JP2013247775A - 系統連系電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三相３線式の電力系統に連系する系統連系電力変換装置において、電力系統が停電した場合等の緊急時に単相負荷である一般的な家庭用電気機器等を使用することが可能な系統連系電力変換装置を得ること。
【解決手段】直流電力を所定の直流母線電圧に変換するコンバータ１１０と、直流母線電圧を所定の交流電圧に変換して三相交流電力あるいは単相交流電力を出力するインバータ１３０と、電力系統２００への並列および解列を切り替える開閉器１９０，１９１と、三相交流電力を電力系統２００に逆潮流する系統連系運転時には、インバータ１３０の出力電力を三相交流電力とすると共に、開閉器１９０，１９１を制御して電力系統２００に並列させ、単相交流電力を電気負荷２１０に供給する自立運転時には、インバータ１３０の出力電力を単相交流電力とすると共に、開閉器１９０，１９１を制御して電力系統２００から解列させる制御部１７０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、三相３線式の電力系統に連系する系統連系電力変換装置に関する。

太陽光発電用の電力変換装置では、通常、商用電力系統に連系し、電力を逆潮流させている。一方、太陽電池等の分散電源は、例えば、災害発生時に商用電力系統が停電した場合等の非常用電源として有望であり、例えば、単相系統に連系する分散電源用パワーコンディショナにおいて、分散電源を単相系統から切り離した自立運転時には、三相交流電力を出力する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−２８３７６４号公報

上記従来技術は、通常時には系統連系運転を行い単相３線式の単相系統に連系し、該単相系統の停電等の非常時には自立運転を行い三相３線式の三相交流電力を三相負荷に出力する技術である。このため、通常時に三相３線式の三相系統に連系する系統連系電力変換装置において、災害発生時における三相系統の停電等の非常時に単相負荷である一般的な家庭用電気機器等に単相電力を供給する用途は想定されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、三相３線式の電力系統に連系する系統連系電力変換装置において、電力系統が停電した場合等の緊急時に単相負荷である一般的な家庭用電気機器等を使用することが可能な系統連系電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる系統連系電力変換装置は、直流電力供給源から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、一相を接地した三相３線式の電力系統に連系して前記三相交流電力を該電力系統に送出する系統連系電力変換装置であっ前記直流電力供給源からの直流電力を所定の直流母線電圧に変換するコンバータと、前記直流母線電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流母線電圧を所定の交流電圧に変換して前記三相交流電力あるいは単相交流電力を出力するインバータと、前記三相交流電力あるいは前記単相交流電力の高調波を除去するフィルタ回路と、前記電力系統への並列および解列を切り替える開閉器と、前記単相交流電力を電気負荷に供給するための端子台と、前記コンバータ、前記インバータ、および前記開閉器を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記三相交流電力を前記電力系統に逆潮流する系統連系運転時には、前記インバータの出力電力を三相３線式の前記三相交流電力とすると共に、前記開閉器を制御して前記電力系統に並列し、前記単相交流電力を前記電気負荷に供給する自立運転時には、前記インバータの出力電力を単相３線式の前記単相交流電力とすると共に、前記開閉器を制御して前記電力系統から解列することを特徴とする。

本発明によれば、三相３線式の電力系統に連系する系統連系電力変換装置において、電力系統が停電した場合等の緊急時に単相負荷である一般的な家庭用電気機器等を使用することが可能となる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置の一構成例を示す図である。 図２は、系統連系運転時におけるＶＵ相間およびＶＷ相間の電圧波形を示す図である。 図３は、系統連系運転時における線間電圧波形を示す図である。 図４は、自立運転時におけるＶＵ相間およびＶＷ相間の電圧波形を示す図である。 図５は、自立運転時における線間電圧波形を示す図である。 図６は、実施の形態２にかかる系統連系電力変換装置の一構成例を示す図である。 図７は、実施の形態２にかかる系統連系電力変換装置における負荷入力電圧情報伝達手段の構成例を示す図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる系統連系電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置の一構成例を示す図である。実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００は、通常時には、電力系統２００に電力を逆潮流し（以下、「系統連系運転」という）、電力系統２００の停電時等の緊急時には、電力系統２００から解列して電気負荷２１０に電力を供給する（以下、「自立運転」という）。図１に示す例では、系統連系運転時には、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用電力系統である三相３線Ｖ相接地式の電力系統２００に三相交流電力を逆潮流し、自立運転時には、電気負荷２１０に単相３線式の交流電力を供給する構成例を示している。

図１に示すように、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００は、例えば、太陽電池のような直流電力供給源９０から出力される直流電圧を所定の直流母線電圧に変換するコンバータ１１０と、直流母線電圧を平滑する平滑コンデンサ１２０ａ，１２０ｂと、直流母線電圧を所定の交流電圧に変換して三相交流電力あるいは単相３線式の交流電力を出力するインバータ１３０と、三相交流電力あるいは単相交流電力の高調波を除去するリアクトル１４０ａ，１４０ｂおよびコンデンサ１５０ａ，１５０ｂからなるフィルタ回路１６０と、電力系統２００への並列および解列を切り替える開閉器１９０，１９１と、単相交流電力を電気負荷２１０に供給するための端子台１８０と、コンバータ１１０、インバータ１３０、および開閉器１９０，１９１を制御する制御部１７０とを備えている。なお、開閉器１９０および開閉器１９１は、一方が閉制御されているときには他方が開制御される、所謂インターロック方式により制御される。

つぎに、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００の動作について、図１〜図５を参照して説明する。図２は、系統連系運転時におけるＶＵ相間およびＶＷ相間の電圧波形を示す図である。また、図３は、系統連系運転時における線間電圧波形を示す図である。また、図４は、自立運転時におけるＶＵ相間およびＶＷ相間の電圧波形を示す図である。また、図５は、自立運転時における線間電圧波形を示す図である。

実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００は、通常運転時には、上述したように、電力系統２００に対して電力を逆潮流する系統連系運転を行う。この系統連系運転時には、制御部１７０は、インバータ１３０の出力を三相３線式の三相交流出力とすると共に、開閉器１９０を閉制御、開閉器１９１を開制御する。これにより、系統連系電力変換装置３００は、電力系統２００に並列し、三相３線式の三相交流電力を逆潮流する。このとき、制御部１７０は、図２に示すように、ＶＵ相間電圧とＶＷ相間電圧との位相差が６０°となるように制御する。これにより、各線間電圧波形は、図３に示すように、それぞれ１２０°ずつ位相がずれた波形となる。

また、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００は、電力系統２００の停電時等の緊急時には、電力系統２００から解列して電気負荷２１０に電力を供給する自立運転を行う。この自立運転時には、制御部１７０は、インバータ１３０の出力を単相３線式の交流出力とすると共に、開閉器１９０を開制御、開閉器１９１を閉制御する。これにより、系統連系電力変換装置３００は、電力系統２００から解列し、電気負荷２１０に単相３線式の単相交流電力を供給する。このとき、制御部１７０は、図４に示すように、ＶＵ相間電圧とＶＷ相間電圧との位相差が１８０°となるように制御する。これにより、線間電圧波形は、図５に示すように、単相電圧波形となる。なお、電力系統２００の停電等を検知する技術は公知技術であるので、ここでは説明を省略する。

また、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００では、制御部１７０は、インバータ１３０から供給される電力の周波数および電圧値を、系統連系運転時と自立運転時とで個別に、且つ、任意に設定可能としている。例えば、系統連系運転時には、例えば、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの２００Ｖの三相３線式の三相交流電力を供給するように、周波数および電圧値を設定する。一方、例えば、自立運転時には、電気負荷２１０の規格に合わせて、周波数および電圧値を設定する。このように、インバータ１３０から供給される電力の周波数および電圧値を任意に設定可能とすることにより、電力系統２００が停電した場合等の緊急時において、使用可能な電気負荷２１０の制限が緩和され、より幅広い電気製品に対応可能となる。

さらに、実施の形態１にかかる系統連系電力変換装置３００では、制御部１７０は、コンバータ１１０からインバータ１３０に供給される直流母線電圧の目標電圧値を、系統連系運転時と自立運転時とで個別に、且つ、任意に設定可能としている。例えば、系統連系運転時には、電力系統２００に供給する三相３線式の三相交流電力の線間電圧値が２００Ｖである場合、コンバータ１１０の直流母線電圧の目標電圧値を、（２００×１．４１４×α）Ｖに設定する（但し、αは電力系統２００に供給する三相３線式の三相交流電力の線間電圧値の変動を考慮した係数）。一方、例えば、自立運転時には、電気負荷２１０に供給する単相３線式の単相交流電力の線間電圧値が２００Ｖである場合、コンバータ１１０の直流母線電圧の目標電圧値を、（１００×１．４１４×β）Ｖに設定する（但し、βは電気負荷２１０に供給する単相３線式の単相交流電力の線間電圧値の変動を考慮した係数）。このように、インバータ１３０から供給される電力の電圧値に応じて、任意にコンバータ１１０の直流母線電圧の目標電圧値を設定可能とすることにより、系統連系運転時および自立運転時におけるインバータ損失を低減することが可能である。

以上説明したように、実施の形態１の系統連系電力変換装置によれば、通常運転時には、電力系統に並列して三相３線式の三相交流電力を逆潮流する系統連系運転を行い、停電時等の緊急時には、電力系統から解列して単相３線式の単相交流電力を供給する自立運転を行うようにしたので、電力系統が停電した場合等の緊急時に単相負荷である一般的な家庭用電気機器等を使用することが可能となる。

また、インバータから供給される電力の周波数および電圧値を任意に設定可能とすることにより、電力系統が停電した場合等の緊急時において、使用可能な電気負荷の制限が緩和され、より幅広い電気製品に対応可能となる。

さらに、インバータから供給される電力の電圧値に応じて、任意にコンバータの直流母線電圧の目標電圧値を設定可能とすることにより、系統連系運転時および自立運転時におけるインバータ損失を低減することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、通常運転時には、電力系統に対して三相３線式の三相交流電力を逆潮流する系統連系運転を行い、停電時等の緊急時には、電力系統から解列して単相３線式の単相交流電力を供給する自立運転を行う例について説明したが、系統連系電力変換装置と電気負荷との距離が離れている場合等、系統連系電力変換装置と電気負荷との間の電力線の配線経路における電圧降下が顕著である場合には、電気負荷側で所望の電圧を得られない場合がある。本実施の形態では、自立運転時において、系統連系電力変換装置と電気負荷との間の配線経路における電圧降下を検出して、電気負荷に所望の電圧を供給する例について説明する。

図６は、実施の形態２にかかる系統連系電力変換装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、実施の形態２にかかる系統連系電力変換装置３００ａは、電気負荷２１０の入力電圧値である負荷入力電圧値を計測する負荷入力電圧計測器（以下、単に「電圧計測器」という）２３０と、電圧計測器２３０により計測された負荷入力電圧値に基づく負荷入力電圧情報を制御部１７０に伝達する負荷入力電圧情報伝達手段２４０とをさらに備えている。なお、図６に示す例では、電気負荷２１０を接続するための端子台１８１を具備した構成とし、端子台１８０と端子台１８１との間の電力線２５０の端子台１８１側の端部に電圧計測器２３０を接続する構成例を示しているが、電圧計測器２３０の接続位置はこれに限らず、電気負荷２１０と端子台１８１との間の配線経路に電圧計測器２３０を接続する構成であってもよいし、端子台１８１を具備せず、配線経路の電気負荷２１０側の端部に電圧計測器２３０を接続する構成であってもよく、電圧計測器２３０の接続位置や端子台１８１の有無により本発明が限定されるものではない。

制御部１７０は、自立運転時において、電圧計測器２３０から伝達された負荷入力電圧情報に基づき、インバータ１３０から供給される単相３線式の単相交流電力の電圧値を調整する。

つぎに、実施の形態２にかかる系統連系電力変換装置における負荷入力電圧情報伝達手段２４０の構成例について、図７を参照して説明する。図７は、実施の形態２にかかる系統連系電力変換装置における負荷入力電圧情報伝達手段の構成例を示す図である。

図７（ａ）に示す構成例では、電圧計測器２３０と制御部１７０との間を接続する信号線により、電圧計測器２３０により計測された負荷入力電圧値を負荷入力電圧情報として制御部１７０に伝達する構成としている。

また、図７（ｂ）に示す構成例では、電圧計測器２３０により計測された負荷入力電圧値を負荷入力電圧情報として無線送信する送信器２６０と、送信器２６０から無線送信された負荷入力電圧情報を受信して制御部１７０に出力する受信器２６１とを備える構成としている。

また、図７（ｃ）に示す構成例では、電圧計測器２３０により計測された負荷入力電圧値を負荷入力電圧情報として信号変調し、単相交流電力を伝送する電力線２５０に重畳する信号変調器２７０と、電力線２５０に重畳された負荷入力電圧情報を復調して制御部１７０に出力する信号復調器２７１とを備える構成としている。

図７（ａ）〜図７（ｃ）に示す構成例では、制御部１７０は、負荷入力電圧値が所定の電圧範囲の下限値を下回る場合（ここでは、例えば、配線経路の電圧降下が標準電圧の４％を超える場合、つまり、単相３線式の商用単相交流電圧の定格値２００Ｖに対して、標準電圧の下限値１８２Ｖをさらに８Ｖ下回る１７６Ｖ以下となった場合）に、負荷入力電圧値が所定の電圧範囲内となるように、インバータ１３０から供給される単相３線式の単相交流電力の電圧値を上昇させる。

また、図７（ｄ）に示す構成例では、電圧計測器２３０により計測された負荷入力電圧値を表示する電圧表示器２８０と、電圧表示器２８０に表示された負荷入力電圧値が所定の電圧範囲の下限値を下回る場合（ここでは、例えば、配線経路の電圧降下が標準電圧の４％を超える場合、つまり、単相３線式の商用単相交流電圧の定格値２００Ｖに対して、標準電圧の下限値１８２Ｖをさらに８Ｖ下回る１７６Ｖ以下となった場合）に、負荷入力電圧値が上述した所定の電圧範囲内となるように、インバータ１３０から供給される単相３線式の単相交流電力の電圧値を設定する電圧設定器２９０とを備え、電圧設定器２９０と制御部１７０との間を接続する信号線により、電圧設定器２９０により設定された電圧値を負荷入力電圧情報として制御部１７０に伝達する構成としている。

また、図７（ｅ）に示す構成例では、電圧計測器２３０により計測された負荷入力電圧値を表示する電圧表示器２８０と、電圧表示器２８０に表示された負荷入力電圧値が所定の電圧範囲の下限値を下回る場合（ここでは、例えば、配線経路の電圧降下が標準電圧の４％を超える場合、つまり、単相３線式の商用単相交流電圧の定格値２００Ｖに対して、標準電圧の下限値１８２Ｖをさらに８Ｖ下回る１７６Ｖ以下となった場合）に、負荷入力電圧値が上述した所定の電圧範囲内となるように、インバータ１３０から供給される単相３線式の単相交流電力の電圧値を設定する電圧設定器２９０と、電圧設定器２９０により設定された電圧値を負荷入力電圧情報として無線送信する送信器２６０と、送信器２６０から無線送信された負荷入力電圧情報を受信して制御部１７０に出力する受信器とを備える構成としている。

図７（ｄ）、図７（ｅ）に示す構成例では、制御部１７０は、インバータ１３０から供給される単相３線式の単相交流電力の電圧値が電圧設定器２９０により設定された電圧値となるように調整する。

このように制御することにより、自立運転時において、電気負荷２１０として系統連系電力変換装置３００ａに接続した単相負荷である一般的な家庭用電気機器等を安定動作させることができる。

なお、図７（ｄ）および図７（ｅ）に示す構成において、電圧表示器２８０を具備せず、電圧計測器２３０から直接電圧設定器２９０に負荷入力電圧値を出力する構成であってもよいことは言うまでもない。

このように、負荷入力電圧情報伝達手段２４０の構成は、図７に示すいずれの構成であってもよく、自立運転時において、負荷入力電圧値が所定の電圧範囲の下限値を下回る場合に、負荷入力電圧値が所定の電圧範囲内となるように、インバータ１３０から供給される単相３線式の単相交流電力の電圧値を調整することができ、電気負荷２１０として系統連系電力変換装置３００ａに接続した単相負荷である一般的な家庭用電気機器等を安定動作させることができる。

以上説明したように、実施の形態２の系統連系電力変換装置によれば、自立運転時において、負荷入力電圧値が所定の電圧範囲の下限値を下回る場合に、負荷入力電圧値が所定の電圧範囲内となるように、インバータから供給される単相３線式の単相交流電力の電圧値を調整するようにしたので、電気負荷として系統連系電力変換装置に接続した単相負荷である一般的な家庭用電気機器等を安定動作させることができる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

９０ 直流電力供給源
１１０ コンバータ
１２０ａ，１２０ｂ 平滑コンデンサ
１３０ インバータ
１４０ａ，１４０ｂ リアクトル
１５０ａ，１５０ｂ コンデンサ
１６０ フィルタ回路
１７０ 制御部
１８０，１８１ 端子台
１９０，１９１ 開閉器
２００ 電力系統
２１０ 電気負荷
２３０ 負荷入力電圧計測器（電圧計測器）
２４０ 負荷入力電圧情報伝達手段
２５０ 電力線
２６０ 送信器
２６１ 受信器
２７０ 信号変調器
２７１ 信号複調器
２８０ 電圧表示器
２９０ 電圧設定器
３００，３００ａ 系統連系電力変換装置

Claims (12)

1. 直流電力供給源から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、一相を接地した三相３線式の電力系統に連系して前記三相交流電力を該電力系統に送出する系統連系電力変換装置であって、
   前記直流電力供給源からの直流電力を所定の直流母線電圧に変換するコンバータと、
   前記直流母線電圧を平滑する平滑コンデンサと、
   前記直流母線電圧を所定の交流電圧に変換して前記三相交流電力あるいは単相交流電力を出力するインバータと、
   前記三相交流電力あるいは前記単相交流電力の高調波を除去するフィルタ回路と、
   前記電力系統への並列および解列を切り替える開閉器と、
   前記単相交流電力を電気負荷に供給するための端子台と、
   前記コンバータ、前記インバータ、および前記開閉器を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記三相交流電力を前記電力系統に逆潮流する系統連系運転時には、前記インバータの出力電力を三相３線式の前記三相交流電力とすると共に、前記開閉器を制御して前記電力系統に並列し、前記単相交流電力を前記電気負荷に供給する自立運転時には、前記インバータの出力電力を単相３線式の前記単相交流電力とすると共に、前記開閉器を制御して前記電力系統から解列する
   ことを特徴とする系統連系電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記インバータから供給される電力の周波数を、前記系統連系運転時と前記自立運転時とで個別に、且つ、任意に設定可能であることを特徴とする請求項１に記載の系統連系電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記インバータから供給される電力の電圧値を、前記系統連系運転時と前記自立運転時とで個別に、且つ、任意に設定可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の系統連系電力変換装置。
4. 前記制御部は、前記コンバータから前記インバータに供給する前記直流母線電圧の電圧値を、前記系統連系運転時と前記自立運転時とで個別に、且つ、任意に設定可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の系統連系電力変換装置。
5. 前記電気負荷の入力電圧値である負荷入力電圧値を計測する負荷入力電圧計測器と、
   前記負荷入力電圧値に基づく負荷入力電圧情報を前記制御部に伝達する負荷入力電圧情報伝達手段と、
   をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記自立運転時において、前記負荷入力電圧情報に基づき、前記インバータから供給される前記単相交流電力の電圧値を調整する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の系統連系電力変換装置。
6. 前記負荷入力電圧情報伝達手段は、前記負荷入力電圧計測器と前記制御部との間を接続する信号線であり、該信号線を介して、前記負荷入力電圧値が前記負荷入力電圧情報として前記制御部に伝達されることを特徴とする請求項５に記載の系統連系電力変換装置。
7. 前記負荷入力電圧情報伝達手段は、
   前記負荷入力電圧値を前記負荷入力電圧情報として無線送信する送信器と、
   前記負荷入力電圧情報を無線受信して前記制御部に出力する受信器と、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の系統連系電力変換装置。
8. 前記負荷入力電圧情報伝達手段は、
   前記負荷入力電圧値を前記負荷入力電圧情報として信号変調し、前記単相交流電力を伝送する電力線に重畳する信号変調器と、
   前記電力線に重畳された前記負荷入力電圧情報を復調して前記制御部に出力する信号復調器と、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の系統連系電力変換装置。
9. 前記制御部は、前記負荷入力電圧値が所定の電圧範囲の下限値を下回る場合に、前記負荷入力電圧値が所定の電圧範囲内となるように、前記インバータから供給される前記単相交流電力の電圧値を上昇させることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の系統連系電力変換装置。
10. 前記負荷入力電圧情報伝達手段は、
    前記負荷入力電圧値が所定の電圧範囲の下限値を下回る場合に、前記負荷入力電圧値が前記電圧範囲内となるように、前記インバータから供給される前記単相交流電力の電圧値を設定する電圧設定器を備え、
    前記電圧設定器と前記制御部との間を接続する信号線を介して、前記電圧設定器により設定された電圧値を前記負荷入力電圧情報として前記制御部に伝達することを特徴とする請求項５に記載の系統連系電力変換装置。
11. 前記負荷入力電圧情報伝達手段は、
    前記負荷入力電圧値が所定の電圧範囲の下限値を下回る場合に、前記負荷入力電圧値が前記電圧範囲内となるように、前記インバータから供給される前記単相交流電力の電圧値を設定する電圧設定器と、
    前記電圧設定器により設定された電圧値を前記負荷入力電圧情報として無線送信する送信器と、
    前記負荷入力電圧情報を無線受信して前記制御部に出力する受信器と、
    を備えることを特徴とする請求項５に記載の系統連系電力変換装置。
12. 前記制御部は、前記インバータから供給される前記単相交流電力の電圧値が前記電圧設定器により設定された電圧値となるように調整することを特徴とする請求項１０または１１に記載の系統連系電力変換装置。

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