(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電力系統との連系点電圧の零位相を逐次検出する零位相検出手段と、前記連系点電圧の周波数を逐次検出する周波数検出手段と、該周波数検出手段の検出する周波数が基準周波数から乖離すると該乖離を助長する方向に出力周波数を逐次決定する出力周波数決定手段と、該出力周波数決定手段の決定する周波数の交流電流出力を前記零位相に同期せしめて逐次開始する電流出力手段と、前記周波数検出手段の検出する周波数が基準周波数から所定周波数以上乖離すると単独運転状態であると判断する単独運転検出手段とを備え、直流電力を交流電力に変換して商用電力系統と連系運転するとともに単独運転状態になると商用電力系統から解列する分散型電源装置において、
前記出力周波数を決定するための前記周波数検出手段の逐次検出する最新の周波数データを複数記憶する記憶手段を備えてなり、前記出力周波数決定手段を、前記記憶手段に記憶されている複数の周波数データに基づいて連系点電圧の周波数認定を行い、該認定周波数が基準周波数から乖離すると該乖離を助長する方向のシフト値を加算して出力周波数を逐次決定するものとしたことを特徴とする分散型電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単独運転検出に周波数シフト方式を採用する分散型電源装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、二酸化炭素による地球温暖化の防止対策の一つとして、各住宅に自家発電用として太陽電池を設置し、太陽電池により得られる直流電力を交流電力に変換し、商用電源との系統連系運転を行うことが考えられている。つまり、太陽電池から出力される直流電力を分散型電源装置を用いて交流電力に変換し、商用電源との間で送電系統を連絡して系統連系を行なうのである。
【０００３】
このような自家発電と商用電源との系統連系運転については、社団法人日本電気協会から発行されている分散型電源系統連系技術指針（以下、指針と略称する）などに技術的指針が示されている。この指針は、商用電源による供給電力の品質、保安、信頼性、保護協調を確保して、円滑な系統連系運転を行うために示されている。
【０００４】
ところで、指針には、単独運転防止対策の必要性が述べられている。すなわち、商用電力系統の停電時（自家用発電設備が連系する系統またはその上位系統の事故時や作業時または火災などの緊急時）に、自家用発電設備が系統から解列されない状態で単独運転を継続していると、本来無電圧であるべき電力系統が充電されることになることから、保安面、供給信頼度確保面から、▲１▼電力系統に事故が生じている場合には、事故点に電力を供給し続けることになるため、公衆感電の他、事故点の被害拡大、需要家機器損傷の恐れがある、▲２▼停電区域であるべき線路が充電状態となるため、作業者（消防を含む）が感電する恐れがある、▲３▼再閉路または他回線からの逆送電が行えないため、健全区間であっても送電が大幅に遅れる、▲４▼充電された系統内では、電圧・周波数が変動する恐れがあり、需要家機器の損傷が危惧される、という問題点のあることを指摘している。
【０００５】
指針では、上述のような問題点を指摘したうえで、単独運転検出機能に関して、現状技術レベルにおいて確立された方式がないことから、当面の間、以下に示す受動的方式と能動的方式とを組み合わせることによって、単独運転検出の有効性を高めることを奨励している。そして、受動的方式として、  （ａ）電圧位相跳躍検出方式、  （ｂ）３次高調波電圧歪急増検出方式、  （ｃ）周波数変化率検出方式、を示し、能動的方式として、  （ｄ）周波数シフト方式、  （ｅ）有効電力変動方式、  （ｆ）無効電力変動方式、  （ｇ）負荷変動方式、を示している。
【０００６】
商用電力系統との連系運転を前提にする分散型電源装置にあっては、常に連系点電圧を監視していて、連系点電圧（図４（ａ））の位相と分散型電源装置の出力電流（図４（ｂ））の位相とを、図４に示すように整合せしめるのが理想的である。なぜならば、分散型電源装置から出力される電流が全て実効電力として負荷に供給されることになるからである。
【０００７】
商用電力系統が正常であれば、商用電力系統の電力容量は非常に大きいので、分散型電源装置の出力に周波数変動が少々あったにしても、連系点電圧の周波数は常に商用電力系統の周波数すなわち６０Ｈｚ地域であれば６０．０Ｈｚ、５０Ｈｚ地域であれば５０．０Ｈｚを保つことができる。
【０００８】
周波数シフト方式は、分散型電源装置の内部発振器などに周波数バイアスを与えておいて、単独運転移行時（商用電力系統の停電時）に連系点電圧に現れる周波数変化を検出して単独運転状態になったことを検出する方式である。周波数シフト方式を採用する分散型電源装置における単独運転状態の検出動作をフローチャートで示すと図６のようになる。なお、以下の説明においては、６０Ｈｚ地域での系統連系運転を想定して説明する。
【０００９】
周波数シフト方式を採用する分散型電源装置は、系統連系が正常であれば、図６に示すフローチャートのステップ１１０にて、常に連系点電圧の周波数ｆをｆ＝６０．０Ｈｚとして検出する。従って、分散型電源装置は、図６に示すフローチャートのステップ１１０→１２０→１３０→１４０→１６０または１７０→１８０→１９０→１１０のループを繰り返して、基準周波数Ｆ６０＝６０．０Ｈｚから例えば＋０．１Ｈｚまたは−０．１Ｈｚの周波数バイアスを与えた、６０．１Ｈｚまたは５９．９Ｈｚの出力電流を常に交互に出力する。
【００１０】
しかしながら、商用電力系統の停電時にあっては、周波数シフト方式を採用する分散型電源装置は、図６に示すフローチャートのステップ１１０にて、連系点電圧の周波数ｆを、分散型電源装置の出力する周波数そのものの６０．１Ｈｚまたは５９．９Ｈｚとして検出する。
【００１１】
そこで、分散型電源装置は、図６に示すフローチャートのステップ１１０にて、連系点電圧の周波数ｆをｆ≧６０．１Ｈｚと検出した場合、図６に示すフローチャートのステップ１１０→１２０→１５０→１７０→１８０→１９０→１１０のループを繰り返し、出力電流の１サイクル毎に０．１Ｈｚづつ出力電流の周波数上昇を行い、このループを例えば５０回（６０Ｈｚ地域では１秒足らずの期間）繰り返したところでステップ２００を実行し、単独運転状態になったことを検出して連系を遮断する。
【００１２】
また、分散型電源装置は、図６に示すフローチャートのステップ１１０にて、連系点電圧の周波数ｆをｆ≦５９．９Ｈｚと検出した場合、図６に示すフローチャートのステップ１１０→１２０→１５０→１６０→１８０→１９０→１１０のループを繰り返し、出力電流の１サイクル毎に０．１Ｈｚづつ出力電流の周波数低下を行い、このループを例えば５０回（６０Ｈｚ地域では１秒足らずの期間）繰り返したところでステップ２００を実行し、単独運転状態になったことを検出して連系を遮断する。
【００１３】
従って、上述のような周波数シフト方式を採用する分散型電源装置にあっては、商用電力系統が正常で、連系点電圧の周波数が図５（ａ）に示すように基準周波数Ｆ６０＝６０．０Ｈｚであっても、基準周波数Ｆ６０＝６０．０Ｈｚの出力電流を出力することは無く、連系点電圧の１サイクル毎に図５（ｂ）に示すようにｆ＝６０．１Ｈｚまたはｆ＝５９．９Ｈｚの出力電流を交互に出力する。そして、分散型電源装置は、連系点電圧の位相角θ＝ωｔ＝２πＦ６０ｔが２πの整数倍（零位相）になる毎に、分散型電源装置の出力電流Ｉを強制的に零に戻し、再びＩ＝Ｉ０  ・ｓｉｎ（２πｆｔ）の出力を開始する。但し、Ｉ０  は振幅、ｔは時間を示している。なお、図５（ｂ）にあっては、出力電流Ｉの周波数ｆの変動をかなり誇張して描いてある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の周波数シフト方式を採用する分散型電源装置にあっては、連系点電圧の１サイクル検出毎の周波数に僅かなシフト値を加えた周波数を次サイクルの出力電流の周波数としており、単独運転時には連系点電圧の周波数が徐々に基準周波数から乖離していくことで単独運転状態を検出するのであるが、単独運転中で周波数がシフト途中にあるときに、急激な負荷の変化、外来ノイズ、あるいは同一系統内の並列接続された他の分散型電源装置により、１サイクルでも前記周波数シフトを妨げる周波数が検出されると、単独運転の検出時間が大幅に遅れたり、検出できない状態を生ずるという問題点があった。
【００１５】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、単独運転中に生じる、急激な負荷の変化、外来ノイズなどに影響されず、また同一系統内に他の分散型電源装置が並列運転されていても、確実に単独運転を検出できる、優れる分散型電源装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の問題点を解決するため、請求項１記載の発明にあっては、商用電力系統との連系点電圧の零位相を逐次検出する零位相検出手段と、前記連系点電圧の周波数を逐次検出する周波数検出手段と、該周波数検出手段の検出する周波数が基準周波数から乖離すると該乖離を助長する方向に出力周波数を逐次決定する出力周波数決定手段と、該出力周波数決定手段の決定する周波数の交流電流出力を前記零位相に同期せしめて逐次開始する電流出力手段と、前記周波数検出手段の検出する周波数が基準周波数から所定周波数以上乖離すると単独運転状態であると判断する単独運転検出手段とを備え、直流電力を交流電力に変換して商用電力系統と連系運転するとともに単独運転状態になると商用電力系統から解列する分散型電源装置において、前記周波数検出手段の逐次検出する最新の周波数データを複数記憶する記憶手段を設け、前記出力周波数決定手段を、前記記憶手段に記憶されている複数の周波数データに基づいて連系点電圧の周波数認定を行い、該認定周波数が基準周波数から乖離すると該乖離を助長する方向のシフト値を加算して出力周波数を逐次決定するものとしたことを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の発明にあっては、前記認定周波数は、前記記憶手段に記憶されている複数の周波数データの中から、基準周波数との差の絶対値が最大である周波数データとすることを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明にあっては、前記シフト値は、前記認定周波数と前記基準周波数との差の絶対値が大きいほど、大きくなることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る分散型電源装置の第１の実施の形態を図１および図２に基づいて、第２の実施の形態を図３に基づいて、それぞれ詳細に説明する。
【００２０】
〔第１の実施の形態〕
図１は商用電力系統に連系している分散型電源装置を示すブロック図、図２は分散型電源装置の単独運転検出動作を説明するフローチャートである。図１に示すように、この分散型電源装置１は、連系点電圧検出手段に相当する連系点電圧検出部２と、制御回路部３と、インバータ回路部４と、解列開閉器５と、直流電源Ｅとを含んで構成される。なお、図１において、ＡＣは商用電力系統に相当する商用電源、Ｚは商用電源ＡＣと分散型電源装置１とから連系して電力供給される負荷である。
【００２１】
連系点電圧検出部２は連系点電圧ＶＡＣをステップダウンして出力する。制御回路部３は、マイクロプロセッサ３０を含んで構成されており、連系点電圧検出部２の出力する連系点電圧に基づいて、周波数シフト方式による単独運転検出のための演算処理を行ったうえで駆動信号を生成し、該駆動信号をインバータ回路４へ出力する。インバータ回路４は、制御回路部３からの駆動信号を用いて直流電源Ｅからの直流電力を交流電力に逐次変換するもので、半導体スイッチング素子（図示せず）をブリッジ接続して構成される。解列開閉器５は、分散型電源装置１と商用電源ＡＣとを連系するためのもので、分散型電源装置１または商用電源ＡＣに異常が発生すると制御回路部３からの指示によって開極して、分散型電源装置１と商用電源ＡＣとを分離する。直流電源Ｅは太陽電池や燃料電池などにて構成される。
【００２２】
制御回路部３は、詳しくは、マイクロプロセッサ３０と、記憶手段３１と、零位相検出手段３２と、周波数検出手段３３と、出力周波数決定手段３４と、電流出力手段に相当するゲート駆動回路３５と、単独運転検出手段３６とを含んで構成される。
【００２３】
マイクロプロセッサ３０は分散型電源装置１全体の制御を司っている。記憶手段３１は、ＲＡＭなどから構成され、周波数検出手段３３が逐次出力する最新の周波数ｆを最新の周波数データＤ１  として記憶するとともに最も古い周波数データＤＮ  を消去し、予め定められたＮ個の最新の周波数データＤ１，…ＤＮ  を常に記憶する。零位相検出手段３２は、連系点電圧検出部２の出力する検出電圧から、連系点電圧の零位相を逐次検出する。周波数検出手段３３は、連系点電圧検出部２の出力する検出電圧から、連系点電圧の周波数ｆを逐次検出する。
【００２４】
出力周波数決定手段３４は、周波数検出手段３３の検出する周波数ｆが基準周波数Ｆ６０から乖離すると、該乖離を助長する方向に出力周波数を逐次決定する。ゲート駆動回路３５は、出力周波数決定手段３４の決定する出力周波数の出力電流Ｉが、零位相検出手段３２の検出する零位相に同期してインバータ回路４から出力開始されるように、インバータ回路４のゲートに駆動信号を出力する。単独運転検出手段３６は、周波数検出手段３３の検出する周波数ｆが予め定められる限界周波数Ｆ６５＝６５ＨｚからＦ５５＝５５Ｈｚの範囲から逸脱すると、単独運転状態であると判断して解列開閉器５を開極する。
【００２５】
次に、上述のように構成される分散型電源装置１の単独運転検出動作を、図２のフローチャートを用いて説明する。なお、以下の説明においては、６０Ｈｚ地域での系統連系運転を想定して説明する。
【００２６】
分散型電源装置１は、系統連系が正常であれば商用電源ＡＣの容量は非常に大きく連系点電圧の周波数ｆは常に商用電源ＡＣの周波数に一致するので、ステップ１１０にて、連系点電圧の周波数ｆを、基準周波数Ｆ６０に一致するｆ＝Ｆ６０＝６０．０Ｈｚとして常に検出する。従って、系統連系が正常であれば、記憶手段３１に格納されているＮ個の周波数データＤ１，…ＤＮ  の全てが基準周波数Ｆ６０に一致する６０．０Ｈｚになり、分散型電源装置１は、図２に示すフローチャートのステップ１１０→１１３→１１６→１２０→１３０→１４０→１６０または１７０→１８０→１９０→１１０のループを繰り返し実行して、基準周波数Ｆ６０＝６０．０Ｈｚから例えば＋０．１Ｈｚまたは−０．１Ｈｚの周波数バイアスを与えた、６０．１Ｈｚまたは５９．９Ｈｚの出力電流Ｉを常に交互に出力する。
【００２７】
しかしながら、商用電源ＡＣの停電時にあっては、分散型電源装置１は、フローチャートのステップ１１０にて、連系点電圧の周波数ｆを、分散型電源装置の出力する周波数そのものの６０．１Ｈｚまたは５９．９Ｈｚとして検出する。
【００２８】
そこで、分散型電源装置１が、ステップ１１０にて連系点電圧の周波数ｆをｆ＝６０．１Ｈｚと検出してステップ１１３を実行すると、記憶手段３１に格納されているＮ個の周波数データＤ１，…ＤＮ  の中の周波数データＤ１  のみがＤ１  ＝６０．１Ｈｚとなり、残りのＮ−１個の周波数データＤ２，…ＤＮ  は基準周波数Ｆ６０に一致する６０．０Ｈｚになる。従って、分散型電源装置１がステップ１１６を実行すると、記憶手段３１に格納されているＮ個の周波数データＤ１，…ＤＮ  の中で｜ｆ−Ｆ６０｜＝δを最大にする周波数ｆｍ  として、ｆｍ  ＝Ｄ１  ＝６０．１Ｈｚが検索されて出力される。
【００２９】
そして、分散型電源装置１は、ステップ１２０→１５０→１７０→１８０→１９０と実行して６０．２Ｈｚの出力電流Ｉを出力し、再びステップ１１０を実行して連系点電圧ＶＡＣの周波数ｆをｆ＝６０．２Ｈｚと検出してステップ１１３を実行すると、記憶手段３１に格納されているＮ個の周波数データＤ１，…ＤＮ  の中の周波数データＤ１  がＤ１  ＝６０．２Ｈｚ、周波数データＤ２  がＤ２  ＝６０．１Ｈｚ、残りのＮ−２個の周波数データＤ３，…ＤＮ  は基準周波数Ｆ６０に一致する６０．０Ｈｚになる。従って、分散型電源装置１がステップ１１６を実行すると、記憶手段３１に格納されているＮ個の周波数データＤ１，…ＤＮ  の中で｜ｆ−Ｆ６０｜＝δを最大にする周波数ｆｍ  として、今回はｆｍ  ＝Ｄ１  ＝６０．２Ｈｚが検索されて出力される。
【００３０】
そして、分散型電源装置１は、ステップ１２０→１５０→１７０→１８０→１９０と実行して６０．３Ｈｚの出力電流Ｉを出力し、再びステップ１１０を実行して連系点電圧ＶＡＣの周波数ｆをｆ＝６０．３Ｈｚと検出してステップ１１３を実行することになる。このようにして、分散型電源装置１が平常の単独運転状態であるならば、分散型電源装置１の出力電流Ｉの周波数ｆは略１／６０秒毎に０．１Ｈｚづつ上昇し、遂にはステップ１８０にて単独運転状態であると判断されて、分散型電源装置１はステップ１８０→２００と実行して解列開閉器を開極し、商用電源ＡＣとの連系を遮断する。
【００３１】
このとき、上述のような分散型電源装置１にあっては、周波数シフトされた出力電流Ｉの周波数が限界周波数であるＦ６５＝６５ＨｚあるいはＦ５５＝５５Ｈｚに近づいてから、ステップ１１０にて何らかのノイズなどが原因で例えばｆ＝６０．１Ｈｚなどを、記憶手段３１に格納されている周波数データＤ１，…ＤＮ  の個数Ｎよりも少ない回数検出しても、従来のように出力電流Ｉの周波数が振り出しに戻るような影響を受けて単独運転状態の検出が遅れることはなく、速やかに確実に単独運転状態を検出することができる。
【００３２】
なお、この実施の形態の分散型電源装置１にあっては、記憶手段３１に格納される周波数データの個数ＮはＮ＝３にされている。
【００３３】
〔第２の実施の形態〕
図３は分散型電源装置の単独運転検出動作を説明するフローチャートである。なお、第２の実施の形態の分散型電源装置を示すブロック図にあっては、前述の第１の実施の形態の分散型電源装置の図１と同様であるので図１を参照戴くとともに、第１の実施の形態と同等の箇所にあっては同じ符号を付して説明を行い、同じ符号の箇所の詳細な説明を省略する。また、以下の説明においては、６０Ｈｚ地域での系統連系運転を想定して説明する。
【００３４】
この分散型電源装置１は、連系点電圧検出手段に相当する連系点電圧検出部２と、制御回路部３と、インバータ回路部４と、解列開閉器５と、直流電源Ｅとを含んで構成される。また、制御回路部３は、マイクロプロセッサ３０と、記憶手段３１と、零位相検出手段３２と、周波数検出手段３３と、出力周波数決定手段３４と、電流出力手段に相当するゲート駆動回路３５と、単独運転検出手段３６とを含んで構成される。
【００３５】
この分散型電源装置１が第１の実施の形態のものと異なり特徴となるのは、出力周波数決定手段３４の出力周波数ｆの決定演算式にある。すなわち、前述の第１の実施の形態の分散型電源装置にあっては、出力周波数決定手段３４は、図２のフローチャートのステップ１６０またはステップ１７０に示すように、ステップ１１６にて検索された｜ｆ−Ｆ６０｜＝δを最大にする周波数をｆｍ  として、次に出力する出力電流Ｉの周波数ｆを、ｆ＝ｆｍ  ＋０．１またはｆ＝ｆｍ  −０．１と成し、１回の周波数シフト値を±０．１Ｈｚに固定している。
【００３６】
これに対して、この第２の実施の形態の分散型電源装置１にあっては、出力周波数決定手段３４は、図３のフローチャートのステップ１６１またはステップ１７１に示すように、ステップ１１６にて検索された｜ｆ−Ｆ６０｜＝δを最大にする周波数をｆｍ  として、次に出力する出力電流Ｉの周波数ｆを、ｆ＝ｆｍ  ＋Ａ（δ）またはｆ＝ｆｍ  −Ａ（δ）と成し、１回の周波数シフト値を±Ａ（δ）Ｈｚにしている。そして、δを変数とする関数Ａ（δ）は、Ａ（δ）＞０で且つ変数δに対して増加関数とされている。
【００３７】
つまり、上述のような分散型電源装置１にあっては、周波数検出手段３３によって検出される周波数ｆと基準周波数Ｆ６０との差が大きくなればなるほど、１回の周波数シフト値が大きくなる。従って、商用電源ＡＣの正常時は、分散型電源装置１の出力電流Ｉの周波数が基準周波数Ｆ６０付近となって運転力率の低下を防ぎ、且つ、単独運転状態発生時には、急激な負荷の変化、外来ノイズ、同一系統内の他の分散型電源装置の並列運転、などに影響されることなく、速やかに確実に単独運転を検出できる。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、単独運転状態発生時に、急激な負荷の変化、外来ノイズ、同一系統内の他の分散型電源装置の並列運転などに影響されることがなく、従来のような、周波数シフトした出力電流の周波数が再び振り出しに戻るような影響を受けて単独運転状態の検出が遅れることを回避でき、速やかに確実に単独運転状態を検出できる、優れる分散型電源装置を提供できるという効果を奏する。
【００３９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて更に、速やかに確実に単独運転を検出できる、優れる分散型電源装置を提供できるという効果を奏する。
【００４０】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明の効果に加えて更に、周波数検出手段によって検出される周波数と基準周波数との差が大きくなればなるほど、１回の周波数シフト値が大きくなるので、商用電力系統の正常時は、出力電流の周波数が基準周波数付近となって運転力率の低下を防ぎ、且つ、単独運転状態発生時には、急激な負荷の変化、外来ノイズ、同一系統内の他の分散型電源装置の並列運転、などに影響されることなく、更に速やかに確実に単独運転を検出できる、優れる分散型電源装置を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の分散型電源装置を示すブロック図である。
【図２】上記分散型電源装置の単独運転検出動作を説明するフローチャートである。
【図３】本発明に係る第２の実施の形態の分散型電源装置の単独運転検出動作を説明するフローチャートである。
【図４】商用電力系統との連系運転を前提にする分散型電源装置の出力電流と連系点電圧との理想的な関係を示す説明図である。
【図５】単独運転検出に周波数シフト方式を採用する分散型電源装置の出力電流と連系点電圧との関係を示す説明図である。
【図６】従来の分散型電源装置の単独運転検出動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１            分散型電源装置
３１          記憶手段
３２                    零位相検出手段
３３          周波数検出手段
３４          出力周波数決定手段
３５          電流出力手段
３６          単独運転検出手段
ＡＣ          商用電力系統
Ｆ６０          基準周波数
ｆ            連系点電圧の周波数
ＶＡＣ          連系点電圧
【図１】
0003625025.tif 000002
【図２】
0003625025.tif 000003
【図３】
0003625025.tif 000004
【図４】
0003625025.tif 000005
【図５】
0003625025.tif 000006
【図６】
0003625025.tif 000007