(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、かつ遮断器を介して交流電力系統と連系される自家発電設備の系統連系保護装置において、前記インバータの出力周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段により検出された周波数の変化率を検出する周波数変化率検出手段と、前記周波数変化率検出手段により検出された周波数変化率に基づいて、当該周波数の変動を検出する変化率過大判定手段と、単独運転時における前記インバータの出力有効電力を低下させる量が設定され、前記変化率過大判定手段により周波数の変動が検出されると、その設定値に基づいて前記インバータの出力有効電力を低下させる電力低下設定手段と、前記電力低下設定手段による前記インバータの出力有効電力低下に伴なって助長される周波数変動を検出し、前記遮断器を開放して交流電力系統から前記インバータを解列させる保護手段と、を備えて成ることを特徴とする発電設備の系統連系保護装置。
【請求項２】
直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、かつ遮断器を介して交流電力系統と連系される自家発電設備の系統連系保護装置において、前記インバータの出力周波数を検出する周波数検出手段と、前記周波数検出手段により検出された周波数の変化率を検出する周波数変化率検出手段と、前記周波数変化率検出手段により検出された周波数変化率に基づいて、前記インバータの出力有効電力を変動させる関数手段と、前記関数手段による前記インバータの出力有効電力変動によって起こる周波数の変動を検出する変化率過大判定手段と、単独運転時における前記インバータの出力有効電力を低下させる量が設定され、前記変化率過大判定手段により周波数の変動が検出されると、その設定値に基づいて前記インバータの出力有効電力を低下させる電力低下設定手段と、前記電力低下設定手段による前記インバータの出力有効電力低下に伴なって助長される周波数変動を検出し、前記遮断器を開放して交流電力系統から前記インバータを解列させる保護手段と、を備えて成ることを特徴とする発電設備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、直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、かつ遮断器を介して交流電力系統と連系される自家発電設備の系統連系保護装置に係り、特に高価な転送遮断装置を設けることなく安価にして、系統連系中の自家発電設備の単独運転を自家発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護できるようにした発電設備の系統連系保護装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンによって発電機を高速に回転させて発電する、出力が数十キロワット程度の小型ガスタービン発電装置が提案されてきている。
【０００３】
この小型ガスタービン発電装置は、自家発電設備として需要家に電力を供給するのに使用される。
【０００４】
図７は、この種の従来の小型ガスタービン発電装置の構成例を示すブロック図である。
【０００５】
図７において、小型ガスタービン発電装置は、ガスタービン２１に高周波発電機２２が直結されて発電し、高周波発電機２２が出力する交流電力をコンバータ２３によって一旦直流電力に変換した後、インバータ２４により所望の商用周波数の交流電力に変換し、ＬＣフィルタ２５により高調波を除去して電力を出力するものである。
【０００６】
図８は、一般需要家がこの種の自家発電設備と交流電力系統とを連系して運転を行なう場合の系統連系装置の構成例を示すブロック図である。
【０００７】
図８において、上位変電所４と、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と、一般需要家７と、自家発電装置を設置している自家発設置需要家９がある。
【０００８】
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を通して一般需要家７に電力を供給している。一般需要家７では、遮断器５Ｂを介して負荷６Ｂに電力を供給している。
【０００９】
一方、自家発設置需要家９は、例えば前記小型ガスタービン発電装置からなり、配電線２６と連系される発電装置１０と、遮断器５Ａを介して電力を受ける負荷６Ａと、系統連系保護装置２０とを備えている。
【００１０】
系統連系保護装置２０は、変流器１１から発電装置１０の過電流を検出する過電流継電器（ＯＣ）５１、発電装置１０の出力電圧異常を検出する過電圧継電器（ＯＶ）５２、不足電圧継電器（ＵＶ）５３を設け、これら各保護継電器５１，５２，５３の検出信号に基づいて、故障トリップ回路２７を動作させ、故障トリップ回路２７が遮断器２８に対してトリップ指令を与えて、遮断器２８を開放するようにしている。
【００１１】
さらに、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、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、発電装置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、不足電圧継電器（ＵＶ）１９を設け、これら各継電器１５，１６，１７，１８，１９の検出信号に基づいて、故障トリップ回路１３を動作させ、遮断器１１に対してトリップ指令を与えて、遮断器１２を解放することにより、遮断器３の再閉路が可能な状態としている。
【００１２】
図９は、前記インバータ２４の制御回路の構成例を示すブロック図である。
【００１３】
図９において、インバータ２４は電圧形インバータであり、電流制御を行なっている。
【００１４】
有効電力検出回路３２は、発電装置１０の出力電圧Ｖoutと変流器１１の出力とにより、有効電力を演算する。
【００１５】
有効電力制御回路３３は、上記有効電力と有効電力基準設定器３１の設定値とにより、有効電流基準ｉp*を出力する。
【００１６】
無効電力基準設定器３５は、力率設定器３４の設定値と有効電力基準とにより、無効電力基準を演算する。
【００１７】
無効電力検出回路３６は、発電装置１０の出力電圧Ｖoutと変流器１１の出力とにより、無効電力を演算する。
【００１８】
無効電力制御回路３７は、上記無効電力と無効電力基準とを入力し、無効電流基準ｉQ*を出力する。
【００１９】
電流基準ｉp*、ｉQ*と変流器１１で検出した電流は、電流制御回路３８に入力され、インバータ出力電圧指令値Ｖ*を出力する。
【００２０】
インバータ２４の出力電圧は、ＰＷＭ制御回路３９、および駆動部４０を介して制御される。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような発電設備の系統連系保護装置では、例えば発電装置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時に、系統電源１に異常が発生して遮断器３が開となると、周波数も電圧もほとんど変化しない。
【００２２】
このため、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。
【００２３】
これは、いわゆる単独運転（アイランディング）単独運転と呼ばれる現象で、遮断器３の再閉路を妨げることになる。
【００２４】
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側に転送遮断装置８を設け、専用線を介して遮断器１２を転送遮断させる方法が採用されているものがある。
【００２５】
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を解放するものである。
【００２６】
しかしながら、この種の転送遮断装置８は、数十キロワット程度の出力である小容量のガスタービン発電装置１０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。
【００２７】
このため、自家発電設備設置によるエネルギーコスト削減のメリットが得られない。
【００２８】
本発明の目的は、高価な転送遮断装置を設けることなく、系統連系中の自家発電設備の単独運転を自家発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能な安価な発電設備の系統連系保護装置を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、かつ遮断器を介して交流電力系統と連系される自家発電設備の系統連系保護装置において、請求項１に対応する発明では、インバータの出力周波数を検出する周波数検出手段と、周波数検出手段により検出された周波数の変化率を検出する周波数変化率検出手段と、周波数変化率検出手段により検出された周波数変化率に基づいて、当該周波数の変動を検出する変化率過大判定手段と、単独運転時における前記インバータの出力有効電力を低下させる量が設定され、前記変化率過大判定手段により周波数の変動が検出されると、その設定値に基づいて前記インバータの出力有効電力を低下させる電力低下設定手段と、電力低下設定手段によるインバータの出力有効電力低下に伴なって助長される周波数変動を検出し、遮断器を開放して交流電力系統からインバータを解列させる保護手段とを備えている。
【００３０】
従って、請求項１に対応する発明の発電設備の系統連系保護装置においては、周波数の変化率を検出して、当該周波数変化率が大きい場合には、インバータの出力有効電力を低下させるようにすることにより、周波数変動を拡大して、前述した従来のように高価な転送遮断装置を設けることなく安価にして、系統連系中の自家発電設備の単独運転を自家発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護することができる。
【００３１】
また、請求項２に対応する発明では、インバータの出力周波数を検出する周波数検出手段と、周波数検出手段により検出された周波数の変化率を検出する周波数変化率検出手段と、周波数変化率検出手段により検出された周波数変化率に基づいて、インバータの出力有効電力を変動させる関数手段と、関数手段によるインバータの出力有効電力変動によって起こる周波数の変動を検出する変化率過大判定手段と、単独運転時における前記インバータの出力有効電力を低下させる量が設定され、前記変化率過大判定手段により周波数の変動が検出されると、その設定値に基づいて前記インバータの出力有効電力を低下させる電力低下設定手段と、電力低下設定手段によるインバータの出力有効電力低下に伴なって助長される周波数変動を検出し、遮断器を開放して交流電力系統からインバータを解列させる保護手段とを備えている。
【００３２】
従って、請求項２に対応する発明の発電設備の系統連系保護装置においては、周波数の変化率を検出して、当該周波数変化率が大きい場合には、インバータの出力有効電力を低下させるようにすることにより、周波数変動を拡大して、前述した従来のように高価な転送遮断装置を設けることなく安価にして、系統連系中の自家発電設備の単独運転を自家発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３４】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置の構成例を示すブロック図であり、図８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。
【００３５】
すなわち、本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置は、図１に示すように、前記図８における転送遮断装置８を省略し、これに代えて新たに、単独運転検出装置１００を備えた構成としている。
【００３６】
図２は、単独運転検出装置１００の構成例を示すブロック図である。
【００３７】
すなわち、単独運転検出装置１００は、図２に示すように、周波数検出器４１と、周波数変化率検出器４２と、変化率過大第１判定部４３と、保護手段である移動平均演算部４４、および変化率過大第２判定部４５と、電力設定器４６と、電力低下設定手段である電力低下設定器４７、スイッチ４８、および減算器４９とからなっている。
【００３８】
周波数検出器４１は、前記発電装置１０のインバータ２４の出力周波数を検出する。
【００３９】
周波数変化率検出器４２は、周波数検出器４１により検出された周波数の変化率を検出する。
【００４０】
電力設定器４６は、発電装置１０のインバータ２４が出力すべき電力を設定する。
【００４１】
電力低下設定器４７は、単独運転になった時に発電装置１０の出力電力を低下させる量を設定する。
【００４２】
変化率過大第１判定部４３は、周波数変化率検出器４２により検出された周波数変化率に基づいて、当該周波数の変動を検出すると、出力信号をスイッチ４８に出力する。
【００４３】
スイッチ４８は、変化率過大第１判定部４３からの出力信号により閉じるものである。
【００４４】
減算器４９は、電力設定器４６の設定値から、スイッチ４８を介して与えられる電力低下設定器４７の設定値を減算することにより、発電装置１０のインバータ２４の出力電力を低下させる。
【００４５】
移動平均演算部４４は、周波数変化率検出器４２により検出された周波数変化率の移動平均値を演算する。
【００４６】
変化率過大第２判定部４５は、移動平均演算部４４により演算された移動平均値に基づいて、周波数の変動、すなわち電力低下設定手段によるインバータ２４の出力電力低下に伴なって助長される周波数変動を検出すると、異常出力信号を前記故障トリップ回路１３に出力する。
【００４７】
次に、以上のように構成した本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置の作用について説明する。
【００４８】
図１において、周波数検出器４１では、発電装置１０のインバータ２４の出力周波数が検出される。
【００４９】
周波数変化率検出器４２では、周波数検出器４１により検出した周波数の変化率が検出される。
【００５０】
電力設定器４６では、発電装置１０のインバータ２４が出力すべき電力が設定される。
【００５１】
電力低下設定器４７では、単独運転になった時に発電装置１０のインバータ２４の出力電力を低下させる量が設定される。
【００５２】
変化率過大第１判定部４３では、周波数変化率検出器４２により検出した周波数変化率に基づいて、あらかじめ定められた設定値以上であるか否かが判定される。
【００５３】
その結果、この周波数変化率が過大、すなわち周波数変化率が設定値以上になったことを検出すると、スイッチ４８がオンにされる。
【００５４】
スイッチ４８がオンになると、電力設定器４６の設定値から電力低下設定器４７の設定値が減算されて、その減算値が発電装置１０に出力されるため、発電装置１０のインバータ２４の出力電力が減少する。
【００５５】
移動平均演算部４４では、周波数変化率検出器４２により検出した周波数変化率の移動平均値が求められる。
【００５６】
変化率過大第２判定部４５では、移動平均演算部４４で求めた移動平均値に基づいて、あらかじめ定められた設定値以上であるか否かが判定される。
【００５７】
その結果、この移動平均値が過大、すなわち設定値以上になったことを検出すると、異常出力信号Ｖ３１が故障トリップ回路１３に出力される。
【００５８】
これにより、遮断器１２が開放されて、交流電力系統から自家発電設備を解列して保護が行なわれる。
【００５９】
すなわち、系統連系状態では、発電装置１０のインバータ２４の出力電力を減少させても、系統電源１から受電する電力が増えるだけであり、周波数は変化しない。
【００６０】
一方、単独運転状態になると、周波数がわずかに変化し、あらかじめ定められた設定値以上になると、変化率過大第１判定部４３が動作する。
【００６１】
次に、以上の点について、図３を用いてより詳細に説明する。
【００６２】
図３は、系統電源、負荷、発電装置の問の電力の流れを説明するための概念図である。
【００６３】
なお、ここで、負荷６は、前記図１における負荷６Ａと負荷６Ｂとを併せて１つの負荷と考えているものである。
【００６４】
図３において、いま発電装置１０のインバータ２４の出力する有効電力をＰ、負荷６が必要とする電力をＰLとすると、系統電源１へ流出する有効電力△Ｐは、次のように表わされる。
【００６５】
△Ｐ＝Ｐ−ＰL
遮断器３が遮断されて単独運転となった場合、△Ｐ＞０であれば、発電装置１０のインバータ２４の出力する電力Ｐが負荷電力ＰLを上回るため、周波数が上昇する。
【００６６】
また、逆に△Ｐ<０であれば、発電装置１０のインバータ２４の出力する電力Ｐが負荷電力ＰLを下回るため、周波数は低下する。
【００６７】
そして、この周波数変動が、変化率過大第１判定部４３で検出される。
【００６８】
次に、発電装置１０のインバータ２４の出力電力を減少させると、系統電源１とは切り離されているため、周波数が大きく低下する。
【００６９】
以上の作用により、周波数の変動を拡大して、変化率過大第２判定部４５により検出することができる。
【００７０】
上述したように、本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置では、発電装置１０のインバータ２４の出力周波数の変化率を検出して、当該周波数変化率が大きい場合には、発電装置１０のインバータ２４の出力電力を下げるようにしているので、周波数の変動を拡大して、従来のように高価な転送遮断装置を設けることなく安価にして、系統連系中の自家発電設備の単独運転を自家発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能となる。
【００７１】
（第２の実施の形態）
図４は、本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置の構成例を示すブロック図であり、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。
【００７２】
すなわち、本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置は、図４に示すように、前記図１における単独運転検出装置１００を省略し、これに代えて新たな単独運転検出装置１０１を備えた構成としている。
【００７３】
すなわち、単独運転検出装置１０１は、図５に示すように、周波数検出器４１と、周波数変化率検出器４２と、変化率過大第１判定部４３と、保護手段である移動平均演算部４４、および変化率過大第２判定部４５と、電力設定器４６と、電力低下設定手段である電力低下設定器４７、スイッチ４８、および減算器４９と、関数回路５０と、加算器５１とからなっている。
【００７４】
関数回路５０は、前記周波数変化率検出器４２により検出された周波数変化率に基づいて、前記発電装置１０のインバータ２４の出力有効電力を変動させる電力揺動指令を出力する。
【００７５】
加算器５１は、電力設定器４６の設定値と、関数回路５０からの電力揺動指令とを出力する。
【００７６】
関数回路５０は周波数変化率に応じて電力揺動指令△Ｐ`を出力し、加算器５１によって電力設定器４６の設定値に加算される。
【００７７】
なお、周波数検出器４１、周波数変化率検出器４２、変化率過大第１判定部４３、移動平均演算部４４、変化率過大第２判定部４５、電力設定器４６、電力低下設定器４７、スイッチ４８、および減算器４９の構成については、前記第１の実施の形態と同様であるので、同一要素には同一番号を付して、ここではその説明を省略する。
【００７８】
次に、以上のように構成した本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置の作用について説明する。
【００７９】
なお、ここでは、前述した第１の実施の形態と異なる部分の作用についてのみ述べる。
【００８０】
図５において、関数回路５０では、周波数変化率検出器４２により検出した周波数の変化率に応じて電力揺動指令△Ｐ*が出力される。
【００８１】
加算器５１では、関数回路５０からの電力揺動指令△Ｐが、電力設定器４６の設定値に加算される。
【００８２】
図６は、関数回路５０の特性の一例を示す図である。
【００８３】
図６においては、周波数変化率が＋０．８［Ｈz／s］の時に、発電装置１０のインバータ２４の定格出力電力の１％の電力揺動指令△Ｐ*を出力することを表わしている。
【００８４】
すなわち、本実施の形態では、周波数がわずかに上昇すると、周波数変化率ｄｆ／ｄｔ＞０となり、関数回路５０の特性によって、発電装置１０のインバータ２４の出力電力を増加させるように作用する。
【００８５】
すなわち、単独運転状態で、発電装置１０のインバータ２４の出力電力を増加させると、周波数がさらに上昇するため、周波数の変動が拡大される。
【００８６】
また、周波数が下降した場合にも、同様にして周波数の変動が拡大される。
【００８７】
これにより、単独運転になった時に、変化率過大第１演算部４３が早く動作するため、高速に単独運転を検出することができる。
【００８８】
上述したように、本実施の形態による発電設備の系統連系保護装置では、発電装置１０のインバータ２４の出力周波数の変化率を検出して、当該周波数変化率が大きい場合には、発電装置１０のインバータ２４の出力電力を下げるようにしているので、周波数の変動を拡大して、従来のように高価な転送遮断装置を設けることなく安価にして、系統連系中の自家発電設備の単独運転を自家発電設備側で確実にかつ容易に検出して保護することが可能となる。
【００８９】
さらに、関数回路５０の作用により、周波数の変動を早く拡大して、高速に単独運転を検出することが可能となる。
【００９０】
（その他の実施の形態）
尚、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することが可能である。
また、各実施の形態は可能な限り適宜組合わせて実施してもよく、その場合には組合わせた作用効果を得ることができる。
さらに、上記各実施の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合わせにより、種々の発明を抽出することができる。
例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも一つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも一つ）が得られる場合には、この構成要件が削除された構成を発明として抽出することができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発電設備の系統連系保護装置によれば、自家発電設備のインバータの周波数の変化率を検出して、当該周波数変化率が大きい場合には、インバータの出力電力を低下させるようにしているので、高価な転送遮断装置を設けることなく安価にして、系統連系中の自家発電設備の単独運転を自家発電設備側で確実にかつ容易に検出し、交流電力系統から迅速に自家発電設備を解列して保護することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発電設備の系統連系保護装置の第１の実施の形態を示すブロック図。
【図２】同第１の実施の形態による発電設備の系統連系保護装置における単独運転検出装置の構成例を示すブロック図。
【図３】同第１の実施の形態による発電設備の系統連系保護装置における系統電源、負荷、発電装置の間の電力の流れを説明するための概念図。
【図４】本発明による発電設備の系統連系保護装置の第２の実施の形態を示すブロック図。
【図５】同第２の実施の形態による発電設備の系統連系保護装置における単独運転検出装置の構成例を示すブロック図。
【図６】同第２の実施の形態による発電設備の系統連系保護装置における関数回路の特性を示す図。
【図７】小型ガスタービン発電装置の構成例を示すブロック図。
【図８】従来の発電設備の系統連系保護装置の構成例を示すブロック図。
【図９】図７におけるインバータの制御回路の構成例を示すブロック図。
【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、
６Ａ、６Ｂ…負荷、
７…一般需要家、
８…転送遮断装置、
９…自家発設置需要家、
１０…発電装置、
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、３０…系統連系保護装置、
２１…ガスタービン、
２２…高周波発電機、
２３…コンバータ、
２４…インバータ、
２５…ＬＣフィルタ、
２６…配電線、
３１…有効電力基準設定器、
３２…有効電力検出回路、
３３…有効電力制御回路、
３３…力率設定器、
３５…無効電力基準設定器、
３６…無効電力検出回路、
３７…無効電力制御回路、
３８…電流制御回路、
３９…ＰＷＭ制御回路、
４０…駆動部、
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判定部、
４４…移動平均演算部、
４５…変化率過大第２判定部、
４６…電力設定器、
４７…電力低下設定器、
４８…スイッチ、
４９…減算器、
５０…関数回路、
５１…加算器、
１００、１０１…単独運転検出装置。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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