JP2012016160A - 電力変換装置および電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】電圧変化付与手法を用いた単独運転の検出を行うものであり、部品数の増大などを抑えつつ、出力電圧の波形に変化を与えることが可能となる電力変換装置を提供する。
【解決手段】ＰＷＭインバータを用いて直流電力を交流電力に変換し、連系している電力系統に出力する電力変換部と、基準電圧信号にデッドタイム補償電圧の波形を表す補償電圧信号を合わせることにより、電圧指令波形を算出し、出力する電圧の波形の目標が電圧指令波形となるようにＰＷＭインバータを制御することで、電力変換部が出力する出力電圧の波形を、電力系統における電圧波形に応じたものとする電圧制御部と、補償電圧信号が表す波形を変形させることによって、出力電圧の波形に変化を与え、電力系統における電圧波形が該変化に追従したか否かに基づいて、単独運転状態の発生の有無を判別する単独運転判別部と、を備えた電力変換装置とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置、およびこれを用いた電力供給システムに関する。

従来、交流の電力系統に連系して、分散電源（太陽光発電システムなど）が発生させた電力を電力系統に供給するパワーコンディショナ（以下「パワコン」と略記することがある）が広く利用されている。

パワコンは、分散電源が発生させた直流電力を交流電力に変換し、電力系統に出力する機能を有している。なおパワコンから電力系統に出力される出力電圧の波形は、電力系統における電圧波形に整合させるべく、一般的に、電力系統における電圧波形とほぼ一致するように調整される。

直流電力を交流電力に変換するための部品としては、ＰＷＭ［Pulse Width Modulation］方式によって制御されるＰＷＭインバータが広く用いられている。なおＰＷＭインバータの動作においては、スイッチング素子のアーム短絡を防止するために短絡防止時間が設けられており、デッドタイムが生じるようになっている。

このようにデッドタイムが生じると、出力電圧の波形に歪が生ずることとなる。なおこの歪は、当該波形のゼロクロスの近傍において、特に顕著となる。ＰＷＭインバータが用いられるにあたっては、このような歪が補償されるように、出力電圧にデッドタイム補償電圧が付加される。

すなわちＰＷＭインバータは、電圧指令波形の基準となる波形にデッドタイム補償電圧の波形を加算することで電圧指令波形を算出し、出力する電圧の波形の目標がこの電圧指令波形となるように制御される。なおデッドタイム補償電圧に関しては、例えば非特許文献１に説明がなされているように公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

ところでパワコンの使用にあたっては、単独運転状態（単独運転がなされている状態）の発生に留意する必要がある。単独運転は、例えば電力系統が停電しているにも関わらず、分散電源が電力供給を継続することである。安全性の観点などから、単独運転は極力回避されるべきであり、また単独運転状態が発生した場合には、分散電源を電力系統から速やかに切り離すといった措置が必要となる。

そのため電力変換装置の多くは、単独運転を検出する手段（単独運転状態が発生したか否かを検出する手段）が設けられており、単独運転状態が発生した場合には、分散電源を電力系統から切り離すようになっている。なお各特許文献には、各種手法により、単独運転を検出するものが開示されている。

また単独運転を検出する手法の方式としては、受動的方式や能動的方式が挙げられる。能動的方式は、例えば、意図的に正常時の電力系統に整合しないようにした（誤差を与えておいた）電力を電力系統へ出力し、電力系統での電力がこれに追従するかどうかを見ることにより、単独運転を検出する方式である。能動的方式によれば、受動的方式では単独運転が検出されない状態、例えば、分散電源の発電量と電力系統上の負荷電力量が釣り合っている平衡状態であっても、単独運転を検出することが可能となる。

能動的方式である手法の一つとして、出力電圧の波形に変化（意図的な誤差）を与えておき、電力系統における電圧波形がこの変化に追従したことを検出することにより、単独運転を検出する手法（以下、便宜的に「電圧変化付与手法」と称する）が挙げられる。電圧変化付与手法によれば、単独運転状態の発生が疑われる状況となったとき（例えば、一定条件を満たす電気的変動が検出されたとき）に、出力電圧に変化を与えるようにする。

そして予め定められた判別基準に照らして、電力系統における電圧波形がこの変化に追従したか否かが判別される。その結果として、追従していなければ、単独運転状態は発生していないと判別され、逆に追従していれば、単独運転状態が発生していると判別される。

単独運転状態が発生していなければ、出力電圧の波形の変化が電力系統に与える影響は微小であるため、電力系統における電圧波形はこの変化に追従しないが、そうでなければ追従することになる。そのため電圧変化付与手法によれば、単独運転を検出することが可能となっている。

特開２００８−０５４３６６号公報 特開平０９−３２２５５４号公報 特開２００５−０２０９２５号公報

「パワーエレクトロニクス回路」、電気学会 半導体電力変換システム調査専門委員会 編、オーム社出版

ところで、先述した電圧変化付与手法が用いられるようにする場合、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化を与える必要がある。これを実現するための方策としては、例えば、意図的な誤差に相当する電圧波形を生成する部品や、この電圧波形を電圧指令波形に加算するための部品などを、パワコンに別途設置しておくことが考えられる。

しかしこのようにすることは、パワコンにおける部品数の増大などを招くことになる。その結果、パワコンの製造コストの増大や制御処理の複雑化などが問題となるため、好ましいとは言えないことがある。

本発明は上述した問題に鑑み、電圧変化付与手法を用いた単独運転の検出を行うことが可能であるとともに、部品数の増大などを極力抑えつつ、出力電圧の波形に変化を与えることが可能となる電力変換装置の提供を目的とする。またこのような電力変換装置を用いた電力供給システムの提供を、別の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、ＰＷＭインバータを用いて直流電力を交流電力に変換し、連系している電力系統に出力する電力変換部と、電圧指令波形を算出し、出力する電圧の波形の目標が該電圧指令波形となるように前記ＰＷＭインバータを制御することで、前記電力変換部が出力する出力電圧の波形を、前記電力系統における電圧波形に応じたものとする電圧制御部と、単独運転状態の発生の有無を判別する単独運転判別部と、を備えた電力変換装置であって、前記電圧制御部は、前記電圧指令波形の基準となる波形を表す、基準電圧信号を生成する基準電圧信号生成回路と、前記ＰＷＭインバータのデッドタイムによる出力電圧の歪を補償するデッドタイム補償電圧の波形を表す、補償電圧信号を生成する補償電圧信号生成回路と、を有し、前記基準電圧信号に前記補償電圧信号を合わせることにより、前記電圧指令波形を算出するものであり、前記単独運転判別部は、前記補償電圧信号が表す波形を変形させることによって、前記出力電圧の波形に変化を与え、前記電力系統における電圧波形が該変化に追従したか否かに基づいて、単独運転状態の発生の有無を判別する構成とする。

本構成によれば、電圧変化付与手法を用いた単独運転の検出を行うことが可能である。そして更に本構成によれば、デッドタイムによる出力電圧の歪を補償するための補償電圧信号が、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化を与えることにも活用され、例えば意図的な誤差に相当する電圧波形を生成する部品や、この電圧波形を電圧指令波形に加算するための部品などを、別途設置する必要がない。そのため部品数の増大などを極力抑えつつ、出力電圧の波形に変化を与えることが可能となる。

なおここでの「補償電圧信号が表す波形を変形させること」は、一般的な信号処理によって当該波形を増幅或いは減衰させること等の他、補償電圧信号の伝送ラインを遮断すること（これにより当該波形は、実質的に、例えば振幅が略ゼロの波形に変形することとなる）等も含まれるものとする。

また上記構成としてより具体的には、前記単独運転判別部は、前記電力系統における電圧波形のゼロクロス部分での傾きを検出し、該検出の結果に基づいて、前記電力系統における電圧波形が前記変化に追従したことを検出する構成としてもよい。

また上記構成において、前記単独運転判別部は、前記電力系統における所定の電気的変動の発生を監視することにより、単独運転状態の発生が疑われる状況となることを監視し、単独運転状態の発生が疑われる状況となったときに、前記変化を与え始める構成としてもよい。

本構成によれば、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化を与える動作が、必要なとき（単独運転状態の発生が疑われる状況となったとき）に限って実行されるようにし、電力系統の電圧波形を極力乱さないようにすることが可能となる。

また上記構成において、前記電圧制御部は、前記基準電圧信号生成回路および前記補償電圧信号生成回路が入力側に接続され、これらの回路から受取った信号を加算する加算器を備えており、該加算器を用いて、前記基準電圧信号に前記補償電圧信号を合わせるものであり、前記単独運転判別部は、前記補償電圧信号生成回路と前記加算器との接続を遮断することにより、補償電圧信号が表す波形を変形させる構成としてもよい。

本構成によれば、補償電圧信号が表す波形を変形させるための処理を必要とすることなく、例えば信号ラインの開閉の切替といった簡易な処理を行うだけで、出力電圧の波形に意図的な誤差を与えることが可能となる。

また上記構成としてより具体的には、前記単独運転判別部は、更に前記基準電圧信号が表す波形の周波数を改変することによって、前記出力電圧の波形に変化を与える構成としてもよい。

また本発明に係る電力供給システムは、上記構成に係る電力変換装置と、前記直流電力を発生させる直流電源と、を備え、前記直流電力を交流電力に変換して、前記電力系統に供給する構成とする。本構成によれば、上記構成に係る電力変換装置の利点を享受することが可能となる。

上述した通り、本発明に係る電力変換装置によれば、電圧変化付与手法を用いた単独運転の検出を行うことが可能である。そして更に本構成によれば、デッドタイムによる出力電圧の歪を補償するための補償電圧信号が、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化を与えることにも活用される。そのため部品数の増大などを極力抑えつつ、出力電圧の波形に変化を与えることが可能となる。

本発明の実施形態に係るパワコンの構成図（電力系統に連系した状態）である。 出力電圧の波形を表すグラフである。 基準電圧信号生成回路およびゲート信号生成回路に関する構成図である。 連系状態制御動作のフローチャートである。 単独運転判別動作のフローチャートである。 出力電圧の波形を表すグラフである。

本発明の実施形態について、交流の電力系統に連系するパワーコンディショナ（パワコン）を挙げて、以下に説明する。

図１は、本実施形態のパワコンの構成図（電力系統に連系した状態）を表している。本図に示すように、パワコン１は端子Ｔ１およびＴ２を有しており、端子Ｔ１には直流電源２が接続され、端子Ｔ２には既存の電力系統が接続されている。なお直流電源２は、例えば太陽光発電システムであり、直流電力を発生させるものである。直流電源２は、電力系統から見れば分散電源の一つに相当する。

また電力系統は、電力配線に系統電源３や電力系統の遮断に用いられる系統遮断機４などが接続され形成されている。なお本実施形態での電力系統は、５０Ｈｚ（電圧波形は正弦波に調整されている）の商用電源を伝送するものとする。電力系統には、電力系統から電力供給を受ける負荷５（各種電気機器など）も接続される。また電力系統については、他の形態（例えば６０Ｈｚの商用電源を伝送するもの）であっても同様に考えることができる。

［パワコンの構成等について］
次にパワコン１の構成等について説明する。図１に示すようにパワコン１は、ダイオード１１、コンデンサ１２、ＰＷＭインバータ１４、インダクタ１５、コンデンサ１６、電流検出回路１７、電圧検出回路１８、連系リレー１９、およびパワコン制御装置２０などを備えている。

直流電源２から送出された電力は、各素子（１１、１２）によって状態が整えられ、ＰＷＭインバータ１４に届けられる。ＰＷＭインバータ１４は、受取った電力を交流に変換し、後段側に送出する。ＰＷＭインバータ１４は、パワコン制御装置２０から受取ったゲート信号Ｓｇに応じて動作する。なおＰＷＭインバータ１４の動作においては、スイッチング素子のアーム短絡を防止するために短絡防止時間が設けられており、デッドタイムが生じるようになっている。

ＰＷＭインバータ１４から送出された電力は、インダクタ１５やコンデンサ１６によって波形が整えられ、連系リレー１９を介して、電力系統に出力される。なお以降、パワコン１から電力系統に向けて出力される電圧を、単に「出力電圧」と称することがある。

連系リレー１９は、パワコン制御装置２０から受取ったリレー切替信号Ｓｒに応じて、開閉が切替えられる。通常は、連系リレー１９は閉じられており、パワコン１および直流電源２が電力系統に連系されるが、連系リレー１９が開かれると、当該連系は解除される。

また電流検出回路１７は、端子Ｔ２を流れる電流の値を、継続的に検出する回路である。電流検出回路１７によって検出された電流値の情報は、電流検出信号Ｉｄとして、パワコン制御装置２０に伝送される。

電圧検出回路１８は、端子Ｔ２の両極間における電圧の値を、継続的に検出する回路である。電圧検出回路１８によって検出された電圧値の情報は、電圧検出信号Ｖｄとして、パワコン制御装置２０に伝送される。パワコン制御装置２０は、電圧検出信号Ｖｄを継続的に受取ることにより、電力系統における電圧波形（時間と電圧値との関係）を継続的に検出することが可能となっている。

パワコン制御装置２０は、適切な動作がなされるようにパワコン１を制御する装置であり、連系状態制御回路２１、基準電圧信号生成回路２２、補償電圧信号生成回路２３、およびゲート信号生成回路２４などを備えている。

連系状態制御回路２１は、例えばＣＰＵを用いて形成されるものであり、電圧検出信号Ｖｄに基づいて連系状態制御動作を実行し、パワコン１の電力系統への連系を適切に制御する。すなわち連系状態制御回路２１は、単独運転状態が発生したときに、当該連系を解除させるようにリレー切替信号Ｓｒを出力する。なお連系状態制御動作のより詳細な内容については、改めて説明する。

基準電圧信号生成回路２２は、後述する電圧指令波形の基準となる波形を表す信号として、基準電圧信号を生成する回路である。基準電圧信号生成回路２２は、電流検出信号Ｉｄおよび電圧検出信号Ｖｄを受取るようになっており、これらの信号を用いて、電力系統の電圧波形に所定の補正要素（例えば、ＰＷＭインバータ１４から電力系統へ電流が流れることによる、電圧降下分を補正する要素）が付加された波形を表す信号を、基準電圧信号として生成する。生成された基準電圧信号は、ゲート信号生成回路２４に送出される。

補償電圧信号生成回路２３は、デッドタイム補償電圧（ＰＷＭインバータ１４のデッドタイムによる出力電圧の歪を補償する電圧）の波形を表す信号として、補償電圧信号を生成する回路である。生成された補償電圧信号は、ゲート信号生成回路２４に送出される。なお非特許文献１によれば、デッドタイムによって次の（１）式で表されるひずみ電圧Ｖｔｄが発生することになる。デッドタイム補償電圧は、例えば、このひずみ電圧Ｖｔｄと同量に設定される。
Ｖｔｄ＝Ｅｄｃ×Ｔｄ×ｆｃ ・・・（１）
（ただし、Ｅｄｃは上下アームの入力電圧を、Ｔｄはデッドタイムを、ｆｃはキャリア周波数を、それぞれ表す。）

なお補償電圧信号生成回路２３は、通常時、例えば基準電圧信号もしくは電圧検出信号Ｖｄを参照して、デッドタイムに起因する出力電圧の歪が適切に補償されるように（出力電圧の波形を正弦波に近づけるように）補償電圧信号を生成する。その一方で、補償電圧信号生成回路２３は、連系状態制御回路２１からの指示に応じて、補償電圧信号が表す波形を変形させることが可能となっている。

ゲート信号生成回路２４は、基準電圧信号と補償電圧信号を受取り、基準電圧信号に補償電圧信号を合わせることによって、基準電圧信号と補償電圧信号の波形が合わさった電圧指令波形を算出する。そしてゲート信号生成回路２４は、この算出結果に基づいてゲート信号Ｓｇを生成して、ＰＷＭインバータ１４に出力する。

その結果、ＰＷＭインバータ１４は、出力する電圧の波形の目標がこの電圧指令波形となるように、パワコン制御装置２０によってＰＷＭ制御がなされる。これにより通常時は、パワコン１が電力系統へ出力する出力電圧の波形は、電力系統における電圧波形に略一致するようになっている。なお、出力電圧の波形が電力系統における電圧波形と略一致するように、電圧指令波形を算出する手法自体については、既に各種の手法が知られている。

ここで補償電圧信号を合わせること（加算）による効果を理解容易とするため、図２に、補償電圧信号が加算される場合と加算されない場合の各々における、出力電圧の概略的な波形（電力系統における電圧状態を考慮しない場合）を示す。なお図２は、基準電圧信号に補償電圧信号が加算されないと仮定した場合（つまり、基準電圧の波形がそのまま電圧指令波形とされる場合）の出力電圧の波形Ｗ−１を、点線で示し、基準電圧信号に補償電圧信号が加算される場合（通常時におけるパワコン１の場合）の出力電圧の波形Ｗ−２を、実線で示している。

図２に示す通り、波形Ｗ−１は、ＰＷＭインバータ１４のデッドタイムの影響により、電圧ゼロを表す直線とクロスするゼロクロス部分（特に、電圧ゼロとなった時点から微小時間が経過するまでの期間）において、一時的に略水平（すなわち、傾きが略ゼロ）となっている。このように波形Ｗ−１においては、ＰＷＭインバータ１４のデッドタイムに起因する歪が生じている。なお、理想的な出力電圧の波形（正弦波）を基準とすれば、波形Ｗ−１は、ゼロクロス部分の傾きが略ゼロとなるように変化していると見ることも出来る。

一方、波形Ｗ−２は、このような歪が補償されており、波形Ｗ−１に比べて、理想的な出力電圧の波形（正弦波）に近いものとなっている。なお補償電圧信号は、特にゼロクロス部分における傾きを適切に増大させるよう設定されており、その結果、ＰＷＭインバータ１４のデッドタイムに起因する歪が、適切に補償されている。

パワコン１は、通常時、上述したパワコン制御装置２０の制御を通じて、出力電圧の波形を、電力系統の電圧波形とほぼ同等の波形とする。これによりパワコン１は、直流電源が発生させた電力を、所定の連系規定に準拠した状態とし、電力系統に出力（供給）するようになっている。

またパワコン制御装置２０の構成態様は上述した通りであるが、各回路（２１〜２４）のより具体的な構成等については、様々な態様とすることが可能である。図３に、基準電圧信号生成回路２２、およびゲート信号生成回路２４の具体的な構成の一例を示す。当該構成について以下に説明する。

図３に示すように、基準電圧信号生成回路２２は、電流設定回路２２ａ、減算器２２ｂ、制御器２２ｃ、第１信号ライン２２ｄ、および第２信号ライン２２ｅを備えている。またゲート信号生成回路２４は、加算器２４ａ、三角波生成回路２４ｂ、およびＰＷＭコンパレータ２４ｃを備えている。

電流設定回路２２ａは、出力電流の目標値を表す信号を生成し、減算器２２ｂに出力する。減算器２２ｂは、電流検出回路１７から電流検出信号Ｉｄが入力されるようになっており、出力電流の目標値を表す信号と電流検出信号Ｉｄとの差を出力する。また制御器２２ｃは、減算器２２ｂの出力を受取り、出力電流相当の電圧を表す信号を、第１信号ライン２２ｄを介して後段側に出力する。

第１信号ライン２２ｄは、加算器２４ａの入力側（入力端子の一つ）に接続されており、制御器２２ｃから出力された信号を加算器２４ａに伝送する。また第２信号ライン２２ｅは、加算器２４ａの入力側（他の入力端子）に接続されており、電圧検出信号Ｖｄ（スケールが調整されたものであっても良い）を加算器２４ａに伝送する。なお、第１信号ライン２２ｄを介して加算器２４ａに伝送される信号（ＰＷＭインバータ１４から電力系統へ電流が流れることによる電圧降下に対応した波形を表す）と、第２信号ライン２２ｅを介して加算器２４ａに伝送される信号（電力系統における電圧波形を表す）を合わせたものが、先述した基準電圧信号に相当する。基準電圧信号は、加算器２４ａに伝送されるこれらの信号の波形が合わさった波形を、表していると見ることができる。

また加算器２４ａは、入力側に、第１信号ライン２２ｄ、第２信号ライン２２ｅ、および補償電圧信号の伝送ラインが接続されている。これにより加算器２４ａは、基準電圧信号および補償電圧信号が、入力されるようになっている。そして加算器２４ａは、これらの信号を加算することにより、基準電圧と補償電圧の波形が合わさった電圧指令波形を表す信号を生成し、ＰＷＭコンパレータ２４ｃの非反転入力端子に出力する。なお電圧指令波形を表す信号が生成されたことにより、電圧指令波形が算出されたということが出来る。

ＰＷＭコンパレータ２４ｃは、非反転入力端子に、電圧指令波形を表す信号が入力される一方、反転入力端子に、三角波生成回路２ｂが生成する基準三角波の信号が入力される。ＰＷＭコンパレータ２４ｃはこれらの比較結果に応じた信号を、ゲート信号ＳｇとしてＰＷＭインバータ１４へ出力する。

［連系状態制御動作について］
ところで単独運転状態が発生したときは、パワコン１における電力系統への連系を、速やかに解除させる必要がある。そこで連系状態制御回路２１は、単独運転状態が発生したか否かに応じてパワコン１と電力系統との連系状態を適切に制御するための、連系状態制御動作を実行するようになっている。以下、この連系状態制御動作について、図４に示すフローチャートを参照しながら、より詳細に説明する。

連系状態制御回路２１は、通常時、電圧検出信号Ｖｄに基づいて、電力系統に基準レベルを超える電気的変動（所定の電気的変動）が生じたかを、継続的に監視するようになっている（ステップＳ１）。なおここでの「電気的変動」は、例えば、電圧低下、周波数変化率の変化、位相跳躍、および高調波電圧の変化のうちの、一つまたは複数が該当する。

単独運転状態が発生する原因としては、例えば落雷の影響による電力系統の遮断が考えられる。そしてこのような電力系統の遮断が生じたとき、少なくとも一時的に、上述したような電気的変動が生じる。このことから、当該電気的変動がある程度のレベルを超えたときは、単独運転状態の発生が疑われることになる。上述した「基準レベル」は、単独運転状態の発生が疑われる程度のレベルに設定されている。

しかしながら、単独運転状態が発生していなくても、何らかの原因により、電気的変動が基準レベルを超える可能性がある。すなわち、基準レベルを超える電気的変動が検出されたときは、単独運転状態の発生が疑われるものの、単独運転状態が発生していないことも考えられる。

そこで、基準レベルを超える電気的変動が検出された場合（ステップＳ１のＹ）、連系状態制御回路２１は、予め定められた単独運転判別動作を実行し、単独運転状態が発生したか否かを判別することとする（ステップＳ２）。単独運転判別動作は、単独運転状態の発生の有無を、短時間に精度良く判別するための動作であり、具体的内容については改めて説明する。

単独運転判別動作の実行により、単独運転状態が発生したと判別された場合（ステップＳ３のＹ）、連系状態制御回路２１は、連系リレー１９を開くためのリレー切替信号Ｓｒを、連系リレー１９に送出し、連系リレー１９を開いた状態に制御する。これにより、パワコン１の電力系統への連系が解除され、単独運転が停止される（ステップＳ４）。

一方、単独運転判別動作の実行により、単独運転状態は発生していないと判別された場合（ステップＳ３のＮ）、パワコン１の電力系統への連系を解除させる必要は無い。そのため連系状態制御回路２１は、連系リレー１９を開くこととせず、ステップＳ１の動作に戻る。上述した一連の連系状態制御動作を実行することにより、連系状態制御回路２１は、単独運転状態の発生の有無を短時間に精度良く判別し、この判別の結果に応じた適切な処置を行うようになっている。

［単独運転判別動作について］
単独運転判別動作（ステップＳ２）は、既に説明した電圧変化付与手法を用いて、単独運転状態の発生の有無を判別する動作である。この単独運転判別動作の具体的な内容について、図５に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。

単独運転判別動作の開始に伴い、連系状態制御回路２１は、補償電圧信号が表す波形に変形を加え始める（ステップＳ１１）。この変形はその後の一定期間、継続して加えられることになる。

先述した通り、補償電圧信号が表す波形は、通常時においては、デッドタイムに起因する出力電圧の歪が適切に補償されるように設定されるが、ステップＳ１１の動作が実行されることにより、当該変形が、単独運転を検出するための意図的な誤差として加えられる。なおここでは説明を容易とするため、当該波形の振幅を略ゼロとするような変形（当該波形を全体的に十分に減衰させる変形）が加えられるものとする。

そして連系状態制御回路２１は、補償電圧信号が表す波形に変形が加えられるようにしつつ、電圧検出信号Ｖｄに基づいて電力系統の電圧波形を監視する。そしてこの電圧波形におけるゼロクロス部分の傾きの絶対値（以下、単に「傾き」とする）が、一定の正常傾斜範囲を逸脱したか否かを判別する（ステップＳ１２）。なおこの正常傾斜範囲は、単独運転状態が発生していない状況下では、電力系統の電圧波形におけるゼロクロス部分の傾きが逸脱することはないと想定される範囲に、予め設定されている。

当該波形におけるゼロクロス部分の傾きαは、次の（２）式によって算出される。
α ＝ ｜ｆ（ｔｏ＋Δｔ）／Δｔ｜ ・・・（２）
但し、ｔｏは当該波形におけるゼロクロスの時刻、Δｔは予め設定された微小時間、ｆ（ｔ）は時刻ｔにおける当該波形の縦軸方向の位置を、それぞれ表している。
連系状態制御回路２１は、例えば（２）式を用いることによって傾きαを算出し、この値が正常傾斜範囲を逸脱したか否かを判別する。

ここで、補償電圧信号が表す波形に変形が加えられている期間では、電圧指令波形の算出において、補償電圧信号が加算されない状況（補償電圧信号が無効化された状況と見ることもできる）とほぼ同等の状況になる。そのため、出力電圧の波形は、図２に示す波形Ｗ−２のような形態から、波形Ｗ−１のような形態（意図的な誤差が与えられた形態）に変化しようとする。

そして、単独運転状態が発生していないとき、電力系統における電力状態は、系統電源３等の影響が強く、パワコン１の出力の影響を殆ど受けない。そのため電力系統の電圧波形は、出力電圧の波形が変化しようとしてもこの変化に追従せず、ほぼ正弦波を維持したままとなる。その結果、傾きαは正常傾斜範囲から逸脱することはない。

しかし単独運転状態が発生しているとき、電力系統の電力状態は、パワコン１の出力状態が支配的となる。そのため電力系統の電圧波形は、出力電圧の波形が変化するとこの変化に追従し、波形Ｗ−１のような形態に近づく。その結果、傾きαは、単独運転状態が発生していないときのものに比べて十分に小さくなり、正常傾斜範囲から逸脱することとなる。

そこで連系状態制御回路２１は、傾きαが正常傾斜範囲を逸脱しなかったと判別したときには（ステップＳ１２のＮ）、単独運転状態は発生していないと判別し（ステップＳ１３）、今回の単独運転判別動作を終了する。一方で連系状態制御回路２１は、傾きαが正常傾斜範囲を逸脱したと判別したときには（ステップＳ１２のＹ）、単独運転状態が発生したと判別し（ステップＳ１４）、今回の単独運転判別動作を終了する。

なおステップＳ１２の処理は、一箇所のゼロクロス部分だけでなく、複数箇所のゼロクロス部分の傾きαを判別の対象としても構わない。例えば、複数箇所のゼロクロス部分の傾きαについて、それぞれ正常傾斜範囲を逸脱したか否かが判別されるようにし、全ての箇所において正常傾斜範囲を逸脱していれば、単独運転状態が発生したと判別されるようにしても構わない。

なお、補償電圧信号が表す波形に変形を加え続ける期間は、ステップＳ１２に係る判別の動作が適切に実行されるように設定される。例えば、複数箇所のゼロクロス部分の傾きαを判別の対象とする場合、各ゼロクロス部分が到来する時点において当該変形が加えられた状態となるように、当該期間が設定される。

［変形例等について］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの内容に限定されるものではない。本発明はその主旨を逸脱しない限り、種々の改変を加えて実施することが可能である。なお本実施形態に対する変形例としては、例えば以下に示すものが挙げられる。

補償電圧信号が表す波形にどのような変形を加えるかについては、単独運転の検出が可能である限り（すなわち、単独運転状態が発生しているときには、傾きαを正常傾斜範囲から逸脱させるようになっている限り）種々の態様が採用され得る。例えば、決められた定数を継続的に乗じることにより、当該波形を全体的に増幅或いは減衰させるように変形を加える態様が採用され得る。なお当該波形を全体的に増幅させるように変形が加えられると、補償電圧信号が表す波形は、ゼロクロス部分における傾きを増大させる度合がより強くなる波形となる。

なお、波形を十分に増幅させるような変形が補償電圧信号に加えられると、出力電圧の波形は、図６に示す波形Ｗ−３のように、ゼロクロス部分における傾きが通常時に比べて十分に大きな波形に変化しようとする。その結果、単独運転状態が発生しているとき、傾きαは、単独運転状態が発生していないときのものに比べて十分に大きくなり、正常傾斜範囲から逸脱することとなる。連系状態制御回路２１は、このことを利用して、単独運転状態の発生の有無を判別することが可能である。

また補償電圧信号が表す波形に変形を加える手法としては、一般的な信号処理によって当該波形を増幅或いは減衰させる手法などの他、補償電圧信号の伝送ラインを遮断する手法（当該波形は、実質的に、振幅が略ゼロの波形に変形することとなる）等が採用されても構わない。

なおこれまでに説明した通りパワコン制御装置２０は、基準電圧信号生成回路２２および補償電圧信号生成回路２３が入力側に接続され、これらの回路から受取った信号を加算する加算器２４ａを備えており、この加算器２４ａを用いて、基準電圧信号に補償電圧信号を合わせるようになっている。

そこで連系状態制御回路２１の指示に応じて、補償電圧信号生成回路２３と加算器２４ａとの接続を、遮断することが可能な形態としておくことが考えられる。例えば、この接続に用いられる信号ラインの開閉を切替えるスイッチを設けておき、このスイッチが、連系状態制御回路２１によって切替えられるようにしておく。

そして連系状態制御回路２１が、補償電圧信号が表す波形に変形を加える動作（ステップＳ１１）として、補償電圧信号生成回路２３と加算器２４ａとの接続を遮断させる動作を実行するようにすれば、実質的に補償電圧信号が表す波形に変形が加えられ、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化が与えられる。なおこのような手法が採用された場合は、例えば信号ラインの開閉の切替といった簡易な処理を行うだけで、出力電圧の波形に意図的な誤差を与えることが可能となる。

またパワコン１においては、更に、基準電圧信号が表す波形の周波数を改変することによって、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化を与えるようにしても構わない。

例えば単独運転判別動作の実行時において、傾きαが正常範囲を逸脱しなかったときに（ステップＳ１２のＮ）、連系状態制御回路２１が基準電圧信号生成回路２２に指示を出し、基準電圧信号が表す波形の周波数を一定量（例えば３．５Ｈｚ程度）だけ改変させるようにする。これにより出力電圧の波形に、周波数の変化（意図的な誤差）が与えられることになる。

そして連系状態制御回路２１が、電力系統の電圧波形がこの変化に追従したかどうかを判別するようにする。そして追従しなかった場合には、単独運転状態は発生していないと判別される一方、追従した場合には、単独運転状態が発生したと判別されるようにする。このようにすれば、いわゆるダブルチェックにより、単独運転状態の発生の有無をより慎重に判別することが可能となる。

また本実施形態では、単独運転状態が発生したと判別されたときに、直ちに電力系統への連系を解除させる（連系リレー１９を開く）ようにしているが（ステップＳ３、Ｓ４を参照）、その代わりに、単独運転状態が発生したと判別されてから一定時間（例えば、０．１秒程度）経過した後に、電力系統への連系を解除させるようにしても構わない。

また、単独運転状態が発生したと判別された場合、電力系統への連系を解除させるとともに、単独運転状態の発生を知らせるための報知信号が出力されるようにしても構わない。また更に、単独運転状態が発生したと判別された場合、パワコン１から電力系統に出力される電流の振幅を減衰させること等により、電力系統に出力される電力が小さくなるようにしても構わない。

［その他］
以上までに説明した通り、本実施形態に係るパワコン１（電力変換装置）は、ＰＷＭインバータ１４を用いて直流電力を交流電力に変換し、連系している電力系統に出力する機能部（電力変換部）と、電圧指令波形を算出し、出力する電圧の波形の目標がこの電圧指令波形となるようにＰＷＭインバータ１４を制御することで、電力変換部が出力する出力電圧の波形を、電力系統における電圧波形に略一致させる機能部（電圧制御部）と、単独運転状態の発生の有無を判別する機能部（単独運転判別部）と、を備えている。

なお電圧制御部は、電圧指令波形の基準となる波形を表す、基準電圧信号を生成する基準電圧信号生成回路２２と、ＰＷＭインバータ１４のデッドタイムによる出力電圧の歪を補償するデッドタイム補償電圧の波形を表す、補償電圧信号を生成する補償電圧信号生成回路２３と、を有しており、基準電圧信号に補償電圧信号を合わせることにより、電圧指令波形を算出するものとなっている。

また単独運転判別部は、補償電圧信号が表す波形を変形させることによって、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化を与え、電力系統における電圧波形が該変化に追従したことを検出することにより、単独運転状態の発生を検出するものとなっている。

このようにパワコン１は、電圧変化付与手法を用いた単独運転の検出を行うことが可能となっている。そして更にパワコン１によれば、デッドタイムによる出力電圧の歪を補償するための補償電圧信号が、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化を与えることにも活用され、例えば意図的な誤差に相当する電圧波形を生成する部品や、この電圧波形を基準電圧の波形に加算するための部品などを、別途設置する必要がないものとなっている。そのため部品数の増大などを極力抑えつつ、出力電圧の波形に変化を与えることが可能となっている。

なお、デッドタイムの設けられたＰＷＭインバータが利用される場合、デッドタイムによる出力電圧の歪が補償されるようにするため、本実施形態のように、当該補償を実現させるための回路（補償電圧信号生成回路２３等に相当）を設けておくことは、必要であるといえる。本実施形態に係るパワコン１は、当該補償を実現させるための回路を、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化を与えるための手段にも兼用させ、部品数の増大などを極力抑えるようにしたものと言える。

なお先述したように、補償電圧信号が表す波形に、例えば増幅或いは減衰させる変形が加えられる場合（補償電圧信号の伝送ラインが遮断される場合も含む）には、単独運転状態が発生したとき、電力系統における電圧波形においては特にゼロクロス部分における傾きが変化する。

このことを利用して単独運転判別部は、電力系統における電圧波形のゼロクロス部分での傾きを検出し、この検出の結果に基づいて、電力系統における電圧波形が、出力電圧の波形に与えられた変化に追従したことを検出するようになっている。より具体的には、検出（算出）された傾きαが正常傾斜範囲を逸脱したことを検出することにより、電力系統における電圧波形が、当該変化に追従したことを検出するようになっている。そのため単独運転判別部は、電力系統における電圧波形が当該変化に追従したことを、容易に検出することが可能となっている。

また単独運転判別部は、電力系統における所定の電気的変動の発生を監視することにより、単独運転状態の発生が疑われる状況となることを監視し（ステップＳ１）、単独運転状態の発生が疑われる状況となったときに（ステップＳ１のＹ）、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化を与え始めるようになっている（ステップＳ１１）。

そのためパワコン１によれば、出力電圧の波形に意図的な誤差としての変化を与える動作が、必要なとき（単独運転状態の発生が疑われる状況となったとき）に限って実行されるようにし、電力系統の電圧波形を極力乱さないようにすることが可能となっている。

本発明は、電力系統に連系するパワーコンディショナ等に利用することができる。

１ パワーコンディショナ（電力変換装置）
２ 直流電源（分散電源）
３ 系統電源
４ 系統遮断機
５ 負荷
１１ ダイオード
１２ コンデンサ
１４ ＰＷＭインバータ
１５ インダクタ
１６ コンデンサ
１７ 電流検出回路
１８ 電圧検出回路
１９ 連系リレー
２０ パワコン制御装置
２１ 連系状態制御回路
２２ 基準電圧信号生成回路
２２ａ 電流設定回路
２２ｂ 減算器
２２ｃ 制御器
２２ｄ 第１信号ライン
２２ｅ 第２信号ライン
２３ 補償電圧信号生成回路
２４ ゲート信号生成回路
２４ａ 加算器
２４ｂ 三角波生成回路
２４ｃ ＰＷＭコンパレータ
Ｔ１、Ｔ２ 端子
Ｗ−１〜Ｗ−３ 波形

Claims (6)

1. ＰＷＭインバータを用いて直流電力を交流電力に変換し、連系している電力系統に出力する電力変換部と、
   電圧指令波形を算出し、出力する電圧の波形の目標が該電圧指令波形となるように前記ＰＷＭインバータを制御することで、前記電力変換部が出力する出力電圧の波形を、前記電力系統における電圧波形に応じたものとする電圧制御部と、
   単独運転状態の発生の有無を判別する単独運転判別部と、
   を備えた電力変換装置であって、
   前記電圧制御部は、
   前記電圧指令波形の基準となる波形を表す、基準電圧信号を生成する基準電圧信号生成回路と、
   前記ＰＷＭインバータのデッドタイムによる出力電圧の歪を補償するデッドタイム補償電圧の波形を表す、補償電圧信号を生成する補償電圧信号生成回路と、を有し、
   前記基準電圧信号に前記補償電圧信号を合わせることにより、前記電圧指令波形を算出するものであり、
   前記単独運転判別部は、
   前記補償電圧信号が表す波形を変形させることによって、前記出力電圧の波形に変化を与え、
   前記電力系統における電圧波形が該変化に追従したか否かに基づいて、単独運転状態の発生の有無を判別することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記単独運転判別部は、
   前記電力系統における電圧波形のゼロクロス部分での傾きを検出し、
   該検出の結果に基づいて、前記電力系統における電圧波形が前記変化に追従したか否かを判別することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記単独運転判別部は、
   前記電力系統における所定の電気的変動の発生を監視することにより、単独運転状態の発生が疑われる状況となることを監視し、
   単独運転状態の発生が疑われる状況となったときに、前記変化を与え始めることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電圧制御部は、
   前記基準電圧信号生成回路および前記補償電圧信号生成回路が入力側に接続され、これらの回路から受取った信号を加算する加算器を備えており、
   該加算器を用いて、前記基準電圧信号に前記補償電圧信号を合わせるものであり、
   前記単独運転判別部は、
   前記補償電圧信号生成回路と前記加算器との接続を遮断することにより、補償電圧信号が表す波形を変形させることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記単独運転判別部は、
   更に前記基準電圧信号が表す波形の周波数を改変することによって、前記出力電圧の波形に変化を与えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の電力変換装置。
6. 請求項１から請求項５の何れかに記載の電力変換装置と、
   前記直流電力を発生させる直流電源と、を備え、
   前記直流電力を交流電力に変換して、前記電力系統に供給することを特徴とする電力供給システム。

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