(57)【要約】【課題】  検出する系統電圧が零点付近で歪んでいても、系統電圧の正しい周波数を正確に且つ容易に検出することができる周波数検出装置及び該検出装置を備えた分散電源装置を提供する。【解決手段】  交流電力系統１８の系統電圧を電圧検出器２３で検出し、該電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する周波数検出装置において、前記電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する零点位相検出信号（ａ）と、前記電圧検出器で検出した電圧の零点からずれた位相αの点Ａにより周波数を検出する任意点位相検出信号（ｂ）とで周波数検出を行う。ここで、電圧検出器で検出した交流電圧を整流する整流器３７と、整流された直流電圧を分圧する分圧器３８とを備え、その分圧比より零点から位相のずれた点Ａにより周波数を検出する。【選択図】      図２
2006025550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力系統の系統電圧を電圧検出器で検出し、該電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する周波数検出装置において、
前記電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する零点位相検出信号（ａ）と、前記電圧検出器で検出した電圧の零点からずれた位相の点により周波数を検出する任意点位相検出信号（ｂ）とで周波数検出を行うことを特徴とする周波数検出装置。
【請求項２】
前記周波数検出装置において、電圧検出器で検出した交流電圧を整流する整流器と、整流された直流電圧を分圧する分圧器とを備え、その分圧比より零点から位相のずれた点により周波数を検出することを特徴とする請求項１記載の周波数検出装置。
【請求項３】
前記電圧検出器で検出した交流電圧を２個の比較器に入力し、該比較器の比較値を一方は零点に設定し、他方は前記零点から位相のずれた点の電圧値に設定することを特徴とする請求項１記載の周波数検出装置。
【請求項４】
前記零点からずれた位相の点としては、位相角で１０°〜２０°であることを特徴とする請求項１記載の周波数検出装置。
【請求項５】
交流電力系統に系統連系する分散電源装置において、
交流電力系統の系統電圧を電圧検出器で検出し、該電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する周波数検出装置を備え、
該周波数検出装置は、前記電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する零点位相検出信号（ａ）と、前記電圧検出器で検出した電圧の零点からずれた位相の点により周波数を検出する任意点位相検出信号（ｂ）とで周波数検出を行うことを特徴とする分散電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力系統に系統連系する分散電源装置に係り、特に、系統電圧の周波数を検出する周波数検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、太陽電池や燃料電池などの直流電源から、インバータにより三相交流電圧を形成し、三相の交流電力系統に系統連系する分散電源装置においては、連系動作を的確に行うため、系統電圧の周波数を正確に検出する必要がある。そして、検出した周波数に基づいて、例えばインバータで所要の電圧波形を形成することで、インバータによる系統連系運転が行われる。
【０００３】
このような周波数検出は、基本的には、交流電圧の瞬時量を電圧検出器（ＰＴ）で検出し、所定の周期でサンプリングし、サンプリング値の極性変化から零点（電圧波形の零クロス点）の存在を検知する。そして、前回検出した零点から今回検出した零点までの区間の周期（時間）を算出し、その逆数から交流電圧の周波数を求めるようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特公昭６３−４６６４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、系統電圧波形の零点間の周期から周波数を検出する方式は、零点付近での電圧波形が歪んでいると正確な周波数を検出できないという問題がある。
一時的な電圧波形の歪では、その検出した周波数を、それ以前の数回検出した周波数を平均化し、それを検出周波数とすることで防ぐことが出来る。しかし、電力系統に力率改善を行う負荷などが接続されていると、系統電圧が零点において毎周期毎に連続的に歪んでしまう場合がある。その場合には、検出した周波数が誤った周波数となり、誤った周波数に基づいて運転すると系統連系に誤動作を引き起こすこととなる。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、検出する系統電圧が零点付近で歪んでいても、系統電圧の正しい周波数を正確に且つ容易に検出することができる周波数検出装置及び該検出装置を備えた分散電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の周波数検出装置は、交流電力系統の系統電圧を電圧検出器で検出し、該電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する周波数検出装置において、前記電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する零点位相検出信号（ａ）と、前記電圧検出器で検出した電圧の零点からずれた位相の点により周波数を検出する任意点位相検出信号（ｂ）とで周波数検出を行うことを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の分散電源装置は、交流電力系統の系統電圧を電圧検出器で検出し、該電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する周波数検出装置を備え、該周波数検出装置は、前記電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する零点位相検出信号（ａ）と、前記電圧検出器で検出した電圧の零点からずれた位相の点により周波数を検出する任意点位相検出信号（ｂ）とで周波数検出を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
前記周波数検出装置において、電圧検出器で検出した交流電圧を整流する整流器と、整流された直流電圧を分圧する分圧器とを備え、その分圧比より零点から位相のずれた点により周波数を検出することが好ましい。また、前記電圧検出器で検出した交流電圧を２個の比較器に入力し、該比較器の比較値を一方は零点に設定し、他方は前記零点から位相のずれた点の電圧値に設定することが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、系統電圧が零点において、一時的な歪または毎周期連続的な歪が生じた場合においても、周波数の誤検出をなくすことができる。特に、この周波数検出装置によれば、波形歪みが生じがたい位相角α（１０〜２０°が好ましい）の点で、比較器により位相検出信号（ｂ）を出力させることで、波形歪みによる周波数の誤検出という問題を防止できる。そして、比較的簡単な回路構成（主としてソフトウェアにより実現可能）の追加のみで、この周波数検出装置を備えた分散電源装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態の周波数検出装置を備えた分散電源装置を示す。太陽電池または燃料電池等の直流電源１１が直流線路１１ａ，１１ｂにより、インバータシステム１０に接続され、インバータシステム１０で直流電力が交流電力に変換され、その出力は開閉器１６およびブレーカ１７を介して交流電力系統１８に接続され、系統連系する。
【００１２】
ここで、インバータシステム１０は、直流電源１１の直流電圧を入力とし、昇圧チョッパなどの昇圧回路１２により前記直流電圧を昇圧して、直流部１３に直流高電圧（リンク電圧）を形成する。直流部１３は、直流線路１３ａ，１３ｂの間に、複数のコンデンサＣと抵抗ｒとが直並列接続され、直流高電圧を保持するとともに、直流電圧を平滑化する作用を担っている。
【００１３】
インバータ１５では、直流線路１３ａ，１３ｂから入力された直流リンク電圧から三相交流電圧を形成し、開閉器１６およびブレーカ１７を介して接続された交流電力系統１８と連系し、負荷に交流電力を供給する。インバータ１５は、制御装置２１からの制御指令によりその電力スイッチング素子がオン・オフ動作し、任意の電圧、周波数、位相の交流電圧をパルス幅変調制御等により形成する。
【００１４】
インバータ１５で系統連系する交流電圧波形を形成するに際して、交流電力系統１８側の電圧、位相および周波数を検出しておく必要がある。このため、ブレーカ１７を介して接続される交流電力系統１８の電圧を検出する三相電圧検出トランス（ＰＴ）２３を備えている。三相電圧検出トランス（ＰＴ）２３は、その出力が制御装置２１に接続され、制御装置２１に備えたＣＰＵ回路等により、交流電力系統１８の電圧、位相および周波数が検出される。
【００１５】
図２は、この分散電源装置に備えた周波数検出装置の構成例を示す。交流電力系統１８の系統電圧が電圧検出器（ＰＴ）２３により検出され、制御装置２１に供給され、この制御装置２１の内部で系統電圧の周波数が検出される。
【００１６】
電圧検出器（ＰＴ）２３の出力は、制御装置２１内のノイズカットフィルタ３１に接続され、ここでノイズ等の高周波成分が除去され、低周波成分のみが通過する。ノイズカットフィルタ３１を通過した電圧信号は、図示しないＡ／Ｄ変換器により所定のサンプリング周期毎にサンプリングされ、デジタル信号データとして２個の比較器３２及び３３に送出される。
【００１７】
比較器３２は、電圧波形の零点、すなわち、電圧波形が電位０Ｖとクロスする点の零点位相検出信号（ａ）を出力する。この信号（ａ）は演算部３５に入力され、前回の零点位相検出信号（ａ）と、１周期分後の今回の零点位相検出信号（ａ）との間の周期（時間＝Ｔ）を計測し、この逆数としての周波数を検出する。
【００１８】
すなわち、図３（ａ）に示すように、系統電圧波形が０Ｖとクロスする零点Ｚにおいて、系統電圧信号がプラスの場合には、零点位相検出信号（ａ）は、“１”を出力する。そして、系統電圧信号がマイナスの場合には、零点位相検出信号（ａ）は、“０”を出力する。したがって、零点位相検出信号（ａ）の立ち上がりと次の立ち上がりとの間の周期（時間＝Ｔ）を計測することができる。そして、この周期（＝Ｔ）の逆数を求めることで、系統電圧の周波数を検出することができる。
【００１９】
比較器３３は、電圧波形の零点以外の任意点Ａ、すなわち、電圧波形が電位ＡＶとクロスする点の任意点位相検出信号（ｂ）を出力する。この信号（ｂ）は演算部３５に入力され、前回の任意点位相検出信号（ｂ）と、１周期分後の今回の任意点位相検出信号（ｂ）との間の周期（時間＝Ｔ）を計測し、この逆数としての周波数を検出する。
【００２０】
すなわち、図３（ｂ）に示すように、系統電圧波形がＡＶとクロスする任意点Ａにおいて、系統電圧信号がプラスの場合には、任意点位相検出信号（ｂ）は、“１”を出力する。そして、系統電圧信号がマイナスの場合には、任意点位相検出信号（ｂ）は、“０”を出力する。したがって、任意点位相検出信号（ｂ）の立ち上がりと次の立ち上がりとの間の周期（時間＝Ｔ）を計測することができる。そして、この周期（＝Ｔ）の逆数を求めることで、系統電圧の周波数を検出することができる。
【００２１】
ここで、任意点Ａは、系統電圧の零点からずれた位相の点である。すなわち、系統電圧波形は、基本的に正弦波であり、零点は位相角０°の点であり、任意点Ａは位相角αの点である。従って、比較器３３における比較電圧ＡＶは、系統電圧の振幅の変化に対応して比例する電圧値である。このため、系統電圧が変動しても、位相角αの点の比較電圧ＡＶが系統電圧に比例して変動し、位相角αの点の任意点位相検出信号（ｂ）が得られるようようになっている。
【００２２】
任意点Ａ（位相角α）における位相検出信号（ｂ）を出力する比較器３３における比較電圧ＡＶを形成するため、電圧検出器２３で検出した交流電圧を整流する整流器３７と、整流された直流電圧を分圧する分圧器３８とを備えている。そして、その分圧器３８の分圧比より与えられる電圧ＡＶを比較器３３の比較電圧としている。
【００２３】
すなわち、ノイズカットフィルタ３１を通過後のアナログ交流電圧（系統電圧）を整流器３７で整流し、その直流電圧を分圧器３８により分圧し、その分圧比より零点から位相のずれた位相角αの点Ａにより周波数を検出するものである。したがって、系統電圧の振幅が変動しても、この分圧された電圧Ａは、交流電圧波形の振幅に対する分圧比の電圧が得られる。このため、電圧波形の振幅が変動する場合に、比較電圧Ａも変動するが、この比較電圧Ａの振幅に対する比は一定であり、換言すれば電圧波形の一定の位相角αの電圧に対応した比較値により、任意点位相検出信号（ｂ）を出力するようになっている。従って、任意点位相検出信号（ｂ）の立ち上がりは、系統電圧の零点からずれた位相角αの点で出力される。
【００２４】
次に、この周波数検出装置の動作について説明する。図３に示すように、系統電圧波形に歪みがなく正規の正弦波である場合には、零点位相検出信号（ａ）から計測された周期（＝Ｔ）も、位相角αずれた任意点位相検出信号（ｂ）の周期（＝Ｔ）も等しくなる。このため、周期（＝Ｔ）の逆数として検出される周波数も一致する。
【００２５】
しかしながら、電力系統に力率改善を行う負荷などが接続されていると、系統電圧が零点付近において毎周期毎に連続的に歪んでしまう場合がある。この傾向は、電源系統にインバータ等の力率が悪い負荷が接続されている場合などに顕著である。また、零点以外に６０°などの正弦波位相においても、系統電圧の波形が崩れやすい傾向がある。
【００２６】
図５（ａ）に一般的な三相電圧出力インバータと、（ｂ）にその三相電圧出力波形を示す。単相交流出力の場合で電力スイッチング素子を用いたインバータ出力は、正負極性が切り替わる。０°、１８０°の零点付近での力率調整のための波形操作などにより、出力波形に歪みが生じやすい。しかし、三相交流の場合は各相１２０°ずつずれるので、三相交流では０°、６０°、１２０°の正弦波位相の点でも正負極性の切り替りに伴う位相操作などの影響が出る可能性がある。すなわち、三相交流の場合は、０°、６０°、１２０°、１８０°の正弦波位相でインバータ出力波形に歪みが生じやすい。このため、任意点位相検出信号（ｂ）を生成する零点からずれた位相αとしては１０°〜２０°程度とすることが経験的に好ましい。従って、点Ａは、位相角１０〜２０°の点に設定することが好ましい。
【００２７】
図４は、系統電圧波形が零点付近で歪んでいる場合を示す。すなわち、位相角θ１からθ２の間で系統電圧が０Ｖとなり、また位相角θ３からθ４の間で同じく系統電圧が０Ｖとなり、その他の位相角においては正常である場合を示す。この場合には、零点位相検出信号（ａ）は図示するように位相角θ２で“１”となり、位相角０°で“０”となり、再び位相角θ４で“１”となる。このため、両立ち上がり間の１周期（θ２からθ４）は正しい周期（＝Ｔ）と異なる周期Ｔ’となり、この周期Ｔ’により周波数を演算すると、誤った周波数となる。
【００２８】
しかしながら、零点以外の点Ａにおける任意点位相検出信号（ｂ）によれば、電圧ＡＶとクロスする位相角θ５（点Ａ）で任意点位相検出信号（ｂ）が“１”となり、再び電圧ＡＶとなる位相角θ６において、任意点位相検出信号（ｂ）が“０”となり、再び電圧ＡＶとクロスする位相角θ７（点Ａ）において、任意点位相検出信号は“１”となる。したがって、点Ａで任意点位相検出信号（ｂ）の“１”信号を出力することで、得られる周期は、零点付近で電圧波形が歪んでいても正常な周期（＝Ｔ）が得られる。したがって、この正しい周期（＝Ｔ）に基づいて、その逆数を演算することで正しい周波数が得られる。
【００２９】
図６は、比較器３２により検出した周波数（ａ）と、比較器３３により検出した周波数（ｂ）とから、最終的に検出した周波数を決定するフローを示す。すなわち、零点位相検出信号（ａ）から周波数（ａ）が検出され、任意点位相検出信号（ｂ）から周波数（ｂ）が検出され、この両者の周波数が比較・判断され、最終的な検出周波数が決定される。
【００３０】
まず、判定部４０で、周波数（ａ）と周波数（ｂ）が等しいと判断される場合は、正常状態であり、この一致した周波数が最終的な検出周波数となる。そして、判定部４０はこの周波数を前回判定周波数として記憶する。そして、周波数（ａ）と周波数（ｂ）とが一致しない場合には、前回判定周波数を参照して、判定部４０にて検出周波数を決定する。
【００３１】
例えば、零点近傍で図４に示すような電圧波形の歪みが生じている場合には、周波数（ａ）は異常となるが、任意点位相検出信号による検出周波数（ｂ）が前回判定周波数と一致する場合には、周波数（ｂ）を最終的な検出周波数と判定する。これにより、系統電圧の電圧波形が零点近傍で歪みを生じている場合にも、正しい周波数を検出することが可能となる。
【００３２】
このように、この周波数検出装置によれば、波形歪みが生じがたい位相角α（１０〜２０°が好ましい）の点Ａで、比較器３３により位相検出信号（ｂ）を出力させるという比較的簡単な回路構成（主としてソフトウェアにより実現可能）の追加で、波形歪みによる周波数の誤検出という問題を防止できる。
【００３３】
なお、上述した実施形態においては、比較器を２個用い、零点位相検出信号と任意点位相検出信号を検出するようにしたが、比較器を３個以上用い、複数の位相角による任意点位相検出信号を得るようにしてもよい。これにより、判定部でさらに精度の高い周波数検出を行うことが可能となる。
【００３４】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】分散電源システムの構成例を示す回路図である。
【図２】本発明の周波数検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】系統電圧が正常の場合の波形図である。
【図４】系統電圧の零点近傍に歪みがある場合の波形図である。
【図５】（ａ）はインバータの構成例を示す回路図であり、（ｂ）はその三相出力電圧の波形図である。
【図６】検出された２個の周波数（ａ）（ｂ）から最終的な検出周波数を判定するフロー図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  インバータシステム
１１  直流電源
１２  昇圧回路
１３  直流部
１５  インバータ
１６  開閉器
１７  ブレーカ
１８  交流電力系統
２１  制御装置
２３  電圧検出器
３１  ノイズカットフィルタ
３２，３３  比較器
３５  演算部
３７  整流器
３８  分圧器
４０  判定部
【図１】
2006025550.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006025550.tif 000007
【図６】
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