JP6919449B2

JP6919449B2 - 単独運転検出装置、単独運転検出方法、単独運転検出プログラム

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Publication number: JP6919449B2
Application number: JP2017179981A
Authority: JP
Inventors: 大輔松井
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: JP2019057972A

Description

本発明は、分散型電源設備が電力系統から切り離されて単独運転をしているか否かを検出する単独運転検出の技術に関する。

周知のようにパワーコンディショナ（以下、ＰＣＳとする。）は、太陽電池などの分散型電源設備の直流（ＤＣ）電力を交流（ＡＣ）電力に変換し、周波数や電圧を電力系統に適合させて連係させている。

ところが、事故発生などの事情で電力系統が停止しているときに分散型電源設備が、電力系統から遮断されていない状態で局所的な系統負荷に電力を供給する単独運転の状態を継続していると、本来停電状態であるべき電力系統に分散型電源設備から電力の逆潮流が流れ込み、単独運転による感電事故などが発生し、安全を脅かすおそれがある。

そこで、分散型電源設備の単独運転状態を確実に検出して、分散型電源設備を電力系統から解列する機能、即ち分散型電源設備の単独運転を防止する機能が不可欠となり、各種の単独運転検出方法が提案されている。このうち能動的単独運転検出方法は、周波数偏差に応じた無効電力を注入することで周波数シフトをさらにシフトさせ、単独運転を検出する。

例えばＪＥＭ１４９８（日本電機工業会規格）は、太陽光発電用ＰＣＳ（以下、太陽光ＰＣＳとする。）の能動的単独運転検出方式の標準規格に関する。この能動的単独運転検出方式は、図１に示すように、太陽光ＰＣＳ１の制御部、即ち系統周波数計測部５，周波数フィードバック部（無効電力注入部）６，無効電力ステップ注入部７，単独運転検出部８により実行される。

このうち無効電力ステップ注入部７は、無効電力をステップ注入する条件判定を実行し、所定の条件を満たせば無効電力のステップ注入を開始させる。この条件の一つとして高調波電圧変動の発生が挙げられる。すなわち、図２に示すように、２次〜７次の全高調波電圧歪（ＴＨＤ）の推移を監視し、基準値との比較により高調波電圧変動の発生を判定する。

ここで高調波電圧歪は、基本電圧を「Ｖ１」とし、２次高調波電圧を「Ｖ２」とし、３次高調波電圧を「Ｖ３」とし、４次高調波電圧を「Ｖ４」とし、５次高調波電圧を「Ｖ５」とし、６次高調波電圧を「Ｖ６」とし、７次高調波電圧を「Ｖ７」とすると式（１）で算出できる。

基本電圧「Ｖ１」は電圧計測回路１５で計測した電圧を元に基本波電圧算出部１７にて算出し、２次〜７次の高調波電圧「Ｖ２〜Ｖ７」は高調波電圧計測回路１６にて計測した高調波電圧を高調波電圧算出部１８にて周波数スペクトルに変換して算出する。

この周波数スペクトル変換には、例えばフーリエ変換（ＤＦＴ）などの手法が用いられる。なお、高調波電圧変動の発生を検知して無効電力を注入する単独運転検出方法としては、特許文献１が公知となっている。

特開２００９−４４９１０

前述のように高調波電圧は、単独運転の発生に伴って急増するものの、電力系統と正常に連係運転する平常時にも発生する（以下、平常時の高調波電圧を定常高調波電圧とする。）。

そして、各次数の定常高調波電圧は、電力系統の負荷などの諸条件に応じて異なり、さらに時間帯によっても変動する。ここで平常時に高いレベルを示す次数は、単独運転が発生しても平常時と大きな差異が生じない場合があり、かかる場合には高調波電圧変動を検出できないおそれがある。もし高調波電発変動の検出に失敗すれば、無効電力が注入されず、単独運転が検出できない。

表１中の「平常時」は定常高調波電圧を示し、「単独運転時」は単独運転時の高調波電圧を示し、「変動差」は両高調波電圧の差分を示し、それぞれ次数毎に示されている。ここでは「平常時」に５次が高く、「単独運転時」に若干上昇しているものの、その変動差は小さい。

このとき全高調波電圧歪（ＴＨＤ）の変動差は、「０．９１％」の上昇に留まるため、図２中のステップ注入判定基準「１．０％」を越えず、高調波電圧変動発生とは判定されない。

この点につき特許文献１では、２次〜７次に限らず、どの次数を計測しもよいと示唆しているものの、具体的にどのような基準でどの次数を計測すべきなのかを明確にしていない。そのため、特許文献１でも、「平常時」と「単独運転時」の「変動差」が小さい場合には、高調波電圧変動を検出できないおそれがある。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、高調波電圧変動の検出精度を向上させ、より確実に単独運転の発生を検出することを解決課題としている。

（１）本発明の一態様は、分散型電源が電力系統から切り離されて単独運転をしているか否かを検出する単独運転検出装置に関する。この単独運転検出装置は、前記電力系統に高調波電圧変動が発生したときに無効電力をステップ注入し、前記単独運転を検出させる無効電力ステップ注入部を備え、前記無効電力ステップ注入部は、平常時の高調波電圧から閾値以上のレベルの次数を除外して前記閾値未満のレベルの次数を選択して全高調破電圧歪Ａを算出し、前記全高調破電圧歪Ａを高調波電圧変動が発生したか否かの判定に用いる。

（２）本発明の他の態様は、分散型電源が電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを検出する装置の実行する単独運転検出方法に関する。この単独運転検出方法は、平常時の高調波電圧から閾値以上のレベルの次数を除外し、前記閾値未満のレベルの次数に基づき全高調破電圧歪Ａを算出する算出ステップと、前記全高調破電圧歪Ａを用いて高調波電圧変動が発生したか否かを判定する判定ステップと、前記高調波電圧変動が発生したときに無効電力をステップ注入し、前記単独運転を検出させる無効電力注入ステップと、を有する。

本発明によれば、高調波電圧変動の検出精度を向上させ、より確実に単独運転の発生を検出することができる。

標準形態能動的単独運転検出方式に係る太陽光ＰＣＳの全体ブロック図。同ステップ注入発生の条件（高調波電圧変動）を示す説明図。本発明の実施形態に係る太陽光ＰＣＳの無効電力ステップ注入部の機能ブロック図。図３中の高調波電圧算出部の詳細図。定常高調波電圧の算出を示す概略図。

以下、本発明の実施形態に係る単独運転検出装置を説明する。この単独運転検出装置は、太陽光ＰＣＳに内蔵され、太陽光ＰＣＳの能動的単独運転検出方式（ステップ注入付周波数フィードバック方式）を実行する。

すなわち、図１に示す太陽光ＰＣＳ１は、ハードウェア部とソフトウェア部とを備えている。このハードウェア部は、分散型電源設備（太陽電池など）３から供給されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換するインバータ部（スイッチング電源装置など）１０と、インバータ部１０の出力側と電力系統２との間に設けられた周波数検出回路１４，電圧計測回路１５，高調波電圧計測回路１６とを有している。

一方、ソフトウェア部は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）４により実行され、インバータ部１０のスイッチング動作を制御する電流制御処理部９と、前記単独運転検出装置とを有している。

ここで前記単独運転検出装置は、従来と同様に四つの制御部、即ち系統周波数計測部５，周波数フィードバック部（無効電力注入部）６，無効電力ステップ注入部７，単独運転検出部８を有している。この系統周波数計測部５は周波数偏差の演算に用いる周波数を計測し、周波数フィードバック部６は系統周波数の偏差から注入する無効電力を演算して周波数シフトを促す機能を有している。

また、無効電力ステップ注入部７は周波数偏差が微小のときに周波数シフトを促すために無効電力をステップ注入し、無効電力検出部８は系統周波数の変化によって単独運転の発生の有無を判定する。

ただし、前記単独運転検出装置は、無効電力ステップ注入部７の処理内容において従来と相違する。以下、前記単独運転検出装置を、無効電力ステップ注入部７を中心に説明する。

≪無効電力ステップ注入部７の構成≫
図３に基づき無効電力ステップ注入部７を説明する。この無効電力ステップ注入部７は、分散型電源設備３の単独運転によりＡＣ電圧の高調波歪が増加した場合にその増加を検出して無効電力をステップ注入する。これにより周波数が変化すれば周波数フィードバック部６が動作し、単独運転検出部８が単独運転を検出する。

具体的には無効電力ステップ注入部７は、ハードウェア部内の基本波電圧計測回路１５，高調破電圧計測回路１６と、ソフトウェア部内の基本波電圧算出部１７，高調波電圧算出部１８，ステップ注入発生条件判定部１９，ステップ注入量算出部２０とにより構成されている。

電圧計測回路１５は、インバータ部１０側の出力電圧を計測する。この計測結果に基づき基本波電圧算出部１７において、基本波電圧Ｖ１を算出してステップ注入発生条件判定部１９に出力する。

高調破電圧計測回路１６は、インバータ部１０側の出力電圧から高調波電圧を計測する。この測定結果に基づき高調波電圧算出部１８において、２次〜７次の高調波電圧「Ｖ２〜Ｖ７」を算出する。この高調波電圧「Ｖ２〜Ｖ７」に基づき全高調波電圧実効値と全高調波電圧実効値Ａとを算出し、各算出結果をステップ注入発生条件判定部１９に出力する。

このとき全高調波電圧実効値は、式（２）により算出される。この式（２）は式（１）の分子に相当し、全高調波電圧実効値は従来と同様に算出される。一方、全高調波電圧実効値Ａは、高調波電圧「Ｖ２〜Ｖ７」のうち定常高調波電圧が閾値以上のレベルの次数を除外し、前記閾値未満のレベルの次数のみを選択して全高調波電圧実効値と同様に算出する。

なお、定常高調波電圧は、時間帯により変動するため、定期的に計測して更新することが好ましく、また閾値を各次数に設けて次数毎に異なる閾値を設定してもよいものとする。

ステップ注入発生条件判定部１９は、入力された各情報（基本波電圧・全高調波電圧実効値・全高調波電圧実効値Ａ）に基づき全高調波電圧歪と全高調波電圧歪Ａとを算出する。

このとき全高調波電圧歪は、従来と同様に前記式（１）により算出する。一方、全高調波電圧歪Ａは、前記式（１）中の全高調波電圧実効値を全高調波電圧実効値Ａに置き換えて算出する。例えば表１のデータに基づき説明すれば、「平常時」の閾値に「３．０Ｖ」が設定され、５次の定常高調波電圧（４Ｖ）が閾値を越えている。

そこで、高調波電圧算出部１８は、表２に示すように、５次の定常高調波電圧（４Ｖ）を除外した２次・３次・４次・６次・７次の定常高調波電圧を選択し、全高調波電圧実効値Ａを算出する。ここで算出された全高調波電圧実効値Ａを式１中の全高調波電圧実効値と置き換えて、ステップ注入発生条件判定部１９において全高調波電圧歪Ａを算出する。

また、ステップ注入発生条件判定部１９は、全高調波電圧歪と全高調波電圧歪Ａのいずれか一方がステップ注入判定基準を越えた場合に高調波電圧変動発生と判定する。

このとき表２のデータによれば、「平常時の変動差＝１．１３％」かつ「単独運転時の変動差＝１．１１％」となり、ステップ判定基準「１．０％」を越えて高調波電圧変動発生と判定することができる。なお、ステップ注入量算出部２０は、ステップ注入発生条件判定部１９の判定結果に応じて無効電力のステップ注入量を算出する。

≪高調波電圧算出部１８の処理≫
図４に基づき無効電力ステップ注入部７の主要部、即ち高調波電圧算出部１８の詳細を説明する。ここでは高調波電圧算出部１８は、全高調波電圧実効値を算出する全高調波電圧実効値算出部１８ａと、全高調波電圧実効値Ａを算出する全高調波電圧実効値Ａ算出部１８ｂとに大別されている。

（１）まず、全高調波電圧実効値算出部１８ａの処理内容を説明する。ここでは高調波電圧計測回路１６から入力された２次〜７次の電圧を離散フーリエ変換（ＤＦＴ処理）により周波数スペクトルに変換する。

ここで変換された各次数の高調波電圧にそれぞれ二乗処理が施され、二乗処理後の高調波電圧をすべて合計する総和処理が施され、その後に平方根処理が施される。具体的には前述した式（２）の演算処理が実行される。

（２）つぎに図４および図５に基づき全高調波電圧実効値Ａ算出部１８ｂの処理内容（Ｓ０１〜Ｓ０４）を説明する。ここでは高調波電圧計測回路１６から入力された２次〜７次の定常高調波電圧は、太陽光ＰＣＳ１のバッファ２１に登録されるものとする。

また、全高調波電圧実効値Ａを算出するための定常高調波電圧には、次数毎に一定周期で更新された移動平均値を用いるものとする。さらに全高調波電圧実効値Ａ算出部１８ｂは、バッファ要素数算出部２２，バッファ更新時刻判定部２３，移動平均算出部２４を実装しているものとする。

Ｓ０１：バッファ要素数算出部２２は、図５に示すように、バッファ２１が保持すべき測定期間分の高調波電圧、即ちバッファ要素数を「バッファ要素数＝測定期間設定値α／測定間隔設定値β」により算出する（Ｓ１１）。ここで算出されたバッファ要素数分の高調波電圧がバッファ２１に保持される。例えば「α＝３０分」かつ「β＝１分」であれば、「３０分／１分＝３０個」の高調波電圧が保持される。

Ｓ０２：バッファ２１に保持されたバッファ要素群は、所定の測定間隔毎に更新される。この更新の要否は、バッファ更新時刻判定部２３にて判定する。このときバッファ更新時刻判定部２３は、現在時刻ｔと前回計測時刻ｔ−１との時間差Ｔを算出し、算出された時刻差Ｔと測定間隔設定値βとを比較する（Ｓ２１）。

比較の結果、「時刻差Ｔ＝測定間隔設定値β」が成立しなければ、更新時刻ではなく、バッファの要素群を更新する必要は無い。一方、成立すれば、更新時刻となったため、移動平均算出部２４に更新指令を送る。

Ｓ０３：移動平均算出部２４は、更新指令を受け取ると最新に計測したｎ次の高調波電圧Ｚ⁰をバッファ２１の末尾に加える。その際、バッファ２１の先頭の高調波電圧Ｚ^Xを破棄し、各高調波電圧の総和処理を実行する（Ｓ３１）。

このとき総和処理の結果を「ａ」とする一方、Ｓ０１で算出されたバッファ２１のバッファ要素数を「ｂ」とする。ここでは測定期間αの平均値「ａ／ｂ」、即ち移動平均値を当該次数の定常高調波電圧として算出する（Ｓ３２）。例えば前述の「α＝３０分」かつ「β＝１分」の場合、２次〜７次の定常高調波電圧は１分毎に過去３０分間（バッファ要素数ｂ＝３０）の移動平均値として算出される。

Ｓ０４：Ｓ０１〜Ｓ０３の処理を経た２次〜７次の定常高調波電圧を、あらかじめ定められた閾値と比較し、前記閾値未満の高調波の次数のみを選択する。

すなわち、２次〜７次の定常高調波電圧毎に「定常高調波電圧＜閾値」が成立するか否か判定する。判定の結果、成立しなければ該次数の定常高調波電圧は全高調波電圧実効値Ａの算出から除外される一方、成立すれば該次数の定常高調波電圧は全高調波電圧実効値Ａの算出に選択される。

ここで選択された各次数の定常高調波電圧にそれぞれ二乗処理が施され、二乗処理後の定常高調波電圧をすべて合計する総和処理が施され、その後に平方根処理が施されて全高調波電圧実行値Ａが算出される。具体的には、前述のように式（２）中から前記閾値以上の定常高調波電圧の次数を除外し、前記閾値未満の定常高調波電圧のみで式（２）の演算処理を実行すればよい。

このように本実施形態の単独運転検出装置によれば、平常時の定常高調波電圧から閾値以上のレベルの次数を除外し、前記閾値未満のレベルの次数のみを用いた全高調破電圧歪Ａが、ステップ注入判定基準を越えた場合にも高調波電圧変動発生と判定する。

したがって、平常時の定常高調波電圧と単独運転時の高調波電圧との変動差が小さい場合にも高調波電圧変動の発生を検出することができる。その結果、高調波電圧変動の検出精度を向上させ、より確実に単独運転の発生を検出することが可能となる。

特に各次数の定常高調波電圧は一定周期で更新されるため、負荷変動などの環境変化が生じても、高調波電圧変動の発生を継続的に高精度で検出することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載された範囲内で変形して実施することができる。例えば本発明に係る単独運転検出装置を太陽光ＰＣＳに内蔵することなく、別個の装置として構成することもできる。

また、本発明は、本発明に係る単独運転検出装置としてコンピュータを機能させるプログラムとして構成することもできる。このプログラムによれば、コンピュータの中央演算処理装置４がＳ０１〜Ｓ０４の処理を実行する。このプログラムは、ネットワークを通じて配布することができ、また記録媒体に格納して配布することもできる。

１…太陽光ＰＣＳ
２…電力系統
３…分散型電源設備（分散型電源）
４…中央演算処理装置（ＣＰＵ）
５…系統周波数計測部
６…周波数フィードバック部（無効電力注入部）
７…無効電力ステップ注入部
８…単独運転検出部
９…電流制御処理部
１０…インバータ部
１１…電力系統ライン
１５…基本波電圧計測回路
１６…高調波電圧計測回路
１７…基本波電圧算出部
１８…高調波電圧算出部
１８ａ…全長破電圧実行値算出部
１８ｂ…全長破電圧Ａ実行値算出部
１９…ステップ注入発生条件判定部
２０…ステップ注入量算出部
２１…バッファ
２２…バッファ要素数算出部
２３…バッファ更新時刻判定部
２４…移動平均算出部

Claims

分散型電源が電力系統から切り離されて単独運転をしているか否かを検出する単独運転検出装置であって、
前記電力系統に高調波電圧変動が発生したときに無効電力をステップ注入し、前記単独運転を検出させる無効電力ステップ注入部を備え、
前記無効電力ステップ注入部は、平常時の高調波電圧から閾値以上のレベルの次数を除外して前記閾値未満のレベルの次数を選択して全高調破電圧歪Ａを算出し、
前記全高調破電圧歪Ａを高調波電圧変動が発生したか否かの判定に用いることを特徴とする単独運転検出装置。
前記無効電力ステップ注入部は、すべての次数の高調波電圧に基づき算出された全高調波電圧歪と、
前記全高調破電圧歪Ａとのいずれか一方がステップ注入判定基準を越えた場合に高調波電圧変動の発生と判定する
ことを特徴とする請求項１記載の単独運転検出装置。
前記無効電力ステップ注入部は、前記平常時の高調波電圧を次数毎に一定の移動平均値とする一方、
前記平常時の高調波電圧を一定周期で更新することを特徴とする請求項１または２記載の単独運転検出装置。
分散型電源が電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを検出する装置の実行する単独運転検出方法であって、
平常時の高調波電圧から閾値以上のレベルの次数を除外し、前記閾値未満のレベルの次数に基づき全高調破電圧歪Ａを算出する算出ステップと、
前記全高調破電圧歪Ａを用いて高調波電圧変動が発生したか否かを判定する判定ステップと、
前記高調波電圧変動が発生したときに無効電力をステップ注入し、前記単独運転を検出させる無効電力注入ステップと、
を有することを特徴とする単独運転検出方法。
前記判定ステップは、すべての次数の高調波電圧に基づく全高調波電圧歪と、
前記全高調波電圧歪Ａとのいずれか一方がステップ注入判定基準を越えた場合に高調波電圧発生と判定する
ことを特徴とする請求項４記載の単独運転検出方法。
前記平常時の高調波電圧を次数毎に一定の移動平均値とするステップと、
前記平常時の高調波電圧を一定周期で更新するステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項４または５記載の単独運転検出方法。
請求項１〜３のいずれか１項記載の単独運転検出装置としてコンピュータを機能させることを特徴とする単独運転検出プログラム。