JPH10304572A - 太陽光発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】太陽光発電システムにおいて、電源電圧の位相
同期を制御する手段としてPLL制御方式を利用し、配電
系統電圧とインバータの出力電圧の位相誤差成分を常に
監視して、配電系統が停電した場合に、インバータの連
系点に接続された負荷条件に関係なく、高精度に検知し
て確実に配電系統と解列を行い逆潮流を防止する。 【解決手段】通常、位相検出手段１０１は、連系点に接
続されているＰＴ５６より電圧フィードバック信号を取
り込んで、配電系統５８の電圧ｖとインバータ５２の出
力電圧ｖ′が同相になるように制御する。位相検出手段
１０１の誤差は配電系統５８の電圧ｖとインバータ５２
の出力電圧ｖ′の位相差となり、それを補正するために
補正値Δωを増加減少して両者の電圧およびインバータ
の出力電流ｉの位相同期を取る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は太陽光発電システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５および図６は、平成６年の電気学会
論文誌Ｂ.１１４ 巻４号で提案された太陽光発電システ
ムの一例を示すもので、図５はシステムの構成を示す構
成図、図６は二つのバンドパスフィルタ〔以下ＢＰＦと
いう〕５４１および５４２の周波数対利得特性および周
波数対位相特性を示す特性図である。図５の５１は太陽
電池、５２はインバータ、５３は絶縁トランス、５４は
二つのアナログバンドパスフィルタ、５５はインバータ
の制御部、５６は連系点の交流電圧を監視する計測用の
変圧器〔以下ＰＴという〕、５７は連系点に接続された
負荷装置、５８は商用電源であるところの配電系統であ
る。系統開閉器５９は、配電系統５８が停電したとき
に、インバータ５２から配電系統５８に電流が流れ込ま
ないようにするための逆潮流防止用のスイッチである。

【０００３】太陽光発電システムは、以下のように動作
する。太陽電池５１で発電した直流電力は、インバータ
５２で交流電力に変換され絶縁トランス５３と系統開閉
器５９を介して配電系統５８に連系される。一方、BPF5
41および５４２の中心周波数は図６に示すように、例え
ば４８Ｈｚと５２Ｈｚのそれぞれ２箇所に設定して、そ
の間の５０Ｈｚで周波数対利得の微分値がゼロとなり、
また周波数対位相の大きさがゼロとなるように設計す
る。ここで、配電系統の電圧〔例えば周波数５０Ｈｚ〕
ｖはＰＴ５６を介してＢＰＦ５４に加わるため、ＢＰＦ
５４の出力信号ｉ＊は、図６の特性から位相特性がゼロ
の周波数点である５０Ｈｚで制御系は安定する。ｉ＊
は、制御部５５に入力される指令値であり、制御部５５
はｉ＊の指令を基にパルス幅変調制御〔以下ＰＷＭ制御
という〕を行いインバータ５２の出力ｉをｉ＊と同位相
にする。このとき、ｖとｉ＊は同位相となるのでｉもｖ
に対して同位相になる。従って、通常動作時はインバー
タの出力電圧ｖ′は配電系統ｖと同一の周波数，位相お
よび電圧となり、インバータの出力電流ｉは配電系統電
圧ｖに対して力率が１になるように制御される。

【０００４】ところで、配電系統５８が工事や事故など
で停電した場合、インバータ５２の出力電圧ｖ′がその
まま負荷装置５７に加わることになり、インバータ出力
電流ｉは、連系点に接続されている負荷によって決定さ
れる電圧を基に制御される。このとき、もし負荷装置５
７がモータなどの誘導性の負荷であった場合、インバー
タの出力電圧ｖ′は電流ｉに対して進み位相となる。こ
のため、ＢＰＦの出力電流ｉ＊はインバータの出力電流
ｉに対して進み位相となるので、図６の周波数対位相特
性により、ｉ＊は周波数を増加する方向にｉを制御す
る。ｉ＊の周波数指令値が上昇していくと、制御系はゲ
インが大きくｉとｉ＊が同相となる、位相がゼロのフィ
ードバック周波数５２Ｈｚで安定する。また負荷装置５
７が容量性の場合、制御部５５は逆にｉの周波数を減少
するように制御して４８Ｈｚ付近に移動する。従って、
制御部５５は、インバータの出力周波数を監視すること
によって配電系統５８の停電を検知することができ、こ
れによって系統開閉器５９をオフしてインバータ５２と
配電系統５８を解列する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の太陽光発電シス
テムは以上のように構成されており、従来例では±２Hz
の精度で停電を検知することが可能である。太陽光発電
システムの系統異常時の逆潮流防止は、電力系統の保安
や保全および復旧作業を行う作業者の感電防止などの安
全を図る上で重要な機能であるので、非常に高い精度で
の検出が要求される。図５の構成において高精度で周波
数シフトによる検出を行うためには、BPFのＱ〔フィル
タの先鋭度〕を上げることが要求される。そのために
は、リアクタンス，コンデンサおよび抵抗などの素子自
体の定数のバラツキの少ない精密級の素子を使用した
り、温度特性の優れた素子を使用するなどしてフィルタ
の中心周波数を設計値に極力近づける対策が必要であ
る。このような素子を使用することによってコスト高に
なってしまう懸念がある。また、実装設計においても浮
遊容量や配線のリアクタンスの影響を少なくするため
に、高密度実装を行い耐ノイズ性を高めることが必要
で、そのためのシールド材やノイズ対策部品にかかる費
用も無視できない。さらに、軽負荷および無負荷の場合
や同一の配線系統に容量性負荷や誘導性負荷が多数接続
される場合などは、インバータの出力電流の位相ずれが
小さくなり、周波数シフトが起きない場合がある。

【０００６】本発明の目的は、停電検知の一つである周
波数シフト方式において、素子のバラツキなどのハード
ウエアの影響による周波数検出誤差を無くし、負荷条件
に依存せずに、確実にしかも高精度に停電を検出して速
やかに配電系統と解列し、逆潮流を防止することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述の目的は、周知のＰ
ＬＬ〔Phase Locked Loop 〕制御系の一部の信号を利用
することによって達成できる。ＰＬＬ制御は、アナログ
回路やマイコンの制御処理によって実現できるが、説明
は特に図７の（ａ）および（ｂ）のマイコンによる制御
ブロック図を基に行う。図７（ａ）は、配電系統が三相
交流の場合の例で、Ｕ相とＷ相の相電圧を二軸の直交座
標に変換するα−β変換部７１，α−β変換した直交座
標を静止座標に変換するｄ−ｑ変換部７２，比例・積分
〔以下ＰＩという〕制御を行うＰＩ補償系７３、および
位相指令θｄ＊′によりsin 波とcos 波を発生するsin
／cos 発生部７４で構成される。ω０＊は、１回毎の加
算されるデータである。例えば、インバータの出力周波
数を５０Ｈｚとして運転し、１周期間の加算回数を１０
０回とした場合、ω０＊は３.６゜ となる。Δωは無効
電圧成分Ｖｄの誤差に対する補正値であり、ω０＊との
和の積算値７５により０゜〜３６０゜に変化する位相指
令値θｄ＊を作成する。また、有効分と無効分は位相が
９０゜ずれているので無効電圧成分を算出するために、
θｄ＊に９０゜遅らせた７６位相指令値θｄ＊′からsi
n ／cos 発生部７４よりsinθ とcosθ を発生させ、α
−β変換７１したα軸とβ軸の値と前記のsinθとcosθ
でｄ−ｑ変換７２を行い無効電圧成分Ｖｄを算出する。

【０００８】制御は、Ｖｄをゼロにするように行う。通
常動作時は、Ｕ相とＷ相の相電圧は位相差２４０゜と電
圧が一定で安定している。ＰＩ補償系７３の補正値Δω
は、ｄ−ｑ変換７２されたＶｄの誤差分から算出され
る。このΔωにより位相指令値θｄ＊′は微少増減し、
ｄ−ｑ変換７２を行うsinθ とcosθ が調整されＶｄの
誤差はゼロに補正される。従って、Δωの偏差もゼロ近
辺で推移する。

【０００９】次に配電系統が停電すると、インバータは
勝手に自分自身で出力電圧を発生するようになる。そし
て、インバータは自分で発生した出力電圧をα−β変換
７１してｄ−ｑ変換７２して無効電圧成分Ｖｄを得る。
前述したようにＰＬＬ制御は、Ｖｄをゼロにするように
ＰＩ補償系７３の補償値Δωを調整する。しかし、Ｖｄ
を完全にゼロにすることは、回路〔オペアンプやＡ／Ｄ
変換器など〕のオフセット分やマイコンの演算精度に限
界があることから不可能である。このＶｄが誤差分を持
つことによって、ＰＩ補償系７３の積分ゲインが誤差を
蓄積して制御は発散する。つまり、インバータ自身が発
生する出力電圧の無効成分Ｖｄをインバータ自身がゼロ
にしようと制御するので、Ｖｄが完全にゼロにならない
限り制御は収束せずに発散してしまう。制御が発散する
ことにより、補償値Δωが増加減少して周波数シフトが
起こる。例えば、Ｖｄの誤差分がプラスであれば周波数
は減少し、逆にマイナスであれば周波数は増加する方向
にシフトする。

【００１０】図７（ｂ）は、配電系統が三相交流あるい
は単相交流の場合で各部分の符号は（ａ）と対応してお
り、（ａ）との相違点は連系点のゼロクロス電圧点で信
号を発生させる信号発生回路７７と位相指令値θｄ＊を
ホールドするサンプル／ホールド回路７８を追加したの
と、α−β変換部７１，ｄ−ｑ変換部７２およびsin／c
os 発生部７４を取り除いた点であり、その他の符号は
（ａ）と同等であるので特に詳細説明は省略する。単相
交流をＰＬＬ制御する場合、電源電圧のゼロクロス点で
信号を発生させ７７その信号で位相指令値θｄ＊をサン
プル／ホールド回路７８にホールドする。制御は、ゼロ
クロス点で位相指令値θｄ＊を０゜にするようにΔωを
補正する。もし、配電系統が停電すると、ゼロクロス信
号発生回路７７から信号が出ないので、位相指令値θｄ
＊がサンプル／ホールド回路７８に更新されずサンプル
／ホールド回路７８にホールドされた値が誤差となり、
ＰＩ補償系７３の積分ゲインにより誤差が蓄積してΔω
が増加減少して制御が発散し、周波数シフトが起こる。
配電系統が三相交流である場合は、線間電圧や相電圧を
連系点の交流電圧として、連系点ゼロクロス信号発生回
路７７に入力しても同様の動作を行うことが出来る。

【００１１】以上のことから配電系統の停電検知は、配
電系統が特に三相交流の場合は無効電圧成分Ｖｄの補正
値Δωを、また三相交流あるいは単相交流の場合はゼロ
クロス電圧点の位相指令値の補正値Δωを常に監視する
ことによって行う。つまり、補正値Δωが所定値以上に
なったならば、周波数シフトが起こったと判断し、イン
バータを停止して配電系統と解列するようにすれば逆潮
流を防止できる。また、サンプリング毎に補正値の偏差
を取り、その偏差が所定値以上になったことによって異
常と判断し、逆潮流を防止することができる。さらに、
サンプリング毎の補正量の偏差の絶対値を取り、その値
が所定値以上になったことによって異常と判断し、逆潮
流を防止することも可能である。以上のような方法をマ
イコンなどで行うようにすれば、ハードウエアが不要に
なるので素子のバラツキや温度による影響で周波数検出
点がずれたりせず、素子による信号の遅れもないので正
確な配電系統の停電判定が可能となる。また、一連の処
理をマイコン内で行うのでハードウエアでの判定に比べ
て耐ノイズ性が向上する。さらに、ハードウエアが不要
になることから温度特性や精度の高い素子を使用する必
要がないのでコストが低減される。一方、配電系統の停
電が起こると無効電圧成分Ｖｄの誤差やゼロクロス電圧
点の位相指令θｄ＊の誤差が補正できずに、ＰＩ補償系
７３の積分ゲインにより誤差分が積算されて、周波数シ
フトが起こるので、連系点に接続された負荷条件に左右
されずに確実に配電系統の停電検知を行うことが出来
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１および図２は、本発明の一実
施例であり、図１はブロック図、図２は概略フローチャ
ートを示す。

【００１３】図１の１０２の部分は図５の符号と対応し
ており、機能および動作の詳細についての説明は省略す
る。また、制御部５５は位相制御手段１０１に含まれ、
配電系統５８の停電検出は、位相制御手段１０１の信号
によって行うため、BPF54 は不要となる。絶縁トランス
５３は、説明上、特に重要ではないので割愛した。図１
の位相検出手段１０１の部分はＰＬＬ制御を利用してお
り、配電系統が三相交流の場合は図７（ａ）を三相ある
いは単相交流の場合はｂの制御ブロック図が挿入され
る。本図の図１の１００が、本発明の部分である。１０
０の部分の１６は１サンプリング前のデータと現サンプ
リングデータの差をとって偏差Δω′を算出している部
分であり、１１〜１４はコンパレータである。Δωは符
号付きのデータなので、ΔωとΔω′の上限と下限のレ
ベルをそれぞれ監視しなければならない。そこで、ref
１は偏差Δω′の上限リミッタ、ref２は偏差Δω′の
下限リミッタ、ref３は偏差Δωの上限リミッタ、ref４
は偏差Δωの下限リミッタである。

【００１４】配電系統が停電した場合、前述の解決する
ための手段の項で述べたＰＬＬ制御系１０１の発散によ
り、周波数シフトが起こる。その際、Δωの値はプラス
あるいはマイナス側へシフトしていき、コンパレータ１
１および１３はΔωとΔω′が基準電圧〔ref１とref
３〕よりも大きくなった時に、また、コンパレータ１２
および１４はΔωとΔω′が基準電圧〔ref２とref４〕
よりも小さくなった時に信号を出力して、１５のＯＲゲ
ートに信号を伝達する。ＯＲゲート１５は４本の入力の
うちのいずれか１つに信号が入ってくるとトリップ信号
１７を出力して無記述のマイコンに異常を知らせる。マ
イコンは、トリップ信号１７によりインバータを停止し
て配電系統を解列する。このとき、Δωは変化の遅い周
波数変動の検出をΔω′は急峻な周波数変動の検出をす
るために設けたもので、ΔωとΔω′の２つのＯＲ条件
をとることによって確実な保護を実現する。このような
機能は、デジタル回路でも動作させることができる。デ
ジタル回路は、アナログ回路と比較して耐ノイズ性があ
り、信号伝達速度も速いので、非常に高速に保護動作を
行うことが可能である。図２は図１の動作をフローチャ
ートで表したものである。まず最初にΔωを監視２１〜
２３し、続いてΔω′を監視２４〜２６していずれの場
合もリミッタ値の判定条件２２〜２５に合致するときに
インバータを停止２８する。それ以外の場合は、現サン
プリングΔωのデータを保持２７して通常動作に戻る２
９。例えば、配電系統の電圧波形の品質が悪いとΔωの
変動幅が大きくなり、過不足周波数トリップが起こり易
くなる。このような場合、図２のようなソフト化をする
と上限および下限リミッタの値を簡単に変更することが
できるので、現地装置据えつけ作業時のトラブル対策に
役立つだけでなく、マイコンに機能を盛り込んで保護動
作をさせることによって、回路が不要となるので小型化
が図れる。

【００１５】図３はΔωが符号付きデータであるので、
ΔωとΔω′を絶対値変換して監視するようにしたもの
で、図１の１００の部分を取り出して第２の実施例に変
更したブロック図である。図１の回路に新たに追加した
機能は、３３および３４の絶対値変換部で、判定条件は
プラス側の上限リミッタを監視するだけでよい。従って
コンパレータは、３１と３２の２個で図１と同等の機能
を得ることができる。図４は図３の動作をフローチャー
トにしたものである。図４のフローチャートの処理は、
基本的には図２のフローチャートの処理と同等で、図４
のフローチャートに追加した機能は、ΔωとΔω′を絶
対値に変換する部分４２および４６と、リミッタの判定
条件の部分４３および４４である。また、Δω［ｎ］を
絶対値に変換４２するにあたり、後半の処理でΔω′を
算出２６するためにΔω［ｎ］を保存する必要があるこ
とから、Δω［ｎ］をレジスタに一時退避４１および復
帰４５している。リミッタの判定条件はプラス側の４３
と４４の２箇所で判定すればよい。このように、Δωと
Δω′を絶対値に変換して監視しても周波数シフトによ
る停電検知を行える。また、プラス側だけの判定条件を
監視するだけでよいので処理が簡素化される。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、電源電圧の位相同期を
制御する手段として周知のＰＬＬ制御を利用し、配電系
統が特に三相交流の場合は無効電圧誤差成分の補正値
を、また三相交流や単相交流の場合はゼロクロス電圧点
の位相指令値の誤差成分の補正値を常に監視することに
よって、配電系統の停電検知を行うことができる。その
ため、ハードウエアが不要となりコストが低減され、ハ
ードウエアによる検知方式と比較して耐ノイズ性が図ら
れる。さらにハードウエアでの信号遅れや検出点のずれ
がなくなることから正確な停電検知が可能となる。ま
た、電源電圧との位相同期制御が正常に行われなくなる
と、誤差分が積算されることによって周波数シフトが起
こるので、連系点に接続される負荷条件に依存せずに停
電検知を行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の形態を表すブロック
図。

【図２】図１のフローチャート。

【図３】本発明の第２の実施例の形態を表すブロック
図。

【図４】図２のフローチャート。

【図５】周波数シフト方式の従来例のブロック図。

【図６】図５の周波数シフト検出フィルタの特性図。

【図７】電源電圧位相同期制御で周知のＰＬＬ制御系ブ
ロック図。

【符号の説明】

１１〜１４…コンパレータ、１５…ＯＲゲート部、１６
…偏差算出部、１７…トリップ信号、３１，３２…コン
パレータ、３３，３４…絶対値変換部、５１…太陽電
池、５２…インバータ、５３…絶縁トランス、５４…バ
ンドパスフィルタ、５５…制御部、５６…計測用検圧
器、５７…負荷装置、５８…配電系統、５９…系統開閉
器、７１…α−β変換部、７２…ｄ−ｑ変換部、７３…
比例・積分補償系、７４…sin ／cos 生成部、７５…積
算部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八木沼 正治 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 日立京葉エンジニアリング株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】太陽電池と前記太陽電池で発電した直流電
   力を所定の交流電力に変換する電力変換装置を持ち、前
   記電力変換装置を商用電源に連系して電力の授受を行う
   太陽光発電システムにおいて、連系点の電圧ｖ′をフィ
   ードバック信号とし、配電系統の電圧ｖとインバータの
   出力電圧ｖ′の同期を取り、両者の位相差を誤差とし
   て、その誤差を補正する補正値Δωを算出する位相制御
   手段を持ち、補正値Δωがある範囲を超えたことによっ
   て商用電源異常と認識し、商用電源との連系を遮断する
   ことを特徴とする太陽光発電システム。
2. 【請求項２】請求項１において、三相商用電源のいずれ
   かの二相の電圧を二軸の直交静止座標に変換して無効成
   分を算出し、無効成分を誤差分としそれを補正する位相
   制御手段を持ち、補正値がある範囲を越えたことによっ
   て商用電源異常と認識し、商用電源との連系を遮断する
   太陽光発電システム。
3. 【請求項３】請求項１において、連系点の電圧からゼロ
   クロス点で信号を作り、その信号により位相指令値を保
   持し、保持された位相指令値の値から位相差を補正する
   位相制御手段を持ち、補正値がある範囲を越えたことに
   よって商用電源異常と認識し、商用電源との連系を遮断
   する太陽光発電システム。
4. 【請求項４】請求項１において、位相制御手段の補正値
   をある一定のサンプリング周期で取り込み、そのサンプ
   リング毎の偏差を算出し、偏差がある範囲を超えたこと
   によって商用電源異常と認識し、商用電源との連系を遮
   断する太陽光発電システム。
5. 【請求項５】請求項１において、位相制御手段の補正値
   のサンプリング毎の偏差を絶対値に変換して、その値が
   ある範囲を超えたことによって商用電源異常と認識し、
   商用電源との連系を遮断する太陽光発電システム。