JP2011139594A - 系統連系システム - Google Patents

Abstract

【課題】系統連系システムで、連系運転から自立運転へ切替える時、予め遮断器の電流を零に制御してから、遮断器を開路する方式があるが、電流を零にする制御系が必要で、制御系が複雑で、信頼性が低下する。
【解決手段】連系運転から自立運転へと切替える場合、連系運転時に負荷電力を算出し、前記連系運転から自立運転への切替時に前記算出した負荷電力を電力変換装置が出力し、遮断器の電流を十分小さくしてから開路させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電源をPWM（パルス幅変調）制御により交流電圧に変換し、交流系統に接続する電力変換装置に関し、特に系統から解列し、自立運転する場合の制御方式に関する。

一般に、太陽電池、蓄電池、燃料電池などの直流電源から電力変換装置で直流を交流に変換して電力系統に注入する分散電源システムは、交流系統（以下、系統と記述する）と接続する連系運転に加え、系統を切離し、負荷へ電力を供給する自立運転に対応することが要求される。

これを実現する従来技術として、特許文献１では電力変換装置の制御方式として連系運転と自立運転に対応した制御方式を別々に設け、系統と接続する場合は連系運転制御方式を、運転の切替を要求された場合は自立運転制御方式を使用している。なお、運転切替要求が入力される例としては系統の電圧や周波数に異常が生じた場合などがあげられる。
しかし、このようなシステムで、連系運転時に運転切替要求が入力された場合、運転切替要求だけを基にして解列を行うと、負荷電流が急変することでサージ電圧が生じ、装置を破壊する危険がある。

これに対し、特許文献２では運転切替要求が入力された場合に、まず遮断器に流れる電流を零に制御して、その後で遮断器を開放することにより、負荷電流の変化を抑制する方式が提案されている。図５に主回路構成図を示す。図５において、１は蓄電池、２はインバータ回路、フィルタなどで構成された電力変換装置、３は直流電圧検出器、４は負荷、５は系統遮断器、６は系統、７は電力変換器出力交流電圧検出器、８は電力変換器出力交流電流検出器、９は系統交流電圧検出器、１０は系統交流電流検出器である。

蓄電池１の直流電圧は電力変換装置２へ入力される。電力変換装置２では半導体スイッチ素子を用いたインバータ回路で、入力された直流電圧を交流電圧に変換し、図示しないインダクタンスとコンデンサで構成されるフィルタにより、高周波成分の除去と平滑が行われ、歪の少ない正弦波電圧を出力する。また、電力変換装置２は、遮断器５がオンの状態即ち系統連系時は、蓄電池が満充電でない場合、系統６から入力された交流電圧を直流電圧に変換し、整流器動作で蓄電池１を充電する。なお、電力変換装置２と負荷４は、遮断器５を介して系統６に対し並列に接続された構成である。

次に連系運転と自立運転の制御方式について図６を用いて説明する。
図６に示す電力変換装置２の制御回路は、連系運転制御系（Ｂ）、自立運転制御系（Ｂ）及び遮断器電流制御系（Ｂ）で構成される。連系運転時は電流制御を、自立運転時は電圧制御を行う。また、連系運転から自立運転に切替える時には、予め遮断器５の電流を零に制御してから、遮断器５を開路するため、電流零制御を行う。

連系運転制御系（Ｂ）は、直流電圧指令値と直流電圧検出値Ｅｄとの偏差を加算器２９で求め、直流電圧制御部２６へ入力する。直流電圧制御部２６では、直流電圧指令値と直流電圧検出値Ｅｄを一致させる調節演算を行い、その結果と系統電圧Ｖｓを乗算し、電力変換装置の出力電流指令値として出力する。そして、その出力と出力電流検出値Iinvとの偏差を加算器３５で求め、出力電流制御部２７に入力する。出力電流制御部２７では、出力電流指令値と出力電流検出値Iinvを一致させる調節演算を行い、その結果を電力変換装置の出力すべき電圧として出力する。この出力を出力電圧指令としてゲート信号生成部２８へ入力され、ゲート信号生成部２８では、ゲート駆動信号を生成し、電力変換装置を構成する半導体スイッチ素子に送る。

一方、自立運転では、スイッチ３３を自立運転制御系側に切替えた状態で、出力電圧制御を行う。まず、電力変換装置の出力電圧指令値と出力電圧検出値Vinvとの偏差を加算器３６で求め、出力電圧制御部３０へ入力する。出力電圧制御部３０では、出力電圧指令値と出力電圧検出値Vinvを一致させる調節演算を行い、その結果を電力変換装置が出力すべき電圧として出力する。この出力は遮断器電流制御部３１の出力と加算器３７で加算され、この結果を出力電圧指令としてゲート信号生成部２８へ出力する。

また、遮断器電流制御部３１では、連系運転から自立運転への切替指令を受けると、遮断器電流検出値Isを零にする調節演算を行う。即ち、遮断器電流制御部３１は、自立運転への切替指令を受けると、遮断器５が閉路中は遮断器電流零制御を行い、遮断器の開放中は動作しない(零を出力する)。この時、スイッチ３４を零電位側へ切替える。

次に連系運転から自立運転への切替動作について説明する。
連系運転から自立運転への切替は運転切替指示部３２が行う。図３に動作例を示す。
運転切替指示部３２では、運転切替要求が入力された時刻t1に自立運転準備指令を出力し、その後で遮断器電流Isが遮断時のサージ電圧を抑制できる所定値以下になった時刻t2に遮断器開路指令と自立運転指令を出力する。自立運転準備指令は切替スイッチ３３へ出力される。切替スイッチ３３は自立運転準備指令がオフの場合は連系運転制御系（Ｂ）側を選択し、オンの場合は自立運転制御系（Ｂ）側を選択する。

遮断器開放指令は遮断器５へ出力される。遮断器５は、遮断器開放指令がオフの場合は閉路し、オンの場合は開路する。
自立運転指令は切替スイッチ３４へ出力される。切替スイッチ３４は、自立運転指令がオフの場合は遮断器電流制御系（Ｂ）側を選択し、オンの場合は零を選択する。
以上のように、系統異常による解列動作として、遮断器電流を零にした後に遮断器を開路することで、遮断器開路による負荷電流変化を抑制(サージ電圧を抑制)することができる。

特開平８−１９６０４０号公報 特開２００６−１８７０８９号公報

特許文献２では、負荷電流変化を抑制するために、遮断器電流制御系を用いている。従って、通常の連系運転と自立運転の制御系に、遮断器電流制御系を付加する必要があり、それに応じて制御系が大きくなり、また遮断時の制御系切替回数が増加する。一般に、制御系の切替前と後では、電力変換装置の出力電圧レベルや位相が変化しないようにする必要がある。そのため、このような切替回数の多い制御系を組んだ場合、その分制御系は複雑になる。例えば、制御系に比例積分制御器が存在している場合は、切替時の積分項の初期値を所定値に変更するなどの対策が必要である。
本発明の目的は、上記課題を解決することである。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、電力変換装置と負荷が遮断器を介して交流系統に並列接続される系統連系システムで、前記電力変換装置で直流を交流に変換し、前記遮断器を閉路して交流系統に接続する連系運転と、前記遮断器を開路して前記交流系統を切離し、直流電源のエネルギーを前記電力変換装置を介して負荷に供給する自立運転とを行う系統連系システムにおいて、連系運転時に負荷電力を算出し、前記連系運転から自立運転への切替時に前記算出した負荷電力を前記電力変換装置が出力することを特徴とする。

第２の発明においては、第1の発明における前記負荷電力の算出は、前記電力変換装置の交流出力に備えられた出力電圧検出手段の出力と出力電流検出手段の出力とから求めた前記電力変換装置の出力電力と、前記交流系統に備えられた系統電圧検出手段の出力と系統電流検出手段の出力とから求めた系統電力と、の差分とすることを特徴とする。

第３の発明においては、第1及び第2の発明における前記系統電力が所定値以下になったことを確認した後、遮断器を開放し、同時に運転モードを連系運転から自立運転に切替えることを特徴とする。

第４の発明においては、第1から第３の発明における前記電力変換装置の制御は、連系運転時は電力指令に基づいた電流制御とし、自立運転時は電圧指令に基づいた電圧制御とすることを特徴とする。

本発明によれば、連系運転時の制御方式としてPQ理論(制御系の指令値が電力)を用いた場合において、連系運転中に運転切替要求が入力された時に負荷電力を算出し、その結果を連系運転の制御系に対し入力することで、負荷電力を電力変換装置が全て負担するので、遮断器電流を零にすることができる。この結果、遮断器電流制御系が不要で、制御系が小さくなり、また制御系を切替える回数が減少するので、簡単な制御系を実現できる。

本発明の主回路及び検出回路例を示す。 本発明の制御回路ブロック図例を示す。 運転切替指示部の動作例を示す。 本発明における各電力の時間的変化例を示す。 従来の主回路及び検出回路例を示す。 従来の制御回路ブロック図例を示す。

本発明の要点は、電力変換装置と負荷が遮断器を介して交流系統に並列接続される系統連系システムで、連系運転から自立運転へと切替える場合、連系運転時に負荷電力を算出し、前記連系運転から自立運転への切替時に前記算出した負荷電力を前記電力変換装置が出力し、遮断器の電流を零にしてから遮断器を開路させている点である。

図１に、本発明の第1の実施例を示す主回路と検出回路の構成を示す。図１において、１は直流電源、２はインバータ回路、フィルタなどで構成された電力変換装置、４は負荷、５は系統遮断器、６は系統、７は電力変換器出力交流電圧検出器、８は電力変換器出力交流電流検出器、９は系統交流電圧検出器、１０は系統交流電流検出器である。蓄電池１の直流電圧は電力変換装置２へ入力される。電力変換装置２は半導体スイッチ素子を用いたインバータ回路で、入力された直流電圧を交流電圧に変換し、図示しないインダクタンスとコンデンサなどで構成されるフィルタにより、高周波成分の除去と平滑が行われ、歪の少ない正弦波電圧を出力する。なお、電力変換装置２と負荷４は、遮断器５を介して系統６に対し並列に接続された構成である。

次に連系運転と自立運転の制御方式について図２を用いて説明する。
図２に示す電力変換装置２の制御回路は、連系運転制御系（Ａ）及び自立運転制御系（Ａ）で構成される。連系運転時は切替スイッチ１９を連系運転制御系（Ａ）側へ切替えた状態で、電流制御を、自立運転時は切替スイッチ１９を自立運転制御系（Ａ）側へ切替えた状態で、電圧制御を行う。また、連系運転から自立運転に切替える時には、予め遮断器５の電流を十分小さく制御してから、遮断器５を開路するため、負荷電力が電力変換装置の出力電力と等しくなるように制御する。

連系運転制御系（Ａ）は、連系運転で出力電流制御を行う。ただし、制御系への入力は電力指令である。まず、出力電力指令生成部１１から出力された電力変換装置の出力電力指令値と出力電圧検出値Vinvとを出力電流指令演算部１２へ入力する。出力電流指令演算部１２では、出力電力指令値を出力電圧検出値Vinvで除算し、電力変換装置の出力電流指令値として出力する。この出力と出力電流検出値Iinvとの偏差を加算器２０で求め、出力電流制御部１３に入力する。

出力電流制御部１３では、出力電流指令値と出力電流検出値Iinvを一致させる調節演算を行い、その結果を電力変換装置の出力すべき電圧として出力する。この出力は出力電圧指令として切替スイッチ１９を介してゲート信号生成部１４へ入力される。ゲート信号生成部１４では、出力電圧指令に基づき、電力変換装置を構成している半導体スイッチ用のゲート駆動信号を生成し、半導体スイッチ素子に送る。

一方、自立運転では、スイッチ１９を自立運転制御系（Ａ）側に切替えた状態で、出力電圧制御を行う。まず、電力変換装置の出力電圧指令値と出力電圧検出値Vinvとの偏差を加算器１５で求め、出力電圧制御部１６へ入力する。出力電圧制御部１６では、出力電圧指令値と出力電圧検出値Vinvを一致させる調節演算を行い、その結果を電力変換装置が出力すべき電圧として出力する。この出力は出力電圧指令として切替スイッチ１９を介してゲート信号生成部１４へ入力される。ゲート信号生成部１４では、出力電圧指令に基づき、電力変換装置を構成している半導体スイッチ用のゲート駆動信号を生成し、半導体スイッチ素子に送る。

次に連系運転から自立運転への切替動作について説明する。
連系運転から自立運転への切替は運転切替指示部１７が行う。図３に動作例を示す。
運転切替指示部１７では、運転切替要求が入力された時刻t1に自立運転準備指令を出力し、その後で負荷電力演算部１８より入力される系統電力が所定値以下になった時刻t2に遮断器開放指令と自立運転指令を出力する。所定値は遮断器遮断時のサージ電圧を十分抑制できる値に任意に設定できる。なお、負荷電力演算部１８の動作については後述する。

自立運転準備指令は出力電力指令切替部１１と負荷電力演算部１８へ出力される。出力電力指令生成部１１は、自立運転準備指令がオフの場合に上位制御系から指示された電力指令値を、オンの場合に負荷電力演算部１８から出力された負荷電力値を、各々選択し、電力変換装置の出力電力指令として出力する。負荷電力演算部１８は、自立運転準備指令がオフの場合に負荷電力を算出し、自立運転準備指令がオンになった場合に算出していた負荷電力値を固持し、出力電力指令切替部１１へ出力する。

なお、負荷電力は電力変換装置の出力電圧検出値Vinvと出力電流検出値Iinv、系統電流検出値Isと系統電圧検出値Vsの情報を基に、電力変換装置の出力電力と系統電力を三相瞬時電力値から算出し、その結果より電力変換装置の出力電力と系統電力の差分を負荷電力とする。

遮断器開放指令は遮断器５へ出力される。遮断器５は、遮断器開放指令がオフの場合に閉路し、オンの場合に開路する。
自立運転指令は切替スイッチ１９へ出力される。切替スイッチ１９は、自立運転指令がオフの場合は連系運転制御系（Ａ）側を選択し、オンの場合は自立運転制御系（Ａ）側を選択する。

図４に各部の電力(電力変換装置の出力電力、系統電力、負荷電力)の時間的変化を示す。負荷電力が一定で、直流電源として蓄電池を用いた場合である。初期状態は電力変換装置が連系運転を行っており、系統電力を負荷に供給し、余った電力を電力変換装置へ送り、蓄電池を充電している。ここで、時刻t1にて運転切替要求が入力された時、運転切替の準備として電力変換装置の出力電力が負荷電力と一致するように制御する。これに応じて系統電力は減少する。そして、時刻t2にて系統電力がある所定値以下になった場合、遮断器５を開放して自立運転を行う。
尚、上記実施例の直流電源は、蓄電池、太陽電池、燃料電池などを用いた場合でも実現可能である。

本発明は、系統に連系される遮断器を遮断する技術に関する提案であり、無停電電源装置、瞬低補償装置などへの適用が可能である。

１・・・蓄電池 ２・・・電力変換装置 ３・・・直流電圧検出器
４・・・負荷 ５・・・遮断器 ６・・・系統
７、９・・・交流電圧検出器 ８、１０・・・交流電流検出器
１１・・・出力電圧指令生成部 １２・・・出力電流指令生成部
１３、２７・・・出力電流制御部 １４、２８・・・ゲート信号生成部
１６、３０・・・出力電圧制御部 １７、３２・・・運転切替指示部
１８・・・負荷電力演算部 １９、３３、３４・・・切替スイッチ
１５、２０、２９、３５〜３８・・・加算器 ２１・・・直流電源
２６・・・直流電圧制御部 ３１・・・遮断器電流制御部

Claims (4)

1. 電力変換装置と負荷が遮断器を介して交流系統に並列接続される系統連系システムで、前記電力変換装置で直流を交流に変換し、前記遮断器を閉路して交流系統に接続する連系運転と、前記遮断器を開路して前記交流系統を切離し、直流電源のエネルギーを前記電力変換装置を介して負荷に供給する自立運転とを行う系統連系システムにおいて、
   連系運転時に負荷電力を算出し、前記連系運転から自立運転への切替時に前記算出した負荷電力を前記電力変換装置が出力することを特徴とする系統連系システム。
2. 前記負荷電力の算出は、前記電力変換装置の交流出力に備えられた出力電圧検出手段の出力と出力電流検出手段の出力とから求めた前記電力変換装置の出力電力と、前記交流系統に備えられた系統電圧検出手段の出力と系統電流検出手段の出力とから求めた系統電力と、の差分とすることを特徴とする請求項１に記載の系統連系システム。
3. 前記系統電力が所定値以下になったことを確認した後、遮断器を開放し、同時に運転モードを連系運転から自立運転に切替えることを特徴とする請求項１又は２に記載の系統連系システム。
4. 前記電力変換装置の制御は、連系運転時は電力指令に基づいた電流制御とし、自立運転時は電圧指令に基づいた電圧制御とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の系統連系システム。