JP2008228494A - 系統連系用インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統において瞬低が発生した場合に脱落しない系統連系用インバータを提供する。
【解決手段】直流電力を出力する分散型電源２を電力系統に連系する系統連系用インバータ３であって、前記分散型電源２の直流電力を交流電力に変換して前記電力系統に出力するインバータ本体４と、前記インバータ本体４を制御する制御装置７と、を具備し、前記制御装置７が、電力系統の瞬時電圧低下などの急激な電圧低下により生じる過電流が所定の設定値以下となるように制御するとともに、その電圧低下における系統電圧の低下の度合いに併せて前記インバータ本体４から出力する電力を制限するように制御する機能を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池（ＰＶ）、燃料電池（ＦＣ）や二次電池等の分散型電源を電力系統に連系するための系統連系用インバータに関するものである。

近年、例えば、特許文献１に示すように、太陽電池（ＰＶ）、燃料電池（ＦＣ）等の分散型電源の普及が進んでいる。

これらを系統連系するために用いられる系統連系用インバータは、瞬時電圧低下などの急激な電圧低下（以下、「瞬低」という。）に対して脱落（動作停止）し易いため、上記分散型電源を用いることによって、電力系統の電圧又は周波数への悪影響が懸念されている。

具体的には、図９に示すように、瞬低時に系統電圧が急変すると、系統電圧とインバータの出力電圧の間の電圧差や位相差の拡大により、インバータからの出力電流は、瞬時に過電流（瞬時過電流）を生じる。そして、この瞬時過電流が過電流レベル（過電流設定値）を超えることにより、インバータが脱落してしまうという問題がある。

また、この種の系統連系用インバータは、系統電圧に関わらず、電力系統への入力電力が分散型電源の最大出力となるように制御している（最大電力追従制御）。その結果、図９に示すように、系統電圧が１／Ｎ倍に低下すると、インバータからはＮ倍の有効電流を出力することになる。そして、この出力電流が過電流レベルを超えると、インバータが脱落してしまうという問題がある。
特開２００４−２４８３４５号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、電力系統において瞬低が発生した場合に脱落しない系統連系用インバータを提供することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る系統連系用インバータは、直流電力を出力する分散型電源を電力系統に連系する系統連系用インバータであって、前記分散型電源の直流電力を交流電力に変換して前記電力系統に出力するインバータ本体と、前記インバータ本体を制御する制御装置と、を具備し、前記制御装置が、電力系統の瞬時電圧低下などの急激な電圧低下により生じる過電流が所定の設定値以下となるように制御するとともに、その電圧低下における系統電圧の低下の度合いに併せて前記インバータ本体から出力する電力を制限するように制御する機能を有することを特徴とする。

このようなものであれば、瞬時過電流及び前記分散電源から最大電力を出力させつづけることによる過電流を防止することができるので、瞬低が生じても分散型電源を継続して運転することができる。

具体的な方法としては、前記インバータ本体が、自己消弧型の半導体スイッチ素子とそれに逆並列されたダイオードとから構成される電圧型インバータであり、前記制御装置が、変調波と信号波を比較し、パルス幅変調により前記インバータ本体を制御するものであり、前記過電流が前記設定値を超えた場合には、前記過電流が発生したインバータの出力線に直接接続された全ての前記半導体スイッチ素子を、変調波が次に最大値（または最小値）となる時までオフすることにより、過電流が所定の設定値以下となるように制御する（いわゆる「パルスバイパルス制御」）ことが望ましい。

前記制御装置が、瞬低時における系統電圧の低下の度合いに併せて前記インバータ本体からの出力電流を制限する場合において、前記分散電源から出力させる電流の最大値Ｉ_ｍａｘを以下の値に制限するものであることが望ましい。

ここで、Ｐｎはインバータ本体の定格出力電力、Ｖｓは三相交流系統の場合には系統電圧の正相分の実効値、単相交流系統の場合には系統電圧の実効値、Ｖｎは電力系統の定格電圧の実効値、Ｖｐｖは分散型電源の直流電圧である。

さらに、前記電力系統が三相交流系統で、例えば二相短絡による瞬低が生じると、図１０に示すように系統電圧に不平衡が生じる。このとき系統連系用インバータから三相平衡な電圧を出力すれば、系統電圧とインバータの出力電圧との間の電圧差が生じ、インバータからは定格電流を大幅に上回る逆相電流を出力することになる。そして、この出力電流が過電流レベルを超えると、インバータが脱落してしまうという問題がある。

そこで、前記電力系統が三相交流系統であり、前記インバータ本体が、前記分散型電源の直流電力を交流電力に変換して前記電力系統の各相に出力するものであり、前記制御装置が、各相間の系統電圧に不平衡が生じた場合において、前記インバータ本体が出力する電圧の逆相成分を系統電圧の逆相成分に一致させることにより、三相平衡な電流を出力するように制御するものであることが望ましい。

このようなものであれば、逆相電流による過電流を防止することができるので、分散型電源を継続して運転することができる。

また、系統連系用インバータには、系統電圧の位相や周波数の変化を監視して単独運転を防止するリレーが用いられるが、例えば二相短絡による瞬低が生じると、図１０に示すように系統電圧の位相が急変する。このとき、瞬低前の系統電圧の位相又は周波数と、瞬低中の系統電圧の位相又は周波数とを比較すると、位相跳躍又は周波数変化と誤判断してしまうという問題がある。

そこで、前記制御装置が、電力系統の瞬時電圧低下前の系統電圧の位相又は周波数と、瞬時電圧低下後の系統電圧の位相又は周波数とを比較して、前記分散型電源の単独運転を検出する機能を有するものであることが望ましい。

このようなものであれば、瞬低中の系統電圧の位相変化の影響を受けることないため、単独運転の誤検出が無く、分散型電源を継続して運転することができる。

分散型電源の具体例としては、太陽電池、燃料電池又は負荷平準化用の二次電池等が考えられる。

このように構成した本発明によれば、電力系統において瞬低が発生した場合に脱落しない系統連系用インバータを提供することができる。

以下に、本発明の一実施形態に係る系統連系用インバータ３を用いた分散型電源システム１について、図面を参照して説明する。なお、図１は、本実施形態に係る分散型電源システム１の模式的構成図である。

＜装置構成＞
本実施形態に係る分散型電源システム１は、三相交流系統に接続されて、当該三相交流系統及び負荷（受電設備）に交流電力を供給するものである。

具体的に、このものは、図１の単線結線図に示すように、分散型電源２と、電力系統に分散型電源２を連系するための系統連系用インバータ３と、を備えている。

分散型電源２は、電力系統と分離した直流電源であり、例えば太陽光により発電する太陽電池である。

系統連系用インバータ３は、分散型電源２の直流電力を交流電力に変換して前記電力系統に出力するインバータ本体４と、インバータ本体４の出力電流Ｉ_ＩＮＶを検出する電流測定部５と、電力系統の系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃを測定する電圧測定部６と、分散型電源２の出力電流Ｉ_ＰＶを検出する電流測定部８と、分散型電源２の出力電圧Ｖ_ＰＶを測定する電圧測定部９と、インバータ本体４の内部の直流電圧Ｖ_ＤＣを測定する電圧測定部１０と、これらの電圧または電流の測定信号を受信して、前記インバータ本体４を制御する制御装置７と、を備えている。

インバータ本体４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ部４１とインバータ部４２とを備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ部４１は、分散型電源２からの直流電力を最大電力とすべく変換するものであり、その構成は、リアクトルと、コンデンサと、半導体スイッチ素子とを備えたものである。そして、半導体スイッチ素子は、後述する制御装置７を用いて、ゲートへの駆動信号によりオンオフ制御され、動作パターン（スイッチパターン）が制御されるようにしている。

インバータ部４２は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ部４１が出力した直流電力を交流電力に変換して前記電力系統に出力するものであり、半導体スイッチ素子とそれに逆並列されたダイオードとから構成したハーフブリッジインバータ（電圧型インバータ）である。本実施形態では半導体スイッチ素子として、自己消弧能力を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いている。このスイッチング回路は、後述する制御装置７を用いて、変調波と信号波の大小を比較して動作パターン（スイッチパターン）を生成する、いわゆるパルス幅変調で制御されるようにしている。

前記制御装置７は、前記電流測定信号及び前記電圧測定信号に基づいて、インバータ本体４を制御するものであり、その機器構成はＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、ＡＤ変換器等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリの所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがって前記ＣＰＵ、前記周辺機器等を協働させることにより、インバータ本体４を制御する機能を発揮する。

さらに前記制御装置７は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ部４１と前記インバータ部４２を前述のように動作させるための一般的な分散型電源連系機能に加え、本発明の特徴である３種類の過電流保護機能と、単独運転誤検出防止機能を有する。

以下、過電流保護機能と単独運転誤検出防止機能について詳述する。

１つ目の過電流保護機能とは、系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃが瞬低発生時に急変することによるインバータ本体４の出力電流Ｉ_ＩＮＶに生ずる瞬時過電流が所定の過電流設定値以下となるように制御するものである。

具体的に、前記制御装置７は、前記瞬時過電流が前記過電流設定値を超えた場合には、前記過電流が発生したインバータ部４２の２個のＩＧＢＴを変調波が次に最大値となる時までオフ（ゲートブロック）するように制御する。

つまり、前記制御装置７は、図２に示すように、いわゆるパルスバイパルス過電流制御を行うものである。一旦過電流を検出すると、変調波の次の最大値まで過電流検出フラグをラッチする。過電流検出フラグがＨレベルの間は、インバータ本体４のＩＧＢＴをオフ（ゲートブロック）する。そして、ゲートブロックをしている間、出力電流Ｉ_ＩＮＶは減少する。

次に２つ目の過電流保護機能として、前記制御装置７は、瞬低における系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの低下の度合いに併せて前記インバータ本体４からの出力電流Ｉ_ＩＮＶを制限するものである。つまり、系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃが１／Ｎ倍に低下した場合に、インバータ本体４からの出力電流Ｉ_ＩＮＶが定格電流以下となるように制御するものである。具体的に前記制御装置７は、前記分散型電源２から出力させる電流Ｉ_ＰＶの最大値Ｉ_ｍａｘを以下の値に制限する。

なお、Ｐｎはインバータ本体４の定格出力電力、Ｖｓは系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの正相分の実効値、Ｖｎは電力系統の定格電圧の実効値、Ｖｐｖは分散型電源２の直流電圧である。

ここで、系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの正相分の実効値Ｖｓの求め方を以下に説明する。

まず、図３に示すように、制御装置７は、各相の瞬時系統電圧ｖ_ａ、ｖ_ｂ、ｖ_ｃをαβ変換式（式２）を用いてｖ_α、ｖ_βに変換する。

そして、変換後に得られた電圧ｖ_α、ｖ_βと、このｖ_α、ｖ_βの位相を商用周波数（基本周波数）において９０°遅らせた電圧ｖ_α’、ｖ_β’とから、以下の（式３）を用いて、前記制御装置７はｖｐ_α、ｖｐ_β、ｖｎ_α、ｖｎ_βを算出する。

このようにして求めた電圧ｖｐ_α、ｖｐ_βの実効値Ｖｐ_α、Ｖｐ_βを用いて、前記制御装置７は系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの正相分の実効値Ｖｓを以下の（式４）から求める。

さらに、３つ目の過電流保護機能として、前記制御装置７は、図４に示すように、系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃに不平衡が生じた場合において、前記インバータ本体４からの出力電流Ｉ_ＩＮＶを三相平衡となるように制御する。

具体的には、前記制御装置７は、前記（式２）、（式３）により求めたｖｐ_α、ｖｐ_β、ｖｎ_α、ｖｎ_βをａｂｃ変換式（式５）（式６）を用いて、瞬時正相電圧ｖｐ_ａ、ｖｐ_ｂ、ｖｐ_ｃ、瞬時逆相電圧ｖｎ_ａ、ｖｎ_ｂ、ｖｎ_ｃに変換する。

前記制御装置７は、このように系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃを正相成分Ｖｐ_ａ、Ｖｐ_ｂ、Ｖｐ_ｃ及び逆相成分Ｖｎ_ａ、Ｖｎ_ｂ、Ｖｎ_ｃに分離して、インバータ本体４の出力電圧Ｖ_ａ’、Ｖ_ｂ’、Ｖ_ｂ’の内、逆相成分Ｖｎ_ａ’、Ｖｎ_ｂ’、Ｖｎ_ｂ’を系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの逆相成分Ｖｎ_ａ、Ｖｎ_ｂ、Ｖｎ_ｃと一致させ、正相成分Ｖｐ_ａ’、Ｖｐ_ｂ’、Ｖｐ_ｂ’のみの振幅及び位相を調節してインバータ本体４の出力電力を制御する。このとき、インバータ本体４の出力電圧Ｖ_ａ’、Ｖ_ｂ’、Ｖ_ｂ’の逆相成分Ｖｎ_ａ’、Ｖｎ_ｂ’、Ｖｎ_ｂ’と系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの逆相成分Ｖｎ_ａ、Ｖｎ_ｂ、Ｖｎ_ｃが一致していることから、インバータ本体４からは逆相電流は出力されない。

つまり、図４に示すように、有効電力の指令値から、インバータ本体４の出力電圧Ｖ_ａ’、Ｖ_ｂ’、Ｖ_ｂ’の正相成分Ｖｐ_ａ’、Ｖｐ_ｂ’、Ｖｐ_ｂ’の振幅及び位相の差を計算する。そして、系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの逆相成分Ｖｎ_ａ、Ｖｎ_ｂ、Ｖｎ_ｃと合成することにより、インバータ本体４の出力電圧Ｖ_ａ’、Ｖ_ｂ’、Ｖ_ｂ’を求めることができる。

次に、前記制御装置７の単独運転の誤検出防止機能について説明する。

制御装置７は、電力系統の瞬低前の系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの位相と、瞬低後の系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの位相とを比較して、分散型電源システム１の単独運転を検出する受動型のものである。

具体的には、制御装置７は、図５に示すように、瞬低中は、単独運転検出を行わずに、瞬低解消後において、瞬低前の位相を基準にして、瞬低解消後の位相跳躍を評価するものである。

次に、本実施形態について、三相、２００Ｖ、４ｋＷ級の装置を用いた実験結果を図６に示す。本実験は、例えばａ相が短絡した場合に、従来制御のインバータ本体４から出力される出力電流Ｉ_ＩＮＶ、及び本実施形態の制御方法を用いたインバータ本体４から出力される出力電流Ｉ_ＩＮＶを示す。図６から分かるように、インバータ本体４は、系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの電圧急変時の瞬時過電流を制限できている。また、分散型電源２から出力させる電力を制限し、電圧低下による出力電流Ｉ_ＩＮＶの増加を制限できている。さらに、瞬低時に系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃが三相不平衡であっても、インバータ本体４は、ほぼ三相平衡な電流Ｉ_ＩＮＶを出力している。またさらに、瞬低中には系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃに大幅な位相変化が生じているにもかかわらず、制御装置７は単独運転状態を誤検出することなく、インバータ本体４は分散型電源２からの直流電力を前記電力系統に出力し続けている。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る分散型電源システム１によれば、電圧急変により生じる瞬時過電流を制限する機能、系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃの低下の度合いに併せて前記インバータ本体４から出力する電力を制限する機能を備えているので、太陽電池などの分散型電源２を、瞬低時においても継続して運転することができるようになる。

また、三相交流系統においては、各相間の系統電圧Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃに不均衡が生じても、インバータ本体４からは、逆相電流を出力しないように電流Ｉ_ＩＮＶを制御する機能を備えているので、三相交流系統に分散型電源２を連系した場合であっても、上記効果に加えて三相交流系統特有の問題も解決することができる。

さらに、瞬低時に単独運転検出を行わないようにして、瞬低発生前後の電圧位相を比較するようにしているので、瞬低における単独運転検出の誤判断を防止することができ、受動的単独運転検出の不要動作を防止することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、前記実施形態では、インバータ本体４が三相インバータであり三相交流系統に用いているが、その他、単相インバータを単相交流系統に用いても良い。この場合、前記式（１）のＶｓは、単相電圧の実効値を用いる。

また、前記実施形態は、分散型電源２として太陽電池を用いたものであったが、その他、燃料電池、負荷平準化用の二次電池などを用いても良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る分散型電源システムの模式的構成図。 短絡電流を過電流設定値以下とするための制御方法を示す図。 瞬時系統電圧を瞬時正相電圧及び瞬時逆相電圧への分離方法を示す図。 インバータ本体から平衡な電流を出力するための制御方法を示す図。 系統電圧の位相の評価するタイミングを示す図。 同実施形態における出力電流のシミュレーション結果を示す図。 瞬低が生じた場合の従来の連系用インバータからの出力電流を示す図。 瞬低が生じた場合の従来の連系用インバータからの三相出力電流を示す図。

符号の説明

１・・・・分散型電源システム
２・・・・直流電源
３・・・・系統連系用インバータ
４・・・・インバータ本体
５・・・・電流測定部
６・・・・電圧測定部
７・・・・制御装置
８・・・・電流測定部
９・・・・電圧測定部
１０・・・電圧測定部

Claims (5)

1. 直流電力を出力する分散型電源を電力系統に連系する系統連系用インバータであって、
   前記分散型電源の直流電力を交流電力に変換して前記電力系統に出力するインバータ本体と、
   前記インバータ本体を制御する制御装置と、を具備し、
   前記制御装置が、電力系統の瞬時電圧低下などの急激な電圧低下により生じる過電流が所定の設定値以下となるように制御するとともに、その電圧低下における系統電圧の低下の度合いに併せて前記インバータ本体から出力する電力を制限するように制御する機能を有する系統連系用インバータ。
2. 前記インバータ本体が、自己消弧型の半導体スイッチ素子とそれに逆並列されたダイオードとから構成される電圧型インバータであり、
   前記制御装置が、変調波と信号波を比較し、パルス幅変調により前記インバータ本体を制御するものであり、前記過電流が前記設定値を超えた場合には、前記過電流が発生したインバータの出力線に直接接続された全ての前記半導体スイッチ素子を、変調波が次に最大値（または最小値）となる時までオフすることにより、過電流が所定の設定値以下となるように制御する請求項１記載の系統連系用インバータ。
3. 前記制御装置が、前記分散型電源から出力させる電流の最大値Ｉ_ｍａｘを以下の値に制限するものである請求項１又は２記載の系統連系用インバータ。
   ここで、Ｐｎはインバータ本体の定格出力電力、Ｖｓは三相交流系統の場合には系統電圧の正相分の実効値、単相交流系統の場合には系統電圧の実効値、Ｖｎは電力系統の定格電圧の実効値、Ｖｐｖは分散型電源の直流電圧である。
4. 前記電力系統が三相交流系統であり、
   前記インバータ本体が、前記分散型電源の直流電力を交流電力に変換して前記電力系統の各相に出力するものであり、
   前記制御装置が、各相間の系統電圧に不平衡が生じた場合において、前記インバータ本体が出力する電圧の逆相成分を系統電圧の逆相成分に一致させることにより、三相平衡な電流を出力するように制御する請求項１、２又は３記載の系統連系用インバータ。
5. 前記制御装置が、電力系統の瞬時電圧低下前の系統電圧の位相又は周波数と、瞬時電圧低下後の系統電圧の位相又は周波数とを比較して、前記分散型電源の単独運転を検出する機能を有する請求項１、２、３又は４記載の系統連系用インバータ。