JP7638559B2 - 自律協調制御システム、及び自律協調制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、自律協調制御システム、及び自律協調制御方法に関する。

近年、世界中の多くの国々でマイクログリッドに対する関心が高まっている。マイクログリッドは、再生可能エネルギー発電機（例えば、太陽光発電機、風力発電機、及び地熱発電機）、バッテリ、及び電力負荷（例えば、一般家庭、工場、商業施設、ＥＶ（Electric Vehicle）の充電スタンド）などを含むスマートな電力システムである。

再生可能エネルギー発電機は、主にＤＣ（Direct Current）電力を出力する。そのため、ＡＣ（Alternative current）バスを利用して発電機、バッテリ、及び電力負荷を接続するＡＣグリッドでは、ＤＣからＡＣへ変換する際にエネルギー変換ロスが発生する上、ＡＣバスの電圧位相と同期をとる必要がある。そのため、多くのマイクログリッドは、ＤＣバスを利用して発電機、バッテリ、及び電力負荷を接続するＤＣグリッドを採用している（特許文献１及び非特許文献１を参照）。

再生可能エネルギー発電機からの電力供給は不安定であるため、多くのマイクログリッドは、コントローラによる中央制御、分散制御、又はそれらの組み合わせによって、ＤＣバスに接続される発電機、バッテリ、及び電力負荷を制御し、ＤＣバスの電圧を安定させようとする。また、コントローラは、電力負荷の消費電力が急増してＤＣバスの電圧が、ある下限レベルまで低下したときにＤＣバスを電力系統に接続する（非特許文献１を参照）。また、特許文献１には、ＤＣバスと蓄電池との間に電圧変換部を設け、電圧変換部を制御して、ＤＣバスの電圧が上昇して閾値以上になると充電動作を開始させ、閾値以下になると充電動作を停止させる方法が開示されている。

特開2014-128047号公報

Fahad Saleh Al-Ismail, "DC Microgrid Planning, Operation, and Control: A Comprehensive Review", IEEE Access, Volume 9, pp.36154-36172.

特許文献１及び非特許文献１に記載された様々なシステムのように複雑な制御を行うことによってＤＣバス電圧がある程度安定化されるとしても、突然の電力負荷の増減によってＤＣバス電圧が不安定になることもある。そのため、ＤＣバスには、ある程度の電気的慣性力を持たせておくことが必要になる。電気的慣性力とは、電力負荷の大きさが突発的に変化して瞬時に大きな電力が必要となる又は余る場合に、バスが瞬間的に電力を生み出す又は吸収する能力を言う。

ＤＣバスに電気的慣性力を持たせる１つの方法は、急に大きな電力が必要になった場合又は余ったときに備えて、ＤＣバスにバッテリを直接装荷することであると本発明者は考えた。他の方法として、ＰＶ（Photovoltaic）デバイスを最大出力状態から敢えて外した状態で動作させておき、急に大きな電力が必要となったとき又は余ったときに、瞬時に最大出力状態での動作又は出力を更に絞った動作に移行させ、発電電力を増減させて疑似的に電気的慣性力を生み出す方法もあると考えられる。

特許文献１のシステムでは、蓄電池が電圧変換部を介してＤＣバスに接続されているため、電気的慣性力が効きにくくなり、相対的に電気的慣性力は小さくなるため、バッテリによる電圧変動の抑制効果は限定的となる。また、特許文献１及び非特許文献１のシステムでは、コントローラに入出力される制御信号の伝送遅延などがあるため、突然の電力負荷の増減に対応しきれずにＤＣバスの電圧が一時的に下限レベル未満に落ち込む又は上限レベルを超過するリスクがある。そのため、電力システムの安定動作を保証するには、そのような突発的な電力負荷の増減に対するＤＣバスの電圧変動を、より効果的に抑える工夫が必要である。

本発明の第１の態様によれば、電力負荷及び発電機が接続されたＤＣバスと、ＤＣバスに直接的に接続された複数のバッテリユニットとを備える、自律協調制御システムが提供される。複数のバッテリユニットは、ＤＣバス上に分散装荷され、各バッテリユニットの端子電圧は、ＤＣバスの基準電圧と一致又は近似させる。

本発明の第２の態様によれば、電力負荷、発電機、及び複数のバッテリユニットが接続されたＤＣバスの電圧を電圧計によって計測することであって、複数のバッテリユニットは、ＤＣバスに直接的に接続される形態でＤＣバス上に分散装荷され、各バッテリユニットの端子電圧は、ＤＣバスの基準電圧に一致又は近似する、ことと、ＤＣバスの電圧が、基準電圧を中心とする第１の電圧範囲内から、第１の電圧範囲の上限又は下限に達したとき、制御回路によって、ＤＣバスを電力系統に接続し、電力系統によるアシストを得て動作するアシスト運転状態に切り替えることと、アシスト運転状態で、ＤＣバスの電圧が、第１の電圧範囲内の特定範囲の境界に達したとき、制御回路によって、ＤＣバスを電力系統から切断し、電力系統からのアシストなしに動作する自律運転動作に切り替えることと、を含み、自律運転動作では、ＤＣバスに接続された発電機の少なくとも一部は、ＤＣバスの電圧を監視し、事前設定された上限レベルを超える場合に発電又はＤＣバスへの電力供給を停止する自律動作を行う、自律協調制御方法が提供される。

本発明によれば、ＤＣバスを利用した電力システムの安定性を向上できる。

本発明の実施形態に係る自律協調制御システムの例を模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係るＤＣバスの例を模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係るＤＣバスの等価回路の例を模式的に示した図である。 電気的慣性力の減衰特性及び電力線の太さと減衰の速さとの関係について説明するための図である。 ＤＣバス上に装荷されるバッテリユニットの数と、ＤＣバス上の各位置における電気的慣性力の強さとの関係について説明するための図である。 図８に示したＮ＝１～５のグラフに対応するバッテリユニットの配置を模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係るスイッチの構造例を模式的に示したブロック図である。 本発明の実施形態に係る自律協調制御方法の例を示した図である。 自律協調制御システムのシミュレーションモデルを示した図である。 シミュレーション結果を示した図である。 本発明の実施形態に係るＤＣバスの第１の安定性条件を示した図である。 本発明の実施形態に係るＤＣバスの第２の安定性条件を示した図である。

以下に添付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。本明細書及び図面において実質的に同一の機能を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することがある。

（１．自律協調制御システム）
まず、本発明の実施形態に係る自律協調制御システムについて説明する。図１は、自律協調制御システム１０を模式的に示した図である。図１に示した自律協調制御システム１０は、本発明の実施形態に係る自律協調制御システムの一例であり、本発明の実施形態に係る技術の適用範囲はこの例に限定されない。

自律協調制御システム１０は、１つ以上の電力負荷及び１つ以上の発電機が接続されたＤＣバス１１と、ＤＣバス１１に直接的に接続された複数のバッテリユニットとを含む。発電機は、太陽光発電機（ＰＶデバイスなど）、風力発電機、及び地熱発電機などの再生可能エネルギー発電機である。電力負荷は、一般家庭、工場、商業施設、及びＥＶの充電スタンドなどの電力消費設備である。

図１には、ＤＣバス１１に接続される複数のバッテリユニットの例として、３つのバッテリユニット１２ａ、１３ａ、１４ａが模式的に記載されている。また、図１には、１つ以上の発電機の例として発電機１２ｂ、１３ｂ、１４ｂが模式的に記載され、１つ以上の電力負荷の例として電力負荷１２ｃ、１３ｃ、１４ｃが模式的に記載されている。バッテリユニット、発電機、及び電力負荷の数はこの例に限定されず、それぞれ３以外であってよい。以下、自律協調制御システム１０の要素及び動作について具体的に説明する。

（１－１．ＤＣバス及びバッテリユニットについて）
ＤＣバス１１は、図２に示すように、少なくとも２本の電力線１１ａ、１１ｂで構成される。図２は、本発明の実施形態に係るＤＣバスの例を模式的に示した図である。例えば、ＤＣバス１１は、５．５ＳＱの２コアＣＶケーブル（Cross-linked polyethylene insulated Vinyl sheath cable）、即ち、コアの断面積が約５．５ｍｍ^２の２コアＣＶケーブルで構成されうる。ＤＣバス１１の電圧は、後述する自律協調制御システム１０内の制御機構によって、規定の電圧レベル（基準電圧）を中心とする予め設定された電圧範囲（許容電圧範囲）内に維持される。基準電圧は、例えば、４００Ｖに設定されうる。

図２に示すように、ＤＣバス１１の電力線１１ａ、１１ｂには、各バッテリユニットが直接的に接続される。また、各バッテリユニットは、その端子電圧がＤＣバス１１の基準電圧にほぼ等しくなるように構成される。例えば、３．２Ｖのバッテリセルを６０個直列接続したバッテリを２つ用意し、それらを接続することで３８４Ｖ（約４００Ｖ）の端子電圧を有する１つのバッテリユニットが得られる。

各バッテリユニットのバッテリとしては、リチウム鉄リン酸塩（LiFePO）バッテリなどのリチウムイオンバッテリ、又は鉛酸バッテリなどが好適に利用されうる。リチウムイオンバッテリ及び鉛酸バッテリは、電力負荷が重くなるにつれて端子電圧が単調に低下していく特性（所謂、垂下特性）を有する。また、蓄電率（ＳＯＣ（State Of Charge））がある一定の範囲内にあるとき、端子電圧がＳＯＣに対してほぼ直線的に変化する特性（図２のグラフ２１ａを参照）を有する。これらの特性により、負荷の変動に対して安定な動作が得られると共に、端子電圧から蓄電率を容易に推定することができる。

複数のバッテリユニットは、ＤＣバス１１の電気的慣性力を高めるために、ＤＣバス１１上に分散装荷される。電気的慣性力は、電力負荷による電力消費量の急激な増加及び発電機による電力供給量の急激な増加に対するＤＣバス１１の電圧の変化しにくさを表す。例えば、電力負荷に１Ａの突発的な電流変動があったときにＤＣバス１１の電圧がΔＶ１変化するＤＣバス１１の電気的慣性力ｆ１は、同一条件下においてＤＣバス１１の電圧がΔＶ２（ΔＶ１＞ΔＶ２）変化するＤＣバス１１の電気的慣性力ｆ２より小さい。このことは、電気的慣性力ｆ２を有するＤＣバス１１の方が、電気的慣性力ｆ１を有するＤＣバス１１よりも安定であることを意味する。

（１－２．電気的慣性力について）
ここで、図３を参照しながら、ＤＣバス１１の電気的慣性力の源について、さらに説明する。図３は、バッテリユニット（蓄電池）を分散装荷したＤＣバスの等価回路の例を模式的に示した図である。

図３の例は、２つのバッテリユニット３１、３２が接続されたＤＣバス１１の等価回路を模式的に表したものである。バッテリユニット３１は、バッテリ容量３１ａ及び内部抵抗３１ｂで表現されている。同様に、バッテリユニット３２は、バッテリ容量３２ａ及び内部抵抗３２ｂで表現されている。電力線１１ａのインダクタンス及びレジスタンスは、分布インダクタ３３ａ、３３ｂ及び分布抵抗３４ａ、３４ｂでそれぞれ表現されている。同様に、電力線１１ｂのインダクタンス及びレジスタンスは、分布インダクタ３３ｃ、３３ｄ及び分布抵抗３４ｃ、３４ｄでそれぞれ表現されている。電力線１１ａ、１１ｂ間の容量は、線間容量３５で表現されている。

バッテリユニット３１、３２の端子電圧がＤＣバス１１の基準電圧に等しい場合、バッテリユニット３１、３２の内部抵抗３１ｂ、３２ｂが小さいほど電気的慣性力が大きく、逆に内部抵抗３１ｂ、３２ｂが大きいと電気的慣性力は小さくなる。ＤＣバス１１の電気的慣性力は、電力線１１ａ、１１ｂの分布抵抗３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄにも関係する。例えば、電力負荷の接続点と、バッテリユニット３１、３２の接続点との間の距離が短い（即ち、電力線１１ａ、１１ｂの抵抗が小さい）ほど電気的慣性力が大きくなる。

電力負荷は、ＤＣバス１１上の任意の地点(場所)に接続される可能性があり、バッテリユニットを１カ所に集中装荷すると、バッテリユニットから遠い電力負荷での消費電力の急増に対して電気的慣性力が十分に働かない。一方、複数のバッテリユニットをＤＣバス１１上の複数箇所に分散装荷すれば、ＤＣバス上のどの地点に装荷されている電力負荷において消費電力が急増しても、期待される電気的慣性力が働き、ＤＣバス１１の急激な電圧低下を抑制することができる。同様に、ＰＶなどの再生可能エネルギー発電機もＤＣバス上の任意の地点に接続される可能性があるが、どの発電機からの電力供給が急増した場合でも、ＤＣバス１１上にバッテリユニットが分散装荷されていれば、電気的慣性力によってＤＣバス１１の急激な電圧上昇を抑制することができる。

上記の理由から、本発明の実施形態では、複数のバッテリユニットをＤＣバス１１上に分散装荷する構成を採用する。バッテリユニットの装荷方法（数及び配置）は、必要とされる電気的慣性力の強さに基づいて決定されうる。例えば、バッテリユニットの装荷方法は、想定される環境において、必要に応じてＤＣバス１１を電力系統に接続する制御を併用することにより、ＤＣバス１１の電圧が常に許容電圧範囲内に維持されるように、シミュレーションなどによって決定されうる。

上記のように、ＤＣバス１１を安定稼働させる上で電気的慣性力は重要である。また、電力負荷の消費電力及び／又はＰＶなどの発電機の発電電力の急激な変動によるＤＣバス１１の電圧変動を抑制する作用に加え、より長期の電圧変動を抑制することもＤＣバス１１の安定稼働のために重要である。電気的慣性力を持続させることのできる時間は、バッテリユニット３１、３２のバッテリ容量３１ａ、３２ａが大きいほど長く、バッテリ容量３１ａ、３２ａが小さいと短くなる。即ち、各バッテリユニットの容量が大きいほど、電力消費量及び発電量の変動に対するＤＣバス１１の電圧変動を長期にわたって抑制することが可能となる。

以上のことから、電気的慣性力の大きさはバッテリユニットなどの電気抵抗によって決まり、電気的慣性力の持続時間はバッテリ容量によって決まると言える。

上述したように、複数のバッテリユニットをＤＣバス１１上に分散装荷することで、ＤＣバス１１上のどの場所においても電気的慣性力が効果的に働くようになり、ＤＣバス１１を安定稼働させることが可能になる。加えて、各バッテリユニットの容量を大きくすることで慣性持続時間が長くなり、ＤＣバス１１をより長期間安定稼働させることに寄与する。なお、特許文献１及び非特許文献１に記載されたシステムのように、バッテリがＤＣ／ＤＣコンバータなどを介してＤＣバスに間接的に接続されている場合にはバッテリの電気的慣性力が効きにくくなり、相対的に電気的慣性力は小さくなるため、バッテリによる電圧変動の抑制効果は限定的となる。

ここで、上述した電気的慣性力について、その特性をより良く理解できるように、さらに説明を追加する。

まず、上述した電気的慣性力について直感的に理解しやすいように、一旦ＤＣバス上の議論から離れ、既存の電力網を例に、電気的「慣性力」についての簡単な考察を行う。

既存の電力網における慣性力の源は、電力網の最上流にある発電所である。例えば、火力発電所の場合、大型の蒸気タービンを回転させることによって発電機を回している。タービンは、重たい回転体が高速で回転することで大きな慣性モーメントを有している。そのため、突然大きな電力負荷がかかってタービンの回転を減速させる力が働いても、大きな慣性モーメントによって回転数をあまり落とさずに回転を続けることができる。タービンの回転体の慣性モーメントをＭ、回転角速度をωとすると、このタービンの回転運動のエネルギーＫは、以下の式（数１）で与えられる。

発電所では、上記のタービンの回転運動のエネルギーを発電機により電気エネルギーに変換し、途中何箇所かの変電所で降圧されて最終的に電力負荷まで届けられる。ここで、基線電圧がＶの送電線に突然電力負荷が接続されて、Ｉ（Ａ）の電流が取り出されるケースについて考える。このケースにおいて、電力負荷で消費される電力Ｐは、Ｐ＝ＶＩである。この電力Ｐは、途中の送電線での送電損失及び変電所での電圧変換損失を考慮しなければ、エネルギー保存則により、発電所のタービンの回転エネルギーの時間変化に等しいはずである。従って、電力Ｐと、タービンの回転体が有する慣性モーメントＭとの間には、以下の関係（数２）がある。

上記の関係から、接続された電力負荷によってタービンの回転速度を減速させようとする力に抗して働く慣性力の強さ（慣性モーメントＭ）は、接続された電力負荷によって取り出せる電力Ｐに比例することが分かる。このことから、電力線に接続された電力負荷によって、接続時に瞬発的に取り出せる最大電力Ｐ_ｍａｘを用いて電気的慣性力の特性を評価できることが分かる。これにならい、以下では、Ｐ_ｍａｘを用いてＤＣバス上の電気的慣性力の特性について、さらに考察する。

まず、ＤＣバスに１つのバッテリユニットが直接装荷され、バッテリユニットが電力線と一体になっているＤＣバスを考える。ＤＣバスの基準電圧をＶ（無負荷状態でのバッテリユニットの端子電圧も等しくＶである)と表記し、バッテリユニットの内部抵抗をｒと表記すると、ＤＣバス上のある位置に１つの電力負荷を接続した場合、Ｐ_ｍａｘは、以下の式（数３）で与えられる。式中のｒ’は、バッテリユニットから電力負荷の接続点までの電力線による電気抵抗を表す。

電力線による電気抵抗ｒ’はバッテリユニットから電力負荷の接続点までの距離に依存するため、電気的慣性力は、ＤＣバス上の位置によって異なることが分かる。また、上記の式（数３）から、バッテリユニットから遠ざかるほど電気的慣性力が弱まることが分かる。例えば、Ｖ＝４００（Ｖ）、ｒ＝１（Ω）、ｒ’＝１（Ω）の場合にはＰ_ｍａｘ＝２×１０^４（Ｗ）となり、ｒ’＝４（Ω）の場合にはＰ_ｍａｘ＝０．８×１０^４（Ｗ）となる。また、電力線による電気抵抗ｒ’は、電力線の芯線断面積にも依存する。芯線断面積が大きいほど単位長さ当たりの電気抵抗ｄｒは小さくなるため、芯線断面積が大きいＣＶケーブルを利用することで、バッテリユニットから遠い位置まで電気的慣性力を作用させることができる。この点に関し、芯線断面積の違いによるＰ_ｍａｘの特性変化を図４に示した。

図４のグラフは、ＤＣバスの全長を１ｋｍ、基準電圧Ｖを４００（Ｖ）、バッテリユニットの内部抵抗を０．１（Ω）とし、１つのバッテリユニットをＤＣバス上の一端（０ｍの位置）に配置するという条件で、Ｐ_ｍａｘの特性変化を比較したものである。比較したＣＶケーブルの芯線断面積は、８ＳＱ（２×ｄｒ＝４．３４Ω／ｋｍ）、２２ＳＱ（２×ｄｒ＝１．０８Ω／ｋｍ）、６０ＳＱ（２×ｄｒ＝０．３９７Ω／ｋｍ）、２００ＳＱ（２×ｄｒ＝０．１２１Ω／ｋｍ）である。

いずれのグラフもバッテリユニットから遠ざかるにつれてＰ_ｍａｘが落ち込むが、８ＳＱと２００ＳＱのケースを比較すると、２００ＳＱでは、バッテリユニットから８００（ｍ）の距離離れても、Ｐ_ｍａｘが２×１０^５（Ｗ）以上を維持しているが、８ＳＱの場合には５０（ｍ）以下の距離で２×１０^５（Ｗ）以下まで落ち込むことが分かる。このように、電気的慣性力は、バッテリユニットからの距離に加え、電力線の芯線断面積に依存する。従って、ＤＣバス上で満遍なく電気的慣性力が働くようにするには、バッテリユニットの数及び配置に加え、電力線の芯線断面積が１つの重要な要素になる。

逆に、電力線の芯線断面積が決まると、個々のバッテリユニットによる電気的慣性力が十分な強さで作用するＤＣバス上の範囲もある程度決まってくる。既に説明したように、電気的慣性力の強さは、各バッテリユニットの容量ではなく、主にバッテリユニットと電力負荷の接続点との間の距離（つまり、電気抵抗）に影響される。なお、各バッテリユニットの容量は、電気的慣性力が働く持続時間に主に影響を与える。そのため、ＤＣバス上のどこに接続された電力負荷に対しても十分な電気的慣性力を作用させるには、適切な数のバッテリユニットをＤＣバス上の適切な位置に配置することが重要になる。

そこで、ＤＣバス上にバッテリユニットを等間隔で配置するモデルを用いて、バッテリユニット数Ｎの違いによるＰ_ｍａｘの特性変化について検討した。Ｎ＝１～５、１０、２０のケースについてのＰ_ｍａｘの計算結果を図５に示した。なお、Ｎ＝１～５のケースについては、バッテリユニットの配置例を図６（ａ）～（ｅ）に示している。Ｎ＝１のケース（ａ）ではＤＣバスの中央にバッテリユニットを配置し、Ｎ＝２のケース（ｂ）ではＤＣバスの両端に１つずつバッテリユニットを配置している。Ｎ＝３～５のケースでは、図６（ｃ）～（ｅ）に示すように、バッテリユニットの間隔が同じ間隔になるように配置している。Ｎ＝１０、２０のケースも同様にバッテリユニットの間隔が等しくなるように配置している。なお、これらの配置例は一例であり、本発明の適用範囲はこれに限定されない。

図５を参照すると、Ｎ＝１のケースでは、バッテリユニットが配置されているＤＣバス上の位置でＰ_ｍａｘがピークとなり、その位置から遠ざかるにつれてＰ_ｍａｘの値が大きく低下している。仮に、ＤＣバスの安定稼働にＰ_ｍａｘ＝３×１０^５（Ｗ）以上が必要な場合、Ｎ＝１のケースでは、バッテリユニットから３００ｍ以上離れた位置で、その条件を満たさなくなる。一方、Ｎ＝２のケースでは、ＤＣバス全域でＰ_ｍａｘ＝３×１０^５（Ｗ）以上になっており、ＤＣバスのどこに電力負荷が接続されても十分な電気的慣性力が働く。Ｎが大きくなると、ＤＣバス上でのＰ_ｍａｘの値が大きくなり、電気的慣性力がより強く働くようになることが分かる。Ｎ＝１０、２０のケースのように、Ｎがさらに大きくなるとＤＣバス全域でＰ_ｍａｘの値がほぼ一定のレベルに近づいていく。

このように、複数のバッテリユニットをＤＣバス上に分散装荷することによって、ＤＣバス上の全体又は必要な領域全体にわたって十分な電気的慣性力を働かせることが可能になり、ＤＣバスの安定稼働を実現することができる。このような作用効果は、１カ所にバッテリユニットを集中装荷した場合（Ｎ＝１のケースを参照）には得られない。従って、電気的慣性力によるＤＣバスの安定動作を実現するには、複数のバッテリユニットをＤＣバス上に分散配置すること、そして、各バッテリユニットをＤＣバスに直接装荷することが必要である。また、より太い電力線を利用することが好適である。

（１－３．発電機及び電力負荷について）
再び図２を参照する。上記のように自律協調制御システム１０の各バッテリユニットは、ＤＣバス１１上に分散装荷され、ＤＣバス１１の電力線１１ａ、１１ｂに直接的に接続される。一方、発電機及び電力負荷は、図２に示した発電機２２、及び電力負荷２３、２４のようにＤＣバス１１に間接的に接続されて自律的に動作する。

図２の例において、発電機２２は、ＤＣ／ＤＣ変換器２２ａを介してＤＣバス１１に接続されている。ＤＣバス１１が電力系統と繋がっていない場合（オフグリッドの場合）、発電機２２は、ＤＣバス１１の電圧を監視し、ＤＣバス１１の電圧が予め設定された上限レベルを超える場合に、発電を停止するか、又はＤＣ／ＤＣ変換器２２ａがＤＣバス１１への電力供給を停止する。これらの自律動作によって、ＤＣバス１１の電圧が異常に増大するリスクを低減することができる。一方、ＤＣバス１１が電力系統と繋がっている場合（オングリッドの場合）、発電された電力のうち、消費しきれず、蓄電もできない余剰電力は電力系統が吸収してくれるため、発電機２２は、上記の自律動作を行う必要はない。この場合、発電機２２は、発電電力を全てＤＣバス１１に流し込むことができる。

一方、ＤＣバス１１に接続される電力負荷は、必要とする時にはＤＣバス１１から必要な電力の供給を自由に受けられることが望ましい。従って、自律的動作は馴染まない。しかし、ブラックアウトを回避するため、電力負荷２３のように、非常時や異常時にはバスから強制的に切り離すことを可能とするための外部制御可能なＣＢ（Circuit Breaker）２３ａを介してＤＣバス１１に接続されることが好ましい。ＣＢ２３ａは、ＤＣバス１１の電圧が、ある異常なレベルを下回る場合に、ＤＣバス１１から電力負荷２３への電力供給を遮断する役目がある。なお、異常なレベルは、後述する第１の電圧範囲の下限値ＬＶ１より大幅に低いレベルに設定され、また、既存の電力系統で許容される許容電圧範囲（後述する第３の電圧範囲）の下限値ＬＶ２よりも低いレベルに設定されうる。

ＡＣ駆動の電力負荷２４をＤＣバス１１に接続する場合、電力負荷２４は、ＤＣ／ＡＣ変換器２４ａを介してＤＣバス１１に接続される。ＤＣ／ＡＣ変換器２４ａは、ＤＣバス１１からのＤＣ電力をＡＣ電力に変換して電力負荷２４に供給する。ＤＣ／ＡＣ変換器２４ａは、ＤＣバス１１の電圧が、上記の異常なレベルを下回る場合に、ＤＣバス１１から電力負荷２４への電力供給を遮断してよい。代わりに、ＤＣバス１１と電力負荷２４との間にＣＢを別途設けてもよい。これらの制御によりブラックアウトを回避できる。

（１－４．自律協調制御について）
再び図１を参照する。図１に示すように、ＤＣバス１１は、スイッチ１５及び変換器１６を介してローカルグリッド１７に接続される。ローカルグリッド１７は、火力発電、水力発電、風力発電、及び原子力発電などを利用して安定的に電力を供給可能な電力系統、又は他の電力グリッドなどの外部電力システムである。ローカルグリッド１７は、接続されたＤＣバス１１に電力を供給することに加え、接続されたＤＣバス１１の余剰電力を受容することもできる。

スイッチ１５がオンになると、ＤＣバス１１とローカルグリッド１７とが接続状態となる。接続状態において、ＤＣバス１１の電圧があるレベルよりも低い場合には変換器１６を介してローカルグリッド１７からＤＣバス１１に電力が供給され、逆にＤＣバス１１の電圧があるレベルよりも高い場合には、ローカルグリッド１７によってＤＣバス１１からの電力が受容される。変換器１６は、ＤＣバス１１側のＤＣ電力をローカルグリッド１７側のＡＣ電力に変換し、又はローカルグリッド１７側のＡＣ電力をＤＣバス１１側のＤＣ電力に変換する。

（Ａ）スイッチの構成例
上述したスイッチ１５の機能は、例えば、図７に示したスイッチ４０によって実装されうる。図７は、スイッチ４０の構成を模式的に示したブロック図である。図７に示すように、スイッチ４０は、電圧計４１と、スイッチング機構４２と、制御機構４３とを含む。電圧計４１は、ＤＣバス１１とローカルグリッド１７との接続点（電圧監視点）における電圧を計測する手段である。スイッチング機構４２は、ＤＣバス１１とローカルグリッド１７との間の接続／切断を切り替える手段である。制御機構４３は、電圧計４１の計測値に基づいてスイッチング機構４２の切り替え動作を制御する手段（例えば、制御回路）である。電圧計を採用する図７の構成は、後述する電圧監視システムの構成を採用する場合に比べてコスト面で有利である。制御機構４３による制御の詳細については、図８を参照しながら後述する。

変形例として、制御機構４３の機能を省略し、ＤＣバス１１とローカルグリッド１７との接続点での電圧監視とスイッチ１５の制御とを行う外部の電圧監視システムを設けるようにしてもよい。この場合、電圧監視システムによって、各バッテリユニットの接続点、各発電機の接続点、及び各電力負荷の接続点でＤＣバス１１の電圧を監視する仕組みに、さらに変形することができる。電圧監視システムは、プロセッサ、及びメモリを含む。プロセッサは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などである。メモリは、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、又はフラッシュメモリなどである。例えば、プロセッサは、各接続点に設けられた電圧計の計測データを、通信回線を通じて取得し、取得した計測データをメモリに格納する。

（Ｂ）スイッチの動作及び自律協調制御方法
次に、本発明の実施形態に係る自律協調制御方法について説明する。

既に説明したように、ＤＣバス１１に接続される各バッテリユニットは、ＳＯＣが一定範囲内において、端子電圧がＤＣバス１１の基準電圧にほぼ等しくなるように構成され、運用中はＳＯＣが一定範囲内に維持されるように制御される。また、ＤＣバス１１に接続される各電力負荷は、ＣＢなどによる遮断制御が作動しない範囲で、ＤＣバス１１から必要に応じて自由に電力供給を受けられるように構成される。また、ＤＣバス１１に接続される各発電機は、ローカルグリッド１７との間での電力授受の無いオフグリッドの場合、ＤＣバス１１の電圧が、あるレベルを超える場合に発電を停止又は電力供給を遮断するように自律的に動作する。一方、各発電機は、ローカルグリッド１７との間での電力授受が可能なオングリッドの場合には自律動作の必要が無く、発電した電力を無制限にＤＣバス１１に流すことができる。

ＤＣバス１１に接続される各要素が自律的に動作することで、ローカルグリッド１７からＤＣバス１１が切り離されたオフグリッド状態での自律運転動作でも、ＤＣバス１１から各電力負荷への安定的な電力供給が、ある程度維持されうる。しかし、各発電機による発電量、各バッテリの容量及びＳＯＣ、ＤＣバス１１に接続される電力負荷の数及び負荷の大きさ、又はその他の要因によって、ＤＣバス１１の電圧は、予め設定された第１の電圧範囲外になりうる。そのため、ＤＣバス１１の電圧が第１の電圧範囲を逸脱しそうなとき、スイッチ１５がオンとなり、自律運転動作から、ＤＣバス１１がローカルグリッド１７に接続されたオングリッド状態となり、ローカルグリッド１７によるアシスト制御動作に切り替わる。

ここで、図８を参照しながら、制御機構４３による制御について、より具体的に説明する。図８は、本発明の実施形態に係る自律協調制御方法の例を示した図である。図８に例示したグラフの縦軸は電圧監視点でのＤＣバス１１の電圧であり、横軸は時間である。図中のＬＶ０、ＬＶ１、ＬＶ２、ＨＶ０、ＨＶ１、ＨＶ２は、予め設定された電圧閾値である。ＬＶ０は、基準電圧（この例では４００Ｖ）より低いレベルに設定され、ＬＶ１は、ＬＶ０よりさらに低いレベルに設定される。一方、ＨＶ０は、基準電圧より高いレベルに設定され、ＨＶ１は、ＨＶ０よりさらに高いレベルに設定される。また、既存の電力系統で許容される電圧範囲は基準電圧の±５％であり、その電圧範囲の上限値及び下限値をそれぞれＨＶ２、ＬＶ２と表記している。電気的慣性力を効果的に働かせるためには、バッテリの端子電圧がＳＯＣに対してほぼ直線的に変化する特性を示す範囲内に収まるように、ＬＶ１からＨＶ１の範囲（第１の電圧範囲）を設定する必要がある。

上記の例では、第１の電圧範囲を逸脱しようとすると、スイッチ１５がオンとなり、ローカルグリッド１７からのアシスト動作が開始される。そして、自律協調制御システム１０では、全ての時点でのＤＣバス１１の電圧が第１の電圧範囲内に収まるように制御する。但し、若干のアンダーシュート及びオーバーシュートは許容され、電圧監視点でのＤＣバス１１の電圧が、ＨＶ１からＨＶ２までの範囲及びＬＶ１からＬＶ２までの範囲に達することもあるが、第１の電圧範囲を逸脱したときには、できるだけ速やかに第１の電圧範囲内に引き戻されるようなアシスト制御が行われる。なお、ＬＶ０からＨＶ０までの範囲を第２の電圧範囲と表記する。第２の電圧範囲は、基準電圧を含み第１の電圧範囲内にある。また、ＬＶ２からＨＶ２までの範囲を第３の電圧範囲と表記する場合がある。第３の電圧範囲は、既存の電力系統（又は接続されるローカルグリッド）によって許容される規定の電圧範囲（許容電圧範囲）に設定される。また、第１の電圧範囲は、第３の電圧範囲内に設定される。

図中の曲線５１は、ＤＣバス１１とローカルグリッド１７との接続点（即ち、ＤＣバス１１とスイッチ１５との接続点）での電圧を表している。この例では、初めにオフグリッドの自律運転状態（ＤＣバス１１の電圧が第２の電圧範囲内にある状態）においてＤＣバス１１の電圧は基準電圧付近にあるが、ＤＣ１１バス内の全発電機（ＰＶなど）による発電電力が電力負荷全体の消費電力を上回る状態が続くと、その差分の電力はバッテリユニットに流れることになる。その結果、バッテリユニットの蓄電率が増加するため端子電圧も上昇し、ＤＣバス１１の電圧が上昇する。ＤＣバス１１の電圧は、時間とともに上昇してＨＶ０を超え、Ｐ１の時点でＨＶ１に達する。このように、ＤＣバス１１の電圧が上昇してＨＶ１に達した場合、制御機構４３は、ＤＣバス１１をローカルグリッド１７に接続する制御を行う。接続後、ＤＣバス１１からローカルグリッド１７に余剰電力が送電され、ＤＣバス１１の電圧が低下し始める。つまり、変換器１６のＤＣバス１１側の電圧が基準電圧（この例では４００Ｖ）となるように変換器１６を動作させておけば、電圧の高いＤＣバス１１から変換器１６へと電流が流れて、高くなり過ぎたＤＣバス１１の電圧は低下を始める。

既に説明したように、自律協調制御システム１０では、複数のバッテリユニットがＤＣバス１１上に分散装荷され、電気的慣性力が強化されている。そのため、発電量の急増に対してもＤＣバス１１の急激な電圧上昇が抑えられ、それによって、制御信号の伝送遅延など何らかの理由で、オングリッドに切り替わる直前に電圧がＨＶ１を僅かに超えても、ＤＣバスの電圧は第１の電圧範囲内へと引き戻され、速やかにＨＶ１以下のレベルに戻る。このように、電気的慣性力を高めることで、ＤＣバス１１の電圧が第１の電圧範囲外に逸脱する時間を限りなく短くすることができる。なお、ＨＶ１以下のレベルに戻るまでの時間は、所定時間（例えば、１秒）以内であることが好ましい。つまり、自律協調制御システム１０は、ＤＣバス１１に直接接続された複数のバッテリユニットへのＤＣバス１１からの充電及びローカルグリッド１７によるアシスト動作によって、第１の電圧範囲を逸脱した場合でも、第３の電圧範囲を逸脱せず、かつ所定時間以内に第１の電圧範囲内に戻るように機能する。

Ｐ１の時点でオングリッドになった後、ＤＣバス１１の電圧が下降してＨＶ１を下回り、さらにＰ２の時点でＨＶ０に達する。このように、ＤＣバス１１の電圧が下降してＨＶ０に達した場合、制御機構４３は、ＤＣバス１１をローカルグリッド１７から切断する制御を行い、ローカルグリッド１７によるアシスト動作を終了する。

図８の例では、アシスト動作を終了したＰ２以降、ＤＣバス１１内の全発電機による発電電力がＤＣバス１１の電力負荷全体の消費電力を下回る状態が続くと、その差分の電力はバッテリユニットから放電されることになる。その結果、バッテリの蓄電率が減少するため、端子電圧も減少し、バス電圧が減少する。この結果、ＤＣバス１１の電圧が下降してＬＶ０を下回り、Ｐ３の時点でＬＶ１に達する動作を示している。このように、ＤＣバス１１の電圧が下降して第１の電圧範囲の下限であるＬＶ１にまで達した場合、制御機構４３は、ＤＣバス１１をローカルグリッド１７に接続し、再びローカルグリッド１７からのアシストを得る。接続後、ローカルグリッド１７からＤＣバス１１に電力が供給され、ＤＣバス１１の電圧が上昇を始める。

自律協調制御システム１０では電気的慣性力が強化されているため、負荷の急増に対してもＤＣバス１１の急激な電圧低下が抑えられ、それによって、制御信号の伝送遅延など何らかの理由で、オングリッドに切り替わる直前に電圧がＬＶ１を僅かに下回っても、速やかに第１の電圧範囲内へ引き戻され、すぐにＬＶ１以上のレベルに戻される。このように、電気的慣性力を高めることで、ＤＣバス１１の電圧が第１の電圧範囲外に逸脱する時間を限りなく短くすることができる。なお、ＬＶ１以上のレベルに戻るまでの時間は、所定時間（例えば、１秒）以内であることが好ましい。つまり、自律協調制御システム１０は、ＤＣバス１１に直接接続された複数のバッテリユニットからＤＣバス１１への放電及びローカルグリッド１７によるアシスト動作によって、第１の電圧範囲を逸脱した場合でも、第３の電圧範囲を逸脱せず、かつ所定時間以内に第１の電圧範囲内に戻るように機能する。

Ｐ３の時点でオングリッドになった後、ＤＣバス１１の電圧が上昇してＬＶ１を超え、更にＰ４の時点でＬＶ０に達する。ＤＣバス１１の電圧が上昇してＬＶ０に達した場合、制御機構４３は、ＤＣバス１１をローカルグリッド１７から切断し、ローカルグリッド１７によるアシスト動作を終了する。

以上説明したように、電圧監視点でのＤＣバス１１の電圧が上昇してＨＶ１に達したとき、及び電圧が下降してＬＶ１に達したときに、制御機構４３は、スイッチ１５をオンにして、ＤＣバス１１をローカルグリッド１７に接続する。また、電圧監視点でのＤＣバス１１の電圧が下降してＨＶ０に達したとき、及び電圧が上昇してＬＶ０に達したときに、制御機構４３は、スイッチ１５をオフにして、ＤＣバス１１をローカルグリッド１７から切断する。これらの制御により、ＤＣバス１１の電圧は、おおむね第１の電圧範囲内に維持され、若干のオーバーシュート又はアンダーシュートが生じても第３の電圧範囲を逸脱することなく速やかに第１の電圧範囲内に収束する。なお、電圧監視システムを利用する場合（変形例）の制御も上記と同様である。

＜２．ＤＣバス電圧の安定性条件＞
上記の通り、ＤＣバス１１にバッテリユニットを分散して直接接続することにより電気的慣性力を強化し、各バッテリユニットの容量を適切に設定して十分な慣性持続時間を確保することで、想定される環境において、自律協調制御によるＤＣバス１１の安定稼働が実現されうる。但し、安定稼働の条件（安定性条件）は、ＤＣバス１１に装荷される電力負荷のスケール、バス電線ケーブルの心線の太さ(電気抵抗)及び長さなどに依存する。そこで、シミュレーションにより安定性条件を探った。

（２－１．シミュレーションモデル及び想定環境について）
シミュレーションには、図９に示したシミュレーションモデルを利用した。図９は、自律協調制御システムのシミュレーションモデルを示した図である。

このモデルでは、バッテリ６１ａ、６１ｂを接続した第１のバッテリユニット６１と、バッテリ６２ａ、６２ｂを接続した第２のバッテリユニット６２と、バッテリ６３ａ、６３ｂを接続した第３のバッテリユニット６３とがＤＣバス１１上に装荷されている。各バッテリは、リチウムイオンバッテリを想定し、その端子電圧がＤＣバス１１の基準電圧にほぼ等しくなるようにセルを構成し、ＳＯＣに対して端子電圧が線形に変化する領域で動作するようにしている。ＤＣバス１１には、電力負荷６１ｃ、６２ｃ、６３ｃ、及び発電機６１ｄ、６２ｄ、６３ｄがさらに装荷されている。ＤＣバス１１は、スイッチ６４に接続され、ローカルグリッド６５に接続できるように構成される。

ここで、第１のバッテリユニット６１と電力負荷６１ｃとの間の距離（電力線の長さ）をＬ１とし、電力負荷６１ｃと発電機６１ｄとの間の距離をＬ２とする。また、第２のバッテリユニット６２と発電機６１ｄとの間の距離をＬ３とし、第２のバッテリユニット６２と電力負荷６２ｃとの間の距離をＬ４とする。電力負荷６２ｃと発電機６２ｄとの間の距離をＬ５とし、発電機６２ｄと第３のバッテリユニット６３との間の距離をＬ６とし、第３のバッテリユニット６３と電力負荷６３ｃとの間の距離をＬ７とする。また、電力負荷６３ｃと発電機６３ｄとの間の距離をＬ８とする。

このモデルでは、ＤＣバス１１の各電力線を５．５ＳＱのＣＶケーブルとした。また、ＤＣバス１１の基準電圧を４００Ｖに設定し、一方の電力線を接地電位に対して＋２００Ｖとし、他方の電力線を接地電位に対して－２００Ｖとする方式を採用した。また、ＤＣバス１１の全長を２００ｍとし、接続点間の距離Ｌ１～Ｌ８を全て等しく２５ｍに設定した。この例では、どの電力負荷で消費電力の急増が生じても同程度の電気慣性力が作用する。

シミュレーションでは、各発電機の停止又は遮断制御を省略しており、各発電機からの発電電力は制限なくＤＣバス１１に供給されるようにした。また、各発電機からの電力供給量は、日本の仙台市の１月における日照量に相当するＰＶでの発電量を想定し、各電力負荷による電力消費量は、仙台市の１月における一般家庭の電力消費量を想定している。また、電圧閾値ＬＶ２、ＬＶ１、ＬＶ０、ＨＶ０、ＨＶ１、ＨＶ２をそれぞれ３８０Ｖ、３８５Ｖ、３９５Ｖ、４０５Ｖ、４１５Ｖ、４２０Ｖに設定した。既存の電力系統で許容される電圧範囲が基準電圧の±５％であり、電圧閾値ＨＶ２、ＬＶ２はそれぞれ、その電圧範囲の上限値及び下限値に設定されている。なお、シミュレーションツールとしてMALTAB/Simulinkを利用したが、当業者であれば、上述したシミュレーション条件を参照して任意のツールで以下のシミュレーション結果を追検証しうる。

スイッチ６４の制御により、図８に示した制御方法で、ローカルグリッド６５とＤＣバス１１との接続状態が切り替わるようにした。上記のモデル及び環境下でのシミュレーション結果を図１０に示す。図１０は、ローカルグリッド６５との接続点でのＤＣバス電圧の変化を、１月の１か月間にわたってシミュレーションした結果を示した図である。

（２－２．シミュレーション結果）
図１０（ａ）のグラフ７１は、各バッテリユニットの容量をそれぞれ（２０／３）ｋＷｈとし、ＤＣバス１１に接続されたバッテリの総容量が２０ｋＷｈになるようにした第１のシナリオに対応するシミュレーション結果を示す。グラフ７１が示すように、ＤＣバス１１の電圧は、必要に応じてローカルグリッド６５からのアシストを受けることにより、ＬＶ１とＨＶ１との間の範囲に維持される。ＤＣバス１１にバッテリユニットが分散装荷されて十分な電気的慣性力が作用しているため、その範囲から電圧が大きく逸脱することはなく、ＤＣバス１１の電圧が常に安定している。

図１０（ｂ）のグラフ７２は、各バッテリユニットの容量をそれぞれ（１０／３）ｋＷｈとし、ＤＣバス１１に接続されたバッテリの総容量が１０ｋＷｈになるようにした第２のシナリオに対応するシミュレーション結果を示す。グラフ７２が示すように、ＤＣバス１１の電圧は、必要に応じてローカルグリッド６５からのアシストを受けることにより、ＬＶ１とＨＶ１との間の範囲に維持される。第１のシナリオと同様、十分な電気的慣性力が作用しているため、その範囲から電圧が大きく逸脱することはなく、ＤＣバス１１の電圧が常に安定している。但し、各バッテリユニットの容量が減少したことで、第１のシナリオよりも、第２のシナリオの方が、ローカルグリッド６５からのアシストを受ける頻度が増している。

図１０（ｃ）のグラフ７３は、各バッテリユニットの容量をそれぞれ（５／３）ｋＷｈとし、ＤＣバス１１に接続されたバッテリの総容量が５ｋＷｈになるようにした第３のシナリオに対応するシミュレーション結果を示す。グラフ７３が示すように、ＤＣバス１１の電圧は、必要に応じてローカルグリッド６５からのアシストを受けることにより、ＬＶ１からＨＶ１までの範囲内に維持される。第１のシナリオと同様、十分な電気的慣性力が作用しているため、その範囲から電圧が大きく逸脱することはなく、ＤＣバス１１の電圧が常に安定している。但し、各バッテリユニットの容量がさらに減少したことで、第２のシナリオよりも、第３のシナリオの方が、ローカルグリッド６５からのアシストを受ける頻度が更に増している。

上記のシミュレーション結果から、バッテリ容量が減少すると、オングリッドになる頻度が増加して、ローカルグリッド６５からのアシストを受ける頻度及び時間が増していくことが分かる。一方、バッテリ容量が最も小さい第３のシナリオでも、ローカルグリッド６５のアシストを受けた直後、ＤＣバス１１の電圧が、ＬＶ１以上又はＨＶ１以下の範囲に回復しており、ＤＣバス１１の安定稼働が実現されている。このことは、バッテリユニットが小型でも、複数のバッテリユニットをＤＣバス１１上に分散装荷し、ローカルグリッド６５からの適切なアシストが得られることで、自律協調制御によりＤＣバス１１の安定稼働を実現できることを示している。

但し、電力負荷のスケール（例えば、ＤＣバス１１に接続される電力負荷の数又は負荷の大きさ）が大きくなれば、消費電力の急激な変動に伴う電圧変動の幅も大きくなる。これに対応するためには、ＤＣバス１１に装荷されるバッテリ容量を大きくする必要がある。しかし、バッテリ容量の増加はコスト増に繋がるため、バッテリコストと、ＤＣバス電圧の安定性との最適なバランスを見つける必要がある。そこで、上記のシミュレーションモデルをベースに、電力負荷のスケールとバッテリ容量とを変えながらシミュレーションを繰り返し実行してＤＣバスの安定性条件を探った。

図１１は、本発明の実施形態に係るＤＣバスの安定性条件を示した図である。図中の安定領域８１は、必要に応じてローカルグリッド６５からのアシストを受けることで、ＤＣバス１１の電圧が第１の電圧範囲内にほぼ維持される条件（安定性条件）を示している。一方、不安定領域８３は、ローカルグリッド６５からのアシストを受けても、第１の電圧範囲を逸脱したＤＣバス１１の電圧が、第１の電圧範囲内に回復できないか、或いは回復できたとしても非常に長い時間(ある規定値Ａ（例えば、６０秒）以上)がかかる条件を示している。遷移領域８２は、安定領域８１と不安定領域８３との間の中間的な状態であり、ＤＣバス１１の電圧が第１の範囲外に頻繁に逸脱し、ローカルグリッド６５からのアシストを受けても、第１の電圧範囲内に回復するに要する時間がある規定値Ａよりは短いが、ある規定値Ｂ（例えば、１秒）よりも長くかかる条件を示している。

安定領域８１を参照すると、バッテリ容量が十分に大きければ、電力負荷のスケールによらずＤＣバス１１を安定稼働させることが可能であることが分かる。しかし、コストの観点から、バッテリ容量は小さい方が好ましい。そこで、安定領域８１と遷移領域８２との境界に着目すると、電力負荷のスケールが一定以上（この例では４以上）の範囲において、ＤＣバス１１の安定稼働に必要なバッテリ容量は、電力負荷のスケールに比例することが分かる。図１１に示した安定性条件によれば、ＤＣバス１１に装荷される各バッテリユニットの容量は、電力負荷のスケールに比例した最小限の容量に設定してよく、そのような小容量のバッテリユニットでも分散装荷によってＤＣバス１１の安定性を維持できる。

既に説明したように、ＤＣバス１１の安定性は、バッテリ容量だけではなく、電気的慣性力に依存する。電気的慣性力は、バッテリの内部抵抗だけでなく、電力線の分布抵抗にも関係する。電力線の分布抵抗は、電力負荷の接続点とバッテリユニットの接続点との間の距離が長くなるにつれて、或いは、電力線が細くなるにつれて増加する。電力線の分布抵抗が増加すると、電気的慣性力が作用しにくくなる。そのため、電力負荷の接続点とバッテリユニットの接続点との間の距離が短く、電力線が太い方が、ＤＣバス１１の安定にとって好適である。

図１２は、本発明の実施形態に係るＤＣバスの安定性条件を、図１１とは異なる観点から示した図である。図１２のグラフは、横軸を、電力線に用いるＣＶケーブルの芯線の断面積とし、縦軸を、ＣＶケーブルの長さとして、安定領域９１、遷移領域９２、及び不安定領域９３をマッピングしたものである。

安定領域９１は、必要に応じてローカルグリッド６５からのアシストを受けることで、ＤＣバス１１の電圧が第１の電圧範囲内にほぼ維持される条件（安定性条件）を示している。一方、不安定領域９３は、ローカルグリッド６５からのアシストを受けても、第１の電圧範囲を逸脱したＤＣバス１１の電圧が、第１の電圧範囲内に回復できないか、或いは回復できたとしても、ある規定値Ａ以上がかかる条件を示している。遷移領域９２は、安定領域９１と不安定領域９３との間の中間的な状態であり、ＤＣバス１１の電圧が第１の範囲外に頻繁に逸脱し、ローカルグリッド６５からのアシストを受けても、第１の電圧範囲内に回復するに要する時間がある規定値Ａよりは短いが、ある規定値Ｂよりも長くかかる条件を示している。図１２のグラフから分かるように、ＣＶケーブルが細くて長いほど電力線の分布抵抗が大きくなり、ＤＣバス１１の安定性が低くなる傾向にある。このことから、ＤＣバス１１の安定動作を保証するためには、可能な限り芯線が太いＣＶケーブルを用いること、そして、ＣＶケーブルの長さを一定以下に留めておくことが重要であると分かる。

以下の表１は、ＣＶケーブルの芯線の太さと、安定領域９１の状態が維持できるＤＣバス１１の全長との関係を示している。ＳＱは、ＣＶケーブルの芯線の断面積であり、Ｌは、ＤＣバス１１の全長である。表１から、ＣＶケーブルの芯線を太くすることで、ＤＣバス１１の全長を伸ばしても、ＤＣバス１１の安定性を維持できることが分かる。これは、芯線を太くすればＣＶケーブルの分布抵抗が小さくなり、芯線が細い場合に比べて電気的慣性力がより強く働くことに起因する。つまり、芯線を太くして電気的慣性力を強化した分だけ、ＤＣバス１１の安定性を維持しつつＤＣバス１１の全長を伸ばすことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。

１０ 自律協調制御システム
１１ ＤＣバス
１１ａ、１１ｂ 電力線
１２ａ、１３ａ、１４ａ バッテリユニット
１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ 発電機
１２ｃ、１３ｃ、１４ｃ 電力負荷
１５ スイッチ
１６ 変換器
１７ ローカルグリッド

Claims (6)

1. 自律協調制御システムであって、
   電力負荷及び発電機が接続されたＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）バスであって、前記ＤＣバスは、前記ＤＣバスの基準電圧を中心とする第１の電圧範囲内から、前記第１の電圧範囲の上限又は下限に達したときに、電力系統又は他の電力システムからなるローカルグリッドに接続されて、前記ローカルグリッドによるアシストを得て動作する、ＤＣバスと、
   前記ＤＣバスに直接的に接続された複数のバッテリユニットであって、前記複数のバッテリユニットは、前記ＤＣバス上に分散装荷され、各バッテリユニットの端子電圧は、前記ＤＣバスの基準電圧に一致又は近似する、複数のバッテリユニットと
   を備え、
   前記自律協調制御システム内の前記ＤＣバスの全長を、前記ＤＣバスを形成する電力線の断面積に比例して長くするように設定することによって、前記ＤＣバスの電圧が前記ローカルグリッドで許容される第３の電圧範囲を逸脱せず、かつ所定時間以内に前記第１の電圧範囲内に戻る安定領域の状態が維持される、自律協調制御システム。
2. 前記ＤＣバスの電圧が、前記基準電圧を中心とする第１の電圧範囲内から、前記第１の電圧範囲の上限又は下限に達したとき、前記ＤＣバスは、電力系統又は他の電力システムからなるローカルグリッドに接続されて、前記ローカルグリッドによるアシストを得て動作するアシスト運転状態に切り替わり、
   前記アシスト運転状態で、前記ＤＣバスの電圧が、前記第１の電圧範囲内の第２の電圧範囲の境界に達したとき、前記ＤＣバスは前記ローカルグリッドから切断されて、前記ローカルグリッドからのアシストなしに動作する自律運転動作に切り替わり、
   前記自律運転動作では、前記ＤＣバスに接続された発電機の少なくとも一部は、前記ＤＣバスの電圧を監視し、事前設定された上限レベルを超える場合に発電又は前記ＤＣバスへの電力供給を停止する自律動作を行う、
   請求項１に記載の自律協調制御システム。
3. 前記複数のバッテリユニットは、前記ＤＣバスに直接的に接続されることによって、前記ＤＣバス上の電力負荷による消費電力及び発電機による発電量が急増したときに前記ＤＣバスの急激な電圧変化を抑制するように機能する、
   請求項２に記載の自律協調制御システム。
4. 前記第１の電圧範囲は、前記第３の電圧範囲内に設定され、前記自律協調制御システムは、前記消費電力及び前記発電量が急増して前記ＤＣバスの電圧が前記第１の電圧範囲を逸脱したとしても、前記複数のバッテリユニットによって前記ＤＣバスの急激な電圧変化を抑制する機能及び前記ローカルグリッドによるアシストによって、前記ＤＣバスの電圧が前記第３の電圧範囲を逸脱せず、かつ所定時間以内に前記第１の電圧範囲内に戻るように機能する、
   請求項３に記載の自律協調制御システム。
5. 前記ＤＣバスに直接的に接続される各バッテリユニットの容量を、前記ＤＣバスに接続される電力負荷のスケールに比例して増加するように設定することによって、前記ＤＣバスの電圧が前記第３の電圧範囲を逸脱せず、かつ前記所定時間以内に前記第１の電圧範囲内に戻る安定領域の状態が維持される、
   請求項４に記載の自律協調制御システム。
6. 電力負荷、発電機、及び複数のバッテリユニットが接続されたＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）バスの電圧を電圧計によって計測するステップであって、前記複数のバッテリユニットは、前記ＤＣバスに直接的に接続される形態で前記ＤＣバス上に分散装荷され、各バッテリユニットの端子電圧は、前記ＤＣバスの基準電圧に一致又は近似する、ステップと、
   前記ＤＣバスの電圧が、前記基準電圧を中心とする第１の電圧範囲内から、前記第１の電圧範囲の上限又は下限に達したとき、制御回路によって、前記ＤＣバスを、電力系統又は他の電力システムからなるローカルグリッドに接続して、前記ローカルグリッドによるアシストを得て動作するアシスト運転状態に切り替えるステップと、
   前記アシスト運転状態で、前記ＤＣバスの電圧が、前記第１の電圧範囲内の第２の電圧範囲の境界に達したとき、前記制御回路によって、前記ＤＣバスを前記ローカルグリッドから切断して、前記ローカルグリッドからのアシストなしに動作する自律運転動作に切り替えるステップと、を含み、
   前記ＤＣバスと前記複数のバッテリユニットとを備える自律協調制御システム内の前記ＤＣバスの全長を、前記ＤＣバスを形成する電力線の断面積に比例して長くするように設定することによって、前記ＤＣバスの電圧が前記ローカルグリッドで許容される第３の電圧範囲を逸脱せず、かつ所定時間以内に前記第１の電圧範囲内に戻る安定領域の状態が維持され、
   前記自律運転動作では、前記ＤＣバスに接続された発電機の少なくとも一部は、前記ＤＣバスの電圧を監視し、事前設定された上限レベルを超える場合に発電又は前記ＤＣバスへの電力供給を停止する自律動作を行う、
   自律協調制御方法。

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