JP5465051B2 - 単独運転判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用の交流電源等の基幹系統と連係して負荷装置に電力を供給する直流発電装置の単独運転を判定する単独運転判定装置に関する。

太陽電池を用いた太陽光発電装置や風力発電装置、水力発電装置、燃料電池型発電装置等の直流電力を発生させる直流発電装置は、一般に、インバータ等の逆変換装置により直流電力を交流電力に変換して、商用の交流電源等の基幹系統と連係させ、基幹系統の電力消費の低減等に利用されている。

この直流の発電装置と基幹系統との連係システムにおいては、基幹系統が停電した場合や、基幹系統の工事等のために基幹系統からの電力供給を遮断した場合等の基幹系統に電力遮断が生じた場合であっても、直流発電装置側から電力が供給され、保守員や工事関係者等が感電してしまう恐れがあるため、直流発電装置が単独運転であることを検出して、直流発電装置側から供給される電力を遮断する必要がある。

従来の単独運転判定装置は、交流電圧の電圧波形のゼロクロス点を起点として1周期分の周期Ｔａ（ｎ）を測定し、この周期Ｔａ（ｎ）と基準周期との差が所定の定数時間以上の場合は、周期Ｔａと半周期ずらして測定し記憶しておいた半周期前の周期Ｔｂ（ｎ−１）と基準周期との差が所定の定数時間以上のときに、単独運転と判定し、周期Ｔｂ（ｎ−１）と基準周期との差が所定の定数時間未満のときは、次の周期Ｔｂ（ｎ）と基準周期との差が所定の定数時間以上の場合に、単独運転と判定している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−２８６０６３号公報（段落００１７−００２４、第１図）

しかしながら、上述した従来の技術においては、ゼロクロス点を用いて測定した1周期分の時間を基に単独運転であるか否かを判定しているため、基幹系統の電力遮断後から単独運転の判定までに、速くてもゼロクロス点の通過後の1周期分、遅ければ１．５周期分の時間を要し、例えば、基幹系統の周波数が５０Ｈｚとすると、電力遮断から最初のゼロクロス点の通過までの時間を０秒としても、速くても２０ｍｓ、遅ければ３０ｍｓの時間遅れが生じるという問題がある。

このことは、人の感電事故に関しては大きな問題にはならないが、基幹系統から電力供給を受けている負荷装置（例えば、半導体製造装置）によっては、基幹系統の電力遮断時に生ずる急激な電圧変動や周波数変動によって負荷装置自体に故障が生ずる場合があり、問題になる。

また、ゼロクロス点を用いた単独運転判定の場合には、ノイズ等により電圧波形に乱れが生ずると、それによってゼロクロス点が発生する場合があり、一般には、ゼロクロス点による検出を複数回繰返すことによって誤検出を防止することが行われているが、単独運転判定までの時間遅れが更に大きくなってしまうことになる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、系統連係時の基幹系統の電力遮断後から単独運転の判定までの時間遅れを短くする手段を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、基幹系統と連係して逆変換装置によって変換した交流電力を負荷装置に供給する直流発電装置の単独運転を判定する単独運転判定装置において、前記逆変換装置からの交流電圧の電圧波形の周波数が変化した場合に、出力を変化後の周波数に収束させるときの収束速度が異なる２つの収束演算手段を設け、それぞれの前記収束演算手段の収束過程において、前記収束演算手段からそれぞれ出力される２つの出力値の差の絶対値が、所定の判定閾値を超えたときに、前記直流発電装置の単独運転を判定することを特徴とする。

これにより、本発明は、ゼロクロス点の通過を待たずに、変化直後から単独運転の判定動作を行うことができ、基幹系統の電力遮断後から単独運転の判定までの時間遅れを短くして、基幹系統から電力供給を受けている負荷装置の故障を防止することができるという効果が得られる。

実施例１の系統連係システムを示す説明図 実施例１の変換電圧および算出角の波形を示す説明図 実施例１の単独運転判定動作を示す概念図 実施例１の単独運転判定処理を示すフローチャート 実施例２の系統連係システムを示す説明図 実施例２の単独運転判定処理を示すフローチャート

以下に、図面を参照して本発明による単独運転判定装置の実施例について説明する。

図１において、１は系統連係システムの基幹系統であり、一般住宅や工場等の施設に設置された機械装置や製造装置等の負荷装置に電力を供給する電力供給系統であって、本実施例では商用の３相交流電力を供給する系統である。

２は発電装置としての直流発電装置であり、太陽光発電装置や風力発電装置、水力発電装置、燃料電池型発電装置等の直流電力を発生させる発電装置であって、基幹系統と連係して電力を供給する電力源である。

３はインバータ等の逆変換装置であり、基幹系統１と直流発電装置２との間に配置された、直流電力から交流電力を電気的に発生させる電力変換装置であって、直流電圧を３相交流の正弦波からなる交流電圧波形に変換して出力する機能を有している。

５は単独運転判定装置であり、直流発電装置２の単独運転を判定するための装置であって、以下の構成を備えている。

６は単独運転判定装置５の制御部であり、単独運転判定装置５内の各部を制御して、単独運転判定処理等を実行する機能を有している。

７は記憶部であり、制御部６が実行するプログラムやそれに用いる各種のデータおよび制御部６による処理結果等が格納される。

８は変換電圧算出手段であり、インタフェース部９を介して逆変換装置３から基幹系統１に至る３相交流の各電力線から取得した位相差１２０度の各相の電圧波形の入力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗから、位相差９０度の２相の変換電圧Ｖα、Ｖβを算出し、この変換電圧Ｖα、Ｖβから求められる算出角θを算出する機能を有するソフトウェアと制御部６により形成される機能手段である。

１１は第１の収束演算手段であり、変換電圧算出手段８で算出された算出角θが変化した場合に、この変化後の算出角θを入力として（変化後の算出角θを入力角θ１という。）、ＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｐｌｕｓ Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御の演算手法によって、変化した周波数に同期させた算出角θに収束させて出力（出力する算出角θを出力角θ２という。）する機能を有するソフトウェアと制御部６により形成される機能手段である。

１２は第２の収束演算手段であり、第１の収束演算手段１１と同様の機能を有する収束演算手段であって、入力角θ１を入力として、ＰＩ制御の演算手法によって、変化した周波数に同期させた出力角θ３を出力する機能を有するソフトウェアと制御部６により形成される機能手段である。

本実施例の第１および第２の収束演算手段１１、１２は同様の機能を有する収束演算手段であるが、出力角θ２、θ３を変化後の入力角θ１に収束させるときの収束速度が異なっており、第１の収束演算手段１１によって出力角θ２を出力させる場合の収束速度は、第２の収束演算手段１２によって出力角θ３を出力させる場合の収束速度に較べて速くなるように形成されている。

１３は単独運転判定手段であり、２つの出力角θ２、θ３の収束過程における出力角θ２と出力角θ３との間の差の角度θ４（＝θ２−θ３）の絶対値を、単独運転を判定するために設定した判定閾値θ_Ａと比較して、差の角度θ４が判定閾値θ_Ａ以下の場合に、直流発電装置２が基幹系統１と連係中であると判定し、差の角度θ４が判定閾値θ_Ａを超えた場合に、直流発電装置２が単独運転状態であると判定し、単独運転状態であると判定したときに、その単独運転判定信号を出力部１４によって外部に出力する機能を有するソフトウェアと制御部６により形成される機能手段である。

以下に、図２、図３を用いて本実施例の単独運転の判定方法について説明する。

本実施例の基幹系統１は３相交流であるので、その電圧波形は非線形であり取扱が容易でないため、電圧波形を線形として取扱うことが可能な算出角θの波形に変換する。

このため、まず３相交流の位相差１２０度の各相の電圧波形の入力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを、位相差９０度の２相の変換電圧Ｖα、Ｖβに次式によって変換する。

この変換電圧Ｖα、Ｖβは、図２（ａ）に示すように、位相差が９０度（＝π／２）の三角関数曲線であるので、時間ｔ（単位：秒）におけるＶα、Ｖβは、次式に置換えることができる。

Ｖα（ｔ）＝Ｖｃｏｓ（ωｔ）
Ｖβ（ｔ）＝Ｖｃｏｓ（ωｔ＋π／２）＝Ｖｓｉｎ（ωｔ） ・・・・（２）
ここに、ωは角周波数（ｒａｄ／秒）、Ｖは入力電圧のピーク電圧である。

この２つの変換電圧Ｖα、Ｖβから算出される時間ｔにおける角度を算出角θ（ｔ）（単位：度）を
θ（ｔ）＝ｔａｎ^−１｛Ｖβ（ｔ）／Ｖα（ｔ）｝ ・・・・・・・・・（３）
と定義し、
０ ≦ ωｔ ＜ π／４のとき
θ（ｔ）＝ｔａｎ^−１｛Ｖβ（ｔ）／Ｖα（ｔ）｝ ・・・・・・・・・（３ａ）
π／４ ≦ ωｔ ＜ ３π／４のとき
θ（ｔ）＝ｔａｎ^−１｛Ｖβ（ｔ）／Ｖα（ｔ）｝＋１８０ ・・・・・（３ｂ）
３π／４ ≦ ωｔ ＜ ２πのとき
θ（ｔ）＝ｔａｎ^−１｛Ｖβ（ｔ）／Ｖα（ｔ）｝＋３６０ ・・・・・（３ｃ）
として算出角θを算出すると、基幹系統１が正常な場合における算出角θの変化は、図２（ｂ）に示すように、時間ｔの経過に伴って１周期で単調に増加する鋸歯状になり、非線形な３相交流の電圧波形を、線形として取扱うことが可能な算出角θの波形に置換えることができる。

この単調増加における算出角θの変化は、ｎ回目のサンプリング時における時間をｔ_ｎとし、そのときの算出角をθ（ｎ）、次のサンプリング時ｎ＋１における時間をｔ_ｎ＋１とし、そのときの算出角をθ（ｎ＋１）とすると、角度変化量ΔＨ（単位：度）は、
ΔＨ＝θ（ｎ＋１）−θ（ｎ）＝θ（ｔ_ｎ＋１）−θ（ｔ_ｎ） ・・・・・（４）
で算出され、基幹系統１が正常な場合、角度変化量ΔＨは、各サンプリング間隔で同じ値になり（図２（ｂ）参照）、一定値（コンスタント）として取扱うことが可能になる。

本実施例の単独運転判定は、基幹系統１に電力遮断が生じ、直流発電装置２から逆変換装置３によって供給される交流電力の周波数が変化した場合に、それに伴って変化する算出角θの変化後の算出角である入力角θ１を入力とし、ＰＩ制御の演算手法によって、変化した周波数に同期させた算出角である出力角を出力させ、その出力角を、入力角θ１に収束させるときの収束速度を２通りに設定し、２つの出力角の収束過程における出力角間の差の角度θ４の大小によって、直流発電装置２が単独運転であるか否かを判定するものである。

本実施例では、これら２つの出力角を、入力角θ１に収束させるときの収束計算をＰＩ制御の演算手法を用いて行っている。

すなわち、入力角θ１に収束していくときの収束速度が速い場合の出力角をθ２とすると、変化直後のサンプリング時ｎにおける入力角θ１と出力角θ２との間の偏差θｅ１は、
θｅ１（ｎ）＝θ１（ｎ）−θ２（ｎ−１） ・・・・・・・・・・（５ａ）
で算出される。

また、サンプリング時ｎにおける制御量Ｕ１（ｎ）は、次式で算出される。

Ｕ１（ｎ）＝Ｕｐ１（ｎ）＋Ｕｉ１（ｎ） ・・・・・・・・・・・（６ａ）
ここに、比例項：Ｕｐ１（ｎ）＝Ｋｐ１×θｅ１（ｎ）
積分項：Ｕｉ１（ｎ）＝Ｕｉ１（ｎ−１）＋Ｋｉ１×θｅ１（ｎ）
Ｋｐ１は比例係数、Ｋｉ１は積分係数である。

なお、Ｕｉ１（ｎ）の初期値Ｕｉ１（０）は、Ｋｉ１×θｅ１（０）であり、最初は基幹系統１に接続されているため、θｅ１（０）＝０であるので、Ｕｉ１（０）は「０」である。

式（６ａ）によって求められた制御量Ｕ１（ｎ）から出力角θ２を算出する場合は、
θ２（ｎ）＝Ｕ１（ｎ）＋ΔＨ ・・・・・・・・・・・・・・・・（７ａ）
により算出する。

出力角θ２を算出する場合に、上記式（４）で示した角度変化量ΔＨを加算するのは、本実施例の単独運転の判定対象は交流であり、入力角θ１は、上記式（３ａ）〜式（３ｃ）、図２（ｂ）に示したように、次のサンプリング時ｎ＋１までの時間経過に伴って変化してしまうので、それを補正してサンプリング時ｎ＋１におけるθ１（ｎ＋１）とθ２（ｎ）との間の偏差θｅ１（ｎ＋１）を適正にするためである。

なお、式（７ａ）で加算する角度変化量ΔＨは、基幹系統１の基準となる系統周波数（例えば、５０Ｈｚ）を基に算出された角度変化量である。

このようにして、サンプリング周期毎に制御量Ｕ１を算出し、出力角θ２を入力角θ１に順次に収束させていく。

なお、基幹系統１が正常な場合は、Ｕ１は「０」になり、角度変化量ΔＨで補正した出力角θ２（ｎ）は、ｎ＋１回目の入力角θ１（ｎ＋１）と一致するので、偏差θｅ１は「０」となって入力角θ１と出力角θ２は同じ値で安定して推移する。

一方、入力角θ１に収束していく収束速度が遅い場合の出力角をθ３とすると、変化直後のサンプリング時ｎにおける入力角θ１と出力角θ３との間の偏差θｅ２は、上記と同様に、
θｅ２（ｎ）＝θ１（ｎ）−θ３（ｎ−１） ・・・・・・・・・・（５ｂ）
で算出される。

また、サンプリング時ｎにおける制御量Ｕ２（ｎ）は、次式で算出される。

Ｕ２（ｎ）＝Ｕｐ２（ｎ）＋Ｕｉ２（ｎ） ・・・・・・・・・・・（６ｂ）
ここに、比例項：Ｕｐ２（ｎ）＝Ｋｐ２×θｅ２（ｎ）
積分項：Ｕｉ２（ｎ）＝Ｕｉ２（ｎ−１）＋Ｋｉ２×θｅ２（ｎ）
Ｋｐ２は比例係数、Ｋｉ２は積分係数
なお、Ｕｉ２（ｎ）の初期値Ｕｉ２（０）は、上記と同様「０」である。

式（６ｂ）によって求められた制御量Ｕ２（ｎ）から出力角θ３を算出する場合は、
θ３（ｎ）＝Ｕ２（ｎ）＋ΔＨ ・・・・・・・・・・・・・・・・（７ｂ）
により算出する。出力角θ２を算出する場合に、角度変化量ΔＨを加算するのは、上記と同様の理由による。

このようにして、サンプリング周期毎に制御量Ｕ２を算出し、出力角θ３を入力角θ１に順次に収束させていく。

上記した出力角θ２、θ３を、入力角θ１に収束させていくときの収束速度の変更は、比例係数Ｋｐ１、Ｋｐ２と積分係数Ｋｉ１、Ｋｉ２との各係数の値を変更して行う。

すなわち、比例係数Ｋｐ１、Ｋｐ２を大きくすると、比例項Ｕｐ１、Ｕｐ２が大きくなり、瞬間的な周波数の変化に対する収束速度が速くなる。また、積分係数Ｋｉ１、Ｋｉ２を大きくすると、積分項Ｕｉ１、Ｕｉ２が大きくなり、サンプリング回数の経過、つまり時間ｔの経過に伴って累積された偏差による収束速度が速くなる。

本実施例では、出力角θ２を出力させる場合の収束速度を、出力角θ３を出力させる場合に較べて速くするために、Ｋｐ１＞Ｋｐ２、Ｋｉ１＞Ｋｉ２として、出力角θ２、θ３が、それぞれ入力角θ１に収束していくときの収束速度を２通りに設定しており、図３に示すように、出力角θ２は、サンプリング回数の経過に伴って速く収束し、出力角θ３は、サンプリング回数の経過に伴って緩やかに収束する。

この収束過程における出力角θ２とθ３との間の差の角度θ４（＝θ２−θ３）の絶対値を、単独運転を判定するために設定した判定閾値θ_Ａと比較し、θ４＞θ_Ａになったときに、直流発電装置２が単独運転状態であると判定する。

この場合の判定閾値θ_Ａは、基幹系統１のインピーダンス等の環境に依存するが、通常は、３度以上、８度以下の範囲で設定される。

以下に、図４にＳで示すステップに従って、本実施例の単独運転の判定方法を具現化するための単独運転判定装置５による単独運転判定処理について説明する。

なお、本実施例の単独運転判定装置５の記憶部７には、単独運転判定処理を実行するために、比例係数Ｋｐ１、Ｋｐ２と積分係数Ｋｉ１、Ｋｉ２、および判定閾値θ_Ａが予め設定されて格納されている。

また、本実施例のサンプリング周期は２０ｋＨｚに設定され、そのサンプリング間隔５０μｓの間に入力角θ１が変化する角度変化量ΔＨが、基幹系統１の基準となる系統周波数（本実施例では、５０Ｈｚ）を基に算出され格納されている。

Ｓ１：単独運転判定装置５の制御部６は、その時計機能によって現在時間を認識しながらサンプリング時間の到来を待って待機しており、サンプリング時間が到来したときに、ステップＳ２へ移行する。サンプリング時間でない場合は、前記の待機を継続する。

Ｓ２：サンプリング時間の到来を判定した制御部６は、変換電圧算出手段８によって、インタフェース部９を介して逆変換装置３から出力されている３相交流の各相の電圧波形の入力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを取得する。

Ｓ３：３相交流の各相の入力電圧を取得した制御部６は、上記した式（１）によって、取得した入力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗから、位相差９０度の２相の変換電圧Ｖα、Ｖβを算出する。

Ｓ４：変換電圧Ｖα、Ｖβを算出した制御部６は、上記した式（３ａ）〜式（３ｃ）によって、認識した現在時間ｔにおける算出角θ（ｔ）を算出し、この算出角θ（ｔ）を今回のサンプリング時ｎにおける入力角θ１（ｎ）として、第１および第２の収束演算手段１１、１２へ入力し、並行処理により、第１の収束演算手段１１、および第２の収束演算手段１２による収束計算を開始し、ステップＳ５およびＳ８へ移行する。

なお、上記ステップＳ２〜Ｓ４の作動は、変換電圧算出手段８によって実行される。

Ｓ５：入力角θ１（ｎ）を算出した制御部６は、並行処理により、第１の収束演算手段１１による収束計算を開始するために、記憶部７に保存されている前回の出力角θ２（ｎ−１）を読出し（ステップＳ７参照）、上記した式（５ａ）によって、入力角θ１（ｎ）と出力角θ２（ｎ−１）との間の偏差θｅ１（ｎ）を算出する。

Ｓ６：偏差θｅ１（ｎ）を算出した制御部６は、記憶部７に格納されている比例係数Ｋｐ１と積分係数Ｋｉ１、および保存されている前回の積分項Ｕｉ１（ｎ−１）を読出し、上記した式（６ａ）によって、比例項Ｕｐ１（ｎ）、積分項Ｕｉ１（ｎ）を算出して今回のサンプリング時ｎにおける制御量Ｕ１（ｎ）を算出し、算出した積分項Ｕｉ１（ｎ）を記憶部７に保存してステップＳ７へ移行する。

Ｓ７：制御量Ｕ１（ｎ）を算出した制御部６は、上記した式（７ａ）によって、今回のサンプリング時ｎにおける出力角θ２（ｎ）を算出し、算出した出力角θ２（ｎ）を記憶部７に保存すると共に、その出力角θ２（ｎ）を単独運転判定手段１３へ入力してステップＳ１１へ移行する。

Ｓ８：一方、上記ステップＳ４から移行した制御部６は、並行処理により、第２の収束演算手段１２による収束計算を開始するために、記憶部７に保存されている前回の出力角θ３（ｎ−１）を読出し（ステップＳ１０参照）、上記した式（５ｂ）によって、入力角θ１（ｎ）と出力角θ３（ｎ−１）との間の偏差θｅ２（ｎ）を算出する。

Ｓ９：偏差θｅ２（ｎ）を算出した制御部６は、記憶部７に格納されている比例係数Ｋｐ２と積分係数Ｋｉ２、および保存されている前回の積分項Ｕｉ２（ｎ−１）を読出し、上記した式（６ｂ）によって、比例項Ｕｐ２（ｎ）、積分項Ｕｉ２（ｎ）を算出して今回のサンプリング時ｎにおける制御量Ｕ２（ｎ）を算出し、算出した積分項Ｕｉ２（ｎ）を記憶部７に保存してステップＳ１０へ移行する。

Ｓ１０：制御量Ｕ２（ｎ）を算出した制御部６は、上記した式（７ｂ）によって、今回のサンプリング時ｎにおける出力角θ３（ｎ）を算出し、算出した出力角θ３（ｎ）を記憶部７に保存すると共に、その出力角θ３（ｎ）を単独運転判定手段１３へ入力してステップＳ１１へ移行する。

Ｓ１１：ステップＳ７およびＳ１０から移行した制御部６は、単独運転判定手段１３によって、第１の収束演算手段１１によって算出された出力角θ２（ｎ）から、第２の収束演算手段１２によって算出された出力角θ３（ｎ）を減じて、今回のサンプリング時ｎにおける差の角度θ４を算出する。

Ｓ１２：今回のサンプリング時ｎにおける差の角度θ４を算出した制御部６は、記憶部７に格納されている判定閾値θ_Ａを読出し、差の角度θ４の絶対値と、読出した判定閾値θ_Ａとを比較し、差の角度θ４が判定閾値θ_Ａ以下の場合は、直流発電装置２が基幹系統１と連係中であると判定してステップＳ１４へ移行する。

差の角度θ４が判定閾値θ_Ａを超えている場合は、直流発電装置２が単独運転状態であると判定してステップＳ１３へ移行する。

Ｓ１３：直流発電装置２が単独運転状態であると判定した制御部６は、その単独運転判定信号を出力部１４により外部に出力してステップＳ１４へ移行する。

なお、上記ステップＳ１１〜Ｓ１３の作動は、単独運転判定手段１３によって実行される。

また、単独運転判定信号を受付けた直流発電装置２の図示しない制御装置は、即時に直流発電装置２の稼動を停止させる。

Ｓ１４：制御部６は、単独運転判定装置５への電源の供給の有無により、サンプリングの継続の要否を判定し、単独運転判定装置５へ電源が供給されている場合は、サンプリングの継続が必要と判定してステップＳ１へ戻り、次回のサンプリング時間の到来を待って待機する。単独運転判定装置５への電源が遮断された場合は、単独運転判定処理を終了させる。

このようにして、本実施例の単独運転判定処理が実行される。

上記のように、本実施例の単独運転判定処理においては、基幹系統１が正常に電力を供給している場合は、その電圧の周波数は、ほとんど変化しないため、出力角θ２と出力角θ３とが、ほぼ一致した状態になり、差の角度θ４が判定閾値θ_Ａを超えることはなく、系統連係時の運転状態が直流発電装置２の単独運転と判定されることはない。

しかし、基幹系統１に電力遮断が生じ、直流発電装置２が単独運転になると、そこから逆変換装置３によって供給される交流電圧の周波数が瞬間的に変化し、変化した周波数に収束していくときの収束過程における出力角θ２と出力角θ３との差の角度θ４が徐々に大きくなり（図３参照）、差の角度θ４が判定閾値θ_Ａを超えたときに、系統連係時の直流発電装置２の運転状態が単独運転と判定される。

この場合に、サンプリング周期が短いほど単独運転検知が速くなり、周波数の変化の程度、比例係数Ｋｐ１、Ｋｐ２と積分係数Ｋｉ１、Ｋｉ２の設定にもよるが、例えばサンプリング周期を２０ｋＨｚとしたときは、３〜４周期目で単独運転が検知され、停電後、１５０〜２００μｓ程度の時間の経過後に単独運転の判定が可能になる。

このように、本実施例の単独運転判定処理においては、３相交流電圧の電圧波形を算出角θによって線形に置換え、その交流電圧の周波数が瞬間的に変化したときに、変化後の算出角θを入力角θ１として、出力角を変化後の入力角θ１に収束させるときの収束速度を２通りに設定しておき、それぞれの収束過程における２つの出力角θ２、θ３間の差の角度θ４が所定の判定閾値θ_Ａを超えたときに、直流発電装置２の単独運転を判定するので、ゼロクロス点の通過を待たずに、変化直後から単独運転の判定動作を行うことができ、基幹系統１の電力遮断後から単独運転の判定までの時間遅れを短くして、基幹系統１から電力供給を受けている負荷装置の故障を防止することができる。

このことは、基幹系統の周波数とは独立に設定できるサンプリング間隔を短くすれば、更に単独運転の判定までの時間遅れを短くすることが可能になり、特に有効である。

また、ノイズにより交流電圧の電圧波形に乱れが生じたとしても、本実施例では積分項を用いて収束させているので、ノイズによる影響を軽減することができる。

以上説明したように、本実施例では、逆変換装置からの交流電圧の電圧波形の周波数が変化した場合に、出力を変化後の周波数に収束させるときの収束速度が異なる２つの収束演算手段を設け、それぞれの収束演算手段の収束過程において、収束演算手段からそれぞれ出力される２つの出力値の差の絶対値が所定の判定閾値を超えたときに直流発電装置の単独運転を判定するようにしたことによって、ゼロクロス点の通過を待たずに、変化直後から単独運転の判定動作を行うことができ、基幹系統の電力遮断後から単独運転の判定までの時間遅れを短くして、基幹系統から電力供給を受けている負荷装置の故障を防止することができる。

以下に、図５、図６を用いて本実施例の単独運転判定処理について説明する。

なお、上記実施例１と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。

図５において、２１は系統連係システムの基幹系統であり、施設に設置された負荷装置に電力を供給する電力供給系統であって、本実施例では商用の単相交流電力を供給する系統である。

２２はインバータ等の逆変換装置であり、基幹系統２１と直流発電装置２との間に配置された、直流電力から交流電力を電気的に発生させる電力変換装置であって、直流電圧を単相交流の正弦波からなる交流電圧波形に変換して出力する機能を有している。

２３は変換電圧算出手段であり、インタフェース部９を介して逆変換装置２２から基幹系統２１に至る単相交流の電力線から取得した単相交流の電圧波形の入力電圧Ｖｓに対して、９０度位相を遅らせた２相の変換電圧Ｖα、Ｖβを算出し、この変換電圧Ｖα、Ｖβから求められる算出角θを算出する機能を有するソフトウェアと制御部６により形成される機能手段である。

以下に、本実施例の単独運転の判定方法について説明する。

本実施例の基幹系統２１は単相交流であるので、その電圧波形は非線形であり取扱が容易でないため、電圧波形を線形として取扱うことが可能な算出角の波形に変換する。

このため、まず単相交流の電圧波形の入力電圧Ｖｓに対して、９０度位相を遅らせるための遅延時間ｔｓ（単位：秒）を、系統周波数（本実施例では５０Ｈｚ）を用いて、次式により算出する。

ｔｓ＝１／（系統周波数×４） ・・・・・・・・・・・・・・・・（８）
そして、位相差９０度の２相の変換電圧Ｖα、Ｖβを次式によって算出する。

Ｖα（ｔ）＝Ｖｓ＝Ｖｃｏｓ（ωｔ）
Ｖβ（ｔ）＝Ｖｃｏｓ｛ω（ｔ＋ｔｓ）｝＝Ｖｓｉｎ（ωｔ） ・・・（９）
この２つの変換電圧Ｖα、Ｖβから算出される時間ｔにおける角度を算出角θ（ｔ）と定義し、上記実施例１の式（３ａ）〜式（３ｃ）によって、算出角θ（ｔ）を算出する。

その後の式（４）〜式（７）等による単独運転の判定方法は、上記実施例１と同等であるので、その説明を省略する。

以下に、図６にＳＡで示すステップに従って、本実施例の単独運転の判定方法を具現化するための単独運転判定装置５による単独運転判定処理について説明する。

なお、本実施例の単独運転判定装置５の記憶部７には、上記実施例１と同様の、比例係数Ｋｐ１、Ｋｐ２、積分係数Ｋｉ１、Ｋｉ２、判定閾値θ_Ａ、角度変化量ΔＨが格納されている。

ＳＡ１：単独運転判定装置５の制御部６は、その時計機能によって現在時間を認識しながらサンプリング時間の到来を待って待機しており、サンプリング時間が到来したときに、ステップＳＡ２へ移行する。サンプリング時間でない場合は、前記の待機を継続する。

ＳＡ２：サンプリング時間の到来を判定した制御部６は、変換電圧算出手段２３によって、インタフェース部９を介して逆変換装置２２から出力されている単相交流の電圧波形の入力電圧Ｖｓを取得する。

ＳＡ３：単相交流の入力電圧を取得した制御部６は、上記した式（８）によって、遅延時間ｔｓを算出し、式（９）によって、位相差９０度の２相の変換電圧Ｖα、Ｖβを算出する。

その後のステップＳＡ４〜ＳＡ１４の作動は、上記実施例１のステップＳ４〜Ｓ１４の作動と同様であるので、その説明を省略する。

このように、本実施例の単独運転判定処理においては、単相交流電圧の電圧波形を算出角θによって線形に置換え、その交流電圧の周波数が瞬間的に変化したときに、変化後の算出角θを入力角θ１として、出力角を変化後の入力角θ１に収束させるときの収束速度を２通りに設定しておき、それぞれの収束過程における２つの出力角θ２、θ３間の差の角度θ４が所定の判定閾値θ_Ａを超えたときに、直流発電装置２の単独運転を判定するので、ゼロクロス点の通過を待たずに、変化直後から単独運転の判定動作を行うことができ、基幹系統１の電力遮断後から単独運転の判定までの時間遅れを短くして、基幹系統１からの電力供給を受けている負荷装置の故障を防止することができる。

以上説明したように、本実施例では、基幹系統を単相交流とした場合においても、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、上記各実施例においては、変換電圧算出部、第１および第２の収束演算手段、単独運転判定手段は、ソフトウェアにより形成される機能手段であるとして説明したが、前記各手段を電気回路により形成しても、上記と同様の効果を得ることができる。

また、出力部から出力される単独運転判定信号は、直流発電装置の制御装置へ向けて出力するとして説明したが、前記に加えて非常用発電装置の制御装置へ向けて出力するようにしてもよい。これにより非常用発電装置の即時の起動が可能になり、負荷装置等による生産活動を迅速に復旧させることができる。

１、２１ 基幹系統
２ 直流発電装置
３、２２ 逆変換装置
５ 単独運転判定処理
６ 制御部
７ 記憶部
８、２３ 変換電圧算出部
９ インタフェース部
１１ 第１の収束演算手段
１２ 第２の収束演算手段
１３ 単独運転判定手段
１４ 出力部

Claims (7)

1. 基幹系統と連係して、逆変換装置によって変換した交流電力を負荷装置に供給する直流発電装置の単独運転を判定する単独運転判定装置において、
   前記逆変換装置からの交流電圧の電圧波形の周波数が変化した場合に、出力を変化後の周波数に収束させるときの収束速度が異なる２つの収束演算手段を設け、
   それぞれの前記収束演算手段の収束過程において、前記収束演算手段からそれぞれ出力される２つの出力値の差の絶対値が、所定の判定閾値を超えたときに、前記直流発電装置の単独運転を判定することを特徴とする単独運転判定装置。
2. 請求項１において、
   前記交流電圧の電圧波形を、交流電圧の電圧波形から算出した算出角によって線形に置換え、前記周波数の変化を前記算出角の変化としたことを特徴とする単独運転判定装置。
3. 基幹系統と連係して、逆変換装置によって変換した交流電力を負荷装置に供給する直流発電装置の単独運転を判定する単独運転判定装置において、
   前記逆変換装置からの交流電圧の電圧波形から入力電圧を取得する手段と、
   前記取得した入力電圧を基に、位相が９０度異なる２つの変換電圧を算出する手段と、
   前記２つの変換電圧から、線形として取扱うことが可能な算出角を算出する手段と、
   前記逆変換装置からの交流電圧の電圧波形の周波数の変化に伴って前記算出角が変化した場合に、変化後の算出角である入力角に、算出した出力角を収束させるときの収束速度が速い第１の収束演算手段と、
   前記算出角が変化した場合に、変化後の算出角である入力角に、算出した出力角を収束させるときの収束速度が遅い第２の収束演算手段と、
   前記第１および第２の収束演算手段の収束過程において、前記第１および第２の収束演算手段からそれぞれ出力される２つの出力角の差の角度の絶対値が、所定の判定閾値を超えたときに、前記直流発電装置の単独運転を判定する手段とを備えることを特徴とする単独運転判定装置。
4. 請求項３において、
   前記出力角を算出するときに、制御量に、前記基幹系統の基準周波数を基に算出した、サンプリング間隔に相当する算出角の角度変化量を加えて算出することを特徴とする単独運転判定装置。
5. 請求項４において、
   前記制御量を、ＰＩ制御の演算手法によって算出することを特徴とする単独運転判定装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
   前記基幹系統は、３相交流であることを特徴とする単独運転判定装置。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項において、
   前記基幹系統は、単相交流であることを特徴とする単独運転判定装置。

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