JP4150398B2 - 単独運転の検知方法 - Google Patents

Description

本発明は単独運転の電力状況を検知する方法に関するものであり、特に単独運転で正確に電力を制御できない状況を避ける検知方法に関する。

通常、分散式エネルギー或いは再生式エネルギーの発電設備は、電力システムと直列に動作する。電力システムが異常状態となり電力を遮断させると、この際、分散式エネルギーの発電設備が電力システムの故障様子を検知できないため電力を供給し続け、自己供給する状態となる。自己に電力供給すると電圧と周波数とが不安定となり、他の電気設備を容易に損なわせる。また、関連する領域でメンテナンス作業員の不注意を招く可能性があり、その場合、感電の発生や、電力システムの回復が分からないため設備を損害させる虞がある。

このような問題に対し、ＰＣＣ（point of common coupling）の電力システムの電圧と周波数を検知し、周波数か電圧が動作の範囲を超える（大きいか低い）と、分散式電源システムを裁断させ、単独運転の電力不良と判断する方法がある。或いは、常時、電力システム電圧の位相を検知し、この電圧位相が急に大きく変更すると、単独運転の電力不良と判断する方法がある。上記電圧、周波数、位相ジャンパなどの方法は負荷の形式に限定され、負荷状態では検知できず単独運転の電力不良を発生することもある。この領域は非検知領域（non-detection zone NDZ）と言われている。

別の技術としてＰＣＣの配電電圧全調波歪み（Total Harmonic Distortion：THD）を検知し、この歪み量が予定レベルを超えると、単独運転の電力不良と判断する方法がある。それは主にトランスの不線形の磁気ヒステリシス曲線（Ｂ−Ｈ curve）論理によってトランスの励磁電流を非線形変化に形成させる。電力システムが正常に動作すると、非線形電流は電力システムから提供されるので、電圧の調波に影響しない。しかし、電力システムが故障で電力を裁断すると、この非線形電流は分散式電力システムから提供する必要がある。この時の電圧は高周波数調波を発生することが可能であり、こうすると、電圧調波量によって単独運転の電力状態を判断するようになる。ところが、電圧全調波歪みの量によって単独運転の状態を判断するのは制御が難しく、即ち、この量によってレベルを判断し難い。
なお、電力線搬送波によって直接通信する方法が分かり易いが、しかしながら、両端に同時にこの通信設備を設置することを必要とし、コストが高くなる。
以上説明した方法が単独運転の検知方法と言われている。

その他重要な検知方法の一つは自動式単独運転検知方法である。例えば、特許文献１（米国特許第ＵＳ５４９３４８５号公報）に、電流と電圧位相シフト量、周波数変化量、電圧変化量、電圧調波歪み（ＴＨＤ）変化量などのウエートファクターによって出力電流と電圧間の位相シフトを決めることが記載されている。しかし、この周波数と位相差の方程式が多種形式の非線形函数、出力電流の最大値でもよいため、複雑であり実現するのは難しい。周波数と位相角度差の滑動制御モード曲線によって電圧周波数が変化することを検知すると、電流と電圧の位相差を調節し、ワーク点を、この滑動制御モード曲線によってもう一つの安定点へ達する。この安定点は普通ワーク周波数の他に位置し、この滑動制御モード曲線は図２に示す。

また、例えば、特許文献２（米国特許第ＵＳ５１１１３７７号公報）に、電力システムの電流周波数に混信し、電力システムが正常に操作すると、この混信の動作は電圧周波数に対して顕著に影響せず、電力システムが裁断すると、この混信の動作は電圧の周波数か電流の位相差に直接に影響し、位相差か周波数が変化すると、プラス帰還が電流周波数にある混信量を変更し、電圧周波数が電力範囲を超えるまで、混信量を低下させる方法が示される。この単独運転の電力制御検知については特許文献３（米国特許第ＵＳ６１７２８８９号公報）のシステム構造に類似している。

また、例えば、特許文献４（米国特許第ＵＳ６４２９５４６号公報）に、注入電流システムを混信するＮＤＺ方法によるものが記載されている。即ち、負荷が所定値に達したり、ローパスフィルタによる位相シフトが元目標の変化量と互いに除去したりする時に、電圧か位相の変化を得ず、単独運転の電力制御を検知できない状況となる。従って、上記特許では多項式か遺失函数（forgetting function）により変換量を加える。しかし、この方法は複雑で実現し難い。
上記複数の方法はプラス帰還方法により再生エネルギーの出力電圧か電流周波数か電圧と電流の位相差を調節し、かつ、主に誤差量により調節量を決める。誤差量が小さい場合は調節量が小さくなるとともに、検知時間も高める。また、誤差量は回路遅延／負荷遅延（先立つ）で誤差量が０となり、単独運転の電力制御状態を検知することができない。
米国特許第ＵＳ５４９３４８５号公報 米国特許第ＵＳ５１１１３７７号公報 米国特許第ＵＳ６１７２８８９号公報 米国特許第ＵＳ６４２９５４６号公報

本願の発明人は上記の従来技術問題を解決するために、鋭意に研究すると共に、学理の応用を合わせ、単独運転の電力を検知する方法を見出しました。

本発明の目的は、誤差量を、誤差微分方向性量ＳとカウンターＷ_s で調節し、且つ、このカウンターが調節関数に対応することを利用し、調節量を決めることである。こうすることにより、帰還誤差による誤差量の低下につれて調節量も小さくなる問題を防止可能である。

本発明に係る単独運転の検知方法は、単独運転の電力不良を避けることにあり、ＰＣＣ（point of common coupling）の電圧周波数を複数検知する工程と、複数の異なる電圧周波数値を得る工程と、上記異なる電圧周波数値の間の差異値を比較する工程と、上記比較された差異値を介し調節函数を発生する工程と、上記調節函数によって調節量を決める工程を含む。

審査官殿により本発明における所定目的を達成するための技術、方法及び効果を理解されるため、以下に本発明に係る詳細的な説明と添付図面を示す。これにより、本発明の目的、特徴及び効果が一層具体的に了解できるようになる。しかし、添付図面はただ参照と説明のみを供し、本発明に限定することはない。

図３は本発明に係る単独運転の検知方法のフロー図である。単独運転での電力不良の発生を避けるために、まず、高解像度のカウンターによりＰＣＣ（point of common coupling）の電圧周波数を複数検知する（Ｓ１００）。電力システムが正常に操作する際の電圧周波数は固定されるが、この高解像度のカウンターにより電圧周波数を検知して複数異なる電圧周波数値を得る（Ｓ１０２）。次いで、これら異なる電圧周波数値間の差異値を比較し（Ｓ１０４）、上記比較された差異値を介し調節函数を発生し（Ｓ１０６）、上記調節函数によって調節量を決める（Ｓ１０８）。

しかし、差異値は極めて小さいため、この特徴により電圧周波数の差異が小さくなると、微量の電流出力周波数または位相差変化量を加算する。尚、この変化量の極性と電圧周波数差は一致している。
電圧周波数の差異値が小さい場合は電流出力周波数の計算方法はｆＩ_K＝ｆＶ_fk＋Ｓ×Δｆ₀で示される。上記ｆＩ_Kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力電流周波数、上記Ｖ_fkはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数、上記Δｆ₀は微量電流周波数の変化量、上記Ｓは誤差微分方向性分量値である。
上記誤差微分方向性分量値が０となる条件はｆＶ_k−ｆＶ_k-1＝０、上記誤差微分方向性分量値が１となる条件はｆＶ_k−ｆＶ_k-1＞０、上記誤差微分方向性分量値が−１となる条件はｆＶ_k−ｆＶ_k-1＜０である。上記ｆＶ_kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数であり、上記ｆＶ_k-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数である。

普通は電力システムの電圧周波数の変化割合が変更されていない。変更しても非常に緩和で変化量が小さい。したがって、電圧周波数値の計算はＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルタにより計算され、かつ、各サイクルで１回計算する。計算方法はｆＶ_fk＝（１−ｘ）ｆＶ_{fk -1}＋ｘ・ｆＶ_kであり、上記ｆＶ_fkは得ている電圧周波数であり、ｘはフィルタの時間定数（constant）である。便利に計算するために、２の−ｎ乗倍が設計されるようにする。電圧周波数の検知の解像度が高いため、この微量の電流周波数の変化は殆ど出力電流の全調波歪みＴＨＤに影響しない。さらに、複数部が並列に使用すると、Ｓ値が同じであり、互いに除去する現像がない。

電力システムが裁断されると、この時の検知された電圧周波数を当時の負荷によって定め、電圧周波数の変化が大きくなると、電流周波数か位相混信量を高める。電圧周波数を変化するには、電流周波数か位相シフトをｆＩ_K＝ｆＶ_fk＋Ｓ×Δｆ₁のように設定する。上記Δｆ₁は電流周波数か位相シフト混信変化増加量であり、上記ｆＩ_Kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力電流周波数であり、上記ｆＶ_fkは取っている電圧周波数であり、上記Ｓは誤差微分方向性分量値である。なお、この電圧周波数の変化は電流の設定によって大きく変化し、電圧周波数が電力の範囲によりも高い／低いことによって、単独運転の電力状態を検知することができる。

この電圧周波数は変更されないと、電圧周波数の差異値の計算公式はｆＶ_k−ｆＶ_k-1＝０・Ｓ＝Ｓ_pである。上記ｆＶ_kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数であり、ｆＶ_k-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数であり、上記Ｓは誤差微分方向性分量値であり、Ｓ_pはこの前の誤差微分方向性分量値である。

単独運転の電力状況を速く検知し、あるいは、電圧周波数が負荷特性で変化量を検知できないことを避けるために、帰還ウエートファクターＷsが設置される。上記帰還ウエートファクターは誤差微分方向性分量値のカウンターを計算するものである。上記帰還ウエートファクターとは周波数／位相変化量がステップ函数、線形函数、指数函数或いは多項式函数であり、上記誤差微分方向性分量値が一致すると、帰還ウエートファクターが１に加えられるのに対して、上記誤差微分方向性分量値が変化されると、上記帰還ウエートファクターが０となされる。
上記誤差微分方向性分量値が変化される時に、その電流出力周波数の計算方法はｆＩ_K＝ｆＶ_fk＋Ｓ×Ｆ（Ｗ_s）で示される。上記ｆＩ_Kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力電流周波数であり、ｆＶ_fkはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数であり、上記Ｆ（Ｗ_s）は微量の帰還ウエートファクター変化量であり、上記Ｓは上記誤差微分方向性分量値である。その中で、上記Ｆ（Ｗ_s）は図４のように示す。

ここでは２種類の帰還ウエートファクターの変化のみを示す。一つは帰還ウエートファクターの値が所定値に達すると、電圧周波数が電力の範囲にあっても、単独運転の電力不良状況が現れ、限定時間に単独運転の電力状況を保護できる。もう一つは帰還ウエートファクターの値により図４のような電流周波数か位相変化の設定量を調整する。それはステップ函数、線形函数、指数函数或いは多項式函数が可能であり、帰還ウエートファクターの値が大きいほど、単独運転の電力を無くす割合が大きいことを表し、割合が大きくなると、電流周波数か位相変化量を大きく調節する。こうして、電圧周波数の変化をより高め、単独運転の電力の異常故障を避けることができる。

位相差を調節する際に、電圧周波数の差異値が小さくなると、その位相差の計算方法はΦＩ_K＝ΦＩ_K-1＋Ｓ×ΔΦ₀で示される。上記ΦＩ_Kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力位相差であり、上記ΦＩ_K-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された位相差であり、上記ΔΦ₀は微量位相差変化量であり、上記Ｓは誤差微分方向性分量値である。電圧周波数が大きくなると、その位相差の計算方法はΦＩ_K＝ΦＩ_K-1＋Ｓ×ΔΦ₁で示される。上記ΔΦ₁は位相混信変化量であり、上記ΦＩ_Kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力位相差であり、上記ΦＩ_K-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された位相差であり、上記Ｓは誤差微分方向性分量値である。
また、ウエートファクターＷ_sと位相変化量をΦＩ_K＝ΦＩ_K-1＋Ｓ×Ｆ（Ｗ_s）のように設計してもよい。上記ΦＩ_Kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力位相差であり、ΦＩ_K-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された位相差であり、上記Ｆ（Ｗ_s）はウエートファクターと位相差変化関数であり、上記Ｓは誤差微分方向性分量値である。

誤差微分方向性分量値が極性が変更されると、ΦＩ_K-1の数値を除去する。即ち、ΦＩ_K-1＝０となる。位相調節制御方法の波形は図５と図６のように示され、電圧周波数の検知は半周期と全周期に分けられる。なお、図５と図６は電流位相優先の波形図のみを示す。従って、この分野を熟知する者に対して、電流が電圧よりも遅延する位相の図形を容易に理解するのでここでは省略します。

本発明は以上記載された技術により公知の設計とは異なるものを提供し、全体の使用価値を高めることが可能である。なお、この発明は出願する前に如何なる公開した場所で見られていなく、発明特許の要件に合うので、特許法に従って発明特許の出願を提出する。

しかし、以上が記載された図面、説明は本発明の実施例に過ぎず、この分野を熟知する者は以上の説明により他の種々の変更を実施すると言うではない。これらの変更が本発明の特徴と特許範囲に含まれることを言明する。

図１は従来技術を示す周波数差の増減量調整曲線図である。 図２は従来技術を示すシフト移動モード（shift variance model）曲線図である。 図３は本発明に係る単独運転を検知する方法を示すフローである。 図４は本発明に係るウエートファクター函数を示す曲線図である。 図５は本発明に係る位相が変更される際の半周期を示す電圧周波数である。 図６は本発明に係る位相が変更される際の全周期を示す電圧周波数である。

Claims (13)

1. ＰＣＣ(point of common coupling)の電圧周波数を複数検知する工程と、
   上記検知により異なる電圧周波数値を複数得る工程と、
   上記異なる電圧周波数値の間の差異値を比較する工程と、
   上記比較された差異値を介し調節函数を発生する工程と、
   上記調節函数によって位相差の調節量を決める工程とを実行する単独運転の検知方法であって、
   上記調節函数は誤差微分方向性分量とカウンターからなり、
   上記誤差微分方向性分量値が変化しないと、カウント計算するための帰還ウエートファクターに１が加算され、上記誤差微分方向性分量値が変化すると、上記帰還ウエートファクターが０にリセットされ、
   ｆＩ_Kをｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力電流周波数、ｆＶ_fkをｋ個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数、Ｗ _s を帰還ウエートファクター、Ｆ（Ｗ_s）を上記調節函数としての帰還ウエートファクターと周波数変化の関数、Ｓを誤差微分方向性分量値とすると、
   上記誤差微分方向性分量値が変化した場合に、出力電流周波数値は、ｆＩ_K＝ｆＶ_fk＋Ｓ×Ｆ（Ｗ_s）により算出され、
   上記調節函数における電圧周波数或いは上記帰還ウエートファクターの値がそれぞれ所定の範囲内にあるか否かにより、単独運転の電力状態が検知されることを特徴とする単独運転の検知方法。
2. 前記ＰＣＣ(point of common coupling)の電圧周波数を検知する工程が高解像度のタイマーにより完成されることを特徴とする請求項１に記載の単独運転の検知方法。
3. 上記電圧周波数値が無限インパルス(Infinite Impulse Response)のフィルタにより計算されることを特徴とする請求項１に記載の単独運転の検知方法。
4. 電圧周波数差異値が非常に小さくなると、電流出力周波数値の計算方法はｆＩ_K＝ｆＶ_fk＋Ｓ×Δｆ₀で示され、上記ｆＩ_Kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力電流周波数であり、上記Δｆ₀は微量電流周波数の変化量であり、上記Ｓは誤差微分方向性分量値であることを特徴とする請求項３に記載の単独運転の検知方法。
5. 電圧周波数差異値が非常に小さくなると、その位相差値の計算方法はΦＩ_K＝ΦＩ_K-1＋Ｓ×ΔΦ₀で示され、上記ΦＩ_Kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力位相差であり、上記ΦＩ_K-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された位相差であり、上記ΔΦ₀は微量位相差の変化量であり、上記Ｓは誤差微分方向性分量値であることを特徴とする請求項３に記載の単独運転の検知方法。
6. 上記誤差微分方向性分量値が０、１、−１のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の単独運転の検知方法。
7. 上記誤差微分方向性分量値が０となる条件はｆＶ_k−ｆＶ_k-1＝０であり、上記ｆＶ_kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数であり、上記ｆＶ_k-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数であることを特徴とする請求項６に記載の単独運転の検知方法。
8. 上記誤差微分方向性分量値が１となる条件はｆＶ_k−ｆＶ_k-1＞０であり、上記ｆＶ_kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数であり、上記ｆＶ_k-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数であることを特徴とする請求項６に記載の単独運転の検知方法。
9. 上記誤差微分方向性分量値が−１となる条件はｆＶ_k−ｆＶ_k-1＜０であり、上記ｆＶ_kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数であり、上記ｆＶ_k-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された電圧周波数であることを特徴とする請求項６に記載の単独運転の検知方法。
10. 電圧周波数差異値が大きくなると、その電流出力周波数値の計算方法はｆＩ_K＝ｆＶ_fk＋Ｓ×Δｆ₁で示され、上記Δｆ₁は電流周波数か位相シフト混信変化増加量であり、上記ｆＩ_Kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力電流周波数であり、上記ｆＶ_fkは取っている電圧周波数であり、上記Ｓは誤差微分方向性分量であることを特徴とする請求項３に記載の単独運転の検知方法。
11. 電圧周波数差異値が大きくなると、その位相差異値の計算方法はΦＩ_K＝ΦＩ_K-1＋Ｓ×ΔΦ₁で示され、上記ΔΦ₁は位相シフト混信変化増加量であり、上記ΦＩ_Kはｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に設定された位相差であり、上記ΦＩ_K-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された位相差であり、上記Ｓは誤差微分方向性分量であることを特徴とする請求項３に記載の単独運転の検知方法。
12. 上記帰還ウエートファクターはステップ函数、線形函数、指数函数或いは多項式函数であることを特徴とする請求項１に記載の単独運転の検知方法。
13. 上記誤差微分方向性分量値が変化すると、その位相差異値の計算方法はΦＩ_K＝ΦＩ_K-1＋Ｓ×Ｆ（Ｗ_s）で示され、上記ΦＩ_Kはｋ個目のサンプリングサイクルの時期に設定された出力位相差であり、上記ΦＩ_K-1はｋ−１個目のサンプリングサイクルの時期に検知された位相差であり、上記Ｆ（Ｗ_s）はウエートファクター(weight factor)と位相差変化関数であり、上記Ｓは誤差微分方向性分量値であることを特徴とする請求項１に記載の単独運転の検知方法。

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