JP2015033223A - 単独運転検出回路、単独運転検出方法、当該単独運転検出回路を備えたインバータ装置、および、電力システム - Google Patents

Abstract

【課題】分散形電源が複数並列接続されている電力システムにおいて、集中監視方式などで単独運転検出回路のタイミング位相を同期させる場合に生じる問題点を解消することができる同期方法を提供する。【解決手段】単独運転検出回路６において、タイミング位相θiを生成するタイミング位相生成部６４と、少なくとも１つの他の単独運転検出回路６と通信を行う通信部６８とを備えた。通信部６８は、タイミング位相生成部６４が生成したタイミング位相θiを、他の単独運転検出回路６に送信する。タイミング位相生成部６４は、生成したタイミング位相θiと、通信部６８が受信した他の単独運転検出回路６のタイミング位相θjとに基づく演算結果ｕiを用いて、タイミング位相θiを生成する。この処理が各単独運転検出回路６それぞれで行われることにより、各単独運転検出回路６のタイミング位相θiは同じ値に収束する。【選択図】図２

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、当該単独運転検出回路を備えたインバータ装置、および、電力システムに関する。

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電圧（または無効電力、有効電力、周波数など）の周期的な微小変動を与え、検出された周波数（または電圧など）の変化に応じて単独運転を検出するものである（例えば、特許文献１参照）。

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、各分散形電源の単独運転検出回路同士の干渉によって、単独運転を検出できない場合がある。つまり、単独運転検出回路が与えた微小変動が互いに打ち消しあうことで、検出される変化が単独運転と判定されるレベルに達しない場合がある。これを回避するために、微小変動のタイミングを同期させる方法が提案されている。

図８は、配電系統に複数の分散形電源Ａ”が並列接続されている従来の電力システムを説明するための図である。

分散形電源Ａ”は、連系用遮断器７を介して配電系統に連系しており、当該配電系統は、配電線遮断器Ｃを介して電力系統Ｂに連系している。分散形電源Ａ”は、単独運転検出回路６’を備えている。単独運転検出回路６’は、タイミング位相θに基づいて生成したパルス信号を、制御回路３に出力する。制御回路３は、入力されるパルス信号に応じてインバータ回路２の出力目標を変化させることで、インバータ回路２の出力に周期的変動を与える。単独運転検出回路６’は、インバータ回路２の出力電圧から周波数を検出して、単独運転判定部６７が周波数の変化に基づいて単独運転の判定を行う。単独運転判定部６７は、単独運転状態であると判定した場合、検出信号を制御回路３および連系用遮断器７に出力する。

図８に示すように、複数の分散形電源Ａ”が同じ配電系統に連系している場合、各分散形電源Ａ”の単独運転検出回路６’のタイミング位相θを同期させる必要がある。このため、各分散形電源Ａ”を集中監視するための監視装置Ｃが、各単独運転検出回路６’のタイミング位相θを同期させる機能を有する。以下では、この方式を「集中監視方式」とする。すなわち、各単独運転検出回路６’のタイミング位相生成部６４’が生成したタイミング位相θを、通信部６８が監視装置Ｃに送信する。監視装置Ｃは、受信した各単独運転検出回路６’のタイミング位相θの例えば相加平均値（算術平均値）を算出して、目標タイミング位相θ^*として各単独運転検出回路６’に送信する。タイミング位相生成部６４’は、タイミング位相θが目標タイミング位相θ^*になるように制御する。あるいは、１つの単独運転検出回路６’（マスタ）が監視装置Ｃの代わりとなり、他の単独運転検出回路６’（スレイブ）に目標タイミング位相θ^*を出力する。以下では、この方式を「マスタスレイブ方式」とする。マスタスレイブ方式でタイミングの同期を行うものとして、例えば、特許文献２などがある。

特開２０００−３５８３３１号公報 特開平１０-９４１７４号公報

Reza Olfati-Saber, J. Alex Fax, and Richard M. Murray, "Consensus and Cooperation in Networked Multi-Agent Systems", Proceedings of the IEEE, Vol.95, No.1, (2007) Mehran Mesbahi and Magnus Egerstedt, "Graph Theoretic Methods in Multiagent Networks", Princeton (2010)

上述したような集中監視方式やマスタスレイブ方式でタイミング位相θを同期させる場合、システムが大がかりになるし、分散形電源Ａ”の増減に柔軟に対応しにくく、故障に脆弱であるという問題点がある。例えば、集中監視方式の場合、監視装置Ｃを設け、各単独運転検出回路６’と通信を行う必要がある。有線通信の場合は、監視装置Ｃと各単独運転検出回路６’とをそれぞれ通信線で接続する必要がある。無線通信の場合は、障害物などによって電波が遮断されないようにする必要がある。マスタスレイブ方式の場合、別途監視装置Ｃを設ける必要はないが、単独運転検出回路６’（マスタ）と各単独運転検出回路６’（スレイブ）とで通信を行う必要がある。また、分散形電源Ａ”を増減させる場合、監視装置Ｃまたは単独運転検出回路６’（マスタ）の制御プログラムを変更する必要がある。さらに、監視装置Ｃや単独運転検出回路６’（マスタ）が故障した場合は、タイミング位相θの同期ができなくなるという問題もある。

本発明は上述した事情のもとで考え出されたものであって、上述した問題点を解消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、主従関係にない分散形電源が複数並列接続されている電力システムにおいて、前記各分散形電源の単独運転を検出するための単独運転検出回路であって、タイミング位相を生成するタイミング位相生成手段と、前記タイミング位相に応じた周期的な変動要素を注入させる周期変動注入手段と、前記分散形電源の出力の変化を検出した場合に単独運転状態であると判定する単独運転判定手段と、少なくとも１つの他の分散形電源と通信を行う通信手段とを備え、前記通信手段は、前記タイミング位相生成手段が生成したタイミング位相を、前記他の分散形電源の少なくとも１つに送信し、前記タイミング位相生成手段は、前記生成したタイミング位相と、前記通信手段が前記他の分散形電源の少なくとも１つより受信したタイミング位相とに基づく演算結果を用いて、タイミング位相を生成することを特徴とする。なお、「主従関係にない」とは、分散形電源（および、その分散形電源の単独運転を検出する単独運転検出回路）の内の１つ（マスタ：主）がその他（スレイブ：従）を監視したり制御したりする関係ではなく、いずれも対等の関係であることを意味している。また、「電力システム」とは、例えば、インバータ装置が複数並列接続された配電系統などを意味し、多数のインバータ装置が並列接続されて太陽光発電を行う発電所（例えば、メガソーラ）なども含まれる。また、「変動要素を注入」とは、例えば、分散形電源の出力無効電力（または、出力電圧、有効電力など）の目標値を変動させることで分散形電源の出力を変動させることなどを意味する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記タイミング位相生成手段は、前記生成したタイミング位相と、前記受信したタイミング位相とに基づく演算を行う演算手段と、前記演算手段が出力する演算結果を所定の角周波数に加算して、修正角周波数として出力する加算手段と、前記修正角周波数を積分して、タイミング位相を算出する積分手段とを備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記演算手段は、前記受信したタイミング位相から前記生成したタイミング位相をそれぞれ減算し、減算結果をすべて加算することで、演算結果を演算する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記演算手段は、前記受信したタイミング位相から前記生成したタイミング位相をそれぞれ減算し、減算結果をすべて加算して、前記通信手段が通信を行っている他の分散形電源の数で除算することで、演算結果を演算する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記演算手段は、前記受信したタイミング位相から前記生成したタイミング位相をそれぞれ減算し、減算結果をすべて加算して、前記生成したタイミング位相を乗算することで、演算結果を演算する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記演算手段は、前記受信したタイミング位相を前記生成したタイミング位相からそれぞれ減算し、減算結果をすべて加算して、前記生成したタイミング位相の２乗を乗算することで、演算結果を演算する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記周期変動注入手段は、周期的に変動する無効電力を注入させ、前記単独運転判定手段は、前記分散形電源の出力電圧の周波数が所定値以上変化した場合に、単独運転状態であると判定する。

本発明の第２の側面によって提供されるインバータ装置は、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を備えていることを特徴とする。

本発明の第３の側面によって提供される電力システムは、直流電源と本発明の第２の側面によって提供されるインバータ装置とを有する分散形電源が、複数並列接続されていることを特徴とする。

本発明の第４の側面によって提供される単独運転検出方法は、主従関係にない分散形電源が複数並列接続されている電力システムにおいて、前記各分散形電源の単独運転を検出する方法であって、タイミング位相を生成する第１の工程と、前記第１の工程で生成したタイミング位相を少なくとも１つの他の分散形電源に送信する第２の工程と、少なくとも１つの他の分散形電源が送信したタイミング位相を受信する第３の工程と、前記第１の工程で生成したタイミング位相に応じた周期的な変動要素を注入させる第４の工程と、前記分散形電源の出力の変化を検出した場合に単独運転状態であると判定する第５の工程とを各分散形電源で行わせるものであり、前記第１の工程は、生成したタイミング位相と、前記第３の工程で受信したタイミング位相とに基づく演算結果を用いて、タイミング位相を生成することを特徴とする。

本発明によると、タイミング位相生成手段は、生成したタイミング位相と、通信手段が受信した他の単独運転検出回路のタイミング位相とに基づく演算結果を用いて、タイミング位相を生成する。各単独運転検出回路のタイミング位相生成手段がこれを行うことで、すべての単独運転検出回路のタイミング位相が同じ値に収束する。各単独運転検出回路は少なくとも１つの単独運転検出回路（例えば、近隣に位置するもの）とだけ相互通信を行えばよく、１つの単独運転検出回路や監視装置が他の全ての単独運転検出回路と通信を行う必要はない。したがって、システムが大がかりにならない。ある単独運転検出回路が故障した場合でも、他の全ての単独運転検出回路がいずれかの単独運転検出回路と通信可能であれば、タイミング位相を同期させることができる。また、分散形電源の増減に柔軟に対応できる。

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分散形電源を説明するための図である。 第１実施形態に係る単独運転検出回路の内部構成を説明するための機能ブロック図である。 第１実施形態に係る分散形電源が複数並列接続された電力システムを示す図である。 パルス生成部が生成するパルス信号の一例を説明するための図である。 電力システムにおける各分散形電源の単独運転検出回路のタイミング位相の変化のシミュレーション結果を示す図である。 電力システムに並列接続された分散形電源の単独運転検出回路の他の通信状態を説明するための図である。 第２実施形態に係る、交流発電機による分散形電源を説明するための図である。 従来の電力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分散形電源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分散形電源を説明するための図である。図２は、単独運転検出回路の内部構成を説明するための機能ブロック図である。図３は、分散形電源が複数並列接続された電力システムを示す図である。

図１に示すように、分散形電源Ａは、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。分散形電源Ａは、連系用遮断器７を介して、配電系統に連系している。当該配電系統は、配電線遮断器Ｃを介して電力系統Ｂに連系している。分散形電源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て出力し、配電系統に接続された負荷Ｌ（図３参照）に供給する。負荷Ｌには、電力系統Ｂからも電力が供給される。また、分散形電源Ａは、逆潮流ありのシステムであり、交流電力を電力系統Ｂにも供給する。なお、図示しないが、インバータ回路２の出力側には、交流電圧を昇圧（または降圧）するための変圧器が設けられている。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、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、図示しない２組４個のスイッチング素子を備えた単相インバータであり、制御回路３から入力されるＰＷＭ信号に基づいて各スイッチング素子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。なお、インバータ回路２は、これに限られない。例えば、ＰＷＭ制御インバータは、三相インバータであってもよいし、マルチレベルインバータであってもよい。また、ＰＷＭ制御に限定されず、フェーズシフト制御など他の方式を用いるものであってもよい。

制御回路３は、インバータ回路２を制御するものであり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。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より入力される変動信号Ｑin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、分散形電源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から入力される変動信号Ｑinを基本目標値Ｑ₀に加算することで目標値Ｑref（＝Ｑ₀＋Ｑin）を設定する。

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。なお、ＰＷＭ信号生成部３５は、三角波比較法によりＰＷＭ信号を生成する場合に限定されず、例えば、ヒステリシス方式でＰＷＭ信号を生成するようにしてもよい。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に制御しようとする。

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、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、分散形電源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（αβ変換）および回転座標変換（ｄｑ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。

本実施形態では、制御回路３をディジタル回路として実現した場合について説明したが、アナログ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制御回路３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。

連系用遮断器７は、分散形電源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、分散形電源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、分散形電源Ａと配電系統との連系が遮断される。これにより、分散形電源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、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。単独運転検出回路６は、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。

図２に示すように、単独運転検出回路６は、周波数検出部６１、変化量検出部６２、ゲイン乗算部６３、タイミング位相生成部６４、パルス生成部６５、リミッタ６６、および、単独運転判定部６７を備えている。なお、図２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。

周波数検出部６１は、電圧センサ５から入力される電圧信号Ｖに基づいて、連系点の電圧の周波数ｆを検出して、変化量検出部６２に出力する。変化量検出部６２は、周波数検出部６１から入力される周波数ｆの変化量Δｆを検出して、ゲイン乗算部６３および単独運転判定部６７に出力する。ゲイン乗算部６３は、変化量検出部６２から入力される変化量Δｆに正帰還のゲインＫを乗算して出力する。

タイミング位相生成部６４は、単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iを生成するものである。タイミング位相θ_iは、インバータ回路２の出力に周期的変動を与えるタイミングを決定するためのものである。タイミング位相生成部６４の詳細については、後述する。

パルス生成部６５は、タイミング位相生成部６４から入力されるタイミング位相θ_iに応じてパルス信号を生成するものである。本実施形態では、正の値と負の値とを繰り返すパルス信号を生成しており、正の値と負の値との間でゼロとなる期間を設けている。すなわち、周期Ｔの１／４の期間でゼロとなり、続く１／４の期間で正の値となり、続く１／４の期間でゼロとなり、続く１／４の期間で負の値となるパルス信号を生成している（図４参照）。なお、パルス生成部６５が生成するパルス信号は、これに限られず、矩形波や三角波、のこぎり波であってもよいし、正弦波であってもよい。

リミッタ６６は、ゲイン乗算部６３から出力される信号とパルス生成部６５から出力される信号とを加算した信号の出力範囲を制限した信号を変動信号Ｑinとして、目標値設定部３２に出力する。

単独運転判定部６７は、分散形電源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６７は、変化量検出部６２から入力される変化量Δｆが所定値を超えた場合に、単独運転状態であると判定して、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Ｂで事故が発生した場合などに、電力系統Ｂ側に設けられた保護装置によって配電線遮断器Ｃが開放されて、配電系統が電力系統Ｂから切り離される。これにより、電力系統Ｂから切り離された配電系統に連系している分散形電源Ａが単独運転状態になる。

分散形電源Ａが単独運転状態でない場合、すなわち、分散形電源Ａが連系された配電系統が電力系統Ｂに連系している場合、連系点（分散形電源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Ｂの系統電圧の位相に一致している。したがって、目標値Ｑrefが変動して連系点を流れる電流の位相が変動しても、連系点の電圧の位相は変化せず、周波数ｆも変化しない。一方、分散形電源Ａが単独運転状態の場合、すなわち、分散形電源Ａが連系された配電系統が電力系統Ｂに連系していない場合、連系点の電圧の位相は電力系統Ｂ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が変動して連系点を流れる電流の位相が変動すると、連系点の電圧の位相も変動し、周波数ｆも変動する。つまり、周波数ｆが変動するか否かで、単独運転状態であるか否かを判定することができる。周波数ｆが変動すると、周波数ｆの変化量Δｆも変動し、変化量Δｆに正帰還のゲインＫを乗算したものがさらに加算されるので、目標値Ｑrefの変動が大きくなる。これにより、変化量Δｆの変動も大きくなって、変化量Δｆが所定値を超えることで、単独運転状態であると判定される。

単独運転判定部６７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、分散形電源Ａと配電系統との連系を遮断する。これらにより、分散形電源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。

通信部６８は、他の分散形電源Ａとの間で通信を行うものである。通信部６８は、タイミング位相生成部６４が生成したタイミング位相θ_iを入力され、他の分散形電源Ａの通信部６８に送信する。また、通信部６８は、他の分散形電源Ａの通信部６８から受信したタイミング位相θ_jを、タイミング位相生成部６４に出力する。なお、通信方法は限定されず、有線通信であってもよいし、無線通信であってもよい。

図３に示すように、分散形電源Ａは電力システムにおいて、他の分散形電源Ａと並列接続されている。図３においては、５つの分散形電源Ａ（Ａ１〜Ａ５）と、４つの負荷Ｌとが接続されている状態を示している。なお、実際の電力システムにおいては、より多くの分散形電源Ａおよび負荷Ｌが接続されているが、説明の簡略化のために極端に少ないケースを示している。

図３に示す矢印は、通信を行っていることを示している。分散形電源Ａ１の単独運転検出回路６は分散形電源Ａ２の単独運転検出回路６とのみ通信を行っており、分散形電源Ａ２の単独運転検出回路６は分散形電源Ａ１の単独運転検出回路６および分散形電源Ａ３の単独運転検出回路６とのみ通信を行っている。また、分散形電源Ａ３の単独運転検出回路６は分散形電源Ａ２の単独運転検出回路６および分散形電源Ａ４の単独運転検出回路６とのみ通信を行っており、分散形電源Ａ４の単独運転検出回路６は分散形電源Ａ３の単独運転検出回路６および分散形電源Ａ５の単独運転検出回路６とのみ通信を行っており、分散形電源Ａ５の単独運転検出回路６は分散形電源Ａ４の単独運転検出回路６とのみ通信を行っている。このように、分散形電源Ａの単独運転検出回路６は、電力システムに接続している分散形電源Ａのうち、少なくとも１つの分散形電源Ａの単独運転検出回路６と通信を行っており、電力システムに接続している任意の２つの分散形電源Ａの単独運転検出回路６に対して通信経路が存在している状態（以下ではこの状態を「連結状態」と言う。）であればよく、電力システムに接続しているすべての分散形電源Ａの単独運転検出回路６と通信を行う必要はない。

例えば、分散形電源Ａが分散形電源Ａ２の場合、単独運転検出回路６の通信部６８は、タイミング位相生成部６４が生成したタイミング位相θ₂を分散形電源Ａ１およびＡ３の単独運転検出回路６の通信部６８に送信し、分散形電源Ａ１の単独運転検出回路６の通信部６８からタイミング位相θ₁を受信し、分散形電源Ａ３の単独運転検出回路６の通信部６８からタイミング位相θ₃を受信する。

次に、タイミング位相生成部６４の詳細について説明する。

タイミング位相生成部６４は、生成したタイミング位相θ_iと、通信部６８より入力される、他の分散形電源Ａの単独運転検出回路６のタイミング位相θ_jとを用いて、タイミング位相θ_iを生成する。タイミング位相θ_iとタイミング位相θ_jとが異なっていても、タイミング位相生成部６４での演算処理が繰り返されることで、タイミング位相θ_iとタイミング位相θ_jとが共通のタイミング位相に収束する。図２に示すように、タイミング位相生成部６４は、演算部６４１、乗算器６４２、加算器６４３および積分器６４４を備えている。

演算部６４１は、下記（１）式に基づく演算を行う。すなわち、演算部６４１は、通信部６８から入力される各タイミング位相θ_jから、タイミング位相生成部６４が生成したタイミング位相θ_iをそれぞれ減算し、減算結果をすべて加算した演算結果ｕ_iを乗算器６４２に出力する。

例えば、分散形電源Ａが分散形電源Ａ２の場合（図３参照）、演算部６４１は、下記（２）式の演算を行い、演算結果ｕ₂を出力する。

乗算器６４２は、演算部６４１から入力される演算結果ｕ_iに所定の係数εを乗算して加算器６４３に出力する。係数εは、０＜ε＜１／ｄ_maxを満たす値であり、あらかじめ設定されている。ｄ_maxは、通信部６８が通信を行う他の単独運転検出回路６の数であるｄ_iのうち、電力システムに接続しているすべての分散形電源Ａの単独運転検出回路６の中で最大のものである。つまり、電力システムに接続している分散形電源Ａの単独運転検出回路６のなかで、一番多くの他の単独運転検出回路６と通信を行っているものの通信部６８に入力されるタイミング位相θ_jの数である。なお、係数εは、修正角周波数ω_iが大きく（小さく）なりすぎて、タイミング位相θ_iの変動が大きくなりすぎることを抑制するために、演算結果ｕ_iに乗算されるものである。したがって、タイミング位相生成部６４での処理が連続時間処理の場合は、乗算器６４２を設ける必要はない。

加算器６４３は、乗算器６４２からの入力を所定の角周波数ω₀に加算して、修正角周波数ω_iとして積分器６４４に出力する。積分器６４４は、加算器６４３から入力される修正角周波数ω_iを積分することでタイミング位相θ_iを生成して出力する。積分器６４４は、前回生成したタイミング位相θ_iに修正角周波数ω_iを加算することでタイミング位相θ_iを生成する。また、積分器６４４は、タイミング位相θ_iを（−π＜θ_i≦π）の範囲の値として出力する。なお、タイミング位相θ_iの範囲の設定の仕方はこれに限定されず、例えば、（０≦θ_i＜２π）としてもよい。タイミング位相θ_iは、パルス生成部６５、通信部６８および演算部６４１に出力される。

本実施形態では、単独運転検出回路６をディジタル回路として実現した場合について説明したが、アナログ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。

本実施形態において、タイミング位相生成部６４は、生成したタイミング位相θ_iと、通信部６８より入力される、他の単独運転検出回路６のタイミング位相θ_jとを用いて、タイミング位相θ_iを生成する。タイミング位相θ_iが各タイミング位相θ_jの相加平均値より大きい場合、演算部６４１が出力する演算結果ｕ_iは負の値になる。そうすると、修正角周波数ω_iは所定の角周波数ω₀より小さくなり、タイミング位相θ_iの変化量は小さくなる。一方、タイミング位相θ_iが各タイミング位相θ_jの相加平均値より小さい場合、演算部６４１が出力する演算結果ｕ_iは正の値になる。そうすると、修正角周波数ω_iは所定の角周波数ω₀より大きくなり、タイミング位相θ_iの変化量は大きくなる。つまり、タイミング位相θ_iは各タイミング位相θ_jの相加平均値に近づいていく。この処理が各単独運転検出回路６それぞれで行われることにより、各単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iは同じ値に収束する。タイミング位相θ_iは時間とともに変化するものであり、角周波数ω₀に応じて変化する成分と、初期位相のずれを補償するように変化する成分とを合成したものと考えることができる。後者が同じ値θαに収束することで、各単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iも同じ値に収束する。後者が同じ値に収束することは、数学的にも証明されている（非特許文献１，２参照）。また、収束値θαが、下記（３）式に示すように、各単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iの初期値の相加平均値になることも証明されている。ｎは電力システムに接続されている分散形電源Ａの数（すなわち、単独運転検出回路６の数）であり、下記（３）式は、分散形電源Ａ１〜Ａｎの単独運転検出回路６のタイミング位相θ₁〜θ_nの初期値をすべて加算してｎで除算した相加平均値を算出することを示している。

以下に、図３に示す電力システムにおいて、タイミング位相θ_iが収束することを確認したシミュレーションについて説明する。

分散形電源Ａ１〜Ａ５の単独運転検出回路６のタイミング位相θ₁〜θ₅の初期値を、それぞれ、θ₁＝π/２，θ₂＝０，θ₃＝π，θ₄＝３π/２，θ₅＝−π/４としてシミュレーションを行った。図５は、当該シミュレーションの結果を示すものであり、それぞれタイミング位相θ₁〜θ₅のうちの角周波数ω₀に応じて変化する成分を除いたものの時間応答を示している。同図（ａ）は、タイミング位相θ_iの同期を行わなかった場合（すなわち、図２に示す演算部６４１および通信部６８がない構成の場合）のものであり、同図（ｂ）は、タイミング位相θ_iの同期を行った場合（すなわち、図２に示す構成の場合）のものである。同図（ａ）においては、初期値から変化していない。一方、同図（ｂ）においては、初期値の相加平均値である「１１π/２０」に収束している。

本実施形態によると、電力システムに接続されている各分散形電源Ａの単独運転検出回路６がそれぞれ少なくとも１つの分散形電源Ａ（例えば、近隣に位置するもの）の単独運転検出回路６と相互通信を行っており、電力システムが連結状態であることで、すべての単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iが同じ値に収束する。つまり、１つの単独運転検出回路６や監視装置が他の全ての単独運転検出回路６と通信を行う必要はない。したがって、システムが大がかりにならない。また、ある分散形電源Ａが故障した場合や、ある分散形電源Ａを削減した場合でも、他の全ての分散形電源Ａの単独運転検出回路６がいずれかの分散形電源Ａの単独運転検出回路６と通信可能であり、電力システムが連結状態であれば、タイミング位相θ_iを同期させることができる。また、分散形電源Ａを増加する場合は、その分散形電源Ａの単独運転検出回路６が少なくとも１つの分散形電源Ａの単独運転検出回路６と通信を行うようにすればよいだけである。したがって、分散形電源Ａの増減に柔軟に対応できる。

なお、上記第１実施形態においては、単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iの初期位相のずれを補償するように変化する成分を、各単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iの初期値の相加平均値に収束させる場合について説明したが、これに限られない。演算部６４１に設定する演算式によって、収束値θαは変わってくる。

例えば、演算部６４１に設定する演算式を下記（４）式とした場合、収束値θαは下記（５）式に示すような値になる。ｄ_iは、通信部６８が通信を行う他の単独運転検出回路６の数、すなわち、通信部６８に入力されるタイミング位相θ_jの数である。つまり、収束値θαは、通信相手の数による重み付けを行った、各単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iの初期値の加重平均値である。

また、演算部６４１に設定する演算式を下記（６）式とした場合、収束値θαは下記（７）式に示すように、各単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iの初期値の相乗平均値（幾何平均値）になる。

また、演算部６４１に設定する演算式を下記（８）式とした場合、収束値θαは下記（９）式に示すように、各単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iの初期値の調和平均値になる。

また、演算部６４１に設定する演算式を下記（１０）式とした場合、収束値θαは下記（１１）式に示すように、各単独運転検出回路６のタイミング位相θ_iの初期値のＰ次平均値になる。

なお、上記第１実施形態においては、各単独運転検出回路６が相互通信を行う場合について説明したが、これに限られず、片側通信を行うようにしてもよい。例えば、図６に示すように、分散形電源Ａ１の単独運転検出回路６が分散形電源Ａ２の単独運転検出回路６に送信のみを行い、分散形電源Ａ２の単独運転検出回路６が分散形電源Ａ１の単独運転検出回路６から受信のみを行って、分散形電源Ａ３の単独運転検出回路６に送信のみを行い、分散形電源Ａ３の単独運転検出回路６が分散形電源Ａ２の単独運転検出回路６から受信のみを行って、分散形電源Ａ４の単独運転検出回路６に送信のみを行い、分散形電源Ａ４の単独運転検出回路６が分散形電源Ａ３の単独運転検出回路６から受信のみを行って、分散形電源Ａ５の単独運転検出回路６に送信のみを行い、分散形電源Ａ５の単独運転検出回路６が分散形電源Ａ４の単独運転検出回路６から受信のみを行う場合でも、タイミング位相θ_iの同期を行うことができる。より一般的に言うと、電力システムに接続されたある分散形電源Ａの単独運転検出回路６から送信先をたどっていくと、電力システムに接続された任意の分散形電源Ａの単独運転検出回路６に到達することができる状態（グラフ理論における「全域木を含む」状態）であることが、タイミング位相θ_iの同期を行うことができる条件である。

上記第１実施形態では、周波数の変化量を正帰還させる場合について説明したが、これに限られない。ゲイン乗算部６３から出力される信号を加算することなく、パルス生成部６５から出力される信号の出力範囲を制限した信号を変動信号Ｑinとして、目標値設定部３２に出力するようにしてもよい。また、無効電力を変動させる代わりに、電圧や有効電力、周波数などを変動させるようにしてもよいし、周波数の変化量で単独運転を判定する代わりに、周波数変化率や、出力電圧の変化、無効電力の変化などで単独運転を判定するようにしてもよい。本発明は、周期的な変動を生じさせるための変動信号を生成するすべての単独運転検出回路に適用することができる。

上記第１実施形態では、本発明に係る単独運転検出回路６を、インバータ回路２を備えた分散形電源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６は、インバータ回路２を備えない交流発電機による分散形電源Ａ’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６を交流発電機による分散形電源Ａ’に用いた場合を、第２実施形態として説明する。

図７は、第２実施形態に係る、交流発電機による分散形電源Ａ’を説明するための図である。同図において、第１実施形態に係る分散形電源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７に示す分散形電源Ａ’は、直流電源１およびインバータ回路２に代えて交流発電機１’を備え、制御回路３に代えて制御回路３’を備えている点で、第１実施形態に係る分散形電源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。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、変動信号Ｑinに代えて、分散形電源Ａ’の目標電圧を変動させるための変動信号Ｖinを目標値設定部３２に出力する。目標値設定部３２は、変動信号Ｖinを基本目標値Ｖ₀に加算することで目標値Ｖref（＝Ｖ₀＋Ｖin）を設定し、ＡＶＲ３６に出力する。ＡＶＲ３６は、自動電圧調整回路であり、目標値Ｖrefに応じて、交流発電機１’の出力電圧を調整する。

第２実施形態においても、単独運転検出回路６が少なくとも１つの他の単独運転検出回路６と相互通信を行っており、電力システムが連結状態であれば、タイミング位相θ_iを同期させることができる。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。

上記第１および第２実施形態においては、複数の分散形電源Ａ（Ａ’）が電力系統Ｂに連系している場合について説明したが、これに限られない。例えば、多数のインバータ装置が並列接続されて太陽光発電を行う発電所（例えば、メガソーラ）などの場合でも、本発明を適用することができる。

本発明に係る単独運転検出回路、単独運転検出方法、当該単独運転検出回路を備えたインバータ装置、および、電力システムは、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、当該単独運転検出回路を備えたインバータ装置、および、電力システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ，Ａ’,Ａ１〜Ａ５ 分散形電源
１ 直流電源
１’交流発電機
２ インバータ回路
３，３’ 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
３６ ＡＶＲ
４ 電流センサ
５ 電圧センサ
６ 単独運転検出回路
６１ 周波数検出部
６２ 変化量検出部
６３ ゲイン乗算部
６４ タイミング位相生成部
６４１ 演算部
６４２ 乗算器
６４３ 加算器
６４４ 積分器
６５ パルス生成部（周期変動注入手段）
６６ リミッタ
６７ 単独運転判定部
６８ 通信部
７ 連系用遮断器
Ｂ 電力系統
Ｃ 配電線遮断器
Ｌ 負荷

Claims (10)

1. 主従関係にない分散形電源が複数並列接続されている電力システムにおいて、前記各分散形電源の単独運転を検出するための単独運転検出回路であって、
   タイミング位相を生成するタイミング位相生成手段と、
   前記タイミング位相に応じた周期的な変動要素を注入させる周期変動注入手段と、
   前記分散形電源の出力の変化を検出した場合に単独運転状態であると判定する単独運転判定手段と、
   少なくとも１つの他の分散形電源と通信を行う通信手段と、
   を備え、
   前記通信手段は、前記タイミング位相生成手段が生成したタイミング位相を、前記他の分散形電源の少なくとも１つに送信し、
   前記タイミング位相生成手段は、前記生成したタイミング位相と、前記通信手段が前記他の分散形電源の少なくとも１つよりより受信したタイミング位相とに基づく演算結果を用いて、タイミング位相を生成する、
   ことを特徴とする単独運転検出回路。
2. 前記タイミング位相生成手段は、
   前記生成したタイミング位相と、前記受信したタイミング位相とに基づく演算を行う演算手段と、
   前記演算手段が出力する演算結果を所定の角周波数に加算して、修正角周波数として出力する加算手段と、
   前記修正角周波数を積分して、タイミング位相を算出する積分手段と、
   を備えている、請求項１に記載の単独運転検出回路。
3. 前記演算手段は、前記受信したタイミング位相から前記生成したタイミング位相をそれぞれ減算し、減算結果をすべて加算することで、演算結果を演算する、
   請求項２に記載の単独運転検出回路。
4. 前記演算手段は、前記受信したタイミング位相から前記生成したタイミング位相をそれぞれ減算し、減算結果をすべて加算して、前記通信手段が通信を行っている他の分散形電源の数で除算することで、演算結果を演算する、
   請求項２に記載の単独運転検出回路。
5. 前記演算手段は、前記受信したタイミング位相から前記生成したタイミング位相をそれぞれ減算し、減算結果をすべて加算して、前記生成したタイミング位相を乗算することで、演算結果を演算する、
   請求項２に記載の単独運転検出回路。
6. 前記演算手段は、前記受信したタイミング位相を前記生成したタイミング位相からそれぞれ減算し、減算結果をすべて加算して、前記生成したタイミング位相の２乗を乗算することで、演算結果を演算する、
   請求項２に記載の単独運転検出回路。
7. 前記周期変動注入手段は、周期的に変動する無効電力を注入させ、
   前記単独運転判定手段は、前記分散形電源の出力電圧の周波数が所定以上変化した場合に、単独運転状態であると判定する、
   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. 請求項１ないし７のいずれかに記載の単独運転検出回路を備えていることを特徴とするインバータ装置。
9. 直流電源と請求項８に記載のインバータ装置とを有する分散形電源が、複数並列接続されていることを特徴とする電力システム。
10. 主従関係にない分散形電源が複数並列接続されている電力システムにおいて、前記各分散形電源の単独運転を検出する方法であって、
    タイミング位相を生成する第１の工程と、
    前記第１の工程で生成したタイミング位相を少なくとも１つの他の分散形電源に送信する第２の工程と、
    少なくとも１つの他の分散形電源が送信したタイミング位相を受信する第３の工程と、
    前記第１の工程で生成したタイミング位相に応じた周期的な変動要素を注入させる第４の工程と、
    前記分散形電源の出力の変化を検出した場合に単独運転状態であると判定する第５の工程と、
    を各分散形電源で行わせるものであり、
    前記第１の工程は、生成したタイミング位相と、前記第３の工程で受信したタイミング位相とに基づく演算結果を用いて、タイミング位相を生成する、
    ことを特徴とする方法。