JP2011071346A - 監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のストリングが接続された発電設備において、地絡が発生したストリングを容易に特定できる監視装置を提供する。
【解決手段】ストリング５１−１の正極端子５１−１Ｐ側に電流検出器７４１Ｐを設け、負極端子５１−１Ｍ側に電流検出器７５１Ｍを設けて、ストリング５１−１の正極端子５１−１Ｐに流れる正電流と負極端子５１−１Ｍに流れる負電流を測定する。ストリング５２〜５６においても同様の測定を行う。ストリング毎に２つの電流差を求めることで、地絡の発生をストリング毎に検出し、地絡が発生している場合には、どのストリングで地絡が発生しているかを、コントロールボックス８の表示部８３が報知する。太陽光発電装置の管理者や作業者は、地絡が発生しているストリングを特定できるので、従来のようにストリング毎に確認や検査を行うことなく、特定のストリングだけ確認、調査、修理を行うことで、地絡が解消される。
【選択図】図１

Description

この発明は、太陽光発電装置を監視する監視装置に関する。

太陽光発電は、家庭用から産業用に発展し、近年では大規模太陽光発電所、いわゆるメガソーラー発電所が国内や海外で建設されている。メガソーラー発電所では、数個から数十個の太陽電池（photovoltaic）モジュール（以下、ＰＶモジュールと称する。）を直列に接続した太陽電池ストリング（以下、ストリングと称する。）が、数百個から数千個接続されている。

各ＰＶモジュールは、太陽光が直接当たるように屋外に設置されているため、紫外線や風雨などの影響で、ＰＶモジュール自体やＰＶモジュール間を接続するケーブル等が経年劣化して、地絡が発生することがある。

このような問題に対して、従来、ＰＶモジュールで地絡が発生した場合に、検出回路で直流地絡電流を検出して、ＰＶモジュールを系統側から切り離すパワーコンディショナがあった（例えば、特許文献１参照。）。パワーコンディショナとは、複数のストリングが発電した直流電力を交流電力に変換する機能を備えるものである。

特開２００６−１８７１５０号公報

しかしながら、メガソーラー発電所は、上記のように膨大な数のストリングを備えているので、一部のストリングでＰＶモジュールに地絡が発生しても発電量がほとんど変化しないため、地絡の検出が困難であった。また、地絡の発生を検出できた場合でも、地絡が発生しているストリングを特定するためには、作業員がストリング毎に確認や検査を行う必要があり、作業が煩雑であった。

そこで、この発明は、複数のストリングが接続された発電設備において、地絡が発生したストリングを容易に特定できる監視装置を提供することを目的とする。

この発明の監視装置は、正極端子と負極端子の間に複数の太陽電池モジュールが直列に接続された複数の太陽電池ストリングと、前記複数の太陽電池ストリングが発電した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、を備えた太陽光発電装置を監視する監視装置であって、正電流測定手段と、負電流測定手段と、判定手段を備えている。正電流測定手段は、各太陽電池ストリングの正極端子に流れる正電流を測定する。負電流測定手段は、各太陽電池ストリングの負極端子に流れる負電流を測定する。判定手段は、各太陽電池ストリングの正電流と負電流の電流差を求め、この電流差が一定以上であると、その太陽電池ストリングに地絡が発生していることを表す地絡報知を行う。

地絡が発生していないときは、太陽電池ストリングの正極端子に流れる正電流と負極端子に流れる負電流は同じ大きさであるが、地絡が発生しているときには、正電流と負電流は異なる大きさになる。この発明では、各太陽電池ストリングの正電流と負電流の電流差が一定以上であるかを確認することで、地絡が発生しているか否かを確認して、地絡が発生している場合には、どの太陽電池ストリングで地絡が発生しているかを、判定手段が報知する。したがって、太陽光発電装置の管理者や作業者は、どの太陽電池ストリングで地絡が発生しているかを容易に特定でき、従来のように太陽電池ストリング毎に確認や検査を行うことなく、報知された特定の太陽電池ストリングだけ確認や検査を行って、地絡が発生したＰＶモジュールを特定して修理や交換を行うことで、地絡を短時間で解消できる。

また、この発明の監視装置は、判定手段は、所定のサンプル時間毎に電流差を取得し、その電流差の一定のサンプル分の平均値が予め設定された閾値よりも大きい状態が一定時間継続すると、地絡報知を行う。

太陽光発電装置の設置環境によっては、周囲から伝搬するノイズや計測器（センサ）誤差等の影響で、太陽電池ストリングに流れる正電流や負電流が変動することがある。このような場合には、太陽電池ストリングの正電流と負電流に電流差があるからといって、必ずしも太陽電池ストリングに地絡が発生しているとは限らない。そこで、本発明では、所定のサンプル時間毎に取得した電流差の一定数のサンプル分について平均値を算出して閾値と比較する。この構成においては、電流差の平均処理を行うので、ノイズや計測器誤差等が平均化されてパルス的な変化を除去でき、外乱等の影響を抑制できる。また、閾値を、外乱等を考慮した値に設定しておくことで、外乱等による影響を受けることなく、地絡を判定できる。

また、この発明の監視装置は、判定手段は、各太陽電池ストリングの正極端子または負極端子の少なくとも一方に接続されたヒューズの断線を検出すると、ヒューズの断線を報知する。

この構成では、複数箇所に地絡が発生すると、ヒューズに複数の地絡電流が流れて断線するので、地絡が発生した太陽電池ストリングを切り離して、地絡により機器が破損するのを防止し、正常なストリングで発電を継続できる。また、ヒューズの断線が報知されるので、複数箇所で地絡が発生したことを把握できる。

さらに、この発明の監視装置は、逆流防止ダイオードとヒューズを備えている。逆流防止ダイオードは、各太陽電池ストリングの正極端子または負極端子のいずれか一方の端子に接続されている。ヒューズは、正極端子または前記負極端子のいずれか他方の端子に接続されている。逆流防止ダイオードは、電流が流れる方向を制限するので、逆流防止ダイオードに流れる地絡電流は限定的となるが、ヒューズは逆流防止ダイオードと異なる端子に接続されているので、複数箇所で地絡が発生すると、複数の地絡電流が合成されて流れる結果、その電流値が過大となって断線する。逆流防止ダイオードを接続せずに、各太陽電池ストリングの正極端子及び負極端子にヒューズを接続しても良いが、この発明では、各太陽電池ストリングに１個のヒューズで良いことになる。

この発明によれば、複数のストリングが接続された発電設備において、地絡が発生したストリングを容易に特定できる。

太陽光発電システムのブロック図である。 監視装置の動作を説明するためのフローチャートである。 （Ａ）は、ストリング５１−１の正極端子５１−１Ｐ側にヒューズを設けた構成を示す図であり、（Ｂ）は、ストリング５１−１の正極端子５１−１Ｐ側と負極端子５１−１Ｍ側にヒューズを設けた構成を示す図である。

図１に示すように、太陽光発電システム１は、太陽光発電装置３と監視装置４を備えている。太陽光発電装置３は、太陽光のエネルギーを電力に変換して商用電源系統２に電力を供給する。監視装置４は、太陽光発電装置３の状態を監視する。

太陽光発電装置３は、Ｎ個の太陽電池ストリング（以下、単にストリングと称する。）５１−１〜５１−Ｎと、パワーコンディショナ６を備えている。ストリング５１−１〜ストリング５１−Ｎは、パワーコンディショナ６に並列に接続されている。各ストリングは、一例として、正極端子と負極端子の間に１０個の太陽電池モジュール（以下、ＰＶモジュールと称する。）が直列に接続されている。例えば、ストリング５１−１は、正極端子５１−１Ｐと負極端子５１−１Ｍの間に直列接続されたＰＶモジュール５１１〜ＰＶモジュール５２０から成り、各ＰＶモジュールは太陽光のエネルギーを変換した直流電力を出力（発電）する。図１には、ストリング５１−１のみ詳細な構成を示している。

図には示していないが、各ＰＶモジュールにはバイパスダイオードが接続されており、ＰＶモジュールに異常がある場合などには、そのＰＶモジュールをバイパスさせる。

パワーコンディショナ６は、インバータ６１と電流検出器６２を備えている。インバータ６１は、ストリング５１−１〜ストリング５１−Ｎが出力（発電）した直流電力を交流電力に変換して、商用電源系統２に供給する。電流検出器６２は、ストリング５１−１〜ストリング５１−Ｎで発生した地絡を検出して信号を出力する。

監視装置４は、ジャンクションボックス７とコントロールボックス８を備えている。コントロールボックス８は、ジャンクションボックス７とコンピュータ９に接続されている。ジャンクションボックス７は、ストリング５１−１〜ストリング５１−Ｎの電圧や電流の計測、ストリング５１−１〜ストリング５１−Ｎとパワーコンディショナ６の接続や切り離し等を行う。コントロールボックス８は、ストリング５１−１〜ストリング５１−Ｎの状態を表示する。コンピュータ９は、コントロールボックス８が出力したデータに基づいてシステム全体の監視を行う。

ジャンクションボックス７は、入力がＮチャンネルで出力が１チャンネルであり、各入力端子にストリング５１−１〜ストリング５１−Ｎが接続され、出力端子にパワーコンディショナ６が接続されている。ジャンクションボックス７は、入力端子７０−１〜入力端子７０−Ｎ、計測部７１−１〜計測部７１−Ｎ、電圧検出器７７、配線用遮断器７８、出力端子７９、及びＩ／Ｏ回路８０を備えている。以下、計測部７１−１の構成を説明する。計測部７１−２〜計測部７１−Ｎの構成は、計測部７１−１と同様である。

計測部７１−１は、断路器７１１、ヒューズ７２１、断線検出部７３１、電流検出器７４１Ｐ（本発明の正電流測定手段に相当）、電流検出器７５１Ｍ（本発明の負電流測定手段に相当）、及び逆流防止ダイオード７６１を備えている。

Ｉ／Ｏ回路８０は、計測部７１−１の断線検出部７３１、電流検出器７４１Ｐ、及び電流検出器７５１Ｍと、電圧検出器７７に接続されている。また、Ｉ／Ｏ回路８０は、他の計測部７１−２〜７１−Ｎとも、同様に接続されている。

入力端子（入力チャンネル）７０−１の入力端子７０−１Ｐはストリング５１−１の正極端子５１−１Ｐと接続され、入力端子７０−１Ｍはストリング５１−１の負極端子５１−１Ｍと接続されている。

断路器７１１は、パワーコンディショナ６とストリング５１−１を接続する電路を開閉する。

ヒューズ７２１は、ストリング５１−１〜５１−Ｎにおいて複数の箇所に地絡が発生して複数の地絡電流が合成されて流れる結果、その電流値が過大となって断線する。ヒューズ７２１は、一例として、３箇所以上に地絡が発生すると断線する値のものが採用されている。

断線検出部７３１は、抵抗とフォトカプラを備え、並列接続されたヒューズが断線すると信号を出力する。

電流検出器７４１Ｐは、ストリング５１−１の正極端子５１−１Ｐに流れる電流を測定して、測定データをＩ／Ｏ回路８０に出力する。

電流検出器７５１Ｍは、ストリング５１−１の負極端子５１−１Ｍに流れる電流を測定して、測定データをＩ／Ｏ回路８０に出力する。

逆流防止ダイオード７６１は、各ストリングの電圧のばらつきにより電圧の高いストリングから低いストリングに電流が逆流するのを防止する。

電圧検出器７７は、ストリング５１−１〜５１−Ｎの電圧を測定して、測定データをＩ／Ｏ回路８０に出力する。

配線用遮断器７８は、過負荷や短絡などの要因で電路に異常な電流が流れたときに電路を開放する。

出力端子７９は、パワーコンディショナ６に接続されている。

Ｉ／Ｏ回路８０は、電流検出器７４１Ｐ、電流検出器７５１Ｍ、及び電圧検出器７７から入力された測定データを所定のサンプル時間毎にサンプリングして、コントロールボックス８に出力する。また、Ｉ／Ｏ回路８０は、断線検出部７３１から入力された信号をコントロールボックス８に出力する。サンプル時間は、例えば、数１０ｍ秒である。

コントロールボックス８は、Ｉ／Ｏ回路８１、制御部８２（本発明の判定手段に相当）、表示部８３（本発明の判定手段に相当）、及び記憶部８４を備えている。

制御部８２は、ジャンクションボックス７からＩ／Ｏ回路８１を介して入力された信号や測定データを処理して、表示部８３に表示させたり、記憶部８４に記憶させたり、Ｉ／Ｏ回路８１を介してコンピュータ９に出力したりする。

コンピュータ（ＰＣ）９は、コントロールボックス８から入力された信号やデータをディスプレイに表示させたり、さらにデータ処理を行ったり、システム全体の監視を行ったりする。

次に、本実施形態の特徴的な構成について説明する。本実施形態では、ストリング５１−１に関しては、電流検出器７４１Ｐと電流検出器７５１Ｍで測定したストリング５１−１に流れる電流を用いて地絡の検出を行う。つまり、ストリング５１−１の正極端子５１−１Ｐに流れる電流（以下、正電流と称する。）と、負極端子５１−１Ｍに流れる電流（以下、負電流と称する。）は、正常時には同じ大きさである。しかし、地絡が発生すると、電流値は異なる大きさになる。コントロールボックス８の制御部８２は、電流検出器７４１Ｐで測定したストリング５１−１の正電流と、電流検出器７５１Ｍで測定したストリング５１−１の負電流を比較して、正電流と負電流の電流差を取得する。そして、制御部８２は、この電流差が一定値以上の場合にはそのストリング５１−１に地絡が発生しているとして警報を報知する（地絡報知を行う）。制御部８２は、他のストリング５１−２〜５１−Ｎにおいても同じ動作を行う。これにより、ユーザはどのストリングで地絡が発生しているかを容易に特定できる。

制御部８２は、具体的には以下のようにしてストリング５１−１における地絡の検出処理を行う。なお、ジャンクションボックス７では、電流検出器７４１Ｐと電流検出器７５１Ｍによりストリング５１−１の正電流と負電流が常時測定されており、所定のサンプル時間毎にサンプリングされた測定データがＩ／Ｏ回路８０を介してコントロールボックス８に出力されているものとする。他のストリングに関しても同様である。また、制御部８２は、入力端子７０−１（７０−１Ｐ、７０−１Ｍ））から入力端子７０−Ｎ（７０−ＮＰ、７０−ＮＭ））に接続されたストリング５１−１〜５１−Ｎに流れる電流を、順番に確認する。

図２に示すように、制御部８２は、まず、入力端子７０−１に接続されたストリング５１−１の正電流と負電流の電流差を算出する（Ｓ１−１）。このとき、制御部８２は、ストリング５１−１の電流差のデータを記憶部８４に記憶させる。

制御部８２は、記憶部８４から読み出したストリング５１−１における過去１０回の電流差のデータ（一定のサンプル分に相当）について平均値を算出する（Ｓ１−２）。続いて、制御部８２は、記憶部８４から読み出した閾値（平均値の閾値）と、算出した平均値を比較する（Ｓ１−３）。制御部８２は、平均値が閾値以下の場合には、次の処理（ステップＳ２−１）に移る。一方、制御部８２は、平均値の方が閾値よりも大きい場合には、不図示の内蔵タイマを起動して一定時間の計時を開始し、平均値と閾値の比較を続けながら、平均値の方が閾値よりも大きい状態が一定時間（例えば、６０秒）継続するか（電流差の一定のサンプル分の平均値が予め設定された閾値よりも大きい状態が一定時間継続するか）否かを確認する（Ｓ１−４）。制御部８２は、平均値の方が閾値よりも大きい状態が一定時間継続すれば、入力端子７０−１に接続されたストリング（ストリング５１−１）で地絡が発生していることを表示部８３に表示させるとともに、警報を出力して、次の処理（ステップＳ２−１）に移る（Ｓ１−５）。

なお、この一定時間は、太陽光発電装置３の設置環境などに応じて決めればよく、例えば１０秒乃至９９秒のいずれかの値に設定するのが好ましい。

また、制御部８２は、ステップＳ１−４において、平均値の方が閾値よりも大きい状態が一定時間継続せずに途中で平均値が閾値以下になると、次の処理（ステップＳ２−１）に移る。

以降、制御部８２は、入力端子７０−２から入力端子７０−Ｎに接続されたストリング５１−２〜ストリング５１−Ｎについて順番に、ステップＳ１−１〜Ｓ１−５で説明した地絡の検出処理を行う。そして、制御部８２は、入力端子７０−Ｎに接続されたストリング５１−Ｎについて、処理を終了したら、ステップＳ１−１に移り、ステップＳ１−１以降の処理を繰り返す。

なお、上記の処理において、ステップＳ１−２やステップＳ１−４の処理を行わずに、ストリングの正電流と負電流に電流差がある場合には、直ちに警報を出力することも可能である。しかし、太陽光発電装置３の設置環境によっては、周囲から伝搬するノイズや計測誤差等の影響で、ストリング５１−１〜５１−Ｎに流れる正電流や負電流が変動することがある。このような場合には、ストリングの正電流と負電流の電流差があっても、ストリングに地絡が発生しているかどうかを正しく判定できない。そこで、一定回数分の電流差の平均処理を行うことで、外乱等が平均化されてパルス的なノイズ等を除去でき、外乱等の影響を抑制でき、ストリングに地絡が発生しているかどうかを正しく判定できる。また、外乱等の影響を受けるのは短時間の場合が多いので、電流差の平均値が閾値よりも大きい状態が一定時間以上続く場合には、外乱等の影響ではなく、地絡が発生していると判定できる。したがって、地絡をより確実に検出するためには、ステップＳ１−２やステップＳ１−４の処理を行うことが好ましい。

なお、地絡の表示や地絡の警報は、例えば地絡箇所のメンテナンス後など、任意のときに停止させることが可能である。また、コントロールボックス８やコンピュータ９で、地絡が発生したストリングを記憶しておき、呼び出しに応じて地絡が発生した場合を示したり、劣化が発生しやすい場所をデータとして収集したりするように構成することが可能である。

本実施形態では、さらに、大きな地絡電流が発生した場合には、ヒューズ７２１が地絡電流により断線して地絡したストリングを切り離す。また、断線検出部７３１が、ヒューズが断線したことを伝える信号を出力する。これにより、正常なストリングだけで発電を継続できる。

なお、ヒューズが断線すると、ストリングの正電流や負電流は零になるので、電流値が零のストリングを確認することで、ヒューズが断線したストリングを容易に特定できる。また、制御部８２は、ヒューズの断線信号を検出した際には、ストリングの正電流と負電流を確認して、電流が零であるストリングを、ヒューズが断線したストリングとして表示するように構成することも可能である。

ヒューズ７２１は、ストリング５１−１及び他のストリングにおいて複数の箇所に地絡が発生して地絡電流が流れると断線する。ヒューズ７２１には、一例として、３箇所以上に地絡が発生すると断線する値のものが採用されている。この場合、ストリングは定電流源なので、ヒューズ７２１は１ストリングの最大電流では断線しない。また、２箇所が地絡してもヒューズに地絡電流は流れるが断線はしない。しかし、３箇所が地絡してこれらの地絡電流が合成されると、その合成電流は過大となるため、これが１つのヒューズに流れると断線する。

図１には、ヒューズ７２１と断線検出部７３１をストリング５１−１の負極端子５１−１Ｍ側に設けた場合を示したが、これに限るものではなく、各ストリングの正極端子または負極端子のいずれか一方の端子に逆流防止ダイオードを接続し、各ストリングの正極端子または前記負極端子のいずれか他方の端子に接続にヒューズと断線検出部を接続すれば良い。例えば、図３（Ａ）に示すように、ストリング５１−１の正極端子５１−１Ｐ側にヒューズ７２１Ｐと断線検出部７３１Ｐを設けて、ストリング５１−１の負極端子５１−１Ｍ側に逆流防止ダイオード７６１Ｍを設ける。このようにするのは、ヒューズと逆流防止ダイオードを共に同じ端子側に設けると、逆流防止ダイオードにより地絡電流を制限されて、ヒューズが断線しないからである。

以上の実施形態では、各ストリングに１個のヒューズを設ければいいが、図３（Ｂ）に示すように、ストリング５１−１の正極端子５１−１Ｐ側と負極端子５１−１Ｍ側の両方にヒューズと断線検出部を設けても良い。この場合には、複数箇所での地絡発生時にヒューズが断線させるために、逆流防止ダイオードはどちらの端子側にも設けない。

１…太陽光発電システム ２…商用電源系統 ３…太陽光発電装置
５１−１〜５１−Ｎ…（太陽電池）ストリング ５１１〜５２０…ＰＶモジュール ５１−１Ｐ…正極端子 ５１−１Ｍ…負極端子
６…パワーコンディショナ ６１…インバータ ６２…電流検出器
４…監視装置 ７…ジャンクションボックス ７１−１〜７１−Ｎ…計測部 ７０−１〜７０−Ｎ、７０−１Ｐ、７０−１Ｍ…入力端子 ７１１…断路器 ７２１…ヒューズ ７３１…断線検出部 ７４１Ｐ…電流検出器 ７５１Ｍ…電流検出器 ７６１…逆流防止ダイオード ７７…電圧検出器 ７８…配線用遮断器 ７９…出力端子 ８０…Ｉ／Ｏ回路
８…コントロールボックス ８１…Ｉ／Ｏ回路 ８２…制御部 ８３…表示部 ８４…記憶部 ８５…操作部 ９…コンピュータ

Claims (4)

1. 正極端子と負極端子の間に複数の太陽電池モジュールが直列に接続された複数の太陽電池ストリングと、前記複数の太陽電池ストリングが発電した直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、を備えた太陽光発電装置を監視する監視装置であって、
   各太陽電池ストリングの正極端子に流れる正電流を測定する正電流測定手段と、
   各太陽電池ストリングの負極端子に流れる電流を測定する負電流測定手段と、
   各太陽電池ストリングの正電流と負電流の電流差を取得し、この電流差が一定以上であると、その太陽電池ストリングに地絡が発生していることを表す地絡報知を行う判定手段と、
   を備えた監視装置。
2. 前記判定手段は、所定のサンプル時間毎に前記電流差を取得し、この電流差の一定のサンプル分の平均値が予め設定された閾値よりも大きい状態が一定時間継続すると、前記地絡報知を行う請求項１に記載の監視装置。
3. 前記各太陽電池ストリングの正極端子または負極端子の少なくとも一方に接続されたヒューズを備え、
   前記判定手段は、該ヒューズの断線を検出すると、ヒューズの断線を報知する請求項１または２に記載の監視装置。
4. 前記各太陽電池ストリングの正極端子または負極端子のいずれか一方の端子に接続された逆流防止ダイオードを備え、
   前記ヒューズは、前記正極端子または前記負極端子のいずれか他方の端子に接続された請求項３に記載の監視装置。

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