JP5232757B2 - 分散型電源の単独運転検出方法、分散型電源システムおよびパワーコンディショナ - Google Patents

Description

本発明は、分散型電源と、この分散型電源の直流電力を交流電力に変換し電力系統に系統連系して負荷に供給するパワーコンディショナと、を備えた分散型電源システムにおいて、当該分散型電源が商用電源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方法、分散型電源システムおよびパワーコンディショナに関するものである。

分散型電源システムにおける単独運転とは、商用電源が停止等している状態で分散型電源から系統負荷に電力が供給されている状態である。

このように分散型電源だけで負荷に電力を供給する単独運転が行われると、商用電源が停止した原因を修復しようとする時、危険である。

したがって、分散型電源の単独運転を検出して事故の発生を未然に防止する必要がある。

このような分散型電源の単独運転を検出する方式として、系統電圧を監視して、系統停電の場合に単独運転時に表れる変化を検出する受動的方式と、分散型電源側から系統電圧に変動を与えるために外乱信号（能動信号）を印加して、系統停電の場合に単独運転時に表れる変化を検出する能動的方式とがある。

特に、分散型電源の無効電力に周期的な微小変動を強制的に発生させるような能動信号を印加する能動的方式が広く採用されてきている（上記は特許文献１参照）。

そして受動方式では、分散型電源の供給電力と負荷の使用電力とが均衡している場合では、電力系統が停電しても単独運転を検出できないことになる。そのため、単独運転検出装置では、一般に、受動方式と能動方式とを組み合わせて単独運転を検出することが推奨されている。

特開２００８−１７２９７８号公報

しかしながら、能動方式では、同一電力系統に複数のパワーコンディショナが接続されて存在し、各パワーコンディショナそれぞれの能動信号同士が電力系統停電時に干渉により相殺し合うことで単独運転の検出ができない場合がある。

以上から分散型電源の供給電力と負荷の使用電力とが均衡していない場合では、受動方式により単独運転検出ができる一方、分散型電源の供給電力と負荷の使用電力とが均衡している場合では、受動方式では単独運転検出ができなくなるおそれがあるので、能動方式が必要となる。その場合、能動方式では、同一電力系統に複数のパワーコンディショナが接続されて存在し、各パワーコンディショナそれぞれの外乱信号同士が電力系統停電時に干渉により相殺し合う場合には、単独運転の検出ができない場合がある。

そこで、本発明においては、能動方式の課題、つまり、各パワーコンディショナそれぞれの能動信号同士が電力系統停電時に干渉により相殺し合うとき、単独運転の検出ができないという課題を解消すると共に、能動方式と受動方式とを組合せた場合、それぞれの方式の長所を最大に活用できるようにすることを解決すべき課題としている。

（１）本発明による分散型電源の単独運転検出方法は、分散型電源と、分散型電源の直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナとを具備し、パワーコンディショナで変換した交流電力を電力系統ラインの商用電源と連系して系統負荷に供給する分散型電源システムにおいて、電力系統に能動信号を注入する第１ステップと、単独運転時に前記能動信号の注入により起きる電力変動から分散型電源の単独運転を検出する第２ステップとを含む単独運転検出方法であって、前記第１ステップにおいて電力系統内電圧と同期する基本波電流が１周期の半サイクル（半周期）ごとにレベルゼロとなるタイミングに同期して高調波電流を能動信号として電力系統に注入することを特徴とする。

単独運転検出において、分散型電源の供給電力と負荷の使用電力とが均衡していない場合では、受動方式により単独運転検出ができるので、本発明における単独運転検出方法においては、能動方式単独の単独運転検出に限定されず、受動方式と能動方式とを組合せた単独運転検出も含むことができる。

受動方式においては、分散型電源の供給電力と負荷の使用電力とが均衡している場合では単独運転検出ができなくなるおそれがあり、能動方式では、同一電力系統に複数のパワーコンディショナが接続されて存在し、各パワーコンディショナそれぞれの外乱信号同士が電力系統停電時に干渉により相殺し合う場合には、単独運転の検出ができない場合がある。

このような受動、能動方式それぞれに課題があるという前提において、本発明においては、電力系統内電圧の基本波と同期した高調波を含む電流を能動信号として電力系統に注入するので、複数のパワーコンディショナそれぞれが運転中において電力系統停電が発生しても、能動信号どうしが干渉により相殺し合うようなことがなくなり、単独運転の検出を確実に行うことができるようになり、能動方式として新たな方式ということができる。

好ましくは、第２ステップで単独運転を検出すると、系統連系保護装置から保護信号を出力してインバータ部の出力停止と、解列用リレーによるインバータ部と商用電源との解列動作を行う第３ステップを含む。

（２）本発明による分散型電源システムは、分散型電源と、上記分散型電源の直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナとを具備し、上記パワーコンディショナで変換した交流電力を電力系統ラインの商用電源と連系して系統負荷に供給する分散型電源システムにおいて、上記パワーコンディショナは、電力系統に上記（１）の能動信号を注入し、分散型電源の単独運転時に上記能動信号の注入により起きる電力変動から分散型電源の単独運転を検出する単独運転検出装置と、上記単独運転検出装置からの単独運転検出に応答して保護信号を出力してインバータ部の出力停止と、解列用リレーによるインバータ部と商用電源との解列動作を行う系統連系保護装置と、を具備した、ことを特徴とする。

（３）本発明によるパワーコンディショナは、分散型電源の直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナであって、上記分散型電源の直流電力を交流電力に変換し、解列用リレーを介して交流電力を出力するインバータ部と、電力系統に上記（１）の能動信号を注入し、分散型電源の単独運転時に能動信号の注入により起きる電力変動から分散型電源の単独運転を検出する単独運転検出装置と、上記単独運転検出装置からの単独運転検出に応答して保護信号を出力して前記インバータ部の出力停止と、前記解列用リレーによるインバータ部と商用電源との解列動作を行う系統連系保護装置と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、電力系統電圧の基本波と同期したタイミングで高調波電流を含む電流を能動信号として注入するので、複数のパワーコンディショナが能動信号を電力系統に注入しても、電力系統停電時にそれらが相殺し合うことなく、単独運転検出ができる。

図１は本発明の実施の形態に係る分散型電源システムを示す図である。 図２は電力系統に注入する能動信号を形成する電流波形を示す図である。

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、分散型電源システムおよびパワーコンディショナを説明する。図１に実施の形態の単独運転検出方法を実施する系統連系インバータ装置を示す。この装置は、分散型電源１０と、パワーコンディショナ２０と、商用電源３０と、系統負荷４０とを備える。

分散型電源１０は例えば太陽電池や燃料電池等である。

パワーコンディショナ２０は、分散型電源１０が出力する直流電力を交流電力に変換すると共に、その交流電力を商用電源３０と連系して系統負荷４０に供給する。

パワーコンディショナ２０は、インバータ部２１と、電圧検出部２２と、解列用リレー２３と、単独運転検出装置２４と、系統連系保護装置２５と、を有する。

インバータ部２１は、分散型電源１０の直流電力を交流電力に変換し、解列用リレー２３を介して交流電力を出力するものであり、例えば、インバータ部２１は、分散型電源１０の直流電力をＤＣ／ＤＣ変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータの直流電力をＡＣ／ＤＣ変換するＡＣ／ＤＣインバータと、を含む。

電圧検出部２２は、系統連系点の電圧の周波数あるいは周期の変動を検出し、その検出信号Ｓ１を単独運転検出装置２４に出力する。

単独運転検出装置２４は、能動信号生成・注入部２４ａと単独運転判定部２４ｂとから構成される。

能動信号生成・注入部２４ａは、電圧検出部２２が検出した系統連系点の電圧から系統電圧と同期して基本波電流ｉ１とその高調波電流ｉ２とを生成し、この高調波電流ｉ２を含む電流を能動信号Ｓ２として当該インバータ部２１に出力して系統に注入する。図２にその基本波電流ｉ１と高調波電流ｉ２それぞれの電流波形を示す。

単独運転判定部２４ｂは、電圧検出部２２により検出した系統連系点の電圧の検出信号Ｓ１から、商用電源３０が停止してインバータ部２１が単独運転状態になっているか否かを判定し、その判定信号Ｓ３を系統連系保護装置２５に出力する。

系統連系保護装置２５は、単独運転判定部２４ｂから商用電源３０が停止してインバータ部２１が単独運転状態になっているとした判定信号Ｓ３が入力されると、保護信号Ｓ４を解列用リレー２３とインバータ部２１とに出力し、解列用リレー２３を開動作させてインバータ部２１と商用電源３０とを切り離すと共にインバータ部２１の出力を停止させる。

以上の分散型電源システムにおいては、商用電源３０で何らかの異常が発生して商用電源３０からの電力供給が停止し、インバータ部２１が単独運転状態となった場合には、事故被害の拡大や、復旧作業者の感電等を避けるために、単独運転検出装置２４において、能動信号生成・注入部２４ａでは系統に能動信号Ｓ２を注入すると共に、単独運転時では、単独運転判定部２４ｂで即座に単独運転と判定し、判定信号Ｓ３を系統連系保護装置２５に出力することで、系統連系保護装置２５からの信号Ｓ４によりインバータ部２１の出力停止と、解列用リレー２３によるインバータ部２１と商用電源３０との解列動作を行う。

この単独運転検出装置２４における単独運転判定部２４ｂでは、上記した受動方式及び能動方式の２方式を併用することで、分散型電源１０の単独運転状態を検出している。ここで、受動方式は、単独運転移行時の電圧位相や周波数等の急変を検出する方式であり、電圧位相跳躍検出方式、３次高調波電圧歪急増検出方式、周波数変化率検出方式等がある。しかし、インバータ部２１の出力と系統負荷４０の消費電力とが平衡した場合では、商用電源３０からの電力供給の停止が発生したとしても、上述の受動方式では単独運転状態を検出できない場合がある。

インバータ部２１は、能動信号生成・注入部２４ａで生成した能動信号Ｓ２である基本波電流ｉ１と高調波電流ｉ２とによりインバータ部２１の出力を一定周期ごとに微少量だけ変動させ、単独運転判定部２４ｂは、単独運転検出装置２４が取り込んだ検出信号Ｓ１の波形が上記変動に影響されれば、判定信号Ｓ３を系統連系保護装置２５に出力する。系統連系保護装置２５はこの判定信号Ｓ３の入力に応答して保護信号Ｓ４を出力することで、インバータ部２１の出力停止と、解列用リレー２３によるインバータ部２１と商用電源３０との解列動作を行う。

なお、図２に示す基本波電流ｉ１の波形は正弦波形に限定されるものではなく、台形波形でも、三角状波形でもよい。高調波電流ｉ２は、基本波電流ｉ１が半サイクルごとにレベルゼロとなるタイミングに同期して、９０度遅れ電流となっており、インバータ部２１には、電力系統内電圧の基本波と同期して高調波電流ｉ２を含む電流を能動信号Ｓ２としてインバータ部２１に注入するが、このタイミングは実施の形態の説明での一例であり、これになんら限定されない。

このように電力系統の電圧の基本波に同期して高調波電流ｉ２を含む電流を能動信号Ｓ２として電力系統に注入するので、複数のパワーコンディショナが、能動信号Ｓ２を同一電力系統に注入しても電力系統停電時にそれらが相殺し合うことなく、各パワーコンディショナにおいては、単独運転検出をすることができるようになる。

１０ 分散型電源
２０ パワーコンディショナ
２１ インバータ部
２２ 電圧検出部
２３ 解列用リレー
２４ 単独運転検出装置
２４ａ 能動信号生成・注入部
２４ｂ 単独運転判定部
２５ 系統連系保護装置
３０ 商用電源
４０ 系統負荷

Claims (4)

1. 分散型電源と、上記分散型電源の直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナとを具備し、上記パワーコンディショナで変換した交流電力を電力系統ラインの商用電源と連系して系統負荷に供給する分散型電源システムにおいて、上記電力系統に能動信号を注入する第１ステップと、上記単独運転時に上記能動信号の注入により起きる電力変動から分散型電源の単独運転を検出する第２ステップとを含む単独運転検出方法であって、
   上記第１ステップにおいて、
   電力系統内電圧と同期する基本波電流がその１周期の半サイクル（半周期）ごとにレベルゼロとなるタイミングに同期して高調波電流を能動信号として電力系統に注入する、ことを特徴とする分散型電源システムにおける単独運転検出方法。
2. 第２ステップで単独運転を検出すると、系統連系保護装置から保護信号を出力してインバータ部の出力停止と、解列用リレーによるインバータ部と商用電源との解列動作を行う第３ステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 分散型電源と、分散型電源の直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナとを具備し、パワーコンディショナで変換した交流電力を電力系統ラインの商用電源と連系して系統負荷に供給する分散型電源システムにおいて、
   上記パワーコンディショナは、
   電力系統に前記請求項１に記載の前記能動信号を注入し、分散型電源の単独運転時に上記能動信号の注入により起きる電力変動から分散型電源の単独運転を検出する単独運転検出装置と、
   単独運転検出装置からの単独運転検出に応答して保護信号を出力してインバータ部の出力停止と、解列用リレーによるインバータ部と商用電源との解列動作を行う系統連系保護装置と、
   を具備した、ことを特徴とする分散型電源システム。
4. 分散型電源の直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナであって、
   上記分散型電源の直流電力を交流電力に変換し、解列用リレーを介して交流電力を出力するインバータ部と、
   電力系統に前記請求項１に記載の前記能動信号を注入し、分散型電源の単独運転時に上記能動信号の注入により起きる電力変動から分散型電源の単独運転を検出する単独運転検出装置と、
   上記単独運転検出装置からの単独運転検出に応答して保護信号を出力して上記インバータ部の出力停止と、上記解列用リレーによるインバータ部と商用電源との解列動作を行う系統連系保護装置と、
   を具備した、ことを特徴とするパワーコンディショナ。

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