JP2006025550A - Frequency detection device and distributed power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交流電力系統に系統連系する分散電源装置に係り、特に、系統電圧の周波数を検出する周波数検出装置に関する。 The present invention relates to a distributed power supply device interconnected to an AC power system, and more particularly to a frequency detection device that detects a frequency of a system voltage.
例えば、太陽電池や燃料電池などの直流電源から、インバータにより三相交流電圧を形成し、三相の交流電力系統に系統連系する分散電源装置においては、連系動作を的確に行うため、系統電圧の周波数を正確に検出する必要がある。そして、検出した周波数に基づいて、例えばインバータで所要の電圧波形を形成することで、インバータによる系統連系運転が行われる。 For example, in a distributed power supply device that forms a three-phase AC voltage from a DC power source such as a solar cell or a fuel cell by an inverter and interconnects the system to a three-phase AC power system, It is necessary to accurately detect the frequency of the voltage. And based on the detected frequency, a grid connection operation by an inverter is performed, for example by forming a required voltage waveform with an inverter.
このような周波数検出は、基本的には、交流電圧の瞬時量を電圧検出器(PT)で検出し、所定の周期でサンプリングし、サンプリング値の極性変化から零点(電圧波形の零クロス点)の存在を検知する。そして、前回検出した零点から今回検出した零点までの区間の周期(時間)を算出し、その逆数から交流電圧の周波数を求めるようにしたものである(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、系統電圧波形の零点間の周期から周波数を検出する方式は、零点付近での電圧波形が歪んでいると正確な周波数を検出できないという問題がある。
一時的な電圧波形の歪では、その検出した周波数を、それ以前の数回検出した周波数を平均化し、それを検出周波数とすることで防ぐことが出来る。しかし、電力系統に力率改善を行う負荷などが接続されていると、系統電圧が零点において毎周期毎に連続的に歪んでしまう場合がある。その場合には、検出した周波数が誤った周波数となり、誤った周波数に基づいて運転すると系統連系に誤動作を引き起こすこととなる。
However, the method of detecting the frequency from the cycle between the zero points of the system voltage waveform has a problem that an accurate frequency cannot be detected if the voltage waveform near the zero point is distorted.
Temporary distortion of the voltage waveform can be prevented by averaging the detected frequency for the frequency detected several times before and making it the detected frequency. However, if a load or the like for improving the power factor is connected to the power system, the system voltage may be continuously distorted every cycle at the zero point. In that case, the detected frequency becomes an incorrect frequency, and if the operation is performed based on the incorrect frequency, a malfunction occurs in the grid connection.
本発明は、上述した事情に鑑みて為されたもので、検出する系統電圧が零点付近で歪んでいても、系統電圧の正しい周波数を正確に且つ容易に検出することができる周波数検出装置及び該検出装置を備えた分散電源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and a frequency detection device capable of accurately and easily detecting the correct frequency of the system voltage even if the system voltage to be detected is distorted near the zero point, and An object of the present invention is to provide a distributed power supply device including a detection device.
本発明の周波数検出装置は、交流電力系統の系統電圧を電圧検出器で検出し、該電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する周波数検出装置において、前記電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する零点位相検出信号(a)と、前記電圧検出器で検出した電圧の零点からずれた位相の点により周波数を検出する任意点位相検出信号(b)とで周波数検出を行うことを特徴とするものである。 The frequency detection device of the present invention is a frequency detection device that detects a system voltage of an AC power system with a voltage detector and detects a frequency from a zero point of the voltage detected by the voltage detector. The frequency detection is performed by the zero phase detection signal (a) for detecting the frequency by the zero point of the signal and the arbitrary point phase detection signal (b) for detecting the frequency by the phase point shifted from the zero point of the voltage detected by the voltage detector. It is characterized by doing.
また、本発明の分散電源装置は、交流電力系統の系統電圧を電圧検出器で検出し、該電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する周波数検出装置を備え、該周波数検出装置は、前記電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する零点位相検出信号(a)と、前記電圧検出器で検出した電圧の零点からずれた位相の点により周波数を検出する任意点位相検出信号(b)とで周波数検出を行うことを特徴とするものである。 Further, the distributed power supply device of the present invention includes a frequency detection device that detects a system voltage of an AC power system with a voltage detector and detects a frequency based on a zero point of the voltage detected by the voltage detector, and the frequency detection device includes: The zero point phase detection signal (a) for detecting the frequency by the zero point of the voltage detected by the voltage detector and the arbitrary point phase detection for detecting the frequency by the phase point shifted from the zero point of the voltage detected by the voltage detector The frequency detection is performed with the signal (b).
前記周波数検出装置において、電圧検出器で検出した交流電圧を整流する整流器と、整流された直流電圧を分圧する分圧器とを備え、その分圧比より零点から位相のずれた点により周波数を検出することが好ましい。また、前記電圧検出器で検出した交流電圧を2個の比較器に入力し、該比較器の比較値を一方は零点に設定し、他方は前記零点から位相のずれた点の電圧値に設定することが好ましい。 The frequency detection device includes a rectifier that rectifies the AC voltage detected by the voltage detector and a voltage divider that divides the rectified DC voltage, and detects a frequency from a point whose phase is shifted from the zero point by the voltage division ratio. It is preferable. Also, the AC voltage detected by the voltage detector is input to two comparators, one of the comparison values of the comparators is set to a zero point, and the other is set to a voltage value at a point shifted in phase from the zero point. It is preferable to do.
本発明によれば、系統電圧が零点において、一時的な歪または毎周期連続的な歪が生じた場合においても、周波数の誤検出をなくすことができる。特に、この周波数検出装置によれば、波形歪みが生じがたい位相角α(10〜20°が好ましい)の点で、比較器により位相検出信号(b)を出力させることで、波形歪みによる周波数の誤検出という問題を防止できる。そして、比較的簡単な回路構成(主としてソフトウェアにより実現可能)の追加のみで、この周波数検出装置を備えた分散電源装置を実現できる。 According to the present invention, erroneous detection of frequency can be eliminated even when temporary distortion or continuous distortion occurs every period when the system voltage is zero. In particular, according to this frequency detection device, the phase detection signal (b) is output by the comparator at a phase angle α (preferably 10 to 20 °) at which waveform distortion is unlikely to occur, thereby causing a frequency due to waveform distortion. Can prevent the problem of false detection. A distributed power supply device including this frequency detection device can be realized only by adding a relatively simple circuit configuration (mainly realized by software).
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the member or element which has the same effect | action or function, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の一実施形態の周波数検出装置を備えた分散電源装置を示す。太陽電池または燃料電池等の直流電源11が直流線路11a,11bにより、インバータシステム10に接続され、インバータシステム10で直流電力が交流電力に変換され、その出力は開閉器16およびブレーカ17を介して交流電力系統18に接続され、系統連系する。
FIG. 1 shows a distributed power supply device including a frequency detection device according to an embodiment of the present invention. A
ここで、インバータシステム10は、直流電源11の直流電圧を入力とし、昇圧チョッパなどの昇圧回路12により前記直流電圧を昇圧して、直流部13に直流高電圧(リンク電圧)を形成する。直流部13は、直流線路13a,13bの間に、複数のコンデンサCと抵抗rとが直並列接続され、直流高電圧を保持するとともに、直流電圧を平滑化する作用を担っている。
Here, the
インバータ15では、直流線路13a,13bから入力された直流リンク電圧から三相交流電圧を形成し、開閉器16およびブレーカ17を介して接続された交流電力系統18と連系し、負荷に交流電力を供給する。インバータ15は、制御装置21からの制御指令によりその電力スイッチング素子がオン・オフ動作し、任意の電圧、周波数、位相の交流電圧をパルス幅変調制御等により形成する。
In the
インバータ15で系統連系する交流電圧波形を形成するに際して、交流電力系統18側の電圧、位相および周波数を検出しておく必要がある。このため、ブレーカ17を介して接続される交流電力系統18の電圧を検出する三相電圧検出トランス(PT)23を備えている。三相電圧検出トランス(PT)23は、その出力が制御装置21に接続され、制御装置21に備えたCPU回路等により、交流電力系統18の電圧、位相および周波数が検出される。
When forming an AC voltage waveform interconnected by the
図2は、この分散電源装置に備えた周波数検出装置の構成例を示す。交流電力系統18の系統電圧が電圧検出器(PT)23により検出され、制御装置21に供給され、この制御装置21の内部で系統電圧の周波数が検出される。
FIG. 2 shows a configuration example of a frequency detection device provided in this distributed power supply device. The system voltage of the
電圧検出器(PT)23の出力は、制御装置21内のノイズカットフィルタ31に接続され、ここでノイズ等の高周波成分が除去され、低周波成分のみが通過する。ノイズカットフィルタ31を通過した電圧信号は、図示しないA/D変換器により所定のサンプリング周期毎にサンプリングされ、デジタル信号データとして2個の比較器32及び33に送出される。
The output of the voltage detector (PT) 23 is connected to a
比較器32は、電圧波形の零点、すなわち、電圧波形が電位0Vとクロスする点の零点位相検出信号(a)を出力する。この信号(a)は演算部35に入力され、前回の零点位相検出信号(a)と、1周期分後の今回の零点位相検出信号(a)との間の周期(時間=T)を計測し、この逆数としての周波数を検出する。
The
すなわち、図3(a)に示すように、系統電圧波形が0Vとクロスする零点Zにおいて、系統電圧信号がプラスの場合には、零点位相検出信号(a)は、“1”を出力する。そして、系統電圧信号がマイナスの場合には、零点位相検出信号(a)は、“0”を出力する。したがって、零点位相検出信号(a)の立ち上がりと次の立ち上がりとの間の周期(時間=T)を計測することができる。そして、この周期(=T)の逆数を求めることで、系統電圧の周波数を検出することができる。 That is, as shown in FIG. 3A, when the system voltage signal is positive at the zero point Z where the system voltage waveform crosses 0 V, the zero phase detection signal (a) outputs “1”. When the system voltage signal is negative, the zero point phase detection signal (a) outputs “0”. Therefore, the period (time = T) between the rising edge of the zero phase detection signal (a) and the next rising edge can be measured. And the frequency of system voltage is detectable by calculating | requiring the reciprocal number of this period (= T).
比較器33は、電圧波形の零点以外の任意点A、すなわち、電圧波形が電位AVとクロスする点の任意点位相検出信号(b)を出力する。この信号(b)は演算部35に入力され、前回の任意点位相検出信号(b)と、1周期分後の今回の任意点位相検出信号(b)との間の周期(時間=T)を計測し、この逆数としての周波数を検出する。
The
すなわち、図3(b)に示すように、系統電圧波形がAVとクロスする任意点Aにおいて、系統電圧信号がプラスの場合には、任意点位相検出信号(b)は、“1”を出力する。そして、系統電圧信号がマイナスの場合には、任意点位相検出信号(b)は、“0”を出力する。したがって、任意点位相検出信号(b)の立ち上がりと次の立ち上がりとの間の周期(時間=T)を計測することができる。そして、この周期(=T)の逆数を求めることで、系統電圧の周波数を検出することができる。 That is, as shown in FIG. 3B, when the system voltage signal is positive at an arbitrary point A where the system voltage waveform crosses AV, the arbitrary point phase detection signal (b) outputs “1”. To do. When the system voltage signal is negative, the arbitrary point phase detection signal (b) outputs “0”. Therefore, the period (time = T) between the rising edge of the arbitrary point phase detection signal (b) and the next rising edge can be measured. And the frequency of system voltage is detectable by calculating | requiring the reciprocal number of this period (= T).
ここで、任意点Aは、系統電圧の零点からずれた位相の点である。すなわち、系統電圧波形は、基本的に正弦波であり、零点は位相角0°の点であり、任意点Aは位相角αの点である。従って、比較器33における比較電圧AVは、系統電圧の振幅の変化に対応して比例する電圧値である。このため、系統電圧が変動しても、位相角αの点の比較電圧AVが系統電圧に比例して変動し、位相角αの点の任意点位相検出信号(b)が得られるようようになっている。
Here, the arbitrary point A is a phase point shifted from the zero point of the system voltage. That is, the system voltage waveform is basically a sine wave, the zero point is a point with a phase angle of 0 °, and the arbitrary point A is a point with a phase angle α. Therefore, the comparison voltage AV in the
任意点A(位相角α)における位相検出信号(b)を出力する比較器33における比較電圧AVを形成するため、電圧検出器23で検出した交流電圧を整流する整流器37と、整流された直流電圧を分圧する分圧器38とを備えている。そして、その分圧器38の分圧比より与えられる電圧AVを比較器33の比較電圧としている。
In order to form the comparison voltage AV in the
すなわち、ノイズカットフィルタ31を通過後のアナログ交流電圧(系統電圧)を整流器37で整流し、その直流電圧を分圧器38により分圧し、その分圧比より零点から位相のずれた位相角αの点Aにより周波数を検出するものである。したがって、系統電圧の振幅が変動しても、この分圧された電圧Aは、交流電圧波形の振幅に対する分圧比の電圧が得られる。このため、電圧波形の振幅が変動する場合に、比較電圧Aも変動するが、この比較電圧Aの振幅に対する比は一定であり、換言すれば電圧波形の一定の位相角αの電圧に対応した比較値により、任意点位相検出信号(b)を出力するようになっている。従って、任意点位相検出信号(b)の立ち上がりは、系統電圧の零点からずれた位相角αの点で出力される。
That is, the analog AC voltage (system voltage) after passing through the noise cut
次に、この周波数検出装置の動作について説明する。図3に示すように、系統電圧波形に歪みがなく正規の正弦波である場合には、零点位相検出信号(a)から計測された周期(=T)も、位相角αずれた任意点位相検出信号(b)の周期(=T)も等しくなる。このため、周期(=T)の逆数として検出される周波数も一致する。 Next, the operation of this frequency detection device will be described. As shown in FIG. 3, when the system voltage waveform is a normal sine wave without distortion, the period (= T) measured from the zero phase detection signal (a) is also an arbitrary point phase shifted by the phase angle α. The period (= T) of the detection signal (b) is also equal. For this reason, the frequency detected as the reciprocal of the period (= T) also matches.
しかしながら、電力系統に力率改善を行う負荷などが接続されていると、系統電圧が零点付近において毎周期毎に連続的に歪んでしまう場合がある。この傾向は、電源系統にインバータ等の力率が悪い負荷が接続されている場合などに顕著である。また、零点以外に60°などの正弦波位相においても、系統電圧の波形が崩れやすい傾向がある。 However, if a load for improving the power factor is connected to the power system, the system voltage may be continuously distorted every cycle in the vicinity of the zero point. This tendency is remarkable when a load having a low power factor such as an inverter is connected to the power supply system. In addition to the zero point, the waveform of the system voltage tends to collapse even in a sine wave phase such as 60 °.
図5(a)に一般的な三相電圧出力インバータと、(b)にその三相電圧出力波形を示す。単相交流出力の場合で電力スイッチング素子を用いたインバータ出力は、正負極性が切り替わる。0°、180°の零点付近での力率調整のための波形操作などにより、出力波形に歪みが生じやすい。しかし、三相交流の場合は各相120°ずつずれるので、三相交流では0°、60°、120°の正弦波位相の点でも正負極性の切り替りに伴う位相操作などの影響が出る可能性がある。すなわち、三相交流の場合は、0°、60°、120°、180°の正弦波位相でインバータ出力波形に歪みが生じやすい。このため、任意点位相検出信号(b)を生成する零点からずれた位相αとしては10°〜20°程度とすることが経験的に好ましい。従って、点Aは、位相角10〜20°の点に設定することが好ましい。 FIG. 5A shows a general three-phase voltage output inverter, and FIG. 5B shows the three-phase voltage output waveform. In the case of a single-phase AC output, the inverter output using the power switching element switches between positive and negative polarity. The output waveform is likely to be distorted by a waveform operation for power factor adjustment near the zero point of 0 ° and 180 °. However, in the case of three-phase alternating current, each phase is shifted by 120 °. Therefore, in the case of three-phase alternating current, the phase operation associated with switching between positive and negative polarity can be affected even at the point of sine wave phase of 0 °, 60 ° and 120 °. There is sex. That is, in the case of three-phase alternating current, distortion is likely to occur in the inverter output waveform with sine wave phases of 0 °, 60 °, 120 °, and 180 °. For this reason, it is empirically preferable that the phase α shifted from the zero point for generating the arbitrary point phase detection signal (b) is about 10 ° to 20 °. Therefore, the point A is preferably set to a point having a phase angle of 10 to 20 °.
図4は、系統電圧波形が零点付近で歪んでいる場合を示す。すなわち、位相角θ1からθ2の間で系統電圧が0Vとなり、また位相角θ3からθ4の間で同じく系統電圧が0Vとなり、その他の位相角においては正常である場合を示す。この場合には、零点位相検出信号(a)は図示するように位相角θ2で“1”となり、位相角0°で“0”となり、再び位相角θ4で“1”となる。このため、両立ち上がり間の1周期(θ2からθ4)は正しい周期(=T)と異なる周期T’となり、この周期T’により周波数を演算すると、誤った周波数となる。
FIG. 4 shows a case where the system voltage waveform is distorted near the zero point. That is, the system voltage is 0 V between the phase angles θ 1 and θ 2 , the system voltage is also 0 V between the phase angles θ 3 and θ 4 , and normal in other phase angles. In this case, the zero phase detection signal (a) becomes “1” at the phase angle θ 2 as shown in the figure, becomes “0” at the
しかしながら、零点以外の点Aにおける任意点位相検出信号(b)によれば、電圧AVとクロスする位相角θ5(点A)で任意点位相検出信号(b)が“1”となり、再び電圧AVとなる位相角θ6において、任意点位相検出信号(b)が“0”となり、再び電圧AVとクロスする位相角θ7(点A)において、任意点位相検出信号は“1”となる。したがって、点Aで任意点位相検出信号(b)の“1”信号を出力することで、得られる周期は、零点付近で電圧波形が歪んでいても正常な周期(=T)が得られる。したがって、この正しい周期(=T)に基づいて、その逆数を演算することで正しい周波数が得られる。 However, according to the arbitrary point phase detection signal (b) at the point A other than the zero point, the arbitrary point phase detection signal (b) becomes “1” at the phase angle θ 5 (point A) crossing the voltage AV, and the voltage again The arbitrary point phase detection signal (b) becomes “0” at the phase angle θ 6 that becomes AV, and the arbitrary point phase detection signal becomes “1” at the phase angle θ 7 (point A) that crosses the voltage AV again. . Therefore, by outputting the “1” signal of the arbitrary point phase detection signal (b) at the point A, the period obtained can be a normal period (= T) even if the voltage waveform is distorted near the zero point. Therefore, the correct frequency can be obtained by calculating the reciprocal of the correct period (= T).
図6は、比較器32により検出した周波数(a)と、比較器33により検出した周波数(b)とから、最終的に検出した周波数を決定するフローを示す。すなわち、零点位相検出信号(a)から周波数(a)が検出され、任意点位相検出信号(b)から周波数(b)が検出され、この両者の周波数が比較・判断され、最終的な検出周波数が決定される。
FIG. 6 shows a flow for determining the finally detected frequency from the frequency (a) detected by the
まず、判定部40で、周波数(a)と周波数(b)が等しいと判断される場合は、正常状態であり、この一致した周波数が最終的な検出周波数となる。そして、判定部40はこの周波数を前回判定周波数として記憶する。そして、周波数(a)と周波数(b)とが一致しない場合には、前回判定周波数を参照して、判定部40にて検出周波数を決定する。
First, when the
例えば、零点近傍で図4に示すような電圧波形の歪みが生じている場合には、周波数(a)は異常となるが、任意点位相検出信号による検出周波数(b)が前回判定周波数と一致する場合には、周波数(b)を最終的な検出周波数と判定する。これにより、系統電圧の電圧波形が零点近傍で歪みを生じている場合にも、正しい周波数を検出することが可能となる。 For example, when the voltage waveform distortion as shown in FIG. 4 occurs near the zero point, the frequency (a) becomes abnormal, but the detection frequency (b) by the arbitrary point phase detection signal matches the previous determination frequency. If so, the frequency (b) is determined as the final detection frequency. This makes it possible to detect the correct frequency even when the voltage waveform of the system voltage is distorted near the zero point.
このように、この周波数検出装置によれば、波形歪みが生じがたい位相角α(10〜20°が好ましい)の点Aで、比較器33により位相検出信号(b)を出力させるという比較的簡単な回路構成(主としてソフトウェアにより実現可能)の追加で、波形歪みによる周波数の誤検出という問題を防止できる。
Thus, according to this frequency detection apparatus, the phase detection signal (b) is output by the
なお、上述した実施形態においては、比較器を2個用い、零点位相検出信号と任意点位相検出信号を検出するようにしたが、比較器を3個以上用い、複数の位相角による任意点位相検出信号を得るようにしてもよい。これにより、判定部でさらに精度の高い周波数検出を行うことが可能となる。 In the above-described embodiment, two comparators are used to detect a zero point phase detection signal and an arbitrary point phase detection signal. However, three or more comparators are used and an arbitrary point phase with a plurality of phase angles is used. A detection signal may be obtained. As a result, the determination unit can perform more accurate frequency detection.
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。 Although one embodiment of the present invention has been described so far, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be implemented in various forms within the scope of the technical idea.
10 インバータシステム
11 直流電源
12 昇圧回路
13 直流部
15 インバータ
16 開閉器
17 ブレーカ
18 交流電力系統
21 制御装置
23 電圧検出器
31 ノイズカットフィルタ
32,33 比較器
35 演算部
37 整流器
38 分圧器
40 判定部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する零点位相検出信号(a)と、前記電圧検出器で検出した電圧の零点からずれた位相の点により周波数を検出する任意点位相検出信号(b)とで周波数検出を行うことを特徴とする周波数検出装置。 In the frequency detection device that detects the system voltage of the AC power system with a voltage detector and detects the frequency by the zero point of the voltage detected by the voltage detector,
A zero-point phase detection signal (a) for detecting the frequency from the zero point of the voltage detected by the voltage detector, and an arbitrary point phase detection signal for detecting the frequency by a phase point shifted from the zero point of the voltage detected by the voltage detector And (b) performing frequency detection.
交流電力系統の系統電圧を電圧検出器で検出し、該電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する周波数検出装置を備え、
該周波数検出装置は、前記電圧検出器で検出した電圧の零点により周波数を検出する零点位相検出信号(a)と、前記電圧検出器で検出した電圧の零点からずれた位相の点により周波数を検出する任意点位相検出信号(b)とで周波数検出を行うことを特徴とする分散電源装置。 In the distributed power supply system connected to the AC power system,
A frequency detector for detecting the system voltage of the AC power system with a voltage detector and detecting the frequency by the zero point of the voltage detected by the voltage detector;
The frequency detection device detects a frequency by a zero point phase detection signal (a) for detecting a frequency from a zero point of a voltage detected by the voltage detector and a phase point shifted from the zero point of the voltage detected by the voltage detector. A distributed power supply apparatus that performs frequency detection with an arbitrary point phase detection signal (b).
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