JP6591057B2 - 系統連系用電力変換システム - Google Patents

Description

この発明は、太陽電池、蓄電池等の発電、蓄電装置を電力系統に接続して電力系統からの潮流電力を制御し、また電力系統を切り離して家電等の負荷に電力を供給する系統連系用電力変換システムに関するものである。

従来技術では、電力系統と連系スイッチを介して接続するとともに、電力変換器の出力部に負荷が接続される系統連系用電力変換システムにおいて、電力系統の状態を検出して連系スイッチの開閉を制御する連系スイッチ制御手段と、連系スイッチの開閉制御状態に応じたスイッチ電流指令を出力するスイッチ電流指令作成手段と、スイッチ電流指令に追従するように連系スイッチの通電電流を制御するスイッチ電流制御手段と、スイッチ電流制御手段からの制御信号を電流指令として電力変換器の出力電流を制御する変換器制御手段とを備えたものが提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。

特開２００３−３３３７５３号公報

系統連系用電力変換システムにおいては、電力系統の瞬停発生時に、瞬停復帰時の電力系統状態を瞬停発生前の状態に維持できるようにするため、ある一定期間は電力系統と切断しないことが求められる。

一方、停電時には、連系スイッチがオフされるので、電力系統から需要家負荷への供給電圧が途絶える。このような事態が生じた場合、パソコンなどの需要家負荷においては、需要家負荷が停止してデータが喪失するなどの不具合発生が考えられることから、停電時にも需要家負荷の動作が継続できるように電圧を継続的に印加することが求められる。

上記の特許文献１に記載されているような従来の系統連系用電力変換システムにおいては、電力系統の瞬停発生時、電力系統と需要家負荷とを接続する連系スイッチのスイッチ電流を低減することで、スイッチ責務を低減しつつ電力系統を切り離すことができるものの、スイッチ動作の過渡期間中に需要家負荷の電圧が低下し、過渡時間と瞬停残電圧によっては需要家負荷が停止する可能性があった。また、瞬停復帰前後で電力系統と需要家間の電力状態が変化し、電力系統に影響を及ぼす可能性があった。

この発明は、瞬停発生時に電力系統と需要家負荷との間の接続状態を保ち、かつ、瞬停期間中にも需要家負荷の電圧を運転継続可能な電圧の範囲以内に維持し、瞬停復帰時には電力系統と需要家間の電力状態を瞬停発生前の状態に戻すことができて電力系統への影響を抑制することが可能な系統連系用電力変換システムを提供することを目的とするものである。

この発明は、電力系統と連系スイッチを介して接続される電力変換装置を備えた系統連系用電力変換システムにおいて、
上記連系スイッチに対して並列に、上記電力系統の瞬停時に需要家負荷に対して必要な電圧を維持するための電圧維持用負荷と、上記電圧維持用負荷との接続を切り離す負荷切離スイッチとからなる直列回路を接続するとともに、
上記電力系統における系統電力情報、上記需要家負荷に供給される負荷電力情報、上記需要家負荷と上記連系スイッチとの間における潮流電力情報の少なくとも一つを検出する電力情報検出部と、
上記電力情報検出部からの電力情報に基づいて、上記電力変換装置の出力電流を制御する出力指令を作成する電流電圧指令作成部と、
上記電流電圧指令作成部からの上記出力指令に基づいて上記電力変換装置を制御する変換器制御部と、
上記電力情報検出部からの電力情報に基づいて、上記連系スイッチと上記負荷切離スイッチとをそれぞれ動作させる駆動信号を生成するスイッチ切替制御部と、
を備える。

この発明によれば、瞬停発生時に連系スイッチをオフにするが、負荷切離スイッチにより電圧維持用負荷を介して需要家負荷と電力変換器を電力系統に接続し、かつ電力変換器の出力により、需要家負荷の電圧を一定電圧に維持できるので、瞬停時の需要家負荷の停止を防止することができる。また、瞬停復帰時には連系スイッチがオンする際に電力系統と需要家間の電力状態を瞬停発生前の状態に戻すことができるので、電力系統への影響を抑制することができ、電力系統への潮流電力の復帰を容易に行うことが可能となる。

この発明の実施の形態１による系統連系用電力変換システムの全体を示す概略的な構成図である。 この発明の実施の形態１による系統連系用電力変換システムの電力系統の状態変化に対する運転手法の一例を示したフローチャートである。 この発明の実施の形態１による系統連系用電力変換システムの瞬停発生時の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１による系統連系用電力変換システムの停電発生時の動作を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１による系統連系用電力変換システムの電圧維持用負荷による受電点電圧の維持メカニズムの説明図である。 この発明の実施の形態１による系統連系用電力変換システムの構成、特に変換器制御部の内部構成を示す図である。 この発明の実施の形態２による系統連系用電力変換システムの全体を示す概略的な構成図である。 この発明の実施の形態２による系統連系用電力変換システムにおいて補助スイッチを設けた場合の連系スイッチと補助スイッチのオン、オフ動作の説明図である。 この発明の実施の形態２による系統連系用電力変換システムにおいて補助スイッチを設けた場合の連系スイッチと補助スイッチのオン、オフ動作の説明図である。 図１に示した実施の形態１における系統連系用電力変換システムの蓄電装置、発電装置、および電力変換装置の具体的な一例を示す構成図である。 図７に示した実施の形態２における系統連系用電力変換システムの蓄電装置、発電装置、および電力変換装置の具体的な一例を示す構成図である。 図１に示した実施の形態１に対応したこの発明の実施の形態３による系統連系用電力変換システムの蓄電装置、発電装置、および電力変換装置の具体的な一例を示す構成図である。 図７に示した実施の形態２に対応したこの発明の実施の形態３による系統連系用電力変換システムの蓄電装置、発電装置、および電力変換装置の具体的な一例を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による系統連系用電力変換システムの全体を示す概略的な構成図である。

この実施の形態１における系統連系用電力変換システムは、蓄電池、電気自動車（ＥＶ）等の蓄電装置２による電源からの出力電力をＤＣ／ＤＣ変換、ＤＣ／ＡＣ変換等する電力変換装置１を備える。この電力変換装置１の出力側と電力系統３との間には、停電時などの電力系統３の異常発生時に電力系統３と電力変換装置１を切り離すための連系スイッチ５が設けられている。また、電力変換装置１と連系スイッチ５との間には、需要家負荷６、太陽電池などの発電装置７が接続されている。

また、連系スイッチ５と並列に、瞬停時に電力変換装置１の出力電圧を一定以上に保つための電圧維持用負荷９と、この電圧維持用負荷９との接続を切り離すための負荷切離スイッチ１０が互いに直列に接続されている。

さらに、この系統連系用電力変換システムは、電力系統３との電力需給状況や電力系統３の状態（具体的には例えば、電力系統３の系統電力Ｐｓ、発電装置７の発電電力Ｐｇ、需要家負荷６に供給される負荷電力Ｐｒ、電力変換装置１の出力と発電装置７の出力とが合流する受電点ｐｏにおける受電点電圧Ｖｐ、電力変換装置１から電力系統３に向かう潮流電力Ｐｓｓ、電力系統３から需要家負荷６に向かう逆潮流電力Ｐｒｓなど）を検出するための電力情報検出部２１と、この電力情報検出部２１の検出出力に基づいて電力変換装置１が受電点ｐｏに出力する電流電圧の出力指令Ｃｏを作成する電流電圧指令作成部２２と、この電流電圧指令作成部２２からの出力指令Ｃｏに基づいて電力変換装置１の動作を制御するための電力変換装置駆動指令Ｃｃを出力する変換器制御部２３と、電力情報検出部２１の検出出力に基づいて連系スイッチ５と負荷切離スイッチ１０のオン／オフ制御を行うスイッチ切替制御部２４と、このスイッチ切替制御部２４からのスイッチ駆動指令Ｃｓに基づいて連系スイッチ５と負荷切離スイッチ１０をオン／オフ駆動するスイッチ駆動回路２５とを有する。

なお、上記の負荷切離スイッチ１０としては、例えばトライアックが適用される。また、電圧維持用負荷９としては、例えばインダクタンス、コンデンサ、抵抗などを用いることができ、また、ＩＧＢＴなどの能動素子で構成したインバータやコンバータで模擬的に電圧降下Ｖｒｓを実現してもよい。

また、この発明の実施の形態１による系統連系用電力変換システムの電力変換装置１は、運転モードとして、電力系統３と接続して電力系統３と需要家負荷６または発電装置７の間の電力流通量を、電力変換装置１の出力電流を制御することにより行う連系運転モードＭｒと、電力系統３と解列した場合に需要家負荷６または発電装置７への印加電圧が所定の値となるように電力変換装置１の出力電圧を制御する自立運転モードＭｉとが切り替え制御されるようになっている。

ここで、需要家負荷６や発電装置７は、通常、停電などで電力系統３の電圧低下がある程度継続すると、動作を停止してしまう。また、瞬停発生により、発電装置７や系統連系用電力変換システムが停止して電力系統３から解列されたり、発電装置７や系統連系用電力変換システムの出力電力が瞬停前後で変動すると、瞬停発生前後で電力系統３と需要家負荷６や発電装置７の間の電力流通が急激に変化するため、なるべく瞬停発生前後で電力系統３と需要家負荷６や発電装置７の間の電力流通を変動させないよう、電力変換装置１の出力を調整することが求められる。

図２は、この発明の実施の形態１による系統連系用電力変換システムにおける電力系統３の状態変化に対する運転手法の一例を示したフローチャートである。また、図３は系統連系用電力変換システムの瞬停発生時の動作を示すタイミングチャートであり、図４は停電発生時の動作を示すタイミングチャートである。なお、図３、図４においては説明の簡単化のため、発電装置７は考慮していない。

図２に示すフローチャート、および図３、図４に示すタイミングチャートを参照して、電力系統３の状態変化に対する系統連系用電力変換システムの動作について、以下に説明する。なお、図２において、開始から終了までの処理は一定の演算サイクルで繰り返し実行されるものとする。

電力情報検出部２１により検出される系統情報（上記の系統電力Ｐｓ、発電電力Ｐｇ、負荷電力Ｐｒ、受電点電圧Ｖｐなどの情報）に基づき、電力系統３が正常な系統電圧Ｖｓに維持されていると判断されている場合（フラグＦ＝０）、連系スイッチ５がオンされるとともに、負荷切離スイッチ１０も常にオンされており、電圧維持用負荷９は常に電力系統３と接続されている。このとき、電圧維持用負荷９のインピーダンスよりも、連系スイッチ５のオン時のインピーダンスが十分小さいため、電力系統３と需要家負荷６との間の電流は主に連系スイッチ５を通ることになる。

また、この系統連系用電力変換システムは、電力系統３の正常時には、電力変換装置１の運転状態を連系運転モードＭｒとして、電力情報検出部２１により電力系統３の系統電圧Ｖｓを監視する（ステップＳ１）。系統電圧Ｖｓが予め設定された判定値よりも低下した場合（図３の時刻ｔ０）には、電力系統３が瞬停であると判定（フラグＦ＝１）し、スイッチ切替制御部２４は、スイッチ駆動回路２５を制御して連系スイッチ５をオフにする（図３の時刻ｔ１）。なお、この場合でも負荷切離スイッチ１０はオン状態に維持され、また、電力変換装置１は連系運転モードＭｒに維持される（ステップＳ２）。

ステップＳ２で連系スイッチ５がオフされると、需要家負荷６と電力系統３は電圧維持用負荷９を介して接続されることになる。このとき、図５に示すように、停電発生前に系統連系用電力変換システムや発電装置７から、電力系統３に電力を潮流していた場合（売電していた場合）、潮流電流により、電圧維持用負荷９の両端に電圧降下Ｖｒｓが発生するため、電力系統３の系統電圧Ｖｓが低下した場合にも、需要家負荷６の端部電圧（受電点ｐｏにおける受電点電圧）Ｖｐは、Ｖｐ＝Ｖｓ＋Ｖｒｓとなり、需要家負荷６が動作維持に必要とする許容電圧範囲内に収まるように一定以上に保たれる。

これにより、需要家負荷６の端部電圧Ｖｐが低下する期間は、電力系統３の系統電圧Ｖｓが予め設定された判定値よりも低下した時点（時刻ｔ０）から連系スイッチ５がオフされる時点（時刻ｔ１）までの遅れ時間Ｔｄのみとなる。この遅れ時間Ｔｄは、通常数ｍｓｅｃ〜数１０ｍｓｅｃ程度となる。通常、この遅れ時間Ｔｄは需要家負荷６や発電装置７が電圧低下により停止するまでの時間に比べて十分に短いため、需要家負荷６の不意の停止を抑制することが可能となる。

ここで、連系スイッチ５がオン状態の場合の潮流電流Ｉｓ（図５の破線で示す）と、連系スイッチ５がオフされた場合の潮流電流Ｉｓ１（図５の実線で示す）は同じとは限らず、連系スイッチ５がオフされた際の受電点電圧Ｖｐ（＝Ｖｓ＋Ｖｒｓ）は、電圧維持用負荷９のインピーダンスや、停電時の潮流電流Ｉｓ１の大きさによっては、過剰な電圧歪が発生したり電圧が過大になる。そして、需要家負荷６に過大な電圧が印加されると、これによって、需要家負荷６の不要停止や破壊を招く恐れがある。

また、電圧維持用負荷９は、その電力消費を抑えるために十分大きなインピーダンスに予め設定しておくと、連系スイッチ５がオフされた際の潮流電流Ｉｓ１に対して、電圧降下分Ｖｒｓとして発生する電圧が大きくなり、上記した電圧歪や電圧が過大になる可能性が高くなる。これを回避するために電圧維持用負荷９のインピーダンスをある程度までは小さく設定すると、逆に、電力消費が大きくなり、また、電圧維持用負荷９のコストやサイズの増大につながる可能性がある。

そこで、この発明の実施の形態１の系統連系用電力変換システムでは、連系スイッチ５がオフされた際の対策として、電力変換装置１の変換器制御部２３を図６に示すように構成している。なお、図６は図１の系統連系用電力変換システムのうち、特に変換器制御部２３の構成を中心に説明するための図である。

図６において、変換器制御部２３は、出力制御部２３ａと出力電圧リミッタ２３ｂとを備えている。通常、電流電圧指令作成部２２からの出力指令Ｃｏに基づいて、出力制御部２３ａが出力指令Ｃｏの通りになるように電力変換装置１を駆動する。そして、電力情報検出部２１により電力系統３の瞬停が検出され、かつ受電点電圧Ｖｐが予め設定された基準値を超えて過大電圧となる場合には、変換器制御部２３の出力電圧リミッタ２３ｂが動作して受電点電圧Ｖｐを一定以下に維持し、かつ、電圧歪も低減するように電力変換装置１を駆動する。これにより、連系スイッチ５がオフされた際の電圧維持用負荷９や電力変換装置１と電力系統３間の潮流電流Ｉｓ１の大きさによって受電点ｐｏに過剰な電圧歪や過大な電圧が発生するのを抑制する。

このような制御を行うことにより、瞬停発生に伴って連系スイッチ５がオフされた際に、需要家負荷６に適切な電圧を印加することが可能となり、かつ電圧維持用負荷９として、比較的大きなインピーダンスをもつようにしても、電力変換装置１が受電点電圧Ｖｐを一定に保つように制御するため、電圧維持用負荷９の電力消費を抑えることができ、電圧維持用負荷９のコストやサイズの増大を抑制することが可能となる。

次に、図２のフローチャートに示すように、系統連系用電力変換システムは電力系統３の電圧の瞬停判定時点（図３の時刻ｔ０）からの経過時間を監視する（ステップＳ３）。

電力系統３が瞬停であると判定（フラグＦ＝１）された状態にあり、かつ瞬停判定時点（時刻ｔ０）からの経過時間が規定時間Ｔｑを経過するまでの間（すなわち、ステップＳ３でＮＯの判断の後）に、系統電圧が判定値以上に復帰した場合（ステップＳ１でＮＯの判断）、電力系統３が瞬停であることが確定する。

瞬停であることが確定すると、次に、スイッチ切替制御部２４は、連系スイッチ５がオフであるか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５で連系スイッチ５がオフであることを確認した後、電流電圧指令作成部２２は、電力情報検出部２１で検出される負荷電力Ｐｒ、逆潮流電力Ｐｒｓ、発電電力Ｐｇなどの情報に基づいて、連系スイッチ５のオン後に連系スイッチ５を通過する電流がなるべく最小となるよう、電力変換装置１に対して電圧や電流の出力指令Ｃｏを与える（ステップＳ６）。変換器制御部２３はこの出力指令Ｃｏに基づいて電力変換装置１を駆動するので、電力変換装置１は、この出力指令Ｃｏに追従した電流Ｉｏｕｔを出力する。

そして、スイッチ切替制御部２４は、電力情報検出部２１の検出出力に基づき、電力変換装置１の出力電流Ｉｏｕｔの制御によって連系スイッチ５がオンされた場合の当該連系スイッチ５の潮流電流Ｉｓが最小であり、かつ、復帰した系統電圧Ｖｓと、電力変換装置１と電圧維持用負荷９により定まる受電点電圧Ｖｐとの差が一定以下となるかどうかを判断する（ステップＳ７）。そして、連系スイッチ５のオン後の潮流電流Ｉｓが最小で、かつ復帰した系統電圧Ｖｓと受電点電圧Ｖｐとの差が一定以下となったこと判断すると、スイッチ切替制御部２４は、スイッチ駆動回路２５を制御して連系スイッチ５をオンにする（図３の時刻ｔ２）（ステップＳ８）。

この切替動作により、連系スイッチ５をオンするときの連系スイッチ５の責務を低減することが可能となる。なお、瞬停確定時には、負荷切離スイッチ１０はオン状態が維持されているので、ステップＳ８で負荷切離スイッチ１０が改めてオンされることはない。

連系スイッチ５がオンされた後、電流電圧指令作成部２２は、電力系統３と需要家負荷６や発電装置７間の潮流電力が、瞬停発生前後で概略等しくなるように変換器制御部２３に対して出力指令を与えるので、これに応じて変換器制御部２３が電力変換装置１を制御する。これにより、瞬停前後の電力系統３と需要家負荷６や発電装置７間の潮流電力をほぼ同じに保つことができるため、瞬停発生による電力系統３への影響を抑制することが可能となる。

一方、ステップＳ３で電力系統３が瞬停であると判定（フラグＦ＝１）された状態にあり、かつ系統電圧の瞬停判定時点（図４の時刻ｔ０）から規定時間Ｔｑを経過しても、電力系統３の電圧が判定値以上に復帰しない場合（ステップＳ３でＹＥＳの判断）、ステップＳ４において、電力系統３は停電であると判定する（フラグＦ＝２）。そして、電流電圧指令作成部２２の出力指令に基づき、変換器制御部２３は電力変換装置１の出力状態を連系運転モードＭｒから自立運転モードＭｉに切り替え（図４の時刻ｔ２）、また、スイッチ切替制御部２４は、負荷切離スイッチ１０に対するスイッチオフ指令を出力するので、スイッチ駆動回路２５により負荷切離スイッチ１０が一定の遅れ時間Ｔｅの経過後にオフになる（図４の時刻ｔ３）。

その後の時間経過により、電力系統３の系統電圧Ｖｓが予め設定された判定値以上に復帰すると（ステップＳ１でＮＯの判断）、スイッチ切替制御部２４は、連系スイッチ５がオフかどうかを判定し、連系スイッチ５がオフであることを確認すると、瞬停から系統電圧Ｖｓが復帰した場合と同様に、ステップＳ６〜ステップＳ８を経由して連系スイッチ５をオンするとともに、負荷切離スイッチ１０もオンにし、さらに系統電圧Ｖｓが正常であることを示す判定状態（フラグＦ＝０）とする。また、電流電圧指令作成部２２の出力指令により、変換器制御部２３は、電力変換装置１を自立運転モードＭｉから連系運転モードＭｒに切り替える（ステップＳ８）。

連系スイッチ５をオンした後、電流電圧指令作成部２２は、瞬停から復帰する場合と同様に、電力変換装置１への出力指令を、電力系統３と需要家負荷６や発電装置７間の潮流電力が、瞬停発生前後で概略等しくなるように設定する。

以上のように、この発明の実施の形態１による系統連系用電力変換システムは、瞬停発生時と停電発生時のいずれにおいても、電圧維持用負荷９を介して電力系統３に接続することで、需要家負荷６や発電装置７への印加電圧が短時間で低下するのを抑制することができる。また、電力変換装置１により、受電点電圧Ｖｐを所定の値以内に制御することにより、電圧維持用負荷９や負荷切離スイッチ１０のコストやサイズの増大を抑制することができる。

また、瞬停発生や停電発生からの復帰時には、連系スイッチ５を再接続するが、その際に連系スイッチ５に流れる潮流電流Ｉｓを低減するように電力変換装置１の出力電流Ｉｏｕｔを制御し、連系スイッチ５がオンした後は、瞬停や停電の発生前後で電力系統３と需要家負荷６や発電装置７の潮流電力がなるべく変化しないよう、電力変換装置１の出力電流Ｉｏｕｔを制御する。このため、需要家負荷６や発電装置７に対して適切な電圧が印加されるので、不要な停止を抑制することができる。また、瞬停や停電の発生前後の電力系統３と需要家負荷６や発電装置７の潮流電力の変動による電力系統３の異常を抑制することが可能となる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２による系統連系用電力変換システムの全体を示す概略的な構成図であり、図１に示した実施の形態１に対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２における系統連系用電力変換システムの特徴は、上記連系スイッチ５に対して並列に、上記電圧維持用負荷９と上記負荷切離スイッチ１０とからなる直列回路に加えて、補助スイッチ１１が接続されている。また、上記スイッチ切替制御部２４は、上記電力情報検出部２１からの電力情報に基づいてスイッチ駆動回路２５を介して上記連系スイッチ５、上記負荷切離スイッチ１０、および上記補助スイッチ１１をそれぞれ動作させるように構成されている。

上記の補助スイッチ１１としては、連系スイッチ５よりも高速にスイッチングすることが可能な半導体スイッチ（例えば、トライアック）が適用される。

実施の形態２による系統連系用電力変換システムの動作は、実施の形態１に示したものとほぼ同様であるが、補助スイッチ１１の動作のみが異なっている。

図８および図９は、補助スイッチ１１を設けた場合の連系スイッチ５のオン／オフ時の動作概要の説明図であり、図８は、電力系統３から需要家負荷６、発電装置７、電力変換装置１を解列する場合の動作を示し、図９は、電力系統３と需要家負荷６、発電装置７、電力変換装置１を連系する場合の動作を示している。

スイッチ切替制御部２４により補助スイッチ１１は、系統が正常な場合は常にオンされており、補助スイッチ１１や先の負荷切離スイッチ１０のオン時のインピーダンスよりも、連系スイッチ５のオン時のインピーダンスが十分小さいため、電力系統３と系統連系用電力変換システムの間の電流は主に連系スイッチ５を通ることになる。

図８に示すように、スイッチ切替制御部２４は、瞬停発生や停電発生などにより、連系スイッチ５をオフする際、補助スイッチ１１をオン状態に維持する。したがって、連系スイッチ５をオフした際、主に連系スイッチ５を流れていた潮流電流Ｉｓ（図８の破線で示す）は、図８の実線で示すように補助スイッチ１１に転流する。このため、連系スイッチ５は低電流でスイッチングされる。これにより、連系スイッチ５のスイッチング責務を低減でき、かつ高速に連系スイッチ５をオフすることが可能となる。

スイッチ切替制御部２４は、連系スイッチ５のオフ後、補助スイッチ１１をオフするので、電力系統３との解列を完了する。補助スイッチ１１は連系スイッチ５よりも高速なスイッチングが可能であることから、より高速に電力系統３と解列することができる。このため、受電点電圧Ｖｐの低下時間をさらに低減することが可能となる。

図９に示すように、スイッチ切替制御部２４は、復電などにより連系スイッチ５をオンする際には、補助スイッチ１１から先にオンし、その後に連系スイッチ５をオンにする。このとき、補助スイッチ１１の方が高速にオンでき、かつ補助スイッチ１１に電流が流れている状態で連系スイッチ５をオンにするので、連系スイッチ５は低電流でスイッチングされることから、そのスイッチング責務を低減することが可能となる。
なお、瞬停時や停電時の負荷切離スイッチ１０の動作については、実施の形態１の場合と同じである。

以上のように、この発明の実施の形態２による系統連系用電力変換システムにおいては、連系スイッチ５と並列に補助スイッチ１１を設けることにより、連系スイッチ５のスイッチング責務を低減しつつ、かつ連系スイッチ５単体よりも高速に電力系統３と需要家負荷６、発電装置７、および電力変換装置１との解列、連系を行うことが可能となる。

また、この発明の実施の形態２による系統連系用電力変換システムでは、補助スイッチ１１により連系スイッチ５をオン／オフする際に流れる潮流電流Ｉｓを低減することが可能なため、実施の形態１に示したような電力変換装置１によるスイッチング電流の低減制御は実施しなくてもよくなる。すなわち、図６に示したような変換器制御部２３に出力電圧リミッタ２３ｂを設けたり、図２のステップＳ６のように連系スイッチ５のオン後に連系スイッチ５を通過する潮流電流Ｉｓがなるべく最小となるように制御する必要がなくなる。このため制御の簡略化を図ることが可能となる。

実施の形態３．
図１０は図１に示した実施の形態１における系統連系用電力変換システムの蓄電装置、発電装置、および電力変換装置の具体的な一例を示す構成図、図１１は図７に示した実施の形態２における系統連系用電力変換システムの蓄電装置、発電装置、および電力変換装置の具体的な一例を示す構成図であり、図１および図７とそれぞれ対応する構成部分には同一の符号を付す。

図１０および図１１に示すように、図１および図７に示した電力変換装置１の具体例としては、蓄電池や電気自動車（ＥＶ）等の蓄電装置２からの電力を系統連系に適切な直流の出力電力に変換するＤＣ／ＤＣ変換部１ａと、このＤＣ／ＤＣ変換部１ａからの出力電力を電力系統３との系統連系に必要な交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部１ｂとで構成されている。

同じく図１０および図１１に示すように、図１および図７に示した発電装置７の具体例としては、太陽電池７ｃからの電力を系統連系に適切な直流の出力電力に変換するＤＣ／ＤＣ変換部７ａと、このＤＣ／ＤＣ変換部７ａからの出力電力を電力系統３との系統連系に必要な交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部７ｂとで構成されている。

そして、図１０および図１１に示した実施の形態１および２における系統連系用電力変換システムでは、電力変換装置１のＤＣ/ＡＣ変換部１ｂを介した出力と、発電装置７のＤＣ/ＡＣ変換部７ｂを介した出力とは、交流側の受電点ｐｏにおいて共通に接続されている。

ここで、太陽電池７ｃを備えた発電装置７においては、受電点ｐｏにおける受電点電圧Ｖｐを検出し、その電圧変動を判定することにより、電力系統３の異常の有無を検出し、電力系統３の異常時には発電装置７の出力を停止して電力系統３から切り離すことを求められる場合がある。

このような場合、瞬停時に受電点電圧Ｖｐの電圧変動によって電力系統３の異常を検出すると、発電装置７が停止してしまい、発電装置７の停止から再起動に時間がかかり、その結果、瞬停復帰時の潮流電力を瞬停発生前の潮流電力に戻すことが困難となる。

また、太陽電池７ｃを備えた発電装置７は、一般的に、太陽電池７ｃから取り得る出力電力が最大電力となるようにすることが優先されるため、発電装置７から出力する交流電力を維持するための交流電流制御は実行されるが、受電点ｐｏにおける受電点電圧Ｖｐの変動を抑制する制御は積極的には行わない。このため、上記の実施の形態１（図１０）および実施の形態２（図１１）に示す、停電時の受電点電圧Ｖｐの維持は、主に蓄電装置２に接続された電力変換装置１により行う必要がある。

ところで、発電装置７が受電点ｐｏにおける受電点電圧Ｖｐの電圧変動を判定する場合、受電点電圧Ｖｐの周波数から判定する場合が多い。また、受電点電圧Ｖｐの周波数は交流電圧の極性切り替わり時点の電圧で検出する方式がよく用いられており、周波数を維持するためには高速に受電点電圧Ｖｐを維持するための制御性能が必要となる。

すなわち、図１０および図１１に示すように、電力変換装置１と発電装置７を交流側受電点で接続する装置構成にすると、蓄電装置２に接続された電力変換装置１には、上述したように停電時などに発電装置７が電力系統の異常を検出して停止することを防ぐために、高速に受電点電圧Ｖｐを維持するための制御性能が必要である。このように、高速に受電点電圧Ｖｐを維持するための制御性能を実現するには、高速な電力情報検出部２１や高速に電圧電流を制御するためのＣＰＵ（電流電圧指令作成部２２、変換器制御部２３）が必要になり、装置全体が高価になるという課題がある。

そこで、この実施の形態３では、系統連系用電力変換システムの電力変換装置１と発電装置７を、図１２または図１３に示すような構成としている。

図１２は図１に示した実施の形態１に対応したこの発明の実施の形態３による系統連系用電力変換システムの蓄電装置、発電装置、および電力変換装置の具体的な一例を示す構成図、図１３は図７に示した実施の形態２に対応したこの発明の実施の形態３による系統連系用電力変換システムの蓄電装置、発電装置、および電力変換装置の具体的な一例を示す構成図であり、図１または図７に示した実施の形態１または２にそれぞれ対応する構成部分には同一の符号を付す。

図１２および図１３に示すように、この実施の形態３では、発電装置７として太陽電池のみで構成し、この発電装置７に対して系統連系に適切な直流の出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換部１ｃを接続する一方、蓄電池や電気自動車（ＥＶ）等の蓄電装置２に対して系統連系に適切な直流の出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換部１ａを接続し、さらに、各々のＤＣ／ＤＣ変換部１ａおよび１ｃの出力を電力系統３との系統連系に必要な交流に変換するＤＣ／ＡＣ変換部１ｂを設け、各々のＤＣ／ＤＣ変換部１ａ、１ｃの出力側をＤＣ／ＡＣ変換部１ｂの入力点ｐｉｎで共通に接続している。そして、上記のＤＣ／ＤＣ変換部１ａ、１ｃとＤＣ／ＡＣ変換部１ｂにより電力変換装置１を構成している。

このように、図１２または図１３に示した構成とすることにより、発電装置７が直接に受電点ｐｏに接続されることがなくなるため、実施の形態１、２のように、発電装置７として受電点電圧Ｖｐの変動を検出することで、電力系統３の異常を検出して停止させるといった機能を有する必要がなくなる。

以上のように、この実施の形態３による系統連系用電力変換システムにおいては、発電装置７と蓄電装置２の電力を系統連系に適切な電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換部１ａ、１ｃを備え、発電装置７と蓄電装置２のそれぞれに接続されるＤＣ／ＤＣ変換部１ａ、１ｃの出力をＤＣ／ＡＣ変換部１ｂの入力点ｐｉｎで接続する構成とすることにより、発電装置７が受電点電圧Ｖｐの変動を検出することで、電力系統３の異常を検出して停止する機能を有する必要がなくなる。これにより、電力変換装置１の受電点電圧Ｖｐの維持は比較的低速に行うことが許容される。すなわち、系統連系用電力変換システムとして、高速な電力情報検出部２１や、高速に電圧電流を制御するためのＣＰＵ（電流電圧指令作成部２２や変換器制御部２３）が不要となるため、装置の費用を低減することが可能となる。

なお、図１２および図１３に示した実施の形態３では、蓄電装置２と発電装置７とはそれぞれ単独設けられていて、それぞれの蓄電装置２、発電装置７が電力変換装置１の各ＤＣ／ＤＣ変換部１ａ、１ｃに個別に接続されているが、蓄電装置２や発電装置７の少なくとも一方が複数台設けられている場合には、それらの複数台に対してそれぞれ個別にＤＣ／ＤＣ変換部１ａ、１ｃを設け、これらのＤＣ／ＤＣ変換部１ａ、１ｃをＤＣ／ＡＣ変換部１ｂの入力点ｐｉｎで共通に接続した構成を採用することができる。

なお、この発明は、上記の実施の形態１〜３の構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、各実施の形態１〜３の構成の一部に変形を加えたり、構成の一部を省略することができ、さらに、各実施の形態１〜３の構成を適宜組み合わせることが可能である。

Claims (10)

1. 電力系統と連系スイッチを介して接続される電力変換装置を備えた系統連系用電力変換システムにおいて、
   上記連系スイッチに対して並列に、上記電力系統の瞬停時に需要家負荷に対して必要な電圧を維持するための電圧維持用負荷と、上記電圧維持用負荷との接続を切り離す負荷切離スイッチとからなる直列回路を接続するとともに、
   上記電力系統における系統電力情報、上記需要家負荷に供給される負荷電力情報、上記需要家負荷と上記連系スイッチとの間における潮流電力情報の少なくとも一つを検出する電力情報検出部と、
   上記電力情報検出部からの電力情報に基づいて、上記電力変換装置の出力電流を制御する出力指令を作成する電流電圧指令作成部と、
   上記電流電圧指令作成部からの上記出力指令に基づいて上記電力変換装置を制御する変換器制御部と、
   上記電力情報検出部からの電力情報に基づいて、上記連系スイッチと上記負荷切離スイッチとをそれぞれ動作させる駆動信号を生成するスイッチ切替制御部と、
   を備える、系統連系用電力変換システム。
2. 上記スイッチ切替制御部は、上記電力情報検出部からの電力情報に基づいて、上記連系スイッチの電力系統側の電圧を監視し、上記電力系統の電圧が予め設定された判定値よりも低下した場合には、上記連系スイッチをオフにして上記電圧維持用負荷を介して上記電力変換装置と上記電力系統とを接続する、請求項１に記載の系統連系用電力変換システム。
3. 上記変換器制御部は、上記電流電圧指令作成部からの上記出力指令に基づいて、上記連系スイッチのオフ時における上記電力変換装置の出力電圧が上記需要家負荷が必要とする許容電圧以内に収まるように制御する、請求項１または請求項２に記載の系統連系用電力変換システム。
4. 上記スイッチ切替制御部により瞬停復帰時に上記連系スイッチをオフからオンに切り替えられた後に、上記電流電圧指令作成部は電力系統と需要家負荷や発電装置間の潮流電力が、瞬停発生前後で概略等しくなるように変換器制御部に対して出力指令を与える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換システム。
5. 上記スイッチ切替制御部により瞬停復帰時に上記連系スイッチのオフからオンへ切り替えられる際、上記電流電圧指令作成部は、上記連系スイッチに流れる電流が最小となるように、上記電力変換装置に対して電流指令を与える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換システム。
6. 上記連系スイッチに対して並列に、上記電圧維持用負荷と上記負荷切離スイッチとからなる上記直列回路に加えて、補助スイッチを接続するとともに、
   上記スイッチ切替制御部は、上記電力情報検出部からの電力情報に基づいて、上記連系スイッチ、上記負荷切離スイッチ、および上記補助スイッチをそれぞれ動作させる駆動信号を作成する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換システム。
7. 上記補助スイッチは、上記連系スイッチよりも高速なスイッチングを行えるものである、請求項６に記載に系統連系用電力変換システム。
8. 上記スイッチ切替制御部は、瞬停発生時には連系スイッチをオフした後に補助スイッチをオフに制御する一方、瞬停復帰時には補助スイッチを先にオンにした後に連系スイッチをオンに制御する、請求項６または請求項７に記載の系統連系用電力変換システム。
9. 発電装置と蓄電装置を備え、上記電力変換装置は、上記発電装置と上記蓄電装置の電力をそれぞれ個別に系統連系に適切な電圧に変換するＤＣ／ＤＣ変換部と、各々の上記ＤＣ／ＤＣ変換部の出力を上記電力系統との系統連系に必要な交流に変換するＤＣ／ＡＣ変換部とを備え、各々の上記ＤＣ／ＤＣ変換部の出力側を上記ＤＣ／ＡＣ変換部の入力点で共通に接続している、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換システム。
10. 上記発電装置と上記蓄電装置の少なくとも一方は複数台設けられており、これらの複数台に対してそれぞれ個別に上記ＤＣ／ＤＣ変換部が設けられている、請求項９に記載の系統連系用電力変換システム。

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