JP2013120803A - 太陽光発電装置の故障検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電装置において、太陽電池モジュール毎に発電電力を測定して送信する回路を設けることなく、太陽電池モジュール若しくは複数の太陽電池モジュールからなる太陽電池ストリングの故障を正確に検出できるようにする。
【解決手段】故障検出装置６０は、ストリング３０を構成する複数のＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎに対し設けられた強制バイパス回路４１，４２，…，４ｎを使って、各ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎを順にストリング３０から切り離し、バイパスダイオードＢＤによりバイパス経路を形成させる。そして、その切り離し時に生じるストリング３０からの出力電圧及び電流の変化パターンを、各ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎ毎に検出し、その検出した変化パターンを比較することで、故障状態にあるＰＶモジュールを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の太陽電池モジュール、若しくは、複数の太陽電池モジュールにて構成される複数の太陽電池ストリングを備えた太陽光発電装置において、故障状態にある太陽電池モジュール若しくは太陽電池ストリングを検出するのに好適な故障検出装置に関する。

太陽光発電装置は、多数の太陽電池セルを直列に接続することにより構成された太陽電池モジュールを複数備え、その複数の太陽電池モジュールを直列に接続することにより、所望の発電電力を出力する太陽電池ストリングを構成している。

また、太陽光発電装置には、この太陽電池ストリングを複数並列接続することにより、所望の発電電力を出力出来るように構成されたものも知られている。
また、太陽電池モジュールには、太陽電池モジュール全体若しくは太陽電池モジュールを構成する複数の太陽電池クラスタの一部が、所望の発電電力を出力できなくなった際に、その太陽電池モジュール若しくは太陽電池クラスタをバイパスする経路を形成する、バイパスダイオードが設けられている。

このため、太陽電池ストリングにおいて、太陽電池モジュール、若しくは、その一部である太陽電池クラスタに異常が生じ、太陽電池モジュールから所望の発電電力を出力できなくなったとしても、他の太陽電池モジュールにて発電された電力を合成することにより、太陽電池ストリングからの発電電力の出力を継続することができる。

ところで、このように太陽電池ストリングにおいて、太陽電池モジュールが故障した際には、その故障した太陽電池モジュールを速やかに検出することが望ましい。
そこで、従来では、太陽電池モジュール毎に、発電電力（詳しくは、電圧、電流）や温度を測定する測定手段を設け、その測定結果を、発電電力の出力経路を使って、パワーコンディショナ等の制御装置へ定期的に伝送し、制御装置側では、その測定結果を一旦記憶し、複数の太陽電池モジュールでの測定結果を比較・検討することで、故障している太陽電池モジュールを検出することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−２６７０３１号公報

しかしながら、上記従来の太陽光発電装置においては、太陽電池モジュール毎に発電電力や温度を検出する測定手段を設け、その測定結果を制御装置へと送信することから、太陽電池モジュール毎に、測定回路や送信回路を設ける必要がある。

このため、上記従来の太陽光発電装置においては、各太陽電池モジュールの構成が複雑になり、装置が大型化して、コストアップを招くという問題があった。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、太陽光発電装置において、太陽電池モジュール毎に発電電力を測定して送信する回路を設けることなく、太陽電池モジュール若しくは複数の太陽電池モジュールからなる太陽電池ストリングの故障を正確に検出することのできる故障検出装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の故障検出装置には、太陽電池ストリングを構成する複数の太陽電池モジュールに対し、それぞれ、太陽電池モジュールを太陽電池ストリングから切り離して、その太陽電池モジュールをバイパスするバイパス経路を形成する経路切換手段が設けられる。

そして、その経路切換手段を介して、複数の太陽電池モジュールの一つが太陽電池ストリングから切り離されると、電力変化検出手段が、その切り離し時に生じた太陽電池ストリングからの発電電力の出力変化を検出し、その検出結果を記憶媒体に記憶する。

そして、故障モジュール検出手段が、電力変化検出手段によって各太陽電池モジュールの切り離し毎に記憶された複数の検出結果の変化パターンに基づき、故障状態にある太陽電池モジュールを検出する。

従って、本発明の故障検出装置によれば、太陽電池モジュールの故障を検出するためには、各太陽電池モジュールに経路切換手段を設けるだけでよく、従来のように、太陽電池モジュール毎に、発電電力を測定する測定回路と、その測定結果を故障検出用の制御装置に定期送信する送信回路とを設ける必要がない。

このため、本発明の故障検出装置によれば、太陽電池モジュールの構成を簡単にして、その軽量化及び低コスト化を図ることができる。
また、本発明では、太陽電池モジュールの故障を検出するためには、経路切換手段を介して、複数の太陽電池モジュールの一つが太陽電池ストリングから切り離されたときに生じる、太陽電池ストリングからの発電電力の変化を検出すればよい。

このため、故障検出のために発電電力を測定する測定回路（つまり、電力変化検出手段）は、太陽電池ストリングに対し一つ設けるだけでよく、この点からも、装置構成を簡単にして、装置の低コスト化を図ることができる。

また、太陽電池モジュールの故障を検出する故障モジュール検出手段は、記憶媒体に記憶された太陽電池モジュール毎の検出結果の変化パターンに基づき、故障状態にある太陽電池モジュールを検出することから、太陽電池モジュールの故障を正確に検出することができる。

つまり、太陽電池モジュールの故障を検出する際、検出対象となる太陽電池モジュールの太陽電池ストリングからの切り離し時に生じた太陽電池ストリングからの発電電力の変化パターンだけを用いるようにすると、太陽電池モジュールへの太陽光の入射状態が変化したときに、太陽電池モジュールの故障を誤判定することが考えられる。

しかし、本発明では、故障モジュール検出手段において、記憶媒体に記憶された太陽電池モジュール毎の検出結果の変化パターンを比較・検討することで、太陽電池モジュールの故障を判定することができるため、太陽電池モジュールの故障を誤判定するのを防止できる。

ここで、経路切換手段による太陽電池モジュールの太陽電池ストリングからの切り離し、及び、太陽電池ストリングへの再接続は、使用者が、手動で行うようにしてもよい。
しかし、このようにすると、電力変化検出手段が太陽電池ストリングからの発電電力の出力変化を検出する際の検出タイミングを、使用者が経路切換手段を手動で切り換える際の切り換えタイミングと同期させる必要があり、使用者にとっては、使い勝手が悪くなる。

そこで、請求項２に記載のように、経路切換手段による太陽電池モジュールの太陽電池ストリングからの切り離し、及び、太陽電池ストリングへの再接続を、電力変化検出手段自身が、太陽電池モジュール毎に順次実施するように構成するとよい。

つまり、このようにすれば、電力変化検出手段自身の動作によって、電力変化検出手段が太陽電池ストリングからの発電電力の出力変化を検出する際の検出タイミングと、経路切換手段による経路の切り換えタイミングとを同期させることができ、延いては、太陽電池モジュールの故障検出精度を向上することができる。

次に、請求項３に記載の発明は、太陽電池ストリングを複数備え、その複数の太陽電池ストリングを並列接続することにより、各太陽電池ストリングからの発電電力を合成するよう構成された太陽光発電装置において、複数の太陽電池モジュールの中から故障状態にある太陽電池モジュールを検出する故障検出装置に関するものである。

そして、この故障検出装置においては、太陽電池ストリング毎に、接続切換手段が設けられており、各接続切換手段は、対応する太陽電池ストリングを、複数の太陽電池ストリングの並列回路から切り離すことができるように構成されている。

また、接続切換手段を介して、複数の太陽電池ストリングの一つが並列回路から切り離されたときには、電力変化検出手段が、並列回路からの発電電力の出力変化を検出し、その検出結果を記憶媒体に記憶する。

そして、故障ストリング検出手段が、電力変化検出手段により記憶媒体に記憶された、太陽電池ストリング毎の検出結果の変化パターンに基づき、故障状態にある太陽電池ストリングを検出する。

従って、本発明の故障検出装置によれば、故障の検出対象が異なるものの、請求項１と同様の効果を得ることができる。
つまり、本発明の故障検出装置によれば、太陽電池ストリングの故障を検出するに当たって、太陽電池ストリング毎に測定回路や送信回路を設ける必要がないため、太陽電池ストリングの構成を簡単にすることができる。

また、故障検出のために発電電力を測定する測定回路（つまり、電力変化検出手段）としては、太陽電池ストリングが並列接続された並列回路に対し一つ設けるだけでよいため、この点からも、装置構成を簡単にして、装置の低コスト化を図ることができる。

また、太陽電池ストリングの故障を検出する故障ストリング検出手段は、記憶媒体に記憶された太陽電池ストリング毎の検出結果の変化パターンに基づき、故障状態にある太陽電池ストリングを検出することから、太陽電池ストリングの故障を正確に検出することができる。

また次に、請求項４に記載の故障検出装置においては、電力変化検出手段が、複数の接続切換手段を予め設定された順序で順次駆動することで、太陽電池ストリングの並列回路からの切り離し、及び並列回路への再接続を、太陽電池ストリング毎に順次実施し、並列回路からの発電電力の出力変化を検出する。

従って、請求項４に記載の故障検出装置によれば、請求項２に記載の故障検出装置と同様の効果を得ることができる。
つまり、電力変化検出手段自身の動作によって、電力変化検出手段が並列回路からの発電電力の出力変化を検出する際の検出タイミングと、接続切換手段による太陽電池ストリングの並列回路への接続状態の切り換えタイミングとを同期させることができ、延いては、太陽電池ストリングの故障検出精度を向上することができる。

実施形態の太陽光発電装置の構成を表す構成図である。 実施形態の故障検出装置により実行される故障検出処理を表すフローチャートである。 図２のフローチャートに沿って検出若しくは生成される測定データ及び異常判定結果を表す説明図である。 太陽光発電装置の他の構成例を表す説明図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１に示すように、本実施形態の太陽光発電装置は、複数の太陽電池モジュール（以下、単にＰＶモジュールともいう）１１，１２，…，１ｎを直列接続することにより構成された太陽電池ストリング（以下、単にストリングという）３０を備える。

ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎは、それぞれ、所定個数の太陽電池セルを直列接続することにより構成されている。そして、各ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎには、それぞれ、ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎからの発電電力が低下し、隣接する他のＰＶモジュールからの印加電圧が所定の順方向電圧に達した際に、順方向に電流を流すことで、バイパス経路を形成するバイパスダイオード２１，２２，…，２ｎが並列接続されている。

また、ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎには、バイパスダイオード２１，２２，…，２ｎとは別に、強制バイパス回路４１，４２，…，４ｎが並列接続されている。
この強制バイパス回路４１，４２，…，４ｎは、並列接続されたＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎを、ストリング３０から切り離し、ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎをバイパスするバイパス経路を形成するためのものである。

つまり、強制バイパス回路４１，４２，…，４ｎには、それぞれ、ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎとストリング３０との接続を一時的に遮断するためのスイッチＳＷ１と、このスイッチＳＷ１にてＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎがストリング３０から切り離されたときに、他のＰＶモジュールからの発電電力による電流経路（つまり、バイパス経路）を形成するバイパスダイオードＢＤとが設けられている。

また、ストリング３０からの発電電力の出力経路は、パワーコンディショナ（以下、単にＰＣＳという）５０に接続されており、ストリング３０からの発電電力は、ＰＣＳ５０にて、例えばＤＣ／ＡＣ変換回路等を用いて電力変換され、商用系統などの電力系統へ出力される。

そして、本実施形態では、ストリング３０からＰＣＳ５０への発電電力の出力経路には、ストリング３０からの出力電圧及び電流を検出する電圧・電流検出回路５２が設けられている。

また、この電圧・電流検出回路５２により検出された電圧及び電流は、故障検出装置６０に出力される。この故障検出装置６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、データを書き換え可能な不揮発性メモリ等を中心とするマイクロコンピュータ（マイコン）にて構成されている。

この故障検出装置６０は、強制バイパス回路４１，４２，…，４ｎ内のスイッチＳＷ１を一時的にオフ状態に切り換えることで、ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎを順次ストリング３０から切り離し、そのとき生じるストリング３０からの発電電力の変化を、電圧・電流検出回路５２により検出される電圧及び電流の変化として検出し、その検出結果に基づき、故障状態にあるＰＶモジュールを検出するものである。

つまり、故障検出装置６０は、マイコンが実行する制御プログラムにより、図２に示す故障検出処理を定期的に実行し、故障状態にあるＰＶモジュールを検出する。
以下、この故障検出処理を、図２に示すフローチャートに沿って説明する。

図２に示すように、故障検出処理では、まずＳ１１０（Ｓはステップを表す）にて、ストリング３０からの切り離し対象となるＰＶモジュールを特定するためのカウンタＣに値１を初期設定し、続くＳ１２０にて、電圧・電流検出回路５２から、ストリング３０からの現在の出力電圧及び電流を読み込む。

そして、続くＳ１３０では、直列接続されたＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎの中から、カウンタＣの値で特定されるＣ番目のＰＶモジュールを、切り離し対象となるＰＶモジュール（以下、切り離しモジュールともいう）として選択し、その選択した切り離しモジュールに対応する強制バイパス回路内のスイッチＳＷ１をオフすることで、切り離しモジュールをストリング３０から切り離す。

また、このようにＳ１３０にて、切り離しモジュールをストリング３０から切り離すと、Ｓ１４０に移行して、電圧・電流検出回路５２から、ストリング３０からの現在の出力電圧及び電流を読み込む。

そして、続くＳ１５０では、Ｓ１４０にて読み込んだ電圧及び電流が、切り離しモジュールをストリング３０から切り離す前にＳ１２０で読み込んだ電圧及び電流に対し、どのように変化したかを判定し、その判定結果に基づき、電圧及び電流の変化パターンを特定する。

具体的には、例えば、図３（ｂ）に示すように、電圧及び電流が、前回読み込んだ値に対し、上昇しているか、低下しているか、変化していないかをそれぞれ判定し、その判定結果の組み合わせから、９種類の変化パターンａ〜ｉのいずれに該当するかを特定する。

また、Ｓ１５０では、このように特定した変化パターンを、今回の切り離しモジュールを特定する識別情報と共に、不揮発性メモリ（図示せず）に記憶する。
次に、Ｓ１６０では、Ｓ１３０にてオフしたＣ番目の強制バイパス回路内のスイッチＳＷ１をオンすることで、前回ストリング３０から切り離したＰＶモジュールを、ストリング３０に再接続する。

そして、続くＳ１７０では、カウンタＣの値が、ストリング３０を構成するＰＶモジュールの個数を表す値ｎ以上であるか否かを判断する。
このＳ１７０の処理は、カウンタＣの値に基づき、ストリング３０を構成している全てのＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎに対し、ストリング３０からの切り離し及び再接続を行い、切り離し時に生じた電圧及び電流の変化パターンを検出したかを判断する処理である。

そして、Ｓ１７０にて、カウンタＣの値は、値ｎ以上ではないと判断されると、Ｓ１８０にて、カウンタＣの値をインクリメント（＋１）した後、再度Ｓ１２０に移行し、Ｓ１７０にて、カウンタＣの値は、値ｎ以上であると判断されると、Ｓ１９０に移行する。

Ｓ１９０では、Ｓ１２０〜Ｓ１８０の処理で、切り離しモジュールを変更する度に検出した電圧及び電流の変化パターンを、不揮発性メモリから読み出し、各ＰＶモジュール間で比較することで、故障状態にあるＰＶモジュールを特定する。

つまり、例えば、図３（ａ）に示すように、１番目のＰＶモジュールから順にストリング３０から切り離した際に生じる電圧、電流の変化パターンは、連続するＰＶモジュール間では略同じ変化パターンになると考えられ、特定のＰＶモジュール（図では４番目）をストリング３０から切り離したときにだけ、電流及び電圧の変化パターンが異なる場合には、その特定のＰＶモジュール（図では４番目）は故障していると判断できる。

そこで、Ｓ１９０では、図３（ｃ）に示すように、各ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎをストリング３０から切り離した際に得られた電圧及び電流の変化パターンが、隣接するＰＶモジュールと大きく異なるものを抽出し、そのＰＶモジュール（図では４案目のモジュール）を、故障モジュールとして判定する。

このように、Ｓ１９０による故障モジュールの特定処理が実行されると、今度は、Ｓ２００に移行し、Ｓ１９０にて検出された故障モジュールが存在するか否かを判断する。そして、Ｓ２００にて、故障モジュールが存在すると判断されると、Ｓ２１０に移行し、その故障モジュールの検出結果を所定のセンタ装置に送信することで、太陽光発電装置の使用者若しくは管理者に通知し、当該故障検出処理を終了する。

また、Ｓ２００にて、故障モジュールは存在しないと判断されると、当該故障検出処理を終了する。
以上説明したように、本実施形態の故障検出装置６０においては、ストリング３０を構成する複数のＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎに対し設けられた強制バイパス回路４１，４２，…，４ｎを使って、各ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎを順にストリング３０から切り離し、バイパスダイオードＢＤによりバイパス経路を形成させる。

そして、その切り離し時に生じるストリング３０からの出力電圧及び電流の変化パターンを、各ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎ毎に検出し、隣接するＰＶモジュール間での変化パターンの差違等に基づき、故障状態にあるＰＶモジュールを検出する。

従って、本実施形態の故障検出装置６０によれば、ＰＶモジュールの故障を検出するためには、各ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎに、スイッチＳＷ１とバイパスダイオードＢＤとからなる強制バイパス回路４１，４２，…，４ｎを接続するだけでよく、従来のように、各ＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎに、発電電力（電圧及び電流）を測定する測定回路や、その測定結果を故障検出用の装置に送信する送信回路を設ける必要がない。

このため、本実施形態の太陽光発電装置によれば、装置構成を簡単にして、その軽量化及び低コスト化を図ることができる。
また、故障検出処理では、電圧・電流検出回路５２で検出されるストリング３０からの出力電圧及び電流に基づき、ＰＶモジュールの故障判定を行うのではなく、出力電圧及び電流の変化パターンを求め、各ＰＶモジュール間でその変化パターンを比較することで、故障状態にあるＰＶモジュールを特定することから、ＰＶモジュールの故障検出を精度よく実行できる。

なお、本実施形態においては、強制バイパス回路４１，４２，…，４ｎが、本発明の経路切換手段に相当し、電圧・電流検出回路５２及び故障検出装置６０が、本発明の電力変化検出手段及び故障モジュール検出手段に相当する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態では、強制バイパス回路４１，４２，…，４ｎを介して行うＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎのストリング３０からの切り離しは、故障検出装置６０が定期的に実施するものとして説明したが、この切り離しは、使用者が必要に応じて実施するようにしてもよい。

またこの場合、強制バイパス回路４１，４２，…，４ｎ内のスイッチＳＷ１の操作は、使用者が手動で実施するようにしてもよい。
一方、上記実施形態では、ストリング３０を構成するＰＶモジュール１１，１２，…，１ｎの故障を検出するものについて説明したが、図４に示すように、複数のＰＶモジュール１０からなるストリングを複数備えた太陽光発電装置の場合には、各ストリング３１，３２，３３，３４の故障検出を行うようにしてもよい。

このためには、各ストリング３１〜３４毎に、他のストリングと並列接続して、ＰＣＳ５０に発電電力を出力するか否かを切り換えるスイッチＳＷ２を設け、電圧・電流検出回路５２にて、スイッチＳＷ２を介してＰＣＳ５０に接続される複数のストリングからＰＣＳ５０に出力される発電電力（詳しくは電圧及び電流）を検出するように構成する。

そして、故障検出装置６０では、上記実施形態と同様、複数のスイッチＳＷ２の一つを順次にオフすることで、電圧・電流検出回路５２で検出される電圧及び電流の変化パターンを検出し、その変化パターンから、故障状態にあるストリングを検出するようにすればよい。

つまり、このようにすれば、各ストリング３１〜３４に発電電力測定用の測定回路を設けることなく、故障状態にあるストリングを精度よく検出することができるようになる。
なお、図４において、スイッチＳＷ２は、本発明（請求項３）の接続切換手段に相当し、電圧・電流検出回路５２及び故障検出装置６０は、本発明（請求項３）の電力変化検出手段及び故障ストリング検出手段に相当する。

１０，１１，１２，１ｎ…ＰＶモジュール、２１，２２，２ｎ…バイパスダイオード、３０，３１，３２，３３，３４…ストリング、４１，４２，４ｎ…強制バイパス回路、ＳＷ１…スイッチ、ＢＤ…バイパスダイオード、５２…電圧・電流検出回路、６０…故障検出装置、ＳＷ２…スイッチ。

Claims (4)

1. 複数の太陽電池モジュールを直列接続してなる太陽電池ストリングを備えた太陽光発電装置に設けられ、前記複数の太陽電池モジュールの中から故障状態にある太陽電池モジュールを検出する故障検出装置であって、
   前記複数の太陽電池モジュールにそれぞれ設けられ、前記太陽電池モジュールを前記太陽電池ストリングから切り離して、当該太陽電池モジュールをバイパスするバイパス経路を形成する複数の経路切換手段と、
   前記経路切換手段を介して前記複数の太陽電池モジュールの一つが前記太陽電池ストリングから切り離されたときに生じる、前記太陽電池ストリングからの発電電力の出力変化を検出し、該検出結果を記憶媒体に記憶する電力変化検出手段と、
   前記電力変化検出手段にて、前記各太陽電池モジュールの切り離し毎に記憶された複数の検出結果の変化パターンに基づき、故障状態にある太陽電池モジュールを検出する、故障モジュール検出手段と、
   を備えたことを特徴とする太陽光発電装置の故障検出装置。
2. 前記電力変化検出手段は、前記複数の経路切換手段を予め設定された順序で順次駆動することで、前記各太陽電池モジュールの前記太陽電池ストリングからの切り離し及び前記太陽電池ストリングへの再接続を順次実施することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電装置の故障検出装置。
3. 複数の太陽電池モジュールを直列接続してなる太陽電池ストリングを複数備え、該複数の太陽電池ストリングを並列接続することにより、各太陽電池ストリングからの発電電力を合成するよう構成された太陽光発電装置に設けられ、前記複数の太陽電池モジュールの中から故障状態にある太陽電池モジュールを検出する故障検出装置であって、
   前記複数の太陽電池ストリングにそれぞれ設けられ、前記各太陽電池ストリングを、それぞれ、前記複数の太陽電池ストリングの並列回路から切り離す複数の接続切換手段と、
   前記接続切換手段を介して前記複数の太陽電池ストリングの一つが前記並列回路から切り離されたときに生じる、前記並列回路からの発電電力の出力変化を検出し、該検出結果を記憶媒体に記憶する電力変化検出手段と、
   前記電力変化検出手段にて、前記各太陽電池ストリングの切り離し毎に記憶された複数の検出結果の変化パターンに基づき、故障状態にある太陽電池ストリングを検出する、故障ストリング検出手段と、
   を備えたことを特徴とする太陽光発電装置の故障検出装置。
4. 前記電力変化検出手段は、前記複数の接続切換手段を予め設定された順序で順次駆動することで、前記各太陽電池ストリングの前記並列回路からの切り離し及び前記並列回路への再接続を順次することを特徴とする請求項３に記載の太陽光発電装置の故障検出装置。

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