JP4674118B2 - 電力検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、瞬時電力を周期的にモニターして有効電力を検出する電力検出装置、及び前記電力検出装置を備えて、商用電源に対する逆潮流を防止する自家発電システムに関する。

コージェネレーションシステムのような自家発電システムは、商用電源に連系されるのが普通である。発生頻度の低い最大負荷に見合う自家発電システムを設置するのはイニシャルコストが大きくなるので、発生頻度の高い部分負荷に合わせた自家発電システムを設置して、自家発電システムの能力を上回る負荷が印加される場合には商用電源で補うのが合理的だからである。また、自家発電システムのランニングコストと商用電源の買電コストの合計を最小にするためには、商用電源からの買電を最小にする必要がある。

そのため、自家発電システムの能力以下の電力需要に対しては、自家発電システムの出力は、その全てを自家発電システムで賄うように制御される。しかしながら、電力需要は刻々変動する。そのため、自家発電システムの出力が電力需要を上回る場合が生じ、余剰となった電力が商用電源に逆流する場合がある。この現象を「逆潮流」と呼び、逆潮流する電力を「逆電力」と呼ぶ。

余剰電力が逆潮流すると、受電点の電圧が上昇して、商用電力系統の運転範囲を超える可能性がある。そのため、逆電力の許容量が定められている。この許容量を超えた場合、自家発電システムと商用電源の連系を解除（解列）することが電力業者から要求されている。しかも、許容量を超える逆電力を短時間で検出し、速やかに解列する事が求められている。

そこで、自家発電システムと商用電源の間に保護継電器を設け、逆電力が許容値を超えるのを検出すると、自家発電システムと商用電源の連系を解除するようにしている。例えば、特許文献１には交流電圧の一周期をサンプリングすることにより、電流値、電圧値、力率を測定し、電流値、電圧値、力率の平均値から逆電力を算出する保護継電器が開示されている。また、特許文献２には電圧１サイクル期間における有効電力成分の算術平均値を演算するデジタル型逆電力保護継電器が開示されている。
特開平８−２８０１３１号公報 特開平１−１３６５２３号公報

特許文献１及び特許文献２に記載の保護継電器は、交流電圧の一周期をサンプリングして、一周期間の電圧値及び電流値の平均値から、有効電力を算出しているので、逆電力を検出するのに、０．０１７秒（６０Ｈｚの場合）以上の時間を要している。しかしながら、逆潮流の規制は厳しく、短時間で逆電力を検出して、瞬時に連系を解除することが求められている。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、逆電力を短時間で精度よく検出できる電力検出装置及び、これを備えた自家発電システムを提供することを目的とするものである。

本発明の有効電力検出装置の第１の構成は、電圧／電流周期Ｔを検出する周期検出手段と、電圧又は電流が０になるタイミング（ゼロクロスポイント）を検出するゼロクロスポイント検出手段と、前記ゼロクロスポイントから前記電圧／電流周期Ｔの８分の１（Ｔ／８）だけ前後するタイミングで、瞬時電力を検出する電力検出手段を有することを特徴とする。

電圧又は電流のゼロクロスポイントは、１周期に２回発生し、１回のゼロクロスポイントの前後で瞬時電力を計測するタイミングがある。このタイミングで瞬時電力曲線は有効電力と交差する。したがって、この構成によれば、電圧／電流周期Ｔの４分の１（６０Ｈｚならば、約０．００４秒）毎に有効電力の値を検出できる。

本発明の電力検出装置の第２の構成は、電圧／電流周期Ｔを検出する周期検出手段と、前記電圧／電流周期Ｔの４分の１の時間間隔（Ｔ／４）で、瞬時電力を検出する電力検出手段と、前記電圧／電流周期Ｔの４分の１の時間間隔（Ｔ／４）だけ前後する２点で検出した前記瞬時電力の算術平均を算出する平均電力算出手段を有することを特徴とする。

瞬時電力曲線は電圧／電流周期Ｔの２分の１の周期で変動するから、電圧／電流周期Ｔの４分の１の周期で瞬時電力をモニターして、電圧／電流周期Ｔの４分の１（すなわち、瞬時電力の周期の２分の１）だけ前後する２点で検出した前記瞬時電力の算術平均を算出すれば、電圧／電流周期Ｔの４分の１の期間の平均有効電力を得ることができる。

本発明の自家発電システムは、商用電源に連系される自家発電システムにおいて、請求項１又は請求項２に記載の電力検出装置と、前記商用電源との連系／解列を行う連系解列手段を備えるとともに、前記電力検出装置は前記商用電源に逆潮する逆電力を検出し、前記連系解列手段は前記逆電力が所定の閾値を超える場合に、前記商用電源との連系を解列することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、極めて短時間で有効電力を計測できるので、逆潮流が発生した場合に、自家発電システムを速やかに商用電源から解列して、商用電源の障害を回避することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施例を示すコージェネレーションシステムの構成図である。図１において、コージェネレーションシステム１は発電機２で発電した電力を、遮断器５を介して構内負荷３に供給するとともに、発電機２を駆動するエンジン４の排熱を図示しない給湯装置に供給する電熱併給システムである。構内負荷３の電力需要が発電機２の容量を超えた場合に商用電源から電力供給を受けられるように、コージェネレーションシステム１は商用電源に連系している。

遮断器５は、制限を超える逆潮流が発生した場合に商用電源とコージェネレーションシステム１の連系を解列する連系解列手段である。遮断器５が作動すると、発電機２は、商用電源及び構内負荷３から切り離される。なお、この時、発電機２が無負荷運転の状態になるのを防止するために、発電機２の出力を吸収するダミー負荷（図示せず）が用意されている。

また、６は、コージェネレーションシステム１から、商用電源に流れる逆電力を検出する電力検出装置であり、７はコージェネレーションシステム１の制御装置である。

図２は、電力検出装置６の構成図である。図２に示すように、電力検出装置６は、周期検出手段６１、ゼロクロスポイント検出手段６２、タイマ６３、及び電力検出手段６４からなる。

周期検出手段６１は、コージェネレーションシステム１から商用電源に流れる交流電圧又は交流電流の周期Ｔを検出して、その値をタイマ６３に出力する。

ゼロクロスポイント検出手段６２は、コージェネレーションシステム１から商用電源に流れる交流電圧又は交流電流をモニターして、前記電圧又は電流が０になるとゼロクロス信号をタイマ６３に出力する。

タイマ６３は、前記ゼロクロス信号を受信するとスタートし、スタートから前記周期Ｔの８分の１及び８分の３の時間が経過すると、電力検出指令を電力検出手段６４に出力するタイマである。

電力検出手段６４は、前記電力検出指令を受信すると、コージェネレーションシステム１から商用電源に流れる交流の瞬時電圧と瞬時電流を検出して、前記瞬時電圧と前記瞬時電流を乗じて得た値を瞬時有効電力として出力する。

前記瞬時有効電力は、制御装置７に送信され、前記瞬時有効電力が所定の許容値を超える場合は、制御装置７は遮断器５に指令してコージェネレーションシステム１を商用電源から解列する。

なお、前記瞬時電圧と前記瞬時電流を乗じて得た値を瞬時有効電力として取り扱える理由は後述する。

図３は、電力検出装置の別の例を示す構成図である。図３において、電力検出装置６’は、周期検出手段６５、タイマ６６、電力検出手段６７、電力値記憶手段６８、及び平均値算出手段６９からなる。

周期検出手段６５は、コージェネレーションシステム１から商用電源に流れる交流電圧又は交流電流の周期Ｔを検出して、その結果をタイマ６６に出力する。

タイマ６６は、任意の時刻にスタートし、前記電圧／電流周期Ｔの４分の１の時間が経過する度に、電力検出指令を電力検出手段６７に出力する。

電力検出手段６７は、前記電力検出指令を受信すると、コージェネレーションシステム１から商用電源に流れる交流の瞬時電圧と瞬時電流を検出して、前記瞬時電圧と前記瞬時電流を乗じて得た値を瞬時電力として出力する。

電力値記憶手段６８は、前回の検出タイミング（つまり、前記電圧／電流周期Ｔの４分の１の時間前）で検出した瞬時電力を記憶するメモリである。

平均値算出手段６９は、今回検出された瞬時電力を電力検出手段６７から受信すると、電力値記憶手段６８から前回検出された瞬時電力を読み出し、今回検出された瞬時電力と前回検出された瞬時電力の算術平均を算出し、前記算術平均を前回から今回までの平均有効電力として出力する。

前記平均有効電力は、制御装置７に送信され、前記瞬時有効電力が所定の許容値を超える場合は、制御装置７は遮断器５に指令してコージェネレーションシステム１を商用電源から解列する。

なお、前記算術平均を前回から今回までの平均有効電力として取り扱える理由は後述する。

次に、電力検出装置６、６’の検出原理を説明する。

［電圧と電流の位相が同じ場合］
図４は、電圧と電流の位相が同じ場合、つまり力率が１の場合の瞬時電圧、瞬時電流、及び瞬時電力の時間変化を示す図である。ここで、交流電圧及び交流電流の実効値をＶ及びＩとすると、時刻ｔにおける瞬時電圧ｖ（ｔ）及び瞬時電流ｉ（ｔ）は式（１）及び式（２）で与えられる。

ただし、ωは角速度である。

また、瞬時電力ｐ（ｔ）は、式（３）で与えられる。

なお、ＶＩは有効電力である。

式（３）あるいは図４から明らかなように、瞬時電力ｐ（ｔ）の値は、ｔ＝π／（４ω），３π／（４ω），５π／（４ω），‥‥の時に有効電力ＶＩに一致する。

また、瞬時電圧ｖ（ｔ）及び瞬時電流ｉ（ｔ）は、ｔ＝０，π／ω，２π／ω，３π／ω，‥‥の時に０になる。

したがって、瞬時電圧ｖ（ｔ）あるいは瞬時電流ｉ（ｔ）が０になるタイミング（ゼロクロスポイント）の前後のπ／（４ω）だけずれたタイミング、つまり交流周期Ｔの８分の１だけ前後のタイミングで、瞬時電力ｐ（ｔ）の値は、有効電力ＶＩに一致する。

また、時刻ｔから交流周期の４分の１だけ前後する時刻ｔ’＝ｔ±π／（２ω）における瞬時電力ｐ（ｔ’）は式（４）で与えられる。

したがって、瞬時電力ｐ（ｔ）と瞬時電力ｐ（ｔ’）の算術平均は有効電力ＶＩに等しくなる。

［電圧と電流の位相がずれた場合］
図５は、電圧と電流の位相がφだけずれた場合、つまり力率がｃｏｓφの場合の瞬時電圧、瞬時電流及び瞬時電力の時間変化を示す図である。時刻ｔにおける瞬時電圧ｖ（ｔ）及び瞬時電流ｉ（ｔ）は式（５）及び式（６）で与えられる。

ただし、ωは角速度である。

また、瞬時電力ｐ（ｔ）は、式（７）で与えられる。

なお、ＶＩｃｏｓφは有効電力である。

また、時刻ｔから交流周期の４分の１だけ前後する時刻ｔ’＝ｔ±π／（２ω）における瞬時電力ｐ（ｔ’）は式（８）で与えられる。

したがって、瞬時電力ｐ（ｔ）と瞬時電力ｐ（ｔ’）の算術平均は有効電力ＶＩｃｏｓφに等しい。

本発明の実施例を示すコージェネレーションシステムの構成図である。 電力検出装置の例を示す構成図である。 電力検出装置の別の例を示す構成図である。 力率が１の場合の瞬時電圧、瞬時電流及び瞬時電力の時間変化を示す図である。 力率がｃｏｓφの場合の瞬時電圧、瞬時電流及び瞬時電力の時間変化を示す図である。

符号の説明

１ コージェネレーションシステム
２ 発電機
３ 構内負荷
４ エンジン
５ 遮断器（連系解列手段）
６，６’ 電力検出装置
７ 制御装置
６１ 周期検出手段
６２ ゼロクロスポイント検出手段
６３ タイマ
６４ 電力検出手段
６５ 周期検出手段
６６ タイマ
６７ 電力検出手段
６８ 電力値記憶手段
６９ 平均値算出手段

Claims (1)

1. 電圧と電流とが同相の電源における有効電力を検出する電力検出装置であって、
   電圧／電流周期Ｔを検出する周期検出手段と、
   電圧又は電流が０になるタイミングであるゼロクロスポイントを検出するゼロクロスポイント検出手段と、
   前記ゼロクロスポイントから前記電圧／電流周期Ｔの８分の１（Ｔ／８）だけ前後するタイミングで、瞬時電力を検出する電力検出手段と、
   を有することを特徴とする電力検出装置。

Images