JP2007295653A - 分散電源の単独運転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ等による誤動作を防止して電源系統へ悪影響を及ぼすことなく、安定に分散電源装置の単独運転検出する。
【解決手段】直流電源の発電電力を交流電圧に変換するインバータ（２）からなる分散電源を系統連系スイッチを介して系統電源と連系させ、系統解列によるインバータ（２）の単独運転を出力周波数変動により検出する能動方式の単独運転検出装置において、インバータ出力電圧の検出値をニ値化してその出力に位相を同期させる位相同期回路（６）と、バイアス信号発生回路（１６）と、単独運転検出設定器（１７）と、位相同期回路の電圧制御発振器の入力電圧に一定値のバイアス信号を増加または減少させる加算器（１２）を備え、系統連係時は同電圧制御発信器（１３）の入力にバイアスを与えた状態で位相同期回路を構成し、位相比較回路出力値の出力値が所定値以下になった時に単独運転状態であると判断する電圧比較器（１８）を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分散電源の単独運転検出装置に関し、詳しくは、太陽電池や燃料電池などの直流電源発生装置、及びインバータからなる装置を系統連系させた分散電源装置の単独運転検出装置に関する。

従来の技術は、例えば、インバータの出力電流位相を所定時間ごとにシフトする方式（特許文献１、２）であり、系統解列時に出力電圧の周波数、もしくは位相がシフト量に応じて変動することを検出して、単独運転検出としている。特許文献１を用いて従来例を説明する。タイマが例えば数秒ごとにカウントアップすると出力周波数が大きくなる。結果として、出力電流の周波数が増加し、位相の進みが速くなる。しかし、系統のインピーダンスは非常に小さいため、電圧の位相は変化しない。その結果、図４に示すように、出力電流と出力電圧間に位相のずれが発生すが、出力電圧の周期であるT1,T2は変化しない。一方、系統解列時は出力電圧は自己出力になるので、出力電圧と出力電流間の位相差がなくなり、結果としてT1とT2に差が出る。この差を検出して、系統解列を検出する。また特許文献２もPLLを用いて検出した系統電圧の周波数に位相変動周波数を加えて出力し、結果としての系統電圧の周波数変動を検出し、前述の例と同様に、変化がなければ系統接続状態、変動周波数と同様に変化したら、解列状態と判定する。
このように、従来の分散電源装置の単独運転検出装置は、インバータ出力周波数、または位相を変化させ、系統電圧の周波数または位相の変化を検出するものである。
特許第３１２７２５０号（第4頁、図２参照） 特許第３２３５７６８号

従来の分散電源用単独運転検出装置は、上述のようにインバータ出力電流の位相、または周波数を変化させる方式であるため、系統に接続されている場合は電圧位相はほとんど影響を受けないものの、分散電源装置から出力される電流の位相、または周波数が実際に変化する。このため、同装置の力率低下の要因になっており、また、それらの電流変動により、負荷に影響を与えることが懸念された。そのために、同位相の変動も非常に小さくせざるを得ず、単独運転の誤動作も生じやすかった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ノイズ等による誤動作を防止して電源系統へ悪影響を及ぼすことなく、安定に分散電源装置の単独運転検出することにある。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
出力電圧に同期させた周波数を発生する位相同期回路を設け、同位相同期回路の電圧制御発振器（VCO)の入力として、位相比較器出力だけでなく、所定値のバイアスを加算する。しかし系統接続状態の時は系統の電圧位相は変動しないため、同位相同期回路の出力、すなわちVCOの発振周波数も系統電圧に一致したままである。
この位相同期回路の出力を用いて、インバータの出力電流を発生させる。
今、VCOの入力に所定の電圧を加算しているため、必然的に位相同期回路の出力が同加算電圧をキャンセルする電圧を発生する。この状態において、系統解列が発生した場合、系統電圧周波数はインバータ出力電流と同じとなるため、位相比較器の出力はほぼ零となる。よって位相比較器出力（絶対値）が所定値以下になった時、系統解列と判断する。
前記VCOへのバイアス値を一定値加算、もしくは減算ではなく、それらを交互に一定周期（ステップ状、または正弦波状）、もしくはランダムに変化させる。これにより、例えば、非常にまれではあるが、同じ系統に他の分散電源装置が接続され、それが、上記バイアスと逆方向にバイアスされていた場合に、出力電圧変動が吊り合って、まったく変動しないことを防止する。
請求項１に記載の発明は、直流電源の発電電力を交流電圧に変換するインバータからなる分散電源を系統連系スイッチを介して系統電源と連系させ、系統解列によるインバータの単独運転を出力周波数変動により検出する能動方式の単独運転検出装置において、
前記インバータ出力電圧の検出値をニ値化してその出力に位相同期回路を同期させる位相同期回路と、バイアス信号発生回路と、単独運転検出設定器と、前記位相同期回路の電圧制御発振器の入力電圧に一定値のバイアス信号を増加または減少させる加算器を備え、系統連係時は同電圧制御発信器の入力にバイアスを与えた状態で位相同期回路を構成し、位相比較回路出力値の出力値が所定値以下になった時に単独運転状態であると判断する電圧比較器を備えたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は請求項1において、前記位相同期回路は、前記インバータ出力電圧の検出値を波形成形する波形成形器と、位相比較器と、位相比較器出力信号を入力するローパスフィルタと、ローパスフィルタ出力を増幅する増幅器と、電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器出力を入力するダウンカウンタとを備えたことを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は請求項２において、系統の電圧波形と周波数、位相がほぼ一致した波形を前記ダウンカウンタで発生させインバータへその位相と周波数を出力する位相、周波数検出回路を備えたことを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は請求項１において、前記バイアス信号発生回路はバイアス信号を一定周期、もしくはランダムに変化させることを特徴とするものである。

本発明によれば分散電源装置の単独運転検出がノイズ等による誤動作を防止して安定して検出でき、また系統に正常に接続されている場合は、インバータからの出力電流の位相、周波数はほとんど変化しないため、系統への影響を最小限に押さえることができる。また、同一系統に他の分散電源装置が接続されている場合も、その検出確率を非常に高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の分散電源の単独運転検出回路の構成図である。また図２は本発明を適用する分散電源装置と分散電源源、及び系統との接続関係を説明する構成図である。まず図２を説明する。図２において、１は分散電源出力、つまり分散電源装置のインバータの入力である。２は系統に単相または三相の出力電流を発生させるインバータである。３はインバータ２の出力を系統に接続するスイッチであり、単独運転を検出した場合は開放し、系統からインバータ２を切り離す機能を有する。４は負荷であり、例えば家庭用の家電機器など、系統解列状態でも分散電源装置の負荷として接続されているものである。他の分散電源装置である場合も想定する。５は系統が正常接続されている場合の電圧を示している。６は系統電圧に同期した内部信号を作成する同期検出回路である。７は単独運転検出回路であり、前記同期検出回路６の信号を利用して単独運転状態を検出する。

図１は、図２中の同期検出回路６、と単独運転検出回路７の詳細ブロック図である。図において６は同期検出回路、７は単独運転検出回路、８は系統電圧、すなわちインバータ出力電圧を検出して、位相同期回路（一般的にPLLと称している）へ入力するために、同電圧をデジタル値に波形成形する波形成形回路、９は位相比較器、１０はローパスフィルタ、１１は増幅器、１２は加算器、１３は電圧制御発振器（ＶＣＯ）、１４はダウンカウンタ、１５は位相・周波数検出回路、１６はバイアス発生回路、１７は、単独運転検出レベル設定器、１８は電圧比較器である。
まず同期検出回路６について説明する。位相比較器９は波形成形回路８の出力とダウンカウンタ１４の出力を位相比較する。ローパスフィルタ１０は位相比較器９の出力にLPFを通し、位相同期回路の電圧制御発信器（通常VCOと称している）へ入力可能な信号とする。増幅器１１はローパスフィルタ１０の出力を増幅するものである。加算器１２は本発明にかかる重要な部分で増幅器１１の出力を電圧制御発振器１３のVCOに与える前に、バイアス値を加算するものである。位相・周波数検出回路１５はダウンカウンタ１４の出力から周波数と位相を取り出し、インバータの出力電流の制御に利用する。インバータの出力電流の周波数と位相は位相・周波数検出回路１５の出力により決定される。

次に単独運転検出回路７の内部を説明する。バイアス発生回路１６は電圧制御発振器１３の入力電圧にバイアス値を与える。単独運転検出レベルの設定器１７は電圧比較器１８の単独運転検出回路の基準信号とする。基準信号Ｖｂ２と増幅器１１の出力信号の絶対値を比較して、増幅器１１の出力信号が基準信号Ｖｂ２より小さい時に単独運転状態と認定し単独運転検出信号をインバータ装置または分散電源装置の表示部へ出力する。インバータ装置または分散電源装置は、この単独運転検出信号を受け取ると安全のため直ち系統連系スイッチ３を開放して分散電源を電源系統から切り離す。

図３は、系統に正常接続（Ｔ１）されている時から単独運転状態が発生（Ｔ２）しそれを検出（Ｔ４）するまでについて、位相同期検出回路の動作と単独運転検出動作のタイミングチャートである。図において、（Ａ）はインバータ２の出力電圧波形、（Ｂ）は波形成形回路８の出力波形、（Ｃ）はダウンカウンタ１４の出力波形、（Ｄ）は増幅器１１の出力信号波形である。図３使って図１、２の実施例動作を説明する。
今、系統が正常に接続された状態（Ｔ１）とすると出力電圧波形は系統の電圧そのものである。系統のインーピーダンスは非常に小さいため、インバータ出力電流がどのような状態であっても、あまり影響を受けないと想定される。この電圧に同期検出回路６の位相同期回路（８から１４の回路によるもの）が同期し、図３に示すダウンカウンタ(14)の出力を得る。この出力と出力電圧を波形成形した信号間には図に示すΔθが発生する。その理由は１６のバイアス信号Vb1により電圧制御発信器１３の入力電圧が高くなるため、同VCO周波数が高くなろうとする。しかし、系統電圧の周波数は変化しないため、位相比較器９の出力はVCOの周波数を下げて系統の周波数と一致させるような電圧を発生する。この電圧の発生源としてΔθが発生する。（１３のVCOは例えば入力電圧が零の時、系統周波数に一致するような中心周波数を持っていることが必要である。但し、もしこの値が異なる場合には系統周波数と一致するVCOの入力電圧を予め調査しておくことにより、その値を基準として考えれば、同様の操作が可能であるため、以下の説明はVCO入力電圧零の時に系統周波数に一致すると想定する。）前記Δθは図ではやや大きいが９の位相比較器を１０のローパスフィルタLPFを経由したのち、１１の増幅器を通すため、実際のΔθは非常に小さくできる。よって、系統の電圧波形と周波数、位相がほぼ一致した波形をダウンカウンタ１４で発生させることができ、位相、周波数検出回路１５により、インバータへその位相θと周波数ｆを出力し、インバータ電流を制御する。

今、Ｔ２で電力系統５の異常により分散電源１、インバータ２が単独運転状態に陥った場合、系統電圧の周波数はインバータ出力電流によって決定されるため、図３に示すように、除々に周波数が変化し、位相が一致する。（この変化速度はＶＣＯの入力電圧のレベル、ＬＰＦ特性等によって異なるが、ここでは発明の主旨に関係ないため触れない）よって、図３（Ｄ）に示すように、増幅器１１の出力信号Ｖａを関し監視し、出力信号Ｖａの絶対値が単独運転検出設定部１７に示す設定値Ｖｂ２以下になった場合（Ｔ４）に単独運転状態と判断することができる。

また請求項２の発明は、バイアス発生回路１６の出力電圧を、周期的、もしくはランダムに、また電圧レベルもステップ状、もしくはアナログ状に変化させることにより、例えば、系統に他の分散電源装置が接続されていて、その装置が本発明にかかる装置と反対側に周波数を移動させる機能があり、本装置と吊り合って系統解列を検出できないような危惧がある場合に、確実に出力周波数を変化させることが可能となる。

本発明により、系統に与える出力電流の変動を最小限に押さえつつ、系統解列時に分散電源装置の単独運転を高信頼性で検出することが可能となり、安全な分散電源システムを構築できる。

本発明の第１実施例を示す分散電源装置の単独運転検出回路ブロック図 本発明の分散電源装置の系統との接続を示すブロック図 第１実施例を示すタイミングチャート図 従来の分散電源装置の単独運転検出回路実施例

符号の説明

１ 分散電源
２ インバータ
３ スイッチ
４ 負荷
５ 系統電圧
６ 同期検出回路
７ 単独運転検出回路
８ 波形成形回路
９ 位相比較器
１０ ＬＰＦ
１１ 増幅器
１２ 加算器
１３ 電圧制御発振器
１４ ダウンカウンタ
１５ 位相、周波数検出回路
１６ バイアス回路、
１７ 単独運転検出設定部
１８ 電圧比較器

Claims (4)

1. 直流電源の発電電力を交流電圧に変換するインバータからなる分散電源を系統連系スイッチを介して系統電源と連系させ、系統解列によるインバータの単独運転を出力周波数変動により検出する能動方式の単独運転検出装置において、
   前記インバータ出力電圧の検出値をニ値化してその出力に位相を同期させる位相同期回路と、バイアス信号発生回路と、単独運転検出設定器と、前記位相同期回路の電圧制御発振器の入力電圧に一定値のバイアス信号を増加または減少させる加算器を備え、系統連係時は同電圧制御発信器の入力にバイアスを与えた状態で位相同期回路を構成し、位相比較回路出力値の出力値が所定値以下になった時に単独運転状態であると判断する電圧比較器を備えたことを特徴とする分散電源の単独運転検出装置。
2. 前記位相同期回路は、前記インバータ出力電圧の検出値を波形成形する波形成形器と、位相比較器と、位相比較器出力信号を入力するローパスフィルタと、ローパスフィルタ出力を増幅する増幅器と、電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器出力を入力するダウンカウンタとを備えたことを特徴とする請求項１記載の分散電源の単独運転検出装置。
3. 系統の電圧波形と周波数、位相がほぼ一致した波形を前記ダウンカウンタで発生させインバータへその位相と周波数を出力する位相、周波数検出回路を備えたことを特徴とする請求項２記載の分散電源の単独運転検出装置。
4. 前記バイアス信号発生回路はバイアス信号を一定周期、もしくはランダムに変化させることを特徴とする請求項１記載の分散電源の単独運転検出装置。

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