JP6996444B2

JP6996444B2 - 電力変換装置及びフリッカ検出方法

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Publication number: JP6996444B2
Application number: JP2018136674A
Authority: JP
Inventors: 俊明奥村; 直樹綾井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: JP2020014358A

Description

本発明は、電力変換装置及びフリッカ検出方法に関する。

例えばパワーコンディショナ等の電力変換装置には、系統連系における単独運転検出機能が設けられる。単独運転検出機能の１つとして、電力系統側に無効電力を注入し、系統停止時に現れる周波数の変化を検出することで単独運転状態であると判定する無効電力注入方式がある。

上記のような無効電力注入方式による単独運転検出機能に起因するフリッカの発生が問題となっている。特許文献１には、系統電源の周波数偏差が予め定められた範囲を超えた場合に無効電力の注入を抑制することで、フリッカを抑制する装置が開示される。

特開２０１７－０９３０２５号公報

特許文献１に開示された装置では、周波数偏差が予め定められた範囲を一度でも超えれば、フリッカが発生したと判定し、無効電力の注入を抑制する。しかし、周波数偏差が予め定められた範囲を一度超えただけではフリッカが発生していない場合があり、周期的に電圧が変動するフリッカを正確に検出できない可能性がある。

本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は、特許請求の範囲によって定められるものである。

本発明の一態様に係る電力変換装置は、系統電源と連系する電力変換装置であって、前記系統電源が接続される交流電路における周波数偏差の変動を計測する第１変動計測部と、前記交流電路に注入される無効電力の変動を計測する第２変動計測部と、前記第１変動計測部によって計測された前記周波数偏差の変動と、前記第２変動計測部によって計測された前記無効電力の変動とが同期しているか否かに基づいて、前記無効電力に起因するフリッカを検出する検出部と、を備える。

また、本発明の一態様に係るフリッカ検出方法は、系統電源と電力変換装置との系統連系におけるフリッカを検出するフリッカ検出方法であって、前記系統電源が接続される交流電路における周波数偏差の変動を計測し、前記交流電路に注入される無効電力の変動を計測し、計測された前記周波数偏差の変動と、計測された前記無効電力の変動とが同期しているか否かに基づいて、前記無効電力に起因するフリッカを検出する。

本発明によれば、周期性を有するフリッカを正確に検出することができる。

実施形態に係るパワーコンディショナ（電力変換装置）による系統連系の一構成例を示すブロック図である。実施形態に係るパワーコンディショナのフリッカ検出に関する機能を示す機能ブロック図である。ＪＥＭ１４９８に規定される注入無効電力を示すグラフである。実施形態に係るパワーコンディショナによる単独運転検出処理の手順を示すフローチャートである。実施形態に係るパワーコンディショナによるフリッカ検出処理の手順を示すフローチャートである。シミュレーションに使用した系統連系のモデルを示す回路図である。シミュレーションにより得られた周波数偏差の変動を示すグラフである。シミュレーションにより得られた無効電力の変動を示すグラフである。シミュレーションにより得られた系統電圧の変動を示すグラフである。変形例に係るパワーコンディショナによる系統連系の一構成例を示すブロック図である。変形例に係るパワーコンディショナのフリッカ検出に関する機能を示す機能ブロック図である。変形例に係るパワーコンディショナによるフリッカ検出処理の手順を示すフローチャートである。

＜本発明の実施形態の概要＞
以下、本発明の実施形態の概要を列記して説明する。

（１）本実施形態に係る電力変換装置は、系統電源と連系する電力変換装置であって、前記系統電源が接続される交流電路における周波数偏差の変動を計測する第１変動計測部と、前記交流電路に注入される無効電力の変動を計測する第２変動計測部と、前記第１変動計測部によって計測された前記周波数偏差の変動と、前記第２変動計測部によって計測された前記無効電力の変動とが同期しているか否かに基づいて、前記無効電力に起因するフリッカを検出する検出部と、を備える。

上記実施形態に係る電力変換装置は、周波数偏差の変動と、無効電力の変動とが同期しているか否かによって、無効電力に起因するフリッカの発生を正確に検出することができる。

（２）また、本実施形態に係る電力変換装置において、前記電力変換装置は、単独運転検出による前記無効電力の注入中であるか否かを判定する無効電力注入判定部をさらに備え、前記検出部は、前記無効電力注入判定部によって前記無効電力の注入中と判定された場合に、前記フリッカを検出する検出処理を実行してもよい。これにより、単独運転検出による無効電力の注入を中にのみ検出処理が実行されるため、フリッカの検出を効率的に行うことができる。

（３）また、本実施形態に係る電力変換装置において、前記第１変動計測部は、前記周波数偏差のゼロクロス時刻に基づいて前記周波数偏差の変動を計測し、前記第２変動計測部は、前記無効電力のゼロクロス時刻に基づいて前記無効電力の変動を計測してもよい。上記のように、周波数偏差の位相と無効電力の位相とは互いに逆である。よって、周波数偏差のゼロクロス時刻と、無効電力のゼロクロス時刻とは概ね同一となる。上記の構成とすることにより、周波数偏差のゼロクロス時刻に基づいて計測された周波数偏差の変動と、無効電力のゼロクロス時刻に基づいて計測された無効電力の変動とを用いることで、周波数偏差の変動と無効電力の変動とが同期しているか否かを正確に判定することができ、単独運転検出によるフリッカの検出精度が向上する。

（４）また、本実施形態に係る電力変換装置において、前記第１変動計測部は、少なくとも２点の前記周波数偏差のゼロクロス時刻に基づいて、前記周波数偏差の変動として前記周波数偏差の周期を計測し、前記第２変動計測部は、少なくとも２点の前記無効電力のゼロクロス時刻に基づいて、前記無効電力の変動として前記無効電力の周期を計測してもよい。これにより、周波数偏差の周期と、無効電力の周期とによって、周波数偏差の変動と無効電力の変動とが同期しているか否かを正確に判定することができ、単独運転検出によるフリッカの検出精度が向上する。

（５）また、本実施形態に係る電力変換装置において、前記検出部は、前記周波数偏差のゼロクロス時刻と、前記無効電力のゼロクロス時刻とが同期する回数に基づいて、前記フリッカを検出してもよい。これにより、計測誤差によるフリッカ検出精度への影響を抑制することができ、単独運転検出によるフリッカの検出精度がより一層向上する。

（６）また、本実施形態に係る電力変換装置において、前記電力変換装置は、前記検出部によって前記フリッカが検出された場合に、無効電力の注入量を制限する制限部をさらに備えてもよい。これにより、単独運転検出によるフリッカが検出された場合に、無効電力の注入量を制限することで当該フリッカを抑制することができる。

（７）また、本実施形態に係る電力変換装置において、前記電力変換装置は、前記交流電路の電圧の変動を計測する第３変動計測部をさらに備え、前記検出部は、前記第３変動計測部によって計測された前記電圧の変動にさらに基づいて、前記フリッカを検出してもよい。これにより、周波数偏差の変動及び注入無効電力の変動に加えて、系統電源の電圧を用いることで、単独運転検出によるフリッカの検出精度がさらに向上する。

（８）また、本実施形態に係るフリッカ検出方法は、系統電源と電力変換装置との系統連系におけるフリッカを検出するフリッカ検出方法であって、前記系統電源が接続される交流電路における周波数偏差の変動を計測し、前記交流電路に注入される無効電力の変動を計測し、計測された前記周波数偏差の変動と、計測された前記無効電力の変動とが同期しているか否かに基づいて、前記無効電力に起因するフリッカを検出する。これにより、周波数偏差の変動と、無効電力の変動とが同期しているか否かによって、同一周期で周波数偏差と無効電力とが変動するという周期性を有するフリッカの発生を正確に検出することができる。

＜本発明の実施形態の詳細＞
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態の詳細を説明する。

［１．電力変換装置の構成］
図１は、本実施形態に係る電力変換装置による系統連系の一構成例を示すブロック図である。電力システム１００は、系統電源（交流電源）２００と、太陽光発電装置３００と、蓄電池４００と、電力変換装置であるパワーコンディショナ５００と、周波数センサ６００とを備える。太陽光発電装置３００はパワーコンディショナ５００に接続され、発電電力がパワーコンディショナ５００に供給される。蓄電池４００はパワーコンディショナ５００に接続され、パワーコンディショナ５００に対して直流電力の入出力が可能である。即ち、蓄電池４００は放電時にはパワーコンディショナ５００へ直流電力を供給し、充電時にはパワーコンディショナ５００から直流電力を受電する。

系統電源２００からは交流電路２１０が延びており、需要家の家電機器等の負荷に交流電力を供給する。パワーコンディショナ５００は、太陽光発電装置３００及び蓄電池４００の少なくとも一方から与えられた直流電力を交流電力に変換する。パワーコンディショナ５００は、交流電路２１０に接続され、電力系統側に交流電力を出力する。

パワーコンディショナ５００は、電力変換回路５１０と、制御部５２０とを備える。電力変換回路５１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１１，５１２と、インバータ５１３とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１１は、太陽光発電装置３００に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１２は、蓄電池４００に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１１，５１２は、図示しない昇圧チョッパ回路，降圧チョッパ回路等を含み、太陽光発電装置３００及び蓄電池４００から出力される直流電力を電圧変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１１，５１２は、ＤＣバス５１４を介してインバータ５１３に接続される。インバータ５１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１１，５１２から出力される直流電力を交流電力に変換する。インバータ５１３は、変換した交流電力を交流電路２１０へ出力する。

制御部５２０は、電力変換回路５１０に接続され、電力変換回路５１０を制御する。制御部５２０は、ＣＰＵ５２１と、メモリ５２２とを有する。メモリ５２２は、揮発性メモリであるＲＡＭと、フラッシュメモリ等の非揮発性メモリとを有する（図示せず）。ＣＰＵ５２１は、メモリ５２２に記憶されたコンピュータプログラムを実行することができる。かかるコンピュータプログラムには、後述するフリッカ検出処理を実行するためのフリッカ検出プログラム５２３が含まれる。

なお、制御部５２０は、ＣＰＵ及びメモリなどの複数の半導体チップ等から構成することもできるし、ＣＰＵ及びメモリ等の部分回路を内蔵する１つのＬＳＩパッケージとして構成することもできる。また、制御部５２０を、ソフトウェアを実行可能なＣＰＵにより構成するのではなく、同等の機能を実現するＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェア回路とすることもできる。

周波数センサ６００は、交流電路２１０に設けられ、系統電力の周波数である系統周波数を検出する。周波数センサ６００は、制御部５２０に接続されており、系統周波数の検出結果（検出データ）を制御部５２０に送信する。なお、周波数センサ６００に代えて電圧センサを交流電路２１０に設け、系統電力の周期より短いサンプリング周期で又は時間的に連続して電圧センサが系統電圧を検出し、電圧センサによって検出された系統電圧から制御部５２０等が系統周波数を計測する構成であってもよい。

［２．電力変換装置の機能］
図２は、本実施形態に係るパワーコンディショナ５００のフリッカ検出に関する機能を示す機能ブロック図である。制御部５２０は、周波数偏差計測部５３１と、無効電力注入制御部５３２と、単独運転検出部５３３として機能する。周波数偏差計測部５３１は、過去移動平均算出部５３１ａと、現在移動平均算出部５３１ｂとを有する。過去移動平均算出部５３１ａは、周波数センサ６００から与えられた過去の系統周波数の移動平均値を算出する。例えば、系統周波数のサンプリング周期を５ｍｓとし、過去移動平均算出部５３１ａは、２００ｍｓ前の３２０ｍｓ間における系統周波数の移動平均値を算出する。現在移動平均算出部５３１ｂは、周波数センサ６００から与えられた現在の系統周波数の移動平均値を算出する。例えば、現在移動平均算出部５３１ｂは、最新の４０ｍｓ間における系統周波数の移動平均値を算出する。周波数偏差計測部５３１は、系統周波数の過去移動平均値から現在移動平均値を減算することで、系統周波数偏差を計測する。

無効電力注入制御部５３２は、周波数偏差計測部５３１によって計測された系統周波数偏差に基づいて、無効電力量を算出し、この無効電力量を電力系統へ注入するよう電力変換回路５１０を制御する。

図３は、ＪＥＭ１４９８に規定される注入無効電力を示すグラフである。無効電力量は、例えば、図３に示されるＪＥＭ１４９８規定の注入無効電力の特性にしたがって算出される。図３のグラフにおいて、縦軸は無効電力を示し、横軸は周波数偏差を示す。図３に示されるように、周波数偏差が－０．０１Ｈｚから０．０１Ｈｚの範囲は不感帯であり、無効電力は０である。周波数偏差が－０．０１Ｈｚ以下では、注入無効電力は所定のゲインで増加し、０．２５ｐ．ｕ．に到達すると、それ以下の周波数偏差では注入無効電力が０．２５ｐ．ｕ．で固定される。周波数偏差が０．０１以上の範囲では、上記と正負が逆転する。即ち、周波数偏差が０．０１Ｈｚ以上では、注入無効電力は減少し（負の値が大きくなり）、－０．２５ｐ．ｕ．に到達すると、それ以上の周波数偏差では注入無効電力が－０．２５ｐ．ｕ．で固定される。

単独運転検出部５３３は、周波数センサ６００から与えられた系統周波数を監視し、系統周波数に所定以上の変動が生じた場合に、単独運転状態と判断する。単独運転検出部５３３は、単独運転状態を検出すると、電力変換回路５１０を停止することにより、電力系統側への電力供給を停止する。

制御部５２０は、第１変動計測部５３４と、第２変動計測部５３５と、フリッカ検出部（検出部）５３６としてさらに機能する。第１変動計測部５３４は、周波数偏差計測部５３１によって算出された系統周波数偏差の変動を計測する。系統周波数偏差の変動は、具体的には、系統周波数偏差の周期とすることができる。本実施形態では、第１変動計測部５３４は、系統周波数偏差のゼロクロス時刻を２点以上（一例として、数ｋＨｚ～数十ｋＨｚのサンプリング周波数の場合に例えば２～１０点）検出し、検出された２点以上のゼロクロス時刻から、系統周波数偏差の周期を計測する。

第２変動計測部５３５は、無効電力注入制御部５３２によって算出された無効電力量の変動を計測する。無効電力の変動は、具体的には、無効電力の周期とすることができる。本実施形態では、第２変動計測部５３５は、無効電力のゼロクロス時刻を２点以上（一例として、数ｋＨｚ～数十ｋＨｚのサンプリング周波数の場合に例えば２～１０点）検出し、検出された２点以上のゼロクロス時刻から、無効電力の周期を計測する。

フリッカ検出部５３６は、第１変動計測部５３４によって計測された周波数偏差の変動と、第２変動計測部５３５によって計測された無効電力の変動とが同期しているか否かを判定することにより、フリッカを検出する。つまり、フリッカ検出部５３６は、周波数偏差の変動と無効電力の変動とが同期していると判定される場合にフリッカが発生していると判断し、周波数偏差の変動と無効電力の変動とが同期していないと判定される場合にフリッカが発生していないと判断する。周波数偏差の変動と無効電力の変動とが同期しているか否かは、例えば、周波数偏差の周期と無効電力の周期とが一致又は所定範囲内で近似しているか否か、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とが一致又は所定範囲内で近似しているか否か等により判定される。

制御部５２０は、無効電力注入判定部５３７と、制限部５３８としてさらに機能する。無効電力注入判定部５３７は、無効電力注入制御部５３２が算出する無効電力量に基づいて、単独運転検出による無効電力の注入中であるか否かを判定する。例えば、無効電力注入判定部５３７は、算出された無効電力量が所定の閾値以下であれば、無効電力の注入中ではないと判定し、算出された無効電力量が閾値より大きければ、無効電力の注入中であると判定することができる。

制限部５３８は、フリッカ検出部５３６によってフリッカが検出された場合に、無効電力の注入量を制限する。電力変換回路５１０が、太陽光発電装置３００及び蓄電池４００を含む直流電源から供給される直流電力を、無効電力が注入された交流電力へ変換し、交流電路２１０に交流電力を供給する。制限部は、フリッカ検出部５３６によってフリッカが検出された場合に、電力変換回路５１０による無効電力の注入量を制限する。例えば、制限部５３８は、無効電力注入制御部５３２に対して制限指令を出力し、無効電力注入制御部５３２は、制限指令を受け付けると、算出された無効電力量を制限する。無効電力量の制限は、例えば無効電力を０としてもよいし、算出された無効電力量を所定量（フリッカの抑制効果が得られる程度）減少させてもよい。

［３．電力変換装置の動作］
以下、本実施形態に係るパワーコンディショナ５００の動作について説明する。

［３－１．単独運転検出］
まず、パワーコンディショナ５００による単独運転検出について説明する。図４は、本実施形態に係るパワーコンディショナ５００による単独運転検出処理の手順を示すフローチャートである。

周波数センサ６００は、交流電路２１０における系統電力の周波数である系統周波数を検出する。周波数センサ６００からは、検出データが制御部５２０へ送信される。かかる系統周波数の検出は、例えば５ｍｓ毎に繰り返し行われる。ＣＰＵ５２１は、周波数センサ６００から系統周波数の検出データを受信すると、メモリ５２２に逐次記憶する（ステップＳ１０１）。

ＣＰＵ５２１は、メモリ５２２に蓄積された系統周波数の時系列データから、所定時間過去の所定の移動平均時間分のデータを抽出し（ステップＳ１０２）、系統周波数の過去移動平均値を算出する（ステップＳ１０３）。

ＣＰＵ５２１は、メモリ５２２に蓄積された系統周波数の時系列データから、所定の移動平均時間分の最新のデータを抽出し（ステップＳ１０４）、系統周波数の現在移動平均値を算出する（ステップＳ１０５）。

ＣＰＵ５２１は、系統周波数の過去移動平均値と現在移動平均値との差である周波数偏差を算出する（ステップＳ１０６）。

ＣＰＵ５２１は、算出された周波数偏差に基づいて、周波数フィードバックによる無効電力量を算出する（ステップＳ１０７）。この処理では、例えば、ＣＰＵ５２１が、メモリ５２２に予め記憶されている無効電力量と周波数偏差との関係を示す無効電力の特性データを参照し、周波数偏差と当該特性データとによって、注入する無効電力量を算出する。特性データは、例えば図３に示されるＪＥＭ１４９８規定の特性とすることができる。

ＣＰＵ５２１は、算出された無効電力量に基づいて、制御信号を生成し、これを電力変換回路５１０に出力して、無効電力を注入するよう電力変換回路５１０を制御する（ステップＳ１０８）。

ＣＰＵ５２１は、メモリ５２２に格納される系統周波数の直近のデータを参照し、系統周波数に所定以上の変化があったか否かを判定する（ステップＳ１０９）。系統周波数に所定以上の変化があった場合には（ステップＳ１０９においてＹＥＳ）、ＣＰＵ５２１は単独運転状態であると判断し、電力変換回路５１０を停止させ（ステップＳ１１０）、単独運転検出処理を終了する。他方、系統周波数に所定以上の変化がない場合には（ステップＳ１０９においてＮＯ）、ＣＰＵ５２１は、ステップＳ１０１に処理を戻す。したがって、系統周波数に所定以上の変化がない間は、ステップＳ１０１～Ｓ１０９の処理が繰り返される。ステップＳ１０１～Ｓ１０９の周期は、例えば５ｍｓとされる。

［３－２．フリッカ検出］
次に、パワーコンディショナ５００によるフリッカ検出について説明する。図５は、本実施形態に係るパワーコンディショナ５００によるフリッカ検出処理の手順を示すフローチャートである。

ＣＰＵ５２１は、無効電力の注入中であるか否かを判定する（ステップＳ１５１）。この処理では、例えば、ステップＳ１０７により算出された最新の無効電力量が所定の閾値以下である場合に、ＣＰＵ５２１が無効電力の注入が行われていないと判定し、無効電力量が閾値より大きい場合に、無効電力の注入中であると判定することができる。また、メモリ５２２に無効電力の注入中であることを示すフラグを設け、上記の単独運転検出処理において、無効電力量が閾値より大きい場合に当該フラグを立て、無効電力量が閾値以下である場合に当該フラグを倒すようにし、ＣＰＵ５２１がフラグを参照することにより、無効電力の注入中であるか否かを判定することもできる。

無効電力を注入していない場合（ステップＳ１５１においてＮＯ）、ＣＰＵ５２１は、フリッカ検出処理を終了する。他方、無効電力の注入中である場合（ステップＳ１５１においてＹＥＳ）、ＣＰＵ５２１は、ステップＳ１５２に処理を移す。

ＣＰＵ５２１は、上記のステップＳ１０６により算出された周波数偏差を、メモリ５２２に逐次記憶する。これにより、メモリ５２２には、周波数偏差の時系列データが記憶される。

ＣＰＵ５２１は、周波数偏差の時系列データから、周波数偏差の最新のゼロクロス時刻を特定する（ステップＳ１５２）。

ＣＰＵ５２１は、上記のステップＳ１０７により算出された無効電力量を、メモリ５２２に逐次記憶する。これにより、メモリ５２２には、無効電力量の時系列データが記憶される。

ＣＰＵ５２１は、無効電力量の時系列データから、無効電力の最新のゼロクロス時刻を特定する（ステップＳ１５３）。

ＣＰＵ５２１は、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻との差を算出し、この差が所定の閾値範囲内であるか否かを判定することにより、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とが同期しているか否かを判定する（ステップＳ１５４）。差が閾値範囲内である場合、即ち、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とが同期している場合（ステップＳ１５４においてＹＥＳ）、ＣＰＵ５２１は、メモリ５２２に設けられたカウンタの値を１つインクリメントする（ステップＳ１５５）。なお、カウンタの初期値は０である。他方、差が閾値範囲を超えている場合、即ち、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とが同期していない場合（ステップＳ１５４においてＮＯ）、ＣＰＵ５２１は、カウンタを初期化し（ステップＳ１５６）、ステップＳ１５１へ処理を戻す。

ステップＳ１５５の処理の後、ＣＰＵ５２１は、カウンタの値が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５７）。ここで、閾値は２以上の適宜の整数に設定される。カウンタ値が閾値未満である場合（ステップＳ１５７においてＮＯ）、ＣＰＵ５２１は、ステップＳ１５１へ処理を戻す。ここで、カウンタは初期化されずにステップＳ１５１からの処理が実行される。このため、再度周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とが同期していれば、カウンタ値はインクリメントされる。

カウンタ値が閾値以上である場合（ステップＳ１５７においてＹＥＳ）、ＣＰＵ５２１は、単独運転検出機能に起因したフリッカを検出する。閾値が２以上に設定されることで、ゼロクロス時刻が２点以上で比較される。周波数偏差及び無効電力は周期的に変動するため、隣り合うゼロクロス時刻は周期に対応する。したがって、２点以上のゼロクロス時刻を比較することで、周波数偏差及び無効電力の周期が同期しているか否かを評価することができる。即ち、２回以上連続して周波数偏差及び無効電力のゼロクロス時刻が近似している場合、周波数偏差の変動と無効電力の変動とは同期していると判断される。

カウンタ値が閾値以上の場合、ＣＰＵ５２１は、無効電力の注入量を制限する（ステップＳ１５８）。この処理では、ステップＳ１０７により算出される無効電力量を減少させることにより、無効電力量が制限される。なお、電力変換回路５１０を停止させることで、無効電力量を制限することもできる。無効電力の注入量を制限すると、ＣＰＵ５２１は、フリッカ検出処理を終了する。

［４．評価試験］
発明者らは、パワーコンディショナの系統連系のモデルをコンピュータに構築し、当該モデルを使用してフリッカ現象のシミュレーションを実施した。図６は、シミュレーションに使用した系統連系のモデルを示す回路図である。モデル１０は、パワーコンディショナ１１と、系統電源１２と、インダクタンス成分Ｌと、抵抗成分Ｒ，Ｒ’とによって構成される。パワーコンディショナ１１の出力側は、直列インダクタンス成分Ｌ及び直列抵抗成分Ｒを介して系統電源１２に接続される。また、系統電源１２は抵抗成分Ｒ’に並列接続される。図６におけるＶ_ｏｕｔはパワーコンディショナ１１の出力電圧を、Ｉはパワーコンディショナ１１の出力電流を示す。また、Ｉ_ｐを有効電力による電流、Ｉ_ｑを無効電力による電流とすると、Ｉ＝Ｉ_ｐ＋Ｉ_ｑとなる。シミュレーションでは、逆潮流方向を正としている。系統電源１２の電圧Ｖ_ｓｙｓは、式（１）のように定義した。

有効電力による電流Ｉ_ｐが流れると、抵抗成分Ｒによって電圧Ｖ_Ｒが発生する。また、無効電力による電流Ｉ_ｑが流れると、インダクタンス成分Ｌによって電圧Ｖ_Ｌが発生する。

発明者らは、上記のモデル１０に対して、周期的に更新される無効電力を注入した場合の動作のシミュレーションを行った。一般社団法人日本電機工業会（ＪＥＭＡ）によって制定される標準規格ＪＥＭ１４９８「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（ステップ注入付周波数フィードバック方式）」では、無効電力の更新周期を５ｍｓとし、系統電源の周波数偏差を、２００ｍｓ前の３２０ｍｓ間における移動平均周波数値から最新の４０ｍｓ間における移動平均周波数値を減算した結果としている。シミュレーションでは、無効電力の更新周期を系統電源１２の交流周期に、周波数偏差を１０周期前の１６周期分平均から最新の２周期分平均を減算した結果にそれぞれ簡略化した。

シミュレーションでは、図３に示されるＪＥＭ１４９８に規定される注入無効電力を用いた。

図７Ａ～図７Ｃは、シミュレーションの結果を示すグラフであり、図７Ａは周波数偏差の変動を示し、図７Ｂは無効電力の変動を示し、図７Ｃは系統電圧の変動を示す。シミュレーションでは、何らかの原因によって周波数が変動した場合を想定し、時間ｔ＝０において、約－０．７Ｈｚの周波数偏差を初期値として与えた。この結果、周波数フィードバック（単独運転検出）機能によって、正の無効電力が発生する。正の無効電力が発生すると、インダクタンス成分Ｌによって負の電圧Ｖ_Ｌが発生する。

周波数偏差は、過去の移動平均周波数値の増減と、現在の移動平均周波数値の増減とが反転を繰り返す。即ち、ある時刻（例えば、ｔ＝約０．４）においては、過去の移動平均周波数値が現在の移動平均周波数値より大きいが、その後の時刻（例えば、ｔ＝約０．８）においては、過去の移動平均周波数値が現在の移動平均周波数値より小さくなる。また、さらにその後の時刻（例えば、ｔ＝約１．２）においては、過去の移動平均周波数値が現在の移動平均周波数値より再び大きくなる。したがって、図７Ａに示されるように、周波数偏差が周期的に変動する。

上記の周波数偏差の変動により、周波数偏差が０．０１以上の値となると、周波数フィードバック機能によって、負の無効電力が発生する。負の無効電力が発生すると、インダクタンス成分Ｌによって正の電圧Ｖ_Ｌが発生する。再び周波数偏差が－０．０１以下の値となると、周波数フィードバック機能によって、正の無効電力が発生する。正の無効電力が発生すると、インダクタンス成分Ｌによって負の電圧Ｖ_Ｌが発生する。このように、注入無効電力と、系統電圧とが周期的に変動する（図７Ｂ及び図７Ｃ参照）。これがフリッカ現象であり、系統電圧の周期的変動がフリッカである。

図７Ａ～図７Ｃに示されるように、周波数偏差の周期と、無効電力の周期と、系統電圧の周期とは同一である。また、周波数偏差の位相と無効電力の位相とは互いに逆である。一方、周波数偏差の位相と系統電圧の位相とは同じである。即ち、無効電力の位相と系統電圧の位相は互いに逆である。

本実施形態に係るパワーコンディショナ５００は、周波数偏差の変動と、無効電力の変動とが同期しているか否かに基づいて無効電力に起因するフリッカを検出する。上記のように、無効電力に起因するフリッカは、同一周期で周波数偏差と無効電力とが変動するという周期性を有するため、本実施形態に係るパワーコンディショナ５００によって、フリッカの発生を正確に検出することができることが分かる。

また、パワーコンディショナ５００は、単独運転検出による無効電力の注入中であるか否かを判定し、無効電力の注入中である場合に、フリッカを検出するため、フリッカの検出を効率的に行うことができる。

また、パワーコンディショナ５００は、周波数偏差のゼロクロス時刻と、無効電力のゼロクロス時刻とを検出する。周波数偏差のゼロクロス時刻は周波数偏差の変動を反映しており、無効電力のゼロクロス時刻は無効電力の変動を反映している。したがって、これらのゼロクロス時刻を用いることで、周波数偏差の変動と無効電力の変動とが同期しているか否かを正確に判定することができ、単独運転検出によるフリッカの検出精度が向上する。

また、パワーコンディショナ５００は、周波数偏差のゼロクロス時刻を２点以上検出することで、周期的に変動する周波数偏差の周期を計測し、無効電力のゼロクロス時刻を２点以上検出することで、周期的に変動する無効電力の周期を計測することができる。これにより、周波数偏差の周期と、無効電力の周期とによって、周波数偏差の変動と無効電力の変動とが同期しているか否かを正確に判定することができ、単独運転検出によるフリッカの検出精度が向上する。

また、パワーコンディショナ５００は、周波数偏差のゼロクロス時刻と、無効電力のゼロクロス時刻とが同期する回数をカウントし、この回数に基づいてフリッカを検出する。これにより、計測誤差によるフリッカ検出精度への影響を抑制することができ、単独運転検出によるフリッカの検出精度がより一層向上する。

また、パワーコンディショナ５００は、フリッカが検出された場合に、無効電力の注入量を制限する。これにより、フリッカを抑制することができる。

［５．変形例］
本変形例に係るパワーコンディショナ５００は、周波数偏差の変動及び注入無効電力の変動に加えて、系統電源の電圧（系統電圧）を用いてフリッカを検出する。図８は、本変形例に係るパワーコンディショナによる系統連系の一構成例を示すブロック図である。本変形例では、電力システム１００が、電圧センサ６１０を備える。

電圧センサ６１０は、交流電路２１０に設けられ、系統電圧を検出する。電圧センサ６１０は、制御部５２０に接続されており、系統電圧の検出結果（検出データ）を制御部５２０に送信する。

図９は、本変形例に係るパワーコンディショナ５００のフリッカ検出に関する機能を示す機能ブロック図である。制御部５２０は、第３変動計測部５３９として機能する。第３変動計測部５３９は、電圧センサ６１０によって検出された系統電圧の変動を計測する。系統電圧の変動は、具体的には、系統電圧の周期とすることができる。本変形例では、第３変動計測部５３９は、系統電圧のゼロクロス時刻を２点以上（一例として、数ｋＨｚ～数十ｋＨｚのサンプリング周波数の場合に例えば２～１０点）検出し、検出された２点以上のゼロクロス時刻から、系統電圧の周期を計測する。

フリッカ検出部５３６は、第１変動計測部５３４によって計測された周波数偏差の変動と、第２変動計測部５３５によって計測された無効電力の変動とが同期しているか否かを判定し、また、第１変動計測部５３４によって計測された周波数偏差の変動と、第３変動計測部５３９によって計測された系統電圧の変動とが同期しているか否かを判定することにより、フリッカを検出する。つまり、フリッカ検出部５３６は、周波数偏差の変動と無効電力の変動とが同期していると判定され、且つ、周波数偏差の変動と系統電圧の変動とが同期していると判定される場合にフリッカが発生していると判断し、周波数偏差の変動と無効電力の変動との同期、及び周波数偏差の変動と系統電圧の変動との同期の少なくとも何れかが成立しない場合に、フリッカが発生していないと判断する。周波数偏差の変動と系統電圧の変動とが同期しているか否かは、例えば、周波数偏差の周期と系統電圧の周期とが一致又は所定範囲内で近似しているか否か、周波数偏差のゼロクロス時刻と系統電圧のゼロクロス時刻とが一致又は所定範囲内で近似しているか否か等により判定される。

次に、本変形例に係るパワーコンディショナ５００によるフリッカ検出の動作について説明する。図１０は、本変形例に係るパワーコンディショナ５００によるフリッカ検出処理の手順を示すフローチャートである。

ＣＰＵ５２１は、無効電力の注入中であるか否かを判定する（ステップＳ１５１）。無効電力を注入していない場合（ステップＳ１５１においてＮＯ）、ＣＰＵ５２１は、フリッカ検出処理を終了する。他方、無効電力の注入中である場合（ステップＳ１５１においてＹＥＳ）、ＣＰＵ５２１は、ステップＳ１５２に処理を移す。

ＣＰＵ５２１は、周波数偏差の時系列データから、周波数偏差の最新のゼロクロス時刻を特定する（ステップＳ１５２）。また、ＣＰＵ５２１は、無効電力量の時系列データから、無効電力の最新のゼロクロス時刻を特定する（ステップＳ１５３）。

ＣＰＵ５２１は、電圧センサ６１０により検出された系統電圧を、メモリ５２２に逐次記憶する。これにより、メモリ５２２には、系統電圧の時系列データが記憶される。

ＣＰＵ５２１は、系統電圧の時系列データから、系統電圧の最新のゼロクロス時刻を特定する（ステップＳ２５１）。

ＣＰＵ５２１は、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻との差を算出し、この差が所定の閾値範囲内であるか否かを判定することにより、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とが同期しているか否かを判定する（ステップＳ１５４）。差が閾値範囲内である場合、即ち、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とが同期している場合（ステップＳ１５４においてＹＥＳ）、ＣＰＵ５２１は、周波数偏差のゼロクロス時刻と系統電圧のゼロクロス時刻との差を算出し、この差が所定の閾値範囲内であるか否かを判定することにより、周波数偏差のゼロクロス時刻と系統電圧のゼロクロス時刻とが同期しているか否かを判定する（ステップＳ２５２）。差が閾値範囲内である場合、即ち、周波数偏差のゼロクロス時刻と系統電圧のゼロクロス時刻とが同期している場合（ステップＳ２５２においてＹＥＳ）、ＣＰＵ５２１は、メモリ５２２に設けられたカウンタの値を１つインクリメントする（ステップＳ１５５）。なお、カウンタの初期値は０である。

周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とが同期していない場合（ステップＳ１５４においてＮＯ）、又は、周波数偏差のゼロクロス時刻と系統電圧のゼロクロス時刻とが同期していない場合（ステップＳ２５２においてＮＯ）、ＣＰＵ５２１は、カウンタを初期化し（ステップＳ１５６）、ステップＳ１５１へ処理を戻す。

ステップＳ１５５の処理の後、ＣＰＵ５２１は、カウンタの値が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５７）。ここで、閾値は２以上の適宜の整数に設定される。カウンタ値が閾値未満である場合（ステップＳ１５７においてＮＯ）、ＣＰＵ５２１は、ステップＳ１５１へ処理を戻す。ここで、カウンタは初期化されずにステップＳ１５１からの処理が実行される。このため、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とが再度同期し、且つ、周波数偏差のゼロクロス時刻と系統電圧のゼロクロス時刻とが再度同期していれば、カウンタ値はインクリメントされる。

カウンタ値が閾値以上である場合（ステップＳ１５７においてＹＥＳ）、ＣＰＵ５２１は、単独運転検出機能に起因したフリッカを検出する。閾値が２以上に設定されることで、ゼロクロス時刻が２点以上で比較される。周波数偏差、無効電力及び系統電圧のそれぞれは周期的に変動するため、隣り合うゼロクロス時刻は周期（周期の１／２）に対応する。したがって、２点以上のゼロクロス時刻を比較することで、周波数偏差及び無効電力の周期が合致しているか否か、並びに、周波数偏差及び系統電圧の周期が合致しているか否かを評価することができる。即ち、２回以上連続して周波数偏差及び無効電力のゼロクロス時刻が同期し、且つ、周波数偏差及び系統電圧のゼロクロス時刻が同期している場合、周波数偏差の変動、無効電力の変動、及び系統電圧の変動のそれぞれは同期していると判断される。

カウンタ値が閾値以上の場合、ＣＰＵ５２１は、無効電力の注入量を制限する（ステップＳ１５８）。無効電力の注入量を制限すると、ＣＰＵ５２１は、フリッカ検出処理を終了する。

以上のように、本変形例に係るパワーコンディショナ５００は、周波数偏差の変動及び注入無効電力の変動に加えて、系統電源の電圧を用いることで、単独運転検出によるフリッカをさらに精度よく検出することができる。

なお、上記の変形例では、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とを比較し、周波数偏差のゼロクロス時刻と系統電圧のゼロクロス時刻とを比較する構成としたが、周波数偏差のゼロクロス時刻と無効電力のゼロクロス時刻とを比較し、無効電力のゼロクロス時刻と系統電圧のゼロクロス時刻とを比較してもよいし、周波数偏差のゼロクロス時刻、無効電力のゼロクロス時刻、及び系統電圧のゼロクロス時刻をまとめて比較してもよい。

［６．補記］
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１０モデル
１１パワーコンディショナ
１２系統電源
１００電力システム
２００系統電源
３００太陽光発電装置
４００蓄電池
５００パワーコンディショナ（電力変換装置）
６００周波数センサ
２１０交流電路
５１０電力変換回路
５１１，５１２ＤＣ／ＤＣコンバータ
５１３インバータ
５１４ＤＣバス
５２０制御部
５２１ＣＰＵ
５２２メモリ
５２３検出プログラム
５３１周波数偏差計測部
５３１ａ過去移動平均算出部
５３１ｂ現在移動平均算出部
５３２無効電力注入制御部
５３３単独運転検出部
５３４第１変動計測部
５３５第２変動計測部
５３６フリッカ検出部（検出部）
５３７無効電力注入判定部
５３８制限部
５３９第３変動計測部
６１０電圧センサ

Claims

系統電源と連系する電力変換装置であって、
前記系統電源が接続される交流電路における周波数偏差の変動を計測する第１変動計測部と、
前記交流電路に注入される無効電力の変動を計測する第２変動計測部と、
前記第１変動計測部によって計測された前記周波数偏差の変動と、前記第２変動計測部によって計測された前記無効電力の変動とが同期しているか否かに基づいて、前記無効電力に起因するフリッカを検出する検出部と、
を備える、
電力変換装置。
単独運転検出による前記無効電力の注入中であるか否かを判定する無効電力注入判定部をさらに備え、
前記検出部は、前記無効電力注入判定部によって前記無効電力の注入中と判定された場合に、前記フリッカを検出する検出処理を実行する、
請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１変動計測部は、前記周波数偏差のゼロクロス時刻に基づいて前記周波数偏差の変動を計測し、
前記第２変動計測部は、前記無効電力のゼロクロス時刻に基づいて前記無効電力の変動を計測する、
請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記第１変動計測部は、少なくとも２点の前記周波数偏差のゼロクロス時刻に基づいて、前記周波数偏差の変動として前記周波数偏差の周期を計測し、
前記第２変動計測部は、少なくとも２点の前記無効電力のゼロクロス時刻に基づいて、前記無効電力の変動として前記無効電力の周期を計測する、
請求項３に記載の電力変換装置。
前記検出部は、前記周波数偏差のゼロクロス時刻と、前記無効電力のゼロクロス時刻とが所定の回数以上同期しているか否かに基づいて、前記周波数偏差の変動と、前記無効電力の変動とが同期しているか否かを判定する、
請求項３又は４に記載の電力変換装置。
前記検出部によって前記フリッカが検出された場合に、無効電力の注入量を制限する制限部をさらに備える、
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記交流電路の電圧の変動を計測する第３変動計測部をさらに備え、
前記検出部は、前記第３変動計測部によって計測された前記電圧の変動にさらに基づいて、前記フリッカを検出する、
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の電力変換装置。
系統電源と電力変換装置との系統連系におけるフリッカを検出するフリッカ検出方法であって、
前記系統電源が接続される交流電路における周波数偏差の変動を計測し、
前記交流電路に注入される無効電力の変動を計測し、
計測された前記周波数偏差の変動と、計測された前記無効電力の変動とが同期しているか否かに基づいて、前記無効電力に起因するフリッカを検出する、
フリッカ検出方法。