(57)【要約】【課題】単独運転時、周波数上昇監視回路が動作した時に、周波数変動に応じた無効電流を出力するが、無効電流レベルによっては速やかに周波数異常レベルまで変化させることができない。そのため、より大きな無効電流を出力する必要があるが、有効電流と無効電流の合計値が装置定格を超過し、過電流になる問題があった。【解決手段】周波数上昇監視回路の動作時に、より大きな一定の無効電流出力指令を無効電流調節手段に与え、周波数上昇レベル超過後は出力する無効電流レベルに応じて有効電流レベルを制限し、さらに前記ＰＬＬ回路の応答を高速化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に連系して発電した電力を出力する分散電源において，系統正常時に微小な無効電流を出力する無効電流調整手段と，有効電流調整手段と、出力周波数を制御するＰＬＬ回路と、系統が停電状態になって分散電源の出力周波数が周波数上昇レベルを超過したことを監視する周波数上昇監視回路と、を備え、
前記周波数上昇監視回路の動作時により大きな一定の無効電流出力指令を無効電流調節手段に与え、周波数上昇レベル超過後は出力する無効電流レベルに応じて有効電流レベルを制限し，さらに前記ＰＬＬ回路の応答を高速化することを特徴とする分散型電源装置。
【請求項２】
前記ＰＬＬ回路の応答の高速化は、比例・積分調節器の比例ゲインの増加または積分時間の減少により行うことを特徴とする請求項１に記載の分散型電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池発電システム、燃料電池発電システム、風力発電システムなどで使用される発電装置と電力系統間で使用される単独運転検出機能付き分散型電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３に系統連系用インバータのシステム構成と単独運転検出装置の従来例を示す。図３に示すように系統連系中の系統連系用インバータに備えた無効電力設定器の設定値に周期的に微小変動を与えて系統連系点の無効電力を常時周期的に変化させ、系統連系点または系統連系用インバータの周波数を監視する。
【０００３】
この周波数の微小な上昇が検知された時、系統連系用インバータから見て進相の微小信号を発生させると、単独運転（アイランディングとも言う）状態であれば更に周波数が上昇する。また、監視した周波数の微小な下降が検知されれば、系統連系用インバータから見て遅相の微小信号を発生させると、単独運転状態であれば更に周波数が下降する。この現象に着目して、単独運転現象を確実、迅速に検出するようにしている。
【０００４】
図３において、燃料電池発電システム１は燃料電池本体２、系統連系用インバータ３、配電用変圧器４で構成され、５は負荷、６は電力系統である。また、７は負荷分電用遮断器、８は分散型電源としての燃料電池発電システム１の分散型電源側遮断器、９は電力系統６から受電するための受電点遮断器である。
【０００５】
さらに、単独運転検出装置１０は、周波数／電圧コンバータなどからなる周波数検出回路１１と単独運転検出部２０とで構成される。この単独運転検出部２０は、周期的な正弦波状の微小信号を発生する変動信号発生回路２１と、周波数検出回路１１の出力値の微小変動を監視する比較器、設定器からなる周波数上昇監視回路２２および周波数下降監視回路２３と、周波数上昇監視回路２２または周波数下降監視回路２３のいずれかが動作したことを検知するＯＲ回路２４と、変動信号発生回路２１の出力をパルス波形に変換するシュミット回路２５と、このパルス波形を計測するカウンタ回路２６と、変動信号発生回路２１の出力の負極性のピーク値を保持する進相信号発生回路としての負極性ピークホールド回路２７と、変動信号発生器２１の出力の正極性のピーク値を保持する遅相信号発生回路としての正極性ピークホールド回路２８と、変動信号発生回路２１、負極性ピークホールド回路２７、正極性ピークホールド回路２８それぞれの信号を切り換えて系統連系インバータ３の図示しない無効電力設定器の設定値に微小変動を与え、周波数上昇監視回路２２、周波数下降監視回路２３、カウンタ回路２６それぞれの出力により選択すべき前記信号を演算するＡＮＤ／ＯＲゲート回路、３ステートバッファなどからなる切換回路２９と、受電点Ａの無効電力に常時微小な変化をさせ周波数検出回路１１の出力と所定の基準周波数との偏差を監視する比較器、設定器からなる周波数上限監視回路３０および周波数下限監視回路３１と、周波数上限監視回路３０または周波数下限監視回路３１のいずれかが動作したときに、単独運転信号を発生するＯＲゲートからなる単独運転信号発生回路３２とから構成されている。
【０００６】
図４において、燃料電池発電システム１の系統連系用インバータ３より供給される発電量と負荷５で消費される電力量がバランスしている状態で、図４（Ｂ）に示す時刻ｔ0 で電力系統６側の事故などで受電点遮断器９により電力系統６が切り離されると、燃料電池発電システム１と負荷５との間で単独運転現象が発生する。
【０００７】
このような状態の時に、変動信号発生回路２１と切換回路２９とにより無効電力変動を与え、図４（Ａ）に示すように変動が（＋）極性で電力系統６に対して燃料電池発電システム１がより遅相の無効電力変動を与え、（−）極性で電力系統６に対して燃料電池発電システム１がより進相の無効電力変動を与えるように設定されていると、図４（Ｂ）に示す時刻ｔ0 〜ｔ1 間のような周波数変動が発生して、時刻ｔ1 において周波数上昇監視回路２２が動作し、受電点Ａの無効電力変動の波形を切換回路２９により負極性ピークホールド回路２７の出力とする（図４（Ａ）参照）。
【０００８】
この時の周波数変動は、図４（Ｂ）に示す時刻ｔ1 〜ｔ2 のように拡大するため、図４（Ｂ）に示す時刻ｔ2 において周波数上限監視回路３０が動作し、単独運転信号発生回路３２により単独運転現象が検出される（図４（Ｃ）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第3353549号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、前記文献１では、周波数上昇監視回路２２が動作した時に、周波数変動に応じた無効電流を出力するが、無効電流レベルによっては速やかに周波数異常レベルまで変化させることができない。そのため、変換器容量の数１０％以上の無効電流を出力する必要があるが、この際に発電出力である有効電流と無効電流の合計値が装置定格を超過し、過電流状態になることがあった。この過電流状態を回避するために、装置体積を大きくすると、通常時は装置の利用率が低下するので、コストや装置容積の面で不利になるという問題が生じる。
【００１１】
従って、本発明の目的は、単独運転検出機能を有する分散電源において、周波数上昇検出器が動作した後に、装置体積を増加させることなく速やかに周波数上限監視レベルに周波数を変化させるインバータ制御システムを構築することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の課題を解決するために、第１の発明においては電力系統に連系して発電した電力を出力する分散電源において、系統正常時に微小な無効電流を出力する無効電流調整手段と、有効電流調整手段と、出力周波数を制御するＰＬＬ（Phase-Locked-Loop）回路と、系統が停電状態になって分散電源の出力周波数が周波数上昇レベルを超過したことを監視する周波数上昇監視回路とを備え、前記周波数上昇監視回路の動作時により大きな一定の無効電流出力指令を無効電流調節手段に与え、周波数上昇レベル超過後は出力する無効電流レベルに応じて有効電流レベルを制限し、さらに前記ＰＬＬ回路の応答を高速化する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、周波数上昇監視レベルを超えた後に有効電流を制限することにより負荷との有効電流バランスが崩れるため、周波数がより早く変動することになり、さらにＰＬＬの比例ゲインを増加させることでその効果が大きくなる。その結果、装置体積を増加させることなく速やかに周波数上限監視レベルに周波数を変化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例を示す回路ブロック図である。
【図２】図１の動作を示す波形図である。
【図３】従来例を示す回路ブロック図である。
【図４】図３の動作を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の要点は、電力系統に連系して発電した電力を出力する分散電源において、系統正常時に微小な無効電流を出力し、系統が停電状態になって分散電源の出力周波数が周波数上昇レベルを超過したことを検知した時、より大きな一定の無効電流を流し、周波数上昇レベル超過後は出力する無効電流に応じて有効電流を制限し、さらにＰＬＬ回路の応答を高速化する点である。
【実施例１】
【００１６】
図１に、本発明の実施例を示す。系統連系用インバータ３の出力には、リアクトル４３とコンデンサ４１から構成されるフィルタが接続され、分散電源側遮断器８と受電点遮断器９を介して、電力系統６に接続される。また、５は負荷、７は負荷分電用遮断器である。
【００１７】
単独運転検出機能付分散電源におけるインバータの制御装置では、分散電源側遮断器８の系統側電圧を電圧検出器４４を用いて検出し、それを座標変換器６４で出力周波数基準で座標変換して、系統と同相の成分(Vsd)と90°位相が異なる成分(Vsq)に変換する。出力周波数を決めるＰＬＬ回路では、このVsqと指令値０の偏差を調節器６６に入力し、その出力と基準周波数（例50Hzまたは60Hz）を加算器６６で加算し、この出力を発振器６９に入力してωtに相当する信号を演算し、これを三角関数（例  cos）回路７１に入力し、この出力をインバータの出力正弦波指令信号とする。
【００１８】
なお、インバータと系統が同期した状態では、Vsqが０になる。さらに、この調節器６６は、通常PI調節器で構成され、周波数上昇監視回路６８が動作した時は、比例ゲインの増加や積分時間の減少などにより過渡応答を向上させ、Vsqに対する調節器の出力量を増加させる。
【００１９】
次に、有効電流を制限する方法について示す。このインバータでは、コンデンサ４１とリアクトル４３との間で出力電流を電流検出器４２により検出し、それを振幅演算器４５に入力することで電流振幅値を演算する。
【００２０】
この電流振幅値と電流定格値との偏差を加算器４６で求め、調節器４７に入力する。この調節器４７の出力にリミッタ回路48で0を上限とする上限リミッタをかけた後に加算器４９で電流定格値に加算する。この加算器４９の出力をリミッタ回路５０で０を下限とする下限リミッタにかける。
【００２１】
この二つのリミッタ４８、５０は、無効電流が小さい時は、電流定格値で有効電流を制限し、無効電流が大きい時は有効電流を０に制限する有効電流リミッタ値を演算するために使用する。そして、この演算結果は、下限を０、上限を上記有効電流リミッタ値とする上下限リミッタ５１に入力され、有効電流指令を制限するリミッタ動作を実行する。なお、この有効電流指令はインバータの直流電圧を一定に制御するための調節器出力になることもあり、また発電電力で決まる有効電流になることもある。
【００２２】
次に、無効電流指令は、常時は文献１と同様の方法で周期的に変動する微小値であり、周波数上昇監視回路が動作した後は、変化する周波数値に応じて進みまたは遅れの一定値となる。この演算は、文献１と同じであるので、説明を省略する。
【００２３】
上記、有効電流指令と無効電流指令を出力周波数を基準とする座標変換器５２に入力し、出力電流指令U相とW相を演算する。U相電圧指令信号は、この出力電流指令U相と出力電流U相検出値との偏差を加算器５３で求め、調節器５４に入力し、その出力を座標変換器６４の出力VsdとU相用基準正弦波とを掛算器５７で掛算して求めた正弦波に加算器６０で加算して求める。
【００２４】
W相電圧指令信号は、この出力電流指令W相と出力電流W相検出値の偏差を加算器５５で求め、調節器５６に入力し、その出力を座標変換器６４の出力VsdとW相用基準正弦波とを掛算器５９で掛算して求めた正弦波に加算器６２で加算して求める。
【００２５】
V相電圧指令信号は、U相とW相の調節器５４、５６の各出力結果と出力正弦波から120°遅れの正弦波（V相基準正弦波と座標変換器６４の出力Vsdと掛算器５８で掛算して求めた正弦波）を加算、減算して求める。これら3相の電圧指令信号と出力周波数から三角波キャリア生成器７０によって求めたキャリア信号を用いてPWM（パルス幅変調）を行い、ゲート信号生成回路６３でインバータのゲートパルスを生成する。
【００２６】
上記演算から得られる動作波形を図２に示す。時刻t1で基準周波数＋調節器出力が周波数上昇レベルを超過すると、ＰＬＬの比例ゲインが増加し、無効電流が増加する。それに応じて、有効電流制限値が減少して、過電流を回避しつつ、周波数が速やかに変化する。この周波数の上昇を周波数上限監視回路で検出することにより、単独運転を確実に検出することができる。上述のように、無効電流に応じて、有効電流を制限しているため、装置の容量を増加させることなく、単独運転を検出することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１・・・燃料電池発電システム          ２・・・燃料電池本体
３・・・系統連系用インバータ          ４・・・配電用変圧器          ５・・・負荷
６・・・電力系統          ７、８、９・・・遮断器
１０・・・単独運転検出装置          １１・・・周波数検出回路
２０・・・単独運転検出部          ２１・・・変動信号発生回路
２２・・・周波数上昇監視回路          ２３・・・周波数下降監視回路
２４・・・ＯＲ回路          ２５・・・シュミット回路
２６・・・カウンタ回路          ２７・・・負極性ピークホールド回路
２８・・・正極性ピークホールド回路          ２９・・・切換回路
３０・・・周波数上限監視回路          ３１・・・周波数下限監視回路
３２・・・単独運転信号発生回路          Ａ・・・受電点
４１・・・コンデンサ          ４２・・・電流検出器          ４３・・・リアクトル
４４・・・電圧検出器（変圧器）          ４５・・・振幅演算器
４６、４９、５３、５５、６０、６１、６２、６５、６７・・・加算器
４７、５４、５６、６６・・・調節器          ４８、４９、５１・・・リミッタ回路
５２、６４・・・座標変換器          ５７、５８、５９・・・掛算器
６３・・・ゲート信号生成回路          ６８・・・周波数上昇監視回路
６９・・・発振回路          ７０・・・三角波キャリア生成器
７１・・・三角関数回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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