JP6651541B2 - エネルギー発生設備を中電圧グリッドに接続するための方法およびエネルギー発生設備 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギー発生設備を中電圧グリッドに接続するための方法に関し、この方法では異なる電圧検出手段からの少なくとも２つの電圧値を頼みにしており、また本発明は、対応するエネルギー発生設備にも関し、この設備はグリッドおよび設備の保護のために、少なくとも２つの異なる電圧検出手段を備える。前述の電圧検出手段は、交流電圧を検出する。このエネルギー発生設備は、再生型の電力源から電力を供給される設備であることが好ましく、太陽光発電設備であることが特に好ましい。現在の傾向としては、ますます大規模になる太陽光発電設備に向かっており、これらの設備は一般的に、中電圧グリッドに直接的に供給を行う。そこで、太陽光発電設備自体は低電圧レベルで動作するので、通常は、太陽光発電設備と中電圧グリッドとの間には、中電圧変圧器が接続される。

従来技術は、太陽光発電設備を中電圧グリッドに接続するために、直列に接続されている複数のスイッチを閉じる必要のある方法について、開示している。これは、例えば、中電圧側のスイッチと比較して低電圧側のスイッチに関連したいろいろな規則又は責任から生じるものである。一般的に、中電圧側のスイッチは、太陽光発電設備のコントローラによって操作することはできない。これは、手動でのみ切り替えることができるスイッチギヤシステムによくあるケースである。前述のスイッチギヤシステムは、通常の運用時には閉じられたままであり、故障の発生時および維持保守作業のためにのみ開かれる。多くの場合、保守担当者には、中電圧スイッチギヤシステムを切り替える権限が授けられていない。

中電圧側および低電圧側の両方に少なくとも１つのスイッチが存在する場合、中電圧側のスイッチは閉じたままにすることができ、そのとき、低電圧側のスイッチは、太陽光発電設備を中電圧グリッドに接続するという目的を果たす。前述の低電圧側のスイッチは、太陽光発電設備のコントローラによって作動させることができる。前述のスイッチは、大電流が流れるので、一般的に高価なモーター駆動のスイッチである。この場合には、電圧検出手段は、通常、スイッチの両側に設けられる。というのも、例えば、オープンスイッチの場合であっても、グリッドに接続することが可能かどうかを立証するために、グリッド電圧の電圧レベルを特定する必要があるからである。

特に、規範に従って予め定められたグリッド接続条件および同期条件（グリッドの振幅同一性及び同相性質、並びに供給されることになる電圧）の存在下でのみ、接続が許可される。

接続規格は、例えば、グリッド電圧の検査がどの程度の精度で実行されなくてはならないかについても指定している。安全上の理由から、通常は、更なる電圧検出手段が中電圧側に設けられる。ここでは、それはしばしば、容量性分圧器を有する電圧検出手段である。容量性分圧器を有するそのような電圧検出手段は、通常、精度の点で要件がより低くなるが、安全上の理由のため、例えば、グリッド電圧の５０％が印加されたかどうかを少なくとも示すことが必要である。

この設計の欠点は、電圧検出手段が多数であること、低電圧スイッチでのジュール熱損失、および低電圧側のスイッチのコストである。

独国特許出願公開第１０２０１３２０２８６８Ａ１号明細書は、容量性電圧測定装置よりも高い測定精度で設計された基準電圧測定装置を有する電圧測定装置について、既に開示している。基準電圧測定装置の測定位置は、別の現場又は母線上に位置するが、いずれにしても、容量性電圧測定が実施される測定位置に電気的に接続される。

同一出願人による独国特許出願公開第１０２０１２１０５７２１Ａ１号明細書は、各場合において入力側が電流源に接続され、出力側が共通のグリッド転送点に接続される複数のインバータを制御するための方法を開示しており、この方法では、グリッド転送点における電気的変数が測定され、同時に、個々のインバータにおいて測定された電気的変数と対応付けられる。

ＤＤ２０５２５７Ａ１号明細書は、容量性分圧器を有する高電圧測定機器について記載しており、ここでは、電圧値はのちに、アナログデータ伝送のために、増幅回路によって増幅される。

低電圧側の高価なモーター駆動スイッチを無しで済ませるために、モーター駆動の中電圧電源スイッチを設けて、太陽光発電設備を中電圧グリッドに接続するために使用することが知られている。同じ電力を仮定した場合、より高い電圧レベルのために中電圧側により少ない電流が必要とされるので、モーター駆動の中電圧電源スイッチは、コストの点で利点をもたらす。この場合、中電圧側の電圧検出手段は、精度の点でより高い要求を満足しなくてはならない。グリッド接続規格は、太陽光発電設備が接続される前、即ち、中電圧電源スイッチがオープンであるときに、十分な精度で検査されることができなくてはならない。この目的のために、絶縁変圧器を含む電圧検出手段が使用される。前述の電圧検出手段は、確立された方法によって高い精度で測定できる程度にまで、中電圧を低下させる。しかしながら、絶縁変圧器を有するそのような電圧検出手段は、隔離電圧が高いために大型で高価である。

本発明は、上述の欠点を克服する、エネルギー発生設備を中電圧グリッドに接続するための方法を提示するという目的に基づいている。更に、少数の費用対効果の高いスイッチ及び電圧検出手段を用いて管理を行う、なおかつ、グリッド及び設備の保護の観点から全ての仕様を満たす、エネルギー発生設備を指定することが意図されている。

この目的は、請求項１に記載される方法、及び請求項４に記載される太陽光発電設備によって、達成される。本発明による方法及び本発明による太陽光発電設備の好ましい実施形態が、従属特許請求項で規定される。

エネルギー発生設備を中電圧グリッドに接続するための本発明による方法は、以下のステップを含む。エネルギー発生設備のコントローラによって較正係数が決定され、この較正係数は、中電圧変圧器がアイドル状態の間に、第１の電圧値を第２の電圧値に対して調節する。ここで、第１の電圧値は、中電圧変圧器の中電圧側に配置された容量性分圧器で検出される。第２の電圧値は、中電圧変圧器の低電圧側に配置された電圧検出手段で検出される。エネルギー発生設備のコントローラは、較正係数が適用された後で容量性分圧器で決定された電圧値が第１の閾値を超えたときに、エネルギー発生設備を中電圧グリッドに接続するために、回路遮断器を閉じる。回路遮断器は、ここでは、中電圧変圧器の中電圧側に配置される。

中電圧変圧器の低電圧側に配置された電圧検出手段は、通常、偏差１％未満の公差で電圧を決定する三相測定である。この測定は、エネルギー発生設備のコントローラ用に電圧値を提供するために必要であり、この電圧値により、エネルギー発生設備が中電圧グリッドに接続される前に、グリッド接続条件（グリッド及び設備の保護）を評価することが可能になり、特に、供給されることになる電圧は、所定の値の範囲内になくてはならない。

このとき、エネルギー発生設備によって供給されるＡＣ電圧を、中電圧グリッドの対応する値に同期させることが必要であることがある。この種の同期接続の場合には、補償電流は全く流れないか又は極僅かの補償電流が流れ、その結果、動作手段及びグリッドに僅かの負荷がかかるか又は全く負荷がかからない。低電圧側に配置される前述の電圧検出手段の測定値は、グリッドに準拠したエネルギーが中電圧グリッドに供給されることを保証可能にするために、非常に正確でなくてはならない。

中電圧変圧器の中電圧側に配置された容量性分圧器で検出される第１の電圧値は、より高い測定公差に関連付けられる。三相グリッドの場合には、これは一般的に三相測定にも関係し、即ち、グリッドの各相ごとに１つの容量性分圧器が存在する。

本発明によると、第１の電圧値は第２の電圧値によって較正され、その結果、第１の電圧値はより精度が高くなり、エネルギー発生設備を中電圧グリッドに接続するための基準値として使用することができる。エネルギー発生設備のコントローラは、エネルギー発生設備が中電圧グリッドに接続される前に、較正された第１の電圧値を第２の電圧値と比較することができる。中電圧グリッドにおける最小電圧から始めて、コントローラは、好ましくはモーター駆動の回路遮断器を使用して、エネルギー発生設備を中電圧グリッドに接続することができる。第１の電圧値は、中電圧変圧器がアイドル状態の間に、第２の電圧値を用いて較正される。中電圧変圧器のアイドル状態では、エネルギー発生設備とグリッドとの間にはエネルギーは流れない。この場合、変圧器の漏れインダクタンスの両端の電圧降下は実質的にゼロであり、変圧器の両側の電圧は、位相及び（巻線比に従って調節される）振幅の点で一致する。

エネルギー発生設備のコントローラはエネルギーの送り込みを制御するので、前述のコントローラは、中電圧変圧器のアイドル状態を決定することができ、従って、第１の電圧値を較正する時点を決定することができる。

本発明による方法の一実施形態では、干渉に敏感ではない態様で第１の電圧値の送信を可能にするために、第１の電圧値は増幅器によって増幅される。

本発明による方法の更なる実施形態では、増幅された第１の電圧値は、アナログデータ送信手段によって、エネルギー発生設備のコントローラに送信される。

本発明による太陽光発電設備は、入力側が太陽電池発電器に接続される太陽光発電インバータを備え、この太陽光発電インバータは、スイッチ無しで、その出力部が中電圧変圧器の低電圧側に接続される。この太陽光発電設備は、第１の電圧値を検出するために中電圧変圧器の中電圧側に配置された容量性分圧器と、第２の電圧値を検出するために中電圧変圧器の低電圧側に配置された電圧検出手段と、中電圧変圧器の中電圧側に配置された回路遮断器と、を更に備え、この回路遮断器は、ＰＶインバータの出力部を中電圧グリッドに接続するのに適している。この太陽光発電設備は、中電圧変圧器のアイドル状態の間に第１の電圧値を第２の電圧値に対して調節するための較正部と、容量性分圧器で特定され較正部によって調節された電圧値が第１の閾値を超えたときに回路遮断器を作動させるためのコントローラと、を更に備える。

有利な実施形態では、本発明による太陽光発電設備は、第１の電圧値を増幅するための増幅器を備える。

一般的に、回路遮断器及び容量性分圧器が配置されることがある中電圧開閉所と太陽光発電設備のコントローラとの間には長い地理的距離が存在し、その結果、干渉に敏感ではない態様で第１の電圧値を送信するために増幅が必要であることがある。

更なる有利な実施形態では、本発明による太陽光発電設備は、増幅された第１の電圧値を太陽光発電設備のコントローラに送信するためのアナログデータ送信手段を備える。

更なる有利な実施形態では、本発明による太陽光発電設備のコントローラは、較正部も備える。コントローラ及び較正部は、太陽光発電インバータと一体化させることもできる。

本発明は、図面の助けを借りた例示的な実施形態を参照して、以下でより詳細に説明される。

図１は、本発明による太陽光発電設備の概略図を示す。

図１は、例示的な実施形態として、太陽光発電インバータ２のＤＣ入力部に接続された太陽電池発電器１を示す。実際の実装では、太陽電池発電器１は、直列及び並列に接続される多数の個々のモジュールから構成されることがある。太陽電池発電器１に加えて又はその代わりに、別のＤＣ電圧源、電池、又は類似のものが太陽光発電インバータ２のＤＣ入力部に接続されてもよい。太陽光発電インバータ２は、太陽電池発電器１のＤＣ電力をそのＡＣ出力部でＡＣ電力に変換し、このＡＣ電力は中電圧グリッド４に供給されることができる。一般的に、前述のグリッドは三相グリッドである。太陽光発電インバータ２のＡＣ出力部は、更なるスイッチング素子を介在させることなく、中電圧変圧器５の低電圧側に接続される。回路遮断器１３が、中電圧変圧器５と中電圧グリッド４との間の中電圧側に配置される。これは、短絡電流を分離することもできる電源スイッチ、又は、通常負荷電流のみを流すことができる負荷開閉器であることがある。低電圧側に回路遮断器が無いおかげで、エネルギー発生設備全体は、回路遮断器１３によってのみ、グリッドから分離することができる。回路遮断器は、直列に配置され独立して動作する、２つのコンポーネントスイッチを有することもある。

太陽光発電設備３によって生成される電圧を規則的にし、この電圧を中電圧グリッド４の電圧を用いて調節するために、太陽光発電設備３は電圧検出手段６を備え、この電圧検出手段６は、低電圧側に配置され、高い精度で太陽光発電インバータ２のＡＣ出力部で電圧状態を測定することができる。電圧検出手段６によって測定された値は、デジタル又はアナログの態様でコントローラ１０に送信され、このコントローラは太陽光発電インバータ２を調節する。

しかしながら、太陽光発電設備３が接続される前に、即ち、回路遮断器１３がオープンであるとき、電圧検出手段６において中電圧グリッド４の電圧状態を測定することは不可能である。中電圧側にしばしば存在する容量性分圧器８は、一般的に保守担当者に情報を提供するように働き、一般的にグリッドの全ての相に対して存在し、しばしば、設備に電圧が存在するかどうかを中電圧スイッチギヤシステムの操作担当者に示すという唯一の目的を有し、小型のＬＣＤ表示画面を有する光学表示装置のみからなる。容量性分圧器８における電圧を測定するこの方法は安価であるが、大きな誤差許容度と関連している。そこで、本発明に従って、太陽光発電設備３が中電圧グリッド４に接続される前に中電圧グリッド４の電圧特性についての信頼できる記述を取得するために、容量性分圧器８における電圧検出手段７を用いて第１の電圧値が決定され、電圧検出手段６で検出される第２の電圧値の助けを借りて較正される。そのために、電圧検出手段７によって検出された値は、例えばアナログ電圧値として、コントローラ１０に送信される。この目的のために、コントローラ１０は、回路遮断器１３が閉じられたときに、太陽光発電インバータ２によって生成される電圧の振幅及び位相が中電圧グリッド４の振幅及び位相と正確に一致し、従って中電圧グリッド４に電力が全く流れないように、太陽光発電インバータ２の動作を調節する。代案として、電流調節インバータの場合、グリッドに供給される電流はゼロに調節されてもよい。これは、太陽光発電インバータ２及び中電圧変圧器５のアイドル動作とも呼ばれる。電流が流れないので、中電圧変圧器５の巻線の両端には電圧降下がなく、中電圧変圧器５の両側には同じ電圧が存在する（中電圧変圧器の巻数比を考慮する）。従って、この構成で２つの電圧測定値を較正することが可能である。この構成では、コントローラ１０が、例えば容量性分圧器８から２０Ｖの測定値を受け取り、電圧検出手段６で５００Ｖの電圧値が測定され、中電圧変圧器５の巻数比が１：４０である場合、（５００／２０）×４０＝１０００である較正係数が特定される。このとき、容量性分圧器８によって検出される２０Ｖの値は、２０，０００Ｖの中電圧グリッドの電圧振幅と一致する。

しかしながら、較正は、別個の較正部１１によって実施することもでき、別個の較正部１１はコントローラ１０の一部として具現化することがある。

一般的に、電圧検出手段７、即ち、例えば中電圧開閉所の位置と太陽光発電インバータ２の位置との間には、比較的に長い距離が存在する。干渉信号に影響されないような態様で容量性分圧器８の測定値を送信することを確実にするために、容量性分圧器８の１つのコンデンサで電圧検出手段７によって得られた測定信号を増幅することがしばしば必要である。増幅器９は、演算増幅器であることがあり、この演算増幅器は、コンデンサに負荷をかけすぎることなく、コンデンサにおける電圧信号を増幅する。従って、演算増幅器は、インピーダンス変換器として有利にも具現化されることがある。この目的のために、演算増幅回路は、例えば太陽光発電インバータ２から２４Ｖを供給されるなど、独立した電源電圧を供給されなくてはならない。

設備の初期起動の前に、即ち、太陽光発電設備３のための較正係数がまだ特定されていないときに、プロセスは以下の通りであることがある。

中電圧グリッド４に障害がないことを特定することが可能である場合、回路遮断器１３は閉じられる。これは、例えば、操作担当者によって手動で実行されることがある。太陽光発電インバータ２は、そのＡＣ出力部における電圧を設定し、この電圧は、中電圧変圧器５による変換後の中電圧グリッド４の公称動作電圧と一致する。接続直後に、電圧検出手段６によって測定される電圧値及び周波数値は、グリッド接続条件において指定される許容範囲と比較されることができる。これらの値が規範に基づいた仕様を満たさない場合には、回路遮断器１３は再びオープンになる。接続後、上述のように較正が実行される。

１ 太陽電池発電器
２ 太陽光発電インバータ
３ 太陽光発電設備
４ 中電圧グリッド
５ 中電圧変圧器
６ 電圧検出手段
７ 電圧検出手段
８ 容量性分圧器
９ 増幅器
１０ コントローラ
１１ 較正部
１２ データ送信手段
１３ 回路遮断器

Claims (7)

1. エネルギー発生設備（３）を中電圧グリッド（４）に接続するための方法であって、
   − 前記エネルギー発生設備（３）のコントローラ（１０）によって、第１の電圧値を第２の電圧値に対して調節するための較正係数を決定するステップにおいて、中電圧変圧器（５）のアイドル状態の間に、前記中電圧変圧器（５）の中電圧側に配置された容量性分圧器（８）における前記第１の電圧値が検出され、前記中電圧変圧器（５）の低電圧側に配置された電圧検出手段（６）における前記第２の電圧値が検出される、ステップと、
   − 前記容量性分圧器（８）において測定された電圧値に前記較正係数を適用した値が第１の閾値を超えたときに、前記エネルギー発生設備（３）の前記コントローラ（１０）によって、前記中電圧変圧器（５）の前記中電圧側に配置された回路遮断器（１３）を閉じるステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記第１の電圧値は増幅器（９）によって増幅されることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記増幅された第１の電圧値は、アナログデータ送信手段（１２）によって、前記エネルギー発生設備（３）の前記コントローラ（１０）に送信されることを特徴とする方法。
4. 太陽光発電設備（３）であって、
   − 入力側が太陽電池発電器（１）に接続され、出力部がスイッチ無しで中電圧変圧器（５）の低電圧側に接続される、太陽光発電インバータ（２）と、
   − 第１の電圧値を検出するための、前記中電圧変圧器（５）の中電圧側に配置された、容量性分圧器（８）と、
   − 第２の電圧値を検出するための、前記中電圧変圧器（５）の前記低電圧側に配置された、電圧検出手段（６）と、
   − 前記中電圧変圧器（５）の前記中電圧側に配置され、前記太陽光発電インバータ（２）の前記出力部を中電圧グリッド（４）に接続するのに適している、回路遮断器（１３）と、
   − 前記中電圧変圧器（５）のアイドル状態の間に、前記第１の電圧値を前記第２の電圧値に対して調節するための較正部（１１）と、
   − 前記容量性分圧器（８）において検出され、かつ前記較正部（１１）によって調節された電圧値が第１の閾値を超えたときに、前記回路遮断器（１３）を閉じるためのコントローラ（１０）と、
   を備えることを特徴とする太陽光発電設備（３）。
5. 請求項４に記載の太陽光発電設備（３）において、前記第１の電圧値を増幅するための増幅器（９）を更に備えることを特徴とする太陽光発電設備（３）。
6. 請求項５に記載の太陽光発電設備（３）において、前記増幅された第１の電圧値を前記太陽光発電設備（３）の前記コントローラ（１０）に送信するためのアナログデータ送信手段（１２）を更に備えることを特徴とする太陽光発電設備（３）。
7. 請求項４に記載の太陽光発電設備（３）において、前記コントローラ（１０）は前記較正部（１１）を含むことを特徴とする太陽光発電設備（３）。

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