JP2019146400A - 単独運転検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単独運転機能の動作中におけるＦＲＴ機能の誤動作を抑制することが可能な単独運転検出装置を提供すること。【解決手段】単独運転検出装置１００は、系統電圧Ｖｇｒｉｄの半周期毎に発生するゼロクロスタイミングに基づいて系統周波数ｆｇｒｉｄを算出する系統周波数算出部１０１と、系統周波数算出部１０１によって算出された系統周波数ｆｇｒｉｄの変化傾向が一方向であり、又は、連続する系統周波数ｆｇｒｉｄで系統電圧Ｖｇｒｉｄに関連する物理量である電圧値の変化傾向が一方向であり、且つ、変化傾向が一定時間Ｔｃ継続している場合に単独運転状態と判定する単独運転検出部１０８と、を備える【選択図】図２

Description

本発明は、分散型電源の単独運転検出装置に関する。

従来から、例えば、下記特許文献１に開示された単独運転検出装置及び単独運転検出方法（以下、単に「従来装置等」と称呼する。）が知られている。この従来装置等は、系統電圧の周波数偏差に応じて無効電力注入量を算出する無効電力注入量算出部と、系統電圧の位相角度に同期した基準系統電圧信号を生成する第一のＰＬＬ処理部と、逆潮流電流の位相角度に同期した基準逆潮流電流信号を生成する第二のＰＬＬ処理部とを備えるとともに、基準系統電圧信号及び基準逆潮流電流信号の位相差に基づいて帰還信号を生成する帰還信号生成部と、無効電力注入量に対応する無効電流指令値と期間信号生成部で生成された帰還信号とに基づいてインバータに対する出力電流指令値を帰還制御する無効電流制御部と、無効電流流入時の系統電源の電気量に基づいて単独運転状態であるか否かを検出する単独運転検出部と、を備えている。

特開２０１５−１３３７８５号公報

上記従来装置等では、単独運転検出部は、パワーコンディショナーが出力する周波数と、計測した系統電源の周波数の双方が連続して一方向に所定時間継続して変化する傾向を有することを単独運転検出の条件としている。これにより、上記従来装置等では、系統電源の位相急変時や瞬時停電（残電圧が２０％未満）による位相急変時に単独運転検出の誤検出を回避するようになっている。

ところで、ＦＲＴ機能と単独運転検出機能とは相反する機能であり、ＦＲＴ機能の動作中に単独運転を誤検出しないこと、及び、単独運転機能の動作中にＦＲＴ機能を誤検出しないことを満足して、機能（制御）の相互干渉が生じないことが重要である。この点に関し、上記従来装置等は、ＦＲＴ機能の動作中に単独運転を誤検出しないことについては満足する。しかしながら、上記従来装置等では、単独運転機能の動作中にＦＲＴ機能を誤検出しないことについては、満足しない場合がある。例えば、分散型電源システムが複数台のパワーコンディショナー（インバータ）を有しており、一つのインバータだけが系統電源に対する接続状態が異なる場合、接続状態の異なるインバータにおける系統周波数の計測が遅れ、その結果、単独運転の検出半周期以上遅れる可能性がある。

この場合、分散型電源システムにおける系統電源に停電が発生すると、検出の遅れたインバータ以外のインバータの出力が停止するため系統電圧が低下する。これにより、瞬時停電と同じ現象となり、検出の遅れた一つのインバータは、瞬時停電と誤判定することによってＦＲＴ機能が誤動作し、単独運動を検出することができない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、本発明の目的は、単独運転機能の動作中におけるＦＲＴ機能の誤動作を抑制することが可能な単独運転検出装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、請求項１に係るノイズ除去回路の発明は、系統電源と、直流電力を発電する発電装置と、発電装置からの直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、系統電源とインバータとの間に配設されて開閉可能な系統連系用リレーと、を備えた分散型電源に適用される単独運転検出装置であって、系統電圧の半周期毎に発生するゼロクロスタイミングに基づいて系統周波数を算出する系統周波数算出部と、系統周波数算出部によって算出された系統周波数に基づいて無効電力の無効電力位相角を算出する無効電力注入制御部と、系統電圧、系統周波数、及び、インバータから出力される出力電流に基づいて基準正弦波を生成するＰＬＬ制御部と、無効電力注入制御部によって算出された無効電力位相角と、ＰＬＬ制御部によって生成された基準正弦波と、に基づいてインバータに対する出力正弦波を生成する出力正弦波生成部と、出力正弦波生成部によって生成された出力正弦波に基づいてインバータを制御するインバータ制御部と、系統周波数算出部によって算出された系統周波数の変化傾向が一方向であり、又は、連続する系統周波数で系統電圧に関連する物理量の変化傾向が一方向であり、且つ、変化傾向が一定時間継続している場合に単独運転状態と判定する単独運転検出部と、を備える。

これによれば、系統周波数算出部は系統電圧の半周期毎に発生するゼロクロスタイミングに基づいて系統周波数を算出することができ、単独運転検出部は系統周波数算出部によって半周期毎に算出される系統周波数の変化傾向が一方向であり、且つ、この変化傾向が一定時間継続している、又は、連続する系統周波数で系統電圧に関連する物理量の変化傾向が一方向であり、且つ、この変化傾向が一定時間継続している場合に、単独運転状態であることを判定することができる。

従って、系統電圧の半周期のタイミングで系統周波数の変化傾向又は系統電圧の変化傾向を判定することができるため、例えば、系統電源の相が異なるように接続されたインバータが存在する場合であっても、系統電源の相が正しく接続されたインバータと同じタイミングで単独運転を検出することができる。従って、系統電源の相が異なるように接続されたインバータであっても、このインバータのＦＲＴ機能が作動する前に単独運転状態を適切に検出することができる。これにより、単独運転機能の動作中におけるＦＲＴ機能の誤動作を抑制することが可能となる。

実施形態に係る単独運転検出装置の適用可能な分散型電源システムの構成を示す概略図である。 実施形態に係る単独運転検出装置の構成を示す図である。 図２の系統周波数算出部が算出する系統周波数を説明するための図である。 図２の系統周波数算出部が算出する第一系統周波数を説明するための図である。 図２の系統周波数算出部が算出する第二系統周波数を説明するための図である。 図２の単独運転検出装置が実行する単独運転検出プログラムを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態において、本発明による単独運転検出装置１００は、分散型電源システム１０に適用される。分散型電源システム１０は、供給源であって電力を供給する発電装置及び系統電源を連系し、又は、解列するように構成される。ここで、系統電源は、電気事業者（例えば、電力会社等）が保有する商用の配電線網から供給される交流の電源である。尚、系統電源は、単相であっても、多相（例えば、三相）であっても良い。先ず、分散型電源システム１０から説明する。

（分散型電源システム１０の構成）
分散型電源システム１０は、発電装置である燃料電池１１、コンバータ１２、インバータ１３、平滑回路１４、解列リレー１５及び制御装置１６を備えている。燃料電池１１は、直流電力を発電する発電装置である。コンバータ１２は、燃料電池１１からの直流電圧を昇圧してインバータ１３に出力する。コンバータ１２は、図示しないリアクトル、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のようなスイッチング素子、ダイオード、コンデンサ等により構成されている。コンバータ１２の入力側端子１２ａは、燃料電池１１の正極側に接続され、コンバータ１２の入力側端子１２ｂは、燃料電池１１の負極側に接続されている。

コンバータ１２の出力側端子１２ｃは、電線１７を介してインバータ１３の入力側端子１３ａに接続されている。コンバータ１２の出力側端子１２ｄは、電線１８を介してインバータ１３の入力側端子１３ｂに接続されている。図示しない電圧センサの検出信号が制御装置１６に入力されており、制御装置１６は、演算処理を行って決定したデューティー比のパルス信号をスイッチング素子のゲートに与えることにより、コンバータ１２の出力電圧が所定の電圧になるフィードバック制御を行っている。電線１７と電線１８との間には、キャパシタ１９が設けられている。

インバータ１３は、コンバータ１２即ち燃料電池１１からの直流電力を交流電力に変換して、系統電源２０側、より具体的には、系統電源２０に接続された配電盤２４に出力する。インバータ１３は、入力側端子１３ａ，１３ｂ及び出力側端子１３ｃ，１３ｄを備えている。インバータ１３の出力側端子１３ｃには、配電盤２４を介して系統電源２０の複数相に対応する例えばＵ相２０ｕに接続された電線２１が接続されている。インバータ１３の出力側端子１３ｄには、配電盤２４を介して系統電源２０の複数相に対応する例えばＶ相２０ｖに接続された電線２２が接続されている。尚、配電盤２４には、系統電源２０のＮ相２０ｎが接続されている。

インバータ１３は、ＩＧＢＴのような第一〜第四スイッチング素子１３ｅ〜１３ｈをフルブリッジ接続して構成される。第一及び第二スイッチング素子１３ｅ，１３ｆは、入力側端子１３ａと入力側端子１３ｂとの間に直列に接続されている。第一スイッチング素子１３ｅと第二スイッチング素子１３ｆとの接続点は、出力側端子１３ｃに接続されている。第三及び第四スイッチング素子１３ｇ，１３ｈは、入力側端子１３ａと入力側端子１３ｂとの間に直列に接続されている。第三及び第四スイッチング素子１３ｇ，１３ｈは、第一及び第二スイッチング素子１３ｅ，１３ｆに対して並列に接続されている。第三スイッチング素子１３ｇと第四スイッチング素子１３ｈとの接続点は、出力側端子１３ｄに接続されている。

インバータ１３は、制御装置１６によってその動作が制御されている。具体的には、インバータ１３は、制御装置１６からのＰＷＭ制御に従って各第一〜第四スイッチング素子１３ｅ〜１３ｈをスイッチングして、コンバータ１２からの直流電力を交流電力に変換するものである。このように、インバータ１３は、変換した交流電力を電線２１，２２に出力する。

平滑回路１４は、リアクトル１４ａ，１４ｂと、キャパシタ１４ｃと、によって構成されている。リアクトル１４ａ、１４ｂは、各電線２１，２２にそれぞれ設けられている。キャパシタ１４ｃは、数μＦ程度の電気容量を有し、リアクトル１４ａ，１４ｂと系統電源２０との間にて各電線２１，２２を接続する接続電線２３に設けられている。平滑回路１４は、インバータ１３から出力された交流電力を平滑化してインバータ１３の出力電圧を正弦波状の波形にし、各電線２１，２２を介して系統電源２０に接続された配電盤２４に出力する。

ここで、コンバータ１２、インバータ１３及び平滑回路１４は、パワーコンディショナーＰＣを構成する。又、燃料電池１１及びパワーコンディショナーＰＣは、それぞれ、複数台設けられた場合、系統電源２０との間で、多数台連系を構成する。以下の説明においては、分散型電源システム１０が多数台連系の場合を例示して説明する。

解列リレー（系統連系用リレー）１５は、第一解列リレー１５ａ及び第二解列リレー１５ｂによって構成されている。解列リレー１５は、各電線２１，２２にそれぞれ設けられるリレーであって、接続電線２３との接点と系統電源２０との間に配設されて開閉可能な常開型のリレーである。第一解列リレー１５ａ及び第二解列リレー１５ｂは、それぞれ制御装置１６からの制御信号によってその動作（接続状態／開放状態）が制御されている。

具体的には、電線２１，２２のうちの一方の電線２１に第一解列リレー１５ａが配置され、他方の電線２２に第二解列リレー１５ｂが配置されている。第一解列リレー１５ａ及び第二解列リレー１５ｂが接続状態になると、発電装置である燃料電池１１と系統電源２０とが連系され、第一解列リレー１５ａ及び第二解列リレー１５ｂが開放状態になると、燃料電池１１と系統電源２０とが解列されることになる。このように、系統連系用リレーである解列リレー１５が制御装置１６によって制御されることで、分散型電源システム１０即ち燃料電池１１と系統電源２０とは連系又は解列され、負荷２５への電力供給が制御される。

制御装置１６は、マイクロコンピュータ（図示省略）を有しており、マイクロコンピュータは、バスを介してそれぞれ接続された入出力インターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ（何れも図示省略）を備えている。ＣＰＵは、コンバータ１２、インバータ１３を制御したり、解列リレー１５を開閉制御したりする。又、制御装置１６は、本発明の単独運転検出装置を構成する。このため、ＣＰＵは、後述する単独運転検出プログラムを実行するようになっている。ＲＡＭは後述する単独運転検出プログラムを含む各種プログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭは後述する単独運転検出プログラム及び各種プログラムを記憶するものである。

負荷２５は、系統電源２０の複数相に対応する複数の供給線である供給線２６、供給線２７及び供給線２８を介して、配電盤２４、即ち、電源である燃料電池１１及び系統電源２０の少なくとも一方に接続されている。ここで、供給線２６は配電盤２４を介して系統電源２０のＵ相２０ｕに接続され、供給線２７は配電盤２４を介して系統電源２０のＮ相２０ｎに接続され、供給線２８は配電盤２４を介して系統電源２０のＶ相２０ｖに接続されている。負荷２５は、電気を駆動源とし、例えば、家庭用電気機器（電化製品等）や産業用電気機器（ロボット等）が挙げられる。負荷２５には、負荷２５の作動を制御するために数μＦ程度の電気容量を有するキャパシタ２５ａが組み込まれている。尚、負荷２５は、一つであっても複数であっても良い。

分散型電源システム１０においては、発電装置である燃料電池１１が発電を開始するまでは、第一解列リレー１５ａ及び第二解列リレー１５ｂは開放状態であり、系統電源２０の交流電力が負荷２５に供給される。燃料電池１１が発電を開始し、系統電源２０の交流電力と同等の交流電力をインバータ１３から出力可能になると、制御装置１６は、第一解列リレー１５ａ及び第二解列リレー１５ｂを接続状態に切り替える。これにより、燃料電池１１と系統電源２０とが連系され、燃料電池１１の出力電力が負荷２５に供給される。

一方、分散型電源システム１０においては、負荷２５で消費される消費電力が燃料電池１１の発電量より多い場合、電力の不足分が系統電源２０から負荷２５に供給される。又、燃料電池１１の発電量が負荷２５で消費される消費電力よりも多く、且つ、余剰電力を配電線網へ逆潮流させることが許可されている場合、余剰電力は、系統電源２０の配電線網に供給される。又、制御装置１６は、例えば、系統電源２０に停電等の異常を検知すると、第一解列リレー１５ａ及び第二解列リレー１５ｂを開放状態に切り替えることにより、燃料電池１１と系統電源２０とが解列される。

ところで、分散型電源システム１０は、系統電源２０の系統周波数が変動する系統擾乱や瞬時停電（例えば、０．３秒以内の残電圧２０％未満）が発生した場合でも、コンバータ１２及びインバータ１３から構成されるパワーコンディショナーＰＣの運転を継続する機能であるＦＲＴ（Fault Ride Through）を有している。加えて、分散型電源システム１０は、系統電源２０において発生した停電を検出し、停電の発生後においてもパワーコンディショナーＰＣ（即ち、燃料電池１１）が発電を継続している状態を０．２秒以内に検出する単独運転機能を有している。このため、分散型電源システム１０は、単独運転検出装置１００を備えている。

（単独運転検出装置１００の構成）
単独運転検出装置１００は、パワーコンディショナーＰＣの制御系や外部に付加した抵抗等により常時電圧や周波数に変動を与えておき単独運転移行時に顕著になる変動を検出する方式である能動的方式により単独運転を検出する。具体的に、単独運転検出装置１００は、後述するように、出力に周期的な無効電力変動を与え、単独運転移行時に発生する周波数変動を検出する無効電力変動方式を採用する。

単独運転検出装置１００は、図１に示すように、制御装置１６に接続されている。単独運転検出装置１００は、図２に示すように、系統周波数算出部１０１と、高調波算出部１０２と、無効電力注入制御部１０３と、ＰＬＬ制御部１０４と、出力正弦波生成部１０５と、インバータ制御部１０６と、ＰＷＭ制御部１０７と、単独運転検出部１０８と、を備えている。

系統周波数算出部１０１は、系統電源２０のＵＶ間の系統電圧Ｖｇｒｉｄを入力し、系統電圧Ｖｇｒｉｄの半周期毎に発生するゼロクロスタイミングに基づいて系統周波数ｆｇｒｉｄを算出するものであり、交流電圧を分圧する分圧回路（図示省略）と分圧信号を二値化する二値化回路（図示省略）とを含むゼロクロス検出回路（図示省略）を備えている。

具体的に、系統周波数算出部１０１は、系統電圧Ｖｇｒｉｄを抵抗分圧した系統電圧波形を、電圧値ゼロを閾値として二値化回路で二値化することにより系統周波数に対応した方形波によって表される周波数検出信号が得られる。系統電圧Ｖｇｒｉｄに対応する系統周波数ｆｇｒｉｄは、連続する周波数検出信号の立下りエッジと立ち上がりエッジとの中間値の間の時間差を、所定のサンプリング周波数でカウントすることによって算出される。

本実施形態において、系統周波数算出部１０１は、図３に示すように、系統電圧Ｖｇｒｉｄの立下りに伴って電圧値ゼロを下回った周波数検出信号における中間値の時間差に基づいて算出される系統周波数ｆｇｒｉｄを第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡとし、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡを周波数検出信号の立ち上がりエッジに合わせて算出する。又、系統周波数算出部１０１は、系統電圧Ｖｇｒｉｄの立ち上がりに伴って電圧値ゼロを上回った周波数検出信号における中間値の時間差に基づいて算出される系統周波数ｆｇｒｉｄを第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢとし、第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢを周波数検出信号の立下りエッジに合わせて算出する。

ここで、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢの算出を具体的に説明する。図４に示すように、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡは、算出タイミングである周波数検出信号の立ち上がりエッジよりも前における中間値に基づいて算出される。このため、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡは、中間値の間に存在する周波数検出信号のＨｉパルスの時間Ｔｔと、Ｈｉパルスよりも前に存在する周波数検出信号のＬｏパルスの時間Ｔｈ１の半分と、Ｈｉパルスよりも後に存在する周波数検出信号のＬｏパルスの時間Ｔｈ２の半分と、を合算した時間の逆数として算出される。即ち、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡは、下記式１に従って算出される。
ｆｇｒｉｄＡ＝１／（Ｔｔ＋Ｔｈ１／２＋Ｔｈ２／２） …式１

又、図５に示すように、第二系統周波数ｆｇｉｒｄＢは、算出タイミングである周波数検出信号の立下りエッジよりも前における中間値に基づいて算出される。このため、第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢは、中間値の間に存在する周波数検出信号のＬｏパルスの時間Ｔｈと、Ｌｏパルスよりも前に存在する周波数検出信号のＨｉパルスの時間Ｔｔ１の半分と、Ｌｏパルスよりも後に存在する周波数検出信号のＨｉパルスの時間Ｔｔ２の半分と、を合算した時間の逆数として算出される。即ち、第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢは、下記式２に従って算出される。
ｆｇｒｉｄＢ＝１／（Ｔｈ＋Ｔｔ１／２＋Ｔｔ２／２） …式２

高調波算出部１０２は、図２に示すように、系統電圧Ｖｇｒｉｄを入力し、系統電圧Ｖｇｒｉｄに重畳した高調波成分に伴う高調波電圧ＴＨＤを算出する。尚、高調波電圧ＴＨＤの算出に際しては、周知の算出方法に従って、所定の次数までの総合高調波電圧実効値を求めることが好ましい。

無効電力注入制御部１０３は、系統周波数算出部１０１から系統周波数ｆｇｒｉｄ即ち第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢを入力するとともに、高調波算出部１０２から高調波電圧ＴＨＤを入力する。そして、無効電力注入制御部１０３は、入力した第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢと、高調波電圧ＴＨＤと、に基づいて、無効電力位相角θを算出して出力する。

このため、無効電力注入制御部１０３は、周波数対応無効電力注入量算出部としての周波数フィードバック部１０３ａと、ステップ無効電力注入量算出部としてのステップ注入部１０３ｂと、を備えて構成されている。周波数フィードバック部１０３ａは、系統周波数算出部１０１によって算出された第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢのそれぞれに基づいて、周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＡ及び周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＢを算出する。

ここで、単独運転検出装置１００は、能動的方式を採用している。このため、周波数フィードバック部１０３ａは、例えば、前回までに出力した無効電力位相角θが反映されて系統周波数算出部１０１によって算出された第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢをフィードバックとして入力し、系統周波数算出部１０１によって算出された第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢとの差分を、それぞれ、周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＡ及び周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＢとして算出する。

周波数フィードバック部１０３ａは、周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＡ及び周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＢの増大に伴って増大する無効電力注入量に対応する無効電力位相角θを、今回算出した周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＡ及び周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＢを用いて算出する。尚、この場合、周波数フィードバック部１０３ａは、周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＡ及び周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＢと無効電力位相角θとの関係を定めた関数を参照したり、周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＡ及び周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＢと無効電力位相角θとの関係を定めたマップを参照したりすることにより、無効電力位相角θを算出して出力する。

ステップ注入部１０３ｂは、高調波算出部１０２によって算出された高調波成分即ち高調波電圧ＴＨＤが変動する場合に、電流位相が一定方向で一定量となる無効電力注入量に対応する無効電力位相角θを算出する。ステップ注入部１０３ｂは、高調波電圧ＴＨＤが変動している場合、例えば、無効電力をパワーコンディショナーＰＣから見て電流位相を遅らせる方向、即ち、周波数が低下するように、無効電力位相角θを算出して出力する。

ＰＬＬ制御部１０４は、位相同期回路であり、系統電圧Ｖｇｒｉｄ、インバータ１３から出力されたインバータ出力電流Ｉｉｎｖ、及び、系統周波数算出部１０１によって算出された系統周波数ｆｇｒｉｄ（第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢ）を入力する。そして、ＰＬＬ制御部１０４は、入力された系統電圧Ｖｇｒｉｄの位相角度に同期した基準正弦波Ｓｂａｓｅを算出する。尚、ＰＬＬ制御部１０４は、周知の位相同期回路を用いることができるため、詳細な処理内容の説明を省略する。

出力正弦波生成部１０５は、無効電力注入制御部１０３から出力された無効電力位相角θを入力するとともに、ＰＬＬ制御部１０４から出力された基準正弦波Ｓｂａｓｅを入力する。そして、出力正弦波生成部１０５は、基準正弦波Ｓｂａｓｅと無効電力位相角θとを合成して（加算して）、インバータ出力正弦波Ｓｉｎｖを生成し、インバータ出力正弦波Ｓｉｎｖをインバータ制御部１０６に出力する。

インバータ制御部１０６は、出力正弦波生成部１０５からインバータ出力正弦波Ｓｉｎｖを入力するとともに、コンバータ１２から直流電圧Ｖｄｃを入力する。そして、インバータ制御部１０６は、インバータ出力正弦波Ｓｉｎｖとなるように、インバータ１３に対する制御値、即ち、デューティー比Ｄｕｔｙを生成する。インバータ制御部１０６は、生成したデューティー比ＤｕｔｙをＰＷＭ制御部１０７に出力する。

ＰＷＭ制御部１０７は、インバータ制御部１０６から入力したデューティー比Ｄｕｔｙに基づき、インバータ１３の第一スイッチング素子１３ｅ、第二スイッチング素子１３ｆ、第三スイッチング素子１３ｇ及び第四スイッチング素子１３ｈに対する制御信号を生成する。そして、ＰＷＭ制御部１０７は、バッファー回路（図示省略）を介して、第一スイッチング素子１３ｅ〜第四スイッチング素子１３ｈのそれぞれに制御信号を出力する。

単独運転検出部１０８は、無効電力が注入されたときの系統電源２０の系統周波数ｆｇｒｉｄ（第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢ）、系統電圧Ｖｇｒｉｄ、高調波電圧ＴＨＤ等に基づいて単独運転状態であるか否かを検出する。このため、単独運転検出部１０８には、系統周波数算出部１０１によって算出された第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢが入力されるとともに、高調波算出部１０２によって算出された高調波電圧ＴＨＤが入力される。

上述したように、系統周波数算出部１０１は、系統電圧Ｖｇｒｉｄの半周期毎に第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢを連続して算出している。系統電源２０が正常状態（例えば、停電等が発生していない状態）であれば、連続して算出される第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡはそれぞれ変化することなく推移し、連続して算出される第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢもそれぞれ変化することなく推移する。一方、系統電源２０が異常状態（例えば、停電や瞬停等が発生した状態）であれば、連続して算出される第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡは例えば周波数が増大するように一方向に変化する傾向を有し、第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢも例えば周波数が増大するように一方向に変化する傾向を有する。

そこで、単独運転検出部１０８は、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢの変化傾向（変化量や傾き等）が一方向であり、又は、連続する第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢのそれぞれで系統電源２０の系統電圧Ｖｇｒｉｄに関連する物理量である電圧値（高調波電圧ＴＨＤを含む）や電流の変化傾向（変化量や傾き等）が一方向であり、且つ、変化傾向が一定時間Ｔｃ（数十ミリ秒程度であって、例えば、サンプリング周期において数周期程度）継続している場合に単独運転状態であると判定する。このように、単独運転検出部１０８が一方向の変化傾向が一定時間Ｔｃ継続しているか否かを判定することにより、単独運転は精度よく検出される。

ここで、単独運転検出装置１００においては、系統周波数算出部１０１（より詳しくは、マイクロコンピュータ）及び単独運転検出部１０８（より詳しくは、マイクロコンピュータ）が協働して図５に示す単独運転検出プログラムを実行することにより、単独運転を検出する。即ち、単独運転検出装置１００の系統周波数算出部１０１及び単独運転検出部１０８は、ステップＳ１０にて単独運転検出プログラムの実行を開始する。

系統周波数算出部１０１は、続くステップＳ１１にて、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡを算出するために系統電圧ＶｇｒｉｄのＬｏパルスの時間Ｔｈ２の計測が完了したか否かを判定する。即ち、系統周波数算出部１０１は、Ｌｏパルスの時間Ｔｈ２の計測が完了していれば、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１２に進む。そして、系統周波数算出部１０１は、ステップＳ１２において、前記式１に従って第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡを算出してステップＳ１５に進む。

一方、系統周波数算出部１０１は、前記ステップＳ１１の判定処理において、未だＬｏパルスの時間Ｔｈ２の計測が完了していなければ、「Ｎｏ」と判定してステップＳ１３に進む。ステップＳ１３においては、系統周波数算出部１０１は、第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢを算出するために系統電圧ＶｇｒｉｄのＨｉパルスの時間Ｔｔ２の計測が完了したか否かを判定する。即ち、系統周波数算出部１０１は、Ｈｉパルスの時間Ｔｔ２を計測が完了していれば、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１４に進む。そして、系統周波数算出部１０１は、ステップＳ１４において、前記式２に従って第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢを算出してステップＳ１５に進む。一方、系統周波数算出部１０１は、前記ステップＳ１３の判定処理において、未だＨｉパルスの時間Ｔｔ２の計測が完了していなければ、「Ｎｏ」と判定してステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５においては、単独運転検出部１０８は、単独運転を判定するための条件、即ち、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ（図３に示すｆｇｒｉｄＡ（ｎ−１）、ｆｇｒｉｄＡ（ｎ）、ｆｇｒｉｄＡ（ｎ＋１））及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢ（図３に示すｆｇｒｉｄＢ（ｎ−１）、ｆｇｒｉｄＢ（ｎ）、ｆｇｒｉｄＢ（ｎ＋１））の変化傾向が一方向であり、又は、連続する第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ（図３に示すｆｇｒｉｄＡ（ｎ−１）、ｆｇｒｉｄＡ（ｎ）、ｆｇｒｉｄＡ（ｎ＋１））及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢ（図３に示すｆｇｒｉｄＢ（ｎ−１）、ｆｇｒｉｄＢ（ｎ）、ｆｇｒｉｄＢ（ｎ＋１））のそれぞれで系統電源２０の系統電圧Ｖｇｒｉｄの電圧値（高調波電圧ＴＨＤを含む）が一方向であり、且つ、変化傾向が一定時間Ｔｃ継続しているか否かを判定する。即ち、単独運転検出部１０８は、上記条件が成立していれば、「Ｙｅｓ」と判定してステップＳ１６に進み、単独運転を検出する。一方、単独運転検出部１０８は、上記条件が成立していなければ、「Ｎｏ」判定してステップＳ１７に進み、単独運転検出プログラムの実行を一旦終了する。そして、所定の短い時間の経過後、再び、前記ステップＳ１０にて、単独運転検出プログラムの実行を開始する。

以上の説明からも理解できるように、上記実施形態の単独運転検出装置１００によれば、系統電源２０と、直流電力を発電する発電装置である燃料電池１１と、燃料電池１１からコンバータ１２を介して出力された直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ１３（パワーコンディショナーＰＣ）と、系統電源２０とインバータ１３との間に配設されて開閉可能な系統連系用リレーである解列リレー１５と、を備えた分散型電源に適用される単独運転検出装置であって、系統電圧Ｖｇｒｉｄの半周期毎に発生するゼロクロスタイミングに基づいて系統周波数ｆｇｒｉｄを算出する系統周波数算出部１０１と、系統周波数算出部１０１によって算出された系統周波数ｆｇｒｉｄに基づいて無効電力の無効電力位相角θを算出する無効電力注入制御部１０３と、系統電圧Ｖｇｒｉｄ、系統周波数ｆｇｒｉｄ、及び、インバータ１３から出力されるインバータ出力電流Ｉｉｎｖに基づいて基準正弦波Ｓｂａｓｅを生成するＰＬＬ制御部１０４と、無効電力注入制御部１０３によって算出された無効電力位相角θと、ＰＬＬ制御部１０４によって生成された基準正弦波Ｓｂａｓｅと、に基づいてインバータ１３に対するインバータ出力正弦波Ｓｉｎｖを生成する出力正弦波生成部１０５と、出力正弦波生成部１０５によって生成されたインバータ出力正弦波Ｓｉｎｖに基づいてインバータ１３を制御するインバータ制御部１０６と、系統周波数算出部１０１によって算出された系統周波数ｆｇｒｉｄの変化傾向が一方向であり、又は、連続する系統周波数ｆｇｒｉｄで系統電圧Ｖｇｒｉｄに関連する物理量である電圧値の変化傾向が一方向であり、且つ、変化傾向が一定時間Ｔｃ継続している場合に単独運転状態と判定する単独運転検出部１０８と、を備える。

この場合、無効電力注入制御部１０３は、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢ（系統周波数ｆｇｒｉｄ）に基づいて得られる周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＡ及び周波数偏差ΔｆｇｒｉｄＢの増大に伴って増大する無効電力注入量に対応する無効電力位相角θを、系統周波数算出部１０１によって算出された第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢ（系統周波数ｆｇｒｉｄ）を用いて算出する周波数対応無効電力注入量算出部である周波数フィードバック部１０３ａと、系統電圧Ｖｇｒｉｄの高調波成分である高調波電圧ＴＨＤが変動する場合に電流位相が一定方向で一定量となる無効電力注入量に対応する無効電力位相角θを算出するステップ無効電力注入量算出部であるステップ注入部１０３ｂと、を有する。

これらによれば、系統周波数算出部１０１は系統電圧Ｖｇｒｉｄの半周期毎に発生するゼロクロスタイミングに基づいて系統周波数ｆｇｒｉｄを算出することができ、単独運転検出部１０８は系統周波数算出部１０１によって半周期毎に算出される系統周波数ｆｇｒｉｄの変化傾向（変化量や傾き）が一方向であり、且つ、この変化傾向が一定時間Ｔｃ継続している、又は、連続する系統周波数ｆｇｒｉｄで系統電圧Ｖｇｒｉｄに関連する物理量である電圧値の変化傾向（変化量や傾き）が一方向であり、且つ、この変化傾向が一定時間Ｔｃ継続している場合に、単独運転状態であることを判定することができる。

従って、系統電圧Ｖｇｒｉｄの半周期のタイミングで系統周波数ｆｇｒｉｄの変化傾向又は系統電圧Ｖｇｒｉｄの変化傾向を判定することができるため、例えば、系統電源２０の相が異なるように接続されたインバータ１３（パワーコンディショナーＰＣ）が存在する場合であっても、系統電源２０の相が正しく接続されたインバータ１３（パワーコンディショナーＰＣ）と同じタイミングで単独運転を検出することができる。従って、系統電源２０の相が異なるように接続されたインバータ１３（パワーコンディショナーＰＣ）であっても、このインバータ１３（パワーコンディショナーＰＣ）のＦＲＴ機能が作動する前に単独運転状態を適切に検出することができる。これにより、単独運転機能の動作中におけるＦＲＴ機能の誤動作を抑制することが可能となる。

この場合、系統周波数算出部１０１は、系統周波数ｆｇｒｉｄとして、系統電圧Ｖｇｒｉｄの立ち上がりに伴うゼロクロスタイミングで算出される第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡと、系統電圧Ｖｇｒｉｄの立下りに伴うゼロクロスタイミングで算出される第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢと、をそれぞれ算出し、単独運転検出部１０８は、系統周波数算出部１０１によって算出された第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢのそれぞれについて、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢの変化傾向が一方向であり、又は、連続する第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び連続する第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢで物理量である電圧値の変化傾向が一方向であり、且つ、変化傾向が一定時間Ｔｃ継続している場合に単独運転状態と判定する。

これによれば、系統周波数算出部１０１は、系統電圧Ｖｇｒｉｄの一周期の間において、第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡを二回算出するとともに第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢを一回算出する、又は、第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢを二回算出するとともに第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡを一回算出することができる。これにより、系統周波数算出部１０１が第一系統周波数ｆｇｒｉｄＡ及び第二系統周波数ｆｇｒｉｄＢ即ち系統周波数ｆｇｒｉｄを算出する頻度を増大させる、換言すれば、単独運転検出部１０８が単独運転を検出する（判定する）頻度を増大させることができる。従って、単独運転機能の動作中におけるＦＲＴ機能の誤動作をより抑制することが可能となる。

又、単独運転検出装置１００は、系統電圧Ｖｇｒｉｄに含まれた高調波成分である高調波電圧ＴＨＤを算出する高調波算出部１０２を備え、単独運転検出部１０８は、連続する系統周波数ｆｇｒｉｄで高調波算出部１０２から入力した高調波電圧ＴＨＤの変化傾向が一方向である場合に単独運転状態と判定する。

これによれば、単独運転検出部１０８は、系統電圧Ｖｇｒｉｄに重畳した高調波電圧ＴＨＤに基づいて単独運転状態を判定することができる。従って、単独運転検出部１０８は、より適切に単独運転状態を検出して単独運転機能の動作中におけるＦＲＴ機能の誤動作をより抑制することが可能となる。

本発明の実施にあたっては、上記実施形態及び上記各変形例に限定されることはなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態においては、直流電力を発電する発電装置として燃料電池１１を用いるようにした。これに代えて直流電力を発電する発電装置として、例えば、太陽光電池、ガスエンジン等を用いることができる。

１０…分散型電源システム、１１…燃料電池、１２…コンバータ、１２ａ…入力側端子、１２ｂ…入力側端子、１２ｃ…出力側端子、１２ｄ…出力側端子、１３…インバータ、１３ａ…入力側端子、１３ｂ…入力側端子、１３ｃ…出力側端子、１３ｄ…出力側端子、１３ｅ-１３ｈ…第一〜第四スイッチング素子、１４…平滑回路、１４ａ…リアクトル、１４ａ，１４ｂ…リアクトル、１４ｃ…キャパシタ、１５…解列リレー（系統連系用リレー）、１５ａ…第一解列リレー、１５ｂ…第二解列リレー、１６…制御装置、１７…電線、１８…電線、１９…キャパシタ、２０…系統電源、２０ｎ…相、２０ｕ…相、２０ｖ…相、２１…電線、２１，２２…電線、２３…接続電線、２４…配電盤、２５…負荷、２５ａ…キャパシタ、２６，２７，２８…供給線、１００…単独運転検出装置、１０１…系統周波数算出部、１０２…高調波算出部、１０３…無効電力注入制御部、１０３ａ…周波数フィードバック部、１０３ｂ…ステップ注入部、１０４…ＰＬＬ制御部、１０５…出力正弦波生成部、１０６…インバータ制御部、１０７…ＰＷＭ制御部、１０８…単独運転検出部、Ｄｕｔｙ…デューティー比、Ｉｉｎｖ…インバータ出力電流、ＰＣ…パワーコンディショナー、Ｓｂａｓｅ…基準正弦波、Ｓｉｎｖ…インバータ出力正弦波、ＴＨＤ…高調波電圧、Ｔｃ…一定時間、Ｔｈ…Ｌｏパルス時間、Ｔｈ１…Ｌｏパルス時間、Ｔｈ２…Ｌｏパルス時間、Ｔｔ…Ｈｉパルス時間、Ｔｔ１…Ｈｉパルス時間、Ｔｔ２…Ｈｉパルス時間、Ｖｄｃ…直流電圧、Ｖｇｒｉｄ…系統電圧、ｆｇｒｉｄ…系統周波数、ｆｇｒｉｄＡ…第一系統周波数、ｆｇｒｉｄＢ…第二系統周波数、ΔｆｇｒｉｄＡ…周波数偏差、ΔｆｇｒｉｄＢ…周波数偏差、θ…無効電力位相角

Claims (4)

1. 系統電源と、
   直流電力を発電する発電装置と、
   前記発電装置からの前記直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、
   前記系統電源と前記インバータとの間に配設されて開閉可能な系統連系用リレーと、を備えた分散型電源に適用される単独運転検出装置であって、
   系統電圧の半周期毎に発生するゼロクロスタイミングに基づいて系統周波数を算出する系統周波数算出部と、
   前記系統周波数算出部によって算出された前記系統周波数に基づいて無効電力の無効電力位相角を算出する無効電力注入制御部と、
   前記系統電圧、前記系統周波数、及び、前記インバータから出力される出力電流に基づいて基準正弦波を生成するＰＬＬ制御部と、
   前記無効電力注入制御部によって算出された前記無効電力位相角と、前記ＰＬＬ制御部によって生成された前記基準正弦波と、に基づいて前記インバータに対する出力正弦波を生成する出力正弦波生成部と、
   前記出力正弦波生成部によって生成された前記出力正弦波に基づいて前記インバータを制御するインバータ制御部と、
   前記系統周波数算出部によって算出された前記系統周波数の変化傾向が一方向であり、又は、連続する前記系統周波数で前記系統電圧に関連する物理量の変化傾向が一方向であり、且つ、前記変化傾向が一定時間継続している場合に単独運転状態と判定する単独運転検出部と、を備えた、単独運転検出装置。
2. 前記系統周波数算出部は、前記系統周波数として、
   前記系統電圧の立ち上がりに伴う前記ゼロクロスタイミングで算出される第一系統周波数と、
   前記系統電圧の立下りに伴う前記ゼロクロスタイミングで算出される第二系統周波数と、をそれぞれ算出し、
   前記単独運転検出部は、
   前記系統周波数算出部によって算出された前記第一系統周波数及び前記第二系統周波数のそれぞれについて、前記第一系統周波数及び前記第二系統周波数の前記変化傾向が前記一方向であり、又は、連続する前記第一系統周波数及び連続する前記第二系統周波数で前記物理量の前記変化傾向が前記一方向であり、且つ、前記変化傾向が一定時間継続している場合に前記単独運転状態と判定する、請求項１に記載の単独運転検出装置。
3. 前記系統電圧に含まれた高調波成分を算出する高調波算出部を備え、
   前記単独運転検出部は、
   連続する前記系統周波数で前記高調波算出部から入力した前記高調波成分の変化傾向が一方向である場合に前記単独運転状態と判定する、請求項１又は請求項２に記載の単独運転検出装置。
4. 前記無効電力注入制御部は、
   前記系統周波数に基づいて得られる周波数偏差の増大に伴って増大する無効電力注入量に対応する前記無効電力位相角を、前記系統周波数算出部によって算出された前記系統周波数を用いて算出する周波数対応無効電力注入量算出部と、
   前記系統電圧の高調波成分が変動する場合に電流位相が一定方向で一定量となる無効電力注入量に対応する前記無効電力位相角を算出するステップ無効電力注入量算出部と、を有する、請求項１乃至請求項３のうちの何れか一項に記載の単独運転検出装置。

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