JP2006025500A - 分散電源装置およびその直流地絡の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な回路構成の追加とソフトウェアの追加とにより、安定かつ確実に直流電源の地絡を検出することができる分散電源装置、及び該システムにおける直流地絡の検出方法を提供する。
【解決手段】 直流電源１１の直流電圧を入力とし、インバータ１５により三相交流電圧を形成し、三相の交流電源１８に系統連系する分散電源装置において、前記交流電源の電圧を検出する三相電圧検出トランス２３の系統側の中性点と、リンク電圧の正負極性間に直列接続した複数のコンデンサの中性点とを、スイッチ２５により配線接続して、その配線接続時の前記直流電源１１の地絡電流を零相変流器２０により検出する。インバータの運転中に、検出した地絡電流の大きさが第２の判定レベルを超えた時に、インバータの運転を停止し、その時の地絡電流が第１の判定レベルを超えるか否かにより前記直流電源の地絡の有無を判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池や燃料電池などの直流電源の直流電圧を昇降圧して、インバータにより三相交流電圧を形成し、三相の交流電源に系統連系する分散電源装置に係り、特にその分散電源装置における直流電源の地絡を検出する装置および方法に関する。

近年、太陽電池や燃料電池等からなる直流電源を用い、インバータにより三相交流電圧を形成し、三相の交流電源に系統連系し、負荷に電力を供給するインバータシステムを備えた分散電源装置が普及しつつある。このような分散電源装置では、その運転停止中には、負荷に系統電源側から電力が供給されるとともに、分散電源装置において余剰電力が生じた場合には、必要に応じて電源系統側に発電電力を供給することができる。

このようなインバータシステムにおいても、直流電源に地絡が生じた場合には、これを速やかに検出して、インバータの運転停止、あるいは警報出力の発生等の処置をとり、地絡の原因を取り除くことが保安上要請されている。

そして、このような地絡電流の検出は、直流電源の出力側とインバータの直流電圧入力側とを接続する直流線路に零相変流器（ＺＣＴ）を配置し、地絡電流の発生に伴う零相電流を検出することにより行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２３３６８号公報

しかしながら、直流電源の直流電圧からインバータにより交流電圧を形成するインバータシステムにおいては、インバータの運転中に電力スイッチング素子のスイッチングによりノイズが発生する。このノイズは、太陽電池等の直流電源の各出力端子と大地間に生じてしまう接地抵抗や浮遊容量等により、直流電源の出力側とインバータの直流電圧入力側とを接続する直流線路にも伝搬し、その直流線路に配置した零相変流器（ＺＣＴ）に零相電流の誤検出が生じ、真の地絡電流の検出が困難になるという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、簡単な回路構成の追加とソフトウェアの追加とにより、安定かつ確実に直流電源の地絡を検出することができるインバータシステム、及び該システムにおける直流地絡の検出方法を提供することを目的とする。

本発明は、直流電源の直流電圧を入力とし、昇降圧回路により前記直流電圧を昇降圧してリンク電圧を形成し、該リンク電圧からインバータにより三相交流電圧を形成し、三相の交流電源に系統連系する分散電源装置において、前記交流電源の電圧を検出する三相電圧検出トランスの系統側の中性点と、前記リンク電圧の正負極性間に直列接続した複数のコンデンサの中性点とを、スイッチにより配線接続して、その配線接続時の前記直流電源の地絡電流を零相変流器により検出することを特徴とするものである。

特に、インバータが停止中の場合に地絡電流の有無を第１のレベルで判定し、インバータが運転中の場合は、インバータのノイズを考慮した第２の判定レベルで判定し、この判定レベルを超えた場合に、インバータを停止状態にしてから再度地絡電流の有無を第１のレベルで判定することを特徴とするものである。

本発明によれば、インバータが運転中の場合も、インバータを一時運転停止状態にしてから再度地絡電流を検出することで、直流電源の地絡電流検出の精度が向上する。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態の分散電源装置を示す。太陽電池または燃料電池等の直流電源１１が直流線路１１ａ，１１ｂにより、インバータシステム１０に接続され、インバータシステム１０で直流電力が交流電力に変換され、その出力はブレーカ１７を介して交流電源系統１８に接続し、系統連系する。

ここで、インバータシステム１０は、直流電源１１の直流電圧を入力とし、昇降圧チョッパなどの昇降圧回路１２により前記直流電圧を昇圧または降圧して、直流部１３に所望の直流高電圧（リンク電圧）を形成する。直流部１３は、直流線路１３ａ，１３ｂの間に、複数のコンデンサＣと抵抗ｒとが直並列接続され、直流高電圧を保持するとともに、直流電圧を平滑化する作用を担っている。また、２組の並列接続されたコンデンサＣと抵抗ｒの間に中性点２４が設けられ、直流線路１３ａの正極電位＋Ｖと、直流線路１３ｂの負極電位−Ｖとの中間の中性電位点となっている。なお、直流部１３においては、複数のコンデンサＣ，Ｃ間の中性点２４に並列に接続する抵抗ｒ，ｒを備えているので、この抵抗ｒ，ｒを同一値とすることで、中性点２４の電位を正極側直流線路１３ａと負極側直流線路１３ｂとの間の中性点電位に保持することが可能となる。

インバータ１５では、直流線路１３ａ，１３ｂから入力された直流リンク電圧から三相交流電圧を形成し、開閉器１６及びブレーカ１７を介して接続された交流電源系統１８と連系する。インバータ１５は、制御装置２１からの制御指令によりその電力スイッチング素子がオン・オフ動作し、任意の電圧、周波数、位相の交流電圧をパルス幅変調制御等により形成する。

インバータ１５で系統連系する交流電圧波形を形成するに際して、系統電源１８側の電圧を検出しておく必要がある。このため、ブレーカ１７を介して接続される交流電源系統１８の電圧を検出する三相電圧検出トランス（ＰＴ）２３を備えている。

直流電源１１と昇降圧回路１２との間には、直流線路１１ａ，１１ｂを取り囲む零相変流器（ＺＣＴ）２０が配置されている。直流線路１１ａ，１１ｂに流れる電流＋Ｉ，−Ｉの不平衡を検出することで、零相電流、すなわち、直流電源の地絡を検出する。例えば、直流電源１１の回路の点Ａに地絡が生じ、地絡抵抗Ｒにより点Ａが大地Ｇに接続され、地絡電流ｉが生じたとする。すると、地絡電流ｉが直流線路１１ｂの直流電流−Ｉに重畳することになり、直流電源１１から負荷側に流れる直流電流＋Ｉ，−Ｉに対して、零相電流分ｉだけの不平衡を生じる。

直流電源１１の具体的な構成例を図４に示す。この例は、直流電源１１が太陽電池である場合を示し、光起電力素子Ｄ２の発電電力が正極側端子（Ｐ）及び負極側端子（Ｎ）から取り出される。光起電力素子Ｄ２と並列に逆耐圧保護ダイオードＤ１が接続され、高電圧が印加された場合の光起電力素子Ｄ１の保護を図っている。これらの配線は浮遊容量Ｃを介して、大地Ｇに対して浮いた状態となっているが、上述したようにいずれかの点Ａが地絡電流Ｒにより大地Ｇに接続された場合には、地絡電流ｉが流れる。なお、浮遊容量Ｃの大きさは勿論太陽電池の大きさにより異なるが一般に数μＦ程度である。

このインバータシステム１０においては、インバータ１５の運転停止時に直流地絡電流ｉの検出を容易にするために、交流電源系統１８の電圧を検出する三相電圧検出トランス（ＰＴ）２３の系統側（Ｙ結線）の中性点と、直流リンク電圧を供給する直流部１３の中性点２４との間を配線２６によりスイッチ２５を介して接続可能としている。従って、スイッチ２５が閉じているときには、直流地絡電流ｉは直流部１３の抵抗ｒを通り、中性点２４から配線２６に流れ込み三相電圧検出トランス（ＰＴ）２３の系統側の中性点から交流電源系統１８側に流れ込み、電源系統１８の中性点から大地Ｇに戻る地絡電流の電流ループが形成される。

この三相電圧検出トランス（ＰＴ）２３の系統側の中性点と、リンク電圧を供給する直流部１３の直流線路１３ａ，１３ｂ間に直列に接続した複数のコンデンサＣ，Ｃ間の中性点２４とをスイッチ２５を介して配線２６で接続することにより、開閉器１６が開いているときに地絡電流ｉの電流経路を形成することが可能となる。すなわち、インバータ１５が運転停止している場合には、一般に開閉器１６が開いており、この場合には地絡電流ｉの電流ループを交流電源系統１８の大地Ｇに対して形成することができない。このため、地絡電流ｉの検出が不可能となるが、上記スイッチ２５により配線２６で地絡電流ｉの流通経路を確立することにより、地絡電流ｉの検出ができる。

図２は、直流地絡電流の検出部を示す。上述したように零相変流器２０は制御装置２１に接続されている。ここで、制御装置２１内にパルス発生器２７を備え、パルス電流が零相変流器２０を通り、さらに抵抗２８を通り、抵抗２８の接続部２８ａにパルス電流に対応した検出電圧が形成される。この検出電圧をフィルタ２９を介してＣＰＵ３０に入力することで、この検出電圧を零相変流器２０の出力信号として扱うことができる。

パルス電流は、例えば４００Ｈｚの矩形波パルスを用いることで、零相変流器２０の貫通部内の直流線路１１ａ，１１ｂに微小の直流地絡電流ｉが流れると、零相変流器２０の巻線インピーダンスが増減し、接続点２８ａの検出電圧が増減する。この検出電圧をフィルタ２９を通して平滑化し、直流地絡信号としてＣＰＵ３０に入力することで、直流地絡電流の有無を検出することができる。

ここで、ＣＰＵ３０においては２段階の地絡電流の大きさの判定レベルを備えている。すなわち、第１の判定レベルは例えば１００〜３００ｍＡの大きさの地絡電流ｉを検出したときに、地絡電流ありと判定するようになっている。

これに対して、第２の判定レベルは、インバータ１５のノイズのレベルを地絡電流の大きさに換算し、上記第１の判定レベルに加えたものである。すなわち、上述したようにインバータ１５の運転中には、その内部の電力スイッチング素子をパルス幅変調することで、交流電圧波形を形成している。このノイズは、電相変流器（ＺＣＴ）の磁束に影響を与えるほか、地絡電流と共に直流線路に流れる。このため、インバータ１５のスイッチングのノイズが上述した検出電圧に含まれることになる。すなわち、ＣＰＵ３０に取り込まれる零相変流器２０の検出電圧としては、ある程度のインバータ１５で発生する所定のノイズによる電圧が重畳されたものとなる。

従って、インバータ１５の運転中に第１の判定レベルで地絡電流ｉを検出しようとすると、インバータ１５で発生する所定のノイズによる電圧により、誤って地絡電流有りと判定してしまう場合がある。このような問題を解決するため、インバータ１５の運転中の地絡電流検出のために、第２の判定レベルを設け、第１の判定レベルにインバータ１５の所定のノイズを地絡電流に換算した、例えば２００ｍＡ程度の電流を第１の判定レベルに加えた第２の判定レベルにより判定するようにしたものである。これにより、インバータ１５の発生するノイズによる地絡電流の誤検出という問題を解決できる。

このインバータシステム１０においては、インバータ１５が停止中の場合は、スイッチ２５をオンにすることで、配線２６からＰＴ２３の中性点を通り、系統電源１８の中性点から大地Ｇに地絡電流ｉが流れる。それを零相変流器（ＺＣＴ）２０により検出し、検出部２２で直流地絡保護動作レベル1（判定レベル１）以上となったら直流地絡電流が有りと判定する。直流地絡電流がないと判定されれば、運転時の誤動作などを防ぐため、スイッチ２５をオフにして、インバータ１５を運転させ、開閉器１６をオンにして系統電源１８と系統連系する。これにより、インバータが動作していない時に、直流電源１１の地絡電流の有無を確実に判定することができる。

インバータ１５が運転中の場合には、検出部２２で直流地絡保護動作レベル２（判定レベル２）以上となったら、零相変流器（ＺＣＴ）２０により検出した地絡電流のレベルが、判定レベル１に定常的なインバータのノイズレベルを加えた値を超えているので、地絡電流の可能性有りと判定する。しかし、インバータ等の所定のノイズも突発的に高いものが出ることもあり得るので、この段階で地絡電流有りと判定することはできない。

このため、インバータ１５の運転を停止して、インバータのノイズが発生しない状態として、再度地絡電流のレベルを確認する。すなわち、インバータ１５の運転を停止し、開閉器１６をオフにして、配線２６のスイッチ２５をオンにする。そして、再度直流地絡電流検出部２２で、直流地絡保護動作レベル1（判定レベル１）以上と判定されたら、地絡電流有りと判定する。また、地絡電流が無しと判定した場合は、スイッチ２５をオフにして運転を再開する。これにより、インバータ動作時でも、直流電源１１の地絡電流の有無を確実に判定することができる。

図３は、このインバータシステムに備えた直流地絡検出のソフトウェアの動作を示す。まず、インバータ全停止の時に、直流電源の地絡電流有無の確認を開始する。この地絡電流有無の確認は、最初に配線２６におけるスイッチ２５をオンすることで、地絡電流ｉが系統交流電源１８の大地Ｇに流れる電流ループを形成する。そして、零相変流器２０の出力を図２に示す直流地絡検出部２２で検出することにより地絡電流の有無を判定する。このときは、インバータ１５が運転を停止しているので、インバータノイズの影響のない直流地絡保護動作レベル1（判定レベル１）により判定する。

そして、直流地絡保護動作レベル1（判定レベル１）により地絡電流が検出された場合には、警報の発生等の必要な処置をとる。直流地絡保護動作レベル1（判定レベル１）により地絡電流が検出されなかった場合には、配線２６のスイッチ２５をオフにしてインバータ１５の運転を開始する。このときは、開閉器１６を閉じてインバータ１５の出力を交流電源系統１８と系統連系する。このため、地絡電流ｉはインバータ１５及び交流電源系統１８との接続線路を通り交流電源系統１８の中性点に設置された大地Ｇに流れるループが形成される。

このとき、地絡電流の検出レベルは直流地絡保護動作レベル２（判定レベル２）を採用する。この直流地絡保護動作レベル２（判定レベル２）は、上述したように直流地絡保護動作レベル1（判定レベル１）の地絡電流検出レベルにインバータの定常的ノイズに相当する電流分を加えたものである。従って、インバータの発生するノイズによる地絡電流有無の誤判定を防止することができる。しかしながら、直流地絡保護動作レベル２（判定レベル２）でもインバータから発生する所定のノイズが大きな場合にはこれを超えてしまう場合があり、このような場合の誤検出を防ぐため、直流地絡保護動作レベル２（判定レベル２）で地絡電流が検出された場合には、インバータの運転を停止し、配線２６のスイッチ２５をオンにして、開閉器１６を開き再び直流地絡保護動作レベル1（判定レベル１）で判定を行う。すなわち、インバータ１５を全停止とすることで、インバータが発生するノイズの影響が完全になくなり、インバータノイズの影響を受けることなく地絡電流の計測・判定が可能となる。

この直流地絡保護動作レベル1（判定レベル１）による再度の判定を行い、地絡電流が直流地絡保護動作レベル1（判定レベル１）以下の場合にはスイッチ２５をオフにして、開閉器１６をオンにしてインバータ１５の運転を再開する。直流地絡保護動作レベル1（判定レベル１）でなお地絡電流が検出された場合には、これは真の地絡電流と考えられるので、警報の発生等の必要な処理を行い、地絡原因の発見に努め、地絡電流発生の原因を除去するようにする。

また、インバータ停止時には地絡電流が直流地絡保護動作レベル１（判定レベル１）以下で、インバータ運転時は直流地絡保護動作レベル２（判定レベル２）以上となる場合、インバータ停止、運転を繰り返す不都合が想定される。この対策として、再運転が連続発生した回数をＣＰＵ３０にカウントさせ、揮発性メモリあるいは不揮発性メモリによって保持し、そのカウント値に基づいた直流地絡保護動作レベル２（判定レベル２）を増減し、検出レベル値を調整することで防止している。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の一実施形態の分散電源装置の構成例を示す回路図である。 直流地絡確認部の構成例を示すブロック図である。 本発明の分散電源装置におけるソフトウェアによる地絡電流検出のフローを示すフロー図である。 太陽電池の等価回路と浮遊容量を示す図である。

符号の説明

１０ インバータシステム
１１ 直流電源
１１ａ，１１ｂ 直流線路
１２ 昇降圧回路
１３ 直流部
１３ａ，１３ｂ 直流線路
１５ インバータ
１６ 開閉器
１７ ブレーカ
１８ 交流電源系統
２０ 零相変流器
２１ 制御装置
２２ 直流地絡検出部
２４ 中性点
２６ スイッチ
２６ 配線
２７ パルス発生器
２８ 抵抗
２８ａ 接続点
２９ フィルタ

Claims (5)

1. 直流電源の直流電圧を入力とし、昇降圧回路により前記直流電圧を昇降圧してリンク電圧を形成し、該リンク電圧からインバータにより三相交流電圧を形成し、三相の交流電源に系統連系する分散電源装置において、
   前記交流電源の電圧を検出する三相電圧検出トランスの系統側の中性点と、前記リンク電圧の正負極性間に直列接続した複数のコンデンサの中性点とを、スイッチにより配線接続して、その配線接続時の前記直流電源の地絡電流を零相変流器により検出することを特徴とする分散電源装置。
2. 前記零相変流器により検出した地絡電流の大きさについて、第１の判定レベルと、該第１の判定レベルよりも大きな第２の判定レベルとを備え、該第２の判定レベルは所定のレベルを前記第１の判定レベルに加えたものであることを特徴とする請求項１記載の分散電源装置。
3. 前記インバータの運転中に、検出した前記地絡電流の大きさが前記第２の判定レベルを超えた時に、前記インバータの運転を停止し、その時の地絡電流が前記第１の判定レベルを超えるか否かにより前記直流電源の地絡の有無を判定することを特徴とする請求項２記載の分散電源装置。
4. 直流電源の直流電圧を昇降圧して、インバータにより三相交流電圧を形成し、三相の交流電源に系統連系する分散電源装置において、
   前記直流電源に生じる地絡電流の有無を、前記インバータの運転中に第１の判定レベルに所定のレベルを加えた第２の判定レベルで判定し、さらに前記インバータの運転を停止し、前記第１の判定レベルで判定することを特徴とする分散電源装置における直流地絡の検出方法。
5. 前記直流地絡は、前記交流電源の電圧を検出する三相電圧検出トランスの系統側の中性点と、前記リンク電圧を供給する直列に接続した複数のコンデンサの中性点とを、スイッチにより配線接続して、前記インバータの運転停止時の前記直流電源の地絡電流を零相変流器により検出することを特徴とする請求項４記載の分散電源装置における直流地絡の検出方法。

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