JP2991106B2

JP2991106B2 - 系統連系装置

Info

Publication number: JP2991106B2
Application number: JP8091538A
Authority: JP
Inventors: 惇西台; 正邦浅野; 憲昭徳田
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 1999-12-20
Anticipated expiration: 2016-04-12
Also published as: JPH09285012A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば商用電源
系と自家発電系とのように、それぞれ１または複数の発
電装置と多数の負荷とを有する電力系統を連系させるた
めに用いられる装置に関し、特に短絡などによる瞬時電
圧低下の対策に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、上述のような商用電源系と自家
発電系との基本的な連系の構成を説明するための図であ
る。需要家内に引込まれた商用電源線１は、受電母線２
に接続され、この受電母線２には、一般負荷に接続され
る多数の配電線３が接続されている。

【０００３】一方、コジェネ母線５へは、自家発電装置
６と、たとえば自家発電容量の６０〜７０％を占める重
要負荷への配電線４が接続されている。前記受電母線２
とコジェネ母線５とは、遮断器７の介在された母線８に
よって相互に接続されている。前記遮断器７は、短絡や
地絡および受電系の開放等の故障が発生すると、図示し
ない継電器によって遮断駆動される。

【０００４】しかしながら、このような連系構造では、
前記故障が発生してから、実際に遮断器７が作動するま
でに、たとえば５〜１０周期程度（５０Ｈｚで１００〜
２００ｍｓｅｃ）を要し、前記配電線４に接続されてい
る重要負荷に長時間の電圧降下が発生してしまうという
問題がある。また、このように遮断器７が作動するまで
に長時間を要するので、送電端の遮断器が開放される
と、自家発電装置６は、自己容量の数倍の一般需要家の
負荷が接続されたまま運転されることになり、該自家発
電装置６が過負荷となって停止し、最終的にはすべての
負荷が停電状態となる。

【０００５】上述のような不具合を解決するために、図
７で示すような典型的な従来技術の系統連系装置１１が
実用化されている。なお、この図７において、前述の図
６に類似し対応する部分には同一の参照符号を付して、
その説明を省略する。

【０００６】この系統連系装置１１は、相互に逆極性で
並列接続された２つのサイリスタ１２，１３から構成さ
れている。母線２，５間の連系時には、前記継電器から
の出力によって、これらのサイリスタ１２，１３のゲー
トが駆動され、該サイリスタ１２，１３は導通してお
り、前記故障時には、これらサイリスタ１２，１３のゲ
ートはブロックされ、該サイリスタ１２，１３は遮断す
る。

【０００７】サイリスタ１２，１３の駆動にあたっての
前記故障の検知は、たとえば半周期で行われ、続く半周
期の零クロス点で遮断駆動が可能となる。したがって、
直流オフセット電流を考慮すると、前記故障の発生から
１周期（前記５０Ｈｚで２０ｍｓｅｃ）以内で、母線
２，５間を遮断することができる。しかし、この間、完
全短絡電流が流れ、大きな電圧降下を生じることは避け
られない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の系統連系装置１
１によれば、前述の遮断器７による連系に比べて、母線
２，５間の遮断に要する時間が短くなり、自家発電装置
６の停止は回避することができる。しかしながら、依然
として瞬時電圧低下が発生し、コンピュータ等のコジェ
ネ母線５に接続される重要な負荷に影響が生じる。

【０００９】本発明の目的は、商用電源系と自家発電系
とのように、２つの電力系統を連系させるにあたって、
故障時における瞬時電圧低下を抑止することができる系
統連系装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る系
統連系装置は、２つの電力系統間に介在され、両系統を
相互に連系させて電力の融通を行うための系統連系装置
において、両系統の各相連系端子間に接続される２つの
交流端子のうち、いずれか一方には一対の整流性スイッ
チング素子が接続され、いずれか他方には一対のダイオ
ードが接続されて構成される単相整流回路と、前記整流
性スイッチング素子とダイオードとの各接続点である２
つの直流端子間に接続される直流リアクトルとを含むこ
とを特徴とする。

【００１１】上記の構成によれば、それぞれ１または複
数の発電装置と多数の負荷とを備える２つの電力系統間
を接続するにあたって、サイリスタなどで実現される２
つの整流性スイッチング素子と、２つのダイオードとか
ら成る低コストな単相整流回路の直流端子間に直流リア
クトルを接続し、交流端子を２つの電力系統にそれぞれ
接続する。

【００１２】この回路で発揮できる機能としては、 i ．定常運転時に、交流側から見たインピーダンスが殆
ど零であること。 ii．短絡発生時に、瞬時に高インピーダンスを呈し、短
絡電流を抑制できること。 iii ．整流性スイッチング素子によって、両系統間を高
速で遮断できること。である。

【００１３】上記i ，ii，iii に従って説明する。 i ．前記直流リアクトルは、その電流減衰の時定数が電
力系統の系統周波数周期の２．５倍以上に選ばれること
によって、定常時のインピーダンスを略零とすることが
できるとともに、故障発生時にのみ大きなインピーダン
スを呈する。

【００１４】ii．前記故障が発生しても、直流リアクト
ルによる電流保存作用によって、該直流リアクトルの端
子間電圧が上昇し、前記切離されるべき電力系統側の重
要な負荷への瞬時の電源電圧の低下も抑えることができ
る。さらにまた、前記直流リアクトルによる電流保存作
用によって、前記故障の発生している配電線に流れる故
障電流を抑える限流作用を実現することができ、双方の
電力系統の短絡容量を抑えることもできる。

【００１５】iii ．故障が発生すると、整流性スイッチ
ング素子が高速で遮断して、２つの電力系統間が切離さ
れることによって、切離される電力系統に設けられてい
る発電装置が過負荷となって停止してしまうようなこと
はなく、停電を防止することができる。

【００１６】類似装置として、後に詳述するように、単
相混合ブリッジ整流回路を限流装置に用いた例が、特開
昭４９−５０４４８号公報で示されている。この装置で
は、直流電源の作用によって、常時、サイリスタおよび
ダイオードに電流を流しておき、交流回路の電流がその
電流値以下であれば、交流側から見たインピーダンスは
零となり、前記電流値以上となれば、限流動作を行う回
路である。

【００１７】かかる目的の直流電源を付加することは、
技術的・経済的に同発明の実現性を困難にしている。

【００１８】そこで、さらに請求項２の発明に係る系統
連系装置では、前記直流リアクトルのリアクタンス成分
および抵抗成分ならびに整流性スイッチング素子とダイ
オードとの整流回路から成る電流減衰時定数が、前記電
力系統の系統周波数周期の２．５倍以上にすることによ
って、直流電源を削除している。

【００１９】前記電流減衰時定数と系統連系装置の交流
端子間に生じる等価インピーダンスとの関係を示すと図
２のようになる。一般的には、系統短絡故障時の故障電
流を定格電流の３倍程度に抑制するように直流リアクタ
ンスを選定する。すなわち、定格電流ベースの３３％の
インピーダンスを連系装置に持たせることになる。

【００２０】一方、通常の運転状態では、前記等価イン
ピーダンスを極力小さくすることが好ましく、実用上
は、定格電流ベースで３％、すなわち図２に示す等価イ
ンピーダンスが直流リアクトルＬの示す交流インピーダ
ンスの０．０９ｐｕ（＝３％／３３％）以下でその要求
を満たすことができるので、前記図２から、前記電流減
衰時定数が電力系統の系統周波数周期の２．５倍以上あ
れば良いことを利用している。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態について、
図１〜図５に基づいて説明すれば以下のとおりである。

【００２２】図１は、本発明の実施の一形態の系統連系
装置２１を説明するための図である。この系統連系装置
２１は、需要家内で、受電母線２２とコジェネ母線２３
とを接続する母線２４に介在される。受電母線２２に
は、商用電源線２５が接続されるとともに、多数の一般
負荷のための配電線２６が接続されている。また、コジ
ェネ母線２３には、自家発電装置２７が接続されるとと
もに、コンピュータ等の重要負荷が接続される配電線２
８が接続されている。

【００２３】前記系統連系装置２１は、整流性スイッチ
ング素子である一対のサイリスタＴＨ１，ＴＨ２と、一
対のダイオードＤ１，Ｄ２と、直流リアクトルＬとを備
えて実現される。注目すべきは、本発明では、前記母線
２４に接続される一対の交流端子ＡＣ１，ＡＣ２の、い
ずれか一方に前記一対のサイリスタＴＨ１，ＴＨ２が接
続され、いずれか他方に一対のダイオードＤ１，Ｄ２が
接続される。（図１の例では、交流端子ＡＣ１にサイリ
スタＴＨ１，ＴＨ２が接続され、交流端子ＡＣ２にダイ
オードＤ１，Ｄ２が接続されている。）これに対して、
直流端子ＤＣ１，ＤＣ２間には、直流リアクトルＬが接
続される。

【００２４】この系統連系装置２１において、直流リア
クトルＬのリアクタンス成分および抵抗成分ならびにサ
イリスタＴＨ１，ＴＨ２とダイオードＤ１，Ｄ２とから
成る整流回路によって決定される電流減衰時定数と、電
力系統側から見た等価インピーダンスとの間には、図２
で示すように、電流減衰時定数が大きくなる程、等価イ
ンピーダンスが小さくなるという関係を有する。一方、
定常動作時の装置インピーダンスは極力小さいことが望
ましい。したがって本発明では、この図２から、前記電
流減衰時定数は、電力系統の系統周波数周期の２．５倍
以上に選ぶ。

【００２５】上述のように構成された系統連系装置２１
において、定常時には、サイリスタＴＨ１，ＴＨ２のゲ
ートが駆動され、該サイリスタＴＨ１，ＴＨ２が導通
し、参照符ｉ１またはｉ２で示す経路で電流が流れてい
る。したがって、直流リアクトルＬに流れる電流の方向
および振幅は一定であり、該直流リアクトルＬのインピ
ーダンスＺ（＝ωＬ）は零となって、損失が発生するこ
とはない。

【００２６】これに対して、たとえば配電線２６の短絡
や地絡および受電系の開放等の故障が発生し、コジェネ
母線２３側から受電母線２２側に過電流が流れようとす
ると、直ちに、直流リアクトルＬは、その端子間に流れ
る電流を一定に保持しようとして、該直流リアクトルＬ
の前記インピーダンスＺが大きくなって、端子間電圧を
上昇する。

【００２７】これによって、交流端子ＡＣ１，ＡＣ２側
から見たインピーダンスが増大することになり、母線２
４を介してコジェネ母線２３側から受電母線２２側へ流
れる電流を抑制する限流作用を実現することができ、そ
の間に、短絡や地絡継電器の出力によって、サイリスタ
ＴＨ１，ＴＨ２のゲートがブロックされ、コジェネ母線
２３が受電母線２２から、１周期以内の高速で、かつ確
実に遮断されるので、自家発電装置２７が過負荷となる
ことを防止することができる。

【００２８】このようにして、受電母線２２側での故障
に対して、自家発電装置２７が停止してしまうことを防
止することができ、停電を防止することができる。ま
た、前記直流リアクトルＬの端子間電圧の上昇によっ
て、コジェネ母線２３の瞬時電圧低下を抑えることもで
きる。こうして、コジェネ系統の運用の信頼性を向上す
ることができる。また、前記限流作用が達成されること
によって、コジェネ母線２３側および受電母線２２側の
双方の短絡容量を抑えることもできる。

【００２９】ところで、前記の類似装置である単相混合
ブリッジ整流回路を限流装置に用いた例（特開昭４９−
５０４４８号公報）を、図３（ａ）に示す。この限流装
置３１は、相互に並列に接続された混合ブリッジ整流回
路３２と、限流リアクトルＬ２とが、交流線路３３に直
列に介在されて構成されている。

【００３０】混合ブリッジ整流回路３２は、一対のサイ
リスタｔｈ１，ｔｈ２と、一対のダイオードｄ１，ｄ２
と、直流リアクトルＬ１と、前記直流リアクトルＬ１に
直列に接続される直流電源Ｂとを備えて構成されてい
る。注目すべきは、一方の交流端子ＡＣ１にはサイリス
タｔｈ１およびダイオードｄ１が接続され、他方の交流
端子ＡＣ２にはサイリスタｔｈ２およびダイオードｄ２
が接続されることである。したがって、直流端子ＤＣ１
にはサイリスタｔｈ１，ｔｈ２が接続され、直流端子Ｄ
Ｃ２にはダイオードｄ１，ｄ２が接続され、直流端子Ｄ
Ｃ１，ＤＣ２間には、前記直流リアクトルＬ１と直流電
源Ｂとの直列回路が接続されている。

【００３１】このように構成された限流装置３１では、
定常時には、サイリスタｔｈ１，ｔｈ２が導通してお
り、限流リアクトルＬ２をバイパスして、混合ブリッジ
整流回路３２を介して線路電流が流れている。これに対
して、故障時には、直流電源Ｂで設定された電流値以上
の電流が直流リアクトルＬ１によって抑制され、限流効
果が発揮される。その後、サイリスタｔｈ１，ｔｈ２を
遮断する。このサイリスタｔｈ１，ｔｈ２の遮断によっ
て、交流端子ＡＣ１，ＡＣ２間に不所望な過電圧が発生
するので、その過電圧を抑制するための限流リアクトル
Ｌ２によって、交流端子ＡＣ１，ＡＣ２間に側路回路を
形成する。この限流リアクトルＬ２が存在するために、
連系の分離を目的とする系統連系装置には適用すること
ができない。

【００３２】上述のように構成される混合ブリッジ整流
回路３２において、あえて限流リアクトルＬ２を削除
し、また直流リアクトルＬ１が作用する閾値電流を決定
する直流電源Ｂを削除して、本発明のように系統連系装
置に用いる場合を想定してみる。図３（ｂ）に、そのよ
うにして構成した場合の系統連系装置４１の構成を示
す。なお、この系統連系装置４１において、本発明の系
統連系装置２１に類似し対応する部分には、同一の参照
符号を付してその説明を省略する。

【００３３】注目すべきは、この系統連系装置４１で
は、一方の交流端子ＡＣ１にはサイリスタＴＨ１ａおよ
びダイオードＤ１ａが接続され、他方の交流端子ＡＣ２
にはサイリスタＴＨ２ａおよびダイオードＤ２ａが接続
されることである。したがって、直流端子ＤＣ１には一
対のサイリスタＴＨ１ａ，ＴＨ２ａが接続されることに
なり、直流端子ＤＣ２には一対のダイオードＤ１ａ，Ｄ
２ａが接続されることになる。また、直流端子ＤＣ１，
ＤＣ２間には、直流リアクトルＬが介在される。すなわ
ち、本発明の系統連系装置２１とは、単相ブリッジ整流
回路におけるサイリスタとダイオードとの接続形態が異
なっている。

【００３４】これらの系統連系装置２１と４１との遮断
動作時における各部のシミュレーション波形を、図４お
よび図５でそれぞれ示す。シミュレーションの条件は、
商用電源側の％インピーダンスを１００とし、その電源
のリアクタンスを１．０ｐｕとし、電源周波数を５０Ｈ
ｚとし、直流リアクトルＬのリアクタンスを４．０ｐｕ
としている。サイリスタＴＨ１，ＴＨ１ａを流れる電流
は、それぞれ図４（ａ）および図５（ａ）で示されてい
るように、交流端子ＡＣ１がハイレベルである半周期が
経過して、一旦、零クロスとなった時点で消弧し、以
後、該電流は、流れなくなっている。

【００３５】これによって、ダイオードＤ２に流れる電
流は、図４（ｃ）において参照符α１で示す前記サイリ
スタＴＨ１を流れる電流に対応した電流と、直流リアク
トルＬの放出エネルギーによる電流α２となるのに対し
て、ダイオードＤ２ａを流れる電流は、図５（ｃ）にお
いて参照符β１で示す前記サイリスタＴＨ１ａを流れる
電流に対応した電流と、参照符β２，β３，β４，…で
示すように、直流リアクトルＬの放出エネルギーによっ
て加算されてゆく電流となる。この現象は、図３（ｂ）
において参照符ｉ３で示すように、前記サイリスタＴＨ
１ａが遮断することによって還流する電流によって、サ
イリスタＴＨ２ａが消弧することができず、該電流が増
加してゆくために生じる。

【００３６】したがって、サイリスタＴＨ２を流れる電
流が図４（ｂ）で示すように、交流端子ＡＣ２がハイレ
ベルとなる半周期だけで消弧するのに対して、該サイリ
スタＴＨ２ａを流れる電流は、図５（ｂ）で示すよう
に、１周期毎に増加してゆくことになる。また、これに
よって、ダイオードＤ１を流れる電流が、図４（ｄ）で
示すように、前記図４（ｂ）で示すサイリスタＴＨ２を
流れる電流と、図４（ｃ）において参照符α２で示す直
流リアクトルＬの放出による電流との和となるのに対し
て、ダイオードＤ１ａを流れる電流は、図５（ｄ）で示
すように、前記図５（ｃ）で示すダイオードＤ２ａを流
れる電流と同様に、１周期毎に増加してゆく。

【００３７】また、これによって、系統連系装置２１と
系統連系装置４１とのそれぞれにおいて、直流リアクト
ルＬを流れる電流を図４（ｅ）および図５（ｅ）で示
し、コジェネ母線２３の電圧を図４（ｆ）および図５
（ｆ）で示し、受電母線２２の電圧を図４（ｇ）および
図５（ｇ）で示し、コジェネ母線２３側から受電母線２
２側へ流れる故障電流を図４（ｈ）および図５（ｈ）で
示す。

【００３８】本発明に従う系統連系装置２１では、直流
リアクトルＬを流れる電流が図４（ｅ）で示すように、
ほぼ一定値で収束しているのに対して、系統連系装置４
１では、図５（ｅ）で示すように、前記１周期毎に増加
してゆく。これに対応して、故障電流も、本発明の系統
連系装置２１では、図４（ｈ）で示すように１周期で、
高速、かつ確実に遮断されているのに対して、系統連系
装置４１では、図５（ｈ）で示すように、１周期毎に増
加してゆく。

【００３９】したがって、この系統連系装置４１は、限
流装置としての機能は果たしているけれども、いずれか
一方のサイリスタＴＨ１ａまたはＴＨ２ａを消弧するこ
とができず、したがって系統連系装置として使用するこ
とが不可能である。

【００４０】この点、本発明に従う系統連系装置２１
は、故障発生時に直流リアクトルＬによって限流動作を
行うとともに、サイリスタＴＨ１，ＴＨ２を遮断するこ
とによって、確実に故障電流を遮断することができる。
これによって、瞬時電圧低下を大幅に改善することがで
き、コンピュータ等の重要な負荷に対して、従来個別に
設けられていた無停電電源の省略を可能とすることがで
きる。また、高速での遮断が可能となり、自家発電装置
２７が過負荷状態となることを防止することができ、該
自家発電装置２７の停止による停電や、急激な過負荷に
よる発電機シャフトへの過剰なトルク負担の発生等の不
所望な事態を確実に防止することができる。さらにま
た、コジェネ母線２３側および受電母線２２側の双方の
短絡容量を小さく抑えることも可能となる。

【００４１】

【発明の効果】本発明に係る系統連系装置は、以上のよ
うに、２つの電力系統を相互に連系させて電力の融通を
行うための系統連系装置を、各系統に接続される２つの
交流端子のうち、いずれか一方には一対の整流性スイッ
チング素子を接続し、いずれか他方には一対のダイオー
ドを接続した単相整流回路と、前記整流性スイッチング
素子とダイオードとの各接続点である２つの直流端子間
に接続される直流リアクトルとを備えて構成する。

【００４２】それゆえ、故障が発生すると、整流性スイ
ッチング素子が高速で遮断して、２つの電力系統間を切
離すことができ、切離される電力系統に設けられている
発電装置が過負荷となって停止してしまうようなことは
なく、停電を防止することができる。また、前記故障が
発生しても、直流リアクトルによる電流保存作用によっ
て、該直流リアクトルの端子間電圧が上昇し、前記切離
されるべき電力系統側の重要な負荷への瞬時の電源電圧
の低下も抑えることができる。さらにまた、前記直流リ
アクトルによる電流保存作用によって、前記故障の発生
している配電線に流れる故障電流を抑える限流作用を実
現することができ、双方の電力系統の短絡容量を抑える
こともできる。

【００４３】また、前記直流リアクトルを、その電流減
衰時定数を電力系統の系統周波数周期の２．５倍以上と
しているので、定常時の直流電流に対してのインピーダ
ンスは略零であり、故障発生時にのみ大きなインピーダ
ンスを呈する。したがって、定常時における損失をほぼ
零とすることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の系統連系装置を説明す
るための図である。

【図２】交流電源周期に対する電流減衰時定数と等価イ
ンピーダンスとの関係を示すグラフである。

【図３】限流装置と、それを系統連系装置に用いる場合
に考えられる構成例を示す図である。

【図４】図１で示す系統連系装置の動作を説明するため
の波形図である。

【図５】図３で示す系統連系装置の動作を説明するため
の波形図である。

【図６】系統連系の基本的構成を説明するための図であ
る。

【図７】典型的な従来技術の系統連系装置を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

２１系統連系装置２２受電母線（電力系統）２３コジェネ母線（電力系統）２４母線２５商用電源線２６配電線２７自家発電装置２８配電線ＡＣ１，ＡＣ２交流端子Ｄ１，Ｄ２ダイオードＤＣ１，ＤＣ２直流端子ＴＨ１，ＴＨ２サイリスタ（整流性スイッチング素
子）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭48−97042（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−50448（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02J 3/00 - 5/00 H02J 9/06 H02H 9/00 - 9/04 H02M 1/08 H02M 7/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの電力系統間に介在され、両系統を相
互に連系させて電力の融通を行うための系統連系装置に
おいて、両系統の各相連系端子間に接続される２つの交流端子の
うち、いずれか一方には一対の整流性スイッチング素子
が接続され、いずれか他方には一対のダイオードが接続
されて構成される単相整流回路と、前記整流性スイッチング素子とダイオードとの各接続点
である２つの直流端子間に接続される直流リアクトルと
を含むことを特徴とする系統連系装置。
【請求項２】前記直流リアクトルのリアクタンス成分お
よび抵抗成分ならびに整流性スイッチング素子とダイオ
ードとの整流回路から成る電流減衰時定数が、前記電力
系統の系統周波数周期の２．５倍以上であることを特徴
とする請求項１記載の系統連系装置。