JP6618414B2

JP6618414B2 - パワーコンディショナ

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Publication number: JP6618414B2
Application number: JP2016076828A
Authority: JP
Inventors: 中林　弘一; 弘一中林; 貴洋嘉藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-04-06
Filing date: 2016-04-06
Publication date: 2019-12-11
Anticipated expiration: 2036-04-06
Also published as: JP2017189041A

Description

本発明は、パワーコンディショナに関する。

従来のパワーコンディショナ（Power Conditioning System：以下、適宜ＰＣＳと称する）では、特許文献１に示すように、単独運転検出装置を備えたものが知られている。単独運転検出装置は、ＰＣＳの出力電圧周波数の偏差量に基づいてＰＣＳの無効電力出力量を変化させ、ＰＣＳの出力電圧周波数変化に正帰還をかけ、ＰＣＳの出力電圧周波数の変化を助長し、ＰＣＳの出力周波数の変化を検出し、ＰＣＳの動作を停止させる。

なお、単独運転検出機能は、日本電機工業会（ＪａｐａｎＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ′ 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）として標準化されている（下記非特許文献１）。ここで、単独運転検出装置は、正帰還のゲインが高い場合には、ＰＣＳ出力電圧が変動してフリッカ現象が発生し、電力品質低下を引き起こすことが知られている。

特許文献１には、インバータの出力電圧の変動量をちらつき視感度曲線における１０Ｈｚの変動値であるΔＶ１０に換算し、ΔＶ１０が閾値を超えた場合にＰＣＳが出力する無効電力変動量を制限し、正帰還のゲインを実質的に小さくすることで、フリッカ現象の発生を抑制する単独運転検出装置が開示されている。

特開２０１４−３７４３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（分散型電源用単相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）

特許文献１に記載の単独運転検出装置は、無効電力変動量の正帰還のゲインを小さくすることでフリッカ現象の発生を抑制するため、単独運転の検出が遅くなるという問題があった。一方、高速で単独運転検出を行うために無効電力出力量の正帰還のゲインを高くした場合、フリッカ現象が発生し、電力品質が低下するという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、単独運転を高速に検出でき、かつ電力品質の低下を抑制するパワーコンディショナを提供す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、本発明に係るパワーコンディショナは直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、前記パワーコンディショナの出力電圧の周期及び周波数の少なくとも一方を計測する周波数計測部と、前記周波数計測部が計測した前記周期及び前記周波数の少なくとも一方を記憶し、前記周期及び前記周波数の少なくとも一方の偏差を算出する第１の算出部と、前記偏差に基づいて前記パワーコンディショナに注入する無効電力出力量を算出する第２の算出部と、前記無効電力出力量に基づいて前記インバータ部の無効電力の出力量を制御する電流制御処理部と、少なくとも前記インバータ部、前記周波数計測部、前記第１の算出部、前記第２の算出部及び前記電流制御処理部が含まれる閉ループ中のいずれかの箇所に接続され、前記パワーコンディショナが系統連系運転をしている場合に前記閉ループのゲイン周波数特性が第１の周波数帯において予め定められた第１の閾値未満となるように調整され、かつ前記パワーコンディショナが単独運転をしている場合に前記ゲイン周波数特性が第２の周波数帯のいずれかにおいて予め定められた前記第１の閾値よりも大きくなるように調整され、かつ前記パワーコンディショナが単独運転をしている場合に前記ゲイン周波数特性が第３の周波数帯のいずれかにおいて予め定められた第２の閾値よりも大きくなるように調整された周波数特性調整部と、前記周波数計測部が計測する前記周期及び前記周波数の少なくとも一方の変化から前記パワーコンディショナが単独運転であることを検出し、前記パワーコンディショナが単独運転である場合に前記インバータ部の出力を停止させる単独運転検出部と、を備える。

本発明によれば、単独運転を高速に検出でき、かつ電力品質の低下を抑制するパワーコンディショナを提供することができる。

実施の形態１に係るパワーコンディショナの概略構成図実施の形態１に係るパワーコンディショナの系統周波数計測部のタイミングチャートの説明図実施の形態１に係るパワーコンディショナの周波数偏差算出部の演算アルゴリズムの説明図実施の形態１に係るパワーコンディショナの周波数偏差算出部のゲイン周波数特性を示す図実施の形態１に係るパワーコンディショナの無効電力出力量算出部の変換特性を示す図実施の形態１に係るパワーコンディショナの周波数特性調整部のゲイン周波数特性を示す図実施の形態１に係るパワーコンディショナの系統連系運転時の各構成要素による閉ループのゲイン周波数特性を示す図実施の形態１に係るパワーコンディショナの単独運転時の各構成要素による閉ループのゲイン周波数特性を示す図実施の形態１に係るパワーコンディショナに外乱を入力した場合のシミュレーション結果を示す図実施の形態１に係るパワーコンディショナの単独運転検出試験のシミュレーション結果を示す図実施の形態２に係るパワーコンディショナの周波数偏差算出部の演算アルゴリズムの説明図実施の形態２に係るパワーコンディショナの周波数偏差算出部のゲイン周波数特性を示す図実施の形態２に係るパワーコンディショナの周波数特性調整部のゲイン周波数特性を示す図実施の形態２に係るパワーコンディショナの系統連系運転時の各構成要素による閉ループのゲイン周波数特性を示す図実施の形態２に係るパワーコンディショナの単独運転時の各構成要素による閉ループのゲイン周波数特性を示す図実施の形態２に係るパワーコンディショナに外乱を入力した場合のシミュレーション結果を示す図実施の形態２に係るパワーコンディショナの単独運転検出試験のシミュレーション結果を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係るパワーコンディショナを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るパワーコンディショナ３の概略構成図である。図２は、実施の形態１に係るパワーコンディショナ３の系統周波数計測部９のタイミングチャートの説明図である。図３は、実施の形態１に係るパワーコンディショナ３の周波数偏差算出部７の演算アルゴリズムの説明図である。図４は、実施の形態１に係るパワーコンディショナ３の周波数偏差算出部７のゲイン周波数特性を示す図である。図５は、実施の形態１に係るパワーコンディショナ３の無効電力出力量算出部６の変換特性を示す図である。

図６は、実施の形態１に係るパワーコンディショナ３の周波数特性調整部８のゲイン周波数特性を示す図である。図７は、実施の形態１に係るパワーコンディショナ３の系統連系運転時の各構成要素による閉ループのゲイン周波数特性を示す図である。図８は、実施の形態１に係るパワーコンディショナ３の単独運転時の各構成要素による閉ループのゲイン周波数特性を示す図である。図９は、実施の形態１に係るパワーコンディショナ３に外乱を入力した場合のシミュレーション結果を示す図である。図１０は、実施の形態１に係るパワーコンディショナ３の単独運転検出試験のシミュレーション結果を示す図である。

本実施の形態のＰＣＳ３は、図１に示すように、ＰＣＳ入力部１５と、ＰＣＳ出力部１３と、連系リレー１２と、インバータ部４と、系統周波数計測部９と、第１の算出部である周波数偏差算出部７と、周波数特性調整部８と、第２の算出部である無効電力出力量算出部６と、電流制御処理部５と、単独運転検出部１１と、を備える。

ＰＣＳ入力部１５は、太陽電池モジュール１が接続される入力端子である。ＰＣＳ入力部１５は、インバータ部４と電気的に接続される。なお、ＰＣＳ入力部１５は、太陽電池モジュール１に接続されるとしたが、これに限定されない。ＰＣＳ入力部１５に接続される外部電源は、例えば、風力発電、燃料電池及び蓄電池でもよい。

ＰＣＳ出力部１３は、交流電源系統２と接続される出力端子である。ＰＣＳ出力部１３は、連系リレー１２と電気的に接続される。

連系リレー１２は、入力信号に基づいて回路の開閉を行うスイッチである。連系リレー１２は、インバータ部４とＰＣＳ出力部１３との間の電路に設置される。連系リレー１２は、後述する単独運転検出部１１の出力信号が入力される。連系リレー１２は、単独運転検出部１１から開動作の信号が入力された場合にスイッチを開放し、インバータ部４とＰＣＳ出力部１３とを電気的に開放する。

インバータ部４は、ＰＣＳ入力部１５を介して太陽電池モジュール１と電気的に接続される。インバータ部４は、連系リレー１２と電気的に接続される。インバータ部４は、太陽電池モジュール１から入力された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。インバータ部４は、変換した交流電力を連系リレー１２及びＰＣＳ出力部１３を介して交流電源系統２に逆潮流させる。

系統周波数計測部９は、図２に示すタイミングチャートに基づいて、ＰＣＳ出力部１３における電圧の周期を計測する。詳細には、まず、系統周波数計測部９は、ＰＣＳ出力部１３における電圧に同期した方形波信号を生成する。次に、系統周波数計測部９は、方形波信号の立ち下がり時点から次の立ち上がり時点までの中間時点の時間を求める。次に、系統周波数計測部９は、中間時点間の時間を周期データとして算出する。系統周波数計測部９は、計測した周期データを周波数偏差算出部７及び単独運転検出部１１に出力する。

周波数偏差算出部７は、図３に示す演算アルゴリズムに基づいて、周波数偏差を算出する。詳細には、周波数偏差算出部７は、系統周波数計測部９が計測した周期データを５ｍ秒毎にサンプリングする。次に、周波数偏差算出部７は、サンプリングした周期データを記憶する。ここで、図３に記載されたＣｉは、（ｉ×５）ｍ秒前に計測された周期データを示す。ここで、ｉは整数を表す。また、Ｃ０は現在の周期データを示す。次に、周波数偏差算出部７は、最新の４０ｍ秒間の周期データの移動平均値を求め、最近周期データＡ０とする。次に、周波数偏差算出部７は、２００ｍ秒前から２８０ｍ秒前までの周期データの移動平均値を求め、過去周期データＢ０とする。次に、周波数偏差算出部７は、最近周期データＡ０と過去周期データＢ０との逆数の偏差を算出することで周波数偏差を求める。周波数偏差算出部７は、図３に示した演算アルゴリズムを実行することで、一種のデジタルフィルタを構成する。周波数偏差算出部７は、図４に示すゲイン周波数特性を有する。周波数偏差算出部７のゲイン周波数特性は、図４に示すように、２Ｈｚ及び６．５Ｈｚ付近にピーク特性を有する。周波数偏差算出部７のゲイン周波数特性は、図４に示すように、４．５Ｈｚ付近にディップ特性を有する。周波数偏差算出部７は、算出した周波数偏差を周波数特性調整部８に順次出力する。

周波数特性調整部８は、デジタルフィルタである。周波数特性調整部８は、周波数偏差算出部７から入力された周波数偏差にフィルタをかけて無効電力出力量算出部６に出力する。周波数特性調整部８のゲイン周波数特性に関しては後述する。

無効電力出力量算出部６は、図５に示す変換特性に応じて周波数特性調整部８から出力される周波数偏差を無効電力出力指令値に変換する。図５に示した変換特性の横軸は、周波数偏差を表す。図５に示した変換特性の縦軸は、無効電力出力指令値を表す。無効電力出力量算出部６は、周波数偏差が正の場合にはＰＣＳ３から見て進み位相の無効電力を算出する。無効電力出力量算出部６は、周波数偏差が負の場合にはＰＣＳ３から見て遅れ位相の無効電力を算出する。

無効電力出力量算出部６の変換特性は、周波数偏差の絶対値が０．０１Ｈｚ未満の低感帯領域における傾きと周波数偏差の絶対値が０．０１Ｈｚ以上０．４５Ｈｚ未満の高感帯領域における傾きとが異なる。つまり、低感帯領域における傾きは、図５に示すように、高感帯領域における傾きよりも小さく設定される。ここで、傾きは、周波数偏差の変化に対する無効電力出力指令値の変化の割合を示す。また、無効電力出力指令値は、周波数偏差が０．４５Ｈｚ以上の領域においては、一定値９００Ｖａｒである。また、無効電力出力指令値は、周波数偏差が−０．４５Ｈｚ以下の領域においては、一定値−９００Ｖａｒである。無効電力出力量算出部６は、算出した無効電力出力指令値を電流制御処理部５に出力する。

なお、本実施の形態では無効電力出力指令値の上限値を９００Ｖａｒとし、下限値を−９００Ｖａｒとしたが、これに限定されない。無効電力指令値の上限値及び下限値の絶対値は、例えば０．２５Ｐ．Ｕ．Ｖａｒ以下であればよい。ここで、Ｐ.Ｕ.は、ｐｅｒｕｎｉｔの略である。Ｐ．Ｕ．は、単位法で用いる記号であり、基準値に対する比を表す。例えば、０．２５Ｐ.Ｕ.Ｖａｒは、基準値を４ｋＷの定格出力とした場合には、４ｋＷの０．２５倍である１ｋＶａｒの無効電力を意味する。

電流制御処理部５は、無効電力出力量算出部６から入力された無効電力出力指令値に対応した電流指令値を算出する。電流制御処理部５は、算出した電流指令値をインバータ部４に出力する。インバータ部４は、電流制御処理部５から入力された電流指令値に応じて出力電流の位相角を制御することで、ＰＣＳ出力部１３を介して交流電源系統２に無効電力を注入する。

なお、ＰＣＳ３の電流制御処理部５は、無効電力出力量算出部６から入力された無効電力出力指令値に対応した電流指令値を算出するとしたが、これに限定されない。例えば、無効電力出力量算出部６から入力された無効電力出力指令値と、無効電力ステップ注入部から入力される追加無効電力出力指令値とを加算した値に対応した電流指令値を算出するとしてもよい。ここで、無効電力ステップ注入部は、周波数偏差が予め設定された期間内において連続して一定以下となる状態が継続し、かつ、系統電圧または高調波歪電圧が予め設定された変動範囲を超える変動をしたという条件が成立した場合に、系統電圧又は高調波歪電圧が単独運転発生に起因して急変したと判断し、周波数偏差に基づいて演算された無効電力に加えて、追加無効電力を注入する制御を行うものである。無効電力ステップ注入部は、ＪＥＭ１４９８によって規格化されている。

単独運転検出部１１は、系統周波数計測部９から入力された周波数データからＰＣＳ３が単独運転状態か否かを判定する。単独運転検出部１１は、例えば、周波数リレー及び周波数変化率リレーである。単独運転検出部１１は、ＰＣＳ３が単独運転状態であると判定した場合に、インバータ部４へゲートブロック信号を出力することでインバータ部４を停止させると共に、連系リレー１２に開動作の信号を出力することで連系リレー１２を開放し、インバータ部４を交流電源系統２から電気的に切り離す。

次に、上述した周波数特性調整部８のゲイン周波数特性について説明する。周波数特性調整部８は、図６に示すゲイン周波数特性を有する。周波数特性調整部８のゲイン周波数特性は、ＰＣＳ３が系統連系運転をしている場合に閉ループのゲイン周波数特性が第１の周波数帯において０ｄＢ未満となるように調整され、かつＰＣＳ３が単独運転をしている場合に閉ループのゲイン周波数特性が第２の周波数帯のいずれかにおいて０ｄＢを超えるように調整され、かつＰＣＳ３が単独運転をしている場合に閉ループのゲイン周波数特性が第３の周波数帯のいずれかにおいて−１５ｄＢを超えるように調整され、かつＰＣＳ３が系統連系運転をしている場合に閉ループのゲイン周波数特性が第４の周波数帯におけるゲインの最大値とゲインの最小値との差の絶対値が２０ｄＢ以下であるように調整される。ここで、閉ループとは、図１に示すように、系統周波数計測部９、周波数偏差算出部７、周波数特性調整部８、無効電力出力量算出部６、電流制御処理部５及びインバータ部４によって形成される閉ループである。閉ループは、ＰＣＳ３が系統連系運転をしている場合に、図７に示すゲイン周波数特性を有する。閉ループは、ＰＣＳ３が単独運転をしている場合に、図８に示すゲイン周波数特性を有する。第１の周波数帯とは、１Ｈｚから２５Ｈｚである。第２の周波数帯とは、１Ｈｚから２５Ｈｚである。第３の周波数帯とは、１０Ｈｚから１５Ｈｚである。第４の周波数帯とは、１Ｈｚから１５Ｈｚである。

ここで、第１の周波数帯及び第２の周波数帯を１Ｈｚから２５Ｈｚとした理由について説明する。まず、周波数１Ｈｚ以下の帯域における閉ループのゲインは、周波数偏差算出部７が最近周期データＡ０と過去周期データＢ０との時間差を２００ｍ秒として周波数偏差を求めているため、通常０ｄＢを超えない。よって、１Ｈｚ未満の周波数は考慮する必要がない。また、周波数偏差算出部７は、５ｍ秒毎にサンプリングを行う。一方、系統周波数計測部９は、ＰＣＳ出力部１３における電圧信号のゼロクロス点間の時間情報に基づいて周期を計測しているため、周波数情報が実際に更新される周期は２０ｍ秒となる。つまり、サンプリング周波数は５０Ｈｚとみなすことができる。よって、５０Ｈｚのサンプリング周波数に対するナイキスト周波数である２５Ｈｚの周波数までを考慮すればよい。以上より、第１の周波数帯及び第２の周波数帯を１Ｈｚから２５Ｈｚとした。

ここで、第３の周波数帯を１０Ｈｚから１５Ｈｚとした理由について説明する。単独運転検出を高速に、例えば０．２秒以内に検出するためには、ＰＣＳ３の出力周波数の変化に対するＰＣＳ３の制御応答時定数はおおむねその１／１０以下、例えば１５ｍ秒以下とする必要があり、これを周波数に換算すると１０Ｈｚ以上となる。よって下限周波数を１０Ｈｚとした。また、上限周波数は後述の第４の周波数帯の上限周波数の設定理由と同じ理由により、１５Ｈｚとした。

ここで、第４の周波数帯を１Ｈｚから１５Ｈｚとした理由について説明する。まず、本実施の形態のように高速、例えば、０．２秒以内に単独運転を検出する装置においては、１Ｈｚ未満の帯域のゲイン特性は実質的に検出時間への影響がない。よって、１Ｈｚ未満の周波数は考慮する必要がない。また、周波数偏差算出部７は、５ｍ秒ごとに周波数偏差を算出する離散フィルタであり、離散化により発生する１５Ｈｚを超える帯域のゲイン特性は実質的に検出時間への影響がない。よって、１５Ｈｚを超える周波数帯におけるゲイン下限は考慮する必要がない。以上より、第４の周波数帯を１Ｈｚから１５Ｈｚとした。

なお、ＰＣＳ３が系統連系運転をしている場合の閉ループのゲイン周波数特性は、１Ｈｚから２５Ｈｚの周波数帯において０ｄＢ未満であるとしたが、これに限定されない。系統周波数計測部９が別の方法で周波数を計測する場合、又は系統周波数の周期が異なる場合は、周波数帯を調整してもよい。例えば、交流電源系統２の周波数が６０Ｈｚである場合、０ｄＢ未満となる周波数帯は、１Ｈｚから３０Ｈｚでもよい。

上述のように構成されたＰＣＳ３において、インバータ部４が電流指令値に応じて交流電源系統２に無効電力を注入し、かつＰＣＳ３が単独運転状態の場合は、交流電源系統２に注入される無効電力により、系統周波数が変動する。単独運転検出部１１は、系統周波数の変動が予め決められた値を超えた場合は、単独運転状態と判定し、ＰＣＳ３を交流電源系統２から解列させるために開信号を連系リレー１２に出力すると共に、ゲートブロック信号をインバータ部４に出力する。上記の予め決められた値は、例えば、系統電圧が２．５サイクルする間に８Ｈｚ／秒の変動である。なお、ＰＣＳ３が系統連系運転状態のときに交流電源系統２に無効電力を注入した場合には、系統周波数の変動は極めて小さい。詳細には、上述した閉ループのゲイン周波数特性が第１の周波数帯において０ｄＢ未満であるため、周波数変動は減衰して収束する。

次に、図９を用いて、ＰＣＳ３に外乱を入力した場合のシミュレーション結果について説明する。本シミュレーションにおいて、図１に示すＰＣＳ３の定格出力は４ｋＷ、図１に示す交流電源系統インピーダンス２ａは、ＰＣＳ出力部１３から交流電源系統２側を見た場合の％インピーダンスの抵抗成分を１００％Ω（１０Ω）とした。また、本シミュレーションにおいて、ＰＣＳ３は、系統連系運転中とした。また、本シミュレーションにおいて、ＰＣＳ３に入力する外乱は、周波数変化＋１Ｈｚとした。図９の上段に示すグラフは、無効電力出力量算出部６の無効電力出力指令値の時間変化を示すグラフである。図９の中段に示すグラフは、ＰＣＳ出力部１３における出力電圧の実効値の時間変化を示すグラフである。図９の下段に示すグラフは、ＰＣＳ出力部１３における出力電圧の周波数の時間変化を示すグラフである。図９に示す各グラフの横軸は、それぞれ外乱を入力してからの経過時間を示す。

図９の上段に示した無効電力出力量算出部６の出力は、時間０秒において周波数が１Ｈｚ変化した直後に変化が見られるが、その後０ｖａｒで定常状態となった。図９の中段に示したＰＣＳ出力部１３の電圧は、時間０秒において周波数が１Ｈｚ変化した直後に変化が見られるが、その後２００Ｖｒｍｓで定常状態となった。図９の下段に示したＰＣＳ出力部１３の出力電圧の周波数は、時間０秒において周波数が１Ｈｚ変化した直後に変化が見られるが、その後５０Ｈｚで定常状態となった。

本実施の形態に係るＰＣＳ３は、上述したシミュレーション結果により、ＰＣＳ３が系統連系運転中に外乱を与えた場合に、出力電圧及び周波数の変動を収束でき、電力品質の低下を抑制することができる。

なお、本シミュレーションにおいては、外乱として周波数変化１Ｈｚを加えたが、他の外乱に対しても、同様の結果が得られる。他の外乱とは、例えば、ＰＣＳ出力部１３における出力電圧に位相変化を加えることである。

次に、図１０を用いて、第１実施の形態に係るＰＣＳ３が系統連系運転中に単独運転に移行した場合のシミュレーション結果について説明する。本シミュレーションにおいて、単独運転開始の条件は、潮流点における有効電力率が０％であり、かつ負荷１０には回転機負荷として、定格消費電力６２０Ｗ、慣性モーメント０．０１５ｋｇ・ｍ^２である卓上グラインダを含み、かつ潮流点における無効電力率を単独運転検出時間が最も長くなるように調整された条件とした。

図１０の１段目に示すグラフは、ＰＣＳ出力部１３における出力電圧の時間変化を示すグラフである。図１０の２段目に示すグラフは、ＰＣＳ出力部１３における出力電流の時間変化を示すグラフである。図１０の３段目に示すグラフは、ＰＣＳ出力部１３における出力電圧の周波数の時間変化を示すグラフである。図１０の４段目に示すグラフは、単独運転検出部１１が出力するゲートブロック信号の時間変化を示すグラフである。図１０に示す各グラフの横軸は、ＰＣＳ３が単独運転に移行した時点を基準とした時間を表す。なお、インバータ部４は、ゲートブロック信号が０の場合に運転を継続する。また、インバータ部４は、ゲートブロック信号が１の場合に運転を停止する。

図１０の３段目に示したグラフから、ＰＣＳ出力部１３における周波数は、時間０秒でＰＣＳ３が単独運転に移行した後に周波数の増加を示したことが分かる。これは、ＰＣＳ３が単独運転をしている場合に、閉ループのゲイン周波数特性が１Ｈｚから２５Ｈｚのいずれかにおいて０ｄＢを超えていることにより、ＰＣＳ３の出力周波数の変化が助長されたからである。また、図１０の４段目に示したグラフから、単独運転検出部１１は、時間０秒でＰＣＳ３が単独運転に移行してから１６６ｍ秒後にゲートブロック信号を出力したことが分かる。つまり、単独運転検出部１１は、ＰＣＳ３の単独運転を１６６ｍ秒で検出した。これは、ＰＣＳ３が単独運転をしている場合に、閉ループのゲイン周波数特性が１０Ｈｚから１５Ｈｚのいずれかにおいて−１５ｄＢを超えていることにより、高速検出ができたのである。ここで、ＰＣＳ３が単独運転に切り替わってから単独運転検出部１１がゲートブロック信号を出力するまでの時間を単独運転検出時間とする。ＰＣＳ出力部１３における電圧及び電流は、図１０の１段目及び２段目に示したグラフより、単独運転検出部１１がゲートブロック信号を出力した１６６ｍ秒を境に出力が急激に減少した。つまり、インバータ部４は、単独運転検出部１１から出力されたゲートブロック信号により１６６ｍ秒で出力を停止した。

ここで、単独運転検出部１１の単独運転検出時間は、系統周波数の１サイクル程度のばらつきが発生することが知られている。本実施の形態においては、系統周波数を５０Ｈｚとしており、１サイクルは２０ｍ秒となる。そのため、本実施の形態に係るＰＣＳ３は、上述したシミュレーション結果により、系統の％インピーダンスの抵抗成分が大きい場合でも、０．２秒以下の単独運転検出時間で単独運転を検出できることが確認された。

次に、上述した第１実施の形態に係るＰＣＳ３が系統連系運転中に単独運転に移行した場合のシミュレーションにおいて、周波数特性調整部８のゲイン周波数特性を変化させた場合の結果について説明する。周波数特性調整部８のゲイン周波数特性を全周波数帯において−２０ｄＢとした場合には、単独運転検出時間は２０７ｍ秒となった。ここで、閉ループのゲイン周波数特性の最大値と最小値との差の絶対値は、約２３ｄＢであった。周波数特性調整部８のゲイン周波数特性を一次ローパスフィルタとした場合には、単独運転検出時間は１８７ｍ秒となった。ここで、閉ループのゲイン周波数特性の最大値と最小値との差の絶対値は、約２２ｄＢであった。

ＰＣＳ３は、系統周波数計測部９、周波数偏差算出部７、周波数特性調整部８、無効電力出力量算出部６、電流制御処理部５及びインバータ部４が閉ループを構成する。また、周波数特性調整部８のゲイン周波数特性は、ＰＣＳ３が系統連系運転をしている場合に上述した閉ループのゲイン周波数特性が１Ｈｚから２５Ｈｚの周波数帯において０ｄＢ未満である。このような構成により、ＰＣＳ３は、系統連系運転をしている場合に、閉ループの動作が僅かな周波数変化に対してその変化を助長するように動作することを抑制することができ、周波数変化によるフリッカ現象を抑制することができ、電力品質低下を抑制することができる。

ＰＣＳ３は、系統周波数計測部９、周波数偏差算出部７、周波数特性調整部８、無効電力出力量算出部６、電流制御処理部５及びインバータ部４が閉ループを構成する。また、周波数特性調整部８のゲイン周波数特性は、ＰＣＳ３が単独運転をしている場合に閉ループのゲイン周波数特性が１Ｈｚから２５Ｈｚのいずれかにおいて０ｄＢを超え、かつ１０Ｈｚから１５Ｈｚの周波数帯のいずれかにおいて−１５ｄＢを超えるように調整される。このような構成により、ＰＣＳ３は、単独運転をしている場合に、ＰＣＳ３の出力周波数の僅かな変化に対しても変化を助長するように動作させることを可能にし、短時間でＰＣＳ３の出力周波数の変化を発生させることができ、高速に単独運転を検出しＰＣＳ３の出力を停止させることができる。

ＰＣＳ３は、系統周波数計測部９、周波数偏差算出部７、周波数特性調整部８、無効電力出力量算出部６、電流制御処理部５及びインバータ部４が閉ループを構成する。また、周波数特性調整部８のゲイン周波数特性は、ＰＣＳ３が系統連系運転をしている場合に上述した閉ループのゲイン周波数特性が１Ｈｚから１５Ｈｚの周波数帯においてゲインのピークとゲインのディップとの差が２０ｄＢ以下であるように調整される。このような構成により、閉ループのゲイン周波数特性が１Ｈｚから１５Ｈｚの周波数帯において特定の周波数でゲインが低下することを抑制することができ、単独運転の検出に影響のある周波数帯の信号を広く利用してＰＣＳ３の単独運転を検出することができ、０．２秒以下の検出時間で単独運転の検出をすることができる。

周波数特性調整部８は、周波数特性調整部８を取り除いた閉ループのゲイン周波数特性がディップ部を有している場合、ディップ部が生じている周波数帯においてピーク部を有することが好ましい。このようにすることで、閉ループのゲインが特定の周波数帯において低下することを防ぐことができ、広い周波数帯で単独運転の検出を行うことができ、より高速に単独運転の検出をすることができる。

周波数特性調整部８は、周波数特性調整部８を取り除いた閉ループのゲイン周波数特性がピーク部を有している場合、ピーク部が生じている周波数帯においてディップ部を有することが好ましい。このようにすることで、閉ループのゲインが特定の周波数帯において上昇することを抑制することができ、系統連系運転中に外乱が入力した場合でもフリッカ現象の発生を抑制することができ、電力品質が低下することをより抑制することができる。

実施の形態２．
図１１は、実施の形態２に係るパワーコンディショナ３の周波数偏差算出部７の演算アルゴリズムの説明図である。図１２は、実施の形態２に係るパワーコンディショナ３の周波数偏差算出部７のゲイン周波数特性を示す図である。図１３は、実施の形態２に係るパワーコンディショナ３の周波数特性調整部８のゲイン周波数特性を示す図である。図１４は、実施の形態２に係るパワーコンディショナ３の系統連系運転時の各構成要素による閉ループのゲイン周波数特性を示す図である。図１５は、実施の形態２に係るパワーコンディショナ３の単独運転時の各構成要素による閉ループのゲイン周波数特性を示す図である。図１６は、実施の形態２に係るパワーコンディショナ３に外乱を入力した場合のシミュレーション結果を示す図である。図１７は、実施の形態２に係るパワーコンディショナ３の単独運転検出試験のシミュレーション結果を示す図である。

実施の形態２に係るＰＣＳ３は、実施の形態１に係るＰＣＳ３と同様の構成を有する。実施の形態２に係るＰＣＳ３は、実施の形態１に係るＰＣＳ３と同一の符号を用い、その詳細な説明を省略する。実施の形態２に係るＰＣＳ３は、周波数偏差算出部７の演算アルゴリズム及び周波数特性調整部８のゲイン周波数特性以外は、実施の形態１に係るＰＣＳ３と同じである。以下、実施形態２に係るＰＣＳ３の周波数偏差算出部７の演算アルゴリズム及び周波数特性調整部８のゲイン周波数特性について説明する。

周波数偏差算出部７は、図１１に示す演算アルゴリズムに基づいて、周波数偏差を算出する。詳細には、周波数偏差算出部７は、系統周波数計測部９が計測した周期データを５ｍ秒毎にサンプリングする。次に、周波数偏差算出部７は、サンプリングした周期データを記憶する。ここで、図１１に記載されたＣｉは、（ｉ×５）ｍ秒前に計測された周期データを示す。ここで、ｉは整数を表す。また、Ｃ０は現在の周期データを示す。次に、周波数偏差算出部７は、最新の４０ｍ秒間の周期データの移動平均値を求め、最近周期データＡ０とする。次に、周波数偏差算出部７は、２００ｍ秒前から５２０ｍ秒前までの周期データの移動平均値を求め、過去周期データＢ０とする。次に、周波数偏差算出部７は、最近周期データＡ０と過去周期データＢ０との逆数の偏差を算出することで周波数偏差を求める。周波数偏差算出部７は、図１１に示した演算アルゴリズムを実行することで、一種のデジタルフィルタを構成する。周波数偏差算出部７は、図１２に示すゲイン周波数特性を有する。周波数偏差算出部７は、算出した周波数偏差を周波数特性調整部８に順次出力する。

周波数特性調整部８は、デジタルフィルタである。周波数特性調整部８は、周波数偏差算出部７から入力された周波数偏差にフィルタをかけて無効電力出力量算出部６に出力する。周波数特性調整部８は、図１３に示すゲイン周波数特性を有する。周波数特性調整部８のゲイン周波数特性は、ＰＣＳ３が系統連系運転をしている場合に閉ループのゲイン周波数特性が第１の周波数帯において０ｄＢ未満となるように調整され、かつＰＣＳ３が単独運転をしている場合に閉ループのゲイン周波数特性が第２の周波数帯のいずれかにおいて０ｄＢを超えるように調整され、かつＰＣＳ３が単独運転をしている場合に閉ループのゲイン周波数特性が第３の周波数帯のいずれかにおいて−１５ｄＢを超えるように調整され、かつＰＣＳ３が系統連系運転をしている場合に閉ループのゲイン周波数特性が第４の周波数帯におけるゲインの最大値とゲインの最小値との差の絶対値が２０ｄＢ以下であるように調整される。ここで、閉ループとは、系統周波数計測部９、周波数偏差算出部７、周波数特性調整部８、無効電力出力量算出部６、電流制御処理部５及びインバータ部４によって形成される閉ループである。閉ループは、ＰＣＳ３が系統連系運転をしている場合に、図１４に示すゲイン周波数特性を有する。閉ループは、ＰＣＳ３が単独運転をしている場合に、図１５に示すゲイン周波数特性を有する。第１の周波数帯とは、１Ｈｚから２５Ｈｚである。第２の周波数帯とは、１Ｈｚから２５Ｈｚである。第３の周波数帯とは、１０Ｈｚから１５Ｈｚである。第４の周波数帯とは、１Ｈｚから１５Ｈｚである。

次に、図１６を用いて、ＰＣＳ３に外乱を入力した場合のシミュレーション結果について説明する。本シミュレーションにおいて、図１に示すＰＣＳ３の定格出力は４ｋＷ、図１に示す交流電源系統インピーダンス２ａは、ＰＣＳ出力部１３から交流電源系統２側を見た場合の％インピーダンスの抵抗成分を１００％Ω（１０Ω）とした。また、本シミュレーションにおいて、ＰＣＳ３は、系統連系運転中とした。また、本シミュレーションにおいて、ＰＣＳ３に入力する外乱は、周波数変化＋１Ｈｚとした。図１６の上段に示すグラフは、無効電力出力量算出部６の無効電力出力指令値の時間変化を示すグラフである。図１６の中段に示すグラフは、ＰＣＳ出力部１３における出力電圧の実効値の時間変化を示すグラフである。図１６の下段に示すグラフは、ＰＣＳ出力部１３における出力電圧の周波数の時間変化を示すグラフである。図１６に示す各グラフの横軸は、それぞれ外乱を入力してからの経過時間を示す。

図１６の上段に示した無効電力出力量算出部６の出力は、時間０秒において周波数が１Ｈｚ変化した直後に変化が見られるが、その後０ｖａｒで定常状態となった。図１６の中段に示したＰＣＳ出力部１３の電圧は、時間０秒において周波数が１Ｈｚ変化した直後に変化が見られるが、その後２００Ｖｒｍｓで定常状態となった。図１６の下段に示したＰＣＳ出力部１３の出力電圧の周波数は、時間０秒において周波数が１Ｈｚ変化した直後に変化が見られるが、その後５０Ｈｚで定常状態となった。

次に、図１７を用いて、第２実施の形態に係るＰＣＳ３が系統連系運転中に単独運転に移行した場合のシミュレーション結果について説明する。本シミュレーションにおいて、単独運転開始の条件は、潮流点における有効電力率が０％であり、かつ負荷１０には回転負荷として、定格消費電力６２０Ｗ、慣性モーメント０．０１５ｋｇ・ｍ^２である卓上グラインダを含み、かつ潮流点における無効電力率を単独運転検出時間が最も長くなるように調整された条件とした。

図１７の１段目に示すグラフは、ＰＣＳ出力部１３における出力電圧の時間変化を示すグラフである。図１７の２段目に示すグラフは、ＰＣＳ出力部１３における出力電流の時間変化を示すグラフである。図１７の３段目に示すグラフは、ＰＣＳ出力部１３における出力電圧の周波数の時間変化を示すグラフである。図１７の４段目に示すグラフは、単独運転検出部１１が出力するゲートブロック信号の時間変化を示すグラフである。図１７に示す各グラフの横軸は、ＰＣＳ３が単独運転に移行した時点を基準とした時間を表す。なお、インバータ部４は、ゲートブロック信号が０の場合に運転を継続する。また、インバータ部４は、ゲートブロック信号が１の場合に運転を停止する。

図１７の３段目に示したグラフから、ＰＣＳ出力部１３における周波数は、時間０秒でＰＣＳ３が単独運転に移行した後に周波数の減少を示した。これは、ＰＣＳ３が単独運転をしている場合に、閉ループのゲイン周波数特性が１Ｈｚから２５Ｈｚのいずれかにおいて０ｄＢを超えていることにより、ＰＣＳ３の出力周波数の変化が助長されたからである。また、図１７の４段目に示したグラフから、単独運転検出部１１は、時間０秒でＰＣＳ３が単独運転に移行してから１６４ｍ秒後にゲートブロック信号を出力した。つまり、単独運転検出部１１は、ＰＣＳ３の単独運転を１６４ｍ秒で検出した。これは、ＰＣＳ３が単独運転をしている場合に、閉ループのゲイン周波数特性が１０Ｈｚから１５Ｈｚのいずれかにおいて−１５ｄＢを超えていることにより、高速検出ができたのである。ＰＣＳ出力部１３における電圧及び電流は、図１７の１段目及び２段目に示したグラフより、単独運転検出部１１がゲートブロック信号を出力した１６４ｍ秒を境に出力が急激に減少した。つまり、インバータ部４は、単独運転検出部１１から出力されたゲートブロック信号により１６４ｍ秒で出力を停止した。

ここで、単独運転検出部１１の単独運転検出時間は、系統周波数の１サイクル程度ばらつきが発生することが知られている。本実施の形態においては、系統周波数を５０Ｈｚとしており、１サイクルは２０ｍ秒となる。そのため、本実施の形態に係るＰＣＳ３は、上述したシミュレーション結果により、系統の％インピーダンスの抵抗成分が大きい場合でも、０．２秒以下の単独運転検出時間で単独運転を検出できることが示された。

以上より、実施の形態２に係るＰＣＳ３は、実施の形態１に係るＰＣＳ３と同様の効果を得ることができる。

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、構成の一部を省略及び変更することも可能である。例えば、本実施の形態では、周波数特性調整部８を周波数偏差算出部７の後段に接続したが、本発明の閉ループのゲイン周波数特性を調整するという趣旨に照らせば、接続位置は閉ループ中のいずれかの箇所に接続されれば良いことは自明である。

１太陽電池モジュール、２交流電源系統、２ａ交流電源系統インピーダンス、３パワーコンディショナ（ＰＣＳ）、４インバータ部、５電流制御処理部、６無効電力出力量算出部、７周波数偏差算出部、８周波数特性調整部、９系統周波数計測部、１０負荷、１１単独運転検出部、１２連系リレー、１３ＰＣＳ出力部、１５ＰＣＳ入力部、Ａ０最近周期データ、Ｂ０過去周期データ。

Claims

パワーコンディショナであって、
直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
前記パワーコンディショナの出力電圧の周期及び周波数の少なくとも一方を計測する周波数計測部と、
前記周波数計測部が計測した前記周期及び前記周波数の少なくとも一方を記憶し、前記周期及び前記周波数の少なくとも一方の偏差を算出する第１の算出部と、
前記偏差に基づいて前記パワーコンディショナに注入する無効電力出力量を算出する第２の算出部と、
前記無効電力出力量に基づいて前記インバータ部の無効電力の出力量を制御する電流制御処理部と、
少なくとも前記インバータ部、前記周波数計測部、前記第１の算出部、前記第２の算出部及び前記電流制御処理部が含まれる閉ループ中のいずれかの箇所に接続され、前記パワーコンディショナが系統連系運転をしている場合に前記閉ループのゲイン周波数特性が第１の周波数帯において予め定められた第１の閾値未満となるように調整され、かつ前記パワーコンディショナが単独運転をしている場合に前記ゲイン周波数特性が第２の周波数帯のいずれかにおいて予め定められた前記第１の閾値よりも大きくなるように調整され、かつ前記パワーコンディショナが単独運転をしている場合に前記ゲイン周波数特性が第３の周波数帯のいずれかにおいて予め定められた第２の閾値よりも大きくなるように調整された周波数特性調整部と、
前記周波数計測部が計測する前記周期及び前記周波数の少なくとも一方の変化から前記パワーコンディショナが単独運転であることを検出し、前記パワーコンディショナが単独運転である場合に前記インバータ部の出力を停止させる単独運転検出部と、
を備えることを特徴とするパワーコンディショナ。
前記第１の周波数帯は、１Ｈｚから２５Ｈｚであり、
前記第２の周波数帯は、１Ｈｚから２５Ｈｚであり、
前記第３の周波数帯は、１０Ｈｚから１５Ｈｚであり、
予め定められた前記第１の閾値は、０ｄＢであり、
予め定められた前記第２の閾値は、−１５ｄＢであることを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナ。
前記周波数特性調整部は、前記パワーコンディショナが交流電源系統に連系して運転している場合に、前記閉ループのゲイン周波数特性が１Ｈｚから１５Ｈｚの周波数帯において前記閉ループのゲインの最大値と前記閉ループのゲインの最小値との差の絶対値が２０ｄＢ以下となるように調整されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパワーコンディショナ。
前記周波数特性調整部のゲイン周波数特性は、ピーク特性及びディップ特性の少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のパワーコンディショナ。