JP6958394B2 - パワーコンディショナ及びその制御方法並びに蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、パワーコンディショナ及びその制御方法並びに蓄電システムに関する。

商用電力系統と系統連系するパワーコンディショナには、求められる保護機能が種々あり、その一つとして、単独運転検出機能がある（例えば非特許文献１〜３参照。）。単独運転とは、商用電力系統の停電直後に、パワーコンディショナ自身が交流電路に出力している電圧に対して連系運転している状態をいう。単独運転を検出したパワーコンディショナは運転を停止し、商用電力系統から自己を解列する。このような単独運転検出機能の試験においては、現状では、日本電機工業会（ＪＥＭＡ）の標準であるＪＥＭ１４９８若しくはＪＥＭ１５０５を満たすことが実質的に必須要件となっている。

例えばＪＥＭ１４９８の認証試験では、商用電力系統との連系点での潮流条件として、負荷に対する有効電力を、−１０％，−５％，０％，＋５％，＋１０％の５種類、無効電力を、−１０％，−５％，０％，＋５％，＋１０％の５種類として、これらをマトリックス状に組み合わせた２５種類の条件下で、所定時間内に、単独運転検出ができるか否かを試験する。

試験に供するパワーコンディショナは、例えば、停電が発生した後の周波数偏差をトリガとする。周波数偏差とは、最新の４０ｍｓの間の移動平均周波数を、２００ｍｓ前の３２０ｍｓの間の移動平均周波数から差し引いた値である。周波数偏差が０．０１Ｈｚより大きい場合は、１次関数的に無効電力を注入し（周波数フィードバック機能）、その結果、所定値に達する周波数変化が生じた時点で、単独運転と検出する。

一方、無効電力が０％になる負荷条件においては、単独運転直後の周波数偏差が０．０１Ｈｚより小さい。この場合、周波数偏差に基づく無効電力の注入はできないので、代わりに、単独運転時の他の特徴である電圧の変化に着目する。具体的には、高調波電圧が増大するか又は基本波電圧が増大することに基づいて、一定期間ステップ状に無効電力を注入する（ステップ注入機能）。その後、このステップ注入機能による無効電力によって生じた周波数偏差に対して周波数フィードバック機能を働かせ、やがて周波数偏差が大きくなった時点で単独運転として検出する。

日本電機工業会ＪＥＭ１４９８，ＪＥＭ１５０５ 日新電機技報Ｖｏｌ．４５、Ｎｏ．２「次数間高調波注入方式による単独運転検出装置」 日新電機技報Ｖｏｌ．４６、Ｎｏ．２「次数間高調波注入による単独運転検出方式と製品開発」

しかしながら、連系点での潮流条件が、有効電力、無効電力共に０％の場合、すなわち、パワーコンディショナの出力する電力と負荷の消費電力とがつり合っている場合、商用電力系統に停電が発生しても、周波数偏差は０．０１Ｈｚを超えず、基本波電圧も高調波電圧もほとんど変わらない場合がある。特に、高調波電圧の出力が元々少ない良質なパワーコンディショナでは、単独運転の検出に要する時間が、規定された時間よりも長くなる場合がある。

かかる問題点に鑑み、本発明は、パワーコンディショナにおいて、単独運転検出が難しい負荷条件でも安定した単独運転検出を可能とすること、を目的とする。

本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は、特許請求の範囲によって定められるものである。

本発明の一表現に係るパワーコンディショナは、商用電力系統と系統連系するパワーコンディショナであって、スイッチング動作を行う電力変換部と、前記商用電力系統と接続される交流電路の電圧を検出する電圧センサと、前記電圧センサの検出する電圧から抽出した基本波の電圧に基づく制御指令値により前記電力変換部を制御するとともに、前記電圧センサの検出する電圧に基づいて単独運転の検出を行う場合に、前記基本波に高調波成分が重畳された電圧に基づく制御指令値により前記電力変換部を制御する制御部と、を備えている。

本発明の他の一表現に係るパワーコンディショナの制御方法は、商用電力系統と系統連系し、スイッチング動作を行う電力変換部を含むパワーコンディショナの制御方法であって、前記商用電力系統と接続される交流電路の電圧を検出し、検出した電圧から抽出した基本波の電圧に基づく制御指令値により前記電力変換部を制御し、前記交流電路の電圧に基づいて単独運転の検出を行う場合には、前記基本波に高調波成分が重畳された電圧に基づく制御指令値により前記電力変換部を制御するものである。

本発明によれば、パワーコンディショナにおいて、単独運転検出が難しい負荷条件でも安定した単独運転検出が可能となる。

パワーコンディショナの一例と、その入出力回路とを示す回路図である。 制御部の内部機能として存在する単独運転検出の機能ブロック図である。 フローチャートで表した単独運転検出の処理手順である。 比較のために、図３のステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９を実行しない場合の単独運転検出の例を示す波形図である。 停電の前後での交流電圧の波形図である。 図３の通りに、ステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９も含めて実行する場合の単独運転検出の例を示す波形図である。 高調波の相互干渉を説明する図である。

［実施形態の要旨］
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。

（１）これは、商用電力系統と系統連系するパワーコンディショナであって、スイッチング動作を行う電力変換部と、前記商用電力系統と接続される交流電路の電圧を検出する電圧センサと、前記電圧センサの検出する電圧から抽出した基本波の電圧に基づく制御指令値により前記電力変換部を制御するとともに、前記電圧センサの検出する電圧に基づいて単独運転の検出を行う場合に、前記基本波に高調波成分が重畳された電圧に基づく制御指令値により前記電力変換部を制御する制御部と、を備えているパワーコンディショナである。

このようなパワーコンディショナでは、通常は基本波の電圧に基づく制御指令値により高調波の影響を排除して良質な正弦波の波形を生成することができる。単独運転の検出を行う場合は、基本波に高調波成分が重畳された電圧に基づく制御指令値により、単独運転時に高調波による電圧が出やすいようにすることができる。こうして、単独運転検出が難しい負荷条件でも、安定した単独運転検出が可能なパワーコンディショナを提供することができる。

（２）また、（１）のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記単独運転の検出を行う場合に、前記電圧センサの検出する電圧に含まれる高調波電圧が第１の閾値に達したときは、前記基本波に高調波成分を重畳した制御指令値を生成し、当該制御指令値により前記電力変換部を制御するようにしてもよい。
この場合、高調波電圧が第１の閾値に達するという単独運転の兆候が現れたときは、いわば積極的に高調波成分を重畳することで、迅速に、単独運転時に高調波による電圧が出るようにすることができる。

（３）また、（２）のパワーコンディショナにおいて、例えば、前記第１の閾値は、前記電力変換部の出力に無効電力を注入開始するべき第２の閾値より低い値である。
この場合、単独運転の兆候を、早めに検出することができる。

（４）また、（２）又は（３）のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記高調波電圧に比例して、重畳させる高調波成分を変化させるようにしてもよい。
この場合、高調波電圧が増大するほど制御指令値も増大するので迅速に、無効電力注入のタイミングに到達することができる。

（５）また、（２）〜（４）のいずれかのパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、奇数の次数の高調波成分を重畳させるようにしてもよい。
この場合、例えば複数台のパワーコンディショナが負荷に対して並列接続されている場合でも、相互に影響を受けて高調波が減殺される、という事態を抑制することができる。

（６）また、（２）〜（５）のいずれかのパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記高調波成分の重畳を行う前に、周波数偏差が所定値より大きくなっている場合は、高調波成分の重畳を回避することが好ましい。
この場合、高調波成分の重畳は既に必要無いので、無駄な動作を回避することができる。

（７）また、（１）のパワーコンディショナにおいて、前記制御部は、前記単独運転の検出を行う場合には、高調波を含む前記電圧センサの検出する電圧をそのまま用いた制御指令値により前記電力変換部を制御するようにしてもよい。
この場合、単独運転時には、高調波を含む可能性のある交流電路の交流電圧を利用して高調波を除去せずに残して活かすことができる。

（８）また、蓄電システムとしては、直流電源と、当該直流電源に接続された（１）〜（７）のいずれかのパワーコンディショナと、を備えていればよい。
この場合は、（１）〜（７）のパワーコンディショナによる作用効果を伴う蓄電システムを提供することができる。

（９）一方、これは、商用電力系統と系統連系し、スイッチング動作を行う電力変換部を含むパワーコンディショナの制御方法であって、前記商用電力系統と接続される交流電路の電圧を検出し、検出した電圧から抽出した基本波の電圧に基づく制御指令値により前記電力変換部を制御し、前記交流電路の電圧に基づいて単独運転の検出を行う場合には、前記基本波に高調波成分が重畳された電圧に基づく制御指令値により前記電力変換部を制御する、パワーコンディショナの制御方法である。

このようなパワーコンディショナの制御方法では、通常は基本波の電圧に基づく制御指令値により高調波の影響を排除して良質な正弦波の波形を生成することができる。単独運転の検出を行う場合は、基本波に高調波成分が重畳された電圧に基づく制御指令値により、単独運転時に高調波による電圧が出やすいようにすることができる。こうして、単独運転検出が難しい負荷条件でも、安定した単独運転検出が可能なパワーコンディショナの制御方法を提供することができる。

［実施形態の詳細］
以下、本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナについて、図面を参照して説明する。

《パワーコンディショナの構成例》
図１は、パワーコンディショナ１００の一例と、その入出力回路とを示す回路図である。まず、主回路要素から説明すると、パワーコンディショナ１００は、電力変換部として、ＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２を備えている。パワーコンディショナ１００の直流側（図の左側）には、直流電源３（例えば、蓄電池、太陽光発電パネル等）が接続されている。また、パワーコンディショナ１００の交流側（図の右側）には、交流電路４が接続されている。
なお、直流電源３とパワーコンディショナ１００とで、蓄電システムを構成している。

なお、交流電路４の２線は通常、単相３線の電圧線（Ｕ線，Ｗ線）である。実際には、パワーコンディショナ１００内で中間電位（０Ｖ）の中性線（Ｏ線）を作り出し、単相３線の商用電力系統７と３線接続することが多いが、ここでは簡略化して図示している。
交流電路４には、需要家の負荷５が接続される。また、交流電路４には連系リレー６が設けられている。連系リレー６は、商用電力系統７と接続されている。

なお、ここでは、直流電源３からＤＣ／ＤＣコンバータ１までの直流系統は１系統である最も簡素な例を示しているが、これに限らず、複数系統が存在し、ＤＣバス８にて互いに並列に接続される回路構成であってもよい。

直流電源３とＤＣ／ＤＣコンバータ１との間には、直流側コンデンサ９が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、直流リアクトル１０と、ローサイドのスイッチング素子Ｑ１と、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ２とを図示のように接続して構成されている。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２にはそれぞれ、逆並列にダイオードｄ１，ｄ２が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、昇圧チョッパとして動作するか又は逆方向に降圧チョッパとして動作することもできる。

なお、図示のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。他のスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６についても同様である。但し、ＩＧＢＴに代えてＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のスイッチング素子を使用することもできる。

ＤＣバス８の２線間には、中間コンデンサ１１が設けられている。ＤＣバス８にはインバータ２が接続されている。インバータ２は、ブリッジ回路を構成するスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を備えている。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６にはそれぞれ、逆並列にダイオードｄ３，ｄ４，ｄ５，ｄ６が接続されている。インバータ２の交流側には、交流リアクトル１２及び交流側コンデンサ１３が設けられている。

計測・制御に関する要素については、まず、電圧センサ１４は、直流側コンデンサ９の両端電圧を検出し、検出出力を制御部２０に送る。電流センサ１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１に流れる電流を検出し、検出出力を制御部２０に送る。電圧センサ１６は、ＤＣバス８の２線間の電圧を検出し、検出出力を制御部２０に送る。電流センサ１７は、交流リアクトル１２に流れる電流を検出し、検出出力を制御部２０に送る。電圧センサ１８は、交流電路４の２線間の電圧を検出し、検出出力を制御部２０に送る。

制御部２０は、各センサからの検出出力に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御する。また、制御部２０は、連系リレー６の開閉を制御する。パワーコンディショナ１００の通常運転時は、連系リレー６は閉路している。商用電力系統７が停電し、パワーコンディショナ１００が単独運転の状態となったことを検出したときは、制御部２０は、連系リレー６を開路する。
制御部２０は例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア（コンピュータプログラム）をコンピュータが実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部２０の記憶装置（図示せず。）に格納される。

なお、上記パワーコンディショナ１００は、双方向性があり、直流から交流への電力変換の他、直流電源３が蓄電池である場合には、交流から直流への電力変換を行って蓄電池を充電することもできる。

《通常の制御の一例》
通常運転時は、前述のように、制御部２０は、各センサからの検出出力に基づいて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を制御することによりパワーコンディショナ１００の系統連系運転を行うことができる。

パワーコンディショナ１００が、商用電力系統７と、その交流電圧の絶対値のピーク値より低い電圧の直流電源３との間に設けられている場合、好ましい既知の制御の一例としては、交流半サイクル内で、交流の位相に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２の一方にスイッチング動作を行わせ、他方は休止させる期間を生じさせる。そして、制御部２０は、交流電力の電圧、交流リアクトル１２を流れる電流及び交流リアクトル１２のインピーダンスによる電圧変化、中間コンデンサ１１及び交流側コンデンサ１３をそれぞれ流れる無効電流、並びに、直流電力の電圧に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の電流指令値を、交流電力の電流と同期するように設定する。また、交流電力の電圧として、商用電力系統７の交流電圧検出値に基づいて抽出した基本波に、検出や制御系の遅れを考慮して位相を補足した電圧を用いることができる。

このようなパワーコンディショナ１００では、制御部２０により、交流半サイクル内で、交流の位相に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２の一方にスイッチング動作を行わせ、他方は休止させる期間を生じさせる、という「最小スイッチング変換方式」を実行することができる。この方式を高い変換効率で実現すべく、交流電力の電圧、交流リアクトル１２を流れる電流及び交流リアクトル１２のインピーダンスによる電圧変化、中間コンデンサ１１及び交流側コンデンサ１３をそれぞれ流れる無効電流、並びに、直流電力の電圧に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の電流指令値を、交流電力の電流と同期するように設定する。

そして、交流電力の電圧として、商用電力系統７の交流電圧検出値（電圧センサ１８が検出する交流電圧）に基づいて抽出した基本波に、検出や制御系の遅れを考慮して位相を補足した電圧を用いることで、電圧位相に対する制御の遅延を抑制し、また、商用電力系統７の系統電圧の擾乱の影響を排除して、安定した、歪の少ない交流電流を得ることができる。

具体的には、負荷５への出力電流指令値をＩａ＊、交流側コンデンサ１３の静電容量をＣａ、交流電路４の交流電圧をＶａ、直流電源３側の電圧をＶ_ＤＣ、ラプラス演算子をｓとする。この場合、制御部２０は、電流センサ１７に流れるべき交流出力電流指令値Ｉｉｎｖ＊を、
Ｉｉｎｖ＊＝Ｉａ＊＋ｓ ＣａＶａ ・・・（１）
に設定する。

さらに、交流リアクトル１２のインピーダンスをＺａとするとき、制御部２０は、インバータ２の出力端（インバータ２と交流リアクトル１２との相互接続箇所）での交流出力電圧指令値Ｖｉｎｖ＊を、
Ｖｉｎｖ＊＝Ｖａ＋ＺａＩｉｎｖ＊ ・・・（２）
に設定する。

また、制御部２０は、電圧Ｖ_ＤＣ、及び、交流出力電圧指令値Ｖｉｎｖ＊の絶対値のいずれか大きい方を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧指令値Ｖｏ＊に設定し、中間コンデンサ１１の静電容量をＣとするとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の電流指令値Ｉｉｎ＊は、
Ｉｉｎ＊＝｛（Ｉｉｎｖ＊ × Ｖｉｎｖ＊）＋（ｓ Ｃ Ｖｏ＊）×Ｖｏ＊｝／Ｖ_ＤＣ
・・・（３）
に設定する。そして、交流電圧Ｖａは、実効値をＶ_{ａ＿ｒｍｓ}、スイッチング動作の指令をするタイミングの位相をωｔとして、
Ｖａ＝√２ Ｖ_{ａ＿ｒｍｓ}×ｓｉｎ（ωｔ） ・・・（４）
とすることができる。

上記のような制御によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の電流指令値Ｉｉｎ＊は、交流電力の電圧、交流リアクトル１２を流れる電流と交流リアクトル１２のインピーダンスによる電圧変化、中間コンデンサ１１や交流側コンデンサ１３を流れる無効電流、及び直流電力の電圧を全て反映している。従って、直流電源３の電圧や、交流出力電流が変化したときでも、常に交流出力電流に同期した電力を出力することができる。

このような最小スイッチング変換方式の制御によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２は、必要最低限の回数の高周波スイッチングで、直流／交流の変換を行うことができる。その結果、半導体スイッチング素子のスイッチング損失、交流及び直流リアクトルの鉄損が大幅に低減され、高い変換効率を得ることができる。さらに、系統電圧Ｖａをこのように設定することで、低歪みの交流電流を得ることができる。

《単独運転検出の機能》
次に、制御部２０によって実現される単独運転検出の機能について説明する。
図２は、制御部２０の内部機能として存在する単独運転検出の機能ブロック図である。図において、電圧センサ１８（図１）によって検出された交流電路４（図１）の交流電圧（系統電圧）の検出信号は、Ａ／Ｄ変換され（ｆ１）、交流電圧として検出される（ｆ２）。この交流電圧に基づいて、周波数（ｆ３）、基本波電圧（ｆ４）、高調波電圧（ｆ５）がそれぞれ検出される。

周波数は、移動平均の処理（ｆ６，ｆ７）を経て、周波数偏差となる（ｆ８）。周波数偏差とは、最新の４０ｍｓの間の移動平均周波数を、２００ｍｓ前の３２０ｍｓの間の移動平均周波数から差し引いた値である。周波数偏差が０．０１Ｈｚを超えている場合は周波数フィードバック機能が働き（ｆ１１）、注入する無効電力の指令値が決まる（ｆ１３）。一方、周波数偏差が０．０１Ｈｚを超えていない場合には、処理は、ステップ注入機能の方へ行く（ｆ８からｆ９へ）。そして、基本波電圧及び高調波電圧に基づいて、ステップ注入機能（ｆ９，ｆ１２）が働き、注入する無効電力の指令値が決まる（ｆ１３）。

また、別途、有効電力の指令値が決定される（ｆ１４，ｆ１５）。有効電力の指令値及び無効電力の指令値に基づいて、電流制御（ｆ１６）が行われる。高調波電圧は高調波調整制御（ｆ１０）を経て、電流制御に参加する。電流制御（ｆ１６）に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２のそれぞれについて、パルス幅変調制御（ｆ１７，ｆ１８）が行われる。

図３は、フローチャートで表した単独運転検出の処理手順である。
図において、制御部２０は、まず、基準となる時刻から５ｍｓ経過したか否かを判定する（ステップＳ１）。すなわち、単独運転検出の判定は５ｍｓごとに行われる。最初は５ｍｓ経過していないので、処理はステップＳ１０に飛び、単独運転を検出したか否かの判定が行われ、「Ｎｏ」であればステップＳ１に戻る。

ステップＳ１において５ｍｓ経過したときは、制御部２０は、周波数偏差が０．０１Ｈｚより大きいか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで、周波数偏差が０．０１Ｈｚより大きい場合は、周波数フィードバック機能が働き、制御部２０は、無効電力の注入（Ａ）を実行する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、制御部２０は、周波数偏差に基づいて１次関数的に無効電力を注入する。

無効電力の注入後に、制御部２０は、単独運転を検出したか否かを判定する（ステップＳ１０）。周波数の変化（例えば周波数偏差又は周波数そのもの）が、単独運転とみなせる所定値に達していない場合は、制御部２０はステップＳ１に戻り、同様の処理を５ｍｓごとに繰り返す。そして、ステップＳ１０において単独運転の検出となった場合には、制御部２０はパワーコンディショナ１００としての運転を停止させる（ステップＳ１１）。

また、ステップＳ２において、周波数偏差が０．０１Ｈｚ以下の場合は、ステップ注入機能が働き、制御部２０は、高調波電圧が２Ｖ増大したか（ステップＳ４）若しくは基本波電圧が所定量増大したか（ステップＳ５）、のいずれか１つでも成り立てば、無効電力の注入（Ｂ）を実行する（ステップＳ６）。ステップＳ６では、制御部２０は、一定期間ステップ状に無効電力を注入する。

無効電力の注入後に、制御部２０は、単独運転を検出したか否かを判定する（ステップＳ１０）。周波数の変化（例えば周波数偏差又は周波数そのもの）が、単独運転とみなせる所定値に達していない場合は、制御部２０はステップＳ１に戻り、同様の処理を５ｍｓごとに繰り返す。そして、ステップＳ１０において単独運転の検出となった場合には、制御部２０はパワーコンディショナ１００としての運転を停止させる（ステップＳ１１）。

以上の処理は、ＪＥＭ１４９８の規定に沿った処理である。しかし、図３のフローチャートでは、さらに処理が与えられている。すなわち、ステップＳ４，Ｓ５において、高調波電圧が２Ｖも増大することはなく、かつ、基本波電圧も所定量増大することはない、という場合（すなわち変化が少ない場合）、制御部２０は、高調波電圧が微小に増大したか否かを判定する（ステップＳ７）。「微小」なりとも「増大」であると認める閾値は、例えば０．７Ｖである。すなわち、この０．７Ｖを第１の閾値とすると、２Ｖは第２の閾値であり、第１の閾値は第２の閾値より低い値である。このように、第１の閾値は、無効電力を注入開始するべき第２の閾値より低い値であることで、単独運転の兆候を、早めに検出することができる。

ステップＳ７において高調波電圧が第１の閾値に達していない場合には、制御部２０は、ステップＳ１０を経てステップＳ１に戻り、同様の処理が５ｍｓごとに繰り返される。そして、ステップＳ７において高調波電圧が第１の閾値に達している場合には、制御部２０は、制御指令値に高調波成分を重畳させる（ステップＳ８）。これにより、パワーコンディショナ１００は、基本波に高調波成分が重畳された電圧を出力するように動作する。ここで、制御部２０は、例えば、高調波電圧に比例して、重畳させる高調波成分を変化させる。この場合、高調波電圧が増大するほど制御指令値も増大するので、迅速に、その後の無効電力注入のタイミングに到達することができる。

その後、制御部２０は、高調波電圧が第２の閾値である２Ｖ増大（ステップＳ９のＹｅｓ）に至るまで同様の処理を５ｍｓごとに実行し、ステップＳ９において高調波電圧が２Ｖ増大したときは、無効電力の注入（Ｂ）を行う（ステップＳ６）。そして、ステップＳ１０において単独運転の検出となった場合には、制御部２０はパワーコンディショナ１００としての運転を停止させる（ステップＳ１１）。

なお、次に高調波成分の重畳を行う前に、ステップＳ２において周波数偏差が０．０１Ｈｚより大きくなっている場合は、さらなる高調波成分の重畳を回避する。すなわち、この場合には、高調波成分の重畳は既に必要無いので、無駄な動作を回避することができる。

《開示のまとめ》
上記のように、このパワーコンディショナ１００の制御部２０は、通常運転としては、電圧センサ１８の検出する電圧から抽出した基本波の電圧に基づく制御指令値により電力変換部であるＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２を制御する。また、電圧センサ１８の検出する電圧に基づいて単独運転の検出を行う場合には、基本波に高調波成分が重畳された電圧に基づく制御指令値によりＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２を制御する。

このような制御により、通常は基本波の電圧に基づく制御指令値により高調波の影響を排除して良質な正弦波の波形を生成することができる。そして、単独運転の検出を行う場合は、基本波に高調波成分が重畳された電圧に基づく制御指令値により、単独運転時に高調波による電圧が出やすいようにすることができる。

そして、制御部２０は、単独運転の検出を行う場合に、電圧センサ１８の検出する電圧に含まれる高調波電圧が第１の閾値（例えば０．７Ｖ）に達したときは、基本波に高調波成分を重畳した制御指令値を生成し、当該制御指令値によりＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２を制御する。この場合、高調波電圧が第１の閾値に達するという単独運転の兆候が現れたときは、いわば積極的に高調波成分を重畳することで、迅速に、単独運転時に高調波による電圧が出るようにすることができる。

《波形の例示》
図４は、比較のために、図３のステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９を実行しない場合の単独運転検出の例を示す波形図である。波形図には、交流電圧、逆潮点における電流（電流センサ１７が検出する電流）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２のゲートブロックが行われたことを確認するゲートブロック確認信号、デバッグ用信号（高調波電圧２Ｖでハイになる。）、及び、ステップ注入確認信号が、表されている。縦向きの２本の点線のうち、左側の点線の時刻に商用電力系統の停電が発生してから、右側の点線の時刻に単独運転検出となる。これらの点線間の時間間隔は例えば１８０ｍｓであるが、若干ばらつきもあり、２００ｍｓを超える場合もある。

図５は、停電の前後での交流電圧の波形図である。図中の縦の点線の時刻に停電が発生しているが、停電前・停電後ともに、歪みの少ない良質な波形である。このような良質な波形では、図３のステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９を実行しない場合での迅速な単独運転検出は難しい。

図６は、図３の通りに、ステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９も含めて実行する場合の単独運転検出の例を示す波形図である。波形図には、交流電圧、逆潮点における電流（電流センサ１７が検出する電流）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２のゲートブロックが行われたことを確認するゲートブロック確認信号、デバッグ用信号（高調波電圧２Ｖでハイになる。）、及び、ステップ注入確認信号が、表されている。縦向きの２本の点線のうち、左側の点線の時刻に商用電力系統の停電が発生してから、右側の点線の時刻に単独運転検出となる。図６の場合、比較的早い段階でステップ注入が行われるので、２本の点線間の時間間隔は１５０ｍｓである。停電による周波数変化が生じにくい負荷条件で何度行ってもばらつきはほとんど無く、約１５０ｍｓであった。

従って、ＪＥＭ１４９８の求める２００ｍｓ以内の検出を、確実なものとすることができる。

《重畳する高調波成分の次数について》
次に、基本波に重畳する高調波成分の次数について補足する。パワーコンディショナの出力電路が３電路ある場合、これら３電路を順に第１電路（＋１０１Ｖ）、第２電路（０Ｖ）、第３電路（−１０１Ｖ）とすると、これらがそれぞれＵ線，Ｏ線，Ｗ線に接続されている場合を「正接」と称する。また、第１電路、第２電路、第３電路がそれぞれ、Ｗ線，Ｏ線，Ｕ線に接続されている場合を「逆接」と称する。例えば２台のパワーコンディショナ１００が単相３線（Ｕ線，Ｏ線，Ｗ線）の商用電力系統に接続されているとき、一方は正接、他方は逆接となる場合がある。

図７は、高調波の相互干渉を説明する図である。図の左上は、正接の波形であり、図の左下は逆接の波形である。実線は基本波、一点鎖線は２次高調波、点線は３次高調波である。正接と逆接とが互いに加算されると、２次すなわち偶数次の高調波は打ち消されるが、奇数次の高調波は打ち消されない。

このことから、制御部２０は、奇数の次数の高調波成分を重畳させることが好ましい。そうすることにより、例えば複数台のパワーコンディショナが負荷に対して並列接続されている場合でも、相互に影響を受けて高調波が減殺される、という事態を抑制することができる。

《その他》
なお、上記のパワーコンディショナ１００は、式（４）において、実際に検出される系統電圧そのものではなく、系統電圧の実効値を有する理想的な正弦波を用いている。そのことが、通常運転では、基本波の電圧に基づく制御指令値により高調波の影響を排除して良質な正弦波の波形を生成することができる、という作用効果に寄与している。ところが、単独運転検出に当たっては、そのことが、検出の遅れの原因になる場合もあるので、図３のステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９のような処理を入れた。

そこで、上述の実施形態とは別に、通常は式（４）の交流電圧Ｖａを用いるが、５ｍｓごとの単独運転検出時には、負荷５がぶら下がっている交流電路４の交流電圧（電圧センサ１８の検出する交流電圧）をそのまま式（４）のＶａに代えて用いるということも考えられる。この場合の、図３のステップＳ８は、例えば、「交流電路の交流電圧をそのまま用いて制御指令値を決める」とすればよい。

すなわち、制御部２０は、単独運転の検出を行う場合には、高調波を含む電圧センサ１８の検出する電圧をそのまま用いた制御指令値によりＤＣ／ＤＣコンバータ１及びインバータ２を制御することで、高調波を含む可能性のある交流電路４の交流電圧を利用して高調波を除去せずに残して活かすことができる。
言い換えれば、基本波に高調波成分が重畳された電圧とは、積極的な重畳の場合（プラスする）と、自然に重畳されている場合（マイナスしない）との両方を含む。

《補記》
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ インバータ
３ 直流電源
４ 交流電路
５ 負荷
６ 連系リレー
７ 商用電力系統
８ ＤＣバス
９ 直流側コンデンサ
１０ 直流リアクトル
１１ 中間コンデンサ
１２ 交流リアクトル
１３ 交流側コンデンサ
１４ 電圧センサ
１５ 電流センサ
１６ 電圧センサ
１７ 電流センサ
１８ 電圧センサ
２０ 制御部
１００ パワーコンディショナ
ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５，ｄ６ ダイオード
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６ スイッチング素子

Claims (7)

1. 商用電力系統と系統連系するパワーコンディショナであって、
   スイッチング動作を行う電力変換部と、
   前記商用電力系統と接続される交流電路の電圧を検出する電圧センサと、
   前記電圧センサの検出する電圧から抽出した基本波電圧に基づく制御指令値により前記電力変換部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記電圧センサの検出する電圧に基づいて単独運転の検出を行う場合において、
   （ａ）周波数偏差が所定値以下で、高調波電圧が第１の閾値に増大した場合、
   （ｂ）前記周波数偏差が前記所定値以下で、前記基本波電圧が所定量の増大をした場合、及び、
   （ｃ）前記周波数偏差が前記所定値以下で、前記基本波電圧が前記所定量に満たない増大をした場合に、高調波成分を重畳させると、前記高調波電圧が前記第１の閾値に増大した場合、
   の全ての成否を確認し、いずれか一つでも成立する場合に、無効電力のステップ注入を行う、パワーコンディショナ。
2. 前記制御部は、前記高調波電圧に比例して、重畳させる高調波成分を変化させる請求項１に記載のパワーコンディショナ。
3. 前記制御部は、奇数の次数の高調波成分を重畳させる請求項１又は請求項２に記載のパワーコンディショナ。
4. 前記制御部は、前記高調波成分の重畳を行う前に、周波数偏差が所定値より大きくなっている場合は、高調波成分の重畳を回避する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のパワーコンディショナ。
5. 前記制御部は、前記単独運転の検出を行う場合には、高調波を含む前記電圧センサの検出する電圧をそのまま用いた制御指令値により前記電力変換部を制御する、請求項１に記載のパワーコンディショナ。
6. 直流電源と、当該直流電源に接続された請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のパワーコンディショナと、を備えている蓄電システム。
7. 商用電力系統と系統連系し、スイッチング動作を行う電力変換部を含むパワーコンディショナの制御方法であって、
   前記商用電力系統と接続される交流電路の電圧を検出し、
   検出した電圧から抽出した基本波電圧に基づく制御指令値により前記電力変換部を制御し、
   前記交流電路の電圧に基づいて単独運転の検出を行う場合において、
   （ａ）周波数偏差が所定値以下で、高調波電圧が第１の閾値に増大した場合、
   （ｂ）前記周波数偏差が前記所定値以下で、前記基本波電圧が所定量の増大をした場合、及び、
   （ｃ）前記周波数偏差が前記所定値以下で、前記基本波電圧が前記所定量に満たない増大をした場合に、高調波成分を重畳させると、前記高調波電圧が前記第１の閾値に増大した場合、
   の全ての成否を確認し、いずれか一つでも成立する場合に、無効電力のステップ注入を行う、パワーコンディショナの制御方法。

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