JP2004153991A - 直流地絡検出装置、及びこの直流地絡検出装置を用いた系統連系発電装置 - Google Patents

直流地絡検出装置、及びこの直流地絡検出装置を用いた系統連系発電装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 直流電流の地絡を低コストで高精度に検出して高い安全性を確保する。
【解決手段】 複数の直流ライン39A、39Bを流れる直流電流の電流量の差を検出用コア44を介して計測して電流計測信号を出力する零相変流器(ZCT)41と、零相変流器(ZCT)41近傍の温度を計測し、温度計測信号を出力する温度センサ50と、計測信号に対応する電流量の差を温度計測信号に対応する温度で温度補正し、温度補正後の電流量の差に基づいて測定対象導線に生じた直流地絡を検出するMPU53を備える。
【選択図】 図2

Description

本発明は、発電ユニットで発電された直流電流が流れる直流電力線の地絡を検出する直流地絡検出装置を備え、この発電ユニットで発電された直流電力を商用電源の系統へ回生する系統連系発電装置に関する。
近年、太陽光をエネルギー源として発電した電力を自家使用するのみならず、自家で使用しなかった余剰電力を商用電源系統へ回生することができる系統連系発電装置を用いた系統連系発電装置が普及しつつある。
このような系統連系発電装置では、太陽電池によって発電した直流電力の電圧を昇圧回路にて昇圧し、インバータ回路で、商用電源系統の交流電力と同じ周波数の交流電力に制御している。
また、このような系統連系発電装置では、例えば、特許文献1に示すように、太陽電池と系統連系発電装置とを繋ぐ直流電力線に電流センサを設け、この電流センサの出力の変化によって直流電力線の地絡(ground fault)を判断し、太陽電池を系統連系発電装置より切り離すことによって安全性を向上させている。
特開2001―275259号公報
ところで、従来の系統連系発電装置においては、直流地絡検出用の電流センサ(変流器)の温度ドリフトを小さくして検出精度を上げるため巻線を巻く磁性体に、例えば過飽和リアクトル等のような高価な材料を用いる必要があり、コストが上昇してしまうという問題点があった。
これを解決すべく、温度ドリフトが比較的大きくても安価な電流センサを用いることが考えられるが、高い検出精度を確保するためには、温度補正回路を付加したり、温度ドリフトが小さな電流センサを選別して用いなければならないという新たな問題点が生じることとなる。
そこで、本発明の目的は、低コストの直流地絡検出装置、及び直流地絡検出装置を備えた系統連系発電装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の直流地絡検出装置は、一対の直流電力線が貫通し前記直流電力線を流れる電流の電流差を出力する零相変流器(ZCT)を有し、前記電流差と予め定めた基準値とに基づいて前記直流電流線の地絡を判断する直流地絡検出装置において、前記零相変流器(ZCT)の温度又はこの零相変流器の近傍の雰囲気温度を検出する温度センサ、及び前記零相変流器(ZCT)の出力する電流差又は基準値を温度センサの検出温度に基づいて補正する温度補正部とを備えたことを特徴としている。
また、本発明の系統連系発電装置は発電ユニットから供給される直流電力を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路にて昇圧された直流電力を所定の周波数に制御された交流電力に変換するインバータ回路と、交流電力を商用電源系統へ回生すべく、昇圧回路及び周波数を制御する制御装置とを有し、発電ユニットから直流電力が供給される直流電力線の地絡を検出する地絡検出装置とを有する系統連系発電装置であって、直流地絡検出装置は、一対の直流電力線が貫通し前記直流電力線を流れる電流の電流差を出力する零相変流器(ZCT)を有し、前記電流差と予め定めた基準値とに基づいて前記直流電流線の地絡を判断すると共に、前記零相変流器(ZCT)の温度又はこの零相変流器の近傍の雰囲気温度を検出する温度センサ、及び前記零相変流器(ZCT)の出力する電流差又は基準値を温度センサの検出温度に基づいて補正する温度補正部とを備えたものである。
また、発電ユニットは、太陽光を受光して前記直流電力を発電する太陽電池である。
本発明によれば、温度補正回路を付加したり、温度ドリフトが小さな電流センサを選別して用いることなく、低コストで、直流電流の地絡を検出して高い安全性を確保できる。
次に本発明の好適な実施例を図1〜図4の図面を参照して説明する。
図1は、一実施例の系統連系発電装置、発電ユニットの1例である系統連系発電装置、及び商用電源系統間の接続状態を示す回路図である。発電ユニットとしては、太陽電池の他、燃料電池や一般に周知の発電機を用いることができ、交流発電機であれば直流に整流した後の直流電力を用いる。
図1に示すように、系統連系発電装置10には、系統連系発電装置としての太陽電池11が端子P、Nを介して接続されている。
また、系統連系発電装置10は商用電源系統13(図示では単相三線方式)に端子R、O、Tを介して接続(連系)されている。そして、系統連系発電装置10は、太陽電池11に太陽光が当たり発電された直流電力を商用電源系統13と同じ周波数の交流電力に変換し、商用電源系統13へ回生(供給)させるものである。
太陽電池11は、多数の太陽電池セルから成るアレイ構成(PVアレイ)を用いている。
系統連系発電装置10は、主に、昇圧回路14、インバータ回路15、ローパスフィルター回路16、および制御装置としてのマイクロコンピュータ17を備えている。
マイクロコンピュータ17には、昇圧回路14へ供給される太陽電池11からの直流電力の電圧を測定する発電電圧検出センサ33、同様に電流を測定する発電電流検出センサ34、昇圧回路14で昇圧させられた直流電力の電圧を測定する昇圧電圧検出センサ18、系統連系発電装置から端子R、O間の交流電圧を測定する第1系統電圧検出センサ19、同様に端子O、T間の交流電圧を測定する第2系統電圧検出センサ20、インバータ回路15から出力される交流電力の電流を測定するインバータ出力電流検出センサ21および零相変流器(ZCT)の温度又は近傍の雰囲気温度を測定できるように設けられた温度センサ50が接続されている。
昇圧回路14は、太陽電池11にて発電された不安定な直流電力(晴れ、曇り、雨、朝、昼、夜などの環境要因によって発電電力が変動する)をノイズフィルタ35を介して入力し、商用電源系統13の系統電圧よりも大きな電圧に昇圧するものである。昇圧回路14は、平滑コンデンサ22、チョークコイル23、スイッチ回路24、ダイオード25及びコンデンサ26を備えている。
平滑コンデンサ22はチョークコイル23及びスイッチ回路24に入力される直流電力を安定化している。
スイッチ回路24は、スイッチング素子27及びダイオード28を備えている。ここで、スイッチング素子27としては、パワートランジスタ、パワーMOSFET、またはIGBT等が好適である。このスイッチング素子27のオン/オフ動作によりチョークコイル23に蓄えられた電流は平滑コンデンサ22の電圧と合わせてダイオード25のアノード側を高圧にし、ダイオード25を介して電流がコンデンサ26に流れコンデンサ26の端子電圧を前記高圧電圧近くまで高くする。ダイオード25はコンデンサ26からの電力の逆流を防止している。
スイッチング素子27をオン動作する時間(すなわち、オンデューティ)を調整することによって、昇圧回路14でコンデンサ26の両端に得られる電圧が制御される。つまり、商用電源系統13の系統電圧が交流200Vの場合、その波高値(ピーク値)が±280Vになるので、系統連系装置12から交流電力を商用電源系統13へ回生させるためには、昇圧回路14によって昇圧される電圧は、直流280V以上が必要である。実際には、昇圧回路14によって昇圧される電圧は、インバータ回路15のスイッチング素子29(後述)のオン抵抗や電流平滑回路16のリアクトル31の抵抗を考慮して、280Vよりも20〜30V高い値に設定される。
インバータ回路15は、4個(単相交流を生成する場合であり、三相交流を生成する場合は6個)のスイッチング素子29がブリッジ状に接続され、各スイッチング素子29ははダイオード30(フライホイールダイオード)を備えている。そして、インバータ回路15は、昇圧回路14にて昇圧された直流電力を、商用電源系統13と同じ周波数でありかつ位相が一致もしくは略一致した擬似正弦波の交流電力に変換する。
つまり、インバータ回路15は、スイッチング素子29をオン/オフ動作させることによって、昇圧回路14から入力された直流電力をパルス幅変調(PWM)して交流電力に変換する。さらに、このインバータ回路15から出力された交流電力(交流電流、交流電圧)の波形が、商用電源系統13における系統電圧の交流電圧波形と一致するように、スイッチング素子29をオン動作させる時間(オンデューティ)が調整される。これにより、インバータ回路15から出力された交流電力の位相及び周波数が、商用電源系統13の系統電力の位相及び周波数と略一致するようにしている。
電流平滑回路16は、図1に示すようにリアクトル31及びコンデンサ32によって形成され、インバータ回路15にて変換された交流電力の電流を平滑する。この電流平滑回路16にて平滑された交流電力が、ノイズフィルタ36、解列コンタクタ37及び保護継電器38を経て商用電源系統13へ回生される。
解列コンタクタ37は、マイクロコンピュータ17の制御下にあり、系統連系発電装置10と商用電源系統13との接続/切り離しが制御される。すなわち、後に詳述するが、マイクロコンピュータ17は、解列コンタクタ37へ操作信号を出力して、系統連系発電装置10の運転終了時に系統連系発電装置10と商用電源系統13とを切り離し、系統連系発電装置10の運転開始時に系統連系発電装置10と商用電源系統13とを接続する。
発電電圧検出センサ33は、例えばアイソレーションアンプを備えてなり、太陽電池11にて発電されて昇圧回路14へ入力される直流電力の電圧を測定しその測定値をマイクロコンピュータ17へ出力する。
発電電流検出センサ34は、例えば変流器を備えてなり、太陽電池11にて発電されて昇圧回路14へ入力される直流電力の電流を測定しその測定値をマイクロコンピュータ17へ出力する。
昇圧電圧検出センサ18は、例えばアイソレーションアンプを備えてなり、昇圧回路14にて昇圧されて出力された昇圧電圧を測定しその測定値をマイクロコンピュータ17へ出力する。
第1系統電圧検出センサ19及び第2系統電圧検出センサ20は、変圧器を備えており、商用電源系統13における系統電力の系統電圧を測定しその測定値をマイクロコンピュータ17へ出力する。
インバータ出力電流検出センサ21は、例えば変流器を備えており、インバータ回路15にて変換された交流電流を測定しその測定値をマイクロコンピュータ17へ出力する。
温度センサ50は、零相変流器(ZCT)41の温度又は近傍の雰囲気温度を定しその測定値をマイクロコンピュータ17へ出力する。
図2は、直流地絡検出装置40の概要構成ブロック図である。
直流地絡検出装置40の一部を構成するマイクロコンピュータ17は、ON/OFF信号を出力するPWMポート(PWM:Pulse Width Modulation)47、アナログの電圧を入力する第1A/Dポート48、温度センサ50の測定値であるアナログ電圧を入力する第2A/Dポート49、入出力インターフェース部51、発振・分周回路52、MPU(中央演算ユニット)53、ROM(リードオンリーメモリー)54、RAM(ランダムアクセスメモリー)55、バス(信号線)56を備えている。
入出力インターフェース部51は、PWMポート47、第2A/Dポート49と、MPU53および発振・分周回路との間の信号(データ)の授受を制御する。
発振・分周回路52は水晶振動子46の振動を基に基準発振信号(基準クロック信号)を生成し、基準発振信号に基づいて所定の周波数、所定のONデューティ(例えば50%)及び所定の電圧を有するパルス信号列を入出力インターフェース部51およびPWMポート47、励磁用アンプ(バッファアンプ)42を介して零相変流器(ZCT)41に励磁用パルス信号として出力する。励磁用パルス信号としては、例えば+2.5Vを中心に±2.5Vのパルス波形電圧が出力される。
MPU53は、ROM54内の制御プログラムに従って、マイクロコンピュータ17全体の制御を行う。
ROM54は、制御プログラムを含む制御用データをあらかじめ記憶している。
RAM55は、各種データを一時的に記憶する。
バス56は、入出力インターフェース部51と、MPU53、ROM54あるいはRAM55を相互に接続している。
次にマイクロコンピュータ17の概要動作を説明する。
上記構成により、マイクロコンピュータ17は、発電電圧検出センサ33の測定値及び発電電流検出センサ34の測定値を入力し演算することによって太陽電池11の発電電力を判断する。マイクロコンピュータ17は、この発電電力が予め定めた一定値(太陽電池セルの数又は系統連系発電装置10の固有値に応じて適選設定する)以上になった時に解列コンタクタ(常開接片)37をオン動作させて接片を閉じ、系統連系発電装置10と商用電源系統13とを接続させて系統連系発電装置10の運転を開始させる。
また、マイクロコンピュータ17は、系統連系発電装置10から商用電源系統13へ出力される交流電力の波高値(ピーク値)が、第1系統電圧検出センサ19で測定される交流電圧の波高値と第2系統電圧検出センサ20で測定される交流電圧の波高値との合計値より高くなるように、昇圧電圧検出センサ18により測定される直流電圧を前記波高値の合計値より20V〜30V高い電圧になるように調節する。この調節はマイクロコンピュータ17で昇圧回路14に出力されるところの予め定められたパターンによる擬似正弦波を得るためのスイッチング素子27のON/OFF信号のオンデューディを調節して行なわれる。
さらに、マイクロコンピュータ17は、第1系統電圧検出センサ19及び第2系統電圧検出センサ20により検出された系統電圧の波形(正弦波)から零クロス時点を判断し、前記予め定められたパターンによる擬似正弦波を得るためのスイッチング素子27のON/OFF信号を同期させるものである。
このマイクロコンピュータ17による昇圧回路14及びインバータ回路15の制御によ
って、商用電源系統13の交流電力と略一致した交流電力が、系統連系発電装置10から
商用電源系統13へ供給される。
ところで、上述した系統連系発電装置10では、太陽電池11と昇圧回路14とを繋げる2本の直流ライン39A、39Bが存在する。そして、この直流ライン39A、39Bを介して太陽電池11から昇圧回路14へ直流電流が流れることとなる。
そこで、本実施形態においては、測定対象導線としての2本の直流ライン39A、39Bに、直流地絡検出装置40の零相変流器(ZCT)41を設けている。
ここで、直流地絡検出装置40について説明する。
直流地絡検出装置40は、図2に示すように、零相変流器(ZCT)41、励磁用アンプ42、倍電圧整流回路43及び前記マイクロコンピュータ17を有して構成されて、系統連系発電装置10の太陽電池11側の直流地絡を検出する。
零相変流器(ZCT)41は、2本の直流ライン39が検出用コア44を貫通して構成される。このZCTは巻線が巻かれる磁性体がパーマロイ等のような安価な材料にて構成されている。このZCTにより構成された検出用コア(検出用磁性体)44はケース45内に収容されている。
励磁用アンプ42は、マイクロコンピュータ17のPWMポート47から出力される励磁用パルス信号を零相変流器(ZCT)41の巻線に出力して検出用コア44を励磁状態とする。
これにより検出用コア44は、励磁保持された状態で、2本の直流ライン39A、39Bに流れる電流の差(差分)を測定し、この電流の差に応じた出力電流(交流)を倍電圧整流回路43へ出力する。
つまり、直流ライン39Aあるいは直流ライン39Bに地絡が発生していない時には、2本の直流ライン39A、39Bを流れる電流は同一であり、検出用コア44からの出力電流は、正負対称となって打ち消し合い零となる。
これに対し、直流ライン39に地絡が発生した時には、直流ライン39Aを流れる電流と直流ライン39Bを流れる電流との間に地絡の程度に応じた差(電流差ΔI)が生じる。
倍電圧整流回路43は、零相変流器(ZCT)41の検出用コア44から出力された出力電流(交流)を直流に整流すると共に、電圧を2倍以上の電圧に変換して、マイクロコンピュータ17の第1A/Dポート48(A/D:Analogue to Digital)へ出力する。
マイクロコンピュータ17は、第1A/Dポート48に入力された電圧値の大小から、直流ライン39A、39Bに直流地絡が発生したか否かを検出する。
ここで、直流地絡の検出について説明する。
図3は、直流ライン39Aを流れる電流と直流ライン39Bを流れる電流との電流差と検出用コア44の出力電流(∝第1A/Dポート48の入力電圧)との関係を説明する図である。
例えば、図3に示すように、検出用コア44の近傍の雰囲気温度が基準温度Trefの場合に、直流ライン39Aを流れる電流と直流ライン39Bを流れる電流との電流差ΔIがI0(例えば100mA)以上になった時、すなわち、検出用コア44からの出力電流I=Irefとなったときに直流ライン39A、39Bに直流地絡が発生したものと判別するように設定されているものとする。
この場合に、電流差ΔI=I0に対応した電圧Vref以上の電圧が第1A/Dポート48に入力された時に、マイクロコンピュータ17のMPU53は、直流ライン39A、39Bに地絡が発生したと判断して、直流地絡を検出することとなる。
しかしながら、実際には、直流ライン39Aを流れる電流と直流ライン39Bを流れる電流との電流差ΔI、すなわち、検出用コア44の出力電流Iは温度依存性を有している。
例えば、温度T1 の場合には、電流差ΔI=I0の時の検出用コア44の出力電流I1 は、
I1 <Iref
すなわち、
V1 <Vref
となり、直流地絡が発生しているにもかかわらず、マイクロコンピュータ17のMPU53は、直流地絡を検出できないこととなる。
逆に、温度T2 の場合には、電流差ΔI=I0の時の検出用コア44の出力電流I1は、
I1 >Iref
すなわち、
V1 >Vref
となり、マイクロコンピュータ17のMPU53は、直流地絡を検出できることとなるが、電流差ΔIがI02〜I0の範囲でも検出用コア44の出力電流I1 は、Iref以上となり、当該電流差ΔIの範囲では、直流地絡が発生してもいないのにマイクロコンピュータ17のMPU53は、直流地絡を検出してしまうこととなる。
そこで、本実施例では、MPU53が温度センサ50により測定された検出用コア44近傍の温度に基づいて第1A/Dポート48に入力された電圧に補正を行い、実際の温度にかかわらず、第1A/Dポート48に入力された電圧を基準温度Tref時の電圧に変換する温度補正演算を行っている。
ここで、通常動作時の直流地絡検出装置40の動作について説明する。
図4は、直流地絡検出装置40の概要処理フローチャートである。
MPU53は、検出用コア44および倍電圧整流回路43により第1A/Dポート48に入力された電圧を入出力インターフェース部51を介して受け取り、電流差測定を行う(ステップS1)。
続いてMPU53は、温度センサ50により第2A/Dポート49に入力された電圧を入出力インターフェース部51を介して受け取り、検出用コア44近傍の実際の温度Tmの測定を行う(ステップS2)。
次にMPU53は、ROM54を参照して、ステップS2において測定した温度Tmに基づいて、第1A/Dポート48に入力された電圧の値Vmを基準温度Trefにおける電圧の値に補正し、補正電圧値Vmcを求める温度補正演算を行う(ステップS3)。
次にMPU53は、補正電圧値Vmcが基準電圧Vref以上であるか否かを判別し、直流地絡が検出されたか否かを判別する(ステップS4)。
ステップS4の判別において、補正電圧値Vmcが基準電圧Vref未満である場合には(ステップS4;No)、MPU53は、直流地絡が検出されなかったものとして、当該タイミングにおける直流地絡検出処理を終了する。
ステップS4の判別において、補正電圧値Vmcが基準電圧Vref以上である場合には(ステップS4;Yes)、MPU53は、直流地絡が検出されたとして、電流回路の遮断、ユーザへの通知(警報出力、警告灯の点灯など)等の地絡検出時処理を行い(ステップS5)、直流地絡検出処理を終了する。
また、系統連系発電装置10の運転停止時には、太陽電池11からの電流が直流ライン39A、39Bに流れていないので、電流センサ41の検出用コア44からの出力電流も零となる。マイクロコンピュータ17のMPU53は、系統連系発電装置10の運転停止時に、検出用コア44からの出力電流が零ではなく、従ってA/Dポート48に電圧が入力された場合には、電流センサ41に不具合が生じていると判断して、例えば警報などを出力する。
以上の説明のように、本実施例によれば、太陽電池11に接続された直流ライン39A、39Bを流れる電流の差を計測する零相変流器(ZCT)41の検出用コア44が、一般の交流漏電遮断器に具備された安価なZCT(ゼロ相変流器)により構成されたことから、零相変流器(ZCT)41を低コストにて構成できるとともに、この零相変流器(ZCT)41を用いてなされる直流地絡の検出により、系統連系発電装置10において高い安全性を確保することができる。
この場合に、検出用コア44の近傍の温度を測定し、電流センサ41の温度依存性の影響を低減すべく、温度補正演算を行うので、温度補正回路を付加したり、温度ドリフトが小さな零相変流器(ZCT)を選別して用いることなく、精度で地絡検出を行うことができる。
以上、本発明を上記実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、零相変流器(ZCT)41の測定値をマイクロコンピュータ17の内部で温度センサ50の測定値に基づいて補正したが、温度センサ50の測定値に基づいて基準電圧Vrefを補正するようにしても良いものである。
また、上記実施例では、発電ユニットが太陽電池11であって、系統連系発電装置が太陽光発電の場合を述べたが、風力発電装置等の他の発電ユニットを用いて、発電電力を商用電源系統へ回生させる構成を採ることも可能である。
また、上記実施例では、直流地絡検出装置40は太陽光発電に適用されたものを述べたが、特に高電圧を発生する燃料電池等に適用してもよい。
本発明に係る系統連系発電装置の実施例が適用された系統連系発電装置を、商用電源系統と共に示す回路図である。 図1の直流地絡検出装置を示すブロック図である。 直流ラインの電流差と、検出用コアの出力電流(第1A/Dポートの入力電圧)との関係の温度依存性を説明するための図である。 実施例の概要処理フローチャートである。
符号の説明
10 系統連系発電装置
11 太陽電池(発電手段)
12 系統連系装置
13 商用電源系統
14 昇圧回路
15 インバータ回路
17 マイクロコンピュータ(制御装置)
39 直流ライン(測定対象導線)
40 直流地絡検出装置
41 零相変流器(ZCT)
44 検出用コア
50 温度センサ
51 入出力インターフェース部
52 発振・分周回路
53 MPU(温度補正部、直流地絡検出部)
54 ROM
55 RAM

Claims (3)

  1. 一対の直流電力線が貫通し前記直流電力線を流れる電流の電流差を出力する零相変流器(ZCT)を有し、前記電流差と予め定めた基準値とに基づいて前記直流電流線の地絡を判断する直流地絡検出装置において、前記零相変流器(ZCT)の温度又はこの零相変流器の近傍の雰囲気温度を検出する温度センサ、及び前記零相変流器(ZCT)の出力する電流差又は前記基準値を前記温度センサの検出温度に基づいて補正する温度補正部とを備えたことを特徴とする直流地絡検出装置。
  2. 発電ユニットから供給される直流電力を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路にて昇圧された直流電力を所定の周波数に制御された交流電力に変換するインバータ回路と、前記交流電力を商用電源系統へ回生すべく、前記昇圧回路及び前記周波数を制御する制御装置とを有し、前記発電ユニットから前記直流電力が供給される直流電力線の地絡を検出する地絡検出装置とを有する系統連系発電装置であって、前記直流地絡検出装置は、一対の直流電力線が貫通し前記直流電力線を流れる電流の電流差を出力する零相変流器(ZCT)を有し、前記電流差と予め定めた基準値とに基づいて前記直流電流線の地絡を判断すると共に、前記零相変流器(ZCT)の温度又はこの零相変流器の近傍の雰囲気温度を検出する温度センサ、及び前記零相変流器(ZCT)の出力する電流差又は前記基準値を前記温度センサの検出温度に基づいて補正する温度補正部とを備えたことを特徴とする系統連系発電装置。
  3. 請求項2に記載の系統連系発電装置において、前記発電ユニットは、太陽光を受光して前記直流電力を発電する太陽電池であることを特徴とする系統連系発電装置。
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