JP4606383B2 - 分散型発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、単相３線式で交流２００Ｖを供給する系統電源と系統連系可能な家庭用熱電併給システム、太陽光発電システム、燃料電池システム等の分散型発電装置に関し、特に、漏電等の外部事故時の安全対策に関する。

近年、ＣＯ_２排出量の削減や省エネルギを志向した分散型エネルギシステムの開発が活発であり実用化も進んでおり、一般家庭、集合住宅、オフィスなどにおいても電力消費地で発電を行う分散型発電装置の利用が今後急速に進展するものと考えられる。特に、熱電併給可能なガスエンジンコージェネレーションシステム等は、電力のみならず、ガスエンジンの発生する熱エネルギを同時に有効利用できるため、全体的なエネルギ効率の高さで注目を集めている。ところで、分散型発電装置では、単独で電力消費地における全ての電力需要を賄うのではなく、電力会社が供給する商用交流電源等の系統電源と系統連系して、電力需要に対する不足電力を系統電源から補給する形態の系統連系発電装置としての使用形態（系統連系型使用形態）が、特に住宅用（家庭用）等で主流となっている。

斯かる系統連系発電装置としては、特に住宅用等で利用可能なものとして、単相３線式交流電力を供給する系統電源と系統連系可能な分散型発電装置がある（例えば、下記特許文献１等を参照）。

図３は、一般的な分散型発電装置５０が、分散型発電装置５０の設置されている住宅内（屋内）の電力負荷３０に電力供給可能に、主幹ブレーカ３１、分岐ブレーカ３２、及び、連系ブレーカ３３を配した分電盤３４を介して単相３線式交流電力を供給する系統電源４０と系統連系接続している状況を模式的に示している。尚、漏電等の事故によって主幹ブレーカ３１が開成して系統停電状態となった場合に、系統停電時に電力供給すべき電力負荷を選択して第２の分電盤から電力供給可能に、当該第２の分電盤を分電盤３４と分散型発電装置５０の中間に挿入する構成も可能である。

単相３線式交流電力は、変圧器の２次側出力に２本の電圧線を接続し、２本の電圧線間の単相２００Ｖの交流電力を出力する。２次側出力の中間点（巻線比１：１）から中性線を引き出して接地することで、第１の電圧線と中性線の間に単相２００Ｖの交流電力と同相の単相１００Ｖの交流電力が出力し、第２の電圧線と中性線の間に単相２００Ｖの交流電力と逆相の単相１００Ｖの交流電力を出力する。従って、２本の電圧線の対地電圧は何れも実効値で１０１Ｖ（９５Ｖ〜１０７Ｖ）である。

また、系統連系時の分散型発電装置５０は、内蔵のインバータ回路５１の出力端子が２本の電圧線と接続しており、２本の電圧線間に系統電源４０と同一周波数、同位相及び同電圧の単相２００Ｖの交流電力を出力される構成となっている。

特開２００５−２１０７８８号公報

ところで、図３に示すように系統電源４０と分散型発電装置５０が系統連系接続している場合、系統正常時（系統非停電時）には、主幹ブレーカ３１より分散型発電装置５０側の屋内の中性線は、主幹ブレーカ３１より変圧器側の屋外中性線と電気的に導通しているため、第１の電圧線と屋内中性線間の実効電圧と第２の電圧線と屋内中性線間の実効電圧は平衡している。しかし、漏電等の事故によって主幹ブレーカ３１が開成して系統停電状態となった場合には、屋内中性線と屋外中性線は主幹ブレーカ３１によって遮断される。屋内の実効電圧１００Ｖで作動する電力負荷３０は、必ずしも２本の電圧線に対して均等に分散して接続しているとは限らないため、最悪状態では、何れか一方の電圧線と屋内中性線間にのみ接続している可能性がある。また、屋内中性線は、分散型発電装置５０からはインバータ回路５１の出力端子間の中間電圧となるようには駆動されておらず、分散型発電装置５０とは、電圧検知のために電圧検知器と接続しているだけである。

斯かる状況で系統停電により屋内中性線と屋外中性線が遮断されると、２本の電圧線に夫々接続する１００Ｖ電力負荷のインピーダンスの配分が著しく不均等で、つまり、各電圧線の電力負荷状態に極端なアンバランスが生じていると、分散型発電装置５０から出力される単相２００Ｖが、第１の電圧線と屋内中性線間、及び、第２の電圧線と屋内中性線間に均等に分圧されず、何れかの一方の電圧線と屋内中性線間に１００Ｖを大幅に超過した実効電圧が印加される過電圧状態が発生し、実効電圧１００Ｖで作動する電力負荷である電気機器が破損する虞がある。

通常、漏電等の事故によって主幹ブレーカ３１が開成して系統停電状態となった場合には、分散型発電装置５０の単独運転を防止するために、系統停電による単独運転時に発生する変化を受動的或いは能動的に検知して単独運転状態を判定して分散型発電装置５０の動作を停止する制御が行われる。しかしながら、系統停電発生から単独運転状態を検知して分散型発電装置５０の動作を停止するまでの短い期間に、上述の過電圧状態の発生する可能性がある。

更に、分散型発電装置５０の運転が急激に停止すると、インバータ回路５１に出力端子に設けられている低域通過フィルタ回路を構成するインダクタンス素子を通過する電流の急激な変化によって、瞬時ではあるが分散型発電装置５０の出力電圧が大きく変動して、過電圧状態の発生する可能性がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、単相３線式交流電力を供給する系統電源と系統連系可能で、２本の電圧線の電力負荷状態に極端なアンバランスが生じていても、系統停電直後に生じる過電圧状態を防止可能な分散型発電装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る分散型発電装置は、単相３線式交流電力を供給する系統電源と系統連系可能な分散型発電装置であって、直流電力を発生する直流電源と、前記直流電源から出力される直流電力をパルス幅変調された正負両極性のパルス出力に変換するブリッジ回路と、前記パルス出力を正弦波交流出力に変換する低域通過フィルタ回路を備え、前記直流電力を前記系統電源の２本の電圧線間の実効電圧と同じ実効電圧の単相交流電力に変換して、系統連系時の前記系統電源の中性線とは接続しない１対の出力端子間に前記交流電力を出力するインバータ回路部と、前記インバータ回路部の動作を制御する制御部と、前記インバータ回路部の２つの出力端子における各出力電圧を、前記中性線を基準として各別に検出する電圧検出器と、を備えてなり、前記制御部が、前記電圧検出器で各別に検出された前記出力電圧の少なくとも何れか一方の絶対値が所定の基準電圧を超過する過電圧状態を検出した場合に、前記各出力電圧の検出電圧に基づいて、前記過電圧状態の発生要因が、負荷状態のアンバランスか、前記アンバランス以外の要因かを判定し、前記ブリッジ回路を構成するスイッチング素子のオンオフ動作を前記過電圧状態の発生要因に応じて制御することによって、前記基準電圧を超過した出力電圧の絶対値が低下するように前記インバータ回路部の動作を制御することを第１の特徴とする。

上記第１の特徴の分散型発電装置によれば、系統停電直後における分散型発電装置の単独運転時において、２本の電圧線の電力負荷状態に極端なアンバランスが生じていても、当該アンバランスよって生じる何れか一方の電圧線と屋内中性線間の過電圧状態が検出され、当該過電圧状態が抑制されるようにインバータ回路部の動作が制御される。更に、インバータ回路部の動作が過電圧状態の検出時において急停止せずに、動作状態で過電圧状態を抑制するので、インバータ回路部の急激な動作停止に伴うインバータ回路部内のインダクタンス素子によって誘導される２次的な過電圧発生を抑制することができる。更に、スイッチング素子のオンオフ動作によって低域通過フィルタ回路の入力側の電圧パルス波形の極性及びオンオフ期間を細かく制御できるため、当該電圧パルス波形が低域通過フィルタ回路を通過した後の交流出力の電圧値及び電流値の制御が可能となり、結果として、過電圧状態を精度良く抑制できる。

更に、本発明に係る分散型発電装置は、上記第１の特徴に加えて、前記所定の基準電圧が、前記２本の電圧線の一方と前記中性線に接続して電力供給される電力負荷の短時間許容過電圧値に基づいて設定されていることを第２の特徴とする。

上記第２の特徴の分散型発電装置によれば、過電圧状態を実効値或いはピーク値で判定するのではなく、電力負荷の短時間許容過電圧値を超過する過電圧状態となる変化が生じた時点で瞬時に判断することができ、制御部による過電圧状態を抑制する制御を速やかに開始できる。尚、短時間許容過電圧値が、２本の電圧線の一方と中性線に接続して電力供給される電力負荷（例えば、一般的な１００Ｖの家電製品）が例えば１秒程度の短時間において許容可能な実効電圧（例えば、１３０Ｖまたは１５０Ｖ等）であるとした場合には、所定の基準電圧は、その実効電圧に対応するピーク電圧値の絶対値である約１８４Ｖまたは約２１２Ｖから所定のマージン（例えば、５〜１０Ｖ程度）を引いた電圧値として与えられる。

更に、本発明に係る分散型発電装置は、上記第１または第２の特徴に加えて、前記制御部が、前記過電圧状態を検出した場合に、前記基準電圧を超過した出力電圧の絶対値が低下するように前記インバータ回路部の動作を制御した後、前記インバータ回路部の動作を停止させることを第３の特徴とする。

上記第３の特徴の分散型発電装置によれば、系統停電による分散型発電装置の単独運転によって過電圧状態が誘発されている場合には、過電圧状態を抑制した上で２次的な過電圧状態の発生も抑止して分散型発電装置の単独運転を停止できる。

更に、本発明に係る分散型発電装置は、上記何れかの特徴に加えて、前記制御部が、前記過電圧状態を検出する前に前記インバータ回路部の動作を停止する外部指令を受けた場合、前記インバータ回路部の動作停止による前記低域通過フィルタ回路を構成するインダクタンス素子を通過する電流の急激な変化によって前記出力電圧が前記基準電圧を超過しないように、前記ブリッジ回路を構成するスイッチング素子のオンオフ動作を制御した後に、前記インバータ回路部の動作を停止させることを第４の特徴とする。

上記第４の特徴の分散型発電装置によれば、インバータ回路部の急激な動作停止を回避して、急激な動作停止によりインダクタンス素子によって誘導される２次的な過電圧発生を抑制してインバータ回路部の動作を停止することができる。

更に、本発明に係る分散型発電装置は、上記何れかの特徴に加えて、前記インバータ回路部が、前記直流電力の入力を受け付ける１対の入力端子間にオンオフ制御可能な直流負荷装置を備え、前記制御部が、前記過電圧状態を検出した場合に、前記直流負荷装置のオンオフ動作を制御することによって、前記基準電圧を超過した出力電圧の絶対値が低下するように前記インバータ回路部の動作を制御することを第５の特徴とする。

上記第５の特徴の分散型発電装置によれば、直流負荷装置のオンオフ動作によってインバータ回路部を通して出力される電力と直流負荷装置で消費される電力の配分を制御できるため、過電圧状態の電圧線に供給される電力を減少させることができ、結果として、過電圧状態が抑制される。

更に、本発明に係る分散型発電装置は、上記第５の特徴に加えて、前記制御部が、前記過電圧状態を検出する前に前記インバータ回路部の動作を停止する外部指令を受けた場合、前記インバータ回路部の動作停止による前記低域通過フィルタ回路を構成するインダクタンス素子を通過する電流の急激な変化によって前記出力電圧が前記基準電圧を超過しないように、前記直流負荷装置のオンオフ動作を制御した後に、前記インバータ回路部の動作を停止させることを第６の特徴とする。

上記第６の特徴の分散型発電装置によれば、インバータ回路部の急激な動作停止を回避して、急激な動作停止によりインダクタンス素子によって誘導される２次的な過電圧発生を抑制してインバータ回路部の動作を停止することができる。

更に、本発明に係る分散型発電装置は、上記何れかの特徴に加えて、前記系統電源の２本の電圧線間の実効電圧が２００Ｖであり、前記インバータ回路部が、前記過電圧状態を検出した場合に、前記制御部からの第１制御モードによる制御によって、前記直流電力を実効電圧２００Ｖの単相交流電力に変換して出力し、前記制御部からの第２制御モードによる制御によって、前記直流電力を実効電圧１００Ｖの単相交流電力に変換して出力可能に構成され、前記制御部が、前記過電圧状態を検出した場合に、前記インバータ回路部に対する制御モードを前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り替えることを第７の特徴とする。

尚、一般の商用系統電源から標準的に供給される交流電力における実効電圧値は±５％程度の変動分を有しているため、上記第７の特徴に分散型発電装置で規定される実効電圧値も、同程度の変動分を有しており、記載の電圧値は標準値を示すものである。

上記第７の特徴の分散型発電装置によれば、過電圧状態を検出した場合に、インバータ回路部から出力される交流電力の実効電圧値が２００Ｖから１００Ｖに低下するため、２本の電圧線の電力負荷状態に極端なアンバランスが生じていても、当該アンバランスよって生じる何れか一方の電圧線と屋内中性線間の過電圧状態が解消される。

以下、本発明に係る分散型発電装置（以下、適宜「本発明装置」と略称する）の実施形態を図面に基づいて説明する。

〈第１実施形態〉
図１は、本発明装置１の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、直流電力を発生する直流電源２と、直流電源２から出力される直流電力を、実効電圧２００Ｖの単相交流電力に変換して１対の出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間から出力し、単相３線式交流電力２００Ｖ／１００Ｖを供給する系統電源４０と系統連系可能なインバータ回路部３と、インバータ回路部３の動作を制御する制御部４と、を備えて構成される。

本発明装置１と系統電源４０の間には、主幹ブレーカ３１、分岐ブレーカ３２、及び、連系ブレーカ３３を配した分電盤３４が介装されており、系統電源４０と主幹ブレーカ３１間、主幹ブレーカ３１と連系ブレーカ３３間、及び、連系ブレーカ３３と本発明装置１間が、単相３線式電力線（２本の電圧線Ｕ，Ｖと１本の中性線Ｎ）で接続されている。分岐ブレーカ３２から延長する単相２線１００Ｖの各電力線には、本発明装置１と系統電源４０から電力供給を受ける電力負荷３０（電気機器類）が夫々接続している。単相２線１００Ｖの各電力線は、主幹ブレーカ３１と連系ブレーカ３３間の分岐ブレーカ３２を介して第１の電圧線Ｕと中性線Ｎ、または、第２の電圧線Ｖと中性線Ｎに接続している。

直流電源２は、直流電力を発生する発電機等の電源であれば特定の電源に限定されるものではなく、例えば、直接直流電圧を出力する燃料電池や太陽電池の他、水力、風力、内燃機関、マイクロガスタービン等によって発生する回転エネルギにより、かご型誘導機、直流励磁同期機、永久磁石同期機等から出力される交流電力をＡＣ／ＤＣ変換して直流電力を発生するものも含まれる。また、燃料電池、内燃機関、マイクロガスタービンの場合は、直流電源２は、電力の他に熱も発生する熱電併給システムの一部として機能する。

インバータ回路部３は、直流電源２から出力される直流電力をパルス幅変調された正負両極性のパルス出力に変換するブリッジ回路５と、当該パルス出力を正弦波交流出力に変換する低域通過フィルタ回路を構成するコイル７，８及びコンデンサ９と、連系継電器１０を備えて構成される。

ブリッジ回路５は、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の電力用スイッチング素子と直流電源２に対して逆方向バイアス接続となるダイオードの並列回路で構成されるゲート回路６を２段直列にした直列回路を２組並列に接続して構成され、２段直列にした２組の直列回路の各中間点５ａ，５ｂから上記パルス出力が夫々出力され、コイル７，８を介して、連系継電器１０の１次側に夫々接続し、連系継電器１０の２次側が夫々出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に接続している。図１に示すように、低域通過フィルタ回路から出力される正弦波交流出力は、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２から直接、分電盤３４側に出力される。つまり、低域通過フィルタ回路と出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の間にはトランスが介在しないため、連系ブレーカ３３と本発明装置１間を接続する単相３線式電力線の中性線Ｎは、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の中間電圧となるようには駆動されない。従って、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２は、連系ブレーカ３３と本発明装置１間を接続する単相３線式電力線の２本の電圧線Ｕ，Ｖと夫々接続するだけである。

更に、インバータ回路部３内のコイル７，８と連系継電器１０の１次側の間に、夫々電流トランス等の電流検知器１１，１２が設けられ、連系継電器１０の２次側と出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の間に、各出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２と、連系ブレーカ３３と本発明装置１間を接続する単相３線式電力線の中性線Ｎとの間の各電圧（瞬時値）を検出する電圧検出器１３，１４が設けられている。

制御部４は、ブリッジ回路５の各ゲート回路６のスイッチング素子のゲート電圧を変化させて各スイッチング素子をオンまたはオフさせるゲート駆動部１５と、ゲート駆動部１５の駆動タイミングを制御するゲート制御部１６と、電圧検出器１３，１４の電圧検知レベルに基づいて各出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の中性線Ｎを基準とする出力電圧（瞬時値の絶対値）の少なくとも何れか一方が所定の基準電圧を超過する過電圧状態であるか否かを、交流電力の１周器より十分に短い一定のサンプリング期間（例えば、５０μ秒）毎に判定する過電圧状態判定部１７を備えている。ここで、所定の基準電圧は、２本の電圧線Ｕ，Ｖの一方と中性線Ｎに接続して電力供給される電力負荷３０の短時間許容過電圧値に基づいて設定される。尚、短時間許容過電圧値が、電力負荷３０（例えば、一般的な１００Ｖの家電製品）が例えば１秒程度の短時間において許容可能な実効電圧（例えば、１３０Ｖまたは１５０Ｖ等）であるとした場合には、所定の基準電圧は、その実効電圧に対応するピーク電圧値の絶対値である約１８４Ｖまたは約２１２Ｖから所定のマージン（例えば、５〜１０Ｖ程度）を引いた電圧値として与えられる。尚、本実施形態では、数サンプリング期間（例えば、１０回程度）に亘って連続して各出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の中性線Ｎを基準とする出力電圧が所定の基準電圧を超過する場合に、過電圧状態と判定するようにしている。

ゲート制御部１６は、低域通過フィルタ回路を通過後の出力電圧及び出力電流波形が正弦波となるようにパルス幅変調（ＰＷＭ）方式で各ゲート回路６のスイッチング素子のオンオフ動作を制御するとともに、系統正常時には、上記正弦波出力の周波数及び位相が、系統電源４０から供給される単相３線式交流電力２００Ｖ／１００Ｖと周波数及び位相と一致するように位相同期制御を行う。

更に、ゲート制御部１６は、過電圧状態判定部１７が過電圧状態を検知した場合には、過電圧状態を抑制するように、つまり、過電圧状態となっている出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の出力電圧（瞬時値の絶対値）を低減するように、各スイッチング素子のオンオフ動作を制御し、過電圧状態の出力電圧が所定の基準電圧以下に抑制しつつ各スイッチング素子を最終的にオフさせる制御を行う。

尚、本実施形態では、本発明装置１は、過電圧状態判定部１７とは別に、制御部４の外部に系統電源４０の停電状態を検知する停電判定部１８を備える。停電判定部１８は、漏電等の外部事故（本発明装置１外部での事故）により分電盤３４内の主幹ブレーカ３１或いは連系ブレーカ３３が開成して本発明装置１と系統電源４０間の系統連系状態が遮断された場合に、本発明装置１の単独運転状態を防止するために、系統停電状態を所定の停電判定方式を使用して判定する。停電判定部１８は、系統停電状態を検知すると連系継電器１０の解列を行うとともに、ゲート制御部１６に対してインバータ回路部３の動作停止を指令する停止指令信号を出力する。尚、停電判定方式としては、系統電圧を監視して、系統停電による本発明装置１の単独運転時に現れる変化を検出する受動的方式と、本発明装置１側から出力に特定の変動を与えて単独運転時に現れる変化を検出する能動的方式の２方式がある。受動的方式としては、電圧位相跳躍検出式、３次高調波歪急増検出式、周波数変化率検出式等の方式が、また、能動的方式としては、周波数シフト式、有効電力変動式、無効電力変動式等の方式があるが、停電判定方式自体は、本発明の趣旨と直接関係無いので、停電判定部１８では、公知の方式を単独または適宜組み合わせて使用するものとする。

ゲート制御部１６は、例えば電力負荷３０の負荷状態がバランスしているような状況下において、過電圧状態判定部１７が過電圧状態を検知する前に、停電判定部１８から停止指令信号（外部指令に相当）を受け取ると、ブリッジ回路５の各スイッチング素子を一旦オフにする制御を行うが、低域通過フィルタ回路を構成するコイル７，８を通過する電流の急激な変化によって出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の出力電圧の少なくとも何れか一方が所定の基準電圧を超過して過電圧状態となった場合には、過電圧状態判定部１７が即座に当該過電圧状態を検知して、ブリッジ回路５の各スイッチング素子のオンオフ動作を制御して当該過電圧状態を抑制した後に、各スイッチング素子を全てオフにしてブリッジ回路５の動作を停止させる。

本発明装置１の制御部４のゲート制御部１６と過電圧状態判定部１７、及び、停電判定部１８は、マイクロコンピュータ等を用いて構成され、各部の具体的な機能動作はマイクロコンピュータ等でのコンピュータプログラムの実行によって実現される。

また、図１に示す本発明装置１の構成は、制御部４の構成を除いて、一般的な系統連系可能な分散型発電装置と同じである。また、制御部４のゲート駆動部１５の構成及びゲート制御部１６の正常時における正弦波ＰＷＭ方式の制御や位相同期制御も、一般的な系統連系可能な分散型発電装置の当該制御部分と同じである。従って、一般的な系統連系可能な分散型発電装置と重複する部分についての詳細な説明は割愛する。

次に、制御部４のゲート制御部１６と過電圧状態判定部１７の基本的な動作機能とその根拠について説明する。

過電圧状態判定部１７は、各出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の中性線Ｎを基準とする出力電圧の少なくとも何れか一方が所定の基準電圧を超過する過電圧状態を判定するが、その目的は以下の２つである。第１の目的は、２本の電圧線Ｕ，Ｖに各別に接続する電力負荷３０の負荷状態のアンバランスによって生じる出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の何れか一方の過電圧状態を検知して、ゲート制御部１６によって当該過電圧状態の持続及び程度の拡大を解消することである。第２の目的は、上記アンバランス以外の原因によって生じる出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の少なくとも何れか一方の過電圧状態を検知して、ゲート制御部１６によって当該過電圧状態の持続及び程度の拡大を解消することである。

２本の電圧線Ｕ，Ｖに各別に接続する電力負荷３０の負荷状態のアンバランスは、漏電等の外部事故により分電盤３４内の主幹ブレーカ３１或いは連系ブレーカ３３が開成して本発明装置１と系統電源４０間の系統連系状態が遮断された場合に、停電判定部１８によって連系継電器１０の解列が行われるまでの本発明装置１の単独運転状態において発生する。これは、主幹ブレーカ３１或いは連系ブレーカ３３より本発明装置１側の単相３線式電力線の中性線Ｎには、系統電源４０側から２本の電圧線Ｕ，Ｖの中間電圧（接地電位）が供給されず、また、本発明装置１側からも出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の各出力電圧の中間電圧（接地電位）に駆動されないことに起因しており、当該中性線Ｎの電位が接地電位ではなく、第１の電圧線Ｕ側に接続している通電中の全電力負荷の合成インピーダンスと、第２の電圧線Ｖ側に接続している通電中の全電力負荷の合成インピーダンスの比で、２本の電圧線Ｕ，Ｖ間に印加される交流電圧（実効電圧２００Ｖ）が分圧された電位となり、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の中性線Ｎを基準とする出力電圧の少なくとも何れか一方が上記所定の基準電圧を超過する過電圧状態となる。

また、負荷状態のアンバランス以外の過電圧状態を誘引する要因としては、停電判定部１８から停止指令信号等のブリッジ回路５の動作を停止する外部指令を受けてブリッジ回路５の各スイッチング素子をオフにした場合における、低域通過フィルタ回路を構成するコイル７，８を通過する電流の急激な変化が挙げられる。斯かる急激な電流変化によってコイル７，８の両端に当該電流の時間微分値とコイル７，８のインダクタンスの積で規定される誘導電圧が生じて、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の出力電圧の少なくとも何れか一方が過電圧状態となり得る。

本実施形態では、過電圧状態判定部１７は、負荷状態のアンバランス起因の過電圧状態と、上記アンバランス以外の要因の過電圧状態を判別可能に構成されている。具体的には、負荷状態のアンバランス起因の過電圧状態では、本発明装置１の単独運転状態において出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の両端には、正常な単相２００Ｖ交流電圧が出力されているので、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２と中性線Ｎ間の各検出電圧より、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間の電圧が分かるため、単に中性線Ｎの電位が接地電位からシフトしているだけの上記アンバランス起因の過電圧状態であるか否かの判定が可能である。また、上記アンバランス以外の要因の過電圧状態では、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の両端電圧も正常な正弦波電圧から外れるので、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２と中性線Ｎ間の各検出電圧より出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の両端電圧を導出することで、上記アンバランス以外の要因の過電圧状態であるか否かの判定が可能である。

更に、本実施形態では、ゲート制御部１６は、過電圧状態が負荷状態のアンバランスに起因して発生していると判定した場合と、上記アンバランス以外の要因で発生していると判定した場合では、各スイッチング素子のオンオフ動作の制御方法を変えている。

具体的には、過電圧状態判定部１７が負荷状態のアンバランス起因の過電圧状態を検出した場合には、ゲート制御部１６は、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間に出力する単相２００Ｖ交流電圧を、単相１００Ｖ交流電圧に変更する制御を行う。これによって、電力負荷３０の負荷状態が完全なアンバランス状態、つまり、２本の電圧線Ｕ，Ｖの一方にのみ通電状態の電力負荷が接続している状態でも、当該電力負荷には単相１００Ｖの交流電力が供給されることになるので、当該電力負荷である電気機器が過電圧によって破壊されるのを防止できる。但し、負荷状態のアンバランス起因の過電圧状態は、漏電等の外部事故により分電盤３４内の主幹ブレーカ３１或いは連系ブレーカ３３が開成して本発明装置１が単独運転状態になったために生じるため、停電判定部１８が過電圧状態の検知後に停止指令信号を出力するので、ゲート制御部１６は、単相１００Ｖ交流電圧に変更する制御を行った後にブリッジ回路５の各スイッチング素子を一旦オフにする制御を行う。その後、各スイッチング素子を一旦オフにしたことによって別の過電圧状態が検知された場合には、以下に示す要領でゲート制御部１６が当該過電圧状態を抑制するためのブリッジ回路５の各スイッチング素子のオンオフ動作の制御を行う。

過電圧状態判定部１７が上記アンバランス以外の要因の過電圧状態を検出した場合であって、既に停電判定部１８から停止指令信号を受け取っている場合には、ゲート制御部１６は、一旦オフにする制御を行ったブリッジ回路５の各スイッチング素子に対して、各出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の出力電圧の絶対値の所定の基準電圧からの超過分を打ち消す電圧が出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間に発生するようにオンオフ動作を制御する。各スイッチング素子のオンオフ動作のタイミングは、例えば、上記超過分の電圧値とその時点での各スイッチング素子のオンオフ状態に基づいて演算処理によって導出する。また、各スイッチング素子のオンオフ動作では、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間に発生する実行電圧が、交流電力の所定周期内に０Ｖまで減衰するように制御した上で、各スイッチング素子をオフにする。

尚、本実施形態では、過電圧状態判定部１７が上記アンバランス以外の要因の過電圧状態を検出した場合であって、停電判定部１８から停止指令信号を受け取っていない場合には、当該過電圧状態は、系統電源４０側からの一時的な電圧変動によるものと判断して、ゲート制御部１６は当該過電圧状態を打ち消すための特段の制御は実行しない。

〈第２実施形態〉
次に、本発明装置１の第２実施形態について説明する。図２は、本発明装置１の第２実施形態における概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、第１実施形態と同様に、本発明装置１は、直流電源２、インバータ回路部３、制御部４、電流検知器１１，１２、電圧検出器１３，１４、及び、停電判定部１８を備えて構成され、更に、制御部４も、ゲート駆動部１５、ゲート制御部１６、及び、過電圧状態判定部１７を備えて構成される。第１実施形態との相違点は、インバータ回路部３内に、直流電源２から出力される直流電力の入力を受け付ける１対の入力端子間にオンオフ制御可能な直流負荷装置１９を備えている点と、直流負荷装置１９のオンオフ動作を制御する直流負荷制御部２０を制御部４内に設けている点である。以下、第１実施形態と相違する個所について説明し、第１実施形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態では、直流負荷装置１９は、例えば、電気ヒータ２１等の電力負荷とブリッジ回路５のゲート回路６で使用されるのと同様のスイッチング素子２２の直列回路で構成され、スイッチング素子２２のオンオフ動作が直流負荷制御部２０によって制御される。また、直流負荷装置１９に電気ヒータ２１を使用した場合には、同じ住宅内における給湯需要を賄うための給湯設備の補助熱源として利用可能である。特に、直流電源２が上述のような熱電併給システムの一部である場合は、他の一部である熱供給部の補助熱源として利用できる。

本実施形態では、過電圧状態判定部１７が負荷状態のアンバランス起因の過電圧状態を検知した場合には、ゲート制御部１６がブリッジ回路５の各スイッチング素子に対して第１実施形態で説明したような出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間に出力する交流電圧（実効値）を２００Ｖから１００Ｖに変更する制御を行わずに、その代わりに、直流負荷制御部２０が直流負荷装置１９に対して当該過電圧状態を抑制する制御を行う。具体的には、直流負荷制御部２０は、当該過電圧状態の検知直後から直流負荷装置１９のスイッチング素子２２をオンして電気ヒータ２１を通電させ、直流電源２から出力される直流電力の一部を電気ヒータ２１で強制的に消費させることで、ブリッジ回路５に供給され交流電力に変換される電力を低減して当該過電圧状態を抑制する。但し、負荷状態のアンバランス起因の過電圧状態は、漏電等の外部事故により分電盤３４内の主幹ブレーカ３１或いは連系ブレーカ３３が開成して本発明装置１が単独運転状態になったために生じるため、停電判定部１８が過電圧状態の検知後に停止指令信号を出力するので、ゲート制御部１６はブリッジ回路５の各スイッチング素子を一旦オフにする制御を行うので、直流負荷制御部２０はそのタイミングでスイッチング素子２２をオフする。その後、各スイッチング素子を一旦オフにしたことによって別の過電圧状態が検知された場合には、第１実施形態に示した要領でゲート制御部１６が当該過電圧状態を抑制するためのブリッジ回路５の各スイッチング素子のオンオフ動作の制御を行う。

次に、本発明装置の別実施形態について説明する。

〈１〉上記第１実施形態では、ゲート制御部１６は、過電圧状態判定部１７が過電圧状態を検知する前に、停電判定部１８から停止指令信号を受け取ると、ブリッジ回路５の各スイッチング素子を一旦オフにする制御を行う場合を説明したが、直ちにブリッジ回路５の各スイッチング素子をオフさせる制御を行うのではなく、低域通過フィルタ回路を構成するコイル７，８を通過する電流の急激な変化によって出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の各出力電圧が所定の基準電圧を超過しないように、ブリッジ回路５の各スイッチング素子のオンオフ動作を制御するのも好ましい。つまり、各スイッチング素子を一旦オフした場合に発生する過電圧状態を予め予測して、当該過電圧状態が発生しないように、つまり、コイル７，８を通過する電流が急激に変化しないように各スイッチング素子のオンオフ動作を制御しながら、最終的に各スイッチング素子を全てオフにしてブリッジ回路５の動作を停止させるようにしてもよい。コイル７，８を通過する電流の急激な変化に起因する過電圧状態は、当該電流の時間微分値に比例するため、当該電流の時間微分値を小さく制限しつつ、連続的或いは段階的に各スイッチング素子のオンオフ動作を制御する。

〈２〉上記第２実施形態において、過電圧状態判定部１７が過電圧状態を検知する前に、制御部４が停電判定部１８から停止指令信号を受け取った場合に、ゲート制御部１６が直ちにブリッジ回路５の各スイッチング素子をオフさせる制御を行うのではなく、低域通過フィルタ回路を構成するコイル７，８を通過する電流の急激な変化によって出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の各出力電圧が所定の基準電圧を超過しないように、直流負荷制御部２０が、直流負荷装置１９のスイッチング素子２２をオンして電気ヒータ２１を通電させ、直流電源２から出力される直流電力の一部を電気ヒータ２１で強制的に消費させることで、ブリッジ回路５に供給され交流電力に変換される電力を低減しつつ、ゲート制御部１６が徐々に或いは段階的にブリッジ回路５の各スイッチング素子をオフさせる制御を行うようにしてもよい。

〈３〉上記第２実施形態では、過電圧状態判定部１７が上記アンバランス以外の要因の過電圧状態を検出した場合であって、既に停電判定部１８から停止指令信号を受け取っている場合には、ゲート制御部１６は、一旦オフにする制御を行ったブリッジ回路５の各スイッチング素子に対して、各出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の出力電圧の絶対値の所定の基準電圧からの超過分を打ち消す電圧が出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間に発生するようにオンオフ動作を制御する場合を説明したが、これに加えて、直流負荷制御部２０が、直流負荷装置１９のスイッチング素子２２をオンして電気ヒータ２１を通電させ、直流電源２から出力される直流電力の一部を電気ヒータ２１で強制的に消費させることで、ブリッジ回路５に供給され交流電力に変換される電力を低減することで、ゲート制御部１６による過電圧状態の抑制制御を補助するのも好ましい。

〈４〉上記各実施形態において、過電圧状態判定部１７が上記アンバランス以外の要因の過電圧状態を検出した場合であって、停電判定部１８から停止指令信号を受け取っていない場合に、ゲート制御部１６が当該過電圧状態を打ち消すための制御を、停電判定部１８から停止指令信号を受け取っている場合と同様に実行するようにしてもよい。

〈５〉更に、上記各実施形態において、過電圧状態判定部１７が過電圧状態を検出した場合に、それが負荷状態のアンバランス起因の過電圧状態か否かに拘らずに、上述の何れかの過電圧状態の抑制方法により、過電圧状態を抑制するようにしても構わない。

〈６〉上記各実施形態では、過電圧状態判定部１７は、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の中性線Ｎを基準とする各出力電圧と、２本の電圧線Ｕ，Ｖの一方と中性線Ｎに接続して電力供給される電力負荷３０の短時間許容過電圧値に基づいて設定される基準電圧との比較により過電圧状態を検出したが、これに代えて、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２の中性線Ｎを基準とする各出力電圧の一方を、他方を基準電圧として比較し、その差分が所定値以上の場合、或いは、その比が所定値以上の場合に、電力負荷３０の負荷状態のアンバランスに起因する過電圧状態を判定するようにしてもよい。また、上記アンバランス以外の要因の過電圧状態の判定においては、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間の瞬時電圧の絶対値が、所定の基準電圧（例えば３３０Ｖ程度）を超過した場合を過電圧状態であると判定するようにしてもよい。

本発明に係る分散型発電装置は、単相３線式で交流２００Ｖを供給する系統電源と系統連系可能な家庭用熱電併給システム、太陽光発電システム、燃料電池システム等の分散型発電装置に利用可能であり、特に、家庭用の分散型発電装置における漏電等の外部事故時の安全対策に有用である。

本発明に係る分散型発電装置の第１実施形態における概略構成と系統電源との接続関係を模式的に示すブロック図 本発明に係る分散型発電装置の第２実施形態における概略構成と系統電源との接続関係を模式的に示すブロック図 従来の分散型発電装置の系統電源との接続関係を模式的に示すブロック図

符号の説明

１： 本発明に係る分散型発電装置
２： 直流電源
３： インバータ回路部
４： 制御部
５： ブリッジ回路
５ａ，５ｂ： ゲート回路を２段直列にした直列回路の中間点
６： ゲート回路
７，８： コイル
９： コンデンサ
１０： 連系継電器
１１，１２： 電流検知器
１３，１４： 電圧検出器
１５： ゲート駆動部
１６： ゲート制御部
１７： 過電圧状態判定部
１８： 停電判定部
１９： 直流負荷装置
２０： 直流負荷制御部
２１： 電気ヒータ
２２： スイッチング素子
３０： 電力負荷
３１： 主幹ブレーカ
３２： 分岐ブレーカ
３３： 連系ブレーカ
３４： 分電盤
４０： 系統電源
５０： 従来の分散型発電装置
５１： 従来の分散型発電装置のインバータ回路
ＯＵＴ１，ＯＵＴ２： インバータ回路部の出力端子
Ｎ： 単相３線式電力線の中性線
Ｕ： 単相３線式電力線の電圧線
Ｖ： 単相３線式電力線の電圧線

Claims (7)

1. 単相３線式交流電力を供給する系統電源と系統連系可能な分散型発電装置であって、
   直流電力を発生する直流電源と、
   前記直流電源から出力される直流電力をパルス幅変調された正負両極性のパルス出力に変換するブリッジ回路と、前記パルス出力を正弦波交流出力に変換する低域通過フィルタ回路を備え、前記直流電力を前記系統電源の２本の電圧線間の実効電圧と同じ実効電圧の単相交流電力に変換して、系統連系時の前記系統電源の中性線とは接続しない１対の出力端子間に前記交流電力を出力するインバータ回路部と、
   前記インバータ回路部の動作を制御する制御部と、
   前記インバータ回路部の２つの出力端子における各出力電圧を、前記中性線を基準として各別に検出する電圧検出器と、を備えてなり、
   前記制御部が、前記電圧検出器で各別に検出された前記出力電圧の少なくとも何れか一方の絶対値が所定の基準電圧を超過する過電圧状態を検出した場合に、前記各出力電圧の検出電圧に基づいて、前記過電圧状態の発生要因が、負荷状態のアンバランスか、前記アンバランス以外の要因かを判定し、前記ブリッジ回路を構成するスイッチング素子のオンオフ動作を前記過電圧状態の発生要因に応じて制御することによって、前記基準電圧を超過した出力電圧の絶対値が低下するように前記インバータ回路部の動作を制御することを特徴とする分散型発電装置。
2. 前記所定の基準電圧が、前記２本の電圧線の一方と前記中性線に接続して電力供給される電力負荷の短時間許容過電圧値に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１に記載の分散型発電装置。
3. 前記制御部が、前記過電圧状態を検出した場合に、前記基準電圧を超過した出力電圧の絶対値が低下するように前記インバータ回路部の動作を制御した後、前記インバータ回路部の動作を停止させることを特徴とする請求項１または２に記載の分散型発電装置。
4. 前記制御部が、前記過電圧状態を検出する前に前記インバータ回路部の動作を停止する外部指令を受けた場合、前記インバータ回路部の動作停止による前記低域通過フィルタ回路を構成するインダクタンス素子を通過する電流の急激な変化によって前記出力電圧が前記基準電圧を超過しないように、前記ブリッジ回路を構成するスイッチング素子のオンオフ動作を制御した後に、前記インバータ回路部の動作を停止させることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の分散型発電装置。
5. 前記インバータ回路部が、前記直流電力の入力を受け付ける１対の入力端子間にオンオフ制御可能な直流負荷装置を備え、
   前記制御部が、前記過電圧状態を検出した場合に、前記直流負荷装置のオンオフ動作を制御することによって、前記基準電圧を超過した出力電圧の絶対値が低下するように前記インバータ回路部の動作を制御することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の分散型発電装置。
6. 前記制御部が、前記過電圧状態を検出する前に前記インバータ回路部の動作を停止する外部指令を受けた場合、前記インバータ回路部の動作停止による前記低域通過フィルタ回路を構成するインダクタンス素子を通過する電流の急激な変化によって前記出力電圧が前記基準電圧を超過しないように、前記直流負荷装置のオンオフ動作を制御した後に、前記インバータ回路部の動作を停止させることを特徴とする請求項５に記載の分散型発電装置。
7. 前記系統電源の２本の電圧線間の実効電圧が２００Ｖであり、
   前記インバータ回路部が、前記過電圧状態を検出した場合に、前記制御部からの第１制御モードによる制御によって、前記直流電力を実効電圧２００Ｖの単相交流電力に変換して出力し、前記制御部からの第２制御モードによる制御によって、前記直流電力を実効電圧１００Ｖの単相交流電力に変換して出力可能に構成され、
   前記制御部が、前記過電圧状態を検出した場合に、前記インバータ回路部に対する制御モードを前記第１制御モードから前記第２制御モードに切り替えることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の分散型発電装置。