JP4967539B2 - 単独運転検出装置およびパワーコンディショナー、単独運転検出方法 - Google Patents

Description

本発明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ことを検出する単独運転検出装置およびパワーコンディショナー、単独運転検出方法に係り、特に電力系統（パワーライン）に、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を注入し、迅速に分散型電源の単独運転を検出可能な単独運転検出装置およびパワーコンディショナー、単独運転検出方法に関する。

近年、一つの電力系統に複数の分散型電源が接続されて、連系運転されており、電力系統に事故が発生したような場合、単一の分散型電源が連系されているケースと異なって、分散型電源の単独運転を検出するためには、様々な課題が発生する。

なお、分散型電源は、ガスタービン、ガスエンジン、太陽光、風力、小規模水力、マイクロガスタービンや燃料電池等を利用したパワーコンディショナーが一部実用化され、あるいは今後の実用化傾向にある。

また、分散型電源の単独運転とは、連系運転されている電力系統に故障が発生し、分散型電源から負荷に電力を供給する状態であり、単独運転が継続すると、電力系統の保安に携わる人や設備に与える影響が大きい虞がある。

従って、電力系統と、連系する分散型電源の間に単独運転を検出する単独運転検出装置を設け、分散型電源の単独運転が発生した場合には、早急に単独運転を検出して、分散型電源を電力系統から切り離なさなければならない。

従来の単独運転検出装置において、分散型電源の単独運転を検出するため矩形波状に変化する無効電力変動を電力系統に注入するように構成されたものが知られている。

また、需要家構内で自家発電設備と負荷がほぼバランスして、系統と電力の供給がほとんどない時に、系統解列となっても、常時微小な電圧変動を与えていることで、その変動をきっかけとして過電圧継電器または不足電圧継電器の感知するレベルに発電機端子電圧をシフトさせることで、受電線送り出し継電器と自家発電設備需要家受電点遮断機との間に高価な転送遮断装置を設けることなく、速やかに受電点遮断機を切り離すことができる系統連系保護装置が「特許文献１」に開示されている。
特許第２９４９２０２号（図２、発明の効果を参照）

従来の単独運転検出装置は、矩形波状に変化する無効電力変動を電力系統に注入する時、１台の分散型電源が連系運転しているケースで、図７に示すように、無効電力一定負荷（Ｑ１）の場合には、単独運転が発生しても注入無効電力とバランスするため、期間Ｔ１（sec）は、単独運転検出が遅れてしまう課題がある。また、複数台の分散型電源が連系運転しているケースでも同様の課題がある。

また、図８に示すように、注入する無効電力変動の進みから遅れ、遅れから進みに急峻に変化するため、系統電圧や系統周波数が揺れて、系統に接続されている負荷（機器）に悪影響、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やモータの回転制御不能など、を及ぼす課題がある。

さらに、複数の分散型電源が連系運転しているケースで、図９に示すように、例えば２台の分散型電源Ｘ、Ｙがある同期ばらつきで同期運転している場合、一方の分散型電源と他方の分散型電源の合成した注入無効電力に、注入無効電力が無くなる（注入無効電力＝０）期間Ｔ２（sec）が発生し、単独運転検出が遅れてしまう課題がある。

この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は電力系統に時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を注入し、迅速に分散型電源の単独運転を検出可能な単独運転検出装置およびその単独運転検出方法、パワーコンディショナーを提供することにある。

前記課題を解決するためこの発明に係る単独運転検出装置は、電力系統に無効電力変動を注入して、分散型電源の単独運転を検出する単独運転検出装置であって、周期関数の信号を発生する発信器またはソフトウェア制御の発信機能を備えて、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生する電力定期変動部を備えており、加えて、電力定期変動部が、電力系統上における周波数偏差値及び電圧偏差値を比較し得た乗数係数と電波時計に同期した無効電力変動信号とにより、無効電力変動をフリッカーが発生しないレベルに抑制するフリッカー検出処理部を有して構成していることを特徴とする。

この発明に係る単独運転検出装置は、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生する電力定期変動部を備えたので、無効電力が緩やかに変化するため単独運転が発生していない定常時に負荷へ悪影響を及ぼすことがなく、また分散型電源の単独運転が開始しても、電力系統に注入する無効電力を常に変化させているため、無効電力一定負荷による無効電力変動とのバランスを避け、分散型電源を複数台接続しても、無効電力変動の合成も緩やかに変化させることができる。

また、この発明に係る電力定期変動部は、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力変動を発生するようにしてもよい。

さらに、この発明に係る電力定期変動部は、時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力変動を発生するようにしてもよい。

この発明に係る電力定期変動部は、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力変動、または時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力変動を発生するようにしたので、常に緩やかに変動する無効電力変動を電力系統に注入することができる。

また、この発明は、前記記載の単独運転検出装置を内蔵してパワーコンディショナーを構成するようにしてもよい。

この発明に係るパワーコンディショナーは、前記単独運転検出装置を内蔵することにより、単独運転検出装置とパワーコンディショナーを１つに集約することができる。

さらに、この発明に係る単独運転検出方法は、電力系統に無効電力変動を注入して、分散型電源の単独運転を検出する単独運転検出方法であって、周期関数の信号を発生する発信器またはソフトウェア制御の発信機能により、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生するに際して、電力系統上における周波数偏差値及び電圧偏差値を比較して得た電圧偏差値乗数係数と電波時計に同期した無効電力変動信号とにより、無効電力変動をフリッカーが発生しないレベルに抑制するようにしたことを特徴とする。

この発明に係る単独運転検出方法は、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生するので、無効電力が緩やかに変化するため単独運転が発生していない定常時に負荷へ悪影響を及ぼすことがなく、また分散型電源の単独運転が開始しても、電力系統に注入する無効電力を常に変化させているため、無効電力一定負荷による無効電力変動とのバランスを避け、分散型電源を複数台接続しても、無効電力変動の合成も緩やかに変化させることができる。

また、この発明に係る単独運転検出方法は、周期関数の信号を発生する発信器またはソフトウェア制御の発信機能により、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力を発生するようにしてもよい。

さらに、この発明に係る単独運転検出方法は、周期関数の信号を発生する発信器またはソフトウェア制御の発信機能により、時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力を発生するようにしてもよい。

この発明に係る単独運転検出方法は、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力、または時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力を発生するようにしたので、常に緩やかに変動する無効電力変動を電力系統に注入することができる。

この発明に係る単独運転検出装置は、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生する電力定期変動部を（有する制御装置を）備えたので、無効電力が緩やかに変化するため単独運転が発生していない定常時に負荷へ悪影響を及ぼすことがなく、また分散型電源の単独運転が開始しても、電力系統に注入する無効電力を常に変化させているため、無効電力一定負荷による無効電力変動とのバランスを避け、分散型電源を複数台接続しても、無効電力変動の合成も緩やかに変化させることができ、分散型電源の単独運転検出を迅速に実行することができる。

また、この発明に係る電力定期変動部は、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力変動、または時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力変動を発生するようにしたので、常に緩やかに変動する無効電力変動を電力系統に注入することができ、単独運転発生から短時間で単独運転を検出することができる。

さらに、この発明に係るパワーコンディショナーは、前記単独運転検出装置を内蔵することにより、単独運転検出装置とパワーコンディショナーを１つに集約することができ、コンパクトに構成することができる。

また、この発明に係る単独運転検出方法は、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生するので、無効電力が緩やかに変化するため単独運転が発生していない定常時に負荷へ悪影響を及ぼすことがなく、また分散型電源の単独運転が開始しても、電力系統に注入する無効電力を常に変化させているため、無効電力一定負荷による無効電力変動とのバランスを避け、分散型電源を複数台接続しても、無効電力変動の合成も緩やかに変化させることができ、分散型電源の単独運転検出を迅速に実行することができる。

さらに、この発明に係る単独運転検出方法は、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力、または時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力を発生するようにしたので、常に緩やかに変動する無効電力変動を電力系統に注入することができ、単独運転発生から短時間で単独運転を検出することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は系統連系分散型電源システムの全体イメージ図である。図１において、系統連系分散型電源システム１は、上位（高圧系）から順に下位（低圧系）に、遮断機単位、区分開閉器単位、柱上変圧器単位となっており、遮断機単位、区分開閉器単位、柱上変圧器単位の下位それぞれの住宅単位系統電源ＡCには、複数の分散型電源システムが連系されて運転されている。

分散型電源システムは、それぞれ例えば、太陽電池などの分散型電源、分散型電源の直流電力を系統電源ＡCと同期させた交流電力に変換するパワーコンディショナー、系統電源ACに連系するパワーライン上に無効電力変動を注入する分散型電源の単独運転検出装置を備える。なお、単独運転検出装置は、パワーコンディショナーに内蔵した構成でもよい。

系統電源ＡCに事故が発生した場合、該当する住宅単位の分散型電源システムは、単独運転を開始するので、単独運転検出装置が単独運転を検出して、単独運転検出装置に内蔵している連系リレーを遮断し、住宅単位の分散型電源システムを系統電源ＡCから切り離すことになる。

単独運転検出装置は、電力系統に無効電力変動を注入し、注入した無効電力変動に基づいて単独運転を検出する。

また、単独運転検出装置は、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生する電力定期変動部を備える。

電力定期変動部は、無効電力が緩やかに変化するため、単独運転が発生していない定常時に負荷へ悪影響を及ぼすことがなく、また分散型電源の単独運転が開始しても、電力系統に注入する無効電力を常に変化させているため、無効電力一定負荷による無効電力変動とのバランスを避け、分散型電源を複数台接続しても、無効電力変動の合成も緩やかに変化させることができる。

電力定期変動部は、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力変動、または時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力変動を発生する。

図２はこの発明に係る電力定期変動部の一実施の形態注入無効電力の波形図である。図２において、注入無効電力は、時間的に常時緩やかに変化する正弦波、または時間的に常時緩やかに変化する三角波とする。

正弦波の注入無効電力や三角波の注入無効電力は、時間的に注入無効電力が一定になることがなく、常時緩やかに変化しているので、無効電力一定負荷（Ｑ１）とバランスする期間（例えば、図７に示す期間Ｔ１）がないので、単独運転が発生すると直ちに単独運転を検出することができる。

また、正弦波の注入無効電力や三角波の注入無効電力は、振幅の急激な変化がないため、系統電圧や系統周波数がゆれて、系統に接続されている負荷（機器）に悪影響を及ぼすことがない。

図３はこの発明に係る電力定期変動部の別実施の形態注入無効電力の波形図である。図３において、分散型電源Ａと分散型電源Ｂが同期ばらつきを発生して、正弦波の注入無効電力を発生しているが、合成した注入無効電力も正弦波になるので、波形合成に起因する注入無効電力が零（０）になる期間（例えば、図９に示すＴ２期間）がないので、単独運転が発生すると直ちに単独運転を検出することができる。

このように、この発明に係る電力定期変動部は、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力変動、または時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力変動を発生するようにしたので、常に緩やかに変動する無効電力変動を電力系統に注入することができ、単独運転発生から短時間で単独運転を検出することができる。

図４はこの発明に係る単独運転検出装置が適用される分散型電源システムの一実施の形態ブロック構成図である。図４において、分散型電源システム２は、太陽電池などの分散型電源３（パワーコンディショナーを含む）と、単独運転検出装置４と、系統電源ＡCとから構成されている。

単独運転検出装置４は、連系リレーＲL1、連系リレーＲL2、制御装置５、インバータ制御部６、インバータ７、電流検出器８を備える。

制御装置５は、マイクロプロセッサを基本に構成し、ソフトプログラムにより各種制御機能やシーケンス機能を実現し、単独運転検出装置４の全体動作を制御する。

また、制御装置５は、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生する電力定期変動部、フリッカーを検出して処理するフリッカー検出処理部などを有する電力変動部を備える。

図５はこの発明に係る電力変動部の一実施の形態要部ブロック構成図である。図５において、電力変動部９は、標準時刻電波信号を受信して正確な時計信号を発生する電波時計１０、電波時計１０に同期して定期的に、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生する電力定期変動部１１、系統周波数および系統電圧に基づいてパワーラインＰL上の無効電力変動のフリッカーを検出して処理し、フリッカーを抑制する乗算係数を発生するフリッカー検出処理部１２、電力定期変動部１１から供給される無効電力変動（信号）とフリッカー検出処理部１２から供給される乗算係数を乗算して無効電力変動を発生する乗算器１３、注入する無効電力変動の影響で変動するパワーラインＰＬの系統周波数を監視する系統周波数監視部１４、系統周波数監視部１４から供給される監視信号に基づいて単独運転を判定する単独運転判定部１５を備える。

電力定期変動部１１は、周期関数の信号を発生する発信器またはソフトウェア制御の発信機能を備え、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生し、この無効電力変動を乗算器１３に提供する。なお、無効電力変動は、電力信号であり、乗算器１３で電力信号と乗算信号を掛け合わせた電力信号（無効電力信号）をインバータ制御部６に供給する。

また、無効電力変動は、具体的には、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力変動（信号）、または時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力変動（信号）とする。

なお、単独の単独運転検出装置が注入する無効電力変動または複数の単独運転検出装置が注入する合成された無効電力変動は、時間的に常時緩やかに変化するものであれば、正弦波や三角波に限定することなく、任意の周期波形であってもよい。

フリッカー検出処理部１２は、周波数変動検出部１２ａ、電圧変動検出部１２ｂ、第１演算部１２ｃ、第２演算部１２ｄ、比較部１２ｅ、ＬＦＰ（ローパスフィルタ）１２ｆを備え、系統電源ＡＣに連系された複数の単独運転検出装置４によるパワーラインＰLに注入する無効電力変動の合成されたレベルが大きなり過ぎることに起因するフリッカーを検出して、それぞれの単独運転検出装置４が発生する無効電力変動を抑制するような乗算係数を発生する。

フリッカー検出処理部１２は、周波数変動検出部１２ａでパワーラインＰL上の系統周波数変動を検出し、第１演算部１２ｃは、検出した系統周波数変動から周波数偏差を演算して、第１演算出力を出力する。

また、フリッカー検出処理部１２は、電圧変動検出部１２ｂでパワーラインＰL上の系統電圧の変動を検出し、第２演算部１２ｄは、検出した系統電圧の変動から電圧偏差を演算して、第２演算出力を出力する。

比較部１２ｅは、第１演算出力と第２演算出力を比較し、小さい方の演算出力を出力し、ＬＦＰ（ローパスフィルタ）１２ｆは、第１演算出力または第２演算出力にフィルタリングを施して、乗算係数として出力する。

フリッカー検出処理部１２から出力される乗算係数と電力定期変動部１１から出力される電波時計１０に同期した無効電力変動（信号）を乗算器１３で乗算処理することにより、
インバータ制御部６を介してインバータ７からパワーラインＰL上に注入される無効電力変動のレベルをフリッカーが発生しない適切なレベルに抑制することができる。

単独運転判定部１５は、単独運転を判定すると、単独運転検出（信号）を連系リレーＲL1および連系リレーＲL2に供給し、連系リレーＲL1および連系リレーＲL2をオフ状態にし、分散型電源３を系統電源ＡＣから切り離すとともに、パワーラインＰL上に注入する無効電力変動を停止する。

図６はこの発明に係る分散型電源システムの別実施の形態要部ブロック構成図である。図６において、分散型電源システム１６は、太陽電池などの直流電力を出力する電源１７と、電源１７の直流電力を系統電源ＡＣと同期させた交流電力に変化するパワーコンディショナー１８と、パワーコンディショナー１８に連系する系統電源ＡＣとから構成されている。

なお、パワーコンディショナー１８は、制御装置１９、インバータ制御部２０、インバータ２１、電流検出器２２、連系リレーＲLを備えた単独運転検出装置２３を内蔵する。また、インバータ２１は、無効電力変動の注入機能、分散型電源の直流電力を交流電
力に変換する機能を兼ねている。

単独運転検出装置２３は、インバータ２１と連系リレーＲLがパワーラインＰLに直列に接続されている点が単独運転検出装置４と異なる以外、同一構成、同一機能なので、詳細な説明を省略する。なお、制御装置１９は、電力変動部９を備える。

パワーコンディショナー１８は、単独運転検出装置２３を内蔵することにより、単独運転検出装置とパワーコンディショナーを１つに集約することができる。

このように、パワーコンディショナー１８は、単独運転検出装置２３を内蔵することにより、単独運転検出装置とパワーコンディショナーを１つに集約することができ、コンパクトに構成することができる。

以上説明したように、この発明に係る単独運転検出装置４は、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生する電力定期変動部１１を備えので、電力系統（パワーラインＰL）に注入する無効電力変動を常に変化させ、無効電力が緩やかに変化するため単独運転が発生していない定常時に負荷-悪影響を及ぼすことがなく、また分散型電源の単独運転が開始しても、電力系統に注入する無効電力を常に変化させているため、無効電力一定負荷による無効電力変動とのバランスを避け、分散型電源を複数台接続しても、無効電力変動の合成も緩やかに変化させることができ、分散型電源３の単独運転検出を迅速に実行することができる。

次に、この発明に係る単独運転検出方法について説明する。この発明に係る単独運転検出方法は、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生し、無効電力が緩やかに変化するため単独運転が発生していない定常時に負荷へ悪影響を及ぼすことがなく、また分散型電源の単独運転が開始しても、電力系統に注入する無効電力を常に変化させているため、無効電力一定負荷による無効電力変動とのバランスを避け、分散型電源を複数台接続しても、無効電力変動の合成も緩やかに変化させることができので、分散型電源の単独運転検出を迅速に実行することができる。

また、この発明に係る単独運転検出方法は、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力、または時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力を発生するようにし、常に緩やかに変動する無効電力変動を電力系統に注入することができるので、単独運転発生から短時間で単独運転を検出することができる。

本発明に係る単独運転検出装置は、電力系統に時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を注入し、迅速に分散型電源の単独運転を検出可能なもので、無効電力変動を注入して分散型電源の単独運転を迅速に検出するあらゆる分散型電源システムに適用することができる。

系統連系分散型電源システムの全体イメージ図 この発明に係る電力定期変動部の一実施の形態注入無効電力の波形図 この発明に係る電力定期変動部の別実施の形態注入無効電力の波形図 この発明に係る単独運転検出装置が適用される分散型電源システムの一実施の形態ブロック構成図 この発明に係る電力変動部の一実施の形態要部ブロック構成図 この発明に係る分散型電源システムの別実施の形態要部ブロック構成図 従来の無効電力変動が無効電力一定負荷と一致する課題の説明図 従来の無効電力変動が急激に変化する課題の説明図 従来の無効電力変動が合成されることに伴う課題の説明図

符号の説明

１ 系統連系分散型電源システム
２，１６ 分散型電源システム
３ 分散型電源
４，２３ 単独運転検出装置
５，１９ 制御装置
６，２０ インバータ制御部
７，２１ インバータ
８，２２ 電流検出器
９ 電力変動部
１０ 電波時計
１１ 電力定期変動部
１２ フリッカー検出処理部
１２ａ 周波数変動検出部
１２ｂ 電圧変動検出部
１２ｃ 第１演算部
１２ｄ 第２演算部
１２ｅ 比較部
１２ｆ ＬＦＰ（ローパスフィルタ）
１３ 乗算器
１４ 系統周波数監視部
１５ 単独運転判定部
１７ 電源
１８ パワーコンディショナー
ＡＣ 系統電源
ＲL1，ＲL2，ＲL 連系リレー
ＰL パワーライン

Claims (7)

1. 電力系統に無効電力変動を注入して、分散型電源の単独運転を検出する単独運転検出装置であって、
   周期関数の信号を発生する発信器またはソフトウェア制御の発信機能を備えて、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生する電力定期変動部を備えており、加えて、前記電力定期変動部が、
   前記電力系統上における周波数偏差値及び電圧偏差値を比較して得た乗数係数と電波時計に同期した無効電力変動信号とにより、前記無効電力変動をフリッカーが発生しないレベルに抑制するフリッカー検出処理部を有して構成していることを特徴とする単独運転検出装置。
2. 前記電力定期変動部は、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力変動を発生することを特徴とする請求項１記載の単独運転検出装置。
3. 前記電力定期変動部は、時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力変動を発生することを特徴とする請求項１記載の単独運転検出装置。
4. 請求項１、請求項２又は請求項３に記載の単独運転検出装置を内蔵したことを特徴とするパワーコンディショナー。
5. 電力系統に無効電力変動を注入して、分散型電源の単独運転を検出する単独運転検出方法であって、
   周期関数の信号を発生する発信器またはソフトウェア制御の発信機能により、時間的に常時緩やかに変化する無効電力変動を発生するに際して、前記電力系統上における周波数偏差値及び電圧偏差値を比較して得た電圧偏差値乗数係数と電波時計に同期した無効電力変動信号とにより、前記無効電力変動をフリッカーが発生しないレベルに抑制するようにしたことを特徴とする単独運転検出方法。
6. 周期関数の信号を発生する発信器またはソフトウェア制御の発信機能により、時間的に常時緩やかに変化する正弦波の無効電力を発生することを特徴とする請求項５記載の単独運転検出方法。
7. 周期関数の信号を発生する発信器またはソフトウェア制御の発信機能により、時間的に常時緩やかに変化する三角波の無効電力を発生することを特徴とする請求項５記載の単独運転検出方法。

Images