(57)【要約】【課題】  簡単な計算手段を用いて、安価かつ経年劣化の少ない系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法、および、その装置を提供する。【解決手段】  直流電力を交流電力に変換する電力変換回路と商用電力系統との連系点の電圧をサンプリングしたデータから所定の振幅と位相を有する同期信号のサンプル値を計算する同期信号計算手段を備え、前記同期信号の位相に同期した電流指令値に合致するように電力変換回路の出力電流を制御する制御手段を設けた系統連系用電力変換システムの単独運転保護装置であって、商用電力系統が停電したときに、前記電力変換回路の出力電圧の周波数が所定値に変化するように、前記電流指令値の位相が変化するように前記同期信号計算手段を構成した。【選択図】        図１
2008118809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の電力を交流電力に変換して商用電力系統、あるいは、商用電力系統に接続された負荷にその電力を供給するように構成した系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法において、直流電力を交流電力に変換する電力変換回路と商用電力系統との連系点の電圧をサンプリングしたデータから所定の振幅と位相を有する同期信号のサンプル値を計算し、前記同期信号のサンプル値を元に作成した電流指令値に合致するように前記電力変換回路の出力電流を制御することにより、商用電力系統が停電したときに、前記電力変換回路の出力電圧の周波数が所定値に変化するように、電流指令値の元となる前記同期信号の位相を変化させることを特徴とする系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法。
【請求項２】
直流電源の電力を交流電力に変換して商用電力系統、あるいは、商用電力系統に接続された負荷にその電力を供給するように構成した系統連系用電力変換システムにおいて、直流電力を交流電力に変換する電力変換手段と商用電力系統との連系点の電圧をサンプリングしたデータから所定の振幅と位相を有する同期信号のサンプル値を計算する同期信号計算手段と、前記同期信号の位相に同期した電流指令値に合致するように前記電力変換手段の出力電流を制御する制御手段を設けて構成し、商用電力系統が停電したときに、前記電力変換手段の出力電圧の周波数が所定値に変化するように、前記同期信号計算手段により前記電流指令値の位相を変化させることを特徴とする系統連系用電力変換システムの単独運転保護装置。
【請求項３】
前記同期信号計算手段は、ディジタル制御系の状態方程式と出力方程式からなることを特徴とする請求項２記載の系統連系用電力変換システムの単独運転保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用電力系統に連系し、直流電力を交流電力に変換して、その電力を需要家側の負荷や系統に供給する系統連系用電力変換システムの保護装置に係り、特に、系統停電時に該システムが単独運転するのを防止する保護方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
系統連系規程ＪＥＡＣ９７０１−２００６によれば、太陽電池などが発電する直流電力を交流電力に変換して、その電力を商用電力系統やそこに接続された負荷に供給する電力変換システムにおいては、系統停電時における作業者の感電事故防止のため、系統停電を検出し、該システムの単独運転を防止する機能を有することが１つの技術要件として提示されている。
【０００３】
現在までのところ、理論上および実際の運用上のいかなる場合においても単独運転を完全に防止するための手段は提案されていない。そのため先の規程では、有効であると認められている２つの方式群、即ち、能動的方式と受動的方式の中からそれぞれ１つずつの方式を採用し、それら２つの方式の組合せによって、該システムの単独運転を防止するという指針が提示されている。
【０００４】
こうした現状の中、能動的方式の１つに周波数シフト方式という方式があり、この方式を採用した系統連系用電力変換システムとしては、例えば、図５に示すような系統連系インバータ装置がある。
【０００５】
図５において、変換部１０１は、商用電力系統２に連系され、太陽電池１の直流電力を交流電力に変換し、その電力を負荷３に供給する。そして、変換部１０１の出力周波数は、電圧制御発振回路１０９の発振周波数と等しくなるように制御されている。
【０００６】
電圧制御発振回路１０９の発振周波数は、連系点２０２の電圧位相と電圧制御発振回路１０９の出力電圧位相を比較する位相比較回路１０５の出力を平滑する平滑回路１０６の出力と、連系点２０２の周波数変動に対応して出力電圧を変動させるバイアス発生部１０８の出力とを加算する加算回路１０７により制御される。
【０００７】
これにより、商用電力系統２が停電して周波数が変動すると、変換部１０１の出力周波数は、周波数変動が拡大する方向に変化するよう制御される。
【０００８】
制御回路１０３は、その周波数変動を検出して遮断器１０２を開状態にし、変換部１０１を系統から解列する（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−２７５３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の系統連系インバータ装置では、インバータの単独運転を防止するために、位相比較回路１０５、平滑回路１０６、加算回路１０７、電圧制御発振回路１０９、バイアス発生部１０８といった多くのハードウェアが必要となる。そのため回路構成が複雑になり、装置故障率が増加するだけでなく、コスト増にもなってしまうといった問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、このような問題点を解消するために、マイクロコンピュータを使用し、ソフトウェアを利用した、上記とは異なる周波数シフト方式を提案し、系統連系用電力変換システムの単独運転を確実に防止する保護方法およびその装置を提供することを目的としている。
【００１１】
通常、このような系統連系用電力変換システムでは、変換部を制御する制御回路にマイクロコンピュータを使用するのが一般的であり、特に回路を追加することなく、これを利用し、簡単な計算手段を用いて単独運転を防止する保護方法を実現することにより、装置故障率やコストが増加することのない系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法、および、その装置を提供することが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１記載の発明は、上記の目的を達成するため、直流電源の電力を交流電力に変換して商用電力系統、あるいは、商用電力系統に接続された負荷にその電力を供給するように構成した系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法において、直流電力を交流電力に変換する電力変換回路と商用電力系統との連系点の電圧をサンプリングしたデータから所定の振幅と位相を有する同期信号のサンプル値を計算し、前記同期信号のサンプル値を元に作成した電流指令値に合致するように前記電力変換回路の出力電流を制御することにより、商用電力系統が停電したときに、前記電力変換回路の出力電圧の周波数が所定値に変化するように、電流指令値の元となる前記同期信号の位相を変化させる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、直流電源の電力を交流電力に変換して商用電力系統、あるいは、商用電力系統に接続された負荷にその電力を供給するように構成した系統連系用電力変換システムにおいて、直流電力を交流電力に変換する電力変換手段と商用電力系統との連系点の電圧をサンプリングしたデータから所定の振幅と位相を有する同期信号のサンプル値を計算する同期信号計算手段を備え、前記同期信号の位相に同期した電流指令値に合致するように前記電力変換手段の出力電流を制御する制御手段を設けて構成し、商用電力系統が停電したときに、前記電力変換手段の出力電圧の周波数が所定値に変化するように、前記同期信号計算手段により前記電流指令値の位相を変化させる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の同期信号計算手段を、ディジタル制御系の状態方程式と出力方程式を用いて構成する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法および単独運転保護装置によれば、商用電力系統が正常なときには、同期信号計算手段により、電流指令値は、連系点の電圧に同期している。電力変換回路の出力電流は電流指令値に合致するように制御されるので、その出力周波数は連系点の周波数（商用周波数である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）と同じになる。一方、商用電力系統が停電したときには、同期信号計算手段により、電力変換回路の出力周波数が所定値に変化するように電流指令値の位相を変化させる。この周波数の変化が周波数リレーにより検出され、確実に電力変換回路を停止させることができ、有効である。
【００１６】
また、前記同期信号計算手段として、ディジタル制御系の状態方程式と出力方程式を用いることにより、制御系の設計やマイコンソフトの設計を簡単に行なうことができるので、非常に便利である。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。なお、図１において、図５に示す系統連系インバータ装置と同一の要素は同一符号を付して説明する。
【００１８】
図１は、本発明における系統連系用電力変換システムを示すブロック図である。太陽電池１が発電した直流電力を電力変換回路１１が交流電力に変換し、商用電力系統２や負荷３に電力を供給する。電力変換回路１１と商用電力系統２は連系点２０２で連系し、その点の電圧を電圧検出部１２でサンプリングして同期信号計算手段１８へ入力する。そして、同期信号計算手段１８は、所定の振幅と位相を有する同期信号Ｖｓ（交流）のサンプル値を計算して出力する。
【００１９】
太陽電池１から最大電力を取出すように設定された電圧指令値Ｖｄｒと太陽電池１の電圧Ｖｄとの差を入力電圧制御部１３で増幅し、そこから出力される制御信号Ｖｃ（直流）と前記同期信号Ｖｓを乗算部１４にて乗算し、電流指令値Ｉｏｒ（交流、周波数はＶｓと同じ）を作成する。そして、電流指令値Ｉｏｒと電流検出器４で検出した電力変換回路１１の出力電流Ｉｏとの差を出力電流制御部１５で増幅し、その出力信号をＰＷＭ制御部１６に入力し、ＰＷＭ制御されたスイッチング制御信号を作成する。このスイッチング制御信号にしたがって、駆動部１７は電力変換回路１１を動作させる。全体的には、太陽電池１から最大電力を取出すような電流指令値Ｉｏｒを作成し、その電流指令値に一致するように電力変換回路１１の出力電流Ｉｏを制御する。
【００２０】
周波数検出部１９では、電圧検出部１２でサンプリングしたデータから周波数を検出し、周波数リレー２０に入力する。周波数リレー２０では、それを設定値と比較して周波数の異常を検出し、異常検出部２１に入力する。
【００２１】
また、実効値計算部２２では、電圧検出部１２でサンプリングしたデータから連系点電圧の実効値を計算し、電圧リレー２３に入力する。電圧リレー２３は、それを設定値と比較して系統電圧の異常を検出し、異常検出部２１に入力する。
【００２２】
周波数リレー２０や電圧リレー２３など、各種保護リレー（本発明とは関係ないため図示せず）の動作信号が異常検出部２１に入力される。異常検出部２１は、保護リレーが動作したとき駆動部１７に停止指令を与えて、電力変換回路１１を停止させる。
【００２３】
ところで、図１において、破線部で囲った部分はすべてマイクロコンピュータのプログラムで処理している。
【００２４】
さて、以上の説明から明らかなように、電力変換回路１１の出力周波数は、同期信号Ｖｓの周波数に等しく、それは同期信号計算手段１８によって規定される。同期信号計算手段１８としては、ディジタル制御系の状態方程式と出力方程式から構成する方法が、設計上も説明上も簡明であるので、ここでは、それらの方程式で計算する方法を説明する。
【００２５】
下記２式にて同期信号Ｖｓを計算する。
【００２６】
【数１】
2008118809.tif 000003
【００２７】
【数２】
2008118809.tif 000004
【００２８】
ここで、
ｋ：時間ｔk＝ｋΔｔ（Δｔ：サンプリング間隔）を表すインデックス、
ｕ（ｋ）：時間ｔkにおける連系点２０２の電圧サンプリングデータ、
ｘ（ｋ）：時間ｔkにおける状態ベクトル（ｎ個の状態変数を成分とする列ベクトル）、
ｙ（ｋ）：時間ｔkにおける同期信号Ｖｓのサンプル値、
Ａ：ｎ次正方行列、Ｂ：ｎ×１行列、Ｃ：１×ｎ行列。
【００２９】
行列Ａ、Ｂ、Ｃの各要素は、［数１］と［数２］から導出されるパルス伝達関数の位相特性が、商用周波数で位相が０度、その付近の位相の変化率が正、商用周波数から所定値以上低い周波数での位相が正、所定値以上高い周波数での位相が負となるように決定する。
【００３０】
例えば、商用周波数が６０Ｈｚ、サンプリング間隔が８０μｓの場合の行列Ａ、Ｂ、Ｃ、及び、状態方程式と出力方程式の一例を下記［数３］〜［数５］に示す。また、本例のパルス伝達関数の周波数特性は、図２のようになる（図２（ａ）：ゲイン特性、図２（ｂ）：位相特性）。
【００３１】
【数３】
2008118809.tif 000005
【００３２】
【数４】
2008118809.tif 000006
【００３３】
【数５】
2008118809.tif 000007
【００３４】
以上のことから、商用電力系統２が正常な場合は、連系点電圧に対する電力変換回路１１の出力電流の位相は０度となり、連系点電圧と同位相になる。商用電力系統２が停電して周波数が変動すると、それに応じて電力変換回路１１の出力電流の位相が変化する。即ち、商用周波数より低くなると位相が遅れ、高くなると位相が進む。
【００３５】
以下、本実施例の動作について説明する。電力変換回路１１の出力周波数は、例えば、温度変化による回路素子値の変動などがあるため、常に微小変動している。商用電力系統２が正常の場合、電力変換回路１１の出力電流を連系点電圧と同位相になるように制御するので、その出力周波数は連系点の周波数と一致する方向に常に制御される。したがって、この場合、周波数リレー２０が働いて電力変換システムが停止するようなことはない。
【００３６】
次に、商用電力系統２が停電した場合の動作について説明する。説明を簡単化するために、負荷３を、図３に示すようなＲＬＣ負荷として、ＬＣの共振周波数が商用周波数（本実施例では６０Ｈｚ）と一致しているような単独運転が発生しやすい負荷とする。この負荷のインピーダンスＺの位相特性φｚの一例を図４に示す（図４には同期信号計算手段のパルス伝達関数の位相特性φｓも示した）。
【００３７】
今、連系点２０２の周波数が６０Ｈｚで、電力変換回路１１の出力電力と負荷の消費電力が一致しているものとする。このような場合、商用電力系統２から負荷３へは電力が供給されていないので、商用電力系統２が切離されても電力変換システムは運転を継続する（単独運転）。
【００３８】
電力変換回路１１の出力周波数は常に微小変動しているが、この変動が拡大しなければ、周波数リレー２０は動作せず、電力変換システムは単独運転を継続することになる。しかし、本発明によれば、周波数変動が拡大する方向に制御が働き、周波数リレー２０が動作して電力変換システムは停止する。
【００３９】
商用電力系統２が切離されているとき、出力電流Ｉｏに対する連系点電圧Ｖｏの位相特性は、負荷インピーダンスＺの位相特性φｚである（Ｖｏ＝Ｚ×Ｉｏ）。また、連系点電圧Ｖｏに対する同期信号Ｖｓの位相特性は、同期信号計算手段１８のパルス伝達関数の位相特性φｓである。
【００４０】
電流指令値Ｉｏｒの位相は、同期信号Ｖｓの位相と同じである（Ｉｏｒ＝Ｖｃ×Ｖｓ）。出力電流Ｉｏは、電流指令値Ｉｏｒと一致するように制御されるので、連系点電圧Ｖｏに対する出力電流Ｉｏの位相特性φｉは、パルス伝達関数の位相特性φｓと同じになる。
【００４１】
今、電力変換回路１１の出力周波数ｆｏが変動して、現在値である商用周波数ｆｓよりΔｆだけ高くなったとすると、出力電流Ｉｏの位相は正帰還がかかって増加していく。即ち、出力周波数がΔｆだけ高くなると、連系点電圧Ｖｏの位相は、負荷インピーダンスの位相特性φｚによりΔφｚだけ遅れる。一方、出力電流の位相は、パルス伝達関数の位相φｓによりΔφｓだけ進む。結局、出力電流Ｉｏの位相は、Δφｉ＝Δφｓ−Δφｚだけ進む。さらに、この位相に対してΔφｚ遅れてΔφｓ進むことが繰返されることになるので、出力電流Ｉｏの位相は正帰還がかかって増加していく。
【００４２】
ところで、周波数変調と位相変調の関係から明らかなように、一般に、瞬時周波数ｆ（ｔ）と瞬時位相φ（ｔ）の間には、２πｆ（ｔ）＝ｄφ（ｔ）／ｄｔなる関係がある。ここで、出力周波数ｆｏの商用周波数ｆｓからの変動分Δｆｏ（ｔ）と出力電流の瞬時位相の変動分Δφｉ（ｔ）（出力電流の瞬時位相から２πｆｓ×ｔを引いたもの）を考えると、同様の関係式２πΔｆｏ（ｔ）＝ｄ｛Δφｉ（ｔ）｝／ｄｔが成り立つ。
【００４３】
図４に示した特性から明らかなように、出力周波数ｆｏがｆｓ＜ｆｏ＜ｆ２の範囲では、Δφｉ＞０であるので、出力電流Ｉｏの位相の変化は正方向に増大していく。したがって、電力変換回路１１の出力周波数の変動分Δｆｏも正方向に増大していく。
【００４４】
出力周波数ｆｏがｆ２より高くなると、Δφｉ＜０であるので、出力電流Ｉｏの位相の変化は負方向に増大していく。したがって、電力変換回路１１の出力周波数の変動分Δｆｏも負方向に増大していく。
【００４５】
出力周波数ｆｏがｆ２に等しい場合、Δφｚ＝Δφｓとなり、Δφｉ＝０となるので、位相も周波数も変化しない。
【００４６】
以上のことから、電力変換回路１１の出力周波数ｆｏが変動して、商用周波数ｆｓより少しでも高くなると、周波数ｆ２に収束する。
【００４７】
次に、電力変換回路１１の出力周波数ｆｏが変動して、現在値である商用周波数ｆｓよりΔｆだけ低くなった場合について説明する。この場合も、前記と同様に考えれば、図４に示した特性から明らかなように、出力周波数ｆｏがｆ１＜ｆｏ＜ｆｓの範囲では、Δφｉ＜０であるので、出力電流Ｉｏの位相の変化は負方向に増大していく。したがって、電力変換回路１１の出力周波数の変動分Δｆｏも負方向に増大していく。
【００４８】
出力周波数ｆｏがｆ１より低くなると、Δφｉ＞０であるので、出力電流Ｉｏの位相の変化は正方向に増大していく。したがって、電力変換回路１１の出力周波数の変動分Δｆｏも正方向に増大していく。
【００４９】
出力周波数ｆｏがｆ１に等しい場合、Δφｚ＝Δφｓとなり、Δφｉ＝０となるので、位相も周波数も変化しない。
【００５０】
以上のことから、電力変換回路１１の出力周波数ｆｏが変動して、商用周波数ｆｓより少しでも低くなると、周波数ｆ１に収束する。
【００５１】
結局、本発明によれば、単独運転の場合には、周波数が少しでも変動すれば、電力変換回路１１の出力周波数ｆｏは、ｆ１またはｆ２になる。周波数ｆ１またはｆ２は、周波数リレー２０で検出可能な周波数となるように、負荷インピーダンスを考慮して、同期信号計算手段１８の［数１］と［数２］を設定してある。それゆえ、本発明では、単独運転が周波数リレーで検出できる。
【００５２】
ここでは、説明を簡単化するため、電力変換回路１１の出力電力と負荷３の消費電力が一致し、商用電力系統２からの電力供給がないような、単独運転が発生しやすいＲＬＣ負荷を考えた。しかし、多くの場合は、商用電力系統から負荷に電力が供給されているため、系統が停電すると、系統から電力が供給されなくなり、周波数だけでなく、負荷の電圧も規定の範囲を超えることになる。したがって、周波数リレー２０と電圧リレー２３を組合せることにより、より確実に単独運転を検出することができる。
【００５３】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、系統連系用電力変換システムの制御回路に、単独運転保護のための回路を追加する必要はなく、そこに使用されているマイクロコンピュータを利用してソフトウェアで、単独運転保護の機能を実現することが可能である。そのため、回路追加によるコストアップや故障率の増加、回路素子のバラツキや温度による変動、経年劣化による性能の低下を招くようなことなく、確実に系統連系用電力変換システムの単独運転を検出し、防止することができる。
【００５４】
その上、ディジタル制御系の状態方程式と出力方程式から構成することができるので、回路で実現する場合と比較して、回路素子値による設計上の制約がなく、自由に設計できるので、非常に便利である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明によれば、簡単な計算手段を用いて、安価かつ経年劣化の少ない系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法および単独運転保護装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の系統連系用電力変換システムを示すブロック図である。
【図２】前記系統連系用電力変換システムの単独運転保護装置を構成する同期信号計算手段のパルス伝達関数の周波数特性例である。
【図３】負荷の一例である。
【図４】前記単独運転保護装置の動作説明図である。
【図５】従来の系統連系インバータ装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  太陽電池
２  商用電力系統
３  負荷
４  電流検出器
５，６  遮断器
１１  電力変換回路
１２  電圧検出部
１３  入力電圧制御部
１４  乗算部
１５  出力電流制御部
１６  ＰＷＭ制御部
１７  駆動部
１８  同期信号計算手段
１９  周波数検出部
２０  周波数リレー
２１  異常検出部
２２  実効値計算部
２３  電圧リレー
２０１  入力点
２０２  連系点
Ｖｄ  太陽電池の電圧
Ｖｄｒ  電圧指令値
Ｖｃ  入力電圧制御部の出力
Ｖｓ  同期信号
Ｉｏ  電力変換回路の出力電流
Ｉｏｒ  電流指令値
【図１】
2008118809.tif 000008
【図２】
2008118809.tif 000009
【図３】
2008118809.tif 000010
【図４】
2008118809.tif 000011
【図５】
2008118809.tif 000012