(57)【要約】      （修正有）【課題】周波数変動時のＦＲＴ要件に対して、単独運転の誤検出を解決し、且つ、単独運転状態となったときは的確にこれを検知できる機能を備えた、分散型電源ユニットを提供する。【解決手段】分散型電源と、分散型電源で発生する電力を交流変換する電圧制御型のインバータと、インバータの出力を変圧するトランスとを備え、トランスの出力側が開閉器４を介して系統連系先の交流電力系統の電力供給ラインに接続される分散型電源ユニットＤＰＵにおいて、トランスの出力側の周波数から周波数変化率を検出する周波数変化率検出部６と、トランスの出力側の電圧から３次高調波含有率を検出する高調波含有率検出部７と、高調波含有率が予め定めた閾値ｒｅｆ１を超えかつ周波数変化率が予め定めた閾値ｒｅｆ２を超えたか否かを判断する判断部８とを備える。、両閾値ｒｅｆ１、ｒｅｆ２を超えたときに開閉器４を遮断する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力または交流電力を発生する分散型電源と、前記分散型電源で発生する直流電力を交流変換し若しくは前記分散型電源で発生する交流電力に対して直流変換した後の直流電力を交流変換する電圧制御型の逆変換装置と、前記逆変換装置の出力を変圧する変圧器とを備え、前記変圧器の出力側が開閉器を介して系統連系先の交流電力系統の電力供給ラインに接続される分散型電源ユニットであって、
前記変圧器の出力側の周波数から周波数変化率を検出する周波数変化率検出部と、前記変圧器の出力側の電圧から特定次数の高調波含有率を検出する高調波含有率検出部と、前記高調波含有率が予め定めた閾値を超えかつ前記周波数変化率が予め定めた閾値を超えたか否かを判断する判断部とを備え、前記判断部が前記両閾値を超えたと判断したときに前記開閉器が遮断される構成としたことを特徴とする分散型電源ユニット。
【請求項２】
高調波含有率検出部の出力側にオフディレイタイマ部を備えている請求項１に記載の分散型電源ユニット。
【請求項３】
特定次数の高調波が３次高調波である請求項１又は２に記載の分散型電源ユニット。
【請求項４】
分散型電源が系統連系先の交流電力系統に対して単独運転状態にあるか否かを検出する方法であって、前記分散型電源の出力側の電圧の周波数変化率が予め定めた閾値を超えても、前記分散型電源の出力側の特定次数の高調波含有率が予め定めた閾値を超えないときは、前記前記分散型電源が単独運転状態にあると判断せず、前記分散型電源の出力側の周波数変化率が前記閾値を超え、かつ前記分散型電源の出力側の特定次数の高調波含有率が前記閾値を超えたことをもってはじめて、前記分散型電源が単独運転状態にあると判断することを特徴とする周波数変動時における分散型電源の単独運転状態の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、事故時運転継続要件（以下、ＦＲＴ要件：Ｆａｕlt  Ｒｉｄｅ  Ｔｈｒｏｕｇｈ）に対して、単独運転の誤検出による故障停止から運転継続要件を満たせない問題を解決し、且つ、単独運転状態となったときは的確にこれを検知することを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光をはじめとした種々の分散型電源の系統連系が増加している。この種の系統連系は、直流電力または交流電力を発生する分散型電源と、分散型電源で発生する直流電力を交流変換し若しくは前記分散型電源で発生する交流電力に対して直流変換した後の直流電力を交流変換する電圧制御型の逆変換装置と、逆変換装置の出力を変圧する変圧器とを備えた分散型電源ユニットを用い、変圧器の出力側を開閉器を介して系統連系先の交流電力系統の電力供給ラインに接続することにより構成される。
【０００３】
このような系統連系において、分散型電源が交流電力系統の事故時に一斉に連系を止めると、電力の受給関係が崩れ、系統電圧、周波数に悪影響を及ぼす。これを防止するため、系統連系規定（ＪＥＡC９７０１−２０１６）のＦＲＴ要件では、交流電力系統の事故時に相当する瞬時電圧低下や周波数変動時も分散型電源ユニットが一定期間運転を継続するよう定めている。このＦＲＴ要件の周波数変動時における運転継続要件では、分散型電源ユニットの出力側に現れる±２Ｈｚ／ｓのランプ変化時は運転継続することが定められている。その変動範囲は、５０Ｈｚで４７．５〜５１．５Ｈｚ、６０Ｈｚで５７．０〜６１．８Ｈｚである。
【０００４】
一方、交流電力系統が停電した際に、分散型電源ユニットが交流電力系統への出力を継続する「単独運転」では、本来無電圧であるべき交流電力系統が充電されるため、作業者の感電や、他回線からの送電ができなくなる問題がある。このため、単独運転をいち早く検出し、分散型電源ユニットを系統から切り離す必要がある。この単独運転検出の検出方法の１つに、周波数異常を捉えて単独運転を検出する「周波数変化率検出方法」が知られている（例えば特許文献１参照）。この周波数変化率検出方法では、検出閾値は通常の周波数に対して±（０．１〜０．３）％の値に設定することが一般に行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１２０２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
かかる「周波数変化率検出方法」の周波数変化率の定義は、基準周波数に対する現在の周波数変化の割合であり、現在の周波数変化の定義は多様であるが、例えば基準周波数を平均周波数ｆave、現在の周波数をｆとした場合、{（ｆ−ｆave）/ｆave}×１００（％）で計算される。基準周波数は一般的に５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。そのため、±２Ｈｚ／ｓのランプ変化では、５０Ｈｚの場合はわずか０．０２５〜０．０７５ｓで、６０Ｈｚの場合はわずか０．０３〜０．０９ｓで「周波数変化率検出方式」の検出閾値である±（０．１〜０．３）％に達してしまう。
【０００７】
このように、ＦＲＴ要件の周波数変動±２Ｈｚ／ｓのランプ変化時は、「周波数変化率検出方式」が異常を検出してしまうことが必然である。しかし、この検出により、分散型電源を交流電力系統から切り離す処理を行うため、周波数変動時の運転継続要件を満たすことができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、周波数変動時における単独運転の誤検出に適切に善処し、単独運転時には的確にこれを検出可能とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を講じたものである。
【００１０】
すなわち、本発明に係る分散型電源ユニットは、直流電力または交流電力を発生する分散型電源と、前記分散型電源で発生する直流電力を交流変換し若しくは前記分散型電源で発生する交流電力に対して直流変換した後の直流電力を交流変換する電圧制御型の逆変換装置と、前記逆変換装置の出力を変圧する変圧器とを備え、前記変圧器の出力側が開閉器を介して系統連系先の交流電力系統の電力供給ラインに接続されるものであって、前記変圧器の出力側の周波数から周波数変化率を検出する周波数変化率検出部と、前記変圧器の出力側の電圧から特定次数の高調波含有率を検出する高調波含有率検出部と、前記高調波含有率が予め定めた閾値を超えかつ前記周波数変化率が予め定めた閾値を超えたか否かを判断する判断部とを備え、前記判断部が前記両閾値を超えたと判断したときに前記開閉器が遮断される構成としたことを特徴とする。
【００１１】
このようにすれば、ＦＲＴ要件において継続運転が要求される±２Ｈｚ／ｓの周波数変化率を超えたことをもって直ちに分散型電源ユニットが遮断されることを回避して、ＦＲＴ要件の実効性を担保するとともに、交流系統電源が切り離されたときに変圧器に起因して生じるわずかな高調波の発生を捉えてＡＮＤ条件とすることによって、単独運転状態に陥ったことを確実に検知することが可能となる。
【００１２】
この場合、高調波含有率検出部の出力側にオフディレイタイマ部を備えていることが有効である。高調波はサンプリング周期ごとに出力されるため、閾値を超えた旨の出力をオフディレイタイマ部でホールドすることによって、周波数変化率が閾値を超えた旨の出力とのＡＮＤ条件の成否を的確に判断することができる。
【００１３】
特に、特定次数の高調波が３次高調波であることが好ましい。ステップ注入付周波数フィードバック方式では、特に３次高調波含有率の変化が多く採用されているため、既存の機能を簡単に利用することができる。
【００１４】
以上を単独運転状態の検出方法の見地から捉えると、分散型電源が系統連系先の交流電力系統に対して単独運転状態にあるか否かを検出するにあたり、前記分散型電源の出力側の電圧の周波数変化率が予め定めた閾値を超えても、前記分散型電源の出力側の特定次数の高調波含有率が予め定めた閾値を超えないときは、前記前記分散型電源が単独運転状態にあると判断せず、前記分散型電源の出力側の周波数変化率が前記閾値を超え、かつ前記分散型電源の出力側の特定次数の高調波含有率が前記閾値を超えたことをもってはじめて、前記分散型電源が単独運転状態にあると判断する方法であり、単独運転状態の誤検出防止方法と捉えることもできる。
【発明の効果】
【００１５】
以上、本発明によれば、周波数変動時のＦＲＴ要件に対して、単独運転の誤検出による故障停止から運転継続要件を満たせない問題を解決し、且つ、単独運転状態となったときは的確にこれを検知できる機能を備えた、新規有用な分散型電源ユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る分散型電源ユニットを商用電源に系統連系させた電力供給システムを示す図。
【図２】同分散型電源ユニットの具体的な構成例を示す図。
【図３】図２の一部の機能を具体的に示すブロック図。
【図４】図３の構成において単独運転か否かを判断する元となる信号を示すチャート図。
【図５】周波数変化率方法を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本実施形態に係る分散型電源ユニットＤＰＵを商用電源Ｅに系統連系させた電力供給システムを示す図、図２は同分散型電源ユニットＤＰＵの具体的な構成例を示す図である。この分散型電源ユニットＤＰＵは、分散型電源１と、分散型電源１で発生する電力が直流電力である場合にはその直流電力を、また分散型電源１で発生する電力が交流電力である場合には直流変換した後の直流電力を商用電源Ｅに電圧、周波数、位相を合わせるように交流変換する逆変換装置であるインバータ２と、インバータ２の出力を昇圧または降圧する変圧器であるトランス３と、トランス３の出力側に設けた開閉器４とを含んで構成され、開閉器４の末端が系統連係先の交流電力系統ＡＰＳの電力供給ラインＬに接続されている。
【００１９】
交流電力系統ＡＰＳは商用電源Ｅから負荷Ｚへの電力供給ラインＬ上において、所定の基準を満たした分散型電源ユニットＤＰＵの接続を許容する。
【００２０】
分散型電源ユニットＤＰＵは、分散型電源１に波力発電装置、太陽光発電装置、風力発電装置など、種々のものを採用することができる。分散型電源１で発電した電力は、太陽光発電等により発生する直流電力である場合にはそのままＤＣ−ＤＣコンバータ１１を経てインバータ２に入力され、風力発電等により発生する交流電力である場合にはＤＣ−ＤＣコンバータ１１に入る前段で図示しない変換装置たるＡＣ−ＤＣコンバータにより直流変換された後にＤＣ−ＤＣコンバータ１１を経てインバータ２に入力される。
【００２１】
インバータ２は、交流電力系統ＡＰＳの交流電力に連系して運転される。そのために、分散型電源ユニットＤＰＵは制御部５を備え、トランス３の出力側に設けた検出部５１が検出する電圧が制御部５に入力されて、この制御部５において電圧検出部５１の電圧、位相、周波数に対し、インバータ２の出力が所要の電圧、位相、周波数となるように、インバータ２のブリッジ回路がＰＷＭ制御される。インバータ２の出力はＬＣフィルタ部２１を通してトランス３の１次側に接続される。
【００２２】
トランス３は、インバータ２が接続される１次側と電力供給ラインＬに接続される２次側の間の絶縁を保ちつつ、１次側と２次側の間で昇圧や降圧等を行う。
【００２３】
前述したように、分散型電源１が交流電力系統ＡＰＳの事故時に一斉に連系を止めると、電力の受給関係が崩れ、系統電圧、周波数に悪影響を及ぼす。例えば、図１に示すように送配電系線がメインのラインＬ１に対し障害時に備えて予備のラインＬ２が並設されて冗長化が図られている場合、メインのラインＬ１で一時的に障害が発生して予備のラインＬ２にスイッチングするまでに単独運転と判断されたのでは、実質的に冗長化が機能しなくなる。
【００２４】
この種の不具合を避けるため、系統連系規定のＦＲＴ要件では、交流電力系統ＡＰＳの事故時に相当する瞬時電圧低下や周波数変動時にも一定期間運転を継続するよう定めている。
【００２５】
一方、交流電力系統ＡＰＳが停電した際に、分散型電源ユニットＵが交流電力系統ＡＰＳへの出力を継続する単独運転では、本来無電圧であるべき交流電力系統ＡＰＳの電力供給ラインＬに給電がなされるため、作業者の感電や、他回線からの送電ができなくなる問題がある。このため、単独運転をいち早く検出し、分散型電源ユニットＤＰＵを交流電力系統ＡＰＳから切り離す必要がある。
【００２６】
しかしながら、前述した周波数変化率検出方法だと、ＦＲＴ要件として規定される±２Ｈｚ／ｓの変化だけで単独運転と誤検出してしまう。
【００２７】
そこで本実施形態は、周波数変化率検出方法を採用しつつ、その誤検出を防止するために、特定高調波である３次高調波含有率による単独運転の検出方式を併用する。そもそも、３次高調波含有率による単独運転の検出方式は「３次高調波電圧歪急増検出方式」として既に存在するが、「３次高調波電圧歪急増検出方式」は、逆変化装置（インバータ）に電流制御型を用い、単独運転移行時に変圧器に依存する３次高調波電圧の急増を検出する方式であって、系統連系規程で規定される検出閾値は１〜３％と高い。このため、このようなレベルの電圧変化が生じにくい電圧制御型の逆変換装置を有する回路には適用できない。
【００２８】
すなわち、ＦＲＴ要件を満たすための回路は、三相不平衡状態の系統電圧に対して制御する必要があり、逆変換装置として電圧制御型のインバータを含んでいるため、既知の「３次高調波電圧歪急増検出方式」を採用できない事情がある。
【００２９】
閾値がこのようなレベルに設定されている理由として、これより低いレベルに設定されると電圧値がふらつく度に誤検出が生じる事が一つにあると推察される。
【００３０】
何れにせよ、上記の理由で、「３次高調波電圧歪急増検出方式」だけで単独運転を検出することはできないのであるが、３次高調波含有率のわずかな変化自体は発生する。そこで本実施形態は、「３次高調波電圧歪急増検出方式」の本来の使い方とは異なるが、電圧制御型の逆変換装置において生じる３次高調波含有率のわずかな変化に着目し、これを利用して、周波数変動時と単独運転時を切り分ける。
【００３１】
そのために、この実施形態の分散型電源ユニットＤＰＵは、図３に示すように、トランス３の出力側に設けた検出部５１を通じて得られる周波数ｆから周波数変化率Δｆを検出する周波数変化率検出部６と、トランス３の出力側に設けた検出部５１を通じて得られる電圧から特定次数すなわちこの実施形態では３次の高調波含有率を検出する高調波含有率検出部７と、高調波含有率が閾値ｒｅｆ１を超えかつ周波数変化率が閾値ｒｅｆ２を超えたか否かを判断するための判断部８とを前記制御部５の一部に備え、前記判断部８が前記両閾値ｒｅｆ１、ｒｅｆ２を超えたと判断したときに制御部５から前記開閉器４を遮断する命令が出力されるように構成されている。
【００３２】
周波数変化率検出部６は、単独運転移行時に発電出力と負荷の不平衡が生じることに着目して、その際の周波数の急変を検出する。この実施形態では、検出部５１で検出される周波数と周波数平均値算出部６１で算出される周波数平均値とを差分器６２に入力し、その差分値と、前記周波数平均値とを除算器６３に入力している。すなわち、この実施形態における周波数変化率は基準周波数に対する現在の周波数変化の割合であり、基準周波数を平均周波数ｆave、現在の周波数をｆとした場合、{（ｆ−ｆave）/ｆave}×１００（％）で計算される。そして、除算値と閾値ｒｅｆ２とを判断部８を構成する比較器８１に入力している。この実施形態における閾値ｒｅｆ２は、±（０．１〜０．３）％である。
【００３３】
一方、高調波含有率検出部７は、この実施形態では３次の高調波含有率を検出する。基本波電圧の実効値をＶ１、高調波電圧の実効値をＶ２（２次）、Ｖ３（３次）、…とすると、３次の高調波含有率は、
【００３４】
Ｖ３／ΣＶｎ（ｎ＝１、２、…）
として求めることができる。
【００３５】
一般的に単独運転検出の能動的方式では、ステップ注入付周波数フィードバック方式を採用しており、この方式では２〜７次の電圧高調波含有量の変化から無効注入するタイミングを決めている。そのため、高調波測定機能を既に有しており、既知の技術によれば３次高調波含有率の導入が容易である。
【００３６】
判断部８を構成する比較器８２は、３次高調波含有率検出部７からの入力と閾値ｒｅｆ１の入力を受けて、含有率が予め定めた閾値ｒｅｆ１を超えたときにＯＮとなって比較器８２から出力がなされるように構成されている。この閾値ｒｅｆ１は、交流電力系統ＤＰＵの電源Ｅの喪失時にわずかに生じる３次高調波の含有率を捉え得るように、０よりも高く、予測される含有率よりも低い値に設定されている。
【００３７】
比較器８２の出力側はオフディレイタイマ部８３を介して判断部８を構成するＡＮＤ回路８４に接続されている。オフディレイタイマ部８３は、比較器８２がＯＮ状態になるとすぐにＡＮＤ回路８４にＯＮ状態を入力し、比較器８２がＯＦＦになっても一定時間ＯＮ状態を維持した後に出力をＯＦＦ状態に切り替える動作を行う。
【００３８】
すなわち、３次高調波含有率の閾値超過後は、オフディレイタイマ部８３によって、閾値超過から一定期間、単独運転を検出できる状態となる。
【００３９】
そして、その間に前述した比較器８１から周波数変動率が閾値ｒｅｆ２を超えた旨の出力がなされ、ＡＮＤ回路８４がＯＮ状態になると、制御部５が開閉器４を遮断する制御を行う。
【００４０】
このようにすると、図４に示すように周波数が例えば±２Ｈｚ／ｓで変化している状態で、わずかなランプ変化（傾き変化）によって周波数の変化率が図５（ａ）、（ｂ）に「×」で示すように閾値を超える場合（ハッチングは許容範囲内）であっても、高調波測定は基本波がサンプリング周期の定数倍になるよう制御しながら測定するので、交流系統電源を喪失していない状態では±２Ｈｚ／ｓの周波数変化でも３次高調波含有率は変化しないために図４（ａ）に示すようにオフディレイタイマ部９はＯＮにならず、遮断器４の遮断はなされない。
【００４１】
一方、交流電力系統ＡＰＳの電源Ｅが喪失して単独運転となった場合には、トランス３に依存する３次高調波がわずかに増加するため、図４（ｂ）に示すようにオフディレイタイマ部９がＯＮになってその状態を一定時間ホールドする。このため、その間に周波数変化率が閾値ｒｅｆ２を超えた場合に、図３のＡＮＤ回路８４から出力がなされ、制御部５が遮断器４の遮断４を行う。これにより、ＦＲＴ要件における周波数変動時は単独運転を誤検出せず、停電時は単独運転を確実に検出することができる。
【００４２】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、特定次数の高調波として３次以外の次数のものを採用することができる。
【００４３】
また、上記実施形態の分散型電源ユニットは単独運転状態の誤検知を防ぎつつ必要なときに遮断器を確実に遮断する制御を行うように構成したが、遮断器を遮断するか否かは別として、本発明の検知方法によれば単独運転状態の誤検知を防ぎつつ真に単独運転状態となったことを確実に検知することができるので、遮断器以外の制御対象を制御するうえでも有用なものとなり得る。
【００４４】
その他、各部の具体的な構成は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…分散型電源
２…電圧制御型の逆変換装置（インバータ）
３…変圧器（トランス）
４…開閉器
６…周波数変化率検出部
７…高調波含有率検出部
８…判断部
ＡＰＳ…交流電力系統
ＤＰＵ…分散型電源ユニット
Ｌ…電力供給ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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