JP2007097311A - 系統連係装置 - Google Patents

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圭吾 鬼塚
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Abstract

【課題】負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていても、系統の停電を検出し、パワーコンディショナからの電力が系統に供給されることを停止する。
【解決手段】系統連係装置は、直流電力発電手段(1)が発電した直流電力を直流/交流変換器(3)により所定の周波数(50Hzまたは60Hz)の交流電力に変換した後、系統(7)へ供給可能に構成されている。そして、系統の電圧波形がゼロクロス付近で前記直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする毎に前記系統から供給される電流値を検出し、この複数回の電流値の変化に基づいて、系統への連係の可否を判断する制御部(61)を備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、太陽電池などの直流電力発電手段が発電した直流電力をパワーコンディショナのインバータにより、交流電力に変換して交流電源系統に接続可能な系統連係装置に関する。
系統連係装置は、発電した直流電力を交流電力に変換して交流電源系統に接続しているが、系統側が停電することがある。この停電時には、電力会社の配電網から切断されて系統からの電力が流れていない配電線を、保守点検者が点検を行う。このような場合に、パワーコンディショナからの電力が、点検中の配電線に供給されると、保守点検者に危害がおよぶおそれがある。そこで、系統の停電時には、系統連係を切断して、パワーコンディショナからの電力が系統側に供給されないように制御されている。そして、従来、この系統の停電は、過不足電圧保護機能や過不足周波数保護機能で検出している。
特に、なし。
ところで、系統に接続されている直流電力発電手段が少ない場合には、系統側が停電すると、系統側の電圧が速やかに低下したり、また、系統側の周波数サイクルが変化したりして、過不足電圧保護機能や過不足周波数保護機能が作動する。しかしながら、複数の直流電力発電手段が系統に接続されているとともに、負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていると、従来の過不足電圧保護機能や過不足周波数保護機能では、系統の停電を検出することができず、系統の停電時に、パワーコンディショナからの電力が系統に供給され続けるおそれがある。
解決しようとする問題点は、負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていると、系統の停電時に、パワーコンディショナからの電力が系統に供給され続けるおそれがある点である。
本発明の系統連係装置は、直流電力発電手段(1)が発電した直流電力を直流/交流変換器(3)により所定の周波数(50Hzまたは60Hz)の交流電力に変換した後、系統(7)へ供給可能に構成されている。そして、系統の電圧波形がゼロクロス付近で前記直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする毎に前記系統から供給される電流値を検出し、この複数回の電流値の変化に基づいて、系統への連係の可否を判断する制御部(61)を備える。
また、直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間は予め定めた所定期間であることがある。
さらに、直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間は2以上の数サイクル毎の前記ゼロクロス時であることがある。
そして、直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間に複数回電流の瞬時値を検出しそれらの和を前記期間の電流値とすることがある。
また、時系列上で連続する複数回の電流値の移動平均の値の変化が予め定めた閾値以下になった際に、系統への連係を開放するか若しくは前記直流/交流変換器の動作を停止させるかの少なくとも一方を成すことがある。
本発明によれば、系統の電圧波形がゼロクロス付近で前記直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする毎に前記系統から供給される電流値を検出し、この複数回の電流値の変化に基づいて、系統への連係の可否を判断するので、負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていても、系統の停電を検出して、系統連係の切断またはパワーコンディショナの停止の少なくとも一方を行うことができる。
負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていても、系統の停電を検出し、パワーコンディショナからの電力が系統に供給されることを停止するという目的を、インバータは、周期的に変化する電圧の出力サイクルの所定のゼロクロス付近で、ゼロ出力を、ゼロ出力維持期間の間維持し、そして、制御装置は、ゼロ出力維持期間の電流検出手段の検出値の変化に基づいて系統連係の切断またはパワーコンディショナの停止の少なくとも一方を行うことで実現した。
次に、本発明における系統連係装置の一実施例について、図1ないし図6を用いて説明する。図1は本発明における系統連係装置の実施例の回路図である。図2は通常のサイクルにおける波形図で、(a)がパワーコンディショナの出力電圧波形および系統電圧波形の図、(b)がパワーコンディショナの出力電流波形図である。図3は停電検出用のサイクルにおける波形図で、(a)がパワーコンディショナの出力電圧波形および系統電圧波形の図、(b)がパワーコンディショナの出力電流波形図である。図4は動作原理を説明するための概略図である。図5は停電検出用のサイクルを出力する際のフローチャートである。図6は系統連係切断のフローチャートである。なお、図1には、負荷8の図示は省略されている。
図1において、系統連係装置は、従来の系統連係装置と同様にして、直流電力発電手段としての太陽電池1で発電された直流電力を、パワーコンディショナPの昇圧回路2で昇圧し、この昇圧された直流電力をインバータ回路(直流/交流変換器)3でパルス幅変調して交流電力に変換している。この交流電力をローパスフィルター回路4で平滑化し、系統開閉用リレー6を介して交流電源系統である商用電源系統7に接続している。パワーコンディショナPと系統7との間には、図4に図示するように、冷蔵庫やテレビなどの負荷8が接続されている。
昇圧回路2は、系統7の系統電圧よりも大きな電圧に昇圧するものであり、平滑コンデンサ11、チョークコイル12、スイッチ素子13、ダイオード14,15およびコンデンサ16,17を有している。
インバータ回路3は、4個のスイッチング素子21が単相ブリッジ状に接続され、各スイッチング素子21に対応してダイオード22(フライホイールダイオード)が設けられている。そして、昇圧回路2にて昇圧された直流電力を、系統7の交流電力と一致もしくは略一致した位相及び周波数の正弦波形を有する交流電力に変換する。このインバータ回路3から系統7側に2本の配線26,27が延在する。
ローパスフィルター回路4は、インバータ回路3からの各配線26,27に直列に設けられるリアクトル31、および、リアクトル31の系統7側の端部同士を接続するコンデンサ32を具備しており、インバータ回路3にて変換された交流電力からスイッチング素子21のスイッチングによる高周波成分を除去する。
系統開閉用リレー6は、各配線26,27に対応して第1リレー部36および第2リレー部37を具備する。また、ローパスフィルター回路4と系統開閉用リレー6との間には、パワーコンディショナPの交流出力電流および出力電圧を検出する電流計38および電圧計39が設けられている。また、系統7の電圧を検出する電圧計41が設けられている。
また、マイコンなどで構成される制御部である制御装置61が設けられており、系統連係装置の種々の検出値を入力しまた各素子を制御可能に接続されている。特に、本発明に関連する部品としては、制御装置61の出力部にはインバータ回路3および系統開閉用リレー6が、また、制御装置61の入力部には電流計38および電圧計39,41が接続されている。この制御装置61には、タイマーや、種々の設定値やデータを記憶する記憶部が設けられている。
前述のように、パワーコンディショナPの通常のサイクルにおいては、従来のパワーコンディショナPと同様に、昇圧回路2で、交流出力が系統7の系統電圧よりも10V程度大きな電圧になるように昇圧されるとともに、インバータ回路3で、系統7の交流電力と一致または略一致した位相及び周波数の交流電力に変換された電力が出力される。このパワーコンディショナPの出力電圧波形および系統7の電圧波形は電圧計39,41で検出され、図2(a)に図示されている。なお、図示の「パワーコンディショナの出力」は計算値である。また、パワーコンディショナPの出力電流波形は電流計38で検出され、図2(b)に図示されているように、パワーコンディショナPの出力電圧と系統7の電圧との差に略依存して変化している。
そして、この実施例では、系統7の停電を検出するために、所定のサイクル毎(たとえば、5ないし10サイクル毎)に、パワーコンディショナPの出力にはその電圧が0Vとなる、図3に図示するゼロ出力維持期間を有する検出用の期間が設けられている。この検出用の期間においては、図3(a)に図示するように、パワーコンディショナPの出力電圧は、ゼロクロスを起点にして、ゼロ出力維持期間の間、ゼロ出力となっている。それにともなって、系統7の電圧がパワーコンディショナPの出力電圧よりも高くなり、図3(b)に図示するように、系統7からの流れ込み電流が発生する。
ところで、系統が停電した際には、一般的に系統7のインピーダンスが数オーム上昇すると言われている。そして、図4において、パワーコンディショナPの流出入電流iは、次の式、i=(Vx−e)/(Zs+Zl)で表すことができる。
なお、Vxは系統7の電圧、eはパワーコンディショナPのインバータ回路3の出力電圧、Zsは系統7のインピーダンス、ZlはパワーコンディショナPのインピーダンス、また、図4におけるZrは負荷8のインピーダンス、irは負荷8への電流である。
そして、上記式において、Vx,e,Zlが固定だとすれば、流出入電流iは、系統インピーダンスZsで決まる。
したがって、検出用のサイクルのゼロ出力維持期間におけるパワーコンディショナPの流出入電流i(すなわち、系統7からの流れ込み電流)は、系統7が停電しない間は変化がなく、系統7が停電すると、系統7の系統インピーダンスZsが数オーム上昇して、流れ込み電流(絶対値)が小さくなる。この現象を利用して、系統7の停電を検出している。
次に、制御装置61による検出用のサイクルを生成する際のフローを、図5のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ0において、制御装置61は、従来の系統連係装置と同様にして、パワーコンディショナPのインバータ回路3に制御信号を出力して、通常の正弦波のサイクルを、パワーコンディショナPから出力電圧として出力している。そして、ステップ1において、制御装置61は、所定回数の通常のサイクル毎に検出用のサイクルになったと判断し、ステップ2に行く。
そして、ステップ2において、インバータ回路3の出力電圧がゼロクロスしたか否かを判断する。なお、検出用のサイクルの起点でゼロクロスになるため、実際の制御装置61では、検出用のサイクルになったという判断と、ゼロクロスしたという判断とは同時に行われる。
ついで、ステップ3において、制御装置61は、インバータ回路3のスイッチング素子21に、U相、V相50%Duty出力を行い、昇圧回路2のチョッパー電圧の中間点電圧すなわち交流出力の中間電圧であるゼロ出力とする。このゼロ出力の期間は、ゼロクロスを起点にして予め設定されたゼロ出力維持期間(たとえば、電気角で30度程度の期間)行われる。その後、パワーコンディショナPの出力電圧は、通常のサイクルと略同じ出力電圧となる。そして、ステップ1に戻り、通常のサイクルを所定の回数行った後に、検出用のサイクルとなり、ステップ2,3に行くことを繰り返す。
次に、系統7が停電した際における系統開閉用リレー6の切断の際のフローを、図6のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ11において、制御装置61は、ゼロ出力維持期間中に適宜の時間間隔で、電流計38の検出値(すなわち、流れ込み電流の瞬時値)をサンプリングし、この電流値(絶対値)を積算する。ついで、ステップ12において、制御装置61は、この積算値の所定回数分(たとえば、10ないし20回分)を移動平均し、ステップ13に行く。
ステップ13において、制御装置61は、移動平均値の最新のデータと、過去(たとえば、数秒前)のデータとを比較し、ステップ14に行く。
そして、ステップ14において、最新のデータが過去のデータよりも、予め定めた閾値以上減少した場合には、ステップ15に行く。一方、閾値以上減少していない場合には、ステップ11に戻る。
ステップ15において、制御装置61は、系統7の電圧を検出する電圧計41の検出値を適宜サンプリングして記憶しており、ステップ13で比較した過去の移動平均値のデータの入手時期以降、電圧計41の検出値が安定していた(すなわち、系統7の電圧の実効値の変動が予め設定されている設定範囲内)か否かを判定し、安定していた場合にはステップ16に行き、一方、安定していなかった場合にはステップ11に戻る。
そして、ステップ16において、制御装置61は、系統7が停電したと判断して、系統開閉用リレー6の開信号(すなわち、系統連係の切断信号)を出力し、パワーコンディショナPを系統7から切断する。同時にインバータ回路3における変換を停止しても良い。
この様にして、制御装置61は、パワーコンディショナPの出力電圧を、所定サイクル毎に、ゼロ出力維持期間を有する検出用のサイクルとするとともに、そのゼロ出力維持期間中のパワーコンディショナPの出力電流値を電流計38からサンプリングして積算し、この積算値を移動平均し、最新の移動平均値と過去の移動平均値とを比較して、閾値以上減少し、かつ、過去の移動平均値のデータの入手時期以降、系統7の電圧計41の電圧の実効値が安定している際に、系統開閉用リレー6をOFFとしている。したがって、系統7が停電して、系統7の系統インピーダンスZsが減少すると、制御装置61により、系統開閉用リレー6がOFFとなり、系統連係が切断される。前述のように、検出用のサイクルは毎周期ではなく、所定回数の通常のサイクル毎に生じており、パワーコンディショナPの正弦波の波形に極力悪影響を与えないようにしている。また、同様に、ゼロ出力維持期間はゼロクロスの付近で行われており、パワーコンディショナPの正弦波の波形に極力悪影響を与えないようにしている。また、ゼロ出力維持期間中の流れ込み電流の積算値は、系統7の系統インピーダンスZsの変化が無くても、周期的な変動があるので、移動平均化してフィルタをかけることにより、安定かつより確実に、系統7の停電を検知することができる。
そして、制御手段として制御装置は、1)パワーコンディショナのインバータに所定サイクル毎に、ゼロ出力維持期間を具備する検出用のサイクルを出力させる手段、2)系統電圧の実効値が安定しているか否かを判定する手段、および、3)ゼロ出力維持期間の電流検出手段の検出値の変化に基づいて系統連係の切断を行う手段などを具備している。
そして、制御手段は、上記手段以外にも、実行される各工程に対応して各工程を実行する手段を具備している。また、上記手段を全て具備する必要は必ずしもない。
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例を下記に例示する。
(1)ゼロ出力維持期間は、ゼロクロスを起点とする必要は必ずしもなく、ゼロクロス付近であればよい。ただし、ゼロクロスを確認してから、ゼロ出力維持期間とした方が制御が簡単である。
(2)制御手段はマイコンで構成されているが、それ以外の構成でも可能である。
(3)各フローチャートのステップの順序は適宜変更可能である。たとえば、ステップ14はステップ15の後でも可能である。
(4)直流電力発電手段は、太陽電池である必要はなく、たとえば、燃料電池などの他の直流電力発電手段でも可能である。
(5)ゼロ出力維持期間は適宜変更可能であるが、1サイクルの5〜15%の期間が好ましい。
(6)検出用のサイクルは、所定回数の通常のサイクル毎に設けられているが、この所定回数は適宜選択可能であるが、5〜15回が好ましい。
(7)移動平均に用いられる積算値の個数は適宜選択可能であが、10〜20回の移動平均が好ましい。
(8)移動平均値の最新のデータと過去のデータとを比較しているが、過去としては、1〜5秒前が好ましい。
(9)実施例においては、系統7の停電時に、系統連係を切断しているが、系統連係を切断せずにパワーコンディショナPを停止させることも可能である。また、系統連係の切断およびパワーコンディショナPの停止の両者を行うことも可能である。
系統の電圧波形がゼロクロス付近で前記直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする毎に前記系統から供給される電流値を検出し、この複数回の電流値の変化に基づいて、系統への連係の可否を判断するので、負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていても、系統の停電を検出して、系統連係の切断またはパワーコンディショナの停止の少なくとも一方を行うことができる。そのため、太陽電池などの直流電力発電手段が発電した直流電力をパワーコンディショナの直流/交流変換器により、交流電力に変換して交流電源系統に接続可能な系統連係装置に適用することが最適である。
図1は本発明における系統連係装置の実施例の回路図である。 図2は通常のサイクルにおける波形図で、(a)がパワーコンディショナの出力電圧波形および系統電圧波形の図、(b)がパワーコンディショナの出力電流波形図である。 図3は停電検出用のサイクルにおける波形図で、(a)がパワーコンディショナの出力電圧波形および系統電圧波形の図、(b)がパワーコンディショナの出力電流波形図である。 図4は動作原理を説明するための概略図である。 図5は停電検出用のサイクルを出力する際のフローチャートである。 図6は系統連係切断のフローチャートである。
符号の説明
P パワーコンディショナ
1 太陽電池(直流電力発電手段)
3 インバータ回路(直流/交流変換器)
7 系統
38 電流計(電流検出手段)
61 制御装置(制御部)

Claims (5)

  1. 直流電力発電手段が発電した直流電力を直流/交流変換器により所定の周波数の交流電力に変換した後、系統へ供給可能に構成した系統連係装置であって、
    系統の電圧波形がゼロクロスする付近で前記直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする毎に前記系統から供給される電流値を検出し、この複数回の電流値の変化に基づいて、系統への連係の可否を判断する制御部を備えることを特徴とする系統連係装置。
  2. 前記直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間は予め定めた所定期間であることを特徴とする請求項1記載の系統連係装置。
  3. 前記直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間は2以上の数サイクル毎の前記ゼロクロス時であることを特徴とする請求項1または2記載の系統連係装置。
  4. 前記直流/交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間に複数回前電流の瞬時値を検出しそれらの和を前記期間の電流値とすることを特徴とする請求項1,2または3記載の系統連係装置。
  5. 時系列上で連続する複数回の電流値の移動平均の値の変化が予め定めた閾値以下になった際に、系統への連係を開放するか若しくは前記直流/交流変換器の動作を停止させるかの少なくとも一方を成すことを特徴とする請求項1,2,3または4記載の系統連係装置。
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