JPWO2014061259A1 - 電力ルータ、電力ネットワークシステム、電力融通方法、および電力ルータの運転制御プログラム - Google Patents

Abstract

電力セル同士を非同期に相互接続した電力ネットワークシステムを構築するための電力ルータを提供する。電力ルータは、直流母線と、電力を双方向に変換する機能を有する電力変換レグと、電力変換レグの運転を制御する制御部と、を備える。制御部は、電力変換レグをマスターモードと指定電力送受電モードとのいずれかの運転モードで運転制御する。マスターモードで運転される電力変換レグは、直流母線の電圧が定格から下がった場合、不足分の電力を接続相手から補填し、直流母線の電圧が定格から上がった場合、過剰分の電力を接続相手に送出する。指定電力送受電モードで運転される前記電力変換レグは、管理サーバからの指定に応じて、指定電力を接続相手に送電するか、または、指定電力を接続相手から受電する。制御部は、電力ルータの動作中には、少なくともいずれか一つの電力変換レグをマスターモードにする。

Description

本発明は、複数の電力セルを相互に非同期接続するとともに複数ルートに電力融通制御を行う電力ルータを提供する。また、本発明は、この電力ルータを用いて非同期接続されることで構成される電力ネットワークシステムに関する。

電力供給システムを構築するにあたっては、電力送電網をさらに安定的に拡張していくことはもちろん、今後は大量の自然エネルギーを導入できるシステムにすることも大事な課題となってきている。そこで、新たな電力網としてデジタルグリッド（登録商標）という電力ネットワークシステムが提案されている（特許文献１：特許４７８３４５３号、非特許文献１：デジタルグリッドコンソーシアムのウェブサイト参照、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｉｇｉｔａｌｇｒｉｄ．ｏｒｇ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ／ｊｐ／）。
デジタルグリッド（登録商標）とは、電力網を小規模なセルに細分化し、それらを非同期に相互接続した電力ネットワークシステムである。各電力セルは、小さなものとしては一つの家やビル、商業施設であり、大きなものとしては県や市町村といった規模になる。各電力セルは、その中に負荷を有することはもちろん、発電設備や電力貯蔵設備を有する場合もある。発電設備としては、太陽光発電や風力発電、地熱発電などの自然エネルギーを利用する発電設備が例として挙げられる。

各電力セルの内部で自由に発電したり、さらに、電力セル間でスムースに電力を融通し合うようにしたりするため、電力セル同士は非同期で接続されている。（すなわち、複数の電力セルが相互に接続されているとしても、それぞれの電力セルで使用される電力の電圧、位相および周波数は他の電力セルとは非同期である。）
図１２に電力ネットワークシステム１０の例を示す。図１２において、基幹系統１１は大規模発電所１２からの基幹電力を送電する。そして、複数の電力セル２１−２４が配置されている。各電力セル２１−２４は、家３１やビル３２などの負荷や、発電設備３３、３４や、電力貯蔵設備３５、を有している。
発電設備としては、太陽光発電パネル３３や風力発電機３４などが例として挙げられる。電力貯蔵設備とは蓄電池３４などのことである。本明細書では、発電設備と電力貯蔵設備とを総称して、分散電源ということがある。

さらに、各電力セル２１−２４は、他の電力セルや基幹系統１１と接続されるための接続口（接続ポート）となる電力ルータ４１−４４を備えている。電力ルータ４１−４４は複数のレグ（ＬＥＧ）を有している。（紙幅の都合上、図１０中ではレグの符号を省略した。電力ルータ４１−４４に付属している白丸が各レグの接続端子であると解釈してほしい。）
ここで、レグとは、接続端子と電力変換部とを有しており、各レグにはアドレスが付されている。なお、レグによる電力変換とは、交流から直流へまたは直流から交流への変換や、電力の電圧、周波数、位相を変化させることをいう。

すべての電力ルータ４１−４４は通信網５１によって管理サーバ５０に繋がっており、管理サーバ５０によってすべての電力ルータ４１−４４は統合的に運用制御される。例えば、管理サーバ５０から各電力ルータ４１−４４に対し、各レグに付されたアドレスを用いてレグごとに電力の送電または受電を指示する。これにより、電力ルータ４１−４４を介し、電力セル間での電力融通が行われる。

電力セル間での電力融通が実現することにより、例えば、一つの発電設備３３、３４や一つの電力貯蔵設備３５を複数の電力セルで共有することができるようになる。電力セル間で互いに余剰電力を融通し合うようになれば、設備コストを大幅に削減しながらも電力需給バランスを安定的に保つことができるようになる。

特許４７８３４５３号

デジタルグリッドコンソーシアムのウェブサイト（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｉｇｉｔａｌｇｒｉｄ．ｏｒｇ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ／ｊｐ／）

電力ルータによって複数の電力セルを非同期に接続できればその利点は非常に大きいものであるので、早期に電力ルータを実用化することが期待されている。
しかし、実際に電力ルータを実用化するとなると、これまでの送配電設備にはない特有の課題がある。現在主流の送配電設備は、電圧、位相および周波数が完全に同期している電力系統を前提としているから、電圧あるいは位相、周波数が異なる電力系統同士を接続する電力ルータには新たな課題に対する配慮が必要である。

本発明の電力ルータは、
電力セルを外部の電力系統に非同期に接続するための電力ルータであって、
所定の定格に電圧が維持される直流母線と、
一方の接続端が前記直流母線に接続され、他方の接続端が外部接続端子として外部の接続相手に接続され、前記一方の接続端と前記他方の接続端との間で電力を双方向に変換する機能を有する電力変換レグと、
前記電力変換レグの運転を制御する制御部と、を備えており、
前記電力変換レグが複数設けられ、
管理サーバからの指令によって制御され、
前記制御部は、前記電力変換レグをマスターモードと指定電力送受電モードとのいずれかの運転モードで運転制御するものであり、
前記マスターモードで運転される前記電力変換レグは、
前記直流母線の電圧が定格から下がった場合、不足分の電力を接続相手から補填し、前記直流母線の電圧が定格から上がった場合、過剰分の電力を接続相手に送出し、
前記指定電力送受電モードで運転される前記電力変換レグは、
前記管理サーバからの指定に応じて、指定電力を接続相手に送電するか、または、指定電力を接続相手から受電し、
制御部は、電力ルータの動作中には、少なくともいずれか一つの電力変換レグをマスターモードにする
ことを特徴とする。

本発明の電力ネットワークシステムは、
一または複数の前記電力ルータと、
前記電力ルータが直接的または間接的に接続される電力系統と、を具備する電力ネットワークシステムにおいて、
前記マスターモードで運転される電力変換レグが直接または間接的に接続される接続相手は、基幹発電所に繋がる基幹系統か、分散電源か、のいずれかに制約される
ことを特徴とする。

また、本発明の電力ネットワークシステムは、
前記電力ルータを二つ以上具備する電力ネットワークシステムであって、
前記電力ルータ間で電力を送受電する
ことを特徴とする。

本発明の電力融通方法は、
前記電力ルータを二つ以上用いて、
前記電力ルータ間で電力を送受電することにより電力を融通する
ことを特徴とする。

本発明の電力ルータの運転制御プログラムは、
所定の定格に電圧が維持される直流母線と、
一方の接続端が前記直流母線に接続され、他方の接続端が外部接続端子として外部の接続相手に接続され、前記一方の接続端と前記他方の接続端との間で電力を双方向に変換する機能を有する電力変換レグと、を備え、
前記電力変換レグが複数設けられ、
管理サーバからの指令によって制御され、
電力セルを外部の電力系統に非同期に接続するための電力ルータにコンピュータを組み込んで、
このコンピュータに、前記電力変換レグをマスターモードと指定電力送受電モードとのいずれかの運転モードで運転制御させる電力ルータの運転制御プログラムであって、
前記マスターモードで運転される前記電力変換レグは、
前記直流母線の電圧が定格から下がった場合、不足分の電力を接続相手から補填し、前記直流母線の電圧が定格から上がった場合、過剰分の電力を接続相手に送出し、
前記指定電力送受電モードで運転される前記電力変換レグは、
前記管理サーバからの指定に応じて、指定電力を接続相手に送電するか、または、指定電力を接続相手から受電し、
電力ルータの動作中には、少なくともいずれか一つの電力変換レグをマスターモードにする
ことを特徴とする。
非一時的なコンピュータ可読媒体はこの電力ルータの運転制御プログラムを記録したものである。

本発明によれば、電力セル同士を非同期に相互接続した電力ネットワークシステムを構築することができる。

電力ルータの概略構成を示す図。 電力ルータの内部構成を詳しく示す図。 電力ルータを基幹系統、負荷および各種分散電源に接続した一例を示す図。 電力ルータ同士の接続において、可能な組み合わせの例を示す図。 電力ルータ同士の接続において、可能な組み合わせの例を示す図。 電力ルータ同士の接続において、禁止される組み合わせの例を示す図。 電力ルータ同士の接続において、禁止される組み合わせの例を示す図。 電力ルータ同士の接続において、禁止される組み合わせの例を示す図。 電力ルータ同士の接続において、禁止される組み合わせの例を示す図。 ＡＣスルーレグを考慮にいれた場合に、電力ルータ同士の接続において可能な組み合わせの例を示す図。 ＡＣスルーレグを考慮にいれた場合に、電力ルータ同士の接続において可能な組み合わせの例を示す図。 ＡＣスルーレグを考慮にいれた場合に、電力ルータ同士の接続において可能な組み合わせの例を示す図。 ＡＣスルーレグを考慮にいれた場合に、電力ルータ同士の接続において可能な組み合わせの例を示す図。 ＡＣスルーレグを利用した接続例を示す図。 電力ルータ同士の接続において、組み合わせのパターンをまとめた図。 ４つの電力ルータを相互に接続した場合の一例を挙げる。 複数の電力ルータをバス接続した様子の一例を示す図。 電力ルータ間に基幹系統が介在した接続形態の一例を示す図。 電力ネットワークシステムのシステム概要を説明するための図。

本発明の実施形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態として、電力ルータ１００の概略構成を示す図である。また、図２は、電力ルータ１００の内部構成をやや詳しく示す図である。
電力ルータ１００は、概略、直流母線１０１と、複数のレグ１１０−１６０と、制御部１９０と、を備えている。
なお、制御部１９０は、CPU、ROM、RAMを有するいわゆるコンピュータである。

電力ルータ１００は直流母線１０１を有し、この直流母線１０１に複数のレグ１１０−１６０が並列に接続されている。直流母線１０１は直流電力を流すためのものであり、直流母線１０１の電圧が所定の一定を保つようにコントロールされる。
（直流母線１０１の電圧がどのようにして一定に保たれるのかは後述する。）
各レグ１１０−１６０を介して電力ルータ１００は外部に繋がるのであるが、外部とやり取りする電力を一旦総て直流に変換して直流母線１０１にのせる。このように一旦直流を介することにより、周波数や電圧、位相の違いが無関係になり、電力セル同士を非同期で接続することができるようになる。ここでは、直流母線１０１は、図２に示すように、平滑コンデンサー１０２を有する並列型であるとする。直流母線１０１には電圧センサ１０３が接続されており、この電圧センサ１０３によって検出された直流母線１０１の電圧値は制御部１９０に送られる。

次に、レグ１１０−１６０について説明する。複数のレグ１１０−１６０が直流母線に対して並列に設けられている。図１においては、６つのレグ１１０−１６０を示した。六つのレグ１１０−１６０を、図１に示すように、第１レグ１１０、第２レグ１２０・・・第６レグ１６０とする。なお、図１では、紙幅の都合上、第１レグ１１０はレグ１と示し、第２レグ１２０はレグ２のように示している。また、図２においては、第３レグ１３０と第４レグ１４０とを省略している。

第１レグ１１０から第５レグ１５０は同じ構成であるのに対し、第６レグ１６０は電力変換部を有していないという点で第１から第５レグ１１０−１５０と異なっている。まずは、第１レグ１１０から第５レグ１５０の構成について説明する。第１レグ１１０から第５レグ１５０は同じ構成であるので、代表して第１レグ１１０の構成を説明する。
第１レグ１１０は、電力変換部１１１と、電流センサ１１２と、開閉器１１３と、電圧センサ１１４と、接続端子１１５と、を備えている。電力変換部１１１は、交流電力を直流電力に、あるいは、直流電力を交流電力に変換する。直流母線１０１には直流電力が流れているので、電力変換部１１１は、直流母線１０１の直流電力を定められた周波数および電圧の交流電力に変換して、接続端子１１５から外部に流す。あるいは、電力変換部１１１は、接続端子１１５から流入する交流電力を直流電力に変換して、直流母線１０１に流す。

電力変換部１１１は、インバータ回路の構成をとっており、すなわち、サイリスタ１１１Ｔと帰還ダイオード１１１Ｄとで構成される逆並列回路１１１Ｐを三相ブリッジ接続したものである。
（すなわち、一のインバータ回路に対して６個の逆並列回路１１１Ｐが設けられる。）
ここでは、三相交流を使用しているので三相インバータ回路としたが、場合によっては単相インバータ回路としてもよい。二つの逆並列回路１１１Ｐの間のノードから引き出され、前記ノードと接続端子とを結ぶ配線を支線ＢＬと称することにする。（三相交流であるので、一のレグは三つの支線ＢＬを有する。）

電力の向きや交流電力の周波数等は制御部１９０によって制御される。すなわち、サイリスタ１１１Ｔのスイッチングは、制御部１９０によって制御される。制御部１９０による運転制御は後述する。

電力変換部１１１と接続端子１１５との間には開閉器１１３が配設されている。この開閉器１１３の開閉によって、支線ＢＬが開閉され、すなわち、外部と直流母線１０１とが遮断されたり、接続されたりする。また、支線ＢＬの電圧は電圧センサ１１４によって検出され、支線ＢＬを流れる電流の電流値は電流センサ１１２で検出される。開閉器１１３の開閉動作は制御部１９０によって制御され、電圧センサ１１４および電流センサ１１２による検出値は制御部１９０に出力される。

上記説明では、電力変換部をインバータ回路とし、レグの接続相手は交流を使用するとしたが、レグの接続相手が蓄電池３５のような直流を使用するものである場合もある。（例えば図１中の第３レグ１３０は蓄電池３５に接続している。）
この場合の電力変換とは、DC−DC変換ということになる。図中には記載がないが、直流電源である太陽電池、燃料電池なども接続可能である。
したがって、電力変換部にインバータ回路とコンバータ回路とを並列に設け、接続相手が交流か直流かに応じてインバータ回路とコンバータ回路と使い分けるようにしてもよい。
あるいは、電力変換部がDC−DC変換部であるDC−DC変換専用のレグを設けるようにしてもよい。
すべてのレグのなかにインバータ回路とコンバータ回路とを並列に設けるよりは、AC−DC変換専用のレグとDC−DC変換専用のレグとを併せ持つ電力ルータとする方がサイズやコスト面で有利な点も多々ある。

第１レグ１１０から第５レグ１５０の構成は以上の通りである。

次に、第６レグ１６０について説明する。第６レグ１６０には、電力変換部がなく、すなわち、第６レグ１６０の接続端子１６５は、直流母線１０１に繋がっているわけではない。第６レグ１６０は、第５レグ１５０の支線ＢＬに接続されているのである。第６レグ１６０の内部配線についても、支線ＢＬと称することとする。第６レグ１６０の支線ＢＬは、第５レグ１５０に対し、第５レグ１５０の接続端子１５５と開閉器１５３との間に接続されている。

第６レグ１６０は、開閉器１６３と、電圧センサ１６４と、電流センサ１６２と、接続端子１６５と、を備える。第６レグ１６０の支線ＢＬは、開閉器１６３を介して、第５レグ１５０の支線ＢＬに繋がっている。すなわち、第６レグ１６０の接続端子１６５が第５レグ１５０の接続端子１５５に接続されている。第６レグ１６０の接続端子１６５と第５レグ１５０の接続端子１５５との間には開閉器１６３があるだけで、第６レグ１６０は電力変換器を持たないので、第６レグ１６０の接続端子１６５と第５レグ１５０の接続端子１５５との間では何等の変換も受けずに電力が導通することになる。そこで、第６レグ１６０のように電力変換器を持たないレグのことをＡＣスルーレグと称することがある。

電流センサ１６２および電圧センサ１６４は、支線ＢＬの電流値および電圧値を検出し、制御部１９０に出力する。開閉器１６３の開閉動作は制御部１９０で制御される。

（レグの運転モードについて）
第１レグ１１０から第５レグ１５０は電力変換器１１１−１５１を有しており、電力変換器内のサイリスタは制御部１９０によってそのスイッチング動作を制御されるものであることは既に述べた。
ここで、電力ルータ１００は、電力ネットワーク１０のノードにあって、基幹系統１１、負荷３０、分散電源および電力セルなどを互いに結びつける重要な役割を持つ。このとき、各レグ１１０−１６０の接続端子１１５−１６５がそれぞれ基幹系統１１や負荷３０、分散電源、他の電力セルの電力ルータに接続されるわけである。本発明者らは、接続相手によって各レグ１１０−１６０の役割は異なるものであり、各レグ１１０−１６０が役割に応じた適切な運転を行わなければ電力ルータが成り立たないことに気付いた。本発明者らは、レグの構造自体は同じであるが、接続相手によってレグの運転の仕方を変えるようにした。
レグの運転の仕方を、運転モードと称する。
本発明者らは、レグの運転モードとして３種類を用意しておき、接続相手によってモードを切り換えるようにした。
レグの運転モードとしては、
マスターモードと、
自立モードと、
指定電力送受電モードと、がある。
以下、順番に説明する。

（マスターモード）
マスターモードとは、系統など安定した電力供給源に接続される場合の運転モードであり、直流母線１０１の電圧を維持するための運転モードである。図１では、第１レグ１１０の接続端子１１５が基幹系統１１に接続されている例を示している。図１の場合、第１レグ１１０は、マスターモードとして運転制御され、直流母線１０１の電圧を維持する役目を担うことになる。直流母線１０１には他の多くのレグ１２０−１５０が接続されているところ、レグ１２０−１５０から直流母線１０１に電力が流入することもあれば、レグ１２０−１５０から電力が流出することもある。マスターモードとなるレグ１１０は、直流母線１０１から電力が流出して直流母線１０１の電圧が定格から下がった場合、流出で不足した電力分を接続相手（ここでは基幹系統１１）から補てんする。または、直流母線１０１に電力が流入して直流母線１０１の電圧が定格から上がった場合、流入で過剰になった電力分を接続相手（ここでは基幹系統１１）に逃がす。このようにして、マスターモードとなるレグ１１０は、直流母線１０１の電圧を維持するのである。
したがって、一の電力ルータにおいて、少なくとも一つのレグはマスターモードとして運転されなければならない。さもなくば、直流母線１０１の電圧が一定に維持されなくなるからである。逆に、一の電力ルータにおいて二つ以上のレグがマスターモードで運転されてもよいが、やはり、マスターモードのレグは一つの電力ルータには一つであった方がよい。
また、マスターモードとなるレグは、基幹系統の他、安定した出力を持つ直流電源（燃料電池、蓄電池等）にレグを直流接続してもよい。また、例えば、自励式インバータを搭載する分散電源（蓄電池も含む）に交流接続してもよい。ただし、他励式インバータを搭載する分散電源とマスターモードとなるレグとは接続できない。

以下の説明において、マスターモードで運転されるレグのことを、マスターレグということがある。

マスターレグの運転制御について説明する。
マスターレグを起動させる際には次のようにする。
まず、開閉器１１３を開（遮断）状態にしておく。この状態で接続端子１１５を接続相手に繋ぐ。ここでは、接続相手は基幹系統１１である。
電圧センサ１１４によって接続先の系統の電圧を測定し、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ−Ｌｏｏｐ）などを用いて系統の電圧の振幅、周波数および位相を求める。その後、求めた振幅、周波数および位相の電圧が電力変換部１１１から出力されるように、電力変換部１１１の出力を調整する。すなわち、サイリスタ１１１Ｔのオン／オフパターンを決定する。この出力が安定するようになったら、開閉器１１３を投入し、電力変換部１１１と系統１１とを接続する。この時点では、電力変換部１１１の出力と系統１１の電圧とが同期しているため、電流は流れない。

マスターレグを運用する時の運転制御を説明する。
直流母線１０１の電圧を電圧センサ１０３によって測定する。直流母線１０１の電圧が所定の定格母線電圧を上回っていたら、マスターレグ１１０から系統に向けて送電が行われるように、電力変換部１１１を制御する。（電力変換部１１１から出る電圧の振幅および位相の少なくともいずれか一方を調整して、マスターレグ１１０を介して直流母線１０１から系統１１に向けて送電が行われるようにする。）なお、直流母線１０１の定格電圧は、予め設定によって定められているものである。

一方、直流母線１０１の電圧が所定の定格母線電圧より下回っていたら、このマスターレグ１１０が系統１１から受電できるように、電力変換部１１１を制御する。（電力変換部１１１から出る電圧の振幅および位相の少なくともいずれか一方を調整して、マスターレグ１１０を介して系統１１から直流母線１０１に送電が行われるようにする。）このようなマスターレグの運転が行われることにより、直流母線１０１の電圧が予め定められた定格を維持できるようになることが理解されるであろう。

（自立モード）
自立モードとは、管理サーバ５０から指定された振幅・周波数の電圧を自ら作り出し、接続相手との間で送受電する運転モードである。
例えば負荷３０などの電力を消費するものに向けて電力を供給するための運転モードとなる。あるいは、接続相手から送電されてくる電力をそのまま受け取るための運転モードとなる。
図１では、第２レグ１２０の接続端子１２５が負荷３０に接続されている例を示している。第２レグ１２０が自立モードとして運転制御され、負荷３０に電力を供給することになる。
また、第４レグ１４０や第５レグ１５０のように他の電力ルータと接続される場合に、他の電力ルータから要求される電力分を送電するためのモードとして第４レグ１４０や第５レグ１５０を自立モードで運転する場合もある。
または、第４レグ１４０や第５レグ１５０のように他の電力ルータと接続される場合に、他の電力ルータから送電されてくる電力を受電するためのモードとして第４レグ１４０や第５レグ１５０を自立モードで運転する場合もある。
また、図に示していないが、負荷３０に代えて、第２レグを発電設備に接続する場合も第２レグを自立モードで運転することもできる。ただし、この場合には発電設備に他励式インバータを搭載するようにする。
電力ルータ同士を接続する場合の運転モードについては後述する。

自立モードで運転されるレグを自立レグと称することにする。一つの電力ルータにおいて、自立レグは複数あってもよい。

自立レグの運転制御について説明する。
まず開閉器１２３を開（遮断）にしておく。接続端子１２５を負荷３０に接続する。管理サーバ５０から電力ルータ１００に対し、負荷３０に供給すべき電力（電圧）の振幅および周波数が指示される。そこで、制御部１９０は、指示された振幅および周波数の電力（電圧）が電力変換部１２１から負荷３０に向けて出力されるようにする。（すなわち、サイリスタ１２１Ｔのオン／オフパターンを決定する。）この出力が安定するようになったら、開閉器１２３を投入し、電力変換部１２１と負荷３０とを接続する。あとは、負荷３０で電力が消費されれば、その分の電力が自立レグ１２０から負荷３０に流れ出すようになる。

（指定電力送受電モード）
指定電力送受電モードとは、指定によって定められた分の電力をやり取りするための運転モードである。すなわち、接続相手に指定電力を送電する場合と、接続相手から指定電力を受電する場合と、がある。
図１では、第４レグ１４０および第５レグ１５０が他の電力ルータと接続されている。
このような場合に、決まった分の電力を一方から他方へ融通するようなことが行われる。
または、第３レグ１３０は蓄電池３５に接続されている。
このような場合に、決まった分の電力を蓄電池３５に向けて送電して、蓄電池３５を充電するというようなことが行われる。
また、自励式インバータを搭載する分散電源（蓄電池も含む）と指定電力送受電レグとを接続してもよい。ただし、他励式インバータを搭載する分散電源と指定電力送受電レグとは接続できない。

指定電力送受電モードで運転されるレグを指定電力送受電レグと称する。一つの電力ルータにおいて、指定電力送受電レグは複数あってもよい。

指定電力送受電レグの運転制御について説明する。起動時の制御についてはマスターレグと基本的に同じであるので、割愛する。

指定電力送受電レグを運用する時の運転制御を説明する。
（説明には、第５レグ１５０に付した符号を使用する。）
電圧センサ１５４によって接続相手の系統の電圧を測定し、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ−Ｌｏｏｐ）などを用いて接続相手の電圧の周波数・位相を求める。管理サーバ５０から指定された有効電力値および無効電力値と、接続相手の電圧の周波数および位相と、に基づいて、電力変換器１５１が入出力する電流の目標値を求める。電流センサ１５２によって電流の現在値を測定する。目標値と現在値との差分に相当する電流が追加で出力されるように、電力変換器１５１を調整する。（電力変換部１５１から出る電圧の振幅および位相の少なくともいずれか一方を調整して、指定電力送受電レグと接続相手との間で所望の電力が流れるようにする。）

以上の説明により、同じ構成である第１レグから第５レグが運転制御の仕方によって３パターンの役割を果たせることが理解されるであろう。

（接続制約）
運転モードの違いによってレグの働きが違ってくるので、接続相手の選択と運転モードの選択との間には自ずと制約が発生する。すなわち、接続相手が決まれば選択できる運転モードが決まり、逆に、運転モードが決まれば選択できる接続相手が決まる。（接続相手が変われば、それに合わせてレグの運転モードを変更する必要がある。）
可能な接続組み合わせのパターンを説明する。

以後の説明にあたって、図中の表記を図３のように簡略化する。
すなわち、マスターレグをＭで表す。
自立レグをＳで表す。
指定電力送受電レグをＤで表す。
ＡＣスルーレグをＡＣで表す。
また、必要に応じてレグの肩に「＃１」のように番号を付してレグを区別することがある。
また、図３以降では、図面ごとに系統立てた符号を付すが、必ずしも図面を跨がって同じ要素に同じ符号を付しているわけではない。
例えば、図３の符号２００と図４Ａの符号２００とが全く同じものを指しているわけではない。

図３に示した接続組み合わせはいずれも可能な接続である。第１レグ２１０がマスターレグとして基幹系統１１に接続されている。これは既に説明した通りである。
第２レグ２２０が自立レグとして負荷３０に接続されている。これも既に説明した通りである。
第３レグ２３０および第４レグ２４０が指定電力送受電レグとして蓄電池３５に接続されている。これも既に説明した通りである。

第５レグ２５０はＡＣスルーレグである。ＡＣスルーレグ２５０が他の電力ルータ３００の指定電力送受電レグと繋がり、ＡＣスルーレグ２５０は第４レグ２４０の接続端子２４５を介して蓄電池３５に繋がっている。ＡＣスルーレグ２５０は電力変換部を持たないのであるから、この接続関係は、他の電力ルータ３００の指定電力送受電レグが蓄電池３５に直接に繋がっていることと等価になる。このような接続が許されることは理解されるであろう。

第６レグ２６０は、指定電力送受電レグとして基幹系統１１に繋がっている。第６レグ２６０を介して基幹系統１１から決まった電力を受電するとすれば、このような接続が許容されるのは理解されるであろう。
なお、第１レグ２１０がマスターレグとなっていることの関係でいうと、第６レグ２６０による受電電力が直流母線２０１の定格維持に足りなければ、マスターレグ２１０は、基幹系統１１から必要な電力を受電することになる。逆に、第６レグ２６０による受電電力が直流母線２０１の定格維持に必要な量を超過してしまった場合、マスターレグ２１０は、過剰な電力を基幹系統１１に逃がすことになる。

次に、電力ルータ同士を接続する場合を説明する。電力ルータ同士を接続するということは、一の電力ルータのレグと他の電力ルータのレグとを接続するということである。レグ同士を接続する場合、組み合わせられる運転モードには制約がある。

図４Ａおよび図４Ｂに示す接続の組み合わせはいずれも可能な組み合わせの例である。図４Ａにおいては、第１電力ルータ１００のマスターレグ１１０と第２電力ルータ２００の自立レグ２１０とが接続されている。詳しく説明しないが、第２電力ルータ２００のマスターレグ２２０は、基幹系統１１に繋がり、これにより第２電力ルータ２００の直流母線２０１の電圧が定格に維持されるものとする。

図４Ａにおいて、第１電力ルータ１００から負荷３０に対して電力供給を行うと、直流母線１０１の電圧が下がることになる。マスターレグ１１０は、直流母線１０１の電圧を維持するように接続相手から電力を調達する。すなわち、マスターレグ１１０は、足りない分の電力を第２電力ルータ２００の自立レグ２１０から引き込むことになる。第２電力ルータ２００の自立レグ２１０は、接続相手（ここではマスターレグ１１０）から要求される分の電力を送出する。第２電力ルータ２００の直流母線２０１では、自立レグ２１０から電力を送出した分だけ電圧が下がることになるが、これはマスターレグ２２０によって基幹系統１１から補てんされる。このようにして、第１電力ルータ１００は、必要な分を電力を第２電力ルータ２００から融通してもらえる。

このように、第１電力ルータ１００のマスターレグ１１０と第２電力ルータ２００の自立レグ２１０とを接続したとしても、マスターレグ１１０と自立レグ２１０とで役割が整合しているので、どちらの動作にも不都合は生じない。したがって、図４Ａのようにマスターレグと自立レグとを接続してもよいことがわかる。

図４Ｂにおいては、第３電力ルータ３００の指定電力送受電レグ３１０と第４電力ルータ４００の自立レグ４１０とが接続されている。詳しく説明しないが、第３電力ルータ３００のマスターレグ３２０と第４電力ルータ４００のマスターレグ４２０とはそれぞれ基幹系統１１に繋がっており、これにより、第３電力ルータ３００および第４電力ルータ４００のそれぞれの直流母線３０１、４０１は定格の電圧を維持するものとする。

ここで、管理サーバ５０からの指示によって第３電力ルータ３００の指定電力送受電レグ３１０は指定の電力を受電するように指示されているものとする。指定電力送受電レグ３１０が第４電力ルータ４００の自立レグ４１０から指定の電力を引き込むようにする。第４電力ルータ４００の自立レグ４１０は、接続相手（ここでは指定電力送受電レグ３１０）から要求される分の電力を送出する。第４電力ルータ４００の直流母線４０１では、自立レグ４１０から送出した電力分だけ電圧が下がることになるが、これはマスターレグ４２０によって基幹系統１１から補てんされる。

このように、第３電力ルータ３００の指定電力送受電レグ３１０と第４電力ルータ４００の自立レグ４１０とを接続したとしても、指定電力送受電レグ３１０と自立レグ４１０とで役割が整合するので、どちらの動作にも不都合は生じない。したがって、図４Ｂのように指定電力送受電レグと自立レグとを接続してもよいことがわかる。

なお、第３電力ルータ３００が第４電力ルータ４００から電力を融通してもらう場合を例に説明したが、逆に、第３電力ルータ３００から第４電力ルータ４００に向けて電力を融通する場合でも同じように不都合が無いことは理解されるであろう。

このようにして、第３電力ルータ３００と第４電力ルータ４００との間で指定電力を融通し合うことができるわけである。

電力変換部を有するレグ同士を直接に接続する場合には、図４Ａと図４Ｂとに挙げた２パターンだけが許される。
すなわち、マスターレグと自立レグとを接続する場合と、指定電力送受電レグと自立レグとを接続する場合と、だけが許される。

次に、互いに接続できない組み合わせを挙げる。
図５Ａから図５Ｄは、互いに接続してはいけないパターンである。
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃを見てわかるように、同じ運転モードのレグ同士を接続してはいけない。
例えば、図５Ａの場合、マスターレグ同士を接続している。
マスターレグは、運転動作の説明で前述したように、接続相手の電圧、周波数および位相に同期した電力を作り出す処理をはじめに行う。
ここで、接続相手もマスターレグである場合、お互いに相手の電圧および周波数に同期しようとするが、マスターレグは電圧および周波数を自立的に確立しないため、このような同期処理は成功し得ない。
従って、マスターレグ同士を接続できないのである。
またさらに、次のような理由もある。
マスターレグは、直流母線の電圧を維持するために接続相手から電力を引き込まなければならない。（あるいは、直流母線の電圧を維持するために、過剰な電力は接続相手に逃がさなければならない。）マスターレグ同士が接続されてしまっては、互いに接続相手の要求を満たすことはできない。（仮にマスターレグ同士を接続してしまうと、両方の電力ルータで直流母線の電圧を維持できなくなる。すると、それぞれの電力セル内で停電などの不具合が発生するかもしれない。）このように、マスターレグ同士では互いの役割が衝突してしまうので（整合しないので）、マスターレグ同士を接続してはいけない。

図５Ｂでは、指定電力送受電レグ同士を接続しているが、これも成り立たないことは理解できるであろう。
前記マスターレグと同じことであるが、運転動作の説明で前述したように、指定電力送受電レグも接続相手の電圧、周波数および位相に同期した電力を作り出す処理をはじめに行う。
ここで、接続相手も指定電力送受電レグである場合、お互いに相手の電圧および周波数に同期しようとするが、指定電力送受電レグは電圧および周波数を自立的に確立しないため、このような同期処理は成功し得ない。
従って、指定電力送受電レグ同士を接続できないのである。
またさらに、次のような理由もある。
仮に、一方の指定電力送受電レグ５１０が送電すべき指定送電電力と、他方の指定電力送受電レグ６１０が受電すべき指定受電電力と、を一致させたとしても、このような指定電力送受電レグ同士を接続してはいけない。例えば、一方の指定電力送受電レグ５１０が指定送電電力を送電しようとして電力変換部を調整するとする。（例えば、接続相手よりも所定値だけ出力電圧を高くする。）その一方、他方の指定電力送受電レグ６１０が指定受電電力を受電しようと電力変換部を調整する。（例えば、接続相手よりも所定値だけ出力電圧が低くなるようにする。）同時にこのような調整動作が両方の指定電力送受電レグ５１０、６１０で行われてしまっては、互いに制御不能に陥ってしまうことは理解されるであろう。

図５Ｃでは、自立レグ同士を接続しているが、このような接続はしてはいけない。
自立レグは自ら電圧・周波数を作り出すものである。
仮に自立レグ同士を繋いだ状態で２つの自立レグが作り出す電圧、周波数および位相のいずれかが少しでも乖離すると、2つの自立レグの間に意図しない電力が流れてしまうことになる。
２つの自立レグが作り出す電圧、周波数および位相を完全に一致させ続けるというのは無理なのであり、したがって、自立レグ同士を接続していけない。

図５Ｄにおいては、マスターレグと指定電力送受電レグとを接続している。
これまでの説明から、これも成り立たないことは理解できるであろう。マスターレグ５１０が直流母線５０１の電圧を維持するように接続相手に対して電力を送受電しようとしても、指定電力送受電レグ６１０はマスターレグ５１０の要求に応じて送受電しない。したがって、マスターレグ５１０は直流母線５０１の電圧を維持できない。また、指定電力送受電レグ６１０が接続相手（５１０）に指定電力を送受電しようとしても、マスターレグ５１０は指定電力送受電レグ６１０の要求に応じて送受電しない。したがって、指定電力送受電レグ６１０は接続相手（ここではマスターレグ５１０）に指定電力を送受電することはできない。

ここまでは、電力変換部を有するレグ同士を接続する場合を考えたが、ＡＣスルーレグを考慮にいれると、図６Ａから図６Ｄのパターンも可能である。ＡＣスルーレグとは、電力変換部を有していないことから、単なるバイパスである。したがって、図６Ａや図６Ｂのように、第１電力ルータ１００のマスターレグ１１０が第２電力ルータ２００のＡＣスルーレグ２５０を介して基幹系統１１に繋がるというのは、マスターレグ１１０が基幹系統１１に直結していることと本質的に変わりがない。同じように、図６Ｃや図６Ｄのように、第１電力ルータ１００の指定電力送受電レグ１１０が第２電力ルータ２００のＡＣスルーレグ２５０を介して基幹系統１１に繋がるというのは、指定電力送受電レグ１１０が基幹系統１１に直結していることと本質的に変わりがない。

それでも、ＡＣスルーというのは設けておくと便利である。例えば、図７のように、第１電力ルータ１００から基幹系統１１までの距離が非常に長く、第１電力ルータ１００を基幹系統１１に接続するためにはいくつかの電力ルータ２００、３００を経由しなければならないという場合が考えられる。
仮にＡＣスルーレグが無いとすると、図４Ａで示したように、一または複数の自立レグを経由しなければならなくなる。電力変換部をもつレグを経由すると、交流電力から直流電力への変換および直流電力から交流電力への変換を経由することになる。電力変換にはやはり数％とはいえどもエネルギーロスが発生するので、単に基幹系統に接続するためだけに複数回の電力変換を必要とするのは効率が悪い。
したがって、電力ルータに電力変換部を有さないＡＣスルーレグを設けておくことには意味があるのである。

ここまでに説明したことを図８にまとめた。
また、図９に、４つの電力ルータ１００−４００を相互に接続した場合の一例を挙げる。
いずれの接続関係もこれまでの説明中に登場したので、一つ一つの接続先を細かく説明することはしないが、いずれも許容される接続関係であることは理解されるであろう。

ここで、電力ルータと接続相手とを繋ぐ接続線について補足しておく。
電力ルータ同士を繋ぐ接続線を送電線と称するとすると、送電線は基幹系統の一部となっていてもよいし、基幹系統から切り離されていてもよい。
（図９においては、基幹系統の一部となっている送電線に７１Aの符号を付し、基幹系統から切り離された送電線に７１Bの符号を付した。）
すなわち、基幹系統に対して複数の電力ルータが接続されていてもよい。このように基幹系統を介して二以上の電力ルータを接続することにより、複数の電力ルータ間で基幹系統を介した電力融通が可能となり、融通される電力の過不足を基幹系統で補填するようにもできる。その一方、基幹系統を介さないで二以上の電力ルータ同士を接続してもよい。
また、電力ルータと負荷（または分散電源）とを繋ぐ接続線を配電線７２と称するとすると、配電線７２は基幹系統１１から切り離されたものである。すなわち、電力ルータと負荷（または分散電源）とを繋ぐ配電線７２は基幹系統１１に繋がらない。

また、図１０に図示するように、電力ルータ１００−４００をバス接続のようにして接続するようにしてもよい。
各レグの運転モードについては説明を省略するが、電力融通の方向とこれまでに説明した接続制約とを考慮して適切に各レグの運転モードを選択しなければならないことはもちろんである。
なお、図１０において、基幹系統１１を、蓄電池や発電設備などの分散電源に代えてもよいことはもちろんである。すなわち、複数の電力ルータを分散電源にバス接続してもよい。

また、図１１に示す例は、二つの電力ルータ１００、２００を基幹系統１１に接続した接続形態の一例である。
図１１において、基幹系統１１を分散電源に代えてもよい。

これまで説明したように、電力ルータの接続相手としては、基幹系統、蓄電池や発電設備を含む分散電源、および、他の電力ルータが挙げられるところ、本明細書および特許請求の範囲においてこれらを電力系統と称する。

以上に説明したように、本実施形態の電力ルータによれば、次の効果を奏することができる。
すなわち、本実施形態の電力ルータにより、電力セル同士を非同期に相互接続した電力ネットワークシステムを構築することができる。そして、本実施形態に説明した接続制約に従うことによって、互いの役割が矛盾しないようにレグ同士を接続していくことができる。これにより、電力ネットワークシステムを拡張し、また、全体を安定的に運用することができるようになる。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
本発明は、任意の処理を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）にコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。また、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Read Only Memory）ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

この出願は、２０１２年１０月１９日に出願された日本出願特願２０１２−２３１５９０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０・・・電力ネットワークシステム、１１・・・基幹系統、１２・・・大規模発電所、２１・・・電力セル、３０・・・負荷、３１・・・家、３２・・・ビル、３３・・・太陽光発電パネル、３４・・・風力発電機、３５・・・電力貯蔵設備（蓄電池）、４１・・・電力ルータ、５０・・・管理サーバ、５１・・・通信網、１００・・・電力ルータ、１０１・・・直流母線、１０２・・・平滑コンデンサー、１０３・・・電圧センサ、１１０・・・レグ、１１１・・・電力変換部、１１１Ｄ・・・帰還ダイオード、１１１Ｐ・・・逆並列回路、１１１Ｔ・・・サイリスタ、１１２・・・電流センサ、１１３・・・開閉器、１１４・・・電圧センサ、１１５・・・接続端子。

各電力セルの内部で自由に発電したり、さらに、電力セル間でスムースに電力を融通し合うようにしたりするため、電力セル同士は非同期で接続されている。（すなわち、複数の電力セルが相互に接続されているとしても、それぞれの電力セルで使用される電力の電圧、位相および周波数は他の電力セルとは非同期である。）
図１２に電力ネットワークシステム１０の例を示す。図１２において、基幹系統１１は大規模発電所１２からの基幹電力を送電する。そして、複数の電力セル２１−２４が配置されている。各電力セル２１−２４は、家３１やビル３２などの負荷や、発電設備３３、３４や、電力貯蔵設備３５、を有している。
発電設備としては、太陽光発電パネル３３や風力発電機３４などが例として挙げられる。電力貯蔵設備とは蓄電池３５などのことである。本明細書では、発電設備と電力貯蔵設備とを総称して、分散電源ということがある。

さらに、各電力セル２１−２４は、他の電力セルや基幹系統１１と接続されるための接続口（接続ポート）となる電力ルータ４１−４４を備えている。電力ルータ４１−４４は複数のレグ（ＬＥＧ）を有している。（紙幅の都合上、図１２中ではレグの符号を省略した。電力ルータ４１−４４に付属している白丸が各レグの接続端子であると解釈してほしい。）
ここで、レグとは、接続端子と電力変換部とを有しており、各レグにはアドレスが付されている。なお、レグによる電力変換とは、交流から直流へまたは直流から交流への変換や、電力の電圧、周波数、位相を変化させることをいう。

Claims (10)

1. 電力セルを外部の電力系統に非同期に接続するための電力ルータであって、
   所定の定格に電圧が維持される直流母線と、
   一方の接続端が前記直流母線に接続され、他方の接続端が外部接続端子として外部の接続相手に接続され、前記一方の接続端と前記他方の接続端との間で電力を双方向に変換する機能を有する電力変換レグと、
   前記電力変換レグの運転を制御する制御部と、を備えており、
   前記電力変換レグが複数設けられ、
   管理サーバからの指令によって制御され、
   前記制御部は、前記電力変換レグをマスターモードと指定電力送受電モードとのいずれかの運転モードで運転制御するものであり、
   前記マスターモードで運転される前記電力変換レグは、
   前記直流母線の電圧が定格から下がった場合、不足分の電力を接続相手から補填し、前記直流母線の電圧が定格から上がった場合、過剰分の電力を接続相手に送出し、
   前記指定電力送受電モードで運転される前記電力変換レグは、
   前記管理サーバからの指定に応じて、指定電力を接続相手に送電するか、または、指定電力を接続相手から受電し、
   制御部は、電力ルータの動作中には、少なくともいずれか一つの電力変換レグをマスターモードにする
   ことを特徴とする電力ルータ。
2. 請求項１に記載の電力ルータにおいて、
   前記電力変換レグの運転モードには、前記マスターモードと前記指定電力送受電モードとに加えて、さらに、自立モードを含み、
   前記自立モードで運転される前記電力変換レグは、
   前記管理サーバから指定された振幅・周波数の電圧を自ら作り出し、接続相手との間で送受電する
   ことを特徴とする電力ルータ。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力ルータにおいて、
   さらに、
   一方の接続端が外部接続端子として外部の接続相手に接続され、他方の接続端が他のレグの外部接続端子に内部配線で接続されており、電力変換を介することなく、一方の接続端と他方の接続端とを導通させるＡＣスルーレグを備える
   ことを特徴とする電力ルータ。
4. 一または複数の請求項３に記載の電力ルータと、
   前記電力ルータが直接的または間接的に接続される電力系統と、を具備する電力ネットワークシステムにおいて、
   前記マスターモードで運転される電力変換レグが直接または間接的に接続される接続相手は、基幹発電所に繋がる基幹系統か、分散電源か、のいずれかに制約される
   ことを特徴とする電力ネットワークシステム。
5. 請求項４に記載の電力ネットワークシステムにおいて、
   前記マスターモードで運転される電力変換レグが間接的に基幹系統または分散電源に接続される場合、
   間に介在するのは、自立モード運転される電力変換レグか、ＡＣスルーレグか、のいずれかに制約される
   ことを特徴とする電力ネットワークシステム。
6. 請求項４または請求項５のいずれかに記載の電力ネットワークシステムにおいて、
   前記指定電力送受電モードで運転される電力変換レグが直接または間接的に接続される接続相手は、基幹系統、分散電源、および、自立モードで運転される電力変換レグ、のいずれかに制約される
   ことを特徴とする電力ネットワークシステム。
7. 請求項６に記載の電力ネットワークシステムにおいて、
   前記指定電力送受電モードで運転される電力変換レグが間接的に、基幹系統、分散電源、および、自立モードで運転される電力変換レグ、のいずれかに接続される場合、
   間に介在するのは、ＡＣスルーレグに制約される
   ことを特徴とする電力ネットワークシステム。
8. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の電力ルータを二つ以上具備する電力ネットワークシステムであって、
   前記電力ルータ間で電力を送受電する
   ことを特徴とする電力ネットワークシステム。
9. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の電力ルータを二つ以上用いて、
   前記電力ルータ間で電力を送受電することにより電力を融通する
   ことを特徴とする電力融通方法。
10. 所定の定格に電圧が維持される直流母線と、
    一方の接続端が前記直流母線に接続され、他方の接続端が外部接続端子として外部の接続相手に接続され、前記一方の接続端と前記他方の接続端との間で電力を双方向に変換する機能を有する電力変換レグと、を備え、
    前記電力変換レグが複数設けられ、
    管理サーバからの指令によって制御され、
    電力セルを外部の電力系統に非同期に接続するための電力ルータにコンピュータを組み込んで、
    このコンピュータに、前記電力変換レグをマスターモードと指定電力送受電モードとのいずれかの運転モードで運転制御させる電力ルータの運転制御プログラムであって、
    前記マスターモードで運転される前記電力変換レグは、
    前記直流母線の電圧が定格から下がった場合、不足分の電力を接続相手から補填し、前記直流母線の電圧が定格から上がった場合、過剰分の電力を接続相手に送出し、
    前記指定電力送受電モードで運転される前記電力変換レグは、
    前記管理サーバからの指定に応じて、指定電力を接続相手に送電するか、または、指定電力を接続相手から受電し、
    電力ルータの動作中には、少なくともいずれか一つの電力変換レグをマスターモードにする
    ことを特徴とする電力ルータの運転制御プログラム。

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