JP2014063993A - 零相変流器、地絡電流検出装置、パワーコンディショナ、及び零相変流器の故障検出方法 - Google Patents

零相変流器、地絡電流検出装置、パワーコンディショナ、及び零相変流器の故障検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】異常が発生した場合の検出をシンプル且つ確実に行うことが可能な零相変流器、地絡電流検出装置、パワーコンディショナ、及び零相変流器の故障検出方法を提供する。
【解決手段】零相変流器（ＺＣＴ）１１は、挿通される複数の電力線の零相電流を検出する零相変流器であって、複数の電力線に加えて、一定の直流のオフセット電流が流れる線を挿通する。また、前記オフセット電流は、前記零相変流器が検出すべき零相電流のダイナミックレンジ、電流平衡時に検出される誤差電流の値、又は前記オフセット電流による消費電力、の少なくとも一つの要素によって決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、零相変流器、零相変流器を備える地絡電流検出装置、零相変流器及び地絡電流検出装置を備えるパワーコンディショナ、並びに零相変流器の故障検出方法に関する。
パワーコンディショナには、一般的に地絡事故発生時に流れる地絡電流を検出するために零相変流器（ＺＣＴ：Zero-phase-sequence Current Transformer）が設けられている。しかし、ＺＣＴに用いられているコイルが断線する等の異常が発生すると、地絡事故が発生してもＺＣＴからは正常値が出力されてしまうため、地絡事故を検出することができない。そこで、所定周波数のパルス信号をＺＣＴと抵抗器の直列回路に供給する発振回路と、該パルス信号を検出する信号検出回路と、地絡電流を検出する地絡電流検出回路とを備え、信号検出回路が検出した信号と地絡電流検出回路が検出した信号に基づいて、発振回路及び地絡電流検出回路技術が故障していないかを検出する自己診断手段を設けたパワーコンディショナが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１８７１５０号公報
しかしながら、特許文献１に開示された手法では、所定周波数のパルス信号を供給する発振回路やその信号成分の検出回路が必要であり、更にその検出アルゴリズムも含めて、システムは煩雑なものとなり、ひいてはコストアップにもつながるという問題がある。
また、定期的に故障診断を行うことも考えられるが、そのためには一度パワーコンディショナの運転を止める必要があるため、デバイスの故障診断のために無駄にその間の電力を捨てることになり、ユーザにとって不利益になるという問題がある。
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、異常が発生した場合の検出をシンプル且つ確実に行うことが可能な零相変流器、地絡電流検出装置、パワーコンディショナ、及び零相変流器の故障検出方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係る零相変流器は、
挿通される複数の電力線の零相電流を検出する零相変流器であって、
前記複数の電力線に加えて、一定の直流のオフセット電流が流れる線を挿通することを特徴とする。
さらに、本発明に係る零相変流器において、
前記オフセット電流は、前記零相変流器が検出すべき零相電流のダイナミックレンジ、電流平衡時に検出される誤差電流の値、又は前記オフセット電流による消費電力、の少なくとも一つの要素によって決定されることを特徴とする。
また、本発明に係る地絡電流検出装置は、
挿通される複数の電力線の零相電流を検出する零相変流器であって、前記複数の電力線に加えて、一定の直流のオフセット電流が流れる線を挿通する零相変流器と、
前記零相電流に基づいて地絡電流を検出する地絡電流検出回路と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係るパワーコンディショナは、
挿通される複数の電力線の零相電流を検出する零相変流器であって、前記複数の電力線に加えて、一定の直流のオフセット電流が流れる線を挿通する零相変流器と、
前記零相電流に基づいて地絡電流を検出する地絡電流検出回路と、
を備えることを特徴とする。
さらに、本発明に係るパワーコンディショナにおいて、
前記地絡電流検出回路で検出される電流が実質的にゼロとなった場合に、前記零相変流器に異常が発生したと判断することを特徴とする。
さらに、本発明に係るパワーコンディショナにおいて、
前記地絡電流検出装置により検出される電流の大きさが所定の閾値を超えた場合に、地絡事故が発生したと判断することを特徴とする。
さらに、本発明に係るパワーコンディショナにおいて、
前記一定の直流のオフセット電流は、前記複数の電力線の出力を制御するリレーを駆動させる動作電流であることを特徴とする。
さらに、本発明に係るパワーコンディショナにおいて、
それぞれが前記複数の電力線を有する複数の組毎に、別々の供給先に電力を供給可能であり、
複数の前記零相変流器は、前記複数の組を構成するそれぞれの複数の電力線の零相電流を検出し、
複数の前記リレーは、自身が電力の出力を制御する複数の電力線とともに前記零相変流器に挿通される一定の直流のオフセット電流によって駆動されることを特徴とする。
また、上本発明に係る零相変流器の故障検出方法は、
零相変流器に複数の電力線及び一定の直流のオフセット電流を流す線が挿通された零相変流器、及び前記零相変流器によって検出される零相電流に基づいて地絡電流を検出する地絡電流検出回路と、を備える地絡電流検出装置により前記零相変流器の故障を検出する方法であって、
前記オフセット電流がゼロのときに前記地絡電流検出装置から出力される基準電圧を取得するステップと、
前記オフセット電流を流したときに前記地絡電流検出装置から出力される出力電圧を監視するステップと、
前記地絡電流検出装置で検出される電流が実質的にゼロとなった場合に、前記零相変流器に故障のおそれがあると判断するステップと、
を含むことを特徴とする。
本発明によれば、ＺＣＴに異常が発生した場合の検出を、シンプル且つ確実に行うことが可能となる。
本発明の一実施形態に係る地絡電流検出装置の回路図である。 本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る地絡電流検出装置を用いた地絡検出の動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの第１の変形例の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの第２の変形例の構成を示すブロック図である。
以下、本発明による一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る地絡電流検出装置の回路図である。図１に示すように、地絡電流検出装置１０は、ＺＣＴ１１と、地絡電流検出回路１２とを備える。
ＺＣＴ１１は、第１のコイル１１１と、第２のコイル１１２とを備える。また、ＺＣＴ１１の中空部にはＵ相電力線１１３、Ｏ相電力線１１４、Ｗ相電力線１１５、及びオフセット電流線１１６が挿通される。なお、本実施形態では単相３線方式の配電の場合を想定してＺＣＴ１１に３本の電力線１１３〜１１５を挿通させているが、単相２線方式の配電の場合には、Ｏ相電力線１１４は不要である。
まず、従来の形態である、オフセット電流線１１６を備えない、あるいはオフセット電流線１１６に電流を流さない場合の地絡電流検出装置１０の動作について説明する。地絡事故が発生していない場合、Ｏ相には電流が流れず、Ｕ相とＷ相には逆向きに等しい大きさの電流が流れるため、ＺＣＴ１１を挿通する電力線１１３〜１１５に流れる交流電流は平衡し、磁界は打ち消し合う。そのため、第１のコイル１１１の磁界に変化は生じず、地絡電流検出回路１２に電流は流れない。一方、地絡事故が発生して地絡電流が流れた場合、第１のコイル１１１の磁界に変化が生じ、その結果、地絡電流検出回路１２に電流が流れる。
以下の説明において、地絡電流検出回路１２に電流が流れていないときの地絡電流検出回路１２の出力電圧を基準電圧Ｖｒｅｆという。基準電圧Ｖｒｅｆは、オペアンプ１２２
の正入力端子の電圧と同じ値である。
地絡事故が発生して地絡電流が流れた場合、地絡電流検出回路１２は、第１のコイル１１１の磁界変化を打ち消すように電流を流す。この電流により抵抗１２１の両端に電位差が発生し、その電位差に応じて出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆから変動する。地絡電流検出回路１２の出力電圧の変動量から、地絡電流を算出することができる。
ここで、第２のコイル１１２が断線した場合を考える。従来のＺＣＴでは、地絡事故が起きて第１のコイル１１１で磁界の変化が生じても、第２のコイル１１２が断線していると地絡電流検出回路１２に電流を流すことができず、地絡電流検出回路１２の出力電圧は基準電圧Ｖｒｅｆを維持する。そのため、地絡事故を検出することができなくなる。
上述した課題を解決するため、本発明では、ＺＣＴ１１にオフセット電流線１１６を挿通させ、オフセット電流線１１６には常時一定の直流電流（以下、「オフセット電流」という）を流すようにする。
オフセット電流が流れることにより、ＺＣＴ１１内に流れる電流は不平衡となる。すると、地絡電流検出回路１２に電流が流れ、地絡電流検出回路１２はオフセット電流に応じた電圧を出力する。地絡電流検出回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔは、次式（１）で表される。ここで、ｎはオペアンプ１２２に接続される抵抗値によって定まる値であり、図１に示す回路ではｎ＝４となる。±は電流の流れる向きを表す。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ±直流電流値×ｎ［Ｖ］ （１）
地絡事故が起きていない場合、オフセット電流線１１６に流れるオフセット電流ｉｏにより、地絡電流検出装置１０の出力電圧Ｖｏｕｔは、Ｖｒｅｆ＋ｎ・ｉｏとなる。なお、本実施形態では、オフセット電流ｉｏの流れる向きは、式（１）において電圧ｏｕｔが基準電圧Ｖｒｅｆよりも大きくなる方向としている。
正常動作時には出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ＋ｎ・ｉｏであるが、仮に第２のコイル１１２が断線した場合、出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆとなるため、基準電圧Ｖｒｅｆを所定の時間検出した場合は、ＺＣＴ１１の故障のおそれがあると判定することができる。
本実施形態では、地絡電流検出回路１２の電源電圧Ｖｃを５Ｖ、基準電圧Ｖｒｅｆを２．５Ｖ、式（１）のｎ＝４とする。このとき、地絡電流検出回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔは０〜５Ｖの範囲で変動する。地絡電流検出装置１０は、±６００ｍＡの直流電流まで検出することが可能であり、出力電圧Ｖｏｕｔの振り幅は０．１Ｖ〜４．９Ｖとなる。
オフセット電流線１１６に流すオフセット電流ｉｏは、地絡電流検出回路１２が検出すべき電流のダイナミックレンジ、電流平衡時に検出される誤差電流ｉｅ、及びオフセット電流ｉｏによる消費電流、の３点を鑑みて決定する必要がある。
安全基準上、例えば２００ｍＡの電流を１００ｍｓの期間検出するか、１００ｍＡの電流を２００ｍｓの期間検出すると、地絡電流として検出する必要がある。そのため、地絡電流検出回路１２は、仕様で２００ｍＡの電流値を検出する必要がある。したがって、地絡電流検出回路１２が検出すべき電流のダイナミックレンジは２００ｍＡ以上とする必要がある。つまり、オフセット電流ｉｏは、Ｖｒｅｆ＋ｎ・（ｉｏ＋０．２）＜Ｖｃの第１の条件を満たす必要がある。
また、オフセット電流ｉが、地絡電流検出装置１０の構成部品の温度特性等による誤差（電流平衡時に検出される誤差電流ｉｅ）よりも小さいと、故障が発生していないにもかかわらず故障発生と誤検出するおそれがある。したがって、オフセット電流ｉｏは、ｉｏ＞ｉｅの第２の条件を満たす必要がある。誤差電流ｉｅは、例えば２０ｍＡ〜３０ｍＡ程度である。
また、オフセット電流ｉｏを大きくすると、地絡電流検出装置１０の消費電力が大きくなり、効率の低下につながる。よって、オフセット電流ｉｏは、上記第１の条件及び第２の条件を満たしつつ、なるべく小さい値とするのが望ましい。例えば、オフセット電流ｉｏを７０ｍＡとする。
図２は、本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナの構成を示すブロック図である。図２に示すように、パワーコンディショナ１は、上述した地絡電流検出装置１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、インバータ４０と、制御部５０とを備える。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、入力電源２０の電圧を一定の電圧に揃えるために昇圧する。入力電源２０は、例えば太陽光を直流電力に変換する複数の太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池ストリングである。
インバータ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０により昇圧された電圧を直流から標準電圧の交流に変換する。標準電圧とは、例えば、商用電力系統における交流電圧である。商用電力系統における交流電圧は、日本では実効値が１００Ｖで、周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの電圧である。
制御部５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に対してゲート信号を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する。また、インバータ４０に対してゲート信号を出力し、インバータ４０の動作を制御する。
また、制御部５０は、地絡電流検出装置１０から出力電圧Ｖｏｕｔを取得し、電圧Ｖｏｕｔの変動分から、地絡電流の発生及びＺＣＴ１１の故障を判断する。
図３は、本発明の一実施形態に係る地絡電流検出装置１０を用いた異常状態（地絡電流の発生及びＺＣＴ１１の故障）の検出動作を示すフローチャートである。以下、図２に示したパワーコンディショナ１の制御部５０が、地絡電流検出装置１０を用いて異常状態の検出を行う場合を例に説明する。
まず、制御部５０は、オフセット電流ｉｏが０のときに地絡電流検出装置１０から出力される基準電圧Ｖｒｅｆを取得し記憶する（ステップＳ１０１）。制御部５０は、オフセット電流線１１６にオフセット電流ｉｏを実際に流さないときに地絡電流検出装置１０から出力される電圧を基準電圧Ｖｒｅｆとして取得してもよいし、オフセット電流ｉｏの値にかかわらず常に一定の電圧に保たれる、地絡電流検出回路１２のオペアンプ１２２の正入力端子の電圧を基準電圧Ｖｒｅｆとして取得してもよい。
次に、制御部５０は、オフセット電流線１１６にオフセット電流ｉｏを流したときに地絡電流検出装置１０から出力される出力電圧Ｖｏｕｔを監視する（ステップＳ１０２）。例えば、オフセット電流ｉｏが７０ｍＡのとき、地絡電流が流れていなければ出力電圧Ｖｏｕｔは２．５＋４×０．０７＝２．７８Ｖとなる。零相電流ｉｚは（Ｖｏｕｔ−２．７８）／４により算出される。
本発明では、異常状態として、ＺＣＴ１１の故障、及び地絡事故を検出する。出力電圧Ｖｏｕｔの値が所定の時間（例えば１秒）以上基準電圧Ｖｒｅｆと等しくなった場合、つまり地絡電流検出装置１０で検出される電流が実質的に０となった場合には（ステップＳ１０３−Ｙｅｓ）、制御部５０はＺＣＴ１１に故障のおそれがあると判断し、パワーコンディショナ１の運転を停止し（ステップＳ１０４）、ＺＣＴ１１の故障診断を行う。
また、地絡電流検出装置１０により検出される電流の大きさが所定の閾値を超えた場合には（ステップＳ１０５−Ｙｅｓ）、地絡事故が発生したと判定する。例えば、２００ｍＡを超える零相電流ｉｚを１００ｍｓの期間検出するか、１００ｍＡを超える零相電流ｉｚを２００ｍｓの期間検出すると、地絡事故が発生したと判定する。その場合には、制御部５０はパワーコンディショナ１の運転を停止し（ステップＳ１０４）、パワーコンディショナ１を商用電力系統から解列する。
上述したように、本発明に係るＺＣＴ１１は、複数の電力線１１３〜１１５に加えて、一定の直流のオフセット電流が流れるオフセット電流線１１６を挿通する。正常時にＺＣＴ１１に流れる電流を０でなく、あえて一定のオフセット電流ｉｏを流しておくことによって、ＺＣＴ１１の異常検出をシンプル且つ確実に行うことが可能となる。
ここで、オフセット電流ｉｏは、ＺＣＴ１１が検出すべき零相電流ｉｚのダイナミックレンジ、電流平衡時に検出される誤差電流ｉｅの値、又はオフセット電流ｉｏによる消費電力、の少なくとも一つの要素によって決定することにより、オフセット電流ｉｏを適切な値とすることができる。
本発明に係る地絡電流検出装置１０は、ＺＣＴ１１と、零相電流に基づいて地絡電流を検出する地絡電流検出回路１２とを備える。地絡電流検出装置１０の出力電圧を監視することにより、地絡事故、及びＺＣＴ１１の故障を発見することができる。
また、本発明に係るパワーコンディショナ１も同様に、地絡電流検出装置１０により、地絡事故のみならず、ＺＣＴ１１の故障も発見することができるため、地絡事故が起きているにも関わらず運転を継続することを防止することができ、安全性を向上させることができる。また、パワーコンディショナ１の運転を停止することなく、ＺＣＴ１１の故障を診断することができるため、故障診断による発電効率の低下を防止することができる。
上述の実施形態は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更および置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解すべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
例えば、本実施形態においては、オフセット電流線１１６にオフセット電流ｉｏを流すためにバイアス回路を用いることが一般的であるが、図４に示すように、リレー６０の駆動に用いる動作電流をオフセット電流として用いてもよい。パワーコンディショナ１による電力の供給および供給停止の切替にリレー６０を用いる構成においては３本の電力線１１３、１１４、１１５に通電する間、リレー６０の電磁石に動作電流を流す必要がある。当該動作電流をオフセット電流線１１６に流すオフセット電流ｉｏに流用することにより、ＺＣＴ１１を挿通する電力線１１３、１１４、１１５に流れる電流の総和電流のオフセットを変位させるためのみに用いる電力の消費を削減可能である。このような構成においてはオフセット電流がロスにはならないので、本実施形態と異なり、必ずしもオフセット電流ｉｏの値をなるべく小さい値とする必要が無い。ただし、誤差電流ｉｅをオフセット電流ｉｏとし検出する誤検出を防ぐために、オフセット電流ｉｏとして用いる電磁石の動作電流は誤差電流ｉｅより大きな値であることが望ましい。電磁石の動作電流が誤差電流ｉｅ以下である場合には、オフセット電流線１１６をＺＣＴ１１に複数回挿通させることによりオフセット電流を増加させ、誤検出を抑制することも可能である。
さらに、系統および構内負荷などの複数の供給先に別々に電力を供給するパワーコンディショナにおいて、複数の供給先に別々に電力を供給する複数の電力線１１３、１１４、１１５を有する組における零相電流を検出し、それぞれの電力線１１３、１１４、１１５の組毎に地絡電流を検出する構成であってもよい。例えば、図５に示すように、当該構成においては、系統に電力を供給する複数の電力線１１３ａ、１１４ａ、１１５ａの零相電流を検出するＺＣＴ１１ａ、および構内負荷に電力を供給する複数の電力線１１３ｂ、１１４ｂ、１１５ｂの零相電流を検出するＺＣＴ１１ｂが設けられる。
それぞれのＺＣＴ１１ａ、１１ｂに挿通されるオフセット電流線１１６ａ、１１６ｂには、系統および構内負荷それぞれへの電力の供給と遮断とを切替えるリレー６０ａ、６０ｂの動作電流が流される。すなわち、系統に電力を供給する複数の電力線１１３ａ、１１４ａ、１１５ａの零相電流を検出するＺＣＴ１１ａには、当該電力線１１３ａ、１１４ａ、１１５ａによる電力の出力を制御するリレー６０ａの制御電流を流すオフセット電流線１１６ａが挿通される。また、構内負荷に電力を供給する複数の電力線１１３ｂ、１１４ｂ、１１５ｂの零相電流を検出するＺＣＴ１１ｂには、当該電力線１１３ｂ、１１４ｂ、１１５ｂによる電力の出力を制御するリレー６０ｂの制御電流を流すオフセット電流線１１６ｂが挿通される。
このような構成によれば、系統連系時に系統への電力供給および自立運転可能な構内負荷への直接接続の遮断、ならびに自立運転時には系統への電力供給の遮断および自立運転可能な構内負荷への直接接続を行うパワーコンディショナにおいて、系統および自立運転可能な構内負荷それぞれへの供給経路における地絡電流の検出が可能である。さらに、このような構成によれば、ＺＣＴ１１ａ、１１ｂのバイアス点を変位させるためのみに用いる電力の消費を削減可能である。
１ パワーコンディショナ
１０ 地絡電流検出装置
１１、１１ａ、１１ｂ ＺＣＴ（零相変流器）
１２ 地絡電流検出回路
２０ 入力電源
３０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４０ インバータ
５０ 制御部
６０、６０ａ、６０ｂ リレー
１１１ 第１のコイル
１１２ 第２のコイル
１１３、１１３ａ、１１３ｂ Ｕ相電力線
１１４、１１４ａ、１１４ｂ Ｏ相電力線
１１５、１１５ａ、１１５ｂ Ｗ相電力線
１１６、１１６ａ、１１６ｂ オフセット電流線
１２１ 抵抗
１２２ オペアンプ

Claims (9)

  1. 挿通される複数の電力線の零相電流を検出する零相変流器であって、
    前記複数の電力線に加えて、一定の直流のオフセット電流が流れる線を挿通することを特徴とする零相変流器。
  2. 前記オフセット電流は、前記零相変流器が検出すべき零相電流のダイナミックレンジ、電流平衡時に検出される誤差電流の値、又は前記オフセット電流による消費電力、の少なくとも一つの要素によって決定されることを特徴とする、請求項１に記載の零相変流器。
  3. 挿通される複数の電力線の零相電流を検出する零相変流器であって、前記複数の電力線に加えて、一定の直流のオフセット電流が流れる線を挿通する零相変流器と、
    前記零相電流に基づいて地絡電流を検出する地絡電流検出回路と、
    を備えることを特徴とする地絡電流検出装置。
  4. 挿通される複数の電力線の零相電流を検出する零相変流器であって、前記複数の電力線に加えて、一定の直流のオフセット電流が流れる線を挿通する零相変流器と、
    前記零相電流に基づいて地絡電流を検出する地絡電流検出回路と、
    を備えることを特徴とするパワーコンディショナ。
  5. 前記地絡電流検出回路で検出される電流が実質的にゼロとなった場合に、前記零相変流器に異常が発生したと判断することを特徴とする、請求項４に記載のパワーコンディショナ。
  6. 前記地絡電流検出装置により検出される電流の大きさが所定の閾値を超えた場合に、地絡事故が発生したと判断することを特徴とする、請求項４又は５に記載のパワーコンディショナ。
  7. 前記一定の直流のオフセット電流は、前記複数の電力線の出力を制御するリレーを駆動させる動作電流であることを特徴とする、請求項４から５のいずれか１項に記載のパワーコンディショナ。
  8. それぞれが前記複数の電力線を有する複数の組毎に、別々の供給先に電力を供給可能であり、
    複数の前記零相変流器は、前記複数の組を構成するそれぞれの複数の電力線の零相電流を検出し、
    複数の前記リレーは、自身が電力の出力を制御する複数の電力線とともに前記零相変流器に挿通される一定の直流のオフセット電流によって駆動される
    ことを特徴とする、請求項７に記載のパワーコンディショナ。
  9. 零相変流器に複数の電力線及び一定の直流のオフセット電流を流す線が挿通された零相変流器、及び前記零相変流器によって検出される零相電流に基づいて地絡電流を検出する地絡電流検出回路と、を備える地絡電流検出装置により前記零相変流器の故障を検出する方法であって、
    前記オフセット電流がゼロのときに前記地絡電流検出装置から出力される基準電圧を取得するステップと、
    前記オフセット電流を流したときに前記地絡電流検出装置から出力される出力電圧を監視するステップと、
    前記地絡電流検出装置で検出される電流が実質的にゼロとなった場合に、前記零相変流器に故障のおそれがあると判断するステップと、
    を含むことを特徴とする零相変流器の故障検出方法。
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