JP5501742B2 - 分散型電源系統連系装置 - Google Patents

Description

この発明は、分散型電源と電力系統とを連系リアクトルによって接続する分散型電源系統連系装置に関する。

従来から、分散型電源と電力系統とを連系リアクトルで接続し、この連系リアクトルに開閉スイッチを並列接続した系統連系装置が知られている（特許文献１参照）。

かかる系統連系装置は、負荷に印加される電圧を検出する電圧検出器と、この電圧検出器が検出する電圧に基づいて開閉スイッチの開閉と分散型電源を制御する制御回路等とを備えている。

制御回路は、逆潮流などにより連系点の電圧が管理値を逸脱した場合、開閉スイッチを開成することにより、分散型電源が行う遅相無効電力の消費による電圧上昇の抑制効果を高めるようにしたものである。

特許第３９６２３１８号公報

しかしながら、このような系統連系装置にあっては、分散型電源側の負荷（一般需要家の負荷）の中には異常に大きな高調波電流を流して電圧を歪ます場合があり、このような場合、高調波電流が系統連系装置を介して電力系統側へ流れていき、その系統連系装置で電圧降下が発生することにより、負荷側の電圧波形を歪ませてしまうという問題があった。

この発明の目的は、負荷側の電圧波形の歪みの発生を防止することのできる分散型電源系統連系装置を提供することにある。

請求項１の発明は、分散型電源と電力系統とを連系リアクトルを介して接続し、前記連系リアクトルに並列接続された開閉スイッチを備えた分散型電源系統連系装置であって、
前記連系リアクトルに高調波電流用のバイパス回路を並列接続したことを特徴とする。

この発明によれば、連系リアクトルに高調波電流用のバイパス回路を並列接続したものであるから、分散型電源側に接続された負荷の高調波電流がバイパス回路を通って電力系統側へ流れていくため、そのバイパス回路での高調波電流に対する電圧降下は僅かであり、このため負荷側の電圧波形の歪みの発生を防止することができる。

この発明に係る分散型電源系統連系装置の構成を示した回路図である。 分散型電源系統連系装置のバイパス回路の基本構成を示した回路図である。 分散型電源系統連系装置のバイパス回路の構成を具体的に示した回路図である。 バイパス回路などのインピーダンスを示したグラフである。 バイパス回路の構成を示した説明図である。 一方の直流コンデンサの電圧を示したグラフである。 他方の直流コンデンサの電圧を示したグラフである。 両直流コンデンサに印加する電圧を示したグラフである。 第２実施例の高調波バイパス回路の構成を示した回路図である。

以下、この発明に係る分散型電源系統連系装置の実施の形態である実施例を図面に基づいて説明する。

［第１実施例］
図１に示す分散型電源系統連系装置１０は、電力系統Ａと分散型電源側Ｂとを接続した連系リアクトル１１と、この連系リアクトル１１に並列接続された開閉スイッチＳと、連系リアクトル１１に並列接続された高調波電流用のバイパス回路（高調波バイパス回路）２０と、電力系統側から供給される電圧を検出する電圧検出器１３と、例えば太陽光発電などの分散型電源１４と、電圧検出器１３が検出する電圧に基づいて開閉スイッチＳの開閉と分散型電源１４のインバータ（図示せず）の無効電力を制御する制御回路１５等とを備えている。１６は電力系統Ａの商用電源であり、柱上変圧器（図示せず）の低圧側から引き込み線を介して需要家へ電力を供給する電源を示す。

高調波バイパス回路２０は、図２Ａに示すように、交流用コンデンサＣ０で構成され、連系リアクトル１１に並列接続されている。

また、高調波バイパス回路の小型化を図るために、高調波バイパス回路２０は、図２に示すように、極性を互いに逆にして直列接続した一対の直流用コンデンサＣ１,Ｃ２と、各直流用コンデンサＣ１,Ｃ２に並列接続された一対のダイオードＤ１,Ｄ２とを備えている。

直流用コンデンサＣ１,Ｃ２は、例えば電解コンデンサや電気二重層などの直流用のコンデンサであり、直流用コンデンサＣ１の陰極となるマイナス端子と直流用コンデンサＣ２の陰極となるマイナス端子とが接続され、直流用コンデンサＣ１の陽極となるプラス端子が連系リアクトル１１の一端（電力系統側）に接続され、直流用コンデンサＣ２の陽極となるプラス端子が連系リアクトル１１の他端（負荷１２側）に接続されている。

そして、ダイオードＤ１のカソードが直流用コンデンサＣ１のプラス端子に接続され、ダイオードＤ１のアノードが直流用コンデンサＣ１のマイナス端子に接続されている。同様に、ダイオードＤ２のカソードが直流用コンデンサＣ２のプラス端子に接続され、ダイオードＤ２のアノードが直流用コンデンサＣ２のマイナス端子に接続されている。

直流用コンデンサＣ１,Ｃ２の容量は、このコンデンサＣ１,Ｃ２を直列接続した場合の容量が商用周波数の偶数倍付近の周波数で連系リアクトル１１とで共振するように設定されている。
［動 作］
次に、上記のように構成される分散型電源系統連系装置１０の動作について説明する。

分散型電源１４で発電が行われると、この分散型電源１４から一般負荷１２に電力が供給される。この分散型電源１４から供給される電力が負荷１２で消費される電力より小さい場合、つまり電圧検出器１３が検出する電圧が所定の範囲であれば、制御回路１５は開閉スイッチＳを閉成しているが、負荷１２で消費される電力に比べて分散型電源１４から供給される電力が大きく、余った電力が分散型電源側Ｂから電力系統側Ａへ流れることで、電力系統側Ａのインピーダンス（図示せず）により電力系統から供給される電圧が上昇し、電圧検出器１３が検出する電圧が所定範囲より大きくなると、制御回路１５は分散電源１４に電圧上昇抑制のための遅相無効電力の消費運転（進相運転）を行わすとともに開閉スイッチＳを開成し、分散電源１４の電圧上昇抑制の効果を高める。

この状態のとき、負荷１２から高調波電流が発生すると、この高調波電流はバイパス回路２０および連系リアクトル１１を分流して電力系統Ａ側へ流れていく。

バイパス回路２０と連系リアクトル１１との並列回路のインピーダンスは、図３のグラフＧ１,Ｇ２に示すような特性となっている。

すなわち、高調波の次数が３倍以上の場合には、インピーダンス特性がグラフＧ２に示すようになっていることにより、インピーダンスは高調波の次数が高くなっても低く抑えられている。しかし、バイパス回路２０がない場合、つまり連系リアクトル１１だけの場合には、連系リアクトル１１のインピーダンス特性はグラフＧ３で示すようになり、周波数が高くなればなるほどインピーダンスが増加していく。

このため、連系リアクトル１１だけの場合には、高調波電流による連系リアクトル１１での電圧降下が大きく、負荷１２の電圧の波形の歪みが大きくなってしまう。しかし、バイパス回路２０があることにより、高調波電流の周波数が高くなってもグラフＧ２に示すようにインピーダンスが低く抑えられていることにより、高調波電流による電圧降下が小さいものとなる。このため、負荷１２に供給される商用電圧の波形の歪みを小さく抑えることができる。

また、この実施例では、連系リアクトル１１と直流用コンデンサＣ１,Ｃ２を直列接続した場合の静電容量とによる共振周波数を商用周波数の２倍に設定しているので、図３のグラフＧ１に示すように、商用周波数ではバイパス回路２０を設けてもバイパス回路２０を設けない場合の目標インピーダンスに近づけることができる。

なお、図３の縦軸は電圧低下の割合を示す。また、グラフＧ４は連系リアクトルを使用していない場合の系統インピーダンス特性を示す。

また、バイパス回路２０に直流用コンデンサＣ１,Ｃ２を使用しているので、一般の交流用コンデンサを使用するよりも小型化を図ることができる。すなわち、一個の一般の交流用コンデンサで高調波バイパス回路を構成するよりも、２つの直流用コンデンサＣ１,Ｃ２と２つのダイオードＤ１,Ｄ２とで高調波バイパス回路を構成した方が小型化を図ることができる。

ところで、バイパス回路２０は、図２に示すように構成されているので、直流用コンデンサＣ１やＣ２の正極の電圧が負極の電圧より高くなっている（順方向）場合には、それぞれの直流用コンデンサＣ１,Ｃ２に並列接続されているダイオードＤ１,Ｄ２には逆方向の電圧が印加されるため導通せず、コンデンサＣ１,Ｃ２が直列接続の状態で充電されるが、直流用コンデンサＣ１またはＣ２の電圧極性が反転するようになると、電圧極性が反転する直流用コンデンサＣ１またはＣ２に並列接続されているダイオードＤ１またはＤ２に順方向の電圧が印加され、そのダイオードＤ１またはＤ２が導通し、ＩａまたはＩｂに示すように電流が流れ、直流用コンデンサＣ１,Ｃ２の極性が反転することを防止するとともに、極性が反転しないようにコンデンサＣ１,Ｃ２は直流電圧で充電される。

その結果、図４に示すように、バイパス回路２０に印加される電圧がＶ０のとき、直流用コンデンサＣ１,Ｃ２に印加される電圧はＶ１,Ｖ２となるが、それぞれの直流用コンデンサＣ１,Ｃ２の電圧Ｖ１,Ｖ２は、バイパス回路２０に印加される交流電圧の波高値の１／２の直流電圧に、バイパス回路２０に印加される交流電圧の１／２の電圧が重畳された電圧になるが、極性が逆転することはない。
［第２実施例］
図８は、第２実施例の高調波バイパス回路１２０を示す。この高調波バイパス回路１２０は、二つの直流用コンデンサＣ１,Ｃ２と、変圧器（トランス）Ｔｒとを有する。二つの直流用コンデンサＣ１,Ｃ２は、極性を逆にし例えば陰極と陰極とを接続した直列回路を形成し、変圧器Ｔｒの一次巻線Ｔａの一端が直流用コンデンサＣ１の陽極に接続され、一次巻線Ｔａの他端が直流用コンデンサＣ２の陽極に接続されている。

変圧器Ｔｒの二次巻線Ｔｂは、中性点を引き出した３端子Ｔｂ１,Ｔｂｎ,Ｔｂ２を有している。二次巻線Ｔｂの中性端子Ｔｂｎは直流コンデンサＣ１,Ｃ２の陰極に接続され、二次巻線Ｔｂの一方の端子Ｔｂ１はダイオードＤ１のアノードに接続され、二次巻線Ｔｂの他方の端子Ｔｂ２はダイオードＤ２のアノードに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは直流コンデンサＣ１の陽極に接続され、ダイオードＤ２のカソードは直流コンデンサＣ２の陽極に接続されている。

そして、直流用コンデンサＣ１の陽極の電圧が直流用コンデンサＣ２の陽極より高くなる方向の電圧が変圧器Ｔｒの一次巻線Ｔａの両端に印加されると、変圧器Ｔｒの二次巻線Ｔｂの端子Ｔｂ１の電圧が中性端子Ｔｂｎの電圧より低く、二次巻線Ｔｂの端子Ｔｂ２の電圧が中性端子Ｔｂｎの電圧より高い電圧が誘起されるように、直流コンデンサＣ１,Ｃ２およぼダイオードＤ１,Ｄ２が変圧器Ｔｒに接続されている。
［動 作］
次に、第２実施例の高調波バイパス回路１２０の動作について説明する。

直流用コンデンサＣ１の陽極の電圧が直流コンデンサＣ２の陽極の電圧に対して増加（Ｖ０の電圧が増加）していくとき、直流用コンデンサＣ１は順方向に充電され、直流用コンデンサＣ１の陽極の電圧が上昇し、逆に、直流コンデンサＣ２は逆方向に充電され、直流用コンデンサＣ２の陽極の電圧が下がっていく。

電圧Ｖ０が波高値近くになると、直流用コンデンサＣ２の電圧（−Ｖ２）はゼロ近くに下がるが、電圧Ｖ０に比例して変圧器Ｔｒの二次巻線Ｔｂの端子Ｔｂ２に誘起される電圧はダイオードＤ２を導通させる方向に増加していき、二次巻線Ｔｂの端子Ｔｂ２の電圧が直流用コンデンサＣ２の陽極電圧より大きくなると、ダイオードＤ２が導通する。直流用コンデンサＣ１の充電電流は直流用コンデンサＣ２をバイパスし、変圧器Ｔｒの二次巻線Ｔｂの端子Ｔｂ２およびダイオードＤ２を通って流れ、直流コンデンサＣ２が逆方向に充電されて極性が反転することを防止する。

このとき、二次巻線Ｔｂの端子Ｔｂ１の電圧も負の方向に大きくなるが、ダイオードＤ１の導通方向と逆方向の電圧のためダイオードＤ１で通電が阻止される。

次に、電圧Ｖ０が下がっていく場合、これまでとは逆に、直流用コンデンサＣ２は順方向に充電されて陽極の電圧が上昇し、逆に直流用コンデンサＣ１は逆方向に充電されて陽極の電圧が下がっていく。

電圧Ｖ０がマイナスの波高値近くになると、直流用コンデンサＣ１の電圧（Ｖ１）はゼロボルト近くに下がるが、電圧Ｖ０に比例してトランスＴｒの二次巻線Ｔｂの端子Ｔｂ１に誘起される電圧もダイオードＤ１を導通させる方向に増加していき、直流用コンデンサＣ１の陽極の電圧より大きくなるとダイオードＤ１が動通し、直流用コンデンサＣ２の充電電流は直流用コンデンサＣ１をバイパスし、トランスＴｒの二次巻線Ｔｂの端子Ｔｂ１およびダイオードＤ１を通って流れ、直流用コンデンサＣ１が逆方向に充電されて極性が反転することを防止する。このとき、トランスＴｒの二次巻線Ｔｂの端子Ｔｂ２の電圧も負の方向に大きくなるが、ダイオードＤ２の導通方向と逆方向の電圧のためダイオードＤ２で通電が阻止される。

高調波バイパス回路１２０によれば、直流用コンデンサＣ１,Ｃ２の最低電圧をトランスＴｒの変圧比で決まる一定値以上に維持することが可能となり、直流用コンデンサＣ１,Ｃ２の電圧が逆転してしまうことを確実に防止することができる。

なお、直流用コンデンサＣ１,Ｃ２の電圧逆転を防止するために、直流用コンデンサＣ１,Ｃ２をダイオードＤ１,Ｄ２の回路でバイアスするのは、電圧Ｖ０が波高値近くになったときだけで、それ以外ではダイオードＤ１,Ｄ２の通電が阻止されるため、２つの直流用コンデンサＣ１,Ｃ２は、直流用コンデンサＣ１と直流用コンデンサＣ２とが直列接続された回路と等価な回路となり、所定の高調波バイパス回路の静電容量を維持することができる。

この発明は、上記実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

１１ 連系リアクトル
１４ 分散型電源
２０ 高調波バイパス回路（バイパス回路）
Ａ 電力系統
Ｓ 開閉スイッチ

Claims (3)

1. 分散型電源と電力系統とを連系リアクトルを介して接続し、前記連系リアクトルに並列接続された開閉スイッチを備えた分散型電源系統連系装置であって、
   前記連系リアクトルに高調波電流用のバイパス回路を並列接続したことを特徴とする分散型電源系統連系装置。
2. 前記バイパス回路は、極性を逆にして直列接続した一対の直流用コンデンサと、各直流用コンデンサに極性を合わせてそれぞれ並列接続された一対のダイオードとを備え、
   前記一対の直流コンデンサは、互いに陰極同士を接続し、一方の直流コンデンサの陽極を前記連系リアクトルの一方の端子に接続し、他方の直流コンデンサの陽極を前記連系リアクトルの他方の端子に接続し、
   前記一対のダイオードのアノードをそれぞれ前記直流コンデンサの陰極に接続し、一方のダイオードのカソードを一方の直流コンデンサの陽極に接続し、他方のダイオードのカソードを他方の直流コンデンサの陽極に接続したことを特徴とする請求項１に記載の分散型電源系統連系装置。
3. 前記バイパス回路は、極性を逆にして直列接続した一対の直流用コンデンサと、各直流用コンデンサが逆充電の際に極性が反転することを防止するための一対のダイオードと、印加された電圧を利用して前記各ダイオードに順方向の電圧を印加する変圧器とを備え、
   前記一対の直流コンデンサは、互いに陰極同士を接続し、一方の直流コンデンサの陽極を前記連系リアクトルの一方の端子に接続し、他方の直流コンデンサの陽極を前記連系リアクトルの他方の端子に接続し、
   前記変圧器の一次コイルの一方の端子を、前記一対のダイオードのうちの一方のダイオードのカソードと一方の直流コンデンサの陽極とに接続し、
   前記一次コイルの他方の端子を、他方のダイオードのカソードと他方の直流コンデンサの陽極とに接続し、
   前記変圧器の二次コイルの一方の端子を一方のダイオードのアノードに接続し、前記一次コイルの一方の端子の極性と同極性となる前記二次コイルの他方の端子を他方のダイオードのアノードに接続し、前記二次コイルの中間の中性端子を前記直流コンデンサの陰極に接続したことを特徴とする請求項１に記載の分散型電源系統連系装置。

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