特許 6985787 電力変換装置とバイパス用遮断器の投入方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6985787

(24)【登録日】2021年11月30日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】電力変換装置とバイパス用遮断器の投入方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20211213BHJP

   H02J 3/32 20060101ALI20211213BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20211213BHJP

   H02J 9/06 20060101ALI20211213BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 N

   H02M7/48 R

   H02J3/32

   H02J3/38

   H02J9/06 120

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2016-36527(P2016-36527)

(22)【出願日】2016年2月29日

(65)【公開番号】特開2017-158222(P2017-158222A)

(43)【公開日】2017年9月7日

【審査請求日】2019年1月25日

【審判番号】不服2020-17221(P2020-17221/J1)

【審判請求日】2020年12月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(72)【発明者】

【氏名】杉村 翔士

【合議体】

【審判長】 田中 秀人

【審判官】 山澤 宏

【審判官】 山崎 慎一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１９４９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２０９１７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２２３９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３４１８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０９３８８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３５８３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２７３２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０９３４８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２５２１４４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H02M 3/00- 3/44

H02J 3/38

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

系統電源と負荷間に並列接続された系統連系スイッチとバイパス用遮断器を設け、かつ負荷と並列に蓄電装置を有するＰＣＳを接続し、系統電源の異常時にＰＣＳを介して負荷に電力を供給する瞬低補償機能を有するものであって、系統電源が異常から正常に戻ったとき系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差が発生している状態でバイパス用遮断器を投入する制御回路において、
前記ＰＣＳ出力電圧と系統電源電圧の位相差θを検出する位相差算出部と、
前記ＰＣＳの直流電圧と予め設定された設定値を比較して当該直流電圧が設定値以下となったとき比較信号を出力する電圧変化検出部と、
前記ＰＣＳの出力周波数に対し単位時間当たりの周波数変化量を算出する周波数変化量算出部と、
前記位相差算出部により算出された系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差θと前記周波数変化量から前記バイパス用遮断器の閉路時刻を算出し、当該算出された閉路時刻からバイパス用遮断器の投入遅れ時間を差引いて得られた時刻における、バイパス用遮断器への投入指令を出す時間を決めるための系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差△θを算出する投入位相差算出部と、
前記ＰＣＳの出力周波数と、周波数変化量算出部および投入位相差算出部の各算出結果をホールドするホールド部と、
投入位相差算出部により得られた位相差△θと、前記系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差θと、を比較し、｜位相差θ−位相差△θ｜≦所定値の場合に前記バイパス用遮断器の投入指令を出力する位相差判定部と、
を有し、
系統電源が異常から正常に戻りＰＣＳの直流電圧が設定値以下となったとき、前記周波数変化量算出部が算出した周波数変化量から導出される出力周波数の減少割合に基づき出力周波数を低減させ、
位相差算出部が算出した系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧の各電圧波形の微分値および電圧値が同一もしくは所定範囲の値となった場合に、バイパス用遮断器を投入して系統電源と負荷を連系することを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

系統電源と負荷間に並列接続された系統連系スイッチとバイパス用遮断器を設け、かつ負荷と並列に蓄電装置を有するＰＣＳを接続し、系統電源の異常時にＰＣＳを介して負荷に電力を供給する瞬低補償を行うものであって、系統電源が異常から正常に戻ったときバイパス用遮断器を投入する制御回路により、系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差が発生している状態でバイパス用遮断器を投入する方法において、
制御回路は、
前記ＰＣＳ出力電圧と系統電源電圧の位相差θを検出する位相差算出部と、
前記ＰＣＳの直流電圧と予め設定された設定値を比較して当該直流電圧が設定値以下となったとき比較信号を出力する電圧変化検出部と、
前記ＰＣＳの出力周波数に対し単位時間当たりの周波数変化量を算出する周波数変化量算出部と、
前記位相差算出部により算出された系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差θと前記周波数変化量から前記バイパス用遮断器の閉路時刻を算出し、当該算出された閉路時刻からバイパス用遮断器の投入遅れ時間を差引いて得られた時刻における、バイパス用遮断器への投入指令を出す時間を決めるための系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差△θを算出する投入位相差算出部と、
前記ＰＣＳの出力周波数と、周波数変化量算出部および投入位相差算出部の各算出結果をホールドするホールド部と、
投入位相差算出部により得られた位相差△θと、前記系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差θと、を比較し、｜位相差θ−位相差△θ｜≦所定値の場合に前記バイパス用遮断器の投入指令を出力する位相差判定部と、
を有し、
系統電源が異常から正常に戻りＰＣＳの直流電圧が設定値以下となったとき、前記周波数変化量算出部が算出した周波数変化量から導出される出力周波数の減少割合に基づき出力周波数を低減させ、
位相差算出部が算出した系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧の各電圧波形の微分値および電圧値が同一もしくは所定範囲の値となった場合に、バイパス用遮断器を投入して系統電源と負荷を連系することを特徴とした電力変換装置のバイパス用遮断器の投入方法。

【請求項3】

系統電源が異常から正常に戻ったときに、ＰＣＳ出力電圧と系統電源電圧との位相差が略一致するまでの時間を次式で算出することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置のバイパス用遮断器の投入方法。

【数7】

ただし、θ；位相差、ａ；出力周波数の減少割合、ｎ；0，1，2，…、

【請求項4】

前記位相差判定部から出力される投入指令は、系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧の各電圧波形の微分値の出力周波数を低減させる各微分値（傾き）が共にプラスの最大時、マイナスの最大時若しくは最大時近辺、および系統電圧とＰＣＳ出力電圧が０のとき、系統電圧＝ＰＣＳ出力電圧若しくは系統電圧−ＰＣＳ出力電圧の絶対値が所定値内の何れかであることを特徴とする請求項２または３記載の電力変換装置のバイパス用遮断器の投入方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、並列接続された系統連系スイッチとバイパス用遮断器を介して接続された電力変換装置と、電力変換装置のバイパス用遮断器の投入方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

並列接続された系統連系スイッチ（以下、高速スイッチという）とバイパス用遮断器を介してＰＣＳ（Power Conditioning Subsystem）を接続した電力変換装置（以下、瞬低補償装置という）の概略の回路構成を図１０に示す。並列型の瞬低補償装置は、ＬＣフィルタ１とＩＧＢＴなどのスイッチングユニットからなるＡＣ／ＤＣ変換器２から構成されるＰＣＳ３と、高速スイッチ４及びバイパス用遮断器５を備え、系統電源６に対して、高速スイッチ４もしくはバイパス用遮断器５を介して負荷７と並列に接続される。インバータ・コンバータ機能を有するＡＣ／ＤＣ変換器２の直流リンクには二次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電装置８が接続され、系統電源６の異常時には蓄電装置８から負荷７に対しＰＣＳを介して電力を供給する。

【0003】

すなわち、瞬低補償装置は、系統電源６が正常なときには高速スイッチ４を介して系統と連系し、負荷の平準化や電力のピークカットを目的として電力の充放電を行う。または、瞬低補償動作に備えて直流エネルギーを充電した状態でＰＣＳのゲートを停止して待機している。系統電源６に異常が発生すると、高速スイッチ４を遮断して系統電源６と負荷７を切り離し、ＰＣＳ３を自立運転に移行することで、所定の時間内で負荷７に安定した電力を供給する。

【0004】

ここで、負荷７として同期電動機が直接接続されている場合がある。系統異常により系統から同期電動機を含む負荷７と瞬低補償装置が切り離されると、場合によっては同期電動機が回生動作を行って周波数が動揺することが、特許文献１や特許文献２において開示されており、その際、有効電力に対し装置の出力周波数を低減させる垂下特性の有用性についても特許文献１，２に開示されている。
また、大きな慣性エネルギーを有している電動機が停電となったとき、電動機端子に誘起される電圧の周波数と略同じ電圧の周波数をインバータで発生させてフリーランさせる技術が特許文献３，４に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開昭６３−２４２１７３

【特許文献2】特開２００７−２０３６１

【特許文献3】特開２０１３−２２３３０２

【特許文献4】特開平８−２２３９３３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

図１１はＰＣＳ連系時の概念図で、系統に異常が発生したとき高速スイッチ４を介して負荷７を系統から切り離すと同時に、瞬低補償装置が動作を開始し、系統が正常に戻るまでの時間に対しての周波数と位相を示したものである。縦軸は、周波数とある時刻を基準とした位相の２種類の電気量を１種類の値で評価したもので、時刻ｔ１が最初の基準でその際の系統周波数・位相をｆ0とする。時刻ｔ１で系統に異常が発生し、高速スイッチ４で系統から負荷７を切り離して瞬低補償装置が動作を開始する。同時に蓄電装置８から負荷７へ電力を供給するため蓄電装置８の電圧（例えば、二次電池電圧）が低下し、装置が補償できる時間は時刻ｔ1〜ｔ5となる。

【0007】

時刻ｔ２で系統が異常から正常に復帰すると、異常発生前の系統周波数・位相ｆ0とは異なるｆ1になったとき、ＰＣＳ３は周波数と位相がｆ0の自立運転から系統との連系運転に移行するため、ＰＣＳ出力周波数と系統周波数の位相をｆ0からｆ1に合わせる動作をする。同期合わせが無いまま連係すると過電流が発生する虞がある。蓄電装置８の所定の直流電圧値である時刻ｔ3までに位相同期制御が完了した場合には、時刻ｔ3で高速スイッチ４を投入しても電流の動揺もなく系統と接続できる。

【0008】

しかし、負荷７に慣性を持つ同期電動機（回生動作も含む）などが存在した状態では、ＰＣＳ３が時刻ｔ2から同期電動機が回転している間は内部誘起電圧があり、端子電圧の周波数・位相ｆsを有する同期電動機と、周波数・位相ｆpのＰＣＳ３が出力する電圧との間での電圧・位相差異を無くす制御はしているが、
時刻ｔ3で系統連系スイッチを投入したとき同期電動機の誘起電圧の位相差と系統電圧との位相差が存在している場合があり、高速スイッチ４に過電流が流れて高速スイッチ４が故障する虞がある。

【0009】

そのため、系統が正常に復帰した後、同期電動機が回転した状態でのＰＣＳ３での位相同期処理が、蓄電装置８のエネルギー源が電気二重層キャパシタの直流電圧が所定の値以上で完了していれば問題ないが、同期電動機の状態により位相同期処理が遅れ、電気二重層キャパシタの直流電圧が所定の値までに同期完了できない場合が生じる。また、高速スイッチ４の代わりにバイパス用遮断器５を用いて瞬低から復帰動作を行うことも考えられるが、半導体素子よりなる高速スイッチと違い、機械的遮断器の投入には遅れがあるため、位相差が０になるタイミングで遮断器投入（投入遅れを考慮した投入指令）を見つける必要がある。

【0010】

本発明が目的とするところは、系統異常から正常に戻ったときの時刻ｔ2〜ｔ3の期間での連系時に過電流が流れることを考慮し、時刻ｔ3以降で電流耐量に余裕のあるバイパス用遮断器を用いて迅速に同期投入を可能とした電力変換装置と、電力変換装置のバイパス用遮断器の投入方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、系統電源と負荷間に並列接続された系統連系スイッチとバイパス用遮断器を設け、かつ負荷と並列に蓄電装置を有するＰＣＳを接続し、系統電源の異常時にＰＣＳを介して負荷に電力を供給する瞬低補償機能を有するものであって、系統電源が異常から正常に戻ったとき系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差が発生している状態でバイパス用遮断器を投入する制御回路において、
前記ＰＣＳ出力電圧と系統電源電圧の位相差θを検出する位相差算出部と、
前記ＰＣＳの直流電圧と予め設定された設定値を比較して当該直流電圧が設定値以下となったとき比較信号を出力する電圧変化検出部と、
前記ＰＣＳの出力周波数に対し単位時間当たりの周波数変化量を算出する周波数変化量算出部と、
前記位相差算出部により算出された系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差θと前記周波数変化量から前記バイパス用遮断器の閉路時刻を算出し、当該算出された閉路時刻からバイパス用遮断器の投入遅れ時間を差引いて得られた時刻において、バイパス用遮断器への投入指令を出す時間を決めるための系統電源電圧との位相差△θを算出する投入位相差算出部と、
前記ＰＣＳの出力周波数と、周波数変化量算出部および投入位相差算出部の各算出結果をホールドするホールド部と、
投入位相差算出部により得られた位相差△θと、前記系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差θと、を比較し、｜位相差θ−位相差△θ｜≦所定値の場合に前記バイパス用遮断器の投入指令を出力する位相差判定部と、
を有するものである。

【0013】

本発明による投入位相差算出部は、系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧の位相差θと略一致する時刻を演算し、当該演算により求まった時刻からバイパス用遮断器の投入遅れ時間を差引いた時刻を得て、この時刻における系統電源電圧に対する位相差を△θとする。

【0014】

また、本発明は、系統電源と負荷間に並列接続された系統連系スイッチとバイパス用遮断器を設け、かつ負荷と並列に蓄電装置を有するＰＣＳを接続し、系統電源の異常時にＰＣＳを介して負荷に電力を供給する瞬低補償を行うものであって、系統電源が異常から正常に戻ったときバイパス用遮断器を投入する制御回路により、系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差が発生している状態でバイパス用遮断器を投入する方法において、
制御回路は、
前記ＰＣＳ出力電圧と系統電源電圧の位相差θを検出する位相差算出部と、
前記ＰＣＳの直流電圧と予め設定された設定値を比較して当該直流電圧が設定値以下となったとき比較信号を出力する電圧変化検出部と、
前記ＰＣＳの出力周波数に対し単位時間当たりの周波数変化量を算出する周波数変化量算出部と、
前記位相差算出部により算出された系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差θと前記周波数変化量から前記バイパス用遮断器の閉路時刻を算出し、当該算出された閉路時刻からバイパス用遮断器の投入遅れ時間を差引いて得られた時刻において、バイパス用遮断器への投入指令を出す時間を決めるための系統電源電圧との位相差△θを算出する投入位相差算出部と、
前記ＰＣＳの出力周波数と、周波数変化量算出部および投入位相差算出部の各算出結果をホールドするホールド部と、
投入位相差算出部により得られた位相差△θと、前記系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧との位相差θと、を比較し、｜位相差θ−位相差△θ｜≦所定値の場合に前記バイパス用遮断器の投入指令を出力する位相差判定部と、
を有し、
系統電源が異常から正常に戻りＰＣＳの直流電圧が設定値以下となったとき、前記周波数変化量算出部が算出した周波数変化量から導出される出力周波数の減少割合に基づき出力周波数を低減させ、
位相差算出部が算出した系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧の各電圧波形の微分値および電圧値が同一もしくは所定範囲の値となった場合に、バイパス用遮断器を投入して系統電源と負荷を連系する。

【0016】

また、本発明は、系統電源が異常から正常に戻ったときに、ＰＣＳ出力電圧と系統電源電圧との位相差が略一致するまでの時間を次式で算出する。

【0017】

【数1】

【0018】

ただし、θ；位相差、ａ；出力周波数の減少割合、ｎ；0，1，2，…、
本発明の位相差判定部から出力される投入指令は、系統電源電圧とＰＣＳ出力電圧の各電圧波形の微分値の出力周波数を低減させる各微分値（傾き）が共にプラスの最大時、マイナスの最大時若しくは最大時近辺、および系統電圧とＰＣＳ出力電圧が０のとき、系統電圧＝ＰＣＳ出力電圧若しくは系統電圧−ＰＣＳ出力電圧の絶対値が所定値内の何れかである。

【発明の効果】

【0019】

以上のとおり、本発明によれば瞬時補償装置の負荷として誘起電圧を生じる電動機のような負荷が含まれて、同期合わせに時間がかかって高速スイッチの投入が困難な場合でも、バイパス用遮断器が短時間で投入されるため、インバータへの過電流を防止しながらＰＣＳの系統への連系が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態を示すバイパス用遮断器の制御回路図。

【図2】瞬時補償動作時の直流電圧の状態図。

【図3】出力周波数変化図で、（ａ）は従来図、（ｂ）は本発明の変化図。

【図4】バイパス用遮断器の投入時点の波形説明図。

【図5】系統電圧に対しＰＣＳ出力電圧が進み時の波形図。

【図6】電圧波形図。

【図7】系統電圧に対しＰＣＳ出力電圧が遅れ時の波形図。

【図8】位相差算出の説明用波形図。

【図9】説明用波形図。

【図10】電力変換装置の構成図。

【図11】従来の瞬時補償動作時の直流電圧の状態図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１は並列型の瞬低補償装置におけるバイパス用遮断器５の投入制御回路を示したものである。１１は位相差算出部で、ＰＣＳ３の出力電圧Ｖpと系統電源６の検出電圧Ｖgを入力して両電圧の位相差θを算出する。１２は電圧変化検出部で、ＡＣ／ＤＣ変換器２の直流リンク電圧と予め設定された設定値を比較し、直流リンク電圧＞設定値で論理０、直流リンク電圧＜設定値で論理１の信号を出力する。
そして、電圧変化検出部１２から論理１の信号が出力された場合には、当該論理１の立ち上がりエッジでホールド部１５の動作を開始し各算出結果をホールドする。また、前記論理１の信号の出力により、後述の実行モジュール１８も動作（後述するように、周波数変化部１６，位相差判定部１７がそれぞれ動作）することとなる。
なお、前記直流リンク電圧の設定値は、補償できる電力量が生成できる最低の直流電圧値と、系統電圧と瞬低補償装置の出力電圧の位相合わせ時間とバイパス用遮断器５が閉路するまでの時間から設定する。

【0022】

１３は周波数変化量算出部で、ＰＣＳの動作として負荷有効電力Ｐが増加した場合にはＰＣＳ出力周波数を減少させ、有効電力が減少した場合には周波数を増加させる動作を繰り返すことで時間と共にＰＣＳ出力周波数が低下するので、この動作状況から単位時間あたりに変化した周波数変化量ｄｆ／ｄｔを算出する。この特性は略同期電動機の略フリーランの時間に対する端子周波数の変化である。なお、周波数変化量ｄｆ／ｄｔを予め同期電動機のフリーラン動作の試験を行って取得し、この値を適用してもよい。

【0023】

１４は投入位相差算出部で、まず、位相差算出部１１で算出した位相差θと周波数変化量算出部１３で算出された周波数変化量ｄｆ／ｄｔから、系統と連系（バイパス用遮断器の開閉）する時刻を算出する。この後、投入位相差算出部１４では、当該算出した時刻から投入遅れ時間を差し引いた時刻において、バイパス用遮断器５への投入指令を出す時間を決めるための系統電圧との位相差△θを算出する。
前記位相差△θは、ホールド部１５の動作（電圧変化検出部１２の論理１の立ち上がりエッジで開始する動作）により、それぞれホールドされる。
実行モジュール１８は、周波数変化部１６と位相差判定部１７から構成され、前記論理１の信号の出力により実行されるものであり、前記ホールド部１５によりホールドされたホールド値（出力周波数ｆ，周波数変化量ｄｆ／ｄｔ，位相差△θ）と、位相差算出部１１による位相差θと、が入力される。このとき、周波数変化部１６によりＰＣＳのＰＷＭ波形は前記ｄｆ／ｄｔの変化で出力周波数が低減する。

【0024】

周波数変化部１６においては、前記ホールド部１５によりホールドされた出力周波数ｆと周波数変化量ｄｆ／ｄｔとに基づいて、単位時間当たりに一定量の周波数を変化させてＡＣ／ＤＣ変換器２の出力電圧を制御（ＰＷＭ制御）する信号を生成するものであり、当該生成された信号に基づいてインバータを構成するスイッチング素子のドライブ信号を生成する。このような周波数変化部１６の動作により、ＰＣＳ３の出力電圧、ＰＷＭ基本波周波数が生成される。
位相差判定部１７においては、前記投入位相差算出部１４で算出されてホールド部１５によりホールドされた位相差△θと、位相差算出部１１による位相差θと、を比較し、｜位相差θ−位相差△θ｜≦所定値のときバイパス用遮断器５に対して投入指令を出力する。

【0025】

図２は本発明における動作順序と直流リンク電圧（蓄電装置８の直流電圧Ｖbat）の態様を示す説明図である。時刻ｔ1で系統異常が発生して瞬低補償装置が瞬低補償動作を開始すると、直流電圧Ｖbatは徐々に低下し、同期電動機が略フリーラン状態であることから誘起電圧周波数が低下する。この周波数が略ＰＣＳ３の周波数でもあり、補償できる時間は時刻ｔ1から時刻ｔ5までの時間である。
時刻ｔ2で系統が正常に復帰すると、同期合わせを開始する。時刻ｔ2以降時刻ｔ3までに位相が合った場合には従来と同様にそのまま高速スイッチ４が投入されて連系運転に入るが、負荷として同期電動機が接続されている場合には時刻ｔ3までに同期合わせができず同期投入ができない場合がある。
本発明では時刻ｔ3以降で機能し、時刻ｔ5までに系統と連系される。本発明では直流電圧Ｖbatが所定値以下となった時刻ｔ3から動作を開始するもので、直流電圧の設定値は、動作開始から終了までかかる時間が（時刻ｔ5−ｔ3）であることを予め確認し、且つこの直流電圧の設定値以降でも出力が補償できる値に設定される。

【0026】

本発明では、並列型の瞬低補償装置において、系統電源が異常状態から正常状態に復帰し、所定の位相同期制御期間（高速スイッチの投入期間）を超えたとき、バイパス用遮断器を用いて系統との連系運転に切り替えるときのショックを極力小さくするように、系統電圧とＰＣＳ側位相が略ゼロ、同時に電圧も同一となるときにバイパス用遮断器５を閉路して系統と連系するものである。

【0027】

図４はその状態を示し図４（ａ）〜図４（ｃ）の○で囲んだ時刻で投入したいとしていることを示したものである。以下、原理を説明する。
同期投入するタイミングは電圧が正の傾斜で、系統，ＰＣＳ電圧値が共にゼロとなった図４（ａ）の場合とする。算出条件は、図２で示す直流電圧が設定値となった時刻ｔ3である。時刻ｔ3における、系統電圧とＰＣＳ３の電圧、位相、周波数変化量算出部１３においてのｄｆ／ｄｔ値を用いている。

【0028】

（１）．系統電圧とＰＣＳ出力電圧との位相がずれていてもＰＣＳ出力周波数が低下することで電圧が一致するまでの時刻を求める。

【0029】

ＰＣＳの出力電圧Ｖpは式（１）となる。ここで、角周波数ω0は現在の角周波数ω0で、ａは出力周波数の減少割合でｄｆ／ｄｔから算出する。

【0030】

Ｖp＝Ｅ１sin（（ω₀（１−ａｔ）ｔ＋θ） …… （１）
θは時刻ｔ3での系統電圧に対してＰＣＳの電圧の位相差で、位相が遅れている場合はθ＜０、進んでいる場合にはθ＞０で、位相として−１８０゜〜＋１８０゜の範囲とし、系統電圧Ｖｇは式（２）とする。

【0031】

Ｖｇ＝Ｅ2sin（ωｔ） …… （２）
ここで、Ｅ１，Ｅ２はそれぞれの電圧振幅、ω0とωはそれぞれの角周波数である。

【0032】

Ｅ１＝Ｅ２とし、角周波数はω0≒ωであるので以下ω0＝ωとする。ω0＝ωとすることによりラジアン（電気角）単位と時間単位は等価性があり、例えば、周波数５０Ｈｚでは３６０゜＝２π＝２０ｍｓの意味を持つ。以下、周波数５０Ｈｚを基準とする。電圧値同一ではＶp＝Ｖｇとなり、共に周期２πの正弦波であるので式（３），（４）が成立する。

【0033】

【数2】

【0034】

【数3】

【0035】

（ただし、ｎ＝０，±１，±２，…）
式（３）は系統波形１周期毎に生じる交点時刻であり、式（４）はＰＣＳ周波数変化量により生成される交点時刻である。

【0036】

（２）．ＰＣＳ電圧と系統電圧が共に電圧ゼロ付近で連系することを目標に、ＰＣＳ電圧の周波数が低下してＰＣＳの電圧がゼロで、かつ電圧波形の微分値が正であるのは、図４（ａ）に示すように１周期に１回であり、この状態を生じさせる時刻を求める。

【0037】

式（１）のＶp＝０から次の関係が得られる。

【0038】

ω（１−ａｔ）ｔ＋θ＝２ｎπ …… （５）
（ただし、ｎ＝０，１，２，…）
式（５）を解くと

【0039】

【数4】

【0040】

位相差算出部１１において、ＰＣＳにおける出力電圧の時刻ｔでの位相差の算出には、式（１）からω0ｔの項は位相差とは関係なく、系統電圧との位相差Δθは、
−ａωｔ2＋θ＋２ｎπ …… （７）
（ただし、ｎ＝０，１，２，…）
で得られる。

【0041】

（３）．系統電圧に対してＰＣＳの電圧が進み位相の場合
図５は、例として基準となる５０Ｈｚの系統電圧Ｖｇに対し、５０ＨｚのＰＣＳ出力電圧Ｖｐ、ａ＝０．０２６で６０゜進みのときの波形図を示し、横軸は時間を示したものである。上記のようにＰＣＳの電圧がゼロで、かつ周波数変化量算出部１３により生成された電圧波形の微分値が正の１回目の交点は図５における時刻ｔ1で、２回目が時刻ｔ2である。

【0042】

【表1】

【0043】

表１は式（３）で求めた系統電圧とＰＣＳ電圧が一致する時刻を示したものである。さらに式（４）で得た時刻は３５８ｍｓの時点で電圧が交差している。図６が式（３），（４）で得られた交差前後の時刻と電圧の状態を示したものである。すなわち、Ｐ１，Ｐ２が式（３）で得られた１回目と２回目の交点電圧、Ｐ３が式（４）で得られ交点電圧である。ＰＣＳの周波数が徐々に低下することによって周期が長くなることで、遅れ位相を生成して時刻ｔ1の波形部が時刻ｔ0の波形部に接近している。このため、遅れ位相より進み位相の方が同期するまでの時間が短くてすむので、以後は進み位相で位相差を表記する。例えば、遅れ６０゜の位相差は位相差３００゜で表す。

【0044】

表２（ａ）は投入位相差算出部１４により生成された微分係数が正のときのゼロクロスの時刻と位相差を示したものである。

【0045】

図５で示す時刻ｔ1のＰＣＳ電圧位相の波形部分の周波数が低下することで、１８サイクル目で系統電圧の時刻ｔ0部分の波形と図４（ａ）で示すように両者の波形は略一致する。一致するまでに掛かる時間は、式（４）から

【0046】

【数5】

【0047】

が得られる。得られた３５８ｍｓと表２（ａ）での１８サイクル目の３６０ｍｓとの差異は、１８サイクル目では位相差０．７゜が生じていることに基づく。

【0048】

【表2】

【0049】

（４）．系統電圧に対してＰＣＳの電圧が遅れ位相の場合
図７は、５０Ｈｚの系統電圧Ｖgに対し、５０ＨｚのＰＣＳ出力電圧Ｖpが６０゜遅れのときの波形図を示したもので、横軸は時間を示したものである。上記のようにＰＣＳの電圧がゼロで、且つ電圧波形の微分値が正の１回目の交点は時刻ｔ1で、２回目が時刻ｔ2である。周波数が徐々に低下することにより時刻ｔ1の波形部が時刻ｔ0の波形部に接近することで同期投入ができる。ＰＣＳの位相が系統に対して遅れ位相のとき、同期させるまでに時間を要している。

【0050】

表２（ｂ）は投入位相差算出部１４により生成された微分係数が正のときのゼロクロスの時刻と位相を示したもので、位相は常に系統電圧波形の時刻ｔ0の部分を基準とし、３６０゜として表している。図７で示す時刻ｔ1のＰＣＳ電圧位相の波形部分は周波数を低下させることで、４０サイクル目で系統電圧の時刻ｔ0部分の波形と図４（ａ）で示すように両者は略一致する。一致するまでにかかる時間は、式（４）から

【0051】

【数6】

【0052】

が得られる。
以上の算出は周波数が連側的に低下することを前提としたものである。

【0053】

（５）．バイパス用遮断器の動作遅れの場合
多くの場合、バイパス用遮断器に使用される機械的遮断器では投入指令を受け取ってから、回路が閉路となるまでの動作遅れ時間を、例えば保証値１００ｍｓのように公称値として開示している。しかし、実際にはさらに短い時間で動作する場合もあるので、予め動作の実際時間を測定した時間を遅れ時間としてもよい。

【0055】

図９は位相差の初期値を１８０゜の例で示したものである。この状態からｄｆ／ｄｔ＝２．５６Ｈｚ／ｓ（ａ＝０．０２６）としてＰＣＳ周波数・位相差変化を示したものが図３であり、経過時間に対する位相差を示したものが表３、表４である。
図３（ａ）は時間軸に対するＰＣＳ周波数の様子を示している。

【0056】

図３（ｂ）は時間軸に対し系統電圧の位相を基準に、ＰＣＳ電圧位相が図９で示すように−１８０゜ずれている状態から周波数が低下することにより位相差が徐々に減少する様子を示している。時刻ｔ2で図４（ａ）の○で囲んだ時刻で示すように位相差が略ゼロとなっている。ここで、遮断器投入指示から閉状態になるまでの遅れ時間を（ｔ2−ｔ1）と見込んでいることで、系統が正常に復帰後の時刻ｔ1に遮断器の投入指令が出されると時刻ｔ2で遮断器が閉路し、ＰＣＳ電圧位相と系統電源６の電圧位相の位相差ゼロの状態で系統電源６と負荷７とが接続される。

【0057】

【表3】

【0058】

表３は系統電圧を５０Ｈｚ周期２０ｍｓ（＝２π＝３６０゜）初期位相ゼロとして時間軸設定している。ｄｆ／ｄｔを連続的に減少させている式（１）から得た式（６）を用いてＰＣＳ電圧ゼロの時刻を算出している。位相差は基準位相を２０ｍｓ×ｎ（ｎ＝１，２，３，…）として算出している。
図３（ｂ）は、表４で得られた時間ｔと位相差を示している。位相差略ゼロまでの時間は６２０ｍｓで、遮断器の投入遅れ時間を１００ｍｓとすると、５２０ｍｓで遮断器への投入指令を発する必要がある。この時の位相差△θは略５０゜が得られ、以上の演算は投入位相差算出部１４で行われる。位相差算出部１１の出力と、投入位相差算出部１４で得た投入位相が位相差判定部１７に入力され、この２入力の差が所定の範囲内のときが遮断器投入指令を発する時刻となる。
実際には、ＰＣＳ出力周波数を連続的に低下させる場合もあるが、例えば、系統周波数の周期２０ｍｓ毎に周波数を低下させる場合もある。低減された周波数の周期は計算上２０ｍｓを超え、超過した分が位相差の調整分になり、時間の経過および周波数の低下と共に調整分が蓄積されて初期の位相差との差が縮まって行く。

【0059】

【表4】

【0060】

表４は系統周波数の周期毎に周波数を低減させ、その周期を算出する。この算出された周期は系統の周期より長く、系統周波数に対して時間増分を算出する。次に、時間の経過に伴い時間差を累積した累積時間差分を算出する。この累積時間差分を位相差に換算し、時間の経過に対する位相差を演算する。前述の通り位相差と時間差は同値である。この場合、時刻６２０ｍｓ時の位相差は略７゜となっている。式（６）で求めた値との差は、計算方法の差異に基づくものである。

【0062】

以上の説明では、ｄ（系統電圧）／ｄｔとｄ（ＰＣＳ電圧）／ｄｔがプラスの最大値の時についてであるが、系統電圧とＰＣＳ電圧の微分（傾き）と絶対値が同一である、次の場合でもよい。
図４（ｂ）で示すようにｄ（系統電圧）／ｄｔとｄ（ＰＣＳ電圧）／ｄｔがマイナスの最大値のとき、または最大値付近の所定の範囲、
図４（ｃ）で示すようにｄ（系統電圧）／ｄｔ＝０、＆ｄ（ＰＣＳ電圧）／ｄｔ＝０のときで、かつ系統電圧＝ＰＣＳ電圧、または｜系統電圧−ＰＣＳ電圧｜＜所定値。

【0063】

以上、図１で示すバイパス遮断器の投入制御回路での位相差算出部１１は、図８で示すように系統電圧Ｖgを基準として時刻ｔ21−ｔ11間の時間を測定し、系統電圧Ｖgの１周期時間を３６０゜として時刻ｔ21−ｔ11間のＰＣＳ出力電圧Ｖpとの位相差θを求める。電圧変化検出部１２での比較結果、図２で示す直流電圧Ｖbatが設定値を負の方向で越えた時刻ｔ3で本発明における動作開始信号を生成する。

【0064】

周波数変化量算出部１３では、ＰＣＳの動作として負荷有効電力Ｐが増加した場合にはＰＣＳ出力周波数を減少させ、有効電力が減少した場合には周波数を増加させる動作を繰り返すことで時間と共にＰＣＳ出力周波数が低下するので、ＰＣＳ周波数を制御しつつ周波数変動分からｄｆ／ｄｔを演算する。または、予め試験で得たｄｆ／ｄｔを用いる。

【0065】

投入位相差算出部１４では、所定の時間Ｔ毎に低減した周波数の周期を演算して基準周波数に対する時間差を演算し、経過時刻に対する累積時間差を得ると同時に位相差を演算する。また、系統電圧とＰＣＳ電圧の位相差と略一致する時刻を演算し、求まった時刻から遮断器の投入遅れ時間を差引いた時刻を得て位相差△θを演算する。算出された時刻における位相差△θに基づいてバイパス用遮断器の投入指令を生成する。

【0066】

ホールド部１５は、電圧変化検出部１２から論理１の信号が出力された場合には、当該論理１の立ち上がりエッジで動作して、ＰＣＳの出力周波数ｆと、周波数変化量算出部１３による演算結果である周波数変化量ｄｆ／ｄｔと、投入位相差算出部１４の演算結果である位相差△θを、ホールドする。周波数変化部１６はホールド値に基づいて単位時間当たりに一定量の周波数を変化させてＡＣ／ＤＣ変換器２の出力電圧を制御する信号を生成するもので、生成された信号に基づいてインバータを構成するスイッチング素子のドライブ信号を生成する。

【0067】

位相差判定部１７は、投入位相差算出部１４にて演算された位相差△θと位相差算出部１１にて検出されている位相差θとを比較し、系統電圧ＶgとＰＣＳ出力電圧Ｖpとの位相差θが一致または所定の範囲内で交差したときバイパス用遮断器への投入指令を出力する。この投入指令位相差で、バイパス用遮断器が閉路となったとき系統電圧とＰＣＳ電圧の位相差は略ゼロである。

【0068】

上記説明では、電圧変化検出部１２が動作したとき１回の計算で投入指令位相差を生成していたが、電圧変化検出部１２が動作してから位相差△θを求めるための演算時間を予め把握し、この時間毎にＰＣＳと系統の位相差、およびｄｆ／ｄｔを得て△θを求めるよう複数回の演算値にしてもよい。

【符号の説明】

【0069】

３… ＰＣＳ
４… 高速スイッチ（系統連系スイッチ）
５… バイパス用遮断器
８… 蓄電装置
１１… 位相差算出部
１２… 電圧変化検出部
１３… 周波数変化量算出部
１４… 投入位相差算出部
１５… ホールド部
１６… 周波数変化部
１７… 位相差判定部
１８… 実行モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】