JP5505145B2

JP5505145B2 - 単独運転検出装置

Info

Publication number: JP5505145B2
Application number: JP2010156348A
Authority: JP
Inventors: 歳也山田; 幹介藤井
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: CN102377195A; CN102377195B; JP2012019644A; US20120007436A1; US8928178B2

Description

本発明は、太陽電池発電システム、燃料電池発電システム、風力発電システムなどで使用される発電装置と電力系統間で使用される単独運転検出機能付き分散型電源装置に関する。

図５に系統連系用インバータのシステム構成と単独運転検出装置の従来例を示す。図５に示すように系統連系中の系統連系用インバータに備えた無効電力設定器の設定値に周期的に微小変動を与えて系統連系点の無効電力を常時周期的に変化させ、系統連系点または系統連系用インバータの周波数を監視する。

この周波数の微小な上昇が検知された時、系統連系用インバータから見て進相の微小信号を発生させると、単独運転（アイランディングとも言う）状態であれば更に周波数が上昇する。また、監視した周波数の微小な下降が検知されれば、系統連系用インバータから見て遅相の微小信号を発生させると、単独運転状態であれば更に周波数が下降する。この現象に着目して、単独運転現象を確実、迅速に検出するようにしている。

図５において、燃料電池発電システム１は燃料電池本体２、系統連系用インバータ３、配電用変圧器４で構成され、５は負荷、６は電力系統である。また、７は負荷分電用遮断器、８は分散型電源としての燃料電池発電システム１の分散型電源側遮断器、９は電力系統６から受電するための受電点遮断器である。

さらに、単独運転検出装置１０は、周波数／電圧コンバータなどからなる周波数検出回路１１と単独運転検出部２０とで構成される。この単独運転検出部２０は、周期的な正弦波状の微小信号を発生する変動信号発生回路２１と、周波数検出回路１１の出力値の微小変動を監視する比較器、設定器からなる周波数上昇監視回路２２および周波数下降監視回路２３と、周波数上昇監視回路２２または周波数下降監視回路２３のいずれかが動作したことを検知するＯＲ回路２４と、変動信号発生回路２１の出力をパルス波形に変換するシュミット回路２５と、このパルス波形を計測するカウンタ回路２６と、変動信号発生回路２１の出力の負極性のピーク値を保持する進相信号発生回路としての負極性ピークホールド回路２７と、変動信号発生器２１の出力の正極性のピーク値を保持する遅相信号発生回路としての正極性ピークホールド回路２８と、変動信号発生回路２１、負極性ピークホールド回路２７、正極性ピークホールド回路２８それぞれの信号を切り換えて系統連系インバータ３の図示しない無効電力設定器の設定値に微小変動を与え、周波数上昇監視回路２２、周波数下降監視回路２３、カウンタ回路２６それぞれの出力により選択すべき前記信号を演算するＡＮＤ／ＯＲゲート回路、３ステートバッファなどからなる切換回路２９と、受電点Ａの無効電力に常時微小な変化をさせ周波数検出回路１１の出力と所定の基準周波数との偏差を監視する比較器、設定器からなる周波数上限監視回路３０および周波数下限監視回路３１と、周波数上限監視回路３０または周波数下限監視回路３１のいずれかが動作したときに、単独運転信号を発生するＯＲゲートからなる単独運転信号発生回路３２とから構成されている。

図６において、燃料電池発電システム１の系統連系用インバータ３より供給される発電量と負荷５で消費される電力量がバランスしている状態で、図６（Ｂ）に示す時刻ｔ0 で電力系統６側の事故などで受電点遮断器９により電力系統６が切り離されると、燃料電池発電システム１と負荷５との間で単独運転現象が発生する。

このような状態の時に、変動信号発生回路２１と切換回路２９とにより無効電力変動を与え、図６（Ａ）に示すように変動が（＋）極性で電力系統６に対して燃料電池発電システム１がより遅相の無効電力変動を与え、（−）極性で電力系統６に対して燃料電池発電システム１がより進相の無効電力変動を与えるように設定されていると、図６（Ｂ）に示す時刻ｔ0 〜ｔ1 間のような周波数変動が発生して、時刻ｔ1 において周波数上昇監視回路２２が動作し、受電点Ａの無効電力変動の波形を切換回路２９により負極性ピークホールド回路２７の出力とする（図６（Ａ）参照）。

この時の周波数変動は、図６（Ｂ）に示す時刻ｔ1 〜ｔ2 のように拡大するため、図６（Ｂ）に示す時刻ｔ2 において周波数上限監視回路３０が動作し、単独運転信号発生回路３２により単独運転現象が検出される（図６（Ｃ）参照）。

特許第3353549号公報

特許文献１では、時刻t₁に周波数上昇または下降監視回路一段レベルを超過することにより、無効電力を変動出力から一定出力に変更している。この一段レベルは、単独運転時以外は系統擾乱による周波数変動が生じた場合でも超過しないようなレベルに設定する必要があるが、離島に適用されているディーゼルエンジンからなる小規模系統では、負荷変動によって周波数が変動しやすいため、単独運転を誤検出しやすいという問題が生じる。

従って、本発明の目的は、単独運転検出機能を有する分散電源において、負荷変動による周波数変動が激しい小規模系統において、誤検出することなく周波数異常一段を検出する単独運転検出装置を構築することにある。

上述の課題を解決するために、第１の発明においては、電力系統に連系して発電電力を出力する分散型電源として動作する系統連系インバータの出力に常時一定周期の微小な無効電力変動を出力し、単独運転移行後に周波数異常一段を検出した場合には一定の無効電力を出力し、出力周波数をシフトすることにより単独運転を検出する単独運転検出装置において、前記周波数異常一段の検出は、前記無効電力変動の立上りエッジを検出する立上りエッジ検出手段と、前記無効電力変動の立下りエッジを検出する立下りエッジ検出手段と、系統連系点又は前記系統連系用インバータ出力の周波数を検出する周波数検出手段と、を備え、前記立上りエッジ検出時点の周波数と前記立下りエッジ検出時点の周波数とを順次検出し、今回の検出値と前回の検出値との差が、増加、減少、増加の順序となった場合に周波数異常一段検出とみなす。

本発明では、周波数異常一段検出までに時限回路を設けることにより、高速な周波数変動に対する誤検出の可能性を下げることができ、負荷変動による周波数変動が激しい小規模系統に対しての有効性が大きくなる。

本発明が適用される系統連系用インバータの回路例である。本発明の単独運転検出装置の回路構成図である。図２の第1の動作を示す波形図である。図２の第２の動作を示す波形図である。従来の単独運転検出装置の回路構成図である。図５の動作を示す波形図である。

本発明の要点は、電力系統に連系して発電した電力を出力する分散電源において、系統正常時に微小な無効電流を出力し、系統が停電状態になって分散電源の出力周波数が周波数異常一段検出レベルを超過したことを検知した時、より大きな一定の無効電流を流し、周波数が単独運転検出レベルに到達した時に単独運転と判定する場合に、周波数異常一段検出は無効電力変動の立上りエッジ検出時点の周波数と立下りエッジ検出時点の周波数とを順次検出し、今回の検出値と前回の検出値との差が、増加、減少、増加の順序となった場合に周波数異常一段検出とみなす点である。

図１に、本発明が適用される系統連系インバータの回路例を示す。系統連系用インバータ３の出力には、リアクトル４３とコンデンサ４１から構成されるフィルタが接続され、分散電源側遮断器８と受電点遮断器９を介して、電力系統６に接続される。また、５は負荷、７は負荷分電用遮断器である。

単独運転検出機能付分散電源におけるインバータの制御装置では、分散電源側遮断器８の系統側電圧を電圧検出器４４を用いて検出し、それを座標変換器６４で出力周波数基準で座標変換して、系統と同相の成分(Vsd)と90°位相が異なる成分(Vsq)に変換する。出力周波数を決めるＰＬＬ回路では、このVsqと指令値０の偏差を調節器６６に入力し、その出力と基準周波数（例50Hzまたは60Hz）を加算器６７で加算し、この出力を発振器６９に入力してωtに相当する信号を演算し、これを三角関数（例 cos）回路７１に入力し、この出力をインバータの出力正弦波指令信号とする。

なお、インバータと系統が同期した状態では、Vsqが０になる。さらに、この調節器６６は、通常PI調節器で構成され、周波数上昇監視回路６８が動作した時は、比例ゲインの増加や積分時間の減少などにより過渡応答を向上させ、Vsqに対する調節器の出力量を増加させる。

次に、有効電流を制限する方法について示す。このインバータでは、コンデンサ４１とリアクトル４３との間で出力電流を電流検出器４２により検出し、それを有効電流リミット値演算回路５０でリミット値を演算し、リミット回路５１で、有効電流指令値に上下限の制限をかける。

次に、無効電流指令は、常時は文献１と同様の方法で周期的に変動する微小値であり、周波数上昇監視回路が動作した後は、変化する周波数値に応じて進みまたは遅れの一定値となる。この演算は、文献１と同じであるので、説明を省略する。

上記、有効電流指令と無効電流指令を、出力周波数を基準とする座標変換器５２に入力し、出力電流指令U相とW相を演算する。この出力電流指令U相とＷ相を出力電流制御回路６０に入力し、ここで、Ｕ相電圧指令信号、Ｖ相電圧指令信号、Ｗ相電圧指令信号を作成する。

これら３相の電圧指令信号と出力周波数から三角波キャリア生成器７０によって求めたキャリア信号を用いてPWM（パルス幅変調）制御を行い、ゲート信号生成回路６３でインバータのゲートパルスを生成する。

ＰＬＬ（Phase Locked Loop）ブロックでは、基準周波数＋調節器出力が周波数上昇レベルを超過すると、ＰＬＬの比例ゲインが増加し、無効電流を増加する。それに応じて、有効電流制限値が減少して、過電流を回避しつつ、周波数が速やかに変化する。この周波数の上昇を周波数上限監視回路で検出することにより、単独運転を確実に検出することができる。

図２に本発明の単独運転検出装置の回路構成図を示す。無効電力変動の立上りエッジを検出する立上りエッジ検出回路EDU、立下りエッジを検出する立下りエッジ検出回路EDD、立上りエッジ検出回路EDUの出力で周波数検出値をホールドするサンプルホールド回路ＳＨ１、立下りエッジ検出回路EDDの出力で周波数検出値をホールドするサンプルホールド回路ＳＨ２、サンプルホールド回路ＳＨ１とＳＨ２の差分を求める減算器ＡＤ２、差分の周波数が周波数異常一段検出レベルに達したかを判定するコンバレータＣＰ、コンパレータＣＰの出力が所定時間継続したかを判定する確認時限回路ＤＴ、確認時限回路ＤＴの出力信号で周波数をサンプルホールドするサンプルホールド回路ＳＨ３、サンプルホールド回路ＳＨ３のホールド値と実際の周波数の差を演算する減算器ＡＤ１、減算器ＡＤ１の出力の絶対値を求める絶対値回路ＡＢＳで構成される。

このような構成において、無効電力変動に応じて、下記（１）から（３）の条件を満たした時のみ周波数一段異常検出とみなし、無効電力の立下りエッジにて周波数検出値の差が検出値を一度超えた場合でも、次の立上りエッジにて周波数検出値の差が検出レベルを下回らなければ周波数異常一段検出とみなさず、再度立下りエッジからの監視を開始する。
（１）立下りエッジにて周波数が周波数異常一段レベルを超える。
（２）立上りエッジにて周波数が周波数異常一段レベルを下回る。
（３）再度立下りエッジにて周波数が周波数異常一段レベルを超える。

図３と図４に、図２の動作波形図を示す。
図３は、本発明の原理に基づいて単独運転を検出する場合の動作モードの動作波形図、図４は本発明の原理で単独運転を検出しない場合の動作モードの動作波形図である。

図３において、時刻ｔａで系統が遮断されると、無効電力の変動に応じて周波数が上昇し、時刻ｔｂではＳＨ２の出力−ＳＨ１の出力は周波数異常一段検出レベルを超え、コンパレータＣＰの出力はハイ（Ｈ）となる。その後、確認時限ＤＴに設定された時間以上（無効電力変動の１周期以上）コンパレータＣＰの出力がハイ（Ｈ）を継続すると、時刻ｔｄにおいて確認時限回路ＤＴの出力がハイ（Ｈ）となる。この信号でサンプルホールド回路ＳＨ３を動作させ、周波数をホールドすると同時に無効電力変動を一定値にシフトし、周波数変動を一層拡大させる。その結果、時刻ｔｅでのホールド値と実際の周波数との差が単独運転検出レベルを超えることになり、単独運転検出信号が出力される。このように、周波数が時刻ｔａ−ｔｂ期間で増加、時刻ｔｂ−ｔｃ期間で減少、時刻ｔｃ−ｔｄ期間で増加となる場合に周波数異常一段を検出し、その後単独運転を検出する。

図４に、周波数変動が、時刻ｔａ−ｔｂ期間で増加、時刻ｔｂ−ｔｃ期間で増加、時刻ｔｃ−ｔｄ期間で増加となる場合の動作を示す。時刻ｔａで系統が遮断されると、無効電力の変動に応じて周波数が上昇し、時刻ｔｂではＳＨ２の出力−ＳＨ１の出力は周波数異常一段検出レベルを超え、コンパレータＣＰの出力はハイ（Ｈ）となる。次に時刻ｔｃの時点まで周波数が増加した場合、時刻ｔｃの時点ではＳＨ１の出力がＳＨ２の出力より大きくなり、コンパレータＣＰの出力はロー（Ｌ）となる。さらに周波数が上昇し続けても時刻ｔｄでは確認時限回路ＤＴは動作せず、周波数異常一段は検出されず、単独運転も検出されない。

以上の説明のように、無効電力変動に応じて、上記（１）から（３）の条件を満たした時のみ周波数異常一段検出とみなし、無効電力の立下りエッジにて周波数検出値の差が検出値を一度超えた場合でも、次の立上りエッジにて周波数検出値の差が検出レベルを下回らなければ周波数異常一段検出とみなさず、再度立下りエッジからの監視を開始する。

周波数異常一段検出レベルを検出した後は、変化する周波数値に応じて進み又は遅れの一定無効電力値を出力する。この演算方法は特許文献１と同じである。

１・・・燃料電池発電システム２・・・燃料電池本体
３・・・系統連系用インバータ４・・・配電用変圧器５・・・負荷
６・・・電力系統７、８、９・・・遮断器
１０・・・単独運転検出装置１１・・・周波数検出回路
２０・・・単独運転検出部２１・・・変動信号発生回路
２２・・・周波数上昇監視回路２３・・・周波数下降監視回路
２４・・・ＯＲ回路２５・・・シュミット回路
２６・・・カウンタ回路２７・・・負極性ピークホールド回路
２８・・・正極性ピークホールド回路２９・・・切換回路
３０・・・周波数上限監視回路３１・・・周波数下限監視回路
３２・・・単独運転信号発生回路Ａ・・・受電点
４１・・・コンデンサ４２・・・電流検出器４３・・・リアクトル
４４・・・電圧検出器（変圧器）５０・・・リミット値演算回路
５１・・・リミッタ５２・・・座標変換器
６０・・・出力電制御回路６３・・・ゲート信号生成回路
６４・・・座標変換器６５・・・減算器６６・・・調節器
６７・・・加算器６８・・・周波数上昇監視回路
６９・・・発信回路７０・・・キャリア生成器
７１・・・三角関数回路
ＥＤＵ・・・立上りエッジ検出回路ＥＤＤ・・・立下りエッジ検出回路
ＳＨ１〜ＳＨ３・・・サンプルホールド回路ＡＤ１、ＡＤ２・・・減算器
ＣＰ・・・コンパレータＡＢＳ・・・絶対値回路
ＤＴ・・・確認時限回路

Claims

電力系統に連系して発電電力を出力する分散型電源として動作する系統連系インバータの出力に常時一定周期の微小な無効電力変動を出力し、単独運転移行後に周波数異常一段を検出した場合には一定の無効電力を出力し、出力周波数をシフトすることにより単独運転を検出する単独運転検出装置において、前記周波数異常一段の検出は、前記無効電力変動の立上りエッジを検出する立上りエッジ検出手段と、前記無効電力変動の立下りエッジを検出する立下りエッジ検出手段と、系統連系点又は前記系統連系用インバータ出力の周波数を検出する周波数検出手段と、を備え、前記立上りエッジ検出時点の周波数と前記立下りエッジ検出時点の周波数とを順次検出し、今回の検出値と前回の検出値との差が、増加、減少、増加の順序となった場合に周波数異常一段検出とみなすことを特徴とする単独運転検出装置。