(57)【要約】【課題】  高密度連系状態においても確実に単独運転を防止できる単独運転防止機能を備えた、系統電源側への逆潮流なしの分散型発電システムを提供する。【解決手段】  系統電源３０と系統連系可能な分散型発電システムであって、不足電力継電器５と受動的単独運転防止装置６と能動的単独運転防止装置７を備え、系統電源３０側への逆潮流を許容しないように構成されている。そして、不足電力継電器の不足電力検出のための基準値である解列設定値に対し、より不足電力状態となるように所定の余裕度を持たせて設定した発電電力目標値に基づいて発電出力が制御される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
系統電源と系統連系可能な分散型発電システムであって、
不足電力継電器と受動的単独運転防止装置と能動的単独運転防止装置を備え、前記系統電源側への逆潮流を許容しないように構成されていることを特徴とする分散型発電システム。
【請求項２】
直流電力を発生する発電機と、
前記発電機が発生した直流電力を所定の電圧と周波数の交流電力に変換する電力変換装置と、
前記電力変換装置の運転及び系統電源との連系接続を制御する出力制御手段と、
負荷の消費電力から前記電力変換装置の出力電力を差し引いた差で表される不足電力が所定の解列設定値を下回ったことを検出して不足電力検出信号を出力する不足電力検出手段と、
前記系統電源の停電時に系統電圧に現れる変化を検出して第１停電検出信号を出力する受動的単独運転検出手段と、
前記電力変換装置の出力電力に対して付与した所定の特性変動に基づいて前記系統電源の停電時に現れる変化を検出して第２停電検出信号を出力する能動的単独運転検出手段と、を備え、
前記不足電力継電器は、前記不足電力検出手段が出力する前記不足電力検出信号に基づいて、前記出力制御手段が前記電力変換装置と前記系統電源との連系接続する継電器を開成するように構成され、
前記受動的単独運転防止装置は、前記受動的単独運転検出手段が出力する前記第１停電検出信号に基づいて、前記出力制御手段が前記電力変換装置と前記系統電源とを連系接続する継電器の開成、或いは、前記電力変換装置の運転停止の少なくとも何れか一方を行うように構成され、
前記能動的単独運転防止装置は、前記能動的単独運転検出手段が出力する前記第２停電検出信号に基づいて、前記出力制御手段が前記電力変換装置と前記系統電源とを連系接続する継電器の開成、或いは、前記電力変換装置の運転停止の少なくとも何れか一方を行うように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の分散型発電システム。
【請求項３】
前記不足電力継電器の不足電力検出のための基準値である解列設定値に対し、より不足電力状態となるように所定の余裕度を持たせて設定した発電電力目標値に基づいて発電出力が制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の分散型発電システム。
【請求項４】
ヒータ及び前記ヒータの作動を制御するヒータ制御部を備え、
前記発電電力目標値の発電出力に対して余剰電力が発生する場合、前記ヒータ制御部が、前記余剰電力を前記ヒータで消費するように制御することを特徴とする請求項３に記載の分散型発電システム。
【請求項５】
熱電併給型発電機を備えていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の分散型発電システム。
【請求項６】
逆潮流なしで系統電源と系統連系する分散型発電システムの単独運転防止方法であって、
前記分散型発電システムに、不足電力継電器と受動的単独運転防止装置と能動的単独運転防止装置を備え、
不足電力継電器により、前記系統電源の正常時における前記分散型発電システムから前記系統電源側への逆潮流の発生を排除した状態において、
前記受動的単独運転防止装置と前記能動的単独運転防止装置により、前記系統電源の停電を検出して、前記分散型発電システムの単独運転状態を防止することを特徴とする分散型発電システムの単独運転防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散型発電システムに関し、より詳細には、系統電源との連系接続が可能で、系統電源停電時における単独運転を防止する単独運転防止機能を備えた分散型発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ２排出量の削減や省エネルギを志向した分散型エネルギシステムの開発が活発であり実用化も進んでおり、一般家庭、集合住宅、オフィスなどにおいても電力消費地で発電を行う分散型発電システムの利用が今後急速に進展するものと考えられる。特に、熱電併給可能なガスエンジンコージェネレーションシステム等は、電力のみならず、ガスエンジンの発生する熱エネルギを同時に有効利用できるため、全体的なエネルギ効率の高さで注目を集めている。
【０００３】
ところで、分散型発電システムでは、単独で電力消費地における全ての電力需要を賄うのではなく、電力会社が供給する商用交流電源等の系統電源と系統連係して、電力需要に対する不足電力を系統電源から補給する形態の系統連系発電装置としての使用形態（系統連系型使用形態）が、特に住宅用等で主流となっている。かかる系統連系型使用形態の場合、系統電源との同期制御、系統保護協調、系統停電時の単独運転防止等の系統連系機能の確立が必要とされる。
【０００４】
ここで、単独運転防止機能の方式としては、系統電圧を監視して、系統停電による単独運転時に現れる変化を検出する受動的方式と、系統連系発電装置側から出力に特定の変動を与えて単独運転時に現れる変化を検出する能動的方式の２方式がある。受動的方式としては、電圧位相跳躍検出式、３次高調波歪急増検出式、周波数変化率検出式等の方式があるが（例えば、下記特許文献１または２参照）、逆潮流バランス時には変化が現れずに検出できない場合がある。このため、受動的方式を補完して逆潮流バランス状態でも検出可能なように能動的方式を用いる必要が生じる。能動的方式としては、周波数シフト式、有効電力変動式、無効電力変動式等の方式がある（例えば、下記特許文献３〜７参照）。
【０００５】
一方、上記系統連系型使用形態の場合において、系統電源側への逆潮流を許容しない分散型発電システムでは、現在、電力系統連系技術要件ガイドラインの規定により、以下の３つの方法の何れかによって単独運転防止機能を担保する必要がある。即ち、１）逆電力継電器（ＲＰＲ）と不足電力継電器（ＵＰＲ）を備えるか、２）逆電力継電器（ＲＰＲ）と単独運転防止機能（能動的方式と受動的方式の夫々が１つ以上）を備えるか、或いは、３）単独運転防止機能（能動的方式と受動的方式の夫々が１つ以上）を備える必要がある。
【特許文献１】特許第３４０５７８６号明細書
【特許文献２】特許第３０２２１５２号明細書
【特許文献３】特開平１１−４１８２０号公報
【特許文献４】特開平０９−３０８１１２号公報
【特許文献５】特開平０９−２５２５４０号公報
【特許文献６】特開平０９−２５２５４１号公報
【特許文献７】特開平０８−１４９８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、住宅用（家庭用）のコージェネレーションシステム等の場合は、新築時に予め設置されるケースが多いため、比較的狭い地域に系統連系発電装置が密集して設置される場合があり、所謂高密度連系状態となるケースが多く発生する。かかる高密度連系状態では、上記単独運転防止機能の能動的方式において、個々の系統連系発電装置からの同種の変動が重なって相互干渉して、正常に機能しない虞が指摘されている。
【０００７】
また、系統電源側への逆潮流を許容しない分散型発電システムでは、特に、高密度連系状態で逆潮流を防止するのが困難となる。つまり、上記３つの方法による単独運転防止対策の内、単独防止機能のみ、或いは、単独運転防止機能と逆電力継電器と組み合わせでは、逆電力継電器が個々の発電システムに対して僅かな逆潮流を許容するため、複数の発電システム間で逆潮流状態と不足電力状態が平衡してしまう可能性があり、正確に単独運転状態を検出できない虞がある。更に、逆電力継電器と不足電力継電器の組み合わせの場合は、太陽光発電システムが併設している場合に、系統電源の停電時にも太陽光発電システムから電力供給されるので、太陽光発電システムの単独運転検出に依存することになり、独立して機能する単独運転防止機能の確立が困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記問題点を解消し、高密度連系状態においても確実に単独運転を防止できる単独運転防止機能を備えた、系統電源側への逆潮流を許容しない分散型発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するための本発明に係る分散型発電システムの第一の特徴構成は、系統電源と系統連系可能な分散型発電システムであって、不足電力継電器と受動的単独運転防止装置と能動的単独運転防止装置を備え、前記系統電源側への逆潮流を許容しないように構成されている点にある。尚、ここでは、「逆潮流」は、不足電力継電器の作動に係る電圧、電流の検出点から系統電源側へ向う電力潮流を意味する。以下、本発明に係る記載において、「逆潮流」は同じ意味で使用する。
【００１０】
同第二の特徴構成は、上記第一の特徴構成に加えて、直流電力を発生する発電機と、前記発電機が発生した直流電力を所定の電圧と周波数の交流電力に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置の運転及び系統電源との連系接続を制御する出力制御手段と、負荷の消費電力から前記電力変換装置の出力電力を差し引いた差で表される不足電力が所定の解列設定値を下回ったことを検出して不足電力検出信号を出力する不足電力検出手段と、前記系統電源の停電時に系統電圧に現れる変化を検出して第１停電検出信号を出力する受動的単独運転検出手段と、前記電力変換装置の出力電力に対して付与した所定の特性変動に基づいて前記系統電源の停電時に現れる変化を検出して第２停電検出信号を出力する能動的単独運転検出手段とを備え、前記不足電力継電器は、前記不足電力検出手段が出力する前記不足電力検出信号に基づいて、前記出力制御手段が前記電力変換装置と前記系統電源との連系接続する継電器を開成するように構成され、前記受動的単独運転防止装置は、前記受動的単独運転検出手段が出力する前記第１停電検出信号に基づいて、前記出力制御手段が前記電力変換装置と前記系統電源とを連系接続する継電器の開成、或いは、前記電力変換装置の運転停止の少なくとも何れか一方を行うように構成され、前記能動的単独運転防止装置は、前記能動的単独運転検出手段が出力する前記第２停電検出信号に基づいて、前記出力制御手段が前記電力変換装置と前記系統電源とを連系接続する継電器の開成、或いは、前記電力変換装置の運転停止の少なくとも何れか一方を行うように構成されている点にある。
【００１１】
上記分散型発電システムの第一または第二の特徴構成によれば、不足電力継電器を備えているので、個々の分散型発電システムにおいて、不足電力状態において不足電力分が所定の解列設定値を下回ると、分散型発電システムの発電出力が停止するので、系統電源側への逆潮流は完全に防止されることになる。従って、高密度連系状態であっても、相互に干渉して平衡状態となる心配がないため、単独運転防止機能が正常に機能する。また、単独運転防止機能は、受動的方式と能動的方式の両方式を備えているため、各方式の欠点を補完して確実に系統電源の停電を検出でき、単独運転状態を検出でき単独運転状態を停止できる。
【００１２】
特に、第二の特徴構成の場合、電力変換装置に対して系統電源と連系接続する継電器の開成或いは運転停止を制御する出力制御手段と、受動的単独運転検出手段と、能動的単独運転検出手段とで、受動的及び能動的単独運転防止装置が構成され、同じ出力制御手段に不足電力検出手段に付加することで不足電力継電器が構成されるので、第一の特徴構成の効果を奏することができる。
【００１３】
ところで、通常、系統連系技術要件ガイドラインでは、単相三線または三相三線の電気方式では不足電力継電器は、各相に設置していなければならないが、本発明においては連系する電気方式での合計電力において、検出すれば良いという特徴を持つ。
【００１４】
同第三の特徴構成は、上記第一または第二の特徴構成に加えて、前記不足電力継電器の不足電力検出のための基準値である解列設定値に対し、より不足電力状態となるように所定の余裕度を持たせて設定した発電電力目標値に基づいて発電出力が制御される点にある。
【００１５】
同第四の特徴構成は、上記第三の特徴構成に加えて、ヒータ及び前記ヒータの作動を制御するヒータ制御部を備え、前記発電電力目標値の発電出力に対して余剰電力が発生する場合、前記ヒータ制御部が、前記余剰電力を前記ヒータで消費するように制御する点にある。
【００１６】
上記分散型発電システムの第三または第四の特徴構成によれば、不足電力継電器が不足電力状態の低下を検出して分散型発電システムの運転或いは系統連系を遮断しないように余裕を持って発電出力制御がなされるので、負荷の低下に応じて分散型発電システムからの電力供給が頻繁に停止するのを防止できる。つまり、逆電力継電器に代えて不足電力継電器を用いた場合に、負荷が発電出力と解列設定値の和を下回る状況が発生する度に、分散型発電システムからの電力供給が停止することになるのを防止できる。ここで、発電電力目標値は、負荷から解列設定値の電力を引いた電力より更に低めに設定されることになる。
【００１７】
特に、第四の特徴構成によれば、第三の特徴構成の発電電力目標値で発電出力を制御している場合に、更に負荷が低下すると不足電力継電器が作動する可能性が高くなるため、負荷の低下分、つまり、余剰電力分をヒータの消費により熱エネルギに変換することで、無駄な電力消費を抑えつつ、分散型発電システムの運転停止状態を回避できる。
【００１８】
同第五の特徴構成は、上記第一乃至第四の何れかの一つの特徴構成に加えて、熱電併給型発電機を備えている点にある。
【００１９】
上記分散型発電システムの第五の特徴構成によれば、分散型発電システムがコージェネレーションシステムとして機能するのみならず、上記第四の特徴構成と併用した場合に、熱電併給型発電機が発生する熱エネルギとヒータが発生する熱エネルギを集約してより効率的な熱エネルギの利用が可能となる。
【００２０】
この目的を達成するための本発明に係る分散型発電システムの単独運転防止方法の特徴構成は、逆潮流なしで系統電源と系統連系する分散型発電システムに、不足電力継電器と受動的単独運転防止装置と能動的単独運転防止装置を備え、不足電力継電器により、前記系統電源の正常時における前記分散型発電システムから前記系統電源側への逆潮流の発生を排除した状態において、前記受動的単独運転防止装置と前記能動的単独運転防止装置により、前記系統電源の停電を検出して、前記分散型発電システムの単独運転状態を防止する点にある。
【００２１】
上記分散型発電システムの単独運転防止方法の特徴構成によれば、不足電力継電器を備え、個々の分散型発電システムにおいて、不足電力状態において不足電力分が所定の解列設定値を下回ると、分散型発電システムの発電出力を停止することができるので、系統電源側への逆潮流は完全に防止されることになる。従って、高密度連系状態であっても、相互に干渉して平衡状態となる心配がないため、受動的及び能動的単独運転防止装置が正常に機能する。また、単独運転防止装置は、受動的方式と能動的方式の両方式を備えているため、各方式の欠点を補完して確実に系統電源の停電を検出でき、分散型発電システムの単独運転状態を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係る分散型発電システム（以下、適宜「本発明システム」という。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。
【００２３】
〈第１実施形態〉
図１に示すように、本発明システム１は、直流電力を発生する発電機２と、発電機２が発生した直流電力を所定の電圧と周波数の交流電力に変換するインバータ３（電力変換装置の一例）と、インバータ３の運転及び後述する系統電源３０との連系接続を制御する出力制御手段４と、不足電力検出手段５と、受動的単独運転検出手段６と、能動的単独運転検出手段７とを備えて構成される。また、本発明システム１は、インバータ３の出力が系統電源３０と系統連系して負荷３１に対して電力供給する構成となっている。
【００２４】
発電機２は、直流電力を発生する発電機であれば特定の発電機に限定されるものではなく、例えば、直接直流電圧を出力する燃料電池や太陽電池の他、水力、風力、内燃機関、マイクロガスタービン等によって発生する回転エネルギにより、かご型誘導機、直流励磁同期機、永久磁石同期機等から出力される交流電力をＡＣ／ＤＣ変換して直流電力を発生するものも含まれる。また、燃料電池、内燃機関、マイクロガスタービンの場合は、発電機２は、電力の他に熱も発生するコージェネレーションシステムの一部として機能する。
【００２５】
インバータ３は、直流電力を所定の電圧と周波数の交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換部８と、ＤＣ／ＡＣ変換部８の交流出力と系統電源３０の交流電力とを連系接続する連系継電器９と、ＤＣ／ＡＣ変換部８の出力する交流電流（瞬時値）をＤＣ／ＡＣ変換部８と連系継電器９の間で検出する電流検出器１０と、系統電源３０の交流電圧（瞬時値）を連系継電器９の系統電源３０側で検出する電圧検出器１１とを備えて構成される。更に、ＤＣ／ＡＣ変換部８は、ＩＧＢＴ（３端子バイポーラＭＯＳ複合半導体素子）で構成されるゲート素子からなるブリッジ回路１２と、ブリッジ回路１２の各ゲート素子のオンオフを駆動するゲート駆動部１３と、ゲート駆動部１３を正弦波ＰＷＭ方式で制御するとともに、ブリッジ回路１２の位相シフト量を制御する制御部１４を備えて構成される。ブリッジ回路１２は１つの１００Ｖ単相交流と逆位相の１００Ｖ単相交流を出力し、その中間電圧を中線として、単相３線式正弦波出力の１００Ｖ／２００Ｖを出力し、系統電源３０の同じ１００Ｖ／２００Ｖの単相３線式正弦波出力に対して同期制御されている。
【００２６】
不足電力検出手段５は、出力制御手段４とインバータ３の連系継電器９とともに不足電力継電器（ＵＰＲ）を構成するものであり、系統電源３０から負荷３１へ供給される系統電流（瞬時値）を検出する系統電流検出器３２の検出電流と電圧検出器１１の検出電圧（何れもアナログ値）を夫々入力して、負荷３１で消費される電力に対するインバータ３から供給される発電電力の不足分（不足電力）を求める不足電力測定部１９と、不足電力測定部１９が測定した不足電力と解列設定値（整定値ともいう）とを比較して、不足電力が解列設定値より下回る場合に不足電力検出信号Ｓｆを出力制御手段４に出力する不足電力判定部２０を備えて構成される。
【００２７】
受動的単独運転検出手段６は、本実施形態では、出力制御手段４とともに電圧位相跳躍検出式の受動的単独運転防止装置を構成するものであり、電流検出器１０と電圧検出器１１の検出電流と検出電圧（何れもアナログ値）を夫々入力して、インバータ３の出力電力の位相変化を検出する位相変化検出部２１と、位相変化検出部２１が検出した位相変化による周波数変化率が所定の設定値を超えた場合に、系統電源３０の停電と判定し、第１停電検出信号Ｓｊを出力する第１停電判定部２２を備えて構成される。
【００２８】
能動的単独運転検出手段７は、本実施形態では、出力制御手段４とともに位相シフト式の能動的単独運転防止装置を構成するものであり、位相差設定部２３、位相差検出部２４、第２停電判定部２５、及び、これら各部で使用される設定値、検出値、演算或いは判定アルゴリズムを記憶する記憶部２６を備えて構成される。位相差設定部２３は、後述する判定アルゴリズムに従って、インバータ３の制御部１４に対し、系統電源３０の系統電圧の位相とインバータ３の交流出力（より具体的には、ブリッジ回路１２の交流出力）の出力電流の位相との間の位相差θ（以下、適宜、「位相シフト量θ」という。）の設定値θｓを設定し、その設定値θｓを判定アルゴリズムで規定されるタイミングで制御部１４に出力する。この位相シフト量θに基づいてインバータ３の交流出力に位相シフトを強制的に付与して能動的方式による単独運転検出を行う。位相差検出部２４は、電流検出器１０と電圧検出器１１の検出電流と検出電圧を夫々入力して、入力された検出電流と検出電圧の各ゼロクロスポイントの差から位相シフト量θの検出値θｎを判定アルゴリズムで規定されるタイミングで検出する。第２停電判定部２５は、設定値θｓと収集された検出値θｎに基づいて判定アルゴリズムに従って系統電源３０の停電を判定し、停電判定時に第２停電検出信号Ｓｎを出力する。
【００２９】
能動的単独運転検出手段７の位相差設定部２３、位相差検出部２４、及び、第２停電判定部２５は、後述する演算処理や判定処理をソフトウェア的に実行することで実現され、全体は、例えばマイクロコンピュータ等のストアードプログラム方式のコンピュータシステムを応用して構成される。また、受動的単独運転検出手段６の位相変化検出部２１及び第１停電判定部２２、不足電力検出手段５の不足電力検出信号Ｓｆ等も、同様にマイクロコンピュータ等により実現される。尚、電流検出器１０と電圧検出器１１の検出電流と検出電圧（何れもアナログ値）は、当該マイクロコンピュータのアナログポートに入力され、内蔵されたＡ／Ｄ変換機によりディジタル信号化され、位相変化検出部２１及び位相差検出部２４に入力される。尚、マイクロコンピュータにアナログポートがなければ、電流検出器１０と電圧検出器１１側でＡ／Ｄ変換処理すればよい。
【００３０】
出力制御手段４は、ＤＣ／ＡＣ変換部８の運転停止を制御するゲートブロック１５と連系継電器９の開閉を制御する解列制御部１６を備えて構成される。ゲートブロック１５は、不足電力検出信号Ｓｆと第１停電検出信号Ｓｊと第２停電検出信号Ｓｎの何れか１つの信号を受け取ると、ＤＣ／ＡＣ変換部８のゲート駆動部１３に対して運転停止信号Ｓ１を出力し、ＤＣ／ＡＣ変換部８の運転を停止させる。解列制御部１６は、不足電力検出信号Ｓｆと第２停電検出信号Ｓｎの何れか１つの信号を受け取ると、連系継電器９に対して解列信号Ｓ２を出力して連系継電器９を開成させ、ＤＣ／ＡＣ変換部８の交流出力と系統電源３０の交流電力とを連系接続を遮断する。
【００３１】
以下、不足電力検出手段５、受動的単独運転検出手段６、及び、能動的単独運転検出手段７の各部の動作、即ち、本発明に係る分散型発電システムの単独運転防止方法の処理について説明する。
【００３２】
先ず、不足電力検出手段５は、不足電力測定部１９が、系統電流を検出する系統電流検出器３２の検出電流と電圧検出器１１の検出電圧を入力として受け付け、系統電源３０から負荷３１へ供給される系統電力を算出する。この系統電力は、負荷３１に対するインバータ３から供給される発電電力の不足分として補われている電力であるので、本発明システム１における不足電力となる。不足電力判定部２０は、リアルタイムで逐次、不足電力測定部１９が算出した不足電力と解列設定値との大小比較を行い、不足電力が解列設定値を下回るとこれを検出して不足電力検出信号Ｓｆを出力制御手段４に出力する。解列設定値は、インバータ３の定格出力の５％程度に設定する。例えば、１ｋＷのシステムの場合、解列設定値を５０Ｗに設定する。尚、解列設定値は、適宜使用環境等に応じて変更可能である。
【００３３】
出力制御手段４は、不足電力検出信号Ｓｆを受け取ると、ゲートブロック１５が、ＤＣ／ＡＣ変換部８のゲート駆動部１３に対して運転停止信号Ｓ１を出力する。この結果、ゲート駆動部１３がＤＣ／ＡＣ変換部８のブリッジ回路１２のゲート駆動を停止するので、ブリッジ回路１２の運転が停止し、ＤＣ／ＡＣ変換部８からの交流出力が停止する。更に、解列制御部１６が、連系継電器９に対して解列信号Ｓ２を出力して連系継電器９を開成させ、ＤＣ／ＡＣ変換部８の交流出力と系統電源３０の交流電力とを連系接続を遮断されるので、二重に単独運転の防止が図られる。
【００３４】
次に、受動的単独運転検出手段６について説明する。位相変化検出部２１が、電流検出器１０と電圧検出器１１の検出電流（ＤＣ／ＡＣ変換部８の出力電流）と検出電圧（系統電圧）を受け付け、入力された検出電流と検出電圧の各ゼロクロスポイントの差から各周期の電流−電圧間の位相差を検出する。この位相差は、ＤＣ／ＡＣ変換部８の出力が原則として力率＝１で制御されているので、系統電源が停電でない系統正常時には、系統電圧と出力電流は負荷３１のインピーダンスに拘わらず同相となる。ところが、系統電源３０が停電した場合、停電の瞬間に負荷３１のインピーダンスに応じて、電流位相が急激に変化（跳躍）するため、この跳躍を検出して系統停電を検出できる。第１停電判定部２２は、検出された位相差を周波数変化に換算する。例えば、系統電源の交流周波数が６０Ｈｚの場合に、検出位相差により瞬間的に周波数が６０＋α（Ｈｚ）に変化したように検出される。ここで、αは遅れ負荷に対しては正値、進み負荷に対しては負値となる。次に、第１停電判定部２２は、周波数変化率としてΔｆ＝｜α｜／６０×１００（％）を算出し、Δｆが所定の設定値を超えている場合に、系統電源３０の停電と判定し、第１停電検出信号Ｓｊを出力する。ここで、所定の設定値として、０．２〜１．０％の範囲のものを使用する。原理的に、系統停電から１周期（０．０１６７秒）後に検出可能である。
【００３５】
出力制御手段４は、第１停電検出信号Ｓｊを受け取ると、ゲートブロック１５が、ＤＣ／ＡＣ変換部８のゲート駆動部１３に対して運転停止信号Ｓ１を出力する。この結果、ゲート駆動部１３がＤＣ／ＡＣ変換部８のブリッジ回路１２のゲート駆動を停止するので、ブリッジ回路１２の運転が停止し、ＤＣ／ＡＣ変換部８からの交流出力が停止する。系統停電発生から０．５秒以内でのＤＣ／ＡＣ変換部８の作動停止が可能となっている。
【００３６】
次に、能動的単独運転検出手段７の動作ついて、図２に示すフローチャートを参照して説明する。受動的単独運転検出手段６では、負荷インピーダンスが純抵抗の場合には位相変化が検出されないので、系統停電は原理的に検出不可能であるので、能動的単独運転検出手段７は、これを補完する手段である。本実施形態では、能動的単独運転検出手段７は、位相シフト式の能動的単独運転検出を行う。これは、インバータ３の交流出力電流に、位相差設定部２３によって周期的に位相変動を付与し、位相差検出部２４がこの位相変動を検出し、第２停電判定部２５が検出値の系統正常時と系統停電時との差異を検出することにより系統停電を検出する。具体的には、図２のフローチャートに示す処理手順及び判定アルゴリズムに従って実行される。
【００３７】
図２に示すように、第１の停電判定処理（＃１０〜＃１５）、第２の停電判定処理（＃２０〜＃２５）、第３の停電判定処理（＃３０〜＃３５）、後処理（＃３６、＃３７）の４ブロックで構成され、第１の停電判定処理（＃１０〜＃１５）が系統電源３０の停電が検出されるまで、循環的に継続され、第１の停電判定処理（＃１０〜＃１５）で停電検出されると（＃１５）、第２の停電判定処理（＃２０〜＃２５）に移行し、第２の停電判定処理（＃２０〜＃２５）で停電検出されると（＃２５）、第３の停電判定処理（＃３０〜＃３５）に移行し、第２の停電判定処理（＃２０〜＃２５）で停電検出されなければ（＃２５）、第１の停電判定処理（＃１０〜＃１５）に戻り、第３の停電判定処理（＃３０〜＃３５）で停電検出されると（＃３５）、後処理（＃３６、＃３７）に移行するというフローになっている。
【００３８】
先ず、前処理として、第１乃至第３の停電判定処理で用いられる閾値Δθｔの登録は予め行われている。ここでは、閾値Δθｔとして１°〜１．４°の範囲の任意の値が登録され、記憶部７に記憶される。尚、本実施形態では、第１乃至第３の停電判定処理を通して、位相差の第１設定値は０°、位相差の第２設定値は例えば３°で固定であり、閾値Δθｔも同じ値を使用する。
【００３９】
第１の停電判定処理では、所定周期（本実施形態では８周期）の第１期間中、毎周期（毎サイクル）連続してインバータ３の制御部１４に対し、系統電源３０の系統電圧の位相とインバータ３の交流出力（より具体的には、ブリッジ回路１２の交流出力）の出力電流の位相との間の位相差θ（以下、適宜、「位相シフト量θ」という。）の設定値θｓを出力すべく、位相差設定部２３が設定値θｓを第１設定値の０°と設定し（＃１０）、その設定値θｓが８周期の第１期間中（ｎ＝０〜７）、同調して制御部１４に出力される（＃１１）。
【００４０】
次に、図２には示されていないが、制御部１４が設定値θｓ（＝０°）に基づいて位相シフト量θが０°となるようにゲート駆動部１３を制御する。そして、位相差検出部２４には、その位相制御を反映した電流検出器１０と電圧検出器１１の検出電流と検出電圧が入力される。位相差検出部２４は、入力された検出電流と検出電圧の各ゼロクロスポイントの差から各周期ｎ（ｎ＝０〜７）における位相シフト量θの検出値θｎを検出し、一旦記憶部７に格納する（＃１１）。第１期間中の経過は、変数ｎのカウントアップと変数ｎが８か否かの判定によって別途監視される。ステップ＃１１において８つの検出値θｎ（ｎ＝０〜７）が取得されて、第１期間が終了する。次に、第２期間に移行する前に、位相差設定部２３が設定値θｓを第２設定値の３°に設定する（＃１２）。
【００４１】
そして、第１期間と同じ８周期の第２期間に移行して、その設定値θｓ（＝３°）が８周期の第２期間中（ｎ＝８〜１５）、同調して制御部１４に出力される（＃１３）。次に、図２には示されていないが、制御部１４が設定値θｓ（＝３°）に基づいて位相シフト量θが３°となるようにゲート駆動部１３を制御する。そして、位相差検出部２４には、その位相制御を反映した電流検出器１０と電圧検出器１１の検出電流と検出電圧が入力される。位相差検出部２４は、入力された検出電流と検出電圧の各ゼロクロスポイントの差から各周期ｎ（ｎ＝８〜１５）における位相シフト量θの検出値θｎを検出し、一旦記憶部７に格納する（＃１３）。第２期間中の経過は、変数ｎのカウントアップと変数ｎが１６か否かの判定によって別途監視される。ステップ＃１３において、８つの検出値θｎ（ｎ＝８〜１５）が取得されて、第２期間が終了する。
【００４２】
第２停電判定部２５が、位相シフト量θの第１期間と第２期間の検出値の差の平均値Δθａｖｅを、以下の数１の算出式により算出する（＃１４）。検出値θｎ（ｎ＝０〜１５）は、記憶部７に格納されたものを用いる。
【００４３】
【数１】
2005094921.tif 000003
【００４４】
第２期間の位相シフト量θの検出値をそのまま使用せずに、ステップ＃１４のようにΔθａｖｅを算出して位相差の検出値とすることで、検出した位相変動が、系統電源の停電によるのか、インバータ３の位相制御誤差によるものかの判別を容易にしている。つまり、インバータ３の位相制御誤差が、第１期間と第２期間で共通に発生すると仮定すれば、インバータ３の位相制御誤差は、数１の差分処理で相殺され、Δθａｖｅは当該位相制御誤差がない場合の位相差と等しくなるため、Δθａｖｅを評価することで、系統電源の停電を正確に判定できる。更に、負荷インピーダンスに依存せずに、系統電源の停電時には、Δθａｖｅが０または０近傍に近づくので、安定した停電判定が可能となる。また、合計１６周期分の検出値を用いることで、瞬時的な擾乱による電圧変動や電流変動による位相検出誤差を吸収でき、当該擾乱による誤検出の可能性を軽減できる。
【００４５】
次に、第２停電判定部２５が、位相差の検出値Δθａｖｅと第２設定値Ｓ（＝３°）との差分の絶対値、つまり、系統電源の停電時に現れる位相差の変動分と閾値Δθｔとの大小判定を、下記の数２に示す要領で実行して、第１の停電判定処理における第１停電判定を行う（＃１５）。尚、第１設定値が０°であるので、第２設定値は、即ち第１設定値と前記第２設定値の差に等しい。
【００４６】
【数２】
2005094921.tif 000004
【００４７】
数２に示す不等式が真（ＹＥＳ）であれば、つまり、系統電源の停電時に現れる位相差の変動分が閾値以上の場合は、系統電源の停電との仮判定を行い、第２の停電判定処理（＃２０〜＃２５）に移行する。
【００４８】
上記第１停電判定（＃１５）において、数２に示す不等式が成立しない場合（ＮＯ）は、ステップ＃１０に戻り、第１の停電判定処理（＃１０〜＃１５）が、系統電源の停電が判定されるまで繰り返し実行される。
【００４９】
第２の停電判定処理（＃２０〜＃２５）に移行すると、基本的に、第１の停電判定処理（＃１０〜＃１５）と同じ処理が実行される。
【００５０】
第２の停電判定処理における第２停電判定（＃２５）において、数２に示す不等式が真（ＹＥＳ）であれば、つまり、系統電源の停電時に現れる位相差の変動分が閾値以上の場合は、系統電源の停電との仮判定を行い、第３の停電判定処理（＃３０〜＃３５）に移行する。また、第２停電判定（＃２５）において、数２に示す不等式が成立しない場合（ＮＯ）は、第１の停電判定処理の先頭（＃１０）に戻り、第１の停電判定処理（＃１０〜＃１５）が、再度、系統電源の停電が判定されるまで繰り返し実行される。
【００５１】
第３の停電判定処理（＃３０〜＃３５）に移行すると、基本的には、第１の停電判定処理（＃１０〜＃１５）及び第２の停電判定処理（＃２０〜＃２５）と同じ処理が実行される。
【００５２】
第３の停電判定処理における第２停電判定（＃３５）において、数２に示す不等式が真（ＹＥＳ）であれば、つまり、系統電源の停電時に現れる位相差の変動分が閾値以上の場合は、系統電源停電との最終判定を行い、後処理（＃３６、＃３７）に移行する。また、第３停電判定（＃３５）において、数２に示す不等式が成立しない場合（ＮＯ）は、第２の停電判定処理の先頭（＃２０）に戻り、第２の停電判定処理（＃２０〜＃２５）が、再度、系統電源の停電が判定されるまで繰り返し実行される。
【００５３】
後処理に移行すると、先ず、内部状態を単独運転検出状態に設定し、第２停電判定部２５が、第２停電検出信号Ｓｎを出力制御手段４に出力する（＃３６）。出力制御手段４は、第２停電検出信号Ｓｎを受け取ると、出力電流即時停止処理をインバータ３に対して実行する（＃３７）。具体的には、ゲートブロック１５が、ＤＣ／ＡＣ変換部８のゲート駆動部１３に対して運転停止信号Ｓ１を出力する。この結果、ゲート駆動部１３がＤＣ／ＡＣ変換部８のブリッジ回路１２のゲート駆動を停止するので、ブリッジ回路１２の運転が停止し、ＤＣ／ＡＣ変換部８からの交流出力が停止する。更に、解列制御部１６が、連系継電器９に対して解列信号Ｓ２を出力して連系継電器９を開成させ、ＤＣ／ＡＣ変換部８の交流出力と系統電源３０の交流電力とを連系接続を遮断されるので、二重に単独運転の防止が図られる。
【００５４】
次に、能動的単独運転検出手段７が単独運転状態を検出するまでに要する時間について検討する。図２を用いて詳細に説明したように、本発明システム１による能動的方式の単独運転検出処理は、第１の停電判定処理（＃１０〜＃１５）、第２の停電判定処理（＃２０〜＃２５）、第３の停電判定処理（＃３０〜＃３５）が主たる時間消費要素となり、各停電判定処理は等しく夫々８周期の第１期間と第２期間で構成されている。ここで、系統電源の周波数が６０Ｈｚの場合は１周期が約０．０１６６７秒（１／６０秒）であるが、位相差設定部２３による設定値θｓの出力、設定値θｓに基づくブリッジ回路１２の制御、位相差検出部２４による位相差の検出は、全て１周期内で完了するので、停電発生から停電検出までの所要時間は、その間の周期数で算定できる。
【００５５】
第１停電判定（＃１５）で停電が仮判定されるまで、第１の停電判定処理（第１期間と第２期間）が繰り返し実行され、第１停電判定（＃１５）で停電が仮判定されると、第２の停電判定処理と第３の停電判定処理が順次実行されるという経過を辿る。この場合、停電は発生しているので、第２及び第３停電判定（＃２５、＃３５）では停電の判定が当然になされることになる。第１の停電判定処理（第１期間と第２期間）のどのタイミングで停電が発生するかによって、第３停電判定（＃３５）で停電の最終判定がなされるまでに要する周期数が変化する。この場合、負荷インピーダンスと第１設定値にも依存する。負荷インピーダンスが抵抗性で、第１設定値が０°の場合は、第１の停電判定処理の第１期間中に停電が発生しても、第１期間中の位相の検出値に変動がないので、その後の第１停電判定（＃１５）で停電が検出される。第１の停電判定処理の第２期間中に停電が発生した場合、８周期の一部の検出値にのみ停電の兆候が現れるので、閾値との関係で第２期間中の後半に停電が発生した場合は、その後の第１停電判定（＃１５）で停電が検出されない場合があり、その場合は、第１の停電判定処理（第１期間と第２期間）が再度繰り返されることになり、第１の停電判定処理で停電発生から停電検出までに大体８〜２４周期を要し（８周期より短くなる可能性もある。）、全ての停電判定処理を通して４０〜５６周期を要し、周波数が６０Ｈｚの場合、０．６６７秒から０．９３３秒の範囲内で停電検出ができる。この結果、電力系統連系技術要件ガイドラインにおいて能動的方式の単独運転防止に要求される作動時間が０．５秒以上１秒以内という制約を満足することができる。
【００５６】
〈第２実施形態〉
次に、第２実施形態に係る本発明システム４０について説明する。図３に示すように、本発明システム４０は、基本的な構成として、第１実施形態と同様に、直流電力を発生する発電機２と、発電機２が発生した直流電力を所定の電圧と周波数の交流電力に変換するインバータ３と、インバータ３の運転及び系統電源３０との連系接続を制御する出力制御手段４と、不足電力検出手段５と、受動的単独運転検出手段６と、能動的単独運転検出手段７とを備えて構成される。第１実施形態と共通する部分については、重複する説明を省略する。
【００５７】
第１実施形態との第１の相違点は、発電機２が、燃料電池やマイクロガスタービン等のような電力の他に熱も発生するコージェネレーション（熱電併給）型発電機であり、発電機２の排熱を回収する熱交換器４１と、熱交換器４１で回収された排熱を給湯や暖房に利用するための排熱利用給湯暖房ユニット４２を備えている点である。ここで、熱交換器４１及び排熱利用給湯暖房ユニット４２は一般的なコージェネレーションシステムで用いられている公知のものを使用するものとし、詳細な説明は割愛する。
【００５８】
第２の相違点は、不足電力検出手段５で用いる解列設定値に対し、より不足電力状態となるように所定の余裕度を持たせた発電電力目標値を設定する発電電力目標値設定手段１８を備え、ＤＣ／ＡＣ変換部８の制御部１４が、交流出力がその発電電力目標値を下回らないように出力制御する点である。第３の相違点は、負荷３１の一部として、排熱利用給湯暖房ユニット４２に対して熱供給可能な電気ヒータ４３を備え、出力制御手段４が、電気ヒータ４３の作動を制御するヒータ制御部１７を備えている点である。
【００５９】
第１実施形態において、不足電力検出手段５で常に発電出力（定格値）の５％以上の不足電力状態で運転しているため、逆潮流状態になっていないにも拘わらず、発電出力と負荷が定格出力の５％（解列設定値）以下の平衡状態に近づくと、系統電源３０が正常であっても単独運転防止機能が作動してＤＣ／ＡＣ変換部８の運転が停止し、出力電流が遮断される結果となる。従って、負荷変動が激しい場合等の状況下においては、本発明システム１の緊急停止状態が頻繁に発生する場合があり得る。発電システムの発停が繰り返されると発電効率上好ましくないので、逆潮流なしの発電システムにおいてはこれを未然に防止するのが好ましい。第２実施形態では、上記第２の相違点により、ＤＣ／ＡＣ変換部８の制御部１４が、交流出力が発電電力目標値設定手段１８の設定した発電電力目標値以上を維持するように出力制御することで、ＤＣ／ＡＣ変換部８が運転停止に陥るのを回避する。尚、発電電力目標値は、例えば、不足電力が定格出力の５％以上となるように、予め負荷変動の最大値を想定して設定される。この結果、第２実施形態では、本発明システム４０は安定した稼動が可能となる。
【００６０】
ところで、発電機２は出力を例えば定格出力に固定して一定出力で定常運転させるのが運転効率上好ましい。従って、発電機２が一定の発電出力で運転している場合に、負荷変動が発生すると不足電力は負荷変動に追従して変動することになる。負荷変動が予め想定困難な場合は、負荷の低下によって、不足電力が減少し、解列設定値以下の平衡状態に陥り、ＤＣ／ＡＣ変換部８が運転停止に陥る可能性がある。また、発電電力目標値の設定において、解列設定値に対して過度の余裕度を設けると、不足電力状態が常時高めに設定されるので、系統電力の使用比率が高くなり、分散型発電システム導入のメリットが低下する。従って、当該余裕度を出来るだけ小さくして発電電力目標値を設定するのが好ましいが、上記のように負荷変動に対するリスクが高くなる。
【００６１】
第２実施形態では、出力制御手段４内のヒータ制御部１７が、不足電力検出手段５の不足電力測定部１９が算出した不足電力と、発電電力目標値設定手段１８が発電電力目標値を設定に用いた余裕度を加味した不足電力設定値とを入力として受け付け、両者の大小比較を行い、不足電力が不足電力設定値を下回る場合に、その下回った分の余剰電力を電気ヒータ４３で消費するように電気ヒータをオンオフ制御する。また、電気ヒータ４３が出力可変である場合は、余剰電力に応じて出力を変化させる。かかるヒータ制御によって、不足電力状態は解列設定値に対して常に一定の余裕度を有するため、本発明システム４０は安定した稼動が可能となり、更に、余剰電力を単に消費するだけでなく、排熱利用給湯暖房ユニット４２において熱エネルギとして利用できるため、総合的なエネルギ効率の向上が図れる。
【００６２】
以下に、別の実施形態につき説明する。
【００６３】
〈１〉上記各実施形態では、受動的単独運転検出手段６は、電圧位相跳躍検出式の受動的単独運転検出機能を備え、能動的単独運転検出手段７は、位相シフト式の能動的単独運転検出機能を備える構成を採用したが、単独運転検出方式は受動的方式及び能動的方式の何れにおいても、上記実施形態の方式に限定されるものではなく、他の方式のものに代えてもよいし、他の方式のものを併用しても構わない。
【００６４】
〈２〉不足電力検出手段５が使用する解列設定値は、上記実施形態で例示した値に限定されるものではない。
【００６５】
また、能動的単独運転検出手段７の処理フローにおいて、処理手順や使用する設定値や閾値は、上記実施形態で例示した手順及び値に限定されるものではない。例えば、第１〜第３の各停電判定処理において、第１設定値を０°、第２設定値Ｓを３°に固定したが、夫々０°、３°以外であっても構わない。更に、第１〜第３の各停電判定処理を１回に纏めて、第１期間中、第２期間中の周期数を調整しても構わない。
【００６６】
〈３〉上記第２実施形態において、発電機２が、燃料電池やマイクロガスタービン等のような電力の他に熱も発生するコージェネレーション型発電機であり、発電機２の排熱を回収する熱交換器４１と、熱交換器４１で回収された排熱を給湯や暖房に利用するための排熱利用給湯暖房ユニット４２を備えている構成としたが、発電機２は必ずしもコージェネレーション型でなくても構わない。この場合、電気ヒータ４３の出力する熱エネルギは、排熱利用給湯暖房ユニット４２以外で利用するようにすればよい。
【００６７】
〈４〉上記第２実施形態において、発電電力目標値設定手段１８を備え、ＤＣ／ＡＣ変換部８の制御部１４が、交流出力が発電電力目標値設定手段１８の設定した発電電力目標値を下回らないように出力制御する構成（第２の相違点）を採用したが、当該構成だけを第１実施形態の本発明システムに追加しても構わない。
【００６８】
〈５〉上記実施形態では、インバータ３は、周波数６０Ｈｚの単相３線式正弦波出力の１００Ｖ／２００Ｖを出力する場合を想定したが、インバータ３の交流出力の電気方式、出力電圧、周波数は、上記実施形態の電気方式、出力電圧、周波数に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係る分散型発電システムの一実施形態を示す回路ブロック図
【図２】本発明に係る分散型発電システムの能動的単独運転検出処理の一例を示すフローチャート
【図３】本発明に係る分散型発電システムの他の実施形態を示す回路ブロック図
【符号の説明】
【００７０】
１、４０：本発明に係る分散型発電システム
２：      発電機
３：      インバータ（電力変換装置）
４：      出力制御手段
５：      不足電力検出手段
６：      受動的単独運転検出手段
７：      能動的単独運転検出手段
８：      ＤＣ／ＡＣ変換部
９：      連系継電器
１０：    電流検出器
１１：    電圧検出器
１２：    ブリッジ回路
１３：    ゲート駆動部
１４：    制御部
１５：    ゲートブロック
１６：    解列制御部
１７：    ヒータ制御部
１８：    発電電力目標値設定手段
１９：    不足電力測定部
２０：    不足電力判定部
２１：    位相変化検出部
２２：    第１停電判定部
２３：    位相差設定部
２４：    位相差検出部
２５：    第２停電判定部
２６：    記憶部
３０：    系統電源
３１：    負荷
３２：    系統電流検出器
４１：    熱交換器
４２：    排熱利用給湯暖房ユニット
４３：    電気ヒータ
Ｓｆ：    不足電力検出信号
Ｓｊ：    第１停電検出信号
Ｓｎ：    第２停電検出信号
Ｓ１：    運転停止信号
Ｓ２：    解列信号
【図１】
2005094921.tif 000005
【図２】
2005094921.tif 000006
【図３】
2005094921.tif 000007