JP4118259B2

JP4118259B2 - 直流地絡検出装置

Info

Publication number: JP4118259B2
Application number: JP2004189052A
Authority: JP
Inventors: 浩二青山; 英成加藤
Original assignee: Aichi Electric Co Ltd
Current assignee: Aichi Electric Co Ltd
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: JP2006014515A

Description

本発明は、直流電源の直流電力を交流電力に変換して、接地を有する交流電力系統に連系する非絶縁の電力変換装置に備えられ、かつ、直流電源から電力系統の接地点を介して流れる直流地絡電流を検出することにより地絡事故を検出することのできる直流地絡検出装置に関する。

従来から、太陽電池等の直流電源の直流電力をインバータ回路によって交流電力に変換して、接地を有する交流電力系統に変圧器を設置することなく非絶縁にて連系し、かつ、直流電路に地絡事故が発生した場合は、これを検出して、前記インバータ回路の動作を停止させる直流地絡検出装置を具備した電力変換装置は種々提案されている（特許文献１参照）。
特開２０００−２３３６８号公報

前記［特許文献１］記載の電力変換装置（太陽光発電システム）は、図３に示すように、例えば、単相３線の商用電源３に漏電ブレーカよりなる主幹ブレーカ２０を介して接続した幹線と分散電源との間に解列開閉器１０を介在させている。

負荷４には前記幹線を通して電力が供給され、商用電源３と分散電源２とのどちらからも負荷４に対して電力が供給可能となっている。前記分散電源２は太陽電池１を具備しており、太陽電池１から出力される直流電圧を昇圧回路５によって昇圧し、昇圧回路５の出力電圧をインバータ回路６により交流電圧に電力変換する。

インバータ回路６の出力はフィルタ回路７を通して解列開閉器１０に接続され、このフィルタ回路７によりインバータ回路６から出力される方形波状の交流電圧が正弦波状に波形整形される。前記昇圧回路５とインバータ回路６は、それぞれスイッチング素子（図示せず）を備え、これらスイッチング素子は制御部８によって制御される。

前記制御部８は、各種の異常（地絡等）が検出されたときに、前記スイッチング素子をオフしてインバータ回路６の動作を停止させるとともに解列開閉器１０を開極させる機能を有している。前記分散電源２には、トロイダル状のコアを備える変流器からなる地絡検出用の電流センサ１１が設けられており、該電流センサ１１の出力は、判断回路９に与えられ、判断回路９は電流センサ１１の出力に基づいて地絡を検出すると、前記インバータ回路６の動作を停止させ、かつ解列開閉器１０を開極させるように制御部８を制御する。

すなわち、太陽電池１の負側で地絡が生じて抵抗Ｒｇで示す経路が形成されると、太陽電池１→昇圧回路５→インバータ回路６→フィルタ回路７→解列開閉器１０→主幹ブレーカ２０→商用電源３→抵抗Ｒｇ→太陽電池１という経路を通して地絡電流が流れる。

このように地絡電流が流れると、電流センサ１１に流れる電流に不平衡が生じるので、電流センサ１１の出力に基づいて判断回路９が地絡と判断し、制御部８を通して解列開閉器１０を解列させた後、インバータ回路６の動作を停止させる。

然るに、この種の電流センサ１１においては、変流器のヒステリシス特性に製作上のバラツキがあるので、直流地絡電流の検出誤差が大きくなる問題があった。また、比較的大きな地絡電流が流れると、電流センサ１１を構成する変流器のコア（図示せず）が地絡電流によって磁化され、地絡が回復した後も当該コアに磁気が残留してしまう。

これにより、前記判断回路９が地絡を検出するときの電流値が変動してしまい、判断回路９による地絡の誤検出を生じさせる虞があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、直流地絡電流の検出値が一定であり、速やかで、かつ誤検出のない地絡検出を実現することのできる直流地絡検出装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、直流電源の直流電力を交流電力に変換して、接地を有する交流電力系統に連系する非絶縁の電力変換装置に適用され、かつ直流電源から交流電力系統の接地点を介して流れる地絡電流を検出する直流地絡検出装置であって、直流ライン、若しくは、交流ラインに挿入された変流器の２次巻線に交流電圧を印加する励磁回路と、前記励磁回路により２次巻線に流れる励磁電流を、抵抗により電圧変換してその絶対値を計算する絶対値計算回路、電圧変換された前記励磁電流の絶対値を平均化する平均化回路、前記電力変換装置が運転する前の当該平均値を記憶する第１の記憶部、直流地絡を判定するために予め設定した値を記憶させる第２の記憶部、前記電力変換装置の運転中の当該平均値と前記第１の記憶部に記憶した平均値との差を、第２の記憶部に記憶させた値と比較することにより直流地絡発生の有無を判別する判別回路と、当該判別回路から出力される直流地絡検出信号によりインバータ回路の動作を停止させる制御回路からなる地絡検出回路を備え、前記平均化回路は、前記励磁回路が印加する電圧の１周期毎に前記励磁電流の絶対値を平均する機能を具備して構成した。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記励磁回路は、交流信号発生器から出力される交流電圧信号を所定の電圧値の交流電圧に増幅する増幅器と、該増幅器を介して前記変流器の２次巻線、および、当該２次巻線に直列接続された前記抵抗に交流電圧を印加するように構成し、前記増幅回路は、その増幅率を変化させることにより、前記変流器の２次巻線に印加される電圧を除々に減衰させるように構成した。

請求項１記載の発明によれば、直流地絡電流が流れていない状態、つまり前記電力変換装置が運転を開始する前に、交流励磁された変流器の励磁電流の絶対値を平均して初期値として記憶し、前記電力変換装置が運転を開始した後、前記変流器の励磁電流の絶対値を平均した値から前記初期値を差し引いて、これを設定値と比較するように構成したので、前記変流器のヒステリシス特性に製作上のバラツキがあっても、電力変換装置を運転する度にこれをオフセット補正することができ、直流地絡電流の検出誤差を小さくすることができる。

また、請求項１記載の発明によれば、地絡検出回路において、前記変流器の２次巻線に印加する電圧の１周期毎に、励磁電流の絶対値を平均化するように構成したので、励磁電流の絶対値をフィルタを使用し、平滑して平均化する必要は一切なく、当該平滑フィルタに起因して発生する地絡電流の検出遅延を回避することができる。

請求項２記載の発明によれば、前記直流地絡検出装置が前記初期値を記憶する前に、励磁回路によって前記変流器に次第に減衰する交流電流を流すように構成したので、電力変換装置が運転する前に、前記変流器の残留磁気を確実に取り除くことができる。この結果、前記直流地絡検出装置が直流地絡を検出する際の電流値を一定にすることができ、以って、地絡の誤検出を良好に防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図１により説明する。図１は本発明の直流地絡検出装置を備えた電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１において、１０１は太陽電池や燃料電池等の直流電源であり、１０２は、直流電源１０１から供給される直流電力を交流に変換する非絶縁型の電力変換装置であり、また、１０３は中性点が接地された単相３線式の交流電力系統を示している。

前記電力変換装置１０２は、直流電源１０１の直流電力を所定の直流電圧に昇圧させる昇圧回路１０４と、該昇圧回路１０４で昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路１０５と、前記交流電圧から高周波成分を除去するフィルタ回路１０６、および、当該電力変換装置１０２を前記交流電力系統１０３に連系、または、解列する解列開閉器１０７から構成されている。

また、図１において、１０８は直流電源１０１から交流電力系統１０３の接地点を介して地絡電流が流れること（地絡事故）を検出する本発明に係る直流地絡検出装置を示しており、直流電源１０１と昇圧回路１０４間の直流電路（直流ライン）に設置された変流器１０９と、該変流器１０９の図示しない２次巻線に交流電流を印加する励磁回路１１０、および、地絡事故の有無を判定する地絡検出回路１１１と、地絡検出回路１１１からの信号の内容に応じて、前記昇圧回路１０４やインバータ回路１０５を運転／停止させたり、解列開閉器１０７を入／切する制御回路１１２から概略構成されている。

また、前記励磁回路１１０は、交流信号発生器１１３と、該交流信号発生器１１３の出力電圧を増幅させる増幅回路１１４から構成されている。

さらに、前記地絡検出回路１１１は、前記変流器１０９の２次巻線（図示せず）と直列に接続された抵抗１１５と、抵抗１１５によって電圧変換された前記励磁電流の絶対値を計算する絶対値計算回路１１６、前記励磁電流の絶対値を平均化する平均化回路１１７、この平均値を記憶する第１の記憶部１１８、第１の記憶部１１８に記憶した平均値に基づく計算結果を、第２の記憶部１１９に予め記憶させた設定値と比較することにより、地絡事故の発生の有無を判別する判別回路１２０を備えて構成されている。

つづいて、前記直流地絡検出装置１０８の動作について説明する。本発明の直流地絡検出装置１０８は、電力変換装置１０２が運転を開始する前に、まず、励磁回路１１０の交流信号発生器１１３から増幅回路１１４を介して所定の電圧値の交流電圧を、変流器１０９の２次巻線（図示せず）と、該２次巻線に直列接続された抵抗１１５に印加することにより、励磁電流を流す。

地絡検出回路１１１は、絶対値計算回路１１６により抵抗１１５で電圧変換された前記励磁電流の絶対値を計算して、平均化回路１１７に出力する。平均化回路１１７では、変流器１０９の２次巻線（図示せず）に印加する電圧の１周期毎に前記励磁電流の絶対値を平均化して、これを初期値として第１の記憶部１１８に記憶する。

次に、電力変換装置１０２が運転を開始した後、前述と同様に、抵抗１１５にて電圧変換した前記励磁電流の絶対値を計算して、平均化回路１１７で変流器１０９の図示しない２次巻線に印加する電圧の１周期毎に前記励磁電流の絶対値を平均化し、前記初期値を差し引いた後、判別回路１２０に出力する。

判別回路１２０では、電力変換装置１０２が運転を開始した後に平均化回路１１７で処理した絶対値の平均値から、先に第１の記憶部１１８に記憶させた初期値を差し引いた値を第２の記憶部１１９に予め記憶させた設定値と比較する。そして、この比較結果が設定値を上回るものである場合は、直流地絡が発生したものと判別し、一方、設定値を下回る結果であれば、直流地絡は発生していないと判別する。

この比較結果は、前記判別回路１２０から制御回路１１２に直流地絡検出信号として送出され、前記制御回路１１２において直流地絡の発生が確認された場合は、昇圧回路１０４とインバータ回路１０５の動作を停止させ、解列開閉器１０７をオフすることにより、電力変換装置１０２を交流電力系統１０３から解列させて、直流電源１０１から交流電力系統１０３の接地点を介して地絡電流が流れることを即座に解消し、地絡電流によって火災等が発生することを未然に防止することができる。

つまり、本発明の直流地絡検出装置１０８によれば、変流器１０９のヒステリシス特性に製作上のバラツキがあっても、電力変換装置１０２が運転を開始する前に算出した絶対値の平均値を初期値として記憶し、電力変換装置１０２が運転を開始した後に算出した絶対値の平均値から前記初期値を差し引いた値を予め記憶させた設定値と比較することにより直流地絡の有無を判別する構成であるので、電力変換装置１０２を運転する度に変流器１０９のヒステリシス特性のバラツキをオフセット補正することができ、直流地絡電流の検出誤差を極力小さくすることができる。

また、変流器１０９の２次巻線（図示せず）に印加する電圧の１周期毎に励磁電流の絶対値を平均する構成であるので、フィルタを使用し、電流波形を平滑して平均値を求める場合と異なり、前記フィルタの時定数が大きいことに起因する地絡検出の遅延が生じることはない。

なお、図１に示す直流地絡検出装置１０８も、従来技術に示す装置（太陽光発電システム）と同様に、コア（図示せず）を備える変流器１０９の出力から直流電路の地絡を検出するように構成しているが、本発明の直流地絡検出装置１０８は、変流器１０９の２次巻線（図示せず）に印加する電圧を増幅回路１１４にて次第に減少させることにより、前記コア（図示せず）を確実に消磁させることができる。

すなわち、直流電路が地絡すると、比較的大きな直流地絡電流が流れ、この直流電流によって変流器１０９のコア（図示せず）に磁気が残留してしまう。残留磁気があると、地絡検出精度に誤差が生じてしまうので、この残留磁気を持ったまま地絡検出動作を行うのには問題があった。

そこで、第１の記憶部１１８に初期値を記憶させる前に、磁化してしまった変流器１０９のコア（図示せず）を元の残留磁気の無い状態に戻すことを目的として、励磁回路１１０の増幅回路１１４によってその増幅率を変化させることにより、変流器１０９の２次巻線（図示せず）に印加される電圧を除々に減衰させて前記コア（図示せず）を消磁させる。

これにより、変流器のコア（図示せず）の残留磁気を確実に取り除いて、検出レベルを常に一定に維持することができ、地絡の誤検出を確実に防止することが可能となる。

なお、前述した実施例においては、直流ラインに流れる直流地絡電流を検出する位置に変流器１０９を挿入した例について説明したが、本発明の直流地絡検出装置１０８はこの構成に限定されることなく、例えば、図２に示すように、フィルタ回路１０６と解列開閉器１０７間に変流器１０９を挿入して、交流ラインに流れる直流地絡電流を検出するように構成しても良い。

また、本発明の直流地絡検出装置１０８が適用される電力変換装置１０２は、図１に示す構成に限定されるものではなく、非絶縁型の電力変換装置であれば適用可能であることは当然である。

さらに、前記電力変換装置１０２と連系する交流電力系統１０３も図１に示す単相３線式の電気方式に限らず、単相２線式や３相３線式、３相４線式など接地されている系統であれば本発明の適用が可能である。

系統連系システムなどの電力変換装置に適用可能であり、直流地絡の検出レベルを一定にして地絡の誤検出を防止できるとともに、変流器が有する製作上のヒステリシス特性のバラツキを前記電力変換装置の運転の度にオフセット補正して直流地絡電流の検出誤差を小さくできる。

本発明の直流地絡検出装置の構成を示すブロック図である。本発明を適用可能な系統連系システムの回路図である。従来の直流地絡検出装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０１直流電源
１０２電力変換装置
１０３交流電力系統
１０４昇圧回路
１０５インバータ回路
１０６フィルタ回路
１０７解列開閉器
１０８直流地絡検出装置
１０９変流器
１１０励磁回路
１１１地絡検出回路
１１２制御回路
１１３交流信号発生器
１１４増幅回路
１１５抵抗
１１６絶対値計算回路
１１７平均化回路
１１８第１の記憶部
１１９第２の記憶部
１２０判別回路

Claims

直流電源の直流電力を交流電力に変換して、接地を有する交流電力系統に連系する非絶縁の電力変換装置に適用され、かつ直流電源から交流電力系統の接地点を介して流れる地絡電流を検出する直流地絡検出装置であって、直流ライン、若しくは、交流ラインに挿入された変流器の２次巻線に交流電圧を印加する励磁回路と、前記励磁回路により２次巻線に流れる励磁電流を、抵抗により電圧変換してその絶対値を計算する絶対値計算回路、電圧変換された前記励磁電流の絶対値を平均化する平均化回路、前記電力変換装置が運転する前の当該平均値を記憶する第１の記憶部、直流地絡を判定するために予め設定した値を記憶させる第２の記憶部、前記電力変換装置の運転中の当該平均値と前記第１の記憶部に記憶した平均値との差を、第２の記憶部に記憶させた値と比較することにより直流地絡発生の有無を判別する判別回路と、当該判別回路から出力される直流地絡検出信号によりインバータ回路の動作を停止させる制御回路からなる地絡検出回路を備え、前記平均化回路は、前記励磁回路が印加する電圧の１周期毎に前記励磁電流の絶対値を平均する機能を具備するとともに、前記励磁回路は、交流信号発生器から出力される交流電圧信号を所定の電圧値の交流電圧に増幅する増幅器と、該増幅器を介して前記変流器の２次巻線、および、当該２次巻線に直列接続された前記抵抗に交流電圧を印加するように構成し、前記増幅回路は、その増幅率を変化させることにより、前記変流器の２次巻線に印加される電圧を除々に減衰させるように構成したことを特徴とする直流地絡検出装置。