JP2014039444A

JP2014039444A - 系統連系インバータ装置

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Publication number: JP2014039444A
Application number: JP2012181777A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nakabayashi; 弘一中林; Ippei Takeuchi; 一平竹内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2014-02-27

Abstract

【課題】直流地絡を正しく判定し、直流地絡事故に対する保護を確実に実行可能な系統連系インバータ装置を得ること。
【解決手段】直流電力を交流電力に変換し、系統へ連系する系統連系インバータ装置３において、抵抗成分に流れる地絡電流を検出し、地絡電流値に基づいて地絡状態であるかどうかを判断する地絡電流検出装置７と、地絡電流検出装置７の判断に基づいて、交流電力を直流電力に変換するインバータ回路５の動作を停止する制御を行う制御部８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電圧源を交流電力に変換し、系統へ連系して動作する系統連系インバータ装置に関する。

従来、太陽光発電等に代表される分散型発電システムでは、太陽電池等の直流電源で発電された直流電力を交流電力に変換するための電力変換装置が用いられている。電力変換装置は、まず、太陽電池等の直流電源で発電された直流電力をインバータで所定の電圧値の交流電力に変換した後、開閉器を介して系統へ連系する。また、直流電源が地絡するなどの事故に対する保護として、地絡状態を検出し、インバータの動作を停止させる装置などが用いられている。このような技術が、下記特許文献１において開示されている。

上記装置では、直流電源が太陽電池などのように大地に対して静電容量を持つ場合、インバータの動作によって交流漏れ電流成分の地絡電流が流れ、地絡状態を正しく判定できない。交流漏れ電流成分とは、例えば、インバータのＰＷＭ制御に伴うスイッチング周波数成分や系統電源周波数の２倍の周波数成分などがある。そのため、下記特許文献２では、地絡電流検出値から交流成分の漏れ電流成分を除去する手段を持つ地絡検出装置についての技術が開示されている。

特開平９−２８５０１５号公報特開２００２−２３３０４５号公報

しかしながら、直流地絡事故が発生した際に交流成分の地絡電流が流れるケースがある。例えば、インバータの動作方式により、直流電源の対地電圧変動に交流成分が含まれるケースなどが該当する。このような場合、上記従来の技術（特許文献１）では、交流成分の漏れ電流の影響を受けるため、地絡状態を正しく判定できない、という問題があった。また、上記従来の技術（特許文献２）では、本来検出すべき交流成分の地絡電流、すなわち地絡状態の原因となった抵抗成分に流れる交流電流が、交流成分の漏れ電流とともに除去されてしまう。そのため、地絡状態を正しく判定できない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、直流地絡を正しく判定し、直流地絡事故に対する保護を確実に実行可能な系統連系インバータ装置を得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に、本発明は、直流電力を交流電力に変換し、系統へ連系する系統連系インバータ装置において、抵抗成分に流れる地絡電流を検出し、地絡電流値に基づいて地絡状態であるかどうかを判断する地絡電流検出装置と、前記地絡電流検出装置の判断に基づいて、前記交流電力を前記直流電力に変換するインバータの動作を停止する制御を行う制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、直流地絡を正しく判定し、直流地絡事故に対する保護を確実に実行できる、という効果を奏する。

図１は、太陽光発電用系統連系インバータ装置の構成例を示す図である。図２は、系統連系インバータ装置の各部における出力および中間演算値の積算期間を示すチャート図である。

以下に、本発明にかかる系統連系インバータ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本実施の形態に係る太陽光発電用系統連系インバータ装置の構成例を示す図である。太陽電池１と商用系統２は、系統連系インバータ装置３を介して接続している。太陽光を受けて太陽電池１で発電された直流電力は、系統連系インバータ装置３に入力され、交流電力に変換されて、商用系統２に連系される。図１に示すように、商用系統２は、片相が接地されている。

系統連系インバータ装置３は、昇降圧回路４と、インバータ回路５と、連系リレー６と、地絡電流検出装置７と、制御部８と、から構成される。昇降圧回路４は、太陽電池１で発電された直流電力の電圧を昇圧あるいは降圧して直流母線電圧に変換する。インバータ回路５は、例えば、フルブリッジ型インバータ回路で構成され、直流母線電圧をＰＭＷ制御により交流に変換する。このフルブリッジ型インバータ回路は、商用系統の半周期の間、片方のアーム出力が直流母線電圧の正極、または負極を出力するよう制御されている。地絡電流検出装置７は、直流側で発生した地絡電流を検出し、地絡状態を判別して制御部８を介してインバータ回路５を停止させる。

つぎに、地絡電流検出装置７の構成について説明する。地絡電流検出装置７は、地絡電流検出用変流部７１と、地絡電流レベル変換部７２と、抵抗成分抽出部７３と、判定部７４と、から構成される。地絡電流検出用変流部７１が地絡電流を変流し、地絡電流レベル変換部７２で電圧レベルに変換する。抵抗成分抽出部７３は、この電圧レベル信号から、抵抗成分に流れる地絡電流成分のみを抽出する。本実施の形態では、抵抗成分抽出部７３は、一例として、地絡電流レベル変換回部７２の出力電圧信号をＡ／Ｄ変換して取り込んだ後、ディジタル演算により行う。判定部７４は、抵抗成分抽出部７３での演算結果を用いて地絡状態であるかどうかを判定する。

つづいて、抵抗成分抽出部７３において、抵抗成分に流れる地絡電流成分のみを抽出する動作を、計算式を用いて具体的に説明する。

まず、抵抗成分抽出部７３では、地絡電流レベル変換部７２の出力電圧を、内蔵されたＡ／Ｄ変換器を用いて、一例として、サンプリング周波数２０ｋＨｚ、分解能１０ｂｉｔでサンプリングする。つぎに、抵抗成分抽出部７３は、サンプリング後のディジタル値Ｉ_LKを用いて、式（１）から第１の中間演算値である中間演算値Ａを演算する。

ここで、積分期間は、静電容量成分の地絡電流が流れない期間とする。一例として、本実施の形態では、商用系統２の位相で０°〜１８０°の期間うち、１３５°〜１８０°を積分期間に選択する。抵抗成分抽出部７３では、商用系統２の１周期ごとに１回、この演算を行い、中間演算値Ａを求める。

なお、積分期間を０°〜１８０°ではなく１３５°〜１８０°とする理由は、地絡電流レベル変換部７２が持つ遅れ要素による出力変化遅れの影響を軽減するためである。本実施の形態では、地絡電流レベル変換部７２が持つ遅れ要素により、位相０°〜１３５°の間は地絡電流レベル変換部７２の出力に誤差要因となる信号が重畳するため、位相０°〜１３５°の期間を積分期間から除外する。上記の式（１）において、ｎ_Aは積算回数である。本実施の形態では、サンプリング周波数を２０ｋＨｚとしたので、商用系統２の周波数が５０Ｈｚの場合、ｎ_Aは５０回となる（積分期間が４５°（＝１８０°−１３５°）で３６０°の１／８のため、２０ｋＨｚ÷５０Ｈｚ÷８＝５０回）。

つぎに、抵抗成分抽出部７３は、サンプリング後のディジタル値Ｉ_LKを用いて、式（２）から第２の中間演算値である中間演算値Ｂを演算する。

積分期間は、中間演算値Ａのときと異なり、商用系統２のゼロクロス点から次のゼロクロス点までとする。抵抗成分抽出部７３では、商用系統２の１周期ごとに１回、この演算を行い、中間演算値Ｂを求める。上記の式（２）において、ｎ_Bは積算回数である。本実施の形態では、サンプリング周波数を２０ｋＨｚとしたので、商用系統２の周波数が５０Ｈｚの場合、ｎ_Bは４００回となる。

つぎに、抵抗成分抽出部７３は、これらの中間演算値Ａ，Ｂを用いて、抵抗成分の地絡電流のうち、直流成分電流Ｉ_RDCを式（３）により、交流成分電流Ｉ_RACを式（４）により演算する。抵抗成分抽出部７３は、これらの演算を商用系統２の周期ごとに１回行う。

そして、抵抗成分抽出部７３は、直流成分電流Ｉ_RDCおよび交流成分電流Ｉ_RACを用いて、抵抗成分の地絡電流Ｉ_Rを式（５）により演算する。

判定部７４は、抵抗成分抽出部７３で演算された抵抗成分の地絡電流Ｉ_Rと、判定用閾値Ｉ_RTHとを比較する。判定部７４は、地絡電流Ｉ_Rが判定用閾値Ｉ_RTHを超えた場合、地絡状態であると判定する。判定部７４は、地絡状態であると判断した場合、制御部８へインバータ停止指令を出力する。判定用閾値Ｉ_RTHとしては、例えば、３０ｍＡのように設定可能であるが、これに限定するものではない。制御部８は、判定部７４からのインバータ停止指令に基づいて、インバータ回路５を停止させる制御を行う。

図２は、本実施の形態の系統連系インバータ装置の各部における出力および中間演算値の積算期間を示すチャート図である。上から順に、商用系統２の電圧波形、太陽電池１の正極対地電圧波形、（地絡事故発生時の）抵抗成分の地絡電流Ｉ_R、静電容量による交流成分漏れ電流Ｉ_C、地絡電流検出用変流部７１において変流可能な合成電流Ｉ_R＋Ｉ_C、地絡電流レベル変換部７２における出力電圧波形、抵抗成分抽出部７３における中間演算値Ａの積算期間、抵抗成分抽出部７３における中間演算値Ｂの積算期間、を示すものである。

地絡電流検出用変流部７１では、合成電流Ｉ_R＋Ｉ_Cを変流できるが、各成分（抵抗成分の地絡電流Ｉ_R、静電容量による交流成分漏れ電流Ｉ_C）を個別に変流することはできない。そのため、本実施の形態では、抵抗成分抽出部７３において、演算により抵抗成分の地絡電流Ｉ_Rを求める。

以上説明したように、本実施の形態によれば、系統連系インバータ装置では、地絡電流のうち、抵抗成分に流れる地絡電流成分のみを演算により求め、その演算結果に基づいて地絡状態を判定し、インバータを停止する制御を行うこととした。これにより、インバータ動作に伴って直流電源の静電容量成分を介して交流成分の漏れ電流が流れる場合や、地絡事故時に交流成分電流が流れる場合においても、地絡電流を正しく検出し、地絡状態を正しく判定することができる。

なお、本実施の形態では、太陽電池１の対地電圧変動が図２の太陽電池１の正極対地電圧波形のような変動を示す場合について説明したが、これに限定するものではない。異なる発電装置を用いた場合や、異なる電圧変動を示す場合にも利用可能である。

以上のように、本発明にかかる系統連系インバータ装置は、系統連係システムに有用であり、特に、直流電源で発電された直流電力を交流電力に変換する場合に適している。

１太陽電池、２商用系統、３系統連系インバータ装置、４昇降圧回路、５インバータ回路、６連系用開閉器、７地絡電流検出装置、７１地絡電流検出用変流部、７２地絡電流レベル変換部、７３抵抗成分抽出部、７４判定部、８制御部。

Claims

直流電力を交流電力に変換し、系統へ連系する系統連系インバータ装置において、
抵抗成分に流れる地絡電流を検出し、地絡電流値に基づいて地絡状態であるかどうかを判断する地絡電流検出装置と、
前記地絡電流検出装置の判断に基づいて、前記交流電力を前記直流電力に変換するインバータ回路の動作を停止する制御を行う制御部と、
を備えることを特徴とする系統連系インバータ装置。
前記地絡電流検出装置は、抵抗成分に流れる地絡電流を検出する抵抗成分抽出手段、
を備え、
前記抵抗成分抽出手段は、下記数式（１）より第１の中間演算値を演算し、下記数式（２）より第２の中間演算値を演算し、前記第１の中間演算値および前記第２の中間演算値を用いて、前記地絡電流の直流成分電流を下記数式（３）より求め、前記地絡電流の交流成分電流を下記数式（４）より演算し、前記地絡電流の直流成分電流および前記地絡電流の交流成分電流を用いて、前記地絡電流を下記数式（５）より演算する、
ことを特徴とする請求項１に記載の系統連系インバータ装置。

ここで、ｔ_A1からｔ_A2は静電容量成分の地絡電流が流れない任意の期間、ｔ_B1からｔ_B2は任意の期間、ｉ_LKは地絡電流の瞬時値とし、ｔ_A1からｔ_A2の範囲はｔ_B1からｔ_B2の範囲内である。