JP6979822B2 - 電力変換装置、地絡箇所の電圧推定方法、及び、分散型電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置、地絡箇所の電圧推定方法、及び、分散型電源システムに関する。

分散型電源システムにおける地絡検出には、ＤＣバスの中性点（２線間の電位の中性点）から高抵抗で接地電位に繋ぐ高抵抗接地方式が用いられている。この場合、高抵抗接地点に流れる電流が一定値以上になると、地絡が発生したと判断することができる（例えば、特許文献１参照。）。
また、中性点と地絡点とが互いに同電位となった場合には電流が流れない「不感帯」が生じることに着目し、中性点ではなく、あえて非中性点から高抵抗接地する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１０−２１３４５０号公報 特開２０１５−１６２９０８号公報

しかしながら、高抵抗接地の接地点に流れる電流を検出するだけでは、システム全体として、どこかで地絡が発生したという事実を捉えることができるにとどまり、地絡箇所の絞り込みまでは、できない。
かかる課題に鑑み、本発明は、地絡が発生した場合に、地絡箇所の絞り込みができる電力変換装置、地絡箇所の電圧推定方法、及び、分散型電源システムを提供することを目的とする。

《電力変換装置》
本発明の一表現に係る電力変換装置は、スイッチングによって電力の変換を行う電力変換装置であって、非絶縁の変換器と、前記変換器と繋がっているＤＣバスと、地絡時に、電路上の地絡箇所と前記ＤＣバスの２線間を分圧した中間ノードとの間に介在する地絡検出素子と、前記変換器を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記地絡時に、前記変換器を用いて前記ＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、前記ＤＣバスの電圧及び前記地絡検出素子の両端電圧に基づいて、前記地絡箇所の電圧を推定するものである。

《地絡箇所の電圧推定方法》
また、本発明の一表現に係る地絡箇所の電圧推定方法は、非絶縁の変換器がＤＣバスと繋がっている電力変換装置において、当該電力変換装置の制御部が行う地絡箇所の電圧推定方法であって、地絡検出素子に流れる電流に基づいて地絡の発生を検出し、地絡が発生した場合、前記変換器を用いて前記ＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、前記ＤＣバスの電圧及び前記地絡検出素子の両端電圧に基づいて、地絡箇所の電圧を推定する。

《分散型電源システム》
また、本発明の一表現に係る分散型電源システムは、直流電源又は直流負荷である直流設備と、前記直流設備と交流電路との間に設けられ、スイッチングによって電力の変換を行う電力変換装置と、を含む分散型電源システムであって、前記電力変換装置は、前記直流設備と接続された複数の非絶縁のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータと繋がっている共通のＤＣバスと、前記ＤＣバスと前記交流電路との間に設けられたインバータと、地絡時に、電路上の地絡箇所と前記ＤＣバスの２線間を分圧した中間ノードとの間に介在する地絡検出素子と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記インバータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記地絡時に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ又は前記インバータを用いて前記ＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、前記ＤＣバスの電圧及び前記地絡検出素子の両端電圧に基づいて、前記地絡箇所の電圧を推定するものである。

本発明によれば、地絡が発生した場合に、地絡箇所の絞り込みができる。

分散型電源システムの一例を示す回路図である。 図１の回路において、上段側の蓄電池におけるプラス極側のノードＰ１に地絡が発生した場合に電流が流れる経路を示した図である。 図１の回路において、下段側の蓄電池におけるプラス極側のノードＰ２に地絡が発生した場合に電流が流れる経路を示した図である。 図１の回路において、ＤＣバスのＰ線に地絡が発生した場合に電流が流れる経路を示した図である。 図１の回路において、Ｎ線に地絡が発生した場合に電流が流れる経路を示した図である。 図１の回路において、変圧器より電力変換装置側の交流電路の電圧線に地絡が発生した場合に電流が流れる経路を示した図である。 各種の地絡時に形成される回路にのみ着目して、これを普遍的に表現した回路図である。 地絡箇所を特定する処理の第１例を示すフローチャートである。 地絡箇所を特定する処理の第２例を示すフローチャートである。 図８及び図９におけるステップＳ４のサブルーチンの例を示す図である。

［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、スイッチングによって電力の変換を行う電力変換装置であって、非絶縁の変換器と、前記変換器と繋がっているＤＣバスと、地絡時に、電路上の地絡箇所と前記ＤＣバスの２線間を分圧した中間ノードとの間に介在する地絡検出素子と、前記変換器を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記地絡時に、前記変換器を用いて前記ＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、前記ＤＣバスの電圧及び前記地絡検出素子の両端電圧に基づいて、前記地絡箇所の電圧を推定する、電力変換装置である。

上記の電力変換装置では、地絡検出素子に流れる電流に基づいて地絡を検出することができる。そして、地絡時に、変換器を用いてＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、ＤＣバスの電圧及び地絡検出素子の両端電圧に基づいて、地絡箇所の電圧を推定する。当該電圧が推定されれば、その情報を基に、地絡している電路を容易につきとめることができる。すなわち、このような電力変換装置によれば、地絡が発生した場合に、地絡箇所の絞り込みができる。

（２）また、（１）の電力変換装置において、前記制御部は、推定した前記地絡箇所の電圧と、前記電力変換装置内の互いに異なる各電路の電圧とを比較して、電圧値が最も近い電圧の電路で地絡が発生していると判断するようにしてもよい。
この場合、制御部は、地絡箇所（電路）の特定まで実行することができる。

（３）また、（１）又は（２）の電力変換装置において、前記地絡時に、前記ＤＣバスの電圧を２値以上に変化させてもよい。
この場合、２値以上のＤＣバス電圧及び、それらに対応する地絡検出素子の両端電圧に基づいて、地絡箇所の電圧を正確に推定することができる。

（４）また、（３）の電力変換装置において例えば、前記ＤＣバスの電圧の変化とは、最初の電圧から見て、下降させた電圧及び上昇させた電圧の両方を含む。
この場合、変化幅を確保しやすい。変化幅が大きい方が、地絡箇所の電圧を、より正確に推定することができる。

（５）また、（２）の電力変換装置において、前記ＤＣバスに複数のＤＣ／ＤＣコンバータが接続されている場合であって、いずれかのＤＣ／ＤＣコンバータの電源又は負荷側におけるプラス側電路で地絡が発生しているとき、前記制御部は、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを解列し、その他のＤＣ／ＤＣコンバータによって運転を継続するようにしてもよい。
この場合、いずれかのＤＣ／ＤＣコンバータの電源又は負荷側におけるプラス側電路で地絡が生じても、他のＤＣ／ＤＣコンバータを用いて運転を継続することができるので、地絡時でも、電力変換装置の運転が可能となる場合がある。

（６）方法の観点からは、非絶縁の変換器がＤＣバスと繋がっている電力変換装置において、当該電力変換装置の制御部が行う地絡箇所の電圧推定方法であって、地絡検出素子に流れる電流に基づいて地絡の発生を検出し、地絡が発生した場合、前記変換器を用いて前記ＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、前記ＤＣバスの電圧及び前記地絡検出素子の両端電圧に基づいて、地絡箇所の電圧を推定する、地絡箇所の電圧推定方法である。

このような地絡箇所の電圧推定方法では、地絡時に、変換器を用いてＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、ＤＣバスの電圧及び地絡検出素子の両端電圧に基づいて、地絡箇所の電圧を推定する。当該電圧が推定されれば、その情報を基に、地絡している電路を容易につきとめることができる。すなわち、このような地絡箇所の電圧推定方法によれば、地絡が発生した場合に、地絡箇所の絞り込みができる。

（７）一方、分散型電源システムとしては、直流電源又は直流負荷である直流設備と、前記直流設備と交流電路との間に設けられ、スイッチングによって電力の変換を行う電力変換装置と、を含む分散型電源システムである。そして、前記電力変換装置は、前記直流設備と接続された複数の非絶縁のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータと繋がっている共通のＤＣバスと、前記ＤＣバスと前記交流電路との間に設けられたインバータと、地絡時に、電路上の地絡箇所と前記ＤＣバスの２線間を分圧した中間ノードとの間に介在する地絡検出素子と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記インバータを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記地絡時に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ又は前記インバータを用いて前記ＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、前記ＤＣバスの電圧及び前記地絡検出素子の両端電圧に基づいて、前記地絡箇所の電圧を推定する。

このような分散型電源システムでは、地絡検出素子に流れる電流に基づいて地絡を検出することができる。そして、地絡時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はインバータを用いてＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、ＤＣバスの電圧及び地絡検出素子の両端電圧に基づいて、地絡箇所の電圧を推定する。当該電圧が推定されれば、その情報を基に、地絡している電路を容易につきとめることができる。すなわち、このような分散型電源システムによれば、地絡が発生した場合に、地絡箇所の絞り込みができる。

［実施形態の詳細］
以下、本発明の一実施形態に係る電力変換装置、地絡検出方法、分散型電源システムについて、図面を参照して説明する。

《電力変換装置及び分散型電源システムの構成例》
図１は、分散型電源システム１００の一例を示す回路図である。分散型電源システム１００は、蓄電池１，２と、電力変換装置３とによって構成されている。蓄電池１，２は、直流電源であると同時に、充電時は直流負荷となるものである性格を有する直流設備である。なお、直流電源としてのみであれば、他にも、例えば、太陽光発電パネル、燃料電池等を用いることもできる。蓄電池１の電圧と、蓄電池２の電圧とは、ここでは互いに異なるものとする。
一方、電力変換装置３の交流側には、交流電路１０が接続されている。交流電路１０には例えば変圧器１１を介して、需要家の負荷１２及び商用電力系統１３が接続されている。

電力変換装置３は、大きく分けて、双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ４，５と、双方向性のインバータ６と、ＤＣバス（Ｐ線，Ｎ線）７と、地絡検出回路８と、制御部９とを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、蓄電池１とＤＣバス７との間に設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、蓄電池２とＤＣバス７との間に設けられている。２つのＤＣ／ＤＣコンバータ４，５は、ＤＣバス７側で相互に接続されている。すなわち、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ４，５に対して、ＤＣバス７は共通の存在である。ＤＣ／ＤＣコンバータ４，５及びインバータ６はいずれも、入力−出力間で非絶縁の変換器である。Ｎ線は、分散型電源システム１００全体として共通の電路となっている。

なお、図１では、２つの蓄電池１，２にそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータ４，５が接続されている直流側２系統の構成例を示したが、直流側３系統以上を設けることもできる。逆に、１系統であってもよい。また、直流側ｎ系統（ｎは自然数）とすれば、ｎ個のＤＣ／ＤＣコンバータが存在するが、蓄電池１は、２以上のＤＣ／ＤＣコンバータに共用される構成であってもよい。

図１において、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、主回路要素として、スイッチング素子４１、ダイオード４２、直流リアクトル４３、ハイサイドのスイッチング素子４４、ローサイドのスイッチング素子４５、及び、平滑用のコンデンサ４６を備えている。また、計測用要素として、蓄電池１の両端電圧を計測する電圧センサ４０を備えている。スイッチング素子４１，４４，４５は、制御部９により、制御される。電圧センサ４０の計測出力は、制御部９に送られる。制御部９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９の記憶装置（図示せず。）に格納される。但し、コンピュータを含まないハードウェアのみの回路で制御部を構成することも可能である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、蓄電池１の電圧を、所望の電圧に変換してＤＣバス７に提供することができる。また、逆に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、ＤＣバス７の電圧を所望の電圧に変換して蓄電池１を充電することができる。

同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、主回路要素として、スイッチング素子５１、ダイオード５２、直流リアクトル５３、ハイサイドのスイッチング素子５４、ローサイドのスイッチング素子５５、及び、平滑用のコンデンサ５６を備えている。また、計測要素として、蓄電池２の両端電圧を計測する電圧センサ５０を備えている。スイッチング素子５１，５４，５５は、制御部９により、制御される。電圧センサ５０の計測出力は、制御部９に送られる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、蓄電池２の電圧を、所望の電圧に変換してＤＣバス７に提供することができる。また、逆に、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、ＤＣバス７の電圧を所望の電圧に変換して蓄電池２を充電することができる。

インバータ６は、主回路要素として、スイッチング素子６１〜６６、交流リアクトル６７、及び、ＤＣバス７の電圧を平滑するコンデンサ６８とを備えている。スイッチング素子６１〜６６は、スイッチング素子６１，６２のペアと、スイッチング素子６３，６４のペアと、スイッチング素子６５，６６のペアとによって単相３線用の３レグを構成する。また、計測要素として、ＤＣバス７の２線（Ｐ線−Ｎ線）間の電圧を計測する電圧センサ６０を備えている。なお、電圧センサ６０はインバータ６の外に設けられていてもよく、要するに、ＤＣバス７の２線間の電圧を計測して制御部７に送ることができればよい。

なお、上記の各スイッチング素子としては、図示のようにＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）に逆極性のダイオードを並列接続したもの、又は、ボディダイオードを有するＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)を使用することができる。

《電力変換装置の基本動作》
蓄電池１，２を放電させるときの上記電力変換装置３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４，５がそれぞれ、蓄電池１，２の電圧を変換して同じ電圧をＤＣバス７に送り込む。インバータ６は、ＤＣバス７の直流電圧を単相３線の交流に変換して交流電路１０に提供することができる。交流電路１０に提供された電力は、負荷１２にて消費される。
蓄電池１，２を充電するときの上記電力変換装置３は、インバータ６が交流から直流への逆変換を行い、ＤＣバス７に電圧を供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４，５はそれぞれ、ＤＣバス７の電圧を所望の電圧に変換して蓄電池１，２を充電する。

電力変換装置３が商用電力系統１３と接続され、系統連系運転を行っている時、交流電圧は商用電力系統１３により決まる。この状態では、インバータは、ＤＣバス７が定電圧になるよう制御している。
一方、商用電力系統１３と切り離された電力変換装置３が自立運転を行っている時は、負荷１２に供給する交流電圧をインバータ６が定電圧に制御している。この状態では、インバータ６がＤＣバス７の電圧を制御することはできず、ＤＣバス７の電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４，５によって定電圧に制御されている。

《地絡検出回路》
次に、地絡検出回路について説明する。

図１における地絡検出回路８は、ＤＣバス７のＰ線−Ｎ線間に、互いに直列に接続された分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２と、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の相互接続点と接地電位との間に設けられた地絡検出素子としての検出抵抗Ｒ３と、その検出抵抗Ｒ３の両端電圧を検出する電圧センサ８０とを備えている。電圧センサ８０の計測出力は、制御部９に送られる。なお、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２及び検出抵抗Ｒ３はそれぞれ、抵抗値もＲ１，Ｒ２，Ｒ３で表すものとする。抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の一例については後述するが、相対的な大小関係として、Ｒ１，Ｒ２は高抵抗（例えばｋΩオーダー）であり、Ｒ３は低抵抗（例えば数十Ωオーダー）である。

《蓄電池プラス極側の地絡》
図２は、図１の回路において、蓄電池１におけるプラス極側の電路上のある点を「ノード」と称した場合に、ノードＰ１に地絡が発生した場合に電流が流れる経路を示した図である。図において、電流は、ノードＰ１から地絡抵抗Ｒ_ＬＰ１（抵抗値Ｒ_ＬＰ１）、検出抵抗Ｒ３、分圧抵抗Ｒ２を通って、システム全体として共通のＮ線に至る。このとき流れる電流をＩ_ｌｅａｋとすると、電圧センサ８０は、電圧（Ｉ_ｌｅａｋ・Ｒ３）を検出する。

同様に、図３は、図１の回路において、蓄電池２におけるプラス極側の電路上のノードＰ２に地絡が発生した場合に電流が流れる経路を示した図である。図において、電流は、ノードＰ２から地絡抵抗Ｒ_ＬＰ２、検出抵抗Ｒ３、分圧抵抗Ｒ２を通って、Ｎ線に至る。このとき流れる電流をＩ_ｌｅａｋとすると、電圧センサ８０は、電圧（Ｉ_ｌｅａｋ・Ｒ３）を検出する。
なお、前述のように、直流側系統が、ｎ組（ｎは３以上の自然数）ある場合も同様である。

《ＤＣバスのＰ線の地絡》
図４は、図１の回路において、ＤＣバス７のＰ線に地絡が発生した場合に電流が流れる経路を示した図である。図において、電流は、Ｐ線から地絡抵抗Ｒ_ＬＰ（抵抗値Ｒ_ＬＰ）、検出抵抗Ｒ３、分圧抵抗Ｒ２を通って、システム全体として共通のＮ線に至る。このとき流れる電流をＩ_ｌｅａｋとすると、電圧センサ８０は、電圧（Ｉ_ｌｅａｋ・Ｒ３）を検出する。

《Ｎ線の地絡》
図５は、図１の回路において、Ｎ線に地絡が発生した場合に電流が流れる経路を示した図である。図において、電流は、分圧抵抗Ｒ１から検出抵抗Ｒ３、地絡抵抗Ｒ_ＬＮ（抵抗値Ｒ_ＬＮ）を通って、システム全体として共通のＮ線に至る。このとき流れる電流をＩ_ｌｅａｋとすると、電圧センサ８０は、電圧（Ｉ_ｌｅａｋ・Ｒ３）を検出する。

《交流電路の地絡》
図６は、図１の回路において、変圧器１１より電力変換装置３側の交流電路１０の電圧線に地絡が発生した場合に電流が流れる経路を示した図である。図において、電流は、交流電路１０の電圧線から地絡抵抗Ｒ_ＬＡＣ（抵抗値Ｒ_ＬＡＣ）、検出抵抗Ｒ３、分圧抵抗Ｒ２を通って、Ｎ線に至る。このとき流れる電流をＩ_ｌｅａｋとすると、電圧センサ８０は、電圧（Ｉ_ｌｅａｋ・Ｒ３）を検出する。

《地絡時の回路》
図７は、上記各種の地絡時に形成される回路にのみ着目して、これを普遍的に表現した回路図である。図７において、回路の基準電位ノードはＮ線である。Ｖｘは、地絡時に検出抵抗Ｒ３を含む閉回路中にある、Ｎ線から見た地絡箇所の電圧である。Ｖ_ｄｃは、ＤＣバス７のＰ線−Ｎ線間の電圧である。Ｒ１，Ｒ２は、図１〜６に示している分圧抵抗であり、その相互接続点は、ＤＣバス７の２線間を分圧した中間ノードｎ_ｄｃとなる。Ｒ３は、図１〜６に示している検出抵抗であり、一端が中間ノードｎ_ｄｃに接続され、他端が接地電位に接続される。Ｒ_Ｌは、図２〜６に示した地絡抵抗Ｒ_ＬＰ１，Ｒ_ＬＰ２，Ｒ_ＬＰ，Ｒ_ＬＮ．Ｒ_ＬＡＣの総称である。電流Ｉ_ｌｅａｋは、検出抵抗Ｒ３に流れる。

図２，図３に示す蓄電池１，２側のノードＰ１，Ｐ２の地絡時には、地絡箇所の電圧Ｖｘは、蓄電池１側のノードＰ１又は蓄電池２側のノードＰ２の、対Ｎ線電圧となる。図４に示すＤＣバス７のＰ線地絡時は、電圧Ｖｘは、ＤＣバス７のＰ線−Ｎ線間電圧となる。図５に示すＮ線地絡時は、電圧Ｖｘは、Ｎ線を基準電位ノードとすると、地絡箇所の電圧Ｖｘは０である。従って、電源としての電圧Ｖｘは存在せず、その両端を短絡した状態となる。また、図６に示す交流電路の地絡時には、電圧Ｖｘは、Ｎ線から見た交流電路の電圧となる。

図７において、分圧抵抗Ｒ２の両端にかかる電圧をＶ_Ｒ２、流れる電流をＩ_Ｒ２、電流Ｉ_ｌｅａｋが分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の相互接続点（中間ノードｎ_ｄｃ）から検出抵抗Ｒ３に向かって流れているとすると、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２に関して、以下の式が成り立つ。
Ｖ_ｄｃ−Ｖ_Ｒ２＝Ｒ１（Ｉ_Ｒ２＋Ｉ_ｌｅａｋ） ・・・（１）
Ｖ_Ｒ２＝Ｒ２×Ｉ_Ｒ２ ・・・（２）
式（１）及び（２）からＩ_Ｒ２を消去すると、以下の式（３）が得られる。
Ｖ_ｄｃ＝Ｖ_Ｒ２｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝＋（Ｒ１×Ｉ_ｌｅａｋ）
・・・（３）

また、Ｒ３，ＲＬに関しては、以下の関係となる。
（Ｖｘ−Ｖ_Ｒ２）＝−Ｉ_ｌｅａｋ×（Ｒ３＋Ｒ_Ｌ） ・・・（４）
式（３）及び（４）からＶ_Ｒ２を消去すると、以下のようになる。
Ｖ_ｄｃ＝Ｉ_Ｌ×［｛（Ｒ１＋Ｒ２）（Ｒ３＋Ｒ_Ｌ）＋Ｒ１・Ｒ２｝／Ｒ２］＋｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝Ｖｘ ・・・（５）

式（５）に基づいて、地絡抵抗Ｒ_Ｌ及び電流Ｉ_ｌｅａｋについて整理すると、以下のようになる。
Ｒ_Ｌ＝［Ｒ２・Ｖ_ｄｃ／｛Ｉ_ｌｅａｋ（Ｒ１＋Ｒ２）｝］−（Ｖｘ／Ｉ_ｌｅａｋ）−｛Ｒ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝−Ｒ３ ・・・（６）
Ｉ_ｌｅａｋ＝｛（Ｒ１＋Ｒ２）Ｖｘ−Ｒ２・Ｖ_ｄｃ｝／｛（Ｒ１＋Ｒ２）（Ｒ３＋Ｒ_Ｌ）＋Ｒ１・Ｒ２｝ ・・・（７）

次に、検出抵抗Ｒ３の両端電圧をＶ_ｓｅｎｓとすると、
Ｖ_ｓｅｎｓ＝Ｉ_ｌｅａｋ・Ｒ３ ・・・（８）
である。ここに、式（７）のＩ_ｌｅａｋを代入すると、以下の式（９）が得られる。
Ｖ_ｓｅｎｓ＝［｛（Ｒ１＋Ｒ２）Ｖｘ−Ｒ２・Ｖ_ｄｃ｝／｛（Ｒ１＋Ｒ２）（Ｒ３＋Ｒ_Ｌ）＋Ｒ１・Ｒ２｝］Ｒ３ ・・・（９）

式（９）において、Ｖｘは本来、求めたい値であるから不定パラメータである。また、地絡抵抗Ｒ_Ｌは、検出困難な不定パラメータである。１つの式内に２つの不定パラメータがあると、地絡箇所の電圧Ｖｘを求めることができない。そこで、特定パラメータを変化させることでＶｘを推定することを考える。ここで、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２を変化させると、地絡検出の不感帯が生じる可能性があるので、Ｒ１，Ｒ２は変化させない。また、検出抵抗Ｒ３は、数Ω〜数十Ωの値であり、他のｋΩオーダーの抵抗に比べると非常に小さく、そのため、変化させても全体として影響が出ない。

そこで、残るパラメータであるＶ_ｄｃを変化させることを考える。
まず、式（９）を変形し、以下の式（１０）とする。
｛（Ｒ１＋Ｒ２）（Ｒ３＋Ｒ_Ｌ）＋Ｒ１・Ｒ２｝／Ｒ３＝｛（Ｒ１＋Ｒ２）Ｖｘ−Ｒ２・Ｖ_ｄｃ｝／Ｖ_ｓｅｎｓ ・・・（１０）
ここで、Ｖ_ｄｃを変化させても左辺は一定値である。従って、Ｖ_ｄｃを変化させる前の右辺と、変化させた後の右辺とは、互いに同じである。そこで、変化させる前のＶ_ｄｃ、Ｖ_ｓｅｎｓに対して、Ｖ_ｄｃを変化させた後の値を、Ｖ’_ｄｃ、Ｖ’_ｓｅｎｓとすると、以下の関係が成り立つ。

｛（Ｒ１＋Ｒ２）Ｖｘ−Ｒ２・Ｖ_ｄｃ｝／Ｖ_ｓｅｎｓ＝｛（Ｒ１＋Ｒ２）Ｖｘ−Ｒ２・Ｖ’_ｄｃ｝／Ｖ’_ｓｅｎｓ ・・・（１１）
式（１１）をＶｘについて解き、かつ、変化を絶対値で考えると、以下の式（１２）が得られる。
Ｖｘ＝｛Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝×
|（Ｖ’_ｓｅｎｓＶ_ｄｃ−Ｖ_ｓｅｎｓＶ’_ｄｃ）／（Ｖ_ｓｅｎｓ−Ｖ’_ｓｅｎｓ）|
・・・（１２）

式（１２）は、ＤＣバス７の線間電圧を、ある値から他の値に変化させ、それらの２値に対応する検出抵抗Ｒ３の両端電圧を取得すれば、地絡箇所の電圧Ｖｘが求められることを示している。

そこで、式（１２）の有効性について、種々の地絡を発生させて、検証した。
数値例としては、分圧抵抗Ｒ１は６０．８ｋΩ、分圧抵抗Ｒ２は８ｋΩ、検出抵抗Ｒ３は５５Ωとした。検出抵抗Ｒ３の両端電圧に基づいて地絡と判定するための閾値として１９ｍＶ、電圧センサ８０の精度は定格１０ｍＶに対して０．１％の０．０１ｍＶとした。ＤＣバス７は、最初、３５０Ｖで運転し、地絡を検出すると、ＤＣバス７の線間電圧を３３５Ｖに低下させて検出抵抗Ｒ３の両端電圧を取得し、次に、ＤＣバス７の線間電圧を３７５Ｖに上昇させて検出抵抗Ｒ３の両端電圧を取得することにより、式（１２）に基づいて地絡箇所の推定電圧を求めた。結果を以下の表１に示す。

表１における最も左側の数値は、Ｎ線から見た地絡箇所の電圧である。Ｎ線地絡は図７におけるＶｘ＝０の場合であるから地絡箇所の電圧は０である。「直流負荷」とは、例えば蓄電池１又は２を負荷として充電している場合のプラス側電路地絡を想定し、９０〜１３０Ｖの範囲とした。交流は、１００Ｖ／１１０Ｖのピーク値１４１．４Ｖ／１５５．６Ｖとした。蓄電池１又は２を放電させる場合の電圧としては、１６５〜２８０Ｖとした。ＤＣバス７のＰ線は３５０Ｖとした。

表１において、式（１２）により求めた地絡箇所推定電圧（右から２行目の数値）は、地絡箇所電圧と良く近似しており、推定誤差も５％未満に収まっている。すなわち、式（１２）の演算の有効性が確かめられた。

続いて、ＤＣバス７の線間電圧の変化量を２種類に分けて、違いを確かめた。ここでは例えば、ＤＣバス電圧が定常３５０Ｖで、運転可能範囲が３３０から３８０Ｖである場合において、地絡が生じた場合に、３３５Ｖと３７５Ｖ（電圧差４０Ｖ）で式（１２）の演算を行った場合と、３５０Ｖと３７５Ｖ（電圧差２５Ｖ）で式（１２）の演算を行った場合とで、推定の誤差の違いを調べた。その結果を以下の表２に示す。

推定誤差は、電圧差４０Ｖの方が少ない場合と、電圧差２５Ｖの方が少ない場合とがあるが、誤差平均値をとると、電圧差４０Ｖの誤差平均値は１．４３％、電圧差２５Ｖの誤差平均値は１．８２％であった。すなわち、電圧差をより大きくとった方が、誤差の平均値が小さくなり、精度が、より良くなると解される。

《地絡箇所の特定処理例》
上記の知見に基づき、地絡箇所を特定する処理について説明する。制御の主体となるのは、電力変換装置３の制御部９である。この処理は定期的に実行される。

図８は、地絡箇所を特定する処理の第１例を示すフローチャートである。この第１例は基本形とも言える最もシンプルな処理である。まず、ステップＳ１において、制御部９は、電圧センサ８０の計測出力に基づいて、検出抵抗Ｒ３の両端電圧Ｖ_ｓｅｎｓが閾値以上であるか否かを判定する。地絡していない場合でも微小な電流が検出抵抗Ｒ３に流れており、従って、閾値を適切に設けることで、地絡電流が流れたと認められる場合のみを識別することができる。

検出抵抗Ｒ３の両端電圧が閾値に満たない場合は、地絡が生じていないので、処理は終了し、制御部９は、電力変換装置３の運転を継続する。検出抵抗Ｒ３の両端電圧が閾値以上である場合は、その値を記憶した上で、制御部９は、ＤＣバス電圧（ＤＣバス７の線間電圧）を例えば３５０Ｖから３３５Ｖに変更する（ステップＳ２）。この変更は、電力変換装置３が系統連系時であればインバータ６のスイッチング制御により実行され、自立運転時であればＤＣ／ＤＣコンバータ４，５のスイッチング制御により実行される。

ＤＣバス電圧を３３５Ｖに変更後、制御部９は、検出抵抗Ｒ３の両端電圧を計測する（ステップＳ３）。次に、制御部９は、地絡箇所特定の処理（ステップＳ４）を行う。地絡箇所特定の処理のサブルーチン（図１０）については後述する。

地絡箇所が特定されると、地絡箇所が交流電路である場合（ステップＳ５）、Ｎ線である場合（ステップＳ６）、又は、ＤＣバス７のＰ線である場合（ステップＳ７）には、制御部９は、電力変換装置３を全停止させる（ステップＳ１０）。この場合、運転終了となり、地絡の原因が取り除かれるまで運転再開はできない。

一方、ステップＳ５，Ｓ６，Ｓ７で、いずれにも該当しない場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータに対応したノードでの地絡ということになる。そこで、制御部９は、地絡しているノードのＤＣ／ＤＣコンバータのみを運転停止させる（ステップＳ８）。そして、制御部９は、ＤＣバス電圧を３５０Ｖに変更し（ステップＳ９）、運転を継続する。この場合、地絡していない他のノードのＤＣ／ＤＣコンバータは、引き続き運転することができる。これにより、複数系統のＤＣ／ＤＣコンバータの中で、地絡したノードがあっても、電力変換装置３全体として停止させることなく、他のノードのＤＣ／ＤＣコンバータにより運転を維持することができる。

図９は、地絡箇所を特定する処理の第２例を示すフローチャートである。第１例との違いは、ステップＳ３とＳ４との間に、ステップＳ３ａ及びＳ３ｂが挿入されている点であり、その他のステップについては同様であるので説明を省略する。
ステップＳ３ａにおいて、制御部９は、ＤＣバス電圧を、例えば、３３５Ｖ（ステップＳ２）から３７５Ｖに変更する。そして、ステップＳ３ｂにおいて制御部９は、検出抵抗Ｒ３の両端電圧を計測する。制御部９は、ステップＳ３での両端電圧と、ステップＳ３ｂでの両端電圧とに基づいて、地絡箇所を特定することができる（ステップＳ４）。この場合、ＤＣバス電圧の変化幅が４０Ｖ（図８では１５Ｖ）もあるので、地絡箇所電圧を、より精度良く演算することができる。

図１０は、図８及び図９におけるステップＳ４のサブルーチンの例を示す図である。なお、ルーチン内に記載する数値は一例であり、これらの数値に限定されるものではない。図８のフローチャートにおけるステップＳ４のサブルーチンでは、制御部９は、Ｖ_ｄｃ＝３５０［Ｖ］のときの両端電圧をＶ_ｓｅｎｓ、Ｖ’_ｄｃ＝３３５［Ｖ］のときの両端電圧をＶ’_ｓｅｎｓとして、式（１２）により、Ｎ線から見た地絡箇所電圧［Ｖ］を求める（ステップＳ４１）。また、図９のフローチャートにおけるステップＳ４のサブルーチンでは、制御部９は、Ｖ_ｄｃ＝３３５［Ｖ］のときの両端電圧をＶ_ｓｅｎｓ、Ｖ’_ｄｃ＝３７５［Ｖ］のときの両端電圧をＶ’_ｓｅｎｓとして、式（１２）により、Ｎ線から見た地絡箇所電圧［Ｖ］を求める（ステップＳ４１）。

そして、制御部９は、求めた地絡箇所電圧が例えば１０Ｖ以下であるか否かを判定する（ステップＳ４２）。ここで、１０Ｖ以下であれば、制御部９は、地絡箇所がＮ線であると判定し（ステップＳ４ａ）、処理を終了する。
ステップＳ４２において、１０Ｖより大きい場合、制御部９は、続いて地絡箇所電圧が１４０〜１６０Ｖの間にあるか否かを判定する（ステップＳ４３）。ここで、１４０〜１６０Ｖの間にある場合、制御部９は、地絡箇所は交流電路であると判定し（ステップＳ４ｂ）、処理を終了する。

ステップＳ４３において、１４０〜１６０Ｖの範囲内にない場合、制御部９は、続いて地絡箇所電圧が３２０Ｖ以上であるか否かを判定する（ステップＳ４４）。ここで、３２０Ｖ以上である場合、制御部９は、地絡箇所はＤＣバス７のＰ線であると判定し（ステップＳ４ｃ）、処理を終了する。

ステップＳ４４において、３２０Ｖ以上ではない場合、制御部９は、続いて地絡箇所電圧がノードＰ１（図２）の電圧の±１０Ｖ以内であるか否かを判定する（ステップＳ４５）。ここで、±１０Ｖ以内である場合、制御部９は、地絡箇所はノードＰ１であると判定する（ステップＳ４ｄ）。この場合、さらに、制御部９は、地絡箇所電圧がノードＰ２（図３）の電圧の±１０Ｖ以内であるか否かを判定する（ステップＳ４６）。ここで、±１０Ｖ以内である場合、制御部９は、地絡箇所はノードＰ２であると判定する（ステップＳ４ｅ）。ＤＣ／ＤＣコンバータがｎ（２以上の自然数）系統設けられている場合、制御部９は、同様の判定をノードＰｎまで続ける（ステップＳ４７，Ｓ４ｆ）。

ステップＳ４５，Ｓ４６，Ｓ４７の判定により、ノードの電圧が例えば相互に２０Ｖ以上差がある場合には、地絡を生じているノードのみを特定することができる。全ノードの中に、電圧差が１０Ｖ以内に接近しているノードが含まれていて、かつ、それらのノードのいずれかで地絡を生じている場合には、実際に地絡を生じているノード以外にも複数のノードを地絡箇所と判定してしまう可能性があるが、その場合でも、複数のノードの中から、該当するノードを絞り込むことができる。

なお、上記実施形態は、複数系統のＤＣ／ＤＣコンバータと、インバータとを含む電力変換装置を例示して説明したが、基本的には、地絡時に図７に示すような回路が構成される電力変換装置であれば同様に地絡箇所電圧を求めることができる。図７に示すような回路とは、地絡時に、電路上の地絡箇所とＤＣバスの２線間を分圧した中間ノード（ｎ_ｄｃ）との間に介在する地絡検出素子（Ｒ３）を備えている回路である。

《まとめ》
以上、総括すると、本実施形態の電力変換装置３は、地絡時に、電路上の地絡箇所とＤＣバス７の２線間を分圧した中間ノードｎ_ｄｃとの間に介在する地絡検出素子（検出抵抗Ｒ３）を備えている。また、ＤＣバス７の電圧を変化させることができる非絶縁の変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ４，５又はインバータ６）を備えている。そして、制御部９は、地絡時に、変換器を用いてＤＣバス７の電圧を変化させ、変化の前後での、ＤＣバス７の電圧及び地絡検出素子の両端電圧に基づいて、地絡箇所の電圧を推定することができる。

かかる電力変換装置では、地絡時に、地絡箇所の電圧を推定することができる。当該電圧が推定されれば、その情報を基に、地絡している電路を容易につきとめることができる。すなわち、このような電力変換装置によれば、地絡が発生した場合に、地絡箇所の絞り込みができる。

また、例えば図１０に示す判定処理により、制御部９は、地絡箇所の電圧と、電力変換装置３内の互いに異なる各電路の電圧とを比較して、電圧値が最も近い電圧の電路で地絡が発生していると判断することができる。これにより、制御部９は、地絡箇所（電路）の特定まで実行することができる。

また、地絡時には、ＤＣバス７の電圧を２値以上に変化させてもよい。その場合、２値以上のＤＣバス電圧及び、それらに対応する地絡検出素子の両端電圧に基づいて、地絡箇所の電圧を正確に推定することができる。
なお、ＤＣバス７の電圧の変化とは、最初の電圧から見て、下降させた電圧及び上昇させた電圧の両方を含むものとしてもよい。その場合、変化幅を確保しやすい。変化幅が大きい方が、地絡箇所の電圧を、より正確に推定することができる。

また、図１に示すように、ＤＣバス７に複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４，５他が接続されている場合において、いずれかのＤＣ／ＤＣコンバータの電源又は負荷側におけるプラス側電路で地絡が発生しているとき、制御部９は、図８のステップＳ８に示したように、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを解列し、その他のＤＣ／ＤＣコンバータによって運転を継続することができる。
すなわち、いずれかのＤＣ／ＤＣコンバータの電源又は負荷側におけるプラス側電路で地絡が生じても、他のＤＣ／ＤＣコンバータを用いて運転を継続することができるので、地絡時でも、電力変換装置の運転が可能となる場合がある、という実用上の利点が得られる。もし地絡箇所が特定できなければ、このようなことはできない。

《その他》
なお、上記実施形態では、地絡検出素子として検出抵抗Ｒ３（抵抗値Ｒ３）を用い、その両端電圧を式（１２）で用いたが、これに代えて、例えば、内部抵抗Ｒ３（若しくは外部の直列抵抗と合わせてＲ３）の電流センサを地絡検出素子として用いてもよい。この場合、直接的に計測するのは電流になるが、電流にＲ３を乗じた地絡検出素子の両端電圧を演算として用いることには変わりはない。

《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。

１，２ 蓄電池（直流設備）
３ 電力変換装置
４，５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
６ インバータ
７ ＤＣバス
８ 地絡検出回路
９ 制御部
１０ 交流電路
１１ 変圧器
１２ 負荷
１３ 商用電力系統
４０ 電圧センサ
４１ スイッチング素子
４２ ダイオード
４３ 直流リアクトル
４４，４５ スイッチング素子
４６ コンデンサ
５０ 電圧センサ
５１ スイッチング素子
５２ ダイオード
５３ 直流リアクトル
５４，５５ スイッチング素子
５６ コンデンサ
６０ 電圧センサ
６１〜６６ スイッチング素子
６７ 交流リアクトル
６８ コンデンサ
８０ 電圧センサ
１００ 分散型電源システム
ｎ_ｄｃ 中間ノード
Ｐ１，Ｐ２ ノード
Ｒ１、Ｒ２ 分圧抵抗
Ｒ３ 検出抵抗（地絡検出素子）
Ｒ_Ｌ，Ｒ_ＬＰ１，Ｒ_ＬＰ２，Ｒ_ＬＰ，Ｒ_ＬＮ．Ｒ_ＬＡＣ 地絡抵抗
Ｖｘ 地絡箇所の電圧

Claims (7)

1. スイッチングによって電力の変換を行う電力変換装置であって、
   非絶縁の変換器と、
   前記変換器と繋がっているＤＣバスと、
   地絡時に、電路上の地絡箇所と前記ＤＣバスの２線間を分圧した中間ノードとの間に介在する地絡検出素子と、
   前記変換器を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記地絡時に、前記変換器を用いて前記ＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、前記ＤＣバスの電圧及び前記地絡検出素子の両端電圧に基づいて、前記地絡箇所の電圧を推定する、電力変換装置。
2. 前記制御部は、推定した前記地絡箇所の電圧と、前記電力変換装置内の互いに異なる各電路の電圧とを比較して、電圧値が最も近い電圧の電路で地絡が発生していると判断する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記地絡時に、前記ＤＣバスの電圧を２値以上に変化させる請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記ＤＣバスの電圧の変化とは、最初の電圧から見て、下降させた電圧及び上昇させた電圧の両方を含む、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記ＤＣバスに複数のＤＣ／ＤＣコンバータが接続されている場合であって、いずれかのＤＣ／ＤＣコンバータの電源又は負荷側におけるプラス側電路で地絡が発生しているとき、前記制御部は、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを解列し、その他のＤＣ／ＤＣコンバータによって運転を継続する、請求項２に記載の電力変換装置。
6. 非絶縁の変換器がＤＣバスと繋がっている電力変換装置において、当該電力変換装置の制御部が行う地絡箇所の電圧推定方法であって、
   地絡検出素子に流れる電流に基づいて地絡の発生を検出し、
   地絡が発生した場合、前記変換器を用いて前記ＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、前記ＤＣバスの電圧及び前記地絡検出素子の両端電圧に基づいて、地絡箇所の電圧を推定する、
   地絡箇所の電圧推定方法。
7. 直流電源又は直流負荷である直流設備と、
   前記直流設備と交流電路との間に設けられ、スイッチングによって電力の変換を行う電力変換装置と、を含む分散型電源システムであって、
   前記電力変換装置は、
   前記直流設備と接続された複数の非絶縁のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記複数のＤＣ／ＤＣコンバータと繋がっている共通のＤＣバスと、
   前記ＤＣバスと前記交流電路との間に設けられたインバータと、
   地絡時に、電路上の地絡箇所と前記ＤＣバスの２線間を分圧した中間ノードとの間に介在する地絡検出素子と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記インバータを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記地絡時に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ又は前記インバータを用いて前記ＤＣバスの電圧を変化させ、変化の前後での、前記ＤＣバスの電圧及び前記地絡検出素子の両端電圧に基づいて、前記地絡箇所の電圧を推定する、分散型電源システム。

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