JP2004297960A - 電力変換装置及びそれを用いた系統連系システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力を余すことなく逆潮流できる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供すること。
【解決手段】単相３線式系統におけるＵ−Ｏ相間及びＷ−Ｏ相間のそれぞれに独立して逆潮流可能な電力変換部と、この電圧及び位相を同調させ単相３線式系統に逆潮流させるための制御部と、Ｕ−Ｏ相間及びＷ−Ｏ相間のそれぞれの系統電圧を監視するＵ相系統電圧監視部及びＷ相系統電圧監視部と、各系統電圧監視部から制御部へ電圧情報を伝達するための系統電圧情報伝達手段と、制御部により電力変換部を制御するための制御伝達手段とを備えるとともに、Ｕ−Ｏ相間及びＷ−Ｏ相間の電圧を監視し、一方の系統の電圧が設定値を超えた場合に、その系統が電圧上昇するのを抑制し、且つ他方の系統を逆潮流させるようにした電力変換装置とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば太陽電池や風力発電、燃料電池などの直流電源と商用電力系統とを連系させるための電力変換装置、及びそれを用いた系統連系システムに関する。
【０００２】
【従来技術とその課題】
従来、図３に示すように、系統連系システムＪは太陽電池などの直流電源１が、直流を交流に変換する電力変換装置であるパワーコンディショナ１８を介して、商用電力系統である単相３線式配電線１１に接続されて成る。一般に、単相３線式配電線１１はＵ相の電線Ｕ２２、Ｏ相（中性線）の電線Ｕ２２、Ｗ相の電線Ｕ２２が接続されており、Ｏ相を基点としてＵ−Ｏ相間で１００Ｖ、Ｗ−Ｏ相間で１００Ｖを得ることができ、一般家庭などで使用される交流１００Ｖの負荷９（９ａ、９ｂ）に供給されている。また、Ｕ−Ｗ間では２００Ｖの電圧を得ることができるので、交流２００Ｖの負荷（例えばエアコンディショナなど）のように１００Ｖ系よりも電流損失の少ない機器を用いることもできる。
【０００３】
ところで、パワーコンディショナ１８は、直流電源１で発電した直流電力を交流２００Ｖに変換し、単相３線式配電線１１を介して負荷９に電力供給したり、電力会社に売電したりしているが、このとき、電力を送出しているのは端子部Ｕ２１と端子部Ｗ２１の２相間の２００Ｖのみであり、Ｏ相の端子部Ｏ２１からは電力は出力されない。よって、パワーコンディショナ１８から出力された２００Ｖの交流電力は、一旦、単相３線式配電線１１に２００Ｖとして電力供給するしかないが、単相３線式配電線１１に接続することにより、前記単相３線式配電線１１のＯ相である電線Ｏ２２を中性線として使用できるようになるため、負荷９ａ、９ｂに１００Ｖの電力として供給することができる。通常、パワーコンディショナ１８には、単相３線式配電線１１からＯ相である端子部Ｏ２１が接続されているが、これは電力送電用ではなく、後述する系統電圧上昇抑制を行なうために、単相３線式配電線であるＵ−Ｏ相間、及びＷ−Ｏ相間の電圧を検知する必要があり、そのために中性線を接続しているものである。
【０００４】
一般に、家庭内負荷にはＵ−Ｏ相間の負荷９ａと、Ｗ−Ｏ相間の負荷９ｂが存在しており、これら負荷の容量バランスでＵ−Ｏ相間電圧１５と、Ｗ−Ｏ相間電圧１６のバランスが決まる。すなわち、負荷９ａの消費が大きく負荷９ｂの消費が小さければ、Ｕ−Ｏ相間電圧１５の電圧が低下し、ほぼ変化しないＷ−Ｏ相間電圧１６とのバランスが崩れる現象が生じる。この様子を示したのが図４である。図４に示すように、例えば負荷９ａの消費増加によって、Ｕ−Ｗ間電圧１５が９５Ｖに低下しても、比較的消費の少ないＷ−Ｏ間電圧１６は１０５Ｖ程度の電圧がある。このとき、パワーコンディショナ１８は単相３線式配電線１１のＵ相とＷ相（１２点と１４点）に２００Ｖの電力を出力するので、Ｕ相−Ｗ相間電圧が２００Ｖ（９５Ｖ＋１０５Ｖ＝２００Ｖ）となり、問題なく電力供給され、逆潮流も可能である。
【０００５】
一般住宅等における系統電圧は、上記の他にも電圧上昇するといった変化があり、これは以下の２点のような起因による。
【０００６】
▲１▼住宅周辺地域に工場等の大電力を使用する環境が存在する場合であって、工場が休日のときは、電力を使用しないことから、系統への負荷が少なくなり、平日の工場稼働日より数ボルト電圧が上昇することがある。例えば、通常１００Ｖ前後の系統が１０３〜１０５Ｖになるといった状態であるが、これは規定で１０１±６Ｖの範囲と定められており、異常ではない。
【０００７】
▲２▼家庭内の負荷の変化や、自家発電装置による逆潮流の場合であって、家電製品の使用状況によりその地域の消費電力が大きく増減すると、使用中は供給電圧が下がらないように電力会社が供給量を多くして対応するが、使用量が低下すると電圧が上昇してしまうので供給量を制限する。
【０００８】
これらの他に、家庭内での使用電力は時間帯により各部屋で変化することによっても電圧上昇は生じる。これは、前述した負荷バランスで理解できる。単相３線式配電線１１におけるＵ−Ｏ相間への負荷９ａと、Ｗ−Ｏ相間への負荷９ｂが変化すると、負荷の大小により系統電圧も上下する。負荷が少なくなった場合を考えたとき、系統電圧は上昇する方向に変化することがわかる。
【０００９】
ここで、例えば前記▲１▼の状況と▲２▼の状況が重なったとすると、最初、図５（ａ）に示すように、系統のＵ−Ｏ相間電圧とＷ−Ｏ相間電圧がともに１０５Ｖであったものが、急な負荷軽減によって、図５（ｂ）に示すように、Ｕ−Ｏ相間電圧が上昇し、任意の電圧（一般には電圧抑制を行なうべき電圧である１０７Ｖ以下）より高くなる。
【００１０】
また、一般住宅の屋根などに設置された太陽光発電装置のように住宅内の交流負荷への電力供給や商用電力系統への逆潮流を行なうものが多数ある場合、逆潮流によって地区の商用電力系統に電力が過剰供給されてしまい電圧が上昇するといったことも生じる。
【００１１】
このような場合、電力会社が電力量を調節することにより回復していくが、送電線などの電路等に残された電力が消費されるまで、電圧は最適値に下降しないため回復に時間を要する。日本では、１０７Ｖを超えると商用電力系統の規格値を逸脱することになるため、系統連系システムは系統保護のため系統電圧上昇抑制を行なう必要があり、この手段として太陽光発電装置等の自家発電装置からの逆潮流を停止させるなどして系統電圧が１０７Ｖ以下になるように動作する。
【００１２】
これにより、少なくとも図５（ｃ）に示すように、Ｕ−Ｏ相間電圧は１０７Ｖを下回るようになる。しかしながら、太陽光発電装置などの自家発電装置からの電力の逆潮流を停止させなくてはならず、その間の発電電力が有効に活用できなくなるといった問題が生じる。
【００１３】
また、任意時刻の引込柱電圧を推定できるようにして、負荷の変動によらずに常に逆潮流時の引込柱電圧が１０７Ｖを超えないように、系統電圧上昇抑制を行なう方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【００１４】
しかし、上述した系統連系システムでの前記系統電圧上昇抑制の方法は、そのときの出力電力を故意に低下させ、系統への逆潮流量を減少させることで、系統電圧の上昇を抑制することを実現しているものであり、直流電源に何の問題もない場合であっても、出力電力を下げることがあるということであり、これは、使用者にとっては、トータル効率を低下させることにも繋がる。
【００１５】
そこで本発明は、系統電圧の相の負荷バランスの崩れが生じても、片相だけの電圧上昇をしないように自動的にバランスを保ち、系統電圧上昇抑制が起こらないように、もしくは起こりにくくすることで、電力を余すことなく、逆潮流できる電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを提供することを目的とする。
【００１６】
【特許文献１】
特開２０００−３１２４３８号公報
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、単相３線式系統へ接続するための電力変換装置であって、前記単相３線式系統におけるＵ−Ｏ相間及びＷ−Ｏ相間のそれぞれに独立して逆潮流可能な電力変換部と、該電力変換部の電圧及び位相を同調させ前記単相３線式系統に逆潮流させるための制御部と、前記Ｕ−Ｏ相間及び前記Ｗ−Ｏ相間のそれぞれの系統電圧を監視するＵ相系統電圧監視部及びＷ相系統電圧監視部と、前記各系統電圧監視部から前記制御部へ電圧情報を伝達するための系統電圧情報伝達手段と、前記制御部により前記電力変換部を制御するための制御伝達手段とを備えるとともに、前記Ｕ−Ｏ相間及び前記Ｗ−Ｏ相間の電圧を監視し、一方の系統の電圧が設定値を超えた場合に、その系統が電圧上昇するのを抑制し、且つ他方の系統を逆潮流させるようにしたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の系統連系システムは、上記電力変換装置を直流電源と単相３線式系統との間に設けて、前記単相３線式系統へ前記直流電源からの電力を逆潮流させることを特徴とする。
【００１９】
具体的には、例えば電力変換装置であるパワーコンディショナを備えた系統連系システムは、Ｕ−Ｏ相間、Ｗ−Ｏ相間へそれぞれに逆潮流可能な第１の電力変換部である単相２線式パワーコンディショナ（Ｕ相）と、第２の電力変換部である単相２線式パワーコンディショナ（Ｗ相）と、前記Ｕ−Ｏ相間、Ｗ−Ｏ相間それぞれの系統電圧を監視する系統電圧監視部（Ｕ相）、系統電圧監視部（Ｗ相）と、前記パワーコンディショナの位相を同調させ単相３線式系統に逆潮流させるための制御部と、前記系統電圧監視部から前記制御部へ電圧情報を伝達する系統電圧情報伝達手段である電線と、前記制御部から前記パワーコンディショナを制御するためのインバータ制御伝達手段である電線とを備え、Ｕ−Ｏ相間、Ｗ−Ｏ相間の電圧を監視し、系統電圧が１０７Ｖを超えないようにし、系統電圧上昇抑制が起こりにくくすることで、系統電圧の相の負荷バランスの崩れが生じても、片相だけの電圧上昇をしないように自動的にバランスを保ち、電力を余すことなく、逆潮流できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムの実施形態について、模式的に図示した図面に基づき詳細に説明する。
【００２１】
図１に示すように、系統連系システムＳは、太陽電池、風力発電手段、または燃料電池などの直流電源１が、直流を交流に変換する電力変換装置であるパワーコンディショナ１７を介して、単相３線の商用電力系統である単相３線式配電線１１に接続されて成る。
【００２２】
ここで、パワーコンディショナ１７は、Ｕ−Ｏ相、Ｗ−Ｏ相のそれぞれに、逆潮流可能な単相２線式系統連系インバータ（Ｕ相）３と、単相２線式系統連系インバータ（Ｗ相）４とを有し、前記Ｕ−Ｏ相間、Ｗ−Ｏ相間それぞれの系統電圧を監視する系統電圧監視部（Ｕ相）５と系統電圧監視部（Ｗ相）６、系統連系インバータ（Ｕ相）３と系統連系インバータ（Ｗ相）４との位相を同調させ単相３線式系統に逆潮流させるための制御部２と、系統電圧監視部（Ｕ相）５や系統電圧監視部（Ｗ相）６から前記制御部２へ電圧情報を伝達する系統電圧情報伝達線７と、前記制御部２から前記系統連系インバータ（Ｕ相）３と前記系統連系インバータ（Ｗ相）４を制御するためのインバータ制御伝達線８で構成される。
【００２３】
このように、パワーコンディショナ１７は、単相３線式系統におけるＵ−Ｏ相間及びＷ−Ｏ相間のそれぞれに独立して逆潮流可能な電力変換部（系統連系インバータ（Ｕ相）３と系統連系インバータ（Ｗ相）４）と、この電圧及び位相を同調させ単相３線式系統に逆潮流させるための制御部２と、Ｕ−Ｏ相間及びＷ−Ｏ相間のそれぞれの系統電圧を監視するＵ相系統電圧監視部（系統電圧監視部（Ｕ相）５）及びＷ相系統電圧監視部（系統電圧監視部（Ｗ相）６）と、各系統電圧監視部から制御部２へ電圧情報を伝達するための系統電圧情報伝達手段（系統電圧情報伝達線７）と、制御部２により電力変換部を制御するための制御伝達手段（インバータ制御伝達線８）とを備え、Ｕ−Ｏ相間及びＷ−Ｏ相間の電圧を監視し、一方の系統の電圧が設定値を超えた場合に、その系統が電圧上昇するのを抑制し、且つ他方の系統を逆潮流させるようにしている。そして、このように構成された電力変換装置を、直流電源１と単相３線式系統との間に設けて、単相３線式系統へ直流電源１からの電力を逆潮流させる系統連系システムを構築している。
【００２４】
以下、本発明の系統連系システムの動作について説明する。商用電力系統であるＵ相Ｕ１２、Ｏ相Ｏ１２、Ｗ相Ｗ１２間の各電圧は、通常Ｕ−Ｏ相間電圧１５が１０１Ｖ±６Ｖ、Ｗ−Ｏ相間電圧１６も１０１Ｖ±６Ｖである。パワーコンディショナ１７は太陽電池等の直流電源１から得た電力を前述の交流電圧に合わせるべく直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、単相３線式配電線１１に出力する。このとき、Ｕ相１２−Ｏ相１３間には系統連系インバータ３から電力が出力され、Ｗ相１４−Ｏ相１３間には系統連系インバータ４から電力が出力される。系統連系インバータ３と系統連系インバータ４の出力には、それぞれ系統電圧を監視する系統電圧監視部（Ｕ相）５と系統電圧監視部６が設けられており、系統の電圧や位相の情報を制御部２に送ることにより、前記制御部２が系統連系インバータ３のＵ−Ｏ相と系統連系インバータ４のＷ−Ｏ相の位相が調整され、単相３線式配電線１１のＵ相１２−Ｗ相１４間で２００Ｖが得られるようにしている。
【００２５】
また、系統連系監視部５、６は系統電力系統の電圧上昇も監視しており、Ｕ−Ｏ相間電圧１５やＷ−Ｏ相間電圧１６が１０７Ｖを超えないか、逐次制御部２に情報を流し、Ｕ−Ｏ相間、Ｗ−Ｏ相間いずれかが１０７Ｖを超えそうであれば、対象となる相の系統連系インバータに対し系統電圧上昇抑制をかけるよう指示する。系統電圧上昇抑制を指示された系統連系インバータは、太陽電池等の直流電源１の出力を一部、もしくは全てカットし、単相３線式配電線１１に対する電力供給を制限する。このとき、Ｕ−Ｏ相、Ｗ−Ｏ相いずれかの相が１０７Ｖを超えていない場合は、その相の系統連系インバータは逆潮流を継続する。
【００２６】
次に、商用電力系統の電圧が上昇した場合について具体例を示して説明する。図２（ａ）に示すように、商用電力系統のＵ−Ｏ相間電圧、Ｗ−Ｏ相間電圧がともに１０５Ｖの状態でパワーコンディショナ１７から逆潮流を行なっていたときに、その地域の消費電力もしくは家屋内の消費電力の急変が生じると、図２（ｂ）に示すように、Ｕ−Ｏ相間電圧が１０７Ｖまで上昇する。このとき、Ｗ−Ｏ相間電圧が１０６Ｖ程度の上昇であったとすれば、Ｕ−Ｏ相に電力を出力している系統連系インバータ３に系統電圧上昇抑制をかけて逆潮流を制限するが、Ｗ−Ｏ相には逆潮流を継続させる。
【００２７】
図２（ｃ）に示すように、Ｕ−Ｏ相間電圧は系統電圧上昇抑制をすることによって１０７Ｖを超えず、一方のＷ−Ｏ相間電圧は系統電圧上昇抑制をかけるべき電圧になるまで逆潮流することができるので、商用電力系統の負荷であるＵ−Ｏ相間負荷９ａ、Ｗ−Ｏ相間負荷９ｂの負荷バランスに崩れが生じても、片相だけの電圧上昇をしないように自動的にバランスを保持することができ、系統電圧上昇抑制が起こらないように、もしくは起こりにくくすることで、電力を余すことなく逆潮流できる系統連系システムを提供することを可能とする。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の電力変換装置は、単相３線式系統におけるＵ−Ｏ相間及びＷ−Ｏ相間のそれぞれに独立して逆潮流可能な電力変換部と、該電力変換部の電圧及び位相を同調させ前記単相３線式系統に逆潮流させるための制御部と、前記Ｕ−Ｏ相間及び前記Ｗ−Ｏ相間のそれぞれの系統電圧を監視するＵ相系統電圧監視部及びＷ相系統電圧監視部と、前記各系統電圧監視部から前記制御部へ電圧情報を伝達するための系統電圧情報伝達手段と、前記制御部により前記電力変換部を制御するための制御伝達手段とを備えるとともに、前記Ｕ−Ｏ相間及び前記Ｗ−Ｏ相間の電圧を監視し、一方の系統の電圧が設定値を超えた場合に、その系統が電圧上昇するのを抑制し、且つ他方の系統を逆潮流させるようにしたものであり、この電力変換装置を、直流電源と単相３線式系統との間に設けて、前記単相３線式系統へ前記直流電源からの電力を逆潮流させるた系統連系システムを構築させすることができる。これにより、系統の電圧が設定値を超えず、一方のＷ−Ｏ相間電圧は系統の電圧上昇抑制をかけるべき電圧になるまで逆潮流することができるので、商用電力系統の負荷であるＵ−Ｏ相間負荷、Ｗ−Ｏ相間負荷の間でバランスが崩れても、片相だけの電圧上昇とならないように自動的にバランスを保持させることができ、系統の電圧上昇抑制が起こらないように、もしくは起こりにくくすることができ、電力を余すことなく逆潮流可能な優れた電力変換装置及び系統連系システムが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る系統連系システムの実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
【図２】本発明に係る系統連系システムにおける、単相３線の商用電力系統の電圧変化の様子を説明する説明図である。
【図３】従来の系統連系システムの実施形態を模式的に説明する概略構成図である。
【図４】従来の単相３線の商用電力系統の電圧上昇の様子を説明する概略説明図である。
【図５】本発明に係る系統連系システムにおける、単相３線の商用電力系統の電圧変化の様子を説明する概略説明図である。
【符号の説明】
１：直流電源
２：制御部
３：系統連系インバータ（Ｕ相）
４：系統連系インバータ（Ｗ相）
５：系統電圧監視部（Ｕ相）
６：系統電圧監視部（Ｗ相）
７：系統電圧情報伝達線
８：インバータ制御伝達線
９、９ａ、９ｂ：負荷
１１：単相３線式配電線１１
１５：Ｕ−Ｏ相間電圧
１６：Ｗ−Ｏ相間電圧
１７：パワーコンディショナ
１８：パワーコンディショナ
Ｕ１２、Ｕ２２：Ｕ相
Ｏ１２、Ｏ２２：Ｏ相
Ｗ１２、Ｗ２２：Ｗ相
Ｊ：系統連系システム
Ｓ：系統連系システム

Claims (2)

1. 単相３線式系統へ接続するための電力変換装置であって、前記単相３線式系統におけるＵ−Ｏ相間及びＷ−Ｏ相間のそれぞれに独立して逆潮流可能な電力変換部と、該電力変換部の電圧及び位相を同調させ前記単相３線式系統に逆潮流させるための制御部と、前記Ｕ−Ｏ相間及び前記Ｗ−Ｏ相間のそれぞれの系統電圧を監視するＵ相の系統電圧監視部及びＷ相の系統電圧監視部と、前記各系統電圧監視部から前記制御部へ電圧情報を伝達するための系統電圧情報伝達手段と、前記制御部により前記電力変換部を制御するための制御伝達手段とを備えるとともに、前記Ｕ−Ｏ相間及び前記Ｗ−Ｏ相間のいずれか一方の系統の電圧が設定値を超えた場合に、その系統が電圧上昇するのを抑制し、且つ他方の系統を逆潮流させるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置を、直流電源と単相３線式系統との間に設けて、前記単相３線式系統へ前記直流電源からの電力を逆潮流させることを特徴とする系統連系システム。

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