CN1023276C - 小型发电装置连接系统的控制装置 - Google Patents

Abstract

用以控制安装在用户位置的小型发电装置与电力系统连接的连接控制装置。所述连接控制装置检测由从系统中断供电给用户而引起的频率分量中的变动。当出现显著的频率分量变动时，该连接控制装置从电力系统断开该用户以便防止伤害线路上的工作者。

Description

本发明涉及用以控制分散设置在电力用户处的小型发电装置与电力系统进行连接和脱开的方便的小型发电装置系统连接的控制装置。

近年来，为了利用自然能量和有效地使用能量，已开发了将太阳能电池、燃料电池等直流电力用逆变器变换为交流电力的静止逆变器方式的小型发电装置，以及发动机与发电机联合以产生交流电力和热，即所谓联合发电方式的小型发电装置。由于将这样的小型发电装置与电力系统（由发电站、输电线、变电所、配电线等构成）进行连接，以便在小型发电装置发生故障时、或在仅由小型发电装置发电不足以驱动负载时，可从电力系统供应其不足部分，也就是说，将小型发电装置连接到电力系统可确保供电的稳定性。

然而，将上述小型发电装置与电力系统进行连接时可能会产生如下的问题：即，在由于执行电力系统安装或修理、打开断路器而中断供电情况下，这时，若小型发电装置已连接在配电线上，虽然已切断电力系统（即，已打开配电线的断路器，已中止断路器以下配电线的供电），但小型发电装置将电压加到配电线上（所谓的“反向电压”加到配电线上）。由于该反向电压就有可能使在从事配电线安装或修理的人受到电击。

在这方面，从来采用的是如下的方法：在小型发电装置侧配置过电压和欠电压继电器（基准电压±15%左右）和异常频率继电器（基准频率±1Hz左右）等，在电力系统中断时，检测出现的电压与基准电压间的差、或频率与基准频率间的差超出了容限时，该继电器确定电力系统已经中断，从而动作使小型发电装置从电力系统断开。

但是，用上述方法的不利之处在于：从小型发电装置输出的电功 率与电力用户所使用负荷处于平衡时，电压和频率的变化很小，因为上述继电器不能检测出所述变化，所以，存在不能检出电力系统中断之类的问题。

因此，本发明人曾在日本公开特许公报第63（1988）-237327号中，提出发明名称为“分散型电源与系统连接的控制装置”。所提出的装置基于如下事实，即通过对电力系统和小型发电装置频率变动分量进行比较的结果，业以发现电力系统的频率变动分量具有微小变动的固有周期，而使用逆变器装置的小型发电装置的频率变动分量不包含有在电力系统固有的变动分量。即，在小型发电装置侧监视频率的变动分量，一到未出现电力系统固有的变动分量时，就可确定来自电力系统的供电已被中断，于是将小型发电装置与电力系统断开。

但是，经进一步深入研究，发现在日本公开特许公报第63（1988）-237327号的发明中，还存在如下的有待改进之处：即，若在小型发电装置不仅使用太阳能发电装置那样的静止型的发电装置、而且还增加使用了柴油机的联合发电方式那样的旋转发电装置的情况下，就会发生与电力系统固有的变动分量相类似的变动分量，而造成难于确定电力系统是否已中断的情况。

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种即使采用了依靠柴油机联合发电方式那样的旋转式小型发电装置的场合，也有可能检出电力系统中断的小型发电装置与系统连接的控制装置。

为达到上述目的本发明的小型发电装置与系统连接的控制装置包含：用于使电力系统与小型发电装置连接和脱开的开关装置;以及开关控制装置;其特征在于，用于检测在电力系统已中断后出现的小型发电装置中固有的频率变动分量、并根据该检测结果判断小型发电装置是否允许连接到电力系统的判断装置;所述开关控制装置按照上述判断装置的判断结果、给上述开关装置输出开关控制信号。

在如上构成的本发明中，判断装置检测在电力系统中断后出现的小型发电装置中固有的变动分量，并根据在该小型发电装置中有无固有的频率变动分量，来判断是否允许将小型发电装置连接到电力系统。

然而，根据该判断装置的判断结果，由开关控制装置将开关控制信号输出给开关装置。

开关装置在小型发电装置与电力系统断开（脱开）情况下，使小型发电装置连接到系统（连网）上，另外，在与电力系统连接情况下，使其从电力系统脱开。

图1是表示按照本发明的小型发电装置与系统连接控制装置的最佳实施例的概略图，

图2是表示正常电力系统的频率微小变动的实例图示，

图3是表示小型发电装置中仅仅逆变器装置频率有微小变动的实例图，

图4是表示小型发电装置中仅仅联合发电方式的有频率微小变动的图。

下面参照附图对本发明的小型发电装置与系统连接的控制装置加以详细的说明。

图1是小型发电装置与系统连接的控制装置的方框图。图1中，标号A表示电力系统，电力系统A包括：发电站1、配电变电所2、配电线3、连接到配电线3上的断路器4、柱上变压器5，以及引入线6。上述发电站1的发出的电力由变电所2将其电压降压为6KV、通过所要求路线的配电线3分支进行供电。接到配电线3上的分支电力线路通过断路器4供电给柱上变压器5，柱上变压器5的电压降到100V通过引入线6供电给电力用户。从引入线供给用户家庭7的电力通过系统连接控制装置13中的开关8供电给负载9。

通过打开断路器4中断电力系统A（下文在应用时，称之为“系统 中断”）。

在电力用户建筑物7中，安装有一小型发电装置B，其中，由太阳能电池10和逆变器装置11构成的逆变型静态发电装置与用柴油机的联合发电装置（旋转型发电装置）并联。逆变型发电装置和（或）联合发电装置12运转以产生交流电力，该交流电力与电力系统A供给的交流电力同步供电给负载9。也可以使用燃料电池等的直流电力发电装置取代所述太阳能电池10。

上述系统连接控制装置13连在引入线6中间的点C处。该系统连接控制装置13包含：用以测定点C处电压频率的频率测定部分14;在预定时间周期内检测被测频率与基准频率（例如，60Hz）之差△f的频率差检测部分15;用以将频率差△f与一阈值x（例如，0.6Hz，即在电力系统A正常时通常估定的频变动范围）进行比较，并当△f＞x时提供高电平信号的第一电平确定部分16，用以从△f抽出一个4Hz分量的4Hz分量抽出部分17;用以将由4Hz分量抽出部分17所抽出的4Hz分量与一阈值y（该值是按照从电力系统A正常时所提供的4Hz分量值到中断电力系统A时由小型发电装置B所提供的值的范围而设定的）进行比较的第二电平确定部分18;用以从△f抽出一个60Hz分量的60Hz分量抽出部分19;用以将由60Hz分量抽出部分所抽出的60Hz分量与一阈值z（该值是按照从电力系统A正常时所提供的60Hz分量值到中断电力系统A时由小型发电装置B所提供的值的范围而设定的）进行比较的第三电平确定部分20;用以对第一、第二和第三电平确定部分16、18和20的输出进行“或”操作的“或”电路;延迟电路22;以及前已提及的作为开关装置的开关8。

下面将对前已提及的△f值进行更详细的说明。图2是以纵轴表示正常的电力系统A的电压的频率差△f，横轴表示时间情况下的实测例图示。△f值围绕60Hz作微小而周期性的变动;也就是说，其变动周 期约为2.5秒，即△f值主要是频率约为0.4Hz的周期变动。此外，还可观察到频率约为4Hz的周期变动，虽然非常微小。这种电力系统A的频率中的很小变动归固于系统上负载随时间的变化。这将在下面更详细的加以描述。当负载增大时，虽然进行了控制，使发电容量增大以保持频率不变。然而，在这项控制实现之前，作为过渡发电机的旋转能量变为电能放出，使得转速（频率）下降。另一方面，当负载减少时，就会出现与上述描述相反的现象。这些现象有周期是由发电机的机械惯性常数等确定的，因而该频率变动周期是电力系统A中所固有的。

图3是表示在仅由逆变型静态发电装置构成小型发电装置B进行运转状态下，并将电力系统A中断路器打开进行试验时，在C点所测定的△f值的图。

在该情况下，小型发电装置B的输出与负载9处于平衡状态。因此，在系统中断之前，△f变动平均值基本上为零;然而，在系统中断以后，该变动就相当大，且该变动周期为60Hz。该现象是逆变器装置11中所固有的。也就是说，由逆变器装置给定的PLL控制将不影响一个周波的周期和电力，只是移位半周波过零点。因而，产生了60Hz分量的变化。

图4与图3一样，表示在仅由联合发电装置12构成小型发电装置B进行运转状态下所测定的△f值的图。由于小发电装置B的输出小于负载9，在系统中断以后频率降低了;然而，应予注意的是变动的方式。也就是说，在系统中断之前，△f以正常电力系统A固有的0.4Hz频率变动;但是，在系统中断以后，出现小于4Hz的周期变动（下文在应用时，称之为“4Hz分量”）。如上所述，电力系统A的△f值也包含该4Hz分量，但是联合发电装置的该4Hz分量明显大于电力系统A的4Hz分量。

如上已说明的，即使联合发电装置类似于那些构成电力系统的火力发电或核动力发电，用的都是旋转发电机，但其△f的变动还是不同的。之所以不同，是因为该联合发电装置是由象柴油机那样的往复式发动机驱动的，旋转是不平滑的。于是，该4Hz分量是在联合发电装置中固有的。

为了便于理解，上面分别对只用逆变型静态发电装置运转和只用联合发电装置12运转的情况说明了△f值。然而，在逆变型静态发电装置和联合发电式装置12二者都运转的情况下，则点C处观察到的△f值是图3和图4的叠加。

从以上说明已很清楚，电力系统A的△f分量与小型发电装置B的△f分量在表现方式方面是显然不同的。因此，从抽出的△f分量可以确定小型发电装置B是否与正常的电力系统A进行连接。也就是说，可以确定是否允许小型发电装置B连接到电力系统A上。

参照图2至4将对用以将小型发电装置B连接到电力系统A的连接控制装置的运转加以说明。

首先，将在小型发电装置已连接到正常电力系统A的情况下、对系统连接控制装置的运转加以说明。频率测定部分14随时测定在引入线上的点C处电压的频率，而频率差检测部分15检测所测定频率与基准频率（例如，60Hz）间的差△f。将所述差△f加到第一电平确定部分16、4Hz分量抽出部分17和60Hz分量抽出部分19。在该情况下，正常电力系统A的△f将不超过阈值x（在该情况下为0.6Hz），因此，第一电平确定部分16将一低电平信号加到“或”电路21。

在接收△f值的基础上，该4Hz分量抽出部分从△f值抽出一个4Hz分量。在将小型发电装置连接到正常电力系统A的情况下，所抽出的4Hz分量变动很小将不会超过阈值y，因此，第二电平确定部分18将一低电平信号加到“或”电路21。同时，接收△f值的60Hz分量抽出部 分19从该△f值抽出一个60Hz分量。如图3所示，直到系统中断之前，该60Hz分量是很小的，将不会超过阈值z。据此，第三电平确定部分20将一低电平信号加到“或”电路21。所述电平确定部分16、18和20的上述低电平信号加到“或”电路21，该“或”电路据此输出一低电平信号。这样输出的低电平信号被加到开关8。因而，开关8不予动作，使得该装置仍保持连接到电力系统A。

在中断电力系统A时，也就是说，在打开断路器4以中止供电时，逆变型的静态发电装置和（或）联合发电装置12的反向电压加到引入线6上。由频率测定部分14测定该反向电压的频率，同时该频率差检测部分15按照所测定频率检测△f。将这样检测到的△f值加到第一电平确定部分16、4Hz分量抽出部分17和60Hz分量抽出部分19。在第一电平确定部分16中，将该△f值与阈值x进行比较。在图3或4的情况下，在系统中断以后发电装置的输出，即，逆变器装置11或联合发电装置12与负载9基本上处于平衡状态，因此，△f值不高于阈值x（0.6Hz）。据此，第一电平确定部分的输出保持在低电平状态。在发电装置的输出大大地偏离负载9的情况下，图3或4中△f值或高或低进行漂移，因而超出阈值x，结果使第一电平确定部分16的输出上升为高电平。该第一电平确定部分不检测小发电装置B中固有变动分量，也就是说，为肯定检测出发电装置的输出与负载9有偏差，而设置有常规的异常频率继电器。这样，就不必总是采用该第一电平确定部分16。

在接收△f值的基础上，4Hz分量抽出部分从△f值抽出一个4Hz分量。类似地，在接收数据△f的基础上，60Hz分量抽出部分19从△f值抽出一个60Hz分量。在连接联合发电装置12的情况下，所述4Hz分量超过阈值y，因此，第二电平确定部分的输出上升为高电平。在连接逆变器装置11之情况下，所述60Hz分量超过阈值z，因此，第三电平确定装置20的输出上升为高电平。每一个高电平信号加到“或”电路 21上作为指示小型发电装置与之连接的电力系统A处于不正常的状态。

在接收到来自三个电平确定部分16、18和20中至少一个高电平信号的基础上，该“或”电路21输出一个高电平信号，该高电平信号被加到延迟电路22。也就是说，在小型发电装置B使用逆变型静态发电装置和联合发电装置12联合供电的情况下，可检测在各发电装置中固有的频率变动分量。因此，无论将哪一种发电装置连接到引入线6上，都能在“或”电路21的输出端获得所述高电平信号。

当所述高电平信号连续一预定的时间周期（例如，1至10秒）加到延迟电路22时;于是该延迟电路22就判断出不将小型发电装置B连接到电力系统A，这时该电力系统不处于正常状态，并把一调换位置指令信号加到开关8上从而使开关8动作，因而从电力系统A断开该小型发电装置B，即，防止了将反向电压加到电力系统A上。

在小型发电装置只使用逆变型静态发电装置的情况下，仅从△f值的60Hz分量即可判断是否将小型发电装置B连接到处于正常状态的电力系统A上。类似地，在小型发电装置只使用联合发电装置12的情况下，仅从△f值的4Hz分量即可判断是否将小型发电装置B连接到处于正常状态的电力系统上。

从上述说明已很显然，若采用根据本发明的系统连接控制装置，小型发电装置的开关操作，即小型发电装置B与电力系统A的连接和脱开的操作可以在小型发电装置B的部位自动地加以控制。

小型发电装置的开关操作是按照有无在小型发电装置B中固有的变动分量而执行的。因而，当小型发电装置B的发电量与负载9处于平衡状态时，可以肯定地判断是否是将小型发电装置B连接到处于正常状态的电力系统A上。

这样，用本发明的系统连接控制装置，提高了配电线作业的安全性，并可用小型发电装置稳定地供电给电力用户。

通过对本发明的最佳实施例的说明将很清楚，在本发明的原则范围内本技术领域的技术人员显然是可作出各种修改和变型的，本发明的范围将由附录的权利要求书和它们的等效条款加以确定。

Claims (15)

1、用以控制小型发电装置与电力系统的连接的系统连接控制装置，它包括：

用以将所述小型发电装置连接到所述电力系统并从后者脱开前者的开关装置，以及

开关控制装置，其特征在于

用以检测在所述小型发电装置中固有的并在中断所述电力系统时出现的至少一种频率波动分量，并从检测到的所述至少一种频率波动分量确定是否允许把所述小型发电装置连接到所述电力系统的判断装置，

所述开关控制装置按照由所述判断装置提供的判断结果用以把一种开关控制信号输出到所述开关装置。

2、根据权利要求1的系统连接控制装置，其特征在于所述小型发电装置包含一台联合发电装置。

3、根据权利要求2的系统连接控制装置，其特征在于所述至少一种频率波动分量是所述联合发电装置所固有的。

4、根据权利要求3的系统连接控制装置，其特征在于所述至少一种在所述联合发电装置中固有的频率波动分量是一个4Hz分量。

5、根据权利要求2的系统连接控制装置，其特征在于所述联合发电装置是用一台柴油机驱动的。

6、根据权利要求1的系统连接控制装置，其特征在于所述小型发电装置含逆变型的静态发电装置。

7、根据权利要求6的系统连接控制装置，其特征在于所述至少一种频率波动分量是所述静态发电装置所固有的。

8、根据权利要求7的系统连接控制装置，其特征在于所述至少一种在所述静态发电装置中固有的频率波动分量是一个60Hz分量。

9、根据权利要求6的系统连接控制装置，其特征在于所述静态发电装置包含一太阳能发电装置和一逆变器装置。

10、根据权利要求1的系统连接控制装置，其特征在于所述小型发电装置包括一台联合发电装置和一逆变型静态发电装置。

11、根据权利要求10的系统连接控制装置，其特征在于所述至少一种频率波动分量包括固有在所述联合发电装置和所述静态发电装置中的频率波动分量。

12、根据权利要求11的系统连接控制装置，其特征在于所述至少一种在所述联合发电装置中固有的频率波动分量是一个4Hz分量。

13、根据权利要求11的系统连接控制装置，其特征在于所述至少一种在所述静态发电装置中固有的频率波动分量是60Hz分量。

14、根据权利要求1的系统连接控制装置，其特征在于只要所述至少一种频率波动分量不超过阈电平，就允许所述小型发电装置连接到所述电力系统上。

15、根据权利要求1的系统连接控制装置，其特征在于所述开关控制装置包含一延迟电路。

Images