JP2016119772A

JP2016119772A - 系統連系インバータ装置

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Publication number: JP2016119772A
Application number: JP2014257918A
Authority: JP
Inventors: 一平竹内; Ippei Takeuchi; 中林　弘一; Koichi Nakabayashi; 弘一中林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: JP6385269B2

Abstract

【課題】系統連系インバータ装置において発生した過電流が系統側の瞬時電圧低下によるものであるか、装置内の故障によるものであるかを判断することが可能な系統連系インバータ装置を得ること。【解決手段】系統連系インバータ装置であり、複数のスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作により外部直流電源の直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換部と、前記スイッチング素子が出力する出力電流が監視期間内に閾値を超えた回数を用いて、前記電力系統の系統擾乱又は前記系統連系インバータ装置の不具合を判定する制御部と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池および燃料電池に代表される外部直流電源を用いた直流発電システムを電力系統に連系させる際に使用される系統連系インバータ装置に関するものである。

近年、住宅用発電システムの中において太陽光発電システムの占める割合が急激に増加している。しかし、このような太陽光発電システムを電力系統と連系させる場合、瞬時電圧低下を含む様々な系統擾乱により太陽光発電システムが一斉に停止すると、電力系統内の需給バランスが崩れ、広範囲にわたり停電が発生する可能性がある。そのため、電力系統内に系統擾乱が発生しても太陽光発電システムが停止せず、運転を継続する系統安定確保（Fault-Ride-Through）機能が求められている。以下、上述した系統安定確保（Fault-Ride-Through）機能を単にＦＲＴ機能と略記する。

また、前述のような系統連系システムでは、不足電圧の発生により電力系統から太陽光発電設備を解列するための要件に加えて、電力系統の乱れによって解列をするべきかまたは運転継続をするべきかを判別するための要件を規定することが重要となる。そのため、今後広く普及されると予想される太陽光発電設備が電力系統と連系する際の電力品質確保を求めるため、前述のような系統連系システムにおけるＦＲＴ機能に関してＦＲＴ要件が規定されている。

前述のようなＦＲＴ要件と同様の要件またはこれに代替する要件に基づいて、前述のようなＦＲＴ機能と同様の機能を実現するための先行技術として、特許文献１に記載されたような先行技術が知られている。

特許文献１に記載された系統連系インバータ装置は、系統の瞬時電圧低下による出力過電流が過電流設定値を超えた場合、系統連系インバータ装置のインバータ部のスイッチング素子をゲートブロックし、出力電力を減少させて、運転を継続している。

特開２００８−２２８４９４号公報

系統連系インバータ装置が備えるＦＲＴ機能は、電力系統の瞬時電圧低下によりインバータ部に過電流が発生すると、以下の制御動作を実行する。まず、ＦＲＴ機能は、インバータ部のスイッチング素子をゲートブロックする。その後、電力系統の電圧が正常の電圧範囲に復帰した後に、ＦＲＴ機能は、ゲートブロックを解除してインバータ部の運転を再開させる。他方、系統連系インバータ装置が運転中にインバータ部のスイッチング素子が短絡したことにより発生する過電流は、電力系統の瞬時電圧低下により発生する過電流と区別がつかない。従って、スイッチング素子の短絡による過電流発生の場合にも、従来の系統連系インバータ装置におけるＦＲＴ機能は、インバータ部のスイッチング素子をゲートブロックしてしまう。そのため、系統電圧が正常電圧範囲内に復帰すると、スイッチング素子が短絡により機能しなくなった場合であっても、インバータ部のスイッチング素子のゲートブロックが解除されてしまう。その後、インバータ部内でスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作が再開すると、スイッチング素子が機能しないため、過電流が再度検出されるので、上述したゲートブロックとゲートブロック解除をＦＲＴ機能が繰り返し実行されることになる。その結果、インバータ部のスイッチング素子は過電流を繰り返し遮断することになるため、スイッチング素子の発熱を招く可能性があった。

この発明は、前述の問題点に鑑みてなされたものであり、系統連系インバータ装置において発生した過電流が系統側の瞬時電圧低下によるものであるか、装置内の不具合によるものであるかを判断することが可能な系統連系インバータ装置を得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、本発明に係る系統連系インバータ装置は、複数のスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作により外部直流電源の直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換部と、前記スイッチング素子が出力する出力電流が監視期間内に閾値を超えた回数を用いて、前記電力系統の系統擾乱又は前記系統連系インバータ装置の不具合を判定する制御部と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、系統連系インバータ装置において発生した過電流が系統側の瞬時電圧低下によるものであるか、装置内の故障によるものであるかを判断することが可能な系統連系インバータ装置を得ることができる。

実施の形態に係る系統連系インバータ装置の要部の構成を示すブロック図系統電圧に瞬時電圧低下が発生したときの系統電圧、インバータ部が出力する電流およびインバータ部のスイッチング素子の状態を示す図系統連系インバータ装置が運転中に不具合を発生したときの系統電圧、インバータ部が出力する電流、インバータ部のスイッチング素子の状態を示す図系統連系インバータ装置の運転中に不具合が発生したときの系統電圧、インバータ部が出力する出力電流およびインバータ部のスイッチング素子の状態を示す図系統連系インバータ装置において発生した過電流が、系統電圧の瞬時電圧低下により発生した過電流であるか、系統連系インバータ装置の不具合により発生した過電流であるかの判定処理を示すフローチャート

以下に、本発明に係る系統連系インバータ装置の実施の形態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．
＜本実施の形態に係る系統連系インバータ装置の構成＞
図１は、実施の形態に係る系統連系インバータ装置の要部構成を示すブロック図である。図１では、太陽光発電システムで用いられる系統連系インバータ装置の構成例が示されている。図１において、実施の形態に係る系統連系インバータ装置１は、複数のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作により外部直流電源からの直流電力を交流電力に変換する電力変換部であるインバータ回路部２と、インバータ回路部２と電力系統２６との間における系統連系のＯＮ／ＯＦＦ切換え操作を行う連系開閉器３と、を備えている。本実施の形態に係る系統連系インバータ装置１は、さらに、インバータ回路部２および連系開閉器３と制御信号線Ｃ１からＣ３により接続され、インバータ回路部２および連系開閉器３を制御するための制御部である制御回路６を備えている。

本実施の形態に係る系統連系インバータ装置１はさらに、後述する過電流の検出のために一対の測定線Ｍ１を介して制御回路６と接続される第一の電流検出部４と、後述する系統電圧の監視のために一対の測定線Ｍ２を介して制御回路６と接続される第一の電圧検出部５と、を備えている。インバータ回路部２は、直流交流変換の前段部として機能するコンバータ回路２ａと、直流電流が流れる向きを交互に逆転させて出力するインバータ回路２ｂと、インバータ回路２ｂの出力を交流波形に平滑化するフィルタ回路２ｃを備えている。図１に示す電力系統２６には、電力会社が送電網を介して家庭に電力を配電するための商用電力系統が含まれる。以下、本実施の形態に係る系統連系インバータ装置１の構成要素をさらに詳細に説明する。

コンバータ回路２ａは、外部直流電源である太陽電池２５から見てインバータ回路２ｂの前段部、すなわち太陽電池２５とインバータ回路２ｂとの間に位置する。コンバータ回路２ａは、太陽電池２５とインバータ回路２ｂとの間で電圧を整合させるためのＤＣ（Direct Current：直流）／ＤＣコンバータ回路として機能する。本実施の形態において、外部直流電源は太陽電池２５であるが、これには限定されず、外部直流電源は燃料電池または蓄電池であってもよい。

コンバータ回路２ａは、コンデンサ１１と、リアクトル１２と、スイッチング素子１３と、出力ダイオード１４とを含む。これらの素子は、図１に示される例では昇圧回路を構成する。具体的には、コンデンサ１１は、外部直流電源である太陽電池２５の正極の出力端と負極の出力端との間に並列接続されている。リアクトル１２の一端はコンデンサ１１の正極端に接続され、リアクトル１２の他端はスイッチング素子１３の一端と出力ダイオード１４の一端とに接続されている。出力ダイオード１４の他端はコンバータ回路２ａの正極出力端として、正極母線Ｐに接続されている。コンバータ回路２ａの負極出力端は、コンデンサ１１の負極端およびスイッチング素子１３の他端と共に負極母線Ｑに接続されている。本実施の形態では、コンバータ回路２ａの回路構成は昇圧回路としたが、降圧回路であってもよい。

インバータ回路２ｂは、コンデンサ１５と複数のスイッチング素子とを備えている。コンデンサ１５は、インバータ回路２ｂの入力端を構成すべく、正極母線Ｐと負極母線Ｑとの間に接続されている。複数のスイッチング素子は、図１に示される例では、正極母線Ｐと負極母線Ｑとの間に直列に接続されたスイッチング素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの２アームで構成されている。

各アームの上端正極側スイッチング素子１６ａ，１６ｃと下端負極側スイッチング素子１６ｂ，１６ｄとの各接続端は、それぞれインバータ回路２ｂの出力端を構成している。図１では、スイッチング素子１６ａ，１６ｂの直列回路をアーム１７ａとし、スイッチング素子１６ｃ，１６ｄの直列回路をアーム１７ｂとしている。以下の説明においては、スイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄを総称して、単にスイッチング素子１６と呼ぶ場合がある。

フィルタ回路２ｃは、図１に示される例では、インバータ回路２ｂの２つの出力端の一方に一端が接続されるリアクトル１８ａと、他方に一端が接続されるリアクトル１８ｂと、リアクトル１８ａ，１８ｂの他端間に接続されるコンデンサ１９と、を含む。リアクトル１８ａ，１８ｂの各他端は、インバータ回路部２の交流出力端であり、電力系統２６に接続されている。

インバータ回路部２のコンバータ回路２ａは、太陽電池２５が発生する直流電圧を昇圧する。コンバータ回路２ａは、系統連系インバータ装置１が、電力系統２６と連系できる電圧を出力するように直流電圧を昇圧したり、インバータ回路２ｂの動作に必要な直流電圧まで昇圧したりする。インバータ回路２ｂでは、コンバータ回路２ａから入力される直流電圧がコンデンサ１５で母線電圧として平滑保持され、平滑化された母線電圧が２つのアーム１７ａ，１７ｂにおける各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作により交流電圧へ変換される。フィルタ回路２ｃは、インバータ回路２ｂから入力されるパルス幅変調（ＰＷＭ： Pulse Width Modulation）された交流電圧を、正弦波状の滑らかな交流波形をした交流電圧に整形して平滑化する。

フィルタ回路２ｃは、インバータ回路２ｂの後段部に位置し、インバータ回路２ｂが出力するパルス幅変調された矩形パルス波である変調波を、低域通過フィルタリングにより、近似する交流波形に変換して出力する。フィルタ回路２ｃの交流出力は、連系開閉器３の接片３ａ，３ｂの一端に印加され、連系開閉器３の接片３ａ，３ｂの他端には電力系統２６が接続される。

電流検出部４は、図１における一対の測定線Ｍ１を介して、スイッチング素子１６、より具体的にはスイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄが出力する出力電流を検出し、検出結果を制御回路６に出力する。具体的には、図１に示されるように、インバータ回路２ｂの２つの出力端のうち一方とフィルタ回路２ｃとを接続する接続ラインを流れる電流を検出する。本実施の形態において、電流検出部４は、前述した接続ラインを流れる電流の測定値を量子化し、ディジタル信号に変換して制御回路６に出力してもよい。

スイッチング素子１６が出力する出力電流は、交流電流であり、インバータ回路２ｂの出力電流である。スイッチング素子１６の出力電流は、フィルタ回路２ｃの出力電流またはインバータ回路部２の出力電流でもある。電流検出部４は、スイッチング素子１６が出力した出力電流を検出すればよいので、フィルタ回路２ｃの出力電流、つまりインバータ回路部２の出力電流を検出する電流測定回路であってもよい。

インバータ回路部２の一方の交流出力端に相当するリアクトル１８ａの他端をＲと表記し、インバータ回路部２の他方の交流出力端に相当するリアクトル１８ｂの他端をＳと表記する。電流検出部４は、系統接続ラインＲを流れる電流を検出し、制御回路６に出力してもよい。本実施の形態において、電流検出部４は、系統接続ラインＲを流れる電流の測定値を量子化し、ディジタル信号に変換して制御回路６に出力する電流測定回路であってもよい。

電圧検出部５は、図１における一対の測定線Ｍ２を介して電力系統２６の電圧を検出し、電圧検出結果を制御回路６に出力する。電力系統２６の一方端を連系開閉器３の接片３ａの他端に接続する系統接続ラインをＴと表記し、電力系統２６の他方端を連系開閉器３の接片３ｂの他端に接続する系統接続ラインをＵと表記すれば、電圧検出部５は、系統接続ラインＴとＵとの間における電圧を検出し、制御回路６に出力する。一実施例において、電圧検出部５は、系統接続ラインＴとＵとの間における電圧の測定値を量子化し、ディジタル信号に変換して制御回路６に出力する電圧測定回路であってもよい。

制御部である制御回路６は、系統連系インバータ装置１を制御するための制御ロジックまたは制御アルゴリズムに基づいて、任意の波形の制御信号を介してスイッチング素子１３、スイッチング素子１６ａ，１６ｂ、スイッチング素子１６ｃ，１６ｄおよび連系開閉器３のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する。具体的には、制御回路６は、コンバータ回路２ａに昇圧動作を行わせるようにスイッチング素子１３にスイッチング動作を行わせる。また、制御回路６は、インバータ回路２ｂの２つのアーム１７ａ，１７ｂを構成するスイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄに、コンバータ回路２ａから入力される直流電力を交流電力に変換するスイッチング動作を行わせる。そして、制御回路６は、連系開閉器３を閉路または開路する制御を行う。

本実施の形態において、制御回路６は、スイッチング素子１３、スイッチング素子１６ａ，１６ｂ、スイッチング素子１６ｃ，１６ｄおよび連系開閉器３に対して任意の波形の制御信号を出力することが可能な制御出力インターフェースを備えた制御用プロセッサまたはマイクロコンピュータとして実現可能である。この他にも、制御回路６は、上述した制御信号を出力可能なＦＰＧＡ、ＰＬＤまたはＡＳＩＣとして実現することも可能である。さらに、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が、コンピュータプログラムを実行することにより、制御回路６の機能を実現してもよい。

図１において、制御回路６が制御用プロセッサとして実装される場合、制御回路６は、スイッチング素子１３に対して制御信号線Ｃ１を介して適切な電圧レベルの制御信号を出力することにより、スイッチング素子１３を操作することが可能である。また、制御回路６は、スイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄのゲート端子に、制御信号線Ｃ２を介して適切な電圧レベルの制御信号を出力することにより、スイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄを操作することが可能である。

制御回路６は、連系開閉器３の開閉スイッチに、制御信号線Ｃ３を介して適切な電圧レベルの制御信号を出力することにより、連系開閉器３の開閉を操作することが可能である。制御回路６がインバータ回路部２をゲートブロックする場合、制御回路６は、制御信号線Ｃ２を介して、スイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄのゲート端子に対して、非導通のゲートＯＦＦ状態となるローレベル電圧を継続して印加し続ける。インバータ回路部２のゲートブロックが解除された状態において、制御回路６は、制御信号線Ｃ２を介して、スイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄのゲート端子に対して、パルス幅変調されたスイッチング制御パルスの印加を再開する。

本実施の形態による系統連系インバータ装置１が有する機能の中には、太陽電池２５で発電された直流電力を交流電力へ変換し、その変換した交流電力を、電力系統２６に対して供給する機能が含まれている。

＜系統連系インバータ装置１の動作＞
図２は、系統電圧に瞬時電圧低下が発生したときの系統電圧、インバータ回路部２が出力する電流およびインバータ回路部２のスイッチング素子１６の状態を示す図である。図３は、系統連系インバータ装置１が運転中に不具合を発生したときの系統電圧、インバータ回路部２が出力する電流、インバータ回路部２のスイッチング素子１６の状態を示す図である。

図２の時間区間Ｔ１においては、系統連系インバータ装置１は正常に稼働している。図２の時間区間Ｔ１では、系統連系インバータ装置１は、電力系統２６側と電圧および周波数が均衡した交流電力を出力している。また、図２の時間区間Ｔ１では、電力系統２６側と系統連系インバータ装置１側とは、互いに位相と見込みインピーダンスとが整合している。図２には、電力系統２６に瞬時電圧低下が発生した後の時間区間Ｔ２が示されている。系統連系インバータ装置１は、図２に示す通り、時間区間Ｔ２において電力系統２６の瞬時電圧低下が発生すると、電力系統２６側と系統連系インバータ装置１側との間に著しい電位差が生じる。

図２において、この電位差は、電位Ｖ１と電位Ｖ２との差であるＶ１−Ｖ２として示されている。瞬時電圧低下前までは電力系統２６側の電圧と系統連系インバータ装置１側の電圧とはＶ１の近辺で均衡しているが、瞬時電圧低下時には、電力系統２６側の電圧がＶ２に低下するので、電力系統２６側と系統連系インバータ装置１側との間においてＶ１−Ｖ２に等しい電位差が生じる。その結果、図２に示す電位差Ｖ１−Ｖ２により、電力系統２６側からインバータ回路部２へと過電流が発生する。図２において、この過電流はＩＳ_０として示されている。この過電流ＩＳ_０の発生に対応して、系統連系インバータ装置１は、インバータ回路部２のスイッチング素子１６をゲートブロックする。その後、図２に示す時間区間Ｔ３において系統電圧が正常の電圧範囲に復帰すると、系統連系インバータ装置１は、インバータ回路部２のスイッチング素子１６をＯＮ／ＯＦＦさせて運転を再開させることでＦＲＴ機能を実現する。

図３に示すように、系統連系インバータ装置１が時間区間Ｔ１において正常な系統連系状態で運転中に、インバータ回路部２のスイッチング素子１６が時刻ｔ_０において短絡した場合においても、電力系統２６の瞬時電圧低下が発生したときと同様に、過電流ＩＳ_０が発生する。そのため、系統連系インバータ装置１は、図３に示す時刻ｔ_０の直後にインバータ回路部２のスイッチング素子１６をゲートブロックする。

しかし、前述したようなスイッチング素子１６の短絡に起因するゲートブロックと、電力系統２６の瞬時電圧低下に起因するゲートブロックとは、区別がつかない。そのため、前述したようなスイッチング素子１６の短絡に起因するゲートブロックが発生すると、系統連系インバータ装置１では、次のような現象が発生する可能性がある。

すなわち、図３の時間区間Ｔ２において、短絡に起因するゲートブロックの後に出力電流が正常な電流値まで低下し、かつ系統電圧が正常電圧範囲内であれば、インバータ回路部２のスイッチング素子１６のゲートブロックが解除される。図３の時間区間Ｔ２において、スイッチング素子１６のＯＮ／ＯＦＦ動作が再開すると、スイッチング素子１６に不具合が発生している場合、再度過電流が検出されるので、系統連系インバータ装置１はゲートブロックとゲートブロック解除とを繰り返す。図３の時間区間Ｔ２において、前述したようなゲートブロックとゲートブロック解除とが繰り返されることにより、インバータ回路部２のスイッチング素子１６は過電流を繰り返し遮断することになる。このため、スイッチング素子１６が過熱する可能性がある。前述したように、ゲートブロックとゲートブロック解除とが繰り返されることにより反復して発生する過電流は、図３の時間区間Ｔ２においてＩＳ_１、ＩＳ_２およびＩＳ_３として表記されている。

インバータ回路２ｂのスイッチング素子１６の一つ以上が短絡した場合には、最初の過電流が検出された後に、インバータ回路部２を系統連系状態から解列する必要があるにも関わらず、解列がなされない可能性がある。その代わりに、最初の過電流が検出された後には、前述したようなゲートブロックとゲートブロック解除との繰り返しにより、系統連系状態のままの電力系統２６から過電流がインバータ回路部２に向かって反復して流れ込む可能性がある。その結果、インバータ回路２ｂのスイッチング素子１６が過電流を繰り返し遮断することにより、インバータ素子１６の耐久性低下を招く可能性がある。

本実施の形態において、系統連系インバータ装置１が備える制御回路６は、次に説明する制御により、ゲートブロックとゲートブロック解除とが繰り返されることにより過電流が反復して発生することを抑制する。以下の説明においては、系統擾乱として電力系統２６の瞬時電圧低下が発生したと仮定し、インバータ回路２ｂのスイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄのうち短絡が発生した少なくとも一つ以上のスイッチング素子１６が、系統連系インバータ装置１内の不具合発生部位であると仮定する。なお、これらは、系統擾乱の様々な要因および系統連系インバータ装置１の様々な不具合発生部位の一例であり、系統擾乱および系統連系インバータ装置１の不具合発生部位はこれらに限定されるものではない。

本実施の形態において、制御回路６は、電力系統２６から流れ込む最初の過電流の発生を検出した後に、過電流の再発を監視するための時間区間にわたって電力系統２６から繰り返し反復して流れ込む過電流が検出されるか否かを監視する。それにより本実施の形態は、インバータ回路２ｂのスイッチング素子１６の一つ以上が短絡したことに起因して過電流が発生した場合に、電力系統２６の瞬時電圧低下と誤認することにより上記のようなゲートブロックとゲートブロック解除との繰り返しが誘発されたと判断する。そのような場合、本実施の形態は、系統連系インバータ装置１に不具合があると判定して、連系開閉器３を開路することにより、系統連系インバータ装置１内のインバータ回路部２を電力系統２６から解列する。

その結果、本実施の形態は、系統連系インバータ装置１において発生した過電流が系統側の瞬時電圧低下によるものであるか、それとも装置内の不具合によるものであるかを確実に検出することができる。よって、本実施の形態は、系統連系インバータ装置１内の不具合により過電流が発生した場合において、インバータ回路部２のスイッチング素子１６が過電流を繰り返し遮断することによる不具合の発生を抑制することができる。その結果、本実施の形態は、インバータ回路部２内の不具合を抑制して、安全に系統連系インバータ装置１を停止することができる。

本実施の形態のＦＲＴ機能は、スイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄにおける過電流発生の原因が電力系統２６における瞬時電圧低下のような系統擾乱であると系統連系インバータ装置１が判定した場合のみ実行される。具体的には、制御回路６は、電力系統２６に発生した擾乱に起因してインバータ回路２ｂのスイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄに流れる電流、すなわちスイッチング素子１６の出力電流が閾値を超えたことを検出すると、スイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄをゲートブロックする。その後、電力系統２６の擾乱がなくなり、電力系統２６の状態が正常範囲内であるときにスイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄのゲートブロックを解除することにより本実施の形態はＦＲＴ機能を実現する。本実施の形態において、電圧検出部５が検出した電力系統２６の電圧検出結果が正常範囲内である場合が、電力系統２６の状態が正常範囲内である場合に相当する。

制御回路６は、過電流の再発を監視するための監視期間である過電流監視期間内に、複数回インバータ回路２ｂのスイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄに過電流が発生したときは、系統連系インバータ装置内１に不具合が発生していると判定する。この場合、制御回路６は、連系開閉器３を開路する。制御回路６は、連系開閉器３を開路した後、スイッチング素子１６の動作を停止させることにより、系統連系インバータ装置１を停止させてもよい。次に、系統連系インバータ装置１が実行する処理を説明する。

図４は、系統連系インバータ装置の運転中に不具合が発生したときの系統電圧、インバータ部が出力する出力電流およびインバータ部のスイッチング素子の状態を示す図である。図５は、系統連系インバータ装置において発生した過電流が、系統電圧の瞬時電圧低下により発生した過電流であるか、系統連系インバータ装置の不具合により発生した過電流であるかの判定処理を示すフローチャートである。

図４に示すように、時間区間Ｔ１においては、図３の場合と同様に、系統連系インバータ装置１が電力系統との間で正常な連系状態を保ちながら運転中である。ステップＳ５０１において、図１に示される系統連系インバータ装置１の制御回路６は、判定処理、すなわち系統連系インバータ装置１において発生した過電流が、系統電圧の瞬時電圧低下により発生した過電流であるか、系統連系インバータ装置１の不具合により発生した過電流であるかの判定処理を開始する。

ステップＳ５０２において、電力系統２６に瞬時電圧低下が発生するかまたはインバータ回路２ｂのスイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄのうちいずれか一つが短絡する。瞬時電圧低下または短絡は、図４の時刻ｔ_０において発生する。時間区間Ｔ２ａにおいては、瞬時電圧低下またはスイッチング素子１６の短絡により、インバータ回路部２に過電流が流れる。

ステップＳ５０３において、電流検出部４はインバータ回路部２に流れる電流を検出し、制御回路６へ出力する。制御回路６は、電流検出部４から取得した電流検出結果を用いて、インバータ回路部２に過電流が流れたか否かを判定する。この場合、制御回路６は、電流検出部４の電流検出結果、すなわちスイッチング素子１６の出力電流が閾値を超えた場合にはインバータ回路部２に過電流が流れたと判定し、出力電流が閾値以下である場合、インバータ回路部２に過電流は流れていないと判定する。

ステップＳ５０３において、インバータ回路部２に過電流が流れたと制御回路６が判定すると、ステップＳ５０４において、制御回路６は、インバータ回路２ｂのスイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄをゲートブロックする。このゲートブロックは、時間区間Ｔ２ａにおいて実行される。

制御回路６がインバータ回路部２をゲートブロックする場合、制御回路６は、制御信号線Ｃ２を介して、スイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄのゲート端子に対して、非導通のゲートＯＦＦ状態となるローレベル電圧を継続して印加し続ける。

制御回路６は、ステップＳ５０５において、過電流が過電流監視期間内に再度発生したか否かを判定する。過電流発生が初回の場合（ステップＳ５０５、Ｎｏ）は、ステップＳ５０８に進む。

制御回路６は、ステップＳ５０８において、電力系統２６の系統電圧が異常であるか否かを判定する。制御回路６は、ステップＳ５０８において、電圧検出部５によって検出された系統電圧の実効値が、系統電圧が正常であるときの実効値を中心としたある範囲内にあれば正常であると判定し、前述したある範囲外にあれば異常であると判定する。系統電圧が正常であるか否かの判定は、この方法に限定されるものではない。

系統電圧が異常である場合（ステップＳ５０８、Ｙｅｓ）、制御回路６は、ステップＳ５０８の判定を繰り返す。この判定は、系統電圧が正常であると制御回路６が判定するまで実行される。系統電圧が異常である場合の例としては、電力系統２において、瞬時電圧低下が発生し、系統電圧が正常値に対して低くなっているような状態が挙げられる。

系統電圧が正常である場合（ステップＳ５０８、Ｎｏ）、ステップＳ５０９に進む。系統電圧が正常である場合の例としては、電力系統２における瞬時電圧低下が回復して系統電圧が正常値に復帰した場合や、系統連系インバータ装置１の不具合によって発生した過電流であって系統電圧はもともと正常である場合などが挙げられる。制御回路６は、ステップＳ５０９において、インバータ回路２ｂのスイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄのゲートブロックを解除する。これにより、スイッチング素子１６のＯＮ／ＯＦＦ動作が再開する。また、制御回路６は、ゲートブロック解除のタイミングで過電流監視期間の計時を開始する。そして、ステップＳ５０２に戻り、ステップＳ５０２以降の処理を実行する。

ここで、再びインバータ回路部２に過電流が流れる（ステップＳ５０３）と、再びスイッチング素子１６ａ，１６ｂおよびスイッチング素子１６ｃ，１６ｄがゲートブロックされて（ステップＳ５０４）、ステップＳ５０５に進む。

制御回路６は、ステップＳ５０５において、過電流が過電流監視期間内に再度発生したか否かを判定する。制御回路６は、ゲートブロックを解除した後における期間である過電流監視期間内に、出力電流が閾値を再度超えたか否かを判定することにより、過電流が過電流監視期間内に再度発生したか否かを判定する。

このように、制御回路６は、スイッチング素子１６をゲートブロックした後、ゲートブロックを解除して、ゲートブロック解除後における過電流の有無を検出することにより、系統連系インバータ装置１の不具合と系統擾乱とを容易に判定できる。過電流監視期間は、図４に示す期間Ｔ２である。過電流監視期間は予め定められており、本実施の形態では１００ｍｓであるが、これに限定されない。また、本実施の形態では過電流監視期間の計時開始タイミングをゲートブロック解除時としたが、これに限定されるものではない。例えば、ゲートブロックするタイミングでもよい。

ゲートブロックが解除された後、過電流が過電流監視期間内に再度発生した場合（ステップＳ５０５、Ｙｅｓ）、制御回路６は、ステップＳ５０６において、系統連系インバータ装置１の不具合が発生したと判定する。この判定は、図４の時間区間Ｔ３に行われる。そして、制御回路６は、ステップＳ５０６において、連系開閉器３を開路して、系統連系インバータ装置１を電力系統２６から解列する。このとき、制御回路６は、前述したように、スイッチング素子１６の動作を停止させることにより、系統連系インバータ装置１を停止させてもよい。その後、制御回路６は、ステップＳ５０７に進み、判定処理を終了する。制御回路６は、系統連系インバータ装置１の不具合により過電流が発生したと判断した場合、系統連系インバータ装置１を電力系統２６から解列することで、不具合が発生した系統連系インバータ装置１の影響が電力系統２６に及ばないようにすることができる。

ゲートブロックが解除された後、過電流が過電流監視期間内に再度発生しない場合、制御回路６は、一時的に電力系統２６に擾乱、本実施の形態では系統電圧の異常が発生したための過電流であったと判定し、その後の運転を通常通りに継続する。すなわち、電力系統２６の擾乱が収束した場合には速やかに系統連系インバータ装置１から電力系統２６に交流電力を供給することができる、というＦＲＴ機能が実現される。

本実施の形態において、制御回路６は、一度過電流が発生したことにより前述のようにインバータ回路２ｂのスイッチング素子１６をゲートブロックした後、系統電圧が正常であればスイッチング素子１６のＯＮ／ＯＦＦ動作を再開させる。そして、制御回路６は、過電流監視期間内に過電流が少なくとも１回発生したか否かによって、系統連系インバータ装置１の不具合の有無を判定する。本実施の形態において、制御回路６は、過電流監視期間内に過電流が再度、すなわちもう１回発生した場合に、系統連系インバータ装置１に不具合が発生したと判定するが、これに限定されない。制御回路６は、過電流監視期間内に複数回過電流が発生した場合に、系統連系インバータ装置１に不具合が発生したと判定してもよい。

以上のように、本実施の形態は、インバータ回路部２が備えるスイッチング素子１６が出力する出力電流が監視期間内に閾値を超えた回数を用いて、電力系統２６の系統擾乱又は系統連系インバータ装置１の不具合を判定する。このようにすることで、系統連系インバータ装置１において発生した過電流が、系統電圧の瞬時電圧低下のような系統擾乱により発生した過電流であるか、系統連系インバータ装置１内の不具合により発生した過電流であるかを確実に判定することができる。また、本実施の形態は、系統連系インバータ装置１の不具合により過電流が発生したことを確実に判定できるので、系統連系インバータ装置１の不具合が発生した場合には、スイッチング素子１６の動作を停止させることができる。その結果、本実施の形態は、スイッチング素子１６の耐久性低下を抑制できるとともに、安全に系統連系インバータ装置１を停止させることができる。

本実施の形態の前述した説明では、系統擾乱により過電流が発生する要因として瞬時電圧低下を例としたが、系統擾乱の原因はこれに限定されず、系統の位相の急変が発生した場合その他の系統擾乱の原因を含む。

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系統連系インバータ装置、２インバータ回路部、２ａコンバータ回路、２ｂインバータ回路、２ｃフィルタ回路、３連系開閉器、４電流検出部、５電圧検出部、６制御回路、１１，１５，１９コンデンサ、１２，１８ａ，１８ｂリアクトル、１３，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄスイッチング素子、１４出力ダイオード、２５太陽電池（外部直流電源）、２６電力系統。

Claims

系統連系インバータ装置であり、
複数のスイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作により外部直流電源の直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換部と、
前記スイッチング素子が出力する出力電流が監視期間内に閾値を超えた回数を用いて、前記電力系統の系統擾乱又は前記系統連系インバータ装置の不具合を判定する制御部と、
を含むことを特徴とする系統連系インバータ装置。
前記監視期間は、前記制御部が前記スイッチング素子をゲートブロックし、その後に前記ゲートブロックを解除した後の期間であり、
前記制御部は、
前記出力電流が前記閾値を超えた場合、前記スイッチング素子をゲートブロックしてから前記ゲートブロックを解除し、
前記監視期間内に前記出力電流が前記閾値を再度超えた場合、前記系統連系インバータ装置の不具合により過電流が発生したと判定し、前記監視期間内に前記出力電流が前記閾値を超えない場合、前記系統擾乱が発生したと判定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の系統連系インバータ装置。
前記制御部は、
前記ゲートブロックの解除後、前記監視期間の経過前において、前記出力電流が少なくとも一回前記閾値を超えたことにより、前記系統連系インバータ装置の不具合が発生したと判定し、
前記ゲートブロックの解除後、前記監視期間の経過前において、前記出力電流が前記閾値を超えないことにより、前記電力系統の擾乱が発生したと判定する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の系統連系インバータ装置。
前記電力変換部と前記電力系統との間に設置され、前記制御部に制御されて前記電力変換部と前記電力系統との間の連系と解列とを切り替える連系開閉器を有し、
前記制御部は、
前記電力系統の擾乱が発生したと判定した場合は、前記系統連系インバータの運転を継続させ、
前記不具合により過電流が発生したと判断した場合は、連系開閉器を制御して前記系統連系インバータ装置を前記電力系統から解列する、
ことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の系統連系インバータ装置。
前記電力変換部の出力電流を検出し、電流検出結果を前記制御部に出力する電流検出部と、
前記電力系統の電圧を検出し、電圧検出結果を前記制御回路に出力する電圧検出部と、を有し、
前記制御部は、
前記電流検出部が検出した前記出力電流が前記閾値を超えると、前記スイッチング素子のゲート端子電圧を制御することにより前記ゲートブロックを実行し、
前記電力系統の擾乱が発生したと判定し、かつ電圧検出部による電圧検出結果が正常範囲内である場合は、前記系統連系インバータ装置の運転を継続させることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の系統連系インバータ装置。
前記電力変換部に過電流を発生させる前記不具合は、
前記スイッチング素子において発生した短絡による不具合を含むことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の系統連系インバータ装置。
前記電力系統の擾乱は、前記電力系統の系統電圧の瞬時低下および位相の急変を含むことを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の系統連系インバータ装置。