JP4835453B2 - 単独運転検出方法、分散型電源の単独運転検出用制御装置、単独運転検出装置および分散型電源 - Google Patents

Description

本発明は、分散型電源が電力系統から切り離され単独運転しているか否かを電力系統に注入した無効電力等の各種の電力変動に基づいて検出する単独運転検出方法、分散型電源の単独運転検出用制御装置、単独運転検出装置および分散型電源に関する。

単独運転とは、電力系統に事故等が発生して停止した状態で局所的な系統負荷に分散型電源が電力を供給している状態である。分散型電源とは、需要地あるいはその近辺に電源を設置して発電するものである。このような分散型電源は、現在、ガスタービン、ガスエンジン、太陽光、等を用いたコージェネレーションシステムが主流となっている。今後は、それらシステムに加えて、風力、小規模水力、バイオマス、等の再生可能なエネルギあるいは廃棄物等を利用した発電システムや技術的に開発途上にあるマイクロガスタービンや燃料電池の普及が期待されている。それらの中で、燃料電池は分散型電源の主流と期待も高いものであり、工場等の大規模施設だけでなく、一般住宅等の小規模施設への導入も進められるものと考えられる。

代表的な小型の分散型電源としてはガスエンジン、ガスタービン、マイクロガスタービン、太陽光、燃料電池等を例示することができる。これまで電力会社は需要地から離れた場所に膨大な設備投資を行って発電所を建設し、需要地まで送電してきたために、送電損失等があり、発電効率は３０％前後にとどまっている。

以上説明した分散型電源に対してその単独運転を検出する単独運転検出装置においてその単独運転の検出方式としては、詳しい説明は略するが、電力変動の注入方式により、無効電力変動方式、有効電力変動方式、高調波注入方式、等の各種方式（電力変動方式）が既に提案されている。

このような電力変動方式での単独運転検出において、多数台の単独運転検出装置が電力変動を不定期に電力系統に注入すると、電力系統内でそれら電力変動が相互に打ち消し合うことがあり、単独運転検出に影響が生じる。そのため、多数台の単独運転検出装置において、標準時刻電波信号等に同期させて一斉に電力変動を電力系統に注入した際には、それら電力変動が注入されている電力系統に接続されている負荷、例えば、蛍光灯のちらつき、マイクロコンピュータの誤動作、モータの回転制御不能を発生させる原因となるフリッカ（電圧の周期的変動）問題を発生するおそれがある。もちろん、単独運転検出装置が多数台ではなく、１台ないし数台でも、電力変動のレベルが過大であれば、多数台と同様なフリッカ問題が発生する。なお、単独運転に関する技術は多数有り、以下にその特許文献の代表を挙げる。

一方、従来、電圧系統における電圧実効値の変動による照明のちらつき、いわゆるフリッカは電力品質上の重要な問題であるが、その管理指標の１つとして式（１）で示されるようなΔＶ１０がある。

式（１）において、ΔＶｎは例えば図１で示すように、電圧動揺を周波数分析した結果得られる変動周波数ｆｎの電圧変動成分の振れ（実効値）を示し、ａｎは図２で示すちらつき視感度曲線における１０Ｈｚを１としたときの変動周波数ｆｎに対応するちらつき視感度係数を示す。ΔＶ１０はちらつき視感度曲線における１０Ｈｚの変動値である。このΔＶ１０は所定の許容値と比較され、許容値以下ならば電力品質良好と判断し、許容値以上ならば不良と判断する。
特開平０８−９８４１１号公報 特許３３９７９１２号公報 特許３４２４４４３号公報

したがって、本発明により解決すべき課題は、フリッカ問題を発生させる程度に電力変動が過大とならないよう電力変動のレベルを制御してフリッカを無くすか小さく抑制処理する一方、このフリッカ問題の解決に際してΔＶ１０の規定を充足することである。

本発明による単独運転検出方法は、分散型電源が電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを電力系統に注入した電力変動に基づいて検出する方法において、電力系統の各変動周波数ｆｎにおける電圧変動分ΔＶｎを計測する第１ステップと、上記電圧変動分ΔＶｎをちらつき視感度曲線における１０Ｈｚの変動値ΔＶ１０に換算する第２ステップと、上記換算した変動値ΔＶ１０がフリッカ対策の判定基準である許容値を超えないように上記電力系統における電力変動のフリッカを電力変動量として演算し、この演算値をフリッカ検出信号としこの信号と定期的に電力系統の電力を変動させるための電力定期変動信号との乗算結果をインバータ制御部に電力変動指令信号として出力する第３ステップと、を備えることを特徴とする。

上記において電力変動の注入は周期的、不定期、等の任意でもよい。

電力変動は、無効電力変動、有効電力変動、高調波電力変動、等であり、特に限定されない。

上記許容値は、新規発電機設備では０．２３V（２０２V換算では０．４６Ｖ）、連系前の電圧フリッカを考慮した場合では０．４５V（２０２V換算では０．９Ｖ）である。

本発明によると、電力変動を電力系統に注入する場合、変動値ΔＶ１０がフリッカ対策の判定基準である許容値を超えないようにするので、多数台の単独運転検出装置が例えば標準時刻電波信号等に同期させて一斉に電力変動を電力系統に注入したとしても、その電力変動はフリッカが問題とならない値以下に抑制されて、上記フリッカ問題を発生するおそれがなくなると同時に、ΔＶ１０規定を充足することができる。

本発明の好適な一態様は、第３ステップで上記電力系統における電力変動のフリッカを電力の変動周波数として演算することである。

本発明の好適な一態様は、第３ステップで上記電力系統における電力変動のフリッカの演算を、系統電圧の変動が小さい場合は変動周波数により演算し、また系統電圧の変動が大きい場合は電力変動量により演算することである。

本発明の好適な一態様は、ΔＶ１０が一定値を超えるまでは電力変動（量、変動周波数の変化）を一定の上限に抑制しΔＶ１０が一定値を超えた後はΔＶ１０の増減に対して電力変動のレベルをヒステリシスを持つサイクル制御をすることである。

本発明によれば、ΔＶ１０規定を充足しつつフリッカを検出処理することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る単独運転検出方法、その制御装置、単独運転検出装置および分散型電源を説明する。

図３は分散型電源と単独運転検出装置とを備えた電力制御システムの構成を示す。図３を参照して、１０は太陽光、風力、マイクロガスタービン、燃料電池等の分散型電源、１５はパワーコンディショナ、２０は単独運転検出装置、３０は電力系統である。電力系統３０の詳細は本実施の形態では特に説明を要しないので略する。また、負荷の図示等は略している。単独運転検出装置２０は、連系リレー２１,２５と、制御装置２２と、インバータ制御部２３と、インバータ２４と、電流検出器２６とを備える。

制御装置２２は、マイクロコンピュータを内蔵しそのマイクロコンピュータのソフトウエアプログラムにより制御動作を実行することができるようになっている。この場合、制御装置２２をマイクロコンピュータ以外のハードウエアで構成することもできる。

（実施の形態１）
図４に制御装置２２の実施の形態１に関わる主要な機能をブロック構成で示す。図４において、２９は標準時刻電波信号で作動する電波時計、３１は電波時計２９に同期して定期的に電力系統３０の電力を微小に変動（電力変動）制御するための電力定期変動信号Ｓ３´を出力する電力定期変動部である。

３２は電力系統３０における電力変動のフリッカを検出処理しフリッカ検出信号（電力変動量）Ｓ３´´を出力するフリッカ検出処理部である。

３３は定期変動部３１からの電力定期変動信号Ｓ３´とフリッカ検出処理部３２からのフリッカ検出信号（電力変動量）Ｓ３´´とを乗算しその乗算結果を電力変動指令信号Ｓ３（無効電流そのものではなくインバータ制御部２３への制御信号として）としてインバータ制御部２３に出力する乗算器である。

３４は電力ライン２７の電力変動を信号Ｓ５に基づいて監視する電力変動監視部である。

３５は電力変動監視部３４からの監視信号に基づいて分散型電源１０が電力系統３０から切り離されて単独運転しているか否かを判定し、その判定に対応して制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ６を連系リレー２１,２５とインバータ制御部２３に出力する単独運転判定部である。

電波時計２９と電力定期変動部３１は、乗算器３３に電力定期変動信号Ｓ３´を出力し、乗算器３３から電力変動指令信号Ｓ３を出力させ、この電力変動指令信号Ｓ３に応答して、インバータ制御部２３およびインバータ２４を通じて、電力系統３０に電力変動を注入する電力変動注入手段を構成することができる。

フリッカ検出処理部３２において、３２ａは図１に示す系統電圧の動揺を周波数分析して電力系統の変動周波数ｆｎにおける電圧変動分ΔＶｎ（系統電圧の実効値の振れ）を計測する計測部、３２ｂは、上記電圧変動分ΔＶｎを図２で示すちらつき視感度曲線により１０Ｈｚの変動値ΔＶ１０に換算処理（フィルタ処理）する換算処理部（フィルタ処理部）、３２ｃは上記換算した変動値ΔＶ１０の数秒間、実施の形態では５秒間の実効値を算出する実効値処理部、３２ｄは上記実効変動値ΔＶ１０がフリッカ対策の判定基準である許容値を超えないよう図５に従う電力変動量を演算しフリッカ検出信号Ｓ３´´として出力する演算部である。この許容値は、系統連系規定（JEAC9701-2006）に基づいて定めることができ、例えば新規発電機設備では０．２３V（２０２V換算では０．４６Ｖ）、連系前の電圧フリッカを考慮した場合では０．４５V（２０２V換算では０．９Ｖ）である。図５において、横軸は電圧偏差（Ｖ）（ΔＶ１０）、縦軸は注入電力変動量（Ｖａｒ）である。

実効値処理部３２ｃは、図５の横軸の実効値処理を行ないその実効値処理結果を演算部３２ｄに出力するようになっている。図５の横軸に関して、実効値処理部３２ｃでは、５秒間の実効値演算を図５の横軸の電圧偏差（ΔＶ１０）として求める。

演算部３２ｄにおいては、図５の一点鎖線で示すヒステリシス曲線Ｗ１では電圧偏差（ΔＶ１０）が０〜０．４５の間で増減しても電力変動量を４０（Ｖａｒ）の上限に維持し、電圧偏差（ΔＶ１０）が０．４５〜０．９の間で増減するときは電力変動量を０〜４０（Ｖａｒ）の範囲で増減に変動することにより、現在の電力変動量が、Ｗ１を上回るとＷ１にクリップさせる。そして、電圧偏差（ΔＶ１０）が一旦０．９になると、電圧偏差（ΔＶ１０）が低下するときは、電力変動量を０に維持する。そして、電圧偏差（ΔＶ１０）が０．８５になると、電圧偏差（ΔＶ１０）が増減するときは電力変動量を０〜４０で増減させる。すなわち、現在の電力変動量が、点線で示すヒステリシス曲線Ｗ２を下回るとＷ２にクリップするというヒステリシス動作で制御する。

上記において、演算部３２ｄ出力が乗算器３３にフリッカ検出信号Ｓ３´´として出力されるので、電力変動量を図５で示す関数に従って４０（Ｖａｒ）以下に抑制することができ、乗算器３３からインバータ制御部２３には電力変動量を４０（Ｖａｒ）以下に抑制する電力変動指令信号Ｓ３がインバータ制御部２３に出力されるので、フリッカが抑制される。

図６に上記によって注入電力変動が抑制されるイメージを示す。図６（ａ）では定期的に注入される電力変動を示す、図６（ｂ）では実施の形態１により注入電力変動が抑制されている状態を示す。

なお、演算部３２ｄは図７で示すヒステリシス曲線で電力変動量を制御してもよい。図５のヒステリシス曲線と比較して電圧偏差（ΔＶ１０）が小さい、すなわち、電力系統の電力変動が小さい場合は、大きい電力変動量の注入が可能であり、負荷電力と発電電力との完全バランス状態を急速に崩して単独運転検出を高速に行うことができる。

（実施の形態２）
図８に実施の形態２に係る制御装置２２のブロック構成を示す。この図８で示す制御装置２２では乗算器３３が省略され、フリッカ検出処理部３２出力が電力定期変動部３１に、直接、入力されるようになっていると共に、フリッカ検出処理部３２の演算部３２ｄが図９で示すヒステリシス曲線に従い演算を行うようになっていることである。図９の縦軸は注入電力変動周波数（Ｈｚ）になっている。

上記における演算部３２ｄでは、図９の一点鎖線で示すヒステリシス曲線Ｗ１では電圧偏差（ΔＶ１０）が０〜０．４５の間で増減しても電力変動周波数を２（Ｈｚ）の上限に維持し、電圧偏差（ΔＶ１０）が０．４５〜０．９の間で増減するときは電力変動周波数を０．１〜２（Ｈｚ）の範囲で増減に変動することにより、現在の電力変動量が、Ｗ１を上回るとＷ１にクリップさせる。そして、電圧偏差（ΔＶ１０）が一旦０．９になると、電圧偏差（ΔＶ１０）が低下するときは、電力変動周波数を０．１に維持する。そして、電圧偏差（ΔＶ１０）が０．８５になると、電圧偏差（ΔＶ１０）が増減するときは電力変動周波数を０．１〜２で増減させる。すなわち、現在の電力変動量が、点線で示すヒステリシス曲線Ｗ２を下回るとＷ２にクリップするというヒステリシス動作で制御する。

先に説明した実施の形態１では電圧フリッカをΔＶ１０を満足させるため、系統電圧のΔＶ１０を算出し、定期的な電力変動量を抑制しているのに対して、図８、図９で示す実施の形態２ではΔＶ１０への影響が図２で示すように１０Ｈｚが最大であり、１０Ｈｚから離れるほど、影響が少なくなることに着目し、算出したΔＶ１０により、注入する電力変動周波数を変化させることにより、電圧フリッカを許容値以内に収めるようにした。

この場合、注入電力変動周波数が低くなって電力変動の周期が長くなっても、系統電圧に変動がある場合は、発電電力と負荷電力との完全バランス状態を崩すことが可能であり、単独運転検出の検出時間に影響を与えることはない。

図１０に上記によって注入電力変動が抑制されるイメージを示す。図１０（ａ）は定期的な電力変動注入を示し、図１０（ｂ）は注入電力変動の周期が伸びて電力変動が抑制されている状態を示す。

（実施の形態３）
図１１に実施の形態３に係る制御装置２２のブロック構成を示す。この図１１で示す制御装置２２では、フリッカ検出処理部３２出力が乗算器３３と電力定期変動部３１とに入力されるようになっていると共に、フリッカ検出処理部３２の演算部３２ｄが図１２（ａ）（ｂ）で示すヒステリシス曲線に従いそれぞれ演算を行ない、乗算器３３には図１２（ａ）で対応する電力変動量で、電力定期変動部３１には図１２（ｂ）で対応する変動周波数変化で、それぞれフリッカー検出信号Ｓ３´´を出力するようになっていることである。図１２（ａ）は図５に対応し、図１２（ｂ）は図９に対応する。これらの説明は略する。

図１１に示す制御装置２２では、ΔＶ１０が０〜０．４では電力変動周波数を図１２（ｂ）で示すヒステリシス曲線に従い変化させ、ΔＶ１０が０．４〜０．９では注入電力変動量を図１２（ａ）で示すヒステリシス曲線に従い変化させて、電圧フリッカをΔＶ１０の許容値以内に収めるようにしている。実施の形態１では系統電圧変動が小さい場合では、大きい電力変動を注入するので、負荷電力と発電電力との完全バランス状態を急速に崩して単独運転検出を高速に行うことができる。しかしながら、大きい電力変動を注入するため装置が大型化し、高価となるうえ、損失も大きくなる。そこで、実施の形態３では系統電圧変動が小さい場合は、注入電力変動の変動周波数をあげることにより、負荷電力と発電電力との完全バランス状態を急速に崩すことを可能にしているので実施の形態１と比較して装置のサイズ小、コスト低減、損失小という観点から有利となる。

なお、図１３（ａ）（ｂ）にΔＶ１０が０．４〜０．９の場合、図１３（ｃ）（ｄ）にΔＶ１０が０〜０．４の場合を示す。図１３（ａ）（ｃ）は共に定期電力変動の注入されている場合であり、図１３（ｂ）は電力変動量、図１３（ｄ）は変動周波数の変化による場合である。いずれも注入電力変動が抑制されている。

以上により実施の形態１〜３の単独運転検出装置２０では、制御装置２２から電力系統に電力変動が注入される結果、多数台の単独運転検出装置が一斉に電力変動を電力系統に注入したとしても、その電力変動はΔＶ１０を満足しつつ、フリッカの問題を起こさないように抑制することができる。

図３に戻って、分散型電源１０に外付けされている単独運転検出装置２０においては、制御装置２２からインバータ制御部２３に電力系統に周期的に電力変動を注入するための制御指令Ｓ３が入力される。これにより、インバータ制御部２３は制御信号Ｓ４をインバータ２４に出力してインバータ２４を駆動させて電力ライン２７に電力変動を注入する。なお、制御装置２２により連系リレー２１、２５は閉じている。

制御装置２２は、電力ライン２７からの電力変動を系統からの信号Ｓ５により電力変動監視部３４で監視している。電力変動監視部３４は電力変動の監視データを単独運転判定部３５に入力している。単独運転判定部３５においてはその監視データから単独運転であると判定すると、連系リレー２１,２５をオフ駆動する制御信号Ｓ１，Ｓ２とインバータ制御部２３にインバータ２４の動作を停止させる制御信号Ｓ６とを出力する。これにより単独運転が停止される。

一方、制御装置２２のフリッカ検出処理部３２では単独運転判定のための電力変動レベルが一定値以上にならないよう系統の電圧と周波数とを検出し、電力変動をレベル制御し、フリッカの発生を抑制する。

図１４は単独運転検出装置を内蔵したパワーコンディショナーを示す。この分散型電源は太陽電池や燃料電池等の電源本体５０と、パワーコンディショナー６０とから構成されている。パワーコンディショナー６０は、インバータ６１と、電流検出器６２と、連系リレー６３と、インバータ制御部６４と、実施の形態の制御装置６５とを備える。

以上の構成において、パワーコンディショナー６０においては、制御装置６５からインバータ制御部６４に電力系統に周期的に電力変動を注入するための制御指令が入力される。これにより、インバータ制御部６４はインバータ６１を駆動して電力ライン６６に電力変動を注入する。なお、制御装置６５により連系リレー６３は閉じている。

制御装置６５は、電力ライン６６からの電力変動を電力変動監視部３４で監視している。電力変動監視部３４は電力変動の監視データを単独運転判定部３５に入力している。単独運転判定部３５においてはその監視データから単独運転であると判定すると、連系リレー６３をオフ駆動する制御信号とインバータ制御部６４にインバータ６４の動作を停止させる制御信号とを出力する。これにより単独運転が停止される。

一方、制御装置６５のフリッカ検出処理部３２では単独運転判定のための電力変動のレベルが一定値以上にならないよう系統の電圧と周波数とを検出し、電力変動のレベルを制御し、フリッカの発生を抑制する。

図１はフリッカ変動電圧の説明に供する図である。 図２はちらつき視感度係数の説明に供する図である。 図３は本発明の実施の形態１に係る単独運転検出方法が適用される分散型電源と単独運転検出装置とからなる電力制御システムの構成を示す図である。 図４は図３の制御装置のブロック図である。 図５は図３の制御装置の動作説明に供するもので電圧偏差（ΔＶ１０）と注入電力変動量との関係を示す図である。 図６は定期的電力変動注入と実施の形態１により注入電力変動が抑制されるイメージ図である。 図７は実施の形態１の演算部の演算の変形例を示す図である。 図８は実施の形態２の制御装置のブロック図である。 図９は図８の制御装置の動作説明に供するもので電圧偏差（ΔＶ１０）と注入電力変動量との関係を示す図である。 図１０は定期的電力変動注入と実施の形態１により注入電力変動が抑制されるイメージ図である。 図１１は実施の形態３の制御装置のブロック図である。 図１２（ａ）は図１１の制御装置の動作説明に供するもので電圧偏差（ΔＶ１０）と注入電力変動量との関係を示す図、図１２（ｂ）は図１１の制御装置の動作説明に供するもので電圧偏差（ΔＶ１０）と注入電力変動周波数との関係を示す図である。 図１３は定期的電力変動注入と実施の形態３により注入電力変動が抑制されるイメージ図である。 図１４は本発明の実施の形態に係る単独運転検出方法が適用される分散型電源と単独運転検出装置とからなる他の電力制御システムの構成を示す図である。

符号の説明

１０ 分散型電源
２０ 単独運転検出装置
３０ 電力系統

Claims (7)

1. 分散型電源が電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを電力系統に注入した電力変動に基づいて検出する方法において、
   電力系統の各変動周波数ｆｎにおける電圧変動分ΔＶｎを計測する第１ステップと、
   上記電圧変動分ΔＶｎをちらつき視感度曲線における１０Ｈｚの変動値ΔＶ１０に換算する第２ステップと、
   上記換算した変動値ΔＶ１０がフリッカ対策の判定基準である許容値を超えないように上記電力系統における電力変動のフリッカを電力変動量として演算し、この演算値をフリッカ検出信号としこの信号と定期的に電力系統の電力を変動させるための電力定期変動信号との乗算結果をインバータ制御部に電力変動指令信号として出力する第３ステップと、
   を備えることを特徴とする単独運転検出方法。
2. 第３ステップで上記電力系統における電力変動のフリッカを電力の変動周波数として演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の単独運転検出方法。
3. 第３ステップで上記電力系統における電力変動のフリッカの演算を、系統電圧の変動が小さい場合は変動周波数により演算し、また系統電圧の変動が大きい場合は電力変動量により演算する、ことを特徴とする請求項１に記載の単独運転検出方法。
4. 分散型電源が電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを検出する単独運転検出装置に対してその検出動作を制御する制御装置において、
   電力系統の各変動周波数ｆｎにおける電圧変動分ΔＶｎを計測する第１手段と、
   上記電圧変動分ΔＶｎをちらつき視感度曲線により１０Ｈｚの変動値ΔＶ１０に換算する第２手段と、
   上記換算した変動値ΔＶ１０がフリッカ対策の判定基準である許容値を超えないように上記電力系統における電力変動のフリッカを電力変動量として演算し、この演算値をフリッカ検出信号としこの信号と定期的に電力系統の電力を変動させるための電力定期変動信号との乗算結果をインバータ制御部に電力変動指令信号として出力する第３手段と、
   を具備したことを特徴とする制御装置。
5. 分散型電源が電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを検出する単独運転検出装置に対してその検出動作を制御する制御装置において、当該制御装置は、マイクロコンピュータを内蔵しており、請求項１に記載の方法を実行するソフトウエアプログラムを備えたマイクロコンピュータにより構成されている、ことを特徴とする制御装置。
6. 分散型電源が電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを検出する単独運転検出装置において、請求項４または５に記載の制御装置を備える、ことを特徴とする単独運転検出装置。
7. 電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを検出する単独運転検出装置を内蔵する分散型電源において、この単独運転検出装置が請求項６に記載の単独運転検出装置である、ことを特徴とする分散型電源。

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