JP6366470B2

JP6366470B2 - 単独運転検出装置、単独運転検出用の制御装置および分散型電源装置

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Publication number: JP6366470B2
Application number: JP2014224614A
Authority: JP
Inventors: 国大成谷; 西尾　直樹; 直樹西尾; 清俊田中; 義彦小道
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-11-04
Also published as: JP2016092963A

Description

本発明は、分散型電源装置が電力系統から切り離され単独運転しているか否かを検出する単独運転検出装置、単独運転検出用の制御装置および、当該制御装置を備えた分散型電源装置に関する。

分散型電源装置における単独運転は、電力系統が停止しているとき、分散型電源装置が独立して運転され、局所的な系統負荷に電力が供給されている状態である。電力系統の停止は、工事または事故といった要因によって引き起こされる。

電力系統に接続される分散型電源には、太陽光発電装置、風力発電装置、エンジン発電機、電力貯蔵装置、燃料電池が代表的なものである。これらの分散型電源では、太陽電池、蓄電池、燃料電池といった特性または性質の異なる電力供給手段を電力系統に接続させて使用するため、周波数および電圧を電力系統に適合させるインバータ機能と、電力系統の異常を検出する保護装置とを内蔵したパワーコンディショナが数多く提案されている。

以上に説明した電力供給手段と、直流を交流に変換するパワーコンディショナとを備えた分散型電源装置を電力系統に連系させて、例えば家電製品に給電する分散型電源装置が実用化されている。

この種の分散型電源装置では、電力系統の停電時、作業停電時において、電力系統における工事作業の安全を確保するため、分散型電源装置側のインバータの動作を停止させるか、または、開閉器を作動させて連系を解除することにより分散型電源装置を電力系統から解列させる機能、すなわち分散型電源装置の単独運転を防止する機能が不可欠である。なお、この機能は、単独運転検出機能と呼ばれている。

単独運転を検出する方式の１つとして、電力系統に無効電力を注入する手法が既に提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。この手法を用いた単独運転検出装置では、注入した無効電力によって引き起こされる周波数変動を検知して、分散型電源装置の単独運転を検出することが行われる。なお、単独運転検出機能は、日本電機工業会（Japan Electrical Manufacturers' Association：略称「ＪＥＭＡ」）によりＪＥＭ規格１４９８（方式名：ステップ注入付周波数フィードバック方式、下記非特許文献１参照、以下「ＪＥＭ１４９８」と称する）として標準化されている。

特開２００９−１１０３７号公報

一般社団法人日本電機工業会、ＪＥＭ規格１４９８「ステップ注入付周波数フィードバック方式(太陽光発電用パワーコンディショナの標準形能動的単独運転検出方式)」、２０１２年８月２７日制定（２０１４年９月２５日改正）

上記特許文献１およびＪＥＭ１４９８の手法を用いる単独運転検出装置では、電力系統の周波数偏差の値に応じて、注入する無効電力量を変化させている。ところが、分散型電源より多量の無効電力を出力すると、電力系統が不安定となるおそれがあるため、例えば±０．０１Ｈｚのように周波数偏差が小さいときには、無効電力の出力を極力少なくする制御を行う。詳細は後述するが、ＪＥＭ１４９８には、「注入無効電力量の算出」という項において、周波数偏差が±０．０１Ｈｚを境に、無効電力演算のゲインを変更するという要件がある。このため、単独運転検出装置の周波数計測部では、周波数偏差が±０．０１Ｈｚ以内であるか否かの判断が必要となる。

一方、周波数計測部はノイズの影響を受けやすい回路である。例えば、判定回路の処理がノイズの影響を受け、±０．０１Ｈｚという境界を行き来する場合には、電力系統に注入する無効電力の値が本来の値から大きく変動する可能性があり、電力系統が不安定になるおそれがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ノイズの影響を受けにくい周波数計測処理を行うことができる単独運転検出装置、単独運転検出用の制御装置および分散型電源装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、電力系統に連系する分散型電源装置の単独運転を検出するように構成された単独運転検出用の制御装置であって、入力された系統電圧をフィルタリングするフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力電圧の波形をクランピングするクランプ回路と、前記クランプ回路の出力電圧を方形波に変換する方形波変換回路と、を備え、前記方形波変換回路は、２台の直流電源およびコンパレータを有して構成され、前記コンパレータにおける反転入力端は、前記電力系統の一端側に電気的に接続され、前記コンパレータにおける非反転入力端は、前記電力系統の他端側に電気的に接続され、前記２台の直流電源は直列に接続され、直列接続された２台の前記直流電源の接続点は、前記電力系統の他端に電気的に接続されると共に、前記非反転入力端に電気的に接続されて構成されることを特徴とする。

本発明によれば、ノイズの影響を受けにくい周波数検出処理を行うことができる、という効果を奏する。

本実施の形態に係る分散型電源装置の一構成例を示す図本実施の形態に係る制御装置の機能構成の一例を示すブロック図図２に示した周波数計測部の機能構成の一例を示すブロック図ＪＥＭ１４９８に規定される「注入無効電力量の算出」の項を抜粋して示した図無効電力を注入する際の注入無効電力と周波数偏差との関係を示す図ノイズの影響を受けやすい方形波変換部を比較例として示す図コモンモードノイズの影響を受けた場合の方形波の波形例を示す図本実施の形態に係る方形波変換部の一構成例を示す図方形波変換部における要部の入力波形と出力波形とを示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る単独運転検出装置、単独運転検出用の制御装置および分散型電源装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、本実施の形態に係る分散型電源装置の一構成例を示す図である。本実施の形態に係る分散型電源装置１は、上述した単独運転検出方法が適用される分散型電源装置であり、電力供給手段５およびパワーコンディショナ１０を有して構成される。パワーコンディショナ１０は、インバータ１１および単独運転検出装置１６を有して構成され、単独運転検出装置１６は、インバータ制御部１２、制御装置１３、連系リレー１４および電流検出器１５を有して構成される。

電力供給手段５は、例えば太陽電池、ガスエンジン発電機であり、直流電力を発電して電力変換手段であるパワーコンディショナ１０に供給する。

電力供給手段５は、パワーコンディショナ１０を介して電力系統２と接続される。パワーコンディショナ１０は、電力供給手段５が発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換機能を有する。パワーコンディショナ１０が変換した交流電力は、電力系統２に供給される他、例えば一般家電機器である負荷３にも供給される。

インバータ１１は、パワーコンディショナ１０における電力変換機能を担う。インバータ制御部１２は、電力系統２の出力電圧および、インバータ１１と電力系統２との間に流れる電流に基づいてインバータ１１を制御する。なお、インバータ１１には、電力供給手段５の電圧を設定値に昇圧するコンバータ（図示せず）を有する場合もある。ここでは、コンバータを有するものも含めインバータ１１と称する。

制御装置１３は、電力系統２が出力する電圧の電圧値である系統電圧、電力系統２が出力する電圧に含まれる高調波成分の電圧である高調波歪電圧および、電力系統２が出力する電圧の周波数である系統周波数を計測する。制御装置１３は、計測した系統電圧、高調波歪電圧および系統周波数に基づいて、連系リレー１４をオンオフ制御するための制御信号を生成して連系リレー１４に出力する。また、制御装置１３は、同時にインバータ１１を停止させるための信号（以下「ゲートブロック」と称する）をインバータ制御部１２に出力する。

制御装置１３は、ＪＥＭ１４９８に規定されるように、設定された期間内において、系統周波数偏差を演算すると共に、演算した系統周波数偏差に基づいて電力系統２に注入すべき無効電力（以下、必要に応じて「注入無効電力」と称する）を演算する。演算された注入無効電力は、電力系統２に注入される一方で、計測した系統周波数、系統電圧および高調波歪電圧に基づいて、系統周波数偏差が設定された期間において、連続して一定以下となる状態が継続しているような系統周波数に実質変化が無く、かつ、系統電圧または高調波歪電圧が設定された変動範囲を超える変化でもって変動したという条件（以下、必要に応じて「急変条件」と称する）が成立するか否かを判定する。急変条件が成立する場合には、系統周波数偏差に基づいて演算されて既に注入されている無効電力（以下、必要に応じて「既注入無効電力」と称する）に加えて、新たに注入する無効電力（以下、必要に応じて「追加注入無効電力」と称する）を注入する制御を行う。

図２は、本実施の形態に係る制御装置１３の機能構成の一例を示すブロック図である。まず、制御装置１３には、電力系統２が出力する電圧の波形信号が入力される計測部３０が設けられる。計測部３０は、波形信号に基づいて電力系統２が出力する電圧の電圧値である系統電圧を計測する系統電圧計測部１３１、波形信号に基づいて電力系統２が出力する電圧に含まれる高調波成分の電圧値である高調波歪電圧を計測する高調波歪検出部１３２および、後述する周波数計測部１３３が設けられる。

図３は、図２に示した周波数計測部１３３の機能構成の一例を示すブロック図である。図３に示す周波数計測部１３３は、フィルタ回路１４２、フィルタ回路１４２の出力側に配置されるクランプ回路１４３および、クランプ回路１４３の出力側に配置される比較器１４４を具備する方形波変換部１４１と、比較器１４４の出力側に配置される演算部１４５と、を備えて構成される。このように構成された周波数計測部１３３において、電力系統２からの波形信号は、方形波変換部１４１に入力される。

方形波変換部１４１では、電力系統２からの波形信号がフィルタ回路１４２でフィルタリングされ、クランプ回路１４３でクランピング、すなわち出力電圧の絶対値がある一定電圧以下にリミットされ、比較器１４４で比較処理が行われることにより方形波が出力される。このように比較器１４４は、方形波変換部１４１の最終段に設けられる回路部であり、方形波変換回路として動作する。

比較器１４４の出力信号、すなわち方形波変換部１４１の出力信号は、演算部１４５に入力される。演算部１４５は、例えばマイコンで構成することができる。演算部１４５は、方形波変換部１４１の出力波形である方形波を使用し、例えば方形波のゼロクロス点の周期を計測するなどして系統周波数を計測する。演算部１４５が計測した系統周波数は、周波数計測部１３３の出力として外部に出力される。

図２に戻り、単独運転判定部１３４は、周波数計測部１３３の計測値である系統周波数を使用して単独運転の判定を行い、当該判定結果に基づいて連系リレー１４をオンオフ制御するための制御信号である単独運転検出信号を生成して連系リレー１４に出力する。周波数偏差演算部１３５は、周波数計測部１３３の計測値に基づいて、現在の系統周波数の移動平均値と、過去の系統周波数の移動平均値とを算出すると共に、これらの各算出値を用いて系統周波数偏差を演算する。無効電力量演算部１３６は、周波数偏差演算部１３５が演算した系統周波数偏差を用いて、電力系統２に注入する無効電力量を演算する。

制御装置１３は、さらに無効電力注入判定部１３７、加算部１３８および出力電流制御部１３９を備えている。無効電力注入判定部１３７は、系統周波数偏差が、例えば系統周期の２周期の期間において、連続して一定以下となる状態が継続し、系統周波数に実質変化が無く、かつ、高調波歪電圧または系統電圧が設定された変動範囲を超える変化をしたときに、高調波歪電圧または系統電圧が単独運転発生に起因して急変したと判断し、追加無効電力を注入する制御を行う。なお、判定のための上記２周期の期間は一例であり、この値に限定されるものではない。

単独運転判定部１３４の出力である単独運転検出信号と、出力電流制御部１３９の出力である電流指令値とが、制御装置１３の出力である。単独運転検出信号は連系リレー１４に出力され、電流指令値はインバータ制御部１２に出力される。

加算部１３８は、無効電力量演算部１３６からの演算無効電力と、無効電力注入判定部１３７からの追加無効電力とを加算して出力電流制御部１３９に出力する。出力電流制御部１３９は、加算部１３８の出力に応じた電流指令値をインバータ制御部１２へ出力する制御を行う。インバータ制御部１２は、電流指令値によりインバータ１１を制御する。

以上に説明した、周波数偏差演算部１３５、無効電力量演算部１３６、無効電力注入判定部１３７、加算部１３８および出力電流制御部１３９は、制御装置１３における無効電流注入制御部３２を構成する。

電力系統２の周波数偏差により、パワーコンディショナ１０から電力系統２に無効電力が注入された場合に、電力系統２が停電している場合には、電力系統２に注入される無効電力によって系統周波数が変動する。この周波数の変動が、所定値、たとえば、２．５サイクルの間に８Ｈｚ／秒の変化が起こった場合、制御装置１３の単独運転判定部１３４は、単独運転状態と判定する。制御装置１３からの単独運転検出信号が出力されると、パワーコンディショナ１０が系統連系中であれば、連系リレー１４が開放され、パワーコンディショナ１０が停止中であれば、連系リレー１４の開放およびパワーコンディショナ１０の運転停止が維持され、パワーコンディショナ１０を系統連系させない制御が行われる。

次に、周波数計測部１３３におけるノイズの影響について、図４から図７の図面を参照して説明する。図４は、ＪＥＭ１４９８に規定される「注入無効電力量の算出」の項を抜粋して示した図である。図５は、図４の規定を注入無効電力と周波数偏差との関係として示した図である。図６は、ノイズの影響を受けやすい方形波変換部を比較例として示す図である。図７は、コモンモードノイズの影響を受けた場合の方形波の波形例を示す図である。

単独運転検出装置において、分散型電源から電力系統に多量の無効電力を出力すると電力系統が不安定となるおそれがある。このため、無効電力の出力を何らかの条件で、制限することが要請される。当該要請の規定の一つが、ＪＥＭ１４９８に規定されており、当該規定の一つが、図４に示すものである。ＪＥＭ１４９８では図４に示すように、「注入無効電力量の算出」という項において、周波数偏差が±０．０１Ｈｚ（５０Ｈｚ時：±４．０μｓ、６０Ｈｚ時：±２．８μｓの時間変動に相当）を境に無効電力演算のゲインを変える、という要件（３．３．２のａ項）と、注入する無効電力の上下限値は±０．２５Ｐ．Ｕ．とする、という要件（３．３．２のｂ項）とが規定されている。これらの規定を図示したものが、図５である。

図５では、横軸には周波数偏差をとり、縦軸は電力系統に注入する無効電力の量を示している。ここで、Ｐ．Ｕ．とは、ｐｅｒｕｎｉｔの略であり、また、単位法で用いる記号であり、基準値に対する比を表している。例えば、基準値としての定格出力が４ｋＷの場合において、０．２５Ｐ．Ｕ．Ｖａｒとは、４ｋＷの０．２５倍である１ｋＶａｒを意味する。より詳細に説明すると、±０．０１Ｈｚのように周波数偏差の値が小さいときには、無効電力の出力が極力小さくなるように制御し、±０．０１Ｈｚを超える周波数偏差のときには、直線の傾き、すなわち増加率を大きく変更する制御を行い、また、周波数偏差が大きくなっても０．２５Ｐ．Ｕ．Ｖａｒを超えた無効電力は注入しないという制御を行う。

図６には、ノイズの影響を受けやすい方形波変換部の一例を示している。この構成例では、オペアンプ１３３２を使用した差動アンプで構成されている。抵抗１３２４，１３２５，１３２６，１３２７はゲイン設定用の抵抗であり、コンデンサ１３２８，１３２９はフィルタ用コンデンサである。

図６に示す構成の場合、抵抗１３２４，１３２５，１３２６，１３２７の値のばらつきにより、オペアンプ１３３２の入力インピーダンスが平衡とならない。この場合、オペアンプ１３３２の＋端子と−端子との間に入力される差動入力がノイズの影響を受けてオペアンプ１３３２の出力がばらつく。例えば、コモンモードノイズが入力に加わったとき、コモンモードノイズに対するオペアンプ１３３２の演算がゼロにならず、コモンモードノイズの影響が方形波変換部の出力に出力されてしまう。

図７には、コモンモードノイズの影響を受けた状態の方形波変換部の出力例を示している。コモンモードノイズの影響を受けた場合には、図７（Ａ）に示すように、方形波の周期が短くなったり、図７（Ｂ）に示すように、方形波の出力が不安定になったりする。ＪＥＭ１４９８では、「系統周波数を方形波に変換しソフトウェア部への入力信号を生成できることとする」と規定されている。このため、方形波変換部の出力を使用して周期を計測する必要がある。

しかしながら、方形波変換部の出力に周期変動もしくは出力変動が生ずると、演算する周波数偏差にも影響が及び、周波数偏差の計測精度が低下してしまう。前述の通り、周波数偏差が±０．０１Ｈｚを超えると、電力系統に大きな無効電力が出力されてしまい、境界付近における単独運転の検出精度が劣化してしまうおそれがある。また、ノイズ周波数が高くなるとオペアンプ１３３２での処理が間に合わず、ノイズの影響が直にオペアンプ１３３２の出力に表れてしまう可能性もある。このため、図６に示すような構成では、ノイズによる周波数変動が±０．０１Ｈｚを超えないようにするのは困難である。

そこで、本実施の形態では、ノイズの影響を受けにくく、ノイズの影響を小さくすることができる方形波変換部を提案する。図８は、本実施の形態に係る方形波変換部の一構成例を示す図である。本実施の形態に係る方形波変換部１４１は、図３に示したフィルタ回路１４２、クランプ回路１４３および比較器１４４の各機能ブッロクに相当する回路を有して構成される。

図８において、フィルタ回路１４２は、フィルタ用抵抗１４２１およびフィルタ用コンデンサ１４２２を有して構成される。フィルタ回路１４２は、ローパスフィルタの構成である。クランプ回路１４３は、２つのダイオード１４３１ａ，１４３１ｂが、逆並列に接続された双方向ダイオード１４３１を有して構成される。なお、ここでいう逆並列とは、図示のように一方のダイオード１４３１ａのアノードと他方のダイオード１４３１ｂのカソードとが電気的に接続されると共に、一方のダイオード１４３１ａのカソードと他方のダイオード１４３１ｂのアノードとが電気的に接続されていることを意味する。

比較器１４４は、コンパレータ１４４１およびコンパレータ用電源１４４２を有して構成される。コンパレータ用電源１４４２は、２台の直流電源１４４３，１４４４で構成され、これら直流電源１４４３，１４４４は、直列接続されてコンパレータ１４４１の正負の制御電源として動作する。コンパレータ１４４１における−側の入力端（以下「反転入力端」と称する）は、フィルタ用抵抗１４２１を介して電力系統２の一端側に電気的に接続され、コンパレータ１４４１における＋側の入力端（以下「非反転入力端」と称する）は、電力系統２の他端側に電気的に接続される。また、直列接続された直流電源１４４３，１４４４の接続点Ｃは、電力系統２の他端に電気的に接続されると共に、コンパレータ１４４１の入力端子の非反転入力端に接続される。

つぎに、方形波変換部１４１の動作について、図８および図９の図面を参照して説明する。図９は、方形波変換部１４１における要部の入力波形と出力波形とを示す図である。

コンパレータ用電源１４４２は、電力系統２の一端を中心とした正負の電源であり、コンパレータ１４４１での正負の入力動作を可能としている。系統周波数の検出は、ゼロクロス点が正確に判別できればよい。このため、本実施の形態の方形波変換部１４１では、クランプ回路１４３における双方向ダイオード１４３１により、順方向電圧にクランプした波形をコンパレータ１４４１に入力する（図９（２）に示す波形参照）。本構成により、系統電圧のゼロクロス付近では双方向ダイオード１４３１がオフとなり、フィルタ回路１４２から出力側を見たインピーダンスはコンパレータ１４４１のインピーダンスが支配的となって高くなり、フィルタ回路１４２が動作する。このような回路動作により、比較器１４４のコンパレータ１４４１のアンプとしてのゲインを下げることなく所望のフィルタ特性を実現でき、コモンモードを初めとするノイズを除去することができる。また、ゲインを下げることを行わないので、ゼロクロス付近の波形は図９（３）に示すような鋭い波形が得られる。

また、図９（１）に示すような電圧値の大きな系統電圧が印加されている場合であり、クランプ回路１４３の双方向ダイオード１４３１がオンとなっている間は、クランプ回路１４３にて系統間を短絡していることと等価となるので、フィルタ回路１４２の出力端側は、低いインピーダンスを保つことができる。このような回路動作により、比較器１４４の動作は、ノイズの影響を極めて小さくすることができる。

なお、本実施の形態において、フィルタ回路１４２は、抵抗およびコンデンサを具備するＲＣ回路によるフィルタ回路を一例として説明したが、インダクタおよびコンデンサを具備するＬＣ回路によるフィルタ回路で構成してもよく、図８に示す回路と同様な効果を得ることができる。

また、本実施の形態において、クランプ回路１４３は、双方向ダイオードによる構成を一例として示したが、例えば、酸化亜鉛を主成分とするノイズを吸収用のバリスタを使用して構成してもよいし、ツェナーダイオードを直列接続して構成してもよく、図８に示す回路と同様な効果を得ることができる。なお、比較器１４４におけるコンパレータ１４４１は、オペアンプにて構成しても同様に実現できることは言うまでもない。

以上説明したように、本実施の形態に係る制御装置、単独運転検出装置および分散型電源装置によれば、系統電圧の波形を方形波に変換して出力する方形波変換部を構成する際に、コンパレータにおける反転入力端が電力系統の一端側に電気的に接続され、コンパレータにおける非反転入力端が電力系統の他端側に電気的に接続され、直列接続した２台の直流電源の接続点が、電力系統の他端およびコンパレータの非反転入力端に電気的に接続されるように構成したので、ノイズ耐性の高い方形波変換部を構成することができ、ノイズの影響を受けにくい周波数計測処理を行うことが可能となる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１分散型電源装置、２電力系統、３負荷、５電力供給手段、１０パワーコンディショナ、１１インバータ、１２インバータ制御部、１３制御装置、１４連系リレー、１５電流検出器、１６単独運転検出装置、３０計測部、３２無効電流注入制御部、１３１系統電圧計測部、１３２高調波歪検出部、１３３周波数計測部、１３４単独運転判定部、１３５周波数偏差演算部、１３６無効電力量演算部、１３７無効電力注入判定部、１３８加算部、１３９出力電流制御部、１４１方形波変換部、１４２フィルタ回路、１４３クランプ回路、１４４比較器（方形波変換回路）、１４５演算部、１３２４，１３２５，１３２６，１３２７抵抗、１３２８，１３２９コンデンサ、１３３２オペアンプ、１４２１フィルタ用抵抗、１４２２フィルタ用コンデンサ、１４３１ａ，１４３１ｂダイオード、１４３１双方向ダイオード、１４４１コンパレータ、１４４２コンパレータ用電源、１４４３，１４４４直流電源。

Claims

電力系統に連系する分散型電源装置の単独運転を検出するように構成された単独運転検出用の制御装置であって、
入力された系統電圧をフィルタリングするフィルタ回路と、
前記フィルタ回路の出力電圧の波形をクランピングするクランプ回路と、
前記クランプ回路の出力電圧を方形波に変換する方形波変換回路と、
を備え、
前記方形波変換回路は、２台の直流電源およびコンパレータを有して構成され、
前記コンパレータにおける反転入力端は、前記電力系統の一端側に電気的に接続され、前記コンパレータにおける非反転入力端は、前記電力系統の他端側に電気的に接続され、
前記２台の直流電源は直列に接続され、直列接続された２台の前記直流電源の接続点は、前記電力系統の他端および前記非反転入力端に電気的に接続されて構成される
ことを特徴とする制御装置。
前記フィルタ回路は、抵抗およびコンデンサを有して構成されるＲＣフィルタ、または、インダクタおよびコンデンサを有して構成されるＬＣフィルタであることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記クランプ回路は、双方向ダイオード、バリスタまたは、直列接続したツェナーダイオードの何れかにより構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
分散型電源装置が電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを検出する単独運転検出装置であって、請求項１から３の何れか１項に記載の制御装置を備えたことを特徴とする単独運転検出装置。
請求項４に記載の単独運転検出装置を備えたことを特徴とする分散型電源装置。