JP5894827B2 - 地絡検出装置および系統連系インバータシステム - Google Patents

Description

本発明は、並列接続されるインバータ装置において地絡事故の発生を検出する地絡検出装置、および、当該地絡検出装置を備えている系統連系インバータシステムに関する。

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、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。また、近年、系統連系インバータシステムの大容量化が必要となっている。系統連系インバータシステムをメガワットレベルにまで大容量化するため、図６に示すように、複数台（図６においては３台）のインバータ装置２００ａ，２００ｂ，２００ｃを並列接続した系統連系インバータシステムＡ１００が製作されている。

図６に示すインバータ装置２００ａ内のインバータ回路２０２は、直流電源１０ａから入力される直流電圧をスイッチング素子（図示しない）のスイッチングにより交流電圧に変換する回路である。インバータ回路２０２は、各センサ（図示しない）から電流信号および電圧信号を入力され、内蔵する制御回路（図示しない）が生成するＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子のスイッチングを行う。また、フィルタ回路２０３はインバータ回路２０２から出力される交流電圧に含まれるスイッチング周波数成分を除去する回路であり、変圧器２０４は、フィルタ回路２０３から出力される交流電圧を電力系統４０の系統電圧に昇圧（または降圧）すると同時にインバータ装置２００ａと電力系統４０とを電気的に絶縁するためのものである。

直流電源１０ａの出力ラインの負極は、接地線Ｌ_G1aによって接地されている。近年普及傾向にある薄膜系太陽電池は、負極を接地しないと劣化する。また、例えばアメリカなどの国では、太陽電池の一方の極を接地することが義務付けられている。また、地絡電流を検出するためにも、直流電源１０ａの一方の出力ライン（一般的には負極側）を接地する必要がある。電力系統４０も接地線Ｌ_G2によって接地されているが、インバータ装置２００ａ内に設けられた変圧器２０４によってインバータ装置２００ａと電力系統４０とが絶縁されているので電流経路が形成されず、直流電流が電力系統４０に流出しないようになっている。

インバータ装置２００ｂおよび２００ｃの構成も、インバータ装置２００ａと同様である。インバータ装置２００ａ，２００ｂ，２００ｃは並列接続されて、電力系統４０に接続されている。

図６に示す系統連系インバータシステムＡ１００では、インバータ装置２００ａ，２００ｂ，２００ｃにそれぞれ変圧器２０４が内蔵されているので、各インバータ装置２００ａ，２００ｂ，２００ｃから電力系統４０への直流電流の流出や、インバータ装置２００ａ，２００ｂ，２００ｃ間の循環電流を防止することができる利点がある。しかし、各インバータ装置２００ａ，２００ｂ，２００ｃにそれぞれ変圧器２０４が設けられるので、３台の変圧器２０４が必要になる。変圧器２０４は、商用周波数（５０Ｈzまたは６０Ｈz）で使用されるものであるため、一般的に、サイズが大きく、重量が重く、単価が高い。したがって、この変圧器２０４を３台必要とする系統連系インバータシステムＡ１００は、全体のサイズが大きくなる、重量が重くなる、製造コストが高くなるなどの不都合がある。この不都合は、並列接続されるインバータ装置の数が増加するほど、さらに顕著となる。

また、変圧器２０４では、巻線抵抗や鉄芯の渦電流による電力ロスが発生する。各インバータ装置２００ａ，２００ｂ，２００ｃの変圧器２０４でそれぞれ電力ロスが発生するので、系統連系インバータシステムＡ１００全体での電力変換効率が低下するという不都合もある。

これらの問題点を解決するために、複数のインバータ装置を並列接続した場合でも、必要な変圧器の数を抑制することができる系統連系インバータシステムが開発されている。

図７は、変圧器の数を抑制した系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。

系統連系インバータシステムＡ２００は、インバータ装置２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを並列接続したものであるが、各インバータ装置２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃには変圧器２０４が設けられておらず、インバータ装置２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの出力側の接続点と電力系統４０との間に変圧器３０が設けられている点が、図６に示す系統連系インバータシステムＡ１００と異なる。なお、インバータ回路２２およびフィルタ回路２３は図６に示すインバータ回路２０２およびフィルタ回路２０３と同様のものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２１は直流電源１０ａから入力される直流電圧を昇圧するものである。

系統連系インバータシステムＡ２００は、各インバータ装置２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃに変圧器２０４が設けられていないので、従来の系統連系インバータシステムＡ１００（図６参照）と比較して、全体のサイズを小さくし、重量を軽減し、製造コストを抑制することができる。また、電力ロスを削減して電力変換効率を向上することができる。また、変圧器３０がインバータ装置２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの出力側の接続点と電力系統４０との間に設けられ、インバータ装置２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃが電力系統４０から電気的に絶縁されているので、各インバータ装置２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃから電力系統４０への直流電流の流出を防止することができる。

実際に系統連系インバータシステムＡ２００を電力系統４０に連系させるためには、各インバータ装置２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃに地絡事故や過電流を検出して運転を停止するための構成を設ける必要がある。

図８は、系統連系インバータシステムＡ２００に設けられる、地絡事故および過電流検出のための構成を説明するための図である。なお、同図においては、インバータ装置２０１ａ、直流電源１０ａ、および接地線Ｌ_G1aのみを記載しており、それ以外の構成（インバータ装置２０１ｂ，２０１ｃ、直流電源１０ｂ，１０ｃ、接地線Ｌ_G1b，Ｌ_G1c、変圧器３０、および電力系統４０）の記載を省略している。なお、インバータ装置２０１ｂ，２０１ｃおよび接地線Ｌ_G1b，Ｌ_G1cの構成も、それぞれインバータ装置２０１ａおよび接地線Ｌ_G1aと同様である。

インバータ装置２０１ａには、遮断器２４、過電流判定回路２５、地絡判定回路２８、および論理和回路２９が設けられ、インバータ装置２０１ａの各相の出力ラインには出力電流用の電流センサＣＴａ’が配置されている。また、接地線Ｌ_G1aには遮断器Ｓａが設けられ、地絡電流用の電流センサＣＴａが配置されている。

過電流判定回路２５は、電流センサＣＴａ’によって検出された出力電流に基づいて過電流を判定する。過電流判定回路２５によって過電流が流れたと判定された場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２１およびインバータ回路２２は停止され、遮断器２４は接続を遮断される。これにより、過電流の影響が波及することを防止することができる。地絡判定回路２８は、電流センサＣＴａによって検出される地絡電流に基づいて地絡事故の発生を判定する。地絡判定回路２８によって地絡事故が発生したと判定された場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２１およびインバータ回路２２は停止され、遮断器２４および遮断器Ｓａは接続を遮断される。これにより、地絡事故の影響が波及することを防止することができる。

特開２０１１−３６０４５号公報

しかしながら、１つのインバータ装置で地絡事故が発生した場合に、並列接続された他のインバータ装置の地絡判定回路２８でも地絡事故が誤検出される場合がある。

図９は、地絡判定回路２８による地絡事故の誤検出を説明するための回路図である。なお、同図においては、説明の簡略化のため、インバータ装置２０１ａとインバータ装置２０１ｂｃのみが並列接続されている場合について説明している。

インバータ装置２０１ａの正極入力側で地絡事故が発生した場合、地絡箇所からグランドに破線矢印で示す地絡電流Ｉｇが流れる。このとき、接地線Ｌ_G1aには破線矢印で示す地絡電流Ｉｇ１が流れるので、電流センサＣＴａが電流を検出して、インバータ装置２０１ａの地絡判定回路２８が地絡事故の発生を検出する。

直流電源１０ａの負極および直流電源１０ｂの負極はそれぞれ接地されているので、インバータ装置２０１ａとインバータ装置２０１ｂとは入力側で電気的に接続されている。また、インバータ装置２０１ａとインバータ装置２０１ｂとは出力側でも電気的に接続されている。これにより、インバータ装置２０１ａとインバータ装置２０１ｂとの間で電流経路が形成されている。したがって、インバータ装置２０１ａで地絡事故が発生して地絡電流Ｉｇが流れた場合、この電流経路を同図に破線矢印で示す地絡電流Ｉｇ２が流れる場合がある。なお、同図では、インバータ装置２０１ａ，２０１ｂともＷ相の負極側のスイッチング素子がオン状態になった場合を示している。接地線Ｌ_G1bを流れる地絡電流Ｉｇ２は電流センサＣＴｂによって検出される。インバータ装置２０１ａとインバータ装置２０１ｂとが同様の構成の場合、地絡電流Ｉｇ２は地絡電流Ｉｇ１と同程度となるので、インバータ装置２０１ｂの地絡判定回路２８も地絡事故の発生を検出してしまう。これにより、実際には地絡事故が発生していないインバータ装置２０１ｂも停止してしまう。

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、並列接続されたインバータ装置間に電流経路が形成される場合でも、適切に地絡事故の発生を検出することができる地絡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地絡検出装置は、直流電源を備えたシステムにおいて、直流回路部分での地絡事故の発生を検出する地絡検出装置であって、前記直流電源の一対の出力端の一方を接地する接地線を流れる電流を検出した第１の電流値と前記システムの所定のラインの所定の位置での零相電流を検出した第２の電流値とに基づいて、前記所定のラインの所定の位置より前記直流電源側での地絡事故の発生を検出することを特徴とする。

なお、本発明における「所定のライン」とは、直流電源の出力ラインや、その後段に設けられる例えば電力変換装置の出力ライン（または入力ライン）、電力変換装置の内部に備えられる各回路（例えば、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路、インバータ回路、フィルタ回路など）間の接続ラインなどを示している。また、本発明における「零相電流」とは、「所定のライン」を構成する各ラインを流れる電流を合わせた電流である。零相電流は、各ラインを流れる電流の電流値をそれぞれ検出して合算することで検出することができるし、「所定のライン」を構成するすべてのラインを貫通型の変流器に貫通させて変流器の出力から検出することもできる。

本発明の第２の側面によって提供される地絡検出装置は、直流電源を備えたシステムにおいて、直流回路部分での地絡事故の発生を検出する地絡検出装置であって、前記直流電源の出力ラインの所定の位置での零相電流を検出した第１の電流値と前記システムの所定のラインの所定の位置での零相電流を検出した第２の電流値とに基づいて、前記出力ラインの所定の位置と前記所定のラインの所定の位置との間での地絡事故の発生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、前記第１の電流値と前記第２の電流値との差である参照電流値を算出する減算手段と、前記参照電流値が所定の電流値範囲にあるか否かを判定する判定手段とを備え、前記判定手段によって、前記参照電流値が前記所定の電流値範囲にないと判定された場合に、地絡事故の発生を検出する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記システムは前記直流電源に接続する電力変換装置をさらに備えており、前記所定のラインは前記電力変換装置の出力ラインである。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電力変換装置の各出力ラインに流れる電流の電流値を合算することで前記第２の電流値を算出する合算手段をさらに備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電力変換装置は、各出力ラインに流れる電流を検出してこれに基づいて過電流を検出する過電流検出装置を備えており、前記合算手段は前記過電流検出装置が検出する電流値を合算する。

本発明の第３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、複数の直流電源と、前記各直流電源にそれぞれ接続するインバータ装置と、前記各直流電源における地絡事故をそれぞれ検出する、本発明の第１または第２の側面によって提供される地絡検出装置とを備えており、前記複数のインバータ装置は、それぞれ変圧器を介さずに交流電力を出力するものであり、出力側で互いに接続されてい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、前記直流電源は太陽電池を備えている。

本発明によれば、接地線を流れる電流を検出した第１の電流値と所定のラインの零相電流を検出した第２の電流値とに基づいて地絡事故の発生を検出する。複数の直流電源が並列接続されており、直流電源間に電流経路が形成される場合、いずれかの直流電源で地絡事故が発生すると、すべての第１の電流値がほぼ等しくなって、いずれの直流電源で地絡事故が発生しているかを特定することができないが、第１の電流値と第２の電流値とに基づくと地絡事故が発生している直流電源を特定することができる。したがって、適切に地絡事故の発生を検出することができる。

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。

第１実施形態に係る地絡検出装置を説明するためのブロック図である。 地絡事故発生時の地絡電流の流れを説明するための図である。 第２実施形態に係る地絡検出装置を説明するためのブロック図である。 第３実施形態に係る地絡検出装置を説明するためのブロック図である。 第４実施形態に係る地絡検出装置を説明するためのブロック図である。 従来の系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。 従来の系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。 系統連系インバータシステムに設けられる、地絡事故および過電流検出のための構成を説明するための図である。 地絡判定回路による地絡事故の誤検出を説明するための回路図である。

以下、本発明の実施の形態を、本発明に係る地絡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、本発明に係る地絡検出装置を説明するためのものであり、系統連系インバータシステムを示すブロック図である。

同図に示すように、系統連系インバータシステムＡは、３台の直流電源１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、３台のインバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃ、および１台の変圧器３０を備えている。直流電源１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、それぞれインバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃに接続されている。インバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃの出力端は、それぞれ互いに並列に接続されている。変圧器３０は、インバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃの接続点と電力系統４０との間に接続されている。したがって、系統連系インバータシステムＡは、直流電源およびインバータ装置からなる３台の分散型電源が１台の変圧器３０を介して電力系統４０に並列に接続される構成を備え、直流電源１０ａ，１０ｂ，１０ｃが出力する直流電力を交流電力に変換して電力系統４０に供給する。電力系統４０は三相３線式（又は三相４線式）の電力系統で、いずれか一相（例えば、Ｖ相）が接地線Ｌ_G2によって接地されている。なお、電力系統４０は三相に限定されず、単相３線式の電力系統であってもよい。

なお、本実施形態では、分散型電源の台数を３台としているが、これは一例であって、並列接続する台数は２台でも、４台以上でもよく、任意に設定することができる。

直流電源１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、系統連系インバータシステムＡに直流電力を供給するものであり、太陽電池を備えている。太陽電池は薄膜系太陽電池であり、直流電源１０ａ，１０ｂ，１０ｃの各出力ラインの一方（図１では、負極の出力ライン）が接地線Ｌ_G1a,Ｌ_G1b,Ｌ_G1cによって接地されている。なお、太陽電池は、薄膜系太陽電池に限定されるものではなく、他の種類の太陽電池であってもよい。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１０ａ，１０ｂ，１０ｃが出力する直流電圧は、それぞれインバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃに入力される。

接地線Ｌ_G1aには、遮断器Ｓａが設けられ、地絡電流用の電流センサＣＴａが配置されている。電流センサＣＴａは、接地線Ｌ_G1aに流れる電流を検出するものであり、検出した電流の電流値をインバータ装置２０ａに出力する。接地線Ｌ_G1bおよび接地線Ｌ_G1cにも、それぞれ、電流センサＣＴｂおよびＣＴｃが配置されており、検出された電流値はそれぞれインバータ装置２０ｂおよびインバータ装置２０ｃに出力される。

遮断器Ｓａは、地絡事故が発生したときに、直流電源１０ａの出力ラインと接地線Ｌ_G1aとの接続を遮断するものである。遮断器Ｓａは、通常は直流電源１０ａの出力ラインと接地線Ｌ_G1aとを接続しているが、地絡判定回路２８（後述）から検出信号（遮断信号）を入力されたときには当該接続を遮断する。これにより、地絡事故の影響が波及することを防いでいる。なお、接地線Ｌ_G1bに設けられている遮断器Ｓｂおよび接地線Ｌ_G1cに設けられている遮断器Ｓｃも、接地線Ｌ_G1aに設けられている遮断器Ｓａと同様の構成である。

インバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、それぞれ直流電源１０ａ，１０ｂ，１０ｃから入力される直流電圧を交流電圧に変換して、変圧器３０に出力するものである。

同図に示すように、インバータ装置２０ａは、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１、インバータ回路２２、フィルタ回路２３、遮断器２４、過電流判定回路２５、合算回路２６、減算回路２７、地絡判定回路２８、および、論理和回路２９を備えている。

ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１は、昇圧形コンバータであり、直流電源１０ａから入力される直流電圧を昇圧してインバータ回路２２に出力する。ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１は、内蔵する制御回路（図示しない）が生成するＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子（図示しない）のオンとオフとを切り替えることで、直流電源１０ａから入力される直流電圧を所定の電圧レベルに昇圧して出力する。なお、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１の構成はこれに限定されず、周知の昇圧形コンバータであればよい。また、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１は、論理和回路２９から検出信号（停止信号）を入力された場合、制御回路によるＰＷＭ信号の生成を停止することで、昇圧動作を停止する。これにより、地絡事故または過電流の影響が波及することを防止することができる。

インバータ回路２２は、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１から入力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するものである。本実施形態では、電力系統４０が三相３線式の電力系統であるので、インバータ回路２２は、三相フルブリッジインバータを備えている。したがって、インバータ回路２２からフィルタ回路２３、遮断器２４および変圧器３０を介して電力系統４０までは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の出力電圧の３本の出力ラインによって接続されている。なお、インバータ回路２２の構成は、三相フルブリッジインバータに限られず、接続される電力系統４０やその他の条件に合わせて、適宜決定すればよい。すなわち、インバータ回路２２は、三相インバータではなく、単相インバータを備えていてもよいし、フルブリッジインバータではなく、ハーフブリッジインバータを備えていてもよい。

インバータ回路２２は、２個のスイッチング素子が直列に接続されたアームを３個含む三相ブリッジ回路（図示しない）を有しており、図示しない制御回路が生成するＰＷＭ信号に基づいて各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えることで、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１から入力される直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ回路２２から出力される交流電圧はフィルタ回路２３に入力される。

インバータ回路２２の制御回路は、指令値信号を三角波のキャリア信号と比較する三角波比較法によりＰＷＭ信号を生成する。指令値信号は、電力系統４０の周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に近い周波数を有する正弦波信号である。指令値信号は、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１に入力される直流電流および直流電圧、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１から出力される（インバータ回路２２に入力される）直流電圧（以下、「バス電圧」とする。）、インバータ回路２２から出力される交流電流、フィルタ回路２３から出力される交流電流および交流電圧、およびこれらの目標値を用いて生成される。なお、同図においては、上記のＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１への入力電流及び入力電圧、バス電圧、インバータ回路２２の出力電流、フィルタ回路２３の出力電流及び出力電圧を検出するための検出回路の記載を省略している。キャリア信号は、指令値信号に対して数倍若しくは数十倍の周波数（例えば、４ｋＨｚ）を有する三角波である。インバータ回路２２は、ＰＷＭ信号で各スイッチング素子のオンとオフの切り替えを制御することにより、インバータ回路２２の出力電圧を調整する。

また、インバータ回路２２は、論理和回路２９から検出信号（停止信号）を入力された場合、制御回路によるＰＷＭ信号の生成を停止することで、電力変換動作を停止する。これにより、地絡事故または過電流の影響が波及することを防止することができる。

フィルタ回路２３は、インバータ回路２２より入力される交流電圧から、スイッチング周波数成分を除去するものである。フィルタ回路２３は、図示しないリアクトルとキャパシタからなるローパスフィルタを備えている。フィルタ回路２３でスイッチング周波数成分を除去された交流電圧は、変圧器３０に出力される。なお、フィルタ回路２３の構成はこれに限定されず、スイッチング周波数成分を除去するための周知のフィルタ回路であればよい。

遮断器２４は、地絡事故が発生したとき、又は、過電流が発生したときに、インバータ装置２０ａの出力ラインと変圧器３０との接続を遮断するものである。遮断器２４は、通常はインバータ装置２０ａの出力ラインと変圧器３０とを接続しているが、論理和回路２９から検出信号（遮断信号）を入力されたときには当該接続を遮断する。これにより、インバータ装置２０ａが系統連系インバータシステムＡから切り離され、地絡事故または過電流の影響が波及することを防いでいる。

過電流判定回路２５は、インバータ装置２０ａから出力される電流が過電流となっていることを検出するものである。過電流判定回路２５は、出力電流用の電流センサＣＴａ’が検出した各相の出力ラインを流れる電流の電流値とあらかじめ設定されている規定電流値とを比較して、検出した電流値が規定電流値を超えた場合に過電流であると判定する。過電流判定回路２５は、過電流を検出した場合に、論理和回路２９に検出信号（例えば、ハイレベル信号）を出力する。

合算回路２６は、電流センサＣＴａ’が検出した各相の出力ラインを流れる電流の電流値を合算して、零相電流値を算出するものである。各電流値はインバータ装置２０ａから出力される向き（図１においては左から右の向き）を正として検出される。各相から出力される電流が平衡している場合は、零相電流値はゼロになる。合算回路２６は、算出された零相電流値を減算回路２７に出力する。

減算回路２７は、電流センサＣＴａが検出した電流値から、合算回路２６より入力された零相電流値を減算するものである。電流センサＣＴａは、グランドから入力される向き（図１においては下から上の向き）を正として電流値を検出する。減算回路２７は、算出された値を参照電流値として地絡判定回路２８に出力する。

地絡判定回路２８は、地絡事故の発生を検出するものである。地絡判定回路２８は、減算回路２７より入力された参照電流値と所定の閾値とを比較して、参照電流値が閾値を超えた場合に地絡事故が発生したと判定する。地絡事故が発生していない場合、電流センサＣＴａが検出した電流値および零相電流値はゼロになる。したがって、参照電流値もゼロになる。所定の閾値としては、参照電流値の誤差の最大値より大きな値が設定されている。地絡判定回路２８は、地絡事故が発生したと判定した場合に、論理和回路２９および遮断器Ｓａに検出信号（例えば、ハイレベル信号）を出力する。

電流センサＣＴａ、電流センサＣＴａ’、合算回路２６、減算回路２７、および、地絡判定回路２８によって、地絡検出装置が構成されている。以下に、当該地絡検出装置の作用について、図２を参照して説明する。

図２は、地絡事故発生時の地絡電流の流れを説明するための図であり、系統連系インバータシステムＡを簡略化した回路図である。同図は、インバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃ間を循環するための電流経路のみを抽出したものであり、その他の構成を省略して記載している。

同図に示すように、インバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃ間の電流経路は、接地されている点ａと出力側の接続点ｂとで、３つの電流経路が並列接続されたものとして表すことができる。インバータ装置２０ａで発生した地絡事故は、直流電源１０ａの正極側の点ｃとグランドとを接続する破線の電流経路５０で示している。

電流経路５０を流れる地絡電流Ｉｇは、点ａで３つに分流される。分流されて接地線Ｌ_G1a，Ｌ_G1b，Ｌ_G1cを流れる地絡電流をそれぞれＩｇ１，Ｉｇ２，Ｉｇ３としている。各電流経路の直流成分についてのインピーダンスの差は小さいので、地絡電流Ｉｇ１，Ｉｇ２，Ｉｇ３はほぼ等しくなる。地絡電流Ｉｇ，Ｉｇ１，Ｉｇ２，Ｉｇ３の電流値もそれぞれＩｇ，Ｉｇ１，Ｉｇ２，Ｉｇ３で表すと、

Ｉｇ＝Ｉｇ１＋Ｉｇ２＋Ｉｇ３
Ｉｇ１≒Ｉｇ２≒Ｉｇ３

となる。電流センサＣＴａ，ＣＴｂ，ＣＴｃでそれぞれ検出される電流値Ｉ_CTa，Ｉ_CTb，Ｉ_CTcは、グランドから入力される向き（図２においては左から右の向き）を正とすると、

Ｉ_CTa＝Ｉｇ１
Ｉ_CTb＝Ｉｇ２
Ｉ_CTc＝Ｉｇ３

となる。したがって、電流センサＣＴａ，ＣＴｂ，ＣＴｃによる検出値だけで判断すると、地絡事故が発生していないインバータ装置２０ｂ，２０ｃでも地絡事故の発生が誤検出される可能性が高い。

一方、電流センサＣＴａ’，ＣＴｂ’，ＣＴｃ’でそれぞれ検出されて、合算回路２６でそれぞれ算出された零相電流値Ｉ_CTa'，Ｉ_CTb'，Ｉ_CTc'は、各インバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃから出力される向き（図２においては左から右の向き）を正とすると、

Ｉ_CTa'＝−（Ｉｇ２＋Ｉｇ３）
Ｉ_CTb'＝Ｉｇ２
Ｉ_CTc'＝Ｉｇ３

となる。

電流値Ｉ_CTa，Ｉ_CTb，Ｉ_CTcから電流値Ｉ_CTa'，Ｉ_CTb'，Ｉ_CTc'をそれぞれ減算して参照電流値を算出すると、

Ｉ_CTa−Ｉ_CTa'＝Ｉｇ１＋（Ｉｇ２＋Ｉｇ３）＝Ｉｇ
Ｉ_CTb−Ｉ_CTb'＝Ｉｇ２−Ｉｇ２＝０
Ｉ_CTc−Ｉ_CTc'＝Ｉｇ３−Ｉｇ３＝０

となる。すなわち、実際に地絡事故が発生したインバータ装置２０ａにおいては、参照電流値は地絡電流Ｉｇの電流値となり、その他のインバータ装置２０ｂ，２０ｃにおいては打ち消しあって、参照電流値はゼロになる。したがって、参照電流値を地絡判定回路２８で判定することで、適切に地絡事故の発生を検出することができる。

図１に戻って、論理和回路２９は、過電流判定回路２５から入力される信号と地絡判定回路２８から入力される信号とに基づいて検出信号を出力する。すなわち、過電流判定回路２５から検出信号を入力された場合、または、地絡判定回路２８から検出信号を入力された場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２１、インバータ回路２２、および遮断器２４に検出信号（例えば、ハイレベル信号）を出力する。つまり、過電流判定回路２５による検出信号および地絡判定回路２８による検出信号をハイレベル信号としている場合、論理和回路２９は過電流判定回路２５および地絡判定回路２８から入力される信号の論理和を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２１およびインバータ回路２２は、論理和回路２９から検出信号（停止信号）を入力されると停止する。また、遮断器２４は、論理和回路２９から検出信号（遮断信号）を入力されると接続を遮断する。これにより、地絡事故が発生した場合、または、過電流が検出された場合に、これらの影響が波及することを防止することができる。

図１においては省略して記載されているが、インバータ装置２０ｂ，２０ｃの内部構成は、インバータ装置２０ａと同様である。

変圧器３０は、インバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃから出力される交流電圧を電力系統４０に供給するための電圧に昇圧（または降圧）するものである。また、変圧器３０は、相互に接続された３台のインバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃの出力側の接続点と電力系統４０との間に接続されており、インバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃを電力系統４０から電気的に絶縁している。したがって、インバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃから電力系統４０への直流電流の流出を防止することができる。

本実施形態においては、電流センサＣＴａが検出した電流値から、合算回路２６より入力された零相電流値を減算した参照電流値を所定の閾値と比較することで、地絡事故の発生を検出している。並列接続された他のインバータ装置で地絡事故が発生した場合、電流センサＣＴａが検出した電流値と合算回路２６より入力された零相電流値とが等しくなるので、参照電流値はゼロになる。したがって、地絡事故の発生は検出されない。これにより、他のインバータ装置で地絡事故が発生した場合に地絡事故の発生を誤検出することを防止することができる。

一方、対象とするインバータ装置で地絡事故が発生した場合、対象とするインバータ装置の出力ラインには逆向き（対象とするインバータ装置に向かう向き）の地絡電流が流れる。この地絡電流は、並列接続された他のインバータ装置の接地線を流れる地絡電流を合計した電流（例えば、図２におけるＩｇ２＋Ｉｇ３）であり、地絡箇所での地絡電流から対象とするインバータ装置の接地線を流れる地絡電流（例えば、図２におけるＩｇ１）を減じたものである。したがって、参照電流値は地絡箇所での地絡電流（例えば、図２におけるＩｇ１＋Ｉｇ２＋Ｉｇ３＝Ｉｇ）の電流値となる。したがって、地絡箇所での地絡電流が所定の閾値を越えていた場合は、地絡事故の発生が検出される。これにより、対象とするインバータ装置で地絡事故が発生した場合に適切に地絡事故の発生を検出することができる。

なお、本実施形態にかかる地絡検出装置は、並列接続されていないインバータ装置や、内部に変圧器を備えるインバータ装置にも用いることができる。すなわち、他のインバータ装置との間で電流経路が形成されないので、インバータ装置の各相の出力電流の合算値（零相電流値）はゼロになる。したがって、接地線を流れる電流の電流値が参照電流値として地絡判定回路２８に入力される。したがって、地絡事故が発生して接地線に地絡電流が流れた場合のみ、当該地絡電流によって地絡の発生が検出される。

上記実施形態においては、直流電源およびインバータ装置をそれぞれ３台ずつ備えている場合について説明したが、これに限られない。直流電源およびインバータ装置をそれぞれ２台ずつ備えている場合や、４台ずつ以上備えている場合でも、本発明を適用することができる。

上記実施形態（以下では、「第１実施形態」とする。）は、地絡判定回路２８が接地線を流れる電流に基づいて地絡事故の発生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、地絡判定回路が直流電源の出力ラインの零相電流に基づいて地絡事故の発生を検出するものであってもよい。以下に、地絡判定回路が直流電源の出力ラインの零相電流に基づいて地絡事故の発生を検出する場合の例を第２実施形態として説明する。

図３は、第２実施形態に係る系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。

なお、同図においては、インバータ装置２０ａ、直流電源１０ａ、および接地線Ｌ_G1aのみを記載しており、それ以外の構成（インバータ装置２０ｂ，２０ｃ、直流電源１０ｂ，１０ｃ、接地線Ｌ_G1b，Ｌ_G1c、変圧器３０、および電力系統４０）の記載を省略している。なお、インバータ装置２０ｂ，２０ｃおよび接地線Ｌ_G1b，Ｌ_G1cの構成も、それぞれインバータ装置２０ａおよび接地線Ｌ_G1aと同様である。なお、同図において、図１に示す系統連系インバータシステムＡと同一または類似の要素には、同一の符号を付している。

第２実施形態においては、零相電流センサＺＴａが直流電源１０ａの出力ラインの零相電流を検出する点が、第１実施形態の場合と異なる。直流電源１０ａの出力ラインの零相電流は、接地線Ｌ_G1aに流れる電流と等しくなる。したがって、零相電流センサＺＴａが検出した零相電流値から、合算回路２６より入力された零相電流値を減算した参照電流値は、第１実施形態の場合と同じになる。したがって、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、零相電流センサＺＴａより直流電源１０ａ側で地絡事故が発生した場合、零相電流センサＺＴａが検出した零相電流値はゼロとなるので、地絡の発生を検出することができない。

上記第１および第２実施形態は、電流センサＣＴａ’が検出した各相の出力電流の電流値を合算回路２６が合算することで零相電流値を算出していたが、これに限られない。例えば、出力ラインの零相電流を直接検出するようにしてもよい。以下に、出力ラインの零相電流を直接検出する場合の例を第３実施形態として説明する。

図４は、第３実施形態に係る系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。

なお、同図においては、インバータ装置２０ａ、直流電源１０ａ、および接地線Ｌ_G1aのみを記載しており、それ以外の構成（インバータ装置２０ｂ，２０ｃ、直流電源１０ｂ，１０ｃ、接地線Ｌ_G1b，Ｌ_G1c、変圧器３０、および電力系統４０）の記載を省略している。なお、インバータ装置２０ｂ，２０ｃおよび接地線Ｌ_G1b，Ｌ_G1cの構成も、それぞれインバータ装置２０ａおよび接地線Ｌ_G1aと同様である。なお、同図において、図１に示す系統連系インバータシステムＡと同一または類似の要素には、同一の符号を付している。

第３実施形態においては、零相電流センサＺＴａ’がインバータ装置２０ａの出力ラインの零相電流を検出する点が、第１実施形態の場合と異なる。零相電流センサＺＴａ’が検出する零相電流値は、電流センサＣＴａ’が検出した各相の出力ラインを流れる電流の電流値を合算した零相電流値と等しくなる。したがって、電流センサＣＴａが検出した電流値から零相電流センサＺＴａ’が検出した零相電流値を減算した参照電流値は、第１実施形態の場合と同じになる。したがって、第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、零相電流センサＺＴａ’を配置する位置は図４に示す位置に限定されない。例えば、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１とインバータ回路２２との間に配置してもよいし、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路２１の前段に配置してもよい。しかし、零相電流センサＺＴａ’を配置した位置より後段で発生した地絡事故を検出できなくなるので、できるだけ後段に配置するのが望ましい。

上記第１ないし第３実施形態においては、直流電源１０ａ，１０ｂ，１０ｃが太陽電池により直流電力を生成する場合について説明したが、これに限られない。例えば、直流電源１０ａ，１０ｂ，１０ｃ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。

上記第１ないし第３実施形態においては、減算回路２７が電流センサＣＴａ（または、零相電流センサＺＴａ）が検出した電流値から、合算回路２６より入力された（または、零相電流センサＺＴａ’が検出した）零相電流値を減算する場合について説明したが、これに限られない。例えば、合算回路２６より入力された（または、零相電流センサＺＴａ’が検出した）零相電流値から電流センサＣＴａ（または、零相電流センサＺＴａ）が検出した電流値を減算するようにしてもよい。この場合、参照電流値は負の値（またはゼロ）になるので、地絡判定回路２８は参照電流値が負の値である所定の閾値より小さい場合に地絡事故が発生したと判定するようにすればよい。

また、減算する場合に限定されず、加算、乗算、除算により電流参照値を算出するようにしてもよい。この場合、閾値との比較により地絡事故の発生を判定するのではなく、各電流参照値を比較することで判定するようにしてもよい。以下に、加算により電流参照値を算出して各電流参照値を比較することで、地絡事故の発生を判定する場合を第４実施形態として説明する。

図５は、第４実施形態に係る系統連系インバータシステムを説明するためのブロック図である。

なお、同図においては、インバータ装置２０ａ、直流電源１０ａ、接地線Ｌ_G1a、および地絡判定回路２８’のみを記載しており、それ以外の構成（インバータ装置２０ｂ，２０ｃ、直流電源１０ｂ，１０ｃ、接地線Ｌ_G1b，Ｌ_G1c、変圧器３０、および電力系統４０）の記載を省略している。なお、インバータ装置２０ｂ，２０ｃおよび接地線Ｌ_G1b，Ｌ_G1cの構成も、それぞれインバータ装置２０ａおよび接地線Ｌ_G1aと同様である。なお、同図において、図１に示す系統連系インバータシステムＡと同一または類似の要素には、同一の符号を付している。

第４実施形態においては、減算回路２７の代わりに加算回路２７’を設けた点と、地絡判定回路２８の代わりに地絡判定回路２８’を設けた点とが、第１実施形態の場合と異なる。

加算回路２７’は電流センサＣＴａが検出した電流値に合算回路２６より入力された零相電流値を加算するものである。加算回路２７’は、算出された値を参照電流値として地絡判定回路２８’に出力する。

地絡判定回路２８’は、各インバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃの加算回路２７’から入力される参照電流値に基づいて、地絡事故の発生を判定するものである。地絡判定回路２８’は、入力された３つの参照電流値を比較して、他の２つとは大きく異なる参照電流値を入力したインバータ装置で地絡事故が発生したと判定する。地絡事故が発生していない場合は３つの参照電流値がいずれもゼロなので、地絡事故の発生を検出しない。しかし、地絡事故が発生した場合、地絡事故が発生したインバータ装置から入力される参照電流値は、他の２つとは大きく異なる参照電流値となる。

図２を参照して、参照電流値の違いを説明する。同図の状態において、電流値Ｉ_CTa，Ｉ_CTb，Ｉ_CTcに電流値Ｉ_CTa'，Ｉ_CTb'，Ｉ_CTc'をそれぞれ加算して参照電流値を算出すると、Ｉｇ１≒Ｉｇ２≒Ｉｇ３≒（１／３）Ｉｇなので、

Ｉ_CTa＋Ｉ_CTa'＝Ｉｇ１−（Ｉｇ２＋Ｉｇ３）≒−（１／３）Ｉｇ
Ｉ_CTb＋Ｉ_CTb'＝Ｉｇ２＋Ｉｇ２≒（２／３）Ｉｇ
Ｉ_CTc＋Ｉ_CTc'＝Ｉｇ３＋Ｉｇ３≒（２／３）Ｉｇ

となる。つまり、インバータ装置２０ｂ，２０ｃより入力された参照電流値は同等であり、インバータ装置２０ａより入力された参照電流値は他の２つとは大きく異なる。

地絡判定回路２８’は、この参照電流値の違いにより、地絡事故が発生したと判定し、地絡事故が発生したインバータ装置を特定する。地絡判定回路２８’は、地絡事故が発生したと判定したインバータ装置の論理和回路２９および遮断器Ｓａに検出信号（例えば、ハイレベル信号）を出力する。

地絡判定回路２８’は、並列接続されたインバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃの加算回路２７’からそれぞれ入力される参照電流値に基づいて、地絡事故が発生したインバータ装置を判定することができる。したがって、第４実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、図２の状態において、電流値Ｉ_CTa，Ｉ_CTb，Ｉ_CTcに電流値Ｉ_CTa'，Ｉ_CTb'，Ｉ_CTc'をそれぞれ乗算して参照電流値を算出すると、

Ｉ_CTa×Ｉ_CTa'＝Ｉｇ１×｛−（Ｉｇ２＋Ｉｇ３）｝≒−（２／９）Ｉｇ²
Ｉ_CTb×Ｉ_CTb'＝Ｉｇ２×Ｉｇ２≒（１／９）Ｉｇ²
Ｉ_CTc×Ｉ_CTc'＝Ｉｇ３×Ｉｇ３≒（１／９）Ｉｇ²

となる。つまり、インバータ装置２０ｂ，２０ｃにおける参照電流値は同等であり、インバータ装置２０ａにおける参照電流値は他の２つとは大きく異なる。

また、図２の状態において、電流値Ｉ_CTa，Ｉ_CTb，Ｉ_CTcを電流値Ｉ_CTa'，Ｉ_CTb'，Ｉ_CTc'でそれぞれ除算して参照電流値を算出すると、

Ｉ_CTa÷Ｉ_CTa'＝Ｉｇ１÷｛−（Ｉｇ２＋Ｉｇ３）｝≒−（１／２）
Ｉ_CTb÷Ｉ_CTb'＝Ｉｇ２÷Ｉｇ２≒１
Ｉ_CTc÷Ｉ_CTc'＝Ｉｇ３÷Ｉｇ３≒１

となる。つまり、インバータ装置２０ｂ，２０ｃにおける参照電流値は同等であり、インバータ装置２０ａにおける参照電流値は他の２つとは大きく異なる。

以上のように、第４実施形態において加算回路２７’を乗算回路や除算回路とした場合でも、地絡判定回路２８’は、並列接続されたインバータ装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃからそれぞれ入力される参照電流値に基づいて、地絡事故が発生したインバータ装置を判定することができる。したがって、これらの場合でも、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

上記第１ないし第４実施形態においては、系統連系インバータシステムに用いた場合について説明したが、これに限られない。本発明に係る地絡検出装置は、例えば、ＤＣ/ＤＣコンバータ回路を並列接続して負荷に直流電力を供給するシステムに用いても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、直流電源を並列接続して負荷に直流電力を供給するシステムに用いても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

本発明に係る地絡検出装置および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。本発明に係る地絡検出装置および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
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 直流電源
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ インバータ装置（電力変換装置）
２１ ＤＣ/ＤＣコンバータ回路
２２ インバータ回路
２３ フィルタ回路
２４ 遮断器
２５ 過電流判定回路（過電流検出装置）
２６ 合算回路（合算手段）
２７ 減算回路（減算手段）
２７’ 加算回路
２８ 地絡判定回路（判定手段）
２８’ 地絡判定回路
２９ 論理和回路
ＣＴａ，ＣＴａ’ 電流センサ
ＺＴａ，ＺＴａ’ 零相電流センサ
３０ 変圧器
４０ 電力系統
Ｌ_G1a,Ｌ_G1b,Ｌ_G1c,Ｌ_G2 接地線
Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ 遮断器

Claims (8)

1. 直流電源を備えたシステムにおいて、直流回路部分での地絡事故の発生を検出する地絡検出装置であって、
   前記直流電源の一対の出力端の一方を接地する接地線を流れる電流を検出した第１の電流値と前記システムの所定のラインの所定の位置での零相電流を検出した第２の電流値とに基づいて、前記所定のラインの所定の位置より前記直流電源側での地絡事故の発生を検出することを特徴とする地絡検出装置。
2. 直流電源を備えたシステムにおいて、直流回路部分での地絡事故の発生を検出する地絡検出装置であって、
   前記直流電源の出力ラインの所定の位置での零相電流を検出した第１の電流値と前記システムの所定のラインの所定の位置での零相電流を検出した第２の電流値とに基づいて、前記出力ラインの所定の位置と前記所定のラインの所定の位置との間での地絡事故の発生を検出することを特徴とする地絡検出装置。
3. 前記第１の電流値と前記第２の電流値との差である参照電流値を算出する減算手段と、
   前記参照電流値が所定の電流値範囲にあるか否かを判定する判定手段と、
   を備え、
   前記判定手段によって、前記参照電流値が前記所定の電流値範囲にないと判定された場合に、地絡事故の発生を検出する、
   請求項１または２に記載の地絡検出装置。
4. 前記システムは前記直流電源に接続する電力変換装置をさらに備えており、
   前記所定のラインは前記電力変換装置の出力ラインである、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の地絡検出装置。
5. 前記電力変換装置の各出力ラインに流れる電流の電流値を合算することで前記第２の電流値を算出する合算手段をさらに備えている、
   請求項４に記載の地絡検出装置。
6. 前記電力変換装置は、各出力ラインに流れる電流を検出してこれに基づいて過電流を検出する過電流検出装置を備えており、
   前記合算手段は前記過電流検出装置が検出する電流値を合算する、
   請求項５に記載の地絡検出装置。
7. 複数の直流電源と、
   前記各直流電源にそれぞれ接続するインバータ装置と、
   前記各直流電源における地絡事故をそれぞれ検出する、請求項１ないし６のいずれかに記載の地絡検出装置と、
   を備えており、
   前記複数のインバータ装置は、それぞれ変圧器を介さずに交流電力を出力するものであり、出力側で互いに接続されている、
   ことを特徴とする系統連系インバータシステム。
8. 前記直流電源は太陽電池を備えている、請求項７に記載の系統連系インバータシステム。

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