１０を含む。モデルは、ＰＣＣに注入された無効電力の関数、マイクログリッドの負荷変動の関数、及びＰＣＣにおける電圧変動の関数を含む。モデルのパラメータを求めるために配電系統の母線にＰＣＣを接続するリンクに対する電力潮流の状態を測定するために、センサ５２０の組が使用される。
【０１８７】
この発明の上記で説明した実施の形態は、多数の方法のうちの任意のもので実施することができる。例えば、実施の形態は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組合せを用いて実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、ソフトウェアコードは、単一のコンピューターに設けられるのか又は複数のコンピューター間に分散されるのかにかかわらず、任意の適したプロセッサ又はプロセッサの集合体において実行することができる。そのようなプロセッサは、１つ又は複数のプロセッサを集積回路部品に有する集積回路として実装することができる。ただし、プロセッサは、任意の適したフォーマットの回路類を用いて実装することができる。
【０１８８】
「プログラム」又は「ソフトウェア」という用語は、本明細書において、一般的な意味で、上記で論考したようなこの発明の様々な態様を実施するようにコンピューター又は他のプロセッサをプログラムするのに用いることができる任意のタイプのコンピューターコード又はコンピューター実行可能命令のセットを指すように用いられる。
【０１８９】
コンピューター実行可能命令は、１つ又は複数のコンピューター又は他のデバイスによって実行された、プログラムモジュール等の多くの形式をとることができる。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するか又は特定の抽象データタイプを実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、及びデータ構造を含む。通常、プログラムモジュールの機能は、様々な実施の形態において所望に応じて組み合わせることも分散させることもできる。関数を実行するか又は関数を実行するように構成されたプロセッサを、追加の変更なしにその関数を実行するようにプログラムされるか又は他の方法で構成される任意の好適なフォーマットの回路を使用して実装することができる。
【０１９０】
また、この発明の実施の形態は、例が提供された方法として実施することができる。この方法の一部として実行される動作は、任意の適切な方法で順序付けすることができる。したがって、動作が示したものと異なる順序で実行される実施の形態を構築することができ、これには、例示の実施の形態では一連の動作として示されたにもかかわらず、幾つかの動作を同時に実行することを含めることもできる。
【０１９１】
請求項の要素を修飾する、特許請求の範囲における「第１」、「第２」等の序数の使用は、それ自体で、１つの請求項の要素の別の請求項の要素に対する優先順位も、優位性も、順序も暗示するものでもなければ、方法の動作が実行される時間的な順序も暗示するものでもなく、請求項の要素を区別するために、単に、或る特定の名称を有する１つの請求項の要素を、同じ(序数の用語の使用を除く)名称を有する別の要素と区別するラベルとして用いられているにすぎない。
【図１Ａ】
0006615061.tif 000077
【図１Ｂ】
0006615061.tif 000078
【図２】
0006615061.tif 000079
【図３】
0006615061.tif 000080
【図４】
0006615061.tif 000081
【図５】
0006615061.tif 000082