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JP2014060855A - 電力変換装置、協調制御方法、協調制御システム、およびプログラム - Google Patents

電力変換装置、協調制御方法、協調制御システム、およびプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】電力変換装置の設置場所の柔軟性を確保しながら電力入出力のスループット増加を実現する。
【解決手段】本発明の一態様としての電力変換装置において、第1接続部は、複数の電力線のうちの1つである第1電力線に接続され、第2接続部は、前記複数の電力線のうちの別の1つである第2電力線に接続され、電力変換部は、前記第1接続部および前記第2接続部のうちの一方から入力された電力を変換し、変換された電力を前記1接続部および前記第2接続部のうちの他方から出力し、制御部は、前記第1電力線および前記第2電力線を含む前記複数の電力線のうちの1つである第3電力線に接続された複数の電力変換装置のそれぞれの電力変換特性情報に基づき、前記複数の電力変換装置の中から、前記第3電力線への電力の出力に関して、前記複数の電力変換装置のうち他の電力変換装置を制御する電力変換装置であるマスター装置を選定する。
【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置、協調制御方法、協調制御システム、およびプログラムに関する。
インバータユニット(電力変換装置)が通信機能を搭載し、複数の電力変換装置同士での自律協調型制御を適用することで、電力変換装置の設置場所の柔軟性を確保しながら、電力変換装置の増設時やメンテナンス時を含めた全自動での容量アップが可能となるシステムを考える。
このとき、例えば複数台の電力変換装置を並列的に運転させ、電力の出力増を図る場合は、電源位相機能を考慮する必要がある。電源位相の目的は、交流側出力における横流(起電力の差によって流れる無効横流、起電力の位相差によって流れる同期横流、起電力の波形差によって流れる高調波横流)発生を防止することであるが、この場合、複数の電力変換装置同士での制御権の主体の決定、すなわち、マスター装置（あるいは単にマスター）の決定が必須となる。マスターにより制御される電力変換装置はスレーブ装置（あるいは単にスレーブ）に相当する。
従来、複数の電力変換装置を光通信により並列動作させ、限流リアクトルを用いずに、電源位相を実施する方法が開示されている。また、制御装置が、複数の電力変換装置間の電力配分を動的に融通する方法が開示されている。
だが、電力変換装置を複数台設置して運用する際、規模が大きくなる程手動では管理が複雑になる課題がある。例えば、複数の電力変換装置間でのマスター/スレーブ関係の決定について公知技術では少数台への適用の前提であった。大規模な電源位相機能のように、マスターの候補となる複数の電力変換装置を並列運転させるためには、多段階層におけるマスター/スレーブ関係の決定が必要になる。電力変換装置の用途(電力配分や電源位相等)によって、装置間の構成が異なるものの、従来技術の想定は固定的であった。
特開2003-348851号公報
Nguyen, P.H.、「Smart Power Router: A Flexible Agent-Based Converter Interface in Active Distribution Networks」、pp.487-495、IEEE Transactions on Smart Grid、September 2011
上述したように、従来技術では、電力変換装置を複数台設置して運用する際、規模が大きくなる程手動では管理が複雑になる課題を解決していなかった。また、電力変換装置の用途毎に、装置間の構成が異なるものの、従来技術の想定は固定的な設定の枠組みであった。
本発明の一側面は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、電力変換装置を複数台設置して運用する際、電量変換装置の増設や構成変更等があった場合でも、電源位相制御または電力分担制御等の電力制御を管理者への負担を抑制して適正に行うことを可能にすることを目的とする。
本発明の一態様としての電力変換装置は、第1接続部と、第2接続部と、電力変換部と、制御部とを備える。
前記第1接続部は、複数の電力線のうちの1つである第1電力線に接続される。
前記第2接続部は、前記複数の電力線のうちの別の1つである第2電力線に接続される。
前記電力変換部は、前記第1接続部および前記第2接続部のうちの一方から入力された電力を変換し、変換された電力を前記1接続部および前記第2接続部のうちの他方から出力する。
前記制御部は、前記第1電力線および前記第2電力線を含む前記複数の電力線のうちの1つである第3電力線に接続された複数の電力変換装置のそれぞれの電力変換特性情報に基づき、前記複数の電力変換装置の中から、前記第3電力線への電力の出力に関して、前記複数の電力変換装置のうち他の電力変換装置を制御する電力変換装置であるマスター装置を選定する。
本発明の第1の実施形態に係わる全体のシステム構成図。 本発明の第1の実施形態に係わる蓄電池システム構成図。 本発明の第1の実施形態に係わるEVシステム構成図。 本発明の第1の実施形態に係わる複数の電力変換装置によるシステム構成図。 本発明の第1の実施形態に係わる電力変換装置の構成図。 本発明の第1の実施形態に係わる階層構成情報、電力変換特性情報、運転計画情報の例を示す図。 本発明の第1の実施形態に係わる電力変換装置の判定フローチャート。 本発明の第1の実施形態に係わる電力変換装置の構成ファイル情報例を示す図。 本発明の第1の実施形態に係わるマスター決定処理の動作シーケンス図。 本発明の第1の実施形態に係わるEMSを頂点として階層型のマスター/スレーブ関係例を示す図。 本発明の第1の実施形態に係わるマスター/スレーブ決定処理の動作シーケンス図。 本発明の第1の実施形態に係わる総量値維持のための運転計画の変更例を示す図。 本発明の第1の実施形態に係わるスレーブが2台から1台に変更された後の電力分配動作例を示す図。 本発明の第1の実施形態に係わる各装置間で交換する情報例を示す図。 本発明の第1の実施形態に係わる各装置間で交換する情報例を示す図。 本発明の第1の実施形態に係わるマスター決定処理の実行有無の判定フローチャート。 本発明の第1の実施形態に係わるマスター決定処理の動作フローチャート。 本発明の第2の実施形態に係わる複数の電力変換装置によるシステム構成図。 本発明の第2の実施形態に係わる複数の電力変換装置によるシステム構成図。 本発明の第2の実施形態に係わるマスター決定処理の動作シーケンスを示す図。 本発明の第2の実施形態に係わる最上位マスター、マスターおよびスレーブの階層構造例を示す図。 本発明の第2の実施形態に係わるマスター決定の優先基準を示す図。 本発明の第2の実施形態に係わるマスター決定の判定フローチャート。 本発明の第2の実施形態に係わる各電力変換装置が有する構成管理テーブルを示す図。 本発明の第2の実施形態に係わる構成ファイルに関する通信メッセージ構成を示す図。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
（第1の実施形態）
図1に本発明の実施形態におけるシステム構成を提示する。電力系統網上には、発電所(給電指令所)11、自然エネルギー装置12、蓄電池システム13、EMS(Energy Management System)14が設置されている。また、家庭やビル等の需要家側には、スマートメータ21、蓄電池システム22、32、EV(Electric Vehicle)システム23、需要家側EMS24、34等が設置されている。家庭用の需要家側EMS24はHEMS(Home Energy Management System)、ビル用の需要家側EMS34はBEMS(Building Energy Management System)と呼ばれ構内のエネルギー量を管理する。また、自然エネルギー装置25や蓄電池システム22、32には、直流/交流を変換するインバータ(電力変換装置)が接続されている。
発電所(給電指令所)11は、火力や原子力等の燃料源によって大容量の電力を生成し、送配電網を通じて家庭やビル、工場等の需要家側に供給する。本明細書では発電所11から需要家に至る送配電網を総称して電力系統網と呼ぶものとする。
自然エネルギー装置12は、風力や太陽光といった自然界に存在するエネルギーを元に電力を生成して、発電所と同様に送配電網を通じて電力系統網から需要家に電力を供給する。自然エネルギー装置12を電力系統網に設置することで、発電所の負担を減らして効率的に運用させることが出来る。
この中で蓄電池システム13は、発電所11や自然エネルギー装置12が生成した余剰電力を貯蔵する役割を持つ。
また、EMS14は、こうした発電所11や自然エネルギー装置12の供給電力と、需要家側で消費する負荷電力を含めた電力システム全体の安定化を、電力網及び通信網双方を活用して制御する役割を担当する。
スマートメータ21は、需要家側の構内で消費された電力量を計測、定期的に電力事業者の管理サーバに通知する。一般に当該管理サーバはMDMS(Metering Data Management System)と呼ばれるが、図1中では図示を省略している。前述のEMS14はMDMSと連携して、需要家側の負荷電力の総量を算出することが出来る。
需要家の構内に設置された蓄電池システム22は、電力事業者の系統網から供給された電力、あるいは構内の自然エネルギー装置25が生成した電力を貯蔵する。EVシステム23は充電器を介して車載電池に電力を貯蔵する。
HEMSは家庭内の電力消費量を、BEMSはビルや工場内の電力消費量を調整制御する。本発明の実施形態は家庭だけではなく、前述したように、ビルや工場においても同様に実施出来る。この場合、家庭用のHEMSの代替役として、ビル構内ではBEMS、工場ではFEMS(Factory Management System)が構内の電力消費量を調整制御することになる。
蓄電池システム13における電力事業者の系統側の用途としては、系統の周波数や電圧などの電気の品質を維持するために、瞬間的な負荷変動に応じて秒単位で出力調整を行い、系統を安定させるアンシラリーサービス(短周期制御)と呼ばれる機能実現のために蓄電池システムが活用される。
また、家庭やビル等の需要家側の蓄電池システム22の用途として、単価の安い夜間電力を貯蔵することで、昼間の電力利用が集中する時間帯の融通を行うピークシフト(日間運用)と呼ばれる機能実現のために活用されることもある。
ここで、電力変換装置は、蓄電池又は自然エネルギー装置が入出力する直流電力と、電力系統網の交流電力の間で電力の変換を行う。
図2及び図3に第1の実施形態に関わる電力変換装置の基本システム構成を示す。これらは図1のシステム構成の一部を詳細化したものである。図2に蓄電池システムの構成詳細、図3にEVシステムの構成詳細を提示する。蓄電池システム41は定置型用途、EVシステム51は車載用途を主に想定しているが、この他、例えば、蓄電池システム41内の蓄電池42は、風力や太陽光発電等の自然エネルギー装置と置き換えても同様の仕組みを適用出来うる。
図2の蓄電池システム41は蓄電池(BMU: Battery Management Unit)42及び電力変換装置43で構成される。蓄電池システム41は通信網・電力網44を介して各種EMS45接続されている。電力変換装置43は、インバータやコンバータ、PCS(Power Conditioning System)とも呼ばれるもので、電力の入出力の変換や電圧量の調整を行う役割を持つ。蓄電池(BMU)42は、複数の電池セルに加え、電池パック内部の状態を管理する内部プロセッサを備え、電力変換装置43からの要求に基づき電力の充放電制御を実施する。蓄電池(BMU)42は電力変換装置43に対して、定格電圧や充放電時の最大電流値、充電率(SOC: State Of Charge)、寿命率(SOH: State Of Health)といった情報を通知する。
図2の例では、電力変換装置43は、蓄電池42との間では直流の電力を、電力網との間では交流の電力をやり取りする。電力変換装置43は、直流交流変換や電圧変動抑制を行うが、それらの機能自体は、装置外部に接続したプロセッサ上で実現することも考えられる。
また、蓄電池(BMU)42と電力変換装置43間の充放電制御及び情報通知の手順についても、CAN(Controller Area Network)を用いて実現する方法に加え、イーサネット等の有線通信媒体、あるいは無線LAN(Local Area Network)等の無線通信媒体、更には、製品を販売するベンダが独自定義した電気信号線を用いて実現する方法が考えうる。ただし本発明の実施形態はいずれかの通信手段で限定されるものではない。
図2の蓄電池システム41における電力変換装置43は、通信機能を備え、電力系統網又は需要家構内に設置された各種EMS45と通信する。一般に蓄電池は自然放電する特徴を備えることから、EMS45は蓄電池システム41から、SOCやSOH等の情報を取得することで、時々刻々と変化する状態を適切に監視し、充放電制御の指示を行うことが出来る。
尚、電力変換装置43を介した電力入出力を、充放電と表記する場合もある。これは、蓄電池(BMU)42のみならず、風力や太陽光発電等の自然エネルギー、電力系統網との間でやり取りする電力も本発明の実施形態の対象となることを意味している。電力変換装置の集合で構築された電力システムでは、電力変換装置が電力の入出力の方向をスイッチする役目も担うが、後述の図4で詳細に説明する。
図3のEVシステム51は、図2の蓄電池システム41と類似した構成であるが、蓄電池52に接続して動作する電力変換装置53の他に、充電器として動作する電力変換装置54が存在する点が異なる。EVシステム51は通信網・電力網55を介して各種EMS56と接続されている。
図3のEVシステム51における蓄電池52に接続した電力変換装置53は、蓄電池(BMU)52と電力変換装置(充電器)54間の電力及び通信情報の中継を行う。この場合、電力変換装置53は、電力系統網上又は需要家構内の各種EMSと通信するための通信能力を必ずしも有する必要はない。すなわち、図2の蓄電池システム41における電力変換装置43における交流/直流の変換機能が、図3の例では電力変換装置54である充電器側に移行する点が特徴となる。すなわち、図3の構成では、電力変換装置53は直流/直流変換、電力変換装置54が直流/交流変換を実施する。だが、本発明の第1の実施形態を実現するための具体的手順は、図2及び図3双方で共通である他、EVシステム51の役割を蓄電池システム41と同様の役割に定義することも出来る。また、蓄電池(BMU)に対する充放電に係わるアルゴリズム処理は電力変換装置53に集約する形態、電力変換装置(充電器)54に集約する形態、需要家構内のHEMS/BEMS、電力系統網のEMSに集約する形態等複数あるが、いずれの形態を用いても本発明の実施形態は同様の枠組みで実現することが出来る。
図4に本発明の第1の実施形態に係わる複数の電力変換装置によるシステム構成図を示す。このようなシステム構成は、電力系統側および需要家側にいずれに配置することも可能である。
複数の蓄電池(あるいは自然エネルギー装置)を組み合わせて、1つの電力ユニットの集合を形成する場合、同集合体には、ローカルコントローラ、電力変換装置(AC/DC又はDC/DC)、蓄電池等が1ないし複数含まれることになる。図の例では、同集合体となる電力システム61に、ローカルコントローラ62、電力変換装置(AC/DC又はDC/DC)63−1、63−2、65、64−1〜64−α、蓄電池67、66−1〜66−α等が示されている。なお図4に示す各要素のブロック間を結合する線は、各要素間の階層構造を模式的に示すものであって、実際の電力線の接続関係とは必ずしも一致していない。
このような集合体61の場合、外部の各種EMS68とローカルコントローラ62(ローカルコントローラ自体は省略可能)間の通信は図2や図3の例に相当し、有効電力/無効電力の制御、電力分担の制御等の電力アプリケーションを実現する。EMS68とローカルコントローラ62は上位制御装置の一例に相当する。複数の電力変換装置で通信を行う場合は、複数台の電力変換装置を並列的に運転させ、電力の出力増を図るための電源位相の制御等の電力アプリケーションを実現することが出来る。図4の例では、各電力変換装置65、64−1〜64−αの入出力がAkWだとして1+α個並列運転させることで、A×(1+α)kWの電力入出力を図ることができる。
電源位相の目的は、交流側出力における横流(起電力の差によって流れる無効横流、起電力の位相差によって流れる同期横流、起電力の波形差によって流れる高調波横流)発生を防止することであるが、このためには、並列動作する電力変換装置同士での情報通信に加えて、同期元となる装置を識別するための制御主体の決定(マスター/スレーブ決定)を行わないと正しい同期が取れない課題がある。
具体的には、例えば、電力系統網のような大きな電力信号に接続する場合、電力変換装置は特に通信網を介して同期のための情報を交換する必要はなく、電気的特性から当該電力網の信号に徐々に同期する特徴がある。しかしながら、図4に示すように、入出力する電力量の規模が同程度で複数台が一斉に動作する場合は、どこに同期するかの情報を、通信網を介してやり取りしないと、電力変換装置のユーザーが意図した電力入出力が行われない課題がある。尚、図4に示すように、電力変換装置（図4の例では電力変換装置63−1）に表示端末69を通信接続することで、データモニタや異常通知、パラメータ調整の電力アプリケーションも実現出来る。
尚、電力系統網側では、瞬間的な負荷変動に対応するために、各々の蓄電池がアンシラリーサービスと呼ばれる機能に対応することが一般的である。この場合、発電所に匹敵する大規模の蓄電容量を確保する必要があることから、図4のように、電力変換装置に接続された分散型電源(蓄電池/自然エネルギー装置)を複数設置することが望ましい。一方、需要家側でも、単価の安い夜間電力を貯蔵することで昼間の電力利用が集中する時間帯の融通を行うために、ピークシフトと呼ばれる機能を持つことが一般的である。これに加え、需要家側に一定のインセンティブを与える条件の下、電力事業者が需要家側に設置された蓄電池や自然エネルギーの電力を利用するという活用形態を適用することも考えられる。これらの用途において、制御権の主体は、利用者が複数に跨る場合は電力貯蔵と電力融通が同時に発生するため、複数の制御主体と非制御主体が混在するシステム形態も想定される。
図5に本発明の第1の実施形態における電力変換装置の構成例を提示する。前述のように電力変換装置は、図4の電力システムにおける電力変換装置に相当する。あるいは、図2の蓄電池システムにおいて蓄電池(BMU)と接続する電力変換装置に相当する。あるいは、図3のEVシステムにおいて蓄電池(BMU)と接続する電力変換装置53、充電器に接続する電力変換装置54に相当する。この他、太陽光発電や風力発電等の自然エネルギー装置に接続する場合にも同様に本発明の実施形態を適用出来る。
本発明の第1の実施形態では、通信機能を有する複数の電力変換装置が自律協調的に振る舞い、マスター/スレーブの関係を決定することで、設置場所の柔軟性を確保しながら、増設時やメンテナンス時に、自動での容量増と分散型電源の充放電電力スループット総量維持が可能となる。図5の構成の一部あるいは全部は電力変換装置への適用に限定されることはなく、EMSやローカルコントローラ等にも同様に適用して実施可能であることは言うまでもない。つまり、ローカルコントローラやEMS等も、電力変換機能を備えており、これらの装置も、電力変換装置として扱うことが可能である。
図5の電力変換装置は、電力入力部（電力接続部）71、電力変換部72、電力出力部（電力接続部）73、構成情報記憶部74、自律協調制御部75、通信部76とで構成される。電力入力部71および電力出力部73はそれぞれ電力線に接続され、電力線を介して他の装置（電力変換装置、コントローラ、EMS、蓄電池、自然エネルギー装置等の放電装置等）と接続されている。
電力入力部71、電力変換部72、電力出力部73の役割は、具体的には、直流/交流、直流/直流や交流/交流の電力変換、電力の周波数監視と調整、電圧の変動検出と調整等の役割を担う。同図の例では、電力入力部71、電力出力部73が各々複数存在しているが、実際の実施においては各々1つでも問題ない。
実際の実施においては、電力変換装置が蓄電池(BMU)に接続する場合は、蓄電池(BMU)からの電力を電力線を介して電力入力部71に入力する場合と、電力網から入力した電力を電力出力部73から電力線を介して蓄電池(BMU)側に出力する場合との2つの方法がある。電力入力部/電力出力部は、各々物理的な回路としては別個に用意する方法の他、同じ回路で共通して用意する方法が考えられる。これにより、電力変換装置は、自然エネルギー装置や蓄電池(BMU)に対する充放電制御を実施する。
本発明の実施形態においては、充放電制御時の電力量とは、単位ワット時間(Wh: Watt hour)で示される電力量の他に、単位アンペア時間(Ah: Ampere hour)で示される電流量、及び単位ボルト時間で示される電圧量(Vh: Volt hour)各々を用いても同様に実施することが出来る。
構成情報記憶部74は、本発明の実施形態において、階層構成情報、電力変換特性情報、運転計画情報の3種類の情報を記憶する。当該記憶部74に格納する情報はこれら3種類以外を用いることも出来る。階層構成情報、電力変換特性情報、運転計画情報の例を図6に示す。
階層構成情報は、当該電力変換装置から見て、マスター（親）となる装置、スレーブとなる装置の情報を示すものである。図6の例で、電力変換装置M-2の構成情報記憶部74に記憶される階層構成情報においては、マスターはM-1、スレーブはS-3のように記載される。
電力変換特性情報は、交流/交流(AC/AC)、交流/直流(AC/DC)、直流/直流(DC/DC)等の装置種別を示すものであり、マスター/スレーブを決定するために用いることができる。図6の例で、電力変換装置M-2の構成情報記憶部74に記憶される電力変換特性情報においては、“交流/直流(AC/DC)”のように記載される。
尚、ここで、電力変換装置は、電力変換の機能毎に物理的な装置構成を分けることも、機能を共通化することも考えうる。例えば、機能を共通化させる場合、電力変換装置は、交流/直流(AC/DC)変換の振る舞いも、直流/直流(DC/DC)変換の振る舞いも出来る。この時、電力変換特性情報の表現は、取りうる電力変換の機能を全て記載する方法や、実際に電力線に接続して電力を入出力する際に決定される役割に対応させて記載する方法が考えられる。交流用の母線(母線上の装置)と少なくとも1以上接続すると共に、直流用の母線(母線上の装置)と少なくとも1以上接続する場合、当該電力変換装置の電力変換特性情報には交流/直流(AC/DC)のように記載される。いずれか1種類のみの場合は、交流/交流(AC/AC)や直流/直流(DC/DC)のように記載される。
運転計画情報は、電力変換装置に接続された蓄電池(BMU)や自然エネルギー装置、電力網の電力の充放電(入出力)に関する計画情報で、横軸:時間、縦軸:電力量の形式で表現することが出来る。
運転計画情報を構築するためには、1つの例として、蓄電池(BMU)や自然エネルギー装置の充放電制御に特有な情報を用いる方法がある。例えば蓄電池の場合、単位ワット(W:Watt)で示される定格充放電電力、単位ワット時間(Wh: Watt hour)で示される定格容量、単位百分率で示される充電率(SOC: State Of Charge)、SOCに対応付けられた放電可能時間及び充電可能時間の概念が一般的に良く知られている。
蓄電池(BMU)の一般的な充電方式である定電流充電方式では、百分率で示されるSOCが所定の閾値に達するまで蓄電池(BMU)内の電池セルが入出力する電力量(電流量)が一定状態で推移する。このことから、蓄電池(BMU)からSOCの値を取得することで、当該情報に対応付けられた充電可能時間及び放電可能時間、最大充放電電力、充放電に必要な電力量(充放電可能時間と電力の積)を算出することが出来る。定電流充電では、SOCが所定の閾値を超えた後は充電に必要な電流量が極小化する特性があるため、充放電計画に必要な情報の概算を求めることが出来る。尚、充放電制御時の電力量は、単位ワット時間(Wh: Watt hour)で示される電力量の他に、単位アンペア時間(Ah: Ampere hour)で示される電流量、及び単位ボルト時間で示される電圧量(Vh: Volt hour)各々を用いることも可能である。
また、太陽光発電や風力発電等の自然エネルギー装置の場合には電力を貯蔵(充電)することは出来ないため、SOCの概念は無く、放電専用の装置として動作する。逆に、電力変換装置に接続された装置が蓄熱装置である場合は、電力を放電することは出来ないため、充電専用の装置として制御する。
電力変換装置の運転計画は、これらの情報をベースに、当該装置自身、あるいは他装置の決定によって、具体的充放電動作を記述することで作成される。電力網における電力供給の瞬断を防止するためにリアルタイムに制御する際は、充放電制御指示に関する通信メッセージを適宜送受信するオンデマンド運転で動作することが望ましいが。その一方で、夜間時間帯で比較的ゆるやかな時間間隔で制御する際は、充放電制御の動作タイミングスケジュールを設定する計画運転で動作することが望ましい。運転計画情報は、制御の具体的内容を少なくとも装置内部で記憶すると共に、必要に応じてリアルタイムに制御指示することや、まとまった時間区間のスケジュール情報として制御指示することが考えられる。
図5の自律協調制御部75は、他の装置に関する構成変更（たとえば装置が追加／離脱された、装置の機能の追加／削除／停止／再開等）の検出を行い、前記構成情報記憶部74における階層構成情報、電力変換特性情報、運転計画情報の更新を行うと共に、電力の入力と出力を管理する。詳細は後述する。ここで自律協調制御部75は、電力面や通信面の接続関係を確認する接続確認検査部を備えてもよい。たとえば、電力母線に片方側から電圧等のパルスを掛けて、もう片方側から検出し、それをもって電力面の接続関係を判定する。あるいは、ユーザーからの何かしらの入力によって2台の電力変換装置が互いに接続確認を行い、接続状態への移行を互いに検出することで、通信面と電力面の接続関係を判定する形態である。
図5の通信部76は、階層構成情報や電力変換特性情報、運転計画情報等の情報を通信メッセージとして生成し、EMSやローカルコントローラ、他の電力変換装置と通信網を介して送受信する役割を担う。通信部76は、通信メッセージを送受信する処理に加えて、通信媒体としての第1の通信部と第2の通信部を備える場合がある。
例えば第1の通信部は、光ファイバや電話線、イーサネット等の有線通信媒体の他、IEEE802.11等の無線通信媒体によって実現される。本実施形態における通信媒体は特定の通信媒体に依存するものではない。電力変換装置は、EMSやローカルコントローラ、他の電力変換装置からの通信メッセージを第1の通信部を介して取得する。
その一方で、第2の通信部は、電力変換装置に接続された蓄電池(BMU)や自然エネルギー装置の固有の情報である特性情報(定格容量、充放電終始電圧、上限温度、下限温度、最大充放電電流、定格電圧等)を取得する他、動作中の計測情報/設定情報を取得する。蓄電池(BMU)が電力変換装置に接続された場合は、蓄電池(BMU)動作時の変動情報である計測情報(SOC、SOH、充放電電流、充放電電圧)を定期的に取得する。第2の通信部は蓄電池(BMU)の一般的なインターフェース規格であるCAN、あるいはイーサネット等の通信媒体、蓄電池システムの製造を手掛けるベンダが独自に規定した電気信号線によって実現することが出来るが、本発明の第1の実施形態は、特定の媒体に依存するものではない。
また、電力変換装置に蓄電池を接続する場合、一般に内部電池セルは自然放電する特徴を持つことから、EMSやローカルコントローラ、他の電力変換装置にSOCやSOH等の情報を送信する際は、一度のみ送信すれば良いわけではない。電圧や電流等の情報と同様、値が時々刻々と変化する特徴を考慮して、適宜通知することが望ましい。
また、前述のように本発明の実施形態における、主にインバータとして動作する電力変換装置は、蓄電池(BMU)への接続に限定されるものでなく、太陽光発電や風力発電、又は、これらと通信する各種EMSやローカルコントローラにも接続可能で、特定の装置に制約されないことは言うまでもない。
図7に、本発明の第1の実施形態および後に説明する第2の実施形態に関わる全体の動作フローチャートを提示する。また、図8に、図7のフローチャートの動作中で取り扱われる構成ファイルの内容を提示する。
構成ファイルは装置(電力変換装置、EMS、ローカルコントローラ)毎に構築されるもので、装置ID、装置種別、電力面の接続情報、通信面の接続情報、マスター装置ID、スレーブ装置ID等の情報を含む。これらの情報は、図5にて示した電力変換装置における構成情報記憶部74に格納される情報の一部である。図8の装置種別は図6の電力変換特性情報、図8のマスター装置ID/スレーブ装置IDは図6の階層構成情報に各々対応する。
装置IDは装置固有の固体情報で、製造番号や通信アダプタのMACアドレス等、一位に識別可能な情報である。
装置種別は、図6の電力変換特性情報に相当し、交流/交流(AC/AC)、交流/直流(AC/DC)、直流/直流(DC/DC)等の情報を示す。装置種別は、マスター/スレーブを決定するために用いることができる。
マスター装置ID/スレーブ装置IDは、構成ファイル中の装置IDから見たマスター装置あるいはスレーブ装置の情報である。図5の例では、電力変換装置M-2においては、マスター装置IDはM-1、スレーブ装置IDはS-3のように記載される。
電力面の接続情報は当該装置と同一の電力線に接続して、直接又は間接的に電力を供給する装置の情報を示す。
通信面の接続情報は当該装置と同一の通信媒体(無線含む)に接続し直接又は間接的に（中継して）情報交換出来る装置の情報を示す。
本発明の実施形態における電力変換装置、又は各種EMSやローカルコントローラは、図8の構成ファイル情報の一部あるいは全部を含む通信メッセージを相互に交換して、階層構成におけるマスター/スレーブを決定する。図7の動作フローチャートはこれらの構成ファイル情報を取得した際の電力変換装置内部の動作を示している。
最初に、通信網又はローカルの記憶領域から構成情報を取得する（S101）。次に、当該取得した構成ファイル情報を既に解析しているかどうかの確認を行う（S102）。このステップは省略することも出来るが、例えば、複数の電力変換装置によって構築されるシステムが大規模な場合、処理負荷削減や最新の構成情報を優先させる観点から、過去に解析済みの情報は、以降の処理の対象としない（S103）ことが望ましい。
続いて、電力変換装置は、最初のステップで取得した装置(取得装置1と呼ぶ)の構成情報と比較してマスター/スレーブの相互関係を決定するために、自装置あるいは自身が構成管理テーブル中に記憶する他装置(取得装置2と呼ぶ)の情報を取得する（S104）。
続いて、当該2装置間の電力面の接続情報と通信面の接続情報を確認し（S105）、電力面および通信面共に接続関係があるかの確認処理を行う（S106）。共に接続関係があればマスター／スレーブの関係を決定するべくステップS107に、共に接続関係がなければステップS102に戻る。この確認処理は、前述の構成ファイルが未解析かどうかの判断処理と同様、省略してもよい。ここでは、電力面および通信面共に接続関係がある場合のみステップS107に進むとしたが、電力面にのみ接続関係がある場合もステップS107に進むように構成することも可能である。また後述するように図16のフローにしたがって判定してもよい。
次のステップ以降は、本発明の第1の実施形態、及び後に説明する第2の実施形態における装置(電力変換装置、EMS、ローカルコントローラ)間のマスター/スレーブを決定するための基本的な判断アルゴリズムである。
ステップS107では、取得装置1と取得装置2の装置種別情報を比較し、大きくは3種類のパターンによって、マスター装置／スレーブ装置の決定を行う。具体的に、片方の装置が交流/直流(AC/DC)でもう片方の装置が直流/直流(DC/DC)か、あるいは両方の装置共に交流/直流(AC/DC)か、あるいは両方の装置共に直流/直流(DC/DC)かによって、マスター装置／スレーブ装置の決定を行う。
例えば、片方の装置が交流/直流(AC/DC)でもう片方の装置が直流/直流(DC/DC)の場合、これは、系統側の電力網と接続する電力変換装置(AC/DC)と、蓄電池/自然エネルギーと接続する電力変換装置(DC/DC)間の情報比較に相当する。図4の例に示すように、基本的には、電力系統側に接続する電力変換装置(AC/DC)は、上位のEMSあるいはローカルコントローラと連携して、有効電力/無効電力の制御等の制御を受け付けると共に、他の電力変換装置(DC/DC等)に電力分担等の制御指令を実施する。このため、電力面でのマスター/スレーブを決定するためには、交流/直流(AC/DC)側の電力変換装置を優先的にマスターに選定することが好ましい（S110）。マスター/スレーブ関係を決定した後は、構成管理テーブルの情報を更新する（S111）。この構成管理テーブルの詳細については改めて後述する。
一方、例えば、両方の装置共に交流/直流(AC/DC)の場合、これは、図4の構成例における、系統側の電力網と接続する複数の電力変換装置(AC/DC)間の情報比較に相当する。この場合は、各電力変換装置が並列動作して電力容量の増設を狙う際の動作に関わるもので、複数台の中で1台の装置をマスターの役割として選定し、当該装置の基準値に基づいて、他の電力変換装置が同期制御を実施することになる。この場合のマスター装置の選定基準は、上位EMSやローカルコントローラとの接続性、スレーブとなる電力変換装置を含めた全体の電力総量値（つまり取り扱い可能な電力量）の大小、スレーブとなる電力変換装置の数等の情報のうちの少なくとも1つを用いることが望ましい。
上述した情報以外に、装置の稼働状況やバージョン等のメンテナンスに関わる情報を用いることも出来る。図7の例では、その一例として、管理するスレーブ数が多い電力変換装置を優先的にマスター装置に選定する様子が記載されている（S108）。マスター/スレーブの決定後、構成管理テーブルを更新する（S109）。
最後に、例えば、両方の装置共に直流/直流(DC/DC)の場合、これは、図4の構成例における、蓄電池/自然エネルギーと接続する複数の電力変換装置(DC/DC)間の情報比較に相当する。複数の電力変換装置が共通のDCバスに接続される形態が具体的に想定される。この場合、各電力変換装置(DC/DC)は上位の電力系統網に接続することもなく、末端の直流線上での電力入出力となるため、ランダムな選定、最初に起動した電力変換装置(DC/DC)を優先的に選定等、幾つかの判断基準が存在する。この基準以外に、装置の稼働状況やバージョン等のメンテナンスに関わる情報を用いることも出来る。図7の例では、最初に起動した装置を優先的にマスター装置に選定する様子が提示されている（S112）。他の例と同様、その後構成管理テーブルを更新する（S113）。
尚、これら3種類の判断例以外に、比較する装置の双方が交流/交流(AC/AC)の場合もある。同図の例では省略しているが、上位EMSやローカルコントローラとの接続性、ランダムな選定、最初に起動した装置の優先的な選定、スレーブとなる装置群の総量値や台数等、ここで述べた他の手段を同様に適用することが可能である。
上述したマスター決定処理は、自装置と同じ電力線につながっている電力変換装置を対象とするのはもちろん、別の電力線につながっている他の電力変換装置群を対象とすることもできる。当該他の電力変換装置にマスター決定処理の機能が備わっていない場合に、当該他の電力変換装置からの要求を受けて、マスター決定処理を行っても良い。この場合、処理の結果（マスター／スレーブの種別）を通知してもよい。
図9及び図11は、各々本発明の第1の実施形態における装置間のマスター/スレーブを決定する処理の動作シーケンスを示す。図9は初期設定時の処理、図11は構成変更時の処理に対応する。
マスター/スレーブの決定に関する装置内部のアルゴリズムは、基本的に、図7にて提示した動作フローチャートの処理と同じであるが、後述する図16（マスター決定処理の実行有無の判断フロー）に提示するように、初期設定時/構成変更時毎に、マスター決定のアルゴリズムを実行(あるいは省略)させるかどうかの判断が異なる。
例えば、ある電力変換装置が起動した場合に、既に他の電力変換装置が同一グループ(電力面の接続、通信面の接続が同一)内でマスターになっている場合、動作状態に異常がある等、特段の状況がない限りは、改めてマスター/スレーブの決定アルゴリズムを実行する必要がない。これと同様に、EMSやローカルコントローラ等、システム内のエネルギーマネジメントを集中的に制御する装置と直接通信可能である場合も同様に、改めてマスター/スレーブの決定アルゴリズムを実行する必要がない。ただし、図16の各ステップに関して必ずしも実行する必要がなく、構成管理に関する情報を交換する度に、都度、マスター/スレーブの決定を行なっても良い。
図9の動作シーケンスでは、EMS、ローカルコントローラ、1台の電力変換装置(AC/DC)、2台の電力変換装置(DC/DC)が設置されている。同図の例において、電力変換装置同士における電力面の接続関係と通信面の接続関係は基本的に1対1に対応するものとして、電力面の配線情報の図示は省略している。
第1のステップとして、3台の電力変換装置が設置され、これらの装置の起動処理を完了したとする（S201-1、S201-2、S201-3）。この際、図8に提示した構成ファイルの情報を含む通信メッセージを生成して、他の装置に対して通知処理を実施する。当該通知処理は、マルチキャスト/ブロードキャスト通信を用いて一斉に配信する方法の他、個別の装置に対するプッシュ型のユニキャスト通信、あるいはプル型のユニキャスト通信を用いることが考えられるが特定の形態に依存するものではない。同図の例では、電力変換装置(AC/DC)が、ローカルコントローラ、2台の電力変換装置(DC/DC)に構成ファイルを通知している（S202-1、S202-2、S202-3）。また、2台の電力変換装置(DC/DC)が各々の構成ファイルを電力変換装置(AC/DC)に通知している(S203-1、S203-2)。同図においてローカルコントローラからの構成ファイルの通知の図は省略しているが、実際には、ローカルコントローラと電力変換装置(AC/DC)間でマスター/スレーブ関係を決定するためには必要となる。
図9の第2のステップとして、図7にて提示したマスター/スレーブの決定アルゴリズムが各々の装置上で実行される（S204-1、S204-2、S204-3）。その結果、交流/直流(AC/DC)側の装置を優先的にマスターに決定する判断基準の下、電力変換装置が直接接続した2台の電力変換装置(DC/DC)のマスターになる。その後、マスター装置に決定された電力変換装置(AC/DC)は当該決定を他の装置に通知するための通信メッセージを生成して送信する（S205-1、S205-2、S205-3）。他の装置でもマスター決定処理が行われて同じ判定結果が得られるため通知を省略する構成も可能である。当該メッセージの役割は前述の構成ファイルに関する通信メッセージと同様の内容でも実現出来る。マスター決定により、図10に提示するように、EMSを頂点として階層型のマスター/スレーブ関係が構築される。本発明の実施形態におけるマスター/スレーブ決定の適用は、電力変換装置に限定されるものではなく、EMSやローカルコントローラにも適宜適用出来る。
図9の第3のステップは、通常動作に関するものである。EMSからローカルコントローラを経由して、マスターとして動作する電力変換装置(AC/DC)に有効電力/無効電力の制御指令(グリッド接続/切断指示、出力レベル指示、力率指示、有効電力指示(総量値指定))が発行されたとする(S206)。電力変換装置(AC/DC)はその指令内容を解釈し、スレーブとして管理する2台の電力変換装置(DC/DC)への電力分担の指令を実施する（S207）。
本発明の実施形態における電力変換装置は、それ単体では電力を供給することは出来ないため、蓄電池や自然エネルギー装置に適宜接続する形態の他、電力系統網からの電力を活用する形態がある。スレーブとして動作する2台の電力変換装置(DC/DC)は上位からの制御指令の内容に基づいて、当該装置に接続された蓄電池等の充放電制御を実施する。通常動作時における制御/設定/計測等の情報については、図14及び図15に提示するような内容がある。図14及び図15の詳細は後述する。
一方、図11の動作シーケンスでは、EMS、ローカルコントローラ、1台の電力変換装置(AC/DC)、2台の電力変換装置(DC/DC)が設置されている。同図の例において、電力変換装置同士における電力面の接続関係と通信面の接続関係は基本的に1対1に対応するものとして、電力面の配線情報の図示は省略している。
第1のステップとして、3台の電力変換装置は、既に図9にて提示したマスター/スレーブの決定の後、通常動作を行なっているものとする（S301-1、S301-2、S301-3）。その中で、自然エネルギー装置に接続した1台の電力変換装置(DC/DC)がメンテナンスや廃棄のために交換されるとする。その場合、階層型のマスター/スレーブのシステムからの離脱（S307）に先駆けて、離脱を通知するための通信メッセージを生成して送信する（S302）。当該メッセージの役割は前述の構成ファイルに関する通信メッセージと同様の内容で実現出来る。
図11の第2のステップとして、図7にて提示したマスター/スレーブの決定アルゴリズムが既にマスターとなっている電力変換装置(AC/DC)上で実行される（S303）。その結果、スレーブの電力変換装置(DC/DC)が離脱するのみでマスター/スレーブの関係に影響がないことが判断され、直接接続した1台の電力変換装置(DC/DC)のマスターとして動作を継続することになる（S304）。
だが、第3のステップは図9と図11とで異なる。具体的には既に2台の電力変換装置(DC/DC)をスレーブとして、例えば各々50kWの電力分担を実施させていた場合、片方の電力変換装置が離脱すると、上位のEMS/ローカルコントローラから指示された有効電力/無効電力の総量値を維持することが出来なくなる。このため、図12の例に示すように、総量値維持のための運転計画の変更と指示を実施する。具体的には、片方の電力変換装置の離脱時期に連動させて、もう片方の電力変換装置の電力分担量を増加させる決定と通知を行う。これらの変更と指示は、マスター装置の内部で管理してリアルタイムに通信メッセージを用いて制御する方法の他、内部で管理した情報を元にスケジュールの通信メッセージを生成して制御する方法が考えられるが、いずれの方法を用いても良い。
EMSからローカルコントローラを経由して、マスターとして動作する電力変換装置(AC/DC)に有効電力/無効電力の制御指令(グリッド接続/切断指示、出力レベル指示、力率指示、有効電力指示(総量値指定))が発行されたとする（S305）。電力変換装置(AC/DC)はその指令内容を解釈、スレーブとして管理する1台の電力変換装置(DC/DC)への電力分担の指令を実施する（S306）。前述のように元々は2台の電力変換装置をスレーブとして管理していた所に構成変更が生じるため、総量維持のための計画の変更と指示を実行する（図12参照）。図13の例に示すように、スレーブとして動作する1台の電力変換装置(DC/DC)は上位からの制御指令の内容に基づいて、当該装置に接続された蓄電池の充放電制御を実施する。通常動作時における制御/設定/計測等の情報については、図9の場合と同様、図14及び図15に提示するような内容がある。
図14に、本発明の第1の実施形態における、有効電力/無効電力の制御と電力分担の制御を、EMS、ローカルコントローラ、電力変換装置等の間で実現する際に各装置間で交換する、設定/制御情報の例を提示する。これらは、制御指示の際に書き込み型で設定するだけでなく、設定された情報を読み込み型で参照することも出来る。また、実際に装置間でやりとりを行う場合は、構成ファイルの場合と同様、通信メッセージを生成して送受信する。
接続状態は電力変換装置がECP(Electrical Connection Point)に接続しているか否かを識別する。PV出力の利用可能状態は電力変換装置にPVが接続しているか否かを識別する。蓄電池出力の利用可能状態は電力変換装置に蓄電池が接続しているか否かを識別する。有効電力/無効電力制御の利用可能状態は有効電力/無効電力の制御が利用可能か否かを識別する。電力変換装置の状態は電力変換装置の動作状態(動作中、動作不可能、スタンバイ) を識別する。ローカル/リモート制御状態は、電力変換装置が単独運転しているか、ローカルコントローラによる制御を受けているかを識別する。電力変換装置への入力電力は入力電力値、電力変換装置の電力効率を判定するための情報である。有効電力の目標値は電力変換装置上に設定された有効電力の目標値(単位:W)、無効電力の目標値は電力変換装置上に設定された無効電力の目標値(単位:VAR)である。力率の目標値は電力変換装置上に設定された力率の目標値である。有効電力の出力レベル値は電力変換装置上に設定された有効電力の出力レベル値(単位:%)、無効電力の出力レベル値は電力変換装置上に設定された無効電力の出力レベル値(単位:%)である。
一方、図14の下段は、本発明の第1の実施形態における、有効電力/無効電力の制御と電力分担の制御を、EMS、ローカルコントローラ、電力変換装置等の間で実現する際に各装置間で交換する、計測情報の例である。有効電力の現在値は、電力変換装置が出力する有効電力の現在値、上限及び下限の制限値(単位:W)である。無効電力の現在値は、電力変換装置が出力する無効電力の現在値、上限及び下限の制限値(単位:VAR)である。位相あたりの単位電圧は単位電圧の情報と共に上限及び下限の制限値を含む。また、力率の現在値は現在値と共に上限及び下限の制限値を含む。
図15の下段に、本発明の第1の実施形態における、EMS、ローカルコントローラ、電力変換装置等の間で交換する、固定情報の例を提示する。固定情報は基本的に製品の出荷段階で不揮発性記憶媒体に記憶されていることを想定しており、通信網上の他の装置からの書き込みは行われない。こうした固定情報には、製造者情報、モデル情報、シリアル番号情報、定格有効電力、定格皮相電力、定格無効電力、最大充電レート、最大放電レート、時刻同期のソース情報等を含むことが想定される。
尚、図15の上段は、電力変換装置に蓄電池(BMU)が接続された場合の計測情報を示している。これらの情報は、定格容量、SOC (State of Charge)、利用可能電力量、最大充電レート、最大放電レート、蓄電池内部電圧の情報で構成される。太陽光発電や風力発電等の自然エネルギーについても同様の固有情報が存在するが、その多くが蓄電池と重複、前述のように、基本的には放電専用の蓄電池と捉えることが出来るため、本発明の第1の実施形態における図面の説明は省略している。
図16は、本発明の第1の実施形態におけるマスター決定処理の実行有無の判断（マスター決定開始判断）に関する動作フローチャートである。当該動作は、図9及び図11の例において、マスター決定の処理（S204-1、S204-2、S204-3、S303）に挿入されることができる。具体的なマスター/スレーブの決定アルゴリズムは、図7に提示した手順に従う。既に同一のシステム（同一の電力線）上にマスターに選定されている電力変換装置、各種EMS、ローカルコントローラが存在する場合は、改めてマスター/スレーブを決定する必要がない。以下、図16のフローの詳細を説明する。
図16に示すように、動作種別を判定し（S401）、初期動作時の場合（S401の“初期動作”）、構成ファイルを取得して、同一システム上にマスターとなる電力変換装置やEMSが存在するかを確認する（S402、S403）。存在しない場合は（S402の“未存在”、S403の“無”）、マスター決定処理を行う（S406）。具体的には、図17の手順(図7における処理フローの一部を抜き出したもの)を実行する。すなわち、構成ファイルの解析（S501）、交流/直流(AC/DC)の電力変換装置を優先的にマスターに決定し（S502）、後述する構成管理テーブルを更新する（S503）。マスター決定後は、マスター支配下での通常動作が行われる（S407）。またマスターが未存在で、EMSが存在する場合は（S402の“未存在”、S403の“有”）、EMS支配下での通常動作が行われる（S405）。またマスターが存在するときは（S402の“存在”）、マスター支配下での通常動作が行われる（S404）。
また、図11に示したように装置の離脱等による構成変更が生じた場合は（S401の“変更検出”）、マスター/スレーブの関係に影響があるか否か（マスターが変更される可能性があるか否か）の確認を行い（S408）、変更される可能性がある場合は、図17のマスター決定アルゴリズムを実行する（S409）。マスターが決まったら、新マスター支配下での通常動作が行われ（S410）、総量値維持をするよう必要に応じて運転計画変更が行われる（S411）。マスターの変更がなく、EMSが存在しない場合は（S408の“未変更”、S412の“無”）、現マスター支配下での通常動作が行われ（S415）、総量値維持をするよう必要に応じて運転計画変更が行われる（S416）。マスターに変更がなく、EMSが存在する場合は（S408の“未変更”、S412の“有”）、EMS配下での通常動作が行われ（S413）、総量値維持をするよう必要に応じて運転計画変更が行われる（S414）。
尚、前述のように、本発明の実施形態における各種EMSやローカルコントローラは電力変換装置と同様の扱いをすることが出来るが、この場合の装置種別情報（電力変換特性情報）には、電力変換装置のような交流/交流(AC/AC)、交流/直流(AC/DC)、直流/直流(DC/DC)の情報を適宜対応付ける形態の他に、EMSを識別する情報を対応づけても良い。基本的に、EMSは電力変換装置と比較すると、上位からの命令を集中的に処理することから、マスターに選定する優先度が高いと言える。
このように、本発明の第1の実施形態によれば、通信機能を有する複数の電力変換装置が自律協調型の制御を行う場合、マスター/スレーブを自動で決定でき、よって、電量変換装置の増設や構成変更等があった場合でも、電源位相制御または電力分担制御等の電力制御を管理者への負担を抑制して適正に行うことができる。つまり、電力変換装置の設置場所の柔軟性を確保しながら、増設時やメンテナンス時に、自動での容量増と、分散型電源の充放電電力スループット総量維持、および電力スループットの増加を得ることができる。
（第2の実施形態）
本発明の第2の実施形態は、複数の電力変換装置を並列運転させて電力の入出力量増加を実現する電源位相の制御に関する。前述したように、電源位相の制御は、同じ電力母線に複数の電力変換装置が接続する場合に適用される。特に、複数台の電力変換装置(AC/DC)を並行運転させる場合の、交流側出力における横流(起電力の差によって流れる無効横流、起電力の位相差によって流れる同期横流、起電力の波形差によって、流れる高調波横流)の発生防止を目的とするものである。横流発生を防ぎ母線に複数の電力変換装置を並列投入するためには、電圧、位相、周波数、起電力の波形を一致させることが必要となる。複数の電力変換装置を同期運転させる際、通常、IGBTのスイッチングタイムのばらつきによって横流が発生するが、電源位相を実現する手段としては、位相信号の同期を光ファイバ等の有線通信を用いて実現する形態が考えられる。だが、従来技術にて説明したように、通常は2台程度の電力変換装置での実現が想定されており、大規模な数への対応が想定されていない。本実施形態ではこの問題を解決する手法を提案する。
図18（A）に本発明の第2の実施形態における複数の電力変換装置によるシステム構成を提示する。同図の例では、交流側に接続する2台の電力変換装置(AC/DC)101、102、直流側で蓄電池(BMU)や自然エネルギーに接続する3台の電力変換装置(DC/DC)103、104、105が存在している。電力変換装置101は、電力変換装置103、104に対するマスター装置、電力変換装置102は、電力変換装置105に対するマスター装置である。
本発明の第1の実施形態では、マスターとなる1台の電力変換装置(AC/DC)に、複数台の電力変換装置(DC/DC)が接続する場合の例であったが、第2の実施形態では、マスターの候補となる電力変換装置(AC/DC)が複数台存在することになる。このため、図18（B）に示すように、階層構成上の複数台の電力変換装置101、102間でのマスター/スレーブの決定を行った上で（S601）、電源位相に向けた時刻同期（S602）や、電源位相制御（S603）を実施する。
このように、複数台の電力変換装置を並列運転させる電源位相の機能を実現するためには、多段階層上で同期元となるマスターの決定が必須である。同能力の電力ユニットが同母線で運転する場合、どの装置に合わせればよいか電気的な情報だけでは識別不可となる。マスターが決定した後の電源位相の実施は、マスターからの指示値に基づいた各スレーブでの有効電力/無効電力の設定、電源位相(周波数値)の同期、キャリア位相(電流/電圧)の同期の実施を行うが、それらの詳細は省略する。
図19に本発明の第2の実施形態の概念を詳細化した図を提示する。図18の例と同様、2台の電力変換装置(AC/DC)101、102、3台の電力変換装置(DC/DC)103、104、105が設置されている。これらの電力変換装置同士は、各々、通信面の接続関係と電力面の接続関係が別個に存在する。また、電力分担や電源位相等、電力アプリケーションも多様に存在する。これらの接続関係とアプリケーションを考慮した上で、マスター/スレーブの構成管理が決定されることになる。AC/DCの電力変換装置が複数台の環境下では、マスター/スレーブも多段構成になり、図19の例では、最上位のマスター(電源位相+電力分担)、マスター(電力分担)、スレーブとなる。
図20に本発明の第2の実施形態における複数の電力変換装置間でのマスター/スレーブの決定、電源位相制御等の実施に関する動作シーケンスを提示する。図21に図20の補足説明図を示す。図22に装置種別情報ごとのマスター優先基準を提示する。図23にマスター決定処理時の具体的処理フローチャートを提示する。これらの動作は、基本的に本発明の第1の実施形態を踏襲した形となっており、図7の動作フローチャートを具体化したものになる。
図20に示す例には、2台の電力変換装置(AC/DC)、3台の電力変換装置(DC/DC)が設置されており、これらの複数の電力変換装置同士は、図19に示したような形で、電力面の接続関係、通信面の接続関係を相互に持っているものとする。各々の電力変換装置同士は、構成ファイルの情報を含む通信メッセージを交換し、マスター/スレーブ決定処理を実行するか否かの判断（マスター決定開始判断）を行った上で、図23に示すような具体的な決定処理を開始する。なお、マスター決定処理の実行有無の判断は、第1の実施形態にて提示した図16の判定フローチャートの他に、電力面の接続関係と通信面の接続関係が一致するかに基づく判断（図7のS106参照）があるが、前述のように、実行有無の判定自体は省略することも出来る。
図23に示すように、構成ファイルを取得し（S801）、対象となる装置の種別情報を比較する（S802）。ここで、構成ファイル情報には、電力変換装置の装置種別情報が含まれているが、図22の優先基準に従って、2装置間でのマスター/スレーブを決定する。
具体的には、電力変換装置(AC/DC)と電力変換装置(AC/DC)間の接続では、電源位相のアプリケーションが実施されることから、スレーブ束ねた総量値やスレーブの台数、上位への接続性等を考慮して、マスターを決定する（S803）。決定後、後述の図24に示すように、構成管理テーブルを更新する（S804）。
電力変換装置(AC/DC)と電力変換装置(DC/DC)の場合は、実施形態1に提示したような電力分担のアプリケーションが実施されることから、交流に接続する電力変換装置(AC/DC)側を優先的にマスターに決定する（S805）。決定後、上記構成管理テーブルを更新する（S806）。
一方、電力変換装置(DC/DC)と電力変換装置(DC/DC)では、上位への接続性や最初に起動した電力変換装置等を優先的にマスターにする方法が考えられる（S807）。決定後、上記構成管理テーブルを更新する（S808）。
図20の例では、これらのマスター/スレーブの決定のための比較判定処理が複数回に渡って行われる。つまり、図示の例では、電力変換装置M-2、S-3の組と、電力変換装置M-1、M-2の組について処理を行う例が示されるが（S702-1、S702-2、S703-1、S703-2）、他の装置の組についても同様に行う。装置をN台とすると、N×（N-1）／2の回数、処理を行う。この結果、図21に示すように、1台の電力変換装置M-1(AC/DC)が最上位のマスターに、1台の電力変換装置M-2(AC/DC)がマスターに、2台の電力変換装置S-1及びS-2(DC/DC)がM-1のスレーブに、1台の電力変換装置S-3(DC/DC)がM-2のスレーブに決定している。
また、電力変換装置M-2は電力変換装置M-1のスレーブにもなることから、電源位相の制御時にはマスターの発信する情報を元に時刻同期や各種位相制御を実施する（S704-1、S704-2）。また、電力変換装置M-1は電力変換装置S-1、S-2に対し電力分担制御を行う（S705-1、S705-2）。また、電力変換装置M-2は電力変換装置S-3に対し電力分担制御を行う（S705-3）。
尚、図24の左図に示すように、実際の動作時の各種計測情報は、各々の電力変換装置のマスターとなる装置に送信する形態の他に、通信面で接続関係のある装置に送信する形態等が考えられるが、特定の形態に依存するものではなく、適宜組み合わせて実施することが出来る。構成ファイル情報を含む通信メッセージの形は、通信ヘッダを加えて、図25に示すようなものになる。
第2の実施形態における各種判定処理を行った後、システム上での情報が収束することで、各電力変換装置上では、図24の右図に示すような構成管理テーブルを共通して記憶することになる。同テーブル上では、装置IDをキーとして、装置種別、電力面での接続関係がある装置、通信面での接続関係がある装置、当該装置に対するマスター装置、及び当該装置に対するスレーブ装置の情報が個別に記載される。
例えば、装置IDが4の電力変換装置M-2(AC/DC)では、装置種別が交流/直流(AC/DC)、電力面の接続は装置IDが1と5、通信面の接続は装置IDが1、2、3、5、当該装置のマスター装置は装置IDが1、当該装置のスレーブ装置は装置IDが5の電力変換装置となっていることが分かる。尚、同図の管理テーブルは、図19および図21のシステム構成を想定している。
また、電力変換装置は、自身と直接の接続関係にある他装置の情報のみを選択的に記憶する形態や、システムに参加する全ての他装置の情報を記憶する形態が考えられるが、いずれの形態を用いても適用出来る。
このように、第2の実施形態によれば、各々スレーブを配下に有するマスター同士が同じ電力線に接続されている場合にもこれらのマスター間で上位のマスターを自動決定できるため、電力変換装置の増設時やメンテナンス時にも、電源位相制御や電力分担制御等の電力制御を適正に実行できる。また、自動での容量増と、分散型電源の充放電電力スループット総量維持、および電力スループットの増加が得られる。
尚、この電力変換装置は、例えば、汎用のコンピュータ装置を基本ハードウェアとして用いることでも実現することが可能である。すなわち、上記のコンピュータ装置に搭載されたプロセッサにプログラムを実行させることにより実現することができる。このとき、電力変換装置は、上記のプログラムをコンピュータ装置にあらかじめインストールすることで実現してもよいし、CD-ROMなどの記憶媒体に記憶して、あるいはネットワークを介して上記のプログラムを配布して、このプログラムをコンピュータ装置に適宜インストールすることで実現してもよい。また、上記のコンピュータ装置に内蔵あるいは外付けされたメモリ、ハードディスクもしくはCD-R、CD-RW、DVD-RAM、DVD-R等の記憶媒体などを適宜利用して実現することができる。
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせて実施することも可能なことは言うまでもない。

Claims (13)

  1. 複数の電力線のうちの1つである第1電力線に接続される第1接続部と、
    前記複数の電力線のうちの別の1つである第2電力線に接続される第2接続部と、
    前記第1接続部および前記第2接続部のうちの一方から入力された電力を変換し、変換された電力を前記1接続部および前記第2接続部のうちの他方から出力する電力変換部と、
    前記第1電力線および前記第2電力線を含む前記複数の電力線のうちの1つである第3電力線に接続された複数の電力変換装置のそれぞれの電力変換特性情報に基づき、前記複数の電力変換装置の中から、前記第3電力線への電力の出力に関して前記複数の電力変換装置のうち他の電力変換装置を制御する電力変換装置であるマスター装置を選定する制御部と、
    を備えた電力変換装置。
  2. 前記第3電力線は、前記第1電力線または前記第2電力線であり、
    前記第3電力線に接続された前記複数の電力変換装置は自装置を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記制御部は、前記複数の電力変換装置のうちの1つが交流および直流間の変換機能を有し、前記複数の電力変換装置のうち他の電力変換装置が直流および直流間の変換機能を有するとき、前記交流および直流間の変換機能を有する電力変換装置を前記マスター装置として選定する
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。
  4. 前記制御部は、前記複数の電力変換装置の2つ以上が交流および直流間の変換機能を有するとき、前記2つ以上の電力変換装置のそれぞれの配下に存在する電力変換装置の台数に基づいて、前記マスター装置を選定する
    ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 前記制御部は、前記複数の電力変換装置がいずれも交流および直流間の変換機能を有するとき、前記複数の電力変換装置のそれぞれの取り扱い可能な電力量に基づいて、前記マスター装置を選定する
    ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御部は、前記複数の電力変換装置がいずれもが直流および直流間の変換機能を有するとき、前記複数の電力変換装置のうち最初に起動した電力変換装置を前記マスター装置として選定する
    ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  7. 前記制御部は、前記第1電力線または前記第2電力線に対して接続確認検査を行うことにより、前記第1電力線または第2電力線に接続されている電力変換装置を検出する
    ことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  8. 自装置の電力変換特性情報を記憶する第1記憶部と
    有線または無線による通信を行う通信部と、をさらに備え、
    前記通信部は、通信可能な他の電力変換装置に、前記第1記憶部内の情報を送信し、
    前記通信部は、前記他の電力変換装置から、前記他の電力変換装置が保有する電力変換特性情報を受信し、
    前記第1記憶部は、前記通信部により取得された電力変換特性情報を記憶する
    ことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  9. 前記第3電力線に接続された前記複数の電力変換装置のそれぞれについて、マスター装置か、前記マスター装置以外の電力変換装置であるスレーブ装置かの種別を表す階層構成情報を記憶する第2記憶部を備え、
    前記通信部は、前記通信可能な他の電力変換装置に、前記第2記憶部内の情報を送信し、
    前記通信部は、前記他の電力変換装置から、前記他の電力変換装置が保有する階層構成情報を受信し、
    前記第2記憶部は、前記通信部により取得された階層構成情報を記憶する
    ことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  10. 前記自装置が前記マスター装置として選定された場合、前記複数の電力変換装置のうち前記他の電力変換装置に対して、電源位相制御および電力分担制御のうちの少なくとも一方を行う
    請求項2に記載の電力変換装置。
  11. 一方の電力線から入力された電力を変換して他方の電力線から出力する複数の電力変換装置を相互接続する複数の電力線のうちの1つである第1電力線に接続された複数の第1電力変換装置について、前記複数の第1電力変換装置のそれぞれの電力変換特性情報を記憶装置から読み出すステップと、
    前記複数の第1電力変換装置の中から、前記第1電力線への電力の出力に関して前記複数の第1電力変換装置のうち他の第1電力変換装置を制御する第1電力変換装置であるマスター装置を選定するステップと、
    を備えた協調制御方法。
  12. 一方の電力線から入力された電力を変換して他方の電力線から出力する複数の電力変換装置を相互接続する複数の電力線のうちの1つである第1電力線に接続された複数の第1電力変換装置について、前記複数の第1電力変換装置のそれぞれの電力変換特性情報を記憶装置から読み出すステップと、
    前記複数の第1電力変換装置の中から、前記第1電力線への電力の出力に関して前記複数の第1電力変換装置のうち他の第1電力変換装置を制御する第1電力変換装置であるマスター装置を選定するステップと、
    をコンピュータに実行させるためのプログラム。
  13. 上位制御装置と、
    請求項1ないし10のいずれか一項に従った少なくとも1つの電力変換装置を含む複数の電力変換装置と、
    電力を放電可能な少なくとも1つの電力装置と、
    前記複数の電力変換装置および前記電力装置を相互接続する複数の電力線と
    を備え、
    前記複数の電力変換装置の1つが、前記上位制御装置から電力の放電に関する制御指令を受信し、
    前記制御指令に基づき、前記複数の電力変換装置が協調動作する協調制御システム。
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