JP4341028B2 - 常用発電装置の系統連系保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用電源の交流電力系統に連系して逆潮流を行う常用発電装置に適用される系統連系保護装置に関する。

ごみ発電システム、コージェネレーション等の常用発電装置（自家発電装置）と交流電力系統とを連系保護する装置として、系統連系保護装置が用いられてきている。

図９は、需要家がこの種の常用発電装置と交流電力系統とを系統連系して運転を行う場合の従来の系統連系保護装置の構成図である。

図に示すように、交流電力系統である上位変電所４では、系統電源１の電圧を変圧器２を介して降圧し、遮断器３を通して上位変電所４側からの電力を需要家に配電する配電線２６により、一般需要家７に電力を供給している。一般需要家７は、遮断器５Ｂを介して負荷６Ｂで電力を消費する。

一方、常用発電装置および系統連系保護装置２０を設置している分散電源設置需要家９では、常用発電装置として原動機２４により駆動される同期発電機１０の出力を遮断器２８、遮断器１２を介して上位変電所４と連系している。

同期発電機１０の出力電圧の制御は、同期発電機の電圧制御手段である自動電圧調整器（ＡＶＲ）２２により同期発電機１０の界磁巻線２３の電圧を制御することによって行い、同期発電機１０の出力周波数の制御は、同期発電機１０を駆動する原動機２４の図示しない調速機により原動機２４の出力を制御することによって行われている。

また、分散電源設置需要家９では、上位変電所４側からの電力を、遮断器１２、遮断器５Ａを介して受け、同期発電機１０からの電力を遮断器２８、遮断器５Ａを介して受け、負荷（構内負荷）６Ａで消費するようにしている。

一方、系統連系保護装置２０は、遮断器１２の同期発電機側に変流器１４と電圧検出手段である計器用変圧器３８を設け、当該変流器１４の出力電流に基づいて過電流を検出する過電流継電器（ＯＣ）１５と、系統電源１の異常時、特に系統電源１が例えば遮断器３の開放によって遮断された時、同期発電機１０の出力電力と負荷６Ａの負荷電力とのアンバランスから、周波数や電圧が異常になることを検出する周波数低下継電器（ＵＦ）１６、周波数上昇継電器（ＯＦ）１７、過電圧継電器（ＯＶ）１８、および不足電圧継電器（ＵＶ）１９とを設け、これら各保護継電器の検出信号に基づいて故障トリップ回路１３を動作させ、トリップ信号を出力して遮断器１２を開放し、遮断器３の再閉路が可能な状態にするようにしている。

さらに、この他に、同期発電機の保護手段として、同期発電機１０の出力側にその出力電流を検出する変流器１１を設け、また変流器１１の出力電流に基づいて同期発電機１０の過電流を検出する過電流継電器（ＯＣ）５１と、同期発電機１０の出力電圧異常を検出する過電圧継電器（ＯＶ）５２と、不足電圧継電器（ＵＶ）５３および同期発電機１０の逆電力を検出する逆電力継電器（ＲＰＲ）５４とを設け、これら各保護継電器の検出信号に基づいて故障トリップ回路２７を動作させ、トリップ信号を出力して遮断器２８を開放するようにしている。

ところで、このような系統連系保護装置においては、例えば系統電源１に異常が発生して遮断器３が開となった時に、同期発電機１０の出力電力と負荷６Ａ，６Ｂの所要電力が、有効分および無効分共にほぼ等しくなっていると、周波数も電圧もほとんど変化しないので、保護継電器１５〜１９のいずれも動作せず、運転を継続する状態となる。これは、いわゆる単独運転（アイランディング）と呼ばれる現象であり、遮断器３の再閉路を妨げるという問題が発生する。

そこで、従来では、このような単独運転を防ぐ目的で、変電所４からの専用線により接続された転送遮断装置８を設けて、遮断器１２に対して転送遮断を実施する方法が採用されているものがある。このような転送遮断装置８は、上位変電所４の遮断器３が開となった信号を検出した時に、遮断器１２に対して遮断信号を送って遮断器１２を開放するものである。
転送遮断装置８に関する発明としては、例えば以下に示す特許文献１がある。
特開平７−５９２５０号公報

しかしながら、この種の転送遮断装置は、数百ｋＷ程度の出力である中小容量の常用発電装置にとっては、非常にコストが高くなり、さらに伝送手段や伝送経路を設置する必要があるため、常用発電装置を設置することによるエネルギーコスト削減のメリットを得ることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その課題は高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能な発電装置の系統連系保護装置を提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、
自動電圧調整器によって出力電圧が調整される同期発電機と、遮断器を介して交流電力系統と逆潮流ありで連系される常用発電装置とを備えた系統連系保護装置において、
前記同期発電機の出力電圧信号を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された出力電圧信号に基づき周期を検出する周期検出手段と、前記出力電圧信号の正側半波が変化した量を検出する電圧変動量第１演算器と、前記電圧変動量第１演算器の出力に比例した周期補正量を出力する周期補正量演算器と、前記周期補正量と前記周期検出手段より出力される周期を加算する加算器と、前記加算器の出力より周波数を演算する逆数演算器と、前記周波数の変化率を検出する周波数変化率演算器と、前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が正である場合は前記同期発電機の出力電圧を低下させ、前記周波数変化率が負である場合は前記同期発電機の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号を前記同期発電機の自動電圧調整器に出力させる電圧揺動信号演算器と、前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が所定値を超えた場合に前記遮断器を開放して前記交流電力系統から前記同期発電機を解列させる保護手段とを具備したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１の常用発電装置の系統連系保護装置において、出力電圧信号の負側半波が変化した量の絶対値を検出する電圧変動量第２演算器、前記電圧変動量第２演算器の出力が所定値より小さい時にオンするスイッチとを設け、請求項１の周期補正量を加算するようにしたことを特徴とする。

本発明の系統連系保護装置によると、単独運転時の周波数の変化を助長させて周波数が速く変化するようにしており、同期発電機の周波数が大きく変化した場合に単独運転と判定するようにしているので、高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能な常用発電装置の系統連系保護装置を得ることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の構成図であり、既に説明した図９の従来例と同一部分には同一符号を付してその重複説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図１に示すように、本実施形態の分散電源設置需要家５５は、系統連系保護装置２９を備えている。この系統連系保護装置２９が図９に示した従来の系統連系保護装置２０と異なる構成は、前述した転送遮断装置８を省略し、同期発電機１０の出力電圧信号の周期検出手段であるフィルタ回路３２と、コンパレータ３５と、計数回路３６と、加算器３９と、逆数演算器３７と、前記出力電圧信号の正側半波の変動量を演算する電圧変動量第１演算器３０と、計数回路３６で検出した周期を補正する周期補正量演算器３１からなる周波数検出手段４１により、同期発電機１０の出力電圧信号の周波数を検出する点と、周波数検出手段４１から出力される周波数の変化率を演算する周波数変化率演算器４２と、周波数変化率の過大を判定する変化率過大判定器４３と、自動電圧調整器２２に電圧揺動信号を出力する電圧揺動信号演算器４４を備えている点である。

なお、フィルタ回路３２は抵抗器３３とコンデンサ３４からなり、同期発電機１０の出力電圧信号に含まれる高調波を除去するものである。また、同期発電機１０の出力電圧信号を検出することにより、この出力電圧信号の周期を検出することができる。

次に、電圧変動量第１演算器３０と計数回路３６の作用を図２の特性図を参照しながら説明する。
図２の波形のように電圧変動量第１演算器３０に入力する電圧の正側半波の積算値をＳ_n、１サイクル前の電圧の正側半波の積算値をＳ_n-1とし、電圧変動量第１演算器３０はＳ_n−Ｓ_n-1を出力する。電圧の実効値は積算値に比例するので、Ｓ_n−Ｓ_n-1を演算することで、１サイクルあたりの電圧変動量に比例する値が得られる。計数回路３６は、フィルタ３２の出力に対して、コンパレータ３５と計数回路３６で周期を導出するとき、フィルタ３２の出力の立ち上がりゼロクロスの区間でもって１周期の区間としている。

また、周期補正量演算器３１は、図３の特性図に示すように、Ｓ_n−Ｓ_n-1に比例した周期補正量を出力する。この補正量は、電圧が上昇したとき周期を増加させる、すなわち、周波数値を減少させる方向としている。一方、電圧が低下したときは周期を減少させる、すなわち周波数値を上昇させる方向としている。

加算器３９は、計数回路３６が出力する周期に前記周期補正量を加算する。この補正の効果は、後述するが、単独運転を検出する作用を助長することである。

図４は、本実施形態である系統連系保護装置の動作を説明するために、図１を簡略化した図であり、図１と同一部分には同一符号を付している。負荷６は、負荷６Ａおよび負荷Ｂを合成した負荷で、配電系統に存在する負荷全体を表す。

いま、図４において同期発電機１０からの出力の有効電力をＰ、無効電力をＱ、負荷６が必要とする有効電力をＰ_L、無効電力をＱ_Lとすると、系統電源１へ流出する有効電力ΔＱは、それぞれ次の（１）式のように表される。

ΔＰ＝Ｐ−Ｐ_L
ΔＱ＝Ｑ−Ｑ_L （１）
ここで、負荷６の電圧をＶ、周波数をｆとする。

そうすると、通常の場合はΔＰ≒０、ΔＱ≒０に近い状態で遮断器３が開となっても、負荷６の電圧Ｖ、周波数ｆはほとんど変化しないため、各保護継電器１５〜１９が検出できず、単独運転を継続することになる。

しかし、微少な周波数差から、系統電源１と負荷６の位相がゆっくりとずれてくるので、遮断器３の再投入は、事故拡大につながって危険な状態となり、配電系統の安定性を低下させることになる。

同期発電機１０の単独運転を検出する原理を、以下に説明する。
図４において、負荷６の有効電力Ｐ_Lは
Ｐ_L＝Ｖ²／Ｒ （２）
（Ｖ：電圧、Ｒ：抵抗値）
で表される。

電圧揺動信号演算器４４は、一例として図５に示すような関数を内蔵しており、周波数変化率演算器４２で検出された周波数変化率に基づいている。周波数変化率が正である場合は同期発電機の出力電圧を低下させ、周波数変化率が負である場合は同期発電機の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号を自動電圧調整器２２に出力させる。（ＡＶ^＊：電圧信号、ｄｆ／ｄｔ：周波数変化率）
ここで、同期発電機１０の単独運転中に、わずかに周波数が低下した場合を考える。

周波数変化率は、負数でごく小さい値となる。この時、電圧揺動信号演算器４４では、同期発電機１０の電圧をわずかに上げるように電圧揺動信号を出力する。自動電圧調整器２２の働きにより電圧が上昇することになる。

すると、前記（２）式で表される負荷の有効電力Ｐ_Lが増加するので、負荷のトルクが増加し、同期発電機１０の回転速度、すなわち周波数が低下する方向に作用するので、さらに周波数が低下するという正帰還作用が形成され、周波数の変動を増大させる。

さらに、前述の周期補正量演算器３１により、電圧が上昇したときは周波数を低下させる作用があるので、周波数の変動をさらに助長する効果がある。
電圧揺動信号による周波数の変動は、電圧揺動信号が大きいほど周波数の変動も大きくなる。

系統連系中であれば、自動電圧調整器２２への電圧指令を変動させても、周波数は系統電源１に支配されているので変動しないが、単独運転状態であれば系統電源１と切り離されているので、周波数が大きく変動し、周波数変化率が大きくなる。変化率過大判定器４３は周波数変化率が予め定められた判定値を超えると、単独運転と判定する。このことにより単独運転を判定することができる。

単独運転と判定すると、異常信号Ｖ_３１を出力する。
故障トリップ回路１３では、この異常信号Ｖ_３１により、遮断器１２を遮断操作して同期発電機１０を解列する。

このことにより、従来用いられていた転送遮断装置８を用いなくても、常用発電装置側で単独運転を検出することが可能となる。

以上述べたように、第１の実施形態による発電装置の系統連系保護装置では、常用発電装置の出力電圧信号から周波数を検出し、周波数変化率（ｄｆ／ｄｔ）を演算し、周波数変化率が正の場合には同期発電機１０の電圧を下げ方向に変化させるようにしている。また、周期補正量演算器３１は同期発電機１０の減少方向の時は周期を短くする。すなわち周波数を上げるように補正をかけ、周波数変化率を正の方向に変化させることを助長するので、単独運転時には同期発電機１０の電圧をさらに下げることになり、周波数が速く変化するようになっている。

逆に、周波数変化率が負の場合には、上記と逆に、同期発電機１０の電圧を上げ方向に変化させる。周期補正量演算器３１は同期発電機１０の電圧が上昇方向の時は周期を長くする。すなわち周波数を下げるように補正をかけ、周波数変化率を負の方向に変化させることを助長するので、単独運転時には同期発電機１０の電圧がさらに上がることになり、周波数が速く変化するようになっている。

本実施形態の系統連系保護装置では、同期発電機の周波数が大きく変化した場合に単独運転と判定するようにしているので、前述した従来のように高価な転送遮断装置８を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して同期発電機１０を解列し保護することが可能となる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態の系統連系保護装置の構成図であり、図１の第１実施形態と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すように、本実施形態による系統連系保護装置が図１に示した第１実施形態と異なる構成は、電圧変動量第２演算器４６とスイッチ４７を備えた点である。

次に、本実施形態の作用を図７の波形図を参照して説明する。
図７に示すように、電圧の負荷半波の積算値をＳ_n’、１サイクル前の電圧の負側半波の積算値をＳ_n-1’とすると、電圧変動量第２演算器４６はＳ_n’−Ｓ_n-1’の絶対値|Ｓ_n’−Ｓ_n-1’|を出力する。

フィルタ回路３２、コンパレータ３５、計数回路３６が同期発電機の出力電圧の周期を検出する際、同期発電機の出力電圧が変動した場合には、フィルタ回路３２の出力信号に一時的に直流成分が含まれるために周期の検出値に誤差が発生する。誤差はフィルタ回路３２への入力電圧が変動した位相によって異なり、図８のようになる。図８の横軸の位相は、電圧が変動したタイミングであり、図７に示すように、フィルタ回路３２の入力電圧の立ち上がりゼロクロスのタイミングを基準としている。

ここで、前記の直流成分は電圧変動発生後、減衰していくため、誤差が大きくなる電圧変動タイミングと、図７のＳ_n’とＳ_n-1’の差が小さくなる電圧変動タイミングが一致することがわかっている。

そこで、絶対値|Ｓ_n’−Ｓ_n-1’|が所定値より小さい時に周期の誤差を補正する。この絶対値｜Ｓ_n’−Ｓ_n-1’|が所定値より小さい時にスイッチ４７をＯＮにして、周期補正量演算器３１の出力を加算器３９で加算する。絶対値｜Ｓ_n’−Ｓ_n-1’|が所定値より小さい時にＳ_n−Ｓ_n-1に比例した周期補正量を加算し、周期の誤差を補正するようにしている。

本実施形態の系統連系保護装置によれば、第１実施形態による系統連系保護装置と同様に、同期発電機の周波数が大きく変化した場合に単独運転と判定するようにしているので、従来のように高価な転送遮断装置８を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して同期発電機１０を解列し保護することが可能となる。

また、本実施形態では、周波数検出手段において周期の検出誤差を補正しているので、第１実施形態よりも周波数をより精度よく検出することができる。従って、誤って単独運転と判定する誤動作を防止しつつ、単独運転時には確実に検出することができる。

本発明の第１実施形態である常用発電装置の系統連系保護装置の構成図。 図１の系統連系保護装置における電圧変動量第１演算器の特性を示す図。 図１の系統連系保護装置における周期補正量演算器の特性を示す図。 図１の系統連系保護装置の構成を簡略化した図。 図１の系統連系保護装置における電圧揺動信号を決定する関数の例を示す図。 本発明の第２実施形態である常用発電装置の系統連系保護装置の構成図。 図６の系統連系保護装置における電圧変動量第２演算器の特性を示す図。 本発明の系統連系保護装置における同期発電機の出力電圧の周期検出の誤差を説明する図。 従来の系統連系保護装置の構成図。

符号の説明

１…系統電源、２…変圧器、３，５Ａ，５Ｂ，１２，２８…遮断器、６，６Ａ，６Ｂ…負荷、７…一般需要家、９，５５…分散電源設置需要家、１０…同期発電機、１１…変流器、１３…故障トリップ回路、１４…変流器、１５…過電流継電器、１６…周波数低下継電器、１７…周波数上昇継電器、１８…過電圧継電器、１９…不足電圧継電器、２２…自動電圧調整器、２３…界磁巻線、２４…原動機、２６…配電線、２７…故障トリップ回路、２０，２９…系統連系保護装置、３０…電圧変動量第１演算器、３１…周期補正量演算器、３２…フィルタ回路、３３…抵抗器、３４…コンデンサ、３５…コンパレータ、３６…計数回路、３７…逆数演算器、３８，５６…計器用変圧器、３９…加算器、４１…周波数検出手段、４２…周波数変化率演算器、４３…変化率過大判定器、４４…電圧揺動信号演算器、４６…電圧変動量第２演算器、４７…スイッチ、５１…過電流継電器、５２…過電圧継電器、５３…不足電圧継電器、５４…逆電力継電器。

Claims (2)

1. 自動電圧調整器によって出力電圧が調整される同期発電機と、遮断器を介して交流電力系統と逆潮流ありで連系される常用発電装置とを備えた系統連系保護装置において、
   前記同期発電機の出力電圧信号を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段によって検出された出力電圧信号に基づき周期を検出する周期検出手段と、前記出力電圧信号の正側半波が変化した量を検出する電圧変動量第１演算器と、前記電圧変動量第１演算器の出力に比例した周期補正量を出力する周期補正量演算器と、前記周期補正量と前記周期検出手段より出力される周期を加算する加算器と、前記加算器の出力より周波数を演算する逆数演算器と、前記周波数の変化率を検出する周波数変化率演算器と、前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が正である場合は前記同期発電機の出力電圧を低下させ、前記周波数変化率が負である場合は前記同期発電機の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号を前記同期発電機の自動電圧調整器に出力させる電圧揺動信号演算器と、前記周波数変化率演算器によって検出された周波数変化率が所定値を超えた場合に前記遮断器を開放して前記交流電力系統から前記同期発電機を解列させる保護手段とを具備したことを特徴とする常用発電装置の系統連系保護装置。
2. 請求項１の常用発電装置の系統連系保護装置において、出力電圧信号の負側半波が変化した量の絶対値を検出する電圧変動量第２演算器、前記電圧変動量第２演算器の出力が所定値より小さい時にオンするスイッチとを設け、請求項１の周期補正量を加算するようにしたことを特徴とする常用発電装置の系統連系保護装置。
   
   

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