JP2006280107A - 電力変換装置及び系統連系システム - Google Patents

Abstract

【課題】 直流分流出によるシステムの停止を生じさせない、もしくは、生じにくくする制御を可能とし、また、一部が復帰不能な異常が生じても全システムを停止させない制御を可能とし、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】 直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統及び交流負荷に供給して系統連系する電力変換手段と、前記電力変換手段の出力電流の直流成分を検出する電流の直流成分検出手段と、前記電力変換手段の出力電流の制御を行う電流制御手段とを備えた電力変換装置であって、前記直流成分検出手段が検出した前記電力変換手段の出力電流の直流成分が所定値より大きい場合に前記直流成分が所定値以下になるように前記電力変換手段の出力電流を制御するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【選択図】 図２

Description

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力と商用電力系統とを連系させるための電力変換装置系統連系システムに関するものである。

従来、図６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６を介して、商用電力系統３に接続されて成る。商用電力系統３には、負荷４が接続されている。

このような系統連系システムＪを商用電力系統３に連系させる際に、この系統連系システムＪの不具合が原因で商用電力系統３に障害（例えば停電など）が発生するようなことがあると、一般の需要家は大きな迷惑を受けることになる。そこでこのような不具合が発生しないように、系統連系システムＪには各種の制約が課せられている。その制約のひとつに、商用電力系統３への直流分電流の流出抑制がある。すなわち「分散型電源系統連系技術指針」では、定格交流電流の１パーセント以下の直流分を０．５秒以内で直流分電流流出保護をするように定めている。

系統連系システムＪでは、直流を交流に変換するパワーコンディショナ６を備えているが、このパワーコンディショナ６が出力する交流電力には僅かながら直流分が存在する。

ここでいう直流分とは、正弦波の中心軸が上下方向どちらかに偏ったような上下非対称な交流の状態のものをいう。直流分がない交流電流の状態を図７（ａ）に、直流分が存在する交流電流の状態を図７（ｂ）に示す。

パワーコンディショナ６からの出力に直流成分を持ったまま逆潮流を行なうと、この直流分が商用電力系統に流出し、柱状トランスの偏磁等の悪影響を起こす可能性がある。

直流分を存在させる原因のひとつとして、例えば、当該パワーコンディショナ６を構成している正極側半導体スイッチ素子（図示せず）の動作時間や動作特性が、負極側半導体スイッチ素子（図示せず）のそれと僅かに異なることが挙げられる。前述の原因、または別の事項が原因でパワーコンディショナ６の出力交流電流に規定以上の直流分が含まれてしまうことがあるから、前述の技術指針に基づいて、直流分電流を検出して、直流分電流の流出保護をする。（例えば、特許文献１を参照）。
特開平０８−１４９８４２号公報

しかしながら、上述した従来の系統連系システムでは、太陽電池を用いた太陽光発電システムを例にすると、通常、住宅の屋根などに設置される太陽電池モジュールを、様々な屋根形状に応じて複数枚を直並列に組み合わせたものを直流電力としてパワーコンディショナで制御を行なっている。太陽電池モジュールの直並列には様々な組み合わがあるため、直流電力の容量に対して余裕のあるパワーコンディショナを用意しておき、このようなパワーコンディショナ１台による制御を行なっている。そして、直流分流出を検出した場合には、パワーコンディショナ出力を停止させなければならないので、直流電力の全出力を停止させることとなる。また、１台のパワーコンディショナによる制御では出力電流の補正が十分でない場合も考えられ、結果としてパワーコンディショナ出力を停止させることになる。これは、使用者にとっては、直流電源は正常であっても、パワーコンディショナの不具合によって、システム全体を停止させることにも繋がる。

本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、直流分流出によるシステムの停止を生じさせない、もしくは、生じにくくする制御を可能とし、また、万一、一部が復帰不能な異常であっても、全システムを停止させない制御を可能とし、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ものである。

上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、直流電力を交流に変換し、出力を商用電力系統に接続する電力変換装置であって、前記電力変換装置は直流電力を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換部と、上記電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器と、上記電流検出器により検出した出力電流の直流成分を検出する直流分検出器と、電力変換装置の出力電流の設定および瞬時波形制御を指令する電流制御手段と、出力電流制御に関する制御情報を出力および入力するデータ入出力装置とを備えるとともに、外部からの入力データにより、動作フローに従って実行させるようにしたので、直流分検出器からの信号と、データ入出力装置からの入力信号とを加味して、出力電流の指令を行ない、またその制御情報をデータ入出力装置から出力して、系統連系させるようにしたことを特徴とする。

また、本発明の他の電力変換装置は、さらに前記電力変換装置の外部から前記電力変換手段の出力電流を制御するためのデータ入力を行うデータ入力手段を備え、前記直流成分検出手段が前記データに基づいて前記電力変換手段の出力電流を制御するようにしたことを特徴とする。

さらに、本発明の系統連系システムは、直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統及び交流負荷に供給して系統連系する電力変換手段と、前記電力変換手段の出力電流の直流成分を検出する電流の直流成分検出手段と、前記電力変換手段の出力電流の制御を行う電流制御手段と、前記電力変換装置の外部から前記電力変換手段の出力電流を制御するためのデータ入力及び前記電力変換装置の出力電流に関するデータを外部にデータ出力を行うデータ入出力手段を有する電力変換装置を複数台備え、前記入出力手段を通じて前記複数の電力変換装置間のデータを入出し、一台の電力変換装置のみでは補正できない直流電流成分を協働で補正、もしくは、互いの直流分を相殺しあうようにして系統連系させることを特徴とする。

本発明の電力変換装置によれば、電力変換装置自身の制御情報に外部からの制御情報を加味しての制御が可能とし、また外部への制御情報の出力が可能なので、他の電力変換装置との協調が可能な電力変換装置及びそれを用いた系統連系システムを構築することができる。

また、本発明の系統連系システムによれば、直流分流出によるシステムの停止を生じさせない、もしくは、生じにくくする制御を可能とし、また、万一、一部が復帰不能な異常であっても、全システムを停止させない制御を可能とし、電力を余すことなく逆潮流できる系統連系システムを構築することができる。

以下、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の形態を図面に基づいて、詳細に説明する。

図２に示すように、系統連系システムＳは、太陽電池、風力発電、または燃料電池などの直流電力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２を介して、商用電力系統３に接続されて成る。

パワーコンディショナ２は、直流電力を商用電力系統に逆潮流させるための電力変換手段である電力変換部２１と、電力変換装置の出力電流を検出する電流検出器２２及び電流検出器により検出した出力電流の直流成分を検出する直流分検出器２３からなる電流の直流成分検出手段と、電力変換装置の出力電流の制御を行う電流制御手段２４と、出力電流制御に関する制御情報を出力および入力するデータ入出力装置２５とで構成される。ここで、パワーコンディショナ２は、直流分検出器２２からの信号と、データ入出力装置２５からの入力信号とを加味して、出力電流の指令を行ない、またその制御情報をデータ入出力装置２５から出力して、系統連系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、直流電力１と商用電力系統３との間に設けて、商用電力系統３へ直流電力１からの電力を逆潮流させる系統連系システムＳを構築している。

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。

パワーコンディショナ２は太陽電池等の直流電力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、商用電力系統３に出力する。電流検出器２２は、出力電流の情報を直流分検出器２３に送る。直流分検出器２３は、交流電流の情報から、直流成分を分析し、直流成分および交流波形の情報を電流制御手段２４に送る。電流制御手段２４は、データ入出力装置２５からの入力データの有無およびその大きさを判断し、出力電流設定値の演算を行ない、その結果をデータ入出力装置２５に送るとともに、電力変換部２１に出力電流指令を出す。電力変換部２１は、直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、電流制御手段２４からの出力電流情報により、出力電力の電流を調整し、系統に連系する。

図４は、本実施形態にかかわる出力電流指令値の決定方法を示すフローチャートである。以下、図４に基づいて本実施形態にかかわる出力電流指令値の決定方法を説明する。

パワーコンディショナ２の系統連系出力中に、図４に示すフローを繰り返し実行させる。まず、出力電流を計測して直流成分の検出を行ない、前記出力電流を出力する為の出力電流指令値に対して実際に出力された出力電流とのズレがどの程度であるかの情報を入手し、その情報を基に出力電流設定値の演算を行なう。尚、検出した直流成分の値が異常検出値に対して大きな値であっても、技術指針に示されている０．５秒以内であれば、パワーコンディショナの運転継続は可能である。

ステップＡでは外部データ入力の有無の検証を行ない、外部データ入力がある場合には、先に演算した出力電流設定値に外部データを加味する。ステップＡにおいて外部データ入力が無かった場合にはこの処理をスキップする。これらの処理で得られた出力電流設定値をもって電力変換部２１に対して出力電流の指令を行なう。０．５秒以内に外部データによる補正により直流分を補正できれば、パワーコンディショナを停止させずに済む。その後、ステップＢでは先に検出した直流成分の大きさの判定を行なう。この直流成分の大きさが、あらかじめ設定される直流成分の規格値（異常検出値（通常は、定格交流電流の１％）と必ずしも等しくなくてもよい。）に対して、大きい場合は、直流成分に関する情報を外部に出力する。ステップＢにおいて、直流成分の大ききが規格値に対して小さい場合は、この処理をスキップする。以上の処理を行ない、本フローを終了する。

このようにすることにより、外部からの制御調整が可能となり、パワーコンディショナ２が連系される商用電力系統の異常環境などがあらかじめ分かっている場合には、外部入力信号を常に入力することにより、出力調整が可能となる。

次に、本発明に係る電力変換装置を複数台用いた系統連系システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように系統連系システムＳ１は、図２で示したパワーコンディショナ２および直流電力１を、商用電力系統３に並列接続し、一方のデータ入出力装置２５の出力データ端子を他方のデータ入出力装置２５の入力データ端子に、また一方のデータ入出力装置２５の入力データ端子を他方のデータ入出力装置２５の出力データ端子に接続されて成る。

ここで、複数台備えられたパワーコンディショナ２は、電力変換装置を一台のパワーコンディショナでは補正できない直流分（補正能力以上に生じた出力電流のズレ）を協働で補正するもしくは、互いの直流分を相殺しあうようにして系統連系させるようにしている。

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。

パワーコンディショナ２は太陽電池等の直流電力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、商用電力系統３に出力する。電流検出器２２は、出力電流の情報を直流分検出器２３に送る。直流分検出器２３は交流電流の情報から直流成分を分析し、直流成分および交流波形の情報を電流制御手段２４に送る。電流制御手段２４はデータ入出力装置２５からの入力データの有無およびその大きさを判断し、出力電流設定値の演算を行ない、その結果をデータ入出力装置２５に送るとともに、電力変換部２１に出力電流指令を出す。電力変換部２１は、直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）を行ない、電流制御手段２４からの出力電流情報により出力電力の電流を調整し、系統に連系する。データ入出力装置２５は、パワーコンディショナ２’のデータ入出力装置２５’に対して、パワーコンディショナ２の直流成分のズレ具合に対して算出された出力電流設定値の演算結果（修正補正値）を出力する。前記出力電流設定値の演算結果であるデータを受信したパワーコンディショナ２’は、受けた情報を基に、例えばパワーコンディショナ２では補正できない直流分（補正能力以上に生じた出力電流のズレ）が生じていたとすると、その補正不足の情報を得たパワーコンディショナ２’の電流制御手段２４’が自身の出力電流補正値に加えて、前記パワーコンディショナ２の不足分を加えた電流制御値として電力変換部２１’に出力電流指令を出す。

図５は、本実施形態にかかわる相互補正の判定方法を示すフローチャートである。以下、図５に基づいて本実施形態にかかわる相互補正の決定方法を説明する。

パワーコンディショナ２の系統連系出力中に、図５に示すフローを繰り返し実行させる。まず、ステップＣでは直流成分の異常判定を行なう。直流成分の大きさが異常検出判定値以下であれば本フローを終了する。ステップＣにおいて直流成分の大きさが異常検出判定値異常であれば、データ入出力装置２５を通じて並列接続された他機に対して協力要請として相互補正モード信号を出力するとともに、他機に対して協力してもらう補助の大きさに関する情報を出力する。検出した直流成分の値が異常検出値に対して大きな値であっても、技術指針に示されている０．５秒以内であればパワーコンディショナの運転継続は可能であるので、直流分流出検出時限である０．５秒以内での直流分補正処理を行なう。０．５秒以内に他機からの協力を得て直流分を補正することが出来れば、パワーコンディショナを停止させずに済む。その後、ステップＤでは再び直流成分の異常判定を行なう。直流成分の大きさが異常検出判定値異常であれば、相互補正により異常状態が解消されたとして相互補正モード信号の出力を停止し、通常通りの運転を継続して本フローを終了する。ステップＤにおいて直流成分の大きさが異常検出判定値異常であれば、相互補正によっても異常状態が解消されなかったので、直流分流出異常であると確定し、出力を停止させ、本フローを終了する。異常パワーコンディショナ（異常ストリング）のみを停止させることにより、残りの他機は運転継続可能である。したがって、全システムを停止させることなく発電電力の供給を継続させることができる。

このようにすることにより、直流分流出によるシステムの停止を生じさせない、もしくは、生じにくくする制御を可能とし、また、一部が復帰不能な異常であっても、全システムを停止させない制御を可能とし、電力を余すことなく逆潮流できる系統連系システムを構築することができる。

図３に図２に示した系統連系システムＳ１の他の実施形態の例を示す。図３の系統連系システムＳ２は、複数台のパワーコンディショナ２の連系接続点に電流検出装置５を追加し、そこから得られる情報をパワーコンディショナ２に入力するものである。

このようにすることにより、系統連系システムＳ２を合計しての電流の状況が判別できるようになり、外部入力情報としての直流分流出量の大きさが分かるので、より精度の高い系統連系システムを構築することができる。

なお、本実施形態では複数台の説明として、２台接続による説明を行なっているが、２台に限らず、それ以上の数でもよい。その場合は、接続台数の情報を入力することにより、相互補正係数を接続台数に対して逆比例させるなどして同様の結果を得ることができるので、本発明の適用が可能である。

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。 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。 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。 本実施形態にかかわる出力電流指令値の決定方法を示すフローチャートである。 本実施形態にかかわる相互補正の判定方法を示すフローチャートである。 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。 直流分流出の様子を説明する概略説明図である。

符号の説明

１、１’：直流電力
２、２’：パワーコンディショナ
３：商用電力系統
４：負荷
５：電流検出装置
６：パワーコンディショナ
２１、２１’：電力変換部
２２、２２’：電流検出器
２３、２３’：直流分検出器
２４、２４’：電流制御手段
２５、２５’：データ入出力装置
Ｊ：系統連系システム
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２：系統連系システム

Claims (3)

1. 直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統及び交流負荷に供給して系統連系する電力変換手段と、前記電力変換手段の出力電流の直流成分を検出する電流の直流成分検出手段と、前記電力変換手段の出力電流の制御を行う電流制御手段とを備えた電力変換装置であって、前記直流成分検出手段が検出した前記電力変換手段の出力電流の直流成分が所定値より大きい場合に前記直流成分が所定値以下になるように前記電力変換手段の出力電流を制御するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. さらに前記電力変換装置の外部から前記電力変換手段の出力電流を制御するためのデータ入力を行うデータ入力手段を備え、前記直流成分検出手段が前記データに基づいて前記電力変換手段の出力電流を制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 直流電源の直流電力を交流電力に変換し、前記交流電力を商用電力系統及び交流負荷に供給して系統連系する電力変換手段と、前記電力変換手段の出力電流の直流成分を検出する電流の直流成分検出手段と、前記電力変換手段の出力電流の制御を行う電流制御手段と、前記電力変換装置の外部から前記電力変換手段の出力電流を制御するためのデータ入力及び前記電力変換装置の出力電流に関するデータを外部にデータ出力を行うデータ入出力手段を有する電力変換装置を複数台備え、前記入出力手段を通じて前記複数の電力変換装置間のデータを入出し、一台の電力変換装置のみでは補正できない直流電流成分を協働で補正、もしくは、互いの直流分を相殺しあうようにして系統連系させることを特徴とする系統連系システム。

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