JP2022136430A

JP2022136430A - 電源システム

Info

Publication number: JP2022136430A
Application number: JP2021036030A
Authority: JP
Inventors: 荘治西村; Shoji Nishimura; 弘典柏原; Hironori Kashiwabara; 吉則河▲崎▼; Yoshinori Kawasaki; 怜史宇田; Satoshi Uda
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2021-03-08
Filing date: 2021-03-08
Publication date: 2022-09-21

Abstract

【課題】ＦＲＴ要件を満たしつつ、無停電電源機能及び負荷平準化機能を共通の分散型電源を用いて両立する電源システムにおいて、開放停電時における切替スイッチの開閉ハンチングを防止する。【解決手段】商用電力系統１０と重要負荷３０との間に設けられ、重要負荷に電力を供給する電源システム１００であって、分散型電源２と、電力線Ｌ１を開閉する切替スイッチ３と、電力線において切替スイッチに並列接続されたインピーダンス素子４と、系統側電圧検出部６１と、非基本波電流注入手段と、非基本波電圧検出部８３とを備える。系統電圧が第１整定値を下回った場合に切替スイッチを開放し、分散型電源と商用電力系統とがインピーダンス素子を介して接続された状態で分散型電源を運転継続させる。切替スイッチを開放した後、系統電圧が第１整定値以上となり、かつ、非基本波電圧が第２整定値以下となった場合に、切替スイッチを再投入する。【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに関するものである。

従来、ＦＲＴ要件を満たしつつ、無停電電源機能及び負荷平準化機能を共通の分散型電源を用いて両立する電源システムとして、特許文献１に示すものが考えられている。

特許文献１の電源システムは、商用電力系統と重要負荷との間に、半導体スイッチ等の切替スイッチと、当該切替スイッチに並列接続されたインピーダンス素子とを設け、切替スイッチよりも重要負荷側に分散型電源を設けて構成されている。また、切替スイッチよりも商用電力系統側に解列スイッチが設けられている。この電源システムは、商用電力系統に瞬時電圧低下（以下、瞬低ともいう）が発生した場合には、切替スイッチを開放することにより、インピーダンス素子を介して商用電力系統と分散型電源を接続するとともに、分散型電源は逆潮流を含む運転を継続する（ＦＲＴ運転）。一方、商用電力系統が健全状態に復帰した場合には、切替スイッチを投入することにより、常時運用時の動作を再開する。

特許第６３３８１３１号公報

しかしながら上記した電源システムでは、商用電力系統の開放停電時に、系統条件によっては、切替スイッチの開放による系統電圧の上昇を瞬低からの復帰（復電）と誤認して切替スイッチを直ぐに再投入してしまう恐れがある。そして切替スイッチの再投入直後には、系統電圧が低下することにより瞬低発生と誤認して切替スイッチを再開放し、以後、切替スイッチの再投入と再開放とを繰り返す開閉ハンチングが発生し、重要負荷に悪影響を及ぼす恐れがある。

このような開閉ハンチングが生じる系統条件の例として、例えば図４に示すように２つのケースが考えられる。

例えば、切替スイッチに並列接続されたインピーダンス素子がコンデンサ（Ｃ）やコイル（Ｌ）の場合、インピーダンス素子と、内外負荷の誘導リアクタンスや進相コンデンサ（ＳＣ）とのＬＣ直列共振により受電点電圧Ｖ_ｒが上昇し、切替スイッチの開閉ハンチングが生じる恐れがある（ケース１）。

また、開放停電発生による受電点電圧Ｖ_ｒの低下により切替スイッチを開放した後、分散型電源保有の他需要家の受電トランスリアクタンスや、発電機内部リアクタンス等の高いリアクタンスのＬと線路側大容量ＳＣによるＬＣ直列共振により、受電点電圧Ｖ_ｒが上昇してしまい、これにより切替スイッチの開閉ハンチングが生じる恐れがある（ケース２）。

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、ＦＲＴ要件を満たしつつ、無停電電源機能及び負荷平準化機能を共通の分散型電源を用いて両立する電源システムにおいて、開放停電時における切替スイッチの開閉ハンチングを防止することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る電源システムは、商用電力系統と重要負荷との間に設けられ、前記重要負荷に電力を供給するものであって、前記商用電力系統から前記重要負荷に給電するための電力線に接続された分散型電源と、前記電力線において前記分散型電源よりも前記商用電力系統側に設けられ、前記電力線を開閉する切替スイッチと、前記電力線において前記切替スイッチに並列接続されたインピーダンス素子と、前記切替スイッチよりも前記商用電力系統側の系統電圧を検出する系統側電圧検出部と、前記商用電力系統の基本周波数とは異なる周波数の電流である非基本波電流を前記電力線に注入する非基本波電流注入手段と、前記切替スイッチよりも前記商用電力系統側における前記非基本波電流の電圧である非基本波電圧を検出する非基本波電圧検出部とを備え、検出した前記系統電圧が予め定められた第１整定値を下回った場合に前記切替スイッチを開放し、前記分散型電源と前記商用電力系統とが前記インピーダンス素子を介して接続された状態で前記分散型電源を運転継続させ、前記切替スイッチを開放した後、検出した前記系統電圧が前記第１整定値以上となり、かつ検出された前記非基本波電圧が予め定められた第２整定値以下となった場合に、前記切替スイッチを再投入するように構成されていることを特徴とする。

このような電源システムであれば、電力線において分散型電源よりも商用電力系統側に切替スイッチを設けるとともに、当該切替スイッチに対してインピーダンス素子を並列接続しており、商用電力系統側の電圧が第１整定値を下回った場合に切替スイッチを開放するので、瞬低時においても需要側設備はインピーダンス素子を介して商用電力系統と連系された状態となる。これにより、分散型電源のＦＲＴ要件を満たしつつ、瞬低時における重要負荷への電圧低下を防止することができる。そして、切替スイッチを開放した後、検出した系統電圧が第１整定値以上になるとともに、非基本波電圧が第２整定値以下となった場合に切替スイッチを再投入するようにしているので、例えば開放停電中のＬＣ直列共振により系統電圧が上昇した場合等に、切替スイッチの再投入と再開放とが繰り返されるハンチングを防止でき、重要負荷への悪影響を防止できる。

ここで、非基本波電流として整数次高調波を注入している場合、非基本波電圧と系統電圧とが判別しにくい。そのため、前記電源システムの具体的態様として、前記非基本波電流が次数間高調波電流であるものが好ましい。
このようなものであれば、系統電圧と非基本波電圧とが判別しやすいので、非基本波電流として大電流を注入する必要がない。

この場合、力率改善コンデンサに吸収される次数間高調波成分を少なくするように、前記非基本波電流は２次から３次の間の非整数次の高調波電流であることが好ましい。

このように構成した本発明によれば、ＦＲＴ要件を満たしつつ、無停電電源機能及び負荷平準化機能を共通の分散型電源を用いて両立する電源システムにおいて、開放停電時における切替スイッチの開閉ハンチングを防止することができる。

本実施形態の電源システムの構成を模式的に示す図である。本実施形態の電源システムの開放停電発生時の動作のシミュレーション結果を示す図である。本実施形態の電源システムの開放停電発生時の動作のシミュレーション結果を示す図である。従来の電源システムにおいて切替スイッチの開閉ハンチングが生じる例を説明する図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る電源システム１００について、図面を参照して説明する。

本実施形態の電源システム１００は、図１に示すように、商用電力系統１０と重要負荷３０との間に設けられ、商用電力系統１０の異常時に重要負荷３０に電力を供給する無停電電源システムとしての機能（無停電電源機能）と、商用電力系統１０に対して順潮流及び逆潮流することで負荷平準化する分散型電源システムとしての機能（負荷平準化機能）を発揮するものである。

ここで、商用電力系統１０は、電力会社（電気事業者）の電力供給網であり、発電所、送電系統及び配電系統を有するものである。また、重要負荷３０は、停電や瞬低などの系統異常時においても電力を安定して供給すべき負荷であり、図１では１つであるが、複数あってもよい。

具体的に電源システム１００は、分散型電源２と、商用電力系統１０と分散型電源２及び重要負荷３０とを接続する切替スイッチ３と、切替スイッチ３に並列接続されたインピーダンス素子４と、切替スイッチ３よりも商用電力系統１０側に設けられた解列スイッチ５と、切替スイッチ３よりも商用電力系統１０側の電圧を検出する系統側電圧検出部６１と、系統側電圧検出部６１の検出電圧から少なくとも瞬時電圧低下及び停電を検出する系統異常検出部６２と、切替スイッチ３及び解列スイッチ５の開閉状態を制御する制御部７とを備えている。

分散型電源２は、商用電力系統１０から重要負荷３０に給電するための電力線Ｌ１に接続されている。この分散型電源２は、商用電力系統１０に連系されるものであり、例えば太陽光発電や燃料電池などの直流発電設備２１、二次電池（蓄電池）などの電力貯蔵装置（蓄電デバイス）２２、風力発電やマイクロガスタービンなどの交流で出力された電気エネルギを直流に整流したうえで、電力変換装置を用いて系統連系をされる発電設備（不図示）、又は、同期発電機や誘導発電機などの交流発電設備２３である。直流発電設備２１及び電力貯蔵装置（蓄電デバイス）２２は、図示しない電力変換装置を備えている。なお、電源システム１００は、少なくとも電力貯蔵装置２２を備えており、その他上記何れか分散型電源２を有するものであってもよい。

切替スイッチ３は、電力線Ｌ１において分散型電源２の接続点よりも商用電力系統１０側に設けられて電力線Ｌ１を開閉するものであり、例えば半導体スイッチ、又は、半導体スイッチと機械式スイッチとを組み合わせたハイブリッドスイッチなどの高速切り替えが可能な切替スイッチを用いることができる。例えば半導体スイッチを用いた場合には、切替時間を２ｍ秒以下にすることができ、ゼロ点関係なく遮断することができる。また、ハイブリッドスイッチを用いた場合には、切替時間を２ｍ秒以下にすることができ、ゼロ点関係なく遮断できるだけでなく、通電損失をゼロにすることができる。なお、この切替スイッチ３は、制御部７により開閉制御される。

インピーダンス素子４は、前記電力線Ｌ１において切替スイッチ３に並列接続されたものであり、本実施形態では、限流リアクトルである。

解列スイッチ５は、電力線Ｌ１において分散型電源２よりも（ここでは切替スイッチ３よりも）商用電力系統１０側に設けられており、例えば機械式スイッチである。この解列スイッチ５は、制御部７により開閉制御される。

系統側電圧検出部６１は、電力線Ｌ１において切替スイッチ３よりも商用電力系統１０側の電圧を、計器用変圧器を介して検出するものである。具体的に系統側電圧検出部６１は、切替スイッチ３及びインピーダンス素子４からなる並列回路よりも商用電力系統１０側に計器用変圧器を介して接続されている。

系統異常検出部６２は、系統側電圧検出部６１により検出された検出電圧と、予め定められた第１整定値とを比較して、瞬時電圧低下や停電等の系統異常を検出する。具体的に系統異常検出部６２は、検出電圧が第１整定値を下回る場合に、瞬時電圧低下を検出する。また系統異常検出部６２は、検出電圧が第１整定値を下回っている状態の継続時間が所定値以上（瞬低継続時間よりも長い時間）である場合に停電を検出する。そして系統異常検出部６２は、瞬時電圧低下又は停電を検出した後、検出電圧が第１整定値以上となっている状態の継続時間が所定値以上となる場合に、商用電力系統１０の健全状態への復帰を検出する。

制御部７は、系統異常検出部６２からの信号に応じて切替スイッチ３及び解列スイッチ５の開閉状態を切り替え、電源システム１００の運転状態を切り替えるものである。

具体的に制御部７は、系統異常検出部６２により瞬時電圧低下が検出された場合、切替スイッチ３を開放する。そして、商用電力系統１０と分散型電源２及び重要負荷３０とをインピーダンス素子４を介して接続された状態として、分散型電源２による運転を継続し、重要負荷３０の電圧・周波数が安定するように充放電させ、潮流バランスを調整する。

また制御部７は、系統異常検出部６２により停電が検出された場合には、切替スイッチ３の開放に加えて更に解列スイッチ５を開放するとともに分散型電源２を自立運転させる。具体的には、制御部７は解列スイッチ５を開放し、解列スイッチ５が開放された状態で、分散型電源２は自立運転モードとなり重要負荷３０に給電する。

しかして本実施形態の電源システム１００は、開放停電時における切替スイッチ３の開閉ハンチングを防止するべく、商用電力系統１０の基本周波数とは異なる周波数の電流である非基本波電流を電力線Ｌ１に注入する非基本波電流注入手段８１と、注入された非基本電流の電圧値である非基本波電圧を検出する非基本波電圧検出部８２と、検出した非基本波電圧と所定の第２整定値とを比較する非基本波電圧監視部８３とを備えている。

非基本波電流注入手段８１は、電力線Ｌ１において切替スイッチ３よりも商用電力系統１０側に非基本波電流を注入するものである。具体的に非基本波電流注入手段８１は、切替スイッチ３及びインピーダンス素子４からなる並列回路よりも商用電力系統１０側に非基本波電流を常時注入する。この非基本波電流注入手段８１は、任意の周波数の電流を電力線Ｌ１に注入できるように構成された電流注入装置であり、本実施形態では、非基本波電流として次数間高調波電流を電力線Ｌ１に常時注入するものである。この次数間高調波とは、整数次高調波間に存在する非整数次の高調波であり、例えば２次から３次の間（例えば２．６次）の高調波である。

非基本波電圧検出部８２は、電力線Ｌ１において切替スイッチ３よりも商用電力系統１０側の非基本波電圧を、計器用変圧器を介して常時検出するものである。具体的に非基本波電圧検出部８２は、切替スイッチ３及びインピーダンス素子４からなる並列回路よりも商用電力系統１０側に計器用変圧器を介して接続されている。なお、非基本波電圧検出部８２は、注入された非基本波電流と同じ次数の高調波電圧を検出してもよいし、異なる次数の高調波電圧を検出するようにしてもよい。例えば、非基本波電流注入手段８１により２．６次の次数間高調波電流を注入し、非基本波電圧検出部８２は、２．２５次～２．７５次の範囲における所定の次数の高調波成分を検出するように構成されてもよい。

非基本波電圧監視部８３は、非基本波電圧検出部８２により検出された非基本波電圧と、予め定められた第２整定値とを比較して、非基本波電圧が第２整定値以下か否かを判定し、その判定結果を制御部７に出力する。

そして本実施形態では、制御部７は、瞬時電圧低下又は停電を検出した後、系統異常検出部６２の検出結果と、非基本波電圧監視部８３の判定結果とに基づいて、切替スイッチ３を再投入するように構成されている。具体的に制御部７は、系統異常検出部６２により系統異常の復帰が検出されており（すなわち、検出電圧が第１整定値以上となっている状態の継続時間が所定値以上となっている）、かつ非基本波電圧監視部８３により非基本波電圧が第２整定値以下と判定されている場合にのみ、切替スイッチ３を再投入するよう構成されている。すなわち、制御部７は、系統異常検出部６２による検出電圧が第１整定値以上となっていても、非基本波電圧監視部８３が検出した非基本波電圧が第２整定値超であれば、切替スイッチ３を再投入しないのである。

次に、本実施形態の電源システム１００の動作（常時運用時、瞬低時及び停電時）について説明する。

（１）常時運用時
系統異常検出部６２により系統異常が検出されていない場合、制御部７は切替スイッチ３及び解列スイッチ５を閉じている。この場合、分散型電源２及び重要負荷３０は切替スイッチ３を介して商用電力系統１０に接続されている。インピーダンス素子４は切替スイッチ３に並列接続されているが、インピーダンス値が低い切替スイッチ３側を電流が流れるため、商用電力系統１０と分散型電源２及び重要負荷３０とは、切替スイッチ３側で電力をやり取りする。分散型電源２による逆潮流によって、ピークカット・ピークオフを実現することができる。なおこの常時運用時では、非基本波電流注入手段８１により、電力線Ｌ１には非基本波電流が注入されている。

（２）瞬低発生時とその復電時
商用電力系統１０側で短絡事故（例えば三相短絡）が発生すると、商用電力系統１０側の電圧が低下する。この電圧低下は、系統側電圧検出部６１により検出される。制御部７は、系統側電圧検出部６１により検出された検出電圧が第１整定値未満の場合には、切替スイッチ３を開放する。この結果、切替スイッチ３に並列接続されたインピーダンス素子４が挿入されて、分散型電源２から商用電力系統１０側に流れる過電流を限流する形で逆潮流を維持して電力供給するとともに、重要負荷３０の供給電圧の電圧低下を防止する（重要負荷３０に対してＵＰＳ動作を行う）。前記切替スイッチ３を開放した後、前記検出電圧が前記第１整定値以上となり、かつ検出された前記非基本波電圧が予め定められた第２整定値以下となった場合に、前記切替スイッチ３を再投入する。

（３）系統電圧低下（系統停電などで発生）による解列時と解列後の動作
上記した瞬低を検出した後、系統側電圧検出部６１の検出電圧が所定の解列条件（すなわち、検出電圧が第１整定値を下回っている状態の継続時間が所定値以上となる）を満たす場合には、制御部７は解列スイッチ５を開放する。その結果、分散型電源２が商用電力系統１０から解列されて、自立運転モードとなる。なお、切替スイッチ３が既に開放されているため、解列スイッチ５は過電流なしで開放される。

（４）解列後からの系統健全復帰時（復電時）の動作
系統側電圧検出部６１による検出電圧が第１整定値以上となっている状態の継続時間が所定値以上となっており、かつ非基本波電圧検出部８２が検出した非基本波電圧が第２整定値以下となっている場合、制御部７は切替スイッチ３を再投入する。その後、系統側電圧検出部６１の検出電圧と電源側電圧検出部の検出電圧とにより同期検定条件が成立（分散型電源２の電圧の大きさ、周波数及び位相と商用電力系統１０の電圧の大きさ、周波数及び位相とが一致）した場合に、制御部７は解列スイッチ５を投入する。これにより、上述した（１）常時運用時の動作が再開される。

次に、本実施形態の電源システム１００による開放停電時の動作のシミュレーション結果を図２及び図３に示す。

図２は、開放停電時における切替スイッチ３の開放／投入状態、次数間高調波（２．６次）の注入電流［Ａ］、検出した次数間高調波（２．５次）の瞬時実効値［Ｖ］、開放停電判定信号、系統側電圧検出部６１が検出した系統電圧に基づく復電検出信号のそれぞれの時間変化を示している。また図３は、図２と同時刻における、系統側電圧検出部６１が検出した系統電圧Ｖ_ｒ［Ｖ］、系統電圧Ｖ_ｒの瞬時実効値［Ｖ］、切替スイッチ３の開放／投入状態、重要負荷電圧［Ｖ］のそれぞれの時間変化を示している。

図２及び図３に示すように、系統電圧の瞬時実効値が第１整定値を下回ると、切替スイッチ３が開放され、これにより次数間高調波の瞬時実効値が上昇して第２整定値（開放停電判定レベル）超となる。次数間高調波が第２整定値超となっている継続時間が所定の設定時間を超えると、開放停電判定信号がオンになる。なおこの設定時間は、（条件１）「瞬低の発生時と復帰時の過渡現象で開放停電が検出されない時間以上」であり、かつ（条件２）「開放停電発生時における次数間高調波の瞬時実効値の過渡現象が収束する時間以上」となるように設定されている。この開放停電判定信号は、その後の復電検出信号をマスクするようになり、系統電圧の瞬時実効値が第１整定値超となる時間が設定時間以上となっても、切替スイッチ３が再投入されることはない。これにより、開放停電発生時において、切替スイッチ３の開閉ハンチングが生じず、重要負荷電圧における過渡波形の発生が生じなくなることが分かる。

このように構成した本実施形態の電源システム１００によれば、電力線Ｌ１において分散型電源２よりも商用電力系統１０側に切替スイッチ３を設けるとともに、当該切替スイッチ３に対してインピーダンス素子４を並列接続しており、商用電力系統１０側の電圧が第１整定値を下回った場合に切替スイッチ３を開放するので、瞬低時においても分散型電源２及び重要負荷３０はインピーダンス素子４を介して商用電力系統１０に接続された状態となる。このように電源システム１００は、通常時及び瞬低時の何れであっても分散型電源２及び重要負荷３０を商用電力系統１０から切り離さないので、分散型電源２のＦＲＴ要件を満たしつつ、瞬低時における重要負荷３０への電圧低下を防止することができる。そして、切替スイッチ３を開放した後、検出した系統電圧が第１整定値以上になるとともに、注入した非基本波成分の電圧が第２整定値以下となっている場合に切替スイッチを再投入するようにしているので、例えば開放停電中のＬＣ直列共振により系統電圧が上昇した場合に、切替スイッチ３の再投入と再開放とが繰り返されるハンチングを防止でき、重要負荷３０への悪影響を防止できる。その結果、ＦＲＴ要件を満たしつつ、無停電電源機能及び負荷平準化機能を共通の分散型電源２を用いて両立する電源システム１００において、開放停電時における切替スイッチ３の開閉ハンチングの発生を防止できる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、他の実施形態の電源システム１００は、連系保護単独運転検出機能の能動的方式として次数間高調波注入方式（系統連系規定（ＪＥＡＣ９７０１－２０１６）を参照）を使用している場合には、その能動信号を共用するように構成されてもよい。

また、インピーダンス素子４としてコンデンサを用いても良いし、リアクトル、抵抗又はコンデンサの何れかを組み合わせたものであっても良い。

更に、前記実施形態の系統側電圧検出部６１は、系統連系用保護装置が備えるものであってもよい。系統連系規程に定められた系統連系用保護装置としては、例えば過電圧継電器（ＯＶＲ）、不足電圧継電器（ＵＶＲ）、短絡方向継電器（ＤＳＲ）、地絡過電圧継電器（ＯＶＧＲ）、過周波数継電器（ＯＦＲ）、不足周波数継電器（ＵＦＲ）、転送遮断装置等を挙げることができる。この場合、制御部７は、何れか１つの連係保護機器が動作した場合に、解列スイッチ５を開放することが考えられる。また、制御部７は、全ての系統連系用保護装置が不動作状態となり、且つ系統側電圧検出部６１の検出電圧及び電源側電圧検出部の検出電圧が同期検定条件を満たす場合に解列スイッチ５を投入することもできる。この構成であれば、連係保護機器が備える電圧検出部を用いているので、別途系統側電圧検出部を設ける必要がなく、装置構成を簡単にすることができる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・電源システム
１０・・・商用電力系統
３０・・・重要負荷
Ｌ１・・・電力線
２・・・分散型電源
３・・・切替スイッチ
４・・・インピーダンス素子
５・・・解列スイッチ
６１・・・系統側電圧検出部
６２・・・系統異常検出部
７・・・制御部
８１・・・非基本波電流注入手段
８２・・・非基本波電圧検出部
８３・・・非基本波電圧監視部

Claims

商用電力系統と重要負荷との間に設けられ、前記重要負荷に電力を供給する電源システムであって、
前記商用電力系統から前記重要負荷に給電するための電力線に接続された分散型電源と、
前記電力線において前記分散型電源よりも前記商用電力系統側に設けられ、前記電力線を開閉する切替スイッチと、
前記電力線において前記切替スイッチに並列接続されたインピーダンス素子と、
前記切替スイッチよりも前記商用電力系統側の系統電圧を検出する系統側電圧検出部と、
前記商用電力系統の基本周波数とは異なる周波数の電流である非基本波電流を前記電力線に注入する非基本波電流注入手段と、
前記切替スイッチよりも前記商用電力系統側における前記非基本波電流の電圧である非基本波電圧を検出する非基本波電圧検出部とを備え、
検出した前記系統電圧が予め定められた第１整定値を下回った場合に前記切替スイッチを開放し、前記分散型電源と前記商用電力系統とが前記インピーダンス素子を介して接続された状態で前記分散型電源を運転継続させ、
前記切替スイッチを開放した後、検出した前記系統電圧が前記第１整定値以上となり、かつ検出された前記非基本波電圧が予め定められた第２整定値以下となった場合に、前記切替スイッチを再投入するように構成された電源システム。
前記非基本波電流が次数間高調波電流である請求項１に記載の電源システム。
前記非基本波電流が、２次から３次の間の非整数次の高調波電流である請求項２に記載の電源システム。