(57)【要約】【課題】太陽電池や燃料電池等の直流電源部を有する低圧配電系統において、商用系統へ系統連係するに当たっての保護機能に改良を施した単独運転防止装置を提供する。【解決手段】  分散電源装置１０は、直流電源部１１と、当該直流電源部１１から発生する直流電力を交流に変換するインバータ１２と、単相３線式低圧配電系統３に連系するための連系遮断器１３とを具備し、かつ単相３線式低圧配電系統に接続される。分散電源装置１０に接続された単相３線式低圧配電系統３の２つの相間電圧の不平衡を検出する電圧不平衡検出装置１６を設ける。制御装置１４は、電圧不平衡検出装置１６により単相３線式低圧配電系統３の２つの相間電圧の不平衡を検出した場合に、前記インバータ１２の停止あるいは前記系統遮断器１３による分散電源装置の単相３線式低圧配電系統からの解列を行う。【選択図】図１
2008104262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源部と、当該直流電源部から発生する直流電力を交流に変換するインバータと、単相３線式低圧配電系統に連系するための連系遮断器とを具備し、かつ単相３線式低圧配電系統に接続された分散電源装置と、
前記分散電源装置に接続された単相３線式低圧配電系統の２つの相間電圧の不平衡を検出する電圧不平衡検出装置と、
前記電圧不平衡検出装置により単相３線式低圧配電系統の２つの相間電圧の不平衡を検出した場合に、前記インバータの停止あるいは前記系統遮断器による分散電源装置の単相３線式低圧配電系統からの解列を行う制御装置と、
を備えたことを特徴とする分散電源装置の単独運転防止装置。
【請求項２】
前記制御装置が、単相３線式低圧配電系統の各相間の電圧を監視する電圧モニタ部と、片相の電圧がしきい値を越えた場合に信号を出力する判定部とを備え、
前記単相３線式低圧配電系統の各相間に接続された抵抗装置と、片相の電圧がしきい値を越えた場合に前記制御装置により前記抵抗装置を投入する開閉手段を有することを特徴とする請求項１に記載の分散電源装置の単独運転防止装置。
【請求項３】
前記開閉手段は、機械式開閉器あるいは半導体スイッチで構成されることを特徴とする請求項２に記載の分散電源装置の単独運転防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池や燃料電池等の直流電源部を有する分散電源装置の単独運転防止装置に関するものであって、特に、商用系統へ系統連系するに当たっての保護機能に改良を施したものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー、ＣＯ２排出量削減への関心の高まりから、燃料電池等の新エネルギー発電装置や、ガスエンジンコージェネレーションシステム等の実用化が進んできている。これらの分散電源装置は直流電力をインバータにより交流電力に変換して利用する形態が一般的である。また、運用方法としては、商用系統から独立して運転するのではなく、商用系統へ系統連系することを基本としている。そのため、商用系統へ連系する際には、系統連系に関わる幾つかの保護機能が必要である。
【０００３】
その中の重要な保護機能として、系統停電時に分散電源装置が運転継続する、いわゆる単独運転状態となった場合に分散電源装置を系統から解列するための単独運転防止装置の設置が必要である。
【０００４】
すなわち、この種の系統連系システムでは、需要家側設備の自家用発電装置による直流の発電電力をインバータにより交流電力に変換して配電系統に連系させており、インバータの出力電圧は配電系統と同一の大きさで同一周波数に制御されている。また、自家用発電装置による発電電力量を常に最大に引き出すように、インバータによって自家用発電装置の動作電圧点が制御されている。
【０００５】
この系統連系システムにおいて、点検や工事、事故等により配電系統の電源供給が停止（遮断）された場合、自家用発電装置及びインバータを配電系統に連系したまま運転すると、いわゆる逆電圧による逆潮流が停電状態の系統に流れ込み、配電系統の安全性を脅かすおそれがある。このため、需要家側設備の単独運転状態を確実に検出してインバータを配電系統から切り離す（解列する）必要がある。
【０００６】
単独運転検出機能は受動と能動の２つの方式があり、系統停電時に解列される遮断器から下流の単独運転系統内の分散電源装置から出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑが負荷の要求量とどちらかでも不平衡状態になっていれば受動式で検出可能である。
【０００７】
しかし分散電源装置から出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑが負荷の要求する有効電力Ｐ，無効電力Ｑと両方とも合致した需給バランスした状態では、受動式では検出できないため、分散電源装置側において常時微少な外乱を系統に与え、単独運転移行後に、この外乱により顕著になる電圧や周波数などの変動を検出する能動方式により単独運転を防止することが必要となる。
【０００８】
太陽光や燃料電池などの分散電源が、住宅用（家庭用）コージェネレーションシステムとして普及が進むにつれて、比較的狭い地域に密集して設置される場合があり、いわゆる高密度連系状態となるケースがある。このような高密度連系状態では能動方式が発生する微小変動が相殺し合って、単独運転状態の検出感度が低下する場合があり課題となっている。
【０００９】
能動方式としてさまざまな方式が提案されており、同一方式の組合せであれば、相互干渉により検出感度が低下しないことは実試験等で検証されているが、異種方式を組合せた場合には検出感度が低下するケースも発生することから、他の方式と干渉しない新しい能動方式の開発も進められている。
【００１０】
この感度低下を防ぐために、高圧配電線の短絡故障時の線間電圧の低下や地絡故障時の零相電圧の発生を検出して、強制的に負荷を投入して需給アンバランス状態にさせる方式(特許文献１参照)や、単独運転移行時に低圧配電線の周波数・高調波含有率等が変動することを検出して分散電源装置の専用負荷抵抗を投入して、不足電圧検出により停止させる方式(特許文献２参照)などが提案されている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００５-３４１６６６号公報
【特許文献２】特開２００２-２９１１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記特許文献１や特許文献２の発明は、常時微かな外乱を系統に与えることなく、単独運転移行時の電圧、周波数及び高調波含有率の特異な変化を検出するという受動方式であるためどうしても不要動作が生じる不都合があり、従来では、この受動方式と、検出後に抵抗を投入して需給アンバランス状態にするという能動方式とを組み合わせることにより、受動方式の課題である不要動作防止を図っている。
【００１３】
しかし前記のような従来方式では、系統電圧や周波数を監視するための検出装置や単独運転の判定を行う演算装置等を外部に設けることが必要があり、コストや設置面で不利であることは否めない、という問題があった。
【００１４】
本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、外部に新たな検出装置や演算装置を設けることなく、検出感度が低下せずに単独運転を検出することができる分散電源装置の単独運転防止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】
【００１５】
前記の目的を達成するために、本発明の分散電源装置の単独運転防止装置は、直流電源部と、当該直流電源部から発生する直流電力を交流に変換するインバータと、単相３線式低圧配電系統に連系するための連系遮断器とを具備し、かつ単相３線式低圧配電系統に接続された分散電源装置と、前記分散電源装置に接続された単相３線式低圧配電系統の２つの相間電圧の不平衡を検出する電圧不平衡検出装置と、前記電圧不平衡検出装置により単相３線式低圧配電系統の２つの相間電圧の不平衡を検出した場合に、前記インバータの停止あるいは前記系統遮断器による分散電源装置の単相３線式低圧配電系統からの解列を行う制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
すなわち、発電設備出力と負荷がバランスしていることが単独運転状態の継続条件であるが、その条件が成立する確率が低いことに加えて、一般家庭に供給される電気方式である１００Ｖ／２００Ｖの単相３線式の場合は、Ｒ相負荷とＴ相負荷がバランスして、かつその状態が系統遮断器の再閉路までの時間継続するという条件も重なることはほとんどありえない。
【００１７】
そこで、本発明では、この点に着目して、単相３線式の系統側停電時に２００Ｖ出力のインバータ等の電源が接続されていると、Ｒ相負荷とＴ相負荷の不平衡により、Ｒ相とＴ相の電圧が不平衡となる、すなわち負荷の比率に応じて片相は上昇し、他相は低下することを利用して、電圧不平衡検出装置を従来技術における受動並びに能動的単独運転検出装置の代わりとするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、従来技術における受動並びに能動的単独運転検出装置が不要となり、簡単な構成でしかも確実に分散電源装置の単独運転を防止することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（１）第１実施形態
以下、本発明の第１実施形態を、図１の構成図に従って具体的に説明する。
【００２０】
図１において、分散電源装置１０は、１００Ｖ／２００Ｖの単相３線式低圧配電系統３と電気的に接続されている。この分散電源装置１０は、直流電源部１１と、前記直流電源部１１が発生する直流電力を交流電力へ変換する２００Ｖ単相２線式インバータ１２と、分散電源装置１０と配電系統との連系または解列を行う連系遮断器１３と、インバータ１２の停止並びに連系遮断器１３の解列指令を出力する制御装置１４と、受動式単独運転検出装置１５および電圧不平衡検出装置１６から構成される。
【００２１】
電圧不平衡検出装置１６は、上位の遮断器（図示しない系統遮断器）を開放したときなどに、需要家負荷３０のＲ相負荷３１とＴ相負荷３２との不平衡により生じる過電圧を検出し、これを制御装置１４に出力することで、制御装置１４からインバータ１２の停止指令または分散電源装置１０を解列するための連系遮断器１３の作動指令を出力させるためのものである。
【００２２】
この電圧不平衡検出装置１６としては、一例として、平成１６年１０月１日付け資源エネルギー庁「電力品質確保に係る系統連系技術要件ガイドライン」において、発電設備等の電気方式と連系する系統の電気方式が異なっても連系できる技術要件として規定されている保護装置をそのまま使用してもよい。
【００２３】
一方、単相３線式低圧配電系統３は、６６００Ｖの高圧配電系統１から柱上変圧器２により降圧されるとともに、１００Ｖ／２００Ｖの単相３線式に電気方式も変換されるが、国内のほとんどの一般家庭等に供給されている低圧配電系統構成である。
【００２４】
次に、前記のような構成を有する第１実施形態の作用を、図３の動作フローチャートに従って説明する。
分散電源装置１０は低圧配電系統３へ連系して運転している。分散電源装置１０の発電出力が、需要家負荷３０よりも大きい場合は、需要家負荷３０を賄った余剰分が他の需要家負荷もしくは柱上変圧器２を介して高圧配電線１０に供給される。逆に分散電源装置１０の発電出力が、需要家負荷３０よりも小さい場合は、その差分(不足分)が高圧配電線１０から需要家負荷３０に供給される。
【００２５】
このような状態において、高圧配電線１０のいずれかで事故が発生した場合（図３のステップ３０１）、図示しない系統遮断器が解列して（ステップ３０２）、分散電源装置１０は系統と切り離された状態となる（ステップ３０３）。説明を簡単にするために、系統と切り離されたエリアの発電装置が分散電源装置１０のみとし、負荷についても需要家負荷３０だけとする。
【００２６】
分散電源装置１０から出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑが、需要家負荷３０の要求する有効電力Ｐと無効電力Ｑのどちらかでも不平衡になっていれば（ステップ３０４のＹＥＳ）、系統の電圧もしくは周波数が変化するので（ステップ３０５）、図示しない電圧や周波数保護装置により単独運転を検出でき（ステップ３０６）、それを受けて制御装置１４が、インバータ１２の停止並びに連系遮断器１３の解列指令を出すことで、単独運転の防止処置をとることができる（ステップ３０７）。
【００２７】
逆に分散電源装置１０から出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑが、需要家負荷３０の要求する有効電力Ｐと無効電力Ｑのどちらとも平衡状態になっていると（ステップ３０４のＮＯ）、電圧や周波数並びに位相等の変化が生じないため、図示しない電圧や周波数保護装置並びに受動式の単独運転検出装置では単独運転の検出はできない。
【００２８】
しかし需要家負荷３０のＲ相負荷３１とＴ相負荷３２が不平衡の場合には（ステップ３０８のＹＥＳ）、その負荷の比率に応じて、１００Ｖ／２００Ｖの単相３線式低圧配電系統の中性線に対する両側の電圧(Ｒ相電圧とＴ相電圧と呼ぶ)のどちらかが上昇し、電圧不平衡となるため、電圧不平衡検出装置１６が動作する（ステップ３０９）。
【００２９】
そして、制御装置１４がこの電圧不平衡検出装置１６の動作信号を受けてインバータ１２の停止指令並びに連系遮断器１３の解列指令を出すことにより、受動式単独運転検出装置１５だけでは検出できない単独運転のケースでも単独運転防止処置をとることができる（ステップ３０７）。
【００３０】
すなわち、発電設備出力と負荷がバランスしていることが単独運転状態の継続条件であるが、その条件が成立する確率が低いことに加えて、一般家庭に供給される電気方式である１００Ｖ／２００Ｖの単相３線式の場合は、Ｒ相負荷３１とＴ相負荷３２がバランスして、かつその状態が系統遮断器の再閉路までの時間継続するという条件も重なることはほとんどありえない。
【００３１】
そこで、本発明では、この点に着目して、単相３線式の系統側停電時に２００Ｖ出力のインバータ等の電源が接続されていると、Ｒ相負荷とＴ相負荷の不平衡により、Ｒ相とＴ相の電圧が不平衡となる、すなわち負荷の比率に応じて片相は上昇し、他相は低下することを利用して、電圧不平衡検出装置１６を受動並びに能動的単独運転検出装置の代わりとするものである。
【００３２】
分散型電源装置１０の設置場所が決定した時点で、事前に柱上変圧器２の下流の負荷状況を計測し、Ｒ相側負荷とＴ相側負荷が一致するケースが瞬間的にしか発生しないことが確認できれば、本実施形態の構成で、単独運転状態の継続を防止することで実用上問題ないと考えられる。
【００３３】
以上の通り、本実施形態の単独運転防止装置では、能動方式の単独運転検出装置が不要となるため、能動方式が発生する微小変動が相殺し合って、単独運転状態の検出感度が低下することもない。その結果、太陽光や燃料電池などの分散電源が、住宅用（家庭用）コージェネレーションシステムとして、１００Ｖ／２００Ｖの単相３線式低圧配電系統の比較的狭い地域に密集して設置される、いわゆる高密度連系状態となっても、不平衡過電圧は全ての分散電源に対して生じるため、検出感度は一切低下しない。
【００３４】
また２００Ｖ単相２線式インバータを採用している分散電源装置においては、電圧不平衡を検出する装置を有しているため、内部並びに外部に新たな検出装置や判定装置等を追加する必要もない。
【００３５】
（２）第２実施形態
図２は、本発明の第２実施形態に係る単独運転防止装置のシステム構成図である。この第２実施形態は、前記第１実施形態の電圧不平衡検出装置１６の系統側において、各電源相間に開閉器２１を有する抵抗装置２０を配設したものである。
【００３６】
図２において、抵抗装置２０は１００Ｖ／２００Ｖの単相３線式低圧配電系統３の中性相とＴ相の電源相に、開閉器２１と直列に接続される。なおこの抵抗と開閉器の直列体は中性相とＲ相の電源相にも同じように接続されるが、図では省略する。また、この開閉器２１は、機械式開閉器あるいは半導体スイッチで構成される。
【００３７】
このような構成を有する第２実施形態の動作を説明する。なお、第１実施形態の作用の説明と同じように、単独運転系統の発電装置が分散電源装置１０のみとし、負荷についても需要家負荷３０だけとする前提で説明する。
【００３８】
分散電源装置１０が単独運転状態になった場合、分散電源装置１０から出力される有効電力Ｐと無効電力Ｑが、需要家負荷３０の要求する有効電力Ｐと無効電力Ｑの関係が平衡か否かで、通常の電圧もしくは周波数保護装置か、電圧不平衡検出装置１６で単独運転状態を検出して、それを受けて制御装置１４がインバータ１２の停止並びに連系遮断器１３の解列指令を出すことで、単独運転の防止処置をとることができる。この点は、前記第１実施形態と同様である。
【００３９】
ところが、前記第１実施形態においては、発電設備出力と負荷がバランスした上に、Ｒ相負荷３１とＴ相負荷３２の不平衡率が小さく、Ｒ相電圧もしくはＴ相電圧の過電圧レベルが小さい場合には、電圧・周波数保護装置や電圧不平衡装置１６によって単独運転状態の検出が困難になる可能性がある。
【００４０】
そこで、第２実施形態においては、そのような場合であっても、単独運転の状態を確実に検出し、単独運転を阻止できるようにしたものである。以下のその作用について説明する。
【００４１】
まず分散電源装置１０が連系している１００Ｖ／２００Ｖの単相３線式低圧配電系統３のＲ相電圧とＴ相電圧を制御装置１４で常時監視し、どちらかの電圧が例えば定格の９５％を下回った場合に、電圧が低下した相に接続されている開閉器２１を制御装置１４からの信号で閉することにより、抵抗装置２０をＴ相負荷３２に並列に接続させる。ここでは図示の関係からＴ相電圧が低下したとして説明する。
【００４２】
抵抗装置２０を追加しても、系統が正常の場合には、Ｒ相電圧とＴ相電圧は変化しないが、もし単独運転移行により電圧不平衡が生じてＴ相電圧が低下した場合には、抵抗追加によりＲ相負荷３１と、Ｔ相負荷３２＋抵抗装置２０の負荷の不平衡率が拡大する方向に作用するため、Ｔ相電圧は更に低下する。
【００４３】
逆にＲ相電圧は上昇し電圧不平衡検出装置１６が検知して、制御装置１４がインバータ１２の停止並びに連系遮断器１３の解列指令を出すことで、単独運転の継続防止処置をとることができる。
【００４４】
ここでは単相３線式のそれぞれの相電圧のどちらかが低下したことを検出して、当該相に接続されている抵抗装置を投入すると説明したが、相電圧のどちらかが低下することにより、他相の電圧は上昇するので、どちらかの相電圧が上昇したことにより、抵抗装置を投入しても同じ作用となることは明らかである。
【００４５】
以上の通り、この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、能動方式の単独運転検出装置が不要となるため、能動方式が発生する微小変動が相殺し合って、単独運転状態の検出感度が低下することもない。その結果、太陽光や燃料電池などの分散電源が、住宅用（家庭用）コージェネレーションシステムとして、１００Ｖ／２００Ｖの単相３線式低圧配電系統の比較的狭い地域に密集して設置される、いわゆる高密度連系状態となっても、不平衡過電圧は全ての分散電源に対して生じるため、検出感度は一切低下しない。
【００４６】
特に、第１実施形態に比べて、抵抗装置２組と開閉器２組が追加となるが、抵抗投入は短時間で良いことから大容量の抵抗装置は不要である。さらに分散電源装置１０が、ヒータ等の補機を有する燃料電池等の場合には、そのヒータを短時間投入することで、単独運転への移行の有無の確認は可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態の単独運転防止装置のシステム構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態の単独運転防止装置のシステム構成図。
【図３】第１実施形態の動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４８】
１…高圧配電系統
２…柱上変圧器
３…低圧配電系統(単相３線式)
１０…分散電源装置
１１…直流電源部
１２…インバータ
１３…連系遮断器
１４…制御装置
１５…電圧不平衡検出装置
２０…抵抗装置
２１…開閉器
３０…需要家負荷
３１…Ｒ相負荷
３２…Ｔ相負荷
【図１】
2008104262.tif 000003
【図２】
2008104262.tif 000004
【図３】
2008104262.tif 000005