JP5953780B2

JP5953780B2 - 電力系統シミュレータ、インターフェース装置

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Publication number: JP5953780B2
Application number: JP2012020038A
Authority: JP
Inventors: 康哉吉岡
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: JP2013162549A

Description

本発明は、電力系統シミュレータ、インターフェース装置に関する。

電力系統の状態を解析する装置として、電力系統シミュレータがある。電力系統シミュレータは、電力系統を構成するブロックを模擬した模擬装置を複数含んで構成されるが、模擬装置ごとの動作電圧等は一般に異なる。このため、ある模擬装置と他の模擬装置とを接続する際には、インターフェース装置が用いられる。

また、電力系統シミュレータにおけるインターフェース装置としては、例えば、ベルジェロン（Bergeron）方式を用いるものや、電圧−電流情報交換方式を用いるものが知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特開２００４−３１２８０５号公報

稲辺、小西「ハイブリッドリアルタイムシミュレータ：アナログシミュレータとディジタルシミュレータの結合解析方式」、電気学会誌、２００２年、１２２巻、５号、３０４−３０６頁

ところで、模擬装置が模擬する実際のブロック間の送電線のインダクタンスが小さい場合にベルジェロン方式のインターフェース装置を用いると、シミュレーションの精度が低くなる。

また、電圧−電流情報交換方式のインターフェース装置を用いてシミュレーションの精度を高くしようとする場合、模擬装置の出力波形等が振動してしまうことがあり、シミュレーションの精度を高くすることが難しいという問題がある（例えば、非特許文献１）。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、電力系統のシミュレーションを高い精度で実行できる電力系統シミュレータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一つの側面に係る電力系統シミュレータは、少なくとも内部インピーダンスによる一次遅れ要素を含み、電力系統に接続される機器を模擬する第１模擬装置と、第１電流源と、前記第１模擬装置からの電流及び前記第１電流源からの電流が流れるように前記第１模擬装置側において前記第１電流源と並列に接続され、前記機器の対地間抵抗を模擬するとともに、前記内部インピーダンスの抵抗値よりも大きな抵抗値を有する第１抵抗と、前記電力系統を模擬する第２模擬装置と、第２電流源と、前記第２模擬装置からの電流及び前記第２電流源からの電流が流れるように前記第２模擬装置側において前記第２電流源と並列に接続され、前記機器の対地間抵抗を模擬するとともに、前記内部インピーダンスの抵抗値よりも大きな抵抗値を有する第２抵抗と、前記第１電流源が前記電力系統を模擬するよう、前記第２模擬装置から前記第２抵抗への電流に基づいて前記第１電流源を制御する第１制御装置と、前記第２電流源が前記機器を模擬するよう、前記第１模擬装置から前記第１抵抗への電流に基づいて前記第２電流源を制御する第２制御装置と、を備える。

電力系統のシミュレーションを高い精度で実行できる電力系統シミュレータを提供することができる。

電力系統１０の構成を示す図である。電力系統１０の等価回路１１を示す図である。等価回路１１を模擬した電力系統シミュレータ１５の一例を示す図である。スイッチ５７がオフの際の電力系統シミュレータ１５の主要な構成を示す図である。図４に示す回路のブロック図である。本発明の一実施形態である電力系統シミュレータ１６の構成を示す図である。本発明の一実施形態である電力系統シミュレータ１７の構成を示す図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＜＜電力系統１０の構成について＞＞
図１は、需要家側に設けられた同期発電機と、発電所に設けられた発電機とを含む電力系統１０の構成を示す図である。電力系統１０は、同期発電機２０、発電機２１、送電線２２、及び遮断器２３を含んで構成される。

同期発電機２０は、例えば、太陽電池の出力に基づいて電源を生成する機器である。
発電機２１は、例えば、発電所に設けられたタービン発電機であり、発電された電力は送電線２２へと供給される。また、送電線２２には遮断器２３が接続されており、遮断器２３が投入されると、同期発電機２０は、発電機２０及び送電線２２を含む系統に接続される。

＜＜電力系統１０のモデル化について＞＞
図２は、図１に示す電力系統１０を等価回路１１で表現した場合の一例である。等価回路１１において、電源３０、インダクタ３１、及び抵抗３２は、同期発電機２０をモデル化したものである。なお、インダクタ３１、及び抵抗３２は、同期発電機２０の内部インピーダンスに相当する。

抵抗３５は、同期発電機２０の対地間抵抗、つまり、同期発電機２０の出力電圧が印加されるノードと、グランドとの間に発生する絶縁抵抗をモデル化したものである。
電源３６及びインダクタ３７は、発電機２１、送電線２２のそれぞれをモデル化したものであり、スイッチ３８は、遮断器２３をモデル化したものである。

＜＜等価回路１１を模擬する電力系統シミュレータ１５について＞＞
図３は、等価回路１１を模擬する電力系統シミュレータ１５の構成を示す図である。

電力系統シミュレータ１５は、模擬装置４０，４１、及びインターフェース装置４２を含んで構成される。

模擬装置４０は、同期発電機２０がモデル化された電源３０、インダクタ３１、及び抵抗３２を模擬する装置であり、電源回路５０、インダクタ５１、及び抵抗５２を含んで構成される。

電源回路５０は、電源３０を模擬する回路であり、例えばオペアンプやＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）の電子回路を用いて構成される。
インダクタ５１及び抵抗５２のそれぞれは、同期発電機２０の内部インピーダンスを示すインダクタ３１、抵抗３２を模擬する。

模擬装置４１は、同期発電機２０以外の系統を示す電源３６、インダクタ３７及びスイッチ３８を模擬する装置であり、電源装置５５、インダクタ５６、及びスイッチ５７を含んで構成される。

電源装置５５は、電源３６を模擬する装置であり、例えば商用の交流電源装置等を用いて実現される。
インダクタ５６及びスイッチ５７のそれぞれは、送電線２２を示すインダクタ３７、遮断器２３を示すスイッチ３８を模擬する。

インターフェース装置４２は、模擬装置４０及び模擬装置４１のそれぞれから出力される電流を、模擬装置４０，４１の間でやり取りする装置であり、抵抗６０，６１、変流器７０，８０、制御装置７１，８１、及び電流源７２，８２を含んで構成される。

抵抗６０，６１のそれぞれは、同期発電機２０の対地間抵抗を示す抵抗３５を模擬している。

変流器７０は、電源回路５０から抵抗６０へ流れる電流Ｉ１を検出する。制御装置７１は、検出された電流Ｉ１に基づいて、電流源７２からの電流Ｉ２が電流Ｉ１と同様になるよう、つまり電流源７２が同期発電機２０を模擬するよう電流源７２を制御する。具体的には、制御装置７１は、電流Ｉ１がゼロの場合に電流Ｉ２がゼロとなり、電流Ｉ１が増加すると電流Ｉ２が増加するよう電流源７２を制御する。

変流器８０は、電源装置５５から抵抗６１へ流れる電流Ｉ３を検出する。制御装置８１は、検出された電流Ｉ３に基づいて、電流源８２からの電流Ｉ４が電流Ｉ３と同様になるよう、つまり電流源８２が同期発電機２０以外の系統を模擬するよう電流源８２を制御する。具体的には、制御装置８１は、例えば電流Ｉ３がゼロの場合、電流源８２からの電流Ｉ４がゼロとなり、電流Ｉ３の増加に応じて電流Ｉ４が増加するよう電流源８２を制御する。

このように、インターフェース装置４２は、模擬装置４０から対地間抵抗を示す抵抗６０に流れる電流Ｉ１と同様の電流Ｉ２を、模擬装置４１側の対地間抵抗を示す抵抗６１に供給する。また、インターフェース装置４２は、模擬装置４１から対地間抵抗を示す抵抗６１に流れる電流Ｉ３と同様の電流Ｉ４を、模擬装置４０側の対地間抵抗を示す抵抗６０に供給する。そして、模擬装置４０、抵抗６０、及び電流源８２を含む回路と、模擬装置４１、抵抗６１、及び電流源７２を含む回路のそれぞれでは、キルヒホッフの法則に基づく計算が実行されるため、それぞれの回路は等価回路１１と同様に動作する。この結果、電力系統シミュレータ１５は全体として等価回路１１を模擬することになる。

＜＜電流Ｉ２の安定性について＞＞
図３の模擬装置４０には、インダクタ５１及び抵抗５２による１次遅れ要素が含まれている。また、変流器７０で電流Ｉ１が検出されてから、制御装置７１が電流Ｉ２を変化させるまでにも時間遅れ（１次遅れ要素）は存在する。したがって、電源回路５０の出力と、電流Ｉ２との間に成立する伝達関数には、少なくとも２次遅れの要素が含まれることになる。このため、インターフェース装置４２を用いて電力系統１０を模擬した場合には、電流Ｉ２の波形が振動してしまう可能性がある。

図４は、スイッチ５７をオフにした場合の電力系統シミュレータ１５の主要な構成を示す図である。スイッチ５７がオフであると、電流Ｉ３はゼロとなるため、抵抗６１には電流Ｉ２のみが流れる。また、前述のように電流Ｉ４もゼロとなるため、抵抗６０には電流Ｉ１のみが流れる。

図４において、電源回路５０の電圧をＶｄ、インダクタ５１のインダクタンスをＬｄ、抵抗５２の抵抗値をＲｄ、抵抗６０，６１の抵抗値をＲとすると、図４の回路は、図５のブロック図で表される。なお、本実施形態では、抵抗値Ｒｄ、インダクタンスＬｄの値は、同期発電機２０の内部インピーダンスを示すものであるため、小さな値が設定される。一方、抵抗値Ｒは、同期発電機２０の対地間抵抗（いわゆる、絶縁抵抗）の抵抗値を示すものであるため、非常に大きな値が設定される。

また、図５において、“ｓ”は、複素数“ｊω”を示し、ブロック１００は、インダクタ５１及び抵抗５２による１次遅れ要素“１／（Ｌｄ×ｓ＋Ｒｄ）”を示し、ブロック１０１は、抵抗値Ｒによる比例要素を示している。ブロック１０２では、変流器７０で電流Ｉ１が検出されてから、電流Ｉ２が変化するまでの時間遅れを、１次遅れ要素“１／（Ｔｄ×ｓ＋１）”として表している。

したがって、電圧Ｖｄと、電流Ｉ２との間には、式（１）の伝達関数が成立する。
Ｉ２＝Ｖｄ／（（Ｔｄ×Ｌｄ）ｓ^２＋（Ｌｄ＋Ｔｄ（Ｒｄ＋Ｒ））ｓ＋（Ｒｄ＋Ｒ））
・・・（１）

式（１）の分母において、１次の項の係数 “Ｌｄ＋Ｔｄ（Ｒｄ＋Ｒ）”には、非常に大きな抵抗値Ｒ（＞＞Ｒｄ）が含まれている。したがって、仮に電圧Ｖｄがステップ状に変化した場合であっても、電流Ｉ２に発生する振動は減衰されることになる。つまり、１次遅れの要素を含む模擬装置４０と、１次遅れの要素を含むインターフェース装置４２が接続されていても、電力系統シミュレータ１５は安定して動作する。

＝＝インターフェース装置の適用例＝＝
図６は、電力系統シミュレータ１６の一例を示す図である。電力系統シミュレータ１６は、模擬装置１１０，１１１、及びインターフェース装置１１２を含んで構成される。

模擬装置１１０（第１模擬装置）は、シミュレーションの対象となる電力系統に接続される機器（例えば、同期発電機、誘導機、負荷等）を模擬する模擬装置である。

模擬装置１１１（第２模擬装置）は、シミュレーションの対象となる電力系統を模擬する模擬装置である。なお、模擬装置１１０，１１１は、アナログシミュレータ、ディジタルシミュレータの何れであっても良い。また、ここでは、シミュレーションの対象とする電力系統を電力系統Ａとし、電力系統Ａに接続される機器を機器Ｂとする。

インターフェース装置１１２は、図３のインターフェース装置４２と同様に、模擬装置１１０，１１１のそれぞれから出力される電流を、模擬装置１１０，１１１の間でやり取りする。インターフェース装置１１２は、抵抗１２０，１２１、変流器１３０，１４０、制御装置１３１，１４１、及び電流源１３２，１４２を含んで構成される。

抵抗１２０，１２１のそれぞれは、模擬装置１１０が模擬した機器Ｂの対地間抵抗（絶縁抵抗）を模擬している。また、抵抗１２０（第１抵抗）は、模擬装置１１０側において、電流源１４２（第１電流源）と並列に接続され、抵抗１２１（第２抵抗）は、模擬装置１１１側において、電流源１３２（第２電流源）と並列に接続されている。

変流器１３０は、模擬装置１１０から抵抗１２０へ流れる電流Ｉａを検出する。制御装置１３１は、検出された電流Ｉａに基づいて、電流源１３２が機器Ｂを模擬するよう電流源１３２を制御する。したがって、電力系統Ａを模擬する模擬装置１１１には、機器Ｂの対地間抵抗を模擬する抵抗１２１及び機器Ｂを模擬する電流源１３２が接続されていることになる。このため、模擬装置１１１では、電力系統Ａに機器Ｂが接続された際の電力系統Ａの状態が解析できる。

変流器１４０は、模擬装置１１１から抵抗１２１へ流れる電流Ｉｂを検出する。制御装置１４１は、検出された電流Ｉｂに基づいて、電流源１４２が電力系統Ａを模擬するよう電流源１４２を制御する。したがって、機器Ｂを模擬する模擬装置１１０には、機器Ｂの対地間抵抗を模擬する抵抗１２０及び電力系統Ａを模擬する電流源１４２が接続されていることになる。このため、模擬装置１１０では、電力系統Ａに機器Ｂが接続された際の機器Ｂの状態が解析できる。なお、変流器１３０（第２検出装置）及び制御装置１３１（第２電流源制御装置）は、第２制御装置に相当し、変流器１４０（第１検出装置）及び制御装置１４１（第１電流源制御装置）は、第１制御装置に相当する。

＝＝インターフェース装置の他の実施形態＝＝
図７は、インターフェース装置１１２とは異なるインターフェース装置１１５を用いた電力系統シミュレータ１７の一例を示す図である。なお、電力系統シミュレータ１７における模擬装置１１０，１１１は、図６に示した装置と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。

インターフェース装置１１５では、図６のインターフェース装置１１２の変流器１４０の代わりに、電圧検出器１６０、算出装置１６１が用いられ、制御装置１４１の代わりに、制御装置１６２が用いられている。さらに、インターフェース装置１１５には、模擬装置１１１とインターフェース装置１１５が接続される端子と、抵抗１２１の一端との間にスイッチ１７０が設けられている。なお、他のブロックは、図６の構成と同様である。

電圧検出装置１６０は、抵抗１２１の両端電圧を検出し、算出装置１６１は、検出された抵抗１２１の電圧と、抵抗１２１の抵抗値Ｒとに基づいて、抵抗１２１に流れる電流Ｉｃを算出する。また、算出装置１６１は、変流器１３０の検出結果である電圧Ｖｘに基づいて、電流源１３２の電流Ｉｄを算出する。そして、算出装置１６１は、式（２）に基づいて、模擬装置１１１から抵抗１２１に流れる電流Ｉｂを算出する。
Ｉｂ＝−（Ｉｄ＋Ｉｃ）・・・（２）

制御装置１６２（第１電流源制御装置）は、算出された電流Ｉｂに基づいて、電流源１４２が電力系統Ａを模擬するよう電流源１４２を制御する。したがって、インターフェース装置１１５は、インターフェース装置１１２と同様に動作する。なお、電圧検出器１６０、算出装置１６１は、第１算出装置に相当し、電圧検出器１６０、算出装置１６１、及び制御装置１６２は、第１制御装置に相当する。

また、スイッチ１７０は、電力系統Ａと、機器Ｂとの間に設けられた遮断器等を模擬するものである。そして、スイッチ１７０がオンされると模擬装置１１１から抵抗１２１への電流が供給される。したがって、この場合には、電力系統シミュレータ１７は、電力系統Ａ及び機器Ｂが接続された状態を模擬することになる。

一方、スイッチ１７０がオフされると、模擬装置１１１から抵抗１２１への電流の供給が停止される。したがって、この場合には、電力系統シミュレータ１７は、機器Ｂが電力系統Ａから切り離された状態を模擬することになる。

以上、本実施形態の電力系統シミュレータ１５〜１７について説明した。例えば、電力系統シミュレータ１６では、機器Ｂの対地間抵抗（いわゆる絶縁抵抗）が、抵抗１２０，１２１として模擬されている。また、抵抗１２０，１２１の抵抗値Ｒは非常に大きいため、機器Ｂを模擬する模擬装置１１０が１次遅れ要素を含む場合であっても、電力系統シミュレータ１６は安定に動作する。この結果、電力系統シミュレータ１６は、高い精度で対称とする電力系統のシミュレーションを実行することができる。

また、インターフェース装置１１２では、模擬装置１１０，１１１の間でやりとりされる電流のうち、模擬装置１１１からの電流が変流器１４０で実際に検出される。このため、電力系統シミュレータ１６は、模擬装置１１１からの電流を精度良く、模擬装置１１０側に伝えることができる。

また、電力系統シミュレータ１７では、変流器１４０を用いることなく模擬装置１１１からの電流情報を模擬装置１１０側に伝えることができる。このため、例えば、インターフェース装置１１５のコストを削減できる。

また、インターフェース装置１１２では、模擬装置１１０からの電流が変流器１３０で実際に検出される。このため、電力系統シミュレータ１６は、模擬装置１１０からの電流を精度良く、模擬装置１１１側に伝えることができる。

また、例えば、電力系統シミュレータ１７において、変流器１３０及び制御装置１３１の代わりに、電圧検出器１６０等と同様の構成を設けても良い。

また、インターフェース装置１１５にはスイッチ１７０が設けられている。このため、電力系統シミュレータ１７では、電力系統Ａ及び機器Ｂが接続された状態と、電力系統Ａ及び機器Ｂが切り離された状態とをシミュレーションできる。

なお、上記実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
例えば電流Ｉｂを検出する際には、変流器１４０の代わりに電流検出抵抗を用いても良い。

１０電力系統
１１等価回路
１５〜１７電力系統シミュレータ
２０同期発電機
２１発電機
２２送電線
２３遮断器
３０，３６電源
３１，３７，５１，５６インダクタ
３２，３５，５２，６０，６１，１２０，１２１抵抗
３８，５７，１７０スイッチ
４０，４１，１１０，１１１模擬装置
４２，１１２，１１５インターフェース装置
５０電源回路
５５電源装置
７０，８０，１３０，１４０変流器
７１，８１，１３１，１４１制御装置
７２，８２，１３２，１４２電流源
１００〜１０２ブロック
１６０電圧検出器
１６１算出装置
１６２制御装置

Claims

少なくとも内部インピーダンスによる一次遅れ要素を含み、電力系統に接続される機器を模擬する第１模擬装置と、
第１電流源と、
前記第１模擬装置からの電流及び前記第１電流源からの電流が流れるように前記第１模擬装置側において前記第１電流源と並列に接続され、前記機器の対地間抵抗を模擬するとともに、前記内部インピーダンスの抵抗値よりも大きな抵抗値を有する第１抵抗と、
前記電力系統を模擬する第２模擬装置と、
第２電流源と、
前記第２模擬装置からの電流及び前記第２電流源からの電流が流れるように前記第２模擬装置側において前記第２電流源と並列に接続され、前記機器の対地間抵抗を模擬するとともに、前記内部インピーダンスの抵抗値よりも大きな抵抗値を有する第２抵抗と、
前記第１電流源が前記電力系統を模擬するよう、前記第２模擬装置から前記第２抵抗への電流に基づいて前記第１電流源を制御する第１制御装置と、
前記第２電流源が前記機器を模擬するよう、前記第１模擬装置から前記第１抵抗への電流に基づいて前記第２電流源を制御する第２制御装置と、
を備えることを特徴とする電力系統シミュレータ。
請求項１に記載の電力系統シミュレータであって、
前記第１制御装置は、
前記第２模擬装置から前記第２抵抗への電流を検出する第１検出装置と、
前記第１検出装置の検出結果に基づいて、前記第１電流源を制御する第１電流源制御装置と、
を含むことを特徴とする電力系統シミュレータ。
請求項１に記載の電力系統シミュレータであって、
前記第１制御装置は、
前記第２抵抗の電圧と、前記第２抵抗の抵抗値と、前記第２電流源の電流値とに基づいて、前記第２模擬装置から前記第２抵抗への電流を算出する第１算出装置と、
前記第１算出装置の算出結果に基づいて、前記第１電流源を制御する第１電流源制御装置と、
を含むことを特徴とする電力系統シミュレータ。
請求項２または請求項３に記載の電力系統シミュレータであって、
前記第２制御装置は、
前記第１模擬装置から前記第１抵抗への電流を検出する第２検出装置と、
前記第２検出装置の検出結果に基づいて、前記第２電流源を制御する第２電流源制御装置と、
を含むことを特徴とする電力系統シミュレータ。
請求項２または請求項３に記載の電力系統シミュレータであって、
前記第２制御装置は、
前記第１抵抗の電圧と、前記第１抵抗の抵抗値と、前記第１電流源の電流値と、に基づいて、前記第１模擬装置から前記第１抵抗への電流を算出する第２算出装置と、
前記第２算出装置の算出結果に基づいて、前記第２電流源を制御する第２電流源制御装置と、
を含むことを特徴とする電力系統シミュレータ。
請求項１〜５の何れか一項に記載の電力系統シミュレータであって、
オンされると前記第２模擬装置から前記第２抵抗への電流を供給し、オフされると前記第２模擬装置から前記第２抵抗への電流の供給を停止するスイッチを更に備えること、
を特徴とする電力系統シミュレータ。
第１電流源と、
少なくとも内部インピーダンスによる一次遅れ要素を含み電力系統に接続される機器を模擬する第１模擬装置からの電流と、前記第１電流源からの電流とが流れるように前記第１模擬装置側において前記第１電流源と並列に接続され、前記機器の対地間抵抗を模擬するとともに、前記内部インピーダンスの抵抗値よりも大きな抵抗値を有する第１抵抗と、
第２電流源と、
前記電力系統を模擬する第２模擬装置からの電流と、前記第２電流源からの電流とが流れるように前記第２模擬装置側において前記第２電流源と並列に接続され、前記機器の対地間抵抗を模擬するとともに、前記内部インピーダンスの抵抗値よりも大きな抵抗値を有する第２抵抗と、
前記第１電流源が前記電力系統を模擬するよう、前記第２模擬装置から前記第２抵抗への電流に基づいて前記第１電流源を制御する第１制御装置と、
前記第２電流源が前記機器を模擬するよう、前記第１模擬装置から前記第１抵抗への電流に基づいて前記第２電流源を制御する第２制御装置と、
を備えることを特徴とするインターフェース装置。