JP4231849B2 - 単独運転検出方法および単独運転検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用電力系統に分散電源を連系した系統連系システムにおいて、分散電源が単独運転状態に移行したことを検出する単独運転検出方法、および単独運転検出装置に関する。

需要系のコージェネレーション設備等の自家用発電設備を電力系統に連系するために、種々の系統連系システムが提案されている。

この種の系統連系システムにおいて、電力系統の事故等により、電力会社の変電所の遮断器が開放され商用電力系統からの電力供給が停止（遮断）された場合、分散電源設備を系統に連系したまま運転すると、通常停電状態となる電力系統に分散電源から電力の逆潮流が流れ込み、単独運転による感電事故等が発生して安全性を脅かすおそれがある。このため、分散電源設備の単独運転状態を確実に検出して、分散電源設備を商用電力系統から切り離す（解列する）機能、すなわち分散電源の単独運転を防止する機能が不可欠である。

そこで、系統停電等により分散電源が単独運転状態になったことを検出する種々の単独運転検出方法が提案されている。例えば能動的単独運転検出方法として、周波数シフト方式、有効電力変動方式、無効電力変動方式、負荷変動方式、３次高調波検出方式等が知られている。その検出原理は、例えば、インバータの交流出力に、商用電力系統に対して殆ど影響を及ぼさない程度の電圧や周波数の変動を与えておき、商用電力系統が停電して分散電源設備が単独運転に移行する際に、電圧や周波数の変動に起因して発生する周期的な変動から単独運転を検出するものである。

しかし、能動的単独運転検出方法に基づく単独運転検出装置を用いた場合、商用電力系統に複数の単独運転検出装置、特に異なる方式の単独運転検出装置が混在する場合には、単独運転検出感度が低下することが確認されている。例えば、自家用発電装置が燃料電池である無効電力変動方式の単独運転検出装置では、０．５秒（２５波）毎に第１波を−５％、次の１波を＋５％というように周波数を変化させて検出しているが、実際に単独運転が発生した場合に、他の異なる方式の単独運転検出装置の出力変動による干渉が発生し、周波数や無効電力の変動が打ち消される場合がある。

これに対して、受動的な検出方法としては、並列運転から単独運転への移行時における連系点の電圧位相の急激な変化を検出する電圧位相跳躍検出方法、周波数の急激な変化を検出する周波数変化率検出方法、あるいは柱上トランスの励磁特性に起因した３次高調波成分の急激な増加を検出する３次高調波電圧歪急増検出方法などがある。例えば、特許文献１には、連系点における電圧を検出してその検出値に基づき、電圧の周波数、平均値、あるいは高調波含有率を演算して、それらの演算値のいずれかが所定の閾値を超えた場合に、単独運転と判定することが記載されている。このような受動的な検出方法は、系統に与える影響が無いので、商用電力系統に複数の単独運転検出装置が存在している場合であっても、相互干渉により単独運転検出の感度が低下することを回避できる。
特開２００２−２９１１５８号公報

しかし、従来の受動的な検出方法では、並列運転中に負荷変動などによって単独運転移行時と同様の状態変化が生じたときに、誤検出が発生する可能性があった。例えば、電流制御形インバータを備えたシステムで用いられる３次高調波電圧歪急増検出方法では、空調機器に代表されるコンデンサ入力型の機器の始動時などに、誤検出が発生し易い。あるいは、基本波成分の電圧、位相、周波数の変化から単独運転を検出する方法では、分散電源設置場所において負荷と発電量が一致している場合には、それらの変化が小さいため変化を精度良く検出するのは困難である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、単独運転の受動的な方法において、単独運転への移行を明瞭に検出可能であるとともに、単独運転への移行以外の事象による誤検出を回避可能な単独運転検出方法を提供することを目的とする。

本発明の単独運転検出方法は、商用電力系統に連系している分散電源が単独運転状態に移行したことを検出する単独運転検出方法であって、３次、５次、７次、９次、１１次、および１３次のうちの複数の次数の高調波成分を選択し、前記商用電力系統と前記分散電源の連系点における電圧と電流を連続的に測定し、前記電圧および電流の測定値に基づき前記選択された次数の高調波成分の各々に対する系統特性としてアドミタンス値を算出し、算出された前記系統特性の変化に基づいて単独運転状態を検出することを特徴とする。

本発明の単独運転検出装置は、商用電力系統に接続された需要家負荷に、自家用発電装置による分散電源からの電力を供給可能とした系統連系システムに適用され、前記分散電源が単独運転状態に移行したことを検出する。そして、前記分散電源の連系点における電圧を連続的に測定する電圧測定部と、前記分散電源の連系点における電流を連続的に測定する電流測定部と、前記電圧測定部および前記電流測定部の各々の測定出力から、３次、５次、７次、９次、１１次、および１３次のうちの複数の次数の高調波成分を算出する高調波解析部と、前記高調波解析部で算出された前記各次数毎の高調波の電圧値および電流値から、前記各次高調波成分の各々に対するアドミタンス値を算出するアドミタンス値計算部と、前記アドミタンス値計算部により算出された複数の次数の前記高調波に対するアドミタンス値の変化について、所定の閾値を超える状態が所定時間持続したときに、前記分散電源が単独運転状態に移行したことを示す判定結果を出力する指標判定部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、連系点における電圧と電流の測定値に基づき所定の高調波に対する系統特性を算出するので、単独運転への移行による系統特性の変化を明瞭に検出可能である。また、単独運転への移行以外の事象による誤検出の発生は抑制される。さらに、受動方式であるため、系統への影響も全くなく、検出感度が低下することもない。

本発明の単独運転検出方法において、電圧と電流の測定値をウェーブレット（Ｗａｖｅｌｅｔ）変換して前記高調波成分を求めることができる。

好ましくは、少なくとも１つの次数の前記高調波成分に対するアドミタンス値の変化について、所定の閾値を超える状態が所定時間持続したときに単独運転と判定する。また好ましくは、所定の複数の次数の前記高調波成分の各々に対するアドミタンス値の変化について、所定の閾値を超える状態が所定時間持続したときに単独運転と判定する。

本発明の単独運転検出装置において、電圧と電流の測定値をウェーブレット変換して前記高調波成分を求めることができる。

好ましくは、少なくとも１つの次数の前記高調波成分に対するアドミタンス値の所定時間間隔における変化について、所定の閾値を超える状態が所定時間持続したときに単独運転と判定する。また好ましくは、所定の複数の次数の前記高調波成分に対する各々のアドミタンス値の所定時間間隔における変化について、所定の閾値を超える状態が所定時間持続したときに単独運転と判定する。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について具体的に説明する。

図１は、本発明の実施の形態における単独運転検出装置が設置された系統連系システムを示すブロック図である。１は商用電力系統を示し、需要家負荷２が接続されている。需要家負荷２に対しては、自家用発電装置による分散電源３からの電力を遮断部４を介して供給可能とし、系統連系システムが構成されている。自家用発電装置が太陽電池や燃料電池等の直流電源装置である場合は、発電装置の出力はインバータにより、商用電力系統１と同一の大きさの電圧および同一周波数に制御されて供給される。

分散電源３が単独運転状態に移行したことを検出するために接続された単独運転検出装置５は、分散電源３の連系点における電圧を連続的に測定する電圧測定部６、および分散電源３の連系点における電流を連続的に測定する電流測定部７を有する。電圧測定部６および電流測定部７の各々の測定出力は、それぞれ、高調波解析部８ａ、８ｂに供給される。高調波解析部８ａ、８ｂは各々、所定の各次高調波成分を算出してアドミタンス値計算部９に供給する。アドミタンス値計算部９は、所定の各次数毎の高調波の電圧値および電流値から、所定の各次高調波に対するアドミタンス値を算出する。

アドミタンス値計算部９により算出された所定の各次高調波に対するアドミタンス値は、指標判定部１０に供給される。指標判定部１０は、所定の各次高調波に対するアドミタンス値のいずれかについて、所定時間間隔における変化が所定の閾値を所定時間超えたときに、分散電源３が単独運転状態に移行したことを示す判定結果を出力する。指標判定部１０の判定結果は遮断部４に供給され、分散電源３の単独運転状態を示す判定結果が出力されると、遮断部４は分散電源３を商用電力系統１から解列する。

高調波解析部８ａ、８ｂにおける高調波成分の解析には、電圧と電流の測定値をウェーブレット（Ｗａｖｅｌｅｔ）変換して高調波成分を算出する方法を適用できる。また、高調波解析部８ａ、８ｂ、およびアドミタンス値計算部９によりアドミタンス値を算出し、指標判定部１０で各々判定対象とする高調波成分の次数としては、３次、５次、７次、９次、１１次、および１３次高調波成分から、少なくとも１つの次数を選択して用いることができる。例えば７次高調波成分のみを用いる方法、あるいは、３次、５次、７次の高調波成分を組合わせて用いる方法等を、適用条件に応じて適宜選択することができる。どの次数の高調波成分を用いるのが適切かは、単独運転の検出に係わる条件に応じて相違するので、条件を考慮し検討を行って適宜選択する必要がある。

本実施の形態における単独運転検出方法について、上記構成の単独運転検出装置５の動作を示す図２のフロー図を参照して説明する。

まず、電圧測定部６、および電流測定部７により、商用電力系統１と分散電源３の連系点における電圧と電流を連続的に測定する（ステップＳ１）。次に高調波解析部８ａ、８ｂにより、測定された電圧値および電流値に対して、例えばウェーブレット変換による高調波解析を施して、所定の各次高調波成分を算出する（ステップＳ２）。次に、アドミタンス値計算部９により、所定の各次毎の高調波成分の電圧値および電流値から、所定の各次高調波に対するアドミタンス値を算出する（ステップＳ３）。すなわち（次数毎の電流値）／（次数毎の電圧値）を計算することにより、次数毎のアドミタンス値を算出する。

次に、指標判定部１０により、所定の各次高調波に対するアドミタンス値の変化に基づき、分散電源３が単独運転状態に移行したか否かを判定する（ステップＳ４）。すなわち、所定の各次高調波に対するアドミタンス値の少なくとも１つについて、所定時間前のアドミタンス値からの変化が所定の閾値を所定時間超えたときに、分散電源３が単独運転状態に移行したものと判定する（ステップＳ５）。所定の各次高調波に対するアドミタンス値の変化のいずれも所定の閾値を超えていないか、あるいはアドミタンス値の変化が所定の閾値を超える状態が所定時間継続しなかった場合は、単独運転状態と判定することなく、ステップＳ１〜Ｓ４を繰り返す。アドミタンス値の変化の検出には、後述するような、アドミタンス値の変化率（Ｙ１／Ｙ０）を用いるのが好適である。

以上のように、連系点における電圧と電流の測定値に基づき所定の高調波に対する系統特性を算出し、算出された系統特性の変化に基づいて単独運転状態を検出することにより、分散電源設置場所において負荷と発電量が一致している場合であっても、単独運転移行時のアドミタンス値の変化は十分に大きく、変化を精度良く検出することができる。また、並列運転中に負荷変動などによって単独運転移行時と同様の状態変化が生じたときでも、誤検出の発生を抑制することができる。そのような場合でも、電圧と電流の測定値に基づき算出される所定の高調波に対する系統特性、例えばアドミタンス値は、変化が無視できる程度だからである。特に、複数の高調波次数について監視することにより、負荷と分散電源発電量がバランスしているような場合でも、確実に単独運転を検出可能である。

以下に、単独運転移行時、および並列運転中の負荷変動時における、アドミタンス値変化と電圧変化についてシミュレーションした結果について説明する。シミュレーションは、図３に示す模擬電力系統（アナログシミュレータ）を用いて行った。同図において、１１は系統側の発電機、Ｔｒ１、Ｔｒ２は、変電所に設置された変圧器を示す。Ｇ１、Ｇ２は各々、第１および第２分散電源である。１２、１３は変圧器、ＳＣはコンデンサを示す。ＣＢ１〜ＣＢ９は遮断器を示す。

この模擬電力系統の第１分散電源Ｇ１の連系点における、単独運転検出の精度についてシミュレーションを行い、第１分散電源Ｇ１の単独運転の状態を含む、以下のイベント発生時における単独運転検出の出力について調べた。

（Ａ）コンデンサＳＣの並列
（Ｂ）コンデンサＳＣの解列
（Ｃ）変圧器Ｔｒ２の並列（Ｔｒ２の１次側を接続したままで遮断器ＣＢ１を投入）
（Ｄ）変圧器Ｔｒ２の解列（Ｔｒ２の１次側を接続したままで遮断器ＣＢ１の開放）
（Ｅ）遮断器ＣＢ６、ＣＢ７間の線路の解列
（Ｆ）遮断器ＣＢ６、ＣＢ７間の線路の並列
（Ｇ）第１分散電源Ｇ１の単独運転（遮断器ＣＢ５の開放）
（Ｈ）第２分散電源Ｇ２の解列（遮断器ＣＢ９の開放）
（Ｉ）第２分散電源Ｇ２の並列（遮断器ＣＢ９の投入）
（Ｊ）第２分散電源Ｇ２の単独運転（遮断器ＣＢ７の開放）
（Ｋ）変圧器Ｔｒ２の解列（Ｔｒ２の１次側を切断したままで遮断器ＣＢ２を開放）
（Ｌ）変圧器Ｔｒ２の充電（Ｔｒ２の１次側を切断したままで遮断器ＣＢ２を投入）
単独運転検出の出力を評価するために、図４に示すようにして、アドミタンス値変化率（Ｙ１／Ｙ０）を算出した。すなわち、テスト開始から０．４秒後にイベントを発生させ、各次高調波に対するアドミタンス値について、テスト開始から０．２秒〜０．３秒の間の平均値（Ｙ０）、およびテスト開始から０．６秒〜０．７秒の間の平均値（Ｙ１）を求めた。それらの値から、アドミタンス値の変化率（Ｙ１／Ｙ０）を算出した。なお、比較例である従来の方法の場合については、アドミタンス値に代えて、各次高調波電圧の変化率を算出した。

本発明の実施の形態についてのシミュレーションの結果を図５に示す。この結果は、７次高調波に対するアドミタンス値変化率である。横軸は、上記各イベントに対応する。図中にプロットされた各記号は、以下の各条件下でのアドミタンス値変化率に対応する。なお、高調波含有率とは、基本波の電圧に対する高調波の電圧の割合を意味する。高調波含有率が大きいあるいは小さいとの表現は、大きい側の高調波含有率が２〜３％、小さい側が１％に設定された状態をいう。

□：隣接発電機（第２分散電源Ｇ２）が切断状態で、系統側の高調波含有率が負荷側の高調波含有率よりも大きい場合。

×：隣接発電機（第２分散電源Ｇ２）が切断状態で、系統側の高調波含有率が負荷側の高調波含有率よりも小さい場合。

◇：隣接発電機（第２分散電源Ｇ２）が接続状態で、系統側の高調波含有率が負荷側の高調波含有率よりも大きい場合。

＋：隣接発電機（第２分散電源Ｇ２）が接続状態で、系統側の高調波含有率が負荷側の高調波含有率よりも小さい場合。

図５から明らかなように、第１分散電源Ｇ１の単独運転（Ｇ）の場合は、全ての条件下でアドミタンス値変化が顕著に示される。これに対して、他のイベント（Ａ）〜（Ｆ）、（Ｈ）〜（Ｌ）の場合は、アドミタンス値の変化がほとんど見られない。閾値を１．４としておけば、単独運転のイベントだけを判別できる。従って、本発明の実施の形態によれば、他のイベントの影響を受けることなく、単独運転への移行を確実に判別することが可能である。

比較例として、7次高調波電圧の変化率（Ｖ１／Ｖ０）についてのシミュレーションの結果を図６に示す。変化率（Ｖ１／Ｖ０）の算出条件は、図４に示したものと同様である。図６から明らかなように、第１分散電源Ｇ１の単独運転（Ｇ）以外の、他のイベント（Ａ）〜（Ｆ）、（Ｈ）〜（Ｌ）の場合にも、7次高調波電圧の変化が大きい。従って、7次高調波電圧の変化率に基づき単独運転を検出しようとしても、他のイベントの影響により、単独運転への移行を判別することが困難である。

本発明の単独運転検出方法によれば、単独運転への移行を明瞭に検出可能であり、また、単独運転への移行以外の事象による誤検出の発生は抑制されるので、系統連系システムに適用して極めて有用である。

本発明の実施の形態における単独運転検出装置が設置された系統連系システムを示すブロック図 同単独運転検出装置の動作を示すフロー図 同単独運転検出装置による検出精度を評価するためのシミュレーション用の模擬電力系統を示す図 単独運転検出の精度を評価するためのアドミタンス値変化率の算出方法を示す図 本発明の実施の形態による単独運転検出の精度のテスト結果を示す図 比較例による単独運転検出の精度のテスト結果を示す図

符号の説明

１ 商用電力系統
２ 負荷
３ 分散電源
４ 遮断部
５ 単独運転検出装置
６ 電圧測定部
７ 電流測定部
８ａ、８ｂ 高調波解析部
９ アドミタンス値計算部
１０ 指標判定部
１１ 発電機
１２、１３ 変圧器
ＣＢ１〜ＣＢ９ 遮断器
Ｇ１ 第１分散電源
Ｇ２ 第２分散電源
ＳＣ コンデンサ
Ｔｒ１、Ｔｒ２ 変圧器

Claims (8)

1. 商用電力系統に連系している分散電源が単独運転状態に移行したことを検出する単独運転検出方法において、
   ３次、５次、７次、９次、１１次、および１３次のうちの複数の次数の高調波成分を選択し、
   前記商用電力系統と前記分散電源の連系点における電圧と電流を連続的に測定し、
   前記電圧および電流の測定値に基づき前記選択された次数の高調波成分の各々に対する系統特性としてアドミタンス値を算出し、
   算出された前記系統特性の変化に基づいて単独運転状態を検出することを特徴とする単独運転検出方法。
2. 電圧と電流の測定値をウェーブレット（Ｗａｖｅｌｅｔ）変換して前記高調波成分を求める請求項１に記載の単独運転検出方法。
3. 少なくとも１つの次数の前記高調波成分に対するアドミタンス値の変化について、所定の閾値を超える状態が所定時間持続したときに単独運転と判定する請求項１または２に記載の単独運転検出方法。
4. 複数の次数の前記高調波成分の各々に対するアドミタンス値の変化について、所定の閾値を超える状態が所定時間持続したときに単独運転と判定する請求項３に記載の単独運転検出方法。
5. 商用電力系統に接続された需要家負荷に、自家用発電装置による分散電源からの電力を供給可能とした系統連系システムに適用され、前記分散電源が単独運転状態に移行したことを検出する単独運転検出装置において、
   前記分散電源の連系点における電圧を連続的に測定する電圧測定部と、
   前記分散電源の連系点における電流を連続的に測定する電流測定部と、
   前記電圧測定部および前記電流測定部の各々の測定出力から、３次、５次、７次、９次、１１次、および１３次のうちの複数の次数の高調波成分を算出する高調波解析部と、
   前記高調波解析部で算出された前記各次数毎の高調波の電圧値および電流値から、前記各次高調波成分の各々に対するアドミタンス値を算出するアドミタンス値計算部と、
   前記アドミタンス値計算部により算出された複数の次数の前記高調波に対するアドミタンス値の変化について、所定の閾値を超える状態が所定時間持続したときに、前記分散電源が単独運転状態に移行したことを示す判定結果を出力する指標判定部とを備えたことを特徴とする単独運転検出装置。
6. 電圧と電流の測定値をウェーブレット変換して前記高調波成分を求める請求項５に記載の単独運転検出装置。
7. 少なくとも１つの次数の前記高調波成分に対するアドミタンス値の所定時間間隔における変化について、所定の閾値を超える状態が所定時間持続したときに単独運転と判定する請求項５または６に記載の単独運転検出装置。
8. 所定の複数の次数の前記高調波成分に対する各々のアドミタンス値の所定時間間隔における変化について、所定の閾値を超える状態が所定時間持続したときに単独運転と判定する請求項７に記載の単独運転検出装置。

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