JP4140837B2

JP4140837B2 - 配電系統に接続する実機器の試験装置

Info

Publication number: JP4140837B2
Application number: JP2003371736A
Authority: JP
Inventors: 浩助黒川; 裕孝小泉; 一平竹内; 浩永吉
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP2005134280A

Description

本発明は配電系統に接続して使用される太陽光発電システム等の実機器を試験する試験装置に係り、特に、太陽光発電システム等の実機器を小規模な配電系統模擬回路に接続して試験することができる試験装置に関する。

近年、地球環境問題に対する関心の高まりを背景に、一般家庭の屋根に設置する太陽光発電（ＰＶ）システムが急速に普及しており、今後も普及し続けることが予想される。家庭等に設置されるＰＶシステムを電力系統（配電系統）に接続する場合、ＰＶシステム設置前に、ＰＶシステムの単独運転防止機能，電力系統保護機能，ＴＨＤ（Total Harmonic distortion：各高調波の歪み率）機能等を試験する必要がある。

この試験は、実規模の独立した模擬配電系統を用意し、ＰＶシステムをこの模擬配電系統に接続することで、直接的に行うことが可能である。しかし、実規模の模擬配電系統は、規模的に電力会社など一部の法人のみが用意することができるだけであり、一般的には利用できない。

また、コンピュータシミュレーションによって試験を行うことも可能であるが、コンピュータシミュレーションによる試験は、実際にＰＶシステムを配電系統に接続して行う試験ではないという問題がある。

このため、従来は、下記非特許文献１に記載されているように、配電系統を等価回路に置き換え、抵抗やインダクタで構成される配電系統シミュレータを作成し、ＰＶインバータを試験している。

しかし、この従来の試験装置は、実規模の配電系統と比べれば小さいが、実規模の電源を直接接続できる抵抗やインダクタンスにより負荷が構成されているため、サイズが大きく，規模や拡張や負荷の変更が困難であり、コストが高いという問題がある。しかも、ＰＶシステムを多数台連係させたときの試験や、系統内相互干渉試験を行うと、試験装置が大型化してしまうという問題もある。

Y.Noda,T,Mizuno,H.Koizumi,K.Nagasaka,K.Kurokawa："The development of a scaled-down simulator for distribution grids and its application for verifying interference behavior among a number of module integrated converters (MIC)",29 th IEEEPVSC,pp.1545-1548,May 2002

電力系統に接続して使用する実機器の試験を行う試験装置は、小スペース，低コストで、しかも、電力系統の規模の拡張や負荷の変更が容易に行える構成にすることが望まれる。このため、電子回路で作成した超縮小型の配電系統模擬回路を用意し、この配電系統模擬回路に、ＰＶインバータのような実機器を直接接続して試験できるようにするのが良い。しかし、この場合、配電系統模擬回路（電子回路）の動作電圧と実機器の動作電圧との違いによって、配電系統模擬回路（電子回路）の回路素子が破壊されたりしないようにし、また、配電系統模擬回路の動作電圧が実際の電力系統の系統電圧を忠実に模擬する構造にする必要がある。

本発明の目的は、電子回路で構成した配電系統模擬回路に実機器を直接接続して試験を行うことができる、小スペースで低コスト、規模拡張や負荷変更を容易に行うことが可能な試験装置を提供することにある。

本発明の試験装置は、配電系統に接続して使用される実機器を試験する試験装置において、前記配電系統を電子回路で模擬した配電系統模擬回路と、前記実機器と前記配電系統模擬回路との間に接続されるアクティブパワーインタフェース装置とを備えることを特徴とする。

本発明の試験装置のアクティブパワーインタフェース装置は、前記実機器側の電圧をＶＲ，電流をＩＲとし、前記配電系統模擬回路側の電圧をＶＳ，電流をＩＳとした場合に、前記実機器側の電圧ＶＲ，電流ＩＲを夫々常時検出する第１電圧センサ及び第１電流センサと、検出された電圧ＶＲ，電流ＩＲをそれぞれｎ／ｍ倍，Ｎ／Ｍ倍した電圧（ｎ／ｍ）ＶＲ，電流（Ｎ／Ｍ）ＩＲが前記電圧ＶＳ，電流ＩＳとなるように制御する電圧制御ユニットと、前記配電系統模擬回路側の電圧ＶＳ，電流ＩＳを夫々常時検出する第２電圧センサ及び第２電流センサと、検出された電圧ＶＳ，電流ＩＳをそれぞれｍ／ｎ倍，Ｍ／Ｎ倍した電圧（ｍ／ｎ）ＶＳ，電流（Ｍ／Ｎ）ＩＳが前記電圧ＶＲ，電流ＩＲとなるように制御する電流制御ユニットとを備えることを特徴とする。尚、ｎ，ｍ，Ｎ，Ｍは任意数である。

本発明によれば、実機器をアクティブパワーインタフェース装置を介して配電系統模擬回路に直接接続して試験することができるため、実機器の試験を容易に行うことが可能となる。また、配電系統模擬回路を電子回路で構成するので、試験装置の小スペース，低コストを実現できる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る試験装置の構成図である。この試験装置は、試験対象とする実機器たとえば太陽光発電システム（ＰＶシステム）１を試験するものであり、ＰＶシステムを実際に接続する配電系統を模擬した電子回路（配電系統模擬回路）２と、この配電系統模擬回路２とＰＶシステム１との間に介装するアクティブパワーインタフェース装置（ＡＰＩ）３とからなり、配電系統模擬回路２には商用電源４から電力が供給される。

ＰＶシステム１を実際に接続する配電系統は大規模であり試験で使用することはできないため、配電系統を模擬する回路２を、抵抗，コンデンサ，インダクタンス等の素子を電子回路で作成し、構成する。例えば、図２は、単相２線式の低圧配電系統の模擬回路である。この模擬回路２は、商用電源４に接続された線路インピーダンス６と、一般家庭における電気負荷を模擬する並列接続された抵抗Ｒ，コンデンサＣ，インダクタンスＬで構成される負荷回路７とから成る。

図３は、アクティブパワーインタフェース装置（ＡＰＩ）３のブロック図であり、図４は、その詳細回路図である。アクティブパワーインタフェース装置３は、一方の接続端子の電圧，電流を忠実に縮小または増幅して、この電圧，電流を他方の接続端子から出力させる機能を有し、パワーレベルの異なる実際のＰＶシステム１と配電系統模擬回路２とを等価的に接続するものである。即ち、アクティブパワーインタフェース装置３は、両方の接続端子の電圧と電流の関係が、それぞれ常に、ｍ：ｎ、Ｍ：Ｎとなるように制御する様に構成される。

図３において、アクティブパワーインタフェース装置３は、ＰＶシステム１が接続されるアース端子１１と接続端子１２との間の電圧を検出する第１電圧センサ１３を備え、配電系統模擬回路２が接続されるアース端子１４と接続端子１５との間の電圧を検出する第２電圧センサ１６を備える。接続端子１２には電流制御ユニット１７の出力が接続され、接続端子１５には電圧制御ユニット１８の出力が接続される。

アクティブパワーインタフェース装置３は、更に、接続端子１２と電流制御ユニット１７とを接続する配線に流れる電流を検出する第１電流センサ１９と、接続端子１５と電圧制御ユニット１８とを接続する配線に流れる電流を検出する第２電流センサ２０とが設けられ、両電流センサ１９，２０の検出値が電流制御ユニット１７に出力される。また、第１電圧センサ１３の検出電圧値と第２電圧センサ１６の検出電圧値が電圧制御ユニット１８に出力される。

電流制御ユニット１７は、図３に示す様に、オペアンプ２１と、オペアンプ２１の入力段に設けられた比較器２２と、オペアンプ２１の出力に接続された抵抗２３とからなり、比較器２２は、第２電流センサ２０の検出値から第１電流センサ１９の検出値を減算した値をオペアンプ２１に出力する。

比較器２２は、この例では、図４に示す様にオペアンプで構成され、オペアンプ２２の反転入力端子に第１電流センサ１９の検出値が印加され、非反転入力端子に第２電流センサ２０の検出値が印加される。また、オペアンプ２１（図３）は、この例では２個のオペアンプ２１ａ，２１ｂ（図４）や抵抗等で構成される。端子１２と端子１５の電流比は、図４のオペアンプ２１ａ，２２のゲインを可変することにより任意に制御することが可能である。

電圧制御ユニット１８は、図３に示す様に、オペアンプ２５と、オペアンプ２５の入力段に設けられた比較器２６と、オペアンプ２５の出力に接続された抵抗２７とからなり、比較器２６は、第１電圧センサ１３の検出値から第２電圧センサ１６の検出値を減算した値をオペアンプ２５に出力する。

比較器２６は、この例では、図４に示す様にオペアンプで構成され、オペアンプ２６の非反転入力端子に第１電圧センサ１３の検出値が印加され、反転入力端子に第２電圧センサ１６の検出値が印加される。また、オペアンプ２５（図３）は、この例では２個のオペアンプ２５ａ，２５ｂ（図４）や抵抗等で構成される。端子１２と端子１５の電圧比は、図４のオペアンプ２６，２５ａのゲインを可変することにより任意に制御することが可能である。

斯かる構成のアクティブパワーインタフェース装置３は、図２に示す様に、アクティブパワーインタフェース装置３のＰＶシステム１側電圧をＶＲ、電流をＩＲとし、配電系統模擬回路２側の電圧をＶＳ、電流をＩＳとした場合、ＰＶシステム１側の電圧ＶＲ、電流ＩＲを、第１電圧センサ１３と第１電流センサ１９により常時測定し、測定された電圧ＶＲ，電流ＩＲをそれぞれｎ／ｍ倍，Ｎ／Ｍ倍した電圧（ｎ／ｍ）ＶＲ，電流（Ｎ／Ｍ）ＩＲが、接続端子１５側の電圧ＶＳ，電流ＩＳとなるように、電圧制御ユニット１８が制御する。

それと同時に、接続端子１５の電圧ＶＳと電流ＩＳも、常時、第２電圧センサ１６と第２電流センサ２０により測定され、測定された電圧ＶＳ，電流ＩＳをそれぞれｍ／ｎ倍，Ｍ／Ｎ倍した電圧（ｍ／ｎ）ＶＳ，電流（Ｍ／Ｎ）ＩＳが、接続端子１２側の電圧ＶＲ，電流ＩＲとなるように、電流制御ユニット１７が制御する。

このアクティブパワーインタフェース装置３の両端の電圧，電流は、次の様にして決まる。即ち、接続端子１２の電流は、オペアンプ２１と接続端子１２との間に挿入した抵抗２３により決まり、接続端子１２の電圧は、オペアンプ２１の出力電圧から、抵抗２３での電圧降下分を引いた電圧となる。

接続端子１５側も同様であり、接続端子１５の電圧は、オペアンプ２５と接続端子１５との間に挿入した抵抗２７により決まり、オペアンプ２５の出力電圧から抵抗２７の電圧降下分を引いた電圧となる。

第１電圧センサ１３は接続端子１２の電圧を検出し、第２電圧センサ１６は接続端子１５の電圧を検出し、電圧制御ユニット１８は両検出電圧値を比較し、端子１２の電圧と端子１５の電圧の関係がｍ：ｎとなるように電圧制御ユニット１８がフィードバック制御を行い、オペアンプ２５の出力電圧を制御する。

それと同時に、第１電流センサ１９が端子１２の電流を電圧として検出し、第２電流センサ２０が端子１５の電流を電圧として検出し、電流制御ユニット１７は両検出電流値を比較し、両電流値の関係がＭ：Ｎとなるように電流制御ユニット１７がフィードバック制御を行い、オペアンプ２１の出力電圧を制御する。このとき、抵抗２３による電圧降下により端子１２と端子１５との間の電圧の関係が崩れるため、電圧制御ユニット１８により、再度、端子１２と端子１５の電圧を制御し、同時に、電流制御ユニット１７により、端子１２と端子１５の電流を制御し、端子１２と端子１５の電圧，電流の関係が、常に、ｍ：ｎ，Ｍ：Ｎとなるまで制御を繰り返す動作を行う。

このアクティブパワーインタフェース装置３を用いることにより、電子回路で構成した超縮小型の配電系統模擬回路２と、実ＰＶインバータ１とを等価的に接続することが可能となる。

図５は、上述した実施形態に係るアクティブパワーインタフェース装置３の直流特性を検討するために行った実験で使用した試験回路の構成図である。この試験回路は、アクティブパワーインタフェース装置３の左側端子に抵抗３１を介して直流電源３２を接続し、右側端子に抵抗３３を介してコンデンサ３４を接続している。

この試験回路により、ＲＣ回路による過渡応答をアクティブパワーインタフェース装置３で制御可能であるかを検討した。一例として、アクティブパワーインタフェース装置３の左端と右端のパワーレベルの関係を４：１とし、左端と右端の電圧，電流の関係がそれぞれ２：１となるように調整を行う。そして、直流電源３２から電圧５Ｖを印加し、抵抗３１を４０Ω、抵抗３３をｌ０Ω、コンデンサ３４を４７μＦとしたとき、アクティブパワーインタフェース装置３の両端の電圧，電流の時間応答を測定した。

図６，図７は測定結果を示すグラフであり、図６はアクティブパワーインタフェース装置３の両端の電圧特性、図７にその電流特性である。図６の特性Ｉ，IIの関係は、常に、２：１に制御されていることがわかる。また、この試験回路の時定数は、ＲＣ＝２．３５ｍｓであり、特性Ｉ，IIから測定された値ともほぼ一致することがわかる。また、図７からも、特性III，IVの関係が、常に、２：１に制御されており、回路の時定数も一致していることがわかる。

次に、アクティブパワーインタフェース装置３の交流特性を試験した。この試験は、図５に示した直流電源３２を、交流電圧源に置き換えることで行った。試験条件は、直流特性を検討したときと同様な条件であるが、交流電圧源から試験回路に５Ｖ，５０Ｈｚの正弦波を入力した。そして、アクティブパワーインタフェース装置３の両端の電圧，電流の時間応答を測定した。

図８，図９は測定結果を示すグラフであり、図８がアクティブパワーインタフェース装置３の両端の電圧特性、図９がその電流特性である。図８の特性V，VIの波形に位相ずれは無く、大きさが、常に、２：１に制御されていることわかる。また、試験回路にコンデンサ３４が接続されていることにより電圧波形と位相がずれる電流波形においても、図９の特性VII，VIIIの波形に位相ずれはなく、大きさも、常に、２：１に制御されていることがわかる。

以上の結果より、本実施形態のアクティブパワーインタフェース装置３は、直流，交流のいずれが入力されても精度良く動作することがわかる。このため、このアクティブパワーインタフェース装置を用いることで、パワーレベルの異なる実際の配電系統接続機器と電子回路で構成した配電系統模擬回路とを等価的に接続して配電系統接続機器を試験することができる。

本発明に係る試験装置は、太陽光発電システムの様に配電系統に接続して使用される実機器を、電子回路で構成した配電系統模擬回路に直接接続して試験することができるため、実機器の試験装置として有用である。

本発明の一実施形態に係る試験装置の構成図である。本発明の一実施形態に係る試験装置で用いる配電系統模擬回路の一例を示す回路図である。図１に示すアクティブパワーインタフェース装置のブロック図である。図３に示すアクティブパワーインタフェース装置の回路図である。図３に示すアクティブパワーインタフェース装置の試験回路図である。図５に示す試験回路で測定したアクティブパワーインタフェース装置の直流電圧特性を示すグラフである。図５に示す試験回路で測定したアクティブパワーインタフェース装置の直流電流特性を示すグラフである。図３に示すアクティブパワーインタフェース装置の交流電圧特性を示すグラフである。図３に示すアクティブパワーインタフェース装置の交流電流特性を示すグラフである。

符号の説明

１太陽光発電システム（ＰＶシステム）
２配電系統模擬回路
３アクティブパワーインタフェース装置
４商用電源
１１，１４アース端子
１２，１５接続端子
１３，１６電圧センサ
１７電流制御ユニット
１８電圧制御ユニット
１９，２０電流センサ

Claims

配電系統に接続して使用される実機器を試験する試験装置において、前記配電系統を電子回路で模擬した配電系統模擬回路と、前記実機器と前記配電系統模擬回路との間に接続されるアクティブパワーインタフェース装置とを備え、前記実機器側の電圧をＶＲ，電流をＩＲとし、前記配電系統模擬回路側の電圧をＶＳ，電流をＩＳとした場合に、前記アクティブパワーインタフェース装置を、前記実機器側の電圧ＶＲ，電流ＩＲをそれぞれ常時検出する第１電圧センサ及び第１電流センサと、検出された電圧ＶＲ，電流ＩＲをそれぞれｎ／ｍ倍，Ｎ／Ｍ倍した電圧（ｎ／ｍ）ＶＲ，電流（Ｎ／Ｍ）ＩＲが前記電圧ＶＳ，電流ＩＳとなるように制御する電圧制御ユニットと、前記配電系統模擬回路側の電圧ＶＳ，電流ＩＳをそれぞれ常時検出する第２電圧センサ及び第２電流センサと、検出された電圧ＶＳ，電流ＩＳをそれぞれｍ／ｎ倍，Ｍ／Ｎ倍した電圧（ｍ／ｎ）ＶＳ，電流（Ｍ／Ｎ）ＩＳが前記電圧ＶＲ，電流ＩＲとなるように制御する電流制御ユニットとで構成したことを特徴とする配電系統に接続する実機器の試験装置。