JP6865137B2

JP6865137B2 - 電力制御装置およびその制御方法

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Publication number: JP6865137B2
Application number: JP2017165871A
Authority: JP
Inventors: 研太五十嵐
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: JP2019047570A

Description

本開示は、電力制御装置およびその制御方法に関する。

近年、燃料電池などの分散電源が商用の電力系統に接続される電力システムが普及しつつある。このような電力システムにおいては、電力系統に連系し、分散電源により得られた直流電力を交流電力に変換して、負荷に出力する電力制御装置（パワーコンディショナー）が用いられる。このような電力制御装置は、電力系統に停電などの異常を検出した際に、電力系統から遮断する保護回路を備えている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２４９３６８号公報

上述したような電力制御装置は、電力系統からの遮断に関し、所定の規格および通則に従った試験に基づき、認証を受ける必要がある。上述した認証を受けるための条件の１つとして、電力系統からの遮断後、所定時間以内（例えば、０．５ｓ以内）に、電力系統からの遮断を検出するという条件がある。この条件を満たすための電力制御装置の構成および制御方法については、改善の余地があった。

本開示の目的は、上述した課題を解決し、電力系統からの遮断の検出の遅れの発生を抑制することができる電力制御装置およびその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、第１の観点による電力制御装置は、電力系統に連系し、交流電力を負荷に供給する電力制御装置であって、直流電圧を交流電圧に変換して、前記負荷に出力するインバータ部と、前記インバータ部の出力電圧の積算値に基づき、前記電力制御装置が前記電力系統から遮断されたか否かを判定する制御部と、を備える。

また、第２の観点による電力制御装置の制御方法は、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部を備え、電力系統に連系して、交流電力を負荷に供給する電力制御装置の制御方法であって、前記インバータ部の出力電圧の積算値に基づき、前記電力制御装置が前記電力系統から遮断されたか否かを判定する。

本開示によれば、電力系統からの電力制御装置の遮断の検出の遅れの発生を抑制することができる。

本開示の一実施形態に係る電力制御装置の要部構成例を示す図である。図１に示す電力制御装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。図１に示す電力制御装置における出力電圧の半周期の積算値の時間変化の一例を示す図である。本開示の一実施形態に係る制御方法を適用しない場合の出力電圧の時間変化の一例を示す図である。本開示の一実施形態に係る制御方法を適用した場合の出力電圧の時間変化の一例を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係る電力制御装置１０（パワーコンディショナー）の要部構成例を示す図である。本実施形態に係る電力制御装置１０は、電力系統２に連系し、直流電源１から出力された直流電力を交流電力に変換して、負荷３に出力する（供給する）。

図１においては、所定の規格および通則に従った試験環境に電力制御装置１０を設置した例を示している。この場合、電力制御装置１０は、事故試験用遮断スイッチ４を介して、電力系統２および負荷３に並列に接続される。事故試験用遮断スイッチ４がオン（閉状態）の場合、電力制御装置１０は電力系統２および負荷３と接続される。また、事故試験用遮断スイッチ４がオフ（開状態）の場合、電力制御装置１０は電力系統２および負荷３から遮断される。

直流電源１は、例えば、固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）または固体高分子形燃料電池装置（ＰＥＦＣ：ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）などである。この場合、直流電源１は、燃料（例えば、所定割合で配合されたガス、空気および改質水）の電気化学反応によって発電し、直流電力を出力する。直流電源１としては、上述した燃料電池の他に、蓄電池などを用いることもできる。

図１に示す電力制御装置１０は、昇圧部１１と、中間リンクコンデンサ１２と、インバータ部１３と、開閉器１４と、制御部１５とを備える。

昇圧部１１は、直流電源１から出力される直流電圧を、所定の直流電圧に変換（昇圧）するＤＣ／ＤＣコンバータである。昇圧部１１は、昇圧後の直流電圧を中間リンクコンデンサ１２に出力する。昇圧部１１は、ＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）あるいはＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子を複数備えている。制御部１５の制御に従い、複数のスイッチング素子がオン／オフすることで、昇圧部１１は、直流電源１から出力される直流電圧を所定の直流電圧に変換する。昇圧部１１（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、当業者によく知られた周知の構成を用いればよいため、詳細な説明を省略する。

中間リンクコンデンサ１２は、昇圧部１１により昇圧された直流電圧を一時的に蓄積するバッファとして機能する。中間リンクコンデンサ１２は、昇圧部１１により昇圧された直流電圧を平滑化して、インバータ部１３に出力する。

インバータ部１３は、昇圧部１１から出力され、中間リンクコンデンサ１２により平滑化された直流電圧を交流電圧に変換するインバータである。インバータ部１３は、変換により得られた交流電圧を、開閉器１４を介して負荷３に出力する。インバータ部１３は、ＦＥＴあるいはＩＧＢＴなどのスイッチング素子を複数備えている。制御部１５の制御に従い、複数のスイッチング素子がオン／オフすることで、インバータ部１３は、昇圧部１１から出力される直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ部１３は、当業者によく知られた周知の構成を用いればよいため、詳細な説明を省略する。

開閉器１４は、インバータ部１３と、電力制御装置１０の外部の電力系統２および負荷３との間に設けられている。開閉器１４は、制御部１５の制御に従い、オン／オフするスイッチである。開閉器１４がオン（閉状態）の場合、電力制御装置１０（インバータ部１３）は、電力系統２および負荷３と接続される。また、開閉器１４がオフ（開状態）の場合、電力制御装置１０は解列される。すなわち、開閉器１４は、閉状態から開状態への切替により電力制御装置１０を電力系統２から解列させる。

制御部１５は、プロセッサなどであり、電力制御装置１０全体の動作を制御する。制御部１５は、昇圧部１１を制御して（昇圧部１１が備えるスイッチング素子のオン／オフを制御して）、直流電源１の出力電圧を所定の直流電圧に昇圧させる。また、制御部１５は、インバータ部１３を制御して（インバータ部１３が備えるスイッチング素子のオン／オフを制御して）、昇圧部１１から出力された直流電圧を交流電圧に変換させる。また、制御部１５は、開閉器１４の開閉を制御する。

また、制御部１５は、インバータ部１３の出力電圧の積算値に基づき、電力制御装置１０が電力系統２から遮断されたか否かを判定する。出力電圧の積算値の詳細については後述する。

次に、電力系統２からの遮断を検出するための電力制御装置１０の制御方法について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。

まず、制御部１５は、電力制御装置１０が定格出力（例えば、２００Ｖ（実効値））で動作するように各部を制御する。そして、制御部１５は、出力電圧を所定のサンプリング周期で検出する（ステップＳ１１）。

次に、制御部１５は、出力電圧の半周期に相当する期間における出力電圧の検出値に基づき、出力電圧の半周期の積算値を算出する（ステップＳ１２）。具体的には、制御部１５は、出力電圧の半周期に相当する期間における出力電圧の各検出値を二乗して加算する。そして、制御部１５は、その加算値の平方根を、出力電圧の半周期に相当する期間におけるサンプリング数で除算した値を積算値として求める。すなわち、制御部１５は、出力電圧の半周期に相当する期間における出力電圧の各検出値の二乗和平方根を、系統電圧の半周期に相当する期間におけるサンプリング数で除した値を積算値として求める。このようにして求められた積算値は、出力電圧の半周期に相当する期間内にインバータ部１３の出力電圧を積算したものに相当する。

次に、制御部１５は、算出した積算値が所定の閾値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１３）。所定の閾値は、電力制御装置１０の定格出力よりも所定値だけ大きい値である。

図３は、上述した出力電圧の積算値の時間変化の一例を示す図である。図３においては、電力制御装置１０は定格出力（２００Ｖ（実効値））で動作しているものとする。そして、動作を開始して約０．０１３ｓ後に、電力制御装置１０が電力系統２から遮断されたものとする。

電力制御装置１０が電力系統２および負荷３から遮断されていない場合、出力電圧の半周期に相当する期間（０ｓ〜０．０１ｓ）における出力電圧の実効値は、図３に示すように、定格出力（２００Ｖ）となる。

一方、電力制御装置１０が電力系統２および負荷３から遮断された場合、インバータ部１３の出力電圧（系統電圧）は電力系統２の電圧に依存するのではなく、電力制御装置１０の出力に依存するようになる。この場合、電流の向きが変わる際に、電力制御装置１０内のリアクトルにより逆起電力が発生する。そして、この逆起電力による跳ね返り電圧により出力電圧が上昇する。そのため、図３に示すように、出力電圧の半周期の積算値は、定格出力よりも大きくなる。したがって、制御部１５は、出力電圧の半周期の積算値と所定の閾値とを比較することにより、電力制御装置１０が電力系統２から遮断されたか否かを判定することができる。

図２を再び参照すると、出力電圧の半周期の積算値が所定の閾値よりも大きくないと判定した場合には（ステップＳ１３：Ｎｏ）、制御部１５は、電力制御装置１０が電力系統２から遮断されていないと判定する。そして、制御部１５は、ステップＳ１１の処理に戻る。

出力電圧の半周期の積算値が所定の閾値よりも大きいと判定した場合には（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、制御部１５は、電力系統２からの電力制御装置１０の遮断を検出する（ステップＳ１４）。次に、制御部１５は、電力制御装置１０を解列させるとともに、インバータ部１３をゲートブロックする（ステップＳ１５）。具体的には、制御部１５は、開閉器１４を開状態にして、電力制御装置１０を解列させる。また、制御部１５は、インバータ部１３が備えるスイッチング素子を全てオフにして、インバータ部１３をゲートブロックする。これにより、電力制御装置１０は、処理を終了する。ステップ１５において、制御部１５は、出力電圧が所定の値になった後（例えば、出力電圧の絶対値が数Ｖ〜数１０Ｖ程度）、電力制御装置１０を解列させてもよい。

図４，５は、電力制御装置１０が電力系統２および負荷３から遮断された場合の、出力電圧の時間変化を示す図である。ここで、図４は、図２を参照して説明した制御方法を適用しない場合の出力電圧の時間変化を示す図である。また、図５は、図２を参照して説明した制御方法を適用した場合の出力電圧の時間変化を示す図である。

図４，５に示すように、電力制御装置１０が電力系統２および負荷３から遮断されると、点線丸印で示すように、出力電圧に立ち上がり（跳ね上がり電圧）が生じる。そこで、出力電圧の瞬時値をモニタリングし、出力電圧が急峻な変化を示した時点で、電力制御装置１０が電力系統２から遮断されたと判定する方法も考えられる。しかしながら、この方法では、電力系統２からの電力制御装置１０の遮断の検出が遅れる場合がある。例えば、逆起電力のレベルによっては跳ね返り電圧が小さい場合がある。この場合、出力電圧の跳ね上がりと見なされず、電力系統２からの電力制御装置１０の遮断の検出が遅れてしまう。

一方、本実施形態においては、出力電圧の半周期の積算値を用いるため、電力制御装置１０が電力系統２および負荷３から遮断された後、出力電圧の半周期に相当する期間内に、電力系統２からの電力制御装置１０の遮断を検出することができる。したがって、電力系統２からの電力制御装置１０の遮断の検出の遅れの発生を抑制することができる。また、出力電圧の半周期に相当する期間は通常、電力制御装置１０が上述した認証を受けるための試験で求められる、電力系統２からの遮断後、その遮断を検出するまでに許容される時間（例えば、０．５ｓ以内）よりも短い。したがって、電力制御装置１０が認証を受けるために必要な条件を満たすことができる。

電力制御装置１０が上述した認証を受けるためには、電力系統２からの遮断後、所定時間以内に、遮断を検出するという条件の他にも、満たすべき条件がある。このような条件の１つとして、開閉器１４およびゲートブロック機能が動作すること、という条件がある。本実施形態においては、図２を参照して説明したように、制御部１５は、電力系統２からの電力制御装置１０の遮断を検出すると、出力電圧が０になった後、電力制御装置１０を解列させるとともに、インバータ部１３をゲートブロックする。そのため、上述した条件を満たすことができる。

また、別の条件として、遮断後の出力電圧（実効値）が、定格出力の所定倍以下（例えば、１５０％以下）であり、かつ、１００％を超える時間が所定時間以内（例えば、０．５ｓ以内）であること、という条件がある。

電力系統２および負荷３からの電力制御装置１０の遮断後、電力制御装置１０の解列およびインバータ部１３のゲートブロックを行わない場合、図４に示すように、出力電圧が０Ｖにならない状態が、出力電圧が一旦、０Ｖになった後も継続する。そのため、図４に示す例では、出力電圧の実効値は３０７Ｖとなり、定格出力（２００Ｖ）の１５０％を超えてしまっている。また、電力系統２および負荷３からの電力制御装置１０の遮断後、出力電圧が０Ｖにならない状態が継続するため、上述した条件を満たすのは困難となる。

一方、本実施形態においては、出力電圧が０Ｖになると、電力制御装置１０を解列させるとともに、インバータ部１３をゲートブロックすることで、図５に示すように、出力電圧は０Ｖに維持される。そのため、図５に示す例では、出力電圧の実効値は２５８Ｖとなり、定格出力（２００Ｖ）の１５０％未満に抑制されている。また、出力電圧が０Ｖになった時点以降は、出力電圧を０Ｖに維持することができる。そのため、上述した条件も満たすことができる。

本実施形態においては、出力電圧の半周期の積算値を用いる例を用いて説明したが、これに限られるものではない。例えば、出力電圧の１周期分の積算値を用いてもよい。ただし、この場合、出力電圧の１周期分に相当する期間だけ待つ必要が生じるため、電力系統２からの電力制御装置１０の遮断の検出に時間がかかってしまう。そこで、本実施形態のように、出力電圧の半周期の積算値を用いることで、短い時間で確実に、電力系統２からの電力制御装置１０の遮断を検出することができる。

このように本実施形態においては、電力制御装置１０は、直流電圧を交流電圧に変換して負荷３に出力するインバータ部１３と、制御部１５とを備える。制御部１５は、インバータ部１３の出力電圧の積算値に基づき、電力制御装置１０が電力系統２から遮断されたか否かを判定する。

出力電圧の積算値を用いることで、電力系統２からの電力制御装置１０の遮断時の跳ね返り電圧が小さい場合にも、電力系統２からの電力制御装置１０の遮断を検出することができる。そのため、電力系統２からの遮断の検出の遅れの発生を抑制ことができる。

本開示の一実施形態を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。

１直流電源
２電力系統
３負荷
４事故試験用遮断スイッチ
１０電力制御装置
１１昇圧部
１２中間リンクコンデンサ
１３インバータ部
１４開閉器
１５制御部

Claims

電力系統に連系し、交流電力を負荷に供給する電力制御装置であって、
直流電圧を交流電圧に変換して、前記負荷に出力するインバータ部と、
前記インバータ部の出力電圧の積算値が所定の閾値以上である場合に、前記電力制御装置が前記電力系統から遮断されたと判定する制御部と、を備えることを特徴とする電力制御装置。
請求項１に記載の電力制御装置において、
前記制御部は、前記出力電圧の半周期の積算値が所定の閾値以上である場合に、前記電力制御装置が前記電力系統から遮断されたと判定することを特徴とする電力制御装置。
請求項２に記載の電力制御装置において、
前記制御部は、前記出力電圧の半周期に相当する期間において、所定のサンプリング周期で前記出力電圧を検出し、該検出された出力電圧の二乗和平方根を、前記出力電圧の半周期に相当する期間におけるサンプリング数で除して前記積算値を算出することを特徴とする電力制御装置。
請求項２または３に記載の電力制御装置において、
前記所定の閾値は、前記電力制御装置の定格出力よりも所定値だけ大きい値であることを特徴とする電力制御装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載の電力制御装置において、
閉状態から開状態への切替により前記電力制御装置を前記電力系統から解列させる開閉器をさらに備え、
前記制御部は、前記電力制御装置が前記電力系統から遮断されたと判定した後、前記開閉器を開状態にして前記電力制御装置を前記電力系統から解列させるとともに、前記インバータ部をゲートブロックすることを特徴とする電力制御装置。
前記制御部は、前記電力制御装置が前記電力系統から遮断されたと判定した後、前記出力電圧が所定の値になると、前記開閉器を開状態にして前記電力制御装置を前記電力系統から解列させるとともに、前記インバータ部をゲートブロックすることを特徴とする請求項５に記載の電力制御装置。
直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部を備え、電力系統に連系して、交流電力を負荷に供給する電力制御装置の制御方法であって、
前記インバータ部の出力電圧の積算値が所定の閾値以上である場合に、前記電力制御装置が前記電力系統から遮断されたと判定することを特徴とする電力制御装置の制御方法。