JP5502558B2 - 単独運転検出装置、単独運転検出方法、および、単独運転検出装置を備えた系統連系インバータシステム - Google Patents

Description

本発明は、単独運転検出装置、単独運転検出方法、および、単独運転検出装置を備えた系統連系インバータシステムに関し、特に、能動方式の単独運転検出に関する。

従来、太陽電池などによって生成される直流電力を交流電力に変換して、接続された負荷や電力系統に供給する系統連系インバータシステムが開発されている。電力系統で事故が発生した場合などには、電力系統側に設けられた保護装置によって遮断器が作動するため、系統連系インバータシステムは電力系統から切り離される（停電）。この場合、系統連系インバータシステムに接続された負荷には、系統連系インバータシステムから電力を供給している状態（単独運転）となる。系統連系インバータシステムの出力電力と負荷電力とがつりあうような条件においては、系統連系インバータシステムは電力系統の停電を検出することができない。保全作業者の安全確保のため、系統連系インバータシステムには、単独運転を検出して、系統連系インバータシステムから負荷を切り離し、電力変換動作を自動的に停止させる機能が設けられている。

図６は、従来の単独運転検出装置を備えた系統連系インバータシステムの一例を示す図である。

系統連系インバータシステムＡは、単独運転を検出するための単独運転検出装置６’を備えている。単独運転検出装置６’は、単独運転を検出すると、開閉器８に開放信号を出力し、インバータ制御装置３に停止信号を出力する。開放信号を入力された開閉器８は、系統連系インバータシステムＡと負荷Ｂとの接続を切り離す。また、停止信号を入力されたインバータ制御装置３は、ＰＷＭ信号の生成を停止して電力変換動作を停止する。これにより、系統連系インバータシステムＡの単独運転状態が回避される。

単独運転検出装置６’が単独運転を検出する方法には、連系運転から単独運転に変化したときに生じる電圧波形や位相の変化を検出することで単独運転状態を検出する受動方式と、周期的に変動要因を与えて、それに対応して電圧波形や位相が変化した場合に単独運転状態であることを検出する能動方式とがある。このうち、能動方式には、無効電力変動方式の単独運転検出方法がある。

無効電力変動方式の単独運転検出方法は、周期的に無効電力を注入して、このときの電圧センサ５によって検出される連系点ａの電圧（以下では、「連系点電圧」とする。）Ｖｏの位相の変化により単独運転を検出するものである。

図７は、無効電力変動方式の単独運転検出方法を説明するための図であり、無効電力注入前後の連系点電圧Ｖｏおよびインバータ装置２の出力電流Ｉｏの波形を示している。

同図（ａ）は、連系運転時の連系点電圧Ｖｏおよび出力電流Ｉｏの波形を示している。同図に示すように、出力電流Ｉｏは、無効電力が注入されている間、位相が進んでいる。このとき注入されている無効電力を、以下では「進み無効電力」とし、正の値とする（逆に、出力電流Ｉｏの位相を遅らせる無効電力を、以下では「遅れ無効電力」とし、負の値とする）。一方、連系点電圧Ｖｏは、無効電力が注入されても系統Ｃが吸収する（系統電圧は変化しない）ので、位相が変化していない。

同図（ｂ）は、単独運転時の連系点電圧Ｖｏおよび出力電流Ｉｏの波形を示している。出力電流Ｉｏは、同図（ａ）と同様に、無効電力が注入されている間、位相が進んでいる。また、注入された無効電力を吸収するための系統Ｃが切り離されているので、連系点電圧Ｖｏも出力電流Ｉｏに追従して位相が進んでいる。同図においては、連系点電圧Ｖｏの位相が、連系運転時と比べてθだけ進んでいる。

したがって、無効電力を注入したときに連系点電圧Ｖｏの位相が進むか否かによって、単独運転状態であるか連系運転状態であるかを判断することができる。単独運転検出装置６’は、インバータ制御装置３に無効電力注入信号を出力して周期的に無効電力を注入させ、このとき電圧センサ５から入力される連系点電圧Ｖｏの位相の変化量θが所定のしきい値θ’を超えた場合に、連系点電圧Ｖｏの位相が変化したと判断して単独運転状態であると判断する。

特開２００９−１３６０９６号公報

しかしながら、負荷Ｂに無効電力負荷（容量性負荷および誘導性負荷）が含まれている場合、単独運転検出装置６’が適切に単独運転を検出できない場合がある。例えば、負荷Ｂに容量性負荷が含まれている場合、進み無効電力を注入しても、負荷Ｂの容量性負荷によって出力電流Ｉｏの位相が後れ、位相の進む量が小さくなる。この場合、出力電流Ｉｏに追従する連系点電圧Ｖｏの位相の進む量も小さくなる。したがって、電圧位相変化量θがしきい値θ’を超えず、単独運転が検出されない。

図８は、無効電力を注入したときの連系点電圧Ｖｏの位相の変化量θと、単独運転検出装置６’が出力する単独運転検出信号（単独運転状態であることを検出した場合に、その旨を他の手段に伝えるために出力する信号であり、開閉器８に出力する開放信号、および、インバータ制御装置３に出力する停止信号に相当する。）との関係を説明するためのタイミングチャートである。同図においては、単独運転検出装置６’が、ｔ１からｔ２の間で進み無効電力を注入させるための無効電力注入信号を出力している。

同図（ａ）は、連系運転時のものである。この場合、無効電力を注入しても電圧位相変化量θは変化しないので、単独運転検出信号は未検出を示すローレベル信号のままである。

同図（ｂ）は、単独運転時で、負荷Ｂが抵抗負荷のみの場合（または、容量性負荷と誘導性負荷とが釣り合っている場合）である。この場合、進み無効電力を注入したときに、電圧位相変化量θが変化して、しきい値θ’を超えている。したがって、単独運転検出信号が単独運転検出を示すハイレベル信号に変化している。

同図（ｃ）は、単独運転時で、負荷Ｂに容量性負荷が含まれる場合（容量性負荷の方が誘導性負荷より大きい場合）である。この場合、進み無効電力を注入したときに電圧位相変化量θが変化しているが、しきい値θ’を超えていない。したがって、単独運転検出信号は未検出を示すローレベル信号のままである。

同図（ｃ）の場合に単独運転を検出する方法として、しきい値θ’を小さくすることが考えられる。しかし、この場合、系統電圧の揺らぎなどにより、単独運転を誤検出する可能性が高くなる。また、注入した無効電力と負荷Ｂの無効電力負荷とが完全に一致した場合には、電圧位相変化量θが「０」になるので、しきい値θ’との比較で判断することができない。

また、注入する無効電力を段階的に大きくしていくことにより電圧位相変化量θを大きくする方法も考えられる。同図（ｄ）は、ｔ１からｔ２の間で進み無効電力を注入した後、さらに大きな進み無効電力を注入した場合を示している。最初に進み無効電力を注入したときには、電圧位相変化量θがしきい値θ’を超えていない。しかし、さらに大きな進み無効電力を注入したことにより、電圧位相変化量θがしきい値θ’を超えて、単独運転検出信号が単独運転検出を示すハイレベル信号に変化している。しかし、連系運転時に大きな進み無効電力を注入することは、力率を悪化させたり、出力電流Ｉｏの波形を大きく歪ませたりすることになる。

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、負荷に無効電力負荷が含まれている場合でも、無効電力の注入量を増加させることなく単独運転を適切に検出することができる無効電力変動方式の単独運転検出装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供される単独運転検出装置は、直流電力を交流電力に変換して負荷および電力系統に出力する系統連系インバータシステムが前記電力系統から切り離された状態で電力変換動作を行う単独運転状態であることを検出する単独運転検出装置であって、電力変換動作を行うインバータ装置の出力電力に、電流が進む無効電力と電流が遅れる無効電力とをそれぞれ複数回ずつ連続して周期的に注入させる無効電力注入制御手段と、前記系統連系インバータシステムと前記電力系統との連系点における電気的信号が変化したか否かを判断する判断手段とを備え、前記判断手段によって前記電気的信号が変化したとの判断が所定の回数連続した場合に、単独運転状態であることを検出することを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記判断手段は電圧信号の位相が変化したか否かを判断する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記判断手段は、検出された電圧信号の位相の連系運転時の位相からの変化量が所定のしきい値を超えた場合に、前記電圧信号の位相が変化したと判断する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記判断手段は、電流が進む無効電力を注入させたときに前記変化量が所定の第１のしきい値より大きくなったか否かを判断し、電流が遅れる無効電力を注入させたときに前記変化量が所定の第２のしきい値より小さくなったか否かを判断し、前記判断手段によって、前記第１のしきい値より大きくなったと判断された場合、または、前記第２のしきい値より小さくなったと判断された場合に、単独運転状態であることを検出する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記判断手段は、検出された電圧信号のゼロクロスのタイミングと連系運転時の電圧信号の対応するゼロクロスのタイミングとの時間差が所定のしきい値を超えた場合に、前記電圧信号の位相が変化したと判断する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記判断手段は電圧信号の周波数が変化したか否かを判断する。

本発明の第２の側面によって提供される系統連系インバータシステムは、前記インバータ装置と、本発明の第１の側面によって提供される単独運転検出装置とを備えている。

本発明の第３の側面によって提供される単独運転検出方法は、直流電力を交流電力に変換して負荷および電力系統に出力する系統連系インバータシステムが前記電力系統から切り離された状態で電力変換動作を行う単独運転状態であることを検出する単独運転検出方法であって、電力変換動作を行うインバータ装置の出力電力に、電流が進む無効電力を複数回連続して注入させる第１の工程と、前記系統連系インバータシステムと前記電力系統との連系点における電気的信号が変化したか否かを判断する第２の工程と、前記インバータ装置の出力電力に、電流が遅れる無効電力を複数回連続して注入させる第３の工程と、前記電気的信号が変化したか否かを判断する第４の工程とを備えており、前記第２の工程または前記第４の工程で前記電気的信号が変化したとの判断が所定の回数連続した場合に、単独運転状態であることを検出することを特徴とする。

本発明の第４の側面によって提供されるプログラムは、コンピュータを、直流電力を交流電力に変換して負荷および電力系統に出力する系統連系インバータシステムが前記電力系統から切り離された状態で電力変換動作を行う単独運転状態であることを検出する単独運転検出装置として機能させるためのプログラムであって、前記コンピュータを、電力変換動作を行うインバータ装置の出力電力に、電流が進む無効電力と電流が遅れる無効電力とをそれぞれ複数回ずつ連続して周期的に注入させる無効電力注入制御手段と、前記系統連系インバータシステムと前記電力系統との連系点における電気的信号が変化したか否かを判断する判断手段と、前記判断手段によって前記電気的信号が変化したとの判断が所定の回数連続した場合に、単独運転状態であることを検出する検出手段として機能させる。

本発明の第５の側面によって提供される記録媒体は、本発明の第４の側面によって提供されるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。

本発明によれば、インバータ装置の出力電力に電流が進む無効電力と電流が遅れる無効電力とを周期的に注入させ、連系点における電気的信号が変化したと判断された場合に単独運転状態であることを検出する。したがって、負荷に無効電力負荷が含まれており、進む無効電力を注入しても電気的信号が変化したと判断されず単独運転を検出できない場合でも、遅れる無効電力を注入したときに電気的信号が変化したと判断されて単独運転を検出することができる。逆に、遅れる無効電力を注入しても電気的信号が変化したと判断されず単独運転を検出できない場合でも、進む無効電力を注入したときに電気的信号が変化したと判断されて単独運転を検出することができる。したがって、負荷に無効電力負荷が含まれている場合でも、単独運転を適切に検出することができる。また、無効電力の注入量を増加させないので、力率を悪化させたり、出力電流の波形を大きく歪ませたりすることを抑制することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明の第１実施形態に係る単独運転検出装置を備えた系統連系インバータシステムを説明するための図である。 無効電力注入信号の波形の一例を示す図である。 単独運転検出装置が行う単独運転検出処理を説明するためのフローチャートである。 無効電力を注入したときの連系点電圧の位相変化量と単独運転検出信号との関係を説明するためのタイミングチャートである。 無効電力注入信号の波形の他の例を示す図である。 従来の単独運転検出装置を備えた系統連系インバータシステムの一例を示す図である。 無効電力変動方式の単独運転検出方法を説明するための図である。 無効電力を注入したときの連系点電圧の位相の変化量と単独運転検出信号との関係を説明するためのタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、本発明に係る単独運転検出装置を系統連系インバータシステムに用いた場合を例として、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る単独運転検出装置を備えた系統連系インバータシステムを説明するための図である。

同図に示すように、系統連系インバータシステムＡは、直流電源１、インバータ装置２、インバータ制御装置３、電流センサ４、電圧センサ５、単独運転検出装置６、および開閉器８を備えている。系統連系インバータシステムＡは、直流電源１が出力する直流電力をインバータ装置２によって交流電力に変換し、負荷Ｂおよび電力系統Ｃに供給するものである。

直流電源１は、直流電力を出力するものであり、例えば太陽電池を備えている。太陽電池は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換することで、直流電力を生成する。直流電源１は、生成された直流電力を、インバータ装置２に出力する。なお、直流電源１は、太陽電池により直流電力を生成するものに限定されない。例えば、直流電源１は、燃料電池、蓄電池、電気二重層コンデンサやリチウムイオン電池であってもよいし、ディーゼルエンジン発電機、マイクロガスタービン発電機や風力タービン発電機などにより生成された交流電力を直流電力に変換して出力する装置であってもよい。

インバータ装置２は、直流電源１から入力される直流電圧を交流電圧に変換して、負荷Ｂおよび電力系統Ｃに出力するものである。インバータ装置２は、いわゆるＰＷＭ制御インバータ装置であり、インバータ制御装置３から入力されるＰＷＭ信号に基づいて、図示しないスイッチング素子のオンとオフとを切り替えることで、入力される直流電圧を交流電圧に変換する。また、インバータ装置２は、内蔵するフィルタ回路（図示しない）によって、スイッチングによる高周波成分を除去する。

インバータ制御装置３は、インバータ装置２を制御するものであり、電流センサ４より入力される出力電流信号Ｉｏ、電圧センサ５より入力される連系点電圧信号Ｖｏ、および、単独運転検出装置６より入力される無効電力注入信号に基づいて、ＰＷＭ信号を生成してインバータ装置２に出力する。インバータ制御装置３は、インバータ装置２が出力する出力電流Ｉｏと無効電力Ｑとをフィードバック制御する。

インバータ制御装置３は、無効電力検出部３１、目標無効電力設定部３２、無効電力制御部３３、電流制御部３４、およびＰＷＭ信号生成部３５を備えている。

無効電力検出部３１は、電流センサ４より入力される出力電流信号Ｉｏと電圧センサ５より入力される連系点電圧信号Ｖｏとから、インバータ装置２より出力される無効電力Ｑを算出して出力するものである。

目標無効電力設定部３２は、単独運転検出装置６の無効電力注入部６１（後述する）より入力される無効電力注入信号に基づいて、目標無効電力Ｑ^*を設定して出力するものである。目標無効電力設定部３２は、無効電力注入信号が無効電力を注入しないことを示す状態の場合、目標無効電力Ｑ^*を「０」に設定して出力する。また、無効電力注入信号が進み無効電力を注入することを示す状態の場合、目標無効電力Ｑ^*を正の所定値に設定して出力し、無効電力注入信号が遅れ無効電力を注入することを示す状態の場合、目標無効電力Ｑ^*を負の所定値に設定して出力する。なお、注入された無効電力によって力率が著しく悪化したり、出力電流信号Ｉｏの波形が大きく歪んだりしないように、正の所定値および負の所定値は、その絶対値が十分小さな値となるようにあらかじめ設定されている。また、当該正の所定値および負の所定値は、単独運転時に無効電力が注入されることにより連系点電圧信号Ｖｏの位相変化を検出できるように設定されている。

無効電力制御部３３は、無効電力検出部３１より入力される無効電力Ｑと目標無効電力設定部３２より入力される目標無効電力Ｑ^*との偏差を入力されて、当該偏差を「０」とするための補正値を補正値信号として出力する。

電流制御部３４は、電流センサ４より入力される出力電流信号Ｉｏと無効電力制御部３３より入力される補正値信号との偏差を入力されて、当該偏差を「０」とするための補正値を指令値信号としてＰＷＭ信号生成部３５に出力する。

ＰＷＭ信号生成部３５は、電流制御部３４より入力される指令値信号と、所定の周波数（例えば、４ｋＨｚ）の三角波信号として生成されたキャリア信号とに基づいて、三角波比較法によりＰＷＭ信号を生成する。例えば、指令値信号がキャリア信号より大きい場合にハイレベルとなり、指令値信号がキャリア信号より小さい場合にローレベルとなるパルス信号をＰＷＭ信号として生成する。生成されたＰＷＭ信号は、インバータ装置２に出力される。また、ＰＷＭ信号生成部３５は、単独運転検出装置６から単独運転検出信号（停止信号）を入力された場合に、ＰＷＭ信号の生成を停止する。これにより、インバータ装置２の電力変換動作は停止する。

インバータ制御装置３は、目標無効電力設定部３２が目標無効電力Ｑ^*を「０」に設定している間、インバータ装置２の出力無効電力が「０」になるように制御する。また、インバータ制御装置３は、目標無効電力設定部３２が目標無効電力Ｑ^*を正の所定値に設定している間、インバータ装置２の出力無効電力が当該正の所定値になるように制御する。これにより、進み無効電力が注入される。一方、インバータ制御装置３は、目標無効電力設定部３２が目標無効電力Ｑ^*を負の所定値に設定している間、インバータ装置２の出力無効電力が当該負の所定値になるように制御する。これにより、遅れ無効電力が注入される。なお、インバータ制御装置３の構成は上記に限られず、無効電力Ｑを制御できＰＷＭ信号を生成するものであればよい。例えば、三角波比較法以外の方法でＰＷＭ信号を生成するものであってもよい。また、出力電流Ｉｏと無効電力Ｑ以外（例えば、出力電圧Ｖｏや有効電力）をフィードバック制御するものであってもよい。

電流センサ４は、インバータ装置２から出力される出力電流Ｉｏを検出するものである。電流センサ４によって検出された出力電流Ｉｏは、出力電流信号Ｉｏとして、インバータ制御装置３に出力される。電圧センサ５は、連系点ａの電圧である連系点電圧Ｖｏを検出するものである。電圧センサ５によって検出された連系点電圧Ｖｏは、連系点電圧信号Ｖｏとして、インバータ制御装置３および単独運転検出装置６に出力される。

開閉器８は、系統連系インバータシステムＡと負荷Ｂとの接続を切り離すものである。開閉器８は、単独運転検出装置６から単独運転検出信号（開放信号）が入力された場合に、系統連系インバータシステムＡと負荷Ｂとの接続を切り離す。これにより、系統連系インバータシステムＡの単独運転状態が回避される。

単独運転検出装置６は、単独運転を検出するものであり、単独運転を検出した場合に単独運転検出信号を出力する。単独運転検出装置６が出力した単独運転検出信号は、停止信号としてインバータ制御装置３に入力され、開放信号として開閉器８に入力される。

単独運転検出装置６は、無効電力注入部６１、電圧位相検出部６２、位相変化量検出部６３、および単独運転検出部６４を備えている。なお、本発明は能動方式の単独運転検出方法に関するものなので、能動方式の単独運転検出のための構成のみを記載して説明している。実際には、単独運転検出装置６は受動方式の単独運転検出のための構成も備えているが、本実施形態ではその記載および説明を省略している。

無効電力注入部６１は、インバータ装置２に周期的に無効電力を注入させるために、無効電力注入信号を生成して目標無効電力設定部３２に出力するものである。無効電力注入信号は、無効電力を注入しないことを示す状態、進み無効電力を注入することを示す状態、および、遅れ無効電力を注入することを示す状態の３つの状態からなる。例えば本実施形態では、無効電力注入信号は、「０」、「１」、「−１」の３つの値となり、それぞれ、無効電力を注入しないことを示す状態、進み無効電力を注入することを示す状態、遅れ無効電力を注入することを示す状態に対応している。

図２は、無効電力注入信号の波形の一例を示す図である。

同図に示すように、無効電力注入信号は、所定の周期Ｔで「１」となり、「１」が所定の期間Δt継続して「０」になる。また、周期Ｔの中間で「−１」となり、「−１」が所定の期間Δt継続して「０」になる。所定の周期Ｔは、能動方式の単独運転検出時限である０．５秒以内としている。また、期間Δtは、注入された無効電力による力率への影響などを最小限に抑えるために、できるだけ短い期間としている。

当該無効電力注入信号が目標無効電力設定部３２に入力されることによって、周期Ｔのタイミングで進み無効電力が期間Δtの間だけ注入され、進み無効電力の注入の中間のタイミングで遅れ無効電力が期間Δtの間だけ注入される。なお、遅れ無効電力の注入タイミングは、必ずしも進み無効電力の注入の中間のタイミングでなくてもよい。

なお、無効電力注入信号は、これに限られない。例えば、無効電力を注入しないことを示すローレベル信号と進み無効電力を注入することを示すハイレベル信号とからなる第１の無効電力注入信号と、無効電力を注入しないことを示すローレベル信号と遅れ無効電力を注入することを示すハイレベル信号とからなる第２の無効電力注入信号との２つの信号としてもよい。また、無効電力注入部６１は、無効電力注入信号を単独運転検出部６４にも出力する。

電圧位相検出部６２は、電圧センサ５より入力される連系点電圧信号Ｖｏの位相を検出するものであり、例えばＰＬＬ（Phase-Locked Loop）回路である。電圧位相検出部６２は、検出した連系点電圧信号Ｖｏの位相を位相変化量検出部６３に出力する。

位相変化量検出部６３は、電圧位相検出部６２より入力される連系点電圧信号Ｖｏの位相を連系運転時の位相と比較したときの位相変化量θを検出するものである。連系点電圧信号Ｖｏの位相が連系運転時と比べて進んでいる場合、位相変化量θは正の値として検出され、連系点電圧信号Ｖｏの位相が連系運転時と比べて遅れている場合、位相変化量θは負の値として検出される。

単独運転検出部６４は、位相変化量検出部６３より入力される位相変化量θを所定のしきい値と比較することによって、単独運転を検出するものである。単独運転検出部６４は、無効電力注入部６１より入力される無効電力注入信号が進み無効電力を注入することを示す状態になったタイミングで位相変化量θと比較するしきい値を所定のしきい値θ₁に切り替え、無効電力注入信号が遅れ無効電力を注入することを示す状態になったタイミングで位相変化量θと比較するしきい値を所定のしきい値θ₂に切り替える（図４（ｂ）参照）。なお、しきい値θ₁は位相が進んでいることを示す正の値であり、しきい値θ₂は位相が遅れていることを示す負の値であり、あらかじめ設定されている。

単独運転検出部６４は、進み無効電力を注入しているとき位相変化量θをしきい値θ₁と比較して、位相変化量θがしきい値θ₁より大きい場合に単独運転状態であると判断し、遅れ無効電力を注入しているとき位相変化量θをしきい値θ₂と比較して、位相変化量θがしきい値θ₂より小さい場合に単独運転状態であると判断する。単独運転検出部６４は、判断結果を検出信号として、インバータ制御装置３のＰＷＭ信号生成部３５および開閉器８に出力する。本実施形態では、単独運転検出部６４は、単独運転状態であると判断しない場合（連系運転状態であると判断した場合）に連系運転検出信号（ローレベル信号）を出力し、単独運転状態であると判断した場合に単独運転検出信号（ハイレベル信号）を出力する。単独運転検出信号（停止信号）が入力されたＰＷＭ信号生成部３５は、ＰＷＭ信号の生成を停止する。これにより、インバータ装置２の電力変換動作は停止する。また、単独運転検出信号（開放信号）が入力された開閉器８は、系統連系インバータシステムＡと負荷Ｂとの接続を切り離す。これにより、系統連系インバータシステムＡの単独運転状態が回避される。

なお、しきい値θ₁としきい値θ₂の絶対値を同じ値とする場合、単独運転検出部６４が位相変化量θの絶対値としきい値θ₁とを比較するようにしてもよい。この場合、比較するしきい値を切り替える必要がないので、単独運転検出部６４に無効電力注入信号を入力する必要がない。

図３は、単独運転検出装置６が行う単独運転検出処理を説明するためのフローチャートである。

単独運転検出処理は、インバータ装置２が電力変換動作を行っている間、すなわち、インバータ制御装置３がＰＷＭ信号を出力している間、常に実行されている。まず、進み無効電力を注入させる（Ｓ１）。すなわち、無効電力注入部６１で生成された無効電力注入信号が、「１」（進み無効電力を注入することを示す状態）となる。これにより、目標無効電力設定部３２で設定される目標無効電力Ｑ^*が正の所定値に設定されて出力されるので、インバータ装置２より出力される無効電力Ｑが目標無効電力Ｑ^*（正の所定値）に制御される。

次に、位相変化量θが検出される（Ｓ２）。すなわち、電圧位相検出部６２によって電圧センサ５より入力される連系点電圧信号Ｖｏの位相が検出され、位相変化量検出部６３によって連系運転時の位相と比較したときの位相変化量θが検出される。

次に、位相変化量θがしきい値θ₁より大きいか否かが判断される（Ｓ３）。位相変化量θがしきい値θ₁より大きい場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、単独運転検出信号が出力され（Ｓ４）、単独運転検出処理は終了される。

一方、位相変化量θがしきい値θ₁以下の場合（Ｓ３：ＮＯ）、単独運転検出信号は出力されず、所定の時間の経過後に、遅れ無効電力を注入させる（Ｓ５）。すなわち、無効電力注入部６１で生成された無効電力注入信号が、「−１」（遅れ無効電力を注入することを示す状態）となる。これにより、目標無効電力設定部３２で設定される目標無効電力Ｑ^*が負の所定値に設定されて出力されるので、インバータ装置２より出力される無効電力Ｑが目標無効電力Ｑ^*（負の所定値）に制御される。

次に、位相変化量θが検出される（Ｓ６）。すなわち、電圧位相検出部６２によって電圧センサ５より入力される連系点電圧信号Ｖｏの位相が検出され、位相変化量検出部６３によって連系運転時の位相と比較したときの位相変化量θが検出される。

次に、位相変化量θがしきい値θ₂より小さいか否かが判断される（Ｓ７）。位相変化量θがしきい値θ₂より小さい場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、単独運転検出信号が出力され（Ｓ４）、単独運転検出処理は終了される。

一方、位相変化量θがしきい値θ₂以上の場合（Ｓ７：ＮＯ）、単独運転検出信号は出力されず、ステップＳ１に戻り、所定の時間の経過後に進み無効電力を注入させる（Ｓ１）。位相変化量θがしきい値θ₁より大きくなるか（Ｓ３：ＹＥＳ）、しきい値θ₂より小さくなる（Ｓ７：ＹＥＳ）まで、ステップＳ１〜Ｓ３、Ｓ５〜Ｓ７が繰り返えされる。

なお、単独運転検出装置６は、アナログ回路として実現してもよいし、デジタル回路として実現してもよい。また、各部が行う処理をプログラムで設計し、当該プログラムを実行させることでコンピュータを単独運転検出装置６として機能させてもよい。また、当該プログラムを記録媒体に記録しておき、コンピュータに読み取らせるようにしてもよい。

本実施形態においては、進み無効電力と遅れ無効電力とを交互に注入して、それぞれ、位相変化量θをしきい値θ₁およびしきい値θ₂と比較して、単独運転状態を検出している。負荷Ｂの容量性負荷が誘導性負荷より大きい場合、進み無効電力を注入しても連系点電圧信号Ｖｏの位相の進む量が小さくなって電圧位相変化量θがしきい値θ₁より大きくならない場合がある。しかし、この場合、遅れ無効電力を注入すると連系点電圧信号Ｖｏの位相の遅れる量が大きくなって電圧位相変化量θがしきい値θ₂より小さくなる。したがって、進み無効電力を注入した時に単独運転状態を検出できなくても、遅れ無効電力を注入した時に単独運転状態を検出することができる。

図４は、無効電力を注入したときの連系点電圧信号Ｖｏの位相変化量θと単独運転検出信号との関係を説明するためのタイミングチャートである。

同図（ａ）は、無効電力注入信号の変化を示している。同図（ａ）に示すように、無効電力注入信号は、ｔ１からｔ２の間で「１」（進み無効電力を注入することを示す状態）となり、ｔ３からｔ４の間で「−１」（遅れ無効電力を注入することを示す状態）となっている。同図（ｂ）は、電圧位相変化量θの変化と、これと比較されるしきい値（しきい値θ₁またはしきい値θ₂）の切り替えを示している。なお、この例では、負荷Ｂの容量性負荷が誘導性負荷より大きい場合を示している。また、同図（ｃ）は、単独運転検出信号の変化を示している。

無効電力注入信号はｔ１からｔ２の間で「１」となっており、この間進み無効電力が注入されている。電圧位相変化量θと比較されるしきい値は、ｔ１でしきい値θ₁に切り替えられている。このとき、電圧位相変化量θは、「０」から変化して正の値となるが、負荷Ｂの容量性負荷が誘導性負荷より大きいので、しきい値θ₁より小さい値となっている。したがって、単独運転検出信号は未検出を示すローレベル信号のままである。

また、無効電力注入信号はｔ３からｔ４の間で「−１」となっており、この間遅れ無効電力が注入されている。電圧位相変化量θと比較されるしきい値は、ｔ３でしきい値θ₂に切り替えられている。このとき、電圧位相変化量θは、「０」から変化して負の値となり、負荷Ｂの容量性負荷が誘導性負荷より大きいので、しきい値θ₂より小さい値となっている。したがって、単独運転検出信号は単独運転検出を示すハイレベル信号に変化している。なお、本実施形態では、無効電力注入終了のタイミング（ｔ２、ｔ４）で電圧位相変化量θとしきい値とを比較するので、単独運転検出信号はｔ４のタイミングでハイレベル信号に変化している。なお、電圧位相変化量θとしきい値との比較のタイミングは、これに限定されるものではない。

逆に、負荷Ｂの誘導性負荷が容量性負荷より大きい場合、遅れ無効電力を注入しても連系点電圧信号Ｖｏの位相の遅れる量が小さくなって電圧位相変化量θがしきい値θ₂より小さくならない場合がある。しかし、この場合、進み無効電力を注入すると連系点電圧信号Ｖｏの位相の進む量が大きくなって電圧位相変化量θがしきい値θ₁より大きくなる。したがって、遅れ無効電力を注入した時に単独運転状態を検出できなくても、進み無効電力を注入した時に単独運転状態を検出することができる。

このように、本実施形態においては、進み無効電力と遅れ無効電力とを交互に注入して、それぞれ単独運転状態であるか否かの判断を行なっているので、負荷Ｂに無効電力負荷が含まれている場合でも、単独運転を適切に検出することができる。また、無効電力の注入量を増加させないので、力率を悪化させたり、出力電流Ｉｏの波形を大きく歪ませたりすることを抑制することができる。

なお、上記第１実施形態では、進み無効電力と遅れ無効電力とを交互に注入する場合について説明したが、これに限られない。例えば、進み無効電力を複数回連続して注入した後に、遅れ無効電力を同じ回数連続して注入するようにしてもよい。

図５は、無効電力注入信号の波形の他の例であり、同図（ａ）は、進み無効電力および遅れ無効電力をそれぞれ３回ずつ連続して注入するための無効電力注入信号を示している。この場合、位相変化量θがしきい値を１度でも超えれば単独運転状態であると判断するようにしてもよいし、位相変化量θがしきい値を例えば３回連続で超えれば（例えば、ｔ２、ｔ４、ｔ６のタイミングでの比較において、位相変化量θがしきい値θ₁より大きくなるなど）単独運転状態であると判断するようにしてもよい。位相変化量θがしきい値を複数回連続で超えたときに単独運転状態であると判断する場合、系統電圧の揺らぎなどによる単独運転の誤検出を抑制することができる。この場合、ｔ１からｔ１３までの期間Ｔを、能動方式の単独運転検出時限である０．５秒以内とする必要がある。また、この場合、単独運転検出部６４にカウンタを設けて位相変化量θがしきい値を超えた回数をカウントし、カウンタが所定の回数（例えば「３」回）になった場合に単独運転検出信号を出力するようにすればよい。

また、進み無効電力と遅れ無効電力とを交互に注入する場合においても、位相変化量θがしきい値を例えば３回超えれば単独運転状態であると判断するようにしてもよい。同図（ｂ）は、進み無効電力と遅れ無効電力と交互に注入する場合であって、位相変化量θがしきい値を３回超えれば単独運転状態であると判断する場合の例を説明するためのものである。この場合、ｔ１からｔ１３までの期間Ｔを、能動方式の単独運転検出時限である０．５秒以内とする必要がある。

また、上記第１実施形態では、連系点電圧信号Ｖｏの位相を検出し連系運転時の位相と比較することで位相の変化を検出しているが、これに限られない。例えば、無効電力を注入してから、連系点電圧信号Ｖｏが負の値から正の値に変わる（または、負の値から正の値に変わる）タイミング（以下では、「ゼロクロス」という）までの時間に基づいて、位相の変化を検出するようにしてもよい。

単独運転時に無効電力を注入した場合位相が変化するので、無効電力の注入の開始からゼロクロスまでの時間は、連系運転時とは異なるものとなる（図７参照）。したがって、連系運転時のゼロクロスからゼロクロス（例えば１周期）までの時間を計時して記録しておき、ゼロクロスのタイミングで無効電力の注入を開始して対応するゼロクロスまでの時間を計時し、当該計時時間と連系運転時の計時時間との差が所定のしきい値を超えた場合に連系点電圧信号Ｖｏの位相が変化したと判断して、単独運転状態であると判断するようにしてもよい。

また、上記第１実施形態では、連系点電圧信号Ｖｏの位相の変化に基づいて単独運転を検出する場合について説明したが、これに限られない。例えば、連系点電圧信号Ｖｏの周波数の変化に基づいて単独運転を検出するようにしてもよい。

本発明に係る単独運転検出装置、単独運転検出方法、および、単独運転検出装置を備えた系統連系インバータシステムは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る単独運転検出装置、単独運転検出方法、および、単独運転検出装置を備えた系統連系インバータシステムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ 系統連系インバータシステム
１ 直流電源
２ インバータ装置
３ インバータ制御装置
３１ 無効電力検出部
３２ 目標無効電力設定部
３３ 無効電力制御部
３４ 電流制御部
３５ ＰＷＭ信号生成部
４ 電流センサ
５ 電圧センサ
６ 単独運転検出装置
６１ 無効電力注入部（無効電力注入制御手段）
６２ 電圧位相検出部
６３ 位相変化量検出部
６４ 単独運転検出部（判断手段）
８ 開閉器
Ｂ 負荷
Ｃ 電力系統
Ｄ 遮断器

Claims (10)

1. 直流電力を交流電力に変換して負荷および電力系統に出力する系統連系インバータシステムが前記電力系統から切り離された状態で電力変換動作を行う単独運転状態であることを検出する単独運転検出装置であって、
   電力変換動作を行うインバータ装置の出力電力に、電流が進む無効電力と電流が遅れる無効電力とをそれぞれ複数回ずつ連続して周期的に注入させる無効電力注入制御手段と、
   前記系統連系インバータシステムと前記電力系統との連系点における電気的信号が変化したか否かを判断する判断手段と、
   を備え、
   前記判断手段によって前記電気的信号が変化したとの判断が所定の回数連続した場合に、単独運転状態であることを検出する、
   ことを特徴とする単独運転検出装置。
2. 前記判断手段は電圧信号の位相が変化したか否かを判断する、請求項１に記載の単独運転検出装置。
3. 前記判断手段は、検出された電圧信号の位相の連系運転時の位相からの変化量が所定のしきい値を超えた場合に、前記電圧信号の位相が変化したと判断する、請求項２に記載の単独運転検出装置。
4. 前記判断手段は、電流が進む無効電力を注入させたときに前記変化量が所定の第１のしきい値より大きくなったか否かを判断し、電流が遅れる無効電力を注入させたときに前記変化量が所定の第２のしきい値より小さくなったか否かを判断し、
   前記判断手段によって、前記第１のしきい値より大きくなったと判断された場合、または、前記第２のしきい値より小さくなったと判断された場合に、単独運転状態であることを検出する、
   請求項３に記載の単独運転検出装置。
5. 前記判断手段は、検出された電圧信号のゼロクロスのタイミングと連系運転時の電圧信号の対応するゼロクロスのタイミングとの時間差が所定のしきい値を超えた場合に、前記電圧信号の位相が変化したと判断する、請求項２に記載の単独運転検出装置。
6. 前記判断手段は電圧信号の周波数が変化したか否かを判断する、請求項１に記載の単独運転検出装置。
7. 前記インバータ装置と、請求項１ないし６のいずれかに記載の単独運転検出装置と、
   を備えている系統連系インバータシステム。
8. 直流電力を交流電力に変換して負荷および電力系統に出力する系統連系インバータシステムが前記電力系統から切り離された状態で電力変換動作を行う単独運転状態であることを検出する単独運転検出方法であって、
   電力変換動作を行うインバータ装置の出力電力に、電流が進む無効電力を複数回連続して注入させる第１の工程と、
   前記系統連系インバータシステムと前記電力系統との連系点における電気的信号が変化したか否かを判断する第２の工程と、
   前記インバータ装置の出力電力に、電流が遅れる無効電力を複数回連続して注入させる第３の工程と、
   前記電気的信号が変化したか否かを判断する第４の工程と、
   を備えており、
   前記第２の工程または前記第４の工程で前記電気的信号が変化したとの判断が所定の回数連続した場合に、単独運転状態であることを検出する、
   ことを特徴とする単独運転検出方法。
9. コンピュータを、
   直流電力を交流電力に変換して負荷および電力系統に出力する系統連系インバータシステムが前記電力系統から切り離された状態で電力変換動作を行う単独運転状態であることを検出する単独運転検出装置として機能させるためのプログラムであって、
   前記コンピュータを、
   電力変換動作を行うインバータ装置の出力電力に、電流が進む無効電力と電流が遅れる無効電力とをそれぞれ複数回ずつ連続して周期的に注入させる無効電力注入制御手段と、
   前記系統連系インバータシステムと前記電力系統との連系点における電気的信号が変化したか否かを判断する判断手段と、
   前記判断手段によって前記電気的信号が変化したとの判断が所定の回数連続した場合に、単独運転状態であることを検出する検出手段と、
   して機能させるためのプログラム。
10. 請求項９に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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