(57)【要約】【課題】高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能な系統連系保護装置を提供することにある。【解決手段】同期発電機１０の周波数変化率が正の場合には出力電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負の場合には出力電圧を上げ方向に変化させることで、同期発電機１０の電圧が大きく変化し、電圧変化率の極性と電圧揺動信号の極性が同一の場合に単独運転と判定することができる。【選択図】    図１
2005020878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遮断器を介して交流電力系統と連系される常用発電装置の常用系統連系保護装置において、
前記交流電力系統の周波数を検出する周波数検出器と、
前記周波数検出器によって検出された周波数の変化率を演算する周波数変化率検出器と、
前記周波数変化率に基づいて、当該周波数変化率が正である場合は前記常用発電装置の出力電圧を低下させ、周波数変化率が負である場合は前記常用発電装置の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号を出力させる電圧揺動信号演算部と、
前記周波数変化率に応じて複数のしきい値を設定し、各しきい値を超える毎に前記電圧揺動信号のゲインを切り替えるゲイン切り替え手段と、
前記常用発電装置の出力電圧の変化率を検出する電圧変化率検出器と、
前記電圧揺動信号演算部により演算された電圧揺動信号を前記常用発電装置に備わる自動電圧調整器に与えることで生じる前記常用発電装置の電圧変化率が所定値を超え、前記電圧揺動信号と電圧変化率の極性が同一の場合に、前記遮断器を解放して交流電力系統から前記常用発電装置を解列させる保護手段と
を具備することを特徴とする系統連系保護装置。
【請求項２】
前記常用発電装置は、原動機により駆動される同期発電機を備えることを特徴とする請求項１記載の系統連系保護装置。
【請求項３】
前記電圧変化率が所定値を超え、前記電圧揺動信号と電圧変化率の極性が同一で、かつ前記周波数変化率に基づいて、周波数変化率が所定のしきい値を超えた場合に、前記遮断器を解放して交流電力系統から前記常用発電装置を解列させる保護手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の系統連系保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごみ発電システム、コージェネレーション等の常用発電装置を典型例とする発電装置に適用される系統連系保護装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ごみ発電システム、コージェネレーション等の常用発電装置と交流電力系統とを連系保護する装置として、特許文献１，特許文献２，特許文献３が知られている。
【０００３】
かかる系統連系保護装置の従来例を、図５を参照して説明する。
【０００４】
図５において、交流電力系統である上位変電所４では、系統電源１の電圧を変圧器２を介して降圧し、遮断器３を通して、上位変電所４側からの電力を需要家に配電する配電線２６により、一般需要家７に電力を供給している。一般需要家７は、遮断器５Ｂを介して負荷６Ｂで電力を消費する。
【０００５】
一方、常用発電装置および系統連系保護装置２０を設置している分散電源設置需要家９では、常用発電装置として原動機２４により駆動される同期発電機１０の出力を、遮断器２８、遮断器１２を介して、上位変電所４と連系している。
【０００６】
同期発電機１０の出力電圧の制御は、自動電圧調整器（ＡＶＲ）２２により同期発電機１０の界磁巻線２３の電圧を制御することによって行い、同期発電機１０の出力周波数の制御は、同期発電機１０を駆動する原動機２４の図示しない調速機により原動機２４パワーを制御することによって行われている。
【０００７】
また、分散電源設置需要家９では、上位変電所４側からの電力を、遮断器１２、遮断器５Ａを介して受け、同期発電機１０からの電力を遮断器２８、遮断器５Ａを介して受け、負荷（構内負荷）６Ａで消費するようにしている。
【０００８】
一方、系統連系保護装置２０は、遮断器２８の出力側（変電所側）に変流器１４を設け、また当該変流器１４の出力電流に基づいて過電流を検出する過電流検出器（ＯＣ）１５と、系統電源１の異常時、特に系統電源１が例えば遮断器３の解放によって遮断された時、同期発電機１０の出力電力と負荷６Ａの負荷電力とのアンバランスから、周波数や電圧が異常になることを検出する周波数低下継電器（ＵＦ）１６、周波数上昇継電器（ＯＦ）１７、過電圧継電器（ＯＶ）１８、および不足電圧継電器（ＵＶ）１９とを設け、これら各保護継電器の検出信号に基づいて故障トリップ回路１３を動作させ、トリップ信号を出力して遮断器１２を解放し、遮断器３の再閉路が可能な状態にするようにしている。
【０００９】
さらに、この他に、発電機の保護手段として、同期発電機１０の出力側にその出力電流を検出する変流器１１を設け、また変流器１１の出力電流に基づいて同期発電機１０の過電流を検出する過電流継電器（ＯＣ）５１と、同期発電機１０の出力電圧異常を検出する過電圧検出器（ＯＶ）５２および不足電圧継電器（ＵＶ）５３と、同期発電機１０の逆電力を検出する逆電力継電器（ＲＰＲ）５４とを設け、これら各保護継電器の検出信号に基づいて故障トリップ回路２７を動作させ、トリップ信号を出力して遮断器２８を解放するようにしている。
【００１０】
ところで、このような系統連系保護装置においては、例えば系統電源１に異常が発生して遮断器３が開となった時に、同期発電機１０の出力電力と負荷６Ａ、６Ｂの所要電力が、有効分および無効分共にほぼ等しくなっていると、周波数も電圧もほとんど変化しないので、保護継電器１５〜１９のいずれも動作せず、運転を継続する状態となる。これは、いわゆる単独運転（アイランディング）と呼ばれる現象であり、遮断器３の再閉路を妨げるという問題が発生する。
【００１１】
そこで、従来では、このような単独運転を防ぐ目的で、変電所４からの専用線により接続された転送遮断装置８を設けて、遮断器１２に対して転送遮断を実施する方法が採用されているものがある。
【００１２】
すなわち、この転送遮断装置８は、上位変電所４の遮断器３が開となった信号を検出した時に、遮断器１２に対して遮断信号を送って遮断器１２を開放するものである。
【００１３】
転送遮断装置８に関する発明としては、例えば以下に示す特許文献４がある。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００２−２８１６７３号公報
【００１５】
【特許文献２】
特開２００２−２８１６７４号公報
【００１６】
【特許文献３】
特開２００２−２９１１５８号公報
【００１７】
【特許文献４】
特開平７−５９２５０号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の転送遮断装置８は、数百ｋＷ程度の出力である中小容量の常用発電装置にとっては、非常にコストが高くなり、さらに伝送手段や伝送経路を設置する必要があるため、常用発電装置を設置することによるエネルギーコスト削減のメリットを得ることができない。
【００１９】
本発明の目的は、高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能な系統連系保護装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、遮断器を介して交流電力系統と連系される常用発電装置の常用系統連系保護装置において、
前記交流電力系統の周波数を検出する周波数検出器と、
前記周波数検出器によって検出された周波数の変化率を演算する周波数変化率検出器と、
前記周波数変化率に基づいて、当該周波数変化率が正である場合は前記常用発電装置の出力電圧を低下させ、周波数変化率が負である場合は前記常用発電装置の出力電圧を上昇させる電圧揺動信号を出力させる電圧揺動信号演算部と、
前記周波数変化率に応じて複数のしきい値を設定し、各しきい値を超える毎に前記電圧揺動信号のゲインを切り替えるゲイン切り替え手段と、
前記常用発電装置の出力電圧の変化率を検出する電圧変化率検出器と、
前記電圧揺動信号演算部により演算された電圧揺動信号を前記常用発電装置に備わる自動電圧調整器に与えることで生じる前記常用発電装置の電圧変化率が所定値を超え、前記電圧揺動信号と電圧変化率の極性が同一の場合に、前記遮断器を解放して交流電力系統から前記常用発電装置を解列させる保護手段と
を具備することを特徴とする。
【００２１】
本発明による系統連系保護装置では、常用発電装置の周波数の変化率を検出し、周波数変化率が正の場合には常用発電装置の出力電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負の場合には常用発電装置の電圧を上げ方向に変化させるようにしており、発電機の電圧が大きく変化し、電圧変化率の極性と電圧揺動信号の極性が同一の場合に単独運転と判定することができ、従来のように高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して常用発電装置を解列し保護することが可能となる。
【００２２】
【発明の実施形態】
（第１の実施形態、請求項１，２対応）
以下、本発明の請求項１に対応する実施形態を図を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本実施形態による系統連系保護装置の構成例を示す図であり、図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の分散電源設置需要家９′は、系統連系保護装置２９を具備する。この系統連系保護装置２９が、図５に示した従来の系統連系保護装置と異なる点は、前述した高価な転送遮断装置８を省略し、同期発電機１０の出力から周波数を検出する周波数検出器４１と、周波数変化率検出器４２と、周波数検出器４１から出力される周波数の変化率を検出する変化率過大第１判定器４３と、電圧揺動信号発生手段である電圧揺動信号演算部４４と、電圧変化率検出器４８と、変化率過大第２判定器４９を新規に備えたことである。
【００２５】
いま、同期発電機１０からの出力の有効電力をＰ、無効電力をＱ、負荷６Ａおよび６Ｂが必要とする有効電力をＰＬ、無効電力をＱＬとすると、系統電源１へ流出する有効電力ΔＰおよび無効電力ΔＱは、それぞれ次のように表される。
【００２６】
ΔＰ＝Ｐ―ＰＬ
ΔＱ＝Ｑ―ＱＬ
ここで、負荷６Ａおよび６Ｂの電圧をＶ、周波数をｆとする。
【００２７】
そうすると、通常の場合は、ΔＰ≒０、ΔＱ≒０に近い状態で遮断器３が開となっても、負荷６Ａおよび６Ｂの電圧Ｖ、周波数ｆはほとんど変化しないため、転送遮断装置が無く従前の保護継電器１５〜１９は、同期発電機１０の単独運転を検出することができず、単独運転を継続することになる。
【００２８】
これに対し、本実施形態では、転送遮断装置が無くても各検出器４１〜４９を付加したことにより、同期発電機１０の単独運転を検出することができる。
【００２９】
図２は、図１を元に簡略化した図で、図１と同一部分には同一符号を付している。負荷６は、負荷６Ａおよび負荷６Ｂを合成した負荷で、配電系統に存在する負荷全体を表す。ゆえに、ＰＬおよびＱＬは負荷６で消費する電力となる。
【００３０】
図２において、負荷６の有効電力ＰＬは
ＰＬ＝Ｖ２／Ｒ                  （１）
（Ｖ：電圧、Ｒ：抵抗値）
で表される。
【００３１】
電圧揺動信号演算部４４は、一例として図３（ａ）、（ｂ）に示すような関数を内蔵しており、周波数変化率検出器４２で検出された周波数変化率に基づいて、周波数の変化を助長するように電圧揺動信号を演算し、同期発電機１０の自動電圧調整器２２に電圧揺動信号を与える。（ΔＶ＊：電圧揺動信号、ｄｆ／ｄｔ：周波数変化率）
この電圧揺動信号演算部４４は、周波数変化率に応じて自動電圧調整器２２に与える電圧揺動信号を、最初は図３（ａ）の関数により決める。
【００３２】
ここで、同期発電機１０の単独運転中に、わずかに周波数が低下した場合を考える。周波数変化率は、負数でごく小さい値となる。
【００３３】
この時、電圧揺動信号演算部４４では、同期発電機１０の電圧をわずかに上げるように電圧揺動信号を出力する。自動電圧調整器２２の働きにより電圧が上昇することになる。
【００３４】
すると、前記（１）式で表される負荷の有効電力ＰＬが増加するので、負荷のトルクが増加し、同期発電機１０の回転速度、すなわち周波数が低下する方向に作用するので、さらに周波数が低下するという正帰還作用が形成され、周波数の変動を増大させる。
【００３５】
電圧揺動信号による周波数の変動は、電圧揺動信号が大きいほど周波数の変動も大きくなる。
【００３６】
分散電源が単独運転であるか系統連系中であるか判定するためには、単独運転になったときに十分な周波数変動を招く電圧揺動信号を与えることが好ましいが、系統連系中に大きな電圧揺動信号を与えることは系統に擾乱を招く要素になることが懸念される。
【００３７】
そこで最初は、一例として図３（ａ）にように、系統に悪影響とならないレベルの小さい電圧揺動信号としている。
【００３８】
周波数変化率があるレベルに到達したときに、周波数変化率の過大を変化率過大第１判定器４３で検出すると、電圧揺動信号演算部４４は、周波数変化率に応じて自動電圧調整器２２に与える電圧揺動信号を、図３（ｂ）のような関数に基づいた電圧揺動信号に切り替える。これは、周波数変化率に対する電圧揺動信号のゲインを切り替える手段として作用し、周波数変化率が大きくなると、電圧揺動信号を大きくして速く電圧と周波数の変動を増大させることになる。
【００３９】
電圧変化率検出器４８は発電機電圧の変化率ｄｖ／ｄｔを演算する。変化率過大第２判定器４９は、発電機電圧の変化率ｄｖ／ｄｔと電圧揺動信号ΔＶ＊を入力し、ｄｖ／ｄｔの絶対値が予め定められた設定値ｄｖ１以上であり、ｄｖ／ｄｔとΔＶ＊の極性が同じ場合に単独運転と判定する。
【００４０】
系統連系中であれば自動電圧調整器２２への電圧指令を変動させても系統電源１によって電圧が維持されているので発電機電圧はあまり変動しないが、単独運転ならば電圧指令を変化させた方向に発電機電圧が大きく変動する。このことにより単独運転を判定することが出来る。
【００４１】
単独運転と判定すると、異常信号Ｖ３１を出力する。
【００４２】
故障トリップ回路１３では、この異常信号Ｖ３１により、遮断器１２を遮断操作して同期発電機１０を解列する。
【００４３】
このことにより、従来用いていた転送遮断装置８を用いなくても、常用発電装置側で単独運転を検出することが可能となる。
【００４４】
以上述べたように、本実施形態による系統連系保護装置では、常用発電装置の同期発電機１０の周波数の変化率ｄｆ／ｄｔを検出し、周波数変化率が正の場合には同期発電機１０の電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負の場合には同期発電機１０の電圧を上げ方向に変化させるようにしており、発電機の電圧が大きく変化し、電圧変化率の極性と電圧揺動信号の極性が同一の場合に単独運転と判定するようにしているので、前述した従来のように高価な転送遮断装置８を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して同期発電機１０を解列し保護することが可能となる。
【００４５】
（第２の実施形態、請求項３対応）
図４は、本実施形態による系統連系保護装置の構成例を示す図であり、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００４６】
図４に示すように、本実施形態の分散電源設置需要家９′′は、系統連系保護装置２９′を具備する。この系統連系保護装置２９′は、変化率過大第３判定器５０、論理積演算器４７を新規に備えている。
【００４７】
変化率過大第３判定器５０は、発電機周波数の変化率ｄｆ／ｄｔの絶対値が予め定められた設定値Ｄ２以上か否かを判定し、条件を満たす場合、単独運転らしいとしてＶ０３を出力する。
【００４８】
変化率過大第２判定器４９は、発電機電圧の変化率ｄｖ／ｄｔと電圧揺動信号ΔＶ＊を入力し、ｄｖ／ｄｔの絶対値が予め定められた設定値ｄｖ１以上であり、ｄｖ／ｄｔとΔＶ＊の極性が同じであるかどうかを判定し、条件を満たす場合、単独運転らしいとしてＶ０２を出力する。ここで、Ｄ２は、変化率過大第１判定器４３のしきい値であるＤ１より大きい値としている。
【００４９】
論理積演算器４７は、発電機電圧の変化率からみた単独運転の推定出力であるＶ０２と、発電機周波数の変化率からみた単独運転の推定出力であるＶ０３の論理積を演算する。ここに、Ｖ０２、Ｖ０３それぞれは単独では推定出力であるが、２つ推定出力の論理積をとることで、単独運転の判定について、推定を超えほぼ確定的な判断結果を得ることができ、これに基づき論理積演算器４７は異常信号Ｖ３１を出力する。
【００５０】
故障トリップ回路１３では、この異常信号Ｖ３１により、遮断器１２を遮断操作して同期発電機１０を解列する。
【００５１】
このことにより、従来用いていた転送遮断装置８を用いなくても、常用発電装置側で単独運転を検出することが可能となる。
【００５２】
以上述べたように、本実施形態による系統連系保護装置では、常用発電装置の同期発電機１０の周波数の変化率ｄｆ／ｄｔを検出し、周波数変化率が正の場合には同期発電機１０の電圧を下げ方向に変化させ、周波数変化率が負の場合には同期発電機１０の電圧を上げ方向に変化させるようにしており、発電機の電圧変化率が所定値より大きく、電圧変化率の極性と電圧揺動信号の極性が同一で、かつ周波数変化率が所定値より大きくなった場合に単独運転と判定するようにしているので、前述した従来のように高価な転送遮断装置８を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実にかつ容易に検出して同期発電機１０を解列し保護することが可能となる。
【００５３】
第２の実施形態が第１の実施形態と違うのは、電圧変化率に加えて周波数変化率が所定値より大きいことも単独運転の判定条件に追加していることであり、これにより推定出力である判定条件が１つから２つに増加した分、誤検出が少なくなる利点がある。
【００５４】
上述した各実施形態では、常用発電装置としてごみ発電システム、コージェネレーション等における原動機により駆動される同期発電機を例示したが、これに限定するものではない。
【００５５】
なお、本願発明は、上記各実施形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の系統連系保護装置によれば、高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の常用発電装置の単独運転を常用発電装置側で確実に検知でき、系統から迅速に発電装置を解列し保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である系統連系保護装置を示す構成図。
【図２】同第１の実施形態による系統連系保護装置における動作を説明するための図。
【図３】同第１の実施形態による系統連系保護装置における電圧揺動信号を決定する関数の例を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態である系統連系保護装置を示す構成図。
【図５】従来の系統連系保護装置の構成図。
【符号の説明】
１…系統電源、２…変圧器、３，５Ａ，５Ｂ，１２，２８…遮断器、４…上位変電所、６，６Ａ，６Ｂ…負荷、７…一般需要家、８…転送遮断装置、９…分散電源設置需要家、１０…同期発電機、１１，１４…変流器、１３，２７…故障トリップ回路、１５，５１…過電流継電器、１６…周波数低下継電器、１７…周波数上昇継電器、１８，５２…過電圧継電器、１９，５３…不足電圧継電器、２０，２９…系統連系保護装置、２２…自動電圧調整器、２３…界磁巻線、２４…原動機、２６…配電線、４１…周波数検出器、４２…周波数変化率検出器、４３…変化率過大第１判定器、４４…電圧揺動信号演算部、４７…論理積演算器、４８…電圧変化率検出器、４９…変化率過大第２判定器、５０…変化率過大第３判定器、５４…逆電力継電器。
【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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