JP2012044815A - 単独運転検出装置および単独運転検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 より早くインバータの単独運転を検出するインバータの単独運転検出装置および単独運転検出方法を提供する。
【解決手段】周波数と無効電力との特性函数により、周波数が正のときは進み無効電力、周波数が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力を演算して出力する第１函数手段３１と、周波数変化率と無効電力との特性函数により、周波数変化率が正のときは進み無効電力、周波数変化率が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力を演算して出力する第２函数手段２９と、第１函数手段３１と第２函数手段２９との出力を加算する手段３２と、インバータ２から出力された交流電圧の高調波電圧を検出する高調波検出手段４０と、所定次数の高調波電圧の絶対値が増加した場合に第２函数手段２９のゲインを増加する判定手段４１と、手段３２の出力によりインバータ２の出力電力を制御し、異常検出部からの異常通知によりインバータ２を停止させる駆動手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、単独運転検出装置および単独運転検出方法に関する。

図１０に単独運転検出装置の一構成例を示す。図１０に示すインバータの単独運転検出装置では、例えば太陽電池あるいは燃料電池等を備えた直流電源１から出力された直流電力は、インバータブリッジ２により交流電力に変換され、リアクトル３とコンデンサ４からなるフィルタによりＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によるノイズ成分を除去してコンタクタ６を介して負荷９に接続される。

一方、インバータブリッジ２は、交流電力系統８から遮断器７を介して供給される交流電力に連系して運転する。負荷９に供給される交流電力の交流電圧は、電圧検出器１０により検出されＰＬＬ（Phase locked loop）回路２２に供給される。ＰＬＬ回路２２は、交流電圧位相に同期した信号Ｖ２２を位相シフト回路２３に入力し、正弦波回路２６を通して電流基準回路１２に正弦波の信号Ｖｓが入力される。

増幅器１１は、直流電源１の電圧Ｖを検出し、電圧基準Ｖ^*と比較した差分を増幅した信号Ｖ１１を電流基準回路１２に入力する。電流基準回路１２はＶ１１と信号Ｖｓとの積を交流電流基準Ｉ^*として増幅器１３へ入力する。この交流電流基準Ｉ^*と電流検出器５で検出したインバータ出力電流とが一致するように増幅器１３が制御し、ＰＷＭ回路１４により駆動部１５を介してインバータブリッジ２をＰＷＭ制御する。

一方、ＰＬＬ回路２２の出力信号Ｖ２２から周波数検出回路２５によりインバータ周波数を検出し、函数発生回路２４を介して、位相シフト回路２３により正弦波回路２６の出力信号Ｖｓの位相をシフトしてインバータブリッジ２の出力無効電力（Ｉ×Ｖｓｉｎθ）を制御する。

また、電圧検出器１０で検出された交流電圧は、電圧リレー１７および周波数リレー１８、周波数変化率リレー２７に供給される。電圧リレー１７は、負荷９に供給される交流電圧空電圧の異常を検出する。周波数リレー１８は、負荷９に供給される交流電圧から周波数異常を検出する。周波数変化率リレー２７は、負荷９に供給される交流電圧から周波数変化率（ｄｆ／ｄｔ）の過大を検出する。

異常が検出された場合には、異常検出回路１９を介して駆動部１５に異常を通知する信号が供給され、駆動部１５はインバータ駆動を停止させると同時にコンタクタ６を開とさせてインバータブリッジ２を系統連系から完全に解列する。

特許２７９０４０３号公報 特許２７９６０３５号公報

上記のような単独運転検出方法を”スリップモード周波数シフト”と呼ぶ。この動作原理を図１１により説明する。函数発生回路２４の特性は図１１のインバータ特性に示すようにインバータ出力周波数ｆに対して定格周波数ｆ０近辺では周波数ｆの上昇によって電流位相が進み方向に増加する特性を持っている。

一方、負荷９の特性曲線は周波数ｆが増加すると負荷９のコンデンサ電流は増加しリアクトル電流は減少する。この結果、周波数ｆの上昇と共に進み無効電力を吸収する特性となる。

図１１に示す負荷特性は、負荷９が定格周波数ｆ０で力率１の場合の特性カーブを示す。このような状態で交流電力系統８へ流れる有効電力ΔＰ、無効電力ΔＱが共にゼロの条件で遮断器７が開となると、単独運転を検出するのに比較的長い時間が必要となる。

有効電力、無効電力が共にゼロ、定格周波数ｆ０の点で遮断器７が開となると、定格周波数ｆ０より高い周波数の範囲では、負荷９が吸収する無効電力よりもインバータブリッジ２の出力する進み無効電力がやや大きいので、負荷９はこの進み無効電力を吸収するため周波数が上昇する。

一方、定格周波数ｆ０より低い周波数ｆの範囲では負荷９が吸収する遅れ無効電力よりもインバータブリッジ２の出力する遅れ無効電力が大きいのでこの遅れ無効電力を吸収するため負荷９の周波数ｆは低下し、リアクトルの電流が増加していくことになる。

このような過程は正帰還により加速的に周波数ｆがシフトしていく。図１２に、インバータブリッジ２から出力される無効電力と負荷９が吸収する無効電力とが等しい条件でのシミュレーション波形の一例を示す。

従来の系統連系規程では、単独運転になって約０．５〜１．０秒で検出すれば良いが、最近では系統の保護協調の観点から、０．１秒で検出することが望まれ、系統連系規程の改正が見込まれている。図１１に示すような周波数に対する、インバータブリッジ２の無効電力あるいは電流位相角の特性のままこのインバータ特性の傾斜を急にすれば、正帰還が強くかかり検出時間は早くなるが、周波数が±１％変化した際に力率が９５％以上という系統連系規程上の制限や誤作動防止の観点から、時間短縮に限度があった。

本発明は、これらの事情を鑑みて成されたものであって、より早くインバータの単独運転を検出可能なインバータの単独運転検出装置および単独運転検出方法を提供することを目的とする。

実施形態によるインバータの単独運転装置は、直流電力を交流電力に変換するとともに、交流電力系統と連系して運転するインバータの単独運転検出装置であって、前記インバータから出力された交流電圧を検出する電圧検出手段と、前記交流電力系統および前記インバータから出力された交流電力の電圧から、周波数または周波数変化率の異常を検知するように構成された異常検出手段と、前記電圧検出手段で検出された交流電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、前記電圧検出手段で検出された交流電圧の周波数変化率を検出する周波数変化率検出手段と、前記周波数に対する無効電力あるいは電流位相角の特性函数により、前記周波数が正のときは進み無効電力が流れ、前記周波数が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算して出力する第１函数手段と、前記周波数変化率に対する無効電力あるいは電流位相角の特性函数により、前記周波数変化率が正のときは進み無効電力が流れ、前記周波数変化率が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算して出力する第２函数手段と、前記第１函数手段の出力と前記第２函数手段の出力とを加算する加算手段と、前記電圧検出手段で検出された交流電圧の高調波電圧を検出する高調波検出手段と、前記高調波検出手段で検出された所定次数の高調波電圧の絶対値が予め設定された値以上である場合に前記第２函数手段のゲインを増加させる判定手段と、前記加算手段の出力を用いて前記インバータから出力される出力電力を制御するとともに、前記異常検出手段から異常が通知されたときに前記インバータを停止させる駆動手段と、を備える。

第一実施形態に係るインバータの単独運転検出装置の一構成例を示す図である。 図１に示すインバータの単独運転検出装置の第1函数回路のインバータ特性の一例を示す図である。 図１に示すインバータの単独運転検出装置の第２函数回路のインバータ特性の一例を示す図である。 図１に示すインバータの単独運転検出装置の加算リミット回路のインバータ特性の一例を示す図である。 高調波増加時に第２函数のゲインを上げた場合のインバータ特性の一例を示す図である。 連系中の単相インバータが単独運転になった場合に測定される高調波の変化の一例を示す図である。 第二実施形態に係るインバータの単独運転検出装置の一構成例を示す図である。 第三実施形態に係るインバータの単独運転検出装置の一構成例を説明するための図である。 図８に示すインバータの単独運転検出装置の加算リミット回路のインバータ特性の一例を示す図である。 インバータの単独運転検出装置の一構成例を説明するための図である。 周波数に対するインバータの無効電力あるいは電流位相角の特性の一例を示す図である。 インバータから出力される無効電力と負荷が吸収する無効電力とが等しい条件での周波数のシミュレーション波形の一例を示す図である。 第一実施形態乃至第三実施形態に係るインバータの単独運転検出装置の高調波判定回路の処理の一例を説明するためのブロック図である。

以下に、第一実施形態に係る単独運転検出装置および単独運転検出方法について図面を参照して説明する。本実施形態に関る単独運転検出装置は、直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換し交流系統に連系して運転するインバータの単独運転検出保護装置であって、インバータ出力側の電圧位相または無効電力および周波数、周波数変化率を検出する。このとき検出した電圧位相から基準位相を取得し、取得した基準位相に応じた位相の電流基準によってインバータの出力電流を制御する。この基準位相は周波数と周波数変化率に応じて周波数変化を助長する方向に補正され、周波数変化率成分はインバータ出力側の電圧に含まれる高調波が増加したことを検出して、周波数および周波数変化率の変化をさらに助長する方向に増加する。単独運転検出装置は、これらの変化を検出することで、インバータ出力側が交流電力系統から切り離されたことを検出し、高速に保護動作を行うように構成されている。

図１に第１実施形態に係るインバータの単独運転検出装置の一構成例を概略的に示す。本実施形態に係る単独運転検出装置は、交流電力系統８およびインバータブリッジ２から出力されて負荷９に供給される交流電圧を検出する電圧検出器１０と、交流電力系統８およびインバータブリッジ２から出力された交流電力の電圧から、周波数または周波数変化率の異常を検知するように構成された異常検出手段と、函数手段と、インバータブリッジ２から出力される出力電力を制御するとともに、異常検出部から異常が通知されたときにインバータブリッジ２を停止させる駆動手段とを備えている。

異常検出手段は、負荷９に供給される交流電圧の異常を検出する電圧リレー１７と、負荷９に供給される交流電圧から周波数異常を検出する周波数リレー１８と、負荷９に供給される交流電圧から周波数変化率（ｄｆ／ｄｔ）の過大を検出する周波数変化率リレー２７と、電圧リレー１７、周波数リレー１８、および周波数変化率リレー２７で異常が検出された場合に異常を通知する信号を出力する異常検出回路１９と、を備える。

函数手段は、交流電力系統８およびインバータブリッジ２から出力された交流電圧の周波数を検出する周波数回路３０と、交流電力系統８およびインバータブリッジ２から出力された交流電圧の周波数変化率を検出する周波数変化率回路２８と、周波数に対する無効電力あるいは電流位相角の特性函数により、周波数が正のときは進み無効電力が流れ、周波数が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算して出力する第１函数回路３１と、周波数変化率に対する無効電力あるいは電流位相角の特性函数により、周波数変化率が正のときは進み無効電力が流れ、周波数変化率が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算して出力する第２函数回路２９と、第１函数回路３１の出力と第２函数回路２９の出力とを加算する加算リミット回路３２と、交流電力系統８およびインバータブリッジから出力された交流電圧の高調波電圧を検出する高調波検出回路４０と、高調波検出回路４０で検出された所定次数の高調波電圧の絶対値が予め設定された値以上である場合に第２函数回路２９のゲインを増加させる判定回路４１と、を備える。

駆動手段は、増幅器１１、電流基準回路１２、増幅器１３、ＰＷＭ回路１４、駆動部１５、ＰＬＬ回路２２、位相シフト回路２３、および、正弦波回路２６を含み、加算リミット回路３２からの出力を用いてインバータブリッジ２の出力電力を制御するとともに、異常検出部から異常が知らされたときにインバータブリッジ２を停止させるように構成されている。

本実施形態に係るインバータの単独運転検出装置は、交流電力系統及びインバータの出力電力の電圧位相を同期させ、出力電流を所定の電流位相に制御し、インバータの出力の無効電力の制御を行なう。また、インバータが前記交流電力系統から切り離されたときには、インバータの出力電圧の周波数に基づいてインバータの無効電力が変化するようインバータを駆動する。

さらに、通常の周波数変化（定常状態）に対し充分ゆるやかに追従して無効電力がほぼゼロになるよう周波数に対する無効電力の特性曲線を移動させ、早い周波数変化（異常状態）に対し周波数が正帰還により変化を助長する方向に制御する。

本実施形態に係る単独運転検出装置は、例えば太陽電池あるいは燃料電池等を備えた直流電源１と、直流電源１から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータブリッジ２とを備え、インバータブリッジ２の単独運転を検出している。インバータブリッジ２から出力された交流電力は、リアクトル３とコンデンサ４とを備えたフィルタによりＰＷＭ制御によるノイズ成分が除去され、コンタクタ６を介して負荷９に供給される。

インバータブリッジ２は、交流電力系統８から遮断器７を介して供給される交流電力に連系して運転している。負荷９に供給される交流電圧は、電圧検出器１０により検出されＰＬＬ回路２２に供給される。ＰＬＬ回路２２は、交流電圧位相に同期した信号Ｖ２２を位相シフト回路２３に入力し、正弦波回路２６を通して電流基準回路１２に正弦波の信号Ｖ_s が入力される。

増幅器１１は、直流電源１の電圧を検出し電圧基準Ｖ^* と比較して、それらの差分を増幅した信号Ｖ１１を電流基準回路１２に入力する。電流基準回路１２は信号Ｖ１１と信号Ｖ_s との積を交流電流基準Ｉ^* として増幅器１３へ入力する。この交流電流基準Ｉ^* と電流検出器５で検出したインバータブリッジ２の出力電流とが一致するように増幅器１３が制御し、ＰＷＭ回路１４により駆動部１５を介してインバータブリッジ２をＰＷＭ制御する。

また、電圧検出器１０で検出された交流電圧は、電圧リレー１７および周波数リレー１８、周波数変化率リレー２７、高調波検出回路４０、周波数回路３０、周波数変化率回路２８に供給される。

電圧リレー１７は、負荷９に供給される交流電圧空電圧の異常を検出する。周波数リレー１８は、負荷９に供給される交流電圧から周波数異常を検出する。周波数変化率リレー２７は、負荷９に供給される交流電圧から周波数変化率（ｄｆ／ｄｔ）の過大を検出する。

異常が検出された場合には、異常検出回路１９は駆動部１５に異常を通知する信号が供給され、駆動部１５がインバータ駆動を停止させるとともに、コンタクタ６を開とさせて完全にインバータブリッジ２を系統連系から解列する。

図１において周波数回路３０は、電圧検出器１０で検出された交流電圧から、負荷９へ供給される周波数を検出し第１函数回路３１へ送信する。第１函数回路３１は受信した周波数ｆから特性函数により算出した出力Ｖ３１（無効電力あるいは電流位相θ）を加算リミット回路３２に入力する。

図２に、基準周波数ｆ０近辺における、周波数ｆとインバータブリッジ２の無効電力（あるいは電流位相θ）との関係の一例を示す。図２に示すように、基準（定格）周波数ｆ０近辺では、インバータブリッジ２は、インバータ出力周波数ｆの上昇によって無効電力（あるいは電流位相θ）が進み方向に増加する特性である。

周波数変化率回路２８は、負荷９の周波数変化率ｄｆ／ｄｔを検出し第２函数回路２９へ送信する。第２函数回路２９は受信した周波数変化率ｄｆ／ｄｔから特性函数により算出した出力Ｖ２９（無効電力あるいは電流位相θ）を加算リミット回路３２に入力する。

図３に、周波数変化率ｄｆ／ｄｔとインバータブリッジ２の無効電力（あるいは電流位相θ）との関係の一例を示す。図３に示すように、インバータブリッジ２は、周波数変化率（ｄｆ／ｄｔ）の上昇によって、無効電力（あるいは電流位相θ）が進み方向に増加する特性である。

加算リミット回路３２は出力Ｖ２９と出力Ｖ３１とを受信し、出力Ｖ２９と出力Ｖ３１とを加算して最大値をリミットした出力Ｖ３２を位相シフト回路２３へ出力する。位相シフト回路２３は、出力Ｖ３２より得られた基準位相によって正弦波回路２６の出力信号Ｖｓの位相をシフトしてインバータブリッジ２の出力無効電力（Ｉ×Ｖｓｉｎθ）を制御する。

上記のように、図１に示す、電圧検出器１０および周波数回路３０、第１函数回路３１、位相シフト回路２３の回路は、スリップモード周波数シフトの特性で動作し、図２に示すように、定格周波数ｆ０の近くでは周波数ｆの上昇に従って電流位相が進み、進み無効電力が増加するように正弦波回路２６の出力信号Ｖｓの位相をシフトさせる。

ここで、図２に示すスリップモード周波数シフトの特性において、定格周波数ｆ０の近くの傾斜を急にすれば単独運転検出の時間は短くなるが、前述の通り周波数が±１％変化したときインバータ力率９５％以上とする系統連系規程があるため、傾斜には制限がある。

そこで、図３に示す周波数変化率ｄｆ／ｄｔと無効電力または電流位相θとの関係となる第２函数回路２９の出力Ｖ２９を、加算リミット回路３２で出力Ｖ３１と加算する。加算リミット回路３２の出力Ｖ３２は、例えば図４に示す一点破線のような特性となり、負荷特性とインバータブリッジ２の出力無効電力あるいは電流位相との交わる点の角度を急に（図４に示す交叉角Ｂを大に）することができる。

この場合に、図４に示す交叉角Ｂを大きくしすぎると定常時（連系運転時）の無効電力変動が大きくなり、系統電源に悪影響を及ぼすことがあるので、交叉角Ｂの大きさも制限される。そのため、本実施形態では、単独運転検出時間をさらに短くするために、高調波検出回路４０を電圧検出器１０に接続し、インバータ出力電圧の高調波を検出して、所定次数の高調波電圧の絶対値が高くなった場合のみ、第２函数の傾きを大きくしている。なお、高調波検出回路４０は、アナログ回路であっても、デジタル回路であってもよい。

図６は系統連系運転中の単相インバータが単独運転になった場合の高調波の変化を測定した一例である。図６では高調波電圧の絶対値（％）を高調波の次数毎に表示している。図６に示すように、インバータブリッジ２が単独運転を行なっているときには、３次高調波電圧、５次高調波電圧、および、７次高調波電圧の絶対値が、定常時よりも高くなっている。したがって、３次高調波電圧、５次高調波電圧、および、７次高調波電圧の絶対値が所定値よりも高くなった場合には、インバータブリッジ２が単独運転となった可能性が高くなる。高調波検出回路４０は、電圧検出器１０で検出された電圧から、高調波電圧のスペクトル特性を検出し、判定回路４１へスペクトル特性の検出結果を出力する。

図１３に、判定回路４１の動作の一例を説明するためのブロック図を示す。判定回路４１は、高調波検出回路４０から受信したスペクトル特性により、所定次数（Ａｉ次）の高調波電圧の絶対値が予め定めた割合（高調波増加基準Ｓｉ）を超えたか否か判断する（ブロック４１Ａ）。判定回路４１は、高調波電圧の絶対値が予め定めた割合を超えた場合には、第２函数回路２９のゲインを増加させる信号を第２函数回路２９へ送信する（ブロック４１Ｂ）。

単相インバータの単独運転検出装置では、高調波検出回路４０が例えば第３次高調波を検出するように構成され、判定回路４１が第３次高調波電圧の絶対値が予め定めた割合（Ｓ３）を超えたか否か判断し、超えた場合に第２函数回路２９のゲインを上昇させる信号を送信するように構成される。

図４に第２函数回路２９のゲインを上昇させたときの特性を示す。高調波増加時の加算リミット回路３２の出力Ｖ３２は、例えば図４に示す実線のような特性となり、負荷特性とインバータブリッジ２の出力無効電力あるいは電流位相との交わる点の角度をさらに急に（図４に示す交叉角Ｂをさらに大に）することができる。

高調波増加時のみ、このように第２函数回路２９のゲインを上昇させると、定常時の無効電力変動を抑制するとともに、単独運転の可能性が高い場合のみ周波数への正帰還のゲインを高めて単独運転の検出を更に早めることができる。

以上のように、本実施形態に係るインバータの単独運転検出装置および単独運転検出方法によれば、高調波増加を検出して第２函数回路２９のゲインを増加することで、単独運転検出時間を更に短縮し、新たな系統連系規程に適応可能な、インバータの単独運転検出装置および単独運転検出方法を提供することができる。

なお、高調波増加を検出して第２函数のゲインを更に上げた場合、無効電力（あるいは電流位相θ）の変化が図５に示すようなステップ状となり、周波数変化率ｄｆ／ｄｔの微小な変化で無効電力の変動極性が変化するため、インバータが多数台となったとき周波数変化へ帰還する極性がばらつき好ましくない。

そのため、図５のようなステップ状の無効電力（あるいは電流位相）を加える場合は、周波数変化率ｄｆ／ｄｔが極めて少ない条件が数サイクル継続した際に無効電力変動のステップを加えることが望ましく、かつ、多数台のインバータで極性を揃えることが望ましい。この場合、判定回路４１は、高調波電圧の絶対値が予め設定された基準を超えた期間、および、周波数変化率ｄｆ／ｄｔが所定値以下の期間が一定時間以上継続した場合に、第２函数回路２９のゲインをさらに大きくするように構成され、ステップ状の無効電力（あるいは電流位相）の特性関数によりインバータブリッジ２の無効電力の位相をシフトさせるように構成される。

また、第１函数回路３１は、周波数ｆが定格周波数ｆ０より大きく変化して一定値以上あるいは一定値以下になることにより、出力Ｖ３２のインバータ特性を示す線と負荷特性線とが交わった点（図示せず）で上周波数（出力Ｖ３２のインバータ特性を示す線と負荷特性線とが交わる点に対応し、定格周波数ｆ０よりも大きい周波数）および下周波数（出力Ｖ３２のインバータ特性を示す線と負荷特性線とが交わる点に対応し、定格周波数ｆ０よりも小さい周波数）が制限され、周波数が異常な値にならないよう工夫している。

以下に、本発明の第二実施形態に係る単独運転検出装置および単独運転検出方法について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において上述の第一実施形態に係る単独運転検出装置および単独運転検出方法と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図７に本実施形態に係る単独運転検出装置の一構成例を示す。本実施形態に係るインバータの単独運転検出装置のインバータブリッジ２は、３相ブリッジのインバータである。インバータブリッジ２の交流側にはリアクトル３ａ、３ｂ、３ｃが接続され、リアクトル３ａ、３ｂ、３ｃは夫々フィルタコンデンサ４ａ、４ｂ、４ｃとデルタ接続されている。電流検出器５ａ、５ｂは２相に接続し、インバータブリッジの出力電流を計測している。

本実施形態では、駆動手段は、増幅器１１、増幅器１３ａ、増幅器１３ｂ、ＰＷＭ回路１４、無効電力基準回路３３、３相変換回路３４、ＰＱ検出回路３５、および、駆動部１５を含み、加算リミット回路３２の出力を用いてインバータブリッジ２の出力電力の有効電力Ｐおよび無効電力Ｑを制御するとともに、異常検出部から異常が知らされたときにインバータブリッジ２を停止させるように構成されている。

ＰＱ検出回路３５は、インバータブリッジ２の出力電流と負荷９に供給される電圧とから有効電力Ｐ、無効電力Ｑを算出する。増幅器１１は、直流電源１の電圧を検出し電圧基準Ｖ^*と比較増幅した有効電力基準Ｐ^*を増幅器１３ａに出力する。増幅器１３ａは、増幅器１１から出力された有効電力基準Ｐ^*と有効電力Ｐとを増幅した信号Ｖ１３ａを、３相変圧器３４へ入力する。

加算リミット回路３２の出力Ｖ３２は、無効電力基準回路３３に入力される。無効電力基準回路３３は、出力Ｖ３２に基づく無効電力基準Ｑ^*を増幅器１３ｂへ出力する。増幅器１３ｂは、無効電力基準Ｑ^*と、ＰＱ検出回路３５で検出したインバータブリッジ２の無効電力Ｑとの誤差を増幅して信号Ｖ１３ｂとして出力する。信号Ｖ１３ｂは３相変圧器３４に入力され、信号Ｖ１３ｂを３相インバータに対応する信号に変換する３相変換器３４の出力がＰＷＭ回路１４に入力され、ＰＷＭ回路１４により駆動部１５を介してインバータブリッジ２の出力電流を制御し、有効電力と無効電力とを制御する方式が３相インバータでは行われる。

上記のように、図１に示す単相の場合は電流位相を変えることにより無効電力を変化させてインバータブリッジ２の単独運転を高速検出していたが、図７に示す３相の場合は無効電力を直接制御することにより、インバータブリッジ２の単独運転を高速検出する。

図７に示すように、上記の構成以外は、図１に示す本発明の第一実施形態に係る単独運転検出装置と同様の構成である。すなわち、本実施形態に関わるインバータの単独運転検出装置および単独運転検出方式によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、周波数ｆに対する第１函数回路３１の出力Ｖ３１と周波数変化率ｄｆ／ｄｔに対する第２函数回路２９の出力Ｖ２９との和によりインバータブリッジ２の無効電力分を制御し、その結果、インバータブリッジ２が単独運転になったとき正帰還作用により変化を助長するようにゲインを上昇させて高速に周波数ｆをシフトさせる。

さらに、高調波検出回路４０が電圧検出器１０で検出された電圧から高調波を検出し、判定回路４１が、高調波検出回路４０で検出された高調波電圧の絶対値が予め定めた割合を超えたか否か判断し、超えた場合に第２函数回路２９のゲインを上昇させる信号を送信するように構成される。

なお、連系中のインバータが単独運転になった場合の高調波の変化を測定した場合、３相のインバータでは第３次高調波の増加が打ち消されるので、高調波検出回路４０で検出する高調波を３次高調波以外の、５次高調波や７次高調波などとすることが望ましい。

このように、高調波増加時のみ、このように第２函数回路２９のゲインを上昇させると、定常時の無効電力変動を抑制するとともに、単独運転の可能性が高い場合のみ周波数への正帰還のゲインを高めて単独運転の検出を更に早めることができる。

電圧検出器１０の出力から電圧リレー１７により異常が検出され、周波数リレー１８により周波数異常が検出され、周波数変化率リレー２７により周波数変化率ｄｆ／ｄｔの過大が検出されると、異常検出回路１９を介して駆動部１５によりインバータ駆動が停止される（駆動素子のゲートが遮断される）とともに、連系遮断器（コンタクタ６）を開として完全にインバータブリッジ２が系統連系から解列される。この結果、本実施形態に係わるインバータの単独運転検出装置および単独運転検出方法によれば、単独運転検出保護を高速化することができる。

なお、本実施形態において、加算リミット回路３２の出力Ｖ３２は、最大値をリミットすることにより異常に大きい無効電力が流れないように設定している。また、第１函数回路３１は、周波数ｆが定格周波数ｆ０より大きく変化して一定値以上あるいは一定値以下になることにより、出力Ｖ３２のインバータ特性を示す線と負荷特性線とが交わった点（図示せず）で上周波数（出力Ｖ３２のインバータ特性を示す線と負荷特性線とが交わる点に対応し、定格周波数ｆ０よりも大きい周波数）および下周波数（出力Ｖ３２のインバータ特性を示す線と負荷特性線とが交わる点に対応し、定格周波数ｆ０よりも小さい周波数）が制限され、周波数が異常な値にならないよう工夫している。

以上のように、本実施形態に係るインバータの単独運転検出装置および単独運転検出方法によると、高調波増加を検出して第２函数回路２９のゲインを上げることで、単独運転検出時間を更に短縮し、新たな系統連系規程に適応可能な、インバータの単独運転検出装置および単独運転検出方法を提供することができる。

以下に、本発明の第三実施形態に係る単独運転検出装置および単独運転検出方法について図面を参照して説明する。本実施形態に係る単独運転検出装置は、函数手段の構成が上述の第一実施形態および第二実施形態に係る単独運転検出装置と異なっている。

本実施形態に係る単独運転検出装置は、直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換し、交流系統に連系して運転するインバータの単独運転検出保護装置であって、インバータの出力側の電圧位相、周波数、および周波数の移動平均を検出し、検出した電圧位相から基準位相を取得し、この基準位相に応じた位相の系統の電流の電流基準を発生してインバータの出力電流を制御すると共に、周波数と周波数の移動平均との差（周波数偏差）に応じて基準位相（または無効電力基準）を補正し、これによりインバータが交流系統から切り離されたことを検出して保護動作を高速に行なうように構成されている。

本実施形態に係るインバータの単独運転検出装置では、交流電力系統及びインバータの出力電力の電圧位相を同期させ、出力電流を所定の電流位相に制御し、インバータの出力の無効電力の制御を行なう。また、インバータが交流電力系統から切り離されたときには、インバータの出力電圧の周波数等に基づいてインバータの無効電力が変化するようインバータを駆動する。

図８に、本実施形態に係る単独運転検出装置の一構成例を説明するためのブロック図を示す。本実施形態に係る単独運転検出装置は、周波数回路３０の後段に配置された、移動平均回路３６と、周波数偏差回路３７と、をさらに備えている。なお、本実施形態に係る単独運転検出装置は、単相インバータブリッジ又は３層インバータブリッジの単独運転を検出するように構成される。

函数手段は、周波数回路３０から出力されたインバータ周波数ｆが供給され周波数ｆから移動平均ｆｍを演算して出力する移動平均回路３６と、周波数ｆと移動平均ｆｍとが供給され周波数ｆと移動平均ｆｍとの差分により周波数偏差Δｆを演算する周波数偏差回路３７と、周波数偏差Δｆが供給され周波数偏差Δｆに対する無効電力（または電流位相）の函数により出力信号（無効電力あるいは電流位相の値）を演算する第1函数回路３８と、を備えている。第1函数回路３８から出力された信号Ｖ３８は、加算リミット回路３２に供給される。

加算リミット回路３２の出力Ｖ３２は、位相シフト回路２３あるいは無効電力基準回路３３へ送信される。

図１に示す第１函数回路３１でのインバータ特性は横軸が周波数ｆであるのに対し、図８の第１函数回路３８でのインバータ特性は横軸が周波数偏差Δｆ（Δｆ＝ｆ−ｆｍ、ｆ：周波数、ｆｍ：移動平均周波数）となっている。その他の点は第一実施形態および第二実施形態と同様である。図９に加算リミット回路３２の出力Ｖ３２の一例を示す。

定常時の周波数偏差Δｆは略ゼロであって過渡時のみ無効電力が変化するため、インバータ特性の横軸を周波数偏差Δｆにすると、単独運転検出作用は第一実施形態の場合と同等に高速に行なうことが可能であるととともに、より高力率とすることができる。

以上説明したように、上記の第三実施形態に係るインバータの単独運転検出装置および単独運転検出方式によれば、周波数ｆが上昇したとき無効電力が進み方向に変化し、周波数ｆが下降したとき無効電力が遅れ方向に変化する函数回路の出力信号と、周波数変化率ｄｆ／ｄｔが正のとき無効電力が進み方向に変化し周波数変化率ｄｆ／ｄｔが負のとき無効電力が遅れ方向に変化する函数回路の出力信号との和により無効電力を制御するよう構成し、更にインバータ出力電圧の高調波を検出する回路の出力信号で、周波数変化率ｄｆ／ｄｔにより無効電力を変化させるゲインを上昇させることにより、より高速にインバータの単独運転を検出することができる。

本実施形態によれば、より早くインバータの単独運転を誤作動なく検出し、新たな系統連系規程に適応可能な、インバータの単独運転検出装置および単独運転検出方法を提供することができる。

すなわち、第一実施形態乃至第三実施形態に係るインバータの単独運転検出装置および単独運転検出方法によれば、より早くインバータの単独運転を検出可能なインバータの単独運転検出装置および単独運転検出方法を提供することができる。

なお、上記の第一実施形態乃至第三実施形態において、周波数検出や周波数変化率の検出は交流電源１サイクル毎で計測するように構成してもよく、より高速化をはかるために交流電源半サイクル毎に計測するように構成してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

θ…電流位相、Ｂ…交叉角、ｆｍ…移動平均、Δｆ…周波数偏差、１…直流電源、２…インバータブリッジ、３、３ａ、３ｂ、３ｃ…リアクトル、４…コンデンサ、４ａ、４ｂ…フィルタコンデンサ、５、５ａ、５ｂ…電流検出器、６…コンタクタ、７…遮断器、８…交流電力系統、９…負荷、１０…電圧検出器（電圧検出手段）、１１、１３、１３ａ、１３ｂ…増幅器、１２…電流基準回路、１４…ＰＷＭ回路、１５…駆動部、１７…電圧リレー、１８…周波数リレー、１９…異常検出回路、２２…ＰＬＬ回路、２３…位相シフト回路、２６…正弦波回路、２７…周波数変化率リレー、２８…周波数変化率回路（周波数変化率手段）、２９…第２函数回路（第２函数手段）、３０…周波数回路（周波数手段）、３１、３８…第１函数回路（第１函数手段）、３２…加算リミット回路（加算手段）、３３…無効電力基準回路、３４…３相変圧器、３５…ＰＱ検出回路、３６…移動平均回路、３７…周波数偏差回路（周波数偏差手段）、４０…高調波検出回路（高調波検出手段）、４１…判定回路（判定手段）。

Claims (6)

1. 直流電力を交流電力に変換するとともに、交流電力系統と連系して運転するインバータの単独運転検出装置であって、
   前記交流電力系統および前記インバータから出力された交流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記交流電力系統および前記インバータから出力された交流電力の電圧から、周波数または周波数変化率の異常を検知するように構成された異常検出手段と、
   前記電圧検出手段で検出された交流電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記電圧検出手段で検出された交流電圧の周波数変化率を検出する周波数変化率検出手段と、
   前記周波数に対する無効電力あるいは電流位相角の特性函数により、前記周波数が正のときは進み無効電力が流れ、前記周波数が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算して出力する第１函数手段と、
   前記周波数変化率に対する無効電力あるいは電流位相角の特性函数により、前記周波数変化率が正のときは進み無効電力が流れ、前記周波数変化率が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算して出力する第２函数手段と、
   前記第１函数手段の出力と前記第２函数手段の出力とを加算する加算手段と、
   前記電圧検出手段で検出された交流電圧の高調波電圧を検出する高調波検出手段と、
   前記高調波検出手段で検出された所定次数の高調波電圧が予め設定された基準を超えた場合に前記第２函数手段のゲインを増加させる判定手段と、
   前記加算手段の出力を用いて前記インバータから出力される出力電力を制御するとともに、前記異常検出手段から異常が通知されたときに前記インバータを停止させる駆動手段と、を備えた単独運転検出装置。
2. 直流電力を交流電力に変換するとともに、交流電力系統と連系して運転するインバータの単独運転検出装置であって、
   前記交流電力系統および前記インバータから出力された交流電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記交流電力系統および前記インバータから出力された交流電力の電圧から、周波数または周波数変化率の異常を検知するように構成された異常検出手段と、
   前記電圧検出手段で検出された交流電圧の周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記電圧検出手段で検出された交流電圧の周波数変化率を検出する周波数変化率検出手段と、
   前記周波数検出手段によって検出された周波数から周波数の移動平均を演算する移動平均手段と、
   前記周波数検出手段によって検出された周波数および前記移動平均から周波数偏差を演算する周波数偏差手段と、
   前記周波数偏差に対する無効電力あるいは電流位相角の特性函数により、前記周波数偏差が正のときは進み無効電力が流れ、前記周波数偏差が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算して出力する第１函数手段と、
   前記周波数変化率に対する無効電力あるいは電流位相角の特性函数により、前記周波数が正のときは進み無効電力が流れ、前記周波数変化率が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算して出力する第２函数手段と、
   前記第１函数手段の出力と前記第２函数手段の出力とを加算する加算手段と、
   前記電圧検出手段で検出された交流電圧の高調波電圧を検出する高調波検出手段と、
   前記高調波検出手段で検出された所定次数の高調波電圧の絶対値が予め設定された値以上である場合に前記第２函数手段のゲインを増加させる判定手段と、
   前記加算手段の出力を用いて前記インバータから出力される出力電力を制御するとともに、前記異常検出部から異常が通知されたときに前記インバータを停止させる駆動手段と、を備えた単独運転検出装置。
3. 前記高調波検出手段は、前記電圧検出手段で検出された交流電圧から高調波電圧のスペクトル特性を検出するように構成され、
   前記判定手段は、前記スペクトル特性に基づいて、３次高調波電圧、５次高調波電圧、あるいは、７次高調波電圧の絶対値が予め設定された割合を超えた場合に第２関数手段のゲインを増加させるように構成されている請求項１または請求項２記載の単独運転検出装置。
4. 前記判定手段は、高調波電圧が予め設定された基準を超えた期間および前記周波数変化率が所定値以下の期間が一定時間以上継続した場合、前記第２函数手段のゲインをさらに大きくするように構成されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の単独運転検出装置。
5. 直流電力を交流電力に変換するとともに、交流電力系統と連系して運転するインバータの単独運転検出方法であって、
   前記交流電力系統および前記インバータから出力された交流電圧の周波数を検出し、
   検出された周波数から周波数変化率を演算し、
   前記周波数に対する無効電力あるいは電流位相角の第１特性函数により、前記周波数が正のときは進み無効電力が流れ、前記周波数が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算し、
   前記周波数変化率に対する無効電力あるいは電流位相角の第２特性函数により、前記周波数が正のときは進み無効電力が流れ、前記周波数変化率が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算し、
   前記第１特性函数により演算された無効電力あるいは電流位相角と、前記第２特性関函数により演算された無効電力あるいは電流位相角とを加算し、
   加算後の無効電力あるいは位相角の値を用いて前記インバータから出力される出力電力を制御し、
   前記交流電力系統および前記インバータから出力された交流電力の電圧から、周波数または周波数変化率の異常か否か検知し、
   周波数または周波数変化率の異常が検知されたときに前記インバータを停止させる単独運転検出方法であって、
   前記インバータから出力された交流電圧の高調波電圧を検出し、検出された所定次数の高調波電圧の絶対値が予め設定された値以上である場合に前記第２特性函数のゲインを増加させる単独運転検出方法。
6. 直流電力を交流電力に変換するとともに、交流電力系統と連系して運転するインバータの単独運転検出方法であって、
   前記交流電力系統および前記インバータから出力された交流電圧の周波数を検出し、
   検出された周波数から周波数の移動平均を演算し、
   検出された周波数から周波数変化率を演算し、
   検出された周波数および前記移動平均から周波数偏差を演算し、
   前記周波数偏差に対する無効電力あるいは電流位相角の第１特性函数により、前記周波数が正のときは進み無効電力が流れ、前記周波数が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算し、
   前記周波数変化率に対する無効電力あるいは電流位相角の第２特性函数により、前記周波数が正のときは進み無効電力が流れ、前記周波数変化率が負のときは遅れ無効電力が流れるように無効電力あるいは電流位相角の値を演算し、
   前記第１特性函数により演算された無効電力あるいは電流位相角と、前記第２特性函数により演算された無効電力あるいは電流位相角とを加算し、
   加算後の無効電力あるいは位相角の値を用いて前記インバータから出力される出力電力を制御し、
   前記交流電力系統および前記インバータから出力された交流電力の電圧から、周波数または周波数変化率の異常か否か検知し、
   周波数または周波数変化率の異常が検知されたときに前記インバータを停止させる単独運転検出方法であって、
   前記インバータから出力された交流電圧の高調波電圧を検出し、検出された所定次数の高調波電圧の絶対値が予め設定された値以上である場合に前記第２特性函数のゲインを増加させる単独運転検出方法。

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