JP2007097311A - 系統連係装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていても、系統の停電を検出し、パワーコンディショナからの電力が系統に供給されることを停止する。
【解決手段】系統連係装置は、直流電力発電手段（１）が発電した直流電力を直流／交流変換器（３）により所定の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交流電力に変換した後、系統（７）へ供給可能に構成されている。そして、系統の電圧波形がゼロクロス付近で前記直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする毎に前記系統から供給される電流値を検出し、この複数回の電流値の変化に基づいて、系統への連係の可否を判断する制御部（６１）を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池などの直流電力発電手段が発電した直流電力をパワーコンディショナのインバータにより、交流電力に変換して交流電源系統に接続可能な系統連係装置に関する。

系統連係装置は、発電した直流電力を交流電力に変換して交流電源系統に接続しているが、系統側が停電することがある。この停電時には、電力会社の配電網から切断されて系統からの電力が流れていない配電線を、保守点検者が点検を行う。このような場合に、パワーコンディショナからの電力が、点検中の配電線に供給されると、保守点検者に危害がおよぶおそれがある。そこで、系統の停電時には、系統連係を切断して、パワーコンディショナからの電力が系統側に供給されないように制御されている。そして、従来、この系統の停電は、過不足電圧保護機能や過不足周波数保護機能で検出している。
特に、なし。

ところで、系統に接続されている直流電力発電手段が少ない場合には、系統側が停電すると、系統側の電圧が速やかに低下したり、また、系統側の周波数サイクルが変化したりして、過不足電圧保護機能や過不足周波数保護機能が作動する。しかしながら、複数の直流電力発電手段が系統に接続されているとともに、負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていると、従来の過不足電圧保護機能や過不足周波数保護機能では、系統の停電を検出することができず、系統の停電時に、パワーコンディショナからの電力が系統に供給され続けるおそれがある。

解決しようとする問題点は、負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていると、系統の停電時に、パワーコンディショナからの電力が系統に供給され続けるおそれがある点である。

本発明の系統連係装置は、直流電力発電手段（１）が発電した直流電力を直流／交流変換器（３）により所定の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の交流電力に変換した後、系統（７）へ供給可能に構成されている。そして、系統の電圧波形がゼロクロス付近で前記直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする毎に前記系統から供給される電流値を検出し、この複数回の電流値の変化に基づいて、系統への連係の可否を判断する制御部（６１）を備える。

また、直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間は予め定めた所定期間であることがある。
さらに、直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間は２以上の数サイクル毎の前記ゼロクロス時であることがある。

そして、直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間に複数回電流の瞬時値を検出しそれらの和を前記期間の電流値とすることがある。

また、時系列上で連続する複数回の電流値の移動平均の値の変化が予め定めた閾値以下になった際に、系統への連係を開放するか若しくは前記直流／交流変換器の動作を停止させるかの少なくとも一方を成すことがある。

本発明によれば、系統の電圧波形がゼロクロス付近で前記直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする毎に前記系統から供給される電流値を検出し、この複数回の電流値の変化に基づいて、系統への連係の可否を判断するので、負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていても、系統の停電を検出して、系統連係の切断またはパワーコンディショナの停止の少なくとも一方を行うことができる。

負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていても、系統の停電を検出し、パワーコンディショナからの電力が系統に供給されることを停止するという目的を、インバータは、周期的に変化する電圧の出力サイクルの所定のゼロクロス付近で、ゼロ出力を、ゼロ出力維持期間の間維持し、そして、制御装置は、ゼロ出力維持期間の電流検出手段の検出値の変化に基づいて系統連係の切断またはパワーコンディショナの停止の少なくとも一方を行うことで実現した。

次に、本発明における系統連係装置の一実施例について、図１ないし図６を用いて説明する。図１は本発明における系統連係装置の実施例の回路図である。図２は通常のサイクルにおける波形図で、（ａ）がパワーコンディショナの出力電圧波形および系統電圧波形の図、（ｂ）がパワーコンディショナの出力電流波形図である。図３は停電検出用のサイクルにおける波形図で、（ａ）がパワーコンディショナの出力電圧波形および系統電圧波形の図、（ｂ）がパワーコンディショナの出力電流波形図である。図４は動作原理を説明するための概略図である。図５は停電検出用のサイクルを出力する際のフローチャートである。図６は系統連係切断のフローチャートである。なお、図１には、負荷８の図示は省略されている。

図１において、系統連係装置は、従来の系統連係装置と同様にして、直流電力発電手段としての太陽電池１で発電された直流電力を、パワーコンディショナＰの昇圧回路２で昇圧し、この昇圧された直流電力をインバータ回路（直流／交流変換器）３でパルス幅変調して交流電力に変換している。この交流電力をローパスフィルター回路４で平滑化し、系統開閉用リレー６を介して交流電源系統である商用電源系統７に接続している。パワーコンディショナＰと系統７との間には、図４に図示するように、冷蔵庫やテレビなどの負荷８が接続されている。

昇圧回路２は、系統７の系統電圧よりも大きな電圧に昇圧するものであり、平滑コンデンサ１１、チョークコイル１２、スイッチ素子１３、ダイオード１４，１５およびコンデンサ１６，１７を有している。

インバータ回路３は、４個のスイッチング素子２１が単相ブリッジ状に接続され、各スイッチング素子２１に対応してダイオード２２（フライホイールダイオード）が設けられている。そして、昇圧回路２にて昇圧された直流電力を、系統７の交流電力と一致もしくは略一致した位相及び周波数の正弦波形を有する交流電力に変換する。このインバータ回路３から系統７側に２本の配線２６，２７が延在する。

ローパスフィルター回路４は、インバータ回路３からの各配線２６，２７に直列に設けられるリアクトル３１、および、リアクトル３１の系統７側の端部同士を接続するコンデンサ３２を具備しており、インバータ回路３にて変換された交流電力からスイッチング素子２１のスイッチングによる高周波成分を除去する。

系統開閉用リレー６は、各配線２６，２７に対応して第１リレー部３６および第２リレー部３７を具備する。また、ローパスフィルター回路４と系統開閉用リレー６との間には、パワーコンディショナＰの交流出力電流および出力電圧を検出する電流計３８および電圧計３９が設けられている。また、系統７の電圧を検出する電圧計４１が設けられている。

また、マイコンなどで構成される制御部である制御装置６１が設けられており、系統連係装置の種々の検出値を入力しまた各素子を制御可能に接続されている。特に、本発明に関連する部品としては、制御装置６１の出力部にはインバータ回路３および系統開閉用リレー６が、また、制御装置６１の入力部には電流計３８および電圧計３９，４１が接続されている。この制御装置６１には、タイマーや、種々の設定値やデータを記憶する記憶部が設けられている。

前述のように、パワーコンディショナＰの通常のサイクルにおいては、従来のパワーコンディショナＰと同様に、昇圧回路２で、交流出力が系統７の系統電圧よりも１０Ｖ程度大きな電圧になるように昇圧されるとともに、インバータ回路３で、系統７の交流電力と一致または略一致した位相及び周波数の交流電力に変換された電力が出力される。このパワーコンディショナＰの出力電圧波形および系統７の電圧波形は電圧計３９，４１で検出され、図２（ａ）に図示されている。なお、図示の「パワーコンディショナの出力」は計算値である。また、パワーコンディショナＰの出力電流波形は電流計３８で検出され、図２（ｂ）に図示されているように、パワーコンディショナＰの出力電圧と系統７の電圧との差に略依存して変化している。

そして、この実施例では、系統７の停電を検出するために、所定のサイクル毎（たとえば、５ないし１０サイクル毎）に、パワーコンディショナＰの出力にはその電圧が０Ｖとなる、図３に図示するゼロ出力維持期間を有する検出用の期間が設けられている。この検出用の期間においては、図３（ａ）に図示するように、パワーコンディショナＰの出力電圧は、ゼロクロスを起点にして、ゼロ出力維持期間の間、ゼロ出力となっている。それにともなって、系統７の電圧がパワーコンディショナＰの出力電圧よりも高くなり、図３（ｂ）に図示するように、系統７からの流れ込み電流が発生する。

ところで、系統が停電した際には、一般的に系統７のインピーダンスが数オーム上昇すると言われている。そして、図４において、パワーコンディショナＰの流出入電流ｉは、次の式、ｉ＝（Ｖｘ−ｅ）／（Ｚｓ＋Ｚｌ）で表すことができる。
なお、Ｖｘは系統７の電圧、ｅはパワーコンディショナＰのインバータ回路３の出力電圧、Ｚｓは系統７のインピーダンス、ＺｌはパワーコンディショナＰのインピーダンス、また、図４におけるＺｒは負荷８のインピーダンス、ｉｒは負荷８への電流である。

そして、上記式において、Ｖｘ，ｅ，Ｚｌが固定だとすれば、流出入電流ｉは、系統インピーダンスＺｓで決まる。
したがって、検出用のサイクルのゼロ出力維持期間におけるパワーコンディショナＰの流出入電流ｉ（すなわち、系統７からの流れ込み電流）は、系統７が停電しない間は変化がなく、系統７が停電すると、系統７の系統インピーダンスＺｓが数オーム上昇して、流れ込み電流（絶対値）が小さくなる。この現象を利用して、系統７の停電を検出している。

次に、制御装置６１による検出用のサイクルを生成する際のフローを、図５のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ０において、制御装置６１は、従来の系統連係装置と同様にして、パワーコンディショナＰのインバータ回路３に制御信号を出力して、通常の正弦波のサイクルを、パワーコンディショナＰから出力電圧として出力している。そして、ステップ１において、制御装置６１は、所定回数の通常のサイクル毎に検出用のサイクルになったと判断し、ステップ２に行く。

そして、ステップ２において、インバータ回路３の出力電圧がゼロクロスしたか否かを判断する。なお、検出用のサイクルの起点でゼロクロスになるため、実際の制御装置６１では、検出用のサイクルになったという判断と、ゼロクロスしたという判断とは同時に行われる。

ついで、ステップ３において、制御装置６１は、インバータ回路３のスイッチング素子２１に、Ｕ相、Ｖ相５０％Ｄｕｔｙ出力を行い、昇圧回路２のチョッパー電圧の中間点電圧すなわち交流出力の中間電圧であるゼロ出力とする。このゼロ出力の期間は、ゼロクロスを起点にして予め設定されたゼロ出力維持期間（たとえば、電気角で３０度程度の期間）行われる。その後、パワーコンディショナＰの出力電圧は、通常のサイクルと略同じ出力電圧となる。そして、ステップ１に戻り、通常のサイクルを所定の回数行った後に、検出用のサイクルとなり、ステップ２，３に行くことを繰り返す。

次に、系統７が停電した際における系統開閉用リレー６の切断の際のフローを、図６のフローチャートに基づいて説明する。
ステップ１１において、制御装置６１は、ゼロ出力維持期間中に適宜の時間間隔で、電流計３８の検出値（すなわち、流れ込み電流の瞬時値）をサンプリングし、この電流値（絶対値）を積算する。ついで、ステップ１２において、制御装置６１は、この積算値の所定回数分（たとえば、１０ないし２０回分）を移動平均し、ステップ１３に行く。

ステップ１３において、制御装置６１は、移動平均値の最新のデータと、過去（たとえば、数秒前）のデータとを比較し、ステップ１４に行く。

そして、ステップ１４において、最新のデータが過去のデータよりも、予め定めた閾値以上減少した場合には、ステップ１５に行く。一方、閾値以上減少していない場合には、ステップ１１に戻る。

ステップ１５において、制御装置６１は、系統７の電圧を検出する電圧計４１の検出値を適宜サンプリングして記憶しており、ステップ１３で比較した過去の移動平均値のデータの入手時期以降、電圧計４１の検出値が安定していた（すなわち、系統７の電圧の実効値の変動が予め設定されている設定範囲内）か否かを判定し、安定していた場合にはステップ１６に行き、一方、安定していなかった場合にはステップ１１に戻る。

そして、ステップ１６において、制御装置６１は、系統７が停電したと判断して、系統開閉用リレー６の開信号（すなわち、系統連係の切断信号）を出力し、パワーコンディショナＰを系統７から切断する。同時にインバータ回路３における変換を停止しても良い。

この様にして、制御装置６１は、パワーコンディショナＰの出力電圧を、所定サイクル毎に、ゼロ出力維持期間を有する検出用のサイクルとするとともに、そのゼロ出力維持期間中のパワーコンディショナＰの出力電流値を電流計３８からサンプリングして積算し、この積算値を移動平均し、最新の移動平均値と過去の移動平均値とを比較して、閾値以上減少し、かつ、過去の移動平均値のデータの入手時期以降、系統７の電圧計４１の電圧の実効値が安定している際に、系統開閉用リレー６をＯＦＦとしている。したがって、系統７が停電して、系統７の系統インピーダンスＺｓが減少すると、制御装置６１により、系統開閉用リレー６がＯＦＦとなり、系統連係が切断される。前述のように、検出用のサイクルは毎周期ではなく、所定回数の通常のサイクル毎に生じており、パワーコンディショナＰの正弦波の波形に極力悪影響を与えないようにしている。また、同様に、ゼロ出力維持期間はゼロクロスの付近で行われており、パワーコンディショナＰの正弦波の波形に極力悪影響を与えないようにしている。また、ゼロ出力維持期間中の流れ込み電流の積算値は、系統７の系統インピーダンスＺｓの変化が無くても、周期的な変動があるので、移動平均化してフィルタをかけることにより、安定かつより確実に、系統７の停電を検知することができる。

そして、制御手段として制御装置は、１）パワーコンディショナのインバータに所定サイクル毎に、ゼロ出力維持期間を具備する検出用のサイクルを出力させる手段、２）系統電圧の実効値が安定しているか否かを判定する手段、および、３）ゼロ出力維持期間の電流検出手段の検出値の変化に基づいて系統連係の切断を行う手段などを具備している。

そして、制御手段は、上記手段以外にも、実行される各工程に対応して各工程を実行する手段を具備している。また、上記手段を全て具備する必要は必ずしもない。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例を下記に例示する。
（１）ゼロ出力維持期間は、ゼロクロスを起点とする必要は必ずしもなく、ゼロクロス付近であればよい。ただし、ゼロクロスを確認してから、ゼロ出力維持期間とした方が制御が簡単である。

（２）制御手段はマイコンで構成されているが、それ以外の構成でも可能である。
（３）各フローチャートのステップの順序は適宜変更可能である。たとえば、ステップ１４はステップ１５の後でも可能である。
（４）直流電力発電手段は、太陽電池である必要はなく、たとえば、燃料電池などの他の直流電力発電手段でも可能である。

（５）ゼロ出力維持期間は適宜変更可能であるが、１サイクルの５〜１５％の期間が好ましい。
（６）検出用のサイクルは、所定回数の通常のサイクル毎に設けられているが、この所定回数は適宜選択可能であるが、５〜１５回が好ましい。
（７）移動平均に用いられる積算値の個数は適宜選択可能であが、１０〜２０回の移動平均が好ましい。
（８）移動平均値の最新のデータと過去のデータとを比較しているが、過去としては、１〜５秒前が好ましい。
（９）実施例においては、系統７の停電時に、系統連係を切断しているが、系統連係を切断せずにパワーコンディショナＰを停止させることも可能である。また、系統連係の切断およびパワーコンディショナＰの停止の両者を行うことも可能である。

系統の電圧波形がゼロクロス付近で前記直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする毎に前記系統から供給される電流値を検出し、この複数回の電流値の変化に基づいて、系統への連係の可否を判断するので、負荷電力とパワーコンディショナからの電力とが略釣り合っていても、系統の停電を検出して、系統連係の切断またはパワーコンディショナの停止の少なくとも一方を行うことができる。そのため、太陽電池などの直流電力発電手段が発電した直流電力をパワーコンディショナの直流／交流変換器により、交流電力に変換して交流電源系統に接続可能な系統連係装置に適用することが最適である。

図１は本発明における系統連係装置の実施例の回路図である。 図２は通常のサイクルにおける波形図で、（ａ）がパワーコンディショナの出力電圧波形および系統電圧波形の図、（ｂ）がパワーコンディショナの出力電流波形図である。 図３は停電検出用のサイクルにおける波形図で、（ａ）がパワーコンディショナの出力電圧波形および系統電圧波形の図、（ｂ）がパワーコンディショナの出力電流波形図である。 図４は動作原理を説明するための概略図である。 図５は停電検出用のサイクルを出力する際のフローチャートである。 図６は系統連係切断のフローチャートである。

符号の説明

Ｐ パワーコンディショナ
１ 太陽電池（直流電力発電手段）
３ インバータ回路（直流／交流変換器）
７ 系統
３８ 電流計（電流検出手段）
６１ 制御装置（制御部）

Claims (5)

1. 直流電力発電手段が発電した直流電力を直流／交流変換器により所定の周波数の交流電力に変換した後、系統へ供給可能に構成した系統連係装置であって、
   系統の電圧波形がゼロクロスする付近で前記直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする毎に前記系統から供給される電流値を検出し、この複数回の電流値の変化に基づいて、系統への連係の可否を判断する制御部を備えることを特徴とする系統連係装置。
2. 前記直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間は予め定めた所定期間であることを特徴とする請求項１記載の系統連係装置。
3. 前記直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間は２以上の数サイクル毎の前記ゼロクロス時であることを特徴とする請求項１または２記載の系統連係装置。
4. 前記直流／交流変換器の出力電圧をゼロ電圧とする期間に複数回前電流の瞬時値を検出しそれらの和を前記期間の電流値とすることを特徴とする請求項１，２または３記載の系統連係装置。
5. 時系列上で連続する複数回の電流値の移動平均の値の変化が予め定めた閾値以下になった際に、系統への連係を開放するか若しくは前記直流／交流変換器の動作を停止させるかの少なくとも一方を成すことを特徴とする請求項１，２，３または４記載の系統連係装置。
   

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