JP2008035619A - 分散型電源の単独運転判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単独運転を総合高調波歪み電圧の変化から判定するに当たり、系統切り替えやタップ切り替え時の高調波歪み電圧の影響なく単独運転を正確高速に判定検出可能にすること。
【解決手段】高調波歪み電圧の変化値が閾値を超えたか否かに基づき分散型電源が単独運転状態にあるか否かの判定を行う分散型電源の単独運転判定方法であり、系統周期の変化に応じて上記判定を複数回以上でかつその判定回数を変え、また、閾値を複数に変えて、単独運転を判定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、分散型電源が単独運転状態か否かの判定を行う単独運転判定方法に関するものである。

分散型電源とは、需要地あるいはその近辺に電源を設置して発電するものであり、現在、ガスタービン、ガスエンジン、等を用いたコージェネレーションシステムが主流となっている。今後は、それらシステムに加えて、太陽光、風力、小規模水力、バイオマス、等の再生可能なエネルギあるいは廃棄物等を利用した発電システムや技術的に開発途上にあるマイクロガスタービンや燃料電池の普及が期待されている。燃料電池は分散型電源の主流と期待も高いものであり、工場等の大規模施設だけでなく、一般住宅等の小規模施設への導入も進められるものと考えられる。また、 代表的な小型の分散型電源としてはガスエンジン、ガスタービン、マイクロガスタービン、燃料電池等を例示することができる。

以上説明した分散型電源と、その分散型電源の出力を交流に変換するパワーコンディショナーとを備えた分散型電源設備を商用電力系統と連系して家電製品などの負荷に給電するシステムが実施されている。このシステムでは、商用電力系統の保全作業の安全を確保するため、商用電力系統の不測の停電時及び作業停電時において、直ちに分散型電源設備側のパワーコンディショナーの動作を停止させるか、又は直ちに開閉器を作動させて連系を解除することにより、分散型電源を商用電力系統から解列させて、分散型電源の単独運転を防止する機能が不可欠である。

このための単独運転判定方法には、単独運転時における高調波歪み電圧の急増現象を利用する方法がある。系統停電時に柱上トランスの励磁特性に起因して第３次高調波成分が急増するので、この急増現象に着目し、系統との連系点電圧の高調波成分を検出して、その高調波成分の平常時に対する増加の度合いを判定することにより、分散型電源の単独運転状態を判定することができる。

具体的に、高調波急増を用いた判定では、２−７次の総合高調波歪み電圧（ＴＨＤ）を周期毎に算出し、そのＴＨＤの変化値が或る閾値以上に変化すると単独運転と判定し、内蔵リレーにより分散型電源を電力系統から切り離す。

しかしながら、この高調波急増の判定では、以下の課題がある。この課題を図６以下を参照して説明する。図６を参照して変電所に電力系統１，２が接続され、両電力系統１，２は遮断器３で接続され、電力系統２に遮断器４、変圧器５を介して住宅単位６が接続されている。住宅単位６は、住宅負荷７、分散型電源設備８を含む。分散型電源設備８は単独運転検出装置９、パワーコンディショナー１０、分散型電源１１を備える。電力系統１の系統電圧は図７（ａ）に、電力系統２の系統電圧は図７（ｂ）に示す。上記において住宅単位６がいずれかの電力系統１，２に事故が発生すると、遮断器３を解列あるいは接続に切り替えたりして、電力系統を切り替えて住宅単位６に系統電圧を供給する。この場合、図７（ａ）（ｂ）で示すように電力系統１，２の系統電圧に位相差がある。

そのため、例えば図８で示すように系統電圧切り替え前が点線ａで示す系統電圧であったのが、実線ｂや破線ｃで示す系統電圧に切り替えられ、系統周期の変化すなわち位相跳躍が発生する。その切り替えのタイミングが点線ａと実線ｂでは位相跳躍が４５度であり、点線ａと破線ｃでは位相跳躍がさらに大きく９０度となる。この位相跳躍により、系統電圧に高調波歪み電圧が発生する。しかも、この高調波歪み電圧は位相跳躍が大であるほど増加する。そのため、位相跳躍で発生した高調波歪み電圧により単独運転検出装置９が単独運転でないのに単独運転であると誤判定するおそれがある。

また、住宅負荷７によって変圧器５の二次側電圧が変化し、このため変圧器５の二次側電圧が所定電圧となるようにタップ切り替えを実施調整する際に、一瞬、変圧器二次側電圧が低下（瞬低）する。図９にはＵ、Ｗ相の系統電圧と、総合高調波歪み電圧とを示し、時間０がタップ切り替えのタイミングを示す。図１０にはその時間０以降の高調波を示す。

これら図９、図１０で示すように、変圧器二次側電圧が瞬低して復帰する際に３次を中心とする高調波歪み電圧を伴い、この高調波歪み電圧によって単独運転検出装置９が単独運転を誤判定するおそれがある。

なお、単独運転に関する技術については特許文献１−４を代表的に挙げる。また、高調波急増検出法に関する技術については、特許文献５を代表的に挙げる。
特開平０８−９８４１１号公報 特許３３９７９１２号公報 特許３４２４４４３号公報 特開平７−１５４９２０号公報 特開平８−７０５３４号公報

したがって、本発明により解決すべき課題は、高調波歪み電圧が単独運転以外の要因で発生しても単独運転を適確かつ高速に判定可能とすることである。

（１）本発明第１による単独運転判定方法は、総合高調波歪み電圧の変化値が閾値を超えたか否かに基づき分散型電源が単独運転状態にあるか否かの判定を行う分散型電源の単独運転判定方法において、系統周期の変化値に応じて上記判定を行う判定回数を設定することを特徴とするものである。

好ましくは上記判定回数を、２回以上とする。

好ましくは系統周期の変化値が小のときは判定回数を減らし、大のときは判定回数を増やす。こうした場合、系統切り替えによる系統周期の変化値（位相跳躍）が小のときは判定回数を減らすことにより、単独運転をより高速に判定することができ、また、系統周期の変化値が大のときは、判定回数を増やすことにより、単独運転をより正確に判定することができる。

好ましくは上記判定を、上記判定回数分、連続する系統周期で連続実施する。

本発明第１においては、系統周期の変化に応じて単独運転の判定回数を設定することができるので、系統切り替えで位相跳躍による系統周期の変化があっても、系統切り替え等を単独運転であると誤判定することを回避できる。

（２）本発明第２による単独運転判定方法は、総合高調波歪み電圧の変化値が閾値を超えたか否かに基づき分散型電源が単独運転状態にあるか否かの判定を行う分散型電源の単独運転判定方法において、系統周期の変化値に応じて上記閾値を設定することを特徴とするものである。

本発明第２においては、系統周期の変化に応じて閾値を設定することができるので、系統切り替えで位相跳躍による系統周期の変化があっても、系統切り替え等を単独運転であると誤判定することを回避できる。

（３）本発明第３による単独運転判定方法は、総合高調波歪み電圧の変化値が閾値を超えたか否かに基づき分散型電源が単独運転状態にあるか否かの判定を行う分散型電源の単独運転判定方法において、閾値を小から大の複数段階に設定し、判定回数を少から多の複数段階に設定し、系統周期の変化値に応じて上記閾値を上記複数段階のうちのいずれかの段階に、また、判定回数を上記複数段階のうちのいずれかの段階に設定することを特徴とするものである。

本発明第３においては、系統周期の変化に応じて単独運転の判定回数、閾値をそれぞれ複数段階に設定することができるので、系統切り替えで位相跳躍による系統周期の変化があっても、系統切り替え等を単独運転であると誤判定することを回避できる。

上記（１）ないし（３）においては、好ましくは、系統電圧が瞬低のとき、上記判定を実施しない。この態様では、例えば変圧器の二次側電圧が所定電圧となるようにタップ切り替えを実施調整する際の瞬低により単独運転を誤判定するおそれがなくなる。この場合、上記瞬低の判定を、系統電圧が或る値を下回ったときに行うことが好ましい。また、上記瞬低の判定を、系統電圧の変化幅で規定することが好ましい。

本発明によれば、系統切り替えや変圧器二次側のタップ切り替え等により高調波歪み電圧が発生しても単独運転を適確に判定することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る単独運転判定方法を説明する。

図１は電力系統２０と、住宅単位３０とを示す。

電力系統２０として、変電所２１、負荷２２、遮断器２３、変圧器２４が示されている。

住宅単位３０には、住宅負荷３１と、分散型電源設備３２とが示されている。

この分散型電源設備３２は、分散型電源３３と、パワーコンディショナー３４と、単独運転検出装置３５とを備える。

以下、単独運転検出装置３５を中心に説明する。

単独運転検出装置３５は、周期検出部３６、電圧検出部３７、制御部３８、インバータ部３９を含み、制御部３８は、単独運転判定部４０、ＴＨＤ演算部４１、遮断器４２を含む。

周期検出部３６は、系統周期の変化値を検出する。

この系統周期の変化値を図２を参照して説明する。

図２は系統電圧の波形を示す。

系統周期Ｔ１は位相跳躍前の系統１の系統周期である。系統周期Ｔ２は時刻ｔ０で系統１から系統２に系統切り替えが行われ、位相跳躍が発生した後の系統周期である。時刻ｔ０は、図５で説明した上記系統１の事故で遮断器３が解列接続されたタイミングである。系統切り替えが行われない場合では、時刻ｔ０以降は点線で系統電圧が推移する。系統切り替えのため時刻ｔ０以降は実線で系統電圧が推移している。したがって、時刻ｔ０では４５度の位相跳躍が発生している。

周期検出部３６は、このような位相跳躍において、系統周期Ｔ１，Ｔ２を検出して制御部３８の単独運転判定部４０に入力する。

単独運転判定部４０は、上記系統周期Ｔ１，Ｔ２の検出信号により、系統周期Ｔ１を系統周期前回値とし、系統周期Ｔ２を系統周期今回値とし、次式（１）を演算する。

系統周期今回値−系統周期前回値＝系統周期変化値 …（１）
電圧検出部３７は、上記タイミングｔ０において発生する系統電圧の高調波歪み電圧を検出して制御部３８のＴＨＤ演算部４１に入力する。

ＴＨＤ演算部４１は、電圧検出部３７から入力される高調波歪み電圧Ｖ₂，Ｖ₃，…，Ｖ₇（高調波歪み成分の実効値）に基づいて次式（２）により総合高調波歪み電圧ＴＨＤを演算する。この演算は、各高調波歪み電圧Ｖ₂，Ｖ₃，…，Ｖ₇をそれぞれ２乗し、それらの加算値の平方根をとるものである。

ＴＨＤ演算部４１は、上記演算した総合高調波歪み電圧ＴＨＤを単独運転判定部４０に入力する。

単独運転判定部４０は、上記式（１）（２）に基づいて以下の演算を従い単独運転の判定を行い、単独運転と判定するときは遮断器４２を開く。

総合高調波歪み電圧ＴＨＤの変化値を図３に従い説明する。図３において、 Ｔ₃₅，Ｔ₃₄，…，Ｔ₀，Ｔ_-1，…，Ｔ_-9は高調波の系統周期である。

総合高調波歪み電圧ＴＨＤの連続する３系統周期分それぞれの変化値ΔＴＨＤは次式（３）−（５）で与えられる。

系統周期Ｔ₀での総合高調波歪み電圧ＴＨＤ₀−過去３２個の系統周期Ｔ₄−Ｔ₃₅の総合高調波歪み電圧ＴＨＤの平均値ＴＨＤ_avr0 …（３）
系統周期Ｔ_-1での総合高調波歪み電圧ＴＨＤ_-1−過去３２個の系統周期Ｔ₃−Ｔ₃₄の総合高調波歪み電圧ＴＨＤの平均値ＴＨＤ_avr-1 …（４）
系統周期Ｔ_-2での総合高調波歪み電圧ＴＨＤ_-2−過去３２個の系統周期Ｔ₂−Ｔ₃₃の総合高調波歪み電圧ＴＨＤの平均値ＴＨＤ_avr-2 …（５）
上記総合高調波歪み電圧の変化値ΔＴＨＤは
次式（６）で閾値Ｖｔｈと比較される。

変化値ΔＴＨＤ＞閾値Ｖｔｈ …（６）
上記（３）での｜系統周期変化値｜はＴ₀−Ｔ₁ …（７）
上記（４）での｜系統周期変化値｜はＴ_-1−Ｔ₀ …（８）
上記（５）での｜系統周期変化値｜はＴ_-2−Ｔ_-1 …（９）
で与えられる。

図４のフローチャートを参照して単独運転判定部４０の単独運転の判定を説明する。このフローチャートの説明に先立ち、判定条件を説明する。

（Ａ）判定条件１
位相跳躍の跳躍位相が小さい場合（系統周期の変化値が小）
｜系統周期変化値｜＜２００μｓ． …（１０）
変化値ΔＴＨＤ＞閾値Ｖｔｈ＝５Ｖ …（１１）
単独運転判定条件は２周期連続して上記（１１）が成立する。

（Ｂ）判定条件２
位相跳躍の跳躍位相が中程度の場合（系統周期の変化値が中）
２００μｓ＜｜系統周期変化値｜＜５００μｓ．…（１２）
変化値ΔＴＨＤ＞閾値Ｖｔｈ＝５Ｖ …（１３）
単独運転判定条件は３周期連続して上記（１３）が成立する。
（Ｃ）判定条件３
位相跳躍の跳躍位相が大きい場合（系統周期の変化値が大）
５００μｓ＜｜系統周期変化値｜ …（１４）
変化値ΔＴＨＤ＞閾値Ｖｔｈ＝１０Ｖ …（１５）
単独運転判定条件は３周期連続して上記（１５）が成立する。

図４のフローチャートにおいて、単独運転判定部４０の判定動作を説明する。

（ステップｎ１）
このステップｎ１では跳躍位相（系統周期の変化値）が小さくないか、位相跳躍が無くて系統周期に変化が無いか、系統周期に変化があっても小さいかを判定する。この系統周期の変化値は、系統周期今回値−系統周期前回値で与えられる。この場合、系統周期の変化値が２００μｓより小さくない場合は、ステップｎ２に移行する。

系統周期の変化値が２５０μｓより小さい場合は、ステップｎ４に移行する。ステップｎ４では、系統周期の変化値が小さいので、総合高調波歪み電圧ＴＨＤの変化値ΔＴＨＤが５Ｖを超えるか否かを連続２周期にわたり判定する。総合高調波歪み電圧ＴＨＤの変化値ΔＴＨＤが５Ｖを超えることが連続２周期にわたれば、ステップｎ５で単独運転であると判定し、そうでなければステップｎ６で単独運転でないと判定する。この判定は、上記（Ａ）の判定条件１である。

（ステップｎ２）
このステップｎ２では跳躍位相が中程度か大きいかを判定する。系統周期の変化値が２００μｓと５００μｓとの間であれば跳躍位相が中程度と判定し、系統周期の変化値が５００μｓを超えると、跳躍位相が大きいと判定し、ステップｎ３に移行する。

系統周期の変化値が２００μｓを超え、５００μｓを下回る場合は、ステップｎ７に移行する。ステップｎ７では、系統周期の変化値が中であるので、総合高調波歪み電圧ＴＨＤの変化値ΔＴＨＤが５Ｖを超えるか否かを連続３周期にわたり判定する。総合高調波歪み電圧ＴＨＤの変化値ΔＴＨＤが５Ｖを超えるか否かを連続３周期にわたれば、ステップｎ８で単独運転であると判定し、そうでなければステップｎ９で単独運転でないと判定する。この判定は、上記（Ｂ）の判定条件２である。

（ステップｎ３）
このステップｎ３ではステップｎ２で跳躍位相が大きいかと判定しているので、ステップｎ１０に移行する。ステップｎ１０では、系統周期の変化値が大であるので、総合高調波歪み電圧ＴＨＤの変化値ΔＴＨＤが１０Ｖを超えるか否かを連続３周期にわたり判定する。総合高調波歪み電圧ＴＨＤの変化値ΔＴＨＤが１０Ｖを超えるか否かを連続３周期にわたれば、ステップｎ１１で単独運転であると判定し、そうでなければステップｎ１２で単独運転でないと判定する。この判定は、上記（Ｃ）の判定条件３である。

図５を参照して変圧器２４の二次側タップ切り替えの場合を説明する。ステップｎ０１では、前々回の系統電圧と前回の系統電圧との差が６ＶＡＣを越え、かつ、前回の系統電圧と今回の系統電圧との差が１２ＶＡＣを越えた場合は、瞬低であるとして、ステップｎ０２で単独運転の判定をしないが、そうでなければ、ステップｎ０３に移行する。このステップｎ０３は図４のステップｎ１−ｎ１１である。このステップｎ０３では、上述したから説明を略する。図５のフローチャートを実行することにより、こうして系統電圧の変化値が閾値を越えた場合、単独運転の判定を実施しない。最も検出したい有効電力、無効電力が完全にバランスした単独運転状態では、系統電圧が低下しないので、単独運転の判定検出時間に影響を与えることがない。このため、単独運転の判定検出と、系統の変圧器二次側のタップ切り替え時の単独運転の誤判定を防止可能にしている。

以上説明したように実施の形態では、系統周期の変化に応じて単独運転の判定回数、閾値をそれぞれ複数段階に設定することができるので、系統切り替えで位相跳躍による系統周期の変化があっても、系統切り替え等を単独運転であると誤判定することを回避できる。また、系統電圧がタップ切り替えにより瞬低したときでは、単独運転の判定を実施しない。したがって、変圧器の二次側電圧が所定電圧となるようにタップ切り替えを実施調整する際の瞬低により単独運転を誤判定するおそれがなくなる。

なお、実施の形態の単独運転検出装置は、パワーコンディショナ−に内蔵することができる。

図１は本発明の実施の形態に係る単独運転検出方法が適用される分散型電源等を含む電力系統の構成を示す図である。 図２は位相跳躍の説明に供する系統電圧の波形を示す図である。 図３は総合高調波歪み電圧の変化値の説明に供する図である。 図４は系統切り替え時の単独運転判定の説明に用いるフローチャートである。 図５は変圧器タップ切り替え時の単独運転判定の説明に用いるフローチャートである。 図６は電力系統を示す図である。 図７は図６の電力系統において系統に事故発生した場合の系統電圧の位相差の説明に用いる波形図である。 図８は図７の系統電圧の位相跳躍を示す図である。 図９は系統電圧と総合高調波歪み電圧との関係を示す図である。 図１０は２−７次の歪み電圧と高調波との関係を示す図である。

符号の説明

２０ 電力系統（変電所２１、負荷２２、遮断器２３、変圧器２４）
３０ 住宅単位（住宅負荷３１と、分散型電源設備３２）

Claims (10)

1. 総合高調波歪み電圧の変化値が閾値を超えたか否かに基づき分散型電源が単独運転状態にあるか否かの判定を行う分散型電源の単独運転判定方法において、
   系統周期の変化値に応じて上記判定を行う判定回数を設定する、分散型電源の単独運転判定方法。
2. 上記判定回数を、２回以上とする、請求項１に記載の分散型電源の単独運転判定方法。
3. 系統周期の変化値が小のときは判定回数を減らし、大のときは判定回数を増やす、請求項１または２に記載の分散型電源の単独運転判定方法。
4. 上記判定を、上記判定回数分、連続する系統周期で連続実施する、請求項１ないし３のいずれかに記載の分散型電源の単独運転判定方法。
5. 総合高調波歪み電圧の変化値が閾値を超えたか否かに基づき分散型電源が単独運転状態にあるか否かの判定を行う分散型電源の単独運転判定方法において、
   系統周期の変化値に応じて上記閾値を設定する、分散型電源の単独運転判定方法。
6. 総合高調波歪み電圧の変化値が閾値を超えたか否かに基づき分散型電源が単独運転状態にあるか否かの判定を行う分散型電源の単独運転判定方法において、
   閾値を小から大の複数段階に設定し、判定回数を少から多の複数段階に設定し、系統周期の変化値に応じて上記閾値を上記複数段階のうちのいずれかの段階に、また、判定回数を上記複数段階のうちのいずれかの段階に設定する、分散型電源の単独運転判定方法。
7. 系統電圧が瞬低のとき、上記判定を実施しない、請求項１ないし６のいずれかに記載の分散型電源の単独運転判定方法。
8. 上記瞬低の判定を、系統電圧が或る値を下回った場合とする請求項７に記載の分散型電源の単独運転判定方法。
9. 上記瞬低の判定を、系統電圧の変化値で判定する、請求項７に記載の分散型電源の単独運転判定方法。
10. 上記総合高調波歪み電圧の変化算出において、今回の総合高調波歪み電圧と 過去の総合高調波歪み電圧の平均値との間を２−５周期とする、請求項１ないし９のいずれかに記載の分散型電源の単独運転判定方法。

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