(57)【要約】【課題】  商用電源の受電異常を検知し、系統連系発電システムを商用電源の電力系統から解列させると共に、タービン発電機の損傷を未然に防止する系統連系発電システムを提供する。【解決手段】  系統連系インバータ１４と、系統連系インバータ１４の出力電圧位相を商用電力電圧位相に同期させ、商用電力電圧のゼロクロスを監視し、出力電圧位相を商用電力電圧位相からシフトさせ、シフトされた出力電圧位相を商用電力電圧位相へシフトさせる電圧位相シフト回路２０と、商用電力系統１０の電圧位相と出力電圧位相を比較する位相比較器２４と、位相比較器２４から出力される所定回数連続する一致信号に基づき、商用電力系統１０からの電力供給遮断による停電を検知し、遮断器２２に制御信号を送信して系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から遮断させる系統連系制御装置３０とを備える。【選択図】    図１
2004208496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電力系統に並列接続され系統接続負荷に電力を供給する系統連系発電システムであって；
発電した電力を前記商用電力系統に連系させる系統連系インバータと；
前記系統連系インバータの出力電圧位相を前記商用電力電圧位相に同期させると共に、商用電力電圧のゼロクロスを監視し、所定のゼロクロス回数に達した段階で、１サイクルの期間に該出力電圧位相を前記商用電力電圧位相からシフトさせ、次の１サイクルの期間にシフトされた出力電圧位相を前記商用電力電圧位相へシフトさせる電圧位相シフト回路と；
前記系統連系インバータの出力を前記商用電力系統から切り離す遮断器と；
前記商用電力系統の電圧位相と前記出力電圧位相を比較する位相比較器と；
前記位相比較器から出力される所定回数連続する一致信号に基づき、前記商用電力系統からの電力供給遮断による停電を検知し、前記遮断器に制御信号を送信して前記系統連系インバータの出力を前記商用電力系統から遮断させる系統連系制御装置と；
を備える系統連系発電システム。
【請求項２】
前記系統連系制御装置は、前記出力電圧位相を前記商用電力電圧位相に同期させる期間に前記位相比較器から一致信号が出力されない場合は、前記商用電力系統の周波数変動を検知し、前記遮断器に制御信号を送信して前記系統連系インバータの出力を前記商用電力系統から遮断させる請求項１に記載の系統連系発電システム。
【請求項３】
商用電力系統に並列接続され系統接続負荷に電力を供給する系統連系発電システムであって；
発電を行うタービン発電機と；
前記タービン発電機により発電した電力を前記商用電力系統に連系させる系統連系インバータと；
前記系統連系インバータの出力電圧位相を前記商用電力電圧位相に同期させると共に、商用電力電圧のゼロクロスを監視し、所定のゼロクロス回数に達した段階で、１サイクルの期間に該出力電圧位相を前記商用電力電圧位相からシフトさせ、次の１サイクルの期間にシフトされた出力電圧位相を前記商用電力電圧位相へシフトさせる電圧位相シフト回路と；
前記系統連系インバータの出力を前記商用電力系統から切り離す遮断器と；
前記商用電力系統の電圧位相と前記出力電圧位相を比較する位相比較器と；
前記位相比較器から出力される所定回数連続する一致信号に基づき、前記商用電力系統からの電力供給遮断による停電を検知し、前記遮断器に制御信号を送信して前記系統連系インバータの出力を前記商用電力系統から遮断させると共に、前記停電の検知から前記商用電力系統を遮断する間に前記タービン発電機を所定の回転速度に低下させる系統連系制御装置と；
を備える系統連系発電システム。
【請求項４】
商用電力系統に並列接続され系統接続負荷に電力を供給する系統連系発電システムであって；
発電を行うタービン発電機と；
前記タービン発電機により発電した電力を前記商用電力系統に連系させる系統連系インバータと；
前記系統連系インバータの出力電圧位相を前記商用電力電圧位相に同期させると共に、商用電力電圧のゼロクロスを監視し、所定のゼロクロス回数に達した段階で、１サイクルの期間に該出力電圧位相を前記商用電力電圧位相からシフトさせ、次の１サイクルの期間にシフトされた出力電圧位相を前記商用電力電圧位相へシフトさせる電圧位相シフト回路と；
前記系統連系インバータの出力を前記商用電力系統から切り離す遮断器と；
前記商用電力系統の電圧位相と前記出力電圧位相を比較する位相比較器と；
前記位相比較器から出力される所定回数連続する一致信号に基づき、前記商用電力系統からの電力供給遮断による停電を検知し、前記遮断器に制御信号を送信して前記系統連系インバータの出力を前記商用電力系統から遮断させると共に、前記タービン発電機へ遮断命令を送信しタービンを定格回転速度に制御し所定期間回転させてから、該タービン発電機の運転を停止させる系統連系制御装置と；
を備える系統連系発電システム。
【請求項５】
前記タービン発電機は、前記遮断命令に応答し前記所定期間内にバッテリを再充電する請求項３又は請求項４に記載の系統連系発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、系統連系発電システムに係り、特に、商用電力系統と連系して系統接続負荷に電力を供給する系統連系発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、系統連系発電システムは、例えば太陽光発電による直流電源の直流出力を交流出力に変換し、交流の商用電源に連系するインバータ装置を備えている。このインバータ装置を制御する制御装置は、商用電源の相電圧の検出回路と、インバータ装置の出力電流の検出回路と、両検出回路により検出された商用電源の相電圧信号とインバータ装置の出力電流信号とを誤差演算する演算回路と、この演算回路の出力に基づいてインバータ装置のスイッチングを制御するドライバ回路により、電流制御方式のインバータ装置から出力される出力電流を商用電源の相電圧信号に追従させ、商用電源の電圧位相に一致した正弦波電流を出力するように制御し、例えば太陽電池の発電電力を交流電力に変換していた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２８５２６０号公報（段落００２３、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、商用電源の電力系統において保守、点検のような意図的な停電をおこなう場合、停電区間上位の開閉器を開放して停電区間を停電させる必要があり、停電区間内に上述したような系統連系発電システムが設置または接続されている場合は、停電を検知し系統連系発電システムと電力系統との間に設けた開閉器を開放して系統連系発電システムを商用電源の電力系統から解列する必要がある。
【０００４】
また、商用電源の過周波数又は不足周波数等の受電異常を検知した場合も開閉器を開放して系統連系発電システムを商用電源の電力系統から解列する必要がある。
【０００５】
さらに、タービン発電機を備えた系統連系発電システムでは、系統連系発電システムを商用電源の電力系統及び電力負荷から解列させた瞬間、発電機が無負荷運転状態となるためタービンの回転数が急激に上昇し絶対定格回転数を超えてタービン又は補機を損傷させるという課題が存在する。
【０００６】
本発明は、斯かる実情に鑑み、商用電源の受電異常を検知し、系統連系発電システムを商用電源の電力系統から解列させると共に、タービン発電機の損傷を未然に防止する系統連系発電システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる発明による系統連系発電システム１は、例えば、図１に示すように、商用電力系統１０に並列接続され系統接続負荷１２に電力を供給する系統連系発電システムであって、発電した電力を商用電力系統１０に連系させる系統連系インバータ１４と、系統連系インバータ１４の出力電圧位相を商用電力電圧位相に同期させると共に、商用電力電圧（交流電圧波形）が０Ｖを交叉する点であるゼロクロスを監視し、所定のゼロクロス回数に達した段階で、あるいは、内部タイマにて所定時間を計測後に商用電力電圧のゼロクロスを検出した段階で、ゼロクロスのタイミングを始点とし、１サイクルの期間に出力電圧位相を商用電力電圧位相からシフトさせ、次の１サイクルの期間にシフトされた出力電圧位相を商用電力電圧位相へシフトさせる電圧位相シフト回路２０と、系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から切り離す遮断器２２と、商用電力系統１０の電圧位相と出力電圧位相を比較する位相比較器２４と、位相比較器２４から出力される所定回数連続する一致信号に基づき、商用電力系統１０からの電力供給遮断による停電を検知し、遮断器２２に制御信号を送信して系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から遮断させる系統連系制御装置３０と、を備える。
【０００８】
このように構成すると、系統連系制御装置３０を備えるので、位相比較器２４から出力される所定回数連続する一致信号に基づき、商用電力系統１０からの電力供給遮断による停電を検知し、遮断器２２に制御信号を送信して系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から遮断させることができる。
さらに、位相シフトのタイミングが、確実に、ゼロクロスを始点として、進み位相、遅れ位相の２サイクル期間にて行われるので、例えば、商用電力系統に停電が発生した時に、進み位相のみ１回の周期にて位相をシフトした場合は、負荷の状態により、シフトした進み位相と逆の遅れ位相の状態となった場合に結果的に位相がシフトせず、検出ができなくなるのに対して、進み位相、遅れ位相の２サイクル期間にわたり位相をシフトさせることにより、２サイクル期間の位相比較結果を用いて、負荷の状態に係わらず、停電を判断することができるという、効果がある。すなわち、負荷の状態により遅れ位相の状態となった場合には、２サイクル目に確実に検出できる。
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項２にかかる発明による請求項１に記載の系統連系発電システム１は、例えば、図１に示すように、系統連系制御装置３０は、出力電圧位相を商用電力電圧位相に同期させる期間に位相比較器２４から一致信号が出力されない場合は、商用電力系統１０の周波数変動を検知し、遮断器２２に制御信号を送信して系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から遮断させるように構成する。
【００１０】
このように構成すると、商用電力系統１０の周波数変動を検知し、遮断器２２に制御信号を送信して系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から遮断させることができる。
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項３にかかる発明による系統連系発電システム１は、例えば、図１に示すように、商用電力系統１０に並列接続され系統接続負荷１２に電力を供給する系統連系発電システムであって、発電を行うタービン発電機３２と、タービン発電機３２により発電した電力を商用電力系統１０に連系させる系統連系インバータ１４と、系統連系インバータ１４の出力電圧位相を商用電力電圧位相に同期させると共に、商用電力電圧のゼロクロスを監視し、所定のゼロクロス回数に達した段階で、１サイクルの期間に出力電圧位相を商用電力電圧位相からシフトさせ、次の１サイクルの期間にシフトされた出力電圧位相を商用電力電圧位相へシフトさせる電圧位相シフト回路２０と、系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から切り離す遮断器２２と、商用電力系統１０の電圧位相と出力電圧位相を比較する位相比較器２４と、位相比較器２４から出力される所定回数連続する一致信号に基づき、商用電力系統１０からの電力供給遮断による停電を検知し、遮断器２２に制御信号を送信して系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から遮断させると共に、停電の検知から商用電力系統を遮断する間にタービン発電機３２を所定の回転速度に低下させる系統連系制御装置３０と、を備える。
【００１２】
このように構成すると、系統連系制御装置３０を備えるので、位相比較器２４から出力される所定回数連続する一致信号に基づき、商用電力系統１０からの電力供給遮断による停電を検知し、遮断器２２に制御信号を送信して系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から遮断させると共に、停電の検知から商用電力系統を遮断する間にタービン発電機３２を所定の回転速度に低下させることができる。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項４にかかる発明による系統連系発電システム１は、例えば、図１に示すように、商用電力系統１０に並列接続され系統接続負荷１２に電力を供給する系統連系発電システムであって、発電を行うタービン発電機３２と、タービン発電機３２により発電した電力を商用電力系統１０に連系させる系統連系インバータ１４と、系統連系インバータ１４の出力電圧位相を商用電力電圧位相に同期させると共に、商用電力電圧のゼロクロスを監視し、所定のゼロクロス回数に達した段階で、１サイクルの期間に出力電圧位相を商用電力電圧位相からシフトさせ、次の１サイクルの期間にシフトされた出力電圧位相を商用電力電圧位相へシフトさせる電圧位相シフト回路２０と、系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から切り離す遮断器２２と、商用電力系統１０の電圧位相と出力電圧位相を比較する位相比較器２４と、位相比較器２４から出力される所定回数連続する一致信号に基づき、商用電力系統１０からの電力供給遮断による停電を検知し、遮断器２２に制御信号を送信して系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から遮断させると共に、タービン発電機３２へ遮断命令を送信しタービン３６を定格回転速度に制御し所定期間回転させてから、タービン発電機３２の運転を停止させる系統連系制御装置３０と、を備える。
【００１４】
このように構成すると、系統連系制御装置３０を備えるので、位相比較器２４から出力される所定回数連続する一致信号に基づき、商用電力系統１０からの電力供給遮断による停電を検知し、遮断器２２に制御信号を送信して系統連系インバータ１４の出力を商用電力系統１０から遮断させると共に、タービン発電機３２へ遮断命令を送信しタービン３６を定格回転速度に制御し所定期間回転させてから、タービン発電機３２の運転を停止させることができる。
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項５にかかる発明による請求項３または請求項４に記載の系統連系発電システム１は、例えば、図１に示すように、タービン発電機３２は、遮断命令に応答し所定期間内にバッテリ３８を再充電するように構成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の請求項１乃至請求項５に記載の系統連系発電システムによれば、商用電源の受電異常を検知し、系統連系発電システムを商用電源の電力系統から解列させると共に、タービン発電機の損傷を未然に防止する系統連系発電システムを提供しようとする、という優れた効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図１から図６は発明を実施する形態の一例であって、図中、図と同一または類似の符号を付した部分は同一物または相当物を表わし、重複した説明は省略する。
【００１８】
図１は、本発明による第１の実施の形態である系統連系発電システムのブロック図である。系統連系発電システム１は、タービン発電機３２のステータ巻線４０に接続する整流器４２と、この整流器４２と直流バス４５を介して接続する系統連系インバータ１４と、直流バス４５に並列接続する平滑コンデンサ４３と、直流電圧変換手段としてのＤＣ／ＤＣコンバータ４４を介して直流バス４５に接続する蓄電手段としてのバッテリ３８と、系統連系インバータ１４の出力に接続する遮断器２２と、この遮断器２２と交流電力ライン４６と遮断器２２と系統連系インバータ１４とタービン発電機３２に各々接続し系統連系発電システムを制御する制御装置２と、を備える。
【００１９】
上記制御装置２は、交流電力ライン４６に接続する位相比較器２４と、交流電力ライン４６に接続するゼロクロス監視装置１６と、ゼロクロス監視装置１６に接続する位相同期ループ手段としてのフェーズロックループ回路ＰＬＬ４９と、ＰＬＬ４９に接続するクロック回路５０と、ゼロクロス監視装置１６とカウンタ１８を介して接続し、且つクロック回路５０に接続する電圧位相シフト回路２０と、電圧位相シフト回路２０に接続する正弦波発生回路５１と、入力を正弦波発生回路５１に接続し出力を系統連系インバータ１４と位相比較器２４へ接続するパルス幅変調回路５２と、入力を位相比較器２４に接続し遮断器制御信号をライン２８から遮断器２２へ出力し、タービン制御命令をライン３４からタービン発電機３２へ出力する制御部３０と、を備える。
【００２０】
タービン発電機３２は、永久磁石ロータを共通接続し、燃料と空気を供給して燃焼させた燃焼ガスにより回転するガスタービン３６と、ガスタービン３６に接続する永久磁石ロータを包囲するステータ巻線４０と、燃焼ガスを排気する排気口４１とを備える。
【００２１】
図１のブロック図を参照して、系統連系発電システム１の動作について説明をする。系統連系発電システム１は、商用電力系統１０に交流電力ライン４６を介して並列接続され系統接続負荷１２に４００Ｖ／５０Ｈｚ又は２００Ｖ／５０Ｈｚ若しくは１００Ｖ／５０Ｈｚ等の交流電力を供給する。この交流電力は、系統連系発電システム１を設置する地域に供給される電圧及び周波数に調整できることは勿論である。
【００２２】
タービン発電機３２は、制御部３０からライン３４を介して始動命令を受信し、バッテリ３８から直流電力を不図示の始動用インバータへ供給し、始動用インバータからステータ巻線４０へ交流電力を印加して永久磁石ロータにトルクを発生させガスタービン３６を始動させる。
【００２３】
ガスタービン３６は、燃料及び空気の供給量と点火が調整され自立運転を達成すると、始動用インバータがステータ巻線４０から切り離され、ステータ巻線４０に接続された整流器４２へ３相の交流電力を供給する。
【００２４】
整流器４２は出力に接続された直流バス４５へ直流電力を供給し、直流バス４５に並列に接続された平滑コンデンサ４３を充電して直流バス４５の電位を安定させる。また、整流器４２は直流バス４５を経由して系統連系インバータ１４へ直流電力を供給する。この場合、整流器４２はＤＣ／ＤＣコンバータ（不図示）を介して昇圧した直流電力を系統連系インバータ１４へ供給することもできる。
【００２５】
系統連系インバータ１４は、相補的に駆動される３対のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）スイッチングトランジスタで構成し、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式の制御信号により、直流バス４５から供給される直流電圧をオン／オフすることで、商用電力系統１０の電圧位相に追従したパルス幅変調された正弦波の交流電圧を発生する。
【００２６】
交流電力ライン４６には、位相比較器２４とゼロクロス監視装置１６が並列に接続され、遮断器２２が導通状態のときは、この位相比較器２４が交流電力ライン４６にあらわれた商用電力系統１０の電圧位相を検出すると共に、系統連系インバータ１４を駆動するパルス幅変調回路５２の出力信号を入力する。検出した電圧位相と出力信号とを比較し、擬似的に系統連系インバータ１４の出力電圧位相と商用電力系統１０の電圧位相とを比較する。この比較結果及び交流電力ライン４６上の電圧位相信号をライン２６を介して制御部３０へ出力する。
【００２７】
制御部３０は、系統連系発電システム１全体を制御すると共に、位相比較器２４の比較結果に基づき、商用電力系統１０の電圧位相が系統連系インバータ１４の出力電圧位相から約２％以上の過周波数又は不足周波数であると判定したときは、ライン２８を介して遮断器２２へ制御信号を出力し遮断器２２を開制御（絶縁状態）することにより、系統連系インバータ１４を商用電力系統１０から解列させることができるため、系統連系発電システム１の単独運転を防止することができる。
【００２８】
例えば、商用電力系統１０の電圧位相と系統連系インバータ１４の出力電圧位相を一致させる期間に、位相比較器２４から一致信号が出力されない（又は不一致信号が出力される）、又は所定回数連続して一致信号が出力されない（又は不一致信号が出力される）場合は、制御部３０は過周波数又は不足周波数であると判定し、遮断器２２を開制御（絶縁状態）して、系統連系インバータ１４を商用電力系統１０から解列させることができる。このように構成することで、少なくとも数百ｍｓ以内に、好ましくは０．２秒以内に系統連系発電システム１を解列させることができる。
【００２９】
また、遮断器２２が導通状態で系統連系インバータ１４の出力電圧位相と商用電力系統１０の電圧位相が同相の場合も、ゼロクロス監視装置１６が同様にライン４７を介して交流電力ライン４６の電圧位相のゼロクロスを監視する。
【００３０】
ゼロクロス監視装置１６は、交流電力ライン４６の電圧波形が基準電位（接地電位）を通過するゼロクロスのタイミングを監視し、ゼロクロスを検出する毎にカウンタ１８へゼロクロス検出信号を出力する。このゼロクロス検出信号をカウントすることにより、交流電力ライン４６の電圧波形の１サイクルを判定することができる。例えば、３回のゼロクロス検出信号により正弦波の電圧波形を１サイクルとカウントすることができる。
【００３１】
ゼロクロス監視装置１６は、ライン４８を介して波形信号をＰＬＬ４９へ送信する。ＰＬＬ４９は、入力信号周波数や基準周波数と、出力信号との周波数を一致させる電子回路である。例えば、入力信号と出力信号との位相差を検出し、ＶＣＯ（電圧によって周波数を変化させる発振器）や内部回路のループを制御することで、正確に同期した周波数の信号を発信する。
【００３２】
電圧位相シフト回路２０は、ＰＬＬ４９の出力に基づいて系統連系インバータ１４の出力電圧位相が、商用電力系統１０の電圧位相と一致するようにクロック回路５０を分周する。また、電圧位相シフト回路２０はゼロクロスを所定回数カウントした後、カウンタ１８から、あるいは、図示しない内部タイマにて所定時間を計測しゼロクロスを検出した後、カウンタ１８から電圧位相シフト信号を受信し、この電圧位相シフト信号に応答して、ゼロクロスのタイミングが始点となるように、クロック回路５０の分周比を変化（位相遅れ又は位相進み）させ、変化させたクロック信号を正弦波発生回路５１へ出力する。
【００３３】
正弦波発生回路５１は、電圧位相がシフトした正弦波をパルス幅変調回路５２へ送信する。パルス幅変調回路５２は系統連系インバータ１４を駆動して商用電力系統１０の電圧位相から出力電圧位相をシフトさせる。
【００３４】
例えば、電圧位相シフト回路２０は、カウンタ１８から１００ｍｓ毎に電圧位相シフト信号を受信し、電圧位相シフト信号に応答して、ゼロクロスのタイミングが始点となるように、クロック回路５０の分周比を位相遅れ（マイナス位相シフト）に設定する。系統連系インバータ１４の出力電圧位相が１サイクルシフトするのに引き続き、電圧位相シフト回路２０は、クロック回路５０の分周比を位相進み（プラス位相シフト）に再設定し元の出力電圧位相へ戻して１回の位相シフト処理を完了させる。
【００３５】
上記位相シフト処理期間中に商用電力系統１０が正常時には、商用電力系統１０のインピーダンスが低いため、系統連系インバータ１４の出力電圧位相の変化は交流電力ライン４６の電圧位相に影響を与えることがないので、位相比較器２４が電圧位相のシフト検出をおこなうことはない。
【００３６】
一方、商用電力系統１０の停電が発生した場合は、系統連系インバータ１４の出力電力と系統接続負荷１２の消費電力が有効分及び無効分ともにバランス状態が生じた場合でも、系統連系インバータ１４から位相シフトした出力電圧位相が、そのまま系統接続負荷１２が接続された交流電力ライン４６にあらわれ、制御部３０は、位相比較器２４から受信した電圧位相と正規の出力電圧位相とを比較し、電圧位相の変化を検出することができる。
【００３７】
すなわち、位相シフトのタイミングが、確実にゼロクロスを始点として、進み位相、遅れ位相の２サイクル期間にて行われるので、例えば、商用電力系統に停電が発生した時に、進み位相のみ１回の周期にて位相をシフトした場合は、負荷の状態により、シフトした進み位相と逆の遅れ位相の状態となった場合に結果的に位相がシフトせず、検出ができなくなるのに対して、進み位相、遅れ位相の２サイクル期間にわたり位相をシフトさせることにより、２サイクル期間の位相比較結果を用いて、負荷の状態に係わらず、停電を判断することができるという効果がある。
【００３８】
したがって、２サイクル期間に発生する電圧位相の遅れあるいは進みを検知することで、停電を判定し、ライン２８を介して遮断制御信号を送信し遮断器２２を開制御することで商用電力系統１０と系統連系発電システム１とを解列させることができるため、系統連系発電システム１の単独運転を防止することができる。
【００３９】
また、カウンタ１８から１００ｍｓ毎に電圧位相シフト信号を出力しているので、２サイクル期間に発生する電圧位相の遅れあるいは進みを２回以上連続して電圧位相の変化を検知したときに停電を判定してもよい。このように構成すると、少なくとも数百ｍｓ以内に、好ましくは０．５秒以内に系統連系発電システム１を解列させることができる。
上述の説明では、２サイクル期間に発生する電圧位相の遅れあるいは進みについて説明したが、半サイクル又は１サイクルにおける位相差を検出してもよいし（この場合、例えば負荷による位相の変化方向を設定しておけば、同じ方向に位相を変化させるサイクルにて検出することができる、また負荷による位相の変化が微小な場合は検出できる。）、あるいは、２サイクル期間に発生する各周期の周波数の増加あるいは減少を検知しても同様の効果が得られる。また、本実施の形態では、上述したように２サイクルにわたり位相をシフトする方法について記述したが、２サイクル以上のシフトを行うことで検出する方法について同様な効果が得られることは言うまでも無い。また、２サイクル期間に行う進み位相、遅れ位相の順序を逆にしても良い。
【００４０】
本実施の形態では、上述したようにハードウエアロジックを用いて回路を構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、マイクロコンピュータやデジタルシグナルプロセッサを用いてソフトウエア処理により位相比較、ゼロクロス監視、パルス幅変調、デジタルＰＬＬを構成し、交流電力ライン４６の電圧位相をＡＤ変換器（不図示）によりデジタル信号に変換してから演算処理を行っても同様の効果を得ることができる。
【００４１】
制御部３０は、過周波数又は不足周波数並びに停電の何れか１つを検知した段階で、ライン３４を介してタービン制御命令を送信し、ガスタービン３６の回転を低下させる。ガスタービン３６が定格回転より低回転で運転するため、その直後（約０．２秒から０．５秒後）に遮断器２２を開制御し商用電力系統１０と系統連系発電システム１を解列させても、タービン発電機３２が無負荷状態でガスタービン３６の回転数が絶対定格回転まで上昇することを有効に防止することができる。
【００４２】
また、制御部３０は、タービン発電機３２へライン３４を介して遮断命令を送信し、ガスタービン３６を定格回転速度に戻すように制御して、定格回転速度で所定期間回転させてから、タービン発電機３２の運転を停止させるように構成する。無負荷運転により一旦上昇したガスタービン３６の回転数を定格回転に戻すため、仮に、短時間の停電工事により通常の送電が再開された場合に、遮断器２２を閉制御（導通）して系統連系発電システム１を再度商用電力系統１０と系統連系させることができる。
【００４３】
さらに、所定時間以上経過しても停電工事が終了せずに、停電状態等が継続したときは遮断器２２を開制御（絶縁）のままタービン発電機３２を停止させるため、補機の冷却を完了させることができる。
【００４４】
制御部３０は、過周波数又は不足周波数並びに停電の何れか１つを検知した段階で、直流バス４５からＤＣ／ＤＣコンバータ４４を通じてバッテリ３８を充電するように制御する。バッテリ３８の充電期間は、タービン発電機３２を停止させるまでの任意の期間に設定するとよい。
【００４５】
図２は、本発明による第１の実施の形態である系統連系発電システムの出力波形図である。系統連系発電システムは、系統連系インバータ１４から交流電力ライン４６へ電圧波形５６を出力している。図中の実線で示した電圧波形５６は、３相交流出力（ｕ、ｖ、ｗ）の中の任意の１相を表している。また、破線で示した電圧波形５６は、正規の交流波形（シフトしていない波形）を表している。
【００４６】
制御部３０（図１参照）は、カウンタ１８よりシフト信号５７を受信し、実線で示した電圧波形と破線で示した系統電圧波形の位相比較結果を監視する。電圧位相シフト回路２０（図１参照）は、系統連系インバータ１４の出力電圧としての電圧波形５６の周波数Ｆ・Ｈｚ及び位相を商用電力電圧の周波数及び位相に同期させると共に、商用電力電圧のゼロクロスを監視し、所定のゼロクロス回数、例えば、５０Ｈｚの場合は１０回のゼロクロスを検出した段階で、あるいは、例えば、内部タイマにて１００ｍｓを計測した後に、ゼロクロスの発生を監視した段階で、ゼロクロス点を始点とし、１サイクルの期間（２０ｍｓ）に電圧波形５６の出力電圧位相を遅らせ（結果的に周波数を商用電力電圧の周波数Ｆから周波数（Ｆ＋Δｆ）へシフトさせ）、次の１サイクルの期間（２０ｍｓ）に電圧波形５６の出力電圧位相を進ませる（結果的に周波数を商用電力電圧の周波数Ｆから周波数（Ｆ−Δｆ）へシフトさせる）。このように構成すると、１００ｍｓに１回、系統のゼロクロスを始点として位相シフトを実行することにより周波数シフトを実行することができる。このゼロクロス点を始点として電圧波形の位相を変化させる２サイクルの期間を周波数シフト期間と称することとする。
【００４７】
図示した電圧波形５６は、周波数シフト期間以外では、商用電力電圧の周波数Ｆに同期しているが、シフト信号５７の立下りエッジ５８の直後に現れるゼロクロス点５５から周波数シフト期間に移行し、電圧波形５６の周波数をΔｆ（Ｈｚ）分だけ高くする。また、周波数シフト期間にシフト信号５７を活性化させて１サイクルが経過したゼロクロス点５３を検知し、周波数を増したシフト波形のデータを取り込む。図中の実線で示した電圧波形５６は破線で示した正規の電圧波形より位相が進んでいるため、商用電力系統１０は停電状態であり、交流電力ライン４６も停電状態である。このゼロクロス点５３の位相シフトを検知し遮断器２２を開制御することができる。
【００４８】
引き続き、電圧波形５６を正規の周波数Ｆに戻すため、ゼロクロス点５３からΔｆ（Ｈｚ）分だけ電圧波形５６の周波数を低くする。また、１サイクルが経過したゼロクロス点５４を検知し、周波数を減じたシフト波形のデータを取り込む。この時点の電圧波形５６の周波数Ｆは、商用周波数と同期している。
【００４９】
シフト信号５７の立下りエッジ５８から１００ｍｓが経過した時点で、活性化しているシフト信号５７を不活性にする立下りエッジ５８ａに応答して上述した周波数シフト期間に移行する。同様にゼロクロス点５３ａで周波数を増したシフト波形のデータを取り込み、交流電力ライン４６の停電を検知する。本実施の形態では、１回目の停電検知の時点で遮断器２２を開制御せずに、２回目の停電検知に応答して遮断器２２を開制御することもできる。このように連続する停電の検知により信頼性の高い単独運転防止の系統連系発電システムを提供することができる。
【００５０】
引き続き、電圧波形５６を正規の周波数Ｆに戻すため、ゼロクロス点５３ａからΔｆ（Ｈｚ）分だけ電圧波形５６の周波数を低くする。また、１サイクルが経過したゼロクロス点５４ａを検知し、周波数を減じたシフト波形のデータを取り込む。この時点の電圧波形５６の周波数Ｆは、商用周波数と同期している。さらに、立下りエッジ５８ａから１００ｍｓが経過した時点でシフト信号５７の立下りエッジ５８ｂに対応する周波数シフト期間に移行することができる。
【００５１】
上記電圧波形５６を実線で示した停電時の波形で説明したが、商用電力系統１０が正常に送電している場合は、系統連系インバータ１４からシフトした電圧波形を出力しても交流電力ライン４６の電圧波形５６の周波数は破線で示した電圧波形の周波数に変化している。
【００５２】
図３は、本発明による第１の実施の形態である系統連系発電システムの受動式単独運転検知のフローチャート図である。系統連系発電システムは、開始ステップからステップ６０へ移行し受動式の単独運転検知を処理する。次に、この単独運転検知処理が完了した後にステップ６１の能動式の単独運転検知処理へ移行する。このステップ６１では、交流電力ライン４６に現れる電圧の検知周波数が基準周波数より高い又は低いか否かを判定する。例えば、商用周波数が５０Ｈｚで１Ｈｚの周波数シフト量に設定した場合、±２％の検知レベルで過周波数又は不足周波数を検知することができる。
【００５３】
判定結果が否（ＮＯ）であれば、ステップ６２へ分岐して能動式タイマを初期化（ゼロ）にしてステップ６３へ移行し処理を終了する。一方、判定結果が是（ＹＥＳ）であれば、ステップ６４へ分岐し能動式検知時間が経過しているか否かを判定する。
【００５４】
検知時間が経過し判定結果が是（ＹＥＳ）であれば、ステップ６５へ分岐し、受動式の単独運転を検知し遮断器２２を開制御してからステップ６３へ移行し処理を終了する。一方、判定結果が否（ＮＯ）であれば、ステップ６６へ分岐して能動式タイマを増分してステップ６３へ移行し処理を終了する。
【００５５】
上記受動式の単独運転検知処理を繰り返し、常時、±２％の検知レベルで過周波数又は不足周波数を検知することができる。また、周波数シフトの検知レベルをシフト周波数の１／２に設定し、例えば、商用電力系統１０の周波数を５０Ｈｚの場合には１Ｈｚの周波数シフト量に設定した場合、周波数の増分シフト時の周波数が５０．５Ｈｚ以上で周波数シフトを検知する。また、周波数の減分シフト時の周波数が４９．５Ｈｚ以下で周波数シフトを検知する。
【００５６】
図４は、本発明による第１の実施の形態である系統連系発電システムの能動式単独運転検知のフローチャート図である。系統連系発電システムは、ステップ７０で能動式の単独運転検知処理を開始する。ステップ７１へ移行し、周波数シフト期間か否かを判定する。
【００５７】
判定結果が是（ＹＥＳ）であれば、ステップ７４へ分岐し内部ＰＬＬを進め周波数を増分させステップ７３へ進み処理を終了させる。一方、判定結果が否（ＮＯ）であれば、ステップ７２へ分岐し前回の周波数シフト処理が周波数を増分（プラスシフト）したか否かを判定する。この判定結果が是（ＹＥＳ）であれば、ステップ７５へ分岐し内部ＰＬＬを遅らせて周波数を減分させステップ７３へ進み処理を終了させる。一方、この判定結果が否（ＮＯ）のときは、ステップ７３へ分岐し処理を終了させる。
【００５８】
上記能動式の単独運転検知処理を繰り返し、約１００ｍｓの間隔で周波数をシフトさせて、交流電力ライン４６に現れる電圧波形を監視して商用電力系統１０の停電を検知することができる。
【００５９】
図５は、本発明による第２の実施の形態である系統連系発電システムの動作説明図である。系統連系発電システムは、制御部３０から遮断命令７８を発して遮断器２２を開制御するのに伴い、タービン発電機３２は燃料と空気の供給を絞りガスタービン３６の回転数７６を定格運転の回転数から３０秒の間に停止準備のための低回転まで減速させる。
【００６０】
制御部３０は、充電開始命令７９を発してＤＣ／ＤＣコンバータ４４を制御しバッテリ３８を充電させる。ガスタービン３６が減速回転しながら、約１５分以内にバッテリ３８の充電を完了８０し、ガスタービン３６への燃料と空気の供給を停止してガスタービン３６を消火するように制御する。
【００６１】
充電が完了８０した時点から約１０分後に補機や循環オイルの冷却が完了８１し、ガスタービン３６は完全に停止することができる。上記遮断命令７８が発せられた時点ではタービン排気温度７７は定格値である。遮断命令７８に応動してガスタービン３６の回転が低下するとタービン排気温度７７は上昇するが許容値である。その後、ガスタービン３６の消火に伴い、徐々にタービン排気温度７７は低下し冷却が完了８１する。
【００６２】
図６は、本発明による第３の実施の形態である系統連系発電システムの動作説明図である。系統連系発電システムは、制御部３０が停電検知８２をした段階でタービン発電機３２へタービン減速命令を発する。タービン発電機３２は燃料と空気の供給を絞りガスタービン３６を定格運転の回転数より低い回転速度に減速させる。
【００６３】
制御部３０は、停電検知８２から約１秒以内に遮断命令７８を発して遮断器２２を開制御し系統連系発電システム１を商用電力系統１０から解列させる。この解列に伴いタービン発電機３２は無負荷運転状態になるため、Ｂで示すようにガスタービン３６の回転数がトリップレベル８４まで上昇するが、ガスタービン３６の低い回転速度のためにＡで示すような定格速度で運転中に解列させてオーバースピード８３に達すことはない。
【００６４】
タービン発電機３２は、ガスタービン３６の回転数をトリップレベル８４から定格運転の回転数へ戻すように燃料と空気の供給量を制御する。ガスタービン３６の回転数を定格運転にしてからバッテリ３８を充電開始７９する。このバッテリ３８は約１５分で充電完了８０する。
【００６５】
本実施形態では、タービン発電機３２をさらに約２０分間運転しながら、交流電力ライン４６の電圧を監視し商用電力系統１０の送電復帰を検知することができる。仮に、停電状態が２０分以上継続する場合は、ガスタービン３６を消火８１して徐々にタービン速度を低下させ完全停止８１させる。
【００６６】
一方、一点鎖線で示すＣのようにバッテリ３８の充電完了８０の後に商用電力系統１０の送電復帰を検知した場合は、定格運転を継続し商用電力系統１０と周波数を同期させて遮断器２２を閉制御して系統連系発電システム１と商用電力系統１０とを再接続することができる。このように、ガスタービン３６を継続して運転させるのは、停止と起動を頻繁に繰り返さないようにするためである。
【００６７】
こうして、系統連系発電システムは、商用電力系統１０からの受電異常を検知して、単独運転を防止することができ、タービン発電機３２の損傷又は劣化を未然に防止することができる。
【００６８】
尚、本発明の系統連系発電システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施の形態による系統連系発電システムのブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による系統連系発電システムの出力波形図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態による系統連系発電システムの受動式単独運転検知のフローチャート図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態による系統連系発電システムの能動式単独運転検知のフローチャート図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態による系統連系発電システムの動作説明図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態による系統連系発電システムの動作説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１      系統連系発電システム
２      制御装置
１０      商用電力系統
１２      系統接続負荷
１４      系統連系インバータ
１６      ゼロクロス監視装置
１８      カウンタ
２０      電圧位相シフト回路
２２      遮断器
２４      位相比較器
３０      制御部
３２      タービン発電機
３６      ガスタービン
３８      バッテリ
４０      ステータ巻線
４２      整流器
４３      平滑コンデンサ
４４      コンバータ
４５      直流バス
４６      交流電力ライン
５０      クロック回路
５１      正弦波発生回路
５２      パルス幅変調回路
【図１】
2004208496.tif 000003
【図２】
2004208496.tif 000004
【図３】
2004208496.tif 000005
【図４】
2004208496.tif 000006
【図５】
2004208496.tif 000007
【図６】
2004208496.tif 000008