JP2007330031A - 系統連系インバータ、及びその逆電力検出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】内部回路を簡素化し、逆電力状態の有無を短時間かつ高い精度で判断する。
【解決手段】系統連系インバータ４を、発電機２で生成された発電電力を所定の直流電力に変換して整流する整流回路４１と、整流された発電電力を商用系統３と同一の所定の周波数に変換するインバータ回路４２と、周波数変換された発電電力の波形を整えるフィルタ回路４３と、商用系統３と発電システム１との接続を開閉自在な継電器４４と、昇圧回路４１、インバータ回路４２、フィルタ回路４３及び継電器４４等の諸動作を制御する制御部４５とから構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電系統からの発電電力を商用系統からの商用電力と連系させて負荷に供給する際、特に商用系統に対する逆電力状態の有無を判断する系統連系インバータ、及び逆電力検出プログラムに関する。

従来、逆潮流を判断しながら商用系統と連系運転する系統連系インバータとしては、特許文献１、２に記載されたものが知られている。特許文献１のものは、負荷に供給される交流電流の実効値と負荷に印可される交流電圧の実効値と力率を乗算して求めた負荷供給電力と、発電装置の出力側の交流電流の実効値と交流電圧実効値と力率を乗算して求めた発電電力を比較して逆潮流しているかを判断するよう構成されている。また特許文献２のものは、負荷に印加される交流電圧の瞬時値と商用電力系統から供給される交流電流の瞬時値を乗算し、この乗算して算出した値を交流電圧１周期に亘って積算することで商用電力系統の有効電力を求め、その値に基づいて逆潮流しているかを判断するように構成されている。

特開２００１−２６８７９９号公報 特開２００４−２７９３２１号公報

しかし、特許文献１では、電圧と電流の実効値及び力率を求めなければならないため、検出回路等が複雑になり、力率測定の困難さから精度が出にくい上に、演算の度に最低でも交流電圧１周期分の時間が必要となるため、逆潮流の有無の判断時間が長く掛かる点で問題があった。また、特許文献２でも、商用電力系統の有効電力を求める毎に、交流電圧１周期分の期間が必要になるため、同様に逆潮流を判断する時間が長く掛かる点で問題があった。

したがって、本発明では上記課題を鑑み、検出回路等の内部回路を簡素化でき、電力の逆潮流の有無、すなわち逆電力状態の有無を、短時間かつ高い精度で判断できる系統連系インバータ、及び逆電力検出プログラムの提供を課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る系統連系インバータは、商用系統の商用電力を供給する単相３線線路に接続された負荷に、商用系統と連係して発電系統の発電電力を供給する系統連系インバータであって、単相３線線路における中性線路と他の２本の電圧線路との間に生ずるそれぞれの線路間電圧を検出する線路間電圧検出手段と、他の２本の電圧線路に流れるそれぞれの線路電流を検出する線路電流検出手段と、検出した線路間電圧および線路電流に基づき、線路間電圧または線路電流の少なくとも一方の波形に対する一周期を複数分割して規定された所定時間毎に、負荷に供給される供給電力を計算する供給電力計算手段と、計算された供給電力の値と予め設定した基準電力の値との大小を比較して、その比較結果に基づき、逆電力状態が発生しているか否かを判断する発生判断手段と、を備えてなるように構成される。

請求項２の発明に係る系統連系インバータは、発生判断手段による判断結果に基づき、発電電力の供給を停止する停止手段を備えてなるように構成される。

請求項３の発明に係る系統連系インバータは、発生判断手段による逆電力状態が発生しているとの判断結果に基づき、その発生後の経過時間を計時する計時手段と、計時された経過時間と予め設定した基準時間との長短を比較して、その比較結果に基づき、停止手段によって発電電力の供給を停止させるか否かを判断する停止判断手段と、を備えてなるように構成される。

請求項４の発明に係る系統連系インバータの逆電力検出プログラムは、単相３線線路における中性線路と他の２本の電圧線路との間に生ずるそれぞれの線路間電圧を検出する線路間電圧検出手段と、他の２本の電圧線路に流れるそれぞれの線路電流を検出する線路電流検出手段と、検出した線路間電圧および線路電流に基づき、線路間電圧または線路電流の少なくとも一方の波形に対する一周期を複数分割して規定された所定時間毎に、負荷に供給される供給電力を計算する供給電力計算手段と、計算された供給電力の値と予め設定した基準電力の値との大小を比較して、その比較結果に基づき、逆電力状態が発生しているか否かを判断する発生判断手段と、を備えてなる系統連系インバータにおいて、商用系統の商用電力を供給する単相３線線路に接続された負荷に、商用系統と連係して発電系統の発電電力を供給する系統連系インバータの逆電力検出プログラムであって、線路間電圧検出手段によって、単相３線線路における中性線路と他の２本の電圧線路との間に生ずるそれぞれの線路間電圧を検出する第１ステップと、線路電流検出手段によって、他の２本の電圧線路に流れるそれぞれの線路電流を検出するステップと、検出した線路間電圧および線路電流に基づき、供給電力計算手段によって、線路間電圧または線路電流の少なくとも一方の波形に対する一周期を複数分割して規定された所定時間毎に、負荷に供給される供給電力を計算する第２ステップと、発生判断手段によって、計算された供給電力の値と予め設定した基準電力の値との大小を比較する第３ステップと、同発生判断手段によって、比較手段による比較結果に基づき、逆電力状態の発生の有無を判断する第４ステップと、を有してなり、コンピュータに第１〜第４ステップを実行させるように構成される。

請求項１、３、４の発明によれば、供給電圧波形または電流波形の一周期よりも短く予め設定した処理時間毎に逆電力状態の有無を判断するので、逆電力の検出を簡単な回路構成で正確かつ迅速に行うことができる。

請求項２の発明によれば、発生判断手段による正確な判断結果に基づいて停止手段を動作させることができ、停止手段による停止動作の妥当性を高め、無駄な停止動作を省くことができる。

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、本発明に係る系統連系インバータの一実施形態を示す発電システムの回路構成図である。本発電システム１は、発電系統としての直流発電電力を生成する発電機２と、発電機２の発電電力を商用系統３の商用電力に連系させて負荷５１，５２に供給する系統連系インバータ４とから構成されている。系統連系インバータ４は、発電機２で生成された発電電力を単相三線１００Ｖ／２００Ｖに変換して商用系統３の単相三線線路に出力する出力端子Ｎ，Ｒ，Ｔを備えている。出力端子Ｎは商用系統３の単相三線線路のうちＮ相の中性線１０に、出力端子Ｒは同Ｒ相の１００Ｖ線１１に、及び出力端子Ｔは同Ｔ相の１００Ｖ線１２にそれぞれ接続されている。

系統連系インバータ４は、発電機２で生成された直流発電電力の電圧を所定の電圧に昇圧する昇圧回路４１と、ゲート端子に入力される出力電流制御信号に基づきＯＮ／ＯＦＦ動作する４つのスイッチング素子３９によって、昇圧された直流発電電力を商用系統３の商用電力と同一周波数の交流発電電力に変換するインバータ回路４２と、周波数変換された発電電力の波形を整えるフィルタ回路４３と、発電機２と商用系統３との接続を開閉自在に構成され発電電力の供給を停止制御可能な停止手段としての継電器４４と、整流回路４１、インバータ回路４２、フィルタ回路４３及び継電器４４等の諸動作を制御する制御部４５とから構成されている。継電器４４の出力端は、出力端子Ｒ，Ｔに接続されている。

さらに、継電器４４と出力端子Ｒ，Ｎ，Ｔとの間には、出力端子ＲＮ間の電圧、すなわち線路間電圧Ｖ_RNを検出する第１の線路間電圧検出手段としてのＶ_RN検出部６１、及び出力端子ＮＴ間の電圧、すなわち線路間電圧Ｖ_NTを検出する第２の線路間電圧手段としてのＶ_NT検出部６２が設けられている。またＲ相の１００Ｖ線１１には、商用系統３から負荷５１に流れる電流として、線路電流Ｉ_Rを検出する第１の線路電流検出手段としてのＩ_R検出部７１が設けられている。またＴ相の１００Ｖ線１２には、商用系統３から負荷５２に流れる電流として、線路電流Ｉ_Tを検出する第２の線路電流検出手段としてのＩ_T検出部７２が設けられている。

制御部４５は、線路間電圧Ｖ_RN，Ｖ_NTと、線路電流Ｉ_R，Ｉ_Tとを、入力電圧範囲が収まるようにそれぞれの信号レベルを調整して複数の入力チャネルから入力しＡＤ変換する、いわゆるＡＤコンバータと、ＡＤコンバータで変換された線路間電圧及び線路電流の変換データに基づき線路間電圧または線路電流の少なくとも一方の波形に対する一周期を複数分割して規定された所定時間毎に負荷５１，５２に商用系統から供給される供給電力を計算する供給電力計算手段と、計算された供給電力と予め設定した基準電力との大小を比較する比較手段を含みその比較結果に基づいて電力の逆電力状態が発生しているか否かを判断する発生判断手段と、ＡＤコンバータの変換データ、供給電力計算手段の計算結果データ及び比較手段の比較結果データ等を予め確保したデータ領域に読出書込自在に格納するメモリと、制御部４５内の諸動作を協働させる協働手段とを備えている。

次に、図２によって、上記系統連系インバータ４による逆電力検出処理を説明する。
上述のように、系統連系インバータ４は、出力端子Ｒ，Ｎ，Ｔから単相三線１００Ｖ／２００Ｖを出力する。この時、制御部４５では、逆電力検出プログラムが実行され、図２に示す逆電力検出処理Ｓ１が行われる。この逆電力検出処理Ｓ１の処理回数は、制御部４５の処理回数カウンタによって計数される。

逆電力検出処理Ｓ１では、先ず、電圧Ｖ_RN，Ｖ_NTと電流Ｉ_R，Ｉ_Tとを、ＡＤコンバータの対応する各チャネルを介して取り込み、所定時間毎に各チャネル同時にＡＤ変換が行われる。このＡＤ変換等の時間間隔は、予め規定された規定データ数ｎ（整数）に合わせて、電圧波形の一周期をｎ分割することによって設定される。そして、電圧Ｖ_RN，Ｖ_NTと電流Ｉ_R，Ｉ_TのＡＤ変換値が読み込まれる（Ｓ１−１〜Ｓ１−４、第１及び第２ステップ）。これらのＡＤ変換値は、メモリ上の所定のデータ領域に格納される。次に、供給電力計算手段によって、読み込まれたＡＤ変換値に基づき、Ｖ_RN×Ｉ_Rの乗算が行われる。この乗算結果データは、メモリの先頭アドレスに処理回数カウンタの値ｉ（整数）を加算した番地で示されるデータ領域に、所定のデータ形式で格納される（Ｓ１−５）。

続けて、供給電力計算手段によって、データ領域に格納された乗算結果データが積算される。積算対象となる乗算結果データは、規定データ数ｎを基準として、メモリのデータ領域から読み出されて使用される。すなわち、１≦ｉ＜ｎの場合、先頭アドレス＋１〜＋ｉのデータ領域に確保されたｉ個の乗算結果データが使用され、ｉ≧ｎの場合、先頭アドレス＋１＋ｉ−ｎ〜＋ｉのデータ領域に確保されたｎ個の乗算結果データが使用され積算される。規定データ数ｎは、電圧波形一周期の時間と、ＡＤ変換及び逆電力検出処理Ｓ１が行われる時間間隔とで決定される。仮に電圧周波数が５０Ｈｚの場合、一周期の時間は２０ｍｓとなり、ＡＤ変換等の時間間隔を１ｍｓとすると、規定データ数ｎは２０となる。さらに、積算結果を規定データ数ｎで割り（Ｓ１−６）、Ｒ相側の電力値Ｐ_Rを算出する。同様に電圧Ｖ_NT，電流Ｉ_Tについても同様の演算処理を行い、Ｔ相側の電力値Ｐ_Tを算出する（Ｓ１−７，８）。

それぞれに得られた電力値Ｐ_R、Ｐ_Tを加算することで、商用系統３から供給される総電力Ｐ_RTを得る。この総電力Ｐ_RTを所定のデータ領域に格納する（Ｓ１−９）。さらに、次のデータ保管のために処理回数カウンタの値ｉを＋１する。

例えば、ｎ＝２０の場合、処理開始後、処理回数カウンタの値ｉが１から２０になるまでのＡ期間、及びそれ以降のＢ期間における処理回数カウンタの値ｉが任意回数の時、Ｎ相の電力Ｐ_Rは下記のように算出される。

１≦ｉ＜２０（Ａ期間）の場合
ｉ＝１の時 Ｐ_R（１）＝Ｖ_RN（１）×Ｉ_R（１）／２０
ｉ＝２の時 Ｐ_R（２）＝Ｖ_RN（２）×Ｉ_R（２）／２０＋Ｐ_R（１）
ｉ＝３の時 Ｐ_R（３）＝Ｖ_RN（３）×Ｉ_R（３）／２０＋Ｐ_R（１）＋Ｐ_R（２）
・
・
・
＝１９の時 Ｐ_R（１９）＝Ｖ_RN（１９）×Ｉ_R（１９）／２０
＋Ｐ_R（１）〜Ｐ_R（１８）の和
ｉ≧２０（Ｂ期間）の場合
ｉ＝２０の時 Ｐ_R（２０）＝Ｖ_RN（２０）×Ｉ_R（２０）／２０
＋Ｐ_R（１）〜Ｐ_R（１９）の和
ｉ＝２１の時 Ｐ_R（２１）＝Ｖ_RN（２１）×Ｉ_R（２１）／２０
＋Ｐ_R（２）〜Ｐ_R（２０）の和
ｉ＝２２の時 Ｐ_R（２２）＝Ｖ_RN（２２）×Ｉ_R（２２）／２０
＋Ｐ_R（３）〜Ｐ_R（２１）の和
・
・
・
ｉ＝任意回数の時 Ｐ_R（ｉ） ＝Ｖ_RN（ｉ）×Ｉ_R（ｉ）／２０
＋Ｐ_R（ｉ−（２０−１））〜Ｐ_R（ｉ−１）の和

したがって、Ｂ期間における総電力Ｐ_RTは、Ｐ_RT（ｉ）＝Ｐ_R（ｉ）＋Ｐ_T（ｉ）となり、下記の式１に示す一般式により求めることができる。
（式１）

ここで、ｎ，ｉは、ｎ≧２、ｉ≧ｎを満たす整数である。

系統連系インバータ４が始動を開始してから電圧の最初の一周期を経るまでのＡ期間において、商用系統３から供給される総電力Ｐ_RTは実際の総電力よりも小さい。しかしながら、その後のＢ期間において、総電力Ｐ_RTは実際の値に等しくなるように計算され、ＡＤ変換他による検出処理が行われる毎に更新される。そして、比較手段によって、総電力Ｐ_RTの値と予め設定した基準電力の値とが比較され（Ｓ１−１０、第３ステップ）、この比較結果に基づき、発生判断手段によって逆電力状態の有無が判断される（Ｓ１−１１、第４ステップ）。例えば基準電力の値を０に設定した場合には、この比較結果が負の値を示した時、電力の潮流方向が系統連系インバータ４から商用系統へ流れ込む方向になり、逆潮流状態、すなわち逆電力状態が生じていることになる。

上記構成の系統連系インバータによれば、電圧一周期の時間よりも短い時間間隔で検出処理を行い処理毎に逆電力状態の有無を判断するので、逆電力状態の検出を正確かつ迅速に行うことができる。

次に、図３は、本発明に係る系統連系インバータによる逆電力保護処理を示すフローチャートである。この系統連系インバータ４０は、系統連系インバータ４の制御部４５に加え、さらに発生判断手段による逆電力状態が発生しているとの判断結果に基づき、発生後の経過時間を計時する計時手段と、計時された経過時間と予め設定した基準時間との長短を比較して、その比較結果に基づき、停止手段によって発電電力の供給を停止させるか否かを判断する停止判断手段と、を備えて構成されている。また、継電器４４は、逆電力状態が生じた場合、発生判断手段から出力された制御信号に基づき、停止判断手段が発電電力の供給を停止すると判断した時には、発電機２と商用系統３との接続を遮断して発電電力の供給を停止するように制御部によって遮断動作可能に構成されている。また、継電器４４は、逆電力状態が無くなった場合、発生判断手段から出力された制御信号に基づき、両者の接続を復帰させて供給を始動するように、制御部によって復帰動作するように構成されている。

系統連系インバータ４０では、逆電力検出処理Ｓ１と同様の処理Ｓ２−１〜Ｓ２−２の結果、発生判断手段によって逆電力状態が生じていると判断された場合、計時手段によって逆電力状態の発生後の経過時間が計時される（Ｓ２−３）。そして、停止判断手段において、予め設定した基準時間である４００ｍｓと計時手段で計時された経過時間との長短が比較され、計時時間が４００ｍｓ以上である場合、継電器４４によって発電電力の供給を停止するように判断される（Ｓ２−４）。この場合には、制御部４５は、継電器４４が逆電力保護動作するように制御信号を出力し、系統連系インバータ４０による発電電力の供給を停止して、商用系統３から解列する（Ｓ２−５）。尚、４００ｍｓという基準時間は、連系要件に示された検出時限０．５秒を満足するように設定されたものである。

この系統連系インバータ４０によれば、発生判断手段による正確な判断結果に基づき接続を継電器４４によって遮断復帰自在とするので、逆電力状態の発生時の解列条件に対してその範囲内で確実に継電器４４を動作させ、系統連系インバータ４０を含むシステム全体を逆電力から保護することが可能となる。さらに負荷変動等の変動条件に合わせて停止判断手段の基準時間を適正に設定できるので、継電器４４による無駄な停止動作を効率良く省くことができる。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下列挙するように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状並びに構成を適宜に変更して実施することも可能である。
（１）発電系統は、直流発電電力を生成するものであれば良く、例えば燃料電池、太陽電池や、交流発電電力を直流発電電力に変換する手段を備えた交流発電機でも良い。
（２）規定データ数は、２０個に限らず、他の個数でも良い。
（３）規定データ数は、線路電流の波形の一周期を複数分割して設定しても良い。
（４）比較手段は、基準電力の値を０とする場合に限らず、他の値を基準に比較しても良い。

本発明に係る系統連系インバータの一実施形態を示す発電システムの回路構成図である。 図１の系統連系インバータによる逆電力検出処理を示すフローチャートである。 図１の系統連系インバータによる逆電力保護処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・発電機システム、２・・発電系統としての発電機、３・・商用系統、４，４０・・系統連系インバータ、１０・・中性線、１１，１２・・電圧線としての１００Ｖ線、３９・・スイッチング素子、４１・・整流回路、４２・・インバータ回路、４３・・フィルタ回路、４４・・停止手段としての継電器、４５・・制御部、５１，５２・・負荷、６１・・第１の線路間電圧検出手段としてのＶ_RN検出部、６２・・第２の線路間電圧手段としてのＶ_NT検出部、７１・・第１の線路電流検出手段としてのＩ_R検出部、７２・・第２の線路電流検出手段としてのＩ_T検出部、Ｎ，Ｒ，Ｔ・・出力端子、Ｓ１・・逆電力検出処理、Ｓ２・・逆電力保護処理。

Claims (4)

1. 商用系統の商用電力を供給する単相３線線路に接続された負荷に、商用系統と連係して発電系統の発電電力を供給する系統連系インバータであって、
   単相３線線路における中性線路と他の２本の電圧線路との間に生ずるそれぞれの線路間電圧を検出する線路間電圧検出手段と、
   他の２本の電圧線路に流れるそれぞれの線路電流を検出する線路電流検出手段と、
   検出した線路間電圧および線路電流に基づき、線路間電圧または線路電流の少なくとも一方の波形に対する一周期を複数分割して規定された所定時間毎に、負荷に供給される供給電力を計算する供給電力計算手段と、
   計算された供給電力の値と予め設定した基準電力の値との大小を比較して、その比較結果に基づき、逆電力状態が発生しているか否かを判断する発生判断手段と、
   を備えてなる、
   ことを特徴とする系統連系インバータ。
2. 発生判断手段による判断結果に基づき、発電電力の供給を停止する停止手段を備えてなる、
   請求項１に記載の系統連系インバータ。
3. 発生判断手段による逆電力状態が発生しているとの判断結果に基づき、その発生後の経過時間を計時する計時手段と、
   計時された経過時間と予め設定した基準時間との長短を比較して、その比較結果に基づき、停止手段によって発電電力の供給を停止させるか否かを判断する停止判断手段と、
   を備えてなる、
   請求項２に記載の系統連系インバータ。
4. 単相３線線路における中性線路と他の２本の電圧線路との間に生ずるそれぞれの線路間電圧を検出する線路間電圧検出手段と、他の２本の電圧線路に流れるそれぞれの線路電流を検出する線路電流検出手段と、検出した線路間電圧および線路電流に基づき、線路間電圧または線路電流の少なくとも一方の波形に対する一周期を複数分割して規定された所定時間毎に、負荷に供給される供給電力を計算する供給電力計算手段と、計算された供給電力の値と予め設定した基準電力の値との大小を比較して、その比較結果に基づき、逆電力状態が発生しているか否かを判断する発生判断手段と、を備えてなる系統連系インバータにおいて、
   商用系統の商用電力を供給する単相３線線路に接続された負荷に、商用系統と連係して発電系統の発電電力を供給する系統連系インバータの逆電力検出プログラムであって、
   線路間電圧検出手段によって、単相３線線路における中性線路と他の２本の電圧線路との間に生ずるそれぞれの線路間電圧を検出する第１ステップと、
   線路電流検出手段によって、他の２本の電圧線路に流れるそれぞれの線路電流を検出するステップと、
   検出した線路間電圧および線路電流に基づき、供給電力計算手段によって、線路間電圧または線路電流の少なくとも一方の波形に対する一周期を複数分割して規定された所定時間毎に、負荷に供給される供給電力を計算する第２ステップと、
   発生判断手段によって、計算された供給電力の値と予め設定した基準電力の値との大小を比較する第３ステップと、
   同発生判断手段によって、比較手段による比較結果に基づき、逆電力状態の発生の有無を判断する第４ステップと、
   を有してなり、
   コンピュータに第１〜第４ステップを実行させる、
   ことを特徴とする系統連系インバータの逆電力検出プログラム。

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