JP6421512B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統に連系させて電力を供給する電力変換装置に関する。

直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統に連系させて出力する例えばインバータ装置のような電力変換装置には、交流電力系統が停電状態となった場合、感電等の事故を防止するため、その状態を検出して運転を停止することが要求されている。一方で、交流電力系統の電源電圧が瞬間的に低下する瞬時電圧低下が発生した場合、その検出に伴い電力変換装置が運転を停止すると、電圧の変動がより大きくなり好ましくない。そのため、電力変換装置には、瞬時電圧低下が発生しても運転を継続すること（以下、ＦＲＴ（Fault Ride Through）と称す）が要求されている（例えば、特許文献１参照）。これは、系統連系規程（日本電気協会）に規定されているものである。

交流電力系統が停電状態となったことを検出するには、同系統に電力を供給しているのが電力変換装置だけとなっている「単独運転状態」を検出すれば良い。そのため、電力変換装置は、交流電力系統に無効電力を注入するステップ注入機能及び周波数フィードバック機能を備え、これらの機能により電源周波数の変化を監視して検出を行う。すなわち、交流電力系統に通常通りの電力供給がある状態では、電力変換装置が小さな無効電力を注入しても電源周波数は変化しない。これに対して、交流電力系統に電力が供給されなくなると、電力変換装置が注入した無効電力の周波数によち、電源周波数に変化が発生する。

また、瞬時電圧低下に対応するように実施される試験では、電力変換装置が系統に連系して電力を供給している状態で、系統側の電圧を１００Ｖから２０Ｖに１秒間低下させ、その後１００Ｖに復帰させる。この場合でも、電力変換装置は運転を継続する必要がある。
特許文献１では、交流電源周波数の周波数変化率を１０ｍｓ毎に積分し、その積分値を
単独運転検出レベルＫと比較することで、インバータブリッジが単独運転状態となったことを検出している。

特開２０１２−１２０２８５号公報

ところで、交流電力系統には、複数の電力変換装置が接続されていることも想定され、その場合、停電状態となった場合に単独運転を検出するための条件はより複雑になる。これに対して、特許文献１の方式では、積分を実行する周期や閾値をどのように設定するかで調整を図ることになると推察されるが、その調整は極めて煩雑且つ困難であると予想される。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より確実に、瞬時電圧低下の発生による誤検出を回避しつつ単独運転を検出できる電力変換装置を提供することにある。

請求項１記載の電力変換装置によれば、周波数検出手段は、交流電力系統に供給されている交流電力の周波数を検出し、周波数変化量検出手段は、検出された周波数の変化量を検出する。運転状態判定手段は、単独運転状態を判定するための閾値である閾値Ａ及び閾値Ｃと、交流電力系統に瞬時電圧低下が発生したことに伴う周波数の変化量以上に設定される閾値Ｂとを（Ｃ＜Ａ＜Ｂ）の関係に設定する。そして、周波数の変化量が閾値Ａ以上で且つ閾値Ｂ未満になったとき、及び、周波数の変化量が閾値Ｂ以上になり、その後閾値Ｃ未満になった後に、周波数の変化量が閾値Ｃ以上になる状態が複数回連続したときに単独運転状態を判定する。

交流電力系統に電力変換装置が１台のみ接続されている状態で、停電の発生により、その電力変換装置が単独運転状態となった場合、交流電力系統の電源周波数は、当該装置が注入した無効電力の周波数に従い順次変化する。したがって、周波数の変化量が閾値Ａ以上となり、且つ閾値Ｂ未満となった条件を捉えて単独運転状態を判定できる。

一方、周波数の変化量が急激に大きくなり当初から閾値Ｂ以上になった場合、１つは瞬時電圧低下発生の可能性がある。他の１つは、交流電力系統に複数の電力変換装置が接続されており、それらが単独運転状態を検出し、それぞれの運転が時間差を以て順次停止した過渡的な状況である可能性がある。そこで、２つの事象を見極めるため、その後の周波数の変化量が閾値Ｃ以上になるか否かを判定する。

瞬時電圧低下の発生である場合はその後に電源周波数は変化せず、変化量は直ちに閾値Ｃ未満に低下する。一方、単独運転状態であれば、交流電力系統の電源周波数は、最終的に自身が注入している無効電力の周波数に従い変化する。したがって、変化量が閾値Ｃ以上になる状態が複数回連続する条件で単独運転状態を判定することで、瞬時電圧低下の発生と峻別することが可能になる。

一実施形態であり、パワーコンディショナの構成を概略的に示す機能ブロック図 単独運転判定処理部による処理を中心に示すフローチャート 瞬時電圧低下が発生した場合の、電源周波数偏差の変化パターンを示す図 単独運転状態となった場合の、電源周波数偏差の変化パターンを示す図 複数台のパワーコンディショナが単独運転状態となった場合の、電源周波数偏差の変化パターンを示す図 図３に対応するシミュレーション結果を示す図 閾値Ｂ，Ｃの設定根拠を説明する図

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。図１に示すように、パワーコンディショナ（ＰＣＳ）１（電力変換装置）は、インバータ（ＩＮＶ）部２、ＣＰＵ（マイクロコンピュータ）３、電流計測回路４、電圧計測回路５、ゼロクロス検出回路６を備えている。インバータ部２は、例えば太陽電池等の直流（ＤＣ）電源７より供給される直流電源を交流電力に変換して交流電源系統８に供給する。前記変換に際しては、交流電源系統８に供給されている交流電力に、電圧、周波数及び位相を一致させるように連系させる。

例えば電流センサで構成される電流計測回路４により計測された交流電流値は、ＣＰＵ３が備えるＡ／Ｄ変換回路１１に入力されてＡ／Ｄ変換され、電流計測処理部１２に入力される。電流計測処理部１２は、Ａ／Ｄ変換回路１１の出力データを参照して、交流電流波形から電流値を測定して、電流制御処理部１３に入力する。

例えば分圧抵抗回路で構成される電圧計測回路５により計測された交流電圧値は、ＣＰＵ３が備えるＡ／Ｄ変換回路１４に入力されてＡ／Ｄ変換され、電圧計測処理部１５を介して電流制御処理部１３に入力される。また、電圧計測回路５により計測された交流電圧値は、ゼロクロス検出回路６に入力される。ゼロクロス検出回路６は、ヒステリシス付きコンパレータで構成されており、入力される交流電圧をグランドレベルと比較することで交流電圧のゼロクロス点を検出する。

ゼロクロス検出回路６の出力信号は、周波数計測処理部１６（周波数検出手段）に入力されている。周波数計測処理部１６は、ゼロクロス検出回路６により検出される交流電圧のゼロクロス点間隔を計測して交流電圧の周波数を算出する。そして、周波数計測処理部１６の出力信号は、電流制御処理部１３及び単独運転判定処理部１７（運転状態判定手段）に入力されている。

電流制御処理部１３は、電圧計測処理部１５より入力される電圧位相情報、電流計測処理部１２より入力される電流位相情報、周波数計測処理部１６より入力される周波数情報に基づいてインバータ部２をスイッチング制御するための信号を、図示しない各スイッチング素子に出力する。これにより、インバータ部２を介して変換される交流電力は、交流電源系統８に供給されている交流電力に、電圧、周波数及び位相が一致するように連系されることになる。

また、電流制御処理部１３は、周波数計測処理部１６より入力される周波数情報から、交流電源系統８の電源周波数に変化が生じたことを検出すると、その変化の方向を助長するように、ＰＣＳ１が交流電源系統８に供給する無効電力の注入量を変化させる（周波数フィードバック機能，無効電力ステップ注入機能）。周波数フィードバック機能では、検出された周波数が上昇する方向に変化すると位相を進ませる方向の無効電力を注入して周波数を順次上昇させ、検出された周波数が低下する方向に変化すると位相を遅らせる方向の無効電力を注入して周波数を順次低下させる。

単独運転判定処理部１７は、周波数計測処理部１６より入力される周波数情報に基づいて、ＰＣＳ１が単独運転状態になったか否かを判定する。そして、単独運転状態を判定すると、電流制御処理部１３に停止信号を出力し、電流制御処理部１３は、停止信号が入力されるとインバータ部２の制御を停止させる。

次に、本実施形態の作用について図２から図７を参照して説明する。交流電源系統８にＦＲＴや停電が発生するとＣＰＵ３が電源周波数の変化を捉え、電流制御処理部１３が上述のように無効電力ステップ注入機能を実施する。それに伴い、電源周波数は、図３から図５に示す何れかのパターンで変化する。尚、各図の縦軸に示す閾値Ａ（例えば０．９５Ｈｚ），Ｂ（例えば２．０Ｈｚ），Ｃ（例えば０．３Ｈｚ）は電源周波数の偏差（変化量）についての閾値である。これらの閾値の具体数値例は、交流電源の定格周波数が５０Ｈｚの場合に対応した値である。また、横軸に示すＮ，Ｎ＋１，Ｎ＋２，…は、電源の定格周期を単位とする時間変化である。

図３に示す瞬時電圧低下発生の場合は、１回（１周期）だけ周波数の低下が検出されるので、周波数の偏差は２回に亘り閾値Ｂを超える高い値を示す。その後は、交流電源系統８に電力が供給され続けるため周波数は変化しなくなり、周波数の偏差は閾値Ｃを下回り安定する。尚、対応する実測波形を図６に示している（交流電源電圧を１００Ｖから２０Ｖに低下させた場合）。

図４に示す単独運転状態の場合は、交流電源系統８の電力が遮断されるので、ＰＣＳ１が交流電源系統８に供給する無効電力の周波数変化が検出される。すなわち、無効電力ステップ注入機能が継続して実行され、それに応じて周波数の偏差は漸増する。この場合、偏差の増加率は緩やかであり、Ｎ回目に閾値Ｃを超えると（Ｎ＋３）回後に閾値Ａを超え、その後、閾値Ｂに向かって増加を続ける。

図５は、交流電源系統８に５台のＰＣＳ１が並列に接続されて運転している状態で、停電が発生した場合を示す。（Ｎ−１）回目で停電が発生した際に、Ｎ回目で４台が先に単独運転状態を検出して運転を停止した場合を想定している。つまり、複数台のＰＣＳにおける単独運転検出への対応が一律でなく、非同期で行われる場合である。これにより、Ｎ回目及び（Ｎ＋１）回目では、周波数の偏差が閾値Ｂを超えている。
すると、残りの１台が交流電源電圧の低下（１００Ｖ→２０Ｖ）後の周波数変化を検出して、周波数フィードバック機能により（Ｎ＋２）回目以降は図４に示すケースと同様に、周波数偏差が順次増加するパターンとなる。

図２に示すフローチャートは、図３から図５に示す周波数偏差の変化パターンを判別することで、瞬時電圧低下の発生に基づく誤検出を回避しつつ、ＰＣＳ１の単独運転を判定可能とする。先ず、周波数の変化を検出し、偏差が（１）閾値Ａ以下，（２）閾値Ａより大で且つ閾値Ｂより小、（３）閾値Ｂ以上の何れかを判断する（Ｓ１）。（１）であればステップＳ１に戻り、（２）であれば「単独運転判定」として（Ｓ２）ステップＳ１に戻る。これは、図４に示すケースに対応する。また、（３）であればステップＳ３に移行するが、ステップＳ３に移行した時点を検出のＮ回目とする。

ステップＳ３では、検出回数が（Ｎ＋３）〜（Ｎ＋６）の範囲内にあるかを判断し、（Ｎ＋３）より小であればステップＳ３に戻る。（Ｎ＋３）〜（Ｎ＋６）の範囲内にあれば（ＹＥＳ）ここでも周波数変化を検出し（Ｓ４）、偏差が閾値Ｃ以上か否かを判断する。偏差が閾値Ｃより小さければステップＳ３に戻り、閾値Ｃ以上であればカウンタの値をインクリメントして（Ｓ５）からステップＳ３に戻る。

そして、ステップＳ３において検出回数が（Ｎ＋７）以上になると、その時点のカウンタの値が「３」以上か否かを判断し（Ｓ６）、「３」以上であれば（ＹＥＳ）単独運転状態と判定し（Ｓ７）、「３」未満であれば（ＮＯ）瞬時電圧低下の発生と判断する（Ｓ８）。ステップＳ７は図５に示すケースに対応し、ステップＳ８は図３に示すケースに対応する。

ここで、閾値Ａ，Ｂ，Ｃの設定根拠について図７を参照して説明する。閾値Ａについては、ＪＥＭ１９４８におけるＦＲＴ試験について定められている周波数変化が、定格周波数が５０Ｈｚの場合に０．８Ｈｚとなっているので、マージンを加えて０．９５Ｈｚとしている。また、定格周波数が６０Ｈｚの場合は１．０Ｈｚとなっているので、マージンを加えて１．１５Ｈｚとする。

閾値Ｂについては、図７（ａ）に示すように数値を変化させて単独運転を正しく検出できるかどうか、ＦＲＴ試験において単独運転の誤検出が発生するかどうかを見た。その結果、２．０Ｈｚが妥当な値であると判断した。
閾値Ｃについても同様に、図７（ｂ）に示すように数値を変化させて単独運転を正しく検出できるかどうか、ＦＲＴ試験において単独運転の誤検出が発生するかどうかを見た。その結果、０．３Ｈｚが妥当な値であると判断した。尚、閾値Ｂ，Ｃについては、系統周波数の影響を受け難いため、定格周波数が６０Ｈｚの場合でも同じ値で問題ない。

以上のように本実施形態によれば、周波数検出処理部１６は、交流電力系統８に供給されている交流電力の周波数を検出し、単独運転判定処理部１７は、検出された周波数の変化量を検出する。そして、単独運転判定処理部１７は、単独運転状態を判定するため、交流電力系統８に瞬時電圧低下が発生したことに伴う周波数の変化量以上に設定される閾値Ａに対し、閾値Ｂ及びＣを（Ｃ＜Ａ＜Ｂ）の関係に設定する。そして、周波数の変化量が閾値Ａ以上で且つ閾値Ｂ未満になるか、又は、周波数の変化量が閾値Ｂ以上になると、その後の周波数の変化量が閾値Ｃ以上になる状態が複数回連続すると単独運転状態を判定する。これにより、瞬時電圧低下の発生と単独運転状態とを確実に峻別できる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
閾値Ａ，Ｂ，Ｃの比率は、（Ｃ＜Ａ＜Ｂ）の関係を満たす範囲で、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
直流電源７は、太陽電池に限らない。

図面中、１はパワーコンディショナ（電力変換装置）、７は直流電源、８は交流電源系統、１６は周波数計測処理部（周波数検出手段）、１７は単独運転判定処理部（周波数変化量検出手段，運転状態判定手段を示す。

Claims (1)

1. 直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統に連系させて電力を供給する電力変換装置において、
   前記交流電力系統に供給されている交流電力の周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記周波数の変化量を検出する周波数変化量検出手段と、
   単独運転状態を判定するための閾値である閾値Ａ及び閾値Ｃと、前記交流電力系統に瞬時電圧低下が発生したことに伴う前記周波数の変化量以上に設定される閾値Ｂとを（Ｃ＜Ａ＜Ｂ）の関係に設定し、
   前記周波数の変化量が前記閾値Ａ以上で且つ前記閾値Ｂ未満になったとき、及び、
   前記周波数の変化量が前記閾値Ｂ以上になり、その後閾値Ｃ未満になった後に、前記周波数の変化量が前記閾値Ｃ以上になる状態が複数回連続したときに単独運転状態を判定する運転状態判定手段とを備えることを特徴とする電力変換装置。

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