(57)【要約】【課題】系統インピーダンスが高い環境においても、安定性を保ちつつ高速に単独運転を検出する。【解決手段】直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統と連系して運転するインバータと、交流電力系統に無効電力を注入する無効電力注入手段と、注入された前記無効電力に起因する周波数変動を検出する周波数変動検出手段と、  検出された前記周波数変動に基づき、前記インバータの単独運転を検出する単独運転判定手段と、を有する電力変換装置において、  無効電力注入が連続的に発生したことを判定する高インピーダンス判定手段を有し、当該判定手段により、高インピーダンス状態と判断されたら、所定時間、無効電力注入手段による無効電力注入を停止することを特徴とする電力変換装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統と連系して運転するインバータと、
交流電力系統に無効電力を注入する無効電力注入手段と、
注入された前記無効電力に起因する周波数変動を検出する周波数変動検出手段と、
検出された前記周波数変動に基づき、前記インバータの単独運転を検出する単独運転判定手段と、
を有する電力変換装置において、
無効電力注入が連続的に発生したことを判定する高インピーダンス判定手段を有し、
該高インピーダンス判定手段により高インピーダンス状態と判断されたとき、所定時間、無効電力注入手段による無効電力注入を停止することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記高インピーダンス判定手段は、前記無効電力注入手段による所定量以上の無効電力注入が実施されてから、所定の時間範囲内において、電力変換装置から見て進み方向、および遅れ方向の無効電力変動が交互に複数回数発生したことで高インピーダンス状態と判断することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記高インピーダンス判定手段は、前記無効電力注入手段による所定量以上の無効電力注入が実施されてから、所定の時間範囲内における無効電力変動量を測定し、無効電力変動量の多い方向とは逆方向の無効電力注入を抑制するよう判定することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池などの分散型電源が発電した直流電力を、所望の交流電力に変換する電力変換装置、および、それを用いた太陽光発電システムに関するものであり、特に、商用電源系統との連系状態を検出する単独運転検出機能を有した電力変換装置、および、それを用いた太陽光発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置で用いられる単独運転検出方式として、分散型電源の直流電力を商用系統の交流電力に変換し、この変換した交流電力を商用系統と連系して負荷に供給するインバータ回路を備え、このインバータ回路のインバータ出力波形に、単独運転時に出力周波数に変動が生じる歪を与え、この歪で生じる周波数変動、若しくは周波数変動に起因する変動を検出して単独運転を検知するようにしたものが知られている。
【０００３】
この従来方式では、各社各様の変動を系統に与えて単独運転検出を行うので、相互干渉による検出時間遅れが発生するおそれがあった。このため、系統に接続する前に相互干渉試験が必要とされ、連系開始までに時間を要していた。
【０００４】
これを改善するため、単独運転による系統電圧の歪みや周波数変動をきっかけに無効電力を注入する方式（新型単独運転検出方式）が策定されている（非特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】系統連系規程（日本電気協会、ＪＥＡＣ  ９７０１−２０１２）
【非特許文献２】日本電機工業会規格（ＪＥＭ１４９８  ステップ注入付周波数フィードバック方式（分散型電源用単相パワーコンディショナの標準形能動的単独運転検出方式））、２０１４年９月２５日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１、２は、単独運転が発生したときの初期動作（どのような条件で無効電力を注入するか）と、その後の基本的な動作、検出時限について規定されている。多数のパワーコンディショナが特定の狭い地域に集中連系された場合においても、単独運転を高速に検出することが可能であり、これまで０．５〜１．０秒を要していた単独運転の発生から検出までの時間を、０．２秒以内に短縮することを実現している。
【０００７】
いっぽう、低圧連系（５０ｋＷ未満の発電設備）の太陽光発電設備において、太陽光発電システム価格の節減を目的として、本単独運転機能を搭載した小型のパワーコンディショナ(4〜10kW程度)を複数台設置する方式が普及している。この形態は、特に廉価にシステム設置が可能な僻地（山間部など）に設置することが多く、電力需要の多い都市部まで、数十ｋｍ以上の高圧電線を経由するケースもある。
【０００８】
本単独運転検出方式は、系統側の日常的な微細変動(配電系統の切替に伴う、微細な位相跳躍や周波数変動) をきっかけとして、単独運転の可能性があると判定し無効電力注入を行うことがある。通常の系統であれば、パワーコンディショナから無効電力注入をされても大きな周波数変動は発生せず、収束も早いため、即時、定常動作に復帰する。
【０００９】
しかし、僻地に設置されると、パワーコンディショナからシステム全体を見たときの系統インピーダンスが大きくなるため、自ら注入した無効電力によって周波数変動が継続的に発生し、連続的に無効電力を注入するモードが発生する恐れがある。
【００１０】
さらに、単独運転仕様が共通であるため、一か所に設置された複数のパワーコンディショナが同じ動作を行う。この結果、系統全体への大きな無効電力変動が生じ、広範囲においてフリッカ現象（数Ｈｚ程度の電圧変動。照明のちらつき要因となる）を生ずる原因となる恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題は、直流電力を交流電力に変換し、交流電力系統と連系して運転するインバータと、交流電力系統に無効電力を注入する無効電力注入手段と、注入された前記無効電力に起因する周波数変動を検出する周波数変動検出手段と、検出された前記周波数変動に基づき、前記インバータの単独運転を検出する単独運転判定手段と、を有する電力変換装置において、無効電力注入が連続的に発生したことを判定する高インピーダンス判定手段を有し、  当該判定手段により、高インピーダンス状態と判断されたら、所定時間、無効電力注入手段による無効電力注入を停止することを特徴とする。
【００１２】
また、上記高インピーダンス判定手段は、無効電力注入手段による所定量以上の無効電力注入が実施されてから、所定の時間範囲内において、電力変換装置から見て進み方向、および遅れ方向の無効電力変動が交互に複数回数発生したことで高インピーダンス状態と判断することを特徴とする。
【００１３】
さらに、高インピーダンス判定手段は、無効電力注入手段による所定量以上の無効電力注入が実施されてから、所定の時間範囲内における無効電力変動量を測定し、無効電力変動量の多い方向とは逆方向の無効電力注入を抑制するよう判定するよう構成することで、課題を解決させることも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
系統インピーダンスが高い環境においても、安定性を保ちつつ単独運転を、従来よりも高速に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電力変換装置、および、それを用いた本実施例の太陽光発電システムの構成図
【図２】周波数偏差に対し注入する無効電力の関係を示す図
【図３】周波数変動によって無効電力を注入する様子を時系列で示す図
【図４】系統インピーダンスが大きいときに生ずる、連続的な無効電力注入が生じている図
【図５】本発明によって、連続的な無効電力注入が抑制されている状態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の電力変換装置、および、それを用いた太陽光発電システムの実施例を図１〜図５を用いて説明する。
【００１７】
まず、図１に電力変換装置、および、それを用いた本実施例の太陽光発電システムの構成図を示す。この太陽光発電システムは、太陽電池１と、太陽電池１で発生した直流電力を交流電力に変換する電力変換装置２から構成され、商用系統３に接続されている。電力変換装置２は、太陽電池電力を所定の直流電力に変換し、直流コンデンサ５へ出力するコンバータ部、直流コンデンサ５、そしてインバータ部からなる。
【００１８】
電力変換装置２のコンバータ部は、図示しないコンバータ回路４と、それを計測、制御する計測・制御手段１４を有する。
【００１９】
一方、電力変換装置２のインバータ部は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４、各スイッチング素子を駆動する駆動回路６、スイッチング素子のスイッチングによる高調波をフィルタするためのリアクトル１８、コンデンサ１３、リアクトル１８とコンデンサ１３の間に設置した電流計測手段１１、インバータ部の交流側と商用系統３を開閉する接続手段１５、接続手段１５と商用系統の間に配置された電圧・周波数計測手段１２、そしてこれら検出値を計測し、スイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を出力する計測・制御手段１４からなる。
【００２０】
図２は、単独運転の発生により得られる周波数変動に対する、注入すべき無効電力の例を示している。ここでは、計測・制御手段１４が無効電力を注入するものとするが、独立した無効電力注入回路や単独運転検出回路が無効電力を注入する構成としても良い。電圧・周波数計測手段１２によって検出された周波数偏差によって、注入する無効電力を変動させる。非特許文献２には、最大で０．２５ｐ．ｕ．（ｐ．ｕ．とは電力、電圧、インピーダンスなどの値を表す方法のひとつであり、それらの基準値に対する比を表す。例えば基準値４ｋＷの場合、０．２５ｐ．ｕ．＝１ｋＷ）の無効電力を注入するよう規定されている。
【００２１】
図３は、図２で示した無効電力を注入したときの系統周波数変化の様子を実験的に示している。この例では、系統周波数の瞬時的な変化をきっかけとして、無効電力の注入が行われている。
【００２２】
図４は、系統インピーダンスが高い場合（高インピーダンス状態）の無効電力注入動作のイメージを示したものである。この場合、最初に注入された無効電力によって系統周波数が振れ続け、さらにそれに応じるような形で無効電力が注入され続ける。この結果、フリッカ現象となる。
【００２３】
図５は、本発明の方式によって無効電力の連続的な注入を抑制する例である。
【００２４】
まず、無効電力の注入が開始された段階で、無効電力変動がどう行われるか、監視を始める（１）。無効電力が注入されたと判断する最適な電力量の閾値、および監視期間は、系統の状態、パワーコンディショナ側での無効電力の注入パターン、および単独運転検出方法によって変化する。このため、設置場所によって閾値を変更できるように構成しても構わない。なお、電圧電流計測手段１１、電圧・周波数計測手段１２の値をもとに計測・制御手段１４内で注入する無効電力量を演算している。
【００２５】
監視（１）によって、パワーコンディショナが注入した無効電力の偏り具合を確定させる。具体的には、パワーコンディショナから見て進み方向、または遅れ方向に注入された無効電力の回数、または監視区間における無効電力の積算値を用いて偏りを算出する。  その結果、無効電力の偏りを算出し、高インピーダンス状態と判断したタイミング（２）以降、所定期間分、監視期間中に多く注入した方向とは反対方向の無効電力注入を抑制（マスク）させる。電圧電流計測手段１１、電圧・周波数計測手段１２の値をもとに、計測・制御手段１４内で無効電力の偏り具合を判定し、高インピーダンス状態となれば、無効電力注入を停止する。
【００２６】
以上で説明した単独運転検出を用いることで、系統インピーダンスの高い環境下においても、単独運転の発生から検出までに要する時間を短縮することができる。
【００２７】
なお、以上で説明した本実施例の電力変換装置は、家庭向けの商用系統と連系する太陽光発電システムに適用することが可能である。また、系統との連系を行わないＤＣ給電システム等の太陽光発電システム、離島や山小屋向け太陽電池システム、スマートグリッド向け太陽電池システム、メガソーラシステム等の大型太陽光発電システムにも適用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１  太陽電池、２  電力変換装置、３  商用系統、４  コンバータ回路、５  直流コンデンサ、６  駆動回路、１１  電流計測手段、１２  電圧・周波数計測手段、１３  コンデンサ、１４  計測・制御手段、１５  接続手段、１８  リアクトル
【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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