JP5454042B2 - 系統連系発電システム - Google Patents

Description

本発明は、自然エネルギー発電装置の出力変動を二次電池の充放電で調整して３相電力系統に連系させた系統連系発電システムに係り、特に電力系統からの受電電力の検出／監視に関する。

太陽光発電装置や風力発電装置などの自然エネルギー発電装置を電力系統に連系させた系統連系発電システムは、自然エネルギー発電装置の発電変動を抑えることで、電力系統の電圧および周波数変動を抑制する電力系統の安定化、さらには負荷平準化などを図ることができる。この種の系統連系発電システムにおいて、系統安定化装置は、太陽光発電装置や風力発電装置が短周期から長周期までの広い時間範囲で発電電力が大きく変動するため、ＮＡＳ電池（電力貯蔵用ナトリウム−硫黄電池）などの二次電池を自然エネルギー発電ユニットの補助電源とし、発電ユニットの発電電力の変動分を二次電池の充放電で補償するようにしている。

図２は従来の系統連系発電システムの構成図を示し、商用電源１から受電した電力を負荷２に給電する受電系統に連系装置３で連系される。系統連系発電システムは、自然エネルギー発電装置（４〜６）として、太陽光発電ユニット４で発電した電力をパワーコンディショナ５によって商用電源１の電源に同期した交流電力に変換し、商用電源の交流電力に連系する発電電力として出力される。パワーコンディショナ５は、ＮＡＳ等の二次電池６との間で直流電力の入出力を制御することで、太陽光発電ユニット４の発電電力の変動を補償すると共に二次電池６を予備充電しておく（例えば、特許文献１参照）。

系統安定化装置としては、ＰＴなどの電圧検出器７による相電圧検出値Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃと、ＣＴなどの電流検出器８による相電流検出値Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを電力用トランスジューサー９の絶縁入力とし、トランスジューサー９内でそれぞれ所定範囲の信号レベルおよび信号形式（例えばＤＣ４ｍＡ〜２０ｍＡ）に変換し、これら電圧および電流の計測値から受電電力を求め、制御用コンピュータなどで構成される制御端末１０では入力される受電電力の変動分の補償に必要な発電電力を演算で求め、これを制御指令値としてパワーコンディショナ５の入出力電力を制御する（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。

特開２００７−３３００５７号公報 特開２００８−１２５３０２号公報 特開平０５−１４６０６８号公報

従来の系統連系発電システムにおいて、電力系統からの受電電力は、配電系統の切り替えや瞬時停電などで急変することがあり、この受電電力の急変にも系統安定化装置で補償するには自然エネルギー発電装置の発電電力を高い応答性を有して制御できることが必要となる。

このためには、受電電力計測および発電電力制御が共に高い応答性をもつことが要求される。しかし、トランスジューサー９による電圧、電流、電力計測では、応答に５００ｍｓ程度の時間がかかるため、１００ｍｓ程度の高速な制御を行おうとする系統安定化装置には適用できない。

電力計測の高速性を確保する手法として、ＰＴなどの電圧検出器７やＣＴなどの電流検出器８で検出する電圧・電流波形をアナログ入力回路（補助変成器や補助変流器、電流−電圧変換回路、抵抗分圧回路などで構成される）を通して直に取り込み、電圧・電流波形のサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）とＡ／Ｄ変換によって電圧や電流別のディジタルデータに変換するアナログ入力処理回路を設け、このアナログ入力処理回路からのディジタルデータから制御端末１０ではディジタル演算で受電電力を求め、この受電電力から発電電力の制御指令値を求めることが考えられる。

この受電電力計測方式によれば、発電電力の高速制御も可能になる。しかし、電力系統からのアナログ電流、電圧信号を取り込んでディジタルデータに変換するまでのアナログ入力処理回路は、信号線の断線や切換リレーの接点接触不良などの異常が発生し易く、この異常発生時には発電電力の誤制御や系統との連系解除をも起こし、電力系統の不安定化要因となるおそれがある。

上記のアナログ入力処理回路の異常を監視する方式として、保護継電装置における電圧、電流のアナログ入力回路系を常時監視するものが提案されている（例えば、特開平６−２７６６５７号公報）。この監視方式は、電力系統から検出した３相のアナログ電流信号をそれぞれＡ／Ｄ変換した電流データのうち、２相の組み合わせによる合成電流データの絶対値と残りの１相の電流データの絶対値との差を求める３つの差電流算出手段と、これら差電流の中から最大差電流と判定値の大小比較により入力回路不良判定手段と、各差電流の合成値と判定値との大小比較により入力回路不良判定手段を備える。

上記のように、一般的に、交流アナログ入力の監視は３相入力で取り込み、平衡監視を実施したり、監視用の入力を別途入力して、二重化監視などを実施して信頼性向上を図っている。しかし、系統連系発電システムの制御端末１０の場合には、コスト面などの問題からアナログ入力信号数の増大は難しく、特に監視用のアナログ入力を別途に増やすことは難しい面がある。

本発明の目的は、アナログ入力処理回路により受電電力を高速に検出し、しかもアナログ入力信号数を削減して受電電力検出と発電電力制御ができ、さらにアナログ入力処理回路の正常／異常を確実、容易に監視できる系統連系発電システムを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、電力系統からの受電電力の２つの線間電圧と２つの相電流を電流／電圧検出器で検出し、アナログ入力処理回路によってこれら線間電圧と相電流を取り込んでＡ／Ｄ変換器でディジタルデータに変換し、制御端末ではこれらデータから２電力計法により電力系統からの受電電力を求めて自然エネルギー発電装置の入出力電力を制御し、さらには電圧／電流常時監視部によりこれら２つの線間電圧と２つの相電流について線間電圧の大きさ、線間電圧差、相電流の比率と位相差などからアナログ入力処理回路での断線などの異常の有無を監視するようにしたものであり、以下の構成を特徴とする。

（１）自然エネルギー発電装置の出力変動を二次電池の充放電で調整して３相電力系統に連系させ、電力系統からの受電電力を検出して自然エネルギー発電装置の入出力電力を制御する系統連系発電システムであって、
電力系統からの受電電圧を２つの線間電圧として検出する電圧検出器、電力系統からの受電電流を２つの相電流として検出する電流検出器、およびこれら線間電圧と相電流をアナログ入力回路で取り込んでＡ／Ｄ変換器でディジタルデータに変換するアナログ入力処理回路と、
前記線間電圧と相電流のディジタルデータから２電力計法により電力系統からの受電電力を求めて前記自然エネルギー発電装置の入出力電力を制御する制御端末を備え、且つ
前記２つの線間電圧のディジタルデータに対する両線間電圧の大きさ、線間電圧差から前記アナログ入力処理回路での検出電圧の異常の有無を監視する電圧常時監視部と、
前記２つの相電流のディジタルデータについて、相電流の最大値と最小値および位相差から前記アナログ入力処理回路での検出電流の異常の有無を監視する電流常時監視部と、
を備えたことを特徴とする。

（２）前記電圧常時監視部は、系統の定格電圧が１１０Ｖの場合、前記２つの線間電圧のいずれかが４０Ｖ〜８８Ｖになった場合、又は２つの線間電圧の電圧差が４０Ｖ以上になった場合は線間電圧の異常と判定する手段を備えたことを特徴とする。

（３）前記電流常時監視部は、前記２つの相電流が闇値以上流れているときに、平衡率が設定値以下になった場合、または位相差が１２０°±３０°以上はずれた場合は相電流の異常と判定する手段を備えたことを特徴とする。

（４）前記電圧常時監視部および前記電流常時監視部は、異常発生が判定されたときにそれが一定時間以上継続するか否かをチェックする遅延タイマを備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、電力系統から受電する２つの線間電圧と２つの相電流を電流／電圧検出器で検出し、アナログ入力処理回路によってこれら線間電圧と相電流を取り込んでＡ／Ｄ変換器でディジタルデータに変換し、制御端末ではこれらデータから２電力計法により電力系統からの受電電力を求めて自然エネルギー発電装置の入出力電力を制御するため、受電電力を高速に検出し、しかもアナログ入力信号数を削減して受電電力検出と発電電力制御ができる。

さらに、電圧／電流常時監視部により２つの線間電圧と２つの相電流について線間電圧の大きさ、線間電圧差、相電流の比率と位相差などからアナログ入力処理回路での断線などの異常の有無を監視するようにしたため、アナログ入力信号数を削減しながら、アナログ入力処理回路の正常／異常を確実、容易に監視できる。

本発明に係る系統連系発電システムの構成図。 従来の系統連系発電システムの構成図。

図１は、本発明に係る系統連系発電システムの構成図を示す。同図が図２と異なる部分は、アナログ入力処理回路１１と制御端末１２と電圧常時監視部１３と電流常時監視部１４および遅延タイマ１５，１６を備えることによって、２つの線間電圧と２つの相電流をアナログ入力処理回路で取り込んでディジタルデータにＡ／Ｄ変換し、制御端末ではこれらデータから２電力計法により電力系統からの受電電力を求めて自然エネルギー発電装置の入出力電力を制御し、さらに電圧／電流常時監視部により２つの線間電圧と２つの相電流について線間電圧の大きさ、線間電圧差、相電流の比率と位相差などからアナログ入力処理回路での断線などの異常の有無を監視する。

図１において、ＰＴなどの電圧検出器７は系統からの受電電圧の２つの線間電圧Ｖａｂ，Ｖｃｂを検出し、ＣＴなどの電流検出器８は系統からの受電電流の２つの相電流Ｉａ，Ｉｃを検出する。

アナログ入力処理回路１１は、電圧検出器７や電流検出器８で検出する２つの線間電圧Ｖａｂ，Ｖｃｂと２つの相電流Ｉａ，Ｉｃの電圧波形を各アナログ入力回路ＡＩを通して直に取り込み、これら電圧・電流波形のサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）とＡ／Ｄ変換器によって電圧や電流別のディジタルデータに変換する。なお、Ａ／Ｄ変換器の前段にマルチプレクサを設けることで、複数のアナログ入力のＡ／Ｄ変換を１つのＡ／Ｄ変換器で処理することもできる。

制御端末１２は、制御用コンピュータとそのソフトウェアで機能構成され、２電力計法により電力を算出するため、ＡＩ回路で入力する２つの線間電圧Ｖａｂ，Ｖｃｂと２つの相電流Ｉａ，Ｉｃの各ディジタルデータから受電電力の有効電力と無効電力を算出し、これら電力からパワーコンディショナ５に有効電力と無効電力を合成した電力制御指令値を出力する。

電圧常時監視部１３と電流常時監視部１４は、制御用コンピュータとそのソフトウェアで機能構成され、アナログ入力処理回路１１における電流・電圧の入力回路の状態を常時監視することで、異常発生時の誤った発電電力制御を回避する。遅延タイマ１５，１６は監視部１３，１４で異常発生が判定されたときにそれが一定時間（例えば１０秒）以上継続するか否かをチェックすることで系統事故などの過渡応動を考慮した異常判定を得る。

（１）上記の電圧常時監視部１３による線間電圧入力監視を説明する。まず、監視対象電圧は入力数を絞るため、ＶａｂとＶｃｂの２相の線間電圧を取り込み、これらＶａｂ相、Ｖｃｂ相のいずれかが４０Ｖ≦Ｖ≦８８Ｖの範囲内となった場合にアナログ入力電圧の異常と判定、または、Ｖａｂ相とＶｃｂ相の電圧差が４０Ｖ以上ある場合にアナログ入力電圧の異常と判定する。

これら判定条件で異常監視ができることは以下の関係による（ただし、正常時の線間電圧１１０Ｖとする）。

（１相断線）Ａ，Ｂ，Ｃ相のいずれか１相が断線した場合は線間電圧ＶａｂまたはＶｃｂの一方または両方が６３．５Ｖとなり、この電圧が範囲４０Ｖ≦Ｖ≦８８Ｖ内にあるか否かで１相の断線発生と判定する。

例えば、Ａ相断線時はＶａｂ＝６３．５Ｖ、Ｖｃｂ＝１１０Ｖとなり、Ｖａｂ相が６３．５Ｖで異常の判定条件が成立する。また、Ｂ相断線時はＶａｂ＝６３．５Ｖ、Ｖｃｂ＝６３．５Ｖとなり、Ｖａｂ相、Ｖｃｂ相のいずれも６３．５Ｖで異常の判定条件が成立する。また、Ｃ相断線時はＶａｂ＝１１０．０Ｖ、Ｖｃｂ＝６３．５Ｖとなり、Ｖｃｂ相が６３．５Ｖで異常の判定条件が成立する。

（２相断線）２相が断線した場合は線間電圧ＶａｂとＶｃｂの一方または両方が６３．５Ｖとなり、この電圧が範囲４０Ｖ≦Ｖ≦８８Ｖ内にあるか否かで１相の断線発生と判定する。

例えば、Ａ相とＢ相が断線した場合、Ｖａｂ＝０Ｖ、Ｖｃｂ＝６３．５Ｖとなり、異常の判定条件が成立する。また、Ｂ相とＣ相が断線した場合、Ｖａｂ＝１１０．０Ｖ、Ｖｃｂ＝６３．５Ｖとなり、異常の判定条件が成立する。また、Ｃ相とＡ相が断線した場合、Ｖａｂ＝６３．５Ｖ、Ｖｃｂ＝６３．５Ｖとなり、異常の判定条件が成立する。

（電圧差）装置側の故障を検出するため、線間電圧ＶａｂとＶｃｂの電圧差が４０Ｖ以上にあることを異常の判定条件とする。例えば、Ｖａｂがアナログ回路不良で０Ｖの場合、Ｖｃｂが１１０Ｖあれば電圧差４０Ｖで異常検出できる。

（２）上記の電流常時監視部１４による相電流入力監視を説明する。相電流は入力数を絞るため、２相の相電流ＩａとＩｃを取り込み、これら相電流ＩａとＩｃのうちの最小値ｍｉｎ（Ｉａ、Ｉｃ）と最大値ｍａｘ（Ｉａ、Ｉｃ）の平衡率αが設定値以下、例えば０．７よりも小さいとき、または相電流ＩａとＩｃの位相差θが設定値以上はずれたとき、例えば９０°≦θ≦１５０°の範囲を外れたときで、相電流が閾値以上流れているとき、例えば相電流の最大値ｍａｘ（Ｉａ、Ｉｃ）≧β（ただし、β＝定格の４％、例えば０．２Ａ）であるときに異常と判定する。

これら判定条件による異常監視は、前者では２相の電流不平衡率が３０％以上発生した場合は異常とし、後者では１相断線した場合（例えばＢ相が断線した場合）はＡ相とＣ相の電流位相差が１８０°になるため、位相差θが９０°≦θ≦１５０°で監視する。

１ 商用電源
２ 負荷
３ 連系装置
４ 太陽光発電ユニット
５ パワーコンディショナ
６ 二次電池
７ 電圧検出器
８ 電流検出器
９ トランスジューサー
１０ 制御端末
１１ アナログ入力処理回路
１２ 制御端末
１３ 電圧常時監視部
１４ 電流常時監視部
１５，１６ 遅延タイマ

Claims (4)

1. 自然エネルギー発電装置の出力変動を二次電池の充放電で調整して３相電力系統に連系させ、電力系統からの受電電力を検出して自然エネルギー発電装置の入出力電力を制御する系統連系発電システムであって、
   電力系統からの受電電圧を２つの線間電圧として検出する電圧検出器、電力系統からの受電電流を２つの相電流として検出する電流検出器、およびこれら線間電圧と相電流をアナログ入力回路で取り込んでＡ／Ｄ変換器でディジタルデータに変換するアナログ入力処理回路と、
   前記線間電圧と相電流のディジタルデータから２電力計法により電力系統からの受電電力を求めて前記自然エネルギー発電装置の入出力電力を制御する制御端末を備え、且つ
   前記２つの線間電圧のディジタルデータに対する両線間電圧の大きさ、線間電圧差から前記アナログ入力処理回路での検出電圧の異常の有無を監視する電圧常時監視部と、
   前記２つの相電流のディジタルデータについて、相電流の最大値と最小値および位相差から前記アナログ入力処理回路での検出電流の異常の有無を監視する電流常時監視部と、
   を備えたことを特徴とする系統連系発電システム。
2. 前記電圧常時監視部は、系統の定格電圧が１１０Ｖの場合、前記２つの線間電圧のいずれかが４０Ｖ〜８８Ｖになった場合、又は２つの線間電圧の電圧差が４０Ｖ以上になった場合は線間電圧の異常と判定する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の系統連系発電システム。
3. 前記電流常時監視部は、前記２つの相電流が闇値以上流れているときに、平衡率が設定値以下になった場合、または位相差が１２０°±３０°以上はずれた場合は相電流の異常と判定する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の系統連系発電システム。
4. 前記電圧常時監視部および前記電流常時監視部は、異常発生が判定されたときにそれが一定時間以上継続するか否かをチェックする遅延タイマを備えたことを特徴とする請求項１に記載の系統連系発電システム。

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