(57)【要約】【課題】分散型電源が設置された発電所に新たな計測機器を設置しなくても、不要検出に繋がる系統電源の変動要因を特定するための情報収集手段を容易に確保可能なパワーコンディショナ及び電源監視システムを提供する。【解決手段】電源監視システムは、パワーコンディショナＰＣＳの電源監視部と通信可能に接続され系統電圧、系統周波数及び高調波成分を含む電源情報を受信する中継装置２０と、中継装置に受信された電源情報を集信する遠隔の管理装置３０とを備え、管理装置と通信可能に接続された複数の端末４０が管理装置３０に集信された電源情報を閲覧可能に構成され、電源監視部は、系統連系時に計測された系統電圧に基づいて系統の高調波成分を算出して、系統電圧及び系統周波数とともに中継装置へ送信するように構成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、系統と並列するべく前記インバータを制御するインバータ制御部と、系統連係時に単独運転状態を検知すると系統から解列する単独運転検知部と、系統連系時に計測した系統電圧及び系統周波数を遠隔の管理装置と通信可能な中継装置に送信する電源監視部とを備えているパワーコンディショナであって、
前記電源監視部は、系統連系時に計測された系統電圧に基づいて系統の高調波成分を算出して、系統電圧及び系統周波数とともに前記中継装置へ送信するように構成されているパワーコンディショナ。
【請求項２】
前記電源監視部は、少なくとも系統電圧の１周期の間、系統電圧の瞬時値とＮ次正弦（Ｎは自然数）とを積和演算することによりＮ次高調波成分を算出して、その算出値を系統の高調波成分として前記中継装置へ送信する請求項１記載のパワーコンディショナ。
【請求項３】
請求項１または２記載のパワーコンディショナと、各パワーコンディショナの前記電源監視部と通信可能に接続され前記系統電圧、系統周波数及び高調波成分を含む電源情報を受信する中継装置と、各中継装置に受信された電源情報を集信する遠隔の管理装置とを備え、前記管理装置と通信可能に接続された複数の端末が前記管理装置に集信された電源情報を閲覧可能に構成されている電源監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーコンディショナ及び電源監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所に設置された太陽電池や燃料電池等の分散型電源は、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、系統と並列するべくインバータを制御するインバータ制御部と、系統連係時に単独運転状態を検知すると系統から解列する単独運転検知部と、系統連系時に計測した系統電圧及び系統周波数を遠隔の管理装置と通信可能な中継装置に送信する電源監視部とを備えたパワーコンディショナが設けられている。
【０００３】
分散型電源が系統連系を行なっている配電線に地絡または短絡事故が発生し、或いは計画停電等によって変電所から配電線への電力の送電が停止した状態、即ち単独運転状態に至った場合に、区分開閉器の動作への影響防止及び配電線の作業の安全性を確保するために当該配電線から分散型電源を確実に解列する必要がある。
【０００４】
そのための単独運転検出方式として受動的方式と能動的方式があり、何れか一方または双方がパワーコンディショナに採用されている。
【０００５】
受動的方式とは単独運転移行時の発電出力と負荷の不平衡による電圧位相や周波数等の急変を検出する方式で、例えば、電圧位相の急変を検出する電圧位相跳躍検出方式や、変圧器の飽和現象に伴う第３次高調波を検出する３次高調波電圧歪急増検出方式等が例示される。
【０００６】
能動的方式とはパワーコンディショナの制御系や外部に付加した抵抗等により常時電圧や周波数に変動を与えておき単独運転移行時に顕著になる変動を検出する方式で、例えば、出力電流位相に微小周波数変化による正帰還をかけることにより周波数異常を検出するスリップモード周波数シフト方式や、出力に周期的な無効電力変動を与え、単独運転移行後に発生する周波数変動を検出する無効電力変動方式等が例示される。
【０００７】
特許文献１には、同一系統に複数のパワーコンディショナを接続して並列運転する場合に、能動的方式を採用したパワーコンディショナから出力される微小な変動が干渉して互いに打ち消され、適正に検出できなくなるという不都合を回避することを目的とした分散型電源システムが開示されている。
【０００８】
当該分散型電源システムを構成する各パワーコンディショナは、予め設定されたパワーコンディショナから出力される同期信号に基づいて、周波数シフト方向を合わせるように、互いに同期して出力を変動させるように構成されている。
【０００９】
特許文献２には、系統電源の瞬低等で周波数が急変するような場合に、単独運転状態であるとの誤検出（以下、「不要検出」と記す。）の発現を回避して、ＦＲＴ(Fault Ride Through）機能つまり系統擾乱時における運転継続性能を備えた単独運転検出装置を提供することを目的したインバータの単独運転検出装置が開示されている。
【００１０】
当該単独運転検出装置は、インバータの出力電圧の周波数が正帰還により変化を助長する方向に無効電力を制御するとともに、周波数変化率に応じてステップ状に変化する値が正帰還により変化を助長する方向に無効電力を制御する関数手段と、ステップ状に変化する値に基づく値が単独運転検出レベル以上であるときに異常であると判断してインバータを停止する異常検出手段と、交流電源系統及びインバータ出力の電圧位相に同期するとともに、関数手段の出力により所定の無効電力に制御し、インバータが交流電力系統から切り離されたとき、周波数とステップ状に変化する値とに基づいてインバータの無効電力が変化するよう駆動し、異常が検出されたときにインバータを停止させる駆動手段とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−９４１７４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２０２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、系統電源に接続された負荷の変動等により位相や周波数が急変するような場合等に、各パワーコンディショナで不要検出が発現する場合があり、不要検出で系統との連系を停止したパワーコンディショナの動作を復帰するために、その都度、個々のパワーコンディショナを再起動操作する必要があり、管理者にとって非常に煩雑な作業が発生する。
【００１３】
不要検出が発生した場合、その原因を調査するため、系統に計測機器を取り付け、その電圧波形等から系統電源の状態を調査する必要があるが、その都度人里から離れた発電所や多数の小規模の発電所に計測機器を設置して原因の調査を行なうことは容易ではなかった。
【００１４】
ところで、系統電源の電圧や周波数の変動を調査するために、パワーコンディショナには中継装置となるモニタリング機器が通信可能に接続され、パワーコンディショナから中継装置に送信されたデータログが遠隔地に設置された管理装置に集信され、集信されたデータログが発電情報として活用されている。
【００１５】
このような発電情報に、系統連係保護リレーに関する項目が含まれ、当該項目に「系統電圧」、「系統周波数」が設定されている。
【００１６】
しかし、このような既存の発電情報では、系統電源に生じる位相変動や周波数の急変等の発生を確認することができず、不要検出の原因を特定するための発電情報として有効に活用できないという問題があった。
【００１７】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、分散型電源が設置された発電所に新たな計測機器を設置しなくても、不要検出に繋がる系統電源の変動要因を特定するための情報収集手段を容易に確保可能なパワーコンディショナ及び電源監視システムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述の目的を達成するため、本発明によるパワーコンディショナの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータと、系統と並列するべく前記インバータを制御するインバータ制御部と、系統連係時に単独運転状態を検知すると系統から解列する単独運転検知部と、系統連系時に計測した系統電圧及び系統周波数を遠隔の管理装置と通信可能な中継装置に送信する電源監視部とを備えているパワーコンディショナであって、前記電源監視部は、系統連系時に計測された系統電圧に基づいて系統の高調波成分を算出して、系統電圧及び系統周波数とともに前記中継装置へ送信するように構成されている点にある。
【００１９】
インバータ制御部は、系統と連係するために所定周期でサンプリングした系統電圧や系統周波数等に基づいてインバータから出力される交流電圧及び電流を制御する。電源監視部は、このときに計測された系統電圧に基づいて系統の高調波成分を算出して、系統電圧及び系統周波数とともに中継装置へ送信するので、新たな計測機器を設置しなくても系統電源に重畳されている高調波成分を遠隔地で容易に監視できるようになる。
【００２０】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記電源監視部は、少なくとも系統電圧の１周期の間、系統電圧の瞬時値とＮ次正弦（Ｎは自然数）とを積和演算することによりＮ次高調波成分を算出して、その算出値を系統の高調波成分として前記中継装置へ送信する点にある。
【００２１】
系統電圧の瞬時値とＮ次正弦（Ｎは自然数）とを少なくとも系統電圧の１周期にわたって積和演算することによりＮ次高調波成分が容易に算出可能となる。
【００２２】
本発明による電源監視システムの特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成を備えたパワーコンディショナと、各パワーコンディショナの前記電源監視部と通信可能に接続され前記系統電圧、系統周波数及び高調波成分を含む電源情報を受信する中継装置と、各中継装置に受信された電源情報を集信する遠隔の管理装置とを備え、前記管理装置と通信可能に接続された複数の端末が前記管理装置に集信された電源情報を閲覧可能に構成されている点にある。
【００２３】
系統電源の電圧及び周波数に加えて高調波成分が管理装置に集信されるので、不要検出の原因の特定のための効果的な情報が発電所から遠隔の地で監視可能になる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明した通り、本発明によれば、分散型電源が設置された発電所に新たな計測機器を設置しなくても、不要検出に繋がる系統電源の変動要因を特定するための情報収集手段を容易に確保可能なパワーコンディショナ及び電源監視システムを提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】パワーコンディショナのブロック構成図
【図２】（ａ）は系統電圧と二次及び四次高調波の説明図、（ｂ）は二次高調波の注入量と検出値の説明図、（ｃ）は四次高調波の注入量と検出値の説明図
【図３】（ａ）は図３（ｂ）のデータに基づく特性図、（ｂ）は二次高調波の１５％注入時の波形図、（ｃ）は図３（ｃ）のデータに基づく特性図、（ｄ）は四次高調波の１５％注入時の波形図
【図４】電源監視システムのブロック構成図
【図５】別実施形態を示す電源監視システムのブロック構成図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明によるパワーコンディショナ及び電源監視システムを図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１には、太陽光発電装置１とパワーコンディショナＰＣＳとで構成される分散型電源が示されている。パワーコンディショナＰＣＳは、連系リレーＲｙを介して系統電源１００に接続されている。以下の説明ではパワーコンディショナＰＣＳに接続される発電装置が太陽光発電装置１である場合を説明するが、燃料電池等の他の発電装置であっても本発明を適用することができる。
【００２８】
パワーコンディショナＰＣＳは、太陽光発電装置１の直流出力電圧を所定の直流電圧値に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ３と、インバータ３をＰＷＭ制御するインバータ制御部４と、インバータ３の出力から高調波を除去するＬＣフィルタ５等を備えている。
【００２９】
パワーコンディショナＰＣＳは、さらに単独運転検知部７、系統連系保護部８、電源監視部９等を備えている。
【００３０】
インバータ制御部４は、系統電圧／電流センサ６によって検知される系統電圧、電流及び周波数に基づいて、系統と連系可能なようにインバータ３をＰＷＭ制御するように構成されている。系統電圧／電流センサ６は、系統電圧を計測する抵抗分圧回路、系統電圧を計測する電流トランス、周波数を計測するゼロクロス回路等を備えて構成され、各出力はインバータ制御部４の他に単独運転検知部７に入力され、単独運転検知部７によって例えば単スリップモード周波数シフト方式や無効電力変動方式等の能動的方式に基づいて独運転状態か否かが検知される。
【００３１】
単独運転検知部７が系統電圧／電流センサ６によって検知される系統電圧及び電流に対して出力電流位相に与える変動成分を算出してインバータ制御部４に出力すると、インバータ制御部４はインバータ３を制御して単独運転検知のための変動成分が付加された交流電力を、系統リレーＲｙを介して系統に出力する。単独運転検知部７は、このときに系統電圧／電流センサ６によって検知される系統電圧、電流及び／または周波数の変動の程度によって単独運転状態にあるか否かを判定する。
【００３２】
単独運転検知部７によって単独運転状態にあると判定されると、系統連系保護部８によって系統リレーＲｙが切断されてパワーコンディショナＰＣＳが系統電源から切り放され、インバータ制御部４によってインバータが停止される。
【００３３】
尚、単独運転状態との判定により解列する場合には、少なくとも連系リレーＲｙが切断されればよく、必ずしもインバータ３が停止しないような態様であってもよい。解列後にインバータ３から自立運転系統に給電するような態様であれば、インバータ３を引き続き駆動する必要がある場合もあるからである。
【００３４】
系統電圧／電流センサ６によって検知される系統電圧及び周波数は、インバータ制御部４や単独運転検知部７を介して電源監視部９に入力され、電源監視部９で系統電圧に重畳した高調波成分が算出され、通信部９ａを介して系統電圧及び系統周波数とともに中継装置へ送信される。
【００３５】
具体的に、電源監視部９では、次式に基づいてＮ次高調波成分が算出される。
Ｎ次高調波成分（％）  ＝  Ｋ×Σ｛（Ｖ×ｓｉｎＮθ）／ｍ｝
但し、Ｖは系統電圧瞬時値、θはキャリア周期演算位相角、Ｎは高調波次数、ｍはサンプリング数、Ｋは定数である。
【００３６】
インバータ制御部４では、系統電圧／電流センサ６で検出された電圧が、系統周波数の一周期の間に例えばサンプリング周波数１６ｋＨｚで複数回サンプリングされて、その時の系統電圧の瞬時値Ｖが求められる。
【００３７】
電源監視部９では、上式に基づいて、系統電圧の瞬時値ＶとＮ次正弦（ｓｉｎＮθ）との積和が求められ、その積和がサンプリング数ｍで除されて得られた平均値に定数Ｋが掛けられることによりＮ次高調波成分が求められる。
【００３８】
図３（ａ）には、系統電圧波形と二次及び四次の高調波波形が例示されている。電源監視部９では、高調波次数Ｎが１から４０の値に対応した各高調波成分が算出され、一周期毎に系統電圧、周波数及び高調波成分がメモリに記憶され、通信部９ａを介して中継装置に送信される。尚、上式を用いる場合、高調波次数Ｎとして偶数値を採用することが好ましい。
【００３９】
図２（ｂ）に示すように、例えば、高調波成分を含まない系統電圧に対して、波高値５，１０，１５％の２次高調波を注入すると、図３（ｂ）のように波形歪が発生する。そのような系統電圧を上述した数式により算出した２次高調波成分の演算値が図３（ａ）に示されている。
【００４０】
図２（ｃ）に示すように、例えば、高調波成分を含まない系統電圧に対して、波高値５，１０，１５％の４次高調波を注入すると、図３（ｄ）のように波形歪が発生する。そのような系統電圧を上述した数式により算出した４次高調波成分の演算値が図３（ｃ）に示されている。
【００４１】
図２（ｂ），（ｃ）に示すように、何れの場合も注入した値と演算した値がほぼ態様していることが示されている。波形の歪が大きくなるほど、単独運転検知部７で不要検出が発生する確率が高くなる傾向が見られる。そこで、このような系統電圧の状態を必要に応じて遠隔地から確認できると、不要検出の原因の特定が容易になり、適切な対策を講じることができるようになる。
【００４２】
図４には、上述したパワーコンディショナＰＣＳが組み込まれた電源監視システムが示されている。電源監視システムは、上述した太陽光発電装置１とパワーコンディショナＰＣＳで構成される分散型電源に加えて、中継装置２０、管理装置３０、端末４０等を備えている。
【００４３】
パワーコンディショナＰＣＳの電源監視部９（９ａ）と中継装置２０とが例えばＲＳ４８５のような通信規格を採用した半二重通信で通信可能に接続され、電源監視部９（９ａ）から中継装置２０に系統電圧、系統周波数及び高調波成分を含む電源情報が送信される。
【００４４】
１台の中継装置２０に複数台のパワーコンディショナＰＣＳが接続されていることが好ましい。その地域での系統の品質等の特性が把握できるようになるからである。
【００４５】
各中継装置２０に受信された電源情報が遠隔の管理装置３０に集信され、管理装置３０と通信可能に接続された複数の端末４０が、管理装置３０に集信された電源情報を閲覧できるように構成されている。
【００４６】
管理装置３０として例えばデータベースサーバを用いることができ、データベースサーバにウェブサーバを連結することにより、インターネットを介して各端末とウェブサーバが接続可能になる。データベースサーバに格納された各地域の電源情報が各端末を介して閲覧できるようになる。
【００４７】
中継装置２０と管理装置３０とはＷＡＮやＷｉＦｉを介して通信可能に接続されていることが好ましいが、通信インタフェースは特に限定されるものではない。
【００４８】
パワーコンディショナＰＣＳから中継装置に送信される系統の電源情報は、系統電圧、系統周波数及び高調波成分以外に単独運転状態が検知されたとのイベント情報（発生時刻を含む）が含まれていることが好ましく、特に当該イベントの発生前の所定時間の系統電圧、系統周波数及び高調波成分のログデータが含まれていることが好ましい。
【００４９】
尚、当該イベントの発生前の電源情報は予め設定された所定時間の平均値であってもよく、所定時間毎の系統周波数の数周期の間歇データであってもよい。
【００５０】
図５には、システム制御装置ＳＣに、同期マスターとして機能する１台のパワーコンディショナＭ−ＰＣＳと、スレーブとして機能する７台のパワーコンディショナＳ−ＰＣＳが通信線（ＲＳ４８５）を介して接続された電源監視システムが示されている。
【００５１】
通信線（ＲＳ４８５）にはさらに中継装置２０が接続され、システム制御装置ＳＣで管理される各パワーコンディショナＰＣＳの情報が中継装置２０を介して遠隔地の管理装置３０に集信されるように構成されている。
【００５２】
パワーコンディショナＭ−ＰＣＳに系統周波数に同期した同期信号生成部が設けられ、同期信号生成部から出力される同期信号が同期信号線を介して各パワーコンディショナＳ−ＰＣＳに入力され、各パワーコンディショナＭ−ＰＣＳ，Ｓ−ＰＣＳが連系リレー（図示せず）を介して系統線に接続されている。
【００５３】
パワーコンディショナＭ−ＰＣＳの同期信号生成部では、系統電圧の周波数と同期した同一周波数の方形波が生成され、各パワーコンディショナＳ−ＰＣＳに入力される。
【００５４】
管理者がシステム制御装置ＳＣの操作部に備えた起動スイッチを操作すると、システム制御装置ＳＣから通信線（ＲＳ４８５）を介して各パワーコンディショナＭ−ＰＣＳ，Ｓ−ＰＣＳに起動コマンドが送信され、各パワーコンディショナＭ−ＰＣＳ，Ｓ−ＰＣＳが起動される。
【００５５】
同期マスターとして機能するパワーコンディショナＭ−ＰＣＳは、連系リレーＲｙを閉じて、系統電圧／電流センサ６で検知された系統電圧及び電流に基づいて連系可能なようにインバータ３を制御するとともに、同期信号を生成して同期信号線に出力する。
【００５６】
スレーブとして機能するパワーコンディショナＳ−ＰＣＳは同期信号が入力されると、連系リレーＲｙを閉じて、系統電圧／電流センサ６で検知された系統電圧及び電流に基づいて連系可能なようにインバータ３を制御する。
【００５７】
各パワーコンディショナＭ−ＰＣＳ，Ｓ−ＰＣＳに備えた単独運転検知部７は、同期信号に同期して同じ方向に出力電流の位相を変動させるように制御して単独運転状態か否かを検知する。
【００５８】
単独運転検知部７によって単独運転状態にあると判定されたパワーコンディショナＳ−ＰＣＳは解列して、その要因と解列または停止した状態をシステム制御装置ＳＣに送信する。
【００５９】
このようなシステム制御装置ＳＣを備えた電源監視システムでは、システム制御装置ＳＣに中継装置２０を接続することにより、複数台のパワーコンディショナＰＣＳの電源監視部で監視された系統の電源情報が一括して中継装置２０に送信されるようになる。
【００６０】
この場合、システム制御装置ＳＣに中継装置２０としての機能を備えることが可能であり、同期マスターとして機能する１台のパワーコンディショナＭ−ＰＣＳにシステム制御装置ＳＣ及び中継装置２０としての機能を備えることも可能である。
【００６１】
このようにして、遠隔地の端末４０から発電所が設置された地域の系統の電源情報、特に高調波成分情報が監視できるので、その地域での系統の品質等の特性を把握して、不要検出が発生しないように効果的な対策を講じることができるようになる。
【００６２】
以上、本発明によるパワーコンディショナ及び電源監視システムの実施形態を説明したが、上述した各実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明の作用効果を奏する範囲において各ブロックの具体的構成等を適宜変更設計できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６３】
１：太陽光発電装置
２：ＤＣ／ＤＣコンバータ
３：インバータ
４：インバータ制御部
５：ＬＣフィルタ
６：系統電圧/電流センサ
７：単独運転検知部
８：系統連系保護部
９：電源監視部
２０：中継装置
３０：管理装置
４０：端末
ＰＣＳ：パワーコンディショナ
ＳＣ：システム制御部
【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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