JP5309500B2 - 電源装置及びその欠相判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスエンジンなどを駆動源とする発電機を用いた電源装置に関し、より詳細には電源装置の欠相判定方法及び欠相判定回路に関する。

近年、省エネルギや二酸化炭素排出量削減を志向した分散型電源装置の開発が進められ、オフィスや集合住宅など電力消費地での導入が増加しつつある。分散型電源装置の一方式に、燃料ガスを原料とするガスエンジンを駆動源として電力を生成する発電機と、発電機出力の周波数を変換して電気負荷に供給するインバータ部とを組み合わせたガスエンジン方式電源装置があり、電気エネルギだけでなく熱エネルギも有効利用することのできるコージェネレーション装置として用いられる場合が多い。この種の電源装置のインバータ部は、発電機の交流出力を一旦直流に変換する交直変換回路と、直流を商用周波数に変換する直交変換回路とを、備えるのが一般的である。交直変換回路には、単純な整流ブリッジ回路を用いる場合もあるが、制御部を設けて発電機出力の周波数よりも多頻度にかつ時間間隔可変にブリッジ回路を開閉制御して直流電圧を高める昇圧回生制御を行う場合もある。昇圧回生制御においては、制御部は通常、発電機出力電流を参照しながら制御を行う。この発電機出力電流を検出する電流検出手段として、計器用の変流器が用いられる場合が多い。変流器には三相用もあるが、コスト削減のために、三相の電流和が常時ゼロになることを利用して二相のみに単相変流器を設ける二電流計法が多用されている。

上述のガスエンジン方式電源装置に限らず一般的に発電機では、出力線の断線や接続箇所の緩みなどに起因する故障、いわゆる欠相故障を検出する機能が必要とされており、特許文献１及び２は欠相判定回路の構成例である。詳述すると、特許文献１に開示される同期発電機の単相欠相検出回路は、発電機端子電圧を検出し、三相全波整流及び分圧により得た入力電圧値が所定のしきい値よりも上下する回数をカウントして、回数が増加したことで単相欠相を判定している。また、特許文献２に開示される発電機の欠相検知方法は、複数の交流出力系統を具備する発電機において異なる交流出力系統の同位相の配線群ごとに欠相検知手段を設けており、例えばクランプ式電流計で複数の交流出力系統の同位相の電流和を一括して検出することにより、欠相を判定している。
特開２００１−２５１７５５号公報 特開２００５−２６９７１２号公報

ところで、特許文献１及び２では、欠相故障を判定するために専用の検出回路やクランプ式電流計などの部品が必要となり、その分だけコストの上昇を招いている。ガスエンジン方式の電源装置やコージェネレーション装置を普及させるためには、設備イニシャルコストを切り詰めることが重要であり、一相分の変流器を削減していることからもわかるように、部品点数を極力減らすことが望ましい。

一方、電圧情報や電流情報により欠相故障を判定する際には、発電機の出力線や変流器二次側の信号線に重畳するノイズの影響が懸念される。例えば、欠相した出力線にノイズが重畳すると、本来ゼロであるべき変流器二次の信号線に何らかの非ゼロ信号が生じて、正確に欠相故障を判定することが難しくなる。

本発明は上記背景に鑑みてなされたものであり、発電機出力電流を検出する電流検出手段とインバータ部を制御する制御部とを備える装置構成において、新たな回路や部品を必要とせず、かつ高い信頼性で欠相故障を判定することのできる電源装置及びその欠相判定方法を提供する。

本発明の電源装置の欠相判定方法は、三相交流発電機と、前記三相交流発電機の出力線に接続されて発電機出力電力を所定の商用周波数電力に変換するインバータ部と、前記出力線に設けられて発電機出力電流を検出し電流信号を得る電流検出手段と、得られた前記電流信号を参照しながら前記インバータ部を制御する制御部と、を備える電源装置の欠相判定方法であって、前記三相のうちから順番に対象相を定め、前記対象相以外の二相の前記電流信号の瞬時値の和を所定時間中に所定回数求め、前記和が規定回数以上ゼロであったときに前記対象相が欠相故障であると判定する、ことを特徴とする。
さらに、電流検出手段によって検出される発電機出力電流は、インバータ部を制御するときに参照している量であってもよい。

前記所定時間は前記三相交流発電機の一周期とされ、前記所定回数は６０回とされ、前記規定回数は３回または１０回とされている、ことが好ましい。

本発明の電源装置の欠相判定方法は、制御部がインバータ部を制御するときに参照している発電機出力電流の電流信号を利用し、制御部のソフトウェアで欠相を判定することにより、新たな回路や部品を追加することなく欠相判定機能を備えるようにしたことを主旨としており、加えて、対象相以外の二相の電流信号の瞬時値の和を所定回数求めることにより、ノイズの影響を低減して高い信頼性で欠相故障を判定するようにしている。

まず、本発明の相判定方法を実施する電源装置の構成について説明する。電源装置は、三相交流発電機とインバータ部と電流検出手段と制御部とを備えて構成することができる。三相交流発電機には、例えば、ガスエンジンで駆動される三相同期発電機を用いることができ、これに限定されず他の駆動源や他の種類の発電機を用いることもできる。インバータ部は、三相交流発電機の出力線に接続されて発電機出力電力を所定の商用周波数電力に変換する部分である。インバータ部は、発電機の交流出力を一旦直流に変換する交直変換回路と、直流を商用周波数に変換する直交変換回路と、で構成することができる。この２つの変換回路はそれぞれ、導通及び遮断の位相タイミングを制御することのできる半導体スイッチング素子をブリッジ回路に組み合わせて構成することができる。そして、この半導体スイッチング素子の位相制御を行うために、制御部を設けることができる。また、制御に際して発電機出力電流を参照できるように、電流検出手段を設けることができる。電流検出手段は、三相交流発電機の出力線に設けられて発電機出力電流を検出し電流信号を得るものであり、例えば計器用の変流器を用いることができる。制御部における位相制御の具体的な方法には各種方式があるが、本発明は特に制約を受けず各種方式と組み合わせることができる。

上記のように構成された電源装置において、本発明の欠相判定方法では、第一に三相のうちから順番に対象相を定める。例として三相をそれぞれＲ相、Ｓ相、Ｔ相とし、まず対象相をＲ相と定める。第二に、対象相以外の二相の電流信号の瞬時値の和を所定時間中に所定回数求める。ここで、所定時間は三相交流発電機の一周期、所定回数を６０回とすると、Ｓ相とＴ相の電流信号の瞬時値の和を一周期の間に６０回求めることを行う。第三に、求めた和が規定回数以上ゼロであったときに対象相が欠相故障であると判定する。つまり、求めた和がゼロであった回数をカウントし、規定回数である３回または１０回に達したときにはＲ相が欠相故障であると判定し、規定回数に達しないときにはＲ相は正常であると判定する。次に、対象相をＳ相と定め、Ｔ相とＲ相の電流信号の瞬時値の和を求めることにより、Ｓ相が欠相故障か正常かを同様の方法で判定する。最後に、対象相をＴ相とし、Ｒ相とＳ相の電流信号の瞬時値の和を求めることにより、Ｔ相が欠相故障か正常かを同様の方法で判定する。

上述の欠相判定方法において、一周期の間に６０回という回数は、電流信号が常時ゼロであるか否かを判定するために好ましい標本母数であり、かつ電流検出や演算処理を行う時間間隔を確保できることから選定しており、厳密な制約ではない。また和を求める時間間隔の設定方法に制約はないが、一周期を６０等分して等時間間隔とするのが簡明である。ここで、対称三相交流の三相電流和が常時ゼロになることを想起すれば、Ｓ相とＴ相の電流信号の瞬時値の和を求めることは、Ｒ相の電流信号の符号を反転したものを求めることに相当する。そして、正常運転状態においては、正弦波状に変化する電流信号がゼロになる回数は、理論上は一周期中に高々２回であるので、６０回中に３回以上ゼロがあれば欠相故障と判定することができる。逆に、欠相故障が発生していれば電流が流れないので、６０回全ての瞬時値の和がゼロとなるはずである。したがって、判定に用いる規定回数は３〜６０回の範囲で任意の回数としても誤りではない。しかしながら、交直変換回路の位相制御方式によっては電流信号が正弦波から変動することや、不完全な欠相故障ではわずかに電流が流れ得ること、不規則に発生するノイズの影響や欠測のおそれを回避することなどを考慮して、規定回数は極端な設定を避けて１０回程度とすることが好ましい。また、フェイルセーフという別の観点で欠相故障を早期に判定することを優先するならば、規定回数は３回とすることが好ましい。

また、Ｒ相の電流信号の瞬時値を用いないで、Ｔ相とＳ相との和を用いて判定することにより、ノイズの影響を低減できる場合があり、高い信頼性で欠相故障を判定することができる。例えば、三相の電流信号にノーマルモードノイズが重畳するとき、二相の電流信号の和を求めることで、ノイズをキャンセルできる場合がある。

以上説明した本発明の欠相判定方法は、欠相判定処理を行う制御部を備える電源装置として実現することができる。すなわち、本発明の電源装置は、三相交流発電機と、前記三相交流発電機の出力線に接続されて発電機出力電力を所定の商用周波数電力に変換するインバータ部と、前記出力線に設けられて発電機出力電流を検出し電流信号を得る電流検出手段と、得られた前記電流信号を参照しながら前記インバータ部を制御する制御部と、を備える電源装置において、前記制御部は、前記三相のうちから順番に対象相を定め、前記対象相以外の二相の前記電流信号の瞬時値の和を所定時間中に所定回数求め、前記和が規定回数以上ゼロであったときに前記対象相が欠相故障であると判定する欠相判定処理を行う、ことを特徴とする。
さらに、電流検出手段によって検出される発電機出力電流は、インバータ部を制御するときに参照している量であってもよい。

なお、上述の本発明の電源装置において、前記所定時間は前記三相交流発電機の一周期とされ、前記所定回数は６０回とされ、前記規定回数は３回または１０回とされている、ことが好ましい。

前記電流検出手段は、前記出力線の二相にそれぞれ設けられる２個の変流器と、前記変流器で検出された前記二相の前記電流信号を入力として加算及び符号反転を行い前記変流器が設けられていない相の前記電流信号として出力する加算反転回路と、を有する、ことでもよい。

電流検出手段は、二電流計法を適用することにより、二相にそれぞれ変流器を設けて構成することができる。このとき、変流器の二次側で得られる微弱な電流信号を入力として加算及び符号反転を行う加算反転回路を設けることにより、変流器が設けられていない相の電流信号を求めることができる。加算反転回路は、例えば演算増幅器を用いたアナログ電子回路で構成することができる。

前記電流検出手段は、前記出力線の二相にそれぞれ設けられる２個の変流器を有し、前記制御部は、前記変流器で検出された前記二相の前記電流信号を取り込んで加算及び符号反転の演算を行い前記変流器が設けられていない相の前記電流信号を得る、ことでもよい。

先に説明した加算反転回路は、制御部の演算機能で実現することもできる。詳述すると、２個の変流器の二次側で得られる微弱な電流信号をＡ／Ｄ変換して制御部に取り込み、制御部のディジタル演算機能によって加算及び符号反転の演算を行うようにすることができる。

加算反転回路または制御部の演算機能のいずれか一方を用いて変流器が設けられていない相の電流信号を求める態様では、大きな発電機出力電流を直接的に検出する変流器を３個から２個に節約することができて、電源装置のコストダウンに寄与することができる。

前記制御部における前記インバータ部の制御及び前記欠相判定処理は、ソフトウェアを用いて実現されている、ことでもよい。

インバータ部の半導体スイッチング素子を位相制御する機能や、二相の電流信号の瞬時値の和を所定時間中に所定回数求めて和が規定回数以上ゼロであるか否か判定する欠相判定処理や、変流器が設けられていない相の電流信号を得る演算処理は、いずれも制御部のソフトウェアを用いて実現することができる。制御部には、例えば、演算部及び記憶部を有するマイクロコンピュータと、Ａ／Ｄ変換入力部と、制御出力部と、を有する電子制御装置を適用することができる。

本発明の電源装置は、コージェネレーション装置に用いられる、ことが好ましい。本発明の電源装置は、例えばガスエンジンにより電気エネルギと熱エネルギを生成するコージェネレーション装置に用いることができ、コスト上の効果が顕著である。

本発明の電源装置及びその欠相判定方法によれば、もともと参照している発電機出力電流の電流信号を利用して、制御部のソフトウェアで欠相故障を判定するので、新たな回路や部品を追加することなく欠相判定機能を備えることができて、電源装置のコストダウンに寄与することができる。また、二相の電流信号の瞬時値の和を用いて判定することにより、ノイズの影響を低減して高い信頼性で欠相故障を判定することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、図１〜図３を参考にして説明する。図１は、本発明の実施例の電源装置１の構成を説明する図である。実施例の電源装置１は、コージェネレーション装置の一部として用いられており、三相交流発電機２、インバータ部３、電流検出手段を構成する２個の変流器４１、４３及び加算反転回路５、制御部６で構成され、インバータ部３の出力端子３９Ｘ、３９Ｎ、３９Ｙが商用電力系統に連系されて電力を送出するものである。

三相交流発電機２はガスエンジン２１によって駆動され、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の出力端子にはそれぞれ出力線２２Ｒ、２２Ｓ、２２Ｔが接続されている。インバータ部３は、交直変換回路３１と直交変換回路３２と平滑回路３３とが順番に接続されて構成されている。交直変換回路３１は、図示されるように符号略の６個のスイッチング素子及びダイオード素子が三相ブリッジ回路に組まれて構成されており、三相の出力線２２Ｒ、２２Ｓ、２２Ｔから入力された発電機出力電圧を、一旦直流電圧に変換して直交変換回路３２に出力するようになっている。直交変換回路３２は、図示されるように符号略の４個のスイッチング素子及びダイオード素子が単相ブリッジ回路に組まれて構成されており、直流電圧を矩形状の交流電圧に変換して平滑回路３３に出力するようになっている。平滑回路３３はコイルとコンデンサとにより構成されており、矩形状の交流電圧を滑らかな正弦波状の交流電圧に平滑して、出力端子３９Ｘ、３９Ｎ、３９Ｙから単相三線式の商用電力系統に電力を送出するようになっている。

２個の変流器４１、４３は、それぞれＲ相出力線２２Ｒ、Ｔ相出力線２２Ｔに設けられ、一次側の発電機出力電流ＩＲ、ＩＴを検出して、二次側に微弱な電流信号ｉＲ、ｉＴを出力するものである。電流信号ｉＲ、ｉＴは、制御部６に取り込まれるとともに、加算反転回路５に入力されている。加算反転回路５は、図示されるように演算増幅器５１と３個の抵抗５２、５３、５４とで構成される回路であり、Ｒ相電流信号ｉＲとＴ相電流信号ｉＴとの和を求めて符号を反転し、Ｓ相電流信号ｉＳとして制御部６に入力している。この、Ｓ相電流信号ｉＳは、発電機２が正常に運転しているときのＳ相発電機出力電流ＩＳに対応するものである。

制御部６は、マイクロコンピュータ及び周辺装置が組み合わされてソフトウェアにより動作するように構成されており、３相の電流信号ｉＲ、ｉＳ、ｉＴを取り込むとともに、インバータ部３の制御及び欠相判定処理を行うようになっている。詳述すると、制御部６は、発電機２の一周期を６０で除した一定時間間隔で３相の電流信号ｉＲ、ｉＳ、ｉＴの瞬時値を取り込み、Ａ／Ｄ変換して内部情報として記憶するようになっている。また、三相の出力線２２Ｒ、２２Ｓ、２２Ｔの線間に発生している線間電圧の瞬時値も同様に取り込み、内部情報として記憶するようになっている。そして、制御部６は、これらの内部情報を参照しながら、インバータ部３の交直変換回路３１の６個のスイッチング素子をそれぞれ独立して位相制御する制御信号６１と、直交変換回路３２の４個のスイッチング素子をそれぞれ独立して位相制御する制御信号６２と、を出力するようになっている。なお、実施例の交直変換回路３１は、単なる整流作用ではなく昇圧回生作用を行うものであり、スイッチング素子の制御回数は、発電機２の周波数よりも桁違いに多頻度となっている。

次に、欠相判定処理について、図２を参考にして説明する。図２は、図１の実施例の電源装置において、制御部６が行う欠相判定処理を説明するフローチャートである。図２ではＲ相を対象相とした場合を代表として欠相判定処理について詳述している。なお、図中のカッコ付番号は、以降の説明文末尾の番号に対応している。

図２の欠相判定処理で、制御部６は、まず対象相をＲ相と定める（１）。次に、和を求める演算の実施回数をカウントする積算カウンタＮＳと、求めた和がゼロであった回数をカウントするゼロ和カウンタＮＺとをクリヤする（２）。次に、ある時刻における瞬時値であるＳ相電流信号ｉＳとＴ相電流信号ｉＴとの和ｉ（Ｓ＋Ｔ）を求めて（３）、ゼロであるか否か判定する（４）。判定に際しては、検出誤差やノイズの影響を考慮して、和ｉ（Ｓ＋Ｔ）が微少なしきい値未満であれば、ゼロと判定する。和ｉ（Ｓ＋Ｔ）がゼロであればゼロ和カウンタＮＺを１回増加させる（５）。そして、ゼロ和カウンタＮＺが規定回数の１０回に達していれば（６）、Ｒ相を欠相故障と判定する（７）。和ｉ（Ｓ＋Ｔ）がゼロでないとき（４）と、ゼロ和カウンタＮＺが１０回に達していないとき（６）には、積算カウンタＮＳを１回増加させる（８）。そして、積算カウンタＮＳが所定回数の６０回に達しているか否かを確認し（９）、達していないときときには一定時間間隔後の瞬時値を用いて和ｉ（Ｓ＋Ｔ）を求めるステップに戻る（３）。積算カウンタＮＳが６０回に達したときには、Ｒ相を正常と判定する（１０）。

Ｒ相を正常または欠相故障と判定した後に、順次Ｓ相及びＴ相の判定処理を行う（１１）（１２）ことで、１回の欠相判定処理が完了する。Ｓ相及びＴ相の判定処理内容は、上述のＲ相の判定処理の説明中における電流信号の相を読み替えれば同等である。

次に、電流信号ｉＲ、ｉＳ、ｉＴの実測例を図３に示して説明する。図３は、図１の実施例の電源装置１が正常に運転しているとき、制御部６に入力される電流信号ｉＲ、ｉＳ、ｉＴを別の測定器で実測した波形である。図示されるように、３相の電流信号ｉＲ、ｉＳ、ｉＴは概ね正弦波状であり、約１２０°の位相差で変化している。波形が滑らかでなく小刻みに増減しているのは、昇圧回生作用を行うために交直変換回路３１のスイッチング素子を多頻度で制御していることに起因している。この例のように、交直変換回路３１で通電位相を制御すると、図中Ｘのように電流信号ｉＲがゼロ付近に留まる場合が生じ得る。したがって、判定回数を３回に設定することはリスクを伴い、１０回とするほうがベターとなる。

本実施例では、変流器４１、４３、加算反転回路５及び制御部６には、欠相判定機能を有しない従来の電源装置と同一品を用いることができる。すなわち、制御部６のソフトウェアを変更するのみで、装置コストを上昇させることなく、欠相判定機能を具備することができる。

本発明の実施例の電源装置の構成を説明する図である。 図１の実施例において、制御部が行う欠相判定処理を説明するフローチャートである。 図１の実施例において、正常に運転しているときの電流信号を実測した波形である。

符号の説明

１：電源装置
２：三相交流発電機
２１：ガスエンジン ２２Ｒ、２２Ｓ、２２Ｔ：出力線
３：インバータ部
３１：交直変換回路 ３２：直交変換回路 ３３：平滑回路
４１、４３：変流器
５：加算反転回路
５１：演算増幅器 ５２、５３、５４：抵抗
６：制御部
６１、６２：制御信号
ＩＲ、ＩＳ、ＩＴ：発電機出力電流
ｉＲ、ｉＳ、ｉＴ：電流信号
ＮＳ：積算カウンタ
ＮＺ：ゼロ和カウンタ

Claims (10)

1. 三相交流発電機と、前記三相交流発電機の出力線に接続されて発電機出力電力を所定の商用周波数電力に変換するインバータ部と、前記出力線に設けられて発電機出力電流を検出し電流信号を得る電流検出手段と、得られた前記電流信号を参照しながら前記インバータ部を制御する制御部と、を備える電源装置の欠相判定方法であって、
   前記三相のうちから順番に対象相を定め、前記対象相以外の二相の前記電流信号の瞬時値の和を所定時間中に所定回数求め、前記和が規定回数以上ゼロであったときに前記対象相が欠相故障であると判定する、ことを特徴とする電源装置の欠相判定方法。
2. 三相交流発電機と、前記三相交流発電機の出力線に接続されて発電機出力電力を所定の商用周波数電力に変換するインバータ部と、前記出力線に設けられて前記インバータ部を制御するときに参照している発電機出力電流を検出し電流信号を得る電流検出手段と、得られた前記電流信号を参照しながら前記インバータ部を制御する制御部と、を備える電源装置の欠相判定方法であって、
   前記三相のうちから順番に対象相を定め、前記対象相以外の二相の前記電流信号の瞬時値の和を所定時間中に所定回数求め、前記和が規定回数以上ゼロであったときに前記対象相が欠相故障であると判定する、ことを特徴とする電源装置の欠相判定方法。
3. 前記所定時間は前記三相交流発電機の一周期とされ、前記所定回数は６０回とされ、前記規定回数は３回または１０回とされている、請求項１または２に記載の電源装置の欠相判定方法。
4. 三相交流発電機と、前記三相交流発電機の出力線に接続されて発電機出力電力を所定の商用周波数電力に変換するインバータ部と、前記出力線に設けられて発電機出力電流を検出し電流信号を得る電流検出手段と、得られた前記電流信号を参照しながら前記インバータ部を制御する制御部と、を備える電源装置において、
   前記制御部は、前記三相のうちから順番に対象相を定め、前記対象相以外の二相の前記電流信号の瞬時値の和を所定時間中に所定回数求め、前記和が規定回数以上ゼロであったときに前記対象相が欠相故障であると判定する欠相判定処理を行う、ことを特徴とする電源装置。
5. 三相交流発電機と、前記三相交流発電機の出力線に接続されて発電機出力電力を所定の商用周波数電力に変換するインバータ部と、前記出力線に設けられて前記インバータ部を制御するときに参照している発電機出力電流を検出し電流信号を得る電流検出手段と、得られた前記電流信号を参照しながら前記インバータ部を制御する制御部と、を備える電源装置において、
   前記制御部は、前記三相のうちから順番に対象相を定め、前記対象相以外の二相の前記電流信号の瞬時値の和を所定時間中に所定回数求め、前記和が規定回数以上ゼロであったときに前記対象相が欠相故障であると判定する欠相判定処理を行う、ことを特徴とする電源装置。
6. 前記所定時間は前記三相交流発電機の一周期とされ、前記所定回数は６０回とされ、前記規定回数は３回または１０回とされている、請求項４または５に記載の電源装置。
7. 前記電流検出手段は、前記出力線の二相にそれぞれ設けられる２個の変流器と、前記変流器で検出された前記二相の前記電流信号を入力として加算及び符号反転を行い前記変流器が設けられていない相の前記電流信号として出力する加算反転回路と、を有する請求項４〜６のいずれか一項に記載の電源装置。
8. 前記電流検出手段は、前記出力線の二相にそれぞれ設けられる２個の変流器を有し、前記制御部は、前記変流器で検出された前記二相の前記電流信号を取り込んで加算及び符号反転の演算を行い前記変流器が設けられていない相の前記電流信号を得る、請求項４〜６のいずれか一項に記載の電源装置。
9. 前記制御部における前記インバータ部の制御及び前記欠相判定処理は、ソフトウェアを用いて実現されている、請求項４〜８のいずれか一項に記載の電源装置。
10. コージェネレーション装置に用いられる請求項４〜９のいずれか一項に記載の電源装置。

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