JP2019193318A - 高調波計測装置とそれを用いた単独運転検出方法、単独運転検出装置及び分散型電源システム - Google Patents
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Abstract
Description
分散型電源システムは、太陽電池等の分散型の直流電源1と電力系統(例えば、商用電力系統)2とを備え、この直流電源1と電力系統2との間に、PCS3が接続されている。電力系統2からPCS3の間には、遮断器4、柱上変圧器(以下「柱上トランス」という。)5、及び負荷6等が設けられている。
このようなPCS3の周波数検出回路12、電圧計測回路13,14及びソフトウェア部20により構成される単独運転検出装置では、以下のように動作する。
ここで、前記電圧計測部は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換部が電力系統に連系された時に、前記電力系統の第1交流電圧を計測し、前記第1交流電圧に代えて高調波含有率の少ない第2交流電圧を前記電力変換部から出力させた時に、又は外部で生成された前記第2交流電圧が印加された時に、前記第2交流電圧を計測するものである。前記補正値算出部は、前記電圧計測部で計測された前記第2交流電圧をフーリエ演算して補正高調波電圧を算出するものである。前記高調波算出部は、前記電圧計測部で計測された前記第1交流電圧をフーリエ演算して高調波電圧を算出するものである。更に、前記補正後高調波算出部は、前記高調波電圧から前記補正高調波電圧を減算して補正後の高調波電圧の実効値を算出するものである。
ここで、前記第1ステップでは、予め、前記電圧計測部によって前記第2交流電圧を計測し、この計測値を前記補正値算出部でフーリエ演算して前記補正高調波電圧を取得する。前記第2ステップでは、前記電力変換部が、前記電力系統から切り離されて単独運転を行う時に、前記電圧計測部によって前記第1交流電圧を計測し、この計測値を前記高調波算出部でフーリエ演算して前記高調波電圧を算出する。前記第3ステップでは、前記補正後高調波算出部によって前記補正後の高調波電圧の実効値を算出する。前記第4ステップでは、前記補正後の高調波電圧の実効値により、無効電力をステップ状に注入するためのステップ注入発生条件が満たされているか否かのステップ注入判定を行い、前記ステップ注入発生条件が満たされていれば、前記電力変換部から前記電力系統側へ、前記無効電力をステップ状に注入して系統周波数を急変させる。その後、前記第5ステップでは、前記系統周波数の変化に比例して前記無効電力の注入を増大させて、前記系統周波数の変化を拡大することにより、前記系統周波数の異常を生じさせて前記単独運転を検出させる。
図1(a)、(b)は、本発明の実施例1における分散型電源システムの概略の構成を示す機能ブロック図であり、同図(a)は分散型電源システムの全体の構成図、及び同図(b)は同図(a)中の電圧計測回路及び高調波電圧演算部の構成図である。図2は、図1(b)中の高調波電圧演算部の構成を示す機能ブロック図である。図3は、図1(a)中のステップ注入発生条件(高調波電圧変動)を示す図である。更に、図4は、図1(a)中のステップ注入発生条件(基本波電圧変動)を示す図である。
ハードウェア部40は、直流電源31から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換部(例えば、インバータ部)41と、このインバータ部41の出力側と負荷36との間に分岐接続された計器用変圧器(以下「VT」という。)42、周波数検出回路43、及び電圧検出部44と、を有している。インバータ部41は、例えば、スイッチング電源装置により構成されている。VT42は、インバータ部41の出力側の交流電圧を所定の低電圧に降圧するものであり、この出力側に、周波数検出回路43と電圧検出部44とが並列に接続されている。周波数検出回路43は、VT42の交流出力電圧の周波数を検出する回路である。
ここで、VT42、周波数検出回路43、電圧検出部44、電流制御処理部51、系統周波数計測部52、周波数フィードバック部53、無効電力ステップ注入判定部54、及び加算部55により、本実施例1の単独運転検出装置が構成されている。
これらの周波数フィードバック部53、加算部55、及び電流制御処理部51により、周波数フィードバック手段が構成されている。
第1条件:周波数偏差が±0.01Hz以内(即ち、周波数不感帯0.01H以下)である。
第2条件:高調波電圧及び基本波電圧を監視し、高調波電圧が図3のステップ注入発生条件(高調波電圧変動)を満たす、又は、基本波電圧が図4のステップ注入発生条件(基本波電圧変動)を満たすことである。
第1:注入時間は、3サイクル以下とする。
第2:注入量は、上限を0.1p.u.(=1per unit)とする。
第3:無効電力は、PCS33から見て電流位相を遅らせる方向に注入する(周波数は低下方向)。
第4:無効電力のステップ注入は、前記ステップ注入発生条件を満たしてから系統周波数(周期)の半サイクル以内に行う。
加算部55は、無効電力注入量算出部53dで算出された無効電力注入量p53dと、ステップ注入量算出部54cで算出された無効電力ステップ注入量S54cと、を加算して無効電力を注入するための無効電力指令p55を電流制御処理部51へ出力するものである。
前記VT42及び電圧計測回路44bからなる電圧計測部と、高調波電圧演算部60と、によって本実施例1の高調波計測装置が構成されている。
n:サンプリング点(N個)、n=0,1,2,…,N−1
N:交流周期/サンプリング周期
f1:基本周波数
T:サンプリング周期
k:高調波の次数、k=0,1,2,…,N/2
A0[k]:k次余弦の振幅
B0[k]:k次正弦の振幅
高調波算出部62は、インバータ部41が電力系統32に連系された時に、その電力系統32の第1交流電圧の計測結果を、例えば、次式(2)のフーリエ演算により、高調波電圧A[k],B[k]を算出する機能を有している。
A[k]:k次余弦の振幅
B[k]:k次正弦の振幅
補正後高調波算出部63は、例えば、次式(3)に示すように、入力された高調波電圧A[k],B[k]から補正高調波電圧A0[k],B0[k]を減算して、補正後の高調波電圧Acor[k],Bcor[k]の実効値HarmRMS[k]を算出する機能を有している。
図1の分散型電源システムにおいて、負荷36に対して直流電源31の電力供給能力が大きい場合、直流電源31から出力された直流電力は、電流制御処理部51のスイッチング制御により、インバータ部41にて交流電力に変換される。変換された交流電力は、負荷36へ供給される。直流電源31の余剰電力は、柱上トランス35及び遮断器34を経由して電力系統32へ逆潮流される。負荷36に対して直流電源31の電力供給が不足する場合は、電力系統32から供給された交流電力が、遮断器34及び柱上トランス35を経由して負荷36へ供給(潮流)される。電力系統32の不測の停電時又は作業停電時には、単独運転検出部56によってPCS33の単独運転状態が検出され、この検出結果に基づいて遮断器34がオフ状態になり、直流電源31が電力系統32から解列(遮断)されて、直流電源31の単独運転が防止される。
PCS33の出力電力と負荷36の無効電力アンバランス状態において、電力系統32の停電後、周波数が変化するため、周波数検出回路43及び周波数計測処理部52aを介して、周波数フィードバック部53により、その周波数変化が検出されて無効電力指令p55が求められる。求められた無効電力指令p55が電流制御処理部51に与えられ、この電流制御処理部51により、無効電力がインバータ部41の出力電力に注入され、周波数変化が正帰還される。これにより、周波数変化が大きくなり、単独運転検出部56内の単独運転検出条件に達した場合は、その単独運転検出部56によって単独運転が検出される。
図l(a)、(b)及び図2に示すように、本実施例1の単独運転検出装置は、高調波計測装置と、ステップ注入発生条件判定部54bと、ステップ注入手段と、周波数フィードバック手段と、を有している。
このような構成の単独運転検出装置における単独運転検出方法を以下説明する。
図5は、VT42及び電圧計測回路44bにおける計測誤差及び計測誤差変化の発生メカニズムを示す図である。
本実施例1の単独運転検出方法では、VT42及び電圧計測回路44bからなる電圧計測部と、高調波電圧演算部60と、を有する高調波計測装置を用いて、フローチャートの第1ステップSP1〜第5ステップSP5が実行される。
(a) 補正値算出部61では、k次余弦の振幅A0[k]及びk次正弦の振幅B0[k]として、VT42及び電圧計測回路44bにおける計測誤差の大きい高調波電圧次数のみ取得し、補正後高調波算出部63へ与えるようにしても良い。これにより、高調波電圧演算部60の演算処理を簡易化できる。
本実施例1の高調波計測装置とそれを用いた単独運転検出方法、単独運転検出装置及び分散型電源システムによれば、高調波含有率の少ない第2交流電圧をインバータ部41から出力させて、補正高調波電圧のk次余弦の振幅A0[k]及びk次正弦の振幅B0[k]を予め取得しておき、インバータ部41が電力系統32に連系された時に、その電力系統32の第1交流電圧から高調波電圧のk次余弦の振幅A[k]及びk次正弦の振幅B[k]を求め、高調波電圧のk次余弦の振幅A[k]及びk次正弦の振幅B[k]から補正高調波電圧のk次余弦の振幅A0[k]及びk次正弦の振幅B0[k]をそれぞれ減算して補正後のk次高調波電圧の実効値HarmRMS[k]を算出し、その補正後のk次高調波電圧の実効値HarmRMS[k]により、ステップ注入判定を行うようにしている。
そのため、簡単で安価な回路構成で高調波電圧を高精度に計測できる。更に、制御に必要な計測回路と併用することができる。
図7は、本発明の実施例2における分散型電源システムの概略の構成を示す機能ブロック図であり、実施例1の分散型電源システムを示す図1中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
つまり、無効電力発振抑制制御部70は、能動機能通常モードから能動機能待機モード、又は、その逆のモード遷移を行う機能を有している。
又、実施例1の変形例(b)で説明したように、高調波電圧演算部60の出力側は、無効電力注入量算出部53dの入力側に接続されている。
図8は、図7中の無効電力発振抑制制御部70の動作を示すモード遷移図である。
周波数フィードバック部53による周波数フィードバック機能動作の結果の無効電力発振の影響により、系統連系のPCS33Aが多数連系された配電線において、フリッカ事象が発生することがある。このフリッカ事象を解消するために、無効電力発振を検出するための外乱検知機能を用いて外乱を検知し、周波数フィードバックゲインを0にして周波数フィードバック機能を停止する能動機能待機モードに遷移する必要がある。そのため、本実施例2の無効電力発振抑制制御部70が設けられている。
能動状態待機モードSP12では、周波数フィードバック機能が動作しないため、無効電力発振抑制制御部70によって単独運転状態の可能性があると判定した場合は、能動状態通常モードSP11へ遷移して周波数フィードバック機能を復活させる必要がある。その判定条件として、高調波電圧演算部60から出力された補正後のk次高調波電圧の実効値HarmRMS[k]に基づき、高調波電圧急変検出部72による高調波電圧変化の検出が利用されている。このように、無効電力発振抑制制御部70を設け、周波数フィードバック時の無効電力注入量p53dを制御することによって、注入無効電力の発振を的確に抑制できる。
本発明は、上記実施例1、2に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。
PCS33,33Aは、図1及び図7以外の構成に変更しても良い。例えば、直流電源31は、太陽電池等の直流電源に限定されず、風力発電、燃料電池、蓄電池等の他の直流電源であっても良い。インバータ部41は、他の電力変換部に置き換えても良い。又、ソフトウェア部50,50Aには、他の機能を付加する等して図示以外の構成に変更しても良い。
32 電力系統
33,33A PCS
41 インバータ部
42 VT
43 周波数検出回路
44 電圧検出部
44a,44b 電圧計測回路
51 電流制御処理部
52 系統周波数計測部
53 周波数フィードバック部
54 無効電力ステップ注入判定部
54a 基本波電圧演算部
54b ステップ注入発生条件判定部
54c ステップ注入量算出部
55 加算部
60 高調波電圧演算部
61 補正値算出部
62 高調波算出部
63 補正後高調波算出部
70 無効電力発振抑制制御部
Claims (11)
- 直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換部が電力系統に連系された時に、前記電力系統の第1交流電圧を計測し、前記第1交流電圧に代えて高調波含有率の少ない第2交流電圧を前記電力変換部から出力させた時に、又は外部で生成された前記第2交流電圧が印加された時に、前記第2交流電圧を計測する電圧計測部と、
前記電圧計測部で計測された前記第2交流電圧をフーリエ演算して補正高調波電圧を算出する補正値算出部と、
前記電圧計測部で計測された前記第1交流電圧をフーリエ演算して高調波電圧を算出する高調波算出部と、
前記高調波電圧から前記補正高調波電圧を減算して補正後の高調波電圧の実効値を算出する補正後高調波算出部と、
を有することを特徴とする高調波計測装置。 - 請求項1記載の高調波計測装置を用いた単独運転検出方法であって、
予め、前記電圧計測部によって前記第2交流電圧を計測し、この計測値を前記補正値算出部でフーリエ演算して前記補正高調波電圧を取得する第1ステップと、
前記電力変換部が、前記電力系統から切り離されて単独運転を行う時に、前記電圧計測部によって前記第1交流電圧を計測し、この計測値を前記高調波算出部でフーリエ演算して前記高調波電圧を算出する第2ステップと、
前記補正後高調波算出部によって前記補正後の高調波電圧の実効値を算出する第3ステップと、
前記補正後の高調波電圧の実効値により、無効電力をステップ状に注入するためのステップ注入発生条件が満たされているか否かのステップ注入判定を行い、前記ステップ注入発生条件が満たされていれば、前記電力変換部から前記電力系統32へ、前記無効電力をステップ状に注入して系統周波数を急変させる第4ステップと、
前記系統周波数の変化に比例して前記無効電力の注入を増大させて、前記系統周波数の変化を拡大することにより、前記系統周波数の異常を生じさせて前記単独運転を検出させる第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。 - 前記補正後の高調波電圧の実効値は、
複数の各次高調波電圧の実効値を合成した総合高調波電圧の実効値により算出される、
ことを特徴とする請求項2又は3記載の単独運転検出方法。 - 前記第5ステップにおいて、
前記補正後の高調波電圧の実効値の変化が検出された時に、周波数フィードバックゲインの切り替えによって前記無効電力の注入量を変える、
ことを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項記載の単独運転検出方法。 - 前記第1ステップにおいて、
前記電力系統から解列した状態にて前記電力変換部から三相交流電圧を出力させて、前記三相交流電圧を前記電圧計測部で計測し、フーリエ演算によって3次高調波の前記補正高調波電圧を取得する、
ことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項記載の単独運転検出方法。 - 前記補正高調波電圧として、
前記電圧計測部における計測誤差の大きい高調波電圧次数のみ取得する、
ことを特徴とする請求項2〜6のずれか1項記載の単独運転検出方法。 - 請求項1記載の高調波計測装置と、
前記補正後の高調波電圧の実効値により、無効電力をステップ状に注入するためのステップ注入発生条件が満たされているか否かのステップ注入判定を行うステップ注入発生条件判定部と、
前記ステップ注入発生条件が満たされていれば、前記電力変換部から前記電力系統側へ、前記無効電力をステップ状に注入して系統周波数を急変させる無効電力ステップ注入手段と、
前記系統周波数の変化に比例して前記無効電力の注入を増大させて、前記系統周波数の変化を拡大することにより、前記系統周波数の異常を生じさせて前記単独運転を検出させる周波数フィードバック手段と、
を有することを特徴とする単独運転検出装置。 - 前記周波数フィードバック手段は、
前記補正後の高調波電圧の実効値の変化が検出された時に、周波数フィードバックゲインの切り替えによって前記無効電力の注入量を変える、
ことを特徴とする請求項8記載の単独運転検出装置。 - 前記補正後の高調波電圧の実効値に基づき、前記周波数フィードバック手段が通常動作を行う能動状態通常モードと、前記周波数フィードバック手段が停止する能動状態待機モードと、の切り替え行う無効電力発振抑制制御部を、
設けたことを特徴とする請求項8又は9記載の単独運転検出装置。 - 請求項8〜10のいずれか1項記載の単独運転検出装置と、
前記直流電力を供給する前記直流電源と、
前記直流電源の系統連系に用いられ、前記直流電力を前記交流電力に変換する前記電力変換部と、
を有することを特徴とする分散型電源システム。
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