(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の電力を交流電力に変換して系統、あるいは、系統に接続された負荷にその電力を供給するように構成した系統連系用電力変換システムにおいて、系統の電圧波形から周波数を検出し、それに比例した周波数対応値を出力する周波数検出部と、その周波数対応値を入力とする第１のローパスフィルタと、同じく前記周波数対応値を入力とする第２のローパスフィルタとの出力の差の絶対値を演算して出力する演算部、および、その演算結果が設定値以上になったときに系統が停電したと判定して信号を出力するレベル判定部とを備え、更に、前記レベル判定部からの出力信号を設定時限だけ遅らせる動作遅延部と、前記出力信号がなくなったときに、その消失を設定時限だけ遅らせる復帰遅延部とを具備して、前記レベル判定部の出力信号に基づいて系統連系用電力変換システムの運転を停止させ、系統と解列させることを特徴とする系統連系用電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配電系統に連系し、直流電力を交流電力に変換してその電力を需要家側の負荷や系統に供給する系統連系用電力変換システムの保護装置に係わり、特に、系統停電時に該システムが単独運転するのを防止する保護装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力系統連系技術要件のガイドラインによれば、太陽電池などの直流電力を交流電力に変換してその電力を配電系統やそこに接続された負荷に供給する電力変換システムにおいては、系統停電時における作業者の感電事故防止のため、系統停電を検出し該システムの単独運転を防止する機能を有することが１つの技術要件として打ち出されている。
【０００３】
現在までのところ、理論上および実際の運用上のいかなる場合においても単独運転を完全に防止するための手段は提案されていない。そのため先のガイドラインでは、有効であると認められている２つの方式群、即ち、受動的方式と能動的方式の中からそれぞれ１つずつの方式を採用し、それら２つの方式の組合わせによって、前記システムの単独運転を防止するという指針が打ち出されている。
【０００４】
こうした現状の中、受動的方式の１つに電圧位相跳躍検出方式という方式があり、この方式を採用した系統連系用電力変換システムとしては、例えば、図４に示すようなものがある。図４において、位相記憶回路１２は系統１０の電圧位相を５秒〜１０秒の時定数で記憶する回路で、通常は系統電圧に同期した方形波を出力する。
【０００５】
その出力は位相比較回路１３の一方の入力となる。位相比較回路１３の他方の入力には、系統１０の電圧波形が波形整形回路１１で方形波に整形されて加えられる。系統正常時には位相比較回路１３に加えられる２つの信号は同相で、この時の位相比較回路１３の出力は０である。
【０００６】
系統１０が停電すると多くの場合周波数が変化し、位相が変化する。波形整形回路１１の出力信号は、この変化に速やかな速度で追従し変化していく。一方、位相記憶回路１２の出力信号は、該回路１２の時定数が大きいため、これよりも短い時間内ではほとんど変化しない。
【０００７】
その結果、両出力信号の間に位相差が発生し、次第にその差は拡大していく。この位相差が所定値を超えると位相比較回路１３の出力は０から１に転じ、制御装置３はそのことを以て系統１０が停電したと判断し、電力変換装置２を停止させ、系統１０と解列させる。位相記憶回路１２としては、図５に示すようなフェーズロックドループ（ＰＬＬ）回路が使用されている。以上のような例としては、特開平１−９１６７１号公報に具体的に示されているようなものが一般的によく知られている。
【０００８】
また、特開平８−２７５３９９号公報に示されているように、系統電圧の位相を記憶するＰＬＬ回路と、そのＰＬＬ回路内の位相差検出器の出力を検出する検出回路を設け、位相差検出器の出力が所定値を超えたときに系統が停電したと判断し、電力変換装置を停止させて系統と解列させるようにしたものも見受けられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような従来の系統連系用電力変換システムにおいては、系統電圧の位相の変化を検出するのにＰＬＬ回路を必要とする。前記ＰＬＬ回路は、そのものが１個のＩＣの形で市販されているためハードウェアとして実現するのは容易である反面、ソフトウェアとして実現するのは非常に困難である。特に、このような系統連系用電力変換システムにおいては、制御装置等にマイクロコンピュータを使用することが多く、電圧位相跳躍検出方式をプログラムで実現し、先のマイクロコンピュータに組込むことができれば、システムが簡素化でき非常に好都合である。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決すべくなされたもので、その目的は、ＰＬＬ回路を使用しないで、簡単に実現可能な電圧位相跳躍検出方式を用いた系統連系用電力変換システムを提供することにある。
【００１１】
【問題を解決するための手段】
本発明は、直流電源の電力を交流電力に変換して系統、あるいは、系統に接続された負荷にその電力を供給するように構成した系統連系用電力変換システムにおいて、系統の電圧波形から周波数を検出し、それに比例した周波数対応値を出力する周波数検出部と、その周波数対応値を入力とする第１のローパスフィルタと、同じく前記周波数対応値を入力とする第２のローパスフィルタとの出力の差の絶対値を演算して出力する演算部、および、その演算結果が設定値以上になったときに系統が停電したと判定して信号を出力するレベル判定部とを備え、更に、前記レベル判定部からの出力信号を設定時限だけ遅らせる動作遅延部と、前記出力信号がなくなったときに、その消失を設定時限だけ遅らせる復帰遅延部とを具備して、前記レベル判定部の出力信号に基づいて系統連系用電力変換システムの運転を停止させ、系統と解列させるように構成したことを特徴とする。
【００１４】
本発明は、電源系統が正常に機能している状態では周波数はほとんど変化しないので、第１のローパスフィルタの出力と第２のローパスフィルタの出力はほぼ一致している。これら２つのフィルタの時定数は互いに異なる値に設定してあるので、系統が停電して周波数が変化したりすると、両フィルタの出力に差が生じる。しかも、前記フィルタの時定数程度の時間内ではその差は順次拡大し、この時間内では、これらのローパスフィルタは積分器と同じような働きをする関係上、それらの出力は系統電圧位相を含んだものになる。従って、両フィルタの出力の差をとることにより位相対応値が得られることになる。この位相対応値が所定値を超えたとき系統が停電したと判断し、電力変換装置の運転を停止させ系統と解列させることができる。本発明は、以上説明したように構成したので、従来の如く、電圧位相の変化をＰＬＬ回路を使用することなく容易に検出することが可能となり、系統連系用電力変換システムを簡易な構成で、経済的に製作することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１ないし図３により説明する。なお、図１において図４と同一部品は同一符号を付して説明する。図１は本発明の系統連系用電力変換システムの構成を示すブロック図であり、図１において、２は太陽電池１の直流電力を交流電力に変換して、系統１０やそれに接続される負荷（図示せず）に供給する電力変換装置である。
【００１６】
３は前記電力変換装置２の運転・停止や系統１０との連系・解列を制御する制御装置であり、４は系統１０の電圧波形から周波数を検出し、それに比例した周波数対応値を出力する周波数検出部である。５ａ，５ｂは前記周波数対応値をそれぞれの入力とするローパスフィルタを示し、前記ローパスフィルタ５ａ，５ｂはその時定数を互いに異なるものとしている。
【００１７】
６は前記２つのローパスフィルタ５ａ，５ｂの出力の差の絶対値を演算して出力する演算部であり、７は前記演算部６の出力がある設定レベルを超えたか否かを判定し、超えている場合のみ信号を出力するレベル判定部である。８は前記レベル判定部７の出力信号をある設定時限だけ遅らせて制御装置３に出力する動作遅延部であり、９は前記レベル判定部７の出力信号がなくなったときに、別の設定時限だけ遅らせた後、制御装置３への出力信号をなくす復帰遅延部である。
【００１８】
つづいて、前記系統連系用電力変換システムの動作について説明する。図１に示す周波数検出部４は系統１０の電圧波形から周波数を検出すると、それに比例した周波数対応値を出力する。なお、本実施例では説明を簡単にするため、６０Ｈｚなどといった数値データが出力されるものとする。そして、前記周波数データは時定数をそれぞれ異にする２つのローパスフィルタ５ａ，５ｂに入力される。このフィルタ５ａ，５ｂは、例えば、次式に示すような伝達関数によって表されるフィルタである。
【００１９】
【数１】
0003592595.tif 000002
【００２０】
前記［数１］において、Ｘ（ｓ）はラプラス変換されたフィルタの入力であり、Ｙ（ｓ）はラプラス変換されたフィルタの出力、Ｔはフィルタの時定数をあらわしている。そして、前記［数１］で表されるようなフィルタにおいてｔ＝０のときに入力ｘ（ｔ）がｆ０からｆ０＋Δｆに変化したとすると、このときの出力ｙ（ｔ）は次式のようになる。
【００２１】
【数２】
0003592595.tif 000003
【００２２】
さらに、ｔ＜Ｔの範囲では、以下のように近似できる。
【００２３】
【数３】
0003592595.tif 000004
【００２４】
また、十分時間が経過した時点では次式のようになる。
【００２５】
【数４】
0003592595.tif 000005
【００２６】
説明を簡単にするため、系統１０が停電したとき前記のように周波数が変化したとすると、ローパスフィルタ５ａ，５ｂの出力ｙ１（ｔ），ｙ２（ｔ）は、［数３］より、ｔ＜ｍｉｎ（Ｔ１，Ｔ２）の時間内において次式のようになる。
【００２７】
【数５】
0003592595.tif 000006
【００２８】
演算部６は、ローパスフィルタ５ａ，５ｂの出力ｙ１（ｔ），ｙ２（ｔ）の差の絶対値を演算し、その演算結果をレベル判定部７に出力する。つまり、［数５］より演算部６の出力は以下のようになる。ここで、ｋ＝１／Ｔ２−１／Ｔ１とする。
【００２９】
【数６】
0003592595.tif 000007
【００３０】
ところで、周波数ｆ（ｔ）と位相θ（ｔ）の間には次式のような関係がある。
【００３１】
【数７】
0003592595.tif 000008
【００３２】
したがって、前記のように周波数が変化したとすると、変化する前と比べて以下に示す分だけ位相が変化する。
【００３３】
【数８】
0003592595.tif 000009
【００３４】
以上のことから演算部６の出力は、ｔ＜ｍｉｎ（Ｔ１，Ｔ２）の時間内では位相に対応した値になることがわかる。レベル判定部７は、この位相対応値が設定レベルを超えたときに系統１０が停電したと判断して、動作遅延部８と復帰遅延部９とを介して信号を制御装置３に出力し、設定レベル以下のときには出力しない。制御装置３はこの信号を検出した時点で電力変換装置２の運転を停止させ、系統１０と解列させる。
【００３５】
一方、系統１０が正常なときは、周波数はほとんど変化しないので、ローパスフィルタ５ａ，５ｂの出力はともに等しく、系統１０の周波数データになっている。したがって演算部６の出力は０となるので、レベル判定部７は、系統１０は正常であると判断して、制御装置３に信号を出力しない。
【００３６】
ところで、系統１０に大容量負荷が投入されたり、瞬時停電が発生するなどして、検出した周波数が変動する場合がある。このような場合の周波数変動の継続時間は短いが、レベル判定部７は系統停電と判断する恐れがある。動作遅延部８はこのような誤判断による停止を防止するためのもので、動作遅延時間Ｔ３は、このような場合のレベル判定部７の出力信号継続時間より長く設定している。図２に示すように、継続時間がＴ３以下の入力信号は出力されず、それより長いものが出力されることになる。これにより、このような変動による誤判断があったとしてもレベル判定部７の信号は制御装置３に出力されないので、電力変換装置２は停止しない。
【００３７】
動作遅延部８を設けた結果、制御装置３に送られる信号の継続時間が短くなって検出できなくなる危険性がある。復帰遅延部９はこの危険性を防ぐためのもので、図３に示すように、動作遅延部８の出力信号消失後もＴ４時間だけその消失を遅らせるものである。時限Ｔ４は制御装置３が十分検出できる時間、ないしは電力変換装置２を停止させておきたい所望の時間に設定している。
【００３８】
なお、本実施例では、ローパスフィルタ５ａ，５ｂとして、［数１］に示す伝達関数であらわされるフィルタを例にとり説明したが、本発明はこれに限定せず、例えば、フィルタゲインは１に限定するものではないし、［数６］にて位相差が演算できればフィルタ次数も１でなくてもよい。
【００３９】
また、ローパスフィルタ５ａ，５ｂはデジタルフィルタとして知られているアルゴリズムを利用すれば簡単に実現できるので、本発明をマイクロコンピュータを利用したプログラムの形態で実施することも可能である。
【００４０】
以上のように本発明の系統連系用電力変換システムでは、ＰＬＬ回路を使用せずに、系統停電時に生じる系統電圧の位相変化を容易に検出することができるため、システムの構造を簡素化することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は系統が正常に機能している状態では周波数はほとんど変化せず、第１のローパスフィルタの出力と第２のローパスフィルタの出力はほぼ一致している。これら２つのフィルタの時定数は互いに異なる値に設定してあり、系統が停電して周波数が変化したりすると、両フィルタの出力に差が生じ、しかも、前記フィルタの時定数程度の時間内ではその差は順次拡大していくことになり、この時間内においては、前記第１、第２のローパスフィルタは積分器と同じような働きをする結果、それらの出力は系統電圧位相を含んだものになる。このため、両フィルタの出力の差をとることにより位相対応値が得られることになる。この位相対応値が所定値を超えたとき系統が停電したと判断し、電力変換装置の運転を停止させ系統と解列させることができる。本発明は、以上説明したように構成したので、従来の如く、電圧位相の変化をＰＬＬ回路を使用することなく容易に検出することが可能となり、系統連系用電力変換システムを簡易な構成で、経済的に製作することができる。
【００４２】
また、本発明は前記のように、ＰＬＬ回路を使わずに系統電圧位相の変化を検出することができるため、ハードウェア的にもソフトウェア的にも簡単な構成で系統停電を検出し、該システムの単独運転を迅速・確実に防止することができる。更に、本発明の系統連系用電力変換システムは、系統に大容量負荷が投入されたり、瞬時停電が発生したときなど、周波数変動の継続時間が短いような場合においては、系統停電であると誤判定することを確実に防止することができるように構成したので、系統連系用電力変換システムが不意に停止してしまうという問題は全くなくなり、利便である。その上、本発明の系統連系用電力変換システムは、復帰遅延部により動作遅延部の出力信号が消失した後も所定時間だけその消失を遅らせるように構成されているので、制御装置に送られる信号の継続時間が短くなって検出できないといった問題も確実に防止することができ、便利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の系統連系用電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【図２】前記系統連系用電力変換システムを構成する動作遅延部の機能を表す波形図である。
【図３】前記系統連系用電力変換システムを構成する復帰遅延部の機能を表す波形図である。
【図４】従来の系統連系用電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【図５】従来の系統連系用電力変換システムを構成する位相記憶回路の詳細図である。
【符号の説明】
１  太陽電池
２  電力変換装置
３  制御装置
４  周波数検出部
５ａ，５ｂ  ローパスフィルタ
６  演算部
７  レベル判定部
８  動作遅延部
９  復帰遅延部
１０  系統
１１  波形整形回路
１２  位相記憶回路
１３  位相比較回路
【図１】
0003592595.tif 000010
【図２】
0003592595.tif 000011
【図３】
0003592595.tif 000012
【図４】
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【図５】
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