JPH09107637A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】太陽光発電システムで、商用電源のゼロクロス
点の周期を常に監視して、配電系統が停電した場合の周
期変動をノイズの影響を受けずに高精度に検知して、配
電系統と解列を行い逆潮流を防止する。 【解決手段】零点検出信号生成回路はゼロクロス点でパ
ルス状の零点検出信号を生成し、チャタリング防止回路
は零点検出信号のチャタリングを取り除く。設定値入力
は、分周回路によって任意の検出精度にクロックを分周
する。カウンタはゼロクロス点の周期を計測して、コン
パレータで計測値が許容範囲内かどうかを判断し、計測
値が異常であれば論理和回路から信号が出力される。カ
ウンタおよびコンパレータは、論理和回路の出力信号が
瞬時停電などのノイズによるものかどうかを判断して、
その結果異常であるならば、エラー信号を出力して異常
を知らせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は、インバータの出力
を商用電源と連系し、電力を商用電源より得たり、太陽
電池の発電電力を商用電源へ逆潮流する太陽光発電シス
テムにおいて、特に商用電源の停電時の逆潮流防止装置
に関する。

【従来の技術】図９および図１０は、例えば、平成６
年，電気学会論文Ｂ，１１４巻４号に示された従来の太
陽光発電システムを示すもので、図９はシステムの構成
を示す構成図、図１０は二つのバンドパスフィルタ７４
１および７４２の周波数対利得特性および周波数対位相
特性を示す特性図である。図９の７１は太陽電池、７２
はインバータ、７３は絶縁トランス、７４は二つのバン
ドパスフィルタ(以下BPF）、７５はパルス幅変調制御
（以下ＰＷＭ制御）や逆潮流防止などを行うインバータ
７２の制御部、７６は連系点の交流電圧を監視する計測
用の変圧器(以下ＰＴ)、７７は連系点に接続された負荷
装置、７８は商用電源であるところの配電系統である。
系統開閉器７９は、配電系統７８が停電したときに、イ
ンバータ７２から配電系統７８に電力が流れ込まないよ
うにするための逆潮流防止用のスイッチである。まず通
常の動作について説明する。太陽電池７１で発電した直
流電力は、インバータ７２により交流電力に変換され、
絶縁トランス７３と系統開閉器７９を介して配電系統７
８に連系される。このとき、制御部７５は、連系点のＰ
Ｔ７６の検出信号によって電圧位相を検出して連系点で
配電系統７８と同位相の交流電圧になるようにインバー
タ７２をＰＷＭ制御する。一方、インバータ７２の出力
電流ｉは、負荷装置７７に加わる配電系統電圧ｖと力率
が１になるようにフィードバック制御される。また、BP
F1741 およびBPF742の中心周波数は図１０に示すよう
に、例えば４８Ｈｚと５２Ｈｚのそれぞれ２箇所に設定
して、その間の５０Ｈｚとで周波数対位相をゼロとし、
また周波数対利得の微分値をほぼゼロの特性に設計す
る。その際、太陽電池７１の発電電力量は天候や気温な
どに大きく影響を受けるので、制御部７５は太陽電池７
１の発電電力を常に最大に引き出すようにインバータ７
２を制御する。次に、配電系統７８が工事や事故などに
よって停電した場合、インバータ７２の出力電圧ｖ′
が、そのまま負荷装置７７に加わることになる。このと
き、もし負荷装置７７がモータなどの誘導性の負荷であ
った場合、ＢＰＦの出力電流ｉ＊は制御電流ｉに対して
遅れ位相となり、図１０の位相特性によって周波数を減
少するように制御されｉは伝達関数の位相がゼロとなる
フィードバック周波数の４８Ｈｚ付近に移動する。また
負荷装置７７が容量性の場合、制御部７５は逆にｉの周
波数を増加させるように制御して５２Ｈｚ付近に移動す
る。したがって、制御部７５は、ＢＰＦ７４の出力電流
ｉ＊の周波数を監視することによって、配電系統７８の
停電を検知することができ、これによって、系統開閉器
７９をオフしてインバータ７２と配電系統７８を切り離
す（以下解列）。

【発明が解決しようとする課題】従来の太陽光発電シス
テムは以上のように構成されており、従来例で±２Ｈｚ
の精度で停電を検知することが可能である。太陽光発電
システムの逆潮流防止は、電力系統の保安や保全を行う
作業者の安全および工事や事故による停電を早期に復旧
するための作業効率の向上を図る上で重要な機能である
ので、高い精度での検出が要求される。図９の構成で
は、ＢＰＦのＱ（フィルタの尖鋭度）を上げて検出範囲
を狭めればさらに高い精度での検出を実現することが可
能である。しかし、一般的なＬＣフィルタなどによって
二つのＢＰＦの中心周波数の範囲を基本周波数（例えば
５０Ｈｚ）を中心にしてきわめて狭く設定するには限界
がある。また、抵抗負荷のように力率が１.０ の場合や
並列連系運転などの時に誘導性や容量性の負荷が複数台
接続されている場合などは連系点が平衡状態となって周
波数シフトが起こらない可能性がある。一方、インバー
タ自体はノイズ源であるので、ＰＴの検出信号にノイズ
が入り込みやすい。このような場合、一般にフィルタを
挿入して対処するが、このような方法ではフィルタの時
定数によって実際の連系点の電圧とフィルタの出力電圧
信号との間に時間のずれが生じてしまう。この時間差が
大きいとノイズの影響で信号が急変すると、応答が遅れ
て位相ずれが起こり他の機器に悪影響を与えたり、最悪
の場合には発振してしまう恐れがある。従来例において
は、これらの対処について何ら言及されていなかった。
本発明の目的は、配電系統が停電した場合にインバータ
のスイッチングノイズなどに対して影響を受けずに、確
実にしかも高精度に停電を検出して速やかに配電系統と
解列を行い、逆潮流を防止することにある。

【課題を解決するための手段】上記目的は、図９に示す
ＢＰＦ７４の代わりに図１１に示す連系点ゼロクロス周
期監視回路１０（以下ゼロクロス監視回路という）を設
けることにより達成される。ゼロクロス監視回路１０の
入出力信号の仕様は、次の通りである。ゼロクロス監視
回路１０は、ＰＴ７６の連系点の交流電圧を入力して、
ゼロクロス点でパルス状の信号２１３を生成する。同時
にゼロクロス監視回路１０は、配電系統の停電を常時監
視しており、もし停電になれば、エラー信号２１２を出
して制御部７５に知らせる。制御部７５は、エラー信号
２１２が入力されたことによって系統連系開閉器７９を
オフして配電系統７８と解列する。配電系統が正常であ
る場合、零点検出信号は一定の周波数になる。その際、
必ずインバータの出力電圧と配電系統電圧の位相は一致
する。この零点検出信号を零点検出信号周期よりもきわ
めて速い周期のクロックで計測すれば一定の値が得られ
る。しかし、零点検出信号が止まってしまうとインバー
タは、出力電圧の周波数をしだいに増加または減少させ
る。このとき、計測値は一定値をはずれた値を示すこと
になり、配電系統が停電したことを検知できる。また、
零点検出信号にチャタリングが発生している場合、零点
検出信号の開始時点からチャタリングが治まるまでの時
間をカウンタで計数し、その間一定レベルを保持する回
路を構成することでチャタリングのない信号を取り出す
ことができる。この信号を上記の手段で計測することに
よって、停電を誤検出することなく高精度に検知するこ
とができるので、確実に配電系統を解列することができ
る。

【発明の実施の形態】本発明の実施例について図１から
図６について説明する。図１は、本発明のゼロクロス監
視回路１０の詳細ブロック図である。便宜上商用電源の
周波数を５０Ｈｚとして説明する。零点検出信号生成回
路２０は、連系点交流電圧２１４のゼロクロス点でパル
ス状の２０msのクロック信号３１３を生成する。クロッ
ク信号２１は計測用クロックであり、分周回路２２は設
定値入力２１１の値により任意の分周比にクロック信号
を分周して、カウンタ２３はゼロクロス信号の周期を計
測する。この時、カウンタ２３は分周回路２２のクロッ
ク信号４１２でカウント動作をして、２１３の信号でカ
ウント値はゼロクリアされる。したがって、通常のカウ
ンタ２３の値はクロック信号４１２の周期をｔとすると
２０ms／ｔ＝一定値を取る。また、計測精度はｔ／２０
msとなる。商用電源の周波数は±１Ｈｚ程度であるの
で、コンパレータ２４のＬｉｍ＿Ｈｉを５１Ｈｚコンパ
レータ２５のＬｉｍ＿Ｌｏを４９Ｈｚに設定して、もし
停電などで周波数変動範囲を越えた場合は論理和回路２
６より信号が出力される。カウンタ２７は、論理和回路
２６の信号が周波数変動範囲外の信号であればその間カ
ウント動作を行い、周波数変動範囲内であればカウント
値はゼロクリアされ続ける。この動作は、論理和回路２
６の信号が瞬時停電などのノイズによるものかどうかを
判断するために行うもので、コンパレータ２８で設定し
た時間を越えたときにエラー信号２１２を出して制御部
へ知らせる。以上のようにゼロクロス点の周期を常に計
測して、計測値に異常があるとエラー信号２１２を出力
するような回路構成にすることによって制御部は停電時
に確実に配電系統を解列することができる。しかし、零
点検出信号生成回路２０の零点検出信号２１３にチャタ
リングなどのノイズが入ると計測は不可能になる。一方
零点検出信号２１３は、連系点交流電圧２１４のゼロク
ロス点に対して速やかに出力すべきである。これは図２
（ｂ）のΔＴを小さくすることであり、もしΔＴが大き
すぎると応答が遅くなったり補正ができなくなる場合が
ある。したがって、チャタリング防止回路２９は零点検
出信号３１３に発生するノイズを取り除くとともに、連
系点交流電圧２１４のゼロクロス点に対して速やかに零
点検出信号２１３を出力することを目的とした回路であ
る。図２(ａ)は制御ブロック図であり、(ｂ)は動作波形
である。ここで、(ａ)のω０＊は商用電源角周波数、Δ
ωは補正量、−Ｋｐ３７は比例定数、３６はΔωの上限
と下限のリミッタである。３４はω０＊とΔωの加算値
ω＊をデジタル積分して連系点交流電圧Ｖｒｓの位相指
令θｒｓ＊としている。また、ゼロ点検出信号２１３
は、連系点交流電圧Vrs214の零位相時点でのθｒｓ＊を
ホールドしてその値を位相誤差Δθとしている。制御部
７５は（ｂ）に示すように、連系点交流電圧Vrs214の零
位相時点ｔｚでの位相指令θｒｓ＊をゼロ(位相誤差Δ
θをゼロ)に収束するようにΔωを補正する。このとき
零点検出信号２１３は、ハードウエアなどによって、連
系点交流電圧Vrs214のゼロクロス点ｔｚよりもΔＴだけ
遅れて生成される。このことから、制御部７５は、零点
検出信号２１３でホールドされたθｎ＊に対してΔｔだ
け進んだ位置にゼロ点がくるように位相指令θｒｓ＊を
補正している。また、位相指令θｒｓ＊を符号付きとし
て扱い、Δθが正の場合はΔωを負とし、Δθが負の場
合はΔωを正として位相指令θｒｓ＊の傾きを変えるこ
とでΔθをゼロに収束させている。図３は、以上の制御
を行ったときの１周期分の零点検出信号と位相指令信号
θｒｓ＊およびインバータの出力電圧の関係を示すもの
である。このように、配電系統が正常であれば、補正量
Δωは増減を常に繰返し、位相誤差Δθはゼロになるよ
うに補正される。しかし、配電系統が停電するとΔθの
補正は行われなくなり補正量Δωは、正か負かのどちら
か一方の値しか取らなくなる。その結果、ω＊の積分３
４によって誤差が次々に積算していく。図４はその一例
で、停電によってΔωがマイナスの方向に誤差が積算さ
れていき、そのために急速に位相指令θｒｓ＊の傾きが
大きくなっていく様子を示す。最終的には、Δωにリミ
ッタ３６がついているのでマイナスのリミッタに到達し
た時点で位相指令θｒｓ＊の傾きは止まる。このよう
に、配電系統が停電すると制御部７５は、位相指令θｒ
ｓ＊の傾きを変化させるので、インバータの交流電圧の
周波数も変化する。したがって、連系点の交流電圧のゼ
ロクロス点の周期を計測することによって、配電系統の
停電を検知することができる。図５は、チャタリング防
止回路２９の回路ブロック図の一例で、図６は図５の回
路の動作タイムチャートである。以下、図５の動作を図
６のタイムチャートを参照して説明する。Ｄタイプフリ
ップフロップ５３（以下Ｆ／Ｆとする）の出力レベルＱ
は、零点検出信号３１３(ＣＫ)の立上りエッジによって
Ｈｉレベルになる。この信号によって、カウンタ５１の
動作は許可されて計数を開始する。次に、カウンタ５１
は、分周クロック信号４１２によってカウント動作す
る。零点検出信号３１３のチャタリングを含む有効レベ
ルのパルス幅の時間Ｔｄをディレー値５１１に設定して
おくとカウンタ５１は、ディレー値５１１になるまで計
数を行い計数を終了した時点でワンショット回路５２に
信号を与える。ワンショット回路５２は、カウンタ５１
からの信号を受けてＦ／Ｆ５３へクリア信号ＣＬを出力
してＦ／Ｆの出力ＱをＬｏレベルにする。カウンタ５１
は、Ｆ／Ｆ５３の出力ＱがＬｏレベルになったことによ
って計数を停止する。ここで、Ｆ／Ｆ５３の出力信号Ｑ
を取り出すことによって、チャタリングのない零点位相
検出信号２１３を得ることができる。この例では、Ｆ／
Ｆ５３はＤタイプフリップフロップを使用したが、それ
以外のフリップフロップ（例えばＪ−Ｋフリップフロッ
プ）や数種類のＩＣを組み合わせても図６のような信号
を作り出すことは可能である。以上のような構成にする
ことによって零点検出信号は、配電系統の交流電圧のゼ
ロクロス点で即座に信号が現れ、カウンタを持つことに
よって零点検出信号にチャタリングが起こっていても、
チャタリングのない信号を取り出すことができるので、
ノイズ対策に有効である。また、カウンタに入力する分
周クロック信号４１２の周波数を速くするほど、元来の
零点検出信号３１３のパルス幅と同程度のパルス幅でチ
ャタリングのない零点検出信号２１３を復元できる。図
７は本発明の別の実施例で、本発明の機能を中央演算処
理装置(以下ＣＰＵ)３１に持たせたものである。計測用
クロック信号３１１は、分周回路２２により設定値入力
２１１で設定した分周比に分周されＣＰＵ３１に加えら
れる。これによりＣＰＵ３１は、分周回路２２によって
任意の精度で配電系統の周期を計測することができる。
また、零点検出信号３１３はチャタリング防止回路２９
によって、ノイズを取り除かれた信号２１３になる。Ｃ
ＰＵ３１は、クロック信号412と零点検出信号２１３を
割り込み入力信号として、ゼロクロス点の周期を計測す
る。もしＣＰＵ３１の計測値に異常が見つかるとＣＰＵ
３１は、即座にエラー信号３１４を出力してＣＰＵ３２
に知らせる。ＣＰＵ３２は、CPU31 からエラー信号を受
信すると配電系統を解列する。図８はＣＰＵ３１の処理
フローチャートの例である。図８の動作を図３を参照
し、さらに商用電源を５０Ｈｚと仮定して説明する。メ
インプログラムでは、まずカウンタ１およびカウンタ２
の値をゼロにするなどの初期設定を行い、その後カウン
タ１のデータを逐次監視する。カウンタ１およびカウン
タ２とは、作業用メモリエリアに割り付けたアドレスの
名称である。カウンタ１には、零点検出信号周期の計測
結果が保持されている。計測方法は、サブルーチン２に
より１回毎にカウンタ２の内容に１を加える。サブルー
チン２の起動は、図３のように割り込み入力２の周期Ｔ
ｓ毎に行われる。割り込み入力２は、例えばマイクロコ
ンピュータに内蔵されているタイマ割り込みや外部クロ
ック信号４１２などを利用する。サブルーチン２の計測
結果は、（ｂ）によりカウンタ２の内容をカウンタ１に
退避することにより保存される。その後、カウンタ２の
値をゼロにして再度計測を行う準備をする。サブルーチ
ン１の起動は、例えば零点検出信号２１３の立上り（図
３の割り込み１）で行うこととする。一例として、零点
検出信号周期（割り込み１）を５０Ｈｚとし、割り込み
２の周期を２００μｓとすると計測結果は２０ms／２０
０μｓ＝１００となる。商用電源の周波数変動は、±１
Ｈｚ程度であるので、メインプログラムでは、その範囲
内か範囲外かを監視〔１３および１４〕して範囲外であ
ればエラー処理１５を行う。つまり、この例では１００
±２の範囲か否かを監視することによって、周波数シフ
トが起こったことを確認することができる。エラー処理
１５は、ＣＰＵ３２へのエラー信号出力３１４やＰＷＭ
制御の停止あるいはノイズによる影響で計測値が異常と
なったのかを確認して、もしノイズの影響による計測値
異常であればカウンタ１をプリセットして通常の処理に
戻るようにするなどの処理を行う。このとき割り込み２
の周期Ｔｓを速くするほど検出精度は向上する。このよ
うに、ＣＰＵ３１に系統連系保護専用の処理を行わせる
ことによって、図１の回路は１チップのＣＰＵに置き換
わることになるので小型化が図れる。また、ＣＰＵ３２
の処理が膨大になった時には、一部の処理をＣＰＵ３１
へ移管するなどして処理を分担してもよい。ＣＰＵ３１
およびＣＰＵ３２で処理を分担すれば、作業の体系化が
図れるため、それぞれ別々にソフトウエアの開発を行う
ことができるので、ソフトウエア開発の効率向上と開発
期間の短縮化に寄与できる。さらに、系統連系保護に関
しては、性能を満足すればソフトウエアの変更はほぼし
なくてもよい。もし、保護に関係する以外の機能の追加
や削除を行う場合には、ＣＰＵ３２のソフトウエアを操
作することになる。したがって、ＣＰＵ３１を系統連系
保護専用とすることにより機能拡張などのメンテナンス
をスムーズに行うことができる。

【発明の効果】本発明によれば、配電系統電圧の零点検
出信号の周期よりもきわめて速い周期のクロック信号で
零点検出信号の周期を計測する方法と、位相検出信号の
チャタリングを除去する信号成形回路によって、商用電
源の停電をノイズなどによる誤検出なしに確実に高精度
に検出することができる効果があるので、すぐれた逆潮
流防止装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の連系点ゼロクロス周期監視回路のブロ
ック図。

【図２】本発明の周波数シフト動作原理図。

【図３】本発明の周波数シフトにおける各点の定常時の
動作波形図。

【図４】本発明の周波数シフトにおける各点の異常時の
動作波形図。

【図５】本発明のチャタリング防止回路のブロック図。

【図６】本発明のチャタリング防止回路のタイムチャー
ト。

【図７】本発明の別の連系点ゼロクロス周期監視回路の
ブロック図。

【図８】図７のＣＰＵ１の処理のフローチャート。

【図９】従来の周波数シフト方式によるブロック図。

【図１０】従来の周波数シフト方式によるバンドパスフ
ィルタの周波数対利得特性および周波数対位相の特性
図。

【図１１】本発明のゼロクロス点周期計測方式の全体の
ブロック図。

【符号の説明】

２０…零点検出信号生成回路、２１…クロック、２２…
分周回路、２３，２７…カウンタ、２４，２５，２８…
コンパレータ、２９…チャタリング防止回路、２１１…
設定値入力、２１２，３１４…エラー信号、２１３，３
１３…零点検出信号、２１４…連系点交流電圧、３１１
…計測用クロック。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽電池と前記太陽電池で発電した直流電
   力を所定の交流電力に変換する電力変換装置を持ち、前
   記電力変換装置を商用電源に連系して電力の授受を行う
   太陽光発電システムにおいて、連系点のゼロクロス点を
   検出して零点検出信号を作る手段と零点検出信号周期よ
   りも速い周期のクロック信号発生手段と、零点検出信号
   とクロック信号を入力信号として、零点検出信号の周期
   を計測するためのカウンタを具備し、前記零点検出信号
   入力によってカウンタは計数値をゼロクリアし、前記ク
   ロック信号で計数値をアップまたはダウンして、ゼロク
   ロス点の周期の計測を行い、ゼロクロス点の周期の計測
   結果に異常があれば系統との連系を遮断することを特徴
   とする太陽光発電システム。
2. 【請求項２】請求項１において、零点検出信号のパルス
   幅の時間を計測するためのカウンタを具備し、カウンタ
   は零点検出信号とクロック信号を入力信号として、カウ
   ンタは零点検出信号が入力されたことによって計数を開
   始し、任意に設定した計数値になるまでクロック信号に
   よって計数を行い、零点検出信号入力時点から設定した
   計数値になるまでの時間，信号を有効レベルに保持する
   出力信号を発生するチャタリング防止回路。
3. 【請求項３】請求項２の前記チャタリング防止回路を設
   け、前記チャタリング防止回路の出力信号を零点検出信
   号として請求項１の前記ゼロクロス点の周期の計測を行
   い、計測値異常により系統との連系を遮断する太陽光発
   電システム。