JP2006246650A - 分散型電源の系統連系方法及び系統連系インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷位相が遅れ、或いは進みのどのような状態であっても確実に分散型電源の単独運転を検出できる系統連系方法及び系統連系インバータを提供する。
【解決手段】 制御部３は、有効電流の出力電流目標値を作成する目標電流設定部１７と、一定周期で進み位相、遅れ位相に交互に変動させる位相変動部１８と、周期的な無効電力変動を有する交流電流を連系点に出力するよう変調する変調部１９とを有し、位相変動部１８に出力周波数が所定の第１の周波数範囲から外れていないか判定する第１周波数判定部２４を備え、出力周波数が前記第１の周波数範囲から外れたら、その時点での位相で無効電力を固定し、固定している間に第１の周波数範囲より広く設定した第２の周波数範囲から外れたら変調部１９は変調動作を停止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、商用電力系統に太陽光発電等の分散型電源を連系する系統連系方法及び系統連系インバータに関する。

太陽光発電や燃料電池発電等の分散配置された電源を商用電力系統に連系して、余剰電力を商用電力系統へ逆潮流させる電力システムが実用化されている。このような電力システムでは、例えば特許文献１に示すような系統連系インバータが使用され、太陽光等で発電された直流電力を必要な電圧まで昇圧し、インバータ回路及びフィルタ回路で交流電力に変換し、商用電力系統に接続して電力を出力する連系運転を行っている。

このような系統連系インバータを用いた連系運転の場合、連系運転中に事故や工事等により商用電力系統が停止すると、分散型電源の単独運転状態が発生する。この状態は、系統の保安面や供給信頼度確保の面から問題が生じるため、分散型電源の単独運転状態が発生したら、分散型電源を系統から解列させる操作が行われている。
これを自動的に行う場合、周波数変化や電圧変化を検知して行うことが可能であるが、系統停止後に分散型電源の発電出力と負荷で消費する有効及び無効電力が平衡状態にあると周波数変化や電圧変化が現れないため、このような状態では系統停止を検知することができず、自動で遮断動作させるのが難しかった。

そのため、その解決方法として、分散型電源の発電出力に周期的な無効電力変動を与えておき、その作用で単独運転移行時に現れる周期的な周波数変動等を検出して単独運転を検出する方法が提案されている（分散型電源系統連系技術指針（ＪＥＡＧ９７０１−２００１））。
この場合、周期的な無効電力変動方法として、以下のような方法が考えられる。
(1) 無効電力変動を正弦波状に変動させる。
(2) 無効電力変動を三角波状に変動させる。
(3) 無効電力変動を矩形波状に変動させる。
尚、特許文献１は(3) の矩形波（方形波）に変動させている。

特開平９−２３６６０号公報

しかしながら、上記変動方法は夫々次のような問題を有している。(1) の場合、無効電力がゆっくりと変動するため、単独運転時に現れる周波数変動は小さく、誤検出を引き起こし易い。また、(2) の場合は、(1) と同様に単独運転時に現れる周波数変動が小さく誤検出し易いし、分散型電源の出力電圧周波数が常に変動するため、出力電流波形の歪みが大きくなりやすい。
一方、(3) の場合は、単独運転時に現れる周波数変動が分かりやすいので検出し易いが、出力している無効電力を短時間に大きく変動させるため、連系運転中の出力電流の波形歪みが大きい。また、(3) の形状で無効電力を変動させる上記特許文献１では、周波数変化を検出すると無効電力を所定の値に固定する方法を開示しているが、所定の値に関する記載はなく、無効電力を固定した時の出力と負荷の力率が近似している場合、周波数変化は現れ難くなることから誤検出する可能性があった。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、負荷位相が遅れ、或いは進みのどのような状態であっても確実に分散型電源の単独運転を検出できる系統連系方法及び系統連系インバータを提供することを目的とする。

上記課題を解決する為に、請求項１に記載の発明は、分散型電源の直流出力を交流変換して商用電力系統に電流を逆潮流させる分散型電源の系統連系方法であって、逆潮流させる電流に一定周期で進み位相、遅れ位相に交互に変動する無効電力を重畳させ、この無効電力変動により連系点での周波数が予め設定した第１の周波数範囲から外れたら、重畳している無効電力の位相を、その時点の位相で前記無効電力の変動周期より長い一定期間固定し、無効電力の位相が固定されている間に、連系点での周波数が第１の周波数範囲より広く設定された所定の第２の周波数範囲から外れたら、単独運転と判断して分散型電源の交流出力を停止することを特徴とする。
この方法により、周波数変動が発生したら、その位相で無効電力位相を固定して判定するので、負荷がどのような位相状態であっても単独運転を検出して停止させることができる。その結果、単独運転状態が継続されることが無く、連系点付近の保安、保守等の際の安全性を確保できる。また、無効電力位相を固定してから一定期間経過しても第２の周波数範囲から外れなければ、リセットして無効電力の周期変動を実施させることができ、誤動作を防ぐことが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、無効電力の変動が固定されている間は、逆潮流させる電流に重畳させる無効電力量が漸増することを特徴とする。
この方法により、周波数の変動が発生した段階で無効電力の位相を固定するのに加えて無効電力成分を徐々に大きくするので、単独運転をより確実に判断することが可能となる。

請求項３の発明は、分散型電源の直流出力を入力してインバータ回路により交流電力に変換し、商用電力系統に逆潮流させるための分散型電源の系統連系インバータであって、
前記インバータ回路を制御する制御部は、連系点電圧の電圧位相に同期させた電流の基準位相を基に有効電流の出力電流目標値を作成する目標電流設定部と、前記電流の基準位相を基に一定周期で進み位相、遅れ位相に交互に変動させた無効電力成分を生成する位相変動部と、前記出力電流目標値に前記無効電力成分を加算して、周期的な無効電力変動を発生させた交流電流を連系点に出力するよう変調する変調部とを有し、前記位相変動部は、出力周波数が所定の第１の周波数範囲から外れていないか判定する第１周波数判定部を備え、出力周波数が前記第１の周波数範囲から外れたら、その時点での位相で無効電力を固定し、前記無効電力の変動周期より長い一定期間位相固定状態を持続し、前記変調部は、前記第１の周波数範囲より広く設定された第２の周波数範囲を判定基準に有する第２周波数判定部を有し、出力周波数が前記第２の周波数範囲から外れたら前記変調部は変調動作を停止することを特徴とする。
この構成により、周波数変動が発生したら、その位相で無効電力位相を固定して判定するので、負荷がどのような位相状態であっても単独運転を検出して停止させることができる。その結果、単独運転状態が継続されることが無く、連系点付近の保安、保守等の際の安全性を確保できる。また、無効電力位相を固定してから一定期間経過しても第２の周波数範囲から外れなければ、リセットして無効電力の周期変動を実施させることができ、誤動作を防ぐことが可能となる。

請求項４の発明は、請求項３に記載の発明において、位相変動部は、無効電力を漸増させる無効電力漸増部を有し、無効電力の位相が固定されている間、無効電力成分を漸増させることを特徴とする。
この構成により、周波数の変動が発生した段階で無効電力の位相を固定するのに加えて無効電力成分を徐々に大きくするので、単独運転をより確実に判断することが可能となる。

本発明によれば、周波数変動が発生したら、その位相で無効電力位相を固定して判定するので、負荷がどのような位相状態であっても単独運転を検出して停止させることができる。その結果、単独運転状態が継続されることが無く、連系点付近の保安、保守等の際の安全性を確保できる。また、無効電力位相を固定してから一定期間経過しても第２の周波数範囲から外れなければ、リセットして無効電力の周期変動を実施させることができ、誤動作を防ぐことが可能となる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る分散型電源の系統連系インバータの第１実施形態を示す構成図であり、１は分散配置された太陽光発電等の直流電源（分散型電源）、２は直流を交流に変換する交流変換部、３は交流変換部２を制御する制御部、４は商用電力系統、５は負荷を示し、制御部３は出力電流を検出してフィードバック制御により連系点Ｍに所定の電流を出力するよう構成されている。

交流変換部２は、インバータ回路１０、ＬＣフィルタ１１を有し、１２は電流検出手段を示している。この交流変換部２で、直流電源１から供給される直流電力を図示しないチョッパ回路等で昇圧し、インバータ回路１０でパルス状の交流に変換し、ＬＣフィルタ１１で正弦波に平滑して商用電力系統４に出力している。

制御部３は、出力電圧波形のゼロクロスポイントを検出するための位相検出部１５、ＰＬＬ１６、商用電力系統に出力する交流電流の目標電流を設定する目標電流設定部１７、位相変動を与えるための位相変動部１８、インバータ回路１０の制御信号を生成する変調部１９、周波数検出部２０を備え、ＰＬＬ１６は位相検出部１５で検出したゼロクロスポイントを基に目標電流設定部１７及び位相変動部１８に位相基準信号を出力している。
そして、目標電流設定部１７は、正弦波信号に出力電流目標値を掛けることで、出力する有効電流の目標値（目標電流値）を設定している。

また位相変動部１８は、無効電力整定部２２、変動周期作成部２３、第１周波数判定部２４を有し、無効電力整定部２２から所定の大きさの無効電力整定値が出力され、出力電流に加算される無効電力の大きさが決定される。そして、変動周期作成部２３から予め設定した波形形状の周期波形が出力され、無効電力に周期的な位相変動が付与される。

この変動波形を具体的に説明すると、図２（ａ）に示すような波形であり、作成される波形の変動値は、−１．０〜１．０の間を台形形状に周期変動させ、位相検出部１５で得られる電圧位相０度をカウントする毎に更新され、例えば２４カウントで１周期変化する、即ち電圧波形２４周期で１周期変化をするように更新される。
尚、図２は連系運転から単独運転になった際の位相変動と電圧周波数の関係図で、（ａ）は位相変動波形、（ｂ）は（ａ）の位相変動に対応した連系点Ｍの電圧周波数特性図を示し、Ｐ０点で商用電力系統が停止し、分散型電源（直流電源）の単独運転となった場合を示している。

第１周波数判定部２４は、検出している周波数の変化が基準周波数を中心とした一定範囲の第１の周波数範囲Ｗ１（基準Ｂ）を超えると、タイマー２５が始動し、タイマー２５が動作している間はスイッチ２６がオフとなり、ゼロクロス検出信号の供給が絶たれる。その結果、変動周期が更新されなくなり、基準Ｂを超えた時点で同じ位相値が供給される。

変調部１９は、ＰＩ演算を実施するＰＩ演算部２７、ＰＷＭ変調するＰＷＭ変調部２８、出力周波数が基準Ａで設定した周波数範囲内であるか検出する第２周波数判定部２９を有し、設定した目標電流値と電流検出手段１２で検出した出力電流の値を比較し、その偏差をＰＩ演算部２７でＰＩ演算し、その結果をＰＷＭ変調部２８でＰＷＭ変調し、インバータ回路１０の制御信号を作成している。
また、第２周波数判定部２９は、検出している周波数の変化が上記第１周波数範囲Ｗ１より広い第２の周波数範囲Ｗ２（基準Ａ）を超えると、ＰＷＭ変調部２８の変調動作を停止する。

尚、周波数検出部２０は、電圧位相０度と次の電圧位相０度の発生間隔に例えば５０μＳのカウンタが何回発生したかカウントして連系点の電圧周波数を検出している。但し、５０μＳのカウンタは絶対的なものではなく、もっと細かな周波数変動を検出したければ、カウンタの時間を短くする等の変更をすれば良い。

以下、制御部３の動作を具体的に説明する。但し、この制御部３の各回路の制御はマイクロコンピュータ（図示せず）の演算処理にて行っている。
（１）直流電源１から連系点Ｍへの出力電流は次のように制御される。
最初に位相検出部１５で連系点Ｍの電圧のゼロクロス点を検出し、そこから位相０度の発生タイミングを入手し、位相０度と内部クロックで作成する内部位相（ωｔ）の０度をＰＬＬ１６により同期させる。こうして出力電圧位相に同期させた内部位相（ωｔ）を基に、目標電流設定部１７では、正弦演算をしｓｉｎ（ωｔ）を作成し、この値に出力電流目標値を掛けることで、出力する有効電流の目標値（目標電流値）を設定する。

そして、変調部１９において、この目標電流値と電流検出手段で検出した出力電流の値を比較し、その偏差をＰＩ演算し、その結果を基にＰＷＭ変調してインバータ回路１０の制御信号を作成する。
こうして作成された制御信号をもとに、インバータ回路の４個のスイッチ（図示せず）を動作させることで、位相が連系点の電圧位相に同期し、大きさが出力電流目標値に等しい電流が出力される。

（２）位相変動部１８の動作を説明する。
最初に、連系点Ｍの電圧位相に同期した上記内部位相（ωｔ）から、余弦演算をしてｃｏｓ（ωｔ）を作成する。この値に無効電力整定部２２で予め設定された無効電力整定値を掛け、更に変動周期作成部２３で生成した値を掛けた後、上記演算された目標電流値に加算する。

こうして加算された無効電力により、連系点Ｍでは図２（ｂ）のＴ１部に示すような電圧周波数の僅かな変動が発生する。これは、目標電流値に進み位相の無効電力が重畳されると出力位相が進み、ＰＬＬ１６により直前の出力の位相に同期した後、それを基準に再度進み位相成分を出力するためで、変動周期が１の期間が続くときは、図２（ｂ）に示すように連系点Ｍでの電圧周波数は上昇する。逆に、変動周期が−１の期間が続くと、ＰＬＬ１６により直前の出力の位相に同期した後、それを基準に再度遅れ位相成分が出力されるため、電圧周波数は低下することによる。但し、系統連系インバータの出力に対して商用電力系統４からのエネルギーが大きいため、その周波数の変動分は吸収されてしまい僅かな変動しか現れず、連系運転中は波形歪みを小さく保つことができる。

尚、変動周期について説明すると、変動周期作成部２３から出力される変動値が「１」の場合、ｃｏｓ（ωｔ）値はｓｉｎ（ωｔ）値より位相が９０度進んでいることを示している。これは、大きさが無効電力整定値分で９０度の進み位相成分が目標電流値に重畳されることになる。その結果、系統に出力される電流も、目標電流値に無効電力整定値分位相が９０度進んだ成分を重畳したものとなる。
逆に、変動周期作成部２３から与えられる値が「−１」の場合は、ｃｏｓ（ωｔ）を基に作成した無効電力成分が反転され、−９０度遅れていることを示している。これは、目標電流値に大きさが無効電力整定値分で９０度の遅れ位相成分が目標電流値に重畳され、系統に出力される電流も出力電流目標に無効電力整定値分位相が９０度遅れた成分を重畳したものとなる。

（３）分散型電源が単独運転となった場合。
上述するように、連系運転中は系統連系インバータの出力に対して商用電力系統４からのエネルギーが大きいため周波数の変動は殆ど現れない。ところが、商用電力系統４が停止して直流電源１の単独運転になると、出力する無効電力位相に応じて連系点Ｍの電圧周波数が大きく変化するようになり、図２（ｂ）のＴ２部に示すように周波数変化率が大きくなる。

具体的に、負荷力率が１の場合に系統が停止状態になると、位相変動が進み位相状態ではＰＬＬにより同期した連系点の電圧位相に進み成分を出力するため周波数は上昇する。また遅れ位相のときは低下する。
また、負荷位相が遅れ位相の場合に系統が停止状態になると、変動周期がマイナス側の時は、負荷と分散型電源の出力が平衡状態となり、電圧周波数変化は現れ難くなるが、プラス側に移行すると電圧周波数の変化（上昇）は顕著に現れる。
一方、負荷位相が進み位相の場合に系統が停止状態になると、同様の理由で変動周期がマイナス側の時に電圧周波数の変化（低下）が顕著に現れる。

以下、図２の波形図を基に具体的に説明する。Ｐ０点で単独運転が発生すると、出力周波数の変化がその時点から大きくなり基準Ｂ（第１の周波数範囲Ｗ１）から外れることになる。すると、無効電力はその時点（Ｐ１点）で位相が固定される。尚、図２では遅れ位相で固定された様子を示している。商用電力系統が停止状態であれば周波数はどんどん低下する。
その後、単独運転が継続すると、周波数の変化は更に大きくなりＰ２点で基準Ａ（第２の周波数範囲Ｗ２）から外れる（第２の周波数範囲Ｗ２の下限を下回る）。そうなると、第２周波数判定部２９から停止信号が出力され、ＰＷＭ変調部２８は動作を停止する。
逆に、進み位相の状態で位相が固定されると、周波数は上昇して基準Ｂを上回るし、単独運転が継続すると基準Ａを上回る。
尚、タイマ２５がタイムアップするまで基準Ａを超えなければ、タイムアップした時点で変動周期作成部２３は動作を再開して、出力位相は周期変動を再開する。

このように、周波数変動が発生したら、その位相で無効電力位相を固定して判定するので、負荷がどのような位相状態であっても単独運転を検出して停止させることができる。その結果、単独運転状態が継続されることが無く、連系点付近の保安、保守等の際の安全性を確保できる。また、無効電力位相を固定してから一定期間経過しても第２の周波数範囲から外れなければ、リセットして無効電力の周期変動を実施させることができ、誤動作を防ぐことが可能となる。

図３は系統連系インバータの第２実施形態を示している。上記第１実施形態との相違点は、位相変動部１８に無効電力漸増部３１を有している点であり、上記図１と同様の構成要素には同一の符号を付与し、説明は省略する。
無効電力漸増部３１は、傾き係数発生部３２、第１周波数判定部２４に制御されるスイッチ３３を有し、周波数の変化が基準Ｂを超えてタイマ２５が始動すると、変動分が固定された無効電力成分に１より大きい傾き係数を掛ける構成となっており、結果として位相を固定された無効電力の出力が漸増し、出力の無効電力成分が増加して行く。

この図３の制御部の動作を図４を基に説明する。図４は上記図２と同様に、連系運転から単独運転になった際の位相変動と電圧周波数の関係図で、（ａ）は位相変動波形、（ｂ）は（ａ）の位相変動に対応した連系点の電圧周波数特性図を示し、上記図２と同様にＰ０点で商用電力系統が停止し、分散型電源の単独運転となった場合を示している。

単独運転が発生すると、出力周波数の変化が大きくなり基準Ｂから外れ、無効電力はその時点（Ｐ１点）で位相が固定される。同時に、無効電力漸増部３１が作動して位相が固定された無効電力を漸増させる。図４では遅れ位相で固定された様子を示し、系統停止状態であれば周波数はどんどん低下する。
その後、単独運転が継続すると、周波数の変化は更に大きくなりＰ２点で基準Ａから外れる。そうなると、第２周波数判定部２９から停止信号が出力され、ＰＷＭ変調部２８は動作を停止する。逆に、進み位相の状態で位相が固定されると、周波数は上昇して基準Ｂを上回るし、単独運転が継続すると基準Ａを上回り、同様にＰＷＭ変調部２８は出力を停止する。
尚、タイマ２５がタイムアップするまで基準Ａを超えなければ、タイムアップした時点で変動周期作成部２３は動作を再開して、出力位相は周期変動を再開する。

このように、周波数変動が発生したら、その位相で無効電力位相を固定して判定するので、負荷がどのような位相状態であっても単独運転を検出して停止させることができる。その結果、単独運転状態が継続されることが無く、連系点付近の保安、保守等の際の安全性を確保できる。而も、無効電力の位相固定に合わせて無効電力成分を徐々に大きくするので、単独運転をより確実に判断することができる。
また、無効電力位相を固定してから一定期間経過しても第２の周波数範囲から外れなければ、リセットして無効電力の周期変動を実施させることができ、誤動作を防ぐことが可能となる。

尚、上記実施形態では、目標電流値に重畳させる無効電流の周期波形を台形形状としているが、従来技術の如く矩形波形状であっても良い。また、第１の周波数範囲Ｗ１、第２の周波数範囲Ｗ２の具体的な値は、連系する分散型電源の容量や連系点の特性等に合わせて個々に設定される。

本発明に係る分散型電源の系統連系インバータの第１実施形態を示す回路ブロック図である。 図１の動作説明のための位相変動と電圧周波数の関係図であり、（ａ）は位相変動波形、（ｂ）は（ａ）の位相変動に対応した連系点の電圧周波数特性図である。 本発明に係る分散型電源の系統連系インバータの第２実施形態を示す回路ブロック図である。 図３の動作説明のための位相変動と電圧周波数の関係図であり、（ａ）は位相変動波形、（ｂ）は（ａ）の位相変動に対応した連系点の電圧周波数特性図である。

符号の説明

１・・直流電源（分散型電源）、２・・交流変換部、３・・制御部、４・・商用電力系統、５・・負荷、１０・・インバータ回路、１７・・目標電流設定部、１８・・位相変動部、１９・・変調部、２２・・無効電力制定部、２３・・変動周期作成部、２４・・第１周波数判定部、２９・・第２周波数判定部、３１・・無効電力漸増部、Ｍ・・連系点、Ｗ１・・第１の周波数範囲、Ｗ２・・第２の周波数範囲。

Claims (4)

1. 分散型電源の直流出力を交流変換して商用電力系統に電流を逆潮流させる分散型電源の系統連系方法であって、
   逆潮流させる電流に一定周期で進み位相、遅れ位相に交互に変動する無効電力を重畳させ、この無効電力変動により連系点での周波数が予め設定した第１の周波数範囲から外れたら、重畳している無効電力の位相を、その時点の位相で前記無効電力の変動周期より長い一定期間固定し、
   無効電力の位相が固定されている間に、連系点での周波数が第１の周波数範囲より広く設定された所定の第２の周波数範囲から外れたら、単独運転と判断して分散型電源の交流出力を停止することを特徴とする分散型電源の系統連系方法。
2. 無効電力の変動が固定されている間は、逆潮流させる電流に重畳させる無効電力量が漸増する請求項１記載の分散型電源の系統連系方法。
3. 分散型電源の直流出力を入力してインバータ回路により交流電力に変換し、商用電力系統に逆潮流させるための分散型電源の系統連系インバータであって、
   前記インバータ回路を制御する制御部は、連系点電圧の電圧位相に同期させた電流の基準位相を基に有効電流の出力電流目標値を作成する目標電流設定部と、
   前記電流の基準位相を基に一定周期で進み位相、遅れ位相に交互に変動させた無効電力成分を生成する位相変動部と、
   前記出力電流目標値に前記無効電力成分を加算して、周期的な無効電力変動を発生させた交流電流を連系点に出力するよう変調する変調部とを有し、
   前記位相変動部は、出力周波数が所定の第１の周波数範囲から外れていないか判定する第１周波数判定部を備え、出力周波数が前記第１の周波数範囲から外れたら、その時点での位相で無効電力を固定し、前記無効電力の変動周期より長い一定期間位相固定状態を持続し、
   前記変調部は、前記第１の周波数範囲より広く設定された第２の周波数範囲を判定基準に有する第２周波数判定部を有し、出力周波数が前記第２の周波数範囲から外れたら前記変調部は変調動作を停止することを特徴とする分散型電源の系統連系インバータ。
4. 位相変動部は、無効電力を徐々に増加させる無効電力漸増部を有し、無効電力の位相が固定されている間、無効電力成分を漸増させる請求項３記載の分散型電源の系統連系インバータ。

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