JPH08149841A

JPH08149841A - 系統連系システム

Info

Publication number: JPH08149841A
Application number: JP6291275A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Makino; 康弘牧野; Masaki Yugou; 政樹湯郷; Tetsunari Hamada; 徹成浜田; Masahiro Maekawa; 正弘前川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 1996-06-07
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: JP3397912B2

Abstract

(57)【要約】【目的】インバータ回路の単独運転状態を、能動的検
出方法及び受動的検出方法によって２重検出する系統連
系システムを提供することを目的とする。【構成】動作周波数が３ケ所において、位相が０度と
なる周波数−位相特性を有し、連系点電圧の基本波成分
を抽出する波形抽出手段13と、該波形抽出手段13からの
出力信号に同期させた電流をインバータ回路２から出力
させるインバータ制御部５と、商用周波数の前後の所定
範囲に対する３次高調波成分のゲインが略同一となる周
波数−利得特性を有し、前記連系点での電圧または電流
の３次高調波成分を抽出する高調波成分抽出手段16と、
前記連系点電圧の周波数を検出すると共に、前記高調波
成分抽出手段16により得られた３次高調波成分レベルを
検出し、その周波数の変化または３次高調波成分レベル
の急増によりインバータ回路２の単独運転状態を検知す
る単独運転検出手段８とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、インバータ回路を備え
た分散電源設備と商用電力系統との並列運転によって負
荷へ電力を供給する系統連系システムに関し、詳しくは
商用電力系統の停電時によるインバータ回路の単独運転
状態を検知する系統連系システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、太陽電池や燃料電池などの直流電
源を用いた数kWの比較的小容量の分散電源設備をインバ
ータを介して商用電力系統に連系し、負荷に電力を供給
する系統連系システムが種々提案されている。

【０００３】この種の系統連系システムでは、商用電力
系統の保全作業の安全を確保するため、商用電力系統の
不測の停電時や作業停電時において、直ちにインバータ
の動作を停止させるか、又は開閉器を作動させて商用電
力系統との連系を解除させ、インバータの単独運転を防
止している。

【０００４】この方法としては従来は、系統停電時に発
生するインバータの出力電圧変動や出力周波数変動等に
よって検知する能動的検出方法と、系統停電時に柱上ト
ランスの励磁特性に起因した高調波成分の急増等によっ
て検知する受動的検出方法があり、そのいずれかの方法
によりインバータの単独運転状態を検出している。

【０００５】そして、周波数変動による系統停電の検出
を確実なものにするため、中心周波数を系統電圧の商用
周波数から若干ずらせた波形抽出手段を用いてインバー
タ回路を動作させ、商用電力系統が停電時にインバータ
の出力周波数が商用周波数から波形抽出手段の中心周波
数側へ変化するのを検知して、インバータの単独運転を
検出する能動的検出方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の能動的検出方法では、連系時にはインバータの出力
電圧の周波数が商用電力系統によって商用周波数に規定
されることから、インバータの出力電流の位相が出力電
圧の位相に対してずれることになり、インバータ回路の
運転力率が小さくなってしまう。

【０００７】また、商用電力系統における保全作業の安
全性を確実に図るため、最近では上記能動的検出方法及
び受動的検出方法による二重検出を行わせることが、運
用規定により義務付けられている。

【０００８】本発明は、斯かる点に鑑みてなされたもの
であって、インバータの運転力率を低下させることな
く、出力周波数変動によるインバータの単独運転検出を
行わせると共に、高調波成分の急増によるインバータの
単独運転検出を行わせて、能動的検出方法及び受動的検
出方法による二重検出を行う系統連系システムを提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、系統連系シス
テムにおいて、動作周波数が商用周波数と、商用周波数
より小さい第１周波数と、商用周波数より大きい第２周
波数の３ケ所において、位相が０度となる周波数−位相
特性を有し、インバータ回路と商用電力系統との連系点
での電圧の基本波成分を抽出する波形抽出手段と、該波
形抽出手段からの出力信号に同期させた電流をインバー
タ回路から出力させるインバータ制御部と、前記第１周
波数ないし第２周波数に対する３次高調波成分のゲイン
が略同一となる周波数−利得特性を有し、前記連系点で
の電圧または電流の３次高調波成分を抽出する高調波成
分抽出手段と、前記連系点電圧の周波数を検出すると共
に、前記高調波成分抽出手段により得られた３次高調波
成分レベルを検出し、その周波数の変化または３次高調
波成分レベルの急増によりインバータ回路の単独運転状
態を検知する単独運転検出手段とを備えていることを特
徴とする。

【００１０】また、単独運転検出手段は、単独運転状態
の検知時にインバータ回路を商用電力系統から解列させ
る構成にしてもよい。更に、前記波形抽出手段は、並列
接続された第１および第２波形抽出回路と、該第１およ
び第２波形抽出回路の出力端に設けられたゲイン特性改
善回路とを有し、第１波形抽出回路の抽出成分の中心周
波数は商用周波数より一定量だけ小さな値に設定され、
第２波形抽出回路の抽出成分の中心周波数は商用周波数
より一定量だけ大きな値に設定されており、ゲイン特性
改善回路は前記波形抽出手段からの出力値を一定値以下
のゲインに抑制する構成にしてもよい。

【００１１】

【作用】本発明によれば、インバータ回路と商用電力系
統との連系運転時には、波形抽出手段の出力信号が商用
周波数の系統電圧に同期した出力波形となり、負荷で消
費される有効電力のみを供給する系統電圧に同期した商
用周波数のインバータ出力電流が出力される。一方、商
用電力系統の停電時には、インバータ回路からの無効電
力供給により波形抽出手段の動作周波数が商用周波数か
ら変化し、その結果、インバータ出力電流の周波数が商
用周波数から変化することとなり、連系点電圧の周波数
も同様に変化すると共に、系統停電に起因して連系点で
の３次高調波成分も基本波周波数の変化に関係なく同程
度に急増する。従って、単独運転検出手段においてこれ
らを検出することにより、インバータ回路の単独運転状
態検知が能動的検出方法及び受動的検出方法によって精
度良く検出されることになる。

【００１２】また、単独運転状態の検知時にインバータ
回路を商用電力系統から解列させることにより、商用電
力系統の停電時におけるインバータ回路の単独運転が確
実に防止される。

【００１３】更に、前記波形抽出手段を並列接続された
第１および第２波形抽出回路と、該第１および第２波形
抽出回路の出力端に設けられたゲイン特性改善回路とか
ら構成し、第１波形抽出回路の抽出成分の中心周波数を
商用周波数より一定量だけ小さな値に設定し、第２波形
抽出回路の抽出成分の中心周波数を商用周波数より一定
量だけ大きな値に設定すると共に、ゲイン特性改善回路
を波形抽出手段からの出力値が一定値以下のゲインとな
るように抑制する構成にした場合には、商用電力系統の
系統停電時または系統瞬時停電時に、波形抽出手段の動
作周波数が商用周波数からその前後に変化したとして
も、波形抽出手段からの出力値のゲインが一定値以上を
超えることがなく、ゲイン増加によるインバータ回路か
らの過電流発生を防止する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の系統連系システムをその一実
施例を示す図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発
明を適用させた太陽電池を用いた系統連系システムの概
略構成図である。

【００１５】同図において、系統連系システムは、太陽
光のエネルギーを直流電力に変換する太陽電池（本実施
例では、最適動作電圧200Ｖ，最適動作電力３ｋＷ）か
ら構成された直流電源１と、太陽電池１の直流電力を交
流電力に電力変換して所定交流電圧を供給する電力変換
装置であるインバータ回路２を中心に構成されており、
商用電力系統３と連系して配電線に接続された各種家電
製品などの負荷４に対して電力を供給している。

【００１６】インバータ回路２は、ブリッジ接続された
複数のスイッチング素子から構成され、このインバータ
回路２には、後述の各種処理を行うインバータ制御部５
からパルス幅変調されたスイッチング制御信号が与えら
れる。

【００１７】インバータ回路２と商用電力系統３との間
には、インバータ回路２の出力側から順に巻線比１：１
の絶縁トランス６と、系統保護のための開閉器７が設け
られており、開閉器７はインバータ回路２の単独運転状
態を検知する後述の単独運転検出部８からの制御信号に
応じて、その接点を開放してインバータ回路２を商用電
力系統３から解列する。ここで、開閉器８は単独運転検
出部８からの解列指令信号の入力によりその接点が開か
れるが、閉じる場合には手動操作によってのみ可能な構
成となっている。

【００１８】以下に、インバータ制御部５と単独運転検
出部８について説明する。インバータ制御部５は、アイ
ソレーションアンプからなる第１電圧検出手段９により
検出された太陽電池１の出力電圧が太陽電池１から最大
電力が引き出される最適動作点の電圧値Ｖrefとなり、
且つ商用電力系統３との連系点電圧の基本波成分と同期
させた電流がインバータ回路２から出力するように、パ
ルス幅変調されたスイッチング制御信号をインバータ回
路２に与えている。従って、インバータ回路２と商用電
力系統３との連系運転時には、商用周波数で運転力率が
１になり、且つ太陽電池１から最大電力を引き出すよう
に、インバータ回路２の出力電流を制御している。

【００１９】具体的には、第１電圧検出手段９により検
出された太陽電池１の出力電圧と、予め設定された最適
動作点電圧Ｖrefとの差は差動増幅器10によって誤差信
号として増幅され、その誤差信号を乗算器11の一方の入
力信号としている。そして、変圧器（ＰＴ）からなる第
２電圧検出手段12により検出された連系点電圧の基本波
成分を後述の特性を有する波形抽出手段13によって抽出
し、その抽出された連系点電圧の基本波成分が乗算器11
の他方の入力信号として入力されている。乗算器11で
は、差動増幅器10からの誤差信号と波形抽出手段13から
の基本波成分信号との乗算を行って、インバータ電流の
電流指令値を生成している。従って、この電流指令値は
商用電力系統３との連系運転時には、系統電圧波形に同
期し、太陽電池１の出力電圧を最適動作点電圧Ｖrefに
制御する値となる。

【００２０】そして、乗算器11からの電流指令値と、変
流器（ＣＴ）からなるインバータ電流検出手段14により
検出されたインバータ回路２のインバ−タ電流との差を
エラーアンプ15によって増幅し、電流誤差信号としてイ
ンバータ制御部５に入力させる。インバータ制御部５で
は、エラーアンプ15からの電流誤差信号と、20kHz程度
の基準三角波信号とを比較して、エラーアンプ15からの
電流誤差信号が零になるようにインバータ回路２のスイ
ッチング素子にスイッチング信号を供給してインバータ
回路２をＰＷＭ（パルス幅変調）制御すると共に、単独
運転検出部８からの単独状態信号の入力に従い、インバ
ータ回路２のインバータ動作を停止させると共に、直流
電源１及び商用電力系統３がインバータ回路２の連系可
能状態にあるかどうかによってインバータ回路２のイン
バータ動作を起動または停止させている。

【００２１】次に、上記波形抽出手段13について説明す
る。この波形抽出手段13の回路図を図２に、周波数応答
特性を示すボード線図を図３に示す。但し、この図は商
用周波数が50Ｈｚ、第１および第２バンドパスフィルタ
131、132の選択度Ｑが22の場合に対応している。

【００２２】図２に示すように、この波形抽出手段13
は、出力バランス調整用の可変抵抗器133と、この可変
抵抗器133を介して並列接続された２つの第１および第
２バンドパスフィルタ131、132と、増幅器134と、出力
端に接続されたダイオードからなるゲイン特性改善回路
135とを有しており、合計３つの演算増幅器と所定の電
子部品とから構成されている。

【００２３】そして、第１および第２バンドパスフィル
タ131、132は、通過帯域（抽出成分）の中心周波数が互
いに異なり、第１バンドパスフィルタ131では、中心周
波数が商用周波数（ここでは50Ｈｚ）より２Ｈｚだけ小
さい48Ｈｚとなるように回路定数が設定されており、第
２バンドパスフィルタ132では、中心周波数が商用周波
数より２Ｈｚだけ大きい52Ｈｚとなるように回路定数が
設定されている。尚、本実施例では第１、及び第２バン
ドパスフィルタ131、132の選択度Ｑを、共に22に設定し
たが、Ｑが15〜30の範囲内の値であれば、22の場合と同
様に短時間で、かつ確実に単独運転検出部８にて連系点
電圧の周波数変化を検出し、商用電力系統３の停電状態
を検出することが可能である。ここで、選択度Ｑの逆数
は通過帯域幅を表しており、Ｑが大きいほどゲイン特性
曲線が急峻になる。

【００２４】ゲイン特性改善回路135は、商用周波数50
Ｈｚと第１バンドパスフィルタ131および第２バンドパ
スフィルタ132の中心周波数48、52Ｈｚとのゲイン差が
極力小さくなるように、50Ｈｚにおけるゲインより大き
なゲイン出力が並列接続された第１および第２バンドパ
スフィルタから出力される場合には、その超えるゲイン
出力分をアースへ流す構成となっている。これは、商用
電力系統の系統停電時に、波形抽出手段13の動作周波数
が50Ｈｚから48Ｈｚまたは52Ｈｚの方向へ変化した場合
に、ゲインの増加によるインバータ回路２から過電流発
生を防止し、過電流が商用電力系統３および負荷４に流
入しないようにするためである。

【００２５】図３に示すように、波形抽出手段13では、
周波数−ゲイン特性において商用周波数50Ｈｚの両側の
領域（45〜49.25Ｈｚ、50.75〜55Ｈｚ）でゲインが最高
値になり、50Ｈｚにおいて約１ｄＢ低い値となってい
る。この様にして、系統停電時に波形抽出手段13の動作
周波数が商用周波数から変化することによってそのゲイ
ンが大きくなり、乗算器11からのインバータ電流指令値
が増加して、瞬時的にインバータ回路２から発生する過
電流を極力抑制するようにしている。

【００２６】また、周波数−位相特性に着目すると、動
作周波数が48Ｈｚ、50Ｈｚおよび52Ｈｚであるときに、
入力波形に対する出力波形の位相差がほぼ０度なってお
り、48〜50Ｈｚおよび50〜52Ｈｚにおいて若干の位相差
により動作周波数が変化する特性となっている。つま
り、インバータ回路２の単独運転状態となり、負荷４で
消費される無効電力をインバータ回路２から供給する場
合には、若干の無効電力であっても動作周波数が変化す
ることになる。

【００２７】そして、インバータ回路２が商用電力系統
３と連系運転時には、商用電力系統３の電源容量が太陽
電池１の電源容量に比較して大きく、周波数が安定して
いるため、連系点電圧は常に系統電圧に維持され、その
結果、インバータ出力電流の周波数が系統電圧の周波
数、即ち、商用周波数に維持されることとなり、波形抽
出手段13の動作周波数が商用周波数に維持され、波形抽
出手段13から商用電力系統３の系統電圧と同位相で、且
つ周波数50Hzの電圧波形が出力されることになる。

【００２８】従って、出力周波数50Hz、運転力率１にて
インバータ回路２が動作することになり、インバータ回
路２からは負荷４で消費される有効電力のみが供給さ
れ、負荷４で消費される無効電力は全て商用電力系統３
から供給される。また、商用電力系統３の停電が発生
し、インバータ回路２の単独運転状態となった場合に
は、負荷４で消費される有効電力および無効電力の全て
をインバータ回路２から供給することになり、無効成分
の供給により連系点電圧に対してインバータ電流に位相
差が発生する。その結果、波形抽出手段13の動作周波数
が商用電力系統３の商用周波数から48Ｈｚ側または52Ｈ
ｚ側へ移行し、インバータ回路２からのインバータ出力
電流の周波数が50Ｈｚから48Ｈｚまたは52Ｈｚの方向へ
変化することとなり、負荷電圧の周波数も同様に変化す
る。

【００２９】尚、本実施例では、波形抽出手段13の周波
数−ゲイン特性において、第１および第２バンドパスフ
ィルタ131、132の中心周波数のゲインに対して商用周波
数ゲインが約１ｄＢ低い値となっている場合について説
明したが、ゲイン特性改善回路135により同じゲインと
なるようにしてもよい。但し、この場合にはゲイン特性
改善回路135の回路構成が複雑となる惧れがある。

【００３０】また、波形抽出手段13として、第１および
第２バンドパスフィルタ131、132の２個のバンドパスフ
ィルタを並列接続して構成する場合について説明した
が、上記したように商用周波数の両側の動作周波数にお
いて入力波形に対する出力波形の位相差が０度となる周
波数−位相特性を有するものであれば構わない。

【００３１】一方、単独運転検出部８では、第２電圧検
出手段12により検出された連系点電圧と、後述する高調
波成分抽出手段16により検出された連系点電圧の３次高
調波成分電圧とが入力され、その入力値に基づいてイン
バータ回路２の単独運転状態か否かを判断し、単独運転
状態である場合にインバータ制御部５への停止信号の送
出と、リレー７への解列指令信号の送出を行っている。

【００３２】具体的には、単独運転検出部８は、第２電
圧検出手段12により検出された連系点電圧の周波数を検
出し、その周波数が49.5Ｈｚ以下または50.5Ｈｚ以上に
変化した場合に、インバータ回路２の単独運転状態であ
ると判断している。また、単独運転検出部８は、高調波
成分抽出手段16により検出された連系点電圧の３次高調
波成分電圧を検出し、その電圧が0.3Ｖ以上急増した場
合に、インバータ回路２の単独運転状態であると判断し
ている。

【００３３】次に、この高調波成分抽出手段16について
説明する。この高調波成分抽出手段16の回路図を図４
に、その周波数−利得特性を図５に示す。この図は商用
周波数を50Ｈｚとしている。

【００３４】図４に示すように、この高調波成分抽出手
段16は、151.5Ｈｚ以下の周波数成分を抽出するローパ
スフィルタ161と、148.5Ｈｚ以上の周波数成分を抽出す
るハイパスフィルタ162が直列接続されており、連系点
電圧成分から148.5Ｈｚ〜151.5Ｈｚの周波数成分を抽出
する構成となっている。そして、その周波数−ゲイン特
性は図５に示すように、148.5Ｈｚ〜151.5Ｈｚの領域で
ゲインが０ｄＢとなり、この周波数範囲では検出感度を
低下させること無く略同一の出力が得られると共に、そ
の他の周波数ではゲインが急激に低下し、特に145Ｈｚ
以下及び155Ｈｚ以上の周波数ではゲインが−３ｄＢ以
下となり、この周波数範囲の成分が抽出されることがな
い。

【００３５】つまり、上記波形抽出手段13の特性によっ
て連系点電圧の基本波周波数は、商用電力系統３との連
系運転可能な範囲（49.5Ｈｚ〜50.5Ｈｚ）で変化し易く
なるが、高調波成分抽出手段16では、その際の周波数
変動範囲（49.5Ｈｚ〜50.5Ｈｚ）に対する３次高調波成
分のゲインが略同一となる周波数−利得特性を有してい
るので、系統停電時に連系点電圧の基本波周波数が商用
周波数から変化したとしても、高調波成分抽出手段16の
検出感度が低下することがない。

【００３６】本実施例では、連系点電圧の周波数が49.5
Ｈｚ〜50.5Ｈｚの場合にのみインバータ回路２を連系さ
せているため、高調波成分抽出手段16として、148.5Ｈ
ｚ〜151.5Ｈｚの領域においてゲインが０ｄＢとなる場
合について説明したが、特にこの範囲に限定する必要は
無く、上記波形抽出手段13の特性によって連系点電圧の
基本波周波数が変動する範囲（48Ｈｚ〜52Ｈｚ）に対す
る３次高調波成分のゲインが０ｄＢとなる構成にしても
よい。

【００３７】

【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば、インバ
ータ回路と商用電力系統との連系運転時には、波形抽出
手段の出力信号が商用周波数の系統電圧に同期した出力
波形となり、系統電圧に同期した商用周波数のインバー
タ出力電流が出力され、インバータ回路から負荷へ有効
電力のみを供給するので、インバータ回路の運転力率を
低下させること無く、直流電源の発生電力を有効に利用
することができる。

【００３８】また、商用電力系統の停電時には、インバ
ータ回路からの無効電力供給により波形抽出手段の動作
周波数が商用周波数から変化し、その結果、インバータ
出力電流の周波数が商用周波数から変化することとな
り、連系点電圧の周波数も同様に変化すると共に、系統
停電に起因して連系点での３次高調波成分も基本波周波
数の変化に関係なく同程度に急増するので、インバータ
回路の出力電力と負荷の消費電力とが略等しい負荷平衡
状態においても、不感帯を生じさせること無く、単独運
転検出手段によってインバータ回路の単独運転状態検知
を確実に行うことができる。

【００３９】従って、インバータ回路の運転力率を低下
させることなく、能動的検出方法及び受動的検出方法に
よる二重検出を精度良く行わせることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用させた太陽電池を用いた系統連系
システムの概略構成図である。

【図２】波形抽出手段13の回路図である。

【図３】波形抽出手段13の周波数応答特性を示すボード
線図である。

【図４】高調波成分抽出手段16の回路図である。

【図５】高調波成分抽出手段16の周波数−利得特性を示
す特性図である。

【符号の説明】

１太陽電池（直流電源）２インバータ回路３商用電力系統４負荷５インバータ制御部６絶縁トランス７開閉器８単独運転検出部９第１電圧検出手段（アイソレーションアンプ） 10 差動増幅器 11 乗算器 12 第２電圧検出手段 13 波形抽出手段 14 インバータ電流検出手段 15 エラーアンプ 16 高調波成分抽出手段 131 第１バンドパスフィルタ（第１波形抽出回路） 132 第２バンドパスフィルタ（第２波形抽出回路） 135 ゲイン特性改善回路 161 ローパスフィルタ 162 ハイパスフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｚ 9444−4ＫＨ０２Ｈ 3/46 Ａ 9470−5Ｇ 3/52 9470−5ＧＨ０２Ｊ 3/06 9470−5Ｇ 3/38 Ｓ 9470−5Ｇ (72)発明者前川正弘大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源から発生した直流電力を交流電力
に変換するインバータ回路を商用電力系統に連系して負
荷に電力を供給する系統連系システムにおいて、動作周波数が商用周波数と、商用周波数より小さい第１
周波数と、商用周波数より大きい第２周波数の３ケ所に
おいて、位相が０度となる周波数−位相特性を有し、イ
ンバータ回路と商用電力系統との連系点での電圧の基本
波成分を抽出する波形抽出手段と、該波形抽出手段からの出力信号に同期させた電流をイン
バータ回路から出力させるインバータ制御部と、商用周波数の前後の所定範囲に対する３次高調波成分の
ゲインが略同一となる周波数−利得特性を有し、前記連
系点での電圧または電流の３次高調波成分を抽出する高
調波成分抽出手段と、前記連系点電圧の周波数を検出すると共に、前記高調波
成分抽出手段により得られた３次高調波成分レベルを検
出し、その周波数の変化または３次高調波成分レベルの
急増によりインバータ回路の単独運転状態を検知する単
独運転検出手段とを備えていることを特徴とする系統連
系システム。
【請求項２】前記単独運転検出手段は、単独運転状態の
検知時にインバータ回路を商用電力系統から解列させる
ことを特徴とする請求項１記載の系統連系システム。
【請求項３】前記波形抽出手段は、並列接続された第１
および第２波形抽出回路と、該第１および第２波形抽出
回路の出力端に設けられたゲイン特性改善回路とを有
し、第１波形抽出回路の抽出成分の中心周波数は商用周
波数より一定量だけ小さな値に設定され、第２波形抽出
回路の抽出成分の中心周波数は商用周波数より一定量だ
け大きな値に設定されており、ゲイン特性改善回路は前
記波形抽出手段からの出力値を一定値以下のゲインに抑
制することを特徴とする請求項１または２記載の系統連
系システム。