JP6109050B2 - 解列制御装置、解列制御方法およびパワーコンディショナー - Google Patents

Description

本発明は、解列制御装置、解列制御方法およびパワーコンディショナーに関する。

商用電源に比べて比較的小規模な発電装置（電源）を電力需要家の近くに分散配置して電力の供給を行う分散型電源システムが知られている。工事や事故等の種々の原因で、商用電源による電力供給を停止する場合がある。商用電源による電力供給が停止している状態（停電状態）で分散型電源システムから系統負荷に電力が供給される状態を、単独運転という。単独運転が発生すると、本来、無電圧であるべき商用電源系統が充電されることとなり、当該系統での作業に保安面等の問題が生じる虞がある。したがって、分散型電源システムの単独運転を検出して、単独運転を解消する等の措置が必要になる。

分散型電源システムの単独運転を検出する方式として、受動的方式と能動的方式が知られている。受動的方式は、系統電圧を監視して、系統停電の場合に単独運転時に現れる変化を検出する方式である。能動的方式は、分散型電源システム側から系統電圧に変動を与えるために外乱信号（能動信号）を印加して、系統停電の場合に単独運転時に現れる周波数の変化を検出する方式である。

また、単独運転を解消する方法としては、分散型電源システムと商用電源系統とを並列または解列させるための連系リレーを設け、単独運転の検出時に連系リレーを遮断して、分散型電源システムと商用電源系統とを解列させる方法が知られている。連系リレーは、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００９−４４９１０号公報

近年では分散型電源システムの普及が進み、比較的近い地域や範囲で複数の分散型電源システムが並列されるケースが多くなっている。ここで、商用電源系統に停電が発生した際に、各分散型電源システムにおいて単独運転を検出して連系リレーを遮断する場合、次のような問題が発生する。

近隣の複数の分散型電源システム同士は、同期されているとは限らず、能動方式による単独運転の検出タイミングが複数の分散型電源システム間においてずれる可能性がある。このように、単独運転の検出タイミングがずれている場合、ある分散型電源システムが他のシステムよりも先に単独運転を検出し、連系リレーを遮断してしまうと、系統の変動や信号の相互干渉により、まだ系統に接続されている分散型システムに影響を与える可能性がある。たとえば、まだ系統に接続されている分散型システムにおいて、検出している電圧の周波数が変化し、単独運転時に現れる変化が検出できなくなってしまう場合がある。これでは、停電時に、分散型電源システムにおいて、単独運転が発生してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、単独運転発生時に、他の分散型電源システムにおける単独運転の検出に影響を与えず、分散型電源システムと商用電源系統との解列を行える解列制御装置、解列制御方法、および、パワーコンディショナーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、解列制御装置は、単独運転判定部と、位相検出部と、遅延部と、指示部を備える。単独運転判定部は、商用電源系統と連系して運転する分散型電源システムの単独運転の発生有無を判定し、単独運転が発生する場合に判定信号を発生する。位相検出部は、商用電源の交流電圧または前記分散電源システムが出力する交流電圧を位相に変換する。遅延部は、単独運転判定部から単独運転有りの判定信号を受信すると、位相検出部から送信される位相情報に基づき、その判定時点の交流電圧の位相を基準として少なくとも半周期以上の遅延処理（待機）後に、指示部に遅延信号を発生する。指示部は、遅延部から遅延信号を受信すると、商用電源系統から分散型電源システムを解列させるための解列信号を発生する。

また、解列制御方法は、単独運転判定ステップと、位相検出ステップと、解列指示ステップと、を含む。単独運転判定ステップにおいては、商用電源系統と連系して運転する分散型電源システムの単独運転の発生有無を判定する。位相検出ステップにおいては、商用電源系統の交流電圧の位相を検出する。解列指示ステップにおいては、単独運転判定ステップにおいて単独運転の発生有りと判定されると、当該判定時の交流電圧の位相を基準として、当該位相の半周期以上経過後に商用電源系統と分散電源システムとの解列を指示する。

以上の解列制御装置、解列制御方法およびパワーコンディショナーによれば、単独運転の発生有りと判定した場合、その判定時点の交流電圧の位相を基準として少なくとも半周期以上経過後に分散型電源システムと商用電源系統とが解列される。したがって、複数の分散型電源システムが並列され、各分散型電源システムにおける単独運転検出のタイミングがずれていても、実際に解列が実行されるのは、全ての分散型電源システムにおける単独運転発生の判定後になる。つまり、先行して単独運転の発生有りとした分散型電源システムが実行する解列動作が、他の分散型電源システムの単独運転検知に影響を与えることがなくなる。これにより、並列されている全ての分散型電源システムにおいて、停電時において確実に単独運転検知および解列を実行することができる。

複数の分散型電源システムが商用電源系統に接続されている様子を示す概念図である。 本発明に係る分散型電源システムの系統連系概略構成を示す図である。 複数のパワーコンディショナーが商用電源系統に接続される様子を示す概念図である。 各パワーコンディショナーにおける単独運転の検出タイミングを示す図である。 単独運転の誤検知が発生する原理を説明する図である。 本発明に係る他の分散型電源システムの系統連系概略構成を示す図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明に置いて同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、複数の分散型電源システムが商用電源系統に接続されている様子を示す概念図である。

図１では、各需要家に分散型電源システム１が設けられている例を示す。本実施形態に係る分散型電源システム１は、電源１０の電力を、商用電源系統１１と連系して負荷１２に供給可能なシステムである。図１に示す通り、電源１０とパワーコンディショナー１３と、を備える。分散型電源システム１は、電源１０と商用電源系統１１の間に、パワーコンディショナー１３が接続される。

電源１０は、電力の供給を受けて使用する者（以下では、「需要家」と称する）の受電設備近隣に分散して配置される中小規模の発電装置である。例えば、電源１０は、太陽電池、燃料電池、エンジン発電機、または蓄電池である。図１では、電源１０として太陽光パネルに接続された太陽電池を用いる形態を示す。

商用電源系統１１は、電力を需要家の受電設備に供給するための、発電、変電、送電、配電を統合したシステムである。すなわち、電力会社から工場や一般家庭などに電力を供給するシステムである。

負荷１２は、商用電源系統１１から需要家の受電設備に供給された電力を消費する機器である。

パワーコンディショナー１３は、電源１０において発電された電力（直流電力）を、商用電源系統１１および負荷１２において利用可能な電力（交流電力）に変換する。パワーコンディショナー１３は、電源１０において発電された電力が負荷１２の需要電力よりも小さい場合、商用電源系統１１から負荷１２へ不足電力を供給する。逆に、たとえば太陽電池システムの場合は、電源１０において発電された電力が負荷１２の需要電力よりも大きい場合、余剰電力を商用電源系統１１に供給する。

一般に、商用電源系統１１の配電線において地絡または短絡事故、計画停電などによって変電所から配電線への電力の送電が停止した時には（以下では「停電」と称する）、当該配電線での作業の安全性が確保されなければならない。そのため、分散型電源システム１は、商用電源系統１１が停電した時には、少なくとも作業中の配電線から解列し、分散型電源システム１からの電力供給を停止する必要がある。そこで、パワーコンディショナー１３は、後述する解列制御装置によって、分散電源システム１が単独で運転していること（以下では「単独運転」と称する）、つまり、商用電源系統１１の停電を検知し、分散型電源システム１を商用電源系統１１から解列する。

パワーコンディショナー１３の構成をより詳細に説明する。

図２は、第１実施形態に係る分散型電源システムの概略構成例であって、特にパワーコンディショナー１３の詳細な構成を示す。

パワーコンディショナー１３は、インバーター部２０、連系リレー２１、計測部２２、電流指令値生成部２３、電流制御部２４、ゲート制御部２５、位相検出部２６、単独運転判定部２７、遅延部２８、および指示部２９を含んで構成される。

インバーター部２０は、電源１０と商用電源系統１１との間に接続され、電源１０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ー回路を有している。インバーター回路は、主に、スイッチング回路（図示せず）、周波数制御回路（図示せず）、フィルター回路（図示せず）を含んで構成される。スイッチング回路は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を含み、各スイッチング素子をスイッチング（オン／オフ）して直流電力を交流電力に変換する。なお、スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられる。ただし、これ
に限らず、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のモノポーラトランジスタや、ＩＧＢＴ以外のバイポーラトランジスタが用いられてもよい。周波数制御回路は、パワーコンディショナー１３の出力電流周波数をコントロールする。フィルター回路は、スイッチング回路により交流化された電流波形を商用電源系統１１の交流波形に近い曲線に鈍らせる。また、インバーター部２０は、インバーター回路の前段側に、電源１０から出力された直流電力から所望（た３とえば３００〜４００Ｖ）の直流電圧を作りインバーター回路に供給するＤＣ／ＤＣコンバーターを有していてもよい。

連系リレー２１は、インバーター部２０と商用電源系統１１の間に接続され、分散型電源システム１を商用電源系統１１に並列または解列させる開閉器である。

計測部２２は、少なくともインバーター部２０から出力された交流電圧を計測する。例えば、計測部２２は、交流電圧計を用いてインバーター部２０から出力された交流電圧を計測する。

電流指令値生成部２３は、計測部２２で計測した商用電源系統１１の交流電圧に同期した正弦波を作成し、必要に応じて単独運転判定部の指示に基づき無効電流分を加えた電流指令値を生成する。

電流制御部２４は、インバーター部２０から出力される交流電流が、電流指令値生成部２３で生成した電流指令値に従うように、後述のゲート制御部２５を介して、インバーター部２０を制御する。

ゲート制御部２５は、直流電流を交流電流に変換するためにインバーター部２０内に備えられたスイッチング素子をオン／オフするための制御信号を出力する。具体的には、ゲート制御部２５は、後述する指示部２９が発生する解列信号を受信して、インバーター部２０の出力を制御するための全てのスイッチング素子をオフにする。インバーター部２０の出力を制御するための全てのスイッチング素子をオフにすることで（ゲートブロック）、電源１０から分散電源システム１外への電力供給を停止することができる。

位相検出部２６は、計測部２２が計測した交流電圧を位相に変換し、後述する遅延部２８に位相情報を送信する。なお、ここで検出される位相は、商用電源系統１１が正常である場合には商用電源系統１１の交流電圧に支配され、商用電源系統１１が停電している場合は、インバーター部２０からの交流電圧に支配されるため、説明の便宜上、商用電源系統１１の交流電圧位相とインバーター部２０の交流電圧位相を同義に扱う場合がある。

単独運転判定部２７は、計測部２２による計測値を監視して、分散型電源システム１の単独運転の発生の有無を判定する。単独運転の発生有りと判定すると、単独運転が発生したことを知らせる判定信号を発生する。

遅延部２８は、単独運転判定部２７と後述する指示部２９の間に配置される。遅延部２８は、単独運転判定部２７から単独運転有りの判定信号を受信すると、位相検出部２６から送信される位相情報に基づき、その判定時点の交流電圧の位相を基準として少なくとも半周期以上の遅延処理（待機）後に、後述する指示部２９に遅延信号を送信する。例えば、交流電圧が５０Ｈｚの場合、１周期が２０ミリ秒であるため、遅延部２８は、判定信号を受信してから１０ミリ秒以上経過後に、指示部２９に遅延信号を送信する。

指示部２９は、遅延部２８から遅延信号を受信すると、連系リレー２１に、商用電源系統１１から分散型電源システム１を解列させるために連系リレーを遮断させる解列信号を送信する。または、指示部２９は、遅延部２８から遅延信号を受信すると、ゲート制御部
２５に、インバーター部２０の出力を制御するための全てのスイッチング素子をオフにしてインバーター部２０の出力を停止させるゲート制御の実行を指示する解列信号を送信する。指示部２９は、連系リレー２１およびゲート制御部２５のどちらか一方あるいは両方に解列信号を送信してもよい。

なお、図６に示すように、遅延部２８は指示部２９の一部機能であってもよい。また、解列信号は、遅延部２８が判定信号と位相情報に基づき遅延時間を決定し、その決定したタイミングで指示部２９から送信されるものであってもよいし、ハードウェア回路によって遅延処理が施された判定信号を指示部２９からの解列信号として利用してもよい。

解列制御装置は、位相検出部２６、単独運転判定部２７、遅延部２８、指示部２９を少なくとも備えて構成される。この解列制御装置が動作するために用いられる各種値の取得機能や制御信号については、解列制御装置が備えていてもよいし、解列制御装置が搭載されるパワーコンディショナー１３が備える機能と兼用してもよい。

本実施形態の分散型電源システム１によれば、以下の効果を奏する。

単独運転判定部２７が分散型電源システム１の単独運転の発生有りと判定した場合、判定時点の交流電圧の位相を基準として少なくとも半周期以上経過後に、指示部２９から連系リレー２１および／またはゲート制御部２５に、商用電源系統１１から分散型電源システム１を解列させるための解列信号が送信される。これにより、図１に示すような複数の分散型電源システム１間において、能動的単独運転検出のタイミングがずれている場合でも、最初に単独運転の発生有りと判定した分散型電源システム１において実際に解列が実行されるのは、全ての分散型電源システム１が単独運転の発生の判定後になる。つまり、先行して単独運転の発生有りとした分散型電源システム１が実行する解列動作が、他の分散型電源システム１の単独運転検知に影響を与えることがなくなるため、停電時に、並列されているすべての分散型電源システム１において、確実に単独運転を検知し、商用電源系統１１からの解列を実行することができる。

ここで、本実施形態の効果をより明確にするために、従来の分散型電源システム間において単独運転の発生の判定タイミングがずれる原因について説明する。さらに、判定タイミングがずれた場合に、単独運転に誤検知が発生する原因についても説明する。

図３は、複数の分散型電源システムにそれぞれ備えられた複数のパワーコンディショナーが商用電源系統に接続される様子を示す概念図を示す。図４は、各パワーコンディショナーにおける単独運転の検出タイミングを示す。図５は、単独運転の誤検知が発生する原理を説明する説明図を示す。

図３の概念図に示すように、４つの電源５０ａ〜５０ｄを運転する４つのパワーコンディショナー５３ａ〜５３ｄがそれぞれ商用電源系統１１に接続されているとする。ここで、図中点線で囲って示すように、パワーコンディショナー５３ｂだけが、パワーコンディショナー５３ａ、５３ｃ、５３ｄとは、Ｕ相およびＶ相が逆に商用電源系統１１に接続されている。

パワーコンディショナー５３ａ〜５３ｄにおいて、計測部は商用電源系統１１側の電圧の周波数に同期して動作するため、パワーコンディショナー５３ｂだけ、図４に示すように、計測タイミングが半周期ずれることになる。

計測タイミングが半周期ずれると、例えば、図５に示すように、計測部２２によるインバーター部２０からの交流電圧の計測は、パワーコンディショナー５３ｂだけ、パワーコ
ンディショナー５３ａ、５３ｃ、５３ｄより半周期だけ早く行われることになる。

ここでは、一例として、商用電源系統１１に無効電力を注入して単独運転の発生有無を判定する方式の分散型電源システム１において、計測部２２による計測周波数の変化率が所定の閾値を３回連続で超えた場合に、単独運転が発生したと判定する形態の判定動作を説明する。なお、所定の閾値は、全回において共通でもよいし、測定回毎に異なる閾値を設定してもよい。例えば、１回目、２回目、３回目と徐々に閾値を大きく設定することができる。また、変化率に代えて変化量の閾値を設定してもよい。

停電が発生すると、計測部２２によって計測される交流電圧の周波数の変化率（以下、「変化率」と称する）が増加する。パワーコンディショナー５３ｂは、他のパワーコンディショナー５３ａ、５３ｃ、５３ｄより半周期早く、時間ｔ２、ｔ４、ｔ６、ｔ８で周波数を計測する。停電が発生している場合、図５に示すように、時間ｔ２では変化率が閾値を超えず、時間ｔ４、ｔ６、ｔ８での変化率Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３が３回連続で閾値を超える。従来技術のパワーコンディショナー５３ｂは、時間ｔ８の時点で、商用電源系統１１からの解列を実行する。

パワーコンディショナー５３ｂの解列は、近隣の他の分散型電源システムにおける変化率に影響を及ぼす場合がある。具体的には、時間ｔ８以降の時間ｔ９において、本来は閾値を超えるはずであるにもかかわらず、パワーコンディショナー５３ｂの解列の影響を受けて、時間ｔ９での変化率Ｃ６が閾値を超えない場合がある。これにより、パワーコンディショナー５３ａ、５３ｃ、５３ｄは、３回連続で変化率が閾値を超えないため、単独運転有りと判定されず、単独運転が継続してしまう。

一方、本発明の実施形態におけるパワーコンディショナー１３によれば、上記パワーコンディショナー５３ｂのように、他のパワーコンディショナー５３ａ、５３ｃ、５３ｄよりも半周期早く時間ｔ８で単独運転有りと判定しても、半周期以上後に分散型電源システム１を商用電源系統１１から解列する。したがって、図５の時間ｔ９の時点では、他のパワーコンディショナー５３ａ、５３ｃ、５３ｄは、パワーコンディショナー５３ｂの解列による周波数の影響を受けないため、変化率が閾値を超えることになる。結果として、全てのパワーコンディショナー１３において確実に単独運転有りと判定されることになり、商用電源系統１１から分散型電源システム１を解列することができる。

以上、発明の一例として上記実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されない。本発明の技術的思想の範囲内において種々の変更が可能である。

本発明は、上記のような判定タイミングのずれを吸収できればよく、三相の接続が逆である場合以外でも、いかなる原因により判定タイミングがずれる場合にも適用できる。また、いかなる場合でも、複数の分散型電源システム１間において単独運転の発生の判定タイミングが一周期以上ずれることはないため、より確実のためには、その判定時点の交流電圧の位相を基準として一周期以上経過後に、解列信号を送信するようにしてもよい。

また、解列指示を遅延させる下限を半周期としているが、上限については、電気事業者間の取り決め等によって定められる規格に準ずる。例えば、単独運転期間が０．２秒以下と規格に定められる場合、解列の指示を遅延させる上限は０．２秒以下である。

以上の解列制御装置およびパワーコンディショナー１３を構成する各機能部２２〜２９は、ＣＰＵ（不図示）がストレージにインストールされているプログラムメモリーに読みだして実行することにより実現される。また、これに限らず、ＡＳＩＣ等のハードウェアにより実現されてもよい。

上記説明では、能動的方式により単独運転の発生を判定することを説明したが、単独運転判定部２７は、受動的方式により単独運転の発生を判定する機能を含んでもよい。受動的方式の詳細についての説明は省略する。

１ 分散型電源システム、
１０ 電源、
１１ 商用電源系統、
１２ 負荷、
１３ パワーコンディショナー、
２０ インバーター部、
２１ 連系リレー、
２２ 計測部、
２３ 電流指令値生成部、
２４ 電流制御部、
２５ ゲート制御部、
２６ 位相検出部、
２７ 単独運転判定部、
２８ 遅延部、
２９ 指示部。

Claims (9)

1. 商用電源系統と連系して運転する分散型電源システムの単独運転の発生を判定し、単独運転が発生する場合に判定信号を発生する単独運転判定部と、
   前記商用電源系統の交流電圧の位相または前記分散型電源システムが出力する交流電圧の位相を検出する位相検出部と、
   前記単独運転判定部から前記判定信号を受信すると、当該受信時の前記交流電圧の位相を基準として、当該位相の半周期以上遅延した遅延信号を発生する遅延部と、
   前記遅延信号を受信すると、前記商用電源系統と前記分散型電源システムとの解列を指示する解列信号を発生する指示部と、
   を備える解列制御装置。
2. 前記解列信号は、前記商用電源系統および前記分散型電源システムを並列または解列するための連系リレーに連系遮断を指示する信号である請求項１に記載の解列制御装置。
3. 前記解列信号は、前記分散型電源システムが備える電源からの直流電力を交流電力に変換するインバーター部が有するスイッチング素子を操作して前記インバーター部の出力を制御するゲート制御部に、前記スイッチング素子をオフにしてインバーターの出力を停止させるゲート制御の実行を指示する信号である請求項１または２に記載の解列制御装置。
4. 商用電源系統と連系して運転する分散型電源システムの単独運転の発生を判定する単独運転判定ステップと、
   前記商用電源系統の交流電圧の位相を検出する位相検出ステップと、
   前記単独運転判定ステップにおいて前記単独運転の発生有りと判定されると、当該判定時の前記交流電圧の位相を基準として、当該位相の半周期以上経過後に、前記商用電源系統と前記分散型電源システムとの解列を指示する解列指示ステップと、
   を有する解列制御方法。
5. 前記解列指示ステップでは、前記商用電源系統および前記分散型電源システムを並列または解列するための連系リレーに、解列を指示する解列信号を送信する請求項４に記載の解列制御方法。
6. 前記解列指示ステップでは、前記解列信号を、前記分散型電源システムが備える電源からの電流を変換するインバーターを制御するゲート制御部に送信する請求項５に記載の解列制御方法。
7. 商用電源系統と連系して運転する分散型電源システムの単独運転の発生を判定する単独運転判定部と、
   前記商用電源系統の交流電圧の位相または前記分散型電源システムが出力する交流電圧の位相を検出する位相検出部と、
   前記商用電源系統および前記分散型電源システムを並列または解列する連系リレーと、
   スイッチング素子を有し、前記分散型電源システムが備える電源からの直流電力を交流電力に変換するインバーター部と、
   前記インバーター部のスイッチング素子を操作して前記インバーター部の出力を制御するゲート制御部と、
   前記単独運転判定部が単独運転の発生有りと判定すると、当該判定時の前記交流電圧の位相を基準として、当該位相の半周期以上遅延した遅延信号を発生する遅延部と、
   前記遅延信号を受信すると、前記商用電源系統と前記分散型電源システムとの解列を指示する解列信号を送信する指示部と、
   を備えるパワーコンディショナー。
8. 前記解列信号は、前記連系リレーに連系遮断を指示する信号である請求項７に記載のパワーコンディショナー。
9. 前記解列信号は、前記ゲート制御部に前記インバーター部のスイッチング素子をオフにして、前記インバーター部からの出力を停止させるゲート制御の実行を指示する信号である請求項７または８に記載のパワーコンディショナー。