WO2023175983A1 - 制御装置、制御方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

少なくとも、第１の給電装置を備える第１の拠点と、第２の給電装置及び負荷装置を備える第２の拠点とを有する複数の拠点を給電線で接続した直流給電システムに対する制御を実行するための制御装置であって、前記第２の給電装置と前記負荷装置との間のバスの情報を取得する情報取得部と、前記情報と閾値に基づいて、前記直流給電システムにおける電圧の制御を実行するか否かを判定する判定部と、前記判定部により前記制御を実行すると判定された場合に、前記第１の給電装置と前記第２の給電装置のうちの少なくともいずれか１つに対して電圧の制御を実行する制御部とを備える。

Description

制御装置、制御方法、及びプログラム

　本発明は、給電の安定性を確保するための技術に関連するものである。

　通信ビルやデータセンタ等では、システム全体の電力損失を低減して、省エネルギー化を図るために、高電圧の直流給電システムが導入されている。直流給電システムでは、例えば３８０Ｖといった高電圧により給電（配電）が行われる。

　従来の直流給電システムでは、屋内で給電を行うことが一般的である。屋内の直流給電システムでは、最大で６０ｍ程度のケーブルで給電が行われる。また、給電方向はＩＣＴ装置等の負荷への片方向である。

IEEJ2021 一般講演 6-056「屋外直流給電システムにおける短絡保護手法の検討」花岡ほか

　今後、屋外の給電線により直流で給電を行う屋外直流給電システムが導入されることが想定される（例えば非特許文献１）。また、給電用コンバータを持つ複数の拠点がｎ対ｎで接続され、拠点間で双方向の給電を行う形態が想定される。

　屋外直流給電システムでは、数ｋｍ遠方（例えば最大で４ｋｍ）にある負荷に給電する場合がある。この場合、インピーダンス（抵抗成分，インダクタンス成分）が従来の屋内直流給電システムに比べて非常に大きくなる。

　給電用コンバータを持つ複数の拠点がｎ対ｎで接続され、拠点間で電力融通を行う状況においては、電流及び電圧が振動し、安定して給電できない場合があるという課題がある。

　本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、複数の拠点が給電線で接続された直流給電システムにおいて、安定して給電を行うための技術を提供することを目的とする。

　開示の技術によれば、少なくとも、第１の給電装置を備える第１の拠点と、第２の給電装置及び負荷装置を備える第２の拠点とを有する複数の拠点を給電線で接続した直流給電システムに対する制御を実行するための制御装置であって、
　前記第２の給電装置と前記負荷装置との間のバスの情報を取得する情報取得部と、
　前記情報と閾値に基づいて、前記直流給電システムにおける電圧の制御を実行するか否かを判定する判定部と、
　前記判定部により前記制御を実行すると判定された場合に、前記第１の給電装置と前記第２の給電装置のうちの少なくともいずれか１つに対して電圧の制御を実行する制御部と
　を備える制御装置が提供される。

　開示の技術によれば、複数の拠点が給電線で接続された直流給電システムにおいて、安定して給電を行うことが可能となる。

直流給電システムの全体構成例を示す図である。 １つのビル内の直流給電システムの例を示す図である。 屋外の給電線で拠点間を接続する直流給電システムの例を示す図である。 制御装置の構成例を示す図である。 制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。 電流と電位差との関係を示す図である。 判定の具体例を説明するための図である。 装置のハードウェア構成例を示す図である。

　以下、図面を参照して本発明の実施の形態（本実施の形態）を説明する。以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。

　（システムの全体構成例）
　図１に、本実施の形態における直流給電システムの全体構成例を示す。図１に示す直流給電システムでは、屋外の給電線により高電圧（例えば３８０Ｖ）で長距離（例えば４ｋｍ程度）の給電を行う。

　図１の例では、３つの拠点、すなわち、ビルＡ、ビルＢ、ビルＣが存在し、各ビルは給電用コンバータを備えており、他のビルへ給電することが可能である。すなわち、３つの拠点の任意の２拠点間で双方向の給電を行うことが可能である。図１の例において、ビルＡは、通信ビル等の拠点となるビルであり、ビルＢとビルＣはそれぞれ避難所等のビルである。なお、給電用コンバータを給電装置と呼んでもよい。ただし、「給電装置」は給電用コンバータに限定されない。

　図１に示すとおり、各拠点は、太陽光発電機（ＰＶ）や風力発電等の発電設備、及び、ＥＶや蓄電池等の負荷が備えられており、コンバータにより拠点間で双方向に電力融通を行うことができる。

　（課題、及び解決策）
　以下では、本発明に係る技術が解決しようとする課題について詳細に説明する。まず、比較のために、図２に、従来の屋内（通信ビル内）の直流給電システムの例を示す。図２に示すように、この直流給電システムは、ＡＣ２００Ｖ１、整流装置２、電流分配装置３、及び負荷４（直流３８０Ｖ利用機器）を備える。

　図２に示すように、最大で６０ｍ程度のケーブルにより、整流装置２から負荷４への片方向の給電が行われる。そのため、ＩＣＴ装置など負荷４への電力は安定して送ることができる。

　図３は、図１における点線で囲んだ枠の部分に相当する直流給電システムを示す。図３に示すように、ビルＡ（通信ビル）において、ＡＣ２００Ｖの電源１Ａ、双方向インバータ２Ａ、給電用コンバータＡ（１０Ａ）、入出力盤２０Ａが備えられている。また、ビルＢには、入出力盤２０Ｂ、給電用コンバータ１０Ｂ、負荷装置３０Ｂが備えられている。

　ビルＡとビルＢの間は、双方向給電可能な屋外の給電線で接続されており、その長さは、例えば、最大で４ｋｍである。

　図３の構成のように、長距離の給電を行う場合、インピーダンス（抵抗成分，インダクタンス成分）は、図２に示す構成におけるインピーダンスと比べて、２桁程度大きくなる。

　上記のような長距離給電において生じる課題を説明する。図３には、課題を解決するための制御を行う制御装置１００が示されているが、まずは、制御装置１００が無い場合に生じる課題を説明する。

　なお、本実施の形態では、拠点間での電力融通を行うための給電用コンバータの制御方式として、電力融通を行う２拠点の給電用コンバータ間の入出力電圧の差分で電力融通できる量が決定される方式（ドループ制御の系）を用いる。

　図３に示す構成において、ビルＢの負荷装置３０Ｂへの電力である負荷電力が低下すると、内部バスの電圧（給電用コンバータ１０Ｂと負荷装置３０Ｂとの間の内部バスの電圧）が上昇する。そのため、給電用コンバータＢが電圧を戻す（下げる）制御をする。このような動作が繰り返されることで、内部バスの電圧と電流が振動し、安定した給電を行うことができなくなるという課題がある。

　本実施の形態では、上記の課題を解決するために、制御装置１００を備える。また、ビルＢにおける内部バスには、電流、電圧、あるいはこれらの両方を測定可能なセンサが備えられているとする。なお、制御装置１００はどこに備えられてもよい。例えば、ビルＢ外に備えられてもよい。

　制御装置１００は、ビルＢにおける内部バスの電流値（実測値）をセンサから取得し、取得した電流値と、予測される電流値とに基づいて、給電用コンバータ１０Ａの電圧Ｖ１と、給電コンバータ１０Ｂの電圧Ｖ２の少なくともいずれか一方を調整する。これにより、内部バス電圧の上昇を抑制し、給電を安定化させることができる。なお、Ｖ１は、給電用コンバータ１０Ａの自営線側の目標電圧であり、Ｖ２は、給電コンバータ１０Ｂの自営線側の目標電圧である。例えば、目標値Ｖ１が３８０Ｖであり、目標値Ｖ２が３６０Ｖである場合、屋外給電線の電圧がＶ１とＶ２の平均の３７０Ｖになる。なお、自営線側とは屋外給電線側である。

　上記の例では、内部バスの電流値（実測値）に基づいて制御を行っているが、内部バスの電圧値（実測値）に基づいて制御を行ってもよい。

　（制御装置１００の構成）
　図４に、本実施の形態における制御装置１００の構成例を示す。図４に示すとおり、制御装置１００は、情報取得部１１０、判定部１２０、制御部１３０、データ格納部１４０を備える。各部の動作概要は下記のとおりである。

　情報取得部１１０は、負荷装置が備えられている拠点における内部バスの電流値あるいは電圧値を取得する。判定部１２０は、情報取得部１１０により取得した情報と、データ格納部１４０に格納されている情報（閾値等）に基づいて、給電用コンバータに対する電圧の制御を行うか否かを判断する。

　制御部１３０は、判定部１２０により給電用コンバータに対する電圧の制御を行うと判定された場合に、給電用コンバータに対する電圧の制御を行う。なお、制御は、給電元の給電用コンバータと給電先の給電用コンバータのうちのいずれか１つの給電用コンバータに対する制御であってもよい。

　データ格納部１４０には、給電元の給電用コンバータと給電先の給電用コンバータのそれぞれの現在の電圧の設定値、及び、閾値が格納されている。

　（制御装置１００の動作例）
　続いて、図５のフローチャートの手順に沿って、制御装置１００の動作例を説明する。ここでは、図３に示した直流給電システムに対する制御の動作例を説明する。図３に示した構成において、ビルＡの給電用コンバータ１０ＡからビルＢの給電用コンバータ１０Ｂに対して屋外給電線を介して給電が行われ、給電用コンバータ１０Ｂから負荷装置３０Ｂに対して内部バスを介して給電が行われる。基本的（理論的）には、給電用コンバータ１０Ａの電圧と給電用コンバータＢの電圧との差分により、給電用コンバータＢから負荷装置３０Ｂに供給される電流の大きさが決まる。

　Ｓ１０１において、情報取得部１１０が、ビルＢの内部バスに取り付けられたセンサから内部バスを流れている実際の電流値（実測値）を取得する。

　Ｓ１０２において、判定部１２０は、Ｓ１０１で取得した電流値を用いて、給電用コンバータ１０Ａ／１０Ｂの電圧を制御するか否かを判断する。なお、給電用コンバータ１０Ａ／１０Ｂの電圧とは、「給電用コンバータ１０Ａの電圧」、「給電用コンバータ１０Ｂの電圧」、又は「給電用コンバータ１０Ａの電圧と給電用コンバータ１０Ｂの電圧の両方」を意味する。詳細な判定の処理内容は下記のとおりである。

　判定部１２０は、データ格納部１４０から、給電用コンバータ１０Ａの電圧の現在の設定値（Ｖ１とする）と、給電用コンバータ１０Ｂの電圧の現在の設定値（Ｖ２とする）を読み出す。判定部１２０は、Ｖ１－Ｖ２を計算し、Ｖ１－Ｖ２から、内部バスを流れる電流値を予測する。

　例えば、内部バスに関して、図６に示すような、電位差（「Ｖ１－ＶＶ」）と電流値との関係が予め用意してありその傾きαがデータ格納部１４０に格納されている。判定部１２０は、データ格納部１４０からαを読み出し、（Ｖ１－Ｖ２）×（１／α）により、内部バスを流れる電流の予測値を算出することができる。

　判定部１２０は、予測値と実測値とを比較して、例えば、｜予測値－実測値｜が閾値よりも大きい場合に、給電用コンバータ１０Ａ／１０Ｂの電圧の制御（調整）を行うと判断する。

　具体例を、図７を参照して説明する。図７の例では、α＝５（Ｖ／Ａ）である。また、電流の予測値をＩｐ、実測値をＩｅとする。正常１のケースでは、Ｖ１＝３８０Ｖ、Ｖ２＝３６０Ｖなので、Ｉｐ＝２０×（１／５）＝４Ａとなる。Ｉｅ＝４Ａであり、Ｉｐと等しいので、判定部１２０は制御を実施しないと判断する。正常２のケースでは、Ｖ１＝３８０Ｖ、Ｖ２＝３５０Ｖなので、Ｉｐ＝３０×（１／５）＝６Ａとなる。Ｉｅ＝６Ａであり、Ｉｐと等しいので、判定部１２０は制御を実施しないと判断する。

　異常（振動）のケースでは、Ｖ１＝３８０Ｖ、Ｖ２＝３５０Ｖなので、Ｉｐ＝３０×（１／５）＝６Ａとなる。一方、Ｉｅ＝５Ａであり、Ｉｐのほうが１Ａだけ大きい。ここで例えば、｜予測値－実測値｜と比較する閾値が０．５Ａであるとする。この場合、｜予測値－実測値｜＞０．５Ａとなるので、判定部１４０は、給電用コンバータ１０Ａ／１０Ｂの電圧の制御を実行すると判断する。

　上記のように、給電用コンバータ１０Ａ／１０Ｂの電圧の制御を実行すると判断された場合、図５のＳ１０３において、制御部１３０が制御を実行する。

　具体的には、制御部１３０は、｜予測値－実測値｜が閾値以下になるように、給電用コンバータ１０Ａ／１０Ｂの電圧の制御を実行する。例えば、閾値を０．５とすると、（Ｉｐ－Ｉｅ）≦０．５Ａになるように給電用コンバータ１０Ａ／１０Ｂの電圧を調整する。

　図７に示した異常のケースでは、（Ｉｐ－Ｉｅ）＝６Ａ－５Ａであったので、Ｉｐを１Ａだけ下げるように制御する。図６の関係から、（Ｉｐ－Ｉｅ）×α＝（６Ａ－５Ａ）×５＝５Ｖと計算できるので、ここでは、Ｖ１－Ｖ２が５Ｖだけ減少するように、例えば、Ｖ２を５Ｖだけ増加させるように制御を行う。具体的には、制御部１３０は、給電用コンバータ１０Ａに対して、電圧値として３８０Ｖを指示（設定）し、給電用コンバータ１０Ｂに対して、電圧値として３５５Ｖを指示（設定）する。

　仮に実測値が５Ａで変化がないとすると、上記の制御により、予測値は５Ａとなり実測値と一致するので、正常状態となる。

　図５のフローに示すように、上述した制御を例えば一定時間間隔で繰り返すことで、安定した給電状態を維持することができる。

　なお、上記の例では、制御装置１００は、内部バスのセンサから電流値を取得して判定・制御を行っているが、これは例である。制御装置１００は、内部バスのセンサから電圧値を取得して判定・制御を行ってもよい。

　この場合、図５のフローのＳ１０１において、情報取得部１１０が内部バスのセンサから電圧値（内部バスのプラス線とマイナス線との間の電圧）を取得する。Ｓ１０２において、判定部１２０は、Ｓ１０１で取得した電圧値を予め定めた閾値と比較し、電圧値が閾値（例：３９０Ｖ）よりも高い場合に、制御を行うと判断する。

　制御を行う場合のＳ１０３において、制御部１３０は、Ｖ１－Ｖ２が小さくなるように、例えば、Ｖ２の電圧を上げるように制御を行う。電圧を上げる幅（Ｖ１－Ｖ２を小さくする幅）を、予め定めておいてもよい。このような制御を例えば一定時間間隔で繰り返すことで、安定した給電状態を維持することができる。

　（装置のハードウェア構成例）
　制御装置１００は、例えば、コンピュータにプログラムを実行させることにより実現できる。このコンピュータは、物理的なコンピュータであってもよいし、クラウド上の仮想マシンであってもよい。

　すなわち、制御装置１００は、コンピュータに内蔵されるＣＰＵやメモリ等のハードウェア資源を用いて、制御装置１００で実施される処理に対応するプログラムを実行することによって実現することが可能である。上記プログラムは、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（可搬メモリ等）に記録して、保存したり、配布したりすることが可能である。また、上記プログラムをインターネットや電子メール等、ネットワークを通して提供することも可能である。

　図８は、上記コンピュータのハードウェア構成例を示す図である。図８のコンピュータは、それぞれバスＢＳで相互に接続されているドライブ装置１０００、補助記憶装置１００２、メモリ装置１００３、ＣＰＵ１００４、インタフェース装置１００５、表示装置１００６、入力装置１００７、出力装置１００８等を有する。

　当該コンピュータでの処理を実現するプログラムは、例えば、ＣＤ－ＲＯＭ又はメモリカード等の記録媒体１００１によって提供される。プログラムを記憶した記録媒体１００１がドライブ装置１０００にセットされると、プログラムが記録媒体１００１からドライブ装置１０００を介して補助記憶装置１００２にインストールされる。但し、プログラムのインストールは必ずしも記録媒体１００１より行う必要はなく、ネットワークを介して他のコンピュータよりダウンロードするようにしてもよい。補助記憶装置１００２は、インストールされたプログラムを格納すると共に、必要なファイルやデータ等を格納する。

　メモリ装置１００３は、プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置１００２からプログラムを読み出して格納する。ＣＰＵ１００４は、メモリ装置１００３に格納されたプログラムに従って、制御装置１００に係る機能を実現する。インタフェース装置１００５は、ネットワークや各種計測装置等に接続するためのインタフェースとして用いられる。表示装置１００６はプログラムによるＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等を表示する。入力装置１００７はキーボード及びマウス、ボタン、又はタッチパネル等で構成され、様々な操作指示を入力させるために用いられる。出力装置１００８は演算結果を出力する。

　（実施の形態の効果）
　本実施の形態に係る技術により、複数の拠点が給電線で接続された直流給電システムにおいて、安定して給電を行うことが可能となる。すなわち、内部バスの電圧上昇を防止し、内部バスの電圧及び電流が振動しない様に給電を安定化させることができる。

　（付記）
　本明細書には、少なくとも下記各項の制御装置、制御方法、及びプログラムが開示されている。
（付記項１）
　少なくとも、第１の給電装置を備える第１の拠点と、第２の給電装置及び負荷装置を備える第２の拠点とを有する複数の拠点を給電線で接続した直流給電システムに対する制御を実行するための制御装置であって、
　メモリと、
　前記メモリに接続された少なくとも１つのプロセッサと、
　を含み、
　前記プロセッサは、
　前記第２の給電装置と前記負荷装置との間のバスの情報を取得し、
　前記情報と閾値に基づいて、前記直流給電システムにおける電圧の制御を実行するか否かを判定し、
　前記判定により前記制御を実行すると判定された場合に、前記第１の給電装置と前記第２の給電装置のうちの少なくともいずれか１つに対して電圧の制御を実行する
　制御装置。
（付記項２）
　前記情報は、前記バスを流れる電流の実測値であり、
　前記プロセッサは、前記第１の給電装置の電圧と前記第２の給電装置の電圧とから前記電流の予測値を算出し、前記予測値と前記実測値との差分を前記閾値と比較することで、前記制御を実行するか否かを判定する
　付記項１に記載の制御装置。
（付記項３）
　前記プロセッサは、前記予測値と前記実測値との差分が前記閾値以下になるように、前記第１の給電装置と前記第２の給電装置のうちの少なくともいずれか１つに対して電圧の制御を実行する
　付記項２に記載の制御装置。
（付記項４）
　前記情報は、前記バスの電圧の実測値であり、
　前記プロセッサは、前記実測値を前記閾値と比較することで、前記制御を実行するか否かを判定する
　付記項１に記載の制御装置。
（付記項５）
　少なくとも、第１の給電装置を備える第１の拠点と、第２の給電装置及び負荷装置を備える第２の拠点とを有する複数の拠点を給電線で接続した直流給電システムに対する制御を実行するためのコンピュータにおける制御方法であって、
　前記第２の給電装置と前記負荷装置との間のバスの情報を取得する情報取得ステップと、
　前記情報と閾値に基づいて、前記直流給電システムにおける電圧の制御を実行するか否かを判定する判定ステップと、
　前記判定ステップにより前記制御を実行すると判定された場合に、前記第１の給電装置と前記第２の給電装置のうちの少なくともいずれか１つに対して電圧の制御を実行する制御ステップと
　を備える制御方法。
（付記項６）
　コンピュータを、付記項１ないし４のうちいずれか１項に記載の制御装置における各部として機能させるためのプログラムを記憶した非一時的記憶媒体。。

　以上、本実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１００　制御装置
１１０　情報取得部
１２０　判定部
１３０　制御部
１４０　データ格納部
１０００　ドライブ装置
１００１　記録媒体
１００２　補助記憶装置
１００３　メモリ装置
１００４　ＣＰＵ
１００５　インタフェース装置
１００６　表示装置
１００７　入力装置
１００８　出力装置

Claims (6)

1. 　少なくとも、第１の給電装置を備える第１の拠点と、第２の給電装置及び負荷装置を備える第２の拠点とを有する複数の拠点を給電線で接続した直流給電システムに対する制御を実行するための制御装置であって、
   　前記第２の給電装置と前記負荷装置との間のバスの情報を取得する情報取得部と、
   　前記情報と閾値に基づいて、前記直流給電システムにおける電圧の制御を実行するか否かを判定する判定部と、
   　前記判定部により前記制御を実行すると判定された場合に、前記第１の給電装置と前記第２の給電装置のうちの少なくともいずれか１つに対して電圧の制御を実行する制御部と
   　を備える制御装置。
2. 　前記情報は、前記バスを流れる電流の実測値であり、
   　前記判定部は、前記第１の給電装置の電圧と前記第２の給電装置の電圧とから前記電流の予測値を算出し、前記予測値と前記実測値との差分を前記閾値と比較することで、前記制御を実行するか否かを判定する
   　請求項１に記載の制御装置。
3. 　前記制御部は、前記予測値と前記実測値との差分が前記閾値以下になるように、前記第１の給電装置と前記第２の給電装置のうちの少なくともいずれか１つに対して電圧の制御を実行する
   　請求項２に記載の制御装置。
4. 　前記情報は、前記バスの電圧の実測値であり、
   　前記判定部は、前記実測値を前記閾値と比較することで、前記制御を実行するか否かを判定する
   　請求項１に記載の制御装置。
5. 　少なくとも、第１の給電装置を備える第１の拠点と、第２の給電装置及び負荷装置を備える第２の拠点とを有する複数の拠点を給電線で接続した直流給電システムに対する制御を実行するための制御装置における制御方法であって、
   　前記第２の給電装置と前記負荷装置との間のバスの情報を取得する情報取得ステップと、
   　前記情報と閾値に基づいて、前記直流給電システムにおける電圧の制御を実行するか否かを判定する判定ステップと、
   　前記判定ステップにより前記制御を実行すると判定された場合に、前記第１の給電装置と前記第２の給電装置のうちの少なくともいずれか１つに対して電圧の制御を実行する制御ステップと
   　を備える制御方法。
6. 　コンピュータを、請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の制御装置における各部として機能させるためのプログラム。

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