(57)【要約】  断続的および／またはランダムおよび／またはプログラム可能および／または蓄電システム型の複数の電力源から来る電力の発電および配電用のマイクログリッドの制御システムであって、  上記マイクログリッドの制御システムは、２つのレベルの階層制御構造で構成され、上記複数の電力源から来る電力の電力変換システム（ＰＣＳ）用の第１制御レベルと、上記第１制御レベルと協働するように適合されたマイクログリッドコントローラ（ＭＣ）用の第２制御レベルとを備え、上記第２制御レベルは、配電ネットワークに供給される（オングリッド状態）および／または分離された負荷を起動するために一次生成として供給される（オフグリッド状態）電力を制御し、および／またはインテリジェントな分散型の電力蓄電システム（ＡＣＣ）を制御するように適合されており、  マイクログリッドコントローラ（ＭＣ）用の上記第２制御レベルは、  −上記制御システムによって生成された物理信号とインタフェースし、上記電力変換システム（ＰＣＳ）および上記マイクログリッド上でオペレーションを実行するように適合された監視システム（ＭＯＮ）と、  −マイクログリッドの電力潮流を管理するために、入力部において、制御システムの測定値および状態を受信し、出力部において、上記監視システム（ＭＯＮ）が上記電力変換システム（ＰＣＳ）に作用するためのパラメータおよび設定値を提供するように適合された制御機能（ＦＣ）システムと、  −上記監視システム（ＭＯＮ）および上記制御機能（ＦＣ）と協働して、マイクログリッドの動作状態を制御し、上記状態に基づいてどの制御機能（ＦＣ）を使用可能にするかを決定するように適合されたステートマシン（ＭＡＳ）とを含み、  上記電力変換システム（ＰＣＳ）の上記第１制御レベル（ＣＰＣＳ）は、上記マイクログリッドによって生成される電圧（Ｖ）、周波数（ｆ）、有効電力（Ｐ）および無効電力（Ｑ）の値を制御するように適合されており、  −上記有効電力および無効電力（Ｐ０およびＱ０）の値に作用し、第１ドループ曲線に基づいて、周波数および電圧をそれぞれ増加または減少させることによって、それらの値を設定値（ＰｒｅｆおよびＱｒｅｆ）に維持するように適合された、上記オングリッド状態の下でのドループ制御システムと、  −上記電圧（Ｖ）および周波数（ｆ）の値に作用し、第２ドループ曲線に基づいて、それらの値を設定値（ｆｒｅｆおよびＶｒｅｆ）に維持するように適合された、上記オフグリッド状態の下でのドループ制御システムと  を含む、制御システムが説明される。
2020503831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断続的および／またはランダムおよび／またはプログラム可能および／または蓄電システム型の複数の電力源から来る電力の発電および配電のためのマイクログリッドの制御システムであって、
前記マイクログリッドの制御システムは、２つのレベルの階層制御構造で構成され、前記複数の電力源から来る電力の電力変換システム（ＰＣＳ）用の第１制御レベルと、前記第１制御レベルと協働するように適合されたマイクログリッドコントローラ（ＭＣ）用の第２制御レベルとを備え、前記第２制御レベルは、公共配電ネットワークに供給される（オングリッド状態）および／または分離された負荷を起動するために一次生成として供給される（オフグリッド状態）電力を制御し、および／またはインテリジェントな分散型の電力蓄電システム（ＡＣＣ）を制御するように適合されており、
前記マイクログリッドコントローラ（ＭＣ）用の前記第２制御レベルは、
−前記制御システムによって生成された物理信号とインタフェースし、前記電力変換システム（ＰＣＳ）および前記マイクログリッド上でオペレーションを実行するように適合された監視システム（ＭＯＮ）と、
−前記マイクログリッドの電力潮流を管理するために、入力部において、前記制御システムの測定値および状態を受信し、出力部において、前記監視システム（ＭＯＮ）が前記電力変換システム（ＰＣＳ）に作用するためのパラメータおよび設定値を提供するように適合された制御機能（ＦＣ）システムと、
−前記監視システム（ＭＯＮ）および前記制御機能（ＦＣ）と協働して、前記マイクログリッドの動作状態を制御し、前記状態に基づいてどの制御機能（ＦＣ）を使用可能にするかを決定するように適合されたステートマシン（ＭＡＳ）とを含み、
前記電力変換システム（ＰＣＳ）の前記第１制御レベル（ＣＰＣＳ）は、前記マイクログリッドによって生成される電圧（Ｖ）、周波数（ｆ）、有効電力（Ｐ）および無効電力（Ｑ）の値を制御するように適合されており、
−前記有効電力および前記無効電力（Ｐ０およびＱ０）の値に作用し、第１ドループ曲線に基づいて、周波数および電圧をそれぞれ増加または減少させることによって、それらの値を設定値（ＰｒｅｆおよびＱｒｅｆ）に維持するように適合された、前記オングリッド状態の下でのドループ制御システムと、
−前記電圧（Ｖ）および前記周波数（ｆ）の値に作用し、第２ドループ曲線に基づいて、それらの値を設定値（ｆｒｅｆおよびＶｒｅｆ）に維持するように適合された、前記オフグリッド状態の下でのドループ制御システムとを含む、制御システム。
【請求項２】
前記制御機能（ＦＣ）システムが、以下の優先順位で実行される以下の機能のうちの１つまたは複数を有し、それらの機能は、
−最大優先順位の条件の下で、前記複数の電力源の発電機群において電力潮流の逆転を防止するように適合され、前記マイクログリッドに接続されている他の発電機の急停止を決定することもできる事前運転停止（Ｐｒｅ−Ａｎｔｉｍｏｔｏｒｉｎｇ（ＰＡＭ））機能と、
−前記マイクログリッドの安定性を常に確保するように適合されたスピニングリザーブ管理（ＳＲＭ）機能であって、要求電力の急速な増加に続いて発電と負荷のバランスを維持するために前記マイクログリッド内で即座に利用可能な前記有効電力として、前記発電機群およびそれらの発電機に接続されて起動した蓄電システムの最大電力と、前記負荷を供給するために使用される電力との間の差として計算される、「アップスピニングリザーブ」機能と、要求電力の急速な減少に続いて発電と負荷との間のバランスを維持するために前記マイクログリッド内で即座に利用可能な前記有効電力として、前記発電機群およびそれらの発電機に接続されて起動した蓄電システムの最小電力と、前記負荷に供給するために現在使用されている前記発電機群および蓄電システムの電力との間の差として計算される、「ダウンスピニングリザーブ」とを備える、スピニングリザーブ管理（ＳＲＭ）機能と、
−基準値に対する現在の周波数値の偏差の関数として発電機が有効電力を供給または吸収する周波数一次調整機能（ＦＰＦ）、並びに基準値に対する現在の電圧値の偏差の関数として発電機が無効電力を供給または吸収する周波数（ＦＰＦ）および電圧（ＦＱＶ）の一次調整機能とである、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記電力変換システム（ＰＣＳ）の前記第１制御レベル（ＣＰＣＳ）が、以下の機能のうちの１つまたは複数を含み、それらの機能は、
−前記オングリッド状態の下で、対応する前記電力変換システム（ＰＣＳ）を介して所与の設定値（ＰｒｅｆおよびＱｒｅｆ）に従って有効電力および無効電力を供給するように適合された「グリッド追従」制御システムであって、出力された前記周波数および前記電圧は、接続されている前記公共配電ネットワークの周波数および電圧である、「グリッド追従」制御システムと、
−前記オフグリッド状態の下で、対応する前記電力変換システム（ＰＣＳ）を介して出力電圧および周波数を設定値（Ｖｒｅｆおよびｆｒｅｆ）に維持するように適合された「グリッド形成」制御システムであって、供給または吸収された前記有効電力および前記無効電力は前記出力部に接続された受動（または能動）負荷によって規定される、「グリッド形成」制御システムと、
−前記公共配電ネットワークと並列に前記マイクログリッドを接続する条件の下で、前記電圧を設定値（Ｖｄｃｒｅｆ）に維持するために出力有効電力を調整するように適合された「ＤＣバス電圧」制御システムであって、前記マイクログリッドから出力される前記周波数および前記電圧は、前記公共配電ネットワークの周波数および電圧である、「ＤＣバス電圧」制御システムと、
−前記複数の電力源に含まれる太陽光発電所の発電を制御するための「ＭＰＰＴまたはＲＰＰＴ」制御システムであって、前記太陽光発電所から最大利用可能電力（ＭＰＰＴ）または設定値（ＲＰＰＴ）に等しい量の電力を取り出すために前記電圧を調整するよう適合された、「ＭＰＰＴまたはＲＰＰＴ」制御システムと、
−前記電圧および前記周波数を調整するように適合された基本的なドループ制御システムであって、第３ドループ曲線に基づいて、それらの値が有効電力Ｐ（周波数ｆ用）および無効電力Ｑ（電圧Ｖ用）の関数として定義される、基本的なドループ制御システムとである、請求項１または２に記載の制御システム。
【請求項４】
断続的および／またはランダムおよび／またはプログラム可能および／または蓄電システム型の複数の電力源から来る電力の発電および配電のためのマイクログリッドの制御方法であって、
前記マイクログリッドの制御方法は、２つのレベルの階層制御構造で構成され、前記複数の電力源から来る電力の電力変換システム（ＰＣＳ）用の第１制御レベルと、前記第１制御レベルと協働するように適合されたマイクログリッドコントローラ（ＭＣ）用の第２制御レベルとを含み、前記第２制御レベルは、公共配電ネットワークに供給される（オングリッド状態）および／または分離された負荷を起動するために一次生成として供給される（オフグリッド状態）電力を制御し、および／またはインテリジェントな分散型の電力蓄電システム（ＡＣＣ）を制御するように適合されており、
前記マイクログリッドコントローラ（ＭＣ）の前記第２制御レベルは、
−制御システムによって生成された物理信号とインタフェースし、前記電力変換システム（ＰＣＳ）および前記マイクログリッド上でオペレーションを実行するように適合された監視システム（ＭＯＮ）と、
−前記マイクログリッドの電力潮流を管理するために、入力部において、前記制御システムの測定値および状態を受信し、出力部において、前記監視システム（ＭＯＮ）が前記電力変換システム（ＰＣＳ）に作用するためのパラメータおよび設定値を提供するように適合された制御機能（ＦＣ）と、
−前記監視システム（ＭＯＮ）および前記制御機能（ＦＣ）と協働して、前記マイクログリッドの動作状態を制御し、前記状態に基づいてどの制御機能（ＦＣ）を使用可能にするかを決定するように適合されたステートマシン（ＭＡＳ）とを含み、
前記電力変換システム（ＰＣＳ）の前記第１制御レベル（ＣＰＣＳ）は、前記マイクログリッドによって生成される電圧（Ｖ）、周波数（ｆ）、有効電力（Ｐ）および無効電力（Ｑ）の値を制御するように適合されており、
−前記有効電力および前記無効電力（Ｐ０およびＱ０）の値に作用し、第１ドループ曲線に基づいて、周波数および電圧をそれぞれ増加または減少させることによって、それらの値を設定値（ＰｒｅｆおよびＱｒｅｆ）に維持するように適合された、前記オングリッド状態の下でのドループ制御と、
−前記電圧（Ｖ）および前記周波数（ｆ）の値に作用し、第２ドループ曲線に基づいて、それらの値を設定値（ｆｒｅｆおよびＶｒｅｆ）に維持するように適合された、前記オフグリッド状態の下でのドループ制御システムとを含む、制御方法。
【請求項５】
前記制御機能（ＦＣ）が、以下の優先順位で実行される以下の機能のうちの１つまたは複数を有し、それらの機能は、
−最大優先順位の条件の下で、前記複数の電力源の発電機群において電力潮流の逆転を防止するように適合され、前記マイクログリッドに接続されている他の発電機の急停止を決定することもできる事前運転停止（Ｐｒｅ−Ａｎｔｉｍｏｔｏｒｉｎｇ（ＰＡＭ））機能と、
−前記マイクログリッドの安定性を常に確保するように適合されたスピニングリザーブ管理（ＳＲＭ）機能であって、要求電力の急速な増加に続いて発電と負荷のバランスを維持するために前記マイクログリッド内で即座に利用可能な前記有効電力として、前記発電機群およびそれらの発電機に接続されて起動した蓄電システムの最大電力と、前記負荷を供給するために使用される電力との間の差として計算される、「アップスピニングリザーブ」機能と、要求電力の急速な減少に続いて発電と負荷との間のバランスを維持するために前記マイクログリッド内で即座に利用可能な前記有効電力として、前記発電機群およびそれらの発電機に接続されて起動した蓄電システムの最小電力と、前記負荷に供給するために現在使用されている前記発電機群および蓄電システムの電力との間の差として計算される、「ダウンスピニングリザーブ」とを備える、スピニングリザーブ管理（ＳＲＭ）機能と、
−基準値に対する現在の周波数値の偏差の関数として発電機が有効電力を供給または吸収する周波数一次調整機能（ＦＰＦ）、並びに基準値に対する現在の電圧値の偏差の関数として発電機が無効電力を供給または吸収する周波数（ＦＰＦ）および電圧（ＦＱＶ）の一次調整機能とである、請求項４に記載の制御方法。
【請求項６】
前記電力変換システム（ＰＣＳ）の前記第１制御レベル（ＣＰＣＳ）が、以下の機能のうちの１つまたは複数を含み、それらの機能は、
−前記オングリッド状態の下で、対応する前記電力変換システム（ＰＣＳ）を介して所与の設定値（ＰｒｅｆおよびＱｒｅｆ）に従って有効電力および無効電力を供給するように適合された「グリッド追従」制御であって、出力された前記周波数および前記電圧は、接続されている前記公共配電ネットワークの周波数および電圧である、「グリッド追従」制御と、
−前記オフグリッド状態の下で、対応する前記電力変換システム（ＰＣＳ）を介して出力電圧および周波数を設定値（Ｖｒｅｆおよびｆｒｅｆ）に維持するように適合された「グリッド形成」制御であって、供給または吸収された前記有効電力および前記無効電力は前記出力部に接続された受動（または能動）負荷によって規定される、「グリッド形成」制御と、
−前記公共配電ネットワークと並列に前記マイクログリッドを接続する条件の下で、前記電圧を設定値（Ｖｄｃｒｅｆ）に維持するために出力有効電力を調整するように適合された「ＤＣバス電圧」制御であって、前記マイクログリッドから出力される前記周波数および前記電圧は、前記公共配電ネットワークの周波数および電圧である、「ＤＣバス電圧」制御と、
−前記複数の電力源に含まれる太陽光発電所の発電を制御するための「ＭＰＰＴまたはＲＰＰＴ」制御であって、前記太陽光発電所から最大利用可能電力（ＭＰＰＴ）または設定値（ＲＰＰＴ）に等しい量の電力を取り出すために前記電圧を調整するよう適合された「ＭＰＰＴまたはＲＰＰＴ」制御と、
−前記制御システムによって生成された物理信号とインタフェースし、第３ドループ曲線に基づいて、前記電力変換システム（ＰＣＳ）上および前記マイクログリッド上でオペレーションを実行するように適合された監視（ＭＯＮ）とである、請求項４または５に記載の制御方法。
【請求項７】
前記第１ドループ曲線が以下の機能、
・Ｐｍｉｓ−Ｐｒｅｆ＜０の場合にｆ０を増加させる
・Ｐｍｉｓ−Ｐｒｅｆ＞０の場合にｆ０を減少させる
・Ｑｍｉｓ−Ｑｒｅｆ＜０の場合にＶ０を増加させる
・Ｑｍｉｓ−Ｑｒｅｆ＞０の場合にＶ０を減少させる
を実行し、ＰｍｉｓとＱｍｉｓは前記マイクログリッドの前記出力部における有効電力および無効電力の値であり、ＰｒｅｆとＱｒｅｆは前記設定値である、請求項４に記載の制御方法。
【請求項８】
前記第２ドループ曲線が以下の機能、
・ｆｍｉｓ−ｆｒｅｆ＜０の場合にｆ０を増加させる
・ｆｍｉｓ−ｆｒｅｆ＞０の場合にｆ０を減少させる
・Ｖｍｉｓ−Ｖｒｅｆ＜０の場合にＶ０を増加させる
・Ｖｍｉｓ−Ｖｒｅｆ＞０の場合にＶ０を減少させる
を実行し、ｆｍｉｓとＶｍｉｓは前記マイクログリッドの前記出力部における周波数および電圧の値であり、ｆｒｅｆとＶｒｅｆは前記設定値である、請求項４に記載の制御方法。
【請求項９】
前記第３ドループ曲線が以下の機能、
・ｆ＝ｆ０−ｍ×（Ｐ−Ｐ０）
・Ｖ＝Ｖ０−ｎ×（Ｑ−Ｑ０）
を実行し、ｆ０およびＶ０は前記公共配電ネットワークの基準周波数および基準電圧であり、Ｐ０およびＱ０は前記有効電力および前記無効電力の設定値であり、ｍは有効ドループ係数であり、ｎは無効ドループ係数である、請求項６に記載の制御方法。
【請求項１０】
断続的および／またはランダムおよび／またはプログラム可能および／または蓄電システム型の複数の電力源から来る電力の発電および配電のためのマイクログリッドであって、請求項１から３のいずれか一項に記載の制御システムを備え、前記マイクログリッドの制御システムは、２つのレベルの階層制御構造で構成され、前記複数の電力源から来る電力の電力変換システム（ＰＣＳ）用の第１制御レベルと、前記第１制御レベルと協働するように適合されたマイクログリッドコントローラ（ＭＣ）用の第２制御レベルとを備え、前記第２制御レベルは、公共配電ネットワークに供給される（オングリッド状態）および／または分離された負荷を起動するために一次生成として供給される（オフグリッド状態）電力を制御し、および／またはインテリジェントな分散型の電力蓄電システム（ＡＣＣ）を制御するように適合されている、マイクログリッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配電ネットワークに接続されているか分離されているかにかかわらず、異なる種類の複数の発電源から来る電力を発電および配電するためのマイクログリッドの制御システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明によって対処され解決される主な技術的問題は、電力の発電および配電のためのマイクログリッドの制御であり、分離されているか配電ネットワークに接続されているか（中断、停電、安定性の問題を受ける可能性がある）にかかわらず、ランダム再生可能資源、燃料で運転する発電機システム（ディーゼル発電機群）および蓄電システムなどの異なる種類の複数の発電源から来る電力を発電するためのシステムを備え、そして既存の構成要素（通常は燃料で運転する発電機）および新規の構成要素（通常は再生可能エネルギー発電機、蓄電システムおよびグリッドコントローラ）を備える。
【０００３】
配電ネットワークは、例えば、中断中または配電ネットワークが特に弱い場合（低短絡電力）、バランスノードとして機能することができない可能性がある。
【０００４】
バランスノードは、ネットワーク内で吸収され生成された有効電力と無効電力とのバランスをとる電気ネットワークのノードである。バランスノードでは、電圧（Ｖ）および周波数（ｆ）が印加されるが、電力および電流はネットワークの様々な分岐における瞬時電力と電流値に依存する。ネットワーク内の有効電力と無効電力との不均衡は、公称値からの周波数および電圧の変動につながる。
【０００５】
したがって、システムの安定性を維持するために、バランスノードで生成または吸収される有効電力および無効電力を正確かつ迅速に制御して、ネットワーク内の周波数および電圧を調整する必要がある。
【０００６】
再生可能エネルギー発電機は、一次供給源の不確実性に従うため、その出力電力を確実に制御することはできない。燃料で運転する発電機は再生可能エネルギー発電機および負荷の電力変動を部分的に補償できるが、いくつかの制限を受け、電力を吸収することができず、応答時間が周波数および電圧調整ダイナミクスと比較して一般に遅く、出力電力調整範囲（最小動作電力、最大過負荷など）に関して技術的制限が存在する。蓄電システムは、以下の２つの可能な機能を備えたこの種のマイクログリッドに統合されている。
−再生可能エネルギー源および負荷による電力変動を補償するための正または負の可調整負荷として機能する。
−バランスノードとして機能し、瞬時にグリッドパワーバランスを維持し、周波数および電圧を調整する。
【０００７】
マイクログリッドコントローラは、電力潮流を処理し、システムの安定性を確実にするために使用され、システムはグリッドの様々なポイントで電気量を測定し、様々な接続装置の状態に関する情報を受け取り、発電機および蓄電システムの電力設定値を確立する。回転式発電機およびインバータなどの装置は、適切なモードで制御される場合、ドループ（以下で定義される）を備え、他のバランスノードと並列にバランスノードとして機能することができる。
【０００８】
複数のバランスノードを使用できることにより、
−柔軟な構成を有し、その結果いくつかの構成要素がネットワークの安定性を危うくすることなく、非稼働中にされるかまたは動作上の制限を受けることができることと、
−事実上、ピーク電力およびエネルギー予備力要求が様々なアクティブバランスノード間で分割されるため、バランスノードとして機能する構成要素のサイズを縮小することと、
−バランスノードとして機能する構成要素に障害が発生した場合、他のシステムでも同じ機能を実行できるため、ネットワークの安全性が向上することと
が可能になる。
【０００９】
マイクログリッド制御システムは当技術分野において知られている。最も先進的な機能を有する既知のシステムは、例えば、Ｊ．Ｃ．Ｖａｓｑｕｅｓらによる論文、「Ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｍｉｃｒｏｇｒｉｄｓ」、２０１０年１２月、ＩＥＥＥ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｍａｇａｚｉｎｅ、２３〜２９頁に記載されているような、いわゆる階層構成を有するシステムであり、
−複数のバランスノードであって、ドループ構成の複数のインバータとディーゼル発電機とを備える複数のバランスノード
によって特徴付けられる。本質的に知られているドループ制御モードでは、インバータは電圧−無効電力（Ｖ−Ｑ）と周波数−有効電力（ｆ−Ｐ）との間の線形関係に従って印加電圧で制御される。ドループモードで制御されるインバータはバランスノードとして機能し、供給される無効電力と有効電力の関数として出力電圧と周波数を変調し、ネットワークによって課される電力変動に即座に応答し（負荷ステップ、発電機のスイッチオフ、電力変動など）、
−バランスノードとして機能していないユニットの電力および開始／停止設定値を規定するマイクログリッドコントローラであり、
−結果は複数のバランスノードを有するマイクログリッドであり、周波数および電圧調整を有する最先端の配電ネットワークの既知の調整構造を反映する。
【００１０】
階層構成を実装するために、バランスノードとして機能する構成要素（インバータ、ときには発電機）は、調整電力の設計分割を得るために、互換性のある調整特性（動力学およびドループ）を有するように設計される。グリッドの基本部分は、マイクログリッドの主な構成要素とマイクログリッドコントローラとの間の通信ネットワークでもあり、これは様々なユニットの設定値および開始／停止パラメータを規定する。
【００１１】
上述の既知の階層構成は、すべての調整構成要素がマイクログリッド内で動作するように特別に構築された、または少なくとも設計段階で既知の制御特性を有する場合に正しく動作する。しかしながら、この構成は、１つまたは複数の既に設置されている発電システムからマイクログリッドを構築しなければならない場合には適合させることができず、これは以下の、
−未知かつ変更不可能な調整特性（ドループおよびダイナミクス）と、
−動作モードの制限（単独構成またはネットワーク並列構成でのみ動作可能）と、
−マイクログリッドコントローラと通信できないことと
のうちの１つまたは複数の制限を有する可能性がある。
【発明の概要】
【００１２】
したがって、上述の問題のすべてを克服することを目標として、本発明は配電ネットワークに接続されているか分離されているかにかかわらず、異なる種類の複数の発電源から来る電力の発電および配電のためのマイクログリッドの制御システムおよびその制御方法を提案すること、およびその制御方法を目的とする。
【００１３】
本発明は、以下の主な特徴を有する、異なる種類の複数の発電源から来る電力の発電および配電のためのマイクログリッド制御システムに関する。
【００１４】
制御システムは、統合型マルチレベルタイプであり、マイクログリッドコントローラと、各電力源および各蓄電システム専用の電力変換システムのコントローラとを備える。
【００１５】
電力変換システムコントローラは、
−外部から有効または無効にできる様々な動作モードを有する。
−すべての調整量（ドループ、ダイナミクスなど）はパラメータ化され、外部から調整可能である。
−ネットワークを不安定にする可能性がある突然の過渡現象なしに、異なる動作モード間の移行を制御するアルゴリズムを実装するソフトウェアプログラムを含む。したがって、ネットワーク内で接続されている様々な発電機および蓄電システムの役割を、単一ノードから他のバランスノードと並列したバランスノードへ、あるいは能動負荷または受動負荷へと動的に変更することが可能である。
【００１６】
マイクログリッドコントローラは、
−負荷予測アルゴリズムを実装するソフトウェアプログラムを含む。
−局地的な測定値および／または外部情報に基づいて再生可能資源の生産性を予測するためのアルゴリズムを実装するソフトウェアプログラムを含む。
−マイクログリッドの安定性を常に確保するために必要な「アップスピニングリザーブ」と「ダウンスピニングリザーブ」を計算する。
【００１７】
「アップスピニングリザーブ」という用語は、要求電力の急速な増加（例えば、負荷ステップ、スイッチオフ、または発電機の電力変動など）に続いて、発電と負荷との間のバランスを維持するためにグリッドで即座に利用可能な有効電力を指す。「アップスピニングリザーブ」は通常、接続され起動された発電機および蓄電システムの最大電力（起動遅延や同期遅延なしに即座に利用可能な最大電力）と、負荷電力（マイクログリッドに存在するが負荷に供給するために「確保済み」である発電電力）との差として計算される。
【００１８】
「ダウンスピニングリザーブ」という用語は、要求電力の急速な減少（例えば、負荷低減、オープンラインなど）に続いて発電と負荷との間のバランスを維持するためにマイクログリッド内で即座に利用可能な有効電力を指す。「ダウンスピニングリザーブ」は通常、発電機および接続され起動された蓄電システムの最小電力と、（例えば、発電機の最小オフ時間により、負の場合でも遅延なしに即座に達することができる最小電力）現在負荷に供給するために使用されている発電機および蓄電システムの電力との間の差として計算され、
−様々な発電所の設定値と、どのユニットをオンまたはオフにする必要があるかを定めるための計算を行うソフトウェアプログラムを含む（配電計算、一次、二次、三次周波数調整、リザーブ管理、電力潮流最適化）。「配電計算」という用語は、ネットワークの発電計画、すなわちどの発電機が稼働するか、およびその電力プロファイルを定めるために行われる計算を指し、
−「配電計算」の結果を、通信可能なこれらの構成要素に排他的に送信される設定値、パラメータ、およびコマンドに変換し、マイクログリッドコントローラと通信するユニットの直接制御と、通信不可能な接続されたユニットの出力電力の間接制御を得る。
【００１９】
上記の最適化計算の結果は、マイクログリッドのバランスノードを常に最適な発電機に動的に割り当てることである。
【００２０】
本発明はまた、断続的および／またはランダムおよび／またはプログラム可能なおよび／または蓄電システム型の複数の電力源から来る電力の発電および配電のためのマイクログリッドの制御システムに関し、
上記マイクログリッド制御システムは、２つのレベルの階層制御構造で構成され、上記複数の電力源から来る電力の電力変換システム用の第１制御レベルと、上記第１制御レベルと協働するように適合されたマイクログリッドコントローラ用の第２制御レベルとを備え、上記第２制御レベルは、配電ネットワークに供給される（オングリッド状態）および／または分離された負荷を起動するために一次生成として供給される（オフグリッド状態）電力を制御し、および／またはインテリジェントな分散型の電力蓄電システムを制御するように適合されており、
マイクログリッドコントローラ用の上記第２制御レベルは、
−上記制御システムによって生成された物理信号とインタフェースし、上記電力変換システムおよび上記マイクログリッド上でオペレーションを実行するように適合された監視システムと、
−マイクログリッドの電力潮流を管理するために、入力部において、制御システムの測定値および状態を受信し、出力部において、上記監視システムが上記電力変換システムに作用するためのパラメータおよび設定値を提供するように適合された制御機能システムと、
−上記監視システムおよび上記制御機能と協働して、マイクログリッドの動作状態を制御し、上記状態に基づいてどの制御機能を使用可能にするかを決定するように適合されたステートマシンとを含み、
上記電力変換システムの上記第１制御レベルは、電力変換システムによって生成される電圧、周波数、有効電力および無効電力の値を制御するように適合されており、
−上記有効電力および無効電力の値に作用し、第１ドループ曲線に基づいて、周波数および電圧をそれぞれ増加または減少させることによって、それらの値を設定値に維持するように適合された、上記オングリッド状態の下でのドループ制御システムと、
−上記電圧および周波数の値に作用し、第２ドループ曲線に基づいて、それら値を設定値に維持するように適合された、上記オフグリッド状態の下でのドループ制御システムと
を備える。
【００２１】
本発明はまた、断続的および／またはランダムおよび／またはプログラム可能なおよび／または蓄電システム型の複数の電力源から来る電力の発電および配電のためのマイクログリッドの制御方法に関する。
【００２２】
本発明はさらに、上記制御システムを含むマイクログリッドに関する。
【００２３】
したがって、本発明の特定の目的は、配電ネットワークに接続されているか分離されているかにかかわらず、異なる種類の複数の電力源から来る電力の発電および配電用のマイクログリッドの制御システムおよびその制御方法、ならびに本明細書の不可欠な部分である請求項にさらに記載されるように、上記システムを含むマイクログリッドを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明のさらなる目的および利点は、非限定的例によってのみ提供される添付の図面を参照した以下の好ましい実装形態（およびその変形）の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００２５】
【図１】本発明によるシステムのブロック図である。
【００２６】
【図２】システムのマイクログリッドコントローラＭＣのソフトウェア構造のマクロブロックの図である。
【００２７】
【図３】制御機能（ＦＣ）の自動管理のためのアルゴリズム（ＯＡＤＰ）のソフトウェア構造のマクロブロックの図である。
【００２８】
【図４】本発明による電力変換システム（ＰＣＳ）用のコントローラを含む、マイクログリッドの一部のハードウェア構造の一例のブロック図である。
【００２９】
【図５】基本的なオングリッドおよびオフグリッドドループ制御機能の図を示す。
【図６】基本的なオングリッドおよびオフグリッドドループ制御機能の図を示す。
【図７】基本的なオングリッドおよびオフグリッドドループ制御機能の図を示す。
【００３０】
図面において、同じ参照番号および文字は同じアイテムまたは構成要素を識別する。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明のシステムは、２つのモードで実質的に動作することができるマイクログリッドを作製することを可能にし、
−オフグリッド、すなわち、分離されたマイクログリッドの負荷を供給するためのもの、または
−オングリッド、すなわち、再生可能なシステムを統合し、マイクログリッドに接続された高度な配電ネットワークにネットワークサービスを提供するためのものである。
【００３２】
マイクログリッドはまた、ネットワークまたは負荷への相互接続点で電圧ディップ（不足、中断）を発生させることなく、オフグリッドモードとオングリッドモードとの間で瞬時に移行することができる。
【００３３】
図１に示すように、本発明のシステムは、電力源および蓄電システムの変換および制御ハードウェア構成要素（例えば、インバータ、ＰＬＣコントローラなど）と、制御可能な発電システムおよび蓄電システムを、ランダムな再生可能資源をマイクログリッドに統合する１つのシステムとして管理することを可能にするアルゴリズムを実装するソフトウェア構成要素とを含む。
【００３４】
特に、システム入力は、本質的に断続的、ランダム、プログラム可能および蓄電システム型の、異なるタイプの電力源から来る電気エネルギーを含む。いくつかの例は、太陽光発電１、風力発電２、熱３（ディーゼルエンジン、ガスタービン）、水素４、電池５、水力発電６である。
【００３５】
マイクログリッドは柔軟な構造を有し、上記ランダム、プログラム可能および蓄電システムソースは、適切なＤＣ／ＡＣおよびＤＣ／ＤＣ変換システムによって、ＤＣバスとＡＣバスの両方を介して結合することができる。ＤＣまたはＡＣインタフェースを有する既存のシステムおよび異なる出力電圧レベルを有するシステムは、この柔軟なモジュール構造に統合することができる。
【００３６】
マイクログリッドに必要とされるモジュール性を提供する制御システムの構造は、既に上述したように、少なくとも２つのレベルで階層型であり、電力源および蓄電システムの電力変換システム（ＰＣＳ）のコントローラ、ならびに上位階層レベル上のマイクログリッドコントローラ（ＭＣ）である。
【００３７】
電力変換システムＰＣＳのコントローラは、
−外部から有効または無効にできる様々な動作モードを有する。
−すべての調整量（ドループ、ダイナミクスなど）は、外部からパラメータ化して調整することができる。
−ネットワークの不安定性につながる可能性のある突然の外部変動を発生させることなく、調整量の変動によって引き起こされる異なる動作モードと過渡現象との間の移行を制御するアルゴリズムを実装するソフトウェアプログラムを含む。
【００３８】
マイクログリッドコントローラＭＣは、
−負荷予測アルゴリズムを実装するソフトウェアプログラムを含む。
−局地的な測定値および／または外部情報に基づいて再生可能資源の生産性を予測するためのアルゴリズムを実装するソフトウェアプログラムを含む。
−上記で定義されたように、「アップスピニングリザーブ」および「ダウンスピニングリザーブ」を計算する。
−様々な発電所の設定値と、どのユニットをオンまたはオフにする必要があるかを規定するための計算を行うソフトウェアプログラムを含む（配電計算、一次、二次、三次周波数調整、リザーブ管理、電力潮流最適化）。「配電計算」という用語は、ネットワークの発電計画、すなわちどの発電機が稼働するか、およびその電力プロファイルを定めるために行われる計算を指し、
−「配電計算」の結果を、通信可能なこれらの構成要素に排他的に送信される設定値、パラメータ、およびコマンドに変換し、通信不可能な接続されたユニットの出力電力の間接制御も得る。
【００３９】
さらに、マイクログリッドコントローラＭＣは、ＳＣＡＤＡシステムのより高い制御レベルとインタフェースすることができ、そこからマイクログリッドから要求される動作モードについての指示を受け取ることができ、マイクログリッドのすべての関連量をそこに送信することができる。
【００４０】
マイクログリッドコントローラＭＣは、（上記オングリッドモードで）配電ネットワークに接続されているか、または（上記オフグリッドモードで）分離されているか、またはインテリジェントおよび分散型蓄電システム（ＡＣＣ）に接続されているかにかかわらず、マイクログリッドのオペレーションを可能にする。
【００４１】
本発明によるシステムの特有の特徴は、電力変換システムＰＣＳのコントローラ（以下に説明するように「ドループ」アルゴリズム）およびマイクログリッドコントローラＭＣ（以下に説明するように動的優先順位割り当てを有するオプティマイザである「ＯＡＤＰ」アルゴリズム）、ならびに上記電力変換システムＰＣＳのコントローラおよびマイクログリッドコントローラＭＣとから構成されるモジュール式および階層型ハードウェアおよびソフトウェア構造へのそれらの統合のための特定の制御アルゴリズムを実装するソフトウェアプログラムの連携した使用である。この統合された使用は、制御アルゴリズム、特に上記「ドループ」および「ＯＡＤＰ」アルゴリズムの機能をすべて有効にするために必要である。
【００４２】
以下の段落では、本発明によるシステムの最も重要な構成要素であるそれらの要素の特徴について説明する。
【００４３】
１．マイクログリッドコントローラ−ＭＣ  １．１．マイクログリッドコントローラＭＣのハードウェア構成ＨＷ
【００４４】
マイクログリッドコントローラは、本質的に知られているハードウェア構造を有するＰＬＣ技術に基づくコントローラであり、これはシステム構成要素の動作モードおよびマイクログリッドの様々な分岐における電力潮流を支配する。原則として、ＭＣは、
−通常マスター−スレーブ構成を有するマイクログリッド構造に適合するためのモジュール式で柔軟なアーキテクチャであって、マスターユニットはオペレータステーションに近接して配置され、スレーブユニットはマイクログリッドサブシステム（蓄積サブシステム、光起電サブシステム）に配置される、アーキテクチャと、
−システムの物理的に離れた部分を制御および監視するために遠隔Ｉ／Ｏユニットを非局在化させる可能性と、
−電気的および物理的量（電流、電圧、電力、温度、風速、照射など）を監視するための異なる種類のセンサを統合する可能性と、
−システムを制御および監視するためのオペレータインタフェース（ＨＭＩ）と、
−スタンドアローンモードで動作する可能性、またはより高いレベルの制御システム（ＳＣＡＤＡ）へインタフェースする可能性と
によって特徴付けられる。
【００４５】
マイクログリッドコントローラＭＣの構成要素ＨＷは、実質的に既知の方法で実装することができ、例えば、本出願の不可欠な部分と見なすべきである「Ｓｉｓｔｅｍａ  ｄｉ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅ  ｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｏ  ｐｅｒ  ｉｍｐｉａｎｔｉ  ｄｉ  ｇｅｎｅｒａｚｉｏｎｅ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｉｔａ（Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｐｌａｎｔｓ）」という名称の２００７年４月１１日に出願されたイタリア特許出願第ＭＩ２００７Ａ０００７２９号明細書に記載されている。
【００４６】
図２を参照して、ＭＣのソフトウェア構造のマクロブロックについて説明する。
【００４７】
１．２．ＭＣのソフトウェア構造ＳＷ
【００４８】
構造ＳＷはライブラリベースで、３つの設計マクロ領域で構成され、監視システムＭＯＮ、ステートマシンＭＡＳ、制御機能ＦＣである。
【００４９】
監視システムＭＯＮは、現場センサから測定値を受信し、（データロギングＤＬを介して）データおよびコマンドをＨＭＩおよびＳＣＡＤＡと交換し、アクチュエータＡＴＴ（静的または電気機械制御装置）およびサブシステム（ＰＣＳ）と通信する。本質的に知られている遠隔監督システムＳＲも含まれ得る。
【００５０】
３つのマクロ領域間の接続は以下のように行われる。
−監視システムＭＯＮは、発電機およびスイッチの状態と測定値とに基づいて、移行を起こさせるか起こさないかのいずれかを引き起こす条件をステートマシンＭＡＳに送る。
−ステートマシンＭＡＳは、状態において実行された動作から導出されたコマンドを監視システムＭＯＮに返す。
−ステートマシンＭＡＳは、監視システムで決定された外部変数の状態に基づいて、所望のオペレーションに必要な制御機能を起動および停止する。
−制御機能ＦＣは、監視システムＭＯＮにサブシステムの基準を送信し、機能入力として使用されるフィードバックを受信する。
【００５１】
監視システムＭＯＮは、電力変換システム（ＰＣＳ）上およびマイクログリッドを構成する要素上で所望のオペレーションを実行する目的で、制御がシステムから来る物理信号にインタフェースすることを可能にするプログラム構成単位（ＵＯＰ）のセットである。監視システム用に作成されたライブラリは、以下のことを処理するのに必要な機能を実装する。
−電力変換システムに対する通信および制御。
−外部のバッテリ管理システム（ＢＭＳ）へのインタフェース。
−再生可能エネルギーおよび再生不可能エネルギーの発電システムの遠隔制御。
−ステートマシンの状態の移行。
−測定信号の管理および伝達。
−制御機能の実行に必要な信号の調整。
−バスおよびフィールド接続の通信ルーチンの管理。
−設定値および制御信号の管理および通信。
−データロギングにおけるデータ履歴化。
−マンマシンインタフェース（ＨＭＩ）と遠隔監督システムとの通信。
−測定値が他の重要なイベントの異常な状態を検出するときにいつでも警報および警告を鳴らす。
【００５２】
ステートマシンＭＡＳは、マイクログリッド構成に従って通常の状況でシステムのオペレーションの処理を担当するＵＯＰユニットである。それはマイクログリッドのすべての（内部および外部）動作状態を制御し、そのような状態に基づいて、管理目標を達成するためにどの制御機能を有効にすべきかを決定する。
【００５３】
これは、ＨＭＩからのメンテナンス要求または停止要求に応じてシステムを停止し、緊急アラームが発生した場合にいつでも直ちにシステムを停止する責任がある。
【００５４】
システム内の各マスターまたはスレーブコントローラに対して１つのステートマシンが定義される。
【００５５】
ステートマシンは様々な動作状態で構成される。一連の動作は、制御システムがプラントをその特定の状態で運転するときに実行されるべき各状態に関連している。
【００５６】
その運転をある状態から次の状態に切り替える原因となる移行は、プログラム構成単位ＵＯＰと定義され、移行を発生させる条件の組み合わせからなる。
【００５７】
ステートマシンＭＡＳは、ＰＣＳの異なる動作モードを含み、これは以下に定義され、システムの状態の関数として、またＭＡＳが構成される基となる制御アルゴリズムの関数として、ＭＣによって起動または停止される。
【００５８】
制御機能ＦＣは、制御によって実行される管理に基づいてサブシステムのオペレーションを担当するプログラム構成単位ＵＯＰである。制御機能は、入力としてシステムの測定値および状態を受け取り、出力として、監視システムＭＯＮがＰＣＳ、回転発電機および他のすべてのアクチュエータに作用して、マイクログリッドにおける電力潮流を管理するためのパラメータおよび設定値を提供し、これにより、システムの安定性と適切なオペレーションを確保しながら、必要に応じて発電機を並列に動作させることができる。
【００５９】
制御機能はパラメータ化され、割り当てられた優先順位に従ってそれらを実行する自動管理アルゴリズム（ＯＡＤＰ）によって処理される。
【００６０】
ここで上記機能を、図３を参照して説明する。
【００６１】
機能は、用途に基づいて複数のグループに分けられる。以下は、宛先グループの説明である。グループは、ＯＡＤＰで管理される優先順位に従って表示される。
【００６２】
１）マイクログリッド機器の安全かつ適切なオペレーションの管理（安全性）
【００６３】
このグループでは、マイクログリッド機器の保護を可能にするこれらの機能が管理されている。例えば、このグループには、事前運転停止（Ｐｒｅ−Ａｎｔｉｍｏｔｏｒｉｎｇ（ＰＡＭ））機能が含まれている。
【００６４】
事前運転停止（ＰＡＭ）。発電機群は通常、オルタネータから原動機への電力潮流の逆転を検出する保護装置を備えている。逆転が発生した場合、保護装置は発電機群を停止し、機械の原動機へのいかなる損傷も回避しようと試みる（図１の３）。事前運転停止機能は、発電機群での電力潮流の逆転を防ぎ、発電機からマイクログリッドの残りの部分への最小電力潮流を常に保証する。ＰＡＭ機能によって実行される動作は迅速に実行されなければならず、最高の優先順位を有さなければならない。ＰＡＭ機能は、マイクログリッドに接続されている他の発電機群の即時停止も要求することができる。
【００６５】
ＰＡＭ機能と同様に動作する必要性を有する任意の機能は、安全機能群に割り当てられる。
【００６６】
２）マイクログリッドの瞬時電力潮流管理（ＢＡＬＡＮＣＩＮＧ）
【００６７】
このグループでは、マイクログリッドの適切な即時オペレーションを保証するすべての機能が管理されてシステム内でサービスの継続性および電力品質を保証する。ＭＣは、マイクログリッドに接続されている個々の発電機の調整機能と連携する。特に、高度な制御アルゴリズム、すなわちこの特定の場合にはＤＲＯＯＰアルゴリズムを有するＰＣＳがマイクログリッドに接続されると、ＭＣはスピニングリザーブ管理（ＳＲＭ）機能ならびに周波数（ＦＰＦ）および電圧（ＦＱＶ）一次調整機能を実装する。
【００６８】
スピニングリザーブ管理（ＳＲＭ）。マイクログリッドでは、スピニングリザーブは未使用であるが、電力潮流の変動に直接対応するために利用可能な瞬時電力の総容量である。実際には、マイクログリッドの周波数および電圧の調整に関係している発電機の公称電力と比較して、使用されていない電力である。マイクログリッド電力の中断を回避するために、予想される電力潮流変動に対処するのに必要なスピニングリザーブレベルを常に維持することが必要である。ＳＲＭ機能を通じて、マイクログリッドコントローラＭＣは、マイクログリッドの現在の全スピニングリザーブを常に制御し、システムが要求するスピニングリザーブ、特に上述の「アップスピニングリザーブ」および「ダウンスピニングリザーブ」の利用可能性を保証するように電力潮流を配電する。
【００６９】
周波数（ＦＰＦ）および電圧（ＦＱＶ）の一次調整機能。大規模マイクログリッドでは、調整に直接関与するものよりも多数の発電機が、周波数および電圧の一次調整に関与することが有利である。一次調整は、その基準値からの制御量の偏差に比例する発電機の電力出力を指す。周波数調整において、発電機は、それがＰＣＳである場合には、現在の周波数値と基準値との間の差の関数として有効電力を供給または吸収し、一次電圧調整では、現在の電圧値と基準値との間の差の関数として無効電力を供給または吸収する。このようにして、マイクログリッドの制御量はそれらの基準値に戻され、これにより、電力潮流を様々な発電機の間で分割することも可能になる。ＭＣは、パラメータを変更することによって一次調整を実行する発電機と対話することができ、あるいはＰおよびＱ設定値を受け入れることができる発電機およびＰＣＳについて一次調整を実装することができる。
【００７０】
上述した機能と同様に動作する必要性を有する機能は、バランス機能群に割り当てられる。
【００７１】
３）マイクログリッドの短期電力潮流の管理（ＤＩＳＰＡＴＣＨＩＮＧ）
【００７２】
このグループでは、電力潮流と発電能力の管理を短期間で行うこれらのすべての機能が管理される。これらの機能は、利用可能なスループットを管理することによって、そして常にシステム機能の理由による制御動作を適用することによって、マイクログリッドの適切なオペレーションを達成することを可能にする。このグループのＭＣによって実装される機能のいくつかは、発電機群または他のタイプの発電機のオン／オフ制御、特定の始動機能の管理、および、場合によっては、例えば風源のような非常に変わりやすい源からの、例えば「ピークシェービング」機能または「電力フィルタリング」機能のような、再生可能資源または負荷の縮小（出力電力の削減）の管理であってもよい。
【００７３】
４）最適化および経済的機能のための中期管理（最適化）
【００７４】
このグループでは、システムのエネルギー的、経済的、生活関連、および可用性関連の側面を最適化する目的で、電力潮流の管理を行うこれらのすべての機能が管理される。このグループには、例えば、様々な製造業者によって提供される指示に従って実装される、電池の充電状態を管理するための自動機能、および経済的最適化機能または異なる性質の最適化機能に従って計算される設定値に続く機能が含まれる。最適化機能の一例は、「エネルギータイムシフト」機能であり、これを介して、発電が過剰となる間隔で再生可能エネルギーが蓄積され、他の発電機を支援する間隔で排出される。
【００７５】
各グループはシステム入力の関数として設定値およびコマンドを生成する。
【００７６】
主な入力は、次の通りである。
−システムの電力潮流および電気量の測定値。
−システムパラメータおよび制約条件。
−オペレータ定義のパラメータおよび設定。
−システム状態の測定値（蓄電池の充電状態、温度、現地測定値など）。
【００７７】
入力の状態に基づいて、ＯＡＤＰアルゴリズムのソフトウェアは、瞬間瞬間に、どの機能グループが「有効」であるかを決定し、上のリストに示されているようにその優先順位を処理し、低い番号が高い優先順位および実行速度に対応する。次に、ＯＡＤＰアルゴリズムは、様々なサブシステム上で、最も優先順位の高い「有効」状態にある機能グループの設定値およびコマンドを実行する。したがって、基本的に、ＯＡＤＰアルゴリズムは最も優先順位のより低いグループの設定値を実行し、優先順位のより高いグループが起動すると、優先順位のより高い有効グループによって決定された設定値およびコマンドにアルゴリズムが切り替わる。
【００７８】
ＳＷの基本的なブロックおよび制御機能を含むライブラリの使用は、容易かつ迅速に実装することができるモジュール構造を有するソフトウェアＳＷの作成を可能にする。さらに、ソフトウェア設計とソフトウェア実装との間の移行は、ライブラリに含まれる様々なブロック間の接続を表す図によって概略的に行われる。
【００７９】
２．電力変換システムＰＣＳのコントローラ  ２．１．ＰＣＳファミリーの構成
【００８０】
ＰＣＳは、電力源および蓄電池をマイクログリッドに接続するために使用され、４つのファミリーに分類される。
−バッテリ式蓄電システムとのＤＣ／ＡＣおよびＡＣ／ＤＣ電力との双方向交換専用。
−太陽光発電所からのＤＣ／ＡＣ電力変換専用。
−ＤＣバッテリ蓄電システム、ＤＣ太陽光発電所、ＡＣ発電機群、ＡＣネットワーク、およびＡＣ負荷への電力供給の統合。
−ＤＣバッテリ蓄電システム、ＡＣ風力発電機または水力発電機、ＡＣ発電機群、ＡＣネットワーク、およびＡＣ負荷への電力供給の統合。
【００８１】
上記ＰＣＳのハードウェア実装は実質的に知られている。例えば、それらのＰＣＳは、例えば本出願の不可欠な部分と見なすべきである上記の「Ｓｉｓｔｅｍａ  ｄｉ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅ  ｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｏ  ｐｅｒ  ｉｍｐｉａｎｔｉ  ｄｉ  ｇｅｎｅｒａｚｉｏｎｅ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｉｔａ（Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｐｌａｎｔｓ）」という名称の２００７年４月１１日に出願されたイタリア特許出願第ＭＩ２００７Ａ０００７２９号に記載されているような、実質的に知られている方法で作製することができる。
【００８２】
２．２．ＰＣＳ動作モード
【００８３】
上記のファミリーのすべてのＰＣＳは、再生可能資源および／またはバッテリを外部のＡＣシステム（ネットワーク、負荷、マイクログリッド）にインタフェースするＤＣ／ＡＣインバータを備えている。ＰＣＳパネルは、ＤＣ／ＤＣおよびＤＣ／ＡＣコンバータのコントローラを含み、以下の制御アルゴリズムのうちの１つまたは複数が実装される。
１．グリッド追従（ネットワーク並列−Ｐ、Ｑモード）、ＤＣ／ＡＣインタフェースコンバータ用。
２．グリッド形成（単独構成のネットワーク−Ｖ、ｆモード）、ＤＣ／ＡＣインタフェースコンバータ用。
３．ＤＣバス電圧制御（一定のＤＣバス電圧）での運転、ＤＣ／ＡＣインタフェースコンバータ用。
４．ＰＶ源上のＭＰＰＴまたはＲＰＰＴ、ＤＣ／ＡＣインタフェースコンバータまたはＤＣ／ＤＣコンバータ用。
５．純粋なドループ（強いか弱いネットワークと並列した運転、および単独構成での運転）、ＤＣ／ＡＣインタフェースコンバータ用。
６．オングリッドドループ（Ｐ、Ｑ調整によるドループ制御、強いもしくは弱いネットワークと並列した運転、または分離マイクログリッドでの運電）、ＤＣ／ＡＣインタフェースコンバータ用。
７．オフグリッドドループ（Ｖ，ｆ調整によるドループ制御、強いまたは弱いネットワークと並列した運転、または分離マイクログリッドでの運転）、ＤＣ／ＡＣインタフェースコンバータ用。
【００８４】
ＰＣＳを停止する必要なしに上記異なる動作モードを使用すること、および１つのものから他のものへ切り替えることの可能性は、マイクログリッドコントローラのＳＷ構造ならびにＭＣおよびＰＣＳの両方のモジュール構成と一緒に、本発明の特有の特徴を表す２つの基本要素を提供する。
【００８５】
特に、本明細書に記載のシステムの革新的な態様は、最後の２つのドループ型制御モードに含まれている。
【００８６】
これら３つのドループタイプの制御モードと、ＰＣＳコントローラとＭＣとの間の相互作用のおかげで、マイクログリッド内に以下の機能を実装することが可能である。
−負荷供給電圧を中断することなく、高速のオングリッド−オフグリッド移行。
−単独マイクログリッド（単独マイクログリッドクラスタ）の接続。
−マイクログリッド内の障害管理。
【００８７】
以下では、ＰＣＳの７つの動作モードについて説明し、その後、上述の用途を分析する。
【００８８】
１．グリッド追従
【００８９】
実質的に知られているこの動作モードでは、インバータは既存のグリッドと同期して、対応するＰＣＳコントローラを介して所与の設定値（ＰｒｅｆおよびＱｒｅｆ）に従って有効電力および無効電力を供給する。インバータの出力周波数および電圧は、接続されているネットワークのものである。
【００９０】
２．グリッド形成
【００９１】
実質的に知られているこの動作モードでは、インバータは単独構成で動作し、能動的または受動的のいずれかであり得る負荷に接続される。インバータの出力電圧および周波数は、対応するＰＣＳコントローラによって設定値（Ｖｒｅｆとｆｒｅｆ）に維持される。インバータによって供給される（または吸収される）有効電力および無効電力は、出力に接続される受動（または能動）負荷によって定義される。
【００９２】
３．ＤＣバス電圧制御
【００９３】
実質的に知られているこの動作モードでは、インバータはネットワークと並列に動作し、出力有効電力は、インバータのＤＣバス上の電圧を設定値（Ｖｄｃｒｅｆ）に維持するように調整される。インバータから出力される周波数および電圧は、それが接続されているネットワークのものである。
【００９４】
４．ＭＰＰＴまたはＲＰＰＴ
【００９５】
実質的に知られているこの動作モードでは、例えば、Ｍ．Ｓ．Ｃａｒｍｅｌｉらによる論文、「Ａｄｖａｎｃｅｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｓｔｒａｔｅｇｙ  ｆｏｒ  ＰＱ  ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｉｎ  ＰＶ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｗｉｔｈｏｕｔ  ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｄｅｖｉｃｅ」、ＳＰＥＥＤＡＭ  ２００８Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｄｒｉｖｅｓ，Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｏｔｉｏｎ，２１７〜２２２頁、に記載されるように、インバータのＤＣバス上またはＤＣ／ＤＣコンバータのＰＶ側での電圧は、太陽光発電所から最大利用可能電力（ＭＰＰＴ、最大電力点追尾）、または設定値（ＲＰＰＴ、要求電力点追尾）に等しい量の電力を取り出すために調整される。
【００９６】
図４は、以下に説明するドループモードにおけるＰＣＳの全体図を示す。インバータ装置ＩＮは、配電ネットワークへの出力電圧および電流を調整し、電力変換システムＰＣＳのそれぞれのコントローラＣＰＣＳによって制御され、これは、後述するドループ曲線ＣＳを生成し、電圧および周波数レギュレータ（ＲＥＧ）によってそれらを実施する。
【００９７】
５．基本的なドループ制御
【００９８】
本質的に知られているこの動作モードでは、インバータＩＮの出力電圧および周波数が調整される。しかし、グリッド形成モードの場合のように、それらの値は外部設定値には従わず、図５に示すドループ曲線に従って、インバータの有効電力Ｐ（周波数ｆの場合）および無効電力Ｑ（電圧Ｖの場合）出力の関数として定義される。
【００９９】
ドループ制御を支配する式は次のとおりであり、
ｆ＝ｆ０−ｍ×（Ｐ−Ｐ０）
Ｖ＝Ｖ０−ｎ×（Ｑ−Ｑ０）  ｆ０およびＶ０はネットワークの基準周波数および基準電圧、Ｐ０およびＱ０は有効電力および無効電力の設定値、ｍは有効ドループ係数、ｎは無効ドループ係数である。
【０１００】
ＤＲＯＯＰ直線を規定する係数ｍおよびｎは、「ドループ」と呼ばれ、これらは、ドループ制御において線形関係ｆ−ＰおよびＶ−Ｑを支配する係数であるためである。
【０１０１】
基本的なドループ動作は、単独構成で使用されるのと、強いまたは弱いネットワークと並列に使用されるのと、両方がある。ドループ制御インバータは、それが接続されているネットワークの周波数（または電圧）、またはそれが接続されている負荷の有効電力（または無効電力）が急激に変化すると、従来の回転発電機と同様の挙動を示す。この制御モードは、ドループ曲線または回転発電機に従って制御される他のインバータを含むシステムにインバータを統合するために使用され、そのドループは自動速度コントローラによって課される。ドループモードで動作しているすべてのインバータと、ネットワークまたはマイクログリッドに接続されている回転発電機は、ネットワーク内の電圧Ｖと周波数ｆの変動の関数として出力電力を変更することによって、周波数および電圧の調整に貢献する。周波数変動に続いて各発電機によって供給される電力割当量は、そのドループに依存し、より高いドループ（より急勾配のＰ−ｆおよびＱ−Ｖ曲線）を有する発電機は、より大きな電力寄与を出力する。ＰＣＳコントローラでは、ドループ係数は外部から手動で、オペレータによって、または自動的にＭＣによって変更することができる。ＰＣＳのドループ係数は、システムに含まれる他の発電機の関数として修正され、その結果、接続されたインバータは、他の発電機のうちの１つに等しい（設計仕様に応じてより大きいまたはより小さい）割り当て分で周波数および電圧調整に加わり、例えば、２台の発電機群と２台のインバータが接続されている場合、可能な負荷ステップは各機械によって２５％、各ＤＧ（ディーゼル発電機）によって２０％、および各インバータによって３０％カバーできる。
【０１０２】
６．オングリッドドループ
【０１０３】
基本的なドループアルゴリズムと比較して、２つのより遅い（すなわちより長い期間で実行される）調整ループが追加され、それぞれ値Ｐ０およびＱ０に作用し、以下のアルゴリズムに従って、ＰおよびＱの値を、設定値ＰｒｅｆおよびＱｒｅｆで、インバータの出力（ＰｍｉｓおよびＱｍｉｓ）に維持する。
・Ｐｍｉｓ−Ｐｒｅｆ＜０の場合にｆ０を増加させる
・Ｐｍｉｓ−Ｐｒｅｆ＞０の場合にｆ０を減少させる
・Ｑｍｉｓ−Ｑｒｅｆ＜０の場合にＶ０を増加させる
・Ｑｍｉｓ−Ｑｒｅｆ＞０の場合にＶ０を減少させる
【０１０４】
図６は、ｆ−Ｐドループ曲線に対するオングリッドドループ制御の効果の図を示している。
【０１０５】
オングリッドドループモードで制御され、Ｖおよびｆが課される強いまたは弱いネットワークと並列に動作するインバータは、出力電力を増加させる（または減少させる）ことによってネットワークの周波数の減少（または増加）に即座に応答し、したがって周波数の変動に対抗することで、ネットワークの安定性の向上に貢献する。この最初の調整はほぼ瞬間的に（数十ミリ秒）行われ、ドループ曲線によって制御される。この最初の遷移が終了し、ネットワーク周波数が前の値よりも低い（または高い）新しい値に落ち着くと、Ｐ０の調整ループは、ｆ−Ｐドループ曲線を下に（または上に）「移動させる」ことによって介入して、インバータの電力出力値を設定値Ｐｒｅｆに回復し、一方、ネットワークおよびインバータの周波数は、過渡現象の終わりにとられた新しい値のままである。
【０１０６】
この制御モードは、インバータの出力における電力潮流を管理するために使用され、それによってシステム周波数の調整に寄与し、また、同時に、電圧の不均衡が発生したときに、ネットワークまたはマイクログリッドを即座にサポートするその能力を活用するために、無効電力を出力または吸収することによってシステムの電圧調整に寄与する。
【０１０７】
７．オフグリッドドループ
【０１０８】
基本的なドループアルゴリズムと比較して、２つのより遅い（すなわちより長い期間で実行される）調整ループが追加され、それぞれ値ｆ０およびＶ０に作用し、以下のアルゴリズムに従って、設定値ｆｒｅｆおよびＶｒｅｆで、インバータの出力（ｆｍｉｓおよびＶｍｉｓ）で測定されたｆおよびＶの値に維持する。
・ｆｍｉｓ−ｆｒｅｆ＜０の場合にｆ０を増加させる
・ｆｍｉｓ−ｆｒｅｆ＞０の場合にｆ０を減少させる
・Ｖｍｉｓ−Ｖｒｅｆ＜０の場合にＶ０を増加させる
・Ｖｍｉｓ−Ｖｒｅｆ＞０の場合にＶ０を減少させる
【０１０９】
図７は、ｆ−Ｐドループ曲線に対するオフグリッドドループ制御の効果の図を示している。
【０１１０】
オフグリッドドループモードで制御され、単独構成または弱いネットワークで動作するインバータは、Ｖおよびｆを課するインバータ自体であり、必要な電力変動を提供し、出力Ｖまたはｆを増加（または減少）させることによって、ネットワークに必要な有効電力または無効電力の減少（または増加）に即座に応答する。この最初の調整はドループカーブによって決まる。この最初の過渡現象が終了し、ネットワーク量（電圧および周波数）が前の値よりも高い（または低い）新しい値に安定すると、ｆ０およびＶ０上の調整ループはｆ‐Ｐドループ曲線を「上」（または下）に動かすことによって介入しネットワーク周波数および電圧を設定値に回復するが、一方、インバータの出力電力値は過渡現象の終わりにとられた新しい値のままになる。
【０１１１】
この制御モードは、インバータが電圧および周波数の値を課するマイクログリッドを管理するために使用されるが、ネットワーク内の有効電力と無効電力のバランスの速い変動に寄与できる（現実または仮想）慣性を有する唯一の要素ではない。このタイプの制御では、オフグリッドドループモードのインバータはすべてのドループ対応発電機がネットワーク電圧と周波数の調整に関与することを可能にするが、その後「マスター」としての役割を取り戻し、過渡現象の下流で定義され、様々な接続された発電機のドループによって支配される電力潮流配電をさらに修正することなく、ネットワーク量をその基準値に戻す。
【０１１２】
上記に照らして、ＰＣＳコントローラにおいて、オングリッド運転とオフグリッド運転の両方で、同じ電圧および周波数レギュレータが維持されることは明らかである。基準のみが変更され（オングリッド運転ではＰおよびＱ、オフグリッド運転ではＶおよびｆ）、マイクログリッドコントローラからのものである。この解決策の利点は、マイクログリッドを単独構成にするスイッチとコントローラ間の高速通信が不要なことであり、それどころか、ＰＣＳが、オフグリッド運転からオングリッド運転への、またはその逆への切り替えを示す信号を受信しない場合でも、それらは依然として機能し続け、電力を出力し、電圧および周波数を調整する。マイクログリッドの安定性は、ＰＣＳ、ＭＣと、マイクログリッドとネットワーク間のインタフェーススイッチとの間の低速または高速の通信がなくても保証される。低速であっても、通信は、システムのオペレーションを最適化するためにのみ有用であり、最も安価な供給源によって電力を発電させ、電圧および周波数値を最適範囲内に維持する。
【０１１３】
以下に、ＰＣＳおよびＭＣコントローラで利用可能な制御アルゴリズムを組み合わせて使用することによって得られるいくつかの機能について説明する。
【０１１４】
・速いオングリッド−オフグリッド移行
【０１１５】
弱いネットワークに接続されたシステムの場合、ネットワークで中断または停電が発生した場合、マイクログリッドは非常に短い時間（数ミリ秒程度）で単独運転に切り替わり、マイクログリッドは電圧ディップを受けることなく、したがって負荷供給電圧を中断させることなく独自の負荷を供給し続けることができる。
【０１１６】
このような高速の移行は、蓄電システムに接続し、オングリッドドループモードで動作しているいくつかのＰＣＳがマイクログリッドに含まれる場合に発生する可能性がある。ネットワークの中断が発生すると、マイクログリッドとネットワークとの間に配置された静的スイッチが開き、マイクログリッドは、ネットワークからの電力潮流またはネットワークへの電力潮流の突然の停止による電力の不均衡と共に、単独運転に入る。オングリッドドループモードのＰＣＳは、それ自身の電力設定値に従っていたが、公称値以外の値をとるであろう結果として生じる周波数過渡現象を停止することによって、マイクログリッド内の電力不均衡を即座に補償する。ＭＣは、単独運転への切り替えが行われたことを検出すると、マイクログリッドのＶおよびｆを調整するタスクをＰＣＳに割り当て、関連する電圧および周波数設定値と共に、オフグリッドドループ動作に切り替えるためのコマンドを送る。オフグリッドドループモードのＰＣＳはマイクログリッドの電圧と周波数を公称値に回復し、オングリッドドループモードの他のＰＣＳは、以前の設定値またはマイクログリッドの新しい状態の関数としてＭＣから送信された新しい値に従って電力を供給または吸収する。
【０１１７】
マイクログリッドの単独運転からネットワーク並列運転への移行は、逆の方法で行われる。ＭＣが、ネットワークが再び利用可能で安定していることを確認すると、オフグリッドドループモードのＰＣＳにオングリッドドループ動作に切り替わるように指示し、有効電力および無効電力の設定値がその瞬間に供給されている値と等しくなる。その後、静的スイッチに閉じるように指示し、必要に応じて、オングリッドドループモードで動作しているすべてのＰＣＳのＰおよびＱ設定値を変更する。
【０１１８】
１つの可能であるが非限定的な実装形態の例では、負荷への電力供給が中断されないことを確実にする目的で、負荷へのＭＣの出力にインタフェースＩＮＴ（図１）が含まれ、これは、ネットワークと負荷とインバータとに接続された３ソケット３相インダクタと、特に高速通信を必要とせずにＭＣによって制御される１つまたは複数のインタフェーススイッチとを備える。インタフェースは遠隔位置に配置されてもよい。このインタフェースの実施は当業者にとって問題ではない。
【０１１９】
・単独マイクログリッド（単独マイクログリッドクラスタ）の接続
【０１２０】
ＭＣ、ＰＣＳおよびＰＣＳコントローラの使用に基づくマイクログリッドの柔軟性により、単一のマイクログリッドのＭＣ間の高速通信システムに頼ることなく複数のマイクログリッドを一緒に接続することが可能である。実際、すべてのマイクログリッドは、インタフェース端末ではオングリッドドループまたはオフグリッドドループモードの単一発電機として挙動し、したがって２つのマイクログリッドで構成されるシステム内の瞬時電圧および周波数調整は、接続されたマイクログリッド等価ドループ曲線によって決まる。マイクログリッドのＭＣ間の通信は、システム全体の電力潮流、電圧および周波数の設定値を回復するのに有用であり、したがって、システムの安定性は速度および信頼性に直接依存していないため、速度および信頼性に関して特に厳しい要件はない。
【０１２１】
・マイクログリッドの障害管理
【０１２２】
回転発電機のない、インバータによってのみ供給されるマイクログリッドでは、短絡電流が保護装置の選択的な較正を可能にするには低すぎるという危険性がある。一般に、実際には、単一のインバータがグリッド形成モードで動作し、他のインバータはグリッド追従モードで動作する。障害が発生した場合、グリッド形成モードのインバータのみが、それ自体の内部保護装置が介入するまで、短絡電流に寄与する。逆に、一方のＰＣＳがオングリッドドループモードで、他方のＰＣＳがオフグリッドドループモードである構成を採用する場合、すべてのＰＣＳが故障電流の原因となり、これはより高い値をとり、保護装置の選択的較正を可能にしてもよい。
【０１２３】
本発明は、少なくとも部分的には、上記プログラムがコンピュータ上で実行される場合に、方法の１つまたは複数のステップを実行するための符号化手段を含むコンピュータプログラムによって実施することができる。したがって、保護範囲は、上記コンピュータプログラムおよび記録されたメッセージを含むコンピュータ可読手段にも及ぶことが理解され、上記コンピュータ可読手段は、上記プログラムがコンピュータ上で実行される場合、方法の１つまたは複数のステップを実行するプログラムコーディング手段を含む。
【０１２４】
本発明によって達成される利点の中で、個々のＰＣＳのオペレーションだけでなく、ブロックＭＣがマイクログリッド全体を管理することを指摘しなければならない。本発明によって説明されるアプローチの利点は、特定の制御の下での電力源のみの運転とは対照的に、マイクログリッドのすべての電力源の運転を最適化し、インテリジェントな方法でＰＣＳを既存の発電機と並列に接続することを可能にし、マイクログリッドの管理（Ｖおよびｆ制御）でそれらをサポートすることである。
【０１２５】
実施形態の上述の非限定的な例は、当業者に知られているすべての同等の設計を含む、本発明の保護範囲から逸脱することなく変形を受けることができる。
【０１２６】
様々な好ましい実装形態に示される要素および特徴は、本発明の保護範囲から逸脱することなく一緒に組み合わせることができる。
【０１２７】
上記の説明に照らして、当業者はさらなる実装の詳細を導入することなく本発明の対象を作り出すことができるであろう。特に、ソフトウェア部分は、当業者にはよく知られているプログラミング言語、例えば、Ｃ＋＋および／またはＩＥＣ６１１３１−３仕様によるＰＬＣプログラミング言語などの使用を通じて実施することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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