JP2016063700A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源周波数の検出精度をより向上させることができる電力変換装置を提供する。【解決手段】第１周波数計測処理部１６は、ゼロクロス検出回路６により検出される、交流電力系統８に供給されている交流電圧のゼロクロス点に基づき交流電力の周波数を検出し、第２周波数計測処理部１８は、Ａ／Ｄ変換回路１４により検出される前記交流電圧のゼロクロス点に基づき交流電力の周波数を検出する。単独運転判定処理部１７は、第１周波数計測処理部１６により検出される周波数の変化量に基づき、単独運転状態を判定する範囲を閾値Ａ以上で且つ閾値Ｂ以下に設定する。第１周波数計測処理部１６により検出される周波数の変化量が閾値Ｂより大きくなると、第２周波数計測処理部１８により周波数を検出し、その検出した周波数と第１周波数数計測処理部１６により検出された周波数との差が、Ａ／Ｄ変換回路１４におけるサンプリング周期に応じて設定される閾値Ｃ以下であれば単独運転状態を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統に連系させて電力を供給する電力変換装置に関する。

直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統に連系させて電力出力する例えばインバータ装置のような電力変換装置には、交流電力系統が停電状態となった場合、感電等の事故を防止するため、その状態を検出して運転を停止することが要求されている。一方で、交流電力系統の電源電圧が瞬間的に低下する瞬時電圧低下が発生した場合、その検出に伴い電力変換装置が運転を停止すると、電圧の変動がより大きくなり好ましくない。そのため、電力変換装置には、瞬時電圧低下が発生しても運転を継続すること（以下、ＦＲＴ（Fault Ride Through）と称す）が要求されている（例えば、特許文献１参照）。これは、系統連系規程（日本電気協会）に規定されているものである。

交流電力系統が停電状態となったことを検出するには、同系統に電力を供給している主体が電力変換装置だけとなっている「単独運転状態」を検出すれば良い。そのため、電力変換装置は、交流電力系統に無効電力を注入するステップ注入機能及び周波数フィードバック機能を備え、これらの機能により電源周波数の変化を監視して検出を行う。すなわち、交流電力系統に通常通りの電力供給がある状態では、電力変換装置が小さな無効電力を注入しても電源周波数は変化しない。これに対して、交流電力系統に電力が供給されなくなると、電力変換装置が注入した無効電力により、電源周波数に変化が発生する。

また、瞬時電圧低下に対応するように実施されるＦＲＴ試験では、電力変換装置が系統に連系して電力を供給している状態で、系統側の電圧を１００Ｖから２０Ｖに１秒間低下させ、その後１００Ｖに復帰させる。この場合でも、電力変換装置は運転を継続する必要がある。

特開２０１２−１２０２８５号公報

交流電源の周波数を検出するには、例えばコンパレータを用いて電源電圧のゼロクロス点を検出し、その検出間隔を計測することが行われている。この場合、外乱によるゼロクロス点の誤検出を防止するには、コンパレータの閾値にヒステリシス特性を持たせる必要がある。しかしながら、コンパレータにヒステリシス特性を持たせると、ＦＲＴが発生した際の電圧変化に対して電源周波数を誤検出する可能性があり、その結果として単独運転状態を誤検出する可能性がある。
本発明は上記事情に鑑み点されたものであり、その目的は、電源周波数の検出精度をより向上させることができる電力変換装置を提供することにある。

請求項１記載の電力変換装置によれば、第１周波数検出手段は、ヒステリシス付きコンパレータにより検出される、交流電力系統に供給されている交流電圧のゼロクロス点に基づき交流電力の周波数を検出し、第２周波数検出手段は、Ａ／Ｄ変換回路により検出される前記交流電圧のゼロクロス点に基づき交流電力の周波数を検出する。運転状態判定手段は、第１周波数検出手段により検出される周波数の変化量に基づき単独運転状態を判定する範囲を、閾値Ａ以上で且つ閾値Ｂ以下に設定する。

上述したように、本発明の対象である電力変換装置はステップ注入機能及び周波数フィードバック機能を備えており、交流電力の周波数が変化したことを検出すると交流電力系統に無効電力を注入し、電源周波数の変化を監視して停電や単独運転状態の検出を行う。第１周波数検出手段により検出される周波数の変化量が閾値Ｂより大きくなると、単独運転状態となったのか、或いは瞬時電圧低下が発生したのか、何れかの可能性がある。そこで、この場合は第２周波数検出手段により周波数を検出し、その検出した周波数と第１周波数検出手段により検出された周波数との差が、Ａ／Ｄ変換回路におけるサンプリング周期に応じて設定される閾値Ｃ以下であれば単独運転状態を判定する。

すなわち、第２周波数検出手段により検出されるゼロクロス点の間隔、つまり交流電力の周期・周波数には、Ａ／Ｄ変換回路のサンプリング周期に応じた誤差が含まれている。そのため、第１，第２周波数検出手段により検出される周波数の差が閾値Ｃ以下であれば、双方の手段により検出された周波数は実質的に同一と見なすことができる。この場合、第１周波数検出手段により検出された周波数の変化量が閾値Ｂより大きくなったことは、交流電力の周波数が実際に変化したことに基づいていると考えられるので、単独運転状態を判定して問題はない。

これに対して、交流電力の周波数は変化していないが、電圧振幅がイレギュラーに変化した状態、すなわち瞬時電圧低下が発生すると、第２周波数検出手段のＡ／Ｄ変換回路によりサンプリング周期に応じた誤差範囲内で検出された周波数は変化しないが、第１周波数検出手段のコンパレータにより検出された周波数には、ヒステリシス特性に応じて付与された閾値に基づく誤差が含まれる。その結果、第１，第２周波数検出手段により検出される周波数の差が閾値Ｃを超えることになるので、この場合は単独運転状態を判定しない。したがって、瞬時電圧低下が発生した場合に、単独運転状態を誤判定することを確実に回避できる。

請求項２記載の電力変換装置によれば、第２周波数検出手段は、Ａ／Ｄ変換回路により検出される、交流電圧の極性が変化した状態が複数回連続すると、最初に極性が変化した時点に基づいて交流電力の周波数を検出する。これにより、交流電圧がノイズの影響を受けて変動した場合でも、交流電圧の極性が変化したことを確実に判定できることに加えて、交流電圧のゼロクロス点を適切に特定して周波数を高い精度で検出できる。

一実施形態であり、パワーコンディショナの構成を概略的に示す機能ブロック図 単独運転判定処理部による処理を中心に示すフローチャート 第２周波数計測処理の詳細を示すフローチャート 瞬時電圧低下の発生に伴い、パワーコンディショナにより検出される電源周波数が低下する状態を示す図 ゼロクロス検出回路により、交流電圧のゼロクロス点が正しく検出される状態を示す図 ゼロクロス検出回路が、交流電圧のゼロクロス点を誤検出する状態を示す図 Ａ／Ｄ変換回路を用いて交流電圧のゼロクロス点を検出する状態を示す図

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図１に示すように、パワーコンディショナ（ＰＣＳ）１（電力変換装置）は、インバータ（ＩＮＶ）部２、ＣＰＵ（マイクロコンピュータ）３、電流計測回路４、電圧計測回路５、ゼロクロス検出回路６（第１周波数検出手段）を備えている。インバータ部２は、例えば太陽電池等の直流（ＤＣ）電源７より供給される直流電源を交流電力に変換して交流電源系統８に供給する。前記変換に際しては、交流電源系統８に供給されている交流電力に、電圧、周波数及び位相を一致させるように連系させる。

例えば電流センサで構成される電流計測回路４により計測された交流電流値は、ＣＰＵ３が備えるＡ／Ｄ変換回路１１に入力されてＡ／Ｄ変換され、電流計測処理部１２に入力される。電流計測処理部１２は、Ａ／Ｄ変換回路１１の出力データを参照して、交流電流波形のゼロクロス点を検出し、電流制御処理部１３に入力する。

例えば分圧抵抗回路で構成される電圧計測回路５により計測された交流電圧値は、ＣＰＵ３が備えるＡ／Ｄ変換回路１４（第２周波数検出手段）に入力されてＡ／Ｄ変換され、電圧計測処理部１５（第２周波数検出手段）を介して電流制御処理部１３に入力される。また、電圧計測回路５により計測された交流電圧値は、ゼロクロス検出回路６に入力される。ゼロクロス検出回路６は、ヒステリシス付きコンパレータで構成されており、入力される交流電圧をグランドレベル付近に設定された閾値と比較することで、交流電圧のゼロクロス点を検出する。

ゼロクロス検出回路６の出力信号は、第１周波数計測処理部１６（第１周波数検出手段）に入力されている。第１周波数計測処理部１６は、ゼロクロス検出回路６により検出される交流電圧のゼロクロス点間隔を計測して交流電圧の周波数を算出する。そして、第１周波数計測処理部１６の出力信号は、電流制御処理部１３及び単独運転判定処理部１７（周波数変化量検出手段，運転状態判定手段）に入力されている。

また、電圧計測処理部１５の出力信号は、第２周波数計測処理部１８（第２周波数検出手段）に入力されている。第２周波数計測処理部１８は、電圧計測処理部１５により検出される交流電圧のゼロクロス点間隔を計測して交流電圧の周波数を算出する。そして、第２周波数計測処理部１８の出力信号は、単独運転判定処理部１７に入力されている。

電流制御処理部１３は、電圧計測処理部１５より入力される電圧位相情報、電流計測処理部１２より入力される電流位相情報、第１周波数計測処理部１６より入力される周波数情報に基づいてインバータ部２をスイッチング制御するための信号を、図示しない各スイッチング素子に出力する。これにより、インバータ部２を介して変換される交流電力は、交流電源系統８に供給されている交流電力に、電圧、周波数及び位相が一致するように連系されることになる。

また、電流制御処理部１３は、第１周波数計測処理部１６より入力される周波数情報から、交流電源系統８の電源周波数に変化が生じたことを検出すると、その変化の方向を助長するように、ＰＣＳ１が交流電源系統８に供給する無効電力の周波数を変化させる（周波数フィードバック機能，無効電力ステップ注入機能）。つまり、検出された周波数が上昇する方向に変化すると供給する無効電力の周波数を順次増加させ、検出された周波数が低下する方向に変化すると供給する無効電力の周波数を順次低下させる。

単独運転判定処理部１７は、第１周波数計測処理部１６より入力される周波数情報と、第２周波数計測処理部１８より入力される周波数情報とに基づいて、ＰＣＳ１が単独運転状態になったか否かを判定する。そして、単独運転状態を判定すると、電流制御処理部１３に停止信号を出力し、電流制御処理部１３は、停止信号が入力されるとインバータ部２の制御を停止させる。

次に、本実施形態の作用について図２から図７を参照して説明する。ＦＲＴ試験は、図４（ａ）に示すように、交流電源系統８側の電圧を１００Ｖから２０Ｖに１秒間低下させ、その後１００Ｖに復帰させて実施する。この時、第１周波数計測処理部１６より検出される周波数は、図４（ｂ）に示すように、電圧が変化するタイミングで不正確になる（５０Ｈｚ→４７Ｈｚ／５３Ｈｚ）。これは、以下の理由による。

図５に示すように、ゼロクロス検出回路６を構成するコンパレータには、外乱によるゼロクロス点の誤検出を防止する目的で閾値にヒステリシス特性を付与している。そのため、図６に示すように、ＦＲＴが発生したタイミングで電圧振幅の変化度合いが小さくなり、コンパレータによりゼロクロス点（例えば、極性が負から正に変化する時点）が検出されるタイミングが遅れる。その結果、ゼロクロス点の検出間隔が長くなり、周波数がより低い値で算出されてしまう。

そこで、本実施形態では、ゼロクロス検出回路６と並行して、ＣＰＵ３が備えるＡ／Ｄ変換回路１４及び電圧計測処理部１５により交流電圧のゼロクロス点を検出する。図２は、単独運転判定処理部１７による処理を中心に示すフローチャートである。ここで、第１周波数計測処理（Ｓ１）は、第１周波数計測処理部１６により交流電力の周波数を求める処理であり、第２周波数計測処理（Ｓ３）は、第２周波数計測処理部１８により同周波数を求める処理である。

単独運転判定処理部１７は、通常は第１周波数計測処理により電源周波数を監視しており、前回算出された周波数と、交流電源の定格周期が経過して今回算出された周波数との差を閾値Ａ，Ｂ（例えば、それぞれ１Ｈｚ，３Ｈｚ）と比較している（Ｓ１）。周波数差（変化量）が閾値Ａより小さければ運転状態に変化はない。つまり、交流電源系統８に交流電力が供給されている状態で、ＰＣＳ１が連系して直流電力より変換した交流電力を供給している。

交流電源系統８に停電が発生すると、電源周波数は低下する。上述したように、電流制御処理部１３は、最初に閾値Ａ以上となる周波数の変化を検出すると、ＰＣＳ１が出力する無効電力の周波数も低下させる方向に変化させる（無効電力ステップ注入機能）。その結果、周波数の変化が閾値Ａ以上で且つ閾値Ｂ以下になると「単独運転判定カウント」をインクリメントする（Ｓ２）。

ＰＣＳ１による電源周波数の変化量は、閾値Ａ以上で且つ閾値Ｂ以下の範囲に制御される。したがって、交流電源系統８に停電が発生し、ＰＣＳ１が運転を継続している状態では、ステップＳ１→Ｓ２への移行が繰り返され、「単独運転判定カウント」の値が漸増する。そして、「単独運転判定カウント」の値が所定期間内に所定値に達すれば、その時点でＰＣＳ１の単独運転状態が確定する（但し、対応する処理については図示を省略している）。

第１周波数計測処理により算出された周波数の差が閾値Ｂ以上になると、第２周波数計測処理を実行する（Ｓ３）。図７に示すように、Ａ／Ｄ変換回路１４は、交流電源電圧を１２５μｓ周期でＡ／Ｄ変換している。ＦＲＴ発生時には、図６に示したように第１周波数計測処理部１６で算出される周波数はコンパレータに付与したヒステリシス特性分に基づく誤差が生じる。これに対して、第２周波数計測処理部１８により検出されるゼロクロス点は、ＣＰＵ３がグランドレベル相当値を閾値として検出することで、最大でサンプリング周期１２５μｓ以内の誤差で検出可能である（図７（ｃ）参照）。

図３は、第２周波数計測処理の詳細を示す。先ず、電圧符号変化カウンタが「０」より大か否かを判断する（Ｓ１１）。尚、電圧符号変化カウンタ及び後述する周波数計測カウンタの初期値は「０」である。当該カウンタの値が「０」であれば（ＮＯ）交流電圧の極性が負（−）から正（＋）に変化したか否かを判断する（Ｓ１２）。負から正への極性変化が無ければ（ＮＯ）周波数計測カウンタをインクリメントして（Ｓ１３）ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ１２において、負から正への極性変化があると（ＹＥＳ）、その時点の周波数計測カウンタの値を保存し（Ｓ１７）、電圧符号変化カウンタをインクリメントして（Ｓ１８）ステップＳ１３に移行する。電圧符号変化カウンタの値が「１」以上になると、ステップＳ１１で「ＹＥＳ」と判断してステップＳ１４に移行し、前記カウンタ値が「２」より大か否かを判断する。前記カウンタ値が「２」以下であれば（ＮＯ）今回判定した電圧極性が正か否かを判断し（Ｓ１５）、正であれば（ＹＥＳ）電圧符号変化カウンタをインクリメントして（Ｓ１９）ステップＳ１３に移行する。一方、電圧極性が負であれば（ＮＯ）電圧符号変化カウンタをクリアして（Ｓ１６）ステップＳ１２に移行する。

電圧符号変化カウンタの値が「３」以上になると（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ステップＳ１７で保存した周波数計測カウンタの値に基づいて交流電源周波数を算出する（Ｓ２０）。そして、第１周波数計測処理で算出された周波数と、ステップＳ２０で算出された周波数との差を算出する（Ｓ２１）。尚、ここで比較対象とする「第１周波数計測処理で算出された周波数」は、ステップＳ１で「閾値Ｂより大きい」と判断した際に算出されたものの１電源周期前の周波数である。次に、求めた周波数差を閾値Ｃ（例えば、±０．９Ｈｚ）と比較し（Ｓ２２）、周波数計測カウンタ及び電圧符号変化カウンタをそれぞれクリアして（Ｓ２３，Ｓ２４）ステップＳ１１に移行する。

再び図２を参照する。ステップＳ２２における比較の結果、ステップＳ３において周波数差が閾値Ｃ以下であれば、単独運転判定カウントをインクリメントして（Ｓ４）ステップＳ１に戻る。一方、周波数差が閾値Ｃより大きければ、単独運転判定カウントをインクリメント（アップ）せずに（Ｓ５）ステップＳ１に戻る。ここで、閾値Ｃを０．９Ｈｚと設定しているのは、以下の理由による。交流電源の定格周波数は６０Ｈｚ（周期０．０１６６７ｓ）であるとする。Ａ／Ｄ変換回路１４のサンプリング周期が１２５μｓであれば、定格周期０．０１６６７ｓを基準とする±１２５μｓの周波数幅が凡そ０．９Ｈｚとなるからである。

以上の処理により、図６に示したように第１周波数計測処理部１６で算出される周波数の差が閾値Ｂより大きくなると、ＣＰＵ３は、図７に示すように、Ａ／Ｄ変換回路１４のＡ／Ｄ変換結果に基づく第２周波数計測処理部１８で周波数を算出する。その際に、交流電源の極性が最初に負から正に変化してから、更に続けて２回極性が正の状態を検出すると、最初に極性が変化した時点に基づいて周波数を算出する。

そして、第１，第２周波数計測処理でそれぞれ求められた周波数の差が閾値Ｃ以下であれば、その周波数差は実際の電源周波数の変化が反映されたもの、すなわち、ＰＣＳ１が単独運転状態になった可能性が高い事象であると評価できる。一方、前記周波数の差が閾値Ｃを超えていれば、第１周波数計測処理部１６で算出される周波数の変化は、単独運転状態ではなく、瞬時電圧低下が発生したことでコンパレータに付与したヒステリシス特性に起因する検出遅れによるものと評価する。したがって、この場合は単独運転判定カウントをインクリメントしない（Ｓ５）。

以上のように本実施形態によれば、第１周波数計測処理部１６は、ゼロクロス検出回路６により検出される、交流電力系統８に供給されている交流電圧のゼロクロス点に基づき交流電力の周波数を検出し、第２周波数計測処理部１８は、Ａ／Ｄ変換回路１４により検出される前記交流電圧のゼロクロス点に基づき交流電力の周波数を検出する。単独運転判定処理部１７は、第１周波数計測処理部１６により検出される周波数の変化量に基づき単独運転状態を判定する範囲を、閾値Ａ以上で且つ閾値Ｂ以下に設定する。

第１周波数計測処理部１６により検出される周波数の変化量が閾値Ｂより大きくなると第２周波数計測処理部１８により周波数を検出し、その検出した周波数と第１周波数数計測処理部１６により検出された周波数との差が、Ａ／Ｄ変換回路１４におけるサンプリング周期に応じて設定される閾値Ｃ以下であれば単独運転状態を判定する。したがって、交流電力系統８に瞬時電圧低下が発生した場合に、ＰＣＳ１の単独運転状態を誤判定することを確実に回避できる。

また、第２周波数計測処理部１８は、Ａ／Ｄ変換回路１４により検出される、交流電圧の極性が変化した状態が複数回連続すると、最初に極性が変化した時点に基づいて交流電力の周波数を検出する。したがって、交流電圧がノイズの影響を受けて変動した場合でも、交流電圧の極性が変化したことを確実に判定できることに加えて、交流電圧のゼロクロス点を適切に特定して周波数を高い精度で検出できる。
更に、単独運転判定処理部１７は、交流電力の定格周波数毎に判定処理を実行して、所定の監視期間内に単独運転状態を複数回判定すると当該判定を確定させるので、単独運転状態を一層確実に判定できる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
交流電圧のゼロクロス点は、極性が正から負に変化する時点を検出しても良い。
第２周波数計測処理部１８が、Ａ／Ｄ変換回路１４によりゼロクロス点を検出する際に、交流電圧の極性が連続して変化したことを確認する回数は「３」に限らない。ノイズの影響を受け難い場合は、最初の極性変化でゼロクロス点を検出しても良い。
Ａ／Ｄ変換回路１４のサンプリング周期は１２５μｓに限ることなく、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
直流電源７は、太陽電池に限らない。

図面中、１はパワーコンディショナ（電力変換装置）、６はゼロクロス検出回路（第１周波数検出手段）、７は直流電源、８は交流電源系統、１４はＡ／Ｄ変換回路（第２周波数検出手段）、１５は電圧計測処理部（第２周波数検出手段）、１６は第１周波数計測処理部（第１周波数検出手段）、１７は単独運転判定処理部（周波数変化量検出手段，運転状態判定手段）、１８は第２周波数計測処理部（第２周波数検出手段）を示す。

Claims (2)

1. 直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統に連系させて電力を供給する電力変換装置において、
   ヒステリシス付きコンパレータにより検出される、前記交流電力系統に供給されている交流電圧のゼロクロス点に基づき、交流電力の周波数を検出する第１周波数検出手段と、
   Ａ／Ｄ変換回路により検出される前記交流電圧のゼロクロス点に基づき、交流電力の周波数を検出する第２周波数検出手段と、
   前記周波数の変化量を検出する周波数変化量検出手段と、
   前記第１周波数検出手段により検出される周波数の変化量に基づき単独運転状態を判定する範囲を、閾値Ａ以上で且つ閾値Ｂ（Ａ＜Ｂ）以下に設定し、
   前記第１周波数検出手段により検出される周波数の変化量が前記閾値Ｂより大きくなると、前記第２周波数検出手段により周波数を検出し、
   前記周波数と、前記第１周波数検出手段により検出された周波数との差が、前記Ａ／Ｄ変換回路におけるサンプリング周期に応じて設定される閾値Ｃ以下であれば、単独運転状態を判定する運転状態判定手段とを備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第２周波数検出手段は、Ａ／Ｄ変換回路により検出される、前記交流電圧の極性が変化した状態が複数回連続すると、最初に極性が変化した時点に基づいて交流電力の周波数を検出することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

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