(57)【要約】【課題】直流電力を現在設定されている出力周波数の交流電力に変換して出力するものであって、出力周波数に変化を与える際に、この変化の量をより短い間隔で設定することが可能となる電力変換装置を提供する。【解決手段】直流電力を、現在設定されている出力周波数の交流電力に変換して出力する電力変換装置であって、前記出力周波数に変化を与える動作として、変化付与動作を実行する変化付与部を備え、前記変化付与部は、前記変化を与えておくべき変化付与期間を、前記交流電力の周期より短い複数の区間に区切り、前記変化の量を、該区間ごとに設定する電力変換装置とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を、現在設定されている出力周波数の交流電力である、出力電力に変換して出力する電力変換装置であって、
前記出力周波数に変化を与える変化付与部を備え、
前記変化付与部は、
前記変化を与えておくべき変化付与期間を、前記出力電力の周期より短い複数の区間に区切り、
前記変化の量を、該区間ごとに設定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
電力系統に連系し、該電力系統における電力の周波数に応じて前記出力周波数を設定して、前記出力電力を該電力系統に出力する請求項１に記載の電力変換装置であって、
単独運転状態の発生の有無を判別する単独運転判別部を備え、
前記単独運転判別部は、
前記出力周波数に前記変化が与えられた状況下で、前記電力系統における電力の周波数が前記変化に追従したか否かに基づいて、単独運転状態の発生の有無を判別することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記変化付与部は、
前記電力系統における電力の周波数が前記変化に追従したか否かが判別されるまで、該変化の量を前記区間ごとに段階的に増大させることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記変化付与部は、
変化付与期間において、前記変化の量が所定の最大量に達するまでは、該変化の量を前記区間ごとに段階的に増大させ、
該変化の量が該最大量に達した後は、該変化の量を該区間ごとに段階的に減少させることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記変化付与部は、
単独運転状態の発生が疑われる状況となる度に、前記出力周波数に前記変化を与えるための付与動作を行うものであり、
前記単独運転判別部は、
前記付与動作が行われる度に、単独運転状態の発生の有無を判別することを特徴とする請求項２から請求項４の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項６】
電圧指令波形を算出し、出力する電圧の波形の目標が該電圧指令波形となるようにインバータ回路を制御することで、前記電力系統における電圧波形と略一致する波形の電圧を出力する請求項２から請求項５の何れかに記載の電力変換装置であって、
前記変化付与部は、
前記電圧指令波形における周波数を変えることにより、前記変化を与えるものであり、
前記単独運転判別部は、
前記電圧指令波形と、検出された前記電力系統における電圧波形との差分に基づいて、前記電力系統における電力の周波数が前記変化に追従したか否かを判別することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
電圧指令波形を算出し、出力する電圧の波形の目標が該電圧指令波形となるようにインバータ回路を制御することで、前記電力系統における電圧波形と略一致する波形の電圧を出力する請求項２から請求項５の何れかに記載の電力変換装置であって、
出力する電流の波形の目標となる電流指令波形を決定するものであり、
前記電圧指令波形は、
検出された前記電力系統における電圧波形と、前記インバータ回路から該電力系統へ前記電流指令波形の電流が流れるときの電圧降下に対応した波形と、を合わせることで算出されるものであり、
前記変化付与部は、
前記電流指令波形における周波数を変えることにより、前記変化を与えるものであり、
前記単独運転判別部は、
前記電流指令波形と、検出された前記電力系統における電圧波形との差分に基づいて、前記電力系統における電力の周波数が前記変化に追従したか否かを判別することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
前記複数の区間の各々は、
前記出力電力における２π未満の一定の位相角ごとに区切られた区間であることを特徴とする請求項２から請求項７の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項９】
請求項２から請求項８の何れかに記載の電力変換装置と、
前記直流電力を発生させる直流電源と、を備え、
前記直流電力を交流電力に変換して、前記電力系統に供給することを特徴とする電力供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置、およびこれを用いた電力供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流の電力系統に連系して、分散電源（太陽光発電システムなど）が発生させた電力を電力系統に供給するパワーコンディショナ（以下「パワコン」と略記することがある）が広く利用されている。なおパワコンは、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置の一形態と見ることができる。
【０００３】
パワコンは、分散電源が発生させた直流電力を、予め設定された出力周波数の交流電力に変換し、電力系統に出力する機能を有している。なお電力系統に出力される電力を、電力系統における電力に整合させるべく、この出力周波数は一般的に、電力系統における電力の周波数とほぼ一致するように設定される。
【０００４】
ところでパワコンの使用にあたっては、単独運転状態（単独運転がなされている状態）の発生に留意する必要がある。単独運転は、例えば電力系統が停電しているにも関わらず、分散電源が電力供給を継続することである。安全性の観点などから、単独運転は極力回避されるべきであり、また単独運転状態が発生した場合には、分散電源を電力系統から速やかに切り離すといった措置が必要となる。
【０００５】
そのため電力変換装置の多くは、単独運転状態が発生したかを検出する（単独運転を検出する）手段が設けられており、単独運転状態が発生した場合には、分散電源を電力系統から切り離すようになっている。なお各特許文献には、各種手法により、単独運転を検出するものが開示されている。
【０００６】
また単独運転を検出する手法の方式としては、受動的方式や能動的方式が挙げられる。能動的方式は、例えば、意図的に正常時の電力系統に整合しないようにした（誤差を与えておいた）電力を電力系統へ出力し、電力系統での電力がこれに追従するかどうかを見ることにより、単独運転を検出する方式である。能動的方式によれば、受動的方式では単独運転が検出されない状態、例えば、分散電源の発電量と電力系統上の負荷電力量が釣り合っている平衡状態であっても、単独運転を検出することが可能となる。
【０００７】
能動的方式である手法の一つとして、出力周波数に変化（意図的な誤差）を与えておき、電力系統における電力の周波数がこの変化に追従したことを検出することにより、単独運転を検出する手法（以下、便宜的に「周波数変化付与手法」と称する）が挙げられる。周波数変化付与手法によれば、単独運転状態の発生が疑われる状況となったとき（例えば、一定条件を満たす電気的変動が検出されたとき）に、出力周波数に変化を与えるようにする。
【０００８】
そして電力系統における電力の周波数がこの変化に追従せず、正常周波数範囲を逸脱しなければ、単独運転状態は発生していないと判別される。逆に電力系統における電力の周波数がこの変化に追従し、正常周波数範囲を逸脱すれば、単独運転状態が発生していると判別される。正常周波数範囲は、例えば５０Ｈｚの電力系統の場合、５０±２Ｈｚの範囲（電力系統が正常な状態では、逸脱することが無いと想定される範囲）とされる。
【０００９】
単独運転状態が発生していなければ、出力周波数の変化が電力系統に与える影響は微小であるため、電力系統における電力の周波数は正常周波数範囲を逸脱しないが、そうでなければ、電力系統における電力の周波数は当該変化に追従し、正常周波数範囲を逸脱することになる。そのため周波数変化付与手法によれば、単独運転を検出することが可能となっている。
【００１０】
なお出力周波数の変化量が小さ過ぎると、単独運転状態が発生していたとしても、電力系統における電力の周波数を、正常周波数範囲から逸脱させる（当該範囲の外側に追い出す）ことができない。そのため周波数変化付与手法においては、単独運転状態が発生しているときには、電力系統における電力の周波数が正常周波数範囲を確実に逸脱するようにするべく、出力周波数の変化量は、ある程度の大きさ（例えば最大時に３．５Ｈｚ程度）としておく必要がある。
【００１１】
但し、出力周波数を一気に大きく変化させると、変化付与の前後で出力周波数が急に大きく変化する。そのため単独運転状態が発生していない場合、例えば出力電力と電力系統における電力との位相差が非常に大きくなることで、分散電源側に過電流が発生し、電力系統や電力系統に接続された負荷への電力供給に大きな乱れが生じるおそれがある。
【００１２】
従って、出力周波数に変化を与える際には、最大量の変化を一気に与えるのではなく、変化量を徐々に変えるよう配慮される。これにより、出力周波数の変化を緩やかにし、上述した不具合を極力抑えることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許３４２４４４３号公報
【特許文献２】特開２００３−１８００３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで単独運転状態の検出速度に着目すると、従来であれば、それほどの迅速な検出は要求されていなかった。より具体的には、受動的方式の場合は約０．５秒以内、能動的方式の場合は約１．０秒以内での検出が要求されているに過ぎなかった。そのため、先述した周波数変化付与手法を適用する場合であっても、出力周波数をそれほど急速に変化させる必要はなく、出力電力の１周期或いはそれ以上の間隔で（例えば出力波形のゼロクロスに合わせて）、変化量を徐々に変えるようにすれば十分であった。
【００１５】
ところが近年、電力系統に連系される分散電源が大幅に増大する傾向にあり、単独運転が安全性等に及ぼす影響は大きくなってきている。このような事情もあり、パワコンにおいて、単独運転をより速やかに検出して適切に対処する機能を設けることが、今後は強く要望されると見込まれる。より具体的には、今後は、約０．１秒（５０Ｈｚの波形における５周期程度）以内に単独運転を検出することが、要望されると見込まれる。
【００１６】
そのため周波数変化付与手法を適用する場合、出力周波数に対して、ある程度の大きさの変化をごく短時間で与えることが必要となる。その結果、出力電力の１周期或いはそれ以上の間隔で変化量を変えるようにするだけでは、出力周波数の変化を十分緩やかにすることができない。従って、出力周波数の変化をより緩やかにするための方策が、非常に強く望まれる。この方策の一例としては、当該変化の量を、より短い間隔で徐々に増大させることが考えられる。
【００１７】
また周波数変化付与手法を用いて、単独運転を極めて速やかに検出させることに重点を置く場合は、出力周波数の変化の量を、極めて短時間のうちにある程度の大きさに設定する必要がある。このような種々の状況を考慮すれば、パワコンにおいて、出力周波数の変化の量が、より短い間隔で設定されるようになっていることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る電力変換装置は、直流電力を、現在設定されている出力周波数の交流電力である、出力電力に変換して出力する電力変換装置であって、前記出力周波数に変化を与える変化付与部を備え、前記変化付与部は、前記変化を与えておくべき変化付与期間を、前記出力電力の周期より短い複数の区間に区切り、前記変化の量を、該区間ごとに設定する構成とする。
【００１９】
本構成によれば、出力周波数の変化の量がより短い間隔で設定される。そのため、例えば同じ期間内に出力周波数に所定量の変化を与えるにあたって、交流電力の１周期或いはそれ以上の間隔で徐々に変化の量（変化量）を変える場合に比べ、より少しずつ段階的に変化量を変えることが可能となる。
【００２０】
また電力系統に連系し、該電力系統における電力の周波数に応じて出力周波数を設定して、前記出力電力を該電力系統に出力する上記構成の電力変換装置であって、単独運転状態の発生の有無を判別する単独運転判別部を備え、前記単独運転判別部は、前記出力周波数に前記変化が与えられた状況下で、前記電力系統における電力の周波数が前記変化に追従したか否かに基づいて、単独運転状態の発生の有無を判別する構成としてもよい。この場合の前記変化に追従したか否かの判別を、上述の区間ごとに行うことも可能である。
【００２１】
本構成によれば、先述した周波数変化付与方式を採用して、単独運転状態の発生を検出することが可能となる。例えば、この単独運転状態の発生検出を、出力電力の一周期以内において行うようにすることも可能である。
【００２２】
また上記構成において、前記変化付与部は、前記電力系統における電力の周波数が前記変化に追従したか否かが判別されるまで、該変化の量を前記区間ごとに段階的に増大させる構成としてもよい。
【００２３】
また上記構成において、前記変化付与部は、変化付与期間において、前記変化の量が所定の最大量に達するまでは、該変化の量を前記区間ごとに段階的に増大させ、該変化の量が該最大量に達した後は、該変化の量を該区間ごとに段階的に減少させる構成としてもよい。
【００２４】
本構成によれば、出力周波数に所定の最大量の変化を与えるにあたり、出力周波数に与える変化を出来るだけ緩やかにしつつ、これを実現することが可能となる。
【００２５】
また上記構成において、前記変化付与部は、単独運転状態の発生が疑われる状況となる度に、前記出力周波数に前記変化を与えるための付与動作を行うものであり、前記単独運転判別部は、前記付与動作が行われる度に、単独運転状態の発生の有無を判別する構成としてもよい。
【００２６】
また上記構成において、電圧指令波形を算出し、出力する電圧の波形の目標が該電圧指令波形となるようにインバータ回路を制御することで、前記電力系統における電圧波形と略一致する波形の電圧を出力する、上記構成の電力変換装置であって、前記変化付与部は、前記電圧指令波形における周波数を変えることにより、前記変化を与えるものであり、前記単独運転判別部は、前記電圧指令波形と、検出された前記電力系統における電圧波形との差分に基づいて、前記電力系統における電力の周波数が前記変化に追従したか否かを判別する構成としてもよい。
【００２７】
また上記構成において、電圧指令波形を算出し、出力する電圧の波形の目標が該電圧指令波形となるようにインバータ回路を制御することで、前記電力系統における電圧波形と略一致する波形の電圧を出力する、上記構成の電力変換装置であって、出力する電流の波形の目標となる電流指令波形を決定するものであり、前記電圧指令波形は、検出された前記電力系統における電圧波形と、前記インバータ回路から該電力系統へ前記電流指令波形の電流が流れるときの電圧降下に対応した波形と、を合わせることで算出されるものであり、前記変化付与部は、前記電流指令波形における周波数を変えることにより、前記変化を与えるものであり、前記単独運転判別部は、前記電流指令波形と、検出された前記電力系統における電圧波形との差分に基づいて、前記電力系統における電力の周波数が前記変化に追従したか否かを判別する構成としてもよい。
【００２８】
また上記構成において、前記複数の区間の各々は、前記出力電力における２π未満の一定の位相角ごとに区切られた区間である構成としてもよい。本構成によれば、各区間の幅が一定の位相角とはなっていない場合に比べ、出力電力の波形を滑らかにすることが可能となる。
【００２９】
また本発明に係る電力供給システムは、上記構成に係る電力変換装置と、前記直流電力を発生させる直流電源と、を備え、前記直流電力を交流電力に変換して、前記電力系統に供給する構成とする。本構成によれば、上記構成に係る電力変換装置の利点を享受することが可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
上述した通り、本発明に係る電力変換装置によれば、出力周波数の変化の量がより短い間隔で設定される。そのため、例えば同じ期間内に出力周波数に所定量の変化を与えるにあたって、交流電力の１周期或いはそれ以上の間隔で徐々に変化量を変える場合に比べ、より少しずつ段階的に変化量を変えることが可能となる。また本発明に係る電力供給システムによれば、本発明に係る電力変換装置の利点を享受することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係るパワコンの構成図（電力系統に連系した状態）である。
【図２】連系状態制御動作のフローチャートである。
【図３】単独運転判別動作のフローチャートである。
【図４】変化付与パターンの内容を示す説明図である。
【図５】出力周波数に変化が与えられたときの出力電圧の波形を示すグラフである。
【図６】出力電圧の波形に関する説明図である。
【図７】出力周波数の変化の状況に関する説明図である。
【図８】本実施形態に係るパワコン制御装置の構成図である。
【図９】別形態の単独運転判別動作のフローチャートである。
【図１０】出力周波数への変化の付与に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明の実施形態について、交流の電力系統に連系するパワーコンディショナ（パワコン）を挙げて、以下に説明する。
【００３３】
図１は、本実施形態のパワコンの構成図（電力系統に連系した状態）を表している。本図に示すように、パワコン１は端子Ｔ１およびＴ２を有しており、端子Ｔ１には直流電源２が接続され、端子Ｔ２には既存の電力系統が接続されている。なお直流電源２は、例えば太陽光発電システムであり、直流電力を発生させるものである。直流電源２は、電力系統から見れば分散電源の一つに相当する。
【００３４】
また電力系統は、電力配線に系統電源３や電力系統の遮断に用いられる系統遮断機４などが接続され形成されている。なお本実施形態での電力系統は、５０Ｈｚ（正常周波数範囲は５０±２Ｈｚ）の商用電源を伝送するものとする。電力系統には、電力系統から電力供給を受ける負荷５（各種電気機器など）も接続される。また電力系統については、他の形態（例えば６０Ｈｚの商用電源を伝送するもの）であっても同様に考えることができる。
【００３５】
［パワコンの構成等について］
次にパワコン１の構成等について説明する。図１に示すようにパワコン１は、ダイオード１１、コンデンサ１２、インバータ回路１４、インダクタ１５、コンデンサ１６、電流検出回路１７、電圧検出回路１８、連系リレー１９、およびパワコン制御装置２０などを備えている。
【００３６】
直流電源２から送出された電力は、各素子（１１、１２）によって状態が整えられ、インバータ回路１４に届けられる。インバータ回路１４は、受取った電力を交流に変換し、後段側に送出する。なおインバータ回路１４は、パワコン制御装置２０から受取ったゲート信号Ｓｇに応じて動作する。
【００３７】
インバータ回路１４から送出された電力は、インダクタ１５やコンデンサ１６によって波形が整えられ、連系リレー１９を介して、電力系統に出力される。なお以降、パワコン１から電力系統に出力される電力（或いは電圧、電流）を、便宜的に、「出力電力」（或いは「出力電圧」、「出力電流」）と称する。また出力電力（交流電力）の周波数を、「出力周波数」と称する。
【００３８】
連系リレー１９は、パワコン制御装置２０から受取ったリレー切替信号Ｓｒに応じて、開閉が切替えられる。通常は、連系リレー１９は閉じられており、パワコン１および直流電源２が電力系統に連系されるが、連系リレー１９が開かれると、当該連系は解除される。
【００３９】
また電流検出回路１７は、端子Ｔ２を流れる電流の値を、継続的に検出する回路である。電流検出回路１７によって検出された電流値の情報は、電流検出信号Ｉｄとして、パワコン制御装置２０に伝送される。
【００４０】
電圧検出回路１８は、端子Ｔ２の両極間における電圧の値を、継続的に検出する回路である。電圧検出回路１８によって検出された電圧値の情報は、電圧検出信号Ｖｄとして、パワコン制御装置２０に伝送される。
【００４１】
なお以降、電力系統における電力（或いは電圧、電流）を、便宜的に、「系統電力」（或いは「系統電圧」、「系統電流」）と称する。また系統電力（交流電力）の周波数を、「系統周波数」と称する。パワコン制御装置２０は、電流検出信号Ｉｄや電圧検出信号Ｖｄを継続的に受取ることにより、系統電力、系統電圧、および系統電流を継続的に検出することが可能となっている。
【００４２】
パワコン制御装置２０は、受取った電流検出信号Ｉｄおよび電圧検出信号Ｖｄに基づいて、各種の演算処理などを実行し、適切な動作がなされるようにパワコン１を制御する装置である。パワコン制御装置２０は、ゲート信号Ｓｇを送出してインバータ回路１４を制御するとともに、リレー切替信号Ｓｒを送出して連系リレー１９を制御する。
【００４３】
ここで出力電力などは、所定の連系規定に準拠している必要がある。すなわち、パワコン１の出力に係る高調波電圧の歪率や力率などが規定の範囲内に収まることや、出力電流の波形を正弦波とすること等が必要とされる。また電力系統の電力状態を乱さぬように、出力電力が、この系統電力と整合するように（つまり、交流の周波数、位相、および電圧振幅などが略一致するように）なっていることも必要とされる。
【００４４】
パワコン制御装置２０は、通常時、このような条件が満たされるように、電流検出信号Ｉｄおよび電圧検出信号Ｖｄに基づいて電圧指令波形を算出する。そしてパワコン制御装置２０は、この電圧指令波形に基づいてゲート信号Ｓｇを生成して送出し、インバータ回路１４をＰＷＭ［Pulse Width Modulation］方式によって制御する。すなわちパワコン制御装置２０は、出力する電圧の波形の目標がこの電圧指令波形となるように、インバータ回路１４を制御する。これによりパワコン１は、電力系統における電圧波形と略一致する波形の電圧を、電力系統へ出力するようになっている。このようにしてパワコン１は、系統電力と整合するように調整された出力電力を、電力系統へ出力する。なお、出力電力が系統電力と整合するように、電圧指令波形を算出する手法自体については、既に各種の手法が知られている。
【００４５】
なお交流の周波数に着目すると、パワコン制御装置２０は、電流検出信号Ｉｄおよび電圧検出信号Ｖｄの少なくとも一方に基づいて、系統周波数を検出する。そしてパワコン制御装置２０は、この検出結果や、電流が流れることによる電圧降下などを考慮して電圧指令波形を算出し、この算出結果に応じてインバータ回路１４を制御する。その結果、通常時は、この検出される系統周波数と一致するように、出力周波数が間接的に設定されることとなる。
【００４６】
［連系状態制御動作について］
ところで単独運転状態が発生したときは、パワコン１における電力系統への連系を、速やかに解除させる必要がある。そこでパワコン制御装置２０は、上述したようなインバータ回路１４の制御に並行して、単独運転状態が発生したか否かに応じてパワコン１と電力系統との連系状態を適切に制御するための、連系状態制御動作を実行するようになっている。以下、この連系状態制御動作について、図２に示すフローチャートを参照しながら、より詳細に説明する。
【００４７】
パワコン制御装置２０は、通常時、電流検出信号Ｉｄもしくは電圧検出信号Ｖｄに基づいて、電力系統に基準レベルを超える電気的変動が生じたかを、継続的に監視するようになっている（ステップＳ１）。なおここでの「電気的変動」は、例えば、電圧低下、周波数変化率の変化、位相跳躍、および高調波電圧の変化のうちの、一つまたは複数が該当する。
【００４８】
単独運転状態が発生する原因としては、例えば落雷の影響による電力系統の遮断が考えられる。そしてこのような電力系統の遮断が生じたとき、少なくとも一時的に、上述したような電気的変動が生じる。このことから、当該電気的変動がある程度のレベルを超えたときは、単独運転状態の発生が疑われることになる。上述した「基準レベル」は、単独運転状態の発生が疑われる程度のレベルに設定されている。
【００４９】
しかしながら、単独運転状態が発生していなくても、何らかの原因により、電気的変動が基準レベルを超える可能性がある。すなわち、基準レベルを超える電気的変動が検出されたときは、単独運転状態の発生が疑われるものの、単独運転状態が発生していないことも考えられる。
【００５０】
そこで、基準レベルを超える電気的変動が検出された場合（ステップＳ１のＹ）、パワコン制御装置２０は、予め定められた単独運転判別動作を実行し、単独運転状態が発生したか否かを判別することとする（ステップＳ２）。単独運転判別動作は、単独運転状態の発生の有無を、短時間に精度良く判別するための動作であり、具体的内容については改めて説明する。
【００５１】
単独運転判別動作の実行により、単独運転状態が発生したと判別された場合（ステップＳ３のＹ）、パワコン装置２０は、連系リレー１９を開くためのリレー切替信号Ｓｒを、連系リレー１９に送出し、連系リレー１９を開いた状態に制御する。これにより、パワコン１の電力系統への連系が解除され、単独運転が停止される（ステップＳ４）。
【００５２】
一方、単独運転判別動作の実行により、単独運転状態は発生していないと判別された場合（ステップＳ３のＮ）、パワコン１の電力系統への連系を解除させる必要は無い。そのためパワコン装置２０は、連系リレー１９を開くこととせず、ステップＳ１の動作に戻る。上述した一連の連系状態制御動作を実行することにより、パワコン装置２０は、単独運転状態の発生の有無を短時間に精度良く判別し、この判別の結果に応じた適切な処置を行うようになっている。
【００５３】
［単独運転判別動作について］
単独運転判別動作（ステップＳ２）は、既に説明した周波数変化付与手法を用いて、単独運転状態の発生の有無を判別する動作である。この単独運転判別動作の具体的な内容について、図３に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
【００５４】
単独運転判別動作の開始に伴い、パワコン制御装置２０は、変化付与パターンに従った、出力周波数への変化の付与（付与動作）を開始する（ステップＳ１２）。先述した通り出力周波数は、通常時においては、系統周波数と一致するように設定されるが、単独運転判別動作の実行時においては、変化付与パターンに従った変化が、単独運転を検出するための意図的な誤差として与えられる。
【００５５】
ここで「変化付与パターン」は、予めパワコン制御装置２０に登録されている情報であり、出力周波数にどのように変化を与えるか（変化量を変えていくか）を示すものである。変化付与パターンは、具体的には、図４に示す内容に設定されている。
【００５６】
なお図４において、例えば「第３区間」は、単独運転判別動作の開始時を基準（位相角を０とする）とした場合における、出力電力の位相角が「４π／８〜６π／８」である期間を指している。また図４によれば、「第３区間」における出力周波数の変化量は「１．０（Ｈｚ）」であることを示している。
【００５７】
図４に示す通り変化付与パターンによれば、出力電力の２周期分（０〜３２π／８）についての変化量が決められている。そして前半の１周期分は、２π／８の位相角（一定の位相角）ごとに区切られている。換言すれば図４に示すように、第１区間から第８区間の各区間に区切られている。そして第１区間から第８区間においては、区間が更新されるごとに、変化量が０．５Ｈｚずつ徐々に増大するように設定されている。
【００５８】
一方、後半の１周期分も、２π／８の位相角ごとに区切られている。換言すれば図４に示すように、第９区間から第１６区間の各区間に区切られている。そして第９区間から第１６区間においては、区間が更新されるごとに、変化量が０．５Ｈｚずつ徐々に減少するように設定されている。
【００５９】
図５に示すグラフは、変化付与パターンに従って出力周波数に変化を与えた場合における、出力電力の波形（出力電圧や出力電流の波形も同傾向である）の一例を表している。なお当該グラフにおいて、横軸は時間ｔ、縦軸は電力ｙを示している。また図５に示す波形は、変化の付与の開始時において、位相が０、出力周波数が５０Ｈｚ、振幅がＷｏであるとした場合の波形である。
【００６０】
なお図５に示した波形における第ｉ区間の電力ｙは、近似的に次の（１）式で表される。
ｙ＝Ｗｏ×ｓｉｎ｛２πｆｉ（ｔ−ｔｉ）＋φｉ｝  ・・・（１）
但し、ｆｉは第ｉ区間における出力周波数を、ｔｉは第ｉ区間の開始時（＝第ｉ−１区間の終了時）の時間を、φｉは第ｉ区間の開始時（＝第ｉ−１区間の終了時）の位相を、それぞれ表している。
【００６１】
つまり図５に示した波形は、
ｙ＝Ｗｏ×ｓｉｎ（２π×５０×ｔ）の波形における位相角が０〜２π／８の部分（図６の１段目を参照）、
ｙ＝Ｗｏ×ｓｉｎ（２π×５０．５×ｔ）の波形における位相角が２π／８〜４π／８の部分（図６の２段目を参照）、
ｙ＝Ｗｏ×ｓｉｎ（２π×５１×ｔ）の波形における位相角が４π／８〜６π／８の部分（図６の３段目を参照）、
・・・、
ｙ＝Ｗｏ×ｓｉｎ（２π×５０×ｔ）の波形における位相角が３０π／８〜３２π／８の部分（図６の４段目を参照）
の各部分を、位相角が整合するように連結して形成された波形と見ることもできる。
【００６２】
パワコン制御装置２０は、単独運転判別動作の開始時において、その時点での出力電力の状態と変化付与パターンに基づいた必要な演算処理を実行し、図５に示すような波形をまず決定しておく。そしてその後、パワコン制御装置２０は、出力電力を当該波形に合致させるように、ゲート信号Ｓｇを送出する。これにより、変化付与パターンに従った、出力周波数への変化の付与が実現されることになる。
【００６３】
また図４から明らかな通り、変化付与パターンは、出力電圧の１周期の間に、出力周波数を最大時で３．５Ｈｚ変化させるように設定されている。なおこの３．５Ｈｚ（変化の最大量）は、変化が付与される前に５０Ｈｚ程度となっている出力周波数を、電力系統における正常周波数範囲（５０±２Ｈｚ）から十分に逸脱させる値として設定されている。
【００６４】
そしてパワコン制御装置２０は、変化付与パターンに従って出力周波数に変化を与えるようにしつつ、検出される系統周波数が正常周波数範囲から逸脱したか（ステップＳ１３）、および変化の付与を開始してから判別待機時間が経過したか（ステップＳ１４）を監視する。なお判別待機時間は、出力周波数に最大量の変化が与えられるまでの時間より長い時間として、例えば出力電力の１周期（位相角０〜１６π／８に相当）に設定されている。
【００６５】
ここで出力周波数を変化させた場合、系統周波数は次の通りとなる。単独運転状態が発生しているとき、系統電力の状態は、出力電力の状態が支配的となる。そのため系統周波数は出力周波数の変化に追従し、出力周波数が電力系統における正常周波数範囲から逸脱したときには、系統周波数もこれに伴って当該正常周波数範囲から逸脱することになる。
【００６６】
一方、単独運転状態が発生していないとき、系統電力の状態は、系統電源３等の影響が強く、出力電力の状態の影響を殆ど受けない。そのため系統周波数は出力周波数の変化に追従せず、出力周波数が電力系統における正常周波数範囲から逸脱しても、系統周波数が当該正常周波数範囲から逸脱することはない。
【００６７】
そこでパワコン制御装置２０は、系統周波数が電力系統の正常周波数範囲から逸脱したことを検出した場合には（ステップＳ１３のＹ）、単独運転状態が発生したと判別し（ステップＳ１５）、今回の単独運転判別動作を終了する。また一方で、系統周波数が当該正常周波数範囲から逸脱することなく、変化の付与を開始してから判別待機時間が経過した場合には（ステップＳ１４のＹ）、パワコン制御装置２０は、単独運転状態は発生していないと判別し（ステップＳ１６）、今回の単独運転判別動作を終了する。
【００６８】
上述したように、パワコン制御装置２０は、出力電力の１周期分（概ね、２０ｍｓ）という短い時間に、出力周波数に最大３．５Ｈｚの変化を与えるようになっている。そのためパワコン制御装置２０は、この短い時間に、単独運転状態が発生したか否かを判別することが可能となっている。
【００６９】
ここで、出力電力の１周期内に、出力周波数に３．５Ｈｚの変化を与えるにあたって、出力周波数がどのように変化するかを表すグラフを、図７に示す。なお当該グラフにおいて、横軸は出力電力の位相角を、縦軸は出力周波数を、それぞれ表している。
【００７０】
出力周波数に与える変化の量を変える間隔が１周期であると仮定すると、図７に点線で示すように、１周期内に３．５Ｈｚの変化を与えるためには、３．５Ｈｚ分の大きな変化を一気に与える必要がある。なおこの間隔が１周期より長い場合も同様である。このように、変化付与の前後で出力周波数が急激に変化すると、単独運転状態が発生していない場合、例えば出力電力と系統電力との位相差が非常に大きくなる。その結果、直流電源２側に過電流が発生し、電力系統や負荷５への電力供給に大きな乱れが生じるおそれがある。
【００７１】
しかし本実施形態のパワコン１によれば、図７に実線で示すように、変化量は０．５Ｈｚずつ徐々に増大あるいは減少させるようになっており、出力周波数の変化は比較的緩やかとなっている。このように本実施形態の場合は、出力電力の１周期より短い間隔で、出力周波数に与える変化の量を段階的に変えるようになっており、出力周波数の変化を緩やかなものとすることが可能となっている。
【００７２】
また先述した通り、第１から第１６までの各区間の幅は、一定の位相角（２π／８）となっている。そのためパワコン１によれば、各区間の幅が一定の位相角とはなっていない場合に比べると、出力電力の波形を滑らかにすることが可能となっている。
【００７３】
［パワコン制御装置の具体的構成について］
パワコン制御装置２０は、上述した動作を行うように構成されるが、その具体的形態については特に限定されない。例えば、必要な各処理を主にソフトウェア処理によって実現する構成であっても良く、主にハードウェア処理によって実現する構成であっても良い。本実施形態におけるパワコン制御装置２０の構成は、一例として図８に示す構成であるとする。当該構成について以下に説明する。
【００７４】
図８に示すようにパワコン制御装置２０は、中央処理回路２１、電流振幅設定回路２２、乗算器２３、減算器２４、制御器２５、加算器２６、三角波生成回路２７、ＰＷＭコンパレータ２８、電圧振幅算出回路２９、および乗算器３０などを備えている。
【００７５】
中央処理回路２１は、電圧検出回路１８から電圧検出信号Ｖｄが入力されるようになっており、当該信号に応じた各種の処理を実行する回路である。中央処理回路２１は、周波数が調節された周波数信号（振幅は単位量とする）を出力する。また中央処理回路２１は、連系リレー１９へリレー切替信号Ｓｒを出力する機能も有している。
【００７６】
電流振幅設定回路２２は、出力電流の振幅を設定する回路である。電流振幅設定回路２２は、標準的な出力電流の振幅（電力系統に整合するよう決められた値）が記録されており、この振幅に設定された振幅信号を出力する。
【００７７】
乗算器２３は、中央処理回路２１から出力された周波数信号と電流振幅設定回路２２から出力された振幅信号を受取り、これらを乗じたもの（出力電流指令）の信号を出力する。なおこの出力電流指令の信号は、通常時、パワコン１が出力する電流の波形の目標となる、電流指令波形を表すことになる。また減算器２４は、電流検出回路１７から電流検出信号Ｉｄが入力されるようになっており、出力電流目標値の信号と電流検出信号Ｉｄとの差を出力する。また制御器２５は、減算器２４の出力を受取り、出力電流相当の電圧を表す信号を出力する。制御器２５から出力されるこの信号は、通常時、インバータ回路１４から電力系統へ電流指令波形の電流が流れるときの電圧降下に対応した波形を表すことになる。
【００７８】
電圧振幅算出回路２９は、電圧検出信号Ｖｄが入力されるようになっており、当該信号に基づいて、電力系統における電圧波形の振幅を算出する。そして電圧振幅算出回路２９は、この算出された振幅に設定された振幅信号を出力する。乗算器３０は、中央処理回路２１から出力された周波数信号と電圧振幅算出回路２９から出力された振幅信号を受取り、これらを乗じて生成した信号を出力する。乗算器３０から出力されるこの信号は、通常時、電力系統における電圧波形を表すことになる。
【００７９】
加算器２６は、制御器２５の出力と乗算器３０の出力を受取り、これらを加算したもの（インバータ操作量）の信号を出力する。加算器２６の出力信号が表す波形、つまり制御器２５と乗算器３０の出力を合わせて得られる波形は、先述した電圧指令波形である。
【００８０】
ＰＷＭコンパレータ２８は、非反転入力端子に加算器２６の出力が入力され、反転入力端子に三角波生成回路２７が生成する基準三角波の信号が入力される。ＰＷＭコンパレータ２８はこれらの比較結果に応じた信号を、ゲート信号Ｓｇとしてインバータ回路１４へ出力する。
【００８１】
このような構成のパワコン制御装置２０は、以下に示す通りに動作する。中央処理回路２１は、電圧検出信号Ｖｄを継続的に受取り、系統周波数を検出する。そして中央処理回路２１は、この検出された系統周波数と一致するように周波数信号を生成し、乗算器２３へ出力する。
【００８２】
そして乗算器２２からＰＷＭコンパレータ２８までの一連の回路は、周波数信号、電流検出信号Ｉｄ、および電圧検出信号Ｖｄを反映させて、インバータ回路１４をＰＷＭ制御するためのゲート信号Ｓｇを生成する。ゲート信号Ｓｇは、周波数や電圧振幅などにおいて、出力電力が系統電力と整合するように調節される。
【００８３】
また先述した連系状態制御動作（ステップＳ１〜Ｓ４）は、中央処理回路２１が中心となって実行される。すなわち中央処理回路２１が、電圧検出信号Ｖｄを監視することにより、基準レベルを超える電気的変動が生じたかを監視する（ステップＳ１）。
【００８４】
そして基準レベルを超える電気的変動が検出された場合（ステップＳ１のＹ）、中央処理回路２１が単独運転判別動作（ステップＳ１２〜Ｓ１６）を実行する。このとき中央処理回路２１は、ステップＳ１２の動作として、周波数信号の周波数を変えることにより、電流指令波形および電圧指令波形の周波数を変え、間接的に、出力周波数に変化を与えるようにする。そして更に単独運転状態が発生したと判別したとき（ステップＳ３のＹ）、中央処理回路２１は、パワコン１の電力系統への連系が解除されるように、リレー切替信号Ｓｒを連系リレー１９に送出する（ステップＳ４）。
【００８５】
［変形例等について］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの内容に限定されるものではない。本発明はその主旨を逸脱しない限り、種々の改変を加えて実施することが可能である。なお本実施形態に対する変形例としては、例えば以下に示すものが挙げられる。
【００８６】
本実施形態に係る「変化付与パターン」は、図４に示す通りの内容となっているが、この内容は、パワコン１の仕様や用途などに応じて、種々改変することが可能である。例えば、各区間の幅（本実施形態では交流電における２π／８の位相各分）や、変化量の数値の符号（＋−）やその最大値（本実施形態では３．５Ｈｚ）などを、他の値としておくことが可能である。
【００８７】
また本実施形態では、各区間を、一定の位相角ごとに区切られた区間としているが、他の形態としても構わない。例えば各区間を、一定ではない（全部又は一部が変化する）位相角ごとに区切られた区間としても良く、一定或いは一定ではない時間ごとに区切られた区間としても良い。
【００８８】
また本実施形態では、単独運転状態の発生を検出するため、系統周波数が電力系統の正常周波数範囲から逸脱したかを直接監視するようにしている（ステップＳ１３を参照）。但し単独運転状態の発生を検出する手法としては、他の手法が採用されるようにしても構わない。例えばパワコン制御装置２０が図８に示す構成となっている場合において、先述した電圧指令波形（或いは電流指令波形）と、検出した電力系統における電圧波形（つまり、電圧検出信号Ｖｄが表す波形）との差分に着目する手法も採用され得る。このような手法が採用された単独運転判別動作の流れについて、図９に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
【００８９】
中央処理回路２１は、変化付与パターンに従った、出力周波数への変化の付与を開始する（ステップＳ２２）。この変化の付与は、周波数信号の周波数を変えることにより、電流指令波形や電圧指令波形の周波数が変わることで、間接的に実現される。なおステップＳ２２の動作の趣旨は、先述したステップＳ１２の動作と同様である。
【００９０】
そして中央処理回路２１は、当該変化を与えるようにしつつ、電圧指令波形（或いは電流指令波形）と、検出した電力系統における電圧波形との差分が所定閾値を超えたか（ステップＳ２３）、および変化の付与を開始してから判別待機時間が経過したか（ステップＳ２４）を監視する。なお判別待機時間は、出力周波数に最大量の変化が与えられるまでの時間として、例えば出力電力の１周期以内（例えば、位相角６π／８）に設定されている。
【００９１】
ここで系統周波数が出力周波数の変化に追従しない場合（つまり単独運転状態が発生していない場合）は、電圧指令波形（或いは電流指令波形）と、検出した電力系統における電圧波形のズレ（偏差）が大きくなり、これらの波形の差分も大きくなる。一方で、系統周波数が出力周波数の変化に追従する場合（つまり単独運転状態が発生している場合）は、このような波形のズレは大きくならず、これらの波形の差分も大きくならない。
【００９２】
そこで中央処理回路２１は、電圧指令波形（或いは電流指令波形）と、検出した電力系統における電圧波形の差分が所定の閾値を超えたことを検出した場合には（ステップＳ２３のＹ）、単独運転状態は発生していないと判別し（ステップＳ２５）、今回の単独運転判別動作を終了する。
【００９３】
また一方で、当該差分が閾値を超えることなく、変化の付与を開始してから判別待機時間が経過した場合には（ステップＳ２４のＹ）、中央処理回路２１は、単独運転状態が発生したと判別し（ステップＳ２６）、今回の単独運転判別動作を終了する。なおここでの閾値は、単独運転状態が発生した場合には、電圧指令波形（或いは電流指令波形）と、検出した電力系統における電圧波形の差分が当該閾値を超えないように、単独運転状態が発生していない場合には当該閾値を超えるように、予め適切に設定された値である。
【００９４】
なお電力系統における電圧波形と比較する波形としては、上述したように、電圧指令波形や電流指令波形が挙げられるが、波形のズレ（偏差）がより明瞭になる（そのため、単独運転状態の検出がより容易となる）点で、電流指令波形を採用する方がより好ましい。またここで説明した単独運転判別動作（ステップＳ２２〜Ｓ２６）では、電圧指令波形（或いは電流指令波形）と、検出した電力系統における電圧波形の差分に基づいて、系統周波数が出力周波数の変化に追従したことを検出するようになっている。
【００９５】
このように当該単独運転判別動作（ステップＳ２２〜Ｓ２６）も、単独運転状態が発生したときには、系統周波数が出力周波数の変化に追従し、単独運転状態が発生していないときには追従しないことを利用して、単独運転を検出するようになっている。この点は、先に説明した単独運転判別動作（ステップＳ１２〜Ｓ１６）と同様である。
【００９６】
また本実施形態に係る「変化付与パターン」では、変化量の増減が規則的となるように（つまり、前半は徐々に増大するように、かつ、後半は徐々に減少するように）設定されているが、この増減が不規則となるように設定することも考えられる。
【００９７】
このようにすれば、単独運転状態が発生していない場合、出力電力と系統電力の差分を示す波形は、負側あるいは正側に大きく偏った形状となる。また単独運転状態が発生した場合には、当該波形はこのように偏った形状とはならない。この違いを利用して、単独運転状態の発生の有無を判別することが可能である。
【００９８】
また周波数の変化量については、系統周波数が出力周波数に付与された変化に追従したか否かが判別されるまで、当該変化量を区間ごとに段階的に増大させるようにしても良い。この場合、追従したと判別された後、当該変化量を増加或いは減少させるようにしても良く、そのままの量に維持させるようにしても良い。なお当該変化量を増加或いは減少させるにあたっては、当該変化量を増加或いは減少させる速さ（緩急）が変えられるようになっていても良い。
【００９９】
例えば当該変化量を区間ごとに０．６Ｈｚずつ増大させる場合であって、かつ、第４区間において追従したと判別される場合を想定する。この場合、図１０に示す「増加パターン」（第５区間以降も変化量が増大する）、「継続パターン」（第５区間以降は変化量がそのまま維持される）、および「減少パターン」（第５区間以降は変化量が減少する）の何れが実現されるようにしても構わない。
【０１００】
また本実施形態では、検出される系統周波数が電力系統の正常周波数範囲から逸脱したときに、直ちに単独運転状態が発生したと判別するようにしているが（ステップＳ１３、Ｓ１５を参照）、その代わりに、逸脱した状態が一定期間（例えば、１〜数周期程度）連続した場合に、単独運転状態が発生したと判別するようにしても構わない。このようにすれば、当該判別に要する時間はやや長くなるが、当該判別の精度をより向上させる（より慎重に判別されるようにする）ことが可能となる。
【０１０１】
また本実施形態では、単独運転状態が発生したと判別されたときに、直ちに電力系統への連系を解除させる（連系リレー１９を開く）ようにしているが（ステップＳ３、Ｓ４を参照）、その代わりに、単独運転状態が発生したと判別されてから一定時間（例えば、０．１秒程度）経過した後に、電力系統への連系を解除させるようにしても構わない。
【０１０２】
また、単独運転状態が発生したと判別された場合、電力系統への連系を解除させるとともに、単独運転状態の発生を知らせるための報知信号が出力されるようにしても構わない。また更に、単独運転状態が発生したと判別された場合、パワコン１から電力系統に出力される電流の振幅を減衰させること等により、電力系統に出力される電力が小さくなるようにしても構わない。
【０１０３】
［その他］
以上までに説明した通り、本実施形態に係るパワコン１（電力変換装置）は、直流電源２が発生させた直流電力を、出力電力（現在設定されている出力周波数の交流電力）に変換して出力するものとなっており、更に、この出力周波数に変化を与える機能部（変化付与部）を備えている。
【０１０４】
この変化付与部は、前記変化を与えておくべき変化付与期間（出力電力の２周期分）を、前記出力電力の周期より短い複数の区間（幅が２π／８の位相角である区間）に区切り、前記変化の量を、該区間ごとに変える（設定する）ようになっている。より具体的には、前記変化の量が最大量（３．５Ｈｚ）に達するまでは、該変化の量を前記区間ごとに段階的に（０．５Ｈｚずつ）増大させ、該変化の量が最大量に達した後は、該変化の量を該区間ごとに段階的に（０．５Ｈｚずつ）減少させるようになっている。
【０１０５】
そのためパワコン１によれば、出力周波数に最大量の変化を与えるにあたり、出力周波数に与える変化を出来るだけ緩やかにしつつ、これを実現することが可能となっている。すなわち、出力電力の１周期或いはそれ以上の間隔で徐々に変化量を変える場合に比べ、より少しずつ段階的に変化量を変えることにより、出力周波数に与える変化をより緩やかにすることが可能となっている。また交流電力の１周期未満の時間で速やかに変化を捉えることが容易となり、その変化に応じて速やかに変化量を変える事が可能となっている。
【０１０６】
なおこのような変化付与部を備えるようにした電力変換装置は、これまでに説明したようにパワコンとするだけでなく、例えば、交流電力によって回転駆動するモータ（交流電力の周波数（出力周波数）によって回転数が決まる）に利用することも可能である。このようにすれば、出力周波数の変化を緩やかなものとして、回転のムラや振動によるエネルギー損失を、極力抑えることが可能となる。
【０１０７】
またパワコン１は、より具体的には、電力系統に連系し、この電力系統における電力の周波数と略一致するように出力周波数を設定して、出力電力をこの電力系統に出力するようになっており、更に、単独運転状態の発生の有無を判別する機能部（単独運転判別部）をも備えている。
【０１０８】
そして変化付与部は、出力周波数に、意図的な誤差としての変化を与えるものであり、単独運転判別部は、出力周波数に変化が与えられた状況下で、電力系統における電力の周波数がこの変化に追従したことを検出することにより、単独運転状態の発生の有無を判別するようになっている。
【０１０９】
また変化付与部は、基準レベルを超える電気的変動が検出されることによって、単独運転状態の発生が疑われる状況となる度に、出力周波数に変化を与えるための付与動作を行うようになっており（ステップＳ１を参照）、単独運転判別部は、この付与動作が行われる度に、単独運転状態の発生の有無を判別するようになっている。なおこの電気的変動が系統周波数の変動である場合、パワコン１は当該付与動作を行うことにより、この周波数の変化を早期に捉えて、当該変化を速やかに増進させることが可能であると言える。
【０１１０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの内容に限定されるものではない。また本発明の実施形態は、本発明の主旨を逸脱しない限り、種々の改変を加えることが可能である。また上記説明では、電気的な量を表す指標として主に「電力」を用いたが、矛盾のない限り、「電圧」や「電流」と読み替えることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明は、電力系統に連系するパワーコンディショナ等に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１    パワーコンディショナ（電力変換装置）
２    直流電源（分散電源）
３    系統電源
４    系統遮断機
５    負荷
１１    ダイオード
１２    コンデンサ
１４    インバータ回路
１５    インダクタ
１６    コンデンサ
１７    電流検出回路
１８    電圧検出回路
１９    連系リレー
２０    パワコン制御装置
２１    中央処理回路
２２    電流振幅設定回路
２３    乗算器
２４    減算器
２５    制御器
２６    加算器
２７    三角波生成回路
２８    ＰＷＭコンパレータ
２９    電圧振幅算出回路
３０    乗算器
【図１】
2012016159.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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