JP2013243879A - 単独運転検出回路、単独運転検出方法、および、単独運転検出回路を備えた系統連系インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易な方法で単独運転を検出することができる単独運転検出回路を提供する。
【解決手段】単独運転検出回路において、系統連系インバータシステムＡの連系点での無効電力を変動させる指示を行う目標値変更指示部６１と、連系点で検出された無効電力値Ｑに基づいて、系統連系インバータシステムＡが単独運転状態であるか否かを判定する単独運転判定部６２とを設けた。例えば、単独運転判定部６２は、無効電力値Ｑの変化量ΔＱが所定値より小さい場合に無効電力値Ｑが変化しなかったと判断し、変化しなかったとの判断が所定回数繰り返された場合に、単独運転状態であると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、能動方式の単独運転検出回路、単独運転検出方法、および、単独運転検出回路を備えた系統連系インバータ装置に関する。

分散形電源を電力系統に連系する場合、様々な要件を満たす必要がある。分散形電源とは、分散配置される小規模電源であり、太陽電池などの電源自体と、当該電源が生成する電力を負荷や電力系統に供給可能な電力に変換するための設備とを合わせたものである。分散形電源を逆潮流有りの条件で電力系統に連系する場合、単独運転を防止するための単独運転検出回路を設ける必要がある。単独運転とは、分散形電源が連系された配電系統が電力系統から切り離された場合に、分散形電源が配電系統の負荷に電力の供給を継続することである。単独運転検出回路は、単独運転状態であることを検出した場合に、分散形電源を配電系統から切り離す指示を出して、分散形電源から負荷への電力の供給を停止させる。単独運転の検出方法には受動方式と能動方式とがあり、様々な検出方法が開発されている。単独運転検出回路はいくつかの検出方法を組み合わせて単独運転を検出する。

単独運転の能動方式の検出方法としては、スリップモード周波数シフト方式、ＱＣモード周波数シフト方式、有効電力変動方式、無効電力変動方式などがある。これらは、分散形電源から積極的に無効電力（または有効電力、周波数など）の変動を与え、検出された周波数（または周波数、電圧など）の変化に応じて単独運転を検出するものである。

特開２０００−３５８３３１号公報 特開２００６−２３０１１５号公報

しかしながら、検出された周波数に基づいて単独運転を検出する場合、周波数検出のための交流信号に高調波成分や不平衡成分が重畳していると、周波数の検出精度が低くなり、単独運転検出回路が単独運転を誤検出することがある。また、電力系統の系統周波数が変動した場合にも、誤検出をする場合がある。また、周波数シフト方式などの場合（特許文献１参照）、正帰還により周波数の変動を増幅させるので、注入される無効電力量が大きくなりすぎてフリッカを引き起こしてしまう可能性がある。また、配電系統に複数の分散形電源が並列接続されている場合（特許文献２参照）、各分散形電源の単独運転検出回路同士の干渉によって、単独運転を誤検出することがある。

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、上述した問題を生じない容易な方法で単独運転を検出することができる単独運転検出回路を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供される単独運転検出回路は、分散形電源の連系点での無効電力を変動させる指示が行われている状態で、前記連系点で検出された検出無効電力値に基づいて、前記分散形電源が単独運転状態であるか否かを判定する単独運転判定手段を備えていることを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記単独運転判定手段は、前記検出無効電力値が変化したか否かを判断する変化判断部を備え、前記変化判断部によって、変化しなかったと判断された場合に、単独運転状態であると判定する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記単独運転判定手段は、前記検出無効電力値が変化したか否かを判断する変化判断部と、前記変化判断部によって変化しなかったと判断された回数をカウントする不変化判断カウント手段とを備え、前記不変化判断カウント手段によって、所定回数がカウントされた場合に、単独運転状態であると判定する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記変化判断部は、前記検出無効電力値の所定時間内の最大値と最小値との差が所定値を超えない場合に、変化しなかったと判断する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記変化判断部は、前記検出無効電力値の変化量が所定値を超えない状態が所定時間継続した場合に、変化しなかったと判断する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記変化判断部は、前記検出無効電力値が所定値を超えない状態が所定時間継続した場合に、変化しなかったと判断する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記分散形電源は、前記検出無効電力値を目標値に制御する制御手段を備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記単独運転検出回路は、前記検出無効電力値を目標値に制御する制御手段をさらに備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記単独運転検出回路は、前記目標値を変更させる目標値変更指示手段をさらに備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記目標値変更指示手段は、前記目標値をパルス状に変動させる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記目標値変更指示手段は、前記目標値を正弦波状に変動させる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記所定時間は、前記目標値変更指示手段が前記目標値を変更させる指示を行ったときから計時される。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記単独運転判定手段は、単独運転状態であると判定した場合に、前記連系点に設けられている遮断器を開放させる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記分散形電源は、直流電源と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路とを備えている。

本発明の第２の側面によって提供される系統連系インバータ装置は、本発明の第１の側面によって提供される単独運転検出回路と、前記インバータ回路とを備えている。

本発明の第３の側面によって提供される単独運転検出方法は、分散形電源の連系点での無効電力を変動させる指示を行う第１の工程と、前記連系点で検出された検出無効電力値に基づいて、前記分散形電源が単独運転状態であるか否かを判定する第２の工程とを備えていることを特徴とする。

本発明によると、無効電力を変動させる指示が行われている状態で、検出無効電力値に基づいて単独運転状態であるか否かが判定される。分散形電源が単独運転状態でない場合、指示に応じて検出無効電力値が変化するが、単独運転状態の場合、検出無効電力値は変化しない。したがって、検出無効電力値が変化しない場合に分散形電源が単独運転状態であると判定することができ、容易に適切に単独運転を検出することができる。

また、本発明によると、単独運転の検出に検出無効電力値を用いるので、周波数の検出精度が低い場合や系統周波数が変動した場合でも、単独運転を誤検出することがない。また、少量の無効電力量の注入で単独運転を検出することができる。また、複数の分散形電源が並列接続されている場合でも、検出無効電力値が変化したか否かで単独運転を検出するので、他の分散形電源の単独運転検出回路の影響を受けない。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

第１実施形態に係る単独運転検出回路を備えた系統連系インバータシステムを説明するための図である。 単独運転判定部が行う単独運転判定処理を説明するためのフローチャートである。 単独運転検出回路の試験結果を説明するための図である。 他の単独運転判定処理を説明するためのフローチャートである。 他の単独運転判定処理を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態に係る単独運転検出回路を備えた交流発電システムを説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、本発明に係る単独運転検出回路を系統連系インバータシステムに用いた場合を例として、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、第１実施形態に係る単独運転検出回路を備えた系統連系インバータシステムを説明するための図である。

系統連系インバータシステムＡは、分散形電源であり、直流電源１、インバータ回路２、制御回路３、電流センサ４、電圧センサ５、単独運転検出回路６、および連系用遮断器７を備えている。系統連系インバータシステムＡは、連系用遮断器７を介して、負荷Ｂが接続された配電系統に連系している。当該配電系統は、配電線遮断器Ｄを介して電力系統Ｃに連系している。系統連系インバータシステムＡは、直流電源１が出力する直流電力をインバータ回路２によって交流電力に変換し、負荷Ｂに供給する。負荷Ｂには、電力系統Ｃからも電力が供給される。また、系統連系インバータシステムＡは、逆潮流ありのシステムであり、交流電力を電力系統Ｃにも供給する。インバータ回路２、制御回路３、電流センサ４、電圧センサ５、単独運転検出回路６、および連系用遮断器７をまとめたものが系統連系インバータ装置であり、いわゆるパワーコンディショナと呼ばれるものである。

直流電源１は、直流電力を出力するものであり、例えば太陽電池を備えている。太陽電池は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することで、直流電力を生成する。直流電源１は、生成された直流電力を、インバータ回路２に出力する。なお、直流電源１は、太陽電池により直流電力を生成するものに限定されない。例えば、直流電源１は、燃料電池、蓄電池、電気二重層コンデンサやリチウムイオン電池であってもよいし、ディーゼルエンジン発電機、マイクロガスタービン発電機や風力タービン発電機などにより生成された交流電力を直流電力に変換して出力する装置であってもよい。

インバータ回路２は、直流電源１から入力される直流電力を交流電力に変換して出力するものである。インバータ回路２は、図示しないＰＷＭ制御インバータとフィルタとを備えている。ＰＷＭ制御インバータは、制御回路３から入力されるＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子（図示しない）のオンとオフとを切り替えることで直流電力を交流電力に変換する。フィルタは、スイッチングによる高周波成分を除去する。

制御回路３は、インバータ回路２を制御するものである。制御回路３は、電流センサ４より入力される電流信号Ｉ、電圧センサ５より入力される電圧信号Ｖ、および、単独運転検出回路６より入力される変更信号に基づいてＰＷＭ信号を生成して、インバータ回路２に出力する。制御回路３は、無効電力検出部３１、目標値設定部３２、無効電力制御部３３、電流制御部３４、およびＰＷＭ信号生成部３５を備えている。

無効電力検出部３１は、系統連系インバータシステムＡが配電系統に連系する連系点 (以下では、単に「連系点」とする。)での無効電力を検出するものである。無効電力検出部３１は、電流センサ４が連系点を流れる電流を検出してディジタル変換した電流信号Ｉと電圧センサ５が連系点の電圧を検出してディジタル変換した電圧信号Ｖとを入力され、無効電力値Ｑを算出する。なお、電流センサ４は、連系点を流れる電流を検出すればよいので、連系用遮断器７の後段に配置してもよい。また、電圧センサ５は、連系点の電圧を検出すればよいので、連系用遮断器７の前段に配置してもよい。

目標値設定部３２は、目標値Ｑrefを設定するものである。目標値設定部３２には、無効電力値Ｑの制御の目標値である基本目標値Ｑ₀があらかじめ設定されている。本実施形態では、力率が「１」になるように、基本目標値Ｑ₀として「０」が設定されている。目標値設定部３２は、単独運転検出回路６から入力される変更信号に応じて目標値Ｑrefを設定する。変更信号は、目標値を変更しないことを示すローレベル（例えば、「０」）と、目標値を変更することを示すハイレベル（例えば、「１」）とを周期的に繰り返すパルス信号である。目標値設定部３２は、変更信号がローレベルの場合、基本目標値Ｑ₀を目標値Ｑrefとして設定し、変更信号がハイレベルの場合、基本目標値Ｑ₀に注入無効電力Ｑinを加算したものを目標値Ｑref（＝Ｑ₀＋Ｑin）として出力する。注入無効電力Ｑinはあらかじめ設定されている。

無効電力制御部３３は、無効電力検出部３１より出力される無効電力値Ｑと目標値設定部３２より出力される目標値Ｑrefとの偏差（Ｑref−Ｑ）を入力されて、当該偏差を「０」とするための補正値を補正値信号として出力する。

電流制御部３４は、電流センサ４より入力される電流信号Ｉと無効電力制御部３３より入力される補正値信号との偏差を入力されて、当該偏差を「０」とするための補正値を指令値信号としてＰＷＭ信号生成部３５に出力する。

ＰＷＭ信号生成部３５は、電流制御部３４より入力される指令値信号と、所定の周波数（例えば、４ｋＨｚ）の三角波信号として生成されたキャリア信号とに基づいて、三角波比較法によりＰＷＭ信号を生成する。例えば、指令値信号がキャリア信号より大きい場合にハイレベルとなり、指令値信号がキャリア信号以下の場合にローレベルとなるパルス信号が、ＰＷＭ信号として生成される。生成されたＰＷＭ信号は、インバータ回路２に出力される。また、ＰＷＭ信号生成部３５は、単独運転検出回路６から検出信号を入力された場合に、ＰＷＭ信号の生成を停止する。検出信号は、単独運転検出回路６が単独運転を検出した時に出力する信号である。ＰＷＭ信号生成部３５からのＰＷＭ信号の入力が停止することで、インバータ回路２の電力変換動作は停止する。

制御回路３は、無効電力値Ｑを目標値Ｑrefに制御するためのＰＷＭ信号をインバータ回路２に出力する。インバータ回路２は、当該ＰＷＭ信号に基づいて電力変換を行うことで、無効電力値Ｑを目標値Ｑrefに制御する。目標値Ｑrefが変更されない場合（Ｑref＝Ｑ₀）、無効電力値Ｑは基本目標値Ｑ₀に制御され、目標値Ｑrefが変更された場合（Ｑref＝Ｑ₀＋Ｑin）、無効電力値Ｑが（Ｑ₀＋Ｑin）に制御される。つまり、目標値Ｑrefが変更されて、基本目標値Ｑ₀に注入無効電力Ｑinが加算されることで、インバータ回路２は、配電系統にＱinの無効電力を注入することになる。また、目標値Ｑrefを周期的に変動させることで、無効電力値Ｑを周期的に変動させることができる。注入無効電力Ｑinが大きすぎると注入される無効電力が大きくなって力率が悪化してしまうし、注入無効電力Ｑinが小さすぎると注入される無効電力が小さすぎて無効電力の変化を検出できない可能性があるので、注入無効電力Ｑinを適切な大きさに設定する必要がある。

なお、制御回路３の構成は上記に限られず、無効電力値Ｑを制御できＰＷＭ信号を生成するものであればよい。例えば、三角波比較法以外の方法でＰＷＭ信号を生成するものであってもよい。また、電流信号Ｉと無効電力値Ｑ以外（例えば、電圧信号Ｖや有効電力値、直流電源１の出力電圧値）をフィードバック制御するものであってもよい。

また、本実施形態では、系統連系インバータシステムＡが単相のシステムの場合について説明したが、三相のシステムであってもよい。この場合、無効電力検出部３１が電流センサ４および電圧センサ５からそれぞれ入力される三相の信号に基づいて無効電力値Ｑを算出するようにすればよい。また、電流制御部３４が、電流センサ４から入力される三相の電流信号を三相二相変換および回転座標変換し、２つの軸成分についての補正値を逆変換して３つの指令値信号を出力するようにすればよい。このとき、一方の軸成分に代えて、当該軸成分と無効電力値Ｑとの偏差を用いるようにすればよい。

連系用遮断器７は、系統連系インバータシステムＡと配電系統との連系を遮断するものである。連系用遮断器７は通常時は閉路されており、系統連系インバータシステムＡは配電系統に連系している。しかし、単独運転検出回路６から検出信号が入力された場合、連系用遮断器７は開放され、系統連系インバータシステムＡと配電系統との連系が遮断される。これにより、系統連系インバータシステムＡの単独運転状態が回避される。

単独運転検出回路６は、単独運転を検出するものであり、単独運転を検出した場合に検出信号を出力する。単独運転検出回路６が出力した検出信号は、ＰＷＭ信号生成部３５および連系用遮断器７に入力される。

単独運転検出回路６は、目標値変更指示部６１および単独運転判定部６２を備えている。なお、図１においては、本発明に係る単独運転検出のための構成のみを記載している。実際には、単独運転検出回路６は、他の能動方式の単独運転検出のための構成や受動方式の単独運転検出のための構成も備えているが、本実施形態ではその記載および説明を省略している。

目標値変更指示部６１は、目標値Ｑrefを変更するための変更信号を目標値設定部３２に出力するものである。本実施形態では、変更信号を、ローレベルが「０」、ハイレベルが「１」のパルス信号としている。

なお、変更信号のハイレベルを注入無効電力Ｑinとして、目標値設定部３２が基本目標値Ｑ₀に変更信号を加算したものを目標値Ｑrefとして設定するようにしてもよい。また、変更信号はパルス信号に限られず、例えば正弦波信号のように連続変化する信号としてもよい。この場合、目標値設定部３２が基本目標値Ｑ₀を基準として、変更信号に応じて目標値Ｑrefを変化させるようにすればよい。

本実施形態においては、目標値変更指示部６１を単独運転検出回路６に設ける場合について説明したが、これに限られない。目標値変更指示部６１を制御回路３に設けるようにしてもよい。つまり、目標値Ｑrefを周期的に変動させる構成を、制御回路３が備えるようにしてもよい。

単独運転判定部６２は、系統連系インバータシステムＡが単独運転状態であるか否かを判定するものである。単独運転判定部６２は、無効電力検出部３１から入力される無効電力値Ｑに基づいて判定を行い、単独運転状態であると判定した場合に検出信号をＰＷＭ信号生成部３５および連系用遮断器７に出力する。

電力系統Ｃで事故が発生した場合などに、電力系統Ｃ側に設けられた保護装置によって配電線遮断器Ｄが開放されて、配電系統が電力系統Ｃから切り離される。これにより、電力系統Ｃから切り離された配電系統に連系している系統連系インバータシステムＡが単独運転状態になる。

系統連系インバータシステムＡが単独運転状態でない場合、すなわち、系統連系インバータシステムＡが連系された配電系統が電力系統Ｃに連系している場合、連系点（系統連系インバータシステムＡが配電系統に連系する連系点）の電圧の位相は電力系統Ｃの系統電圧の位相に一致している。したがって、目標値Ｑrefが変更されて連系点を流れる電流の位相が変化しても、連系点の電圧の位相は変化しないので、無効電力値Ｑが目標値Ｑrefに制御される。一方、系統連系インバータシステムＡが単独運転状態の場合、すなわち、系統連系インバータシステムＡが連系された配電系統が電力系統Ｃに連系していない場合、連系点の電圧の位相は電力系統Ｃの系統電圧の位相とは関係なく変化する。したがって、目標値Ｑrefが変更されて連系点を流れる電流の位相が変化すると、連系点の電圧の位相も変化するので、無効電力値Ｑが目標値Ｑrefに制御されず、負荷Ｂによって決まる値に固定される。つまり、目標値Ｑrefが変更された場合に無効電力値Ｑが変化するか否かで、単独運転状態であるか否かを判定することができる。目標値Ｑrefは目標値変更指示部６１からの指示によって周期的に変動しているので、目標値Ｑrefの変動の周期の間に無効電力値Ｑが変化しなかった場合、単独運転状態であると判定することができる。

単独運転判定部６２は、目標値Ｑrefの変動の周期が２回繰り返される間に、無効電力値Ｑが変化しない場合に、単独運転状態であると判定する。単独運転判定部６２は、目標値Ｑrefの変動の周期である判定時間Ｔ₀の間の無効電力値Ｑの変化量を算出し、当該変化量に基づいて無効電力値Ｑが変化したか否かを判断する。

図１（ｂ）は、単独運転判定部６２の内部構成を示している。単独運転判定部６２は、変化量算出部６２ａ、変化量比較部６２ｂ、および不変化判断カウント部６２ｃを備えている。

変化量算出部６２ａは、無効電力検出部３１より入力される無効電力値Ｑの変化量ΔＱを算出する。本実施形態では、判定時間Ｔ₀の間の無効電力値Ｑの最大値Ｑmaxと最小値Ｑminとを検出し、その差を変化量ΔＱ（＝Ｑmax−Ｑmin）としている。

変化量比較部６２ｂは、変化量算出部６２ａより入力される変化量ΔＱと所定値ΔＱ’とを比較し、変化量ΔＱが所定値ΔＱ’より小さい場合に、無効電力値Ｑが変化しなかったと判断し、その旨を不変化判断カウント部６２ｃに出力する。所定値ΔＱ’は、誤差を排除しつつ変化を判断できる値があらかじめ設定されている。変化量算出部６２ａおよび変化量比較部６２ｂが、本発明の「変化判断部」に対応する。

不変化判断カウント部６２ｃは、無効電力値Ｑが変化しなかったとの判断の回数をカウントするものである。不変化判断カウント部６２ｃは、当該判断が２回連続した場合（つまり、２周期の間、変化がなかった場合）に、単独運転状態であると判定して、検出信号を出力する。

なお、本実施形態では、誤検出を抑制するために変化の判断を２回繰り返しているが、判定にかかる時間を短くするために、１回の判断で単独運転状態であると判定するようにしてもよい。つまり、不変化判断カウント部６２ｃを設けずに、変化量比較部６２ｂが無効電力値Ｑが変化しなかったと判断した場合に、単独運転状態であると判定して、検出信号を出力するようにしてもよい。また、誤検出をより抑制するために、変化の判断を３回以上行うようにしてもよい。また、判定時間Ｔ₀を目標値Ｑrefの変動の周期より長い時間としてもよい。

図２は、単独運転判定部６２が行う単独運転検出処理を説明するためのフローチャートである。

単独運転検出処理は、インバータ回路２が電力変換動作を行っている間、すなわち、制御回路３がＰＷＭ信号を出力している間、常に実行されている。まず、変化の判断回数をカウントする変数Ｎが「１」に初期化され（Ｓ１）、経過時間を計時する変数である経過時間Ｔ、最大値Ｑmaxおよび最小値Ｑminが「０」に初期化される（Ｓ２）。次に、無効電力値Ｑが検出され（Ｓ３）、最大値Ｑmaxと最小値Ｑminが更新される（Ｓ４）。すなわち、ステップＳ３で検出された無効電力値Ｑが最大値Ｑmaxより大きい場合、最大値Ｑmaxが検出された無効電力値Ｑに変更され、検出された無効電力値Ｑが最小値Ｑminより小さい場合、最小値Ｑminが検出された無効電力値Ｑに変更される。そして、経過時間Ｔが判定時間Ｔ₀より小さいか否かが判別される（Ｓ５）。経過時間Ｔが判定時間Ｔ₀より小さい場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、ステップＳ３に戻る。一方、経過時間Ｔが判定時間Ｔ₀以上の場合（Ｓ５：ＮＯ）、ステップＳ６に進む。すなわち、経過時間Ｔが判定時間Ｔ₀になるまでの間の無効電力値の最大値Ｑmaxと最小値Ｑminとが検出される。

ステップＳ６では、最大値Ｑmaxから最小値Ｑminが減算され、変化量ΔＱが算出される。次に、変化量ΔＱが所定値ΔＱ’より小さいか否かが判別される（Ｓ７）。変化量ΔＱが所定値ΔＱ’より小さい場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、無効電力値Ｑが変化しなかったと判断されて、ステップＳ８に進む。一方、変化量ΔＱが所定値ΔＱ’以上の場合（Ｓ７：ＮＯ）、無効電力値Ｑが変化したと判断されて、ステップＳ１に戻る。つまり、無効電力値Ｑが変化している間は、単独運転検出処理が継続される。

ステップＳ８では、変数Ｎが２であるか否かが判別される。変数Ｎが２である場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、すなわち、無効電力値Ｑが変化しなかったとの判断が２回繰り返された場合、単独運転状態であると判定されて、検出信号が出力される（Ｓ９）。検出信号が出力された後、単独運転検出処理は終了される。変数Ｎが２でない場合（Ｓ８：ＮＯ）、すなわち、無効電力値Ｑが変化しなかったとの判断がまだ１回だけの場合、変数Ｎが１増加されて、ステップＳ２に戻り、再度、無効電力値Ｑが変化したか否かの判断が行われる。

単独運転判定部６２は、単独運転状態であると判定しない場合（連系運転状態であると判定した場合）にローレベル信号を出力し、単独運転状態であると判断した場合に検出信号としてのハイレベル信号を出力する。なお、検出信号はこれに限られない。検出信号が入力されたＰＷＭ信号生成部３５は、ＰＷＭ信号の生成を停止する。これにより、インバータ回路２の電力変換動作は停止する。また、検出信号が入力された連系用遮断器７は、系統連系インバータシステムＡと配電系統との連系を遮断する。これらにより、系統連系インバータシステムＡの単独運転状態が回避される。なお、連系用遮断器７が連系を遮断すれば単独運転状態が回避されるので、インバータ回路２の電力変換動作の停止は必ずしも必要ではない。例えば、連系用遮断器７より上流側に接続されている負荷に電力を供給するために、インバータ回路２の電力変換動作を継続するようにしてもよい。

なお、単独運転検出回路６は、アナログ回路として実現してもよいし、ディジタル回路として実現してもよい。また、各部が行う処理をプログラムで設計し、当該プログラムを実行させることでコンピュータを単独運転検出回路６として機能させてもよい。また、当該プログラムを記録媒体に記録しておき、コンピュータに読み取らせるようにしてもよい。

図３は、単独運転検出回路６の試験結果を説明するための図である。

系統連系インバータシステムＡが連系している配電系統が電力系統Ｃに連系している状態（図１参照）で配電線遮断器Ｄを開放した場合に、単独運転が検出できるか試験を行った。本試験では、目標値変更指示部６１が変更信号を出力している状態で、時間０．０[sec]で配電線遮断器Ｄを開放した。変更信号には、０．４秒周期のパルス信号が設定されており、注入無効電力Ｑinは５[kVar]に設定されている。つまり、０．４秒ごとに５[kVar]の無効電力の注入が指示されている。なお、基本目標値Ｑ₀は０[kVar]、判定時間Ｔ₀は０．４秒、所定値ΔＱ’は２[kVar]に設定されている。

図３は、無効電力検出部３１が検出した無効電力値Ｑを示している。時間０．０[sec]までは、０．４秒ごとに無効電力値Ｑが５[kVar]程度に上昇している。変更信号の１周期（０．４秒）の間の変化量ΔＱは２[kVar]以上になっているので、単独運転判定部６２は、無効電力値Ｑが変化していると判断して、単独運転状態だと判定していない（連系運転状態だと判定している）。しかし、時間０．０[sec] すぎから時間０．８[sec] すぎまでは、無効電力値Ｑが−２．５[kVar]ぐらいであまり変化しなくなっている。単独運転判定部６２は、変化量ΔＱが２[kVar]未満で無効電力値Ｑが変化していないとの判断が２回繰り返されたことで、単独運転状態であると判定して、検出信号を出力している。これにより、インバータ回路２の電力変換動作は停止されて、無効電力値Ｑが０[kVar]になっている。以上のように、単独運転検出回路６は、単独運転を適切に検出することができている。

本実施形態においては、目標値変更指示部６１が変更信号によって周期的に連系点の無効電力を変動させるように指示しつつ、単独運転判定部６２が無効電力値Ｑの変化に基づいて単独運転状態であるか否かを判定する。単独運転検出回路６は、無効電力値Ｑが変化しているか否かによって単独運転を検出するので、容易に単独運転を検出することができる。また、検出した周波数に基づいて単独運転を検出するのではないので、周波数の検出精度の低下や系統周波数の変動によって、単独運転を誤検出することがない。また、周波数シフト方式などのように注入する無効電力量が大きくなりすぎることはないので、フリッカを抑制することができる。また、配電系統に複数の分散形電源が並列接続されている場合でも、連系点の無効電力を制御できているか否かで判定するので、他の分散形電源の単独運転検出回路と非干渉である。

なお、単独運転判定部６２で行われる単独運転判定処理は、上述したものに限られない。単独運転判定処理は、無効電力値Ｑが変化したか否かを判断できるものであればよい。上記第１実施形態では、判定時間Ｔ₀の間の最大値Ｑmaxと最小値Ｑminとを検出してその差を変化量ΔＱとしているが、所定のタイミング毎に無効電力値Ｑを検出し、前回のタイミングで検出された無効電力値Ｑ₁と今回検出された無効電力値Ｑ₂との差の絶対値を変化量ΔＱ（＝｜Ｑ₂−Ｑ₁｜）としてもよい。この場合の単独運転判定処理の一例を、図４に示すフローチャートで説明する。

まず、経過時間Ｔが、「０」に初期化される（Ｓ１１）。経過時間Ｔは、無効電力値Ｑが変化していない時間をカウントする。次に、所定のタイミングを待って、変化量ΔＱが算出される（Ｓ１２）。そして、変化量ΔＱが所定値ΔＱ’より小さいか否かが判別される（Ｓ１３）。

変化量ΔＱが所定値ΔＱ’より小さい場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、すなわち、無効電力値Ｑが変化していない場合、経過時間Ｔが判定時間Ｔ₀より小さいか否かが判別される（Ｓ１４）。経過時間Ｔが判定時間Ｔ₀より小さい場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ステップＳ１２に戻る。一方、経過時間Ｔが判定時間Ｔ₀以上の場合（Ｓ１４：ＮＯ）、すなわち、判定時間Ｔ₀の間、無効電力値Ｑが変化しなかったと判断された場合、単独運転状態であると判定されて、検出信号が出力される（Ｓ１５）。検出信号が出力された後、単独運転検出処理は終了される。

ステップＳ１３において、変化量ΔＱが所定値ΔＱ’以上の場合（Ｓ１３：ＮＯ）、すなわち、無効電力値Ｑが変化した場合、ステップＳ１に戻る。経過時間Ｔが初期化されてステップＳ１２〜Ｓ１４が繰り返される。つまり、判定時間Ｔ₀が経過する前に無効電力値Ｑが変化する限り、単独運転検出処理は継続される。なお、判定時間Ｔ₀を目標値Ｑrefの変動の周期より長い時間（例えば、周期の２倍の時間）としてもよい。また、図２に示すフローチャートのステップＳ１、Ｓ８、Ｓ１０を追加して、無効電力値Ｑが変化しなかったとの判断が複数回（例えば、２回）繰り返された場合に、単独運転状態であると判定するようにしてもよい。

上述した単独運転判定処理では、変化量ΔＱに基づいて無効電力値Ｑの変化の有無を判断する場合について説明したが、これに限られない。例えば、無効電力値Ｑを所定値Ｑ’と比較して、無効電力値Ｑの変化の有無を判断するようにしてもよい。単独運転時の無効電力値Ｑは、負荷Ｂの状態によって決まり、負荷Ｂに誘導性の負荷が多い場合には正の値になるし、容量性の負荷が多い場合には負の値になる。注入無効電力Ｑinと所定値Ｑ’とは、単独運転時の無効電力値Ｑの取りうる最大値を考慮して決定する必要がある。注入無効電力Ｑinは当該最大値より大きな値にする必要があり、所定値Ｑ’は、当該最大値と注入無効電力Ｑinとの間の値にする必要がある。例えば、単独運転時の無効電力値Ｑの取りうる最大値が５[kVar]である場合は、注入無効電力Ｑinは７[kVar]とし、所定値Ｑ’を６[kVar]とすればよい。この場合、無効電力の注入により無効電力値Ｑが６[kVar]以上になれば無効電力値Ｑが変化していると判断でき、６[kVar]より小さければ無効電力値Ｑが変化していないと判断できる。

また、目標値Ｑrefが増加されたタイミング（すなわち、変更信号がローレベルからハイレベルに切り替わるタイミング）に基づいて無効電力値Ｑが変化したか否かを判断するようにしてもよい。つまり、連系運転状態の場合は無効電力値Ｑが目標値Ｑrefに追従するので、目標値Ｑrefが増加されたタイミングから追従にかかる時間が経過した後にも無効電力値Ｑが変化しなかった場合、単独運転状態であると判定することができる。この場合、目標値変更指示部６１が出力する変更信号を単独運転判定部６２にも入力するようにすればよい。この場合に単独運転判定部６２が行う単独運転検出処理のフローチャートは、図５のようになる。

まず、目標値Ｑrefが増加されたか否かが判別される（Ｓ２１）。すなわち、目標値変更指示部６１から入力される変更信号がローレベルからハイレベルに切り替わったか否かが判別される。目標値Ｑrefが増加されていない場合（Ｓ２１：ＮＯ）、ステップＳ２１の判別が繰り返され、目標値Ｑrefが増加された場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、経過時間Ｔが、「０」に初期化される（Ｓ２２）。次に、無効電力値Ｑが所定値Ｑ’より小さいか否かが判別される（Ｓ２３）。所定値Ｑ’は、注入無効電力Ｑinと、単独運転時の無効電力値Ｑの最大値との間の値が設定される。

無効電力値Ｑが所定値Ｑ’より小さい場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、すなわち、無効電力値Ｑが変化していない場合、経過時間Ｔが判定時間Ｔ₀より小さいか否かが判別される（Ｓ２４）。判定時間Ｔ₀は、無効電力値Ｑが目標値Ｑrefに追従するまでの時間より長い時間が設定される。経過時間Ｔが判定時間Ｔ₀より小さい場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、ステップＳ２３に戻る。一方、経過時間Ｔが判定時間Ｔ₀以上の場合（Ｓ２４：ＮＯ）、すなわち、無効電力値Ｑが変化しない状態が判定時間Ｔ₀の間継続した場合、単独運転状態であると判定されて、検出信号が出力される（Ｓ２５）。検出信号が出力された後、単独運転検出処理は終了される。

ステップＳ２３において、無効電力値Ｑが所定値Ｑ’以上の場合（Ｓ２３：ＮＯ）、すなわち、無効電力値Ｑが変化した場合、ステップＳ２１に戻る。そして、目標値Ｑrefが増加されるタイミング（Ｓ２１：ＹＥＳ）ごとに、経過時間Ｔが初期化されて（Ｓ２２）、ステップＳ２３〜Ｓ２４が繰り返される。つまり、判定時間Ｔ₀が経過する前に無効電力値Ｑが変化する限り、単独運転検出処理は継続される。なお、ステップＳ２３に代えて図４に示すフローチャートのステップＳ１２およびＳ１３とすることで、変化量ΔＱに基づいて無効電力値Ｑの変化を判断するようにしてもよい。

図５に示す単独運転検出処理の場合、判定時間Ｔ₀を目標値Ｑrefの変動の周期より短い時間とすることができるので、図２および図４に示す単独運転検出処理よりも早く、単独運転を検出することができる。例えば、上述した試験の設定の場合（図３参照）、時間０．４[sec]のタイミングでも目標値Ｑrefが増加される。このタイミングから判定時間Ｔ₀（例えば、０．１秒）が経過するまでに無効電力値Ｑが変化しないことで、単独運転が検出される。

上記第１実施形態では、本発明に係る単独運転検出回路を、無効電力の制御を行うインバータ回路２を備えた系統連系インバータシステムＡに用いた場合について説明したが、これに限られない。本発明に係る単独運転検出回路は、無効電力の制御を行わない分散形電源にも用いることができる。以下に、本発明に係る単独運転検出回路を無効電力の制御を行わない交流発電システムに用いた場合を、第２実施形態として説明する。

図６は、第２実施形態に係る単独運転検出回路を備えた交流発電システムを説明するための図である。同図において、第１実施形態に係る系統連系インバータシステムＡ(図１参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。

図６に示す交流発電システムＡ’は、直流電源１、インバータ回路２、および制御回路３に代えて交流発電機１’を備え、単独運転検出回路６に代えて単独運転検出回路６’を備えている点で、第１実施形態に係る系統連系インバータシステムＡと異なる。

交流発電機１’は、交流電力を出力するものであり、例えばディーゼルエンジンを備えている。交流発電機１’は、無効電力の制御を行っていない。なお、交流発電機１’は、ディーゼルエンジン発電機に限定されず、マイクロガスタービン発電機や風力タービン発電機などであってもよい。

単独運転検出回路６’は、目標値変更指示部６１に代えて無効電力変動部６３を備えている点と、無効電力検出部６４を備えている点とで、第１実施形態に係る単独運転検出回路６（図１参照）と異なる。

無効電力検出部６４は、第１実施形態に係る無効電力検出部３１（図１参照）と同様のものであり、交流発電システムＡ’が配電系統に連系する連系点での無効電力を検出するものである。無効電力検出部６４は、算出した無効電力値Ｑを単独運転判定部６２および無効電力変動部６３に出力する。

無効電力変動部６３は、交流発電システムＡ’の連系点の無効電力を変動させるものである。無効電力変動部６３は、図示しないＰＷＭ制御インバータを備えており、無効電力検出部６４より入力される無効電力値Ｑを目標値Ｑrefに制御する。目標値Ｑrefは、第１実施形態の場合と同様に、周期的に変動する。したがって、無効電力変動部６３は、連系点の無効電力を周期的に変動させる。

単独運転判定部６２は、無効電力検出部６４から入力される無効電力値Ｑに基づいて判定を行い、単独運転状態であると判定した場合に検出信号を交流発電機１’および連系用遮断器７に出力する。検出信号が入力された交流発電機１’は、運転を停止する。また、検出信号が入力された連系用遮断器７は、交流発電システムＡ’と配電系統との連系を遮断する。これらにより、交流発電システムＡ’の単独運転状態が回避される。

第２実施形態においては、無効電力変動部６３が周期的に連系点の無効電力を変動させつつ、単独運転判定部６２が無効電力値Ｑの変化に基づいて単独運転状態であるか否かを判定する。したがって、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

第２実施形態においては、無効電力変動部６３を単独運転検出回路６’に設ける場合について説明したが、これに限られない。無効電力変動部６３を単独運転検出回路６’とは別の構成として設けるようにしてもよい。つまり、連系点の無効電力を周期的に変動させる装置を、単独運転検出回路６’とは独立した単独の装置として設けるようにしてもよい。

なお、第２実施形態に係る単独運転検出回路６’は、無効電力の制御を行わないインバータ回路を備えた系統連系インバータシステムに用いることもできる。また、複数の分散形電源が並列接続されている場合において、各分散電源で個別に単独運転を検出するのではなく、一括で単独運転を検出する場合にも、第２実施形態に係る単独運転検出回路６’を用いることができる。なお、無効電力の制御を行う交流発電機の場合は、第１実施形態に係る単独運転検出回路６を用いればよい。

本発明に係る単独運転検出回路、単独運転検出方法、および、単独運転検出回路を備えた系統連系インバータ装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る単独運転検出回路、単独運転検出方法、および、単独運転検出回路を備えた系統連系インバータ装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ 系統連系インバータシステム（分散形電源）
Ａ’交流発電システム（分散形電源）
１ 直流電源
１’交流発電機
２ インバータ回路
３ 制御回路
３１ 無効電力検出部
３２ 目標値設定部
３３ 無効電力制御部
３４ 電流制御部
３５ ＰＷＭ信号生成部
４ 電流センサ
５ 電圧センサ
６，６’ 単独運転検出回路
６１ 目標値変更指示部
６２ 単独運転判定部
６２ａ 変化量算出部（変化判断手段）
６２ｂ 変化量比較部（変化判断手段）
６２ｃ 不変化判断カウント部
６３ 無効電力変動部（制御手段、目標値変更指示手段）
６４ 無効電力検出部
７ 連系用遮断器
Ｂ 負荷
Ｃ 電力系統
Ｄ 配電線遮断器

Claims (16)

1. 分散形電源の連系点での無効電力を変動させる指示が行われている状態で、前記連系点で検出された検出無効電力値に基づいて、前記分散形電源が単独運転状態であるか否かを判定する単独運転判定手段を備えていることを特徴とする単独運転検出回路。
2. 前記単独運転判定手段は、
   前記検出無効電力値が変化したか否かを判断する変化判断部を備え、
   前記変化判断部によって、変化しなかったと判断された場合に、単独運転状態であると判定する、
   請求項１に記載の単独運転検出回路。
3. 前記単独運転判定手段は、
   前記検出無効電力値が変化したか否かを判断する変化判断部と、
   前記変化判断部によって変化しなかったと判断された回数をカウントする不変化判断カウント手段とを備え、
   前記不変化判断カウント手段によって、所定回数がカウントされた場合に、単独運転状態であると判定する、
   請求項１に記載の単独運転検出回路。
4. 前記変化判断部は、前記検出無効電力値の所定時間内の最大値と最小値との差が所定値を超えない場合に、変化しなかったと判断する、
   請求項２または３に記載の単独運転検出回路。
5. 前記変化判断部は、前記検出無効電力値の変化量が所定値を超えない状態が所定時間継続した場合に、変化しなかったと判断する、
   請求項２または３に記載の単独運転検出回路。
6. 前記変化判断部は、前記検出無効電力値が所定値を超えない状態が所定時間継続した場合に、変化しなかったと判断する、
   請求項２または３に記載の単独運転検出回路。
7. 前記分散形電源は、前記検出無効電力値を目標値に制御する制御手段を備えている、
   請求項１ないし６のいずれかに記載の単独運転検出回路。
8. 前記検出無効電力値を目標値に制御する制御手段をさらに備えている、
   請求項１ないし６のいずれかに記載の単独運転検出回路。
9. 前記目標値を変更させる目標値変更指示手段をさらに備えている、
   請求項７または８に記載の単独運転検出回路。
10. 前記目標値変更指示手段は、前記目標値をパルス状に変動させる、請求項９に記載の単独運転検出回路。
11. 前記目標値変更指示手段は、前記目標値を正弦波状に変動させる、請求項９に記載の単独運転検出回路。
12. 前記所定時間は、前記目標値変更指示手段が前記目標値を変更させる指示を行ったときから計時される、請求項９または１０に記載の単独運転検出回路。
13. 前記単独運転判定手段は、単独運転状態であると判定した場合に、前記連系点に設けられている遮断器を開放させる、
    請求項１ないし１２のいずれかに記載の単独運転検出回路。
14. 前記分散形電源は、直流電源と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路とを備えている、
    請求項１ないし１３のいずれかに記載の単独運転検出回路。
15. 請求項１４に記載の単独運転検出回路と、前記インバータ回路とを備えている系統連系インバータ装置。
16. 分散形電源の連系点での無効電力を変動させる指示を行う第１の工程と、
    前記連系点で検出された検出無効電力値に基づいて、前記分散形電源が単独運転状態であるか否かを判定する第２の工程と、
    を備えていることを特徴とする単独運転検出方法。

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