(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置内の系統連系用インバータにより直流電力を交流電力に変換して電力系統に連系させるシステムにおいて、
系統周波数を検出してその周波数信号を出力する周波数検出手段と、
電力系統からの受電点電力値を検出する受電点電力検出手段と、
前記インバータにより電力系統に周期的な無効電力変動を生じさせるための無効電力変動指令を出力し、かつ、前記周波数検出手段から出力された周波数信号に基づき系統連系用インバータの単独運転状態が検出されたときに、前記発電装置の解列用遮断器に対して開放信号を出力する無効電力変動指令発生手段とを備え、
前記無効電力変動指令発生手段は、前記受電点電力値が負極性であって受電点が電力系統に対して受電側になったときに前記無効電力変動指令を零にすることを特徴とする系統連系用インバータの単独運転防止装置。
【請求項２】
請求項１記載の系統連系用インバータの単独運転防止装置において、
受電点電力値が負極性であって受電点が電力系統に対して受電側になったときに零とした無効電力変動指令を、受電点電力値が正極性であって受電点が電力系統に対して送電側となり、かつ受電点電力値が所定値になったときに元の設定値に復帰させることを特徴とする系統連系用インバータの単独運転防止装置。
【請求項３】
発電装置内の系統連系用インバータにより直流電力を交流電力に変換して電力系統に連系させるシステムにおいて、
系統周波数を検出してその周波数信号を出力する周波数検出手段と、
電力系統からの受電点電力値を検出する受電点電力検出手段と、
前記インバータにより電力系統に周期的な無効電力変動を生じさせるための無効電力変動指令を出力し、かつ、前記周波数検出手段から出力された周波数信号に基づき系統連系用インバータの単独運転状態が検出されたときに、前記発電装置の解列用遮断器に対して開放信号を出力する無効電力変動指令発生手段とを備え、
前記無効電力変動指令発生手段は、前記受電点電力値が正極性であって受電点が電力系統に対して送電側となり、かつ受電点電力値が所定の設定値以下になったときに前記無効電力変動指令を段階的に所定の微小値まで減少させることを特徴とする系統連系用インバータの単独運転防止装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電力をインバータにより交流電力に変換して電力系統に連系させる発電装置が、系統喪失時に一定の負荷電力を分担して単独運転状態になること（いわゆるアイランディングと呼ぶ）を防止するための単独運転防止装置に関し、詳しくは、発電装置の出力に積極的に外乱を与えるようにした系統連系用インバータの単独運転防止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池や蓄電池等を直流電源とするインバータを用いた発電装置においては、安定した電力供給を計る目的で電力系統の交流電力との連系運転を行っている。
特に近年では、商用電力系統へ発電電力を供給する形態（以下では逆潮流と呼ぶ）での連系運転が認められたため、商用電力系統の遮断等の系統喪失により発生するアイランディング現象を防止することがガイドラインによって決められている。
【０００３】
通常、系統遮断等による系統電圧の喪失時に、一定の需要家や負荷と発電装置の出力とがバランスして系統停電状態にならない場合には電力系統の復電時に短絡状態を発生させたりする危険性があることから、上記アイランディング現象の防止が求められており、以下のような能動的（発電電力に積極的に外乱を与える）アイランディング防止システムが既に提供されている。
【０００４】
（１）発電装置から無効電力の周期的な変動を発生させ、アイランディング発生時に系統周波数（５０または６０Ｈｚ）の変動を検出する。
（２）発電装置の発電電力を周期的に変動させ、アイランディング発生時の系統電圧や周波数の変動を検出する。
（３）発電装置のインバータの内部発振器等に周波数バイアスを与えておき、アイランディング発生時に系統に現れる周波数変化を検出する。
（４）発電装置に対し並列に、インピーダンスを瞬間的かつ周期的に挿入し、このインピーダンスの挿入端での電圧変動や電流変動の急変を検出する。
【０００５】
これらの方法のうち、（４）の方法では発電装置の他にインピーダンス設備が必要になり、電力系統が高圧の場合や特別高圧の場合にはアイランディング防止装置そのものが大型になってコスト高になるという問題を有し、また、燃料電池や蓄電池を直流電源として使用するシステムでは有効電力の変動を伴わない方法が都合が良いことから、（１）の方法が通常、用いられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した（１）のアイランディング防止システムは、変動する無効電力を発電装置から電力系統に供給する原理に基づいている。このため、アイランディング現象の検出精度を上げようとすると、無効電力の変動量を大きくする必要があり、逆潮流時の電力系統への送電電力値が小さくなると、発電装置からの無効電力変動により需要家引き込み口の電圧変動を招きやすくなることや、無効電力変動に合わせて受電点力率が大きく変動することから力率管理上の問題が発生する場合がある。
【０００７】
このような問題点を回避するために、図４に示すように電力系統に供給する常時の無効電力変動量を微少な値に抑え、かつ、アイランディング現象検出のための周波数変動検出レベルを２段階として、１段階目の微小な周波数変化の検出後に無効電力変動量（無効電力指令値）を急増させる方法が提案されている。なお、図４において、ｅは無効電力指令値の波形を示す。
【０００８】
しかるに、図４の方法では、周波数変動の検出を２段階で行うことから、検出時間が長くなりやすいという新たな問題を生じていた。
そこで本発明は、比較的短時間で高精度にアイランディング現象を検出すると共に、需要家引き込み口における電圧変動や力率変動を抑制することができる系統連系用インバータの単独運転防止装置を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、直流電力をインバータを介して電力系統に連系運転する発電装置においては、アイランディング現象が電力系統の遮断器や開閉器の操作に起因することに着目してなされたものである。
すなわち、インバータにより系統に連系運転する発電装置では、需要家構内における線間短絡等の事故時には、インバータの半導体素子が過電流や過電圧に対する耐量が小さいため、インバータの保護回路が動作して発電装置の回路遮断器が開放されることになり、このときに電力系統に停電が発生してもアイランディング現象が発生することはない。
【００１０】
上記より、本発明は、発電装置内の系統連系用インバータにより直流電力を交流電力に変換して電力系統に連系させるシステムにおいて、周期的な無効電力変動をインバータから電力系統に供給させる無効電力変動指令発生手段に、周波数信号だけでなく受電点電力検出手段からの受電点電力信号も入力するようにし、受電点電力値が負極性であって受電点が電力系統に対して受電側になったときに無効電力変動指令を零にするか、更に好ましくは、受電点電力値が正極性であって受電点が電力系統に対して送電側となり、かつ受電点電力値が所定の設定値以下になったときに無効電力変動指令を段階的に所定の微小値まで減少させるようにしたものである。
【００１１】
以上のように構成された本発明によれば、受電点電力値が負極性であって受電点が電力系統に対して受電側になったときに無効電力指令を零にすることで、通常の逆潮流時に大きな無効電力変動を与えてアイランディング現象の検出感度を確保し、なおかつ、逆潮流がないときには無効電力の変動により発生する需要家引き込み口での電圧変動及び力率変動を抑制することができる。
更に好ましくは、受電点電力値が正極性であって受電点が電力系統に対して送電側となり、かつ受電点電力値が所定の設定値以下になったときに無効電力変動指令を段階的に所定の微小値まで絞り込むことで、逆潮流が全くないときばかりでなく、逆潮流が少ない時にもアイランディング現象の検出感度を確保したままで需要家引き込み口における電圧変動及び力率変動を抑制することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本実施形態の単独運転防止装置を、電力系統に連系している発電装置や負荷と共に示した単線図である。
図１において、１は燃料電池などの直流電源２による直流電力を系統連系用インバータ３により交流電力に変換して出力する発電装置である。なお、４はインバータ３の交流側に接続された絶縁変圧器である。
【００１３】
一方、１４は連系先の電力系統であり、絶縁変圧器４と電力系統１４の高圧配電線との間には、遮断器６，７，８、受電用変圧器９、及び遮断器１３が接続されている。
ここで、遮断器６は発電装置１の解列用遮断器、遮断器７は一般の構内負荷５からなる負荷回路分電用の配電用ブレーカ等の負荷回路遮断器、遮断器８は受電用変圧器９の二次側遮断器、遮断器１３は高圧配電線から受電するために構内事故時の遮断などに用いられる受電点遮断器である。
【００１４】
次に、２０は本実施形態にかかる単独運転防止装置を示している。
この単独運転防止装置２０において、１１は計器用変圧器ＰＴ１により検出した遮断器６，８間の電圧を周波数に変換する電圧／周波数変換器、１２は計器用変圧器ＰＴ２及び変流器ＣＴにより検出した受電点の電圧及び電流から受電点電力値を求める受電点電力演算器である。
また、１０は電圧／周波数変換器１１からの周波数信号ｃと受電点電力演算器１２からの受電点電力信号ｄとが入力され、解列用遮断器トリップ指令ａと無効電力変動指令ｂとを出力する無効電力変動指令発生器である。なお、トリップ指令ａは解列用遮断器６に、無効電力変動指令ｂはインバータ３に加えられている。
【００１５】
上記構成において、計器用変圧器ＰＴ１及び電圧／周波数変換器１１は周波数検出手段を、計器用変圧器ＰＴ２、変流器ＣＴ及び受電点電力演算器１２は受電点電力検出手段を、無効電力変動指令発生器１０及びインバータ３は無効電力変動発生手段をそれぞれ構成している。
【００１６】
図２は、請求項１，２に記載した発明に相当する無効電力変動指令発生器１０Ａの一例を示している。図２において、２１は変動指令の元になる変動信号ｇを出力する変動信号発振器、２２は変動信号ｇを増幅して変動指令ｈを出力する増幅器である。２３は受電点電力信号ｄが入力されたときにこの信号ｄが正極性であるときにのみ所定のトリガ信号ｉを出力する判定器であり、受電点電力信号ｄは電力系統に対して送電側になっているときに正極性となる。
また、２４は入力である変動指令ｈをトリガ信号ｉが入力されたときにのみ有効とし、無効電力変動指令ｂとして出力する３端子の電圧フォロワである。
【００１７】
更に、ＯＦＣは、周波数信号ｃが入力されたときにこの信号ｃが設定器ＶＲ１による設定値を超えると出力信号ｊを発生する比較器、ＵＦＣは周波数信号ｃが設定器ＶＲ２による設定値以下になると出力信号ｋを発生する比較器である。
２５はＯＲゲートであり、出力信号ｊ，ｋの何れかが入力されるとリレー２６を励磁し、図１の解列用遮断器６をトリップするためのトリップ指令ａを出力させる。
【００１８】
次に、図２の動作を図１を参照しつつ説明する。
まず、図１において、直流電源２の直流電力はインバータ３により系統の周波数・電圧に合わせた交流電力に変換され、遮断器６，７を介して負荷５に供給される。
アイランディングの発生していない通常時は、電圧／周波数変換器１１から出力される周波数信号ｃは定格状態であるため、図２における比較器ＯＦＣ，ＵＦＣはオフであり、出力信号ｊ，ｋはリセットされている。このとき、ＯＲゲート２５もオフであるため、トリップ信号ａはリセットされている。
【００１９】
いま、負荷５の容量が発電装置１の出力より小さいときには、発電装置１の出力電力の一部は受電用遮断器１３を介して電力系統１４に送電されるので、受電点電力演算器１２から出力される受電点電力信号ｄは送電側の正極性である。
従って、図２における判定器２３がトリガ信号ｉをセットするため、無効電力変動指令ｂとしては、変動信号ｇを増幅器２２により増幅して得た変動指令ｈが電圧フォロワ２４を介して出力されることになる。
【００２０】
この状態で電力系統１４側の開閉器（図示せず）が開放されてアイランディング現象が発生すると、インバータ３の無効電力変動により周波数が変動して電圧／周波数変換器１１の周波数信号ｃが定格値から変動するため、図２の比較器ＯＦＣまたはＵＦＣが動作してＯＲゲート２５がオンし、リレー２６が励磁されてトリップ信号ａがセットされる。
この際、比較器ＯＦＣ，ＵＦＣによる周波数検出レベルはそれぞれ１段階であるから、図４に示した従来技術のように検出時間の長期化を招くこともない。
以上のようにして図１の解列用遮断器６が開放されて発電装置１が解列されるので、アイランディング状態が直ちに解消される。
【００２１】
また、負荷５の容量が発電装置１の出力よりも大きい場合には、電力系統１４から受電用遮断器１３を介して不足分の電力が受電される。この場合には、受電点電力演算器１２の出力は電力系統に対して受電側の負極性である。
従って、図２の判定器２３はトリガ信号ｉをリセットするので、電圧フォロワ２４もリセットされ、無効電力変動指令ｂもリセットされる。
【００２２】
この状態で電力系統１４側の開閉器が開放されてアイランディング現象が発生すると、インバータ３の出力電力では負荷５の容量を賄いきれないため、インバータ３は過電流となって停止するので周波数も当然低下する。よって、図２における比較器ＵＦＣが動作してＯＲゲート２５がオンし、リレー２６が励磁されてトリップ信号ａがセットされる。
これにより、解列用遮断器６が開放されて発電装置１が解列されるため、アイランディング状態が直ちに解消される。
【００２３】
なお、図２の構成において、図１の負荷５の容量と発電装置１の出力とがおよそ等しく、かつ負荷５が変動している場合には、請求項２に記載したように、受電点電力信号ｄが負極性（受電側）になった後に正極性（送電側）の適当な値になるまで判定器２３のトリガ信号ｉをセットしないようにヒステリシスを持たせれば、インバータ３の無効電力変動出力が急激なオン・オフを繰り返すことにより発生する受電点の電圧変動及び力率変動を防止することができる。
【００２４】
次いで、図３は請求項３に記載した発明に相当する無効電力変動指令発生器１０Ｂの一例を示すものである。以下では、図２と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
図３の無効電力変動指令発生器１０Ｂでは、前記増幅器２２の出力である変動指令ｈが増幅器２７に入力されており、その出力が無効電力変動指令ｂとなっている。増幅器２７には受電点電力信号ｄが直接入力されており、増幅器２７では、受電点電力信号ｄの値が電力系統に対し送電側である正極性の所定値以下になると、増幅率を段階的に１から微小値まで減少させる（絞り込む）ように構成されている。
【００２５】
次に、図３の動作を図１を参照しつつ説明する。
図１において、負荷５の容量が発電装置１の出力より十分に小さいときには、発電装置１の出力電力の大部分は受電用遮断器１３を介して電力系統１４に送電されるので、受電点電力信号ｄは電力系統に対して送電側の正極性である。
従って、図３における増幅器２７の増幅率は１であるから、変動信号ｇを増幅器２２により増幅して得た変動指令ｈが増幅器２７を介し無効電力変動指令ｂとして出力されることになる。
【００２６】
この状態で電力系統１４側の開閉器が開放されてアイランディング現象が発生すると、前記同様に電圧／周波数変換器１１の周波数信号ｃが定格値から変動するため、図３の比較器ＯＦＣまたはＵＦＣが動作してＯＲゲート２５がオンし、リレー２６が励磁されてトリップ信号ａがセットされる。
これにより、図１の解列用遮断器６が開放されて発電装置１が解列されるので、アイランディング状態が直ちに解消される。
【００２７】
また、負荷５の容量が発電装置１の出力より若干小さいときには、発電装置１の出力電力のごく一部が受電用遮断器１３を介して電力系統１４に送電されるので、受電点電力信号ｄは電力系統に対して送電側の正極性の小さな値となる。
従って、増幅器２７の増幅率は１より絞り込まれた値となり、変動信号ｇを増幅器２２により増幅して得た変動指令ｈは増幅器２７によって微小な無効電力変動指令ｂに変換されて出力されることになる。
【００２８】
この状態で、同様に電力系統１４側の開閉器が開放されてアイランディング現象が発生すると、インバータ３の無効電力変動出力は微小値であるが、系統側に送電している電力そのものも小さいため、十分な周波数変動が発生して電圧／周波数変換器１１の周波数信号ｃが定格値から変動する。
このため、図３の比較器ＯＦＣまたはＵＦＣが動作してＯＲゲート２５がオンし、リレー２６が励磁されてトリップ信号ａがセットされる。よって、解列用遮断器６が開放されて発電装置１が解列されるので、アイランディング状態が直ちに解消される。
【００２９】
負荷５の容量が発電装置１の出力より大きいときには、電力系統１４から受電点遮断器１３を介して受電側に電力が供給され、基本的な動作は前述した図２の場合と同様になる。
【００３０】
また、負荷５の容量と発電装置１の出力とが等しい場合には、図２の構成では無効電力変動が停止しているので、アイランディング現象が継続する可能性がある。しかるに図３の構成では、この場合も微小ではあるが無効電力変動指令ｂに基づいてインバータ３から無効電力が出力されているので、アイランディングの検出及び防止は十分に可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、系統連系用インバータにより直流電力を交流電力に変換して系統と連系運転している際に、電力系統の開閉器等の操作によりアイランディング現象が発生するとこれを直ちに検出して系統連系用インバータの単独運転を防止することができる。また、需要家からの送電電力がないときにはインバータの運転による無効電力変動を生じさせないことで、需要家引き込み口における電圧変動を防止して需要家の力率管理も容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の単独運転防止装置を、電力系統に連系している発電装置や負荷と共に示した単線図である。
【図２】図１における無効電力変動指令発生器の一例を示すブロック図である。
【図３】図１における無効電力変動指令発生器の他の例を示すブロック図である。
【図４】従来技術における無効電力指令値と周波数変動波形の例を示す図である。
【符号の説明】
１  発電装置
２  直流電源
３  系統連系用インバータ
４  絶縁変圧器
５  負荷
６  解列用遮断器
７  負荷回路遮断器
８  受電用変圧器二次側遮断器
９  受電用変圧器
１０，１０Ａ，１０Ｂ  無効電力変動指令発生器
１１  電圧／周波数変換器
１２  受電点電力演算器
１３  受電点遮断器
１４  電力系統
２０  単独運転防止装置
２１  変動信号発振器
２２    増幅器
２３    判定器
２４  電圧フォロワ
２５    ＯＲゲート
２６    トリップ指令出力用リレー
ＰＴ１，ＰＴ２  計器用変圧器
ＣＴ  変流器
ＯＦＣ，ＵＦＣ  比較器
ＶＲ１，ＶＲ２  設定器
ａ  解列用遮断器トリップ指令
ｂ  無効電力変動指令
ｃ  周波数信号
ｄ  受電点電力信号
ｇ  変動信号
ｈ  変動指令
ｉ  トリガ信号
ｊ，ｋ  比較器出力信号
【図１】
0003627948.tif 000002
【図２】
0003627948.tif 000003
【図３】
0003627948.tif 000004
【図４】
0003627948.tif 000005