JP2015119581A - 電力制御装置および電力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自立運転時に、単独運転検出のための無効電力の注入によって生じる電圧の歪を低減する電力制御装置および電力制御方法を提供する。
【解決手段】分散電源を制御する複数のパワーコンディショナ（１２，１４）を含む電力制御装置１は、分散電源が電力系統から解列された状態において、複数のパワーコンディショナ（１２，１４）のうち１つ（１２）は電圧制御による自立運転を行うとともに、他（１４）は前記電圧制御の電圧に同期した電流制御運転を行い、電流制御運転を行うパワーコンディショナ１４は、分散電源が電力系統に連系する状態の場合よりも、無効電力の注入量を減少または注入速度を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力制御装置および電力制御方法に関するものである。より詳細には、本発明は、分散電源を制御する複数のパワーコンディショナを含む電力制御装置、およびこのような電力制御装置の電力制御方法に関するものである。

従来、単相３線出力の連系パワーコンディショナのような電力制御装置において、停電時には宅内配線を電力系統から切り離す（解列）ものが提案されている。また、例えば太陽光発電用および燃料電池用のように複数のパワーコンディショナを用いる場合、１つを単相３線出力の自立運転モードで運転させて、他を連系運転モードで並列運転させることができる（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された構成は、複数の分散型電源が系統から解列されて自立運転する際、基準となる１つのインバータを電圧制御運転して交流電圧源を形成し、残りの分散型電源のインバータを、基準のインバータの出力電圧に同期させている。このように、他のインバータを基準のインバータに同期させて電流制御運転することにより、各分散型電源を並列同期させて自立運転を行うことができる。

ところで、系統に連系して発電を行うパワーコンディショナは、安全の観点から、停電時など系統の電力停止時に分散型電源が単独で運転しないように、単独運転防止機能を備えている。単独運転防止機能の手法として、連系運転時に、出力電流に高調波または無効電力を注入することにより単独運転を検出する能動方式がある。この能動方式によれば、高調波または無効電力を注入することで、単独運転時の交流電圧に擾乱を生じさせ、この擾乱を検出することにより単独運転を検出することができる（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−０８９０９６号公報 特許第３０２８２０５号公報

上述のような電圧制御で動作するパワーコンディショナが故障したり回路が遮断されたりした場合、電流制御で動作するパワーコンディショナが単独運転の状態になるおそれがある。このように、電流制御を行うパワーコンディショナは、電圧制御で動作するパワーコンディショナの自立運転時においても単独運転を行うおそれがあるため、このような単独運転を検出して防止する必要がある。

しかしながら、上述したような並列同期させた自立運転時にも、単独運転を検出して防止する必要があるが、パワーコンディショナの電圧制御による交流波形は、能動方式の無効電力の影響を受けて歪を生じ易い。このため、自立運転中に、電流制御を行うパワーコンディショナが、単独運転検出のための能動信号を発生すると、電圧に歪が生じる。特に、例えばステップ注入付き周波数シフト方式のように、単独運転を高速で検出するものは、無効電力を高速で注入するため、波形の乱れが顕著になり易い。

したがって、本発明の目的は、自立運転時に、単独運転検出のための無効電力の注入によって生じる電圧の歪を低減する電力制御装置および電力制御方法を提供することにある。

上記目的を達成する第１の観点に係る電力制御装置の発明は、
分散電源を制御する複数のパワーコンディショナを含む電力制御装置であって、
前記分散電源が電力系統から解列された状態において、前記複数のパワーコンディショナのうち１つは電圧制御による自立運転を行うとともに、他は前記電圧制御の電圧に同期した電流制御運転を行い、当該電流制御運転を行うパワーコンディショナは、前記分散電源が電力系統に連系している状態よりも、無効電力の注入量を減少または注入速度を低下させることを特徴とするものである。

また、前記電流制御運転を行うパワーコンディショナは、前記複数のパワーコンディショナのうち１つが電圧制御による自立運転中であることを検知する手段を有してもよい。

また、前記無効電力の注入量を減少または注入速度を低下させる際は、当該無効電力の注入による出力電圧の波形の歪が所定の範囲内になるようにしてもよい。

上記目的を達成する第２の観点に係る電力制御方法の発明は、
分散電源が電力系統から解列された状態において当該分散電源を制御する複数のパワーコンディショナのうち少なくとも１つが自立運転を行う際に、
前記複数のパワーコンディショナのうち１つが電圧制御による自立運転を開始するステップと、
前記電圧制御による自立運転を開始したパワーコンディショナ以外のパワーコンディショナが、前記分散電源が電力系統に連系している状態よりも、無効電力の注入量を減少または注入速度を低下するように設定するステップと、
前記電圧制御による自立運転を開始したパワーコンディショナ以外のパワーコンディショナが、前記電圧制御の電圧に同期した電流制御運転を開始するステップと、
を含むものである。

本発明によれば、自立運転時に、単独運転検出のための無効電力の注入によって生じる電圧の歪を低減する電力制御装置および電力制御方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る電力制御装置を概略的に示す図である。 本実施形態における電流指令値および注入する無効電力を説明する図である。 本実施形態において無効電力の注入量を低減する処理を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力制御装置を概略的に示す図である。以下の説明において、従来よく知られている要素および機能部については、適宜、説明を簡略化または省略する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る電力制御装置１は、主として、単相３線インバータ１２、および系統連系インバータ１４を備えている。単相３線インバータ１２は、電圧制御によって、単相３線式で出力するインバータ、またはトランスを介して単相３線式で出力するインバータとすることができる。また、系統連系インバータ１４は、電流制御で出力する単相３線式で接続するインバータとすることができる。これら単相３線インバータ１２および系統連系インバータ１４は、並列同期して運転可能に構成するために、単相３線の３つの電力線で互いに接続されている。

本実施形態において、電力制御装置１は、パワーコンディショナを複数含み、各パワーコンディショナがそれぞれに接続された分散電源の電力を制御する。また、電力制御装置１において、複数のパワーコンディショナは、それぞれに接続された分散電源を、電力系統から解列された状態と、当該分散電源が電力系統に並列している状態と切り替えることができる。

図１においては、電力制御装置１が含む複数のパワーコンディショナの例として、説明の簡略化のために、単相３線インバータ１２および系統連系インバータ１４の２つのみを示してある。しかしながら、電力制御装置１は、任意の複数のパワーコンディショナを含む構成とすることができる。このように、本実施形態において、電力制御装置１は、分散電源を制御する複数のパワーコンディショナ（１２，１４）を含んで構成される。

また、上述したように、電力制御装置１が含むパワーコンディショナは、それぞれに分散電源を接続することができるが、図１においては、単相３線インバータ１２および系統連系インバータ１４に接続される分散電源は図示を省略している。ここで、単相３線インバータ１２および系統連系インバータ１４に接続される分散電源は、例えば太陽電池発電部、燃料電池発電部、または充電池など、任意の分散型電源とすることができる。

単相３線インバータ１２は、電力系統が停電状態にあるか否かを判別する停電検出装置１６に接続されている。本実施形態に係る電力制御装置１において、停電検出装置１６は、電力系統の停電が検出可能であれば、任意の要素を用いることができる。したがって、停電検出装置１６は、単相３線インバータ１２に内蔵される構成、または図１に示す接続態様とは異なる構成など、種々の構成とすることができる。

系統連系インバータ１４は、無効電力の注入量および／または注入速度を制御する制御部１８に接続されている。本実施形態に係る電力制御装置１において、制御部１８は、無効電力の注入を制御可能であれば、任意の要素を用いることができる。したがって、制御部１８は、系統連系インバータ１４に内蔵される構成、または図１に示す接続態様とは異なる構成など、種々の構成とすることができる。

また、単相３線インバータ１２および系統連系インバータ１４は、それぞれスイッチング素子、および当該スイッチング素子に制御信号を入力する駆動回路なども含んで構成されるが、図１においてはそれらの図示は省略してある。駆動回路がスイッチング素子に入力する制御信号は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号とすることができる。

単相３線インバータ１２と系統連系インバータ１４との間は、例えば単相３線インバータ１２が自立運転する場合のように、自立運転を行っているパワーコンディショナが存在する旨を通知するために、例えば電力管理装置２０のような装置を介して接続される。電力管理装置２０は、例えばＨＥＭＳ（Home Energy Management System：エネルギー管理システム）に用いられる電力管理装置などを用いることができる。しかしながら、本実施形態において、電力管理装置２０は、自立運転を行っているパワーコンディショナが存在することを各インバータに通知することが可能であれば、ＨＥＭＳに用いる電力管理装置以外にも任意の中継装置などを用いることができる。また、各インバータ間の通信は、有線または無線とすることができる。この場合の通信は、例えばECHONET Lite、およびZigBeeなどのような、各種プロトコルまたは規格などに準拠した各種の通信を用いることができる。

単相３線インバータ１２と系統連系インバータ１４との間を接続する単相３線の電力線には、例えば負荷３２，３４のような負荷を接続する。負荷３２，３４は、例えば宅内で電力を消費する家電製品などの負荷とすることができる。図１においては、負荷３２，３４の２つのみを示してあるが、本実施形態に係る電力制御装置１においては、任意の個数の負荷を接続することができる。

また、図１に示すように、単相３線インバータ１２と系統連系インバータ１４との間を接続する単相３線の電力線は、単相３線式の配電を行う電力系統４０に接続される。このような構成により、電力制御装置１に含まれる各インバータは、系統連系運転を行うことができる。

次に、本実施形態に係る電力制御装置１の動作について説明する。

本実施形態においては、例えば停電時のように、複数のパワーコンディショナが並列して運転する場合、複数のパワーコンディショナのうち１台は、自立運転で宅内配線に電圧制御で電力を供給する。そして、当該電圧制御で電力を供給する１台のパワーコンディショナ以外の他のパワーコンディショナは、電流制御により１台目に同期して出力する。例えば、図１に示す例において、単相３線インバータ１２は自立運転を行って電圧制御で負荷３２，３４に電力を供給し、系統連系インバータ１４は電流制御により単相３線インバータ１２に同期して電力を出力する。

上述したように、電圧制御をしているインバータが自立運転を行っている最中であっても、電流制御を行うパワーコンディショナが単独運転を行ってしまう現象は発生し得る。例えば、電圧制御で動作するパワーコンディショナが故障したり、回路が遮断されたりした場合、電流制御を行うパワーコンディショナは単独運転している状態になる可能性がある。

パワーコンディショナにおいてインバータの出力と負荷の電力が釣り合った状態で停電が発生した場合、パワーコンディショナは連系運転を継続する、すなわち単独運転状態になってしまう。このような状況においては、一部配線に電圧が残ってしまうことがあり、一般ユーザが復旧作業を行う際の安全性に懸念を生じさせるなど、不都合の原因となる。したがって、このような単独運転を検出することにより防止する必要がある。単独運転の検出は、無効電力を注入して、周波数に変動を生じさせることにより行うことができる。系統連系時は、単独運転を高速で検出する必要があり、周波数の変動を高速にするために、無効電力を高速で多く注入する。

上述したように、自立運転中に、単独運転を検出するために、電流制御を行うパワーコンディショナが能動方式による単独運転検出信号を発すると、当該信号により電圧の歪が生じる。パワーコンディショナの電圧制御による交流波形は、能動方式の無効電力の影響により歪が生じやすい。例えばステップ注入付き周波数シフト方式のように、高速で単独運転を検出する場合、高速で無効電力を注入するため、特に波形の乱れが顕著となる。

本実施形態では、電流制御で動作するパワーコンディショナに対して、自立運転であることを通知し、通知を受けたパワーコンディショナは、能動方式の無効電力の注入量を減らすか、または高速で検出する方式から低速で検出する方式に切り替える。このため、本実施形態では、電圧制御運転を行うパワーコンディショナの電圧制御の電圧に同期した電流制御運転を行うパワーコンディショナは、電圧制御運転を行うパワーコンディショナが自立運転をしているか否かを検出する。このような、自立運転の検出については後述する。そして、単独運転の検出を行っているパワーコンディショナが、自立運転であることの通知を受けると、能動方式の無効電力の注入量の低減、または注入速度の低下を行う。この場合、自立運転の電力は宅内の配線に限定されているため、自立運転時において、能動方式の無効電力の注入による周波数のシフトを高速で検出することは必須ではない。このため、能動方式の無効電力の注入量を少なくしたり、無効電力の注入速度を遅くしたりすることができる。

このように動作することにより、電圧制御運転を行うパワーコンディショナの自立運転時に、ＡＣリンクで動作する場合の電圧波形の乱れは低減される。

このように、本実施形態においては、分散電源が電力系統から解列された状態において、複数のパワーコンディショナ（１２，１４）のうち１つのパワーコンディショナ（例えば単相３線インバータ１２）は、電圧制御による自立運転を行う。この時、他のパワーコンディショナ（例えば系統連系インバータ１４）は、自立運転を行う前記１つのパワーコンディショナによる電圧制御の電圧に同期した電流制御運転を行う。ここで、電流制御運転を行うパワーコンディショナ１４は、分散電源が電力系統に連系している状態よりも、無効電力の注入量を減少または注入速度を低下させる。

図２は、本実施形態における電流指令値および注入する無効電力を説明する図である。図２に示すように、本実施形態においては、無効電力の注入量によって、電圧の位相がずれる大きさを決定する。

図２（Ａ）において、実線で示す曲線αは、単独運転していない場合に、本来出力すべき電流指令値の波形を示している。また、図２（Ａ）において、破線で示す曲線βは、単独運転している際に無効電力を注入した場合の電流指令値の波形を示している。このような電流指令値による電流が流れると、その影響により電圧が歪んでしまう。

図２（Ｂ）は、無効電力の注入量を減少する態様を示している。図２（Ｂ）に示すように、分散電源が電力系統に連系している状態においては、例えばγにより示す量の無効電力を注入するが、分散電源が電力系統から解列された状態においては、例えばδにより示す量まで、注入する無効電力を減少させる。

次に、上述のような動作を行うにあたり、電圧制御を行うパワーコンディショナが自立運転中であることを、電流制御運転を行うパワーコンディショナが検知する種々の手法について説明する。

電圧制御を行うパワーコンディショナが自立運転中であることを、電流制御運転を行うパワーコンディショナが検知する手法は、種々の態様を想定することができる。

例えば、電圧制御により自立運転しているパワーコンディショナから直接、または例えばＨＥＭＳに用いられるような電力管理装置２０を介して、運転モードが電流制御運転を行うパワーコンディショナに通知されるようにしてもよい。すなわち、この場合、電圧制御で自立運転しているパワーコンディショナの主導により、自立運転中であることが通知される。

また、例えば、電力系統の停電、または宅内配線の系統からの解列を、パワーコンディショナとは別の制御装置またはＨＥＭＳ等から電流制御運転を行うパワーコンディショナが受信するようにしてもよい。電流制御運転を行うパワーコンディショナは、停電しているにもかかわらずパワーコンディショナに電圧が供給されていることに基づいて、自己判断により運転モードを判定するようにしてもよい。この場合、受信するのは「停電」あるいは「解列」という情報のみであり、受信した各パワーコンディショナが、それぞれの運転モードを判定する。

また、例えば、家庭内の機器を統合するＨＥＭＳに用いられるような装置が、停電の状況および配下のパワーコンディショナの構成から運転モードを判断して、それぞれのパワーコンディショナに運転モードを通知するようにしてもよい。この場合、全てのパワーコンディショナの情報を、ＨＥＭＳに用いられるような装置が統括して、各パワーコンディショナの役割を割り振るようにするのが好適である。

また、上述したような自立運転の検出は、通信によるものとすることもできるし、あるいは停電を検出してもよい。このような通信には、図１に示した電力管理装置２０を経由することで行うようにすることができる。また、停電の検出は、図１に示した停電検出装置１６により行うことができる。

本実施形態においては、このような自立運転中であることを検出する手段は、例えば、図１に示した系統連系インバータ１４または制御部１８などが備えるようにすることができる。

このように、本実施形態において、電流制御運転を行うパワーコンディショナ１４は、複数のパワーコンディショナのうち１つ（例えば単相３線インバータ１２）が電圧制御による自立運転中であることを検知する手段１８を有するようにするのが好適である。

次に、電力制御装置１が自立運転時に無効電力の注入量を低減する手法を説明する。

図３は、本実施形態において無効電力の注入量を低減する処理を説明する図である。以下、処理の一例として、図３に示す処理は、図１に示した系統連系インバータ１４の制御部１８が行うものとして説明する。

系統連系インバータ１４が無効電力の注入量を低減する際、制御部１８は、まず、能動信号が発生すると（ステップＳ１１）、無効電力のゲインを切り替えるように制御する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２における無効電力のゲインの切り替えは、ステップＳ１３における自立運転または連系運転の通知を受けた結果に基づいて行う。

ステップＳ１２において無効電力のゲインが切り替えられたら、制御部１８は、無効電力を出力する（ステップＳ１４）。そして、制御部１８は、ステップＳ１４における無効電力を、ステップＳ１５における有効電力に加算する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６において無効電力が有効電力に加算されたら、制御部１８は、電力指令値を出力する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７における電力指令値は、系統連系インバータ１４の制御部に入力される。このようにして、系統連系インバータ１４は、無効電力の注入量を減少することができる。

図３においては、無効電力の注入量を低減する手法を説明したが、無効電力の注入速度の低下についても、種々の処理態様が想定される。例えば、電圧制御を行う単相３線インバータ１２の自立運転が検出されたら、電流制御で動作する系統連系インバータ１４は、制御部１８の処理によって、所定のアルゴリズムに従って無効電力を注入する速度を低下させることができる。

また、本実施形態において、無効電力の注入量を減少または注入速度を低下させる際は、当該減少または低下を行った後の無効電力によれば、電圧の歪が問題とならない程度に低減されるようにするのが好適である。ここで、どの程度まで歪が低減されれば無効電力を注入しても問題とならないかについては、電力制御装置１を構成する各要素の特性などに基づいて、無効電力の注入と出力電圧の波形の歪との相関関係を予め把握することができる。したがって、このような相関関係に基づいて、出力電圧の波形の歪が所定の範囲内を超えないように、注入すべき無効電力の量または速度を、予めある程度規定することができる。

このように、本実施形態において、電流制御運転を行うパワーコンディショナ１４は、無効電力の注入量を減少または注入速度を低下させる際、当該無効電力の注入による出力電圧の波形の歪が所定の範囲内になるようにするのが好適である。

なお、単独運転を検出する方法は種々想定することができる。上述した実施形態においては、一例として、擾乱（無効電力の注入による電圧位相のズレ）の発生の観察に基づいて単独運転が行われているか否かを検出した。しかしながら、単独運転を検出する方法は、これに限定されず、他の手法とすることもできる。

以上説明したように、本実施形態においては、分散型電源の複数のパワーコンディショナが解列されて自立運転を行う際に、１台のパワーコンディショナが電圧制御を行い、他のパワーコンディショナは電流制御で１台目に同期する。このような構成において、電流制御を行うパワーコンディショナは、自立運転中であることの検知に基づいて、能動単独運転検出の無効電力の注入量を低減、または注入速度を低下する。このような構成により、本実施形態によれば、自立運転時に、単独運転検出のための無効電力の注入によって生じる電圧の波形の歪を抑えることができる。

本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部およびステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本発明の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせて実施することもできる。

上述した本発明の実施形態は、電力制御装置の発明として説明したが、本発明は、上述した電力制御装置１のような電力制御装置の電力制御方法として実施することもできる。

すなわち、本発明に係る電力制御方法においては、分散電源が電力系統から解列された状態において当該分散電源を制御する複数のパワーコンディショナのうち少なくとも１つが自立運転を行うようにする。ここで、本発明に係る電力制御方法は、複数のパワーコンディショナ（１２，１４）のうち１つ（例えば単相３線インバータ１２）が電圧制御による自立運転を開始するステップを含む。また、本発明に係る電力制御方法は、電圧制御による自立運転を開始したパワーコンディショナ以外のパワーコンディショナ（例えば系統連系インバータ１４）が、前記分散電源が電力系統に連系している状態よりも、無効電力の注入量を減少または注入速度を低下するように設定するステップを含む。さらに、本発明に係る電力制御方法は、電圧制御による自立運転を開始したパワーコンディショナ以外のパワーコンディショナ（例えば系統連系インバータ１４）が、前記電圧制御の電圧に同期した電流制御運転を開始するステップを含む。

１ 電力制御装置
１２ 単相３線インバータ
１４ 系統連系インバータ
１６ 停電検出装置
１８ 制御部
２０ 電力管理装置
３２，３４ 負荷
４０ 電力系統

Claims (4)

1. 分散電源を制御する複数のパワーコンディショナを含む電力制御装置であって、
   前記分散電源が電力系統から解列された状態において、前記複数のパワーコンディショナのうち１つは電圧制御による自立運転を行うとともに、他は前記電圧制御の電圧に同期した電流制御運転を行い、当該電流制御運転を行うパワーコンディショナは、前記分散電源が電力系統に連系している状態よりも、無効電力の注入量を減少または注入速度を低下させることを特徴とする、電力制御装置。
2. 前記電流制御運転を行うパワーコンディショナは、前記複数のパワーコンディショナのうち１つが電圧制御による自立運転中であることを検知する手段を有する、請求項１に記載の電力制御装置。
3. 前記無効電力の注入量を減少または注入速度を低下させる際は、当該無効電力の注入による出力電圧の波形の歪が所定の範囲内になるようにする、請求項１または２に記載の電力制御装置。
4. 分散電源が電力系統から解列された状態において当該分散電源を制御する複数のパワーコンディショナのうち少なくとも１つが自立運転を行う際に、
   前記複数のパワーコンディショナのうち１つが電圧制御による自立運転を開始するステップと、
   前記電圧制御による自立運転を開始したパワーコンディショナ以外のパワーコンディショナが、前記分散電源が電力系統に連系している状態よりも、無効電力の注入量を減少または注入速度を低下するように設定するステップと、
   前記電圧制御による自立運転を開始したパワーコンディショナ以外のパワーコンディショナが、前記電圧制御の電圧に同期した電流制御運転を開始するステップと、
   を含む電力制御方法。
   
   

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