JP6029033B2 - 装置を備える分散型エネルギー形成施設およびアイランド電源網の識別方法 - Google Patents

Description

本発明は、アイランド電源網を識別するための分散型エネルギー形成施設の監視方法、並びにこの種の監視装置を備える分散型エネルギー形成施設に関する。

分散型エネルギー形成施設は、エネルギーを公衆または私的給電網に供給するため、または電気負荷に給電するためにますます使用されている。これに関しては太陽光発電施設、燃料電池施設等の種々の施設が公知であり、入力側で使用可能な直流電力を出力側の交流電力に変換するためにインバータが使用される。電源網結合の際にインバータは出力側で電源網に位相同期して動作し、これによりインバータは、電源網電圧の周波数と振幅に対応する交流電圧と、これに同期する交流電流を形成する。

電源網欠落の際、例えば電源網障害または例えば電源網で作業するための意図的な電源網遮断の際に、インバータによるさらなる給電およびこれに結び付いた危険性を回避するために、規則どおりに電源網監視用の装置を設けなければならない。この装置は、動作パラメータの測定によって電源網欠落を識別し、これに基づいてエネルギー形成施設を電源網から自動的に分離する。測定パラメータとして従来は電源網電圧の電圧および周波数が頻繁に利用されている。

三相電源網電圧監視と称される方法では、電源網欠落を識別するために、例えば三相電源網電圧の３つの外部導体の相電圧の振幅と電圧が監視される。電圧および／または周波数が電源網電圧のそれぞれの定格値から最大限界値だけ異なると、エネルギー形成施設が所定の時間内で電源網から分離される。

この方法はかなり簡単に実現され基本的に適しているが、個別の事例では電源網欠落の識別の際に問題が生じることがある。例えばエネルギー形成施設により形成される電力と、局所的負荷により取り出される電力との間に平衡状態が形成されると、この平衡状態が電源網の欠落ないし遮断後に、監視されるパラメータとしての電圧および周波数の変化を引き起こさない。電力平衡状態により有用な遮断基準が存在せず、そのため施設が遮断されない。そのため電源網欠落後にも電圧がさらに電源網に印加される。このことはいわゆる望ましくないアイランド運転と称される。このアイランド運転は、例えば保守要員にとって危険である。なぜなら遮断された電源網区間では電圧の存在することが予期されていないからである。電力平衡状態の場合でも、電源網の遮断後にエネルギー形成施設が確実に電源網から分離されることを保証しなければならない。

ドイツ規格案ＶＤＥ０１２６（非特許文献１）は、望ましくないアイランド運転の結果としての遮断を検査するために検査回路を予定している。この検査回路は、バランスのとれた給電状態および負荷状態、並びに遮断により電源網アイランドを形成し得る電源網領域の電圧および周波数安定化条件をシミュレートする。そのためにインバータの直流電圧側には制御可能なエネルギー源を介して給電され、一方、交流電圧側では出力側に並列に抵抗、チョークコイルおよびコンデンサが接続され、これらがＲＬＣ発振回路を形成し、形成された有効電力および無効電力に対して細かく段階的に適合することができる。ＲＬＣ発振回路は、電力が電源網に出力されないようにインバータを負荷するよう調整される。三相構成体を検査するために検査回路は、順番にそれぞれ少なくとも１つの外部導体に接続され、一方、他の１つまたは２つの外部導体は電源網に直接接続される。遮断は、電源網分離後のそれぞれ所定の最大持続時間内に、すなわち約０．２秒以内に行われなければならない。インバータがこの種のバランスのとれたＲＬＣ発振回路により負荷される場合、適切な付加的措置無しでは、電圧および周波数監視だけでは電源網欠落が確実には識別されない。

この種の措置として、電源網インピーダンス測定の方法が提案されている。ここでは電圧および／または電流のような電源網パラメータが、測定機器によってアクティブに、またはインバータ自体によって影響を受け、この影響から電源網インピーダンスが導出される。例えば電源網交流電圧のゼロ通過の領域では、測定機器によって一定の電流値をパルスとして電源網に印加することができる。この種のゼロ通過の間に一定の電流を引き起こすのに必要な電圧が、計算される電源網インピーダンスに対する尺度である。電源網交流電圧のゼロ通過でのパルスの代わりに、この電源網電圧に高調波発振を重畳変調することもできる。いずれにしろ電源網インピーダンスを決定し、許容限界値と比較することができる。規格案ＶＤＥ０１２６は、電源網インピーダンス測定を、望まれないアイランド運転を阻止するための信頼できる方法として評価しており、電源網インピーダンスとインピーダンス跳躍に対する限界値を指示している。

しかし電源網インピーダンス測定には欠点もある。例えば電流パルスないし電流信号を加えることにより、電源網電圧の高調波成分が増大する。このことは、エネルギー供給企業により無制限には許容されない。さらに面倒な同期化を行わない場合には、インピーダンス測定の原理で動作する複数のインバータが、１つの共通の給電領域において互いに影響し合うことがある。

電源網欠落を識別するためのさらなる方法も提案されている。実際から公知の方法では、出力側交流電流の位相を交流電圧に対してずらして設定することにより、例えばインバータに容量性の特性が付与される。インバータの容量が、ＶＤＥ０１２６による検査の際に、例えばバランスされた負荷、すなわち例えばバランスされたＲＬＣ発振回路の容量に直列に接続されるので、これによりＬＣ並列発振回路の基本周波数が変化し、そのためこの発振回路は電源網欠落の際に電源網の周波数をもはや正確に維持することができなくなる。これにより個々の外部導体電圧の位相が変化し（すなわち、時計線図では外部導体電圧の針が別々に経過し）、このことを望ましくないアイランド運転として識別することができる。

しかし電流と電圧との間に短時間の位相シフトを付加することにより、有効電力の無効電力に対する絶対値の関係を表す電力係数ｃｏｓφが減少する。効率が低下し、無効電力の割合が上昇する。このことはエネルギー供給企業には望ましいことではない。できるだけ電力係数ｃｏｓφが１に等しいように努めるべきである。

別の公知の方法では、アイランド識別のためにインバータの出力電力が短時間変化される。電源網が接続されている場合、このことは電源網電圧の振幅も安定して保持する。しかし電源網欠落の場合には電源網振幅が変化し、このことはアイランド運転として識別することができる。

ここでの欠点は、インバータの出力電力の変化の際に、その入力電力も変化することである。太陽光発電施設ではこれにより、例えば太陽光発電機の動作点が不利な影響を受ける。すなわち太陽光発電施設では、専用の制御装置が太陽光発電機の動作点を、稼働時に常に電力最適化して、発電機が目下の光線放射条件にしたがって可及的に最大の電力を常に出力するように調整する。（この目下の最大出力効率を備える動作点はＭＰＰ点（最大電力点）と称され、制御装置はＭＰＰトラッカーと称される。）出力電力の短時間の変化によりインバータの入力電力が変化すると、ＭＰＰ点が太陽光発電機の特性曲線を逸脱することになる。これにより効率が悪化する。さらに電源網におけるフリッカー成分が上昇する。

ドイツ規格案ＶＤＥ０１２６

ここから出発して本発明の課題は、前記の不備な点を除去し、分散型エネルギー形成施設のために、電源網欠落の確実な識別のための措置を提案することである。とりわけ本発明の課題は、電源網に給電する分散型エネルギー形成施設の監視方法、並びに所属の監視装置を備える分散型エネルギー形成施設を創成することであり、この監視装置は、施設により形成される電力と、局所的負荷より取り出される電力とが平衡状態である場合でも、例えば規格案ＶＤＥ０１２６により提案されたバランスされたＲＬＣ発振回路による発振回路検査の場合のように、電源網欠落の確実な識別を可能にする。有利には電源網欠落の識別を、効率損失無しで可能にすべきである。さらに太陽光発電施設に使用する場合に、太陽光発電機の最適ＭＰＰ動作点の逸脱を回避すべきである。

この課題は、本発明により請求項１の特徴を備える方法、および請求項１６によるエネルギー形成施設によって解決される。

本発明の方法は、入力側直流電圧から互いに位相がずれており電源網に給電される三相交流電流を形成するインバータを備えており、三相電源網に給電する分散型エネルギー形成施設を監視するために設けられる。この方法は以下のステップを有する。すなわち：ａ）電源網交流電圧の各相に対する電力目標値を生成し、これにより、形成された各交流電流を、電源網交流電圧のそれぞれの相の振幅、周波数および位相に適合させるステップと、ｂ）電源網交流電圧の所定の相に対する前記電力目標値を、所定の第１の程度だけ所定の時間内で変化させるステップと、ｃ）電源網交流電圧の少なくとも１つの他の相に対する前記電力目標値を、所定の第２および／または第３の程度だけ同じ時間内で逆相に変化させ、前記第２と第３の程度の和を前記第１の程度と同じにするステップと、ｄ）変化した電力目標値に基づいて交流電流をインバータにより形成するステップと、ｅ）前記電源網交流電圧の少なくとも１つの所定の相の振幅を、所定の時間内で測定するステップと、ｆ）前記電源網交流電圧の少なくとも１つの所定の相の測定された振幅が最大許容量を超えて変化する場合を確定するステップと、を有する。

したがって本発明は、望まれないアイランド運転を識別するための有効電力変更方法において、インバータの出力電力を短時間変化させる。さらに本発明は、電源網電圧の所定の相、例えばＬ１に対する電力目標値、すなわち給電すべき電力の目標値を、所定の第１の程度だけ所定の時間内で低減または増大する。しかし１つの相、例えばＬ１に対する出力側での交流電力の低減または増大は、他の少なくとも１つの相、例えばＬ２および／またはＬ３における出力電力の対応の増大ないし低減によって補償される。この目的のために、電源網交流電圧の第２の相、例えばＬ２および／または第３の相、例えばＬ３に対する電力目標値は、第２または第３の程度の和が絶対値的に第１の程度に相当するように逆相に変化される。例えば相Ｌ１に対する電力目標値が２％低減される場合、相Ｌ２および／またはＬ３に対する電力目標値は合わせて２％増大される。

インバータの出力電力は、全ての相を合計すれば結果として同じに留まる。これによりインバータの入力電力も変化せず、したがって直流電圧源、例えば太陽光発電機から十分に一定の電力が取り出される。とりわけ例えば太陽光発電機の動作点は変化せず、その最適動作点（ＭＰＰ点）を逸脱しない。有効電力変更の原理を基礎とすることによって、形成された電力と局所的負荷により取り出される電力とが平衡している場合でも、電源網欠落が本発明により常に確実に識別される。電源網欠落の場合だけ、少なくとも１つの所定の相の電源網交流電圧の振幅が、これが識別され、施設が遮断されることとなるように変化する。

好ましい適用では、エネルギー形成施設が太陽光発電機を有する太陽光発電施設であり、太陽光発電機は直流電圧入力電力をインバータに対して送出する。ここで太陽光発電機は好ましくはその個別の最大電力点（ＭＰＰ点）で稼働され、これにより目下の環境および動作パラメータにおいて最大直流電圧入力電力をインバータに対して送出し、目下の最大出力効率を可能にする。本発明による電源網欠落の識別では、インバータを相変わらずＭＰＰ動作点で制御することができる。

例えば一実施形態ではＭＰＰトラッカーが、それぞれのＭＰＰ動作点を表す電圧目標値を決定し、電圧制御器に引き渡すことができる。次にこの電圧制御器は、インバータの入力電圧を所要の値に制御し、入力電圧を電圧目標値に一定に保持するために後続のインバータ制御器に電力目標値を設定する。インバータ制御器は所定の電力目標値を得るために、交流電流を所要の値に制御する。調整制御装置が、電流制御器により設定された交流電流を達成するために、例えばインバータのスイッチング素子を適切に制御する。

一般的に、使用可能な電力は、電源網電圧の全ての相に均等に分散される。すなわち１つの相の電力目標値は、電圧制御器により設定された全体電力目標値の実質的に三分の一である。そこからそれぞれの相電圧の目下の実際値を考慮して、それぞれの交流目標値が全ての相に対して正確に決定される。たとえ個々の相電圧の振幅が互いに僅かに異なっていても、発電機からの電力取り出しは十分に一定である。

本発明の一変形実施形態では、相電圧の振幅が互いに同じであり、例えば定格値に相当するとの単純化した前提の下で、インバータ目標値が相ごとに決定される。つまり、相電圧の目下の実際値はここでは考慮されない。この場合、それぞれの相に対する電力目標値の代わりに、インバータ目標値を直接設定し、アイランド識別のための本発明の方法に対応して変化させることができる。これによりコストが低減される。このような場合、本発明の方法のステップａ）からｆ）における概念「電力目標値」は「電流目標値」に対応することが理解される。

好ましい一実施形態では、本発明の方法のステップｂ）において電源網交流電圧の１つの所定の相に対する電力目標値（ないし電流目標値）が低減され、一方、ステップｃ）では電源網交流電圧の他の相の少なくとも１つに対する電力目標値（ないし電流目標値）が高められる。しかし１つの所定の相に対する電力目標値を増大するという反対のやり方も可能である。

好ましい一実施形態では、電力目標値（ないし電流目標値）が他の２つの相に対して同じ程度に変化する。すなわち第２と第３の程度は等しく、かつ第１の程度の絶対値のそれぞれ半分である。例えば第１の程度が２％であれば、第２と第３の程度はそれぞれ１％である。このことは、不平衡負荷が他の２つの相に均等に分散されるという利点を有する。第２と第３の相の出力電力は定格電力に近い。このことは、電源網の影響が小さく、例えばフリッカー形成が小さいという結果をもたらす。

本発明の別の有利な一実施形態では、他の２つの相の１つに対する電力目標値（ないし電流目標値）だけが、第１の程度に等しい相応の程度だけ変化する。例えば第１の相に対する電力目標値が２％低減される場合、第２の相に対する電力目標値が２％増加する。第３の相に対する電力目標値は変化されないままである。電力目標値が変化された２つの相に対して測定を同時に実行することが可能である。すなわちこの場合、これら２つの相に対しては定格電力に対する偏差が大きくなる。しかし測定の頻度は低減され、したがって１つの相に対して不平衡負荷が発生する時間は稀になる。

所定の時間は、好ましくは電源網交流電圧の一周期に対応することができる。このことは、とりわけ所定の時間の開始が電源網電圧の所定の相のゼロ通過と同期されている場合、電流跳躍が低減された場合における電流制御を簡単にする。電源網欠落として識別するためにそれぞれの相の電源網電圧の振幅が十分に変化するためには、電源網電圧の１周期で十分である。

電源網電圧の少なくとも１つの所定の相の振幅の変化に対する最大許容量は、所定の時間内で電源網欠落の確実な識別が可能であるように適切に選択される。好ましくは最大許容量は、この所定の相に対する電力目標値の変化の第１の程度にほぼ相当する。好ましい一実施形態では、振幅の最大許容変化と第１の程度は両方とも約２％である。

本発明の一実施形態では、１つの所定の相に対して測定される電源網交流電圧の振幅の変化が最大許容量を上回る場合、エネルギー形成施設が自動的に電源網から分離される。この方法は比較的迅速に実行することができ、電源網欠落を確実に識別するために、第１の程度に対する設定値と電源網電圧の変化の最大許容量とを、例えば約４％に高めることができる。

本方法の好ましい択一的な一実施形態では、ステップａ）からｆ）を、第１の程度と最大許容量に対して例えば２％だけ低減された設定値でまず最初に実行する。電源網電圧の変化が許容最大量を上回ることが確定されると、このことは電源網欠落に対する所与の確率（以下「疑い」）と解釈され、ステップａ）からｆ）が、さらなる時間後に所定の第１の程度と最大許容量に対して例えば４％の増大された値により繰り返される。所定の相に対する電源網電圧の変化がこの増大された最大許容量を上回る場合、これは最終的に電源網欠落として確定され、施設は自動的に電源網から分離される。有利には電流は、本方法の第１の実行経過の間、僅かだけ低減される。このことは、個々の相において定格電力に対する小さな偏差と僅かなフリッカー現象を引き起こす。「疑い」だけの場合、電流変化が強められて実行経過が繰り返される。不平衡負荷と電源網への対応する作用が、これにより小さく維持される。

前記さらなる時間は、前記所定の時間と同じように電源網交流電圧の１周期に相当することができる。さらに第１の程度と電源網電圧の許容最大量に対して増加された値は、第１の実行経過中の値の少なくともほぼ２倍に相当することができる。

本発明の方法は好ましくは周期的に、電源網電圧の３つの相のそれぞれを所定の相として交互に繰り返される。例えば方法ステップを、電源網電圧の１つの周期の間（例えば５０Ｈｚ電源網周波数の場合は約４０ｍｓ）第１の相に対して実行し、必要に応じて評価時間と待機時間の後、例えば電源網電圧のさらなる周期の後、増大した設定値により検証することができる。例えば１０周期の時間（５０Ｈｚ電源網周波数の場合は２００ｍｓ）の後、本方法が第２の相Ｌ２に対して実行される。さらなる例えば２０周期（４００ｍｓ）の後、本方法は第３の相Ｌ３に対して実行される。

各相を個別に検査することにより、バランスされた単相の負荷の場合でも、すなわち例えば規格案ＶＤＥ０１２６の検査提案による単相発振回路負荷の場合でも、電源網欠落を確実に識別することができる。

本発明のさらなる側面によれば、三相電源網に給電するためのエネルギー形成施設、とりわけ公衆または私的エネルギー供給網に給電するための太陽光発電施設が創成される。このエネルギー形成施設は三相インバータを有し、この三相インバータは、とりわけ太陽光発電機の入力側直流電圧を互いに位相のずれた三相交流に変換し、この三相交流が電源網に給電される。

本発明のエネルギー形成施設は、インバータに供給される電力を目下の最大電力値に制御するための制御装置と、施設の動作パラメータを検出するためのセンサ装置と、必要に応じて施設を電源網から分離し、これに接続するための分離装置と、インバータの動作を制御するための調整制御装置とを有する。この調整制御装置は、前記制御装置、前記センサ装置および前記分離装置に通信接続ないし作用接続しており、電源網欠落を識別するために施設を監視する前記方法を実行するための制御ロジックを有する。調整制御装置が電源欠落ないし望まれないアイランド運転を識別すると直ちに、この調整制御装置は分離装置を作動し、エネルギー形成施設を電源網から導電的に確実に分離させる。本発明の監視方法の利点は、エネルギー形成施設に対して同じように有益である。繰り返しを避けるため、可能な実施形態およびそれらの利点に関しては前記記載を参照されたい。

本発明の有利な実施形態のさらなる詳細は、図面、明細書および特許請求の範囲の対象である。

図面には本発明の実施形態が図示されている。しかし図面は本発明の原理を説明するためにだけ用いるものであり、本発明を限定するものではない。

アイランド識別用の監視装置を備える本発明のエネルギー形成施設を簡素化して示すブロック回路図である。 アイランド識別用の監視装置の機能を検査するための検査回路のブロック回路図である。 電源網遮断に関してエネルギー形成施設を監視する本発明の方法の一実施形態の簡素化したフローチャートである。 電源網遮断に関してエネルギー形成施設を監視する本発明の方法の変形実施形態の簡素化したフローチャートである。 図３と４による方法の機能を説明するための、形成された交流電流を簡素化して示す線図である。

図１には、本発明のエネルギー形成施設１が簡素化して示されており、このエネルギー形成施設は、再生エネルギー源から電源網に供給される交流電流を形成するために用いられる。本例および好ましい適用によれば、本発明のエネルギー形成施設１は分散型太陽光発電施設であり、これは太陽光発電機２により捕捉され、電気直流エネルギーに変換された太陽エネルギーを、インバータ装置３によって電源網４に給電するのに適した交流エネルギーに変換する。太陽光発電機２はここでは象徴的にだけ図示されており、個々の太陽電池モジュールの構成体を有することができる。電源網４は、エネルギー供給企業の公衆電源網、または例えば複数の負荷が接続された私的電源網とすることができる。

インバータ構成体３は基本的に、太陽光発電機２により入力側で提供された直流電圧および直流電流を、接続された電源網４の交流電圧に振幅、周波数および位相に関して適合された交流電圧および交流電流に変換することを可能にするコンポーネントないし構成群および機能を備える通常の構造を有する。本発明に関連してインバータ構成体３の構造の説明は、インバータ構成体３が、太陽光発電機２から取り出される電力を制御する制御装置６と、インバータ７と、エネルギー形成施設１の環境および動作パラメータを検出するセンサ装置８と、前記センサ装置８により検出されたパラメータ値を受信し、これに基づいてコンポーネント、とりわけインバータ７の動作を監視および制御する調整制御装置９とを有する点に限定することができる。

制御装置６は太陽光発電機２に後置接続されており、直流電圧変換器等を有し、この直流電圧変換器はＭＰＰトラッキングを行う。ＭＰＰ（最大電力点）トラッキングとは、個々の太陽電池モジュールの最適の電力形成を達成するために、太陽電池モジュールをその個別の最大電力点で稼働することであると理解される。最大電力点（ＭＰＰ点）は、照射強度、温度および太陽電池の形式に依存する。太陽光発電機が常にＭＰＰ点で動作するように、ＭＰＰトラッカーは電圧を所要の値に制御し、通常はＤＣ電圧を小さな絶対値だけ変化させ、電流と電圧の積をそれぞれ決定し、動作電圧を電力の比較的高い方向に調整する。これにより照射条件が変化しても、ＭＰＰ点における太陽光発電機２の動作が常に保証される。太陽光発電機２から取り出される電力はインバータ７の入力端１１に提供される。

インバータ７は三相インバータであり、その入力端または電源網への中間回路１１における直流電圧中間回路電力の正弦波変換の機能を引き受ける。インバータ７は、従来技術で一般的に公知である任意の構成を有することができる。好ましくはインバータ７は、高周波クロッキング可能なスイッチング素子、例えばＩＧＢＴスイッチ等を有する。これらのスイッチング素子は、所定のパターンで、好ましくはパルス幅変調で制御され、これによりインバータ３の出力端１２に１２０゜だけ互いに位相のずれた交流電流が形成される。この交流電流は、電源網４の電源網電圧の個々の相Ｌ１，Ｌ２およびＬ３と同期している。インバータ７のここでは４極の出力端１２は、３つの出力端子（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）１３，１４，１６と、１つの中立出力端子（Ｎ）１７とを有する。３つの出力端子は、インバータ７の出力側交流電圧ないし電源網電圧の個々の相を導通する。中立出力端子は、電源網側での接地により規定のゼロ電位に置くことができる。

センサ装置８は、電流および電圧センサのようなセンサ手段を有し、センサ手段はエネルギー形成施設１、とりわけインバータ構成体３の種々の箇所において信号を検出することができる。インバータの入力電圧、それぞれの出力端子１３，１４および１６を介して給電される相電流Ｉ_Ｌ１、Ｉ_Ｌ２、Ｉ_Ｌ３、および電源網電圧Ｕ_Ｌ１、Ｕ_Ｌ２、Ｕ_Ｌ３の相の振幅を検出することができ、さらに目下の環境条件、例えば照射強度や太陽光発電機の温度に該当するパラメータも検出することができる（ここには図示しない）。センサ装置８は調整制御装置９と通信的に接続されており、検出された測定値をこれに送出する。

調整制御装置９は、とりわけインバータ７の動作を、センサ装置８から送出された信号に依存して制御する。このために調整制御装置９は、受信された信号を所定の論理規則に従って処理し、例えばインバータ７のスイッチング素子を制御するための出力信号並びに制御装置６に対する制御信号を出力する。正確に言えば調整制御装置は、検出されたパラメータの関数として電力目標値を電源網交流電圧の各相に対して形成し、これにより所望の出力側の交流電流を獲得する。電力目標値は例えばパルス幅変調段で対応の制御パターンに変換することができ、この制御パターンによってインバータのスイッチング素子がクロッキングされ、これによりフィルタリングの後に所望の交流電流がインバータ出力端１２で得られる。基本的にインバータ構成体３は、従来のように電源網結合モードで動作する。

施設１の稼働中に供給電源網４の可用性を監視するために、本発明のインバータ構成体３は組み込まれた監視装置１９を有する。電源網監視装置１９は、それ自体自立的な構成ユニットとしてインバータ７およびその所属の調整制御装置９には依存せず実現することができ、ハードウエアおよび／またはソフトウエアで構成することができる。ここに図示された本発明の好ましい実施形態では、監視装置１９は、好ましくは調整制御装置９の一部として、好ましくはファームウエアロジックとしてインバータ７の制御ソフトウエアに含まれている。監視装置は、目下の動作状態を、センサ装置８から送出された測定信号に基づいて監視し、これにより電源網欠落、例えば電源網遮断または障害を識別する。

電源網欠落が識別されると直ちに、インバータ構成体３は自動的に電源網４から分離し、電源網４へのさらなる給電を回避する。このために監視装置１９と接続した分離装置２１が設けられている。分離装置２１は、ここに図示した好ましい実施形態ではインバータ７の出力線路１３，１４，１６のそれぞれ１つに組み込まれた３つのスイッチ２２，２３，２４と、中立線路１８に配置された分離スイッチ２６とを有する。監視装置１９が、電源網欠落ないし望まれないアイランド運転を表す条件を確定すると直ちに、監視装置はスイッチ２２，２３，２４および２６を作動し、施設１と電源網との間の導電分離を達成する。

図２には、検査回路が簡単に図示されている。この検査回路は、規格案ＶＤＥ０１２６にしたがって使用することができ、これにより意図しないアイランド運転の結果として遮断するインバータ構成体を検査する。検査回路は、平衡並列給電状態ないし負荷状態をシミュレートすることができる。

図２では、インバータ７と電源網監視装置１９と分離装置２１とを備える本発明のインバータ構成体３が検査回路に組み込まれて図示されている。インバータ７の直流電圧側には、制御可能なエネルギー源２７を介して給電される。インバータ７の交流電圧側では、出力端１２に並列に抵抗Ｒ２８、チョークコイルＬ２９およびコンデンサＣ３１が接続されており、これらはＲＬＣ発振回路３２を形成する。図２には図示されていないが、各相Ｌ１，Ｌ２およびＬ３に対して対応のＲＬＣ発振回路３２を設けることができ、このＲＬＣ発振回路は一方では中立出力端子１７に接続され、他方ではスイッチ３３を介してそれぞれのインバータ出力端子１３，１４ないし１６に接続することができる。さらにスイッチ３４，３６がインバータ７とＲＬＣ発振回路３２の間、ないしＲＬＣ発振回路３２と電源網４または適切な電源網シミュレータとの間に接続されている。

ＲＬＣ発振回路は、形成される全ての有効電力と無効電力を受け入れ、電力が電源網４に出力されないように、エネルギー源と電源網上で調節されている。抵抗Ｒ２８は、インバータ７から出力される有効電力全体を消費するように整合されており、一方、ＬＣ並列発振回路の基本周波数は電源網周波数と十分に一致している。

検査の際には全てのスイッチ３２，３４および３６が先ず閉鎖され、インバータ構成体３は通常のように電源網４または電源網シミュレータで動作する。電源網欠落をシミュレートするためにスイッチ３６が開放される場合、ここでは場合により電圧および周波数監視だけで電源網欠落を識別するのはそれほど容易に可能でない。ＬＣ発振回路２９，３１は電源網周波数で発振を続け、電源網が遮断されてもこれを維持する。抵抗Ｒは、形成された全有効電力を消費する。しかしいわゆるバランスされた負荷でのこの条件の下でも、電源網欠落を確実かつ迅速に、どのような場合でも５秒以下で識別しなければならない。

本発明の電源網監視装置１９は、特別の監視ロジックによりこれを成就する。この監視ロジックについて、以下図３を参照して説明する。

図３は、三相電源網、例えばエネルギー供給企業の公衆給電網４に、インバータ７により給電する分散型エネルギー形成施設、とりわけ本発明による太陽光発電施設１を監視する本発明の方法３７を説明する。この方法により、電源網欠落または電源網遮断が識別され、望ましくないアイランド運転が回避される。この方法３７は、エネルギー形成施設１の通常運転に平行して周期的に、全ての相ｉ＝１，２，３に対して交互に実行される。ここで周期は、どのような場合でも規則どおりの時間内での、例えば５秒以内での電源網欠落識別が保証されるように選択されている。この方法は、ステップ３８でスタートする。ステップ３８では、電源網交流電圧の各相に対して電力目標値Ｐ_Ｌ１，Ｐ_Ｌ２，Ｐ_Ｌ３が生成され、これによりそれぞれの電源網交流電圧の振幅、周波数および位相に適合した交流電流が形成される（ステップ３８）。

ステップ３８は、交流電圧網４に給電すべきインバータ７の出力側の全交流電力の目標値を決定することができる。この決定は、目下の環境および動作条件の下で取り出し可能な最大発電機電力に基づいて行われる。そして、全電力の求められた目標値を交流電圧の相の数、ここではとりわけ３により割り算する。そして形成された交流電力は全ての相に均等に分散される。

ステップ３９では、電源網交流電圧の所定の相ｉに対する電力目標値が所定の第１の程度Ｘだけ所定の時間内で変化される。例として、例えば電源網交流電圧の相ｉ＝１に対する電力目標値Ｐ_Ｌ１が第１の程度Ｘ＝０．０５（５％）だけ９５％に低減されると仮定する。前記所定の時間は、好ましくは電源網交流電圧の１周期に相当し、その開始はそれぞれの相、ここでは電源網交流電圧の相１のゼロ通過と同期している。

ステップ４０では、電源網交流電圧の他の２つの相ｊ≠ｉの少なくとも１つに対する電力目標値が、所定の第２および／または第３の程度Ｙ_２ないしＹ_３だけ、同じ時間内で逆相に変化される。ここで第２と第３の程度の和Ｙ_２＋Ｙ_３は絶対値的に第１の程度Ｘに等しい。前記の例を基準にすれば、他の２つの相ｊ＝２，３に対する電力目標値Ｐ_Ｌ２，Ｐ_Ｌ３が、例えばＹ_２＝Ｙ_３＝−Ｘ／２だけ同じ程度に変化される。すなわちここでは２．５％高められる。これにより出力電力の低下および相１に対するインバータ７の入力電力の低下も、相２と３に対する電力の増加によって補償される。

ステップ４１では、交流電流がインバータ出力端子１３，１４ないし１６に、変化された電力目標値Ｐ_Ｌ１，Ｐ_Ｌ２，Ｐ_Ｌ３に基づいて形成される。

さらに交流電流は、好ましくは目下の振幅値と相電圧Ｕ_Ｌ１，Ｕ_Ｌ２，Ｕ_Ｌ３を考慮して形成される。例えば一実施形態で、電流制御器が、それぞれの相に対する所望の交流電流目標値を、それぞれ（変化された）電力目標値と目下の相電圧実際値とに応じて設定すれば、制御装置が、各相に対して所定の交流電流目標値を得るために、例えばここに詳細に図示しないインバータブリッジ回路の例えばスイッチング素子を適切に制御する。

交流電流は電源網４に給電される。

ステップ４２では、電源網電圧が全ての相に対して、しかし少なくとも該当する相ｉに対する電源網電圧Ｕ_Ｌｉの振幅が所定の時間の間、測定される。

ステップ４３では、電源網交流電圧Ｕ_Ｌｉの少なくとも１つの所定の相ｉの測定された振幅が、最大許容量Ｚを超えて目標値Ｕ_{Ｌｉ，ｓｏｌｌ}に対して変化したか否かが確定される。最大許容量Ｚは第１の程度Ｘとほぼ同じに選択することができる。これに関して上記の例では、例えば電源網電圧Ｕ_Ｌｉが約５％低下したか否かが検査される。

上記のように変化した場合（ステップ４３でのイエス）、引き続きステップ４４で、電源網欠落および望まれないアイランド運転が存在するか否かが識別される。次にインバータ７が分離装置２１の回路により、調整制御装置９によって電源網４から確実に導電分離される。

電源網交流電圧Ｕ_Ｌｉの振幅が最大許容量Ｚを超えて変化しない場合（ステップ４３でのノー）、望ましくないアイランド運転が存在していないことが識別され、したがって通常の運転を継続することができる。この場合、本方法は所定時間後に、他の２つの相ｊの１つに対して、例えば相２に対して繰り返される。この時間は、全ての相を適時に検査することができ、各相においてアイランド運転を適時に識別できるように適切に選択される。例えばこの時間は約１０周期、すなわち電源周波数が５０Ｈｚの場合、２００ｍｓとすることができる。

さらなる時間の後、例えば電源網電圧のさらなる１０周期の後、本方法３７は第３の相Ｌ３に対してステップ３８〜４３で実行される。したがってブロック４５に示されるように、ステップ３８〜４３は周期的に、全ての相ｉ＝１，２，３に対して交互に、電源網欠落が確定されない限り実行される。

本発明の監視方法は、多数の利点を有する。電源網欠落が常に確実に識別される。電源網４が存在している限り、そして電源網がインバータ７と比較して小さなインピーダンスによりインバータに対して電源網電圧を強制する限り、全ての相に対する電源網電圧の振幅は近似的に変化しないままである。しかし電源網欠落の場合には、所定の相に対する電力目標値を変更することにより、この相における電源網電圧の振幅が変化する。このことは調整制御装置９により、センサ装置８の測定値に基づいて確実に識別される。電力目標値が減少すると、例えばこの相に対する電源網電圧の振幅がこれにほぼ比例して低下する。これにより確実な遮断基準が得られる。

バランスされた負荷の場合でも、すなわち形成された電力と消費される電力とが平衡状態にある場合でも、電源網欠落は問題なく識別される。図２によるシミュレーションの場合、例えば電力目標値が低減されても抵抗Ｒ２８を介する電圧は、電源網４が結合されている限り、同じに留まる。スイッチ２４の遮断による電源網遮断の場合、抵抗Ｒ２８を介する電圧は、正弦波電力目標値の低減に対応して低下する。この場合も、電源網欠落ないし電源網遮断が常に確実に識別される。

有利には各相を個別に検査することにより、電源網欠落が電力平衡状態の場合でも、ただ１つの相だけで、または複数の相で常に識別される。

他の２つの相ｊに対する電力目標値を適切に増大／減少することにより、この相ｉに対する出力電圧が低下／増大し、これによりインバータ７の入力電力の対応する低下が補償される。したがって太陽光発電機２から、全ての相に亘って合計した和では、アイランド識別のための措置がない場合と同じ電力が取り出される。インバータ７の直流電圧入力電力が同じに留まることにより、太陽光発電機２をさらにその最大電力点で稼働することができ、したがって電力損失を受け入れる必要はない。さらにインバータは、他の従来の方法とは異なり効率損失も被らない。

本発明の枠内で多数の変形が可能である。例えば第１の程度Ｘに対する値、第２および第３の程度Ｙ_２，Y_３に対する値、電源網交流電圧の最大許容振幅変化に対する大きさＺは任意に適切に設定することができる。場合によりこれらは、それぞれの施設１に対して現場で経験的に、一方では電源網の障害が最小であるが、しかし電源網欠落が常に確実に識別されるように求められるべきである。

さらに前に説明した本発明の監視方法３７に対する特別の例では、他の２つの相ｊが両方とも同じ程度Ｙ_２＝Ｙ_３＝−Ｘ／２だけ変化することが前提とされている。その代わりに、相ｊの１つだけが第１の程度Xと同じ程度Ｙ_ｊだけ、しかしこれに対して逆相に変化することもできよう。例えば相１に対する電力目標値が５％低減され、例えば相２に対する電力目標値が同時に５％増加される場合、相３に対する電力目標値は不変に留まる。相２に対する電源網電圧の振幅を付加的に測定し、最大許容変化量Ｚと比較することにより、２つの相、ここでは相１と２に対して電源網欠落を同時に識別することができる。さらなる時間の後、方法３７は繰り返される。すなわち、相１，２に対する電力目標値、次に相２，３に対する電力目標値、そして引き続き相１，３に対する電力目標値がペアで変更される。個々の相だけが監視される上記の措置に対して、方法３７は半分の頻度で実行され、したがって相は比較的稀にしか不平衡負荷を受けない。

本発明の方法の前記実施例では、電力目標値が交流電圧の全ての相に対して決定され、アイランド運転識別のために適切に変更される。そして、それぞれの相に対する交流電流の対応の目標値は、相電圧の目下の実際値に基づいて決定される。これにより発電機からの一定の電力取り出しが保証される。本発明の簡素化した実施形態では、相電圧の振幅が互いに同じであることを前提にすることができる。この場合、電力を表す目標値として、相に対して交流目標値を直接設定し、アイランド運転識別のために適切に変更することもできる。このことは、本発明の方法の実現および実施の際のコストを低減する。

さらに他の同等の基準を電源網欠落のために使用することができる。例えば誘発される電源網電圧変化を、給電される交流電流および出力側の交流電圧に基づいて直接比較する代わりに、それぞれの相における電源網インピーダンスを決定し、電源網インピーダンスまたはその時間的変化を許容最大値に関して検査することができる。

さらに施設１を、電源網欠落が識別される場合に電源網４から導電的に分離することができるが、完全に遮断するのではなく、他の負荷に給電するため、またはエネルギー蓄積器に充電するために切り替えることもできる。

本発明の方法３７の有利な改善形態が図４に示されている。ここで方法３７は、図３に関連して説明したように、先ずステップ３８〜４３により実行される。これはとりわけ、程度Ｘ，Ｙ_２およびＹ_３、並びに最大許容量Ｚに対して低減された設定値により実行される。 例えば相ｉに対する電力ないし電流目標値は９８％に低減され、これにより第１の程度Ｘは０．０２になる。同じ時間内で相２および３に対する電力ないし電流目標値はそれぞれ１０１％に高められ、したがってＹ_２＝Ｙ_３＝−Ｘ／２＝−０．０１である。あるいは電力ないし電流目標値を相２または３の１つに対してだけ、同じ程度Ｘだけ高めることもできる。

低減の間、相１（および場合により相２または３）に対して電源網電圧の振幅が測定される。ここで約２％の変化が測定されると、例えば２周期後（または５０Ｈｚ電網周波数の場合は４０ｍｓ後）に相１に対する電力目標値ないし電流目標値がより強く変化される。すなわち例えばさらに低減される。図４にはこれが、ステップ４３の検査での正の結果に続くブロック４７に示されており、程度Ｘ，Ｙ_ｊおよびＺが増大される。ここでは、
Ｘ’＝ａ×Ｘ；Ｙ’_ｊ＝ａ×Ｙ_ｊ；Ｚ’＝ｂ×Ｚ ただしａ，ｂ＞１
が当てはまる。

続いてブロック４８により、方法３７のステップ３８〜４２が増大された値Ｘ’，Ｙ’_ｊにより繰り返される。例えば相１の電力目標値ないし電流目標値は９５％に低減され（Ｘ’＝０．０５）、一方、相２と３に対する電力目標値ないし電流目標値はそれぞれ１０２．５％に増大される。（Ｙ’_２＝Ｙ’_３＝−Ｘ／２＝−０．０２５）

低減の間、相１に対する測定電圧の振幅が測定され、これが最大許容量Ｚ’を上回っていないか否かが検査される（ステップ３９）。約５％（Ｚ’＝０．０５）の電源電圧の変化が測定される場合、電源網欠落が存在していることが確定され、その結果、続いてステップ５０でインバータ７が電源網４から分離される。

ブロック４５または４９の１つでの検査が負の結果の場合、すなわち電源網電圧の十分に大きな変化が測定されない場合、方法３７は先ずステップ３８〜４３により実行され、場合により他の相２と３に対してステップ４７〜４９により実行される。

図５は、図４の電源網欠落を基準にした、分散型エネルギー形成施設の本発明による監視方法の時間経過を簡素化した形で示す時間線図である。個々の相ｉ＝１，２および３に対する交流電流の正弦波電流目標値が図示されている。分かりやすくするために、個々の相に対する電流目標値の変化は、それぞれの目標値よりも誇張して図示されている。

図４と５による本発明の方法の実施形態の、図３の実施形態に対する利点は、とりわけ、第１の実行経過では電流変化が比較的小さく生じ、これにより電源網４の影響が小さくなり、電源網におけるフリッカー発生も小さくなることである。第１の実行経過で、電源網欠落が高い確率で存在することが確定される場合だけ基準が厳しくされる。すなわち程度Ｘ，Ｙ_ｊ，Ｚが増大され、電源網欠落を高い識別確度で検証する。これは例外事例であるので、定格電力に対する給電電力の偏差、すなわち不平衡負荷およびフリッカーを最小に低減することができる。

三相電源網に給電する分散型エネルギー形成施設を、望まれないアイランド運転を阻止するために監視するための装置および方法が開示された。このエネルギー形成施設１はインバータ７を有し、インバータは、とりわけ太陽光発電機の入力側直流電圧から、互いに位相のずれた三相交流を形成し、この三相交流が電源網４に給電される。この監視方法は、電源網交流電圧の所定の相に対する電力目標値を所定の時間の間、所定の第１の程度Ｘだけ変化させ、例えば減少させ、一方、他の２つの相に対する電力目標値を、所定の第２および／または第３の程度Ｙ_２，Ｙ_３だけ逆相に変化させ、例えば増大させることに基づく。ここで第２と第３の程度Ｙ_２，Ｙ_３の和は第１の程度に等しい。電源網交流電圧の振幅が、所定の１つの相の定格値に対して所定の閾値よりも大きく変化することが識別されると、望まれないアイランド運転が確定され、施設１は電源網４から分離される。この監視は、十分に電力損失および効率損失無しに、低減された不平衡負荷の下で実行することができる。

Claims (18)

1. 三相交流電源網（４）に給電するための分散型エネルギー形成施設（１）の監視方法であって、インバータ（７）を備えており、該インバータは入力側直流電圧（３）から互いに位相のずれた交流電流を形成し、該交流電流が前記電源網（４）に給電され、当該方法は、
   ａ）電源網交流電圧の各相に対して電力目標値（Ｐ_Ｌ１，Ｐ_Ｌ２，Ｐ_Ｌ３）を生成し、これにより、各形成された交流電流を、電源網交流電圧のそれぞれの相の振幅、周波数および位相に適合するステップと、
   ｂ）電源網交流電圧の所定の１つの相（ｉ）に対する前記電力目標値（Ｐ_Ｌ１，Ｐ_Ｌ２，Ｐ_Ｌ３）を、所定の第１の程度（Ｘ）だけ所定の時間内で変化するステップと、
   ｃ）電源網交流電圧の少なくとも１つの他の相（ｊ≠ｉ）に対する電力目標値を、所定の第２および／または第３の程度（Ｙ_２，Ｙ_３）だけ同じ時間内で逆相に変化し、前記第２（Ｙ_２）と第３の程度（Ｙ_３）の和を前記第１の程度（Ｘ）と同じにするステップと、
   ｄ）変化された電力目標値に基づいて、前記インバータ（７）により交流電流を形成するステップと、
   ｅ）電源網交流電圧の少なくとも１つの所定の相（ｉ）の振幅を、所定の時間内で測定するステップと、
   ｆ）前記電源網交流電圧の少なくとも１つの所定の相（ｉ）の測定された振幅が最大許容量（Ｚ）を超えて変化する場合を確定するステップと、
   を含む方法。
2. 前記エネルギー形成施設（１）は、太陽光発電機（２）を有する太陽光発電施設であり、前記太陽光発電機は直流電圧入力電力を前記インバータ（７）に対して送出する、請求項１に記載の方法。
3. 前記太陽光発電機（２）は、その個別の最大電力点で稼働され、これにより目下の環境条件の下で最大直流電圧入力電力を前記インバータ（７）に対して提供する、請求項２に記載の方法。
4. 変化された電力目標値に基づき前記インバータ（７）によって交流電流を形成する前記ステップｄ）は、相の交流電流に対する目標値を、電力目標値に基づきそれぞれの相交流電圧の目下の実際値を考慮して決定し、当該交流電流を達成するために前記インバータを制御することを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 交流電流を形成する前記ステップｄ）は、相の交流電流に対する目標値を、相電圧の振幅が同じであるとの前提の下で決定し、当該交流電圧を達成するために前記インバータを制御することを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
6. 電源網交流電圧の所定の相（ｉ）に対する電力目標値を変化させる前記ステップｂ）は、当該電力目標値の低減を含み、電源網交流電圧の少なくとも１つの他の相（ｊ）に対する電力目標値を逆相に変化させる前記ステップｃ）は、当該電力目標値の増大を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 電源網交流電圧の少なくとも１つの他の相（ｊ）に対する電力目標値を、所定の第２および／または第３の程度だけ逆相に変化させる前記ステップｃ）は、他の２つの相のそれぞれに対する電力目標値を第２ないし第３の程度（Ｙ_２，Ｙ_３）だけ変化させることを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記第２の程度と第３の程度（Ｙ_２，Ｙ_３）は等しく、前記第１の程度（Ｘ）の絶対値のそれぞれ半分に相当する、請求項７に記載の方法。
9. 電源網交流電圧の少なくとも１つの他の相（ｊ）に対する電力目標値を、所定の第２および／または第３の程度だけ逆相に変化する前記ステップｃ）は、前記他の２つの相（ｊ）の１つに対する電力目標値だけを、前記第１の程度（Ｘ）に相当する第２の程度（Ｙ_２）だけ変化し、一方、前記他の２つの相の別の１つに対する電力目標値は変化せずにそのままにすることを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
10. 電源網交流電圧の相の振幅を測定する前記ステップｅ）と、測定された振幅が最大許容量を超えて変化する場合を確定する前記ステップｆ）は、電力目標値が第２の程度（Ｙ_２）だけ変化する他の２つの相の１つに対しても同時に実行される、請求項９に記載の方法。
11. 前記所定の時間は、電源網交流電圧の１周期に相当し、前記所定の時間の開始は、電源網電圧の前記所定の相（ｉ）のゼロ通過と同期している、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 電源網交流電圧の少なくとも１つの所定の相（ｉ）の振幅の変化に対する前記最大許容量（Ｚ）は、前記第１の程度（Ｘ）にほぼ相当する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記ステップｆ）で、測定された振幅の少なくとも１つが最大許容量（Ｚ）を超えて変化したことが確定される場合、前記エネルギー形成施設（１）が自動的に電源網から分離される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記ステップｆ）で、測定された振幅の少なくとも１つが最大許容量（Ｚ）を超えて変化したことが確定される場合、前記ステップａ）からｆ）がさらなる時間の後、前記所定の第１の程度、前記所定の第２の程度および前記最大許容量に対して増大された設定値（Ｘ’，Ｙ’_２，Ｙ’_３，Ｚ’）により繰り返される、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
15. 電源網電圧の１つの相の少なくとも１つの振幅が、前記増大された最大許容量（Ｚ’）を超えて変化した場合、前記エネルギー形成施設（１）が自動的に電源網（４）から分離される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記増大された設定値は、前記ステップａ）からｆ）の第１の実行経過の際の所定の値の少なくともほぼ２倍の大きさである、請求項１４または１５に記載の方法。
17. 当該方法は周期的に、電源網交流電圧の３つの相のそれぞれを前記所定の相として交互に繰り返される、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 三相電源網（４）に給電するための分散型エネルギー形成施設（１）、とりわけエネルギー供給網に給電するための太陽光発電施設であって、三相インバータ（７）を備え、該三相インバータはとりわけ太陽光発電機（２）の入力側直流電圧を、互いに位相のずれた三相交流電流に変換し、該三相交流電流が前記電源網（４）に給電され、前記エネルギー形成施設（１）はさらに、
    前記インバータ（７）に給電される電力を目下の最大電力値に制御する制御装置（６）と、
    前記エネルギー形成施設（１）の動作パラメータを検出するセンサ装置（８）と、
    前記エネルギー形成施設（１）を前記電源網から分離し、および前記電源網に接続する分離装置（２１）と、
    前記制御装置（６）、前記センサ装置（８）および前記分離装置（２１）と接続されており、前記インバータ（７）の動作を制御する調整制御装置（９）と、
    を有し、
    前記調整制御装置（９）は、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法を実施するためのロジック（１９）を有し、必要に応じて前記分離装置（２１）を作動し、前記エネルギー形成施設（１）を前記電源網（４）から分離させる、分散型エネルギー形成施設（１）。