JP2008118809A - Method and device for protecting isolated operation of power conversion system for power system operation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、商用電力系統に連系し、直流電力を交流電力に変換して、その電力を需要家側の負荷や系統に供給する系統連系用電力変換システムの保護装置に係り、特に、系統停電時に該システムが単独運転するのを防止する保護方法およびその装置に関するものである。 The present invention relates to a protection device for a grid interconnection power conversion system that is linked to a commercial power grid, converts DC power to AC power, and supplies the power to a load or grid on the customer side, The present invention relates to a protection method and apparatus for preventing the system from operating independently during a system power failure.
系統連系規程JEAC9701−2006によれば、太陽電池などが発電する直流電力を交流電力に変換して、その電力を商用電力系統やそこに接続された負荷に供給する電力変換システムにおいては、系統停電時における作業者の感電事故防止のため、系統停電を検出し、該システムの単独運転を防止する機能を有することが1つの技術要件として提示されている。 According to the grid interconnection regulations JEAC9701-2006, in a power conversion system that converts DC power generated by a solar cell or the like into AC power and supplies the power to a commercial power system or a load connected thereto, In order to prevent an electric shock accident of an operator at the time of a power failure, it has been proposed as one technical requirement to have a function of detecting a system power failure and preventing an independent operation of the system.
現在までのところ、理論上および実際の運用上のいかなる場合においても単独運転を完全に防止するための手段は提案されていない。そのため先の規程では、有効であると認められている2つの方式群、即ち、能動的方式と受動的方式の中からそれぞれ1つずつの方式を採用し、それら2つの方式の組合せによって、該システムの単独運転を防止するという指針が提示されている。 To date, no means has been proposed to completely prevent islanding in any theoretical or actual operational case. Therefore, in the previous regulations, two methods that are recognized as effective, that is, one method each of the active method and the passive method, are adopted, and the combination of these two methods Guidelines are provided to prevent system isolated operation.
こうした現状の中、能動的方式の1つに周波数シフト方式という方式があり、この方式を採用した系統連系用電力変換システムとしては、例えば、図5に示すような系統連系インバータ装置がある。 Under such circumstances, there is a system called a frequency shift system as one of the active systems. As a system interconnection power conversion system employing this system, for example, there is a system interconnection inverter device as shown in FIG. .
図5において、変換部101は、商用電力系統2に連系され、太陽電池1の直流電力を交流電力に変換し、その電力を負荷3に供給する。そして、変換部101の出力周波数は、電圧制御発振回路109の発振周波数と等しくなるように制御されている。
In FIG. 5, the
電圧制御発振回路109の発振周波数は、連系点202の電圧位相と電圧制御発振回路109の出力電圧位相を比較する位相比較回路105の出力を平滑する平滑回路106の出力と、連系点202の周波数変動に対応して出力電圧を変動させるバイアス発生部108の出力とを加算する加算回路107により制御される。
The oscillation frequency of the voltage controlled
これにより、商用電力系統2が停電して周波数が変動すると、変換部101の出力周波数は、周波数変動が拡大する方向に変化するよう制御される。
As a result, when the
制御回路103は、その周波数変動を検出して遮断器102を開状態にし、変換部101を系統から解列する(特許文献1参照)。
ところで、上記の系統連系インバータ装置では、インバータの単独運転を防止するために、位相比較回路105、平滑回路106、加算回路107、電圧制御発振回路109、バイアス発生部108といった多くのハードウェアが必要となる。そのため回路構成が複雑になり、装置故障率が増加するだけでなく、コスト増にもなってしまうといった問題があった。
By the way, in the above-described grid-connected inverter device, many hardware such as the
そこで、本発明は、このような問題点を解消するために、マイクロコンピュータを使用し、ソフトウェアを利用した、上記とは異なる周波数シフト方式を提案し、系統連系用電力変換システムの単独運転を確実に防止する保護方法およびその装置を提供することを目的としている。 In order to solve such problems, the present invention proposes a frequency shift method different from the above using a microcomputer and using software, and operates the power conversion system for grid interconnection independently. It is an object of the present invention to provide a protection method and an apparatus for reliably preventing it.
通常、このような系統連系用電力変換システムでは、変換部を制御する制御回路にマイクロコンピュータを使用するのが一般的であり、特に回路を追加することなく、これを利用し、簡単な計算手段を用いて単独運転を防止する保護方法を実現することにより、装置故障率やコストが増加することのない系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法、および、その装置を提供することが可能となる。 Usually, in such a grid-connected power conversion system, a microcomputer is generally used for the control circuit that controls the conversion unit, and this makes it possible to perform simple calculations without adding a circuit. It is possible to provide an isolated operation protection method for a grid interconnection power conversion system and an apparatus thereof that do not increase an apparatus failure rate and cost by realizing a protection method for preventing isolated operation using a means. It becomes possible.
請求項1記載の発明は、上記の目的を達成するため、直流電源の電力を交流電力に変換して商用電力系統、あるいは、商用電力系統に接続された負荷にその電力を供給するように構成した系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法において、直流電力を交流電力に変換する電力変換回路と商用電力系統との連系点の電圧をサンプリングしたデータから所定の振幅と位相を有する同期信号のサンプル値を計算し、前記同期信号のサンプル値を元に作成した電流指令値に合致するように前記電力変換回路の出力電流を制御することにより、商用電力系統が停電したときに、前記電力変換回路の出力電圧の周波数が所定値に変化するように、電流指令値の元となる前記同期信号の位相を変化させる。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is configured to convert the power of a DC power source into AC power and supply the power to a commercial power system or a load connected to the commercial power system. In the isolated operation protection method for the grid interconnection power conversion system, synchronization having a predetermined amplitude and phase from data obtained by sampling the voltage at the interconnection point between the power conversion circuit for converting DC power to AC power and the commercial power grid By calculating the sample value of the signal and controlling the output current of the power conversion circuit to match the current command value created based on the sample value of the synchronization signal, when the commercial power system fails, The phase of the synchronization signal that is the source of the current command value is changed so that the frequency of the output voltage of the power conversion circuit changes to a predetermined value.
請求項2記載の発明は、直流電源の電力を交流電力に変換して商用電力系統、あるいは、商用電力系統に接続された負荷にその電力を供給するように構成した系統連系用電力変換システムにおいて、直流電力を交流電力に変換する電力変換手段と商用電力系統との連系点の電圧をサンプリングしたデータから所定の振幅と位相を有する同期信号のサンプル値を計算する同期信号計算手段を備え、前記同期信号の位相に同期した電流指令値に合致するように前記電力変換手段の出力電流を制御する制御手段を設けて構成し、商用電力系統が停電したときに、前記電力変換手段の出力電圧の周波数が所定値に変化するように、前記同期信号計算手段により前記電流指令値の位相を変化させる。
The invention described in
請求項3記載の発明は、請求項2記載の同期信号計算手段を、ディジタル制御系の状態方程式と出力方程式を用いて構成する。 According to a third aspect of the present invention, the synchronization signal calculating means according to the second aspect is configured using a state equation and an output equation of a digital control system.
本発明の系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法および単独運転保護装置によれば、商用電力系統が正常なときには、同期信号計算手段により、電流指令値は、連系点の電圧に同期している。電力変換回路の出力電流は電流指令値に合致するように制御されるので、その出力周波数は連系点の周波数(商用周波数である50Hzまたは60Hz)と同じになる。一方、商用電力系統が停電したときには、同期信号計算手段により、電力変換回路の出力周波数が所定値に変化するように電流指令値の位相を変化させる。この周波数の変化が周波数リレーにより検出され、確実に電力変換回路を停止させることができ、有効である。 According to the isolated operation protection method and the isolated operation protection device of the grid interconnection power conversion system of the present invention, when the commercial power system is normal, the current command value is synchronized with the voltage at the interconnection point by the synchronization signal calculation means. is doing. Since the output current of the power conversion circuit is controlled so as to match the current command value, the output frequency is the same as the frequency of the interconnection point (commercial frequency 50 Hz or 60 Hz). On the other hand, when the commercial power system fails, the phase of the current command value is changed by the synchronization signal calculation means so that the output frequency of the power conversion circuit changes to a predetermined value. This frequency change is detected by the frequency relay, and the power conversion circuit can be surely stopped, which is effective.
また、前記同期信号計算手段として、ディジタル制御系の状態方程式と出力方程式を用いることにより、制御系の設計やマイコンソフトの設計を簡単に行なうことができるので、非常に便利である。 In addition, by using the state equation and output equation of the digital control system as the synchronization signal calculation means, the control system and microcomputer software can be easily designed, which is very convenient.
以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。なお、図1において、図5に示す系統連系インバータ装置と同一の要素は同一符号を付して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In FIG. 1, the same elements as those in the grid interconnection inverter device shown in FIG.
図1は、本発明における系統連系用電力変換システムを示すブロック図である。太陽電池1が発電した直流電力を電力変換回路11が交流電力に変換し、商用電力系統2や負荷3に電力を供給する。電力変換回路11と商用電力系統2は連系点202で連系し、その点の電圧を電圧検出部12でサンプリングして同期信号計算手段18へ入力する。そして、同期信号計算手段18は、所定の振幅と位相を有する同期信号Vs(交流)のサンプル値を計算して出力する。
FIG. 1 is a block diagram showing a grid interconnection power conversion system according to the present invention. The
太陽電池1から最大電力を取出すように設定された電圧指令値Vdrと太陽電池1の電圧Vdとの差を入力電圧制御部13で増幅し、そこから出力される制御信号Vc(直流)と前記同期信号Vsを乗算部14にて乗算し、電流指令値Ior(交流、周波数はVsと同じ)を作成する。そして、電流指令値Iorと電流検出器4で検出した電力変換回路11の出力電流Ioとの差を出力電流制御部15で増幅し、その出力信号をPWM制御部16に入力し、PWM制御されたスイッチング制御信号を作成する。このスイッチング制御信号にしたがって、駆動部17は電力変換回路11を動作させる。全体的には、太陽電池1から最大電力を取出すような電流指令値Iorを作成し、その電流指令値に一致するように電力変換回路11の出力電流Ioを制御する。
The difference between the voltage command value Vdr set to extract the maximum power from the solar cell 1 and the voltage Vd of the solar cell 1 is amplified by the input
周波数検出部19では、電圧検出部12でサンプリングしたデータから周波数を検出し、周波数リレー20に入力する。周波数リレー20では、それを設定値と比較して周波数の異常を検出し、異常検出部21に入力する。
The
また、実効値計算部22では、電圧検出部12でサンプリングしたデータから連系点電圧の実効値を計算し、電圧リレー23に入力する。電圧リレー23は、それを設定値と比較して系統電圧の異常を検出し、異常検出部21に入力する。
The effective
周波数リレー20や電圧リレー23など、各種保護リレー(本発明とは関係ないため図示せず)の動作信号が異常検出部21に入力される。異常検出部21は、保護リレーが動作したとき駆動部17に停止指令を与えて、電力変換回路11を停止させる。
Operation signals of various protection relays (not shown because they are not related to the present invention) such as the
ところで、図1において、破線部で囲った部分はすべてマイクロコンピュータのプログラムで処理している。 By the way, in FIG. 1, all the parts enclosed by the broken line are processed by the microcomputer program.
さて、以上の説明から明らかなように、電力変換回路11の出力周波数は、同期信号Vsの周波数に等しく、それは同期信号計算手段18によって規定される。同期信号計算手段18としては、ディジタル制御系の状態方程式と出力方程式から構成する方法が、設計上も説明上も簡明であるので、ここでは、それらの方程式で計算する方法を説明する。
As is apparent from the above description, the output frequency of the
下記2式にて同期信号Vsを計算する。 The synchronization signal Vs is calculated by the following two equations.
ここで、
k:時間tk=kΔt(Δt:サンプリング間隔)を表すインデックス、
u(k):時間tkにおける連系点202の電圧サンプリングデータ、
x(k):時間tkにおける状態ベクトル(n個の状態変数を成分とする列ベクトル)、
y(k):時間tkにおける同期信号Vsのサンプル値、
A:n次正方行列、B:n×1行列、C:1×n行列。
here,
k: an index representing time t k = kΔt (Δt: sampling interval),
u (k): voltage sampling data of the
x (k): state vector at time t k (column vector having n state variables as components),
y (k): sample value of the synchronization signal Vs at time t k ,
A: n-order square matrix, B: n × 1 matrix, C: 1 × n matrix.
行列A、B、Cの各要素は、[数1]と[数2]から導出されるパルス伝達関数の位相特性が、商用周波数で位相が0度、その付近の位相の変化率が正、商用周波数から所定値以上低い周波数での位相が正、所定値以上高い周波数での位相が負となるように決定する。 Each element of the matrix A, B, C has a phase characteristic of the pulse transfer function derived from [Equation 1] and [Equation 2], the phase is 0 degree at the commercial frequency, and the rate of change of the phase in the vicinity thereof is positive. The phase is determined so that the phase at a frequency lower than a predetermined value from the commercial frequency is positive and the phase at a frequency higher than the predetermined value is negative.
例えば、商用周波数が60Hz、サンプリング間隔が80μsの場合の行列A、B、C、及び、状態方程式と出力方程式の一例を下記[数3]〜[数5]に示す。また、本例のパルス伝達関数の周波数特性は、図2のようになる(図2(a):ゲイン特性、図2(b):位相特性)。 For example, matrixes A, B, and C when the commercial frequency is 60 Hz and the sampling interval is 80 μs, and examples of the state equation and the output equation are shown in [Formula 3] to [Formula 5] below. Further, the frequency characteristics of the pulse transfer function of this example are as shown in FIG. 2 (FIG. 2A: gain characteristics, FIG. 2B: phase characteristics).
以上のことから、商用電力系統2が正常な場合は、連系点電圧に対する電力変換回路11の出力電流の位相は0度となり、連系点電圧と同位相になる。商用電力系統2が停電して周波数が変動すると、それに応じて電力変換回路11の出力電流の位相が変化する。即ち、商用周波数より低くなると位相が遅れ、高くなると位相が進む。
From the above, when the
以下、本実施例の動作について説明する。電力変換回路11の出力周波数は、例えば、温度変化による回路素子値の変動などがあるため、常に微小変動している。商用電力系統2が正常の場合、電力変換回路11の出力電流を連系点電圧と同位相になるように制御するので、その出力周波数は連系点の周波数と一致する方向に常に制御される。したがって、この場合、周波数リレー20が働いて電力変換システムが停止するようなことはない。
Hereinafter, the operation of this embodiment will be described. The output frequency of the
次に、商用電力系統2が停電した場合の動作について説明する。説明を簡単化するために、負荷3を、図3に示すようなRLC負荷として、LCの共振周波数が商用周波数(本実施例では60Hz)と一致しているような単独運転が発生しやすい負荷とする。この負荷のインピーダンスZの位相特性φzの一例を図4に示す(図4には同期信号計算手段のパルス伝達関数の位相特性φsも示した)。
Next, the operation when the
今、連系点202の周波数が60Hzで、電力変換回路11の出力電力と負荷の消費電力が一致しているものとする。このような場合、商用電力系統2から負荷3へは電力が供給されていないので、商用電力系統2が切離されても電力変換システムは運転を継続する(単独運転)。
Now, it is assumed that the frequency of the
電力変換回路11の出力周波数は常に微小変動しているが、この変動が拡大しなければ、周波数リレー20は動作せず、電力変換システムは単独運転を継続することになる。しかし、本発明によれば、周波数変動が拡大する方向に制御が働き、周波数リレー20が動作して電力変換システムは停止する。
Although the output frequency of the
商用電力系統2が切離されているとき、出力電流Ioに対する連系点電圧Voの位相特性は、負荷インピーダンスZの位相特性φzである(Vo=Z×Io)。また、連系点電圧Voに対する同期信号Vsの位相特性は、同期信号計算手段18のパルス伝達関数の位相特性φsである。
When the
電流指令値Iorの位相は、同期信号Vsの位相と同じである(Ior=Vc×Vs)。出力電流Ioは、電流指令値Iorと一致するように制御されるので、連系点電圧Voに対する出力電流Ioの位相特性φiは、パルス伝達関数の位相特性φsと同じになる。 The phase of the current command value Ior is the same as the phase of the synchronization signal Vs (Ior = Vc × Vs). Since the output current Io is controlled to coincide with the current command value Ior, the phase characteristic φi of the output current Io with respect to the interconnection point voltage Vo is the same as the phase characteristic φs of the pulse transfer function.
今、電力変換回路11の出力周波数foが変動して、現在値である商用周波数fsよりΔfだけ高くなったとすると、出力電流Ioの位相は正帰還がかかって増加していく。即ち、出力周波数がΔfだけ高くなると、連系点電圧Voの位相は、負荷インピーダンスの位相特性φzによりΔφzだけ遅れる。一方、出力電流の位相は、パルス伝達関数の位相φsによりΔφsだけ進む。結局、出力電流Ioの位相は、Δφi=Δφs−Δφzだけ進む。さらに、この位相に対してΔφz遅れてΔφs進むことが繰返されることになるので、出力電流Ioの位相は正帰還がかかって増加していく。
Now, assuming that the output frequency fo of the
ところで、周波数変調と位相変調の関係から明らかなように、一般に、瞬時周波数f(t)と瞬時位相φ(t)の間には、2πf(t)=dφ(t)/dtなる関係がある。ここで、出力周波数foの商用周波数fsからの変動分Δfo(t)と出力電流の瞬時位相の変動分Δφi(t)(出力電流の瞬時位相から2πfs×tを引いたもの)を考えると、同様の関係式2πΔfo(t)=d{Δφi(t)}/dtが成り立つ。 As is apparent from the relationship between frequency modulation and phase modulation, generally, there is a relationship of 2πf (t) = dφ (t) / dt between the instantaneous frequency f (t) and the instantaneous phase φ (t). . Here, when considering the variation Δfo (t) of the output frequency fo from the commercial frequency fs and the variation Δφi (t) of the instantaneous phase of the output current (subtracting 2πfs × t from the instantaneous phase of the output current) A similar relational expression 2πΔfo (t) = d {Δφi (t)} / dt holds.
図4に示した特性から明らかなように、出力周波数foがfs<fo<f2の範囲では、Δφi>0であるので、出力電流Ioの位相の変化は正方向に増大していく。したがって、電力変換回路11の出力周波数の変動分Δfoも正方向に増大していく。
As is apparent from the characteristics shown in FIG. 4, since Δφi> 0 when the output frequency fo is in the range of fs <fo <f2, the change in the phase of the output current Io increases in the positive direction. Therefore, the variation Δfo of the output frequency of the
出力周波数foがf2より高くなると、Δφi<0であるので、出力電流Ioの位相の変化は負方向に増大していく。したがって、電力変換回路11の出力周波数の変動分Δfoも負方向に増大していく。
When the output frequency fo becomes higher than f2, since Δφi <0, the phase change of the output current Io increases in the negative direction. Therefore, the variation Δfo of the output frequency of the
出力周波数foがf2に等しい場合、Δφz=Δφsとなり、Δφi=0となるので、位相も周波数も変化しない。 When the output frequency fo is equal to f2, Δφz = Δφs and Δφi = 0, so neither the phase nor the frequency changes.
以上のことから、電力変換回路11の出力周波数foが変動して、商用周波数fsより少しでも高くなると、周波数f2に収束する。
From the above, when the output frequency fo of the
次に、電力変換回路11の出力周波数foが変動して、現在値である商用周波数fsよりΔfだけ低くなった場合について説明する。この場合も、前記と同様に考えれば、図4に示した特性から明らかなように、出力周波数foがf1<fo<fsの範囲では、Δφi<0であるので、出力電流Ioの位相の変化は負方向に増大していく。したがって、電力変換回路11の出力周波数の変動分Δfoも負方向に増大していく。
Next, the case where the output frequency fo of the
出力周波数foがf1より低くなると、Δφi>0であるので、出力電流Ioの位相の変化は正方向に増大していく。したがって、電力変換回路11の出力周波数の変動分Δfoも正方向に増大していく。
When the output frequency fo becomes lower than f1, since Δφi> 0, the phase change of the output current Io increases in the positive direction. Therefore, the variation Δfo of the output frequency of the
出力周波数foがf1に等しい場合、Δφz=Δφsとなり、Δφi=0となるので、位相も周波数も変化しない。 When the output frequency fo is equal to f1, Δφz = Δφs and Δφi = 0, so that neither the phase nor the frequency changes.
以上のことから、電力変換回路11の出力周波数foが変動して、商用周波数fsより少しでも低くなると、周波数f1に収束する。
From the above, when the output frequency fo of the
結局、本発明によれば、単独運転の場合には、周波数が少しでも変動すれば、電力変換回路11の出力周波数foは、f1またはf2になる。周波数f1またはf2は、周波数リレー20で検出可能な周波数となるように、負荷インピーダンスを考慮して、同期信号計算手段18の[数1]と[数2]を設定してある。それゆえ、本発明では、単独運転が周波数リレーで検出できる。
After all, according to the present invention, in the case of an isolated operation, if the frequency fluctuates even a little, the output frequency fo of the
ここでは、説明を簡単化するため、電力変換回路11の出力電力と負荷3の消費電力が一致し、商用電力系統2からの電力供給がないような、単独運転が発生しやすいRLC負荷を考えた。しかし、多くの場合は、商用電力系統から負荷に電力が供給されているため、系統が停電すると、系統から電力が供給されなくなり、周波数だけでなく、負荷の電圧も規定の範囲を超えることになる。したがって、周波数リレー20と電圧リレー23を組合せることにより、より確実に単独運転を検出することができる。
Here, in order to simplify the explanation, an RLC load in which an isolated operation is easily generated such that the output power of the
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、系統連系用電力変換システムの制御回路に、単独運転保護のための回路を追加する必要はなく、そこに使用されているマイクロコンピュータを利用してソフトウェアで、単独運転保護の機能を実現することが可能である。そのため、回路追加によるコストアップや故障率の増加、回路素子のバラツキや温度による変動、経年劣化による性能の低下を招くようなことなく、確実に系統連系用電力変換システムの単独運転を検出し、防止することができる。 As is apparent from the above description, according to the present invention, it is not necessary to add a circuit for protection of isolated operation to the control circuit of the grid interconnection power conversion system, and the microcomputer used therefor It is possible to use the software to realize the function for protection from isolated operation. For this reason, it is possible to reliably detect isolated operation of a power conversion system for grid interconnection without causing an increase in cost and an increase in failure rate due to the addition of circuits, fluctuations in circuit elements, fluctuations due to temperature, and deterioration in performance due to aging. Can be prevented.
その上、ディジタル制御系の状態方程式と出力方程式から構成することができるので、回路で実現する場合と比較して、回路素子値による設計上の制約がなく、自由に設計できるので、非常に便利である。 In addition, since it can be configured from the state equation and output equation of the digital control system, it is very convenient because it can be freely designed without restrictions on design due to circuit element values, compared to the case where it is realized with a circuit. It is.
本発明によれば、簡単な計算手段を用いて、安価かつ経年劣化の少ない系統連系用電力変換システムの単独運転保護方法および単独運転保護装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide an isolated operation protection method and an isolated operation protection device for a grid interconnection power conversion system that are inexpensive and have little deterioration over time, using simple calculation means.
1 太陽電池
2 商用電力系統
3 負荷
4 電流検出器
5,6 遮断器
11 電力変換回路
12 電圧検出部
13 入力電圧制御部
14 乗算部
15 出力電流制御部
16 PWM制御部
17 駆動部
18 同期信号計算手段
19 周波数検出部
20 周波数リレー
21 異常検出部
22 実効値計算部
23 電圧リレー
201 入力点
202 連系点
Vd 太陽電池の電圧
Vdr 電圧指令値
Vc 入力電圧制御部の出力
Vs 同期信号
Io 電力変換回路の出力電流
Ior 電流指令値
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
3. The isolated operation protection device for a grid interconnection power conversion system according to claim 2, wherein the synchronization signal calculation means comprises a state equation and an output equation of a digital control system.
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