JP2016082808A - 単独運転検出用の制御装置、単独運転検出装置、分散型電源装置および、単独運転検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】系統電圧が設定値以下になっても、単独運転を検出して防止することができる単独運転検出用の制御装置、単独運転検出装置、分散型電源装置および、単独運転検出方法を得ること。
【解決手段】計測した系統電圧Ｓ２が設定値以上かどうかを判定し、系統電圧Ｓ２が設定値以上ではないと判定した場合、単独運転を検出させるためのマスク信号Ｓ３を生成し、マスク信号Ｓ３を出力する系統電圧計測部１３１と、マスク信号Ｓ３が入力された場合、連系リレー１４をオフ制御するための単独運転検出信号Ｓ６と、インバータ１１を停止させるためのゲートブロック信号Ｓ７とを生成し、単独運転検出信号Ｓ６とゲートブロック信号Ｓ７を出力する単独運転判定部１３４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、分散型電源装置が電力系統から切り離され単独運転しているか否かを検出する単独運転検出用の制御装置、単独運転検出装置、分散型電源装置および、単独運転検出方法に関する。

分散型電源装置の単独運転とは、電力系統が停止しているとき、分散型電源装置が電力系統から独立して運転しており、局所的な系統負荷に電力が供給されている状態をいう。電力系統の停止は、工事または事故といった要因によって引き起こされる。

分散型電源装置は、電力系統に接続され、太陽光発電装置、風力発電装置、エンジン発電機、電力貯蔵装置および、燃料電池が例示される。分散型電源装置では、太陽電池、蓄電池、燃料電池といった特性または性質の異なる電力供給手段を電力系統に接続させて使用するものである。

分散型電源装置は、電力供給手段と、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナとを備えており、電力系統に連系し、家電製品に電力を給電するものが実用化されている。現在、分散型電源装置は、周波数および電圧を電力系統に適合させるインバータ機能と、電力系統の異常を検出する保護装置とを内蔵したパワーコンディショナの構成が種々提案されている。

また、分散型電源装置は、電力系統の停電時および作業停電時において、電力系統における工事作業の安全を確保するため、装置内のインバータの動作を停止させる、または、開閉器を作動させて連系を解除することにより、分散型電源装置を電力系統から解列させて、分散型電源装置の単独運転を防止するための単独運転検出機能が不可欠である。

特許文献１に記載された単独運転検出装置では、単独運転を検出する方式の１つである電力系統に無効電力を注入する手法が提案されている。当該単独運転検出装置は、電力系統に無効電力を注入する手法が採用されており、注入した無効電力によって引き起こされる周波数変動を検知して、分散型電源装置の単独運転を検出している。なお、単独運転検出機能は、日本電機工業会（Ｊａｐａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ′ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ：略称「ＪＥＭＡ」）によりＪＥＭ規格１４９８（方式名：ステップ注入付周波数フィードバック方式）として標準化されている（下記非特許文献１）。

特開２００９−０１１０３７号公報

一般社団法人 日本電機工業会、ＪＥＭ規格１４９８、ステップ注入付周波数フィードバック方式（分散型電源用単相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）、２０１２年８月２７日制定（２０１４年９月２５日改正）

ＪＥＭ規格１４９８で定められている能動的単独運転検出方式は、「系統周波数を方形波に変換しソフトウェア部への入力信号を生成できることとする」と規定されており、系統電圧を正の電圧と負の電圧で表す方形波に変換した状態で周期を計測することを要求している。

しかしながら、電力系統が停電したりまたは、不安定になって、系統電圧が設定値以下になった場合、系統周波数を方形波に変換することができない。方形波を得ることができない場合、ＪＥＭ規格１４９８に規定されている単独運転を検出することができなくなり、分散型電源装置の運転が継続してしまうという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、系統電圧が設定値以下になっても、単独運転を検出して防止することができる単独運転検出用の制御装置、単独運転検出装置、分散型電源装置および、単独運転検出方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る単独運転検出用の制御装置は、電力系統に連系する分散型電源装置の単独運転を検出するように構成された単独運転検出用の制御装置であって、計測した系統電圧が設定値以上かどうかを判定し、前記系統電圧が設定値以上ではないと判定した場合、単独運転を検出させるためのマスク信号を生成し、前記マスク信号を出力する系統電圧計測部と、前記マスク信号が入力された場合、連系リレーをオフ制御するための制御信号と、インバータを停止させるためのゲートブロック信号とを生成し、前記制御信号と前記ゲートブロック信号を出力する単独運転判定部と、を備える。

本発明によれば、系統電圧が設定値以下になっても、単独運転を検出して防止することができる。

実施の形態に係る分散型電源装置の構成図 実施の形態に係る制御装置の構成図 実施の形態に係る制御装置の動作を示すフローチャート

以下に、本発明の実施の形態に係る単独運転検出用の制御装置、単独運転検出装置、分散型電源装置および、単独運転検出方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る分散型電源装置１の構成図である。分散型電源装置１は、電力を供給する電力供給部５と、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ１０とを備える。

電力供給部５は、パワーコンディショナ１０を介して電力系統２に接続される。電力供給部５は、直流電力を発電し、発電した直流電力をパワーコンディショナ１０に供給する。電力供給部５は、太陽電池および、ガスエンジン発電機が例示される。

パワーコンディショナ１０は、直流電力を交流電力に変換するインバータ１１と、単独運転の検出を行う単独運転検出装置１６とを備える。

インバータ１１は、直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を単独運転検出装置１６を介して、電力系統２および負荷３に供給する。負荷３は、一般家電機器が例示される。

単独運転検出装置１６は、インバータ１１を制御するインバータ制御部１２と、インバータ制御部１２を制御する制御装置１３と、電力供給部５を電力系統２に並列し、かつ電力供給部５を電力系統２から解列する連系リレー１４と、インバータ１１と電力系統２との間に流れる電流を検出する電流検出器１５とを備える。

インバータ制御部１２は、電力系統２により出力される電圧と電流検出器１５によって検出された電流とに基づいて、インバータ１１を制御する。

制御装置１３は、電力系統２に連系する分散型電源装置１の単独運転を検出するように構成された単独運転検出用の装置であって、電力系統２により出力される電圧の周波数である系統周波数と、電力系統２により出力される電圧の電圧値である系統電圧と、電力系統２により出力される電圧に含まれる高調波成分の電圧である高調波歪電圧とを計測する。

制御装置１３は、系統周波数、系統電圧および高調波歪電圧に基づいて、制御信号を生成し、制御信号により連系リレー１４をオン制御またはオフ制御する。また、制御装置１３は、連系リレー１４をオフ制御する場合には、インバータ１１を停止させる信号であるゲートブロック信号を生成し、生成したゲートブロック信号をインバータ制御部１２に出力する。

制御装置１３は、ＪＥＭ規格１４９８に規定されているように、設定期間において、系統周波数偏差を演算し、演算した系統周波数偏差に基づいて電力系統に注入すべき無効電力を演算する。

制御装置１３は、演算した無効電力を電力系統２に注入する。制御装置１３は、系統周波数、系統電圧および高調波歪電圧に基づいて、系統周波数偏差が設定期間において、連続して一定以下となる状態が継続しているような系統周波数に実質的に変化が無く、かつ、系統電圧または高調波歪電圧が予め設定された変動範囲を超える変化によって変動したという急変条件が成立するか否かを判定する。制御装置１３は、急変条件が成立する場合には、系統周波数偏差に基づいて演算された無効電力に加えて、追加注入無効電力を電力系統２に注入する制御を行う。

図２は、制御装置１３の構成図である。制御装置１３は、系統電圧Ｓ２の計測を行う計測部３１と、無効電力の注入を制御する無効電力注入制御部３２と、単独運転の判定を行う単独運転判定部１３４とを備える。

計測部３１は、電力系統２により出力された系統電圧Ｓ２を計測する系統電圧計測部１３１と、高調波歪電圧Ｓ４を検出する高調波歪電圧検出部１３２と、系統周波数Ｓ５を計測する系統周波数計測部１３３とを備える。無効電力注入制御部３２は、系統周波数偏差Ｓ８を演算する周波数偏差演算部１３５と、無効電力Ｓ９を演算する無効電力演算部１３６と、追加無効電力Ｓ１０を注入する制御を行う無効電力注入判定部１３７と、加算を行う加算部１３８と、電流指令値Ｓ１２を出力する出力電流制御部１３９とを備える。

系統電圧計測部１３１は、波形信号Ｓ１に基づいて電力系統２により出力される系統電圧Ｓ２を計測し、計測した系統電圧Ｓ２を無効電力注入判定部１３７に出力する。また、系統電圧計測部１３１は、系統電圧Ｓ２が設定値以上ではないと判定した場合、単独運転を検出させるためのマスク信号Ｓ３を生成し、生成したマスク信号Ｓ３を単独運転判定部１３４に出力する。マスク信号Ｓ３は、系統周波数Ｓ５に基づく単独運転の判定を実行させず、単独運転判定部１３４に強制的に単独運転を検出させるための信号である。

高調波歪電圧検出部１３２は、波形信号Ｓ１に基づいて電力系統２により出力される電圧に含まれる高調波成分である高調波歪電圧Ｓ４を検出し、検出した高調波歪電圧Ｓ４を無効電力注入判定部１３７に出力する。

系統周波数計測部１３３は、電力系統２から出力された電圧の波形信号Ｓ１を方形波信号に変換し、方形波信号に基づいて電力系統２により出力される電圧の周波数である系統周波数Ｓ５を計測し、計測した系統周波数Ｓ５を単独運転判定部１３４、周波数偏差演算部１３５および無効電力注入判定部１３７に出力する。

単独運転判定部１３４は、系統周波数計測部１３３から入力された系統周波数Ｓ５に基づいて単独運転の判定を行い、連系リレー１４をオン制御またはオフ制御するための制御信号である単独運転検出信号Ｓ６を生成し、単独運転検出信号Ｓ６を連系リレー１４に出力する。なお、連系リレー１４をオフ制御するとは、電力供給部５を電力系統２から解列することを意味する。また、単独運転判定部１３４は、連系リレー１４をオフ制御する場合には、ゲートブロック信号Ｓ７を生成し、生成したゲートブロック信号Ｓ７をインバータ制御部１２に出力する。連系リレー１４は、オフ制御するための単独運転検出信号Ｓ６に基づいて、電力供給部５を電力系統２から解列する。インバータ制御部１２は、ゲートブロック信号Ｓ７に基づいて、インバータ１１をゲートブロックする。

また、単独運転判定部１３４は、系統電圧計測部１３１からマスク信号Ｓ３が入力された場合には、連系リレー１４をオフ制御するための制御信号である単独運転検出信号Ｓ６と、インバータ１１を停止させるためのゲートブロック信号Ｓ７とを生成する。単独運転判定部１３４は、連系リレー１４をオフ制御するための単独運転検出信号Ｓ６を連系リレー１４に出力し、ゲートブロック信号Ｓ７をインバータ制御部１２に出力する。連系リレー１４は、オフ制御するための単独運転検出信号Ｓ６に基づいて、電力供給部５を電力系統２から解列する。インバータ制御部１２は、ゲートブロック信号Ｓ７に基づいて、インバータ１１をゲートブロックする。

周波数偏差演算部１３５は、系統周波数計測部１３３から入力された系統周波数Ｓ５に基づいて、現在の系統周波数の移動平均値と、過去の系統周波数の移動平均値とを算出し、算出結果から系統周波数偏差Ｓ８を演算し、系統周波数偏差Ｓ８を無効電力演算部１３６に出力する。

無効電力演算部１３６は、周波数偏差演算部１３５から入力された系統周波数偏差Ｓ８に基づいて、電力系統２に注入する無効電力Ｓ９を演算し、演算した無効電力Ｓ９を加算部１３８に出力する。

無効電力注入判定部１３７は、系統周波数偏差Ｓ８が設定期間、連続して一定以下となる状態が継続し、系統周波数Ｓ５に実質変化が無く、かつ、高調波歪電圧Ｓ４または系統電圧Ｓ２が予め設定された変動範囲を超える変化をしたときに、高調波歪電圧Ｓ４または系統電圧Ｓ２が単独運転発生に起因して急変したと判定し、電力系統２に注入する追加無効電力Ｓ１０を生成し、生成した追加無効電力Ｓ１０を加算部１３８に出力する。

加算部１３８は、無効電力演算部１３６により演算された無効電力Ｓ９と、無効電力注入判定部１３７により生成された追加無効電力Ｓ１０とを加算し、加算値Ｓ１１を出力電流制御部１３９に出力する。

出力電流制御部１３９は、加算値Ｓ１１に基づいて電流指令値Ｓ１２を生成し、電流指令値Ｓ１２をインバータ制御部１２に出力する。

ここで、系統周波数偏差Ｓ８に基づいて演算した無効電力Ｓ９を電力系統２に注入し、電力系統２が停電して単独運転状態になった場合には、電力系統２に注入されている無効電力Ｓ９によって系統周波数が変動する。具体的には、予め定めた変化が系統周波数に生じた場合、パワーコンディショナ１０は、単独運転状態であると判定し、インバータ１１をゲートブロックし、かつ連系リレー１４を解列させることにより単独運転を防止する。なお、予め定めた変化とは、２．５サイクルの間に８Ｈｚの変化が考えられるが、他の変化であってもよい。

しかし、電力系統２が停電し、電力系統２の電圧が設定値以下になると、系統周波数計測部１３３が正常に動作しなくなり、電力系統２の電圧の波形信号Ｓ１を方形波信号に変換できず、短時間に周波数が上昇および下降を繰り返し、または、方形波が出力されない場合がある。なお、電力系統２の電圧が設定値以下になるとは、２００Ｖの標準系統電圧において１５パーセント以下になる場合が考えられるが、標準系統電圧は２００Ｖに限られず、また、１５パーセント以下に限られない。また、電力系統２が停電し、電力系統２の電圧が設定値以下になると、周波数偏差を正常に計算することができないため、単独運転判定部１３４も正常に動作せずに誤動作する場合がある。

そこで、系統電圧計測部１３１は、上述したように、系統電圧Ｓ２が設定値以下となった場合には、単独運転検出をマスクするためのマスク信号Ｓ３を生成し、生成したマスク信号Ｓ３を単独運転判定部１３４に出力する。

また、単独運転判定部１３４は、マスク信号Ｓ３が設定時間継続して入力され続けた場合には、系統周波数計測部１３３が正常に動作しなくなったと判定して、連系リレー１４をオフ制御するための単独運転検出信号Ｓ６と、ゲートブロック信号Ｓ７とを生成し、単独運転検出信号Ｓ６を連系リレー１４に出力し、ゲートブロック信号Ｓ７をインバータ制御部１２に出力する。なお、設定時間は、２００ｍｓｅｃが考えられるが、２００ｍｓｅｃに限られない。

ここで、制御装置１３の動作について説明する。図３は、制御装置１３の動作の流れについての説明に供するフローチャートである。

ステップＳＴ１において、系統電圧計測部１３１は、系統電圧Ｓ２が設定値以上であるかどうかを判定する。系統電圧Ｓ２が設定値以上である場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳＴ２に進み、系統電圧Ｓ２が設定値以上でない場合（Ｎｏ）には、ステップＳＴ５に進む。

ステップＳＴ２において、系統周波数計測部１３３は、波形信号Ｓ１を方形波信号に変換し、方形波信号に基づいて系統周波数Ｓ５を計測し、計測した系統周波数Ｓ５を単独運転判定部１３４に出力する。

ステップＳＴ３において、単独運転判定部１３４は、系統周波数Ｓ５の変化率が設定値以上であるかどうかを判定する。系統周波数Ｓ５の変化率が設定値以上である場合（Ｙｅｓ）には、単独運転状態であると判定し、ステップＳＴ４に進み、系統周波数Ｓ５の変化率が設定値以上でない場合（Ｎｏ）には、ステップＳＴ１に戻る。

ステップＳＴ４において、単独運転判定部１３４は、連系リレー１４をオフ制御するための単独運転検出信号Ｓ６と、インバータ１１を停止させる信号であるゲートブロック信号Ｓ７とを生成し、連系リレー１４をオフ制御するための単独運転検出信号Ｓ６を連系リレー１４に出力し、ゲートブロック信号Ｓ７をインバータ制御部１２に出力する。連系リレー１４は、オフ制御するための単独運転検出信号Ｓ６に基づいて、電力供給部５を電力系統２から解列する。インバータ制御部１２は、ゲートブロック信号Ｓ７に基づいて、インバータ１１をゲートブロックする。

ステップＳＴ５において、系統電圧計測部１３１は、単独運転検出をマスクするためのマスク信号Ｓ３を生成し、生成したマスク信号Ｓ３を単独運転判定部１３４に出力する。

ステップＳＴ６において、単独運転判定部１３４は、マスク信号Ｓ３が設定時間継続して入力され続けたかどうかを判定する。マスク信号Ｓ３が設定時間継続して入力され続けたと判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳＴ４に進み、マスク信号Ｓ３が設定時間継続して入力され続けていないと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップＳＴ１に戻る。

上述のようにして、分散型電源装置１は、電力系統２が停電し、系統電圧Ｓ２が設定値以下になって、系統周波数計測部１３３が正常に動作しなくなっても、系統電圧計測部１３１から入力されるマスク信号Ｓ３が設定時間継続して入力され続けた場合には、系統周波数計測部１３３が正常に動作しなくなったと判定して、連系リレー１４をオフ制御するための単独運転検出信号Ｓ６と、ゲートブロック信号Ｓ７とを生成し、単独運転検出信号Ｓ６を連系リレー１４に出力し、ゲートブロック信号Ｓ７をインバータ制御部１２に出力する。よって、分散型電源装置１は、系統電圧Ｓ２が設定値以下になっても、単独運転を検出して防止することができる。

なお、系統電圧計測部１３１によって系統電圧Ｓ２が設定値以上ではないと判定された場合、周波数偏差演算部１３５も正常に動作できなくなり、無効電力演算部１３６は、無効電力Ｓ９を正常に演算できなくなる場合がある。

上述のような場合には、分散型電源装置１は、系統電圧計測部１３１からマスク信号Ｓ３が出力されている場合には、標準周波数から変化していないと判定し、無効電力演算部１３６から無効電力Ｓ９が電力系統２に出力されないようにする構成でもよい。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 分散型電源装置、２ 電力系統、３ 負荷、５ 電力供給部、１０ パワーコンディショナ、１１ インバータ、１２ インバータ制御部、１３ 制御装置、１４ 連系リレー、１５ 電流検出器、１６ 単独運転検出装置、３１ 計測部、３２ 無効電力注入制御部、１３１ 系統電圧計測部、１３２ 高調波歪電圧検出部、１３３ 系統周波数計測部、１３４ 単独運転判定部、１３５ 周波数偏差演算部、１３６ 無効電力演算部、１３７ 無効電力注入判定部、１３８ 加算部、１３９ 出力電流制御部。

Claims (5)

1. 電力系統に連系する分散型電源装置の単独運転を検出するように構成された単独運転検出用の制御装置であって、
   計測した系統電圧が設定値以上かどうかを判定し、前記系統電圧が設定値以上ではないと判定した場合、単独運転を検出させるためのマスク信号を生成し、前記マスク信号を出力する系統電圧計測部と、
   前記マスク信号が入力された場合、連系リレーをオフ制御するための制御信号と、インバータを停止させるためのゲートブロック信号とを生成し、前記制御信号と前記ゲートブロック信号を出力する単独運転判定部と、
   を備えたことを特徴とする制御装置。
2. 前記単独運転判定部は、前記マスク信号が設定時間継続して入力され続けたかどうかを判定し、前記マスク信号が設定時間継続して入力され続けたと判定した場合、前記制御信号と前記ゲートブロック信号を生成し、前記制御信号と前記ゲートブロック信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 分散型電源装置が電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを検出する単独運転検出装置であって、請求項１または２に記載の制御装置を備えたことを特徴とする単独運転検出装置。
4. 請求項３に記載の単独運転検出装置を備えたことを特徴とする分散型電源装置。
5. 電力系統に連系する分散型電源装置の単独運転を検出するための単独運転検出方法であって、
   計測した系統電圧が設定値以上かどうかを判定し、前記系統電圧が設定値以上ではないと判定した場合、単独運転を検出させるためのマスク信号を生成し、前記マスク信号を出力する系統電圧計測工程と、
   前記マスク信号が入力された場合、連系リレーをオフ制御するための制御信号と、インバータを停止させるためのゲートブロック信号とを生成し、前記制御信号と前記ゲートブロック信号を出力する単独運転判定工程と、
   を含むことを特徴とする単独運転検出方法。

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