JP6097864B1 - 自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置、及びその起動制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
系用電力変換装置、及びその起動制御方法に関する。
蔵装置を組み合わせた蓄電ハイブリッド発電システムが、世界中に普及している。このよ
うな蓄電ハイブリッド発電システムの分野において、商用系統と連系する機能と、停電時
に自立系統に給電する機能の二つの機能を一台の電力変換装置に搭載する要望が高まって
いる。
電力に変換するための最大電力点追従制御(以下、MPPT(Maximum Powe
r Point Tracking)制御という)を行い、太陽電池からの出力電力が最
大(最適)になるように、太陽電池からの入力電圧を調整する。つまり、蓄電ハイブリッ
ド発電システムは、太陽電池からの入力電圧を所定の電圧まで昇降圧して、直流出力電圧
(直流バス電圧Vdc)をある一定の範囲内で上下させるDC/DCコンバータと、太陽
電池からの自然エネルギーを活用するために、太陽電池から出力された電力を貯蔵する電
力貯蔵装置と、電力貯蔵装置に対して、指示電力の通りに充放電電力制御を行う双方向D
C/DCコンバータと、これらのDC/DCコンバータから出力された直流電力を交流電
力に変換するインバータとを備えている。
ング素子を備えており、これらのスイッチング素子は、蓄電ハイブリッド発電システムの
制御部から送られるPWM(Pulse Width Modulation)信号でス
イッチングされる。このPWM信号のキャリアを除去するために、上記の蓄電ハイブリッ
ド発電システムは、インバータと商用電力系統との間に、高周波成分除去用のLCフィル
タを備えている。
統に接続されると、上記のLCフィルタのコンデンサに印加される電圧が、0Vから商用
系統電圧に急増するため、上記のコンデンサに突入電流が流れ、系統連系用リレーの接点
が溶着する可能性があり、蓄電ハイブリッド発電システム内の他の回路素子(例えば、イ
ンバータのスイッチング素子)が破壊する可能性もあると考える。
うに、スイッチと抵抗の並列回路で構成される突入電流防止回路を、上記のコンデンサに
直列に接続すると共に、この突入電流防止回路内のスイッチの故障を検出するようにした
電力変換装置が知られている。
レー(第2開閉器16)に開状態にするための制御信号を出力した上で、インバータ(電
力変換部13)からテスト用電圧V3を出力して、この時に、自立側電圧検出部で検出さ
れる自立運転用端子の電圧値に基づいて、自立系統用リレーの接点の溶着(第2開閉器1
6の内部端子間の溶着)を検出するようにしたものが知られている。
と抵抗の並列回路等で構成される突入電流防止回路を新たに追加する必要があるため、電
力変換装置の製造コストが高くなってしまう。また、上記特許文献2に記載された電力変
換装置では、自立系統用リレーの接点の溶着を検出することはできるが、上記の(インバ
ータと商用電力系統との間に設けられた)LCフィルタのコンデンサへの突入電流を抑制
することはできない。
の起動時における、インバータと商用電力系統との間に設けられたコンデンサへの突入電
流を抑制することが可能な、自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置、及びその起
動制御方法を提供することを目的とする。
運転制御を行い、この自立運転制御時に、前記インバータからの出力電圧の振幅を、前記
振幅調整手段により、前記商用電圧振幅検出手段で検出された商用系統電圧の振幅に合わ
せてもよい。
力電圧の振幅を、自立運転時に装置から出力される自立系統電圧の振幅、又は0から、段
階的に増加させて、前記商用電圧振幅検出手段で検出された商用系統電圧の振幅に合わせ
ることが望ましい。
位相角検出手段は、PLL回路であることが望ましい。
本発明の第4の態様による自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置の起動制御方法は、分散型電源と前記分散型電源から出力された電力を貯蔵する電力貯蔵装置との少なくとも一方から入力された電力に基づく直流電力を、交流電力に変換するインバータと、前記インバータと商用電力系統との間に接続されたコンデンサと、前記分散型電源の前記商用電力系統への連系状態と解列状態とを切り替えるための系統連系用スイッチとを備えた、自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置の起動制御方法であって、前記商用電力系統の電圧である商用系統電圧の振幅を検出するステップと、前記系統連系用電力変換装置の起動後に、前記インバータからの出力電圧の振幅を、所定の値から段階的に増加させて、前記商用系統電圧の振幅に合わせるステップと、前記インバータからの出力電圧の位相角と、前記商用系統電圧の位相角との位相差が、特定の値になるように、前記インバータからの出力電圧の位相角を調整するステップと、前記系統連系運転を開始する前に、前記系統連系用スイッチを前記連系状態に切り替えた時に検出された、前記インバータからの出力電圧の位相角と前記商用系統電圧の位相角との差である検出位相差に基づいて、前記系統連系用スイッチの断線を検知し、前記系統連系用スイッチを前記解列状態に切り替えた時に検出された前記検出位相差に基づいて、前記系統連系用スイッチの溶着を検知するステップと、前記インバータを前記商用電力系統に接続して、系統連系運転を開始するステップとを備える。
方法について、図面を参照して説明する。本実施形態では、請求項における系統連系用電
力変換装置が、蓄電ハイブリッド発電システムである場合の例について、説明する。図1
は、本実施形態による蓄電ハイブリッド発電システム1の構成を示す。
ある太陽電池2a、及び太陽電池2aから出力された電力を貯蔵する電力貯蔵装置2bと
組み合わせたものであり、太陽電池2aを商用電力系統3に連系させることが可能である
。この蓄電ハイブリッド発電システム1は、停電時において、特定負荷装置Rloadに交流
電力を供給するための自立運転機能を備える。蓄電ハイブリッド発電システム1は、太陽
電池2aで発電された直流電力を最適な出力電力に変換するためのDC/DCコンバータ
4aと、自然エネルギーを最大限に活用するために、電力貯蔵装置2bに対して指示電力
の通りに充放電できる双方向DC/DCコンバータ4bと、これらのDC/DCコンバー
タ4a,4bからの直流出力電力(すなわち、太陽電池2aと電力貯蔵装置2bの少なく
とも一方から入力された電力に基づく直流電力)を交流電力に変換するDC/ACインバ
ータ5(以下、「インバータ5」と略す)を備えている。また、蓄電ハイブリッド発電シ
ステム1は、直流バス電圧平滑化用の電解コンデンサCdc、LCフィルタ6、制御回路
7、系統連系用リレーSu、Sw(請求項における系統連系用スイッチ)、及び自立系統
用リレーSstdも備えている。
Maximum Power Point Tracking)制御という)を行い、太
陽電池からの出力電力が最大(最適)になるように、太陽電池からの入力電圧を調整する
。つまり、DC/DCコンバータ4aは、太陽電池からの入力電圧を所定の電圧まで昇降
圧して、直流出力電圧(直流バス電圧Vdc)をある一定の範囲内で上下させる。双方向
DC/DCコンバータ4bは、自然エネルギーを最大限に活用するための電力貯蔵装置2
bに指示電力の通りに充放電電力制御を行う。つまり、双方向DC/DCコンバータ4b
は、太陽電池2aから供給された電力のうちの余剰電力の量や、買電電力量などの情報に
基づき、電力貯蔵装置2bに対して充放電電力制御を行う。その後、蓄電ハイブリッド発
電システム1は、インバータ5を用いて、DC/DCコンバータ4aと双方向DC/DC
コンバータ4bからの直流出力電力を、交流電力に変換する。なお、蓄電ハイブリッド発
電システム1では、自立運転制御時には、DC/DCコンバータ4aが、常に最大電力点
追従制御を行って、太陽電池からの出力(発電)電力が常に最大になるようにし、電力貯
蔵装置2bが、双方向DC/DCコンバータ4bを介して、直流バス電圧Vdcの一定制
御を行う。
イッチング素子SW1〜SW4を備えており、これらのスイッチング素子は、蓄電ハイブ
リッド発電システムの制御部から送られるPWM(Pulse Width Modul
ation)信号でスイッチングされる。
イン間に接続されたコンデンサCfとから構成され、インバータ5から出力される交流電
圧から、高調波成分(主に、PWM信号のキャリア周波数)を除去する。LCフィルタ6
におけるコンデンサCfが、請求項における「前記インバータと前記商用電力系統との間
に接続されたコンデンサ」に相当する。
、振幅調整回路12、起動制御回路13、PLL(Phase Locked Loop
)回路(同期回路)14、位相角調整回路15、断線溶着検知回路16、自立電圧振幅検
出回路17等の回路を含んでいる。これらの回路11〜17は、マイコンが有する基本的
な機能ブロックを用いて作成した回路である。商用電圧振幅検出回路11、振幅調整回路
12、起動制御回路13、位相角調整回路15、断線溶着検知回路16は、それぞれ、請
求項における商用電圧振幅検出手段、振幅調整手段、起動制御手段、位相角調整手段、断
線溶着検知手段に相当する。また、図4(a)(b)の説明で詳述するが、PLL回路1
4は、自立系統電圧の位相角検出用のPLL回路14a(請求項における出力電圧位相角
検出手段)と、商用系統電圧の位相角検出用のPLL回路14b(請求項における商用電
圧位相角検出手段)と、を含んでいる。
2は、インバータ5からの出力電圧の振幅を、自立系統電圧esdの振幅から段階的に増
加させて、商用電圧振幅検出回路11で検出された商用系統電圧euwの振幅に合わせる
。起動制御回路13は、蓄電ハイブリッド発電システム1の装置の起動後に、振幅調整回
路12によって、インバータ5からの出力電圧の振幅を、商用系統電圧の振幅検出回路1
1で検出された商用系統電圧euwの振幅に合わせてから、インバータ5を商用電力系統
3に接続し、スムーズに系統連系運転制御に移行する(系統連系運転を開始する)ように
制御する。
主に、商用系統電圧euwの位相角θuwに同期した電圧信号を生成するために用いられ
る。このPLL回路14は、後述する商用系統電圧euwの位相角θuwや、装置起動時
におけるインバータ5からの出力電圧の位相角の検出にも、用いられる。位相角調整回路
15は、蓄電ハイブリッド発電システム1の起動時に、インバータ5からの出力電圧(自
立系統電圧esd)の位相角と、PLL回路14によって検出された商用系統電圧euw
の位相角との位相差が、特定の値になるように、インバータ5からの出力電圧の位相角を
調整する。断線溶着検知回路16は、系統連系用リレーSu及びSwの断線と溶着を検知
する回路である。この断線溶着検知回路16が行う検知処理については、後で詳述する。
自立電圧振幅検出回路17は、インバータ5からの出力電圧(自立系統電圧esd)の振
幅を検出する。
リッド発電システム1の商用電力系統3への連系状態と解列状態とを切り替えるためのス
イッチである。
リッド発電システム1から商用電力系統3への逆潮流電流を示す。また、Rloadは、
自立運転時に蓄電ハイブリッド発電システム1から電力が供給される特定負荷装置(以下
、自立負荷という)を示す。
である。図2には、系統連系運転制御部と、自立運転制御部が示されている。蓄電ハイブ
リッド発電システム1の制御回路7は、スイッチSGridが0の位置で系統連系運転制
御を行い、スイッチSGridが1の位置で自立運転制御を行う。また、系統連系運転時
において、有効成分および無効成分の出力電流制御を行い、自立運転時において、交流出
力電圧の一定制御を行う。
部22、インバータ出力電流制御部23、及びPWM制御部24である。有効成分生成部
21は、有効成分の出力電流指令値I* Pと、PLL回路14から出力された商用系統電
圧euwの位相角θuwの正弦値sin(θuw)とを乗算して、有効成分の電流指令値
の瞬時値を生成する。無効成分生成部22は、無効成分の出力電流指令値I* qと、PL
L回路14から出力された商用系統電圧euwの位相角θuwの余弦値cos(θuw)
とを乗算して、無効成分の電流指令値の瞬時値を生成する。なお、図2においてPLL回
路14に入力される自立系統周波数fsdは、従来のPLL回路に必要である基本波周波
数に相当する。また、商用系統周波数fuwは、PLL回路14から求める。つまり、実
際の商用系統周波数と自立系統周波数は異なっても、PLL回路14を用いることにより
、正しい商用系統周波数fuwを検出することができる。
点SP1で加算されて、インバータ5の出力電流指令値i* invとなる。この出力電流
指令値i* invと、インバータ5からのフィードバック値としての出力電流iinvと
は、インバータ出力電流制御部23に送られる。インバータ出力電流制御部23は、イン
バータ5からの出力電流iinvの値が、出力電流指令値i* invに追従するように、
フィードバック制御を行い、系統連系運転時のデューティ比daを算出する。このデュー
ティ比daは、PWM制御部24に入力される。PWM制御部24は、入力されたデュー
ティ比daに基づいて、このデューティ比daに対応するパルス幅のPWM信号を生成す
る。これらのPWM信号に基づいて、インバータ5の各スイッチSW1,SW2,SW3
,SW4(図1参照)のオン・オフが制御される。
転制御部は、交流出力電圧制御部25、交流出力電流制御部26、及びPWM制御部24
で構成されている。
ての自立系統電圧esdとが入力され、交流出力電圧を一定するための交流出力電流指令
値i* invを算出する。その後、この交流出力電流指令値i* invと、フィードバッ
ク値としての出力電流iinvとが、交流出力電流制御部26に入力され、交流出力電流
制御部26は、これらに基づいて、自立運転時のデューティ比dbを算出する。
て、このデューティ比dbに対応するパルス幅のPWM信号を生成する。これらのPWM
信号に基づいて、インバータ5の各スイッチSW1,SW2,SW3,SW4のオン・オ
フが制御される。これにより、自立運転時に、インバータ5から出力される自立系統電圧
esdが、ほぼ、自立系統電圧指令値e* sdに維持される。
5の出力側のコンデンサCfへの突入電流を抑制するために、系統連系運転に移行する前
に、自立運転制御を行う。そして、この自立運転制御時に、インバータ5からの出力電圧
の振幅を、商用系統電圧の振幅に合わせてから、上記図2に示される系統連系運転制御に
移行するという起動制御方法を採用している。
よって行われる、インバータ5からの出力電圧(自立系統電圧esd)の振幅調整制御ブ
ロックである。蓄電ハイブリッド発電システム1の制御回路7は、スイッチSsdが1の
位置のときには、自立系統電圧esdの最大値 Esd.max(振幅)を、自立系統電
圧esdの最大値の指令値E* cstに合わせる制御を行い、スイッチSsdが0の位置
のときには、自立系統電圧esdの最大値Esd.max(振幅)を、商用系統電圧eu
wの最大値(商用系統電圧の振幅)Euw.maxに合わせる制御を行う。
axが、自立系統電圧esdの最大値(振幅)、E* sd.max(k−1)が、k次の
サンプリング周期の一つ前の自立系統電圧の最大値の指令値、θsdが、通常の自立運転
時における自立系統電圧esdの位相角、θuwが商用系統電圧euwの位相角、Δφが
、上記の自立系統電圧の位相角θsdと商用系統電圧の位相角θuwとの差を設けるため
に、新たに挿入した位相角度の閾値である。なお、(k)はk次サンプリング周期の値、すな
わち現在値の意味である。(k-1)は現在値から一つ前のサンプリングした値である。また
、本実施形態のサンプリング周期はスイッチング周波数の逆数である。
チSsdが1の位置のときには、加え合わせ点SP2において、自立系統電圧esdの最
大値の指令値E* cstから、その時点における自立系統電圧esdの最大値Esd.m
axを減算して、これらの値の差分値を求める。比例制御部27は、上記の差分値に対し
て、比例ゲインKpを乗算して、加え合わせ点SP3に出力する。ここで、比例ゲインK
pには、1よりも遥かに少ない正の値(例えば、0.01)が用いられる。この比例制御
部27からの出力値は、加え合わせ点SP3において、一つ前の自立系統電圧の最大値の
指令値E* sd.max(k−1)と加算されて、現在の自立系統電圧の最大値の指令値
E* sd.max(k)として、乗算器28に送られる。乗算器28は、加え合わせ点S
P3から送られた値と、図4(a)のPLL回路14bで求めた自立系統電圧esdの位
相角θsdに対応する正弦値sin(θsd)とを乗算して、自立系統電圧指令値e* s
dを算出する。
1)を採用したことにより、一つ前の自立系統電圧の最大値の指令値E* sd.max(
k−1)を段階的に増加させていくことで、自立系統電圧esdの最大値(振幅)Esd
.maxを、自立系統電圧esdの最大値の指令値E* cstに追従させることができる
。
sdの最大値Esd.maxの初期値、及び一つ前の自立系統電圧の最大値の指令値E*
sd.max(k−1)の初期値は、0に設定される。このように、Esd.maxとE
* sd.max(k−1)の初期値を0に設定した上で、上記のように、自立系統電圧の
最大値(振幅)Esd.maxを、自立系統電圧esdの振幅の指令値E* cstに徐々
に合わせる方法を採用したことにより、装置の起動時に、ソフトスタートの効果を得るこ
とができる。また、自立負荷に電力供給する際に、負荷急変による自立系統電圧の振幅値
を逸脱しないように、自立系統電圧指令値e* sdの振幅値を調整できる効果があると考え
る。
記のように、自立系統電圧esdの最大値(振幅)Esd.maxを、自立系統電圧es
dの最大値の指令値E* cstに合わせた後、スイッチSsdを0の位置に切り替えて、
自立系統電圧esdの最大値(振幅)Esd.maxを、商用系統電圧euwの最大値(
振幅)Euw.maxに合わせる。すなわち、インバータ5からの出力電圧(自立系統電
圧esd)の振幅を、商用系統電圧euwの振幅に合わせる。
理について、詳述する。蓄電ハイブリッド発電システム1の制御回路7(主に、振幅調整
回路12)は、スイッチSsdが0の位置のときには、加え合わせ点SP2において、(
商用電圧振幅検出回路11で検出した)商用系統電圧euwの最大値(振幅)Euw.m
axから、その時点における自立系統電圧esdの最大値Esd.maxを減算して、こ
れらの値の差分値を求める。比例制御部27は、上記の差分値に対して、比例ゲインKp
を乗算して、加え合わせ点SP3に出力する。ここで、上記のスイッチSsdが1の位置
の時と同様に、比例ゲインKpには、1よりも遥かに少ない正の値(例えば、0.01)
が用いられる。
電圧の最大値の指令値E* sd.max(k−1)と加算されて、現在の自立系統電圧の
最大値の指令値E* sd.max(k)として、乗算器28に送られる。乗算器28は、
加え合わせ点SP3から送られた現在の自立系統電圧の最大値の指令値E* sd.max
(k)と、(θuw+Δφ)の正弦値sin(θuw+Δφ)とを乗算して、自立系統電
圧指令値e* sdを算出する。上記のように、比例ゲインKpとして、1よりも遥かに少
ない正の値を採用したことにより、一つ前の自立系統電圧の最大値の指令値E* sd.m
ax(k−1)を段階的に増加させていくことで、インバータ5からの出力電圧(自立系
統電圧esd)の最大値(振幅)Esd.maxを、商用系統電圧euwの振幅に徐々に
追従させることができる。
らの出力電圧(自立系統電圧esd)の最大値(振幅)Esd.max、及び一つ前の自
立系統電圧の最大値の指令値E* sd.max(k−1)は、自立系統電圧esdの最大
値の指令値E* cstと略同じ値になっている。
ンバータ5から出力される電圧の最大値(振幅)Esd.maxを、商用系統電圧euw
の振幅に徐々に合わせる方法を採用したことにより、装置の起動時に、スイッチSsdが
、1の位置から0の位置に切り替えられた後にも、ソフトスタートの効果を得ることがで
きる。
dが0の位置のときには、下記の式(1)、及び式(2)であり、スイッチSsdが1の
位置のときには、下記の式(3)、及び式(4)である。また、商用系統電圧euwの最
大値(振幅)Euw.maxの算出式は、下記の式(5)である。これらの式において、
Tuwは、商用系統電圧euwの周期である。また、fuwは、商用系統電圧euwの周
波数である。Tsdは、自立系統電圧esdの周期である。また、fsdは、自立系統電圧e
sdの周波数である。
自立系統電圧esdの位相角θsdには、それぞれ、図4(a)に示される商用系統電圧
用のPLL回路14aと自立系統電圧用のPLL回路14bで求めた値が用いられる。図
4(a)において、fsdは、自立系統電圧esdの周波数を示す。
圧用のPLL回路14bの制御ブロックについて、説明する。PLL回路14aとPLL
回路14bとは、入力電圧einの種類は異なるが、同様な制御を行うので、図4(b)
の説明では、これらのPLL回路14a、14bをまとめて、PLL回路14として説明
する。図4(b)において、入力電圧einは、商用系統電圧euw又は自立系統電圧e
sdを示す。図中のEin.maxとθoは、入力電圧einが商用系統電圧euwのと
きには、Euw.maxとθuwとを示し、入力電圧einが自立系統電圧esdのとき
には、Esd.maxとθsdとを示す。
33、積分器34、帰還信号生成器35、及び周波数算出器36を備えている。除算器3
1は、PLL回路14への入力電圧einと、制御回路7が求めた入力電圧einの最大
値(振幅)Ein.maxとに基づいて、入力電圧einの位相角θinの正弦値sin
(θin)を算出する。この正弦値sin(θin)は、乗算器32において、帰還信号
生成器35から出力された帰還信号電圧値cos(θo)と乗算されて、ループコントロ
ーラ33に入力される。ループコントローラ33は、入力値に基づいて、入力電圧ein
と帰還信号電圧との角周波数の差に比例した調整値を出力する。加え合わせ点SP4では
、自立系統電圧esdの角周波数ωsd(=2πfsd)から、上記の調整値が減算され
て、調整後の角周波数ωoが求められる。積分器34は、上記の調整後の角周波数ωoを
積分し、入力電圧einの位相角θ0を算出する。なお、PLL回路からの出力周波数f
0は、周波数算出器36を用いて、角周波数ωoから算出する。
統電圧esdの振幅Esd.maxが、初期値の0のときでも、自立系統電圧esdの角
周波数ωsdに基づいて、自立系統電圧esdの周波数fsdに応じた位相角θ0を求め
ることができる。また、上記のように、基本周波数を、商用系統電圧euwの周波数fu
wとは異なる、自立系統電圧esdの周波数fsdに設定していても、系統連系運転時に
は、ループコントローラ33の働きにより、問題なく、商用系統電圧euwの位相角θu
wを求めることができる。
wの周波数fuwが、60Hzの場合であっても、上記のように、PLL回路14で商用
系統電圧euwの位相角θuwを求めることにより、起動時に、インバータ5から出力さ
れる電圧の位相角を、商用系統電圧euwの位相角θuwから追加した位相差Δφだけ離
れた位相角(θuw+Δφ)に維持することができる。
電圧(自立系統電圧esd)の振幅と位相を調整するようにしたことにより、自立系統電
圧esdの最大値の指令値E* cstと商用系統電圧euwの最大値(振幅)Euw.m
axとが異なる場合や、自立系統電圧esdの位相角θsdと商用系統電圧euwの位相
角θuwとが異なる場合でも、蓄電ハイブリッド発電システム1をスムーズに起動させる
ことができる。ここで、「スムーズに起動させることができる」とは、起動時に、インバ
ータ5からの出力電圧(自立系統電圧esd)の最大値 (振幅)Esd.maxが急増す
るのを避けることができることを意味する。
の自立運転時における自立系統電圧esdの実効値と周波数が、100Vと50Hzの場
合であっても、上記図3に示される制御方法で、装置の起動時の自立運転制御を行ってか
ら、インバータ5を商用電力系統3に接続して、系統連系運転を開始するように制御する
ことにより、インバータ5からの出力電圧の最大値(振幅)を急増させることなく、蓄電
ハイブリッド発電システム1をスムーズに商用電力系統3に連系することができる。
1の起動時の制御の流れについて、説明する。本蓄電ハイブリッド発電システム1の制御
回路7(主に、起動制御回路13)は、商用電力系統3と連系する前に、まず、スイッチ
SGridを1の位置、スイッチSsdを1の位置、系統連系用リレーSu、Swをオフ
、自立系統用リレーSstdをオフに切り替えて、自立運転制御を行う(S1)。なお、
請求項における「自立運転制御」とは、上記のように、起動時に、自立系統用リレーSs
tdをオフにした状態で、図2に示される自立運転制御部によって行われる制御を意味す
る。自立運転制御の開始から所定時間が経過して(S2でYES)、インバータ5からの
出力電圧の最大値(振幅)が、自立系統電圧esdの最大値の指令値E* cstにまで達す
ると、制御回路7は、商用電力系統3と連系するように設定されている場合は(S3でY
ES)、スイッチSsdを0の位置に切り替えて、図3に示される制御処理を行うことに
より、インバータ5からの出力電圧(自立系統電圧esd)の振幅、位相、及び周波数を
、商用系統電圧euwの振幅、位相、及び周波数に合わせる(S4)。ただし、この時の
位相角については、インバータ5からの出力電圧の位相角θsdが、商用系統電圧euw
の位相角θuwと位相差Δφを有する位相角(θuw+Δφ)に切り替わる。
溶着検知回路16)は、図6に示すような、系統連系用リレーSu、Swのオン・オフの
切り替えを行って、系統連系用リレーSu、Swの断線と溶着とを検知する(図5のS5
)。
、Swを、いずれも、オフにした状態で、系統連系用リレーSu、Swの両方が溶着して
いるか否かを検知する。また、(2)の期間には、制御回路7は、系統連系用リレーSu
のみをオンに切り替えて、系統連系用リレーSwをオフにしたままの状態で、系統連系用
リレーSwが溶着しているか否かを検知する。また、(2)の期間の終了から所定期間T
dlyが経過すると、制御回路7は、(3)の期間において、系統連系用リレーSuをオ
フに、系統連系用リレーSwをオンに切り替えて、系統連系用リレーSuが溶着している
か否かを検知する。そして、(3)の期間の終了から所定期間Tdlyが経過すると、制
御回路7は、(4)の期間において、系統連系用リレーSu、Swのいずれかが断線して
いるか否かを検知する。
説明する。まず、制御回路7は、図4(a)に示されるように、商用系統電圧の位相角検
出用のPLL回路14bと、自立系統電圧の位相角検出用のPLL回路14aを用いて、
商用系統電圧euwの位相角θuwと、自立系統電圧esdの位相角θsdとを求める。
そして、図6中の(1)、(2)、及び(3)の期間において、下記の式(6)に示す、
商用系統電圧の位相角θuwと自立系統電圧の位相角θsdとの位相差(請求項3におけ
る「検出位相差」)の検出値Δxが、式(7)に示すように、ある閾値(例えば、k1・
Δφ(ただし、k1は、比例定数))以下であると、制御回路7は、系統連系用リレーS
u、Swに溶着状態が発生していると判定して(図5のS5でNO)、蓄電ハイブリッド
発電システム1の運転を停止する(図5のS6)。
|θuw−θsd|=Δx・・・(6)
Δx≦k1・Δφ・・・(7)
ように、ある閾値(例えば、k2・Δφ(ただし、k2は、比例定数))以上であると、
制御回路7は、系統連系用リレーSu、Swの少なくともいずれかに断線状態が発生して
いると判定して(図5のS5でNO)、蓄電ハイブリッド発電システム1の運転を停止す
る(図5のS6)。
Δx≧k2・Δφ・・・(8)
、系統連系運転を開始する前に、系統連系用リレーSu、Swを連系状態に切り替えた時
に、PLL回路14bとPLL回路14aによって検出された、商用系統電圧の位相角θ
uwと自立系統電圧の位相角θsdとの位相差の検出値Δxに基づいて、系統連系用リレ
ーSu、Swの断線を検知し、系統連系用リレーSu、Swを解列状態に切り替えた時に
、PLL回路14bとPLL回路14aによって検出された上記の位相差の検出値Δxに
基づいて、系統連系用リレーSu、Swの溶着を検知する。
るが、特許文献2に記載された電力変換装置では、自立系統用リレーの溶着を検知するこ
とはできても、自立系統用リレーの断線を検知することはできない。
た場合は(S5でYES)、制御回路7(主に、起動制御回路13)は、スイッチSGr
idを0の位置に、系統連系用リレーSu、Swをオンにして、自立運転から系統連系運
転に切り替え(S7)、図2の上部に示される系統連系運転時の制御を行う。
NO)、制御回路7は、自立系統用リレーSstdをオンに切り替えて(S8)、自立運
転を開始する。
特徴がある。1つ目の特徴は、商用電力系統3と連系する前に、自立運転制御を行うこと
である。起動直後に、商用電力系統3と連系すると、起動時において、いきなり商用系統
電圧euwがコンデンサCfに印加されて、コンデンサCfへの印加電圧が急増するので
、コンデンサCfに突入電流が流れるおそれがある。これに対して、商用電力系統3と連
系する前に、上記図3に示されるように、スイッチSsdを1の位置にセットして、ソフ
トスタートで自立運転制御を行うと、コンデンサCfへの印加電圧が徐々に増加するので
、商用電力系統と連系する際に、コンデンサCfに突入電流が流れるおそれをなくすこと
ができる。
図3に示されるスイッチSsdを0の位置にセットして、インバータ5からの出力電圧の
振幅(自立系統電圧esdの振幅)を、徐々に商用系統電圧euwの振幅に合わせるフィ
ードバック制御を行うことである。3つ目の特徴は、系統連系運転制御に移行する前に、
系統連系用リレーSu、Swの不良の確認(断線状態と溶着状態の検知)を行うことであ
る。
る。ここで、スムーズに切り替わる理由は、(1)本蓄電ハイブリッド発電システム1が
、上記2つ目の特徴により、インバータ5から出力される電圧の振幅(自立系統電圧es
dの振幅)を、商用系統電圧euwの振幅に合わせてから、系統連系運転制御に移行する
からという理由と、(2)本蓄電ハイブリッド発電システム1が、3つ目の特徴により、
系統連系用リレーSu、Swに不良(断線状態と溶着状態)がないことを確認してから、
系統連系運転を開始するからという理由による。
法を採用することにより、従来のような突入電流防止回路を設けることなく、装置の起動
時における、インバータ5と商用電力系統3との間に設けられたコンデンサCfへの突入
電流を、抑制することができる。また、商用電力系統3と連系する前に、系統連系用リレ
ーSu、Swの断線状態と溶着状態を、確実に検知することができる。
上で、蓄電ハイブリッド発電システム1の起動時の実験を行った。なお、通常の運用時に
は、図5のフローチャートで示されるように、系統連系用リレーSwが溶着している場合
には、蓄電ハイブリッド発電システム1の運転を停止して、系統連系運転には移行しない
が、この実験では、系統連系用リレーSwの溶着を検知した後に、敢えて、系統連系運転
に移行させて、上記の起動時の制御方法を採用した場合における、コンデンサCfへの突
入電流の発生状況を確認した。要するに、この起動時の実験は、上記の起動時の制御方法
を採用した場合における、コンデンサCfへの突入電流の抑制効果と、系統連系用リレー
Su、Swの断線・溶着の確認効果とを、一度に確認するためのものである。
力系統3と連系する直前における、インバータ5からの出力電圧(自立系統電圧esd)
及び商用系統電圧euwと、自立運転から系統連系運転への切り替え時におけるコンデン
サCfへの突入電流の発生状況とを示す。この図において、インバータ5からの出力電圧
esdを、一点鎖線で示し、商用系統電圧euwを、実線で示している。また、図におい
て、逆潮流電流ispを、破線で示している。なお、図7において、縦軸は、電圧(V)
と電流(A)を示し、横軸は、時間t(秒)を示す。
、逆潮流電流ispが、スパイク状の突入電流となった。ここで、逆潮流電流ispにス
パイク状の突入電流が発生した理由は、上記の(スイッチSsdが0の位置のときにおけ
る)自立系統電圧esdと商用系統電圧euwとの位相差Δφ(200μs、すなわち、
約4.32°)を設けため、系統連系用リレーSu、Swをオンした瞬間に、自立系統電
圧esdと商用系統電圧との位相差Δφに起因して、コンデンサCfに印加される交流電
圧と商用系統電圧の差分で、コンデンサCfに電流が流れてしまい、その結果、瞬時突入
電流が流れてしまうからである。ただし、位相差Δφは、上記のように小さい値に設定し
ているため、図7に示されるように、発生する瞬時突入電流は、20Aまでの値である。
このレベルの瞬時突入電流が発生しても、インバータ5のスイッチング素子SW1〜SW
4の最大許容電流を超えないので、インバータ5を含む蓄電ハイブリッド発電システム1
全体が、正常に動作する。
出力電圧の振幅と位相を調整するようにしたことにより、コンデンサCfへの突入電流を
抑制することができることを確認することができた。また、上記の系統連系用リレーの断
線と溶着の検知方法により、系統連系用リレーの溶着を検知することができることを確認
することができた。
に、インバータ5からの出力電圧(自立系統電圧esd)の振幅を、所定の値から段階的
に増加させて、検出された商用系統電圧euwの振幅に合わせてから、インバータ5を商
用電力系統3に接続して、系統連系運転を開始するようにした。これにより、装置の起動
時に、インバータ5と商用電力系統3との間に設けられたコンデンサCfに印加される電
圧が、0Vから商用系統電圧euwに急増することを防ぐことができるので、突入電流防
止回路を設けることなく、装置の起動時における、インバータ5と商用電力系統3との間
に設けられたコンデンサCfへの突入電流を抑制することができる。
御回路13)が、装置の起動後に、位相角調整回路15によって、上記の位相差が、特定
の値になるように、インバータ5からの出力電圧(自立系統電圧esd)の位相角θsd
を調整してから、インバータ5を商用電力系統3に接続して、系統連系運転を開始するよ
うに制御する。これにより、インバータ5からの出力電圧(自立系統電圧esd)の振幅
だけではなく、位相角度も、商用系統電圧euwの位相角を用いて調整してから、インバ
ータ5を商用電力系統3に接続して、系統連系運転を開始することができる。従って、蓄
電ハイブリッド発電システム1が商用電力系統3と連系する際に、インバータ5と商用電
力系統3との間に設けられたコンデンサCfに印加される電圧の変動をさらに抑えること
ができるので、コンデンサCfへの突入電流をさらに抑制することができる。
開始する前に、系統連系用リレーSu、Swを連系状態に切り替えた時に、PLL回路1
4aとPLL回路14bによって検出された、インバータ5からの出力電圧(自立系統電
圧esd)と商用系統電圧euwとの位相差の検出値Δxに基づいて、系統連系用リレー
Su、Swの断線を検知し、系統連系用リレーSu、Swを解列状態に切り替えた時に、
PLL回路14aとPLL回路14bによって検出された上記の位相差の検出値Δxに基
づいて、系統連系用リレーSu、Swの溶着を検知する。これにより、系統連系運転を開
始する前に、系統連系用リレーSu、Swの断線と溶着を検知することができる。
なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種
々の変形が可能である。次に、本発明の変形例について説明する。
上記の実施形態では、図3に示されるインバータ5からの出力電圧(自立系統電圧es
d)の振幅の調整制御において、スイッチSsdを1の位置にセットして、自立系統電圧
esdの最大値(振幅)Esd.maxを、自立系統電圧esdの最大値の指令値E* c
stに合わせてから、スイッチSsdを0の位置に切り替えて、自立系統電圧esdの最
大値(振幅)Esd.maxを、商用系統電圧euwの最大値(振幅)Euw.maxに
合わせるようにした。けれども、図5に示される起動時の制御において、S1の自立運転
処理を行わず、図8に示されるように、装置の起動直後に、スイッチSsdを0の位置に
セットして、自立系統電圧esdの最大値(振幅)Esd.maxを、0から徐々に増加
させて、商用系統電圧euwの最大値(振幅)Euw.maxに合わせるようにしてもよ
い(図8のS11)。この場合、図3に示される振幅の調整制御において、(スイッチS
sdを0の位置にセットした時に、)自立系統電圧esdの最大値(振幅)Esd.ma
x、及び一つ前の自立系統電圧の最大値の指令値E* sd.max(k−1)の初期値は
、0にセットされる。
装置の起動時にソフトスタートの効果を得ることができる。
るS5、S6、及びS7のステップに相当する。
上記の実施形態では、系統連系用リレーSu、Swの断線と溶着を検知するために、制
御回路7は、装置の起動後に、インバータ5からの出力電圧(自立系統電圧esd)の位
相角と、PLL回路14によって検出された商用系統電圧euwの位相角との位相差が、
特定の値(Δφ)になるように、インバータ5からの出力電圧の位相角を調整したが、制
御回路は、装置の起動後に、上記の位相差が、所定の範囲内の値になるように、インバー
タからからの出力電圧の位相角を調整してもよい。この構成においても、LCフィルタを
構成するコンデンサへの突入電流を抑制することができる。
上記の実施形態では、請求項における「コンデンサ」が、LCフィルタ6を構成するコ
ンデンサCfである場合の例を示したが、請求項における「コンデンサ」は、これに限ら
れず、インバータと商用電力系統との間に接続されたコンデンサ(インバータの出力側の
コンデンサ)であればよい。
上記の実施形態では、本発明の系統連系用電力変換装置が、太陽光発電用の蓄電ハイブ
リッド発電システム1である場合の例について説明した。けれども、本発明の適用対象と
なる自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置は、これに限られず、風力発電装置等
の多種多様な分散型電源用のDC/DCコンバータと、電力貯蔵装置用の双方向DC/D
Cコンバータとを備えた、他の種類の蓄電ハイブリッド発電システムにも適用することが
できる。また、本発明の適用対象となる自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置は
、必ずしも、分散型電源及び電力貯蔵装置を備えたものに限られず、外付けの分散型電源
及び電力貯蔵装置と接続して、蓄電ハイブリッド発電システムを構成するものであっても
よい。
上記の実施形態では、制御回路7が、いわゆるマイコンを用いて構成されている場合の
例を示したが、制御回路7は、これに限られず、例えば、システムLSIであってもよい
。
2a 太陽電池(分散型電源)
2b 電力貯蔵装置
3 商用電力系統
5 インバータ
11 商用電圧振幅検出回路(商用電圧振幅検出手段)
12 振幅調整回路(振幅調整手段)
13 起動制御回路(起動制御手段)
14、14a、14b PLL回路(商用電圧位相角検出手段、出力電圧位相角検出手段
)
15 位相角調整回路(位相角調整手段)
16 断線溶着検知回路(断線溶着検知手段)
Cf コンデンサ
Su、Sw 系統連系用リレー(系統連系用スイッチ)
Δφ 位相差
Claims (7)
- 分散型電源を商用電力系統に連系するための系統連系用電力変換装置であって、
前記分散型電源と前記分散型電源から出力された電力を貯蔵する電力貯蔵装置との少なくとも一方から入力された電力に基づく直流電力を、交流電力に変換するインバータと、
前記インバータと前記商用電力系統との間に接続されたコンデンサと、
前記商用電力系統の電圧である商用系統電圧の振幅を検出する商用電圧振幅検出手段と、
前記インバータからの出力電圧の振幅を、所定の値から段階的に増加させて、前記商用電圧振幅検出手段で検出された商用系統電圧の振幅に合わせる振幅調整手段と、
前記商用系統電圧の位相角を検出する商用電圧位相角検出手段と、
前記インバータからの出力電圧の位相角を検出する出力電圧位相角検出手段と、
前記出力電圧位相角検出手段によって検出された前記インバータからの出力電圧の位相角と、前記商用電圧位相角検出手段によって検出された商用系統電圧の位相角との位相差が、所定の範囲内の値になるように、前記インバータからの出力電圧の位相角を調整する位相角調整手段と、
前記分散型電源の前記商用電力系統への連系状態と解列状態とを切り替えるための系統連系用スイッチと、
前記系統連系運転を開始する前に、前記系統連系用スイッチを前記連系状態に切り替えた時における、前記出力電圧位相角検出手段によって検出された位相角と、前記商用電圧位相角検出手段によって検出された位相角との差である検出位相差に基づいて、前記系統連系用スイッチの断線を検知し、前記系統連系用スイッチを前記解列状態に切り替えた時における前記検出位相差に基づいて、前記系統連系用スイッチの溶着を検知する断線溶着検知手段と、
装置の起動後に、前記振幅調整手段によって、前記インバータからの出力電圧の振幅を、前記商用電圧振幅検出手段で検出された商用系統電圧の振幅に合わせてから、前記インバータを前記商用電力系統に接続して、系統連系運転を開始するように制御する起動制御手段とを備える、自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置。 - 分散型電源を商用電力系統に連系するための系統連系用電力変換装置であって、
前記分散型電源と前記分散型電源から出力された電力を貯蔵する電力貯蔵装置との少なくとも一方から入力された電力に基づく直流電力を、交流電力に変換するインバータと、
前記インバータと前記商用電力系統との間に接続されたコンデンサと、
前記商用電力系統の電圧である商用系統電圧の振幅を検出する商用電圧振幅検出手段と、
前記インバータからの出力電圧の振幅を、所定の値から段階的に増加させて、前記商用電圧振幅検出手段で検出された商用系統電圧の振幅に合わせる振幅調整手段と、
前記商用系統電圧の位相角を検出する商用電圧位相角検出手段と、
前記インバータからの出力電圧の位相角を検出する出力電圧位相角検出手段と、
前記出力電圧位相角検出手段によって検出された前記インバータからの出力電圧の位相角と、前記商用電圧位相角検出手段によって検出された商用系統電圧の位相角との位相差が、特定の値になるように、前記インバータからの出力電圧の位相角を調整する位相角調整手段と、
前記分散型電源の前記商用電力系統への連系状態と解列状態とを切り替えるための系統連系用スイッチと、
前記系統連系運転を開始する前に、前記系統連系用スイッチを前記連系状態に切り替えた時における、前記出力電圧位相角検出手段によって検出された位相角と、前記商用電圧位相角検出手段によって検出された位相角との差である検出位相差に基づいて、前記系統連系用スイッチの断線を検知し、前記系統連系用スイッチを前記解列状態に切り替えた時における前記検出位相差に基づいて、前記系統連系用スイッチの溶着を検知する断線溶着検知手段と、
装置の起動後に、前記振幅調整手段によって、前記インバータからの出力電圧の振幅を、前記商用電圧振幅検出手段で検出された商用系統電圧の振幅に合わせると共に、前記位相角調整手段によって、前記位相差が、特定の値になるように、前記インバータからの出力電圧の位相角を調整してから、前記インバータを前記商用電力系統に接続して、系統連系運転を開始するように制御する起動制御手段とを備える、自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置。 - 前記起動制御手段は、装置の起動直後に、自立運転制御を行い、この自立運転制御時に、前記インバータからの出力電圧の振幅を、前記振幅調整手段により、前記商用電圧振幅検出手段で検出された商用系統電圧の振幅に合わせることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置。
- 前記振幅調整手段は、前記インバータからの出力電圧の振幅を、自立運転時に装置から出力される自立系統電圧の振幅、又は0から、段階的に増加させて、前記商用電圧振幅検出手段で検出された商用系統電圧の振幅に合わせることを特徴とする請求項1乃至請求項3の少なくともいずれか一項に記載の自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置。
- 前記商用電圧位相角検出手段及び前記出力電圧位相角検出手段は、PLL回路であることを特徴とする請求項1乃至請求項4の少なくともいずれか一項に記載の自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置。
- 分散型電源と前記分散型電源から出力された電力を貯蔵する電力貯蔵装置との少なくとも一方から入力された電力に基づく直流電力を、交流電力に変換するインバータと、前記インバータと商用電力系統との間に接続されたコンデンサと、前記分散型電源の前記商用電力系統への連系状態と解列状態とを切り替えるための系統連系用スイッチとを備えた、自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置の起動制御方法であって、
前記商用電力系統の電圧である商用系統電圧の振幅を検出するステップと、
前記系統連系用電力変換装置の起動後に、前記インバータからの出力電圧の振幅を、所定の値から段階的に増加させて、前記商用系統電圧の振幅に合わせるステップと、
前記インバータからの出力電圧の位相角と、前記商用系統電圧の位相角との位相差が、所定の範囲内の値になるように、前記インバータからの出力電圧の位相角を調整するステップと、
前記系統連系運転を開始する前に、前記系統連系用スイッチを前記連系状態に切り替えた時に検出された、前記インバータからの出力電圧の位相角と前記商用系統電圧の位相角との差である検出位相差に基づいて、前記系統連系用スイッチの断線を検知し、前記系統連系用スイッチを前記解列状態に切り替えた時に検出された前記検出位相差に基づいて、前記系統連系用スイッチの溶着を検知するステップと、
前記インバータを前記商用電力系統に接続して、系統連系運転を開始するステップとを備える、自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置の起動制御方法。 - 分散型電源と前記分散型電源から出力された電力を貯蔵する電力貯蔵装置との少なくとも一方から入力された電力に基づく直流電力を、交流電力に変換するインバータと、前記インバータと商用電力系統との間に接続されたコンデンサと、前記分散型電源の前記商用電力系統への連系状態と解列状態とを切り替えるための系統連系用スイッチとを備えた、自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置の起動制御方法であって、
前記商用電力系統の電圧である商用系統電圧の振幅を検出するステップと、
前記系統連系用電力変換装置の起動後に、前記インバータからの出力電圧の振幅を、所定の値から段階的に増加させて、前記商用系統電圧の振幅に合わせるステップと、
前記インバータからの出力電圧の位相角と、前記商用系統電圧の位相角との位相差が、特定の値になるように、前記インバータからの出力電圧の位相角を調整するステップと、
前記系統連系運転を開始する前に、前記系統連系用スイッチを前記連系状態に切り替えた時に検出された、前記インバータからの出力電圧の位相角と前記商用系統電圧の位相角との差である検出位相差に基づいて、前記系統連系用スイッチの断線を検知し、前記系統連系用スイッチを前記解列状態に切り替えた時に検出された前記検出位相差に基づいて、前記系統連系用スイッチの溶着を検知するステップと、
前記インバータを前記商用電力系統に接続して、系統連系運転を開始するステップとを備える、自立運転機能を有する系統連系用電力変換装置の起動制御方法。
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