JP7289748B2 - 能動的方式を不使用としたpcsを連系した系統の単独運転検出限界を求める評価方法 - Google Patents
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[1 単独運転検出性能評価試験について]
本願特許出願人の赤城試験センターのPCS実験設備において、それぞれ定格容量が同程度の新型PCSと従来型PCSが混在する系統を模擬した低圧試験回路(図3参照)を構築し、新型PCSと従来型PCSの設備容量比を1:1~1:3の範囲で変化させて従来型PCSの能動的方式を不使用とした場合の単独運転検出性能の評価試験(以下、単独運転試験)を実施した。そして、試験データから新型PCSと従来型PCSが混在する系統における単独運転開始以後の系統の電圧周期の変動特性を取得し、分析して、新型PCS、従来型PCS各々が単独運転検出へ至る過程について明らかにした。次に、既知である任意の単独運転検出ロジックにおいて、与えられた任意の瞬時電圧値に対して、単独運転検出の可否や検出可能な場合の検出時間を算出し、1台の新型PCSに対する単独運転検出が可能となる従来型PCSの連系容量を連系台数として表し、その限界値を算定して実機試験での実験結果と比較して妥当性について評価した。
従来型PCS連系限界台数の評価試験に用いた低圧単相回路による実機試験の概要について述べる。単独運転試験のパラメーターとして以下を設け、図3に示す試験回路を構築した。実機試験の内、メーカーB、C製の従来型PCSとメーカーA製の新型PCSの能動的方式による単独運転検出回路を不使用、無効電力注入量計算部のゲインを0とし、従来型PCSを模擬した計3種を対象として、交流電圧源の連系点を流れる潮流がバランスし、新型、従来型PCS間の線路インピーダンスを0Ωとした条件の結果を用いた。なお、実機試験では定格容量が4kWの新型、従来型PCSを用いた。
従来型PCSの連系台数:1~3台
(なお、単相誘導電動機は、新型PCSと従来型PCSの累計連系台数と等しい台数を連系する。)
遮断器の通過潮流(有効、無効電力)の値:
P=-0.05p.u.、0.00p.u.、0.05p.u.
Q=-0.05p.u.、0.00p.u.、0.05p.u.
(p.u.は連系されている新型、従来型PCSの有効電力の累計出力に対する割合を示し、目標値となるように負荷の値を調整する。)
線路Zの値:0.0Ω、0.2Ω、0.5Ω
(抵抗成分とリアクタンス成分の値が等しい条件とした。)
従来型PCSのメーカー:計3機種
実機試験の結果から、電圧周期変動特性を分析し、新型、従来型PCSが単独運転を検出する条件について整理する。
新型PCSと能動的方式を不使用とした従来型PCSが混在する系統において、新型PCSに対する従来型PCSの連系比率を増加させると、従来型PCSの連系比率が少ない場合と比較して単独運転検出時間が遅延することが確認された。一例として、新型PCSをメーカーA、従来型PCSをメーカーCとし、新型PCSを1台、従来型PCSを1~3台まで変化させた場合の新型PCSの単独運転検出による停止時間を3回測定し、その停止時間の平均値を比較した結果を図4に示す。なお、図4の時の試験条件は交流電圧源の連系点の有効、無効電力の潮流バランスをそれぞれ0.0p.u.、0.0p.u.とし、新型PCSと従来型PCS間の線路インピーダンスを0.0Ωとしたものである。
新型PCSと従来型PCSが混在する系統において、交流電圧源の連系点の有効、無効電力の潮流バランスをそれぞれ0.0p.u.、0.0p.u.とし、新型PCSと従来型PCS間の線路インピーダンスを0.0Ωとした単独運転試験を実施した結果、新型PCSが能動的方式の検出部によって単独運転を検出し、停止した後若しくは、ほぼ同タイミングで従来型PCSが単独運転を検出し、停止する傾向が顕著であることを確認した。また、従来型PCSが停止へ至るまでの電圧周期の変動特性はPCSメーカーによる違いがあるものの、図5に示すように3つの区間に分かれる傾向があることがわかった。区間1は単独運転開始時点から新型PCSが周波数変動を観測し、無効電力の注入を開始するまでの区間を示す。続いて、区間2は新型PCSによる無効電力の注入が開始されてから、新型PCSが単独運転検出に至るまでの区間を示す。なお、区間2は無効電力の注入後、新型PCS連系端電圧で周波数の急変を観測するまでの区間2-1と周波数が急変し、新型PCSが単独運転を検出するまでの区間2-2に細分化した。最後に、区間3は新型PCSの単独運転検出後から従来型PCSが単独運転を検出するまでの区間を示す。区間3はPCSメーカーによって電圧周期変動の特性が大きく異なる他、非線形的な特徴がある。一方で、区間2-2は比較的線形的な特性があることが分かった。電圧周期変動の特性例を図6と図7に示す。図6は新型PCSをメーカーA製とし、従来型PCSをメーカーC製としたものを示し、図7は新型PCSをメーカーA製とし、従来型PCSをメーカーB製としたものを示す。図6の区間2-2は比較的線形的な特性であることがわかる。一方で、図7の区間2-2は電圧周期に振動が生じているが回帰線は直線的に変化していることが分かる。そのため、すべての試験結果の区間2-2は線形的に電圧周期が変動するとみなすことができるものと判断できると考えられる。区間2-2の傾きが大きいと、単独運転検出が容易であり、小さいと困難である。
新型PCSと従来型PCSが混在する系統において、交流電圧源の連系点の有効、無効電力の潮流バランスをそれぞれ0.0p.u.、0.0p.u.とし、新型PCSと従来型PCS間の線路インピーダンスを0.0Ωとした単独運転試験結果を参照すると、従来型PCSをメーカーB製、メーカーC製とした場合には、すべての試験ケースで従来型PCSは受動的方式によって単独運転を検出し、400ms以内にPCSが停止していることを確認した。また、メーカーA製の新型PCSの能動的方式による単独運転検出回路を不使用とし、無効電力注入量計算部のゲインを0として、従来型PCSに見立てた(以降、従来型模擬と呼ぶ。)試験ケースにおいては、瞬時電圧低下によってPCSが停止しているものの、多くのケースでは受動的方式によって単独運転を検出し、400ms以内にPCSが停止していることを確認した。瞬時電圧低下によるPCSの停止は、内部回路の過電流の保護を目的としたものであり、UVRによる停止とは異なる。一方で、前述したものと異なる試験条件において、極稀に受動的方式によって単独運転を検出できず、UVRによってPCSが停止したケースが確認された。これらの試験結果から、新型PCSによる無効電力注入が行われ、一定値以上の区間2-2の電圧周期の傾きが生じ、新型PCSが単独運転を検出し、停止した場合には、従来型PCSが遅れて単独運転検出を行うとする。新型PCSは概ね400ms以内に停止していることから系統連系規程で定められている4要素リレーの時限最大値である2秒を考慮しても、従来型PCSは系統連系規程に定められている高圧用従来型PCSの停止時限である3秒以内に停止するものと考えられる。
新型PCSと従来型PCSが混在した系統における従来型PCSの連系台数上限値の算定手法について述べる。
実機試験の結果では、すべての試験ケースにおいて、新型PCSと従来型PCSが単独運転を検出し、停止することを確認したが、新型PCSに対する従来型PCSの比率が増加すると、周波数変化率が低くなり、比率によっては新型PCSが単独運転を検出できない可能性がある。その結果、PCSの単独運転が継続し、単独運転検出の規定時間を超過する可能性がある。このため、新型PCSの連系台数に対する能動的方式による単独運転検出を不使用とした従来型PCSの連系限界台数を求める必要がある。しかしながら、実験では必要とする供試PCS台数が非常に多くなり、必要な実験設備容量も大きなものとなるため、費用や労力面で大きな負担が生じるものと想定される。このため、限界比率算定のためには、実験結果を補完する簡易な計算を用いた解析手法が望まれる。
以上を勘案し、実機試験の結果を基に新型PCSと従来型PCSが混在する系統における従来型PCS連系限界台数を算定する手法を開発した。
新型PCSに対する従来型PCSの連系台数が増加した場合には、周波数変化率が減少し、単独運転検出が困難となることが想定されるが、この限界値を実機試験によって求める場合には、トライアンドエラーを繰り返すため、試験ケース数が膨大となり、多大な労力と時間を要する。そのため、任意の単独運転検出ロジックと任意の電圧瞬時値を基に単独運転検出の可否と停止時間を算出する手法が望まれる。以上を勘案し、与えられた任意の電圧瞬時値を用い、任意の単独運転検出ロジックにおける検出の可否や検出可能な場合の検出時間を算出する手法を提案した。なお、提案した手法は周波数変化率検出または電圧位相跳躍検出を対象としている。
ここでは、上述の単独運転検出時間算出手法の精度検証を行う。検証方法は実機試験結果における新型PCS、従来型PCSの連系端瞬時電圧値を入力値として得られた単独運転検出時間と実機試験におけるPCS停止時間を比較することによって行う。
ここでは、精度検証の対象としたPCSの単独運転の検出ロジックについて述べる。Aメーカー製の新型PCSの能動的方式による単独運転検出ロジックは参考文献[独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構. 新エネルギー技術研究開発単独運転検出装置の複数台連系試験技術開発研究. 平成20年度~平成21年度成果報告書. 2010 ]を参照し、A~Eメーカー製の従来型PCSの受動的方式による検出ロジックは日本電機工業会(JEMA)のHP[日本電機工業会. 各単独運転防止法式の概要. アクセス日:2019.1.18.https://www.jema-net.or.jp/Japanese/res/fukusudai/kenshutsu.html]より参照した。メーカーA製の従来型PCSは周波数変化率検出方式が採用されており、メーカーBからメーカーE製の従来型PCSは電圧位相跳躍検出方式が採用されている。なお、具体的な検出ロジックは特定のメーカー名がわかる恐れがあるため、記載しないこととする。
実機試験データを用いて、単独運転検出時間算出手法の精度を検証する。ここでは、実機試験によって得られたPCS端瞬時電圧値を入力データとして、単独運転検出時間算出手法によって単独運転検出時間算出値を導出する。そして、試験結果より得られた実停止時間から算出停止時間を減じ、偏差を導出する。即ち、この偏差が正の値となる場合は、算出停止時間が実停止時間よりも早いことを意味し、負の値となる場合は、算出停止時間が実停止時間よりも遅いことを意味する。また、精度検証は新型PCSをメーカーA製のものとし、従来型PCSをメーカーAからE製に加え、従来型模擬メーカーAとした計6種類の組み合わせの試験ケースに対して実施する。
計90ケースに対して単独運転検出時間算出手法を適用し、精度の評価を行った結果、実停止時間と算出停止時間の偏差のヒストグラムが図11に示す結果となった。偏差の多くは0ms~20msと20ms~40msに分布しており、高圧用従来型PCSの単独運転検出時限の3秒と比較し、十分に誤差が小さいという点から、精度よく単独運転検出時間を算出できていることがわかる。
計135ケースに対して単独運転検出時間算出手法を適用し、精度の評価を行った結果、実停止時間と算出停止時間の偏差のヒストグラムが図12に示す結果となった。偏差の多くは20ms~40ms、40ms~60msに分布しており、図11に示したメーカーA製の従来型PCSの偏差よりも若干誤差が多いことがわかる。また、ヒストグラムの特徴から単独運転検出後に1、2サイクル運転を継続する傾向があると考察できる。これは、PCS本体の計測時間や演算処理における時間遅れであると考えられる。一方で、500ms以上の偏差が生じているケースが計9回発生している。これらの大きな偏差が生じたケースは、整定値を僅かに上回り単独運転を検出しているケースであったため、機器の計測精度の差によるものと考察できる。即ち、本手法によって得られた単独運転検出算出時間に停止時間までの遅れを考慮して、20ms若しくは、40msを加算することによって比較的精度よく単独運転検出時間を算出することができると考える。
計135ケースに対して単独運転検出時間算出手法を適用し、精度評価を行った結果、実停止時間と算出停止時間の偏差のヒストグラムが図13に示す結果となった。偏差の多くは40~60ms、60ms~80msに分布している。また、偏差の多くは60ms近傍に集中しているため、このPCSは単独運転を検出した後、3サイクルの間運転を継続し、ゲートブロックを行う特性があると考察できる。この遅れ時間は、メーカーBと同様に計測時間や演算処理によるものであると考えられる。一方で、200ms以上の偏差が計4回発生している他、提案手法では単独運転検出には至らないという結果が得られるケースが計5回発生している。しかしながら、分布の多くが前述したように、60ms近傍に集中しているため、算出停止時間に60msを加算した時間を算出停止時間として用いれば比較的よい精度で単独運転検出時間を算出することができると考えられる。
計69ケースに対して単独運転検出時間算出手法を適用し、精度評価を行った結果、実停止時間と算出停止時間の偏差のヒストグラムが図14に示す結果となった。偏差の多くは0ms~20msに分布しており、非常に精度よく単独運転検出時間を算出できていることがわかる。
計69ケースに対して単独運転検出時間算出手法を適用し、精度評価を行った結果、実停止時間と算出停止時間の偏差のヒストグラムが図15に示す結果となった。約半数の試験ケースでは、PCSが単独運転検出に至らないという結果が出た。この原因は他メーカーと同様に測定系の誤差によるものと考えられる。一方で、単独運転を検出できた場合の偏差の多くは0ms~20msに分布しており、比較的精度よく単独運転検出時間を算出できていることがわかる。
計114ケースに対して単独運転検出時間算出手法を適用し、精度評価を行った結果、実停止時間と算出停止時間の偏差のヒストグラムが図16に示す結果となった。0サイクル以内の偏差が多くを占めており、精度よく単独運転検出時間を算出できていることがわかる。
これらの結果より、単独運転検出ロジックとPCS端の電圧瞬時値を基に単独運転検出時間を算出する手法は比較的よい精度で算出できることが分かった。また、機種ごとの停止時間のバイアスを考慮することによって、更に精度よく算出できることがわかった。
ここでは、上述の新型PCSと従来型PCS混在時の従来型PCS連系限界台数算定手法を用いて、メーカーB、メーカーC製の従来型PCSとメーカーA製の新型PCSを従来型模擬としたPCSの計3ケースを対象に従来型PCSの連系限界台数を試算した結果を述べる。まず、過去の実機試験の結果から図5中の区間2-2の電圧周期の傾きを導出した結果について述べる。次に単独運転検出時間算出手法を用いて新型PCSが停止することのできる電圧周期の傾き下限値の算出結果について述べる。最後に、実機試験より導出した区間2-2の傾きと新型PCSが停止することのできる電圧周期の傾き下限値を用いて、1台の新型PCSに対する従来型PCSの連系限界台数を試算した結果を述べる。
実機試験の結果を分析し、新型PCSによる無効電力注入時(図5の区間2-2)の電圧周期の傾きを線形近似によって算出する。ただし、同一の試験条件であっても、区間2-2の電圧周期の傾きは単独運転開始時点の電圧位相角や連系点に流れる電流量によって同じ結果とならない。本検討においては最悪条件の検討を行うこととして、同一条件の試験結果の内、最も電圧周期の変動が緩慢であった結果を抽出する。メーカーB、メーカーC製の従来型PCSとメーカーA製の新型PCSを従来型模擬としたPCSの区間2-2の傾きを導出した結果は図17となった。なお、この算出は交流電圧源の連系点の有効、無効電力の潮流バランスをそれぞれ0.0p.u.、0.0p.u.とし、新型PCSと従来型PCS間の線路インピーダンスを0.0Ωとした試験を対象とした。
ここでは、単独運転検出時間算出手法を用いて、新型PCSが停止することのできる電圧周期の傾き下限値を算出する。新型PCSの無効電力注入による電圧周期変動は線形状であるとし、PCS連系端電圧は周波数が線形状に減少する正弦波を計算によって求め、単独運転検出時間算出に用いる。そして、この系統周波数の変化の傾き(即ち、PCS端電圧の電圧周期の傾き)をパラメータとして、徐々に変化させながら繰り返し計算を行い、系統周波数の変化率と新型PCSの停止時間の関係をシミュレーションによって算出する。PCS端電圧の電圧周期の傾きを8.60×10-4[-]から2.76×10-3[-]まで2.0×10-6[-]ステップで変化させ、新型PCSの停止時間を算出した結果、図18のような特性となった。なお、ここでは区間1と区間2-1は系統連系規程に定められている高圧用PCSの停止時限である3秒と比較して、微小であるため、考慮しないこととした。また、図18のグラフの左側のプロットがない範囲については、単独運転を検出できず、運転が継続することを示す。
ここでは、電圧周期の傾きと新型PCSが単独運転を検出する電圧周期の傾き下限値の算出結果を基に、新型PCSと従来型PCS混在時の1台の新型PCSに対する単独運転検出が可能となる従来型PCSの連系限界台数の試算結果について述べる。実機試験結果を分析し、得られた従来型PCSの連系台数に対する電圧周期の傾きの関係(図17)に曲線近似を適用することによって、試験結果より得られた従来型PCSの連系台数に対する電圧周期の傾きの減少特性を補完するが、試験結果より得られたプロットが3点のみであるため、最適な近似式を検討することが困難である。そこで、本試算においては、従来型PCSの連系台数に対する電圧周期の傾きが指数関数的に減少するとした指数関数近似シナリオと対数関数的に減少するとした対数関数近似シナリオの2つのシナリオで検討を行うこととする。そして、電圧周期の傾きの減少特性を意味する近似曲線と新型PCSが単独運転を検出する電圧周期の傾きの下限値との交点を導出する。
Claims (1)
- ステップ注入付周波数フィードバック方式の能動的単独運転検出機能を備える新型PCSとそれを備えない従来型PCSとが混在する系統を模擬した実機試験設備を用いて、前記新型PCSのPCS端電圧周期変動開始時点からPCS停止時点までの電圧周期の傾きを、1台の新型PCSに対して連系する従来型PCSの台数あるいは連系容量を異ならせて各従来型PCSの連系台数あるいは連系容量毎に求める工程と、
1台の前記新型PCSに対する前記従来型PCSの連系台数あるいは連系容量毎の傾きを直交座標上にプロットし、各プロット間を繋ぐ近似曲線を求める工程と、
前記新型PCSの能動的単独運転検出ロジックに基づいて前記新型PCSが単独運転検出可能な前記電圧周期の傾きの下限値を求める工程と、
前記新型PCSの能動的単独運転検出の傾きの下限値と前記近似曲線との交点から1台の前記新型PCSに対して単独運転検出が可能となる前記従来型PCSの最大連系台数あるいは連系容量を求める工程
とを有することを特徴とする能動的方式を不使用としたPCSを連系した系統の単独運転検出限界を求める評価方法。
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ステップ注入付周波数フィードバック方式(太陽光発電用パワーコンディショナの標準形能動的単独運転検出方,日本電機工業会規格JEM1498,日本,日本電機工業会,2012年08月27日,第1頁-第12頁 |
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