JP2015223037A - 電力変換装置、および、それを用いた太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】高速に単独運転を検出する。
【解決手段】直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統と連系して運転するインバータと、交流電力系統に無効電力を注入する無効電力注入手段と、注入された前記無効電力に起因する周波数変動を検出する周波数変動検出手段と、
検出された前記周波数変動に基づき、前記インバータの単独運転を検出する単独運転判定手段と、を有する電力変換装置において、前記単独運転判定手段は、単独運転発生時に発生した周波数変動に応じた無効電力を注入し続けるとともに、その結果変動した周波数がある変動幅を超えた状態が一定時間継続したら単独運転状態であると判定する電力変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池などの分散型電源が発電した直流電力を、所望の交流電力に変換する電力変換装置に関するものであり、特に、商用電源系統との連系状態を検出する単独運転検出機能を有した電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置で用いられる単独運転検出方式として、分散型電源の直流電力を商用系統の交流電力に変換し、この変換した交流電力を商用系統と連系して負荷に供給するインバータ回路を備え、このインバータ回路のインバータ出力波形に、単独運転時に出力周波数に変動が生じる歪を与え、この歪で生じる周波数変動、若しくは周波数変動に起因する変動を検出して単独運転を検知するようにしたものが知られている。

この従来方式では、各社各様の変動を系統に与えて単独運転検出を行うので、相互干渉による検出時間遅れが発生するおそれがあった。このため、系統に接続する前に相互干渉試験が必要とされ、連系開始までに時間を要していた。

これを改善するため、単独運転による系統電圧の歪みや周波数変動をきっかけに無効電力を注入する方式（新型単独運転検出方式）が策定されている（非特許文献１、２）。

系統連系規程（日本電気協会、ＪＥＡＣ ９７０１−２０１２） 日本電機工業会規格（ＪＥＭ１４９８ ステップ注入付周波数フィードバック方式（太陽光発電用パワーコンディショナの標準形能動的単独運転検出方式））

非特許文献１、２は、単独運転が発生したときの初期動作（どのような条件で無効電力を注入するか）と、その後の基本的な動作、検出時限のみについて規定されている。一方、初期動作から、単独運転を検出し電力変換装置を停止するまでの動作については規定されていない。

本発明は、従来、０．５〜１．０秒を要していた単独運転の発生から検出までの時間を、０．２秒以内に短縮することを目的とする。

上記課題は、直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統と連系して運転するインバータと、交流電力系統に無効電力を注入する無効電力注入手段と、注入された前記無効電力に起因する周波数変動を検出する周波数変動検出手段と、検出された前記周波数変動に基づき、前記インバータの単独運転を検出する単独運転判定手段と、を有する電力変換装置において、前記単独運転判定手段は、単独運転発生時に発生した周波数変動に応じた無効電力を注入し続けるとともに、その結果変動した周波数がある変動幅を超えた状態が一定時間継続したら単独運転状態であると判定する電力変換装置によって解決される。

また、前記単独運転判定手段は、単独運転発生時に発生した周波数変動に応じた無効電力を注入し続けるとともに、その結果変動した周波数がある値を超えたら単独運転状態であると判定する電力変換装置によって解決される。

単独運転を、従来よりも高速に検出することができる。

一実施例の電力変換装置の回路構成を示す図 周波数偏差に対し注入する無効電力の関係を示す図 系統の状態と注入する無効電力によって周波数が変動する様子を示す図 位相変動幅によって単独運転を判定するときの図 周波数によって単独運転を判定するときの図

本発明の電力変換装置、および、それを用いた太陽光発電システムの実施例を図１〜図５を用いて説明する。

まず、図１に電力変換装置、および、それを用いた本実施例の太陽光発電システムの構成図を示す。この太陽光発電システムは、太陽電池１と、太陽電池１で発生した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置２から構成され、商用系統３に接続されている。電力変換装置２は、太陽電池電力を所定の直流電力に変換し、直流コンデンサ５へ出力するコンバータ部、直流コンデンサ５、そしてインバータ部からなる。

電力変換装置２のコンバータ部は、図示しないコンバータ回路４と、それを制御する計測・制御手段１４を有する。

一方、電力変換装置２のインバータ部は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、各スイッチング素子を駆動する駆動回路６、スイッチング素子のスイッチングによる高調波をフィルタするためのリアクトル１８、コンデンサ１３、リアクトル１８とコンデンサ１３の間に設置した電流計測手段１１、インバータ部の交流側と商用系統３を開閉する接続手段１５、接続手段１５と商用系統の間に配置された電圧・周波数計測手段１２、そしてこれら検出値を計測し、スイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を出力する計測・制御手段１４からなる。

図２は、単独運転の発生により得られる周波数変動に対する、注入すべき無効電力の例を示している。ここでは、計測・制御手段１４が無効電力を注入するものとするが、独立した無効電力注入回路や単独運転検出回路が無効電力を注入する構成としても良い。周波数計測手段１２によって検出された周波数偏差によって、注入する無効電力を変動させる。非特許文献２には、最大で０．２５ｐ．ｕ．（ｐ．ｕ．とは電力、電圧、インピーダンスなどの値を表す方法のひとつであり、それらの基準値に対する比を表す。例えば基準値４ｋＷの場合、０．２５ｐ．ｕ．＝１ｋＷ）の無効電力を注入するよう規定されている。

図３は、図２で示した無効電力を注入したときの系統周波数変化の様子を示している。図３（１）は、電力系統が停電していない状態で無効電力を注入した様子を示している（本来であれば、停電時にしか無効電力を注入しないが、参考のため示している）。このように、通常時は無効電力を注入しても系統の周波数は変化しない。図３（２）は、停電が発生し、周波数を増加する方向に無効電力を注入したときの様子、図３（３）は同事象において周波数を減少する方向に無効電力を注入したときの様子を示している。図３の（２）（３）では、電力系統から切り離された状態であるため、電力変換装置から出力する周波数の変化が観測できる。

有効電力Ｐｒｅｆ［Ｗ］を出力している電力変換装置に無効電力Ｑｒｅｆ［Ｖａｒ］の無効電力を注入するためには、電流位相に対して
ｔａｎ^-1（Ｑｒｅｆ／Ｐｒｅｆ） ＝ φ ［ｒａｄ］ … 〔数１〕
の位相を電圧位相に対し生じさせる必要がある。つまり、Ｑｒｅｆを注入したときの系統１サイクル分の周期は、しない場合と比較して
１ ＋ φ／２π ＋ α … 〔数２〕
倍の時間になる。

（α：電力変換装置や系統のインピーダンスによるばらつき）
このことを利用し、Ｑｒｅｆを注入した後の系統周波数を予測しつつ、その予測値からどの程度離れているか観測することで、単独運転かどうかを判断する。

図４は上記の原理を用いて、０．２５ｐ．ｕ．を注入したときに生ずる周波数変動の様子を図示したものである。この例では、φ［ｒａｄ］の位相変化に対して±５％以上の位相変動が発生したら判定中とし、この状態が所定時間経過したら単独運転を確定し電力変換装置を停止させる。

図５は、単独運転時に無効電力を注入したときの系統電圧・電流と、系統電圧をもとに検出された系統周波数を示している。この図にもあるとおり、無効電力を注入し、その結果生じた周波数偏差があれば、その次のサイクルにも周波数偏差に基づいた無効電力を注入するため、系統周波数は加速度的に速くなるか、遅くなる。

この特性をもとに、ある周波数に達したら単独運転と判定し、電力変換装置の動作を停止させる。

以上で説明した単独運転検出を用いることで、単独運転の発生から検出までに要する時間を従来よりも短縮することができる。

なお、以上で説明した本実施例の電力変換装置は、家庭向けの商用系統と連系する太陽光発電システムに適用することが可能である。また、系統との連系を行わないＤＣ給電システム等の太陽光発電システム、離島や山小屋向け太陽電池システム、スマートグリッド向け太陽電池システム、メガソーラシステム等の大型太陽光発電システムにも適用できる。

１ 太陽電池、２ 電力変換装置、３ 商用系統、４ コンバータ回路、５ 直流コンデンサ、６ 駆動回路、１１ 電流計測手段、１２ 電圧・周波数計測手段、１３ コンデンサ、１４ 計測・制御手段、１５ 接続手段、１８ リアクトル

Claims (2)

1. 直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統と連系して運転するインバータと、
   交流電力系統に無効電力を注入する無効電力注入手段と、
   注入された前記無効電力に起因する周波数変動を検出する周波数変動検出手段と、
   検出された前記周波数変動に基づき、前記インバータの単独運転を検出する単独運転判定手段と、
   を有する電力変換装置において、
   前記単独運転判定手段は、単独運転発生時に発生した周波数変動に応じた無効電力を注入し続けるとともに、その結果変動した周波数がある変動幅を超えた状態が一定時間継続したら単独運転状態であると判定することを特徴とする電力変換装置。
2. 直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統と連系して運転するインバータと、
   交流電力系統に無効電力を注入する無効電力注入手段と、
   注入された前記無効電力に起因する周波数変動を検出する周波数変動検出手段と、
   検出された前記周波数変動に基づき、前記インバータの単独運転を検出する単独運転判定手段と、
   を有する電力変換装置において、
   前記単独運転判定手段は、単独運転発生時に発生した周波数変動に応じた無効電力を注入し続けるとともに、その結果変動した周波数がある値を超えたら単独運転状態であると判定することを特徴とする電力変換装置。