JP2016012994A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は電力変換装置の設置環境による不具合を解消することを課題とする。【解決手段】本発明の電力変換装置は、系統Ｇへ無効電力を供給した後の系統Ｇの周波数の増加量または減少量に基づいて当該周波数の増減が助長するように無効電力の供給量を所定の周期毎に増やすと共に、系統Ｇの周波数の変化による偏差が予め定めた条件を満たした時から一定の時間経過後又は一定の周期経過後に予め定めた停止の処理を行う制御部１０を備えるものである。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力、例えば太陽電池、燃料電池、蓄電池や風力発電などの再生可能な
エネルギによる直流電力、を系統と同期した周波数の交流電力又は前記系統と実質的に同
期した周波数の交流電力に変換して前記系統へ重畳する電力変換装置に関するものであり
、特に系統の異常により電力変換装置の単独運転が判断された際の処理に関するものであ
る。

複数の電力変換装置（分散型電源）を同一の系統へ接続している場合に、系統に停電等
の故障が生じているにもかかわらずこれらの分散型電源が発電を継続していると、特に保
守点検時に不具合が生じるため発電を停止することが求められている。

そのため、系統の停電時などに電力変換装置の単独運転を検出もしくは判断する方法が
考えられており、例えば、分散型電源が電力系統から切り離され単独運転しているか否か
を電力系統に注入した電力変動に基づいて検出する方法において、電力系統に電力変動を
起こす第１ステップと、系統周期を計測する第２ステップと、上記計測により今回の系統
周期の計測値がそれより以前の系統周期の計算値よりも増加するときは系統周期がより増
加する方向に、減少するときは系統周期がより減少する方向に上記電力変動を補正する第
３ステップと、直近の系統周期と、この系統周期から所定系統周期分だけ過去の系統周期
との計算値の偏差に基づいて上記分散型電源の単独運転判定に用いる変化パターンを作成
する第４ステップと、上記変化パターンに基づいて単独運転を判定する第５ステップと、
を有することを特徴とする単独運転検出方法、があった（特許文献１）。

特許第３９４８４８７号公報

前記の先行技術では、特許文献１には、このような電力変動方式での単独運転の検出に
おいては単独運転の発生から検出までに０．５〜１．０秒（単独運転検出時間）要してい
る。しかしながら、この単独運転検出時間は例え０．１秒以下の範囲に短縮する技術（高
速検出技術）が望まれるようになっていることが記載されており、単独運転に対する処理
の高速対応を求めるものであった。

しかしながら、系統に誘導電動機などの誘導性の負荷が同期接続されている場合に系統
の停電により電力遮断が起きると、誘導電動機の回転慣性により生じる逆起電力の電圧が
系統に残る場合があり（特に電力変換装置の近くに系統を介して誘導電動機が設けられて
いるような場合）、この残存電圧により系統の停電判断のプロセスが再実行され停電判断
が遅れることがあった。

例えば、０．１秒で単独運転の検出ができるプロセスを用いている場合、例えば、誘導
電動機の逆起電力による残存電圧が０．１１秒維持されるような場合、０．１秒で単独運
転の検出がされた後に系統に所定以上の残存電圧があれば、系統の瞬低を判断することが
あった。その結果、そのまま交流電力が系統へ重畳され続け単独運転の検出が遅れる場合
があった。このような誘導電動機による影響は誘導電動機と電力変換装置との系統を介し
ての配線距離及び誘導電動機の出力によって異なり、停電判断のプロセスに要する時間が
短ければこのような影響も出やすくなるものであった。

また、単独運転の検出のプロセスを行っている間は系統へ交流電力が重畳され続ける。
すなわち負荷へは系統に代わって電力変換装置が電力を供給することになる。この交流出
力より負荷が大きければ過負荷状態で交流電力を供給することになって保護装置が作動す
る場合があった。特に、複数の電力変換装置が同一の系統に接続された場合は単独運転の
検出のプロセスに要する時間が最も遅いものが順次過負荷状態を増していく問題点があっ
た。また、この過負荷時に系統の無効電力の位相が逆転することがあり、検出を遅らせる
ことがあった。

本発明は、直流電力を系統と同期した周波数の交流電力又は系統と実質的に同期した周
波数の交流電力に変換して系統へ重畳する電力変換装置において、系統へ無効電力を供給
した後の系統の周波数の増加量または減少量に基づいて当該周波数の増減が助長するよう
に無効電力の供給量を所定の周期毎に増やすと共に、系統の周波数の変化による偏差が予
め定めた条件を満たした時から一定の時間経過後又は一定の周期経過後に予め定めた停止
の処理を行う制御部を備えるものである。

本発による電力変換装置は、単独運転の検出から一定の時間経過後に系統への交流電力
の重畳を停止する処理を行うことにより、設置環境による対処時間の調整ができるもので
ある。

本発明の実施例を示す概略図である。 本発明の実施例の動作を示すフローチャートである。

本発明の電力変換装置は系統の単独運転の検出と単独運転への実質的な対処との間に時
間差を設けるものである。

図１は本発明の実施例を示す概略図であり、１は太陽電池、Ｇは系統であり、太陽電池
１は複数のセルをストリング状に構成したものを複数並列／直列に結線したものであるが
、具体的な結線状態は施工で異なるため省略している。

電力変換装置は主に太陽電池１で発電された直流電力を昇圧する昇圧部２（降圧する場
合は降圧部）と直流電力を系統Ｇと同期した周波数（もしくは実質的に系統Ｇと同期した
周波数）の交流電力に変換して系統Ｇへ供給するインバータ回路３とから構成されている
。尚、ノイズ吸収用のフィルタや高周波を抑制するコイルとコンデンサとから構成される
フィルタ等の説明は省略している。電力変換装置の設置には系統の柱上トランス下におい
て１台が接続される場合、同一仕様の装置が複数台接続される場合、異なる仕様の装置が
複数台接続される場合など種々の組み合わせがある。

昇圧部２は、少なくとも直流リアクトルＬ、スイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴの
ような半導体素子）Ｔｒ、ダイオード（半導体素子）Ｄ、コンデンサＣから非絶縁型のチ
ョッパ回路を構成している。昇圧部２は、スイッチ素子Ｔｒを所定の周波数でオンデュー
ティを制御することにより入力された直流電力の電圧を目標電圧Ｖｔに昇圧してインバー
タ回路３へ出力する。このオンデューティは太陽電池１の出力する直流電力が最大もしく
は最大に至るように制御されるＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔ
ｒａｃｋｉｎｇ）動作を行うように制御部１０で制御される。尚、４は電圧検出器であり
、太陽電池１から出力される直流電圧を検出し、日の出（太陽電池１の発電開始などの判
断に用いることができる。

目標電圧Ｖｔには所定の範囲が設定されており、通常の運転ではこの範囲を超える目標
電圧Ｖｔは設定されない。また同様に系統Ｇへ供給される交流電力の電流Ｉ（電流検出部
５で検出）が最大電流値を超えるような目標電圧Ｖｔの設定も行われない。また、昇圧部
２はチョッパ型のものやトランス型のものなどを用いることができ、本発明では特に限定
するものではない。太陽電池１の定格時の発電電圧が高い場合は降圧回路に置き換えるこ
とも可能である。

インバータ回路３は、複数のスイッチ素子（ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのような半導体素
子）を単相のブリッジ状に接続したモジュール回路ＩＮＶからなり、これらのスイッチ素
子を系統Ｇと実質的に同期する変調波と所定の周波数の搬送波とを用いたＰＷＭ（Ｐｕｌ
ｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によりオンデューティを変動させながら
周期的にオン／オフ動作させることにより直流電力を変調波と同じ周波数の交流電力に変
換する。変換された交流電力は、コイルＬとコンデンサＣから成るフィルタ回路を介して
系統Ｇへ出力される。尚、モジュール回路ＩＮＶに供給するオン／オフ動作させる信号の
生成は変調波と搬送波とを直接変調する方式に限らず、等価式どうしを演算する方式や三
角関数を用いて直接得る方式など限定されるものではない。

この電力変換装置では、昇圧部２の出力をコンデンサＣで分圧した中間点とフィルタ回
路のコンデンサＣで分圧した中間点とを接続してＶ相とし、インバータ回路３の出力をＵ
相及びＶ相としたＶ相接地のＶ相結線による３相交流を出力するように構成している。尚
、三相交流の生成方法はＶ相結線の方式に限定されることなく、スイッチ素子を三相のブ
リッジ状に結線する３相ブリッジ方式、中性点クランプ方式などを用いることも可能であ
り、また単相の交流電力出力とすることも可能である。

系統との同期には系統Ｇの交流電力の電圧変化を電圧検出部６、電圧検出部７で検出し
、この電圧変化がゼロクロスする点を用いている。この点は交流電力の電圧変化が負から
正、又は正から負へ変化する点である。この電圧変化が所定の電圧を超えた際に電圧の正
／負への反転を判断してゼロクロスする点としている。

通常運転時は、例えば系統Ｇの交流電力の電圧（実効値）が３相２００Ｖ相当の時は、
この電圧が所定電圧Ｖｓ以上でありゼロクロスする点の判断を行うことができるが、系統
Ｇの交流電力の電圧（実効値）が低下し所定電圧Ｖｓより低くなるとゼロクロスの判断が
難しくなる場合がある。

従って、系統Ｇの電圧（実効値）が所定電圧Ｖｓ以上で系統との同期運転を継続できる
ように構成している。すなわち系統Ｇの電圧（実効値）が所定電圧Ｖｓより小さい場合は
系統Ｇとの同期が取れない又は不安定となり同期運転を停止する。また、この電圧が所定
電圧Ｖｓより瞬間的に小さくなる瞬低の状態では、この間昇圧部の出力電圧は電圧Ｖｔを
維持するように目標電圧Ｖｔの変更を規制している。

系統Ｇに対して電力変換装置の単独運転を検出する制御部１０が実行するプロセスには
、例えば、系統へ無効電力を供給する無効電力変動方式を用いており、系統へ無効電力を
供給した後の系統の周波数の増加量または減少量に基づいて検出した周波数の増減が助長
するように無効電力の供給量を所定の周期毎に増やすと共に、系統の周波数の変化による
偏差が予め定めた条件を満たした時に電力変換装置の単独運転を検出するものである。

無効電力の供給（注入）にはインバータ回路３から系統へゼロクロスの点で同期させて
重畳される交流電力の電流位相を進める／遅らせるを行って行うものであり、注入される
無効電力の量は電流位相の電圧位相に対する進み量／遅れ量で制御することができる。無
効電力の供給量の変更にはゼロクロスの点からの電圧位相を進める／遅らせる方式、周波
数を変える方式、及びインバータ回路３の出力にインピーダンス負荷を並列接続しこのイ
ンピーダンスの大きさを変える方式などがあり本発明では限定されるものではない。

制御部１０が制御に用いる周波数は電圧検出部６、電圧検出部７の検出する電圧の変化
から判断されるゼロクロスの点の判断間隔から算出される。この周波数はこれら検出部の
検出する電圧のベクトル変化から直接算出する方式などでも良く、また制御には検出値の
移動平均の値を用いるように構成しても良い。

制御部１０では、所定量の無効電力を進相／遅相を所定のタイミングで切り換えながら
常にインバータ回路３の出力に供給（注入）している。このような運転を行うと共に、所
定間隔ごとに今回算出した周波数と前回算出した周波数との偏差を求め、その偏差が第１
の値を超えたか否かの判断を行う。偏差が第１の値を超えた場合は、注入している無効電
力の位相が進相であれば更に位相が進む方向に無効電力の注入量を増やし、注入している
無効電力の位相が遅相であれば更に位相が遅れる方向へ無効電力の注入量を増やす。この
後、同様に今回算出した周波数と前回算出した周波数との偏差を求めこの偏差が第２の値
（＞第１の値）を超えたか否かを判断し、この偏差が第２の値を超えた場合は単独運転を
検出する。この判断には更に第３の値、第４の値との比較を行い多段判断としても良く、
また無効電力の注入量は段階的に増やしていくように成すことも可能である。

尚、前記実施例では、単独運転の検出は、無効電力の注入と周波数の偏差とから求める
ものであるが、周波数の偏差を用いる単独運転の検出方式はこれに限るものではない。

電力変換装置の近くに系統の電線を介して誘導電動機などの負荷がある場合、単独運転
の検出プロセスの高速化（短時間化）にかかり判断に要する時間より、電力遮断時に誘導
電動機の停止までの間で逆起電力が生じでている時間が長く系統に所定値上の残存電圧が
あるような場合には、単独運転を検出して交流電力の供給を停止する処理を実行しようと
した際に残存電圧から単独運転の検出プロセスが再度実行が行われることがあった。この
ような現象は単独運転の検出から一定の時間の遅延を経れば残存電圧が低下し解消できる
ものであり、本発明では単独運転の検出（もしくは単独運転を推定できる状態）から一定
の時間遅らせて停止の処理を開始させるものであり、この一定の時間の間に残存電圧が低
下しており単独運転の検知に対する処理が行えるものである。

一定の時間は、電力変換装置を設置する環境によって異なる場合があり設定部１１によ
り任意に時間を設定可能としているが、おおむね系統の１周期に相当する時間以内が妥当
であり、時間を長くすると単独運転の検出に要する時間が長くなり、短時間での判断に逆
行する。系統の周波数が５０Ｈｚであれば、一定の時間は２０ｍｓ以下の時間であるが、
長くならない程度の時間であれば良い。

また、同一の柱上トランス下に複数の電力変換装置を接続した場合には、それぞれの単
独運転の検出に要する時間は装置夫々でバラツク場合があり、このバラツキの幅が大きい
時は、単独運転の検出が最も遅い電力変換装置へ過負荷状態が増して行くので、この時間
に合わせても良いものである。

図２は本発明の実施例の動作を示すフローチャート（サブルーチン）であり、ステップ
Ｓ１で系統Ｇへ供給する交流電力に前記したような無効電力の注入を行う。ステップＳ２
では無効電力注入の結果、単独運転を検出した（推定したか）否かの判断を行い、単独運
転が検出（推定）されない場合はそのままメインルーチンへ戻り再度ステップＳ１、Ｓ２
で単独運転の検出の判断を継続する。単独運転が検出された時はステップＳ３で一定の時
間を計時するタイマの計時設定を行う。この計時設定はステップＳ２でＹｅｓが判断され
た際に計時が開始されていなければ計時開始を設定し、計時が行われていればその計時の
値を維持する。尚、ステップＳ２でＮｏが判断された際に計時が解除される（値が初期値
に戻る）。

ステップＳ４でタイマのタイムＵＰ（計時の値が設定の条件を満たした場合）が判断さ
れなかった場合（Ｎｏが判断された場合）は、そのままメインルーチンへ戻り再度ステッ
プＳ１乃至ステップＳ４で判断を継続する。ステップＳ４でＹｅｓが判断された際はステ
ップＳ４で電力変換装置の単独運転に対する交流電力の系統への重畳の停止の処理を行う
。この停止の処理は図１に示す系統連系リレー８の接点を開き系統Ｇとの連携を遮断した
後昇圧部２及びインバータ回路３の作動を停止する。尚、手動復帰の操作をした場合は、
太陽電池１の発電量が予め定めた条件を満たし、系統連系リレー８の接片を閉じて電力変
換装置の単独運転の検出がなされなかった際に系統Ｇとの連携が再開される。また、自動
復帰では一定時間ごとに前記手動復帰時の動作を繰り返すようにすることもできる。

このように、電力変換装置の単独運転の検出（または推定）を判断した時からタイマが
タイムＵＰするまでの一定の時間の間は、実質的に単独運転の検出に対する処置が行われ
ず、系統へ交流電力の重畳が維持される。一定の時間の経過後に系統への交流電力の重畳
が停止され単独運転の検出に対する停止の処理が行われるので、この間に生じる不具合の
解消が行え、柱上トランス下に接続された環境下において単独運転を件検出した際の停止
の処理の実質的な短時間化が可能になるものである。

本発明は電力変換装置を系統へ接続した環境で単独運転を検出した際の停止の処理のタ
イミングの調整を行う際に用いられるものである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にす
るためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱すること
なく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

１ 太陽電池
２ 昇圧部
３ インバータ回路
８ 系統連系リレー
１０ 制御部

Claims (5)

1. 直流電力を系統と同期した周波数の交流電力又は前記系統と実質的に同期した周波数の
   交流電力に変換して前記系統へ重畳する電力変換装置において、前記系統へ無効電力を供
   給した後の前記系統の周波数の増加量または減少量に基づいて当該周波数の増減が助長す
   るように前記無効電力の供給量を所定の周期毎に増やすと共に、前記系統の周波数の変化
   による偏差が予め定めた条件を満たした時から一定の時間経過後又は一定の周期経過後に
   予め定めた停止の処理を行う制御部を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部の処理は、前記系統への交流電力の重畳を遮断もしくは停止する処理である
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記系統の周波数の変化による偏差が予め定めた条件を満たした時に前
   記系統の停電を判断することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記一定の時間は前記系統の周波数の１周期の時間以下であり、また前記一定の周期は
   前記系統の１周期以下であることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記一定の時間を変更する構成を備えることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装
   置。

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