JP2013085412A - 系統連系パワーコンディショナ - Google Patents

Abstract

【課題】同一系統に複数の太陽光発電システムを接続して並列運転を実施する場合に、能動的方式による単独運転検出用の同期指令信号を伝送する通信信号線の断線時にも、単独運転の検出を行えるようにする系統連系パワーコンディショナを得る。
【解決手段】複数の太陽電池２ａ〜２ｅにそれぞれ対応して配置された複数のパワーコンディショナ３ａ〜３ｅは、太陽電池側の単独運転を、出力周波数を変動させる能動的方式によって検出する単独運転検出機能と、同一の系統内に複数のパワーコンディショナ３ａ〜３ｅが並列運転される場合に、各パワーコンディショナの受信待ち時間をそれぞれ異なる時間に設定する設定部を有し、最初に受信待ち時間が経過したパワーコンディショナをマスタとし、他をスレーブとして、スレーブはマスタから送信される同期指令信号に基づき出力周波数を変動させるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、太陽電池で発電した電力を商用系統に連系させるパワーコンディショナに関し、とくに系統電源からの電力の供給が停止されたときの単独運転を能動的方式（周波数シフト方式）によって検出する系統連系パワーコンディショナに関するものである。

系統連系パワーコンディショナは、太陽電池で発電された直流電力を、インバータを用いて電力会社による三相３線式などの商用系統の周波数及び電圧に応じた交流電力に変換し、その商用系統に電力を出力する。このシステムにおいて、系統側が停電などによって電力の供給を停止した場合に、太陽電池の発電設備を系統から解列されない状態で単独運転を継続し系統が充電されることを防止するため、それを検知しパワーコンディショナの運転を停止する必要がある。

このような太陽電池による単独運転を検出するために、パワーコンディショナの出力電力や出力周波数などに微小な変動を与え、単独運転時に微小な変動が増大することを利用して単独運転を検出する能動的方式（周波数シフト方式）がある。
このような能動的方式による単独運転の検出では、同一系統に複数のシステムを接続して並列運転する場合には、単独運転を検出するためのパワーコンディショナの出力の微小な変動が干渉してお互いに打ち消すように働く場合があり、その場合、単独運転検出に支障が出る可能性がある。それを防ぐために、それぞれのパワーコンディショナの出力の周波数シフト方向を合わせる必要がある。

そのために複数のパワーコンディショナを接続して並列する場合は、それぞれのパワーコンディショナを接続し、マスタ／スレーブとして、同期指令信号を与えることで、その同期指令信号に基づき、周波数シフト方向をプラス側またはマイナス側へ変動させるとともに、その方向の切換えを、系統電圧の周期または周波数に互いに同期させるようにしている。（特許文献１参照）

特開平１０−９４１７４号公報（第３〜６頁、図１）

しかしながら、上記の技術では、パワーコンディショナ同士を接続している信号線に断線が発生した場合、スレーブ側のパワーコンディショナはマスタ側のパワーコンディショナからの周波数シフト方向の切換え指令が来ないため、個別で動作し、周波数シフト方向の同期をとるのが困難になるという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、同一系統に複数の太陽光発電システムを接続して並列運転を実施する場合に、能動的方式（周波数シフト方式）による単独運転検出用の同期指令信号を伝送する通信信号線の断線時にも、単独運転の検出を行えるようにする系統連系パワーコンディショナを得ることを目的とする。

この発明に係わる系統連系パワーコンディショナにおいては、太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換し、この変換した交流電力を商用系統に出力するように構成された系統連系パワーコンディショナであって、商用系統電源からの電力供給が停止された場合の太陽電池側の単独運転を、出力周波数を変動させる能動的方式によって検出する単独運転検出手段、同一の商用系統内に複数の系統連系パワーコンディショナが並列運転される場合に、他の系統連系パワーコンディショナからの所定信号を待つための受信待ち時間を、各系統連系パワーコンディショナでそれぞれ異なる時間になるように設定する設定手段、及び同一の商用系統内に複数の系統連系パワーコンディショナが並列運転される場合に、自系統連系パワーコンディショナの受信待ち時間が経過したとき自系統連系パワーコンディショナをマスタと判定して、マスタ／スレーブ通信により所定信号を送信するとともに、自系統連系パワーコンディショナの受信待ち時間が経過する前に他の系統連系パワーコンディショナから送信された所定信号を受信したとき自系統連系パワーコンディショナをスレーブと判定するマスタ／スレーブ判定手段を備え、マスタ／スレーブ判定手段によりスレーブと判定された系統連系パワーコンディショナの単独運転検出手段は、マスタから送信される所定信号に基づき、マスタの出力周波数に、自系統連系パワーコンディショナの出力周波数を同期させるものである。

この発明によれば、太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換し、この変換した交流電力を商用系統に出力するように構成された系統連系パワーコンディショナであって、商用系統電源からの電力供給が停止された場合の太陽電池側の単独運転を、出力周波数を変動させる能動的方式によって検出する単独運転検出手段、同一の商用系統内に複数の系統連系パワーコンディショナが並列運転される場合に、他の系統連系パワーコンディショナからの所定信号を待つための受信待ち時間を、各系統連系パワーコンディショナでそれぞれ異なる時間になるように設定する設定手段、及び同一の商用系統内に複数の系統連系パワーコンディショナが並列運転される場合に、自系統連系パワーコンディショナの受信待ち時間が経過したとき自系統連系パワーコンディショナをマスタと判定して、マスタ／スレーブ通信により所定信号を送信するとともに、自系統連系パワーコンディショナの受信待ち時間が経過する前に他の系統連系パワーコンディショナから送信された所定信号を受信したとき自系統連系パワーコンディショナをスレーブと判定するマスタ／スレーブ判定手段を備え、マスタ／スレーブ判定手段によりスレーブと判定された系統連系パワーコンディショナの単独運転検出手段は、マスタから送信される所定信号に基づき、マスタの出力周波数に、自系統連系パワーコンディショナの出力周波数を同期させるので、マスタ／スレーブ通信の通信線が断線した場合でも、新たにマスタを決定することができ、太陽電池側の単独運転を検出することができる。

この発明の実施の形態１による太陽光発電システムの並列運転時を示す構成図である。 図１のパワーコンディショナの同期指令信号の送受信タイミングを示す信号図である。 図１のパワーコンディショナ内部で行うマスタ／スレーブ決定動作の概略を示すフローチャートである。 図１のパワーコンディショナ内部で行うマスタ時の動作の概略を示すフローチャートである。 図１のパワーコンディショナ内部で行うスレーブ時の動作の概略を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による太陽光発電システムの並列運転時に断線が発生した例を示す図である。 図６のパワーコンディショナの同期指令信号の送受信状態を示す信号図である。

実施の形態１．
以下に、この発明の実施の形態１について図を用いて説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による太陽光発電システムの並列運転時を示す構成図である。
図１において、各太陽光発電システム１ａ〜１ｅは、太陽電池２ａ〜２ｅとパワーコンディショナ３ａ〜３ｅを備えており、各パワーコンディショナ３ａ〜３ｅは、系統の異常を検出して運転を停止する系統保護回路を備える。この系統保護回路は、出力周波数などに微小な変動を与え、太陽光発電システムの単独運転を検出する、能動的方式による単独運転検出機能（単独運転検出手段）を有する。
通信信号線４は、パワーコンディショナ３ａ〜３ｅの各パワーコンディショナ間を順次接続するように配置され、パワーコンディショナ３ａ〜３ｅが単独運転を検出するための出力変動が、互いに干渉し、単独運転検出に支障をきたすことのないようにするために、通信信号線４を介する共通の信号（同期指令信号）によって、各パワーコンディショナ３ａ〜３ｅの出力を変動させるタイミングを同期させるようになっている。
系統電源５は、系統に電力供給する。この電力供給が停止された場合に、太陽光発電システムの単独運転の検出が必要になる。主回路電線６は、系統電源５とパワーコンディショナ３ａ〜３ｅを接続している。

この実施の形態１では、各パワーコンディショナ３ａ〜３ｅは、マスタ／スレーブを切替えるためと、通信信号線４の断線を検出するために、マスタからの同期指令信号を受信するための受信待ち時間を設定する設定部（設定手段）をそれぞれ有しており、この設定部の設定に応じた受信待ち時間で通信信号線４の断線検出およびマスタ切換えを行うようになっている。
なお、本実施の形態１では、パワーコンディショナ３ａが、受信待ち時間を最短の時間に設定され、以下、パワーコンディショナ３ｂ、３ｃ、３ｄの順で、パワーコンディショナ３ｅが最長の時間に設定されている。

図２は、図１のパワーコンディショナの同期指令信号の送受信タイミングを示す信号図である。
図２において、系統電圧Ａの波形との関係で、同期指令信号Ｂ〜Ｆが示されている。同期指令信号Ｂは、マスタ（パワーコンディショナ３ａ）が送信する、周波数のシフト方向をプラス側・マイナス側に切り替える同期指令信号（所定信号）であり、同期指令信号Ｃ〜Ｆは、スレーブ側（パワーコンディショナ３ｂ〜３ｅ）が受信する、周波数シフト方向をプラス側・マイナス側に切り替える同期指令信号である。通信信号線４が正常な状態であれば、同期指令信号Ｂと同期指令信号Ｃ〜Ｆの波形は一致する。また、同期指令信号Ｂ〜Ｆは、系統電圧Ａの周期と同期させている。

図６は、この発明の実施の形態１による太陽光発電システムの並列運転時に断線が発生した例を示す図である。
図６において、１ａ〜１ｆ、２ａ〜２ｆ、３ａ〜３ｆ、４〜６は図１におけるものと同一のものである。パワーコンディショナ３ｂとパワーコンディショナ３ｃの間で、通信信号線４の断線が発生している。

図７は、図６のパワーコンディショナの同期指令信号の送受信状態を示す信号図である。
図７において、Ａ〜Ｆは図２におけるものと同一のものである。図７では、パワーコンディショナ３ｂとパワーコンディショナ３ｃの間の通信信号線４に断線が発生したため、パワーコンディショナ３ｃ以降のパワーコンディショナ３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆは、マスタからの同期指令信号を受け取ることができない。

次に、動作について説明する。
各パワーコンディショナ３ａ〜３ｆは、設定部によって設定された受信待ち時間に基づいて、同期指令信号を送信するマスタと、マスタの送信した同期指令信号を受信して、パワーコンディショナの出力を変動させるタイミングを同期させるスレーブを決定するようになっている。

まず、図３を用いて、パワーコンディショナ内部で行うマスタ／スレーブ決定（マスタ／スレーブ判定手段）の概略について説明する。
まず、電源オンなどにより運転停止の状態から運転を開始し、外部からの同期指令信号の受信待ち状態とする（ステップｎ１）。受信待ち状態中は送信を行わない。その状態で同期指令信号の受信があるかないかを判定し、同期指令信号の受信が発生（ステップｎ２）すれば、スレーブとして確定（ステップｎ３）し、以後スレーブとして受信したタイミングでの同期指令信号に合わせて動作する。
また、予め設定した受信待ち時間の経過を判定し（ステップｎ４）、受信待ち時間が経過していなければステップｎ１に戻り、また、受信待ち時間の経過後も同期指令信号の受信が発生しない場合には、マスタとして確定（ステップｎ５）し、以後マスタとして同期指令信号を生成し、他のパワーコンディショナへ送信し、自己の同期タイミングにて動作する。

この実施の形態１では、各パワーコンディショナ３ａ〜３ｆを同時に電源オンした場合、それぞれ受信待ち状態となる。全てのパワーコンディショナ３ａ〜３ｆは受信待ち状態であり、送信は発生しない。
本実施の形態１では、パワーコンディショナ３ａが受信待ち時間を最短の時間に設定しているため、先ずパワーコンディショナ３ａが、図３のステップｎ４の受信待ち時間を経過してマスタとして確定し、パワーコンディショナ３ａが同期指令信号を生成し、パワーコンディショナ３ｂ〜３ｅに対し、生成した同期指令信号を送信する（図３のステップｎ５）。
パワーコンディショナ３ｂ〜３ｅは、その同期指令信号を受信するため、スレーブとなり、その同期指令信号に合わせて動作する。

次に、図４を用いて、パワーコンディショナ内部で行うマスタ時の動作の概略について説明する。
図３のステップｎ５で、マスタとして確定した後には、一定の系統周期（図２の系統電圧Ａの一定周期）が経過するかどうかをチェックし（ステップｍ１）、経過した場合には、同期指令信号を送信する（ステップｍ２）。その後、受信待ち時間測定のタイマをリスタートさせる。

次に、図６のような通信信号線４の断線発生時のパワーコンディショナ３ｃ〜３ｅの動作（断線発生時のマスタ／スレーブ判定手段）を、図５を用いて説明する。
パワーコンディショナ３ｃ〜３ｅはスレーブであるため、外部からの同期指令信号の受信待ち状態（ステップｓ１）であり、断線発生以降は、同期指令信号の受信が発生しない（ステップｓ２）。パワーコンディショナ３ｃ〜３ｅの中ではパワーコンディショナ３ｃが受信待ち時間が最も短いため、受信待ち時間の経過を判定し（ステップｓ４）、パワーコンディショナ３ｃが新しいマスタとして動作し、同期指令信号を送信する（ステップｓ５）。
パワーコンディショナ３ｄ、３ｅは、ステップｓ２で、同期指令信号を受信したら、受信待ち時間測定のタイマをリスタートさせるとともに、引き続き、スレーブとして、パワーコンディショナ３ｃの送信する同期指令信号にしたがい、動作する（ステップｓ３）。

図５のように各パワーコンディショナ３ａ〜３ｅを動作させることにより、点検や故障などで、マスタであるパワーコンディショナ３ａの電源がＯＦＦされた場合、同期指令信号の送信は停止されるが、スレーブであるパワーコンディショナ３ｂ〜３ｅは、受信待ち時間の経過を監視して、最も受信待ち時間が短いパワーコンディショナ３ｂが新しいマスタに切り替るため、マスタ停止の度に、新しいマスタとして個別に設定することなく、各パワーコンディショナが同期して動作することができる。
また、パワーコンディショナ３ａの電源をＯＮにして新たに追加した場合も、すでにパワーコンディショナ３ｂがマスタとして同期指令信号を送信しているため、パワーコンディショナ３ａは、その信号を受信してスレーブとして動作する。これにより、各パワーコンディショナの同期した動作が可能であり、太陽光発電システムの単独運転が検出できることになる。

実施の形態１では、パワーコンディショナが、系統電源５からの電力供給が停止されたときの単独運転を検出する能動的方式は、パワーコンディショナをマスタ／スレーブとしてそれぞれを通信信号線４で接続し、マスタ側のパワーコンディショナは、系統周期に応じて同期指令信号を生成し、スレーブ側のパワーコンディショナに送信する。
スレーブ側のパワーコンディショナは、マスタ側が送信した同期指令信号を受信し、この指令に応じて周波数シフトの方向をプラスまたはマイナスに切換え、マスタ側の動作と同期させる。

複数のパワーコンディショナ間を接続している通信信号線４に断線が発生して、マスタ側から送信する同期指令信号をスレーブ側が受信できないことを検出するために、スレーブ側のパワーコンディショナは、前回の同期指令信号の受信から次の同期指令信号の受信までの受信待ち時間を監視し、ある受信待ち時間の通信が途絶えれば、通信断線と判断するようにしている。

実施の形態１では、この受信待ち時間を各パワーコンディショナで設定する機能を有し、それぞれのパワーコンディショナごとに差異を設けて設定することで、スレーブ側の通信信号線４の断線検出確定タイミングにずれをもたせ、初めに通信信号線４の断線を検出したスレーブのパワーコンディショナが自動的に新マスタとして動作するよう機能切換えを行い、新たなグループを生成し、太陽光発電システムの単独運転の検出に支障を与えないようにする。

これにより、実施の形態１では、予めマスタ／スレーブの設定をすることなく、個々に設定した受信待ち時間によって、自動的にマスタであるパワーコンディショナを決定するようになっているため、マスタの電源オフ時などにより、通信停止の場合にも新マスタにより同期指令信号を送信する動作を継続することができる。

実施の形態１によれば、上述のように、各パワーコンデシショナ間を接続する通信信号線が断線した場合も、断線箇所から新たにマスタ／スレーブの新グループを形成して、１台１台が個々に動作することを防ぐことができ、太陽光発電システムの単独運転の検出を可能する。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ａ〜１ｅ 太陽光発電システム
２ａ〜２ｅ 太陽電池
３ａ〜３ｅ パワーコンディショナ
４ 通信信号線
５ 系統電源
６ 主回路電線

Claims (2)

1. 太陽電池が発電する直流電力を交流電力に変換し、この変換した交流電力を商用系統に出力するように構成された系統連系パワーコンディショナであって、
   商用系統電源からの電力供給が停止された場合の上記太陽電池側の単独運転を、出力周波数を変動させる能動的方式によって検出する単独運転検出手段、
   同一の商用系統内に複数の上記系統連系パワーコンディショナが並列運転される場合に、他の系統連系パワーコンディショナからの所定信号を待つための受信待ち時間を、各系統連系パワーコンディショナでそれぞれ異なる時間になるように設定する設定手段、
   及び同一の商用系統内に複数の上記系統連系パワーコンディショナが並列運転される場合に、自系統連系パワーコンディショナの上記受信待ち時間が経過したとき自系統連系パワーコンディショナをマスタと判定して、マスタ／スレーブ通信により所定信号を送信するとともに、自系統連系パワーコンディショナの上記受信待ち時間が経過する前に他の系統連系パワーコンディショナから送信された上記所定信号を受信したとき自系統連系パワーコンディショナをスレーブと判定するマスタ／スレーブ判定手段を備え、
   上記マスタ／スレーブ判定手段によりスレーブと判定された系統連系パワーコンディショナの上記単独運転検出手段は、上記マスタから送信される上記所定信号に基づき、マスタの出力周波数に、自系統連系パワーコンディショナの出力周波数を同期させることを特徴とする系統連系パワーコンディショナ。
2. 上記マスタと判定された系統連系パワーコンディショナは、上記所定信号を送信したとき、上記スレーブと判定された系統連系パワーコンディショナは、上記所定信号を受信したとき、それぞれ上記受信待ち時間を測定するタイマをリスタートさせることを特徴とする請求項１記載の系統連系パワーコンディショナ。
   
   
   
   
   
   
   
   

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